JP2012207985A - 歪抵抗薄膜および当該歪抵抗薄膜を用いたセンサ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】積層膜からなる歪抵抗薄膜10、20であって、上記積層膜が、クロム薄膜、酸化クロム薄膜または窒化クロム薄膜からなる第一の薄膜11、21と、第一の薄膜11の両主面のうち第一面111または第一面211と第二面212に積層され、薄膜の膜厚を同一としたときのTCR値[ppm・K−1]が第一の薄膜より小さい第二の薄膜12、22、23とを少なくとも一層以上有し、上記積層膜を構成する第二の薄膜12、22の一つが上記積層膜の表出面Sとして表出している歪抵抗薄膜とする。
【選択図】図1
Description
この中でも、ひずみ式は、基層(板)となるダイアフラムの変形を、いわゆるひずみセンサ素子を利用して測定する方式が主流である。この方式の装置は、小型化が可能であり、ひずみ抵抗を測定しているので、測定回路が簡単であるという利点を有しており、食品、医薬品、化粧品産業等、清潔・安全を第一とする産業の製造工程に係るサニタリ分野や、内燃機関の燃料圧制御やエンジン内部の油圧検出用途その他の自動車分野、或いは高温下で使用される産業用機械の圧力制御用途をはじめとして、広い分野・用途において多用されている。
なお、このようなひずみセンサ素子としては、以下で定義する通り、電気抵抗の温度微分係数(抵抗温度係数のこと。「TCR値」という)が比較的小さく、ゲージ率(抵抗の歪による変化)が大きく、また電気抵抗(抵抗率すなわち比抵抗ρ)が一定範囲にある薄膜材料が望ましいことが知られている。さらに、特に高温条件下でも温度補償をすることを要せず、安定な出力を発揮できる特性の再現性に優れた素子であることが求められるため、温度サイクルに対しても十分安定で温度依存性が少ないと共に、優れた高温安定性を有することが求められている。そして現在も、これらのニーズを満たす薄膜材料を求めて、日々検討が行われている(特許文献1参照)。
i)○は室温(RT)から773K(500℃)に昇温(1回目)したときにおけるρ−T特性を、
ii)●は773K(500℃)から室温(RT)に降温(1回目)したときにおけるρ−T特性を、
iii)△は室温(RT)から773K(500℃)に昇温(2回目)したときにおけるρ−T特性を、
iv)▲は773K(500℃)から室温(RT)に降温(2回目)したときにおけるρ−T特性を、
v)□は室温(RT)から773K(500℃)に昇温(3回目)したときにおけるρ−T特性を、
vi)■は773K(500℃)から室温(RT)に降温(3回目)したときにおけるρ−T特性を、それぞれ示す。なお、各グラフの下の説明における()内の数字は、昇温または降温の各回数を、またそれぞれの場合におけるTCR値[ppm・K−1]を示している。
図5(b)から明らかなように、温度変化に対する比抵抗(ρ)は安定しているものの、同図下部の注釈に示すように、TCR値は+1600[ppm・K−1]を超えている。
i)○は室温(RT)から773K(500℃)に昇温(1回目)したときにおけるρ−T特性を、
ii)●は773K(500℃)から室温(RT)に降温(1回目)したときにおけるρ−T特性を、
iii)△は室温(RT)から773K(500℃)に昇温(2回目)したときにおけるρ−T特性を、
iv)▲は773K(500℃)から室温(RT)に降温(2回目)したときにおけるρ−T特性を、
v)□は室温(RT)から773K(500℃)に昇温(3回目)したときにおけるρ−T特性を、
vi)■は773K(500℃)から室温(RT)に降温(3回目)したときにおけるρ−T特性を、それぞれ示すことは先と同様である。
図5(c)によれば、上記i)〜vi)全体を通じてρ−T特性が安定していないことは明らかである。このように、図5(c)に示す歪抵抗薄膜はその特性が不安定なものとなっている。
また、図5(c)の各グラフの下の説明に示された()内のTCR値[ppm・K−1]についてみても、昇温時i)、iii)、v)におけるTCR値が高い一方、降温時ii)、iv)、vi)におけるTCR値はすべて負値をとっており、上記i)〜vi)全体を通じてTCR値が安定していないことは明らかである。特に、昇温時i)、v)におけるTCR値は非常に高い値となっている。
これに関しては、Cr膜11’上部、つまりCr膜11’の第一面111と大気との間のほか、Cr膜11’下部、つまりCr膜11’の第二面112と基板2との間で生じる、温度サイクル中における、膜のモフォロジー変化や界面の問題が影響しているものと推察される。
まず、ゲージ率のグラフについて見ると、ゲージ率の値はCr薄膜の膜厚dに依存することなく、あまり大きな変化が見られないことが読み取れる。
その一方、TCR値についてはCr薄膜の膜厚dが増えるに従って増加しているほか、膜厚d≒14[nm]の辺り(C点)でTCR値が0となり、その前後でTCR値の正負の符号が逆転していることが読み取れる。
また本発明は、温度サイクルに対して、比抵抗ρに代表される電気特性が安定であると共に、TCR値を全体的に低く抑えることが可能な歪抵抗薄膜および当該歪抵抗薄膜を用いたセンサを提供することを課題とする。
i)歪抵抗材料として高いゲージ率を有する一方、TCR値も高く、それゆえTCR値のさらなる減少が期待されていた第一の材料と、
ii)上記TCR値の抑制に関連し、耐熱性の改善と共にTCR値の減少が実現される一方、今度はゲージ率が大きく減少することが問題となっていた第二の材料と
を適宜組み合わせること、すなわち、上記i)に相当する材料を基板上で薄膜として形成した第一の薄膜と、上記ii)に相当する材料を基板上で薄膜として形成した第二の薄膜であって、TCR値(同一膜厚条件)が第一の薄膜より小さいものとの積層構造とすることにより、上記課題を解決可能なことを見い出し、本発明を完成した。
前記積層膜が、
クロム薄膜、酸化クロム薄膜または窒化クロム薄膜からなる第一の薄膜と、
前記第一の薄膜の両主面のうち第一面または前記第一面と第二面に積層され、薄膜の膜厚を同一としたときのTCR値[ppm・K−1]が第一の薄膜より小さい第二の薄膜と
を少なくとも一層以上有し、
前記積層膜を構成する前記第二の薄膜の一つが前記積層膜の表出面として表出していることを特徴とするものである。
前記基層に電気的に絶縁された状態で備えられた、(1)〜(3)のいずれかに記載の歪抵抗薄膜とからなることを特徴とする、圧力、加減速度、流量、触覚、力覚またはトルクのいずれかまたはこれらの組み合わせを検出するものである。
本明細書において、TCR値は下式(1)
TCR=(1/R)dR/dT (1)
[Rは電気抵抗あるいは比抵抗、Tは絶対温度、単位はppm・K−1]
で算出される値を指し示すものとする。
なお、具体的には、本明細書において説明する歪抵抗薄膜の使用温度の上限を、773K(500℃)とした場合、下式(2)により、TCR値が算出される。
また本発明によれば、歪抵抗薄膜全体としてのTCR値を低く抑えることが可能であると共に、温度サイクルに対して、比抵抗ρに代表される電気特性が安定な歪抵抗薄膜および当該歪抵抗薄膜を用いたセンサを提供することが可能となる。
図1に、本実施例に係る歪抵抗薄膜および当該歪抵抗薄膜を用いたセンサの断面構成を示す。
以下、本実施例に係る歪抵抗薄膜および当該歪抵抗薄膜を用いたセンサについては、図1(a)に示される、Cr/CrSiC2層の積層膜からなる歪抵抗薄膜10を備えたセンサ素子1A[第1例]と、図1(b)に示される、CrSiC/Cr/CrSiC3層の積層膜からなる歪抵抗薄膜20を備えたセンサ素子1B[第2例]の2例に基づき具体的に説明を行う。
ここで、本実施例では第二の薄膜としてCrSiCを単独で用いたが、これに限られず、その一部をドーピング材で置換したものを用いても良い。
第二の薄膜として使用可能な材料の一例、並びにそれらの一部を置換可能なドーピング材の一例を下表に示す。第二の薄膜は、下表に挙げた材料を適宜組み合わせて構成されていても構わない。下表に挙げた材料は、いずれもTCR特性が安定(温度サイクルによる変化が小さい)している膜厚領域(Cr薄膜では、膜厚が100[nm]以上あれば、単層膜でもTCR特性が安定する)で、第一の薄膜とTCR値を比較したときに、第一の薄膜よりもTCR値が小さい。
次に、上記構成からなる本実施例の歪抵抗薄膜10、20の一成膜要領につき説明する。成膜には、市販の薄膜作製装置を使用し得る。本実施例では、その一例として、日新電機株式会社製イオンビームスパッタ装置NIS−250−Lを使用した。
また、第一の薄膜および第二の薄膜の成膜条件は、次表2の通りとした。
なお、膜厚に関してはいずれも、成膜時間により調整した。
以下、上記要領により製造された本実施例の歪抵抗薄膜10、20の諸特性の評価を行った結果につき説明する。はじめに、前提として、評価に用いた各装置の一例を下表に示す。表3に示すように、TCR値は、(株)東陽テクニカ製のホール効果測定装置(型名:ResiTest8308)を用いて対象温度(T)における薄膜の比抵抗(ρ)を測定することにより、式(1)に基づいて(室温−773K(500℃)間の傾きにより算出する場合には式(2)に基づいて)算出した。
図2において、
i)○は室温(RT)から773K(500℃)に昇温(1回目)したときにおけるρ−T特性を、
ii)●は773K(500℃)から室温(RT)に降温(1回目)したときにおけるρ−T特性を、
iii)△は室温(RT)から773K(500℃)に昇温(2回目)したときにおけるρ−T特性を、
iv)▲は773K(500℃)から室温(RT)に降温(2回目)したときにおけるρ−T特性を、
v)□は室温(RT)から773K(500℃)に昇温(3回目)したときにおけるρ−T特性を、
vi)■は773K(500℃)から室温(RT)に降温(3回目)したときにおけるρ−T特性を、それぞれ示す。なお、各グラフの下の説明における()内の数字は、昇温または降温の各回数を、またそれぞれの場合におけるTCR値[ppm・K−1]を示している。
表4に第二の薄膜として用いたCrSiC薄膜およびSiC薄膜のTCR特性を示す。具体的には、昇温ステップ(室温→773K(500[℃]))および降温ステップ(773K(500[℃])→室温)を繰り返したときの各ステップごとに算出したTCR値と、温度サイクル2回目以降(昇温ステップ2〜降温ステップ3)のTCR値の平均値を示す。なお、CrSiC薄膜の膜厚を300[nm]とした。
また、図2の各グラフの下の説明に示した()内のTCR値[ppm・K−1]について見ると、i)の1回目の昇温時においては、第1例で2486[ppm・K−1]、第2例で2748[ppm・K−1]と高い値を示しているものの、それ以外は概ね低い数値(例えば、第2例に係る図2(b)の場合、TCR≒250[ppm・K−1])を示している。したがって、本実施例に係る歪抵抗薄膜によれば、歪抵抗薄膜全体としてのTCR値を低く抑えることが可能であることが明らかとなった。
ここで、第2例の各薄膜の膜厚dに関しては、図2(b)の場合と同様、第一の薄膜21を14[nm]、第一の薄膜21の上部に形成される第二の薄膜22を180[nm]、第一の薄膜21の下部に形成される第二の薄膜23を30[nm]とした。
この結果からも、第2例に係る歪抵抗薄膜は十分高いゲージ率を示すことが推認できる。
ここで、各薄膜の膜厚dに関しては、図4(a)の場合、第一の薄膜21を14[nm]、第一の薄膜21の上部に形成される第二の薄膜22を図の横軸に示される通り可変、第一の薄膜21の下部に形成される第二の薄膜23を30[nm]とした。
なお、図4(b)の場合にあっては、比較検討のため、□、△、○の各プロットで示す通り、第二の薄膜22、23の膜厚dを上記の半分の値(第二の薄膜22を90[nm]、第二の薄膜23を15[nm])とし、第一の薄膜の膜厚を7[nm]としたサンプルで得られたTCR、比抵抗ρおよびゲージ率の各特性を同一グラフ上に例示している。
TCR値は0に近いことが望ましく、ゲージ率は可能な限り高いことが望ましく、比抵抗ρについても少なくとも一定程度の大きさを有していることが望ましいことから、当該積層膜の構成および第二の薄膜の膜厚条件において、第一の薄膜21の膜厚dについては7[nm]以上であることが好ましい。
以上、一実施例に基づき本発明に係る歪抵抗薄膜および当該歪抵抗薄膜を用いたセンサの詳細につき説明したが、本発明に係る歪抵抗薄膜および当該歪抵抗薄膜を用いたセンサについては上記実施例に記載の構成に限定されず、種々の変形実施が可能である。
具体的には、2層膜からなる歪抵抗薄膜10または3層膜からなる歪抵抗薄膜20を2回以上繰り返して、またはこれらを組み合わせて積層し、その上で、第二の薄膜12または第二の薄膜の一つであり、第一の薄膜21の上部に形成される第二の薄膜22が積層膜の表出面Sとして表出している構造としても構わない。このとき、歪抵抗薄膜10または20の組み合わせ体が基板2に電気的に絶縁された状態で備えられることにより、センサ素子1が構成される点は、上記実施例と同様である。
1A、1B センサ素子
1’ センサ素子
2 基板
10 歪抵抗薄膜
11 第一の薄膜
12 第二の薄膜
20 歪抵抗薄膜
21 第一の薄膜
22 第二の薄膜
23 第二の薄膜
111、211 第一面
112、212 第二面
Claims (4)
- 積層膜からなる歪抵抗薄膜であって、
前記積層膜が、
クロム薄膜、酸化クロム薄膜または窒化クロム薄膜からなる第一の薄膜と、
前記第一の薄膜の両主面のうち第一面または前記第一面と第二面に積層され、薄膜の膜厚を同一としたときのTCR値[ppm・K−1]が第一の薄膜より小さい第二の薄膜と
を少なくとも一層以上有し、
前記積層膜を構成する前記第二の薄膜の一つが前記積層膜の表出面として表出していることを特徴とする歪抵抗薄膜。 - 前記第二の薄膜が、CrSiC、SiC、GaN、AlN、BN、SnO2、ダイヤモンドおよびこれらの一部をドーピング材で置換した材料のいずれかまたはこれらの組み合わせからなることを特徴とする請求項1に記載の歪抵抗薄膜。
- 前記歪抵抗薄膜は、比抵抗値ρが1×10−5≦ρ≦1×10−1[Ω・cm]であることを特徴とする請求項1または2に記載の歪抵抗薄膜。
- 測定対象に機械的に接し得る基層と、
前記基層に電気的に絶縁された状態で備えられた、請求項1〜3のいずれかに記載の歪抵抗薄膜とからなることを特徴とする、圧力、加減速度、流量、触覚、力覚またはトルクのいずれかまたはこれらの組み合わせを検出するセンサ素子。
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