JPH07249503A

JPH07249503A - 正の抵抗温度特性を有する半導体磁器および温度センサ

Info

Publication number: JPH07249503A
Application number: JP4005294A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Niimi; 秀明新見; Yuichi Takaoka; 祐一高岡
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1994-03-10
Filing date: 1994-03-10
Publication date: 1995-09-26

Abstract

(57)【要約】【目的】有熱物体の熱線を検知した時の温度変化が小
さくても、検出感度が良く、大きな機械的強度を有し、
有熱物体の熱線の検知に使用可能な正の抵抗温度特性を
有する半導体磁器および温度センサを提供することであ
る。【構成】磁器基板の表面に半導体化層が形成されてお
り、前記半導体化層が前記磁器基板の表面からの厚みが
０．１〜１００μｍであり、前記磁器基板がチタン酸バ
リウム系磁器からなる正の抵抗温度特性を有する半導体
磁器である。また、磁器基板の表面に半導体化層が形成
されている正の抵抗温度特性を有する半導体磁器からな
り、前記半導体化層の上に検出電極が形成されていて、
前記半導体化層が前記磁器基板の表面からの厚み０．１
〜１００μｍであり、前記磁器基板がチタン酸バリウム
系磁器からなる温度センサである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、正の抵抗温度特性を
有する半導体磁器および該半導体磁器からなる温度セン
サに関する。

【０００２】

【従来の技術】自動ドアや防犯設備等には、人体等の有
熱物体の検知センサや防火用の火炎センサなどに焦電型
赤外線センサが用いられている。この焦電型赤外線セン
サは、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸ジル
コニウム、チタン酸鉛等の焦電効果を有する材料が検知
素子として利用されている。ここで、焦電効果とは検知
素子に赤外線が入射すると検知素子表面の温度が変化
し、これに伴い今まで安定であった電荷の中和状態が崩
れ電気的に不平衡となり、電荷を発生することである。
このとき発生する電荷はインピーダンス変換により電圧
として取り出される。

【０００３】この焦電型赤外線センサの場合、赤外線受
光時の温度変化を利用しているため、赤外線放出体が動
いている場合のみ温度変化があり、その温度変化をセン
サが検知し電気信号に変換して電圧として出力してい
た。そのため、人体等の有熱物体が静止している場合は
温度変化がないため検知できないという問題があった。

【０００４】また、前記焦電型赤外線センサと同じよう
に人体等の有熱物体の放熱を検知するものとしてサーミ
スタがある。例えば、マンガン、コバルト、鉄、銅、遷
移金属の複合酸化物よりなる負の抵抗温度特性を有する
半導体（以下、ＮＴＣサーミスタという）を使用する方
法が早くから実用化されている。このＮＴＣサーミスタ
は室温で使用できるという特徴をもっているが、抵抗温
度係数が一般に−４％／℃程度と低いため、検出感度が
小さいという問題を有している。

【０００５】一方、ＮＴＣサーミスタと逆の特性を有す
るサーミスタとして、正の抵抗温度特性を有するサーミ
スタ（以下、ＰＴＣサーミスタという）がある。このＰ
ＴＣサーミスタは、チタン酸バリウムを基体とする組成
が一般的である。

【０００６】従来、ＰＴＣサーミスタを使用して有熱物
体を検知する方法はいくつか報告されていて、例えば、
ジェイ．イー．ラルフ（Ｊ．Ｅ．Ｒａｌｐｈ）、Ｉｎｆ
ｒａｒｅｄＰｈｙｓ．、２２，２４５（１９８２）に
は、ＰＴＣサーミスタを外部ヒーターにより一定温度に
加熱しながら、該ＰＴＣサーミスタに測定用の微小の電
圧を印加し、電流値の変化を測定する方法が記載されて
いる。ところが、上記測定方法はＰＴＣサーミスタの温
度を一定に加熱することが困難である。特に該ＰＴＣサ
ーミスタの温度は、装置の使用開始時、環境温度の変化
等により長時間ハンチングする。そのため、有熱物体が
作用していないときの電流値（初期値）が安定せず、有
熱物体の検出に誤差が生じやすいという問題を有してい
た。

【０００７】また、上記した問題点を解決する手段とし
て、ＰＴＣ特性を示す温度領域（以下、ＰＴＣ領域とい
う）を使用環境温度にシフトさせる添加物を微量添加し
たＰＴＣサーミスタを使用する方法が考えられるが、Ｐ
ＴＣ領域をシフトさせたＰＴＣサーミスタはシフトさせ
ないＰＴＣサーミスタと比べて、一般に抵抗温度係数が
小さくなり、しかも使用環境温度の変化によって抵抗値
が数桁も変化し、増幅器を使用する場合のマッチングが
難しいという問題が生じて実用化されていない。

【０００８】そこで、ＰＴＣサーミスタの種々の問題を
解決するため、特開平２−２９１９２９号公報におい
て、チタン酸バリウム系半導体磁器を用いて、有熱物体
からの熱線を受光したときの温度上昇を常時検出できる
ＰＴＣサーミスタ素子の検出方法が提案されている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のチタン
酸バリウムを基本とした組成のＰＴＣサーミスタは赤外
線による温度上昇が小さいため抵抗変化も小さく検出感
度が悪いという問題があった。そこで、検出感度を高め
るため、素子の厚みを薄くすることを試みたが、１００
μｍより薄くすると検出感度は高くなるが、機械的強度
に弱く、素子として実用上使用できなかった。

【００１０】この発明の目的は、有熱物体の熱線を検知
した時の温度変化が小さくても、検出感度が高く、大き
な機械的強度を有し、有熱物体の熱線の検知に使用可能
な正の抵抗温度特性を有する半導体磁器および温度セン
サを提供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】請求項１に係る発明は、
磁器基板の表面に半導体化層が形成されている正の抵抗
温度特性を有する半導体磁器である。

【００１２】請求項２に係る発明は、半導体化層が磁器
基板の表面からの厚みの０．１〜１００μｍである正の
抵抗温度特性を有する半導体磁器である。

【００１３】請求項３に係る発明は、磁器基板がチタン
酸バリウム系磁器である正の抵抗温度特性を有する半導
体磁器である。

【００１４】請求項４に係る発明は、磁器基板の表面に
半導体化層が形成されている正の抵抗温度特性を有する
半導体磁器からなり、半導体化層の上に検出電極が形成
されている温度センサである。

【００１５】請求項５に係る発明は、半導体化層が磁器
基板の表面からの厚みの０．１〜１００μｍである温度
センサである。

【００１６】請求項６に係る発明は、磁器基板がチタン
酸バリウム系磁器である温度センサである。

【００１７】半導体化層の厚みを０．１〜１００μｍの
範囲に限定したのは以下の理由による。半導体化層の厚
みが０．１μｍ未満では出力安定性に劣り、１００μｍ
を越えると検出感度が低下して、出力電圧が低くなるた
めである。

【００１８】

【作用】この発明の正の抵抗温度特性を有する半導体磁
器は、磁器基板の表面に薄い半導体化層を形成している
ため、有熱物体の熱線を受光した時の検出感度が高くな
る。また、磁器基板の厚みを厚くしても、全体が半導体
化されていないため、検出感度が低下せず、機械的強度
に優れている。

【００１９】

【実施例】

（実施例１）この発明の実施例を下記に説明する。まず
原料となる炭酸バリウム、炭酸ストロンチウム、酸化チ
タン、酸化珪素、炭酸マンガンを準備し、これを（Ｂａ
_0.80Ｓｒ_0.20）ＴｉＯ₃＋０．０００８Ｍｎ＋０．０１
ＳｉＯ₂の組成となるよう秤量し調合した。これを、純
水およびジルコニアボールとともにポリエチレン製ポッ
トにいれて、５時間粉砕混合した後、乾燥し、１１００
℃で２時間仮焼した。この仮焼粉にバインダー、溶剤お
よび分散剤を混合し、１０×１０×１．０mmの角板に乾
式プレス成形した後、この成形体を１３５０℃２時間焼
成した。得られた磁器は、希土類元素などのいわゆる半
導体化剤を入れていないため絶縁磁器基板であった。

【００２０】この絶縁磁器基板を１mol％硝酸ランタン
水溶液に浸漬後、１３００℃１時間の熱処理を行った。
これにより、表面層のみ半導体化した磁器基板を得た。
図１はこのような処理をした磁器基板の断面図を示し、
１はチタン酸バリウム系の磁器基板、２は磁器基板１の
表面に形成された半導体化層である。

【００２１】上記の方法で得られた磁器基板を図１のＡ
−Ａ’線に沿って７×７×０．５mmの大きさに切り出
し、図２に示すような構造のＰＴＣサーミスタを作成し
た。図２において、１は切り出したチタン酸バリウム系
磁器基板、２は磁器基板１の表面に形成されたランタン
による半導体化層であり、リード線３をチタン酸バリウ
ム系磁器基板１の両端部にオーミック性銀ペーストより
なる電極４を焼き付けて半導体化層２と電気的接続され
るようにし、測定試料用のＰＴＣサーミスタ５を得た。

【００２２】表１には、この実施例１として、上記半導
体化層形成時にランタン濃度や熱処理温度を変えること
により、半導体化層の厚みを変えた試料を示した。な
お、半導体化層の厚みは、機械研磨あるいはイオン研磨
により半導体化層を削りながら、図２の電極間抵抗変化
を測定し、１００ＭΩ以上となったときの研磨量から求
めた。

【００２３】（実施例２）実施例１で作製した絶縁磁器
基板を用い、絶縁基板に真空中でレーザー照射し還元し
た後、大気中で５００℃２時間再酸化することで表面層
のみ半導体化した磁器基板を作製した。そして、実施例
１と同様に測定試料用のＰＴＣサーミスタ５を得た。こ
の際、半導体化層厚みはレーザー光強度で制御し、表１
に、この実施例２として半導体化層の厚みを変えた試料
を示した。

【００２４】（比較例）実施例１において、調合時にラ
ンタンを０．２mol％添加し、全体が半導体化した磁器
基板を作製し、実施例１と同様に測定試料用ＰＴＣサー
ミスタを得た。この際、ラップ研磨し、図２の電極間抵
抗変化を測定し、１００ＭΩ以上の厚さの異なる試料を
作製した。この場合、表１における半導体化層の厚みは
磁器基板の厚みと一致する。

【００２５】各試料の熱線検知特性を図３に示すブリッ
ジ回路で測定した。電源７より１０Vの電圧を印加し、
ＰＴＣサーミスタ６ａ、６ｂのＰＴＣサーミスタ６ａ側
に赤外線を照射し、ＰＴＣサーミスタ６ａとＰＴＣサー
ミスタ６ｂから出力される電圧を電圧計８で測定した。
９は固定抵抗、１０はアースである。熱線源には５００
Kの黒体炉を用いて、熱線を照射したときのＰＴＣサー
ミスタ６ａの応答を調べた。なお、抗折強度は磁器基板
を間隔５mmの２点で支持してその中心位置に荷重を掛け
磁器基板が破壊された荷重を測定した。また、出力安定
性は１分間のインターバルで１００回出力を測定し、そ
の偏差（σ／平均）を求めた。その結果を表１に示す。

【００２６】

【表１】

【００２７】上記の結果より明らかなように、実施例
１、実施例２で得られたＰＴＣサーミスタは半導体化層
の厚みが０．１μｍ〜１００μｍの間であれば、電圧出
力が高く、抗折強度も強く、出力安定性がある。上記範
囲外の半導体化層の厚みであれば、例えば０．０５μｍ
になると、出力安定性が１桁大きくなり、２００μｍに
なると、電圧出力が低下している。また、比較例で得ら
れたＰＴＣサーミスタは電圧出力、出力安定性は良い
が、抗折強度に関しては、実施例１、実施例２と比較し
て２桁も弱くなっている。

【００２８】

【発明の効果】この発明によれば、磁器基板の表面に半
導体化層を形成することで、熱線受光時の検出感度がよ
く、出力安定性があり、しかも機械的強度に優れたもの
が得られる。

【００２９】したがって、この発明の正の抵抗温度特性
を有する半導体磁器は、焦電型赤外線センサや、その他
の温度センサとして利用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例１において処理して得られた
磁器基板の断面図である。

【図２】この発明の正の抵抗温度特性を有する半導体磁
器を用いた温度センサの斜視図である。

【図３】この発明の温度センサの出力を測定するための
回路図である。

【符号の説明】

１チタン酸バリウム系磁器基板２半導体化層３リード線４電極５ＰＴＣサーミスタ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】磁器基板の表面に半導体化層が形成され
ていることを特徴とする正の抵抗温度特性を有する半導
体磁器。
【請求項２】前記半導体化層は前記磁器基板の表面か
らの厚みが０．１〜１００μｍであることを特徴とする
請求項１記載の正の抵抗温度特性を有する半導体磁器。
【請求項３】前記磁器基板は、チタン酸バリウム系磁
器であることを特徴とする請求項１または請求項２記載
の正の抵抗温度特性を有する半導体磁器。
【請求項４】磁器基板の表面に半導体化層が形成され
ている正の抵抗温度特性を有する半導体磁器からなり、
半導体化層の上に検出電極が形成されている温度セン
サ。
【請求項５】前記半導体化層は前記磁器基板の表面か
らの厚みが０．１〜１００μｍであることを特徴とする
請求項４記載の温度センサ。
【請求項６】前記磁器基板は、チタン酸バリウム系磁
器であることを特徴とする請求項４または請求項５記載
の温度センサ。