JP2019158815A

JP2019158815A - 温度センサ

Info

Publication number: JP2019158815A
Application number: JP2018049370A
Authority: JP
Inventors: 学司魚住; Satoshi Uozumi; 長友　憲昭; Kensho Nagatomo; 憲昭長友; 利晃藤田; Toshiaki Fujita; 峻平鈴木; Shumpei Suzuki
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2018-03-16
Filing date: 2018-03-16
Publication date: 2019-09-19

Abstract

【課題】熱容量を小さくして応答性を向上させ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２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、薄膜サーミスタ部に接続され互いに対向して薄膜サーミスタ部上又は絶縁性基材上に形成された一対の対向電極とを備え、絶縁性基材が、表面に複数の凹凸が形成された凹凸面５を有し、薄膜サーミスタ部が、少なくとも凹凸面を構成する壁面に形成されている。これにより、絶縁性基材の平面上に薄膜サーミスタ部を形成する場合に比べて、薄膜サーミスタ部の単位面積当たりの絶縁性基材の熱容量が小さくなり、応答性を向上させることができる。また、凹凸面により雰囲気との接触面積を増やすことも可能になり、感度を向上させることもできる。【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、絶縁性フィルム等の絶縁性基材上に薄膜状のサーミスタ部を形成した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、さらに熱容量を小さくして、応答性を向上させたいという要望があった。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、熱容量を小さくして応答性を向上させ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に接続され互いに対向して前記薄膜サーミスタ部上又は前記絶縁性基材上に形成された一対の対向電極とを備え、前記絶縁性基材が、表面に複数の凹凸が形成された凹凸面を有し、前記薄膜サーミスタ部が、少なくとも前記凹凸面を構成する壁面に形成されていることを特徴とする。

この温度センサでは、薄膜サーミスタ部が、少なくとも凹凸面を構成する壁面に形成されているので、絶縁性基材の平面上に薄膜サーミスタ部を形成する場合に比べて、薄膜サーミスタ部の単位面積当たりの絶縁性基材の熱容量が小さくなり、応答性を向上させることができる。また、凹凸面により雰囲気との接触面積を増やすことも可能になり、感度を向上させることもできる。

第２の発明に係る温度センサは、第１の発明において、前記凹凸面に突条部が形成され、前記突条部が、前記一対の対向電極の間に形成され、前記薄膜サーミスタ部が、前記突条部を覆って前記凹凸面に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、薄膜サーミスタ部が、突条部を覆って凹凸面に形成されているので、突条部のアスペクト比（突条部の高さと幅との比）に応じて薄膜サーミスタ部の単位面積当たりの絶縁性基材の熱容量も小さくなり、応答性を向上させることが可能になる。

第３の発明に係る温度センサは、第２の発明において、前記一対の対向電極が、複数の櫛部を有して互いに対向してパターン形成され、前記突条部が、前記櫛部の間に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、一対の対向電極が、複数の櫛部を有して互いに対向してパターン形成され、突条部が、櫛部の間に形成されているので、櫛型電極の櫛部間に突条部が配されることで、高精度に薄膜サーミスタ部の抵抗を測定することが可能になる。

第４の発明に係る温度センサは、第１の発明において、前記凹凸面に断面Ｖ字状の溝部が複数並んで形成され、前記薄膜サーミスタ部が、前記溝部の少なくとも一方の斜面を覆って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、薄膜サーミスタ部が、断面Ｖ字状の溝部の少なくとも一方の斜面を覆って形成されているので、溝部の溝幅に対する溝深さに応じて薄膜サーミスタ部の単位面積当たりの絶縁性基材の熱容量が小さくなり、応答性を向上させることが可能になる。

第５の発明に係る温度センサは、第４の発明において、前記溝部の一方の斜面に前記薄膜サーミスタ部が形成され、前記溝部の他方の斜面に前記対向電極が形成され、一対の前記対向電極が、前記溝部毎に交互に並んでいることを特徴とする。
すなわち、この温度センサでは、溝部の一方の斜面に薄膜サーミスタ部が形成され、溝部の他方の斜面に対向電極が形成され、一対の対向電極が、溝部毎に交互に並んでいるので、一対の対向電極が互いに交互に配された複数の櫛部を有した櫛型電極となることで、高精度に薄膜サーミスタ部の抵抗を測定することが可能になる。

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、薄膜サーミスタ部が、少なくとも凹凸面を構成する壁面に形成されているので、薄膜サーミスタ部の単位面積当たりの絶縁性基材の熱容量が小さくなり、応答性を向上させることができる。また、凹凸面により雰囲気との接触面積を増やすことも可能になり、感度を向上させることもできる。

本発明に係る温度センサの第１実施形態を示す要部の拡大平面図である。図１のＡ−Ａ線断面図である。第１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実施形態を示す平面図である。図４のＢ−Ｂ線断面図である。第２実施形態において、溝部形成工程を示す説明図である。

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から図３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から図３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に接続され互いに対向して薄膜サーミスタ部３上又は絶縁性基材２上に形成された一対の対向電極４とを備えている。
なお、本実施形態では、一対の対向電極４が、薄膜サーミスタ部３の上に形成されている。

上記絶縁性基材２は、表面に複数の凹凸が形成された凹凸面５を有している。
本実施形態の凹凸面５には、互いに平行に延在する複数の突条部５ａが形成されている。
上記突条部５は、一対の対向電極４の間に形成されている。
突条部５ａは、断面矩形状であり、例えばそのアスペクト比（突条部５ａの高さと幅との比）が１０：１とされている。

上記薄膜サーミスタ部３は、少なくとも凹凸面５を構成する壁面に形成されている。
本実施形態の薄膜サーミスタ部３では、突条部５ａ全体を覆って凹凸面５に形成されている。なお、突条部５ａの両側面は、凹凸面５を構成する壁面である。
すなわち、薄膜サーミスタ部３は、突条部５ａの上端面及び両側面（２つの壁面）に形成されていると共に、突条部５ａ間の溝底部上にも形成されている。なお、図１において、薄膜サーミスタ部３にハッチングを施している。

上記絶縁性基材２は、例えば長方形状のシリコン基板が採用される。
絶縁性基材２が、シリコン基板である場合、ダイシングやエッチング等により複数の突条部５ａを有した凹凸面５を形成することができる。
なお、絶縁性基材２として、長方形とされたポリイミド樹脂等の絶縁性フィルムを採用しても構わない。

一対の対向電極４は、複数の櫛部４ｃを有して互いに対向してパターン形成されている。すなわち、一対の対向電極４は櫛型電極である。
上記突条部５ａは、櫛部４ｃの間に形成されている。
櫛部４ｃと突条部５ａとは、互いに平行に延在している。
上記対向電極４は、薄膜サーミスタ部３上に形成されＣｒ等の接合層４ａと、接合層４ａ上に形成されたＡｕ等の貴金属層４ｂとを備えている。

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。
なお、本実施形態では、突条部５ａの両側面に薄膜サーミスタ部３を成膜するため、絶縁性基材２を傾けた状態で複数回スパッタリングにより成膜している。

このように本実施形態の温度センサ１では、薄膜サーミスタ部３が、少なくとも凹凸面５を構成する壁面に形成されているので、絶縁性基材２の平面上に薄膜サーミスタ部３を形成する場合に比べて、薄膜サーミスタ部３の単位面積当たりの絶縁性基材２の熱容量が小さくなり、応答性を向上させることができる。また、凹凸面５により雰囲気との接触面積を増やすことも可能になり、感度を向上させることもできる。

また、薄膜サーミスタ部３が、突条部５ａを覆って凹凸面５に形成されているので、突条部５ａのアスペクト比（突条部５ａの高さと幅との比）に応じて薄膜サーミスタ部３の単位面積当たりの絶縁性基材２の熱容量も小さくなり、応答性を向上させることが可能になる。
さらに、一対の対向電極４が、複数の櫛部４ｃを有して互いに対向してパターン形成され、突条部５ａが、櫛部４ｃの間に形成されているので、櫛型電極の櫛部４ｃ間に突条部５ａが配されることで、高精度に薄膜サーミスタ部３の抵抗を測定することが可能になる。

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４から図６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、複数の突条部５ａで構成された凹凸面５に薄膜サーミスタ部３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４及び図５に示すように、凹凸面２５に断面Ｖ字状の溝部２５ａが複数並んで形成され、薄膜サーミスタ部２３が、溝部２５ａの少なくとも一方の斜面（壁面）を覆って形成されている点である。

第２実施形態では、複数の溝部２５ａが互いに平行に延在して並んで形成されている。
溝部２５ａの一方の斜面には薄膜サーミスタ部２３が形成され、溝部２５ａの他方の斜面には対向電極２４が形成されている。
一対の対向電極２４は、溝部２５ａ毎に交互に並んでいる。
すなわち、対向電極２４は、互いに間隔を空けて溝部２５ａに沿って延在している複数の櫛部２４ｃを有した櫛型電極となっており、一対の対向電極２４は、互いの櫛部２４ｃが薄膜サーミスタ部２３を間に挟んで交互に並んで形成されている。

したがって、互いに平行に延在している複数の溝部２５ａの一方側に向いた斜面に薄膜サーミスタ部２３が帯状に延在して形成され、他方側に向いた斜面に櫛部２４ｃが帯状に延在して形成されている。
なお、一対の対向電極２４は、レーザ加工による切断線Ｌの部分で互いに分断されている。

また、絶縁性基材２２の一端側表面には、一対の対向電極２４の電極パッド２４ｄがそれぞれ形成されている。
さらに、本実施形態の温度センサ２１では、電極パッド２４ｄを除いて表面にＳｉＯ_ｘやＤＬＣ（Diamond like Carbon）等の絶縁性の保護膜２６が形成されている。なお、この保護膜２６は、熱容量の増加を考慮してできるだけ薄いことが好ましい。

第２実施形態の温度センサ２１の製造方法について、以下に説明する。
まず、Ｓｉ（１００）基板の表面にＳｉＯ_２のエッチングマスクＭを形成した後、図５に示すように、ＫＯＨにより異方性エッチングを行って断面Ｖ字状の溝部２５ａを有した絶縁性基材２２を作製する。
なお、ＫＯＨによるＳｉ（１００）基板のエッチングは著しい異方性を示し、（１１１）面にはエッチングが殆ど進まない。そのため、図６に示すように、（１００）オリエンテーションのシリコン基板の絶縁性基材２２であれば、約５４°の傾斜角θを持つ楔型（Ｖ字状）の溝部２５ａが形成される。

次に、絶縁性基材２２を水平から右に３６°傾けた状態でサーミスタ膜を溝部２５ａの一方の斜面に成膜して薄膜サーミスタ部２３を形成する。
なお、本成膜では、スパッタリングターゲットが絶縁性基材２２の直上に配置されている。そのため、絶縁性基材２２の右端を水平から下に３６°傾ければ、溝部２５ａの他方の斜面は略垂直になってサーミスタ膜が成膜されない。
さらに、絶縁性基材２２を水平から左に３６°傾けた状態で接合層２４ａ及び貴金属層２４ｂを溝部２５ａの他方の面に成膜して櫛部２４ｃを形成する。

次に、電極パッド２４ｄとなる部分をマスキングした後、ＳｉＯ_ｘやＤＬＣ（Diamond like Carbon）等により保護膜２６を物理成膜する。なお、各種有機物皮膜をディップコートにより成膜して保護膜２６としても構わない。
最後に、櫛部２４ｃの先端部分及び電極パッド２４ｄを分離する部分にレーザ光を照射して接合層２４ａ及び貴金属層２４ｂを切断し、互いに電気的に分離した一対の対向極２４を形成する。

このように第２実施形態の温度センサ２１では、薄膜サーミスタ部２３が、断面Ｖ字状の溝部２５ａの少なくとも一方の斜面を覆って形成されているので、溝部２５ａの溝幅に対する溝深さに応じて薄膜サーミスタ部２３の単位面積当たりの絶縁性基材２２の熱容量が小さくなり、応答性を向上させることが可能になる。
また、溝部２５ａの一方の斜面に薄膜サーミスタ部２３が形成され、溝部２５ａの他方の斜面に対向電極２４が形成され、一対の対向電極２４が、溝部２５ａ毎に交互に並んでいるので、一対の対向電極２４が互いに交互に配された複数の櫛部２４ｃを有した櫛型電極となることで、高精度に薄膜サーミスタ部２３の抵抗を測定することが可能になる。

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、上記第１実施形態では、絶縁性の保護膜を上面に形成していないが、第２実施形態と同様に、凹凸面を含む薄膜サーミスタ部上に保護膜を形成しても構わない。なお、この場合、凹凸面に形成された突条部の２つの壁面にも保護膜を成膜するには、物理成膜よりもＣＶＤ等の化学成膜によってＳｉＯ_２等の保護膜を形成することが好ましい。

１，２１…温度センサ、２，２２…絶縁性基材、３，２３…薄膜サーミスタ部、４，２４…対向電極、４ａ，２４ａ…接合層、４ｂ，２４ｂ…貴金属層、４ｃ…櫛部、５，２５…凹凸面、５ａ…突条部、２５ａ…溝部

Claims

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に接続され互いに対向して前記薄膜サーミスタ部上又は前記絶縁性基材上に形成された一対の対向電極とを備え、
前記絶縁性基材が、表面に複数の凹凸が形成された凹凸面を有し、
前記薄膜サーミスタ部が、少なくとも前記凹凸面を構成する壁面に形成さ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、
前記凹凸面に突条部が形成され、
前記突条部が、前記一対の対向電極の間に形成され、
前記薄膜サーミスタ部が、前記突条部を覆って前記凹凸面に形成されていることを特徴とする温度センサ。
請求項２に記載の温度センサにおいて、
前記一対の対向電極が、複数の櫛部を有して互いに対向してパターン形成され、
前記突条部が、前記櫛部の間に形成さ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、
前記凹凸面に断面Ｖ字状の溝部が複数並んで形成され、
前記薄膜サーミスタ部が、前記溝部の少なくとも一方の斜面を覆って形成されていることを特徴とする温度センサ。
請求項４に記載の温度センサにおいて、
前記溝部の一方の斜面に前記薄膜サーミスタ部が形成され、
前記溝部の他方の斜面に前記対向電極が形成され、
一対の前記対向電極が、前記溝部毎に交互に並んでいることを特徴とする温度センサ。