DE112011101480B4

DE112011101480B4 - Temperatursensor mit einem wärmeempfindlichen Bauteil

Info

Publication number: DE112011101480B4
Application number: DE112011101480.5T
Authority: DE
Inventors: Motoki Satou; Tsunenobu Hori; Kaoru Kuzuoka; Chiaki Ogawa; Kazuhiro Inoguchi
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2010-04-28
Filing date: 2011-04-26
Publication date: 2018-11-15
Anticipated expiration: 2031-04-27
Also published as: WO2011136193A1; DE112011101480T5; CN102869966A; JP5304822B2; CN102869966B; US9714869B2; US20130223479A1; JP2011247876A

Abstract

Ein Temperatursensor 1 enthält ein wärmeempfindliches Bauteil 2 aus Keramik mit geringer Wärmeausdehnung mit einem linearen Ausdehnungskoeffizienten von 3×10/°C bis 5×10/°C, deren elektrische Kenndaten sich in Abhängigkeit von der Temperatur ändern, ein Paar von Elektrodenfilmen 20, die auf den Oberflächen des wärmeempfindlichen Bauteils 2 vorgesehen sind, und ein Paar von Verbindungsleitungen mit einem linearen Ausdehnungskoeffizienten von 15×10/°C oder weniger, die mit den Elektrodenfilmen 20 verbunden sind. Sind die linearen Ausdehnungskoeffizienten des wärmeempfindlichen Bauteils 2, des Elektrodenfilms 20 und der Verbindungsleitung 21 jeweils T(/°C), T(/°C) und T(/°C), erfüllt der Temperatursensor 1 eine Beziehung T≤T≤T.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Temperatursensor mit einem wärmeempfindlichen Bauteil aus Keramik mit geringer Wärmeausdehnung und einem niedrigen linearen Ausdehnungskoeffizienten, und deren elektrische Kenndaten sich in Abhängigkeit von der Temperatur ändern.
Technischer Hintergrund
Ein Temperatursensor, der ein wärmeempfindliches Bauteil (ein Thermistorbauteil) verwendet, dessen Widerstandswert sich in Abhängigkeit von der Temperatur ändert, ist als Temperatursensor bekannt, der die Abgastemperatur eines Automobils oder dergleichen misst.
Der Temperatursensor umfasst ein wärmeempfindliches Bauteil, einen Elektrodendraht, einen Hüllrohrstift und eine Schutzschicht. Das wärmeempfindliche Bauteil ist aus einem Oxid aufgebaut, wie Y₂O₃·Ycr/MnO₃. Ein Elektrodenfilm aus Pt oder dergleichen ist auf der Oberfläche des wärmeempfindlichen Bauteils vorgesehen. Der Elektrodendraht aus Pt oder dergleichen ist mit dem Elektrodenfilm verbunden. Der Hüllrohrstift enthält eine mit dem Elektrodendraht elektrisch verbundene Signalleitung. Die Schutzschicht weist eine Zweischichtstruktur aus Pressglas auf, das das Thermistorbauteil bedeckt (siehe JP 2009 - 115789 A ).
Der auf diese Weise aufgebaute Temperatursensor weist das wärmeempfindliche Bauteil aus einem Oxid auf, wie es vorstehend beschrieben ist. Daher ist bei einem Temperatursensor, der unter reduktiven Bedingungen verwendet wird, wie für die Messung der Abgastemperatur eines Automobils, die Zweischichtstruktur-Schutzschicht wie vorstehend beschrieben aus der Sicht der Verhinderung einer Reduktionsverschlechterung des wärmeempfindlichen Bauteils und der Verringerung einer Innenspannung ausgebildet.
Ist aber die Schutzschicht aus einer Zweischichtstruktur aufgebaut, wird die Konfiguration des Temperatursensors kompliziert, und die Herstellungskosten steigen.
Bei dem Temperatursensor mit dem vorstehend beschriebenen herkömmlichen Aufbau ist außerdem der Elektrodenfilm aus Platin Pt auf dem wärmeempfindlichen Bauteil gebildet. Daher sind die Signalleitung in dem Hüllrohrstift und der Elektrodenfilm durch einen Verbindungselektrodendraht aus Pt verbunden. Da aber Platin Pt verwendet wird, steigen die Herstellungskosten.
Zur Verwendung bei der Temperaturmessung von Abgasen und dergleichen kann der Temperatursensor außerdem nahe an einem Verbrennungsmotor eingesetzt werden. In diesem Fall werden starke Vibrationen von dem Verbrennungsmotor leicht auf den Temperatursensor übertragen. Infolgedessen kann das wärmeempfindliche Bauteil des Temperatursensors vibrieren, und der Verbindungsabschnitt zwischen dem wärmeempfindlichen Bauteil und dem Elektrodendraht kann aufgelöst werden. Insbesondere geschieht eine Trennung leicht bei dem Elektrodendraht aus Platin Pt.
Unter den vorstehend beschrieben Umständen hat in den vergangenen Jahren ein wärmeempfindliches Bauteil, das ein weitreichendes Thermistormaterial verwendet, an Bedeutung gewonnen (siehe in JP H08-273904 A ). Das wärmeempfindliche Bauteil wird durch ein erstes Stadium und ein zweites Stadium gebildet. Das erste Stadium ist aus isolierenden Matrixpartikeln aus einem Nicht-Oxid zusammengesetzt. Das zweite Stadium ist aus Halbleiter- oder leitenden Partikeln zusammengesetzt, die diskontinuierlich in der Form eines dreidimensionalen Netzes im ersten Stadium verstreut sind. Ein weitreichendes Thermistormaterial wie dieses ist aus einem Nicht-Oxid zusammengesetzt. Daher wird das Thermistormaterial selbst in einer Reduktionsatmosphäre nicht leicht reduziert. Eine Zweischichtstrukturschutzschicht wie die vorstehend beschriebene ist nicht erforderlich. Es kann eine Kostenreduktion des Temperatursensors erreicht werden.
Referenzliste
Patentliteratur:

[PTL 1] JP 2009-115789 A
[PTL 2] JP H08-273904 A

Aus der JP H08-162 302 A ist ein Thermistor bekannt, dessen Widerstandswert sich langsam ändert. Weiterer technischer Hintergrund ist in der JP S-621 89 701 A beschrieben.
Kurzzusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem:
Selbst wenn das weitreichende Thermistormaterial verwendet wird, kann das Problem der Trennung in dem Elektrodendraht aus Platin Pt trotzdem nicht gelöst werden. Außerdem erhöhen sich die Herstellungskosten, wenn ein teures Edelmetall wie Pt verwendet wird. Daher ist die Entwicklung eines Temperatursensors erwünscht, der keinen Elektrodendraht aus Pt verwendet.
Das wärmeempfindliche Bauteil aus dem weitreichenden Thermistormaterial hat im Allgemeinen einen geringen linearen Ausdehnungskoeffizienten. Eine Bonding-Struktur bzw. Verbindungsstruktur für ein wärmeempfindliches Bauteil mit einem niedrigen linearen Ausdehnungskoeffizienten wie dieses und den Elektrodenfilm, sowie der Elektrodenfilm und eine Verbindungsleitung sind immer noch nicht bekannt. Eine ungeeignete Kombination kann eine Unterbrechung als Ergebnis von Vibrationen verursachen und das wärmeempfindliche Bauteil als Ergebnis einer Temperaturspannung in einer breiten Umgebung beschädigen.
Vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die vorstehend beschriebenen Punkte ausgebildet. Eine Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Temperatursensors mit einem wärmeempfindlichen Bauteil mit geringer Wärmeausdehnung, bei dem eine Unterbrechung verhindert werden kann, die Zuverlässigkeit in einer breiten Umgebung äußerst gut ist, und die Herstellung mit geringen Kosten durchgeführt werden kann.
Lösung des Problems:
Gemäß einer grundlegenden Ausgestaltung eines Temperatursensors der Erfindung enthält der Temperatursensor ein wärmeempfindliches Bauteil, ein Paar von Elektrodenfilmen und ein Paar von Verbindungsleitungen. Das wärmeempfindliche Bauteil ist aus einer Keramik mit geringer Wärmeausdehnung mit einem linearen Ausdehnungskoeffizienten von 3×10^-6/°C bis 5×10^-6/°C zusammengesetzt, deren elektrische Kenndaten sich in Abhängigkeit von der Temperatur ändern. Das Paar der Elektrodenfilme ist auf den Oberflächen des wärmeempfindlichen Bauteils vorgesehen. Das Paar der Verbindungsleitungen hat einen linearen Ausdehnungskoeffizienten von 15×10^-6 oder weniger und ist mit den Elektrodenfilmen verbunden. Sind die linearen Ausdehnungskoeffizienten des wärmeempfindlichen Bauteils, des Elektrodenfilms und der Verbindungsleitung jeweils T_a, T_b und T_d, sind die linearen Ausdehnungskoeffizienten zum Erfüllen eines Verhältnisses T_a≤T_b≤T_d eingestellt.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung:
Der erfindungsgemäße Temperatursensor enthält also das wärmeempfindliche Bauteil aus der Keramik mit geringer Wärmeausdehnung. Sind die linearen Ausdehnungskoeffizienten des wärmeempfindlichen Bauteils, des Elektrodenfilms und der Verbindungsleitung jeweils T_a, T_b und T_d, ist die Beziehung T_g≤T_b≤T_d erfüllt. Das heißt, das wärmeempfindliche Bauteil, die Elektrodenfilme und die Verbindungsleitungen werden wahlweise derart verwendet, dass die Beziehung T_a≤T_b≤T_d erfüllt ist. Daher können die linearen Ausdehnungskoeffizienten des wärmeempfindlichen Bauteils, des Elektrodenfilms und der Verbindungsleitung aneinander angenähert werden, während sie in Schritten geändert werden.
Das heißt, ein gradueller Gradient des linearen Ausdehnungskoeffizienten wird über die Elektrodenfilme zwischen dem wärmeempfindlichen Bauteil aus der Keramik mit geringer Wärmeausdehnung und den Verbindungsleitungen gebildet. Daher kann die Wärmespannung selbst in einer weitreichenden Umgebung reduziert werden. Eine Unterbrechung oder dergleichen tritt nicht leicht auf. Der Temperatursensor kann eine äußerst gute Zuverlässigkeit zeigen.
Bei dem erfindungsgemäßen Temperatursensor wird außerdem eine Verbindungsleitung mit einem linearen Ausdehnungskoeffizienten von 15×10^-6/°C oder weniger für die mit den Elektrodenfilmen gebondeten bzw. verbundenen Verbindungsleitungen verwendet. Daher können bei dem Temperatursensor die Unterschiede im linearen Ausdehnungskoeffizienten unter dem wärmeempfindlichen Bauteil, den Elektrodenfilmen und den Verbindungsleitungen weiter verringert werden. Infolgedessen ist es noch unwahrscheinlicher, dass eine Unterbrechung oder dergleichen auftritt.
Außerdem können das wärmeempfindliche Bauteil, die Elektrodenfilme und die Verbindungsleitungen in dem Temperatursensor wahlweise zur Erfüllung der Beziehung T_a≤T_b≤T_d verwendet werden. Eine von teuerem Edelmetall, wie Pt, verschiedene Metallelektrode kann für die Elektrodenfilme und die Verbindungsleitungen verwendet werden. Daher kann eine Abwendung von der Verwendung von Edelmetallen erreicht werden. Der Temperatursensor kann mit geringen Kosten hergestellt werden.
Auf diese Weise kann bei dem erfindungsgemäßen Temperatursensor mit dem wärmeempfindlichen Bauteil mit geringer Wärmeausdehnung eine Unterbrechung verhindert werden. Außerdem kann ein Temperatursensor mit äußerst guter Zuverlässigkeit in breiter Umgebung vorgesehen werden, der mit geringen Kosten hergestellt werden kann.
Die vorstehend beschriebene grundlegende Ausgestaltung kann in vielerlei Hinsicht modifiziert werden.
Wie vorstehend beschrieben enthält der erfindungsgemäße Temperatursensor das wärmeempfindliche Bauteil, die Elektrodenfilme und die Verbindungsleitungen. Sind die linearen Ausdehnungskoeffizienten des wärmeempfindlichen Bauteils, des Elektrodenfilms und der Verbindungsleitung jeweils T_a(/°C), T_b(/°C) und T_d (/°C), ist die Beziehung T_a≤T_b≤T_d erfüllt. Ist die Beziehung T_a≤T_b≤T_d allerdings nicht erfüllt, kann eine ausreichende Reduktion der Wärmespannung in einem breiten Bereich, wie von -50°C bis 1050°C, schwierig werden.
Sind die Elektrodenfilme und die Verbindungsleitungen mittels eines Bonding-Materials bzw. Verbindungsmaterials aus Metall gebondet bzw. verbunden und ist der lineare Ausdehnungskoeffizient des Verbindungsmaterials T_c(/°C), ist vorzugsweise eine Beziehung T_a≤T_b≤T_c≤T_d erfüllt.
Bei diesem Beispiel können die linearen Ausdehnungskoeffizienten einen graduelleren Gradienten ausbilden, da das Verbindungsmaterial zwischen den Elektrodenfilmen und den Verbindungsleitungen enthalten ist. Daher wird eine Wärmespannung in dem Temperatursensor in einem breiten Bereich bzw. einer weiten Umgebung weiter verringert. Die Zuverlässigkeit des Temperatursensors kann weiter verbessert werden.
Der Temperatursensor enthält einen Hüllrohrstift, der darin Verbindungsleitungen enthält. Es kann eine Struktur ausgebildet werden, bei der von der spitzen Endseite des Hüllrohrstiftes freiliegende Verbindungsleitungen mit den Elektrodenfilmen verbunden sind.
In diesem Beispiel wird die Wirkung der Verhinderung einer Unterbrechung gemäß der Erfindung im Betrieb bemerkenswerter. Das heißt, bei dem Temperatursensor, der derart aufgebaut ist, dass die aus dem Hüllrohrstift heraustretenden Verbindungsleitungen direkt mit den Elektrodenfilmen verbunden sind, tritt eine Unterbrechung leicht auf, wenn Elektrodendrähte aus Pt verwendet werden. Wird der erfindungsgemäße Aufbau verwendet, kann die Verwendung von Elektrodendrähten aus Pt vermieden werden. Eine Unterbrechung kann ausreichend verhindert werden, selbst wenn der Aufbau angewendet wird, bei dem die aus dem Hüllrohrstift heraustretenden Verbindungsleitungen direkt mit den Elektrodenfilmen verbunden sind.
Außerdem enthält der Temperatursensor einen Hüllrohrstift, der darin Signalleitungen enthält. Es kann ein Aufbau ausgebildet werden, bei dem die von der spitzen Endseite des Hüllrohrstiftes freiliegenden Signalleitungen mit den Verbindungsleitungen verbunden sind, die mit den Elektrodenfilmen verbunden sind.
Das wärmeempfindliche Bauteil ist aus einer Keramik mit geringer Wärmeausdehnung mit einem linearen Ausdehnungskoeffizienten von 3×10^-6/°C bis 5×10^-6/°C zusammengesetzt. Eine Keramik mit geringer Wärmeausdehnung mit einem linearen Ausdehnungskoeffizienten von 4×10^-6/°C bis 5×10^-6/°C wird bevorzugt.
Insbesondere kann das wärmeempfindliche Bauteil durch eine Keramik mit geringer Wärmeausdehnung aufgebaut sein, die beispielsweise ein Matrixstadium aus isolierenden Matrixpartikeln aus einem Nicht-Oxid aufweist.
Das wärmeempfindliche Bauteil hat vorzugsweise ein Matrixstadium aus Matrixpartikeln aus Siliziumnitrid. Bei diesem Beispiel kann ein Temperatursensor mit günstiger Empfindlichkeit realisiert werden.
Weiter wird bevorzugt, eine Keramik mit geringer Wärmeausdehnung zu verwenden, die durch ein Matrixstadium (erstes Stadium) aus Matrixpartikeln aus Siliziumnitrid und Halbleiter- oder leitende Zweitstadiumpartikel aufgebaut ist, die in dreidimensionaler Netzform im ersten Stadium verteilt sind.
Bei diesem Beispiel kann ein Temperatursensor mit günstiger Empfindlichkeit realisiert werden. Außerdem kann ein Temperatursensor mit äußerst guter Wärmefestigkeit realisiert werden, der eine Reduktionsverschlechterung verhindern kann.
Als Keramik mit geringer Wärmeausdehnung, die durch die Partikel des ersten Stadiums und des zweiten Stadiums aufgebaut ist, kann insbesondere ein Thermistormaterial über einen großen Bereich oder eine Zusammensetzung verwendet werden, wie sie beispielsweise in JP 2000-348907 A , JP H08-273904 A , JP H07-331358 A und JP H06-227870 A beschrieben ist.
Insbesondere können als die Matrixpartikel beispielsweise Partikel aus Siliziumnitrid oder Oxinitridkeramik verwendet werden. Partikel aus Siliziumnitridkeramik werden bevorzugt.
Außerdem können als die Zweitstadiumpartikel Partikel aus Siliziumkarbid oder dergleichen verwendet werden.
Beispielsweise kann insbesondere eine Keramik mit geringer Wärmeausdehnung verwendet werden, die wie folgt hergestellt wird. Das heißt, 30 Vol% bis 50 Vol% Siliziumkarbid-(SiC-)Pulver (mittlere Partikelgröße von 0,2 µm oder weniger), 4 Vol% bis 7 Vol% Yttriumoxid-(Y₂O₃-)Pulver (mittlere Partikelgröße von 0,5 µm oder weniger) als Sinterhilfe, 0,6 Vol% bis 4 Vol% Titanboridpulver (TiB₂) (mittlere Partikelgröße von 0,4 µm oder weniger) als Zusatz, und übrige Anteile (Vol%) von Siliziumnitrid-(Si₃N₄-)Pulver (mittlere Partikelgröße von 0,7 µm oder weniger) werden gemischt. Die Mischung wird in einem Dispergens wie Wasser oder Alkohol gemischt. Dann wird das gemischte Rohmaterial geformt und erhitzt, wodurch die Keramik mit geringer Wärmeausdehnung erhalten wird.
Dann werdend die Elektrodenfilme, die Verbindungsleitungen und das Verbindungsmaterial vorzugsweise aus einer Legierung mit zumindest Cr und Fe zusammengesetzt. In der Legierung mit Cr und Fe wird die Legierung mit Erhöhung des Cr-Anteils zu einem Material mit einem niedrigeren linearen Ausdehnungskoeffizienten. Der lineare Ausdehnungskoeffizient kann dem des wärmeempfindlichen Bauteils näher kommen. Außerdem hat eine Legierung mit Cr verglichen mit Edelmetallen wie Pt eine höhere Festigkeit, und es geschieht nicht leicht eine Unterbrechung. Indem Fe hinzugefügt wird, kann ferner das Ausdehnungsvermögen des Materials verbessert werden. Der lineare Ausdehnungskoeffizient kann angepasst werden.
Die Elektrodenfilme können aus einer Cr-Fe-Legierung zusammengesetzt sein. Insbesondere sind die Elektrodenfilme vorzugsweise aus einer Legierung zusammengesetzt, deren Hauptkomponente Cr oder Fe ist. Was noch mehr bevorzugt wird, ist, dass die Elektrodenfilme aus einer Cr-Fe-Legierung zusammengesetzt sind, deren Hauptkomponente Cr ist.
Der lineare Ausdehnungskoeffizient T_b (/°C) des Elektrodenfilms ist vorzugsweise T_b≤11×10^-6.
Bei diesem Beispiel können die Unterschiede in der linearen Ausdehnung unter dem wärmeempfindlichen Bauteil, den Verbindungsleitungen und den Elektrodenfilmen weiter verringert werden. Ist das Verbindungsmaterial enthalten, können die Unterschiede der linearen Ausdehnung unter dem wärmeempfindlichen Bauteil, dem Verbindungsmaterial, den Verbindungsleitungen und den Elektrodenfilmen noch weiter verringert werden. Daher kann die Wärmespannung bei diesem Beispiel selbst in einer breiten Verwendungsumgebung weiter reduziert werden. Die Zuverlässigkeit kann weiter verbessert werden.
Außerdem kann der lineare Ausdehnungskoeffizient des Elektrodenfilms bei Temperaturen von 0°C bis 100°C beispielsweise 4×10^-6°C bis 9×10^-6°C betragen. Bei diesem Beispiel können die Unterschiede in der thermischen Ausdehnung unter dem wärmeempfindlichem Bauteil, den Verbindungsleitungen und den Elektrodenfilmen bzw. die Unterschiede in der thermischen Ausdehnung unter dem wärmeempfindlichen Bauteil, dem Verbindungsmaterial, den Verbindungsleitungen und den Elektrodenfilmen weiter verringert werden. Daher kann die Lebensdauer des Temperatursensors in einer Umgebung hoher Temperatur weiter verbessert werden. Außerdem kann die Wärmespannung selbst in einer breiten Verwendungsumgebung weiter reduziert werden. Die Zuverlässigkeit kann weiter verbessert werden.
Der lineare Ausdehnungskoeffizient T_d (/°C) der Verbindungsleitung beträgt vorzugsweise 15×10^-6/°C oder weniger, oder in anderen Worten T_d≤15×10^-6. Vorzugsweise ist T_d≤14×10^-6.
Der lineare Ausdehnungskoeffizient der Verbindungsleitung kann beispielsweise 4×10^-6/°C bis 14×10^-6/°C betragen.
Bei diesem Beispiel können die Unterschiede in der thermischen Ausdehnung unter dem wärmeempfindlichen Bauteil, den Elektrodenfilmen und den Verbindungsleitungen bzw. die Unterschiede in der thermischen Ausdehnung unter dem wärmeempfindlichen Bauteil, den Elektrodenfilmen, dem Verbindungsmaterial und den Verbindungsleitungen weiter verringert werden. Daher kann die Lebensdauer des Temperatursensors in einer Umgebung hoher Temperatur weiter verbessert werden. Außerdem kann die Wärmespannung selbst in einer breiten Verwendungsumgebung weiter verringert werden. Die Zuverlässigkeit kann weiter verbessert werden.
Außerdem können die Verbindungsleitungen aus einer Ni-basierten Legierung oder rostfreiem Stahl vom Ferrittyp zusammengesetzt sein. Wie vorstehend beschrieben enthalten diese Materialien vorzugsweise Cr und Fe.
Als Ni-basierte Legierung kann beispielsweise NCF601 (JIS G4901) verwendet werden. Insbesondere hat NCF601 (JIS G4901) eine Zusammensetzung mit 0,10 Gewichts% oder weniger C, 0,50 Gewichts% oder weniger Si, 1,0 Gewichts% oder weniger Mn, 0,030 Gewichts% oder weniger P, 0,015 Gewichts% oder weniger S, 58,00 Gewichts% bis 63,00 Gewichts% Ni, 21,00 Gewichts% bis 25,00 Gewichts% Cr, 1,00 Gewichts% Cu, 1,00 Gewichts% bis 1,10 Gewichts% Al und als verbleibende Anteile Fe.
Außerdem kann als rostfreier Stahl vom Ferrittyp beispielsweise SUH21 (JIS G4312) aus einer Fe-Cr-Al-Legierung verwendet werden. Insbesondere hat SUH21 (JIS G4312) eine Zusammensetzung mit 17 Gewichts% bis 21 Gewichts% Cr, 2,0 Gewichts% bis 4,0 Gewichts% Al, 0,10 Gewichts% oder weniger C, 1,50 Gewichts% oder weniger Si, 1,0 Gewichts% oder weniger Mn, 0,040 Gewichts% oder weniger P, 0,030 Gewichts% oder weniger S, and als verbleibende Anteile Fe.
Wie vorstehend beschrieben ist das Verbindungsmaterial zudem vorzugsweise aus einer Legierung mit Cr und Fe zusammengesetzt. Das Verbindungsmaterial wird durch ein Metallpulverpaste gebildet, die gebacken wird.
Der Verbindungsmaterial- T_c(/°C) ist vorzugsweise T_c≤ 12×10^-6.
Bei diesem Beispiel können die Unterschiede in der linearen Ausdehnung unter dem wärmeempfindlichen Bauteil, den Elektrodenfilmen, dem Verbindungsmaterial und den Verbindungsleitungen weiter verringert werden. Daher kann eine Wärmespannung selbst in einer breiten Umgebung verringert werden. Die Zuverlässigkeit des Temperatursensors kann verbessert werden.
Das Verbindungsmaterial ist vorzugsweise durch eine Fe-Cr-Al-Legierung oder Cr-Fe-Legierungspaste gebildet, die gebacken wird.
Werden Verbindungsleitungen aus einer Ni-basierten Legierung verwendet, beträgt der lineare Ausdehnungskoeffizient des Verbindungsmaterials vorzugsweise 9×10^-6/°C bis 12×10^-6/°C. Das Verbindungsmaterial ist vorzugsweise durch eine Fe-Cr-Al-Legierungpaste gebildet, die gebacken wird. Bei diesem Beispiel wird ein passiver Film aus Al gebildet. Daher ist die Oxidationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen äußerst gut.
Als die Fe-Cr-Al-Legierung kann beispielsweise eine Legierung mit 17 Gewichts% bis 21 Gewichts% Cr and 2 Gewichts% bis 6 Gewichts% Al verwendet werden. Insbesondere kann beispielsweise SUH21 (JIS G4321) verwendet werden. Als Komponenten abgesehen von Fe hat die Legierung eine Zusammensetzung mit 17 Gewichts% bis 21 Gewichts% Cr, 2,0 Gewichts% bis 4,0 Gewichts% Al, 0,10 Gewichts% oder weniger C, 1,50 Gewichts% oder weniger Si, 1,0 Gewichts% oder weniger Mn, 0,040 Gewichts% oder weniger P und 0,030 Gewichts% S.
Werden Verbindungsleitungen aus rostfreiem Stahl vom Ferrittyp verwendet, ist der lineare Ausdehnungskoeffizient des Verbindungsmaterials vorzugsweise 9×10^-6/°C bis 11×10^-6/°C. Das Verbindungsmaterial ist vorzugsweise durch eine Cr-Fe-Legierungspaste gebildet, die gebacken ist.
In der Cr-Fe-Legierung verringert sich der lineare Ausdehnungskoeffizient mit Erhöhung des Cr-Anteils. Daher kann die Wärmespannung weiter reduziert werden.
Als Cr-Fe-Legierung wird eine Legierung mit 60 Gewichts% bis 90 Gewichts% Cr und 40 Gewichts% bis 10 Gewichts% Fe bevorzugt. Insbesondere kann als Cr-Fe-Legierung beispielsweise eine Cr40Fe Legierung verwendet werden.
Die Backtemperatur für das Verbindungsmaterial liegt vorzugsweise bei 1000°C bis 1490°C, und am besten bei 1000°C bis 1200°C.
Ist die Backtemperatur niedriger als 1000°C, kann die Verbindungsstärke unzureichend sein. Alternativ dazu kann ein Sintern des Metallpulvers unzureichend sein. Überschreitet die Backtemperatur 1490°C, kann die Legierung andererseits schmelzen, was eine Verbindung zwischen den Verbindungsleitungen und den Elektrodenfilmen schwierig macht. Die Backtemperatur beträgt vorzugsweise 1200°C oder weniger.
Als nächstes werden die Elektrodenfilme auf der gesamten Oberfläche eines Paars gegenüberliegender Flächen des wärmeempfindlichen Bauteils gebildet. Auf der Verbindungsfläche des wärmeempfindlichen Bauteils und des Verbindungsmaterials beträgt die kürzeste Entfernung zwischen einem Endabschnitt des wärmeempfindlichen Bauteils und dem Verbindungsmaterial vorzugsweise mindestens 0,1 mm oder mehr. Bei diesem Beispiel kann das Auftreten von Rissen in dem wärmeempfindlichen Bauteil währen der Herstellung verhindert werden.
Ein Grund dafür wird nun beschrieben. Das heißt, die Elektrodenfilme werden auf der gesamten Flächen eines Flächenpaars des wärmeempfindlichen Bauteils gebildet. Die Elektrodenfilme werden durch Wärmebehandlung gebildet. Daher wird der Endabschnitt des wärmeempfindlichen Bauteils mit einer Zugbelastung beaufschlagt. Ist das Verbindungsmaterial bis zu dem Endabschnitt des wärmeempfindlichen Bauteils vorhanden, in dem die Elektrodenfilme gebildet werden, wird das wärmeempfindliche Bauteil mit einer weiteren Zugbelastung beaufschlagt, da das Verbindungsmaterial auch durch Wärmebehandlung gebildet wird. Infolgedessen können in dem wärmeempfindlichen Bauteil Risse auftreten.
Wenn auf der Bonding-Fläche bzw. Verbindungsfläche des wärmeempfindlichen Bauteils und des Verbindungsmaterials der Endabschnitt des wärmeempfindiichen Bauteils und das Verbindungsmaterial derart getrennt sind, dass die kürzeste Entfernung mindestens 0,1 mm oder mehr beträgt, wirkt sich eine Wärmespannung bei dem wärmeempfindlichen Bauteil von dem Verbindungsmaterial nicht länger auf den Endabschnitt des wärmeempfindlichen Bauteils aus. Das Auftreten von Rissen kann verhindert werden.
Außerdem ist vorzugsweise eine Schutzschicht enthalten, die das wärmeempfindliche Bauteil und die Elektrodenfilme zusammen mit einem Abschnitt der Verbindungsleitungen bedeckt.
Bei diesem Beispiel kann die Wärmespannung in den Bonding-Abschnitten bzw. Verbindungsabschnitten des wärmeempfindlichen Bauteils, der Elektrodenfilme und der Verbindungsleitungen verringert werden. Außerdem kann die Haltekraft der Verbindungsabschnitte verbessert werden. Die Haltbarkeit gegenüber den Vibrationen kann weiter verbessert werden. Wenn die Elektrodenfilme und die Verbindungsleitungen durch das Verbindungsmaterial verbunden werden, verringert die Schutzschicht in dem Temperatursensor außerdem eine Wärmespannung in den Verbindungsabschnitten des wärmeempfindlichen Bauteils, der Elektrodenfilme, der Verbindungsleitungen und des Verbindungsmaterials. Außerdem kann die Haltekraft der Verbindungsabschnitte verbessert werden. Die Haltbarkeit gegenüber Vibrationen kann weiter verbessert werden. Die Schutzschicht kann beispielsweise durch Glas gebildet sein.
Figurenliste

1 zeigt einen Querschnitt des Umfeldes eines wärmeempfindlichen Bauteils eines Temperatursensors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
2 zeigt einen Querschnitt des Temperatursensors gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
3 zeigt einen Querschnitt eines Spitzenabschnitts des Temperatursensors,
4 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts in einem Zustand, in dem Verbindungsleitungen in Kontakt mit dem wärmeempfindlichen Bauteil platziert sind, auf dem Elektrodenfilme gebildet sind,
5 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel in einem Zustand, in dem eine Verbindungsmaterialpaste bei Verbindungsabschnitten zwischen den Elektrodenfilmen des wärmeempfindlichen Bauteils und den Verbindungsleitungen aufgebracht wird,
6 zeigt einen Querschnitt entlang der Linie A-A in 5,
7 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts im Umfeld eines wärmeempfindlichen Bauteils eines Temperatursensors gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel,
8 zeigte eine schematische Darstellung einer Fläche eines wärmeempfindlichen Bauteils, bei dem Verbindungsleitungen und Elektrodenfilme durch ein Verbindungsmaterial gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel verbunden sind, wobei eine Draufsicht von der Seite gezeigt ist, an der die Verbindung gebildet wird, und
9 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines Spitzenabschnitts eines Temperatursensors gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
[Erstes Ausführungsbeispiel]
Nun wird ein Temperatursensor gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Ein erfindungsgemäßer Temperatursensor 1 enthält ein wärmeempfindliches Bauteil 2, ein Paar von Elektrodenfilmen 20 und ein Paar von Verbindungsleitungen 21, wie es in den 1 bis 3 gezeigt ist. Das wärmeempfindliche Bauteil 2 ist aus Keramik mit geringer Wärmeausdehnung zusammengesetzt, deren elektrische Kenndaten sich in Abhängigkeit von der Temperatur ändern. Das Paar der Elektrodenfilme 20 ist auf den Oberflächen des wärmeempfindlichen Bauteils 2 vorgesehen. Das Paar der Verbindungsleitungen 21 ist mit dem Paar der Elektrodenfilme 20 verbunden und wird für eine externe Schaltungsverbindung verwendet. Die Verbindungsleitungen 21 sind mit den Elektrodenfilmen 20 durch ein Bonding-Material bzw. Verbindungsmaterial 22 verbunden.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel ist die Keramik des wärmeempfindlichen Bauteils 2 mit geringer Wärmeausdehnung durch Partikel eines ersten Stadiums und eines zweiten Stadiums aufgebaut. Das erste Stadium ist aus isolierenden Matrixpartikeln aus einem Nicht-Oxid zusammengesetzt. Die Partikel des zweiten Stadiums sind halbleitend oder leitend und diskontinuierlich in der Form eines dreidimensionalen Netzes in dem ersten Stadium verteilt. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel sind die Matrixpartikel aus Si₃N₄ zusammengesetzt. Die Zweitstadiumpartikel sind aus SiC-Partikel zusammengesetzt. Zwischen den Matrixpartikeln ist eine Glasphase aus Y₂O₃ vorhanden. Die Zweitstadiumpartikel sind in der Glasphase verteilt. Der lineare Ausdehnungskoeffizient des wärmeempfindlichen Bauteils 2 aus Keramik mit geringer Wärmeausdehnung gemäß dem Ausführungsbeispiel beträgt 4,5×10^-6/°C.
Außerdem ist der Elektrodenfilm 20 aus einer Cr-40Fe-Legierung zusammengesetzt, die eine Cr-Fe-Legierung ist. Der lineare Ausdehnungskoeffizient des Elektrodenfilms 20 beträgt 9×10^-6/°C (Temperatur von 0°C bis 100°C).
Die Verbindungsleitung 21 ist aus „INCONEL (eingetragene Marke) 601“ zusammengesetzt, was eine Ni-basierte Legierung (NCF601) ist, die durch Daido-Special Metals Ltd. hergestellt wird. Der lineare Ausdehnungskoeffizient der Verbindungsleitung 21 beträgt 14×10^-6/°C.
Außerdem ist das Verbindungsmaterial durch eine Fe-Cr-Al-Legierungspaste gebildet, die gebacken wird. Gemäß dem Ausführungsbeispiel wird NAS4425A-Stahl (hergestellt von Nippon Yakin Kogyo Co., Ltd.) als Fe-Cr-Al-Legierung verwendet. Die Elementzusammensetzung außer Fe beträgt 19 Gewichts% bis 21 Gewichts% Cr, 5,0 Gewichts% bis 6,0 Gewichts% Al, 0,06 Gewichts% bis 0,12 Gewichts% La, 0,015 Gewichts% oder weniger C, 1,0 Gewichts% oder weniger Si und 1,0 Gewichts% oder weniger Mn. Der lineare Ausdehnungskoeffizient des Verbindungsmaterials beträgt 11×10^-6/°C.
Außerdem weist der Temperatursensor 1 eine Schutzschicht 52 auf. Die Schutzschicht 52 bedeckt das wärmeempfindliche Bauteil 2, die Elektrodenfilme 20 und das Verbindungsmaterial 22 zusammen mit einem Abschnitt der Verbindungsleitungen 21.
Die Schutzschicht 52 ist aus einem Material mit einer Schutzwirkung für das wärmeempfindliche Element 2 bei einer hohen Temperatur von 1000°C oder höher zusammengesetzt. Für das Material kommen ein anorganisches Material, amorphes Glas, kristallisiertes Glas und dergleichen infrage. Diese Materialen können einzeln verwendet werden, sollte das Material selbst einen gewünschten Bereich des linearen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Allerdings kann die Schutzschicht 52 unter Verwendung eines Materials gebildet sein, bei dem amorphes Glas und kristallisiertes Glas kombiniert sind, ein Pulver aus anorganischem Material zu Glas hinzugefügt ist, und dergleichen, um den gewünschten linearen Ausdehnungskoeffizienten zu erhalten. Als Pulver anorganischen Materials, der zu Glas hinzugefügt wird, kommen Aluminiumoxid (Al₂O₃), Magnesiumoxid (MgO), Yttriumoxid (Y₂O₃), Chromoxid (Cr₂O₃), Zirkonoxid (ZrO₂), die Keramik mit niedriger Wärmeausdehnung, die das wärmeempfindliche Bauteil 2 aufbaut, und dergleichen infrage. Als das die Schutzschicht 52 konfigurierende Material wird ein Material bevorzugt, dessen linearer Ausdehnungskoeffizient durch Hinzufügen von 40 Gewichts% oder mehr an Keramik mit geringer Wärmeausdehnung, die das wärmeempfindliche Bauteil 2 konfiguriert, zu dem kristallisierten Glas angepasst wird, das bei hohen Temperaturen stabil ist.
Die Zusammensetzung aus kristallisiertem Glas ist vorzugsweise zum Beispiel aus Siliziumoxid, Calciumoxid, Manganoxid und Aluminiumoxid zusammengesetzt. Außerdem weist das kristallisierte Glas vorzugsweise eine Zusammensetzung mit 30 Gewichts% bis 60 Gewichts% SiO₂, 10 Gewichts% bis 30 Gewichts% CaO, 5 Gewichts% bis 25 Gewichts% MgO und 0 Gewichts% bis 15 Gewichts% Al₂O₃ auf.
Der Temperatursensor 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel ist ein zur Messung einer Abgastemperatur eines Automobils verwendeter Sensor.
In dem Temperatursensor 1 ist ein Führungsrohr 11 weiter zu einer hinteren Endseite als eine Abdeckung 4 vorgesehen, wie zur Abdeckung eines Außenumfangs eines Hüllrohrstiftes 3, wie es in 2 gezeigt ist. Ein hinterer Endabschnitt 112 des Führungsrohrs 11 ist mit einem hinteren Endabschnitt 302 des Hüllrohrstiftes 3 fixiert. Der hintere Endabschnitt 112 des Führungsrohrs 111 und der hintere Endabschnitt 302 des Hüllrohrstiftes 3 sind über den gesamten Umfang zusammengeschweißt. Ein Spitzenendabschnitt 111 des Führungsrohrs 11 ist mit dem Hüllrohrstift 3 nicht fixiert. Allerdings ist der Spitzenendabschnitt 111 derart ausgebildet, dass er mit der Seitenfläche des Hüllrohrstifts 3 mit geringer freier Beweglichkeit dazwischen interferiert.
Außerdem ist das Führungsrohr 11 derart gebildet, dass der Spitzenendabschnitt 111 und der hintere Endabschnitt 112 einen kleinen Durchmesser verglichen mit dem dazwischen liegenden Abschnitt aufweisen. In dem von dem Spitzenendabschnitt 111 und dem hinteren Endabschnitt 112 verschiedenen Abschnitt ist eine freie Beweglichkeit zwischen dem Führungsrohr 11 und dem Hüllrohrstift 3 gebildet.
Außerdem ist eine Rippe 12 in dem Außenumfang des Führungsrohrs 11 angeordnet. Die Rippe 12 hält den Hüllrohrstift 3 mit dem Führungsrohr 11 dazwischen.
Die Rippe 12 ist aus einem Kontaktabschnitt 121, einem ersten vorstehenden Abschnitt 122 und einem zweiten vorstehenden Abschnitt 123 gebildet. Der Kontaktabschnitt 121 befindet sich in Kontakt mit einer Spitzenendoberfläche einer Innenwand einer Nabe zum Anbringen an einem Verbrennungsmotor. Der erste sich erstreckende Abschnitt 122 erstreckt sich hinter dem Kontaktabschnitt 121 und hat einen kleineren Außendurchmesser als der Kontaktabschnitt 121. Der zweite sich erstreckende Abschnitt 123 erstreckt sich noch weiter dahinter als der erste sich erstreckende Abschnitt 122 und hat einen noch kleineren Außendurchmesser. Das Führungsrohr 11 ist in den Kontaktabschnitt 121, den ersten sich erstreckenden Abschnitt 122 und den zweiten sich erstreckenden Abschnitt 123 eingefügt und darin eingepasst.
Außerdem ist ein Ende eines Schutzrohrs 13 mit dem Außenumfang des ersten sich erstreckenden Abschnitts 122 verschweißt und fixiert. Das Schutzrohr 13 schützt den Hüllrohrstift 3, das Führungsrohr 11 und einen Abschnitt einer externen Leitung 17.
Die Rippe 12 ist über den Gesamtumfang mit dem Führungsrohr 11 in dem zweiten sich erstreckenden Abschnitt 123 verschweißt.
Außerdem ist die Abdeckung 4 über den gesamten Umfang mit dem Außenumfang eines Spitzenendabschnitts 301 des Hüllrohrstifts 3 verschweißt.
Das Führungsrohr 11, der Hüllrohrstift 3 und die Abdeckung 4 sind aus rostfreiem Stahl oder einer Ni-basierten wärmeresistenten Legierung zusammengesetzt. Ferner sind die Rippe 12 und das Schutzrohr 13 auch aus rostfreiem Stahl oder einer Ni-basierten wärmeresistenten Legierung zusammengesetzt.
Außerdem ist die Dicke des Führungsrohrs 11 größer als die Dicke eines Außenrohrabschnitts 34 des Hüllrohrstifts 3. Das Führungsrohr 11 hat eine größere Steifigkeit als der Außenrohrabschnitt 34 des Hüllrohrstifts 3.
Der Hüllrohrstift 3 ist aus zwei Verbindungsleitungen 21, einem Isolierabschnitt 33 und dem Außenrohrabschnitt 34, wie in 2 gezeigt, zusammengesetzt. Die zwei Verbindungsleitungen 21 sind aus einer Ni-basierten hitzebeständigen Legierung zusammengesetzt. Der Isolierabschnitt 33 ist aus einem isolierenden Pulver zusammengesetzt, wie Magnesium, und in der Peripherie der Verbindungsleitungen 21 angeordnet. Der Außenrohrabschnitt 34 ist aus rostfreiem Stahl zusammengesetzt, der den Außenumfang des Isolierabschnitts 33 abdeckt. Der Hüllrohrstift 3 hat eine Kreis-Säulenform. Der Außenrohrabschnitt 34 hat eine Kreiszylinderform. Außerdem sind die Verbindungsleitungen 21 an der Spitzenendseite und der hinteren Endseite von dem Isolierabschnitt 21 und dem Außenrohrabschnitt 34 freigelegt. Die Spitzen der Verbindungsleitungen 21 sind mit den Elektrodenfilmen 20 des wärmeempfindlichen Bauteils 2 durch das Verbindungsmaterial 22 verbunden (siehe 1). Die hinteren Enden der Verbindungsleitungen 21 sind mit der externen Verbindungsleitung 17 verbunden (siehe 2).
Die Schutzschicht 52 ist mit der Innenfläche der Abdeckung 4 zu jeder Zeit in einem Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 850°C, wie in den 2 und 3 gezeigt, in Kontakt. Die Schutzschicht 52 ist mit der Innenfläche der Abdeckung 4 zu jeder Zeit vorzugsweise in einem Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 1000° C in Kontakt.
Ferner reagiert die Schutzschicht 52 mit der Abdeckung im Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 850°C nicht chemisch. Die äußere Schutzschicht 52 reagiert in dem Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 1000°C mit der Abdeckung 4 nicht chemisch.
Außerdem sind die Verbindungsleitungen 21 mit den Außenflächen des wärmeempfindlichen Bauteils 2, wie in 1 gezeigt, verbunden. Das heißt, das wärmeempfindliche Bauteil 2 hat eine grobe rechteckige Parallelepipedform. Das Paar der Elektrodenfilme 2 ist auf einem Paar von Flächen gebildet, die parallel zueinander sind. Die sich von dem Inneren des Hüllrohrstifts 3 erstreckenden Verbindungsleitungen 21 sind jeweils mit den Elektroden verbunden.
Als nächstes wird ein Beispiel eines Verfahrens der Herstellung des Temperatursensors 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel beschrieben.
Zuerst wird das wärmeempfindliche Bauteil 2 wie nachstehend beschrieben hergestellt.
Das heißt, es werden 52,2 Vol% Siliziumnitrid-(Si₃N₄-)Pulver (mittlere Partikelgröße von 0,7 µm), 40 Vol% Siliziumcarbid-(SiC-)Pulver (mittlere Partikelgröße von 0,2 µm), 5,5 Vol% Yttriumoxid-(Y₂O₃-)Pulver (mittlere Partikelgröße von 0,5 µm) als Sinterhilfe und 2,3 Vol% Titanborid-(TiB₂-)Pulver (mittlere Partikelgröße von 0,4 µm) als Zusatz gemischt. Die Mischung wurde durch eine Kugelmühle über 24 Stunden unter Verwendung von Ethanol gemischt.
Als nächstes wurde das gemischte Rohmaterial in eine Form gegeben. Uniaxiales Formpressen wurde bei einem Druck von 20MPa durchgeführt. Heißpressen wurde über eine Stunde in einer N₂-Atmosphäre unter Bedingungen einer Temperatur von 1850°C und eines Pressdrucks von 20MPa durchgeführt. Als Ergebnis wurde das wärmeempfindliche Bauteil 2 erhalten, das aus einem gesinterten Körper (Keramik mit geringer Wärmeausdehnung) mit einer rechteckigen Parellelepipedform (Plattenform) mit einer Länge von 1 mm, einer Breite von 1 mm und einer Höhe von 0,5 mm zusammengesetzt ist.
Als nächstes wurde eine Cr-Fe-Legierungspaste mittels eines Dickschichtverfahrens mit einer Dicke von ungefähr 10 µm auf das Paar gegenüberliegender Flächen in der Höhenrichtung des wärmeempfindlichen Bauteils 2 gedruckt. Die Cr-Fe-Legierungspaste wurde dann bei einer Temperatur von 1300° C gebacken, wodurch die Elektrodenfilme 20 gebildet worden sind. Die Cr-Fe-Legierungspaste hat eine Körnigkeit von ungefähr 30 µm oder weniger.
Als nächstes wurden die Verbindungsleitungen 21 aus einer Ni-basierten Legierung, die sich von innerhalb des Hüllrohrstifts 3 erstrecken, mit den Elektrodenfilmen 20 des wärmeempfindlichen Bauteils 2 auf folgende Art und Weise gebondet bzw. verbunden (siehe 1).
Das heißt, es wurden zuerst 80 Gewichts% bis 85 Gewichts% NAS4425A5-Stahlpartikel (mittlere Partikelgröße von 10 µm), 4 Gewichts% bis 6 Gewichts% Acrylcopolymer, 0,1 Gewichts% bis 1 Gewichts% Bis-(Methylhexyl)-Phthalat, 1 Gewichts% bis 2 Gewichts% gelöstes Naphtha, 5 Gewichts% bis 10 Gewichts% Butyllaktat und 1 Gewichts% oder weniger Siliziumharz gemischt, wodurch ein teigiges bzw. pastenartiges Verbindungsmaterial erzeugt wurde.
Als nächstes wurden die Verbindungsleitungen 21 aus Ni basierter Legierung, die sich von dem Hüllrohrstift erstrecken, in Kontakt mit dem Paar von Elektrodenflächen 20 des wärmeempfindlichen Bauteils 2 platziert, wie es in 4 gezeigt ist.
Dann wurde ein pastenartiges Bonding-Material bzw. Verbindungsmaterial 220 auf die Kontaktabschnitte der Elektrodenflächen 20 und die Verbindungsleitungen durch ein Pastenpottingverfahren aufgebracht, wie es in den 5 und 6 gezeigt ist. Das Resultat wurde danach für eine Stunde bei einer Temperatur von 1200°C erhitzt und gebacken. Als Ergebnis wurden die Elektrodenflächen 20 des wärmeempfindlichen Bauteils 2 und die Verbindungsleitungen 21 durch das Verbindungsmaterial 22 verbunden, wie es in 1 gezeigt ist.
Als nächstes wurden beispielsweise kristallisiertes Glaspulver aus 30 Gewichts% bis 60 Gewichts% SiO₂, 10 Gewichts% bis 30 Gewichts% CaO, 5 Gewichts% bis 25 Gewichts% Mg und 0 Gewichts% bis 15 Gewichts% Al₂O₃ mit einem Lösungsmittel gemischt und in eine Paste geformt. Das wärmeempfindliche Bauteil 2, mit dem die Verbindungsleitungen 21 verbunden sind, wurde in die Paste gestippt und eine vorbestimmte Menge an Glaspaste wurde aufgebracht. Nach dem Trocknen wurde das Ergebnis einer Wärmebehandlung bei 1200°C unterzogen, wodurch gleichzeitig eine Kristallisierung von Glas und ein Backen durchgeführt wurden. Die Schutzschicht 52 wurde, wie in 1 gezeigt, ausgebildet. Der lineare Ausdehnungskoeffizient der Glaspaste wird mit dem des Elektrodenfilms 20 abgeglichen.
Dann wurde das wärmeempfindliche Bauteil 2, das mit den Verbindungsleitungen 21 verbunden ist, die sich von dem Hüllrohrstift erstrecken und durch die Schutzschicht 52 bedeckt sind, wie es in 2 und 3 gezeigt ist, in die Abdeckung 4 eingefügt. Die Abdeckung 4 wurde auf eine Temperatur von 300°C oder höher aufgeheizt. Dann wurde die Abdeckung 4 auf Raumtemperatur abgekühlt und mit der Seitenfläche des Hüllrohrstifts 3 verschmolzen.
Der Temperatursensor 1 wurde wie vorstehend beschrieben erhalten. Als nächstes werden Wirkungen im Betrieb gemäß dem Ausführungsbeispiel beschrieben. Zum ersten enthält der Temperatursensor 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel das wärmeempfindliche Bauteil 2 aus Keramik mit geringer Wärmeausdehnung, wie es in 1 gezeigt ist. In den Temperatursensor 1 sind die Elektrodenfilme 20 aus einer Cr-Fe-Legierung und die Verbindungsleitungen 21 aus einer Ni-basierten Legierung durch das Verbindungsmaterial 22 verbunden, das durch Backen einer Fe-Cr-Al-Legierungspaste gebildet wird.
Als Ergebnis der auf diese Art und Weise bestimmten Materialien in der Umgebung der Verbindungsabschnitte der Verbindungsleitungen 21 und der Elektrodenfilme 20 können die linearen Ausdehnungskoeffizienten des wärmeempfindlichen Bauteils 2, der Elektrodenfilme 20, des Verbindungsmaterials 22 und der Verbindungsleitungen 21 aneinander angenähert werden. Sind ferner der lineare Ausdehnungskoeffizient der Keramik mit geringer Wärmeausdehnung, die das wärmeempfindliche Element 2 bildet, T_a (/°C), der lineare Ausdehnungskoeffizient des Elektrodenfilms 20 T_b (/°C), der lineare Ausdehnungskoeffizient des Verbindungsmaterials 22 T_c (/°C) und der lineare Ausdehnungskoeffizient der Verbindungsleitung 21 T_d (/°C), kann T_a≤T_b≤T_c≤T_d etabliert werden. Die linearen Ausdehnungskoeffizienten können in Schritten näher aneinander gebracht werden.
Das heißt, es wird ein gradueller Gradient des linearen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem wärmeempfindlichen Bauteil 2 aus Keramik geringer Wärmeausdehnung und den Verbindungsleitungen 21 über die Elektrodenfilme 20 und das Verbindungsmaterial 22 gebildet. Daher tritt selbst in einer Umgebung hoher Temperatur nicht leicht eine Unterbrechung auf. Der Temperatursensor 1 ist sehr zuverlässig. Außerdem kann selbst auf breitem Verwendungsgebiet eine Wärmespannung verringert werden. Die Zuverlässigkeit des Temperatursensors 1 kann verbessert werden.
Außerdem werden bei dem Temperatursensor gemäß dem Ausführungsbeispiel die Verbindungsleitungen 21 aus einer Ni-basierten Legierung verwendet. Die Festigkeit ist verglichen mit einer herkömmlichen Verbindungsleitung aus Pt höher. Daher ist die Beständigkeit gegenüber Vibrationen äußerst gut und eine Unterbrechung tritt nicht leicht auf. Ähnliche Wirkungen wie mit dem Ausführungsbeispiel können erzielt werden, selbst wenn eine Fe-Cr-Al-Legierung (wie in „NCA1“ von Nisshin Steel Co., Ltd.), die einen rostfreien Stahl vom Ferrittyp darstellt, anstelle der Ni-basierten Legierung verwendet wird.
Außerdem wird bei dem Temperatursensor 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel eine Verbindungsleitung aus einer Ni-basierten Legierung verwendet. Eine Abkehr von der Verwendung von Edelmetallen kann erreicht werden. Daher kann der Temperatursensor 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel mit geringen Kosten hergestellt werden.
Außerdem ist die Keramik mit geringer Wärmeausdehnung, die das wärmeempfindliche Bauteil 2 aufbaut, bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel aus den Partikeln des ersten Stadiums und den halbleitenden oder leitenden Zweitstadiumpartikeln zusammengesetzt. Das erste Stadium ist aus isolierenden Matrixpartikeln aus einem Nicht-Oxid zusammengesetzt. Die Zweitstadiumpartikel sind in einer dreidimensionalen Netzform in dem ersten Stadium diskontinuierlich verteilt.
Daher kann ein Temperatursensor mit einer günstigen Empfindlichkeit realisiert werden. Außerdem kann ein Temperatursensor realisiert werden, der eine Reduktionsverschlechterung verhindert und eine übergeordnete Hitzebeständigkeit hat.
Außerdem weist der Temperatursensor 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel die Schutzschicht 52 auf, die das wärmeempfindliche Bauteil 2, die Elektrodenfilme 20 und das Verbindungsmaterial 22 zusammen mit einem Abschnitt der Verbindungsleitungen 21 abdeckt.
Daher kann eine Wärmespannung in den Verbindungsabschnitten des wärmeempfindlichen Bauteils 2, den Elektrodenfilmen 20 und den Verbindungsleitungen 21 verringert werden. Außerdem kann die Haltekraft der Verbindungsabschnitte verbessert und die Beständigkeit gegenüber Vibrationen weiter verbessert werden.
Wie vorstehend beschrieben kann bei dem Temperatursensor mit dem wärmeempfindlichen Element mit geringer Wärmeausdehnung gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Unterbrechung verhindert werden. Außerdem kann ein Temperatursensor bereitgestellt werden, der mit geringen Kosten hergestellt werden kann.
[Zweites Ausführungsbeispiel]
Ein Temperatursensor gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird beschrieben. Gemäß dem zweiten und folgenden Ausführungsbeispielen haben Komponenten, die gleich oder äquivalent Komponenten des Temperatursensors gemäß dem vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel sind, dieselben Bezugszeichen. Ihre Beschreibung ist weggelassen oder vereinfacht.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird ein Beispiel eines Falls beschrieben, bei dem der Temperatursensor durch Änderung des Verfahrens des Ausbildens der Elektrodenfilme auf dem wärmeempfindlichen Bauteil und dergleichen gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel hergestellt wird. Abgesehen von den Änderungen in dem Verfahren des Ausbildens des Elektrodenfilms und dergleichen, was nachstehend beschrieben wird, hat der Temperatursensor gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel einen ähnlichen Aufbau wie der gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.
Hinsichtlich der Herstellung des Temperatursensors gemäß diesem Ausführungsbeispiel wurde insbesondere zuerst das wärmeempfindliche Bauteil auf ähnliche Weise wie im ersten Ausführungsbeispiel erhalten.
Dann wurde eine Cr-Fe-Legierungspaste mittels eines Dickfilmdrucks mit einer Dicke von ungefähr 10µm bis 20µm auf das Paar gegenüberliegender Flächen in der Höhenrichtung des wärmeempfindlichen Bauteils gedruckt. Die Cr-Fe-Legierungspaste wurde dann bei einer Temperatur von 1200°C gebacken, wodurch die Elektrodenfilme gebildet wurden. Die Cr-Fe-Legierungspaste hat eine Körnigkeit von ungefähr 10µm oder weniger.
Dann wurden die Verbindungsleitungen aus einer Ni-basierten Legierung, die sich von innerhalb des Hüllrohrstifts erstrecken, mit den Elektrodenfilmen des wärmeempfindlichen Bauteils auf ähnliche Weise wie im ersten Ausführungsbeispiel verbunden.
Das heißt, zuerst wurden 80 Gewichts% bis 85 Gewichts% NAS4425A5-Stahlpartikel (hergestellt von Nippon Yakin Kogyo Co., Ltd.; mittlere Partikelgröße von 10µm oder weniger) äquivalent zu SUH21, 4 Gewichts% bis 6 Gewichts% Acrylcopolymer, 0,1 Gewichts% bis 1 Gewichts% Bis-(Methylhexyl-)Phthalat, 1 Gewichts% bis 2 Gewichts% gelöstes Naphtha, 5 Gewichts% bis 10 Gewichts% Butyllactat und 1 Gewichts% oder weniger Siliziumharz gemischt, wodurch ein Verbindungsmaterial in Pastenzustand erzeugt wurde.
Dann wurden die Verbindungsleitungen aus Ni-basierter Legierung, die sich von dem Hüllrohstift erstrecken, in Kontakt mit dem Paar der Elektrodenfilme des wärmeempfindlichen Bauteils platziert. Dann wurde das Verbindungsmaterial im Pastenzustand an den Kontaktabschnitten der Elektrodenfilme und der Verbindungsleitungen durch ein Pastenpottingverfahren aufgebracht. Das Ergebnis wurde nachfolgend für eine Stunde bei einer Temperatur von 1100°C erhitzt und gebacken. Als Ergebnis wurden die Elektrodenfilme des wärmeempfindlichen Bauteils und die Verbindungsleitungen durch das Verbindungsmaterial verbunden.
Als nächstes wurde auf ähnliche Weise wie im ersten Ausführungsbeispiel das wärmeempfindliche Bauteil, mit dem die Verbindungsleitungen verbunden sind, eingetaucht. Nach dem Trocknen wurde das wärmeempfindliche Bauteil einer Wärmebehandlung unterzogen, wodurch die Schutzschicht ausgebildet wurde.
Dann wurde das wärmeempfindliche Bauteil, das mit den Verbindungsleitungen verbunden ist, die sich von dem Hüllrohrstift erstrecken und durch die Schutzschicht bedeckt sind, wie im ersten Ausführungsbeispiel in die erhitzte Abdeckung eingefügt und abgekühlt. Die Abdeckung wurde dann mit der Seitenfläche des Hüllrohrstifts verschweißt.
Der Temperatursensor gemäß vorliegendem Ausführungsbeispiel wurde wie vorstehend beschrieben erhalten. Auch bei dem gemäß vorliegendem Ausführungsbeispiel hergestellten Temperatursensor kann auf ähnliche Weise wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel, wenn der lineare Ausdehnungskoeffizient der Keramik mit geringer Wärmeausdehnung, die das wärmeempfindliche Bauteil bildet, T_a(/°C), der lineare Ausdehnungskoeffizient des Elektrodenfilms T_b(/°C), der lineare Ausdehnungskoeffizient des Verbindungsmaterials T_c(/°C) und der lineare Ausdehnungskoeffizient der Verbindungsleitung T_d(/°C) ist, T_a≤T_b≤T_c≤T_d errichtet werden. Die linearen Ausdehnungskoeffizienten können in Schritten enger zueinander gebracht werden. Das heißt, zwischen dem wärmeempfindlichen Bauteil aus einer Keramik mit geringer Wärmeausdehnung und den Verbindungsleitungen wird über die Elektrodenfilme und das Verbindungsmaterial ein gradueller Gradient des linearen Ausdehnungskoeffizienten gebildet. Der Temperatursensor gemäß vorliegendem Ausführungsbeispiel ist sehr zuverlässig. Außerdem kann eine Wärmespannung selbst in einem breiten Verwendungsgebiet verringert werden. Die Zuverlässigkeit des Temperatursensors gemäß vorliegendem Ausführungsbeispiels kann verbessert werden.
Der Temperatursensor gemäß vorliegendem Ausführungsbeispiel erzielt weitere Wirkungen im Betrieb ähnlich wie jene gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.
[Drittes Ausführungsbeispiel]
Ein Temperatursensor gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird unter Bezugnahme auf 7 beschrieben. Bei diesem Ausführungsbeispiel bezieht sich die Erfindung auf einen Temperatursensor, der derart aufgebaut ist, dass mit Elektrodenfilmen eines wärmeempfindlichen Bauteils verbundene Verbindungsleitungen mit Signalleitungen verbunden sind, die sich aus einem Hüllrohrstift erstrecken.
Insbesondere sind bei einem Temperatursensor 6 gemäß diesem Ausführungsbeispiel auf ähnliche Weise wie im ersten Ausführungsbeispiel das rechteckige parallelepipedförmige wärmeempfindliche Bauteil 2, das Paar der Elektrodenfilme 20 und die Verbindungsleitungen 21 wie in 7 gezeigt enthalten. Das Paar der Elektrodenfilme 20 ist an den Oberflächen des wärmeempfindlichen Bauteils 2 vorgesehen. Die Verbindungsleitungen 21 sind mit dem Paar der Elektrodenfilme 20 verbunden. Die Verbindungsleitungen 21 sind mit den Elektrodenfilmen 20 durch das Verbindungsmaterial 22 verbunden.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist das mit den Elektrodenfilmen 20 verbundene Paar der Verbindungsleitungen 21 mit Signalleitungen 215 verbunden, die sich aus der Spitze des Hüllrohrstifts 3 erstrecken. Die Verbindungsleitungen 21 und die Signalleitungen 215 können durch Laserschweißen verbunden werden. Die rückwärtigen Enden der Signalleitungen 215 sind mit einer externen Verbindungsleitung auf ähnliche Weise wie im ersten Ausführungsbeispiel (nicht gezeigt) verbunden.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Verbindungsleitung 21 aus SUH21 (JISG4312) aus einer Fr-Cr-Al-Legierung zusammengesetzt. Der lineare Ausdehnungskoeffizient der Verbindungsleitung 21 ist 11×10^-6/°C.
Außerdem ist die Signalleitung 215 aus „INCONEL (eingetragene Marke) 601“ zusammengesetzt, was eine Ni-basierte Legierung (NCF601) darstellt, die von Daido-Special Metals Ltd. hergestellt wird. Der lineare Ausdehnungskoeffizient der Signalleitung 215 beträgt 14×10^-6/°C.
Der weitere Aufbau ist dem des ersten Ausführungsbeispiels ähnlich. Auch bei dem Temperatursensor 6 gemäß diesem Ausführungsbeispiel kann auf ähnliche Weise wie im ersten und zweiten Ausführungsbeispiel, wenn der lineare Ausdehnungskoeffizient der Keramik mit geringer Wärmeausdehnung, die das wärmeempfindliche Bauteil 2 bildet, T_a(/°C), der lineare Ausdehnungskoeffizient des Elektrodenfilms 21 T_b(/°C), der lineare Ausdehnungskoeffizient des Verbindungsmaterials 22 T_c(/°C) und der lineare Ausdehnungskoeffizient der Verbindungsleitung 21 T_d(/°C) ist, T_a≤T_b≤T_c≤T_d errichtet werden. Die linearen Ausdehnungskoeffizienten können in Schritten aneinander angenähert werden (vergleiche 7). Das heißt, zwischen dem wärmeempfindlichen Bauteil 2 aus einer Keramik mit geringer Wärmeausdehnung und den Verbindungsleitungen 21 über die Elektrodenfilme 20 und das Verbindungsmaterial 22 wird ein gradueller Gradient des linearen Ausdehnungskoeffizienten gebildet. Daher kann eine Wärmespannung selbst auf breitem Verwendungsgebiet verringert werden. Die Zuverlässigkeit des Temperatursensors 6 gemäß diesem Ausführungsbeispiel kann verbessert werden.
Der Temperatursensor gemäß diesem Ausführungsbeispiel erzielt weitere Effekte im Betrieb ähnlich wie jene gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.
[Viertes Ausführungsbeispiel]
Ein Temperatursensor gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird unter Bezugnahme auf 8 beschrieben. Bei diesem Ausführungsbeispiel bezieht sich die Erfindung auf eine Beziehung zwischen der kürzesten Entfernung zwischen einem Endabschnitt eines wärmeempfindlichen Bauteils und einer Außenkante eines Verbindungsmaterials und dem Auftreten von Rissen an einer Verbindungsfläche des wärmeempfindlichen Bauteils und des Verbindungsmaterials. Das heiß, es wurde ein Vielzahl von Temperatursensoren (Probe X1 bis Probe X5) mit Verbindungsmaterialien mit unterschiedlichen Größen hergestellt, das in den Kontaktabschnitten zwischen den Elektrodenflächen und den Verbindungsleitungen ausgebildet ist. Das Vorhandensein von Rissen, die in dem wärmeempfindlichen Bauteil nach der Verbindungsmaterialausbildung auftreten, wurde überprüft.
Insbesondere wurde zuerst auf ähnliche Weise wie im ersten Ausführungsbeispiel das wärmeempfindliche Bauteil hergestellt. Eine Cr-Fe-Legierungspaste wurde durch Dickfilmdrucken mit einer Dicke von ungefähr 10µm bis 20µm auf dem Paar einander in der Höhenrichtung des wärmeempfindlichen Bauteils gegenüberliegender Flächen gedruckt. Die Cr-Fe-Legierungspaste wurde dann bei einer Temperatur von 1200°C gebacken, wodurch die Elektrodenfilme gebildet werden. Die Cr-Fe-Legierungspaste hat eine Körnigkeit von ungefähr 10µm oder weniger.
Als nächstes wurden 80 Gewichts% bis 85 Gewichts% NAS4425A5-Typ-Stahlpartikel (hergestellt von Nippon Yakin Kogyo Co., Ltd.; mittlere Partikelgröße von 10µm oder weniger) äquivalent zu SUH21, 4 Gewichts% bis 6 Gewichts% Acrylcopolymer, 0,1 Gewichts% bis 1 Gewichts% Bis-(Methylhexyl-)Phthalat, 1 Gewichts% bis 2 Gewichts% gelöstes Naphtha, 5 Gewichts% bis 10 Gewichts% Butyllactat und 1 Gewichts% oder weniger Siliziumharz gemischt, wodurch ein Verbindungsmaterial in Pastenzustand erzeugt wird.
Als nächstes wurden auf ähnliche Weise wie im ersten Ausführungsbeispiel die Verbindungsleitungen aus einer Ni-basierten Legierung in Kontakt mit dem Paar der auf dem wärmeempfindlichen Bauteil gebildeten Elektrodenfilme platziert. Dann wurde das Verbindungsmaterial im Pastenzustand auf die Kontaktabschnitte der Elektrodenfilme und der Verbindungsleitungen durch ein Pastenpottingverfahren aufgebracht. Das Ergebnis wurde daraufhin für eine Stunde bei einer Temperatur von 1100°C erhitzt und gebacken. Als Ergebnis wurden die Elektrodenfilme 20 des wärmeempfindlichen Bauteils 2 und die Verbindungsleitungen 21 durch das Verbindungsmaterial verbunden (siehe 8).
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel werden Verbindungsmaterialien unterschiedlicher Größen ausgebildet, indem die Verbindungsfläche auf dem Elektrodenfilm durch Ändern der Menge an aufgebrachtem Verbindungsmaterial im Pastenzustand verändert wird.
In weiterer Hinsicht kann der Temperatursensor auf ähnliche Weise wie im ersten Ausführungsbeispiel hergestellt werden. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wurde auf der Verbindungsfläche des wärmeempfindlichen Bauteils 2 und des Verbindungsmaterials 22 die kürzeste Entfernung (a, b, c oder d) zwischen einem Endabschnitt 28 des wärmeempfindlichen Bauteils 2 und einer äußeren Kante 229 des Verbindungsmaterials 22 gemessen. Wie in 8 gezeigt, wird gemäß diesem Ausführungsbeispiel in einer Draufsicht von der Seite der Fläche des rechteckigen parallelepipedförmigen wärmeempfindlichen Bauteils 2, an der das Verbindungsmaterial 22 gebildet ist, das Verbindungsmaterial 22 derart gebildet, dass die äußere Kannte 229 grob kreisförmig ist. Daher ist die vorstehend beschriebene kürzeste Entfernung die Entfernung a, Entfernung b, Entfernung c oder Entfernung d, wie es in 8 gezeigt ist.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wurde bei den hergestellten Proben X1 bis X5 des Temperatursensors die Entfernung a, Entfernung b, Entfernung c oder Entfernung d gemessen, und die kürzeste Entfernung wurde überprüft. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt.

Außerdem wurde hinsichtlich jeder Probe nach Bilden des Verbindungsmaterials das Vorhandensein von Rissen unter einem Mikroskop überprüft, die in dem wärmeempfindlichen Bauteil auftreten können. Das Vorhandensein von Rissen wurde bei jedem der fünf hergestellten Temperatursensoren unter ähnlichen Bedingungen für jede Probe X1 bis X5 (N=5) überprüft. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt. In Tabelle 1 bedeutet „x“, dass Risse beobachtet werden können und „o“ bedeutet, dass keine Risse beobachtet werden. [Tabelle 1]

PROBE NR.	DIE KÜRZESTE ENTFERNUNG ZWISCHEN DEM ENDABSCHNITT DES WÄRMEEMPFINDLICHEN BAUTEILS UND DEM VERBINDUNGSMATERIAL AUF DER VERBINDUNGSFLÄCHE (mm)	VORHANDENSEIN VON RISSEN
PROBE NR.		DER ERSTE TEST	DER ZWEITE TEST	DER DRITTE TEST	DER VIERTE TEST	DER FÜNFTE TEST
X1	0	×	×	×	×	×
X2	0,05	×	×	×	×	○
X3	0,10	○	○	○	○	○
X4	0,15	○	○	○	○	○
X5	0,20	○	○	○	○	○

Wie in Tabelle 1 klar gezeigt ist, treten auf der Verbindungsfläche des wärmeempfindlichen Bauteils 2 und des Verbindungsmaterials 22, wenn die kürzeste Entfernung zwischen dem Endabschnitt 28 des wärmeempfindlichen Bauteils 2 und dem Verbindungsmaterial 22 mindestens 0,1 mm oder mehr (Proben X3 bis X5) beträgt, in den fünf Messungen keine Risse auf. Beträgt die kürzeste Entfernung zwischen dem Endabschnitt 28 des wärmeempfindlichen Bauteils 2 und dem Verbindungsmaterial 22 allerdings weniger als 0,1 mm (Proben X1 und X2), wurde das Auftreten von Rissen in dem wärmeempfindlichen Bauteil nach Ausbilden des Verbindungsmaterials bei zumindest einer der fünf Messungen beobachtet.
Auf diese Weise ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel ersichtlich, dass die kürzeste Entfernung zwischen dem Endabschnitt 28 des wärmeempfindlichen Bauteils 2 und dem Verbindungsmaterial auf der Verbindungsfläche des wärmeempfindlichen Bauteils 2 und des Verbindungsmaterials 22 vorzugsweise zumindest 0,1mm oder mehr beträgt.
[Fünftes Ausführungsbeispiel]
Ein Temperatursensor gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung wird unter Bezugnahme auf 9 beschrieben. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird ein Beispiel beschrieben, bei dem ein Temperatursensor hergestellt wird, in dem Elektrodenfilme und Verbindungsleitungen ohne die Verwendung eines Verbindungsmaterials verbunden sind.
Insbesondere sind die Elektrodenfilme 20 und die Verbindungsleitungen 21 durch Laserschweißen verbunden, wie es in 9 gezeigt ist. Außerdem wird bei diesem Ausführungsbeispiel ein Temperatursensor 7 ohne die Bildung einer Schutzschicht ausgebildet. Abgesehen von der Verbindung der Elektrodenfilme 20 und der Verbindungsleitungen 21 durch Laserschweißen ohne Verwendung eines Verbindungsmaterials und dass keine Schutzschicht gebildet ist, hat der Temperatursensor 7 gemäß diesem Ausführungsbeispiel einen ähnlichen Aufbau wie der im ersten Ausführungsbeispiel.
Zur Herstellung des Temperatursensors 7 gemäß diesem Ausführungsbeispiel wurde insbesondere zuerst das wärmeempfindliche Bauteil 2 auf ähnliche Weise wie im ersten Ausführungsbeispiel hergestellt, wie es in 9 gezeigt ist. Als nächstes wurde eine Cr-Fe-Legierungspaste mit einer Dicke von ungefähr 10µm bis 20µm auf dem Paar der einander in der Höhenrichtung des wärmeempfindlichen Bauteils 2 gegenüberliegenden Flächen durch Dickfilmdrucken gedruckt. Die Cr-Fe-Legierungspaste wurde dann bei einer Temperatur von 1200°C gebacken, wodurch die Elektrodenfilme 20 ausgebildet wurden. Die Cr-Fe-Legierungspaste hat eine Körnigkeit von ungefähr 10µm oder weniger.
Dann wurden die Verbindungsleitungen 21 aus einer Ni-basierten Legierung, die sich aus dem Inneren des Hüllrohrstifts 3 erstrecken, mit den Elektrodenfilmen 20 des wärmeempfindlichen Bauteils 2 verbunden. Die Elektrodenfilme 20 und die Verbindungsleitungen 21 wurden in dem Verbindungsabschnitt durch Laserschweißen verbunden. Obwohl die Elektrodenfilme 20 und die Verbindungsleitungen 21 bei diesem Ausführungsbeispiel durch Laserschweißen verbunden werden, können sie beispielsweise auch durch Widerstandsschweißen verbunden werden.
Dann wurde das mit den Verbindungsleitungen 21 verbundene wärmeempfindliche Bauteil 2, die sich aus dem Hüllrohrstift 3 erstrecken, auf ähnliche Weise wie im ersten Ausführungsbeispiel in die erhitzte Abdeckung 4 eingefügt und abgekühlt. Die Abdeckung wurde dann an die Seitenfläche des Hüllrohrstifts geschweißt.
Der Temperatursensor gemäß diesem Ausführungsbeispiel wurde wie vorstehend beschrieben erhalten. Wenn bei dem Temperatursensor 7, der gemäß diesem Ausführungsbeispiel hergestellt wurde, der lineare Ausdehnungskoeffizient der Keramik mit geringer Wärmeausdehnung, die das wärmeempfindliche Bauteil 2 zusammensetzt, T_a(/°C), der lineare Ausdehnungskoeffizient des Elektrodenfilms 20 T_b(/°C) und der lineare Ausbreitungskoeffizient der Verbindungsleitung T_d(/°C) ist, kann T_a≤T_b≤T_d errichtet werden. Die linearen Ausdehnungskoeffizienten können in Schritten näher zueinander gebracht werden. Das heißt, zwischen dem wärmeempfindlichen Bauteil 2 aus einer Keramik mit geringer Wärmeausdehnung und den Verbindungsleitungen 21 wird über die Elektrodenfilme 20 ein gradueller Gradient des linearen Ausdehnungskoeffizienten gebildet. Daher kann eine Wärmespannung selbst bei einem weitreichenden Anwendungsgebiet verringert werden. Die Zuverlässigkeit des Temperatursensors gemäß diesem Ausführungsbeispiel kann verbessert werden.
Außerdem werden bei dem Temperatursensor 7 gemäß diesem Ausführungsbeispiel die Verbindungsleitungen 21 und die Elektrodenfilme 20 durch Laserschweißen ohne die Verwendung eines Verbindungsmaterials verbunden, wie es in 9 gezeigt ist. Schweißabschnitte 210 werden in den Verbindungsabschnitten der Verbindungsleitungen 21 und der Elektrodenfilme 20 ausgebildet. Die Schweißabschnitte 210 werden dadurch erzeugt, dass die Verbindungsleitungen 21 und die Elektrodenfilme 20 durch das Laserschweißen teilweise geschmolzen und dann hart werden.
Daher kann die Festigkeit des Verbindungsabschnitts verglichen mit dem sogenannten Durchdringungsverbinden unter Verwendung eines Verbindungsmaterials erhöht werden. Außerdem ist eine Wärmebehandlung durch einen Vakuumofen oder dergleichen für eine Verbindung unter Verwendung eines Verbindungsmaterials erforderlich. Wird aber eine Verbindung durch Schweißen wie bei diesem Ausführungsbeispiel durchgeführt, muss während der Verbindung keine Wärmebehandlung durchgeführt werden. Daher wird die Produktivität gesteigert. Außerdem kann das Auftreten einer Restwärmespannung verhindert werden. Daher kann der Widerstand gegen eine Wärmespannung verbessert werden.
Der Temperatursensor dieses Ausführungsbeispiels erzielt weitere Wirkungen im Betrieb ähnlich jenen wie im ersten Ausführungsbeispiel.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird der Temperatursensor ohne die Bildung der Schutzschicht hergestellt. Allerdings kann auf ähnliche Weise wie im ersten Ausführungsbeispiel die Schutzschicht gebildet werden, indem das wärmeempfindliche Bauteil, mit dem die Verbindungsleitungen verbunden sind, eingetaucht, getrocknet und wärmebehandelt wird.
Bezugszeichenliste

1:: Temperatursensor
2:: wärmeempfindliches Bauteil
20:: Elektrodenfilm
21:: Verbindungsleitung
22:: Verbindungsmaterial

Claims

Temperatursensor mit: einem wärmeempfindlichen Bauteil aus Keramik mit geringer Wärmeausdehnung mit einem linearen Ausdehnungskoeffizienten von 3×10^-6/°C bis 5X10^-6/°C, deren elektrische Kenndaten sich in Abhängigkeit von der Temperatur ändern, einem Paar von Elektrodenfilmen, die an den Oberflächen des wärmeempfindlichen Bauteils vorgesehen sind, und einem Paar von Verbindungsleitungen mit einem linearen Ausdehnungskoeffizienten von 15×10^-6/°C oder weniger, die mit den Elektrodenfilmen verbunden sind, wobei, wenn der lineare Ausdehnungskoeffizient des wärmeempfindlichen Bauteils, des Elektrodenfilms und der Verbindungsleitung jeweils T_a(/°C), T_b(/°C) und T_d(/°C) ist, die linearen Ausdehnungskoeffizienten des wärmeempfindlichen Bauteils, des Elektrodenfilms und der Verbindungsleitung zur Erfüllung einer Beziehung von T_a≤T_b≤T_d eingestellt sind, und der lineare Ausdehnungskoeffizient des Elektrodenfilms T_b(/°C) auf T_b≤11×10^-6 eingestellt ist.
Temperatursensor nach Anspruch 1, wobei die Elektrodenfilme und die Verbindungsleitungen gegenseitig über ein Verbindungsmaterial aus Metall verbunden sind, wenn ein linearer Ausdehnungskoeffizient des Verbindungsmaterials mit T_c(/°C) bezeichnet ist, die linearen Ausdehnungskoeffizienten des wärmeempfindlichen Bauteils, des Elektrodenfilms, der Verbindungsleitung und des Verbindungsmaterials zur Erfüllung einer Beziehung von T_a≤T_b≤T_c≤T_d eingestellt sind, und der lineare Ausdehnungskoeffizient des Verbindungsmaterials T_c(/°C) auf T_c≤12×10^-6 eingestellt ist.
Temperatursensor nach Anspruch 2, wobei das Verbindungsmaterial, die Elektrodenfilme und die Verbindungsleitungen aus einer Legierung mit zumindest Cr und Fe zusammengesetzt sind.
Temperatursensor nach Anspruch 2 oder 3, wobei der Elektrodenfilm auf den gesamten Flächen eines Paares gegenüberliegender Flächen des wärmeempfindlichen Bauteils gebildet ist, und an einer Verbindungsfläche, die sowohl das wärmeempfindliche Bauteil als auch das Verbindungsmaterial verbindet, eine kürzeste Entfernung zwischen einem Endabschnitt des wärmeempfindlichen Bauteils und dem Verbindungsmaterial zumindest 0,1 mm oder mehr beträgt.
Temperatursensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das wärmeempfindliche Bauteil ein erstes Stadium aus Matrixpartikeln aus Siliziumnitrid enthält.
Temperatursensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einer Schutzschicht, die das wärmeempfindliche Bauteil und die Elektrodenfilme zusammen mit einem Abschnitt der Verbindungsleitung abdeckt.