JP2002514310A - 温度測定用センサ装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 温度感知性測定用抵抗であって、セラミックサブストレート上に薄い金属性の、外部に対して電気的に絶縁された抵抗層と露出された接触面を有し、この接触面が、セラミック支持部材上の電気的に相互に絶縁された耐高温度性の導電路と導電的にかつ直接機械的に堅固に結合されており、測定抵抗が装備の前に調整された支持部材上への載置とその上における続いての焼付けによって接触、固定せしめられる温度感知性測定用抵抗を有するセンサ装置を製造するための方法を提供する。固定接触のための手段として、白金を含有する厚膜ペーストが役立てられる。支持部材の測定用抵抗と反対の端部には、ソケットやケーブルを接続するための接触面が配置される。温度センサは、平坦な測定用抵抗の形式の標準構成部品であり、ＳＭＤ構成部品としてセラミック支持部材上に線なしで被着される。本方法で製造されたセンサ装置は、４００℃以上の温度測定にも適合する。本方法は、僅かの標準化個別部品と容易に自動化可能な製造工程でコスト安で実施できる。

Description

【発明の詳細な説明】 温度測定用センサ装置の製造方法 ［発明の利用分野］ 温度感知性測定用抵抗であって、セラミックサブストレート上に抵抗層および 接触面としての薄い金属膜を有し、その抵抗層が電気絶縁性保護層により被覆さ れ、接触面の方が、耐高温度性支持部材上の電気的に相互に絶縁された導電路と 導電的にかつ直接機械的に堅固に結合され、そして測定抵抗が支持部材の一端部 にて接触せしめられ、支持部材の測定抵抗と反対の端部にて接触クリップ、プラ グおよびケーブルの接続のための接触面が配置されて成る温度測定用センサ装置 の製造方法に関する。 ［発明の背景］ DE 34 24 387 A1から、細い線または帯の形式の導電体を導電路と接触せしめ るための方法が周知である。その特許に従うと、約０．１〜０．５ｍｍの直径を 有する白金線がセラミックサブストレート上の導電路と電気的および機械的に堅 固に固定されるが、これは、厚膜ペーストをセラミック基板上の導電路上に被着 し、線をこのペースト中に埋め込み、ペーストと一緒に焼付けプロセスを通すこ とによる。 さらに、例えば、DE 39 39 165 C1またはDG 87 16 103 U1から、受動または能 動構成要素用の支持部材として働く基板が広く周知である。大抵の構成部品は最 大１５０℃までの温度範囲で適用されるから、基板材料も大抵この温度範囲に対 してのみ設計される。一般に、この際、合成物質が扱われるが、この合成物質は 無機物質で強化されることが多い。これも例えば熱量フィーラーとしての応用の のための温度測定用抵抗において普通であるように(DE 44 24 630 C1)、構成部 品の無線の接触が予定される限り、接触は軟質はんだにより、および／または導 電性接着剤で行われる。しかしながら、合成物質基板へのこれらの結合技術は、 ３００℃以上の温度には完全に不適当である。 DE 295 04 105 U1から同様に熱量測定用のセンサ装置が周知であるが、これに あっては、短い（１５ｍｍ長）セラミック片が支持部材として使用される。ここ でも熱量フィーラーとしての利用が提示されているから、軟質はんだによる接触 が予定され、これが同様に３００℃の最大適用温度しか許容しないということが 前提となる。 高温度監視用温度測定用抵抗をもつセンサ装置の他の製造方法は、現在の技術 に従うと、(例えばDGm 1 784 455およびDGm 1 855 262に示されている)、まず測 定用抵抗の接続線を接続リードの電気的に絶縁された接続線により延長するよう な構想を有する。測定用抵抗の非常に薄い接続線のリード線の普通の太い接続線 への結合は、溶接または硬質はんだにより造られる。ガラス絹糸を巻いたリード が使用されるならば、これをまず剥かねばならない。しかし、作業状態中の短絡 を除くために、測定用抵抗の接続線および溶接または硬質はんだ結合の範囲に対 して何らかの形式で電気的絶縁を企画しなければならない。さらに、接続線は、 鋳造体か特殊なセラミックに賦型部品(DGm 1 855 262)のいずれかにより引っ張 りを軽減しなければならない。高温度使用用の接続導電線の電気的絶縁は、一つ にはセラミック毛細管により実現されねばならないが、これは全材料コストの高 割合を占め、その幾何学的寸法のため、小形化に邪魔になることが多い。あるい はまた、ガラス絹糸包皮により保証されねばならないが、これは製造条件的に有 機湿潤剤により補強される。この湿潤剤は、余分の加熱プロセスで除去されねば ならない。測定抵抗の位置固定のため、さらに、セラミック接着剤を測定用アプ リケーションの保護管の尖端部に入れるのが普通である。高温度測定用アプリケ ーションはまた、現在の技術に従うと、多数の個々の部品および製造工程で製造 され、そしてこれらは、全然または高い費用でしか自動化できない。 これに対し、本発明は、僅かの標準化個別工程より成りかつＳＭＤ技術より成 る容易に自動化可能なプロセスステップのためにコスト安のセンサ装置の製造方 法を提供することである。本センサ装置は、約４００℃以上の温度測定のために 適合するはずである。 ［発明の概要］ この課題は、温度測定用のセンサ装置の製造方法として、本発明に従うと、測 定抵抗を予め用意した耐高温度性支持部材上に測定用抵抗を乗せる前に支持部材 および／または測定用抵抗の接触面上に少なくとも１種の厚膜ペーストを被着し 、ついで接触面を有する測定用抵抗を支持部材上に載置し、支持部材上で１００ ０℃〜１３５０℃間の温度範囲で焼き付け、それにより接触、固定せしめること によって解決される。 ペーストの被着は、例えば絹紗スクリーン印刷法、分散塗布、または刷毛塗り により行われる。ついで、測定用抵抗をいわゆるフリップチップ技術で接触せし める。すなわち、測定用抵抗は、その接触面で（面下）支持部材上の対応する厚 膜ペーストを用意した接触面上に載置し、１０００℃〜１３５０℃の温度で焼き 付ける。その際、本発明の方法にあっては、位置固定のための追加の補助剤は必 要としない。何故ならば、絹紗スクリーン印刷法で印刷された厚膜ペーストは、 類似の方形の輪郭を有しており、その結果はんだパッドの球状表面に対比して、 平坦な測定抵抗は載置後その位置に留まるからである。この方法は、僅かの個別 ステップしか要せず、容易に自動化可能であるからである。 測定用抵抗の接触のための接触面に対して、接触面形成用の層としてＰｔＰｄ 、ＰｔＲｈまたはＰｔＲｈより成る厚膜導電ペーストが適切であることが分かっ た。接触面と支持部材ないし測定抵抗のセラミックサブストレート間の拘束を改 良するために、接触面を多層的に、いわゆる厚膜系列として形成するのが有利で あることが分かった。これは、好ましくは、２種の厚膜ペーストを相互に接触面 上に付着するのであるが、その際接触面上への最初の付着のための厚膜ペースト は、Ｐｔ、ＰｔＰｄまたはＰｔＲｈとともに基体への拘束を改善するガラスフリ ットを包含し、他方繰返し付着のためのペーストは、Ｐｔ、ＰｔＰｄまたはＰｔ Ｒｈおよび有機練成剤とともにガラスフリットを含んではならない。最初の厚膜 ペースト中のガラスフリット含有量は、０．５ないし２０重量％間にある。標準 構成部品としての測定抵抗は、しばしば白金接触面を装備されるから、白金ペー ストまたは白金合金を包含するペーストの使用は理解できる。 測定用抵抗の支持部材上への接触と固定のため、好ましくは１２００℃での焼 き付け温度が選択されるのがよいが、この際１５分のピーク温度での保持時間が 目的に適っている。 支持部材の接触面上への測定用抵抗の取付けは、なお湿気のある厚膜ペースト 上へ直接行ってもよいし、５０℃〜４００℃間の温度での事前乾燥後に、そして 場合によっては事前乾燥に続く１０００℃〜１３５０℃、好ましくは１２００℃ での温度での厚膜導電ペーストの事前焼結後に行ってもよい。 導電路と接触面を予め用意した、好ましくはセラミックの支持部材の装備は、 好ましくはＳＭＤ装備自動化機械を用いて多連の実用体で行われるのがよい。装 備自動化機械への導入前に、測定用抵抗に対する接触面が、厚膜ペーストを用い て絹紗スクリーン印刷法で印刷される。この接触パッド上に、測定用抵抗が載置 されるのであるが、これはその接触面が支持部材上の接触面を覆うように行われ る。続いて、装備された支持部材は乾燥され、連続炉内で焼き付けられる。これ により、測定用抵抗の支持部材上への機械的固定が接触面を介して達成され、同 時に支持部材上における測定抵抗とリード線間の電気的結合が造られる。これに 続いて、多連の実用体は個別化されるのであるが、これは基板実用体上の予め入 れた割れ目線に沿って割ることにより、あるいはのこぎりまたはレーザにより行 うことができる。対応するレイアウト構造にあっては、測定用抵抗も行列形状の 多連実用体として基板の多連の実用体上に載置してよい。この場合、測定用抵抗 は支持部材と一緒に個別化される。電気的段階試験を経て（装備された支持部材 の個別化前が意味がある）、欠陥のある、または完全に機能しないセンサ装置が 確認され、そして分類される場合がある。測定用アプリケーションへの完成のた め、装備された支持部材の核心部へさらになお若干の部品を必要とする。これら の部品の結集は、非常に合理的な製造技術で容易に可能である。上述の製造方法 は、一般的に高度の自動化を可能にする。 本発明の方法により製造されたセンサ装置は、下記の構造上の特徴を有する。 すなわち、 接触面が橋絡されたされた測定用抵抗から、少なくとも２本の導電路が支持部 材の他端部に導かれ、ここにソケット接続またはケーブル接続のための他の１対 の接触面が配される。支持部材用の耐高温度性材料として、セラミック、ガラス セラミック、またはその表面上に配された電気的に絶縁された金属が問題となる が、この場合、厚膜または薄膜結線用の通常のサブストレート材料として、酸化 アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）が適切であることが分かった。さらにその上、それぞ れの温度範囲および耐温度変動性についての仕様が十分である限り、他の酸化物 セラミックまたは非酸化物セラミック材料ならびに多種のガラスおよびガラスセ ラミックも適合する。本発明のセンサ装置は、一例として例えば自動車両の排ガ ス設備内の触媒の温度監視に使用されるものであるから、温度の変動は特に注意 されるべきである。厚膜および／または薄膜技術で好ましくはセラミック支持部 材上に被着される導電路および接触面用の材料は、同様に上述の仕様に対応しな ければならない。薄膜および厚膜技術による構造形成の可能性は、多連実用体で の簡単な結線図のコスト安の被着を可能にするが、この場合４×４ツォル（＝１ ０１．６×１０１．６ｍｍ²）のサブストレート面積では１０１．６×２．５４ ｍｍ²の大きさの３８の支持部材まで、３×３ツォルの面積では３８．１×３． ８１ｍｍ²の大きさの３８の支持部材までを一作業工程で金属被覆（および装備 ）することが出来る。 特定の組込み状態に対して特に細長の構造形状のセンサ装置が要求される場合 、セラミック支持部材を約１ｍｍ幅に低減することができる。この場合、両導電 路とソケット接続またはケーブル接続用の接触面をもはや支持部材の一面に納め ず、一方の導電路と一つのソケット用接触面を支持部材の背面に配置する。接触 すべき測定抵抗の範囲において支持基板を貫いて設けた貫通接触孔により、背面 の導電路と対応する測定用抵抗の接触面との結合が造られる。 本発明の方法に従って製造されるセンサ装置は、１支持体基板上に多数の測定 用抵抗の固定と接触をなし得るから、例えば反応熱センサとして働く一群の構成 が包含され得る。その際、二つの測定抵抗の少なくとも一つは、触媒層で覆い、 この触媒で自動車両の排ガス流内の個々のガス成分との反応が進行し、これによ り温度の上昇が引き起こされるようにできる。上昇された温度は、排ガスのガス 成分により左右されない基準温度と比較される。それにより、排ガス組成と個々 の排ガス成分の濃度についての解明を得ることができる。 ［図面の簡単な説明］ 図１は支持部材上に配置されたセンサ装置を示す斜視図である。 図２は貫通接触手段をもつ支持部材上に配置されたセンサ装置の斜視図である 。 図３ａおよび３ｂは反応熱センサとして適当な二つの測定用抵抗をもつセンサ の斜視図である。 図４は利用状態の温度測定装置を示す分解図である。 ［具体例の説明］ 以下、図面を参照して本発明を好ましい具体例について説明する。 本発明の方法は、例として下記の成果を包含する。 １０１．６×１０１．６×０．６ｍｍ³（４×４ツォルの標準サブストレート ）、７６．２×７６．２×０．６ｍｍ³（３×３ツォル）または５０．８×５０ ．８×０．６ｍｍ³（２×２ツォル）の寸法を有する酸化アルミニウムサブスト レートは２．５ｍｍまたは３．８ｍｍの距離の平行なレーザによる掻き傷を有す る。サブストレートの一側面には、レーザの掻き傷により予め賦与された筋内に 各２本の導電路が被着される。これらの導電路は厚膜または薄膜法により被着さ れ、構造化される。両導電路は本質的にＰｔまたはＰｔＰｄまたはＰｔＲｈより 成る。そのように準備されたサブストレートは、絹紗スクリーン印刷装置の受入 れ口に収める。対応する寸法の絹紗マスクにより、好ましくは白金より成る接触 面が導電路の端部に印刷されるが、ここは温度感知性の測定抵抗が載置されると ころである。この接触片の距離と幾何形態は、配置すべき測定抵抗の寸法に従う 。８×２ｍｍの大きさの測定用抵抗の場合、両方の５ｍｍ間隔の接触片はおおよ そ２．５×１．５ｍｍの寸法を有する。そのように白金パッドを備えた支持部材 は、絹紗スクリーン印刷装置から取り出され、例えばいわゆるピックアンドプレ イスマシーンのようなＳＭＤ装備自動機械に導かれる。ここで、測定用抵抗は、 一般に「フェースダウン」式に支持部材上のなお湿潤している接触パッド上に載 置される。続いて、乾燥を好ましくは１５０℃で３０分間行う。焼付けには、標 準の焼付け特性を選択し得るが、これは、通常の白金ペーストに対してピーク温 度として１５分間１２００℃を有するものでる。この手続の後、測定抵抗はセラ ミック支持部材上に固定され、電気的に接触せしめられる。これに続いて、試験 ステップとチェックステップ、そして多連実用体より成る装備された支持部材を 分割装置により個々の支持部材に個別化するステップが行われる。 図１には、本発明の方法で製造された温度測定用のセンサ装置の実施例が図示 されている。平坦な測定抵抗１は、支持部材２の一端部に置かれる。支持部材２ 上の接触面３，４は、その幾何形態および距離において測定抵抗１の接触面に対 応するが、この測定抵抗は、新たに付着された厚膜導電ペースト（例えば白金ペ ースト）と一緒に固定焼付けにより固定され、接触せしめられる。導電路５，５ ’は、互いに平行にセラミック支持部材２の冷端部に導かれ、そしてここで接触 クリップ、ソケットまたはケーブル接続のための接触面６，６’で終端する。導 電路材料は、例えばＰｔＰｄ、ＰｔＲｈまたは白金としてよい。接触面の最上部 層３，４，６，６’は、好ましくはＰｔ厚膜ペーストから構成してよい。耐高電 圧を考慮に入れての向上された仕様にあっては、導電路５，５’を電気絶縁体で 被覆するのが当を得ている。測定用抵抗１に対する側路を排除するために、これ も図１から認識できるように、さらに支持基板の先端部に導かれ、測定抵抗１に 対する接触パッドにおいて終端する導電路５を、少なくとも、その導電路が上に 置かれる平坦な測定用抵抗と接触する範囲において、被覆層７により絶縁するの が有利である。この構成部品に対する公称抵抗は、顧客特有のアプリケーション により構成部品されるところに応じて、例えば１００，２００，５００，１００ ０または２０００ｏｈｍとし得る。上述の支持基板２に対する代表的な寸法は、 長さ１０１．６ｍｍ、幅３ｍｍ、厚さ１ｍｍである。 図２は、特に両リード線５，５’とそれぞれのソケット接触面６，６の配置の 点で図１から異なる。これらの要素が、支持部材２の一側になくて、支持部材す なわち支持基板２の前面と背面上に配置されている。平坦な測定用抵抗１に対す る両接触面３，４は、しかし第１の実施例におけるのと同じように支持部材２の 一側面上にある。この場合、背面の導電路５に対する結合は貫通接触孔８により 保証される。貫通接触孔８は、測定用抵抗１に対する第２の接触面の範囲にある 。支持部材２の測定抵抗１により被覆された範囲に対する絶縁被覆層は、ここで は必要でない。さらにその上、この構造は特に細いセンサ装置を可能にするが、 これは代表的には下記の寸法を有する。すなわち、支持部材２に対して、１０１ ．６×１×１ｍｍ、平坦な測定用抵抗１に対して５×１×０．４ｍｍである。 図３ａは、多連のセンサ装置を示しているが、ここでは二つの測定用抵抗１， １’が支持体２上に接触、固定されている。リード線５，５’，５”，５'''は 、測定抵抗１および１’に対して個別に、すなわちガルバーニ式に分離して導か れ る。図３ｂ図に図示されるようないわゆる中央分岐によって、二つのリード線を 一つに統合してもよい。図３ｂに従うと、測定用抵抗１は、触媒活性層７１によ り全体を被覆してあるが、このセンサ装置を例えば自動車両の排気ガス流中に適 用する際、この触媒活性層にて発熱反応により個々のガス成分の変換が行われる 。このように結合された高められた温度は、測定抵抗１により検出され、触媒活 性層をもたない測定用抵抗１’の温度と比較される。このセンサ装置は、反応熱 センサとしての特徴を有する。 図４には、自動車両の排ガス導管内に適用するに適合した温度計ハウジング内 への装備された支持部材２の配置が示されている。支持部材２の「冷」端部にあ る接触面６，６’は、二つのＵ字上の保持部材（クリップ）１２，１２を備えて いるが、この保持部材は、二重の機能、すなわち電気的接続とセラミック支持基 板２の機械的保持を有する。二つの保持部材１２，１２’は、金属保護管９の長 手延長線に対して平行であり、支持部材２上の二つの接触面６，６’上に押し乗 せられ、レーザにより溶接される。保持部材１３の反対側は凹面の賦型部材１３ を有している。支持部材２の他の電気的接続は、凹面型部材１３に溶接される鉱 物絶縁接続導体１４により行われる。凹面部材１３は、鉱物絶縁導体１４にぴた りと隣接し、それによりやはり溶接され得るように構成されている。鉱物絶縁接 続導体１４は、ブッシュ１５を備えており、外側で保護管９にガス密に溶接され る。 支持部材には、二つの互いに平行に配置された線編み部材１６が設けられてお り、保護管９の内面と隣接し、支持部材２を機械的に支持している。金属保護管 ９とセラミック支持基板２との間の膨張係数の相違は、この開放により補償され る。保護管９は止め輪１０を有しており、これが排気管内への所望の侵入深さを 決定し、外側で排気管に溶接できる。センサ装置を機械的に遮蔽するために、開 口を備える閉鎖キャップ１７が設けられるが、これはまず線編み部材１６上に押 し入れられて位置づけされ、ついで外側で保護管９に溶接される。開口は、被測 定ガスがセンサの感知性部分に接触することができることを保証する。他の実施 例に置いては、この閉鎖キャップ１７は開口なしで構成してもよく、そしてその 場合には、熱は熱伝導性の充填物質によりハウジングの壁から測定用抵抗１上に 伝達される。その場合、充填物質は、閉鎖キャップ１７と測定用抵抗１との間に 挿入される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ザンダー，マルギット ドイツ連邦共和国 デー63791 カールシ ュタイン，ハナウアー ラントシュトラー セ 24

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 温度感知性測定用抵抗であって、セラミックサブストレート上に抵抗層お よび接触面としての薄い金属膜を有し、その抵抗層が電気絶縁性保護層により被 覆され、接触面が、耐高温度性で電気的絶縁性材料から形成される支持部材上の 電気的に相互に絶縁された耐高温性の導電路と導電的にかつ直接機械的に堅固に 結合され、そして測定用抵抗が支持部材の一端部にて接触せしめられ、支持部材 の測定用抵抗と反対の端部に接触クリップ、プラグおよびケーブルの接続のため の接触面が配置されて成る温度感知性測定用抵抗を有する温度測定用のセンサ装 置の製造方法において、測定用抵抗（１）を耐高温度性支持部材（２）上に置く 前に、支持部材（２）および／または測定用抵抗（１）の接触面（３，４）上に 少なくとも１種の厚膜ペーストを被着し、ついで接触面を有する測定用抵抗（１ ）を支持部材（２）上に載置し、そして１０００℃〜１３５０℃間の温度範囲で 支持部材（２）において焼き付け、それにより接触固定することを特徴とする温 度感知性測定用抵抗を有する温度測定用のセンサ装置の製造方法。 ２． 測定用抵抗（１）および支持部材（２）上の接触片が、それぞれ、Ｐｔ、 ＰｔＰｄまたはＰｔＲｈを包含する厚膜ペーストの２回の付着により用意され、 その際側定用抵抗（１）および／または支持部材（２）の接触面上への最初の付 着用の厚膜ペーストが、Ｐｔ，ＰｔＰｄまたはＰｔＲｈとともに０．５〜２０重 量％間のガラスフリット含有量を有する請求項１記載の温度測定用のセンサ装置 の製造方法。 ３． 焼付けが１２００℃の温度で約１５分の保持期間の間行われる請求項１ま たは２記載のセンサ装置の製造方法。 ４． 測定用抵抗（１）を支持部材（２）上に置く前に接触面上に被着される厚 膜ペーストが、５０〜４００℃の範囲の温度処理により事前乾燥され、そして／ または１０００℃〜１３５０℃の範囲の温度処理により事前焼結される請求項１ 〜３のいずれかに記載の温度測定用のセンサ装置の製造方法。 ５． 事前乾燥が１５０℃で約３０分の保持時間の間、そして事前焼結が１２０ ００℃で約１５分の保持時間の間行われる請求項４記載のセンサ装置の製造方法 。