JPH07218348A - 薄膜熱電対 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】悪環境下において長時間安定に表面温度を測定
するのに好適な薄膜熱電対を提供する。 【構成】本発明の薄膜熱電対は、表面保護層としてダイ
ヤモンド薄膜又は立方晶窒化硼素薄膜のいずれか一方、
あるいはダイヤモンド薄膜及び立方晶窒化硼素薄膜を積
層してなることを特徴とするものである。本発明の薄膜
熱電対は、従来には見られない優れた機械的強度、化学
的安定性を有するので、高温多湿下や腐食雰囲気等悪環
境下においても、優れた応答速度と測定精度を損なうこ
となく、長時間安定して表面温度を測定することが可能
となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、悪環境下で、長時間安
定して表面温度を測定することが可能な薄膜熱電対に関
する。

【０００２】

【従来技術】従来、物質の表面温度測定には、特定の一
対の金属細線を溶接してなる熱電対や抵抗式の感温素子
などが用いられてきた。これらの感温素子は、検出部の
熱容量が大きく、測温体に余分な熱容量を付加する結果
となる。更に、必要な応答速度が得られず、正確な表面
温度の測定を妨げる結果となっていた。

【０００３】このような問題に対して、熱容量の小さい
薄膜感温素子が提案されている。特に、薄膜熱電対は金
属や半導体を用いた抵抗式よりも自己発熱がない、素子
間のばらつきが少ない、しかも材料が安価であるなどの
利点がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、薄膜熱
電対を構成する金属薄膜は、厚さ数千Åと薄いことから
バルク材料に比べて耐環境性に乏しく、短時間で腐食・
変質しやすい。まして、高温多湿下などの悪環境下で
は、実用に耐えうるものではなかった。

【０００５】これらの理由から、薄膜熱電対の耐環境性
を向上するために、窒化珪素、酸化アルミニウム、二酸
化珪素などの絶縁性薄膜が、表面保護層として用いられ
ている。

【０００６】これら絶縁性薄膜が、表面保護層として機
能するためには、数千Å、最低でも５０００Å程度の膜
厚が必要となる。薄膜熱電対と被測温体は、この表面保
護層で隔てられることになるため、その熱伝導率の良し
悪しが薄膜熱電対の応答速度や測定精度に影響を及ぼす
ことは避けられない。例えば、酸化アルミニウムの熱伝
導率は、１００℃で約０．０４ｃａｌ／ｃｍ・ｓｅｃ・
ｄｅｇであり、その他の保護層材料の熱伝導率もほぼ同
様に低い値である。よって薄膜熱電対の優れた応答速度
及び測定精度を生かすためには表面保護層の厚さを極力
おさえることが必要であるが、保護層として機能しなく
なる恐れがある。

【０００７】上述のように、従来の技術では薄膜熱電対
の長所を生かして、かつ耐環境性を向上することは不可
能であった。

【０００８】そこで、本発明は薄膜熱電対の温度測定に
影響を与えることなく、薄膜熱電対を構成する金属薄膜
を、外部環境から保護することが可能な表面保護層を有
する薄膜熱電対を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】本発明者は、薄膜熱電対
の表面保護層として、ダイヤモンド薄膜又は立方晶窒化
硼素薄膜のいずれか一方、あるいはダイヤモンド薄膜及
び立方晶窒化硼素薄膜を積層することにより、薄膜熱電
対の長所である応答速度及び測定の正確さを損なうこと
なく、悪環境下でも安定して長時間使用可能となること
を見いだした。

【０００９】ダイヤモンドは、電気的に絶縁体で、物質
中最高の硬度を有し、化学的にもきわめて安定な材料で
ある。同様に、立方晶窒化硼素は、電気的に絶縁体でダ
イヤモンドに次ぐ硬度を持ち、化学的安定性にも優れて
いる。したがって、ダイヤモンド薄膜又は立方晶窒化硼
素薄膜のいずれか一方を薄膜熱電対の表面保護層として
用いることにより、耐湿性および耐薬品性を付与するこ
とが出来、高温多湿下や化学プラントなど過酷な雰囲気
においても長時間安定して使用可能となる。また、ダイ
ヤモンド薄膜及び立方晶窒化硼素薄膜は、優れた機械的
強度を持つことから、不測の衝撃にも損傷を受けづら
い。更に、ダイヤモンドは、物質中最高の熱伝導率（１
００℃で約３．１ｃａｌ／ｃｍ・ｓｅｃ・ｄｅｇ）を有
するので、薄膜熱電対の高応答速度及び測定精度を損な
うものではない。また、立方晶窒化硼素においても、ダ
イヤモンドに次いで高い熱電導率（１００℃で約１．６
ｃａｌ／ｃｍ・ｓｅｃ・ｄｅｇ）を有するので、ダイヤ
モンドと同様に用いることができる。上述のように、得
られた薄膜熱電対は、その長所を損なうことなく優れた
耐環境性を持つものであることを確認して本発明を完成
させた。

【００１０】

【作用】本発明によれば、薄膜熱電対素子を保護する表
面保護層を、ダイヤモンド薄膜又は立方晶窒化硼素薄膜
のいずれか一方、あるいは前記ダイヤモンド薄膜及び前
記立方晶窒化硼素薄膜を積層してなる層とすることによ
り、電気的絶縁性、化学的安定性、機械的安定性、高熱
伝導率などに特性を示すとともに、いかなる外部環境下
においても高応答速度、高測定精度を損なうことなく、
安定した長時間測定が可能となる。

【００１１】

【実施例】以下に、本発明を図に基づき詳細に説明す
る。図１（ａ）は、本発明における薄膜熱電対の平面図
である。図１（ｂ）は、薄膜熱電対の素子部のＴ−Ｔ断
面図である。まず、ガラスやセラミックなどの絶縁性基
板（１１）上に、熱電対を形成する一方の金属薄膜（１
２）として、ニッケルを所定のパターン状に成膜する。
この成膜法は、電子ビーム蒸着法やスパッタリング法な
どの公知の薄膜形成方法が適用可能である。また、パタ
ーン状に薄膜を形成するには、所定形状の開口部を有す
る金属板（以下メタルマスクという）を基板表面に密着
して成膜する。したがって、フォトリソグラフィーなど
の成膜後のパターニンク操作は不要である。次に、熱電
対を形成するもう一方の金属薄膜（１３）として、銅を
上記と同様にパターン形成する。本発明における薄膜熱
電対の材質は、使用温度範囲および環境により銅−鉄、
鉄−ニッケル、ビスマス−アンチモン、クロメル−アル
メルなどの各種組み合わせを任意に選択することが可能
で、図示した例に限定されるものではない。

【００１２】更に、薄膜熱電対の素子部の保護のため、
ダイヤモンド薄膜（１４）を厚さ２０００Åに成膜す
る。このとき、金属薄膜（１２，１３）から電極を引き
出す部分は、後の加工のためにダイヤモンド薄膜で被覆
されないようガラス製マスクなどで覆っておく。ダイヤ
モンド薄膜（１４）は、スパッタリング法やＣＶＤ法、
イオンプレーティング法などの公知の種々の気相合成法
や、それらを複合した方法により成膜可能である。薄膜
の原料として使用される化合物としては、例えばメタ
ン、エチレンなどが挙げられる。原料の形態としては、
真空中に導入して反応を起こさせて成膜するため、ガス
状のものであることが好都合であるが、常温常圧で液体
や固体であってもこれらを加熱、減圧により気化する
か、或いは不活性ガスや水素ガスでバブリングして気化
されるものでもよい。液体を気化して真空中に導入する
場合には、その蒸気圧が高いほうがガス圧制御、取扱い
共に容易であることから、例えばエタノール、メタノー
ルも原料として適する。ダイヤモンド薄膜の膜厚は、１
０００〜５０００Å、好ましくは１０００Å程度で十分
であるが、薄膜熱電対を保護するのに十分な厚さであれ
ば特に限定されるものではない。

【００１３】更に、ダイヤモンド薄膜（１４）のかわり
に立方晶窒化硼素薄膜も同様に用いることが出来る。ま
た、薄膜熱電対の使用雰囲気や用途にあわせて、ダイヤ
モンド薄膜及び立方晶窒化硼素薄膜を積層して用いても
よい。例えば、立方晶窒化硼素薄膜を一層めとし、その
上にダイヤモンド薄膜を成膜する。又はその逆の順に積
層してもよい。積層数は、何層でも目的に応じて選択可
能である。

【００１４】立方晶窒化硼素薄膜は、スパッタリング法
やＣＶＤ法、イオンプレーティング法などの公知の種々
の気相合成法や、それらを複合した方法により成膜可能
である。薄膜の原料としてもちいられる物質は、ジボラ
ンとアンモニアの混合ガスや、固体の硼素などがある。

【００１５】薄膜熱電対に表面保護層を設けた後に、金
属薄膜（１２，１３）のそれぞれから、電極（１５，１
６）を引き出すが、必要に応じて電極引き出し部にも表
面保護層を設けて薄膜熱電対（１０）を完成する。

【００１６】以下に、図２に基づき具体的実施例を説明
する。

【００１７】＜実施例１＞以下、本発明の実施例１を説
明する。図２に示すように、ガラス基板（２１）上に、
電子ビーム蒸着法によりメタルマスクを用いてビスマス
薄膜（２２）及びアンチモン薄膜（２３）を所定のパタ
ーンに、厚さ２０００Åに成膜し、薄膜熱電対素子を得
た。次いで、薄膜熱電対素子を電子ビーム蒸着装置から
取り出し、電極間距離２０ｍｍの平行平板型電極を有す
るＲＦプラズマＣＶＤ装置内にセットした。このとき、
電極を引き出す部分に膜が付着しないよう、薄いガラス
でカバーした。装置内をターボ分子ポンプで１０^-4Ｐａ
まで減圧したのち、メタンと水素を圧力比１対９９の割
合で混合し、圧力７Ｐａとなるよう導入して、高周波電
力１ｋＷにおいてダイヤモンド薄膜（１４）を厚さ２０
００Åに成膜した。その後、ビスマス薄膜（２２）及び
アンチモン薄膜（２３）から電極（１５，１６）を引き
出し、薄膜熱電対（１０）を完成した。

【００１８】＜実施例２＞実施例１と同様に薄膜熱電対
素子を作製し、ダイヤモンド薄膜のかわりに立方晶窒化
硼素薄膜を厚さ２０００Åに成膜して薄膜熱電対（１
０）を得た。立方晶窒化硼素薄膜は、イオンプレーティ
ング法により成膜した。蒸発材料は、純度９９．９％の
硼素を用い、電子ビームにより蒸発させ、更に、基板
（２１）にＲＦ電力を３００Ｗ投入して成膜をおこなっ
た。

【００１９】＜比較例＞実施例１と同様に薄膜熱電対素
子を作製し、ダイヤモンド薄膜のかわりに二酸化珪素薄
膜を厚さ２０００Åに成膜して薄膜熱電対を得た。

【００２０】実施例１、実施例２及び比較例で得た薄膜
熱電対を４０℃、９０％の恒温恒湿槽に一週間放置し、
促進保存試験をおこない、試験前後の性能及び外観の変
化を調べた。その結果、ダイヤモンド薄膜又は立方晶窒
化硼素薄膜で被覆した薄膜熱電対は、促進保存試験前後
で測温能力に変化はなく、外観にも変化は見られなかっ
た。一方、二酸化珪素薄膜で被覆した薄膜熱電対は、促
進保存試験後測温不能となり、二酸化珪素薄膜が白化し
て、金属薄膜まで腐食が進んでいることがわかった。

【００２１】

【発明の効果】本発明は、耐環境性に優れた薄膜熱電対
に関するもので、ダイヤモンド薄膜又は立方晶窒化硼素
薄膜のいずれか一方、あるいは前記ダイヤモンド薄膜及
び前記立方晶窒化硼素薄膜を積層してなる層を、表面保
護層としてもつことを特徴とする薄膜熱電対に関するも
のである。本発明の薄膜熱電対に用いるダイヤモンド薄
膜及び立方晶窒化硼素薄膜は、優れた化学的安定性及び
機械的強度を持つことから、耐環境性が高く、かつ不測
の衝撃にも損傷を受けづらい。更に、ダイヤモンド薄膜
及び立方晶窒化硼素薄膜は、高い熱伝導率を有するの
で、薄膜熱電対の高応答速度及び測定精度を損なうもの
ではない。本発明により、薄膜熱電対は、その長所であ
る高応答速度および測定の正確さを失うことなく、悪環
境下でも長時間安定して使用可能となる。よって本発明
の熱電対は、高温多湿下や化学プラントなどの過酷な雰
囲気における表面温度の長時間安定測定に極めて有用で
ある。

【００２２】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による薄膜熱電対の一実施例を示す平面
図（ａ）と薄膜熱電対の素子部のＴ−Ｔ断面図（ｂ）で
ある。

【図２】本発明の他の実施例における薄膜熱電対を示す
平面図である。

【符号の説明】

１１…絶縁性基板 １２…金属薄膜 １３…金属薄膜 １４…ダイヤモンド薄膜或いは立方晶窒化硼素薄膜 １５…引き出し電極 １６…引き出し電極 ２１…ガラス基板 ２２…ビスマス薄膜 ２３…アンチモン薄膜

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】絶縁性基板上に、薄膜熱電対素子と該薄膜
   熱電対素子を保護する表面保護層とからなる薄膜熱電対
   において、該表面保護層が、ダイヤモンド薄膜又は立方
   晶窒化硼素薄膜のいずれか一方、あるいは前記ダイヤモ
   ンド薄膜及び前記立方晶窒化硼素薄膜を積層してなるこ
   とを特徴とする薄膜熱電対。