JP2641598B2 - 薄膜抵抗体素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （技術分野） 本発明は薄膜抵抗体素子に係り、特に抵抗温度計や熱
式流量計等における検出素子等として好適に用いられる
薄膜抵抗体素子の改良に関するものである。

（背景技術） 従来から、セラミック等の電気絶縁性材料からなる担
体の表面上に所定の電気抵抗体が配設されて成る構造を
有し、該抵抗体における抵抗値の温度依存性に基づい
て、流体等の温度を電気的に検出しようとした抵抗体素
子が知られており、抵抗温度計や熱式流量計等における
検出素子などとして、用いられてきている。

ところで、かかる抵抗体素子としては、具体的には、
例えば、特開昭56−108907号公報等に示されている如
き、電気抵抗体として白金等の金属細線を用い、該金属
細線を棒状のセラミックス担体の外周面状に巻回せしめ
て成る、巻線式構造のものが知られている。

ところが、このような巻線式抵抗体素子にあっては、
高抵抗値の抵抗体素子を得ることが難しいという欠点を
有していたのである。蓋し、かかる巻線式構造の抵抗体
素子では、直径が0.5mmで、長さが2mmの円筒状アルミナ
担体を用い、該担体の外周面上に、直径が200μｍの白
金線を35μｍのピッチで巻き付けた場合に、その抵抗値
は約20Ω程度となり、それ以上の抵抗値を得るために
は、アルミナ担体を大きくするか、或いは白金線を細く
する必要があるが、アルミナ担体を大きくすると、素子
の熱容量が大きくなって、応答性１悪化するという不具
合が生じ、また白金線を細くすると、担体表面への巻き
付けが難しくなると共に、断線が生じ易くなって、耐久
性が低下してしまうといった問題が惹起されることとな
るからである。

そこで、近年では、特開昭52−82374号公報等に示さ
れているように、電気抵抗体として白金等の金属薄膜を
用い、該金属薄膜をセラミックス担体の表面上に所定形
状で形成して固着せしめて成る、薄膜式構造のものが好
適に用いられるようになってきている。即ち、このよう
な薄膜抵抗体素子においては、金属薄膜の断面積を小さ
く設定することが容易で、高抵抗値の抵抗体素子を有利
に得ることができるのであり、例えば、直径が0.5mm
で、長さが2mmの円筒状アルミナ担体を用い、該担体の
表面上に、厚さが3000〜60000Å程度の白金薄膜をスパ
イラル状に形成する場合、該泊金薄膜におけるスパイラ
ルピッチを調整することによって、数Ωから約1000Ωま
での抵抗値を、適宜設定することができるのである。

しかしながら、かかる薄膜抵抗体素子にあっては、そ
の抵抗温度係数の値が、薄膜電気抵抗体として使用した
金属のバルク値よりも小さいために、各個体間における
抵抗温度係数のばらつきが大きいという不具合を有して
いたのである。

また、かかる問題に加えて、上述の如き薄膜抵抗体素
子においては、セラミックス担体に対する薄膜電気抵抗
体の付着強度が弱く、そのために製造過程において超音
波洗浄等を行なうと、薄膜電気抵抗体が担体から剥がれ
てしまう恐れもあったのである。

（解決課題） ここにおいて、本発明は、上述の如き事情を背景とし
て為されたものであって、その解決課題とするところ
は、各個体間における抵抗温度計数のばらつきが有利に
抑えられ得ると共に、薄膜電気抵抗体のセラミックス担
体に対する付着強度の向上が達成され得る、改良された
薄膜抵抗体素子を提供することにある。

（解決手段） そして、かかる課題を解決するために、本発明にあっ
ては、アルミナ担体の表面に薄膜電気抵抗体が形成され
て成る薄膜抵抗体素子において、前記アルミナ担体にお
ける平結晶粒子径を、0.4〜６μｍとしたことを、その
特徴とするものである。

（発明の具体的構成・実施例） すなわち、本発明は、前述の如き薄膜抵抗体素子につ
いて、その材質や構造等に関し、本発明者らが各種の実
験を行ない、検討を加えた結果、為されたものであり、
従来から薄膜抵抗体素子の欠点とされていた抵抗温度係
数のばらつきや薄膜電気抵抗体の担体に対する付着強度
が、何れも、担体をアルミナにて形成した場合、該担体
の結晶粒子に関係するという、注目すべき事実が見い出
され得たことに基づいて、完成されるに至ったものであ
る。

以下、本発明をより明らかにするために、本発明の具
体的構成について、実施例および比較例を用いた実験デ
ータを示して、それを参照しつつ、詳細に説明すること
とする。

先ず、第１図には、本発明が適用される薄膜抵抗体素
子の一具体例が示されている。かかる第１図において、
10は、円筒形状を呈する担体であって、アルミナによっ
て形成されている。また、該アルミナ担体10の外表面に
は、従来と同様に、白金やニッケル等からなる所定幅の
金属薄膜12が螺旋状に設けられて固着されており、薄膜
電気抵抗体を構成している。なお、かかる金属薄膜12
は、例えば、アルミナ担体10の表面に対して、金属薄膜
を、スパッタリングや気相成長（CVD）、蒸着、メッキ
等の分離的乃至は化学的方法によって、所定厚さで形
成、固着せしめた後、薄膜を、レーザートリミング手法
等にてスパイラル状にトリミングすることによって、形
成されることとなる。

また、かかるアルミナ担体10の両側開口端部には、そ
れぞれ、ステンレススチールや白金等の導電性材料から
成る線状のリード14が差し込まれ、それぞれ、白金など
の導電性ペーストが焼き付けられて形成された接続部16
によって、固着されていると共に、該接続部16によっ
て、かかるリード14、14が、それぞれ、金属薄膜12の端
部に対して、電気的に導通されている。

さらに、このようなアルミナ単体10上に形成された金
属薄膜12の上には、金属薄膜12が形成されたアルミナ担
体10の外表面と接続部16の外表面とを一体的に覆うよう
にして、保護層としてのオーバーコートガラス層18が形
成されている。

ところで、このような構造の薄膜抵抗体素子につい
て、本発明者らの研究により、アルミナ担体10における
平均結晶粒子径と、抵抗温度係数のばらつきや、金属薄
膜12の付着強度との関係が明らかとなったのであるが、
ここでは、先ず、その事実を示すために、平均結晶粒子
径が、0.12μm,0.19μm,0.48μm,1.2μm,2.2μm,8.0μ
m,14μm,28μｍとされた、外径が0.5mmで、長さが2mmの
アルミナ担体10を、それぞれ複数個づつ作製した。な
お、かかるアルミナ担体10における平均結晶粒子として
は、表面上に一本の直線を引いたときに、該直線上にの
る50個の粒子について、該直線上における粒子の長さ
を、走査型電子顕微鏡写真で測定し、それらの平均値と
して、算出されるものを採用した。

なお、かかる薄膜抵抗体素子の作製に際して、アルミ
ナ担体10を与える焼成体における結晶粒径の大きさは、
一般に、アルミナ原料粉末の粒径や、それに加える焼結
助剤の種類と量、更にはアルミナの焼成温度や、焼成最
高温度の保持時間等を、適宜に調節することによって、
決定されることとなる。

具体的には、アルミナ担体10を与える焼成体の結晶粒
径を小さくするには、小さな粒径のアルミナ原料粉末を
用いると共に、焼結助剤としてMgO,SiO₂,CaO等の粒成長
を抑えるものを用いたり、焼結助剤の添加量を多くして
アルミナ純度を低くしたり、焼成温度を低く設定した
り、焼成最高温度保持時間を短く設定すること等によっ
て、粒成長を抑えることが有効である。一方、焼成体の
結晶粒径を大きくするには、大きな粒径のアルミナ原料
粉末を用いたり、焼結助剤としてTiO₂,MnO等の粒成長を
助けるものを用いたり、焼結助剤の添加量を少なくして
アルミナ純度を高くしたり、焼成温度を高く設定した
り、焼成最高温度保持時間を長く設定すること等によっ
て、粒成長を助けることが有効である。

参考までに、得られたアルミナ担体10の幾つかについ
て、その原料および焼成条件と焼成体における平均結晶
粒子径との関係を、下記第１表に示しておくこととす
る。

次いで、このようにして得られた各種の平均結集粒子
径のアルミナ担体10に対して、それぞれ外周面上に、膜
厚が3000〜6000Å程度の白金薄膜をスパッタリングにて
形成し、更にそれをレーザーにてスパイラル状にトリミ
ングすることにより、目的とする金属薄膜（抵抗体）12
を形成すると共に、該アルミナ担体10の両端部に対し
て、リード14としてのステンレス線を、白金とガラスと
が所定の割合で混合された白金ペーストにて形成した接
続部16によって、接続固定した。なお、金属薄膜12にお
けるスパイラルピッチは、薄膜抵抗体素子に要求される
電気抵抗値に応じて適宜設定されるものであり、例え
ば、トリミング幅を25μｍとした場合、該金属薄膜12の
幅が300μｍ程度〜20μｍ程度とすることにより、数Ω
〜数百Ω迄の電気抵抗値が得られることとなる。

さらに、かかる金属薄膜12およびリード14が形成され
たアルミナ担体10に対して、５分間の超音波洗浄を実施
した後、その表面にオーバーコートガラス層18を、従来
と同様に設けることにより、前述の如き構造の薄膜抵抗
体素子の各種をものを得た。

而して、このような各種の平均結晶粒子径のアルミナ
担体10上に、金属薄膜12を形成してなる各薄膜抵抗体素
子について、金属薄膜12およびリード14が形成されたア
ルミナ担体10に対して施される５分間の超音波洗浄によ
って、該金属薄膜12が剥離する割合を調べた結果が、第
２図に示されている。

かかる第２図に示された結果から、薄膜抵抗体素子を
構成するアルミナ担体10における平均結晶粒子径を、６
μｍ以下とすることによって、かかるアルミナ担体10に
対する金属薄膜12の付着強度が有利に得られ、その剥離
が極めて効果的に防止され得ることが、明らかに認めら
れるのである。

また、上述の如くして得られた、各種の平均結果粒子
径のアルミナ担体10上に金属薄膜12を形成してなる各薄
膜抵抗体素子について、抵抗温度係数を測定し、そのば
らつきの状態を評価した結果が、第３図に示されてい
る。なお、かかる抵抗温度係数の測定に際して、アルミ
ナ担体10の結晶粒径が28μｍのものにあっては、オーバ
ーコートガラス層18の形成前における超音波洗浄を実施
せずに、製造したものを用いた。

かかる第３図に示された結果から、薄膜抵抗体素子を
構成するアルミナ担体10における平均結晶粒子径を、0.
4μｍ以上とすることによって、得られる薄膜抵抗体素
子における抵抗温度係数のばらつきが、極めて有効に抑
えられ得ることが、明らかに認められるのである。

従って、これらの測定結果から明らかなように、素子
の担体をアルミナにて構成し、且つ該アルミナ担体にお
ける平均結晶粒子径を0.4〜６μｍとすることによっ
て、従来から薄膜抵抗体素子の欠点とされていた抵抗温
度係数のばらつきや薄膜電気抵抗体の担体に対する付着
強度の不足が、何れも、極めて有効に軽減乃至は防止さ
れ得るのであり、それによって、優れた測定精度および
耐久性を有する薄膜抵抗体素子が有利に実現され得ると
共に、製造時における不良品の発生も効果的に防止され
得るのである。

また、このような本発明に係る薄膜抵抗体素子にあっ
ては、従来の薄膜抵抗体素子に比べて、構造の複雑化や
製造工程の増加等を伴うようなことがないのであり、製
造設備の改変等が必要とされることもなく、容易に製造
することが出来るといった、工業上の大きな利点をも有
しているのである。

以上、本発明の具体的構成について詳述してきたが、
本発明は、上記の具体的説明によって何等限定的に解釈
されるものでは決してなく、当業者の知識に基づいて、
種々なる変更、修正、改良が加えられ得るものであり、
またそのような実施態様が、本発明の主旨を逸脱しない
限り、何れも、本発明の範囲内に含まれるものであるこ
とが、理解されるべきである。

例えば、本発明が適用される薄膜抵抗体素子の具体的
構造は、前記実施例のものに限定されるものではなく、
平板上のアルミナ担体における一方或いは両方の面に、
薄膜電気抵抗体を蛇行形態をもって形成せしめたもの
等、公知の各種の薄膜抵抗体素子に対して、何れも有利
に適用され得るものである。

また、薄膜抵抗体素子を構成する薄膜電気抵抗体やリ
ード、接続部等の各部材の材質も、前記実施例のものに
限定されるものではないことは、言うまでもないところ
である。

（発明の効果） 以上の説明から明らかなように、本発明に従って構成
された薄膜抵抗体素子にあっては、構造の複雑化等を何
等伴うことなく、従来から問題とされていた、抵抗温度
係数のばらつきや薄膜電気抵抗体の担体に対する付着強
度の不足が、何れも、極めて有効に軽減乃至は防止され
得るのであり、それによって、優れた測定精度および耐
久性を有する薄膜抵抗体素子が、有利に実現され得るの
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明が適用される薄膜抵抗体素子の一具体
例を示す縦断面図である。また、第２図は、実施例およ
び比較例として作製した、アルミナ担体の平均結晶粒子
径が異なる複数の薄膜抵抗体素子について、５分間の超
音波洗浄を実施した際における金属薄膜が剥離する割合
を調べた結果を示すグラフである。更に、第３図は、実
施例および比較例として作製した、アルミナ担体の平均
結晶粒子径が異なる複数の薄膜抵抗体素子について、抵
抗温度係数のばらつきを測定した結果を示すグラフであ
る。 10:アルミナ担体、12:金属薄膜 14:リード、16:接続部 18:オーバーコートガラス層

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】アルミナ担体の表面に薄膜電気抵抗体を形
   成して成る薄膜抵抗体素子において、 前記アルミナ担体が、0.4〜６μｍの平均結晶粒径を有
   していることを特徴とする薄膜抵抗体素子。