DE102010021914A1

DE102010021914A1 - Sensorvorrichtung für physikalische Größe und Herstellungsverfahren derselben

Info

Publication number: DE102010021914A1
Application number: DE102010021914A
Authority: DE
Inventors: Masashi Kariya-shi Totokawa; Masao Kariya-shi Naito; Akihiro Takeichi
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2009-06-01
Filing date: 2010-05-28
Publication date: 2011-01-20
Anticipated expiration: 2030-05-29
Also published as: US8151649B2; JP5693047B2; DE102010021914B4; JP2011013210A; US20100307255A1

Abstract

Eine physikalische Größensensorvorrichtung (10) mit einer Struktur, in der ein belastungsempfindlicher Körper (1), dessen elektrische Charakteristiken abhängig von der Anwendung einer Belastung variieren, und ein Isolator (2) mit elektrischer Isolierung ausgebildet sind, indem sie eng aneinander geklebt sind, wobei der belastungsempfindliche Körper (1) eine Dünnglasschicht umfasst, die ein elektrisch leitendes Element enthält, das darin als Feststoffatome gelöst ist, ein Verfahren zur Herstellung der physikalischen Größensensorvorrichtung, wobei eine dünne Piezowiderstandsschicht eine Dünnglasschicht umfasst, die Ruthenium enthält, das als Feststoffatome darin gelöst ist, und ein Verfahren zur Herstellung der dünnen Piezowiderstandsschicht.

Description

Technisches Gebiet
Diese Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung für eine physikalische Größe zum Messen physikalischer Änderungsbeträge, wie etwa einer Kraft, eines Drucks, eines Drehmoments, einer Geschwindigkeit, einer Beschleunigung, einer Position, einer Verschiebung, einer Stoßkraft, eines Gewichts/einer Masse, eines Vakuumgrads, einer Drehkraft, einer Schwingung und eines Rauschens, etc., und ein Verfahren zur Herstellung der Sensorvorrichtung für die physikalische Größe.
Hintergrundtechnik
Um physikalische Änderungsbeträge, wie etwa die Kraft, den Druck, das Drehmoment, die Geschwindigkeit, die Beschleunigung, die Stoßkraft, das Gewicht/die Masse, den Vakuumgrad, die Drehkraft, die Schwingung und das Rauschen, zu messen, wurde daher eine Sensorvorrichtung für physikalische Größen vorgeschlagen und in praktischen Gebrauch genommen, die einen dehnungsempfindlichen Widerstand mit Charakteristiken, d. h. dehnungsempfindlichen Charakteristiken, hat, welche den elektrischen Widerstand abhängig von der Änderung der Größe der Dehnung ändern. Der dehnungsempfindliche Widerstand, der bekannt ist, umfasst eine aus Glas gefertigte Matrix, d. h. eine Glasmatrix, in der elektrisch leitende Partikel verteilt sind.
Um eine physikalische Größensensorvorrichtung bereitzustellen, die zu einer hochempfindlichen Messung einer physikalischen Größe fähig ist und hohe Genauigkeit aufrecht erhält, offenbart zum Beispiel JP-A-2005-127793 eine physikalische Größensensorvorrichtung, die einen druckempfindlichen Körper, der elektrische Charakteristiken bei der Anwendung einer Belastung ändert, und elektrische Isolatoren umfasst, die auf jeder der zwei entgegengesetzten Oberflächen des druckempfindlichen Körpers integral mit diesem ausgebildet sind, wobei der druckempfindliche Körper eine Matrix aus Glas umfasst, in der elektrisch leitende Partikel verteilt sind.
Um eine Belastungserfassungsvorrichtung mit einer Dehnungswiderstandsvorrichtung, die eine hochstabilen elektrisch leitenden Weg bildet, während sie die Schwankung des Widerstands unterdrückt, wenn eine Belastung ausgeübt oder beseitigt wird, bereitzustellen, offenbart ferner JP-A-2003-247898 eine Belastungserfassungsvorrichtung, deren Dehnungswiderstandsvorrichtung erhalten wird, indem eine Widerstandspaste gebrannt wird, die hauptsächlich ein elektrisch leitende Komponenten enthaltendes Glas umfasst, das elektrisch leitende Partikel in den Glasfritten enthält.
Um einen grundlegenden Aufbau eines physikalischen Größensensors bereitzustellen, der die elektrische Verbindung mit einer externen Einheit erleichtert und der es ermöglicht, einen elektrischen Anschlussabschnitt zu bilden, der nicht von der Anwendung einer großen physikalischen Größe beeinflusst wird, offenbart JP-A-2005-189106 eine grundlegende Struktur eines physikalischen Größensensors, in der ein Isolator und eine Detektoreinheit in einer Richtung laminiert sind, in der eine physikalische Größe angewendet wird, und die Detektoreinheit hat eine elektrischen Anschlussoberfläche auf ihrer Hauptoberfläche auf der Seite, die dicht an den Isolator geklebt ist, wobei die elektrische Anschlussoberfläche ohne Isolator freiliegt.
Jedoch haben die vorstehenden druckempfindlichen Körper einen Dehnungsfaktor (GF), der die Empfindlichkeitskennzahl von nicht mehr als 30 ist, und zeigen gute dehnungsempfindliche Charakteristiken im Vergleich zu dem Fall der Verwendung eines Metallfolienmessgeräts, das einen GF von nicht mehr als etwa 2 hat, sind aber der Verwendung eines Siliziumhalbleiters mit einem GF von nicht mehr als etwa 200 unterlegen. Um daher die physikalische Größe genau zu erfassen, ohne einen dehnungsbewirkenden Körper zu verwenden, fehlt es den druckempfindlichen Körpern, wie etwa den vorstehenden Widerstandskörpern, an Empfindlichkeit. Außerdem stellt die Glasmatrix, die Blei enthält, eine Belastung für die Umwelt dar.
Um eine physikalische Größensensorvorrichtung bereitzustellen, die fähig ist, sowohl die Bildung eines dehnungsempfindlichen Widerstands unter Verwendung einer bleifreien Glasmatrix als auch das Ausdrücken der dehnungsempfindlichen Charakteristiken auf einem für die praktische Verwendung ausreichenden Niveau zu erreichen, offenbart JP-A-2005-189106 eine physikalische Größensensorvorrichtung, deren dehnungsempfindlicher Widerstand erhalten wird, indem elektrisch leitende Partikel in der Matrix verteilt werden, die kein Blei enthält, aber Wismut enthält. Jedoch ist die physikalische Größensensorvorrichtung immer noch weit davon entfernt, hochempfindliche dehnungsempfindliche Charakteristiken zu haben.
Um eine Paste zur Bildung eines Dickfilmwiderstands, der als eine Widerstandsvorrichtung für hybride ICs und Dickfilmchips verwendet wird, welche durch geringes Rauschen und hervorragende Spannungsfestigkeit ausgezeichnet sind, und eine behandelte Glasfritte für die Paste bereitzustellen, offenbart JP-A-6-028916 eine Paste zum Ausbilden eines Dickfilmwiderstands, der eine behandelte Glasfritte, eine Blei-Borsilikatfritte und ein organisches Trägermaterial umfasst, wobei die behandelte Glasfritte wenigstens eines der folgenden enthält: Rheniumoxid, Rutheniumoxid, Iridiumoxid, Rhodiumoxid, Pyrochlor vom Rheniumtyp, Pyrochlor vom Rutheniumtyp und Pyrochlor vom Iridiumtyp in der Form von Klumpen mit einem Durchmesser von nicht mehr als 10 nm, die in die Blei-Borsilikatglaspartikel eindringen und in diesen verteilt sind.
Jedoch ist der Dickfilmwiderstand, der als eine Widerstandsvorrichtung für hybride ICs und Dickfilmchips verwendet wird, ein Material, das der Stabilisierung des Widerstands Bedeutung verleiht und ist daher dafür konzipiert, eine Änderung des Widerstands zu minimieren, die durch eine Dehnung bewirkt wird, die zum Beispiel durch eine thermische Belastung aufgrund einer Differenz in der Wärmeausdehnung zwischen ihm und dem Substrat bewirkt wird, und kann folglich nicht als die physikalische Größensensorvorrichtung verwendet werden.
Was außerdem die Laserverdampfung anbetrifft, schlägt JP-A-2006-326477 ein Verfahren zur Herstellung eines Katalysators zur Reinigung von Abgas vor, das dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Edelmetall und ein NOx-einschließendes Material auf einem Trägeroxid zugeführt werden, das auf einem Laserabtragungsverfahren beruht, indem in einem Versuch, das NOx-einschließende Material in einen feineren Zustand zu überführen, ein Target verwendet wird, das eine Edelmetallquelle, eine NOx-einschließende Materialquelle und eine Trägeroxidquelle enthält, und das Edelmetall und das NOx-einschließende Material abwechselnd und in einem verteilten Zustand zugeführt werden.
Zusammenfassung der Erfindungen
Die vorliegende Erfindung wurde angesichts der vorstehenden Probleme vollbracht und hat eine Aufgabe, eine physikalische Größensensorvorrichtung bereitzustellen, die mit einem hochempfindlichen dehnungsempfindlichen Widerstand ausgestattet ist, ohne Pb zu enthalten, der klein ist, und der zur Messung in einem Hochlastbereich fähig ist.
Die vorliegende Erfindung macht es möglich, einen hochempfindlichen hochgenauen und hochstabilen dehnungsempfindlichen Widerstand zu realisieren, indem ein Abschnitt, der dem dehnungsempfindlichen Abschnitt in einem herkömmlichen Widerstand entspricht, in der Form einer dünnen Schicht ausgebildet wird. Bevorzugt macht es die Erfindung möglich, dehnungsempfindliche Charakteristiken auf einem Niveau auszudrücken, das für die praktische Verwendung hoch genug ist, ohne Blei in dem Matrixmaterial zu verwenden.
Die physikalische Größensensorvorrichtung gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine physikalische Größensensorvorrichtung (10) mit einer Struktur, in der ein belastungsempfindlicher Körper (1), dessen elektrische Charakteristiken abhängig von der Anwendung einer Belastung variieren, und ein Isolator (2) mit elektrischer Isolierung dicht aneinander haftend ausgebildet sind, wobei der belastungsempfindliche Körper (1) eine dünne Glasschicht umfasst, die ein elektrisch leitendes Element enthält, das als Feststoffatome darin gelöst ist.
Gemäß dem ersten Aspekt ist ein Abschnitt, der dem dehnungsempfindlichen Abschnitt des herkömmlichen Widerstands entspricht, wie eine Dünnschicht ausgebildet, die ein elektrisch leitendes Element enthält, das als Feststoffatome darin gelöst ist, um einen hochempfindlichen, hochgenauen und hochstabilen dehnungsempfindlichen Widerstand zu realisieren.
Eine bevorzugte Ausführungsform des ersten Aspekts stellt die physikalische Größensensorvorrichtung bereit, wobei die Dünnglasschicht durch Laserverdampfung unter Verwendung eines Oxids des elektrisch leitenden Elements derart ausgebildet ist, dass sie das als Feststoffatome darin gelöste leitende Element enthält.
Gemäß dieser Ausführungsform wird die Dünnglasschicht zuverlässiger als eine dünne Schicht ausgebildet, die das darin als Feststoffatome gelöste elektrisch leitende Element enthält, um den hochempfindlicheren, hochgenauen und hochstabilen dehnungsempfindlichen Widerstand zu realisieren.
Eine andere bevorzugte Ausführungsform des ersten Aspekts stellt die physikalische Größensensorvorrichtung bereit, wobei die Dünnglasschicht das als Feststoffatome darin gelöste elektrisch leitende Element in einem Bereich von 1 bis 60 Atom-% enthält.
Gemäß dieser Ausführungsform können hochempfindliche Charakteristiken erhalten werden, und außerdem kann die dehnungsempfindliche dünne Schicht durch ein einfaches Verfahren ausgebildet werden.
Eine andere bevorzugte Ausführungsform des ersten Aspekts stellt die physikalische Größensensorvorrichtung bereit, wobei das elektrisch leitende Element Ruthenium ist. Gemäß dieser Ausführungsform ist das Steuern der Valenz des elektrisch leitenden Elements in dem Glas möglich.
Eine andere bevorzugte Ausführungsform des ersten Aspekts stellt die physikalische Größensensorvorrichtung bereit, wobei die Dünnglasschicht ein Wismutelement zumindest in einem Bereich von 10 Atom-% enthält.
Gemäß dieser Ausführungsform sind das Steuern der Valenz des elektrisch leitenden Elements in dem Glas und das Halten des elektrisch leitenden Elements in einem stabilen Zustand möglich.
Eine andere bevorzugte Ausführungsform des ersten Aspekts stellt die physikalische Größensensorvorrichtung bereit, wobei die Dünnglasschicht kein Blei enthält. Gemäß dieser Ausführungsform ist die Bereitstellung der hochempfindlichen und hochgenauen physikalischen Größensensorvorrichtung, die keine Substanz enthält, die eine Belastung für die Umwelt darstellt, möglich.
Eine andere bevorzugte Ausführungsform des ersten Aspekts stellt die physikalische Größensensorvorrichtung bereit, wobei die Laserverdampfung unter Verwendung des Oxids des elektrisch leitenden Elements eine Laserverdampfung ist, die als das Target einen gebrannten Glaskörper verwendet, in dem elektrisch leitende Partikel verteilt sind, die das Oxid des elektrisch leitenden Elements enthalten.
Gemäß dieser Ausführungsform sind das Lösen des elektrisch leitenden Elements in dem Glas als Feststoff und das Steuern seiner Valenz möglich.
Eine andere bevorzugte Ausführungsform des ersten Aspekts stellt die physikalische Größensensorvorrichtung bereit, wobei die Laserverdampfung unter Verwendung des Oxids des elektrisch leitenden Elements eine Laserverdampfung ist, die als getrennte Targets sowohl das Oxid des elektrisch leitenden Elements als auch das Glas verwendet.
Gemäß dieser Ausführungsform ist das einfache Steuern der Valenz und der Menge des elektrisch leitenden Elements in dem Glas möglich.
Eine andere bevorzugte Ausführungsform des ersten Aspekts stellt die physikalische Größensensorvorrichtung bereit, wobei die Laserverdampfung eine gepulste Laserverdampfung ist. Gemäß dieser Ausführungsform ist das Ausbilden einer homogenen dünnen Glasschicht, in der das elektrisch leitende Element als Feststoff gelöst ist, möglich.
Eine andere bevorzugte Ausführungsform des ersten Aspekts stellt die physikalische Größensensorvorrichtung bereit, wobei der belastungsempfindliche Körper (1) auf den Isolator (2) laminiert ist, wobei wenigstens ein Paar von Elektroden (3, 3'), die auf dem Isolator (2) bereitgestellt sind, dazwischen aufgenommen ist, und wobei ein belastungsaufnehmender Körper (5) zum Annehmen der Belastungsanwendung auf wenigstens einem Teil des belastungsempfindlichen Körpers (1) bereitgestellt ist, welcher nach Bedarf eine Übergangsmaterialschicht (4) dazwischen hält.
Gemäß dieser Ausführungsform kann die auf den druckaufnehmenden Körper angewendete Last beruhend auf der Druckkraft abgetastet werden, und die Erfassung kann bis in einen Hochlastbereich geleistet werden.
Eine andere bevorzugte Ausführungsform des ersten Aspekts stellt die physikalische Größensensorvorrichtung bereit, wobei der belastungsempfindliche Körper (1) eine dünne Piezowiderstandsschicht ist. Gemäß dieser Ausführungsform kann die auf den druckaufnehmenden Körper angewendete Last beruhend auf der Druckkraft abgetastet werden, und die Erfassung kann bis in einen Hochlastbereich geleistet werden.
Das Verfahren zur Herstellung einer physikalischen Größensensorvorrichtung gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer physikalischen Größensensorvorrichtung durch dichtes Kleben eines belastungsempfindlichen Körpers (1), dessen elektrische Charakteristiken abhängig von der Anwendung einer Belastung variieren, an einen Isolator (2) mit elektrischer Isolierung, um dadurch eine physikalische Größensensorvorrichtung (10) zu bilden, das den Schritt des Bildens einer Dünnglasschicht, die ein als Feststoffatome darin gelöstes elektrisch leitendes Element enthält, auf dem Isolator (2) durch ein Laserverdampfungsverfahren unter Verwendung eines Targets (11), das ein Oxid des elektrisch leitenden Elements enthält, umfasst.
Gemäß dem zweiten Aspekt ist es möglich, auf dem Isolator (2) eine dünne Piezowiderstandsschicht abzuscheiden, in der ein elektrisch leitendes Element, wie etwa das Rutheniumelement, auf einer atomaren Ebene als Feststoff in dem Glas gelöst ist, und die physikalische Größensensorvorrichtung herzustellen, die mit einem hochempfindlichen, hochgenauen und hochstabilen dehnungsempfindlichen Widerstand ausgestattet ist.
Eine bevorzugte Ausführungsform des zweiten Aspekts stellt das Verfahren zur Herstellung der physikalischen Größensensorvorrichtung bereit, wobei ein Target, das einen gebrannten Glaskörper enthält, in dem elektrisch leitende Partikel, welche das Oxid des elektrisch leitenden Elements enthalten, verteilt sind, als das Target (11) verwendet wird, welches das Oxid des elektrisch leitenden Elements enthält.
Gemäß dieser Ausführungsform ist es ferner möglich, die physikalische Größensensorvorrichtung herzustellen, indem das Target verwendet wird, das durch ein einfaches Siebdruck- und Brennverfahren auf einer flachen Platte, mit einem pastenähnlichen Material aus einer Mischung beispielsweise eines Glasmatrix-enthaltenden Wismutelements und elektrisch leitenden Partikeln aus einem Rutheniumoxid (RuO₂) hergestellt wird.
Eine andere bevorzugte Ausführungsform des zweiten Aspekts stellt das Verfahren zur Herstellung der physikalischen Größensensorvorrichtung bereit, wobei neben der Verwendung des Targets (11), welches das Oxid des elektrisch leitenden Elements enthält, ferner ein Target, das ein Glas enthält, verwendet wird.
Gemäß dieser Ausführungsform können das Glas und das elektrisch leitende Oxid getrennt gesteuert werden, d. h. ihr Vorhandensein kann willkürlich gesteuert werden.
Eine andere bevorzugte Ausführungsform des zweiten Aspekts stellt das Verfahren zur Herstellung der physikalischen Größensensorvorrichtung bereit, wobei das Laserverdampfungsverfahren ein gepulstes Laserverdampfungsverfahren ist. Gemäß dieser Ausführungsform wird die dünne Schicht durch Sublimieren des Targets ausgebildet, und daher kann die Targetzusammensetzung in der Dünnschichtzusammensetzung widergespiegelt werden.
Eine andere bevorzugte Ausführungsform des zweiten Aspekts stellt das Verfahren zur Herstellung der physikalischen Größensensorvorrichtung bereit, wobei das Glas kein Blei enthält. Gemäß dieser Ausführungsform kann leicht die hochempfindliche und hochgenaue physikalische Größensensorvorrichtung hergestellt werden, die keine Substanz enthält, die eine Belastung für die Umwelt darstellt.
Eine andere bevorzugte Ausführungsform des zweiten Aspekts stellt das Verfahren zur Herstellung der physikalischen Größensensorvorrichtung bereit, wobei das elektrisch leitende Element Ruthenium ist. Gemäß dieser Ausführungsform ist das Ausbilden der dünnen Piezowiderstandsschicht möglich, in der Ruthenium als Feststoffatome in dem Glas gelöst ist.
Die dünne Piezowiderstandsschicht gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine dünne Piezowiderstandsschicht, die eine Dünnglasschicht umfasst, die Ruthenium enthält, das als Feststoffatome darin gelöst ist. Gemäß dem dritten Aspekt ist es möglich, die dünne Piezowiderstandsschicht empfindlich zu machen, da es möglich ist, den Gehalt an Ruthenium-Sauerstoff-Bindungsstrukturen, in denen sich die elektrische Leitfähigkeit bei einer angewendeten Belastung unterscheidet, zu erhöhen, indem die Dünnglasschicht verwendet wird, die Ruthenium enthält, das als Feststoffatome darin gelöst ist.
Eine bevorzugte Ausführungsform des dritten Aspekts stellt die dünne Piezowiderstandsschicht bereit, wobei das Glas hauptsächlich Glas vom Wismuttyp enthält. Gemäß dieser Ausführungsform sind das Einstellen eines Wärmeausdehnungskoeffizienten der dünnen Schicht auf den eines Substrats und das Verbessern der Haftung mit dem Substrat möglich.
Eine andere bevorzugte Ausführungsform des dritten Aspekts stellt die dünne Piezowiderstandsschicht bereit, wobei die Dünnglasschicht 2 Atom-% oder mehr Ruthenium und 30 Atom-% oder mehr Sauerstoff enthält. Gemäß dieser Ausführungsform ist das Einstellen der elektrischen Leitfähigkeit und der Piezowiderstandsempfindlichkeit der Dünnschicht möglich.
Das Verfahren zur Herstellung einer dünnen Piezowiderstandsschicht gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer dünnen Piezowiderstandsschicht, das den Schritt des Ausbildens einer Dünnglasschicht, die als Feststoffatome darin gelöstes Ruthenium enthält, auf einem Isolator durch ein gepulstes Laserverdampfungsverfahren unter Verwendung eines Targets, welches ein Oxid von Ruthenium enthält, umfasst. Gemäß dem vierten Aspekt ist es möglich, Zusammensetzungen und Strukturen in der dünnen Schicht gleichmäßig zu machen.
Eine bevorzugte Ausführungsform des vierten Aspekts stellt das Verfahren zur Herstellung einer dünnen Piezowiderstandsschicht bereit, wobei ein Target, das einen gesinterten Glaskörper enthält, in dem elektrisch leitende Partikel verteilt sind, die das Oxid von Ruthenium enthalten, als das Target verwendet wird, welches das Oxid von Ruthenium enthält. Gemäß dieser Ausführungsform ist es möglich, Strukturen in der dünnen Schicht ohne Anhäufung von Ruthenium in der dünnen Schicht gleichmäßig zu machen.
Eine andere bevorzugte Ausführungsform des vierten Aspekts stellt das Verfahren zur Herstellung einer dünnen Piezowiderstandsschicht bereit, wobei neben der Verwendung des Targets, welches das Oxid von Ruthenium enthält, ferner ein Target verwendet wird, das Glas enthält. Gemäß dieser Ausführungsform ist es möglich, unabhängig Strukturen aus Glas und Strukturen, in denen Ruthenium als Feststoff in Glas gelöst ist, auszubilden.
Eine andere bevorzugte Ausführungsform des vierten Aspekts stellt das Verfahren zur Herstellung einer dünne Piezowiderstandsschicht bereit, das ferner einen Schritt zum Tempern der auf dem Isolator ausgebildeten Glasdünnschicht bei einer Temperatur von 700°K oder mehr umfasst. Gemäß dieser Ausführungsform ist es möglich, dass Sauerstoffelemente mit einem Rutheniumelement koordiniert sind, und dass die elektrische Leitfähigkeit und die Piezowiderstandsempfindlichkeit der dünnen Schicht zunehmen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine Schnittansicht, die eine Ausführungsform einer physikalischen Größensensorvorrichtung der vorliegenden Erfindung schematisch darstellt.
2 zeigt eine Schnittansicht, die eine andere Ausführungsform der physikalischen Größensensorvorrichtung der vorliegenden Erfindung schematisch darstellt.
3 zeigt eine Schnittansicht, die eine weitere Ausführungsform der physikalischen Größensensorvorrichtung der vorliegenden Erfindung schematisch darstellt.
4 zeigt eine Ansicht, die eine Ausführungsform eines gepulsten Laserverdampfungsverfahrens in einem Verfahren zur Herstellung der physikalischen Größensensorvorrichtung der vorliegenden Erfindung schematisch darstellt.
5 zeigt eine Ansicht, die eine andere Ausführungsform des gepulsten Laserverdampfungsverfahrens in dem Verfahren zur Herstellung der physikalischen Größensensorvorrichtung der vorliegenden Erfindung schematisch darstellt.
6 zeigt ein Diagramm, das die Beziehung zwischen einem spezifischen Widerstand und der Piezowiderstandsempfindlichkeit von Glasdünnschichten für eine dünne Piezowiderstandsschicht der vorliegenden Erfindung, die durch ein gepulstes Laserverdampfungsverfahren erhalten wird, darstellt.
7 zeigt ein Diagramm, das die Beziehung zwischen einem Rutheniumgehalt und der Piezowiderstandsempfindlichkeit von Glasdünnschichten für eine dünne Piezowiderstandsschicht der vorliegenden Erfindung, der durch ein gepulstes Laserverdampfungsverfahren erhalten wird, darstellt.
8 zeigt ein Diagramm, das die Beziehung zwischen einem Rutheniumgehalt und dem spezifischen Widerstand von Glasdünnschichten für eine dünne Piezowiderstandsschicht der vorliegenden Erfindung, der durch ein gepulstes Laserverdampfungsverfahren erhalten wird, darstellt.
9 zeigt ein Diagramm, das die Beziehung zwischen einer Tempertemperatur und dem Widerstandswert in einer Temperbehandlung von Glasdünnschichten für eine dünne Piezowiderstandsschicht der vorliegenden Erfindung, der durch ein gepulstes Laserverdampfungsverfahren erhalten wird, darstellt.
Detaillierte Beschreibung
In der vorliegenden Erfindung bezieht sich das Wort „Belastung” auf eine physikalische Änderung, wie etwa der Kraft, des Drucks, des Drehmoments, der Geschwindigkeit, der Beschleunigung, der Stoßkraft, des Gewichts/der Masse, des Vakuumgrads, der Drehkraft, der Schwingung und des Rauschens. Wenn „Belastung” konkreter zum Beispiel auf einen Teil eines Autos (einen Sensor) angewendet wird, bezieht sie sich auf eine physikalische Änderung, wie etwa eine Pedaldruckkraft, eine Reifenantriebskraft oder eine ähnliche Kraft.
In der Erfindung beziehen sich die „elektrischen Charakteristiken”, die abhängig von der Belastungsanwendung variieren, auf die elektrische Leitfähigkeit (den Widerstandswert) und ähnliches. Konkreter werden Charakteristiken (dehnungsempfindliche Charakteristiken) verwendet, die einen elektrischen Widerstand aufweisen, der abhängig von einer Änderung in der Größe einer Dehnung, die zum Beispiel durch Druck verursacht wird, variiert.
In der Erfindung gibt es für den „Isolator 2” mit elektrischer Isolierung keine bestimmte Einschränkung für sein Material oder seine Form, und konkrete Beispiele für das Material umfassen Aluminiumoxid, etc.
Der in der Erfindung verwendete „belastungsempfindliche Körper 1” ist in der physikalischen Größensensorvorrichtung dicht an dem Isolator 2 mit der elektrischen Isolierung haftend bereitgestellt und umfasst eine Dünnglasschicht, der ein als Feststoffatome darin gelöstes elektrisch leitendes Element enthält. Die Dünnglasschicht hat bevorzugt eine Dicke von 0,05 bis 20 μm, besser 0,1 bis 5 μm und am besten 0,5 bis 2 μm.
Der Ausdruck „als Feststoffatome darin gelöst” steht dafür, dass das elektrisch leitende Element normalerweise als Ionen in dem amorphen Glas vorhanden ist. Als das „elektrisch leitende Element” wird normalerweise Ruthenium, Rhenium, Rhodium oder Titan verwendet. Unter diesen sind Ruthenium und Rhenium vom Standpunkt der elektrischen Leitfähigkeit im Verhältnis zu ihren Zusatzmengen erwünscht, und Ruthenium ist besonders wünschenswert.
Die als Feststoff gelöste Menge des elektrisch leitenden Elements, das die Dünnglasschicht bildet, liegt in einem Bereich von bevorzugt 1 bis 60 Atom-%, besser 1 bis 30 Atom-% und am besten 1 bis 20 Atom-%. Wenn die als Feststoff gelöste Menge des elektrisch leitenden Elements weniger als 1 Atom-% ist, sinkt die elektrische Leitfähigkeit, was nicht wünschenswert ist. Wenn die als Feststoff gelöste Menge des elektrisch leitenden Elements andererseits mehr als 60 Atom-% ist, sinkt der Piezowiderstandskoeffizient (Dehnungsfaktor), was nicht wünschenswert ist.
Als die Komponenten zum Ausbilden der Glasmatrix der Dünnglasschicht werden normalerweise Wismut, Silizium, Bor, Calzium, Zirkon und Barium verwendet. Unter ihnen ist es unter dem Standpunkt, einen amorphen Zustand (einen glasartigen Zustand) zu erzielen, erwünscht, Wismut, Silizium und Bor zu verwenden. Insbesondere ist es erwünscht, dass Wismut in Kombination mit dem vorstehenden Ruthenium enthalten ist. Der Wismutgehalt in der Dünnglasschicht beträgt bevorzugt wenigstens 5 Atom-%, liegt besser in einem Bereich von 15 bis 70 Atom-% und am besten in einem Bereich von 20 bis 60 Atom-%. Wenn der Wismutgehalt nicht niedriger als 70 Atom-% ist, vergrößert sich die Wärmeausdehnung, was nicht wünschenswert ist.
Es ist ferner erwünscht, dass die Dünnglasschicht kein Blei enthält, um keine Belastung für die Umwelt darzustellen.
Als die Dünnglasschicht kann konkret eine Piezowiderstandsschicht, die Wismutborsilikat enthält, ebenso wie ein Calziumborsilikat-Glas, als Beispiel dienen.
In der Erfindung steht das „Laserverdampfungsverfahren” normalerweise für ein Laserverdampfungsverfahren, das auf einem Laserzerstäubungsverfahren basiert, und steht konkreter für ein Laserverdampfungsverfahren zum Ausbilden einer vorgegebenen Glasdünnschicht durch Anwenden zum Beispiel eines Laserstrahls auf ein Target, das aus einem Oxid eines elektrisch leitenden Elements ausgebildet ist, um die Targetsubstanz zu zerstäuben, um auf einem Substrat, das der Isolator 2 ist, abgeschieden zu werden. Es gibt keine besondere Einschränkung für den Laser, und normalerweise wird ein derartiger Laser, wie ein YAG-Laser oder Excimer-Laser verwendet. Bevorzugte Bedingungen zum Ausführen der Laserzerstäubung und der Laserverdampfung umfassen einen Druck von gewöhnlich nicht höher als 10^–1 Pa und eine Temperatur von normalerweise 10 bis 30°C.
Ferner ist ein bevorzugtes Beispiel für das Target ein Target vom einteiligen Typ, das aus einem gebrannten Glaskörper besteht, in dem elektrisch leitende Partikel verteilt sind, die ein Oxid des elektrisch leitenden Elements enthalten. In diesem Fall kann das Target mit einem einfachen Verfahren aus Siebdruck und Brennen eines pastenähnlichen Materials aus einer Mischung einer Glasmatrix, die zum Beispiel Wismut und elektrisch leitende Partikel aus RuO₂ enthält, auf einer flachen Platte hergestellt werden. Obwohl es keine bestimmte Einschränkung gibt, haben die elektrisch leitenden Partikel, die das Oxid des elektrisch leitenden Elements enthalten, vom Standpunkt der Laserabsorption aus normalerweise eine Größe oder einen mittleren Durchmesser in einem Bereich von etwa 1 nm bis etwa 100 μm.
Ein anderes bevorzugtes Beispiel für das Target ist ein zweiteiliger Typ, in dem neben der Verwendung des Targets, welches das Oxid des elektrisch leitenden Elements enthält, ein Target, das ein Glas für eine Wismut- oder Calzium-enthaltende Glasmatrix enthält, verwendet wird. In diesem Fall ist es erlaubt, eine dünne Schicht zu bilden, in die ein Glas gemischt ist, welches das Oxid und Wismut enthält, indem abwechselnd ein Laserstrahl auf das Target angewendet wird, welches das Oxid des elektrisch leitenden Elements enthält, und auf das Target, welches das Glas für die Wismut-enthaltende Glasmatrix enthält.
Als das Laserverdampfungsverfahren ist es erwünscht, eine gepulste Laserverdampfung zu verwenden, die den Laserstrahl wie einen Impuls auf das Target anwendet, da dieses es möglich macht, das Glas, welches das Oxid und Wismut enthält, zu verdampfen, um dadurch eine dünne Schicht ohne Ungleichmäßigkeiten in ihrer Zusammensetzung zu bilden.
Wenn die dünne Piezowiderstandsschicht in der Erfindung eine Dünnglasschicht umfasst, die Ruthenium enthält, das darin als Feststoffatome gelöst ist, enthält das Glas bevorzugt hauptsächlich ein Glas vom Wismuttyp und ist bevorzugt Wismut-Borsilikatglas. Die Dünnglasschicht enthält bevorzugt 2 Atom-% oder mehr Ruthenium und 30 Atom-% oder mehr Sauerstoff; enthält besser Ruthenium von 2 bis 30 Atom-%, Sauerstoff von 30 Atom-% oder mehr und Wismut von 5 bis 40 Atom-%; und enthält am besten Ruthenium von 5 bis 20 Atom-%, Sauerstoff von 40 bis 60 Atom-%. Außerdem kann die Dünnglasschicht als den Rest Si, B, Zn und ähnliche enthalten, die normalerweise enthalten sind.
Wenn das Verfahren zur Herstellung einer dünnen Piezowiderstandsschicht in der Erfindung den Schritt enthält, in dem eine Dünnglasschicht, die als Feststoffatome darin gelöstes Ruthenium enthält, durch ein gepulstes Laserverdampfungsverfahren unter Verwendung eines Targets, das ein Oxid von Ruthenium enthält, ausgebildet wird, wird bevorzugt, dass ein Target, das einen gesinterten Glaskörper enthält, in dem elektrisch leitende Partikel verteilt sind, die das Oxid von Ruthenium enthalten, als das Target, welches das Oxid von Ruthenium enthält, verwendet wird, oder dass neben der Verwendung des Targets, welches das Oxid von Ruthenium enthält, ferner ein Target verwendet wird, das Glas enthält. Es wird bevorzugt, dass als das Target, welches das Oxid von Ruthenium enthält, ein gesinterter Glaskörper enthalten ist, in dem elektrisch leitende Partikel verteilt sind, die das Oxid von Ruthenium enthalten, da die piezoelektrische Empfindlichkeit leicht erzielt werden kann.
Außerdem wird in dem Verfahren zur Herstellung einer dünnen Piezowiderstandsschicht in der Erfindung bevorzugt, dass das Verfahren ferner den Schritt des Temperns der auf dem Isolator ausgebildeten Dünnglasschicht bei einer Temperatur von 700°K oder mehr umfasst, um Widerstandswerte der dünnen Piezowiderstandsschicht zu verringern. Die Tempertemperatur ist normalerweise etwa bei einer Glasübergangstemperatur eines verwendeten Glases und liegt im Fall eines Glases vom Wismuttyp, das ein Beispiel einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, bevorzugt zwischen 700°K und 900°K. Außerdem ist die Temperzeit insgesamt normalerweise etwa 60 Minuten und eine Verweilzeit bei einer Maximaltemperatur ist bevorzugt 10 Minuten oder weniger.
Eine Ausführungsform der physikalischen Größensensorvorrichtung, welche die vorliegende Erfindung ausführt, wird ferner unter Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Vorstehend beschriebene Nummern in Klammern stellen die Entsprechung zu der konkreten Beschreibung in der nachstehend beschriebenen Ausführungsform dar.
1 ist eine Schnittansicht, die eine Ausführungsform einer physikalischen Größensensorvorrichtung 10 schematisch darstellt, wobei ein belastungsempfindlicher Körper 1, der zum Beispiel eine dünne Piezowiderstandsschicht ist, auf einen Isolator 2 laminiert ist, der Al₂O₃ oder ähnliches umfasst, und an seinen beiden Endabschnitten teilweise ein Paar von Elektroden 3 und 3' hält, die Au oder ähnliches umfassen, die dazwischen auf dem Isolator 2 bereitgestellt sind. Außerdem ist der belastungsempfindliche Körper 1 mit einer Übergangsmaterialschicht 4 bedeckt. Auf der Übergangsmaterialschicht 4 ist ferner ein lastaufnehmender Körper 5 bereitgestellt, der Al₂O₃ oder ähnliches umfasst, um die Belastungsanwendung aufzunehmen, welche die Last ist.
Wenn die Last auf den lastaufnehmenden Körper 5 der physikalischen Größensensorvorrichtung 10 angewendet wird, findet die elektrische Leitung zwischen den lokalisierten Ebenen in dem belastungsempfindlichen Körper 1, welcher die dünne Piezowiderstandsschicht ist, statt, aufgrund einer Änderung in der elektrischen Leitfähigkeit tritt eine Spannung zwischen den Elektroden 3 und 3' auf, und die physikalische Größensensorvorrichtung 10 arbeitet, um die auf sie angewendete Last mit hoher Empfindlichkeit und hoher Genauigkeit zu erfassen. Das Übergangsschichtmaterial 4 dient dazu, den Übergang zwischen dem druckaufnehmenden Körper und dem Widerstand zu erreichen, und umfasst normalerweise ein bei niedriger Temperatur welch werdendes Glas, ein Harz oder ähnliches.
2 ist eine Schnittansicht, die eine andere Ausführungsform der physikalischen Größensensorvorrichtung 10 teilweise und schematisch darstellt. In der physikalischen Größensensorvorrichtung ist der belastungsempfindliche Körper 1, der zum Beispiel eine dünne Piezowiderstandsschicht ist, auf den Isolator 2 laminiert, der Al₂O₃ oder ähnliches umfasst, hält teilweise an seinen beiden Endabschnitten das Paar von Elektroden 3 und 3', wobei das Paar von Elektroden 3 und 3' Au oder ähnliches umfasst und dazwischen auf dem Isolator 2 bereitgestellt ist.
Die physikalische Größensensorvorrichtung kann eine Änderung im Widerstand des Piezowiderstands entweder in seiner Längsrichtung oder in der Richtung der Dicke der dünnen Schicht erfassen, was es ermöglicht, die elektrische Leitfähigkeit der dünnen Schicht über einen großen Bereich auszulegen.
3 ist eine Schnittansicht, die eine weitere Ausführungsform der physikalischen Größensensorvorrichtung 10 teilweise und schematisch darstellt. In der physikalischen Größensensorvorrichtung ist der belastungsempfindliche Körper 1, der zum Beispiel eine dünne Piezowiderstandsschicht ist, auf den Isolator 2 laminiert, der Al₂O₃ oder ähnliches umfasst, und hält von seinem einen Endabschnitt bis zum größten Teil seines Bereichs dazwischen die Elektrode 3, die Au oder ähnliches umfasst, die auf dem Isolator 2 bereitgestellt ist, während die Elektrode 3', die Au oder ähnliches umfasst, die auf dem Isolator 2 bereitgestellt ist, in Kontakt mit dem anderen Ende des belastungsempfindlichen Körpers 1 ist und die Oberseite des lastempfindlichen Körpers 1 teilweise bedeckt.
Wie vorstehend beschrieben aufgebaut, ist die physikalische Größensensorvorrichtung fähig, die Last bis zu einem Hochlastbereich direkt und hochempfindlich zu erfassen.
4 ist eine Ansicht, die eine Ausführungsform eines gepulsten Laserverdampfungsverfahrens in dem Verfahren zur Herstellung der physikalischen Größensensorvorrichtung schematisch darstellt. Hier ist ein Target vom einteiligen Typ dargestellt. Ein impulsartiger Laserstrahl wird von einer (nicht gezeigten) Laserstrahlquelle auf ein Target 11 angewendet, welches das Oxid des elektrisch leitenden Elements enthält, das heißt, auf das Target, das einen gebrannten Glaskörper enthält, welcher eine Zusammensetzung umfasst, die erhalten wird durch Verteilen elektrisch leitender Partikel, die ein Oxid eines elektrisch leitenden Elements, wie etwa Ruthenium, enthalten, in einem Glas für eine Glasmatrix, wie etwa Wismut, um die Laserzerstäubung an dem Target 11 zu bewirken. Das elektrisch leitende Element, Ionen von Komponenten in der Glasmatrix, wie etwa Wismut, neutrale Atome und Ansammlungen, die auf diese Weise erzeugt werden, werden durch Laserverdampfung auf der Oberfläche des Isolators, der Al₂O₃ oder ähnliches umfasst, abgeschieden, um den belastungsempfindlichen Körper 14, wie etwa die dünne Piezowiderstandsschicht zu bilden.
Das hier verwendete Target 11, welches das Oxid des elektrisch leitenden Elements enthält, wird hier durch ein einfaches Verfahren aus Siebdruck und Brennen eines pastenähnlichen Materials aus einer Mischung eines Glasmatrix-enthaltenden Wismuts oder ähnlichem, und elektrisch leitenden Partikeln aus einem Oxid eines elektrisch leitenden Elements, wie etwa RuO₂, auf einer flachen Platte hergestellt.
5 stellt eine andere Ausführungsform des gepulsten Laserverdampfungsverfahrens in dem Verfahren zur Herstellung der physikalischen Größensensorvorrichtung schematisch dar. Hier sind Targets vom zweiteiligen Typ dargestellt. Ein impulsartiger Laserstrahl wird von einer (nicht gezeigten) Laserstrahlquelle angewendet auf ein Target 11, welches das Oxid des elektrisch leitenden Elements enthält, d. h. auf das Target, welches das Oxid des elektrisch leitenden Elements, wie etwa Ruthenium oder ähnliches, umfasst, und auf ein Target 12, das ein Glas enthält, d. h. auf das Target, welches ein Glas für eine Glasmatrix, wie etwa Wismut, Calzium oder ähnliches, enthält, um die Laserzerstäubung sowohl an dem Target 11 als auch dem Target 12 zu bewirken. Außerdem werden die elektrisch leitenden Elemente und glasbildende Ionen von Komponenten in der Glasmatrix, wie etwa Wismut, durch die Laserverdampfung auf der Oberfläche des Isolators 2, der Al₂O₃ oder ähnliches umfasst, abgeschieden, um den belastungsempfindlichen Körper 15, wie etwa die dünne Piezowiderstandsschicht zu bilden.
In diesem Fall wird der Laserstrahl abwechselnd auf das Target 11, welches das Oxid des elektrisch leitenden Elements enthält, und auf das Target 12, welches das Glas für die Glasmatrix enthält, die Wismut oder ähnliches enthält, angewendet, um das Oxid und das Wismut-enthaltende Glas zu verdampfen, um dadurch eine dünne Schicht ohne Ungleichmäßigkeit in ihrer Verteilung zu bilden.
6 veranschaulicht eine Beziehung zwischen einem spezifischen Widerstand und der Piezowiderstandsempfindlichkeit als Piezowiderstandeigenschaften jedes Beispiels von PLD-Dünnschichten C1 bis C3, die unter Verwendung einteiliger Verbundtargets erhalten werden, von PLD-Dünnschichten P1 bis P3, die unter Verwendung von zweiteiligen pelletierten Targets erhalten werden, und Dickfilmwiderständen.
7 veranschaulicht eine Beziehung zwischen einem Rutheniumgehalt in einem Wismut-Borsilikatglas und der Piezowiderstandsempfindlichkeit als Piezowiderstandeigenschaften jedes Beispiels von PLD-Dünnschichten C1 bis C3, die unter Verwendung einteiliger Verbundtargets erhalten werden und von PLD-Dünnschichten P1 bis P3, die unter Verwendung von zweiteiligen pelletierten Targets erhalten werden.
8 veranschaulicht eine Beziehung zwischen einem Rutheniumgehalt in einem Wismut-Borsilikatglas und dem spezifischen Widerstand als Piezowiderstandeigenschaften jedes Beispiels von PLD-Dünnschichten C1 bis C3, die unter Verwendung einteiliger Verbundtargets erhalten werden und von PLD-Dünnschichten P1 bis P3, die unter Verwendung von zweiteiligen pelletierten Targets erhalten werden.
9 veranschaulicht eine Beziehung zwischen einer Tempertemperatur und dem Widerstandswert von getemperten PLD-Dünnschichten als eine Wirkung des Temperns der PLD-Dünnschichten, die unter Verwendung einteiliger Verbundtargets erhalten werden, zusammen mit Widerstandswerten ungetemperter PLD-Dünnschichten.
Beispiele
Die Erfindung wird konkreter mit Hilfe von Beispielen der vorliegenden Erfindung beschrieben, jedoch ist die Erfindung in keiner Weise eingeschränkt.
Beispiele 1 bis 3
Bezug nehmend auf 2 wurden mit einem Siebdruckverfahren Au-Elektroden 3 und 3' (etwa 0,02 mm dick) an zwei Stellen auf einem Aluminiumoxidsubstrat 2 (etwa 10 mm breit, etwa 15 mm lang, etwa 2 mm dick) ausgebildet, wobei ein Abstand von etwa 10 mm eingehalten wurde.
Ein Rutheniumoxidpulver (spezifische Oberfläche von etwa 5 m²/g) als ein Oxid eines elektrisch leitenden Elements, ein Wismutglaspulver (75 bis 80 Gewichts-% Bi₂O₃, 5 bis 10 Gewichts-% B₂O₃, nicht mehr als 10 Gewichts-% ZnO und nicht mehr als 5 Gewichts-% SiO₂) und ein organisches Trägermaterial, das hauptsächlich Ethylcellulose und Terpineol umfasst, wurden in Verhältnissen, die in Tabelle 1 gezeigt sind, unter Verwendung eines Kneters, wie etwa eines Dreiwalzwerks, miteinander vermischt und verteilt, um Pasten davon zu erhalten, die unter Einhaltung einer Dicke von etwa 20 μm mit einem Siebdruckverfahren auf die Aluminiumoxidsubstrate (etwa 100 mm breit, etwa 100 mm lang, etwa 1 mm dick) gedruckt wurden, woraufhin 10 Minuten lang bei etwa 600°C gebrannt wurde, um einteilige Verbundtargets zu bilden. Außerdem wurden die Mengen von Ru in den Targets, wie in Tabelle 1 gezeigt, eingestellt, indem die Pasten, die Rutheniumoxid und das Wismutglas enthalten, in Verhältnissen eingestellt wurden, wie in Tabelle 1 gezeigt.
Wie in 4 schematisch gezeigt, wurden das auf diese Weise ausgebildete Target 11 und das Aluminiumoxidsubstrat 2, auf dem die Au-Elektroden 3, 3' ausgebildet wurden, an vorgegebenen Positionen in einer Kammer zum Ausbilden einer Dünnschicht durch gepulste Laserverdampfung eingerichtet, und die gepulste Laserverdampfung wurde ausgeführt. Die Bedingungen für die gepulste Laserverdampfung waren die dritte Harmonische (Wellenlänge von 355 nm) eines Nd-YAG-Lasers, eine Energie von 470 mJ/Schuss, eine Wiederholungsfrequenz von 10 Hz, eine Impulsbreite von 8 ns, eine Laserbestrahlungszeit von 2 Minuten auf den Umfang eines Targets, was 8 bis 16 Mal wiederholt wurde. Bezug nehmend auf 2 wurde die auf dem Aluminiumoxidsubstrat 2 durch Laserverdampfung ausgebildete Dünnschicht in der Luftatmosphäre von etwa 600°C getempert, um eine dünne Piezowiderstandsschicht zu bilden, die als der belastungsempfindliche Körper 1 diente. Als nächstes wurde, wie in 1 gezeigt, eine Klebstoffschicht 1 (etwa 1 mm dick), die als das Übergangsmaterial 4 dient, welche zum Beispiel ein Epoxidharz umfasste, derart ausgebildet, dass sie die dünne Piezowiderstandsschicht umgab. Danach wurde der obere druckaufnehmende Körper 5 (etwa 2 mm dick), der als der belastungsaufnehmende Körper dient und Aluminiumoxid umfasst, darauf ausgebildet, um die physikalische Größensensorvorrichtung 10 zu erhalten.

Die Zusammensetzung der dünnen Piezowiderstandsschicht der auf diese Weise erhaltenen physikalischen Größensensorvorrichtung 10 wurde an zehn Punkten durch TEM-EDS (Transmissionselektronenmikroskop-Energiedispersionsspektroskopie) gemessen, um die Bereiche der Ru-Menge und der Bi-Menge, wie in Tabelle 1 gezeigt, zu erhalten, und wurde durch XPS (Röntgenstrahlen-Photoelektronenspektroskopie) gemessen, um zu bestätigen, dass Ru als feste Lösung vorhanden war, und ihre Strom- und Spannungscharakteristiken wurden ausgewertet, um einen spezifischen Widerstand der dünnen Piezowiderstandsschicht zu erhalten, wie in Tabelle 1 gezeigt. Ferner wurde eine Last von 5 kN oder 15 kN auf den oberen druckaufnehmenden Körper 5 der physikalischen Größensensorvorrichtung 10 angewendet, um den Widerstandswert der dünnen Piezowiderstandsschicht vor und nach der Anwendung als Flächenwiderstandswerte zu messen. Änderungen in den Widerstandswerten nach der Anwendung gegenüber den Widerstandswerten vor der Anwendung sind in Tabelle 1 als Lastempfindlichkeiten der Sensoren gezeigt. Tabelle 1

Nr.			Bsp. 1	Bsp. 2	Bsp. 3
Target-Schichtbildungsbedingungen (zs.-gesetzte Schicht)	Komponenten	Rutheniumoxid (Gewichts-%)	40	30	20
		Wismutglaspulver (Gewichts-%.)	50	60	70
		Organisches Trägermaterial (Gewichts-%)	10	10	10
Piezowiderstandseigenschaften der Dünnschicht	Zusammensetzung	Ru-Menge (Atom-%)	31–35	5–15	3–6
	Zusammensetzung	Bi-Menge (Atom-%)	6–10	8–15	5–20
	Widerstandswert	Flächenwiderstand (Ω/☐)	15	286	1100
	Sensorempfindlichkeit	Empfindlichkeit bis 5 kN (%)	–3,0	–7,6	–7,1
		Empfindlichkeit bis 15 kN (%)	–5,3	–15,9	–16,4

Beispiele 4 bis 6
Ein Rutheniumoxidpulver (spezifische Oberfläche von etwa 5 m²/g) als ein Oxid eines elektrisch leitenden Elements wurde unter Verwendung einer Formmaschine durch Anwenden eines Drucks von 1 bis 2 Tonnen/cm² in Pellets (etwa 10 mm Durchmesser, etwa 2 mm dick) kaltdruckgeformt, woraufhin etwa 60 Minuten lang ein Brennen bei etwa 1000°C folgte, um einen pelletierten gesinterten Körper aus dem Rutheniumoxid zu bilden. Andererseits wurde ein Wismutglaspulver (75 bis 80 Gewichts-% Bi₂O₃, 5 bis 10 Gewichts-% B₂O₃, nicht mehr als 10 Gewichts-% ZnO und nicht mehr als 5 Gewichts-% SiO₂) unter Verwendung einer Formmaschine durch Anwenden eines Drucks von 1 bis 2 Tonnen/cm² in Pellets (etwa 10 mm Durchmesser, etwa 2 mm dick) kaltdruckgeformt, woraufhin etwa 10 Minuten lang ein Brennen bei etwa 500°C folgte, um einen pelletierten gesinterten Körper aus dem Wismutglas zu erhalten. Der pelletierte gesinterte Körper aus dem Rutheniumoxid und der pelletierte gesinterte Körper aus dem Wismutglas wurden an vorgegebenen Positionen in der Kammer zur Bildung eines Dünnfilms durch gepulste Laserverdampfung eingerichtet, und ein Laserstrahl wurde abwechselnd darauf angewendet, um sie als Targets vom zweiteiligen Typ zu verwenden. Außerdem wurden die Mengen an Ru in den Targets, wie in Tabelle 2 gezeigt, eingestellt, indem die Targets des pelletierten gesinterten Körpers aus Rutheniumoxid und aus dem Wismutglas, wie in Tabelle 2 gezeigt, eingestellt wurden.
Wie in 5 schematisch gezeigt, wurden die auf diese Weise ausgebildeten zweiteiligen Targets 11, 12 und das Aluminiumoxidsubstrat 2, auf dem die Au-Elektroden 3, 3', die in der gleichen Weise wie in dem Beispiel 1 erhalten wurden, ausgebildet wurden, an vorgegebenen Positionen in einer Kammer zum Ausbilden einer Dünnschicht durch gepulste Laserverdampfung eingerichtet, und die zweiteilige gepulste Laserverdampfung wurde ausgeführt, indem der Laserstrahl abwechselnd auf die Targets 11 und 12 angewendet wurde. Die Bedingungen für die zweiteilige gepulste Laserverdampfung bestanden aus der dritten Harmonischen (Wellenlänge von 355 nm) des Nd-YAG-Lasers, einer Energie von 470 mJ/Schuss, einer Wiederholungsfrequenz von 10 Hz, einer Impulsbreite von 8 ns, einer Laserbestrahlungszeit von 2 Minuten auf den Umfang jedes Targets, was 8 bis 16 Mal wiederholt wurde. Um den Laserstrahl abwechselnd auf die Targets 11 und 12 anzuwenden, wurden die Targets 11 und 12 benachbart zueinander angeordnet und wurden gedreht, um abwechselnd mit dem Laserstrahl bestrahlt zu werden. Was das Verhältnis anbetrifft, wurden die Mittelpositionen der Umdrehung verschoben, um das Verhältnis der Zeiten zum Bestrahlen der Targets 11 und 12 zu variieren. Wie in 2 gezeigt, wurde die durch gepulste Laserverdampfung auf dem Aluminiumoxidsubstrat 2 ausgebildete Dünnschicht in der Luftatmosphäre bei etwa 600°C getempert, um eine dünne Piezowiderstandsschicht zu bilden, die als der belastungsempfindliche Körper 1 dient. Als nächstes wurde, wie in 1 gezeigt, eine Klebstoffschicht 1 (etwa 1 mm dick), die als das Übergangsmaterial 4 dient, welche zum Beispiel ein Epoxidharz umfasste, derart ausgebildet, dass sie die dünne Piezowiderstandsschicht umgab. Danach wurde der obere druckaufnehmende Körper 5 (etwa 2 mm dick), der als der belastungsaufnehmende Körper dient und Aluminiumoxid umfasst, darauf ausgebildet, um die physikalische Größensensorvorrichtung 10 zu erhalten.

Die Zusammensetzung der dünnen Piezowiderstandsschicht der auf diese Weise erhaltenen physikalischen Größensensorvorrichtung 10 wurde durch TEM-EDS (Transmissionselektronenmikroskop-Energiedispersionsspektroskopie) gemessen, um die Ru-Menge und die Bi-Menge, wie in Tabelle 2 gezeigt, zu erhalten, und wurde durch XPS (Photoelektronenspektroskopie) gemessen, um zu bestätigen, dass Ru als eine feste Lösung vorhanden war, und ihre Strom- und Spannungscharakteristiken wurden ausgewertet, um einen spezifischen Widerstand der dünnen Piezowiderstandsschicht zu erhalten, wie in Tabelle 2 gezeigt. Ferner wurde eine Last von 5 kN oder 15 kN auf den oberen druckaufnehmenden Körper 5 der physikalischen Größensensorvorrichtung 10 angewendet, um den Widerstandswert der dünnen Piezowiderstandsschicht vor und nach der Anwendung als Flächenwiderstandswerte zu messen. Änderungen in den Widerstandswerten nach der Anwendung gegenüber den Widerstandswerten vor der Anwendung sind in Tabelle 2 als Lastempfindlichkeiten der Sensoren gezeigt. Tabelle 2

Nr.			Bsp. 4	Bsp. 5	Bsp. 6
Target-Schichtbildungsbedingungen (Pellet)	Komponenten (Verhältnisse von Laserbestrahlungen)	Rutheniumoxid (Gewichts-%)	15	20	30
Target-Schichtbildungsbedingungen (Pellet)	Komponenten (Verhältnisse von Laserbestrahlungen)	Wismutglaspulver (Gewichts-%.)	85	80	70
Piezowiderstandseigenschaften der Dünnschicht	Zusammensetzung	Ru-Menge (Atom-%)	5–8	8–11	11–16
	Zusammensetzung	Bi-Menge (Atom-%)	27–37	28–37	23–33
	Widerstandswert	Flächenwiderstand (Ω/☐)	22528	4501	3108
	Sensorempfindlichkeit	Empfindlichkeit bis 5 kN (%)	–7,5	–8,0	7,5
		Empfindlichkeit bis 15 kN (%)	–14,9	–15,5	–14,9

Vergleichsbeispiel 1
Eine in 2 gezeigte dünne Piezowiderstandsschicht wurde mit einem herkömmlichen Dünnschichtbildungsverfahren ausgebildet. Mit anderen Worten wurde auf das Aluminiumoxidsubstrat 2, auf dem die auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 erhaltenen Au-Elektroden 3, 3' ausgebildet wurden, eine Paste, die durch Verteilen des Rutheniumoxids und des Glaspulvers in dem organischen Trägermaterial, wie in Beispiel 1 beschrieben, erhalten wurde, mit dem Siebdruckverfahren in einer gemusterten Weise ausgebildet, 10 Minuten lang bei 150°C getrocknet und 10 Minuten lang bei 600°C gebrannt, um eine dünne Piezowiderstandsschicht (etwa 0,02 mm dick) zu bilden, welche der sogenannte Dickfilmwiderstand war. Auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 wurde ferner die Klebstoffschicht (etwa 1 mm dick), die das Epoxidharz umfasst, darauf ausgebildet, um die dünne Piezowiderstandsschicht zu umgeben, und ferner wurde der obere druckaufnehmende Körper (etwa 2 mm dick), welcher der Aluminiumoxid umfassende belastungsaufnehmende Körper war, darauf ausgebildet, um eine physikalische Größensensorvorrichtung zu erhalten.
Die auf diese Weise erhaltene physikalische Größensensorvorrichtung wurde in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 gemessen, und es wurde bestätigt, dass Ru in der physikalischen Größensensorvorrichtung fast in Partikelform vorhanden war. Ferner wurden die Strom- und Spannungscharakteristiken der physikalischen Größensensorvorrichtung ausgewertet, um den spezifischen Widerstand der dünnen Piezowiderstandsschicht, d. h. den Flächenwiderstandswert von 1 bis 1 MΩ/☐, zu bestimmen. Ferner wurde eine Last von 5 kN oder 15 kN auf den oberen druckaufnehmenden Körper 5 der physikalischen Größensensorvorrichtung angewendet, um den Widerstandswert der dünnen Piezowiderstandsschicht vor und nach der Anwendung als Flächenwiderstandswerte zu messen. Änderungen in den Widerstandswerten nach der Anwendung gegenüber den Widerstandswerten vor der Anwendung wurden jeweils als –2% bei der Last von 5 kN und –4% bei der Last von 25 kN bestimmt.
Wie in den Beispielen 1 bis 3 beschrieben, wird es beim Variieren der Menge an Ruthenium in dem zusammengesetzten Target ermöglicht, die Menge an Ruthenium in der durch gepulste Laserverdampfung erzeugten Dünnschicht zu variieren, und daher den spezifischen Widerstand der Dünnschicht einzustellen. Ferner ist die physikalische Größensensorvorrichtung vermutlich aufgrund des Merkmals der vorliegenden Erfindung, d. h. dass Ruthenium als Feststoff in dem Glas gelöst ist, vier oder mehr Mal so empfindlich wie die herkömmlichen Dickfilmwiderstände. Wenn die Rutheniummenge in der dünnen Piezowiderstandsschicht groß ist (mehr als 30%), wird die Sensorempfindlichkeit, vermutlich aufgrund dessen, dass nicht ausreichend Sauerstoffionen für Rutheniumionen in der Dünnschicht sind, nicht stark verbessert, und die metallische elektrische Leitung von Ruthenium wird stark beeinträchtigt.
Wie in den Beispielen 4 bis 6 beschrieben, wurden in der zweiteiligen gepulsten Laserverdampfung ferner die abwechselnden Anwendungen des Laserstrahls auf die Targets der Pellets und deren Verhältnis variiert, um dadurch die Menge des Rutheniums, das als Feststoff in den erhaltenen dünnen Piezowiderstandsschichten enthalten war und den spezifischen Widerstand der Dünnschichten einzustellen. Außerdem wurden die Sensorempfindlichkeiten drei oder mehr Male höher als die der herkömmlichen Dickfilmwiderstände.
Beispiele 7 bis 12

Gepulste Laserverdampfungs-(PLD-)Dünnschichten C1, C2 und C3 (Beispiele 10, 11 und 12), die jeweils in den Beispielen 1, 2 und 3 erhalten wurden, indem eine Dünnschicht durch ein gepulstes Laserverdampfungsverfahren unter Verwendung des einteiligen Verbundtargets ausgebildet wurde, und PLD-Dünnschichten P1, P2 und P3 (Beispiele 7, 8 und 9), die jeweils in den Beispielen 6, 5 und 4 durch Ausbilden einer Dünnschicht mit einem gepulsten Laserverdampfungsverfahren unter Verwendung des zweiteiligen pelletierten Targets erhalten wurden, wurden weiter durch die folgenden Messungen ausgewertet. Außerdem sind die durchschnittlichen Werte der gemessenen Zusammensetzungen, die erhalten wurden, indem an zehn Punkten jeder der PLD-Dünnschichten C1 bis C3 (Beispiele 10, 11 und 12), die den Beispielen 1, 2 und 3 entsprechen, und den PLD-Dünnschichten P1 bis P3 (Beispiele 7, 8 und 9), die den Beispielen 6, 5 und 4 entsprechen, gemessen wurde, in Tabelle 3 gezeigt. Tabelle 3

Nr.	Target	Dünnschicht Nr.	Dünnschichtzusammensetzung (nach Tempern bei 600°C) [Atom-%]
			O	Ru	Bi	Si	Sonstige
Beispiel 7	Pellet	P1	44,2	13,4	29	2,0	11,3
Beispiel 8	Pellet	P2	43,3	8,7	33,9	2,5	11,7
Beispiel 9	Pellet	P3	46,8	5,4	33,9	2,7	11,3
Beispiel 10	Zs.-setzung	C1	47,7	33,9	8,6	4,1	5,7
Beispiel 11	Zs.-setzung	C2	59,3	10,4	11,1	14,0	5,2
Beispiel 12	Zs.-setzung	C3	63,8	4,6	9,8	19,1	2,7

Die Beziehung zwischen dem spezifischen Widerstand, der durch Auswerten ihrer Strom- und Spannungscharakteristiken erhalten wird, und der Piezowiderstandsempfindlichkeit, die durch Messen von Änderungen in den Widerstandswerten pro an die in 1 beschriebene Struktur angewendeter Belastung erhalten wird, ist in 6 als Piezowiderstandseigenschaften der PLD-Dünnschichten C1 bis C3 und PLD-Dünnschichten P1 bis P3 zusammen mit den im Vergleichsbeispiel 1 erhaltenen Beispielen der Dickfilmwiderstände gezeigt. Ferner ist die Beziehung zwischen dem Rutheniumgehalt in einem Wismut-Borsilikatglas und der Piezowiderstandsempfindlichkeit in 7 als Piezowiderstandseigenschaften der PLD-Dünnschichten C1 bis C3 und der PLD-Dünnschichten P1 bis P3 gezeigt. Ferner ist die Beziehung zwischen dem Rutheniumgehalt in Wismut-Borsilikatglas und dem spezifischen Widerstand in 8 als Piezowiderstandseigenschaften der PLD-Dünnschichten C1–C3 und der PLD-Dünnschichten P1–P3 gezeigt. Außerdem ist die Beziehung zwischen der Tempertemperatur und dem Widerstandswert der getemperten PLD-Dünnschichten in 9 zusammen mit Widerstandswerten der ungetemperten PLD-Dünnschichten als ein Ergebnis des Temperns der PLD-Dünnschichten gezeigt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 2005-127793 A [0003]
- JP 2003-247898 A [0004]
- JP 2005-189106 A [0005, 0007]
- JP 6-028916 A [0008]
- JP 2006-326477 A [0010]

Claims

Physikalische Größensensorvorrichtung (10) mit einer Struktur, in der ein belastungsempfindlicher Körper (1), dessen elektrische Charakteristiken abhängig von der Anwendung einer Belastung variieren, und ein Isolator (2) mit elektrischer Isolierung dicht aneinander haftend ausgebildet sind, wobei der belastungsempfindliche Körper (1) eine dünnen Glasschicht umfasst, die ein elektrisch leitendes Element enthält, das als Feststoffatome darin gelöst ist.
Physikalische Größensensorvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Dünnglasschicht durch eine Laserverdampfung unter Verwendung eines Oxids des elektrisch leitenden Elements derart ausgebildet ist, dass sie das als Feststoffatome darin gelöste leitende Element enthält.
Physikalische Größensensorvorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Dünnglasschicht das als Feststoffatome darin gelöste elektrisch leitende Element in einem Bereich von 1 bis 60 Atom-% enthält.
Physikalische Größensensorvorrichtung gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das elektrisch leitende Element Ruthenium ist.
Physikalische Größensensorvorrichtung gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Dünnglasschicht ein Wismutelement zumindest in einem Bereich von 10 Atom-% enthält.
Physikalische Größensensorvorrichtung gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Dünnglasschicht kein Blei enthält.
Physikalische Größensensorvorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei die Laserverdampfung unter Verwendung des Oxids des elektrisch leitenden Elements eine Laserverdampfung ist, die als das Target einen gebrannten Glaskörper verwendet, in dem elektrisch leitende Partikel verteilt sind, die das Oxid des elektrisch leitenden Elements enthalten.
Physikalische Größensensorvorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei die Laserverdampfung unter Verwendung des Oxids des elektrisch leitenden Elements eine Laserverdampfung ist, die als getrennte Targets sowohl das Oxid des elektrisch leitenden Elements als auch das Glas verwendet.
Physikalische Größensensorvorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei die Laserverdampfung eine gepulste Laserverdampfung ist.
Physikalische Größensensorvorrichtung gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der belastungsempfindliche Körper (1) auf den Isolator (2) laminiert ist und wenigstens ein Paar von Elektroden (3, 3'), die auf dem Isolator (2) bereitgestellt sind, dazwischen hält, und wobei ein belastungsaufnehmender Körper (5) zum Annehmen der Belastungsanwendung auf wenigstens einem Teil des belastungsempfindlichen Körpers (1) bereitgestellt ist, welcher nach Bedarf eine Übergangsmaterialschicht (4) dazwischen aufnimmt.
Physikalische Größensensorvorrichtung gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der belastungsempfindliche Körper (1) eine dünne Piezowiderstandsschicht ist.
Verfahren zur Herstellung einer physikalischen Größensensorvorrichtung durch dichtes Kleben eines belastungsempfindlichen Körpers (1), dessen elektrische Charakteristiken abhängig von der Anwendung einer Belastung variieren, an einen Isolator (2) mit elektrischer Isolierung, um dadurch eine physikalische Größensensorvorrichtung (10) zu bilden, das den Schritt des Bildens einer Dünnglasschicht, die ein als Feststoffatome darin gelöstes elektrisch leitendes Element enthält, auf dem Isolator (2) durch ein Laserverdampfungsverfahren unter Verwendung eines Targets (11), das ein Oxid des elektrisch leitenden Elements enthält, umfasst.
Verfahren zur Herstellung der physikalischen Größensensorvorrichtung gemäß Anspruch 12, wobei ein Target, das einen gebrannten Glaskörper enthält, in dem elektrisch leitende Partikel, welche das Oxid des elektrisch leitenden Elements enthalten, verteilt sind, als das Target (11) verwendet wird, welches das Oxid des elektrisch leitenden Elements enthält.
Verfahren zur Herstellung der physikalischen Größensensorvorrichtung gemäß Anspruch 12, wobei neben der Verwendung des Targets (11), welches das Oxid des elektrisch leitenden Elements enthält, ferner ein Target, das ein Glas enthält, verwendet wird.
Verfahren zur Herstellung der physikalischen Größensensorvorrichtung gemäß Anspruch 12, wobei das Laserverdampfungsverfahren ein gepulstes Laserverdampfungsverfahren ist.
Verfahren zur Herstellung der physikalischen Größensensorvorrichtung gemäß Anspruch 13 oder 14, wobei das Glas kein Blei enthält.
Verfahren zur Herstellung der physikalischen Größensensorvorrichtung gemäß irgendeinem der Ansprüche 12 bis 16, wobei das elektrisch leitende Element Ruthenium ist.
Dünne Piezowiderstandsschicht, die eine Dünnglasschicht umfasst, die Ruthenium enthält, das als Feststoffatome darin gelöst ist.
Dünne Piezowiderstandsschicht gemäß Anspruch 18, wobei das Glas hauptsächlich Glas vom Wismuttyp enthält.
Dünne Piezowiderstandsschicht gemäß Anspruch 18, wobei die Dünnglasschicht 2 Atom-% oder mehr Ruthenium und 30 Atom-% oder mehr Sauerstoff enthält.
Verfahren zur Herstellung einer dünnen Piezowiderstandsschicht, das den Schritt des Ausbildens einer Dünnglasschicht, die als Feststoffatome darin gelöstes Ruthenium enthält, auf einem Isolator durch ein gepulstes Laserverdampfungsverfahren unter Verwendung eines Targets, welches ein Oxid von Ruthenium enthält, umfasst.
Verfahren zur Herstellung einer dünnen Piezowiderstandsschicht gemäß Anspruch 21, wobei ein Target, das einen gesinterten Glaskörper enthält, in dem elektrisch leitende Partikel verteilt sind, die das Oxid von Ruthenium enthalten, als das Target verwendet wird, welches das Oxid von Ruthenium enthält.
Verfahren zur Herstellung einer dünnen Piezowiderstandsschicht gemäß Anspruch 21, wobei neben der Verwendung des Targets, welches das Oxid von Ruthenium enthält, ferner ein Target verwendet wird, das Glas enthält.
Verfahren zur Herstellung einer dünnen Piezowiderstandsschicht gemäß irgendeinem der Ansprüche 21 bis 23, das ferner einen Schritt zum Tempern der auf dem Isolator ausgebildeten Glasdünnschicht bei einer Temperatur von 700°K oder mehr umfasst.