DE19546164A1

DE19546164A1 - Temperaturfühler

Info

Publication number: DE19546164A1
Application number: DE19546164A
Authority: DE
Inventors: Katsuhisa Osada
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 1994-12-13
Filing date: 1995-12-11
Publication date: 1996-06-27
Anticipated expiration: 2015-12-12
Also published as: JP3167559B2; JPH08166295A; KR0153204B1; DE19546164C2; US6004485A; KR960025823A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Temperaturfühler, wie ein Fieberthermometer oder ein Thermometer zur Verwendung bei gewöhnlichen Temperaturen.

Als Temperaturfühler oder Temperaturmeßfühler allgemein sind Temperaturfühler bekannt, die eine Veränderung des Widerstands eines Edelmetalls, wie Platin (Pt), nutzen, oder die Oxidhalbleiter von Mn oder Co verwenden. Da jedoch die Ausgangsmaterialien derartiger Temperaturfühler teuer sind oder bei hohen Temperaturen kalziniert werden müssen, ist es schwierig, die Kosten des Temperaturfühlers zu verringern. Daher wurde bisher ein preiswerter Temperaturfühler vorgeschlagen, der Kohlenstoff als ein temperaturfühlendes Widerstandselement verwendet.

Der oben beschriebene Temperaturfühler wird auf solche Weise gebildet, daß durch Mischen und feines Verteilen von Kohlenstoffpulver, das durch Abbrennen und Carbonisieren von Acetylen gewonnen wurde, in einem Epoxy-Harz eine Paste erhalten wird, diese Paste zwischen auf einer Trägerschicht vorgesehenen Elektroden aufgetragen wird, wonach die Paste zur Bildung eines temperaturfühlenden Widerstandselements gedruckt wird. Im Prinzip ist dies ein Temperaturfühler, der einen Widerstandswert verwendet, wenn das temperaturfühlende Widerstandselement in Kontakt mit einem zu messenden Gegenstand gebracht und ein thermischer Gleichgewichtszustand erreicht ist.

Ein Infrarotfühler wurde ebenfalls vorgeschlagen, der so aufgebaut wird, daß Pechkohle oder dergleichen in einem Inertgas bei 650°C bis 720°C wärmebehandelt wird, um Kohlefasern zu bilden, und die Kohlefasern zwischen den Elektroden gespannt oder gekreuzt werden.

Der oben beschriebene übliche Kohle-Widerstands-Temperaturfühler, bei dem Kohlepulver in ein Epoxy-Harz gemischt und darin fein verteilt ist, ermöglicht es, die Kosten im Vergleich zu einem Temperaturfühler, der Edelmetalle oder Oxidhalbleiter verwendet, zu verringern, weil Kohlepulver, das ein Ausgangsmaterial des temperaturfühlenden Widerstandselements ist, preiswert ist, und die Paste bei relativ niedrigen Temperaturen gedruckt werden kann. Der spezifische Widerstand des Kohlepulvers, das durch Carbonisieren von Acetylengas bei einer hohen Temperatur von 1800°C erhalten wird, ist jedoch äußerst klein, und eine Veränderung des Widerstandswerts des temperaturfühlenden Widerstandselements bezogen auf die Veränderung der Umgebungstemperatur ist recht klein. Daher ist der Bereich für Temperaturmessungen beschränkt auf extrem niedrige Temperaturen von näherungsweise 4,2 bis 20 K, und bei normalen Temperaturen sind keine Messungen möglich.

Der übliche Infrarotfühler, der Kohlefasern verwendet, ist z. B. insofern problematisch, als die Form beschränkt ist, weil der Fühler in einer fasrigen Form ist.

Die vorliegende Erfindung wurde ausgeführt im Hinblick auf die derartige tatsächliche Situation des Stands der Technik. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Temperaturfühler zur Verfügung zu stellen, der bei normalen Temperaturen eingesetzt werden kann und durch Drucken gebildet werden kann.

Die Aufgabe wurde gelöst durch den Temperaturfühler mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1.

Um das oben beschriebene Ziel zu erreichen, hat der Temperaturfühler der vorliegenden Erfindung die Merkmale, daß ein Carbid mit einer Aktivierungsenergie von 0,06 bis 0,27 eV bei einer Carbonisierungstemperatur von 640 bis 750°C als ein Widerstandselement verwendet wird, das zwischen Elektroden angeordnet ist, und dieses Widerstandselement wird durch Kalzinieren einer Paste, die bei einer niedrigeren Temperatur als 640°C mit einem Bindemittel gemischt und in diesem fein verteilt wird, gebildet.

Als das oben erwähnte Carbid werden bevorzugt schwer zu graphitisierende Materialien, wie ein Phenolharz, Furfurylalkohol, Vinylidenchlorid, Zellulose und/oder Holz verwendet, und ein derartiges Carbid wird im Pulverzustand als ein Widerstandselement verwendet. Das Carbidpulver wird mit einem Bindemittelharz gemischt und in ihm fein verteilt und zu einer Paste geformt. Diese Paste wird zwischen den Anschlüssen der Trägerschicht gedruckt, oder sie wird an den Enden eines Paars von Leiterdrahten durch Tauchen aufgebracht, wonach die Paste bei einer geringeren Temperatur als 640°C kalziniert wird. Auf diese Weise kann ein Temperaturfühler erhalten werden, bei dem ein Widerstandselement direkt auf einer Trägerschicht und Leiterdrähten ausgebildet ist.

Bei dem Temperaturfühler der vorliegenden Erfindung wird ein Carbid mit einer Aktivierungsenergie von 0,06 bis 0,27 eV bei einer Carbonisierungstemperatur von 640 bis 750°C als ein zwischen Elektroden angeordnetes Widerstandselement verwendet, und dieses Widerstandselement wird durch Kalzinieren einer Paste, die bei einer Temperatur von weniger als 640°C in ein Bindemittel-Harz gemischt und in diesem dispergiert wird, gebildet. Daher ist eine Herstellung durch Drucken möglich, und die Gesamtkosten für den Temperaturfühler, einschließlich der Materialkosten und der Herstellungskosten, können beträchtlich verringert werden. Der Temperaturfühler zeigt eine große Veränderung des Widerstandswerts bezogen auf eine Veränderung der Umgebungstemperatur bei normalen Temperaturen.

Die oben angeführten sowie weitere Ziele, Aspekte und neue Merkmale der Erfindung werden aus der folgenden genauen Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen deutlicher werden.

In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 eine Darstellung, die Herstellungsschritte eines Temperaturfühlers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und eines Vergleichsbeispiels zeigt;

Fig. 2 eine Darstellung, die die Beziehung zwischen spezifischem Widerstand und Carbonisierungstemperatur zeigt; und

Fig. 3 eine Darstellung, die die Beziehung zwischen spezifischem Widerstand und Umgebungstemperatur zeigt.

Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.

Fig. 1 zeigt Schritte zur Herstellung eines Temperaturfühlers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Zu Beginn wird eine Streckplatte bzw. Schichtplatte bzw. Laminierungsplatte (lamination plate) 1 aus einem Phenolharz bei 640 bis 750°C carbonisiert. Ein Widerstandselement 2, das ein Carbid der Schichtplatte 1 ist, wird erhalten. Das Pulver des Widerstandselements 2 und ein Bindemittel, das von einem wärmehärtbaren Harz, wie einem Phenolharz oder Epoxy- Harz, gebildet wird, werden zu einer Paste geknetet, wonach diese Paste zwischen Anschlußkontakten 5 einer Trägerschicht 4, wie einem Polyimid, die eine hohe Hitzebeständigkeit besitzt, gedruckt, und die Paste wird bei 120 bis 240°C kalziniert. Auf diese Weise wird ein Temperaturfühler, der auf die Trägerschicht 4 gedruckt ist, erhalten. Oder die Paste kann, nachdem sie an den Enden eines Paars von Leiterdrähten durch Tauchen aufgebracht wurde (nicht gezeigt), bei 120 bis 240°C kalziniert werden.

Da der wie oben beschrieben aufgebaute Temperaturfühler ein Phenolharz als Ausgangsmaterial für das Widerstandselement 2 verwendet, können die Kosten des Temperaturfühlers im Vergleich zu einem Temperaturfühler, der ein Edelmetall oder einen Oxidhalbleiter verwendet, beträchtlich verringert werden. Da die Aktivierungsenergie des Widerstandselements 2 0,06 bis 0,27 eV beträgt und die Veränderung des Widerstandswerts aufgrund einer Umgebungstemperatur groß ist und bis zur Größe beim Oxidhalbleiter reicht, kann das Widerstandselement 2 auch zur Messung von Temperaturen bei normalen Temperaturen verwendet werden. Zum Vergleich wird eine Silberpaste mit einem wärmehärtbaren Harz wie einem Phenol- oder Epoxy-Harz, als ein Bindemittel an beiden Enden des Widerstandselements 2 als Beschichtung aufgebracht, wie es in Fig. 1 gezeigt ist, und die Silberpaste wird wärmegehärtet. Auf diese Weise wird ein Temperaturfühler vom Chip-Typ, dergestalt, daß an beiden Enden des Widerstandselements 2 Elektroden 3 ausgebildet sind, erhalten. Mittels des Temperaturfühlers wurden Messungen durchgeführt, wobei er an einer gedruckten Platte an der Oberfläche befestigt war (nicht gezeigt), oder mit Leiterdrähten (nicht gezeigt) mit den Elektroden 3 verbunden war. Als ein Ergebnis wurden fast die gleichen Kenndaten erhalten in dem Fall, wo das Widerstandselement 2 in massiver Form verwendet wurde, und in dem Fall, wo das Widerstandselement 2 zu einer Paste geformt war.

Es wurde das folgende Experiment durchgeführt, wobei die Carbonisierungstemperatur des Widerstandselements 2 im Bereich von 640 bis 750°C festgesetzt war. Zu Anfang wurde eine Phenolharz- Schichtplatte, die als ein Ausgangsmaterial diente, eine Stunde lang bei 400°C in Luft kalziniert und der Oxidation unterzogen, wonach diese Phenolharz-Schichtplatte bei Temperaturen von jeweils 600°C, 620°C, 640°C, 660°C, 700°C, 750°C und 850°C drei Stunden lang wärmebehandelt wurde, während die Phenolharz-Schichtplatte mittels einer Vakuumpumpe entgast wurde. Auf diese Weise wurden sieben Arten von Carbid mit verschiedenen Carbonisierungstemperaturen hergestellt. Als nächstes wurden der spezifische Widerstand und die Temperatur-Kenndaten eines jeden Carbids in massiver Form (hierin im folgenden als Masse-Widerstandselement bezeichnet) und des kalzinierten Produkts aus der das Pulver eines jeden Carbids enthaltenden Paste (hierin im folgenden als Paste-Widerstandselement bezeichnet) gemessen. Bei dieser Ausführungsform wurde jedes Paste- Widerstandselement hergestellt durch Hineingeben eines Xylol- modifizierten Phenolharzes (0,44 g), Carbinol (0,12 g) und Aceton (eine geeignete Menge) in das Pulver (0,3 g) eines jeden Carbids in einem durch die Klammern angegebenen Mischungsverhältnis, Kneten, bis Aceton verdunstet war, und dann Aufbringen dieser Paste durch Tauchen auf einen kupferbeschichteten Polyimid-Film und Kalzinieren der Paste für 22 Minuten bei 200°C. Wenn die Paste bei einer höheren Temperatur als der Carbidbildungstemperatur kalziniert wird, ändern sich die Kenndaten des Carbids; daher ist es nötig, die Paste bei einer niedrigeren Temperatur als der Carbidbildungstemperatur zu kalzinieren.

1. Gemessene Ergebnisse für den spezifischen Widerstand

Ein konstanter Strom I (0, 1 mA) wurde an beiden Enden des Carbids angelegt, und der Widerstandswert R = V/I wurde auf der Basis der an einer Stelle mit einer Länge L (0,8 mm) des Inneren des Carbids gemessenen Spannung V bestimmt. Der spezifische Widerstand ρ des Masse-Widerstandselements wurde auf der Basis des Widerstandswerts R, der Breite W und der Dicke T des Carbids bestimmt:

ρ = R·W·T/L.

Der spezifische Widerstand ρ des Paste-Widerstandselements wurde wie unten beschrieben durch Messen der Länge L, der Breite W und der Dicke T und des Widerstandswerts R eines jeden kalzinierten Produkts bestimmt:

ρ = R·W·T/L.

Fig. 2 zeigt die gemessenen Ergebnisse, und die spezifischen Widerstände sind auf der vertikalen Achse aufgetragen, und die Carbonisierungstemperaturen sind auf der horizontalen Achse aufgetragen. Wie aus Fig. 2 hervorgeht, sinken die spezifischen Widerstände des Masse-Widerstandselements und des Paste- Widerstandselements logarithmisch mit steigender Carbonisierungstemperatur. Die Werte der spezifischen Widerstände sind um mehrere Größenordnungen größer als der spezifische Widerstand von Graphit entlang seiner C-Achse. Bei jeder Carbonisierungstemperatur von 640 bis 850°C ist der spezifische Widerstand des Paste- Widerstandselements ein Wert, der jeweils um näherungsweise zwei Größenordnungen größer ist als der spezifische Widerstand des Masse- Widerstandselements. Für die Proben mit Carbonisierungstemperaturen von 600°C und 620°C ist der Isolationswiderstand zu weit außerhalb der Meßgrenze.

2. Gemessene Ergebnisse der Temperatur-Kenndaten

Das Masse-Widerstandselement und das Paste-Widerstandselement wurden in Folge jeweils in einer Umgebung mit 20°C, 0°C, -20°C, -40°C, 20°C (Bezugsnormal), 40°C, 70°C, 85°C und 200°C stehengelassen, und die Widerstandswerte zu diesen Zeiten wurden gemessen.

Fig. 3 zeigt die gemessenen Ergebnisse, und die spezifischen Widerstände sind auf der vertikalen Achse aufgetragen und die Umgebungstemperatur ist auf der horizontalen Achse aufgetragen. Wie aus Fig. 3 ersichtlich, sind der Logarithmus des spezifischen Widerstands und der Kehrwert der Umgebungstemperatur direkt proportional zueinander. Die Steigungen des Masse-Widerstandselements und des Paste-Widerstandselements bei der gleichen Carbonisierungstemperatur stimmen überein, und die Steigungen sinken, wenn die Carbonisierungstemperatur ansteigt. Da der Logarithmus des spezifischen Widerstands und der Kehrwert der Umgebungstemperatur direkt proportional zueinander sind, nimmt man an, daß das Masse- Widerstandselement und das Paste-Widerstandselement einer einfachen, einen Halbleiter betreffenden Gleichung, gehorchen:

ρ_T = ρ_∞ · EXP (ΔE/2kT) (1)

in der T die absolute Temperatur, k die Boltzmann′sche Konstante und ρ_∞ und ΔE Konstanten sind.

Durch Einsetzen der Meßergebnisse von Fig. 3 in Gleichung (1) zur Berechnung von ρ_∞ und ΔE, kann folgendes erhalten werden:

Tabelle 1

Aus Tabelle 1 ist ersichtlich, daß, wenn die Carbonisierungstemperatur 750°C überschreitet, die Aktivierungsenergie ΔE kleiner als 0,06 eV wird und eine Veränderung des Widerstandswerts aufgrund der Umgebungstemperatur zu klein ist, um zur Verwendung bei normalen Temperaturen geeignet zu sein. Daher geht aus den oben beschriebenen Meßergebnissen des spezifischen Widerstands und der Temperatur- Kenndaten klar hervor, daß, wenn ein Carbid mit einer Carbonisierungstemperatur von 640 bis 750°C und der Aktivierungsenergie von 0,06 bis 0,27 eV als das Widerstandselement 2 verwendet wird, der Temperaturfühler hervorragende Kenndaten bei normalen Temperaturen hat.

Wie bis jetzt beschrieben worden ist, wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Carbid mit einer Carbonisierungstemperatur von 640 bis 750°C und einer Aktivierungsenergie von 0,06 bis 0,27 eV als ein zwischen Elektroden angeordnetes Widerstandselement verwendet, und dieses Widerstandselement wird durch Kalzinieren einer Paste bei einer niedrigeren Temperatur als 640°C gebildet, wobei die Paste durch Mischen von Carbidpulver mit einem Bindemittel und Dispergieren darin hergestellt wird. So kann der Temperaturfühler durch Drucken gebildet werden, und die Gesamtkosten des Temperaturfühlers einschließlich der Materialkosten und der Herstellungskosten können beträchtlich verringert werden, und der Temperaturfühler zeigt eine große Veränderung des Widerstandswerts bezogen auf die Veränderung der Umgebungstemperatur bei normalen Temperaturen. Daher ist es möglich, einen Temperaturfühler von einer Art zur Verwendung bei normalen Temperaturen bei geringen Kosten zu schaffen.

Viele unterschiedliche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können gebaut werden, ohne vom Geist und Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es versteht sich, daß die vorliegende Erfindung nicht auf die speziellen in dieser Anmeldung beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist. Im Gegenteil soll die vorliegende Erfindung verschiedene Abwandlungen und äquivalente Anordnungen innerhalb des Geistes und Umfangs der Erfindung, wie sie im folgenden beansprucht wird, umfassen.

Claims

1. Temperaturfühler aufweisend ein zwischen Elektroden angeordnetes Widerstandselement (2), dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandselement (2) aus einer Paste gebildet ist, die bei einer niedrigeren Temperatur als 640°C kalziniert wurde, wobei die Paste gebildet wurde aus Carbidpulver und einem Bindemittelharz, in das das Carbidpulver gemischt und dispergiert wurde, und daß das Carbid durch Ausführen eines Carbonisierungsverfahrens bei 640 bis 750°C erhalten wurde und eine Aktivierungsenergie von 0,06 bis 0,27 eV hat.

2. Temperaturfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Paste bei weniger als 200°C kalziniert wurde und auf einer Polyimid-Schicht (4) ausgebildet ist.