JP6801155B2 - 膜レジスタ及び薄膜センサ - Google Patents
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Description
本発明は、膜抵抗体と、膜抵抗体を備えた薄膜センサとに関する。
膜抵抗体は、ピエゾ抵抗層を含み、そこに２つの電極が配置されてもよい。薄膜センサには、膜抵抗体が膜に加えられ、膜抵抗体は、キャリア本体に固定され、キャリアに対して振動またはキャリア本体に対して曲げられてもよい。
薄膜センサの為に高い測定精度を達成するため、測定中、膜抵抗体および膜またはキャリアの間に機械的応力が生じないようにすることが重要である。機械的応力は、たとえば、異なる熱膨張係数の結果で生じる場合がある。
さらに、たとえば、圧力を測定するときに高い測定精度を可能にするには、膜抵抗体の感度を高くする必要がある。ピエゾ抵抗センサにおいて、感度はｋファクタによって表わすことができるが、ｋファクタは、「ゲージ率」としても知られている。これは、ピエゾ抵抗層の相対的な抵抗の変化（ΔＲ／Ｒ）と相対的な長さの変化（ΔＬ／Ｌ）との比を記述する。ｋファクタは、以下のように定義される。
ｋ＝（ΔＲ／Ｒ）／（ΔＬ／Ｌ）
ここで、Ｒはピエゾ抵抗層の抵抗、Ｌはピエゾ抵抗層の長さ、ΔＲはΔＬの長さの変化の場合の抵抗の変化を示す。
圧力センサにおいて、膜抵抗体は、慣例的に周期的曲げ応力（cyclic bending stress）にさらされる。したがって、膜抵抗体は、良好な機械的安定性を有することが必要である。このため、膜抵抗体は、好ましくは、低い弾性率を有するべきである。
本発明は、改良された膜抵抗体を提供することを目的とする。膜抵抗体は、好ましくは、前述した要求を満たすべきである。さらに、膜抵抗体は、好ましくは、高圧範囲（たとえば、最大１０００バールの圧力）および高温範囲（たとえば、最大３００℃の温度）での使用に適するべきである。
この目的は、本願請求項１に係る膜抵抗体によって達成される。
提案されている膜抵抗体は、Ｍ１＋ｎＡＸｎ相を含むピエゾ抵抗層を有するが、ここで、Ｍは少なくとも一つ遷移金属を含み、Ａは主族元素を含み、Ｘは炭素および／または窒素を含み、ｎは１，２または３である。
Ｍ１＋ｎＡＸｎ相は、六角形層構造で結晶化している。それらは、Ａ原子の層と交互にＭ６Ｘ八面体を含む。ｎ＝１のときに２１１の相、ｎ＝２のときに３１２の相、ｎ＝３のときに４１３の相が存在するが、Ａ層は、２，３または４の八面体で分離される。
Ｍ１＋ｎＡＸｎ相は、異なる特徴を有し、そのため、それらの相は、膜抵抗体のピエゾ抵抗層での使用に特に良好に適している。Ｍ１＋ｎＡＸｎ相は、金属導電性であり、高温安定性を有する。したがって、それらは、高温での膜抵抗体の使用を可能にする。
それらの熱膨張係数は、Ｍ１＋ｎＡＸｎ相の材料の適切な選択によって、膜およびキャリア本体の熱膨張係数に適合させることができ、一致した熱膨張係数のため、温度が大きく変化した場合でも、機械的応力が生じない。したがって、薄膜センサの温度交差感度を、大幅に低下させることができる。このように、多数の曲げ回数の後であっても膜抵抗体が損傷しないことから、薄膜センサの耐用年数は大幅に改善される。
ピエゾ抵抗層は、Ｍ１＋ｎＡＸｎ相から成る、あるいは、ＭＡＸ相に加えて更なる成分を含んでもよい。ピエゾ抵抗層は、たとえば、Ｍ１＋ｎＡＸｎ相と、酸素、窒素、または炭素との混合物を含んでもよい。
Ｍ１＋ｎＡＸｎ相は、純粋なＭ１＋ｎＡＸｎ相、あるいは、混晶でもよい。純粋なＭ１＋ｎＡＸｎ相の場合、Ｍは、単一の遷移金属から成り、Ｘは、炭素または窒素から成る。混晶（Ｍ１，Ｍ２）１＋ｎＡＸｎの場合、Ｍは、２つの遷移金属Ｍ１，Ｍ２から形成されてもよい。代替または追加で、成分Ｘは、炭素および窒素の両方を含んでもよく、Ｍ１＋ｎＡ（ＣｙＮ１−ｙ）ｎ（０＜ｙ＜１）の組成を有する混晶が生じる。また、混晶（Ｍ１，Ｍ２）１＋ｎＡ（ＣｙＮ１−ｙ）ｎも可能であり、ここで、Ｍは、２つの遷移金属Ｍ１，Ｍ２から形成され、成分Ｘは、炭素および窒素の両方を含む。
混晶（Ｍ１，Ｍ２）１＋ｎＡＸｎ、Ｍ１＋ｎＡ（ＣｙＮ１−ｙ）ｎまたは（Ｍ１，Ｍ２）１＋ｎＡ（ＣｙＮ１−ｙ）ｎを使用することにより、ピエゾ抵抗層の物理的性質を広範囲で調整することができる。混晶を使用することにより、たとえば、純粋なＭ１＋ｎＡＸｎ相から成るピエゾ抵抗層に対して可能であったものよりも、ピエゾ抵抗層の硬度を高め、導電率を下げることができる。薄膜センサにおいて、その使用にとって本質的なピエゾ抵抗層の特徴（たとえば、熱膨張係数、導電性、ピエゾ効果、相の硬さ）は、必要に応じて調整されてもよい。
Ｍは、Ｓｃ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｈｆ，Ｔａのうち少なくとも一つを含んでもよい。Ａは、Ａｌ，Ｓｉ，Ｐ，Ｓ，Ｇａ，Ｇｅ，Ａｓ，Ｃｄ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｔｌ，Ｐｂ，Ｂｉのうちの一つでもよい。
ピエゾ抵抗層は、Ｍ１＋ｎＡＸｎ相から成り得る。したがって、ピエゾ抵抗層は、Ｍ１＋ｎＡＸｎ相に加えて、更なる成分を持たなくてもよい。
代替的に、ピエゾ抵抗層は、Ｍ１＋ｎＡＸｎ相に加えて、酸化物、窒化物、炭化物を含んでもよい。この場合、Ｍ１＋ｎＡＸｎ相は、酸化物、窒化物または炭化物と結合してソリッドステート混合物を形成してもよい。酸化物、窒化物または炭化物のうちの一つを備えたＭ１＋ｎＡＸｎ相からのソリッドステート混合物は、純粋なＭ１＋ｎＡＸｎ相に対するピエゾ抵抗層の導電性を減少させ、ピエゾ抵抗効果を高める点で有利である。さらに、熱膨張係数は、層の組成によって、必要に応じて影響を受けてもよい。
酸化物、窒化物または炭化物と共にソリッドステート混合物を形成するＭ１＋ｎＡＸｎ相は、純粋なＭ１＋ｎＡＸｎ相、または混晶（Ｍ１，Ｍ２）１＋ｎＡＸｎ、Ｍ１＋ｎＡ（ＣｙＮ１−ｙ）ｎまたは（Ｍ１，Ｍ２）１＋ｎＡ（ＣｙＮ１−ｙ）ｎでもよい。
ピエゾ抵抗相は、Ｍ１＋ｎＡＸｎ相と酸化物から成り、酸化物は、ピエゾ抵抗層の表面酸化物として少なくとも部分的に存在してもよい。酸化物は、Ｍ１＋ｎＡＸｎ相の粒子上に安定した表面酸化物を形成してもよい。安定した表面酸化物の形成により、層の抵抗値が高められ、ピエゾ抵抗効果が最適化され、たとえば、酸化粒界障壁でトンネル効果が生じる。
ピエゾ抵抗層は、８ｐｐｍ／Ｋ〜１４ｐｐｍ／Ｋの熱膨張係数を有してもよい。熱膨張係数は、好ましくは、９ｐｐｍ／Ｋ〜１２ｐｐｍ／Ｋである。これらの熱膨張係数は、膜抵抗体が配置されるキャリア本体および膜に慣例的に使用される材料の熱膨張係数に対応する。膜抵抗体の熱膨張係数を膜およびキャリア本体の熱膨張係数に適用することによって、温度変化のときでさえ機械的応力の発生を防止することができる。
ピエゾ抵抗層は、２０℃の温度で１μΩ／ｍより大きな比抵抗を有してもよい。したがって、ピエゾ抵抗層は、室温で低ノイズと組み合わされて高感度を有してもよい。
ピエゾ抵抗層は、２より大きなｋファクタを有してもよい。ｋファクタは、ピエゾ抵抗層の相対的な抵抗の変化（ΔＲ／Ｒ）と相対的な長さの変化（ΔＬ／Ｌ）の比を表す。２より大きなｋファクタは、高いピエゾ抵抗層感度と同義である。
更なる態様において、本発明は、前述した膜抵抗体を備える薄膜センサに関する。
薄膜センサは、膜抵抗体が上部に配置される膜と、膜が固定されるキャリア本体であって、キャリア本体に対して膜を移動できるキャリア本体とを含んでもよい。膜は、本体に対して振動し、さらに／または、キャリア本体に対して曲げられるように特に構成されてもよい。
薄膜センサは、複数の前述した膜抵抗体であって、フルブリッジまたはハーフブリッジ形式のブリッジ回路を形成するように互いに接続された膜抵抗体を含んでもよい。膜抵抗体は、ブリッジまたはハーフブリッジとして少なくとも部分的に構成されてもよい。
温度を測定するため、膜抵抗体の一つがキャリア本体または膜の区域に配置されてもよいが、この区域は、キャリア本体または膜の他の区域より変形が少ない。温度測定の為に膜抵抗体が配置される区域は、好ましくは、僅かな曲げのみを受けることが好ましい。
膜およびキャリア本体は、ステンレス鋼またはイットリウム安定化ジルコニウムを含んでもよい。ピエゾ抵抗層は、その熱膨張係数が、これらの材料の熱膨張係数と同一、あるいは、これらの材料の熱膨張係数から僅かに逸脱するにすぎないように構成されてもよい。ピエゾ抵抗層はＭ１＋ｎＡＸｎ層を含むことから、その熱膨張係数が膜およびキャリア本体の材料に適合されるように、ピエゾ抵抗層を構成することが可能である。
あるいは、膜およびキャリア本体は、Ｍ１＋ｎＡＸｎ相から成り得るが、Ｍは少なくとも一つの遷移金属を含み、Ａは主族元素を含み、Ｘは炭素および／または窒素を含み、ｎは１，２または３である。この場合、ピエゾ抵抗相も含むものと同一のＭ１＋ｎＡＸｎ相であってもよい。あるいは、ピエゾ抵抗層のＭ１＋ｎＡＸｎ相とは異なるＭ１＋ｎＡＸｎ相でもよい。さらに、薄膜センサは、キャリア本体および膜からピエゾ抵抗層を絶縁する絶縁体を含んでもよい。ピエゾ抵抗層と膜およびキャリア本体とが、同一の材料を含む場合、異なる熱膨張係数のために起こる機械的応力の可能性は排除される。これにより、薄膜センサの長い耐用年数を確保することができる。絶縁体は、ピエゾ抵抗層から膜に電流が流れることを防止してもよい。膜およびキャリア本体またはピエゾ抵抗層によって構成されたＭ１＋ｎＡＸｎ相が互いに異なるとしても、それらの熱膨張係数は互いに非常に類似している。
以下、添付図面に基づき、本発明を説明する。
図１は、ピエゾ抵抗層３を備えた膜抵抗体２を備える薄膜センサ１を示す。膜抵抗体２は、２つの電極４を更に備える。電極４は、ピエゾ抵抗層３の両端部に配置されている。
薄膜センサ１は、膜５およびキャリア本体６を備える。膜５は、膜５がキャリア本体６に対して移動できるようにキャリア本体６に固定される。特に、膜５は、本体６に対して振動可能である。この場合、膜５の中央領域は曲げられてもよい。膜抵抗体２は、膜５上に配置されている。ピエゾ抵抗層３は、このため、膜５上に直接堆積されてもよい。特に、膜抵抗体２は、キャリア本体６に対して移動可能な膜５の区域に配置されている。
次に、膜５が、上部に作用する圧力の結果で変形する場合、これは、ピエゾ抵抗層３の変形をもたらす。この場合、圧電効果により、電極４によって検出可能な電気信号が生じる。
薄膜センサ１は、好ましくは、４つの膜抵抗体２を含み、これらは、電気抵抗ブリッジをもたらすように相互接続されている。抵抗ブリッジは、好ましくは、ホィートストンブリッジである。これらの膜抵抗体２によって検出される電気信号に基づき、薄膜センサ１に作用した圧力が計算されてもよい。
本書で説明される薄膜センサ１は、圧力を測定する為に適しているばかりか、力の測定、膜５の伸長を測定するのにも適している。
ピエゾ抵抗層３は、Ｍ１＋ｎＡＸｎ相を含んでもよい。この場合、ピエゾ抵抗層３は、純粋なＭ１＋ｎＡＸｎ相または混合相（Ｍ１、Ｍ２）１＋ｎＡＸｎ、Ｍ１＋ｎＡ（ＣｙＮ１−ｙ）ｎまたは（Ｍ１，Ｍ２）１＋ｎＡ（ＣｙＮ１−ｙ）ｎを含んでもよい。ピエゾ抵抗層３は、Ｍ１＋ｎＡＸｎ相から成るか、酸化物、窒化物、炭化物を備えたＭ１＋ｎＡＸｎ相の混合物を含んでもよい。
膜５およびキャリア本体６は、ステンレス鋼またはイットリウム安定化ジルコニウムを含んでもよい。ピエゾ抵抗層３は、膜５の熱膨張係数およびキャリ本体６の熱膨張係数と僅かに異なるだけの熱膨張係数を有する。あるいは、膜５およびキャリア本体６は、セラミック材料または金属を含み、あるいは、セラミック材料または金属から成り得る。
図１に示されたピエゾ抵抗層３は直方体である。あるいは、ピエゾ抵抗層３は、蛇行形状でもよい。蛇行形状は、同じ体積を占有しながら、２つの電極の間の長さが長い直方体よりも有利である。
図２は、薄膜センサ１の例示的な第２実施形態を示す。ここで、膜５およびキャリア本体６は、ピエゾ抵抗層３と同一の材料から成る。膜５およびピエゾ抵抗層３の間の電気的短絡を防止するため、ピエゾ抵抗層３と膜との間に絶縁体７が更に配置されている。絶縁体７は、非導電性材料から成る層である。
図３は、例示的第３実施形態を示し、膜５は片側だけでキャリア本体６に固定されている。したがって、膜５は、キャリア本体６に対して曲げられてもよい。
1…薄膜センサ、2…膜抵抗体、3…ピエゾ抵抗層、4…電極、5…膜、6…キャリア本体、7…絶縁体。
Claims (15)
- ピエゾ抵抗層（３）を備えた膜抵抗体（２）において、
前記ピエゾ抵抗層（３）は、Ｍ１＋ｎＡＸｎ相を含み、Ｍは少なくとも一つの遷移金属を含み、Ａは主族元素を含み、Ｘは炭素および／または窒素を含み、ｎは、１，２または３である、膜抵抗体（２）。 - Ｍは、単一の遷移金属から成り、あるいは、Ｍは、２つの遷移金属Ｍ１，Ｍ２を含む、請求項１に記載の膜抵抗体（２）。
- Ｍは、Ｓｃ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｈｆ，Ｔａのうち少なくとも一つを含み、Ａは、Ａｌ，Ｓｉ，Ｐ，Ｓ，Ｇａ，Ｇｅ，Ａｓ，Ｃｄ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｔｌ，Ｐｂ，Ｂｉのうちの少なくとも一つである、請求項１〜２のいずれか一項に記載の膜抵抗体（２）。
- 前記ピエゾ抵抗層（３）は、Ｍ１＋ｎＡＸｎ相から成る、請求項１に記載の膜抵抗体（２）。
- 前記ピエゾ抵抗層（３）は、酸化物、窒化物または炭化物を含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の膜抵抗体（２）。
- 前記酸化物は、前記ピエゾ抵抗層（３）の表面酸化物として少なくとも部分的に存在する、請求項５に記載の膜抵抗体（２）。
- 前記ピエゾ抵抗層（３）は、８ｐｐｍ／Ｋ〜１４ｐｐｍ／Ｋの熱膨張係数を有する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の膜抵抗体（２）。
- 前記ピエゾ抵抗層（３）は、２０℃の温度で１μΩ／ｍより大きな比抵抗を有する、請求項１〜７のいずれか一項に記載の膜抵抗体（２）。
- 前記ピエゾ抵抗層（３）は、前記ピエゾ抵抗層（３）の相対的な長さの変化（ΔＬ／Ｌ）に対する相対的な抵抗の変化（ΔＲ／Ｒ）の比が２より大きいことを示すｋファクタを有する、請求項１〜８のいずれか一項に記載の膜抵抗体（２）。
- 請求項１〜９のいずれか一項に記載の膜抵抗体（２）を備えた薄膜センサ（１）。
- 上部に前記膜抵抗体（２）が配置される膜（５）と、前記膜（５）が固定されるキャリア本体（６）であって、前記膜（５）が前記キャリア本体（６）に対して移動できる、前記キャリア本体（６）と、を備える、請求項１０に記載の薄膜センサ（１）。
- 前記薄膜センサ（１）が、請求項１〜９のいずれか一項に記載の複数の膜抵抗体（２）を備え、前記複数の膜抵抗体（２）が接続されて、フルブリッジまたはハーフブリッジ形式のブリッジ回路を形成する、請求項１０または１１に記載の薄膜センサ（１）。
- 温度を測定する為の前記膜抵抗体（２）の一つが、前記キャリア本体（６）または前記膜（５）の区域に配置され、前記キャリア本体（６）または前記膜（５）の区域は、前記キャリア本体（６）または前記膜（５）の他の区域より変形が少ない、請求項１２に記載の薄膜センサ（１）。
- 前記膜（５）または前記キャリア本体（６）は、ステンレス鋼またはイットリウム安定化ジルコニウムを含み得る、請求項１１〜１３のいずれか一項に記載の薄膜センサ（１）。
- 前記膜（５）および前記キャリア本体（６）は、Ｍ１＋ｎＡＸｎ相から成り、Ｍは少なくとも一つの遷移金属を含み、Ａは主族元素を含み、Ｘは炭素および／または窒素を含み、ｎは１，２または３であり、前記薄膜センサ（１）は、前記キャリア本体（６）および前記膜（５）から前記ピエゾ抵抗層（３）を絶縁する絶縁体を含む、請求項１１〜１３のいずれか一項に記載の薄膜センサ（１）。
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