JP3699652B2

JP3699652B2 - プラチナ温度センサおよびその製造方法

Info

Publication number: JP3699652B2
Application number: JP2000593928A
Authority: JP
Inventors: ハインリッヒジッツマン
Original assignee: ゼンゾテルムテンペラツアゼンゾリックゲー・エム・ベー・ハー
Priority date: 1999-01-14
Filing date: 2000-01-12
Publication date: 2005-09-28
Anticipated expiration: 2020-01-12
Also published as: DE19901184C1; US20060132281A1; EP1271117B1; US7233226B2; US6653926B1; JP2002535609A; EP1151258B1; DE50003441D1; WO2000042402A1; AU2108100A; ATE248357T1; EP1271117A1; EP1151258A1; US20040070487A1

Description

【０００１】
本発明は、プラチナ温度センサおよびその製造方法に関し、特にセラミック基板上に温度検出のために用いられるプラチナ薄膜抵抗体が設けられたプラチナ温度センサに関する。
【０００２】
図３は公知のプラチナ温度センサを示す。このプラチナ温度センサにおいては、プラチナ薄膜抵抗体２が、通常は酸化アルミニウムまたはアルミナ(Al₂O₃) からなるセラミック基板４の上に設けられている。プラチナ薄膜抵抗体２が形成されている領域内には、セラミック基板４の表面上に保護グレーズ（protective glaze) ６が設けられている。このプラチナ層、即ち通常はプラチナ薄膜抵抗体２が曲折状に形成されているプラチナ層は、さらに接続部８を持つようにパターン化されている。この接続部８には、センサの信号を受け取るためのリード線１０が電気的に導通接続されている。また、リード線１０を固定するため、グレーズ（glaze)１２が設けられている。
【０００３】
図３に示された薄膜形成技術を用いて製造されたプラチナ温度センサの使用範囲は、通常６００℃までに限定されている。しかしながら、近年では１，０００℃を越えるような高い作動温度においても使用可能なセンサに対する需要が高まってきた。そこで、そのような高温領域における使用に適したプラチナ温度センサを提供するために、様々な努力がなされてきた。保護グレーズ６の合成成分を意図的に選択することにより、いくつかの使用分野においては満足のいく解決策を見つけることが既に可能となった。しかし一方、非常に特殊な使用分野、たとえば自動車技術の分野における特別な使用の場合においては、それらの解決策は全ての必要条件を満足させることはできない。たとえば、前述のタイプの温度センサは、特にそのセンサに所定の測定電流たとえば５ｍＡの測定電流が印加されている時は、８００℃〜１，０００℃のような高温範囲においては、長期的な安定性が保証できない。なぜなら、このような高温では、必要とされる測定電流によって、その温度センサに用いられた保護グレーズが電気化学的に分解してしまう恐れがあるからである。その結果、材料のマイグレーション（migration)がプラチナの特性に対して悪影響を生じさせ、センサの安定性と測定の正確性とが損なわれる結果となる。
【０００４】
保護グレーズの合成成分を意図的に選択することにより、ある程度までの改善は達成されてきた。しかしながら、１, ０００℃またはそれ以上の範囲の温度の中で継続的な負荷を受けた場合でも、測定電流による電気化学的な分解に耐えうるような保護グレーズを見つけ出すことは不可能であった。
【０００５】
M. Neuhauser et al.による"Fugen von Technischen Keramiken mit Keramik-Grunfolien"(sfi/Ber. DKG 72 (1995) Nr.1-2)という論文の中で、工業用セラミックスを接合させる方法が開示されているが、その中では、２つのセラミック層を連結するためにセラミックグリーン層が用いられている。この接合方法における必要前提条件とは、セラミックグリーン層の焼結温度(sintering temperature)が、接合されるべきセラミックの焼結温度よりも低いことである。
【０００６】
セラミック基板に設けられ、かつグレーズによって内部に閉じ込められたプラチナ抵抗体層を備えた温度センサは、ＤＥ７６２９７２７Ｕ１により開示されている。
【０００７】
ＤＥ３７３３１９２Ｃ１にはＰＴＣ温度センサが開示されている。ここでは、プラチナ厚膜技術により形成されたプラチナ抵抗体が、２つのセラミックグリーン層と一つの層間結合層(interlaminar binder layer) との間に配置され、その後、その２つの層は圧力と加熱とによって一体に積層され、その後焼結(sintered)される。
【０００８】
ＤＥ４４４５２４３Ａ１には温度センサが開示されている。ここでは、一つの均質な部品（a uniform piece)を得るために、加工されていない３つのセラミック基板が一緒に積層され、加圧され、１，６００℃で焼成(fired) される。積層される前に、プラチナ抵抗体がセラミック基板の内の２つの基板の間に配置される。
【０００９】
本発明の目的は、高温領域で継続的な負荷がかかった場合でも、信頼性の高い測定結果を得ることができるプラチナ温度センサおよびその製造方法を提供することである。
【００１０】
この目的は、請求項１および５に記載のプラチナ温度センサと、請求項１０に記載の方法とにより、達成することができる。
【００１１】
本発明は、セラミック材料、特に酸化アルミニウムまたはアルミナ (Al₂O₃)が、上述のような電流によって引き起こされる分解作用に対し、その影響を受けにくい特性を持つという理解に基づくものである。そのため、この材料は薄膜プラチナ温度センサの中ではプラチナ膜に対する基板材料としても用いられているが、さらにそのプラチナ膜層を内部に閉じ込めるための保護材料としても有効に用いることができる。その結果、この保護カバーがセラミック材料から形成された時でも、プラチナ温度センサにおける上述の電気化学的な分解やそれによる特性の劣化を防止することができる。
【００１２】
本発明は、焼成されたセラミック基板（fired ceramic substrate)の上にプラチナ薄膜抵抗体が設けられたプラチナ温度センサを提供する。焼成されたセラミックカバー層(fired ceramic cover layer) と上記セラミック基板とは、セラミックグリーン層に対し圧力と温度の処理を施すことで形成された連結層により、上記プラチナ薄膜抵抗体が外部環境に対して封止状態で閉じ込められるように連結される。
【００１３】
そのため、一方では、本発明に係るプラチナ温度センサの構造化されたプラチナ膜は、外部からの機械的および化学的な影響に対して十分に保護されている。また他方では、本発明に係るプラチナ温度センサは、例えば１，０００℃あるいはそれ以上の高温領域において継続的に負荷が掛かる場合でも、信頼性の高い測定結果を提供する。なぜなら、上述のように不都合な分解現象は、本発明に係るプラチナ温度センサの場合では起こらないからである。
【００１４】
本発明に係るプラチナ温度センサを製造する方法においては、その上にプラチナ薄膜抵抗体を設けた焼成セラミック基板の主面上に連結層が設けられる。次に、上記プラチナ薄膜抵抗体が外部環境に対して封止状態で閉じ込められるように、焼成セラミックカバー層が上記連結層の上に設けられる。本発明に係る方法では、上記セラミックカバー層を上記セラミック基板に連結するために加圧下で熱処理されるセラミックグリーン層が、連結層として使用される。
【００１５】
本発明に係るプラチナ温度センサでは、連結層はセラミック基板に対し、プラチナ薄膜抵抗体が設けられた部分の全体を覆うように配置されてもよいし、あるいはこれに代えて、プラチナ薄膜抵抗体の周囲が連結層で囲まれるように、プラチナ薄膜抵抗体が設けられた部分を枠状に覆うように配置されてもよい。もし連結層が枠状に配置された場合には、結果として製造される積層体の側縁部に対し、例えばガラスなどから形成される封止層を設けるのが望ましい。また、このような封止層は、連結層が全体を覆うように配置された場合にも設けられてもよい。
【００１６】
以下に、本発明の望ましい実施例を、添付された図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１７】
図１は本発明に係るプラチナ温度センサの第１実施例の断面図であり、
図２は本発明に係るプラチナ温度センサの第２実施例のセラミックカバー層を除いた平面図であり、
図３は公知のプラチナ温度センサの断面図である。
【００１８】
まず、図１を参照しながら、本発明に係るプラチナ温度センサの第１実施例を詳細に説明する。このプラチナ温度センサは、望ましくはアルミナからなるセラミック基板４を備え、この基板の上にプラチナ抵抗体路２および接続領域８を形成するように構造化されたプラチナ層が設けられる。リード線１０は、この接続領域８に電気的に導通するように接続される。上記セラミック基板４の上にはプラチナ抵抗体路２が配置されているが、このセラミック基板４の表面上に、本実施例ではアルミナからなるセラミックカバー層１６がアルミナからなる連結層１４を介して設けられる。さらに図１においては、リード線を固定する働きをするガラスセラミック１８が図示されている。
【００１９】
カバー層１６の材料は、セラミック基板４に用いられる材料と同一のものを用いるのが望ましい。しかし、よく似た材料を用いることも可能である。カバー層１６の厚みは、このカバー層の厚みが周囲の悪影響に対する十分な保護効果を得る限りにおいて、セラミック基板４の厚みと同一か、あるいはそれより例えば１０〜２０％程度薄い厚みを持つことができる。上記プラチナ膜の外部雰囲気に対する保護効果は、厚みのあるカバー層１６によって達成されるので、上記連結層１４の厚みは薄くても良い。
【００２０】
本発明に係るプラチナ温度センサを製造するために、望ましくはアルミナ基板である上記焼成セラミック基板４が、その上にプラチナ抵抗体路２を配置した状態で供給される。次に、例えば０．１〜０．２ｍｍの厚みを持つ非常に薄いセラミックグリーン連結層１４が、少なくともプラチナ抵抗体路２の領域内に供給される。この連結層１４は、望ましくはアルミナグリーン層である。次に、望ましくはアルミナ層である焼成カバー層１６が、上記グリーン層の上に配置される。その後、この全体的な積層体は、例えば別のセラミック板等により生み出される追加的な外部圧力をかけた状態で、非常に高い温度で焼成される。この焼成工程により、上記２つのセラミック板、すなわちセラミック基板４とカバー層１６とは、連結層１４を介して固く結合される。これにより、上記プラチナ薄膜抵抗体２は外部雰囲気に対して密に閉鎖される。
【００２１】
上述のように、本発明は、高温領域内においても周囲からの異物の浸透に対してプラチナ薄膜抵抗体を確実に保護することができるプラチナ温度センサであって、かつその温度センサを作動させるために必要な測定電流による化学的分解の影響を考慮に入れなくても良い温度センサを提供する。
【００２２】
グレーズを保護層として用いる時になされるように、例えばスクリーン印刷法によりセラミックカバー層を直接的にセラミック基板上に設けることは不可能である。もしアルミナがカバー層として用いられたならば、このような工程は適用することができない。なぜなら、アルミナの融解点は非常に高く、プラチナの融解点を上回り、さらにキャリア基板であるセラミック基板をも融解してしまう恐れがあるからである。たとえカバー層全体がグリーン層として設けられた場合であっても、このカバー層がある程度の収縮を起こすので次の様な問題が生じる。なお、この場合グリーン層とは焼成工程で揮発するようなバインダーを含むセラミックを意味する。カバー層の収縮で生じるクラックにより、カバー層は必要とされる不浸透性を持つことができなくなる恐れがある。この収縮は、層厚が厚くなればなる程、より顕著に現れる。しかし他方では、上述のような８００℃〜１，０００℃またはそれ以上の高温において周囲の悪影響に対して十分な保護効果を達成するためには、このカバー層は０．３〜０．５ｍｍの範囲内におけるある程度の厚みが必要である。
【００２３】
図２は、本発明に係るプラチナ温度センサの他の実施例の平面図を示す。図２には、図１と同様に、キャリアとしての働きをするセラミック基板４と、この基板上にプラチナ薄膜抵抗体２と接続領域８とを構成するように構造化されたプラチナ層とが示されている。さらに、２本のリード線１０は、それぞれ接続部８に個別に接続された状態で示されている。しかしながら、図２に示された実施例において連結層２０は、セラミック基板４上のプラチナ薄膜抵抗体２の領域全体を覆うように設けられているのではなく、プラチナ薄膜抵抗体２の周囲を取り囲む領域だけを覆うように枠状に設けられている。つまり、この実施例では、プラチナ薄膜抵抗体は連結層により覆われているわけではない。プラチナ薄膜抵抗体２を取り囲むこの連結層２０により、カバー層（図２には図示せず）はセラミック基板４と連結され、その結果、プラチナ薄膜抵抗体２は外部に対して封止状態で閉じ込められる。この実施例では、積層構造により形成された垂直な外周面に対し、例えばガラス等でできた追加的な封止層(sealing layer) を設けるのが望ましい。
【００２４】
図２に示された実施例においてもまた、アルミナ層を連結層２０として用いても良いし、アルミナ層の代わりに、封止結合すなわちキャリア基板とカバー層との接合のために保護グレーズを連結層として用いても良い。たとえ保護グレーズを連結層２０として用いた場合でも、電流が流れるプラチナ抵抗体路２はこのグレーズ層２０とは接触しない。そのため、この場合でも、上述のような分解現象は起こらない。グレーズを連結層２０として用いることは製造上の利点をもたらすことができ、さらに融解温度が１，３００℃を越えるような高融点グレーズが用いられた場合には、そのプラチナ温度センサは１，０００℃までの使用に耐えることができる。
【００２５】
本発明に沿って記載された、図１における連結層１４および図２における連結層２０に代えて、スクリーン印刷法により塗布されるセラミックペーストを用いても良い。この場合、構造化されたプラチナ膜に覆われた構造化されたセラミック基板の上に、セラミックペーストがスクリーン印刷により塗布され、このセラミックペーストが予乾燥された後に上記セラミックカバープレートにより覆われる。その後、加圧した状態で、セラミック基板とセラミックカバー層とを連結するために、焼成工程が実行される。このセラミックペーストは、例えばアルミナ,酸化マグネシウム(MgO),二酸化珪素(SiO₂)等、複数のセラミックパウダーと石英パウダー(quartz powders)とのペースト化された混合物によって構成することができる。
【００２６】
このように、本発明によれば、高温領域において継続的に負荷が掛かった場合でも、一方では外部からの影響に対してプラチナ膜抵抗体を確実に保護し、他方では、測定精度の劣化を防止できるプラチナ温度センサを提供するものである。
【００２７】
本発明に係るプラチナ温度センサは、一枚のセラミックウエハから複数のプラチナ温度センサを製造できるように、リード線を取り付けてそれらを固定する作業を除き、望ましくはウエハ工程により製造できる。個々のプラチナ温度センサをダイシングした後、上記の封止層をそれぞれの垂直な切断縁に対して設けてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るプラチナ温度センサの第１実施例の断面図である。
【図２】本発明に係るプラチナ温度センサの第２実施例のセラミックカバー層を除いた平面図である。
【図３】公知のプラチナ温度センサの断面図である。
【符号の説明】
２プラチナ薄膜抵抗体
４セラミック基板
１４，２０連結層
１６セラミックカバー層

Claims

焼成セラミック基板（４）と、
上記セラミック基板（４）上に設けられたプラチナ薄膜抵抗体（２）と、
焼成セラミックカバー層（１６）と、
上記プラチナ薄膜抵抗体（２）が外部環境に対して封止状態で閉じ込められるように上記セラミックカバー層（１６）と上記セラミック基板（４）とを連結する連結層（１４，２０）と、を含み、
上記連結層（１４，２０）は、上記焼成セラミックカバー層（１６）と上記焼成セラミック基板（４）との間にセラミックグリーン層を配置し、かつこのセラミックグリーン層を加圧下で熱処理することによって形成されたものであることを特徴とするプラチナ温度センサ。
請求項１に記載のプラチナ温度センサにおいて、
上記連結層（１４）は、上記セラミック基板（４）と上記プラチナ薄膜抵抗体（２）との上に連続面として形成されることを特徴とするプラチナ温度センサ。
請求項１に記載のプラチナ温度センサにおいて、
上記連結層（２０）は、上記セラミック基板（４）上で、上記プラチナ薄膜抵抗体（２）の周囲を取り囲む領域に枠状に設けられることを特徴とするプラチナ温度センサ。
請求項１乃至３のいずれかに記載のプラチナ温度センサにおいて、
上記連結層（１４，２０）はアルミナグリーン層から形成されることを特徴とするプラチナ温度センサ。
焼成セラミック基板（４）と、
上記セラミック基板（４）上に設けられたプラチナ薄膜抵抗体（２）と、
焼成セラミックカバー層（１６）と、
上記プラチナ薄膜抵抗体（２）が外部環境に対して封止状態で閉じ込められるように上記セラミックカバー層（１６）と上記セラミック基板（４）とを連結する連結層（１４，２０）と、を含み、
上記連結層（１４，２０）は、上記焼成セラミック基板（４）上の上記プラチナ薄膜抵抗体（２）の周囲を取り囲む領域に枠状にグレーズを配置し、かつこのグレーズの上に上記焼成セラミックカバー層（１６）を配置し、上記グレーズを加圧下で熱処理することにより形成されたものであることを特徴とするプラチナ温度センサ。
請求項１乃至５のいずれかに記載のプラチナ温度センサにおいて、
上記セラミック基板（４）はアルミナからなることを特徴とするプラチナ温度センサ。
請求項１乃至６のいずれかに記載のプラチナ温度センサにおいて、
上記セラミックカバー層（１６）はアルミナからなることを特徴とするプラチナ温度センサ。
請求項１乃至７のいずれかに記載のプラチナ温度センサにおいて、
上記セラミック基板（４），上記連結層（１４，２０）および上記セラミックカバー層（１６）からなる積層体の外周面に対して、封止層が設けられることを特徴とするプラチナ温度センサ。
請求項８に記載のプラチナ温度センサにおいて、
上記封止層はガラスからなることを特徴とするプラチナ温度センサ。
プラチナ温度センサを製造する方法において、
ａ）主面上にプラチナ薄膜抵抗体（２）を設けた焼成セラミック基板（４）を準備する工程と、
ｂ）上記セラミック基板（４）の上記主面上にセラミックグリーン層からなる連結層（１４，２０）を配置する工程と、
ｃ）上記連結層（１４，２０）の上に焼成セラミックカバー層（１６）を配置し、上記セラミックグリーン層に対して加圧下で熱処理することにより上記セラミック基板（４）と上記セラミックカバー層（１６）とを連結し、上記プラチナ薄膜抵抗体（２）を外部環境に対して封止状態で閉じ込める工程と、を含む方法。
請求項１０に記載の方法において、
工程ｂ）における上記連結層（１４）は連続面として設けられることを特徴とする方法。
請求項１０に記載の方法において、
工程ｂ）における上記連結層（２０）は、上記セラミック基板（４）の上記プラチナ薄膜抵抗体（２）の周囲を取り囲む領域に枠状に設けられることを特徴とする方法。
プラチナ温度センサを製造する方法において、
ａ）主面上にプラチナ薄膜抵抗体（２）を設けた焼成セラミック基板（４）を準備する工程と、
ｂ）上記セラミック基板（４）の上記主面上であって、上記プラチナ薄膜抵抗体（２）の周囲を取り囲む領域に、グレーズからなる連結層（１４，２０）を枠状に配置する工程と、
ｃ）上記連結層（１４，２０）の上に焼成セラミックカバー層（１６）を配置し、上記グレーズに対して加圧下で熱処理することにより上記セラミック基板（４）と上記セラミックカバー層（１６）とを連結し、上記プラチナ薄膜抵抗体（２）を外部環境に対して封止状態で閉じ込める工程と、を含む方法。
請求項１０乃至１３のいずれかに記載の方法において、
上記セラミック基板（４），上記連結層（１４，２０）および上記セラミックカバー層（１６）からなる積層体の外周面に対して、封止層が設けられることを特徴とする方法。