JP4864370B2

JP4864370B2 - 温度センサ

Info

Publication number: JP4864370B2
Application number: JP2005213141A
Authority: JP
Inventors: 光明小山
Original assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Current assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Priority date: 2005-07-22
Filing date: 2005-07-22
Publication date: 2012-02-01
Anticipated expiration: 2025-07-22
Also published as: US20090268776A1; WO2007011070A1; JP2007036384A

Description

本発明は、箔状の電極として種々の金属を積層させた水晶振動子を用いた温度センサに関する。

従来、温度センサとして熱電対が用いられている。熱電対を用いた温度センサの温度測定範囲は広いが、熱容量が小さく測定対象物に対する温度測定の応答性が低い。一方最近では測定対象物に対する温度測定の応答性が高いということから温度センサとして圧電振動子例えば水晶振動子が用いられている。水晶振動子の発振周波数は温度変化によって変化するため、この温度変化を発振周波数変化として検出することで温度測定を行っている。

このように温度センサに用いられる水晶振動子の構成について簡単に説明する。前記水晶振動子は、板状の水晶片の表面に、当該水晶片を励振させるための箔状の電極が形成されている。前記電極は例えばクロム（Ｃｒ）などの金属からなり、スパッタリングによって水晶片の表面に蒸着される。このクロムは水晶片の表面に吸着し易いということから電極材料として一般的に用いられているが、電気抵抗が大きいため、クロムの表面にクロムとの密着性がよい例えば金（Ａｕ）などを蒸着させて電極全体の電気抵抗の低下を図っている。即ち、この例では水晶片の表面に形成された電極は、Ｃｒ層とＡｕ層との２層からなる構造となっている。

しかし、このように構成された水晶振動子を用いた温度センサの温度測定範囲は概ね３００℃が限界であり、更に高温領域の温度を高い信頼性で測定できる手法が求められている。即ち、３００℃以上の温度では、上述した電極においてＡｕ表面からＡｕ原子が飛散して電極全体が薄くなってしまい、水晶を効率よく振動させることができなくなり、インピーダンスが増加し、水晶振動子の共振周波数が理論値よりも大きくなるので、結果として温度の測定誤差が大きくなるという問題がある。このようにＡｕが電極から飛散する理由は熱歪みというよりは活性化エネルギーに起因していると考えられる。

また特許文献１には、水晶基板の表面に形成する電極としてＣｒ、Ａｕ、Ａｇとこの順番に積層することで、水晶基板と電極との密着性及び各金属同士の密着性がよいことが記載されているが、Ａｕの表面に形成されたＡｇはＡｕよりも耐熱性が劣り、１８０℃近傍でＡｇの表面からＡｇ原子が飛散して電極全体が薄くなるので、この水晶振動子を温度センサに用いた場合も上述と同様の問題がある。

また特許文献２には、水晶基板の表面に形成する電極としてＣｒ、Ｃｒ、Ａｕとこの順番に積層した水晶振動子のことが記載されているが、この電極の最外層はＡｕであるため、当該水晶振動子を温度センサとして用いた場合には上述と同様の問題が起ると思われる。

特開２００２−３４４２７８（請求項１、段落００１６）特開２０００−２２３９９３（請求項１、段落０００９及び段落００１１）

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、高温状況下においても電極の劣化を抑えることができる水晶振動子を用い、高温の温度測定に好適な温度センサを提供することにある。

本発明は、水晶振動子と発振回路とを備え、この発振回路から発振される周波数の変化を検出して温度を測定する温度センサにおいて、
前記水晶振動子は、水晶片の表面に当該水晶片を励振させる箔状の電極を備え、
前記電極は、水晶片の表面に形成され、クロム、チタン、ニッケル、アルミニウム及び銅から選ばれる少なくとも一種または前記水晶片に対する密着性がこれら金属と同等の第１の金属層と、この第１の金属層の表面に形成された金あるいは銀からなる第２の金属層と、この第２の金属層の表面に形成されたクロムからなる厚さが０．０５〜０．１μｍである第３の金属層と、からなり、
温度の測定範囲が５００℃よりも低い温度から５００℃までの範囲を含むことを特徴とする。

本発明は、水晶片の表面に形成された箔状の電極において、金（Ａｕ）あるいはＡｇ（銀）の上にクロム（Ｃｒ）を積層していることからＣｒとＡｕあるいはＡｇとが互いに分子間に入り込んで固溶体に近い状態となり、このため高温下においても電極の表面からＡｕ原子あるいはＡｇ原子が飛散し難い状態になると共に、下地には圧電片と密着性の良いＣｒ等の金属を用いていることから、耐熱性及び密着性に優れた圧電振動子が得られる。従ってこの水晶振動子により温度センサを構成すれば、例えば従来では実質測定ができなかった５００℃の高温領域においても高精度に温度測定を行うことができ、レスポンスの遅い熱電対に代わる極めて有用な温度センサを提供することができる。

図１は、本発明の圧電振動子をリード線挿入型の水晶振動子に適用した実施の形態を示す図である。図１中１０は例えば等価厚みが１μｍ〜３００μｍ、好ましくは１８５μｍの円形板状の水晶片であり、前記水晶片１０の両面には前記水晶片１０を励振させるための箔状の電極２（２ａ、２ｂ）が形成されている。また一方の励振電極２ａ及び他方の励振電極２ｂには、箔状の導出電極２０（２０ａ、２０ｂ）が夫々接続されている。さらに一方の導出電極２０ａ及び他方の導出電極２０ｂには、コ字状の支持線部材１１（１１ａ、１１ｂ）が接合されており、前記支持線部材１１（１１ａ、１１ｂ）は支持線保持部材１２を介して帯状に前記水晶片１０に対して水平方向に伸びている。この支持線部材１１（１１ａ、１１ｂ）は例えば銅等のリード線からなる。また図１中１３は水晶片１０を覆う保護蓋（カバー）１３であり、前記保護蓋１３の開口部に前記支持線保持部１２が隙間なく収まるようになっている。

図２に示すように水晶片１０の両面に形成された電極２（２ａ、２ｂ）及び２０（２０ａ、２０ｂ）は、第１の金属層であるクロム（Ｃｒ）層２１、第２の金属層である金（Ａｕ）層２２、第３の金属層であるクロム（Ｃｒ）層２３を、この順に積層して構成される。前記Ｃｒ層２１は前記水晶片１０との馴染みが良く、密着性が高いことから、前記水晶片１０に密着層としての役割を果すためのものであり、その膜厚の好ましい大きさは例えば１ｎｍ〜１０ｎｍとされる。当該膜厚をこのような大きさにする理由は、１ｎｍよりも小さい場合には電極の剥離ということが起きるためであり、１０ｎｍよりも大きい場合には直列抵抗の増加ということが起きるためである。なお、第１の金属層としては密着性を確保できればＣｒに限られるものではなく、例えばチタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、アルミニウム（Ａｌ）及び銅（Ｃｕ）から選ばれる金属、あるいは前記水晶片１０と密着性がこれら金属と同程度の金属が用いられる。

またＡｕ層２２は下地のＣｒ層２１と馴染みが良いことから当該Ｃｒ層２１と高い密着性を持って形成される。またＡｕ層２２は電極２全体の電気抵抗を低下させるという役割を担う。このＡｕ層２２の膜厚の大きさは例えば８０ｎｍ〜２００ｎｍとされる。当該膜厚をこのような大きさにする理由は、８０ｎｍよりも小さい場合には直列抵抗の増加ということが起きるためであり、２００ｎｍよりも大きい場合には発信周波数のジャンプということが起きるためである。

さらに第３の金属層であるＣｒ層２３は第２の金属層であるＡｕ層２２と相俟って高温下例えば３００℃以上の温度においても電極２の表面からＡｕ原子の飛散を抑える役割を果すものとして形成される。図３（ａ）のイメージ図に示すようにＡｕ層２２の表面に薄いＣｒ層２３を形成させると一方の層２２（２３）の分子間に他方の層２３（２２）の分子が入り込み、結果として電極２の上層部にＡｕとＣｒとの固溶体に近い層が形成されてＡｕ原子が飛散するための活性化エネルギーのレベルが高くなり、高温下においてもＡｕ原子が飛散し難い状態となる。また仮にＡｕ層２２の表面にＣｒ層２３を形成しない場合には、図３（ｂ）のイメージ図に示すように高温下例えば３００℃以上の温度になるとＡｕ層２２の表面からＡｕ原子の飛散が活発化することになってしまう。なお、第３の金属層であるＣｒ層２３の好ましい膜厚の大きさについては後述の実施例にて詳述する。また第２の金属層としてはＡｕに限らず銀（Ａｇ）であっても同様の効果が得られる。

このような電極２は例えば水晶片１０の両面全体にスパッタリングにより第１の金属層、第２の金属層、第３の金属層を積層し、次いで水晶片１０の両面に所定のパターンでマスクを形成し、エッチングを行って３層構造の電極パターンが得られる。
上述の実施の形態によれば、板状の水晶片１０の表面に形成された箔状の電極２において、Ａｕ層２２の上にＣｒ層２３を形成し、互いの分子間に互いの分子が入り込んだいわば保護層を形成しているため、高温下例えば３００℃以上の温度においても電極２表面から金属原子であるＡｕ原子あるいはＣｒ原子が飛散し難い状態になると共に、下地にはＣｒ等の水晶片１０と密着性の良い金属を用いていることから、耐熱性及び密着性に優れた水晶振動子が得られる。

次に上述した水晶振動子を用いた温度センサの一例について図４を用いて簡単に説明する。図４は、温度センサの一例を示すブロック図であって、この図において、３は検出部であり、前記検出部３には上述した水晶振動子３１が設けられている。また図４中４は測定部であり、前記測定部４には発振回路４１、周波数検知部４２、信号処理部４３及び表示部４４が設けられている。前記水晶振動子３１は発振回路４１に接続されており、前記発振回路４１からの周波数信号が周波数検知部４２により計測され、信号処理部４３にて周波数検知部４２の検出結果に基づいて基準温度に対する周波数検知部４２からの変化分を求め、その変化分に対応する温度を求めて表示部４４に出力する。

このように既述の水晶振動子３１を用いて温度センサを構成すれば、例えば従来では電極２の劣化により測定が困難であった３００℃以上の高温領域においても信頼性の高い温度測定を行うことができ、即ち、測定範囲が３００℃以上の温度範囲に亘るものとして使用することができ、レスポンスの遅い熱電対に代わるものとして極めて有用である。

次に本発明の効果を確認するために行った実験について述べる。
（実験例１）
Ａ．実施例１
図１に示す水晶振動子において、水晶片１０としてはＡＴカットで基本波が１０．７ＭＨｚのものを用い、第１の金属層であるＣｒ層２１の膜厚を０．００５μｍ、第２の金属層としてＡｇを用い、このＡｇ層の膜厚を０．１５μｍ、第３の金属層であるＣｒ層２３の膜厚を０．１μｍとした。これを実施例１とする。

Ｂ．実施例２
第３の金属層であるＣｒ層２３の膜厚を０．０１μｍとした他は、実施例１と同様に水晶振動子を構成した。これを実施例２とする。

Ｃ．実施例３
第３の金属層であるＣｒ層２３の膜厚を０．００５μｍとした他は、実施例１と同様に水晶振動子を構成した。これを実施例３とする。

Ｄ．実施例４
第２の金属層としてＡｕを用いた他は、実施例１と同様にして水晶振動子を構成した。これを実施例４とする。

Ｅ．実施例５
第３の金属層であるＣｒ層２３の膜厚を０．０１μｍとした他は、実施例４と同様に水晶振動子を構成した。これを実施例５とする。

Ｆ．実施例６
第３の金属層であるＣｒ層２３の膜厚を０．００５μｍとした他は、実施例４と同様に水晶振動子を構成した。これを実施例６とする。

Ｇ．比較例１
第２の金属層であるＡｇ層の表面の上に何も成膜させない他は、実施例１と同様に水晶振動子を構成した。これを比較例１とする。

Ｈ．比較例２
第２の金属層であるＡｕ層２２の表面の上に何も成膜させない他は、実施例４と同様に水晶振動子を構成した。これを比較例２とする。
（試験方法）
実施例１〜実施例３及び比較例１の水晶振動子において、−１００℃〜５００℃の温度範囲における各水晶振動子の周波数を測定した。また実施例４〜実施例６及び比較例２の水晶振動子において、５００℃における周波数を測定した。
（結果及び考察）
図５は、実施例１〜実施例３及び比較例１の周波数温度特性の結果を示し、縦軸は、そのときの温度に対応する水晶振動子の周波数の理論値と周波数の測定値との偏差（周波数偏差（ｐｐｍ））であり、横軸は温度（℃）である。なお、図５中においてＦは理論値を示してある。図５から分かるように、第２層目のＡｇの表面の上にＣｒを形成させることで、高温下における理論値Ｆに対する周波数偏差が小さくなっており、Ｃｒの膜厚に着目すると実施例３、実施例２、実施例１の順に理論値Ｆに対する周波数偏差が小さくなっていることが分かる。これは高温で使用する場合には、Ｃｒの膜厚を大きくすることで各温度における周波数が理論値に近くなり温度センサとして用いた場合に、精度良く温度を検出できることを意味している。また比較例１は、第２層目のＡｇの表面の上に何も成膜していない水晶振動子であるので、高温下においてＡｇ層の表面からのＡｇ原子の飛散を抑えることができないため理論値Ｆに対する周波数偏差が極めて大きいことが分かる。

図６は、実施例４〜実施例６及び比較例２の周波数の測定結果を示し、同図に示すように縦軸に周波数偏差（ｐｐｍ）を取り、横軸に第２層目のＡｕの表面に形成されたＣｒの膜厚（μｍ）を取った。この周波数偏差は、５００℃における周波数の理論値と測定値との偏差である。実施例４〜実施例６及び比較例２において、５００℃における第２層目のＡｕの表面の上に形成されたＣｒの膜厚をプロットすると直線関係が得られた。このことから第２層目のＡｕの表面に形成されたＣｒの膜厚を０．１μｍとすることで５００℃において水晶振動子の発振周波数が理論値Ｆに略一致することが分かる。なお、本発明者は、周波数が２００ｐｐｍ程度に収まっていれば十分精度良く温度測定を行うことができると考えており、従ってＣｒ層２３の膜厚は０．０５μｍよりも厚いことが好ましい。またＣｒ層２３の膜厚が０．１μｍよりも大きくなると直列抵抗の増加となる。このためＣｒ層２３の膜厚が０．０５μｍ〜０．１μｍの範囲内にあれば５００℃までの温度領域であれば精度良く温度測定を行えることが分かる。

本発明の実施の形態に係るリード線挿入型の水晶振動子を示す概略平面図である。上記水晶振動子の概略断面図である。水晶片の表面に形成された電極の様子を示すイメージ図である。上記水晶振動子を用いた温度センサの一例を示すブロック図である。本発明の効果を確認するために行った実験例の結果を示す特性図である。本発明の効果を確認するために行った実験例の結果を示す特性図である。

符号の説明

１０水晶片
１１支持線部材
１２支持線保持部材
１３保護蓋
２励振電極
２０導出電極
２１第１の金属層
２２第２の金属層
２３第３の金属層
３検出部
３１水晶振動子
４測定部
４１発振回路
４２周波数検知部
４３信号処理部
４４表示部

Claims

水晶振動子と発振回路とを備え、この発振回路から発振される周波数の変化を検出して温度を測定する温度センサにおいて、
前記水晶振動子は、水晶片の表面に当該水晶片を励振させる箔状の電極を備え、
前記電極は、水晶片の表面に形成され、クロム、チタン、ニッケル、アルミニウム及び銅から選ばれる少なくとも一種または前記水晶片に対する密着性がこれら金属と同等の第１の金属層と、この第１の金属層の表面に形成された金あるいは銀からなる第２の金属層と、この第２の金属層の表面に形成されたクロムからなる厚さが０．０５〜０．１μｍである第３の金属層と、からなり、
温度の測定範囲が５００℃よりも低い温度から５００℃までの範囲を含むことを特徴とする温度センサ。