專利名稱：用于在轎車和載重汽車中感測溫度的無源耐高溫電阻元件的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于在轎車和載重汽車中感測溫度的無源耐高溫電阻元件。此外，本發明還涉及一種由這種電阻元件與一個功能元件組成的組合元件，以用于內燃機的燃燒室中。
技術水平在1400℃以下使用范圍內使用的用于感測溫度的耐熱材料在機械性方面是不穩定的，因此，一般不能夠作為自支承的溫度傳感器元件使用，它們通常裝在保護管里，或者裝在襯底上或襯底之間。在這里，大多數采用陶瓷襯底。已知的、適合于廢氣的溫度傳感器是通常由Pt/PtRh或Ni/CrNi的貴金屬絲制成的熱電偶，其接線腿相互絕緣地放在陶瓷管里，其接觸點通過一個金屬外殼或者陶瓷外殼被保護，或者通過焊入熾熱頭引火塞的金屬外殼里受到保護。此外，還知道作為厚層疊式熱電偶或者薄層疊式熱電偶構成的溫度傳感器，在這種溫度傳感器中，對溫度敏感的功能層被蒸發或者燒結到襯底上面或者襯底之間。這通過相應的底材決定熱電偶的確定的惰性。
此外，在內燃機燃燒室的燃燒過程中感測溫度是十分重要的。為了通入燃燒室，特別是在現代四門直噴發動機中，經常沒有可能為溫度傳感器設置一個附加的開口。
此外，待感測的溫度或者從-40至1400℃的溫度間隔以及熱氣體形式的腐蝕性氣氛對溫度傳感器提出了極高的要求。
本發明的任務本發明的任務在于，提供一種在達到1400℃的極高溫度下耐熱的、機械性穩定的、自支承的電阻接收器，它可以實現在排氣管路中感測廢氣溫度，或者在-40至1400℃的使用范圍內感測轎車和載重汽車發動機的燃燒室溫度。在后一種情況下，應通過燃燒室中現有的開口之一實現溫度感測。
按照本發明，這個任務通過一個用于感測溫度的無源耐高溫電阻元件來解決，其特征是，具有一個基本上內置的絕緣層和兩個由陶瓷復合組織構成的外置的導體層，其中，導體層在電阻元件的尖端上相互連接，陶瓷復合組織包含四氮化三硅、一種金屬硅化物和氧化釔，或者包含四氮化三硅、一種金屬硅化物和一種由SixOyCzNw構成的基體相，其中，x表示1-2，y表示0-2，z表示0-2并且w表示0-2。
在本發明的一個優選實施形式中，內置的絕緣層也具有陶瓷復合組織。
在這里，因為絕緣的和可導電的部分的組成按照優選方式只有很小的差別，所以按照有利的方式可以實現共燒結或者合成材料的共熱解。關于燒54結參閱EP0412428A1和DE19538695A1。
在一個簡化的變型方案中，可以采用一個用于絕緣的空隙代替用合成材料制成的內置絕緣層。
本發明電阻元件的陶瓷復合組織優選包含30-70質量％Si3N4，25-65質量％MSi2，在這里，M是Mo、Nb、W或Ti，還包含0-5質量％Al2O3和2-9質量％Y2O3。
同樣可能的是，在陶瓷復合組織中由SixOyCzNw構成的基體相是一種或多種硅有機化合物的熱解產物。合適的化合物是聚硅氧烷、如于爾斯(Huels)公司的NH2100，和聚硅氮烷(Polysilazan)、如日本日棉公司的NCP200。
在四氮化三硅基礎上加一種金屬硅化物MSi2填充劑組成的合成材料是熱穩定和機械性穩定的，并且由于混合了一定比例的適當填充劑成份而具有可根據混合比例調節的、具有正溫度系數的電阻。如在EP0412428A1和DE19538695A1中指出的那樣，這種組合特性允許例如制成快速加熱的熾熱頭。
在本發明的一個優選實施形式中，電阻元件的尖端是縮小的。通過尖端上的導電區域的縮小可以調節傳感器的電阻。縮小區域的長度還決定測量溫度的地點。可導電合成材料在尖端中的電阻可以通過改變混合情況相對于引線中的材料改變多個數量級，不會通過此對熱性能/機械性能產生值得一提的負面影響，所述引線在這里被理解為電阻元件的主體。這特別是在一端固定的結構的情況下具有重要意義。
由于合成材料的高的機械強度，可以構成一種自支承的電阻元件，該電阻元件可以自支承地或者與陶瓷熾熱頭引火塞相似安置在一個合適的殼體中直接裝入轎車或者載重汽車的排氣管路中。將熱敏材料直接并且可能不帶保護罩地無支架地裝入待測量的區域中，保證了傳感器上快速的電阻變化，從而以有利的方式保證了最大程度上的無惰性溫度測量。
由于基體材料以及所使用的填充化合物都具有良好的氧化穩定性，這些材料在1400℃以下在氧化和還原氣氛中都是穩定的。
因為這些材料在-40至1400℃范圍內具有隨著溫度升高幾乎直線上升的電阻，所以可以在整個范圍內實現溫度測量。
作為用于在轎車和載重汽車的排氣管路中進行溫度感測的本發明耐高溫電阻元件的使用示例，可以列舉在稀薄混合氣運行發動機(Magerkonzeptmotoren)、例如汽油直噴發動機中在起動催化器和主轉化器之間的廢氣溫度感測。由于合成陶瓷的高的機械強度，可以實現位置需求特別小的自支承結構，這使得可以按照有利的方式使溫度傳感器特別靈活地被安置在廢氣中的一個合適的位置上。除了在催化器前面和后面的位置之外，為了特別的檢測目的，也可以直接安裝在催化器的內部。
在一個特別有利的實施形式中，按照本發明的電阻元件與一個伸入到內燃機燃燒室內的功能元件組合。該功能元件可以是一個起動輔助裝置、一個噴油嘴或者一個閥。該起動輔助裝置可以是一個熾熱頭引火塞。
采用這種方式可以實現，通過轎車或者載重汽車發動機燃燒室的現有開口中的一個實現溫度感測。
一個用上述材料構造成的、與一個功能元件組合的電阻元件，一方面例如用作被施加電壓的快速加熱的熾熱頭引火塞，另一方面，不僅在積極的通電過程中、就是說在加熱或者灼熱階段中，而且在消極的、也就是無電流的靜止階段中，根據溫度變化的電阻可以被作為測量信號來分析，用于感測溫度。合成材料的高的機械強度使得可以構成自支承的組合元件，它可以一端固定地安置在一個合適的殼體里，代替傳統的熾熱頭引火塞直接裝入轎車和載重汽車發動機的燃燒室內。將熱敏材料直接并且不帶保護罩地裝入待測量的區域中，在此以有利的方式保證了傳感器上快速的電阻變化，并從而保證了最大程度地無惰性的溫度感測。傳感器元件的靈敏度可以通過引線電阻和傳感器尖端電阻的比例進行調節。
作為新式組合元件的應用示例，可以列舉在柴油噴射發動機中的燃燒室溫度感測。特別的優點在于，通過將溫度傳感器和灼熱功能集成在一起，不必有另外的位置需求。燃燒室溫度可以作為燃燒過程的量度被引用。
附1以示意性剖面圖示出用于在轎車或者載重汽車排氣管路中感測溫度的無源耐高溫電阻元件，圖2以示意性剖面圖示出在轎車或者載重汽車發動機燃燒室中的無源耐高溫組合元件，
圖3和圖4分別以不同的實施形式示出本發明無源耐高溫電阻元件。
在
圖1中，一個用合成陶瓷制成的自支承PTC(正溫度系數)溫度傳感器4伸入到一個包含催化器的排氣管路6中。廢氣流7的方向用一個箭頭標明。在加厚的一端，溫度傳感器4被嵌入一個具有螺紋的殼體2中。在這里，實現與控制器或者測量和計算分析電路的觸點接通。在接收器上測得的與溫度有關的電阻可以借助一個電阻測量儀或者一個帶有補償電路1、具有標準Pt-100或Pt-200元件特性的插頭來平衡。
在圖2中，由熾熱頭和溫度傳感器組成的組合元件3伸入發動機的燃燒室5中。
在圖3和圖4中，可導電的合成材料8具有一個PTC阻抗R1。在圖3中，絕緣的合成材料9具有一個電阻R2，其中，R2≥108·R1。這種絕緣的合成材料9也可以用一個具有電阻R2的空隙10(圖4)來代替。
具有PTC阻抗R3的可導電合成材料構成本發明電阻元件的尖端11，在這里，R3≥102·R1。通過在尖端11上的可導電區域的縮小可以調節組合元件的電阻。縮小的區域的長度不僅在作熾熱頭用時決定在通電期間的加熱區域位置，而且在作溫度傳感器用時決定測量溫度的地點。
權利要求
1.用于感測溫度的無源、耐高溫電阻元件，其特征是，它具有一個基本上內置的絕緣層(9；10)和兩個由一種陶瓷復合組織構成的外置的導體層(8)，其中，導體層在電阻元件的尖端(11)上相互連接，陶瓷復合組織包含四氮化三硅、一種金屬硅化物和氧化釔，或者包含四氮化三硅、一種金屬硅化物和一種由SixOyCzNw構成的基體相，其中，x表示1-2，y表示0-2，z表示0-2并且w表示0-2。
2.按照權利要求1所述的電阻元件，其特征是，內置的絕緣層(9)也具有一種陶瓷復合組織。
3.按照權利要求1或2所述的電阻元件，其特征是，該陶瓷復合組織包含30-70質量％Si3N4，25-65質量％MSi2，其中，M是Mo、Nb、W或者Ti，還包含0-5質量％A12O3和2-9質量％的Y2O3。
4.按照權利要求1或2所述的電阻元件，其特征是，在陶瓷復合組織中由SixOyCzNw構成的基體相是一種或多種硅有機化合物的熱解產物。
5.按照權利要求4所述的電阻元件，其特征是，所述硅有機化合物是聚硅氧烷或者聚硅氮烷。
6.按照權利要求1，3至5之一所述的電阻元件，其特征是，內置的絕緣層(10)是一個空隙。
7.按照前述權利要求之一所述的電阻元件，其特征是，其尖端(11)是縮小的。
8.按照前述權利要求之一所述的電阻元件，其特征是，它裝在一個殼體里。
9.按照權利要求1至7之一所述的電阻元件，其特征是，它與一個伸入到內燃機的燃燒室(5)內的功能元件組合。
10.按照權利要求9所述的電阻元件，其特征是，所述功能元件是一個起動輔助裝置，一個噴油嘴或者一個閥。
11.按照權利要求10所述的電阻元件，其特征是，所述起動輔助裝置是一個熾熱頭引火塞。
12.按照權利要求1至8之一所述的電阻元件使用于轎車或者載重汽車的排氣管路(6)中。
全文摘要
提出一種用于感測溫度的無源耐高溫電阻元件,其中,它具有一個基本上內置的絕緣層(9;10)和兩個由一種陶瓷復合組織組成的外置的導體層(8),其中,導體層在電阻元件的尖端(11)上相互連接,陶瓷復合組織包含四氮化三硅、一種金屬硅化物和氧化釔,或者包含四氮化三硅、一種金屬硅化物和一種由SixOyCzNw構成的基體相,其中,x表示1－2,y表示0－2,z表示0－2并且w表示0－2。此外,還提出一種由該電阻元件和例如一個熾熱頭引火塞組成的組合元件(3)。
文檔編號C04B37/00GK1358160SQ01800119
公開日2002年7月10日 申請日期2001年1月18日 優先權日2000年1月25日
發明者阿爾布雷希特·蓋斯英格, 格特·林德曼, 延斯·斯特凡·施奈德, 沃爾夫岡·德雷斯勒, 弗里德里克·林德納, 烏爾里希·艾澤勒, 弗蘭克·施坦格爾邁爾, 福爾克爾·羅特哈克, 克里斯托夫·克恩, 托馬斯·莫澤 申請人:羅伯特·博施有限公司