JP2004512515A - 高温で使用するための自己補償型セラミック歪みゲージ - Google Patents
高温で使用するための自己補償型セラミック歪みゲージ Download PDFInfo
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Abstract
実質的にゼロの抵抗の温度係数（ＴＣＲ）を持つ自動補償ひずみゲージは幅広の半導体と直列抵抗として機能する補償金属とからなる。半導体と金属の抵抗およびセンサが動作する温度範囲に基づいて、半導体と金属の寸法がゼロＴＣＲを得るために決定される。
Description
【０００１】
（発明の背景）
（１．発明の属する技術分野）
本発明は、薄膜歪みゲージに関する。
【０００２】
（２．関連技術の説明）
静的および動的な歪みの両方を高温で正確に測定することは、種々の構造システム、特に先進的な航空宇宙推進システムの不安定性および耐用年数を決定するために必要であることが多い。従来の歪みゲージは典型的に、この目的のために静止部品および回転部品の両方に対して利用されるが、通常は、その侵入性、きびしい温度制約、およびボンディングの難しさに起因して範囲に制限がある。
【０００３】
薄膜歪みセンサは、ガスタービンエンジン環境において特に魅力あるものである。というのは、このセンサは、部品表面上のガスフローに対して悪影響を及ぼさず、またボンディング目的のために粘着剤もセメントも必要としないからである。典型的には、薄膜歪みゲージを、高周波スパッタリングまたはその他の周知の薄膜堆積技術によって、部品表面に直接堆積させる。その結果、薄膜歪みゲージは、変形している表面と直接連絡する。一般的に、歪みゲージの圧電抵抗応答またはゲージ率（ｇ）は、歪みを受けたときの検出素子のゼロでない抵抗変化であり、（ａ）歪み能動素子の寸法変化、および／または（ｂ）歪み能動素子の抵抗率（ρ）の変化から生じ得る。また、高温用静的歪みゲージで用いる歪み能動素子は、熱的に誘起される見かけ上の歪みを、実際の機械的に印加される歪みに比べて無視できるように、抵抗の温度係数（ＴＣＲ）とドリフトレート（ＤＲ）が比較的小さくなければならない。
【０００４】
高温薄膜歪みゲージ用として選択される材料の１つは、幅の広い半導体、たとえばインジウム−スズ酸化物（ＩＴＯ）である。これは、高温における、その優れた電気的および化学的な安定性と、その比較的大きなゲージ率とによる。これは単独で用いると、通常は、比較的高いＴＣＲのせいで、多くの真性半導体の場合と同じように制限される。しかし本明細書で開示するように、自己補償型ＩＴＯ歪みセンサのＴＣＲは、金属（たとえばＰｔ）をＩＴＯ歪み能動素子と直列に配置される薄膜抵抗として用いることによって、低減され得る。
【０００５】
しかし、所定のＴＣＲを有する歪みゲージを作製するための、材料、パターン、および寸法の適切な組み合わせは、一般的には、経験的な観察の問題、すなわち試行錯誤である。
【０００６】
本発明を用いれば、センサが動作すべき温度範囲および材料の複数の抵抗率（それぞれ作業温度および基準温度における）が分かれば、高温用歪みゲージのＴＣＲを自動的に決定することができる。
【０００７】
概略的に、本発明は、自動的に決定されるＴＣＲ（本質的にゼロであるＴＣＲを含む）を有する自己補償型歪みゲージセンサを備える。このセンサは、基板上に堆積される幅の広い半導体を備える。金属をこの基板上に堆積させて、半導体と電気的に連絡させ、直列抵抗として機能させる。半導体および金属の長さ、幅、および厚みは、選択される作業温度および基準温度におけるそれぞれの抵抗率に基づいて選択され、ＴＣＲが自動的に決定される。
【０００８】
半導体は、炭化ケイ素、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、窒化ガリウム、窒化インジウム、窒化スカンジウム、窒化チタン、窒化クロム、窒化ジルコニウム、炭化ホウ素、ダイアモンド、炭化チタン、炭化タンタル、炭化ジルコニウム、リン化ガリウム、窒化アルミニウムガリウム、アルミナドープ酸化亜鉛、テルル化カドミウム、セレン化カドミウム、硫化カドミウム、テルル化水銀カドミウム、セレン化亜鉛、テルル化亜鉛、テルル化マグネシウム、酸化スズ、酸化インジウム、酸化鉄を含むマンガン酸塩−酸化マンガン、酸化鉄−亜鉛−酸化クロム、酸化鉄−マグネシウム−酸化クロム、酸化ルテニウム、リチウムドープ酸化ニッケル、窒化タンタル、インジウムティンオキサイド−酸化ガリウム−酸化スズおよびこれらの組み合わせからなる群から選択することができる。
【０００９】
金属抵抗器は、白金、ロジウム、パラジウム、金、クロム、レニウム、イリジウム、タングステン、モリブデン、ニッケル、コバルト、アルミニウム、銅、タンタル、白金およびロジウムの合金、ならびにこれらの組み合わせからなる群から選択することができる。
【００１０】
特に好ましい半導体はインジウムティンオキサイドであり、特に好ましい金属は白金である。
【００１１】
（好ましい実施形態の説明）
考察
自己補償型歪みゲージのための適切なデザインルールを確立するために、自己補償型歪みセンサのＴＣＲを最初にモデル化する。以下のアプローチを用いて、Ｐｔ自己補償回路を有するＩＴＯセンサのＴＣＲをモデル化する。
ＴＣＲＣＯＭＰ＝（ＲＣＯＭＰ，ｆ−ＲＣＯＭＰ，０）／（ＲＣＯＭＰ，０ ＊ΔＴ） （１）
【００１２】
ここで、ＲＣＯＭＰ，ｆは、特定の温度での補償センサ抵抗であり、ＲＣＯＭＰ，０は基準温度での補償センサ抵抗であり、ΔＴは温度差である。
ＲＣＯＭＰ，０＝ＲＰｔ，ｆ＋ＲＩＴＯ，ｆ （２）
ＲＣＯＭＰ，０＝ＲＰｔ，０＋ＲＩＴＯ，０ （３）
【００１３】
式（２）および（３）を式（１）に代入すると、ＴＣＲＣＯＭＰは以下のようになる。
ＴＣＲＣＯＭＰ＝（（ＲＰｔ，ｆ＋ＲＩＴＯ，ｆ）−（ＲＰｔ，０＋ＲＩＴＯ，０））／（（ＲＰｔ，０＋ＲＩＴＯ，０）＊ΔＴ） （４）
【００１４】
抵抗Ｒは、抵抗率（ρ）（特定の温度において一定である）に関係している。
Ｒ＝ρ＊Ｌ／（ｗ＊ｔ） （５）
【００１５】
ここで、Ｌ、Ｗ、およびｔは、センサ薄膜の長さ、幅、および厚みである。Ｒを式（４）のＴＣＲＣＯＭＰに代入すると、ＴＣＲＣＯＭＰをモデル化するための最終的なフォーマット式になる。
ＴＣＲＣＯＭＰ＝（ΔρＰｔ ＊Ａｐｔ＋ΔρＩＴＯ ＊ＡＩＴＯ）／（（ρｐｔ，０ ＊Ａｐｔ＋ρＩＴＯ，０ ＊ＡＩＴＯ）＊ΔＴ） （６）
ここで、
ΔρＰｔ＝ρＰｔ，ｆ−ρＰｔ，０ （７）
ΔρＩＴＯ＝ρＩＴＯ，ｆ−ρＩＴＯ，０ （８）
ＡＰｔ＝ＬＰｔ／（ｗＰｔ ＊ｔＰｔ） （９）
ＡＩＴＯ＝ＬＩＴＯ／（ｗＩＴＯ ＊ｔＩＴＯ） （１０）
ρＰｔ，ｆ、ρＰｔ，０、ρＩＴＯ，ｆ、ρＩＴＯ，０は、ＰｔおよびＩＴＯの作業温度および基準温度における抵抗率である。式（６）において、全ての抵抗率とΔＴとは一定であり、ΔρＰｔ＞０、ΔρＩＴＯ＜０であり、自己補償型ＩＴＯ−Ｐｔセンサ薄膜のＴＣＲがゼロになるように、ＩＴＯおよびＰｔのいろいろな長さ（Ｌ）、幅（Ｗ）、厚み（ｔ）をデザインすることができる。
【００１６】
また式（４）から、自己補償型センサのＴＣＲを、ＰｔおよびＩＴＯのＴＣＲと関係づけることができる。
ＴＣＲＣＯＭＰ＝（（ＲＰＴ，ｆ＋ＲＩＴＯ，ｆ）−（ＲＰｔ，０＋ＲＩＴＯ，０））／（（ＲＰｔ，０＋ＲＩＴＯ，０）＊ΔＴ） （４）
ＴＣＲＣＯＭＰ＝｛［（ＲＰｔ，ｆ−ＲＰｔ，０）／（ＲＰｔ，０ ＊ＲＩＴＯ，０ ＊ΔＴ）］＋［（ＲＩＴＯ，ｆ−ＲＩＴＯ，０）／（ＲＰｔ，０ ＊ＲＩＴＯ，０ ＊ΔＴ）］｝＊Ｂ
ここで、
Ｂ＝（ＲＰｔ，０ ＊ＲＩＴＯ，０）／（ＲＰｔ，０＋ＲＩＴＯ，０）
この式を簡単にして、自己補償型センサのＴＣＲを、ＰｔおよびＩＴＯの一定のＴＣＲと関係づける。
ＴＣＲＣＯＭＰ＝（ＴＣＲＰｔ ＊ＲＰｔ，０＋ＴＣＲＩＴＯ ＊ＲＩＴＯ，０）／（ＲＰｔ，０＋ＲＩＴＯ，０） （１１）
【００１７】
上述した数学的な表現を、市販のソフトウェアを用いて（たとえばＭａｔＬａｂまたはＭａｔｈＣａｄソフトウェアをパーソナルコンピュータにロードして）、解いた。
【００１８】
センサの作製
自己補償型ＩＴＯセンサは、ＰｔおよびＩＴＯ薄膜をスパッタリングし、その後これらにパターン形成して、作製した。図１に、本発明を具体化するセンサデザインを示す。センサを、全体として１０で示す。センサ１０は、幅の広い半導体（たとえばＩＴＯ）１２と、金属（たとえばＰｔ）補償回路１４とを備える。補償回路１４は基板Ｓの上に堆積されている。実験データを取るために、４つのＰｔボンドパッド１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄを設けている。
【００１９】
この自己補償型センサ１０は、図２に示すような抵抗からなる回路としてシミュレートすることができる。Ｃｈ１によって、全体のセンサの抵抗を示すことができる。Ｃｈ２は、Ｐｔの抵抗を示すために用いる。Ｃｈ４はＩＴＯ部分用であり、Ｃｈ３およびＣｈ５はＰｔとＩＴＯとの間の接触抵抗用である。
【００２０】
インジウムティンオキサイド（ＩＴＯ）薄膜を、ＭＴＲＣモデル８８２スパッタリングシステムを用いて、低温での高周波リアクティブスパッタリングによって、成長させた。公称の組成が９０重量％のＩｎ２Ｏ３と１０重量％のＳｎＯ２である高密度ターゲット（直径１２．７ｃｍ）を、全ての堆積に用いた。酸素分圧は３０％であり、２．４Ｗ／ｃｍ２の高周波出力密度と９ｍｔｏｒｒの全圧力とを、各スパッタリングランの間維持した。酸化アルミニウムの定歪みビームを、矩形プレート（ＣｏｏｒｓＣｅｒａｍｉｃｓ−純度９９．９％）から、レーザ切断技術を用いて切り出した。次に、この定歪みビームに、ＩＴＯ歪みゲージを堆積させる前に、４μｍの高純度アルミナをスパッタコートした。４μｍのＩＴＯをスピンキャスティングした後、ＩＴＯ薄膜コーティング上へ、２μｍ厚のポジ型フォトレジストをスピンコートした。露光および現像した後、ＩＴＯ薄膜を濃縮塩酸によってエッチングして、最終的なデバイス構造を描いた。スパッタリングした白金薄膜（１．１μｍの厚み）を用いて、ＩＴＯ歪み能動素子に対するオーミックコンタクトを形成した。
【００２１】
センサに対して上述した寸法は、コンセプトおよび数学モデルを証明する実験目的のためである。当業者であれば、本発明の教示に係る商業的に可能なセンサの寸法を、現在の最新技術のマイクロエレクトロニクス製造技術を用いて、少なくとも一桁小さく作製できることを認めるであろう。
【００２２】
図３を参照して、センサ２０を示す。センサ２０は、幅の広い半導体２２と、基板Ｓ上の金属補償回路２４とを備える。このデザインでは、半導体のＧ（−）を最大にし、金属のＧ（＋）を最小にしている。また金属ボンドパッド２６ａと２６ｂも示している。センサから読み出すときには、モニタ（図示せず）をボンドパッド２６に接続する。
【００２３】
高温歪み装置
切削可能なリン酸ジルコニウムセラミックから加工したカンチレバ折曲げ具を用いて、歪み測定を行なった。アルミナ定歪みビームと線形変数差動型トランスデューサ（ＬＶＤＴ）との間に固体アルミナロッドを接続して、歪みビームの歪みを測定した。対応する抵抗変化を、４線式法を用いて、６と１／２ディジットＨｅｗｌｅｔｔ ＰａｃｋａｒｄマルチメーターとＫｅｉｔｈｌｅｙ定電流源によってモニタした。高精度ＬＶＤＴ、マルチメーター、および定電流源を、Ｉ／ＯボードおよびＩＢＭＰＣ（ＩＥＥＥ４８８インターフェースを使用）にインターフェースさせた。ＬａｂＷｉｎｄｏｗｓ（登録商標）ソフトウェアを用いて、データを収集した。
【００２４】
高温歪みテスト結果
幅広い温度範囲で用いるＩＴＯ歪み能動ゲージの圧電抵抗特性を評価するためには、電気応答の温度変化の特性を求めることが大事である。既に開示したように３０％Ｏ２ プラズマで成長させた後、空気中で１２００℃以下の温度で熱的に繰り返したＩＴＯ薄膜の電気応答を観察した。
【００２５】
規定した温度範囲におけるブロードバンド半導体は、単一のＴＣＲまたは２以上のＴＣＲを示す可能性がある。２つの線形ＴＣＲが、規定温度範囲の２つの別個の温度範囲で示される場合には、センサをそれぞれの別の温度範囲に基づいて作製して、規定温度範囲全体に渡って歪みを測定できるようにすることが理解される。
【００２６】
ＩＴＯ薄膜の場合、温度に依存して、２つの別個のＴＣＲが存在し得ることが知られている。Ｔ＞８００℃では、ＴＣＲが−２１０ｐｐｍ／℃の線形応答が観察され、Ｔ＞８００℃では、ＴＣＲとして−２１７０ｐｐｍ／℃が観察されている。より最近では、単一のＴＣＲ（−３００から−１５００ｐｐｍ／℃）のＩＴＯが測定されている。
【００２７】
実施例
実施例では、４線式法を用いて、ボンドパッド１６に接続した。この方法は、当業者には周知である。センサを、前述のセクションで概略したように作製してテストした。４サイクルの加熱および冷却を測定した。結果を以下におよび図４に示す。最初の加熱の後、抵抗の温度変化は４サイクルにおいて殆ど同一であり、従って、再現性は良好であることが示されている。
【表１】
ＴＣＲＣＯＭＰ＝（ＲＣＯＭＰ，ｆ−ＲＣＯＭＰ，０）／（ＲＣＯＭＰ，０ ＊ΔＴ）＝（４３７−４４
２／（４３７＊１１７０）＝−９．８（ｐｐｍ／℃）
ＴＣＲＰｔ＝（ＲＰｔ，ｆ−ＲＰｔ，０）／（ＲＰｔ，０ ＊ΔＴ）＝（３７９−１６０）／（１６０＊１１７０）＝＋１１６９（ｐｐｍ／℃）
ＴＣＲＩＴＯ＝（ＲＩＴＯ，ｆ−ＲＩＴＯ，０）／（ＲＩＴＯ，０ ＊ΔＴ）＝（４０−２２５）／（２２５＊１１７０）＝−７０２（ｐｐｍ／℃）
Ｐｔの抵抗率
３０℃において、
ρＰｔ，０＝ＲＰｔ，０ ＊（ｗ＊ｔ）／Ｌ＝１６０＊（０．６ｍｍ＊０．８×１０−３）／５００＝１．５３５×１０−４（Ω＊ｍ）
１２００℃において
ρＰｔ，ｆ＝ＲＰｔ，ｆ ＊（ｗ＊ｔ）／Ｌ＝３７９＊（０．６＊０．８×１０−３）／５００＝３．６３９×１０−４（Ω＊ｍ）
ＩＴＯの抵抗率
３０℃において
ρＩＴＯ，０＝ＲＩＴＯ，０ ＊（ｗ＊ｔ）／Ｌ＝２２５＊（５＊４．４×１０−３）／６０＝８．２５×１０−２（Ω＊ｍ）
１２００℃において
ρＩＴＯ，ｆ＝ＲＩＴＯ，ｆ ＊（ｗ＊ｔ）／Ｌ＝４０＊（５＊４．４×１０−３）／６０＝１．４９８×１０−２（Ω＊ｍ）
式（６）より、
ＴＣＲＣＯＭＰ＝（ΔρＰｔ ＊Ａｐｔ＋ΔρＩＴＯ ＊ＡＩＴＯ）／（（ρｐｔ，０ ＊Ａｐｔ＋ρＩＴＯ，０ ＊ＡＩＴＯ）＊ΔＴ） （６）
ここで、
ΔρＰｔ＝ρＰｔ，ｆ−ρＰｔ，０＝＊（３．６３９−１．５３５）＊１０−４（Ω＊ｍｍ）
ΔρＩＴＯ＝ρＩＴＯ，ｆ−ρＩＴＯ，０＝＊（１．４９８−８．２５）＊１０−２Ω＊ｍｍ）
ＡＰｔ＝ＬＰｔ／（ｗＰｔ ＊ｔＰｔ）＝５００／（０．６＊０．８×１０−３）（ｍｍ−１）
ＡＩＴＯ＝ＬＩＴＯ／（ｗＩＴＯ ＊ｔＩＴＯ）＝７５／（５ｍｍ＊４．４×１０−３）（ｍｍ−１
）
ＴＣＲＣＯＭＰ＝（ΔρＰｔ ＊Ａｐｔ＋ΔρＩＴＯ ＊ＡＩＴＯ）／（（ρｐｔ，０ ＊Ａｐｔ＋ρＩＴＯ，０ ＊ＡＩＴＯ）＊ΔＴ）＝−２１．３２（ｐｐｍ／℃）
式（１１）より、
ＴＣＲＣＯＭＰ＝（ＴＣＲＰｔ ＊ＲＰｔ，０＋ＴＣＲＩＴＯ ＊ＲＩＴＯ，０）／（ＲＰｔ，０＋ＲＩＴＯ，０）
ＴＣＲＣＯＭＰ＝−２３．５（ｐｐｍ／℃）
自己補償型センサの結果を以下に示す。このセンサは、１２００℃以下で熱的に繰り返した。実験データによれば、自己補償型ゲージのＴＣＲは、温度範囲ＲＴ−１２００℃において殆どゼロ（０ｐｐｍ／℃±２０ｐｐｍ／℃）であった。
【表２】
白金抵抗器１４の寸法は（０．６ｍｍ×５００ｍｍ×０．８μｍ厚み）であり、白金抵抗器と直列に配置したＩＴＯセンサ１２の寸法は（５ｍｍ×６０ｍｍ×４．４μｍ厚み）であった。これらの寸法は、各抵抗器の（幅×長さ×厚み）に対応しており、表の結果は、これらの特定の寸法に対して得られたものである。
【００２８】
室温での抵抗を図４から読むことができる。ＩＴＯ抵抗器に対して約２４０オームであり、白金抵抗器に対して約１６０オームである。
【００２９】
自己補償型抵抗器の使用方法は、温度の関数としてＴＣＲを制御することが必要などんな電気デバイス（すなわち、サーミスタ、温度センサ、ＲＴＤなど）でも用いることができる。
【００３０】
以上の説明は、本発明の特定の実施形態に限定されている。しかし、本発明に対して、本発明の利点の一部または全部を達成したまま、種々の変形および修正を行なえることが明らかである。従って、添付した特許請求の範囲の目的は、本発明の真の趣旨および範囲内にある変形および修正を全て包含することである。
【図面の簡単な説明】
【図１】
センサデザインの一例を示す図である。
【図２】
図１のデザインをシミュレーションした回路を示す図である。
【図３】
センサデザインの他の例を示す図である。
【図４】
図１のセンサの抵抗（信号）の温度変化を示す図である。
（発明の背景）
（１．発明の属する技術分野）
本発明は、薄膜歪みゲージに関する。
【０００２】
（２．関連技術の説明）
静的および動的な歪みの両方を高温で正確に測定することは、種々の構造システム、特に先進的な航空宇宙推進システムの不安定性および耐用年数を決定するために必要であることが多い。従来の歪みゲージは典型的に、この目的のために静止部品および回転部品の両方に対して利用されるが、通常は、その侵入性、きびしい温度制約、およびボンディングの難しさに起因して範囲に制限がある。
【０００３】
薄膜歪みセンサは、ガスタービンエンジン環境において特に魅力あるものである。というのは、このセンサは、部品表面上のガスフローに対して悪影響を及ぼさず、またボンディング目的のために粘着剤もセメントも必要としないからである。典型的には、薄膜歪みゲージを、高周波スパッタリングまたはその他の周知の薄膜堆積技術によって、部品表面に直接堆積させる。その結果、薄膜歪みゲージは、変形している表面と直接連絡する。一般的に、歪みゲージの圧電抵抗応答またはゲージ率（ｇ）は、歪みを受けたときの検出素子のゼロでない抵抗変化であり、（ａ）歪み能動素子の寸法変化、および／または（ｂ）歪み能動素子の抵抗率（ρ）の変化から生じ得る。また、高温用静的歪みゲージで用いる歪み能動素子は、熱的に誘起される見かけ上の歪みを、実際の機械的に印加される歪みに比べて無視できるように、抵抗の温度係数（ＴＣＲ）とドリフトレート（ＤＲ）が比較的小さくなければならない。
【０００４】
高温薄膜歪みゲージ用として選択される材料の１つは、幅の広い半導体、たとえばインジウム−スズ酸化物（ＩＴＯ）である。これは、高温における、その優れた電気的および化学的な安定性と、その比較的大きなゲージ率とによる。これは単独で用いると、通常は、比較的高いＴＣＲのせいで、多くの真性半導体の場合と同じように制限される。しかし本明細書で開示するように、自己補償型ＩＴＯ歪みセンサのＴＣＲは、金属（たとえばＰｔ）をＩＴＯ歪み能動素子と直列に配置される薄膜抵抗として用いることによって、低減され得る。
【０００５】
しかし、所定のＴＣＲを有する歪みゲージを作製するための、材料、パターン、および寸法の適切な組み合わせは、一般的には、経験的な観察の問題、すなわち試行錯誤である。
【０００６】
本発明を用いれば、センサが動作すべき温度範囲および材料の複数の抵抗率（それぞれ作業温度および基準温度における）が分かれば、高温用歪みゲージのＴＣＲを自動的に決定することができる。
【０００７】
概略的に、本発明は、自動的に決定されるＴＣＲ（本質的にゼロであるＴＣＲを含む）を有する自己補償型歪みゲージセンサを備える。このセンサは、基板上に堆積される幅の広い半導体を備える。金属をこの基板上に堆積させて、半導体と電気的に連絡させ、直列抵抗として機能させる。半導体および金属の長さ、幅、および厚みは、選択される作業温度および基準温度におけるそれぞれの抵抗率に基づいて選択され、ＴＣＲが自動的に決定される。
【０００８】
半導体は、炭化ケイ素、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、窒化ガリウム、窒化インジウム、窒化スカンジウム、窒化チタン、窒化クロム、窒化ジルコニウム、炭化ホウ素、ダイアモンド、炭化チタン、炭化タンタル、炭化ジルコニウム、リン化ガリウム、窒化アルミニウムガリウム、アルミナドープ酸化亜鉛、テルル化カドミウム、セレン化カドミウム、硫化カドミウム、テルル化水銀カドミウム、セレン化亜鉛、テルル化亜鉛、テルル化マグネシウム、酸化スズ、酸化インジウム、酸化鉄を含むマンガン酸塩−酸化マンガン、酸化鉄−亜鉛−酸化クロム、酸化鉄−マグネシウム−酸化クロム、酸化ルテニウム、リチウムドープ酸化ニッケル、窒化タンタル、インジウムティンオキサイド−酸化ガリウム−酸化スズおよびこれらの組み合わせからなる群から選択することができる。
【０００９】
金属抵抗器は、白金、ロジウム、パラジウム、金、クロム、レニウム、イリジウム、タングステン、モリブデン、ニッケル、コバルト、アルミニウム、銅、タンタル、白金およびロジウムの合金、ならびにこれらの組み合わせからなる群から選択することができる。
【００１０】
特に好ましい半導体はインジウムティンオキサイドであり、特に好ましい金属は白金である。
【００１１】
（好ましい実施形態の説明）
考察
自己補償型歪みゲージのための適切なデザインルールを確立するために、自己補償型歪みセンサのＴＣＲを最初にモデル化する。以下のアプローチを用いて、Ｐｔ自己補償回路を有するＩＴＯセンサのＴＣＲをモデル化する。
ＴＣＲＣＯＭＰ＝（ＲＣＯＭＰ，ｆ−ＲＣＯＭＰ，０）／（ＲＣＯＭＰ，０ ＊ΔＴ） （１）
【００１２】
ここで、ＲＣＯＭＰ，ｆは、特定の温度での補償センサ抵抗であり、ＲＣＯＭＰ，０は基準温度での補償センサ抵抗であり、ΔＴは温度差である。
ＲＣＯＭＰ，０＝ＲＰｔ，ｆ＋ＲＩＴＯ，ｆ （２）
ＲＣＯＭＰ，０＝ＲＰｔ，０＋ＲＩＴＯ，０ （３）
【００１３】
式（２）および（３）を式（１）に代入すると、ＴＣＲＣＯＭＰは以下のようになる。
ＴＣＲＣＯＭＰ＝（（ＲＰｔ，ｆ＋ＲＩＴＯ，ｆ）−（ＲＰｔ，０＋ＲＩＴＯ，０））／（（ＲＰｔ，０＋ＲＩＴＯ，０）＊ΔＴ） （４）
【００１４】
抵抗Ｒは、抵抗率（ρ）（特定の温度において一定である）に関係している。
Ｒ＝ρ＊Ｌ／（ｗ＊ｔ） （５）
【００１５】
ここで、Ｌ、Ｗ、およびｔは、センサ薄膜の長さ、幅、および厚みである。Ｒを式（４）のＴＣＲＣＯＭＰに代入すると、ＴＣＲＣＯＭＰをモデル化するための最終的なフォーマット式になる。
ＴＣＲＣＯＭＰ＝（ΔρＰｔ ＊Ａｐｔ＋ΔρＩＴＯ ＊ＡＩＴＯ）／（（ρｐｔ，０ ＊Ａｐｔ＋ρＩＴＯ，０ ＊ＡＩＴＯ）＊ΔＴ） （６）
ここで、
ΔρＰｔ＝ρＰｔ，ｆ−ρＰｔ，０ （７）
ΔρＩＴＯ＝ρＩＴＯ，ｆ−ρＩＴＯ，０ （８）
ＡＰｔ＝ＬＰｔ／（ｗＰｔ ＊ｔＰｔ） （９）
ＡＩＴＯ＝ＬＩＴＯ／（ｗＩＴＯ ＊ｔＩＴＯ） （１０）
ρＰｔ，ｆ、ρＰｔ，０、ρＩＴＯ，ｆ、ρＩＴＯ，０は、ＰｔおよびＩＴＯの作業温度および基準温度における抵抗率である。式（６）において、全ての抵抗率とΔＴとは一定であり、ΔρＰｔ＞０、ΔρＩＴＯ＜０であり、自己補償型ＩＴＯ−Ｐｔセンサ薄膜のＴＣＲがゼロになるように、ＩＴＯおよびＰｔのいろいろな長さ（Ｌ）、幅（Ｗ）、厚み（ｔ）をデザインすることができる。
【００１６】
また式（４）から、自己補償型センサのＴＣＲを、ＰｔおよびＩＴＯのＴＣＲと関係づけることができる。
ＴＣＲＣＯＭＰ＝（（ＲＰＴ，ｆ＋ＲＩＴＯ，ｆ）−（ＲＰｔ，０＋ＲＩＴＯ，０））／（（ＲＰｔ，０＋ＲＩＴＯ，０）＊ΔＴ） （４）
ＴＣＲＣＯＭＰ＝｛［（ＲＰｔ，ｆ−ＲＰｔ，０）／（ＲＰｔ，０ ＊ＲＩＴＯ，０ ＊ΔＴ）］＋［（ＲＩＴＯ，ｆ−ＲＩＴＯ，０）／（ＲＰｔ，０ ＊ＲＩＴＯ，０ ＊ΔＴ）］｝＊Ｂ
ここで、
Ｂ＝（ＲＰｔ，０ ＊ＲＩＴＯ，０）／（ＲＰｔ，０＋ＲＩＴＯ，０）
この式を簡単にして、自己補償型センサのＴＣＲを、ＰｔおよびＩＴＯの一定のＴＣＲと関係づける。
ＴＣＲＣＯＭＰ＝（ＴＣＲＰｔ ＊ＲＰｔ，０＋ＴＣＲＩＴＯ ＊ＲＩＴＯ，０）／（ＲＰｔ，０＋ＲＩＴＯ，０） （１１）
【００１７】
上述した数学的な表現を、市販のソフトウェアを用いて（たとえばＭａｔＬａｂまたはＭａｔｈＣａｄソフトウェアをパーソナルコンピュータにロードして）、解いた。
【００１８】
センサの作製
自己補償型ＩＴＯセンサは、ＰｔおよびＩＴＯ薄膜をスパッタリングし、その後これらにパターン形成して、作製した。図１に、本発明を具体化するセンサデザインを示す。センサを、全体として１０で示す。センサ１０は、幅の広い半導体（たとえばＩＴＯ）１２と、金属（たとえばＰｔ）補償回路１４とを備える。補償回路１４は基板Ｓの上に堆積されている。実験データを取るために、４つのＰｔボンドパッド１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄを設けている。
【００１９】
この自己補償型センサ１０は、図２に示すような抵抗からなる回路としてシミュレートすることができる。Ｃｈ１によって、全体のセンサの抵抗を示すことができる。Ｃｈ２は、Ｐｔの抵抗を示すために用いる。Ｃｈ４はＩＴＯ部分用であり、Ｃｈ３およびＣｈ５はＰｔとＩＴＯとの間の接触抵抗用である。
【００２０】
インジウムティンオキサイド（ＩＴＯ）薄膜を、ＭＴＲＣモデル８８２スパッタリングシステムを用いて、低温での高周波リアクティブスパッタリングによって、成長させた。公称の組成が９０重量％のＩｎ２Ｏ３と１０重量％のＳｎＯ２である高密度ターゲット（直径１２．７ｃｍ）を、全ての堆積に用いた。酸素分圧は３０％であり、２．４Ｗ／ｃｍ２の高周波出力密度と９ｍｔｏｒｒの全圧力とを、各スパッタリングランの間維持した。酸化アルミニウムの定歪みビームを、矩形プレート（ＣｏｏｒｓＣｅｒａｍｉｃｓ−純度９９．９％）から、レーザ切断技術を用いて切り出した。次に、この定歪みビームに、ＩＴＯ歪みゲージを堆積させる前に、４μｍの高純度アルミナをスパッタコートした。４μｍのＩＴＯをスピンキャスティングした後、ＩＴＯ薄膜コーティング上へ、２μｍ厚のポジ型フォトレジストをスピンコートした。露光および現像した後、ＩＴＯ薄膜を濃縮塩酸によってエッチングして、最終的なデバイス構造を描いた。スパッタリングした白金薄膜（１．１μｍの厚み）を用いて、ＩＴＯ歪み能動素子に対するオーミックコンタクトを形成した。
【００２１】
センサに対して上述した寸法は、コンセプトおよび数学モデルを証明する実験目的のためである。当業者であれば、本発明の教示に係る商業的に可能なセンサの寸法を、現在の最新技術のマイクロエレクトロニクス製造技術を用いて、少なくとも一桁小さく作製できることを認めるであろう。
【００２２】
図３を参照して、センサ２０を示す。センサ２０は、幅の広い半導体２２と、基板Ｓ上の金属補償回路２４とを備える。このデザインでは、半導体のＧ（−）を最大にし、金属のＧ（＋）を最小にしている。また金属ボンドパッド２６ａと２６ｂも示している。センサから読み出すときには、モニタ（図示せず）をボンドパッド２６に接続する。
【００２３】
高温歪み装置
切削可能なリン酸ジルコニウムセラミックから加工したカンチレバ折曲げ具を用いて、歪み測定を行なった。アルミナ定歪みビームと線形変数差動型トランスデューサ（ＬＶＤＴ）との間に固体アルミナロッドを接続して、歪みビームの歪みを測定した。対応する抵抗変化を、４線式法を用いて、６と１／２ディジットＨｅｗｌｅｔｔ ＰａｃｋａｒｄマルチメーターとＫｅｉｔｈｌｅｙ定電流源によってモニタした。高精度ＬＶＤＴ、マルチメーター、および定電流源を、Ｉ／ＯボードおよびＩＢＭＰＣ（ＩＥＥＥ４８８インターフェースを使用）にインターフェースさせた。ＬａｂＷｉｎｄｏｗｓ（登録商標）ソフトウェアを用いて、データを収集した。
【００２４】
高温歪みテスト結果
幅広い温度範囲で用いるＩＴＯ歪み能動ゲージの圧電抵抗特性を評価するためには、電気応答の温度変化の特性を求めることが大事である。既に開示したように３０％Ｏ２ プラズマで成長させた後、空気中で１２００℃以下の温度で熱的に繰り返したＩＴＯ薄膜の電気応答を観察した。
【００２５】
規定した温度範囲におけるブロードバンド半導体は、単一のＴＣＲまたは２以上のＴＣＲを示す可能性がある。２つの線形ＴＣＲが、規定温度範囲の２つの別個の温度範囲で示される場合には、センサをそれぞれの別の温度範囲に基づいて作製して、規定温度範囲全体に渡って歪みを測定できるようにすることが理解される。
【００２６】
ＩＴＯ薄膜の場合、温度に依存して、２つの別個のＴＣＲが存在し得ることが知られている。Ｔ＞８００℃では、ＴＣＲが−２１０ｐｐｍ／℃の線形応答が観察され、Ｔ＞８００℃では、ＴＣＲとして−２１７０ｐｐｍ／℃が観察されている。より最近では、単一のＴＣＲ（−３００から−１５００ｐｐｍ／℃）のＩＴＯが測定されている。
【００２７】
実施例
実施例では、４線式法を用いて、ボンドパッド１６に接続した。この方法は、当業者には周知である。センサを、前述のセクションで概略したように作製してテストした。４サイクルの加熱および冷却を測定した。結果を以下におよび図４に示す。最初の加熱の後、抵抗の温度変化は４サイクルにおいて殆ど同一であり、従って、再現性は良好であることが示されている。
【表１】
２／（４３７＊１１７０）＝−９．８（ｐｐｍ／℃）
ＴＣＲＰｔ＝（ＲＰｔ，ｆ−ＲＰｔ，０）／（ＲＰｔ，０ ＊ΔＴ）＝（３７９−１６０）／（１６０＊１１７０）＝＋１１６９（ｐｐｍ／℃）
ＴＣＲＩＴＯ＝（ＲＩＴＯ，ｆ−ＲＩＴＯ，０）／（ＲＩＴＯ，０ ＊ΔＴ）＝（４０−２２５）／（２２５＊１１７０）＝−７０２（ｐｐｍ／℃）
Ｐｔの抵抗率
３０℃において、
ρＰｔ，０＝ＲＰｔ，０ ＊（ｗ＊ｔ）／Ｌ＝１６０＊（０．６ｍｍ＊０．８×１０−３）／５００＝１．５３５×１０−４（Ω＊ｍ）
１２００℃において
ρＰｔ，ｆ＝ＲＰｔ，ｆ ＊（ｗ＊ｔ）／Ｌ＝３７９＊（０．６＊０．８×１０−３）／５００＝３．６３９×１０−４（Ω＊ｍ）
ＩＴＯの抵抗率
３０℃において
ρＩＴＯ，０＝ＲＩＴＯ，０ ＊（ｗ＊ｔ）／Ｌ＝２２５＊（５＊４．４×１０−３）／６０＝８．２５×１０−２（Ω＊ｍ）
１２００℃において
ρＩＴＯ，ｆ＝ＲＩＴＯ，ｆ ＊（ｗ＊ｔ）／Ｌ＝４０＊（５＊４．４×１０−３）／６０＝１．４９８×１０−２（Ω＊ｍ）
式（６）より、
ＴＣＲＣＯＭＰ＝（ΔρＰｔ ＊Ａｐｔ＋ΔρＩＴＯ ＊ＡＩＴＯ）／（（ρｐｔ，０ ＊Ａｐｔ＋ρＩＴＯ，０ ＊ＡＩＴＯ）＊ΔＴ） （６）
ここで、
ΔρＰｔ＝ρＰｔ，ｆ−ρＰｔ，０＝＊（３．６３９−１．５３５）＊１０−４（Ω＊ｍｍ）
ΔρＩＴＯ＝ρＩＴＯ，ｆ−ρＩＴＯ，０＝＊（１．４９８−８．２５）＊１０−２Ω＊ｍｍ）
ＡＰｔ＝ＬＰｔ／（ｗＰｔ ＊ｔＰｔ）＝５００／（０．６＊０．８×１０−３）（ｍｍ−１）
ＡＩＴＯ＝ＬＩＴＯ／（ｗＩＴＯ ＊ｔＩＴＯ）＝７５／（５ｍｍ＊４．４×１０−３）（ｍｍ−１
）
ＴＣＲＣＯＭＰ＝（ΔρＰｔ ＊Ａｐｔ＋ΔρＩＴＯ ＊ＡＩＴＯ）／（（ρｐｔ，０ ＊Ａｐｔ＋ρＩＴＯ，０ ＊ＡＩＴＯ）＊ΔＴ）＝−２１．３２（ｐｐｍ／℃）
式（１１）より、
ＴＣＲＣＯＭＰ＝（ＴＣＲＰｔ ＊ＲＰｔ，０＋ＴＣＲＩＴＯ ＊ＲＩＴＯ，０）／（ＲＰｔ，０＋ＲＩＴＯ，０）
ＴＣＲＣＯＭＰ＝−２３．５（ｐｐｍ／℃）
自己補償型センサの結果を以下に示す。このセンサは、１２００℃以下で熱的に繰り返した。実験データによれば、自己補償型ゲージのＴＣＲは、温度範囲ＲＴ−１２００℃において殆どゼロ（０ｐｐｍ／℃±２０ｐｐｍ／℃）であった。
【表２】
【００２８】
室温での抵抗を図４から読むことができる。ＩＴＯ抵抗器に対して約２４０オームであり、白金抵抗器に対して約１６０オームである。
【００２９】
自己補償型抵抗器の使用方法は、温度の関数としてＴＣＲを制御することが必要などんな電気デバイス（すなわち、サーミスタ、温度センサ、ＲＴＤなど）でも用いることができる。
【００３０】
以上の説明は、本発明の特定の実施形態に限定されている。しかし、本発明に対して、本発明の利点の一部または全部を達成したまま、種々の変形および修正を行なえることが明らかである。従って、添付した特許請求の範囲の目的は、本発明の真の趣旨および範囲内にある変形および修正を全て包含することである。
【図面の簡単な説明】
【図１】
センサデザインの一例を示す図である。
【図２】
図１のデザインをシミュレーションした回路を示す図である。
【図３】
センサデザインの他の例を示す図である。
【図４】
図１のセンサの抵抗（信号）の温度変化を示す図である。
Claims (8)
- 高温用薄膜歪みゲージセンサであって、前記センサは本質的にゼロＴＣＲを有し、センサは幅の広い半導体と補償用金属とを有し、各半導体および金属の周囲の長さおよび厚みは、２０℃から１２００℃の温度範囲で本質的にゼロＴＣＲをもたらすような寸法であることを特徴とするセンサ。
- 幅の広い半導体は、炭化ケイ素、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、窒化ガリウム、窒化インジウム、窒化スカンジウム、窒化チタン、窒化クロム、窒化ジルコニウム、炭化ホウ素、ダイアモンド、炭化チタン、炭化タンタル、炭化ジルコニウム、リン化ガリウム、窒化アルミニウムガリウム、アルミナドープ酸化亜鉛、テルル化カドミウム、セレン化カドミウム、硫化カドミウム、テルル化水銀カドミウム、セレン化亜鉛、テルル化亜鉛、テルル化マグネシウム、酸化スズ、酸化インジウム、酸化鉄を含むマンガン酸塩−酸化マンガン、酸化鉄−亜鉛−酸化クロム、酸化鉄−マグネシウム−酸化クロム、酸化ルテニウム、リチウムドープ酸化ニッケル、窒化タンタル、およびインジウムティンオキサイド−酸化ガリウム−酸化スズからなる群から選択されることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
- 金属は、白金、ロジウム、パラジウム、金、クロム、レニウム、イリジウム、タングステン、モリブデン、ニッケル、コバルト、アルミニウム、銅、およびタンタルからなる群から選択されることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
- 半導体はＩＴＯであり、金属はＰｔであることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
- 高温用薄膜ゲージセンサの製造方法であって、
センサが動作する温度範囲を決定するステップと、
前記温度範囲の少なくとも２つの温度点における幅の広い半導体の抵抗率と、前記温度範囲の少なくとも２つの温度点における金属の抵抗率とを決定するステップと、
幅の広い半導体および金属の両方の、所望のＴＣＲを実現するのに必要な周囲の長さおよび厚みを決定するステップと、
高温用薄膜ゲージセンサを形成するステップとを含むことを特徴とする製造方法。 - 幅の広い半導体は、炭化ケイ素、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、窒化ガリウム、窒化インジウム、窒化スカンジウム、窒化チタン、窒化クロム、窒化ジルコニウム、炭化ホウ素、ダイアモンド、炭化チタン、炭化タンタル、炭化ジルコニウム、リン化ガリウム、窒化アルミニウムガリウム、アルミナドープ酸化亜鉛、テルル化カドミウム、セレン化カドミウム、硫化カドミウム、テルル化水銀カドミウム、セレン化亜鉛、テルル化亜鉛、テルル化マグネシウム、酸化スズ、酸化インジウム、酸化鉄を含むマンガン酸塩−酸化マンガン、酸化鉄−亜鉛−酸化クロム、酸化鉄−マグネシウム−酸化クロム、酸化ルテニウム、リチウムドープ酸化ニッケル、窒化タンタル、およびインジウムティンオキサイド−酸化ガリウム−酸化スズからなる群から選択されることを特徴とする請求項５に記載のセンサ。
- 金属は、白金、ロジウム、パラジウム、金、クロム、レニウム、イリジウム、タングステン、モリブデン、ニッケル、コバルト、アルミニウム、銅、およびタンタルからなる群から選択されることを特徴とする請求項５に記載のセンサ。
- 半導体はＩＴＯであり、金属はＰｔであることを特徴とする請求項５に記載のセンサ。
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