JP6929125B2

JP6929125B2 - 温度センサ素子

Info

Publication number: JP6929125B2
Application number: JP2017097520A
Authority: JP
Inventors: 正浩下平; 克哉三浦
Original assignee: Koa Corp
Current assignee: Koa Corp
Priority date: 2017-05-16
Filing date: 2017-05-16
Publication date: 2021-09-01
Anticipated expiration: 2037-05-16
Also published as: JP2018194402A

Description

本発明は、例えば自動車の排気管を通過する排気ガスや触媒の温度計測に用いる高温用の温度センサ素子に係り、特に、セラミック基板上に白金を主成分とする抵抗パターンが形成された温度センサ素子に関する。

自動車の排気管や触媒には温度センサが取り付けられており、排気ガスの温度が電気信号としてエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）に送られている。ＥＣＵに送られた電気信号により、例えば耐熱制限の厳しい部品の保護や触媒温度が最適となるように燃焼が制御され、排気ガスの浄化や燃費の改善がなされている。

このような排気温度センサの一例として、特許文献１に記載されているように、直方体形状のアルミナ基板上に白金膜からなる抵抗パターンを形成すると共に、抵抗パターンの両端に接続する一対の電極を形成し、これら電極にそれぞれリード線を接合して外部に導出させ、抵抗パターンを保護膜層で覆うようにした平板型の温度センサ素子が知られている。

特許文献１に記載の温度センサ素子では、抵抗パターンを構成する感温膜として化学的に極めて安定している白金が用いられているため、高温下においても感温膜に特性変動は生じにくく、高温用途に適したセンサとなっている。しかしながら、近年では９００℃を越えるような高い作動温度でも使用可能なセンサが要望されており、このような高温範囲においては、抵抗パターンを覆う保護膜層が電気化学的に分解してしまうという問題が発生する。

そこで従来より、特許文献２に記載されているように、セラミック基板上に白金膜からなる抵抗パターンを形成し、抵抗パターンを覆うようにセラミック基板の主面上に蒸着されたセラミック層と、セラミック層上に設けられたセラミックペースト層とによって保護中間層を構成し、この保護中間層の上に保護膜層を設けた温度センサ素子が提案されている。

このように構成された温度センサ素子によれば、高温領域で２層構造の保護中間層に継続的な負荷がかかった場合でも、クラックが生じる恐れのあるセラミックペースト層の下に、クラックが生じる恐れのないセラミック層が設けられているため、たとえ保護膜層がセラミックペースト層に浸透したとしても、保護膜層は常に白金抵抗パターンから隔離されることになり、保護膜層の電気化学的な分解を防止するようにしている。

特開平１１−１２１２０７号公報特許３４９３３４３号公報

温度センサ素子のセラミック基板として広く使用されているアルミナ基板には、焼結の促進や異常結晶成長の防止あるいは特性向上等を目的として、ＳｉＯ_２、ＣａＯ、ＢａＯ、ＭｇＯ、ＺｎＯ、Ｂ_２Ｏ_３等の焼結助剤が添加されている。しかし、アルミナ基板上に形成された抵抗パターンの材料である白金は高温下での反応性が高く、特に９００℃以上の高温になると、測定雰囲気中の酸素やアルミナ基板に含まれる焼結助剤等の不純物が抵抗パターンに拡散し、その不純物が抵抗パターンの白金と反応したり、白金の結晶粒界に侵入してしまうため、抵抗値ドリフトやＴＣＲ変化を引き起こすという問題がある。

特許文献２に記載の温度センサ素子では、白金膜からなる抵抗パターンを２層構造のセラミック層で覆うことにより、保護膜層を抵抗パターンから隔離して電気化学的な分解を防止するようにしているが、蒸着により形成されたセラミック層はアモルファス状態であるため、セラミック層によって不純物の抵抗パターンへの拡散を防止して、抵抗パターンの白金との反応や白金の結晶粒界への侵入を抑えることはできない。しかも、セラミック基板としてアルミナ基板を使用した場合、抵抗パターンの白金がアルミナ基板に含まれる焼結助剤等の不純物と反応してしまうことを抑制できないため、このものも抵抗値ドリフトやＴＣＲ変化を引き起こすという問題がある。

なお、セラミック基板としてアルミナ基板の代わりに不純物の少ない単結晶サファイア基板を使用することも考えられるが、その場合、抵抗パターンの白金とサファイア基板の線膨張係数が大きく異なることや、表面粗さの小さいサファイア基板に対する抵抗パターンの密着強度が低下する等の理由により、白金抵抗パターンがサファイア基板から剥離してしまうという問題がある。

本発明は、このような従来技術の実情に鑑みてなされたもので、その目的は、高温使用下でも抵抗値ドリフトやＴＣＲ変化が生じにくい温度センサ素子を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明の温度センサ素子は、セラミック基板と、前記セラミック基板の主面上に形成された白金を主成分とする抵抗パターンと、この抵抗パターンを覆うアルミナを主成分とするトラップ層と、このトラップ層を覆うアルミナを主成分とするオーバーコート層とを備え、前記トラップ層は、前記抵抗パターンを覆って前記セラミック基板の主面に密着する下部トラップ層と、この下部トラップ層を覆って前記セラミック基板の主面に密着する上部トラップ層との２層構造からなり、前記上部トラップ層がアルミナを主成分として白金を２〜３０体積％含有する材料で形成されていると共に、前記下部トラップ層がアルミナを主成分として白金を０〜１０体積％含有する材料で形成されており、かつ、前記下部トラップ層は前記上部トラップ層よりも白金の含有率が少ないことを特徴としている。

このように構成された温度センサ素子では、オーバーコート層によって覆われたトラップ層が、抵抗パターンを覆ってセラミック基板の主面に密着する下部トラップ層と、下部トラップ層を覆ってセラミック基板の主面に密着する上部トラップ層との２層構造からなり、上部トラップ層がアルミナを主成分として白金を２〜３０体積％含有する材料で形成されていると共に、下部トラップ層がアルミナを主成分として白金を０〜１０体積％含有する材料で形成されており、かつ、下部トラップ層は上部トラップ層よりも白金の含有率を少なくしているため、高温使用下で白金抵抗パターンの反応性が高くなった場合でも、上部トラップ層に多く含有される白金が酸素やセラミック基板の不純物等と反応することで白金抵抗パターンの反応が抑えられ、抵抗値ドリフトやＴＣＲ変化を引き起こすことがない信頼性の高いセンサを実現することができる。

上記構成の温度センサ素子において、抵抗パターンが複数の蛇行導体部を有するミアンダ形状に形成されており、下部トラップ層が蛇行導体部間に位置する切欠き部を有すると共に、上部トラップ層が切欠き部を通ってセラミック基板の主面に密着していると、白金を多く含有する上部トラップ層とセラミック基板との接触面積が増えるため、白金抵抗パターンがセラミック基板の不純物と反応してしまうことを一層確実に抑制することができる。

本発明の温度センサ素子によれば、高温使用下でも白金抵抗パターンの反応や粒界への不純物の侵入に起因する抵抗値ドリフトやＴＣＲ変化を防止することができる。

本発明の第１実施形態例に係る温度センサ素子の平面図である。図１のII−II線に沿う断面図である。図１のIII−III線に沿う断面図である。本発明の第２実施形態例に係る温度センサ素子の平面図である。図４のＶ−Ｖ線に沿う断面図である。

発明の実施の形態について図面を参照して説明すると、図１〜図３に示すように、本発明の第１実施形態例に係る温度センサ素子１は、直方体形状のセラミック基板２と、セラミック基板２の主面（表面）２ａに形成されたミアンダ形状の抵抗パターン３と、抵抗パターン３の両端部に接続するようにセラミック基板２の主面２ａに形成された一対の電極４と、抵抗パターン３を覆うトラップ層８と、トラップ層８を覆うオーバーコート層７と、一対の電極４上に接合されてセラミック基板２の外部へ突出する図示せぬリード線とを備えており、トラップ層８とオーバーコート層７によって保護膜層が構成されている。

セラミック基板２はアルミナ純度９６％以上のアルミナ基板であり、このセラミック基板（アルミナ基板）２には、主成分であるアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）にＳｉＯ_２やＭｇＯ等の焼結助剤が添加されている。

抵抗パターン３は白金（Ｐｔ）を主成分とする薄膜抵抗膜であり、この抵抗パターン３はＰｔをスパッタしてパターニングすることにより、セラミック基板２の主面２ａ上にミアンダ形状に形成されている。

一対の電極４は白金を主成分とする電極ペーストをスクリーン印刷して乾燥・焼成させたものであり、本実施形態例の場合、一対の電極４は両方共にセラミック基板２の図示左側の短辺部に配置されているが、一対の電極４をセラミック基板２の長手方向両端部に振り分けて配置しても良い。

トラップ層８は、抵抗パターン３を覆ってセラミック基板２の主面２ａに密着する下部トラップ層５と、この下部トラップ層５を覆う上部トラップ層６との２層構造からなり、上部トラップ層６の周縁部はセラミック基板２の主面２ａに密着している。これら下部トラップ層５と上部トラップ層６はアルミナを主成分とするアルミナペーストをスクリーン印刷して乾燥・焼成させたものであるが、主成分であるアルミナに対する白金の含有率が異なっている。

具体的には、白金抵抗パターン３に接触する下部トラップ層５は上部トラップ層６よりも白金の含有率が少なく、かつ、下部トラップ層５は白金を０〜１０体積％含有し、上部トラップ層６は白金を２〜３０体積％含有したものとなっている。すなわち、下部トラップ層５における白金の含有率を例えば５体積％とした場合は、上部トラップ層６における白金の含有率を５体積％よりも多い３０体積％以下とし、下部トラップ層５が白金を全く含有しない場合（０％）は、上部トラップ層６における白金の含有率を２〜３０体積％とすれば良い。

オーバーコート層７はアルミナペーストをスクリーン印刷して乾燥・焼成させたものであり、オーバーコート層７に白金は含有されていない。オーバーコート層７は上部トラップ層６の全体を覆っており、その周縁部はセラミック基板２の主面２ａに密着している。

なお、図示せぬ一対のリード線は例えばニッケル芯線の白金被覆線であり、これらリード線は対応する電極４上に溶接により接合されている。

次に、このように構成された温度センサ素子１の製造工程について説明すると、まず、セラミック基板２が多数個取りされる大判基板（例えばアルミナ純度９９％）を準備する。この大判基板には予め１次分割溝と２次分割溝が格子状に設けられており、両分割溝によって区切られたマス目の１つ１つが１個分のチップ領域となる。

そして、大判基板の表面に白金（Ｐｔ）をスパッタ蒸着して着膜した後、このＰｔ膜をフォトリソグラフィによりパターニングすることにより、大判基板上の各チップ領域にミアンダ形状の抵抗パターン３を形成する。

次に、大判基板の表面に白金を含有する電極ペーストをスクリーン印刷し、これを乾燥して約１４００℃の高温で焼成することにより、抵抗パターン３の両端部に接続する電極４を形成する。

次に、大判基板の表面に白金を０〜１０体積％含有するアルミナペースト（例えばアルミナ９８ｖｏｌ％、白金２ｖｏｌ％）をスクリーン印刷し、これを乾燥して１４００℃以上の高温で焼成することにより、大判基板上の各チップ領域に抵抗パターン３を覆う下部トラップ層５を形成する。この下部トラップ層５は抵抗パターン３の周囲に露出する大判基板の表面に密着しており、抵抗パターン３と電極４の接続箇所も下部トラップ層５によって覆われる。

次に、下部トラップ層５の上から白金を２〜３０体積％含有するアルミナペースト（例えばアルミナ９０ｖｏｌ％、白金１０ｖｏｌ％）をスクリーン印刷し、これを乾燥して１４００℃以上の高温で焼成することにより、下部トラップ層５の全体を覆う上部トラップ層６を形成する。この上部トラップ層６は下部トラップ層５の外側に露出する大判基板の表面に密着しており、これら下部トラップ層５と上部トラップ層６によってトラップ層８が形成される。

次に、上部トラップ層６の上からアルミナペーストをスクリーン印刷し、これを乾燥して１４００℃以上の高温で焼成することにより、トラップ層８を覆うオーバーコート層７を形成する。その結果、アルミナを主成分として白金を２〜３０体積％含有する内層のトラップ層８（下部トラップ層５および上部トラップ層６）と、アルミナを主成分として白金を含有しない外層のオーバーコート層７とからなる積層構造の保護膜層が形成される。

ここまでの各工程は多数個取り用の大判基板に対する一括処理であるが、次なる工程では、大判基板を１次分割溝と２次分割溝に沿って個片分割することにより、セラミック基板２と同等の大きさのチップ単体を得る。しかる後、個片化された各チップ単体の電極４にリード線を溶接し、その溶接個所をポッティングガラス等の強化膜で覆うことにより、図１〜図３に示すような温度センサ素子１が得られる。

以上説明したように、第１実施形態例に係る温度センサ素子１は、オーバーコート層７によって覆われるトラップ層８が、抵抗パターン３を覆ってセラミック基板２の主面２ａに密着する下部トラップ層５と、下部トラップ層５を覆ってセラミック基板２の主面２ａに密着する上部トラップ層６との２層構造からなり、上部トラップ層６がアルミナを主成分として白金を２〜３０体積％含有する材料で形成されていると共に、下部トラップ層５がアルミナを主成分として白金を０〜１０体積％含有する材料で形成されているため、高温使用下で白金抵抗パターンの反応性が高くなった場合でも、下部トラップ層５や上部トラップ層６に含有される白金が酸素やセラミック基板の不純物等と反応することで白金抵抗パターン３の反応が抑えられ、抵抗値ドリフトやＴＣＲ変化を引き起こすことがない信頼性の高いセンサを実現することができる。

ここで、下部トラップ層５と上部トラップ層６からなるトラップ層８全体における白金の含有率が２％未満であると、トラップ層８が白金抵抗パターン３の反応を抑える機能をほとんど発揮しなくなり、その反対にトラップ層８における白金の含有率が多いとトラップ層８に含有される白金によって白金抵抗パターン３の抵抗値が低下してしまい、トラップ層８における白金の含有率が３０％を越えると、トラップ層８に含有される白金によって導通して抵抗値が大きく低下してしまう。第１実施形態例に係る温度センサ素子１では、上部トラップ層６と白金抵抗パターン３との間に、上部トラップ層６よりも白金の含有率の少ない下部トラップ層５を介在させた構成となっているため、下部トラップ層５によって白金抵抗パターン３の抵抗値の低下を抑えた上で、上部トラップ層６に含有される白金の量を増やして白金抵抗パターン３の反応を効果的に抑制することができる。

図４は本発明の第２実施形態例に係る温度センサ素子１０の平面図、図５は図４のＶ−Ｖ線に沿う断面図であり、図１〜図３に対応する部分には同一符号を付してある。

この第２実施形態例に係る温度センサ素子1０が第１実施形態例に係る温度センサ素子１と相違する点は、下部トラップ層５がミアンダ形状の抵抗パターン３の蛇行導体部間に位置する切欠き部５ａを有しており、上部トラップ層６がこの切欠き部５ａを通ってセラミック基板２の主面２ａに密着していることにあり、それ以外の構成は基本的に同じである。

すなわち、図４，５に示す温度センサ素子１０では、抵抗パターン３が３つの蛇行導体部３ａを有するミアンダ形状となっており、この抵抗パターン３を覆う下部トラップ層５は、隣接する蛇行導体部３ａ間に入り込む２つの切欠き部５ａを有する櫛歯状（アルファベットのＥ形状）に形成されている。また、この下部トラップ層５を覆って平面視矩形状に形成された上部トラップ層６は、周縁部だけでなく切欠き部５ａ内でもセラミック基板２の主面２ａに密着している。

このように構成された第２実施形態例に係る温度センサ素子１０においても、トラップ層８の上部トラップ層６と白金抵抗パターン３との間に、上部トラップ層６よりも白金の含有率の少ない下部トラップ層５が介在するため、下部トラップ層５によって白金抵抗パターン３の抵抗値の低下を抑えた上で、上部トラップ層６に含有される白金の量を増やして白金抵抗パターン３の反応を効果的に抑制することができる。しかも、下部トラップ層５が抵抗パターン３の蛇行導体部３ａ間に位置する切欠き部５ａを有し、上部トラップ層６がこの切欠き部５ａを通ってセラミック基板２の主面２ａに密着することにより、その分だけ白金を多く含有する上部トラップ層６とセラミック基板２との接触面積が増えるため、白金抵抗パターン３がセラミック基板２の不純物と反応してしまうことを一層抑制することができる。

１，１０温度センサ素子
２セラミック基板
２ａ主面
３抵抗パターン
３ａ蛇行導体部
４電極
５下部トラップ層
５ａ切欠き部
６トラップ層
７オーバーコート層
８トラップ層

Claims

セラミック基板と、前記セラミック基板の主面上に形成された白金を主成分とする抵抗パターンと、この抵抗パターンを覆うアルミナを主成分とするトラップ層と、このトラップ層を覆うアルミナを主成分とするオーバーコート層とを備え、
前記トラップ層は、前記抵抗パターンを覆って前記セラミック基板の主面に密着する下部トラップ層と、この下部トラップ層を覆って前記セラミック基板の主面に密着する上部トラップ層との２層構造からなり、
前記上部トラップ層がアルミナを主成分として白金を２〜３０体積％含有する材料で形成されていると共に、前記下部トラップ層がアルミナを主成分として白金を０〜１０体積％含有する材料で形成されており、かつ、前記下部トラップ層は前記上部トラップ層よりも白金の含有率が少ないことを特徴とする温度センサ素子。
請求項１の記載において、前記抵抗パターンは複数の蛇行導体部を有するミアンダ形状に形成されており、前記下部トラップ層が前記蛇行導体部間に位置する切欠き部を有すると共に、前記上部トラップ層が前記切欠き部を通って前記セラミック基板の主面に密着していることを特徴とする温度センサ素子。