JP2983502B2 - 温度センサ素子および同素子を備えた温度センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、温度センサ素子、
および同素子を用いた温度センサに関するもので、特に
耐熱性、熱応答性、および信頼性に優れた温度センサに
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、環境問題の観点から、自動車エン
ジンの排気ガスはできる限り浄化して大気中に放出する
ことが要求されている。そのために排気系統に触媒コン
バーターを取り付けて排気ガスを無害なガスに浄化して
排出している。その場合に浄化効率、すなわち触媒性能
を高めるには、触媒温度を正確に測定する必要がある。
そのための温度センサ素子は、耐熱性に優れ、熱応答性
が速く、抵抗値の経時変化の小さい信頼性の高いもので
あることが必要である。この種の温度センサ素子の１つ
として、図１６に示すような構成のものが知られてい
る。この温度センサ素子２００は、直線型、非直線型、
負特性型または正特性型を示す感熱体２０１の焼結体
と、一対の貴金属のリード線２０２とを一体化したもの
である。この温度センサ素子２００は、次のようにして
製造される。すなわち、所定の組成比になるように混合
した原料を仮焼成した後、それを粉砕した粉末を所定の
形状に成形する。この成形体に貴金属のリード線２０２
を挿入し、１６００℃以上の高温で本焼成する。

【０００３】このようにして得られる温度センサ素子２
００を用いた温度センサの構造を図１７に示す。温度セ
ンサ素子２００の貴金属のリード線２０２を接続した一
対の引き出し用のリード線２０３は、金属製のハウジン
グ２０５内の電気絶縁碍子２０４に固定されている。ハ
ウジング２０５の一端には、素子２００を覆う耐熱金属
製のキャップ２０８が溶接してあり、ハウジング２０５
の他端には、被温度測定物に温度センサを固定するため
の金属製フランジ２０６が固定されている。２０７は、
リード線２０３と、ハウジング２０５およびフランジ２
０６とを絶縁する電気絶縁碍子である（例えば、特開平
６−２８３３１０号公報）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記のような構成の温
度センサ素子を有する温度センサは、自動車の触媒コン
バーターに利用しようとすると、熱応答性が悪いという
問題があった。これは、感熱体２０１が粉末成形体の焼
結体であるために、形状と熱容量が大きい上に、温度セ
ンサ素子２００に耐熱性のキャップ２０８をかぶせてい
るからである。また、この従来の温度センサから耐熱金
属製のキャップ２０８を除去すると、２本のリード線２
０２の間に排気ガス中のカーボンが付着し、リード線２
０２間で短絡するという問題があった。本発明は、これ
らの問題点を解消するもので、耐熱性に優れ、熱応答性
が速く、抵抗値が安定し、かつその経時変化の小さい信
頼性の高い温度センサ素子とそれを有する温度センサを
提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、温度に応じて
電気抵抗が変化する感熱性材料からなる感熱膜、および
感熱膜の電気抵抗を測定するための電極膜を薄膜で構成
するとともに、電極膜を感熱膜の膜厚方向の電気抵抗を
測定するように配列することにより、熱応答性が速く、
抵抗値が安定し、かつその経時変化の小さい信頼性の高
い温度センサ素子を提供する。本発明の第１のタイプの
温度センサ素子は、温度に応じて電気抵抗が変化する感
熱性材料からなる感熱膜、リード取り出し部を有し、端
部が前記感熱膜を介して対向する一対の電極膜、前記感
熱膜および電極膜を支持する耐熱性絶縁材からなる基
板、並びに前記感熱膜および電極膜を、電極膜のリード
取り出し部を除いて被覆する耐熱性絶縁材からなる膜を
具備する。

【０００６】本発明の第２のタイプの温度センサ素子
は、温度に応じて電気抵抗が変化する感熱性材料からな
る感熱膜、リード取り出し部を有し、端部が前記感熱膜
の一方の面に接触する一対の電極膜、前記感熱膜の他方
の面において前記一対の電極膜の端部と対向する第３の
電極膜、前記感熱膜、一対の電極膜および第３の電極膜
を支持する耐熱性絶縁材からなる基板、並びに前記感熱
膜、一対の電極膜および第３の電極膜を、一対の電極膜
のリード取り出し部を除いて被覆する耐熱性絶縁材から
なる膜を具備する。

【０００７】本発明は、また感熱性材料に式（Ａｌ
_1-xーyＣｒ_xＦｅ_y）₂Ｏ₃（０．０５≦ｘ＋ｙ≦ ０．９
５、０≦ｙ／（ｘ＋ｙ）≦０．６）で表されるコランダ
ム型結晶構造の酸化物を用いた温度センサ素子を提供す
る。さらに、本発明は、薄膜化技術により前記の式で表
される酸化物からなる膜を形成した後、これを焼結して
コランダム型結晶構造に変化させる工程を有する温度セ
ンサ素子の製造方法を提供する。すなわち、前記の感熱
膜を形成するに先だって、式（Ａｌ_1-xーyＣｒ_xＦｅ_y）
_{2Ｏ 3}（０≦ｘ＋ｙ≦ ０．９５）で表される拡散防止膜
を成膜し、加熱処理によりコランダム型結晶構造に変化
させ、その後に感熱膜を成膜し、加熱処理をする。これ
によって、電極膜材料が感熱膜に拡散し、感熱膜の特性
を損なうのを防止し、経時変化の小さい信頼性の高い温
度センサ素子を提供する。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明の温度センサ素子は、上記
のように、基本的には感熱膜、前記感熱膜の厚み方向の
電気抵抗を検知するように配列された電極膜、これらを
支持する電気絶縁性の基板、および前記感熱膜と電極膜
を電極膜のリード取り出し部を除いて被覆する電気絶縁
性膜から構成される。さらに、本発明の好ましい態様の
温度センサ素子は、前記感熱膜と、基板側に位置する電
極膜との間に、拡散防止膜を有する。

【０００９】本発明の温度センサ素子の製造方法は、耐
熱性絶縁材からなる基板上に、リード取り出し部を有す
る電極膜を形成する工程、前記電極膜の端部を覆うよう
に式（Ａｌ_1-xーyＣｒ_xＦｅ_y）₂Ｏ₃（０≦ｘ＋ｙ≦０．
９５）で表される酸化物からなる拡散防止膜を成膜し、
これを１０００〜１３００℃で熱処理する工程、前記拡
散防止膜上に式（Ａｌ_1-xーyＣｒ_xＦｅ_y）₂Ｏ₃（０．０
５≦ｘ ＋ｙ≦０．９５、０≦ｙ／（ｘ＋ｙ）≦０．
６）で表される感熱膜を成膜し、これを１０００〜１３
００℃で熱処理する工程、端部が前記感熱膜および拡散
防止膜を介して前記電極膜と対向するように、リード取
り出し部を有する電極膜を形成する工程、並びに前記感
熱膜および両電極膜を、電極膜のリード取り出し部を除
いて被覆する耐熱性絶縁材からなる膜を形成する工程を
有する。

【００１０】本発明の温度センサ素子の他の製造方法
は、耐熱性絶縁材からなる基板上に、リード取り出し部
を有する一対の電極膜を形成する工程、前記一対の電極
膜の端部を覆うように式（Ａｌ_1-xーyＣｒ_xＦｅ_y）₂Ｏ₃
（０≦ｘ＋ｙ≦０．９５）で表される酸化物からなる拡
散防止膜を成膜し、これを１０００〜１３００℃で熱処
理する工程、前記拡散防止膜上に式（Ａｌ_1-xーyＣｒ_xＦ
ｅ_y）₂Ｏ₃（０．０５≦ｘ ＋ｙ≦０．９５、０≦ｙ／
（ｘ＋ｙ）≦０．６）で表される感熱膜を成膜し、これ
を１０００〜１３００℃で熱処理する工程、前記感熱膜
上に前記一対の電極膜の端部と対向させて第３の電極膜
を形成する工程、並びに前記感熱膜、一対の電極膜およ
び第３の電極膜を、一対の電極膜のリード取り出し部を
除いて被覆する耐熱性絶縁材からなる膜を形成する工程
を有する。本発明のさらに他の温度センサ素子の製造方
法は、耐熱性絶縁材からなる基板上に、第３の電極膜を
形成する工程、第３の電極膜上に式（Ａｌ_1-xーyＣｒ_xＦ
ｅ_y）₂Ｏ₃（０≦ｘ＋ｙ≦０．９５）で表される酸化物
からなる拡散防止膜を成膜し、これを１０００〜１３０
０℃で熱処理する工程、前記拡散防止膜上に式（Ａｌ_1-
xーyＣｒ_xＦｅ_y）₂Ｏ₃（０．０５≦ｘ ＋ｙ≦０．９５、
０≦ｙ／（ｘ＋ｙ）≦０．６）で表される感熱膜を成膜
し、これを１０００〜１３００℃で熱処理する工程、端
部を前記感熱膜および拡散防止膜を介して前記第３の電
極膜と対向させてリード取り出し部を有する一対の電極
膜を形成する工程、並びに前記感熱膜、一対の電極膜お
よび第３の電極膜を、一対の電極膜のリード取り出し部
を除いて被覆する耐熱性絶縁材からなる膜を形成する工
程を有する。

【００１１】本発明の温度センサは、上記の温度センサ
素子、被温度測定物に温度センサを固定するための金属
フランジ、温度センサ素子のリード取り出し部側を覆い
金属フランジに固定された金属ハウジング、電極膜のリ
ード取り出し部に接続されたリード線、温度センサ素子
の金属ハウジングから露出する部分を覆うカバー、なら
びに、金属ハウジング内においてリード取り出し部を金
属ハウジングおよび金属フランジから絶縁する電気絶縁
碍子を具備する。

【００１２】本発明に用いられる好ましい感熱膜は、Ａ
ｌ₂Ｏ₃にＣｒまたはＣｒとＦｅを固溶したコランダム型
結晶構造の酸化物で、式（Ａｌ_1-xーyＣｒ_xＦｅ_y）₂Ｏ₃
で表され、０．０５≦ｘ＋ｙ≦０．９５、および０≦ｙ
／（ｘ＋ｙ）≦０．６を満足する条件において、後述の
実施例のものと同等の熱応答性および耐久性が得られ
る。 また、拡散防止膜は、Ａｌ₂Ｏ₃単独か、もしくは
Ａｌ₂Ｏ₃にＣｒまたはＦｅまたはＣｒとＦｅを固溶した
コランダム型結晶構造の酸化物で、式（Ａｌ_1-xーyＣｒ_x
Ｆｅ_y）₂Ｏ₃（０≦ｘ＋ｙ≦０．９５）で表されるもの
が好ましい。

【００１３】前記の感熱膜を電極膜上に成膜し、１００
０〜１３００℃の温度で加熱処理によりコランダム型結
晶構造に変化させる際、電極膜の材料が感熱膜中に拡散
する。拡散防止膜は、感熱膜への電極膜材料の拡散を防
止し、感熱膜が所定の特性を発揮させるために設けられ
る。この拡散防止膜を１０００〜１３００℃の温度で熱
処理して、ひとたびコランダム型結晶構造の膜になれ
ば、その上に感熱膜を形成しても、拡散防止膜から電極
成分が感熱膜中に拡散することはない。また、感熱膜
は、前記の熱処理によりコランダム型結晶構造に変化す
れば粒界のない均一な組織となり、この上に直接電極膜
を形成しても電極膜材料が感熱膜中へ拡散することは殆
どない。拡散防止膜は、前記のとおり感熱膜とほぼ同じ
組成であることが好ましい。感熱膜の熱処理の際感熱膜
と拡散防止膜との間でＣｒやＦｅの相互拡散が生じない
からである。しかし、Ａｌ₂Ｏ₃のような絶縁物の組成で
あってもよい。拡散防止膜の熱処理の際、その下側に位
置する電極膜材料が膜中に拡散し、導電性を有するよう
になる。このため、感熱膜と拡散防止膜とを挟む電極膜
間の電気抵抗は実質的には感熱膜の電気抵抗となる。感
熱膜および拡散防止膜の形成には、アルミニウム、クロ
ム、鉄のそれぞれの有機金属化合物の単独または混合蒸
気からなる原料ガスと酸素ガスを用いたプラズマ有機金
属化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）法が好適に用いられる。

【００１４】基板および電気絶縁性膜には、特にアルミ
ナが好適に用いられる。この他炭化ケイ素（ＳｉＣ）、
窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）、ジルコニア（ＺｒＯ₂）、シ
リカ（ＳｉＯ₂）、ムライト（３Ａｌ₂Ｏ₃・２Ｓｉ
Ｏ₂）、ステアタイト（ＭｇＯ・ＳｉＯ₂）、フォルステ
ライト（２ＭｇＯ・ＳｉＯ₂）、サイアロン（Ｓｉ₃Ｎ₄
・Ａｌ₂Ｏ₃）、ＭｇＯ・Ａｌ₂Ｏ₃等の耐熱性電気絶縁材
が用いられる。電極膜には、白金、金、タンタル、レニ
ウム、オスミウム、イリジウム、ロジウム、ルテニウ
ム、パラジウム、およびタングステンからなる群より選
ばれた少なくとも一種の金属単体、二種以上の合金また
は化合物の薄膜が用いられる。そして、これらの薄膜の
形成方法としては、後述の実施例に示すＲＦスパッタリ
ング法が好適に用いられる。その他、真空蒸着法、ＥＢ
蒸着法、対抗スパッタリング法またはペーストによるス
クリーン印刷法で形成することもできる。また、感熱
膜、拡散防止膜および電気絶縁性膜を形成する方法とし
ては、後述の実施例に示すプラズマＣＶＤ法が好適に用
いられる。その他、熱ＣＶＤ法、真空蒸着法、反応蒸着
法、ＲＦスパッタリング法、反応スパッタリング法およ
び対抗スパッタリング法の薄膜形成法で成膜することも
できる。

【００１５】本発明の温度センサ素子は、電極膜を感熱
膜の厚み方向の電気抵抗を測定するように配列している
ため、電極膜間の距離を数百オングストロームのオーダ
ーで制御できる。従って、感熱膜の面積方向の電気抵抗
を測定する方式に比べて格段に電極間の距離を狭くする
ことができる。このため電気抵抗の比較的大きな感熱性
材料からなる感熱膜を用いるのに有利である。前記のコ
ランダム型結晶構造の酸化物の電気抵抗は、８００℃に
おいて１０⁰〜１０⁵Ω／ｃｍである。この酸化物からな
る感熱膜の好ましい膜厚は、０．５〜１０μｍである。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。本発明の温度センサ素子および温度センサは、以
下の実施例に示すものに限定されるものではなく、種々
の変形が可能であることは言うまでもない。なお、素子
の構造を示す図面は、説明の便宜上のものであって、各
要素のサイズや形状は必ずしも正確に表されていない。 《実施例１》図１は本実施例における感熱膜を用いた温
度センサ素子の断面図であり、図２はその分解斜視図で
ある。そして、図１は図２の点線で示す部分で切った断
面図である。このセンサ素子１は、感熱膜３、端部が感
熱膜３を介して対向する一対の電極膜４ａ、４ｂ、これ
らを支持するアルミナからなる細長い矩形の基板２、並
びに、感熱膜３の全体と後記リード接合部を除いて電極
膜４ａ、４ｂを覆うアルミナからなる絶縁膜５から構成
されている。基板２のサイズは、横幅５ｍｍ、長さ５０
ｍｍ、厚さ０．８ｍｍである。感熱膜３の大きさは４．
０×３．０ｍｍで、厚さは２μｍである。白金からなる
電極膜は、厚さは５０００オングストロームである。電
気絶縁膜５は、厚さが２μｍである。

【００１７】図３は、この温度センサ素子１を備えた温
度センサを示す。温度センサ素子１は、その電極膜４
ａ、４ｂの露出した側が円筒形の金属製ハウジング１０
に挿入され、このハウジング１０内でさらに電気絶縁碍
子１１の穴１３内に挿入されている。そして、電極膜４
ａ、４ｂはそれぞれリード線１４ａ、１４ｂに接続され
ている。このリード線１４ａ、１４ｂは、電気絶縁碍子
１１および電気絶縁碍子１２を貫通し、リード線１５
ａ、１５ｂに接続されている。ハウジング１０は、電気
絶縁碍子１２を固定したフランジ１６に溶接によって取
り付けられている。また、ハウジング１０には、素子１
を外部衝撃から保護するための円筒形の穴あきカバー１
７が溶接されている。なお、ハウジング１０の素子１を
挿入する開口部および電気絶縁碍子１１の穴１３の開口
部は、素子１に密着する大きさとしてある。これによっ
て、素子１のリード取り出し部は外気との接触は実質的
になく、この構成によって、本実施例の温度センサは、
その温度センサ素子１の熱容量が小さく、しかも穴あき
カバー１７の中にあるため、感熱膜３が厚さ２μｍの電
気絶縁膜５を介して直接外気の熱が伝わるため、高い応
答性が期待できる。

【００１８】この温度センサ素子１の具体的な製造方法
を以下に説明する。本実施例においては、感熱膜３およ
び電気絶縁膜５はプラズマＣＶＤ法によって、また電極
膜４ａ，４ｂはＲＦスパッタリング法によってそれぞれ
形成した。図４はプラズマＣＶＤ装置を示す。まず、チ
ャンバー６１内の基板ホルダー６２上に、後記のように
電極膜４ａを形成したアルミナ基板２およびその上にメ
タルマスク７３をセットし、真空ポンプ６３によってチ
ャンバー６１内を１Ｐａにまで排気しながら、ヒーター
６４によって基板２を４００℃にまで加熱した。基板温
度が安定した後、原料ガス供給装置６５よりアルミニウ
ムアセチルアセトナートの蒸気を、原料ガス供給装置６
６よりクロムアセチルアセトナートの蒸気を、また原料
ガス供給装置６７より鉄アセチルアセトナートの蒸気
を、それぞれキャリアガス（窒素）によりチャンバー６
１内に供給し、供給路６８からの反応ガス酸素とともに
供給ノズル６９によってアルミナ基板２上に導入した。
チャンバー６１内を１０Ｐａの真空度に保ち、基板回転
モーター７０により基板ホルダー６２を６０回転／分で
回転させながら、高周波電源７１を作動させて、電極７
２と基板ホルダー６２の間にプラズマを２０分間発生さ
せた。これによって、アルミナ基板２上のメタルマスク
で覆われていない部分に、アルミニウム、クロム、およ
び鉄の酸化物からなる、Ａｌ：Ｃｒ：Ｆｅの原子比が
０．７２：０．１５：０．１３の感熱膜３が形成され
た。こうして得られた感熱膜３を結晶化するため、大気
雰囲気にした電気炉内において１２００℃で３時間熱処
理した。その結果、アルミニウム、クロム、および鉄の
酸化物の、コランダム構造の薄膜が得られた。

【００１９】電極膜は図５に示すＲＦスパッタリング装
置を用いて形成した。まず、チャンバー８１内の基板ホ
ルダー８２上に、アルミナ基板２または一方の電極膜４
ａと感熱膜３を形成したアルミナ基板２、およびその上
にメタルマスク９１を取り付け、真空ポンプ８３によっ
てチャンバー８１内を２×１０^-4Ｐａにまで排気しなが
ら、ヒーター８４によって基板２を４００℃にまで加熱
した。基板温度が安定した後、スパッタガスであるアル
ゴンを供給路８５からチャンバー８１内に導入し、真空
度を１．０Ｐａに保ち、基板回転モーター８８により基
板ホルダー８２を５回転／分で回転させながら、高周波
電源８９を作動させて、白金のターゲット９０を１０分
間スパッタリングした。これによって、基板２上のメタ
ルマスクで覆われていない部分に、白金の電極膜４ａま
たは４ｂが形成された。

【００２０】次に、再び図４のプラズマＣＶＤ装置を用
いて、アルミナ基板２上の感熱膜３および電極膜４ａ、
４ｂの特定部分にアルミナの電気絶縁膜５を形成した。
すなわち、チャンバー内の基板ホルダー６２上に、感熱
膜３および電極膜４ａ、４ｂが形成されたアルミナ基板
２と、メタルマスクを取り付け、チャンバー内を１Ｐａ
にまで排気しながら、ヒーターによって基板を４００℃
にまで加熱した。そして、原料供給装置６５より窒素を
キャリアガスとしてアルミニウムアセチルアセトナート
の蒸気を、また供給路６８より酸素をそれぞれ基板２上
に導入した。チャンバー内を８Ｐａの真空度に保ち、基
板ホルダー６４の回転速度を６０回転／分として、電極
７２と基板ホルダー６４の間にプラズマを２０分間発生
させた。こうしてアルミナの電気絶縁膜５を形成した。

【００２１】《比較例１》Ａｌ₂Ｏ₃、Ｃｒ₂Ｏ₃、および
Ｆｅ₂Ｏ₃の粉末を所定の割合で混合し、これを仮焼成し
た後、粉砕し、その粉末を成形した。この成形体にリー
ド線２０２となる２本の白金製パイプを挿入し、１６０
０℃で本焼成して、図１６に示すようなセンサ素子２０
０を作製した。この感熱体２０１は、Ａｌ：Ｃｒ：Ｆｅ
の原子比が０．７：０．１５：０．１５のコランダム型
の結晶構造の焼結体である。焼結体のサイズは、直径
３．７ｍｍ、厚さ２ｍｍの円盤である。この素子２００
を用いて図１７に示す構造の温度センサを作製した。

【００２２】上記実施例１の温度センサ素子１を用いた
温度センサと、比較例１の温度センサの熱応答性を次の
ようにして比較した。すなわち、温度センサの２本のリ
ード線をセンサ温度検出回路に接続し、そのセンサ温度
検出回路の出力端子にレコーダを接続した。そして、室
温の温度センサをあらかじめ３５０℃、５００℃、また
は８００℃に保持した高温槽に瞬時に入れて、測定温度
がそれぞれ３５０℃、５００℃、または８００℃にまで
上昇し一定値を示すまでの時間を計測した。測定は５回
行い、平均値で比較した。測定結果を表１に示す。

【００２３】表１に示すように、比較例１の温度センサ
の熱応答性は、室温から３５０℃、室温から５００℃、
および室温から８００℃に昇温する時間（熱応答性）
は、それぞれ５．０秒、８．３秒、および１２．５秒で
あった。これに対して、実施例１の温度センサの熱応答
性は、それぞれ３．３秒、４．６秒、および６．８秒で
あり、どの温度域においても実施例１の熱応答性が優れ
ていた。また、実施例１の温度センサの経時変化につい
て調べるため、室温から８００℃までのヒートサイクル
を１００回繰り返した後、再び上記の熱応答性を測定し
た。その結果、室温から３５０℃、室温から５００℃、
および室温から８００℃に昇温する時間（熱応答性）
は、いずれも上記の測定結果の±０．５秒の範囲に収ま
り、経時変化が認められないことが確認された。

【００２４】《実施例２》図６および図７は本実施例の
温度センサ素子２１を示す。この温度センサ素子２１
は、アルミナからなる基板２２上に、白金からなる第３
の電極膜２６を設け、その上に順次感熱膜２３、電極膜
２４ａと２４ｂ、およびアルミナからなる電気絶縁膜２
５を設けたものである。第３の電極膜２６は、大きさは
３．５×２．５ｍｍであり、厚さは５０００オングスト
ロームである。電極膜２６以外の要素のサイズや製膜条
件は実施例１と同じである。また、電極膜２６の製膜条
件は、電極膜２４ａ、２４ｂと同様である。この構成に
よると、一対の電極膜２４ａ、２４ｂ間の電流は、電極
膜２４ａ−感熱膜２３−電極膜２６−電極膜２４ｂと流
れるから、電極膜２４ａ、２４ｂと電極膜２６間の感熱
膜の抵抗値を測定できる。この温度センサ素子２１を用
いて図３のような温度センサを作製し、実施例１と同様
にして熱応答性を調べた。その結果を表１に示す。表１
から明らかなように、どの温度域においても比較例に比
べて熱応答性が優れている。また、室温から８００℃ま
でのヒートサイクルを１００回繰り返した後の熱応答性
についてもその変化は±０．５秒の範囲に収まった。

【００２５】《実施例３》図８および図９は本実施例の
温度センサ素子３１を示す。この素子は、アルミナから
なる基板３２上に、電極膜３４ａと３４ｂ、感熱膜３
３、第３の電極膜３６、アルミナからなる電気絶縁膜３
５を設けたものである。電極膜３４ａ、３４ｂと第３の
電極膜３６の位置が入れ替わった他は実施例２のものと
同じである。この温度センサ素子３１を用いて図３のよ
うな温度センサを作製し、実施例１と同様にして熱応答
性を調べた。その結果を表１に示す。表１から明らかな
ように、どの温度域においても比較例１に比べて熱応答
性が優れている。また、室温から８００℃までのヒート
サイクルを１００回繰り返した後の熱応答性についても
その変化は±０．５秒の範囲に収まった。

【００２６】《実施例４》図１０および図１１は本実施
例における温度センサ素子１１１を示す。このセンサ素
子１１１は、アルミナからなる細長い矩形の基板１１
２、基板１１２上に設けた第３の電極膜１１６、電極膜
１１６の全体を覆う拡散防止膜１１７、拡散防止膜全体
を覆う感熱膜１１３、一端が感熱膜１１３に接触して基
板の長手方向に伸長する一対の電極膜１１４ａと１１４
ｂ、および、感熱膜１１３の全体とリード接合部を除い
た電極膜１１４ａ、１１４ｂを覆うアルミナからなる絶
縁膜１１５から構成されている。基板１１２のサイズ
は、横幅５ｍｍ、長さ５０ｍｍ、厚さ０．８ｍｍであ
る。第３の電極膜の大きさは３．０×２．０ｍｍで、厚
さは５０００オングストロームである。拡散防止膜１１
７の大きさは３．５×２．５ｍｍで、厚さは２μｍであ
る。感熱膜１１３の大きさは４．０×３．０ｍｍで、厚
さは２μｍである。白金からなる一対の電極膜１１４
ａ，１１４ｂは、感熱膜１１３上における電極膜間隔は
０．５ｍｍであり、厚さは１０μｍである。電気絶縁膜
１１５は、厚さが２μｍである。

【００２７】この温度センサ素子１１１の具体的な製造
方法を以下に説明する。本実施例においては、拡散防止
膜１１７、感熱膜１１３、および電気絶縁膜１１５はプ
ラズマＣＶＤ法によって、また第３の電極膜１１６はＲ
Ｆスパッタリング法によって、また一対の電極膜１１４
ａ，１１４ｂは白金ペーストを印刷する方法によってそ
れぞれ形成した。図５に示すＲＦスパッタリング装置を
用いて第３の電極膜１１６を形成した。まず、チャンバ
ー８１内の基板ホルダー８２上に、アルミナ基板１１２
と、さらにその上にメタルマスク９１を取り付け、真空
ポンプ８３によってチャンバー８１内を２×１０^-4Ｐａ
にまで排気しながら、ヒーター８４によって基板１１２
を４００℃にまで加熱した。基板温度が安定した後、ス
パッタガスであるアルゴンを供給路８５からチャンバー
８１内に導入し、真空度を１．０Ｐａに保ち、基板回転
モーター８８により基板ホルダー８２を５回転／分で回
転させながら、高周波電源８９を作動させて、白金のタ
ーゲット９０を１０分間スパッタリングした。これによ
って、基板１１２上のメタルマスクで覆われていない部
分に、白金の電極膜１１６が形成された。

【００２８】次に、図４に示すプラズマＣＶＤ装置を用
いて、電極膜１１６の付いたアルミナ基板１１２上に拡
散防止膜１１７を形成した。まず、チャンバー６１内の
基板ホルダー６２上に、電極膜１１６の付いたアルミナ
基板１１２およびその上にメタルマスク７３をセット
し、真空ポンプ６３によってチャンバー６１内を１Ｐａ
にまで排気しながら、ヒーター６４によって基板１１２
を４００℃にまで加熱した。基板温度が安定した後、原
料ガス供給装置６５よりアルミニウムアセチルアセトナ
ートの蒸気を、原料ガス供給装置６６よりクロムアセチ
ルアセトナートの蒸気を、また原料ガス供給装置６７よ
り鉄アセチルアセトナートの蒸気を、それぞれキャリア
ガス（窒素）によりチャンバー６１内に供給し、供給路
６８からの反応ガス酸素とともに供給ノズル６９によっ
てアルミナ基板１１２上に導入した。チャンバー６１内
を１０Ｐａの真空度に保ち、基板回転モーター７０によ
り基板ホルダー６２を６０回転／分で回転させながら、
高周波電源７１を作動させて、電極７２と基板ホルダー
６２の間にプラズマを２０分間発生させた。これによっ
て、アルミナ基板上のメタルマスクで覆われていない部
分に、アルミニウム、クロム、および鉄の酸化物からな
る、Ａｌ：Ｃｒ：Ｆｅの原子比が０．８０：０．１５：
０．０５の拡散防止膜１１７が形成された。こうして得
られた拡散防止膜１１７を結晶化するため、大気雰囲気
にした電気炉内において１２００℃で３時間熱処理し
た。その結果、アルミニウム、クロム、および鉄の酸化
物の、コランダム構造の薄膜が得られた。

【００２９】次に、同じ図４に示すプラズマＣＶＤ装置
を用いて、拡散防止膜１１７および電極膜１１６の付い
たアルミナ基板１１２上に感熱膜１１３を形成した。感
熱膜の成膜条件は、原料ガスであるアルミニウムアセチ
ルアセトナート、クロムアセチルアセトナート、および
鉄アセチルアセトナートの蒸気の供給割合が異なる他は
前記の拡散防止膜の成膜条件と同じである。Ａｌ：Ｃ
ｒ：Ｆｅの原子比が０．７０：０．２０：０．１０の感
熱膜１１３を形成した。この感熱膜１１３を結晶化する
ため、大気雰囲気にした電気炉内において１２００℃で
３時間熱処理した。その結果、アルミニウム、クロム、
および鉄の酸化物の、コランダム構造の薄膜が得られ
た。次に、一対の電極膜１１４ａ、１１４ｂをＰｔペー
ストを印刷する方法によって形成した。すなわち、電極
膜１１６、拡散防止膜１１７、感熱膜１１３の形成され
たアルミナ基板１１２上の所定の場所に、スクリーン印
刷によって一対の電極膜１１４ａ、１１４ｂのパターン
を印刷した。１５０℃の乾燥器中でペースト中の溶剤を
蒸発、乾燥させた後、大気雰囲気にした電気炉内におい
て１２００℃で１０分間熱処理して焼結させ、Ｐｔによ
る電極膜１１４ａ、１１４ｂを形成した。

【００３０】次に、再び図４のプラズマＣＶＤ装置を用
いて、アルミナ基板１１２上の電極膜１１６、拡散防止
膜１１７、感熱膜１１３および電極膜１１４ａ、１１４
ｂの特定部分にアルミナの電気絶縁膜１１５を形成し
た。すなわち、チャンバー内の基板ホルダー６２上に、
電極膜１１６、拡散防止膜１１７、感熱膜１１３および
電極膜１１４ａ、１１４ｂが形成されたアルミナ基板１
１２と、メタルマスクを取り付け、チャンバー内を１Ｐ
ａにまで排気しながら、ヒーターによって基板を４００
℃にまで加熱した。そして、原料供給装置６５より窒素
をキャリアガスとしてアルミニウムアセチルアセトナー
トの蒸気を、また供給路６８より酸素をそれぞれ基板２
上に導入した。チャンバー内を８Ｐａの真空度に保ち、
基板ホルダー６４の回転速度を６０回転／分として、電
極７２と基板ホルダー６４の間にプラズマを２０分間発
生させた。こうしてアルミナの電気絶縁膜１１５を形成
した。

【００３１】この構成によると、一対の電極膜１１４
ａ、１１４ｂ間の電流は、電極膜１１４ａ−感熱膜１１
３−拡散防止膜１１７−電極膜１１６−拡散防止膜１１
７−感熱膜１１３−電極膜１１４ｂと流れるから、電極
膜１１４ａ、１１４ｂと電極膜１１６間の拡散防止膜と
感熱膜の抵抗値を測定できる。拡散防止膜１１７を電極
膜１１６と感熱膜１１３の間に設けることによって、高
温での電極膜の拡散によって生じる感熱膜の抵抗値の低
下を防ぐことができ、温度センサ素子の高温安定性と歩
留まりの向上に有効である。この温度センサ素子１１１
を用いて図３のような温度センサを作製した。この温度
センサについて、実施例１と同様にして熱応答性を調べ
た。その結果を表１に示す。表１から明らかなように、
どの温度域においても比較例に比べて熱応答性が優れて
いる。また、実施例１と同様に、室温から８００℃まで
のヒートサイクルを１００回繰り返した後、熱応答性を
調べた結果、室温から３５０℃、５００℃、および８０
０℃に昇温する時間は、いずれも±０．５秒の範囲に収
まり、経時変化が認められないことが確認された。

【００３２】《実施例５》図１２および図１３は本実施
例の温度センサ素子１２１を示す。この素子は、アルミ
ナからなる基板１２２上に、電極膜１２４ａと１２４
ｂ、拡散防止膜１２７、感熱膜１２３、第３の電極膜１
２６、およびアルミナからなる電気絶縁膜１２５を設け
たものである。電極膜１２４ａ、１２４ｂと第３の電極
膜１２６の位置が入れ替わり、電極膜の形成方法をすべ
てＲＦスパッタリング法にし、厚さを５０００オングス
トロームにした以外は、実施例４のものと同じである。
拡散防止膜１２７を電極膜１２４ａ、１２４ｂと感熱膜
１２３の間に設けることによって、高温での電極膜の拡
散によって生じる感熱膜の抵抗値の低下を防ぐことがで
き、温度センサ素子の高温安定性と歩留まりの向上に有
効である。この温度センサ素子１２１を用いて図３のよ
うな温度センサを作製し、実施例６と同様にして熱応答
性を調べた。その結果を表１に示す。表１から明らかな
ように、どの温度域においても比較例に比べて熱応答性
が優れている。また、室温から８００℃までのヒートサ
イクルを１００回繰り返した後の熱応答性についてもそ
の変化は±０．５秒の範囲に収まった。

【００３３】《実施例６》図１４および図１５は本実施
例の温度センサ素子１３１を示す。この温度センサ素子
１３１は、アルミナからなる基板１３２上に、順次電極
膜１３４ａ、拡散防止膜１３７、感熱膜１３３、電極膜
１３４ｂ、およびアルミナからなる電気絶縁膜１３５を
設けた構成を有する。電極膜１３４ａ、１３４ｂで拡散
防止膜１３７と感熱膜１３３をサンドイッチする構成に
し、電極膜１３４ａ、１３４ｂの形成方法を両方ともＰ
ｔペーストのスクリーン印刷法にし、厚さを１０μｍに
した以外は、実施例４と同様にして作製したものであ
る。拡散防止膜１３７を電極膜１３４ａと感熱膜１３３
の間に設けることによって、高温での電極膜の拡散によ
って生じる感熱膜の抵抗値の低下を防ぐことがでぎ、温
度センサ素子の高温安定性と歩留まりの向上に有効であ
る。この温度センサ素子１３１を用いて図３のような温
度センサを作製し、実施例６と同様にして熱応答性を調
べた。その結果を表１に示す。表１から明らかなよう
に、どの温度域においても比較例に比べて熱応答性が優
れている。また、室温から８００℃までのヒートサイク
ルを１００回繰り返した後の熱応答性についてもその変
化は±０．５秒の範囲に収まった。

【００３４】

【表１】

【００３５】なお、上記の実施例においては、拡散防止
膜、感熱膜および電気絶縁性膜の基板上への成膜温度は
４００℃で行ったが、この基板温度に限定されることは
ない。基板温度の範囲が２００℃〜８００℃の範囲であ
れば、同等の熱応答性および耐久性が得られる。また、
上記の実施例においては、拡散防止膜、および感熱膜の
結晶化のための大気中熱処理温度は１２００℃で行った
が、この熱処理温度に限定されることはない。熱処理温
度の範囲が１０００℃から１３００℃であれば、同等の
結晶性を持つ拡散防止膜および感熱膜が得られる。

【００３６】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、小型で、
熱容量が小さく、従って熱応答性に優れた温度センサ素
子が得られる。また、本発明によれば、温度センサの熱
伝達抵抗が小さくなり、耐環境性が向上するので、熱応
答性および信頼性に優れた温度センサが得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１の温度センサ素子の断面図で
ある。

【図２】同温度センサ素子の分解斜視図である。

【図３】同温度センサ素子を用いた温度センサの縦断面
図である。

【図４】実施例に用いたプラズマＣＶＤ装置の概略構成
を示す図である。

【図５】実施例に用いたＲＦスパッタリング装置の概略
構成を示す図である。

【図６】実施例２の温度センサ素子の断面図である。

【図７】同温度センサ素子の分解斜視図である。

【図８】実施例３の温度センサ素子の断面図である。

【図９】同温度センサ素子の分解斜視図である。

【図１０】実施例４の温度センサ素子の断面図である。

【図１１】同温度センサ素子の分解斜視図である。

【図１２】実施例５の温度センサ素子の断面図である。

【図１３】同温度センサ素子の分解斜視図である。

【図１４】実施例６の温度センサ素子の断面図である。

【図１５】同温度センサ素子の分解斜視図である。

【図１６】従来の温度センサ素子の斜視図である。

【図１７】同温度センサ素子を用いた温度センサの縦断
面図である。

【符号の説明】

１、２１、３１、１１１、１２１、１３１ 温度センサ
素子 ２、２２、３２、１１２、１２２、１３２ 基板 ３、２３、３３、１１３、１２３、１３３ 感熱膜 ４ａ、４ｂ、２４ａ、２４ｂ、３４ａ、３４ｂ、５４
ａ、５４ｂ、１１４ａ、１１４ｂ、１２４ａ、１２４
ｂ、１３４ａ、１３４ｂ 電極膜 ５、２５、３５、１１５、１２５、１３５ 電気絶縁膜 ２６、３６、１１６、１２６ 第３の電極膜 １１７、１２７、１３７ 拡散防止膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高山 良一 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開 平６−82315（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−1204（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−111206（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−335409（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01C 7/02 - 7/22

Claims (10)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 式（Ａｌ _1-x-y Ｃｒ _x Ｆｅ _y ） ₂ Ｏ ₃ （０．
   ０５≦ｘ＋ｙ≦０．９５、０≦ｙ／（ｘ＋ｙ）≦０．
   ６）で表されるコランダム型結晶構造の酸化物からなる
   感熱膜、 リード取り出し部を有し、端部が前記感熱膜を介して対
   向する一対の電極膜、 前記感熱膜および電極膜を支持する耐熱性絶縁材からな
   る基板、並びに前記感熱膜および電極膜を、電極膜のリ
   ード取り出し部を除いて被覆する耐熱性絶縁材からなる
   膜を具備することを特徴とする温度センサ素子。
2. 【請求項２】 式（Ａｌ _1-x-y Ｃｒ _x Ｆｅ _y ） ₂ Ｏ ₃ （０．
   ０５≦ｘ＋ｙ≦０．９５、０≦ｙ／（ｘ＋ｙ）≦０．
   ６）で表されるコランダム型結晶構造の酸化物からなる
   感熱膜、 リード取り出し部を有し、端部が前記感熱膜の一方の面
   に接触する一対の電極膜、 前記感熱膜の他方の面において前記一対の電極膜の端部
   と対向する第３の電極膜、 前記感熱膜、一対の電極膜および第３の電極膜を支持す
   る耐熱性絶縁材からなる基板、並びに前記感熱膜、一対
   の電極膜および第３の電極膜を、一対の電極膜のリード
   取り出し部を除いて被覆する耐熱性絶縁材からなる膜を
   具備することを特徴とする温度センサ素子。
3. 【請求項３】 前記感熱膜と基板側に位置する一方の電
   極膜との間に、拡散防止膜を有する請求項１記載の温度
   センサ素子。
4. 【請求項４】 前記感熱膜と基板側に位置する電極膜と
   の間に、拡散防止膜を有する請求項２記載の温度センサ
   素子。
5. 【請求項５】 前記拡散防止膜が、式（Ａｌ_1-x-yＣｒ_x
   Ｆｅ_y）₂Ｏ₃（０≦ｘ＋ｙ≦０．９５）で表されるコラ
   ンダム型結晶構造の酸化物からなる請求項３または４記
   載の温度センサ素子。
6. 【請求項６】 電極膜が白金、金、タンタル、レニウ
   ム、オスミウム、イリジウム、ロジウム、ルテニウム、
   パラジウム、およびタングステンからなる群より選ばれ
   た少なくとも一種の金属単体、二種以上の合金または化
   合物の薄膜からなる請求項１または２記載の温度センサ
   素子。
7. 【請求項７】 耐熱性絶縁材からなる基板上に、リード
   取り出し部を有する電極膜を形成する工程、前記電極膜
   の端部を覆うように式（Ａｌ_1-x-yＣｒ_xＦｅ_y）₂Ｏ
   ₃（０≦ｘ＋ｙ≦０．９５）で表される酸化物からなる
   拡散防止膜を成膜し、これを１０００〜１３００℃で熱
   処理する工程、前記拡散防止膜上に式（Ａｌ_1-x-yＣｒ_x
   Ｆｅ_y）₂Ｏ₃（０．０５≦ｘ＋ｙ≦０．９５、０≦ｙ／
   （ｘ＋ｙ）≦０．６）で表される感熱膜を成膜し、これ
   を１０００〜１３００℃で熱処理する工程、端部が前記
   感熱膜および拡散防止膜を介して前記電極膜と対向する
   ように、リード取り出し部を有する電極膜を形成する工
   程、並びに前記感熱膜および両電極膜を、電極膜のリー
   ド取り出し部を除いて被覆する耐熱性絶縁材からなる膜
   を形成する工程を有する温度センサ素子の製造方法。
8. 【請求項８】 耐熱性絶縁材からなる基板上に、リード
   取り出し部を有する一対の電極膜を形成する工程、前記
   一対の電極膜の端部を覆うように式（Ａｌ_1-x-yＣｒ_xＦ
   ｅ_y）₂Ｏ₃（０≦ｘ＋ｙ≦０．９５）で表される酸化物
   からなる拡散防止膜を成膜し、これを１０００〜１３０
   ０℃で熱処理する工程、前記拡散防止膜上に式（Ａｌ
   _1-x-yＣｒ_xＦｅ_y）₂Ｏ₃（０．０５≦ｘ＋ｙ≦０．９
   ５、０≦ｙ／（ｘ＋ｙ）≦０．６）で表される感熱膜を
   成膜し、これを１０００〜１３００℃で熱処理する工
   程、前記感熱膜上に前記一対の電極膜の端部と対向させ
   て第３の電極膜を形成する工程、並びに前記感熱膜、一
   対の電極膜および第３の電極膜を、一対の電極膜のリー
   ド取り出し部を除いて被覆する耐熱性絶縁材からなる膜
   を形成する工程を有する温度センサ素子の製造方法。
9. 【請求項９】 耐熱性絶縁材からなる基板上に、第３の
   電極膜を形成する工程、第３の電極膜上に式（Ａｌ
   _1-x-yＣｒ_xＦｅ_y）₂Ｏ₃（０≦ｘ＋ｙ≦０．９５）で表
   される酸化物からなる拡散防止膜を成膜し、これを１０
   ００〜１３００℃で熱処理する工程、前記拡散防止膜上
   に式（Ａｌ_1-x-yＣｒ_xＦｅ_y）₂Ｏ₃（０．０５≦ｘ＋ｙ
   ≦０．９５、０≦ｙ／（ｘ＋ｙ）≦０．６）で表される
   感熱膜を成膜し、これを１０００〜１３００℃で熱処理
   する工程、端部を前記感熱膜を介して前記第３の電極膜
   と対向させてリード取り出し部を有する一対の電極膜を
   形成する工程、並びに前記感熱膜、一対の電極膜および
   第３の電極膜を、一対の電極膜のリード取り出し部を除
   いて被覆する耐熱性絶縁材からなる膜を形成する工程を
   有する温度センサ素子の製造方法。
10. 【請求項１０】 請求項１〜６のいずれかに記載の温度
    センサ素子、被温度測定物に温度センサを固定するため
    の金属フランジ、温度センサ素子のリード取り出し部側
    を覆い金属フランジに固定された金属ハウジング、電極
    膜のリード取り出し部に接続されたリード線、温度セン
    サ素子の金属ハウジングから露出する部分を覆うカバ
    ー、ならびに、金属ハウジング内においてリード取り出
    し部を金属ハウジングおよび金属フランジから絶縁する
    電気絶縁碍子を具備することを特徴とする温度センサ。