CN107957301B - 铂温度传感元件 - Google Patents

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Abstract

通过在温度传感元件(10)的基板(21)的上表面侧，形成保护膜(27、29)以覆盖内部电极(25a、25b)、电阻涂层(23)、导线(15a、15b)的内部电极侧的上部，并使整体形状为四棱柱状且横剖面形状在轴方向的任何部位均为大致正方形。而且，通过温度传感元件(10)的发热部(23a)位于元件的长边方向、高度方向以及宽度方向的大致中央部，从而消除发热的偏差，并使朝向导线(15a、15b)的散热恒定。由此，能够提供可降低安装角度导致的温度检测偏差的温度传感元件。

Description

铂温度传感元件
技术领域
本发明涉及例如测量从吸气管通过的吸入空气量的气流传感器中使用的铂温度传感元件。
背景技术
在汽油发动机等内燃机中，通过设置在吸气管内的气流传感器测量吸入空气量(吸气量)，根据吸入到发动机内的空气量控制喷射燃料。作为此类用于精密地测量进入发动机的空气吸入量的气流用传感器，以往使用铂元件。并且在最近，在空调装置的风量控制、环境装置的风速、风量控制等中，气流传感器也是不可缺少的。
气流传感器有两种类型：利用在铂元件(铂发热丝)中通电流使其自发热升温，空气吹过该发热部带走热量，发热丝的电阻会变化这一原理的热类型(也称作热线式)，以及直接测量空气的温度的冷类型。任一类型的传感器均设置在气流中，由于需要准确地测量其温度，因此必须降低元件电阻值的偏差、TCR(电阻温度系数)的偏差、散热的偏差、元件周围的气流的紊乱导致的偏差等。
因此，作为这类元件的感温材料，广泛使用性质稳定且电阻温度特性优良的铂，但是为了对输入的变化(温度变化)快速地进行响应，需要使元件小型化、并降低热容量。特别是上述的热类型的元件，由于其利用电阻值的变化，因此对与测量误差直接相关的特性的偏差有严格的要求。
另一方面，对于温度传感器，关注其结构进行大致区分的话，有绕线型轴向圆棒型元件和平板型的元件这两种类型。作为绕线型元件，例如专利文献1公开了在陶瓷管的外周面上缠绕作为电阻体的铂线，利用该电阻体的电阻值的温度依赖性的电阻体元件。
作为平板型元件，例如专利文献2公开了一种薄膜热敏电阻，其是在陶瓷基板上重叠由复合氧化物等形成的第一热敏膜和第二热敏膜而形成，通过在陶瓷基板和第一热敏膜之间设置绝缘涂层，防止热响应性、电阻温度特性的劣化。另外，专利文献3公开了一种用中间层(绝缘层)覆盖基板和电阻曲折部分，即使温度急剧变化也能够保持电阻曲折部分稳定的温度的温度传感器。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平3-268302号公报
专利文献2：日本特开平6-61012号公报
专利文献3：日本特表2015-532438号公报
发明内容
发明要解决的技术问题
上述的绕线型的传感元件存在绕线节距不稳定，绕线的散乱直接导致电阻值偏差的问题。另一方面，在平板型的传感元件的情况下，当基板上的图案的位置等导致发热点偏离元件的中央附近时，存在朝向导线的散热产生偏差，无法得到正确的温度输出的问题。其结果是，作为传感器必须进行繁琐的调整以校正温度。
另外，现有的平板型传感器没有被设想用作气流传感元件，存在外形尺寸制造得较大的倾向，即使假设使尺寸小型化，传感元件的横剖面的形状会导致处于气流内部的元件的投影面积因设置时的角度、方向而较大地变化。因此，存在取决于设置状态，元件的周围气流会非常紊乱，温度的检测结果容易产生偏差的问题。
本发明，鉴于上述技术问题而提出，其目的在于提供一种能够避免安装角度等导致的温度检测的偏差的温度传感元件。
解决技术问题的方法
为了实现上述的目的，作为解决上述技术问题的一种装置，具备以下的结构。即，本发明的铂温度传感元件，具备：由规定厚度的绝缘材料形成的俯视为矩形的绝缘基板；由在所述绝缘基板上形成的铂电阻膜构成的图案；在所述绝缘基板的长边方向的两个端部上形成的一对电极；与所述一对电极分别接合并向外部引出的导线；以及保护膜，其在所述绝缘基板的上表面侧覆盖所述图案、所述一对电极、所述导线中的与所述一对电极接合的部位的上部，所述铂温度传感元件的整体形状为棱柱状，在长边方向的中部处的横剖面形状为长方形且纵横比为1:1～1.5，在长边方向的中部处的所述绝缘基板的厚度和所述保护膜的厚度大致相等。
例如，本发明的特征在于，将所述图案的中部设为发热部，该发热部是所述绝缘基板的长边方向的大致中部，并且位于该铂温度传感元件的高度方向以及宽度方向的大致中部。例如特征在于，所述发热部由曲折形状的图案形成。另外，例如特征在于，所述接合的部位的上部的所述保护膜的厚度为130～180μm。进一步，例如特征在于，所述绝缘基板的宽度和该铂温度传感元件的高度之比为1:1～1.5，所述绝缘基板的宽度和所述导线的直径之比为2.5:1～3:1，在所述绝缘基板的长边方向上的所述一对电极各自的长度和该绝缘基板的长度之比为1:4～1:5。
发明的效果
通过本发明的铂温度传感元件，能够避免元件周围的气温紊乱等导致的电阻值的偏差，作为气流传感器能够准确地检测吸气流量等。
附图说明
图1是示出本发明的实施方式所涉及的温度传感元件的外观结构的图。
图2是实施方式所涉及的温度传感元件的剖面结构图，图2(a)是垂直方向的剖面图，图2(b)是水平方向的剖面图。
图3是示出将传感元件设置在风洞内的状态的图，图3(a)示出剖面形状为圆形的传感元件，图3(b)示出剖面形状为长方形的传感元件。
图4是示意性地示出传感元件绕轴方向转动时投影面积的变化的图。
图5是示出横剖面形状为长方形的传感元件绕轴转动时，传感器的转动角度和投影面积的变化的图。
图6是示出横剖面形状为正方形的传感元件绕轴转动时，传感器的转动角度和投影面积的变化的图。
图7是示出使用温度传感元件检测温度的模拟实验装置的结构的图。
图8是绘制样品的温度检测模拟实验结果并示出的图。
图9是从轴方向观察到的温度检测模拟实验中使用的样品的样态的图。
具体实施方式
以下，参照附图详细地说明本发明所涉及的实施方式。图1示出本发明的实施方式所涉及的温度传感元件的外观结构。另外，图2(a)是沿向视Y-Y’线切断图1的温度传感元件的垂直方向的剖面图，图2(b)是沿向视X-X’线切断温度传感元件时的水平方向的剖面图。
如图1所示，本实施方式所涉及的温度传感元件10具备：元件本体部12和从该元件本体部12的长边方向的两个端部引出的导线15a、15b。温度传感元件10，其整体形状为四棱柱状(棱柱棒状)且外部表面没有凹凸，与元件的长边方向垂直的剖切面的形状(也称作垂直剖面形状，或横剖面形状。)，在元件的长边方向的任何位置均大致为正方形。
如图2(a)、图2(b)所示，在温度传感元件10中，在俯视为矩形的基板21的上表面的两个端部上形成有具有规定的厚度的内部电极(也称作电极垫片)25a、25b，在这些内部电极25a和内部电极25b之间，形成有由规定图案形成的电阻涂层23。另外，导线15a、15b的端部通过焊接等连接于内部电极25a、25b。
在基板21的上表面侧形成有保护膜27，该保护膜27覆盖内部电极25a、25b、电阻涂层23以及导线15a、15b中的与内部电极25a、25b相连接的部位的上部，进一步形成有覆盖该保护膜27整体的表层保护膜29。在下文中，这些保护膜统称为保护膜27、29。
基板21由例如厚度为0.3mm左右的电绝缘性的陶瓷基板、氧化铝基板(Al2O3)等形成。形成于基板21的上表面的电阻涂层23是由铂(Pt)形成的薄膜电阻膜(铂电阻膜图案)，其电阻值例如为20Ω。内部电极25a、25b例如是使用含有铂等的电极膏印刷的。导线15a、15b，例如直径为0.15mm，是镍芯线的铂包线。另外，保护膜27、29由与基板的线膨胀系数之差较小的、例如耐热玻璃形成。需要注意的是，铂的稳定性、线性优良，能够以高精度在较宽的温度范围内进行测量。
温度传感元件10，如上所述是使用铂发热丝的自发热类型的元件，如图2(b)所示，电阻涂层23的中央部是通电时自发热的由曲折形状的图案形成的发热部23a。该发热部23a，俯视时位于基板21的长边方向和宽度方向(短边方向)的大致中央部，由于位于基板21和保护膜27、29之间，因此在温度传感元件10的厚度(高度)方向上也位于大致中央部。
由于如上所述温度传感元件10的发热部23a是电阻膜图案的大致中央部，并且位于传感元件的高度方向以及宽度方向的大致中央部，因此温度传感元件的中央附近成为发热点。即，由于在温度传感元件的中央部设置发热结构，因此发热没有偏差，朝向导线15a、15b的散热恒定并且稳定化，因此具有能够将对散热的调整控制在最小(调整幅度较小即可)的优点。
需要注意的是，在自发热类型的温度传感元件中，当发热点位于偏离元件的中央附近的位置时，朝向导线的散热发生变化且不恒定，因此发热部的加热所需的电流也变化。于是，需要有针对这类产热的紊乱、散热等导致的气流测量值的变动对策(例如，调整测量电路等)。
＜温度传感元件的外形尺寸＞
接着，说明本实施方式所涉及的温度传感元件10的各部位的尺寸。如图2(a)所示，温度传感元件10的纵剖面形状是，保护膜27、29的厚度在元件的长轴方向的中央部最厚，朝向端部(导线侧)逐渐略微減小。温度传感元件10的长轴方向的中央部的横剖面形状是大致正方形，端部侧(导线侧)是长方形。温度传感元件10例如长度L1(基板21的长边方向的长度)为2mm，长边方向的中央部的高度H例如为0.6mm，宽度W(也是基板21的宽度)例如为0.4mm。另外，元件的长边方向的中央部的保护膜27、29的厚度a例如为0.35mm，导线15a、15b的上部的保护膜27、29的厚度例如为130～180μm。
这样，本实施方式所涉及的温度传感元件10由于导线15a、15b中的与内部电极25a、25b相连接的部位的上部也因有保护膜而具有一定的厚度，因此元件整体为四棱柱形状(棱柱棒状)，如前文所述元件的横剖面的形状在长边方向的任何部位均为大致正方形，但是与元件的长边方向端面部的形状相比，长边方向的中央部的横剖面形状更接近正方形。
在本实施方式所涉及的温度传感元件10，保护膜27、29的厚度a(例如0.35mm)与基板21的厚度b(例如0.3mm)大致相等(a≈b)，因此基板21的厚度b与保护膜27、29的厚度a之比大致为1:1。另外，包括如前文所述的元件的高度H例如为0.6mm，宽度W例如为0.4mm的情况，宽度W与高度H之比1:1～1.5。
温度传感元件10的基板21的宽度与导线15a、15b的线径之比为2.5:1～3:1，基板21的长边方向的长度L1与在元件的长边方向上的内部电极25a、25b的长度L2之比为1:4～1:5(参照图2(b))。这样，通过在温度传感元件10的整体结构中，使各部位之间的尺寸比例维持平衡，能够应付气流的紊乱、产热的散热等。
进一步，如前文所述通过使基板21的厚度变薄，使基板宽度减小，能够使温度传感元件10小型化并减小热容量，因此能够加快作为温度传感器的热响应(ThermalResponse)。另外，通过在导线15a、15b的上部设置保护膜27、29，不仅能够使温度传感元件整体的外观形状成为四棱柱形状，还能够得到导线15a、15b固定于基板21的效果。
＜温度传感元件的形状与温度检测的关系＞
接着，关注整体形状为柱状的温度传感元件的剖面形状，详细地阐述剖面形状与温度检测的偏差的关系。本实施方式所涉及的温度传感元件10是热类型的元件，其利用以下原理：在由铂图案形成的电阻涂层23中通电流以通过自发热使温度上升，该铂图案形成于构成元件的基板21的上表面，通过将该元件暴露在空气流中，电阻膜产生的热被带走而电阻变化。然后，基于铂图案的电阻值变化电检测出被空气流带走的热量，从而测量设置温度传感元件的环境中的空气流量。
图3示出设置在风洞(duct)内的传感元件，如图3(a)所示，风洞31内的传感元件30由于其剖面形状为圆形，因此即使以轴33为中心转动，从图中的箭头所示的空气的流入方向观察到的传感元件30的投影面积也无变化。因此，即使传感元件30绕轴转动，伴随传感元件转动的剖面形状也不会引起空气流变化，在元件的周围不会产生空气停滞等空气流的紊乱。
另一方面，图3(b)的传感元件40，由于其剖面形状为长方形，因此在风洞31内以轴43为中心转动的情况下，如下文所述，与空气流相对的传感元件40的投影面积会变化。由此，会产生空气被截流的面积也改变等变化，还会产生在传感元件40的周围空气流停滞的位置。
图4示意性地示出图3(b)中示出的传感元件40绕轴方向转动导致的投影面积的变化。投影面积是指，如图4所示从立体(此处是传感元件40、40’)的正面照射箭头所示的平行光时，在其相反侧垂直地设置的虚拟屏幕34上投影的该立体的影子的面积。在图4中用虚线表示的传感元件40处于没有绕轴转动的状态(没有倾斜的状态)，在虚拟屏幕34上的投影面积S为S＝高度H×长度L。
另外，在图4中用实线表示的传感元件40’，处于以轴43为中心转动了规定角度的状态，其投影面积S’为S’＝高度H’×长度L。在图4所示的例子中H＞H’，因此投影面积S＞投影面积S’。
图5以及图6，分别示出了横剖面形状为长方形的传感元件40和横剖面形状为正方形的传感元件50绕轴转动，并从轴方向观察时的传感器的转动角度和投影面积的变化。需要注意的是，传感元件40、50的轴方向的长度L相同，因此可以将垂直方向的高度H的变化视为投影面积的变化。
图5示出传感元件40的安装角度从没有倾斜的状态(图5(a)，θ＝0°)，阶段性地增大到图5(d)所示的倾斜为90°为止时投影面积的变化。传感元件40在图5(b)所示的状态，即，当连接图中的a和b的对角线为垂直时，高度最大(H2)，因此此时的投影面积S2也最大。因此，在图5所示的例子中，由于高度具有H2＞H1＞H3＞H4的关系，因此投影面积S2＞S1＞S3＞S4。
图6示出将本实施方式所涉及的温度传感元件，即，将横剖面的形状为大致正方形的传感元件50的安装角度，从与图5所示的情况相同的，没有倾斜的状态(图6(a)，θ＝0°)，阶段性地增大到倾斜为90°(图6(d))为止时的投影面积的变化。传感元件50，当在图6(c)所示的状态时(连接图中的c和d的对角线为垂直时)，高度最大(H7)，投影面积S7也最大。另外，在传感元件50的情况下，高度H5＝H8，因此投影面积也是S5＝S8。因此，在如图6所示的传感元件50的情况下，高度H7＞H6＞H5(＝H8)，因此投影面积S7＞S6＞S5(＝S8)。
如前文所述，剖面形状为长方形的传感元件40的高度H与厚度(宽度)W不是1:1的关系。因此，传感元件绕轴转动的情况下，取决于该转动角度(安装角度)，传感器的投影部分的高度变化较大。这意味着，在传感元件40中投影面积随着绕轴的转动而产生较大的变化，最大面积与最小面积之差(在图5所示的例子中，为S2与S4之差)较大。
此类安装角度的变化引起的投影面积的较大变化，会给吹过传感元件40的空气流带来变化，空气流产生紊乱。其结果是，源自传感元件40的发热部的散热也发生紊乱，因此传感元件40测量空气流的结果产生偏差，成为测量精度的降低的原因。
另一方面，在横剖面形状为大致正方形的传感元件50的情况下，高度H和厚度(宽度)W为大致1:1，因此投影面积S5～S8没有大的变化。具体地，比较如图6(a)所示在未绕轴转动且没有倾斜的状态下设置传感元件50时的投影部分的高度H5，和如图6(b)所示传感元件50绕轴转动角度θ4时的投影部分的高度H6，和如图6(c)所示绕轴转动角度θ5时的投影部分的高度H7，和如图6(d)所示转动90°(θ6＝90°)时的投影部分的高度H8，它们没有大的变化。
即，本实施方式所涉及的温度传感元件，由于如上述宽度(W)：高度(H)≈1:1～1.5(或者，高度(H)：宽度(W)≈1:1～1.5)，所以如图6所示即使传感器的安装角度变化，其投影部分的高度也为H5＝H8≈H6≈H7。因此，在传感元件50中从空气的流入方向观察到的投影面积S5～S8没有大的变化，即使传感元件的安装角度变化，投影面积的最大值与最小值之差也很小。
即使如上文传感元件的横剖面形状为矩形(四边形)，在其为长方形的情况下，高度尺寸和宽度尺寸(长边和短辺的长度)有差异，因此当绕轴的转动导致传感元件的设置状态(安装角度)改变时，投影面积产生较大变化。与此相反，可知在剖面形状为大致正方形的传感元件的情况下，剖面的高度尺寸和宽度尺寸大致相同，因此即使传感元件绕轴转动投影面积也不会产生大的变化。
＜传感元件的样品的温度检测模拟实验＞
接着，说明对于整体形状为棱柱棒状而剖面形状的不同传感元件的样品，改变安装角度实施的元件温度的检测模拟实验。
图7示出通过用作气流传感器的温度传感元件来检测温度的模拟实验装置的结构。其中，在长度能够实现规定的空气流且直径D例如为10mm的圆筒型的风洞(duct)71中，设置与风洞71的长边方向垂直地贯穿的一对支柱72，进一步，在插入风洞71内的支柱72的远端附近，以横跨在这些支柱之间的方式安装温度传感元件73。为了使温度传感元件73确实被流过风洞71内的空气流(图中，用箭头表示)吹到，以其长轴与空气的流入方向成直角，并且位于风洞剖面的中央部的方式设置温度传感元件73。
另外，为了从外部给作为自发热类型的传感器的温度传感元件73供应电源，用金属等导电性材料构成支柱72，在该支柱72中的安装有温度传感元件73一侧的相反侧的远端部上，连接有电流供应用的电源74，和用于检测流过传感元件73的电流的电流计75。需要注意的是，为了使支柱本身的温度不影响测量，设置将支柱72保持在一定的温度，例如25℃的装置(未图示)。
在实施的温度检测模拟实验中，准备剖面形状为矩形(长方形、正方形)，元件的宽度W固定为0.6mm，元件的高度H选用0.2～1.0mm的5种样品。然后，对于各个样品，测量与风洞内的空气流相对的安装角度θ在0°～90°内变化时的元件温度，求出其最大值与最小值之差。
以下示出各样品的详情。
样品1：W×H＝0.6mm×0.2mm(剖面形状为长方形)
样品2：W×H＝0.6mm×0.4mm(剖面形状为大致正方形)
样品3：W×H＝0.6mm×0.6mm(剖面形状为正方形)
样品4：W×H＝0.6mm×0.8mm(剖面形状为大致正方形)
样品5：W×H＝0.6mm×1.0mm(剖面形状为长方形)
样品6：圆筒型的传感元件(剖面为圆形(直径0.6mm))
在本模拟实验中，在使设置在图7所示的风洞71内的样品元件以0.322W发热的状态下，相对于元件的长轴方向成直角地吹过风速1.0m/秒的空气流。然后，对于元件的宽度W相同而高度H不同的5种样品1～5，分别在0°～90°的范围内每隔15°改变安装角度的合计7个不同的角度下，测量元件温度。
图8是绘制样品1～5的温度检测模拟实验结果并示出的图，纵轴是在各安装角度下样品元件的元件温度的最大值和最小值之差，横轴是安装角度的变化引起的投影面积的最大值和最小值的差。因此，横轴示出了与各样品的安装角度的变化相对的投影面积的变化的程度。
另外，图9示例了从轴方向观察在温度检测模拟实验中使用的温度传感元件73(样品1～5)时的状态。在图9中，示出安装角度为0°、45°、90°的情况，在该安装角度下的各样品的投影面积为S0、S45、S90。需要注意的是，用符号80表示各样品的发热部分。
根据图8所示的模拟实验结果，当关注图表的横轴方向时，可知与传感元件的剖面形状为正方形的样品3以及剖面形状为大致正方形的样品2、4相比，剖面形状为长方形的样品1、5与安装角度的变化相对的投影面积的变化⊿更大。另外，当关注图表的纵轴方向时，可知传感元件的剖面形状越接近正方形的样品，安装角度导致的温度差越小。需要注意的是，剖面为圆形状的样品6，即使绕轴方向转动，投影面积不变化且温度也不变化，将其绘制在原点。
因此，与传感元件的剖面形状为长方形的样品相比，正方形或大致正方形的样品更难以受到传感元件的安装角度的变化导致的投影面积的变化的影响，温度差也更小，因此能够减小对作为气流传感器的特性，例如空气流量测量中的温度传感器特性等产生的影响。换言之，在图8所示的模拟实验结果中，样品3与样品6在图表上的距离最近，因此可以说剖面形状为正方形的样品3，具有与剖面为圆形状的样品6更相近的特性。另外，如样品2～4所示，传感元件的温度差越小，传感元件的加热所需的电流差较小即可，因此传感器能够小型化。
如以上说明的，本实施方式所涉及的温度传感元件采取整体形状为四棱柱状，且在其轴方向的任何部位横剖面形状均为大致正方形的结构，因此与横剖面形状为长方形的温度传感器相比，能够小型化并减小热容量，所以能够实现热响应速度很快的温度传感器。
另外，传感元件的横剖面的形状为大致正方形，且外部表面上没有凹凸，因此即使在绕轴转动规定角度的状态下安装传感元件，或者在安装后绕轴转动而安装角度发生变化的情况下，投影面积也大致恒定，吹过传感器的空气流不会产生紊乱，因此来自传感器的发热部的散热也不会产生紊乱。其结果是，不会发生吹过传感器的空气流紊乱而电阻值产生偏差的现象，因此温度测量结果没有偏差，避免气流的紊乱影响温度检测，能够准确地测量空气流量。
进一步，作为自发热类型的温度传感元件，使其发热部位于元件的长边方向、厚度方向以及宽度方向的大致中部，使得该元件的中央附近成为发热点。由此，能够提供在发热部产生的热朝向导线的散热恒定，用于校正温度的调整幅度小的稳定的温度传感元件。另外，通过采用发热部没有从元件露出的结构，也不会受到测量气体引起的污损的影响。
附图标记说明
10、73 温度传感元件
12 元件本体部
15a、15b 导线
21 基板
23 电阻涂层
23a 发热部
25a、25b 内部电极
27 保护膜
29 表层保护膜
30、40、40’、50 传感元件
31、71 风洞(duct)
33、43 轴
34 虚拟屏幕
72 支柱
74 电源
75 电流计
80 发热部分

Claims (3)

1.一种铂温度传感元件，其特征在于，具备：
由规定厚度的绝缘材料形成的俯视为矩形的绝缘基板；
由在所述绝缘基板的上表面形成的铂电阻膜构成的图案；
在所述绝缘基板的长边方向的两个端部上形成的一对电极；
与所述一对电极分别接合并向外部引出的导线；以及
保护膜，其在所述绝缘基板的上表面侧覆盖所述图案、所述一对电极、所述导线中的与所述一对电极接合的部位的上部，
所述铂温度传感元件的整体形状为棱柱状，在长边方向的中部处横剖面形状为长方形，在长边方向的中部处所述绝缘基板的厚度和所述保护膜的厚度大致相等，并且，
所述绝缘基板的宽度和该铂温度传感元件的高度之比为1:1～1.5，所述绝缘基板的宽度和所述导线的直径之比为2.5:1～3:1，在所述绝缘基板的长边方向上的所述一对电极各自的长度和该绝缘基板的长度之比为1:4～1:5，并且，
将所述图案的中部设为发热部，该发热部是所述绝缘基板的长边方向的中部，并且位于该铂温度传感元件的高度方向以及宽度方向的中部。
2.如权利要求1所述的铂温度传感元件，其特征在于，所述发热部由曲折形状的图案形成。
3.如权利要求1所述的铂温度传感元件，其特征在于，所述接合的部位的上部的所述保护膜的厚度为130～180μm。
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