薄膜铂热电阻元件的应用及发展

作者：广州德力权仪表有限公司 谭贵权 谭文佳

欢迎访问e展厅 展厅 11 传感器展厅 差压变送器, 压力变送器, 压力传感器, 压力开关, 张力传感器, ... 摘 要：介绍国外在薄膜铂热电阻元件发展和应用状况的基础上，提出我过该国该产品发展方向。 关键词：元件测温 发展方向 0 引言 研究国外先进国家企业产品的发展历史，找出差距，对我国企业发展自己的产品有非常重要的作用。笔者与德国同行企业接触多年，几经考察，发现德国同行与我国同行企业之间存在着两个方面的明显不同。 ① 发展领域的专一性 众多的德国企业，从发展起步阶段至今，一直都在从事专一领域的产品生产，并没有走多元化发展的道路。例如：德国Heraeus 传感技术有限公司，从1851 年至今，经历了100 多年的历史，仍然在生产铂热电阻元件这类产品，而且随着薄膜铂热电阻元件的推广应用，其年产量已突破4,000 万支，并以年增长超过40%的速度发展；德国Isabellehutte 公司，从1882 年起研制生产热电偶丝材与电发热丝材，至今超过100 年的历史，目前仍在此领域发展。我们无意反对企业的多元化发展，只是通过这些例子，说明专一领域发展的可持续性。 ② 产品研发投入大量的人力、物力与财力 几乎每个被考察过的德国企业，均拥有自己的研发中心，即使是已使用了上百年的热电偶丝材，Isabellehutte 也建有自己的标准实验室，用以分析热电偶丝材的成份变化对其性能的影响，不断优化丝材的成份组合，因此，Isabellehutte 公司的检定结果，被德国国家标准局（GCA）认可；德国Heraeus 公司的研发中心更是颇具规模，拥有最先进的各类相关检测设备与分析设备，对各个工艺及材料的分析细致入微，对市场反馈的信息处理及时，并按年销售额的15%投入研发经费，使该企业的研发能紧跟市场发展的需要。反观国内同行的企业，在研发方面就相对落后得多。正是由于发展领域的专一使这些德国企业的研发有了明确的目标，反过来，不断研发出的成果又促进了专一领域的更深层次的发展，这，也许正是这些德国企业长盛不衰的原因。薄膜铂热电阻元件的发展也印证了这两方面的经验. 1 薄膜铂热电阻元件的发展现状 铂热电阻的发展，在很大程度上取决于其核心部件——铂热电阻元件的发展。从传统的云母铂热电阻元件、陶瓷铂热电阻元件、玻璃铂热电阻元件到近年来出现的厚膜铂热电阻元件和薄膜铂热电阻元件，铂热电阻元件的发展方向已转移到膜式结构的产品上，尤其是薄膜铂热电阻元件。 从1974 年引入薄膜技术研发薄膜铂热电阻元件，成功解决铂热电阻元件的成本及应用问题起，至今已有30 多年的历史，随着照相平板印刷技术的日益发展，薄膜铂热电阻元件近几年的发展突飞猛进。据不完全统计，薄膜铂热电阻元件的生产大国——德国，年产薄膜铂热电阻元件的数量已突破6,000 万支。 近几年，薄膜铂热电阻元件在欧美市场的需求量迅猛增长，美国市场从 2003 年起，年需求量增长均超过60%，德国年需求量超过40%，英国年需求量超过32%，法国、丹麦、韩国、日本、巴西等国的年需求量均超过25%。中国市场的年销售量已突破200 万支。 薄膜铂热电阻元件以其鲜明的优点，已成为铂热电阻元件的主体，其鲜明的优点体现如下： ① 体积细小 目前最小尺寸的薄膜铂热电阻元件，其宽度为3μm，长度1.6mm，厚度为0.6mm； ② 响应时间快在τ0.5 的条件下，水流速V=0.2m/s 时仅为0.05s，空气流速V=1m/s 时仅为4s； ③ 一致性好 自动化的生产和检测线，使元件具有良好的一致性； ④ 机械性能好抗震、抗振动等机械性能明显优于绕丝类铂热电阻元件； ⑤ 精度高 除常规的 B 级、A 级外，还可提供1/3B 级及1/10B 级精度的元件； ⑥ 测温范围宽从-196℃到1000℃的薄膜铂热电阻元件已经出现并投入应用，最高温度达到1250℃的产品已在研发，不久将可面市； ⑦ 结构多样化从传统的带引线结构，到无引线的SMD 产品以及适应于各种特殊领域的特殊结构的产品已经面市； ⑧ 长期稳定性好在元件的极限温度工作超过1000 小时后，其电阻值的变化＜0.02%； ⑨ 标称阻值多从 Pt6.8 到Pt10k 的产品均已投入市场； ⑩ 价格便宜 由于元件用铂量大幅度减少并采用自动化生产，使得薄膜铂热电阻元件的价格逐步走低，A 级精度的元件价格将低于10 元/支； ○11 易于加工装配适合于各种焊接方式的引线材质和结构的多样化为使用者提供了多种的选择。 随着薄膜铂热电阻元件的普及应用，传统的铂热电阻元件，诸如云母元件、陶瓷元件、玻璃元件和厚膜铂热电阻的使用量，逐步减少，在欧美等发达国家，这些元件已经或正逐步被淘汰出市场。 2 膜铂热电阻元件的应用领域 近几年，薄膜铂热电阻元件在欧美市场的应用日益广泛，新的应用领域不断被发现，并呈现出方兴未艾之势。 2.1 薄膜铂热电阻的主要应用领域 从各国应用薄膜铂热电阻元件的情况来看，除了电站、石油、化工、食品等行业的过程测量和控制外，还应用于以下的行业： ① 器械、器具行业诸如加热器具、医疗器械等； ② 分析仪器仪表 诸如气相析谱仪、酸度计等； ③ 电子装配设备 诸如焊接设备、加热设备等； ④ 制药设备 诸如控制箱、无菌清洗设备等； ⑤ 家用电器 诸如烹调炉具、烘炉、电冰箱、供暖热表等； ⑥ 汽车工业 诸如空气流量计、水温传感器、油质传感器等。 2.2 薄膜铂热电阻元件在欧美市场的新应用 在欧美市场，近几年来薄膜铂热电阻元件在汽车工业中的应用发展迅速，其主要应用在以下几个方面： ① 空气流量计以薄膜铂热电阻元件作为测温和补偿的线路板作为流量计的核心控制部件，实现废气的二次循环； ② 柴油发动机微粒过滤系统以薄膜铂热电阻测温控制烟气微粒的燃烧过程； ③ 催化剂 薄膜铂热电阻通过测量放热过程的温度变化来控制和保护催化剂； ④ 废气减少系统通过薄膜铂热电阻控制催化过程的温度，以符合相应的汽车尾气排放标准； ⑤ 柴油发动机的涡轮装置通过薄膜铂热电阻监测其温度变化以保障涡轮装置开关的安全； ⑥ 发动机系统中的油温测量带状结构的薄膜铂热电阻直接测量发动机的油温； ⑦ 车辆的点火充电器由薄膜铂热电阻传感器监测温度保障充电器的正常工作； ⑧ 高速电动机的温度监测包括主马达、车轮马达及电子差分马达的温度监测，以保护电动机的正常运行； ⑨ 空气调节器通过薄膜铂热电阻传感器监测冷却剂的温度，以减少不必要的能耗； ⑩ 车辆加热器薄膜铂热电阻传感器监控加热器的温度，防止加热器过热损坏。 另外，薄膜铂热电阻还在生命科学、电子装配、供热通风等领域都有了许多新的应用，这些都体现了薄膜铂热电阻元件作为铂热电阻元件的主体，具有旺盛的生命力。 3 我国铂热电阻的发展方向 在铂热电阻元件的应用方面，发达国家的过去也许就是我们的现在；发达国家的现在，也许就是我们的未来。因此，了解和研究发达国家在过去和现在的铂热电阻元件的应用情况，对于确定我们在铂热电阻方面的发展未来，具有极大的指导意义和现实意义。 3.1 国内外在铂热电阻元件应用方面的比较 目前，我国铂热电阻元件，包括陶瓷铂热电阻元件与薄膜、厚薄铂热电阻元件，几乎都应用在传统产品上，尤其是薄膜铂热电阻元件，主要应用在铠装产品与实体封装产品方面。在其他领域，除目前应用在汽车空气流量计中的Pt20 与Pt1000 薄膜铂热电阻元件及应用在热量计的Pt1000 薄膜铂热电阻元件外，更多的应用尚未出现。而在欧美市场，薄膜铂热电阻元件最大的应用领域则是汽车制造业、生命科学、电子装配设备（包括焊接设备与加热设备）以及供热、通风和空调等更现代的产业，这一方面反映出产业进步的差距，另一方面则反映出对薄膜铂热电阻元件性能的了解和相应的绝缘材料运用的差距。 3.2 薄膜铂热电阻元件与其他铂热电阻元件的优缺点比较 3.2.1 与陶瓷铂热电阻元件相比较的优势 从前述所列举的薄膜铂热电阻元件的鲜明优点，比较传统的目前在国内仍大量使用的陶瓷铂热电阻元件，我们可以看到两者之间有如下的差距： ① 外形尺寸 目前陶瓷铂热电阻元件最小的直径可做到φ1.2mm，最短的长度为 10mm，而薄膜铂热电阻元件最短的长度可达到1.6mm，宽度为3μm，厚度为0.6mm； ② 响应时间 在同等条件下，薄膜铂热电阻元件的热响应时间比陶瓷铂热电阻元件快好几倍； ③ 一致性 因陶瓷铂热电阻元件系手工制作，其一致性与制作者的工艺水平及心情有相当大的关系，而薄膜铂热电阻元件则是自动化生产，其一致性有充分的保障； ④ 机械性能 因陶瓷铂热电阻元件采用绕丝式制作，丝材外径在0.02～0.03mm 范围，在受到撞击时较易脆断；薄膜铂热电阻元件采用膜式结构，其允许的振动阻抗达到10HZ～2000HZ，冲击阻抗达到100g，8μs 半正强波； ⑤ 测温范围陶瓷铂热电阻元件的测温范围-200℃～850℃（国产元件为-200～+600℃），薄膜铂热电阻元件的测温范围达到-200℃～1000℃，其中，温度达到1000℃的薄膜铂热电阻元件（Pt200）已被应用在高档汽车（例如奔驰、宝马）的发动机微粒过滤系统和废气减少排放系统中，而且，测温高达1250℃的薄膜铂热电阻元件已在研发，不久将可面市； ⑥ 外形结构 陶瓷铂热电阻元件为单一的圆柱形，薄膜铂热电阻元件除传统的带引线片状结构外，无引线的SMD 片状结构、圆柱形结构以及适用于各种特殊领域的特殊结构的产品均已面市； ⑦ 标称阻值 陶瓷铂热电阻元件的标称阻值受到元件体积的限制，尤其是高阻值的元件无法做到，而薄膜铂热电阻元件的标称阻值可按要求设计，目前从Pt6.8 到Pt10k 的产品均已投入市场； ⑧ 价格 陶瓷铂热电阻元件的用铂量较薄膜铂热电阻元件大得多，因而其成本很难有大幅度的降低。薄膜铂热电阻元件的铂用量很少，而且是自动化生产，故其成本仍有不少下调空间； ⑨ 长期稳定性长期运转或温度骤变都对传感器的精度和复现性产生负面的影响，这些负面影响将影响到传感器的寿命，因此，长期稳定性是传感器中最重要的指标。陶瓷铂热电阻元件的长期稳定性取决于铂丝的纯度与制作的工艺过程，要求铂丝纯度较高且在制作过程中不能受到污染。在250h、500h 和1000h 的型式试验中，薄膜铂热电阻元件表现出良好的稳定性，德国厂家的测试数据表明，薄膜铂热电阻元件在其极限温度工作超过1000h 后，其电阻值的变化＜0.02%；在200℃使用5 年后其电阻值的变化通常＜0.04%。 3.2.2 与陶瓷铀热电阻文件相比较的劣势 与陶瓷铂热电阻元件相比，薄膜铂热电阻元件也有其明显的缺点，表现在如下两个方面： ① 工作（采样）电流陶瓷铂热电阻元件的最大工作电流可达到5mA,而薄膜铂热电阻元件的工作电流虽没有下限，但其最大的工作电流有如下的限制： ② 自热影响 由于薄膜铂热电阻元件的工作电流较小，因此，由于工作电流而产生的偏差较陶瓷铂热电阻元件要大，其产生的温度偏差由下列公式给出： △T=P×S 式中：P——能量损失=I2×R； S——自热系数，单位K/mW。 从上式中可以看到，工作电流的大小与产生的温度偏差成正比。 3.2.3 薄膜铂热电阻元件得到广泛应用的原因 那么，为什么薄膜铂热电阻元件存在上述的明显缺点，仍能在欧美市场得到广泛的应用呢？笔者认为，是基于如下的原因： ① 在欧美市场，二次仪表的智能化程度较高，包括测试设备和工作设备，其采样电流均很小，尤其是用于高精度测量的设备，其采样电流更能满足薄膜铂热电阻元件工作电流的要求，因此在实际应用中可成功避免由于工作电流而引起的温度偏差； ② 薄膜铂热电阻元件的众多优点是其他铂热电阻元件无法比拟的，在实际应用中更加方便。 3.3 我国铂热电阻（整机产品）的应用及发展方向 根据发达国家应用铂热电阻元件的情况，结合我国经济发展的要求，笔者认为，我国铂热电阻的未来发展，将会出现如下几方面的特征： 3.3.1 传统产品的竞争更加激烈，产品的性价比与服务质量成为竞争的焦点 传统的铂热电阻，包括装配式、铠装式、防爆式及实体封装式等结构形式的产品，由于生产装配的技术含量不高，工艺相对简单，入门门坎较低，因此必然导致更激烈的竞争，竞争的焦点将体现在产品的性价比和服务质量上，从而导致生产企业的成本增加，利润降低。如何规避竞争风险，开发新的产品，使企业得以继续生存和发展，是温度仪表生产企业必须予以重视的问题。 3.3.2 薄膜铂热电阻元件将作为铂热电阻元件的主体，被广泛使用在传统产品中 事实上，目前国内很多的温度仪表厂家在使用铂热电阻元件进行传统产品的生产装配过程中，大多数已采用了薄膜铂热电阻元件。随着薄膜铂热电阻元件性能的进一步完善和装配工艺的日渐成熟，薄膜铂热电阻元件将会更广泛地被温度仪表厂家使用在传统产品上。 3.3.3 汽车专用温度传感器将成为铂热电阻未来发展的一大新亮点，并将表现出持续旺盛的生命力。 众所周知，我国现已成为世界汽车的生产大国，据有关资料表明，我国目前汽车的年产量已超过500 万辆，而且在未来的十年，汽车制造业仍将是我国新发展的主要制造业之一，汽车零部件的国产化已成必然，这为铂热电阻的发展提供了广阔的空间。因此，如何开发好这个巨大的市场，生产出符合相关要求的铂热电阻，是每个有志于发展铂热电阻的企业都应当深思的问题。目前，应用薄膜铂热电阻元件生产的汽车空气流量计已在浙江、福建一带悄然崛起，市场需求旺盛，但产品质量总体欠佳，退货率高达25%或更高。 3.3.4 新兴行业的出现和发展为铂热电阻提供了新的市场 随着中国经济的深入发展和作为世界工厂的形成，众多新兴的产业或工厂转移到中国，带来了许多新的设备和新的产品，这为国内铂热电阻的发展拓开了新的空间：如供暖热量计的使用为铂热电阻开辟了一大片市场；新型的波峰焊机和回流焊机提供了另一个空间；新型的家用烹饪炉具为铂热电阻提供了新的用途。 4 结束语 综上所述，由于薄膜铂热电阻元件的应用领域不断拓广，使铂热电阻的发展越来越贴近时代的进步。如何深入了解薄膜铂热电阻元件的特性，不断研究其性能，寻找其新的应用领域，应该是铂热电阻未来发展的主方向。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (2/20/2011)