JP4895513B2 - 表面実装型温度センサ - Google Patents

Description

本発明は、温度検出用や温度補償用等に有効な表面実装型温度センサに関する。

従来、温度検出用や温度補償用として用いられている薄膜あるいは厚膜タイプのサーミスタとしては、絶縁性基板上にサーミスタ部を形成し、その両端に端子電極部を形成した抵抗モード型の２端子構造のものが知られている。このようなサーミスタを利用した一般的な温度検出回路としては、図４の等価回路に示すように、入力端子電極１、抵抗２、出力端子電極３、ＮＴＣサーミスタ(Negative Temperature Coefficient Themistor)４及びアース端子電極５をこの順に直列に接続したものが知られている。

このような構成の温度検出回路は、入力端子電極１とアース端子電極５との間に電圧を印加し、出力端子電極３とアース端子電極５との間の電圧を計測することにより、出力電圧を温度に換算して温度変化を検出することができるものである。このような従来のサーミスタ（抵抗モード型）を用いて温度検出を行う場合にも、上記のような抵抗と組み合わせた温度検出回路を構成する必要があるが、その際には、個別部品を基板上に実装する工数が掛かること、小型化が困難なこと、精度の高い温度検出を行うために構成する各個別部品に関して特性ばらつきの小さいものを使用する必要があること等、小型化、高精度化及び低コスト化という観点で種々の課題があった。

このため、サーミスタを含む感温抵抗体等の抵抗値精度を向上させる手段として、従来、例えば特許文献１には、直接、抵抗薄膜である感温膜（サーミスタ膜）をレーザトリミングして調整する方法が提案されている。また、従来のレーザトリミング方法としては、抵抗をモニタリングしながら、抵抗薄膜（感温膜）から形成された抵抗値調整用抵抗パターンを直接レーザトリミングすることで、所望の抵抗特性に調整することが行われている。

特開平１０−１８９３０８号公報（特許請求の範囲、段落番号０００２、図１、図２）

上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
すなわち、従来では、抵抗薄膜を直接レーザトリミングするため、レーザ光の照射熱によって抵抗薄膜が発熱蒸発し、レーザ照射された付近の抵抗薄膜（感温膜）がガラス等の保護膜と反応して特性が部分的に劣化してしまう欠点があった。
また、従来、抵抗をモニタリングしながらレーザ照射し、所望の特性に調整することが行われているが、この場合、レーザ照射することにより感温膜の温度が上昇し、正確な抵抗の測定が難しく、所望の抵抗特性への合わせ込み精度の点でも大きな困難性があった。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、レーザトリミングを行っても特性劣化が少なく、抵抗特性の合わせ込みを高精度に行うことが可能な表面実装型温度センサを提供することを目的とする。

本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、本発明の表面実装型温度センサは、サーミスタ膜からなる感温抵抗部と、前記感温抵抗部と互いの一端同士が電気的に接続されトリミング可能な膜状抵抗部と、前記感温抵抗部の他端に電気的に接続された第１の端子電極と、前記膜状抵抗部の他端に電気的に接続された第２の端子電極と、前記感温抵抗部及び前記膜状抵抗部のそれぞれの一端に電気的に接続された第３の端子電極と、を絶縁性基板上に設けたことを特徴とする。

この表面実装型温度センサでは、感温抵抗部とは別にトリミング可能な膜状抵抗部が設けられているので、感温抵抗部の抵抗特性に膜状抵抗部をトリミングして合わせることができ、高精度な特性を得ることができる。また、レーザトリミングを行っても、感温抵抗部ではなく膜状抵抗部にレーザ照射を行うので、感温抵抗部における特性劣化がないと共に、抵抗を測定しながらレーザトリミングを行っても、レーザ照射による感温抵抗部に対する温度上昇の影響が小さく、高精度な合わせ込みが可能となる。さらに、目的検知温度でのサーミスタ抵抗値に抵抗特性を合わせる場合、膜状抵抗部のトリミングを行うことで目的検知温度近傍で抵抗特性の高いリニア性を得ることができ、温度感度の増大やＢ定数のばらつき低減によって精度を向上させることができる。

また、本発明の表面実装型温度センサは、前記第１から第３の端子電極と電気的に絶縁された第４の端子電極を前記絶縁性基板に設けたことを特徴とする。すなわち、この表面実装型温度センサでは、第１から第３の端子電極と電気的に絶縁された第４の端子電極を設けているので、この第４の端子電極が熱的結合端子として機能し、より高い熱伝導性を得ることができる。特に、過熱保護用途の場合であってＦＥＴ等の発熱部品が検出対象となる場合に、この発熱部品との熱結合を図る場合に、検出温度精度を向上させることができるメリットがある。なお、この場合、第４の端子電極は、熱伝導性が良好でかつハンダ付け可能な材料で形成されることが好ましい。

さらに、本発明の表面実装型温度センサは、前記第１から第４の端子電極が、前記絶縁性基板の裏面まで延在して形成されていることを特徴とする。すなわち、この表面実装型温度センサでは、第１から第４の端子電極が絶縁性基板の裏面まで形成されているので、これらを表面実装される回路基板上等にハンダ付け等で固定することで、４端子による強い接着強度が得られると共に、回路基板等との電気的接続を容易に行うことができる。

また、本発明の表面実装型温度センサは、前記第４の端子電極が、少なくとも前記感温抵抗部の直下に形成されていることが好ましい。すなわち、この表面実装型温度センサでは、熱的結合端子として機能する第４の端子電極が感温抵抗部の直下に配されるので、熱を第４の端子電極から感温抵抗部に直接的かつ効率的に伝導させることができ、より高精度化を図ることができる。

また、本発明の表面実装型温度センサは、前記絶縁性基板における前記感温抵抗部の周囲に孔状又は溝状の空洞部が形成されていることを特徴とする。すなわち、この表面実装型温度センサでは、感温抵抗部の周囲に孔状又は溝状の空洞部が形成されているので、空洞部により感温抵抗部と周囲との熱絶縁性が高くなり、感温抵抗部の熱容量を低減することで、高速応答化を実現することができる。

本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係る表面実装型温度センサによれば、感温抵抗部の抵抗特性に膜状抵抗部をトリミングして合わせることができるので、高精度な特性を得ることができると共に、レーザトリミングを行っても感温抵抗部の特性劣化や抵抗変動が少なく高い信頼性を得ることができる。また、レーザ照射による温度上昇の影響が小さくなって抵抗特性の合わせ込みを高精度に行うことができ、さらには目的検知温度近傍でリニア性の高い高精度な抵抗特性を得ることができる。

以下、本発明に係る表面実装型温度センサの第１実施形態を、図１及び図２を参照しながら説明する。

本実施形態の表面実装型温度センサは、図１に示すように、アルミナ基板等の絶縁性基板１０上に、サーミスタ膜からなる感温抵抗部１１と、感温抵抗部１１と互いの一端同士が電気的に接続されトリミング可能な膜状抵抗部１２と、感温抵抗部１１の他端に電気的に接続された第１の端子電極１３と、膜状抵抗部１２の他端に電気的に接続された第２の端子電極１４と、感温抵抗部１１及び膜状抵抗部１２のそれぞれの一端に電気的に接続された第３の端子電極１５と、第１から第３の端子電極１３〜１５と電気的に絶縁された第４の端子電極１６と、を備えている。すなわち、この表面実装型温度センサは、第１から第３の端子電極１３〜１５からなる有効３端子と、第４の端子電極１６のダミー端子と、を有する電圧出力タイプの温度センサである。

上記感温抵抗部１１としては、ＮＴＣ型、ＰＴＣ型、ＣＴＲ型等の薄膜サーミスタが挙げられるが、本実施形態ではＮＴＣ型サーミスタを採用している。感温抵抗部１１は、矩形状にＭｎ−Ｃｏ−Ｃｕ系材料、Ｍｎ−Ｃｏ−Ｆｅ系材料等のサーミスタ材料で形成されている。また、感温抵抗部１１上には、互いに所定間隔を空けて対向配置された第１の櫛形電極部１７ａと、第２の櫛形電極部１７ｂとが形成されている。

なお、第１の櫛形電極部１７ａと第１の端子電極１３とは、絶縁性基板１０上に形成された第１の配線部１３ａで接続されている。また、第２の櫛形電極部１７ｂと第３の端子電極１５とは、絶縁性基板１０上に形成された第２の配線部１５ａで接続されている。
したがって、図４の等価回路で説明すると、第１の端子電極１３はアース端子電極５として、また、第２の端子電極１４は入力端子電極１として、さらに、第３の端子電極１５は出力端子電極３として機能する。

上記膜状抵抗部１２は、帯状にＮｉＣｒ膜やＣｒ膜等の抵抗薄膜材料で形成されている。また、上記第１から第４の端子電極１３〜１６は、Ｃｕ膜上にＡｇフィラー入り樹脂電極と、Ｎｉめっき層と、Ｓｎめっき層と、をこの順で積層した構成を有している。また、第１及び第２の櫛形電極部１７ａ、１７ｂは、ＮｉＣｒ膜とＣｕ膜とをこの順で積層した金属膜又はＣｒ膜とＣｕ膜とをこの順で積層した金属膜等で構成されている。また、第１及び第２の配線部１３ａ、１５ａは、Ｃｕ膜等の金属薄膜で構成されている。
なお、上述したように、第１から第４の端子電極１３〜１６は、熱伝導性が良好でかつハンダ付け可能な材料で形成される。
また、感温抵抗部１１と膜状抵抗部１２とは、互いに所定間隔を空けて隣接して配されている。さらに、絶縁性基板１０の上には、感温抵抗部１１と膜状抵抗部１２とを覆うようにＳｉＯ_２スパッタ膜や樹脂材料（エポキシ系）等の保護膜１８が形成されている。

第１から第４の端子電極１３〜１６は、絶縁性基板１０の表面において対向する２辺側に設けられていると共に、それぞれ絶縁性基板１０の側面を介して、図２に示すように、絶縁性基板１０の裏面まで延在して形成されている。
なお、第４の端子電極１６は、感温抵抗部１１の直下まで延在した直下熱伝導部１６ａを有している。この直下熱伝導部１６ａは、感温抵抗部１１よりも若干大きい矩形状とされている。

第１の端子電極１３と第４の端子電極１６とは、感温抵抗部１１を間に挟んで互いに対向して配置されていると共に、第２の端子電極１４と第３の端子電極１５とは、膜状抵抗部１２を間に挟んで互いに対向して配置されている。

次に、本実施形態の表面実装型温度センサの製造方法及び抵抗値調整方法について、以下に説明する。

まず、絶縁性基板１０上にレジストを塗布し、フォトリソグラフィ技術により感温抵抗部作成用にパターニングを行う。そして、この状態で、サーミスタ材料をスパッタにより成膜し、さらにリフトオフを行って不要部分を除去して矩形状にパターニングした後、熱処理（６００℃）を施して感温抵抗部１１を形成する。

次に、絶縁性基板１０上にレジストを塗布し、フォトリソグラフィ技術により櫛形電極及び膜状抵抗部作成用にパターニングを行う。そして、この状態で、抵抗薄膜材料（ＮｉＣｒ等）及び電極材料（本実施形態では、Ｃｕ膜）をこの順でスパッタにより成膜し、さらにリフトオフを行って不要部分を除去して所定形状にパターニングする。この際、第１及び第２の櫛形電極１７ａ、１７ｂ、第１から第４端子電極１３〜１６（表面側Ｃｕ膜）並びに第１及び第２の配線部１３ａ、１５ａが、パターン形成される。さらに、この状態で、絶縁性基板１０上にレジストを塗布し、フォトリソグラフィ技術により膜状抵抗部Ｃｕ層除去用にパターニングを行う。この状態で、Ｃｕ層の選択エッチングを行った後に、レジストを除去して抵抗薄膜材料だけの膜状抵抗部１２を形成する。
なお、第１から第４の端子電極１３〜１６を、表面、裏面及び側面の３面に形成するために、これら３面にディップ等でＣｕ膜上にＡｇフィラー入り樹脂電極を断面コ字状に形成する。そして、下地のＡｇフィラー入り樹脂電極上にＮｉめっき及びＳｎめっきを施して、第１から第４の端子電極１３〜１６を形成する。

次に、事前に感温抵抗部１１のサーミスタ特性を測定しておき、その値に合わせるように、膜状抵抗部１２の抵抗を測定しながら、図１に示すように、膜状抵抗部１２に対してレーザトリミングを行う。すなわち、膜状抵抗部１２に対してその長手方向に直交する方向にレーザ照射をし、所定位置に所定長さだけ切り込み部１２ａを単数又は複数形成することで、トリミングを行う。この際、目的とする検知温度でのサーミスタ抵抗値に抵抗値を合わせるようにして、トリミングを行う。
なお、この後、感温抵抗部１１及び膜状抵抗部１２上に、ＳｉＯ_２スパッタ膜や樹脂材料（エポキシ系）等で、保護膜１８を形成する。

このように本実施形態では、感温抵抗部１１とは別にトリミング可能な膜状抵抗部１２が設けられているので、感温抵抗部１１の抵抗特性に膜状抵抗部１２をトリミングして合わせることができ、高精度な特性を得ることができる。また、レーザトリミングを行っても、感温抵抗部１１ではなく膜状抵抗部１２にレーザ照射を行うので、感温抵抗部１１における特性劣化がないと共に、抵抗を測定しながらレーザトリミングを行っても、レーザ照射による感温抵抗部１１に対する温度上昇の影響が小さく、高精度な合わせ込みが可能となる。

さらに、膜状抵抗部１２のトリミングを行って、目的検知温度でのサーミスタ抵抗値に抵抗特性を合わせる場合、目的検知温度近傍で抵抗特性の高いリニア性を得ることができ、温度感度の増大やＢ定数（ある温度における抵抗値と基準温度における抵抗値との間に係る温度係数）のばらつき低減によって精度を向上させることができる。
また、第１から第３の端子電極１３〜１５と電気的に絶縁され熱的結合端子として機能する第４の端子電極１６を、絶縁性基板１０の裏面かつ感温抵抗部１１の直下にまで設けているので、表面実装される回路基板等から、高い熱伝導性を得ることができる。特に、過熱保護用途の場合であってＦＥＴ（電界効果型トランジスタ）等の発熱部品が検出対象となる場合に、この発熱部品との熱結合を図る場合に、検出温度精度を向上させることができるメリットがある。

また、第１から第４の端子電極１３〜１６が絶縁性基板１０の裏面まで形成されているので、これらを表面実装される回路基板上等にハンダ付け等で固定することで、４端子による強い接着強度が得られると共に、回路基板等との電気的接続を容易に行うことができる。
なお、本温度センサは、電圧出力モードのセンサであるので、信号処理が容易である。また、本温度センサは、サーミスタ部である感温抵抗部１１と抵抗部である膜状抵抗部１２とが絶縁性基板１０上に一体化された複合構造を有しているので、温度検出回路部の小型化を図ることが可能になる。

次に、本発明に係る表面実装型温度センサの第２実施形態について、図３を参照して以下に説明する。なお、上記実施形態において説明した同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。

第２実施形態と第１実施形態との異なる点は、第１実施形態では、単なる平板状の絶縁性基板１０に感温抵抗部１１を形成しているのに対し、第２実施形態では、図３に示すように、絶縁性基板２０における感温抵抗部１１の周囲に貫通孔状の空洞部２１が形成されている点で異なっている。すなわち、第２実施形態では、感温抵抗部１１の４辺近傍にそれぞれ長孔状の空洞部２１が絶縁性基板２０に設けられている。また、絶縁性基板２０の感温抵抗部１１が形成された領域は、四隅の連結部分（隣接する空洞部２１端部の間）で架橋状態に支持されており、これらの連結部分上に第１及び第２の配線部１３ａ、１５ａが形成されている。

このように本実施形態では、感温抵抗部１１の周囲に空洞部２１が形成されているので、空洞部２１により感温抵抗部１１と周囲との熱絶縁性が高くなり、感温抵抗部１１の熱容量を低減することで、高速応答化を実現することができる。特に、本実施形態の表面実装型温度センサは、検出対象物の温度を非接触で検出する非接触タイプの温度センサとして好適である。なお、本実施形態の場合、絶縁性基板２０自体もより薄型化することが好ましい。

なお、本発明の技術範囲は上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

例えば、上記各実施形態では、スパッタリングで薄膜サーミスタの感温抵抗部１１を形成しているが、スクリーン印刷法等を用いて厚膜サーミスタの感温抵抗部を形成しても構わない。なお、高速応答のためには、薄膜サーミスタのタイプが有利である。
また、上記第２実施形態では、貫通孔状の空洞部２１を形成しているが、溝状の空洞部を設けても熱絶縁効果を得ることができる。なお、貫通孔状の空洞部２１の場合は、熱絶縁的に有利であり、溝状の空洞部の場合は、基板強度的に有利である。

本発明に係る第１実施形態の表面実装型温度センサを示す平面図である。 第１実施形態の表面実装型温度センサを示す裏面図である。 第２実施形態の表面実装型温度センサを示す平面図である。 サーミスタを利用した一般的な温度検出回路を示す等価回路図である。

符号の説明

１０、２０…絶縁性基板、１１…感温抵抗部、１２…膜状抵抗部、１２ａ…切り込み部、１３…第１の端子電極、１４…第２の端子電極、１５…第３の端子電極、１６…第４の端子電極、１６ａ…直下熱伝導部、２１…空洞部

Claims (2)

1. サーミスタ膜からなる感温抵抗部と、
   前記感温抵抗部と互いの一端同士が電気的に接続されトリミング可能な膜状抵抗部と、
   前記感温抵抗部の他端に電気的に接続された第１の端子電極と、
   前記膜状抵抗部の他端に電気的に接続された第２の端子電極と、
   前記感温抵抗部及び前記膜状抵抗部のそれぞれの一端に電気的に接続された第３の端子電極と、を絶縁性基板上に設け、
   前記第１から第３の端子電極と電気的に絶縁された第４の端子電極を前記絶縁性基板に設け、
   前記第１から第４の端子電極が、前記絶縁性基板の側面を介して前記絶縁性基板の裏面まで延在して形成され、
   前記第４の端子電極が、少なくとも前記感温抵抗部の直下に形成されていることを特徴とする表面実装型温度センサ。
2. 請求項１に記載の表面実装型温度センサにおいて、
   前記絶縁性基板には、前記感温抵抗部の周囲に孔状又は溝状の空洞部が形成されていることを特徴とする表面実装型温度センサ。

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