JP4527236B2

JP4527236B2 - 薄膜センサ

Info

Publication number: JP4527236B2
Application number: JP2000093797A
Authority: JP
Inventors: 常雄染谷; 雄司三原
Original assignee: Toyota Motor Corp; Gotoh Educational Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Gotoh Educational Corp
Priority date: 2000-03-30
Filing date: 2000-03-30
Publication date: 2010-08-18
Anticipated expiration: 2020-03-30
Also published as: JP2001281076A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は薄膜センサ、特に温度変化及び歪みによる影響の小さい薄膜センサの改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、しゅう動部の圧力測定等の目的で薄膜センサが使用されている。このような薄膜センサは、センサ膜を真空蒸着あるいはスパッタリング法等により、しゅう動部表面に直接形成して測定を行うため、センサの取付によるしゅう動面への影響が少ないという特徴がある。
【０００３】
このような薄膜センサの例がトライボロジスト第４３巻第７号（１９９８）６１１〜６１７に記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来の薄膜センサでは、圧力測定時に、温度変化あるいは薄膜センサに加わる歪みにより測定圧力に誤差が生じるという問題があった。このため、たとえばエンジンの主軸受部等の高温かつ大きな歪みの発生する部位の圧力測定を行う場合には、従来の薄膜センサでは性能が不十分であった。
【０００５】
本発明は、上記従来の課題に鑑みなされたものであり、その目的は、温度変化あるいは歪みによる影響を除去でき、圧力のみの測定を可能とする薄膜センサを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、銅とマンガンとニッケルとの合金により構成される薄膜センサであって、銅の組成が８７．４から８７．８重量％であり、マンガンの組成が８．７５から９．６重量％であり、ニッケルの組成が３．０から３．４５重量％であることを特徴とする。
【０００７】
また、クロムと金との合金により構成される薄膜センサであって、クロムの組成が３．０重量％以上４．４重量％以下であり、残部が金であって、任意の直交軸に対して一方向の長さと幅の比が、他方向の長さと幅の比と同じであることを特徴とする。
【０００８】
また、クロムと金との合金により構成される薄膜センサであって、縦方向のゲージ率と横方向のゲージ率がともに±０．３以内であることが好適である。
【００１０】
また、上記薄膜センサにおいて、被測定対象物とセンサとの間に形成される絶縁膜が窒化物であることを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）を、図面に従って説明する。
【００１２】
図１（ａ）、（ｂ）には、銅（Ｃｕ）とマンガン（Ｍｎ）とニッケル（Ｎｉ）との合金により構成された薄膜センサについて、銅、マンガン、ニッケルの組成比を種々変化させた場合の、５０℃における抵抗を基準とする温度に対する抵抗変化率の測定結果が示される。すなわち、図１（ｂ）の（１）〜（６）の組成割合（重量％）の合金を使用した薄膜センサの抵抗変化率が、図１（ａ）の（１）〜（６）の直線でそれぞれ示されている。
【００１３】
なお、測定に使用した薄膜センサの形状は円形であり、測定圧力は１００ＭＰａである。ただし、温度感度、圧力感度はセンサの形状にほとんど依存しないので、円形以外の形状であっても結果には大きな相違は生じない。
【００１４】
圧力測定用の薄膜センサとしては、測定結果が温度変化に影響されないことが望ましく、図１（ａ）の破線で示されるように、温度の変化に対して抵抗変化率が０の線に特性が近いほどよい。図１（ａ）からわかるように、図１（ｂ）に示された合金組成のうち（１）、（３）、（４）に対応するものは温度に対する抵抗変化率が大きすぎて、薄膜センサの材料としては適さない。これらに対して、合金組成が（６）のものは、図１（ａ）に示された破線すなわち温度変化に対して抵抗変化率がない場合に極めて近く、薄膜センサの材料として好適であることがわかる。さらに、図１（ｂ）に示された合金組成のうち（２）および（５）のものは、図１（ａ）に示されるように、温度に対する抵抗変化率が、１００℃において１．０（Ω／Ω）×１０^-3前後となっている。抵抗変化率の値としては、±１．５（Ω／Ω）×１０^-3以内とするのが望ましいので、薄膜センサの材料としては、合金組成が（２）のものから（５）のものの間であることが好適と考えられる。
【００１５】
以上より、薄膜センサの材料として、銅とマンガンとニッケルとの合金を使用する場合には、その組成が図１（ｂ）に示された（２）と（５）との間、すなわち、銅の組成が８７．４から８７．８重量％であり、マンガンの組成が８．７５から９．６重量％であり、ニッケルの組成が３．０から３．４５重量％の間であるのが好適であると考えられる。
【００１６】
図２には、クロム（Ｃｒ）と金（Ａｕ）との合金により構成された薄膜センサについて、クロムの含有量を種々変化させた場合の、５０℃における抵抗を基準とする温度に対する抵抗変化率の測定結果が示される。図２において、使用したクロム、金合金中のクロム含有量は、３．０重量％、３．６重量％、３．８重量％、４．４重量％、５．７重量％である。
【００１７】
図１（ａ）でも述べたとおり、圧力測定用の薄膜センサとしては、測定結果が温度変化に影響されないことが望ましく、図２で言えばクロム含有量３．６重量％が最も好適といえる。ただし、クロム含有量が５．７重量％のものを除けば、いずれのものも温度に対する抵抗変化率が１００℃において±１．５（Ω／Ω）×１０^-3以内となっているので、薄膜センサの材料として使用可能である。したがって、クロムの組成が３．０重量％以上４．４重量％以下であるクロム、金合金が薄膜センサの材料として好適と考えられる。
【００１８】
次に、図３に示された形状の薄膜センサにより、圧力測定値に及ぼす歪みの影響について説明する。図３においては、薄膜センサは２種類の材料Ａ，Ｂでそれぞれ直線状のセンサを形成し、お互いを９０°の方向に位置するように配置してある。
【００１９】
また、図３に示された薄膜センサのうち、材料Ａで形成した部分および材料Ｂで形成した部分についての特性値は、以下のとおりである。
【００２０】
【数１】

なお、以後材料Ａにより形成された薄膜センサをＸ方向の薄膜センサといい、材料Ｂで形成された薄膜センサをＹ方向の薄膜センサという。Ｙ方向の薄膜センサのゲージ率すなわち歪みによる抵抗変化をＫｓｌ（（Ω／Ω）／ε）、Ｘ方向のゲージ率をＫｓｗ（（Ω／Ω）／ε）とし、εを薄膜センサにかかる歪みの大きさとすると、これらのゲージ率はそれぞれ以下のように表される。
【００２１】
【数２】

ここで、一般にＲ＝ρ・（ｌ／Ｓ）＝ρ・（ｌ／ｗｔ）となる。なお、Ｓは各薄膜センサの断面積である。この式を上述したＹ方向の薄膜センサのゲージ率ＫｓｌおよびＸ方向の薄膜センサのゲージ率Ｋｓｗにそれぞれ代入すると各ゲージ率の式は以下のとおりとなる。
【００２２】
【数３】

ここで、Ｘ方向の薄膜センサおよびＹ方向の薄膜センサの材料を適宜選択し、Ｋｓｌ＝０、Ｋｓｗ＝０とできれば、図３に示された薄膜センサにどの方向から歪みが加わっても、歪みの影響のない圧力センサを実現することができる。
【００２３】
上記のような条件を完全には実現できないとしても、Ｙ方向の薄膜センサおよびＸ方向の薄膜センサのゲージ率を同じにすれば、それぞれの薄膜センサに生じる歪みの影響を同じにできるので、相互にキャンセルすることにより薄膜センサに加わる歪みによる抵抗変化を補正することが可能となる。
【００２４】
一般的に、薄膜センサを形成する場合には、図３に示されたＹ方向およびＸ方向について同じ材料を使用するので、上記Ｋｓｌ、Ｋｓｗの式に以下の条件を代入できる。
【００２５】
【数４】

また、それぞれの薄膜センサの厚さを同じとした上で、Ｙ方向およびＸ方向について、それぞれ長さと幅の比を同じにすると、上記Ｋｓｌ、Ｋｓｗの式には以下の条件も代入できる。
【００２６】
【数５】

これにより、Ｋｓｌ、Ｋｓｗは以下のとおりとなる。
【００２７】
【数６】

以上より、薄膜センサのＸ方向の長さと幅の比およびＹ方向の長さと幅の比を同じにすれば、薄膜センサのＹ方向ゲージ率ＫｓｌとＸ方向ゲージ率Ｋｓｗとを同じ値とすることができる。これは、薄膜センサの形状を、任意の直交軸に対して一方向の長さと幅の比が、他方向の長さと幅の比と同じになるようにすれば、それぞれの軸方向のゲージ率を互いに同じ値とすることができることを意味している。
【００２８】
図４（ａ）、（ｂ）には、上述した薄膜センサの形状の影響を調べるための２種類の形状パターンが示される。すなわち、図４（ａ）には、任意の直交軸に対して一方向の長さと幅の比が、他方向の長さと幅の比と異なる例（以下、単線パターンという）が示され、図４（ｂ）には両方の比が同じである例（以下一周パターンという）がそれぞれ示される。
【００２９】
また、表１には、図４に示された薄膜センサの形状に対するゲージ率の測定結果が示される。
【００３０】
【表１】

なお、上記表１には、薄膜センサの材料として使用した金、クロム合金のクロム含有量を３種類選び、それぞれのクロム含有量毎の両パターンにおけるゲージ率が示されている。
【００３１】
表１に示されるように、クロム含有量が３．０重量％および３．６重量％の場合では、Ｙ方向ゲージ率ＫｓｌおよびＸ方向ゲージ率Ｋｓｗのいずれにおいても単線パターンに対して一周パターンの値が大幅に小さくなっている。すなわち、クロム含有量が３．０重量％および３．６重量％の場合には、単線パターンでは、ほとんどの場合ゲージ率が±０．３より大きい値であるのに対し、一周パターンの場合にはいずれも±０．３以内となっている（０．３を大きく下回っている）。
【００３２】
また、一周パターンにおいては、Ｙ方向ゲージ率ＫｓｌとＸ方向ゲージ率Ｋｓｗの値がほぼ同じ値となっており、上述したように薄膜センサに加わる歪みによる抵抗変化を高精度に補正することも可能となっている。
【００３３】
図５には、被測定対象物が導電体の場合の被測定対象物上に薄膜センサを形成した場合の例が示される。図５において、被測定対象物１０の上に形成された薄膜センサ１４は、絶縁膜１２により全体が覆われている。このような構成により、被測定対象物１０と薄膜センサ１４との間を絶縁しつつ圧力測定を行う。なお、被測定物が絶縁体の場合には、絶縁膜１２を使用する必要はない。
【００３４】
また、上記絶縁膜１２は、図５に示されるように、薄膜センサ１４全体を覆っているので、薄膜センサ１４の保護膜としても機能している。
【００３５】
このような絶縁膜１２としては、従来Ａｌ₂Ｏ₃等の酸化物が使用されていたが、本発明者らは、この絶縁膜１２の材料としてＳｉ₃Ｎ₄等の窒化物を使用することが好適であることを見いだした。
【００３６】
図６には、上記絶縁膜１２として酸化物を使用した場合と窒化物を使用した場合とにおける薄膜センサ１４の温度変化に対する抵抗変化率が示される。図６に示されるように、絶縁膜１２の材料として酸化物を使用した場合には温度に対する抵抗変化率が８．３〜１２．７×１０^-6（（Ω／Ω）／℃）であったのに対し、窒化物を使用した場合には６．７〜９．７×１０^-6（（Ω／Ω）／℃）となった。
【００３７】
このように、絶縁膜１２の材料として窒化物を使用した場合には酸化物を使用した場合に比べ単位温度あたりの圧力誤差値を小さくすることができる。したがって、絶縁膜１２の材料には窒化物が好適であることがわかる。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、薄膜センサの材料として銅、マンガン、ニッケル合金あるいはクロム、金合金を使用し、それぞれの組成を適宜調整することにより、単位温度あたりの圧力誤差値を小さくでき、薄膜センサの性能を向上させることができる。
【００３９】
また、薄膜センサの形状を、任意の直交軸に対して長さと幅の比が一定となるように調整することにより、縦方向および横方向のゲージ率を小さくできるとともに、縦方向、横方向のゲージ率の値をほぼ同じ値とすることができる。
【００４０】
また、絶縁膜として窒化物を使用することにより、薄膜センサの圧力誤差値を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】銅、マンガン、ニッケル合金を材料とする薄膜センサの温度に対する抵抗変化率を示す図である。
【図２】クロム、金合金を材料とする薄膜センサの温度に対する抵抗変化率を示す図である。
【図３】Ｘ方向、Ｙ方向に互いに直交するように直線状の薄膜センサを形成した例を示す図である。
【図４】薄膜センサの形状のパターンの例を示す図である。
【図５】被測定対象物上に薄膜センサを形成した場合の例を示す図である。
【図６】絶縁膜として酸化物および窒化物を使用した場合の温度に対する抵抗率変化を示す図である。
【符号の説明】
１０被測定対象物、１２絶縁膜、１４薄膜センサ。

Claims

銅とマンガンとニッケルとの合金により構成される薄膜センサであって、前記銅の組成が８７．４から８７．８重量％であり、前記マンガンの組成が８．７５から９．６重量％であり、前記ニッケルの組成が３．０から３．４５重量％であることを特徴とする薄膜センサ。
クロムと金との合金により構成される薄膜センサであって、前記クロムの組成が３．０重量％以上４．４重量％以下であり、残部が金であって、任意の直交軸に対して一方向の長さと幅の比が、他方向の長さと幅の比と同じであることを特徴とする薄膜センサ。
請求項１または２に記載の薄膜センサにおいて、被測定対象物とセンサとの間に形成される絶縁膜が窒化物であることを特徴とする薄膜センサ。