JP2021060399A - 抵抗温度計のセンサ素子およびセンサ素子用の基材 - Google Patents

Abstract

【課題】センサ素子が導電測定構造と基材の間の境界面において示す応力または損傷が少なくともより少ない、抵抗温度計のセンサ素子を提供する。【解決手段】基材４と導電測定構造２とを備える抵抗温度計のセンサ素子であって、基材は第１の層１を備え、第１の層１はアルミン酸ランタンを含み、測定構造２は第１の層１上に直接配置されており、測定構造２は白金を含む、センサ素子。【選択図】図４

Description

本発明はセンサ素子を製造するための基材と、抵抗温度計のセンサ素子と、センサ素子を製作するための方法と、に関する。

当技術分野で知られている抵抗温度計は、基材上に配置されている白金製の測定構造を有する。知られている抵抗温度計の基材および測定構造は、様々な熱膨張係数を有する。知られている抵抗温度計は、温度の急激な変化による応力を受けると、基材と測定構造の間の境界層において、測定構造全体に作用し測定値を誤らせる変化および損傷が生じ得る。この結果、抵抗温度計が行う温度測定の信頼性は、時間と共に下がっていく。

独国特許出願公開第１０２０１５２２３９５０Ａ１号には、センサ素子および／または抵抗温度計の素子用の基材が開示されており、基材は酸化アルミニウムおよび二酸化ジルコニウムを含み、白金の熱膨張係数とほぼ等しい熱膨張係数を有する。

独国特許出願公開第１０２０１５２２３９５０Ａ１号

本発明の目的はとりわけ、センサ素子が導電測定構造と基材の間の境界面において示す応力または損傷が少なくともより少ない、抵抗温度計のセンサ素子を提供することである。

本発明の更なる目的は、導電測定構造と基材の間にもたらす熱応力がより小さい、抵抗温度計のセンサ素子用の基材を提供することである。

本発明の更なる目的は、抵抗温度計のセンサ素子を製作するための方法を提供することである。

本発明の目的は独立請求項によって達成される。従属請求項では本発明の実施形態の更なる利点が開示される。

基材と導電測定構造とを備える抵抗温度計のセンサ素子が提案される。基材は少なくとも第１の層を備えるかまたは第１の層から成り、第１の層はアルミン酸ランタンを含む。導電測定構造は第１の層上に直接配置される。導電構造は白金を含む。更なる実施形態では、導電測定構造は、導電構造の長期安定性が改善されるように、白金中に分散させた少量のロジウムを含んでもよい。

アルミン酸ランタンを含む第１の層は、その熱膨張係数が白金の熱膨張係数とほぼ等しいという利点を有する。したがって、第１の層または第１の層から成る基材は、白金または白金ロジウムを含むかまたはこれらから成る導電性層の熱膨張係数からの偏差が最大約５％である熱膨張係数を有し得る。使用される実施形態に応じて、３％、２％、１％以下という、更に低い偏差を選択できる。

第１の層のおよび導電測定構造の熱膨張係数の偏差が小さいことにより、抵抗温度計の動作中の導電構造に対するストレスがより小さくなる。例えば、抵抗温度計は、−２００℃以下から最大１０００℃以上の温度で動作し得る。

使用される実施形態によっては、第１の層はアルミン酸ランタン製である。このことにより、第１の層の製作が単純化されるとともに、第１の層に正確に知られている熱膨張係数が与えられる。使用される実施形態によっては、基材はアルミン酸ランタンから成る。このことにより、基材の製作が単純化されるとともに、基材に正確に知られている熱膨張係数が与えられる。

更なる実施形態では、第１の層はアルミン酸ランタンに加えて、１つまたはいくつかの金属酸化物、例えばＹ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、ＭｇＯ、またはＴｉＯ_２を含む。金属酸化物は、第１の層の熱膨張係数を白金の熱膨張係数により正確に適合させることができる、という利点を有する。したがって、導電構造と第１の層の間の熱応力の低減が達成される。

更なる実施形態では、基材は第１の層に加えて第２の層を備え、第１の層は第２の層上に配置されている。第２の層は第１の層の少なくとも３倍の厚さであり得る。第２の層は第１の層よりも高い導電率を有してもよく、導電材料製であってもよい。第１の層は、導電測定構造を第２の層から電気的に絶縁する。この実施形態は、第２の層と測定構造の間に電気絶縁層を提供するのに、薄い第１の層のみで必要十分である、という利点を有する。したがって、第２の層は、より高い機械的安定性を提供するおよび／またはより容易に製作できる材料製とすることができる。例えば、第２の層はＺｒＯ_２製であり、第１の層は、導電測定構造を第２の層から絶縁する電気絶縁層として機能する、アルミン酸ランタン層である。

使用される実施形態に応じて、第１の層は、１μｍから１０μｍの間の、好ましくは１μｍから５μｍの間の厚さを有する。実験により、特にアルミン酸ランタン製の第１の層のそのような厚さは、第２の層と測定構造の間に絶縁層を提供するのに十分であることが示されている。そのような薄い第１の層は、第１の層の製作がより高速であるという利点を有する。更に、基材を製作するために必要なアルミン酸ランタンの量は少ない。

更なる実施形態では、導電測定構造は、白金格子中にロジウムを含有している。ロジウムにより導電構造が改善される。導電構造は、０．０５重量パーセントから２重量パーセントの間の範囲のまたはそれ以上のロジウムを含み得る。添加されるロジウムの好ましい量は、０．０１重量パーセントから１重量パーセントの範囲内である。他の金属、例えばイリジウムを、追加的にまたはロジウムの代わりに使用してもよい。

更なる実施形態では、導電構造は１つまたはいくつかの保護層で覆われており、少なくとも第１の保護層はアルミン酸ランタンを含む。保護層としてアルミン酸ランタンを適用する結果、十分な電気絶縁、導電構造の機械的および化学的保護、ならびに保護層と導電構造の間の低い熱応力がもたらされる。また更に、第１の層を製作するためにアルミン酸ランタンの堆積が行われるので、センサ素子の製作が単純化される。したがって、第１の層および保護層を製作するために、同じ機器を使用することができる。実験により、保護層としては、１μｍから１０μｍの間の、好ましくは１μｍから５μｍの間の厚さで十分であることが示されている。

更なる実施形態では、保護層はアルミン酸ランタンに加えて、追加的に１つまたはいくつかの金属酸化物、例えばＹ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、ＭｇＯ、またはＴｉＯ_２を含む。金属酸化物は、保護層の熱膨張係数を白金の熱膨張係数により正確に適合させることができる、という利点を有する。したがって、導電構造と保護層の間の熱応力の低減が達成される。

抵抗温度計のセンサ素子用の基材が提供され、基材は少なくとも第１の層を備え、または第１の層のみが配置されており、第１の層はアルミン酸ランタンを含み、第１の層の熱膨張係数は白金の熱膨張係数とほぼ等しい。白金を含む導電構造の熱膨張係数およびアルミン酸ランタンを含む第１の層の熱膨張係数がほぼ等しいとは、偏差が５％未満、好ましくは３％未満、または２％未満、または１％未満であることを指す。第１の層のおよび導電測定構造の熱膨張係数の選択により、−２００℃以下から最大１０００℃以上の温度範囲内でのセンサ素子の使用が可能になる。基材が第１の層のみを備える場合には、基材のおよび導電測定構造の熱膨張係数により、−２００℃以下から最大１０００℃以上の温度範囲内でのセンサ素子の使用が可能になる。

更なる実施形態では、第１の層または基材はアルミン酸ランタン製である。

更なる実施形態では、基材は第１の層に加えて第２の層を備え、第１の層は第２の層上に配置されている。第２の層は第１の層の少なくとも３倍の厚さである。第２の層は、第１の層の導電率よりも少なくとも２０％高い導電率を有する。第１の層は導電構造を第２の層から絶縁する。第１の層は、１μｍから１０μｍの間の、好ましくは１μｍから５μｍの間の厚さを有し得る。

また更に、少なくとも１つまたはいくつかの層を有する基材と白金を含有する測定構造とを備えるセンサ素子であって、測定構造は１つまたはいくつかの保護層で覆われており、少なくとも１つの保護層はアルミン酸ランタンを含む、センサ素子が提案される。

センサ素子の基材は第２の層を備えてもよく、第１の層は第２の層上に配置されており、第２の層は第１の層よりも高い導電率を有し、第１の層は導電測定構造を第２の層から絶縁し、第１の層は好ましくは１μｍから１０μｍの間の厚さを有する。

また更に、アルミン酸ランタンを含む第１の層を備える基材を提供することと、白金を含む導電構造を第１の層上に形成することと、を含む、センサ素子を製作するための方法が提供される。

ここで本発明について、以下の添付の図を参照して、例示により記載する。

センサ素子の概略断面図である。 センサ素子の更なる実施形態の断面図である。 保護層を有する図１のセンサ素子の断面図である。 保護層を有する図２のセンサ素子の断面図である。 センサ素子の導電構造の上側の概略図である。 図５に示す線Ａ−Ａに沿った概略断面図である。

本発明の実施形態について、同様の参照符号が同様の要素を指す添付の図面を参照して、以下で詳細に記載する。ただし、本発明は多くの異なる形態で具現化することができ、本明細書に明記する実施形態に限定されるものと解釈されるべきではない。むしろこれらの実施形態は、本開示が徹底的かつ完全なものとなるように、および本発明の概念を当業者に十分に伝えるように、提供されている。

図１は、抵抗温度計のセンサ素子の断面図を示す。センサ素子は、この実施形態では第１の層１のみを備える、基材４を備える。第１の層１の上面上には、導電測定構造２が配置されている。導電測定構造２は白金を含み得るか、または白金から成り得る。第１の層１はアルミン酸ランタンを含み得るか、またはアルミン酸ランタンから成り得る。したがって、基材はアルミン酸ランタンを含み得るか、またはアルミン酸ランタンから成り得る。アルミン酸ランタン（ＬａＡｌＯ_３）は、モル質量が２１３．８９ｇ／ｍｏｌ、密度が約６．５２ｇ／ｃｍ^３、融点が約２０８０℃の、２５という比較的高い比誘電率を有する結晶性材料である。
アルミン酸ランタンの結晶構造は、室温で３．７８７オングストロームの擬立方晶格子定数を有する、菱面体晶歪みペロブスカイト構造である。アルミン酸ランタンは光学的に透過性のセラミック酸化物である。第１の層は、パルスレーザ堆積または分子線エピタキシによって堆積され得る、エピタキシャル成長させたアルミン酸ランタンの薄膜として具現化することができる。この実施形態では、基材は、パルスレーザ堆積または分子線エピタキシによって堆積され得る、エピタキシャル成長させたアルミン酸ランタンの膜として具現化することができる。

第１の層はスクリーン印刷で製作することができる。スクリーン印刷プロセスを用いた第１の層１の作製中、アルミン酸ランタンはペーストまたは液体として提供され、この場合、溶剤中にアルミン酸ランタンの粉末が配される。アルミン酸ランタンを含むペーストまたはアルミン酸ランタンを含む流体を担体上に堆積した後で、溶剤が焼き出され、アルミン酸ランタン製の第１の層１が得られる。この場合、基材４は第１の層のみを備え、したがって基材は、アルミン酸ランタンを含むペーストまたは液体を使用するスクリーン印刷プロセスによって製作することができる。また更に、第１の層または基材は、非エピタキシャルなアルミン酸ランタン膜として具現化されてもよい。アルミン酸ランタンは、０℃から１０００℃の間で、約１０×１０^−６×Ｋ^−１の熱膨張係数を有する。

第１の層１を有する基材４は、脆弱であり得る導電測定構造２の支持材としての役割を果たす。導電測定構造２は蛇行した構造として具現化されてもよい。ただし、導電構造２は異なる形状を、例えば、短い直線、または矩形の層、または第１の層と同じ面積を有する層を有してもよい。

測定構造は、例えば電気抵抗構造として使用されてもよい。測定構造は、ＰＣＢに接続するための少なくとも１つのはんだ接合部、または導電性ワイヤを適用できる少なくとも１つの溶接接合部を構築するための、少なくとも１つのコンタクトエリア６を備え得る。コンタクトエリア６は、第１の層１の測定構造２と同じ表面上に直接設けることができる。第１の層１のまたは基材の反対側に、ビアホールを有するコンタクトエリア６を配置することも可能である。導電構造２の電気抵抗は温度に応じて変化する。抵抗の変化は、測定することができ、抵抗の変化から温度を推定できる。

基材４の第１の層または基材４自体は、導電構造２の熱膨張係数とほぼ等しい熱膨張係数を有し得る。例えば、第１の層１の熱膨張係数と導電構造２の間の偏差は、５％未満、３％未満、もしくは２％未満、１％未満であっても、または更に小さくてもよい。第１の層１の熱膨張係数および導電構造２の熱膨張係数は互いに対して適合され、特に互いからの偏差が、測定に関連する領域内の指定された範囲内、例えば後からセンサ素子が動作する領域内、例えば−２００℃未満から＋１０００℃または更に高い温度までとなり得る。

使用される実施形態によっては、第１の層はアルミン酸ランタン製であり得るか、またはアルミン酸ランタンから成る。したがって、基材はアルミン酸ランタン製であり得るか、またはアルミン酸ランタンから成り得る。更なる実施形態では、第１の層はアルミン酸ランタンに加えて、金属酸化物、例えばＹ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、ＭｇＯ、またはＴｉＯ_２を含んでもよい。アルミン酸ランタン以外の追加の金属酸化物により、導電構造２の熱膨張係数に対する第１の層の熱膨張係数のより正確な適合が可能になる。例えば、第１の層は、０．１重量パーセントから５重量パーセントの間の金属酸化物を含み得る。

Ｙ軸に沿った第１の層１の厚さは１００μｍ以上である。したがって、基材４は、Ｙ軸に沿った厚さが１００μｍ以上である。また更に、使用される実施形態によっては、基材４を更なる担体上に配置することができる。

導電測定構造２は白金製であり得るか、または白金を含み得る。白金は、室温で約８．８×１０^−６×Ｋ^−１、０℃から１０００℃の間で１０×１０^−６×Ｋ^−１の熱膨張係数を有する。使用される実施形態によっては、導電層の白金にはロジウムまたはイリジウムがドープされる。例えば、白金に、０．０５から１重量パーセントの領域内でロジウムまたはイリジウムをドープしてもよい。導電構造２は、第１の層１の上面に対して垂直な方向において、約４００ｎｍから１５００ｎｍのＹ軸に沿った厚さを有し得る。

図２は抵抗温度計のセンサ素子の更なる実施形態を示し、基材４は第１の層１に加えて第２の層３を備え、第１の層１は、第２の層と測定構造２の間で第２の層３上に配置されている。第１の層１は、図１の実施形態に関して記載したものと同じ特性を有し得る。基材４の機械的安定性の一部が第２の層３によって提供され得るので、第１の層１は図１の実施形態と比べてより小さい厚さを有し得る。第２の層３は、例えば第１の層１の材料よりも少なくとも２０％高い導電率を有する材料製であり得る。また更に、第２の層は、例えば第１の層１の材料よりも少なくとも２０％高い機械的安定性を有し得る。例えば、第２の層は、例えばＺｒＯ_２製であり得る。
使用される実施形態に応じて、第２の層３を別の金属酸化物、例えばＴｉＯ_２またはＭｇＯ製であってもよい。また更に、第２の層は例えば別の材料、例えばガラス、半導体、または金属製であってもよい。

また更に、第２の層３は、第１の層１よりも大きいＹ軸に沿った厚さを有し得る。第２の層の厚さは、第１の層の厚さの３倍以上であり得る。使用される実施形態に応じて、第２の層は別の厚さを有してもよい。基材４は、１００μｍ以上のＹ軸に沿った厚さを有し得る。

第１の層１の上には、導電測定構造２が配置されている。導電測定構造２は、図１の実施形態の導電測定構造２と同一であってもよい。この実施形態では、第１の層は、１μｍから５μｍの間の厚さを有し得る。使用される実施形態に応じて、第１の層１は５μｍよりも大きい厚さを有してもよい。第２の層３は、第１の層の少なくとも３倍であり、例えば５０μｍから２００μｍの間の厚さを有し得る。

導電構造２は、第１の層１の上面に対して垂直な方向において、約４００ｎｍから１５００ｎｍのＹ軸に沿った厚さを有し得る。

図３は、導電測定構造２が保護層５で覆われている、図１に係るセンサ素子の更なる実施形態の断面図を示す。保護層５は、導電測定構造２の空いている表面を覆う。保護層５は例えばアルミン酸ランタン製であり得るか、またはアルミン酸ランタンを含み得る。保護層５は、導電測定構造２の空いている表面全体が保護層５で覆われるように具現化される。したがって、導電測定構造２は、環境の影響、例えば湿気、埃、またはガスから保護される。保護層５は、約１から５μｍのＹ軸に沿った厚さを有し得る。使用される実施形態に応じて、保護層は異なる厚さを有してもよい。保護層５は、第１の層１と同じプロセスで、例えばスクリーン印刷プロセス、スパッタプロセス、またはパルスレーザ堆積プロセスで、堆積することができる。また更に、保護層は、他の材料、例えばガラス製であってもよい。

図４は、図２の実施形態に関する更なる実施形態の断面図を示す。この実施形態では、導電測定構造２は保護層５で覆われている。保護層５は、図３の保護層と同じ材料および／または同じプロセスで作られてもよい。

図５は、少なくとも第１の層１をまたは上で検討したように追加的に第２の層３を備える基材４の、上面概略図を示す。第１の層１の上には、導電測定構造２が配置されている。導電測定構造２は、図１から４に関して検討したものと同じ材料および同じ設計で作られる。示されている実施形態では、導電測定構造２は、蛇行構造の形状を有する。使用される実施形態に応じて、導電構造２は異なる形状を有してもよい。

図６は、図５に示す線Ａ−Ａに沿った概略断面図を示す。保護層５は、導電構造２の空いている表面を覆うとともに、第１の層１の上面も覆う。

１ 第１の層
２ 導電構造
３ 第２の層
４ 基材
５ 保護層
６ コンタクトエリア

Claims (16)

1. 基材（４）と導電測定構造（２）とを備える抵抗温度計のセンサ素子であって、前記基材は第１の層（１）を備え、前記第１の層（１）はアルミン酸ランタンを含み、前記測定構造（２）は前記第１の層（１）上に直接配置されており、前記測定構造（２）は白金を含む、センサ素子。
2. 前記第１の層（１）はアルミン酸ランタン製である、請求項１に記載のセンサ素子。
3. 前記第１の層（１）は金属酸化物、例えばＹ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、ＭｇＯ、またはＴｉＯ_２を含む、請求項１に記載のセンサ素子。
4. 前記基材（４）は第２の層（３）を備え、前記第１の層（１）は前記第２の層（３）上に配置されており、前記第２の層（３）は前記第１の層（１）よりも高い導電率を有し、前記第１の層（１）は前記導電測定構造（２）を前記第２の層（３）から電気的に絶縁する、請求項１に記載のセンサ素子。
5. 前記第２の層（３）はＺｒＯ_２を含む、請求項４に記載のセンサ素子。
6. 前記第１の層（１）は１μｍから１０μｍの間の厚さを有する、請求項５に記載のセンサ素子。
7. 前記測定構造（２）はロジウムを含む、請求項６に記載のセンサ素子。
8. 前記測定構造（２）は、０．０５重量パーセントから１重量パーセントの間のロジウムを含む、請求項７に記載のセンサ素子。
9. 前記測定構造（２）はイリジウムを含む、請求項８に記載のセンサ素子。
10. 前記測定構造（２）は１つまたはいくつかの保護層（５）で覆われており、少なくとも１つの保護層（５）はアルミン酸ランタンを含む、請求項１に記載のセンサ素子。
11. 少なくとも１つまたはいくつかの層を有する基材と白金を含有する測定構造（２）とを備え、前記測定構造（２）は１つまたはいくつかの保護層（５）で覆われており、少なくとも１つの保護層（５）はアルミン酸ランタンを含む、センサ素子。
12. アルミン酸ランタンを含む前記保護層は１μｍから１０μｍの間の厚さを有する、請求項１１に記載のセンサ素子。
13. 第１の層（１）を備え、前記第１の層（１）はアルミン酸ランタンを含み、前記第１の層（１）の熱膨張係数は白金の熱膨張係数とほぼ等しい、抵抗温度計のセンサ素子用の基材（４）。
14. 前記第１の層（１）はアルミン酸ランタン製である、請求項１３に記載の基材。
15. 前記基材は第２の層（３）を備え、前記第１の層（１）は前記第２の層（２）上に配置されており、前記第２の層（３）は前記第１の層（１）よりも高い導電率を有し、前記第１の層（１）は前記導電測定構造（２）を前記第２の層（３）から絶縁し、前記第１の層（１）は好ましくは１μｍから１０μｍの間の厚さを有する、請求項１４に記載の基材。
16. アルミン酸ランタンを含む第１の層（１）を提供することと、白金を含む導電測定構造を前記第１の層上に形成することと、を含む、請求項１から１１のいずれか一項に記載のセンサ素子を製作するための方法。

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