薄膜鉑電阻的發(fā)展

發(fā)表于：2017-09-04  作者：dsm1219  關(guān)注度：159

儀表行業(yè)在各個(gè)國(guó)家越來越受到重視，與幾個(gè)突出國(guó)家相比較，發(fā)現(xiàn)其中德國(guó)同行與我國(guó)同行企業(yè)之間存在著兩個(gè)方面的明顯不同。

    發(fā)展領(lǐng)域的專一性

    眾多的德國(guó)企業(yè)，從發(fā)展起步階段至今，一直都在從事專一領(lǐng)域的產(chǎn)品生產(chǎn)，并沒有走多元化發(fā)展的道路。例如：德國(guó)Heraeus傳感技術(shù)有限公司，從1851年至今，經(jīng)歷了100多年的歷史，仍然在生產(chǎn)鉑熱電阻元件這類產(chǎn)品，而且隨著薄膜鉑熱電阻元件的推廣應(yīng)用，其年產(chǎn)量已突破4,000萬支，并以年增長(zhǎng)超過40%的速度發(fā)展；德國(guó)Isabellehutte公司，從1882年起研制生產(chǎn)熱電偶絲材與電發(fā)熱絲材，至今超過100年的歷史，目前仍在此領(lǐng)域發(fā)展。我們無意反對(duì)企業(yè)的多元化發(fā)展，只是通過這些例子，說明專一領(lǐng)域發(fā)展的可持續(xù)性。

    產(chǎn)品研發(fā)投入大量的人力、物力與財(cái)力

    幾乎每個(gè)被考察過的德國(guó)企業(yè)，均擁有自己的研發(fā)中心，即使是已使用了上百年的熱電偶絲材，Isabellehutte也建有自己的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室，用以分析熱電偶絲材的成份變化對(duì)其性能的影響，不斷優(yōu)化絲材的成份組合，因此，Isabellehutte公司的檢定結(jié)果，被德國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局(GCA)認(rèn)可；德國(guó)Heraeus公司的研發(fā)中心更是頗具規(guī)模，擁有最先進(jìn)的各類相關(guān)檢測(cè)設(shè)備與分析設(shè)備，對(duì)各個(gè)工藝及材料的分析細(xì)致入微，對(duì)市場(chǎng)反饋的信息處理及時(shí)，并按年銷售額的15%投入研發(fā)經(jīng)費(fèi)，使該企業(yè)的研發(fā)能緊跟市場(chǎng)發(fā)展的需要。反觀國(guó)內(nèi)同行的企業(yè)，在研發(fā)方面就相對(duì)落后得多。正是由于發(fā)展領(lǐng)域的專一使這些德國(guó)企業(yè)的研發(fā)有了明確的目標(biāo)，反過來，不斷研發(fā)出的成果又促進(jìn)了專一領(lǐng)域的更深層次的發(fā)展，這，也許正是這些德國(guó)企業(yè)長(zhǎng)盛不衰的原因。薄膜鉑熱電阻元件的發(fā)展也印證了這兩方面的經(jīng)驗(yàn).

    1 薄膜鉑熱電阻元件的發(fā)展現(xiàn)狀

    鉑熱電阻的發(fā)展，在很大程度上取決于其核心部件——鉑熱電阻元件的發(fā)展。從傳統(tǒng)的云母鉑熱電阻元件、陶瓷鉑熱電阻元件、玻璃鉑熱電阻元件到近年來出現(xiàn)的厚膜鉑熱電阻元件和薄膜鉑熱電阻元件，鉑熱電阻元件的發(fā)展方向已轉(zhuǎn)移到膜式結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品上，尤其是薄膜鉑熱電阻元件。

    從1974年引入薄膜技術(shù)研發(fā)薄膜鉑熱電阻元件，成功解決鉑熱電阻元件的成本及應(yīng)用問題起，至今已有30多年的歷史，隨著照相平板印刷技術(shù)的日益發(fā)展，薄膜鉑熱電阻元件近幾年的發(fā)展突飛猛進(jìn)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，薄膜鉑熱電阻元件的生產(chǎn)大國(guó)——德國(guó)，年產(chǎn)薄膜鉑熱電阻元件的數(shù)量已突破6,000萬支。

    近幾年，薄膜鉑熱電阻元件在歐美市場(chǎng)的需求量迅猛增長(zhǎng)，美國(guó)市場(chǎng)從2003年起，年需求量增長(zhǎng)均超過60%，德國(guó)年需求量超過40%，英國(guó)年需求量超過32%，法國(guó)、丹麥、韓國(guó)、日本、巴西等國(guó)的年需求量均超過25%。中國(guó)市場(chǎng)的年銷售量已突破200萬支。

    薄膜鉑熱電阻元件以其鮮明的優(yōu)點(diǎn)，已成為鉑熱電阻元件的主體，其鮮明的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)如下：

    ①體積細(xì)小目前最小尺寸的薄膜鉑熱電阻元件，其寬度為3μm，長(zhǎng)度1.6mm，厚度為0.6mm；

    ②響應(yīng)時(shí)間快在τ0.5的條件下，水流速V=0.2m/s時(shí)僅為0.05s，空氣流速V=1m/s時(shí)僅為4s；

    ③一致性好自動(dòng)化的生產(chǎn)和檢測(cè)線，使元件具有良好的一致性；

    ④機(jī)械性能好抗震、抗振動(dòng)等機(jī)械性能明顯優(yōu)于繞絲類鉑熱電阻元件；

    ⑤精度高除常規(guī)的B級(jí)、A級(jí)外，還可提供1/3B級(jí)及1/10B級(jí)精度的元件；

    ⑥測(cè)溫范圍寬從-196℃到1000℃的薄膜鉑熱電阻元件已經(jīng)出現(xiàn)并投入應(yīng)用，最高溫度達(dá)到1250℃的產(chǎn)品已在研發(fā)，不久將可面市；

    ⑦結(jié)構(gòu)多樣化從傳統(tǒng)的帶引線結(jié)構(gòu)，到無引線的SMD產(chǎn)品以及適應(yīng)于各種特殊領(lǐng)域的特殊結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品已經(jīng)面市；

    ⑧長(zhǎng)期穩(wěn)定性好在元件的極限溫度工作超過1000小時(shí)后，其電阻值的變化＜0.02%；

    ⑨標(biāo)稱阻值多從Pt6.8到Pt10k的產(chǎn)品均已投入市場(chǎng)；

    ⑩價(jià)格便宜由于元件用鉑量大幅度減少并采用自動(dòng)化生產(chǎn)，使得薄膜鉑熱電阻元件的價(jià)格逐步走低，A級(jí)精度的元件價(jià)格將低于10元/支；

    易于加工裝配適合于各種焊接方式的引線材質(zhì)和結(jié)構(gòu)的多樣化為使用者提供了多種的選擇。

    隨著薄膜鉑熱電阻元件的普及應(yīng)用，傳統(tǒng)的鉑熱電阻元件，諸如云母元件、陶瓷元件、玻璃元件和厚膜鉑熱電阻的使用量，逐步減少，在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家，這些元件已經(jīng)或正逐步被淘汰出市場(chǎng)。

    2 元件的應(yīng)用領(lǐng)域

    近幾年，薄膜鉑熱電阻元件在歐美市場(chǎng)的應(yīng)用日益廣泛，新的應(yīng)用領(lǐng)域不斷被發(fā)現(xiàn)，并呈現(xiàn)出方興未艾之勢(shì)。

    2.1薄膜鉑熱電阻的主要應(yīng)用領(lǐng)域

    從各國(guó)應(yīng)用薄膜鉑熱電阻元件的情況來看，除了電站、石油、化工、食品等行業(yè)的過程測(cè)量和控制外，還應(yīng)用于以下的行業(yè)：

    ①器械、器具行業(yè)諸如加熱器具、醫(yī)療器械等；

    ②分析儀器儀表諸如氣相析譜儀、酸度計(jì)等；

    ③電子裝配設(shè)備諸如焊接設(shè)備、加熱設(shè)備等；

    ④制藥設(shè)備諸如控制箱、無菌清洗設(shè)備等；

    ⑤家用電器諸如烹調(diào)爐具、烘爐、電冰箱、供暖熱表等；

    ⑥汽車工業(yè)諸如空氣流量計(jì)、水溫傳感器、油質(zhì)傳感器等。

    2.2薄膜鉑熱電阻元件在歐美市場(chǎng)的新應(yīng)用

    在歐美市場(chǎng)，近幾年來薄膜鉑熱電阻元件在汽車工業(yè)中的應(yīng)用發(fā)展迅速，其主要應(yīng)用在以下幾個(gè)方面：

    ①空氣流量計(jì)以薄膜鉑熱電阻元件作為測(cè)溫和補(bǔ)償?shù)?a class="hotl<em></em>inkmode" target="_blank">線路板作為流量計(jì)的核心控制部件，實(shí)現(xiàn)廢氣的二次循環(huán)；

    ②柴油發(fā)動(dòng)機(jī)微粒過濾系統(tǒng)以薄膜鉑熱電阻測(cè)溫控制煙氣微粒的燃燒過程；

    ③催化劑薄膜鉑熱電阻通過測(cè)量放熱過程的溫度變化來控制和保護(hù)催化劑；

    ④廢氣減少系統(tǒng)通過薄膜鉑熱電阻控制催化過程的溫度，以符合相應(yīng)的汽車尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)；

    ⑤柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪裝置通過薄膜鉑熱電阻監(jiān)測(cè)其溫度變化以保障渦輪裝置開關(guān)的安全；

    ⑥發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中的油溫測(cè)量帶狀結(jié)構(gòu)的薄膜鉑熱電阻直接測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)的油溫；

    ⑦車輛的點(diǎn)火充電器由薄膜鉑熱電阻傳感器監(jiān)測(cè)溫度保障充電器的正常工作；

    ⑧高速電動(dòng)機(jī)的溫度監(jiān)測(cè)包括主馬達(dá)、車輪馬達(dá)及電子差分馬達(dá)的溫度監(jiān)測(cè)，以保護(hù)電動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行；

    ⑨空氣調(diào)節(jié)器通過薄膜鉑熱電阻傳感器監(jiān)測(cè)冷卻劑的溫度，以減少不必要的能耗；

    ⑩車輛加熱器薄膜鉑熱電阻傳感器監(jiān)控加熱器的溫度，防止加熱器過熱損壞。

    另外，薄膜鉑熱電阻還在生命科學(xué)、電子裝配、供熱通風(fēng)等領(lǐng)域都有了許多新的應(yīng)用，這些都體現(xiàn)了薄膜鉑熱電阻元件作為鉑熱電阻元件的主體，具有旺盛的生命力。

    3 我國(guó)鉑熱電阻的發(fā)展方向

    在鉑熱電阻元件的應(yīng)用方面，發(fā)達(dá)國(guó)家的過去也許就是我們的現(xiàn)在；發(fā)達(dá)國(guó)家的現(xiàn)在，也許就是我們的未來。因此，了解和研究發(fā)達(dá)國(guó)家在過去和現(xiàn)在的鉑熱電阻元件的應(yīng)用情況，對(duì)于確定我們?cè)阢K熱電阻方面的發(fā)展未來，具有極大的指導(dǎo)意義和現(xiàn)實(shí)意義。

    3.1 國(guó)內(nèi)外在鉑熱電阻元件應(yīng)用方面的比較

    目前，我國(guó)鉑熱電阻元件，包括陶瓷鉑熱電阻元件與薄膜、厚薄鉑熱電阻元件，幾乎都應(yīng)用在傳統(tǒng)產(chǎn)品上，尤其是薄膜鉑熱電阻元件，主要應(yīng)用在鎧裝產(chǎn)品與實(shí)體封裝產(chǎn)品方面。在其他領(lǐng)域，除目前應(yīng)用在汽車空氣流量計(jì)中的Pt20與Pt1000薄膜鉑熱電阻元件及應(yīng)用在熱量計(jì)的Pt1000薄膜鉑熱電阻元件外，更多的應(yīng)用尚未出現(xiàn)。而在歐美市場(chǎng)，薄膜鉑熱電阻元件最大的應(yīng)用領(lǐng)域則是汽車制造業(yè)、生命科學(xué)、電子裝配設(shè)備(包括焊接設(shè)備與加熱設(shè)備)以及供熱、通風(fēng)和空調(diào)等更現(xiàn)代的產(chǎn)業(yè)，這一方面反映出產(chǎn)業(yè)進(jìn)步的差距，另一方面則反映出對(duì)薄膜鉑熱電阻元件性能的了解和相應(yīng)的絕緣材料運(yùn)用的差距。

    3.2 薄膜鉑熱電阻元件與其他鉑熱電阻元件的優(yōu)缺點(diǎn)比較

    3.2.1與陶瓷鉑熱電阻元件相比較的優(yōu)勢(shì)

    從前述所列舉的薄膜鉑熱電阻元件的鮮明優(yōu)點(diǎn)，比較傳統(tǒng)的目前在國(guó)內(nèi)仍大量使用的陶瓷鉑熱電阻元件，我們可以看到兩者之間有如下的差距：

    ①外形尺寸目前陶瓷鉑熱電阻元件最小的直徑可做到φ1.2mm，最短的長(zhǎng)度為10mm，而薄膜鉑熱電阻元件最短的長(zhǎng)度可達(dá)到1.6mm，寬度為3μm，厚度為0.6mm；

    ②響應(yīng)時(shí)間在同等條件下，薄膜鉑熱電阻元件的熱響應(yīng)時(shí)間比陶瓷鉑熱電阻元件快好幾倍；

 

    ③一致性因陶瓷鉑熱電阻元件系手工制作，其一致性與制作者的工藝水平及心情有相當(dāng)大的關(guān)系，而薄膜鉑熱電阻元件則是自動(dòng)化生產(chǎn)，其一致性有充分的保障；

    ④機(jī)械性能因陶瓷鉑熱電阻元件采用繞絲式制作，絲材外徑在0.02～0.03mm范圍，在受到撞擊時(shí)較易脆斷；薄膜鉑熱電阻元件采用膜式結(jié)構(gòu)，其允許的振動(dòng)阻抗達(dá)到10HZ～2000HZ，沖擊阻抗達(dá)到100g，8μs半正強(qiáng)波；

    ⑤測(cè)溫范圍陶瓷鉑熱電阻元件的測(cè)溫范圍-200℃～850℃(國(guó)產(chǎn)元件為-200～+600℃)，薄膜鉑熱電阻元件的測(cè)溫范圍達(dá)到-200℃～1000℃，其中，溫度達(dá)到1000℃的薄膜鉑熱電阻元件(Pt200)已被應(yīng)用在高檔汽車(例如奔馳、寶馬)的發(fā)動(dòng)機(jī)微粒過濾系統(tǒng)和廢氣減少排放系統(tǒng)中，而且，測(cè)溫高達(dá)1250℃的薄膜鉑熱電阻元件已在研發(fā)，不久將可面市；

    ⑥外形結(jié)構(gòu)陶瓷鉑熱電阻元件為單一的圓柱形，薄膜鉑熱電阻元件除傳統(tǒng)的帶引線片狀結(jié)構(gòu)外，無引線的SMD片狀結(jié)構(gòu)、圓柱形結(jié)構(gòu)以及適用于各種特殊領(lǐng)域的特殊結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品均已面市；

    ⑦標(biāo)稱阻值陶瓷鉑熱電阻元件的標(biāo)稱阻值受到元件體積的限制，尤其是高阻值的元件無法做到，而薄膜鉑熱電阻元件的標(biāo)稱阻值可按要求設(shè)計(jì)，目前從Pt6.8到Pt10k的產(chǎn)品均已投入市場(chǎng)；

    ⑧價(jià)格陶瓷鉑熱電阻元件的用鉑量較薄膜鉑熱電阻元件大得多，因而其成本很難有大幅度的降低。薄膜鉑熱電阻元件的鉑用量很少，而且是自動(dòng)化生產(chǎn)，故其成本仍有不少下調(diào)空間；

    ⑨長(zhǎng)期穩(wěn)定性長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)或溫度驟變都對(duì)傳感器的精度和復(fù)現(xiàn)性產(chǎn)生負(fù)面的影響，這些負(fù)面影響將影響到傳感器的壽命，因此，長(zhǎng)期穩(wěn)定性是傳感器中最重要的指標(biāo)。陶瓷鉑熱電阻元件的長(zhǎng)期穩(wěn)定性取決于鉑絲的純度與制作的工藝過程，要求鉑絲純度較高且在制作過程中不能受到污染。在250h、500h和1000h的型式試驗(yàn)中，薄膜鉑熱電阻元件表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，德國(guó)廠家的測(cè)試數(shù)據(jù)表明，薄膜鉑熱電阻元件在其極限溫度工作超過1000h后，其電阻值的變化＜0.02%；在200℃使用5年后其電阻值的變化通常＜0.04%

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