JP2020153668A - 複合センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 熱流センサ機能だけでなく温度センサ機能も有し、更なる薄型化が可能な複合センサを提供すること。【解決手段】絶縁性の基材２と、記基材に形成された薄膜サーミスタ部３と薄膜サーミスタ部の上及び下の少なくとも一方に対向して形成された一対の対向電極４とを有する温度検知部５と、基材に形成され同一方向に延在していると共に基材の平面方向に互いに平行に並んでいる異常ネルンスト効果が得られる複数の異常ネルンスト材料膜６と、複数の異常ネルンスト材料膜を電気的に直列に接続する接続配線７とを有する熱流検知部８とを備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、熱流センサ機能と温度センサ機能とを単一デバイス中に有した複合センサに関する。

熱流と温度とを同時に検出可能なセンサとして、従来、例えば非特許文献１及び特許文献１，２には、熱電対を内蔵した薄型の熱流センサが発表されている。この熱流センサは、ポリイミドの基板上に熱流測定用の熱電チップと温度測定用の熱電対とを搭載しており、熱電チップとしては、複数の熱電半導体のＰ型とＮ型とを交互に並べることでπ型方式で直列に接続して電圧を測定するものが採用されている。この熱電チップは、熱流に沿った熱電半導体の厚さ方向に温度差が生じて電圧が生じるゼーベック効果を利用しており、温度差方向、すなわち熱流の方向と同方向に電圧が生じるものである。

特開２０１７−２１１２７０号公報 特開２０１７−２１１２７１号公報

"熱流センサ"、［online］、株式会社デンソー、［平成３１年２月１０日検索］、インターネット（URL:https://energyeye.com）

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、熱流センサを含む複合センサの更なる薄型化が望まれているが、非特許文献１及び特許文献１，２に記載の技術では、熱電チップの厚さを小さくする必要があるが、熱流に沿った熱電半導体の厚さを薄くすると、温度差が小さくなって検出される電圧が小さくなっ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、熱流センサ機能だけでなく温度センサ機能も有し、更なる薄型化が可能な複合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の発明に係る複合センサは、絶縁性の基材と、前記基材に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対向して形成された一対の対向電極とを有する温度検知部と、前記基材に形成され同一方向に延在していると共に前記基材の平面方向に互いに平行に並んでいる異常ネルンスト効果が得られる複数の異常ネルンスト材料膜と、複数の前記異常ネルンスト材料膜を電気的に直列に接続する接続配線とを有する熱流検知部とを備えていることを特徴とする。

この複合センサでは、薄膜サーミスタ部を有する温度検知部と、複数の異常ネルンスト材料膜を有する熱流検知部とを備えているので、同一基材で温度と熱流束とを計測可能であると共に、いずれも同じ基材に膜の積層で構成されており、薄型化が可能である。特に、熱流検知部が、熱流の方向に対して直交する方向に電圧が生じる複数の異常ネルンスト材料膜を平面方向に並べて電気的に直列に接続していることで、多くの配線数で異常ネルンスト材料膜を並べることで、厚さを増やさずに電圧を増幅することができる。

第２の発明に係る複合センサは、第１の発明において、前記接続配線が、互いに対向する前記異常ネルンスト材料膜の間にそれぞれ配されて互いに対向する一方の前記異常ネルンスト材料膜の一端側と他方の前記異常ネルンスト材料膜の他端側とを接続していることを特徴とする。
すなわち、この複合センサでは、接続配線が、互いに対向する異常ネルンスト材料膜の間にそれぞれ配されて互いに対向する一方の異常ネルンスト材料膜の一端側と他方の異常ネルンスト材料膜の他端側とを接続しているので、強磁性体材料等の各異常ネルンスト材料膜で同一方向に向けて生じた電圧を加算して増幅することができる。

第３の発明に係る複合センサは、第１又は第２の発明において、前記薄膜サーミスタ部が、前記異常ネルンスト材料膜よりも高い電気抵抗を有し、前記異常ネルンスト材料膜が、前記薄膜サーミスタ部の上又は下に形成されていることを特徴とする。
すなわち、この複合センサでは、薄膜サーミスタ部が、異常ネルンスト材料膜よりも高い電気抵抗を有し、異常ネルンスト材料膜が、薄膜サーミスタ部の上又は下に形成されているので、平面方向のサイズを小さくすることが可能になると共に、温度検知部と熱流検知部とが積層構造となって同じ部分に形成されることで、より高精度な温度と熱流束とを検知可能になる。また、仮に熱源が微小で、センサと熱源との接触面積が小さかったとしても、温度検知部と熱流検知部とが積層構造となっているので、微小な熱源の温度と熱流束との双方が検知可能となる。
なお、薄膜サーミスタ部が、異常ネルンスト材料膜よりも高抵抗であるため、熱流検知部において薄膜サーミスタ部の導電性の影響を抑制することができる。

第４の発明に係る複合センサは、第１から第３の発明のいずれかにおいて、前記薄膜サーミスタ部が、結晶性Ｔｉ−Ａｌ−Ｎであり、前記異常ネルンスト材料膜が、Ｆｅ−Ａｌであることを特徴とする。
すなわち、この複合センサでは、薄膜サーミスタ部が、結晶性Ｔｉ−Ａｌ−Ｎであり、異常ネルンスト材料膜が、Ｆｅ−Ａｌであるので、互いに構成元素のうちＡｌが共通していることで、積層において高い接合性を得ることができる。特に、薄膜サーミスタ部が、一般式：Ｔｉ_ｘＡｌ_ｙＮ_ｚ（但し、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薄膜からなる場合、高いＢ定数及び高熱伝導度が得られるだけでなく、比較的高い絶縁性を有しているため、積層される異常ネルンスト材料膜の熱流検知のための電圧検出は、薄膜サーミスタ部の導電性の影響を受けない。また、この材料の薄膜サーミスタ部は、柔軟性を有した膜であり、異常ネルンスト材料膜と共に柔軟性を有した基材に形成することで、全体としてフレキシブル性のある複合センサとすることができる。

第５の発明に係る複合センサは、第１から第４の発明のいずれかにおいて、前記基材が、絶縁性フィルムであることを特徴とする。
すなわち、この複合センサでは、基材が、絶縁性フィルムであるので、全体としてフレキシブル性を得ることができ、測定対象物に押し当てた際に柔軟に湾曲して測定対象物と面接触させることが可能であり、設置自由度が向上すると共に柔軟性と高い温度応答性とを兼ね備えることができる。特に、絶縁性フィルムに設ける温度検知部と熱流検知部とがどちらも膜の積層体であるため、高い柔軟性を有することができる。なお、絶縁性フィルムには、絶縁性樹脂フィルム、フレキシブルガラス基板等が使用できる。

本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係る複合センサによれば、薄膜サーミスタ部を有する温度検知部と、複数の異常ネルンスト材料膜を有する熱流検知部とを備えているので、同一基材で温度と熱流束とを計測可能であると共に、いずれも同じ基材に膜の積層で構成されており、薄型化が可能であり、高い精度で熱流を測定することができる。
したがって、本発明に係る複合センサでは、電子機器内部に搭載した場合など、高い設計自由度を得ることができる。また、本発明に係る複合センサは、熱流検知部を熱流センサ用だけでなく、熱流による発電用，スイッチ用としても適用可能である。

本発明に係る複合センサの第１実施形態を示す平面図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 図１のＢ−Ｂ線断面図である。 図１のＣ−Ｃ線断面図である。 本発明に係る複合センサの第２実施形態を示す平面図である。 図５のＡ’−Ａ’線断面図である。 図５のＢ’−Ｂ’線断面図である。 図５のＣ’−Ｃ’線断面図である。

以下、本発明に係る複合センサにおける第１実施形態を、図１から図４を参照しながら説明する。なお、以下の説明に用いる図面では、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。

本実施形態の複合センサ１は、絶縁性の基材２と、基材２に形成された薄膜サーミスタ部３と薄膜サーミスタ部３の上及び下の少なくとも一方に対向して形成された一対の対向電極４とを有する温度検知部５と、基材２に形成され同一方向に延在していると共に基材２の平面方向に互いに平行に並んでいる異常ネルンスト効果が得られる複数の異常ネルンスト材料膜６と、複数の異常ネルンスト材料膜６を電気的に直列に接続する接続配線７とを有する熱流検知部８とを備えている。

また、本実施形態の複合センサ１は、基材２に形成され一対の対向電極４に接続された一対の第１パターン配線９と、基材２に形成され直列に接続された複数の異常ネルンスト材料膜６の両端部に接続された一対の第２パターン配線１０とを備えている。
上記第１パターン配線９と上記第２パターン配線１０とは、帯状の基材２の端部まで同一方向に延在している。
一対の第１パターン配線９は、基材２の端部にリード線接続用の一対の第１パッド部９ａを有し、一対の第２パターン配線１０は、基材２の端部にリード線接続用の一対の第２パッド部１０ａを有している。
なお、第１パッド部９ａ及び第２パッド部１０ａ以外は、保護膜で覆われていてもよい。

上記接続配線７は、互いに対向する異常ネルンスト材料膜６の間にそれぞれ配されて互いに対向する一方の異常ネルンスト材料膜６の一端側と他方の異常ネルンスト材料膜６の他端側とを接続している。
本実施形態では、例えば図１に示すように、基材２の厚さ方向に生じた熱流に対して各異常ネルンスト材料膜６で生じた電圧の方向が同一方向になるように、４つの各異常ネルンスト材料膜６が接続配線７によって直列接続されている。これにより、４つの各異常ネルンスト材料膜６で生じた各電圧の合計が一対の第２パターン配線１０間に生じることになる。

複数の異常ネルンスト材料膜６は、厚さ方向の熱流に対して発生する電圧方向に対して互いに平行に配列された帯状又は線状に形成されている。
なお、直列接続される異常ネルンスト材料膜６の数や長さを増やすことで、得られる電圧も大きくできる。

上記薄膜サーミスタ部３は、異常ネルンスト材料膜６よりも高い電気抵抗を有し、異常ネルンスト材料膜６が、薄膜サーミスタ部３の上又は下に形成されている。なお、本実施形態では、異常ネルンスト材料膜６が、薄膜サーミスタ部３の上に形成されて積層されているが、異常ネルンスト材料膜６を、薄膜サーミスタ部３の下に形成して逆に積層しても構わない。

また、本実施形態では、薄膜サーミスタ部３が結晶性Ｔｉ−Ａｌ−Ｎであり、異常ネルンスト材料膜６がＦｅ−Ａｌである。
なお、薄膜サーミスタ部３としては、一般式：Ｍ_ｘＡ_ｙＮ_ｚ（但し、ＭはＴｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ及びＣｕの少なくとも１種を示すと共に、ＡはＡｌ又は（Ａｌ及びＳｉ）を示す。０．７０≦ｙ／（ｘ＋ｙ）≦０．９８、０．４≦ｚ≦０．５、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で示され、六方晶系のウルツ鉱型の単相である金属窒化物からなる材料が好ましい。本実施形態では、薄膜サーミスタ部３として、一般式：Ｔｉ_ｘＡｌ_ｙＮ_ｚ（但し、０．７０≦ｙ／（ｘ＋ｙ）≦０．９８、０．４≦ｚ≦０．５、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で示され、六方晶系のウルツ鉱型の単相である金属窒化物を採用している。

ウルツ鉱型の結晶構造は、六方晶系の空間群Ｐ６_３ｍｃ（Ｎｏ．１８６）であり、ＭとＡとは同じ原子サイトに属し（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。）、いわゆる固溶状態にある。ウルツ鉱型は、（Ｍ，Ａ）Ｎ_４四面体の頂点連結構造をとり、（Ｍ，Ａ）サイトの最近接サイトがＮ（窒素）であり、（Ｍ，Ａ）は窒素４配位をとる。

なお、Ｔｉ以外に、Ｖ（バナジウム）、Ｃｒ（クロム）、Ｍｎ（マンガン）、Ｆｅ（鉄）、Ｃｏ（コバルト）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｃｕ（銅）が同様に上記結晶構造においてＴｉと同じ原子サイトに存在することができ、Ｍの元素となり得る。有効イオン半径は、原子間の距離を把握することによく使われる物性値であり、特によく知られているＳｈａｎｎｏｎのイオン半径の文献値を用いると、論理的にもウルツ鉱型のＭ_ｘＡ_ｙＮ_ｚ（但し、ＭはＴｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ及びＣｕの少なくとも１種を示すと共に、ＡはＡｌ又は（Ａｌ及びＳｉ）を示す。）が得られると推測できる。
以下の表１にＡｌ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｓｉの各イオン種における有効イオン半径を示す（参照論文 R.D.Shannon, Acta Crystallogr., Sect.A, 32, 751(1976)）。

なお、Ｔｉ−Ａｌ−Ｎは、ウルツ鉱型の結晶構造をもつ窒化物絶縁体であるＡｌ−ＮのＡｌサイトをＴｉで部分置換することにより、キャリアドーピングし、電気伝導が増加することで、サーミスタ特性が得られるものであるが、Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ及びＣｕは、Ｔｉと同じ３ｄ遷移金属元素に属することから、ウルツ鉱型のＭ_ｘＡ_ｙＮ_ｚ（但し、ＭはＴｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ及びＣｕの少なくとも１種を示すと共に、ＡはＡｌ又は（Ａｌ及びＳｉ）を示す。）において、サーミスタ特性が得ることが可能である。

上記異常ネルンスト材料膜６は、上記Ｆｅ−Ａｌの他に、Ｆｅ−Ｐｔ，Ｃｏ−Ｐｔ等の材料や、Ｃｏ_２ＭｎＧａ，Ｃｏ_２ＭｎＡｌ，Ｃｏ_２ＭｎＳｉ等のホイスラー系合金材料等の自発磁化が大きい強磁性体材料や、Ｍｎ_２Ｓｎ等の反強磁性材料などが採用可能である。

上記基材２は、帯状又は長方形状のポリイミドの絶縁性樹脂フィルムであり、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、柔軟性と耐熱性とが要求される用途としては、耐熱性に優れたポリイミドフィルムが望ましい。
なお、基材２として、柔軟性が要求されていない場合、ガラス基板、アルミナなどの絶縁性セラミックス基板などを採用しても構わない。熱流検知部の異常ネルンスト材料には、基板と垂直方向に熱流を通すことで高い電圧が得られるので、より薄い絶縁性基板が望ましい。

一対の上記対向電極４は、互いに対向状態とされていると共に、複数の櫛部を有した櫛形パターンとされている。
対向電極４及び第１パターン配線９は、例えばＣｒ膜の単層や、Ｃｒ膜とＡｕ膜との積層金属膜等の種々の金属膜が採用可能である。
上記第２パターン配線１０は、起電力が小さいＡｕ膜が好ましいが、Ｃｒ膜とＡｕ膜との積層金属膜等も採用可能である。
第１パターン配線９と第２パターン配線１０とが同じ電極材料から構成されれば、電極材料の成膜工程とパターニング工程とを同一とすることができ、プロセスが簡略化できる。

本実施形態の複合センサ１の製造方法は、まず基材２上に薄膜サーミスタ部３を成膜し、さらにパターニングする薄膜サーミスタ部形成工程と、薄膜サーミスタ部３上に異常ネルンスト材料膜６を成膜し、さらにパターニングする異常ネルンスト材料膜形成工程と、対向電極４，第１パターン配線及び第２パターン配線１０を成膜し、さらにパターニングする電極形成工程とを有している。

上記薄膜サーミスタ部形成工程では、例えば基材２上に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薄膜サーミスタ部３を成膜する。
また、上記異常ネルンスト材料膜形成工程では、例えばＦｅ−Ａｌ合金スパッタリングターゲットを用いてスパッタを行って異常ネルンスト材料膜６を成膜する。

このように本実施形態の複合センサ１では、薄膜サーミスタ部３を有する温度検知部５と、複数の異常ネルンスト材料膜６を有する熱流検知部８とを備えているので、同一の基材２で温度と熱流束とを計測可能であると共に、いずれも同じ基材２に膜の積層で構成されており、薄型化が可能である。特に、熱流検知部８が、熱流の方向に対して直交する方向に電圧が生じる複数の異常ネルンスト材料膜６を平面方向に並べて電気的に直列に接続していることで、多くの配線数で異常ネルンスト材料膜６を並べることで、厚さを増やさずに電圧を増幅することができる。

また、薄膜サーミスタ部３が、異常ネルンスト材料膜６よりも高い電気抵抗を有し、異常ネルンスト材料膜６が、薄膜サーミスタ部３の上又は下に形成されているので、平面方向のサイズを小さくすることが可能になると共に、温度検知部５と熱流検知部８とが積層構造となって同じ部分に形成されることで、より高精度な温度と熱流束とを検知可能になる。
また、仮に熱源が微小で、センサと熱源の接触面積が小さい場合でも、温度検知部５と熱流検知部８とが積層構造となっているので、温度検知部５の面積を小さくすることができ、微小な熱源の温度と熱流束との双方が検知可能となる。
熱源と点接触となった場合は、熱流検知部８と点接触させることで、熱流が薄膜サーミスタ部３に直ちに伝わり、薄膜サーミスタ部３で熱源の温度検知が可能となる。

また、薄膜サーミスタ部３が、結晶性Ｔｉ−Ａｌ−Ｎであり、異常ネルンスト材料膜６が、Ｆｅ−Ａｌであるので、互いに構成元素のうちＡｌが共通していることで、積層において高い接合性を得ることができる。特に、薄膜サーミスタ部３が、一般式：Ｔｉ_ｘＡｌ_ｙＮ_ｚ（但し、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る場合、高いＢ定数及び高熱伝導度が得られるだけでなく、比較的高い絶縁性を有しているため、積層される異常ネルンスト材料膜６が、薄膜サーミスタ部３の導電性の影響を受け難い。

また、この材料の薄膜サーミスタ部３は、柔軟性を有した膜であり、異常ネルンスト材料膜６と共に柔軟性を有した基材２に形成することで、全体としてフレキシブル性のある複合センサとすることができる。
すなわち、基材２が、絶縁性フィルムであれば、全体としてフレキシブル性を得ることができ、測定対象物に押し当てた際に柔軟に湾曲して測定対象物と面接触させることが可能であり、設置自由度が向上すると共に柔軟性と高い温度応答性とを兼ね備えることができる。

次に、本発明に係る複合センサの第２実施形態について、図５から図８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、異常ネルンスト材料膜６が薄膜サーミスタ部３上に積層されて温度検知部５上に熱流検知部８が設けられているのに対し、第２実施形態の複合センサ２１では、図５から図８に示すように、異常ネルンスト材料膜６が薄膜サーミスタ部３に近接して基材２上に形成され温度検知部５と熱流検知部８とが隣接配置されている点である。

このように第２実施形態では、異常ネルンスト材料膜６が薄膜サーミスタ部３に近接して基材２上に形成されているので、第１実施形態と同様に、温度検知部２５と熱流検知部２８とを同一基材２に膜で構成することができ、薄型化が可能である。

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、上記各実施形態では、基材に絶縁性樹脂フィルムを採用しているが、フレキシブルガラス基板を採用しても構わない。基材が、フレキシブルガラス基板であれば、上記実施形態と同様に、全体としてフレキシブル性を得ることができる。なお、フレキシブルガラス基板は、化学強化、表面強化等のガラスを強化する処理がされた湾曲耐性のある超薄板の強化ガラス基板（例えば、市販されている日本電気硝子株式会社製のG-Leaf（登録商標））等が採用可能であり、従来のフロート製法等で製造されたソーダガラス基板や、石英基板、パイレックス（登録商標）基板（コーニング製ホウケイ酸ガラスの商標、（ＰＹＲＥＸ（登録商標））よりも柔軟性のあるガラス基板である。
基板に柔軟性をもたせるには、湾曲耐性が求められる。評価方法は、基板を、２枚の柔軟性有する薄い樹脂フィルムではさみ、直径２００ｍｍの円筒状の物体にまきつけ（２枚で挟む理由は基板を均一に曲げるため）、次に基板を元の平らな状態に戻す曲げ試験を実施する。湾曲耐性のある基板は、曲げ試験後、割れない、クラックが生じない基板である。中でも、円筒状の物体の直径がより小さい条件でも割れない基板が、湾曲耐性の高い基板であり、フレキシブル基板として良適である。

１，２１…複合センサ、２…基材、３…薄膜サーミスタ部、４…対向電極、５，２５…温度検知部、６…異常ネルンスト材料膜、７…接続配線、８，２８…熱流検知部

Claims (5)

1. 絶縁性の基材と、
   前記基材に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対向して形成された一対の対向電極とを有する温度検知部と、
   前記基材に形成され同一方向に延在していると共に前記基材の平面方向に互いに平行に並んでいる異常ネルンスト効果が得られる複数の異常ネルンスト材料膜と、複数の前記異常ネルンスト材料膜を電気的に直列に接続する接続配線とを有する熱流検知部とを備えていることを特徴とする複合センサ。
2. 請求項１に記載の複合センサにおいて、
   前記接続配線が、互いに対向する前記異常ネルンスト材料膜の間にそれぞれ配されて互いに対向する一方の前記異常ネルンスト材料膜の一端側と他方の前記異常ネルンスト材料膜の他端側とを接続していることを特徴とする複合センサ。
3. 請求項１又は２に記載の複合センサにおいて、
   前記薄膜サーミスタ部が、前記異常ネルンスト材料膜よりも高い電気抵抗を有し、
   前記異常ネルンスト材料膜が、前記薄膜サーミスタ部の上又は下に形成されていることを特徴とする複合センサ。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の複合センサにおいて、
   前記薄膜サーミスタ部が、結晶性Ｔｉ−Ａｌ−Ｎであり、
   前記異常ネルンスト材料膜が、Ｆｅ−Ａｌであることを特徴とする複合センサ。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の複合センサにおいて、
   前記基材が、絶縁性フィルムであることを特徴とする複合センサ。

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