JP5693047B2 - 力学量センサ素子、およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、力、圧力、トルク、速度、加速度、位置、変位、衝撃力、重量質量、真空度、回転力、振動、騒音等の力学的な変化量を測定する力学量センサ素子、並びにその製造方法に関する。

従来、力、圧力、トルク、速度、加速度、衝撃力、重量質量、真空度、回転力、振動、騒音等の力学的な変化量を測定する力学量センサ素子として、歪み量の変化に応じて電気抵抗値が変化する特性（感歪特性）を有する感歪抵抗体を用いたものが提案され、実用に供せられている。そして、感歪抵抗体として、ガラスよりなるマトリックス（ガラスマトリックス）に導電性粒子を分散させた構造のものが知られている。

例えば、特許文献１には、高感度かつ高精度に力学量を測定できる力学量センサ素子を提供することを目的として、応力の印加によって電気的特性が変化する感圧体と、感圧体の対向する２つの表面にそれぞれ一体的に形成された電気絶縁性の絶縁体とを有してなり、感圧体がガラスよりなるマトリックスに導電性を有する導電性粒子を分散してなる、力学量センサ素子が提案されている。

また、特許文献２には、安定性の高い導電パスが形成され、応力負荷時又は除去時における抵抗値変動を抑制した歪抵抗素子を有する歪検出素子を提供することを目的として、歪抵抗素子がガラスフリット内部に導電粒子を含有させた導電成分含有ガラスを主成分とする抵抗体ペーストを焼成したものである、歪検出素子が提案されている。

特許文献３には、外部との電気的接続が容易でかつ高い力学量の印加の影響を受けない電気接続部の形成を可能とする力学量センサ素子構造を提供することを目的として、絶縁体と検出部とは力学量印加方向に積層されてなるとともに、検出部が絶縁体との密着面側の主表面に、絶縁体に覆われない露出した電気接続面を有する、力学量センサ素子構造が提案されている。

しかしながら、これらの感圧体等は、その感度指標であるゲージファクター（ＧＦ）が約３０以下であって、ＧＦが約２以下である金属箔ゲージを用いた場合と比較すると良好な感歪特性を示すものではあっても、ＧＦが約２００以下であるシリコン半導体を用いた場合に対しては劣っている。従って、起歪体を用いずに力学量を精度よく検出するには、これらの抵抗体等の感圧体では感度が不足している。また、ガラスマトリックスに鉛を含有するために、環境負荷の問題を生じやすい。

さらに特許文献４には、感歪抵抗体を形成するガラスマトリックスの鉛フリー化と実用上充分なレベルの感歪特性の発現とを両立可能な力学量センサ素子を提供することを目的として、感歪抵抗体が鉛を含有せず且つビスマスを含有するガラスよりなるマトリックスに導電性粒子を分散してなる、力学量センサ素子が提案されている。しかしながら、その力学量センサ素子は、高感度な感歪特性を発現させるには至っていない。

また、特許文献５には、ハイブリッドＩＣや厚膜チップ部品の抵抗素子として使用される、ノイズが低く、耐電圧性にも優れた厚膜抵抗体形成用ペースト及びそのペースト用処理ガラスフリットを提供することを目的として、処理ガラスフリットと硼珪酸鉛系ガラスフリットと有機ビヒクルとからなり、処理ガラスフリットは、酸化レニウム、酸化ルテニウム、酸化イリジウム、酸化ロジウム、レニウム系パイロクロア、ルテニウム系パイロクロア、イリジウム系パイロクロアのうちの少なくとも１種を、直径１０ｎｍ以下のクラスタとして硼珪酸鉛系ガラス粒子内に浸透分散含有する厚膜抵抗体形成用ペーストが提案されている。

しかしながら、ハイブリッドＩＣや厚膜チップ部品の抵抗素子として使用されるその厚膜抵抗体は、抵抗値安定性を重視するため、歪、すなわち基板との熱膨張差による熱応力等による抵抗値変化を極力低減する材料設計であって、力学量センサ素子として使用することが困難なものである。

尚、レーザデポジションに関連するものとして、特許文献６には、ＮＯｘ吸蔵材をさらに微細な状態で担持し、貴金属とＮＯｘ吸蔵材とを互いに高分散状態で担持することを目的として、貴金属源と、ＮＯｘ吸蔵材源と、担体酸化物源とを含むターゲットを用い、レーザーアブレーション法により担体酸化物に貴金属とＮＯｘ吸蔵材を担持することを特徴とする排ガス浄化用触媒の製造方法が提案されている。

特開２００５−１７２７９３号公報 特開２００３−２４７８９８号公報 特開２００５−１８９１０６号公報 特開２００９−０２００６１号公報 特開平６−０２８９１６号公報 特開２００６−３２６４７７号公報

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、高感度の感歪抵抗体を備えた、Ｐｂを含まない、小型で高荷重域まで測定可能な力学量センサ素子を提供することを目的とする。

本発明は、従来の抵抗体における感歪部に相当する部分を薄膜状に形成することによって、高感度、高精度、高強度な感歪抵抗体の実現を可能にしたものであり、さらに好ましくは、マトリックス材料に鉛を用いることなく感歪特性を実用上充分に高いレベルで発現させることを可能にしたものである。

本発明の第１の態様である力学量センサ素子は、請求項１に記載のように、応力の印加によって電気的特性が変化する感応力体（１）と、電気絶縁性を有する絶縁体（２）とが密着して形成された構造を有する力学量センサ素子（１０）において、前記感応力体（１）が、導電性元素の酸化物を用いたパルスレーザデポジションにより原子状に固溶してなる前記導電性元素を含んで形成されてなるガラス薄膜からなることを特徴とするものである。

かかる第１の態様は、従来の抵抗体の感歪部に相当する部分を、原子状に固溶してなる導電性元素を含んで薄膜状に形成することにより、高感度、高精度、高強度な感歪抵抗体の実現を可能にしたものである。

第１の態様は、ガラス薄膜が、前記導電性元素の酸化物を用いたパルスレーザデポジションにより、前記原子状に固溶してなる導電性元素を含んで形成されたものであることを特徴とする、力学量センサ素子である。

かかる態様によれば、原子状に固溶してなる導電性元素を含んで薄膜状により確実に形成することにより、より高感度、高精度、高強度な感歪抵抗体の実現が可能である。

第１の態様の一つの好ましい形態として、前記ガラス薄膜が、前記原子状に固溶してなる導電性元素を１〜６０ａｔｍ％の範囲で含むものであることを特徴とする、力学量センサ素子（請求項２参照）が挙げられる。

かかる形態によれば、高感度な特性が得られるとともに、簡便なプロセスで感歪膜を形成することが可能である。

第１の態様のもう一つの好ましい形態として、前記導電性元素がルテニウムであることを特徴とする、力学量センサ素子（請求項３参照）が挙げられる。かかる形態によれば、ガラス中における導電性元素の原子価を制御することが可能である。

第１の態様のもう一つの好ましい形態として、前記ガラス薄膜が、ビスマス元素を少なくとも１０ａｔｍ％の範囲で含むものであることを特徴とする、力学量センサ素子（請求項４参照）が挙げられる。

かかる形態によれば、ガラス中における導電性元素の原子価を制御することとともに、導電性元素の安定状態を維持することが可能である。

第１の態様のもう一つの好ましい形態として、前記ガラス薄膜が鉛を含まないものであることを特徴とする、力学量センサ素子（請求項５参照）が挙げられる。かかる形態によれば、高感度・高精度で環境負荷物質を含まない力学量センサ素子を提供ことが可能である。

第１の態様のもう一つの好ましい形態として、前記導電性元素の酸化物を用いたパルスレーザデポジションが、前記導電性元素の酸化物を含む導電性粒子が分散してなるガラス焼成体をターゲットに用いたパルスレーザデポジションであることを特徴とする、力学量センサ素子（請求項６参照）が挙げられる。

かかる形態によれば、ガラス中に導電性元素を固溶させ、かつ、その原子価を制御することが可能である。

第１の態様のもう一つの好ましい形態として、前記導電性元素の酸化物を用いたパルスレーザデポジションが、前記導電性元素の酸化物およびガラスの双方を別々のターゲットに用いたパルスレーザデポジションであることを特徴とする、力学量センサ素子（請求項７参照）が挙げられる。

かかる形態によれば、ガラス中における導電性元素の原子価および量を容易に制御することが可能である。

第１の態様は、レーザデポジションがパルスレーザデポジションであることを特徴とする、力学量センサ素子である。かかる態様によれば、ガラス中に導電性元素が固溶した均一な膜を形成することが可能である。

第１の態様のもう一つの好ましい形態として、前記感応力体（１）が、前記絶縁体（２）上に具備された一対の電極（３，３’）の少なくとも一方を部分的に挟んで、前記絶縁体（２）上に積層されており、前記感応力体（１）の少なくとも一部の上に、必要に応じて接合材層（４）を挟んで、前記応力の印加を受けるための受応力体（５）が具備されることを特徴とする、力学量センサ素子（請求項８参照）が挙げられる。

かかる形態によれば、受圧体に印加される荷重を圧縮力で感知することができ、高荷重領域まで検知することが可能である。

第１の態様のもう一つの好ましい形態として、前記感応力体（１）がピエゾ抵抗膜である、力学量センサ素子（請求項９参照）が挙げられる。かかる形態によれば受圧体に印加される荷重を圧縮力で感知することができ、高荷重領域まで検知することが可能である。

本発明の第２の態様である力学量センサ素子の製造方法は、請求項１０に記載のように、応力の印加によって電気的特性が変化する感応力体（１）と、電気絶縁性を有する絶縁体（２）とを密着させて力学量センサ素子（１０）を形成する、力学量センサ素子の製造方法において、導電性元素の酸化物を含むターゲット（１１）を用いて、パルスレーザデポジション法により、原子状に固溶してなる前記導電性元素を含むガラス薄膜を、前記絶縁体（２）上に形成する工程を含むことを特徴とするものである。

かかる第２の態様では、パルスレーザデポジション法を用いることにより、ルテニウム元素等の導電性元素が原子レベルでガラス中に固溶したピエゾ抵抗膜を絶縁体（２）の上に堆積形成することを可能にして、高感度、高精度、高強度な感歪抵抗体を備えた力学量センサ素子の製造を可能にしたものである。

第２の態様の一つの好ましい形態として、前記導電性元素の酸化物を含むターゲット（１１）として、前記導電性元素の酸化物を含む導電性粒子を分散してなるガラス焼成体を含むターゲットを用いることを特徴とする、力学量センサ素子の製造方法（請求項１１参照）が挙げられる。

かかる形態によれば、例えば、ビスマス元素を含有させたガラスマトリックスとルテニウム酸化物（ＲｕＯ_２）からなる導電性粒子の混合物をペースト化した材料を平板にスクリーン印刷し焼成することにより、簡便なプロセスで作製したターゲットを用いることによって、より簡単に力学量センサ素子を製造することが可能である。

第２の態様のもう一つの好ましい形態として、前記導電性元素の酸化物を含むターゲット（１１）の使用に加えて、ガラスを含むターゲット（１２）を更に使用することを特徴とする、力学量センサ素子の製造方法（請求項１２参照）が挙げられる。

かかる形態によれば、ガラスと導電性酸化物を個別に制御することができ、その存在形態を任意に制御することが可能である。

第２の態様は、レーザデポジション法がパルスレーザデポジション法であることを特徴とする、力学量センサ素子の製造方法である。かかる形態によれば、ターゲットを昇華して成膜するため、膜組成にターゲット組成を反映したものにすることが可能である。

第２の態様のもう一つの好ましい形態として、前記ガラスが鉛を含まないものであることを特徴とする、力学量センサ素子の製造方法（請求項１３参照）が挙げられる。かかる形態によれば、高感度・高精度で環境負荷物質を含まない力学量センサ素子を容易に製造することが可能である。

第２の態様のもう一つの好ましい形態として、前記導電性元素がルテニウムであることを特徴とする、力学量センサ素子の製造方法（請求項１４参照）が挙げられる。かかる形態によれば、ガラス中にルテニウムが原子状に固溶したピエゾ抵抗膜を形成することが可能である。

本発明の第３の態様であるピエゾ抵抗膜は、請求項１５に記載のように、ルテニウムの酸化物を用いたパルスレーザデポジションにより原子状に固溶してなるルテニウムを含んで形成されてなるガラス薄膜を含むことを特徴とするものである。かかる第３の態様では、原子状に固溶してなるルテニウムを含むガラス薄膜を用いることにより、印加応力に対して導電率が変化するルテニウム‐酸素の結合構造の割合を多くすることができるため、高感度にすることが可能である。

第３の態様の一つの好ましい形態として、前記ガラスがビスマス系ガラスを主体とすることを特徴とする、ピエゾ抵抗膜（請求項１６）が挙げられる。かかる形態によれば、膜の熱膨張係数を基材に整合させること、および基材との密着性向上が可能である。

第３の態様のもう一つの好ましい形態として、前記ガラス薄膜が、２ａｔｍ％以上のＲｕおよび３０ａｔｍ％以上のＯを含むことを特徴とする、ピエゾ抵抗膜（請求項１７）が挙げられる。かかる形態によれば、膜の導電率とピエゾ抵抗感度を調整することが可能である。

本発明の第４の態様であるピエゾ抵抗膜の製造方法は、請求項１８に記載のように、ルテニウムの酸化物を含むターゲットを用いて、パルスレーザデポジション法により、原子状に固溶してなる前記ルテニウムを含むガラス薄膜を、絶縁体上に形成することを特徴とするものである。かかる第４の態様では、膜中の組成および構造の均一化が可能である。

第４の態様の一つの好ましい形態として、前記ルテニウムの酸化物を含むターゲットとして、前記ルテニウムの酸化物を含む導電性粒子を分散してなるガラス焼成体を含むターゲットを用いることを特徴とする、ピエゾ抵抗膜の製造方法（請求項１９）が挙げられる。かかる形態によれば、膜中にルテニウムが凝集することなく、構造の均一化が可能である。

第４の態様のもう一つの好ましい形態として、前記ルテニウムの酸化物を含むターゲットの使用に加えて、ガラスを含むターゲットを更に使用することを特徴とする、ピエゾ抵抗膜の製造方法（請求項２０）が挙げられる。かかる形態によれば、ガラス構造とガラス中にルテニウムが固溶した構造を独立に膜中に形成することが可能である。

第４の態様のもう一つの好ましい形態として、前記絶縁体上に形成されたガラス薄膜を７００°Ｋ以上でアニール処理することを更に含む、ピエゾ抵抗膜の製造方法（請求項２１）が挙げられる。かかる形態によれば、ルテニウム原子に酸素が配位し、膜の導電率を向上すると共に、ピエゾ抵抗感度を増大することが可能である。

本発明における力学量センサ素子の実施形態の一例を模式的に示す断面図ででる。 本発明における力学量センサ素子の実施形態の他の例を模式的に示す断面図である。 本発明における力学量センサ素子の実施形態の他の例を模式的に示す断面図である。 本発明の力学量センサ素子の製造方法におけるパルスレーザデポジション法の実施形態の一例を模式的に示す図である。 本発明の力学量センサ素子の製造方法におけるパルスレーザデポジション法の実施形態の他の例を模式的に示す図である。 本発明のピエゾ抵抗膜の、パルスレーザデポジション法によるガラス薄膜等における固有抵抗とピエゾ抵抗感度の関係を示すグラフである。 本発明のピエゾ抵抗膜の、パルスレーザデポジション法によるガラス薄膜におけるルテニウム含有量とピエゾ抵抗感度の関係を示すグラフである。 本発明のピエゾ抵抗膜の、パルスレーザデポジション法によるガラス薄膜におけるルテニウム含有量と固有抵抗の関係を示すグラフである。 本発明のピエゾ抵抗膜の、パルスレーザデポジション法によるガラス薄膜のアニール処理における、アニール温度と抵抗値の関係を示すグラフである。

本発明における「応力」とは、通常、力、圧力、トルク、速度、加速度、衝撃力、重量質量、真空度、回転力、振動、騒音等の力学的な変化を意味するものであって、より具体的には、例えば自動車用部品（センサ）においては、ペダル踏力、タイヤ駆動力等の力学的な変化が用いられる。

また、本発明においてかかる応力の印加によって変化する「電気的特性」とは、通常、導電率（抵抗値）等を意味するものであって、より具体的には、例えば圧力によって生じる歪み量の変化に応じて電気抵抗値が変化する特性（感歪特性）等が用いられる。

本発明における電気絶縁性を有する「絶縁体２」は、その材質や形状について特に限定されるものではなく、例えばその材質の具体例としては、アルミナ等が挙げられる。

本発明における「感応力体１」は、力学量センサ素子中に電気絶縁性を有する絶縁体２に密着して備えられるものであって、原子状に固溶してなる導電性元素を含むガラス薄膜からなるものである。かかるガラス薄膜の厚さは、好ましくは０．０５〜２０μｍ、より好ましくは０．１〜５μｍ、特に好ましくは０．５〜２μｍである。

また、「原子状に固溶してなる」とは、通常アモルファス状態のガラス中にイオンとして存在する状態を意味するものであり、「導電性元素」としては、通常、ルテニウム、レニウム、ロジウム、チタニウム等が用いられ、中でもルテニウム、レニウム等が添加量に対する導電性の点で好ましく、特にルテニウムが好ましい。

また、そのガラス薄膜を構成する導電性元素の固溶量としては、１〜６０ａｔｍ％の範囲が好ましく、さらに１〜３０ａｔｍ％の範囲が好ましく、特に１〜２０ａｔｍ％の範囲が好ましい。導電性元素の固溶量が１ａｔｍ％より低いと導電率が低くなる点で好ましくなく、また、導電性元素の固溶量が６０ａｔｍ％より高いとピエゾ抵抗係数（ゲージファクター）が低くなる点で好ましくない。

また、そのガラス薄膜のガラスマトリックスを構成する成分としては、通常、ビスマス、シリコン、ホウ素、カルシウム、ジルコニウム、バリウム等が用いられ、中でもビスマス、シリコン、ホウ素等がアモルファス化（ガラス化）の点で好ましく、特に上記のルテニウムとの組合せとして、ビスマスが含まれることが好ましい。かかるビスマスのガラス薄膜中の含有量としては、少なくとも５ａｔｍ％の範囲が好ましく、さらに５〜６０ａｔｍ％の範囲が好ましく、特に２０〜６０ａｔｍ％の範囲が好ましい。ビスマスの含有量が６０ａｔｍ％より高いと熱膨張係数が高くなる点で好ましくない。

また、そのガラス薄膜は、鉛を含有しないことが、環境に負荷を与える物質を含まないという点で好ましい。

また、そのガラス薄膜としては、より具体的には、硼珪酸ビスマスからなるピエゾ抵抗膜が挙げられ、それ以外に、例えば硼珪酸カルシウムガラスが挙げられる。

本発明における「レーザデポジション法」とは、通常レーザスパッタ法を用いたレーザデポジション法を意味し、より具体的には、例えばレーザ光を導電性元素の酸化物で形成されたターゲット等に照射し、ターゲット物質をスパッタし、絶縁体２である基板上にデポジションさせることによって、所定のガラス薄膜を形成するレーザデポジション法を意味する。そのレーザとしては、特に限定されるものではなくて、通常ＹＡＧレーザ、エキシマレーザ等のレーザが用いられる。かかるレーザスパッタおよびレーザデポジションの操作時の好ましい条件は、その圧力が通常１０^−１Ｐａ以下であり、温度が通常１０〜３０℃である。

また、好ましいターゲットの一例としては、一元系として、導電性元素の酸化物を含む導電性粒子を分散してなるガラス焼成体を含むターゲットが挙げられる。この場合には、例えばビスマスを含有させたガラスマトリックスとＲｕＯ_２からなる導電粒子の混合物をペースト化した材料を平板にスクリーン印刷し焼成することにより、簡便なプロセスでターゲットを作製することができる。尚、そこでの導電性元素の酸化物を含む導電性粒子の大きさは、特に限定されるものではないが、通常約１ｎｍ〜約１００μｍの範囲の平均直径を有するものが、レーザの吸収の点で好ましい。

また、もう一つの好ましいターゲットの例としては、二元系として、導電性元素の酸化物を含むターゲットの使用に加えて、ビスマス、カルシウム等を含有させたガラスマトリックス用のガラスを含むターゲットを更に使用することが挙げられる。この場合には、例えば導電性元素の酸化物を含むターゲットへのレーザ光の照射と、ビスマスを含有させたガラスマトリックス用のガラスを含むターゲットへのレーザ光の照射を交互に行うことによって、酸化物とビスマスを含有させたガラスを混合した膜を形成することが可能である。

かかるレーザデポジション法としては、ターゲットへのレーザ光の照射をパルス状に行うパルスレーザデポジション法が、酸化物とビスマスを含有させたガラスを蒸発させ組成ムラなく成膜することを可能にするので、より好ましい。

本発明におけるピエゾ抵抗膜が、原子状に固溶してなるルテニウムを含むガラス薄膜を含んでなるものである場合には、そのガラスは、ビスマス系ガラスを主体とすることが好ましく、硼珪酸ビスマス系であることが特に好ましい。また、かかるガラス薄膜としては、２ａｔｍ％以上のＲｕおよび３０ａｔｍ％以上のＯを含むものが好ましく、２〜３０ａｔｍ％のＲｕ、３０ａｔｍ％以上のＯ、および５〜４０ａｔｍ％のＢｉを含むものが更に好ましく、５〜２０ａｔｍ％のＲｕ、４０〜６０ａｔｍ％のＯを含むものが特に好ましい。尚、残余の成分として、通常含まれるＳｉ、Ｂ、Ｚｎ等が含まれても良い。

本発明におけるピエゾ抵抗膜の製造方法が、ルテニウムの酸化物を含むターゲットを用いて、パルスレーザデポジション法により、原子状に固溶してなる前記ルテニウムを含むガラス薄膜を、絶縁体上に形成することによる場合には、ルテニウムの酸化物を含むターゲットとして、かかるルテニウムの酸化物を含む導電性粒子を分散してなるガラス焼成体を含むターゲットを用いること、または、ルテニウムの酸化物を含むターゲットの使用に加えて、ガラスを含むターゲットを更に使用することが好ましい。特に、ルテニウムの酸化物を含む導電性粒子を分散してなるガラス焼成体を含むターゲットを用いることが、高いピエゾ抵抗感度を容易に得られるので好ましい。

また、本発明におけるピエゾ抵抗膜の製造方法において、その抵抗値を低くするために、絶縁体上に形成されたガラス薄膜を７００°Ｋ以上でアニール処理することを更に含むことが好ましい。かかるアニール処理温度は、通常、使用するガラスの転位温度近傍であり、本発明の形態の例であるＢｉ系ガラスにおいては、７００〜９００°Ｋが好ましい。尚、かかるアニール処理の時間は、通常、全体で６０分程度であり、最高温度の保持時間としては約１０分以下が好ましい。

以下に、図面を参照しながら、本発明を具体化した力学量センサ素子の実施形態について、さらに説明する。尚、上記の括弧内に記載した符号は、後述する実施形態における具体的記載との対応関係を示す一例である。

図１には、力学量センサ素子の実施形態の一例の模式的断面図が示されるが、その力学量センサ素子１０において、例えばピエゾ抵抗膜である感応力体１が、その両端部において、Ａｌ_２Ｏ_３等から成る絶縁体２の上に具備された一対のＡｕ等から成る電極３，３’の両方を部分的に挟んだ状態で、絶縁体２の上に積層されており、その感応力体１が接合材層４で覆われており、さらにその接合材層４の上に、荷重である応力の印加を受けるためのＡｌ_２Ｏ_３等から成る受応力体５が具備されている。

かかる力学量センサ素子１０では、受応力体５に荷重が掛けられることによって、ピエゾ抵抗膜である感応力体１において局在準位間での導電が生じて、その導電率変化によって電極３，３’に電圧が生じることによって、力学量センサ素子１０として掛けられた荷重を高感度・高精度で検出することが可能である。尚、接合材層４は、受圧体と抵抗体の接合を可能にするためのものであって、通常、低温軟化ガラス、樹脂等から成る。

図２には、力学量センサ素子１０の実施形態のもう一つの例が、部分的な模式的断面図として示される。その力学量センサ素子において、例えばピエゾ抵抗膜である感応力体１が、その両端部において、Ａｌ_２Ｏ_３等から成る絶縁体２の上に具備された一対のＡｕ等から成る電極３，３’の両方を部分的に挟んだ状態で、絶縁体２の上に積層されている。

その力学量センサ素子では、ピエゾ抵抗体の抵抗値変化を長手方向で検知しても、膜厚方向で検知しても良く、そのことによって、広範囲な膜の導電率設計が可能になる。

図３には、力学量センサ素子１０の実施形態のもう一つの例が、部分的な模式的断面図として示される。その力学量センサ素子では、例えばピエゾ抵抗膜である感応力体１が、その一端部から大部分の領域までにおいて、Ａｌ_２Ｏ_３等から成る絶縁体２の上に具備されたＡｕ等から成る電極３を挟んだ状態で、絶縁体２の上に積層されており、一方、絶縁体２の上に具備されたＡｕ等から成る電極３’が、感応力体１の他端に接して且つ感応力体１の上に部分的に覆う状態にある。

その力学量センサ素子では、そのような構成を有することによって、荷重を高荷重域まで高感度に直接検出することが可能になる。

図４には、力学量センサ素子の製造方法におけるパルスレーザデポジション法の実施形態の一例が模式的に示されている。そこでは、一元系のターゲットの例として、ルテニウム等の導電性元素の酸化物を含む導電性粒子をビスマス等のガラスマトリックス用のガラスに分散してなるコンポジット等から成るガラス焼成体を含むターゲットである、導電性元素の酸化物を含むターゲット１１に、レーザ光発生源（図示せず）からのパルス状のレーザ光を照射してターゲット１１でレーザスパッタリングを生じさせることによって、そこで発生した導電性元素、およびビスマス等のガラスマトリックス用の成分のイオン、中性原子、クラスターが、Ａｌ_２Ｏ_３等から成る絶縁体２の表面にレーザデポジションによって堆積されて、ピエゾ抵抗膜等の感応力体１４が形成される。

そこで用いられる、導電性元素の酸化物を含むターゲット１１は、ビスマス等を含有させたガラスマトリックスとＲｕＯ_２等の導電性元素の酸化物からなる導電粒子の混合物をペースト化した材料を平板にスクリーン印刷し焼成することにより、簡便なプロセスで作製されたものである。

図５には、力学量センサ素子の製造方法におけるパルスレーザデポジション法の実施形態のもう一つの例が模式的に示されている。そこでは、二元系のターゲットの例として、ルテニウム等の導電性元素の酸化物から成るターゲットである、導電性元素の酸化物を含むターゲット１１と、ビスマス、カルシウム等のガラスマトリックス用のガラス等から成るターゲットである、ガラスを含むターゲット１２に対して、レーザ光発生源（図示せず）からのレーザ光をパルス状に照射して、ターゲット１１とターゲット１２の双方でレーザスパッタリングを生じさせることによって、そこで発生した導電性元素、およびビスマス等のガラスマトリックス用の成分のガラス形成イオンが、Ａｌ_２Ｏ_３等から成る絶縁体２の表面にレーザデポジションによって堆積されて、ピエゾ抵抗膜等の感応力体１５が形成される。

そこでは、導電性元素の酸化物を含むターゲット１１へのレーザ光の照射と、ビスマス等を含有させたガラスマトリックス用のガラスを含むターゲット１２へのレーザ光の照射を交互に行うことによって、酸化物とビスマスを含有させたガラスを蒸発させ組成ムラなく成膜することが可能である。

図６には、一元系のコンポジットターゲットを用いて得られたＰＬＤ膜Ｃ１〜Ｃ３、二元系のペレット状ターゲットを用いて得られたＰＬＤ膜Ｐ１〜Ｐ３、および厚膜抵抗体の例の各々に関するピエゾ抵抗特性として、固有抵抗とピエゾ抵抗感度の関係が示されている。

図７には、一元系のコンポジットターゲットを用いて得られたＰＬＤ膜Ｃ１〜Ｃ３、および二元系のターゲットを用いて得られたＰＬＤ膜Ｐ１〜Ｐ３の例の各々に関するピエゾ抵抗特性として、硼珪酸ビスマス系ガラス中のルテニウムの含有量とピエゾ抵抗感度の関係が示されている。

図８には、一元系のコンポジットターゲットを用いて得られたＰＬＤ膜Ｃ１〜Ｃ３、および二元系のペレット状ターゲットを用いて得られたＰＬＤ膜Ｐ１〜Ｐ３の例の各々に関するピエゾ抵抗特性として、硼珪酸ビスマス系ガラス中のルテニウムの含有量と固有抵抗の関係を示されている。

図９には、一元系のコンポジットターゲットを用いて得られたＰＬＤ膜をアニール処理した場合の効果として、アニーリング温度とアニール処理されたＰＬＤ膜の抵抗値の関係が、アニール未処理のＰＬＤ膜の抵抗値と共に示されている。

以下に本願発明についての実施例等を挙げて更に具体的に本願発明を説明するが、それらの実施例によって本願発明が何ら限定されるものではない。

実施例１〜３
図２に示されるように、アルミナ基板２（幅が約１０ｍｍ、長さが約１５ｍｍ、厚さが約２ｍｍ）の上に、スクリーン印刷法により約１０ｍｍの間隔で２箇所にＡｕ電極３，３’（厚さが約０．０２ｍｍ）を形成した。

導電性元素の酸化物として酸化ルテニウムの粉末（比表面積が約５ｍ^２／ｇ）を、ビスマス系ガラス粉末（Ｂｉ_２Ｏ_３が７５〜８０ｗｔ％、Ｂ_２Ｏ_３が５〜１０ｗｔ％、ＺｎＯが１０ｗｔ％以下、ＳｉＯ_２が５ｗｔ％以下）およびエチルセルロースとテルピネオールを主成分とする有機ビヒクルと、表１に示す割合で、例えば３本ロールミル等の混練機により混合分散処理してペースト状とし、これをアルミナ基板（幅が約１００ｍｍ、長さが約１００ｍｍ、厚さが約１ｍｍ）上にスクリーン印刷法により約２０μｍの厚みに印刷した後、約６００℃で約１０分間焼成して一元系のコンポジット状のターゲットを形成した。尚、酸化ルテニウムとビスマス系ガラスの使用比率を表１に示すように調整したペーストを使用することにより、表１に示すようにターゲット中のＲｕ配合量を調整した。

図４に模式的に示されるように、パルスレーザデポジション成膜室内の所定の位置に、そのようにして形成されたターゲット１１と、上記のＡｕ電極３，３’形成済みのアルミナ基板２をセットし、パルスレーザデポジションを行った。そのパルスレーザデポジションの条件としては、レーザ装置がＮｄ−ＹＡＧレーザの３倍高調波（波長３５５ｎｍ）、エネルギーが４７０ｍＪ／ｓｈｏｔ、繰り返し数が１０Ｈｚ、パルス幅が８ｎｓ、レーザ照射時間は、一つのターゲットにおいて円周上に２分間照射し、８回〜１６回繰り返した。図２に示されるように、アルミナ基板２の上にパルスレーザデポジションにより成膜された膜を大気雰囲気下で約６００℃にてアニール処理して、感応力体１としてのピエゾ抵抗膜を形成した。次いで、図１に示されるように、例えばエポキシ系樹脂から成る、接合材層４としての接着剤層（厚さが約１ｍｍ）を、ピエゾ抵抗膜を取り囲むように形成し、更にその上にアルミナから成る受応力体である上部受圧体５（厚さが約２ｍｍ）を形成して、力学量センサ素子１０を得た。

そのようにして得られた力学量センサ素子１０において、その１０点でピエゾ抵抗膜の組成をＴＥＭ−ＥＤＳ（透過電子顕微鏡−エネルギー分散分光）により測定して表１に記載されるようなＲｕ量及びＢｉ量の範囲が得られ、ＸＰＳ（Ｘ線光電子分光）により測定してＲｕの存在状態が固溶体であることが確認され、電流−電圧特性評価により測定して表１に記載されるようなピエゾ抵抗膜の固有抵抗値が得られた。また、力学量センサ素子１０における上部受圧体５に５ｋＮまたは１５ｋＮの荷重を印加して、その前後におけるピエゾ抵抗膜の抵抗値を面積抵抗値として測定し、印加前の抵抗値に対する印加後の抵抗値の変化率を、荷重に対する各々のセンサ感度として表１に記載した。

実施例４〜６
導電性元素の酸化物として酸化ルテニウムの粉末（比表面積が約５ｍ^２／ｇ）をペレット状（直径が約１０ｍｍ、厚さが約２ｍｍ）に、成型機により１〜２ｔｏｎ／ｃｍ^２の加圧下で約２ｍｍの厚みにコールドプレス成型した後、約１０００℃で約６０分間焼成して、酸化ルテニウムのペレット状焼結体を形成した。一方、ビスマス系ガラス粉末（Ｂｉ_２Ｏ_３が７５〜８０ｗｔ％、Ｂ_２Ｏ_３が５〜１０ｗｔ％、ＺｎＯが１０ｗｔ％以下、ＳｉＯ_２が５ｗｔ％以下）をペレット状（直径が約１０ｍｍ、厚さが約２ｍｍ）に、成型機により１〜２ｔｏｎ／ｃｍ^２の加圧下で約２ｍｍの厚みにコールドプレス成型した後、約５００℃で約１０分間焼成して、ビスマス系ガラスのペレット状焼結体を形成した。得られた酸化ルテニウムのペレット状焼結体とビスマス系ガラスのペレット状焼結体の各々を、パルスレーザデポジション成膜室内の所定の位置にセットし、交互にレーザを照射することにより、それらを二元系のターゲットとした。尚、酸化ルテニウムのペレット状焼結体とビスマス系ガラスのペレット状焼結体のターゲットを表２に示すように調整することにより、表２に示すようにターゲットとしてのＲｕ配合量の調整を行った。

図５に模式的に示されるように、パルスレーザデポジション成膜室内の所定の位置に、そのようにして形成された二元系のターゲット１１，１２と、実施例１と同様にして得たＡｕ電極３，３’形成済みのアルミナ基板２をセットし、ターゲット１１，１２への交互照射による二元系のパルスレーザデポジションを行った。その二元系のパルスレーザデポジションの条件としては、レーザ装置がＮｄ−ＹＡＧレーザの３倍高調波（波長３５５ｎｍ）、エネルギーが４７０ｍＪ／ｓｈｏｔ、繰り返し数が１０Ｈｚ、パルス幅が８ｎｓ、レーザ照射時間は、一つのターゲットにおいて円周上に２分間照射し、８回〜１６回繰り返した。尚、ターゲット１１，１２への交互照射の方法として、ターゲット１１と１２を隣り合わせて設置し、それらを回転させてレーザがターゲット１１と１２を交互に照射するようにした。なお、比率は、回転中心位置をずらすことにより、ターゲット１１と１２に照射される時間比率を変えることで実施した。図２に示されるように、アルミナ基板２の上にパルスレーザデポジションにより成膜された膜を大気雰囲気下で約６００℃にてアニール処理して、感応力体１としてのピエゾ抵抗膜を形成した。次いで、図１に示されるように、エポキシ樹脂から成る、接合材層４としての接着剤層（厚さが約１ｍｍ）を、ピエゾ抵抗膜を取り囲むように形成し、更にその上にアルミナから成る受応力体である上部受圧体５（厚さが約２ｍｍ）を形成して、力学量センサ素子１０を得た。

そのようにして得られた力学量センサ素子１０において、ピエゾ抵抗膜の組成をＴＥＭ−ＥＤＳ（透過電子顕微鏡−エネルギー分散分光）により測定して表２に記載されるようなＲｕ量及びＢｉ量が得られ、ＸＰＳ（光電子分光）により測定してＲｕの存在状態が固溶体であることが確認され、電流−電圧特性評価により測定して表２に記載されるようなピエゾ抵抗膜の固有抵抗値が得られた。また、力学量センサ素子１０における上部受圧体５に５ｋＮまたは１５ｋＮの荷重を印加して、その前後におけるピエゾ抵抗膜の抵抗値を面積抵抗値として測定し、印加前の抵抗値に対する印加後の抵抗値の変化率を、荷重に対する各々のセンサ感度として表２に記載した。

比較例１
従来の成膜法により図２示されるようなピエゾ抵抗膜を形成した。即ち、実施例１と同様にして得られたＡｕ電極３，３’形成済みのアルミナ基板２の上に、実施例１で述べた酸化ルテニウムとガラス粉末を有機ビヒクル中に分散して成したペーストを用いてスクリーン印刷法によりパターニングし、１５０℃で１０分乾燥後、６００℃にて１０分焼成して、いわゆる厚膜抵抗体によるピエゾ抵抗膜（厚さが約０．０２ｍｍ）を形成した。さらにその上に、実施例１と同様にしてエポキシ樹脂から成る接着剤層（厚さが約１ｍｍ）を、ピエゾ抵抗膜を取り囲むように形成し、更にその上にアルミナから成る受応力体である上部受圧体（厚さが約２ｍｍ）を形成して、力学量センサ素子を得た。

得られた力学量センサ素子について実施霊１と同様の測定を行ったところ、その力学量センサ素子におけるＲｕの存在状態がほとんどが粒子状であることが確認され、電流−電圧特性評価により測定してピエゾ抵抗膜の固有抵抗値として、１〜１ＭΩ/□の面積抵抗値が得られた。また、その力学量センサ素子における上部受圧体に５ｋＮまたは１５ｋＮの荷重を印加して、その前後における厚膜抵抗体の抵抗値を面積抵抗値として測定し、印加前の抵抗値に対する印加後の抵抗値の変化率として、５ｋＮの荷重で−２％、１５ｋＮの荷重で−４％がそれぞれ得られた。

実施例１〜３に記載されるように、コンポジットターゲットのルテニウム量を変化させることで、パルスレーザデポジション成膜のルテニウム量を変えることができ、膜の固有抵抗を調整することが可能である。また、力学量センサ素子の感度は、従来の厚膜抵抗体に比べて4倍以上もの高い値を示しており、そこでは本発明の特徴である、ガラス中にルテニウムを固溶させた効果が発現されているものと考えられる。なお、ピエゾ抵抗膜中のルテニウム量が多い場合（３０％超）は、センサ感度が大幅に高くない状況が見られるが、これは、膜中のルテニウムイオンに対する酸素イオンが不足しており、ルテニウムによる金属的な導電の影響が強くなっているためと推定される。

また、実施例４〜６に記載されるように、二元系のパルスレーザデポジションにおいて各ペレットのターゲットへの交互照射およびその比率を変えることで、得られるピエゾ抵抗膜中のルテニウム固溶量および膜の固有抵抗を制御可能であり、センサ感度も従来の厚膜抵抗によるものの3倍以上もの高い値が得られている。

実施例７〜１２
実施例１，２，３で一元系のコンポジットターゲットを用いてパルスレーザデポジションによる成膜を行って得られたパルスレーザデポジション膜（ＰＬＤ膜）Ｃ１〜Ｃ３（実施例１０，１１，１２）、並びに実施例６，５，４で二元系のペレット状ターゲットを用いてパルスレーザデポジションによる成膜を行って得られたＰＬＤ膜Ｐ１〜Ｐ３（実施例７，８，９）について、さらに以下の測定を行った。尚、かかる実施例１，２，３に相当するＰＬＤ膜Ｃ１〜Ｃ３（実施例１０，１１，１２）並びに実施例６，５，４に相当するＰＬＤ膜Ｐ１〜Ｐ３（実施例７，８，９）について、上記の如く１０点での測定結果から得られた組成に関する値を平均値として示すと表３のようになる。

それらのＰＬＤ膜Ｃ１〜Ｃ３およびＰＬＤ膜Ｐ１〜Ｐ３に関するピエゾ抵抗特性として、電流−電圧特性評価により測定して得られた固有抵抗と、図１に示される構造において印加応力当りの抵抗変化率として測定して得られたピエゾ抵抗感度の関係を、比較例１で得られた厚膜抵抗体の例と共に示すと、図６のようになる。また、そのＰＬＤ膜Ｃ１〜Ｃ３およびＰＬＤ膜Ｐ１〜Ｐ３に関するピエゾ抵抗特性として、硼珪酸ビスマス系ガラス中のルテニウムの含有量とピエゾ抵抗感度の関係を示すと、図７のようになる。また、そのＰＬＤ膜Ｃ１〜Ｃ３およびＰＬＤ膜Ｐ１〜Ｐ３に関するピエゾ抵抗特性として、硼珪酸ビスマス系ガラス中のルテニウムの含有量と固有抵抗の関係を示すと、図８のようになる。また、ＰＬＤ膜をアニール処理した場合の効果として、アニーリング温度とアニール処理されたＰＬＤ膜の抵抗値の関係を、アニール未処理のＰＬＤ膜の抵抗値と共に示すと、図９のようになる。
尚、本出願では、以下の態様も提供される。
１． 応力の印加によって電気的特性が変化する感応力体（１）と、電気絶縁性を有する絶縁体（２）とが密着して形成された構造を有する力学量センサ素子（１０）において、前記感応力体（１）がガラス薄膜からなり、前記ガラス薄膜が原子状に固溶してなる導電性元素を含むことを特徴とする、力学量センサ素子。
２． 応力の印加によって電気的特性が変化する感応力体（１）と、電気絶縁性を有する絶縁体（２）とを密着させて力学量センサ素子（１０）を形成する、力学量センサ素子の製造方法において、導電性元素の酸化物を含むターゲット（１１）を用いて、レーザデポジション法により、原子状に固溶してなる前記導電性元素を含むガラス薄膜を、前記絶縁体（２）上に形成する工程を含むことを特徴とする、力学量センサ素子の製造方法。
３． 原子状に固溶してなるルテニウムを含むガラス薄膜を含んでなることを特徴とする、ピエゾ抵抗膜。

Claims (21)

1. 応力の印加によって電気的特性が変化する感応力体（１）と、電気絶縁性を有する絶縁体（２）とが密着して形成された構造を有する力学量センサ素子（１０）において、前記感応力体（１）が、導電性元素の酸化物を用いたパルスレーザデポジションにより原子状に固溶してなる前記導電性元素を含んで形成されてなるガラス薄膜からなることを特徴とする、力学量センサ素子。
2. 前記ガラス薄膜が、前記原子状に固溶してなる導電性元素を１〜６０ａｔｍ％の範囲で含むものであることを特徴とする、請求項１に記載の力学量センサ素子。
3. 前記導電性元素がルテニウムであることを特徴とする、請求項１または２に記載の力学量センサ素子。
4. 前記ガラス薄膜が、ビスマス元素を少なくとも１０ａｔｍ％の範囲で含むものであることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の力学量センサ素子。
5. 前記ガラス薄膜が鉛を含まないものであることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の力学量センサ素子。
6. 前記導電性元素の酸化物を用いたパルスレーザデポジションが、前記導電性元素の酸化物を含む導電性粒子が分散してなるガラス焼成体をターゲットに用いたパルスレーザデポジションであることを特徴とする、請求項１に記載の力学量センサ素子。
7. 前記導電性元素の酸化物を用いたパルスレーザデポジションが、前記導電性元素の酸化物およびガラスの双方を別々のターゲットに用いたパルスレーザデポジションであることを特徴とする、請求項１に記載の力学量センサ素子。
8. 前記感応力体（１）が、前記絶縁体（２）上に具備された一対の電極（３，３‘）の少なくとも一方を部分的に挟んで、前記絶縁体（２）上に積層されており、前記感応力体（１）の少なくとも一部の上に、必要に応じて接合材層（４）を挟んで、前記応力の印加を受けるための受応力体（５）が具備されることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の力学量センサ素子。
9. 前記感応力体（１）がピエゾ抵抗膜である、請求項１〜８のいずれか一項に記載の力学量センサ素子。
10. 応力の印加によって電気的特性が変化する感応力体（１）と、電気絶縁性を有する絶縁体（２）とを密着させて力学量センサ素子（１０）を形成する、力学量センサ素子の製造方法において、導電性元素の酸化物を含むターゲット（１１）を用いて、パルスレーザデポジション法により、原子状に固溶してなる前記導電性元素を含むガラス薄膜を、前記絶縁体（２）上に形成する工程を含むことを特徴とする、力学量センサ素子の製造方法。
11. 前記導電性元素の酸化物を含むターゲット（１１）として、前記導電性元素の酸化物を含む導電性粒子を分散してなるガラス焼成体を含むターゲットを用いることを特徴とする、請求項１０に記載の力学量センサ素子の製造方法。
12. 前記導電性元素の酸化物を含むターゲット（１１）の使用に加えて、ガラスを含むターゲット（１２）を更に使用することを特徴とする、請求項１０に記載の力学量センサ素子の製造方法。
13. 前記ガラスが鉛を含まないものであることを特徴とする、請求項１１または１２に記載の力学量センサ素子の製造方法。
14. 前記導電性元素がルテニウムであることを特徴とする、請求項１０〜１３のいずれか一項に記載の力学量センサ素子の製造方法。
15. ルテニウムの酸化物を用いたパルスレーザデポジションにより原子状に固溶してなるルテニウムを含んで形成されてなるガラス薄膜を含むことを特徴とする、ピエゾ抵抗膜。
16. 前記ガラスがビスマス系ガラスを主体とすることを特徴とする、請求項１５に記載のピエゾ抵抗膜。
17. 前記ガラス薄膜が、２ａｔｍ％以上のＲｕおよび３０ａｔｍ％以上のＯを含むことを特徴とする、請求項１５または１６に記載のピエゾ抵抗膜。
18. ルテニウムの酸化物を含むターゲットを用いて、パルスレーザデポジション法により、原子状に固溶してなる前記ルテニウムを含むガラス薄膜を、絶縁体上に形成することを特徴とする、ピエゾ抵抗膜の製造方法。
19. 前記ルテニウムの酸化物を含むターゲットとして、前記ルテニウムの酸化物を含む導電性粒子を分散してなるガラス焼成体を含むターゲットを用いることを特徴とする、請求項１８に記載のピエゾ抵抗膜の製造方法。
20. 前記ルテニウムの酸化物を含むターゲットの使用に加えて、ガラスを含むターゲットを更に使用することを特徴とする、請求項１８に記載のピエゾ抵抗膜の製造方法。
21. 前記絶縁体上に形成されたガラス薄膜を７００°Ｋ以上でアニール処理することを更に含む、請求項１８〜２０のいずれか一項に記載のピエゾ抵抗膜の製造方法。

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