JP2009514201A - 抵抗層を有するセンサ - Google Patents

Abstract

本発明は、抵抗層を担持する基板から成るセンサに関する。本発明では、抵抗層はチタン‐タングステン窒化物（Ｔｉ_ｚＷ_１−ｚＮ）から成ることを特徴とする。

Description

本発明は、基板と抵抗層とから成るセンサに関する。

センサを物理的測定値の検出に使用することは周知である。通常、センサは基板を有する。この基板は適切に保持されるか、またはセンサケーシング内に取り付けられる。

このような基板は抵抗層を有する。前記抵抗層において電気抵抗に起因して降下する電圧は適切に読み出され、相応の構成では、センサによって測定すべき物理的パラメータを表す尺度である。たとえば、相応のストレインゲージをセンサで使用し、力測定または圧力測定のためのセンサを実現することが公知である。ここでは、測定すべき力ないしは測定すべき圧力が、たとえばメンブレンとして形成された基板に作用する。メンブレンのひずみによって、ストレインゲージの抵抗層がひずみ、電気抵抗が測定可能に変化し、とりわけ上昇される。

したがって、困難な周辺条件（たとえば圧力、温度、空気中湿度およびガス組成等）で使用可能なセンサを提供するのが望ましい。それゆえ、該当の物理的特性を測定するためにどの材料から抵抗層を形成するかの数多くの異なる提案が存在する。

たとえば、独国特許公報３５２２４２７号に、酸窒化チタン（ＴｉＯ_ｘＮ_ｙ）をストレインゲージ用の層抵抗器の抵抗層として使用することが記載されている。この公知の化合物中の酸素と窒素との比によって、とりわけ上記センサを圧力センサとして使用する場合に該センサの幾つかの特性を調整することができる。

独国特許公開公報ＤＥ１９９２８２９１Ａ１から、センサ構造体と、絶縁された構造体を接続する方法とが公知になっている。ここでは、センサは導電性のブリッジを使用して、集積回路内で構造体間を電気的に接続するために、開放されたトレンチ上にブリッジされる。このような導電性ブリッジは、電気的に絶縁された構造体間の差分容量等である電気的特性を測定する必要があるセンサで有利である。ここでは上記構造体は、側部の周辺に開放トレンチを形成することによって電気的に絶縁される。構造体の底部は酸化物層によって電気的に絶縁される。導電性ブリッジを形成するためにはたとえば、トレンチに犠牲ガラスを充填して固体の土台を形成し、その上に多結晶シリコン導体を設け、その後に該犠牲ガラスを除去することにより、開放トレンチ上に導電性ブリッジを形成する。この開放トレンチは必要な絶縁部を提供し、導電性ブリッジは必要な電気的接続部を提供する。

ＵＳ２００３／０１０８６６４Ａ１からも同様に、上記のような電気的素子の機械的特性および電気的特性を改善するための電気的素子の組成物と方法とが公知になっている。この公報では、電気的素子内に挿入されるかないしは電気的素子の表面に取り付けられる多数の初期組成物が記載されている。このような初期組成物は、変換温度が低いことを特徴とする。

ここでは、抵抗の温度係数を可能な限り小さくすること、すなわち基板の温度ないしは抵抗層の温度に依存しないようにすることが望ましい。つまり、圧力センサの使用温度に依存せずに常に実際値（たとえば圧力）が測定されることが実現される。このことにより、温度ドリフトに起因する面倒な補正アルゴリズムを省略することができる。

ストレインゲージとして使用される抵抗層の別の重要な特性はひずみ係数であり、これはＫ係数とも表記される。

公知のセンサの抵抗層はたとえばスパッタリング工程で被着される。有利にはアルゴンであるスパッタリングガスには、窒素が小さい部分圧で（たとえば約４×１０^−２Ｐａ）で添加される。ターゲット材料は有利には、たとえばチタンである。公知のチタン酸窒化化合物を製造するためには、被着プロセス、スパッタリングで、窒素の他にある程度の酸素濃度も添加される。ここで、酸素の結合特性は窒素の結合特性に対して大きく異なり、酸素が有利には窒素と同様に、堆積された抵抗層中に堆積されるので、比較的不均質な層が得られるという危険性が生じる。このことにより、センサの特性（たとえば抵抗層のＫ係数または温度依存性）を制御するのが困難になる。

したがって本発明の課題は、冒頭に述べたようなセンサを改善することである。

前記課題を解決するために本発明は、冒頭に述べた形式のセンサにおいて、抵抗層がチタン‐タングステン窒化物（Ｔｉ_ｚＷ_１−ｚＮ）から成るセンサを提案する。

本発明の利点は、この構成において抵抗層中の酸素を省略できることである。しかしチタンとタングステンとのこのような混合比によって（割合ｚ）、センサの特性、とりわけ抵抗層のＫ係数の温度係数も調整可能になる。しかし本発明は、本発明で提案されているチタンとタングステンと窒素とから成るこのような化合物（以下では窒化物とも称される）において、変形形態で酸素が添加されることを排除しない。酸素を、とりわけ窒素に対する（部分）置換元素として入れることにより、センサの特性に対して、圧力センサを本発明で必要とされているように改善する別の調整パラメータ、すなわち、種々の適用領域で最適に適合できるようにする別の調整パラメータが得られる。

したがって本発明は、抵抗層が、構成成分のチタン‐タングステン窒化物のみから成る化合物も、このチタン‐タングステン窒化物である基本化合物にさらに別の元素が添加される化合物も、明確に含む。

従来技術から公知である解決手段に対し、本発明によるセンサは、抵抗層がチタン‐タングステン窒化物（Ｔｉ_ｚＷ_１−ｚＮ）から成ることを特徴とする。従来技術で公知である解決手段のうち、次のようなチタン‐タングステン窒化物層を示す解決手段、すなわち、とりわけセンサに、たとえば圧力センサまたは力センサないしはストレインゲージであるセンサに使用できるチタン‐タングステン窒化物層を示す解決手段は存在しない。従来技術と比較してこのようなチタン‐タングステン窒化物層では、抵抗層はより簡単に製造することができるようになり、センサの構成の従来技術で必要とされる特に複雑な構造から形成されなくなり、たとえば、電気的素子の開放トレンチ上に架けられる導電性ブリッジを必要とするセンサの構成の複雑な構造から形成されなくなる。したがって、このようなエレメントの製造方法は本発明による解決手段によって格段に簡略化される。

とりわけ基板がさらされる高温（最大３５０℃）でも安定的な圧力センサを実現するために、チタン‐タングステン窒化物から成るこのような抵抗層の電気的特性を、まさにセンサの使用で良好に制御可能かつ利用可能であることが判明した。

本発明の有利な変形形態では、センサが圧力センサとして形成されるかまたは力センサとして形成されることを提案する。このような構成では基板は、圧力展開ないしは力展開を測定するための手段と接続される。たとえば、圧力センサを実現するために基板はメンブレン状に形成される。ここでは、媒体をたとえば過度な熱印加等から可能な限り最適に保護するために、媒体と反対側の基板面に抵抗層を配置するのが有利である。このことによって、圧力室からの電気的な給電線および引出線を遮蔽することもできる。つまり、たとえば内燃機関内の圧力室が高温かつ反応性のガスを含み、このガスが場合によっては、電気的コンタクトまたは抵抗層に化学的に攻撃することに留意しなければならない。

抵抗層がストレインゲージとして使用されるように本発明を構成するのが有利であることが実証されている。基板の相応に幾何的に認識可能な変形によって、抵抗層は相応に膨張するかまたは収縮し、このことによって、とりわけ抵抗である電気的特性が変化する。したがって、抵抗層の電流の流れが一定である場合、該抵抗層で降下する電圧、すなわち、基板（たとえばメンブレン）の膨張または収縮を表す尺度でありひいては圧力または力を表す尺度である電圧が変化する。

このような測定構成体は十分に公知であり、しばしば、ホイートストンブリッジの形態で構成されることが多い。

本発明を力センサとして使用する場合、力展開を測定するための手段と基板とを適切に接続することを提案する。ここでも、力の印加が圧力センサと同様に、基板の変形を引き起こし、この変形がストレインゲージで測定される。

本発明の有利な変形形態では、抵抗層のチタン‐タングステン元素対におけるタングステンの割合は、＞５０％すなわちｚ＜１／２であることが提案される。上記化合物中のタングステン含有率が５０％を超える場合、チタン‐タングステン比と窒素割合とを介して抵抗の温度係数を０に調整できることが判明している。このような変形形態により、圧力センサは温度依存性から切り離され、測定信号の評価が格段に簡素化される。この変形形態の別の利点はとりわけ、相応に被着される層がより安定的になり、簡単な工程を使用できることである。というのも、非常に反応性である酸素によって作業しなくてもよいからである。上記の利点は、もっぱらチタン‐タングステン窒化物のみから成る抵抗層でしか得られないわけではなく、以下に記載される本発明の変形形態でも得られる。

本発明の別の有利な実施形態では、抵抗層中の窒素原子の一部を置換元素Ａに置換し、化合物Ｔｉ_ｚＷ_１−ｚＡ_ｘＮ_ｙを得ることを提案する。窒素原子と置換元素とを部分的に交換することにより、チタン‐タングステン窒化化合物に別の調整手段を獲得することが可能であることが判明している。置換元素と窒素との成分比を変化することにより、センサの特性、とりわけセンサの温度係数やＫ係数ないしはＫ係数の温度依存性が調整可能になることが判明している。

本発明は、１価の置換元素Ａを入れるか、または２価の置換元素Ａを入れるか、または３価の置換元素Ａを入れるか、または４価の置換元素Ａを入れるかを問題にしない。抵抗層をどのように形成するかに応じて、置換元素Ａを層に組み込むことができる。たとえば、置換元素Ａを付加的なターゲットとしてスパッタリング工程で形成し、基板上に堆積することができる。また、置換元素Ａを気体状で、たとえばスパッタリングガスに対する添加物として使用することもできる。原則的には、被着方法がスパッタリングであれ、またはイオンプレーティングの反応性蒸着法であれ、または熱分解堆積法（ＣＶＤ）であれ、またはレーザスパッタリングであれ、すべての被着手法で、１つまたは複数の置換元素を抵抗層中に組み込むことができる。上記の手法はすべて薄層技術の手法であり、抵抗層を薄層として基板上に被着するのに適している。

その際には、酸素を置換元素として使用することにより、非常に良好な結果が得られた。このようにして、チタン‐タングステン酸窒化物（Ｔｉ_ｚＷ_１−ｚＯ_ｘＮ_ｙ）化合物が得られる。

ここで、窒素原子を酸素原子に交換することは本発明と矛盾しないことを強調しておく。というのも本発明は、反応性の酸素を回避することを対象とするのではなく、センサの特性を改善することを対象とするからである。本発明のこの発展形態では、上記のようなチタン‐タングステン窒化化合物の肯定的な特性が、Ｋ係数の温度係数を可能な限り低くすることと組み合わされる。

その際には本発明は、Ｋ係数を可能な限り低く選択できる効果にのみ限定されるわけではなく、Ｋ係数をとりわけ次のように調整できる効果、すなわち、基板の温度依存性の作用、とりわけ弾性モジュールの基板の温度依存性が可能な限り補償されるように調整できる効果も有する。その結果として、本発明による構成により、センサ全体の特性を可能な限り温度非依存性にすることができる。

したがって、抵抗ないしはセンサのほぼ中立的な温度係数が実現される。このような効果は、タングステン含有量が少量の場合でもすでに得られるが、タングステン含有率を５０％を超えて増加すると、格段に改善される。

本発明にしたがって形成されたこのような抵抗層ないしはセンサは、原則的に調整可能な次のようなＫ係数、すなわち、温度係数が可能な限り小さく、かつ、抵抗の温度係数も同様に非常に小さいかまたはゼロであるＫ係数を有することを特徴とする。

本発明の有利な変形形態では、抵抗層のチタン‐タングステン置換元素‐窒素化合物（Ｔｉ_ｚＷ_１−ｚＡ_ｘＮ_ｙ）のタングステン含有量が少量である。すなわちｚ＞０．８であり、特に有利にはｚ＞０．９である。

チタン‐タングステン‐窒素‐酸素化合物（Ｔｉ_ｚＷ_１−ｚＯ_ｘＮ_ｙ）に関しては、ｚ＝１である変形形態は明示的に除外される。というのも、このことは従来技術に相応するからである。したがって一般的には、０＜ｚ＜１が適用される。

タングステン含有量が非常に少量である場合、この格子構造の安定性が改善される。Ｋ係数の値および温度係数も、このことによって調整することができる。窒化チタン（ＴｉＮ）も窒化タングステン（ＷＮ）もｆｃｃ格子を有するので、この組み合わせにタングステンを適切に組み込むことで格子構造が破壊されることはない。むしろ、成分の均質な分布が実現され、窒化チタンマトリクス内で窒化タングステン粒子が形成されるのが回避される。抵抗の温度係数は、スパッタリングガス（窒素）に酸素を制御かつ監視しながら置換によって添加することにより、調整される。

チタン‐タングステン‐置換元素‐窒素化合物中に、置換元素‐窒素（Ａ_ｘＮ_ｙ）の元素対は以下の関係で存在するのが有利であることが実証されている（１≦ｘ＋ｙ≦２）。

本発明の有利な変形形態では、基板材料として金属を使用し、とりわけ金属合金を使用することが提案される。有利には、たとえば鋼ないしは鋼合金が使用される。基板はたとえば、圧力センサとしての適用時にはメンブレン状に形成される。その際には、基板を十分に薄く形成して、圧力に起因する材料変化が実際にも測定可能になるようにすることができる。

基本的に、抵抗層を任意の固体に被着することができる。たとえば、基板材料としてチタン、またはリチウム（Ｌｉ）、または（たとえば低温で）プラスチックを使用することもできる。もちろん、たとえばＡｌ_２Ｏ_３等であるセラミックを基板材料として使用することもでき、また別のセラミックを使用することもできる。

ニッケル‐クロム基合金を基板材料として使用しても、良好な結果が実現された。

センサに対して相応に攻撃的な使用領域を計画する場合、鋼を使用すること、たとえば１７‐４ＰＨ鋼を使用することが有利である。この上記の鋼はとりわけ、高い弾性変形特性を有することを特徴とする。このような鋼は、十分な耐食性ないしは耐酸性を有し、不都合なへり条件でも動作することができる。

基板と抵抗層との間にバリア層が設けられていると有利である。このようなバリア層は、とりわけ電気的絶縁体として形成されており、これがなければ危険性のある短絡を回避するために使用される。電気的絶縁を提供する役割の他に、バリア層は択一的に、別の／付加的な役割を有することもできる。たとえば、バリア層がバッファ層または接着層として、基板の格子構造と抵抗層の格子構造との間に可能な限り安定的な結合を実現するように設けられる。

抵抗層がガス阻止性またはガス非透過性であるパッシベーション層によって、とりわけ酸素阻止性または酸素非透過性のパッシベーション層によって被覆されると有利である。たとえば抵抗層が圧力センサとして内燃機関の燃焼室内で使用される場合の抵抗層の著しい温度負荷に起因して、抵抗層の化学的組成が変化することが観察された。その逆に、酸素割合が変化すること、とりわけ酸素割合が上昇することが観察された。このことにより、抵抗層が保護されない場合には、圧力センサの特性、とりわけ酸素割合ないしは窒素割合の選択によって調整された抵抗またはＫ係数の温度依存性が不都合に変化してしまう危険性が生じる。ここで、抵抗層に適切なパッシベーション層を被覆すると、抵抗層は高信頼性で保護される。このパッシベーション層はたとえば、抵抗層自体を形成するのと同じ処理ステップまたは同様の処理ステップで抵抗層上に形成することができる。電気的絶縁特性の他にパッシベーション層が有さなければならないのは、保護すべき抵抗層と同様の膨張特性である。

パッシベーション層として、ここではたとえば、Ｓｉ_３Ｎ_４，ＳｉＯ_２，ＡｌＮ，Ａｌ_２Ｏ_３，ＴｉＯ_２を提案する。もちろん、適切な絶縁性またはパッシベーション性を呈する別の公知の化合物を使用することもできる。

さらに有利には、抵抗層を面コンタクトに導電接続することを提案する。面コンタクトは有利には、Ｎｉ，ＴｉＡｕ，ＴｉＡｇ，ＣｒＡｇ，ＴｉＰｔＡｕ，ＣｒＡｕ，ＣｒＰｄＡｇ，ＮｉＡｕ，ＮｉＡｇから成る。上記材料は、適切な接続ケーブルにボンディング結合することができ、これによって良好な電気的コンタクトが得られることを特徴とする。また、このような面コンタクトの材料は他方の面で、抵抗層に対して良好な付着性が得られるように選択される。もちろん、面コンタクトに別の材料の組み合わせまたは化合物を使用することもできる。

本発明は、本発明で提案されたセンサによってのみ解決されるのではなく、チタン‐タングステン窒化化合物を抵抗層として使用することによっても解決される。このような抵抗層をたとえば適切なセンサで使用すること、また、別の適用分野で使用することも、冒頭に挙げられた課題の解決手段となる。

ここではとりわけ、圧力センサに関して記載された特徴および特性かつ方法すべてが意味的に、本発明の使用の規定にも転用でき、本発明において使用することができ、一緒に開示されているとみなされることに留意されたい。

もちろん、逆方向にも同様のことが当てはまる。このことは、製造方法または使用に関して挙げられた構成上の特徴または物の特徴は、センサを対象とする請求項の枠内でも考慮されて請求の範囲とされ、これらも本発明および開示内容に含まれることを意味する。

現時点で出願によって提出される請求項および後で提出される請求項は、十分な保護を獲得するために偏見なしで規定するための試みである。

精査した結果、とりわけ関連先行技術も精査した結果、一方の特徴または他方の特徴が本発明の目的に有利であっても決定的に重要でないことが判明した場合にはもちろん、とりわけ独立請求項におけるこのような特徴を有さない規定をここですでに行う。

従属請求項で行われた引用は、各従属請求項の特徴によって独立請求項の対象を異なって構成できることを示す。しかしこれらは、引用関係にある従属請求項の特徴に対する独立した実体的な保護を獲得することの放棄と理解すべきではない。

以上で明細書にのみ開示された特徴は、審査の流れで、本発明に重要な意義を有するものとして、たとえば従来技術と区別するために、請求の範囲に含まれることができる。

明細書にのみ開示された特徴、または、複数の特徴を有する請求項の個々の特徴は、従来技術と区別するために常に第１請求項に引き継ぐことができる。このことは特に、このような特徴が別の特徴と関連して言及された場合、ないしは、別の特徴と関連して特に有利な結果を実現する場合にも当てはまる。

Claims (18)

1. 抵抗層を担持する基板から成るセンサにおいて、
   該抵抗層はチタン‐タングステン窒化物（Ｔｉ_ｚＷ_１−ｚＮ）から成ることを特徴とする、センサ。
2. 圧力センサまたは力センサとして構成されている、請求項１記載のセンサ。
3. 前記抵抗層はストレインゲージとして使用される、請求項１または２記載のセンサ。
4. 前記抵抗層のチタン‐タングステンの元素対におけるタングステンの割合は５０％以上すなわちｚ＜１／２である、請求項１から３までのいずれか１項記載のセンサ。
5. 前記抵抗層中の窒素原子の一部は置換元素Ａに置換され、化合物Ｔｉ_ｚＷ_１−ｚＡ_ｘＮ_ｙが得られる、請求項１から４までのいずれか１項記載のセンサ。
6. 前記置換元素Ａは、１価または２価または３価または４価である、請求項１から５までのいずれか１項記載のセンサ。
7. 前記置換元素として酸素が使用され、チタン‐タングステン酸窒化物（Ｔｉ_ｚＷ_１−ｚＯ_ｘＮ_ｙ）が得られる、請求項１から６までのいずれか１項記載のセンサ。
8. 前記抵抗層のチタンタングステン‐置換元素‐窒素化合物中のタングステン含有率は有利には少量であり、すなわちｚ＞０．８であり、とりわけｚ＞０．９である、請求項１から７までのいずれか１項記載のセンサ。
9. 前記抵抗層のチタン‐タングステン‐置換元素‐窒素化合物中の置換元素（Ａ_ｘ）／窒素（Ｎ_ｙ）の元素対は、
   １≦ｘ＋ｙ≦２
   の組成で設けられている、請求項１から８までのいずれか１項記載のセンサ。
10. 前記置換材料として、金属、金属合金が使用され、とりわけ鋼ないしは鋼合金が使用される、請求項１から９までのいずれか１項記載のセンサ。
11. 前記基板と抵抗層との間にバリア層が設けられている、請求項１から１０までのいずれか１項記載のセンサ。
12. 前記抵抗層に、ガス阻止性またはガス非透過性のパッシベーション層が被覆されており、とりわけ酸素阻止性または酸素非透過性のパッシベーション層が被覆されている、請求項１から１１までのいずれか１項記載のセンサ。
13. 前記パッシベーション層はＳｉ_３Ｎ_４，ＳｉＣ_２，ＡｌＮ，Ａｌ_２Ｏ_３，ＴｉＯ_２から成る、請求項１から１２までのいずれか１項記載のセンサ。
14. 前記抵抗層は面コンタクトに導電接続されており、
    該面コンタクトは、Ｎｉ，ＴｉＡｕ，ＴｉＡｇ，ＣｒＡｇ，ＴｉＰｔＡｕ，ＣｒＡｕ，ＣｒＰｄＡｇ，ＮｉＡｕ，ＮｉＡｇから成る、請求項１から１３までのいずれか１項記載のセンサ。
15. 前記抵抗層は薄層技術で前記基板上に被着されている、請求項１から１４までのいずれか１項記載のセンサ。
16. チタン‐タングステン‐窒素化合物（Ｔｉ_ｚＷ_１−ｚＮ）を抵抗層として使用する方法。
17. 前記チタン‐タングステン‐窒素化合物中の窒素原子の一部は置換元素に置換されており、とりわけ酸素に置換されている、請求項１６記載の方法。
18. 前記抵抗層をストレインゲージとして使用する、請求項１６または１７記載の方法。