专利名称：包括热敏元件的温度传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及ー种包括热敏元件的温度传感器，所述热敏元件由具有低线性膨胀系数并且其电气特性取决于温度而改变的低热膨胀陶瓷构成。
背景技术：
已知使用热敏元件(热敏电阻元件)的温度传感器，作为测量汽车等的排出气体的温度的温度传感器，所述热敏元件的电阻值取决于温度而改变。温度传感器包括热敏元件、电极线、护套销(sheath pin)和保护层。热敏元件由诸如Y2O3 *Ycr/Mn03之类的氧化物构成。在热敏元件的表面上提供由Pt等构成的电极膜。由Pt等构成的电极线连接到电极膜。护套销在其中包括信号线，该信号线电连接到电极线。
保护层具有由覆盖热敏电阻元件的玻璃模具构成的两层结构(參考JP-A-2009-115789)。如上所述，以此方式配置的温度传感器具有由氧化物构成的热敏元件。因此，在还原条件下使用的温度传感器中，例如，用于测量汽车的排出气体温度，出于避免热敏元件的还原降解和减小内应カ的角度，如上所述地形成两层结构的保护层。然而，当形成具有两层结构的保护层时，温度传感器的结构变得复杂且制造成本增加。另外，在具有上述常规结构的温度传感器中，在热敏元件上形成由钼Pt构成的电极膜。因此，护套销内的信号线与电极膜被由Pt构成的互连电极线相连接。然而，因为使用了钼Pt，制造成本増加。另外，对于在排出气体等的温度測量中的使用，可以将温度传感器设置在内燃机附近。在此情况下，来自内燃机的较大振动易于传送到温度传感器。结果，温度传感器的热敏元件会振动，在热敏元件与电极线之间的接合部会变得断开连接。具体地，断开连接易于出现在由钼Pt构成的电极线中。鉴于上述的情况，近年来使用宽量程热敏电阻材料的热敏元件已经受到关注(參考JP-A-H08-273904)。由第一相和第二相来配置热敏元件。第一相由绝缘基质颗粒构成，绝缘基质颗粒由非氧化物构成。第二相由以三维网格形状不连续地散布在第一相中的半导电或导电颗粒构成。诸如这样的宽量程热敏电阻材料由非氧化物构成。因此，即使在还原性气氛中也不易还原热敏电阻材料。不需要诸如上述的两层结构的保护层。可以实现温度传感器的成本降低。引用列表专利文献[PTL l]JP-A-2009-115789[PTL 2]JP-A-H08-27390
发明内容
技术问题
然而，即使在使用宽量程热敏电阻材料时，仍不能解决由钼Pt构成的电极线中的断开连接的问题。另外，当使用诸如钼Pt之类的贵重金属时增加了制造成本。因此，期望开发不使用由Pt构成的电极线的温度传感器。由宽量程热敏电阻材料构成的热敏元件通常具有低线性膨胀系数。用于诸如这样的具有低线性膨胀系数的热敏元件与电极膜的，以及电极膜与引线的接合结构仍是未知的。不适当的组合会导致由于振动造成的断开连接，以及由于宽量程环境中热应カ造成的热敏元件受损。鉴于上述问题而实现本发明。本发明的目的在于提供ー种温度传感器，其包括具有低热膨胀的热敏元件，其中可以避免断开连接，宽量程环境中的可靠性优异，且能够以低成本进行制造。技术方案
根据本发明的温度传感器的基本方面，温度传感器包括热敏元件、一对电极膜和ー对引线。热敏元件由具有3X10_6/°C到5X10_6/°C的线性膨胀系数并且其电气特性取决于温度而改变的低热膨胀陶瓷构成。所述ー对电极膜设置在热敏元件的表面上。所述ー对引线具有15X10_6/°C或更小的线性膨胀系数并且接合到电极膜。当热敏元件、电极膜和引线的线性膨胀系数分别为Ta、Tb和Td吋，线性膨胀系数被设定为满足关系Ta彡Tb彡Td。发明的有益效果因此，本发明的温度传感器包括由低热膨胀陶瓷构成的热敏元件。当热敏元件、电极膜和引线的线性膨胀系数分别为Ta、Tb和Td吋，满足关系Ta < Tb < Td。换句话说，选择性地使用热敏元件、电极膜和引线，以满足关系Ta < Tb < Td。因此，可以在逐步改变的同时，使热敏元件、电极膜和弓I线的线性膨胀系数彼此更为接近。换句话说，经由电极膜，在由低热膨胀陶瓷构成的热敏元件与引线之间形成线性膨胀系数的渐变梯度。因此，即使在宽量程环境中也可以减小热应力。断开连接等不容易发生。温度传感器可以表现出优异的可靠性。另外，在本发明的温度传感器中，将具有15X10_6/°C或更小的线性膨胀系数的引线用作接合到电极膜的引线。因此，在温度传感器中，可以进ー步减小热敏元件、电极膜和引线之间在线性膨胀系数上的差异。结果，断开连接等更不太可能发生。另外，在温度传感器中，可以选择性地使用热敏元件、电极膜与引线，以满足关系Ta<Tb<Td。可以使用除了诸如Pt之类的贵重金属以外的金属电极作为电极膜和引线。因此，可以实现避免使用贵重金属。能够以低成本制造温度传感器。以此方式，在本发明中，在包括具有低热膨胀的热敏元件的温度传感器中，可以避免断开连接。另外，可以提供在宽量程环境中具有优异可靠性，且能够以低成本制造的温度传感器。上述基本方面可以修改为各种有利方面。如上所述，本发明的温度传感器包括热敏元件、电极膜和引线。当热敏元件、电极膜和引线的线性膨胀系数分别为Ta (/°C)、Tb (/°C)和Td (/°C)吋，满足关系Ta < Tb彡Td。另ー方面，当不满足关系Ta < Tb < Td时，在诸如-50°C到1050°C的宽量程环境中的热应カ的充分减小会变得困难。当以由金属构成的接合材料接合电极膜与引线，且接合材料的线性膨胀系数是T。(/°C)时，优选满足关系Ta彡Tb彡Tc彡Td。在此情况下，由于接合材料包括在电极膜与引线之间，线性膨胀系数可以形成更为渐变的梯度。因此，在温度传感器中，在宽量程环境中进ー步减小了热应力。能够进一歩提高温度传感器的可靠性。温度传感器包括护套销，在其中包括引线。可以形成从护套销的尖端侧暴露的引线连接到电极膜的结构。在此情况下，本发明的避免断开连接的操作效果变得更加显著。换句话说，在以从护套销延伸出的引线直接连接到电极膜的方式配置的温度传感器中，当使用由Pt构成的电极线时，容易发生断开连接。由于使用本发明的结构，可以避免使用由Pt构成的电极线。即使在使用从护套销延伸出的引线直接连接到电极膜的结构时，也能够充分防止断开连接。
另外，温度传感器包括护套销，在其中包括信号线。也可以形成从护套销的尖端侧暴露的信号线连接到与电极膜相连的引线的结构。热敏元件由具有3X10_6/°C到5X10_6/°C的线性膨胀系数的低热膨胀陶瓷构成。具有4X 10_6/°C到5X 10_6/°C的线性膨胀系数的低热膨胀陶瓷是优选的。具体地，可以由具有例如由绝缘基质颗粒构成的基质相的低热膨胀陶瓷来配置热敏元件，该绝缘基质颗粒由非氧化物构成。热敏兀件优选具有由基质颗粒构成的基质相，该基质颗粒由氣化娃构成。在此情况下，可以实现具有令人满意的灵敏度的温度传感器。更优选地，使用低热膨胀陶瓷，其以由基质颗粒构成的基质相(第一相)，以及以三维网格形状不连续地散布在第一相中的半导电或导电的第二相颗粒来配置，其中基质颗粒由氮化硅构成。在此情况下，可以实现具有令人满意的灵敏度的温度传感器。另外，能够实现具有优异耐热性且能够避免还原降解的温度传感器。作为以第一相和第二相颗粒配置的低热膨胀陶瓷，具体地，可以使用例如在JP-A-2000-348907、JP-A-H08-273904、JP-A-H07-331358 和 JP-A-H06-227870 中说明的宽量程热敏电阻材料或复合材料。更具体地，例如可以使用由氮化硅或氧氮化物陶瓷构成的颗粒作为基质颗粒。由氮化硅陶瓷构成的颗粒是优选的。另外，可以使用由碳化硅等构成的颗粒作为第二相颗粒。具体地，例如，可以使用如下制造的低热膨胀陶瓷。换句话说，混合30vol%到50vol%的碳化硅(SiC)粉末(平均颗粒尺寸0. 2iim或更小)，作为烧结助剂的4vol%到7vol%的氧化钇(Y2O3)粉末(平均颗粒尺寸0. 5iim或更小)，作为添加剂的0. 6vol%到4vol%的硼化钛粉末(TiB2)(平均颗粒尺寸0. 4iim或更小)，以及剩余部分(vol%)的氮化硅(Si3N4)粉末(平均颗粒尺寸0. 7pm或更小)。在诸如水或こ醇的分散介质中混合该混合物。随后，将混合的原材料模制并加热，从而获得低热膨胀陶瓷。接下来，优选以至少包含Cr和Fe的合金来构成电极膜、引线和接合材料。在包含Cr和Fe的合金中，随着Cr含量増大，合金变成具有更低线性膨胀系数的材料。线性膨胀系数可以更接近于热敏元件的线性膨胀系数。另外，与诸如Pt的贵重金属相比，包含Cr的合金具有高強度并且不易发生断开连接。此外，通过添加Fe，可以改进材料的展延性。可以调整线性膨胀系数。电极膜可以由Cr-Fe合金构成。具体地，电极膜优选由主要成分是Cr或Fe的合金构成。电极膜更优选由主要成分是Cr的Cr-Fe合金构成。电极膜的线性膨胀系数Tb (/0C )优选是Tb彡11 X 10_6。在此情况下，可以进ー步减小热敏元件、弓丨线与电极膜之间在线性膨胀方面的差异。另外，当包括接合材料时，可以进ー步减小热敏元件、接合材料、引线与电极膜之间在线性膨胀方面的差异。因此，在此情况下，即使在宽量程应用环境下也可以进ー步减小热应力。可以进ー步提高可靠性。另外，在温度0 °C到100で下电极膜的线性膨胀系数例如可以是4X IO-6/ V到9X10_6/°C。在此情况下，可以进ー步减小热敏元件、引线与电极膜之间在热膨胀方面的差异，或者热敏元件、接合材料、引线与电极膜之间在热膨胀方面的差异。因此，可以进ー步改进高温环境下温度传感器的耐久性。另外，即使在宽量程应用环境下也可以进一歩减小热 应力。可以进ー步提高可靠性。引线的线性膨胀系数Td (/0C)优选是15X10_6/°C或更小，或者换句话说，Td 彡 15X10' 更优选地，Td 彡 14X 10_6。引线的线性膨胀系数例如可以是4X 10_6/°C到14X 10_6/°C。在此情况下，可以进ー步减小热敏元件、引线与电极膜之间在热膨胀方面的差异，或者热敏元件、接合材料、引线与电极膜之间在热膨胀方面的差异。因此，可以进ー步改进高温环境下温度传感器的耐久性。另外，即使在宽量程使用环境下也可以进ー步减小热应力。可以进ー步提高可靠性。另外，引线可以由基于Ni的合金或者铁氧体型不锈钢构成。如上所述，这些材料优选包含Cr或Fe。例如，可以使用NCF601 (JIS G4901)作为基于Ni的合金。具体地，NCF601 (JIS G4901)的成分包含0. 10wt%或更少的C、0. 50wt%或更少的Si、l. 0wt%或更少的Mn、0. 030wt%或更少的 P、0. 115wt% 或更少的 S、58. 00wt% 到 63. 00wt% 的 Ni、21. 00wt% 到 25. 00wt% 的Cr、I. 00wt% 的 Cu、I. 00wt% 到 I. 70wt% 的 Al,以及其余部分的 Fe。另外，例如可以使用由Fe-Cr-Al合金构成的SUH21 (JIS G4312)作为铁氧体型不锈钢。具体地，SUH21(JIS G4312)的成分包含17wt%到21wt%的Cr、2. 0wt%到4. 0wt%的A1、0. 10wt%或更少的C、I. 50wt%或更少的Si、I. 0wt%或更少的Mn、0. 040wt%或更少的P、0. 030wt%或更少的S，以及其余部分的Fe。另外,如上所述,接合材料优选由包含Cr或Fe的合金构成。接合材料通过楽;状金属粉末烘烤而形成。接合材料Tc (/0C )优选是Tc彡12X 10_6。在此情况下，可以进ー步减小热敏元件、电极膜、接合材料与引线之间在线性膨胀方面的差异。因此，即使在宽量程环境下也可以减小热应力。可以提高温度传感器的可靠性。具体地,接合材料优选由衆状Fe-Cr-Al合金或Cr-Fe合金烘烤而形成。当使用由基于Ni的合金构成的引线时，接合材料的线性膨胀系数更优选为9X 10_6/°C到12X 10_6/°C。接合材料优选通过浆状Fe-Cr-Al合金烘烤而形成。在此情况下，形成Al的钝化膜。因此，高温下的抗氧化性优异。例如可以使用包含17wt%到21wt%的Cr和2wt%到6wt%的Al的合金作为Fe-Cr-Al合金。除了 Fe以外，合金的成分包含17wt%到21wt%的Cr>2. 0wt%到4. 0wt%的A1、0. 10wt%或更少的C、I. 50wt%或更少的Si、I. 0wt%或更少的Mn、0. 040wt%或更少的P、以及0. 030wt%的S。另外，当使用由铁氧体型不锈钢构成的引线时，接合材料的线性膨胀系数更优选是9X 10_6/°C到IlX 10-6/oC。接合材料优选通过浆状Cr-Fe合金烘烤而形成。在Cr-Fe合金中，线性膨胀系数随着Cr比例的増大而减小。因此，可以进ー步减小热应カ。作为Cr-Fe合金，包含60wt%到90wt%的Cr以及40wt%到10wt%的Fe的合金是优选的。具体地，作为Cr-Fe合金，例如可以使用Cr40Fe合金用于接合材料的烘烤温度优选是1000°C到1490°C，更优选地为1000°C到1200°C。当烘烤温度低于1000°C时，接合強度会不够。或者，金属粉末的烧结会不充分。另一方面，当烘烤温度超过1490°C时，合金可以熔化，使引线与电极膜之间难以接合。烘烤温度更优选地是1200°C或更低。接下来，在热敏元件的一对相对表面的整个表面上形成电极膜。在热敏元件与接合材料的接合表面上，热敏元件的端部与接合材料之间的最短距离优选至少是0. Imm或更大。在此情况下，可以避免制造过程中在热敏元件中出现断裂。将解释其原因。换句话说，在热敏元件的ー对表面的整个表面上形成电极膜。通过热处理形成电极膜。因此，张应力施加到热敏元件的端部。当直到其中形成电极膜的热敏元件的端部都存在接合材料时，因为接合材料也是通过热处理形成的，进ー步的张应カ被施加到热敏元件。结果，在热敏元件中会出现断裂。如上所述，在热敏元件与接合材料的接合表面上，当热敏元件的端部与接合材料分离，以使得最短距离至少是0. Imm或更大时，热敏元件上来自接合材料的热应カ不再影响热敏元件的端部。可以避免出现断裂。另外，优选包括保护层，其将热敏元件与电极膜连同一部分引线一起密封。在此情况下，可以减小热敏元件、电极膜与引线的接合部中的热应力。另外，可以提高接合部的保持力。可以进一歩提高对抗振动的耐久性。另外，在温度传感器中，当电极膜和弓I线由接合材料接合时，保护层减小了热敏元件、电极膜、弓丨线与接合材料的接合部中的热应力。另外，可以提闻接合部的保持力。可以进一步提闻对抗振动的耐久性。保护层例如可以由玻璃形成。
图I是根据第一实施例的温度传感器的热敏元件的外围的截面图；图2是根据第一实施例的温度传感器的截面图；图3是温度传感器的尖端部分的截面图；图4是在将引线设置为与在其上形成有电极膜的热敏元件接触的状态下的截面形状的说明图5是根据第一实施例的在将浆状接合材料涂覆到热敏元件的电极膜与引线之间的接合部的状态下的截面形状的说明图；图6是沿图5中线A-A得到的截面图；图7是根据第三实施例的温度传感器的热敏元件的外围的截面的说明图；
图8是根据第四实施例的其中由接合材料接合引线与电极膜的热敏元件的表面的说明图，显示了从其上形成有接合的ー侧的顶视图；以及图9是根据第五实施例的温度传感器的尖端部分的截面的说明图。
具体实施例方式第一实施例接下来，将说明根据本发明的第一实施例的温度传感器。根据本实施例的温度传感器I包括热敏元件2、一对电极膜20和一对引线21，如图I至图3所示。热敏元件2包括低热膨胀陶瓷并且其电气特性取决于温度而改变。在热敏元件2的表面上提供该对电极膜20。将该对引线21接合到电极膜对20，并用于外部电路连接。引线21由接合材料22接合到电极膜20。根据本实施例，热敏元件2的低热膨胀陶瓷由第一相和第二相颗粒配置。第一相由绝缘基质颗粒构成，绝缘基质颗粒由非氧化物构成。第二相颗粒是半导电或导电的，并以三维网格的形状不连续地散布在第一相中。根据本实施例，基质颗粒由Si3N4构成。第二相颗粒SiC颗粒构成。在基质颗粒之间，存在由Y2O3构成的玻璃相。第二相颗粒散布在玻璃相中。根据本实施例的由低热膨胀陶瓷构成的热敏元件2的线性膨胀系数是4. 5X 10_6/°C。另外，电极膜20由Cr_40Fe合金构成，Cr_40Fe合金是Cr-Fe合金。电极膜20的线性膨胀系数是9X 10_7°c (温度(TC到100°C )。引线21 由“INC0NEL (注册商标)601” 构成，其是由 Daido-Special Metals Ltd.制造的基于Ni的合金(NCF601)。引线21的线性膨胀系数是14X10_6/°C。另外，接合材料由浆状Fe-Cr-Al合金烘烤而形成。根据本实施例,将NAS4425A型钢(由Nippon Yakin Kogyo Co. , Ltd.制造)用作Fe-Cr-Al合金。除了 Fe以外的元素成分是 19wt% 至Ij 21wt% 的 Cr,5. 0wt% 到 6. 0wt% 的 A1、0. 06wt% 到 0. 12wt% 的 La、0. 015wt% 或更少的C、l. 0wt%或更少的Si和I. 0wt%或更少的Mn。接合材料的线性膨胀系数是IlX 1(T6/°C。另外，温度传感器I具有保护层52。保护层52将热敏元件2、电极膜20和接合材料22连同引线21的一部分一起密封。保护层52由具有在1000°C或更高的温度保护热敏元件2的效果的材料构成。作为该材料，给出了无机材料、非晶玻璃、结晶玻璃等。如果材料自身具有期望范围的线性膨胀系数，则可以単独使用这些材料。然而，可以使用在其中结合了非晶玻璃和结晶玻璃，将无机材料粉末添加到玻璃等的材料来配置保护层52，以获得期望的线性膨胀系数。可以给出氧化招(A1203)、氧化镁(MgO)、氧化钇(￥203)、氧化铬(0203)、氧化错(21~02)、配置热敏元件2的低热膨胀陶瓷等，作为添加到玻璃的无机材料粉末。作为配置保护层52的材料，通过将配置热敏元件2的40wt%或更多的低热膨胀陶瓷添加到在高温下稳定的结晶玻璃来调整其线性膨胀系数的材料是更优选的。结晶玻璃的成分优选包括例如，氧化硅、氧化钙、氧化锰、和氧化铝。另外，结晶玻璃更优选的成分包括30wt%到60wt%的Si02、10wt%到30wt%的CaO、5wt%到25wt%的MgO和 0wt% 到 15wt% 的 Al2O3。根据本实施例的温度传感器I是用于測量汽车的排出气体温度的传感器。在温度传感器I中，导管11设置为比端盖4更进一歩朝向后端侧，以便覆盖护套销3的外围，如图2所示。导管11的后端部112固定到护套销3的后端部302。导管11的后端部112和护套销3的后端部302在整个周边上焊接。导管11的尖端部111不固定到护套销3。然而，形成尖端部111以便与护套销3的侧表面之间几乎没有间隙地相接。另外，形成导管11以使得尖端部111和后端部112具有比两者之间的部分更小的直径。在除了尖端部111和后端部112之外的部分中，在导管11与护套销3之间形成间隙。另外，在导管11的外围设置凸缘12。凸缘12容纳护套销3，导管11在两者之间。凸缘12由接触部121、第一延伸部122和第二延伸部123构成。接触部121布置为与用于连接到内燃机的轮毂的内壁的尖端表面接触。第一延伸部122在接触部121后延イ申，并具有比接触部121小的外径。第二延伸部123比第一延伸部122更在后面延伸，并具有更小的外径。将导管11插入并固定在接触部121、第一延伸部122和第二延伸部123内。另外，将保护管13的一端焊接并固定到第一延伸部122的外国。保护管13保护护套销3、导管11和一部分外部引线17。在第二延伸部123中将凸缘12在整个周边焊接到导管11。另外，将端盖4在整个周边焊接到护套销3的尖端部301的外国。导管11、护套销3和端盖4由不锈钢或基于Ni的耐热合金构成。此外，凸缘12和保护管13也由不锈钢或基于Ni的耐热合金构成。另外，导管11的厚度大于护套销3的外管部34的厚度。导管11具有比护套销3的外管部34更高的刚度。护套销3由两个引线21、绝缘部33和外管部34构成，如图2所示。两个引线21由基于Ni的耐热合金构成。绝缘部33由诸如氧化镁的绝缘粉末构成，并设置在引线21的外国。外管部34由不锈钢构成，其覆盖绝缘部33的外国。护套销3具有圆筒形。外管部34具有圆柱形。另外，引线21在尖端侧和后端侧从绝缘部21和外管部34露出。引线21的尖端由接合材料22接合到热敏元件2的电极膜20 (见图I)。引线21的后端接合到外部引线17 (见图2)。保护层52在室温到850°C的温度范围内一直与端盖4的内表面接触，如图2和图3所示。优选地，保护层52在室温到1000°C的温度范围内一直与端盖4的内表面接触。此外，保护层52在室温到850°C的温度范围内不与端盖发生化学反应。优选地，外保护层52在室温到1000°C的温度范围内不与端盖4发生化学反应。另外，引线21接合到热敏元件2的外表面,如图I所示。换句话说,热敏元件2具有大致长方体形状。在彼此平行的ー对表面上形成该对电极膜20。从护套销3内延伸出的引线21分别直接接合到电极。接下来，将说明根据本实施例的制造温度传感器I的方法的示例。首先，如下所述地制造热敏元件2。换句话说，将52. 2vol%的氮化硅(Si3N4)粉末(平均颗粒尺寸0. 7 ii m)、40vol%的碳化硅(SiC)粉末(平均颗粒尺寸0. 2 ilm)、作为烧结助剂的5. 5vol%的氧化钇(Y2O3)粉末(平均颗粒尺寸0. 5 Pm)、和作为添加剂的2. 3vol%的硼化钛(TiB2)粉末(平均颗粒尺寸0. 4um)混合。使用こ醇，由球磨机将混合物混合24小时。接下来，将混合原材料放置在磨具内。在20MPa的压カ下执行单轴模压成型。在1850°C的温度和20MPa的压カ条件下，在N2气氛中执行热压ー小时。结果，获得热敏元件
2,其由具有长度1mm、宽度Imm和高度0. 5mm的长方体形状(平板形)的烧结体(低热膨胀陶瓷)构成。接下来，在热敏元件2的高度方向上彼此相対的ー对表面上厚膜印刷厚度约为10 ii m的Cr-Fe合金浆料。随后在温度1300°C烘烤Cr-Fe合金浆料，从而形成电极膜20。Cr-Fe合金浆料具有约30 ii m或更少的粒度。接下来，将由基于Ni的合金构成的从护套销3内延伸出的引线21以如下方式接合到热敏元件2的电极膜20 (见图I)。 换句话说，首先，将80wt%到85wt%的NAS4425A5型钢颗粒(平均颗粒尺寸10 y m)、4wt%到6wt%的丙烯酸共聚物、0. lwt%到lwt%的邻苯(ニ甲酸酷)ニ甲酸ニ辛酷、lwt%到2wt%的溶剂石脑油、5wt%到10wt%的乳酸丁酯和lwt%或更少的娃树脂混合,从而产生衆状接合材料。接下来，将由基于Ni的合金构成的从护套销延伸出的引线21布置为接触热敏元件2的该对电极表面20,如图4所示。随后，借助浆料充填方法，将浆状接合材料220涂敷到电极表面20和引线的接触部，如图5和图6所示。随后在温度1200°C加热所得物一小时并烘烤。结果，由接合材料接合热敏元件2的电极表面20和引线21，如图I所示。接下来，例如，将由30wt% 到 60wt% 的 SiO2,10wt% 到 30wt% 的 Ca0、5wt% 到 25wt%的Mg、和0wt%到15wt%的Al2O3构成的结晶玻璃粉末与溶剂混合，并形成浆料。将引线21接合到的热敏元件2浸入浆料中，并沉积预定量的玻璃浆料。在干燥后，在1200°C对所得物进行热处理，从而同时执行玻璃的结晶化和烘烤。形成如图I所示的保护层52。玻璃浆料的线性膨胀系数与电极膜20的线性膨胀系数相匹配。接下来，将接合到从护套销延伸出的引线21，并由保护层52覆盖的热敏元件2插入到端盖4中，如图2和图3所示。端盖4已加热到温度300°C或更高。接下来，将端盖4冷却到室温，并焊接到护套销3的侧表面。如上所述地获得温度传感器I。接下来，将说明根据本实施例的操作效果。首先，根据本实施例的温度传感器I包括由低热膨胀陶瓷构成的热敏元件2，如图I所示。在温度传感器I中，由通过烘烤衆状Fe-Cr-Al合金而形成的接合材料22接合由Cr-Fe合金构成的电极膜20和由基于Ni的合金构成的引线21。作为以此方式规定的引线21与电极膜20的接合部外围中的材料的结果，可以使热敏元件2、电极膜20、接合材料22和引线21的线性膨胀系数彼此更接近。此外，当构成热敏元件2的低热膨胀陶瓷的线性膨胀系数是Ta (/で)、电极膜20的线性膨胀系数是Tb(/で)、接合材料22的线性膨胀系数是T。(/°C)，且引线21的线性膨胀系数是Td (/°C)吋，可以建立Ta < Tb < T。< Td。可以逐步使线性膨胀系数彼此更接近。换句话说，经由电极膜20和接合材料22，在引线21与由低热膨胀陶瓷构成的热敏元件2之间形成线性膨胀系数的渐变梯度。因此，即使在高温环境下也不容易发生断开连接。温度传感器I是非常可靠的。另外，即使在宽量程应用环境下也可以减小热应力。可以提高温度传感器I的可靠性。另外，在根据本实施例的温度传感器中，使用了由基于Ni的合金构成的引线21。与由Pt构成的常规引线相比，强度更高。因此，对抗振动的耐久性优异，且不易发生断开连接。即使在使用作为铁氧体型不锈钢的Fe-Cr-Al合金(例如，由Nisshin Steel Co. , Ltd.制造的“NCA1”)代替基于Ni的合金时，也证实可以实现与根据本实施例的效果相似的效
果O另外，在根据本实施例的温度传感器I中，使用了由基于Ni的合金构成的引线。可以实现避免使用贵重金属。因此，可以以低成本制造根据本实施例的温度传感器I。另外，根据本实施例，配置热敏元件2的低热膨胀陶瓷由第一相和半导电或导电的第二相颗粒构成。第一相由绝缘基质颗粒构成，该绝缘基质颗粒由非氧化物构成。第二 相颗粒以三维网格形状不连续地散布在第一相中。因此，可以实现具有令人满意的灵敏度的温度传感器。另外，可以实现能够避免还原降解并具有优良耐热性的温度传感器。另外，根据本实施例的温度传感器I具有保护层52，其将热敏元件2、电极膜20和接合材料22连同一部分引线21密封在一起。因此，可以减小热敏元件2、电极膜20与引线21的接合部中的热应力。另外，可以提闻接合部的保持强度，并可以进一步提闻对抗振动的耐久性。如上所述，根据本实施例，在包括具有低热膨胀的热敏元件的温度传感器中，可以防止断开连接。另外，可以提供以低成本制造的温度传感器。第二实施例将说明根据本发明的第二实施例的温度传感器。根据第二及以后的实施例，以相同的參考标记给出与上述根据第一实施例的温度传感器的构成元件相同或等价的构成元件。省略或简化其说明。根据本实施例，给出的示例中是，通过从根据第一实施例的方法改变在热敏膜上形成电极膜的方法等，来制造温度传感器。除了下文说明的形成电极膜的方法等以外，根据本实施例的温度传感器具有与根据第一实施例的相似的结构。关于制造根据本实施例的温度传感器，具体而言，首先，以类似于根据第一实施例的方式来获得热敏元件。接下来，在热敏元件的高度方向上彼此相対的ー对表面上厚膜印刷厚度约为IOym到20 μ m的Cr-Fe合金浆料。随后在温度1200°C下烘烤Cr-Fe合金浆料，从而形成电极膜。Cr-Fe合金浆料具有约10 μ m或更少的粒度。接下来，以类似于根据第一实施例的方式，将由基于Ni的合金构成的、从护套销内延伸出的引线接合到热敏元件的电极膜。换句话说，首先，将等同于SUH21的80wt%到85wt%的NAS4425A5型钢颗粒(由Nippon Yakin Kogyo Co. , Ltd.制造；平均颗粒尺寸10 μ m或更少)、4wt%到6wt%的丙烯酸共聚物、O. lwt%到lwt%的邻苯(ニ甲酸酷)ニ甲酸ニ辛酷、lwt%到2wt%的溶剂石脑油、5wt%到10wt%的乳酸丁酯和lwt%或更少的硅树脂混合，从而产生浆状接合材料。接下来，将由基于Ni的合金构成的从护套销延伸出的引线布置为接触热敏元件的该对电极膜。随后，借助浆料充填方法，将浆状接合材料涂敷到电极膜和引线的接触部。随后在温度1100°c下加热所得物一小时并烘烤。結果，由接合材料接合热敏元件的电极膜和引线。接下来，以类似于根据第一实施例的方式，浸泡引线所接合的热敏元件。在干燥后，对热敏元件进行热处理，从而形成保护层。接下来，以类似于根据第一实施例的方式，将接合到从护套销延伸出的引线并由保护层覆盖的热敏元件插入加热的端盖中并冷却。随后将端盖焊接到护套销的侧表面。如上所述地获得根据本实施例的温度传感器。同样在根据本实施例制造的温度传感器中，以类似于根据第一实施例的方式，当构成热敏元件的低热膨胀陶瓷的线性膨胀系数是1 (/で)、电极膜的线性膨胀系数是Tb (/で)、接合材料的线性膨胀系数是T。(/0C),且引线的线性膨胀系数是Td (/°c)时，可以建立K K Tc^Tdtj可以逐步使线性膨胀系数彼此更接近。换句话说，经由电极膜和接合材料，在引线与由低热膨胀陶瓷构成的热敏元件之间形成线性膨胀系数的渐变梯度。因此，即使在高温环境下也不容易发生断开连接。·根据本实施例的温度传感器是非常可靠的。另外，即使在宽量程应用环境下也可以减小热应力。可以提高根据本实施例的温度传感器的可靠性。根据本实施例的温度传感器实现了类似于根据第一实施例的其它操作效果。第三实施例将參考图7来说明根据本发明的第三实施例的温度传感器。根据本实施例，本发明涉及温度传感器，其配置为使得接合到热敏元件的电极膜的引线接合到从护套销延伸出的信号线。具体地，在根据本实施例的温度传感器6中，以类似于根据第一实施例的方式，包括长方体的热敏元件2、一对电极膜20和引线21，如图7所示。在热敏元件2的表面上提供该对电极膜20。引线21接合到该对电极膜20。引线21由接合材料22接合到电极膜20。根据本实施例，将接合到电极膜20的该对引线21接合到从护套销3的尖端延伸出的信号线215。可以通过激光焊接来接合引线21和信号线215。以类似于根据第一实施例的方式，将信号线215的后端接合到外部引线(未图示)。根据本实施例，引线21 由 SUH21(JIS G4312)构成，该 SUH21(JIS G4312)由Fe-Cr-Al合金构成。引线21的线性膨胀系数是IlX 10_6/°C。另外，信号线215由“INC0NEL (注册商标)601”构成，该INC0NEL (注册商标)601是由Daido-Special Metals Ltd.制造的基于Ni的合金(NCF601 )。信号线215的线性膨胀系数是14X10_6/°C。其它配置类似于根据第一实施例的配置。同样在根据本实施例的温度传感器6中，以类似于根据第一实施例和第二实施例的方式，当构成热敏元件2的低热膨胀陶瓷的线性膨胀系数是Ta (/で)、电极膜21的线性膨胀系数是Tb (/で)、接合材料22的线性膨胀系数是Tc (/°C)，且引线21的线性膨胀系数是Td (/で彡时’可以建立ん彡^彡凡彡！^。可以逐步使线性膨胀系数彼此更接近(见图7)。换句话说，经由电极膜20和接合材料22，在引线21与由低热膨胀陶瓷构成的热敏元件2之间形成线性膨胀系数的渐变梯度。因此，即使在宽量程应用环境下也可以减小热应力。可以提高根据本实施例的温度传感器6的可靠性。
根据本实施例的温度传感器实现了类似于根据第一实施例的其它操作效果。第四实施例将參考图8来说明根据第三实施例的温度传感器。根据本实施例，本发明涉及在热敏元件的端部和接合材料的外边缘之间的最短距离与在热敏元件和接合材料的接合表面上发生断裂之间的关系。换句话说，制造多个温度传感器(样品Xl到样品X5)，它们在电极表面与引线之间的接触部中具有以不同尺寸形成的接合材料。检查了接合材料形成之后发生在热敏元件中的断裂的存在。具体地，首先，以类似于根据第一实施例的方式制造热敏元件。在热敏元件的高度方向上彼此相対的ー对表面上厚膜印刷厚度约为10 μ m到20 μ m的Cr-Fe合金浆料。随后在温度1200°C烘烤Cr-Fe合金浆料，从而形成电极膜。Cr-Fe合金浆料具有约10 μ m或更少的粒度。接下来，将等同于SUH21的80wt%到85wt%的NAS4425A5型钢颗粒(由Nippon Yakin Kogyo Co. , Ltd.制造；平均颗粒尺寸10 μ m或更少)、4wt%到6wt%的丙烯酸共聚物、O. lwt%到lwt%的邻苯(ニ甲酸酷)ニ甲酸ニ辛酷、lwt%到2wt%的溶剂石脑油、5wt%到10wt%的乳酸丁酯和lwt%或更少的硅树脂混合，从而产生浆状接合材料。接下来，以类似于根据第一实施例的方式，将由基于Ni合金构成的引线布置为与热敏元件上形成的该对电极膜接触。随后，借助浆料充填方法，将浆状接合材料涂敷到电极膜和引线的接触部。随后在温度1100°C下加热所得物一小时并烘烤。结果，引线21和热敏元件2的电极膜20由接合材料22接合(见图8)。根据本实施例，由通过改变涂敷的浆状接合材料的量而改变的电极膜上的接合区域来形成不同尺寸的接合材料。在其它方面，可以以类似于根据第一实施例的方式来制造温度传感器。根据本实施例，在热敏元件2与接合材料22的接合表面上，測量热敏元件2的端部28与接合材料22的外边缘229之间的最短距离(a、b、c或d)。如图8所示，根据本实施例，在顶视图中，从在其上形成接合材料22的长方体热敏元件2的表面的形成接合的ー侧，形成接合材料22，以使得外边缘229大致为圆形。因此，上述的最短距离是距离a、距离b、距离c或距离d，如图8所示。根据本实施例，在制造的温度传感器的样品Xl到X5中，測量距离a、距离b、距离c或距离d，检验最短距离。结果在表I中示出。另外，关于每ー个样品，在形成接合材料后，在显微镜下检查热敏元件中会出现的断裂的存在。对于制造的五个温度传感器中的姆一个，在与姆一个样品Xl到X5 (N=5)相似的条件下检查断裂的存在。结果在表I中示出。在表I中，“ X ”指示可以观察到断裂吋，而“〇”指示没有观察到断裂吋。表I
权利要求
1.ー种温度传感器，包括热敏元件，所述热敏元件由具有3 X 10-6/oC到5 X 10-6/oC的线性膨胀系数并且其电气特性取决于温度而改变的低热膨胀陶瓷构成；设置在所述热敏元件的表面上的一对电极膜；以及具有15X10_6/°C或更小的线性膨胀系数并且接合到所述电极膜的一对引线，所述温度传感器，其中 当所述热敏元件、所述电极膜和所述引线的线性膨胀系数分别为Ta (/°C)、Tb (/°C)和Td (/°C)吋，满足关系 Ta ^ Tb ^ Tdo
2.根据权利要求I所述的温度传感器，其中，所述电极膜和所述引线通过由金属构成的接合材料来接合，并且当所述接合材料的线性膨胀系数是T。(/0C)吋，满足关系Ta ^ Tb ^ Tc ^ Td。
3.根据权利要求I或2所述的温度传感器，其中，所述电极膜和所述引线的所述接合材料由至少包含Cr和Fe的合金构成。
4.根据权利要求I至3中任一项所述的温度传感器，其中，所述电极膜的线性膨胀系数Tb (/°C)是 Tb ( 11X10'
5.根据权利要求2至4中任一项所述的温度传感器，其中，所述接合材料的线性膨胀系数 Tc (/°C)是 Tc 彡 12X10'
6.根据权利要求2至5中任一项所述的温度传感器，其中，所述电极膜形成在所述热敏元件的一对相对表面的整个表面上，并且在所述热敏元件和所述接合材料的接合表面上，所述热敏元件的端部与所述接合材料之间的最短距离至少是0. Imm或更大。
7.根据权利要求I至6中任一项所述的温度传感器，其中，所述热敏元件具有由基质颗粒构成的基质相，所述基质颗粒由氮化娃构成。
8.根据权利要求I至7中任一项所述的温度传感器，其中，设置有保护层，所述保护层将所述热敏元件和所述电极膜连同所述弓I线的一部分一起密封。
全文摘要
一种温度传感器1包括热敏元件2，该热敏元件由具有3×10-6/℃到5×10-6/℃的线性膨胀系数并且其电气特性取决于温度而改变的低热膨胀陶瓷构成；设置在热敏元件2的表面上的一对电极膜20；以及具有15×10-6/℃或更小的线性膨胀系数并且接合到电极膜20的一对引线。当热敏元件2、电极膜20和引线21的线性膨胀系数分别为Ta(/℃)、Tb(/℃)和Td(/℃)时，温度传感器1满足关系Ta≤Tb≤Td。
文档编号G01K7/22GK102869966SQ20118002081
公开日2013年1月9日 申请日期2011年4月26日 优先权日2010年4月28日
发明者佐藤元树, 堀恒円, 葛冈馨, 小川千明 申请人:株式会社电装