鎧裝薄膜鉑熱電阻元件的應(yīng)用及發(fā)展
① 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，而且隨著鎧裝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(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。
② 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******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***xj****的各類相關(guān)檢測設(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)能緊跟市場發(fā)展的需要。反觀國內(nèi)******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，也許正是這些德國企業(yè)長盛不衰的原因。鎧裝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 鎧裝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鎧裝薄膜鉑熱電阻元件，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，尤其是鎧裝薄膜鉑熱電阻元件。
從1974 年引入薄膜技術(shù)研發(fā)鎧裝薄膜鉑熱電阻元件，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，鎧裝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)，鎧裝薄膜鉑熱電阻元件的生產(chǎn)大國——德國，年產(chǎn)鎧裝薄膜鉑熱電阻元件的數(shù)量已突破6,000 萬支。
近幾年，鎧裝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。
鎧裝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***小尺寸的鎧裝薄膜鉑熱電阻元件，其寬度為3μm，長度1.6mm，厚度為0.6mm；
② 響應(yīng)時(shí)間快在τ0.5 的條件下，水流速V=0.2m/s 時(shí)***為0.05s，空氣流速V=1m/s 時(shí)***為4s；
③ 一致性好 自動(dòng)化的生產(chǎn)和檢測線，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 測溫范圍寬從-196℃到1000℃的鎧裝薄膜鉑熱電阻元件已經(jīng)出現(xiàn)并投入應(yīng)用，***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；
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)，使得鎧裝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；
○11 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。
隨著鎧裝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)******，這些元件已經(jīng)或正逐步被淘汰出市場。
2 膜鉑熱電阻元件的應(yīng)用領(lǐng)域
近幾年，鎧裝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(shì)。
2.1 鎧裝薄膜鉑熱電阻的主要應(yīng)用領(lǐng)域
從各國應(yīng)用鎧裝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(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 鎧裝薄膜鉑熱電阻元件在歐美市場的新應(yīng)用
在歐美市場，近幾年來鎧裝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)以鎧裝薄膜鉑熱電阻元件作為測溫和補(bǔ)償?shù)木€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)以鎧裝薄膜鉑熱電阻測溫控制煙氣微粒的燃燒過程；
③ 催化劑 鎧裝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(hù)催化劑；
④ 廢氣減少系統(tǒng)通過鎧裝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)的渦輪裝置通過鎧裝薄膜鉑熱電阻監(jiān)測其溫度變化以保障渦輪裝置開關(guān)的安全；
⑥ 發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中的油溫測量帶狀結(jié)構(gòu)的鎧裝薄膜鉑熱電阻直接測量發(fā)動(dòng)機(jī)的油溫；
⑦ 車輛的點(diǎn)火充電器由鎧裝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(dòng)機(jī)的溫度監(jiān)測包括主馬達(dá)、車輪馬達(dá)及電子差分馬達(dá)的溫度監(jiān)測，以保護(hù)電動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行；
⑨ 空氣調(diào)節(jié)器通過鎧裝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 車輛加熱器鎧裝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，鎧裝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)了鎧裝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(dá)******的過去也許就是我們的現(xiàn)在；發(fā)達(dá)******的現(xiàn)在，也許就是我們的未來。因此，了解和研究發(fā)達(dá)******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，尤其是鎧裝薄膜鉑熱電阻元件，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 鎧裝薄膜鉑熱電阻元件及應(yīng)用在熱量計(jì)的Pt1000 鎧裝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，鎧裝薄膜鉑熱電阻元件***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)鎧裝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 鎧裝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)
從前述所列舉的鎧裝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***小的直徑可做到φ1.2mm，***短的長度為 10mm，而鎧裝薄膜鉑熱電阻元件***短的長度可達(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，鎧裝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，而鎧裝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；鎧裝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℃），鎧裝薄膜鉑熱電阻元件的測溫范圍達(dá)到-200℃～1000℃，其中，溫度達(dá)到1000℃的鎧裝薄膜鉑熱電阻元件（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，測溫高達(dá)1250℃的鎧裝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，鎧裝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，而鎧裝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；
⑧ 價(jià)格 陶瓷鉑熱電阻元件的用鉑量較鎧裝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。鎧裝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 長期穩(wěn)定性長期運(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，長期穩(wěn)定性是傳感器中***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(yàn)中，鎧裝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，鎧裝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%。
3.2.2 與陶瓷鈾熱電阻文件相比較的劣勢(shì)
與陶瓷鉑熱電阻元件相比，鎧裝薄膜鉑熱電阻元件也有其明顯的缺點(diǎn)，表現(xiàn)在如下兩個(gè)方面：
① 工作（采樣）電流陶瓷鉑熱電阻元件的***大工作電流可達(dá)到5mA,而鎧裝薄膜鉑熱電阻元件的工作電流雖沒有下限，但其***大的工作電流有如下的限制：
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② 自熱影響 由于鎧裝薄膜鉑熱電阻元件的工作電流較小，因此，由于工作電流而產(chǎn)生的偏差較陶瓷鉑熱電阻元件要大，其產(chǎn)生的溫度偏差由下列公式給出：
△T=P×S
式中：P——能量損失=I2×R；
S——自熱系數(shù)，單位K/mW。
從上式中可以看到，工作電流的大小與產(chǎn)生的溫度偏差成正比。
3.2.3 鎧裝薄膜鉑熱電阻元件得到廣泛應(yīng)用的原因
那么，為什么鎧裝薄膜鉑熱電阻元件存在上述的明顯缺點(diǎn)，仍能在歐美市場得到廣泛的應(yīng)用呢？筆者認(rèn)為，是基于如下的原因：
① 在歐美市場，二次儀表的智能化程度較高，包括測試設(shè)備和工作設(shè)備，其采樣電流均很小，尤其是用于高精度測量的設(shè)備，其采樣電流更能滿足鎧裝薄膜鉑熱電阻元件工作電流的要求，因此在實(shí)際應(yīng)用中可成功避免由于工作電流而引起的溫度偏差；
② 鎧裝薄膜鉑熱電阻元件的眾多優(yōu)點(diǎn)是其他鉑熱電阻元件無法比擬的，在實(shí)際應(yīng)用中更加方便。
3.3 我國鉑熱電阻（整機(jī)產(chǎn)品）的應(yīng)用及發(fā)展方向
根據(jù)發(fā)達(dá)******應(yīng)用鉑熱電阻元件的情況，結(jié)合我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求，筆者認(rèn)為，我國鉑熱電阻的未來發(fā)展，將會(huì)出現(xiàn)如下幾方面的特征：
3.3.1 傳統(tǒng)產(chǎn)品的競爭更加激烈，產(chǎn)品的性價(jià)比與服務(wù)質(zhì)量成為競爭的焦點(diǎn)
傳統(tǒng)的鉑熱電阻，包括裝配式、鎧裝式、防爆式及實(shí)體封裝式等結(jié)構(gòu)形式的產(chǎn)品，由于生產(chǎn)裝配的技術(shù)含量不高，工藝相對(duì)簡單，入門門坎較低，因此必然導(dǎo)致更激烈的競爭，競爭的焦點(diǎn)將體現(xiàn)在產(chǎn)品的性價(jià)比和服務(wù)質(zhì)量上，從而導(dǎo)致生產(chǎn)企業(yè)的成本增加，利潤降低。如何規(guī)避競爭風(fēng)險(xiǎn)，開發(fā)新的產(chǎn)品，使企業(yè)得以繼續(xù)生存和發(fā)展，是溫度儀表生產(chǎn)企業(yè)須***予以重視的問題。
3.3.2 鎧裝薄膜鉑熱電阻元件將作為鉑熱電阻元件的主體，被廣泛使用在傳統(tǒng)產(chǎn)品中
事實(shí)上，目前國內(nèi)很多的溫度儀表廠家在使用鉑熱電阻元件進(jìn)行傳統(tǒng)產(chǎn)品的生產(chǎn)裝配過程中，大多數(shù)已采用了鎧裝薄膜鉑熱電阻元件。隨著鎧裝薄膜鉑熱電阻元件性能的進(jìn)一步完善和裝配工藝的日漸成熟，鎧裝薄膜鉑熱電阻元件將會(huì)更廣泛地被溫度儀表廠家使用在傳統(tǒng)產(chǎn)品上。
3.3.3 汽車專用溫度傳感器將成為鉑熱電阻未來發(fā)展的一大新亮點(diǎn)，并將表現(xiàn)出持續(xù)旺盛的生命力。
眾所周知，我國現(xiàn)已成為世界汽車的生產(chǎn)大國，據(jù)有關(guān)資料表明，我國目前汽車的年產(chǎn)量已超過500 萬輛，而且在未來的十年，汽車制造業(yè)仍將是我國新發(fā)展的主要制造業(yè)之一，汽車零部件的國產(chǎn)化已成必然，這為鉑熱電阻的發(fā)展提供了廣闊的空間。因此，如何開發(fā)好這個(gè)巨大的市場，生產(chǎn)出符合相關(guān)要求的鉑熱電阻，是每個(gè)有志于發(fā)展鉑熱電阻的企業(yè)都應(yīng)當(dāng)深思的問題。目前，應(yīng)用鎧裝薄膜鉑熱電阻元件生產(chǎn)的汽車空氣流量計(jì)已在浙江、福建一帶悄然崛起，市場需求旺盛，但產(chǎn)品質(zhì)量總體欠佳，退貨率高達(dá)25%或更高。
3.3.4 新興行業(yè)的出現(xiàn)和發(fā)展為鉑熱電阻提供了新的市場
隨著中國經(jīng)濟(jì)的深入發(fā)展和作為世界工廠的形成，眾多新興的產(chǎn)業(yè)或工廠轉(zhuǎn)移到中國，帶來了許多新的設(shè)備和新的產(chǎn)品，這為國內(nèi)鉑熱電阻的發(fā)展拓開了新的空間：如供暖熱量計(jì)的使用為鉑熱電阻開辟了一大片市場；新型的波峰焊機(jī)和回流焊機(jī)提供了另一個(gè)空間；新型的家用烹飪爐具為鉑熱電阻提供了新的用途。
4 結(jié)束語
綜上所述，由于鎧裝薄膜鉑熱電阻元件的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓廣，使鉑熱電阻的發(fā)展越來越貼近時(shí)代的進(jìn)步。如何深入了解鎧裝薄膜鉑熱電阻元件的特性，不斷研究其性能，尋找其新的應(yīng)用領(lǐng)域，應(yīng)該是鉑熱電阻未來發(fā)展的主方向。