KR101972201B1

KR101972201B1 - 온도 센서

Info

Publication number: KR101972201B1
Application number: KR1020157020561A
Authority: KR
Inventors: 노리아키 나가토모; 히토시 이나바; 가즈타 다케시마; 히로시 다나카
Original assignee: 미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤
Priority date: 2013-01-31
Filing date: 2013-12-17
Publication date: 2019-04-24
Anticipated expiration: 2033-12-17
Also published as: JP2014149153A; EP2952863B1; EP2952863A1; US20150362381A1; CN104823031B; CN104823031A; WO2014119206A1; EP2952863A4; TW201443410A; KR20150111934A; JP5928829B2; TWI588459B; US9448123B2

Abstract

한 쌍의 리드 프레임과, 한 쌍의 리드 프레임에 접속된 센서부와, 리드 프레임을 유지하는 절연성의 유지부를 구비하고, 센서부가, 띠형상의 절연성 필름과, 절연성 필름의 표면의 중앙부에 패턴 형성된 박막 서미스터부와, 박막 서미스터부의 위에 복수의 빗살부를 갖고 서로 대향하여 패턴 형성된 한 쌍의 빗살형 전극과, 일단이 한 쌍의 빗살형 전극에 접속되어 있음과 함께 타단이 절연성 필름의 단부에서 한 쌍의 리드 프레임에 접속되어 절연성 필름의 표면에 패턴 형성된 한 쌍의 패턴 전극을 구비하고, 절연성 필름이, 대략 U 자 형상으로 구부러진 상태로 박막 서미스터부를 선단부에 배치하고, 양 단부가 한 쌍의 리드 프레임에 고정되어 있는 온도 센서를 제공한다.

Description

온도 센서{TEMPERATURE SENSOR}

본 발명은 복사기나 프린터 등의 가열 롤러의 온도를 측정하기에 바람직한 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.

또한, 특허문헌 3 에는, 열전쌍을 금속으로 이루어지는 접촉판에 일체화시킨 온도 센서가 기재되어 있다. 이 온도 센서에서는, 접촉판의 탄성에 의해 접압을 얻어 측정 대상물에 접촉시킴으로써 온도를 측정하고 있다.

일본 특허공보 평6-29793호 일본 공개특허공보 2000-74752호 일본 공개특허공보 평7-198504호 일본 공개특허공보 2004-319737호

상기 종래의 기술에는 이하의 과제가 남겨져 있다.

즉, 특허문헌 1 에 기재된 기술에서는, 감열 소자로서 비드 서미스터 등을 사용하고 있지만, 이 경우 약 1 ㎜ 정도의 구상 (球狀) 혹은 타원상이기 때문에, 가열 롤러에 점 접촉하므로 정확한 온도 검지가 어렵다. 또, 감열 소자에 비교적 큰 체적이 있기 때문에 응답성이 나쁘다는 문제가 있었다. 나아가, 점 접촉이기 때문에, 회전하는 롤러 표면에 흠집이 생길 우려도 있었다.

또한, 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, 역시 체적이 있기 때문에 응답성이 나쁘다는 문제가 있었다.

그리고, 특허문헌 3 에 기재된 기술에서는, 금속의 접촉판을 측정 대상물에 갖다 대기 때문에 측정 대상물에 흠집이 생길 우려가 있는 것과 함께, 열전쌍 및 접촉판의 체적 (두께 등) 과, 금속의 접촉판으로부터 열이 빠져나감으로 인해 응답성이 나쁘다는 문제가 있었다.

본 발명은 전술한 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 가열 롤러 등에 갖다 대어 온도를 검출할 때, 고정밀도로 응답성이 우수함과 함께 측정 대상물에 흠집을 잘 내지 않는 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, 띠형상의 절연성 필름과, 그 절연성 필름의 표면의 중앙부에 서미스터 재료로 패턴 형성된 박막 서미스터부와, 상기 박막 서미스터부의 위 및 아래의 적어도 일방에 복수의 빗살부를 갖고 서로 대향하여 패턴 형성된 한 쌍의 빗살형 전극과, 일단이 상기 한 쌍의 빗살형 전극에 접속되어 있음과 함께 타단이 상기 절연성 필름의 양 단부에서 상기 한 쌍의 리드 프레임에 접속되어 상기 절연성 필름의 표면에 패턴 형성된 한 쌍의 패턴 전극을 구비하고, 상기 절연성 필름이, 대략 U 자 형상으로 구부러진 상태로 상기 박막 서미스터부를 선단부에 배치하고, 양 단부가 상기 한 쌍의 리드 프레임에 고정되어 있는 것을 특징으로 한다.

이 온도 센서에서는, 절연성 필름이, 대략 U 자 형상으로 구부러진 상태로 박막 서미스터부를 선단부에 배치하고, 양 단부가 한 쌍의 리드 프레임에 고정되어 있기 때문에, 구부러진 선단부를 측정 대상물에 갖다 댐으로써, 절연성 필름 전체가 휘어 강한 탄성과 강성이 얻어짐과 함께 그 유연성에 의해서 측정 대상물에 흠집을 내지 않고서 온도 측정이 가능해진다. 또한, 절연성 필름의 변형 범위가 넓기 때문에 측정 대상물의 형상에 유연하게 대응 가능함과 함께, 가압의 레벨을 조정할 수 있다. 또, 절연성 필름이기 때문에 금속의 접촉판과 비교하여 열이 빠져나가기 어려워, 체적이 작은 박막 서미스터부와의 상승 (相乘) 효과에 의해서 높은 응답성을 얻을 수 있다. 즉, 얇은 절연성 필름과, 절연성 필름에 직접 형성된 박막 서미스터부에 의해서 전체 두께가 얇아져, 작은 체적으로 우수한 응답성을 얻을 수 있다.

또한, 한 쌍의 리드 프레임이 한 쌍의 패턴 전극에 접속되어 있기 때문에, 박막 서미스터부와 리드 프레임이 절연성 필름에 직접 형성된 패턴 전극에 의해 접속됨으로써, 패턴 형성된 얇은 배선에 의해, 리드선 등으로 접속된 경우와 비교하여 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 표면에 잘 흠집을 내지 않는다.

제 2 발명에 관련된 온도 센서는, 제 1 발명에 있어서, 상기 절연성 필름이, 상기 리드 프레임의 돌출 방향으로 돌출된 상태로 구부러져 있는 것을 특징으로 한다.

즉, 이 온도 센서에서는, 절연성 필름이, 리드 프레임의 돌출 방향으로 돌출된 상태로 구부러져 있기 때문에, 리드 프레임의 돌출 방향 전방에 측정 대상물을 배치하고, 구부러진 센서부의 선단부를 측정 대상물에 대하여 갖다 대고 누름으로써 온도 측정을 실시할 수 있다.

제 3 발명에 관련된 온도 센서는, 제 1 발명에 있어서, 상기 절연성 필름이, 상기 리드 프레임의 돌출 방향에 대하여 직교하는 방향으로 돌출된 상태로 구부러져 있는 것을 특징으로 한다.

즉, 이 온도 센서에서는, 절연성 필름이, 리드 프레임의 돌출 방향에 대하여 직교하는 방향으로 돌출된 상태로 구부러져 있기 때문에, 리드 프레임의 돌출 방향에 대하여 직교하는 방향 전방에 측정 대상물을 배치하고, 구부러진 센서부의 선단부를 측정 대상물에 대하여 갖다 대고 누름으로써 온도 측정을 실시할 수 있다.

제 4 발명에 관련된 온도 센서는, 제 1 내지 제 3 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 단상 (單相) 인 것을 특징으로 한다.

일반적으로 온도 센서 등에 사용되는 서미스터 재료는, 고정밀도, 고감도를 위해서 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 안정적인 서미스터 특성을 얻기 위해, 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 타깃으로서 이용하여, 질소 가스 함유 분위기 중에서 스퍼터링을 실시해서 제조되고 있다. 또, 필요에 따라서, 얻어진 박막을 350 ∼ 600 ℃ 에서 열처리를 실시하고 있다.

최근, 수지 필름 상에 서미스터 재료를 형성한 필름형 서미스터 센서의 개발이 검토되고 있어, 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 종종 사용되어, 예를 들어 두께 0.1 ㎜ 로 얇게 하면 매우 약하여 망가지기 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 저항값 등의 전기 특성에 변화가 없지만, 곡률 반경이 작게 심하게 구부린 경우에, 크랙이 발생하기 쉬워져 저항값 등이 크게 변화되어 전기 특성의 신뢰성이 낮아진다. 특히, 필름을 빗살부의 연장 방향과 직교하는 방향으로 작은 곡률 반경으로 심하게 구부린 경우, 빗살부의 연장 방향으로 구부린 경우와 비교하여 빗살형 전극과 서미스터 재료층의 응력차에 의해서 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 4 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 기술 (記述) 이 없어, 질화물계 재료의 열적 신뢰성이 불분명하였다.

본 발명자들은 질화물 재료 중에서도 AlN 계에 주목하여 예의 연구를 진행시킨 결과, 절연체인 AlN 은 최적의 서미스터 특성 (B 정수 ： 1000 ∼ 6000 K 정도) 을 얻기가 어렵지만, Al 사이트를 전기 전도를 향상시키는 특정 금속 원소로 치환함과 함께 특정한 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 단상이기 때문에, 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 형 상 (相) 과의 공존상 또는 NaCl 형 상뿐인 상이 되어, 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 화학량론비는 N/(Ti＋Al＋N) = 0.5 인 것에서 기인한다.

본 발명에 의하면 이하의 효과를 발휘한다.

즉, 본 발명에 관련된 온도 센서에 의하면, 절연성 필름이, 대략 U 자 형상으로 구부러진 상태로 박막 서미스터부를 선단부에 배치하고, 양 단부가 한 쌍의 리드 프레임에 고정되어 있기 때문에, 강한 탄성 및 강성이 얻어져 측정 대상물에 흠집을 내지 않고서 온도 측정이 가능해짐과 함께 높은 응답성을 얻을 수 있다.

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, 강한 탄성과 유연성을 가진 센서부에 의한 안정적인 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, 서미스터용 금속 질화물 재료의 조성 범위를 나타내는 Ti-Al-N 계 3 원계 상도 (相圖) 이다.
도 3 은 제 1 실시형태에 있어서, 센서부를 나타내는 평면도 및 A-A 선 단면도이다.
도 4 는 제 1 실시형태에 있어서, 박막 서미스터부 형성 공정을 나타내는 평면도 및 B-B 선 단면도이다.
도 5 는 제 1 실시형태에 있어서, 전극 형성 공정을 나타내는 평면도 및 C-C 선 단면도이다.
도 6 은 제 1 실시형태에 있어서, 보호막 형성 공정을 나타내는 평면도 및 D-D 선 단면도이다.
도 7 은 본 발명에 관련된 온도 센서의 제 1 실시형태에 있어서, 다른 예를 도시하는 평면도 및 정면도이다.
도 8 은 본 발명에 관련된 온도 센서의 제 2 실시형태를 나타내는 평면도 및 정면도이다.
도 9 는 본 발명에 관련된 온도 센서의 제 2 실시형태에 있어서, 다른 예를 도시하는 평면도 및 정면도이다.
도 10 은 본 발명에 관련된 온도 센서의 실시예에 있어서, 서미스터용 금속 질화물 재료의 막 평가용 소자를 나타내는 정면도 및 평면도이다.
도 11 은 본 발명에 관련된 실시예 및 비교예에 있어서, 25 ℃ 저항률과 B 정수의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 12 는 본 발명에 관련된 실시예 및 비교예에 있어서, Al/(Ti＋Al) 비와 B 정수의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 13 은 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 14 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 15 는 본 발명에 관련된 비교예에 있어서, Al/(Ti＋Al) = 0.60 으로 한 경우에 있어서의 X 선 회절 (XRD) 의 결과를 나타내는 그래프이다.
도 16 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 17 은 본 발명에 관련된 실시예에 있어서, c 축 배향이 강한 실시예를 나타내는 단면 SEM 사진이다.
도 18 은 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 7 을 참조하면서 설명한다. 또한, 이하의 설명에 사용하는 도면의 일부에서는, 각 부를 인식 가능 또는 인식 용이한 크기로 하기 위해 필요에 따라서 축척을 적절히 변경하고 있다.

본 실시형태의 온도 센서 (1) 는, 도 1 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 장착 구멍 (4a) 이 형성되어 있다.

상기 센서부 (3) 는, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 띠형상의 절연성 필름 (6) 과, 그 절연성 필름 (6) 의 표면의 중앙부에 서미스터 재료로 패턴 형성된 박막 서미스터부 (7) 와, 박막 서미스터부 (7) 상에 복수의 빗살부 (8a) 를 갖고 서로 대향하여 패턴 형성된 한 쌍의 빗살형 전극 (8) 과, 일단이 한 쌍의 빗살형 전극 (8) 에 접속되어 있음과 함께 타단이 절연성 필름 (6) 의 양 단부에서 한 쌍의 리드 프레임 (2) 에 접속되어 절연성 필름 (6) 의 표면에 패턴 형성된 한 쌍의 패턴 전극 (9) 을 구비하고 있다.

상기 절연성 필름 (6) 은, 대략 U 자 형상으로 구부러진 상태로 박막 서미스터부 (7) 를 선단부에 배치하고, 양 단부가 한 쌍의 리드 프레임 (2) 에 고정되어 있다.

또한, 본 실시형태의 온도 센서 (1) 는, 패턴 전극 (9) 의 기단부 (접착용 패드부 (9a)) 가 배치되어 있는 절연성 필름 (6) 의 양 단부를 제외하고, 절연성 필름 (6) 상에 형성되어 박막 서미스터부 (7), 빗살형 전극 (8) 및 패턴 전극 (9) 을 덮는 보호막 (10) 을 구비하고 있다.

또, 본 실시형태에서는, 박막 서미스터부 (7) 상에 빗살형 전극 (8) 을 형성하고 있지만, 박막 서미스터부 (7) 의 아래에 빗살형 전극을 형성해도 상관없다.

또한, 한 쌍의 패턴 전극 (9) 은, 절연성 필름 (6) 의 중앙부에 배치된 박막 서미스터부 (7) 상의 빗살부 (8a) 에서부터 절연성 필름 (6) 의 양단 근방까지 연장되어 있다. 또, 패턴 전극 (9) 의 절연성 필름 (6) 의 양단 근방에는, 접착용 패드부 (9a) 가 형성되어 있다.

그리고, 한 쌍의 리드 프레임 (2) 의 선단부가, 절연성 필름 (6) 의 양 단부에서 패턴 전극 (9) 에 접속되어 있다. 즉, 리드 프레임 (2) 은 선단측이, 절연성 필름 (6) 상에 형성된 패턴 전극 (9) 의 접착용 패드부 (9a) 에 땜납 또는 도전성 수지 접착제 등에 의해 접착되어 있다.

전술한 바와 같이, 절연성 필름 (6) 은, 대략 U 자 형상으로 구부러진 상태로 박막 서미스터부 (7) 를 선단부에 배치하고, 리드 프레임 (2) 에 고정되어 있지만, 본 실시형태에서는, 리드 프레임 (2) 의 돌출 방향으로 돌출된 상태로 구부러져 있다. 즉, 센서부 (3) 는, 박막 서미스터부 (7) 를 중심으로 구부러져 리드 프레임 (2) 의 돌출 방향으로 연장된 상태로 한 쌍의 리드 프레임 (2) 의 선단에 가설 (架設) 되어 장착되어 있다. 또한, 절연성 필름 (6) 은 리드 프레임 (2) 의 내측면에 배치되어 접착용 패드부 (9a) 와 리드 프레임 (2) 의 내측면이 접착되어 있다.

상기 절연성 필름 (6) 은, 예를 들어 두께 50 ∼ 125 ㎛ 의 폴리이미드 수지시트에 의해 띠형상으로 형성되어 있다. 또, 절연성 필름 (6) 의 두께는 상기 범위보다 얇으면 대략 U 자 형상으로 구부려도 충분한 강성을 얻기 어렵고, 상기 범위보다 두꺼우면 응답성이 낮아질 우려가 있다. 또한, 절연성 필름 (6) 으로는, 그 밖에 PET : 폴리에틸렌테레프탈레이트, PEN : 폴리에틸렌나프탈레이트 등으로도 제조할 수 있지만, 가열 롤러의 온도 측정용으로는 최고 사용 온도가 180 ℃ 로 높기 때문에 폴리이미드 필름이 바람직하다.

상기 박막 서미스터부 (7) 는 절연성 필름 (6) 의 중앙부에 배치되고, TiAlN의 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 귀금속에 의해 막두께 50 ∼ 1000 ㎚ 로 형성된 전극층을 갖고 있다.

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

또한, 빗살부 (8a) 는 절연성 필름 (6) 의 연장 방향을 따라 연장되어 있다. 즉, 선단부가 되는 박막 서미스터부 (7) 측을 회전하는 가열 롤러에 갖다 대고 온도 측정을 실시하는데, 절연성 필름 (6) 의 연장 방향으로 곡률을 가지며 U 자 형상으로 구부러져 있기 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.

상기 보호막 (10) 은 절연성 수지막 등이며, 예를 들어 두께 20 ㎛ 의 폴리이미드막이 채용된다. 이 보호막 (10) 은, 접착용 패드부 (9a) 를 제외하고 절연성 필름 (6) 에 인쇄된다. 또, 폴리이미드 커버레이 필름을 절연성 필름 (6) 에 접착제로 접착하여 보호막 (10) 으로 해도 상관없다.

상기 박막 서미스터부 (7) 는 전술한 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 2 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 막형상으로 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 1, 도 3 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, 센서부 (3) 에 리드 프레임 (2) 을 장착하는 리드 프레임 장착 공정을 가지고 있다.

보다 구체적인 제조 방법의 예로는, 두께 50 ㎛ 의 폴리이미드 필름의 절연성 필름 (6) 상에, Ti-Al 합금 스퍼터링 타깃을 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 ㎩, 타깃 투입 전력 (출력) 200 W 이고, Ar 가스＋질소 가스의 혼합 가스 분위기하에서 질소 가스 분율을 20 ％ 로 제조한다.

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

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

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

그리고, 그 위에 폴리이미드 바니시를 인쇄법에 의해 도포하고, 250 ℃, 30 분 동안 큐어를 실시하여, 도 6 에 나타내는 바와 같이, 20 ㎛ 두께의 폴리이미드 보호막 (10) 을 형성한다. 이렇게 해서 센서부 (3) 가 제조된다.

다음으로, 센서부 (3) 를 구부린 상태로, 한 쌍의 리드 프레임 (2) 의 선단측을 패턴 전극 (9) 의 접착용 패드부 (9a) 상에 배치하고, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 리드 프레임 (2) 의 선단 내면측과 접착용 패드부 (9a) 를 도전성 수지 접착제에 의해 접착한다. 이렇게 해서 온도 센서 (1) 가 제조된다.

또한, 복수의 센서부 (3) 를 동시에 제조하는 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, 절연성 필름 (6) 이, 박막 서미스터부 (7) 를 선단부에 배치하고 대략 U 자 형상으로 구부러진 상태로 그 양 단부가 한 쌍의 리드 프레임 (2) 에 고정되어 있기 때문에, 구부러진 선단부를 측정 대상물에 갖다 댐으로써, 절연성 필름 (6) 전체가 휘어 강한 탄성과 강성이 얻어짐과 함께 그 유연성에 의해 측정 대상물에 흠집을 내지 않고서 온도 측정이 가능해진다. 또한, 절연성 필름 (6) 의 변형 범위가 넓기 때문에, 측정 대상물의 형상에 유연하게 대응할 수 있음과 함께, 가압의 레벨을 조정할 수 있다. 그리고, 절연성 필름 (6) 이기 때문에, 금속의 접촉판과 비교하여 열이 빠져나가기 어려워, 체적이 작은 박막 서미스터부 (7) 와의 상승 효과에 의해서 높은 응답성을 얻을 수 있다. 즉, 얇은 절연성 필름 (6) 과, 절연성 필름 (6) 에 직접 형성된 박막 서미스터부 (7) 에 의해서 전체 두께가 얇아져, 작은 체적으로 우수한 응답성을 얻을 수 있다.

또한, 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) 에 의해 접속됨으로써, 패턴 형성된 얇은 배선에 의해, 리드선 등으로 접속된 경우와 비교하여 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 표면에 잘 흠집을 내지 않는다.

또한, 절연성 필름 (6) 이, 리드 프레임 (2) 의 돌출 방향으로 돌출된 상태로 구부러져 있기 때문에, 리드 프레임 (2) 의 돌출 방향 전방에 측정 대상물을 배치하고, 구부러진 센서부 (3) 의 선단부를 측정 대상물에 갖다 대고 누름으로써 온도 측정을 실시할 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 단상이기 때문에, 비소성으로 양호한 B 정수가 얻어짐과 함께 높은 내열성을 가지고 있다.

또, 이 금속 질화물 재료에서는 막의 표면에 대하여 수직 방향으로 연장되어 있는 주상 결정이기 때문에, 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 경우와 비교하여 높은 B 정수가 얻어진다.

또한, 본 실시형태의 서미스터 재료층 (박막 서미스터부 (7)) 의 제조 방법에서는, Ti-Al 합금 스퍼터링 타깃을 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 정수이며 내열성이 높은 박막 서미스터부 (7) 에 의해, 수지 필름 등의 내열성이 낮은 절연성 필름 (6) 을 사용할 수 있음과 함께, 양호한 서미스터 특성을 가진 박형이면서 플렉시블한 서미스터 센서가 얻어진다.

또, 종래 알루미나 등의 세라믹스를 사용한 기판 재료가 종종 사용되어, 예를 들어 두께 0.1 ㎜ 로 얇게 하면 매우 약하여 망가지기 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.

또, 제 1 실시형태의 다른 예로서, 도 7 에 나타내는 온도 센서 (1B) 와 같이, 박막 서미스터부 (7) 를 내측에 배치하고 센서부 (3) 를 구부려, 한 쌍의 리드 프레임 (2) 의 외측에 절연성 필름 (6) 의 양 단부를 접착해도 상관없다.

다음으로, 본 발명에 관련된 온도 센서의 제 2 실시형태에 관해서, 도 8 및 도 9 를 참조하여 이하에 설명한다. 또, 이하의 실시형태의 설명에 있어서, 상기 실시형태에서 설명한 동일 구성 요소에는 동일 부호를 붙이고, 그 설명은 생략한다.

제 2 실시형태와 제 1 실시형태의 상이한 점은, 제 1 실시형태에서는, 절연성 필름 (6) 이 리드 프레임 (2) 의 돌출 방향으로 돌출된 상태로 구부러져 있는 데 반하여, 제 2 실시형태의 온도 센서 (21) 는, 도 8 에 나타내는 바와 같이, 절연성 필름 (6) 이 리드 프레임 (2) 의 돌출 방향에 대하여 직교하는 방향으로 돌출된 상태로 구부러져 있는 점이다.

즉, 제 2 실시형태에서는, 센서부 (3) 가 구부려진 상태로, 리드 프레임 (2) 의 연장 방향 (돌출 방향) 에 대하여 직교하는 방향으로 절연성 필름 (6) 및 패턴 전극 (9) 이 연장되도록, 절연성 필름 (6) 의 양 단부에 형성된 한 쌍의 접착용 패드부 (9a) 와 한 쌍의 리드 프레임 (2) 이 접착되어 있다. 또, 제 2 실시형태의 리드 프레임 (2) 은 제 1 실시형태보다 길게 돌출되어 있다.

따라서, 제 2 실시형태의 온도 센서 (21) 에서는, 절연성 필름 (6) 이 리드 프레임 (2) 의 돌출 방향에 대하여 직교하는 방향으로 돌출된 상태로 구부러져 있기 때문에, 리드 프레임 (2) 의 돌출 방향에 대하여 직교하는 방향 전방에 측정 대상물을 배치하고, 구부러진 센서부 (3) 의 선단부를 측정 대상물에 대해 갖다 대고 누름으로써 온도 측정을 실시할 수 있다. 이와 같이, 제 2 실시형태에서는 절연성 필름 (6) 의 돌출 방향이 리드 프레임 (2) 의 돌출 방향과 상이하여, 리드 프레임 (2) 의 돌출 방향으로 스페이스가 충분하게 없는 경우 등에서도 설치가 가능해진다.

또, 제 2 실시형태의 다른 예로서, 도 9 에 나타내는 온도 센서 (21B) 와 같이, 박막 서미스터부 (7) 를 내측에 배치하고 센서부 (3) 를 구부려, 한 쌍의 리드 프레임 (2) 의 외측에 절연성 필름 (6) 의 양 단부를 접착해도 상관없다.

실시예

다음으로, 본 발명에 관련된 온도 센서에 대해, 상기 실시형태에 기초하여 제조한 실시예에 의해 평가한 결과를, 도 10 내지 도 18 을 참조하여 구체적으로 설명한다.

<막 평가용 소자의 제조>

본 발명의 서미스터 재료층 (박막 서미스터부 (7)) 의 평가를 실시하는 실시예 및 비교예로서, 도 10 에 나타내는 막 평가용 소자 (121) 를 다음과 같이 제조하였다.

먼저, 반응성 스퍼터법으로 다양한 조성비의 Ti-Al 합금 타깃을 이용하여, Si 기판 (S) 이 되는 열 산화막이 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 ㎩, 타깃 투입 전력 (출력) ： 100 ∼ 500 W 이고, Ar 가스＋질소 가스의 혼합 가스 분위기하에서 질소 가스 분율을 10 ∼ 100 ％ 로 변경하여 제조하였다.

다음으로, 상기 박막 서미스터부 (7) 상에 스퍼터법으로 Cr 막을 20 ㎚ 형성하고, 추가로 Au 막을 100 ㎚ 형성하였다. 다시, 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 에천트 및 Cr 에천트에 의해 웨트 에칭을 실시하여, 레지스트 박리에 의해 원하는 빗살형 전극부 (124a) 를 갖는 패턴 전극 (124) 을 형성하였다. 그리고, 이것을 칩형상으로 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 제조하여 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 ％ 이다.

(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 저항값을 항온조 내에서 측정하고, 25 ℃ 와 50 ℃ 의 저항값으로부터 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 저항값으로부터 이하의 식에 의해 구하고 있다.

B 정수 (K) = In(R25/R50)/(1/T25 － 1/T50)

R25 (Ω) ： 25 ℃ 에 있어서의 저항값

R50 (Ω) ： 50 ℃ 에 있어서의 저항값

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 2 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 모두에서 저항률 ： 100 Ωcm 이상, B 정수 ： 1500 K 이상의 서미스터 특성이 달성되어 있다.

상기 결과로부터 25 ℃ 에서의 저항률과 B 정수의 관계를 나타낸 그래프를 도 11 에 나타낸다. 또, Al/(Ti＋Al) 비와 B 정수의 관계를 나타낸 그래프를 도 12 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 비저항값이 100 Ωcm 이상, B 정수가 1500 K 이상의 고저항이면서 또한 고 B 정수의 영역이 실현되어 있다. 또한, 도 12 의 데이터에 있어서, 동일한 Al/(Ti＋Al) 비에 대하여 B 정수에 편차가 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 비저항값이 100 Ωcm 미만, B 정수가 1500 K 미만으로, 저저항이면서 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 우르츠광형도 아닌, 매우 결정성이 떨어지는 상태였다. 또, 이들 비교예에서는 B 정수 및 저항값이 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 (視斜角) 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 우르츠광형 상 (육방정, AlN 과 동일한 상) 이며, Al/(Ti＋Al) ＜ 0.65 의 영역에 있어서는 NaCl 형 상 (입방정, TiN 과 동일한 상) 이었다. 또, 0.65 ＜ Al/(Ti＋Al) ＜ 0.7 에 있어서는 우르츠광형 상과 NaCl 형 상이 공존하는 결정상이었다.

이와 같이 TiAlN 계에 있어서는, 고저항이면서 또한 고 B 정수의 영역은 Al/(Ti＋Al) ≥ 0.7 의 우르츠광형 상에 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 우르츠광형 상도 NaCl 형 상도 아니어서, 본 시험에 있어서는 동정할 수 없었다. 또, 이들 비교예는 XRD 의 피크 폭이 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 우르츠광형 상의 막이고, 배향성이 강한 점에서, Si 기판 (S) 상에 수직 방향 (막두께 방향) 의 결정축에 있어서 a 축 배향성이 강한지, c 축 배향성이 강한지에 대하여 XRD 를 이용하여 조사하였다. 이 때, 결정축의 배향성을 조사하기 위해, (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 ㎩ 미만에서 성막된 실시예는, (100) 보다 (002) 의 강도가 매우 강하여, a 축 배향성보다 c 축 배향성이 강한 막이었다. 한편, 스퍼터 가스압이 0.67 ㎩ 이상에서 성막된 실시예는, (002) 보다 (100) 의 강도가 매우 강하여, c 축 배향보다 a 축 배향이 강한 재료였다.

또한, 동일한 성막 조건으로 폴리이미드 필름에 성막해도, 마찬가지로 우르츠광형 상의 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 13 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 강해져 있다.

또, a 축 배향이 강한 실시예의 XRD 프로파일의 일례를 도 14 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 강해져 있다.

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

또한, 비교예의 XRD 프로파일의 일례를 도 15 에 나타낸다. 이 비교예는 Al/(Ti＋Al) = 0.6 (NaCl 형, 입방정) 이며, 입사각을 1 도로 하여 측정하였다. 우르츠광형 (공간군 P6₃mc (No. 186)) 으로 인덱싱할 수 있는 피크는 검출되지 않고, NaCl 형 단독상인 것을 확인하였다.

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

표 2 및 도 16 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 재료 쪽이 B 정수가 100 K 정도 큰 것을 알 수 있다. 또, N 량 (N/(Ti＋Al＋N)) 에 착안하면, a 축 배향이 강한 재료보다 c 축 배향이 강한 재료 쪽이 질소량이 약간 큰 것을 알 수 있다. 이상적인 화학량론비 ： N/(Ti＋Al＋N) = 0.5 인 점에서부터, c 축 배향이 강한 재료 쪽이 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 17 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 18 에 나타낸다.

이들 실시예의 샘플은 Si 기판 (S) 을 벽개 파단한 것을 사용하고 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 저항값 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 계 쪽이 우수하다. 또한, 실시예 5, 8 은 c 축 배향이 강한 재료이고, 실시예 21, 24 는 a 축 배향이 강한 재료이다. 양자를 비교하면, c 축 배향이 강한 실시예 쪽이 a 축 배향이 강한 실시예에 비해 근소하게 내열성이 향상되었다.

또한, Ta-Al-N 계 재료에서는, Ta 의 이온 반경이 Ti 나 Al 에 비해 매우 크기 때문에, 고농도 Al 영역에서 우르츠광형 상을 제조할 수 없다. TaAlN 계가 우르츠광형 상이 아니기 때문에, 우르츠광형 상의 Ti-Al-N 계 쪽이 내열성이 양호한 것으로 생각된다.

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

1, 1B, 21, 21B : 온도 센서
2 : 리드 프레임
3 : 센서부
4 : 유지부
6 : 절연성 필름
7 : 박막 서미스터부
8 : 빗살형 전극
8a : 빗살부
9 : 패턴 전극
10 : 보호막

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, 띠형상의 절연성 필름과, 그 절연성 필름의 표면의 중앙부에 서미스터 재료로 패턴 형성된 박막 서미스터부와, 상기 박막 서미스터부의 위 및 아래의 적어도 일방에 복수의 빗살부를 갖고 서로 대향하여 패턴 형성된 한 쌍의 빗살형 전극과, 일단이 상기 한 쌍의 빗살형 전극에 접속되어 있음과 함께 타단이 상기 절연성 필름의 양 단부에서 상기 한 쌍의 리드 프레임에 접속되어 상기 절연성 필름의 표면에 패턴 형성된 한 쌍의 패턴 전극을 구비하고,
상기 절연성 필름이, 대략 U 자 형상으로 구부러진 상태로 상기 박막 서미스터부를 선단부에 배치하고, 양 단부가 상기 한 쌍의 리드 프레임에 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 온도 센서.
제 1 항에 있어서,
상기 절연성 필름이, 상기 리드 프레임의 돌출 방향으로 돌출된 상태로 구부러져 있는 것을 특징으로 하는 온도 센서.
제 1 항에 있어서,
상기 절연성 필름이, 상기 리드 프레임의 돌출 방향에 대하여 직교하는 방향으로 돌출된 상태로 구부러져 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.