JPH02213733A - 電熱感知器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は熱の蓄積から電線を保護する熱的相似物（ｔ
ｈｅｒｍａｌ　ａｌａｌＯす）として用いられる電熱感
知器に関する。

［従来の技術］ 航空宇宙ソリッド・スデート電力制御器（ＳＳＰＣ）は
、５ｓｐｃによって保護づべき電線に対して熱的相似物
として作用する安価で確実な電熱感知器を要求する。共
通に譲渡された１９８８年２月２６日出願の同時係属米
国特許出願箱０７／２２４，１５３号に開示されたよう
な先行技術のこの種の感知器は、加熱器／分路（ｓｈｕ
ｎｔ　）に接着剤で接合されているポリイミド・サーミ
スタの上にニッケルを使用しており、電線はサーミスタ
接触パッドに慎重にはんだ付けされている。

この種の各感知器は個別に作るように提案されている。

そのような感知器は組み立てるのに、特に感知器のサー
ミスタ部品を整合するのに比較的費用がかかることは明
白である。したがって、先行技術の特性を有し、−段と
経済的に組み立てることができる電熱感知器が要求され
るのは当然である。

［発明の目的と要旨］ 本発明により、先行技術のこの問題は最小化されるとと
もに、電熱感知器を作る方法ならびに加熱器／分路のウ
ェーハ、ハイブリッド形処理、およびそれに続いてフリ
ップ・マウント可能な個別表面取付は式デバイスを利用
する感知器自体が提供される。フリップ取付けの１つの
別法は、インサート成形のリード・フレームに組み込む
ことである。

ａＳに述べれば、本発明の第１実施例により、分路は電
気抵抗の良好な温度安定性を持つ高い電気抵抗の層の形
で最初供給されるが、そのような特性を表わす好適な材
料はコバー（にｏｖａｒ　）である。分路に電気接続す
る***（ｂｕｓｐｓ　）はその対向側に置かれて、分路
の表面に固定される。これらの***は、なるべくはんだ
に浸した厚い銅板であることが望ましい導電性材料で作
られている。

第１電気絶縁層は、普通厚さ約ｏ、ｏｏｉインチ（約０
．０２５４ミリメートル）であり、厚膜技術に一般に使
用されかつ分路と事実上同じ熱膨張係数（ＣＴＥ）を持
つ任意な在来の電気絶縁ガラスであることが望ましく、
厚膜技術によるような標準の手順によって分路にわたっ
ている***と共に分路の上に形成される。

次に第１サーミスタは、厚膜技術、薄膜技術、スパッタ
薄膜技術、金属有機技術などによるような標準の方法に
よって、第１電気絶縁層の中央領域の上および中に形成
される。このサーミスタは、ガラス状マトリックスにお
ける金属および他の無機酸化物を具体化する任意な在来
の厚膜サーミスタ材料で作られることが望ましい高抵抗
領域である。ニッケル、鉄まだはプラチナのような他の
在来材料を使用することができる。第１サーミスタから
その外部接続用の第２組の***にわたる線は、パラジウ
ム／銀などであることが望ましいサーミスタ形成に用い
られる技術によるような、既知の方法で形成される。所
望の高い抵抗を得るために、精密なサーミスタまたは加
熱線もしくはその両方には光化学腐食が要求される。サ
ーミスタに接続される線の端に接続づる***の対は、第
１電気絶縁層の表面に固定されている。

***の第２対に似て、それと共に形成される***の第３
対は、上述の方法によって前記第１電気絶縁層の対向縁
領域に形成される２個のより小形のサーミスタを一緒に
接続する前記第１電気絶縁層の上にある導体の端に接続
されている。これらのより小形のサーミスタは前＆！第
１サーミスタと同じ材料で作られることが望ましく、か
つ組み合って、第１サーミスタの抵抗に等しい抵抗とな
る。

ガラス状であることが望ましくかつ第１を気絶縁間と事
実上同じ熱膨張係数（Ｃ’ｒ　Ｅ　）を持つ第２電気絶
縁層は、第１電気給Ｒ１Ｉａについて上記に説明された
方法で作られ、かつ第１電気絶縁層およびその上にある
サーミスタならびに導体の上に配置される。３組の***
は第２電気絶縁層にわたり、この第２層はサーミスタお
よび導体を保護するとともに第１’ｆｆｉ気絶縁層にあ
るどんなピンホールなどをもふさぐようになっている。

非酸化窒素大気または保護被覆は、コバー（ＸＯＶａｒ
　＞材料などの処理中に金属の酸化を回避するために供
給されることがある。次に感知器はアルミナ基板など固
定されるが、分路廟は基板から遠く離れて置かれる。

作動の際、電流は分路の片側の***を介して分路に入る
が、この電流は電流通路として分路を使用しかつ分路の
反対側にある***から出る。加熱の大部分は分路の縁部
分に対向した分路の中央領域に生じるが、それは分路の
熱降下効果（ｈｅａｔ５ｉｎｋｉｎｏ　＋Ｊｆｅｃｔ）
により木質的に周＠温度に保たれる。この加熱により、
より大形の第１サーミスタは事実上層ｌ／ｉ１温度に保
たれる２個のより小形のサーミスタに対しより熱りせら
れる。パラメータ測定によるサーミスタの抵抗変化につ
いて測定されるこの温度差はそれぞれのサーミスタにま
たがる***のところで得られ、かつ焼損防止のために監
視されている相似電線（ａｎａｌｏｇ　ｗｉｒｅ　）の
エネルギーの量に相関する。第１サーミスタに関する抵
抗の差がある所定値を越えるとき、測定されたパラメー
タはこれを表わし、本方式は所望の表示、警報などを提
供するので、相似電線ではなく実際の電線を含む回路が
遮断したり、別の方法で作動される。

本発明の第２実施例により、酸化アルミニウムであるこ
とが望ましいヒラミック基板が供給されており、またパ
ラジウム／銀の被覆は標準の方法によりその上に選択形
成される。電流はそれに一端で導入され、また対向端で
引き出されて、加熱器を含む基板の部分に発熱体を供給
する。次にガラス誘電体が少なくとも加熱器の上に、な
るべく標準の方法によって加熱器を含む基板の全表面上
に作られることが望ましい。厚膜サーミスタおよびその
コネクタが誘電体の上に作られるが、１つは加熱器のす
ぐ隣りに、もう１つはそこから所定の距離に作られる。

２つのサーミスタ位置の間の温度差は、良く知られた方
法で加熱器内の電流の表示として使用することができる
サーミスタの異なる抵抗を生ずる。基板および加熱器の
正しいサイズならびにサーミスタの正しいＲ２によって
、電流／時間／温度特性の単一性を実現することができ
る。そのようなデバイスは、ソリッド・ステート電力制
御ｌ装置の感知素子として用いることができる。

本発明の第３実論例により、加熱器およびパッドの形を
した導体はステアタイトのようなセラミック基板の上に
形成される。次に誘電体は加熱器のパッドおよび対向端
の上に開口を持つ基板の上の２つの別々な層に選択形成
される。次に導体が誘電体の上に形成され、また抵抗の
負温度係数（ＮＴＣ＞あるいは抵抗の正温度係数（Ｐ　
Ｔ　Ｃ）を持つサーミスタは導体のあるものと接触する
ように形成され、導体の他のあるものは基板または加熱
器の上のパッドと接触する。重合体外被は、接触可能な
はんだパッドを除き機械的保護のために全基板上に貼ら
れる。セラミック基板はステアタイトであることが望ま
しく、かつ１１体は前述の通りガラスであることが望ま
しい。

第３実施例に示されたような加熱器は、作動すべき多く
の所望形状のどれでも１つを有することができる。しか
し、利用される大部分の形状の場合には、加熱器が一定
の位置に熱スポットを生ずることが判明しており、この
ことが望ましくないのは、これらの熱スポットが思わぬ
熱伝達の変化および不正確なトリップ時間を生ずるから
である。

加熱器が良いスロット部分を持つ蹄鉄の形をしていると
きは、例えば、スロットの端に望ましくない熱スポット
を生ずることが判明した。したがって、熱スポットが除
去されたり、少なくとも最小にされる設計が調査された
。この点で、蹄鉄形加熱器のスロットの端における熱ス
ポットはスロットの長さを減らすことによって最小にさ
れることが判明した。長いスロットを保持しかつスロッ
トの端に三角形の領域を形成することによって、−段と
良好な結果が得られた。スロットの端に長方形を形成す
るとともにスロットの両側の長方形の前方に切り抜き領
域を作ることによって、さらに良好な結果が得られた。

す、べての場合に、新しい幾何学的配列はかど部に生じ
る誤りを拡大したり電流の流れを小面積のかど部から遠
ざけることによってかど部に溜まる電流が最小化され、
それによって電流通路は中央や屈曲部に集中されずに広
げられると思われる。上述の新しい幾何学的形状は熱ス
ポットの除去や最小化と共に加熱器の感度をさらに一様
にする。

［実施例１ まず、第１図および第２図に本発明の第１実施例による
電熱感知器が示されている。第２図は１つのデバイスを
示していることに注意されたい。

続いておこるデバイス分離による分路「ウェーハＪ処理
が究極の目的である。感知器には、電気抵抗の温度安定
性が良好な電気抵抗の高い層の形をしているコバー〈に
ｏｖａｒ　）分路５が含まれている。

分路５に電気接続する***１は、向き合う側に置かれて
おりかつ分路の表面に固定されているが、***ははんだ
に浸された厚い銅板であることが望ましい、導電性材料
で作られている。熱膨張係数（ＣＴＥ）が分路５のそれ
と事実上同じであり、標準として厚さが０．０００５〜
０．００２インチく約０．０１２７〜０．０５０８ミリ
メートル）の範囲内にある、厚膜技術に使用される任意
な在来のガラス絶縁材料の第１ガラス電気絶縁層２が分
路１の上に形成されているが、***１は厚膜技術による
ような、標準の手順によって広がっている。

次に第１サーミスタ３は、厚膜技術、ＷＩ膜技術、スパ
ッタ薄膜技術、金属有機技術などのような標準の方法に
よって第１電気絶縁層２の中央領域の上および中に作ら
れる。このサーミスタ３は、温度変化と共に１０００１
）Ｅｌ１１／’Ｃを越える抵抗変化を表示するようにさ
れたガラス状のマトリックスにおいて金属その他の無機
酸化物などを具体化する任意の厚Ｉｌ！Ｊサーミスタで
作られることが望ましい高抵抗領域である。外部接続用
として第１サーミスタ３から第２組の***８にわたる線
６および７は、例えばパラジウム／＃１などであること
が望ましいサーミスタ形成に使用される技術によって、
既知の方法で作られる。光化学腐食は所望の高抵抗を得
るために要求される。線６および線７の端に接続する隆
起８の対は、第１電気絶縁層２の表面に固定されている
。

***８の第２対に似て、それに沿って作られた***９の
第３対は、上記の方法により第１電気絶縁層２の対向縁
領域に作られたより小形の２個のサーミスタ１２および
１３を共に接続する第１電気絶縁層２の上の導線１０な
らびに１１の端に接続されている。サーミスタ１２およ
び１３は、同じ材料でかつ導ａ１０および１１と同時に
作られた導線１４を介して一緒に接続されている。これ
らのより小形のサーミスタ１２および１３は第１サーミ
スタと同じ材料で作られることが望ましく、共に第１サ
ーミスタの抵抗に等しい抵抗を有する。

１１電気絶縁層２と事実上同じ熱膨張係数（ＣＴＥ）を
持つ第２ガラス電気絶縁層４は、第１電気絶縁層に関す
る上述の方法で作られ、かつ第１電気絶縁層およびその
上にあるサーミスタ３゜１２．１３ならびに導線６．７
．１０．１１．１４の上に配置されている。***１，８
および９の第３組は第２１に気絶線層４にわたっている
が、この第２電気絶縁層は第１絶ｉ層のサーミスタおよ
び導線を保護するとともに第１絶縁層にあるどんなピン
ホールをもふさぐようになっている。非酸化窒素大気な
どや保護被覆は、処理の間にコバー（にｏｖａｒ）、銅
または銀材料の金属酸化を回避するように、組立ての際
に供給されることがある。次に感知器は、基板から遠く
離れて置かれている分路層と共にアルミナ基板などに固
定される。

動作について説明すると、電流は分路５の片側の***１
を介して分路５に入るが、この電流は分路を電流通路と
して用いかつ分路の反対側の***１から出る。分路はそ
のＩ２Ｒ熱により発熱し、加熱器として作用する。温度
増加の大きさは、分路の熱降下および熱損失特性により
本質的に周囲温度に保たれる縁部分に対向する分路の中
央領域に生じる。この加熱により、大形の第１サーミス
タ３は事実上周囲温度に保たれるより小形の２個のサー
ミスタ１２および１３に関して過熱する。

この温度差は、それぞれのサーミスタ３．１２および１
３にまたがる***８ならびに９で得られるパラメータ測
定によりサーミスタの抵抗の変化として測定され、かつ
焼損を防止のために監視される相似電線内のエネルギー
の量に相Ｉｌｉする。第１サーミスタ３とサーミスタ１
２および１３との抵抗差がある所定の値を越えるとき、
測定されたパラメータはこれを表わし、本方式は所望の
表示、警報などを与えるので相似電線ではない実際の電
線を含む回路は遮断されたり、他の方法で作動される。

第３図および第４図に示されるような本発明の第２実施
例により、酸化アルミニウムであることが望ましいセラ
ミック基板２０が供給され、パラジウム／銀の被覆は基
板の対向縁のパッド２３にわたるｉｌｌ！！２２と共に
加熱器Ｐ２１を形成する標準の方法によってその上に選
択形成される。次にガラス誘電層２４は少なくとも加熱
１２１の上にかつなるべく標準の方法で加熱器を含む基
板２゜の全表面に形成されることが望ましい。次に厚膜
サーミスタ２５および２６が誘電体２４の上に形成され
、サーミスタ２６は加熱器の上またはすぐ隣りに形成さ
れ、サーミスタ２５はそこから所定の遠隔距離に形成さ
れる。サーミスタ２６は線２７および２８を介してパッ
ド２９に結合されるが、サーミスタ２５は線３０および
３１を介してパッド３２に結合されている。２つのサー
ミスタ位置の間の温度差は、良く知られている方法で加
熱器の電流を表わすのに使用されるサーミスタの抵抗差
を生む。

第５図に示されるような本発明の第３実施例により、加
熱器４ｏの形をした導体およびサーミスタ接続パッド４
１はセラミック基板４２の上に形成される。次に誘電体
４３は、パッド４１の上および加熱器４０の対向端の上
に配置された開口４４を持つ基板の上にある２つの別々
な層に選択的に形成される。次に導体４５が誘電体４３
の上に形成され、抵抗の負温度係数（ＮＴＣ）または抵
抗の正温度係数（ＰＴＣ）を有するサーミスタ４６およ
び４７は導体４５のあるものと接触しかつ導体の他は基
板上のパッド４１または加熱器４０と接触している。重
合体外被（図示されていない）が全基板の上に貼られて
いるが、ただし機械的保護のためのはんだパッドがそこ
に接触される場合を除く。セラミック基板はステアタイ
トぐあることが望ましく、かつ誘電体は上述のようなガ
ラスであることが望ましい。

第５図の実施例は、標準の方法で基板４０の上に加熱器
４ｏおよびパッド、４１を印刷することにより、かつ約
９００℃で約１０分間焼くことによって作られる。次に
誘電体４３は２つの別々な層にある基板と導体の上に選
択的に形成されるが、各層は別々にデポジットされかつ
約８５０℃で約１０分間焼かれる。次に導体４５は標準
の方法で誘電体４３の上にデポジットされ、約８５０で
約１０分間焼かれる。次にサーミスタ４６および４７は
標準の方法でデポジットされ、約８５０℃で約１０分間
焼かれる。次に重合体外被がはんだバッド開口４４を除
く全基体上に晶られ、約１６５℃で約２５分間硬化され
る。

第３実施例（第５図）において示されたような加熱器４
０は、操作し得る多くの所望形状のどれでも１つをとる
ことができる。しかし、利用される大部分の形状の場合
に、加熱器がある位置に灼熱点を生じることが判明して
いる。これが望ましくないのは、これらの灼熱点が予期
しない熱伝達変化などおよび不正確なトリップ時間を生
じると思われるからである。加熱器が裏の部分で結合さ
れた２個の脚部分を有するとともに２個の脚部分間の長
いスロット部分を有する蹄鉄の形（第５図に示されてい
る）をしている場合は、例えば、スロットの端に灼熱点
が作られることが判明している。−したがって、灼熱点
が除去されたり少なくとも最小にされる設計が調査され
た。これに関して、蹄鉄形加熱器５１にあるスロット５
０の灼熱点は、第６Ａ図に示される通り、スロットの長
さを減少することによって最小にされ、それによってス
ロット５０の端から裏部分の裏縁に至る距離はスロット
に直角な方向の脚を横切る距離より大きいことが判明し
ている。長いス［１ツトを保持しかつスロット５１の端
に三角形領域５２を形成することによって、−段と良好
な結果が得られた。スロット５０の端に長方形５３を形
成しかつまたスロットの両側の長方形の前方にカットア
ウト領域５４および５５を作ることによって、なお−段
と良好な結果が得られた。新しい形状は、あらゆる場合
に、かど部のまわりの利用できる誤差を拡大したり電流
を小面積のかど部から遠ざけたりすることによってかど
部のまわりの電流の蓄積を最小にするものと思われ、そ
れによって電流通路はかど部や屈曲部に集約されずにむ
しろ離散される。

上述の新しい形状は加熱器を通じて本質的に一定の熱を
供給し、かつ灼熱点の除去および最小化をもたらす。

第１図〜第６Ｃ図に示された先行実施例のどれにでも対
応するＥＴＳのもう１つの好適な実施例では、加熱器は
チタン金属で作られ、感知器は、特にチタン金属の上の
アルミナ絶縁層の上に供給されたり、シリコン半導体デ
バイスを利用する市　４販で入手し得る温度変換器の上
に供給されるとき、前述のよ・うないずれかのサーミス
タを含んでいる。

本発明のこの実施例では、前述のようなチタン分路およ
び電気絶縁層は任意７．Ｚ在来の電気絶縁接着剤などを
用いて共に接合され、またｔ′Ｓｉ気接続はボール接合
または超音波接合のいずれかを用いる電線接合などによ
って感知器に対して行われる。

なるべく、厚ｍ鋼パッドは主５ｓｐｃ回路などに分路を
電気的に取り付けるチタン分路の上に遮へいされること
が望ましい。そのような配列では、チタン金属の熱伝尋
特性により、ＥＴＳのかなりの小形化が可能となり、５
ｓｐｃデバイス容器などにＥＴＳを容易に適合すること
ができる。

本発明はその特定の実施例に関して説明されたが、多く
の変形および変化は当業者にとってすぐに明らかになる
と思う。したがって前記特許請求の範囲はそのようなす
べての変化および変形を含む先行技術を考慮してできる
だけ広く解釈されることが本発明の意図である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例による電熱感知器の正面図
、第２図は第１図の電熱感知器の断面図、第３図は本発
明の第２実施例による電熱感知器の平面図、第４図は第
３図の電熱感知器の断面図、第５図は本発明の第３実施
例による電熱感知器の分解図、第６Ａ図から第６Ｃ図ま
では本発明による加熱器形状の概略図である。 符号の説明： １．８．９−***＝２．４−電気絶縁層：３．１２，１
３，２５，２６，４６．４７−サーミスタ＝５−分路：
６．７．２７，２８．３０゜３１−線：１０．１１．１
４．２２−導体；２ｏ。 ４２．４５一基板：２１．４０−加熱器；２３゜２９．
３２．４１−バッド：２４．４３−誘導体。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）（ａ）導電性基板と、 （ｂ）前記基板の上に配置された電気絶縁層と、 （ｃ）前記電気絶縁層の中央領域に配置された第１サー
   ミスタと、 （ｄ）前記電気絶縁層の縁に隣接して配置された第２サ
   ーミスタと、 （ｅ）前記電気絶縁層の上にあって前記電気絶縁層の前
   記第１および第２サーミスタを外部結合する装置と、 （ｆ）前記基板に結合されて前記電気絶縁層を通る１対
   の電気接続装置と、 （ｇ）前記電気接続装置の対の間に配置されている前記
   第１サーミスタとを含む、 ことを特徴とする電熱感知器。
2. （２）前記第２サーミスタは相互に隔置されかつ前記第
   １サーミスタの反対側に配置される第１および第２電気
   相互接続サーミスタを含む、ことを特徴とする請求項１
   記載による電熱感知器。
3. （３）前記第１電気絶縁層の上にそれと接触して配置さ
   れる第２電気絶縁層と、前記第１および第２サーミスタ
   と、前記電気絶縁層の上にあつて前記電気絶縁層の前記
   第１および前記第２サーミスタを外部結合する装置とを
   さらに含む、ことを特徴とする請求項２記載による電熱
   感知器。