JP2019138798A - 温度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 接合層中のＣｒの拡散を抑制して高抵抗化を抑制することができる温度センサを提供すること。【解決手段】 絶縁性基材と、絶縁性基材上にサーミスタ材料で形成された薄膜サーミスタ部３と、薄膜サーミスタ部上に互いに対向して形成された一対の対向電極４と、薄膜サーミスタ部上に一対の対向電極も覆って形成された絶縁性保護膜５とを備え、対向電極が、薄膜サーミスタ部上に形成され少なくともＣｒを含有した接合層４ａと、接合層上に形成された貴金属層４ｂとを備え、絶縁性保護膜の上及び下の少なくとも一方に、絶縁性保護膜よりも酸素透過度の小さい酸素バリア膜７が形成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、薄膜サーミスタを用いた温度センサに関する。

近年、ポリイミド樹脂等で形成された絶縁性フィルム上に薄膜状のサーミスタ部を形成したフィルム型の温度センサが開発されている。例えば、特許文献１には、絶縁性フィルムと、絶縁性フィルムの表面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、薄膜サーミスタ部の上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形電極と、一対の櫛形電極に接続され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、櫛形電極と薄膜サーミスタ部とを覆って絶縁性フィルム上に形成された保護膜とを備えている温度センサが開発されている。

特開２０１６−１３８７７３号公報

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、上記従来の温度センサでは、例えば、図３に示すように、薄膜サーミスタ部３上に形成されるＣｒの接合層４ａと、接合層４ａ上に形成されるＡｕ等の貴金属層４ｂとの積層で構成されているが、製造工程中のアニール等の熱処理によって接合層４ａ中のＣｒが貴金属層４ｂの粒界を通って拡散し、貴金属層４ｂ表面に部分的に露出して酸化Ｃｒ部６を形成してしまう問題があった。特に、ポリイミド等の絶縁性保護膜を透過して表面から酸素が貴金属層４ｂ表面に供給されると、接合層４ａから貴金属層４ｂ表面に拡散したＣｒが酸化されることで、ドライビングフォースが生じてＣｒがさらに貴金属層４ｂ表面に拡散し、接合層４ａが部分的に薄くなって接合層として機能しなくなる領域が生じるおそれがあった。特に、この状態で耐湿負荷試験を行うと、接合層４ａ中のＣｒが腐食して薄くなり過ぎ、対向電極４の接合性が部分的に低下することで高抵抗化が生じてしまう不都合があった。なお、絶縁性保護膜を厚くすればするほど、酸素の透過を抑制することができるが、絶縁性保護膜が厚くなるほど温度センサの感温部の熱容量も増加して温度センサの熱応答性が低下してしまう問題があった。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、接合層中のＣｒの拡散を抑制して高抵抗化を抑制することができる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、絶縁性基材と、前記絶縁性基材上にサーミスタ材料で形成された薄膜サーミスタ部と、前記薄膜サーミスタ部上に互いに対向して形成された一対の対向電極と、前記薄膜サーミスタ部上に前記一対の対向電極も覆って形成された絶縁性保護膜とを備え、前記対向電極が、前記薄膜サーミスタ部上に形成され少なくともＣｒを含有した接合層と、前記接合層上に形成された貴金属層とを備え、前記絶縁性保護膜の上及び下の少なくとも一方に、前記絶縁性保護膜よりも酸素透過度の小さい酸素バリア膜が形成されていることを特徴とする。

この温度センサでは、絶縁性保護膜の上及び下の少なくとも一方に、絶縁性保護膜よりも酸素透過度の小さい酸素バリア膜が形成されているので、酸素バリア膜によって絶縁性保護膜を透過して貴金属層表面に達する酸素を抑制することできる。したがって、絶縁性保護膜を透過する酸素による貴金属層上の酸化Ｃｒ部の生成を抑制し、Ｃｒ拡散によって接合層が薄くなることを防いで、高抵抗化を抑制することが可能になる。

第２の発明に係る温度センサは、第１の発明において、前記絶縁性保護膜が、ポリイミドで形成され、前記酸素バリア膜が、エチレン−ビニルアルコールで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、酸素バリア膜が、エチレン−ビニルアルコールで形成されているので、ポリイミドの酸素透過度が３９０ｃｃ／ｍ^２・２４ｈ／ａｔｍ（厚さ２５μｍ、２５℃）であるのに対して、エチレン−ビニルアルコールの酸素透過度が０．２ｃｃ／ｍ^２・２４ｈ／ａｔｍ（厚さ１５μｍ、２５℃）であり、約１／１０００の酸素透過度であることで、薄い酸素バリア膜であっても酸素の透過を効果的に抑制することができると共に絶縁性保護膜の厚さを低減することも可能になる。

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、前記酸素バリア膜の厚さが、前記絶縁性保護膜よりも薄く設定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、酸素バリア膜の厚さが、絶縁性保護膜よりも薄く設定されているので、酸素バリア膜による温度センサの感温部の熱容量の増加を抑え、熱応答性の低下を抑制することができる。

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、少なくとも前記対向電極の直下であって、前記絶縁性基材の上及び下の少なくとも一方にも、前記酸素バリア膜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、少なくとも対向電極の直下であって、絶縁性基材の上及び下の少なくとも一方にも、酸素バリア膜が形成されているので、絶縁性基材側からの酸素の透過も防止することができ、さらに貴金属層表面に達する酸素を抑制することできる。

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、絶縁性保護膜の上及び下の少なくとも一方に、絶縁性保護膜よりも酸素透過度の小さい酸素バリア膜が形成されているので、酸素バリア膜によって絶縁性保護膜を透過して貴金属層表面に達する酸素を抑制することができる。
したがって、本実施形態の温度センサでは、絶縁性保護膜を透過する酸素による貴金属層上の酸化Ｃｒ部の生成を抑制し、Ｃｒ拡散によって接合層が薄くなることを防いで、良好なサーミスタ特性を安定して維持することができ、高い信頼性を得ることができる。

本発明に係る温度センサの第１実施形態を示す要部の断面概念図である。 本実施形態において、温度センサを示す斜視図である。 本発明に係る温度センサの第２実施形態を示す要部の断面概念図である。 本発明に係る温度センサの従来例を示す要部の断面概念図である。

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及び図２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、絶縁性基材２と、絶縁性基材２上にサーミスタ材料で形成された薄膜サーミスタ部３と、薄膜サーミスタ部３上に互いに対向して形成された一対の対向電極４と、薄膜サーミスタ部３上に一対の対向電極４も覆って形成された絶縁性保護膜５とを備えている。
上記対向電極４は、薄膜サーミスタ部３上に形成され少なくともＣｒを含有した接合層４ａと、接合層４ａ上に形成された貴金属層４ｂとを備えている。

上記絶縁性保護膜５の上及び下の少なくとも一方には、絶縁性保護膜５よりも酸素透過度の小さい酸素バリア膜７が形成されている。なお、本実施形態では、絶縁性保護膜５の上に酸素バリア膜７が積層されている。
上記絶縁性保護膜５は、例えばポリイミドで形成されている。
上記酸素バリア膜７は、例えばエチレン−ビニルアルコールで形成されている。

この酸素バリア膜７の厚さは、絶縁性保護膜５よりも薄く設定されている。
例えば、絶縁性保護膜５の厚さが１０μｍであるとき、酸素バリア膜７の厚さは、１０μｍ未満に設定されるが、絶縁性保護膜５がポリイミドであると共に酸素バリア膜７がエチレン−ビニルアルコールである場合、酸素透過度がポリイミドの約１／１０００であるので、０．１μｍ以上であれば十分な酸素のバリア効果を得ることができる。
なお、ポリイミドの酸素透過度は、３９０ｃｃ／ｍ^２・２４ｈ／ａｔｍ（厚さ２５μｍ、２５℃）であり、エチレン−ビニルアルコールの酸素透過度は、０．２ｃｃ／ｍ^２・２４ｈ／ａｔｍ（厚さ１５μｍ、２５℃）である。

上記対向電極４は、薄膜サーミスタ部３上に形成され少なくともＣｒを含有した接合層４ａと、接合層４ａ上に形成された貴金属層４ｂとを備えている。本実施形態では、例えば接合層４ａは膜厚５〜１００ｎｍのＣｒ又はＮｉＣｒの接合層であり、貴金属層４ｂは膜厚５０〜１０００ｎｍのＡｕ等の貴金属で形成された電極層である。
上記一対の対向電極４は、複数の櫛部４ｃを有した櫛形電極である。

上記絶縁性基材２は、例えば長方形とされた絶縁性フィルムであり、絶縁性フィルムとしては、例えば厚さ７．５〜１２５μｍのポリイミド樹脂シートで形成されている。なお、絶縁性基材２の絶縁性フィルムは、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，ＬＣＰ：液晶ポリマー等でも作製できる。

上記薄膜サーミスタ部３は、フレキシブル性を有したサーミスタ膜であって、例えばスパッタリングで成膜されたＭ−Ａｌ−Ｎ膜（但し、ＭはＴｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ及びＣｕの少なくとも１種を示す）である。
すなわち、薄膜サーミスタ部３は、一般式：Ｍ_ｘＡｌ_ｙＮ_ｚ（但し、ＭはＴｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ及びＣｕの少なくとも１種を示す。０．７０≦ｙ／（ｘ＋ｙ）≦０．９８、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。なお、これらの膜については、フレキシブル性と良好なサーミスタ特性とが確認されている。

なお、本実施形態では、特にＴｉ−Ａｌ−Ｎのサーミスタ材料で矩形状に形成された薄膜サーミスタ部３を採用している。すなわち、薄膜サーミスタ部３は、一般式：Ｔｉ_ｘＡｌ_ｙＮ_ｚ（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。

上記薄膜サーミスタ部３は、Ｍ−Ａ合金スパッタリングターゲット（但し、ＭはＴｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ及びＣｕの少なくとも１種を示すと共に、ＡはＡｌ又は（Ａｌ及びＳｉ）を示す。）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。
例えば、Ｔｉ−Ａｌ−Ｎのサーミスタ材料を採用する場合、その時のスパッタ条件は、例えば、組成比Ａｌ／（Ａｌ＋Ｔｉ）比＝０．８５のＴｉ−Ａｌ合金スパッタリングターゲットを用い、到達真空度：４×１０^−５Ｐａ、スパッタガス圧：０．２Ｐａ、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圧：３０％とする。

上記対向電極４の作製は、まず薄膜サーミスタ部３上にスパッタ法にて、例えばＣｒの接合層４ａを２０ｎｍ形成し、さらにＡｕの貴金属層４ｂを２００ｎｍ形成する。さらに、そ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部４ｃを有した対向電極４を形成する。

この対向電極４の形成後、熱処理工程として、例えば２３０℃，２４時間の薄膜サーミスタ部用のアニールが行われる。
次に、ポリイミド樹脂を、薄膜サーミスタ部３及び対向電極４を覆うように、例えばスクリーン印刷で矩形状にパターン形成して絶縁性保護膜５を成膜する。
さらに、エチレン−ビニルアルコールを、絶縁性保護膜５を覆うように、例えば、スクリーン印刷又はディップコート等により矩形状にパターン形成して酸素バリア膜７を成膜することで、温度センサ１が作製される。

このように本実施形態の温度センサ１では、絶縁性保護膜５の上及び下の少なくとも一方に、絶縁性保護膜５よりも酸素透過度の小さい酸素バリア膜７が形成されているので、酸素バリア膜７によって絶縁性保護膜５を透過して貴金属層４ｂ表面に達する酸素を抑制することできる。したがって、絶縁性保護膜５を透過する酸素による貴金属層４ｂ上の酸化Ｃｒ部６の生成を抑制し、Ｃｒ拡散によって接合層４ａが薄くなることを防いで、高抵抗化を抑制することが可能になる。

特に、酸素バリア膜７が、エチレン−ビニルアルコールで形成されているので、ポリイミドの酸素透過度が３９０ｃｃ／ｍ^２・２４ｈ／ａｔｍ（厚さ２５μｍ、２５℃）であるのに対して、エチレン−ビニルアルコールの酸素透過度が０．２ｃｃ／ｍ^２・２４ｈ／ａｔｍ（厚さ１５μｍ、２５℃）であり、約１／１０００の酸素透過度であることで、薄い酸素バリア膜７であっても酸素の透過を効果的に抑制することができると共に絶縁性保護膜５の厚さを低減することも可能になる。
また、酸素バリア膜７の厚さが、絶縁性保護膜５よりも薄く設定されているので、酸素バリア膜７による温度センサの感温部の熱容量の増加を抑え、熱応答性の低下を抑制することができる。

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３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、絶縁性保護膜５の上だけに酸素バリア膜７が形成されているのに対し、第２実施形態の温度センサ２１では、図３に示すように、絶縁性保護膜５上の酸素バリア膜７ａだけでなく、絶縁性基材２上、すなわち絶縁性基材２と薄膜サーミスタ部３との間にも酸素バリア膜７ｂが形成されている点である。

すなわち、薄膜サーミスタ部３は、酸素バリア膜７ｂを介して絶縁性基材２上に形成され、対向電極４は、絶縁性保護膜５及び薄膜サーミスタ部３を介して上下の酸素バリア膜７ａと酸素バリア膜７ｂとにより挟まれている。
上記酸素バリア膜７ｂは、少なくとも対向電極４の直下に形成され、本実施形態では絶縁性保護膜５上の酸素バリア膜７ａと同じ形状で形成されている。
なお、酸素バリア膜７ｂを、絶縁性保護膜５の下に形成してもよく、絶縁性保護膜５の上及び下の両面に形成しても構わない。

このように第２実施形態の温度センサ２１では、少なくとも対向電極４の直下であって、絶縁性基材２の上及び下の少なくとも一方にも、酸素バリア膜４ｂが形成されているので、絶縁性基材２側からの酸素の透過も防止することができ、さらに貴金属層４ｂ表面に達する酸素を抑制することできる。

なお、本発明の技術範囲は上記各実施形態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。

例えば、上記実施形態では、絶縁性保護膜の上に酸素バリア膜が積層されているが、絶縁性保護膜の下又は上下に酸素バリア膜を形成しても構わない。
また、上述したように絶縁性保護膜がポリイミドの場合、酸素バリア膜としてエチレン−ビニルアルコールが好ましいが、ポリイミドよりも酸素透過度が小さければ他の材料で形成された酸素バリア膜でも構わない。なお、酸素バリア膜としては、絶縁性の材料であることが好ましい。

１，２１…温度センサ、２…絶縁性基材、３…薄膜サーミスタ部、４…対向電極、４ａ…接合層、４ｂ…貴金属層、５…絶縁性保護膜、６…酸化Ｃｒ部、７，７ａ，７ｂ…酸素バリア膜

Claims (4)

1. 絶縁性基材と、
   前記絶縁性基材上にサーミスタ材料で形成された薄膜サーミスタ部と、
   前記薄膜サーミスタ部上に互いに対向して形成された一対の対向電極と、
   前記薄膜サーミスタ部上に前記一対の対向電極も覆って形成された絶縁性保護膜とを備え、
   前記対向電極が、前記薄膜サーミスタ部上に形成され少なくともＣｒを含有した接合層と、
   前記接合層上に形成された貴金属層とを備え、
   前記絶縁性保護膜の上及び下の少なくとも一方に、前記絶縁性保護膜よりも酸素透過度の小さい酸素バリア膜が形成されていることを特徴とする温度センサ。
2. 請求項１に記載の温度センサにおいて、
   前記絶縁性保護膜が、ポリイミドで形成され、
   前記酸素バリア膜が、エチレン−ビニルアルコールで形成されていることを特徴とする温度センサ。
3. 請求項１又は２に記載の温度センサにおいて、
   前記酸素バリア膜の厚さが、前記絶縁性保護膜よりも薄く設定されていることを特徴とする温度センサ。
4. 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、
   少なくとも前記対向電極の直下であって、前記絶縁性基材の上及び下の少なくとも一方にも、前記酸素バリア膜が形成されていることを特徴とする温度センサ。

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