WO2019142939A1 - サーミスタ及びその製造方法並びにサーミスタセンサ - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a thermistor capable of obtaining high moisture resistance and heat resistance, a method of manufacturing the same, and a thermistor sensor.
- a thermistor material used for a temperature sensor or the like is required to have a high B constant for high accuracy and high sensitivity.
- a metal nitride material which is not fired and does not require a heat treatment and can obtain a high B constant has been developed.
- the inventors of the present invention have a general formula: Ti x Al y N z (0.70 ⁇ y / (x + y) ⁇ 0.
- Patent Documents 2 to 7 it can be formed by non-baking, is at least one nitride material of Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Si, Cu and Al, and has the above crystal structure and is high We are developing materials from which the B constant can be obtained (Patent Documents 2 to 7).
- the metal nitride material for thermistors described in each of the above patent documents is formed on a polyimide film as a substrate from which flexibility can be obtained, the moisture resistance, heat resistance and chemical resistance of the polyimide film are limited. There is a demand for improvement of these characteristics.
- a metal base such as stainless steel as a base excellent in these characteristics, when forming a metal nitride material for a thermistor directly on a conductive metal base, it has insulation properties.
- the surface roughness of the metal substrate is very large compared to the polyimide film, making it difficult to form a good film.
- the present invention was made in view of the above problems, and provides a thermistor having high moisture resistance, high heat resistance, etc., and a method of manufacturing the same, and a thermistor sensor, which can obtain a good thermistor film using a metal substrate. With the goal.
- a thermistor according to the first aspect of the invention comprises a metal base, an insulating base film formed on the metal base, and a thermistor film formed on the insulating base film.
- the insulating base film is formed to fill the irregularities on the surface of the metal base, and the surface roughness of the insulating base film is smaller than the surface roughness of the metal base.
- the insulating base film is formed to fill the irregularities on the surface of the metal base, and the surface roughness of the insulating base film is smaller than the surface roughness of the metal base, so The surface of the insulating base film is flatter than the metal base and the electric insulation is sufficient to obtain a flat and good quality thermistor film, and the metal base has higher moisture resistance, Heat resistance and chemical resistance can be obtained.
- the insulating base film is formed so as to fill the irregularities on the surface of the metal base, high adhesion can also be obtained by the anchor effect.
- the metal base has high thermal conductivity compared to the polyimide film, the thermal conductivity to the thermistor film is high, and higher responsiveness can be obtained.
- the thermistor according to a second aspect of the present invention is characterized in that, in the first aspect, the metal base is formed of stainless steel, and the insulating base film is a SiO x film containing N. That is, in this thermistor, since the metal base is formed of stainless steel and the insulating base film is an N containing SiO x film, the N element in the insulating base film is a metal containing N element It can be diffused to the base material and the thermistor film to obtain high adhesion.
- the metal base is a flexible thin metal plate
- the thermistor film is a flexible metal nitride film. It features. That is, in this thermistor, since the metal substrate is a thin metal plate having flexibility, and the thermistor film is a metal nitride film having flexibility, it becomes a flexible thermistor having flexibility as a whole, a curved surface, etc. It is possible to bend and install easily according to.
- the metal base is a stainless steel thin plate
- the thermistor film is a crystalline M-A-N (where M is While showing at least one of Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni and Cu, A is Al or (Al and Si)), and its crystal structure is hexagonal wurtzite type It is characterized in that it is a single phase. That is, in this thermistor, the metal base is a stainless steel thin plate, and the thermistor film is crystalline M-A-N (where M is at least Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni and Cu).
- A represents an Al or (Al and Si), and the crystal structure is a hexagonal wurtzite type single phase, so that the above crystalline M- having flexibility to each other
- the combination of the A-N thermistor film and the stainless steel thin plate metal substrate can provide flexibility as a whole of the thermistor. For example, when the thermistor is pressed against the object to be measured, it can be flexibly bent and brought into contact with the object to be measured. Further, even if the measurement object has a curved surface, the measurement object and the thermistor can be brought into surface contact, so that a thermistor having both flexibility and responsiveness can be obtained.
- a thermistor sensor according to a fifth invention comprises the metal base according to any of the first to fourth inventions, the insulating base film, the thermistor film, and a pair of pattern electrodes formed on the thermistor film. It is characterized by having. That is, since this thermistor sensor is provided with the thermistor according to any of the first to fourth inventions, it is possible to obtain a thermistor sensor having high moisture resistance, heat resistance and chemical resistance and having good thermistor characteristics.
- a method of manufacturing a thermistor according to a sixth aspect of the invention is a method of manufacturing the thermistor according to any of the first to fourth aspects, wherein a step of applying polysilazane onto the metal base, and drying the polysilazane The method further comprises the steps of: forming the insulating base film of SiO x film containing N; and forming the thermistor film on the insulating base film. That is, since the method of manufacturing the thermistor includes the step of drying the polysilazane coated on the metal substrate to form the insulating base film containing N in SiO x , the surface roughness is small. An insulating underlayer of SiO x containing N can be easily obtained. In addition, it is possible to easily obtain an insulating base film of a SiO x film that is thicker than a thermally oxidized SiO 2 film, and it becomes easy to fill the unevenness on the surface of the metal base material.
- the insulating base film is formed so as to fill the irregularities on the surface of the metal base, and the surface roughness of the insulating base film is the surface roughness of the metal base. Because the surface of the substrate is flat and smaller than the metal substrate, and the insulating base film provides sufficient electrical insulation, a flat, high-quality thermistor film can be obtained, and the metal substrate has higher moisture resistance and heat resistance. And chemical resistance can be obtained. Therefore, the thermistor and the thermistor sensor according to the present invention can be used with high reliability even in an environment such as humidity and temperature higher than in the past.
- the method includes the step of drying polysilazane coated on a metal substrate to form an insulating undercoat film of N containing SiO x.
- the method includes the step of drying polysilazane coated on a metal substrate to form an insulating undercoat film of N containing SiO x.
- FIG. 7A is a front view and a plan view showing a thermistor sensor in an embodiment of a thermistor, a method of manufacturing the same, and a thermistor sensor according to the present invention. It is the sectional view on the AA line of FIG.
- Thermal oxidation SiO 2 film on the Si substrate is a SEM photograph of the case of forming a thermistor film.
- the SiO x film by SUS (stainless steel) polysilazane on the substrate is a SEM photograph of a case of forming a thermistor film. It is a figure which shows the result of having measured the surface state of a SUS board
- AFM molecular force microscope
- the surface state of the SiO x film according polysilazane formed on the SUS substrate which is a diagram showing the result 1 measured by AFM.
- the surface state of the SiO x film according polysilazane formed on the SUS substrate which is a diagram showing the result 2 measured by AFM.
- FIGS. 1 and 2 an embodiment of a thermistor, a method of manufacturing the same, and a thermistor sensor according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2.
- the scale is appropriately changed as necessary in order to make each part a recognizable or easily recognizable size.
- the thermistor 1 includes a metal base 2, an insulating base film 3 formed on the metal base 2, and a thermistor formed on the insulating base film 3. And a membrane 4.
- the insulating base film 3 is formed by filling the irregularities on the surface of the metal base 2. That is, the insulating base film 3 is formed to a thickness that fills the irregularities on the surface of the metal base 2.
- the surface roughness of the insulating base film 3 is smaller than the surface roughness of the metal base 2.
- arithmetic mean roughness Ra is adopted as surface roughness.
- the metal base 2 is made of stainless steel, and in particular when flexibility is required, a bendable stainless steel thin plate is employed. That is, the metal base 2 is a thin metal plate having flexibility.
- the thermistor film 3 is also preferably a flexible metal nitride film.
- the insulating base film 3 is a SiO x film containing a small amount of N (nitrogen). In this embodiment, a SiO x film formed by drying polysilazane and containing a slight amount of N element is employed as the insulating base film 3.
- the thermistor film 4 is a crystalline M-A-N (where M is at least one of Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni and Cu, and A is Al or (Al and Si).
- M is at least one of Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni and Cu
- A is Al or (Al and Si).
- the crystal structure is a hexagonal wurtzite type single phase.
- A is Al or (Al and Si), that is, Al or Al and Si, and contains at least Al.
- a method of manufacturing the thermistor 1 of the present embodiment will be described.
- a step of applying polysilazane on the metal base 2 a step of drying the polysilazane to form the insulating undercoat film 3 of SiO x containing N, and an insulating And forming a thermistor film 4 on the ground film 3.
- the polysilazane for example, Aquamica (registered trademark) manufactured by Merck & Co., Ltd. is used as the polysilazane, and the polysilazane is applied twice on the stainless steel thin film metal substrate 2 at 750 rotations for 30 seconds ⁇ 2 by a spin coater. After that, the applied polysilazane is dried in the air at 150 ° C. for 30 minutes, whereby the insulating base film 3 of SiO x containing a trace amount of N element is formed.
- Aquamica registered trademark
- Merck & Co., Ltd. is used as the polysilazane
- the polysilazane is applied twice on the stainless steel thin film metal substrate 2 at 750 rotations for 30 seconds ⁇ 2 by a spin coater. After that, the applied polysilazane is dried in the air at 150 ° C. for 30 minutes, whereby the insulating base film 3 of SiO x containing a trace amount of N element is formed.
- the polysilazane does not contain an organic component, has a chemical composition based on only an inorganic component, and has a molecular structure as shown in the following chemical formula.
- at least one of R1, R2 and R3 is a hydrogen atom.
- the degree of polymerization n of polysilazane is 100 to 50000, and it reacts with moisture in the air according to the following reaction formula without conversion, and is converted to silica glass (SiO 2 ).
- reaction formula (SiH 2 NH) + 2H 2 O ⁇ (SiO 2 ) + NH 3 + 2H 3
- the thermistor film 4 is formed by sputtering on the insulating base film 3 thus formed.
- a Ti-Al alloy sputtering target is used to perform reactive sputtering in a nitrogen-containing atmosphere.
- the thermistor film 4 of Ti-Al-N (Al / (Al + Ti) ratio 0.85) is formed to a film thickness of 100 nm.
- the sputtering conditions at that time were: nitrogen gas fraction of 30 in a mixed gas atmosphere of Ar gas + nitrogen gas with a target vacuum power of 4 ⁇ 10 ⁇ 5 Pa, a sputtering gas pressure of 0.25 Pa, and a target input power (output) of 200 W. Made in%.
- the thermistor sensor 10 includes the metal base 2 of the thermistor 1, the insulating base film 3 and the thermistor film 4 and a pair of pattern electrodes 5 formed on the thermistor film 4.
- the pair of pattern electrodes 5 is formed, for example, of a laminated metal film of a Cr film 5a (20 nm thick) and an Au film 5b (200 nm thick), and is opposed to each other on the thermistor film 4 It is set as the comb-shaped pattern which has the some comb part 5c.
- the surface roughness of the insulating base film 3 is smaller than the surface roughness of the metal base 2, so that the unevenness of the surface of the metal base 2 is smoothed to make the metal base.
- a flat, good quality thermistor film 4 can be obtained by the insulating base film 3 which has a flatter surface than the material 2 and sufficient electric insulation can be obtained, and high moisture resistance, heat resistance and chemical resistance by the metal substrate 2 You can get sex.
- the insulating base film 3 is formed so as to fill the unevenness on the surface of the metal base 2, high adhesion can be obtained by the anchor effect.
- the metal base 2 has high thermal conductivity compared to the polyimide film, the thermal conductivity to the thermistor film 4 is high, and higher responsiveness can be obtained.
- the metal base 2 is made of stainless steel and the insulating base film 3 is a SiO x film containing N
- the metal N in the insulating base film 3 is made of metal containing N It can be diffused to the substrate 2 and the thermistor film 4 to obtain high adhesion.
- the metal base 2 is a flexible thin metal plate and the thermistor film 4 is a flexible metal nitride film, the flexible thermistor as a whole is a flexible thermistor, and it conforms to a curved surface etc. It can be easily bent and installed.
- the metal substrate 2 is a stainless steel thin plate
- the thermistor film 4 is a crystalline M-A-N (where M is at least one of Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni and Cu). And A represents Al or (Al and Si)), and when the crystal structure is a hexagonal wurtzite single phase, the above crystalline M-A- having flexibility to each other
- the combination of the N thermistor film 4 and the stainless steel thin plate metal substrate 2 can provide flexibility as a whole of the thermistor 1.
- the thermistor 1 when the thermistor 1 is pressed against the object to be measured, it can be flexibly bent and brought into contact with the object to be measured. In addition, even if the object to be measured has a curved surface, the object to be measured and the thermistor 1 can be brought into surface contact, so that the thermistor 1 having both flexibility and responsiveness can be obtained.
- the thermistor sensor 10 of the present embodiment includes the thermistor 1, it is possible to obtain a thermistor sensor having high moisture resistance, heat resistance, and chemical resistance, and having good thermistor characteristics.
- the method of manufacturing the thermistor 1 according to the present embodiment includes the step of drying the polysilazane coated on the metal substrate 2 to form the insulating underlying film 3 of SiO x containing N, so that the surface It is possible to easily obtain the insulating base film 3 of SiO x which has a small roughness and contains N.
- the insulating base film 3 having a thicker SiO x film than the thermally oxidized SiO x film can be easily obtained, and the unevenness on the surface of the metal base 2 can be easily filled.
- the moisture resistance, heat resistance, chemical resistance, and responsiveness will be described below by comparing the stainless steel metal base 2 with the base of the polyimide film.
- Moisture resistance The water vapor transmission rate of the polyimide film is 1.7 ⁇ 10 ⁇ 3 kg / m 2 , and the water absorption rate is 0.8 to 1.5%, but the stainless steel metal base 2 has the water vapor transmission rate and water absorption The rate is significantly reduced and high moisture resistance is obtained.
- "Heat-resistant” The heat resistant life of the polyimide film is 270 ° C. for 2000 hours or more, but the stainless steel metal base 2 has heat resistance of 900 ° C. or more.
- a thermistor was formed on a stainless steel metal base by forming an insulating base film of SiO x with polysilazane and further forming a Ti—Al—N thermistor film thereon.
- the result of observing the cross section by SEM for this example is shown in FIG. TH in the figure indicates a thermistor.
- a thermally oxidized SiO 2 film was formed on a Si substrate, and a Ti—Al—N thermistor film was further formed thereon, and the result of observation by SEM similarly is shown in FIG. Show.
- the thickness of the stainless steel metal base is 30 ⁇ m, and the thickness of the insulating base film is 2 ⁇ m.
- the thickness of the Si substrate of the comparative example is 255 ⁇ m
- the thickness of the thermally oxidized SiO x film is 0.5 ⁇ m.
- the thickness of the thermistor film is 100 nm.
- the insulating base film of SiO x with polysilazane is sufficiently wound around the unevenness of the surface of the stainless steel metal substrate, and the insulating base film is formed. The surface is more flattened.
- the insulating base film of SiO x made of polysilazane in the example of the present invention is both amorphous as compared with the thermally oxidized SiO x film of the comparative example, and is a similar dense film.
- the surface of the stainless steel metal base has a surface roughness Ra of 34.791 nm, max: 169.866 nm, min: -129.354 nm, and a maximum of about 300 nm asperities (Max-Min ), While the surface of the insulating underlayer of SiO x with polysilazane in the example of the present invention has a surface roughness Ra of 538.3 pm and a maximum of 6.133 nm in measurement 1. , Min: -2.456 nm, and in measurement 2, the surface roughness Ra is 345.2 pm, Max: 2.188 nm, Min:-1.270 nm, and the surface roughness is significantly reduced.
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Abstract
金属製基材を用いて良好なサーミスタ膜が得られ高い耐湿性や耐熱性等を有するサーミスタ及びその製造方法並びにサーミスタセンサを提供する。本発明に係るサーミスタは、金属製基材2と、金属製基材上に形成された絶縁性下地膜3と、絶縁性下地膜上に形成されたサーミスタ膜4とを備え、絶縁性下地膜が、金属製基材表面の凹凸を埋めて形成され、絶縁性下地膜の表面粗さが、金属製基材の表面粗さよりも小さい。このサーミスタを製造する方法は、金属製基材上にポリシラザンを塗布する工程と、ポリシラザンを乾燥させNを含有したSiOxの絶縁性下地膜を形成する工程と、絶縁性下地膜上にサーミスタ膜を成膜する工程とを有する。
Description
本発明は、高い耐湿性及び耐熱性等が得られるサーミスタ及びその製造方法並びにサーミスタセンサに関する。
温度センサ等に使用されるサーミスタ材料は、高精度、高感度のために、高いB定数が求められている。近年、このようなサーミスタ材料として、非焼成で熱処理が不要であり、高B定数が得られる金属窒化物材料が開発されている。
例えば、本願発明者らは、非焼成で絶縁性基材に直接成膜できるサーミスタ用金属窒化物材料として、一般式:TixAlyNz(0.70≦y/(x+y)≦0.95、0.4≦z≦0.5、x+y+z=1)で示される金属窒化物からなり、その結晶構造が、六方晶系のウルツ鉱型の単相であるサーミスタ用金属窒化物材料を開発している(特許文献1)。その他にも、非焼成で形成でき、Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Si,Cu及びAlの少なくとも1種の窒化物材料であり、上記結晶構造を有するものであって高B定数が得られる材料を開発している(特許文献2~7)。
上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
すなわち、上記各特許文献に記載のサーミスタ用金属窒化物材料は、フレキシブル性が得られる基板としてポリイミドフィルム上に形成されているが、ポリイミドフィルムの耐湿性,耐熱性及び耐薬品性に限度があり、これら特性の向上が要望されている。また、これら特性に優れている基材としてステンレス等の金属製基材を用いることも考えられるが、導電性のある金属製基材上にサーミスタ用金属窒化物材料を直接、成膜すると絶縁性を確保することができないと共に、ポリイミドフィルムに比べて金属製基材の表面粗さが非常に大きく、良好な膜を形成することが困難であった。
すなわち、上記各特許文献に記載のサーミスタ用金属窒化物材料は、フレキシブル性が得られる基板としてポリイミドフィルム上に形成されているが、ポリイミドフィルムの耐湿性,耐熱性及び耐薬品性に限度があり、これら特性の向上が要望されている。また、これら特性に優れている基材としてステンレス等の金属製基材を用いることも考えられるが、導電性のある金属製基材上にサーミスタ用金属窒化物材料を直接、成膜すると絶縁性を確保することができないと共に、ポリイミドフィルムに比べて金属製基材の表面粗さが非常に大きく、良好な膜を形成することが困難であった。
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、金属製基材を用いて良好なサーミスタ膜が得られ高い耐湿性や耐熱性等を有するサーミスタ及びその製造方法並びにサーミスタセンサを提供することを目的とする。
本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、第1の発明に係るサーミスタは、金属製基材と、前記金属製基材上に形成された絶縁性下地膜と、前記絶縁性下地膜上に形成されたサーミスタ膜とを備え、前記絶縁性下地膜が、前記金属製基材表面の凹凸を埋めて形成され、前記絶縁性下地膜の表面粗さが、前記金属製基材の表面粗さよりも小さいことを特徴とする。
このサーミスタでは、絶縁性下地膜が、金属製基材表面の凹凸を埋めて形成され、絶縁性下地膜の表面粗さが、金属製基材の表面粗さよりも小さいので、金属製基材表面の凹凸をならして金属製基材よりも表面が平坦で十分な電気的絶縁が得られる絶縁性下地膜により、平坦で良質なサーミスタ膜が得られると共に、金属製基材により高い耐湿性,耐熱性及び耐薬品性を得ることができる。また、絶縁性下地膜が、金属製基材表面の凹凸を埋めるようにして成膜されているので、アンカー効果によって高い密着性も得ることができる。さらに、金属製基材がポリイミドフィルムに比べて高い熱伝導率を有することから、サーミスタ膜への熱伝導性が高く、より高い応答性を得ることができる。
第2の発明に係るサーミスタは、第1の発明において、前記金属製基材が、ステンレスで形成され、前記絶縁性下地膜が、Nを含有したSiOx膜であることを特徴とする。
すなわち、このサーミスタでは、金属製基材が、ステンレスで形成され、絶縁性下地膜が、Nを含有したSiOx膜であるので、絶縁性下地膜中のN元素が、N元素を含有する金属製基材やサーミスタ膜に拡散して高い密着性を得ることができる。
すなわち、このサーミスタでは、金属製基材が、ステンレスで形成され、絶縁性下地膜が、Nを含有したSiOx膜であるので、絶縁性下地膜中のN元素が、N元素を含有する金属製基材やサーミスタ膜に拡散して高い密着性を得ることができる。
第3の発明に係るサーミスタは、第1又は第2の発明において、前記金属製基材が、柔軟性を有する金属薄板であり、前記サーミスタ膜が、柔軟性を有する金属窒化膜であることを特徴とする。
すなわち、このサーミスタでは、金属製基材が、柔軟性を有する金属薄板であり、前記サーミスタ膜が、柔軟性を有する金属窒化膜であるので、全体として柔軟性を有したフレキシブルサーミスタとなり、曲面等に合わせて容易に曲げて設置することが可能である。
すなわち、このサーミスタでは、金属製基材が、柔軟性を有する金属薄板であり、前記サーミスタ膜が、柔軟性を有する金属窒化膜であるので、全体として柔軟性を有したフレキシブルサーミスタとなり、曲面等に合わせて容易に曲げて設置することが可能である。
第4の発明に係るサーミスタは、第1から第3の発明のいずれかにおいて、前記金属製基材が、ステンレス薄板であり、前記サーミスタ膜が、結晶性M−A−N(但し、MはTi,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni及びCuの少なくとも1種を示すと共に、AはAl又は(Al及びSi)を示す。)であり、その結晶構造が六方晶系のウルツ鉱型の単相であることを特徴とする。
すなわち、このサーミスタでは、金属製基材が、ステンレス薄板であり、サーミスタ膜が、結晶性M−A−N(但し、MはTi,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni及びCuの少なくとも1種を示すと共に、AはAl又は(Al及びSi)を示す。)であり、その結晶構造が六方晶系のウルツ鉱型の単相であるので、互いに柔軟性を有する上記結晶性M−A−Nのサーミスタ膜とステンレス薄板の金属製基材との組み合わせによって、サーミスタ全体として柔軟性を得ることができる。例えば、このサーミスタを測定対象物に押し当てた際に、柔軟に湾曲して測定対象物と接触させることが可能になる。また、測定対象物が曲面をもっていても、測定対象物とサーミスタとを面接触させることができるので、柔軟性と応答性とを兼ね備えたサーミスタが得られる。
すなわち、このサーミスタでは、金属製基材が、ステンレス薄板であり、サーミスタ膜が、結晶性M−A−N(但し、MはTi,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni及びCuの少なくとも1種を示すと共に、AはAl又は(Al及びSi)を示す。)であり、その結晶構造が六方晶系のウルツ鉱型の単相であるので、互いに柔軟性を有する上記結晶性M−A−Nのサーミスタ膜とステンレス薄板の金属製基材との組み合わせによって、サーミスタ全体として柔軟性を得ることができる。例えば、このサーミスタを測定対象物に押し当てた際に、柔軟に湾曲して測定対象物と接触させることが可能になる。また、測定対象物が曲面をもっていても、測定対象物とサーミスタとを面接触させることができるので、柔軟性と応答性とを兼ね備えたサーミスタが得られる。
第5の発明に係るサーミスタセンサは、第1から第4の発明のいずれかの前記金属製基材,前記絶縁性下地膜及び前記サーミスタ膜と、前記サーミスタ膜に形成された一対のパターン電極とを備えていることを特徴とする。
すなわち、このサーミスタセンサでは、第1から第4の発明のいずれかのサーミスタを備えているので、高い耐湿性,耐熱性及び耐薬品性を有し、良好なサーミスタ特性を有したサーミスタセンサが得られる。
すなわち、このサーミスタセンサでは、第1から第4の発明のいずれかのサーミスタを備えているので、高い耐湿性,耐熱性及び耐薬品性を有し、良好なサーミスタ特性を有したサーミスタセンサが得られる。
第6の発明に係るサーミスタの製造方法は、第1から第4の発明のいずれかのサーミスタを製造する方法であって、前記金属製基材上にポリシラザンを塗布する工程と、前記ポリシラザンを乾燥させNを含有したSiOx膜の前記絶縁性下地膜を形成する工程と、前記絶縁性下地膜上に前記サーミスタ膜を成膜する工程とを有することを特徴とする。
すなわち、このサーミスタの製造方法では、金属製基材上に塗布したポリシラザンを乾燥させSiOx中にNを含んだ絶縁性下地膜を形成する工程を有しているので、表面粗さが小さいと共にNを含有したSiOxの絶縁性下地膜を容易に得ることができる。また、熱酸化SiO2膜に比べて厚いSiOx膜の絶縁性下地膜を容易に得ることができ、金属製基材表面の凹凸を埋め易くなる。
すなわち、このサーミスタの製造方法では、金属製基材上に塗布したポリシラザンを乾燥させSiOx中にNを含んだ絶縁性下地膜を形成する工程を有しているので、表面粗さが小さいと共にNを含有したSiOxの絶縁性下地膜を容易に得ることができる。また、熱酸化SiO2膜に比べて厚いSiOx膜の絶縁性下地膜を容易に得ることができ、金属製基材表面の凹凸を埋め易くなる。
本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係るサーミスタ及びサーミスタセンサによれば、絶縁性下地膜が、金属製基材表面の凹凸を埋めて形成され、絶縁性下地膜の表面粗さが、金属製基材の表面粗さよりも小さいので、金属製基材よりも表面が平坦で十分な電気的絶縁が得られる絶縁性下地膜により、平坦で良質なサーミスタ膜が得られると共に、金属製基材により高い耐湿性,耐熱性及び耐薬品性を得ることができる。
したがって、本発明に係るサーミスタ及びサーミスタセンサでは、従来よりも湿度及び温度等の高い環境でも高い信頼性を有して使用可能になる。
また、本発明に係るサーミスタの製造方法によれば、金属製基材上に塗布したポリシラザンを乾燥させNを含有したSiOxの絶縁性下地膜を形成する工程を有しているので、表面粗さが小さいと共にNを含有したSiOxの絶縁性下地膜を容易に得ることができる。
すなわち、本発明に係るサーミスタ及びサーミスタセンサによれば、絶縁性下地膜が、金属製基材表面の凹凸を埋めて形成され、絶縁性下地膜の表面粗さが、金属製基材の表面粗さよりも小さいので、金属製基材よりも表面が平坦で十分な電気的絶縁が得られる絶縁性下地膜により、平坦で良質なサーミスタ膜が得られると共に、金属製基材により高い耐湿性,耐熱性及び耐薬品性を得ることができる。
したがって、本発明に係るサーミスタ及びサーミスタセンサでは、従来よりも湿度及び温度等の高い環境でも高い信頼性を有して使用可能になる。
また、本発明に係るサーミスタの製造方法によれば、金属製基材上に塗布したポリシラザンを乾燥させNを含有したSiOxの絶縁性下地膜を形成する工程を有しているので、表面粗さが小さいと共にNを含有したSiOxの絶縁性下地膜を容易に得ることができる。
以下、本発明に係るサーミスタ及びその製造方法並びにサーミスタセンサにおける一実施形態を、図1及び図2を参照しながら説明する。なお、以下の説明に用いる図面では、各部を認識可能又は認識容易な大きさとするために必要に応じて縮尺を適宜変更している。
本実施形態のサーミスタ1は、図1に示すように、金属製基材2と、金属製基材2上に形成された絶縁性下地膜3と、絶縁性下地膜3上に形成されたサーミスタ膜4とを備えている。
上記絶縁性下地膜3は、金属製基材2表面の凹凸を埋めて形成されている。すなわち、絶縁性下地膜3は、金属製基材2表面の凹凸を埋める厚さで成膜されている。
また、絶縁性下地膜3の表面粗さは、金属製基材2の表面粗さよりも小さくなっている。
なお、本発明では、表面粗さとして算術平均粗さRaを採用している。
上記絶縁性下地膜3は、金属製基材2表面の凹凸を埋めて形成されている。すなわち、絶縁性下地膜3は、金属製基材2表面の凹凸を埋める厚さで成膜されている。
また、絶縁性下地膜3の表面粗さは、金属製基材2の表面粗さよりも小さくなっている。
なお、本発明では、表面粗さとして算術平均粗さRaを採用している。
上記金属製基材2は、ステンレスで形成されており、特に柔軟性を必要とする場合は、屈曲可能なステンレス薄板が採用される。
すなわち、金属製基材2は、柔軟性を有する金属薄板である。
また、サーミスタ膜3も、柔軟性を有する金属窒化膜であることが好ましい。
上記絶縁性下地膜3は、N(窒素)を微量に含有したSiOx膜である。本実施形態では、ポリシラザンを乾燥して形成され微量にN元素を含有するSiOx膜を絶縁性下地膜3として採用している。
すなわち、金属製基材2は、柔軟性を有する金属薄板である。
また、サーミスタ膜3も、柔軟性を有する金属窒化膜であることが好ましい。
上記絶縁性下地膜3は、N(窒素)を微量に含有したSiOx膜である。本実施形態では、ポリシラザンを乾燥して形成され微量にN元素を含有するSiOx膜を絶縁性下地膜3として採用している。
上記サーミスタ膜4は、結晶性M−A−N(但し、MはTi,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni及びCuの少なくとも1種を示すと共に、AはAl又は(Al及びSi)を示す。)であり、その結晶構造が六方晶系のウルツ鉱型の単相である。なお、Aは、Al又は(Al及びSi)、すなわちAlか、Al及びSiであって、少なくともAlを含む。
特に、サーミスタ膜4は、一般式:MxAlyNz(但し、MはTi,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni及びCuの少なくとも1種を示す。0.70≦y/(x+y)≦0.98、0.4≦z≦0.5、x+y+z=1)で示される金属窒化物からなり、その結晶構造が、六方晶系のウルツ鉱型の単相である。なお、これらの膜については、フレキシブル性と良好なサーミスタ特性とが確認されている。また、サーミスタ膜4には、サーミスタ特性を大きく変えない範囲内において、酸素が含まれていてもよい。
実際に、特許文献1~7にて、ウルツ鉱型のMxAyNz(但し、MはTi,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni及びCuの少なくとも1種を示すと共に、AはAl又は(Al及びSi)を示す。)が得られ、サーミスタ特性が得られている。また、結晶性Al−NのAlサイトをTi等に置き換えることによる格子定数の増加が、X線データより確認されていることが報告されている。なお、特許文献5にて、AlとSiの双方を含むMxAyNzにて、ウルツ鉱型の結晶構造をもち、さらに、サーミスタ特性が得られていることが報告されている。
なお、本実施形態では、特にTi−Al−Nのサーミスタ材料でサーミスタ膜4を形成している。すなわち、このサーミスタ膜4は、一般式:TixAlyNz(0.70≦y/(x+y)≦0.95、0.4≦z≦0.5、x+y+z=1)で示される金属窒化物からなり、その結晶構造が、六方晶系のウルツ鉱型の単相である。
次に、本実施形態のサーミスタ1を製造する方法について説明する。
本実施形態のサーミスタ1の製造方法は、金属製基材2上にポリシラザンを塗布する工程と、ポリシラザンを乾燥させNを含有したSiOxの絶縁性下地膜3を形成する工程と、絶縁性下地膜3上にサーミスタ膜4を成膜する工程とを有している。
本実施形態のサーミスタ1の製造方法は、金属製基材2上にポリシラザンを塗布する工程と、ポリシラザンを乾燥させNを含有したSiOxの絶縁性下地膜3を形成する工程と、絶縁性下地膜3上にサーミスタ膜4を成膜する工程とを有している。
上記ポリシラザンを塗布する工程では、ポリシラザンとして例えばメルク社製アクアミカ(登録商標)を使用し、スピンコーターによってステンレス薄膜の金属製基材2上に750回転,30秒×2回でポリシラザンを塗布する。
この後、塗布したポリシラザンを大気中において150℃、30分で乾燥させることで、微量なN元素を含有するSiOxの絶縁性下地膜3が形成される。
この後、塗布したポリシラザンを大気中において150℃、30分で乾燥させることで、微量なN元素を含有するSiOxの絶縁性下地膜3が形成される。
上記ポリシラザンは、ゾル・ゲル系材料とは異なり、有機成分を含有せず、無機成分のみによる化学組成を有しており、以下の化学式に示すような分子構造を有している。なお、この分子構造において、R1,R2,R3の少なくともいずれか一つは水素原子である。
ポリシラザンの重合度nは、100~50000であり、加熱しなくとも大気中で水分と以下の反応式で反応し、シリカガラス(SiO2)に転化する。
「反応式」
(SiH2NH)+2H2O→(SiO2)+NH3+2H3
「反応式」
(SiH2NH)+2H2O→(SiO2)+NH3+2H3
次に、形成した絶縁性下地膜3上にサーミスタ膜4をスパッタにより成膜する。
このサーミスタ膜4を成膜する工程では、例えば絶縁性の結晶性Ti−Al−N膜をスパッタリングにより形成する場合では、Ti−Al合金スパッタリングターゲットを用い、窒素含有雰囲気中で反応性スパッタ法にて、Ti−Al−N(Al/(Al+Ti)比=0.85)のサーミスタ膜4を膜厚100nmで成膜する。その時のスパッタ条件は、到達真空度4×10−5Pa、スパッタガス圧0.25Pa、ターゲット投入電力(出力)200Wで、Arガス+窒素ガスの混合ガス雰囲気下において、窒素ガス分率を30%で作製する。
このサーミスタ膜4を成膜する工程では、例えば絶縁性の結晶性Ti−Al−N膜をスパッタリングにより形成する場合では、Ti−Al合金スパッタリングターゲットを用い、窒素含有雰囲気中で反応性スパッタ法にて、Ti−Al−N(Al/(Al+Ti)比=0.85)のサーミスタ膜4を膜厚100nmで成膜する。その時のスパッタ条件は、到達真空度4×10−5Pa、スパッタガス圧0.25Pa、ターゲット投入電力(出力)200Wで、Arガス+窒素ガスの混合ガス雰囲気下において、窒素ガス分率を30%で作製する。
次に、本実施形態のサーミスタ1を用いたサーミスタセンサについて説明する。このサーミスタセンサ10は、図1に示すように、上記サーミスタ1の金属製基材2,絶縁性下地膜3及びサーミスタ膜4と、サーミスタ膜4に形成された一対のパターン電極5とを備えている。
上記一対のパターン電極5は、例えばCr膜5a(厚さ20nm)とAu膜5b(厚さ200nm)との積層金属膜でパターン形成され、サーミスタ膜4上で互いに対向状態とされていると共に、複数の櫛部5cを有した櫛形パターンとされている。
上記一対のパターン電極5は、例えばCr膜5a(厚さ20nm)とAu膜5b(厚さ200nm)との積層金属膜でパターン形成され、サーミスタ膜4上で互いに対向状態とされていると共に、複数の櫛部5cを有した櫛形パターンとされている。
このように本実施形態のサーミスタ1では、絶縁性下地膜3の表面粗さが、金属製基材2の表面粗さよりも小さいので、金属製基材2表面の凹凸をならして金属製基材2よりも表面が平坦で十分な電気的絶縁が得られる絶縁性下地膜3により、平坦で良質なサーミスタ膜4が得られると共に、金属製基材2により高い耐湿性,耐熱性及び耐薬品性を得ることができる。また、絶縁性下地膜3が、金属製基材2表面の凹凸を埋めるようにして成膜されているので、アンカー効果によって高い密着性も得ることができる。さらに、金属製基材2がポリイミドフィルムに比べて高い熱伝導率を有することから、サーミスタ膜4への熱伝導性が高く、より高い応答性を得ることができる。
また、金属製基材2が、ステンレスで形成され、絶縁性下地膜3が、Nを含有したSiOx膜であるので、絶縁性下地膜3中のN元素が、N元素を含有した金属製基材2やサーミスタ膜4に拡散して高い密着性を得ることができる。
また、金属製基材2が、柔軟性を有する金属薄板であり、サーミスタ膜4が、柔軟性を有する金属窒化膜であるので、全体として柔軟性を有したフレキシブルサーミスタとなり、曲面等に合わせて容易に曲げて設置することが可能である。
また、金属製基材2が、柔軟性を有する金属薄板であり、サーミスタ膜4が、柔軟性を有する金属窒化膜であるので、全体として柔軟性を有したフレキシブルサーミスタとなり、曲面等に合わせて容易に曲げて設置することが可能である。
特に、金属製基材2が、ステンレス薄板であり、サーミスタ膜4が、結晶性M−A−N(但し、MはTi,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni及びCuの少なくとも1種を示すと共に、AはAl又は(Al及びSi)を示す。)であり、その結晶構造が六方晶系のウルツ鉱型の単相である場合、互いに柔軟性を有する上記結晶性M−A−Nのサーミスタ膜4とステンレス薄板の金属製基材2との組み合わせによって、サーミスタ1全体として柔軟性を得ることができる。
例えば、このサーミスタ1を測定対象物に押し当てた際に、柔軟に湾曲して測定対象物と接触させることが可能になる。また、測定対象物が曲面をもっていても、測定対象物とサーミスタ1とを面接触させることができるので、柔軟性と応答性とを兼ね備えたサーミスタ1が得られる。
したがって本実施形態のサーミスタセンサ10では、上記サーミスタ1を備えているので、高い耐湿性,耐熱性及び耐薬品性を有し、良好なサーミスタ特性を有したサーミスタセンサが得られる。
また、本実施形態のサーミスタ1の製造方法では、金属製基材2上に塗布したポリシラザンを乾燥させNを含有したSiOxの絶縁性下地膜3を形成する工程を有しているので、表面粗さが小さいと共にNを含有したSiOxの絶縁性下地膜3を容易に得ることができる。また、熱酸化SiOx膜に比べて厚いSiOx膜の絶縁性下地膜3を容易に得ることができ、金属製基材2表面の凹凸を埋め易くなる。
また、本実施形態のサーミスタ1の製造方法では、金属製基材2上に塗布したポリシラザンを乾燥させNを含有したSiOxの絶縁性下地膜3を形成する工程を有しているので、表面粗さが小さいと共にNを含有したSiOxの絶縁性下地膜3を容易に得ることができる。また、熱酸化SiOx膜に比べて厚いSiOx膜の絶縁性下地膜3を容易に得ることができ、金属製基材2表面の凹凸を埋め易くなる。
なお、耐湿性,耐熱性,耐薬品性及び応答性について、ステンレスの金属製基材2とポリイミドフィルムの基材とを比較して以下に説明する。
「耐湿性」
ポリイミドフィルムの水蒸気透過度は1.7×10−3kg/m2であり、吸水率が0.8~1.5%であるが、ステンレスの金属製基材2では、水蒸気透過度及び吸水率が大幅に低減され、高い耐湿性が得られる。
「耐熱性」
ポリイミドフィルムの耐熱寿命は270℃2000時間以上であるが、ステンレスの金属製基材2では、900℃以上の耐熱性を有している。
「耐薬品性」
ポリイミドフィルムの苛性ソーダ溶液浸漬では、強度保持率や伸び保持率が20%以上低下し、電解質を透過させてしまうのに対し、ステンレスの金属製基材2では、電解質が透過する問題はない。
「応答速度」
ポリイミドフィルムの熱伝導率が0.29W/m・Kであるのに対し、ステンレスの金属製基材2の熱伝導率が10~25W/m・Kであり、サーミスタ膜4への速い熱伝導性が得られ応答速度が向上する。
「耐湿性」
ポリイミドフィルムの水蒸気透過度は1.7×10−3kg/m2であり、吸水率が0.8~1.5%であるが、ステンレスの金属製基材2では、水蒸気透過度及び吸水率が大幅に低減され、高い耐湿性が得られる。
「耐熱性」
ポリイミドフィルムの耐熱寿命は270℃2000時間以上であるが、ステンレスの金属製基材2では、900℃以上の耐熱性を有している。
「耐薬品性」
ポリイミドフィルムの苛性ソーダ溶液浸漬では、強度保持率や伸び保持率が20%以上低下し、電解質を透過させてしまうのに対し、ステンレスの金属製基材2では、電解質が透過する問題はない。
「応答速度」
ポリイミドフィルムの熱伝導率が0.29W/m・Kであるのに対し、ステンレスの金属製基材2の熱伝導率が10~25W/m・Kであり、サーミスタ膜4への速い熱伝導性が得られ応答速度が向上する。
本発明の実施例として、ステンレスの金属製基材上にポリシラザンによるSiOxの絶縁性下地膜を形成し、さらにこの上にTi−Al−Nのサーミスタ膜を形成したサーミスタを作製した。この実施例について、断面をSEMで観察した結果を図3に示す。図中のTHはサーミスタを示す。なお、比較例として、Si基板上に熱酸化SiO2膜を形成し、さらにこの上にTi−Al−Nのサーミスタ膜を形成したものを作製し、同様にSEMで観察した結果を図4に示す。
なお、上記ステンレスの金属製基材の厚さは30μmであり、上記絶縁性下地膜の厚さは2μmである。また、上記比較例のSi基板の厚さは、255μmであり、熱酸化SiOx膜の厚さは0.5μmである。さらに、どちらもサーミスタ膜の厚みは、100nmである。
なお、上記ステンレスの金属製基材の厚さは30μmであり、上記絶縁性下地膜の厚さは2μmである。また、上記比較例のSi基板の厚さは、255μmであり、熱酸化SiOx膜の厚さは0.5μmである。さらに、どちらもサーミスタ膜の厚みは、100nmである。
これらの結果から分かるように、本発明の実施例では、ステンレスの金属製基板表面の凹凸にポリシラザンによるSiOxの絶縁性下地膜が十分に回り込んで成膜されており、絶縁性下地膜の表面がより平坦化されている。また、本発明の実施例におけるポリシラザンによるSiOxの絶縁性下地膜は、比較例の熱酸化SiOx膜と比較しても、どちらもアモルファスであり、同様の緻密な膜となっている。
次に、ステンレスの金属製基材上に形成したポリシラザンによるSiOxの絶縁性下地膜について、その表面状態及び表面粗さを分子間力顕微鏡(AFM)で測定した2例の結果を図6(測定1)及び図7(測定2)に示す。なお、成膜前のステンレスの金属製基材について、その表面状態及び表面粗さもAFMで測定した結果を図5に示す。
これらの結果から分かるように、ステンレスの金属製基材の表面は、表面粗さRaが34.791nmで、Max:169.866nm、Min:−129.354nmと最大300nm程度の凹凸(Max−Min)が存在しているのに対し、本発明の実施例においるポリシラザンによるSiOxの絶縁性下地膜の表面は、測定1において、表面粗さRaが538.3pmで、Max:6.133nm、Min:−2.456nmとなり、測定2において、表面粗さRaが345.2pmで、Max:2.188nm、Min:−1.270nmとなり、大幅に表面粗さが小さくなっている。
なお、本発明の技術範囲は上記実施形態及び実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上述したように、絶縁性下地膜としてポリシラザンを用いて成膜したN含有のSiOx膜を採用することが好ましいが、絶縁性下地膜としてスパッタ法やゾルゲル法により成膜したSiO2膜等のSiOx膜を採用しても構わない。
例えば、上述したように、絶縁性下地膜としてポリシラザンを用いて成膜したN含有のSiOx膜を採用することが好ましいが、絶縁性下地膜としてスパッタ法やゾルゲル法により成膜したSiO2膜等のSiOx膜を採用しても構わない。
1…サーミスタ、2…金属製基材、3…絶縁性下地膜、4…サーミスタ膜、5…パターン電極、10…サーミスタセンサ
Claims (6)
- 金属製基材と、
前記金属製基材上に形成された絶縁性下地膜と、
前記絶縁性下地膜上に形成されたサーミスタ膜とを備え、
前記絶縁性下地膜が、前記金属製基材表面の凹凸を埋めて形成され、
前記絶縁性下地膜の表面粗さが、前記金属製基材の表面粗さよりも小さいことを特徴とするサーミスタ。 - 請求項1に記載のサーミスタにおいて、
前記金属製基材が、ステンレスで形成され、
前記絶縁性下地膜が、Nを含有したSiOx膜であることを特徴とするサーミスタ。 - 請求項1に記載のサーミスタにおいて、
前記金属製基材が、柔軟性を有する金属薄板であり、
前記サーミスタ膜が、柔軟性を有する金属窒化膜であることを特徴とするサーミスタ。 - 請求項1に記載のサーミスタにおいて、
前記金属製基材が、ステンレス薄板であり、
前記サーミスタ膜が、結晶性M−A−N(但し、MはTi,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni及びCuの少なくとも1種を示すと共に、AはAl又は(Al及びSi)を示す。)であり、その結晶構造が六方晶系のウルツ鉱型の単相であることを特徴とするサーミスタ。 - 請求項1に記載のサーミスタの前記金属製基材,前記絶縁性下地膜及び前記サーミスタ膜と、
前記サーミスタ膜に形成された一対のパターン電極とを備えていることを特徴とするサーミスタセンサ。 - 請求項1に記載のサーミスタを製造する方法であって、
前記金属製基材上にポリシラザンを塗布する工程と、
前記ポリシラザンを乾燥させNを含有したSiOxの前記絶縁性下地膜を形成する工程と、
前記絶縁性下地膜上に前記サーミスタ膜を成膜する工程とを有することを特徴とするサーミスタの製造方法。
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