JP7354259B2

JP7354259B2 - サーミスタ及びサーミスタの製造方法

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Publication number: JP7354259B2
Application number: JP2021539868A
Authority: JP
Inventors: ナデレール，ミハエル
Original assignee: テーデーカーエレクトロニクスアーゲー
Priority date: 2019-01-08
Filing date: 2019-12-17
Publication date: 2023-10-02
Anticipated expiration: 2039-12-17
Also published as: US11869685B2; CN113302708A; DE102019100316A1; WO2020144012A1; US20220084726A1; JP2022516960A

Description

本発明は、セラミック基体を備えるサーミスタ及びサーミスタを製造する方法に関する。

焼結セラミック材料に基づくサーミスタは、主に、様々な用途におけるモニタリング及び制御のための温度を測定するために使用される。例えば、サーミスタは温度センサー又はサージ保護として使用される。

多層構造のサーミスタは、ＤＥ２０１１０８１９３９Ａ１から公知である。

独国特許公開第２０１１０８１９３９号公報

本発明の課題は、改善された特性を備えるサーミスタを提供することである。本発明の別の課題は、サーミスタの製造方法を提供することである。

本課題は請求項１のサーミスタによって解決される。サーミスタのさらなる実施形態及びサーミスタを製造する方法は、さらなる請求項に見出されることができる。

主成分としてセラミック材料を含有するセラミック基体を有するサーミスタが提供される。セラミック基体は、セラミック基体の内部に配置された少なくとも１つの電気絶縁層を有する。電気絶縁層は、セラミック材料の組成とは異なる主成分を含む。

換言すると、セラミック基体は、電流を伝導するのに適していない、少なくとも１つの層をその内部に有する。さらに、電気絶縁層は、セラミック材料の組成と同じではない組成を有する主成分を含む。

さらに、セラミック基体を含むサーミスタを製造するための方法が提供される。この方法では、複数のグリーンシート（Gruenfolien）からグリーンシート積層体を形成し、その後プレスし、脱炭し、焼結するように、セラミック基体を製造し、グリーンシートのうちの少なくとも１つの上に、グリーンシート積層体を形成する前に、電気絶縁層を適用する。

さらに、電気絶縁層は、電気絶縁層なしで形成されるがそれ以外は同じである別のサーミスタよりも高いＲ２５値をサーミスタが有するように、配置されることができる。換言すると、サーミスタは、電気絶縁層がない場合よりも電気絶縁層がある場合の方が高いＲ２５値を有する。

本明細書では、Ｒ２５値は、サーミスタが２５°Ｃで示すサーミスタの電気抵抗として解されるべきである。

Ｒ２５値は、とりわけ、サーミスタのライン断面積（Leitungsquerschnittflaeche）に間接的に比例して依存する。換言すると、ライン断面積が小さいほど、サーミスタのＲ２５値は大きくなる。

本明細書では、ライン断面積は、セラミック基体のアクティブ体積領域の断面積を意味すると解されるべきである。アクティブ体積領域は、サーミスタの１つの外部コンタクトから別の外部コンタクトへの電流の伝達において有力に（massgeblich）寄与する。アクティブ体積領域は、セラミック基体の全体体積（gesamte Volumen）を取り囲むことができる。ライン断面積は通常、電流の流れ方向に垂直である。従来では、ライン断面積は、電流の流れ方向に垂直なセラミック基体の実断面積に対応する。実断面積は１つの平面内にあり、セラミック基体の外部面及び／又は外部エッジによってのみ画定され、外部面及び／又は外部エッジは実断面積が存在するその平面と交差する。換言すると、実断面積は、セラミック基体の形状と広がり（Ausdehnung）によってのみ決定される。

セラミック基体のアクティブ体積のライン断面積が減少するように、電気絶縁層を配置することにより、Ｒ２５値の増加を達成することができる。したがって、電気絶縁層は、電流の流れ方向と平行にならないようにセラミック基体内に配置することができる。電気絶縁層は、好ましくは、電流の流れ方向に対して垂直である。

換言すると、電気絶縁層は、セラミック基体の実断面積よりも小さいライン断面積を定義する。したがって、サーミスタは、サーミスタのセラミック基体のライン断面積を、例えば機械的な後処理によって低減させる必要なく、例えばＭΩの範囲の、非常に高いＲ２５値を有することができる。この結果、機械的な後処理の結果としてセラミック基体に発生する可能性のあるリスクが回避される。

電気絶縁層は、ある平面内にあり、その平面と交差するセラミック基体の１つ以上の外部面から離間することができる。換言すると、電気絶縁層は、電気絶縁層が存在する平面と交差する少なくとも１つの外部面と直接コンタクトしていない。

さらに、電気絶縁層は、少なくとも１つの空所（Aussparung）を有することができる。空所のデザインは、特定の形状に限定されない。例えば、空所は、少なくとも円形、楕円形、及び多角形の形状を含む形状のグループから選択される形状を有することができる。

さらに、電気絶縁層は、少なくとも２つの別個の部分層からなることができ、それらは、共通の平面内にあり、互いに距離によって分離されている。換言すると、２つの部分層は互いに直接コンタクトしていない。

上記の実施形態の１つ以上にしたがって、電気絶縁層を設計することにより、セラミック基体のアクティブ体積のライン断面積を非常に正確に決定することができる。このようにして、Ｒ２５の値を高精度に設定できる。

さらに、電気絶縁層は、無機の電気絶縁材料を含む主成分を含有することができる。好ましくは、無機の電気絶縁材料は、少なくともバリスタセラミック及びコンデンサセラミックを含む量から選択することができる。これらの材料は、サーミスタの使用条件下で電流を顕著に伝導しない（nicht signifikant leiten）ため、有利である。

さらに、電気絶縁層は、スピネル構造を有する主成分を含むことができる。グリーンシートには電気絶縁層が塗布されているため、電気絶縁層がグリーンシートに良好に密着すること（Haftung）が有利である。サーミスタ用セラミック材料は通常スピネル構造を有するため、電気絶縁層にもグリーンシートに含まれるセラミック材料と同じ構造の主成分が含まれていると有利である。ことことは、電気絶縁層のグリーンシートへの良好な密着を保証する。

さらに、電気絶縁層は、セラミックベース本体の空洞の形態で設計されることができる。この目的のために、熱分解性材料の層が２枚のグリーンシートの間に適用される。その後の焼結プロセスでは、熱分解性材料が基体から拡散し、電気絶縁層として空洞を残す（hinterlaesst）。

好ましい実施形態では、絶縁層の厚さは０．５μｍを超える。電気絶縁層は、最大５μｍの厚さを有することができる。複数の絶縁層の累積厚さは、厚さ方向におけるセラミック基体の寸法に顕著な割合で（zu einem wesentlichen Anteil）寄与し得る。

さらに、セラミック基体は１つ以上の導電層を有することができ、導電層がセラミック基体のアクティブ体積領域を定義し、絶縁層がアクティブ体積領域内に配置されるように、セラミック基体内に導電層が配置されることができる。

アクティブ体積領域は、導電層によってのみ定義されることができる。好ましくは、アクティブ体積領域は、セラミック基体の導電層及び外部面によって定義されることができる。

さらに、導電層は、セラミック基体の少なくとも１つの外部面と直接コンタクトすることができる。好ましくは、導電層は、導電層の１つ以上のサブ面がサーミスタの外部コンタクトと直接コンタクトするように配置される。特に好ましくは、導電層は、セラミック基体の実断面積全体にわたって延在する。サブ面は、ここでは、主に導電層の厚さによって定義される導電層の面積として理解されるべきである

導電層がサーミスタの外部コンタクトと直接コンタクトすることにより、外部コンタクトのデザイン（Ausgestaltung）における製造関連の変動から生じるサーミスタの特性への悪影響を低減することができる。その結果、特定の特性を備えたサーミスタを、特に再生産可能（reproduzierbar）に製造することができる。

導電層は、少なくとも銀、パラジウム、並びに、任意の銀合金及びパラジウム合金（jegliche Silber- und Palladiumlegierungen）、を含む金属の量（Menge von Metallen）から選択される少なくとも１つの材料を含むことができる。

さらに、方法において、電気絶縁層を適用するためにテンプレートを使用することができ、テンプレートは、電気絶縁層がテンプレートに関して高い再現忠実度（hohe Abbildungstreue）を有するようにデザインされている。

本明細書において、高い再現忠実度は、グリーンシート上の電気絶縁層のデザイン（Ausgestaltung）がテンプレート（Vorlage）のデザインと顕著に異ならないことを意味すると解されるべきである。

これを達成するために、スクリーン印刷スクリーンをテンプレートとして使用することができ、スクリーン印刷スクリーンは、電気絶縁層のネガと、ネガを少なくとも２つの別個の領域に分割する少なくとも１つのウェブとを有する。ウェブは、電気絶縁層の適用中にスクリーンが顕著に変形しないようにデザインされている。このようにして、高レベルの再現忠実度が実現される。

さらに、この方法では、導電層を少なくとも１つのさらなるグリーンシート上に適用することができる。導電層の適用は、例えば、スパッタリング法を用いて行われることができる。

さらに、この方法は、グリーンシートをセラミック基体の長手軸に沿って積層するように実施することができる。

本明細書において、長手軸は、セラミック基体の最大空間的広がり方向（Richtung der groessten raeumlichen Ausdehnung）に平行に延在するセラミック基体の軸を意味すると解されるべきである。好ましくは、長手軸は、セラミック基体の、最大の広がりを有する１つ以上のエッジに平行に延びる。セラミック基体が、グリーンシートの積層方向に平行に延在する広がり、及び、非平行に延在する広がりの、複数の均等な空間的広がりを有し、それぞれが最大の空間的広がりとしてみなすことができる場合、広がりに平行に延在し、グリーンシートの積層方向に平行に延在する軸が長手軸として決定される。

上記のステップに加えて、この方法はまた、サーミスタの製造に必要なさらなるステップを含む。

かかるさらなるステップは、例えば次のとおりである：
－グリーンシート積層体をプレスして、プレスされたグリーンシート積層体を得る、
－プレスされたグリーンシート積層体を脱炭して、プレス及び脱炭されたグリーンシート積層体を得る、
－プレス及び脱炭されたグリーンシートスタックを焼結して、セラミック基体を得る、
－セラミック基体に外部コンタクトを適用して、サーミスタを得る。

本発明は、例示的な実施形態の模式的な図面に基づいて、以下により詳細に説明される。

図１はサーミスタを空間的表現で示す図である。サーミスタの実施形態を横断面及び断面で示す図である。サーミスタのさらなる実施形態を横断面及び縦断面で示す図である。サーミスタのさらなる実施形態を横断面及び縦断面で示す図である。サーミスタのさらなる実施形態を横断面及び縦断面で示す図である。サーミスタのさらなる実施形態を横断面及び縦断面で示す図である。

同一の要素、類似の又は同様の（augenscheinlich gleiche）要素は、複数の図面において同じ参照記号が付されている。図面及び図面中のサイズ比は、正確な縮尺ではない。

図１は、セラミック基体１及び外部コンタクト（図示せず）を含むサーミスタ１０を示している。セラミック基体１の空間的広がりは、寸法矢印ｘ、ｙ、及びｚによって示されている。寸法矢印ｘ、ｙ、及びｚはそれぞれ、デカルト座標系で同じ名前の軸に平行に延在するため、寸法矢印は、本明細書では、座標系の対応する軸とも称される。換言すると、デカルト座標系では、寸法矢印ｘはｘ軸に対応し、寸法矢印ｙはｙ軸に対応し、寸法矢印ｚはｚ軸に対応する。以下に説明する実施形態は、ここに示すサーミスタ１０と非常に類似しているため、軸の指定は、以下の図に対して同様に使用される。

図２Ａは、図１に示されたものと同様のサーミスタ１０の実施形態を長手断面図において、示している。長手断面は、セラミック基体のｘ軸及びｚ軸によって広がる平面に平行にセラミック基体を通って延在する。セラミック基体１は、５つの電気絶縁層３を有する。さらに、サーミスタ１０は２つの外部コンタクト２を有する。電気絶縁層３は、互いに平行に配置されている。さらに、電気絶縁層３は、セラミック基体１の長手軸６に垂直に配置されている。セラミック基体の長手軸は、セラミック基体の中心を通って、セラミック基体のｘ軸に平行に延在し、ｘ軸は、セラミック基体１の最大広がり方向（Richtung der groessten Ausdehnung）に対応する。電流の流れ方向は、セラミック基体１のｘ軸に平行に延在する。

図２Ｂは、図２Ａに示されるサーミスタ１０の横断面を示す。横断面は、セラミック基体のｙ軸及びｚ軸によって広がる平面に平行にセラミック基体を通って延在する。電気絶縁層３は、正方形の空所４を有する。電気絶縁層３の面積に空所４の面積を加えたものが、セラミック基体の実断面積７に対応する。実断面積は、外部面９のみによって画定される。さらに、電気絶縁層３は、セラミック基体１の外部面９と直接コンタクトするように設計されている。セラミック基体１のライン断面積Ｌは、空所４の形状及びサイズによって正確に定義されることができる。このようにして、サーミスタ１０のＲ２５値を非常に正確に設定することができる。ここで、ライン断面積Ｌは、空所４の面積に対応する。

図３Ａ及び図３Ｂは、長手断面及び横断面において、図２Ａ及び２Ｂに示されるものと類似のサーミスタ１０のさらなる実施形態を示し、電気絶縁層３は、セラミック基体１の外部面９から離間している。その結果、電気絶縁層３で覆われておらず、電気絶縁層３を完全に取り囲むエッジ領域５が形成される。空所４の面積、電気絶縁層３の面積、及びエッジ領域５の面積は合わせて、セラミック基体の実断面積７に対応し、これは外部面９によってのみ画定される。ライン断面積Ｌは、ここでは空所４及びエッジ領域５の面積によって定義される。電気絶縁層３がセラミック基体１の外部面９から離間していることは、セラミック基体１の製造プロセスに起因する。ここで説明する電気絶縁層３の構成は、セラミック基体１の製造プロセス中に形成されるグリーンシート積層体からのグリーンシートの層間剥離を効果的に防止する。

図４Ａ及び図４Ｂは、長手断面及び横断面において、図３Ａ及び図３Ｂに示されるものと類似のサーミスタ１０のさらなる実施形態を示し、セラミック基体１の電気絶縁層３は、空所を有さない。この実施形態では、ライン断面積Ｌは、電気絶縁層３を完全に取り囲むエッジ領域５の面積によって決定される。電気絶縁層３及びエッジ領域５の面積は合わせて、外部面９によってのみ画定される実断面積７に対応する。しかしながら、電気絶縁層３は、図４Ａに示されるように薄い必要はなく、著しく幅広であることができ、したがって、セラミック基体１のｘ方向への広がりにかなりの割合で寄与する

図５Ａ及び図５Ｂは、長手断面及び横断面において、図３Ａ及び図３Ｂに示されるものと類似のサーミスタ１０のさらなる実施形態を示し、電気絶縁層３は、それぞれ２つの部分層３’からなる。部分層３’は、距離ｄによって互いに分離されている。距離ｄは、電気絶縁層３を適用する（Aufbringen）ためにスクリーン印刷スクリーンが使用されることによってもたらされる。電気絶縁層３を適用するために使用されるスクリーン印刷スクリーンは、電気絶縁層３のネガと、ネガを部分層３‘に分割するウェブとを有する。ウェブの幅は距離ｄである。ウェブは、電気絶縁層３の適用中にスクリーン印刷スクリーンが曲がるのを可能な限り防止し、その結果、電気絶縁層３の高度の再現忠実度（Abbildungstreue）が達成される。空所４の面積、及び、距離ｄ内で空所４まで延在する領域も含むエッジ領域５の面積、はライン断面積Ｌに対応する。電気絶縁層３、空所４及びエッジ領域５の合計は、外部面９によってのみ画定される実断面積７に対応する。

図６Ａ及び図６Ｂは、長手断面及び横断面において、図３Ａ及び図３Ｂに示されるものと類似のサーミスタ１０のさらなる実施形態を示す。電気絶縁層３に加えて、サーミスタ１０のセラミック基体１は、銀を含有する２つ導電層８を含む。図６Ｂの横断面は、両導電層８のうちの１つを通る。導電層８は、導電層８がそれぞれ、セラミック基体の実断面積７全体にわたって延在するようにデザインされている。さらに、導電層８のすべてのサブ面８’は、セラミック基体１の外部面９と直接コンタクトしている。さらに、導電層８は、それらがサブ面８’を介してセラミック基体１の外部コンタクト２と導電的に接触するように設計されている。セラミック基体の導電層８及び外部面９は、セラミック基体１のアクティブ体積領域Ｖを画定し、その中に導電層３が配置されている。導電層８は、外部コンタクト２への導電性コンタクトによって、プロセス関連のズレ（Abweichungen）の結果として外部コンタクト２の構成に生じる悪影響を低減する。このようにして、特定の特性を備えたサーミスタを再現性のある方法で製造できる。

本発明は、例示された実施形態に限定されない。特に、電気絶縁層３及び導電層８の数、位置及び構成は変化し得る。

１セラミック基体（keramischer Grundkoerper）
２外部コンタクト（Aussenkontakte）
３電気絶縁層（elektrisch isolierende Schicht）
３’ 部分層（Teilschicht）
４空所（Aussparung）
５エッジ領域（Randbereich）
６長手軸（Laengsachse）
７実断面積（reale Querschnittsflaeche）
８導電層（elektrisch leitfaehige Schicht）
８’ サブ面（Nebenflaeche）
９外部面（Aussenflaeche）
１０サーミスタ（Thermistor）
ｄ距離（Abstand）
Ｌライン断面積（Leitungsquerschnittflaeche）
Ｖアクティブ体積領域（aktiver Volumenbereich）

Claims

主成分としてセラミック材料を含有するセラミック基体を備えるサーミスタであって、
前記セラミック基体は少なくとも１つの電気絶縁層を有し、
前記電気絶縁層は前記セラミック基体の内部に配置されており、
前記電気絶縁層は前記セラミック材料と異なる組成を有する主成分を含有し、
前記電気絶縁層は、前記セラミック基体のライン断面積を縮小するように、前記セラミック基体の内部に配置されており、
少なくとも２つの外部コンタクトを有し、
前記電気絶縁層は、一方の前記外部コンタクトから前記サーミスタを通って他方の前記外部コンタクトへ流れる電流の流れ方向に対して垂直である、
サーミスタ。
主成分としてセラミック材料を含有するセラミック基体を備えるサーミスタであって、
前記セラミック基体は少なくとも１つの電気絶縁層を有し、
前記電気絶縁層は前記セラミック基体の内部に配置されており、
前記電気絶縁層は前記セラミック材料と異なる組成を有する主成分を含有し、
前記電気絶縁層は、前記セラミック基体のライン断面積を縮小するように、前記セラミック基体の内部に配置されており、
前記電気絶縁層は、共通の平面内にある、距離（ｄ）によって互いに分離されている、少なくとも２つの部分層からなる、
サーミスタ。
前記電気絶縁層は平面内にあり、
前記電気絶縁層は、前記平面に交差する１つ以上の外部面から離間している、
請求項１又は２記載のサーミスタ。
前記電気絶縁層は少なくとも１つの空所を有する、
請求項１乃至３いずれか１項記載のサーミスタ。
前記電気絶縁層は無機の電気絶縁材料を含む主成分を含有する、
請求項１乃至４いずれか１項記載のサーミスタ。
前記無機の電気絶縁材料は、バリスタセラミック及びコンデンサセラミックから選択されている、
請求項５記載のサーミスタ。
前記電気絶縁層は、スピネル構造を有する主成分を含有する、
請求項１乃至６いずれか１項記載のサーミスタ。
前記電気絶縁層は、前記セラミック基体の内部の空洞として設計されている、
請求項１乃至４いずれか１項記載のサーミスタ。
前記電気絶縁層は、最大５μｍの厚さを有する、
請求項１乃至８いずれか１項記載のサーミスタ。
前記セラミック基体は、１つ以上の導電層を有し、
前記導電層が前記セラミック基体のアクティブ体積領域を定義して、前記電気絶縁層が前記アクティブ体積の内部に配置されるように、前記導電層が前記セラミック基体の内部に配置されている、
請求項１乃至９いずれか１項記載のサーミスタ。
前記導電層のうちの少なくとも１つは、前記セラミック基体の少なくとも１つの外部面と直接コンタクトしている、
請求項１０記載のサーミスタ。
前記導電層は、少なくとも銀、パラジウム、並びに、任意の銀合金及びパラジウムとの合金、を含む金属の量から選択された少なくとも１つの金属を含有する、
請求項１０又は１１記載のサーミスタ。
セラミック基体を備えるサーミスタを製造する方法であって、
複数のグリーンシートからグリーンシート積層体を形成し、その後プレスし、焼結するように、前記セラミック基体を製造し、
前記グリーンシートのうちの少なくとも１つの上に、前記グリーンシート積層体を形成する前に、電気絶縁層の生成のために適した層を適用し、
前記セラミック基体のライン断面積を縮小するように前記セラミック基体の内部に前記電気絶縁層を配置し、
前記セラミック基体上に少なくとも２つの外部コンタクトを適用し、
前記外部コンタクト同士の間の電流の所定の流れ方向に対して垂直に前記電気絶縁層を配置する、
方法。
前記電気絶縁層を生成するために適した層は、電気絶縁材料を含有する、
請求項１３記載の方法。
前記電気絶縁層を生成するために適した層は、焼結後に電気絶縁空洞を形成する熱分解性材料を含有する、
請求項１４記載の方法。
前記電気絶縁層を生成するためにテンプレートが使用され、
前記テンプレートは、前記電気絶縁層が前記テンプレートに関して高い再現忠実度を有するように設計されている、
請求項１３乃至１５いずれか１項記載の方法。
前記テンプレートとしてスクリーン印刷スクリーンを使用し、
前記スクリーン印刷スクリーンは、前記電気絶縁層のネガと、前記ネガを少なくとも２つの別個の領域に分割する少なくとも１つのウェブと、を有する、
請求項１６記載の方法。
前記グリーンシートの少なくとも１つの上に導電層を適用する、
請求項１３乃至１７いずれか１項記載の方法。
前記セラミック基体の長手軸に沿って前記グリーンシートを積層する、
請求項１３乃至１７いずれか１項記載の方法。