JP6052614B2 - 温度センサ - Google Patents

Description

本発明は、複写機やプリンタ等の加熱ローラの温度を測定することに好適な温度センサに関する。

一般に、複写機やプリンタに使用されている加熱ローラには、その温度を測定するために温度センサが接触状態に設置されている。このような温度センサとしては、例えば特許文献１及び２に、一対のリードフレームと、これらのリードフレームの間に配設され接続された感熱素子と、一対のリードフレームの端部に形成された保持部と、リードフレーム及び感熱素子の片面に設けられ加熱ローラに接触させる薄膜シートとを有する温度センサが提案されている。

このような温度センサは、加熱ローラの表面にリードフレームの弾性力を利用して接触され、温度検知するものである。
なお、上記特許文献１には、感熱素子として ビードサーミスタやチップサーミスタが採用されていると共に、特許文献２には、感熱素子として、アルミナ等の絶縁基板の一面に感熱膜が形成された薄膜サーミスタが採用されている。この薄膜サーミスタは、絶縁基板の一面に形成された感熱膜と、該感熱膜と一対のリードフレームとを接続する一対のリード部と、感熱膜を覆う保護膜とで構成されている。

特公平６−２９７９３号公報 特開２０００−７４７５２号公報 特開２００４−３１９７３７号公報

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、特許文献１に記載の技術では、感熱素子としてビードサーミスタ等を使用しているが、この場合、約１ｍｍ程度の球状或いは楕円状であるために、加熱ローラに点接触するために、正確な温度検知が難しい。また、感熱素子に比較的大きな体積があるため、応答性が悪いという不都合があった。さらに、点接触であるために、回転するローラ表面に傷を付けてしまうおそれもあった。
また、特許文献２に記載の技術では、感熱素子として薄膜サーミスタを使用しているので、加熱ローラには面接触することができるが、薄膜サーミスタを構成する絶縁基板やリード部を含めると、やはり体積があるために、応答性が悪いという問題があった。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、加熱ローラ等に押し当てて温度を検出する際に、高精度で応答性に優れていると共に高い平坦性を有する温度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の発明に係る温度センサは、一対のリードフレームと、前記一対のリードフレームに接続されたセンサ部と、前記一対のリードフレームに固定されて前記リードフレームを保持する絶縁性の保持部とを備え、前記センサ部が、絶縁性フィルムと、前記絶縁性フィルムの上面にサーミスタ材料でパターン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複数の櫛部を有して互いに対向してパターン形成された一対の櫛型電極と、一端が前記一対の櫛型電極に接続されていると共に他端が前記一対のリードフレームに接続され前記絶縁性フィルムの上面にパターン形成された一対のパターン電極とを備え、前記一対のリードフレームが、前記絶縁性フィルムの両側部上に配され、それぞれ前記絶縁性フィルムの側部が嵌め込まれる凹部を下面側に有し、前記凹部に嵌め込まれた前記絶縁性フィルムの下面と前記リードフレームの下面とが面一になっていることを特徴とする。

この温度センサでは、一対のリードフレームが、絶縁性フィルムの両側部上に配され、それぞれ絶縁性フィルムの側部が嵌め込まれる凹部を下面側に有し、凹部に嵌め込まれた絶縁性フィルムの下面とリードフレームの下面とが面一になっているので、センサ部が高精度に位置決めされると共に、下面の高い平坦性を得ることができる。したがって、測定対象物に対する接触部分である下面側の平坦性が高く、面接触するために、正確な温度検知が可能であると共に回転する加熱ローラ等の測定対象物の表面を傷つけ難い。
また、絶縁性フィルムに直接形成された薄膜サーミスタ部により、全体の厚みが薄くなり、小さい体積によって優れた応答性を得ることができる。また、一対のリードフレームが、一対のパターン電極に接続されているので、薄膜サーミスタ部とリードフレームとが絶縁性フィルムに直接形成されたパターン電極で接続されることで、パターン形成された薄い配線により、リード線等で接続された場合に比べてリードフレーム側との熱伝導性の影響が抑制される。

第２の発明に係る温度センサは、第１の発明において、前記一対のパターン電極が、前記絶縁性フィルムの両側部に前記リードフレームと接合される一対の接着用パッド部を有し、前記絶縁性フィルム上に、前記接着用パッド部とは別に前記リードフレームに接合される複数の金属パッド部が前記絶縁性フィルムの両側部にパターン形成されていることを特徴とする。
すなわち、この温度センサでは、絶縁性フィルム上に、接着用パッド部とは別にリードフレームに接合される複数の金属パッド部が絶縁性フィルムの両側部にパターン形成されているので、接着用パッド部だけでなく金属パッド部もダミー電極としてリードフレームに接合されて、センサ部の高い接合性を得ることができる。

第３の発明に係る温度センサは、第１又は第２の発明において、前記一対のリードフレームを覆った状態で前記絶縁性フィルムの表裏面に接着された絶縁性の一対の保護シートを備えていることを特徴とする。
すなわち、この温度センサでは、一対のリードフレームを覆った状態で絶縁性フィルムの表裏面に接着された絶縁性の一対の保護シートを備えているので、一対のリードフレームを保護シートで安定して保持することができると共に絶縁性フィルムの剛性を向上させることができる。

第４の発明に係る温度センサは、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、一般式：Ｔｉ_ｘＡｌ_ｙＮ_ｚ（０．７０≦ｙ／（ｘ＋ｙ）≦０．９５、０．４≦ｚ≦０．５、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で示される金属窒化物からなり、その結晶構造が、六方晶系のウルツ鉱型の単相であることを特徴とする。

一般に、温度センサ等に使用されるサーミスタ材料は、高精度、高感度のために、高いＢ定数が求められている。従来、このようなサーミスタ材料には、Ｍｎ，Ｃｏ，Ｆｅ等の遷移金属酸化物が一般的である。また、これらのサーミスタ材料では、安定なサーミスタ特性を得るために、６００℃以上の焼成が必要である。

また、上記のような金属酸化物からなるサーミスタ材料の他に、例えば特許文献３では、一般式：Ｍ_ｘＡ_ｙＮ_ｚ（但し、ＭはＴａ，Ｎｂ，Ｃｒ，Ｔｉ及びＺｒの少なくとも１種、ＡはＡｌ，Ｓｉ及びＢの少なくとも１種を示す。０．１≦ｘ≦０．８、０＜ｙ≦０．６、０．１≦ｚ≦０．８、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で示される窒化物からなるサーミスタ用材料が提案されている。また、この特許文献３では、Ｔａ−Ａｌ−Ｎ系材料で、０．５≦ｘ≦０．８、０．１≦ｙ≦０．５、０．２≦ｚ≦０．７、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１としたものだけが実施例として記載されている。このＴａ−Ａｌ−Ｎ系材料では、上記元素を含む材料をターゲットとして用い、窒素ガス含有雰囲気中でスパッタリングを行って作製されている。また、必要に応じて、得られた薄膜を３５０〜６００℃で熱処理を行っている。

近年、樹脂フィルム上にサーミスタ材料を形成したフィルム型サーミスタセンサの開発が検討されており、フィルムに直接成膜できるサーミスタ材料の開発が望まれている。すなわち、フィルムを用いることで、フレキシブルなサーミスタセンサが得られることが期待される。さらに、０．１ｍｍ程度の厚さを持つ非常に薄いサーミスタセンサの開発が望まれているが、従来はアルミナ等のセラミックス材料を用いた基板材料がしばしば用いられ、例えば、厚さ０．１ｍｍへと薄くすると非常に脆く壊れやすい等の問題があったが、フィルムを用いることで非常に薄いサーミスタセンサが得られることが期待される。
従来、ＴｉＡｌＮからなる窒化物系サーミスタを形成した温度センサでは、フィルム上にＴｉＡｌＮからなるサーミスタ材料層と電極とを積層して形成する場合、サーミスタ材料層上にＡｕ等の電極層を成膜し、複数の櫛部を有した櫛型にパターニングしている。しかし、このサーミスタ材料層は、曲率半径が大きく緩やかに曲げられた場合には、クラックが生じ難く抵抗値等の電気特性に変化がないが、曲率半径が小さくきつく曲げた場合に、クラックが発生し易くなり、抵抗値等が大きく変化して電気特性の信頼性が低くなってしまう。特に、フィルムを櫛部の延在方向に直交する方向に小さい曲率半径できつく曲げた場合、櫛部の延在方向に曲げた場合に比べて櫛型電極とサーミスタ材料層との応力差により、電極エッジ付近にクラックが発生し易くなり、電気特性の信頼性が低下してしまう不都合があった。

また、樹脂材料で構成されるフィルムは、一般的に耐熱温度が１５０℃以下と低く、比較的耐熱温度の高い材料として知られるポリイミドでも３００℃程度の耐熱性しかないため、サーミスタ材料の形成工程において熱処理が加わる場合は、適用が困難であった。上記従来の酸化物サーミスタ材料では、所望のサーミスタ特性を実現するために６００℃以上の焼成が必要であり、フィルムに直接成膜したフィルム型サーミスタセンサを実現できないという問題点があった。そのため、非焼成で直接成膜できるサーミスタ材料の開発が望まれているが、上記特許文献３に記載のサーミスタ材料でも、所望のサーミスタ特性を得るために、必要に応じて、得られた薄膜を３５０〜６００℃で熱処理する必要があった。また、このサーミスタ材料では、Ｔａ−Ａｌ−Ｎ系材料の実施例において、Ｂ定数：５００〜３０００Ｋ程度の材料が得られているが、耐熱性に関する記述がなく、窒化物系材料の熱的信頼性が不明であった。

本発明者らは、窒化物材料の中でもＡｌＮ系に着目し、鋭意、研究を進めたところ、絶縁体であるＡｌＮは、最適なサーミスタ特性（Ｂ定数：１０００〜６０００Ｋ程度）を得ることが難しいため、Ａｌサイトを電気伝導を向上させる特定の金属元素で置換すると共に、特定の結晶構造とすることで、非焼成で良好なＢ定数と耐熱性とが得られることを見出した。
したがって、本発明は、上記知見から得られたものであり、薄膜サーミスタ部が、一般式：Ｔｉ_ｘＡｌ_ｙＮ_ｚ（０．７０≦ｙ／（ｘ＋ｙ）≦０．９５、０．４≦ｚ≦０．５、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で示される金属窒化物からなり、その結晶構造が、六方晶系のウルツ鉱型の単相であるので、非焼成で良好なＢ定数が得られると共に高い耐熱性を有している。

なお、上記「ｙ／（ｘ＋ｙ）」（すなわち、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ））が０．７０未満であると、ウルツ鉱型の単相が得られず、ＮａＣｌ型相との共存相又はＮａＣｌ型相のみの相となってしまい、十分な高抵抗と高Ｂ定数とが得られない。
また、上記「ｙ／（ｘ＋ｙ）」（すなわち、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ））が０．９５をこえると、抵抗率が非常に高く、きわめて高い絶縁性を示すため、サーミスタ材料として適用できない。
また、上記「ｚ」（すなわち、Ｎ／（Ｔｉ＋Ａｌ＋Ｎ））が０．４未満であると、金属の窒化量が少ないため、ウルツ鉱型の単相が得られず、十分な高抵抗と高Ｂ定数とが得られない。
さらに、上記「ｚ」（すなわち、Ｎ／（Ｔｉ＋Ａｌ＋Ｎ））が０．５を超えると、ウルツ鉱型の単相を得ることができない。このことは、ウルツ鉱型の単相において、窒素サイトにおける欠陥がない場合の正しい化学量論比は、Ｎ／（Ｔｉ＋Ａｌ＋Ｎ）＝０．５であることに起因する。

本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係る温度センサによれば、一対のリードフレームが、絶縁性フィルムの両側部上に配され、それぞれ絶縁性フィルムの側部が嵌め込まれる凹部を下面側に有し、凹部に嵌め込まれた絶縁性フィルムの下面とリードフレームの下面とが面一になっているので、センサ部が高精度に位置決めされると共に、下面の高い平坦性を得ることができ、正確な温度検知が可能である。
また、薄膜サーミスタ部とリードフレームとが絶縁性フィルムに直接形成されたパターン電極で接続されることで、薄い絶縁性フィルムに直接形成された薄膜サーミスタ部と薄いパターン電極とにより、優れた応答性を得ることができると共に正確な温度測定が可能になる。
さらに、薄膜サーミスタ部を、一般式：Ｔｉ_ｘＡｌ_ｙＮ_ｚ（０．７０≦ｙ／（ｘ＋ｙ）≦０．９５、０．４≦ｚ≦０．５、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で示される金属窒化物からなり、その結晶構造が、六方晶系のウルツ鉱型の単相である材料とすることで、非焼成で良好なＢ定数が得られると共に高い耐熱性が得られる。
したがって、本発明の温度センサによれば、高い平坦性が確保されたセンサ部による安定した面接触が可能であると共に、高い応答性で正確に温度を測定することができ、複写機やプリンタ等の加熱ローラの温度用として好適である。

本発明に係る温度センサの一実施形態を示す平面図及び正面図である。 本実施形態において、サーミスタ用金属窒化物材料の組成範囲を示すＴｉ−Ａｌ−Ｎ系３元系相図である。 本実施形態において、センサ部を示す平面図及びＡ−Ａ線断面図である。 本実施形態において、保持部で支持された一対のリードフレームを示す平面図及び正面図である。 本実施形態において、薄膜サーミスタ部形成工程を示す平面図及びＢ−Ｂ線断面図である。 本実施形態において、電極形成工程を示す平面図及びＣ−Ｃ線断面図である。 本実施形態において、リードフレーム取り付け工程を示す平面図及び正面図である。 本発明に係る温度センサの実施例において、サーミスタ用金属窒化物材料の膜評価用素子を示す正面図及び平面図である。 本発明に係る実施例及び比較例において、２５℃抵抗率とＢ定数との関係を示すグラフである。 本発明に係る実施例及び比較例において、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）比とＢ定数との関係を示すグラフである。 本発明に係る実施例において、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）＝０．８４としたｃ軸配向が強い場合におけるＸ線回折（ＸＲＤ）の結果を示すグラフである。 本発明に係る実施例において、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）＝０．８３としたａ軸配向が強い場合におけるＸ線回折（ＸＲＤ）の結果を示すグラフである。 本発明に係る比較例において、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）＝０．６０とした場合におけるＸ線回折（ＸＲＤ）の結果を示すグラフである。 本発明に係る実施例において、ａ軸配向の強い実施例とｃ軸配向の強い実施例とを比較したＡｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）比とＢ定数との関係を示すグラフである。 本発明に係る実施例において、ｃ軸配向が強い実施例を示す断面ＳＥＭ写真である。 本発明に係る実施例において、ａ軸配向が強い実施例を示す断面ＳＥＭ写真である。

以下、本発明に係る温度センサにおける一実施形態を、図１から図７を参照しながら説明する。なお、以下の説明に用いる図面の一部では、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。

本実施形態の温度センサ１は、図１に示すように、一対のリードフレーム２と、一対のリードフレーム２に接続されたセンサ部３と、一対のリードフレーム２に固定されてリードフレーム２を保持する絶縁性の保持部４とを備えている。
上記センサ部３は、図３に示すように、絶縁性フィルム６と、絶縁性フィルム６の上面にサーミスタ材料でパターン形成された薄膜サーミスタ部７と、薄膜サーミスタ部７の上に複数の櫛部８ａを有して互いに対向してパターン形成された一対の櫛型電極８と、一端が一対の櫛型電極８に接続されていると共に他端が一対のリードフレーム２に接続され絶縁性フィルム６の上面にパターン形成された一対のパターン電極９とを備えている。

上記一対のリードフレーム２は、絶縁性フィルム６の両側部上に配され、それぞれ絶縁性フィルム６の側部が嵌め込まれる凹部２ａを下面側に有し、凹部２ａに嵌め込まれた絶縁性フィルム６の下面とリードフレーム２の下面とが面一になっている。
一対のリードフレーム２に形成された一対の凹部２ａは、絶縁性フィルム６の側部形状に応じてリードフレーム２に沿って延在する段部形状とされ、互いに内側に向けて対向状態に配されている。凹部２ａは、パターン電極９を含む絶縁性フィルム６の厚さ分だけ深く形成されている。これにより、リードフレーム２の下面とセンサ部３の下面とには段差が無く、高い平坦性を有している。

上記薄膜サーミスタ部７は、絶縁性フィルム６の中央部に配され、パターン電極９が、絶縁性フィルム６の基端近傍まで延在している。一対のパターン電極９は、絶縁性フィルム６の基端近傍に一対の接着用パッド部９ａを有している。すなわち、一対のパターン電極９は、絶縁性フィルム６の両側部にリードフレーム２と接合される一対の接着用パッド部９ａを有している。

また、絶縁性フィルム６上には、接着用パッド部９ａとは別にリードフレーム２に接合される複数の金属パッド部１２が絶縁性フィルム６の両側部にパターン形成されている。
すなわち、絶縁性フィルム６の基端側にある一対の角部に一対の接着用パッド部９ａが設置されていると共に、絶縁性フィルム６の先端側にある一対の角部に一対の金属パッド部１２が設置されている。したがって、センサ部３は、四隅の４点で一対のリードフレーム２に固定されている。
なお、接着用パッド部９ａ及び金属パッド部１２とリードフレーム２とは、はんだや導電性接着剤、抵抗溶接等で接合されている。

上記一対のリードフレーム２は、銅系合金、鉄系合金又はステンレス等の合金で形成されており、樹脂製の保持部４によって互いに一定間隔を保持した状態で支持されている。上記凹部２ａは、リードフレーム２の下面にハーフエッチングを施すことで形成される。
また、一対のリードフレーム２は、保持部４内で基端が一対のリード線５に接続されている。なお、保持部４には、取付孔４ａが形成されている。

また、本実施形態の温度センサ１は、絶縁性フィルム６の上面に薄膜サーミスタ部７を覆う保護膜１０と、一対のリードフレーム２を覆った状態で絶縁性フィルム６の表裏面に接着された絶縁性の一対の保護シート１１とを備えている。
上記保護膜１０は、絶縁性樹脂膜等であり、例えば厚さ２０μｍのポリイミド膜が採用される。この保護膜１０は、薄膜サーミスタ部７と共に櫛部８ａを覆って矩形状にパターン形成されている。
上記一対の保護シート１１は、ポリイミドフィルムやテフロン（登録商標）フィルム等であり、センサ部３及び一対のリードフレーム２を挟んだ状態で互いに接着剤で接着されている。

上記絶縁性フィルム６は、例えば厚さ７．５〜１２５μｍのポリイミド樹脂シートで帯状に形成されている。なお、絶縁性フィルム６としては、他に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、加熱ローラの温度測定用としては、最高使用温度が２３０℃と高いためポリイミドフィルムが望ましい。
上記薄膜サーミスタ部７は、絶縁性フィルム６の一端側に配され、ＴｉＡｌＮのサーミスタ材料で形成されている。特に、薄膜サーミスタ部７は、一般式：Ｔｉ_ｘＡｌ_ｙＮ_ｚ（０．７０≦ｙ／（ｘ＋ｙ）≦０．９５、０．４≦ｚ≦０．５、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で示される金属窒化物からなり、その結晶構造が、六方晶系のウルツ鉱型の単相である。

上記パターン電極９及び櫛型電極８は、薄膜サーミスタ部７上に形成された膜厚５〜１００ｎｍのＣｒ又はＮｉＣｒの接合層と、該接合層上にＡｕ等の貴金属で膜厚５０〜１０００ｎｍで形成された電極層とを有している。なお、金属パッド部１２も、パターン電極９と同じ金属層で形成されている。
一対の櫛型電極８は、互いに対向状態に配されて交互に櫛部８ａが並んだ櫛型パターンとされている。

なお、櫛部８ａは、絶縁性フィルム６の延在方向（リードフレーム２の延在方向）に沿って延在している。すなわち、絶縁性フィルム６の下面側を、回転する加熱ローラに押し当てされて温度測定を行うが、この際、絶縁性フィルム６の延在方向に曲率を有して湾曲させられるため、薄膜サーミスタ部７にも同方向に曲げ応力が加わる。このとき、櫛部８ａが同方向に延在しているため、薄膜サーミスタ部７を補強することになり、クラックの発生を抑制することができる。

上記薄膜サーミスタ部７は、上述したように、金属窒化物材料であって、一般式：Ｔｉ_ｘＡｌ_ｙＮ_ｚ（０．７０≦ｙ／（ｘ＋ｙ）≦０．９５、０．４≦ｚ≦０．５、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で示される金属窒化物からなり、その結晶構造が、六方晶系の結晶系であってウルツ鉱型（空間群Ｐ６_３ｍｃ（Ｎｏ．１８６））の単相である。すなわち、この金属窒化物材料は、図２に示すように、Ｔｉ−Ａｌ−Ｎ系３元系相図における点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄで囲まれる領域内の組成を有し、結晶相がウルツ鉱型である金属窒化物である。
なお、上記点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの各組成比（ｘ、ｙ、ｚ）（原子％）は、Ａ（１５、３５、５０），Ｂ（２．５、４７．５、５０），Ｃ（３、５７、４０），Ｄ（１８、４２、４０）である。

また、この薄膜サーミスタ部７は、例えば膜厚１００〜１０００ｎｍの膜状に形成され、前記膜の表面に対して垂直方向に延在している柱状結晶である。さらに、膜の表面に対して垂直方向にａ軸よりｃ軸が強く配向していることが好ましい。
なお、膜の表面に対して垂直方向（膜厚方向）にａ軸配向（１００）が強いかｃ軸配向（００２）が強いかの判断は、Ｘ線回折（ＸＲＤ）を用いて結晶軸の配向性を調べることで、（１００）（ａ軸配向を示すミラー指数）と（００２）（ｃ軸配向を示すミラー指数）とのピーク強度比から、「（１００）のピーク強度」／「（００２）のピーク強度」が１未満であることで決定する。

この温度センサ１の製造方法について、図１，図３から図７を参照して以下に説明する。
本実施形態の温度センサ１の製造方法は、絶縁性フィルム６上に薄膜サーミスタ部７をパターン形成する薄膜サーミスタ部形成工程と、互いに対向した一対の櫛型電極８を薄膜サーミスタ部７上に配して絶縁性フィルム６上に一対のパターン電極９をパターン形成する電極形成工程と、薄膜サーミスタ部７の上面に保護膜１０を形成する保護膜形成工程と、センサ部３にリードフレーム２を取り付けるリードフレーム取り付け工程と、センサ部３とリードフレーム２とを挟んで覆う一対の保護シート１１を接着するシート接着工程とを有している。

より具体的な製造方法の例としては、厚さ５０μｍのポリイミドフィルムの絶縁性フィルム６上に、Ｔｉ−Ａｌ合金スパッタリングターゲットを用い、窒素含有雰囲気中で反応性スパッタ法にて、Ｔｉ_ｘＡｌ_ｙＮ_ｚ（ｘ＝９、ｙ＝４３、ｚ＝４８）のサーミスタ膜を膜厚２００ｎｍで形成する。その時のスパッタ条件は、到達真空度５×１０^−６Ｐａ、スパッタガス圧０．４Ｐａ、ターゲット投入電力（出力）２００Ｗで、Ａｒガス＋窒素ガスの混合ガス雰囲気下において、窒素ガス分率を２０％で作製する。

成膜したサーミスタ膜の上にレジスト液をバーコーターで塗布した後、１１０℃で１分３０秒のプリベークを行い、露光装置で感光後、現像液で不要部分を除去し、さらに１５０℃で５分のポストベークにてパターニングを行う。その後、不要なＴｉ_ｘＡｌ_ｙＮ_ｚのサーミスタ膜を市販のＴｉエッチャントでウェットエッチングを行い、図５に示すように、レジスト剥離にて所望の形状の薄膜サーミスタ部７にする。

次に、薄膜サーミスタ部７及び絶縁性フィルム６上に、スパッタ法にて、Ｃｒ膜の接合層を膜厚２０ｎｍ形成する。さらに、この接合層上に、スパッタ法にてＡｕ膜の電極層を膜厚１００ｎｍ形成する。
次に、成膜した電極層の上にレジスト液をバーコーターで塗布した後、１１０℃で１分３０秒のプリベークを行い、露光装置で感光後、現像液で不要部分を除去し、１５０℃で５分のポストベークにてパターニングを行う。その後、不要な電極部分を市販のＡｕエッチャント及びＣｒエッチャントの順番でウェットエッチングを行い、図６に示すように、レジスト剥離にて所望の櫛型電極８、パターン電極９及び金属パッド部１２を形成する。

さらに、その上にポリイミドワニスを印刷法により薄膜サーミスタ部７上に塗布して、２５０℃、３０分でキュアを行い、図３に示すように、２０μｍ厚のポリイミド保護膜１０をパターン形成する。
次に、一対のリードフレーム２の凹部２ａに、図７に示すように、センサ部３を嵌め込むと共に、接着用パッド部９ａ及び金属パッド部１２とリードフレーム２とをはんだ等の導電性接着材で接着する。
次に、保護シート１１として接着剤付きの一対のポリイミドフィルムを、センサ部３とリードフレーム２とを挟んで絶縁性フィルム６の表裏面に貼り付けることで、図１に示す本実施形態の温度センサ１が作製される。

なお、複数のセンサ部３を同時に作製する場合、絶縁性フィルム６の大判シートに複数の薄膜サーミスタ部７、櫛型電極８、パターン電極９、金属パッド部１２及び保護膜１０を上述のように形成した後に、大判シートから各センサ部３に切断する。

このように本実施形態の温度センサ１では、一対のリードフレーム２が、絶縁性フィルム６の両側部上に配され、それぞれ絶縁性フィルム６の側部が嵌め込まれる凹部２ａを下面側に有し、凹部２ａに嵌め込まれた絶縁性フィルム６の下面とリードフレーム２の下面とが面一になっているので、センサ部３が高精度に位置決めされると共に、下面の高い平坦性を得ることができる。したがって、測定対象物に対する接触部分である下面側の平坦性が高く、面接触するために、正確な温度検知が可能であると共に回転する加熱ローラ等の測定対象物の表面を傷つけ難い。

また、絶縁性フィルム６に直接形成された薄膜サーミスタ部７により、全体の厚みが薄くなり、小さい体積によって優れた応答性を得ることができる。また、一対のリードフレーム２が、一対のパターン電極９に接続されているので、薄膜サーミスタ部７とリードフレーム２とが絶縁性フィルム６に直接形成されたパターン電極９で接続されることで、パターン形成された薄い配線により、リード線等で接続された場合に比べてリードフレーム２側との熱伝導性の影響が抑制される。

さらに、絶縁性フィルム６上に、接着用パッド部９ａとは別にリードフレーム２に接合される複数の金属パッド部１２が絶縁性フィルム６の両側部にパターン形成されているので、接着用パッド部９ａだけでなく金属パッド部１２もダミー電極としてリードフレーム２に接合されて、センサ部３の高い接合性を得ることができる。

また、薄膜サーミスタ部７が、一般式：Ｔｉ_ｘＡｌ_ｙＮ_ｚ（０．７０≦ｙ／（ｘ＋ｙ）≦０．９５、０．４≦ｚ≦０．５、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で示される金属窒化物からなり、その結晶構造が、六方晶系の結晶系であってウルツ鉱型の単相であるので、非焼成で良好なＢ定数が得られると共に高い耐熱性を有している。
また、この金属窒化物材料では、膜の表面に対して垂直方向に延在している柱状結晶であるので、膜の結晶性が高く、高い耐熱性が得られる。
さらに、この金属窒化物材料では、膜の表面に対して垂直方向にａ軸よりｃ軸を強く配向させることで、ａ軸配向が強い場合に比べて高いＢ定数が得られる。

なお、本実施形態のサーミスタ材料層（薄膜サーミスタ部７）の製造方法では、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成膜するので、上記ＴｉＡｌＮからなる上記金属窒化物材料を非焼成で成膜することができる。
また、反応性スパッタにおけるスパッタガス圧を、０．６７Ｐａ未満に設定することで、膜の表面に対して垂直方向にａ軸よりｃ軸が強く配向している金属窒化物材料の膜を形成することができる。

したがって、本実施形態の温度センサ１では、絶縁性フィルム６上に上記サーミスタ材料層で薄膜サーミスタ部７が形成されているので、非焼成で形成され高Ｂ定数で耐熱性の高い薄膜サーミスタ部７により、樹脂フィルム等の耐熱性の低い絶縁性フィルム６を用いることができると共に、良好なサーミスタ特性を有した薄型でフレキシブルなサーミスタセンサが得られる。
また、従来アルミナ等のセラミックスを用いた基板材料がしばしば用いられ、例えば、厚さ０．１ｍｍへと薄くすると非常に脆く壊れやすい等の問題があったが、本発明においてはフィルムを用いることができるので、上記のように、例えば厚さ０．１ｍｍの非常に薄いフィルム型サーミスタセンサ（センサ部３）を得ることができる。

次に、本発明に係る温度センサについて、上記実施形態に基づいて作製した実施例により評価した結果を、図８から図１６を参照して具体的に説明する。

＜膜評価用素子の作製＞
本発明のサーミスタ材料層（薄膜サーミスタ部７）の評価を行う実施例及び比較例として、図８に示す膜評価用素子１２１を次のように作製した。
まず、反応性スパッタ法にて、様々な組成比のＴｉ−Ａｌ合金ターゲットを用いて、Ｓｉ基板Ｓとなる熱酸化膜付きＳｉウエハ上に、厚さ５００ｎｍの表１に示す様々な組成比で形成された金属窒化物材料の薄膜サーミスタ部７を形成した。その時のスパッタ条件は、到達真空度：５×１０^−６Ｐａ、スパッタガス圧：０．１〜１Ｐａ、ターゲット投入電力（出力）：１００〜５００Ｗで、Ａｒガス＋窒素ガスの混合ガス雰囲気下において、窒素ガス分率を１０〜１００％と変えて作製した。

次に、上記薄膜サーミスタ部７の上に、スパッタ法でＣｒ膜を２０ｎｍ形成し、さらにＡｕ膜を１００ｎｍ形成した。さらに、その上にレジスト液をスピンコーターで塗布した後、１１０℃で１分３０秒のプリベークを行い、露光装置で感光後、現像液で不要部分を除去し、１５０℃で５分のポストベークにてパターニングを行った。その後、不要な電極部分を市販のＡｕエッチャント及びＣｒエッチャントによりウェットエッチングを行い、レジスト剥離にて所望の櫛形電極部１２４ａを有するパターン電極１２４を形成した。そして、これをチップ状にダイシングして、Ｂ定数評価及び耐熱性試験用の膜評価用素子１２１とした。
なお、比較としてＴｉ_ｘＡｌ_ｙＮ_ｚの組成比が本発明の範囲外であって結晶系が異なる比較例についても同様に作製して評価を行った。

＜膜の評価＞
（１）組成分析
反応性スパッタ法にて得られた薄膜サーミスタ部７について、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）にて元素分析を行った。このＸＰＳでは、Ａｒスパッタにより、最表面から深さ２０ｎｍのスパッタ面において、定量分析を実施した。その結果を表１に示す。なお、以下の表中の組成比は「原子％」で示している。

なお、上記Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）は、Ｘ線源をＭｇＫα（３５０Ｗ）とし、パスエネルギー：５８．５ｅＶ、測定間隔：０．１２５ｅＶ、試料面に対する光電子取り出し角：４５ｄｅｇ、分析エリアを約８００μｍφの条件下で定量分析を実施した。なお、定量精度について、Ｎ／（Ｔｉ＋Ａｌ＋Ｎ）の定量精度は±２％、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）の定量精度は±１％ある。

（２）比抵抗測定
反応性スパッタ法にて得られた薄膜サーミスタ部７について、４端子法にて２５℃での比抵抗を測定した。その結果を表１に示す。
（３）Ｂ定数測定
膜評価用素子１２１の２５℃及び５０℃の抵抗値を恒温槽内で測定し、２５℃と５０℃との抵抗値よりＢ定数を算出した。その結果を表１に示す。

なお、本発明におけるＢ定数算出方法は、上述したように２５℃と５０℃とのそれぞれの抵抗値から以下の式によって求めている。
Ｂ定数（Ｋ）＝ｌｎ（Ｒ２５／Ｒ５０）／（１／Ｔ２５−１／Ｔ５０）
Ｒ２５（Ω）：２５℃における抵抗値
Ｒ５０（Ω）：５０℃における抵抗値
Ｔ２５（Ｋ）：２９８．１５Ｋ ２５℃を絶対温度表示
Ｔ５０（Ｋ）：３２３．１５Ｋ ５０℃を絶対温度表示

これらの結果からわかるように、Ｔｉ_ｘＡｌ_ｙＮ_ｚの組成比が図２に示す３元系の三角図において、点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄで囲まれる領域内、すなわち、「０．７０≦ｙ／（ｘ＋ｙ）≦０．９５、０．４≦ｚ≦０．５、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１」となる領域内の実施例全てで、抵抗率：１００Ωｃｍ以上、Ｂ定数：１５００Ｋ以上のサーミスタ特性が達成されている。

上記結果から２５℃での抵抗率とＢ定数との関係を示したグラフを、図９に示す。また、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）比とＢ定数との関係を示したグラフを、図１０に示す。これらのグラフから、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）＝０．７〜０．９５、かつ、Ｎ／（Ｔｉ＋Ａｌ＋Ｎ）＝０．４〜０．５の領域で、結晶系が六方晶のウルツ鉱型の単一相であるものは、２５℃における比抵抗値が１００Ωｃｍ以上、Ｂ定数が１５００Ｋ以上の高抵抗かつ高Ｂ定数の領域が実現できている。なお、図１０のデータにおいて、同じＡｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）比に対して、Ｂ定数がばらついているのは、結晶中の窒素量が異なるためである。

表１に示す比較例３〜１２は、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）＜０．７の領域であり、結晶系は立方晶のＮａＣｌ型となっている。また、比較例１２（Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）＝０．６７）では、ＮａＣｌ型とウルツ鉱型とが共存している。このように、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）＜０．７の領域では、２５℃における比抵抗値が１００Ωｃｍ未満、Ｂ定数が１５００Ｋ未満であり、低抵抗かつ低Ｂ定数の領域であった。

表１に示す比較例１，２は、Ｎ／（Ｔｉ＋Ａｌ＋Ｎ）が４０％に満たない領域であり、金属が窒化不足の結晶状態になっている。この比較例１，２は、ＮａＣｌ型でも、ウルツ鉱型でもない、非常に結晶性の劣る状態であった。また、これら比較例では、Ｂ定数及び抵抗値が共に非常に小さく、金属的振舞いに近いことがわかった。

（４）薄膜Ｘ線回折（結晶相の同定）
反応性スパッタ法にて得られた薄膜サーミスタ部７を、視斜角入射Ｘ線回折（Grazing Incidence X-ray Diffraction）により、結晶相を同定した。この薄膜Ｘ線回折は、微小角Ｘ線回折実験であり、管球をＣｕとし、入射角を１度とすると共に２θ＝２０〜１３０度の範囲で測定した。

その結果、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）≧０．７の領域においては、ウルツ鉱型相（六方晶、ＡｌＮと同じ相）であり、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）＜０．６５の領域においては、ＮａＣｌ型相（立方晶、ＴｉＮと同じ相）であった。また、０．６５＜ Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）＜０．７においては、ウルツ鉱型相とＮａＣｌ型相との共存する結晶相であった。

このようにＴｉＡｌＮ系においては、高抵抗かつ高Ｂ定数の領域は、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）≧０．７のウルツ鉱型相に存在している。なお、本発明の実施例では、不純物相は確認されておらず、ウルツ鉱型の単一相である。
なお、表１に示す比較例１，２は、上述したように結晶相がウルツ鉱型相でもＮａＣｌ型相でもなく、本試験においては同定できなかった。また、これらの比較例は、ＸＲＤのピーク幅が非常に広いことから、非常に結晶性の劣る材料であった。これは、電気特性により金属的振舞いに近いことから、窒化不足の金属相になっていると考えられる。

次に、本発明の実施例は全てウルツ鉱型相の膜であり、配向性が強いことから、Ｓｉ基板Ｓ上に垂直な方向（膜厚方向）の結晶軸においてａ軸配向性が強いか、ｃ軸配向性が強いかであるかについて、ＸＲＤを用いて調査した。この際、結晶軸の配向性を調べるために、（１００）（ａ軸配向を示すミラー指数）と（００２）（ｃ軸配向を示すミラー指数）とのピーク強度比を測定した。

その結果、スパッタガス圧が０．６７Ｐａ未満で成膜された実施例は、（１００）よりも（００２）の強度が非常に強く、ａ軸配向性よりｃ軸配向性が強い膜であった。一方、スパッタガス圧が０．６７Ｐａ以上で成膜された実施例は、（００２）よりも（１００）の強度が非常に強く、ｃ軸配向よりａ軸配向が強い材料であった。
なお、同じ成膜条件でポリイミドフィルムに成膜しても、同様にウルツ鉱型相の単一相が形成されていることを確認している。また、同じ成膜条件でポリイミドフィルムに成膜しても、配向性は変わらないことを確認している。

ｃ軸配向が強い実施例のＸＲＤプロファイルの一例を、図１１に示す。この実施例は、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）＝０．８４（ウルツ鉱型、六方晶）であり、入射角を１度として測定した。この結果からわかるように、この実施例では、（１００）よりも（００２）の強度が非常に強くなっている。
また、ａ軸配向が強い実施例のＸＲＤプロファイルの一例を、図１２に示す。この実施例は、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）＝０．８３（ウルツ鉱型、六方晶）であり、入射角を１度として測定した。この結果からわかるように、この実施例では、（００２）よりも（１００）の強度が非常に強くなっている。

さらに、この実施例について、入射角を０度として、対称反射測定を実施した。なお、グラフ中（＊）は装置由来のピークであり、サンプル本体のピーク、もしくは、不純物相のピークではないことを確認している（なお、対称反射測定において、そのピークが消失していることからも装置由来のピークであることがわかる。）。

なお、比較例のＸＲＤプロファイルの一例を、図１３に示す。この比較例は、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）＝０．６（ＮａＣｌ型、立方晶）であり、入射角を１度として測定した。ウルツ鉱型（空間群Ｐ６_３ｍｃ（Ｎｏ．１８６））として指数付けできるピークは検出されておらず、ＮａＣｌ型単独相であることを確認した。

次に、ウルツ鉱型材料である本発明の実施例に関して、さらに結晶構造と電気特性との相関を詳細に比較した。
表２及び図１４に示すように、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）比がほぼ同じ比率のものに対し、基板面に垂直方向の配向度の強い結晶軸がｃ軸である材料（実施例５，７，８，９）とａ軸である材料（実施例１９，２０，２１）とがある。

これら両者を比較すると、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）比が同じであると、ａ軸配向が強い材料よりもｃ軸配向が強い材料の方が、Ｂ定数が１００Ｋ程度大きいことがわかる。また、Ｎ量（Ｎ／（Ｔｉ＋Ａｌ＋Ｎ））に着目すると、ａ軸配向が強い材料よりもｃ軸配向が強い材料の方が、窒素量がわずかに大きいことがわかる。理想的な化学量論比：Ｎ／（Ｔｉ＋Ａｌ＋Ｎ）＝０．５であることから、ｃ軸配向が強い材料のほうが、窒素欠陥量が少なく理想的な材料であることがわかる。

＜結晶形態の評価＞
次に、薄膜サーミスタ部７の断面における結晶形態を示す一例として、熱酸化膜付きＳｉ基板Ｓ上に成膜された実施例（Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）＝０．８４，ウルツ鉱型、六方晶、ｃ軸配向性が強い）の薄膜サーミスタ部７における断面ＳＥＭ写真を、図１５に示す。また、別の実施例（Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）＝０．８３，ウルツ鉱型六方晶、ａ軸配向性が強い）の薄膜サーミスタ部７における断面ＳＥＭ写真を、図１６に示す。
これら実施例のサンプルは、Ｓｉ基板Ｓをへき開破断したものを用いている。また、４５°の角度で傾斜観察した写真である。

これらの写真からわかるように、いずれの実施例も高密度な柱状結晶で形成されている。すなわち、ｃ軸配向が強い実施例及びａ軸配向が強い実施例の共に基板面に垂直な方向に柱状の結晶が成長している様子が観測されている。なお、柱状結晶の破断は、Ｓｉ基板Ｓをへき開破断した際に生じたものである。

＜膜の耐熱試験評価＞
表１に示す実施例及び比較例において、大気中，１２５℃,１０００ｈの耐熱試験前後における抵抗値及びＢ定数を評価した。その結果を表３に示す。なお、比較として従来のＴａ−Ａｌ−Ｎ系材料による比較例も同様に評価した。
これらの結果からわかるように、Ａｌ濃度及び窒素濃度は異なるものの、Ｔａ−Ａｌ−Ｎ系である比較例と同じＢ定数で比較したとき、耐熱試験前後における電気特性変化でみたときの耐熱性は、Ｔｉ−Ａｌ−Ｎ系のほうが優れている。なお、実施例５，８はｃ軸配向が強い材料であり、実施例２１，２４はａ軸配向が強い材料である。両者を比較すると、ｃ軸配向が強い実施例の方がａ軸配向が強い実施例に比べて僅かに耐熱性が向上している。

なお、Ｔａ−Ａｌ−Ｎ系材料では、Ｔａのイオン半径がＴｉやＡｌに比べて非常に大きいため、高濃度Ａｌ領域でウルツ鉱型相を作製することができない。ＴａＡｌＮ系がウルツ鉱型相でないがゆえ、ウルツ鉱型相のＴｉ−Ａｌ−Ｎ系の方が、耐熱性が良好であると考えられる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態及び実施例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、上記実施形態では、櫛部を薄膜サーミスタ部の上にパターン形成しているが、薄膜サーミスタ部の下（絶縁性フィルムの上面）にパターン形成しても構わない。
また、上記実施形態では、金属パッド部を２つ設けているが、より多くの金属パッド部を設けても構わない。なお、リードフレームへの熱伝導を抑制するために、薄膜サーミスタ部よりも離れた位置に金属パッド部を配することが好ましい。

１…温度センサ、２…リードフレーム、２ａ…凹部、３…センサ部、４…保持部、６…絶縁性フィルム、７…薄膜サーミスタ部、８…櫛型電極、８ａ…櫛部、９…パターン電極、９ａ…接着用パッド部、１０…保護膜、１１…保護シート、１２…金属パッド部

Claims (3)

1. 一対のリードフレームと、前記一対のリードフレームに接続されたセンサ部と、前記一対のリードフレームに固定されて前記リードフレームを保持する絶縁性の保持部とを備え、
   前記センサ部が、矩形状の絶縁性フィルムと、前記絶縁性フィルムの上面にサーミスタ材料でパターン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複数の櫛部を有して互いに対向してパターン形成された一対の櫛型電極と、一端が前記一対の櫛型電極に接続されていると共に他端が前記一対のリードフレームに接続され前記絶縁性フィルムの上面にパターン形成された一対のパターン電極とを備え、
   前記一対のリードフレームが、前記絶縁性フィルムの両側部上に配され、それぞれ前記絶縁性フィルムの側部が嵌め込まれる凹部を下面側に有し、
   前記凹部に嵌め込まれた前記絶縁性フィルムの下面と前記リードフレームの下面とが面一になっており、
   前記一対のパターン電極が、前記絶縁性フィルムの両側部に前記リードフレームと接合される一対の接着用パッド部を有し、
   前記絶縁性フィルム上に、前記接着用パッド部とは別に前記リードフレームに接合される一対の金属パッド部が前記絶縁性フィルムの両側部にパターン形成され、
   前記接着用パッド部及び前記金属パッド部が、前記絶縁性フィルムの四隅に設置されていることを特徴とする温度センサ。
2. 請求項１に記載の温度センサにおいて、
   前記一対のリードフレームを覆った状態で前記絶縁性フィルムの表裏面に接着された絶縁性の一対の保護シートを備えていることを特徴とする温度センサ。
3. 請求項１又は２に記載の温度センサにおいて、
   前記薄膜サーミスタ部が、一般式：Ｔｉ_ｘＡｌ_ｙＮ_ｚ（０．７０≦ｙ／（ｘ＋ｙ）≦０．９５、０．４≦ｚ≦０．５、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で示される金属窒化物からなり、その結晶構造が、六方晶系のウルツ鉱型の単相であることを特徴とする温度センサ。