可以迅速响应的高精度集成式热敏电路及其制造方法与流程

本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种可以迅速响应的高精度集成式热敏电路及其制造方法。

背景技术：

温度传感器广泛应用于我们生活的各个方面。

现有技术中，普遍使用的是传统温度传感器（如电子体温计），传统温度传感器一般都是采用分立式热敏芯片两次封装完成，响应速度比较慢、精度也不高，分立式热敏芯片获得稳定和相对准确的温度需要30秒~10分钟左右，如医用电子体温计，要求夹在腋下至少3分钟才能读取数据。

这些问题是由现有技术的系统结构和工艺决定的，具体说明如下：传统温度传感器包括一次封装结构和二次封装结构。传统温度传感器的一次封装结构包括：热敏芯片、引线、引线与芯片互联的焊料、一次封装胶；二次封装结构包括：一次封装结构、金属帽、二次封装胶。测温过程是将金属帽的表面与被测物体接触，热敏芯片温度稳定后，才能读取到相对准确的数据。温度传输路径是：被测物体→金属帽→二次封装胶→一次封装胶→热敏芯片。可见，温度传输的路径比较长，二次封装胶、一次封装胶的温度稳定后热敏芯片的温度才会稳定，才能获得稳定的温度；同时，金属帽、二次封装胶、一次封装胶、焊料、导线都会吸收热量，影响测温速度和精度。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：提出一种集成式的、温度传输的路径比较短的、中间热损失比较小的、测温误差比较小的、获取温度参数比较快的可以迅速响应的高精度集成式热敏电路。

一种可以迅速响应的高精度集成式热敏电路，包括热敏电阻单元和2层以上的陶瓷基层，热敏电阻单元的数量在2个以上，热敏电阻单元呈线状分布于层中，至少2个热敏电阻单元位于不同的层；其中，不同的层中的“层”指陶瓷基层的上部、下部或嵌入陶瓷基层中。

优选的，热敏电阻单元包括一体化烧结而成的热敏电阻材料烧结成的线状体和连接在线状体两端的金属材料烧结成的导线。

优选的，热敏电阻材料烧结成的线状体和金属材料烧结成的导线结合处的重合长度在20μm以上，例如30μm或50μm。

优选的，热敏电阻材料烧结成的线状体和金属材料烧结成的导线结合处的交界面处相互嵌入的深度在5μm以上；金属材料的晶粒尺寸为50~800nm，热敏电阻材料的晶粒尺寸为300~2000nm，金属材料与热敏电阻材料的共熔体的晶粒直径为200~900nm。

优选的，热敏电阻材料为负温度系数热敏陶瓷材料或正温度系数金属材料，金属材料为钨浆料或钼浆料。

优选的，至少2个热敏电阻单元位于相同的层，相同的层中的“层”指陶瓷基层的上部、下部或嵌入陶瓷基层中；其中，一个热敏电阻单元由负温度系数热敏陶瓷材料制成，另一个热敏电阻单元由正温度系数金属材料制成。

优选的，热敏电阻单元的线状体的线宽为30~200μm，热敏电阻单元的厚度为5~25μm，热敏电阻单元的长度大于100μm；热敏电阻单元的长度小于5000μm。

热敏电阻单元2的线状体的线宽优选的为50μm，工艺上容易实现，响应速度比较快，蓄热能力比较小，能够达到测量精度的要求。根据需要，热敏电阻单元2的宽度也可以是30μm、60μm、90μm、120μm、150μm、180μm或200μm。由于工艺限制线状体不能做太窄；而且线状体不能太短，太短重叠处的影响会比较大，一致性会较差。

热敏电阻单元2的线状体的厚度优选的为10μm，工艺上容易实现，响应速度比较快，蓄热能力比较小，能够达到测量精度的要求。根据需要，热敏电阻单元2的厚度也可以是5μm、15μm、20μm、25μm、30μm、35μm或40μm。根据本团队的研究，热敏电阻单元2的线状体的厚度也不能够过于薄，由于烧结问题过薄的线厚会过于灵敏，导致测量数据的漂移，一致性较差。

热敏电阻单元2的线状体的长度大于100μm，同时热敏电阻单元2的线状体的长度一般设置小于5000μm。热敏电阻单元2的线型可以是标准的直线段，也可以是曲线段，还可以是脉冲线段。需要说明的，线状体长度不能太短（小于100μm），太短重叠处的影响会比较大，一致性会较差。

本发明还提供了一种可以迅速响应的高精度集成式热敏电路的制造方法。

一种可以迅速响应的高精度集成式热敏电路的制造方法，包括：

a.在生陶瓷片上进行冲孔，填充填孔导电浆料、印刷电路图层；

b.将2片以上的生陶瓷片堆叠、压合、共烧，获得包括2层以上陶瓷基层的可以迅速响应的高精度集成式热敏电路；

其中，印刷电路图层包括热敏电阻单元，热敏电阻单元包括热敏电阻浆料构成的线状体和连接在线状体两端的金属浆料构成的导线；

热敏电阻单元的数量在2个以上，至少2个热敏电阻单元位于不同的层，不同的层中的“层”指陶瓷基层的上部、下部或嵌入陶瓷基层中。

优选的，热敏电阻材料烧结成的线状体和金属材料烧结成的导线结合处的重合长度在20μm以上；热敏电阻材料烧结成的线状体和金属材料烧结成的导线结合处的交界面处相互嵌入的深度在10μm以上；金属浆料的晶粒尺寸为30~300nm，热敏电阻材料的晶粒尺寸为100~1000nm。

优选的，生瓷片的厚度为20~2000μm，共烧的温度为650~2000℃。

优选的，至少2个热敏电阻单元位于相同的层，相同的层中的“层”指陶瓷基层的上部、下部或嵌入陶瓷基层中；其中，一个热敏电阻单元由负温度系数热敏陶瓷材料制成，另一个热敏电阻单元由正温度系数金属材料制成。两种材料制成的热敏电阻单元2测温时相互校准，响应速度和精度都有很大提升。

优选的，热敏电阻浆料构成的线状体为直线、折线或s型曲线。

本发明的有益效果是：一种可以迅速响应的高精度集成式热敏电路，包括热敏电阻单元，还包括2层以上的陶瓷基层，热敏电阻单元的数量在2个以上，热敏电阻单元呈线状分布于层中，至少2个热敏电阻单元位于不同的层；其中，层指陶瓷基层的上部、下部或嵌入陶瓷基层中。由于热敏电阻单元采用线状结构，并以陶瓷基片作为基材，使得温度传输的路径比较短、中间热损失比较小，从而使得测温误差比较小；当陶瓷基层的厚度和材料确定后，根据热传导公式，在设定时间差内，层间温差与表面温度之间有确定的关系，通过位于不同的层的2个热敏电阻单元可以知道层间温差，从而可以迅速的判定表面温度，测量速度可以达到3秒钟，从而能够确定与传感器表面接触处的温度。

附图说明

下面结合附图对本发明的可以迅速响应的高精度集成式热敏电路及其制造方法作进一步说明。

图1是本发明一种可以迅速响应的高精度集成式热敏电路的结构示意图。

图2是本发明一种可以迅速响应的高精度集成式热敏电路的制造方法的流程图。

图中：

1-陶瓷基层；2-热敏电阻单元。

具体实施方式

下面结合附图1~2对本发明一种可以迅速响应的高精度集成式热敏电路及其制造方法作进一步说明。

一种可以迅速响应的高精度集成式热敏电路，包括热敏电阻单元2，还包括2层以上的陶瓷基层1，热敏电阻单元2的数量在2个以上，热敏电阻单元2呈线状分布于层中，至少2个热敏电阻单元2位于不同的层；

其中，不同的层中的“层”指陶瓷基层1的上部、下部或嵌入陶瓷基层1中。

热敏电阻单元2采用线状结构，线状结构蓄热小、升温快、响应及时、对环境温度影响小，并以陶瓷基作为基材，使得温度传输的路径比较短、中间热损失比较小，从而使得测温误差比较小；当陶瓷基层的厚度和材料确定后，根据热传导公式，在设定时间差内，层间温差与表面温度之间有确定的关系，通过位于不同的层的2个热敏电阻单元可以知道层间温差，从而可以迅速的判定表面温度，进而能够确定与传感器表面接触处的环境温度；不需要像传统温度传感器那样需要多个传热环节，不需要经过传热能力比较差的胶体。

本实施例中，热敏电阻单元2包括一体化烧结而成的热敏电阻材料烧结成的线状体和连接在线状体两端的金属材料烧结成的导线。

本实施例中，热敏电阻材料烧结成的线状体和金属材料烧结成的导线结合处的重合长度在20μm以上。根据工艺能力和实际需要，可以将该重合长度设置为20μm、30μm、50μm、70μm或100μm以上，不同的重合长度下，需要调整不同的工艺参数，并对最终的可以迅速响应的高精度集成式热敏电路系数进行调整。

本实施例中，热敏电阻材料烧结成的线状体和金属材料烧结成的导线结合处的交界面处相互嵌入的深度在5μm以上；金属材料的晶粒尺寸为50~800nm，热敏电阻材料的晶粒尺寸为300~2000nm，金属材料与热敏电阻材料的共熔体的晶粒直径为200~900nm，共熔体的体积占到交界面处的体积的30%~70%之间。

本实施例中，热敏电阻材料为负温度系数热敏陶瓷材料或正温度系数金属材料，金属材料为钨浆料或钼浆料。

本实施例中，至少2个热敏电阻单元2位于相同的层，相同的层中的“层”指陶瓷基层1的上部、下部或嵌入陶瓷基层1中；其中，一个热敏电阻单元2由负温度系数热敏陶瓷材料制成，另一个热敏电阻单元2由正温度系数金属材料制成。两种材料制成的热敏电阻单元2测温时相互校准，响应速度和精度都有很大提升。

本实施例中，热敏电阻单元2的线状体的线宽为30~200μm，热敏电阻单元2的线状体的厚度为5~25μm，热敏电阻单元2的线状体的长度大于100μm；热敏电阻单元2的线状体的长度小于5000μm。

传统的热敏芯片集成式热敏电路需要用到分立式热敏芯片。热敏芯片本身需要吸收热量，达到自身的温度稳定和温度均匀，因此热敏芯片尺寸越小，反应越灵敏，但是由于受到后续封装工艺的要求，常用的最小芯片尺寸为0.3mm（长）*0.3mm（宽）*0.28mm（厚）。本实施例中，起到热敏芯片作用的是热敏材料制作的线状体，线状体的尺寸可以做到0.1mm（长）*0.03mm（宽）*0.005mm（高），是传统芯片尺寸的1/1680，反应灵敏度获得了极大的提高。

传统的温度传感器需要用到引线：受工艺能力要求，引线直径在0.08~0.3mm范围内，引线直径太小，则无法操作。如高精度热敏电阻一般用小热敏芯片，要求引线也很细，引线越细吸热量和导热量越少，精度越高，现有的电子体温计的最小引线的直径为80μm。采用本发明提供的技术方案，连接在线状体两端的金属材料烧结成的导线的厚度可以做到5μm，宽度可以做到10μm，测量精度大大提高。

传统的温度传感器需要用到一次封装胶、二次封装胶和金属帽。一次封装胶、二次封装胶和金属帽本身都会吸收热量，同时它们达到温度均衡、稳定后，热敏芯片才会获得均衡、稳定的温度环境，这也需要一定的时间，会延迟测温。采用本发明提供的结构，热敏电阻单元可以直接与被测问题接触，同时采用陶瓷基材，传热能力大大提高，同时热敏电阻单元很小，陶瓷基材也可以做的很小，蓄热量大大减小，可以很快获得均衡、稳定的温度，采用本发明提供的技术方案可以快速的获取温度参数。

热敏电阻单元2的线状体的线宽优选的为50μm，工艺上容易实现，响应速度比较快，蓄热能力比较小，能够达到测量精度的要求。根据需要，热敏电阻单元2的线状体的宽度也可以是30μm、60μm、90μm、120μm、150μm、180μm或200μm。

热敏电阻单元2的线状体的厚度优选的为10μm，工艺上容易实现，响应速度比较快，蓄热能力比较小，能够达到测量精度的要求。根据需要，热敏电阻单元2的线状体的厚度也可以是5μm、30μm、90μm、120μm、150μm、180μm或200μm。

热敏电阻单元2的线状体的长度大于100μm，同时热敏电阻单元2的线状体的长度一般设置小于5000μm。热敏电阻单元2的线状体的线型可以是标准的直线段，也可以是曲线段，还可以是脉冲线段。

热敏电阻单元2的线状体可以是独立分布，也可以是呈阵列式设置，实现相互校正，快速测量温度。

本发明还提供了一种可以迅速响应的高精度集成式热敏电路的制造方法。

一种可以迅速响应的高精度集成式热敏电路的制造方法，包括：

a.在生陶瓷片上进行冲孔，填充填孔导电浆料、印刷电路图层；

b.将2片以上的生陶瓷片堆叠、压合、共烧，获得包括2层以上陶瓷基层1的可以迅速响应的高精度集成式热敏电路；

其中，印刷电路图层包括热敏电阻单元2，热敏电阻单元2包括热敏电阻浆料构成的线状体和连接在线状体两端的金属浆料构成的导线；

热敏电阻单元2的数量在2个以上，至少2个热敏电阻单元2位于不同的层，不同的层中的“层”指陶瓷基层1的上部、下部或嵌入陶瓷基层1中。

本实施例中，热敏电阻材料烧结成的线状体和金属材料烧结成的导线结合处的重合长度在20μm以上；热敏电阻材料烧结成的线状体和金属材料烧结成的导线结合处的交界面处相互嵌入的深度在10μm以上；金属浆料的晶粒尺寸为30~300nm，热敏电阻材料的晶粒尺寸为100~1000nm。

本实施例中，生瓷片的厚度为20~2000μm，共烧的温度为650~2000℃。

本实施例中，热敏电阻浆料构成的线状体为直线、折线或s型曲线。

热敏电阻单元采用线状结构，线状结构蓄热小、升温快、响应及时、对环境温度影响小，并以陶瓷基作为基材，使得温度传输的路径比较短、中间热损失比较小，从而使得测温误差比较小；当陶瓷基层的厚度和材料确定后，根据热传导公式，在设定时间差内，层间温差与表面温度之间有确定的关系，通过位于不同的层的2个热敏电阻单元可以知道层间温差，从而可以迅速的判定表面温度，进而能够确定与传感器表面接触处的温度；不需要像传统温度传感器那样需要多个传热环节，不需要经过传热能力比较差的胶体。

本实施例中，线状体由热敏电阻浆料烧结而成，导线由金属材料烧结而成，线状体和导线一体化烧结而成。

本实施例中，热敏电阻材料烧结成的线状体和金属材料烧结成的导线结合处的重合长度在20μm以上。根据工艺能力和实际需要，可以将该重合长度设置为20μm、30μm、50μm、70μm或100μm以上，不同的重合长度下，需要调整不同的工艺参数，并对最终的可以迅速响应的高精度集成式热敏电路系数进行调整。

本实施例中，热敏电阻材料烧结成的线状体和金属材料烧结成的导线结合处的交界面处相互嵌入的深度在5μm以上；金属材料的晶粒尺寸为50~800nm，热敏电阻材料的晶粒尺寸为300~2000nm，金属材料与热敏电阻材料的共熔体的晶粒直径为200~900nm，共熔体的体积占到交界面处的体积的30%~70%之间。

本实施例中，热敏电阻材料为负温度系数热敏陶瓷材料。作为，替换方案，热敏电阻材料也可以是正温度系数金属材料，金属材料为钨或钼。

优选的，至少2个热敏电阻单元2位于相同的层，相同的层中的“层”指陶瓷基层1的上部、下部或嵌入陶瓷基层1中；其中，一个热敏电阻单元2由负温度系数热敏陶瓷材料制成，另一个热敏电阻单元2由正温度系数金属材料制成。两种材料制成的热敏电阻单元2测温时相互校准，响应速度和精度都有很大提升。

本实施例中，热敏电阻单元2的线状体的线宽为30~200μm，热敏电阻单元2的线状体的厚度为5~200μm，热敏电阻单元2的线状体的长度大于100μm；热敏电阻单元2的线状体的长度小于5000μm。

热敏电阻单元2的线状体的线宽优选的为50μm，工艺上容易实现，响应速度比较快，蓄热能力比较小，能够达到测量精度的要求。根据需要，热敏电阻单元2的线状体的宽度也可以是30μm、60μm、90μm、120μm、150μm、180μm或200μm。根据本团队的研究，热敏电阻单元2的线状体的线宽也不能够过于窄，过窄的线宽会过于灵敏，导致测量数据的漂移。

热敏电阻单元2的线状体的厚度优选的为10μm，工艺上容易实现，响应速度比较快，蓄热能力比较小，能够达到测量精度的要求。根据需要，热敏电阻单元2的线状体的厚度也可以是5μm、30μm、90μm、120μm、150μm、180μm或200μm。

热敏电阻单元2的线状体的长度大于100μm，同时热敏电阻单元2的线状体的长度一般设置小于5000μm。热敏电阻单元2的线状体的线型可以是标准的直线段，也可以是曲线段，还可以是脉冲线段。

热敏电阻单元2可以是独立分布，也可以是呈阵列式设置，可以相互校正，快速测量温度。

本发明不局限于上述实施例，本发明的上述各个实施例的技术方案彼此可以交叉组合形成新的技术方案，另外凡采用等同替换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。