薄膜鉑電阻的發(fā)展

發(fā)表于：2017-09-04  作者：dsm1219  關(guān)注度：162

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

    發(fā)展領(lǐng)域的專一性

    眾多的德國企業(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，并以年增長超過40%的速度發(fā)展；德國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、物力與財力

    幾乎每個被考察過的德國企業(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)實驗室，用以分析熱電偶絲材的成份變化對其性能的影響，不斷優(yōu)化絲材的成份組合，因此，Isabellehutte公司的檢定結(jié)果，被德國國家標(biāo)準(zhǔn)局(GCA)認(rèn)可；德國Heraeus公司的研發(fā)中心更是頗具規(guī)模，擁有最先進的各類相關(guān)檢測設(shè)備與分析設(shè)備，對各個工藝及材料的分析細(xì)致入微，對市場反饋的信息處理及時，并按年銷售額的15%投入研發(fā)經(jīng)費，使該企業(yè)的研發(fā)能緊跟市場發(fā)展的需要。反觀國內(nèi)同行的企業(yè)，在研發(fā)方面就相對落后得多。正是由于發(fā)展領(lǐng)域的專一使這些德國企業(yè)的研發(fā)有了明確的目標(biāo)，反過來，不斷研發(fā)出的成果又促進了專一領(lǐng)域的更深層次的發(fā)展，這，也許正是這些德國企業(yè)長盛不衰的原因。薄膜鉑熱電阻元件的發(fā)展也印證了這兩方面的經(jīng)驗.

    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。據(jù)不完全統(tǒng)計，薄膜鉑熱電阻元件的生產(chǎn)大國——德國，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的需求量迅猛增長，美國市場從2003年起，年需求量增長均超過60%，德國年需求量超過40%，英國年需求量超過32%，法國、丹麥、韓國、日本、巴西等國的年需求量均超過25%。中國市場的年銷售量已突破200萬支。

    薄膜鉑熱電阻元件以其鮮明的優(yōu)點，已成為鉑熱電阻元件的主體，其鮮明的優(yōu)點體現(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，長度1.6mm，厚度為0.6mm；

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

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

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

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

    ⑥測溫范圍寬從-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長期穩(wěn)定性好在元件的極限溫度工作超過1000小時后，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；

    ⑩價格便宜由于元件用鉑量大幅度減少并采用自動化生產(chǎn)，使得薄膜鉑熱電阻元件的價格逐步走低，A級精度的元件價格將低于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)達國家，這些元件已經(jīng)或正逐步被淘汰出市場。

    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。

    2.1薄膜鉑熱電阻的主要應(yīng)用領(lǐng)域

    從各國應(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、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的新應(yīng)用

    在歐美市場，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)用在以下幾個方面：

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

    ②柴油發(fā)動機微粒過濾系統(tǒng)以薄膜鉑熱電阻測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量放熱過程的溫度變化來控制和保護催化劑；

    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)動機的渦輪裝置通過薄膜鉑熱電阻監(jiān)測其溫度變化以保障渦輪裝置開關(guān)的安全；

    ⑥發(fā)動機系統(tǒng)中的油溫測量帶狀結(jié)構(gòu)的薄膜鉑熱電阻直接測量發(fā)動機的油溫；

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

    ⑧高速電動機的溫度監(jiān)測包括主馬達、車輪馬達及電子差分馬達的溫度監(jiān)測，以保護電動機的正常運行；

    ⑨空氣調(diào)節(jié)器通過薄膜鉑熱電阻傳感器監(jiān)測冷卻劑的溫度，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)達國家的過去也許就是我們的現(xiàn)在；發(fā)達國家的現(xiàn)在，也許就是我們的未來。因此，了解和研究發(fā)達國家在過去和現(xiàn)在的鉑熱電阻元件的應(yīng)用情況，對于確定我們在鉑熱電阻方面的發(fā)展未來，具有極大的指導(dǎo)意義和現(xiàn)實意義。

    3.1 國內(nèi)外在鉑熱電阻元件應(yīng)用方面的比較

    目前，我國鉑熱電阻元件，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中的Pt20與Pt1000薄膜鉑熱電阻元件及應(yīng)用在熱量計的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，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)進步的差距，另一方面則反映出對薄膜鉑熱電阻元件性能的了解和相應(yīng)的絕緣材料運用的差距。

    3.2 薄膜鉑熱電阻元件與其他鉑熱電阻元件的優(yōu)缺點比較

    3.2.1與陶瓷鉑熱電阻元件相比較的優(yōu)勢

    從前述所列舉的薄膜鉑熱電阻元件的鮮明優(yōu)點，比較傳統(tǒng)的目前在國內(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，最短的長度為10mm，而薄膜鉑熱電阻元件最短的長度可達到1.6mm，寬度為3μm，厚度為0.6mm；

    ②響應(yīng)時間在同等條件下，薄膜鉑熱電阻元件的熱響應(yīng)時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化生產(chǎn)，其一致性有充分的保障；

    ④機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)，其允許的振動阻抗達到10HZ～2000HZ，沖擊阻抗達到100g，8μs半正強波；

    ⑤測溫范圍陶瓷鉑熱電阻元件的測溫范圍-200℃～850℃(國產(chǎn)元件為-200～+600℃)，薄膜鉑熱電阻元件的測溫范圍達到-200℃～1000℃，其中，溫度達到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)動機微粒過濾系統(tǒng)和廢氣減少排放系統(tǒng)中，而且，測溫高達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，目前從Pt6.8到Pt10k的產(chǎn)品均已投入市場；

    ⑧價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，而且是自動化生產(chǎn)，故其成本仍有不少下調(diào)空間；

    ⑨長期穩(wěn)定性長期運轉(zhuǎn)或溫度驟變都對傳感器的精度和復(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的型式試驗中，薄膜鉑熱電阻元件表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，德國廠家的測試數(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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