DE19546164C2

DE19546164C2 - Temperaturfühler

Info

Publication number: DE19546164C2
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: 1998-07-02
Anticipated expiration: 2015-12-12
Also published as: DE19546164A1; KR0153204B1; JP3167559B2; JPH08166295A; KR960025823A; US6004485A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Temperaturfühler, wie ein Fieberthermometer oder ein Thermometer zur Verwendung bei gewöhnlichen Temperaturen. Der Temperaturfühler besitzt auf einem Träger angeordnete Elektroden, zwischen denen ein Widerstandselement in Form einer Widerstandspaste aus Bindemittel und Kohlenstoffpulver aufgebracht ist.

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 thermisch behandelt 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 From beschränkt ist, weil der Fühler in einer fasrigen Form ist.

Aus DE-C-28 43 676 ist ein Verfahren zur Pyrolyse von natürlichen und synthetischen organischen polymeren Substanzen zur Umwandlung in Kohlenstoff bekannt. Die zu pyrolysierenden Substanzen werden als Festkörper, beispielsweise als Formkörper, eingesetzt und einer definierten Temperatur/Zeit-Behandlung unterzogen. Die polymeren Stoffe können z. B. Zellulose und ihre Derivate, Phenoplaste, Phenolformaldehydharze, Polyfurfurylalkohol und Polyvinylidenchlorid sein.

DE-A-27 18 308 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von pulverförmigem, glasartigen Kohlenstoff, bei dem nichtionische, kationische oder anionische Acrylsäureamid- Methacrylsäureamidpolymerisate und/oder Copolymerisate derselben im Gemisch mit wasserlöslichen Salzen bei Temperaturen zwischen 400 bis 1600°C pyrolysiert werden. Die Pyrolyse wird bevorzugt in nicht oxidierender Atmosphäre durchgeführt und führt zu Kohlenstoff mit einer Korngröße von bevorzugt weniger als 50 µm. Das Pulver kann zur Herstellung von keramischen Formkörpern verwendet werden.

Die vorliegende Erfindung wurde ausgeführt im Hinblick auf die derartige tatsächliche Situation des Stands der Technik. Es ist daher 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 Pyrolyseprodukt 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 von einer Paste aus dem Pyrolyseprodukt und einem Bindemittel, die bei einer niedrigeren Temperatur als 640°C thermisch behandelt wird, gebildet.

Für das oben erwähnte Pyrolyseprodukt werden bevorzugt schwer zu graphitisierende Materialien, wie ein Phenolharz, Furfurylalkohol, Vinylidenchlorid, Zellulose und/oder Holz verwendet, und ein derartiges Pyrolyseprodukt wird im Pulverzustand als ein Widerstandselement verwendet. Das Pyrolyseprodukt-Pulver 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 Leiterdrähten durch Tauchen aufgebracht, wonach die Paste bei einer geringeren Temperatur als 640°C thermisch behandelt 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 Pyrolyseprodukt 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 thermisches Behandeln 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.

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

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.

Fig. 1 zeigt Schritte zur Herstellung eines Temperaturfühlers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Zu Beginn wird eine Schicht- bzw. Laminierungsplatte 1 aus einem Phenolharz bei 640 bis 750°C carbonisiert. Ein Widerstandselement 2, das ein Pyrolyseprodukt 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 thermisch behandelt. 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 thermisch behandelt 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 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 thermisch behandelt 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 Pyrolyseprodukt mit verschiedenen Carbonisierungstemperaturen hergestellt. Als nächstes wurden der spezifische Widerstand und die Temperatur-Kenndaten eines jeden Pyrolyseprodukts in massiver Form (hierin im folgenden als Masse- Widerstandselement bezeichnet) und des thermisch behandelten Produkts aus der das Pulver eines jeden Pyrolyseprodukts 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 Pyrolyseprodukts 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 thermisches Behandeln der Paste für 22 Minuten bei 200°C. Wenn die Paste bei einer höheren Temperatur als der Pyrolyseprodukt-Bildungstemperatur thermisch behandelt wird, ändern sich die Kenndaten des Pyrolyseprodukts; daher ist es nötig, die Paste bei einer niedrigeren Temperatur als der Pyrolyseprodukt-Bildungstemperatur thermisch zu behandeln.

1. Gemessene Ergebnisse für den spezifischen Widerstand

Ein konstanter Strom I (0,1 mA) wurde an beiden Enden des Pyrolyseprodukts 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 Pyrolyseprodukts 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 Pyrolyseprodukts 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 thermisch behandelten 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; die spezifischen Widerstände sind auf der vertikalen Achse 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 Pyrolyseprodukt 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 Pyrolyseprodukt 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 thermisch Behandeln einer Paste bei einer niedrigeren Temperatur als 640°C gebildet, wobei die Paste durch Mischen von Pyrolyseproduktpulver 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.

Claims

1. Temperaturfühler mit auf einem Träger (4) angeordneten Elektroden (3), zwischen denen ein Widerstandselement (2) in Form einer Widerstandspaste aus Bindemittel und Kohlenstoffpulver aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Widerstandspaste hergestellt wird aus einem schwer zu grafitisierenden Material, das bei 640 bis 750°C einer Carbonisierung unterworfen wird, bis das Pyrolyseprodukt eine Aktivierungsenergie von 0,06 bis 0,27 eV hat,
- das Pyrolyseprodukt in Pulverform mit einem Bindemittel gemischt wird, und
- die aufgetragene Paste bei einer niedrigeren Temperatur als 640°C einer thermischen Behandlung ausgesetzt wird.

2. Temperaturfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Paste bei einer niedrigeren Temperatur als 200°C einer thermischen Behandlung ausgesetzt wird und der Träger (4) eine Polyimid-Schicht ist.