JP2014169874A - 温度センサ - Google Patents
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Abstract
【課題】 加熱ローラ等に接触させて温度を検出する際に、高精度で応答性に優れた温度検出が可能な温度センサを提供すること。
【解決手段】 一対のリードフレーム2と、リードフレームに接続されたセンサ部3と、リードフレームを保持する保持部4とを備え、センサ部が、帯状の絶縁性フィルム6と、絶縁性フィルムに形成された薄膜サーミスタ部7と、薄膜サーミスタ部の上に櫛部を有して形成された一対の櫛型電極と、一端が一対の櫛型電極に接続されていると共に他端が絶縁性フィルムの端部でリードフレームに接続された一対のパターン電極9とを備え、絶縁性フィルムの両端部6aが折り返されて一対のリードフレームの上面に重ねられ、さらに一対のリードフレームの先端部2aが、折り返されて両端部6a上に重ねられ、リードフレームの先端部と基端側とが両端部6aを挟んでかしめられている。
【選択図】図1
【解決手段】 一対のリードフレーム2と、リードフレームに接続されたセンサ部3と、リードフレームを保持する保持部4とを備え、センサ部が、帯状の絶縁性フィルム6と、絶縁性フィルムに形成された薄膜サーミスタ部7と、薄膜サーミスタ部の上に櫛部を有して形成された一対の櫛型電極と、一端が一対の櫛型電極に接続されていると共に他端が絶縁性フィルムの端部でリードフレームに接続された一対のパターン電極9とを備え、絶縁性フィルムの両端部6aが折り返されて一対のリードフレームの上面に重ねられ、さらに一対のリードフレームの先端部2aが、折り返されて両端部6a上に重ねられ、リードフレームの先端部と基端側とが両端部6aを挟んでかしめられている。
【選択図】図1
Description
本発明は、複写機やプリンタ等の加熱ローラの温度を測定することに好適な温度センサに関する。
一般に、複写機やプリンタに使用されている加熱ローラには、その温度を測定するために温度センサが接触状態に設置されている。このような温度センサとしては、例えば特許文献1及び2に、一対のリードフレームと、これらのリードフレームの間に配設され接続された感熱素子と、一対のリードフレームの端部に形成された保持部と、リードフレーム及び感熱素子の片面に設けられ加熱ローラに接触させる薄膜シートとを有する温度センサが提案されている。
このような温度センサは、加熱ローラの表面にリードフレームの弾性力を利用して接触され、温度検知するものである。
なお、上記特許文献1には、感熱素子として ビードサーミスタやチップサーミスタが採用されていると共に、特許文献2には、感熱素子として、アルミナ等の絶縁基板の一面に感熱膜が形成された薄膜サーミスタが採用されている。この薄膜サーミスタは、絶縁基板の一面に形成された感熱膜と、該感熱膜と一対のリードフレームとを接続する一対のリード部と、感熱膜を覆う保護膜とで構成されている。
なお、上記特許文献1には、感熱素子として ビードサーミスタやチップサーミスタが採用されていると共に、特許文献2には、感熱素子として、アルミナ等の絶縁基板の一面に感熱膜が形成された薄膜サーミスタが採用されている。この薄膜サーミスタは、絶縁基板の一面に形成された感熱膜と、該感熱膜と一対のリードフレームとを接続する一対のリード部と、感熱膜を覆う保護膜とで構成されている。
上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
すなわち、特許文献1に記載の技術では、感熱素子としてビードサーミスタ等を使用しているが、この場合、約1mm程度の球状或いは楕円状であるために、加熱ローラに点接触するために、正確な温度検知が難しい。また、感熱素子に比較的大きな体積があるため、応答性が悪いという不都合があった。さらに、点接触であるために、回転するローラ表面に傷を付けてしまうおそれもあった。
また、特許文献2に記載の技術では、感熱素子として薄膜サーミスタを使用しているので、加熱ローラには面接触することができるが、薄膜サーミスタを構成する絶縁基板やリード部を含めると、やはり体積があるために、応答性が悪いという問題があった。
すなわち、特許文献1に記載の技術では、感熱素子としてビードサーミスタ等を使用しているが、この場合、約1mm程度の球状或いは楕円状であるために、加熱ローラに点接触するために、正確な温度検知が難しい。また、感熱素子に比較的大きな体積があるため、応答性が悪いという不都合があった。さらに、点接触であるために、回転するローラ表面に傷を付けてしまうおそれもあった。
また、特許文献2に記載の技術では、感熱素子として薄膜サーミスタを使用しているので、加熱ローラには面接触することができるが、薄膜サーミスタを構成する絶縁基板やリード部を含めると、やはり体積があるために、応答性が悪いという問題があった。
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、加熱ローラ等に接触させて温度を検出する際に、高精度で応答性に優れた温度検出が可能な温度センサを提供することを目的とする。
本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、第1の発明に係る温度センサは、一対のリードフレームと、前記一対のリードフレームに接続されたセンサ部と、前記一対のリードフレームに固定されて前記リードフレームを保持する絶縁性の保持部とを備え、前記センサ部が、帯状の絶縁性フィルムと、前記絶縁性フィルムの表面の中央部にサーミスタ材料でパターン形成された薄膜サーミスタ部と、前記薄膜サーミスタ部の上及び下の少なくとも一方に複数の櫛部を有して互いに対向してパターン形成された一対の櫛型電極と、一端が前記一対の櫛型電極に接続されていると共に他端が前記絶縁性フィルムの両端部で前記一対のリードフレームに接触して接続され前記絶縁性フィルムの表面にパターン形成された一対のパターン電極とを備え、前記絶縁性フィルムが前記一対のリードフレームの下面間に架け渡されていると共に、前記絶縁性フィルムの両端部が前記一対のリードフレームの下面側から折り返されて前記一対のリードフレームの上面に重ねられ、さらに前記一対のリードフレームの先端部が、基端側に折り返されて前記絶縁性フィルムの両端部上に重ねられ、前記一対のリードフレームの先端部と基端側とが前記絶縁性フィルムの両端部を挟んでかしめられていることを特徴とする。
この温度センサでは、絶縁性フィルムの両端部が一対のリードフレームの下面側から折り返されて一対のリードフレームの上面に重ねられ、さらに一対のリードフレームの先端部が、基端側に折り返されて絶縁性フィルムの両端部上に重ねられ、一対のリードフレームの先端部と基端側とが絶縁性フィルムの両端部を挟んでかしめられているので、絶縁性フィルムの両端部に配されたパターン電極の他端がリードフレームに接触した状態で固定される。これによって、導電性接着剤やはんだを用いることなく、センサ部を一対のリードフレーム間に架け渡して固定すると共にパターン電極とリードフレームとの電気的接続を行うことができる。したがって、導電性接着剤やはんだの使用温度よりも高温で使用することが可能になる。
また、薄い絶縁性フィルムと、絶縁性フィルムに直接形成された薄膜サーミスタ部とにより、全体の厚みが薄くなり、小さい体積によって優れた応答性を得ることができる。
また、一対のリードフレームが、一対のパターン電極に接続されているので、薄膜サーミスタ部とリードフレームとが絶縁性フィルムに直接形成されたパターン電極で接続されることで、パターン形成された薄い配線により、リード線等で接続された場合に比べてリードフレーム側との熱伝導性の影響が抑制される。
なお、測定対象物に対する接触部分、すなわち一対のリードフレームの下面間に架け渡されたセンサ部の平坦性が高く、面接触するために、正確な温度検知が可能であると共に回転する加熱ローラ等の測定対象物の表面を傷付け難い。
また、薄い絶縁性フィルムと、絶縁性フィルムに直接形成された薄膜サーミスタ部とにより、全体の厚みが薄くなり、小さい体積によって優れた応答性を得ることができる。
また、一対のリードフレームが、一対のパターン電極に接続されているので、薄膜サーミスタ部とリードフレームとが絶縁性フィルムに直接形成されたパターン電極で接続されることで、パターン形成された薄い配線により、リード線等で接続された場合に比べてリードフレーム側との熱伝導性の影響が抑制される。
なお、測定対象物に対する接触部分、すなわち一対のリードフレームの下面間に架け渡されたセンサ部の平坦性が高く、面接触するために、正確な温度検知が可能であると共に回転する加熱ローラ等の測定対象物の表面を傷付け難い。
第2の発明に係る温度センサは、第1の発明において、前記一対のリードフレームの先端部が、前記絶縁性フィルムを越えて折り返され、前記先端部のうち前記絶縁性フィルムを越えた部分とこの部分が重なった前記リードフレームの基端側の部分とが溶接されていることを特徴とする。
すなわち、この温度センサでは、一対のリードフレームの先端部のうち絶縁性フィルムを越えた部分とこの部分が重なったリードフレームの基端側の部分とが溶接されているので、リードフレームの折り返された先端部が溶接で強固に基端側と固定されて、センサ部をさらに強固に挟持することができる。
すなわち、この温度センサでは、一対のリードフレームの先端部のうち絶縁性フィルムを越えた部分とこの部分が重なったリードフレームの基端側の部分とが溶接されているので、リードフレームの折り返された先端部が溶接で強固に基端側と固定されて、センサ部をさらに強固に挟持することができる。
第3の発明に係る温度センサは、第1又は第2の発明において、前記一対のリードフレームが、折り返され前記絶縁性フィルムの両端部に重なる前記先端部の内面に凸部が形成されていることを特徴とする。
すなわち、この温度センサでは、一対のリードフレームが、折り返され絶縁性フィルムの両端部に重なる先端部の内面に凸部が形成されているので、かしめられた際に凸部が絶縁性フィルムにくい込むように当接することで、より確実にかつ位置ずれし難く安定して固定することができる。
すなわち、この温度センサでは、一対のリードフレームが、折り返され絶縁性フィルムの両端部に重なる先端部の内面に凸部が形成されているので、かしめられた際に凸部が絶縁性フィルムにくい込むように当接することで、より確実にかつ位置ずれし難く安定して固定することができる。
第4の発明に係る温度センサは、第1から第3の発明のいずれかにおいて、前記センサ部の表面が、折り返された前記一対のリードフレームの先端部と共に絶縁性保護シートで覆われていることを特徴とする。
すなわち、この温度センサでは、センサ部の表面が、折り返された一対のリードフレームの先端部と共に絶縁性保護シートで覆われているので、絶縁性保護シートによってセンサ部の表面が保護されると共にセンサ部とリードフレームとの固定が補強され、全体の剛性を向上させることもできる。
すなわち、この温度センサでは、センサ部の表面が、折り返された一対のリードフレームの先端部と共に絶縁性保護シートで覆われているので、絶縁性保護シートによってセンサ部の表面が保護されると共にセンサ部とリードフレームとの固定が補強され、全体の剛性を向上させることもできる。
第5の発明に係る温度センサは、第1から第4の発明のいずれかにおいて、前記薄膜サーミスタ部が、一般式:TixAlyNz(0.70≦y/(x+y)≦0.95、0.4≦z≦0.5、x+y+z=1)で示される金属窒化物からなり、その結晶構造が、六方晶系のウルツ鉱型の単相であることを特徴とする。
一般に、温度センサ等に使用されるサーミスタ材料は、高精度、高感度のために、高いB定数が求められている。従来、このようなサーミスタ材料には、Mn,Co,Fe等の遷移金属酸化物が一般的である。また、これらのサーミスタ材料では、安定なサーミスタ特性を得るために、600℃以上の焼成が必要である。
また、上記のような金属酸化物からなるサーミスタ材料の他に、例えば特許文献3では、一般式:MxAyNz(但し、MはTa,Nb,Cr,Ti及びZrの少なくとも1種、AはAl,Si及びBの少なくとも1種を示す。0.1≦x≦0.8、0<y≦0.6、0.1≦z≦0.8、x+y+z=1)で示される窒化物からなるサーミスタ用材料が提案されている。また、この特許文献3では、Ta−Al−N系材料で、0.5≦x≦0.8、0.1≦y≦0.5、0.2≦z≦0.7、x+y+z=1としたものだけが実施例として記載されている。このTa−Al−N系材料では、上記元素を含む材料をターゲットとして用い、窒素ガス含有雰囲気中でスパッタリングを行って作製されている。また、必要に応じて、得られた薄膜を350〜600℃で熱処理を行っている。
近年、樹脂フィルム上にサーミスタ材料を形成したフィルム型サーミスタセンサの開発が検討されており、フィルムに直接成膜できるサーミスタ材料の開発が望まれている。すなわち、フィルムを用いることで、フレキシブルなサーミスタセンサが得られることが期待される。さらに、0.1mm程度の厚さを持つ非常に薄いサーミスタセンサの開発が望まれているが、従来はアルミナ等のセラミックス材料を用いた基板材料がしばしば用いられ、例えば、厚さ0.1mmへと薄くすると非常に脆く壊れやすい等の問題があったが、フィルムを用いることで非常に薄いサーミスタセンサが得られることが期待される。
従来、TiAlNからなる窒化物系サーミスタを形成した温度センサでは、フィルム上にTiAlNからなるサーミスタ材料層と電極とを積層して形成する場合、サーミスタ材料層上にAu等の電極層を成膜し、複数の櫛部を有した櫛型にパターニングしている。しかし、このサーミスタ材料層は、曲率半径が大きく緩やかに曲げられた場合には、クラックが生じ難く抵抗値等の電気特性に変化がないが、曲率半径が小さくきつく曲げた場合に、クラックが発生し易くなり、抵抗値等が大きく変化して電気特性の信頼性が低くなってしまう。特に、フィルムを櫛部の延在方向に直交する方向に小さい曲率半径できつく曲げた場合、櫛部の延在方向に曲げた場合に比べて櫛型電極とサーミスタ材料層との応力差により、電極エッジ付近にクラックが発生し易くなり、電気特性の信頼性が低下してしまう不都合があった。
従来、TiAlNからなる窒化物系サーミスタを形成した温度センサでは、フィルム上にTiAlNからなるサーミスタ材料層と電極とを積層して形成する場合、サーミスタ材料層上にAu等の電極層を成膜し、複数の櫛部を有した櫛型にパターニングしている。しかし、このサーミスタ材料層は、曲率半径が大きく緩やかに曲げられた場合には、クラックが生じ難く抵抗値等の電気特性に変化がないが、曲率半径が小さくきつく曲げた場合に、クラックが発生し易くなり、抵抗値等が大きく変化して電気特性の信頼性が低くなってしまう。特に、フィルムを櫛部の延在方向に直交する方向に小さい曲率半径できつく曲げた場合、櫛部の延在方向に曲げた場合に比べて櫛型電極とサーミスタ材料層との応力差により、電極エッジ付近にクラックが発生し易くなり、電気特性の信頼性が低下してしまう不都合があった。
また、樹脂材料で構成されるフィルムは、一般的に耐熱温度が150℃以下と低く、比較的耐熱温度の高い材料として知られるポリイミドでも300℃程度の耐熱性しかないため、サーミスタ材料の形成工程において熱処理が加わる場合は、適用が困難であった。上記従来の酸化物サーミスタ材料では、所望のサーミスタ特性を実現するために600℃以上の焼成が必要であり、フィルムに直接成膜したフィルム型サーミスタセンサを実現できないという問題点があった。そのため、非焼成で直接成膜できるサーミスタ材料の開発が望まれているが、上記特許文献3に記載のサーミスタ材料でも、所望のサーミスタ特性を得るために、必要に応じて、得られた薄膜を350〜600℃で熱処理する必要があった。また、このサーミスタ材料では、Ta−Al−N系材料の実施例において、B定数:500〜3000K程度の材料が得られているが、耐熱性に関する記述がなく、窒化物系材料の熱的信頼性が不明であった。
本発明者らは、窒化物材料の中でもAlN系に着目し、鋭意、研究を進めたところ、絶縁体であるAlNは、最適なサーミスタ特性(B定数:1000〜6000K程度)を得ることが難しいため、Alサイトを電気伝導を向上させる特定の金属元素で置換すると共に、特定の結晶構造とすることで、非焼成で良好なB定数と耐熱性とが得られることを見出した。
したがって、本発明は、上記知見から得られたものであり、薄膜サーミスタ部が、一般式:TixAlyNz(0.70≦y/(x+y)≦0.95、0.4≦z≦0.5、x+y+z=1)で示される金属窒化物からなり、その結晶構造が、六方晶系のウルツ鉱型の単相であるので、非焼成で良好なB定数が得られると共に高い耐熱性を有している。
したがって、本発明は、上記知見から得られたものであり、薄膜サーミスタ部が、一般式:TixAlyNz(0.70≦y/(x+y)≦0.95、0.4≦z≦0.5、x+y+z=1)で示される金属窒化物からなり、その結晶構造が、六方晶系のウルツ鉱型の単相であるので、非焼成で良好なB定数が得られると共に高い耐熱性を有している。
なお、上記「y/(x+y)」(すなわち、Al/(Ti+Al))が0.70未満であると、ウルツ鉱型の単相が得られず、NaCl型相との共存相又はNaCl型相のみの相となってしまい、十分な高抵抗と高B定数とが得られない。
また、上記「y/(x+y)」(すなわち、Al/(Ti+Al))が0.95をこえると、抵抗率が非常に高く、きわめて高い絶縁性を示すため、サーミスタ材料として適用できない。
また、上記「z」(すなわち、N/(Ti+Al+N))が0.4未満であると、金属の窒化量が少ないため、ウルツ鉱型の単相が得られず、十分な高抵抗と高B定数とが得られない。
さらに、上記「z」(すなわち、N/(Ti+Al+N))が0.5を超えると、ウルツ鉱型の単相を得ることができない。このことは、ウルツ鉱型の単相において、窒素サイトにおける欠陥がない場合の正しい化学量論比は、N/(Ti+Al+N)=0.5であることに起因する。
また、上記「y/(x+y)」(すなわち、Al/(Ti+Al))が0.95をこえると、抵抗率が非常に高く、きわめて高い絶縁性を示すため、サーミスタ材料として適用できない。
また、上記「z」(すなわち、N/(Ti+Al+N))が0.4未満であると、金属の窒化量が少ないため、ウルツ鉱型の単相が得られず、十分な高抵抗と高B定数とが得られない。
さらに、上記「z」(すなわち、N/(Ti+Al+N))が0.5を超えると、ウルツ鉱型の単相を得ることができない。このことは、ウルツ鉱型の単相において、窒素サイトにおける欠陥がない場合の正しい化学量論比は、N/(Ti+Al+N)=0.5であることに起因する。
本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係る温度センサによれば、絶縁性フィルムの両端部が一対のリードフレームの下面側から折り返されて一対のリードフレームの上面に重ねられ、さらに、一対のリードフレームの先端部が、基端側に折り返され上面に重なっている絶縁性フィルムの両端部を挟んでかしめられているので、絶縁性フィルムの両端部に配されたパターン電極の他端がリードフレームに接触した状態で固定される。これにより、柔軟な絶縁性フィルムの平坦面によって測定対象物を傷付けずに面接触して正確な温度検知が可能になる。
また、薄膜サーミスタ部を、一般式:TixAlyNz(0.70≦y/(x+y)≦0.95、0.4≦z≦0.5、x+y+z=1)で示される金属窒化物からなり、その結晶構造が、六方晶系のウルツ鉱型の単相である材料とすることで、非焼成で良好なB定数が得られると共に高い耐熱性が得られる。
したがって、本発明の温度センサによれば、一対のリードフレームに固定され平坦面を有したセンサ部によって安定した面接触が可能であると共に、高い応答性で正確に温度を測定することができ、複写機やプリンタ等の加熱ローラの温度用として好適である。
すなわち、本発明に係る温度センサによれば、絶縁性フィルムの両端部が一対のリードフレームの下面側から折り返されて一対のリードフレームの上面に重ねられ、さらに、一対のリードフレームの先端部が、基端側に折り返され上面に重なっている絶縁性フィルムの両端部を挟んでかしめられているので、絶縁性フィルムの両端部に配されたパターン電極の他端がリードフレームに接触した状態で固定される。これにより、柔軟な絶縁性フィルムの平坦面によって測定対象物を傷付けずに面接触して正確な温度検知が可能になる。
また、薄膜サーミスタ部を、一般式:TixAlyNz(0.70≦y/(x+y)≦0.95、0.4≦z≦0.5、x+y+z=1)で示される金属窒化物からなり、その結晶構造が、六方晶系のウルツ鉱型の単相である材料とすることで、非焼成で良好なB定数が得られると共に高い耐熱性が得られる。
したがって、本発明の温度センサによれば、一対のリードフレームに固定され平坦面を有したセンサ部によって安定した面接触が可能であると共に、高い応答性で正確に温度を測定することができ、複写機やプリンタ等の加熱ローラの温度用として好適である。
以下、本発明に係る温度センサにおける第1実施形態を、図1から図11を参照しながら説明する。なお、以下の説明に用いる図面の一部では、各部を認識可能又は認識容易な大きさとするために必要に応じて縮尺を適宜変更している。
本実施形態の温度センサ1は、図1及び図2に示すように、一対のリードフレーム2と、一対のリードフレーム2に接続されたセンサ部3と、一対のリードフレーム2に固定されてリードフレーム2を保持する絶縁性の保持部4とを備えている。
上記センサ部3は、帯状の絶縁性フィルム6と、絶縁性フィルム6の表面の中央部にサーミスタ材料でパターン形成された薄膜サーミスタ部7と、薄膜サーミスタ部7の上に複数の櫛部8aを有して互いに対向してパターン形成された一対の櫛型電極8と、一端が一対の櫛型電極8に接続されていると共に他端が絶縁性フィルム6の両端部6aで一対のリードフレーム2に接触して接続され絶縁性フィルム6の表面にパターン形成された一対のパターン電極9とを備えている。
上記センサ部3は、帯状の絶縁性フィルム6と、絶縁性フィルム6の表面の中央部にサーミスタ材料でパターン形成された薄膜サーミスタ部7と、薄膜サーミスタ部7の上に複数の櫛部8aを有して互いに対向してパターン形成された一対の櫛型電極8と、一端が一対の櫛型電極8に接続されていると共に他端が絶縁性フィルム6の両端部6aで一対のリードフレーム2に接触して接続され絶縁性フィルム6の表面にパターン形成された一対のパターン電極9とを備えている。
上記絶縁性フィルム6は、一対のリードフレーム2の下面間に架け渡されていると共に、絶縁性フィルム6の両端部6aが一対のリードフレーム2の下面側から折り返されて一対のリードフレーム2の上面に重ねられている。
さらに、一対のリードフレーム2の先端部2aは、基端側に折り返されて絶縁性フィルム6の両端部6a上に重ねられ、一対のリードフレーム2の先端部2aと基端側とが絶縁性フィルム6の両端部6aを挟んでかしめられている。
さらに、一対のリードフレーム2の先端部2aは、基端側に折り返されて絶縁性フィルム6の両端部6a上に重ねられ、一対のリードフレーム2の先端部2aと基端側とが絶縁性フィルム6の両端部6aを挟んでかしめられている。
また、一対のリードフレーム2の先端部2aは、絶縁性フィルム6を越えて折り返され、先端部2aのうち絶縁性フィルム6を越えた部分2bとこの部分2bが重なったリードフレーム2の基端側の部分とが抵抗溶接によって溶接されている。さらに、リードフレーム2の折り曲げ部2c近傍にも抵抗溶接を行って前後2箇所でリードフレーム2の先端部2aを溶接し、強固にセンサ部3を挟んで支持している。なお、上記かしめによって十分にセンサ部3が固定され、電気的接続を安定して確保できる場合は、上記溶接を行わなくても構わない。
上記センサ部3の表面は、折り返された一対のリードフレーム2の先端部2aと共に絶縁性保護シート11で覆われている。この絶縁性保護シート11は、一対のリードフレーム2の基端部近傍まで延在して一対のリードフレーム2の上面にも貼り付けられて、これら一対のリードフレーム2を支持している。
本実施形態の温度センサ1は、図4に示すように、リードフレーム2の下面側に配されたセンサ部3を測定対象物Rに接触させて温度を測定することができる。なお、上記測定対象物Rは、例えば複写機やプリンタ等の加熱ローラである。
上記一対のリードフレーム2は、銅系合金、鉄系合金又はステンレス等の合金で形成されており、樹脂製の保持部4によって互いに一定間隔を保持した状態で支持されている。なお、一対のリードフレーム2は、保持部4内で一対のリード線5に接続されている。また、保持部4には、取付孔4aが形成されている。
また、本実施形態の温度センサ1は、パターン電極9の基端部(接続用パッド部9a)が配されている絶縁性フィルム6の両端部を除いて、絶縁性フィルム6上に形成され薄膜サーミスタ部7、櫛型電極8及びパターン電極9を覆う保護膜10を備えている。
なお、本実施形態では、薄膜サーミスタ部7の上に櫛型電極8を形成しているが、薄膜サーミスタ部7の下に櫛型電極を形成しても構わない。
なお、本実施形態では、薄膜サーミスタ部7の上に櫛型電極8を形成しているが、薄膜サーミスタ部7の下に櫛型電極を形成しても構わない。
また、一対のパターン電極9は、絶縁性フィルム6の中央部に配された薄膜サーミスタ部7上の櫛部8aから絶縁性フィルム6の両端部6aまで延在している。なお、パターン電極9の他端には、接続用パッド部9aが形成されている。
さらに、一対のリードフレーム2の先端部2aが、絶縁性フィルム6の両端部6aでパターン電極9に接続されている。すなわち、上述したように、絶縁性フィルム6の両端部6aが折り曲げられてリードフレーム2の上面に接続用パッド部9aが重なって接触している。
さらに、一対のリードフレーム2の先端部2aが、絶縁性フィルム6の両端部6aでパターン電極9に接続されている。すなわち、上述したように、絶縁性フィルム6の両端部6aが折り曲げられてリードフレーム2の上面に接続用パッド部9aが重なって接触している。
上記絶縁性フィルム6は、例えば厚さ50〜125μmのポリイミド樹脂シートで帯状に形成されている。なお、絶縁性フィルム6の厚さは、上記範囲よりも薄いと十分な剛性が得難く、上記範囲よりも厚いと応答性が低くなるおそれがある。また、絶縁性フィルム6としては、他にPET:ポリエチレンテレフタレート,PEN:ポリエチレンナフタレート等でも作製できるが、加熱ローラの温度測定用としては、最高使用温度が180℃と高いためポリイミドフィルムが望ましい。
上記薄膜サーミスタ部7は、絶縁性フィルム6の中央部に配され、TiAlNのサーミスタ材料で形成されている。特に、薄膜サーミスタ部7は、一般式:TixAlyNz(0.70≦y/(x+y)≦0.95、0.4≦z≦0.5、x+y+z=1)で示される金属窒化物からなり、その結晶構造が、六方晶系のウルツ鉱型の単相である。
上記パターン電極9及び櫛型電極8は、薄膜サーミスタ部7上に形成された膜厚5〜100nmのCr又はNiCrの接合層と、該接合層上にAu等の貴金属で膜厚50〜1000nmで形成された電極層とを有している。
一対の櫛型電極8は、互いに対向状態に配されて交互に櫛部8aが並んだ櫛型パターンとされている。
一対の櫛型電極8は、互いに対向状態に配されて交互に櫛部8aが並んだ櫛型パターンとされている。
なお、櫛部8aは、絶縁性フィルム6の延在方向に沿って延在している。すなわち、センサ部3を、回転する加熱ローラに押し当てされて温度測定を行うが、絶縁性フィルム6の延在方向に曲率を有して円弧状に曲げられているため、薄膜サーミスタ部7にも同方向に曲げ応力が加わる。このとき、櫛部8aが同方向に延在しているため、薄膜サーミスタ部7を補強することになり、クラックの発生を抑制することができる。
上記保護膜10は、絶縁性樹脂膜等であり、例えば厚さ20μmのポリイミド膜が採用される。この保護膜10は、接続用パッド部9aを除いて絶縁性フィルム6に印刷される。なお、ポリイミドカバーレイフィルムを絶縁性フィルム6に接着剤で接着して保護膜10としても構わない。
上記薄膜サーミスタ部7は、上述したように、金属窒化物材料であって、一般式:TixAlyNz(0.70≦y/(x+y)≦0.95、0.4≦z≦0.5、x+y+z=1)で示される金属窒化物からなり、その結晶構造が、六方晶系の結晶系であってウルツ鉱型(空間群P63mc(No.186))の単相である。すなわち、この金属窒化物材料は、図3に示すように、Ti−Al−N系3元系相図における点A,B,C,Dで囲まれる領域内の組成を有し、結晶相がウルツ鉱型である金属窒化物である。
なお、上記点A,B,C,Dの各組成比(x、y、z)(原子%)は、A(15、35、50),B(2.5、47.5、50),C(3、57、40),D(18、42、40)である。
なお、上記点A,B,C,Dの各組成比(x、y、z)(原子%)は、A(15、35、50),B(2.5、47.5、50),C(3、57、40),D(18、42、40)である。
また、この薄膜サーミスタ部7は、例えば膜厚100〜1000nmの膜状に形成され、前記膜の表面に対して垂直方向に延在している柱状結晶である。さらに、膜の表面に対して垂直方向にa軸よりc軸が強く配向していることが好ましい。
なお、膜の表面に対して垂直方向(膜厚方向)にa軸配向(100)が強いかc軸配向(002)が強いかの判断は、X線回折(XRD)を用いて結晶軸の配向性を調べることで、(100)(a軸配向を示すミラー指数)と(002)(c軸配向を示すミラー指数)とのピーク強度比から、「(100)のピーク強度」/「(002)のピーク強度」が1未満であることで決定する。
なお、膜の表面に対して垂直方向(膜厚方向)にa軸配向(100)が強いかc軸配向(002)が強いかの判断は、X線回折(XRD)を用いて結晶軸の配向性を調べることで、(100)(a軸配向を示すミラー指数)と(002)(c軸配向を示すミラー指数)とのピーク強度比から、「(100)のピーク強度」/「(002)のピーク強度」が1未満であることで決定する。
この温度センサ1の製造方法について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態の温度センサ1の製造方法は、絶縁性フィルム6上に薄膜サーミスタ部7をパターン形成する薄膜サーミスタ部形成工程と、互いに対向した一対の櫛型電極8を薄膜サーミスタ部7上に配して絶縁性フィルム6上に一対のパターン電極9をパターン形成する電極形成工程と、絶縁性フィルム6の表面に保護膜10を形成する保護膜形成工程と、センサ部3にリードフレーム2を取り付けるリードフレーム取り付け工程とを有している。
本実施形態の温度センサ1の製造方法は、絶縁性フィルム6上に薄膜サーミスタ部7をパターン形成する薄膜サーミスタ部形成工程と、互いに対向した一対の櫛型電極8を薄膜サーミスタ部7上に配して絶縁性フィルム6上に一対のパターン電極9をパターン形成する電極形成工程と、絶縁性フィルム6の表面に保護膜10を形成する保護膜形成工程と、センサ部3にリードフレーム2を取り付けるリードフレーム取り付け工程とを有している。
より具体的な製造方法の例としては、厚さ50μmのポリイミドフィルムの絶縁性フィルム6上に、Ti−Al合金スパッタリングターゲットを用い、窒素含有雰囲気中で反応性スパッタ法にて、TixAlyNz(x=9、y=43、z=48)のサーミスタ膜を膜厚200nmで形成する。その時のスパッタ条件は、到達真空度5×10−6Pa、スパッタガス圧0.4Pa、ターゲット投入電力(出力)200Wで、Arガス+窒素ガスの混合ガス雰囲気下において、窒素ガス分率を20%で作製する。
成膜したサーミスタ膜の上にレジスト液をバーコーターで塗布した後、110℃で1分30秒のプリベークを行い、露光装置で感光後、現像液で不要部分を除去し、さらに150℃で5分のポストベークにてパターニングを行う。その後、不要なTixAlyNzのサーミスタ膜を市販のTiエッチャントでウェットエッチングを行い、図5に示すように、レジスト剥離にて所望の形状の薄膜サーミスタ部7にする。
次に、薄膜サーミスタ部7及び絶縁性フィルム6上に、スパッタ法にて、Cr膜の接合層を膜厚20nm形成する。さらに、この接合層上に、スパッタ法にてAu膜の電極層を膜厚100nm形成する。
次に、成膜した電極層の上にレジスト液をバーコーターで塗布した後、110℃で1分30秒のプリベークを行い、露光装置で感光後、現像液で不要部分を除去し、150℃で5分のポストベークにてパターニングを行う。その後、不要な電極部分を市販のAuエッチャント及びCrエッチャントの順番でウェットエッチングを行い、図6に示すように、レジスト剥離にて所望の櫛型電極8及びパターン電極9を形成する。
次に、成膜した電極層の上にレジスト液をバーコーターで塗布した後、110℃で1分30秒のプリベークを行い、露光装置で感光後、現像液で不要部分を除去し、150℃で5分のポストベークにてパターニングを行う。その後、不要な電極部分を市販のAuエッチャント及びCrエッチャントの順番でウェットエッチングを行い、図6に示すように、レジスト剥離にて所望の櫛型電極8及びパターン電極9を形成する。
さらに、その上にポリイミドワニスを印刷法により塗布して、250℃、30分でキュアを行い、図7に示すように、20μm厚のポリイミド保護膜10を形成する。このようにしてフィルム型サーミスタであるセンサ部3が作製される。
次に、図8に示すように、センサ部3を一対のリードフレーム2の下面側に配し、絶縁性フィルム6を一対のリードフレームの下面間に架け渡す。このとき、センサ部3は、直線状に延在するリードフレーム2の途中に配置し、センサ部3からリードフレーム2の先端部2aが突出した状態とする。
さらに、図9に示すように、絶縁性フィルム6の両端部6aを一対のリードフレーム2の下面側から折り返して一対のリードフレーム2の上面に重ねる。このとき、接続用パッド部9aをリードフレーム2の上面に接触させる。
さらに、図9に示すように、絶縁性フィルム6の両端部6aを一対のリードフレーム2の下面側から折り返して一対のリードフレーム2の上面に重ねる。このとき、接続用パッド部9aをリードフレーム2の上面に接触させる。
さらに、一対のリードフレーム2の先端部2aを、図10に示すように、基端側に折り返して絶縁性フィルム6の両端部6a上に重ね、上下でかしめる。このとき、一対のリードフレーム2の先端部2aを、絶縁性フィルム6を越えるように折り返し、先端部2aの先端側をセンサ部3よりも基端側のリードフレーム2上に重ねる。
次に、図11に示すように、先端部2aのうち絶縁性フィルム6を越えた部分2bとこの部分2bが重なったリードフレーム2の基端側の部分とを抵抗溶接する。また、センサ部3より先端側にあるリードフレーム2の折り曲げ部2cの近傍も抵抗溶接する。
次に、図11に示すように、先端部2aのうち絶縁性フィルム6を越えた部分2bとこの部分2bが重なったリードフレーム2の基端側の部分とを抵抗溶接する。また、センサ部3より先端側にあるリードフレーム2の折り曲げ部2cの近傍も抵抗溶接する。
最後に、接着材付きポリイミドフィルムである絶縁性保護シート11を、センサ部3の表面に貼り付ける。このとき、折り返された一対のリードフレーム2の先端部2aも絶縁性保護シート11で覆う。また、絶縁性保護シート11を、一対のリードフレーム2の基端近傍まで貼り付けることで、本実施形態の温度センサ1が作製される。
なお、複数のセンサ部3を同時に作製する場合、絶縁性フィルム6の大判シートに複数の薄膜サーミスタ部7、櫛型電極8、パターン電極9及び保護膜10を上述のように形成した後に、大判シートから各センサ部3に切断する。
このように本実施形態の温度センサ1では、絶縁性フィルム6の両端部6aが一対のリードフレーム2の下面側から折り返されて一対のリードフレーム2の上面に重ねられ、さらに一対のリードフレーム2の先端部2aが、基端側に折り返されて絶縁性フィルム6の両端部6a上に重ねられ、一対のリードフレーム2の先端部2aと基端側とが絶縁性フィルム6の両端部6aを挟んでかしめられているので、絶縁性フィルム6の両端部6aに配されたパターン電極9の他端がリードフレーム2に接触した状態で固定される。これによって、導電性接着剤やはんだを用いることなく、センサ部3を一対のリードフレーム2間に架け渡して固定すると共にパターン電極9とリードフレーム2との電気的接続を行うことができる。したがって、導電性接着剤やはんだの使用温度よりも高温で使用することが可能になる。
また、薄い絶縁性フィルム6と、絶縁性フィルム6に直接形成された薄膜サーミスタ部7とにより、全体の厚みが薄くなり、小さい体積によって優れた応答性を得ることができる。
また、一対のリードフレーム2が、一対のパターン電極9に接続されているので、薄膜サーミスタ部7とリードフレーム2とが絶縁性フィルム6に直接形成されたパターン電極9で接続されることで、パターン形成された薄い配線により、リード線等で接続された場合に比べてリードフレーム2側との熱伝導性の影響が抑制される。
なお、測定対象物Rに対する接触部分、すなわち一対のリードフレーム2の下面間に架け渡されたセンサ部3の平坦性が高く、面接触するために、正確な温度検知が可能であると共に回転する加熱ローラ等の測定対象物Rの表面を傷付け難い。
また、一対のリードフレーム2が、一対のパターン電極9に接続されているので、薄膜サーミスタ部7とリードフレーム2とが絶縁性フィルム6に直接形成されたパターン電極9で接続されることで、パターン形成された薄い配線により、リード線等で接続された場合に比べてリードフレーム2側との熱伝導性の影響が抑制される。
なお、測定対象物Rに対する接触部分、すなわち一対のリードフレーム2の下面間に架け渡されたセンサ部3の平坦性が高く、面接触するために、正確な温度検知が可能であると共に回転する加熱ローラ等の測定対象物Rの表面を傷付け難い。
また、一対のリードフレーム2の先端部2aのうち絶縁性フィルム6を越えた部分2bとこの部分2bが重なったリードフレーム2の基端側の部分とが溶接されているので、リードフレーム2の折り返された先端部2aが溶接で強固に基端側と固定されて、センサ部3をさらに強固に挟持することができる。
また、センサ部3の表面が、折り返された一対のリードフレーム2の先端部2aと共に絶縁性保護シート11で覆われているので、絶縁性保護シート11によってセンサ部3の表面が保護されると共にセンサ部3とリードフレーム2との固定が補強され、全体の剛性を向上させることもできる。
また、センサ部3の表面が、折り返された一対のリードフレーム2の先端部2aと共に絶縁性保護シート11で覆われているので、絶縁性保護シート11によってセンサ部3の表面が保護されると共にセンサ部3とリードフレーム2との固定が補強され、全体の剛性を向上させることもできる。
また、薄膜サーミスタ部7が、一般式:TixAlyNz(0.70≦y/(x+y)≦0.95、0.4≦z≦0.5、x+y+z=1)で示される金属窒化物からなり、その結晶構造が、六方晶系の結晶系であってウルツ鉱型の単相であるので、非焼成で良好なB定数が得られると共に高い耐熱性を有している。
また、この金属窒化物材料では、膜の表面に対して垂直方向に延在している柱状結晶であるので、膜の結晶性が高く、高い耐熱性が得られる。
さらに、この金属窒化物材料では、膜の表面に対して垂直方向にa軸よりc軸を強く配向させることで、a軸配向が強い場合に比べて高いB定数が得られる。
また、この金属窒化物材料では、膜の表面に対して垂直方向に延在している柱状結晶であるので、膜の結晶性が高く、高い耐熱性が得られる。
さらに、この金属窒化物材料では、膜の表面に対して垂直方向にa軸よりc軸を強く配向させることで、a軸配向が強い場合に比べて高いB定数が得られる。
なお、本実施形態のサーミスタ材料層(薄膜サーミスタ部7)の製造方法では、Ti−Al合金スパッタリングターゲットを用いて窒素含有雰囲気中で反応性スパッタを行って成膜するので、上記TiAlNからなる上記金属窒化物材料を非焼成で成膜することができる。
また、反応性スパッタにおけるスパッタガス圧を、0.67Pa未満に設定することで、膜の表面に対して垂直方向にa軸よりc軸が強く配向している金属窒化物材料の膜を形成することができる。
また、反応性スパッタにおけるスパッタガス圧を、0.67Pa未満に設定することで、膜の表面に対して垂直方向にa軸よりc軸が強く配向している金属窒化物材料の膜を形成することができる。
したがって、本実施形態の温度センサ1では、絶縁性フィルム6上に上記サーミスタ材料層で薄膜サーミスタ部7が形成されているので、非焼成で形成され高B定数で耐熱性の高い薄膜サーミスタ部7により、樹脂フィルム等の耐熱性の低い絶縁性フィルム6を用いることができると共に、良好なサーミスタ特性を有した薄型でフレキシブルなサーミスタセンサが得られる。
また、従来アルミナ等のセラミックスを用いた基板材料がしばしば用いられ、例えば、厚さ0.1mmへと薄くすると非常に脆く壊れやすい等の問題があったが、本発明においてはフィルムを用いることができるので、上記のように、例えば厚さ0.1mmの非常に薄いフィルム型サーミスタセンサ(センサ部3)を得ることができる。
また、従来アルミナ等のセラミックスを用いた基板材料がしばしば用いられ、例えば、厚さ0.1mmへと薄くすると非常に脆く壊れやすい等の問題があったが、本発明においてはフィルムを用いることができるので、上記のように、例えば厚さ0.1mmの非常に薄いフィルム型サーミスタセンサ(センサ部3)を得ることができる。
次に、本発明に係る温度センサの第2実施形態について、図12及び図13を参照して以下に説明する。なお、以下の実施形態の説明において、上記実施形態において説明した同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。
第2実施形態と第1実施形態との異なる点は、第1実施形態では、リードフレーム2の折り曲げられた先端部2aにおいて、内面が平坦面であるのに対し、第2実施形態の温度センサ21では、図12及び図13に示すように、一対のリードフレーム2が、折り返され絶縁性フィルム6の両端部6aに重なる先端部2aの内面に凸部2dが形成されている点である。
すなわち、第2実施形態では、図13に示すように、折り曲げ前の先端部2aの上面に複数の凸部2dが形成されており、図12に示すように、先端部2aを折り曲げた際に、折り曲げられた絶縁性フィルム6の両端部6aを凸部2dが押し付けた状態でかしめられている。
すなわち、第2実施形態では、図13に示すように、折り曲げ前の先端部2aの上面に複数の凸部2dが形成されており、図12に示すように、先端部2aを折り曲げた際に、折り曲げられた絶縁性フィルム6の両端部6aを凸部2dが押し付けた状態でかしめられている。
このように第2実施形態の温度センサ21では、一対のリードフレーム2が、折り返され絶縁性フィルム6の両端部6aに重なる先端部2あの内面に凸部2dが形成されているので、かしめられた際に凸部2dが絶縁性フィルム6にくい込むように当接することで、より確実にかつ位置ずれし難く安定して固定することができる。
次に、本発明に係る温度センサについて、上記実施形態に基づいて作製した実施例により評価した結果を、図14から図22を参照して具体的に説明する。
<膜評価用素子の作製>
本発明のサーミスタ材料層(薄膜サーミスタ部7)の評価を行う実施例及び比較例として、図14に示す膜評価用素子121を次のように作製した。
まず、反応性スパッタ法にて、様々な組成比のTi−Al合金ターゲットを用いて、Si基板Sとなる熱酸化膜付きSiウエハ上に、厚さ500nmの表1に示す様々な組成比で形成された金属窒化物材料の薄膜サーミスタ部7を形成した。その時のスパッタ条件は、到達真空度:5×10−6Pa、スパッタガス圧:0.1〜1Pa、ターゲット投入電力(出力):100〜500Wで、Arガス+窒素ガスの混合ガス雰囲気下において、窒素ガス分率を10〜100%と変えて作製した。
本発明のサーミスタ材料層(薄膜サーミスタ部7)の評価を行う実施例及び比較例として、図14に示す膜評価用素子121を次のように作製した。
まず、反応性スパッタ法にて、様々な組成比のTi−Al合金ターゲットを用いて、Si基板Sとなる熱酸化膜付きSiウエハ上に、厚さ500nmの表1に示す様々な組成比で形成された金属窒化物材料の薄膜サーミスタ部7を形成した。その時のスパッタ条件は、到達真空度:5×10−6Pa、スパッタガス圧:0.1〜1Pa、ターゲット投入電力(出力):100〜500Wで、Arガス+窒素ガスの混合ガス雰囲気下において、窒素ガス分率を10〜100%と変えて作製した。
次に、上記薄膜サーミスタ部7の上に、スパッタ法でCr膜を20nm形成し、さらにAu膜を100nm形成した。さらに、その上にレジスト液をスピンコーターで塗布した後、110℃で1分30秒のプリベークを行い、露光装置で感光後、現像液で不要部分を除去し、150℃で5分のポストベークにてパターニングを行った。その後、不要な電極部分を市販のAuエッチャント及びCrエッチャントによりウェットエッチングを行い、レジスト剥離にて所望の櫛形電極部124aを有するパターン電極124を形成した。そして、これをチップ状にダイシングして、B定数評価及び耐熱性試験用の膜評価用素子121とした。
なお、比較としてTixAlyNzの組成比が本発明の範囲外であって結晶系が異なる比較例についても同様に作製して評価を行った。
なお、比較としてTixAlyNzの組成比が本発明の範囲外であって結晶系が異なる比較例についても同様に作製して評価を行った。
<膜の評価>
(1)組成分析
反応性スパッタ法にて得られた薄膜サーミスタ部7について、X線光電子分光法(XPS)にて元素分析を行った。このXPSでは、Arスパッタにより、最表面から深さ20nmのスパッタ面において、定量分析を実施した。その結果を表1に示す。なお、以下の表中の組成比は「原子%」で示している。
(1)組成分析
反応性スパッタ法にて得られた薄膜サーミスタ部7について、X線光電子分光法(XPS)にて元素分析を行った。このXPSでは、Arスパッタにより、最表面から深さ20nmのスパッタ面において、定量分析を実施した。その結果を表1に示す。なお、以下の表中の組成比は「原子%」で示している。
なお、上記X線光電子分光法(XPS)は、X線源をMgKα(350W)とし、パスエネルギー:58.5eV、測定間隔:0.125eV、試料面に対する光電子取り出し角:45deg、分析エリアを約800μmφの条件下で定量分析を実施した。なお、定量精度について、N/(Ti+Al+N)の定量精度は±2%、Al/(Ti+Al)の定量精度は±1%ある。
(2)比抵抗測定
反応性スパッタ法にて得られた薄膜サーミスタ部7について、4端子法にて25℃での比抵抗を測定した。その結果を表1に示す。
(3)B定数測定
膜評価用素子121の25℃及び50℃の抵抗値を恒温槽内で測定し、25℃と50℃との抵抗値よりB定数を算出した。その結果を表1に示す。
反応性スパッタ法にて得られた薄膜サーミスタ部7について、4端子法にて25℃での比抵抗を測定した。その結果を表1に示す。
(3)B定数測定
膜評価用素子121の25℃及び50℃の抵抗値を恒温槽内で測定し、25℃と50℃との抵抗値よりB定数を算出した。その結果を表1に示す。
なお、本発明におけるB定数算出方法は、上述したように25℃と50℃とのそれぞれの抵抗値から以下の式によって求めている。
B定数(K)=ln(R25/R50)/(1/T25−1/T50)
R25(Ω):25℃における抵抗値
R50(Ω):50℃における抵抗値
T25(K):298.15K 25℃を絶対温度表示
T50(K):323.15K 50℃を絶対温度表示
B定数(K)=ln(R25/R50)/(1/T25−1/T50)
R25(Ω):25℃における抵抗値
R50(Ω):50℃における抵抗値
T25(K):298.15K 25℃を絶対温度表示
T50(K):323.15K 50℃を絶対温度表示
これらの結果からわかるように、TixAlyNzの組成比が図3に示す3元系の三角図において、点A,B,C,Dで囲まれる領域内、すなわち、「0.70≦y/(x+y)≦0.95、0.4≦z≦0.5、x+y+z=1」となる領域内の実施例全てで、抵抗率:100Ωcm以上、B定数:1500K以上のサーミスタ特性が達成されている。
上記結果から25℃での抵抗率とB定数との関係を示したグラフを、図15に示す。また、Al/(Ti+Al)比とB定数との関係を示したグラフを、図16に示す。これらのグラフから、Al/(Ti+Al)=0.7〜0.95、かつ、N/(Ti+Al+N)=0.4〜0.5の領域で、結晶系が六方晶のウルツ鉱型の単一相であるものは、25℃における比抵抗値が100Ωcm以上、B定数が1500K以上の高抵抗かつ高B定数の領域が実現できている。なお、図16のデータにおいて、同じAl/(Ti+Al)比に対して、B定数がばらついているのは、結晶中の窒素量が異なるためである。
表1に示す比較例3〜12は、Al/(Ti+Al)<0.7の領域であり、結晶系は立方晶のNaCl型となっている。また、比較例12(Al/(Ti+Al)=0.67)では、NaCl型とウルツ鉱型とが共存している。このように、Al/(Ti+Al)<0.7の領域では、25℃における比抵抗値が100Ωcm未満、B定数が1500K未満であり、低抵抗かつ低B定数の領域であった。
表1に示す比較例1,2は、N/(Ti+Al+N)が40%に満たない領域であり、金属が窒化不足の結晶状態になっている。この比較例1,2は、NaCl型でも、ウルツ鉱型でもない、非常に結晶性の劣る状態であった。また、これら比較例では、B定数及び抵抗値が共に非常に小さく、金属的振舞いに近いことがわかった。
(4)薄膜X線回折(結晶相の同定)
反応性スパッタ法にて得られた薄膜サーミスタ部7を、視斜角入射X線回折(Grazing Incidence X-ray Diffraction)により、結晶相を同定した。この薄膜X線回折は、微小角X線回折実験であり、管球をCuとし、入射角を1度とすると共に2θ=20〜130度の範囲で測定した。
反応性スパッタ法にて得られた薄膜サーミスタ部7を、視斜角入射X線回折(Grazing Incidence X-ray Diffraction)により、結晶相を同定した。この薄膜X線回折は、微小角X線回折実験であり、管球をCuとし、入射角を1度とすると共に2θ=20〜130度の範囲で測定した。
その結果、Al/(Ti+Al)≧0.7の領域においては、ウルツ鉱型相(六方晶、AlNと同じ相)であり、Al/(Ti+Al)<0.65の領域においては、NaCl型相(立方晶、TiNと同じ相)であった。また、0.65< Al/(Ti+Al)<0.7においては、ウルツ鉱型相とNaCl型相との共存する結晶相であった。
このようにTiAlN系においては、高抵抗かつ高B定数の領域は、Al/(Ti+Al)≧0.7のウルツ鉱型相に存在している。なお、本発明の実施例では、不純物相は確認されておらず、ウルツ鉱型の単一相である。
なお、表1に示す比較例1,2は、上述したように結晶相がウルツ鉱型相でもNaCl型相でもなく、本試験においては同定できなかった。また、これらの比較例は、XRDのピーク幅が非常に広いことから、非常に結晶性の劣る材料であった。これは、電気特性により金属的振舞いに近いことから、窒化不足の金属相になっていると考えられる。
なお、表1に示す比較例1,2は、上述したように結晶相がウルツ鉱型相でもNaCl型相でもなく、本試験においては同定できなかった。また、これらの比較例は、XRDのピーク幅が非常に広いことから、非常に結晶性の劣る材料であった。これは、電気特性により金属的振舞いに近いことから、窒化不足の金属相になっていると考えられる。
次に、本発明の実施例は全てウルツ鉱型相の膜であり、配向性が強いことから、Si基板S上に垂直な方向(膜厚方向)の結晶軸においてa軸配向性が強いか、c軸配向性が強いかであるかについて、XRDを用いて調査した。この際、結晶軸の配向性を調べるために、(100)(a軸配向を示すミラー指数)と(002)(c軸配向を示すミラー指数)とのピーク強度比を測定した。
その結果、スパッタガス圧が0.67Pa未満で成膜された実施例は、(100)よりも(002)の強度が非常に強く、a軸配向性よりc軸配向性が強い膜であった。一方、スパッタガス圧が0.67Pa以上で成膜された実施例は、(002)よりも(100)の強度が非常に強く、c軸配向よりa軸配向が強い材料であった。
なお、同じ成膜条件でポリイミドフィルムに成膜しても、同様にウルツ鉱型相の単一相が形成されていることを確認している。また、同じ成膜条件でポリイミドフィルムに成膜しても、配向性は変わらないことを確認している。
なお、同じ成膜条件でポリイミドフィルムに成膜しても、同様にウルツ鉱型相の単一相が形成されていることを確認している。また、同じ成膜条件でポリイミドフィルムに成膜しても、配向性は変わらないことを確認している。
c軸配向が強い実施例のXRDプロファイルの一例を、図17に示す。この実施例は、Al/(Ti+Al)=0.84(ウルツ鉱型、六方晶)であり、入射角を1度として測定した。この結果からわかるように、この実施例では、(100)よりも(002)の強度が非常に強くなっている。
また、a軸配向が強い実施例のXRDプロファイルの一例を、図18に示す。この実施例は、Al/(Ti+Al)=0.83(ウルツ鉱型、六方晶)であり、入射角を1度として測定した。この結果からわかるように、この実施例では、(002)よりも(100)の強度が非常に強くなっている。
また、a軸配向が強い実施例のXRDプロファイルの一例を、図18に示す。この実施例は、Al/(Ti+Al)=0.83(ウルツ鉱型、六方晶)であり、入射角を1度として測定した。この結果からわかるように、この実施例では、(002)よりも(100)の強度が非常に強くなっている。
さらに、この実施例について、入射角を0度として、対称反射測定を実施した。なお、グラフ中(*)は装置由来のピークであり、サンプル本体のピーク、もしくは、不純物相のピークではないことを確認している(なお、対称反射測定において、そのピークが消失していることからも装置由来のピークであることがわかる。)。
なお、比較例のXRDプロファイルの一例を、図19に示す。この比較例は、Al/(Ti+Al)=0.6(NaCl型、立方晶)であり、入射角を1度として測定した。ウルツ鉱型(空間群P63mc(No.186))として指数付けできるピークは検出されておらず、NaCl型単独相であることを確認した。
次に、ウルツ鉱型材料である本発明の実施例に関して、さらに結晶構造と電気特性との相関を詳細に比較した。
表2及び図20に示すように、Al/(Ti+Al)比がほぼ同じ比率のものに対し、基板面に垂直方向の配向度の強い結晶軸がc軸である材料(実施例5,7,8,9)とa軸である材料(実施例19,20,21)とがある。
表2及び図20に示すように、Al/(Ti+Al)比がほぼ同じ比率のものに対し、基板面に垂直方向の配向度の強い結晶軸がc軸である材料(実施例5,7,8,9)とa軸である材料(実施例19,20,21)とがある。
これら両者を比較すると、Al/(Ti+Al)比が同じであると、a軸配向が強い材料よりもc軸配向が強い材料の方が、B定数が100K程度大きいことがわかる。また、N量(N/(Ti+Al+N))に着目すると、a軸配向が強い材料よりもc軸配向が強い材料の方が、窒素量がわずかに大きいことがわかる。理想的な化学量論比:N/(Ti+Al+N)=0.5であることから、c軸配向が強い材料のほうが、窒素欠陥量が少なく理想的な材料であることがわかる。
<結晶形態の評価>
次に、薄膜サーミスタ部7の断面における結晶形態を示す一例として、熱酸化膜付きSi基板S上に成膜された実施例(Al/(Ti+Al)=0.84,ウルツ鉱型、六方晶、c軸配向性が強い)の薄膜サーミスタ部7における断面SEM写真を、図21に示す。また、別の実施例(Al/(Ti+Al)=0.83,ウルツ鉱型六方晶、a軸配向性が強い)の薄膜サーミスタ部7における断面SEM写真を、図22に示す。
これら実施例のサンプルは、Si基板Sをへき開破断したものを用いている。また、45°の角度で傾斜観察した写真である。
次に、薄膜サーミスタ部7の断面における結晶形態を示す一例として、熱酸化膜付きSi基板S上に成膜された実施例(Al/(Ti+Al)=0.84,ウルツ鉱型、六方晶、c軸配向性が強い)の薄膜サーミスタ部7における断面SEM写真を、図21に示す。また、別の実施例(Al/(Ti+Al)=0.83,ウルツ鉱型六方晶、a軸配向性が強い)の薄膜サーミスタ部7における断面SEM写真を、図22に示す。
これら実施例のサンプルは、Si基板Sをへき開破断したものを用いている。また、45°の角度で傾斜観察した写真である。
これらの写真からわかるように、いずれの実施例も高密度な柱状結晶で形成されている。すなわち、c軸配向が強い実施例及びa軸配向が強い実施例の共に基板面に垂直な方向に柱状の結晶が成長している様子が観測されている。なお、柱状結晶の破断は、Si基板Sをへき開破断した際に生じたものである。
<膜の耐熱試験評価>
表1に示す実施例及び比較例において、大気中,125℃,1000hの耐熱試験前後における抵抗値及びB定数を評価した。その結果を表3に示す。なお、比較として従来のTa−Al−N系材料による比較例も同様に評価した。
これらの結果からわかるように、Al濃度及び窒素濃度は異なるものの、Ta−Al−N系である比較例と同じB定数で比較したとき、耐熱試験前後における電気特性変化でみたときの耐熱性は、Ti−Al−N系のほうが優れている。なお、実施例5,8はc軸配向が強い材料であり、実施例21,24はa軸配向が強い材料である。両者を比較すると、c軸配向が強い実施例の方がa軸配向が強い実施例に比べて僅かに耐熱性が向上している。
表1に示す実施例及び比較例において、大気中,125℃,1000hの耐熱試験前後における抵抗値及びB定数を評価した。その結果を表3に示す。なお、比較として従来のTa−Al−N系材料による比較例も同様に評価した。
これらの結果からわかるように、Al濃度及び窒素濃度は異なるものの、Ta−Al−N系である比較例と同じB定数で比較したとき、耐熱試験前後における電気特性変化でみたときの耐熱性は、Ti−Al−N系のほうが優れている。なお、実施例5,8はc軸配向が強い材料であり、実施例21,24はa軸配向が強い材料である。両者を比較すると、c軸配向が強い実施例の方がa軸配向が強い実施例に比べて僅かに耐熱性が向上している。
なお、Ta−Al−N系材料では、Taのイオン半径がTiやAlに比べて非常に大きいため、高濃度Al領域でウルツ鉱型相を作製することができない。TaAlN系がウルツ鉱型相でないがゆえ、ウルツ鉱型相のTi−Al−N系の方が、耐熱性が良好であると考えられる。
なお、本発明の技術範囲は上記各実施形態及び実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
1,21…温度センサ、2…リードフレーム、2a…リードフレームの先端部、2b…先端部のうち絶縁性フィルムを越えた部分、2d…凸部、3…センサ部、4…保持部、6…絶縁性フィルム、6a…絶縁性フィルムの両端部、7…薄膜サーミスタ部、8…櫛型電極、8a…櫛部、9…パターン電極、10…保護膜、11…絶縁性保護シート
Claims (5)
- 一対のリードフレームと、
前記一対のリードフレームに接続されたセンサ部と、
前記一対のリードフレームに固定されて前記リードフレームを保持する絶縁性の保持部とを備え、
前記センサ部が、帯状の絶縁性フィルムと、前記絶縁性フィルムの表面の中央部にサーミスタ材料でパターン形成された薄膜サーミスタ部と、前記薄膜サーミスタ部の上及び下の少なくとも一方に複数の櫛部を有して互いに対向してパターン形成された一対の櫛型電極と、一端が前記一対の櫛型電極に接続されていると共に他端が前記絶縁性フィルムの両端部で前記一対のリードフレームに接触して接続され前記絶縁性フィルムの表面にパターン形成された一対のパターン電極とを備え、
前記絶縁性フィルムが前記一対のリードフレームの下面間に架け渡されていると共に、前記絶縁性フィルムの両端部が前記一対のリードフレームの下面側から折り返されて前記一対のリードフレームの上面に重ねられ、
さらに前記一対のリードフレームの先端部が、基端側に折り返されて前記絶縁性フィルムの両端部上に重ねられ、前記一対のリードフレームの先端部と基端側とが前記絶縁性フィルムの両端部を挟んでかしめられていることを特徴とする温度センサ。 - 請求項1に記載の温度センサにおいて、
前記一対のリードフレームの先端部が、前記絶縁性フィルムを越えて折り返され、
前記先端部のうち前記絶縁性フィルムを越えた部分とこの部分が重なった前記リードフレームの基端側の部分とが溶接されていることを特徴とする温度センサ。 - 請求項1又は2に記載の温度センサにおいて、
前記一対のリードフレームが、折り返され前記絶縁性フィルムの両端部に重なる前記先端部の内面に凸部が形成されていることを特徴とする温度センサ。 - 請求項1から3のいずれか一項に記載の温度センサにおいて、
前記センサ部の表面が、折り返された前記一対のリードフレームの先端部と共に絶縁性保護シートで覆われていることを特徴とする温度センサ。 - 請求項1から4のいずれか一項に記載の温度センサにおいて、
前記薄膜サーミスタ部が、一般式:TixAlyNz(0.70≦y/(x+y)≦0.95、0.4≦z≦0.5、x+y+z=1)で示される金属窒化物からなり、その結晶構造が、六方晶系のウルツ鉱型の単相であることを特徴とする温度センサ。
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JP2013040452A JP2014169874A (ja) | 2013-03-01 | 2013-03-01 | 温度センサ |
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JP2017036934A (ja) * | 2015-08-07 | 2017-02-16 | Mitsubishi Materials Corp | 温度センサ |
JP2018109586A (ja) * | 2017-01-06 | 2018-07-12 | 三菱マテリアル株式会社 | 温度センサ |
-
2013
- 2013-03-01 JP JP2013040452A patent/JP2014169874A/ja active Pending
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