KR102027626B1

KR102027626B1 - 온도 센서

Info

Publication number: KR102027626B1
Application number: KR1020157005774A
Authority: KR
Inventors: 노리아키 나가토모; 히토시 이나바; 히로시 다나카; 가즈타 다케시마
Original assignee: 미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤
Priority date: 2012-09-06
Filing date: 2013-09-03
Publication date: 2019-10-01
Also published as: EP2894447A4; CN104508442A; WO2014038719A1; CN104508442B; US9851262B2; JP5896157B2; US20150226616A1; EP2894447A1; KR20150052067A; JP2014052228A; EP2894447B1; IN2015DN01724A; TW201423071A

Abstract

가열 롤러 등에 갖다 대어 온도를 검출할 때, 응답성이 우수한 온도 센서를 제공한다. 한 쌍의 리드 프레임 (2) 과, 한 쌍의 리드 프레임에 접속된 센서부 (3) 와, 한 쌍의 리드 프레임에 고정되어 리드 프레임을 유지하는 절연성의 유지부 (4) 를 구비하고, 센서부가 절연성 필름 (6) 과, 절연성 필름의 표면에 서미스터 재료로 패턴 형성된 박막 서미스터부 (7) 와, 박막 서미스터부 상에 복수의 빗살부를 가지며 서로 대향하여 패턴 형성된 한 쌍의 빗살형 전극 (8) 과, 한 쌍의 빗살형 전극에 접속되어 절연성 필름의 표면에 패턴 형성된 한 쌍의 패턴 전극 (9) 을 구비하고, 한 쌍의 리드 프레임이 절연성 필름의 표면에 박막 서미스터부를 사이에 배치하여 연장시켜 접착되어 있음과 함께 한 쌍의 패턴 전극 (9) 에 접속되어 있다.

Description

온도 센서{TEMPERATURE SENSOR}

본 발명은 복사기나 프린터 등의 가열 롤러의 온도를 측정하기에 적합하여 응답성이 우수한 온도 센서에 관한 것이다.

일반적으로 복사기나 프린터에 사용되고 있는 가열 롤러에는, 그 온도를 측정하기 위해서 온도 센서가 접촉 상태로 설치되어 있다. 이와 같은 온도 센서로는, 예를 들어 특허문헌 1 및 2 에, 한 쌍의 리드 프레임과, 이들 리드 프레임 사이에 배치 형성되어 접속된 감열 소자와, 한 쌍의 리드 프레임의 단부에 형성된 유지부와, 리드 프레임 및 감열 소자의 편면에 형성되어 가열 롤러에 접촉시키는 박막 시트를 갖는 온도 센서가 제안되어 있다.

이와 같은 온도 센서는, 가열 롤러의 표면에 리드 프레임의 탄성력을 이용하여 접촉되어, 온도 검지하는 것이다.

또한, 상기 특허문헌 1 에는, 감열 소자로서 비드 서미스터나 칩 서미스터가 채용되어 있음과 함께, 특허문헌 2 에는, 감열 소자로서 알루미나 등의 절연 기판의 일면에 감열막이 형성된 박막 서미스터가 채용되어 있다. 이 박막 서미스터는, 절연 기판의 일면에 형성된 감열막과, 그 감열막과 한 쌍의 리드 프레임을 접속하는 한 쌍의 리드부와, 감열막을 덮는 보호막으로 구성되어 있다.

일본 특허공보 평6-29793호 일본 공개특허공보 2000-74752호 일본 공개특허공보 2004-319737호

상기 종래의 기술에는 이하의 과제가 남아 있다.

즉, 특허문헌 1 에 기재된 기술에서는, 감열 소자로서 비드 서미스터 등을 사용하고 있지만, 이 경우 약 1 ㎜ 정도의 구상 혹은 타원상이기 때문에, 가열 롤러에 점 접촉하여 정확한 온도 검지가 어려움과 함께, 체적이 있기 때문에 응답성이 나쁘다는 문제가 있었다. 또, 점 접촉이기 때문에, 회전하는 롤러 표면에 흠집을 낼 우려도 있었다.

또, 특허문헌 2 에 기재된 기술에서는, 감열 소자로서 박막 서미스터를 사용하고 있기 때문에, 가열 롤러에는 면 접촉할 수 있지만, 박막 서미스터를 구성하는 절연 기판이나 리드부를 포함시키면, 여전히 체적이 있기 때문에 응답성이 나쁘다는 문제가 있었다.

본 발명은 전술한 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 가열 롤러 등에 갖다 대어 온도를 검출할 때, 응답성이 우수한 온도 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해서 이하의 구성을 채용하였다. 즉, 제 1 발명에 관련된 온도 센서는, 한 쌍의 리드 프레임과, 상기 한 쌍의 리드 프레임에 접속된 센서부와, 상기 한 쌍의 리드 프레임에 고정되어 상기 리드 프레임을 유지하는 절연성의 유지부를 구비하고, 상기 센서부가 절연성 필름과, 그 절연성 필름의 표면에 서미스터 재료로 패턴 형성된 박막 서미스터부와, 상기 박막 서미스터부의 위 및 아래의 적어도 일방에 복수의 빗살부를 가지며 서로 대향하여 패턴 형성된 한 쌍의 빗살형 전극과, 상기 한 쌍의 빗살형 전극에 접속되어 상기 절연성 필름의 표면에 패턴 형성된 한 쌍의 패턴 전극을 구비하고, 상기 한 쌍의 리드 프레임이 상기 절연성 필름의 표면에 상기 박막 서미스터부를 사이에 배치하여 연장시켜 접착되어 있음과 함께 상기 한 쌍의 패턴 전극에 접속되어 있는 것을 특징으로 한다.

이 온도 센서에서는, 한 쌍의 리드 프레임이 절연성 필름의 표면에 박막 서미스터부를 사이에 배치하여 연장시켜 접착되어 있기 때문에, 절연성 필름의 강성을 확보하여 센서부를 지지할 수 있다. 또, 리드 프레임에 지지된 절연성 필름에 직접 형성된 박막 서미스터부에 의해 전체의 두께가 얇아져 작은 체적에 의해 우수한 응답성을 얻을 수 있다. 또, 한 쌍의 리드 프레임이 한 쌍의 패턴 전극에 접속되어 있기 때문에, 박막 서미스터부와 리드 프레임이 절연성 필름에 직접 형성된 패턴 전극으로 접속됨으로써, 패턴 형성된 얇은 배선에 의해 리드선 등으로 접속되었을 경우에 비해 리드 프레임측과의 열전도성의 영향이 억제된다. 또한, 측정 대상물에 대한 접촉 부분의 평탄성이 높고, 면 접촉하기 때문에, 정확한 온도 검지가 가능함과 함께 회전하는 가열 롤러 등의 측정 대상물의 표면을 잘 흠집내지 않는다.

제 2 발명에 관련된 온도 센서는, 제 1 발명에 있어서, 상기 절연성 필름이 대략 장방 형상으로 되고, 상기 한 쌍의 리드 프레임이 상기 절연성 필름의 연장 방향의 대략 전체 길이에 걸쳐 연장되고, 상기 박막 서미스터부가 상기 절연성 필름의 일단측에 배치되어 있음과 함께, 상기 패턴 전극이 상기 절연성 필름의 일단측으로부터 타단측으로 연장되어 형성되고, 그 타단측에서 상기 리드 프레임에 접속되어 있는 것을 특징으로 한다.

즉, 이 온도 센서에서는, 패턴 전극이 절연성 필름의 일단측으로부터 타단측으로 연장되어 형성되고, 그 타단측에서 리드 프레임에 접속되어 있기 때문에, 얇은 패턴 전극이 길게 연장되고, 또한 리드 프레임과의 접속부가 박막 서미스터부로부터 떨어져 설정됨으로써, 리드 프레임으로의 열전달이 더욱 억제되어 보다 정확하고 응답성이 높은 온도 측정이 가능해진다.

제 3 발명에 관련된 온도 센서는, 제 2 발명에 있어서, 상기 한 쌍의 패턴 전극이 미앤더상으로 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

즉, 이 온도 센서에서는, 한 쌍의 패턴 전극이 미앤더상으로 형성되어 있기 때문에, 보다 패턴 전극이 길어지고, 나아가 리드 프레임으로의 열전도를 억제하는 것이 가능해진다.

제 4 발명에 관련된 온도 센서는, 제 1 내지 제 3 발명 중 어느 하나에 있어서, 상기 절연성 필름의 표면에 적어도 상기 리드 프레임을 덮은 절연성의 보호 시트가 접착되어 있는 것을 특징으로 한다.

즉, 이 온도 센서에서는, 절연성 필름의 표면에 적어도 리드 프레임을 덮은 절연성의 보호 시트가 접착되어 있기 때문에, 리드 프레임을 절연성 필름과 보호 시트 사이에 두어 안정적으로 유지하는 할 수 있음과 함께 절연성 필름의 강성을 향상시킬 수 있다.

제 5 발명에 관련된 온도 센서는, 제 1 내지 제 4 발명 중 어느 하나에 있어서, 상기 박막 서미스터부가, 일반식 ： Ti_xAl_yN_z (0.70≤y/(x＋y)≤0.95, 0.4≤z≤0.5, x＋y＋z = 1) 로 나타내는 금속 질화물로 이루어지고, 그 결정 구조가 육방정계의 우르츠광형의 단상인 것을 특징으로 한다.

일반적으로 온도 센서 등에 사용되는 서미스터 재료는, 고정밀도, 고감도 때문에 높은 B 정수 (定數) 가 요구되고 있다. 종래, 이와 같은 서미스터 재료에는 Mn, Co, Fe 등의 천이 금속 산화물이 일반적이다. 또, 이들 서미스터 재료에서는 안정된 서미스터 특성을 얻기 위해서, 600 ℃ 이상의 소성이 필요하다.

또, 상기와 같은 금속 산화물로 이루어지는 서미스터 재료 외에 예를 들어 특허문헌 3 에서는, 일반식 ： M_xA_yN_z(단, M 은 Ta, Nb, Cr, Ti 및 Zr 의 적어도 1 종, A 는 Al, Si 및 B 의 적어도 1 종을 나타낸다. 0.1≤x≤0.8, 0＜y≤0.6, 0.1≤z≤0.8, x＋y＋z = 1) 로 나타내는 질화물로 이루어지는 서미스터용 재료가 제안되어 있다. 또, 이 특허문헌 3 에서는, Ta-Al-N 계 재료이고, 0.5≤x≤0.8, 0.1≤y≤0.5, 0.2≤z≤0.7, x＋y＋z = 1 로 한 것만이 실시예로서 기재되어 있다. 이 Ta-Al-N 계 재료에서는, 상기 원소를 함유하는 재료를 타겟으로서 이용하고, 질소 가스 함유 분위기 중에서 스퍼터링을 실시하여 제작되고 있다. 또, 필요에 따라 얻어진 박막을 350 ∼ 600 ℃ 에서 열처리를 실시하고 있다.

최근 수지 필름 상에 서미스터 재료를 형성한 필름형 서미스터 센서의 개발이 검토되고 있으며, 필름에 직접 성막할 수 있는 서미스터 재료의 개발이 요망되고 있다. 즉, 필름을 사용함으로써 플렉시블한 서미스터 센서가 얻어지는 것이 기대된다. 또한, 0.1 ㎜ 정도의 두께를 갖는 매우 얇은 서미스터 센서의 개발이 요망되고 있는데, 종래에는 알루미나 등의 세라믹스 재료를 사용한 기판 재료가 자주 이용되어, 예를 들어 두께 0.1 ㎜ 로 얇게 하면 매우 취약하여 부서지기 쉬운 등의 문제가 있었지만, 필름을 사용함으로써 매우 얇은 서미스터 센서가 얻어지는 것이 기대된다.

종래 TiAlN 으로 이루어지는 질화물계 서미스터를 형성한 온도 센서에서는, 필름 상에 TiAlN 으로 이루어지는 서미스터 재료층과 전극을 적층하여 형성하는 경우, 서미스터 재료층 상에 Au 등의 전극층을 성막하고, 복수의 빗살부를 가진 빗살형으로 패터닝하고 있다. 그러나, 이 서미스터 재료층은 곡률 반경이 크게 완만하게 구부러진 경우에는, 크랙이 잘 생기지 않아 저항치 등의 전기 특성에 변화가 없지만, 곡률 반경이 작게 심하게 구부렸을 경우에, 크랙이 발생하기 쉬워져 저항치 등이 크게 변화되어 전기 특성의 신뢰성이 낮아져 버린다. 특히, 필름을 빗살부의 연장 방향과 직교하는 방향으로 작은 곡률 반경으로 심하게 구부렸을 경우, 빗살부의 연장 방향으로 구부렸을 경우에 비해 빗살형 전극과 서미스터 재료층의 응력차에 의해 전극 에지 부근에 크랙이 발생하기 쉬워져 전기 특성의 신뢰성이 저하되어 버리는 문제가 있었다.

또, 수지 재료로 구성되는 필름은 일반적으로 내열 온도가 150 ℃ 이하로 낮고, 비교적 내열 온도가 높은 재료로서 알려진 폴리이미드라도 300 ℃ 정도의 내열성밖에 없기 때문에, 서미스터 재료의 형성 공정에 있어서 열처리가 가해지는 경우에는 적용이 곤란하였다. 상기 종래의 산화물 서미스터 재료에서는, 원하는 서미스터 특성을 실현하기 위해서 600 ℃ 이상의 소성이 필요하여, 필름에 직접 성막한 필름형 서미스터 센서를 실현할 수 없다는 문제점이 있었다. 그 때문에, 비소성으로 직접 성막할 수 있는 서미스터 재료의 개발이 요망되고 있는데, 상기 특허문헌 3 에 기재된 서미스터 재료에서도 원하는 서미스터 특성을 얻기 위해서, 필요에 따라 얻어진 박막을 350 ∼ 600 ℃ 에서 열처리할 필요가 있었다. 또, 이 서미스터 재료에서는 Ta-Al-N 계 재료의 실시예에 있어서, B 정수 ： 500 ∼ 3000 K 정도의 재료가 얻어지고 있지만, 내열성에 관한 기술이 없어 질화물계 재료의 열적 신뢰성이 불분명하였다.

본 발명자들은 질화물 재료 중에서도 AlN 계에 주목하여 예의 연구를 진행시킨 결과, 절연체인 AlN 은 최적인 서미스터 특성 (B 정수 ： 1000 ∼ 6000 K 정도) 을 얻기가 어렵기 때문에, Al 사이트를 전기 전도를 향상시키는 특정 금속 원소로 치환함과 함께 특정 결정 구조로 함으로써, 비소성으로 양호한 B 정수와 내열성이 얻어지는 것을 알아내었다.

따라서, 본 발명은 상기 지견으로부터 얻어진 것으로, 박막 서미스터부가, 일반식 ： Ti_xAl_yN_z(0.70≤y/(x＋y)≤0.95, 0.4≤z≤0.5, x＋y＋z = 1) 로 나타내는 금속 질화물로 이루어지고, 그 결정 구조가 육방정계의 우르츠광형의 단상이므로, 비소성으로 양호한 B 정수가 얻어짐과 함께 높은 내열성을 갖고 있다.

또한, 상기 「y/(x＋y)」(즉, Al/(Ti＋Al)) 가 0.70 미만이면, 우르츠광형의 단상이 얻어지지 않고, NaCl 형상 (相) 과의 공존상 또는 NaCl 형상만의 상이 되어 버려 충분한 고저항과 고 B 정수가 얻어지지 않는다.

또, 상기 「y/(x＋y)」(즉, Al/(Ti＋Al)) 가 0.95 를 초과하면, 저항률이 매우 높고, 극히 높은 절연성을 나타내기 때문에, 서미스터 재료로서 적용할 수 없다.

또, 상기 「z」(즉, N/(Ti＋Al＋N)) 가 0.4 미만이면, 금속의 질화량이 적기 때문에, 우르츠광형의 단상이 얻어지지 않아 충분한 고저항과 고 B 정수가 얻어지지 않는다.

또한, 상기 「z」(즉, N/(Ti＋Al＋N)) 가 0.5 를 초과하면, 우르츠광형의 단상을 얻을 수 없다. 이는 우르츠광형의 단상에 있어서, 질소 사이트에 있어서의 결함이 없는 경우의 올바른 화학량론비는 N/(Ti＋Al＋N) = 0.5 인 것에서 기인한다.

본 발명에 의하면 이하의 효과를 발휘한다.

즉, 본 발명에 관련된 온도 센서에 의하면, 한 쌍의 리드 프레임이 절연성 필름의 표면에 박막 서미스터부를 사이에 배치하여 연장시켜 접착되어 있음과 함께 한 쌍의 패턴 전극에 접속되어 있기 때문에, 얇은 절연성 필름에 직접 형성된 박막 서미스터부와 얇은 패턴 전극에 의해 우수한 응답성을 얻을 수 있음과 함께 정확한 온도 측정이 가능해진다.

또한, 박막 서미스터부를, 일반식 ： Ti_xAl_yN_z(0.70≤y/(x＋y)≤0.95, 0.4≤z≤0.5, x＋y＋z = 1) 로 나타내는 금속 질화물로 이루어지고, 그 결정 구조가 육방정계의 우르츠광형의 단상인 재료로 함으로써, 비소성으로 양호한 B 정수가 얻어짐과 함께 높은 내열성이 얻어진다.

따라서, 본 발명의 온도 센서에 의하면, 리드 프레임과 절연성 필름에 의한 플렉시블한 면 접촉이 가능함과 함께, 높은 응답성으로 정확하게 온도를 측정할 수 있어, 복사기나 프린터 등의 가열 롤러의 온도용으로서 바람직하다.

도 1 은 본 발명에 관련된 온도 센서의 제 1 실시형태를 나타내는 평면도 및 정면도이다.
도 2 는 제 1 실시형태에 있어서 센서부를 나타내는 평면도 및 단면도이다.
도 3 은 제 1 실시형태에 있어서 서미스터용 금속 질화물 재료의 조성 범위를 나타내는 Ti-Al-N 계 3 원계 상도 (相圖) 이다.
도 4 는 제 1 실시형태에 있어서 박막 서미스터부 형성 공정을 나타내는 평면도 및 단면도이다.
도 5 는 제 1 실시형태에 있어서 전극 형성 공정을 나타내는 평면도 및 단면도이다.
도 6 은 제 1 실시형태에 있어서 리드 프레임 접착 공정을 나타내는 평면도 및 정면도이다.
도 7 은 본 발명에 관련된 온도 센서의 제 2 실시형태에 있어서 센서부를 나타내는 평면도 및 단면도이다.
도 8 은 제 2 실시형태에 있어서 온도 센서를 나타내는 평면도 및 정면도이다.
도 9 는 본 발명에 관련된 온도 센서의 제 3 실시형태에 있어서 센서부를 나타내는 평면도 및 단면도이다.
도 10 은 제 3 실시형태에 있어서 온도 센서를 나타내는 평면도 및 정면도이다.
도 11 은 본 발명에 관련된 온도 센서의 실시예에 있어서 서미스터용 금속 질화물 재료의 막 평가용 소자를 나타내는 정면도 및 평면도이다.
도 12 는 본 발명에 관련된 실시예 및 비교예에 있어서 25 ℃ 저항률과 B 정수의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 13 은 본 발명에 관련된 실시예 및 비교예에 있어서 Al/(Ti＋Al) 비와 B 정수의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 14 는 본 발명에 관련된 실시예에 있어서 Al/(Ti＋Al) = 0.84 로 한 c 축 배향이 강한 경우에 있어서의 X 선 회절 (XRD) 의 결과를 나타내는 그래프이다.
도 15 는 본 발명에 관련된 실시예에 있어서 Al/(Ti＋Al) = 0.83 으로 한 a 축 배향이 강한 경우에 있어서의 X 선 회절 (XRD) 의 결과를 나타내는 그래프이다.
도 16 은 본 발명에 관련된 비교예에 있어서 Al/(Ti＋Al) = 0.60 으로 했을 경우에 있어서의 X 선 회절 (XRD) 의 결과를 나타내는 그래프이다.
도 17 은 본 발명에 관련된 실시예에 있어서 a 축 배향이 강한 실시예와 c 축 배향이 강한 실시예를 비교한 Al/(Ti＋Al) 비와 B 정수의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 18 은 본 발명에 관련된 실시예에 있어서 c 축 배향이 강한 실시예를 나타내는 단면 SEM 사진이다.
도 19 는 본 발명에 관련된 실시예에 있어서 a 축 배향이 강한 실시예를 나타내는 단면 SEM 사진이다.

이하, 본 발명에 관련된 온도 센서에 있어서의 제 1 실시형태를 도 1 내지 도 6 을 참조하면서 설명한다. 또한, 이하의 설명에 사용하는 도면의 일부에서는 각부를 인식 가능 또는 인식 용이한 크기로 하기 위해서 필요에 따라 축척을 적절히 변경하고 있다.

본 실시형태의 온도 센서 (1) 는, 도 1 및 도 2 에 나타내는 바와 같이, 한 쌍의 리드 프레임 (2) 과, 한 쌍의 리드 프레임 (2) 에 접속된 센서부 (3) 와, 한 쌍의 리드 프레임 (2) 에 고정되어 리드 프레임 (2) 을 유지하는 절연성의 유지부 (4) 를 구비하고 있다.

상기 한 쌍의 리드 프레임 (2) 은, 구리계 합금, 철계 합금 또는 스테인리스 등의 합금으로 형성되어 있고, 수지제의 유지부 (4) 에 의해 일정 간격을 유지한 상태로 지지되어 있다. 또한, 한 쌍의 리드 프레임 (2) 은, 유지부 (4) 내에서 한 쌍의 리드선 (5) 에 접속되어 있다. 또, 유지부 (4) 에는 장착용 구멍 (4a) 이 형성되어 있다.

상기 센서부 (3) 는 필름형 서미스터 센서로서, 절연성 필름 (6) 과, 그 절연성 필름 (6) 의 표면에 서미스터 재료로 패턴 형성된 박막 서미스터부 (7) 와, 박막 서미스터부 (7) 상에 복수의 빗살부 (8a) 를 가지며 서로 대향하여 패턴 형성된 한 쌍의 빗살형 전극 (8) 과, 한 쌍의 빗살형 전극 (8) 에 접속되어 절연성 필름 (6) 의 표면에 패턴 형성된 한 쌍의 패턴 전극 (9) 과, 박막 서미스터부 (7) 및 빗살형 전극 (8) 을 덮는 절연성의 보호막 (10) 을 구비하고 있다. 또, 절연성 필름 (6) 의 표면에는 박막 서미스터부 (7), 패턴 전극 (9) 및 리드 프레임 (2) 을 덮은 절연성의 보호 시트 (11) 가 접착되어 있다.

상기 한 쌍의 리드 프레임 (2) 은, 절연성 필름 (6) 의 표면에 박막 서미스터부 (7) 를 사이에 배치하여 연장시켜 도전성 수지 접착제 등의 접착제 (도시 생략) 에 의해 접착되어 있음과 함께, 한 쌍의 패턴 전극 (9) 에 접속되어 있다.

상기 절연성 필름 (6) 은, 대략 장방 형상으로 되고, 예를 들어 두께 7.5 ∼ 125 ㎛ 의 폴리이미드 수지 시트로 대상 (帶狀) 으로 형성되어 있다. 또한, 절연성 필름 (6) 으로는, 그 밖에 PET ： 폴리에틸렌테레프탈레이트, PEN ： 폴리에틸렌나프탈레이트 등으로도 제작할 수 있지만, 가열 롤러의 온도 측정용으로는 최고 사용 온도가 230 ℃ 로 높기 때문에 폴리이미드 필름이 바람직하다.

한 쌍의 리드 프레임 (2) 은, 절연성 필름 (6) 의 연장 방향의 대략 전체 길이에 걸쳐 연장되어 절연성 필름 (6) 에 접착되어 있다.

상기 한 쌍의 패턴 전극 (9) 의 기단부에는, 단자부 (9a) 가 형성되고, 이 단자부 (9a) 에 리드 프레임 (2) 이 도전성 수지 접착제 등에 의해 접속되어 있다.

상기 박막 서미스터부 (7) 는 절연성 필름 (6) 의 일단측에 배치되고, TiAlN 의 서미스터 재료로 형성되어 있다. 특히, 박막 서미스터부 (7) 는, 일반식 ： Ti_xAl_yN_z(0.70≤y/(x＋y)≤0.95, 0.4≤z≤0.5, x＋y＋z = 1) 로 나타내는 금속 질화물로 이루어지고, 그 결정 구조가 육방정계의 우르츠광형의 단상이다.

상기 패턴 전극 (9) 및 빗살형 전극 (8) 은, 박막 서미스터부 (7) 상에 형성된 막두께 5 ∼ 100 ㎚ 의 Cr 또는 NiCr 의 접합층과, 그 접합층 상에 Au 등의 귀금속으로 막두께 50 ∼ 1000 ㎚ 로 형성된 전극층을 갖고 있다.

한 쌍의 빗살형 전극 (8) 은, 서로 대향 상태로 배치되어 서로 번갈아 빗살부 (8a) 가 나열된 빗살형 패턴으로 되어 있다.

또한, 빗살부 (8a) 는 절연성 필름 (6) 의 연장 방향 (리드 프레임 (2) 의 연장 방향) 을 따라 연장되어 있다. 즉, 절연성 필름 (6) 의 이면이 회전하는 가열 롤러에 갖다 대어져 온도 측정을 실시하는데, 이 때 절연성 필름 (6) 의 연장 방향으로 곡률을 가지며 만곡되기 때문에, 박막 서미스터부 (7) 에도 동일 방향으로 굽힘 응력이 가해진다. 이 때, 빗살부 (8a) 가 동일 방향으로 연장되어 있기 때문에, 박막 서미스터부 (7) 를 보강하게 되어 크랙의 발생을 억제할 수 있다.

한 쌍의 패턴 전극 (9) 은, 빗살형 전극 (8) 에 선단부가 접속되고, 기단부가 절연성 필름 (6) 의 양측부에 배치된 상기 단자부 (9a) 로 되어 있다.

상기 보호막 (10) 은 절연성 수지막 등이며, 예를 들어 두께 20 ㎛ 의 폴리이미드막이 채용된다.

상기 박막 서미스터부 (7) 는, 상기 서술한 바와 같이 금속 질화물 재료로서, 일반식 ： Ti_xAl_yN_z(0.70≤y/(x＋y)≤0.95, 0.4≤z≤0.5, x＋y＋z = 1) 로 나타내는 금속 질화물로 이루어지고, 그 결정 구조가 육방정계의 결정계로서 우르츠광형 (공간군 P6₃mc (No. 186)) 의 단상이다. 즉, 이 금속 질화물 재료는, 도 3 에 나타내는 바와 같이, Ti-Al-N 계 3 원계 상도에 있어서의 점 A, B, C, D 로 둘러싸이는 영역 내의 조성을 가지며, 결정상이 우르츠광형인 금속 질화물이다.

또한, 상기 점 A, B, C, D 의 각 조성비 (x, y, z) (원자％) 는, A (15, 35, 50), B (2.5, 47.5, 50), C (3, 57, 40), D (18, 42, 40) 이다.

또, 이 박막 서미스터부 (7) 는, 예를 들어 막두께 100 ∼ 1000 ㎚ 의 막상 (膜狀) 으로 형성되고, 상기 막의 표면에 대하여 수직 방향으로 연장되어 있는 주상 (柱狀) 결정이다. 또한, 막의 표면에 대하여 수직 방향으로 a 축보다 c 축이 강하게 배향되어 있는 것이 바람직하다.

또한, 막의 표면에 대하여 수직 방향 (막두께 방향) 으로 a 축 배향 (100) 이 강한지 c 축 배향 (002) 이 강한지의 판단은, X 선 회절 (XRD) 을 이용하여 결정축의 배향성을 조사함으로써, (100) (a 축 배향을 나타내는 밀러 지수) 와 (002) (c 축 배향을 나타내는 밀러 지수) 의 피크 강도비로부터 「(100) 의 피크 강도」/「(002) 의 피크 강도」가 1 미만인 것으로 결정한다.

이 온도 센서 (1) 의 제조 방법에 대하여, 도 4 내지 도 6 을 참조하여 이하에 설명한다.

본 실시형태의 온도 센서 (1) 의 제조 방법은, 절연성 필름 (6) 상에 박막 서미스터부 (7) 를 패턴 형성하는 박막 서미스터부 형성 공정과, 서로 대향한 한 쌍의 빗살형 전극 (8) 을 박막 서미스터부 (7) 상에 배치하여 절연성 필름 (6) 상에 한 쌍의 패턴 전극 (9) 을 패턴 형성하는 전극 형성 공정과, 절연성 필름 (6) 의 표면에 보호막 (10) 을 형성하는 보호막 형성 공정과, 절연성 필름 (6) 의 표면에 박막 서미스터부 (7), 빗살형 전극 (8), 패턴 전극 (9), 보호막 (10) 및 리드 프레임 (2) 을 덮는 보호 시트 (11) 를 접착하는 시트 접착 공정을 갖고 있다.

보다 구체적인 제조 방법의 예로는, 두께 50 ㎛ 의 폴리이미드 필름의 절연성 필름 (6) 상에, Ti-Al 합금 스퍼터링 타겟을 이용하여 질소 함유 분위기 중에서 반응성 스퍼터법으로 Ti_xAl_yN_z(x = 9, y = 43, z = 48) 의 서미스터막을 막두께 200 ㎚ 로 형성한다. 그 때의 스퍼터 조건은, 도달 진공도 5×10^-6 ㎩, 스퍼터 가스압 0.4 ㎩, 타겟 투입 전력 (출력) 200 W 이고, Ar 가스＋질소 가스의 혼합 가스 분위기하에서 질소 가스 분율을 20 ％ 로 제작한다.

성막한 서미스터막 상에 레지스트액을 바 코터로 도포한 후, 110 ℃ 에서 1 분 30 초 프리베이크를 실시하고, 노광 장치로 감광 후, 현상액으로 불필요한 부분을 제거하고, 추가로 150 ℃ 에서 5 분의 포스트베이크로 패터닝을 실시한다. 그 후, 불필요한 Ti_xAl_yN_z의 서미스터막을 시판되는 Ti 에쳔트로 웨트 에칭을 실시하여, 도 4 에 나타내는 바와 같이, 레지스트 박리로 원하는 형상의 박막 서미스터부 (7) 로 한다.

다음으로, 박막 서미스터부 (7) 및 절연성 필름 (6) 상에 스퍼터법으로 Cr 막의 접합층을 막두께 20 ㎚ 형성한다. 추가로, 이 접합층 상에 스퍼터법으로 Au 막의 전극층을 막두께 200 ㎚ 형성한다.

다음으로, 성막한 전극층 상에 레지스트액을 바 코터로 도포한 후, 110 ℃ 에서 1 분 30 초 프리베이크를 실시하고, 노광 장치로 감광 후, 현상액으로 불필요한 부분을 제거하고, 150 ℃ 에서 5 분의 포스트베이크로 패터닝을 실시한다. 그 후, 불필요한 전극 부분을 시판되는 Au 에쳔트 및 Cr 에쳔트의 순서로 웨트 에칭을 실시하여, 도 5 에 나타내는 바와 같이, 레지스트 박리로 원하는 빗살형 전극 (8) 및 패턴 전극 (9) 을 형성한다.

추가로, 그 위에 폴리이미드 바니시를 인쇄법에 의해 도포하고, 250 ℃, 30 분에 걸쳐 큐어를 실시하여, 도 6 에 나타내는 바와 같이, 20 ㎛ 두께의 폴리이미드 보호막 (10) 을 형성한다.

다음으로, 보호 시트 (11) 로서 접착제가 부착된 폴리이미드 필름을 리드 프레임 (2) 측으로부터 절연성 필름 (6) 의 표면에 첩부 (貼付) 함으로써, 온도 센서 (1) 가 제작된다.

또한, 복수의 센서부 (3) 를 동시에 제작하는 경우, 절연성 필름 (6) 의 대형 시트에 복수의 박막 서미스터부 (7), 빗살형 전극 (8), 패턴 전극 (9) 및 보호막 (10) 을 상기 서술한 바와 같이 형성한 후에, 대형 시트로부터 각 센서부 (3) 로 절단한다.

이와 같이 본 실시형태의 온도 센서 (1) 에서는, 한 쌍의 리드 프레임 (2) 이 절연성 필름 (6) 의 표면에 박막 서미스터부 (7) 를 사이에 배치하여 연장시켜 접착되어 있으므로, 절연성 필름 (6) 의 강성을 확보하여 센서부 (3) 를 지지할 수 있다. 또, 리드 프레임 (2) 에 지지된 절연성 필름 (6) 에 직접 형성된 박막 서미스터부 (7) 에 의해 전체의 두께가 얇아져 작은 체적에 의해 우수한 응답성을 얻을 수 있다.

또, 한 쌍의 리드 프레임 (2) 이 한 쌍의 패턴 전극 (9) 에 접속되어 있기 때문에, 박막 서미스터부 (7) 와 리드 프레임 (2) 이 절연성 필름 (6) 에 직접 형성된 패턴 전극 (9) 으로 접속됨으로써, 패턴 형성된 얇은 배선에 의해 리드선 등으로 접속되었을 경우에 비해 리드 프레임 (2) 측과의 열전도성의 영향이 억제된다. 또한, 측정 대상물에 대한 접촉 부분의 평탄성이 높고, 면 접촉하기 때문에, 정확한 온도 검지가 가능함과 함께 회전하는 가열 롤러 등의 측정 대상물의 표면을 잘 흠집내지 않는다.

또한, 절연성 필름 (6) 의 표면에 적어도 리드 프레임 (2) 을 덮은 절연성의 보호 시트 (11) 가 접착되어 있기 때문에, 리드 프레임 (2) 을 절연성 필름 (6) 과 보호 시트 (11) 사이에 두어 안정적으로 유지할 수 있음과 함께 절연성 필름 (6) 의 강성을 향상시킬 수 있다.

또, 박막 서미스터부 (7) 가, 일반식 ： Ti_xAl_yN_z(0.70≤y/(x＋y)≤0.95, 0.4≤z≤0.5, x＋y＋z = 1) 로 나타내는 금속 질화물로 이루어지고, 그 결정 구조가 육방정계의 결정계로서 우르츠광형의 단상이므로, 비소성으로 양호한 B 정수가 얻어짐과 함께 높은 내열성을 갖고 있다.

또, 이 금속 질화물 재료에서는 막의 표면에 대하여 수직 방향으로 연장되어 있는 주상 결정이므로, 막의 결정성이 높고, 높은 내열성이 얻어진다.

또한, 이 금속 질화물 재료에서는 막의 표면에 대하여 수직 방향으로 a 축보다 c 축을 강하게 배향시킴으로써, a 축 배향이 강한 경우에 비해 높은 B 정수가 얻어진다.

또한, 본 실시형태의 서미스터 재료층 (박막 서미스터부 (7)) 의 제조 방법에서는, Ti-Al 합금 스퍼터링 타겟을 이용하여 질소 함유 분위기 중에서 반응성 스퍼터를 실시하여 성막하므로, 상기 TiAlN 으로 이루어지는 상기 금속 질화물 재료를 비소성으로 성막할 수 있다.

또, 반응성 스퍼터에 있어서의 스퍼터 가스압을 0.67 ㎩ 미만으로 설정함으로써, 막의 표면에 대하여 수직 방향으로 a 축보다 c 축이 강하게 배향되어 있는 금속 질화물 재료의 막을 형성할 수 있다.

따라서, 본 실시형태의 온도 센서 (1) 에서는, 절연성 필름 (6) 상에 상기 서미스터 재료층으로 박막 서미스터부 (7) 가 형성되어 있기 때문에, 비소성으로 형성되고 고 B 정수로 내열성이 높은 박막 서미스터부 (7) 에 의해 수지 필름 등의 내열성이 낮은 절연성 필름 (6) 을 사용할 수 있음과 함께, 양호한 서미스터 특성을 가진 박형으로 플렉시블한 서미스터 센서가 얻어진다.

또, 종래 알루미나 등의 세라믹스를 사용한 기판 재료가 자주 이용되어, 예를 들어 두께 0.1 ㎜ 로 얇게 하면 매우 취약하여 부서지기 쉬운 등의 문제가 있었지만, 본 발명에 있어서는 필름을 사용할 수 있기 때문에, 상기와 같이 예를 들어 두께 0.1 ㎜ 의 매우 얇은 필름형 서미스터 센서 (센서부 (3)) 를 얻을 수 있다.

다음으로, 본 발명에 관련된 온도 센서의 제 2 실시형태 및 제 3 실시형태에 대하여, 도 7 내지 도 10 을 참조하여 이하에 설명한다. 또한, 이하의 각 실시형태의 설명에 있어서, 상기 실시형태에 있어서 설명한 동일한 구성 요소에는 동일한 부호를 부여하고, 그 설명은 생략한다.

제 2 실시형태와 제 1 실시형태의 상이한 점은, 제 1 실시형태에서는, 패턴 전극 (9) 의 단자부 (9a) 가 절연성 필름 (6) 의 일단측에 배치되어 있는 데에 반하여, 제 2 실시형태의 온도 센서 (21) 에서는, 도 7 및 도 8 에 나타내는 바와 같이, 패턴 전극 (29) 이 절연성 필름 (6) 의 일단측으로부터 타단측으로 연장되어 형성되고, 그 타단측에서 리드 프레임 (2) 에 접속되어 있는 점이다.

즉, 제 2 실시형태에서는, 센서부 (23) 의 패턴 전극 (29) 이 한 쌍의 리드 프레임 (2) 의 내측에 이들을 따라 연장되어 패턴 형성되고, 절연성 필름 (6) 의 타단측에 배치된 단자부 (9a) 로 리드 프레임 (2) 에 접속되어 있다.

따라서, 제 2 실시형태의 온도 센서 (21) 에서는, 패턴 전극 (29) 이 절연성 필름 (6) 의 일단측으로부터 타단측으로 연장되어 형성되고, 그 타단측에서 리드 프레임 (2) 에 접속되어 있기 때문에, 얇은 패턴 전극 (29) 이 길게 연장되고, 또한 리드 프레임 (2) 과의 접속부가 박막 서미스터부 (7) 로부터 떨어져 설정됨으로써, 리드 프레임 (2) 으로의 열전달이 더욱 억제되어 보다 정확하고 응답성이 높은 온도 측정이 가능해진다.

다음으로, 제 3 실시형태와 제 2 실시형태의 상이한 점은, 제 2 실시형태에서는, 패턴 전극 (29) 이 직선상으로 연장되어 있는 데에 반하여, 제 3 실시형태의 온도 센서 (31) 에서는, 도 9 및 도 10 에 나타내는 바와 같이, 패턴 전극 (39) 이 미앤더상으로 형성되어 연장되어 있는 센서부 (33) 를 갖고 있는 점이다.

즉, 제 3 실시형태에서는, 패턴 전극 (39) 이 반복해서 되접어져 절연성 필름 (6) 의 일단측으로부터 타단측으로 연장된 지그재그상으로 되어 있음으로써, 직선상보다 길게 되어 있다.

따라서, 제 3 실시형태의 온도 센서 (31) 에서는, 한 쌍의 패턴 전극 (39) 이 미앤더상으로 형성되어 있기 때문에, 보다 패턴 전극 (39) 이 길어지고, 나아가 리드 프레임 (2) 으로의 열전도를 억제하는 것이 가능해진다.

실시예

다음으로, 본 발명에 관련된 온도 센서에 대하여, 상기 실시형태에 기초하여 제작한 실시예에 의해 평가한 결과를 도 11 내지 도 19 를 참조하여 구체적으로 설명한다.

＜막 평가용 소자의 제작＞

본 발명의 서미스터 재료층 (박막 서미스터부 (7)) 의 평가를 실시하는 실시예 및 비교예로서, 도 11 에 나타내는 막 평가용 소자 (121) 를 다음과 같이 제작하였다.

우선, 반응성 스퍼터법으로 다양한 조성비의 Ti-Al 합금 타겟을 이용하여, Si 기판 (S) 이 되는 열산화막이 형성된 Si 웨이퍼 상에, 두께 500 ㎚ 의 표 1 에 나타내는 다양한 조성비로 형성된 금속 질화물 재료의 박막 서미스터부 (7) 를 형성하였다. 그 때의 스퍼터 조건은, 도달 진공도 ： 5×10^-6 ㎩, 스퍼터 가스압 ： 0.1 ∼ 1 ㎩, 타겟 투입 전력 (출력) ： 100 ∼ 500 W 이고, Ar 가스＋질소 가스의 혼합 가스 분위기하에서 질소 가스 분율을 10 ∼ 100 ％ 로 변경하여 제작하였다.

다음으로, 상기 박막 서미스터부 (7) 상에 스퍼터법으로 Cr 막을 20 ㎚ 형성하고, 추가로 Au 막을 100 ㎚ 형성하였다. 추가로, 그 위에 레지스트액을 스핀 코터로 도포한 후, 110 ℃ 에서 1 분 30 초 프리베이크를 실시하고, 노광 장치로 감광 후, 현상액으로 불필요한 부분을 제거하고, 150 ℃ 에서 5 분의 포스트베이크로 패터닝을 실시하였다. 그 후, 불필요한 전극 부분을 시판되는 Au 에쳔트 및 Cr 에쳔트에 의해 웨트 에칭을 실시하여, 레지스트 박리로 원하는 빗살형 전극부 (124a) 를 갖는 패턴 전극 (124) 을 형성하였다. 그리고, 이것을 칩상으로 다이싱하여, B 정수 평가 및 내열성 시험용의 막 평가용 소자 (121) 로 하였다.

또한, 비교로서 Ti_xAl_yN_z의 조성비가 본 발명의 범위 밖이며 결정계가 상이한 비교예에 대해서도 동일하게 제작하여 평가를 실시하였다.

＜막의 평가＞

(1) 조성 분석

반응성 스퍼터법으로 얻어진 박막 서미스터부 (7) 에 대하여, X 선 광전자 분광법 (XPS) 으로 원소 분석을 실시하였다. 이 XPS 에서는, Ar 스퍼터에 의해 최표면으로부터 깊이 20 ㎚ 의 스퍼터면에 있어서 정량 분석을 실시하였다. 그 결과를 표 1 에 나타낸다. 또한, 이하의 표 중의 조성비는 「원자％」로 나타내고 있다.

또한, 상기 X 선 광전자 분광법 (XPS) 은, X 선원을 MgKα (350 W) 로 하고, 패스 에너지 ： 58.5 eV, 측정 간격 ： 0.125 eV, 시료면에 대한 광전자 취출각 ： 45 deg, 분석 에어리어를 약 800 ㎛φ 의 조건하에서 정량 분석을 실시하였다. 또한, 정량 정밀도에 대하여 N/(Ti＋Al＋N) 의 정량 정밀도는 ±2 ％, Al/(Ti＋Al) 의 정량 정밀도는 ±1 ％ 있다.

(2) 비저항 측정

반응성 스퍼터법으로 얻어진 박막 서미스터부 (7) 에 대하여, 4 단자법으로 25 ℃ 에서의 비저항을 측정하였다. 그 결과를 표 1 에 나타낸다.

(3) B 정수 측정

막 평가용 소자 (121) 의 25 ℃ 및 50 ℃ 의 저항치를 항온조 내에서 측정하여, 25 ℃ 와 50 ℃ 의 저항치부터 B 정수를 산출하였다. 그 결과를 표 1 에 나타낸다.

또한, 본 발명에 있어서의 B 정수 산출 방법은, 상기 서술한 바와 같이 25 ℃ 와 50 ℃ 의 각각의 저항치로부터 이하의 식에 의해 구하고 있다.

B 정수 (K) = ln(R25/R50)/(1/T25-1/T50)

R25 (Ω) ： 25 ℃ 에 있어서의 저항치

R50 (Ω) ： 50 ℃ 에 있어서의 저항치

T25 (K) ： 298.15 K 25 ℃ 를 절대 온도 표시

T50 (K) ： 323.15 K 50 ℃ 를 절대 온도 표시

이들 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, Ti_xAl_yN_z의 조성비가 도 3 에 나타내는 3 원계의 삼각도에 있어서 점 A, B, C, D 로 둘러싸이는 영역 내, 즉 「0.70≤y/(x＋y)≤0.95, 0.4≤z≤0.5, x＋y＋z = 1」이 되는 영역 내의 실시예 전부에서 저항률 ： 100 Ωcm 이상, B 정수 ： 1500 K 이상의 서미스터 특성이 달성되어 있다.

상기 결과로부터 25 ℃ 에서의 저항률과 B 정수의 관계를 나타낸 그래프를 도 12 에 나타낸다. 또, Al/(Ti＋Al) 비와 B 정수의 관계를 나타낸 그래프를 도 13 에 나타낸다. 이들 그래프로부터, Al/(Ti＋Al) = 0.7 ∼ 0.95, 또한 N/(Ti＋Al＋N) = 0.4 ∼ 0.5 의 영역에서 결정계가 육방정의 우르츠광형의 단일상인 것은, 25 ℃ 에 있어서의 비저항치가 100 Ωcm 이상, B 정수가 1500 K 이상의 고저항 또한 고 B 정수의 영역이 실현되고 있다. 또한, 도 13 의 데이터에 있어서, 동일한 Al/(Ti＋Al) 비에 대하여 B 정수가 흩어져 있는 것은 결정 중의 질소량이 상이하기 때문이다.

표 1 에 나타내는 비교예 3 ∼ 12 는, Al/(Ti＋Al)＜0.7 의 영역이며, 결정계는 입방정의 NaCl 형으로 되어 있다. 또, 비교예 12 (Al/(Ti＋Al) = 0.67) 에서는, NaCl 형과 우르츠광형이 공존하고 있다. 이와 같이 Al/(Ti＋Al)＜0.7 의 영역에서는, 25 ℃ 에 있어서의 비저항치가 100 Ωcm 미만, B 정수가 1500 K 미만으로, 저저항 또한 저 B 정수의 영역이었다.

표 1 에 나타내는 비교예 1, 2 는, N/(Ti＋Al＋N) 이 40 ％ 에 못 미치는 영역으로, 금속이 질화 부족의 결정 상태로 되어 있다. 이 비교예 1, 2 는, NaCl 형도 아니고 우르츠광형도 아닌 매우 결정성이 떨어지는 상태였다. 또, 이들 비교예에서는, B 정수 및 저항치가 모두 매우 작아 금속적 성질에 가까운 것을 알 수 있었다.

(4) 박막 X 선 회절 (결정상의 동정)

반응성 스퍼터법으로 얻어진 박막 서미스터부 (7) 를, 시사각 입사 X 선 회절 (Grazing Incidence X-ray Diffraction) 에 의해 결정상을 동정하였다. 이 박막 X 선 회절은 미소각 X 선 회절 실험으로, 관구 (管球) 를 Cu 로 하고, 입사각을 1 도로 함과 함께 2θ = 20 ∼ 130 도의 범위에서 측정하였다.

그 결과, Al/(Ti＋Al)≥0.7 의 영역에 있어서는 우르츠광형상 (육방정, AlN 과 동일한 상) 이며, Al/(Ti＋Al)＜0.65 의 영역에 있어서는 NaCl 형상 (입방정, TiN 과 동일한 상) 이었다. 또, 0.65＜Al/(Ti＋Al)＜0.7 에 있어서는 우르츠광형상과 NaCl 형상이 공존하는 결정상이었다.

이와 같이 TiAlN 계에 있어서는, 고저항 또한 고 B 정수의 영역은 Al/(Ti＋Al)≥0.7 의 우르츠광형상에 존재하고 있다. 또한, 본 발명의 실시예에서는 불순물상은 확인되지 않고, 우르츠광형의 단일상이다.

또한, 표 1 에 나타내는 비교예 1, 2 는, 상기 서술한 바와 같이 결정상이 우르츠광형상도 아니고 NaCl 형상도 아니어서 본 시험에 있어서는 동정할 수 없었다. 또, 이들 비교예는 XRD 의 피크폭이 매우 넓기 때문에, 매우 결정성이 떨어지는 재료였다. 이는 전기 특성에 의해 금속적 성질에 가깝기 때문에 질화 부족의 금속상으로 되어 있는 것으로 생각된다.

다음으로, 본 발명의 실시예는 모두 우르츠광형상의 막이고, 배향성이 강한 점에서, Si 기판 (S) 상에 수직인 방향 (막두께 방향) 의 결정축에 있어서 a 축 배향성이 강한지, c 축 배향성이 강한지에 대하여 XRD 를 이용하여 조사하였다. 이 때, 결정축의 배향성을 조사하기 위해서, (100) (a 축 배향을 나타내는 밀러 지수) 와 (002) (c 축 배향을 나타내는 밀러 지수) 의 피크 강도비를 측정하였다.

그 결과, 스퍼터 가스압이 0.67 ㎩ 미만으로 성막된 실시예는, (100) 보다 (002) 의 강도가 매우 강하고, a 축 배향성보다 c 축 배향성이 강한 막이었다. 한편, 스퍼터 가스압이 0.67 ㎩ 이상으로 성막된 실시예는, (002) 보다 (100) 의 강도가 매우 강하고, c 축 배향보다 a 축 배향이 강한 재료였다.

또한, 동일한 성막 조건으로 폴리이미드 필름에 성막해도 마찬가지로 우르츠광형상의 단일상이 형성되어 있는 것을 확인하였다. 또, 동일한 성막 조건으로 폴리이미드 필름에 성막해도 배향성은 변함이 없는 것을 확인하였다.

c 축 배향이 강한 실시예의 XRD 프로파일의 일례를 도 14 에 나타낸다. 이 실시예는 Al/(Ti＋Al) = 0.84 (우르츠광형, 육방정) 이며, 입사각을 1 도로 하여 측정하였다. 이 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 이 실시예에서는 (100) 보다 (002) 의 강도가 매우 강하게 되어 있다.

또, a 축 배향이 강한 실시예의 XRD 프로파일의 일례를 도 15 에 나타낸다. 이 실시예는 Al/(Ti＋Al) = 0.83 (우르츠광형, 육방정) 이며, 입사각을 1 도로 하여 측정하였다. 이 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 이 실시예에서는 (002) 보다 (100) 의 강도가 매우 강하게 되어 있다.

또한, 이 실시예에 대하여 입사각을 0 도로 하여 대칭 반사 측정을 실시하였다. 또한, 그래프 중 (*) 은 장치 유래의 피크로, 샘플 본체의 피크 혹은 불순물상의 피크가 아닌 것을 확인하였다 (또한, 대칭 반사 측정에 있어서, 그 피크가 소실되고 있는 점으로부터도 장치 유래의 피크인 것을 알 수 있다).

또한, 비교예의 XRD 프로파일의 일례를 도 16 에 나타낸다. 이 비교예는 Al/(Ti＋Al) = 0.6 (NaCl 형, 입방정) 이며, 입사각을 1 도로 하여 측정하였다. 우르츠광형 (공간군 P6₃mc (No. 186)) 으로서 지수 부여할 수 있는 피크는 검출되지 않아 NaCl 형 단독상인 것을 확인하였다.

이어서, 우르츠광형 재료인 본 발명의 실시예에 관해서 추가로 결정 구조와 전기 특성의 상관을 상세하게 비교하였다.

표 2 및 도 17 에 나타내는 바와 같이, Al/(Ti＋Al) 비가 거의 동일한 비율인 것에 대하여, 기판면에 수직 방향의 배향도가 강한 결정축이 c 축인 재료 (실시예 5, 7, 8, 9) 와 a 축인 재료 (실시예 19, 20, 21) 가 있다.

이들 양자를 비교하면, Al/(Ti＋Al) 비가 동일하면, a 축 배향이 강한 재료보다 c 축 배향이 강한 재료가 B 정수가 100 K 정도 큰 것을 알 수 있다. 또, N 량 (N/(Ti＋Al＋N)) 에 주목하면, a 축 배향이 강한 재료보다 c 축 배향이 강한 재료가 질소량이 약간 큰 것을 알 수 있다. 이상적인 화학량론비 ： N/(Ti＋Al＋N) = 0.5 인 점으로부터, c 축 배향이 강한 재료가 질소 결함량이 적어 이상적인 재료인 것을 알 수 있다.

＜결정 형태의 평가＞

다음으로, 박막 서미스터부 (7) 의 단면에 있어서의 결정 형태를 나타내는 일례로서, 열산화막이 형성된 Si 기판 (S) 상에 성막된 실시예 (Al/(Ti＋Al) = 0.84, 우르츠광형, 육방정, c 축 배향성이 강하다) 의 박막 서미스터부 (7) 에 있어서의 단면 SEM 사진을 도 18 에 나타낸다. 또, 다른 실시예 (Al/(Ti＋Al) = 0.83, 우르츠광형 육방정, a 축 배향성이 강하다) 의 박막 서미스터부 (7) 에 있어서의 단면 SEM 사진을 도 19 에 나타낸다.

이들 실시예의 샘플은 Si 기판 (S) 을 벽개 파단한 것을 이용하고 있다. 또, 45°각도로 경사 관찰한 사진이다.

이들 사진으로부터 알 수 있는 바와 같이, 어느 실시예도 고밀도의 주상 결정으로 형성되어 있다. 즉, c 축 배향이 강한 실시예 및 a 축 배향이 강한 실시예 모두 기판면에 수직인 방향으로 주상 결정이 성장하고 있는 모습이 관측되고 있다. 또한, 주상 결정의 파단은 Si 기판 (S) 을 벽개 파단했을 때에 생긴 것이다.

＜막의 내열 시험 평가＞

표 1 에 나타내는 실시예 및 비교예에 있어서, 대기 중, 125 ℃, 1000 h 의 내열 시험 전후에 있어서의 저항치 및 B 정수를 평가하였다. 그 결과를 표 3 에 나타낸다. 또한, 비교로서 종래의 Ta-Al-N 계 재료에 의한 비교예도 동일하게 평가하였다.

이들 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, Al 농도 및 질소 농도는 상이하지만, Ta-Al-N 계인 비교예와 동일한 B 정수로 비교했을 때, 내열 시험 전후에 있어서의 전기 특성 변화로 보았을 때의 내열성은, Ti-Al-N 계가 우수하다. 또한, 실시예 5, 8 은 c 축 배향이 강한 재료이며, 실시예 21, 24 는 a 축 배향이 강한 재료이다. 양자를 비교하면, c 축 배향이 강한 실시예가 a 축 배향이 강한 실시예에 비해 약간 내열성이 향상되었다.

또한, Ta-Al-N 계 재료에서는, Ta 의 이온 반경이 Ti 나 Al 에 비해 매우 크기 때문에, 고농도 Al 영역에서 우르츠광형상을 제작할 수 없다. TaAlN 계가 우르츠광형상이 아니기 때문에, 우르츠광형상의 Ti-Al-N 계가 내열성이 양호하다고 생각된다.

또한, 본 발명의 기술 범위는 상기 실시형태 및 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에 있어서 다양한 변경을 추가하는 것이 가능하다.

1, 21, 31…온도 센서
2…리드 프레임
3, 23, 33…센서부
6…절연성 필름
7…박막 서미스터부
8…빗살형 전극
8a…빗살부
9, 29, 39…패턴 전극
10…보호막
11…보호 시트

Claims

한 쌍의 리드 프레임과,
상기 한 쌍의 리드 프레임에 접속된 센서부와,
상기 한 쌍의 리드 프레임에 고정되어 상기 리드 프레임을 유지하는 절연성의 유지부를 구비하고,
상기 센서부가, 절연성 필름과,
그 절연성 필름의 표면에 서미스터 재료로 패턴 형성된 박막 서미스터부와,
상기 박막 서미스터부의 위 및 아래의 적어도 일방에 복수의 빗살부를 가지며 서로 대향하여 패턴 형성된 한 쌍의 빗살형 전극과,
상기 한 쌍의 빗살형 전극에 일단이 접속되어 있음과 함께, 타단이 상기 한쌍의 리드 프레임에 접속되어, 상기 절연성 필름의 표면에 패턴 형성된 한 쌍의 패턴 전극을 구비하고,
상기 한 쌍의 리드 프레임이 상기 절연성 필름의 표면에 상기 박막 서미스터부를 사이에 배치하여, 상기 절연성 필름의 양측변 근방에 상기 박막 서미스터부로부터 이간되어 연장되어 있는 것을 특징으로 하는 온도 센서.
제 1 항에 있어서,
상기 절연성 필름이 장방 형상으로 되고,
상기 한 쌍의 리드 프레임이 상기 절연성 필름의 연장 방향의 전체 길이에 걸쳐 연장되고,
상기 박막 서미스터부가 상기 절연성 필름의 일단측에 배치되어 있음과 함께, 상기 패턴 전극이 상기 절연성 필름의 일단측으로부터 타단측으로 연장되어 형성되고, 그 타단측에서 상기 리드 프레임에 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 온도 센서.
제 2 항에 있어서,
상기 한 쌍의 패턴 전극이 미앤더상으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 온도 센서.
제 1 항에 있어서,
상기 절연성 필름의 표면에 적어도 상기 리드 프레임을 덮은 절연성의 보호 시트가 접착되어 있는 것을 특징으로 하는 온도 센서.
제 1 항에 있어서,
상기 박막 서미스터부가, 일반식 ： Ti_xAl_yN_z(0.70≤y/(x＋y)≤0.95, 0.4≤z≤0.5, x＋y＋z = 1) 로 나타내는 금속 질화물로 이루어지고, 그 결정 구조가 육방정계의 우르츠광형의 단상인 것을 특징으로 하는 온도 센서.