歪抵抗薄膜および当該歪抵抗薄膜を用いたセンサ
【課題】歪抵抗薄膜全体としてのＴＣＲ値を低く抑えることが可能であると共に、温度サイクルに対して、比抵抗ρに代表される電気特性が安定で、かつ優れた高温安定性と高いゲージ率とを実現可能な歪抵抗薄膜および当該歪抵抗薄膜を用いたセンサの提供。
【解決手段】積層膜からなる歪抵抗薄膜１０、２０であって、上記積層膜が、クロム薄膜、酸化クロム薄膜または窒化クロム薄膜からなる第一の薄膜１１、２１と、第一の薄膜１１の両主面のうち第一面１１１または第一面２１１と第二面２１２に積層され、薄膜の膜厚を同一としたときのＴＣＲ値［ｐｐｍ・Ｋ−１］が第一の薄膜より小さい第二の薄膜１２、２２、２３とを少なくとも一層以上有し、上記積層膜を構成する第二の薄膜１２、２２の一つが上記積層膜の表出面Ｓとして表出している歪抵抗薄膜とする。
【解決手段】積層膜からなる歪抵抗薄膜１０、２０であって、上記積層膜が、クロム薄膜、酸化クロム薄膜または窒化クロム薄膜からなる第一の薄膜１１、２１と、第一の薄膜１１の両主面のうち第一面１１１または第一面２１１と第二面２１２に積層され、薄膜の膜厚を同一としたときのＴＣＲ値［ｐｐｍ・Ｋ−１］が第一の薄膜より小さい第二の薄膜１２、２２、２３とを少なくとも一層以上有し、上記積層膜を構成する第二の薄膜１２、２２の一つが上記積層膜の表出面Ｓとして表出している歪抵抗薄膜とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、歪抵抗薄膜および当該歪抵抗薄膜を用いたセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在知られている、圧力、加減速度、流量、触覚、力覚またはトルク等の検出に用いられるセンサ素子は、測定圧力とバランスする受圧装置の変位量を読み取る“変位式”と、圧力によってセンサ材料に誘起された歪による物性変化を電気信号として読み取る“ひずみ式”とに大別される。
この中でも、ひずみ式は、基層（板）となるダイアフラムの変形を、いわゆるひずみセンサ素子を利用して測定する方式が主流である。この方式の装置は、小型化が可能であり、ひずみ抵抗を測定しているので、測定回路が簡単であるという利点を有しており、食品、医薬品、化粧品産業等、清潔・安全を第一とする産業の製造工程に係るサニタリ分野や、内燃機関の燃料圧制御やエンジン内部の油圧検出用途その他の自動車分野、或いは高温下で使用される産業用機械の圧力制御用途をはじめとして、広い分野・用途において多用されている。
【０００３】
一般的に、いわゆるひずみセンサ素子は、感応膜である歪抵抗薄膜に歪が発生した際、当該歪抵抗薄膜の電気抵抗値が変化することを利用して構成されるもので、当該電気抵抗値の変化を利用して、上記圧力、加減速度、流量、触覚、力覚またはトルクのいずれかまたはこれらの組み合わせが検出される様になっている。ここで、上記歪抵抗薄膜は、測定対象に機械的に接し得る状態とされた基層（板）上に電気的に絶縁された状態で備えられる構成となっている。
なお、このようなひずみセンサ素子としては、以下で定義する通り、電気抵抗の温度微分係数（抵抗温度係数のこと。「ＴＣＲ値」という）が比較的小さく、ゲージ率（抵抗の歪による変化）が大きく、また電気抵抗（抵抗率すなわち比抵抗ρ）が一定範囲にある薄膜材料が望ましいことが知られている。さらに、特に高温条件下でも温度補償をすることを要せず、安定な出力を発揮できる特性の再現性に優れた素子であることが求められるため、温度サイクルに対しても十分安定で温度依存性が少ないと共に、優れた高温安定性を有することが求められている。そして現在も、これらのニーズを満たす薄膜材料を求めて、日々検討が行われている（特許文献１参照）。
【０００４】
図５（ａ）は、従来技術を示す、歪抵抗薄膜としてＣｒ薄膜を用いたセンサの断面図である。図５（ａ）に示す歪抵抗薄膜１１’はＣｒ薄膜からなっており、その両主面のうち第一面１１１が表出面として表出し、第二面１１２が基板２に電気的に絶縁された状態で備えられることにより、圧力、加減速度、流量、触覚、力覚またはトルクのいずれかまたはこれらの組み合わせを検出するセンサ素子１’として構成されている。ここで、基板２は測定対象に機械的に接し得るものである。
【０００５】
図５（ｂ）は、図５（ａ）に示した従来技術に係るＣｒ薄膜の比抵抗と温度の関係（ρ−Ｔ特性）を示すグラフである。図５（ｂ）においては、Ｃｒ膜１１’の膜厚はｄ＝３００［ｎｍ］とした。図５（ｂ）において、
ｉ）○は室温（ＲＴ）から７７３Ｋ（５００℃）に昇温（１回目）したときにおけるρ−Ｔ特性を、
ｉｉ）●は７７３Ｋ（５００℃）から室温（ＲＴ）に降温（１回目）したときにおけるρ−Ｔ特性を、
ｉｉｉ）△は室温（ＲＴ）から７７３Ｋ（５００℃）に昇温（２回目）したときにおけるρ−Ｔ特性を、
ｉｖ）▲は７７３Ｋ（５００℃）から室温（ＲＴ）に降温（２回目）したときにおけるρ−Ｔ特性を、
ｖ）□は室温（ＲＴ）から７７３Ｋ（５００℃）に昇温（３回目）したときにおけるρ−Ｔ特性を、
ｖｉ）■は７７３Ｋ（５００℃）から室温（ＲＴ）に降温（３回目）したときにおけるρ−Ｔ特性を、それぞれ示す。なお、各グラフの下の説明における（）内の数字は、昇温または降温の各回数を、またそれぞれの場合におけるＴＣＲ値［ｐｐｍ・Ｋ−１］を示している。
図５（ｂ）から明らかなように、温度変化に対する比抵抗（ρ）は安定しているものの、同図下部の注釈に示すように、ＴＣＲ値は＋１６００［ｐｐｍ・Ｋ−１］を超えている。
【０００６】
図５（ｃ）は、図５（ａ）に示した従来技術に係るＣｒ薄膜のρ−Ｔ特性を示すグラフである。図５（ｂ）と異なり、図５（ｃ）においては、Ｃｒ膜１１’の膜厚はｄ＝１４［ｎｍ］とした。図５（ｂ）において、
ｉ）○は室温（ＲＴ）から７７３Ｋ（５００℃）に昇温（１回目）したときにおけるρ−Ｔ特性を、
ｉｉ）●は７７３Ｋ（５００℃）から室温（ＲＴ）に降温（１回目）したときにおけるρ−Ｔ特性を、
ｉｉｉ）△は室温（ＲＴ）から７７３Ｋ（５００℃）に昇温（２回目）したときにおけるρ−Ｔ特性を、
ｉｖ）▲は７７３Ｋ（５００℃）から室温（ＲＴ）に降温（２回目）したときにおけるρ−Ｔ特性を、
ｖ）□は室温（ＲＴ）から７７３Ｋ（５００℃）に昇温（３回目）したときにおけるρ−Ｔ特性を、
ｖｉ）■は７７３Ｋ（５００℃）から室温（ＲＴ）に降温（３回目）したときにおけるρ−Ｔ特性を、それぞれ示すことは先と同様である。
図５（ｃ）によれば、上記ｉ）〜ｖｉ）全体を通じてρ−Ｔ特性が安定していないことは明らかである。このように、図５（ｃ）に示す歪抵抗薄膜はその特性が不安定なものとなっている。
また、図５（ｃ）の各グラフの下の説明に示された（）内のＴＣＲ値［ｐｐｍ・Ｋ−１］についてみても、昇温時ｉ）、ｉｉｉ）、ｖ）におけるＴＣＲ値が高い一方、降温時ｉｉ）、ｉｖ）、ｖｉ）におけるＴＣＲ値はすべて負値をとっており、上記ｉ）〜ｖｉ）全体を通じてＴＣＲ値が安定していないことは明らかである。特に、昇温時ｉ）、ｖ）におけるＴＣＲ値は非常に高い値となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第４２８４５０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記したように、従来技術に係る歪抵抗薄膜によれば、歪抵抗薄膜のＴＣＲ値を全体的に低く抑えることが難しいという問題があった。
これに関しては、Ｃｒ膜１１’上部、つまりＣｒ膜１１’の第一面１１１と大気との間のほか、Ｃｒ膜１１’下部、つまりＣｒ膜１１’の第二面１１２と基板２との間で生じる、温度サイクル中における、膜のモフォロジー変化や界面の問題が影響しているものと推察される。
【０００９】
次に、図６は、従来技術を示す図であり、Ｃｒ薄膜の膜厚ｄとゲージ率（ＧＦ）およびＴＣＲ値の関係につき示すグラフである。ここで、図６におけるＴＣＲ値は、図５（ｂ）および（ｃ）と同様に７７３Ｋ（５００℃）から室温（ＲＴ）に降温（１回目）したときの値を用いて算出している。
まず、ゲージ率のグラフについて見ると、ゲージ率の値はＣｒ薄膜の膜厚ｄに依存することなく、あまり大きな変化が見られないことが読み取れる。
その一方、ＴＣＲ値についてはＣｒ薄膜の膜厚ｄが増えるに従って増加しているほか、膜厚ｄ≒１４［ｎｍ］の辺り（Ｃ点）でＴＣＲ値が０となり、その前後でＴＣＲ値の正負の符号が逆転していることが読み取れる。
【００１０】
このように、従来技術に係るＣｒ薄膜については、図６に示す通りその膜厚ｄを十分検討することで、ゲージ率を十分高いレベルのまま維持できると共に、そのＴＣＲ値を低く抑えることができる可能性があった。
【００１１】
しかしながら、上記のように基板２上にＣｒ薄膜１１’を成膜した構成からなる従来技術に係る歪抵抗薄膜では、図５（ｃ）に示す通り温度サイクルに対して、比抵抗ρに代表される電気特性およびＴＣＲ値が不安定なものとなっており、その安定化およびＴＣＲ値を全体的に低く抑えることが難しいという問題があった。
【００１２】
したがって本発明は、優れた高温安定性と高いゲージ率とを実現可能な歪抵抗薄膜および当該歪抵抗薄膜を用いたセンサを提供することを課題とする。
また本発明は、温度サイクルに対して、比抵抗ρに代表される電気特性が安定であると共に、ＴＣＲ値を全体的に低く抑えることが可能な歪抵抗薄膜および当該歪抵抗薄膜を用いたセンサを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決すべく種々検討を行った結果、本願発明者は、
ｉ）歪抵抗材料として高いゲージ率を有する一方、ＴＣＲ値も高く、それゆえＴＣＲ値のさらなる減少が期待されていた第一の材料と、
ｉｉ）上記ＴＣＲ値の抑制に関連し、耐熱性の改善と共にＴＣＲ値の減少が実現される一方、今度はゲージ率が大きく減少することが問題となっていた第二の材料と
を適宜組み合わせること、すなわち、上記ｉ）に相当する材料を基板上で薄膜として形成した第一の薄膜と、上記ｉｉ）に相当する材料を基板上で薄膜として形成した第二の薄膜であって、ＴＣＲ値（同一膜厚条件）が第一の薄膜より小さいものとの積層構造とすることにより、上記課題を解決可能なことを見い出し、本発明を完成した。
【００１４】
上記課題を解決可能な本発明の歪抵抗薄膜は、（１）積層膜からなる歪抵抗薄膜であって、
前記積層膜が、
クロム薄膜、酸化クロム薄膜または窒化クロム薄膜からなる第一の薄膜と、
前記第一の薄膜の両主面のうち第一面または前記第一面と第二面に積層され、薄膜の膜厚を同一としたときのＴＣＲ値［ｐｐｍ・Ｋ−１］が第一の薄膜より小さい第二の薄膜と
を少なくとも一層以上有し、
前記積層膜を構成する前記第二の薄膜の一つが前記積層膜の表出面として表出していることを特徴とするものである。
【００１５】
ここで、上記第二の薄膜については、（２）ＣｒＳｉＣ、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＢＮ、ＳｎＯ２、ダイヤモンドおよびこれらの一部をドーピング材で置換した材料のいずれかまたはこれらの組み合わせからなることが好ましい。
【００１６】
また、上記歪抵抗薄膜については、（３）比抵抗値ρが１×１０−５≦ρ≦１×１０−１［Ω・ｃｍ］であることが好ましい。
【００１７】
さらに、上記歪抵抗薄膜を用いた本発明のセンサ素子は、（４）測定対象に機械的に接し得る基層と、
前記基層に電気的に絶縁された状態で備えられた、（１）〜（３）のいずれかに記載の歪抵抗薄膜とからなることを特徴とする、圧力、加減速度、流量、触覚、力覚またはトルクのいずれかまたはこれらの組み合わせを検出するものである。
【００１８】
本明細書において、「ＴＣＲ値」［ｐｐｍ・Ｋ−１］とは、抵抗温度係数すなわち電気抵抗の温度微分係数であり、測定温度における傾きを示すものである。一般的に、歪抵抗薄膜では、ＴＣＲ値は０に近い小さい値であることが望ましい。
本明細書において、ＴＣＲ値は下式（１）
ＴＣＲ＝（１／Ｒ）ｄＲ／ｄＴ （１）
［Ｒは電気抵抗あるいは比抵抗、Ｔは絶対温度、単位はｐｐｍ・Ｋ−１］
で算出される値を指し示すものとする。
なお、具体的には、本明細書において説明する歪抵抗薄膜の使用温度の上限を、７７３Ｋ（５００℃）とした場合、下式（２）により、ＴＣＲ値が算出される。
【数１】
［Ｒは電気抵抗あるいは比抵抗、Ｔは絶対温度、ＲＴは室温、単位はｐｐｍ・Ｋ−１］
【００１９】
本明細書において、「ゲージ率（ＧＦ）」とは、抵抗の歪による変化の大きさを指し示すものとする。一般的に、歪抵抗薄膜では、ゲージ率は可能な限り高いことが望ましい。
【００２０】
本明細書において、「比抵抗値」ρ［Ω・ｃｍ］とは、抵抗率のことであり、一般的に、ひずみセンサ素子としては、抵抗率が一定範囲にある薄膜材料が望ましいことが知られている。そこで、比抵抗値ρを１×１０−５≦ρ≦１×１０−１［Ω・ｃｍ］に設定することで、パターン長を短く、膜厚を薄くすることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、優れた高温安定性と高いゲージ率とを実現可能な歪抵抗薄膜および当該歪抵抗薄膜を用いたセンサを提供することが可能となる。
また本発明によれば、歪抵抗薄膜全体としてのＴＣＲ値を低く抑えることが可能であると共に、温度サイクルに対して、比抵抗ρに代表される電気特性が安定な歪抵抗薄膜および当該歪抵抗薄膜を用いたセンサを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の歪抵抗薄膜および当該歪抵抗薄膜を用いたセンサの一構成例を示す断面図である。
【図２】本実施例に係る歪抵抗薄膜のρ−Ｔ特性を示すグラフであり、（ａ）はＣｒ／ＣｒＳｉＣ２層膜のρ−Ｔ特性を、（ｂ）はＣｒＳｉＣ／Ｃｒ／ＣｒＳｉＣ３層膜のρ−Ｔ特性を示すグラフである。
【図３】本実施例に係る歪抵抗薄膜とゲージ率が既知（ＧＦ＝２．１）の市販の歪ゲージに係る歪抵抗薄膜における抵抗変化率とひずみの関係（ΔＲ／Ｒ−ε特性）の比較結果を示すグラフである。
【図４】本実施例に係る、ＣｒＳｉＣ／Ｃｒ／ＣｒＳｉＣ３層膜からなる歪抵抗薄膜の諸特性を示すグラフであり、（ａ）は上部ＣｒＳｉＣ薄膜の膜厚依存性につき、（ｂ）は中間Ｃｒ薄膜の膜厚依存性につき示すグラフである。
【図５】従来技術を示す図であり、（ａ）は歪抵抗薄膜としてＣｒ薄膜を用いたセンサの断面図、（ｂ）は膜厚ｄが３００[ｎｍ]であるＣｒ薄膜のρ−Ｔ特性を示すグラフ、（ｃ）は膜厚ｄが１４[ｎｍ]であるＣｒ薄膜のρ−Ｔ特性を示すグラフである。
【図６】従来技術を示す図であり、Ｃｒ薄膜の膜厚ｄとＧＦおよびＴＣＲの関係につき示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の歪抵抗薄膜および当該歪抵抗薄膜を用いたセンサの詳細に付き、一実施例を用いて説明する。なお、以下では、従来例の構成と共通する箇所については、同一の参照符を用いるものとするほか、説明が重複することとなる部分については適宜省略することとする。
【実施例】
【００２４】
［構成］
図１に、本実施例に係る歪抵抗薄膜および当該歪抵抗薄膜を用いたセンサの断面構成を示す。
以下、本実施例に係る歪抵抗薄膜および当該歪抵抗薄膜を用いたセンサについては、図１（ａ）に示される、Ｃｒ／ＣｒＳｉＣ２層の積層膜からなる歪抵抗薄膜１０を備えたセンサ素子１Ａ[第１例]と、図１（ｂ）に示される、ＣｒＳｉＣ／Ｃｒ／ＣｒＳｉＣ３層の積層膜からなる歪抵抗薄膜２０を備えたセンサ素子１Ｂ[第２例]の２例に基づき具体的に説明を行う。
【００２５】
第１例に係る歪抵抗薄膜１０は、次に述べる第一の薄膜１１と、第一の薄膜１１の両主面のうち第一面１１１に積層され、薄膜の膜厚を同一としたときのＴＣＲ値［ｐｐｍ・Ｋ−１］が第一の薄膜より小さい第二の薄膜１２とを有し、第二の薄膜１２が積層膜の表出面Ｓとして表出している構造を有している。そして、第一の薄膜１１の両主面のうち第一面と反対側の面（第二面）が絶縁性基板２に接合されている。すなわち、歪抵抗薄膜１０が基板２に電気的に絶縁された状態で備えられることにより、圧力、加減速度、流量、触覚、力覚またはトルクのいずれかまたはこれらの組み合わせを検出するセンサ素子１Ａが構成されている。ここで、基板２は測定対象に機械的に接し得るものである。
【００２６】
第２例に係る歪抵抗薄膜２０は、第一の薄膜２１と、第一の薄膜２１の両主面に相当する第一面２１１および第二面２１２に積層され、薄膜の膜厚を同一としたときのＴＣＲ値［ｐｐｍ・Ｋ−１］が第一の薄膜より小さい第二の薄膜２２、２３とを有し、第二の薄膜の一方であり、第一の薄膜２１の上部に形成される第二の薄膜２２が積層膜の表出面Ｓとして表出している構造を有している。そして、第二の薄膜の他方であり、第一の薄膜２１の下部に形成される第二の薄膜２３が絶縁性基板２に接合されている。このように、歪抵抗薄膜２０が基板２に電気的に絶縁された状態で備えられることにより、センサ素子１Ｂが構成される点は、第１例と同様である。
【００２７】
第一の薄膜１１、２１として、本実施例ではクロム（Ｃｒ）薄膜を用いた。ただし、第一の薄膜についてはこれに限らず、酸化クロム薄膜または窒化クロム薄膜からなるものとしても構わない。
【００２８】
第二の薄膜１２、２２、２３として、本実施例ではＣｒＳｉＣを用いた。
ここで、本実施例では第二の薄膜としてＣｒＳｉＣを単独で用いたが、これに限られず、その一部をドーピング材で置換したものを用いても良い。
第二の薄膜として使用可能な材料の一例、並びにそれらの一部を置換可能なドーピング材の一例を下表に示す。第二の薄膜は、下表に挙げた材料を適宜組み合わせて構成されていても構わない。下表に挙げた材料は、いずれもＴＣＲ特性が安定（温度サイクルによる変化が小さい）している膜厚領域（Ｃｒ薄膜では、膜厚が１００［ｎｍ］以上あれば、単層膜でもＴＣＲ特性が安定する）で、第一の薄膜とＴＣＲ値を比較したときに、第一の薄膜よりもＴＣＲ値が小さい。
【表１】
【００２９】
なお、第２例において、第一の薄膜２１を間に挟んで対向する第二の薄膜２２，２３それぞれについては、互いに別の構成材料からなっていても構わない。
【００３０】
また、上記２層または３層の積層膜からなる歪抵抗薄膜１０、２０は、全体としてその比抵抗値ρが１×１０−５≦ρ≦１×１０−１［Ω・ｃｍ］となる様に構成されている。
【００３１】
［成膜要領］
次に、上記構成からなる本実施例の歪抵抗薄膜１０、２０の一成膜要領につき説明する。成膜には、市販の薄膜作製装置を使用し得る。本実施例では、その一例として、日新電機株式会社製イオンビームスパッタ装置ＮＩＳ−２５０−Ｌを使用した。
また、第一の薄膜および第二の薄膜の成膜条件は、次表２の通りとした。
なお、膜厚に関してはいずれも、成膜時間により調整した。
【表２】
【００３２】
［実験結果］
以下、上記要領により製造された本実施例の歪抵抗薄膜１０、２０の諸特性の評価を行った結果につき説明する。はじめに、前提として、評価に用いた各装置の一例を下表に示す。表３に示すように、ＴＣＲ値は、(株)東陽テクニカ製のホール効果測定装置（型名：ＲｅｓｉＴｅｓｔ８３０８）を用いて対象温度（Ｔ）における薄膜の比抵抗（ρ）を測定することにより、式（１）に基づいて（室温−７７３Ｋ（５００℃）間の傾きにより算出する場合には式（２）に基づいて）算出した。
【表３】
【００３３】
図２は、本実施例に係る歪抵抗薄膜のρ−Ｔ特性を示すグラフである。（ａ）は第１例に係るＣｒ／ＣｒＳｉＣ２層膜のρ−Ｔ特性を、（ｂ）は第２例に係るＣｒＳｉＣ／Ｃｒ／ＣｒＳｉＣ３層膜のρ−Ｔ特性を示すグラフである。
図２において、
ｉ）○は室温（ＲＴ）から７７３Ｋ（５００℃）に昇温（１回目）したときにおけるρ−Ｔ特性を、
ｉｉ）●は７７３Ｋ（５００℃）から室温（ＲＴ）に降温（１回目）したときにおけるρ−Ｔ特性を、
ｉｉｉ）△は室温（ＲＴ）から７７３Ｋ（５００℃）に昇温（２回目）したときにおけるρ−Ｔ特性を、
ｉｖ）▲は７７３Ｋ（５００℃）から室温（ＲＴ）に降温（２回目）したときにおけるρ−Ｔ特性を、
ｖ）□は室温（ＲＴ）から７７３Ｋ（５００℃）に昇温（３回目）したときにおけるρ−Ｔ特性を、
ｖｉ）■は７７３Ｋ（５００℃）から室温（ＲＴ）に降温（３回目）したときにおけるρ−Ｔ特性を、それぞれ示す。なお、各グラフの下の説明における（）内の数字は、昇温または降温の各回数を、またそれぞれの場合におけるＴＣＲ値［ｐｐｍ・Ｋ−１］を示している。
【００３４】
ここで、各薄膜の膜厚ｄに関しては、第１例の場合、第一の薄膜１１を１４［ｎｍ］、第二の薄膜１２を３０［ｎｍ］、また第２例の場合、第一の薄膜２１を１４［ｎｍ］、第一の薄膜２１の上部に形成される第二の薄膜２２を１８０［ｎｍ］、第一の薄膜２１の下部に形成される第二の薄膜２３を３０［ｎｍ］とした。
表４に第二の薄膜として用いたＣｒＳｉＣ薄膜およびＳｉＣ薄膜のＴＣＲ特性を示す。具体的には、昇温ステップ（室温→７７３Ｋ（５００[℃]））および降温ステップ（７７３Ｋ（５００[℃]）→室温）を繰り返したときの各ステップごとに算出したＴＣＲ値と、温度サイクル２回目以降（昇温ステップ２〜降温ステップ３）のＴＣＲ値の平均値を示す。なお、ＣｒＳｉＣ薄膜の膜厚を３００［ｎｍ]とした。
【表４】
表４から明らかなように、Ｃｒ薄膜の温度サイクル２回目以降のＴＣＲ値の平均値が１６１８［ｐｐｍ・Ｋ−１］に対し、ＣｒＳｉＣ薄膜およびＳｉＣ薄膜の温度サイクル２回目以降のＴＣＲ値の平均値は、いずれも小さい。つまり、薄膜の膜厚を同一（３００［ｎｍ]）としたときのＴＣＲ値において、ＣｒＳｉＣ薄膜およびＳｉＣ薄膜（第二の薄膜）はＣｒ薄膜（第一の薄膜）よりも小さい。このように、本発明では、ＴＣＲ特性が十分に安定している膜厚領域において、ＴＣＲ値が第一の薄膜よりも小さい材料を第二の薄膜として使用することができる。
【００３５】
図２によれば、第１例および第２例共に、ｉ）の１回目の昇温時を除いてｉｉ）の１回目の降温サイクル以降は、概ね安定したρ−Ｔ特性が得られていることが明らかとなった。したがって、ｉ）の１回目の昇温時をアニール処理と考えれば、本発明における歪抵抗薄膜は、一旦高温まで加熱して熱処理を行えば、その後は安定な膜構造となって概ね安定な特性を示すことが明らかとなった。
また、図２の各グラフの下の説明に示した（）内のＴＣＲ値［ｐｐｍ・Ｋ−１］について見ると、ｉ）の１回目の昇温時においては、第１例で２４８６［ｐｐｍ・Ｋ−１］、第２例で２７４８［ｐｐｍ・Ｋ−１］と高い値を示しているものの、それ以外は概ね低い数値（例えば、第２例に係る図２（ｂ）の場合、ＴＣＲ≒２５０［ｐｐｍ・Ｋ−１］）を示している。したがって、本実施例に係る歪抵抗薄膜によれば、歪抵抗薄膜全体としてのＴＣＲ値を低く抑えることが可能であることが明らかとなった。
【００３６】
なお、ゲージ率に関してみれば、第１例に係る図２（ａ）の条件下の場合、ＧＦ≒１０．４、第２例に係る図２（ｂ）の条件下の場合、ＧＦ≒９．８（いずれも、室温での値）となり、いずれも十分高い数値を示すことが明らかとなった。
【００３７】
図３は、第２例に係る歪抵抗薄膜と図５（ａ）に示すゲージ率が既知（ＧＦ＝２．１）の市販の歪ゲージに係る歪抵抗薄膜におけるΔＲ／Ｒ−ε特性の比較結果を示すグラフである。これは、歪に対する抵抗変化率ΔＲ／Ｒを示すものである。図３中、Ａは市販の歪ゲージに係るグラフ、Ｂは第２例に係るグラフである。
ここで、第２例の各薄膜の膜厚ｄに関しては、図２（ｂ）の場合と同様、第一の薄膜２１を１４［ｎｍ］、第一の薄膜２１の上部に形成される第二の薄膜２２を１８０［ｎｍ］、第一の薄膜２１の下部に形成される第二の薄膜２３を３０［ｎｍ］とした。
【００３８】
図３からは、抵抗変化率ΔＲ／Ｒは、引っ張りに対して増大、圧縮に対して減少することが分かる。さらに、図３の結果からも明らかな通り、第２例に係る歪抵抗薄膜は歪に対する直線性を有していると共に、第２例に係る歪抵抗薄膜によれば、圧縮応力、引っ張り応力に対する抵抗変化率ΔＲ／Ｒの直線的な変化が、市販の歪ゲージに係る歪抵抗薄膜と比較してより明確かつ大きく表れていることが分かる。
この結果からも、第２例に係る歪抵抗薄膜は十分高いゲージ率を示すことが推認できる。
【００３９】
図４は、第２例に係る歪抵抗薄膜２０の諸特性を示すグラフであり、（ａ）は第一の薄膜２１の上部に形成される第二の薄膜（上部ＣｒＳｉＣ薄膜）２２の膜厚依存性につき、（ｂ）は第一の薄膜（中間Ｃｒ薄膜）２１の膜厚依存性につき示すグラフである。
ここで、各薄膜の膜厚ｄに関しては、図４（ａ）の場合、第一の薄膜２１を１４［ｎｍ］、第一の薄膜２１の上部に形成される第二の薄膜２２を図の横軸に示される通り可変、第一の薄膜２１の下部に形成される第二の薄膜２３を３０［ｎｍ］とした。
【００４０】
また図４（ｂ）の場合、各薄膜の膜厚ｄに関して、第一の薄膜２１を図の横軸に示される通り可変、第一の薄膜２１の上部に形成される第二の薄膜２２を１８０［ｎｍ］、第一の薄膜２１の下部に形成される第二の薄膜２３を３０［ｎｍ］とした（■、▲、●の各プロット）。
なお、図４（ｂ）の場合にあっては、比較検討のため、□、△、○の各プロットで示す通り、第二の薄膜２２、２３の膜厚ｄを上記の半分の値（第二の薄膜２２を９０［ｎｍ］、第二の薄膜２３を１５［ｎｍ］）とし、第一の薄膜の膜厚を７［ｎｍ］としたサンプルで得られたＴＣＲ、比抵抗ρおよびゲージ率の各特性を同一グラフ上に例示している。
【００４１】
まず、図４（ａ）のグラフについて見ると、比抵抗ρの値は第一の薄膜２１の上部に形成される第二の薄膜２２の膜厚ｄが増えるに従って増加する一方、ＴＣＲおよびゲージ率については、あまり大きな変化が見られないことが読み取れる。したがって、第２例における歪抵抗薄膜２０においては、第一の薄膜２１の上部に形成される第二の薄膜２２の膜厚ｄに大きく依存することなく、歪抵抗薄膜全体としてのＴＣＲ値を低く抑えることが可能であると共に、十分高いゲージ率を示すことが明らかとなった。
【００４２】
続いて、図４（ｂ）のグラフについて見ると、第一の薄膜２１の膜厚ｄが増えるに従って、ｉ）ＴＣＲ値は増加、ｉｉ）比抵抗ρの値は減少、ｉｉｉ）ゲージ率は増加、の各傾向を示していることが読み取れる。
ＴＣＲ値は０に近いことが望ましく、ゲージ率は可能な限り高いことが望ましく、比抵抗ρについても少なくとも一定程度の大きさを有していることが望ましいことから、当該積層膜の構成および第二の薄膜の膜厚条件において、第一の薄膜２１の膜厚ｄについては７［ｎｍ］以上であることが好ましい。
【００４３】
なお、比較検討のために示した歪抵抗薄膜のサンプルに係る□、△、○の各プロットを見ると、ＴＣＲ値は０近傍にあり、望ましい値を示していることが分かる。その他、比抵抗についても少なくとも一定程度の大きさを示しているほか、ゲージ率も十分高い値を示しており、当該サンプルについても歪抵抗薄膜として十分有用であることが明らかとなった。
【００４４】
図２および４の実験結果を検討しても明らかな通り、複数層の積層膜からなる本実施例によれば、単一膜からなる従来技術のものに比べ、第一の薄膜部分の膜厚を相対的に薄くすることが出来、そうすることで、第一の薄膜のゲージ率を高い値に維持したまま、ＴＣＲ値を減少させることが可能となった（膜厚を含めた第一の薄膜のモフォロジーの制御）。
【００４５】
また、図２の実験結果を検討しても明らかな通り、本実施例によれば、第一の薄膜に第二の薄膜を積層させることで、温度サイクルに対して、比抵抗に代表される電気特性の安定性の向上およびＴＣＲ値の抑制を図ることが可能となった。
【００４６】
さらに、図２の実験結果を検討しても明らかな通り、本実施例によれば、使用温度範囲は、室温から少なくとも７７３Ｋ（５００℃）まで拡げることが可能となった。ただし、本発明に係る歪抵抗薄膜および当該歪抵抗薄膜を用いたセンサの使用温度範囲については、図２の横軸に規定される温度範囲に拘束されることは無い。
【００４７】
このように、複数層の積層膜からなる本実施例によれば、第一の薄膜と、薄膜の膜厚を同一としたときのＴＣＲ値が第一の薄膜より小さい第二の薄膜との積層構造とすることにより、歪抵抗薄膜全体としてのＴＣＲ値を低く抑えることが可能となる。また本発明によれば、優れた高温安定性と高いゲージ率とを実現可能な歪抵抗薄膜および当該歪抵抗薄膜を用いたセンサを提供することが可能となる。
【００４８】
［変形例］
以上、一実施例に基づき本発明に係る歪抵抗薄膜および当該歪抵抗薄膜を用いたセンサの詳細につき説明したが、本発明に係る歪抵抗薄膜および当該歪抵抗薄膜を用いたセンサについては上記実施例に記載の構成に限定されず、種々の変形実施が可能である。
【００４９】
例えば、上記実施例では、Ｃｒ／ＣｒＳｉＣ２層膜からなる歪抵抗薄膜１０およびＣｒＳｉＣ／Ｃｒ／ＣｒＳｉＣ３層膜からなる歪抵抗薄膜２０の２例に基づき詳細に説明を行ったが、歪抵抗薄膜の構成に関しては上記に限定されない。
具体的には、２層膜からなる歪抵抗薄膜１０または３層膜からなる歪抵抗薄膜２０を２回以上繰り返して、またはこれらを組み合わせて積層し、その上で、第二の薄膜１２または第二の薄膜の一つであり、第一の薄膜２１の上部に形成される第二の薄膜２２が積層膜の表出面Ｓとして表出している構造としても構わない。このとき、歪抵抗薄膜１０または２０の組み合わせ体が基板２に電気的に絶縁された状態で備えられることにより、センサ素子１が構成される点は、上記実施例と同様である。
【００５０】
以上の通り本発明は、第一の薄膜と、薄膜の膜厚を同一としたときのＴＣＲ値が第一の薄膜より小さい第二の薄膜との積層構造とすることにより、歪抵抗薄膜全体としてのＴＣＲ値を低く抑えることが可能であると共に、温度サイクルに対して、比抵抗ρに代表される電気特性が安定で、かつ優れた高温安定性と高いゲージ率とを実現可能な歪抵抗薄膜および当該歪抵抗薄膜を用いたセンサを提供する新規かつ有用なるものであることが明らかである。
【符号の説明】
【００５１】
Ｓ 表出面
１Ａ、１Ｂ センサ素子
１’ センサ素子
２ 基板
１０ 歪抵抗薄膜
１１ 第一の薄膜
１２ 第二の薄膜
２０ 歪抵抗薄膜
２１ 第一の薄膜
２２ 第二の薄膜
２３ 第二の薄膜
１１１、２１１ 第一面
１１２、２１２ 第二面
【技術分野】
【０００１】
本発明は、歪抵抗薄膜および当該歪抵抗薄膜を用いたセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在知られている、圧力、加減速度、流量、触覚、力覚またはトルク等の検出に用いられるセンサ素子は、測定圧力とバランスする受圧装置の変位量を読み取る“変位式”と、圧力によってセンサ材料に誘起された歪による物性変化を電気信号として読み取る“ひずみ式”とに大別される。
この中でも、ひずみ式は、基層（板）となるダイアフラムの変形を、いわゆるひずみセンサ素子を利用して測定する方式が主流である。この方式の装置は、小型化が可能であり、ひずみ抵抗を測定しているので、測定回路が簡単であるという利点を有しており、食品、医薬品、化粧品産業等、清潔・安全を第一とする産業の製造工程に係るサニタリ分野や、内燃機関の燃料圧制御やエンジン内部の油圧検出用途その他の自動車分野、或いは高温下で使用される産業用機械の圧力制御用途をはじめとして、広い分野・用途において多用されている。
【０００３】
一般的に、いわゆるひずみセンサ素子は、感応膜である歪抵抗薄膜に歪が発生した際、当該歪抵抗薄膜の電気抵抗値が変化することを利用して構成されるもので、当該電気抵抗値の変化を利用して、上記圧力、加減速度、流量、触覚、力覚またはトルクのいずれかまたはこれらの組み合わせが検出される様になっている。ここで、上記歪抵抗薄膜は、測定対象に機械的に接し得る状態とされた基層（板）上に電気的に絶縁された状態で備えられる構成となっている。
なお、このようなひずみセンサ素子としては、以下で定義する通り、電気抵抗の温度微分係数（抵抗温度係数のこと。「ＴＣＲ値」という）が比較的小さく、ゲージ率（抵抗の歪による変化）が大きく、また電気抵抗（抵抗率すなわち比抵抗ρ）が一定範囲にある薄膜材料が望ましいことが知られている。さらに、特に高温条件下でも温度補償をすることを要せず、安定な出力を発揮できる特性の再現性に優れた素子であることが求められるため、温度サイクルに対しても十分安定で温度依存性が少ないと共に、優れた高温安定性を有することが求められている。そして現在も、これらのニーズを満たす薄膜材料を求めて、日々検討が行われている（特許文献１参照）。
【０００４】
図５（ａ）は、従来技術を示す、歪抵抗薄膜としてＣｒ薄膜を用いたセンサの断面図である。図５（ａ）に示す歪抵抗薄膜１１’はＣｒ薄膜からなっており、その両主面のうち第一面１１１が表出面として表出し、第二面１１２が基板２に電気的に絶縁された状態で備えられることにより、圧力、加減速度、流量、触覚、力覚またはトルクのいずれかまたはこれらの組み合わせを検出するセンサ素子１’として構成されている。ここで、基板２は測定対象に機械的に接し得るものである。
【０００５】
図５（ｂ）は、図５（ａ）に示した従来技術に係るＣｒ薄膜の比抵抗と温度の関係（ρ−Ｔ特性）を示すグラフである。図５（ｂ）においては、Ｃｒ膜１１’の膜厚はｄ＝３００［ｎｍ］とした。図５（ｂ）において、
ｉ）○は室温（ＲＴ）から７７３Ｋ（５００℃）に昇温（１回目）したときにおけるρ−Ｔ特性を、
ｉｉ）●は７７３Ｋ（５００℃）から室温（ＲＴ）に降温（１回目）したときにおけるρ−Ｔ特性を、
ｉｉｉ）△は室温（ＲＴ）から７７３Ｋ（５００℃）に昇温（２回目）したときにおけるρ−Ｔ特性を、
ｉｖ）▲は７７３Ｋ（５００℃）から室温（ＲＴ）に降温（２回目）したときにおけるρ−Ｔ特性を、
ｖ）□は室温（ＲＴ）から７７３Ｋ（５００℃）に昇温（３回目）したときにおけるρ−Ｔ特性を、
ｖｉ）■は７７３Ｋ（５００℃）から室温（ＲＴ）に降温（３回目）したときにおけるρ−Ｔ特性を、それぞれ示す。なお、各グラフの下の説明における（）内の数字は、昇温または降温の各回数を、またそれぞれの場合におけるＴＣＲ値［ｐｐｍ・Ｋ−１］を示している。
図５（ｂ）から明らかなように、温度変化に対する比抵抗（ρ）は安定しているものの、同図下部の注釈に示すように、ＴＣＲ値は＋１６００［ｐｐｍ・Ｋ−１］を超えている。
【０００６】
図５（ｃ）は、図５（ａ）に示した従来技術に係るＣｒ薄膜のρ−Ｔ特性を示すグラフである。図５（ｂ）と異なり、図５（ｃ）においては、Ｃｒ膜１１’の膜厚はｄ＝１４［ｎｍ］とした。図５（ｂ）において、
ｉ）○は室温（ＲＴ）から７７３Ｋ（５００℃）に昇温（１回目）したときにおけるρ−Ｔ特性を、
ｉｉ）●は７７３Ｋ（５００℃）から室温（ＲＴ）に降温（１回目）したときにおけるρ−Ｔ特性を、
ｉｉｉ）△は室温（ＲＴ）から７７３Ｋ（５００℃）に昇温（２回目）したときにおけるρ−Ｔ特性を、
ｉｖ）▲は７７３Ｋ（５００℃）から室温（ＲＴ）に降温（２回目）したときにおけるρ−Ｔ特性を、
ｖ）□は室温（ＲＴ）から７７３Ｋ（５００℃）に昇温（３回目）したときにおけるρ−Ｔ特性を、
ｖｉ）■は７７３Ｋ（５００℃）から室温（ＲＴ）に降温（３回目）したときにおけるρ−Ｔ特性を、それぞれ示すことは先と同様である。
図５（ｃ）によれば、上記ｉ）〜ｖｉ）全体を通じてρ−Ｔ特性が安定していないことは明らかである。このように、図５（ｃ）に示す歪抵抗薄膜はその特性が不安定なものとなっている。
また、図５（ｃ）の各グラフの下の説明に示された（）内のＴＣＲ値［ｐｐｍ・Ｋ−１］についてみても、昇温時ｉ）、ｉｉｉ）、ｖ）におけるＴＣＲ値が高い一方、降温時ｉｉ）、ｉｖ）、ｖｉ）におけるＴＣＲ値はすべて負値をとっており、上記ｉ）〜ｖｉ）全体を通じてＴＣＲ値が安定していないことは明らかである。特に、昇温時ｉ）、ｖ）におけるＴＣＲ値は非常に高い値となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第４２８４５０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記したように、従来技術に係る歪抵抗薄膜によれば、歪抵抗薄膜のＴＣＲ値を全体的に低く抑えることが難しいという問題があった。
これに関しては、Ｃｒ膜１１’上部、つまりＣｒ膜１１’の第一面１１１と大気との間のほか、Ｃｒ膜１１’下部、つまりＣｒ膜１１’の第二面１１２と基板２との間で生じる、温度サイクル中における、膜のモフォロジー変化や界面の問題が影響しているものと推察される。
【０００９】
次に、図６は、従来技術を示す図であり、Ｃｒ薄膜の膜厚ｄとゲージ率（ＧＦ）およびＴＣＲ値の関係につき示すグラフである。ここで、図６におけるＴＣＲ値は、図５（ｂ）および（ｃ）と同様に７７３Ｋ（５００℃）から室温（ＲＴ）に降温（１回目）したときの値を用いて算出している。
まず、ゲージ率のグラフについて見ると、ゲージ率の値はＣｒ薄膜の膜厚ｄに依存することなく、あまり大きな変化が見られないことが読み取れる。
その一方、ＴＣＲ値についてはＣｒ薄膜の膜厚ｄが増えるに従って増加しているほか、膜厚ｄ≒１４［ｎｍ］の辺り（Ｃ点）でＴＣＲ値が０となり、その前後でＴＣＲ値の正負の符号が逆転していることが読み取れる。
【００１０】
このように、従来技術に係るＣｒ薄膜については、図６に示す通りその膜厚ｄを十分検討することで、ゲージ率を十分高いレベルのまま維持できると共に、そのＴＣＲ値を低く抑えることができる可能性があった。
【００１１】
しかしながら、上記のように基板２上にＣｒ薄膜１１’を成膜した構成からなる従来技術に係る歪抵抗薄膜では、図５（ｃ）に示す通り温度サイクルに対して、比抵抗ρに代表される電気特性およびＴＣＲ値が不安定なものとなっており、その安定化およびＴＣＲ値を全体的に低く抑えることが難しいという問題があった。
【００１２】
したがって本発明は、優れた高温安定性と高いゲージ率とを実現可能な歪抵抗薄膜および当該歪抵抗薄膜を用いたセンサを提供することを課題とする。
また本発明は、温度サイクルに対して、比抵抗ρに代表される電気特性が安定であると共に、ＴＣＲ値を全体的に低く抑えることが可能な歪抵抗薄膜および当該歪抵抗薄膜を用いたセンサを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決すべく種々検討を行った結果、本願発明者は、
ｉ）歪抵抗材料として高いゲージ率を有する一方、ＴＣＲ値も高く、それゆえＴＣＲ値のさらなる減少が期待されていた第一の材料と、
ｉｉ）上記ＴＣＲ値の抑制に関連し、耐熱性の改善と共にＴＣＲ値の減少が実現される一方、今度はゲージ率が大きく減少することが問題となっていた第二の材料と
を適宜組み合わせること、すなわち、上記ｉ）に相当する材料を基板上で薄膜として形成した第一の薄膜と、上記ｉｉ）に相当する材料を基板上で薄膜として形成した第二の薄膜であって、ＴＣＲ値（同一膜厚条件）が第一の薄膜より小さいものとの積層構造とすることにより、上記課題を解決可能なことを見い出し、本発明を完成した。
【００１４】
上記課題を解決可能な本発明の歪抵抗薄膜は、（１）積層膜からなる歪抵抗薄膜であって、
前記積層膜が、
クロム薄膜、酸化クロム薄膜または窒化クロム薄膜からなる第一の薄膜と、
前記第一の薄膜の両主面のうち第一面または前記第一面と第二面に積層され、薄膜の膜厚を同一としたときのＴＣＲ値［ｐｐｍ・Ｋ−１］が第一の薄膜より小さい第二の薄膜と
を少なくとも一層以上有し、
前記積層膜を構成する前記第二の薄膜の一つが前記積層膜の表出面として表出していることを特徴とするものである。
【００１５】
ここで、上記第二の薄膜については、（２）ＣｒＳｉＣ、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＢＮ、ＳｎＯ２、ダイヤモンドおよびこれらの一部をドーピング材で置換した材料のいずれかまたはこれらの組み合わせからなることが好ましい。
【００１６】
また、上記歪抵抗薄膜については、（３）比抵抗値ρが１×１０−５≦ρ≦１×１０−１［Ω・ｃｍ］であることが好ましい。
【００１７】
さらに、上記歪抵抗薄膜を用いた本発明のセンサ素子は、（４）測定対象に機械的に接し得る基層と、
前記基層に電気的に絶縁された状態で備えられた、（１）〜（３）のいずれかに記載の歪抵抗薄膜とからなることを特徴とする、圧力、加減速度、流量、触覚、力覚またはトルクのいずれかまたはこれらの組み合わせを検出するものである。
【００１８】
本明細書において、「ＴＣＲ値」［ｐｐｍ・Ｋ−１］とは、抵抗温度係数すなわち電気抵抗の温度微分係数であり、測定温度における傾きを示すものである。一般的に、歪抵抗薄膜では、ＴＣＲ値は０に近い小さい値であることが望ましい。
本明細書において、ＴＣＲ値は下式（１）
ＴＣＲ＝（１／Ｒ）ｄＲ／ｄＴ （１）
［Ｒは電気抵抗あるいは比抵抗、Ｔは絶対温度、単位はｐｐｍ・Ｋ−１］
で算出される値を指し示すものとする。
なお、具体的には、本明細書において説明する歪抵抗薄膜の使用温度の上限を、７７３Ｋ（５００℃）とした場合、下式（２）により、ＴＣＲ値が算出される。
【数１】
［Ｒは電気抵抗あるいは比抵抗、Ｔは絶対温度、ＲＴは室温、単位はｐｐｍ・Ｋ−１］
【００１９】
本明細書において、「ゲージ率（ＧＦ）」とは、抵抗の歪による変化の大きさを指し示すものとする。一般的に、歪抵抗薄膜では、ゲージ率は可能な限り高いことが望ましい。
【００２０】
本明細書において、「比抵抗値」ρ［Ω・ｃｍ］とは、抵抗率のことであり、一般的に、ひずみセンサ素子としては、抵抗率が一定範囲にある薄膜材料が望ましいことが知られている。そこで、比抵抗値ρを１×１０−５≦ρ≦１×１０−１［Ω・ｃｍ］に設定することで、パターン長を短く、膜厚を薄くすることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、優れた高温安定性と高いゲージ率とを実現可能な歪抵抗薄膜および当該歪抵抗薄膜を用いたセンサを提供することが可能となる。
また本発明によれば、歪抵抗薄膜全体としてのＴＣＲ値を低く抑えることが可能であると共に、温度サイクルに対して、比抵抗ρに代表される電気特性が安定な歪抵抗薄膜および当該歪抵抗薄膜を用いたセンサを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の歪抵抗薄膜および当該歪抵抗薄膜を用いたセンサの一構成例を示す断面図である。
【図２】本実施例に係る歪抵抗薄膜のρ−Ｔ特性を示すグラフであり、（ａ）はＣｒ／ＣｒＳｉＣ２層膜のρ−Ｔ特性を、（ｂ）はＣｒＳｉＣ／Ｃｒ／ＣｒＳｉＣ３層膜のρ−Ｔ特性を示すグラフである。
【図３】本実施例に係る歪抵抗薄膜とゲージ率が既知（ＧＦ＝２．１）の市販の歪ゲージに係る歪抵抗薄膜における抵抗変化率とひずみの関係（ΔＲ／Ｒ−ε特性）の比較結果を示すグラフである。
【図４】本実施例に係る、ＣｒＳｉＣ／Ｃｒ／ＣｒＳｉＣ３層膜からなる歪抵抗薄膜の諸特性を示すグラフであり、（ａ）は上部ＣｒＳｉＣ薄膜の膜厚依存性につき、（ｂ）は中間Ｃｒ薄膜の膜厚依存性につき示すグラフである。
【図５】従来技術を示す図であり、（ａ）は歪抵抗薄膜としてＣｒ薄膜を用いたセンサの断面図、（ｂ）は膜厚ｄが３００[ｎｍ]であるＣｒ薄膜のρ−Ｔ特性を示すグラフ、（ｃ）は膜厚ｄが１４[ｎｍ]であるＣｒ薄膜のρ−Ｔ特性を示すグラフである。
【図６】従来技術を示す図であり、Ｃｒ薄膜の膜厚ｄとＧＦおよびＴＣＲの関係につき示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の歪抵抗薄膜および当該歪抵抗薄膜を用いたセンサの詳細に付き、一実施例を用いて説明する。なお、以下では、従来例の構成と共通する箇所については、同一の参照符を用いるものとするほか、説明が重複することとなる部分については適宜省略することとする。
【実施例】
【００２４】
［構成］
図１に、本実施例に係る歪抵抗薄膜および当該歪抵抗薄膜を用いたセンサの断面構成を示す。
以下、本実施例に係る歪抵抗薄膜および当該歪抵抗薄膜を用いたセンサについては、図１（ａ）に示される、Ｃｒ／ＣｒＳｉＣ２層の積層膜からなる歪抵抗薄膜１０を備えたセンサ素子１Ａ[第１例]と、図１（ｂ）に示される、ＣｒＳｉＣ／Ｃｒ／ＣｒＳｉＣ３層の積層膜からなる歪抵抗薄膜２０を備えたセンサ素子１Ｂ[第２例]の２例に基づき具体的に説明を行う。
【００２５】
第１例に係る歪抵抗薄膜１０は、次に述べる第一の薄膜１１と、第一の薄膜１１の両主面のうち第一面１１１に積層され、薄膜の膜厚を同一としたときのＴＣＲ値［ｐｐｍ・Ｋ−１］が第一の薄膜より小さい第二の薄膜１２とを有し、第二の薄膜１２が積層膜の表出面Ｓとして表出している構造を有している。そして、第一の薄膜１１の両主面のうち第一面と反対側の面（第二面）が絶縁性基板２に接合されている。すなわち、歪抵抗薄膜１０が基板２に電気的に絶縁された状態で備えられることにより、圧力、加減速度、流量、触覚、力覚またはトルクのいずれかまたはこれらの組み合わせを検出するセンサ素子１Ａが構成されている。ここで、基板２は測定対象に機械的に接し得るものである。
【００２６】
第２例に係る歪抵抗薄膜２０は、第一の薄膜２１と、第一の薄膜２１の両主面に相当する第一面２１１および第二面２１２に積層され、薄膜の膜厚を同一としたときのＴＣＲ値［ｐｐｍ・Ｋ−１］が第一の薄膜より小さい第二の薄膜２２、２３とを有し、第二の薄膜の一方であり、第一の薄膜２１の上部に形成される第二の薄膜２２が積層膜の表出面Ｓとして表出している構造を有している。そして、第二の薄膜の他方であり、第一の薄膜２１の下部に形成される第二の薄膜２３が絶縁性基板２に接合されている。このように、歪抵抗薄膜２０が基板２に電気的に絶縁された状態で備えられることにより、センサ素子１Ｂが構成される点は、第１例と同様である。
【００２７】
第一の薄膜１１、２１として、本実施例ではクロム（Ｃｒ）薄膜を用いた。ただし、第一の薄膜についてはこれに限らず、酸化クロム薄膜または窒化クロム薄膜からなるものとしても構わない。
【００２８】
第二の薄膜１２、２２、２３として、本実施例ではＣｒＳｉＣを用いた。
ここで、本実施例では第二の薄膜としてＣｒＳｉＣを単独で用いたが、これに限られず、その一部をドーピング材で置換したものを用いても良い。
第二の薄膜として使用可能な材料の一例、並びにそれらの一部を置換可能なドーピング材の一例を下表に示す。第二の薄膜は、下表に挙げた材料を適宜組み合わせて構成されていても構わない。下表に挙げた材料は、いずれもＴＣＲ特性が安定（温度サイクルによる変化が小さい）している膜厚領域（Ｃｒ薄膜では、膜厚が１００［ｎｍ］以上あれば、単層膜でもＴＣＲ特性が安定する）で、第一の薄膜とＴＣＲ値を比較したときに、第一の薄膜よりもＴＣＲ値が小さい。
【表１】
【００２９】
なお、第２例において、第一の薄膜２１を間に挟んで対向する第二の薄膜２２，２３それぞれについては、互いに別の構成材料からなっていても構わない。
【００３０】
また、上記２層または３層の積層膜からなる歪抵抗薄膜１０、２０は、全体としてその比抵抗値ρが１×１０−５≦ρ≦１×１０−１［Ω・ｃｍ］となる様に構成されている。
【００３１】
［成膜要領］
次に、上記構成からなる本実施例の歪抵抗薄膜１０、２０の一成膜要領につき説明する。成膜には、市販の薄膜作製装置を使用し得る。本実施例では、その一例として、日新電機株式会社製イオンビームスパッタ装置ＮＩＳ−２５０−Ｌを使用した。
また、第一の薄膜および第二の薄膜の成膜条件は、次表２の通りとした。
なお、膜厚に関してはいずれも、成膜時間により調整した。
【表２】
【００３２】
［実験結果］
以下、上記要領により製造された本実施例の歪抵抗薄膜１０、２０の諸特性の評価を行った結果につき説明する。はじめに、前提として、評価に用いた各装置の一例を下表に示す。表３に示すように、ＴＣＲ値は、(株)東陽テクニカ製のホール効果測定装置（型名：ＲｅｓｉＴｅｓｔ８３０８）を用いて対象温度（Ｔ）における薄膜の比抵抗（ρ）を測定することにより、式（１）に基づいて（室温−７７３Ｋ（５００℃）間の傾きにより算出する場合には式（２）に基づいて）算出した。
【表３】
【００３３】
図２は、本実施例に係る歪抵抗薄膜のρ−Ｔ特性を示すグラフである。（ａ）は第１例に係るＣｒ／ＣｒＳｉＣ２層膜のρ−Ｔ特性を、（ｂ）は第２例に係るＣｒＳｉＣ／Ｃｒ／ＣｒＳｉＣ３層膜のρ−Ｔ特性を示すグラフである。
図２において、
ｉ）○は室温（ＲＴ）から７７３Ｋ（５００℃）に昇温（１回目）したときにおけるρ−Ｔ特性を、
ｉｉ）●は７７３Ｋ（５００℃）から室温（ＲＴ）に降温（１回目）したときにおけるρ−Ｔ特性を、
ｉｉｉ）△は室温（ＲＴ）から７７３Ｋ（５００℃）に昇温（２回目）したときにおけるρ−Ｔ特性を、
ｉｖ）▲は７７３Ｋ（５００℃）から室温（ＲＴ）に降温（２回目）したときにおけるρ−Ｔ特性を、
ｖ）□は室温（ＲＴ）から７７３Ｋ（５００℃）に昇温（３回目）したときにおけるρ−Ｔ特性を、
ｖｉ）■は７７３Ｋ（５００℃）から室温（ＲＴ）に降温（３回目）したときにおけるρ−Ｔ特性を、それぞれ示す。なお、各グラフの下の説明における（）内の数字は、昇温または降温の各回数を、またそれぞれの場合におけるＴＣＲ値［ｐｐｍ・Ｋ−１］を示している。
【００３４】
ここで、各薄膜の膜厚ｄに関しては、第１例の場合、第一の薄膜１１を１４［ｎｍ］、第二の薄膜１２を３０［ｎｍ］、また第２例の場合、第一の薄膜２１を１４［ｎｍ］、第一の薄膜２１の上部に形成される第二の薄膜２２を１８０［ｎｍ］、第一の薄膜２１の下部に形成される第二の薄膜２３を３０［ｎｍ］とした。
表４に第二の薄膜として用いたＣｒＳｉＣ薄膜およびＳｉＣ薄膜のＴＣＲ特性を示す。具体的には、昇温ステップ（室温→７７３Ｋ（５００[℃]））および降温ステップ（７７３Ｋ（５００[℃]）→室温）を繰り返したときの各ステップごとに算出したＴＣＲ値と、温度サイクル２回目以降（昇温ステップ２〜降温ステップ３）のＴＣＲ値の平均値を示す。なお、ＣｒＳｉＣ薄膜の膜厚を３００［ｎｍ]とした。
【表４】
表４から明らかなように、Ｃｒ薄膜の温度サイクル２回目以降のＴＣＲ値の平均値が１６１８［ｐｐｍ・Ｋ−１］に対し、ＣｒＳｉＣ薄膜およびＳｉＣ薄膜の温度サイクル２回目以降のＴＣＲ値の平均値は、いずれも小さい。つまり、薄膜の膜厚を同一（３００［ｎｍ]）としたときのＴＣＲ値において、ＣｒＳｉＣ薄膜およびＳｉＣ薄膜（第二の薄膜）はＣｒ薄膜（第一の薄膜）よりも小さい。このように、本発明では、ＴＣＲ特性が十分に安定している膜厚領域において、ＴＣＲ値が第一の薄膜よりも小さい材料を第二の薄膜として使用することができる。
【００３５】
図２によれば、第１例および第２例共に、ｉ）の１回目の昇温時を除いてｉｉ）の１回目の降温サイクル以降は、概ね安定したρ−Ｔ特性が得られていることが明らかとなった。したがって、ｉ）の１回目の昇温時をアニール処理と考えれば、本発明における歪抵抗薄膜は、一旦高温まで加熱して熱処理を行えば、その後は安定な膜構造となって概ね安定な特性を示すことが明らかとなった。
また、図２の各グラフの下の説明に示した（）内のＴＣＲ値［ｐｐｍ・Ｋ−１］について見ると、ｉ）の１回目の昇温時においては、第１例で２４８６［ｐｐｍ・Ｋ−１］、第２例で２７４８［ｐｐｍ・Ｋ−１］と高い値を示しているものの、それ以外は概ね低い数値（例えば、第２例に係る図２（ｂ）の場合、ＴＣＲ≒２５０［ｐｐｍ・Ｋ−１］）を示している。したがって、本実施例に係る歪抵抗薄膜によれば、歪抵抗薄膜全体としてのＴＣＲ値を低く抑えることが可能であることが明らかとなった。
【００３６】
なお、ゲージ率に関してみれば、第１例に係る図２（ａ）の条件下の場合、ＧＦ≒１０．４、第２例に係る図２（ｂ）の条件下の場合、ＧＦ≒９．８（いずれも、室温での値）となり、いずれも十分高い数値を示すことが明らかとなった。
【００３７】
図３は、第２例に係る歪抵抗薄膜と図５（ａ）に示すゲージ率が既知（ＧＦ＝２．１）の市販の歪ゲージに係る歪抵抗薄膜におけるΔＲ／Ｒ−ε特性の比較結果を示すグラフである。これは、歪に対する抵抗変化率ΔＲ／Ｒを示すものである。図３中、Ａは市販の歪ゲージに係るグラフ、Ｂは第２例に係るグラフである。
ここで、第２例の各薄膜の膜厚ｄに関しては、図２（ｂ）の場合と同様、第一の薄膜２１を１４［ｎｍ］、第一の薄膜２１の上部に形成される第二の薄膜２２を１８０［ｎｍ］、第一の薄膜２１の下部に形成される第二の薄膜２３を３０［ｎｍ］とした。
【００３８】
図３からは、抵抗変化率ΔＲ／Ｒは、引っ張りに対して増大、圧縮に対して減少することが分かる。さらに、図３の結果からも明らかな通り、第２例に係る歪抵抗薄膜は歪に対する直線性を有していると共に、第２例に係る歪抵抗薄膜によれば、圧縮応力、引っ張り応力に対する抵抗変化率ΔＲ／Ｒの直線的な変化が、市販の歪ゲージに係る歪抵抗薄膜と比較してより明確かつ大きく表れていることが分かる。
この結果からも、第２例に係る歪抵抗薄膜は十分高いゲージ率を示すことが推認できる。
【００３９】
図４は、第２例に係る歪抵抗薄膜２０の諸特性を示すグラフであり、（ａ）は第一の薄膜２１の上部に形成される第二の薄膜（上部ＣｒＳｉＣ薄膜）２２の膜厚依存性につき、（ｂ）は第一の薄膜（中間Ｃｒ薄膜）２１の膜厚依存性につき示すグラフである。
ここで、各薄膜の膜厚ｄに関しては、図４（ａ）の場合、第一の薄膜２１を１４［ｎｍ］、第一の薄膜２１の上部に形成される第二の薄膜２２を図の横軸に示される通り可変、第一の薄膜２１の下部に形成される第二の薄膜２３を３０［ｎｍ］とした。
【００４０】
また図４（ｂ）の場合、各薄膜の膜厚ｄに関して、第一の薄膜２１を図の横軸に示される通り可変、第一の薄膜２１の上部に形成される第二の薄膜２２を１８０［ｎｍ］、第一の薄膜２１の下部に形成される第二の薄膜２３を３０［ｎｍ］とした（■、▲、●の各プロット）。
なお、図４（ｂ）の場合にあっては、比較検討のため、□、△、○の各プロットで示す通り、第二の薄膜２２、２３の膜厚ｄを上記の半分の値（第二の薄膜２２を９０［ｎｍ］、第二の薄膜２３を１５［ｎｍ］）とし、第一の薄膜の膜厚を７［ｎｍ］としたサンプルで得られたＴＣＲ、比抵抗ρおよびゲージ率の各特性を同一グラフ上に例示している。
【００４１】
まず、図４（ａ）のグラフについて見ると、比抵抗ρの値は第一の薄膜２１の上部に形成される第二の薄膜２２の膜厚ｄが増えるに従って増加する一方、ＴＣＲおよびゲージ率については、あまり大きな変化が見られないことが読み取れる。したがって、第２例における歪抵抗薄膜２０においては、第一の薄膜２１の上部に形成される第二の薄膜２２の膜厚ｄに大きく依存することなく、歪抵抗薄膜全体としてのＴＣＲ値を低く抑えることが可能であると共に、十分高いゲージ率を示すことが明らかとなった。
【００４２】
続いて、図４（ｂ）のグラフについて見ると、第一の薄膜２１の膜厚ｄが増えるに従って、ｉ）ＴＣＲ値は増加、ｉｉ）比抵抗ρの値は減少、ｉｉｉ）ゲージ率は増加、の各傾向を示していることが読み取れる。
ＴＣＲ値は０に近いことが望ましく、ゲージ率は可能な限り高いことが望ましく、比抵抗ρについても少なくとも一定程度の大きさを有していることが望ましいことから、当該積層膜の構成および第二の薄膜の膜厚条件において、第一の薄膜２１の膜厚ｄについては７［ｎｍ］以上であることが好ましい。
【００４３】
なお、比較検討のために示した歪抵抗薄膜のサンプルに係る□、△、○の各プロットを見ると、ＴＣＲ値は０近傍にあり、望ましい値を示していることが分かる。その他、比抵抗についても少なくとも一定程度の大きさを示しているほか、ゲージ率も十分高い値を示しており、当該サンプルについても歪抵抗薄膜として十分有用であることが明らかとなった。
【００４４】
図２および４の実験結果を検討しても明らかな通り、複数層の積層膜からなる本実施例によれば、単一膜からなる従来技術のものに比べ、第一の薄膜部分の膜厚を相対的に薄くすることが出来、そうすることで、第一の薄膜のゲージ率を高い値に維持したまま、ＴＣＲ値を減少させることが可能となった（膜厚を含めた第一の薄膜のモフォロジーの制御）。
【００４５】
また、図２の実験結果を検討しても明らかな通り、本実施例によれば、第一の薄膜に第二の薄膜を積層させることで、温度サイクルに対して、比抵抗に代表される電気特性の安定性の向上およびＴＣＲ値の抑制を図ることが可能となった。
【００４６】
さらに、図２の実験結果を検討しても明らかな通り、本実施例によれば、使用温度範囲は、室温から少なくとも７７３Ｋ（５００℃）まで拡げることが可能となった。ただし、本発明に係る歪抵抗薄膜および当該歪抵抗薄膜を用いたセンサの使用温度範囲については、図２の横軸に規定される温度範囲に拘束されることは無い。
【００４７】
このように、複数層の積層膜からなる本実施例によれば、第一の薄膜と、薄膜の膜厚を同一としたときのＴＣＲ値が第一の薄膜より小さい第二の薄膜との積層構造とすることにより、歪抵抗薄膜全体としてのＴＣＲ値を低く抑えることが可能となる。また本発明によれば、優れた高温安定性と高いゲージ率とを実現可能な歪抵抗薄膜および当該歪抵抗薄膜を用いたセンサを提供することが可能となる。
【００４８】
［変形例］
以上、一実施例に基づき本発明に係る歪抵抗薄膜および当該歪抵抗薄膜を用いたセンサの詳細につき説明したが、本発明に係る歪抵抗薄膜および当該歪抵抗薄膜を用いたセンサについては上記実施例に記載の構成に限定されず、種々の変形実施が可能である。
【００４９】
例えば、上記実施例では、Ｃｒ／ＣｒＳｉＣ２層膜からなる歪抵抗薄膜１０およびＣｒＳｉＣ／Ｃｒ／ＣｒＳｉＣ３層膜からなる歪抵抗薄膜２０の２例に基づき詳細に説明を行ったが、歪抵抗薄膜の構成に関しては上記に限定されない。
具体的には、２層膜からなる歪抵抗薄膜１０または３層膜からなる歪抵抗薄膜２０を２回以上繰り返して、またはこれらを組み合わせて積層し、その上で、第二の薄膜１２または第二の薄膜の一つであり、第一の薄膜２１の上部に形成される第二の薄膜２２が積層膜の表出面Ｓとして表出している構造としても構わない。このとき、歪抵抗薄膜１０または２０の組み合わせ体が基板２に電気的に絶縁された状態で備えられることにより、センサ素子１が構成される点は、上記実施例と同様である。
【００５０】
以上の通り本発明は、第一の薄膜と、薄膜の膜厚を同一としたときのＴＣＲ値が第一の薄膜より小さい第二の薄膜との積層構造とすることにより、歪抵抗薄膜全体としてのＴＣＲ値を低く抑えることが可能であると共に、温度サイクルに対して、比抵抗ρに代表される電気特性が安定で、かつ優れた高温安定性と高いゲージ率とを実現可能な歪抵抗薄膜および当該歪抵抗薄膜を用いたセンサを提供する新規かつ有用なるものであることが明らかである。
【符号の説明】
【００５１】
Ｓ 表出面
１Ａ、１Ｂ センサ素子
１’ センサ素子
２ 基板
１０ 歪抵抗薄膜
１１ 第一の薄膜
１２ 第二の薄膜
２０ 歪抵抗薄膜
２１ 第一の薄膜
２２ 第二の薄膜
２３ 第二の薄膜
１１１、２１１ 第一面
１１２、２１２ 第二面
【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層膜からなる歪抵抗薄膜であって、
前記積層膜が、
クロム薄膜、酸化クロム薄膜または窒化クロム薄膜からなる第一の薄膜と、
前記第一の薄膜の両主面のうち第一面または前記第一面と第二面に積層され、薄膜の膜厚を同一としたときのＴＣＲ値［ｐｐｍ・Ｋ−１］が第一の薄膜より小さい第二の薄膜と
を少なくとも一層以上有し、
前記積層膜を構成する前記第二の薄膜の一つが前記積層膜の表出面として表出していることを特徴とする歪抵抗薄膜。
【請求項２】
前記第二の薄膜が、ＣｒＳｉＣ、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＢＮ、ＳｎＯ２、ダイヤモンドおよびこれらの一部をドーピング材で置換した材料のいずれかまたはこれらの組み合わせからなることを特徴とする請求項１に記載の歪抵抗薄膜。
【請求項３】
前記歪抵抗薄膜は、比抵抗値ρが１×１０−５≦ρ≦１×１０−１［Ω・ｃｍ］であることを特徴とする請求項１または２に記載の歪抵抗薄膜。
【請求項４】
測定対象に機械的に接し得る基層と、
前記基層に電気的に絶縁された状態で備えられた、請求項１〜３のいずれかに記載の歪抵抗薄膜とからなることを特徴とする、圧力、加減速度、流量、触覚、力覚またはトルクのいずれかまたはこれらの組み合わせを検出するセンサ素子。
【請求項１】
積層膜からなる歪抵抗薄膜であって、
前記積層膜が、
クロム薄膜、酸化クロム薄膜または窒化クロム薄膜からなる第一の薄膜と、
前記第一の薄膜の両主面のうち第一面または前記第一面と第二面に積層され、薄膜の膜厚を同一としたときのＴＣＲ値［ｐｐｍ・Ｋ−１］が第一の薄膜より小さい第二の薄膜と
を少なくとも一層以上有し、
前記積層膜を構成する前記第二の薄膜の一つが前記積層膜の表出面として表出していることを特徴とする歪抵抗薄膜。
【請求項２】
前記第二の薄膜が、ＣｒＳｉＣ、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＢＮ、ＳｎＯ２、ダイヤモンドおよびこれらの一部をドーピング材で置換した材料のいずれかまたはこれらの組み合わせからなることを特徴とする請求項１に記載の歪抵抗薄膜。
【請求項３】
前記歪抵抗薄膜は、比抵抗値ρが１×１０−５≦ρ≦１×１０−１［Ω・ｃｍ］であることを特徴とする請求項１または２に記載の歪抵抗薄膜。
【請求項４】
測定対象に機械的に接し得る基層と、
前記基層に電気的に絶縁された状態で備えられた、請求項１〜３のいずれかに記載の歪抵抗薄膜とからなることを特徴とする、圧力、加減速度、流量、触覚、力覚またはトルクのいずれかまたはこれらの組み合わせを検出するセンサ素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−２０７９８５（Ｐ２０１２−２０７９８５Ａ）
【公開日】平成２４年１０月２５日（２０１２．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−７２９７９（Ｐ２０１１−７２９７９）
【出願日】平成２３年３月２９日（２０１１．３．２９）
【出願人】（５１２１０９１６１）地方独立行政法人大阪府立産業技術総合研究所 (13)
【出願人】（５９４０９４２０５）日本リニアックス株式会社 (3)
【上記１名の代理人】
【識別番号】１１００００４７５
【氏名又は名称】特許業務法人みのり特許事務所
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月２５日（２０１２．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月２９日（２０１１．３．２９）
【出願人】（５１２１０９１６１）地方独立行政法人大阪府立産業技術総合研究所 (13)
【出願人】（５９４０９４２０５）日本リニアックス株式会社 (3)
【上記１名の代理人】
【識別番号】１１００００４７５
【氏名又は名称】特許業務法人みのり特許事務所
【Ｆターム（参考）】
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