温度传感器元件、用于制造温度传感器元件的方法和温度传感器技术

一种温度感测元件包括由Si基陶瓷构成的热敏电阻器，以及被接合到所述热敏电阻器的表面上的金属电极对。该金属电极包括Cr和具有高于Cr的Si扩散系数的Si扩散系数的金属元素α。在该热敏电阻和该金属电极对之间的接合界面中形成扩散层，该扩散层包括在Si基陶瓷的晶粒边界中的金属元素α的硅化物。提供了包括该扩散层的温度传感器。由于该扩散层，该温度传感器确保了耐热性和接合可靠性，并且使能在特别是从-50℃到1050℃的温度范围中具有高精度的温度检测。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及用于检测例如排气的温度的温度感测元件，以及制造该温度感测元件的方法，以及温度传感器。
技术介绍
通常，使用温度传感器来检测排气的温度。这样的温度传感器可以被用来检测例如流经流动路径的排气的温度。例如，这样的温度传感器可以被用来布置在排气净化系统的催化转化器中，或者在车辆的排气管中。在图9中示出了这样的温度传感器的例子。在图9中，温度传感器9包括温度感测元件90，温度感测元件90由具有随着温度而变化的电气特性的热敏电阻器91和形成在该热敏电阻器91的表面上的金属电极对92构成，并且温度传感器9包括合并有信号线93 的鞘针(sheath pin)95，该信号线93在尖端侧连接至温度感测元件90，并且在后端侧电连接至外部电路。在具有这样的配置的温度传感器中，例如通过焊接，将信号线93接合到各自的金属电极92，该各自的 金属电极92接合到热敏电阻器91的各自表面。因而，通过外部电路检测热敏电阻器91的电气特性。在高温氧化气氛中(例如在催化转化器或者排气管中)所使用的温度传感器具有待解决的问题，即，确保为包括由金属电极和热敏电阻器构成的接合构件的温度感测元件的接合可靠性并且确保该金属电极的耐热性。作为对付这些问题的措施，提出了一种由陶瓷和金属构成的接合构件(见PTL1)。 该接合构件包括接合到陶瓷材料表面的金属膜以及形成在该金属膜表面上的表面层(氧化层)。PTLl也提出了包括扩散接合以实现金属膜和陶瓷之间的接合的方法。PTLl教导了以该方式获得的接合构件确保其耐热性和接合可靠性。另一方面，提出了另一种接合构件，该接合构件由陶瓷和接合到陶瓷表面的金属电极构成(见PTL2)。该金属电极被设置为连续主体并且具有多个凹口。类似于PTLl，PTL2 提出了包括扩散接合的接合方法。PTL2教导了用这种方法获得的被接合构件能够减少在陶瓷和金属电极之间的线性膨胀系数的差而导致的热应力，并且从而能够确保接合可靠性。此外，提出了一种陶瓷传感器，该陶瓷传感器包括陶瓷板和接合到该陶瓷板的至少一个表面的金属电极(见PTL3)。该金属电极具有被全部或者部分切开以全部或者部分地暴露该陶瓷板末端的外周。同样，该金属电极的外周的至少一部分具有比该金属电极的中央部的厚度小的厚度。PTL3教导了以该方式配置的陶瓷传感器能够避免金属电极被剥离。提出了又一种接合构件(见PTL4或PTL5)。通过将陶瓷和金属的成分扩散到接合界面以确保陶瓷和金属之间的接合可靠性来获得该接合构件。例如，PTL4提出，在将包括Cr和Fe的金属接合到氮基陶瓷的时候，包含在陶瓷中的成分被部分地扩散到金属中以增强接合可靠性。PTL5提出，在将诸如氮化硅或者碳化硅之类的陶瓷接合到包括Cr和Ni的金属的时候，在陶瓷和金属之间的界面中形成Cr的硅化物以增强接合可靠性。JP-A-2005-343768JP-A-2007-022893JP-A-2009-007206JP-A-S60-180968JP-A-S62-171979
技术实现思路
然而，由于近来小尺寸和高功率引擎的趋势，排气趋向于具有更高的温度。在这样的条件下，暴露出问题。该问题是将常规配置的接合构件或者陶瓷传感器应用到高温条件下的温度传感器降低了接合可靠性的程度从而导致接合界面附近的剥离。在由陶瓷和金属构成的接合构件、陶瓷是氮化硅、碳化硅或具有低的线性膨胀系数的类似物的时候，该问题特别严重。此外，常规配置的接合构件或者陶瓷传感器不能确保对于温度传感器来说非常重要的欧姆接触特性。具体而言，为了高精度地检测温度，由外部电路所检测的热敏电阻器的电阻需要是不变的。另外，在热敏电阻器与每个金属电极之间的界面的阻值以及金属电极的电阻值需要极其地小并且接合区域需要是均匀的。例如，在PTLl所公开的技术中，由于氧化层的影响所致，热敏电阻器的电阻可能是变化的。在PTL2所公开的技术中，凹口的尺寸可能直接地影响接合区域并且因此不太可能抑制接合区域的不均匀性。PTL4或PTL5所公开的技术专注于仅增强接合可靠性。因此，该技术趋向允许电阻值的增加或者变化并且因此不能确保对于温度传感器来说重要的欧姆接触特性。特别地，在PTL4或PTL5所公开的制造方法中，使用HP或者HIP在大约1350°C的高温烘烤接合构件以将成分扩散到陶瓷中。因此，金属的电阻值变大并且趋向于是变化的。 当这样的接合构件被应用于温度传感器时，该温度传感器将遭遇将不能确保对于温度传感器来说重要的欧姆接触特性的问题。此外，包括氮化硅或者碳化硅作为基体成分的陶瓷通常具有相比于结晶区域非常小的晶粒边缘区域。因此，从金属到陶瓷的晶粒边缘的扩散及其小，导致在扩散状态中大的变化。使用这样的接合构件作为温度传感器将不能确保可能被金属的氧化状态和接合界面的扩散状态影响的欧姆接触特性。特别地，当温度传感器被用于转换_50°C到1050°C 的大的温度范围时，由于电阻值的变化，将不能实现高的测量精度。此外，由于耐热性也恶化，所以很容易导致剥离和开裂。因此，将这样的接合构件应用到温度传感器是成问题地困难的。已经鉴于上面所提到的问题做出本专利技术以提供一种温度感测元件，制造该温度感测元件的方法，以及温度传感器。该温度感测元件通过积极地将金属电极的成分扩散到热敏电阻器的晶粒边界中，在温度感测元件的热敏电阻器和金属电极之间的接合界面中形成扩散层，来确保在高温条件下的耐热性和接合可靠性。第一专利技术提供了一种温度感测元件，该温度感测元件包括具有随着温度而改变的电气特性的热敏电阻器和接合在该热敏电阻器的表面上的金属电极对，其中该热敏电阻器由Si基陶瓷构成并且该金属电极对包括Cr和具有高于Cr的Si扩散系数的Si扩散系数的金属元素α ;以及在该热敏电阻器与每个该金属电极之间的界面中形成扩散层，该扩散层包括在构成该热敏电阻器的该Si基陶瓷的晶粒边界中的金属元素α的硅化物。第二专利技术提供了一种制造温度感测元件的方法，包括通过使用在由金属电极配置的金属被定位于该热敏电阻器的表面的条件下实施热处理的步骤，将包含Cr以及具有比Cr的Si扩散系数更大的Si扩散系数的金属元素α的金属电极，接合到由Si基陶瓷构成的热敏电阻器；以及通过将金属元素α扩散到该Si基陶瓷的晶粒边界中，在所述扩散层中出现该金属元素α的硅化物，在该热敏电阻器和该金属电极之间的界面中形成扩散层。第三专利技术提供了包括根据第一专利技术的温度感测元件的温度传感器。在根据第一专利技术到第三专利技术的温度感测元件、制造该温度感测元件的方法以及温度传感器中，由Si基陶瓷构成热敏电阻器，并且相应地，确保作为温度传感器的耐热性。包含在每一个金属电极中的金属元素Cr减少了在电极和热敏电阻器之间的线性膨胀系数的差。例如，在1200°C的烘烤温度下的热处理中，金属元素Cr能够抑制在电极和热敏电阻器之间的界面中引起的开裂产生。包含在金属电极中的金属元素α具有比Cr的Si扩散系数更高的Si扩散系数， 并且因此产生硅化合物比起Cr容易得多。金属元素α的硅化物具有比Cr硅化物的线性膨胀系数更小的线性膨胀系数。并且，金属元素α的硅化物的电阻值比Cr的硅化物的电阻值小。相应地，金属元素α优先地扩散到热敏电阻器的晶粒边界中以形成金属元素α 的硅化物，从而形成本专利技术的扩散层。该扩散层确保了在高温条件下的耐热本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：堀恒円，葛冈馨，小川千明，佐藤元树，山田胜则，小林孝雄，
申请(专利权)人：株式会社电装，
类型：
国别省市：