JPH0262502B2 - - Google Patents

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JPH0262502B2
JPH0262502B2 JP24943688A JP24943688A JPH0262502B2 JP H0262502 B2 JPH0262502 B2 JP H0262502B2 JP 24943688 A JP24943688 A JP 24943688A JP 24943688 A JP24943688 A JP 24943688A JP H0262502 B2 JPH0262502 B2 JP H0262502B2
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JP
Japan
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glass
weight
temperature
less
thermistor element
Prior art date
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Application number
JP24943688A
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Japanese (ja)
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JPH0297435A (en
Inventor
Tooru Kineri
Yukio Kawaguchi
Shinobu Nagahama
Nobuyoshi Baba
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TDK Corp
Original Assignee
TDK Corp
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Publication date
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Publication of JPH0262502B2 publication Critical patent/JPH0262502B2/ja
Granted legal-status Critical Current

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【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

産業上の利用分野 本発明は、高温用ガラス封止型サーミスタ素子
に関するものである。さらに詳しくいえば、本発
明は、ガラス封止型サーミスタ素子の製造過程に
おけるガラス封止時に、各構成部材の劣化がない
上、500℃以上の高温での使用においても、安定
したサーミスタ特性を有する高温用ガラス封止型
サーミスタ素子に関するものである。 従来の技術 従来、サーミスタ素子は、その感温抵抗体の電
気抵抗の温度依存性を利用して、温度測定や温度
制御用などの温度センサとして、多くの分野にお
いて広く用いられているが、近年、機器の電子制
御化が進むに伴い、厳しい条件下での使用におい
ても信頼の高いものが要求されるようになつてき
ている。例えば自動車排気ガス温度検出センサや
石油・ガス燃焼制御用センサなどに用いられるサ
ーミスタ素子は高温に耐えうるものが要求され
る。 該サーミスタ素子には、ガラス封止型や薄膜型
などがあり、このうちガラス封止型サーミスタ素
子は、それぞれにリード線が接続された一対の電
極を有するサーミスタチツプがガラス中に封止さ
れた構造を有している。 このようなガラス封止型サーミスタ素子におい
て用いられる封止用ガラスとしては、従来鉛ガラ
スが用いられていたが、このものはガラス転移温
度が400℃以下と低く、これを封止用ガラスとし
て用いたサーミスタ素子は、高温、特に500℃以
上での使用は困難であるため、用途の制限を免れ
なかつた。 ところで、ガラスには、ガラス転移温度が存在
し、このガラス転移温度域付近では原子やイオン
の移動が起こりやすくなり、ガラス構造が緩むた
めに、ガラスの熱膨張率は、ガラス転移温度以上
で急激に増大することになる。 ガラス封止型サーミスタにおいては、サーミス
タチツプ、封止ガラス、リード線などの構成部材
の材質を、それぞれ適宜選択して、それらの熱膨
張係数をほぼ一致させ、熱的に安定なサーミスタ
素子を作成することが重要である。このように熱
膨張係数を考えると、ガラス封止型のサーミスタ
素子の使用限界温度は封止に用いられるガラス転
移温度によつて限定されることになる。 したがつて、高温度用のガラス封止型サーミス
タ素子においては、封止ガラスとして、一般に転
移温度が高いホウケイ酸ガラスが用いられてい
る。しかしながら、このホウケイ酸ガラスにおい
ては、転移温度が500〜600℃で鉛ガラスに比べる
とかなり高いが、まだ十分とはいえず、しかも作
業温度が通常1000℃以上と高いために、サーミス
タ素子の製造過程におけるガラス封止時に、サー
ミスタチツプ、電極、リード線などが熱により劣
化して電気抵抗値が変化し、安定したサーミスタ
特性を有するサーミスタ素子が得られにくいとい
う欠点がある。 発明が解決しようとする課題 本発明は、このような事情のもとで、ガラス封
止型サーミスタ素子の製造過程におけるガラス封
止時に、構成部材の劣化がない上、500℃以上の
高温での使用においても、安定したサーミスタ特
性を有する高温用ガラス封止型サーミスタ素子を
提供することを目的としてなされたものである。 課題を解決するための手段 本発明者らは、前記の好ましい性質を有する高
温用ガラス封止型サーミスタ素子を開発するため
に鋭意研究を重ねた結果、特定のガラス転移温度
(Tg)と作業温度(Tw)と熱膨張係数(α)と
場合により所定の電気抵抗値を有するガラスを用
いれば所期の目的を達成しうることを見出し、こ
の知見に基づいて本発明を完成するに至つた。 すなわち、本発明は、(イ)SiO225〜35重量%と
B2O315〜30重量%との組合せで両者の合計量が
50〜55重量%、(ロ)Al2O32〜15重量%、(ハ)BaO単
独又はBaOとSrO、CaO、MgO及びZnOの中か
ら選ばれた少なくとも1種の酸化物との組合せ
で、BaO5重量%以上、SrO20重量%以下、
CaO15重量%以下、MgO15重量%以下、ZnO5重
量%以下を含む二価金属成分25〜40重量%及び所
望に応じ(ニ)ZrO26重量%以下、Li2O0.5重量%以
下、Na2O1重量%以下、K21重量%以下を成分と
して含有し、かつガラス転移温度(Tg)600℃以
上、作業温度(Tw)950℃以下であるホウケイ
酸ガラスを用いた高温用ガラス封止型サーミスタ
素子を提供するものである。 以下、本発明をさらに詳細に説明する。 本発明のサーミスタ素子に用いる封止ガラス
は、前記したように、主成分のSiO2とB2O3とか
ら成るホウケイ酸成分(イ)とアルミナ成分(ロ)と所定
の二価金属酸化物成分(ハ)と、所望に応じ添加され
る所定の任意成分(ニ)とから成る組成を有してい
る。 そして、(イ)〜(ニ)成分に関しては、それぞれ所定
の配合割合がとられるが、これは次のような理由
による。 すなわち、(イ)成分中のSiO2は、ガラスの網目
を構成する主成分であり、ガラスの安定化また化
学的耐久性の向上に有効である。しかしながら、
25重量%より少ないと上記効果が少なく、35重量
%より多くなると、ガラスの粘度が高くなり、作
業温度(Tw)の上昇を招く。 B2O3は、SiO2と同様ガラスの網目を構成する
成分であり、作業温度を下げると共にガラス転移
温度(Tg)を上昇させるのに有効である。しか
し、15重量%より少ないと上記効果が少なく、30
重量%より多くなると、化学的耐久性が劣化す
る。 また、SiO2及びB2O3の合計量が50重量%より
少ないとガラスの安定性が悪くなり、55重量%よ
り多くなると、作業温度(Tw)の上昇を招くの
で所定の範囲内とする。 次に(ロ)成分のAl2O3は、化学的耐久性を改善
し、ガラス転移温度(Tg)を上げるのに有効な
成分である。しかし、2重量%より少ないと上記
の効果が得られず、15重量%より多くなると作業
温度(Tw)の上昇を招くと共にガラスの安定性
が低下する。 (ハ)成分のBaO、SrO、CaO、MgO及びZnOは、
熱膨張係数の調整やガラス転移温度(Tg)を下
げることなく作業温度(Tw)を下げるのに有効
な成分である。 しかしBaOは5重量%より少ないと上記の効
果が得られず、40重量%より多くなると、熱膨張
係数が所定の範囲を超えてしまうと共に化学的耐
久性が劣化する。 SrOは20重量%より多くなると、CaO及び
MgOは15重量%より多くなるとガラスの安定性
を悪くし、失透傾向を増大する。 ZnOは作業温度(Tw)を下げるのに有効であ
るが、5重量%より多くなると、失透傾向を増し
てしまう。 かつBaO、SrO、CaO、MgO及びZnOの合計
量が25重量%より少ないと前記の効果が少なく、
40重量%より多くなると、ガラスの安定性及び化
学的耐久性が低下する。 ZrO2はAl2O3と同様にガラス転移温度(Tg)
の上昇及び化学的耐久性の向上に有効な成分であ
るが6重量%より多くなると、失透傾向を助長す
る。 Li2O、Na2O及びK2Oは、作業温度(Tw)を
下げるのに有効な成分である。しかしLi2Oは0.5
重量%、Na2O及びK2Oは1重量%より多くなる
と、ガラス転移温度を下げると共に、電気特性の
劣化を招くので好ましくない。 次に本発明に係る封止ガラスの組成(数値は重
量%)、作業温度(Tw)、転移温度(Tg)、熱膨
張係数(α)、500℃における比抵抗を表に示す。
INDUSTRIAL APPLICATION FIELD The present invention relates to a high-temperature glass-sealed thermistor element. More specifically, the present invention does not cause deterioration of each component during glass sealing in the manufacturing process of a glass-sealed thermistor element, and also has stable thermistor characteristics even when used at high temperatures of 500°C or higher. This invention relates to a glass-sealed thermistor element for high temperatures. Conventional technology Conventionally, thermistor elements have been widely used in many fields as temperature sensors for temperature measurement and temperature control by utilizing the temperature dependence of the electrical resistance of the temperature-sensitive resistor. As electronic control of equipment progresses, there is a growing demand for highly reliable equipment even when used under severe conditions. For example, thermistor elements used in automobile exhaust gas temperature detection sensors, oil and gas combustion control sensors, etc. are required to be able to withstand high temperatures. Thermistor elements include glass-sealed types and thin-film types. Among these, glass-sealed thermistor elements have a thermistor chip that has a pair of electrodes each connected to a lead wire, and is sealed in glass. It has a structure. Conventionally, lead glass has been used as the sealing glass used in such glass-sealed thermistor elements, but this glass has a low glass transition temperature of 400°C or less, so it is difficult to use this as the sealing glass. The thermistor elements used in the past were difficult to use at high temperatures, especially above 500°C, so they had to be limited in their use. By the way, glass has a glass transition temperature.Atoms and ions move easily around this glass transition temperature range, and the glass structure loosens, so the coefficient of thermal expansion of glass decreases rapidly above the glass transition temperature. It will increase to . For glass-sealed thermistors, the materials of the thermistor chip, sealing glass, lead wires, and other component parts are selected appropriately and their coefficients of thermal expansion are roughly matched to create a thermally stable thermistor element. It is important to. Considering the coefficient of thermal expansion in this way, the limit temperature for use of a glass-sealed thermistor element is limited by the glass transition temperature used for sealing. Therefore, in glass-sealed thermistor elements for high temperatures, borosilicate glass, which has a high transition temperature, is generally used as the sealing glass. However, although this borosilicate glass has a transition temperature of 500 to 600°C, which is considerably higher than lead glass, it is still insufficient, and the working temperature is usually over 1000°C, so it is difficult to manufacture thermistor elements. During the glass sealing process, the thermistor chip, electrodes, lead wires, etc. deteriorate due to heat and the electrical resistance changes, making it difficult to obtain a thermistor element with stable thermistor characteristics. Problems to be Solved by the Invention Under these circumstances, the present invention has been developed to provide a method that does not cause deterioration of constituent members during glass sealing in the manufacturing process of a glass-sealed thermistor element, and that can be used at high temperatures of 500°C or higher. The purpose of this invention is to provide a high-temperature glass-sealed thermistor element that has stable thermistor characteristics during use. Means for Solving the Problems As a result of intensive research to develop a high temperature glass-sealed thermistor element having the above-mentioned preferable properties, the present inventors have determined that a specific glass transition temperature (Tg) and working temperature (Tw), thermal expansion coefficient (α), and in some cases a predetermined electrical resistance value, it was found that the desired objective could be achieved, and based on this knowledge, the present invention was completed. That is, the present invention provides (a) 25 to 35% by weight of SiO 2 and
In combination with B 2 O 3 15-30% by weight, the total amount of both becomes
50 to 55% by weight, (b) Al 2 O 3 2 to 15% by weight, (c) BaO alone or in combination with BaO and at least one oxide selected from SrO, CaO, MgO and ZnO. , BaO5% by weight or more, SrO20% by weight or less,
25 to 40% by weight of divalent metal components including up to 15% by weight of CaO, up to 15% by weight of MgO, up to 5% by weight of ZnO, and optionally (d) up to 6% by weight of ZrO 2 , up to 0.5% by weight of Li 2 O, and up to 0.5% by weight of Li 2 O. High-temperature glass-sealed type using borosilicate glass containing 1% by weight or less of O and 1% by weight or less of K2 , and has a glass transition temperature (Tg) of 600℃ or higher and a working temperature (Tw) of 950℃ or lower. The present invention provides a thermistor element. The present invention will be explained in more detail below. As mentioned above, the sealing glass used in the thermistor element of the present invention is composed of a borosilicate component (a) consisting of SiO 2 and B 2 O 3 as main components, an alumina component (b), and a predetermined divalent metal oxide. It has a composition consisting of component (c) and a predetermined optional component (d) that is added as desired. As for components (a) to (d), predetermined blending ratios are adopted for each of them, and this is due to the following reasons. That is, SiO 2 in component (a) is the main component constituting the glass network, and is effective in stabilizing the glass and improving chemical durability. however,
If it is less than 25% by weight, the above effects will be small, and if it is more than 35% by weight, the viscosity of the glass will increase, leading to an increase in the working temperature (Tw). Like SiO 2 , B 2 O 3 is a component of the glass network, and is effective in lowering the working temperature and increasing the glass transition temperature (Tg). However, if it is less than 15% by weight, the above effects will be small, and 30
When the amount exceeds % by weight, chemical durability deteriorates. Also, if the total amount of SiO 2 and B 2 O 3 is less than 50% by weight, the stability of the glass will deteriorate, and if it exceeds 55% by weight, the working temperature (Tw) will increase, so it should be within the specified range. . Next, component (b) Al 2 O 3 is an effective component for improving chemical durability and increasing the glass transition temperature (Tg). However, if it is less than 2% by weight, the above effects cannot be obtained, and if it is more than 15% by weight, the working temperature (Tw) increases and the stability of the glass decreases. (iii) Ingredients BaO, SrO, CaO, MgO and ZnO are:
It is an effective component for lowering the working temperature (Tw) without adjusting the coefficient of thermal expansion or lowering the glass transition temperature (Tg). However, if BaO is less than 5% by weight, the above effects cannot be obtained, and if it is more than 40% by weight, the thermal expansion coefficient will exceed a predetermined range and the chemical durability will deteriorate. When SrO exceeds 20% by weight, CaO and
When MgO exceeds 15% by weight, it deteriorates the stability of the glass and increases its tendency to devitrify. ZnO is effective in lowering the working temperature (Tw), but if it exceeds 5% by weight, it increases the tendency to devitrify. And if the total amount of BaO, SrO, CaO, MgO and ZnO is less than 25% by weight, the above effect will be small,
If it exceeds 40% by weight, the stability and chemical durability of the glass will decrease. ZrO 2 has a glass transition temperature (Tg) similar to Al 2 O 3
Although this component is effective in increasing the carbon content and improving chemical durability, if it exceeds 6% by weight, it promotes a tendency to devitrify. Li 2 O, Na 2 O and K 2 O are effective ingredients for lowering the working temperature (Tw). But Li 2 O is 0.5
When the weight percent of Na 2 O and K 2 O exceeds 1 weight percent, it is not preferable because it lowers the glass transition temperature and causes deterioration of electrical properties. Next, the composition (values are weight %), working temperature (Tw), transition temperature (Tg), coefficient of thermal expansion (α), and specific resistance at 500°C of the sealing glass according to the present invention are shown in the table.

【表】【table】

【表】 さらに、本発明のサーミスタ素子に用いられる
封止ガラスは、ガラス転移温度が600℃以上、好
ましくは600〜700℃の範囲にあり、かつ作業温度
が950℃以下、好ましくは800〜950℃の範囲にあ
ることが必要である。該ガラス転移温度が600℃
未満のものでは500℃以上の高温での常用使用に
おいて、十分に安定したサーミスタ特性を有する
サーミスタ素子が得られないおそれがあるし、作
業温度が950℃を超えるとサーミスタ素子の製造
過程におけるガラス封止時に、サーミスタチツ
プ、電極、リード線などが熱により劣化して電気
抵抗値が変化し、安定したサーミスタ特性を有す
るサーミスタ素子が得られにくくなる。 また、場合により、前記封止ガラスは、熱膨張
係数(α)50×10-7〜70×10-7deg-1、500℃にお
ける比抵抗1×106Ω・cm以上であるものが好ま
しい。 次に、本発明の高温用ガラス封止型サーミスタ
素子を製造する方法について説明すると、まず、
熱膨張率が30×10-7〜90×10-7deg-1程度の焼結
体から成る直径3インチ程度、厚さ0.5mm程度の
ウエハを作製したのち、このウエハの両面に、電
極層を形成し、次いでこの電極層が形成されたウ
エハを、ダイシングソーなどにより一辺0.75mm程
度の正方形に切断し、チツプ化する。この際使用
する焼結体については特に制限はなく、従来サー
ミスタ材料として慣用されているもの、例えば
MnO2−NiO系、Al2O3−NiO系、ZrO2系、
Al2O3−CrO3系、Fe2O3系、スピネル系、SiC系
などを用いることができるが、特に炭化物、窒化
物、ホウ化物及びケイ化物の中から選ばれた少な
くとも1種を含有する焼結体が好ましく用いられ
る。このようなサーミスタ材料の中で、特に熱膨
張率が30×10-7〜90×10-7deg-1、好ましくは50
×10-7〜70×10-7deg-1の範囲にあるものが好適
である。この熱膨張率が前記範囲を逸脱すると、
高温用サーミスタ素子に適したリード線や封止ガ
ラスの材料を選定するのが困難となり好ましくな
い。 該炭化物としては、例えばSiC、B4C、TiC、
ZrC、Mo2、NbC、CrO3C2などが、窒化物とし
て例えばBN、TiN、NbN、Cr2Nなどが、ホウ
化物としては例えばCrB、ZrB、MoB、WBなど
が、ケイ化物としては例えばMoSi2、CrSi2
TiSi2、WSi2などが挙げられる。 これらの炭化物、窒化物、ホウ化物及びケイ化
物の中から選ばれた少なくとも1種を含有する焼
結体は、高温域でのB定数の安定化や不活性ガス
中での高温封止の点で有利である。 このような材料としては、例えばAl2O3−SiC
系、Al2O3−B4C系、Al2O3−SiC−B4C系、
Al2O3−B4C−BN系、Al2O3−(TiN、NbN)
系、Al2O3−TiSi2系など、Al2O3を含有するもの
を挙げることができる。これらの材料において
は、該Al2O3の含有量が50〜95重量%の範囲にあ
るものが好ましい。SiCを含有する場合、その含
有量は50重量%以下が好ましく、50重量%を超え
るとガラス封止の際に、発泡が多く生じるおそれ
がある。 一方、電極層については特に制限はなく、従来
サーミスタ素子に慣用されている導電性材料から
成る電極あるいは導電性材料を含有する電極の中
から任意のものを選択して用いることができる。 前記導電性材料としては、公知の導電性物質、
例えばAu、Ag、Pt、Pd、W、Cu、Ni、Mo、
Ml、Fe、Ti、Mnなど、あるいはPt−Au、Pd−
Au、Pt−Pd−Au、Pd−Ag、Pt−Pd−Ag、Fe
−Ni−Co、Fe−Ni、Mo−Mnなどの合金などい
ずれも使用可能である。 これらの導電性材料を気相めつき、液相めつ
き、溶射、あるいは箔にしてロウ付などにより電
極層とすればよい。また、これらの導電性材料
を、バインダ及び溶剤、さらに好ましくはこれら
に適当な酸化物を加え、混合して導電性ペースト
を作製し、この導電性ペーストをサーミスタチツ
プに塗布して焼成し、電極層とするいわゆる厚膜
法により形成してもよい。なお、該ペーストとし
ては、ガラス分を含有しないガラスフリツトレス
のものを用いるのが好ましい。ガラスフリツト入
りのものを用いると、接続の際に発泡が生じやす
く、接続性や密着性が悪くなるおそれがある、こ
のような電極層の厚さは、通常5〜200μmの範
囲で選ばれる。 次に、このようにして得られたチツプに、直径
0.2〜0.5mm、長さ20〜100mm程度のリード線を接
続したのち、これを通常直径1.5〜2.5mm、長さ5
mm程度の封止ガラスから成るガラス管に挿入し
て、アルゴンガス雰囲気などの不活性雰囲気中
で、750〜900℃程度の温度において封止し、さら
に必要に応じ、500〜750℃の範囲の温度におい
て、10〜100時間程度エージングを行うことによ
り、ガラス封止型サーミスタ素子を得ることがで
きる。 この際用いられるリード線については特に制限
はなく、従来サーミスタ素子における耐熱リード
線として慣用されているもの、例えば29重量%
Ni−17重量%、Co−残Feの組成を有するコバー
ル合金や41〜43重量%Ni−残Feの組成を有する
42アロイ合金、あるいはFe−Cr系合金などから
成るものを用いることができるが、これらの中で
熱膨張率や封止ガラスとの密着性などの点からコ
バール合金から成るものが好適である。このよう
なリード線は、あらかじめその表面に白金などの
耐熱金属を用いてめつき処理を施したものを用い
てもよい。 前記リード線としては、通常直径が0.2〜0.5
mm、長さ20〜100mmの範囲にあるものが用いられ、
また、このリード線を該電極層に接続する方法と
しては、例えば金ペーストなどの導電性ペースト
を用い、電気的に接触させて接続する方法、溶接
による方法、超音波ボンダーによる方法など、任
意の方法を用いることができる。 このようにして作製されたガラス封止型サーミ
スタ素子の構造を添付図面に従つて説明すると、
図はサーミスタチツプ1の両側に、一対の電極層
4が設けられ、この電極層4のそれぞれに、リー
ド線3が接続され、さらにリード線の一部を除く
全体が封止剤2で封止された構造を示している。 実施例 次に、実施例により本発明をさらに詳細に説明
するが、本発明はこれらの例によつてなんら限定
されるものではない。 なお、サーミスタ素子の耐熱性は、サンプルを
500℃にて5000時間保持し、高温保存による抵抗
値の変化をΔR、高温保存前の抵抗値をR0とし
て、式 抵抗変化率(%)=ΔR/R0×100 に従つて抵抗変化率を求め評価した。 実施例 1 Al2O386重量%とB4C14重量%とから成る直径
3インチ、厚さ0.5mmの複合焼結体を、焼成温度
1650℃、プレス圧200Kg/cm2の条件下でホツトプ
レス焼結して作製したのち、この複合焼結体の両
面に、蒸着により厚さ0.5μmのNi電極層を形成
し、さらにこの上に、めつきにより厚さ1.0μmの
白金電極層を形成し、ウエハとした。次いで、こ
のようにして得られたウエハを、外周スライシン
グマシンによりダイアモンドブレードにて一辺
0.75mmの正方形に切断加工し、サーミスタチツプ
を得た。 続いて、このチツプに、直径0.3mm、長さ65mm
のコバール合金製リード線を下記に示す条件にて
パラレルギヤツプ溶接法により接続した。 (パラレルギヤツプ溶接条件) 交流電圧 0.06〜0.83V 時 間 30〜40msec ギヤツプ長 0.20mm 印加圧力 2.8Kg 次に、このようにして得られたものを、ガラス
転移温度650℃、作業温度942℃のNo.1ガラス(組
成、表のNo.1)から成る直径2.5mm、長さ4mm管
に挿入し、アルゴンガス雰囲気中で800℃にて封
止したのち、これをエージング処理して、図に示
されるようなガラス封止型サーミスタ素子を作製
した。 このものについて、耐熱性を調べたところ、抵
抗変化率は1.0%以下であつた。 実施例 2 実施例1における封止ガラスとして、No.1ガラ
スの代りに、ガラス転移温度623℃、作業温度879
℃のNo.2ガラス(組成、表のNo.2)を用いた以外
は、実施例1と全く同様にしてガラス封止型サー
ミスタ素子を作製し、その耐熱性を調べた。その
結果、抵抗変化率は1.0%以下であつた。 比較例 実施例1におけるNo.1ガラスの代りに、ガラス
転移温度が490℃、作業温度が1128℃のコーニン
グ7052ホウケイ酸ガラス(SiO25重量%、B2O318
重量%、Al2O37重量%、BaO3重量%、Li2O1重
量%、Na2O2重量%、K2O3重量%)を用いた以
外は、実施例1と全く同様にしてガラス封止型サ
ーミスタ素子を作製し、その耐熱性を調べた。そ
の結果、抵抗変化率は10.0%であつた。 発明の効果 本発明の高温用ガラス封止型サーミスタ素子
は、ガラス転移温度(Tg)が600℃以上及び作業
温度(Tw)が1000℃未満、特に950℃以下で、
熱膨張係数(α)が50×10-7×10-7deg-1、かつ
500℃における比抵抗が1×106Ω・cm以上の封止
ガラスを用いることにより、ガラス封止型サーミ
スタ素子の製造過程におけるガラス封止時に、構
成部材の劣化をもたらすことがない上、500℃以
上の高温での使用においても安定したサーミスタ
特性を与えることができる。 このガラス封止型サーミスタ素子は、例えば自
動車排気ガス温度検出センサや石油・ガス燃焼制
御用センサなどの高温センサとして好適である。
[Table] Furthermore, the sealing glass used in the thermistor element of the present invention has a glass transition temperature of 600°C or higher, preferably in the range of 600 to 700°C, and a working temperature of 950°C or lower, preferably 800 to 950°C. It is necessary that the temperature be within the range of ℃. The glass transition temperature is 600℃
If the working temperature exceeds 950°C, it may not be possible to obtain a thermistor element with sufficiently stable thermistor characteristics in regular use at high temperatures of 500°C or higher, and if the working temperature exceeds 950°C, the glass seal during the manufacturing process of the thermistor element When the thermistor chip, electrodes, lead wires, etc. are deteriorated by heat, the electrical resistance value changes, making it difficult to obtain a thermistor element with stable thermistor characteristics. In some cases, the sealing glass preferably has a thermal expansion coefficient (α) of 50×10 -7 to 70×10 -7 deg -1 and a specific resistance of 1×10 6 Ω·cm or more at 500°C. . Next, the method for manufacturing the high-temperature glass-sealed thermistor element of the present invention will be explained.
After fabricating a wafer of about 3 inches in diameter and 0.5 mm thick made of a sintered body with a coefficient of thermal expansion of about 30 x 10 -7 to 90 x 10 -7 deg -1 , an electrode layer is placed on both sides of the wafer. Then, the wafer with the electrode layer formed thereon is cut into square pieces with sides of about 0.75 mm using a dicing saw or the like to form chips. There are no particular restrictions on the sintered body used at this time, and materials that are conventionally used as thermistor materials, such as
MnO 2 −NiO system, Al 2 O 3 −NiO system, ZrO 2 system,
Al 2 O 3 -CrO 3 type, Fe 2 O 3 type, spinel type, SiC type, etc. can be used, but in particular, it contains at least one selected from carbides, nitrides, borides, and silicides. A sintered body that has the following properties is preferably used. Among such thermistor materials, those having a thermal expansion coefficient of 30×10 -7 to 90×10 -7 deg -1 , preferably 50
A range of ×10 −7 to 70×10 −7 deg −1 is suitable. If this coefficient of thermal expansion deviates from the above range,
This is undesirable because it becomes difficult to select materials for lead wires and sealing glass suitable for the high-temperature thermistor element. Examples of the carbide include SiC, B 4 C, TiC,
ZrC, Mo 2 , NbC, CrO 3 C 2 etc., nitrides such as BN, TiN, NbN, Cr 2 N etc., borides such as CrB, ZrB, MoB, WB etc., silicides such as MoSi2 , CrSi2 ,
Examples include TiSi 2 and WSi 2 . A sintered body containing at least one selected from these carbides, nitrides, borides, and silicides is effective in stabilizing the B constant in a high temperature range and in high-temperature sealing in an inert gas. It is advantageous. Examples of such materials include Al 2 O 3 −SiC
system, Al 2 O 3 −B 4 C system, Al 2 O 3 −SiC−B 4 C system,
Al 2 O 3 −B 4 C−BN system, Al 2 O 3 − (TiN, NbN)
Examples include those containing Al 2 O 3 such as Al 2 O 3 -TiSi 2 type and Al 2 O 3 -TiSi 2 type. Among these materials, it is preferable that the content of Al 2 O 3 is in the range of 50 to 95% by weight. When containing SiC, the content is preferably 50% by weight or less, and if it exceeds 50% by weight, there is a risk that a large amount of foaming will occur during glass sealing. On the other hand, there are no particular restrictions on the electrode layer, and any electrode layer can be selected from among electrodes made of conductive materials or electrodes containing conductive materials that have been conventionally used in thermistor elements. As the conductive material, known conductive substances,
For example, Au, Ag, Pt, Pd, W, Cu, Ni, Mo,
Ml, Fe, Ti, Mn, etc., or Pt−Au, Pd−
Au, Pt-Pd-Au, Pd-Ag, Pt-Pd-Ag, Fe
Alloys such as -Ni-Co, Fe-Ni, Mo-Mn, etc. can be used. These conductive materials may be formed into an electrode layer by vapor phase plating, liquid phase plating, thermal spraying, or brazing in a foil. In addition, these conductive materials are mixed with a binder and a solvent, and more preferably with an appropriate oxide, to prepare a conductive paste, and this conductive paste is applied to a thermistor chip and fired to form an electrode. It may also be formed by a so-called thick film method. Note that it is preferable to use a glass fritless paste that does not contain glass. If an electrode layer containing glass frit is used, foaming is likely to occur during connection, which may impair connectivity and adhesion.The thickness of such an electrode layer is usually selected in the range of 5 to 200 μm. Next, the diameter of the chip thus obtained is
After connecting a lead wire with a diameter of 0.2 to 0.5 mm and a length of 20 to 100 mm, this is usually connected to a wire with a diameter of 1.5 to 2.5 mm and a length of 5 mm.
It is inserted into a glass tube made of sealing glass with a diameter of about 1.2 mm and sealed at a temperature of about 750 to 900 °C in an inert atmosphere such as an argon gas atmosphere. A glass-sealed thermistor element can be obtained by aging at a temperature of about 10 to 100 hours. There are no particular restrictions on the lead wire used at this time, and the lead wire that is conventionally used as a heat-resistant lead wire in thermistor elements, for example, 29% by weight.
Kovar alloy has a composition of Ni - 17% by weight, Co - residual Fe, and a composition of 41 to 43% by weight Ni - residual Fe.
42 alloy or Fe-Cr alloy can be used, but among these, Kovar alloy is preferred from the viewpoint of thermal expansion coefficient and adhesion to the sealing glass. Such lead wires may have their surfaces plated in advance with a heat-resistant metal such as platinum. The lead wire usually has a diameter of 0.2 to 0.5
mm, length in the range of 20 to 100 mm is used,
Further, as a method for connecting this lead wire to the electrode layer, any method may be used, such as a method of electrically contacting and connecting using a conductive paste such as gold paste, a method using welding, a method using an ultrasonic bonder, etc. A method can be used. The structure of the glass-sealed thermistor element produced in this way will be explained according to the attached drawings.
In the figure, a pair of electrode layers 4 are provided on both sides of a thermistor chip 1, a lead wire 3 is connected to each of the electrode layers 4, and the entire lead wire except for a part is sealed with a sealant 2. It shows the structure that was created. Examples Next, the present invention will be explained in more detail with reference to Examples, but the present invention is not limited to these Examples in any way. Note that the heat resistance of the thermistor element is determined by
After holding at 500℃ for 5000 hours, the change in resistance value due to high temperature storage is ΔR, and the resistance value before high temperature storage is R 0 , and the resistance change rate is calculated according to the formula: Resistance change rate (%) = ΔR/R 0 × 100 was determined and evaluated. Example 1 A composite sintered body with a diameter of 3 inches and a thickness of 0.5 mm consisting of 86% by weight of Al 2 O 3 and 14% by weight of B 4 C was fired at
After hot-press sintering at 1650℃ and press pressure of 200Kg/ cm2 , a 0.5μm thick Ni electrode layer was formed on both sides of the composite sintered body by vapor deposition, and on top of this, A platinum electrode layer with a thickness of 1.0 μm was formed by plating to prepare a wafer. Next, the wafer thus obtained is sliced on one side with a diamond blade using a peripheral slicing machine.
The thermistor chip was obtained by cutting into a 0.75 mm square. Next, add a diameter of 0.3 mm and a length of 65 mm to this chip.
The Kovar alloy lead wires were connected by parallel gap welding under the conditions shown below. (Parallel gap welding conditions) AC voltage: 0.06 to 0.83V Time: 30 to 40msec Gap length: 0.20mm Applied pressure: 2.8Kg Next, the material obtained in this way was No. 1 with a glass transition temperature of 650℃ and a working temperature of 942℃. The tube was inserted into a 2.5 mm diameter and 4 mm length tube made of glass (composition, No. 1 in the table), sealed at 800°C in an argon gas atmosphere, and then aged. A glass-sealed thermistor element was fabricated. When this material was examined for heat resistance, the rate of change in resistance was 1.0% or less. Example 2 As the sealing glass in Example 1, instead of No. 1 glass, a glass transition temperature of 623°C and a working temperature of 879°C was used.
A glass-sealed thermistor element was prepared in exactly the same manner as in Example 1, except that No. 2 glass (composition, No. 2 in the table) of ℃ was used, and its heat resistance was examined. As a result, the resistance change rate was 1.0% or less. Comparative Example Instead of the No. 1 glass in Example 1, Corning 7052 borosilicate glass (SiO 2 5% by weight, B 2 O 3 18
Glass sealing was carried out in exactly the same manner as in Example 1, except that 7 wt . A type thermistor element was manufactured and its heat resistance was investigated. As a result, the resistance change rate was 10.0%. Effects of the Invention The high temperature glass-sealed thermistor element of the present invention has a glass transition temperature (Tg) of 600°C or more and a working temperature (Tw) of less than 1000°C, particularly 950°C or less.
Thermal expansion coefficient (α) is 50×10 -7 ×10 -7 deg -1 and
By using sealing glass with a specific resistance of 1 x 10 6 Ω・cm or more at 500°C, there is no deterioration of the constituent members during glass sealing in the manufacturing process of glass-sealed thermistor elements, and Stable thermistor characteristics can be provided even when used at high temperatures of ℃ or higher. This glass-sealed thermistor element is suitable as a high-temperature sensor such as an automobile exhaust gas temperature detection sensor or an oil/gas combustion control sensor.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

図は本発明のガラス封止型サーミスタ素子の1
例の断面図であつて、図中符号1はサーミスタチ
ツプ、2は封止ガラス、3はリード線、4は電極
層である。
The figure shows one of the glass-sealed thermistor elements of the present invention.
This is a cross-sectional view of an example, in which reference numeral 1 is a thermistor chip, 2 is a sealing glass, 3 is a lead wire, and 4 is an electrode layer.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 (イ) SiO225〜35重量%とB2O315〜30重量%
との組合せで両者の合計量が50〜55重量%、 (ロ) Al2O32〜15重量%、 (ハ) BaO単独又はBaOとSrO、CaO、MgO及び
ZnOの中から選ばれた少なくとも1種の酸化物
との組合せで、BaO5重量%以上、SrO20重量
%以下、CaO15重量%以下、MgO15重量%以
下、ZnO5重量%以下を含む二価金属成分25〜
40重量%及び所望に応じ (ニ) ZrO26重量%以下、Li2O0.5重量%以下、
Na2O1重量%以下、K2O1重量%以下 を成分として含有し、かつガラス転移温度(Tg)
600℃以上、作業温度(Tw)950℃以下であるホ
ウケイ酸ガラスを用いた高温用ガラス封止型サー
ミスタ素子。 2 前記ホウケイ酸ガラスが、熱膨張係数(α)
50×10-7〜70×10-7deg-1、500℃における比抵抗
1×106Ω・cm以上である請求項1記載の高温用
ガラス封止型サーミスタ素子。 3 前記サーミスタ素子が、炭化物、窒化物、ホ
ウ化物及びケイ化物の1種以上を含む焼結体であ
る請求項1に記載の高温用ガラス封止型サーミス
タ素子。
[Claims] 1 (a) 25 to 35% by weight of SiO 2 and 15 to 30% by weight of B 2 O 3
(b) Al 2 O 3 2 to 15% by weight, (c) BaO alone or BaO and SrO, CaO, MgO and
A divalent metal component containing 5% by weight or more of BaO, 20% by weight or less of SrO, 15% by weight or less of CaO, 15% by weight or less of MgO, and 5% by weight or less of ZnO in combination with at least one oxide selected from ZnO.
40% by weight and as desired (d) ZrO 2 6% by weight or less, Li 2 O 0.5% by weight or less,
Contains 1% by weight or less of Na 2 O, 1% by weight or less of K 2 O, and has a glass transition temperature (Tg)
A high-temperature glass-sealed thermistor element using borosilicate glass with a working temperature (Tw) of 600℃ or higher and a working temperature (Tw) of 950℃ or lower. 2 The borosilicate glass has a coefficient of thermal expansion (α)
2. The high-temperature glass-sealed thermistor element according to claim 1, having a specific resistance of 1×10 6 Ω·cm or more at 50×10 −7 to 70×10 −7 deg −1 and 500° C. 3. The high-temperature glass-sealed thermistor element according to claim 1, wherein the thermistor element is a sintered body containing one or more of carbides, nitrides, borides, and silicides.
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