JP6108156B2 - 温度センサ - Google Patents

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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、一対のリード線と、これらのリード線の間に配設され接続された感熱素子と、一対のリード線の端部に形成された保持部と、リード線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線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線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剛性を有した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、一対のリード線と、前記一対のリード線に接続されたセンサ部と、前記一対のリード線に固定されて前記リード線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、該絶縁性フィルムの表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線に接続され前記絶縁性フィルムの表面にパターン形成された一対のパターン電極と、前記絶縁性フィルムの裏面に接着された該絶縁性フィルムよりも高剛性の支持基板とを備えていることを特徴とする。
この温度センサでは、絶縁性フィルムの裏面に接着された該絶縁性フィルムよりも高剛性の支持基板を備えているので、センサ部全体の剛性を向上させることができると共に、センサ部のねじれを抑制することができる。また、リード線を直接パターン電極に接続するため、リードフレーム等を別途接続する必要が無く、部品コストを低減することができる。
第2の発明に係る温度センサは、第1の発明において、前記支持基板が、金属板であることを特徴とする。
すなわち、この温度センサでは、支持基板が、金属板であるので、薄く剛性の高いセンサ部が得られる。なお、金属板であっても絶縁性フィルムに接着されているため、薄膜サーミスタ部やパターン電極との電気的接続がないと共に、絶縁性フィルムの断熱性により金属板への熱伝導が抑制され、応答性が高くなる。
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、前記支持基板に、複数の貫通孔が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、支持基板に、複数の貫通孔が形成されているので、貫通孔によりセンサ部との間の断熱性を高めて応答性を向上させることができる。また、貫通孔の位置、大きさ又は個数などを変えることで、全体の剛性を調整することも可能である。
第4の発明に係る温度センサは、第3の発明において、前記貫通孔が、少なくとも前記薄膜サーミスタ部の周囲の前記保持部側に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、貫通孔が、少なくとも薄膜サーミスタ部の周囲の保持部側に形成されているので、薄膜サーミスタ部の周囲で特に保持部側への伝熱を抑制する断熱効果が得られる。
第5の発明に係る温度センサは、第1から第4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:TiAl(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(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:TiAl(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、絶縁性フィルムの裏面に接着された該絶縁性フィルムよりも高剛性の支持基板を備えているので、支持基板によって絶縁性フィルムが支持されて高い剛性を確保することができると共にセンサ部のねじれを抑制することができる。
さらに、薄膜サーミスタ部を、一般式:TiAl(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、高い剛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第1実施形態を示す平面図及びA−A線断面図である。 第1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。 第1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。 第1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。 第1実施形態において、保護膜形成工程を示す平面図及びD−D線断面図である。 第1実施形態において、支持基板接合工程を示す平面図及びE−E線断面図である。 第1実施形態において、リード線取り付け工程を示す平面図及びF−F線断面図である。 本発明に係る温度センサの第2実施形態を示す平面図及びG−G線断面図である。 第2実施形態において、センサ部を示す平面図及びH−H線断面図である。 第2実施形態において、リード線が取り付けられた状態を示す平面図及びI−I線断面図である。 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第1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、一対のリード線2と、一対のリード線2に接続されたセンサ部3と、一対のリード線2に固定されてリード線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、絶縁性フィルム5と、該絶縁性フィルム5の表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6と、薄膜サーミスタ部6の上に複数の櫛部7a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7と、一端が一対の櫛型電極7に接続されていると共に他端が一対のリード線2に接続され絶縁性フィルム5の表面にパターン形成された一対のパターン電極8と、絶縁性フィルム5の裏面に接着された該絶縁性フィルム5よりも高剛性の支持基板9とを備えている。
上記支持基板9は、金属板であり、本実施形態では、例えば厚さ0.08mmのステンレス基板が採用され、絶縁性フィルム5の裏面に樹脂接着剤で接合されている。
上記一対のリード線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。なお、リード線2は、保持部4内でパターン電極8の接着用パッド部8aに接続されている。また、保持部4は、リード線2の接合部と共に絶縁性フィルム5の他端部と支持基板9の他端部とを共に覆って固定している。また、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、接着用パッド部8aが配された端部を除いて絶縁性フィルム5の表面に形成された保護膜10を備えている。
上記絶縁性フィルム5は、略長方形状とされ、薄膜サーミスタ部6が、絶縁性フィルム5の一端近傍に配され、パターン電極8が、絶縁性フィルム5の他端近傍まで延在している。なお、パターン電極8は、絶縁性フィルム5の他端近傍に接着用パッド部8aが形成されている。
さらに、上述したように、一対のリード線2の先端部が、絶縁性フィルム5の他端近傍でパターン電極8に接続されている。すなわち、リード線2は、先端側が、絶縁性フィルム5上のパターン電極8の接着用パッド部8aにはんだで接着されている。
上記絶縁性フィルム5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5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6は、絶縁性フィルム5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6は、一般式:TiAl(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8及び櫛型電極7は、薄膜サーミスタ部6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。
一対の櫛型電極7は、互いに対向状態に配されて交互に櫛部7aが並んだ櫛型パターンとされている。
なお、櫛部7aは、絶縁性フィルム5の延在方向(リード線2及びパターン電極8の延在方向)に沿って延在している。すなわち、センサ部3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5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6にも同方向に曲げ応力が加わる。このとき、櫛部7aが同方向に延在しているため、薄膜サーミスタ部6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。
上記薄膜サーミスタ部6は、上述したように、金属窒化物材料であって、一般式:TiAl(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P6mc(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6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5上に薄膜サーミスタ部6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7を薄膜サーミスタ部6上に配して絶縁性フィルム5上に一対のパターン電極8をパターン形成する電極形成工程と、絶縁性フィルム5の表面に保護膜10を形成する保護膜形成工程と、支持基板9を絶縁性フィルム5の裏面に接合する支持基板接合工程と、センサ部3にリード線2を取り付けるリード線取り付け工程と、リード線2の接合部を樹脂で覆って保持部4を形成する保持部形成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5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、TiAl(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TiAl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3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6にする。
次に、薄膜サーミスタ部6及び絶縁性フィルム5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4に示すように、レジスト剥離にて所望の櫛型電極7及びパターン電極8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塗布して、250℃、30分でキュアを行い、図5に示すように、20μm厚のポリイミド保護膜10を形成する。
次に、図6に示すように、絶縁性フィルム5の裏面に同サイズのステンレス基板である支持基板9を樹脂接着剤で接合することで、センサ部3が作製される。
次に、一対のリード線2の先端側をパターン電極8の接着用パッド部8a上に配して、図7に示すように、リード線2の先端側と接着用パッド部8aとをはんだ等の導電性樹脂接着剤により接着する。
この状態で、リード線2の接合部を絶縁性フィルム5の他端部及び支持基板9の他端部と共に覆う形で樹脂により保持部4を形成することで、図1に示すように、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5の大判シートに複数の薄膜サーミスタ部6、櫛型電極7、パターン電極8、保護膜10及び支持基板9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、絶縁性フィルム5の裏面に接着された該絶縁性フィルム5よりも高剛性の支持基板9を備えているので、センサ部3全体の剛性を向上させることができると共に、センサ部3のねじれを抑制することができる。また、リード線2を直接パターン電極8に接続するため、リードフレーム等を別途接続する必要が無く、部品コストを低減することができる。
また、絶縁性フィルム5に直接形成された薄膜サーミスタ部6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。
なお、測定対象物に対する接触部分の平坦性が高く、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。
さらに、支持基板9が金属板であるので、薄く剛性の高いセンサ部3が得られる。なお、金属板であっても絶縁性フィルム5に接着されているため、薄膜サーミスタ部6やパターン電極8との電気的接続がないと共に、絶縁性フィルム5の断熱性により金属板への熱伝導が抑制され、応答性が高くなる。
また、薄膜サーミスタ部6が、一般式:TiAl(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6)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5上に上記サーミスタ材料層で薄膜サーミスタ部6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6により、樹脂フィルム等の耐熱性の低い絶縁性フィルム5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、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、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の第2実施形態について、図8から図10を参照して以下に説明する。なお、以下の実施形態の説明において、上記実施形態において説明した同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。
第2実施形態と第1実施形態との異なる点は、第1実施形態では、支持基板9が単なる金属平板であるのに対し、第2実施形態の温度センサ21では、図8から図10に示すように、支持基板9に、複数の貫通孔9aが形成されている点である。特に、貫通孔9aが、少なくとも薄膜サーミスタ部6の周囲の保持部4側に形成されている。第2実施形態では、薄膜サーミスタ部6の周囲を囲むように貫通孔9aが複数形成されて、保持部4側において、より多くの貫通孔9aが形成されている。なお、これら貫通孔9aは、エッチング等により形成される。
このように第2実施形態の温度センサ21では、支持基板9に複数の貫通孔9aが形成されているので、貫通孔9aによりセンサ部3との間の断熱性を高めて応答性を向上させることができる。特に、貫通孔9aが、少なくとも薄膜サーミスタ部6の周囲の保持部4側に形成されているので、薄膜サーミスタ部6の周囲で特に保持部4側への伝熱を抑制する断熱効果が得られる。また、貫通孔9aの位置、大きさ又は個数などを変えることで、全体の剛性を調整することも可能である。
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11から図19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6)の評価を行う実施例及び比較例として、図11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6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6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TiAl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6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6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、TiAl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12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13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13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6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14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15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16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P6mc(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17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6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6における断面SEM写真を、図18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6における断面SEM写真を、図19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各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、上記各実施形態では、保護膜形成後に絶縁性フィルムに支持基板を接着しているが、予め絶縁性フィルムに支持基板を接着しておいても構わない。
1,21…温度センサ、2…リード線、3…センサ部、4…保持部、5…絶縁性フィルム、6…薄膜サーミスタ部、7…櫛型電極、7a…櫛部、8…パターン電極、9…支持基板、9a…貫通孔、10…保護膜

Claims (5)

  1. 一対のリード線と、
    前記一対のリード線に接続されたセンサ部と、
    前記一対のリード線に固定されて前記リード線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、
    該絶縁性フィルムの表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線に接続され前記絶縁性フィルムの表面にパターン形成された一対のパターン電極と、
    前記絶縁性フィルムの裏面に接着された該絶縁性フィルムよりも高剛性の支持基板とを備え
    前記支持基板の端部が、前記パターン電極と前記リード線との接合部の直下まで配され、
    前記保持部が、前記接合部と共に前記絶縁性フィルムの端部と前記支持基板の前記端部とを共に覆って固定し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、
    前記支持基板が、金属板であ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、
    前記支持基板に、複数の貫通孔が形成されていることを特徴とする温度センサ。
  4. 請求項3に記載の温度センサにおいて、
    前記貫通孔が、少なくとも前記薄膜サーミスタ部の周囲の前記保持部側に形成されていることを特徴とする温度センサ。
  5. 請求項1から4のいずれか一項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:TiAl(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。
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