JP2014178137A - Humidity sensor - Google Patents
Humidity sensor Download PDFInfo
- Publication number
- JP2014178137A JP2014178137A JP2013050729A JP2013050729A JP2014178137A JP 2014178137 A JP2014178137 A JP 2014178137A JP 2013050729 A JP2013050729 A JP 2013050729A JP 2013050729 A JP2013050729 A JP 2013050729A JP 2014178137 A JP2014178137 A JP 2014178137A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- detection
- film
- humidity sensor
- thermistor
- insulating film
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Abstract
Description
本発明は、小型かつ低コストであると共に高精度に湿度検出が可能で、さらに表面実装も可能になる湿度センサに関する。 The present invention relates to a humidity sensor that is small in size and low in cost, can detect humidity with high accuracy, and can be mounted on the surface.
従来、サーミスタ素子を用いた湿度センサとして、例えば特許文献１には、独立した二つの凹部を中心軸に対称に形成すると共に、一方の凹部に上面に対して貫通した開口部を設けてなる均熱ケースと、特性の揃った自己加熱型の二つの感温素子とを備え、二つの感温素子のうち一方を、開口部を有する一方の凹部に対して基板を介して封止して感湿素子とし、他方の感温素子を他方の凹部に対して基板を介して封止して温度補償素子とする絶対湿度センサが記載されている。 Conventionally, as a humidity sensor using a thermistor element, for example, in Patent Document 1, two independent recesses are formed symmetrically with respect to the central axis, and one recess is provided with an opening penetrating the top surface. A thermal case and two self-heating type thermosensitive elements with uniform characteristics are provided, and one of the two thermosensitive elements is sealed with respect to one concave portion having an opening through a substrate. An absolute humidity sensor is described in which a humidity element is used and the other temperature-sensitive element is sealed with respect to the other recess through a substrate to form a temperature compensation element.
この絶対湿度センサでは、二つの感温素子が自己発熱型サーミスタからなり、これらの自己発熱型サーミスタは、２つのリード線が基板を貫通して立設され、凹部中の空中に支持されている。
このような湿度センサは、熱拡散の違いが湿度によって異なる現象を利用して、サーミスタの発熱量が外気に通じた方と完全に封止された方とで異なることから、両者のサーミスタにおける抵抗値も変化することで、その差異に基づいて湿度を算出するものである。
In this absolute humidity sensor, two temperature sensing elements are composed of self-heating type thermistors, and these self-heating type thermistors have two lead wires standing through the substrate and supported in the air in the recess. .
Such a humidity sensor uses a phenomenon in which the difference in heat diffusion differs depending on the humidity, and the amount of heat generated by the thermistor differs between the one that communicates with the outside air and the one that is completely sealed. By changing the value, the humidity is calculated based on the difference.
上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
すなわち、従来の湿度センサでは、リード線によってサーミスタ素子を基板上に立設させて空中に支持しているために、大きな凹部内の空間が必要になり、特殊な構造が必要になって部品コストが増大すると共に全体が大型化してしまう不都合があった。また、リード線に外部配線を接続する必要があり、回路基板上へ直接、表面実装を行うことができないという不都合がある。
The following problems remain in the conventional technology.
In other words, in the conventional humidity sensor, the thermistor element is erected on the substrate by the lead wire and supported in the air, so a large space in the recess is required, and a special structure is required, resulting in component costs. However, there is a disadvantage that the whole size increases. Further, it is necessary to connect external wiring to the lead wire, and there is a disadvantage that surface mounting cannot be performed directly on the circuit board.
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、小型かつ低コストであると共に高精度に湿度検出が可能で、さらに表面実装も可能になる湿度センサを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a humidity sensor that is small in size and low in cost, can detect humidity with high accuracy, and can be mounted on the surface.
本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、第１の発明に係る湿度センサは、絶縁性フィルムと、該絶縁性フィルムの一方の面に設けられた検出用感熱素子と、前記絶縁性フィルムの一方の面にパターン形成され検出用感熱素子に接続された導電性の配線膜と、前記検出用感熱素子に対向して前記絶縁性フィルムの他方の面であって外気に露出する面に設けられた前記絶縁性フィルムよりも熱伝導性の高い検出用熱伝導膜と、前記検出用感熱素子を覆って内部を密封するケース部とを備えていることを特徴とする。 The present invention employs the following configuration in order to solve the above problems. That is, the humidity sensor according to the first invention includes an insulating film, a thermal sensor for detection provided on one surface of the insulating film, and a thermal sensor for detection which is patterned on one surface of the insulating film. Conductive wiring film connected to the element, and thermal conductivity more than the insulating film provided on the other surface of the insulating film facing the detection thermosensitive element and exposed to the outside air And a case portion that covers the detection heat-sensitive element and seals the inside thereof.
この湿度センサでは、外気に露出する面に設けられた絶縁性フィルムよりも熱伝導性の高い検出用熱伝導膜と、検出用感熱素子を覆って内部を密封するケース部とを備えているので、検出用熱伝導膜により大気中の湿度に奪われる熱量を多くすることができると共に、検出用感熱素子がケース部により外気から遮断される。これにより、検出誤差が少なく、小型のまま湿度検出感度を高くすることが可能になる。また、検出用感熱素子が、絶縁性フィルムの面に設置されているため、ケース部による収納空間も小さくてすみ、より小型化が可能である。したがって、小型化により応答性も向上すると共に、シンプルな構造の部材により低コストで作製可能である。
なお、検出用感熱素子が水分を含む外気に触れて接続した検出回路に生じるジュール熱が湿度により変化するのに対し、補償用感熱素子は外気の湿度の影響を受けない。このため同じ電流で検出を行うと、外気に触れない方は、周辺の湿度に関係なく検出回路に接続したときのジュール熱による発熱量が一定になるが、外気に触れる方のジュール熱は少なくなり、温度が低く検出される。すなわち、検出用感熱素子と補償用感熱素子との検出温度（抵抗値又は電圧値）の比較を行うことにより、外気の湿度を推定し、検出することが可能になる。
Since this humidity sensor has a heat conductive film for detection having a higher thermal conductivity than the insulating film provided on the surface exposed to the outside air, and a case part that covers the heat sensitive element for detection and seals the inside. The amount of heat lost to the atmospheric humidity can be increased by the heat conductive film for detection, and the heat sensitive element for detection is blocked from the outside air by the case portion. Thereby, it is possible to increase the humidity detection sensitivity with a small detection error and a small size. In addition, since the detection thermosensitive element is installed on the surface of the insulating film, the storage space by the case portion is small, and the size can be further reduced. Therefore, the responsiveness is improved by downsizing, and it can be manufactured at a low cost by a member having a simple structure.
Note that while the Joule heat generated in the detection circuit connected to the detection thermal element in contact with the outside air containing moisture varies depending on the humidity, the compensation thermal element is not affected by the humidity of the outside air. For this reason, if detection is performed with the same current, the amount of heat generated by Joule heat when connected to the detection circuit is constant regardless of the ambient humidity, but the amount of Joule heat that is exposed to outside air is small. The temperature is detected low. That is, it is possible to estimate and detect the humidity of the outside air by comparing the detection temperature (resistance value or voltage value) between the detection thermal element and the compensation thermal element.
第２の発明に係る湿度センサは、第１の発明において、前記ケース部が、上端部が前記配線膜に接続されていると共に下端部が前記ケース部の底部に配された複数の接続端子部材を備えていることを特徴とする。
すなわち、この湿度センサでは、ケース部が、上端部が配線膜に接続されていると共に下端部がケース部の底部に配された複数の接続端子部材を備えているので、接続端子部材の下端部を回路基板等に半田材等で接着することにより、容易に表面実装が可能になる。
The humidity sensor according to a second invention is the humidity sensor according to the first invention, wherein the case portion has a plurality of connection terminal members in which an upper end portion is connected to the wiring film and a lower end portion is arranged on a bottom portion of the case portion. It is characterized by having.
That is, in this humidity sensor, since the case portion includes a plurality of connection terminal members whose upper end portion is connected to the wiring film and whose lower end portion is arranged on the bottom portion of the case portion, the lower end portion of the connection terminal member By mounting the substrate to a circuit board or the like with a solder material or the like, surface mounting can be easily performed.
第３の発明に係る湿度センサは、第１又は第２の発明において、前記絶縁性フィルムの一方の面に前記検出用感熱素子に対して間隔を空けて設けられた補償用感熱素子と、該補償用感熱素子に対向して前記絶縁性フィルムの他方の面に設けられた前記絶縁性フィルムよりも熱伝導性の高い補償用熱伝導膜と、該補償用熱伝導膜を覆って外気から遮断する補償用風防部とを備え、前記ケース部が、前記検出用感熱素子と前記補償用感熱素子との両方を覆っていることを特徴とする。
この湿度センサでは、補償用熱伝導膜を覆って外気から遮断する補償用風防部を備えているので、補償用風防部により補償用熱伝導膜が外気の湿度の影響を受けない。すなわち、密封された補償用熱伝導膜に対向した補償用感熱素子を湿度変化ゼロの基準として、検出用感熱素子と補償用感熱素子との検出温度（抵抗値又は電圧値）の比較を行うことにより、外気の湿度を推定し、検出することが可能になる。また、ケース部が、検出用感熱素子と補償用感熱素子との両方を覆っているので、両方の素子の周辺環境を外気から遮断して同一にすることができ、さらに高い検出精度を得ることができる。
The humidity sensor according to a third aspect of the present invention is the humidity sensor according to the first or second aspect, wherein the compensation thermal element provided on the one surface of the insulating film with a space from the detection thermal element, A heat conductive film for compensation having higher thermal conductivity than the insulating film provided on the other surface of the insulating film facing the heat-sensitive element for compensation, and covering the heat conductive film for compensation and blocking from the outside air A compensating windshield portion, and the case portion covers both the detection thermal element and the compensation thermal element.
Since this humidity sensor includes a compensation windshield portion that covers the compensation heat conductive film and shields it from the outside air, the compensation heat conduction film is not affected by the humidity of the outside air by the compensation windshield portion. That is, comparing the detection temperature (resistance value or voltage value) between the detection thermal element and the compensation thermal element, with the compensation thermal element facing the sealed compensation thermal conductive film as a reference for zero humidity change. Thus, it becomes possible to estimate and detect the humidity of the outside air. In addition, since the case part covers both the detection thermal element and the compensation thermal element, the surrounding environment of both elements can be cut off from the outside air to be the same, and higher detection accuracy can be obtained. Can do.
第４の発明に係る湿度センサは、第３の発明において、前記検出用熱伝導膜を覆うと共に外気を内外に流通可能な通気孔を有する検出用風防部を備えていることを特徴とする。
すなわち、この湿度センサでは、検出用熱伝導膜を覆うと共に外気を内外に流通可能な通気孔を有する検出用風防部を備えているので、検出用風防部により外気の流れの影響を抑制できると共に、検出用熱伝導膜の表面汚れなどの影響を低減して検出特性の経年変化も少なくすることができる。
A humidity sensor according to a fourth aspect of the invention is characterized in that, in the third aspect of the invention, the humidity sensor includes a detection windshield portion that covers the thermal conductive film for detection and has a vent hole through which outside air can flow inside and outside.
In other words, the humidity sensor includes a detection windshield portion that covers the detection heat conduction film and has a vent hole that allows the outside air to flow inside and outside, so that the detection windshield portion can suppress the influence of the flow of outside air. Further, it is possible to reduce the influence of surface contamination of the heat conductive film for detection and the like, and to reduce the secular change of the detection characteristics.
第５の発明に係る湿度センサは、第３又は第４の発明において、前記検出用感熱素子及び前記補償用感熱素子が、サーミスタ材料で形成されたサーミスタ素体と、該サーミスタ素体の両端部に形成された電極となる一対の端子部とをそれぞれ有し、前記サーミスタ素体が、立方晶スピネル相を主相とする結晶構造を有したセラミックス焼結体であることを特徴とする。
すなわち、この湿度センサでは、サーミスタ素体が、立方晶スピネル相を主相とする結晶構造を有したセラミックス焼結体であるので、異方性もなく、また不純物層がないので、セラミックス焼結体内で電気特性のバラツキが小さく、複数の湿度センサを用いる際に高精度な測定が可能になる。また、安定した結晶構造のため、耐環境に対する信頼性も高い。なお、セラミックス焼結体としては、立方晶スピネル相からなる単相の結晶構造が最も望ましい。
A humidity sensor according to a fifth invention is the humidity sensor according to the third or fourth invention, wherein the detection heat sensitive element and the compensation heat sensitive element are formed of a thermistor material, and both ends of the thermistor element. Each of the thermistor bodies is a ceramic sintered body having a crystal structure with a cubic spinel phase as a main phase.
That is, in this humidity sensor, since the thermistor body is a ceramic sintered body having a crystal structure with a cubic spinel phase as the main phase, there is no anisotropy and there is no impurity layer. The variation in electrical characteristics in the body is small, and high-precision measurement is possible when using a plurality of humidity sensors. In addition, since it has a stable crystal structure, it is highly reliable against the environment. As the ceramic sintered body, a single-phase crystal structure composed of a cubic spinel phase is most desirable.
第６の発明に係る湿度センサは、第３又は第４の発明において、前記検出用感熱素子及び前記補償用感熱素子が、前記絶縁性フィルムの一方の面にＴｉＡｌＮのサーミスタ材料でパターン形成された薄膜サーミスタ部と、前記薄膜サーミスタ部の上及び下の少なくとも一方に複数の櫛部を有して互いに対向してパターン形成されていると共に一対の前記配線膜に接続された一対の櫛型電極とを備え、前記薄膜サーミスタ部が、一般式：ＴｉｘＡｌｙＮｚ（０．７０≦ｙ／（ｘ＋ｙ）≦０．９５、０．４≦ｚ≦０．５、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で示される金属窒化物からなり、その結晶構造が、六方晶系のウルツ鉱型の単相であることを特徴とする。 A humidity sensor according to a sixth invention is the humidity sensor according to the third or fourth invention, wherein the detection thermal element and the compensation thermal element are patterned with a TiAlN thermistor material on one surface of the insulating film. A thin film thermistor portion and a pair of comb-shaped electrodes having a plurality of comb portions above and below the thin film thermistor portion and patterned to face each other and connected to the pair of wiring films wherein the thin film thermistor portion has the general formula: metal represented by Ti x Al y N z (0.70 ≦ y / (x + y) ≦ 0.95,0.4 ≦ z ≦ 0.5, x + y + z = 1) It is made of nitride, and its crystal structure is a single phase of a hexagonal wurtzite type.
本発明者らは、窒化物材料の中でもＡｌＮ系に着目し、鋭意、研究を進めたところ、絶縁体であるＡｌＮは、最適なサーミスタ特性（Ｂ定数：１０００〜６０００Ｋ程度）を得ることが難しいため、Ａｌサイトを電気伝導を向上させる特定の金属元素で置換すると共に、特定の結晶構造とすることで、非焼成で良好なＢ定数と耐熱性とが得られることを見出した。
したがって、本発明は、上記知見から得られたものであり、薄膜サーミスタ部が、一般式：ＴｉｘＡｌｙＮｚ（０．７０≦ｙ／（ｘ＋ｙ）≦０．９５、０．４≦ｚ≦０．５、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で示される金属窒化物からなり、その結晶構造が、六方晶系のウルツ鉱型の単相であるので、非焼成で良好なＢ定数が得られると共に高い耐熱性を有している。
The inventors of the present invention focused on the AlN system among the nitride materials and made extensive research. As a result, it is difficult for AlN as an insulator to obtain optimum thermistor characteristics (B constant: about 1000 to 6000 K). For this reason, it was found that by replacing the Al site with a specific metal element that improves electrical conduction and having a specific crystal structure, a good B constant and heat resistance can be obtained without firing.
Therefore, the present invention has been obtained from the above findings, and the thin film thermistor portion has a general formula: Ti x Al y N z (0.70 ≦ y / (x + y) ≦ 0.95, 0.4 ≦ z ≦ 0.5, x + y + z = 1), and its crystal structure is a hexagonal wurtzite single phase, so that a good B constant can be obtained without firing and a high heat resistance. It has sex.
なお、上記「ｙ／（ｘ＋ｙ）」（すなわち、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ））が０．７０未満であると、ウルツ鉱型の単相が得られず、ＮａＣｌ型相との共存相又はＮａＣｌ型相のみの相となってしまい、十分な高抵抗と高Ｂ定数とが得られない。
また、上記「ｙ／（ｘ＋ｙ）」（すなわち、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ））が０．９５を超えると、抵抗率が非常に高く、きわめて高い絶縁性を示すため、サーミスタ材料として適用できない。
また、上記「ｚ」（すなわち、Ｎ／（Ｔｉ＋Ａｌ＋Ｎ））が０．４未満であると、金属の窒化量が少ないため、ウルツ鉱型の単相が得られず、十分な高抵抗と高Ｂ定数とが得られない。
さらに、上記「ｚ」（すなわち、Ｎ／（Ｔｉ＋Ａｌ＋Ｎ））が０．５を超えると、ウルツ鉱型の単相を得ることができない。このことは、ウルツ鉱型の単相において、窒素サイトにおける欠陥がない場合の正しい化学量論比は、Ｎ／（Ｔｉ＋Ａｌ＋Ｎ）＝０．５であることに起因する。
When the above “y / (x + y)” (ie, Al / (Ti + Al)) is less than 0.70, a wurtzite type single phase cannot be obtained, and a coexisting phase with an NaCl type phase or an NaCl type phase Therefore, a sufficiently high resistance and a high B constant cannot be obtained.
Further, if the above “y / (x + y)” (that is, Al / (Ti + Al)) exceeds 0.95, the resistivity is very high and the insulating property is extremely high, so that it cannot be applied as a thermistor material.
Further, when the “z” (that is, N / (Ti + Al + N)) is less than 0.4, since the amount of metal nitriding is small, a wurtzite type single phase cannot be obtained, and a sufficiently high resistance and high B A constant cannot be obtained.
Furthermore, when the “z” (that is, N / (Ti + Al + N)) exceeds 0.5, a wurtzite single phase cannot be obtained. This is because in the wurtzite type single phase, the correct stoichiometric ratio when there is no defect at the nitrogen site is N / (Ti + Al + N) = 0.5.
本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係る湿度センサによれば、外気に露出する面に設けられた絶縁性フィルムよりも熱伝導性の高い検出用熱伝導膜と、検出用感熱素子を覆って内部を密封するケース部とを備えているので、検出誤差が少なく、小型かつ低コストで湿度検出感度を高くすることが可能になる。
特に、本発明の湿度センサは、複写機やエアコンなど、湿度計測を必要とする機器の湿度計測用のセンサとして好適である。
The present invention has the following effects.
That is, according to the humidity sensor according to the present invention, the detection heat conductive film having higher thermal conductivity than the insulating film provided on the surface exposed to the outside air, and the case that covers the detection heat sensitive element and seals the inside Therefore, it is possible to increase the humidity detection sensitivity with small size and low cost.
In particular, the humidity sensor of the present invention is suitable as a sensor for measuring the humidity of devices that require humidity measurement, such as copying machines and air conditioners.
以下、本発明に係る湿度センサの第１実施形態を、図１から図３を参照しながら説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能又は認識容易な大きさとするために縮尺を適宜変更している。 Hereinafter, a first embodiment of a humidity sensor according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 3. In each drawing used for the following description, the scale is appropriately changed in order to make each member recognizable or easily recognizable.
本実施形態の湿度センサ１は、図１及び図２に示すように、絶縁性フィルム２と、該絶縁性フィルム２の一方の面に設けられた検出用感熱素子３Ａと、絶縁性フィルム２の一方の面にパターン形成され検出用感熱素子３Ａに接続された導電性の配線膜４と、検出用感熱素子３Ａに対向して絶縁性フィルム２の他方の面であって外気に露出する面に設けられた絶縁性フィルム２よりも熱伝導性の高い検出用熱伝導膜５Ａと、検出用感熱素子３Ａを覆って内部を密封するケース部６とを備えている。
上記ケース部６は、樹脂製であり、上端部が配線膜４に接続されていると共に下端部がケース部６の底部に配された複数の接続端子部材７を備えている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the humidity sensor 1 of the present embodiment includes an insulating film 2, a thermal element 3 </ b> A for detection provided on one surface of the insulating film 2, and an insulating film 2. A conductive wiring film 4 patterned on one surface and connected to the detection thermal element 3A, and the other surface of the insulating film 2 facing the detection thermal element 3A and exposed to the outside air The thermal conductive film for detection 5A having higher thermal conductivity than the provided insulating film 2 and a case portion 6 that covers the thermal element 3A for detection and seals the inside are provided.
The case portion 6 is made of resin, and includes a plurality of connection terminal members 7 having an upper end portion connected to the wiring film 4 and a lower end portion disposed on the bottom portion of the case portion 6.
上記検出用感熱素子３Ａは、サーミスタ材料で形成されたサーミスタ素体８と、該サーミスタ素体８の両端部に形成された電極となる一対の端子部９とを有したチップ状とされている。すなわち、検出用感熱素子３Ａは、チップサーミスタである。
上記サーミスタ素体８としては、ＮＴＣ型、ＰＴＣ型、ＣＴＲ型等のサーミスタ材料があるが、本実施形態では、例えばＮＴＣ型サーミスタを採用している。このサーミスタ材料は、Ｍｎ−Ｃｏ−Ｃｕ系材料、Ｍｎ−Ｃｏ−Ｆｅ系材料等のサーミスタ材料で形成されている。
The detection thermal element 3A has a chip shape having a thermistor element body 8 made of a thermistor material and a pair of terminal portions 9 serving as electrodes formed at both ends of the thermistor element body 8. . That is, the detection thermosensitive element 3A is a chip thermistor.
Examples of the thermistor body 8 include NTC type, PTC type, and CTR type thermistor materials. In this embodiment, for example, an NTC type thermistor is employed. This thermistor material is formed of a thermistor material such as a Mn—Co—Cu-based material or a Mn—Co—Fe-based material.
特に、本実施形態では、サーミスタ素体８として、Ｍｎ，ＣｏおよびＦｅの金属酸化物を含有するセラミックス焼結体、すなわちＭｎ−Ｃｏ−Ｆｅ系材料で形成されたものを採用している。さらに、このセラミックス焼結体は、立方晶スピネル相を主相とする結晶構造を有していることが好ましい。特に、セラミックス焼結体としては、立方晶スピネル相からなる単相の結晶構造が最も望ましい。 In particular, in the present embodiment, as the thermistor body 8, a ceramic sintered body containing metal oxides of Mn, Co and Fe, that is, one formed of a Mn—Co—Fe-based material is employed. Furthermore, this ceramic sintered body preferably has a crystal structure having a cubic spinel phase as a main phase. In particular, as a ceramic sintered body, a single-phase crystal structure composed of a cubic spinel phase is most desirable.
上記絶縁性フィルム２は、ポリイミド樹脂シートで形成され、検出用熱伝導膜５Ａ及び配線膜４が銅箔で形成されている。すなわち、これらは、絶縁性フィルム２とされるポリイミド基板の両面に、検出用熱伝導膜５Ａ及び配線膜４が銅箔でパターン形成された両面フレキシブル基板によって作製されたものである。 The insulating film 2 is formed of a polyimide resin sheet, and the thermal conductive film 5A for detection and the wiring film 4 are formed of copper foil. That is, these are produced by a double-sided flexible substrate in which the thermal conductive film 5A for detection and the wiring film 4 are patterned with copper foil on both sides of a polyimide substrate which is the insulating film 2.
また、一対の配線膜４には、その一端部にそれぞれ絶縁性フィルム２上に形成された接着電極（図示略）が接続されていると共に、他端部にそれぞれ絶縁性フィルム２上に形成された端子電極４ａが接続されている。なお、これら端子電極４ａは、ケース部６の互いに対向する角部近傍に配されており、これら端子電極４ａが配されていない角部近傍には、電気的に接続されていないダミー電極４ｂが形成されている。
さらに、上記接着電極には、検出用感熱素子３Ａの端子電極４ａが半田等の導電性接着剤で接着される。
In addition, an adhesive electrode (not shown) formed on the insulating film 2 is connected to one end of each of the pair of wiring films 4 and is formed on the insulating film 2 to the other end. The terminal electrode 4a is connected. These terminal electrodes 4a are arranged in the vicinity of opposite corners of the case portion 6, and dummy electrodes 4b that are not electrically connected are arranged in the vicinity of the corners where these terminal electrodes 4a are not arranged. Is formed.
Further, the terminal electrode 4a of the detection thermal element 3A is bonded to the adhesive electrode with a conductive adhesive such as solder.
さらに、上記検出用熱伝導膜５Ａは、図２に示すように、検出用感熱素子３Ａの直上に四角形状で配された金属膜であり、上述したように銅箔で形成されているが、その上に金メッキ膜を積層しても構わない。また、金メッキ膜の他に、例えば鏡面のアルミニウム蒸着膜やアルミニウム箔等で検出用熱伝導膜５Ａを形成しても構わない。この検出用熱伝導膜５Ａは、検出用感熱素子３Ａよりも平面視で大きなサイズで、該検出用感熱素子３Ａの周囲を覆うように広く形成されている。 Furthermore, as shown in FIG. 2, the thermal conductive film 5A for detection is a metal film arranged in a square shape immediately above the thermal sensor 3A for detection, and is formed of copper foil as described above. A gold plating film may be laminated thereon. In addition to the gold plating film, the detection heat conductive film 5A may be formed of, for example, a mirror-deposited aluminum vapor deposition film or an aluminum foil. The detection heat conductive film 5A is larger than the detection heat sensitive element 3A in plan view, and is widely formed so as to cover the periphery of the detection heat sensitive element 3A.
上記ケース部６は、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド樹脂）等の樹脂で壁部と底部とで構成された箱状に形成されたインシュレーターであり、壁部が絶縁性フィルム２の外縁部に沿った枠状に形成されている。
上記接続端子部材７は、例えば錫めっきされた銅合金で形成されている。この接続端子部材７は、ケース部６の上部まで延在し、上端部が、対応する端子電極４ａ及びダミー電極４ｂに半田等の導電性接着剤で接続されていると共に絶縁性フィルム２を支持している。
The case portion 6 is an insulator formed in a box shape composed of a wall portion and a bottom portion with a resin such as PPS (polyphenylene sulfide resin), and the wall portion has a frame shape along the outer edge portion of the insulating film 2. Is formed.
The connection terminal member 7 is made of, for example, a tin-plated copper alloy. The connection terminal member 7 extends to the upper part of the case portion 6, and the upper end portion is connected to the corresponding terminal electrode 4 a and dummy electrode 4 b by a conductive adhesive such as solder and supports the insulating film 2. doing.
ケース部６の上端は、絶縁性フィルム２の一方の面（下面）に接着材で接着されており、内部が密封されている。なお、接続端子部材７を導電性接着剤で端子電極４ａ及びダミー電極４ｂに接着した状態で、ケース部６が絶縁性フィルム２に密着してほぼ密封状態を確保できる場合は、ケース部６の上端を接着材で接着しなくても構わない。 The upper end of the case portion 6 is bonded to one surface (lower surface) of the insulating film 2 with an adhesive, and the inside is sealed. In addition, when the case part 6 adheres to the insulating film 2 in a state where the connection terminal member 7 is adhered to the terminal electrode 4a and the dummy electrode 4b with a conductive adhesive, a substantially sealed state can be secured. The upper end may not be bonded with an adhesive.
また、接続端子部材７の下部は、ケース部６の下面よりも下方に突出して設けられている。すなわち、接続端子部材７は、上端部から下方に向けて延在し、下部がケース部６の下面よりも下方に突出して実装用の端子とされている。
接続端子部材７は、ケース部６の四隅にそれぞれ配置され、インサート成形や嵌め込み等によってケース部６内に組み込まれている。
The lower portion of the connection terminal member 7 is provided so as to protrude downward from the lower surface of the case portion 6. That is, the connection terminal member 7 extends downward from the upper end portion, and the lower portion projects downward from the lower surface of the case portion 6 to serve as a mounting terminal.
The connection terminal members 7 are respectively arranged at the four corners of the case portion 6 and are incorporated in the case portion 6 by insert molding or fitting.
上記検出用感熱素子３Ａは、サーミスタ材料で形成されたサーミスタ素体８と、該サーミスタ素体８の両端部に形成された電極となる一対の端子部９とをそれぞれ有し、サーミスタ素体８が、立方晶スピネル相を主相とする結晶構造を有したセラミックス焼結体である。
特に、本実施形態では、検出用感熱素子３Ａとして、Ｍｎ，ＣｏおよびＦｅの金属酸化物を含有するセラミックス焼結体、すなわちＭｎ−Ｃｏ−Ｆｅ系材料で形成されたサーミスタ素子を採用している。さらに、このセラミックス焼結体は、立方晶スピネル相を主相とする結晶構造を有していることが好ましい。特に、セラミックス焼結体としては、立方晶スピネル相からなる単相の結晶構造が最も望ましい。
The detection thermal element 3A includes a thermistor element body 8 formed of a thermistor material and a pair of terminal portions 9 serving as electrodes formed at both ends of the thermistor element body 8, respectively. Is a ceramic sintered body having a crystal structure having a cubic spinel phase as a main phase.
In particular, in the present embodiment, a ceramic sintered body containing metal oxides of Mn, Co, and Fe, that is, a thermistor element formed of a Mn—Co—Fe-based material is employed as the detection thermal element 3A. . Furthermore, this ceramic sintered body preferably has a crystal structure having a cubic spinel phase as a main phase. In particular, as a ceramic sintered body, a single-phase crystal structure composed of a cubic spinel phase is most desirable.
この湿度センサ１では、例えば図３に示す電流と電圧との関係を示すグラフのように、湿度がある空気中の場合は、電流印加によるジュール熱が空気中の水分に取られるので、乾燥空気中の場合よりも大きな電力が必要になり、定電流を印加した際の電圧が高くなる。このように図３に示す湿度と電圧との関係を示すグラフのように、サーミスタ素体８の発熱状態から得られる湿度と電圧との関係を予め計測しておくことで、定電流時の電圧変化から大気の湿度を推定することが可能になる。特に、サーミスタ素体８が直接、空気中の水分で熱を取られるのではなく、広い面積を有した検出用熱伝導膜５Ａが熱を取られることで、より大きい電圧の変動が得られて、計測精度が向上する。 In the humidity sensor 1, for example, as shown in the graph showing the relationship between the current and voltage shown in FIG. 3, in the air with humidity, the Joule heat generated by the application of current is taken by the moisture in the air. Larger power is required than in the middle case, and the voltage when a constant current is applied increases. Thus, as shown in the graph showing the relationship between the humidity and the voltage shown in FIG. 3, the voltage at the constant current is measured by measuring the relationship between the humidity and the voltage obtained from the heat generation state of the thermistor body 8 in advance. It becomes possible to estimate the humidity of the atmosphere from the change. In particular, the thermistor body 8 is not directly heated by moisture in the air, but the detection heat conductive film 5A having a large area is heated, so that a larger voltage fluctuation is obtained. Measurement accuracy is improved.
このように本実施形態の湿度センサ１では、外気に露出する面に設けられた絶縁性フィルム２よりも熱伝導性の高い検出用熱伝導膜５Ａと、検出用感熱素子３Ａを覆って内部を密封するケース部６とを備えているので、検出用熱伝導膜５Ａにより大気中の湿度に奪われる熱量を多くすることができると共に、検出用感熱素子３Ａがケース部６により外気から遮断される。これにより、検出誤差が少なく、小型のまま湿度検出感度を高くすることが可能になる。また、チップサーミスタの検出用感熱素子３Ａが、絶縁性フィルム２の面に設置されているため、ケース部６による収納空間も小さくてすみ、より小型化が可能である。したがって、小型化により応答性も向上すると共に、シンプルな構造の部材により低コストで作製可能である。 As described above, in the humidity sensor 1 of the present embodiment, the detection heat conductive film 5A having higher thermal conductivity than the insulating film 2 provided on the surface exposed to the outside air and the detection heat sensitive element 3A are covered so as to cover the inside. Since the case portion 6 to be sealed is provided, the amount of heat lost to the humidity in the atmosphere can be increased by the heat conductive film 5A for detection, and the heat sensitive element 3A for detection is blocked from the outside air by the case portion 6. . Thereby, it is possible to increase the humidity detection sensitivity with a small detection error and a small size. In addition, since the thermosensitive element 3A for detection of the chip thermistor is installed on the surface of the insulating film 2, the storage space by the case portion 6 can be reduced, and the size can be further reduced. Therefore, the responsiveness is improved by downsizing, and it can be manufactured at a low cost by a member having a simple structure.
また、ケース部６が、上端部が配線膜４に接続されていると共に下端部がケース部６の底部に配された複数の接続端子部材７を備えているので、接続端子部材７の下端部を回路基板等に半田材等で接着することにより、容易に表面実装が可能になる。
さらに、サーミスタ素体８が、立方晶スピネル相を主相とする結晶構造を有したセラミックス焼結体であるので、異方性もなく、また不純物層がないので、セラミックス焼結体内で電気特性のバラツキが小さく、複数の湿度センサを用いる際に高精度な測定が可能になる。また、安定した結晶構造のため、耐環境に対する信頼性も高い。
Further, since the case portion 6 includes a plurality of connection terminal members 7 whose upper end portion is connected to the wiring film 4 and whose lower end portion is disposed on the bottom portion of the case portion 6, the lower end portion of the connection terminal member 7. By mounting the substrate to a circuit board or the like with a solder material or the like, surface mounting can be easily performed.
Further, since the thermistor body 8 is a ceramic sintered body having a crystal structure having a cubic spinel phase as a main phase, there is no anisotropy and no impurity layer, so that electrical characteristics are obtained in the ceramic sintered body. Variation is small, and high-precision measurement is possible when using a plurality of humidity sensors. In addition, since it has a stable crystal structure, it is highly reliable against the environment.
次に、本発明に係る湿度センサの第２及び第３実施形態について、図４から図９を参照して以下に説明する。なお、以下の実施形態の説明において、上記実施形態において説明した同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。 Next, the second and third embodiments of the humidity sensor according to the present invention will be described below with reference to FIGS. Note that, in the following description of the embodiment, the same components described in the above embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
第２実施形態と第１実施形態との異なる点は、第１実施形態では、１つの感熱素子（検出用感熱素子３Ａ）だけ搭載しているのに対し、第２実施形態の湿度センサ２１では、図４から図６に示すように、絶縁性フィルム２の一方の面に検出用感熱素子３Ａに対して間隔を空けて設けられた補償用感熱素子３Ｂと、該補償用感熱素子３Ｂに対向して絶縁性フィルム２の他方の面に設けられた絶縁性フィルム２よりも熱伝導性の高い補償用熱伝導膜５Ｂとを備えている点である。 The difference between the second embodiment and the first embodiment is that, in the first embodiment, only one thermal element (detection thermal element 3A) is mounted, whereas in the humidity sensor 21 of the second embodiment, 4 to 6, a compensation thermal element 3B provided on one surface of the insulating film 2 with a space from the detection thermal element 3A is opposed to the compensation thermal element 3B. Thus, a compensation heat conductive film 5B having higher heat conductivity than the insulating film 2 provided on the other surface of the insulating film 2 is provided.
また、この第２実施形態の湿度センサ２１は、補償用熱伝導膜５Ｂを覆って外気から遮断する補償用風防部２３と、検出用熱伝導膜５Ａを覆うと共に外気を内外に流通可能な通気孔２２ａを有する検出用風防部２２とを備えている。なお、第２実施形態では、通気孔２２ａが検出用風防部２２の上面に形成されているが、側面に形成しても構わず、また複数形成してもよい。 Further, the humidity sensor 21 of the second embodiment includes a compensation windshield 23 that covers the compensation heat conductive film 5B and shields it from the outside air, and a flow that allows the outside air to flow inside and outside while covering the detection heat conduction film 5A. And a windshield 22 for detection having pores 22a. In the second embodiment, the air holes 22a are formed on the upper surface of the windshield 22 for detection. However, the air holes 22a may be formed on the side surface, or a plurality of air holes 22a may be formed.
また、ケース部６は、検出用感熱素子３Ａと補償用感熱素子３Ｂとの両方を覆っている。
上記補償用熱伝導膜５Ｂは、検出用熱伝導膜５Ａと同じ材料で同じサイズに形成されている。
上記検出用風防部２２及び補償用風防部２３は、例えば樹脂製であり、絶縁性フィルム２の他方の面に接着材で接着される。なお、上記検出用風防部２２は、内部を乾燥空気の状態、すなわち湿度ゼロの状態で密封して設置されることが好ましい。
Further, the case portion 6 covers both the detection thermal element 3A and the compensation thermal element 3B.
The compensation heat conductive film 5B is formed of the same material and the same size as the detection heat conductive film 5A.
The detection windshield 22 and the compensation windshield 23 are made of, for example, resin, and are bonded to the other surface of the insulating film 2 with an adhesive. The detection windshield 22 is preferably installed with the inside sealed in a dry air state, that is, in a state of zero humidity.
検出用感熱素子３Ａに接続された一対の配線膜４は、それぞれ絶縁性フィルム２の一端側に配された一対の端子電極４ａに接続され、補償用感熱素子３Ｂに接続された一対の配線膜４は、それぞれ絶縁性フィルム２の他端側に配された一対の端子電極４ａに接続されている。すなわち、第２実施形態では、ダミー電極は無く、絶縁性フィルム２の四隅にそれぞれ端子電極４ａが配されて、これらに接続端子部材７が接続される。 A pair of wiring films 4 connected to the detection thermal element 3A is connected to a pair of terminal electrodes 4a disposed on one end side of the insulating film 2, and a pair of wiring films connected to the compensation thermal element 3B. 4 is connected to a pair of terminal electrodes 4a disposed on the other end side of the insulating film 2, respectively. That is, in the second embodiment, there are no dummy electrodes, and the terminal electrodes 4 a are arranged at the four corners of the insulating film 2, and the connection terminal member 7 is connected thereto.
この湿度センサ２１では、例えば図３に示す電流と電圧との関係を示すグラフのように、湿度がある空気中にある検出用感熱素子３Ａでは、電流印加によるジュール熱が空気中の水分に取られるので、乾燥空気中にある補償用感熱素子３Ｂよりも大きな電力が必要になり、定電流を印加した際の電圧が高くなる。このように図７に示す湿度と電圧との関係を示すグラフのように、両感熱素子の発熱状態から得られる湿度と電圧との関係を予め計測しておき、補償用感熱素子３Ｂ側を湿度ゼロの基準として、検出用感熱素子３Ａにおける定電流時の電圧変化から大気の湿度を推定することが可能になる。 In the humidity sensor 21, for example, as shown in the graph showing the relationship between the current and voltage shown in FIG. 3, in the detection thermosensitive element 3A in the air with humidity, the Joule heat due to the current application is taken into the moisture in the air. Therefore, a larger electric power is required than the compensating thermosensitive element 3B in the dry air, and the voltage when a constant current is applied increases. Thus, as shown in the graph showing the relationship between the humidity and the voltage shown in FIG. 7, the relationship between the humidity and the voltage obtained from the heat generation state of both the thermal elements is measured in advance, and the compensation thermal element 3B side is connected to the humidity. As a zero reference, it is possible to estimate the atmospheric humidity from the voltage change at a constant current in the detection thermal element 3A.
このように第２実施形態の湿度センサ２１では、補償用熱伝導膜５Ｂを覆って外気から遮断する補償用風防部２３を備えているので、補償用風防部２３により補償用熱伝導膜５Ｂが外気の湿度の影響を受けない。このため同じ電流で検出を行うと、外気に触れない方は、周辺の湿度に関係なく検出回路に接続したときのジュール熱による発熱量が一定になるが、外気に触れる方のジュール熱は少なくなり、温度が低く検出される。すなわち、密封された補償用熱伝導膜５Ｂに対向した補償用感熱素子３Ｂを湿度変化ゼロの基準として、検出用感熱素子３Ａと補償用感熱素子３Ｂとの検出温度（抵抗値又は電圧値）の比較を行うことにより、外気の湿度を推定し、検出することが可能になる。 As described above, the humidity sensor 21 according to the second embodiment includes the compensation windshield 23 that covers the compensation heat conductive film 5B and shields it from the outside air. Unaffected by outside air humidity. For this reason, if detection is performed with the same current, the amount of heat generated by Joule heat when connected to the detection circuit is constant regardless of the ambient humidity, but the amount of Joule heat that is exposed to outside air is small. The temperature is detected low. That is, the detection temperature (resistance value or voltage value) of the detection thermal element 3A and the compensation thermal element 3B is determined with the compensation thermal element 3B facing the sealed compensation thermal conductive film 5B as a reference of zero humidity change. By performing the comparison, it becomes possible to estimate and detect the humidity of the outside air.
また、ケース部６が、検出用感熱素子３Ａと補償用感熱素子３Ｂとの両方を覆っているので、両方の素子の周辺環境を外気から遮断して同一にすることができ、さらに高い検出精度を得ることができる。 Further, since the case portion 6 covers both the detection thermal element 3A and the compensation thermal element 3B, the surrounding environment of both elements can be cut off from the outside air to be the same, and the detection accuracy can be further increased. Can be obtained.
次に、第３実施形態と第２実施形態との異なる点は、第２実施形態では、検出用感熱素子３Ａと補償用感熱素子３Ｂとが、チップサーミスタを採用しているのに対し、第３実施形態の湿度センサ３１では、図８及び図９に示すように、検出用感熱素子３３Ａ及び補償用感熱素子３３Ｂが、絶縁性フィルム２の一方の面にＴｉＡｌＮのサーミスタ材料でパターン形成された薄膜サーミスタ部３８と、薄膜サーミスタ部３８の上に複数の櫛部３５ａを有して互いに対向してパターン形成されていると共に一対の配線膜３４に接続された一対の櫛型電極３５とを備えている点である。 Next, the difference between the third embodiment and the second embodiment is that, in the second embodiment, the detection thermal element 3A and the compensation thermal element 3B employ a chip thermistor. In the humidity sensor 31 of the third embodiment, as shown in FIGS. 8 and 9, the detection thermal element 33 </ b> A and the compensation thermal element 33 </ b> B are patterned on one surface of the insulating film 2 with a TiAlN thermistor material. A thin film thermistor portion 38 and a pair of comb-shaped electrodes 35 having a plurality of comb portions 35a on the thin film thermistor portion 38, which are patterned to face each other and connected to a pair of wiring films 34, are provided. It is a point.
上記薄膜サーミスタ部３８は、ＴｉＡｌＮのサーミスタ材料で形成されている。特に、薄膜サーミスタ部３８は、一般式：ＴｉｘＡｌｙＮｚ（０．７０≦ｙ／（ｘ＋ｙ）≦０．９５、０．４≦ｚ≦０．５、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で示される金属窒化物からなり、その結晶構造が、六方晶系のウルツ鉱型の単相である。 The thin film thermistor portion 38 is formed of a TiAlN thermistor material. In particular, the thin film thermistor portion 38 is a metal represented by the general formula: Ti x Al y N z (0.70 ≦ y / (x + y) ≦ 0.95, 0.4 ≦ z ≦ 0.5, x + y + z = 1). It consists of nitride and its crystal structure is a hexagonal wurtzite single phase.
上記配線膜３４及び櫛型電極３５は、薄膜サーミスタ部３８上に形成された膜厚５〜１００ｎｍのＣｒ又はＮｉＣｒの接合層と、該接合層上にＡｕ等の貴金属で膜厚５０〜１０００ｎｍで形成された電極層とを有している。
一対の櫛型電極３５は、互いに対向状態に配されて交互に櫛部３５ａが並んだ櫛型パターンとされている。
The wiring film 34 and the comb-shaped electrode 35 are formed of a 5-100 nm thick Cr or NiCr bonding layer formed on the thin film thermistor 38 and a noble metal such as Au on the bonding layer with a thickness of 50-1000 nm. And an electrode layer formed.
The pair of comb-shaped electrodes 35 has a comb-shaped pattern in which the comb portions 35a are alternately arranged so as to face each other.
なお、端子電極４ａを除いて薄膜サーミスタ部３８、櫛型電極３５及び配線膜３４を覆って、絶縁性フィルム２の表面全体に保護膜（図示略）が形成されている。
この保護膜は、絶縁性樹脂膜等であり、例えば厚さ２０μｍのポリイミド膜が採用される。
A protective film (not shown) is formed on the entire surface of the insulating film 2 so as to cover the thin film thermistor portion 38, the comb-shaped electrode 35 and the wiring film 34 except for the terminal electrode 4a.
This protective film is an insulating resin film or the like, for example, a polyimide film having a thickness of 20 μm is employed.
上記薄膜サーミスタ部３８は、上述したように、金属窒化物材料であって、一般式：ＴｉｘＡｌｙＮｚ（０．７０≦ｙ／（ｘ＋ｙ）≦０．９５、０．４≦ｚ≦０．５、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で示される金属窒化物からなり、その結晶構造が、六方晶系の結晶系であってウルツ鉱型（空間群Ｐ６３ｍｃ（Ｎｏ．１８６））の単相である。すなわち、この金属窒化物材料は、図１０に示すように、Ｔｉ−Ａｌ−Ｎ系３元系相図における点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄで囲まれる領域内の組成を有し、結晶相がウルツ鉱型である金属窒化物である。
なお、上記点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの各組成比（ｘ、ｙ、ｚ）（原子％）は、Ａ（１５、３５、５０），Ｂ（２．５、４７．５、５０），Ｃ（３、５７、４０），Ｄ（１８、４２、４０）である。
The thin film thermistor portion 38, as described above, a metal nitride material, the general formula: Ti x Al y N z ( 0.70 ≦ y / (x + y) ≦ 0.95,0.4 ≦ z ≦ 0.5, x + y + z = 1), the crystal structure of which is a hexagonal crystal system with a single phase of wurtzite type (space group P6 3 mc (No. 186)) is there. That is, as shown in FIG. 10, this metal nitride material has a composition in a region surrounded by points A, B, C, and D in the Ti—Al—N ternary phase diagram, and the crystal phase is It is a metal nitride that is a wurtzite type.
In addition, each composition ratio (x, y, z) (atomic%) of the points A, B, C, and D is A (15, 35, 50), B (2.5, 47.5, 50), C (3, 57, 40), D (18, 42, 40).
また、この薄膜サーミスタ部３８は、例えば膜厚１００〜１０００ｎｍの膜状に形成され、前記膜の表面に対して垂直方向に延在している柱状結晶である。さらに、膜の表面に対して垂直方向にａ軸よりｃ軸が強く配向していることが好ましい。
なお、膜の表面に対して垂直方向（膜厚方向）にａ軸配向（１００）が強いかｃ軸配向（００２）が強いかの判断は、Ｘ線回折（ＸＲＤ）を用いて結晶軸の配向性を調べることで、（１００）（ａ軸配向を示すミラー指数）と（００２）（ｃ軸配向を示すミラー指数）とのピーク強度比から、「（１００）のピーク強度」／「（００２）のピーク強度」が１未満であることで決定する。
The thin film thermistor portion 38 is a columnar crystal that is formed in a film shape of, for example, a film thickness of 100 to 1000 nm and extends in a direction perpendicular to the surface of the film. Further, it is preferable that the c-axis is oriented more strongly than the a-axis in the direction perpendicular to the film surface.
Whether the a-axis orientation (100) is strong or the c-axis orientation (002) is strong in the direction perpendicular to the film surface (film thickness direction) is determined using X-ray diffraction (XRD). By examining the orientation, from the peak intensity ratio of (100) (Miller index indicating a-axis orientation) and (002) (Miller index indicating c-axis alignment), “(100) peak intensity” / “(( 002) peak intensity ”is less than 1.
この薄膜サーミスタ部３８、櫛型電極３５及び配線膜３４の製造方法について、その一例を以下に説明する。
まず、厚さ４０μｍのポリイミドフィルムの絶縁性フィルム２上に、Ｔｉ−Ａｌ合金スパッタリングターゲットを用い、窒素含有雰囲気中で反応性スパッタ法にて、ＴｉｘＡｌｙＮｚ（ｘ＝９、ｙ＝４３、ｚ＝４８）のサーミスタ膜を膜厚２００ｎｍで形成する。その時のスパッタ条件は、到達真空度５×１０−６Ｐａ、スパッタガス圧０．４Ｐａ、ターゲット投入電力（出力）２００Ｗで、Ａｒガス＋窒素ガスの混合ガス雰囲気下において、窒素ガス分率を２０％で作製した。
An example of a method for manufacturing the thin film thermistor portion 38, the comb electrode 35, and the wiring film 34 will be described below.
First, Ti x Al y N z (x = 9, y =) is formed on the insulating film 2 of polyimide film having a thickness of 40 μm by a reactive sputtering method in a nitrogen-containing atmosphere using a Ti—Al alloy sputtering target. 43, z = 48) thermistor film is formed with a film thickness of 200 nm. The sputtering conditions at that time were an ultimate vacuum of 5 × 10 −6 Pa, a sputtering gas pressure of 0.4 Pa, a target input power (output) of 200 W, and a nitrogen gas fraction of 20 in a mixed gas atmosphere of Ar gas + nitrogen gas. %.
成膜したサーミスタ膜の上にレジスト液をバーコーターで塗布した後、１１０℃で１分３０秒のプリベークを行い、露光装置で感光後、現像液で不要部分を除去し、さらに１５０℃で５分のポストベークにてパターニングを行う。その後、不要なＴｉｘＡｌｙＮｚのサーミスタ膜を市販のＴｉエッチャントでウェットエッチングを行い、レジスト剥離にて３００×４００μｍの薄膜サーミスタ部３８にする。 A resist solution is applied onto the deposited thermistor film with a bar coater, pre-baked at 110 ° C. for 1 minute 30 seconds, exposed to light with an exposure apparatus, and unnecessary portions are removed with a developer, and further at 150 ° C. Patterning is performed by post-baking for minutes. Thereafter, the thermistor film unnecessary Ti x Al y N z by wet etching in a commercial Ti etchants, to a thin film thermistor portion 38 of the 300 × 400 [mu] m with a resist peeling.
次に、薄膜サーミスタ部３８及び絶縁性フィルム２上に、スパッタ法にて、Ｃｒ膜の接合層を膜厚２０ｎｍ形成する。さらに、この接合層上に、スパッタ法にてＡｕ膜の電極層を膜厚２００ｎｍ形成する。
次に、成膜した電極層の上にレジスト液をバーコーターで塗布した後、１１０℃で１分３０秒のプリベークを行い、露光装置で感光後、現像液で不要部分を除去し、１５０℃で５分のポストベークにてパターニングを行う。その後、不要な電極部分を市販のＡｕエッチャント及びＣｒエッチャントの順番でウェットエッチングを行い、レジスト剥離にて所望の櫛型電極３５及び配線膜３４を形成する。
さらに、その上にポリイミドワニスを印刷法により塗布して、２５０℃、３０分でキュアを行い、２０μｍ厚のポリイミド保護膜を形成する。
Next, a 20-nm-thick Cr film bonding layer is formed on the thin film thermistor portion 38 and the insulating film 2 by sputtering. Further, an Au film electrode layer is formed to a thickness of 200 nm on this bonding layer by sputtering.
Next, after applying a resist solution on the electrode layer formed by a bar coater, pre-baking was performed at 110 ° C. for 1 minute 30 seconds, and after exposure with an exposure apparatus, unnecessary portions were removed with a developer, and 150 ° C. Then, patterning is performed by post-baking for 5 minutes. Thereafter, unnecessary electrode portions are wet-etched in the order of commercially available Au etchant and Cr etchant, and a desired comb-shaped electrode 35 and wiring film 34 are formed by resist stripping.
Further, a polyimide varnish is applied thereon by a printing method and cured at 250 ° C. for 30 minutes to form a 20 μm thick polyimide protective film.
このように第３実施形態の湿度センサ３１では、薄膜サーミスタ部３８が、一般式：ＴｉｘＡｌｙＮｚ（０．７０≦ｙ／（ｘ＋ｙ）≦０．９５、０．４≦ｚ≦０．５、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で示される金属窒化物からなり、その結晶構造が、六方晶系の結晶系であってウルツ鉱型の単相であるので、非焼成で良好なＢ定数が得られると共に高い耐熱性を有している。
また、この金属窒化物材料では、膜の表面に対して垂直方向に延在している柱状結晶であるので、膜の結晶性が高く、高い耐熱性が得られる。
さらに、この金属窒化物材料では、膜の表面に対して垂直方向にａ軸よりｃ軸を強く配向させることで、ａ軸配向が強い場合に比べて高いＢ定数が得られる。
As described above, in the humidity sensor 31 according to the third embodiment, the thin film thermistor unit 38 has the general formula: Ti x Al y N z (0.70 ≦ y / (x + y) ≦ 0.95, 0.4 ≦ z ≦ 0). .5, x + y + z = 1), and its crystal structure is a hexagonal crystal system and a single phase of wurtzite type, so that a good B constant can be obtained without firing. In addition, it has high heat resistance.
In addition, since this metal nitride material is a columnar crystal extending in a direction perpendicular to the surface of the film, the film has high crystallinity and high heat resistance can be obtained.
Further, in this metal nitride material, by aligning the c-axis more strongly than the a-axis in the direction perpendicular to the film surface, a higher B constant can be obtained than when the a-axis alignment is strong.
なお、本実施形態のサーミスタ材料層（薄膜サーミスタ部３８）の製造方法では、Ｔｉ−Ａｌ合金スパッタリングターゲットを用いて窒素含有雰囲気中で反応性スパッタを行って成膜するので、上記ＴｉＡｌＮからなる上記金属窒化物材料を非焼成で成膜することができる。
また、反応性スパッタにおけるスパッタガス圧を、０．６７Ｐａ未満に設定することで、膜の表面に対して垂直方向にａ軸よりｃ軸が強く配向している金属窒化物材料の膜を形成することができる。
In the method for manufacturing the thermistor material layer (thin film thermistor portion 38) of the present embodiment, the film is formed by performing reactive sputtering in a nitrogen-containing atmosphere using a Ti—Al alloy sputtering target. The metal nitride material can be formed without firing.
Further, by setting the sputtering gas pressure in reactive sputtering to less than 0.67 Pa, a metal nitride material film in which the c-axis is oriented more strongly than the a-axis in the direction perpendicular to the film surface is formed. be able to.
したがって、本実施形態の湿度センサ３１では、絶縁性フィルム２上に上記サーミスタ材料層で薄膜サーミスタ部３８が形成されているので、非焼成で形成され高Ｂ定数で耐熱性の高い薄膜サーミスタ部３８により、樹脂フィルム等の耐熱性の低い絶縁性フィルム２を用いることができると共に、良好なサーミスタ特性を有した薄型のサーミスタセンサが得られる。
また、薄膜サーミスタ部３８を用いる効果としては、感熱素子の熱容量が小さくなるので、電流に対して大きな電圧の変化が得られる点が挙げられる。また、薄膜サーミスタ部３８は薄い樹脂絶縁膜（絶縁性フィルム２）上に直接形成することができるので、検出用熱伝導膜５Ａ或いは補償用熱伝導膜５Ｂへの熱伝導が良く、検出用熱伝導膜５Ａと補償用熱伝導膜５Ｂとの間、また、検出用感熱素子３３Ａと補償用感熱素子３３Ｂとの間の干渉を少なくすることができる。
Therefore, in the humidity sensor 31 of the present embodiment, since the thin film thermistor portion 38 is formed of the thermistor material layer on the insulating film 2, the thin film thermistor portion 38 is formed by non-firing and has a high B constant and high heat resistance. Accordingly, an insulating film 2 having low heat resistance such as a resin film can be used, and a thin thermistor sensor having good thermistor characteristics can be obtained.
Further, as an effect of using the thin film thermistor portion 38, the heat capacity of the heat sensitive element is reduced, so that a large voltage change with respect to the current can be obtained. Further, since the thin film thermistor portion 38 can be directly formed on the thin resin insulating film (insulating film 2), the heat conduction to the heat conduction film for detection 5A or the heat conduction film for compensation 5B is good, and the heat for detection. Interference between the conductive film 5A and the compensating thermal conductive film 5B and between the detecting thermal element 33A and the compensating thermal element 33B can be reduced.
次に、本発明に係る湿度センサの薄膜サーミスタ部について、上記実施形態に基づいて作製した実施例により評価した結果を、図１１から図１９を参照して具体的に説明する。 Next, the results of evaluating the thin film thermistor portion of the humidity sensor according to the present invention by the example produced based on the above embodiment will be specifically described with reference to FIGS.
＜膜評価用素子の作製＞
本発明のサーミスタ材料層（薄膜サーミスタ部３８）の評価を行う実施例及び比較例として、図１１に示す膜評価用素子１２１を次のように作製した。
まず、反応性スパッタ法にて、様々な組成比のＴｉ−Ａｌ合金ターゲットを用いて、Ｓｉ基板Ｓとなる熱酸化膜付きＳｉウエハ上に、厚さ５００ｎｍの表１に示す様々な組成比で形成された金属窒化物材料の薄膜サーミスタ部３８を形成した。その時のスパッタ条件は、到達真空度：５×１０−６Ｐａ、スパッタガス圧：０．１〜１Ｐａ、ターゲット投入電力（出力）：１００〜５００Ｗで、Ａｒガス＋窒素ガスの混合ガス雰囲気下において、窒素ガス分率を１０〜１００％と変えて作製した。
<Production of film evaluation element>
As examples and comparative examples for evaluating the thermistor material layer (thin film thermistor portion 38) of the present invention, a film evaluation element 121 shown in FIG. 11 was produced as follows.
First, by reactive sputtering, Ti—Al alloy targets having various composition ratios are used to form Si substrates S on a Si wafer with a thermal oxide film at various composition ratios shown in Table 1 having a thickness of 500 nm. A thin film thermistor portion 38 of the formed metal nitride material was formed. The sputtering conditions at that time were: ultimate vacuum: 5 × 10 −6 Pa, sputtering gas pressure: 0.1 to 1 Pa, target input power (output): 100 to 500 W, in a mixed gas atmosphere of Ar gas + nitrogen gas The nitrogen gas fraction was changed to 10 to 100%.
次に、上記薄膜サーミスタ部３８の上に、スパッタ法でＣｒ膜を２０ｎｍ形成し、さらにＡｕ膜を１００ｎｍ形成した。さらに、その上にレジスト液をスピンコーターで塗布した後、１１０℃で１分３０秒のプリベークを行い、露光装置で感光後、現像液で不要部分を除去し、１５０℃で５分のポストベークにてパターニングを行った。その後、不要な電極部分を市販のＡｕエッチャント及びＣｒエッチャントによりウェットエッチングを行い、レジスト剥離にて所望の櫛形電極部１２４ａを有するパターン電極１２４を形成した。そして、これをチップ状にダイシングして、Ｂ定数評価及び耐熱性試験用の膜評価用素子１２１とした。
なお、比較としてＴｉｘＡｌｙＮｚの組成比が本発明の範囲外であって結晶系が異なる比較例についても同様に作製して評価を行った。
Next, a 20 nm Cr film was formed on the thin film thermistor portion 38 by sputtering, and a 100 nm Au film was further formed. Further, after applying a resist solution thereon with a spin coater, pre-baking is performed at 110 ° C. for 1 minute 30 seconds. After exposure with an exposure apparatus, unnecessary portions are removed with a developing solution, and post-baking is performed at 150 ° C. for 5 minutes. Then, patterning was performed. Thereafter, unnecessary electrode portions were wet-etched with a commercially available Au etchant and Cr etchant, and a patterned electrode 124 having a desired comb-shaped electrode portion 124a was formed by resist stripping. Then, this was diced into chips to obtain a film evaluation element 121 for B constant evaluation and heat resistance test.
For comparison, comparative examples in which the composition ratio of Ti x Al y N z is out of the scope of the present invention and the crystal system is different were similarly prepared and evaluated.
＜膜の評価＞
（１）組成分析
反応性スパッタ法にて得られた薄膜サーミスタ部３８について、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）にて元素分析を行った。このＸＰＳでは、Ａｒスパッタにより、最表面から深さ２０ｎｍのスパッタ面において、定量分析を実施した。その結果を表１に示す。なお、以下の表中の組成比は「原子％」で示している。
<Evaluation of membrane>
(1) Composition analysis The thin film thermistor part 38 obtained by the reactive sputtering method was subjected to elemental analysis by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). In this XPS, quantitative analysis was performed on the sputtered surface having a depth of 20 nm from the outermost surface by Ar sputtering. The results are shown in Table 1. In addition, the composition ratio in the following table | surface is shown by "atomic%".
なお、上記Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）は、Ｘ線源をＭｇＫα（３５０Ｗ）とし、パスエネルギー：５８．５ｅＶ、測定間隔：０．１２５ｅＶ、試料面に対する光電子取り出し角：４５ｄｅｇ、分析エリアを約８００μｍφの条件下で定量分析を実施した。なお、定量精度について、Ｎ／（Ｔｉ＋Ａｌ＋Ｎ）の定量精度は±２％、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）の定量精度は±１％ある。 In the X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), the X-ray source is MgKα (350 W), the path energy is 58.5 eV, the measurement interval is 0.125 eV, the photoelectron extraction angle with respect to the sample surface is 45 deg, and the analysis area is about Quantitative analysis was performed under the condition of 800 μmφ. As for the quantitative accuracy, the quantitative accuracy of N / (Ti + Al + N) is ± 2%, and the quantitative accuracy of Al / (Ti + Al) is ± 1%.
（２）比抵抗測定
反応性スパッタ法にて得られた薄膜サーミスタ部３８について、４端子法にて２５℃での比抵抗を測定した。その結果を表１に示す。
（３）Ｂ定数測定
膜評価用素子１２１の２５℃及び５０℃の抵抗値を恒温槽内で測定し、２５℃と５０℃との抵抗値よりＢ定数を算出した。その結果を表１に示す。
(2) Specific resistance measurement About the thin film thermistor part 38 obtained by the reactive sputtering method, the specific resistance in 25 degreeC was measured by the 4 terminal method. The results are shown in Table 1.
(3) B constant measurement The resistance value of 25 degreeC and 50 degreeC of the element 121 for film | membrane evaluation was measured within the thermostat, and B constant was computed from the resistance value of 25 degreeC and 50 degreeC. The results are shown in Table 1.
なお、本発明におけるＢ定数算出方法は、上述したように２５℃と５０℃とのそれぞれの抵抗値から以下の式によって求めている。
Ｂ定数（Ｋ）＝ｌｎ（Ｒ２５／Ｒ５０）／（１／Ｔ２５−１／Ｔ５０）
Ｒ２５（Ω）：２５℃における抵抗値
Ｒ５０（Ω）：５０℃における抵抗値
Ｔ２５（Ｋ）：２９８．１５Ｋ ２５℃を絶対温度表示
Ｔ５０（Ｋ）：３２３．１５Ｋ ５０℃を絶対温度表示
In addition, the B constant calculation method in this invention is calculated | required by the following formula | equation from each resistance value of 25 degreeC and 50 degreeC as mentioned above.
B constant (K) = ln (R25 / R50) / (1 / T25-1 / T50)
R25 (Ω): resistance value at 25 ° C. R50 (Ω): resistance value at 50 ° C. T25 (K): 298.15K 25 ° C. is displayed as an absolute temperature T50 (K): 323.15K 50 ° C. is displayed as an absolute temperature
これらの結果からわかるように、ＴｉｘＡｌｙＮｚの組成比が図１０に示す３元系の三角図において、点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄで囲まれる領域内、すなわち、「０．７０≦ｙ／（ｘ＋ｙ）≦０．９５、０．４≦ｚ≦０．５、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１」となる領域内の実施例全てで、抵抗率：１００Ωｃｍ以上、Ｂ定数：１５００Ｋ以上のサーミスタ特性が達成されている。 As can be seen from these results, the Ti x Al y N 3 ternary triangular diagram of the composition ratio shown in FIG. 10 of z, the points A, B, C, in a region surrounded by D, ie, "0.70 ≦ y / (x + y) ≦ 0.95, 0.4 ≦ z ≦ 0.5, x + y + z = 1 ”, thermistor characteristics of resistivity: 100 Ωcm or more, B constant: 1500 K or more Has been achieved.
上記結果から２５℃での抵抗率とＢ定数との関係を示したグラフを、図１２に示す。また、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）比とＢ定数との関係を示したグラフを、図１３に示す。これらのグラフから、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）＝０．７〜０．９５、かつ、Ｎ／（Ｔｉ＋Ａｌ＋Ｎ）＝０．４〜０．５の領域で、結晶系が六方晶のウルツ鉱型の単一相であるものは、２５℃における比抵抗値が１００Ωｃｍ以上、Ｂ定数が１５００Ｋ以上の高抵抗かつ高Ｂ定数の領域が実現できている。なお、図１３のデータにおいて、同じＡｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）比に対して、Ｂ定数がばらついているのは、結晶中の窒素量が異なるためである。 FIG. 12 shows a graph showing the relationship between the resistivity at 25 ° C. and the B constant based on the above results. A graph showing the relationship between the Al / (Ti + Al) ratio and the B constant is shown in FIG. From these graphs, in the region of Al / (Ti + Al) = 0.7 to 0.95 and N / (Ti + Al + N) = 0.4 to 0.5, the wurtzite single crystal system is hexagonal. As a phase, a high resistance and high B constant region having a specific resistance value at 25 ° C. of 100 Ωcm or more and a B constant of 1500 K or more can be realized. In the data of FIG. 13, the B constant varies for the same Al / (Ti + Al) ratio because the amount of nitrogen in the crystal is different.
表１に示す比較例３〜１２は、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）＜０．７の領域であり、結晶系は立方晶のＮａＣｌ型となっている。また、比較例１２（Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）＝０．６７）では、ＮａＣｌ型とウルツ鉱型とが共存している。このように、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）＜０．７の領域では、２５℃における比抵抗値が１００Ωｃｍ未満、Ｂ定数が１５００Ｋ未満であり、低抵抗かつ低Ｂ定数の領域であった。 Comparative Examples 3 to 12 shown in Table 1 are regions of Al / (Ti + Al) <0.7, and the crystal system is a cubic NaCl type. In Comparative Example 12 (Al / (Ti + Al) = 0.67), the NaCl type and the wurtzite type coexist. Thus, in the region of Al / (Ti + Al) <0.7, the specific resistance value at 25 ° C. was less than 100 Ωcm, the B constant was less than 1500 K, and the region was low resistance and low B constant.
表１に示す比較例１，２は、Ｎ／（Ｔｉ＋Ａｌ＋Ｎ）が４０％に満たない領域であり、金属が窒化不足の結晶状態になっている。この比較例１，２は、ＮａＣｌ型でも、ウルツ鉱型でもない、非常に結晶性の劣る状態であった。また、これら比較例では、Ｂ定数及び抵抗値が共に非常に小さく、金属的振舞いに近いことがわかった。 Comparative Examples 1 and 2 shown in Table 1 are regions where N / (Ti + Al + N) is less than 40%, and the metal is in a crystalline state with insufficient nitriding. In Comparative Examples 1 and 2, neither the NaCl type nor the wurtzite type was in a state of very poor crystallinity. Further, in these comparative examples, it was found that both the B constant and the resistance value were very small and close to the metallic behavior.
（４）薄膜Ｘ線回折（結晶相の同定）
反応性スパッタ法にて得られた薄膜サーミスタ部３８を、視斜角入射Ｘ線回折（Grazing Incidence X-ray Diffraction）により、結晶相を同定した。この薄膜Ｘ線回折は、微小角Ｘ線回折実験であり、管球をＣｕとし、入射角を１度とすると共に２θ＝２０〜１３０度の範囲で測定した。
(4) Thin film X-ray diffraction (identification of crystal phase)
The crystal phase of the thin film thermistor portion 38 obtained by the reactive sputtering method was identified by grazing incidence X-ray diffraction (Grazing Incidence X-ray Diffraction). This thin film X-ray diffraction was a small angle X-ray diffraction experiment, and the measurement was performed in the range of 2θ = 20 to 130 degrees with Cu as the tube, the incident angle of 1 degree.
その結果、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）≧０．７の領域においては、ウルツ鉱型相（六方晶、ＡｌＮと同じ相）であり、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）＜０．６５の領域においては、ＮａＣｌ型相（立方晶、ＴｉＮと同じ相）であった。また、０．６５＜ Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）＜０．７においては、ウルツ鉱型相とＮａＣｌ型相との共存する結晶相であった。 As a result, in the region of Al / (Ti + Al) ≧ 0.7, it is a wurtzite type phase (hexagonal crystal, the same phase as AlN), and in the region of Al / (Ti + Al) <0.65, the NaCl type phase. (Cubic, same phase as TiN). Further, in the case of 0.65 <Al / (Ti + Al) <0.7, it was a crystal phase in which the wurtzite type phase and the NaCl type phase coexist.
このようにＴｉＡｌＮ系においては、高抵抗かつ高Ｂ定数の領域は、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）≧０．７のウルツ鉱型相に存在している。なお、本発明の実施例では、不純物相は確認されておらず、ウルツ鉱型の単一相である。
なお、表１に示す比較例１，２は、上述したように結晶相がウルツ鉱型相でもＮａＣｌ型相でもなく、本試験においては同定できなかった。また、これらの比較例は、ＸＲＤのピーク幅が非常に広いことから、非常に結晶性の劣る材料であった。これは、電気特性により金属的振舞いに近いことから、窒化不足の金属相になっていると考えられる。
Thus, in the TiAlN system, a region having a high resistance and a high B constant exists in the wurtzite phase of Al / (Ti + Al) ≧ 0.7. In the examples of the present invention, the impurity phase is not confirmed, and is a wurtzite type single phase.
In Comparative Examples 1 and 2 shown in Table 1, the crystal phase was neither the wurtzite type phase nor the NaCl type phase as described above, and could not be identified in this test. Further, these comparative examples were materials with very poor crystallinity because the peak width of XRD was very wide. This is considered to be a metal phase with insufficient nitriding because it is close to a metallic behavior due to electrical characteristics.
次に、本発明の実施例は全てウルツ鉱型相の膜であり、配向性が強いことから、Ｓｉ基板Ｓ上に垂直な方向（膜厚方向）の結晶軸においてａ軸配向性が強いか、ｃ軸配向性が強いかであるかについて、ＸＲＤを用いて調査した。この際、結晶軸の配向性を調べるために、（１００）（ａ軸配向を示すミラー指数）と（００２）（ｃ軸配向を示すミラー指数）とのピーク強度比を測定した。 Next, all the examples of the present invention are films of wurtzite type phase, and since the orientation is strong, is the a-axis orientation strong in the crystal axis in the direction perpendicular to the Si substrate S (film thickness direction)? Whether the c-axis orientation is strong was investigated using XRD. At this time, in order to investigate the orientation of the crystal axis, the peak intensity ratio between (100) (Miller index indicating a-axis orientation) and (002) (Miller index indicating c-axis orientation) was measured.
その結果、スパッタガス圧が０．６７Ｐａ未満で成膜された実施例は、（１００）よりも（００２）の強度が非常に強く、ａ軸配向性よりｃ軸配向性が強い膜であった。一方、スパッタガス圧が０．６７Ｐａ以上で成膜された実施例は、（００２）よりも（１００）の強度が非常に強く、ｃ軸配向よりａ軸配向が強い材料であった。
なお、同じ成膜条件でポリイミドフィルムに成膜しても、同様にウルツ鉱型相の単一相が形成されていることを確認している。また、同じ成膜条件でポリイミドフィルムに成膜しても、配向性は変わらないことを確認している。
As a result, the example in which the film was formed at a sputtering gas pressure of less than 0.67 Pa was a film having a (002) strength much stronger than (100) and a stronger c-axis orientation than a-axis orientation. . On the other hand, the example in which the film was formed at a sputtering gas pressure of 0.67 Pa or higher was a material having a (100) strength much stronger than (002) and a a-axis orientation stronger than the c-axis orientation.
In addition, even if it formed into a film on the polyimide film on the same film-forming conditions, it confirmed that the single phase of the wurtzite type phase was formed similarly. Moreover, even if it forms into a film on a polyimide film on the same film-forming conditions, it has confirmed that orientation does not change.
ｃ軸配向が強い実施例のＸＲＤプロファイルの一例を、図１４に示す。この実施例は、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）＝０．８４（ウルツ鉱型、六方晶）であり、入射角を１度として測定した。この結果からわかるように、この実施例では、（１００）よりも（００２）の強度が非常に強くなっている。
また、ａ軸配向が強い実施例のＸＲＤプロファイルの一例を、図１５に示す。この実施例は、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）＝０．８３（ウルツ鉱型、六方晶）であり、入射角を１度として測定した。この結果からわかるように、この実施例では、（００２）よりも（１００）の強度が非常に強くなっている。
An example of the XRD profile of an example with strong c-axis orientation is shown in FIG. In this example, Al / (Ti + Al) = 0.84 (wurtzite type, hexagonal crystal), and the incident angle was 1 degree. As can be seen from this result, in this example, the intensity of (002) is much stronger than (100).
Moreover, an example of the XRD profile of an Example with a strong a-axis orientation is shown in FIG. In this example, Al / (Ti + Al) = 0.83 (wurtzite type, hexagonal crystal), and the incident angle was measured as 1 degree. As can be seen from this result, in this example, the intensity of (100) is much stronger than (002).
さらに、この実施例について、入射角を０度として、対称反射測定を実施した。なお、グラフ中（＊）は装置由来のピークであり、サンプル本体のピーク、もしくは、不純物相のピークではないことを確認している（なお、対称反射測定において、そのピークが消失していることからも装置由来のピークであることがわかる。）。 Further, for this example, the symmetric reflection measurement was performed with the incident angle set to 0 degree. In the graph, (*) is a peak derived from the device, and it is confirmed that it is not the peak of the sample body or the peak of the impurity phase (in addition, the peak disappears in the symmetric reflection measurement). It can be seen that the peak is derived from the device.
なお、比較例のＸＲＤプロファイルの一例を、図１６に示す。この比較例は、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）＝０．６（ＮａＣｌ型、立方晶）であり、入射角を１度として測定した。ウルツ鉱型（空間群Ｐ６３ｍｃ（Ｎｏ．１８６））として指数付けできるピークは検出されておらず、ＮａＣｌ型単独相であることを確認した。 An example of the XRD profile of the comparative example is shown in FIG. In this comparative example, Al / (Ti + Al) = 0.6 (NaCl type, cubic crystal), and the incident angle was 1 degree. A peak that could be indexed as a wurtzite type (space group P6 3 mc (No. 186)) was not detected, and it was confirmed to be a NaCl type single phase.
次に、ウルツ鉱型材料である本発明の実施例に関して、さらに結晶構造と電気特性との相関を詳細に比較した。
表２及び図１７に示すように、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）比がほぼ同じ比率のものに対し、基板面に垂直方向の配向度の強い結晶軸がｃ軸である材料（実施例５，７，８，９）とａ軸である材料（実施例１９，２０，２１）とがある。
Next, the correlation between the crystal structure and the electrical characteristics was further compared in detail for the example of the present invention which is a wurtzite type material.
As shown in Table 2 and FIG. 17, a material in which the crystal axis having a high degree of orientation in the direction perpendicular to the substrate surface is the c-axis with respect to the Al / (Ti + Al) ratio being substantially the same (Examples 5, 7, 8, 9) and a material which is a-axis (Examples 19, 20, 21).
これら両者を比較すると、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）比が同じであると、ａ軸配向が強い材料よりもｃ軸配向が強い材料の方が、Ｂ定数が１００Ｋ程度大きいことがわかる。また、Ｎ量（Ｎ／（Ｔｉ＋Ａｌ＋Ｎ））に着目すると、ａ軸配向が強い材料よりもｃ軸配向が強い材料の方が、窒素量がわずかに大きいことがわかる。理想的な化学量論比：Ｎ／（Ｔｉ＋Ａｌ＋Ｎ）＝０．５であることから、ｃ軸配向が強い材料のほうが、窒素欠陥量が少なく理想的な材料であることがわかる。 Comparing the two, it can be seen that when the Al / (Ti + Al) ratio is the same, the material having a strong c-axis orientation has a larger B constant by about 100K than the material having a strong a-axis orientation. Further, when focusing attention on the N amount (N / (Ti + Al + N)), it can be seen that the material having a strong c-axis orientation has a slightly larger amount of nitrogen than the material having a strong a-axis orientation. Since the ideal stoichiometric ratio: N / (Ti + Al + N) = 0.5, it can be seen that a material with a strong c-axis orientation is an ideal material with a small amount of nitrogen defects.
＜結晶形態の評価＞
次に、薄膜サーミスタ部３８の断面における結晶形態を示す一例として、熱酸化膜付きＳｉ基板Ｓ上に成膜された実施例（Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）＝０．８４，ウルツ鉱型、六方晶、ｃ軸配向性が強い）の薄膜サーミスタ部３８における断面ＳＥＭ写真を、図１８に示す。また、別の実施例（Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）＝０．８３，ウルツ鉱型六方晶、ａ軸配向性が強い）の薄膜サーミスタ部３８における断面ＳＥＭ写真を、図１９に示す。
これら実施例のサンプルは、Ｓｉ基板Ｓをへき開破断したものを用いている。また、４５°の角度で傾斜観察した写真である。
<Evaluation of crystal form>
Next, as an example showing the crystal form in the cross section of the thin film thermistor portion 38, the example (Al / (Ti + Al) = 0.84 wurtzite type, hexagonal crystal, formed on the Si substrate S with a thermal oxide film, FIG. 18 shows a cross-sectional SEM photograph of the thin film thermistor portion 38 having a strong c-axis orientation. Moreover, the cross-sectional SEM photograph in the thin film thermistor part 38 of another Example (Al / (Ti + Al) = 0.83, a wurtzite type hexagonal crystal and strong a-axis orientation) is shown in FIG.
The samples of these examples are those obtained by cleaving the Si substrate S. Moreover, it is the photograph which observed the inclination at an angle of 45 degrees.
これらの写真からわかるように、いずれの実施例も高密度な柱状結晶で形成されている。すなわち、ｃ軸配向が強い実施例及びａ軸配向が強い実施例の共に基板面に垂直な方向に柱状の結晶が成長している様子が観測されている。なお、柱状結晶の破断は、Ｓｉ基板Ｓをへき開破断した際に生じたものである。 As can be seen from these photographs, all the examples are formed of high-density columnar crystals. That is, it has been observed that columnar crystals grow in a direction perpendicular to the substrate surface in both the embodiment with strong c-axis orientation and the embodiment with strong a-axis orientation. Note that the breakage of the columnar crystal occurred when the Si substrate S was cleaved.
＜膜の耐熱試験評価＞
表１に示す実施例及び比較例において、大気中，１２５℃,１０００ｈの耐熱試験前後における抵抗値及びＢ定数を評価した。その結果を表３に示す。なお、比較として従来のＴａ−Ａｌ−Ｎ系材料による比較例も同様に評価した。
これらの結果からわかるように、Ａｌ濃度及び窒素濃度は異なるものの、Ｔａ−Ａｌ−Ｎ系である比較例と同じＢ定数で比較したとき、耐熱試験前後における電気特性変化でみたときの耐熱性は、Ｔｉ−Ａｌ−Ｎ系のほうが優れている。なお、実施例５，８はｃ軸配向が強い材料であり、実施例２１，２４はａ軸配向が強い材料である。両者を比較すると、ｃ軸配向が強い実施例の方がａ軸配向が強い実施例に比べて僅かに耐熱性が向上している。
<Evaluation of heat resistance test of membrane>
In Examples and Comparative Examples shown in Table 1, resistance values and B constants before and after a heat resistance test at 125 ° C. and 1000 h in the atmosphere were evaluated. The results are shown in Table 3. For comparison, comparative examples using conventional Ta—Al—N materials were also evaluated in the same manner.
As can be seen from these results, although the Al concentration and the nitrogen concentration are different, when compared with the same B constant as that of the comparative example which is a Ta-Al-N system, the heat resistance when viewed in terms of changes in electrical characteristics before and after the heat resistance test is The Ti-Al-N system is superior. Examples 5 and 8 are materials with strong c-axis orientation, and Examples 21 and 24 are materials with strong a-axis orientation. When both are compared, the heat resistance of the example with a strong c-axis orientation is slightly improved as compared with the example with a strong a-axis orientation.
なお、Ｔａ−Ａｌ−Ｎ系材料では、Ｔａのイオン半径がＴｉやＡｌに比べて非常に大きいため、高濃度Ａｌ領域でウルツ鉱型相を作製することができない。ＴａＡｌＮ系がウルツ鉱型相でないがゆえ、ウルツ鉱型相のＴｉ−Ａｌ−Ｎ系の方が、耐熱性が良好であると考えられる。 Note that, in the Ta—Al—N-based material, the ionic radius of Ta is much larger than that of Ti or Al, and thus a wurtzite type phase cannot be produced in a high concentration Al region. Since the TaAlN system is not a wurtzite type phase, the Ti-Al-N system of the wurtzite type phase is considered to have better heat resistance.
なお、本発明の技術範囲は上記各実施形態及び実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。 The technical scope of the present invention is not limited to the above embodiments and examples, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
１，２１，３１…湿度センサ、２…絶縁性フィルム、３Ａ…検出用感熱素子、３Ｂ…補償用感熱素子、４，３４…配線膜、５Ａ…検出用熱伝導膜、５Ｂ…補償用熱伝導膜、６…ケース部、７…接続端子部材、２２ａ…通気孔、２２…検出用風防部、２３…補償用風防部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 21, 31 ... Humidity sensor, 2 ... Insulating film, 3A ... Thermal sensor for detection, 3B ... Thermal sensor for compensation, 4,34 ... Wiring film, 5A ... Thermal conductive film for detection, 5B ... Thermal conduction for compensation Membrane, 6 ... case part, 7 ... connecting terminal member, 22a ... ventilation hole, 22 ... detection windshield part, 23 ... compensation windshield part
Claims (6)
該絶縁性フィルムの一方の面に設けられた検出用感熱素子と、
前記絶縁性フィルムの一方の面にパターン形成され検出用感熱素子に接続された導電性の配線膜と、
前記検出用感熱素子に対向して前記絶縁性フィルムの他方の面であって外気に露出する面に設けられた前記絶縁性フィルムよりも熱伝導性の高い検出用熱伝導膜と、
前記検出用感熱素子を覆って内部を密封するケース部とを備えていることを特徴とする湿度センサ。 An insulating film;
A thermosensitive element for detection provided on one surface of the insulating film;
A conductive wiring film that is patterned on one surface of the insulating film and connected to a thermal element for detection;
A thermal conductive film for detection having higher thermal conductivity than the insulating film provided on the other surface of the insulating film facing the thermal element for detection and exposed to the outside air;
A humidity sensor comprising: a case portion covering the heat sensing element for detection and sealing the inside.
前記ケース部が、上端部が前記配線膜に接続されていると共に下端部が前記ケース部の底部に配された複数の接続端子部材を備えていることを特徴とする湿度センサ。 The humidity sensor according to claim 1,
The humidity sensor, wherein the case portion includes a plurality of connection terminal members having an upper end portion connected to the wiring film and a lower end portion disposed on a bottom portion of the case portion.
前記絶縁性フィルムの一方の面に前記検出用感熱素子に対して間隔を空けて設けられた補償用感熱素子と、
該補償用感熱素子に対向して前記絶縁性フィルムの他方の面に設けられた前記絶縁性フィルムよりも熱伝導性の高い補償用熱伝導膜と、
該補償用熱伝導膜を覆って外気から遮断する補償用風防部とを備え、
前記ケース部が、前記検出用感熱素子と前記補償用感熱素子との両方を覆っていることを特徴とする湿度センサ。 The humidity sensor according to claim 1 or 2,
A compensating thermosensitive element provided on one surface of the insulating film with a space from the detecting thermosensitive element;
A heat conductive film for compensation having higher thermal conductivity than the insulating film provided on the other surface of the insulating film facing the heat-sensitive element for compensation;
A compensation windshield covering the compensation heat conducting film and shielding from the outside air,
The humidity sensor, wherein the case portion covers both the detection thermal element and the compensation thermal element.
前記検出用熱伝導膜を覆うと共に外気を内外に流通可能な通気孔を有する検出用風防部を備えていることを特徴とする湿度センサ。 The humidity sensor according to claim 3,
A humidity sensor, comprising: a detection windshield portion that covers the heat conductive film for detection and has a vent hole through which outside air can flow inside and outside.
前記検出用感熱素子及び前記補償用感熱素子が、サーミスタ材料で形成されたサーミスタ素体と、該サーミスタ素体の両端部に形成された電極となる一対の端子部とをそれぞれ有し、
前記サーミスタ素体が、立方晶スピネル相を主相とする結晶構造を有したセラミックス焼結体であることを特徴とする湿度センサ。 The humidity sensor according to claim 3 or 4,
The detection thermal element and the compensation thermal element each have a thermistor body formed of a thermistor material, and a pair of terminal portions serving as electrodes formed at both ends of the thermistor body,
The humidity sensor, wherein the thermistor body is a ceramic sintered body having a crystal structure with a cubic spinel phase as a main phase.
前記検出用感熱素子及び前記補償用感熱素子が、前記絶縁性フィルムの一方の面にＴｉＡｌＮのサーミスタ材料でパターン形成された薄膜サーミスタ部と、
前記薄膜サーミスタ部の上及び下の少なくとも一方に複数の櫛部を有して互いに対向してパターン形成されていると共に一対の前記配線膜に接続された一対の櫛型電極とを備え、
前記薄膜サーミスタ部が、一般式：ＴｉｘＡｌｙＮｚ（０．７０≦ｙ／（ｘ＋ｙ）≦０．９５、０．４≦ｚ≦０．５、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で示される金属窒化物からなり、その結晶構造が、六方晶系のウルツ鉱型の単相であることを特徴とする湿度センサ。 In the humidity sensor according to claim 3 or 4,
A thin-film thermistor portion in which the detection heat-sensitive element and the compensation heat-sensitive element are patterned with a TiAlN thermistor material on one surface of the insulating film;
A plurality of comb portions on at least one of the upper and lower sides of the thin film thermistor portion, and a pair of comb-shaped electrodes connected to the pair of wiring films and patterned to face each other;
The thin film thermistor portion is a metal nitride represented by the general formula: Ti x Al y N z (0.70 ≦ y / (x + y) ≦ 0.95, 0.4 ≦ z ≦ 0.5, x + y + z = 1) A humidity sensor characterized in that the crystal structure is a single phase of a hexagonal wurtzite type.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2013050729A JP2014178137A (en) | 2013-03-13 | 2013-03-13 | Humidity sensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2013050729A JP2014178137A (en) | 2013-03-13 | 2013-03-13 | Humidity sensor |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2014178137A true JP2014178137A (en) | 2014-09-25 |
Family
ID=51698254
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2013050729A Pending JP2014178137A (en) | 2013-03-13 | 2013-03-13 | Humidity sensor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2014178137A (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2016145756A (en) * | 2015-02-09 | 2016-08-12 | 三菱マテリアル株式会社 | Temperature sensor |
| CN112285398A (en) * | 2020-10-11 | 2021-01-29 | 浙江晨泰科技股份有限公司 | Electric energy meter capable of detecting humidity abnormity |
| KR102659386B1 (en) | 2019-05-23 | 2024-04-19 | 아르셀러미탈 | Humidity detection equipment for strips |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0196548A (en) * | 1987-10-07 | 1989-04-14 | Sharp Corp | Sensor element |
| JPH08128982A (en) * | 1994-11-02 | 1996-05-21 | Ricoh Seiki Co Ltd | Heat dependency detector and manufacture thereof |
| JPH11237356A (en) * | 1998-02-19 | 1999-08-31 | Mitsui Mining & Smelting Co Ltd | Method and device for identifying fluid |
| JP2004504598A (en) * | 2000-07-19 | 2004-02-12 | エルジー エレクトロニクス インコーポレーテッド | Absolute humidity sensor |
| JP2004319737A (en) * | 2003-04-16 | 2004-11-11 | Osaka Prefecture | Material for thermistor, and method for manufacturing the same |
| JP2011013213A (en) * | 2009-06-02 | 2011-01-20 | Mitsubishi Materials Corp | Infrared sensor |
-
2013
- 2013-03-13 JP JP2013050729A patent/JP2014178137A/en active Pending
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0196548A (en) * | 1987-10-07 | 1989-04-14 | Sharp Corp | Sensor element |
| JPH08128982A (en) * | 1994-11-02 | 1996-05-21 | Ricoh Seiki Co Ltd | Heat dependency detector and manufacture thereof |
| JPH11237356A (en) * | 1998-02-19 | 1999-08-31 | Mitsui Mining & Smelting Co Ltd | Method and device for identifying fluid |
| JP2004504598A (en) * | 2000-07-19 | 2004-02-12 | エルジー エレクトロニクス インコーポレーテッド | Absolute humidity sensor |
| JP2004319737A (en) * | 2003-04-16 | 2004-11-11 | Osaka Prefecture | Material for thermistor, and method for manufacturing the same |
| JP2011013213A (en) * | 2009-06-02 | 2011-01-20 | Mitsubishi Materials Corp | Infrared sensor |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2016145756A (en) * | 2015-02-09 | 2016-08-12 | 三菱マテリアル株式会社 | Temperature sensor |
| KR102659386B1 (en) | 2019-05-23 | 2024-04-19 | 아르셀러미탈 | Humidity detection equipment for strips |
| CN112285398A (en) * | 2020-10-11 | 2021-01-29 | 浙江晨泰科技股份有限公司 | Electric energy meter capable of detecting humidity abnormity |
| CN112285398B (en) * | 2020-10-11 | 2023-08-08 | 浙江晨泰科技股份有限公司 | Electric energy meter capable of detecting humidity abnormality |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9891117B2 (en) | Temperature sensor | |
| US9448123B2 (en) | Temperature sensor | |
| WO2013147292A1 (en) | Battery with temperature adjustment function | |
| US9851262B2 (en) | Temperature sensor | |
| WO2013147291A1 (en) | Film-type thermistor sensor | |
| JP5776942B2 (en) | Temperature sensor | |
| JP6052614B2 (en) | Temperature sensor | |
| JP5928831B2 (en) | Temperature sensor | |
| JP6108156B2 (en) | Temperature sensor | |
| JP2014178137A (en) | Humidity sensor | |
| JP5949276B2 (en) | Temperature sensor and battery with temperature sensor | |
| WO2014091932A1 (en) | Airflow sensor | |
| JP2013211180A (en) | Film heater with temperature sensor | |
| JP5949277B2 (en) | Temperature sensor and coil with temperature sensor | |
| JP6011285B2 (en) | Temperature sensor | |
| JP6015517B2 (en) | Temperature sensor |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20150930 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20160726 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20170203 |