JP5321327B2 - Thermal environment sensor - Google Patents
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Description
この発明は、湿度、風速、気圧等の環境値を検知するセンサに関し、特に、センサから環境への放熱特性の変化を利用して所定の環境値を検知する放熱型環境センサに関するものである。 The present invention relates to a sensor that detects environmental values such as humidity, wind speed, and atmospheric pressure, and more particularly to a heat dissipation type environmental sensor that detects a predetermined environmental value by using a change in heat dissipation characteristics from the sensor to the environment.
センサから環境への放熱特性が、検知しようとする環境値に依存する特性を利用したセンサとして、例えば特許文献1〜3が開示されている。特許文献1は湿度センサ、特許文献2は風速センサ、特許文献3は湿度センサである。
For example,
特許文献1の湿度センサの構成例を図1を参照して説明する。図1は特許文献1の湿度センサの分解斜視図である。この湿度センサは、ホルダ1に、感湿器2と、温度補償器3とが設置され、感湿器2及び温度補償器3がフード4で覆われ、また、ホルダ1の裏面にはカバー5が取付けられ、カバー5内で外部配線6を感湿器2及び温度補償器3に電気的に接続されている。
A configuration example of the humidity sensor of
特許文献1の構成では、補償素子(温度補償器)と検知素子(感湿器)とを個別に設ける必要があるため、全体に大型である。また、一つのセンサとして用いる場合にホルダとフード等による封止構造が必要であり部品点数が多く製造コストが嵩む。さらに、補償素子と検知素子が離れている場合に、それらの環境温度の差が誤差の要因になる、という問題があった。
In the configuration of
また、補償素子と検知素子とが別々に設けられている場合、補償素子及び検知素子の特性ばらつき(例えば材料のロット、製造工程でのロット間の素子間の特性ばらつき)が生じるおそれがあり、環境センサの感度及び応答性等が小さくなったり、ばらつきが生じたりする。 In addition, when the compensation element and the sensing element are provided separately, there may be a variation in the characteristics of the compensation element and the sensing element (for example, material variation between the lots in the manufacturing process). The sensitivity and responsiveness of the environmental sensor may be reduced or may vary.
特許文献2,特許文献3の構成についても、補償素子と検知素子とを個別に設けることによる問題がある。
The configurations of
そこで、この発明の目的は、補償素子と検知素子との環境温度の差による誤差が小さく、補償素子及び検知素子間の特性ばらつきが小さく、特別な封止構造が不要で、全体に小型の放熱型環境センサを提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to reduce an error due to a difference in environmental temperature between the compensation element and the sensing element, to reduce characteristic variation between the compensation element and the sensing element, to eliminate a special sealing structure, and to reduce the overall heat dissipation. It is to provide a type environmental sensor.
上記課題を解決するために、この発明の放熱型環境センサは次のように構成する。
(1)放熱性が依存する(所定の)環境値を検知するための環境値検知用感温抵抗素子及び温度補償用感温抵抗素子を備えた環境センサにおいて、
少なくとも、第1の主面側に形成される熱検知部及び第2の主面側に形成される温度補償部がサーミスタ材料からなるセラミック素体と、
前記熱検知部に設けられ、前記熱検知部のサーミスタ材料を前記環境値検知用感温抵抗素子として用いるための熱検知部電極と、
前記温度補償部に設けられ、前記温度補償部のサーミスタ材料を前記温度補償用感温抵抗素子として用いるための温度補償部電極と、
を備え、
前記セラミック素体の前記熱検知部と前記温度補償部との間に断熱部が設けられた構造とする。
In order to solve the above-described problems, the heat radiation type environmental sensor of the present invention is configured as follows.
(1) In an environmental sensor including a temperature-sensitive resistance element for detecting an environmental value and a temperature-sensitive resistance element for temperature compensation for detecting a (predetermined) environmental value on which heat dissipation depends,
At least a ceramic body in which a heat detection part formed on the first main surface side and a temperature compensation part formed on the second main surface side are made of a thermistor material,
A heat detection unit electrode provided in the heat detection unit, for using the thermistor material of the heat detection unit as the temperature-sensitive resistance element for detecting the environmental value;
A temperature compensation unit electrode provided in the temperature compensation unit, for using the thermistor material of the temperature compensation unit as the temperature-sensitive resistance element for temperature compensation;
With
A heat insulating part is provided between the heat detecting part and the temperature compensating part of the ceramic body.
この構造により、言わば補償素子と検知素子とが一体になっている。熱検知部と温度補償部とを一体にすることにより、補償素子と検知素子のばらつき(例えば材料のロット、製造工程でのロット間の素子間の特性ばらつき)を低減することができ、均一な温度特性を有するため、環境温度の差による誤差を最小化できる。 With this structure, so to speak, the compensation element and the detection element are integrated. By integrating the heat detection unit and the temperature compensation unit, variations between the compensation element and the detection element (for example, material variations between the lots in the manufacturing process and the lots in the manufacturing process) can be reduced. Since it has temperature characteristics, errors due to environmental temperature differences can be minimized.
また、補償素子と検知素子とが一体となっているため小型化が可能であり、補償素子と検知素子とを封止する必要がないため低コスト化できる。
また、一般的な積層セラミック部品と同様の方法により容易に製造でき低コスト化が図れる。
また、セラミック素体に外部電極を形成することによって表面実装可能な放熱型環境センサが構成できる。
Further, since the compensation element and the detection element are integrated, the size can be reduced, and it is not necessary to seal the compensation element and the detection element, so that the cost can be reduced.
Further, it can be easily manufactured by the same method as that for a general multilayer ceramic component, and the cost can be reduced.
Further, a heat radiation type environmental sensor that can be surface-mounted can be configured by forming external electrodes on the ceramic body.
(2)前記断熱部は前記セラミック素体に設けられた空洞で構成する。
空気は全ての物質の中で最も熱伝導率が低いため、空洞を形成することにより断熱作用が最も大きくなる。
(2) The heat insulating part is constituted by a cavity provided in the ceramic body.
Since air has the lowest thermal conductivity among all materials, the heat insulation effect is maximized by forming cavities.
(3)前記セラミック素体のうち前記空洞部の周縁を構成している周縁部が多孔質の部材で構成されていてもよい。
この構成により、前記空洞部の周囲に配置される多孔質の層によって断熱作用が高まり、熱検知部の実質的な熱容量がより小さくなる。
(3) The peripheral part which comprises the periphery of the said cavity part among the said ceramic element bodies may be comprised with the porous member.
With this configuration, the heat insulating action is enhanced by the porous layer disposed around the cavity, and the substantial heat capacity of the heat detection unit is further reduced.
(4)前記断熱部の全体が多孔質の部材で構成されていてもよい。
この構成により、空洞を形成する場合に比べて、サーミスタ素体の抗折強度が高くなる。
(4) The entirety of the heat insulating part may be composed of a porous member.
With this configuration, the bending strength of the thermistor element is higher than when a cavity is formed.
(5)前記セラミック素体は複数のセラミック層を備え、前記熱検知部電極は、前記セラミック層を介して部分的に重なり合っているものとする。
このように異なる電位に接続される熱検知部電極が、間にセラミック層を挟んで厚み方向に重なるように対向配置すると、熱検知部電極間の抵抗値を低く設定できるため、高いSN比特性を得られる。
(5) It is assumed that the ceramic body includes a plurality of ceramic layers, and the heat detection unit electrodes partially overlap with each other through the ceramic layers.
When the heat detection unit electrodes connected to different potentials are arranged so as to overlap each other in the thickness direction with the ceramic layer interposed therebetween, the resistance value between the heat detection unit electrodes can be set low, so that a high SN ratio characteristic. Can be obtained.
(6)前記熱検知部電極に導通する外部電極と、前記温度補償部電極に導通する外部電極とは、熱的に分離された状態で前記セラミック素体の外面に配置されたものとする。
この構造により、熱検知部の熱容量が小さくなり、さらに熱検知部と温度補償部との間の断熱がより向上する。
(6) The external electrode connected to the heat detection unit electrode and the external electrode connected to the temperature compensation unit electrode are arranged on the outer surface of the ceramic body in a thermally separated state.
With this structure, the heat capacity of the heat detection unit is reduced, and the heat insulation between the heat detection unit and the temperature compensation unit is further improved.
(7)前記熱検知部電極に導通するビア電極及び前記温度補償部電極に導通するビア電極は、前記セラミック素体の上下方向(前記熱検知部と前記温度補償部間の方向)に非接続状態に配置されたものとする。 (7) The via electrode connected to the heat detection unit electrode and the via electrode connected to the temperature compensation unit electrode are not connected in the vertical direction of the ceramic body (direction between the heat detection unit and the temperature compensation unit). It shall be arranged in a state.
この構造により、熱検知部の熱容量が小さくなり、さらに熱検知部と温度補償部との間の断熱がより向上する。 With this structure, the heat capacity of the heat detection unit is reduced, and the heat insulation between the heat detection unit and the temperature compensation unit is further improved.
(8)前記セラミック素体を発熱させる、または加熱する手段を備える。すなわち、前記セラミック素体の温度を上昇させた状態で、前記熱検知部から環境への放熱特性の変化を利用して所定の環境値を検知する。 (8) A means for heating or heating the ceramic body is provided. That is, in a state where the temperature of the ceramic body is raised, a predetermined environmental value is detected using a change in heat dissipation characteristics from the heat detection unit to the environment.
この発明によれば、補償素子と検知素子との環境温度の差による誤差が小さく、補償素子及び検知素子間の特性バラツキが小さく、特別な封止構造が不要で、全体に小型化でき、種々の電子機器に適応可能となる。 According to the present invention, the error due to the difference in environmental temperature between the compensation element and the sensing element is small, the characteristic variation between the compensation element and the sensing element is small, no special sealing structure is required, and the overall size can be reduced. It can be applied to other electronic devices.
《第1の実施形態》
図2は第1の実施形態に係る放熱型環境センサ101の断面図である。放熱型環境センサ101は、放熱型環境センサ本体となる負特性(NTC)サーミスタセラミックスで構成されるセラミック素体30、熱検知部電極21,22、温度補償部電極26,27、外部電極23,24,28、及び空洞部25を備えている。
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FIG. 2 is a cross-sectional view of the heat dissipation-type
セラミック素体30の第1の主面側の表層部付近が熱検知部であり、この熱検知部に前記熱検知部電極21,22が形成されている。セラミック素体30の第2の主面側の表層部付近が熱検知部に対する温度補償部であり、この温度補償部に温度補償部電極26,27が形成されている。
The vicinity of the surface layer portion on the first main surface side of the
前記熱検知部電極21,22によって前記熱検知部のサーミスタセラミック部分が環境値検知用感温抵抗素子として用いられる。同様に、前記温度補償部電極26,27によって前記温度補償部のサーミスタセラミック部分が温度補償用感温抵抗素子として用いられる。
The thermistor ceramic part of the heat detection part is used as a temperature sensitive resistance element for detecting an environmental value by the heat
前記空洞部25は、前記熱検知部と前記温度補償部との間を断熱する断熱部として形成されている。
The
ここで、放熱型環境センサ101の製造方法について説明する。
図3は前記放熱型環境センサ101をセラミックの積層構造で構成する際の各セラミックグリーンシートの構成図(積み図)である。図3において、層S1には後の焼成によって熱検知部電極21になる内部電極用ペースト21P、層S2には後の焼成によって熱検知部電極22になる内部電極用ペースト22Pがそれぞれ形成されている。層S7には後の焼成によって温度補償部電極26になる内部電極用ペースト26P、層S8には後の焼成によって温度補償部電極27になる内部電極用ペースト27Pがそれぞれ形成されている。さらに層S9にはビア電極用の電極ペースト29Pが形成されている。また、層S4,S5には穴が形成され、その穴内に焼成することによって揮発する材料、例えば、バインダ等の有機物やカーボンペースト等の充填物25Pが形成されている。
Here, a manufacturing method of the heat radiation type
FIG. 3 is a configuration diagram (stacking diagram) of each ceramic green sheet when the heat-dissipation-
図4は、図3に示したセラミックグリーンシートを積層し、焼成することによって構成されたセラミック素体の断面図である。セラミック素体の内部に熱検知部電極21,22、温度補償部電極26,27、ビア電極29が形成されている。また、焼成することにより層S4、S5に充填された充填物25Pが揮発されることによって空洞部25が形成されている。
FIG. 4 is a cross-sectional view of a ceramic body configured by laminating and firing the ceramic green sheets shown in FIG. Inside the ceramic body, heat
図5は、図4に示したセラミック素体に対する外部電極の形成前後の状態の斜視図である。すなわち、図5(A)は外部電極形成前のセラミック素体の斜視図、図5(B)は外部電極形成後の斜視図、図5(C)は図5(B)に示した状態の反対面側を見た斜視図である。 FIG. 5 is a perspective view of the ceramic element body shown in FIG. 4 before and after forming external electrodes. 5A is a perspective view of the ceramic body before forming the external electrode, FIG. 5B is a perspective view after forming the external electrode, and FIG. 5C is the state shown in FIG. 5B. It is the perspective view which looked at the opposite surface side.
外部電極23は熱検知部電極21に導通し、外部電極24は熱検知部電極22及び温度補償部電極26に導通する。また、外部電極28はビア電極29に導通する。温度補償部電極27は、その中央部が熱的にも外部電極28に対して低い熱抵抗で結合している。
The
このように、温度補償部電極27に導通するビア電極29を直方体形状のセラミック素体の底面の中央部に露出するように形成し、そのビア電極29に導通する外部電極28を底面から対向する2側面にかけて形成したことにより、温度補償部と基板との接触面積が増えるので、温度補償部の熱を効果的に基板側へ放熱することができる。これにより温度補償部から空気中へ放熱される量を小さくすることができる。
In this way, the via
セラミック素体に用いられるサーミスタセラミックスは温度変化により抵抗値が変化する半導体セラミックスであって、例えばマンガン、ニッケル、コバルト、鉄、銅、アルミ、チタン、亜鉛など複数の遷移金属酸化物を焼結したNTCサーミスタ材料を用いてもよいし、例えば希土類元素をドナーとして添加したBaTiO3系のPTCサーミスタ材料を用いてもよい。 Thermistor ceramics used in the ceramic body are semiconductor ceramics whose resistance value changes with temperature. For example, a plurality of transition metal oxides such as manganese, nickel, cobalt, iron, copper, aluminum, titanium, and zinc are sintered. An NTC thermistor material may be used, and for example, a BaTiO 3 -based PTC thermistor material to which a rare earth element is added as a donor may be used.
また、熱検知部電極21,22は、サーミスタセラミックスとオーミック接合する電極材料であれば、いずれの材料を選択することができる。例えば、セラミック素体に用いられるサーミスタセラミックスがNTCサーミスタ材料であれば、Ag,Pd,Ptまたはそれらの合金等で構成され、PTCサーミスタ材料であれば、Ni,Cu,Alまたはそれらの合金等で構成される。
Moreover, any material can be selected for the heat
熱検知部電極21,22は、その対向距離とセラミック素体30の平面視での重なり面積とによって抵抗調整することができるため、所望の抵抗値を得るために、サーミスタセラミックスの抵抗率(比抵抗)に合わせて上記熱検知部電極21,22のパターンと層位置を定める。
Since the resistances of the heat
この放熱型環境センサは積層セラミック部品であるので製造が容易であり、低コスト化が図れる。さらに、外部電極23,24を用いて表面実装が可能であるので、金属ケースを用いてパッケージ化された従来のセンサや、基板に素子を組込んだセンサと比較して、小型化および低コスト化を図ることができる。
Since this heat-dissipating environment sensor is a multilayer ceramic component, it can be easily manufactured and the cost can be reduced. Furthermore, since surface mounting is possible using the
また、図2,図3に示したように、2つの熱検知部電極21,22、及び温度補償部電極26,27を、間にセラミック層を挟んで厚み方向に重なるように対向配置すると、熱検知部電極21,22間の抵抗値、及び温度補償部電極26,27を低く設定でき、後に示す放熱型環境センサ回路の回路構成上、高いSN比特性を得やすい。
Further, as shown in FIGS. 2 and 3, when the two heat
具体的な製造方法は次のとおりである。ここではNTCサーミスタ材料を用いたサーミスタセラミックスからなるセラミック素体の事例を説明する。
先ず、遷移金属酸化物であるMn3O4、NiO、Co3O4、Fe2O3等を所定量秤量し、次いで該秤量物をジルコニア等の粉砕媒体が内有されたボールミルに投入して十分に湿式粉砕し、その後、所定の温度で仮焼してセラミック粉末を作製する。
A specific manufacturing method is as follows. Here, an example of a ceramic body made of thermistor ceramics using NTC thermistor material will be described.
First, a predetermined amount of transition metal oxides such as Mn 3 O 4 , NiO, Co 3 O 4 , Fe 2 O 3 and the like are weighed, and then the weighed material is put into a ball mill containing a grinding medium such as zirconia. And sufficiently wet pulverized, and then calcined at a predetermined temperature to produce a ceramic powder.
次に、上記セラミック粉末に有機バインダを加え、湿式で混合処理を行ってスラリー状とし、その後、ドクターブレード法等を使用して成形加工を施し、セラミックグリーンシートを作製する。 Next, an organic binder is added to the ceramic powder, and a wet mixing process is performed to form a slurry. Thereafter, a molding process is performed using a doctor blade method or the like to produce a ceramic green sheet.
次いで、セラミックグリーンシートのうち熱検知部または温度補償部に位置するセラミックグリーンシートにAg−Pdを主成分とした内部電極用ペーストを使用し、セラミックグリーンシート上にスクリーン印刷を施して内部電極パターンを形成する。また、空洞部に位置するセラミックグリーンシートには、レーザー加工等によって上記セラミックグリーンシートに穴を開け、その穴へ焼成することによって揮発する材料、例えば、バインダ等の有機物やカーボンペースト等の充填を行い、空洞パターンを形成する。 Next, an internal electrode paste mainly composed of Ag-Pd is used for the ceramic green sheet located in the heat detection part or temperature compensation part of the ceramic green sheet, and screen printing is performed on the ceramic green sheet to form an internal electrode pattern. Form. Also, the ceramic green sheet located in the cavity is filled with a material that volatilizes by drilling the ceramic green sheet by laser processing or the like and firing into the hole, for example, organic matter such as a binder or carbon paste. To form a cavity pattern.
次に、内部電極パターンがスクリーン印刷されたセラミックグリーンシートと、空洞パターンを加工したグリーンシートを図3に示すように積層した後、電極パターンがスクリーン印刷されていないセラミックグリーンシートで上下挟持し、圧着して積層体を作製する。次いで、この積層体を所定寸法に切断してジルコニア製の匣に収容し、脱バインダ処理を行った後、所定温度(例えば1000℃〜1300℃)で焼成処理を施す。これにより、バインダ等の有機物やカーボンペースト等が揮発し、セラミック素体の中央部付近に空洞部が形成される。これにより、熱検知部電極21,22、温度補償部電極26,27、ビア電極29、及び空洞部25を備えるセラミック素体30を構成する。
Next, after laminating the ceramic green sheet on which the internal electrode pattern is screen-printed and the green sheet on which the cavity pattern is processed as shown in FIG. 3, the electrode pattern is sandwiched between the ceramic green sheets on which the screen pattern is not screen-printed, A laminate is produced by pressure bonding. Next, the laminate is cut into a predetermined size, accommodated in a zirconia basket, subjected to a binder removal treatment, and then fired at a predetermined temperature (for example, 1000 ° C. to 1300 ° C.). As a result, organic substances such as a binder, carbon paste, and the like are volatilized, and a cavity is formed near the center of the ceramic body. Thus, the
この後、セラミック素体30の両端部にAg等を含む外部電極用ペーストを塗布して焼付けし、外部電極23,24を形成する。なお、外部電極23,24は密着性が良好であればよく、例えばスパッタリング法や真空蒸着法等の薄膜形成法で形成してもよい。
Thereafter, external electrode paste containing Ag or the like is applied to both ends of the
上述の例では、セラミック素原料としてMn3O4等の酸化物を使用したが、Mnの炭酸塩、水酸化物等を使用することもできる。 In the above example, an oxide such as Mn 3 O 4 is used as the ceramic raw material, but an Mn carbonate, hydroxide, or the like can also be used.
図6は、図2に示した放熱型環境センサ101を実装基板(組み込み先の電子機器の回路基板)に実装した状態での断面図である。
実装基板PWB上のランドLに対して放熱型環境センサ101が表面実装されている。実装基板PWB上のランドLから外部電極23,24にかけて半田Sのフィレットが形成されている。
FIG. 6 is a cross-sectional view in a state where the heat radiation type
A heat radiation type
後述するように、前記環境値検知用感温抵抗素子及び前記温度補償用感温抵抗素子には定電流が通電される。そのため、前記環境値検知用感温抵抗素子及び前記温度補償用感温抵抗素子はジュール熱により自己発熱する。前記環境値検知用感温抵抗素子及び前記温度補償用感温抵抗素子の温度は発熱量と周囲への放熱量とが平衡する温度で安定化する。 As will be described later, a constant current is applied to the environmental value detecting temperature sensitive resistance element and the temperature compensating temperature sensitive resistance element. Therefore, the environmental value detecting temperature sensitive resistance element and the temperature compensating temperature sensitive resistance element self-heat by Joule heat. The temperature of the environmental value detecting temperature sensitive resistance element and the temperature compensating temperature sensitive resistance element is stabilized at a temperature at which the heat generation amount and the heat radiation amount to the surroundings are balanced.
熱検知部電極21,22が形成されている熱検知部である前記環境値検知用感温抵抗素子は上面及び四方周囲が外部環境に対して開放されている。そのため、熱検知部の熱容量は後述する温度補償部に比較して小さく、環境値検知用感温抵抗素子の発熱は主に空気中へ放熱される。すなわち環境値検知用感温抵抗素子の放熱は空気中への放熱が支配的である。
The temperature sensing resistor element for detecting the environmental value, which is a heat detecting portion in which the heat detecting
これに対して、温度補償部電極26,27が形成されている温度補償部である前記温度補償用感温抵抗素子は実装基板PWBに接していて、半田Sによって接続されている。また、温度補償部電極27は、その中央部がビア電極29を介して外部電極28に導通していて、熱的にも外部電極28に対して低い熱抵抗で結合している。そのため、温度補償部の熱容量は熱検知部の熱容量より大きく、温度補償用感温抵抗素子は主に実装基板PWB側へ放熱される。すなわち温度補償用感温抵抗素子の放熱は実装基板PWBへの放熱が支配的である。
On the other hand, the temperature-compensating resistance element, which is a temperature compensation part in which the temperature
前記環境値検知用感温抵抗素子の発熱が空気中へ放熱される際の放熱量は、主に風速、湿度、及び気圧の環境値によって変動する。例えば風速について着目すれば、湿度、及び気圧が一定であるとすると、風速の変化に応じて前記放熱量が変化する。また、例えば風速、及び気圧が一定であるとすると、湿度の変化に応じて前記放熱量が変化する。したがって、検知すべき所定環境値以外で放熱量に影響を与えるファクターは他の方法で測定すれば、所定の環境値を検知できる。 The amount of heat released when the heat generated by the temperature sensing resistor for detecting environmental values is radiated into the air varies mainly depending on the environmental values of wind speed, humidity, and atmospheric pressure. For example, focusing on the wind speed, assuming that the humidity and the atmospheric pressure are constant, the amount of heat release changes according to the change in the wind speed. For example, assuming that the wind speed and the atmospheric pressure are constant, the heat radiation amount changes according to the change in humidity. Therefore, if a factor that affects the heat radiation amount other than the predetermined environmental value to be detected is measured by another method, the predetermined environmental value can be detected.
図7(A),図7(B)は前記放熱型環境センサ101を用いた放熱型環境センサ回路の二つの例である。図7(A),図7(B)において、抵抗Rsは熱検知部のサーミスタによる抵抗、抵抗Rnは温度補償部のサーミスタの抵抗である。この抵抗Rs,Rnと抵抗Ro,Roとによって抵抗ブリッジ回路を構成している。定電流回路(定電流源)CCSは前記抵抗ブリッジ回路へ定電流を通電する。増幅回路AMPは抵抗ブリッジ回路の出力電圧を差動増幅する。
FIGS. 7A and 7B are two examples of a heat radiation type environmental sensor circuit using the heat radiation type
図7(A)に示す放熱型環境センサ回路のように、定電流が流れる二つの電流経路の一方を、熱検知部のサーミスタによる抵抗(環境値検知用感温抵抗素子)Rsと、温度補償部のサーミスタの抵抗(温度補償用感温抵抗素子)Rnとの直列回路で構成し、他方を二つの抵抗Roの直列回路で構成すると、高いSN比が得られる。 As in the heat dissipation type environmental sensor circuit shown in FIG. 7A, one of two current paths through which a constant current flows is connected to a resistance (temperature-sensitive resistance element for detecting an environmental value) Rs by a thermistor of the heat detection unit and temperature compensation. A high S / N ratio can be obtained by configuring a series circuit with the resistance (temperature-sensitive resistance element for temperature compensation) Rn of the other thermistor and configuring the other with a series circuit of two resistors Ro.
すなわち、図7(B)に示した回路構成では、抵抗Roの抵抗値を、熱検知部のサーミスタによる抵抗Rs及び温度補償部のサーミスタの抵抗Rnの抵抗値にほぼ等しくしないと大きな差動電圧が得られないが、図7(A)に示した回路構成では、抵抗Roの抵抗値が前記Rs及びRnの抵抗値に近似する値である必要がないので、回路構成上の自由度が高く、SN比の高い回路が構成できる。例えば抵抗Roの抵抗値を充分に小さくして、増幅回路AMPへの入力インピーダンスを低くすることができる。 That is, in the circuit configuration shown in FIG. 7B, a large differential voltage is required unless the resistance value of the resistor Ro is approximately equal to the resistance value Rs of the thermistor of the heat detection unit and the resistance value Rn of the thermistor of the temperature compensation unit. However, in the circuit configuration shown in FIG. 7A, the resistance value of the resistor Ro does not need to be a value that approximates the resistance values of Rs and Rn, so that the degree of freedom in circuit configuration is high. A circuit with a high SN ratio can be configured. For example, the resistance value of the resistor Ro can be made sufficiently small to reduce the input impedance to the amplifier circuit AMP.
図7(A),図7(B)に示した放熱型環境センサ回路によれば、温度補償部及び熱検知部が自己発熱により温度が上昇していくと、実装状況に応じて出力電圧が所定の値に平衡状態になる。ここで、温度補償部のサーミスタ(温度補償用サーミスタ)Rnで周囲の温度変化による影響分を補償しているため、増幅回路AMPの出力電圧Voutは熱検知部のサーミスタRsの環境に依存した放熱量に応じた値となる。このため、環境に変化が生じた場合、熱検知部の温度の変動により、出力電圧が変動する。したがって、平衡状態の出力電圧Voutから環境変化に応じて変化した出力電圧Voutの変化を環境値検知信号として利用できる。
このように放熱量の違いによる抵抗変化を熱検知部電極21,22および外部電極23,24を通じて測定することで、環境値を検知することができる。
According to the heat dissipation type environmental sensor circuit shown in FIGS. 7A and 7B, when the temperature rises due to self-heating of the temperature compensation unit and the heat detection unit, the output voltage varies depending on the mounting situation. Equilibrates to a predetermined value. Here, since the thermistor (temperature compensation thermistor) Rn of the temperature compensation unit compensates for the influence due to the ambient temperature change, the output voltage Vout of the amplifier circuit AMP is a discharge depending on the environment of the thermistor Rs of the heat detection unit. The value depends on the amount of heat. For this reason, when a change occurs in the environment, the output voltage fluctuates due to fluctuations in the temperature of the heat detector. Therefore, the change in the output voltage Vout that changes in response to the environmental change from the balanced output voltage Vout can be used as the environmental value detection signal.
As described above, the environmental value can be detected by measuring the resistance change due to the difference in the heat radiation amount through the heat
図8は、検知すべき所定の環境値の変化による、前記放熱型環境センサ回路の出力電圧の変化の様子を示す図である。
図8(A)は前記抵抗ブリッジ回路への通電電流の波形図、図8(B)は熱検知部及び温度補償部の温度変化の波形図、図8(C)は熱検知部及び温度補償部のサーミスタの抵抗値変化の波形図、図8(D)は前記放熱型環境センサ回路の出力電圧の波形図である。
FIG. 8 is a diagram illustrating a change in the output voltage of the heat dissipation type environmental sensor circuit due to a change in a predetermined environmental value to be detected.
8A is a waveform diagram of a current flowing through the resistance bridge circuit, FIG. 8B is a waveform diagram of temperature changes in the heat detection unit and the temperature compensation unit, and FIG. 8C is a heat detection unit and a temperature compensation. FIG. 8D is a waveform diagram of an output voltage of the heat radiation type environmental sensor circuit.
図8(A)に表れているように、時刻t0で通電を開始すると、速やかに一定電流が流れる。図8(B)に表れているように、前記通電によって熱検知部の温度Ts及び温度補償部の温度Tnが上昇し、所定の温度で熱的に平衡状態となる。 As shown in FIG. 8A, when energization is started at time t0, a constant current flows quickly. As shown in FIG. 8B, due to the energization, the temperature Ts of the heat detection unit and the temperature Tn of the temperature compensation unit increase, and a thermal equilibrium state is reached at a predetermined temperature.
検知すべき環境値(例えば湿度)が時刻t1で変化すると(この例ではt1で環境値が急激に変化している。)、それ以降、熱検知部の温度Tsと温度補償部の温度Tnは新たな温度で熱的に平衡することになる。その後、検知すべき環境値が時刻t2で再び変化すると、それ以降、熱検知部の温度Tsと温度補償部の温度Tnは再び新たな温度で熱的に平衡することになる。 When the environmental value (for example, humidity) to be detected changes at time t1 (in this example, the environmental value changes rapidly at t1), thereafter, the temperature Ts of the heat detection unit and the temperature Tn of the temperature compensation unit are It will be in thermal equilibrium at the new temperature. Thereafter, when the environmental value to be detected changes again at time t2, the temperature Ts of the heat detection unit and the temperature Tn of the temperature compensation unit are thermally balanced again at the new temperature thereafter.
時刻t3で通電を停止すると、熱検知部の放熱によって熱検知部の温度Ts及び温度補償部の温度Tnが低下する。 When energization is stopped at time t3, the temperature Ts of the heat detector and the temperature Tn of the temperature compensator are reduced by the heat radiation of the heat detector.
図8(C)に表れているように、熱検知部のサーミスタの抵抗値Rsと温度補償部のサーミスタの抵抗値Rnは前記温度Ts,Tnに応じて定まる。
前記放熱型環境センサ回路の出力電圧は、図8(D)に表れているように、通電開始時to以降は、熱検知部と温度補償部のサーミスタの抵抗値の変化に応じて変位するが、熱検知部と温度補償部の熱的平衡に伴い、出力電圧も安定化する。時刻t1で環境値が変化すると、前記熱検知部のサーミスタの抵抗値Rsと温度補償部のサーミスタの抵抗値Rnに応じた出力電圧となる。時刻t2で環境値が再び変化すると、前記熱検知部のサーミスタの抵抗値Rsと温度補償部のサーミスタの抵抗値Rnに応じて出力電圧は再び変化する。
As shown in FIG. 8C, the resistance value Rs of the thermistor of the heat detection unit and the resistance value Rn of the thermistor of the temperature compensation unit are determined according to the temperatures Ts and Tn.
As shown in FIG. 8D, the output voltage of the heat dissipation type environmental sensor circuit is displaced according to the change in the resistance value of the thermistor of the heat detection unit and the temperature compensation unit after the start of energization to. The output voltage is also stabilized in accordance with the thermal balance between the heat detection unit and the temperature compensation unit. When the environmental value changes at time t1, the output voltage corresponds to the resistance value Rs of the thermistor of the heat detection unit and the resistance value Rn of the thermistor of the temperature compensation unit. When the environmental value changes again at time t2, the output voltage changes again according to the resistance value Rs of the thermistor of the heat detection unit and the resistance value Rn of the thermistor of the temperature compensation unit.
時刻t3で前記通電が停止されると、前記熱検知部のサーミスタの抵抗値Rsと温度補償部のサーミスタの抵抗値Rnの変化に応じて出力電圧も比較的大きく変動する。 When the energization is stopped at time t3, the output voltage fluctuates relatively greatly according to changes in the resistance value Rs of the thermistor of the heat detection unit and the resistance value Rn of the thermistor of the temperature compensation unit.
前記放熱型環境センサ回路の出力電圧は、前記時刻t1の手前、時刻t2の手前、時刻t3の手前など、熱的に平衡状態になったとき安定する。この安定した平衡状態のうち、環境に変化が生じていない初期の出力電圧値と、環境に変化が生じた後の平衡状態での出力電圧との差が、検知すべき環境値とは一意の関係にあるので、放熱型環境センサ回路の出力電圧の変動を読み取ることで環境値を求めることができる。 The output voltage of the heat dissipation type environmental sensor circuit becomes stable when the thermal equilibrium state is reached, such as before the time t1, before the time t2, or before the time t3. Among the stable equilibrium states, the difference between the initial output voltage value in which the environment has not changed and the output voltage in the equilibrium state after the environment change is unique from the environment value to be detected. Since there is a relationship, the environmental value can be obtained by reading the fluctuation of the output voltage of the heat radiation type environmental sensor circuit.
また、前記放熱型環境センサ回路の抵抗ブリッジ回路への通電開始後や、通電停止後は、放熱型環境センサ回路の出力電圧は過渡的な電圧変化を示すが、熱検知部の空気中への放熱量が一定であるなら、前記出力電圧変化(推移)は一定である。換言すると、前記出力電圧変化(推移)のパターンが変化すれば、それは環境値の変化に起因している。したがって、前記時刻t0以降や時刻t3以降の出力電圧の変化のパターンや傾斜によっても環境値を検知することができる。 In addition, after the start of energization to the resistance bridge circuit of the heat dissipation type environmental sensor circuit or after the stop of energization, the output voltage of the heat dissipation type environmental sensor circuit shows a transient voltage change, but the heat detection unit into the air If the heat radiation amount is constant, the output voltage change (transition) is constant. In other words, if the pattern of change (transition) of the output voltage changes, it is caused by a change in environmental value. Therefore, the environmental value can also be detected by the output voltage change pattern and the inclination after time t0 and after time t3.
また、本願発明はセラミック素体にサーミスタ材料を用いているため、電流を印加することにより自己発熱し、容易にセラミック素体を発熱状態にすることができるが、例えば放熱型環境センサを実装した基板を加熱する手段を設け、その基板の加熱によってセラミック素体を発熱状態にするように構成してもよい。 In addition, since the thermistor material is used for the ceramic body in the present invention, self-heating is caused by applying current, and the ceramic body can be easily brought into a heating state. For example, a heat radiation type environmental sensor is mounted. A means for heating the substrate may be provided, and the ceramic body may be heated by heating the substrate.
《第2の実施形態》
図9は第2の実施形態に係る放熱型環境センサをセラミックの積層構造で構成する際の各セラミックグリーンシートの構成図(積み図)である。図9において、層S1には後の焼成によって熱検知部電極21になる内部電極用ペースト21P、層S2には後の焼成によって熱検知部電極22になる内部電極用ペースト22Pがそれぞれ形成されている。層S7には後の焼成によって温度補償部電極26になる内部電極用ペースト26P、層S8には後の焼成によって温度補償部電極27になる内部電極用ペースト27Pがそれぞれ形成されている。また、層S4,S5には穴が形成され、その穴内に焼成することによって揮発する材料、例えば、バインダ等の有機物やカーボンペースト等の充填物25Pが形成されている。
<< Second Embodiment >>
FIG. 9 is a configuration diagram (stacking diagram) of each ceramic green sheet when the heat-dissipating environment sensor according to the second embodiment is configured with a ceramic laminated structure. In FIG. 9,
図10は、図9に示したセラミックグリーンシートを積層し、焼成することによって構成されたセラミック素体の断面図である。セラミック素体の内部に熱検知部電極21,22、温度補償部電極26,27が形成されている。また、焼成することにより層S4、S5に充填された充填物25Pが揮発されることによって空洞部25が形成されている。
FIG. 10 is a cross-sectional view of a ceramic body configured by laminating and firing the ceramic green sheets shown in FIG. Heat
図11は、図10に示したセラミック素体に対する外部電極の形成前後の状態の斜視図である。すなわち、図11(A)は外部電極形成前のセラミック素体の斜視図、図11(B)は外部電極形成後の放熱型環境センサ102の斜視図である。
11 is a perspective view of the ceramic body shown in FIG. 10 before and after the formation of the external electrodes. That is, FIG. 11A is a perspective view of the ceramic body before forming the external electrode, and FIG. 11B is a perspective view of the heat radiation type
外部電極23は熱検知部電極21に導通し、外部電極24は熱検知部電極21及び温度補償部電極26に導通する。また、外部電極28は温度補償部電極27に導通する。
The
このように、内部電極用ペースト27Pの焼成による温度補償部電極27が直方体形状のセラミック素体の二つの側面に露出するように形成することによって、外部電極28を形成する際にセラミック素体の向きが揃う確率が高くなり、製造効率が高まる。
As described above, the temperature compensating
なお、内部電極用ペースト27Pは、必ずしも層S8にセラミック素体の両側面に引き出す必要はなく、一側面へ引き出した構造でもよい。また、図11(B)においては、一側面に外部電極28が形成されているが、内部電極用ペースト27Pが層S8の両側面に引き出されていることから、外部電極28を両側面に形成してもよい。
Note that the
《第3の実施形態》
図12は第3の実施形態に係る放射型環境センサ103の断面図である。放射型環境センサ103は、NTCサーミスタセラミックスのセラミック素体30、熱検知部電極21,22、外部電極23,24、空洞部25、及び多孔質部31を備えている。
<< Third Embodiment >>
FIG. 12 is a cross-sectional view of the
上記多孔質部31は、空洞部25の周縁を構成するサーミスタセラミック素体の周縁部であり、焼成によって多孔質になったものである。すなわち、空洞部25を形成する開口を設けたセラミックグリーンシートは、焼成時に消失する有機物を予め分散させたものである。
The
例えば第1の実施形態で図2に示した構造では、空洞部25の幅を大きくする程、断熱効果は高まるが、空洞部25を確保するために空洞部25の周囲を支える周縁部を残しておく必要がある。そこで、図12に示したように、空洞部25の周囲を支える周縁部を多孔質にすることにより、熱検知部電極22より下部は空洞部25だけでなく多孔質部31によってより効果的に断熱される。そのため、熱検知部の熱容量をさらに小さくできる。
For example, in the structure shown in FIG. 2 in the first embodiment, the heat insulation effect increases as the width of the
《第4の実施形態》
図13(A),図13(B)は第4の実施形態に係る放射型環境センサ104,105の断面図である。放射型環境センサ104は、NTCサーミスタセラミックスのセラミック素体30、熱検知部電極21,22、外部電極33,34,35,28及び空洞部25を備えている。図13(B)においては、空洞部25の周囲に多孔質部31を設けている。
<< Fourth Embodiment >>
13A and 13B are sectional views of the
この例では、熱検知部電極21,22に導通する外部電極33,34と、温度補償部電極26,27に導通する外部電極35,28とは電気的にも熱的にも分離して配置されている。すなわち、セラミック素体の側面には上下方向に連なる外部電極が形成されていない。また、ビア電極はセラミック素体の上下方向に非接続状態(非貫通状態)に配置されている。
そのため、熱検知部と温度補償部とをさらに断熱することができ、熱検知部の熱容量をさらに小さくできる。
In this example, the
Therefore, the heat detection unit and the temperature compensation unit can be further insulated, and the heat capacity of the heat detection unit can be further reduced.
なお、以上に示した各実施形態では、サーミスタ材料であるサーミスタセラミックの層を積層し、焼結させることによってセラミック素体を構成したが、少なくとも熱検知部電極を設ける第1主面側と、温度補償部電極を設ける第2主面側をサーミスタセラミックの層で構成し、その他の層を別の材料の層で構成して、一体焼結して形成してもよい。 In each of the embodiments described above, the thermistor material, which is a thermistor material, is laminated and sintered to form a ceramic body, but at least the first main surface side on which the heat detection unit electrode is provided; The second main surface side on which the temperature compensation portion electrode is provided may be formed of a thermistor ceramic layer, and the other layers may be formed of layers of different materials and integrally sintered.
また、以上に示した各実施形態では、空洞部25に相当する領域を、または空洞部25を形成した層全体を多孔質部材で構成してもよい。
Moreover, in each embodiment shown above, you may comprise the area | region equivalent to the
また、以上に示した各実施形態では、単一の空洞部25を備えたが、上下方向または横方向に複数個配置してもよい。空洞部の形状はセラミック素体内に閉じられた空間を構成していてもよいし、一部で又は複数箇所で開口していてもよい。さらにはハニカム構造や細胞構造であってもよい。これらの構成によって熱抵抗の調整が可能である。
Moreover, in each embodiment shown above, although the
AMP…増幅回路
L…ランド
PWB…実装基板
S…半田
S1〜S9…層
21,22…熱検知部電極
23,24…外部電極
25…空洞部
26,27…温度補償部電極
28…外部電極
29…ビア電極
30…セラミック素体
31…多孔質部
33,34,35…外部電極
101〜105…放射型環境センサ
AMP ... amplifier circuit L ... land PWB ... mounting substrate S ... solders S1 to S9 ... layers 21, 22 ... heat
Claims (8)
少なくとも、第1の主面側に形成される熱検知部及び第2の主面側に形成される温度補償部がサーミスタ材料からなるセラミック素体と、
前記熱検知部に設けられ、前記熱検知部のサーミスタ材料を前記環境値検知用感温抵抗素子として用いるための熱検知部電極と、
前記温度補償部に設けられ、前記温度補償部のサーミスタ材料を前記温度補償用感温抵抗素子として用いるための温度補償部電極と、
を備え、
前記セラミック素体の前記熱検知部と前記温度補償部との間に断熱部が設けられた放熱型環境センサ。 In an environmental sensor equipped with a temperature-sensitive resistance element for detecting an environmental value and a temperature-sensitive resistance element for temperature compensation for detecting an environmental value on which heat dissipation depends,
At least a ceramic body in which a heat detection part formed on the first main surface side and a temperature compensation part formed on the second main surface side are made of a thermistor material,
A heat detection unit electrode provided in the heat detection unit, for using the thermistor material of the heat detection unit as the temperature-sensitive resistance element for detecting the environmental value;
A temperature compensation unit electrode provided in the temperature compensation unit, for using the thermistor material of the temperature compensation unit as the temperature-sensitive resistance element for temperature compensation;
With
A heat dissipation type environmental sensor in which a heat insulating part is provided between the heat detecting part and the temperature compensating part of the ceramic body.
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