JP7374589B2 - 温度センサフィルム、導電フィルムおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、フィルム基材上にパターニングされた金属薄膜を備える温度センサフィルム、および温度センサフィルムの作製に用いられる導電フィルムに関する。
電子機器には多数の温度センサが用いられている。温度センサとしては、熱電対やチップサーミスタが一般的である。熱電対やチップサーミスタ等により、面内の複数箇所の温度を測定する場合は、測定点ごとに温度センサを配置し、それぞれの温度センサをプリント配線基板等に接続する必要があるため、製造プロセスが煩雑となる。また、面内の温度分布を測定するためには基板上に多数のセンサを配置する必要があり、コストアップの要因となる。
特許文献１には、フィルム基材上に金属膜を設け、金属膜をパターニングして、測温抵抗部とリード部を形成した温度センサフィルムが提案されている。金属膜をパターニングする形態では、１層の金属膜から測温抵抗部と、測温抵抗部に接続されたリード部とを形成可能であり、個々の測温センサを配線で接続する作業を必要としない。また、フィルム基材を用いるため、可撓性に優れ、曲面形状のデバイスや、フレキシブルデバイス等への対応も容易である。また、可撓性を有する温度センサフィルムは、デバイスの組み立ての際のハンドリング性にも優れている。
金属膜をパターニングした温度センサでは、リード部を介して測温抵抗部に電圧を印加し、金属の抵抗値が温度により変化する特性を利用して、温度を測定する。温度測定の精度を高めるためには、温度変化に対する抵抗変化の大きい材料が好ましい。特許文献２には、ニッケルは、銅に比べて温度に対する感度（抵抗変化）が約２倍であることが記載されている。
温度センサフィルムを曲面形状のデバイスやフレキシブルデバイスに用いる場合、温度センサフィルムには耐屈曲性が要求される。また、平面形状のデバイスであっても、デバイスの組み立て加工や他の部材との貼り合わせ等の際に部材を曲げる必要があるため、耐屈曲性が要求される。
しかし、フィルム基材上にニッケル薄膜を設けた温度センサフィルムは、屈曲箇所およびその近傍でニッケル薄膜にクラックが生じる場合があり、耐屈曲性が十分であるとは言い難い。当該課題に鑑み、本発明は、耐屈曲性に優れる温度センサフィルム、およびその作製に用いる導電フィルムの提供を目的とする。
温度センサ用導電フィルムは、樹脂フィルム基材の一主面上に、シリコン系薄膜を備え、シリコン系薄膜上にニッケル薄膜を備える。フィルム基材上に下地層としてのシリコン系薄膜を設け、その上にニッケル薄膜を設けることにより、屈曲時のニッケル薄膜へのクラックの発生が抑制される傾向がある。
この導電フィルムのニッケル薄膜をパターニングすることにより、温度センサフィルムを形成できる。温度センサフィルムは、樹脂フィルム基材の一主面上に、下地層およびパターニングされたニッケル薄膜を備え、ニッケル薄膜が、測温抵抗部とリード部とにパターニングされている。樹脂フィルム基材の両面に、シリコン系薄膜およびニッケル薄膜を設けてもよい。
測温抵抗部は、温度測定を行う部分に設けられており、細線にパターニングされている。リード部は測温抵抗部よりも大きな線幅にパターニングされており、リード部の一端が測温抵抗部に接続されている。リード部の他端は、外部回路等と接続される。リード部にコネクタを接続し、コネクタを介して外部回路との接続を行ってもよい。
下地層を構成するシリコン系薄膜は１層でもよく、２層以上でもよい。例えば、シリコン系薄膜は、フィルム基材側から、シリコン薄膜および酸化シリコン薄膜を有する積層膜でもよい。下地層としてのシリコン系薄膜の厚みは、３～２００ｎｍが好ましい。ニッケル薄膜の厚みは２０～５００ｎｍが好ましい。ニッケル薄膜の抵抗温度係数は３０００ｐｐｍ／℃以上が好ましい。
フィルム基材上にシリコン系下地層を介してニッケル薄膜が設けられた導電フィルム、およびニッケル薄膜をパターニングした温度センサフィルムは、屈曲時にニッケル薄膜へのクラックが発生し難く、耐屈曲性に優れる。
図１は、温度センサフィルムの形成に用いられる導電フィルムの積層構成例を示す断面図であり、樹脂フィルム基材５０の一主面上にニッケル薄膜１０を備え、樹脂フィルム基材５０とニッケル薄膜１０との間に下地層２０を備える。この導電フィルム１０１のニッケル薄膜をパターニングすることにより、図２の平面図に示す温度センサフィルム１１０が得られる。
［導電フィルム］
＜フィルム基材＞
樹脂フィルム基材５０は、透明でも不透明でもよい。樹脂材料としては、ポリエチレンテレフタレート等のポリエステル、ポリイミド、ポリオレフィン、ノルボルネン系等の環状ポリオレフィン、ポリカーボネート、ポリエーテルスルフォン、ポリアリレート等が挙げられる。耐熱性、寸法安定性、電気的特性、機械的特性、耐薬品特性等の観点から、ポリイミドまたはポリエステルが好ましい。
＜フィルム基材＞
樹脂フィルム基材５０は、透明でも不透明でもよい。樹脂材料としては、ポリエチレンテレフタレート等のポリエステル、ポリイミド、ポリオレフィン、ノルボルネン系等の環状ポリオレフィン、ポリカーボネート、ポリエーテルスルフォン、ポリアリレート等が挙げられる。耐熱性、寸法安定性、電気的特性、機械的特性、耐薬品特性等の観点から、ポリイミドまたはポリエステルが好ましい。
樹脂フィルム基材の厚みは特に限定されないが、一般には、２～５００μｍ程度であり、２０～３００μｍ程度が好ましい。樹脂フィルム基材の表面には、易接着層、帯電防止層、ハードコート層等が設けられていてもよい。また、樹脂フィルム基材５０の表面には、ニッケル薄膜１０（または下地層２０）との密着性向上等を目的として、コロナ放電処理、紫外線照射処理、プラズマ処理、スパッタエッチング処理等の処理を施してもよい。
樹脂フィルム基材５０の下地層２０形成面の算術平均粗さＲａは、５ｎｍ以下が好ましく、３ｎｍ以下がより好ましく、２ｎｍ以下がさらに好ましい。基材の表面粗さを小さくすることにより、下地層およびその上のニッケル薄膜のカバレッジが良好となり、緻密な膜が形成されやすいため、ニッケル薄膜１０の比抵抗が小さくなる傾向がある。算術平均粗さＲａは、走査型プローブ顕微鏡を用いた１μｍ四方の観察像から求められる。
＜下地層＞
導電フィルム１０１は、樹脂フィルム基材５０とニッケル薄膜１０との間に下地層２０を備える。下地層２０は単層でもよく、図１に示すように２層以上の薄膜の積層構成でもよい。下地層２０は有機層でも無機層でもよく、有機層と無機層とを積層したものでもよい。樹脂フィルム基材５０とニッケル薄膜１０との間に、無機材料の下地層２０が設けられることにより、ニッケル薄膜１０の抵抗温度係数（ＴＣＲ）が大きくなる傾向があり、温度センサフィルムにおける温度測定精度が向上する。
導電フィルム１０１は、樹脂フィルム基材５０とニッケル薄膜１０との間に下地層２０を備える。下地層２０は単層でもよく、図１に示すように２層以上の薄膜の積層構成でもよい。下地層２０は有機層でも無機層でもよく、有機層と無機層とを積層したものでもよい。樹脂フィルム基材５０とニッケル薄膜１０との間に、無機材料の下地層２０が設けられることにより、ニッケル薄膜１０の抵抗温度係数（ＴＣＲ）が大きくなる傾向があり、温度センサフィルムにおける温度測定精度が向上する。
無機材料としては、Ｓｉ，Ｇｅ，Ｓｎ，Ｐｂ，Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｔｌ，Ａｓ，Ｓｂ，Ｂｉ，Ｓｅ，Ｔｅ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｓｃ，Ｙ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｍｎ，Ｔｃ，Ｒｅ，Ｆｅ，Ｒｕ，Ｏｓ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕ，Ｚｎ，Ｃｄ等の金属元素または半金属元素、およびこれらの合金、窒化物、酸化物、炭化物、窒酸化物等が挙げられる。
下地層２０は、シリコン系薄膜を含むことが好ましい。下地層２０としてのシリコン系薄膜上にニッケル薄膜１０を形成することにより、耐屈曲性が向上する傾向がある。シリコン系材料としては、シリコン、ならびに酸化シリコン、窒化シリコンおよび炭化シリコン等のシリコン化合物が挙げられる。中でも、樹脂フィルム基材およびニッケル薄膜に対する密着性に優れ、かつ耐屈曲性向上効果に優れることから、シリコンまたは酸化シリコンが好ましい。酸化シリコンは化学量論組成（ＳｉＯ２）でもよく、非化学量論組成（ＳｉＯｘ；ｘ＜２）でもよい。非化学量論組成である酸化シリコン（ＳｉＯｘ）は、１．２≦ｘ＜２が好ましい。
下地層２０は、シリコン薄膜と酸化シリコン薄膜との積層膜でもよい。下地層２０が、樹脂フィルム基材５０側から、シリコン薄膜２１および酸化シリコン薄膜２２の２層を含む場合に、特に引張曲げに対する耐屈曲性が向上する傾向がある。また、ニッケル薄膜１０の直下に、比抵抗の大きい酸化シリコン薄膜２２が設けられることにより、配線（パターニングされたニッケル薄膜）間の漏れ電流が低減し、温度センサフィルムの温度測定精度が向上する傾向がある。
下地層２０は、シリコン系薄膜と非シリコン系薄膜とを積層したものでもよい。この場合、樹脂フィルム基材５０側に非シリコン系薄膜が配置され、ニッケル薄膜１０側にシリコン系薄膜が配置されていることが好ましい。ニッケル薄膜１０に接してシリコン系薄膜が設けられることにより、耐屈曲性が向上する傾向がある。
下地層２０の厚みは特に限定されない。ニッケル薄膜１０への下地効果により耐屈曲性を高める観点から、下地層２０の厚みは３ｎｍ以上が好ましい。下地層の厚みは、５ｎｍ以上、１０ｎｍ以上、１５ｎｍ以上、２０ｎｍ以上、２５ｎｍ以上または３０ｎｍ以上であってもよい。特に、シリコン系薄膜の厚みが上記範囲であることが好ましい。耐屈曲性向上効果に加えて、ニッケル薄膜形成時のフィルム基材へのダメージ低減や、フィルム基材からのアウトガスの遮断効果を高める観点からも、下地層２０の厚みは上記範囲であることが好ましい。
下地層としてのシリコン系薄膜の厚みが大きいほど、耐屈曲性が向上する傾向がある。一方、生産性向上や材料コスト低減の観点から、下地層の厚みは２００ｎｍ以下が好ましく、１５０ｎｍ以下がより好ましく、１００ｎｍ以下がさらに好ましい。また、下地層としてのシリコン系薄膜の厚みが小さい方が、その上に形成されるニッケル薄膜の抵抗温度係数が大きくなる傾向がある。そのため、下地層としてのシリコン系薄膜の厚みは２００ｎｍ以下が好ましく、１５０ｎｍ以下がより好ましく、１００ｎｍ以下がさらに好ましい。下地層の厚みは、９０ｎｍ以下、８０ｎｍ以下、７０ｎｍ以下または６０ｎｍ以下であってもよい。また、下地層の厚みが過度に大きいと、屈曲時に下地層自体にクラックが生じる場合があることからも、下地層の厚みは上記範囲であることが好ましく、シリコン系薄膜の厚みが上記範囲であることが好ましい。下地層の厚みは、温度センサフィルムに要求される耐屈曲性、抵抗温度係数等を考慮して、上記範囲内で設定することが好ましい。
＜ニッケル薄膜＞
下地層２０上に設けられるニッケル薄膜１０は、温度センサにおける温度測定の中心的な役割を果たす。ニッケル薄膜１０をパターニングすることにより、図２に示すように、リード部１１および測温抵抗部１２が形成される。
下地層２０上に設けられるニッケル薄膜１０は、温度センサにおける温度測定の中心的な役割を果たす。ニッケル薄膜１０をパターニングすることにより、図２に示すように、リード部１１および測温抵抗部１２が形成される。
ニッケル薄膜１０の厚みは特に限定されないが、低抵抗化の観点（特に、リード部の抵抗を小さくする観点）から、２０ｎｍ以上が好ましく、４０ｎｍ以上がより好ましく、５０ｎｍ以上がさらに好ましい。一方、成膜時間の短縮およびパターニング精度向上等の観点から、ニッケル薄膜１０の厚みは、５００ｎｍ以下が好ましく、３００ｎｍ以下がより好ましく、２５０ｎｍ以下がさらに好ましい。また、ニッケル薄膜の厚みが大きくなると、残留応力が大きくなり、耐屈曲性が低下する傾向があることからも、ニッケル薄膜の厚みは上記範囲であることが好ましい。
ニッケル薄膜１０の温度２５℃における比抵抗は、１．６×１０－５Ω・ｃｍ以下が好ましく、１．５×１０－５Ω・ｃｍ以下がより好ましい。リード部の抵抗を小さくする観点からは、ニッケル薄膜の比抵抗は小さいほど好ましく、１．２×１０－５Ω・ｃｍ以下、または１．０×１０－５Ω・ｃｍ以下であってもよい。ニッケル薄膜の比抵抗は小さいほど好ましいが、バルクのニッケルよりも比抵抗を小さくすることは困難であり、一般に比抵抗は７．０×１０－６Ω・ｃｍ以上である。
ニッケル薄膜１０の抵抗温度係数（ＴＣＲ）は、３０００ｐｐｍ／℃以上が好ましく、３４００ｐｐｍ／℃以上がより好ましく、３６００ｐｐｍ／℃以上がさらに好ましく、３８００ｐｐｍ／℃以上が特に好ましい。ＴＣＲは、温度上昇に対する抵抗の変化率である。ニッケルは、温度上昇に伴って抵抗が線形的に増加する特性（正特性）を有する。正特性を有する材料のＴＣＲは、温度Ｔ０における抵抗値Ｒ０と、温度Ｔ１における抵抗値Ｒ１から、下記式により算出される。
ＴＣＲ＝｛（Ｒ１－Ｒ０）／Ｒ０｝／（Ｔ１－Ｔ０）
本明細書では、Ｔ０＝２５℃およびＴ１＝５℃における抵抗値から算出されるＴＣＲと、Ｔ０＝２５℃およびＴ１＝４５℃における抵抗値から算出されるＴＣＲの平均値をニッケル薄膜のＴＣＲとする。
本明細書では、Ｔ０＝２５℃およびＴ１＝５℃における抵抗値から算出されるＴＣＲと、Ｔ０＝２５℃およびＴ１＝４５℃における抵抗値から算出されるＴＣＲの平均値をニッケル薄膜のＴＣＲとする。
ＴＣＲが大きいほど、温度変化に対する抵抗の変化が大きく、温度センサフィルムにおける温度測定精度が向上する。そのため、ニッケル薄膜のＴＣＲは大きいほど好ましいが、バルクのニッケルよりもＴＣＲを大きくすることは困難であり、ニッケル薄膜のＴＣＲは一般に６０００ｐｐｍ／℃以下である。
樹脂フィルム基材５０上に下地層２０を設け、その上にニッケル薄膜１０を形成することにより、ニッケル薄膜の比抵抗が小さくなり、ＴＣＲが大きくなる傾向があり、特に下地層２０がシリコン系薄膜である場合にその傾向が顕著である。また、樹脂フィルム基材５０およびその上に形成される下地層２０の表面の算術平均粗さＲａが小さい場合に、ニッケル薄膜１０の比抵抗が小さくなり、ＴＣＲが大きくなる傾向がある。
樹脂フィルム基材５０上に、下地層２０としてのシリコン系薄膜を介してニッケル薄膜１０を設けることにより、耐屈曲性が向上する傾向があり、屈曲時のニッケル薄膜へのクラックの発生を抑制できる。そのため、ニッケル薄膜１０をパターニングした温度センサフィルムは、デバイス加工時のハンドリング性に優れるとともに、フレキシブルデバイスへの使用にも適している。
シリコン系薄膜上にニッケル薄膜を設けることにより屈曲時のクラックの発生が抑制される理由は定かではないが、耐屈曲性向上の一因として、下地層としてのシリコン系薄膜が、応力歪を低減する作用を有していると推定される。
ニッケル薄膜は、一般に、引張残留応力を有しているため、下地層との界面およびその近傍に応力歪が生じている。屈曲により圧縮応力や引張応力が付与されると、この界面での応力歪が増大しやすく、屈曲時のクラック発生の要因となり得る。シリコンや酸化シリコン等のシリコン系薄膜は、ニッケル薄膜と同様、一般に、引張残留応力を有している。そのため、ニッケル薄膜と下地層との界面における応力歪が小さく、屈曲時には界面での応力歪が緩和される傾向があるため、屈曲時のクラックの発生が抑制されると考えられる。
＜下地層およびニッケル薄膜の形成方法＞
下地層２０の形成方法は特に限定されず、ドライコーティング、ウェットコーティングのいずれも採用し得る。スパッタ法によりニッケル薄膜を形成する場合は、生産性の観点から、下地層２０もスパッタ法により形成することが好ましい。
下地層２０の形成方法は特に限定されず、ドライコーティング、ウェットコーティングのいずれも採用し得る。スパッタ法によりニッケル薄膜を形成する場合は、生産性の観点から、下地層２０もスパッタ法により形成することが好ましい。
ニッケル薄膜の形成方法は特に限定されず、例えば、スパッタ法、真空蒸着法、電子ビーム蒸着法、化学気相蒸着法（ＣＶＤ）、化学溶液析出法（ＣＢＤ）、めっき法等の成膜方法を採用できる。これらの中でも、膜厚均一性に優れた薄膜を成膜できることから、スパッタ法が好ましい。特に。ロールトゥロールスパッタ装置を用い、長尺の樹脂フィルム基材を長手方向に連続的に移動させながら成膜を行うことにより、導電フィルムの生産性が高められる。
スパッタ装置内にロール状のフィルム基材を装填後、スパッタ成膜の開始前に、スパッタ装置内を排気して、フィルム基材から発生する有機ガス等の不純物を取り除いた雰囲気とすることが好ましい。事前に装置内およびフィルム基材中のガスを除去することにより、下地層２０およびニッケル薄膜１０への水分や有機ガス等の混入量を低減できる。スパッタ成膜開始前のスパッタ装置内の真空度（到達真空度）は、例えば、１×１０－１Ｐａ以下であり、５×１０－２Ｐａ以下が好ましく、１×１０－２Ｐａ以下がより好ましい。
ニッケル薄膜のスパッタ成膜には、金属Ｎｉターゲットを用い、アルゴン等の不活性ガスを導入しながら成膜が行われる。スパッタ法により下地層を形成する場合、下地層の材料に応じてターゲットを選択すればよい。例えば、シリコン薄膜を形成する場合は、シリコンターゲットが用いられる。酸化シリコン薄膜の成膜には、酸化シリコンターゲットを用いてもよく、シリコンターゲットを用いて反応性スパッタにより酸化シリコンを形成してもよい。反応性スパッタでは、アルゴン等の不活性ガスおよび酸素等の反応性ガスをチャンバー内に導入しながら成膜が行われる。反応性スパッタでは、金属領域と酸化物領域との中間の遷移領域となるように酸素量を調整することが好ましい。
スパッタ成膜条件は特に限定されない。ニッケル薄膜への水分や有機ガス等の混入を抑制するためには、ニッケル薄膜の成膜時のフィルム基材へのダメージを低減することが好ましい。樹脂フィルム基材５０上に下地層２０を設け、その上にニッケル薄膜１０を形成することにより、ニッケル薄膜１０成膜時の樹脂フィルム基材５０へのプラズマダメージを抑制できる。また、下地層２０を設けることにより、樹脂フィルム基材５０から発生する水分や有機ガス等を遮断して、ニッケル薄膜１０への水分や有機ガス等の混入を抑制できる。
また、成膜時の基板温度を低くする、放電パワー密度を低くする等により、フィルム基材からの水分や有機ガスの発生を抑制できる。ニッケル薄膜のスパッタ成膜における基板温度は２００℃以下が好ましく、１８０℃以下がより好ましく、１７０℃以下がさらに好ましい。一方、フィルム基材の脆化防止等の観点から、基板温度は－３０℃以上が好ましい。プラズマ放電を安定させつつ、フィルム基材へのダメージを抑制する観点から、放電パワー密度は、１～１５Ｗ／ｃｍ２が好ましく、１．５～１０Ｗ／ｃｍ２がより好ましい。
［温度センサフィルム］
導電フィルムのニッケル薄膜１０をパターニングすることにより、温度センサフィルムが形成される。下地層２０は、パターニングしてもよく、パターニングしなくてもよい。ニッケル薄膜１０の直下の層２２が酸化シリコン等の絶縁性材料である場合は、下地層２０をパターニングする必要はない。
導電フィルムのニッケル薄膜１０をパターニングすることにより、温度センサフィルムが形成される。下地層２０は、パターニングしてもよく、パターニングしなくてもよい。ニッケル薄膜１０の直下の層２２が酸化シリコン等の絶縁性材料である場合は、下地層２０をパターニングする必要はない。
図２に示すように、温度センサフィルムにおいて、ニッケル薄膜は、配線状に形成されたリード部１１と、リード部１１の一端に接続された測温抵抗部１２を有する。リード部１１の他端は、コネクタ１９に接続されている。
測温抵抗部１２は、温度センサとして作用する領域であり、リード部１１を介して測温抵抗部１２に電圧を印加し、その抵抗値から温度を算出することにより温度測定が行われる。温度センサフィルム１１０の面内に複数の測温抵抗部を設けることにより、複数個所の温度を同時に測定できる。例えば、図２に示す形態では、面内の５箇所に測温抵抗部１２が設けられている。
図３Ａは、２線式の温度センサにおける測温抵抗部近傍の拡大図である。測温抵抗部１２は、ニッケル薄膜が細線状にパターニングされたセンサ配線１２２，１２３により形成されている。センサ配線は、複数の縦電極１２２が、その端部で横配線１２３を介して連結されてヘアピン状の屈曲部を形成し、つづら折れ状のパターンを有している。
測温抵抗部１２のパターン形状を形成する細線の線幅が小さく（断面積が小さく）、測温抵抗部１２のセンサ配線の一端１２１ａから他端１２１ｂまでの線長が大きいほど、２点間の抵抗が大きく、温度変化に伴う抵抗変化量も大きいため、温度測定精度が向上する。図３に示すようなつづら折れ状の配線パターンとすることにより、測温抵抗部１２の面積が小さく、かつセンサ配線の長さ（一端１２１ａから他端１２１ｂまでの線長）を大きくできる。なお、温度測定部のセンサ配線のパターン形状は図３に示すような形態に限定されず、らせん状等のパターン形状でもよい。
センサ配線１２２（縦配線）の線幅、および隣接する配線間の距離（スペース幅）は、フォトリソグラフィーのパターニング精度に応じて設定すればよい。線幅およびスペース幅は、一般には１～１５０μｍ程度である。センサ配線の断線を防止する観点から、線幅は３μｍ以上が好ましく、５μｍ以上が好ましい。抵抗変化を大きくして温度測定精度を高める観点から、線幅は１００μｍ以下が好ましく、７０μｍ以下がより好ましい。同様の観点から、スペース幅は３～１００μｍが好ましく、５～７０μｍがより好ましい。
測温抵抗部１２のセンサ配線の両端１２１ａ，１２１ｂは、それぞれ、リード部１１ａ、１１ｂの一端に接続されている。２本のリード部１１ａ，１１ｂは、わずかな隙間を隔てて対向する状態で、細長のパターン状に形成されており、リード部の他端は、コネクタ１９に接続されている。リード部は、十分な電流容量を確保するために、測温抵抗部１２のセンサ配線よりも広幅に形成されている。リード部１１ａ，１１ｂの幅は、例えば０．５～１０ｍｍ程度である。リード部の線幅は、測温抵抗部１２のセンサ配線１２２の線幅の３倍以上が好ましく、５倍以上がより好ましく、１０倍以上がさらに好ましい。
コネクタ１９には複数の端子が設けられており、複数のリード部は、それぞれ異なる端子に接続されている。コネクタ１９は外部回路と接続されており、リード部１１ａとリード部１１ｂの間に電圧を印加することにより、リード部１１ａ、測温抵抗部１２およびリード部１１ｂに電流が流れる。所定電圧を印加した際の電流値、または電流が所定値となるように電圧を印加した際の印加電圧から抵抗値が算出される。得られた抵抗値と、予め求められている温度との関係式、または抵抗値と温度の関係を記録したテーブル等に基づいて、抵抗値から温度が算出される。
ここで求められる抵抗値は、測温抵抗部１２の抵抗に加えて、リード部１１ａおよびリード部１１ｂの抵抗も含んでいるが、測温抵抗部１２の抵抗は、リード部１１ａ，１１ｂの抵抗に比べて十分に大きいため、求められる測定値は、測温抵抗部１２の抵抗とみなしてよい。なお、リード部の抵抗による影響を低減する観点から、リード部を４線式としてもよい。
図３Ｂは、４線式の温度センサにおける測温抵抗部近傍の拡大図である。測温抵抗部１２のパターン形状は、図３Ａと同様である。４線式では、１つの測温抵抗部１２に４本のリード部１１ａ１，１１ａ２，１１ｂ１，１１ｂ２が接続されている。リード部１１ａ１，１１ｂ１は電圧測定用リードであり、リード部１１ａ２，１１ｂ２は電流測定用リードである。電圧測定用リード１１ａ１および電流測定用リード１１ａ２は、測温抵抗部１２のセンサ配線の一端１２１ａに接続されており、電圧測定用リード１１ｂ１および電流測定用リード１１ｂ２は、測温抵抗部１２のセンサ配線の他端１２１ｂに接続されている。４線式では、リード部の抵抗を除外して測温抵抗部１２のみの抵抗値を測定できるため、より誤差の少ない測定が可能となる。２線式および４線式以外に、３線式を採用してもよい。
ニッケル薄膜のパターニング方法は特に限定されない。パターニングが容易であり、精度が高いことからフォトリソグラフィー法によりパターニングを行うことが好ましい。フォトリソグラフィーでは、ニッケル薄膜の表面に、上記のリード部および測温抵抗部の形状に対応するエッチングレジストを形成し、エッチングレジストが形成されていない領域のニッケル薄膜をウェットエッチングにより除去した後、エッチングレジストを剥離する。ニッケル薄膜のパターニングは、レーザ加工等のドライエッチングにより実施することもできる。
上記の実施形態では、樹脂フィルム基材５０上に、スパッタ法等によりニッケル薄膜１０を形成し、ニッケル薄膜をパターニングすることにより、基板面内に、複数のリード部および測温抵抗部を形成できる。この温度センサフィルムのリード部１１の端部にコネクタ１９を接続することにより、温度センサ素子が得られる。この実施形態では、複数の測温抵抗部にリード部が接続されており、複数のリード部を１つのコネクタ１９と接続すればよい。そのため、面内の複数個所の温度を測定可能な温度センサ素子を簡便に形成できる。
上記の実施形態では、フィルム基材の一方の主面上に下地層およびニッケル薄膜を設けたが、フィルム基材の両面に下地層およびニッケル薄膜を設けてもよい。また、フィルム基材の一方の主面上に下地層およびニッケル薄膜を設け、他方の主面には異なる積層構成の薄膜を設けてもよい。
温度センサフィルムのリード部と外部回路との接続方法は、コネクタを介した形態に限定されない。例えば、温度センサフィルム上に、リード部に電圧を印加して抵抗を測定するためのコントローラを設けてもよい。また、リード部と外部回路からのリード配線とを、コネクタを介さずに半田付け等により接続してもよい。
温度センサフィルムは、フィルム基材上に薄膜が設けられた簡素な構成であり、生産性に優れるとともに、耐屈曲性に優れるため、加工やハンドリングが容易であり、曲面形状のデバイスや、屈曲部分を有するフレキシブルデバイスへの適用も可能である。また、フィルム基材上に下地層を介してニッケル薄膜を設けた構成では、ニッケル薄膜のＴＣＲが大きいため、より精度の高い温度測定を実現可能である。
以下に、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
［比較例１］
ロールトゥロールスパッタ装置内に、厚み１５０μｍのポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルム（表面の算術平均粗さＲａ：１．６ｎｍ）のロールをセットし、スパッタ装置内を到達真空度が５．０×１０－３Ｐａとなるまで排気した後、アルゴンを導入し、基板温度１５０℃、圧力０．２５Ｐａ、パワー密度５.６Ｗ／ｃｍ２の条件でＤＣスパッタ成膜を行い、ＰＥＴフィルム上に厚み７０ｎｍのＮｉ層を備える導電フィルムを作製した。Ｎｉ層の形成には、金属ニッケルターゲットを用いた。
ロールトゥロールスパッタ装置内に、厚み１５０μｍのポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルム（表面の算術平均粗さＲａ：１．６ｎｍ）のロールをセットし、スパッタ装置内を到達真空度が５．０×１０－３Ｐａとなるまで排気した後、アルゴンを導入し、基板温度１５０℃、圧力０．２５Ｐａ、パワー密度５.６Ｗ／ｃｍ２の条件でＤＣスパッタ成膜を行い、ＰＥＴフィルム上に厚み７０ｎｍのＮｉ層を備える導電フィルムを作製した。Ｎｉ層の形成には、金属ニッケルターゲットを用いた。
［実施例１］
ＰＥＴフィルム上に、下地層として、厚み５ｎｍのシリコン層、および厚み１０ｎｍの酸化シリコン層を順にスパッタ成膜し、その上に比較例１と同条件でＮｉ層を形成し、ＰＥＴフィルム上に、Ｓｉ層（５ｎｍ）、ＳｉＯ２層（１０ｎｍ）、Ｎｉ層（７０ｎｍ）を備える導電フィルムを作製した。Ｓｉ層およびＳｉＯ２層の形成には、ＢドープＳｉターゲットを用いた。Ｓｉ層は、スパッタガスとしてアルゴンを導入し、基板温度１５０℃、圧力０．３Ｐａ、パワー密度１．０Ｗ／ｃｍ２の条件でＤＣスパッタにより成膜した。ＳｉＯ２層は、スパッタガスとしてのアルゴンに加えて反応性ガスとして酸素を導入し（Ｏ２／Ａｒ＝１／１）、基板温度１５０℃、圧力０．３Ｐａ、パワー密度１．８Ｗ／ｃｍ２の条件でＤＣスパッタにより成膜した。
ＰＥＴフィルム上に、下地層として、厚み５ｎｍのシリコン層、および厚み１０ｎｍの酸化シリコン層を順にスパッタ成膜し、その上に比較例１と同条件でＮｉ層を形成し、ＰＥＴフィルム上に、Ｓｉ層（５ｎｍ）、ＳｉＯ２層（１０ｎｍ）、Ｎｉ層（７０ｎｍ）を備える導電フィルムを作製した。Ｓｉ層およびＳｉＯ２層の形成には、ＢドープＳｉターゲットを用いた。Ｓｉ層は、スパッタガスとしてアルゴンを導入し、基板温度１５０℃、圧力０．３Ｐａ、パワー密度１．０Ｗ／ｃｍ２の条件でＤＣスパッタにより成膜した。ＳｉＯ２層は、スパッタガスとしてのアルゴンに加えて反応性ガスとして酸素を導入し（Ｏ２／Ａｒ＝１／１）、基板温度１５０℃、圧力０．３Ｐａ、パワー密度１．８Ｗ／ｃｍ２の条件でＤＣスパッタにより成膜した。
［実施例２および実施例３］
酸化シリコン層の厚みを３０ｎｍ（実施例２）または９０ｎｍ（実施例３）に変更したこと以外は、実施例１と同様にして導電フィルムを作製した。
酸化シリコン層の厚みを３０ｎｍ（実施例２）または９０ｎｍ（実施例３）に変更したこと以外は、実施例１と同様にして導電フィルムを作製した。
［実施例４］
実施例１において、酸化シリコン層を形成せず、シリコン層上にニッケル層を形成し、ＰＥＴフィルム上に、Ｓｉ層（５ｎｍ）およびＮｉ層（７０ｎｍ）を備える導電フィルムを作製した。
実施例１において、酸化シリコン層を形成せず、シリコン層上にニッケル層を形成し、ＰＥＴフィルム上に、Ｓｉ層（５ｎｍ）およびＮｉ層（７０ｎｍ）を備える導電フィルムを作製した。
［実施例５］
ニッケル層の厚みを２４０ｎｍに変更したこと以外は、実施例１と同様にして導電フィルムを作製した。
ニッケル層の厚みを２４０ｎｍに変更したこと以外は、実施例１と同様にして導電フィルムを作製した。
［比較例２］
ＰＥＴフィルム上に、下地層として、厚み５ｎｍのアルミニウム層、および厚み１０ｎｍの酸化アルミニウム層を順にスパッタ成膜し、その上に比較例１と同条件でＮｉ層を形成し、ＰＥＴフィルム上に、Ａｌ層（５ｎｍ）、Ａｌ２Ｏ３層（１０ｎｍ）、Ｎｉ層（７０ｎｍ）を備える導電フィルムを作製した。Ａｌ層およびＡｌ２Ｏ３層の形成には、Ａｌターゲットを用いた。Ａｌ層は、スパッタガスとしてアルゴンを導入し、基板温度１５０℃、圧力０．２５Ｐａ、パワー密度３Ｗ／ｃｍ２の条件でＤＣスパッタにより成膜した。Ａｌ２Ｏ３層は、スパッタガスとしてのアルゴンに加えて反応性ガスとして酸素を導入し（Ｏ２／Ａｒ＝２／５）、基板温度１５０℃、圧力０．２５Ｐａ、パワー密度３Ｗ／ｃｍ２の条件でＤＣスパッタにより成膜した。
ＰＥＴフィルム上に、下地層として、厚み５ｎｍのアルミニウム層、および厚み１０ｎｍの酸化アルミニウム層を順にスパッタ成膜し、その上に比較例１と同条件でＮｉ層を形成し、ＰＥＴフィルム上に、Ａｌ層（５ｎｍ）、Ａｌ２Ｏ３層（１０ｎｍ）、Ｎｉ層（７０ｎｍ）を備える導電フィルムを作製した。Ａｌ層およびＡｌ２Ｏ３層の形成には、Ａｌターゲットを用いた。Ａｌ層は、スパッタガスとしてアルゴンを導入し、基板温度１５０℃、圧力０．２５Ｐａ、パワー密度３Ｗ／ｃｍ２の条件でＤＣスパッタにより成膜した。Ａｌ２Ｏ３層は、スパッタガスとしてのアルゴンに加えて反応性ガスとして酸素を導入し（Ｏ２／Ａｒ＝２／５）、基板温度１５０℃、圧力０．２５Ｐａ、パワー密度３Ｗ／ｃｍ２の条件でＤＣスパッタにより成膜した。
［比較例３］
比較例２において、酸化アルミニウム層を形成せず、アルミニウム層上にニッケル層を形成し、ＰＥＴフィルム上に、Ａｌ層（５ｎｍ）およびＮｉ層（７０ｎｍ）を備える導電フィルムを作製した。
比較例２において、酸化アルミニウム層を形成せず、アルミニウム層上にニッケル層を形成し、ＰＥＴフィルム上に、Ａｌ層（５ｎｍ）およびＮｉ層（７０ｎｍ）を備える導電フィルムを作製した。
［評価］
＜抵抗温度係数＞
（温度センサフィルムの作製）
導電フィルムを、１０ｍｍ×２００ｍｍのサイズにカットし、レーザーパターニングにより、ニッケル層を線幅３０μｍのストライプ形状にパターン加工して、図３Ａに示す形状の測温抵抗部を形成した。パターニングに際しては、全体の配線抵抗が約１０ｋΩ、測温抵抗部の抵抗がリード部の抵抗の３０倍となるように、パターンの長さを調整し、温度センサフィルムを作製した。
＜抵抗温度係数＞
（温度センサフィルムの作製）
導電フィルムを、１０ｍｍ×２００ｍｍのサイズにカットし、レーザーパターニングにより、ニッケル層を線幅３０μｍのストライプ形状にパターン加工して、図３Ａに示す形状の測温抵抗部を形成した。パターニングに際しては、全体の配線抵抗が約１０ｋΩ、測温抵抗部の抵抗がリード部の抵抗の３０倍となるように、パターンの長さを調整し、温度センサフィルムを作製した。
（抵抗温度係数の測定）
小型の加熱冷却オーブンで、温度センサフィルムの測温抵抗部を５℃、２５℃、４５℃とした。リード部の一方の先端と他方の先端をテスタに接続し、定電流を流し電圧を読み取ることにより、それぞれの温度における２端子抵抗を測定した。５℃および２５℃の抵抗値から計算したＴＣＲと、２５℃、４５℃の抵抗値から計算したＴＣＲの平均値を、ニッケル層のＴＣＲとした。
小型の加熱冷却オーブンで、温度センサフィルムの測温抵抗部を５℃、２５℃、４５℃とした。リード部の一方の先端と他方の先端をテスタに接続し、定電流を流し電圧を読み取ることにより、それぞれの温度における２端子抵抗を測定した。５℃および２５℃の抵抗値から計算したＴＣＲと、２５℃、４５℃の抵抗値から計算したＴＣＲの平均値を、ニッケル層のＴＣＲとした。
＜耐屈曲性＞
ＪＩＳ Ｋ５６００－５－１：１９９９に従って、タイプ１の試験機を用いて円筒型マンドレル試験を行った。試料のＮｉ層形成面を内側として屈曲（Ｎｉ層に圧縮歪を付与）、およびＮｉ層形成面を外側として屈曲（Ｎｉ層に引張歪を付与）の両方の試験を実施した。それぞれの試験において、マンドレルの径を順に小さくしていき、Ｎｉ層にクラックがはじめて発生したマンドレルの直径を記録した。マンドレルの直径が小さいほど、耐屈曲性に優れることを示す。
ＪＩＳ Ｋ５６００－５－１：１９９９に従って、タイプ１の試験機を用いて円筒型マンドレル試験を行った。試料のＮｉ層形成面を内側として屈曲（Ｎｉ層に圧縮歪を付与）、およびＮｉ層形成面を外側として屈曲（Ｎｉ層に引張歪を付与）の両方の試験を実施した。それぞれの試験において、マンドレルの径を順に小さくしていき、Ｎｉ層にクラックがはじめて発生したマンドレルの直径を記録した。マンドレルの直径が小さいほど、耐屈曲性に優れることを示す。
実施例および比較例の導電フィルムの積層構成（下地層の構成およびＮｉ層の厚み）、ならびに評価結果（ＴＣＲおよび耐屈曲性）を表１に示す。
下地層を設けずにＰＥＴフィルム上に直接Ｎｉ薄膜を形成した比較例１では、ＴＣＲが３０００ｐｐｍ／℃を下回っていたのに対して、下地層を設けた実施例１～５および比較例２，３では、ＴＣＲが上昇していた。
下地層としてアルミニウムと酸化アルミニウムとの積層膜を設けた比較例２では、比較例１に比べてＴＣＲは大きいものの、耐屈曲性が低下していた。下地層としてアルミニウム薄膜を設けた比較例３においても同様の傾向がみられた。
これに対して、下地層としてシリコン系薄膜を設けた実施例１～５では、比較例１に比べて耐屈曲性が向上していた。Ｎｉ層の厚みが同一である実施例１～４の対比から、下地層としてシリコン薄膜と酸化シリコン薄膜との積層膜を設けることにより、特に、Ｎｉ薄膜形成面を外側として屈曲した場合の引張歪に対する耐屈曲性が向上することが分かる。また、実施例２と実施例３との対比から、下地層としてのシリコン系薄膜の膜厚が大きいほど、Ｎｉ薄膜形成面を内側として屈曲した場合の圧縮歪に対する耐屈曲性が向上することが分かる。
５０ フィルム基材
２０ 下地層（シリコン系薄膜）
１０ ニッケル薄膜
１１ リード部
１２ 測温抵抗部
１２２，１２３ センサ配線
１９ コネクタ
１０１ 導電フィルム
１１０ 温度センサフィルム
２０ 下地層（シリコン系薄膜）
１０ ニッケル薄膜
１１ リード部
１２ 測温抵抗部
１２２，１２３ センサ配線
１９ コネクタ
１０１ 導電フィルム
１１０ 温度センサフィルム
Claims (6)
- 樹脂フィルム基材の一主面上に、シリコン系薄膜を備え、前記シリコン系薄膜上にニッケル薄膜を備え、
前記シリコン系薄膜は、フィルム基材側から、シリコン薄膜および酸化シリコン薄膜を有する積層膜である、温度センサ用導電フィルム。 - 前記シリコン系薄膜の厚みが３～２００ｎｍである、請求項１に記載の温度センサ用導電フィルム。
- 前記ニッケル薄膜の厚みが、２０～５００ｎｍである、請求項１または２に記載の温度センサ用導電フィルム。
- 前記ニッケル薄膜の抵抗温度係数が３０００ｐｐｍ／℃以上である、請求項１～３のいずれか１項に記載の温度センサ用導電フィルム。
- 請求項１～４のいずれか１項に記載の導電フィルムを製造する方法であって、
前記ニッケル薄膜をスパッタ法により成膜する、導電フィルムの製造方法。 - 樹脂フィルム基材の一主面上に、シリコン系薄膜を備え、前記シリコン系薄膜上にパターニングされたニッケル薄膜を備え、
前記シリコン系薄膜は、フィルム基材側から、シリコン薄膜および酸化シリコン薄膜を有する積層膜であり、
前記ニッケル薄膜が、細線にパターニングされ温度測定に用いられる測温抵抗部と、前記測温抵抗部に接続され、前記測温抵抗部よりも大きな線幅にパターニングされたリード部とにパターニングされている、温度センサフィルム。
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