JP6622711B2 - セラミック担体、セラミック担体を有するセンサ素子、加熱素子およびセンサモジュール、ならびにセラミック担体の製造方法 - Google Patents

セラミック担体、セラミック担体を有するセンサ素子、加熱素子およびセンサモジュール、ならびにセラミック担体の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、請求項１の前文の特徴を有するセラミック担体、特にＡｌ２Ｏ３担体に関する。
このタイプの担体は、例えば特開昭５９−０６５２１６号から知られている。当該担体は、プラチナからなる薄膜構造体で被覆され、流量測定のための流量センサとして使用される。
同じ設計原理のセンサが、排気ガスセンサシステムにおける温度測定センサとして使用される。これらは、例えばフィルタの再生のために、排気ガスの温度を検知するため、ディーゼル煤粒子フィルタの上流に設置される。これに関し、プラチナ薄膜センサは、過酷な変動温度負荷にさらされる。このことは、自動車産業において必要とされる耐用年数を意図してセンサを設計する場合、考慮に入れる必要がある。同じことが、自動車産業において、エンジンオイル（そのトライボロジー特性は加熱に大きく依存する）の状態をモニタするためプラチナ薄膜センサを使用する場合にも当てはまる。エンジンオイルの状態を判定するため、熱負荷の合計は、プラチナ温度センサにより確認される重要な測定変数である。この点に関し、センサは、多くの温度変化サイクル、過酷な振動負荷、および測定媒体による腐食にさらされる。
プラチナセンサの電気抵抗は、温度に対して厳密に規定された態様で変化する。従って、測定誤差の回避は、電気抵抗を変化させる他の影響変数をできる限り抑制することにかかっている。厳しい変動温度負荷がある場合、この問題は、異なる材料が対にされると生じる。例えば、プラチナ薄膜構造体を有するセラミック担体の場合がそうである。これらの異なる材料は、異なる熱膨張係数を有する。このことはミスマッチとも呼ばれる。変動温度負荷がある場合、これらの材料の異なる熱的性質のため、プラチナ構造体の塑性変形が起こり、また、微細組織において転位の移動が起こる。その結果、材料の特性が変わる。これは、抵抗値のドリフト、すなわち、望ましくない力学的に引き起こされる抵抗値の変動につながる。プラチナ薄膜構造体における機械的応力が過酷な場合、後者は損傷や一時停止の可能性もある。
これまで、熱膨張係数が近い材料の組み合わせによってこの問題に対処する試みが行われてきた。例えば、酸化ジルコニウムからなるセラミック担体が、プラチナ薄膜構造体と組み合わせて使用される。しかし、それらには以下のような欠点がある。そのように構成した要素は、さらにＡｌ２Ｏ３セラミックハイブリッド担体またはモジュール上に機械的に設置すると、ひび割れが起こり、より高いレベルの膨張の結果、最終的に冷却の際、破壊される。
導入部で引用した先行技術では、別の方法が遂行されている。それは、担体とプラチナ薄膜との間にガラス層を用いて、熱により引き起こされる応力を低減する試みである。そのような構造を有するセンサは、自動車産業における薄膜センサの安定性および耐久性に関して求められる高い要求を満たしていない。
本発明の目的は、プラチナまたはプラチナ合金からなる薄膜構造体が上に配置されたセラミック担体であって、高い変動温度負荷がある場合の抵抗値のドリフトが低減されているという改善がなされたセラミック担体を特定することである。本発明のさらなる目的は、そのような担体を備えるセンサ素子、加熱素子、およびセンサモジュール、ならびにそのようなセラミック担体の製造方法を特定することである。
本発明によれば、セラミック担体に関する目的は、請求項１の主題により達成され、センサ素子、加熱素子、およびセンサモジュールに関する目的は、請求項１６の主題により達成され、方法に関する目的は、請求項１８の主題により達成される。
本発明は、プラチナまたはプラチナ合金からなる薄膜構造体が上に配置されたセラミック担体、特にＡｌ２Ｏ３担体を仕様として含む。担体および／または薄膜構造体は、異なる熱膨張係数による機械的応力を低減するようになっている。これは、本発明により、個別に見れば各々が抵抗値のドリフトを低減する、担体の以下の特徴により達成される。それらの特徴を組み合わせることによりこの効果は強化される。
以下に特定する特徴は、各々、担体と薄膜構造体との間の異なる熱膨張係数に起因する薄膜構造体での機械的応力を低減または緩和するという基本的なコンセプトを実現する。この目的のため、担体と薄膜構造体との間の相対的移動が少なくとも部分的に許容され、かつ／または、薄膜構造体を改良することによって、熱により引き起こされる材料の膨張の差異が補償され、それにより薄膜構造体において引き起こされる機械的応力ができるだけ低くなるようになっている。
具体的に、本発明によれば、このことは、密着を低減するため、薄膜構造体の領域にある担体表面を少なくとも部分的に平滑化することによって達成される（特徴ａ）。
粗さの低減の効力により、薄膜構造体の担体表面に対する密着の程度が低くなり、その結果、担体と薄膜構造体との間の相対的移動が可能となる。こうして達成される機械的な分離により、担体と薄膜構造体との間の熱膨張差に起因する薄膜構造体の塑性変形のリスクが低減される。
加えてまたは代わりに、担体の表面は中間層を有し、その上に薄膜構造体が配置される。中間層の熱膨張係数は、８×１０−６／Ｋ〜１６×１０−６／Ｋ、特に８．５×１０−６／Ｋ〜１４×１０−６／Ｋである（特徴ｂ）。
中間層の熱膨張係数を上記の範囲に設定することで、頻繁な温度変化サイクルの場合でも、プラチナ薄膜構造体の大きな変形につながらない、セラミック担体とプラチナ薄膜構造体との間の最適な結合を達成できることがわかった。こうして、中間層は、担体からプラチナ薄膜構造体への効果的な移行部分となり、それは、緩衝部として作用しかつ機械的応力のいくらかを吸収する。
加えてまたは代わりに、薄膜構造体は、少なくとも一つの導体路を有し、これは少なくとも部分的に波形でありかつ担体の表面に沿って水平方向に延在する（特徴ｃ）。導体路の波形は、担体の表面に平行な平面に延在する。従って、波形は、深さ方向ではなく、水平方向に、すなわち担体の表面内に形成される。波形は、担体の表面に平行な一つの同じ平面に延在し得る。これは、担体の表面にプロファイルがない場合、すなわち表面が連続して平坦な場合である。また、水平方向の波形に担体の深さ方向のさらなる波形を重ねることもできる。例えば、これは、さらに後述する深さ方向のプロファイルとの組み合わせによってもたらされる。波形の主な配向は、水平方向である。
波形の導体路の振幅は、０．２×Ｂ〜２×Ｂ、特に０．４×Ｂ〜１×Ｂである。波形の導体路の波長は、３×Ｂ〜１０×Ｂ、特に４×Ｂ〜７×Ｂであり、ここで、「Ｂ」は、各々の場合、導体路の幅である。
この形状のおかげで、波形の導体路は、担体と薄膜構造体の膨張差により薄膜構造体で生じる機械的応力を緩和する。全体的に見て、直線的なすなわち波形でない導体路とは対照的に、波形の導体路は、変形が少ないという結果をもたらす。導体路での応力集中は、波形の形状によって所望の態様で変化させることができる。
加えてまたは代わりに、酸化物ナノ粒子、特にＡｌ２Ｏ３および／またはＭｇＯからなる酸化物ナノ粒子を含む第１の被覆層が、薄膜構造体に付与される（特徴ｄ）。
第１の被覆層は、不動態化層を形成して、プラチナ薄膜構造体を保護する。酸化物ナノ粒子は、温度変化がある場合、プラチナ薄膜構造体の膨張に合わせて被覆層の体積を変化させる。
特徴ａ、ｂ、ｃおよびｄを以下のように組み合わせることで、抵抗値のドリフトが効果的に低減されることがわかった。請求項１から得られる特徴の他の組み合わせも排除されるわけではない。
それぞれの場合、特徴ｄと特徴ａ、ｂおよびｃの一つとの組み合わせ。
特徴ａ、ｃおよびｄの組み合わせ。
特徴ｂ、ｃおよびｄの組み合わせ。
特徴ａ、ｂ、ｃおよびｄの組み合わせ。
本発明の好ましい実施形態では、薄膜構造体の領域における表面が、少なくとも一つの摺動部および少なくとも一つの密着部を形成する。担体の表面粗さは、摺動部の領域よりも密着部の領域において高い。言い換えれば、摺動部は平滑化されている。密着部は平滑化されていないかまたは摺動部よりも平滑化の程度が低い。
これには利点、すなわち、薄膜構造体の重要でない領域（密着部）では未処理表面の良好な密着が保持され、温度変化の場合に大きな応力が生じる領域（摺動部）では所望の態様で密着が低減されるという利点がある。極端な場合、摺動部の領域において、担体の表面と薄膜構造体との間に相対的移動が生じる。一つまたは複数の密着部の領域において、薄膜構造体は担体の表面に結合されたままとなっている。これにより、薄膜構造体は、所定の部分で担体に固定され、所定の部分で担体から切り離され、担体の表面と薄膜構造体との間で相対的移動が可能になっている。
一方、薄膜構造体の全領域において表面を平滑化することができる。この変形例は、製造が簡単であるという利点がある。この薄膜構造体の固定は十分である。というのも、一般に動作時に生じる不均一な温度分布のため、局所的な熱誘起応力が生じ、薄膜構造体の複数の部分が異なるレベルの負荷にさらされるからである。
好ましい態様において、薄膜構造体の領域における表面は、少なくとも一つの凹部を形成する深さ方向のプロファイルを特に帯状の形状で有し、当該凹部の表面は平滑化されている。当該凹部の表面は、深さ方向のプロファイルのより高い位置にある領域（例えば、担体のプロファイルされていない表面領域）より粗さが低い。
これは、膨張の際、薄膜構造体が凹部から離脱できるという効果がある。この場合、薄膜構造体は一部機械的に担体から切り離される。また、薄膜構造体は、離脱の際に凹部の領域において伸ばされることが可能で、それによりその形状を変化させ、結果として薄膜構造体における機械的応力が低減される。
好ましい実施形態において、薄膜構造体の少なくとも一つの導体路は、帯状の深さ方向のプロファイルに対し、特に３０°〜９０°の範囲の角度で配置される。この実施形態は、一般的な導体路構造に対し、膨張の効果的な補償をもたらす。蛇行する導体路の場合、それらは、繰り返し帯状の深さ方向のプロファイルを横切り、それにより導体路の複数の箇所で、膨張の補償が行われるようになっている。これは、複数の個別の導体路を有する担体にも適用される。
凹部は、二つの傾斜した側面と側面間の底面とを有する台形の断面を有することができる。これら二つの側面は、水平方向に凹部の底面の境界を決定する。少なくとも一つの側面、特に両側面は、底面に対して１０°〜８０°、特に４５°〜６０°の角度で立ち上がる。この角度は、底面にまたがる仮想面と、対象となる側面を規定する他の仮想面との間で測定される。この実施形態は、薄膜構造体が容易に凹部から離脱できるという利点がある。これは、凹部の壁すなわち側面が傾斜しているからである。凹部の側面および底面は平滑化されていることが好ましい。これにより、離脱がさらに容易になる。
凹部の深さは、０．４μｍ〜１．２μｍ、特に０．６μｍ〜１．０μｍが好ましく、かつ／または、凹部の幅は、５μｍ〜２０μｍ、特に１０μｍ〜１５μｍが好ましい。凹部の寸法は、とりわけ、構造体のそれぞれの層の厚さに応じて選択される。
帯状の深さ方向のプロファイルは、複数の平行な凹部を有することができ、凹部の間隔は、５μｍ〜２０μｍ、特に１０μｍ〜１５μｍである。個々の導体路または複数の導体路が、複数の平行な凹部に交差し、それにより一つまたは複数の導体路の長さに沿って膨張の補償が繰り返し行われるようになっている。これにより、導体路全体に沿ってかつ／または導体路の特に重要な部分において、抵抗値のドリフトが低減されるという利点がもたらされる。
好ましい実施形態において、中間層の熱膨張係数は、薄膜構造体の熱膨張係数の最大１．５倍である。中間層の緩衝作用を最適化するためには、中間層の熱膨張係数の上限を制限することが好都合であることがわかった。
中間層の厚さは、０．２μｍ〜３μｍ、特に１μｍ〜２．２μｍとすることができる。これらの厚さが実際には好都合であることがわかった。
中間層は、少なくとも一つの電気絶縁性金属酸化物を含んでもよい。特に、中間層全体が、電気絶縁性金属酸化物からなってもよい。金属酸化物が電気的に絶縁されるので、プラチナ薄膜構造体の機能をそれにより損なうことなく、担体の連続する領域を、中間層としての金属酸化物により被覆することができる。
特に好ましい実施形態において、中間層はＭｇＯおよび／またはＢａＯを含む。中間層全体が、ＭｇＯおよび／またはＢａＯならびに不可避不純物からなってもよい。代替例として、中間層は、少なくとも一つの電気絶縁性金属酸化物とＡｌ２Ｏ３の混合物を含むかまたは全体的にこの混合物からなってもよい。この混合物の金属酸化物は、ＭｇＯおよび／またはＢａＯとすることができる。Ａｌ２Ｏ３との混合物の利点には、Ａｌ２Ｏ３の含有量を設定することにより中間層の熱膨張係数を変えられること、そして、それにより担体と薄膜構造体の各材料の組み合わせに応じて、さらに熱的要件および機械的要件に応じて、中間層の熱膨張係数を最適にできることがある。
さらに好ましい実施形態において、波形の導体路は、表面に沿って水平方向に延在する複数の弧を有し、それらの弧の間の少なくとも導体路部分に、波形の構造が形成される。代わりに、波形の導体路は、櫛状に配列された、電極の複数の指状部を形成してもよい。
例えば温度測定のための一般的なセンサ素子の場合、導体路の配置は、蛇行した構造を有する。導体路の蛇行形状は、上部構造を構成する。導体路の波形が下部構造を形成し、下部構造は、上部構造に統合され、かつ上部構造の弧の間の導体路部分に沿って延在する。下部構造の形成およびその抵抗値ドリフトに対する効果は、実質的に上部構造の形成とは無関係である。この点で、「弧」という用語は広義に理解すべきであり、そして、導体路における方向の曲線的または矩形的変化を包含し得るものである。
波形の導体路は、正弦波および／または鋸歯形状の波および／または台形波の形状で実施してもよい。波の異なる形状は、熱負荷が変動する場合に、導体路における応力集中の分布に影響を及ぼす。その形状は、担体の用途のそれぞれの条件を考慮して選択される。
第１の被覆層は、特にガラスからなる第２の被覆層により密封封止されてもよい。結果として、第１の被覆層またはプラチナ薄膜構造体全体が、測定媒体による腐食から確実に保護される。
担体は、センサ素子もしくは加熱素子またはセンサモジュールに一体化される。可能なセンサ素子は、例えば、温度センサ素子、流量センサ、煤センサ等である。本発明による担体は、加熱素子の構成部品であってもよい。センサモジュールは、多機能構造を有しかつプラチナ薄膜技術に基づく基本的モジュールである。これらは、例えば、用途に特有の態様で構成されるセンサ／ヒータの組み合わせおよび電極からなる。カスタマーにより感知層が電極に付与されてもよい。
センサモジュールの好ましい実施形態では、様々なセンサ構造体を担体の上に配置する。この点に関し、プラチナまたはプラチナ合金からなる薄膜構造体は、少なくとも一つのセンサ構造体を形成し、かつ電極構造体が、少なくとも一つの他のセンサ構造体を形成してもよい。特に、プラチナ薄膜構造体は、温度センサ／ヒータの組み合わせを形成することができる。
請求項１に記載のセラミック担体を製造する方法は、少なくとも薄膜構造体の領域における担体の表面を、エッチング、特にプラズマイオンエッチングにより、除去しかつそれにより平滑化することを含む。加えてまたは代わりに、中間層を、薄膜法、特にＰＶＤ法またはＣＶＤ法によって、担体の表面に付与してもよい。加えてまたは代わりに、波形の導体路を、薄膜法、特にＰＶＤ法もしくはＣＶＤ法またはリソグラフィー法によって担体の表面に付与してもよい。
例示の実施形態に基づきかつ添付の図面を参照して、以下に本発明をさらに詳細に説明する。図面の簡単な説明は以下の通りである。
表面が深さ方向のプロファイルで構成される、本発明の一実施形態による担体の断面図である。 表面が図１と同様に構成されかつさらにプラチナ薄膜構造体で被覆される、本発明の他の実施形態による担体の断面図である。 図１に示す担体の平面図である。 プラチナ薄膜構造体と担体の間に中間層が配置される、本発明の他の実施形態による担体の断面図である。 直線状の導体路と対比した波形の導体路の平面図である。 ａ〜ｄは、異なる形状を有する波形の導体路の平面図である。 プラチナ薄膜構造体が被覆層で保護される、本発明の他の実施形態による担体の断面図である。 本発明の一実施形態による担体上に配置される様々な薄膜構造体を備えるセンサモジュールの分解図である。
図１は、本発明の一実施形態によるセラミック担体の断面図である。具体的に、このセラミック担体は、Ａｌ２Ｏ３担体（酸化アルミニウム担体）である。この担体は、薄膜構造体（図１に図示せず）のための基板またはセラミック支持体として働く。Ａｌ２Ｏ３は、セラミック担体の材料として好都合であることがわかっており、特にＡｌ２Ｏ３が９６重量％以上のセラミック担体が好都合であり、さらにＡｌ２Ｏ３が９９重量％を超えるセラミック担体がより好ましい。この担体は、厚さが１００μｍ〜１０００μｍの範囲、特に１５０μｍ〜６５０μｍの範囲にある、板形状にすることができる。他の板厚も可能である。熱応答の挙動を踏まえて、担体の厚さはできるだけ薄くなるよう選択することが望ましい。自動車分野での用途においては特に、過酷な振動負荷が頻繁に起こるので、担体の機械的安定性により板厚の下限が決まってくる。セラミック担体は、矩形の板状にすることができる。担体は他の形状も可能である。
担体の一般的な形状および材料の組成に関する上記の説明は、概して本発明に当てはまり、かつすべての実施形態に関して開示されるものである。
図１に示す担体は、使用される材料の熱膨張係数の違いに起因する機械的応力を低減するようになっている。この目的のため、薄膜構造体の領域における担体の表面は平滑化される。この目的のために二つの可能な方法がある。一つは薄膜構造体の全領域において担体を平滑化することである。これは製造の観点からは実現が容易である。もう一つは、薄膜構造体の領域において担体を部分的に平滑化することである。
平滑化された表面１１は、薄膜構造体の密着が低減されるという効果があり、従って、線形膨張の差を補償するために、密着が低減された薄膜構造体は、担体の表面１１上を摺動することができる。表面１１が重要な領域だけ部分的に平滑化される場合、未処理の表面領域は、薄膜構造体に対する密着を確実なものにする。その一例を図１に示す。そこにおいて、表面１１は、少なくとも一つの凹部１７を形成する帯状の深さ方向のプロファイルを有し、凹部１７の表面１１は平滑化されている。凹部１７に直接隣接する両側の表面１１の領域は、処理されていない。その結果、担体の表面１１は、凹部１７の領域に摺動部１５を形成し、いずれの場合も、当該摺動部は、水平方向の境界が密着部１６により決定されている。密着部１６は、凹部１７に隣接する表面領域により形成される。
摺動部１５または凹部１７の領域において、図２に示すプラチナ薄膜構造体と担体との間の密着が低減されている。プラチナ薄膜構造体１０が線形膨張した場合、このことは、凹部１７の領域において薄膜構造体の離脱をもたらし得る。凹部１７に隣接する担体のこれらの表面領域は処理されていないので、凹部１７の領域よりもこれらの領域において粗さは高い。このように形成された密着部１６は、摺動部１５同士または凹部１７同士の間において、プラチナ薄膜構造体１０を固定する。プラチナ薄膜構造体が線形膨張した場合、薄膜構造体は、凹部１７の領域を離脱し、引き延ばされ得る。プラチナ薄膜構造体１０のこのような形状変化は、担体からの離脱と相まって、担体とプラチナ薄膜構造体１０との熱膨張係数差に起因するプラチナ薄膜構造体１０の変形を顕著に防止するという効果を有する。
表面１１からのプラチナ薄膜構造体１０の離脱は、凹部１７の断面が台形であるということにより容易になる。断面は、二つの側面１８によって画定されている。二つの側面１８は、傾斜して配置され、かつ凹部１７の底面１９の水平方向の境界を決定している。側面１８は、１０°〜８０°の角度、特に４５°〜６０°の角度で立ち上がる。この角度は、底面１９を通る第１の仮想平面と、対象となる側面を通る第２の仮想平面とにより決定される。凹部１７の深さは、０．４μｍ〜１．２μｍの範囲、特に０．６μｍ〜１．０μｍの範囲にすることができる。その幅は、５μｍ〜２０μｍ、特に１０μｍ〜１５μｍとすることができる。
さらに図１でわかるように、帯状の深さ方向のプロファイルは、担体の表面１１に沿って伸びる複数の平行な凹部１７を有する。凹部１７の間隔は、５μｍ〜２０μｍ、特に１０μｍ〜１５μｍとすることができる。凹部１７は、平行に等間隔で配置される。
深さ方向のプロファイルの形成から得られる部分的に平滑化された表面の代わりに、プロファイルなしに表面を平滑化することができる。これは、深さ方向のプロファイルなしに、表面を均一に平滑化することを意味する。
平滑化は、表面の除去によって行うことができる。この除去は、イオンエッチング、特にプラズマイオンエッチングにより実行することができ、除去深さは、０．２μｍ〜２μｍとすることができる。部分的除去または部分的平滑化を、イオンエッチングの前に付与されエッチング操作時に被覆領域を保護するレジストマスクによって、達成することができる。
図２および図３は、プラチナ薄膜構造体１０が担体の深さ方向のプロファイルに適合する様子を示す。この点に関し、図２は、深さ方向のプロファイルの形状がプラチナ薄膜構造体１０の形状に反映されることを具体的に示す。この方法によって、深さ方向のプロファイルが台形に形成されることになる。これは、いくつかの工程（連続的プロファイリング）を回避する。プラチナ薄膜構造体１０は、ほぼ一定の層厚で、基板全体にわたって深さ方向のプロファイルに追随する。
図３の平面図に示すように、導体路１３は、横方向に、すなわち９０°の角度で、凹部１７に交差している。例えば、導体路１３の蛇行した形状に応じて、他の交差角度も可能である。導体路１３は、３０°〜９０°の範囲の角度で凹部１７に交差することができる。
図２は、プラチナ薄膜構造体の上の層構造をさらに示す。第１の被覆層１４ａが、プラチナ薄膜構造体１３に直接付与され、プラチナ薄膜構造体の不動態化のために機能する。第２の被覆層１４ｂは、第１の被覆層１４ａに付与され、第１の被覆層１４ａを密封封止する。
図４は、本発明の他の実施形態を示し、そこにおいて、中間層１２が、担体とプラチナ薄膜構造体１０との間に配置される。中間層１２は、界面層とも呼ばれ、電気絶縁性金属酸化物から形成される。これは、緩衝部の機能を有し、ミスマッチにより生じる応力を吸収し、かつ少なくとも部分的に担体内部に応力を伝える。中間層１２は、セラミック担体、特にＡｌ２Ｏ３よりも熱膨張係数が大きく、また、それは、プラチナの熱膨張係数より最大で５０％高くてもよい。薄膜技術により付与され、層厚が０．２μｍ〜３μｍの酸化マグネシウム層（ＭｇＯ）が、実際に好都合であることがわかった。酸化マグネシウムの熱膨張係数は１３×１０−６／Ｋである。この熱膨張係数は、６．５×１０−６／ＫであるＡｌ２Ｏ３の熱膨張係数および９．１×１０−６／Ｋであるプラチナの熱膨張係数より大きい。酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の代わりに、酸化バリウム（ＢａＯ）を中間層１２に用いることもできる。中間層１２の熱膨張係数を設定するために、電気絶縁性金属酸化物、例えば酸化マグネシウムと、Ａｌ２Ｏ３との混合物を使用することができる。中間層１２の熱膨張係数は、Ａｌ２Ｏ３の含有量に応じて変化する。
一つまたは複数の導体路の形状を変えた別の実施形態を、図５および図６ａ〜図６ｄに示す。本実施形態の基礎となるコンセプトは、図５の上部に示すような線形ではなく、むしろ非線形で、特に図５の下部に示すような波形で、導体路１３を形成することを含む。水平方向に、すなわち担体の表面１１に沿って延在する波形は、プラチナ薄膜構造体の線形膨張差が、Ｘ成分とＹ成分に分離されるという効果を有する。この分離は、過酷な変動熱負荷がある場合に、プラチナ薄膜構造体の安定性に対してプラスの効果があることがわかった。
波形の導体路１３の振幅は、０．２×Ｂ〜２×Ｂ、特に０．４×Ｂ〜１×Ｂである。その波長は、３×Ｂ〜１０×Ｂ、特に４×Ｂ〜７×Ｂである。ここで、「Ｂ」は導体路１３の幅を表す。「振幅」および「波長」という用語は、振動について慣用される変数と同様の意味を有するものと理解されたい。振幅は、波形のゼロラインに対するピーク値に相当する。波長は、同様に波のゼロラインに対する振動期間に相当する。ゼロラインは、波の長さ方向における対称軸である。
図８に示すように、導体路１３は、導体路１３の波形とは別に、上位の蛇行形状を有することができる。導体路１３の蛇行形状は、上部構造を構成し、これに導体路１３の波形が重ねられる。この点に関し、導体路１３の波形は、下部構造を構成するものであり、これは、蛇行形状（上部構造）の弧の間の導体路部分に少なくとも設けられる。また、蛇行形状の弧自体を下部構造に設けることもできる。「弧」という用語も、図８に示すように、導体路における直角の方向変化も意味するものとして理解されたい。また、波形の導体路１３は、櫛状に配列された、電極の指状部を形成することができる（図８に示す）。この場合、直線状の指状部の形状は、上部構造を構成し、これに下部構造としての波形が重ねられる。
図６ａ〜図６ｄには、波形の様々な形状が示されており、これらは、図５と同様に、直線的で波のない導体路と対比して示されている。例えば、図６ａは、導体路１３が正弦波形を有し得ることを示す。複数の導体路１３が、同相で相互に並べて配列される。図６ｂは、波形の導体路１３において、波が台形形状であるものを示す。波について別の例を図６ｃに示す。この例において、波は、鋸歯の形状を有する。ここで、矩形の蛇行形状を下部構造と呼ぶことも可能である。導体路１３の方向変化は、９０°の角度で行われている。図６ａに示す正弦波と図６ｃに示す鋸歯形状の波を混合したものを図６ｄに示す。この場合、鋸歯形状の波の側部は、正弦波形状に近づけられ、丸くなっている。
図７は、さらなる実施形態を示し、そこでは、酸化物ナノ粒子を加えることにより第１の層が改良されている。これは、第１の被覆層１４ａの体積が温度変化によって変化するという効果を有しており、これにより抵抗値のドリフトが低減される。第１の被覆層１４ａは、ガラスからなる第２の被覆層により密封封止される。
上記の例示的な実施形態は、各々個別にプラチナ薄膜構造体１０の寸法安定性を向上させ、それにより抵抗値のドリフトを打ち消す。従って、これらの例示的な実施形態は、それぞれ独立して開示されるものである。また、これらの例示的な実施形態は、図２に示す実施形態を参照して例示するように、互いに組み合わせることもできる。様々な例示的実施形態を組み合わせることは、相乗効果につながり、それは抵抗値ドリフトのさらなる低減として示される。
具体的に、酸化物ナノ粒子からなる第１の被覆層１４ａは、すべての例示的実施形態と組み合わせることができる。というのも、抵抗値のドリフトを改善しながら、プラチナ薄膜構造体１０が一般的に必要とする不動態化を実行できるからである。図２に示すように、第１の被覆層１４ａは、深さ方向のプロファイルおよび部分的に平滑化された表面１１と組み合わされる。図４に示すように、第１の被覆層１４ａは、中間層１２と組み合わせることもできる。また、中間層１２は、波形の導体路１３とともに使用することができる。さらに、図２に示す深さ方向のプロファイルは、図４に示す中間層と組み合わせることができ、また、図５に示す波形の導体路１３と組み合わせることができ、あるいは図６ａ〜図６ｄに示す波形の一つと組み合わせることもできる。すべての例示的実施形態の組み合わせが可能である。
担体は、様々なセンサを構築するために使用することができる。例えば、プラチナ薄膜構造体を有する温度センサに担体を使用することが好都合である。流量測定センサの使用も同様に可能であり、その場合、加熱素子と温度測定素子とを流体測定の原理に従って組み合わせることができる。本発明のさらなる用途の例を、センサモジュールに関連して図８に示す。このセンサモジュールは、マルチセンサプラットフォームを構成し、担体基板２３を有する。担体基板２３は、上記の例示的実施形態の一つに従い改良することができる。例えば、帯状の深さ方向のプロファイル（図示せず）を、担体基板内に形成することができる。中間層１２が、担体基板２３上に配置され、中間層１２上に配置されるプラチナ薄膜構造体１０のための緩衝部として機能する。プラチナ薄膜構造体１０は、各々接点接続を有するヒータおよび／またはセンサとすることができる。絶縁層２０をプラチナ構造体１０に付与し、導電率測定のためのインターデジタル（交差指形）電極（ＩＤＥ）構造体２１を当該絶縁層の上に配置する。インターデジタル電極構造体２１には、活性機能層２２が設けられる。これは、例えばカスタマーによって付与される。
１０ 薄膜構造体
１１ 表面
１２ 中間層
１３ 導体路
１４ａ 第１の被覆層
１４ｂ 第２の被覆層
１５ 摺動部
１６ 密着部
１７ 凹部
１８ 側面
１９ 底面
２０ 絶縁層
２１ 電極構造体
２２ 機能層
２３ 担体基板

Claims (14)

  1. プラチナまたはプラチナ合金からなる薄膜構造体（１０）が上に配置されていると共に、少なくとも９６重量％のＡｌ２Ｏ３を含むセラミック担体であって、
    当該担体および／または当該薄膜構造体（１０）は、異なる熱膨張係数に起因する機械的応力を低減するようになっており、
    当該担体の表面（１１）が中間層（１２）を有し、その上に当該薄膜構造体（１０）が配置され、当該中間層（１２）の熱膨張係数が、８×１０−６／Ｋ〜１６×１０−６／Ｋであって、プラチナまたはプラチナ合金からなる前記薄膜構造体（１０）の熱膨張係数より最大で１．５倍大きく、当該中間層（１２）の全体が、当該中間層（１２）の熱膨張係数の設定のために、酸化マグネシウムとＡｌ ２ Ｏ ３ との混合物による電気絶縁性金属酸化物により構成されていて、
    かつ、
    Ａｌ２Ｏ３およびＭｇＯのうちの少なくとも一方のナノ粒子を含む第１の被覆層（１４ａ）が、当該薄膜構造体（１０）に直接付与されていて、
    当該第１の被覆層（１４ａ）は、当該第１の被覆層（１４ａ）の表面及び側面領域を含む全体において、第２の被覆層（１４ｂ）により覆われて密封封止されていることを特徴とする、担体。
  2. 当該薄膜構造体（１０）の領域における当該表面（１１）は、少なくとも一つの摺動部（１５）および少なくとも一つの密着部（１６）を形成し、
    当該担体の当該表面（１１）の粗さは、当該摺動部（１５）の領域よりも当該密着部（１６）の領域において高くなっていて、当該担体の当該表面（１１）と当該薄膜構造体（１０）との間の相対的移動が当該摺動部（１５）の領域において生じ、当該密着部（１６）の領域で当該薄膜構造体（１０）は当該担体の当該表面（１１）と結合されていることを特徴とする、請求項１に記載の担体。
  3. 当該薄膜構造体（１０）の全領域における当該表面（１１）は、平滑化されていることを特徴とする、請求項１に記載の担体。
  4. 当該薄膜構造体（１０）の領域における当該表面（１１）は、少なくとも一つの凹部を形成する深さ方向のプロファイルを有しており、当該凹部（１７）の当該表面（１１）は平滑化されてい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担体。
  5. 当該薄膜構造体（１０）は、少なくとも一つの導体路（１３）を有し、
    当該導体路（１３）が、当該深さ方向のプロファイルに対して交差して配置されていることを特徴とする、請求項４に記載の担体。
  6. 当該凹部（１７）が、二つの傾斜した側面（１８）と、当該側面（１８）間の底面（１９）とを有する台形断面を有し、少なくとも一つの側面（１８）が、当該底面（１９）に対して１０°〜８０°の角度で立ち上がっていることを特徴とする、請求項４および５のいずれか一項に記載の担体。
  7. 当該凹部（１７）は、０．４μｍ〜１．２μｍの深さを有することを特徴とする、請求項４〜６のいずれか一項に記載の担体。
  8. 当該深さ方向のプロファイルは、複数の平行な凹部（１７）を有し、当該凹部（１７）の間隔は、いずれも５μｍ〜２０μｍであることを特徴とする、請求項４〜７のいずれか一項に記載の担体。
  9. 当該中間層（１２）の厚さが０．２μｍ〜３μｍであることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の担体。
  10. 当該中間層（１２）は、ＭｇＯおよび／またはＢａＯを含むことを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の担体。
  11. 当該薄膜構造体（１０）は、少なくとも一つの波形である導体路（１３）を有し、
    当該波形の導体路（１３）は、正弦波および／または鋸歯形状の波および／または台形波の形状となっていることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の担体。
  12. 請求項１〜１１のいずれか一項に記載の担体を備えるセンサ素子、加熱素子またはセンサモジュール。
  13. 当該担体上に種々のセンサ構造物が配置されており、プラチナまたはプラチナ合金からなる当該薄膜構造体（１０）が、少なくとも一つのセンサ構造物を形成しており、かつ電極構造物が少なくとも一つの他のセンサ構造物を形成していることを特徴とする、請求項１２に記載のセンサモジュール。
  14. 請求項１に記載のセラミック担体を製造する方法であって、
    中間層（１２）を、薄膜法によって当該担体の表面（１１）に付与する、方法。
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