JPH11233301A

JPH11233301A - 薄膜抵抗発熱素子及びその製造方法

Info

Publication number: JPH11233301A
Application number: JP10030734A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Kawanishi; 川西　　利明; Kenji Tomonari; 健二友成; Shinichi Inoue; 眞一井上
Original assignee: Mitsui Mining and Smelting Co Ltd
Current assignee: Mitsui Mining and Smelting Co Ltd
Priority date: 1998-02-13
Filing date: 1998-02-13
Publication date: 1999-08-27

Abstract

(57)【要約】【課題】断続通電の際の発熱が良好で、しかも耐久性
が良好で、小型化が可能な抵抗発熱素子を提供する。【解決手段】絶縁基板２の表面上に、Ｔａ−ＳｉＯ₂
系サーメットからなる抵抗膜４と、抵抗膜４に接続され
抵抗膜４を電源に電気的に接続するための対をなす端子
電極膜６Ａ，６Ｂとが形成されており、抵抗膜４及び端
子電極膜６Ａ，６Ｂを覆うように保護膜８が形成されて
いる。抵抗膜４は、厚さ０．１〜２．０μｍであり、Ｔ
ａの含有率が０．５２以下で０．４６以上であり、負の
抵抗温度係数を有する。この負の抵抗温度係数を有する
抵抗膜４は、スパッタリングターゲットとして用いるＴ
ａとＳｉＯ₂ との比率を制御し、スパッタリングの際に
用いるＡｒガスの分圧を制御することにより、形成する
ことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、抵抗発熱素子に関
するものであり、特に抵抗温度係数を所望値に設定する
ことが容易で、耐久性が良好で、小型化が可能な薄膜抵
抗発熱素子に関するものである。本発明の抵抗発熱素子
は、頻繁に通電を断続させる用途に特に好適である。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】従来、
通電により抵抗体を発熱させる抵抗発熱素子は、幅広い
分野で利用されている。最近では、特に抵抗体を薄膜と
して形成し、しかもその寸法（パターン面積）を微小に
したものが使用されている。このような抵抗発熱素子と
しては、感熱記録方式や熱転写記録方式の熱記録ヘッド
（サーマルヘッド）が例示される。この用途では、特
に、記録信号に応じて頻繁に通電がＯＮ−ＯＦＦ（断
続）され、発熱及びその停止が繰り返される。

【０００３】従来、一般的な抵抗発熱体としてＮｉ−Ｃ
ｒやＰｔが使用されているが、これらは抵抗温度係数が
正であり、このため発熱に伴い温度上昇すると抵抗値が
上昇し発熱量が低下しがちである。このため、所要の発
熱量を得るためには、通電の継続時間を長くする必要が
あり、通電時間の短縮すなわち通電の断続サイクルの速
さを向上させる点で不利があった。

【０００４】そこで、本発明は、特に断続通電の際の発
熱が良好で、しかも耐久性が良好で、小型化が可能な抵
抗発熱素子を提供することを目的とするものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、以上の
如き目的を達成するものとして、基板の電気絶縁性表面
上に、Ｔａ−ＳｉＯ₂ 系サーメットからなる抵抗膜と、
該抵抗膜に接続され該抵抗膜を電源に電気的に接続する
ための対をなす端子電極膜とが形成されていることを特
徴とする薄膜抵抗発熱素子、が提供される。

【０００６】本発明の一態様においては、前記抵抗膜は
負の抵抗温度係数を有する。

【０００７】本発明の一態様においては、前記抵抗膜は
Ｔａの含有率が０．５４以下であり、例えば０．５２以
下で０．４６以上である。

【０００８】本発明の一態様においては、前記抵抗膜は
厚さ０．１〜２．０μｍである。

【０００９】本発明の一態様においては、前記抵抗膜及
び前記端子電極膜を覆うように保護膜が形成されてい
る。

【００１０】また、本発明によれば、以上の如き目的を
達成するものとして、ＴａとＳｉＯ₂ とをターゲットと
して用いてスパッタリングを行うことにより基板の電気
絶縁性表面上にＴａ−ＳｉＯ₂ 系サーメットからなる抵
抗膜を形成し、該抵抗膜上の一部に電源との電気的接続
のための対をなす端子電極膜を形成することを特徴とす
る、薄膜抵抗発熱素子の製造方法、が提供される。

【００１１】本発明の一態様においては、前記ターゲッ
トとして用いるＴａとＳｉＯ₂ との比率及び前記スパッ
タリングの際に用いるＡｒガスの分圧の少なくとも一方
を制御することで、前記抵抗膜の抵抗温度係数を調整す
る。

【００１２】本発明の一態様においては、前記ターゲッ
トとして用いるＴａとＳｉＯ₂ との比率を制御し、前記
スパッタリングの際に用いるＡｒガスの分圧を制御する
ことにより、負の抵抗温度係数を有する前記抵抗膜を形
成する。

【００１３】本発明の一態様においては、前記抵抗膜及
び前記端子電極膜を覆うように保護膜を形成する。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図
面を参照しながら説明する。

【００１５】図１は本発明による薄膜抵抗発熱素子の一
実施形態を示す模式的分解斜視図であり、図２はその断
面図である。

【００１６】これらの図において、２は絶縁基板であ
る。該基板２は、例えばガラスやアルミナ等の絶縁体か
らなる。基板２上には、抵抗膜４が形成されている。該
抵抗膜４は、Ｔａ−ＳｉＯ₂ 系サーメットからなり、そ
の厚さは、例えば０．１〜２．０μｍであり、好ましく
は０．５〜１．０μｍである。抵抗膜４上には、１対の
パターン状端子電極膜６Ａ，６Ｂが形成されている。こ
れら電極膜６Ａ，６Ｂとしては、例えば膜厚０．５μｍ
程度のＮｉからなるもの又は膜厚０．１μｍ程度のＴｉ
膜と膜厚０．６μｍ程度のＮｉ膜とを積層したもの又は
膜厚０．５μｍ程度のＮｉ膜に膜厚０．１μｍ程度のＰ
ｔ膜を積層したものを用いることができる。その上に
は、抵抗膜４及び電極膜６Ａ，６Ｂを覆うように保護膜
８が形成されている。この保護膜８としては、例えば、
膜厚１μｍ程度のＳｉＯ₂ からなるものを用いることが
できる。

【００１７】図３は本発明による薄膜抵抗発熱素子の別
の実施形態を示す模式的断面図である。本図において、
上記図１〜２におけると同様の機能を有する部材には同
一の符号が付されている。この図３の実施形態では、基
板２として、Ｓｉ等の半導体からなる基体部２ａの表面
上にＳｉＯ₂ 等からなる絶縁膜２ｂを形成したものを用
いている。この絶縁膜２ｂの表面上に抵抗膜４が形成さ
れている。このように、本発明では、基板２は抵抗膜４
が形成される表面が電気絶縁性を有していればよく、そ
の下の基体部分は所望の機能要素例えば種々の電子回路
素子などを有していてもよい。

【００１８】上記抵抗膜４は、スパッタリング法を用い
て、次のようにして作製される。スパッタリングは、タ
ーゲットとしてＴａ及びＳｉＯ₂ を所望比率で含有する
Ｔａ−ＳｉＯ₂ 系サーメットを用いる。所望のＡｒガス
圧力（例えば１×１０^-4〜３×１０^-2Ｔｏｒｒ）下で、
所定の投入電力でスパッタすることで、基板２の表面上
にＴａ−ＳｉＯ₂ 系サーメットからなる抵抗膜４が形成
される。

【００１９】以上のような抵抗膜４の作製において、ス
パッタリングの条件を変化させることで、抵抗温度係数
の著しく異なる抵抗膜４が形成される。

【００２０】即ち、図４に示すように、Ｔａ−ＳｉＯ₂
系サーメットのターゲットのＴａ組成比率＝Ｔａ／（Ｔ
ａ＋ＳｉＯ₂ ）［モル比］を変化させ、得られる抵抗膜
４の組成比率を変化させることで、抵抗膜４の抵抗温度
係数を幅広い範囲で制御することができる。特に、Ｔａ
組成比率＝Ｔａ／（Ｔａ＋ＳｉＯ₂ ）［モル比］が０．
５２以下且つ０．４６以上では抵抗温度係数が負でその
絶対値が２００以上となる。Ｔａ組成比率０．５４以下
において抵抗温度係数が負となる。

【００２１】また、図５に示すように、Ａｒ圧力を変化
させることによっても、得られる抵抗膜４の抵抗温度係
数を幅広い範囲で制御することができる。特に、Ａｒ圧
力を上昇させるにつれて、温度係数が負の絶対値の大き
い方へと移行する。

【００２２】以上のように、Ｔａ組成比率を低下させ、
あるいはスパッタ時のＡｒ圧力を上昇させることで、負
の抵抗温度係数を実現することができる。

【００２３】以上のようにして得られた抵抗発熱素子
は、良好な耐久性を示す。即ち、経時的に、抵抗値の変
化が少なく、電気的特性が安定している。図６は、以上
のようにして得られた抵抗発熱素子を１２５℃の温度環
境下で放置した時の、当初抵抗値からの抵抗値の変化率
の変化を示したものである。図から分かる様に、過酷な
温度環境下で１０００時間経過後も０．２％以下の変化
しか発生せず、経時的安定性は良好である。

【００２４】上記端子電極膜６Ａ，６Ｂや保護膜８は、
真空蒸着法やスパッタリング法により作製することがで
きる。図７は本発明の抵抗発熱素子を用いたサーマルヘ
ッドの一例を示す部分平面図であり、図８はそのＸ−Ｘ
断面図である。これらの図において、上記図１〜３にお
けると同様の機能を有する部材には同一の符号が付され
ている。

【００２５】図７に示されているように、基板２上に
は、複数の微小な発熱ドットパターン〜が縦方向に
１列に配列されており、各発熱ドットパターンでは微小
面積の抵抗膜４に１対の電極膜６Ａ，６Ｂが接続されて
いる。各発熱ドットパターンについて、不図示の電源か
ら電極膜６Ａ，６Ｂを介して抵抗膜４に対して適時に通
電のＯＮ−ＯＦＦが行われ、抵抗膜４が発熱せしめられ
る。サーマルヘッドは、発熱ドットパターンを不図示の
感熱記録用紙と当接しながら、記録用紙に対して矢印Ｒ
の方向（発熱ドットパターン配列の方向と直交する方
向）に相対的に移動する。

【００２６】このサーマルヘッドは、本発明の薄膜抵抗
発熱素子を用いていることで、耐久性は良好であり、小
型化が容易である。また、発熱に伴い抵抗値が低下する
ので、所要の発熱量を得るために要する通電ＯＮの時間
を短縮することができ、サーマル記録の記録速度の向上
及び節電の点で有利である。

【００２７】図９は本発明の抵抗発熱素子を用いた傍熱
型流量センサーの流量検知素子の一例を示す分解斜視図
である。この図において、上記図１〜３におけると同様
の機能を有する部材には同一の符号が付されている。

【００２８】図９に示されているように、保護膜８上に
は、流量検知用感温膜１０が形成されている。この感温
膜１０としては膜厚０．５〜１μｍ程度で所望形状例え
ば蛇行形状にパターニングした白金やニッケルなどの温
度係数が大きく安定な金属抵抗膜を用いることができる
（あるいは酸化マンガン系のＮＴＣサーミスターからな
るものを用いることもできる）。感温膜１０の上には絶
縁膜１２が形成されている。この絶縁膜１２としては、
例えば、膜厚１μｍ程度のＳｉＯ₂ からなるものを用い
ることができる。このように、抵抗膜４と感温膜１０と
が薄膜（保護膜８）を介して極く近接して配置されてい
ることにより、感温膜１０は抵抗膜４の発熱の影響を直
ちに受けることになる。

【００２９】本実施形態の流量検知素子は、基板２とし
ては例えば厚さ０．５ｍｍ程度で大きさ２〜３ｍｍ角程
度のものを用いて、小さなチップ状とすることが可能で
ある。また、基板２は、被測定流体との間での熱伝導が
良好となるように、被測定流体に曝されるケーシングな
どに直接取り付けるのが好ましい。

【００３０】図１０は本実施形態の流量検知素子を用い
た傍熱型流量センサーの回路構成図である。

【００３１】直流電源４０の電圧が、一方ではタイマー
回路２０を介して抵抗膜４に印加されており、他方では
ブリッジ回路４２に印加されている。ブリッジ回路４２
中の差動増幅器４４の出力が平均化処理回路４６に入力
され、該平均化処理回路４６から流量を示す出力信号が
得られる。ブリッジ回路４２は上記感温膜１０と温度補
償用の感温体（感温膜１０と同一の材料からなるものを
使用でき、流量検知素子とは離れた位置で被測定流体の
温度検知を行う）２２と他の抵抗体２４，２６とを含ん
で構成されており、感温膜１０は上記抵抗膜４とともに
上記図９で示される流量検知素子１４を構成している。

【００３２】タイマー回路２０は適宜の周期でＯＮ−Ｏ
ＦＦ（断続）を行い、抵抗膜４には間欠的に電源電圧が
印加される。図１１に差動増幅器４４の出力信号４４’
及び平均化処理回路４６の出力信号４６’の一例を示
す。抵抗膜４で発生する熱は感温膜１０に到達して該感
温膜１０の温度上昇をもたらすが、流量検知素子１４が
被測定流体により冷却されるので感温膜１０の温度上昇
は流体流量に依存している。この感温膜１０の温度上昇
に対応する抵抗値の変化分が差動増幅器４４の出力４
４’として得られる。この出力は４４’は、タイマー回
路２０のＯＮ−ＯＦＦに応じた周期で変動する。平均化
処理回路４６では、例えばタイマー回路２０のＯＮ−Ｏ
ＦＦの直前１〜２周期の差動増幅器出力４４’の最大値
と最小値との平均をとることにより、平均化出力４６’
を得ている。この出力４６’は、通電開始後適宜の時間
で一定値へと収束する。この値は、被測定流体の流量に
対応している。

【００３３】以上のような流量センサーでは、抵抗膜４
を断続的に発熱させることで、連続通電の場合より被測
定流体に対する加熱を少なくした状態で流量測定を行う
ことができ、被測定流体が可燃性流体である場合でもそ
の着火爆発の危険性を低減することができる。抵抗膜４
への断続通電の周期または１周期内における通電時間の
比率（デューティ比）を変化させることで、出力４
４’，４６’の絶対値を変化させることができ、タイマ
ー回路２０をこのような周期可変及び／またはデューテ
ィ比可変とすることにより、被測定流体の種類に応じて
最適レベルの出力４４’，４６’を得るようにすること
ができる。

【００３４】以上のような流量センサーに用いられる抵
抗発熱素子は、断続通電の際の発熱応答が良好で、しか
も耐久性が良好で、小型化が可能であることが要望され
るが、本発明の抵抗発熱素子はこのような要望を満たす
ものである。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
断続通電の際の発熱が良好で、しかも耐久性が良好で、
小型化が可能な抵抗発熱素子が提供される。

【００３６】また、本発明によれば、Ｔａ−ＳｉＯ₂ 系
サーメット膜を抵抗体として用いているので、抵抗温度
係数を製造条件に応じて容易に制御でき、所望の特性の
抵抗発熱素子を容易に得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による薄膜抵抗発熱素子の一実施形態を
示す模式的分解斜視図である。

【図２】本発明による薄膜抵抗発熱素子の一実施形態を
示す断面図である。

【図３】本発明による薄膜抵抗発熱素子の別の実施形態
を示す模式的断面図である。

【図４】Ｔａ−ＳｉＯ₂ 系サーメットのターゲットのＴ
ａ組成比率を変化させたときに得られる抵抗膜の抵抗温
度係数の変化を示すグラフである。

【図５】Ａｒ圧力を変化させたときに得られる抵抗膜の
抵抗温度係数の変化を示すグラフである。

【図６】抵抗発熱素子の抵抗値の変化率の経時変化を示
すグラフである。

【図７】本発明の抵抗発熱素子を用いたサーマルヘッド
の一例を示す部分平面図である。

【図８】図７のＸ−Ｘ断面図である。

【図９】本発明の抵抗発熱素子を用いた傍熱型流量セン
サーの流量検知素子の一例を示す分解斜視図である。

【図１０】本発明の抵抗発熱素子を用いた流量検知素子
を用いた傍熱型流量センサーの回路構成図である。

【図１１】図１０の傍熱型流量センサーにおける差動増
幅器の出力信号及び平均化処理回路の出力信号の一例を
示すグラフである。

【符号の説明】２絶縁基板２ａ基板基体部２ｂ基板絶縁膜４抵抗膜６Ａ，６Ｂ端子電極膜８保護膜１０流量検知用感温膜１２絶縁膜２２温度補償用感温体２４，２６抵抗体４０直流電源４４差動増幅器４６平均化処理回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩ // Ｈ０１Ｃ 7/06 Ｈ０１Ｃ 17/12

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板の電気絶縁性表面上に、Ｔａ−Ｓｉ
Ｏ₂ 系サーメットからなる抵抗膜と、該抵抗膜に接続さ
れ該抵抗膜を電源に電気的に接続するための対をなす端
子電極膜とが形成されていることを特徴とする薄膜抵抗
発熱素子。
【請求項２】前記抵抗膜は負の抵抗温度係数を有する
ことを特徴とする、請求項１に記載の薄膜抵抗発熱素
子。
【請求項３】前記抵抗膜はＴａの含有率が０．５４以
下であることを特徴とする、請求項１〜２のいずれかに
記載の薄膜抵抗発熱素子。
【請求項４】前記抵抗膜はＴａの含有率が０．５２以
下で０．４６以上であることを特徴とする、請求項３に
記載の薄膜抵抗発熱素子。
【請求項５】前記抵抗膜は厚さ０．１〜２．０μｍで
あることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載
の薄膜抵抗発熱素子。
【請求項６】前記抵抗膜及び前記端子電極膜を覆うよ
うに保護膜が形成されていることを特徴とする、請求項
１〜５のいずれかに記載の薄膜抵抗発熱素子。
【請求項７】ＴａとＳｉＯ₂ とをターゲットとして用
いてスパッタリングを行うことにより基板の電気絶縁性
表面上にＴａ−ＳｉＯ₂ 系サーメットからなる抵抗膜を
形成し、該抵抗膜上の一部に電源との電気的接続のため
の対をなす端子電極膜を形成することを特徴とする、薄
膜抵抗発熱素子の製造方法。
【請求項８】前記ターゲットとして用いるＴａとＳｉ
Ｏ₂ との比率及び前記スパッタリングの際に用いるＡｒ
ガスの分圧の少なくとも一方を制御することで、前記抵
抗膜の抵抗温度係数を調整することを特徴とする、請求
項７に記載の薄膜抵抗発熱素子の製造方法。
【請求項９】前記ターゲットとして用いるＴａとＳｉ
Ｏ₂ との比率を制御し、前記スパッタリングの際に用い
るＡｒガスの分圧を制御することにより、負の抵抗温度
係数を有する前記抵抗膜を形成することを特徴とする、
請求項７〜８のいずれかに記載の薄膜抵抗発熱素子の製
造方法。
【請求項１０】前記抵抗膜及び前記端子電極膜を覆う
ように保護膜を形成することを特徴とする、請求項７〜
９のいずれかに記載の薄膜抵抗発熱素子の製造方法。