JPH10312903A - 温度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高価な薄膜加工技術や微細加工技術に頼ら
ず、かつ製造コストを抑制しつつ、高温環境下で使用さ
れる温度センサとして要求される抵抗値と信頼性とを実
現した温度センサを提供する。 【解決手段】 絶縁体基板に、抵抗パターンをなす金属
膜が配設されてなる温度センサにおいて、前記金属膜
を、粒子径が１μｍ以下のセラミック粉末を６〜１９ｗ
ｔ％含有させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は温度センサ、特に自
動車等の高信頼性、高応答性、小型化等の要求される用
途に供する膜式温度センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】以下、従来例の温度センサ１０１につ
き、図１１〜図１２を参照して説明する。

【０００３】温度センサ１０１では、図１１に示すよう
に、セラミック基板１０２の一方主面上に金属膜１０３
が形成されている。金属膜１０３は、その形状がミアン
ダ形状に形成され、抵抗パターンとして機能している。
金属膜１０３の両端には外部接続用電極膜１０４ａ・１
０４ｂが金属膜１０３と接合して形成されている。電極
膜１０４ａ・１０４ｂ上には入出力端子としてリード線
１０５ａ・１０５ｂが接続されている。そして、金属膜
１０３と電極膜１０４ａ・１０４ｂとの接合部分、およ
び電極膜１０４ａ・１０４ｂとリード線１０５ａ・１０
５ｂとの接続部分を保護するために、図１２に示すよう
に、該接合・接続部分を被覆するように保護コート膜１
０６ａが形成されている。また、金属膜１０３上には、
金属膜１０３の保護および電気的絶縁の観点から、別の
保護コート膜１０６ｂが金属膜１０３全面を被覆するよ
うに形成されている。なお、セラミック基板１０２の他
方主面および四側面には、金属膜・電極膜等は形成され
ていない。

【０００４】金属膜１０３は、スパッタリング、蒸着、
無電解メッキ、または有機金属ペーストによる印刷等の
手法によって成膜されており、その膜厚は約１〜２μｍ
程度の薄膜である。金属膜１０３の材料としては、白金
等の貴金属やニッケル・鉄・銅等の卑金属、およびこれ
らの合金等が用いられる。

【０００５】外部接続用電極膜１０４ａ・１０４ｂは、
スクリーン印刷等の厚膜印刷によって成膜されており、
その膜厚は数十μｍ程度である。電極膜１０４ａ・１０
４ｂは、リード線１０５ａ・１０５ｂの接続に際して金
属膜１０３との接合性を高めるために介在させてある。
すなわち、リード線１０５ａ・１０５ｂは、溶接、はん
だ付け等の手法によって金属膜１０３と接続されるが、
その際、金属膜１０３の膜厚が約１〜２μｍと極めて薄
いため、リード線１０５ａ・１０５ｂを金属膜１０３に
直接接続しようとすると、接合強度が不十分となる。こ
のため、金属膜１０３とリード線１０５ａ・１０５ｂと
の間に、金属厚膜である電極膜１０４ａ・１０４ｂを介
在させて接合強度を高めているのである。電極膜１０４
ａ・１０４ｂの材料としては、金属膜１０３と同様に、
白金等の貴金属やニッケル・鉄・銅等の卑金属、および
これらの合金等が用いられる。

【０００６】保護コート膜１０６ａ・１０６ｂは、樹脂
またはガラスペーストの塗布・スクリーン印刷等の手法
によって形成されている。

【０００７】従来例の温度センサ１０１は以上のように
構成されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来例の温度センサ１０１は、以下のような問題点を有し
ていた。

【０００９】まず、従来例の温度センサ１０１において
は、後述の理由により、金属膜１０３を厚さ約１〜２μ
ｍ程度の薄膜とする必要があった。しかし、薄膜形成を
行うためには、高価な薄膜加工技術や微細加工技術を用
いる必要があり、製造コストの上昇を招いていた。な
お、金属膜１０３を薄膜で形成するのは、以下のような
理由による。すなわち、温度センサとして要求される抵
抗値（常温において数十〜数千Ω）を、主平面寸法が数
ミリ角の温度センサ素子上で実現しようとする場合、形
成する抵抗パターンの金属膜を極めて薄く形成して面積
抵抗を大きくする必要が生じるからである。抵抗パター
ンの抵抗値を大きくするには、その他にも、抵抗パター
ンの幅寸法を微細化してその経路長を長くする手法も考
えられるが、レーザ、エッチング等の加工条件の制約か
ら幅寸法の微細化には限界があり、該手法のみで必要と
する抵抗値を実現することはできなかった。

【００１０】また従来例においては、リード線１０５ａ
・１０５ｂを金属膜１０３に接続する際、その接合強度
を高めるために金属厚膜である外部接続用電極膜１０４
ａ・１０４ｂを介在させなければならなかった。このよ
うに、金属膜１０３とは別途に、異なる膜厚の金属の膜
（電極膜１０４ａ・１０４ｂ）を形成する必要があるた
め、工程数が増加し、製造コストの上昇を招いていた。

【００１１】また異なる従来例として一般に、金属ペー
スト中に一定の比率のセラミック粉末を混合することに
より、比抵抗を高め、かつ信頼性の向上を図る方法が知
られている。しかし、本発明の温度センサの使用される
ような高温環境下（約６００〜１０００℃程度）におい
て要求される抵抗値、および信頼性を実現するための具
体的な金属粉末の粒子径、セラミック粉末の粒子径、お
よびセラミック粉末の混合の比率等は明らかにされてい
なかった。

【００１２】したがって、本発明の目的は、上述の技術
的問題点を解決するためになされたものであって、高価
な薄膜加工技術や微細加工技術を用いず製造コストを抑
制しつつ、かつ高温環境下で使用される温度センサとし
て要求される抵抗値と信頼性とを実現した温度センサを
提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の請求項１にかかる温度センサでは、絶縁体
基板に、抵抗パターンをなす金属膜が配設されてなる温
度センサであって、前記金属膜は、粒子径が１μｍ以下
のセラミック粉末を６〜１９ｗｔ％含有している。

【００１４】また、本発明の請求項２にかかる温度セン
サでは、絶縁体基板に、抵抗パターンをなす金属膜が配
設されてなる温度センサであって、前記金属膜は、粒子
径が６μｍ以下の金属粉末を主成分とし、かつ、粒子径
が１μｍ以下のセラミック粉末を６〜１９ｗｔ％含有し
ている。

【００１５】以上のような構成からなる金属膜を用いて
温度センサを構成することにより、自動車の排気ガス用
温度センサ等の高温環境下（６００〜１０００℃）で使
用される温度センサに要求される抵抗値を実現する金属
膜を、厚膜によって形成することが可能になる。

【００１６】また、本発明の請求項３にかかる温度セン
サでは、前記絶縁体基板として、セラミック基板を用い
た。

【００１７】セラミックのように耐熱性の高い素材を絶
縁体基板として用いることにより、本発明の温度センサ
の高温環境下における耐熱性等を高めることができる。

【００１８】さらに、本発明の請求項４にかかる温度セ
ンサでは、前記セラミック粉末に、前記セラミック基板
と同一成分からなる粉末を用いた。

【００１９】これにより、セラミック基板の熱伝導率と
金属膜の熱伝導率とを近似させることができるので、熱
衝撃等の影響を受けにくくなり、温度センサの信頼性を
高めることができる。

【００２０】そして、本発明の請求項５にかかる温度セ
ンサでは、前記金属膜をスクリーン印刷技法によって形
成した。

【００２１】上述のように、必要な抵抗値を実現する金
属膜を厚膜によって形成することが可能になったことに
より、安価なスクリーン印刷技法によって金属膜を形成
することができる。これにより、従来の薄膜技術を用い
ての金属膜形成に比べて、金属膜の形成コストを大幅に
削減することができる。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を、添付図
面を参照して説明する。

【００２３】［第１実施例、図１〜図９］図１は、本実
施例の温度センサ１を示す分解斜視図である。温度セン
サ１は以下のような構成よりなる。

【００２４】まず温度センサ１は、絶縁体であるセラミ
ック基板２の一方主面上に、図１に示すように、白金の
厚膜よりなる金属膜３が形成されている。金属膜３はス
クリーン印刷によって形成されており、その膜厚は約２
５μｍ程度である。金属膜３はミアンダ形状に形成され
ており、抵抗パターンとして機能している。このよう
に、膜厚約２５μｍ程度の厚膜によって、温度センサと
して必要とされる抵抗値を実現できるのは、金属膜中に
混合されているセラミック粉末の作用による（詳細は後
述する）。金属膜３の両端には、入出力端子としてリー
ド線５ａ・５ｂが、溶接・はんだ付け等の手法によって
接続されている。そして、図３に示すように、セラミッ
ク基板２および金属膜３全体を被覆するように、高純度
ガラスによって外部コーティングが施され、温度センサ
１の完成品が構成されている。

【００２５】ところで、金属膜３の形成の際のスクリー
ン印刷に用いる金属ペーストは、以下のような成分から
構成されている。

【００２６】まず、粒子径が２μｍ以下の白金粉末が金
属ペーストの主成分として用いられている。そして前記
白金粉末に、粒子径が１μｍ以下のセラミック粉末が、
金属ペースト全体の５〜１５ｗｔ％の割合で混合されて
いる。その他に、バインダとしてセルロース系樹脂およ
びテンペル系溶剤が、金属ペースト全体の約２０ｗｔ％
程度、混合されている。

【００２７】では、白金粉末、セラミック粉末の粒子径
を上記数値に限定した根拠、およびセラミック粉末の混
合率を上記数値に限定した根拠を、以下詳細に説明す
る。

【００２８】まず初めに、白金粉末の粒子径を２μｍ以
下とする根拠を述べる。

【００２９】一般に、金属膜の形成を目的とする厚膜金
属ペーストにおいて、金属ペーストを構成する金属粉末
は、その粒子径が１０μｍ以下のものが使用される。そ
して、より小さい粒子径の金属粉末を用いるほど、金属
膜としての緻密性が高くなる。この緻密性は、金属膜を
温度センサの抵抗パターンとして用いる場合、抵抗温度
係数（ＴＣＲ）の生産バラツキに影響を及ぼす。より正
確には、緻密性が高くなるほど、ＴＣＲの生産バラツキ
は少なくなる。ここで、金属粉末の粒子径とＴＣＲバラ
ツキとの関係を示すグラフを、図４に示す（金属粉末に
は、白金粉末を用いた）。

【００３０】ところで、温度センサの温度測定精度は主
としてこのＴＣＲバラツキによって決定されることにな
る。そして、本発明の温度センサ１の用途として考えら
れる自動車の排気ガス用温度センサ等については、約１
０℃単位での測定精度が通常要求される。この点に関
し、ＴＣＲバラツキと測定温度の誤差との関係を実験に
よって確かめた。その結果を図５に示す。図５から明ら
かなように、測定温度の誤差を±１０℃の範囲内に抑え
るためには、ＴＣＲバラツキを±０．２％以内に抑える
必要がある。そして、ＴＣＲバラツキを±０．２％以内
に抑えるためには、図４より、白金粉末の粒子径を２μ
ｍ以下とする必要があるのである。

【００３１】なお、本実施例と同種の構成の温度センサ
であっても、さほど厳しい測定精度の要求されない用途
に供する温度センサにあっては、必ずしも金属ペースト
中の金属粉末の粒子径を２μｍ以下に限定する必要はな
い。

【００３２】次に、セラミック粉末の粒子径を１μｍ以
下とする根拠を述べる。

【００３３】一般に、生産に供するセラミック粉末の粒
子径としては数ｎｍ程度のものから使用されており、大
きいものでは数百μｍから数ｍｍのものまで使用され
る。この中で、本発明の温度センサ１で用いる金属ペー
ストに混合するセラミック粉末の粒子径は、金属膜３の
セラミック基板２への密着性およびリード端子５ａ・５
ｂの金属膜３への接合性の観点から、１μｍ以下とする
必要がある。

【００３４】ここで、金属ペーストに混合するセラミッ
ク粉末の粒子径と、該金属ペーストにより作成した金属
膜の、セラミック基板への密着性との関係を調べたピー
ル試験の実験結果を、図６に示す（セラミック粉末とし
ては、アルミナ粉末を用いた）。この結果から、金属ペ
ーストに混合するセラミック粉末の粒子径が小さいほ
ど、金属膜のセラミック基板への密着性が高いことがわ
かる。そして、セラミック粉末の粒子径を１μｍ以下と
することにより、金属ペースト中にセラミック粉末を混
合しない場合よりも、金属膜の密着性が高まることがわ
かる。また補足的に、リード端子５ａ・５ｂの金属膜３
への接合性の観点からもセラミック粉末の粒子径を規定
しうる。すなわち、セラミック粉末の粒子径が形成する
金属膜の膜厚に近い大きさを有する場合、図７（ａ）に
示すように、混合されたセラミック粉末が金属膜の表面
に突出し、金属膜上に接続されるリード線の接合強度を
弱める結果を招く。従って、リード線の接合強度を高め
るためには、図７（ｂ）に示すように、形成する金属膜
の膜厚に比して、セラミック粉末の粒子径をある程度、
金属膜の膜厚よりも小さくする必要がある。

【００３５】但し、セラミック粉末の粒子径があまりに
小さくなると粉末が霧状となり、金属ペーストへの混合
・調合等の生産作業上の効率が悪くなるため、数十〜数
百ｎｍの粒子径のセラミック粉末を用いることが実用的
である。

【００３６】最後に、金属ペースト全体におけるセラミ
ック粉末の含有率を５〜１５ｗｔ％とする根拠を述べ
る。

【００３７】一般に、金属ペースト中にセラミック粉末
を混合することにより、該金属ペーストを用いて形成し
た金属膜の比抵抗を高める効果が得られることが知られ
ている。ここで、本発明の温度センサ１において、白金
粉末を主成分とする金属ペースト中にアルミナよりなる
セラミック粉末を混合した場合の、セラミック粉末の混
合率と金属膜の比抵抗との関係を示すデータを図８に示
す。図８より明らかなように、セラミック粉末の混合率
が数ｗｔ％程度から比抵抗を高める効果が認められる。
ただし、自動車の排気ガス用温度センサ等の小型化の要
求される用途に供する温度センサの場合、主平面寸法が
数ミリ角の素子上で、常温において数十〜数千Ωの抵抗
値を実現する必要があり、１．５×１０^-4Ω・ｃｍ程度
の比抵抗が最低限、必要とされる。従って、図８から、
セラミック粉末の混合率は５％以上である必要がある。
他方、セラミック粉末の混合率が１５％を越えると、比
抵抗の上昇率が急激に立ち上がり、抵抗値の調整が非常
に困難になると言う問題が発生する。従って、セラミッ
ク粉末の混合率は１５％以下である必要がある。

【００３８】以上の理由から、プラチナ粉末、セラミッ
ク粉末の粒子径の数値、およびセラミック粉末の混合率
は上記数値に限定する必要がある。

【００３９】なお、以上で限定した範囲の数値は、スク
リーン印刷に用いる金属ペーストの段階における数値で
ある。金属ペーストの段階における範囲の数値と、金属
膜として形成された段階における範囲の数値とは、以下
の理由により大きく変化するので、その説明を加える。

【００４０】一般に、スクリーン印刷技法を用いて金属
ペーストを基板（本実施例ではセラミック基板２）上に
配設する。次に、該金属ペーストを約８００〜９００℃
の雰囲気中で焼結させ、基板上に固着させる。以上のよ
うにして金属膜を得る。

【００４１】ところで、上述の焼結段階において、金属
ペーストに８００〜９００℃の高温が加えられることに
より、金属ペーストを構成する成分に以下の２点の変化
が生じる。まず１点目は、金属ペーストの主成分である
金属粉末が粒成長を起こす。具体的には当初の粒子径の
２倍から数倍程度にまで、金属粉末の粒子径が大きくな
る。２点目は、金属ペーストの約２０ｗｔ％を占めてい
たバインダが、雰囲気中に飛ばされて金属ペースト中か
らなくなる。

【００４２】ここで、上記２点の変化を本実施例の温度
センサ１にあてはめて検討する。

【００４３】まず、金属ペーストに混合する金属粉末に
粒子径が２μｍのものを用いた場合、焼結時の粒成長に
よって、金属粉末の粒子径が６μｍ程度にまで大きくな
ることが確認されている。

【００４４】また、金属粉末７５ｗｔ％・セラミック粉
末５ｗｔ％・バインダ２０ｗｔ％の混合比の金属ペース
トを用いて金属膜を形成した場合、バインダが飛ばされ
たことにより、金属膜中のセラミック粉末の比率は６ｗ
ｔ％に変化すること、および、金属粉末６５ｗｔ％・セ
ラミック粉末１５ｗｔ％・バインダ２０ｗｔ％の混合比
の金属ペーストを用いて金属膜を形成した場合、金属膜
中のセラミック粉末の比率は１９ｗｔ％に変化すること
が確認された。

【００４５】以上の説明から明らかなように、金属ペー
スト段階においては金属粉末の粒子径は２μｍ以下を実
施可能範囲としていたが、金属膜として形成された段階
では６μｍ以下の範囲の数値に置き換えることが可能で
ある。同様に、金属ペースト段階においてはセラミック
粉末の混合比は５〜１５ｗｔ％を実施可能範囲としてい
たが、金属膜として形成された段階では、６〜１９ｗｔ
％の範囲の数値に置き換えることが可能である。

【００４６】なお、金属膜中にセラミック粉末が混合さ
れることにより、金属膜３の抵抗値の経時変化を抑制す
る効果が得られることが確認されたこともここに付記し
ておく。金属膜３の抵抗値の経時変化は、温度センサ１
の温度測定精度に悪影響を及ぼすため、その抑制１つの
課題となっていたためである。図９に、本実施例の温度
センサ１の１０００℃環境下の放置試験の試験結果を示
す。この結果から明らかなように、例えば金属ペースト
中にセラミック粉末を５ｗｔ％混合した場合、１０００
℃環境下における５００時間の放置によっても、その抵
抗値の変化を０．５％程度に抑制することができた。さ
らに、セラミック粉末を１０ｗｔ％混合した場合には、
抵抗値の変化を０．２％程度にまで抑制することができ
た。

【００４７】なお、金属ペーストに混合するセラミック
粉末としては、基板２のセラミックと同一材料のセラミ
ック粉末を用いることが好ましい。これにより、金属膜
３のセラミック基板２への密着性を、より高めることが
できるからである。

【００４８】また、セラミック粉末の形状は、金属膜３
の緻密性をより高めるために略球状であることが望まし
い。

【００４９】形成する金属膜３の膜厚は特に限定する必
要はない。金属ペーストを構成する金属粉末およびセラ
ミック粉末の種類等と、実現するべき比抵抗との関係か
ら、膜厚は自由に調整すればよい。

【００５０】なお、本発明に係る温度センサは上記実施
例に限定するものでなく、その要旨の範囲内で種々に変
形することができる。

【００５１】例えば、抵抗パターンの形状を、ミアンダ
形状ではなくスパイラル形状等に形成しても構わない。

【００５２】［第２実施例、図１０］図１０は、本発明
の第２実施例の温度センサを示している。

【００５３】本実施例の温度センサ１１は、リード線１
５ａ・１５ｂが基板１２の両端に配置されている、いわ
ゆるアキシャルリードタイプの温度センサである。

【００５４】その他の点においては、第１実施例の温度
センサ１と変わるところはないのでその説明を省略す
る。

【００５５】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の温度センサによれば以下のような効果が得られる。

【００５６】まず、本発明の請求項１または請求項２記
載の温度センサにおいては、金属膜を構成する金属粉末
およびセラミック粉末の粒子径、および混合されるセラ
ミック粉末の混合率を選択することにより、スクリーン
印刷によって形成しうる程度の膜厚の金属膜でも、高温
環境下で使用される小型の温度センサに必要とされる抵
抗値を実現することができる。

【００５７】このように、厚膜の金属膜によっても、必
要とされる抵抗値を実現できるので、高価な薄膜形成技
術に頼ることなく、安価なスクリーン印刷技術によって
金属膜（抵抗パターン）を形成することが可能になる。
そしてまた、従来、リード端子の金属膜への接合強度を
高めるために介在させていた外部接続用電極膜を形成す
る必要がなくなる。すなわち、金属による膜形成は抵抗
パターンである金属膜の形成のみで足る。これらの点か
ら、温度センサの工程の簡略化、および製造コストの削
減をはかることができる。

【００５８】また、セラミック粉末を金属膜中に混合さ
せたことにより、金属膜のセラミック基板への密着性を
高める効果、および金属膜の抵抗値の経時変化を抑制す
る効果が得られる。

【００５９】さらに、請求項３記載の温度センサにおい
ては、基板のセラミックと金属膜中のセラミック粉末と
が同一の材料なので、セラミック基板と金属膜との熱膨
張係数を近似したものにできる。これにより、高温環境
下での使用や急激な温度変化の生じる環境下での使用に
おいても、温度センサは堅牢性を維持でき、この観点か
らも信頼性の向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１実施例の温度センサを示す分解
斜視図である。

【図２】 図１に示した温度センサの側面図である。

【図３】 第１実施例の温度センサの完成品を示す斜視
図である。

【図４】 金属ペーストを構成する金属粉末の粒子径
と、ＴＣＲバラツキとの関係を示すグラフである。

【図５】 ＴＣＲバラツキと、測定温度の誤差との関係
を示すグラフである。

【図６】 金属ぺースト中に混合するセラミック粉末の
粒子径と、金属膜のセラミック基板への密着性との関係
を示すグラフである。

【図７】 金属膜中に存在するセラミック粉末の様子を
模式的に示した、温度センサ１の断面図である。

【図８】 金属ペースト中に混合されるセラミック粉末
の混合率と、金属膜の比抵抗との関係を示すグラフであ
る。

【図９】 温度センサ１の、１０００℃環境下における
放置試験の結果を示すグラフである。

【図１０】 第２実施例の温度センサを示す分解斜視図
である。

【図１１】 従来例の温度センサを示す分解斜視図であ
る。

【図１２】 従来例の温度センサを示す側面図である。

【符号の説明】

１、１１ 温度センサ ２、１２ セラミック基板 ３、１３ 金属膜（抵抗パター
ン） ５ａ・５ｂ、１５ａ・１５ｂ リード線 １０１ 温度センサ １０２ セラミック基板 １０３ 金属膜（抵抗パター
ン） １０４ａ・１０４ｂ 外部接続用電極膜 １０５ａ・１０５ｂ リード線 １０６ａ・１０６ｂ 保護コート膜

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 絶縁体基板に、抵抗パターンをなす金属
   膜が配設されてなる温度センサであって、 前記金属膜は、粒子径が１μｍ以下のセラミック粉末を
   ６〜１９ｗｔ％含有していることを特徴とする温度セン
   サ。
2. 【請求項２】 絶縁体基板に、抵抗パターンをなす金属
   膜が配設されてなる温度センサであって、 前記金属膜は、粒子径が６μｍ以下の金属粉末を主成分
   とし、かつ、粒子径が１μｍ以下のセラミック粉末を６
   〜１９ｗｔ％含有していることを特徴とする温度セン
   サ。
3. 【請求項３】 前記絶縁体基板として、セラミック基板
   を用いたことを特徴とする請求項１または請求項２記載
   の温度センサ。
4. 【請求項４】 前記セラミック粉末が、前記セラミック
   基板と同一成分であることを特徴とする請求項３記載の
   温度センサ。
5. 【請求項５】 前記金属膜が、スクリーン印刷技法によ
   って形成されていることを特徴とする請求項１ないし請
   求項４記載の温度センサ。