JP2023124671A - 絶縁膜付き金属部材、物理量センサおよび圧力センサ - Google Patents

絶縁膜付き金属部材、物理量センサおよび圧力センサ Download PDF

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Abstract

【課題】絶縁膜縁部におけるクラックや剥離の発生を防止できる絶縁膜付き金属部材等を提供する。【解決手段】膜形成面と、前記膜形成面とは異なる方向を向き前記膜形成面に接続する接続面と、を有する金属部材と、前記膜形成面および前記接続面の少なくとも一部を、前記膜形成面と前記接続面との接続位置を跨いで覆う絶縁膜と、前記絶縁膜において前記接続位置を覆う部分である絶縁膜縁部に沿って形成されており、前記絶縁膜縁部の少なくとも一部を、前記金属部材とは反対側から覆う補強部と、を有する絶縁膜付き金属部材。【選択図】図１

Description

本発明は、絶縁膜付き金属部材並びにこれらを有する物理量センサおよび圧力センサに関する。
圧力センサや物理量センサでは、金属性の金属部材に絶縁膜を形成した絶縁膜付き金属部材を用いる場合がある。絶縁膜付き金属部材では、金属部材の弾性などの機械的特性および高温での耐久性など、優れた特性を利用しつつ、絶縁膜を形成することにより、歪抵抗膜などを用いた検出回路などの電気的な要素を、導電性の金属部材に対して絶縁された形で付加することができる。
しかしながら、絶縁膜は、線膨張係数やヤング率などの機械的特性が金属部材とは大きく異なり、機械的強度は金属部材に比べて劣る傾向にあるため、剥離や損傷を生じやすいという問題がある。また、絶縁膜は、外縁から剥離しやすい傾向があるため、検出回路などを形成する膜形成面を超えて、膜形成面に繋がる側面などの接続面まで覆うように、金属部材に対して広めに絶縁膜を形成することも考えられる。
特開２０１８－９１８４８号公報
しかしながら、絶縁膜の表面が金属部材の面の向きに沿って向きを変える絶縁膜縁部では、クラックなどの損傷が生じやすい傾向にある。そのため、絶縁膜縁部から、膜形成面上の絶縁膜へのクラックや剥離が進行する場合があり、絶縁性または液体やガスなどの遮蔽性などに関して、絶縁膜が性能低下を生じる場合がある。
本開示では、絶縁膜縁部におけるクラックや剥離の発生を防止できる絶縁膜付き金属部材等を提供する。
本開示に係る絶縁膜付き金属部材は、
膜形成面と、前記膜形成面とは異なる方向を向き前記膜形成面に接続する接続面と、を有する金属部材と、
前記膜形成面および前記接続面の少なくとも一部を、前記膜形成面と前記接続面との接続位置を跨いで覆う絶縁膜と、
前記絶縁膜において前記接続位置を覆う部分である絶縁膜縁部に沿って形成されており、前記絶縁膜縁部の少なくとも一部を、前記金属部材とは反対側から覆う補強部と、を有する。
このような絶縁膜付き金属部材は、絶縁膜縁部に沿って形成される補強部を有するため、絶縁膜縁部におけるクラックや剥離の発生を効果的に防止し、絶縁膜の性能低下を防ぐことができる。
また、たとえば、前記補強部は、金属薄膜で構成されていてもよい。
金属薄膜は、適度な強さと絶縁膜に対する追従性を有し、絶縁膜縁部の補強部として好適に作用する。
また、たとえば、前記金属薄膜は、Ａｕを含むＡｕ層を有してもよい。
Ａｕ層は、良好な延性を有してクラックを生じにくいため、絶縁膜縁部の補強部として好適に作用する。また、Ａｕ層は、化学的に安定で対候性に優れるとともに、応力が小さい傾向にあり、応力に起因する剥離を生じにくい。
また、たとえば、前記金属薄膜は、Ｐｔを含むＰｔ層を有してもよい。
Ｐｔ層は、優れた熱的安定性を奏するため、特に高温環境下において、絶縁膜縁部の補強部として好適に作用する。
また、たとえば、前記金属薄膜は複数の層を有してもよく、
前記金属薄膜は、前記絶縁膜に接触しており他の層より前記絶縁膜に対する密着性の高い密着層を有してもよい。
このような密着層を有する金属薄膜は、絶縁膜に対する密着性が高いため、絶縁膜縁部を効果的に補強し、絶縁縁部からのクラックや剥離の発生を、好適に防止できる。
また、本開示の第１の観点に係る物理量センサは、上述の絶縁膜付き金属部材と、
前記膜形成面の上側であって前記絶縁膜を挟んで前記膜形成面とは反対側に形成されており、前記金属部材に関する物理量を検出する検出部と、
前記検出部の一部に上側から重なるように形成されており、前記検出部の外部への電気的導通を確保する配線部が接続される電極膜と、を有し、
前記補強部の前記金属薄膜は、前記電極膜に含まれる層の少なくとも一部と共通の層を含む。
このような補強部を有する物理量センサは、絶縁膜の性能低下を防止し、良好な耐久性を有する。また、このような物理量センサは、補強部の少なくとも一部を、電極膜に含まれる層の形成プロセスで、同時に形成することができるため、生産性に優れている。
また、本開示の第２の観点に係る物理量センサは、上述の絶縁膜付き金属部材と、
前記膜形成面の上側であって前記絶縁膜を挟んで前記膜形成面とは反対側に形成されており、前記金属部材に関する物理量を検出する検出部と、を有し、
前記金属部材は、前記膜形成面を有するメンブレンと、前記接続面を有する側壁部と、を有するステム形状であり、
前記検出部は、前記メンブレンの変形量を検出する。
このような補強部を有する物理量センサは、ステム形状の金属部材に形成される絶縁膜の損傷および性能低下を好適に防止し、良好な耐久性を有する。
また、本開示に係る圧力センサは、上述の絶縁膜付き金属部材と、
前記膜形成面の上側であって前記絶縁膜を挟んで前記膜形成面とは反対側に形成されており、前記金属部材に関する物理量を検出する検出部と、を有し、
前記金属部材は、前記膜形成面を有するメンブレンと、前記接続面を有する側壁部と、を有するステム形状であり、
前記検出部は、前記メンブレンの圧力による変形量を検出する。
このような補強部を有する圧力センサは、ステム形状の金属部材に形成される絶縁膜の損傷および性能低下を好適に防止し、良好な耐久性を有する。また、このような圧力センサは、絶縁膜の耐久性が良好であるため、高温高圧下での圧力センサとして、特に好適に用いることができる。
図１は、第１実施形態に係る絶縁膜付き金属部材の模式断面図である。 図２は、図１に示す絶縁膜付き金属部材と、変形例に係る絶縁膜付き金属部材の上面図である。 図３は、第２実施形態に係る絶縁膜付き金属部材の模式断面図である。 図４は、第３実施形態に係る絶縁膜付き金属部材の模式断面図である。 図５は、第４実施形態に係る圧力センサの模式断面図である。 図６は、図５に示す圧力センサが有する絶縁膜付き金属部材の上面図である。 図７は、図５に示す圧力センサにおける絶縁膜付き金属部材およびその周辺部分を示す模式断面図である。
以下、本発明を、図面に示す実施形態に基づき説明する。
第１実施形態
図１は、第１実施形態に係る絶縁膜付き金属部材１０の模式断面図であり、図２は絶縁膜付き金属部材１０を上面から見た上面図である。なお、各図では、絶縁膜付き金属部材１０に含まれる各部分の説明の都合上、各部分の寸法については、実際とは異なる比率で表している。
図１に示すように、絶縁膜付き金属部材１０は、金属部材２０と、絶縁膜５０と、補強部６０とを有する。図１に示す金属部材２０は、略円柱状の形状を有するが、絶縁膜付き金属部材１０に用いる金属部材２０の形状としては、円柱状のみには限定されず、直方体その他の多角柱状や、円筒状、多角形多面体などであってもよい。
金属部材２０の材質は、任意の単体金属や合金とすることができるが、たとえば、鋼材、アルミ合金、ステンレス、ニッケル合金などが挙げられる。また、金属部材２０の材質を、オーステナイト系のステンレスであるＳＵＳ３０４およびＳＵＳ３１６や、析出系のオーステナイトであるＳＵＳ６３０およびＳＵＳ６３１から選ばれる１の材質とすることは、絶縁膜付き金属部材１０の高温環境における耐久性を高める観点から好ましい。
金属部材２０は、図１に示すように、膜形成面２２ｂと、接続面２４ａとを有する。金属部材２０における膜形成面２２ｂは、円柱の底面の一つであり、接続面２４ａは、円柱の側面である。ただし、膜形成面２２ｂおよび接続面２４ａの形状は、図１に示すもののみには限定されず、任意の面（膜形成面）と、その面とは異なる方向を向きその面に接続する他の任意の面（接続面）を、膜形成面２２ｂおよび接続面２４ａとすることができる。
膜形成面２２ｂは、その全体を絶縁膜５０により被覆されている。膜形成面２２ｂは、絶縁膜５０により直接被覆されており、膜形成面２２ｂは、絶縁膜５０の下面と接触する。ただし、膜形成面２２ｂの一部（たとえば全体の面積の２０％以下）が、絶縁膜５０から露出していてもよい。また、図１に示す膜形成面２２ｂは平面であるが、膜形成面２２ｂは曲面であってもよい。
図１に示すように、膜形成面２２ｂは上方を向いているのに対して、接続面２４ａは側方（水平方向）を向いており、接続面２４ａは、膜形成面２２ｂとは異なる方向を向く。接続面２４ａは、膜形成面２２ｂに接続しており、金属部材２０は、接続面２４ａが膜形成面２２ｂに接続する接続位置２５で、面の向きが変化する。なお、膜形成面２２ｂと接続面２４ａの面の向きは、たとえば、各面の法線方向などで規定される。膜形成面２２ｂと接続面２４ａとは、略９０度異なる方向を向いているが、膜形成面２２ｂと接続面２４ａとの関係は、９０度異なる方向を向く場合のみには限定されない。
接続面２４ａの少なくとも一部は、絶縁膜５０により被覆されている。接続面２４ａは、膜形成面２２ｂに接続する面であるため、特に接続面２４ａにおける接続位置２５に近接する部分は、膜形成面２２ｂ上から連続する絶縁膜５０により、直接被覆されている。接続面２４ａも、膜形成面２２ｂと同様に、絶縁膜５０に接触する。
ただし、接続面２４ａは、膜形成面２２ｂと同様に、全体または大部分が絶縁膜５０に覆われていてもよいが、膜形成面２２ｂとは異なり、一部のみ（接続位置２５周辺）のみが絶縁膜５０に被覆され、残部は絶縁膜５０から露出していてもよい。また、接続面２４ａにおいて絶縁膜５０に覆われている部分と、絶縁膜５０から露出する部分との境界は、絶縁膜５０の膜厚の減少に伴う遷移的なものであってもよい。
図１に示すように、絶縁膜５０は、膜形成面２２ｂおよび接続面２４ａの少なくとも一部を、膜形成面２２ｂと接続面２４ａとの接続位置２５を跨いで覆う。絶縁膜５０は、たとえばSｉО2のようなシリコン酸化物、Ｓｉ3Ｎ4のようなシリコン窒化物、ＳｉＯＮのようなシリコン酸窒化物や、ＡｌＯ3などの他のセラミックスで構成されるが、絶縁性の膜であれば、材質は限定されない。
絶縁膜５０は、たとえば、ＣＶＤ、スパッタリング、蒸着法などの薄膜形成法により、金属部材２０の膜形成面２２ｂおよび接続面２４ａに形成されるが、絶縁膜５０の形成方法は特に限定されない。絶縁膜５０の膜厚は、膜形成面２２ｂ上の厚みで０．１～１０μｍ程度とすることができ、１～５μｍとすることが好ましい。
図１に示すように、絶縁膜５０は、膜形成面２２ｂと接続面２４ａとの接続位置２５を跨いで形成されているため、絶縁膜５０には、接続位置２５を覆う部分に、絶縁膜縁部５７が形成される。絶縁膜５０において接続位置２５を覆う部分である絶縁膜縁部５７では、金属部材２０における接続位置２５の面方向変化に追従して絶縁膜５０の延在方向が変化し、絶縁膜５０が縁部を形成する。
図２（ａ）に示すように、絶縁膜縁部５７は、膜形成面２２ｂの外縁、すなわち接続位置２５に対応して形成される。絶縁膜付き金属部材１０における絶縁膜縁部５７は、円形の形状を有する。図１に示すように、絶縁膜５０において、絶縁膜縁部５７より内側の部分が、金属部材２０の膜形成面２２ｂを覆っており、この部分が、絶縁膜第１部分５４である。絶縁膜第１部分５４では、絶縁膜５０の膜厚は略一定であることが、膜形成面２２ｂ上における絶縁膜５０の機能を担保する観点から好ましい。
また、絶縁膜５０において、絶縁膜縁部５７より外側の部分が、金属部材２０の接続面２４ａを覆っており、この部分が、絶縁膜第２部分５６である。なお、絶縁膜第２部分５６の厚みは、絶縁膜第１部分５４の厚みと同じであってもよいが、絶縁膜第１部分５４より薄くてもよい。
図１に示すように、補強部６０は、絶縁膜縁部５７の少なくとも一部を、金属部材２０とは反対側から覆う。すなわち、補強部６０は、絶縁膜縁部５７およびその周辺の絶縁膜５０の上に形成されており、絶縁膜縁部５７を直接覆っている。
図２（ａ）に示すように、補強部６０は、絶縁膜縁部５７に沿ってリング状に形成されている。補強部６０は、絶縁膜縁部５７に沿って連続的に形成されているが、絶縁膜縁部５７の全部を覆ってはおらず、絶縁膜縁部５７の一部が露出する途切れ部６０ａを有する。
すなわち、図２（ａ）に示すように、絶縁膜付き金属部材１０の補強部６０は、連続しない途切れ部６０ａを有する略Cリング状の形状を有する。ただし、補強部６０の形状としては、図２（ａ）に示す形状のみには限定されない。
図２（ｂ）は、第１変形例に係る絶縁膜付き金属部材１１０を示す上面図である。図２（ｂ）に示すように、絶縁膜付き金属部材１１０の補強部１６０は、絶縁膜縁部５７の全体を覆うように、絶縁膜縁部５７に沿って連続するリング状の形状を有する。また、図２（ａ）および図２（ｂ）に示す形状の他に、補強部の他の形状としては、絶縁膜縁部５７に沿って断続的に形成され、複数の途切れ部を有するものなどが挙げられる。
図１および図２に示す補強部６０は、絶縁膜５０の上に形成される膜で構成され、金属薄膜で構成されることが、補強部６０に求められる延性および強度の観点から好ましい。金属薄膜を構成する金属としては、Ａｕ、Ａｌ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｍｏなどが挙げられるが、特に限定されない。また、金属薄膜で構成される補強部６０は、図１に示すように１つの層で構成されていてもよく、後述する第２～第４実施形態のように、複数の層を有していてもよい。なお、補強部６０を構成する金属薄膜以外の膜としては、たとえばシリコン酸化物のような絶縁性の膜が挙げられる。
補強部６０を構成する金属薄膜は、たとえばスパッタリングや、蒸着法などの薄膜形成法により、絶縁膜５０の上に形成される。補強部６０を構成する金属薄膜の形状は、フォトリソグラフィやメタルマスクを使用して、絶縁膜縁部５７に沿う任意の形状に形成することができる。
図１に示す補強部６０の厚みは、特に金属薄膜で補強部６０を構成する場合、５０～５００ｎｍ程度とすることが好ましく、１００～２００ｎｍとすることがさらに好ましい。補強部６０の厚みが所定値より薄い場合、補強部６０が連続膜を構成するのが難しくなり、補強部６０による絶縁膜縁部５７の保護機能が低下する。一方、補強部６０の厚みが所定値より厚い場合、成膜時間の増加によるスループットの低下や、原材料費のコスト増などのデメリットを生じる。
図２（ａ）に示すように、補強部６０は、絶縁膜縁部５７の一部を露出させる途切れ部６０ａを有してもよいが、補強部６０は、絶縁膜縁部５７の８０％以上を覆うことが、絶縁膜縁部５７から生じる絶縁膜５０の損傷を防止する観点から好ましい。
図２（ａ）に示すように、補強部６０は絶縁膜縁部５７に沿って帯状に形成されており、図１に示すように、補強部６０は、絶縁膜縁部５７から絶縁膜第１部分５４側と、絶縁膜縁部５７から絶縁膜第２部分５６側とへ所定の幅を有する。
図１に示すように、補強部６０において、絶縁膜縁部５７から絶縁膜第１部分５４側の端部までの幅である第１の幅W１は、たとえば５０～３５０μｍとすることが好ましく、１００～２５０μｍとすることがさらに好ましい。第１の幅Ｗ１を所定値以上とすることにより、絶縁膜縁部５７を確実に被覆および保護することができる。また、第１の幅Ｗ１を所定値以下とすることにより、絶縁膜第１部分５４の中央部分に、補強部６０から露出する領域を広く確保することができる。これにより、絶縁膜第１部分５４の上に、後述する検出部４３０（図６参照）のような他の構造を配置する領域を、限られたサイズの金属部材２０を用いて確保することができる。
また、補強部６０において、絶縁膜縁部５７から絶縁膜第２部分側の端部までの幅である第２の幅W２は、たとえば５０μｍ以上とすることが好ましい。第２の幅Ｗ２を所定値以上とすることにより、絶縁膜縁部５７を確実に被覆および保護することができる。なお、補強部６０における絶縁膜縁部５７から絶縁膜第２部分５６側の部分は、絶縁膜縁部５７から絶縁膜第１部分５４側の端部までの部分とは厚みが異なっていてもよい。たとえば、補強部６０における絶縁膜縁部５７から絶縁膜第２部分５６側の部分は、絶縁膜縁部５７から絶縁膜第１部分５４側の端部までの部分に対して、最大厚みの比較で、１０～１１０％とすることができ、７０～１００％とすることが好ましい。
以上のような絶縁膜５０および補強部６０を有する絶縁膜付き金属部材１０は、絶縁膜５０が確実に膜形成面２２ｂを保護し、膜形成面２２ｂ上の絶縁膜第１部分５４にクラックや剥離が生じることを、効果的に防止できる。絶縁膜５０は、膜形成面２２ｂから接続面２４ａまでを連続して被覆しているため、たとえ絶縁膜５０の外縁に生じたクラックや剥離が発生したとしても、そのクラックや剥離が、膜形成面２２ｂ上にまで伝搬することを防止できる。
また、仮に、膜形成面２２ｂから接続面２４ａまでを絶縁膜で単に被覆した場合、膜形成面２２ｂと接続面２４ａの接続位置２５を覆う絶縁膜縁部５７に、クラックや剥離が発生しやすい傾向が生じる場合がある。しかしながら、絶縁膜付き金属部材１０は、接続位置２５を覆う絶縁膜縁部５７に沿って補強部６０が形成されているため、補強部６０が絶縁膜縁部５７を補強し、絶縁膜縁部５７でクラックや剥離が発生する問題を、効果的に防止できる。
第２実施形態
図３は、第２実施形態に係る絶縁膜付き金属部材２１０の模式断面図である。絶縁膜付き金属部材２１０は、補強部２６０が、複数の層を有する金属薄膜で構成されることを除き、図１および図２に示す絶縁膜付き金属部材１０と同様である。絶縁膜付き金属部材２１０については、絶縁膜付き金属部材１０との相違点を中心に説明を行い、絶縁膜付き金属部材１０との共通点については、共通の符号を付し、説明を省略する。
図３に示すように、絶縁膜付き金属部材２１０の補強部２６０は、図１に示す補強部６０と同様に、絶縁膜縁部５７に沿って形成される金属薄膜で構成される。補強部２６０を構成する金属薄膜は、互いに含有元素または含有元素の構成比率が異なる複数の層を有する。
補強部２６０は、図３に示すように、Ａｕを含むＡｕ層２６２と、Ｐｔを含むＰｔ層２６４とを有する。Ａｕ層２６２は、補強部２６０の上層部分を構成し、Ｐｔ層２６４は、補強部２６０の下層部分を構成する。
Ａｕを含むＡｕ層２６２は、Ａｕ以外の元素を含んでいてもよいが、少なくともＡｕ層２６２に含まれる元素の重量比で考えて、Ａｕの比率が最大である。Ａｕ層２６２は延性が高いためクラックを生じにくく、補強部６０の下の絶縁膜縁部５７での剥離やクラックの発生を、効果的に防止できる。また、Ａｕ層２６２は対候性が良好であるため、補強部の上層部分をＡｕ層２６２とすることにより、補強部６０の経時変化を抑制し、膜付き金属部部材２１０の耐久性の向上に資する。また、Ａｕ層２６２は応力が小さいため、Ａｕ層が接する膜および層（補強部２６０ではＰｔ層２６４）に対して、応力による剥離を生じにくい。
Ａｕ層２６２は、たとえば、スパッタリングや蒸着法などの薄膜形成方法により、Ｐｔ層２６４の上に形成することができる。Ａｕ層２６２の厚みは、たとえば５０～５００ｎｍとすることができ、好ましくは１００～２５０ｎｍである。Ａｕ層２６２の厚みが所定値より薄い場合、Ａｕ層２６２が連続膜を構成するのが難しくなり、Ａｕ層２６２の機能が低下する。一方、Ａｕ層２６２の厚みが所定値より厚い場合、成膜時間の増加によるスループットの低下や、原材料費のコスト増などのデメリットを生じる。
Ｐｔを含むＰｔ層２６４は、Ｐｔ以外の元素を含んでいてもよいが、少なくともＰｔ層２６４に含まれる元素の重量比で考えて、Ｐｔの比率が最大である。Ｐｔ層２６４は、下層の絶縁膜５０と、上昇のＡｕ層に接する。Ｐｔ層２６４は、拡散防止層として好適に機能する。すなわち、Ｐｔ層２６４は、下側で接触する層や膜に含まれる元素が、上層で接触するＡｕ層２６２に移動（拡散）することを、効果的に防止できる。これにより、Ｐｔ層２６４は、上層であるＡｕ層２６２において、下層の元素が熱による表面析出を生じるなどの問題を防止し、Ａｕ層２６２の熱的な安定性を維持することができる。
Ｐｔ層２６４は、たとえば、スパッタリングや蒸着法などの薄膜形成方法により、絶縁膜５０の上に形成することができる。Ｐｔ層２６４の厚みは、たとえば１～５００ｎｍとすることができ、好ましくは５～５０ｎｍである。Ｐｔ層２６４の厚みが所定値より薄い場合、Ｐｔ層２６４が連続膜を構成するのが難しくなり、Ｐｔ層２６４の拡散防止機能が低下する。一方、Ｐｔ層２６４の厚みが所定値より厚い場合、成膜時間の増加によるスループットの低下や、応力による膜剥がれを生じやすくなるなどのデメリットを生じる。
図３に示す絶縁膜付き金属部材２１０は、補強部２６０がＡｕ層２６２とＰｔ層２６４とを有する金属薄膜で構成されているため、補強部２６０は、絶縁膜縁部５７におけるクラックや剥離の発生を、より長期間、好適に防止することができる。その他、絶縁膜付き金属部材２１０は、図１および図２に示す絶縁膜付き金属部材１０との共通点については、絶縁膜付き金属部材１０と同様の効果を奏する。
第３実施形態
図４は、第３実施形態に係る絶縁膜付き金属部材３１０の模式断面図である。絶縁膜付き金属部材３１０は、補強部３６０を構成する金属薄膜が、Ａｕ層２６２、Ｐｔ層２６４に加えて密着層３６６を有することを除き、図３に示す絶縁膜付き金属部材２１０と同様である。絶縁膜付き金属部材３１０については、絶縁膜付き金属部材２１０との相違点を中心に説明を行い、絶縁膜付き金属部材２１０との共通点については、共通の符号を付し、説明を省略する。
図４に示すように、絶縁膜付き金属部材３１０の補強部３６０は、Ａｕ層２６２、Ｐｔ層２６４および密着層３６６の複数の層（実施形態では３層）を有する金属薄膜で構成される。補強部３６０は、絶縁膜５０に近い側から、密着層３６６、Ｐｔ層２６４、Ａｕ層２６２の順に重ねられており、補強部３６０の中では、密着層３６６が最も下層である。
密着層３６６は、絶縁膜５０に接触しており、補強部３６０に含まれる他の層であるＡｕ層２６２およびＰｔ層２６４より絶縁膜５０に対する密着性が高い。密着層３６６に含まれる金属元素としては、たとえば、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｍｏなどが挙げられる。Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｍｏなどは、ＡｕやＰｔなどの金属元素に比べて他の元素と結合しやすい性質を有するため、これらの金属元素を含む密着層３６６は、Ｓｉなどを有する絶縁膜５０に対して、高い密着性を有する。また、Ｔｉは、Ａｕに対して拡散しづらい性質を有しており、Ａｕ層２６２表面への析出を生じにくいため、密着層３６６を構成する元素として好ましい。
密着層３６６は、たとえば、スパッタリングや蒸着法などの薄膜形成方法により、絶縁膜５０の上に形成することができる。密着層３６６の厚みは、たとえば１～５０ｎｍとすることができ、好ましくは５～２０ｎｍである。密着層３６６の厚みが所定値より薄い場合、密着層３６６が連続膜を構成するのが難しくなり、密着性を高める機能が低下する。一方、密着層３６６の厚みが所定値より厚い場合、成膜時間の増加によるスループットの低下や、応力による膜剥がれを生じやすくなるなどのデメリットを生じる。なお、補強部３６０のＰｔ層２６４は、密着層３６６の上に形成される。
図４に示す絶縁膜付き金属部材３１０は、補強部３６０が絶縁膜５０と接触する密着層３６６を有するため、補強部３６０と絶縁膜５０との密着性が向上し、絶縁膜縁部５７におけるクラックや剥離の発生を、より効果的に防止することができる。その他、絶縁膜付き金属部材３１０は、図３に示す絶縁膜付き金属部材２１０との共通点については、絶縁膜付き金属部材２１０と同様の効果を奏する。
第４実施形態
図５は、第４実施形態に係る絶縁膜付き金属部材４１０を用いた圧力センサ４００の模式断面図である。以下、図５～図７を用いて、圧力センサ４００と絶縁膜付き金属部材４１０について、説明を行う。なお、絶縁膜付き金属部材４１０は、絶縁膜５０を形成する金属部材が金属ステム４２０であることを除き、第３実施形態に係る絶縁膜付き金属部材３１０と同様である。第４実施形態に係る絶縁膜付き金属部材４１０については、図４に示す絶縁膜付き金属部材３１０との相違点を中心に説明を行い、絶縁膜付き金属部材３１０との共通点については、共通の符号を付し、説明を省略する。
図５に示すように、圧力センサ４００は、金属ステム４２０を金属部材とする絶縁膜付き金属部材４１０と、金属ステム４２０におけるメンブレン４２２の圧力による変形量を検出する検出部４３０と、配線部としての中間配線４７２が接続される電極膜４３６（図６参照）等を有する。
図５に示すように、圧力センサ４００の金属部材は、膜形成面４２２ｂを有するメンブレン４２２と、メンブレン４２２に接続する接続面４２４ａと、を有するステム形状である。すなわち、メンブレン４２２は、中空筒状の金属ステム４２０の一端に形成してある端壁を構成しており、メンブレン４２２の外面が、膜形成面４２２ｂとなっている。また、金属ステム４２０において、メンブレン４２２に接続する筒状の側壁部４２４の外面が、膜形成面４２２ｂに接続する接続面４２４ａを構成する。膜形成面４２２ｂは上方を向き、接続面４２４ａは側方を向くため、膜形成面４２２ｂと接続面４２４ａとの接続位置４２５で、面の向きが略９０度変化する。金属ステム４２０の他端は中空部の開放端となっており、金属ステム４２０の中空部は、接続部材４１２の流路４１２ｂに連通してある。
圧力センサ４００では、流路４１２ｂに導入される流体が、金属ステム４２０の中空部からメンブレン４２２の内面４２２ａに導かれて、流体圧がメンブレン４２２に作用するようになっている。金属ステム４２０は、図１に示す金属部材２０と同様に、たとえばステンレスなどの金属で構成される。
金属ステム４２０の開放端の周囲には、フランジ部４２１が、金属ステム４２０の軸芯から外方に突出するように形成してある。フランジ部４２１は、接続部材４１２と抑え部材４１４との間に挟まれ、メンブレン４２２の内面４２２ａへと至る流路４１２ｂが密封されるようになっている。
接続部材４１２は、圧力センサ４００を固定するためのねじ溝４１２ａを有する。圧力センサ４００は、測定対象となる流体が封入してある圧力室などに対して、ねじ溝４１２ａを介して固定されている。これにより、接続部材４１２の内部に形成されている流路４１２ｂおよび金属ステム４２０におけるメンブレン４２２の内面４２２ａは、測定対象となる流体が内部に存在する圧力室に対して、気密に連通する。
抑え部材４１４の上面には、回路基板４１６が取り付けてある。回路基板４１６は、金属ステム４２０の周囲を囲むリング状の形状を有しているが、回路基板４１６の形状としてはこれに限定されない。回路基板４１６には、たとえば、検出部４３０からの検出信号が伝えられる回路などが内蔵してある。
図５に示すように、メンブレン４２２の外面である膜形成面４２２ｂには、絶縁膜５０を介して、検出部４３０が設けられている。検出部４３０と回路基板４１６とは、ワイヤボンディングなどによる中間配線４７２などにより接続してあり、中間配線４７２により、検出部４３０の外部への電気的導通が確保してある。
図６は、図５に示す圧力センサ４００を、メンブレン４２２の膜形成面４２２ｂの上方から見た上面図である。また、図７は、図６に示す圧力センサ４００の断面線VII―VIIに沿う断面図である。ただし、図６および図７では、金属ステム４２０のフランジ部４２１、回路基板４１６および中間配線４７２等は、図示を省略している。図６および図７に示すように、絶縁膜付き金属部材４１０における絶縁膜第１部分５４には、検出部４３０が形成されている。
図５および図６に示すように、検出部４３０は、金属ステム４２０における膜形成面４２２ｂの上側であって絶縁膜５０を挟んで膜形成面４２２ｂとは反対側に形成されている。図６に示すように、検出部４３０は、電気配線4３４によって接続される抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４を有する。検出部４３０の電気配線４３４および抵抗Ｒ１～Ｒ４は、歪抵抗膜４３２により構成される。
また、電極膜４３６は、検出部４３０と同様に、絶縁膜第１部分５４の上側に形成されている。電極膜４３６は、検出部４３０の一部（たとえば歪抵抗膜４３２）に上側から重なるように形成されており、検出部４３０に電気的および物理的に接続している。また、電極膜４３６には、図１に示す中間配線４７２が接続し、検出部４３０の検出信号は、電極膜４３６および中間配線４７２を介して、回路基板４１６へ伝えられる。
検出部４３０の抵抗Ｒ１～Ｒ４は、メンブレン４２２の所定位置に形成されており、メンブレン４２２の変形に応じた歪を生じ、抵抗値が変化する。これらの抵抗Ｒ１～Ｒ４は、電気配線４３４によりホイートストーンブリッジ回路を構成するように接続されている。このような検出部４３０は、金属ステム４２０に関する物理量の一つであるメンブレン４２２の変形量を検出し、メンブレン４２２の内面４２２ａ（図５参照）に接触する流体の圧力を検出する。
図７に示すように、検出部４３０を構成する抵抗Ｒ１～Ｒ４および電極膜４３６等は、膜形成面４２２ｂおよび接続面４２４ａに形成される絶縁膜５０により、金属ステム４２０に対して絶縁されている。また、図６および図７に示すように、絶縁膜第１部分５４の上側には、検出部４３０を上側から覆う絶縁性の保護膜４７４が形成されている。ただし、電極膜４３６の少なくとも一部は、保護膜４７４から露出している。保護膜４７４の厚み、材質および形成方法は特に限定されないが、たとえば絶縁膜５０と同様とすることができる。
抵抗Ｒ１～Ｒ４および電気配線４３４などを構成する歪抵抗膜４３２は、たとえば、所定の材料の導電性の薄膜を、パターニングすることにより作製することができる。歪抵抗膜４３２は、ＣｒとＡｌとを含み、好ましくは、５０～９９ａｔ％のＣｒと、１～５０ａｔ％のＡｌとを含み、さらに好ましくは７０～９０ａｔ％のＣｒと、５～３０ａｔ％のＡｌとを含む。歪抵抗膜４３２がＣｒとＡｌとを含むことにより、高温環境下におけるＴＣＲ（Temperature coefficient of Resistance、抵抗値温度係数）やＴＣＳ（Temperature coefficient of sensitivity、抵抗温度係数）が安定し、精度の高い圧力検出が可能となる。また、ＣｒとＡｌの含有量を所定の範囲とすることにより、高いゲージ率と良好な温度安定性を、より高いレベルで両立できる。
歪抵抗膜４３２は、ＣｒおよびＡｌ以外の元素を含んでいてもよく、たとえば、歪抵抗膜４３２は、ОやＮを含んでいてもよい。歪抵抗膜４３２に含まれるＯやＮは、歪抵抗膜４３２を成膜する際に反応室から除去しきれずに残留したものが、歪抵抗膜４３２に取り込まれたものであってもよい。また、歪抵抗膜４３２に含まれるＯやＮは、成膜時またはアニール時に雰囲気ガスとして使用されるなどして、意図的に歪抵抗膜４３２に導入されたものであってもよい。
図７に示すように、電極膜４３６は、歪抵抗膜４３２の上に重なるコンタクト層４３６ａと、コンタクト層４３６ａの上に重なる拡散防止層４３６ｂと、拡散防止層４３６ｂの上に重なる実装層４３６ｃとを有する。電極膜４３６は、異なる材料で形成される複数の層で構成される多層膜構造を有する。ただし、電極膜４３６としては、図７に示すような３層構造のもののみには限定されず、電極膜４３６は、１層、２層または４層以上の積層構造を有していてもよい。
図７に示すように、電極膜４３６のうち最も下層にあるコンタクト層４３６ａは、歪抵抗膜４３２に直接接触する。コンタクト層４３６ａは、歪抵抗膜４３２とのオーミック接続を確保して、検出部４３０の電気的特性を向上させることが好ましい。また、コンタクト層４３６ａは、歪抵抗膜４３２と電極膜４３６との密着強度を確保して、膜および層の剥離不良を防止する。
コンタクト層４３６ａは、スパッタリングや蒸着法などの薄膜形成法により形成することができる。コンタクト層４３６ａの厚みは、特に限定されないが、たとえば１～５０ｎｍであり、好ましくは５～２０ｎｍである。コンタクト層４３６ａは、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｍｏのうち少なくともいずれか１つを含むことが好ましい。これらの元素は、他金属と合金を作り易いため、このような元素を含むコンタクト層４３６ａは、歪抵抗膜４３２および拡散防止層４３６ｂとの密着強度を確保して、膜および層間の剥離不良を防止できる。
また、コンタクト層４３６ａは、Ｔｉを含むことが、特に好ましい。Ｔｉは、Ａｕなどを含む実装層４３６ｃに拡散しづらく、実装層４３６ｃの上表面への析出を生じにくい傾向がある。そのため、Ｔｉを含むコンタクト層４３６ａを有する電極膜４３６は、電極膜４３６が高温環境に曝された後も、中間配線４７２に対して好適な密着性を奏する。
さらに、ＴｉはＣｒ中へも拡散しづらいため、コンタクト層４３６ａを構成するＴｉは、高温環境下においても、ＣｒおよびＡｌを含む歪抵抗膜４３２中へ拡散しづらい特性を有する。したがって、コンタクト層４３６ａがＴｉを含むことにより、検出部４３０は、高温環境下における使用においても、電極膜４３６中の元素の歪抵抗膜４３２中への拡散を防止することができ、組成変化による歪抵抗膜４３２の性能低下を防止することができる。
図７に示すように、拡散防止層４３６ｂは、電極膜４３６において、コンタクト層４３６ａと実装層４３６ｃの間に配置してあり、上下方向を実装層４３６ｃとコンタクト層４３６ａによって挟まれている。拡散防止層４３６ｂは、歪抵抗膜４３２やコンタクト層４３６ａなど、拡散防止層４３６ｂより下に配置されている膜および層に含まれる元素が、拡散防止層４３６ｂより上に配置されている実装層４３６ｃへ拡散することを防止し、また、実装層４３６ｃの上表面へ析出することを防止する。
拡散防止層４３６ｂは、スパッタリングや蒸着法などの薄膜形成法により形成することができる。拡散防止層４３６ｂの厚みは、特に限定されないが、たとえば１～５００ｎｍであり、好ましくは５～５０ｎｍである。拡散防止層４３６ｂの厚みが薄すぎると連続膜を形成することが難しくなり、拡散防止機能が弱められる場合があり、厚みが厚すぎると、膜剥がれの問題が生じたり、成膜時間の増加による生産性（スループット）低下の問題が生じたりする場合がある。
拡散防止層４３６ｂは、第５または６周期に属する遷移元素を含むことが、歪抵抗膜４３２やコンタクト層４３６ａなどに含まれる元素の上層への拡散を防止する観点から好ましい。具体的には、拡散防止層４３６ｂは、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕから選ばれる１または複数の元素を含むことが好ましい。
また、拡散防止層４３６ｂは、白金族元素を含むことがさらに好ましい。具体的には、拡散防止層４３６ｂは、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔから選ばれる１または複数の元素を含むことが好ましい。白金族元素は、反応性が小さく化学的に安定であるため、白金族元素を含む拡散防止層４３６ｂは、高温環境においても、特に好適な拡散防止効果を奏する。なお、白金族元素の中でも特にＰｔは、他の電極分野でも使用されている実績があり、他の白金族元素より技術的蓄積がある。
図２に示すように、電極膜４３６のうち最も上層にある実装層４３６ｃは、電極膜４３６の上表面に露出する。実装層４３６ｃには、ＡｕやＡｌなどの細線で構成される中間配線４７２が、ワイヤボンディングなどにより接合される。なお、ＡｕやＡｌの細線による中間配線４７２を用いる圧力センサ４００は、はんだの融点以上となる高温環境でも使用可能であり、耐熱性が良好である。また、Ａｕの細線による中間配線４７２を用いる圧力センサ４００は、Ａｌの細線による中間配線４７２を用いる圧力センサより耐熱性を向上させることができる。
実装層４３６ｃは、スパッタリングや蒸着法などの薄膜形成法により形成することができる。実装層４３６ｃの厚みは、特に限定されないが、たとえば１０～４００ｎｍであり、好ましくは１００～３００ｎｍである。実装層４３６ｃの厚みが薄すぎると連続膜を形成することが難しくなり、中間配線４７２との密着性が低下するおそれがある。実装層４３６ｃの厚みが厚すぎると、膜剥がれの問題が生じたり、成膜時間の増加による生産性（スループット）低下の問題が生じたりする場合がある。
実装層４３６ｃは、Ａｕ、Ａｌ、Ｎｉのすくなくともいずれかを含むことが、耐熱性および中間配線４７２との接合性の観点から好ましい。また、耐熱性を高めてさらに高温環境への対応性を高める観点から、実装層４３６ｃは、高温環境においても低抵抗かつ融点の高いＡｕを含むことがさらに好ましい。また、中間配線４７２の材料としてＡｕの細線を用いる場合、実装層４３６ｃがＡｕを含むことにより、中間配線４７２と実装層４３６ｃの材料が、いずれもＡｕとなる。これにより、中間配線４７２と実装層４３６ｃとの接合部分の密着性が向上する。
図６および図７に示すように、圧力センサ４００が有する絶縁膜付き金属部材４１０は、図４に示す絶縁膜付き金属部材３１０と同様の補強部３６０を有する。すなわち、補強部３６０は、絶縁膜縁部５７に沿って形成されており、途切れ部３６０ａを除き、絶縁膜縁部５７を覆っている。また、絶縁膜付き金属部材４１０の補強部３６０は、密着層３６６と、Ｐｔ層２６４と、Ａｕ層２６２を有する金属薄膜により構成される。
また、図６および図７に示すように、絶縁膜第１部分５４に上に配置される検出部４３０および電極膜４３６は、補強部３６０に対して所定の間隔を空けて配置されている。検出部４３０および電極膜４３６を、補強部３６０に対して離間して配置することにより、検出部４３０および電極膜４３６と補強部３６０との絶縁性が確保される。
図７に示す補強部３６０を構成する金属薄膜は、電極膜４３６に含まれる層の少なくとも一部と共通の層を含むことが好ましい。たとえば、補強部３６０のＡｕ層２６２と、電極膜４３６の実装層４３６ｃとは、Ａｕを含む構成元素が略同一である共通の層とすることができる。また、補強部３６０のＰｔ層２６４と、電極膜４３６の拡散防止層４３６ｂとは、Ｐｔを含む構成元素が略同一である共通の層とすることができる。また、補強部３６０の密着層３６６と、電極膜４３６のコンタクト層４３６ａとは、Ｔｉ等を含む構成元素が略同一である共通の層とすることができる。
また、図７に示すように、補強部３６０を構成する金属薄膜と、電極膜４３６がいずれも複数の層を有し、かつ、複数の共通の層を有する場合は、複数の共通の層の上下関係は、補強部３６０と電極膜４３６とで一致していることが好ましい。このような補強部３６０および電極膜４３６は、共通の層を同一プロセスで形成することができるため、良好な生産性を有する。
さらに、補強部３６０と電極膜４３６とは、これらを構成する層が全て共通であって、各層の上下関係（積層順序）も一致していてもよい。このような圧力センサ４００では、補強部３６０と電極膜４３６とを、同一のプロセスで形成することができる。この場合、補強部３６０を構成する金属薄膜は、Ａｕ層２６２、Ｐｔ層２６４および密着層３６６の３層構造に限定されず、電極膜４３６と共通の任意の金属積層膜とすることができる。
図１に示す圧力センサ４００では、絶縁膜付き金属部材４１０の金属部材として、メンブレン４２２を有するステム形状である金属ステム４２０を採用している。このような金属ステム４２０は、効果的に検出部４３０に対して圧力を伝搬させることが可能であり、圧力センサ４００の感度を向上させることができる。また、圧力センサ４００では、金属ステム４２０の外表面である膜形成面４２２ｂおよび接続面４２４ａに絶縁膜５０が形成されており、さらに絶縁膜５０におけるクラックや剥離の発生を防止する補強部３６０が形成されている。このような圧力センサ４００は、たとえば高温環境や高圧環境のような、高い耐久性が求められる環境下でも、良好な検出精度と信頼性を確保することができる。
また、圧力センサ４００に含まれる絶縁膜付き金属部材４１０は、図４に示す絶縁膜付き金属部材３１０との共通点については、絶縁膜付き金属部材３１０と同様の効果を奏する。なお、本開示は、上述した実施形態および実施例のほかに、他の実施形態および変形例を多く含むことは言うまでもない。たとえば、第４実施形態では、検出部４３０がメンブレン４２２の圧力による変形量を検出する圧力センサ４００を例に挙げて説明したが、検出部４３０としては圧力による変形量を検出するもののみには限定されない。絶縁膜付き金属部材４１０と検出部とを有する物理量センサとしては、圧力センサ４００以外にも、歪、温度または振動のような金属部材に関する他の物理量を検出するものが挙げられる。
１０、１１０、２１０、３１０、４１０…絶縁膜付き金属部材
２０…金属部材
２２ｂ、４２２ｂ…膜形成面
２４ａ、４２４ａ…接続面
２５、４２５…接続位置
５０…絶縁膜
５４…絶縁膜第１部分
５６…絶縁膜第２部分
５７…絶縁膜縁部
６０、１６０、２６０、３６０…補強部
６０ａ、３６０ａ…途切れ部
２６２…Ａｕ層
２６４…Ｐｔ層
３６６…密着層
４００…圧力センサ
４１２…接続部材
４１２ａ…ねじ溝
４１２ｂ…流路
４１４…抑え部材
４１６…回路基板
４２０…金属ステム
４２１…フランジ部
４２２…メンブレン
４２４…側壁部
４３０…検出部
４３２…歪抵抗膜
Ｒ１～R４…抵抗
４３４…電気配線
４３６…電極膜
４３６ａ…コンタクト層
４３６ｂ…拡散防止層
４３６ｃ…実装層
４７２…中間配線
４７４…保護膜

Claims (8)

  1. 膜形成面と、前記膜形成面とは異なる方向を向き前記膜形成面に接続する接続面と、を有する金属部材と、
    前記膜形成面および前記接続面の少なくとも一部を、前記膜形成面と前記接続面との接続位置を跨いで覆う絶縁膜と、
    前記絶縁膜において前記接続位置を覆う部分である絶縁膜縁部に沿って形成されており、前記絶縁膜縁部の少なくとも一部を、前記金属部材とは反対側から覆う補強部と、を有する絶縁膜付き金属部材。
  2. 前記補強部は、金属薄膜で構成される請求項１に記載の絶縁膜付き金属部材。
  3. 前記金属薄膜は、Ａｕを含むＡｕ層を有する請求項２に記載の絶縁膜付き金属部材。
  4. 前記金属薄膜は、Ｐｔを含むＰｔ層を有する請求項２または請求項３に記載の絶縁膜付き金属部材。
  5. 前記金属薄膜は複数の層を有しており、
    前記金属薄膜は、前記絶縁膜に接触しており他の層より前記絶縁膜に対する密着性の高い密着層を有する請求項２から請求項４までのいずれかに記載の絶縁膜付き金属部材。
  6. 請求項２から請求項５までのいずれかに記載の絶縁膜付き金属部材と、
    前記膜形成面の上側であって前記絶縁膜を挟んで前記膜形成面とは反対側に形成されており、前記金属部材に関する物理量を検出する検出部と、
    前記検出部の一部に上側から重なるように形成されており、前記検出部の外部への電気的導通を確保する配線部が接続される電極膜と、を有し、
    前記補強部の前記金属薄膜は、前記電極膜に含まれる層の少なくとも一部と共通の層を含む物理量センサ。
  7. 請求項２から請求項５までのいずれかに記載の絶縁膜付き金属部材と、
    前記膜形成面の上側であって前記絶縁膜を挟んで前記膜形成面とは反対側に形成されており、前記金属部材に関する物理量を検出する検出部と、を有し、
    前記金属部材は、前記膜形成面を有するメンブレンと、前記接続面を有する側壁部と、を有するステム形状であり、
    前記検出部は、前記メンブレンの変形量を検出する物理量センサ。
  8. 請求項２から請求項５までのいずれかに記載の絶縁膜付き金属部材と、
    前記膜形成面の上側であって前記絶縁膜を挟んで前記膜形成面とは反対側に形成されており、前記金属部材に関する物理量を検出する検出部と、を有し、
    前記金属部材は、前記膜形成面を有するメンブレンと、前記接続面を有する側壁部と、を有するステム形状であり、
    前記検出部は、前記メンブレンの圧力による変形量を検出する圧力センサ。
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