CN108917972A - 一种超薄型温度传感器 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种超薄型温度传感器，包括热敏电阻基片、第一金属导线、第二金属导线和封装层，所述第一金属导线焊接在热敏电阻基片的第一表面上，第二金属导线焊接在热敏电阻基片的第二表面上，其中第一金属导线和第二金属导线夹持住热敏电阻基片；所述热敏电阻基片和第一金属导线、第二金属导线外设有一层封装层；所述封装层为透明的玻璃釉层；所述热敏电阻基片为核壳结构的、基于Ba‑Cu‑Y‑Ti‑W‑Mn‑O的PTC热敏陶瓷材料，具体的，核结构为(Ba0.985Cu0.012Y0.003)(Ti0.94W0.03Mn0.03)O3，壳结构为TiO2。

Description

一种超薄型温度传感器
技术领域
本申请涉及敏感元器件技术领域，尤其涉及一种超薄型温度传感器。
背景技术
温度是一个基本的物理量，现实生活和生产中对温度的测量非常普遍。温度传感器是指其能感受到温度并将温度变化转换成可用输出信号的传感器。温度传感器无处不在，其中，热敏材料是温度传感器中的核心，其对温度变化极为敏感，目前应用较多的热敏材料包括PTC(正温度系数)热敏材料和NTC(负温度系数)热敏材料。
正温度系数热敏电阻器由于在居里温度附近显著的电阻变化被广泛用于电子工业各个领域，是目前产量最大的温度敏感元件。目前，正温度系数热敏材料以钛酸钡为主体材料，其性能指标有待提高，并且，采用该种材料制成的温度传感器，厚度较大，限制了其具体应用。
发明内容
本发明旨在提供一种超薄型温度传感器，以解决上述提出问题。
本发明的实施例中提供了一种超薄型温度传感器，包括热敏电阻基片、第一金属导线、第二金属导线和封装层，所述第一金属导线焊接在热敏电阻基片的第一表面上，第二金属导线焊接在热敏电阻基片的第二表面上，其中第一金属导线和第二金属导线夹持住热敏电阻基片；所述热敏电阻基片和第一金属导线、第二金属导线外设有一层封装层；所述封装层为透明的玻璃釉层；所述热敏电阻基片为核壳结构的、基于Ba-Cu-Y-Ti-W-Mn-O的PTC热敏陶瓷材料，具体的，核结构为(Ba0.985Cu0.012Y0.003)(Ti0.94W0.03Mn0.03)O3，壳结构为TiO2。
本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
1.本发明的温度传感器具有结构简单、使用方便、密封性好、绝缘性能高、抗气候性能强、可靠性高、成本低等优点，其反应时间快，响应迅速，稳定性好；
2.该热敏电阻基片采用核壳结构的Ba-Cu-Y-Ti-W-Mn-O的PTC热敏陶瓷材料，壳结构具体为TiO2，其具有较高的导电系数和阻温特性，能够与内部的核结构结合发挥作用，得到了意料不到的技术效果。
本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。
附图说明
利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1是本发明实施方式中所述温度传感器的结构示意图；
图2是本发明所述温度传感器的结构剖视图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。
本申请的实施例涉及一种超薄型温度传感器，结合图1、图2，该温度传感器包括矩形的热敏电阻基片10，在热敏电阻基片10相对的两面分别焊接有第一金属导线20和第二金属导线30，即，第一金属导线20焊接在热敏电阻基片10的第一表面101上，第二金属导线30焊接在热敏电阻基片10的第二表面102上，从而使得第一金属导线20和第二金属导线30夹持住热敏电阻基片10，热敏电阻基片10和第一金属导线20、第二金属导线30外设有一层玻璃釉封装层40，其中玻璃釉封装层40的封装长度需根据温度传感器需要来确定。
具体的，上述的焊接方式有超声焊接、金丝球焊、银膏埋焊等；
具体的，该玻璃釉封装层40为电阻材料，其主要成分是氧化镁，俗称：苦土，灯粉，煅苦土，其特点是高亮度、高抗菌、高自洁、高防水。第一金属导线20和第二金属导线30选用与玻璃釉封装层40具有良好封结的杜美丝导线。
本申请技术方案中，用玻璃釉替代环氧树脂，用杜美丝线替代传统的铜丝，在高温下进行封结。由于杜美丝和玻璃釉的密封性，使用本发明制作的温度传感器经沸水煮1000小时后，电性能无变化。具有很大的实用价值，可广泛用于消防温感器，热水器温度传感器行业。
在一种优选实施方式中，该玻璃釉封装层40厚度可为2000～5000μm；第一金属导线20和第二金属导线30为杜美丝导线，第一金属导线20和第二金属导线30的直径可为100～500μm。
一种优选实施方式中，该热敏电阻基片10为一种核壳结构的、基于Ba-Cu-Y-Ti-W-Mn-O的PTC热敏陶瓷材料，具体的，核结构为(Ba0.985Cu0.012Y0.003)(Ti0.94W0.03Mn0.03)O3，壳结构为TiO2。
目前技术方案中，钛酸钡系热敏电阻材料常用单元素添加剂，如Pb、Sr、Y、Nb等实现移动居里点、实现半导体化、提高升阻比以及增强耐高压等；本申请的技术方案创造性的采用核壳结构的Ba-Cu-Y-Ti-W-Mn-O系PTC热敏陶瓷材料，壳结构具体为TiO2，其具有较高的导电系数和阻温特性，能够与内部的核结构结合发挥作用，提高了热敏电阻基片的阻温特性，得到了意料不到的技术效果。
此外，通过采用核壳结构热敏陶瓷材料，有效降低了热敏电阻基片的厚度，使得温度传感器具有超薄效果，扩大了应用范围。
具体到核结构，该(Ba0.985Cu0.012Y0.003)(Ti0.94W0.03Mn0.03)O3是由BaCO3、CuCO3、Y2O3、TiO2、WO3、MnCO3粉末经球磨混合、预烧、再球磨后形成的，其粒径优选5-15μm。
本申请技术方案中，该核结构创造性的基于Ba-Cu-Y-Ti-W-Mn-O系陶瓷材料，通过掺杂，提高了材料的PTC效应，取得了意料不到的技术效果。
具体到壳结构，该TiO2采用水热法制备。
TiO2是一种重要的半导体材料，其化学性质较稳定，TiO2一般表现为光催化性能，用于光催化自清洁材料，或者用于造纸、橡胶等制品中，作为填充剂、着色剂使用，本申请中将其与(Ba0.985Cu0.012Y0.003)(Ti0.94W0.03Mn0.03)O3结合，由于TiO2的介电常数较大，明显提高材料的PTC效应，取得了意料不到的技术效果。
在一种优选实施方式中，该热敏电阻基片11的厚度为100～300μm，长度可为400～500μm，宽度可为300～400μm。
由于采用上述热敏陶瓷材料，该热敏电阻基片厚度相较传统基片大大减小，起到了超薄的技术效果。
如下为本申请所述热敏电阻基片的制备步骤：
步骤1、粉体制备
首先，按照化学计量比称取BaCO3、CuCO3、Y2O3、TiO2、MnCO3粉末，用湿式球磨使粉体混合均匀并使粉体细化，控制粉体与锆球的质量比为1:3，与去离子水的质量比为1:2，球磨时间为10h，转速为350转/分钟，将球磨所得浆料放入干燥箱中，在90℃烘干10h，烘干后的粉体在1158℃预烧3h；然后加入WO3，再进行第二次球磨和烘干，方法与第一次相同；第二次球磨后，筛选粒径为5μm，得到粉体A；
步骤2、壳结构制备
将去离子水、乳化剂十二烷基苯磺酸铵、聚氧乙烯辛基酚醚加入装有机械搅拌、回流冷凝管、氮气保护及温度计的反应容器中，水浴加热至70℃，搅拌使其溶解得到备用的乳化体系；
将硅烷偶联剂KH-570和上步的粉体A加入到苯乙烯中，超声20min后加入乳化体系，乳化半小时后再加入引发剂过硫酸铵和缓冲剂NaHCO3，升温至87℃并保温5h，再升至92℃保温1h后停止反应，破乳，用热水反复洗涤，干燥得到PS/粉体A；
在烧瓶中加入去离子水，然后加入适量十二烷基苯磺酸钠和聚乙烯吡咯烷酮，用盐酸调节其pH值为2.7，然后边搅拌边将钛酸四丁酯和无水乙醇的混合溶液加入，然后加入五水硝酸钴和硝酸铈的无水乙醇溶液，继续搅拌1h，然后加入上述的PS/粉体A，用氨水调节pH值，在60℃下静置24h，用蒸馏水和无水乙醇洗涤，干燥后得到TiO2/PS/粉体A，去除PS，在600℃煅烧5h得到TiO2/粉体A；
步骤3、干压成型
将上述制备好的TiO2/粉体A中加入为7wt.％的PVA作粘结剂，在180Mpa压力下压制成矩形；
步骤4、烧结
烧结过程为：以2℃/min的速率升温到530℃，在530℃保温1h，以3℃/min的速率升温到630℃，在630℃保温3h，以5℃/min的速率升温到1360℃，在1360℃保温4h，然后冷却至室温，得到所述热敏电阻基片。
其中，上述过程用到的主要原料如下表1
表1采用的主要原料
原料 纯度级别 生产厂家
BaCO3 分析纯(99.0％) 上海国药试剂
CuCO3 分析纯(99.0％) 上海国药试剂
Y2O3 分析纯(99.0％) 上海国药试剂
TiO2 分析纯(99.5％) 上海国药试剂
MnCO3 分析纯(99.5％) 上海国药试剂
WO3 分析纯(99.0％) 上海国药试剂
下面结合实施例对本发明做出进一步说明。
实施例1
一种热敏电阻基片，该热敏电阻基片的厚度为100～300μm，长度可为400～500μm，宽度可为300～400μm。
该热敏电阻基片为一种核壳结构的、基于Ba-Cu-Y-Ti-W-Mn-O的PTC热敏陶瓷材料，具体的，核结构为(Ba0.985Cu0.012Y0.003)(Ti0.94W0.03Mn0.03)O3，壳结构为TiO2。
该(Ba0.985Cu0.012Y0.003)(Ti0.94W0.03Mn0.03)O3是由BaCO3、CuCO3、Y2O3、TiO2、WO3、MnCO3粉末经球磨混合、预烧、再球磨后形成的，其粒径优选5μm。
该TiO2采用水热法制备。
如下为本申请所述热敏电阻基片的制备步骤：
步骤1、粉体制备
首先，按照化学计量比称取BaCO3、CuCO3、Y2O3、TiO2、MnCO3粉末，用湿式球磨使粉体混合均匀并使粉体细化，控制粉体与锆球的质量比为1:3，与去离子水的质量比为1:2，球磨时间为10h，转速为350转/分钟，将球磨所得浆料放入干燥箱中，在90℃烘干10h，烘干后的粉体在1158℃预烧3h；然后加入WO3，再进行第二次球磨和烘干，方法与第一次相同；第二次球磨后，筛选粒径为5μm，得到粉体A；
步骤2、壳结构制备
将去离子水、乳化剂十二烷基苯磺酸铵、聚氧乙烯辛基酚醚加入装有机械搅拌、回流冷凝管、氮气保护及温度计的反应容器中，水浴加热至70℃，搅拌使其溶解得到备用的乳化体系；
将硅烷偶联剂KH-570和上步的粉体A加入到苯乙烯中，超声20min后加入乳化体系，乳化半小时后再加入引发剂过硫酸铵和缓冲剂NaHCO3，升温至87℃并保温5h，再升至92℃保温1h后停止反应，破乳，用热水反复洗涤，干燥得到PS/粉体A；
在烧瓶中加入去离子水，然后加入适量十二烷基苯磺酸钠和聚乙烯吡咯烷酮，用盐酸调节其pH值为2.7，然后边搅拌边将钛酸四丁酯和无水乙醇的混合溶液加入，然后加入五水硝酸钴和硝酸铈的无水乙醇溶液，继续搅拌1h，然后加入上述的PS/粉体A，用氨水调节pH值，在60℃下静置24h，用蒸馏水和无水乙醇洗涤，干燥后得到TiO2/PS/粉体A，去除PS，在600℃煅烧5h得到TiO2/粉体A；
步骤3、干压成型
将上述制备好的TiO2/粉体A中加入为7wt.％的PVA作粘结剂，在180Mpa压力下压制成矩形；
步骤4、烧结
烧结过程为：以2℃/min的速率升温到530℃，在530℃保温1h，以3℃/min的速率升温到630℃，在630℃保温3h，以5℃/min的速率升温到1360℃，在1360℃保温4h，然后冷却至室温，得到所述热敏电阻基片。
经测定，本申请得到的热敏电阻基片室温电阻率为2.52×106Ω·m，居里温度为126℃。
实施例2
一种热敏电阻基片，该热敏电阻基片的厚度为100～300μm，长度可为400～500μm，宽度可为300～400μm。
该热敏电阻基片为一种核壳结构的、基于Ba-Cu-Y-Ti-W-Mn-O的PTC热敏陶瓷材料，具体的，核结构为(Ba0.985Cu0.012Y0.003)(Ti0.94W0.03Mn0.03)O3，壳结构为TiO2。
该(Ba0.985Cu0.012Y0.003)(Ti0.94W0.03Mn0.03)O3是由BaCO3、CuCO3、Y2O3、TiO2、WO3、MnCO3粉末经球磨混合、预烧、再球磨后形成的，其粒径优选10μm。
该TiO2采用水热法制备。
如下为本申请所述热敏电阻基片的制备步骤：
步骤1、粉体制备
首先，按照化学计量比称取BaCO3、CuCO3、Y2O3、TiO2、MnCO3粉末，用湿式球磨使粉体混合均匀并使粉体细化，控制粉体与锆球的质量比为1:3，与去离子水的质量比为1:2，球磨时间为10h，转速为350转/分钟，将球磨所得浆料放入干燥箱中，在90℃烘干10h，烘干后的粉体在1158℃预烧3h；然后加入WO3，再进行第二次球磨和烘干，方法与第一次相同；第二次球磨后，筛选粒径为5μm，得到粉体A；
步骤2、壳结构制备
将去离子水、乳化剂十二烷基苯磺酸铵、聚氧乙烯辛基酚醚加入装有机械搅拌、回流冷凝管、氮气保护及温度计的反应容器中，水浴加热至70℃，搅拌使其溶解得到备用的乳化体系；
将硅烷偶联剂KH-570和上步的粉体A加入到苯乙烯中，超声20min后加入乳化体系，乳化半小时后再加入引发剂过硫酸铵和缓冲剂NaHCO3，升温至87℃并保温5h，再升至92℃保温1h后停止反应，破乳，用热水反复洗涤，干燥得到PS/粉体A；
在烧瓶中加入去离子水，然后加入适量十二烷基苯磺酸钠和聚乙烯吡咯烷酮，用盐酸调节其pH值为2.7，然后边搅拌边将钛酸四丁酯和无水乙醇的混合溶液加入，然后加入五水硝酸钴和硝酸铈的无水乙醇溶液，继续搅拌1h，然后加入上述的PS/粉体A，用氨水调节pH值，在60℃下静置24h，用蒸馏水和无水乙醇洗涤，干燥后得到TiO2/PS/粉体A，去除PS，在600℃煅烧5h得到TiO2/粉体A；
步骤3、干压成型
将上述制备好的TiO2/粉体A中加入为7wt.％的PVA作粘结剂，在180Mpa压力下压制成矩形；
步骤4、烧结
烧结过程为：以2℃/min的速率升温到530℃，在530℃保温1h，以3℃/min的速率升温到630℃，在630℃保温3h，以5℃/min的速率升温到1360℃，在1360℃保温4h，然后冷却至室温，得到所述热敏电阻基片。
经测定，本申请得到的热敏电阻基片室温电阻率为2.66×106Ω·m，居里温度为128℃。
实施例3
一种热敏电阻基片，该热敏电阻基片的厚度为100～300μm，长度可为400～500μm，宽度可为300～400μm。
该热敏电阻基片为一种核壳结构的、基于Ba-Cu-Y-Ti-W-Mn-O的PTC热敏陶瓷材料，具体的，核结构为(Ba0.985Cu0.012Y0.003)(Ti0.94W0.03Mn0.03)O3，壳结构为TiO2。
该(Ba0.985Cu0.012Y0.003)(Ti0.94W0.03Mn0.03)O3是由BaCO3、CuCO3、Y2O3、TiO2、WO3、MnCO3粉末经球磨混合、预烧、再球磨后形成的，其粒径优选15μm。
该TiO2采用水热法制备。
如下为本申请所述热敏电阻基片的制备步骤：
步骤1、粉体制备
首先，按照化学计量比称取BaCO3、CuCO3、Y2O3、TiO2、MnCO3粉末，用湿式球磨使粉体混合均匀并使粉体细化，控制粉体与锆球的质量比为1:3，与去离子水的质量比为1:2，球磨时间为10h，转速为350转/分钟，将球磨所得浆料放入干燥箱中，在90℃烘干10h，烘干后的粉体在1158℃预烧3h；然后加入WO3，再进行第二次球磨和烘干，方法与第一次相同；第二次球磨后，筛选粒径为5μm，得到粉体A；
步骤2、壳结构制备
将去离子水、乳化剂十二烷基苯磺酸铵、聚氧乙烯辛基酚醚加入装有机械搅拌、回流冷凝管、氮气保护及温度计的反应容器中，水浴加热至70℃，搅拌使其溶解得到备用的乳化体系；
将硅烷偶联剂KH-570和上步的粉体A加入到苯乙烯中，超声20min后加入乳化体系，乳化半小时后再加入引发剂过硫酸铵和缓冲剂NaHCO3，升温至87℃并保温5h，再升至92℃保温1h后停止反应，破乳，用热水反复洗涤，干燥得到PS/粉体A；
在烧瓶中加入去离子水，然后加入适量十二烷基苯磺酸钠和聚乙烯吡咯烷酮，用盐酸调节其pH值为2.7，然后边搅拌边将钛酸四丁酯和无水乙醇的混合溶液加入，然后加入五水硝酸钴和硝酸铈的无水乙醇溶液，继续搅拌1h，然后加入上述的PS/粉体A，用氨水调节pH值，在60℃下静置24h，用蒸馏水和无水乙醇洗涤，干燥后得到TiO2/PS/粉体A，去除PS，在600℃煅烧5h得到TiO2/粉体A；
步骤3、干压成型
将上述制备好的TiO2/粉体A中加入为7wt.％的PVA作粘结剂，在180Mpa压力下压制成矩形；
步骤4、烧结
烧结过程为：以2℃/min的速率升温到530℃，在530℃保温1h，以3℃/min的速率升温到630℃，在630℃保温3h，以5℃/min的速率升温到1360℃，在1360℃保温4h，然后冷却至室温，得到所述热敏电阻基片。
经测定，本申请得到的热敏电阻基片室温电阻率为2.71×106Ω·m，居里温度为124℃。
以上所述仅为本发明的较佳方式，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种超薄型温度传感器，包括热敏电阻基片、第一金属导线、第二金属导线和封装层，其特征在于，所述第一金属导线焊接在热敏电阻基片的第一表面上，第二金属导线焊接在热敏电阻基片的第二表面上，其中第一金属导线和第二金属导线夹持住热敏电阻基片；所述热敏电阻基片和第一金属导线、第二金属导线外设有一层封装层；所述封装层为透明的玻璃釉层；所述热敏电阻基片为核壳结构的、基于Ba-Cu-Y-Ti-W-Mn-O的PTC热敏陶瓷材料，具体的，核结构为(Ba0.985Cu0.012Y0.003)(Ti0.94W0.03Mn0.03)O3，壳结构为TiO2。
2.根据权利要求1所述的一种超薄型温度传感器，其特征在于，所述核结构(Ba0.985Cu0.012Y0.003)(Ti0.94W0.03Mn0.03)O3是由BaCO3、CuCO3、Y2O3、TiO2、WO3、MnCO3粉末经球磨混合、预烧、再球磨后形成的，其粒径优选5-15μm。
3.根据权利要求1所述的一种超薄型温度传感器，其特征在于，所述封装层厚度为2000～5000μm。
4.根据权利要求1所述的一种超薄型温度传感器，其特征在于，所述第一金属导线和第二金属导线为杜美丝导线。
5.根据权利要求4所述的一种超薄型温度传感器，其特征在于，所述第一金属导线和第二金属导线的直径为100～500μm。
6.根据权利要求1所述的一种超薄型温度传感器，其特征在于，所述热敏电阻基片的厚度为100～300μm，长度为400～500μm，宽度为300～400μm。
7.根据权利要求1所述的一种超薄型温度传感器，其特征在于，所述热敏电阻基片的制备步骤：
步骤1、粉体制备
首先，按照化学计量比称取BaCO3、CuCO3、Y2O3、TiO2、MnCO3粉末，用湿式球磨使粉体混合均匀并使粉体细化，控制粉体与锆球的质量比为1:3，与去离子水的质量比为1:2，球磨时间为10h，转速为350转/分钟，将球磨所得浆料放入干燥箱中，在90℃烘干10h，烘干后的粉体在1158℃预烧3h；然后加入WO3，再进行第二次球磨和烘干，方法与第一次相同；第二次球磨后，筛选粒径为5μm，得到粉体A；
步骤2、壳结构制备
将去离子水、乳化剂十二烷基苯磺酸铵、聚氧乙烯辛基酚醚加入装有机械搅拌、回流冷凝管、氮气保护及温度计的反应容器中，水浴加热至70℃，搅拌使其溶解得到备用的乳化体系；
将硅烷偶联剂KH-570和上步的粉体A加入到苯乙烯中，超声20min后加入乳化体系，乳化半小时后再加入引发剂过硫酸铵和缓冲剂NaHCO3，升温至87℃并保温5h，再升至92℃保温1h后停止反应，破乳，用热水反复洗涤，干燥得到PS/粉体A；
在烧瓶中加入去离子水，然后加入适量十二烷基苯磺酸钠和聚乙烯吡咯烷酮，用盐酸调节其pH值为2.7，然后边搅拌边将钛酸四丁酯和无水乙醇的混合溶液加入，然后加入五水硝酸钴和硝酸铈的无水乙醇溶液，继续搅拌1h，然后加入上述的PS/粉体A，用氨水调节pH值，在60℃下静置24h，用蒸馏水和无水乙醇洗涤，干燥后得到TiO2/PS/粉体A，去除PS，在600℃煅烧5h得到TiO2/粉体A；
步骤3、干压成型
将上述制备好的TiO2/粉体A中加入为7wt.％的PVA作粘结剂，在180Mpa压力下压制成矩形；
步骤4、烧结
烧结过程为：以2℃/min的速率升温到530℃，在530℃保温1h，以3℃/min的速率升温到630℃，在630℃保温3h，以5℃/min的速率升温到1360℃，在1360℃保温4h，然后冷却至室温，得到所述热敏电阻基片。
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