(57)【要約】      （修正有）【課題】薄膜センサが装着される母材の変形の影響を排除して正確な圧力検出を可能にする。【解決手段】薄膜センサＳｂを、銅、マンガンおよびニッケルの合金である第１の合金の薄膜１７Ａと、ニッケルおよびクロムの合金である第２の合金の薄膜１７Ｂとを積層して構成したので、第１の合金と第２の合金との膜厚比を所定の値に設定することで、薄膜センサの縦歪み感度および横歪み感度を小さくして母材１５の歪みによる圧力検出誤差を減少させることができる。特に、第１の合金と第２の合金との膜厚比は略４：１とすれば、薄膜センサの縦歪み感度および横歪み感度を共に略ゼロにすることができ、母材１５の歪みによる圧力検出誤差を最小限に抑えることができる。【選択図】図７
2014071085.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
銅、マンガンおよびニッケルの合金である第１の合金の薄膜と、ニッケルおよびクロムの合金である第２の合金の薄膜とを積層したことを特徴とする薄膜センサ。
【請求項２】
前記第１の合金と前記第２の合金との膜厚比は略４：１であることを特徴とする、請求項１に記載の薄膜センサ。
【請求項３】
前記第１の合金および前記第２の合金を積層した薄膜は、任意の直交軸に対して一方向の長さおよび幅の比が、他方向の長さおよび幅の比と同じであることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の薄膜センサ。
【請求項４】
圧力を感知する感知部と前記感知部から延びるリード部とを備え、少なくとも前記感知部が前記第１の合金の薄膜および前記第２の合金の薄膜を積層して構成されることを特徴とする、請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の薄膜センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属薄膜に圧力が作用したときの電気抵抗の変化に基づいて圧力を検出する薄膜センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１には、薄膜センサの材料として銅、マンガンおよびニッケルの合金を使用し、それぞれの組成を適宜調整することにより、温度変化に対する圧力検出誤差を小さくしたものが記載されている。また同特許文献１には、薄膜センサの材料としてクロムおよび金の合金を用いるとともに、薄膜センサの感知部の形状を、任意の直交軸に対して一方向の長さおよび幅の比が、他方向の長さおよび幅の比と同じになるように構成することで、縦方向および横方向の歪み感度を略同じ値にして薄膜センサの歪みによる圧力検出誤差を小さくしたものが記載されている。そこには、上記後者の薄膜センサの感知部の一例として、一対の半円弧状部を組み合わせた形状のもの（一周型の薄膜センサ）が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４５２７２３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、この種の薄膜センサは厚さが極めて小さいために狭い隙間に装着することが可能であり、エンジンのピストンのスカート部の表面に加わる圧力を検出するような場合に好適に使用することができる。しかしながら、ピストンのスカート部は比較的に剛性が低いために運転中に変形し易く、そこに装着された薄膜センサが母材であるスカート部の変形に追従して歪むことで、検出すべき圧力による歪み（電気抵抗変化）と母材の変形による歪み（電気抵抗変化）とが重畳してしまい、圧力の検出精度が低下する問題がある。ピストンのスカート部のような変形し易い母材の表面の圧力を精度良く検出するには、母材の変形による歪み（電気抵抗変化）の影響を効果的に排除可能な薄膜センサが必要となる。
【０００５】
上記特許文献１に記載された一周型の薄膜センサでは、縦方向の歪み感度および横方向の歪み感度を略同じ値にして歪みによる圧力検出誤差を小さくしているが、縦方向および横方向の歪み感度を共にゼロにすることができれば、歪みによる圧力検出誤差を更に低減することができる。
【０００６】
本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、薄膜センサが装着される母材の変形の影響を排除して正確な圧力検出を可能にすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、銅、マンガンおよびニッケルの合金である第１の合金の薄膜と、ニッケルおよびクロムの合金である第２の合金の薄膜とを積層したことを特徴とする薄膜センサが提案される。
【０００８】
また請求項２に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、前記第１の合金と前記第２の合金との膜厚比は略４：１であることを特徴とする薄膜センサが提案される。      
【０００９】
また請求項３に記載された発明によれば、請求項１または請求項２の構成に加えて、前記第１の合金および前記第２の合金を積層した薄膜は、任意の直交軸に対して一方向の長さおよび幅の比が、他方向の長さおよび幅の比と同じであることを特徴とする薄膜センサが提案される。
【００１０】
また請求項４に記載された発明によれば、請求項１〜請求項３の何れか１項の構成に加えて、圧力を感知する感知部と前記感知部から延びるリード部とを備え、少なくとも前記感知部が前記第１の合金の薄膜および前記第２の合金の薄膜を積層して構成されることを特徴とする薄膜センサが提案される。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１の構成によれば、薄膜センサを、銅、マンガンおよびニッケルの合金である第１の合金の薄膜と、ニッケルおよびクロムの合金である第２の合金の薄膜とを積層して構成したので、第１の合金と第２の合金との膜厚比を所定の値に設定することで、薄膜センサの縦歪み感度および横歪み感度を小さくして母材の歪みによる圧力検出誤差を減少させることができる。
【００１２】
また請求項２の構成によれば、第１の合金と第２の合金との膜厚比は略４：１であるので、薄膜センサの縦歪み感度および横歪み感度を共に略ゼロにすることができ、母材の歪みによる圧力検出誤差を最小限に抑えることができる。
【００１３】
また請求項３の構成によれば、第１の合金および第２の合金を積層した薄膜は、任意の直交軸に対して一方向の長さおよび幅の比が、他方向の長さおよび幅の比と同じであるので、縦方向および横方向の歪み感度を略同じ値にして薄膜センサの歪みによる圧力検出誤差を小さくすることができる。
【００１４】
また請求項４の構成によれば、圧力を感知する感知部と、感知部から延びるリード部とのうち、少なくとも感知部が第１の合金の薄膜および第２の合金の薄膜を積層して構成されるので、圧力検出精度を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】単線型の薄膜センサおよび一周型の薄膜センサの平面形状を示す図。
【図２】薄膜センサの圧力感度の測定装置を示す図。
【図３】一層型の薄膜センサの圧力感度を示すグラフ。
【図４】薄膜センサの温度感度の測定装置を示す図。
【図５】一層型の薄膜センサの温度感度を示すグラフ。
【図６】薄膜センサの歪み感度の測定装置を示す図。
【図７】単線型の薄膜センサおよび一周型の薄膜センサの断面形状を示す図。
【図８】二層型の薄膜センサをモデル化した回路を示す図。
【図９】二層型の薄膜センサの膜厚比を変えた場合の出力特性の変化を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図１〜図９に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
【００１７】
先ず、本発明に適用するセンサ合金について説明する。
【００１８】
表１に示すように、センサ合金(1) 〜センサ合金(4) は何れもＣｕ−Ｍｎ−Ｎｉ合金であり、その組成（重量％）は、センサ合金(1) はＣｕが８７．８％、Ｍｎが８．７５％、Ｎｉが３．４５％であり、センサ合金(2) はＣｕが８６．６％、Ｍｎが１１．０％、Ｎｉが２．４％であり、センサ合金(3) はＣｕが８７．４％、Ｍｎが９．６％、Ｎｉが３．０％であり、センサ合金(4) はＣｕが８６．０％、Ｍｎが１２．０％、Ｎｉが２．０％である。またセンサ合金(5) はＮｉ−Ｃｒ合金であり、その組成（重量％）は、Ｎｉが９０％、Ｃｒが１０％である。
【００１９】
【表１】
2014071085.tif 000003
【００２０】
図１（Ａ）は単線型の薄膜センサＳａの形状を示すもので、一対のリード部１１，１１が直線状の感知部１２で接続される。図１（Ｂ）は一周型の薄膜センサＳｂの形状を示すもので、一対のリード部１１，１１と、二つの半円を組み合わせた接続部１３，１３とが、二つの半円弧状の感知部１２，１２で接続される。
【００２１】
図２は薄膜センサの圧力感度の測定装置を示すもので、測定装置は、薄膜センサを収納する圧力容器２１と、圧力容器２１の内部を加圧する高圧ポンプ２２と、圧力容器２１の内部の圧力を電圧に変換する圧力センサ２３と、圧力センサ２３の出力を増幅する増幅器２４と、薄膜センサの電気抵抗値を電圧に変換するホイートストンブリッジ２５と、ホイートストンブリッジ２５の出力を増幅する増幅器２６と、データを記録する記録装置２７とで構成される。
【００２２】
図３は各センサ合金毎の圧力感度の測定結果を示すもので、センサ合金(1) 〜センサ合金(4) の圧力感度は１８〜２１×１０-6［（Ω／Ω）／ＭＰａ］にあって略同一であり、センサ合金(5) の圧力感度は１２〜１７×１０-6［（Ω／Ω）／ＭＰａ］であってセンサ合金(1) 〜センサ合金(4) の圧力感度よりも僅かに低くなっている。
【００２３】
図４は薄膜センサの温度感度の測定装置を示すもので、測定装置は、薄膜センサを収納するヒータ２７と、ヒータ２７の内部の温度を電圧に変換する温度センサ２８と、薄膜センサの電気抵抗値を電圧に変換するホイートストンブリッジ２９と、ホイートストンブリッジ２９の出力を増幅する増幅器３０と、データを記録する記録装置３１とで構成される。
【００２４】
図５は各センサ合金毎の温度感度の測定結果を示すもので、センサ合金(1) の温度感度は１０〜３０×１０-6［（Ω／Ω）／°Ｃ］、センサ合金(2) の温度感度は−１２〜−３６×１０-6［（Ω／Ω）／°Ｃ］、センサ合金(3) の温度感度は−２０〜８×１０-6［（Ω／Ω）／°Ｃ］、センサ合金(4) の温度感度は−４３〜−５３×１０-6［（Ω／Ω）／°Ｃ］であって個々にばらついている。一方、センサ合金(5) の温度感度は８４〜１２８×１０-6［（Ω／Ω）／°Ｃ］であり、温度の上昇に伴って著しく増加している。
【００２５】
図６は薄膜センサの歪み感度を測定する手法を示すものである。断面コ字状の試験器３２の一対の平行な梁部３３，３３に挟まれた薄肉部３４に、図１（Ａ）に示す単線型の薄膜センサＳａおよび図１（Ｂ）に示す一周型の薄膜センサＳｂを２個ずつ貼り付ける。図中右側の単線型の薄膜センサＳａおよび一周型の薄膜センサＳｂは縦歪み感度の測定用であり、その軸線が縦方向（ｙ方向）に整列する。また図中左側の単線型の薄膜センサＳａおよび一周型の薄膜センサＳｂは横歪み感度の測定用であり、その軸線が横方向（ｘ方向）に整列する。更に、試験器３２の薄肉部３４には、縦方向および横方向の歪み量のモニタとして、市販の二軸型歪みゲージ３５を貼り付ける。
【００２６】
尚、単線型の薄膜センサＳａは感知部１２が直線で構成されていて方向性を持つため、その歪み感度は縦歪み感度Ｋｌおよび横歪み感度Ｋｗで表される。一方、一周型の薄膜センサＳｂは感知部１２，１２が一対の半円弧で構成されていて方向性を持たないため、その縦歪み感度Ｋｌおよび横歪み感度Ｋｗは同じ値となる。以下、一周型の薄膜センサＳｂの縦歪み感度Ｋｌおよび横歪み感度Ｋｗをゲージ率Ｋｃと呼ぶ場合がある。
【００２７】
一対の梁部３３，３３に相互に対向する荷重Ｆ，Ｆを加え、薄肉部３４に曲げモーメントＭを作用させることで、薄肉部３４に縦方向および横方向に歪ませ、単線型の薄膜センサＳａの出力および一周型の薄膜センサＳｂの出力を２軸型歪みゲージ３５の出力と比較することで、単線型の薄膜センサＳａおよび一周型の薄膜センサＳｂの歪み感度を測定する。
【００２８】
表２は歪み感度の測定結果を示すものである。単線型の薄膜センサＳａの歪み感度は、Ｃｕ−Ｍｎ−Ｎｉのセンサ合金(1) 〜(4) を用いた場合、縦歪み感度Ｋｌが０．５０〜０．７０、横歪み感度Ｋｗが−１．１〜−１．４であり、Ｎｉ−Ｃｒのセンサ合金(5) を用いた場合、縦歪み感度Ｋｌが２．４〜２．５、横歪み感度Ｋｗが−０．１１〜−０．１３である。
【００２９】
また一周型の薄膜センサＳｂの歪み感度は、Ｃｕ−Ｍｎ−Ｎｉのセンサ合金(1) 〜(4) を用いた場合、縦歪み感度Ｋｌが−０．２５〜−０．３５、横歪み感度Ｋｗが−０．２５〜−０．３５であり、Ｎｉ−Ｃｒのセンサ合金(5) を用いた場合、縦歪み感度Ｋｌが１．１８〜１．２、横歪み感度Ｋｗが１．１８〜１．２である。
【００３０】
【表２】
2014071085.tif 000004
【００３１】
上記特許文献１に開示されているように、薄膜センサに加わる歪みの影響を排除して圧力を高精度に検出するには、縦歪み感度Ｋｌおよび横歪み感度Ｋｗを一致させることが望ましいが、単線型の薄膜センサＳａでは、何れのセンサ合金(1) 〜(5) を用いた場合であっても、縦歪み感度Ｋｌおよび横歪み感度Ｋｗが不一致であり、薄膜センサに加わる歪みの影響を排除できないことが分かる。
【００３２】
それに対し、一周型の薄膜センサＳｂを採用すれば、何れのセンサ合金(1) 〜(5) を用いた場合であっても、縦歪み感度Ｋｌおよび横歪み感度Ｋｗ、即ちゲージ率Ｋｃを略一致させ、薄膜センサＳｂに加わる歪みの影響をかなり排除できることが分かる。
【００３３】
しかしながら、一周型の薄膜センサＳｂのゲージ率Ｋｃをゼロにすることができれば、薄膜センサＳｂに加わる歪みの影響をより一層排除して圧力を更に高精度を検出することができる。本発明は、従来は一層のセンサ合金で構成されていた一周型の薄膜センサＳｂを、二層のセンサ合金で構成することで、上記課題を達成するものである。
【００３４】
図７（Ａ）は従来の一層型の薄膜センサの断面を示すもので、母材１５に非導電性を有する絶縁膜１６、センサ合金よりなるセンサ層１７および耐摩耗性を有する保護膜１８を積層して構成される。図７（Ｂ）は本発明の一層型の薄膜センサの断面を示すもので、一層型の薄膜センサの一層のセンサ層１７に代えて、第１センサ層１７Ａおよび第２センサ１７Ｂよりなる二層のセンサ層を備える。第１センサ層１７ＡはＣｕ−Ｍｎ−Ｎｉ合金よりなり、第２センサ層１７ＢはＮｉ−Ｃｒ合金よりなり、第１センサ層１７Ａの厚さおよび第２センサ層１７Ｂの厚さは所定の比率に設定される。
【００３５】
尚、母材１５はシリコンウエハであっても良いし、ピストンのスカート部のような圧力検出を行う部材であっても良い。また上記二層構造は、図１（Ｂ）に示す一周型の薄膜センサＳｂの一対のリード部１１，１１、感知部１２，１２および接続部１３，１３の全てに適用しても良いが、リード部１１，１１および接続部１３，１３は必ずしも二層構造である必要はなく、一層構造であっても良い。
【００３６】
次に、一周型の薄膜センサＳｂを二層構造にすることで、その歪み感度をゼロにできる理由を説明する。
【００３７】
符号を以下のように定義すると、
Ｒ：二層構造の薄膜センサの抵抗値［Ω］
Ｋ：二層構造の薄膜センサの歪み感度
ε：二層構造の薄膜センサの歪み
ＲA ：第１センサ層１７Ａの電気抵抗値［Ω］
ρA ：第１センサ層１７Ａの電気抵抗率［Ω・ｍ］
ｔA ：第１センサ層１７Ａの厚さ［ｍ］
ＫA ：第１センサ層１７Ａの歪み感度
εA ：第１センサ層１７Ａの歪み
ＲB ：第２センサ層１７Ｂの電気抵抗値［Ω］
ρB ：第２センサ層１７Ｂの電気抵抗率［Ω・ｍ］
ｔB ：第２センサ層１７Ｂの厚さ［ｍ］
ＫB ：第２センサ層１７Ｂの歪み感度
εB ：第２センサ層１７Ｂの歪み
Ｌ：センサ層の長さ［ｍ］
Ｗ：センサ層の幅［ｍ］
歪みによる薄膜センサの出力は次のように表される。
【００３８】
【数１】
2014071085.tif 000005
【００３９】
図８に示すように、第１センサ層１７Ａおよび第２センサ層１７Ｂは電気的に並列に接続されていると見做すことができるため、薄膜センサの抵抗値Ｒは、
【００４０】
【数２】
2014071085.tif 000006
【００４１】
で与えられる。
【００４２】
（１）式および（２）式から
【００４３】
【数３】
2014071085.tif 000007
【００４４】
が得られる。
【００４５】
ここで、ＲA およびＲB に（１）式を変形して代入し、ｄＲに（２）式を変形して代入すると、
【００４６】
【数４】
2014071085.tif 000008
【００４７】
が得られる。
【００４８】
第１センサ層１７Ａの歪みと第２センサ層１７Ｂの歪みは等しいと見做せるため、つまりｄε＝ｄεA ＝ｄεB であるため、（４）式から、
【００４９】
【数５】
2014071085.tif 000009
【００５０】
が得られる。
【００５１】
また抵抗値Ｒの変化は、
【００５２】
【数６】
2014071085.tif 000010
【００５３】
で与えられる。
【００５４】
またｄＬA ＝ｄＬB 、ｄＷA ＝ｄＷB 、ｄρ＝ρと見なし、かつＷ≫ｔからｄｔ＝ｔと見なし、（５）式に（６）式を代入すると、
【００５５】
【数７】
2014071085.tif 000011
【００５６】
が得られる。
【００５７】
（７）式において、第１センサ層１７Ａの電気抵抗率ρA および第２センサ層１７ｂの電気抵抗率ρB は、表３に示すように既知である。
【００５８】
【表３】
2014071085.tif 000012
【００５９】
また第１センサ層１７Ａの歪み感度ＫA および第２センサ層１７Ｂの歪み感度ＫB は、表２に示すように測定可能である。即ち、表２の一周型の薄膜センサＳｂの欄のＣｕ−Ｍｎ−Ｎｉ合金のＫｌあるいはＫｗが（７）式のＫA に対応し、表２の一周型の薄膜センサＳｂの欄のＮｉ−Ｃｒ合金のＫｌあるいはＫｗが（７）式のＫB に対応する。
【００６０】
また第１センサ層１７Ａの厚さｔA および第２センサ層１７Ｂの厚さｔB は任意に設定可能であるため、それらの比（膜厚比＝ｔB ／ｔA ）を適切な値に設定することにより、二層構造の薄膜センサの歪み感度Ｋ、つまり一周型の薄膜センサＳｂがゲージ率Ｋｃをゼロにすることができる。
【００６１】
図９（Ａ）は膜厚比＝ｔB ／ｔA を変化させたときの二層構造の縦歪み感度Ｋｌ（■参照）および横歪み感度Ｋｗ（●参照）の測定値と、一周型の薄膜センサＳｂの歪み感度であるゲージ率Ｋｃ（▲参照）の測定値とを示すもので、実線は計算値で示す計算値と良く一致している。同図から、膜厚比＝略２５％のとき、例えば、第１センサ層１７Ａの厚さｔA を２００ｎｍとし、第２センサ層１７Ｂの厚さｔB を５０ｎｍとしたとき、一周型の薄膜センサＳｂのゲージ率Ｋｃが略ゼロになることが分かる。
【００６２】
表４は、一周型の薄膜センサＳｂの縦歪み感度Ｋｌおよび横歪み感度Ｋｗの測定値を、Ｃｕ−Ｍｎ−Ｎｉ合金の一層構造を適用したものと、Ｎｉ−Ｃｒ合金の一層構造を適用したものと、Ｃｕ−Ｍｎ−Ｎｉ合金およびＮｉ−Ｃｒ合金の二層構造を適用したものとについて、それぞれ示している。
【００６３】
【表４】
2014071085.tif 000013
【００６４】
Ｃｕ−Ｍｎ−Ｎｉ合金の一層構造を適用したものと、Ｎｉ−Ｃｒ合金の一層構造を適用したものとは、縦歪み感度Ｋｌおよび横歪み感度Ｋｗが相互に等しい値になっているが、それらをゼロにすることはできない。一方、Ｃｕ−Ｍｎ−Ｎｉ合金およびＮｉ−Ｃｒ合金の膜厚比＝略２５％の二層構造を適用したものは、縦歪み感度Ｋｌおよび横歪み感度Ｋｗが共に略ゼロになっていることが分かる。
【００６５】
次に、二層構造の一周型の薄膜センサＳｂの圧力感度および温度感度について説明する。
【００６６】
αP ：二層構造の薄膜センサの圧力感度［（Ω／Ω）／ＭＰａ］
αPA：第１センサ層１７Ａの圧力感度［（Ω／Ω）／ＭＰａ］
αPB：第２センサ層１７Ｂの圧力感度［（Ω／Ω）／ＭＰａ］
αT ：二層構造の薄膜センサの温度感度［（Ω／Ω）／°Ｃ］
αTA：第１センサ層１７Ａの温度感度［（Ω／Ω）／°Ｃ］
αTB：第２センサ層１７Ｂの温度感度［（Ω／Ω）／°Ｃ］
と定義すると、二層構造の薄膜センサの歪み感度Ｋを示す（７）式と同様にして、二層構造の薄膜センサの温度感度αP および二層構造の薄膜センサの温度感度αT を示す式を、それぞれ次のように導くことができる。
【００６７】
【数８】
2014071085.tif 000014
【００６８】
【数９】
2014071085.tif 000015
【００６９】
（８）式に、図３に示す第１センサ層１７Ａの圧力感度αPAおよび第２センサ層１７Ｂの圧力感度αPBと、表３に示す第１センサ層１７Ａの電気抵抗率ρA および第２センサ層１７ｂの電気抵抗率ρB とを代入し、膜厚比＝ｔB ／ｔA を変化させると、図９（Ｂ）のグラフが得られる。▲で示す測定値は実線で示す計算値に良く一致しており、膜厚比＝ｔB ／ｔA に関わらずに二層構造の薄膜センサの圧力感度αP は略一定であることが分かる。
【００７０】
（９）式に、図５に示す第１センサ層１７Ａの温度感度αTAおよび第２センサ層１７Ｂの温度感度αTBと、表３に示す第１センサ層１７Ａの電気抵抗率ρA および第２センサ層１７ｂの電気抵抗率ρB とを代入し、膜厚比＝ｔB ／ｔA を変化させると、図９（Ｃ）のグラフが得られる。膜厚比＝ｔB ／ｔA ＝２５％に設定した場合、▼で示すセンサ合金(4) を採用すると、温度感度αT を略ゼロにできることが分かる。
【００７１】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。
【００７２】
例えば、本発明の薄膜センサは、実施の形態の一周型の薄膜センサＳｂに限定されず、任意の直交軸に対して一方向の長さおよび幅の比が、他方向の長さおよび幅の比と同じになるものであれば良い。
【符号の説明】
【００７３】
Ｓａ        単線型の薄膜センサ
Ｓｂ        一周型の薄膜センサ
１１        リード部
１２        感知部
１５        母材
１６        絶縁膜
１７        センサ層
１７Ａ      第１センサ層
１７Ｂ      第２センサ
１８        保護膜
【図１】
2014071085.tif 000016
【図２】
2014071085.tif 000017
【図３】
2014071085.tif 000018
【図４】
2014071085.tif 000019
【図５】
2014071085.tif 000020
【図６】
2014071085.tif 000021
【図７】
2014071085.tif 000022
【図８】
2014071085.tif 000023
【図９】
2014071085.tif 000024