JP5928831B2 - 温度センサ - Google Patents
温度センサ Download PDFInfo
- Publication number
- JP5928831B2 JP5928831B2 JP2013058093A JP2013058093A JP5928831B2 JP 5928831 B2 JP5928831 B2 JP 5928831B2 JP 2013058093 A JP2013058093 A JP 2013058093A JP 2013058093 A JP2013058093 A JP 2013058093A JP 5928831 B2 JP5928831 B2 JP 5928831B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- pair
- insulating film
- thermistor
- temperature sensor
- lead frames
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01K7/00—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
- G01K7/16—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements
- G01K7/22—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements the element being a non-linear resistance, e.g. thermistor
- G01K7/223—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements the element being a non-linear resistance, e.g. thermistor characterised by the shape of the resistive element
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01K13/00—Thermometers specially adapted for specific purposes
- G01K13/04—Thermometers specially adapted for specific purposes for measuring temperature of moving solid bodies
- G01K13/08—Thermometers specially adapted for specific purposes for measuring temperature of moving solid bodies in rotary movement
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01C—RESISTORS
- H01C7/00—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material
- H01C7/006—Thin film resistors
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01C—RESISTORS
- H01C7/00—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material
- H01C7/008—Thermistors
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01C—RESISTORS
- H01C7/00—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material
- H01C7/04—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material having negative temperature coefficient
- H01C7/042—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material having negative temperature coefficient mainly consisting of inorganic non-metallic substances
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Nonlinear Science (AREA)
- Thermistors And Varistors (AREA)
Description
本発明は、複写機やプリンタ等の加熱ローラの温度を測定することに好適な温度センサに関する。
一般に、複写機やプリンタに使用されている加熱ローラには、その温度を測定するために温度センサが接触状態に設置されている。このような温度センサとしては、例えば特許文献1及び2に、一対のリードフレームと、これらのリードフレームの間に配設され接続された感熱素子と、一対のリードフレームの端部に形成された保持部と、リードフレーム及び感熱素子の片面に設けられ加熱ローラに接触させる薄膜シートとを有する温度センサが提案されている。
このような温度センサは、加熱ローラの表面にリードフレームの弾性力を利用して接触され、温度検知するものである。
なお、上記特許文献1には、感熱素子として ビードサーミスタやチップサーミスタが採用されていると共に、特許文献2には、感熱素子として、アルミナ等の絶縁基板の一面に感熱膜が形成された薄膜サーミスタが採用されている。この薄膜サーミスタは、絶縁基板の一面に形成された感熱膜と、該感熱膜と一対のリードフレームとを接続する一対のリード部と、感熱膜を覆う保護膜とで構成されている。
なお、上記特許文献1には、感熱素子として ビードサーミスタやチップサーミスタが採用されていると共に、特許文献2には、感熱素子として、アルミナ等の絶縁基板の一面に感熱膜が形成された薄膜サーミスタが採用されている。この薄膜サーミスタは、絶縁基板の一面に形成された感熱膜と、該感熱膜と一対のリードフレームとを接続する一対のリード部と、感熱膜を覆う保護膜とで構成されている。
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、特許文献1に記載の技術では、感熱素子としてビードサーミスタ等を使用しているが、この場合、約1mm程度の球状或いは楕円状であるために、加熱ローラに点接触するために、正確な温度検知が難しい。また、感熱素子に比較的大きな体積があるため、応答性が悪いという不都合があった。さらに、点接触であるために、回転するローラ表面に傷を付けてしまうおそれもあった。
また、特許文献2に記載の技術では、感熱素子として薄膜サーミスタを使用しているので、加熱ローラには面接触することができるが、薄膜サーミスタを構成する絶縁基板やリード部を含めると、やはり体積があるために、応答性が悪いという問題があった。
すなわち、特許文献1に記載の技術では、感熱素子としてビードサーミスタ等を使用しているが、この場合、約1mm程度の球状或いは楕円状であるために、加熱ローラに点接触するために、正確な温度検知が難しい。また、感熱素子に比較的大きな体積があるため、応答性が悪いという不都合があった。さらに、点接触であるために、回転するローラ表面に傷を付けてしまうおそれもあった。
また、特許文献2に記載の技術では、感熱素子として薄膜サーミスタを使用しているので、加熱ローラには面接触することができるが、薄膜サーミスタを構成する絶縁基板やリード部を含めると、やはり体積があるために、応答性が悪いという問題があった。
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、加熱ローラ等に押し当てて温度を検出する際に、高精度で応答性に優れていると共にねじれ難い温度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の発明に係る温度センサは、一対のリードフレームと、前記一対のリードフレームに接続されたセンサ部と、前記一対のリードフレームに固定されて前記リードフレームを保持する絶縁性の保持部とを備え、前記センサ部が、帯状の絶縁性フィルムと、前記絶縁性フィルムの表面にサーミスタ材料でパターン形成された薄膜サーミスタ部と、前記薄膜サーミスタ部の上及び下の少なくとも一方に複数の櫛部を有して互いに対向してパターン形成された一対の櫛型電極と、一端が前記一対の櫛型電極に接続されていると共に他端が前記一対のリードフレームに接続され前記絶縁性フィルムの表面にパターン形成された一対のパターン電極とを備え、前記リードフレームが、前記絶縁性フィルムに沿って延在するメインリード部と、前記メインリード部の基端側から前記絶縁性フィルムの基端部へ延びて前記基端部に接合された基端側接合部とを有し、前記一対のリードフレームの一方だけが、前記メインリード部の先端側から前記絶縁性フィルムの先端部へ延びて前記先端部に接合された先端側接合部を有していることを特徴とする。
この温度センサでは、一対のリードフレームの一方だけが、基端側接合部と、メインリード部の先端側から絶縁性フィルムの先端部へ延びて前記先端部に接合された先端側接合部とを有しているので、一本のリードフレームによって絶縁性フィルムの両端部が固定されることで、2本のリードフレームで両端部を固定する場合に比べて、ねじれを抑制することが可能になる。なお、一対のリードフレームの他方は、基端側接合部のみが、絶縁性フィルムの基端部に接合されているが先端部には接合されていない。
また、絶縁性フィルムに直接形成された薄膜サーミスタ部により、全体の厚みが薄くなり、小さい体積によって優れた応答性を得ることができる。また、一対のリードフレームが、一対のパターン電極に接続されているので、薄膜サーミスタ部とリードフレームとが絶縁性フィルムに直接形成されたパターン電極で接続されることで、パターン形成された薄い配線により、リード線等で接続された場合に比べてリードフレーム側との熱伝導性の影響が抑制される。なお、測定対象物に対する接触部分の平坦性が高く、面接触するために、正確な温度検知が可能であると共に回転する加熱ローラ等の測定対象物の表面を傷つけ難い。
また、絶縁性フィルムに直接形成された薄膜サーミスタ部により、全体の厚みが薄くなり、小さい体積によって優れた応答性を得ることができる。また、一対のリードフレームが、一対のパターン電極に接続されているので、薄膜サーミスタ部とリードフレームとが絶縁性フィルムに直接形成されたパターン電極で接続されることで、パターン形成された薄い配線により、リード線等で接続された場合に比べてリードフレーム側との熱伝導性の影響が抑制される。なお、測定対象物に対する接触部分の平坦性が高く、面接触するために、正確な温度検知が可能であると共に回転する加熱ローラ等の測定対象物の表面を傷つけ難い。
第2の発明に係る温度センサは、第1の発明において、前記基端側接合部が、前記保持部内に収納されていることを特徴とする。
すなわち、この温度センサでは、基端側接合部が保持部内に収納されているので、基端側接合部を保持部内に保持して高い接合性を得ることができ、信頼性を向上させることができる。
すなわち、この温度センサでは、基端側接合部が保持部内に収納されているので、基端側接合部を保持部内に保持して高い接合性を得ることができ、信頼性を向上させることができる。
第3の発明に係る温度センサは、第1又は第2の発明において、前記一対のリードフレームを覆った状態で前記絶縁性フィルムの表裏面に接着された絶縁性の一対の保護シートを備えていることを特徴とする。
すなわち、この温度センサでは、一対の保護シートが、一対のリードフレームを覆った状態で絶縁性フィルムの表裏面に接着されているので、一対のリードフレームを保護シートで安定して保持することができると共に絶縁性フィルムの剛性を向上させることができる。
すなわち、この温度センサでは、一対の保護シートが、一対のリードフレームを覆った状態で絶縁性フィルムの表裏面に接着されているので、一対のリードフレームを保護シートで安定して保持することができると共に絶縁性フィルムの剛性を向上させることができる。
第4の発明に係る温度センサは、第1から第3の発明のいずれかにおいて、前記薄膜サーミスタ部が、前記絶縁性フィルムの先端近傍に配され、前記パターン電極が、前記絶縁性フィルムの基端近傍まで延在し、前記一対のリードフレームの基端側接合部が、前記絶縁性フィルムの基端近傍で前記パターン電極に接続されていることを特徴とする。
すなわち、この温度センサでは、一対のリードフレームの基端側接合部が、絶縁性フィルムの基端近傍でパターン電極に接続されているので、長いパターン電極によってリードフレームへの熱伝導を抑制して、応答性を向上させることができる。
すなわち、この温度センサでは、一対のリードフレームの基端側接合部が、絶縁性フィルムの基端近傍でパターン電極に接続されているので、長いパターン電極によってリードフレームへの熱伝導を抑制して、応答性を向上させることができる。
第5の発明に係る温度センサは、第1から第4の発明のいずれかにおいて、前記薄膜サーミスタ部が、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ことを特徴とする。
一般に、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。従来、このようなサーミスタ材料には、Mn,Co,Fe等の遷移金属酸化物が一般的である。また、これらのサーミスタ材料では、安定なサーミスタ特性を得るために、600℃以上の焼成が必要である。
また、上記のような金属酸化物からなるサーミスタ材料の他に、例えば特許文献3では、一般式:MxAyNz(但し、MはTa,Nb,Cr,Ti及びZrの少なくとも1種、AはAl,Si及びBの少なくとも1種を示す。0.1≦x≦0.8、0<y≦0.6、0.1≦z≦0.8、x+y+z=1)で示される窒化物からなるサーミスタ用材料が提案されている。また、この特許文献3では、Ta−Al−N系材料で、0.5≦x≦0.8、0.1≦y≦0.5、0.2≦z≦0.7、x+y+z=1としたものだけが実施例として記載されている。このTa−Al−N系材料では、上記元素を含む材料をターゲットとして用い、窒素ガス含有雰囲気中でスパッタリングを行って作製されている。また、必要に応じて、得られた薄膜を350〜600℃で熱処理を行っている。
近年、樹脂フィルム上にサーミスタ材料を形成したフィルム型サーミスタセンサの開発が検討されており、フィルムに直接成膜できるサーミスタ材料の開発が望まれている。すなわち、フィルムを用いることで、フレキシブルなサーミスタセンサが得られることが期待される。さらに、0.1mm程度の厚さを持つ非常に薄いサーミスタセンサの開発が望まれているが、従来はアルミナ等のセラミックス材料を用いた基板材料がしばしば用いられ、例えば、厚さ0.1mmへと薄くすると非常に脆く壊れやすい等の問題があったが、フィルムを用いることで非常に薄いサーミスタセンサが得られることが期待される。
従来、TiAlNからなる窒化物系サーミスタを形成した温度センサでは、フィルム上にTiAlNからなるサーミスタ材料層と電極とを積層して形成する場合、サーミスタ材料層上にAu等の電極層を成膜し、複数の櫛部を有した櫛型にパターニングしている。しかし、このサーミスタ材料層は、曲率半径が大きく緩やかに曲げられた場合には、クラックが生じ難く抵抗値等の電気特性に変化がないが、曲率半径が小さくきつく曲げた場合に、クラックが発生し易くなり、抵抗値等が大きく変化して電気特性の信頼性が低くなってしまう。特に、フィルムを櫛部の延在方向に直交する方向に小さい曲率半径できつく曲げた場合、櫛部の延在方向に曲げた場合に比べて櫛型電極とサーミスタ材料層との応力差により、電極エッジ付近にクラックが発生し易くなり、電気特性の信頼性が低下してしまう不都合があった。
従来、TiAlNからなる窒化物系サーミスタを形成した温度センサでは、フィルム上にTiAlNからなるサーミスタ材料層と電極とを積層して形成する場合、サーミスタ材料層上にAu等の電極層を成膜し、複数の櫛部を有した櫛型にパターニングしている。しかし、このサーミスタ材料層は、曲率半径が大きく緩やかに曲げられた場合には、クラックが生じ難く抵抗値等の電気特性に変化がないが、曲率半径が小さくきつく曲げた場合に、クラックが発生し易くなり、抵抗値等が大きく変化して電気特性の信頼性が低くなってしまう。特に、フィルムを櫛部の延在方向に直交する方向に小さい曲率半径できつく曲げた場合、櫛部の延在方向に曲げた場合に比べて櫛型電極とサーミスタ材料層との応力差により、電極エッジ付近にクラックが発生し易くなり、電気特性の信頼性が低下してしまう不都合があった。
また、樹脂材料で構成されるフィルムは、一般的に耐熱温度が150℃以下と低く、比較的耐熱温度の高い材料として知られるポリイミドでも300℃程度の耐熱性しかないため、サーミスタ材料の形成工程において熱処理が加わる場合は、適用が困難であった。上記従来の酸化物サーミスタ材料では、所望のサーミスタ特性を実現するために600℃以上の焼成が必要であり、フィルムに直接成膜したフィルム型サーミスタセンサを実現できないという問題点があった。そのため、非焼成で直接成膜できるサーミスタ材料の開発が望まれているが、上記特許文献3に記載のサーミスタ材料でも、所望のサーミスタ特性を得るために、必要に応じて、得られた薄膜を350〜600℃で熱処理する必要があった。また、このサーミスタ材料では、Ta−Al−N系材料の実施例において、B定数:500〜3000K程度の材料が得られているが、耐熱性に関する記述がなく、窒化物系材料の熱的信頼性が不明であった。
本発明者らは、窒化物材料の中でもAlN系に着目し、鋭意、研究を進めたところ、絶縁体であるAlNは、最適なサーミスタ特性(B定数:1000〜6000K程度)を得ることが難しいため、Alサイトを電気伝導を向上させる特定の金属元素で置換すると共に、特定の結晶構造とすることで、非焼成で良好なB定数と耐熱性とが得られることを見出した。
したがって、本発明は、上記知見から得られたものであり、薄膜サーミスタ部が、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ので、非焼成で良好なB定数が得られると共に高い耐熱性を有している。
したがって、本発明は、上記知見から得られたものであり、薄膜サーミスタ部が、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ので、非焼成で良好なB定数が得られると共に高い耐熱性を有している。
なお、上記「y/(x+y)」(すなわち、Al/(Ti+Al))が0.70未満であると、ウルツ鉱型の単相が得られず、NaCl型相との共存相又はNaCl型相のみの相となってしまい、十分な高抵抗と高B定数とが得られない。
また、上記「y/(x+y)」(すなわち、Al/(Ti+Al))が0.95をこえると、抵抗率が非常に高く、きわめて高い絶縁性を示すため、サーミスタ材料として適用できない。
また、上記「z」(すなわち、N/(Ti+Al+N))が0.4未満であると、金属の窒化量が少ないため、ウルツ鉱型の単相が得られず、十分な高抵抗と高B定数とが得られない。
さらに、上記「z」(すなわち、N/(Ti+Al+N))が0.5を超えると、ウルツ鉱型の単相を得ることができない。このことは、ウルツ鉱型の単相において、窒素サイトにおける欠陥がない場合の正しい化学量論比は、N/(Ti+Al+N)=0.5であることに起因する。
また、上記「y/(x+y)」(すなわち、Al/(Ti+Al))が0.95をこえると、抵抗率が非常に高く、きわめて高い絶縁性を示すため、サーミスタ材料として適用できない。
また、上記「z」(すなわち、N/(Ti+Al+N))が0.4未満であると、金属の窒化量が少ないため、ウルツ鉱型の単相が得られず、十分な高抵抗と高B定数とが得られない。
さらに、上記「z」(すなわち、N/(Ti+Al+N))が0.5を超えると、ウルツ鉱型の単相を得ることができない。このことは、ウルツ鉱型の単相において、窒素サイトにおける欠陥がない場合の正しい化学量論比は、N/(Ti+Al+N)=0.5であることに起因する。
本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係る温度センサによれば、一対のリードフレームの一方だけが、基端側接合部と、メインリード部の先端側から絶縁性フィルムの先端部へ延びて前記先端部に接合された先端側接合部とを有しているので、一本のリードフレームによって絶縁性フィルムの両端部が固定されることで、2本のリードフレームで両端部を固定する場合に比べて、ねじれを抑制することが可能になる。
また、薄膜サーミスタ部とリードフレームとが絶縁性フィルムに直接形成されたパターン電極で接続されることで、薄い絶縁性フィルムに直接形成された薄膜サーミスタ部と薄いパターン電極とにより、優れた応答性を得ることができると共に正確な温度測定が可能になる。
さらに、薄膜サーミスタ部を、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材料とすることで、非焼成で良好なB定数が得られると共に高い耐熱性が得られる。
したがって、本発明の温度センサによれば、ねじれが抑制されたセンサ部による安定した面接触が可能であると共に、高い応答性で正確に温度を測定することができ、複写機やプリンタ等の加熱ローラの温度用として好適である。
すなわち、本発明に係る温度センサによれば、一対のリードフレームの一方だけが、基端側接合部と、メインリード部の先端側から絶縁性フィルムの先端部へ延びて前記先端部に接合された先端側接合部とを有しているので、一本のリードフレームによって絶縁性フィルムの両端部が固定されることで、2本のリードフレームで両端部を固定する場合に比べて、ねじれを抑制することが可能になる。
また、薄膜サーミスタ部とリードフレームとが絶縁性フィルムに直接形成されたパターン電極で接続されることで、薄い絶縁性フィルムに直接形成された薄膜サーミスタ部と薄いパターン電極とにより、優れた応答性を得ることができると共に正確な温度測定が可能になる。
さらに、薄膜サーミスタ部を、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材料とすることで、非焼成で良好なB定数が得られると共に高い耐熱性が得られる。
したがって、本発明の温度センサによれば、ねじれが抑制されたセンサ部による安定した面接触が可能であると共に、高い応答性で正確に温度を測定することができ、複写機やプリンタ等の加熱ローラの温度用として好適である。
以下、本発明に係る温度センサにおける一実施形態を、図1から図9を参照しながら説明する。なお、以下の説明に用いる図面の一部では、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。
本実施形態の温度センサ1は、図1に示すように、一対のリードフレーム2A,2Bと、一対のリードフレーム2A,2Bに接続されたセンサ部3と、一対のリードフレーム2A,2Bに固定されてリードフレーム2A,2Bを保持する絶縁性の保持部4とを備えている。
上記センサ部3は、図3に示すように、帯状の絶縁性フィルム6と、前記絶縁性フィルム6の表面にサーミスタ材料でパターン形成された薄膜サーミスタ部7と、薄膜サーミスタ部7の上に複数の櫛部8aを有して互いに対向してパターン形成された一対の櫛型電極8と、一端が一対の櫛型電極8に接続されていると共に他端が一対のリードフレーム2A,2Bに接続され絶縁性フィルム6の表面にパターン形成された一対のパターン電極9とを備えている。
上記センサ部3は、図3に示すように、帯状の絶縁性フィルム6と、前記絶縁性フィルム6の表面にサーミスタ材料でパターン形成された薄膜サーミスタ部7と、薄膜サーミスタ部7の上に複数の櫛部8aを有して互いに対向してパターン形成された一対の櫛型電極8と、一端が一対の櫛型電極8に接続されていると共に他端が一対のリードフレーム2A,2Bに接続され絶縁性フィルム6の表面にパターン形成された一対のパターン電極9とを備えている。
上記リードフレーム2A,2Bは、絶縁性フィルム6に沿って延在するメインリード部2aと、メインリード部2aの基端側から絶縁性フィルム6の基端部へ延びて前記基端部に接合された基端側接合部2bとを有し、一対のリードフレーム2A,2Bの一方(リードフレーム2A)だけが、メインリード部2aの先端側から絶縁性フィルム6の先端部へ延びて前記先端部に接合された先端側接合部2cを有している。
上記先端側接合部2cは、メインリード部2aに対して直交する方向に延在し、絶縁性フィルム6の先端部の端辺全体を覆うようにして接着部12に接着剤等で接着されている。
また、一対の基端側接合部2bは、絶縁性フィルム6の両側に配された一対のメインリード部2aから互いに向けて突出して一対のパターン電極9にはんだ等で接合されている。
なお、一対のリードフレーム2A,2Bの他方(リードフレーム2B)は、基端側接合部2bのみが、絶縁性フィルム6の基端部に接合されているが先端部には接合されていない。
また、一対の基端側接合部2bは、絶縁性フィルム6の両側に配された一対のメインリード部2aから互いに向けて突出して一対のパターン電極9にはんだ等で接合されている。
なお、一対のリードフレーム2A,2Bの他方(リードフレーム2B)は、基端側接合部2bのみが、絶縁性フィルム6の基端部に接合されているが先端部には接合されていない。
上記薄膜サーミスタ部7は、絶縁性フィルム6の先端近傍に配され、パターン電極9が、絶縁性フィルム6の基端近傍まで延在している。一対のパターン電極9は、絶縁性フィルム6の基端近傍に一対の接着用パッド部9aを有しており、一対の基端側接合部2bが、対応する接着用パッド部9aに導電性樹脂接着剤等の接着剤(図示略)で接着、接続されている。
上記一対のリードフレーム2A,2Bは、銅系合金、鉄系合金又はステンレス等の合金で形成されており、樹脂製の保持部4によって互いに一定間隔を保持した状態で支持されている。なお、保持部4には、取付孔4aが形成されている。
一対のリードフレーム2A,2Bのメインリード部2aは、絶縁性フィルム6に沿って、絶縁性フィルム6の両側で絶縁性フィルム6の延在方向の略全長にわたって延在している。
一対のリードフレーム2A,2Bのメインリード部2aは、絶縁性フィルム6に沿って、絶縁性フィルム6の両側で絶縁性フィルム6の延在方向の略全長にわたって延在している。
また、一対のリードフレーム2A,2Bは、保持部4内で基端が一対のリード線5に接続されている。これらリードフレーム2A,2Bの基端部には、リード線5の先端を挟み込んでかしめることで固定する一対の固定用突出部2dが形成されている。
さらに、一対の基端側接合部2b及び固定用突出部2dは、保持部4内に収納されている。すなわち、センサ部3とリードフレーム2A,2Bとの接合部と、リードフレーム2A,2Bとリード線5との接合部とが、それぞれ保持部4内で保持されている。
さらに、一対の基端側接合部2b及び固定用突出部2dは、保持部4内に収納されている。すなわち、センサ部3とリードフレーム2A,2Bとの接合部と、リードフレーム2A,2Bとリード線5との接合部とが、それぞれ保持部4内で保持されている。
また、本実施形態の温度センサ1は、絶縁性フィルム6の表面に薄膜サーミスタ部7を覆う保護膜10と、一対のリードフレーム2A,2Bを覆った状態で絶縁性フィルム6の表裏面に接着された絶縁性の一対の保護シート11とを備えている。
上記保護膜10は、絶縁性樹脂膜等であり、例えば厚さ20μmのポリイミド膜が採用される。この保護膜10は、薄膜サーミスタ部7と共に櫛部8aを覆って矩形状にパターン形成されている。
上記一対の保護シート11は、ポリイミドフィルム等であり、センサ部3及び一対のリードフレーム2A,2Bを挟んだ状態で互いに接着剤で接着されている。
上記保護膜10は、絶縁性樹脂膜等であり、例えば厚さ20μmのポリイミド膜が採用される。この保護膜10は、薄膜サーミスタ部7と共に櫛部8aを覆って矩形状にパターン形成されている。
上記一対の保護シート11は、ポリイミドフィルム等であり、センサ部3及び一対のリードフレーム2A,2Bを挟んだ状態で互いに接着剤で接着されている。
上記絶縁性フィルム6は、例えば厚さ7.5〜125μmのポリイミド樹脂シートで帯状に形成されている。なお、絶縁性フィルム6としては、他にPET:ポリエチレンテレフタレート,PEN:ポリエチレンナフタレート等でも作製できるが、加熱ローラの温度測定用としては、最高使用温度が230℃と高いためポリイミドフィルムが望ましい。
上記薄膜サーミスタ部7は、絶縁性フィルム6の一端側に配され、TiAlNのサーミスタ材料で形成されている。特に、薄膜サーミスタ部7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。
上記パターン電極9及び櫛型電極8は、薄膜サーミスタ部7上に形成された膜厚5〜100nmのCr又はNiCrの接合層と、該接合層上にAu等の貴金属で膜厚50〜1000nmで形成された電極層とを有している。
一対の櫛型電極8は、互いに対向状態に配されて交互に櫛部8aが並んだ櫛型パターンとされている。
一対の櫛型電極8は、互いに対向状態に配されて交互に櫛部8aが並んだ櫛型パターンとされている。
なお、櫛部8aは、絶縁性フィルム6の延在方向(メインリード部2aの延在方向)に沿って延在している。すなわち、絶縁性フィルム6の裏面側を、回転する加熱ローラに押し当てされて温度測定を行うが、この際、絶縁性フィルム6の延在方向に曲率を有して湾曲させられるため、薄膜サーミスタ部7にも同方向に曲げ応力が加わる。このとき、櫛部8aが同方向に延在しているため、薄膜サーミスタ部7を補強することになり、クラックの発生を抑制することができる。
上記薄膜サーミスタ部7は、上述したように、金属窒化物材料であって、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、六方晶系の結晶系であってウルツ鉱型(空間群P63mc(No.186))の単相である。すなわち、この金属窒化物材料は、図2に示すように、Ti−Al−N系3元系相図における点A,B,C,Dで囲まれる領域内の組成を有し、結晶相がウルツ鉱型である金属窒化物である。
なお、上記点A,B,C,Dの各組成比(x、y、z)(原子%)は、A(15、35、50),B(2.5、47.5、50),C(3、57、40),D(18、42、40)である。
なお、上記点A,B,C,Dの各組成比(x、y、z)(原子%)は、A(15、35、50),B(2.5、47.5、50),C(3、57、40),D(18、42、40)である。
また、この薄膜サーミスタ部7は、例えば膜厚100〜1000nmの膜状に形成され、前記膜の表面に対して垂直方向に延在している柱状結晶である。さらに、膜の表面に対して垂直方向にa軸よりc軸が強く配向していることが好ましい。
なお、膜の表面に対して垂直方向(膜厚方向)にa軸配向(100)が強いかc軸配向(002)が強いかの判断は、X線回折(XRD)を用いて結晶軸の配向性を調べることで、(100)(a軸配向を示すミラー指数)と(002)(c軸配向を示すミラー指数)とのピーク強度比から、「(100)のピーク強度」/「(002)のピーク強度」が1未満であることで決定する。
なお、膜の表面に対して垂直方向(膜厚方向)にa軸配向(100)が強いかc軸配向(002)が強いかの判断は、X線回折(XRD)を用いて結晶軸の配向性を調べることで、(100)(a軸配向を示すミラー指数)と(002)(c軸配向を示すミラー指数)とのピーク強度比から、「(100)のピーク強度」/「(002)のピーク強度」が1未満であることで決定する。
この温度センサ1の製造方法について、図1,図3から図9を参照して以下に説明する。
本実施形態の温度センサ1の製造方法は、絶縁性フィルム6上に薄膜サーミスタ部7をパターン形成する薄膜サーミスタ部形成工程と、互いに対向した一対の櫛型電極8を薄膜サーミスタ部7上に配して絶縁性フィルム6上に一対のパターン電極9をパターン形成する電極形成工程と、薄膜サーミスタ部7の表面に保護膜10を形成する保護膜形成工程と、センサ部3にリードフレーム2A,2Bを取り付けるリードフレーム取り付け工程と、センサ部3とリードフレーム2A,2Bとを挟んで覆う一対の保護シート11を接着するシート接着工程と、リード線5をリードフレーム2A,2Bに接続する工程と、保持部4をリードフレーム2A,2Bの基端側に取り付ける工程とを有している。
本実施形態の温度センサ1の製造方法は、絶縁性フィルム6上に薄膜サーミスタ部7をパターン形成する薄膜サーミスタ部形成工程と、互いに対向した一対の櫛型電極8を薄膜サーミスタ部7上に配して絶縁性フィルム6上に一対のパターン電極9をパターン形成する電極形成工程と、薄膜サーミスタ部7の表面に保護膜10を形成する保護膜形成工程と、センサ部3にリードフレーム2A,2Bを取り付けるリードフレーム取り付け工程と、センサ部3とリードフレーム2A,2Bとを挟んで覆う一対の保護シート11を接着するシート接着工程と、リード線5をリードフレーム2A,2Bに接続する工程と、保持部4をリードフレーム2A,2Bの基端側に取り付ける工程とを有している。
より具体的な製造方法の例としては、厚さ50μmのポリイミドフィルムの絶縁性フィルム6上に、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、TixAlyNz(x=9、y=43、z=48)のサーミスタ膜を膜厚200nmで形成する。その時のスパッタ条件は、到達真空度5×10−6Pa、スパッタガス圧0.4Pa、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20%で作製する。
成膜したサーミスタ膜の上にレジスト液をバーコーターで塗布した後、110℃で1分30秒のプリベークを行い、露光装置で感光後、現像液で不要部分を除去し、さらに150℃で5分のポストベークにてパターニングを行う。その後、不要なTixAlyNzのサーミスタ膜を市販のTiエッチャントでウェットエッチングを行い、図4に示すように、レジスト剥離にて所望の形状の薄膜サーミスタ部7にする。
次に、薄膜サーミスタ部7及び絶縁性フィルム6上に、スパッタ法にて、Cr膜の接合層を膜厚20nm形成する。さらに、この接合層上に、スパッタ法にてAu膜の電極層を膜厚100nm形成する。
次に、成膜した電極層の上にレジスト液をバーコーターで塗布した後、110℃で1分30秒のプリベークを行い、露光装置で感光後、現像液で不要部分を除去し、150℃で5分のポストベークにてパターニングを行う。その後、不要な電極部分を市販のAuエッチャント及びCrエッチャントの順番でウェットエッチングを行い、図5に示すように、レジスト剥離にて所望の櫛型電極8及びパターン電極9を形成する。
次に、成膜した電極層の上にレジスト液をバーコーターで塗布した後、110℃で1分30秒のプリベークを行い、露光装置で感光後、現像液で不要部分を除去し、150℃で5分のポストベークにてパターニングを行う。その後、不要な電極部分を市販のAuエッチャント及びCrエッチャントの順番でウェットエッチングを行い、図5に示すように、レジスト剥離にて所望の櫛型電極8及びパターン電極9を形成する。
さらに、その上にポリイミドワニスを印刷法により薄膜サーミスタ部7上に塗布して、250℃、30分でキュアを行い、図3に示すように、20μm厚のポリイミド保護膜10をパターン形成する。
次に、一対のリードフレーム2A,2Bの基端側接合部2bをパターン電極9の接着用パッド部9a上に配して、図6に示すように、基端側接合部2bと接着用パッド部9aとをはんだや導電性樹脂接着剤により接着する又は溶接することで、接合する。また、同時に、先端側接合部2cを絶縁性フィルム6の先端部上に配して、はんだ、溶接又は接着剤によって先端側接合部2cと絶縁性フィルム6の先端部とを接着部12で固定する。なお、この際、複数対のリードフレーム2A,2Bは、基端側で連結部2eによって連結されている。また、リードフレーム2A,2Bの基端側には、固定用突出部2dがメインリード部2aの左右に突出して形成されている。
次に、一対のリードフレーム2A,2Bの基端側接合部2bをパターン電極9の接着用パッド部9a上に配して、図6に示すように、基端側接合部2bと接着用パッド部9aとをはんだや導電性樹脂接着剤により接着する又は溶接することで、接合する。また、同時に、先端側接合部2cを絶縁性フィルム6の先端部上に配して、はんだ、溶接又は接着剤によって先端側接合部2cと絶縁性フィルム6の先端部とを接着部12で固定する。なお、この際、複数対のリードフレーム2A,2Bは、基端側で連結部2eによって連結されている。また、リードフレーム2A,2Bの基端側には、固定用突出部2dがメインリード部2aの左右に突出して形成されている。
次に、図7に示すように、保護シート11として接着剤付きの一対のポリイミドフィルム又はテフロン(登録商標)フィルムを、センサ部3とリードフレーム2A,2Bとを挟んで絶縁性フィルム6の表裏面に貼り付ける。
さらに、図8に示すように、隣接する複数対のリードフレーム2A,2Bを連結していた連結部2eから、一対のリードフレーム2A,2Bを固定用突出部2dの基端側で切り離す。
さらに、図8に示すように、隣接する複数対のリードフレーム2A,2Bを連結していた連結部2eから、一対のリードフレーム2A,2Bを固定用突出部2dの基端側で切り離す。
次に、図9に示すように、一対の固定用突出部2dの間(メインリード部2aの基端部)にリード線5の先端を配した状態で、一対の固定用突出部2dを互いに内側に折り返してリード線5の先端を挟むと共にかしめ、リード線5の先端をリードフレーム2A,2Bの基端に固定する。
最後に、保持部4を、基端側接合部2bの接合部と固定用突出部2dとリード線5との接続部とを収納するように樹脂成形することで、図1に示す本実施形態の温度センサ1が作製される。
最後に、保持部4を、基端側接合部2bの接合部と固定用突出部2dとリード線5との接続部とを収納するように樹脂成形することで、図1に示す本実施形態の温度センサ1が作製される。
なお、複数のセンサ部3を同時に作製する場合、絶縁性フィルム6の大判シートに複数の薄膜サーミスタ部7、櫛型電極8、パターン電極9及び保護膜10を上述のように形成した後に、大判シートから各センサ部3に切断する。
このように本実施形態の温度センサ1では、一対のリードフレーム2A,2Bの一方(リードフレーム2A)だけが、基端側接合部2bと、メインリード部2aの先端側から絶縁性フィルムの先端部へ延びて前記先端部に接合された先端側接合部2cとを有しているので、一本のリードフレーム2Aによって絶縁性フィルム6の両端部が固定されることで、2本のリードフレームで両端部を固定する場合に比べて、ねじれを抑制することが可能になる。
また、絶縁性フィルム6に直接形成された薄膜サーミスタ部7により、全体の厚みが薄くなり、小さい体積によって優れた応答性を得ることができる。また、一対のリードフレーム2A,2Bが、一対のパターン電極9に接続されているので、薄膜サーミスタ部7とリードフレーム2A,2Bとが絶縁性フィルム6に直接形成されたパターン電極9で接続されることで、パターン形成された薄い配線により、リード線等で直接接続された場合に比べてリードフレーム2A,2B側との熱伝導性の影響が抑制される。なお、測定対象物に対する接触部分の平坦性が高く、面接触するために、正確な温度検知が可能であると共に回転する加熱ローラ等の測定対象物の表面を傷つけ難い。
また、基端側接合部2bが保持部4内に収納されているので、基端側接合部2bを保持部4内に保持して高い接合性を得ることができ、信頼性を向上させることができる。
また、一対の保護シート11が、一対のリードフレーム2A,2Bを覆った状態で絶縁性フィルム6の表裏面に接着されているので、一対のリードフレーム2A,2Bを保護シート11で安定して保持することができると共に絶縁性フィルム6の剛性を向上させることができる。
さらに、一対のリードフレーム2A,2Bの基端側接合部2bが、絶縁性フィルム6の基端近傍でパターン電極9に接続されているので、長いパターン電極9によってリードフレーム2A,2Bへの熱伝導を抑制して、応答性を向上させることができる。
また、一対の保護シート11が、一対のリードフレーム2A,2Bを覆った状態で絶縁性フィルム6の表裏面に接着されているので、一対のリードフレーム2A,2Bを保護シート11で安定して保持することができると共に絶縁性フィルム6の剛性を向上させることができる。
さらに、一対のリードフレーム2A,2Bの基端側接合部2bが、絶縁性フィルム6の基端近傍でパターン電極9に接続されているので、長いパターン電極9によってリードフレーム2A,2Bへの熱伝導を抑制して、応答性を向上させることができる。
また、薄膜サーミスタ部7が、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、六方晶系の結晶系であってウルツ鉱型の単相であるので、非焼成で良好なB定数が得られると共に高い耐熱性を有している。
また、この金属窒化物材料では、膜の表面に対して垂直方向に延在している柱状結晶であるので、膜の結晶性が高く、高い耐熱性が得られる。
さらに、この金属窒化物材料では、膜の表面に対して垂直方向にa軸よりc軸を強く配向させることで、a軸配向が強い場合に比べて高いB定数が得られる。
また、この金属窒化物材料では、膜の表面に対して垂直方向に延在している柱状結晶であるので、膜の結晶性が高く、高い耐熱性が得られる。
さらに、この金属窒化物材料では、膜の表面に対して垂直方向にa軸よりc軸を強く配向させることで、a軸配向が強い場合に比べて高いB定数が得られる。
なお、本実施形態のサーミスタ材料層(薄膜サーミスタ部7)の製造方法では、Ti−Al合金スパッタリングターゲットを用いて窒素含有雰囲気中で反応性スパッタを行って成膜するので、上記TiAlNからなる上記金属窒化物材料を非焼成で成膜することができる。
また、反応性スパッタにおけるスパッタガス圧を、0.67Pa未満に設定することで、膜の表面に対して垂直方向にa軸よりc軸が強く配向している金属窒化物材料の膜を形成することができる。
また、反応性スパッタにおけるスパッタガス圧を、0.67Pa未満に設定することで、膜の表面に対して垂直方向にa軸よりc軸が強く配向している金属窒化物材料の膜を形成することができる。
したがって、本実施形態の温度センサ1では、絶縁性フィルム6上に上記サーミスタ材料層で薄膜サーミスタ部7が形成されているので、非焼成で形成され高B定数で耐熱性の高い薄膜サーミスタ部7により、樹脂フィルム等の耐熱性の低い絶縁性フィルム6を用いることができると共に、良好なサーミスタ特性を有した薄型でフレキシブルなサーミスタセンサが得られる。
また、従来アルミナ等のセラミックスを用いた基板材料がしばしば用いられ、例えば、厚さ0.1mmへと薄くすると非常に脆く壊れやすい等の問題があったが、本発明においてはフィルムを用いることができるので、上記のように、例えば厚さ0.1mmの非常に薄いフィルム型サーミスタセンサ(センサ部3)を得ることができる。
また、従来アルミナ等のセラミックスを用いた基板材料がしばしば用いられ、例えば、厚さ0.1mmへと薄くすると非常に脆く壊れやすい等の問題があったが、本発明においてはフィルムを用いることができるので、上記のように、例えば厚さ0.1mmの非常に薄いフィルム型サーミスタセンサ(センサ部3)を得ることができる。
次に、本発明に係る温度センサについて、上記実施形態に基づいて作製した実施例により評価した結果を、図10から図18を参照して具体的に説明する。
<膜評価用素子の作製>
本発明のサーミスタ材料層(薄膜サーミスタ部7)の評価を行う実施例及び比較例として、図10に示す膜評価用素子121を次のように作製した。
まず、反応性スパッタ法にて、様々な組成比のTi−Al合金ターゲットを用いて、Si基板Sとなる熱酸化膜付きSiウエハ上に、厚さ500nmの表1に示す様々な組成比で形成された金属窒化物材料の薄膜サーミスタ部7を形成した。その時のスパッタ条件は、到達真空度:5×10−6Pa、スパッタガス圧:0.1〜1Pa、ターゲット投入電力(出力):100〜500W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10〜100%と変えて作製した。
本発明のサーミスタ材料層(薄膜サーミスタ部7)の評価を行う実施例及び比較例として、図10に示す膜評価用素子121を次のように作製した。
まず、反応性スパッタ法にて、様々な組成比のTi−Al合金ターゲットを用いて、Si基板Sとなる熱酸化膜付きSiウエハ上に、厚さ500nmの表1に示す様々な組成比で形成された金属窒化物材料の薄膜サーミスタ部7を形成した。その時のスパッタ条件は、到達真空度:5×10−6Pa、スパッタガス圧:0.1〜1Pa、ターゲット投入電力(出力):100〜500W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10〜100%と変えて作製した。
次に、上記薄膜サーミスタ部7の上に、スパッタ法でCr膜を20nm形成し、さらにAu膜を100nm形成した。さらに、その上にレジスト液をスピンコーターで塗布した後、110℃で1分30秒のプリベークを行い、露光装置で感光後、現像液で不要部分を除去し、150℃で5分のポストベークにてパターニングを行った。その後、不要な電極部分を市販のAuエッチャント及びCrエッチャントによりウェットエッチングを行い、レジスト剥離にて所望の櫛形電極部124aを有するパターン電極124を形成した。そして、これをチップ状にダイシングして、B定数評価及び耐熱性試験用の膜評価用素子121とした。
なお、比較としてTixAlyNzの組成比が本発明の範囲外であって結晶系が異なる比較例についても同様に作製して評価を行った。
なお、比較としてTixAlyNzの組成比が本発明の範囲外であって結晶系が異なる比較例についても同様に作製して評価を行った。
<膜の評価>
(1)組成分析
反応性スパッタ法にて得られた薄膜サーミスタ部7について、X線光電子分光法(XPS)にて元素分析を行った。このXPSでは、Arスパッタにより、最表面から深さ20nmのスパッタ面において、定量分析を実施した。その結果を表1に示す。なお、以下の表中の組成比は「原子%」で示している。
(1)組成分析
反応性スパッタ法にて得られた薄膜サーミスタ部7について、X線光電子分光法(XPS)にて元素分析を行った。このXPSでは、Arスパッタにより、最表面から深さ20nmのスパッタ面において、定量分析を実施した。その結果を表1に示す。なお、以下の表中の組成比は「原子%」で示している。
なお、上記X線光電子分光法(XPS)は、X線源をMgKα(350W)とし、パスエネルギー:58.5eV、測定間隔:0.125eV、試料面に対する光電子取り出し角:45deg、分析エリアを約800μmφの条件下で定量分析を実施した。なお、定量精度について、N/(Ti+Al+N)の定量精度は±2%、Al/(Ti+Al)の定量精度は±1%ある。
(2)比抵抗測定
反応性スパッタ法にて得られた薄膜サーミスタ部7について、4端子法にて25℃での比抵抗を測定した。その結果を表1に示す。
(3)B定数測定
膜評価用素子121の25℃及び50℃の抵抗値を恒温槽内で測定し、25℃と50℃との抵抗値よりB定数を算出した。その結果を表1に示す。
反応性スパッタ法にて得られた薄膜サーミスタ部7について、4端子法にて25℃での比抵抗を測定した。その結果を表1に示す。
(3)B定数測定
膜評価用素子121の25℃及び50℃の抵抗値を恒温槽内で測定し、25℃と50℃との抵抗値よりB定数を算出した。その結果を表1に示す。
なお、本発明におけるB定数算出方法は、上述したように25℃と50℃とのそれぞれの抵抗値から以下の式によって求めている。
B定数(K)=ln(R25/R50)/(1/T25−1/T50)
R25(Ω):25℃における抵抗値
R50(Ω):50℃における抵抗値
T25(K):298.15K 25℃を絶対温度表示
T50(K):323.15K 50℃を絶対温度表示
B定数(K)=ln(R25/R50)/(1/T25−1/T50)
R25(Ω):25℃における抵抗値
R50(Ω):50℃における抵抗値
T25(K):298.15K 25℃を絶対温度表示
T50(K):323.15K 50℃を絶対温度表示
これらの結果からわかるように、TixAlyNzの組成比が図2に示す3元系の三角図において、点A,B,C,Dで囲まれる領域内、すなわち、「0.70≦y/(x+y)≦0.95、0.4≦z≦0.5、x+y+z=1」となる領域内の実施例全てで、抵抗率:100Ωcm以上、B定数:1500K以上のサーミスタ特性が達成されている。
上記結果から25℃での抵抗率とB定数との関係を示したグラフを、図11に示す。また、Al/(Ti+Al)比とB定数との関係を示したグラフを、図12に示す。これらのグラフから、Al/(Ti+Al)=0.7〜0.95、かつ、N/(Ti+Al+N)=0.4〜0.5の領域で、結晶系が六方晶のウルツ鉱型の単一相であるものは、25℃における比抵抗値が100Ωcm以上、B定数が1500K以上の高抵抗かつ高B定数の領域が実現できている。なお、図12のデータにおいて、同じAl/(Ti+Al)比に対して、B定数がばらついているのは、結晶中の窒素量が異なるためである。
表1に示す比較例3〜12は、Al/(Ti+Al)<0.7の領域であり、結晶系は立方晶のNaCl型となっている。また、比較例12(Al/(Ti+Al)=0.67)では、NaCl型とウルツ鉱型とが共存している。このように、Al/(Ti+Al)<0.7の領域では、25℃における比抵抗値が100Ωcm未満、B定数が1500K未満であり、低抵抗かつ低B定数の領域であった。
表1に示す比較例1,2は、N/(Ti+Al+N)が40%に満たない領域であり、金属が窒化不足の結晶状態になっている。この比較例1,2は、NaCl型でも、ウルツ鉱型でもない、非常に結晶性の劣る状態であった。また、これら比較例では、B定数及び抵抗値が共に非常に小さく、金属的振舞いに近いことがわかった。
(4)薄膜X線回折(結晶相の同定)
反応性スパッタ法にて得られた薄膜サーミスタ部7を、視斜角入射X線回折(Grazing Incidence X-ray Diffraction)により、結晶相を同定した。この薄膜X線回折は、微小角X線回折実験であり、管球をCuとし、入射角を1度とすると共に2θ=20〜130度の範囲で測定した。
反応性スパッタ法にて得られた薄膜サーミスタ部7を、視斜角入射X線回折(Grazing Incidence X-ray Diffraction)により、結晶相を同定した。この薄膜X線回折は、微小角X線回折実験であり、管球をCuとし、入射角を1度とすると共に2θ=20〜130度の範囲で測定した。
その結果、Al/(Ti+Al)≧0.7の領域においては、ウルツ鉱型相(六方晶、AlNと同じ相)であり、Al/(Ti+Al)<0.65の領域においては、NaCl型相(立方晶、TiNと同じ相)であった。また、0.65< Al/(Ti+Al)<0.7においては、ウルツ鉱型相とNaCl型相との共存する結晶相であった。
このようにTiAlN系においては、高抵抗かつ高B定数の領域は、Al/(Ti+Al)≧0.7のウルツ鉱型相に存在している。なお、本発明の実施例では、不純物相は確認されておらず、ウルツ鉱型の単一相である。
なお、表1に示す比較例1,2は、上述したように結晶相がウルツ鉱型相でもNaCl型相でもなく、本試験においては同定できなかった。また、これらの比較例は、XRDのピーク幅が非常に広いことから、非常に結晶性の劣る材料であった。これは、電気特性により金属的振舞いに近いことから、窒化不足の金属相になっていると考えられる。
なお、表1に示す比較例1,2は、上述したように結晶相がウルツ鉱型相でもNaCl型相でもなく、本試験においては同定できなかった。また、これらの比較例は、XRDのピーク幅が非常に広いことから、非常に結晶性の劣る材料であった。これは、電気特性により金属的振舞いに近いことから、窒化不足の金属相になっていると考えられる。
次に、本発明の実施例は全てウルツ鉱型相の膜であり、配向性が強いことから、Si基板S上に垂直な方向(膜厚方向)の結晶軸においてa軸配向性が強いか、c軸配向性が強いかであるかについて、XRDを用いて調査した。この際、結晶軸の配向性を調べるために、(100)(a軸配向を示すミラー指数)と(002)(c軸配向を示すミラー指数)とのピーク強度比を測定した。
その結果、スパッタガス圧が0.67Pa未満で成膜された実施例は、(100)よりも(002)の強度が非常に強く、a軸配向性よりc軸配向性が強い膜であった。一方、スパッタガス圧が0.67Pa以上で成膜された実施例は、(002)よりも(100)の強度が非常に強く、c軸配向よりa軸配向が強い材料であった。
なお、同じ成膜条件でポリイミドフィルムに成膜しても、同様にウルツ鉱型相の単一相が形成されていることを確認している。また、同じ成膜条件でポリイミドフィルムに成膜しても、配向性は変わらないことを確認している。
なお、同じ成膜条件でポリイミドフィルムに成膜しても、同様にウルツ鉱型相の単一相が形成されていることを確認している。また、同じ成膜条件でポリイミドフィルムに成膜しても、配向性は変わらないことを確認している。
c軸配向が強い実施例のXRDプロファイルの一例を、図13に示す。この実施例は、Al/(Ti+Al)=0.84(ウルツ鉱型、六方晶)であり、入射角を1度として測定した。この結果からわかるように、この実施例では、(100)よりも(002)の強度が非常に強くなっている。
また、a軸配向が強い実施例のXRDプロファイルの一例を、図14に示す。この実施例は、Al/(Ti+Al)=0.83(ウルツ鉱型、六方晶)であり、入射角を1度として測定した。この結果からわかるように、この実施例では、(002)よりも(100)の強度が非常に強くなっている。
また、a軸配向が強い実施例のXRDプロファイルの一例を、図14に示す。この実施例は、Al/(Ti+Al)=0.83(ウルツ鉱型、六方晶)であり、入射角を1度として測定した。この結果からわかるように、この実施例では、(002)よりも(100)の強度が非常に強くなっている。
さらに、この実施例について、入射角を0度として、対称反射測定を実施した。なお、グラフ中(*)は装置由来のピークであり、サンプル本体のピーク、もしくは、不純物相のピークではないことを確認している(なお、対称反射測定において、そのピークが消失していることからも装置由来のピークであることがわかる。)。
なお、比較例のXRDプロファイルの一例を、図15に示す。この比較例は、Al/(Ti+Al)=0.6(NaCl型、立方晶)であり、入射角を1度として測定した。ウルツ鉱型(空間群P63mc(No.186))として指数付けできるピークは検出されておらず、NaCl型単独相であることを確認した。
次に、ウルツ鉱型材料である本発明の実施例に関して、さらに結晶構造と電気特性との相関を詳細に比較した。
表2及び図16に示すように、Al/(Ti+Al)比がほぼ同じ比率のものに対し、基板面に垂直方向の配向度の強い結晶軸がc軸である材料(実施例5,7,8,9)とa軸である材料(実施例19,20,21)とがある。
表2及び図16に示すように、Al/(Ti+Al)比がほぼ同じ比率のものに対し、基板面に垂直方向の配向度の強い結晶軸がc軸である材料(実施例5,7,8,9)とa軸である材料(実施例19,20,21)とがある。
これら両者を比較すると、Al/(Ti+Al)比が同じであると、a軸配向が強い材料よりもc軸配向が強い材料の方が、B定数が100K程度大きいことがわかる。また、N量(N/(Ti+Al+N))に着目すると、a軸配向が強い材料よりもc軸配向が強い材料の方が、窒素量がわずかに大きいことがわかる。理想的な化学量論比:N/(Ti+Al+N)=0.5であることから、c軸配向が強い材料のほうが、窒素欠陥量が少なく理想的な材料であることがわかる。
<結晶形態の評価>
次に、薄膜サーミスタ部7の断面における結晶形態を示す一例として、熱酸化膜付きSi基板S上に成膜された実施例(Al/(Ti+Al)=0.84,ウルツ鉱型、六方晶、c軸配向性が強い)の薄膜サーミスタ部7における断面SEM写真を、図17に示す。また、別の実施例(Al/(Ti+Al)=0.83,ウルツ鉱型六方晶、a軸配向性が強い)の薄膜サーミスタ部7における断面SEM写真を、図18に示す。
これら実施例のサンプルは、Si基板Sをへき開破断したものを用いている。また、45°の角度で傾斜観察した写真である。
次に、薄膜サーミスタ部7の断面における結晶形態を示す一例として、熱酸化膜付きSi基板S上に成膜された実施例(Al/(Ti+Al)=0.84,ウルツ鉱型、六方晶、c軸配向性が強い)の薄膜サーミスタ部7における断面SEM写真を、図17に示す。また、別の実施例(Al/(Ti+Al)=0.83,ウルツ鉱型六方晶、a軸配向性が強い)の薄膜サーミスタ部7における断面SEM写真を、図18に示す。
これら実施例のサンプルは、Si基板Sをへき開破断したものを用いている。また、45°の角度で傾斜観察した写真である。
これらの写真からわかるように、いずれの実施例も高密度な柱状結晶で形成されている。すなわち、c軸配向が強い実施例及びa軸配向が強い実施例の共に基板面に垂直な方向に柱状の結晶が成長している様子が観測されている。なお、柱状結晶の破断は、Si基板Sをへき開破断した際に生じたものである。
<膜の耐熱試験評価>
表1に示す実施例及び比較例において、大気中,125℃,1000hの耐熱試験前後における抵抗値及びB定数を評価した。その結果を表3に示す。なお、比較として従来のTa−Al−N系材料による比較例も同様に評価した。
これらの結果からわかるように、Al濃度及び窒素濃度は異なるものの、Ta−Al−N系である比較例と同じB定数で比較したとき、耐熱試験前後における電気特性変化でみたときの耐熱性は、Ti−Al−N系のほうが優れている。なお、実施例5,8はc軸配向が強い材料であり、実施例21,24はa軸配向が強い材料である。両者を比較すると、c軸配向が強い実施例の方がa軸配向が強い実施例に比べて僅かに耐熱性が向上している。
表1に示す実施例及び比較例において、大気中,125℃,1000hの耐熱試験前後における抵抗値及びB定数を評価した。その結果を表3に示す。なお、比較として従来のTa−Al−N系材料による比較例も同様に評価した。
これらの結果からわかるように、Al濃度及び窒素濃度は異なるものの、Ta−Al−N系である比較例と同じB定数で比較したとき、耐熱試験前後における電気特性変化でみたときの耐熱性は、Ti−Al−N系のほうが優れている。なお、実施例5,8はc軸配向が強い材料であり、実施例21,24はa軸配向が強い材料である。両者を比較すると、c軸配向が強い実施例の方がa軸配向が強い実施例に比べて僅かに耐熱性が向上している。
なお、Ta−Al−N系材料では、Taのイオン半径がTiやAlに比べて非常に大きいため、高濃度Al領域でウルツ鉱型相を作製することができない。TaAlN系がウルツ鉱型相でないがゆえ、ウルツ鉱型相のTi−Al−N系の方が、耐熱性が良好であると考えられる。
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、上記実施形態では、櫛部を薄膜サーミスタ部の上にパターン形成しているが、薄膜サーミスタ部の下(絶縁性フィルムの上面)にパターン形成しても構わない。
例えば、上記実施形態では、櫛部を薄膜サーミスタ部の上にパターン形成しているが、薄膜サーミスタ部の下(絶縁性フィルムの上面)にパターン形成しても構わない。
1…温度センサ、2A,2B…リードフレーム、2a…メインリード部、2b…基端側接合部、2c…先端側接合部、3…センサ部、4…保持部、6…絶縁性フィルム、7…薄膜サーミスタ部、8…櫛型電極、8a…櫛部、9…パターン電極、10…保護膜、11…保護シート
Claims (5)
- 一対のリードフレームと、前記一対のリードフレームに接続されたセンサ部と、前記一対のリードフレームに固定されて前記リードフレームを保持する絶縁性の保持部とを備え、
前記センサ部が、帯状の絶縁性フィルムと、前記絶縁性フィルムの表面にサーミスタ材料でパターン形成された薄膜サーミスタ部と、前記薄膜サーミスタ部の上及び下の少なくとも一方に複数の櫛部を有して互いに対向してパターン形成された一対の櫛型電極と、一端が前記一対の櫛型電極に接続されていると共に他端が前記一対のリードフレームに接続され前記絶縁性フィルムの表面にパターン形成された一対のパターン電極とを備え、
前記リードフレームが、前記絶縁性フィルムに沿って延在するメインリード部と、前記メインリード部の基端側から前記絶縁性フィルムの基端部へ延びて前記基端部に接合された基端側接合部とを有し、
前記一対のリードフレームの一方だけが、前記メインリード部の先端側から前記絶縁性フィルムの先端部へ延びて前記先端部に接合された先端側接合部を有していることを特徴とする温度センサ。 - 請求項1に記載の温度センサにおいて、
前記基端側接合部が、前記保持部内に収納されていることを特徴とする温度センサ。 - 請求項1又は2に記載の温度センサにおいて、
前記一対のリードフレームを覆った状態で前記絶縁性フィルムの表裏面に接着された絶縁性の一対の保護シートを備えていることを特徴とする温度センサ。 - 請求項1から3のいずれか一項に記載の温度センサにおいて、
前記薄膜サーミスタ部が、前記絶縁性フィルムの先端近傍に配され、
前記パターン電極が、前記絶縁性フィルムの基端近傍まで延在し、
前記一対のリードフレームの前記基端側接合部が、前記絶縁性フィルムの基端近傍で前記パターン電極に接続されていることを特徴とする温度センサ。 - 請求項1から4のいずれか一項に記載の温度センサにおいて、
前記薄膜サーミスタ部が、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ことを特徴とする温度センサ。
Priority Applications (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2013058093A JP5928831B2 (ja) | 2013-03-21 | 2013-03-21 | 温度センサ |
TW103104549A TW201447247A (zh) | 2013-03-21 | 2014-02-12 | 溫度感測器 |
PCT/JP2014/053961 WO2014148186A1 (ja) | 2013-03-21 | 2014-02-13 | 温度センサ |
US14/778,030 US20160290874A1 (en) | 2013-03-21 | 2014-02-13 | Temperature sensor |
CN201480006490.4A CN104969046A (zh) | 2013-03-21 | 2014-02-13 | 温度传感器 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2013058093A JP5928831B2 (ja) | 2013-03-21 | 2013-03-21 | 温度センサ |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2014182085A JP2014182085A (ja) | 2014-09-29 |
JP5928831B2 true JP5928831B2 (ja) | 2016-06-01 |
Family
ID=51579879
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2013058093A Active JP5928831B2 (ja) | 2013-03-21 | 2013-03-21 | 温度センサ |
Country Status (5)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US20160290874A1 (ja) |
JP (1) | JP5928831B2 (ja) |
CN (1) | CN104969046A (ja) |
TW (1) | TW201447247A (ja) |
WO (1) | WO2014148186A1 (ja) |
Families Citing this family (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP6617909B2 (ja) * | 2015-07-30 | 2019-12-11 | 三菱マテリアル株式会社 | 温度センサ |
JP2018146403A (ja) * | 2017-03-06 | 2018-09-20 | Koa株式会社 | 温度センサ素子 |
US10964457B2 (en) * | 2017-07-19 | 2021-03-30 | Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. | Chip resistor |
CN108917970A (zh) * | 2018-05-18 | 2018-11-30 | 江苏华宁电子系统工程有限公司 | 一种温度信号的薄膜化采集传输装置及方法 |
JP7044643B2 (ja) * | 2018-06-18 | 2022-03-30 | 矢崎総業株式会社 | 油温センサ |
Family Cites Families (13)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2505571Y2 (ja) * | 1989-05-15 | 1996-07-31 | 石塚電子株式会社 | 温度検出器 |
JPH08110268A (ja) * | 1994-10-12 | 1996-04-30 | Ishizuka Denshi Kk | 温度センサ |
TW571093B (en) * | 1998-12-28 | 2004-01-11 | Tdk Corp | Moisture sensor |
JP2001056257A (ja) * | 1999-08-18 | 2001-02-27 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 温度センサ素子及びその製造方法並びに温度センサ |
JP4436064B2 (ja) * | 2003-04-16 | 2010-03-24 | 大阪府 | サーミスタ用材料及びその製造方法 |
JP2005214641A (ja) * | 2004-01-27 | 2005-08-11 | Ishizuka Electronics Corp | 温度センサ |
US20100104495A1 (en) * | 2006-10-16 | 2010-04-29 | Mitsubishi Chemical Corporation | Method for producing nitride semiconductor, crystal growth rate increasing agent, single crystal nitride, wafer and device |
JP2011044621A (ja) * | 2009-08-23 | 2011-03-03 | Mitsubishi Materials Corp | 温度センサ |
JP5703842B2 (ja) * | 2011-02-28 | 2015-04-22 | 三菱マテリアル株式会社 | 温度センサ付き非接触給電装置 |
JP5477670B2 (ja) * | 2012-02-28 | 2014-04-23 | 三菱マテリアル株式会社 | サーミスタ用金属窒化物材料及びその製造方法並びにフィルム型サーミスタセンサ |
JP5949276B2 (ja) * | 2012-07-26 | 2016-07-06 | 三菱マテリアル株式会社 | 温度センサ及び温度センサ付き電池 |
JP5896157B2 (ja) * | 2012-09-06 | 2016-03-30 | 三菱マテリアル株式会社 | 温度センサ |
JP5928829B2 (ja) * | 2013-01-31 | 2016-06-01 | 三菱マテリアル株式会社 | 温度センサ |
-
2013
- 2013-03-21 JP JP2013058093A patent/JP5928831B2/ja active Active
-
2014
- 2014-02-12 TW TW103104549A patent/TW201447247A/zh unknown
- 2014-02-13 US US14/778,030 patent/US20160290874A1/en not_active Abandoned
- 2014-02-13 WO PCT/JP2014/053961 patent/WO2014148186A1/ja active Application Filing
- 2014-02-13 CN CN201480006490.4A patent/CN104969046A/zh active Pending
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
TW201447247A (zh) | 2014-12-16 |
WO2014148186A1 (ja) | 2014-09-25 |
CN104969046A (zh) | 2015-10-07 |
US20160290874A1 (en) | 2016-10-06 |
JP2014182085A (ja) | 2014-09-29 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5896160B2 (ja) | 温度センサ | |
JP5896157B2 (ja) | 温度センサ | |
JP5928829B2 (ja) | 温度センサ | |
JP5776942B2 (ja) | 温度センサ | |
JP5939396B2 (ja) | 温度センサ | |
JP5928831B2 (ja) | 温度センサ | |
JP6052614B2 (ja) | 温度センサ | |
JP6108156B2 (ja) | 温度センサ | |
JP5999315B2 (ja) | フィルム型サーミスタセンサ及びその製造方法 | |
JP5796718B2 (ja) | 温度センサ及びその製造方法 | |
JP6052609B2 (ja) | 温度センサ | |
JP6015517B2 (ja) | 温度センサ | |
JP6011285B2 (ja) | 温度センサ | |
JP2014169874A (ja) | 温度センサ | |
JP6011286B2 (ja) | 温度センサ | |
JP6128379B2 (ja) | 非接触温度センサ | |
JP2014109504A (ja) | 温度センサ | |
JP5796719B2 (ja) | 温度センサ及びその製造方法 | |
JP5939397B2 (ja) | 温度センサ |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20150930 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20160331 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20160413 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 5928831 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |