JPS63138705A

JPS63138705A - サ−ミスタ素子およびその製造方法

Info

Publication number: JPS63138705A
Application number: JP28653486A
Authority: JP
Inventors: 行雄川口; 透木練
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 1986-12-01
Filing date: 1986-12-01
Publication date: 1988-06-10

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ■　発明の背景技術分野本発明は、高温用のサーミスタ素子とその製造方法に関
する。

先行技術とその問題点サーミスタは、感温抵抗体の電気抵抗の温度依存性を利
用した温度センサであり、温度測定や温度制御等に汎用
されている。　特に高温用としては、例えば自動車排気
ガス温度検出センサ、電気炉の温度計測用センサなどに
使用されている。

サーミスタ素子の構造は、例えば特開昭６０−３７１０
１号に記載されているように、従来、感温材料である焼
結セラミック中に電極部を埋設しているため、埋設した
電極部の欠損が多いことや、電極用に使用する白金電極
が高価であることなどの欠点がある。

このような欠点に対処するために、特公昭５８−２１８
０１号には「柱状絶縁体と柱状絶縁体を包む保護皮膜絶
縁体と、両絶縁体間に形成された少なくとも１対の導電
体と、導電体に外部へ連絡するために設けられた電極と
、導電体と導電体を短絡するように設置された感温材料
を有する一体化された構造」のサーミスタ素子が開示さ
れている。

しかし、この提案のものは、絶縁体と導電体との接続に
際しては、絶縁体の生シートに導電体を塗布して丸めて
焼成するか、あるいは絶縁体の主柱状体に導電体を印刷
し焼成するか、あるいは焼結した絶縁体に導電体を蒸着
、スパッタ等で形成している。　そして、このように一
体化された絶縁体と導電体に対し、感温材料を溶着した
り、溶射したりして一体化する。

すなわち、導電体および感温材料は絶縁体に担持される
ものであって、素子の機械的強度が絶縁体によって決ま
るため、十分な機械的強度を得るためには素子が大型化
する。

また、高温使用時における導電体、絶縁材料および感温
材料間の剥離防止についても万全ではない。　このため
保護膜を厚くせざるをえない。

さらには、導電体後端には別途電極を形成するため、工
程増を招き、これらの電気的接合の安定性も十分とはい
えない。

また、特開昭６０−４９６０７号には、それぞれの生材
料をホットプレス焼結することにより、サーミスタ材料
としての多結晶焼結体と、１対の導電体としての導電性
セラミックスとを一体化したものが開示されている。

ところで、高温用の感温素子は、リード接続部を保護す
るため、ある程度の長尺のものとしなければならない。

　しかしこのように構成するには、サーミスタ材料の後
端に長尺の導電体材料を配して焼結一体化したのち、１
対の導電体を形成するために、サーミスタチップに至る
まで導電体を切欠かなければならない。

このため、製造上煩瑣となり、また研削精度により検出
精度にも１４が生じる。　また、導電体とサーミスタチ
ップとの接着強度を高めるためには柱状体の巾を大きく
せざるをえず、素子が大型化する。　あるいは機械的強
度も十分でない。

そして、いずれにしても従来のものでは検出範囲が挟い
という欠点がある。

■　発明の目的本発明の目的は、サーミスタ材料と電極とリード線との
電気的接合が一体化でき、精度よく検出範囲を広げるこ
とが可能となり、小型でしかも高温での使用において安
定性および信頼性が充分であり、かつ機械的強度が大き
く、しかも保護膜を形成する際薄膜化が可能なサーミス
タ素子およびその製造方法を提供することにある。

■　発明の開示このような目的は、下記の本発明によって達成される。

すなわち、本発明における第１の発明は、温度特性の異
なる複数のサーミスタチップを有し、複数の導電体の先
端部間にサーミスタチップを挟持して一体化し、温度範
囲に従い、異なるサーミスタチップにより測温すること
を特徴とするサーミスタ素子である。

また第２の発明は、複数の導電体材料の先端部間にそれ
ぞれ温度特性の異なる複数のサーミスタ材料を挟持する
ように配し、さらに導電体材料の後端部間にサーミスタ
材料に接してスペーサー材料を挟持するように配し、こ
れを加圧子加熱して一体化することを特徴とするサーミ
スタ素子の製造方法である。

また第３の発明は、複数の導電体材料の先端部間にそれ
ぞれ温度特性の異なる複数のサーミスタ材料を挟持する
ように配し、さらに導電体材料の後端部間にサーミスタ
材料に接してスペーサー材料を挟持するように配し、こ
れを加圧子加熱して一体化し、スペーサー材料を除去し
たことを特徴とするサーミスタ素子の製造方法である。

■　発明の具体的構成以下、本発明の具体的構成について詳細に説明する。

本発明のサーミスタ素子は、温度特性の異なる複数のサ
ーミスタチップを有し、複数の導電体の先端部間にサー
ミスタチップを挟持して一体化し、温度範囲に従い、異
なるサーミスタチップにより測温するものである。

第１図および第２図は、本発明のサーミスタ素子の１実
施態様を示す断面図である。

第１図および第２図に示すように、本発明のサーミスタ
素子１は、通常、外形角柱状の形状である。　そして、
第１図に示すように、３個の導電体１２，１２．１２の
先端部間の２箇所に２個のサーミスタチップ１１．１１
をそれぞれ挾持して一体化したものであってよい。　ま
た、第２図に示すように、さらに導電体１２゜１２．１
２の後端部間（第１図に示される間隙）にそれぞれのサ
ーミスタチップ１１．１１に接してスペーサー１３．１
３をそれぞれ介在させて一体化したものであってもよい
。

なお、図示例ではサーミスタチップの数は２個としてい
るが、目的に応じてその数を適宜決定すればよく、同様
な構造とすればよい。

また、本発明において、サーミスタ素子はこのような構
造に限定されるわけではなく、複数の導電体１２の先端
部間にサーミスタチップ１１を一体化した構造であれば
どのようなものであってもよい。

この場合、導電体１２，１２．１２（および第２図の態
様ではスペーサー１３．１３）は、サーミスタチップ１
１．１１の後端に接続するような構造とすることもでき
る。

ただ、この場合は、十分な機械的強度を得るためには、
サーミスタチップ１１および素ｆ−が大型化するので、
図示のように、導電体１２゜１２．１２をサーミスタチ
ップ１１．１１の側面先端まで到達するようにすること
が好ましい。

サーミスタチップ１１の側面および後端面の一部と導電
体１２．１２とが接するようにすることもできる。

そして、本発明においては、導電体の厚さを導電体間の
間隙（例えば第１図の態様）またはスペーサーの厚さく
例えば第２図の態様）で除した値が、０．１〜１０、好
ましくは０．４〜１とするのがよい。

この値が０．１未満では、素子が大型化し、またｌＯを
こすと、１対の導電体間の絶縁が不良となるからである
。

本発明のサーミスタ素子の大きさは、通常、［３０〜８
０ｍｍ、横０．４５〜０．７５ｍｍ、厚さ０．２４〜ｌ
Ｏ，５ｍｍ程度のものを積層したものであり、またサー
ミスタチップの大きさは、縦０．４５〜０．７５ｍｍ、
横０．４５〜０．７５＋ａｍ、厚さ０．２〜０．５ｍｍ
であり、導電体間の間隙またはスペーサーの厚さは０．
２〜０．５ｍｍとするのがよい。

本発明において用いるスペーサー材料としては、例えば
第１図に示すような間隙を設けた態様（以下、第１図の
態様と略す。）ではサーミスタ材料と加圧下での加熱時
に相互拡散しにくいものであればよい。　また、例えば
第２図に示すようなスペーサーを設けた態様（以下、第
２図の態様と略す。）では、サーミスタ材料より高抵抗
の材料であればよく、サーミスタ材料の抵抗値よりも１
０２〜１０１０倍程度、好ましくは１０８〜１０１０倍
程度高いものであればよい。

具体的にはＡＩＬ２０３　、ＭｇＯ１Ｓ　ｉ３Ｎ４　、ＡＩＩＮ、ＢＮ等が挙げられ、第１図
の態様ではＢＮ等が特に好適である。

サーミスタ材料としては、具体的には５ｉＣ−８４Ｃ７
ＢＮ系、Ａ　ｆｉ２０３−　（Ｔ　ｉ　Ｃ５Ｃｒ、、Ｃ
２、ＴｉＮ）ｉ、ＢＮ−（ＴｉＮ、ＮｂＮ）系、Ｎ　ｉ
　０−Ｍｎ２０３−Ａｌ２Ｏ２系、ＭｇＯ−（ＴａＣ，
Ｔ　ｉ　Ｃ）系等が挙げられる。

これらの材料は、用途により抵抗の仕様値は異なるが、
１例として１００℃での抵抗値が数にΩ〜数百にΩ程度
のものであり、材料の組成比、チップの形状等をかえる
ことにより所望とするそれぞれの仕様値を得ることがで
きる。

導電体材料としては、Ｗ、Ｍｏ、Ｍｏ−Ｍｎ系、Ｆ’ｅ
−Ｎｉ−Ｃｏ系、Ｔｉ系等の金属材料、５ｉＣ−ＴｉＣ
系、５ｉＣ−ＣｒＢ２系、ＺｒＮ系、Ｔｉｃ−ＴｉＮ系
、ＭｏＳ　ｉ２、ＬａＣｒＯ３等の導電性無機材料など
が挙げられる。

本発明のサーミスタ素子は、複数の導電体材料の先端部
間にそれぞれ温度特性の異なる複数のサーミスタ材料を
挟持するように配し、さらに導電体材料の後端部間にサ
ーミスタ材料に接してスペーサー材料を挟持するように
配し、これを加圧下加熱して一体化するか、または一体
化した後スペーサー材料を除去するかして得ている。

例えば、まず、サーミスタ材料、スペーサー材料および
導電体材料について、それぞれ所定の大きさのシート状
のものを作成し、第３ａ図に示すように、サーミスタ材
料２１の両側面に接してスペーサー材料２２を配し、こ
の上面と下面に接してそれぞれ導電体材料２３を接して
重ね、このような操作を必要回数（図示例では２回）繰
り返し、これらを加圧下加熱し、その後第３ｂ図に示す
ように所望の大きさに切断する方法などが挙げられる（
第２図に示すような態様）。

第１図に示すような態様では、さらに第３ｂ図に示すよ
うに切断してチップ化した後、スペーサー材料を除去す
る工程が加えられる。

なお、図示例では、サーミスタ材料とスペーサー材料と
の厚さは同じにしであるが、所望とするサーミスタ素子
の形状にあわせて、予め作成するシート状のものの形状
を適宜決定すればよい。

このような方法によれば、同時に５０〜数千個程度のサ
ーミスタ素子の作成が可能となる。

加圧下加熱は、具体的には、ホットプレス（ＨＰ）法や
熱間静水圧（ＨＩＰ）法によればよい。

ＨＰ法では、大気中等の酸素雰囲気下、あるいは真空、
Ａｒ、Ｎ２等の不活性雰囲気下で、５０〜３００Ｋｇ／
ばの加圧下、３００〜２２００℃の温度で、０．２〜２
時間加熱する。

このような条件とするのは、５０　にｇ／ｃｄ未満では
接合が不十分となり、３００Ｋｇ／ｃゴをこえると、用
いる押し型の消耗が激しく、その材質選定に困難さが生
じ、生産性が合わなくなるからであり、また３００℃未
満となると、接合が不十分となり、２２００℃をこえる
と、サーミスタ材料などにおいて組成系による特性（抵
抗値等）のバラツキが急激に増大するからである。

また、ＨＩＰ法では、Ａｒ等の不活性雰囲気下で５０〜
１５００　にｇ／ｃｄの加圧下、３ｏｏ〜２２００℃の
温度で０．２〜２時間加熱する。

このような条件とするのは、５０Ｋｇ／ｃゴ未満では接
合が不十分となり、１５００　　Ｋｇ／ｃｆをこえると
材料間の相互拡散のコントロールが困難となり、作業性
が悪くなるからであり、３００℃未満では接合が不十分
となり、２２００℃をこえると、サーミスタ材料などに
おいて組成系による特性（抵抗値等）のバラツキが急激
に増大するからである。

このような場合、用いる各材料は加圧上加熱によって各
構成部となる生材料のシート等であってもよい。

ただ、生材料を用いるときには、ＨＰあるいはＨＩＰに
際して、寸法ないし形状変化が生じつるので、各材料は
予め焼結あるいは仮焼きを行ったものであることが好ま
しい。　こ　の場合、焼結温度は各材料の好適温度とす
ればよい。

本発明においては、このような１軸方向（ＨＰ法）もし
くは３軸方向（ＨＩＰ法）に加圧下、加熱することによ
りサーミスタ材料と１対の導電体材料を、相互拡散によ
フて強固に接合させることができる。

このような拡散ないし反応層は数〜数１０−程度の厚さ
とすることが好ましい。

このような接合に際しては、サーミスタ材料と導電体材
料との熱膨張係数が互いに近似していることが必要であ
り、加圧、加熱、雰囲気等を前記のように制御すること
により、サーミスタ材料と導電体材料の相互拡散を図る
ものである。

このようなことからサーミスタ材料と導電体材料との組
合せとしては以下のものが挙げられる。

サーミスタ材料　　　　導電体材料ｌ）熱膨張係数；　（３０〜５５）　Ｘ　１０−？／”
Ｃ３ｉＣ−８，（ニーＢＮ系　　　５ｊＣ−ＴｉＣ系Ｓ
ｉ（ニーＣｒ８ｇ系Ｗ、　Ｍｏ、　　Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系Ｃ２）熱膨張係数、（５５〜７５）ＸＩＯ−７７”ＣＡｌ
１．２０３　−（ＴｉＣ。

Ｃｒ３１１：２、ＴｉＮ）系　　　　　ＺｒＮ系８Ｎ−
（ＴｉＮ　、　　ＮｂＮ　）　　系　　　Ｔｉｅ−Ｔｉ
Ｎ系３）熱膨張係数；７５Ｘ１０−？／’Ｃ以上Ｎｉ０
−Ｍｎ２０．−八１Ｌ２０３系　Ｆｅ−Ｔｉ−Ｃｒ系Ｍ
ｇ０−（ＴａＣ，Ｔｉ（：）系　　Ｆｅ−Ｎｉ１ｌ：ｒ
系Ｔｉ系加圧上加熱にひき続くチップ化後のスペーサー材料の除
去は、一般に研削等によればよい。

なお、スペーサー材料の除去は、チップ化後に行うこと
もできる。

本発明においては、第１図および７ｔＳ２図に示すよう
にサーミスタ素子１に保護膜１４を形成することが好ま
しい。　この場合、保護膜としてゾル−ゲルコート等の
薄膜を形成させることが好ましい。

具体的には、金属アルコキシド（シリコンアルコキシド
、アルミニウムアルコキシド、ジルコニウムアルコキシ
ド等）と溶媒（イソプロピルアルコール等）とをモル比
で１＝５の割合で加え、さらに必要に応じて安定化剤を
加えて溶液を調製し、この溶液に、外部電極部分く導電
体のサーミスタと反対側方向の一部分）をマスクしたサ
ーミスタ素子をディッピングし、室温で相対湿度６０％
以下の条件下乾燥させ、その後焼成することにより形成
させる。　焼成は、常圧でＳＯＯ℃程度で１０分間程度
行えばよい。

また、膜厚の制御は、ディッピングおよび焼成の操作の
回数を増減させることにより行えばよい。

このように薄膜を形成させることにより、耐熱性に優れ
たサーミスタ素子とすることができる。

この他、各種保護膜を形成することができる。

なお、保護膜を形成しない領域は３〜１０ｍｍ程度で十
分である。

本発明においては、サーミスタチップと導電体との間に
高融点金属系薄膜層を介在させてもよい。

介在させる高融点金属系の介在層を構成する材料として
は、融点８００〜４０００℃程度、抵抗がサーミスタ材
料の１０−２〜１０−’°程度のものが好ましい。

このようなものとしては、Ａｕ、Ｐｔ。

Ｐｄ、Ａｕ／Ｐｄ、Ａｇ／Ｐｄ、Ｐｔ／Ｐｄ。

Ａｇ／Ｐｄ、Ｍｏ／Ｔ　ｉ、Ｗ／Ｔ　ｉ、Ｍｏ。

Ｗ、Ｔｉ等の単一金属または合金などがある。

また、高融点金属系の介在層と、サーミスタチップある
いは導電体との界面付近には、加圧下での加熱による相
互拡散によって、ＷＣｌＭｏＳｉ、ＴｉＣ，ＴｉＮ、Ｔ
ｉＢ２等の高融点金属化合物が生成されてもよい。　従
って、高融点金属系の介在層が薄いときには、上記の融
点および抵抗を有するこれらの高融点金属化合物から介
在層が構成される。

このような点から、用いる高融点金属材料としては、上
記の単一金属または合金の蒸着あるいはスパッタ等の薄
膜や箔などが好ましい。

なお、高融点金属系の介在層は、上記物質の２種以上を
用いた多層構造であってもよい。

このような高融点金属系の介在層（・介在させることに
よって、後述する加圧下での加熱による接合に際し、加
熱温度を１００〜２００℃程度低く設定することができ
る。

また、接合時の条件、特に加熱温度の変動にも接合部の
状態が安定で、従）て、特性のバラつきが少い。

またリード線を固定するには、前記保護膜が形成されて
いない領域にて、ろう付は等を行えばよい。

■　発明の具体的作用効果本発明によれば、温度特性の異なる複数のサーミスタチ
ップを有し、複数の導電体の先端部間にサーミスタを挟
持して一体化し、温度範囲に従い、異なるサーミスタチ
ップに−り測温しているため、結反よく検出範囲を広げ
ることが可能なサーミスタ素子が得られる。

また、加圧下加熱により一体化して得ているため、サー
ミスタチップと電極とリード線との電気的接合が一体化
でき、小型でしかも高温での使用において安定性および
信頼性が充分であり、かつ機械的強度が大きい。　また
、保護膜を形成する際薄膜化が可能となる。　さらに製
造も容易となる。

■　発明の具体的実施例以下、本発明の具体的実施例を示し、本発明をさらに詳
細に説明する。

実施例サーミスタ材料として２種類のＡ２□０３−ＴｉＣ複合
焼結体（巾６５ｍｍ、長さ１．６ｍＬ１１゜厚さ０．５
ｍｌ１１）、導電体材料としてＴｉＣ−ＴｉＮ複合焼結
体（巾６５ｍｍ、長さ１３０ｍａ＋、厚さ０．３ｍｍ）
およびスペーサー材料としてＡｆｉ□Ｏ，（巾６５ａｍ
、長さ６４．２ｍｍ、厚さ０．５ｍｍ）を用い、第３ａ
図に示すように重ねてホットプレス法により加圧下加熱
し、接合した。

なお、Ａｆ、Ｏ，−ＴｉＣ複合焼結体は、八１□０３と
ＴｉＣとの比率をかえることにより、４０〜２００℃の
温度範囲の検出に適したものと、２００〜５００℃の温
度範囲の検出に適したものとを作成し、２種類のサーミ
スタ材料とした。

この場合加熱はＡｒ雰囲気中、１３００℃の温度で、１
５０Ｋｇ／ｃゴの加圧下、３０分行った。

このようにして作成した複合焼結体（巾６５１１Ｉｍ、
長さ１３０ｍｍ、厚さ１．９［１１１１）を型から取り
出し、室温に戻した。　その後、上下面をラッピングに
より、約２０ｐ加工し、外周スライシングマシンにより
ダイヤモンドブレードにて第３ｂ図に示すようなサーミ
スタ素子（巾０．７５ｍｍ、長さ６５ＩＩＩＩ１１１厚
さ１．９１１０１；１個のサーミスタチップ部分の大き
さく０．７５ｘＯ，７５ｘＯ，５ｍｍ）；　１層の導電
体の厚さ０．３ｍｍ）に切断加工した。　　１枚の複合
焼結体より１００個のサーミスタ素子を得ることができ
た。

エージング処理した後のものをサーミスタ素子Ａとする
。

このサーミスタ素子Ａについて４０℃での抵抗を測定後
ゾルーゲル法により以下のようにしてへ１□０３膜を形
成した。

アルミニウムイソプロポキシド１モルに対して、イソプ
ロピルアルコールを５モル加え、さらに安定化剤を加え
、溶液を調製した。

この溶液に外部電極部分（サーミスタデツプ部分と反対
の方向で端から長さ５ｍｍの部分）をテーピングにより
マスクしたサーミスタ素子Ａをディッピングし、室温で
、相対湿度４０％で空気乾燥させた。　このものを５０
０℃で１０分間常圧焼成して／Ｍ！２０３膜を形成した
。

このディッピングと焼成とを組合せた操作を２〜３回繰
り返し、厚さ１〜３戸のＡｌ２Ｏ２膜を形成した。

これをサーミスタ素子Ｂとする。

また、サーミスタ素子Ａにおいてスペーサー材料をＢＮ
にかえ、同様の操作を施した後、ダイヤモンドブレード
によりＢＮを除去して作成したものをサーミスタ素子Ｃ
とする。

これにさらにサーミスタ素子Ｂの場合と同様にしてＡ１
１．２０３膜を形成したものをサーミスタ素子りとする
。

さらに、サーミスタ素子Ａにおいて、導電体およびサー
ミスタチップ間に厚さ２０−のＴｉ箔を介在させて相互
拡散するようにしたものをサーミスタ素子Ｅとする。

これらサーミスタ素子Ａ−Ｅを用い、２００℃にて検出
範囲を切換え、４０〜５００℃の測温を行ったところ、
良好な検出精度で測温が行われた。

このようなサーミスタ素子Ａ、Ｂ、Ｃ，Ｄ、Ｅについて
高温保存による３０００時間後の抵抗値の変化を調べた
ところ、３００℃では０．５％以下、また５００℃では
１％以下の変化しか観測されず、良好な結果を得た。

なお、５００℃保存では、実装の際と同様な条件とし、
先端３０ＩＩＩｌＩ＋を５００℃の恒温槽に挿入したと
ころ、後端のろう付けされたリード線部は約２００℃と
なっていた。

以上より、本発明の効果は明らかである。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は、それぞれ本発明のサーミスタ素
子の１実施態様を示す断面図である。第３ａ図および第３ｂ図は、本発明のサーミスタ素子を
製造する際の工程を説明するための斜視図である。符号の説明１・・・サーミスタ素子、１１・−サーミスタチップ、１２−・・導電体、１３−
・スペーサー、　　　　１４・・・保護膜、２１−・・
サーミスタ材料、２２−・・スペーサー材料、　　２３・・・導電体材料
出願人　　ティーディーケイ株式会社代理人　　弁理士　　石　井　陽　− 一　−−アＦ　Ｉ　Ｇ、　３ａ

Claims

【特許請求の範囲】

（１）温度特性の異なる複数のサーミスタチップを有し
、複数の導電体の先端部間にサーミスタチップを挟持し
て一体化し、温度範囲に従い、異なるサーミスタチップ
により測温することを特徴とするサーミスタ素子。
（２）導電体の後端部間が空隙である特許請求の範囲第
１項に記載のサーミスタ素子。
（３）導電体の後端部間にサーミスタチップに接してス
ペーサーが介在する特許請求の範囲第１項に記載のサー
ミスタ素子。
（４）導電体の後端を残して保護膜が設層されている特
許請求の範囲第１項ないし第３項のいずれかに記載のサ
ーミスタ素子。
（５）複数の導電体材料の先端部間にそれぞれ温度特性
の異なる複数のサーミスタ材料を挟持するように配し、
さらに導電体材料の後端部間にサーミスタ材料に接して
スペーサー材料を挟持するように配し、これを加圧下加
熱して一体化することを特徴とするサーミスタ素子の製
造方法。
（６）導電体材料、サーミスタ材料およびスペーサー材
料が予め焼結または仮焼されている特許請求の範囲第５
項に記載のサーミスタ素子の製造方法。
（７）複数の導電体材料の先端部間にそれぞれ温度特性
の異なる複数のサーミスタ材料を挾持するように配し、
さらに導電体材料の後端部間にサーミスタ材料に接して
スペーサー材料を挟持するように配し、これを加圧下加
熱して一体化し、スペーサー材料を除去したことを特徴
とするサーミスタ素子の製造方法。
（８）導電体材料、サーミスタ材料およびスペーサー材
料が予め焼結または仮焼されている特許請求の範囲第７
項に記載のサーミスタ素子の製造方法。