(57)【要約】【課題】  応答性に優れていると共に気流を乱し難く高精度な測定が可能な気流センサを提供すること。【解決手段】  測定対象である気体が流通する風路２内に設置される測定用感熱素子３Ａと、風路内に測定用感熱素子を支持する支持機構４とを備え、測定用感熱素子が、絶縁性フィルム７と、該絶縁性フィルムの表面にサーミスタ材料で形成された薄膜サーミスタ部と、薄膜サーミスタ部の上に複数の櫛部を有して互いに対向して金属でパターン形成された一対の櫛型電極と、一対の櫛型電極に接続され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、支持機構４が、風路内の気流の方向に対して絶縁性フィルムの平面方向を平行に配置している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象である気体が流通する風路内に設置される測定用感熱素子と、
前記風路内に前記測定用感熱素子を支持する支持機構とを備え、
前記測定用感熱素子が、絶縁性フィルムと、該絶縁性フィルムの表面にサーミスタ材料で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金属でパターン形成された一対の櫛型電極と、前記一対の櫛型電極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、
前記支持機構が、前記風路内の気流の方向に対して前記絶縁性フィルムの平面方向を平行に配置していることを特徴とする気流センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の気流センサにおいて、
前記支持機構が、一対の前記パターン電極に先端部が接続されていると共に前記絶縁性フィルムを支持する板状の一対の測定用リードフレームを備え、
前記一対の測定用リードフレームの平面方向が、前記風路内の気流の方向に対して平行に配置されていることを特徴とする気流センサ。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の気流センサにおいて、
前記風路の気体の温度を測定可能な位置であって前記測定用感熱素子から離間して設置された補償用感熱素子と、
該補償用感熱素子を囲んで前記気流を遮るカバー部材とを備えていることを特徴とする気流センサ。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項に記載の気流センサにおいて、
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気流センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サーミスタ等の感熱素子を用いて空気等の気流の流量を計測する気流センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
空気等の気流を計測する気流センサとして、従来、例えば特許文献１には、空気流路に流れる空気の流線に対して直交配置されたバイパス流路と、このバイパス流路内に配設され空気流路の空気流量を測定するセンシング部とを備えた空気流量測定装置が記載されている。この空気流量測定装置では、センシング部における空気温度測定素子のサーミスタと１対のリード部材とを空気流路を流れる空気の流線に対し、バイパス流路の流れ方向の平面方向に傾斜して配置している。また、上記サーミスタは、図１８の（ａ）に示すように、円柱状のサーミスタ１０８に一対のリード部材１０９を接合したものを用いている。
【０００３】
また、特許文献２には、測定風路を内部に有する風路管と、測定風路に配置された温度依存型抵抗素子からなる風速センサと、風速センサを挟んで配置された二つの温度センサとを備えた風向風速計が記載されている。この風向風速計では、温度依存型抵抗素子として、図１８の（ｂ）に示すように、略球状のサーミスタ１１０などを用いている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１８１３５４号公報
【特許文献２】特開２００３−７５４６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
上記従来の気流センサでは、図１８に示すように、円柱状のサーミスタ１０８又は略球状のサーミスタ１１０を用いており、サーミスタ自身の体積が大きいために、熱容量が大きく応答性が低いという不都合があった。このため、特に、弱い気流の場合や急激な気流変化に対して測定精度が低くなってしまう。また、サーミスタの体積が大きいために、サーミスタ周辺の気流を乱してしまい、これによっても測定精度が低下してしまう問題があった。
【０００６】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、応答性に優れていると共に気流を乱し難く高精度な測定が可能な気流センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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の発明に係る気流センサは、測定対象である気体が流通する風路内に設置される測定用感熱素子と、前記風路内に前記測定用感熱素子を支持する支持機構とを備え、前記測定用感熱素子が、絶縁性フィルムと、該絶縁性フィルムの表面にサーミスタ材料で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金属でパターン形成された一対の櫛型電極と、前記一対の櫛型電極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、前記支持機構が、前記風路内の気流の方向に対して前記絶縁性フィルムの平面方向を平行に配置していることを特徴とする。
【０００８】
この気流センサでは、測定用感熱素子が、絶縁性フィルム上に薄膜サーミスタ部を備え、支持機構が、風路内の気流の方向に対して絶縁性フィルムの平面方向を平行に配置しているので、薄いフィルム型の測定用感熱素子が気流に沿って設置されることで、気流を乱さないと共に、熱容量が小さく優れた応答性と高い測定精度とを得ることができる。
【０００９】
第２の発明に係る気流センサは、第１の発明において、前記支持機構が、一対の前記パターン電極に先端部が接続されていると共に前記絶縁性フィルムを支持する板状の一対の測定用リードフレームを備え、前記一対の測定用リードフレームの平面方向が、前記風路内の気流の方向に対して平行に配置されていることを特徴とする。
すなわち、この気流センサでは、一対の測定用リードフレームの平面方向が、風路内の気流の方向に対して平行に配置されているので、板状の測定用リードフレームが気流に沿って設置されることで、測定用リードフレームによる気流の乱れを極力低減することができる。
【００１０】
第３の発明に係る気流センサは、第１又は第２の発明において、前記風路の気体の温度を測定可能な位置であって前記測定用感熱素子から離間して設置された補償用感熱素子と、該補償用感熱素子を覆って前記気流を遮るカバー部材とを備えていることを特徴とする。
すなわち、この気流センサでは、補償用感熱素子と、該補償用感熱素子を囲んで気流を遮るカバー部材とを備えているので、気流が直接当たって影響を受けないようにカバー部材で囲まれた補償用感熱素子によって気流の気体温度を測定することで温度補償を行うことができ、さらに高い精度で測定可能である。なお、補償用感熱素子及びカバー部材は、測定用感熱素子から離間して設置されていることで、測定用感熱素子周囲の気流を乱さないようにして測定可能である。
【００１１】
第４の発明に係る気流センサは、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、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。
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。
【００１２】
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。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係る気流センサによれば、測定用感熱素子が、絶縁性フィルム上に薄膜サーミスタ部を備え、支持機構が、風路内の気流の方向に対して絶縁性フィルムの平面方向を平行に配置しているので、薄いフィルム型の測定用感熱素子が気流に沿って設置されることで、気流を乱さないと共に、熱容量が小さく優れた応答性と高い測定精度とを得ることができる。
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。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係る気流センサの一実施形態において、風路に設置した状態を示す側面図（ａ）及び正面図（ｂ）である。
【図２】本実施形態において、気流センサを示す斜視図である。
【図３】本実施形態において、測定用感熱素子及び補償用感熱素子を示す平面図及びＡ−Ａ線断面図である。
【図４】本実施形態において、サーミスタ用金属窒化物材料の組成範囲を示すＴｉ−Ａｌ−Ｎ系３元系相図である。
【図５】本実施形態において、薄膜サーミスタ部形成工程を示す平面図及びＢ−Ｂ線断面図である。
【図６】本実施形態において、電極形成工程を示す平面図及びＣ−Ｃ線断面図である。
【図７】本実施形態において、保護膜形成工程を示す平面図及びＤ−Ｄ線断面図である。
【図８】本発明に係る気流センサの実施例において、気流の速度と熱放散定数（気流速度０ｍ／ｓｅｃ時の熱放散定数に対する熱放散定数の相対値）との関係を示すグラフである。
【図９】本発明に係る気流センサの実施例において、サーミスタ用金属窒化物材料の膜評価用素子を示す正面図及び平面図である。
【図１０】本発明に係る実施例及び比較例において、２５℃抵抗率とＢ定数との関係を示すグラフである。
【図１１】本発明に係る実施例及び比較例において、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）比とＢ定数との関係を示すグラフである。
【図１２】本発明に係る実施例において、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）＝０．８４としたｃ軸配向が強い場合におけるＸ線回折（ＸＲＤ）の結果を示すグラフである。
【図１３】本発明に係る実施例において、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）＝０．８３としたａ軸配向が強い場合におけるＸ線回折（ＸＲＤ）の結果を示すグラフである。
【図１４】本発明に係る比較例において、Ａｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）＝０．６０とした場合におけるＸ線回折（ＸＲＤ）の結果を示すグラフである。
【図１５】本発明に係る実施例において、ａ軸配向の強い実施例とｃ軸配向の強い実施例とを比較したＡｌ／（Ｔｉ＋Ａｌ）比とＢ定数との関係を示すグラフである。
【図１６】本発明に係る実施例において、ｃ軸配向が強い実施例を示す断面ＳＥＭ写真である。
【図１７】本発明に係る実施例において、ａ軸配向が強い実施例を示す断面ＳＥＭ写真である。
【図１８】本発明に係る気流センサの従来例を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明に係る気流センサにおける一実施形態を、図１から図８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。
【００１６】
本実施形態の気流センサ１は、図１から図３に示すように、測定対象である気体が流通する風路２内に設置される測定用感熱素子３Ａと、風路２内に測定用感熱素子３Ａを支持する支持機構４と、風路２の気体の温度を測定可能な位置であって測定用感熱素子３Ａから離間して設置された補償用感熱素子３Ｂと、該補償用感熱素子３Ｂを囲んで気流を遮るカバー部材５とを備えている。
本実施形態では、上記風路２が円筒状の風路管６内に形成され、気流センサ１は、風路管６に取り付けられている。
【００１７】
上記測定用感熱素子３Ａ及び補償用感熱素子３Ｂは、フィルム型サーミスタであって、絶縁性フィルム７と、該絶縁性フィルム７の表面にサーミスタ材料で形成された薄膜サーミスタ部８と、薄膜サーミスタ部８の上に複数の櫛部９ａを有して互いに対向して金属でパターン形成された一対の櫛型電極９と、一対の櫛型電極９に接続され絶縁性フィルム７の表面にパターン形成された一対のパターン電極１０とを備えている。
【００１８】
上記支持機構４は、風路２内の気流の方向Ｙ（気流の流線方向）に対して絶縁性フィルム７の平面方向を平行に配置している。
また、支持機構４は、測定用感熱素子３Ａの一対のパターン電極１０に先端部が接続されていると共に測定用感熱素子３Ａの絶縁性フィルム７を支持する板状の一対の測定用リードフレーム１１Ａと、補償用感熱素子３Ｂの一対のパターン電極１０に先端部が接続されていると共に補償用感熱素子３Ｂの絶縁性フィルム７を支持する板状の一対の補償用リードフレーム１１Ｂと、これらリードフレームを固定するフレーム支持部材１２とを備えている。
【００１９】
上記一対の測定用リードフレーム１１Ａの平面方向は、風路２内の気流の方向Ｙに対して平行に配置されている。すなわち、測定用リードフレーム１１Ａの平面方向は、風路管６の軸線に平行に配されている。なお、この測定用リードフレーム１１Ａは、気流の方向Ｙに対して直交する方向に延在している。また、一対の測定用リードフレーム１１Ａ及び一対の補償用リードフレーム１１Ｂによって、測定用感熱素子３Ａと補償用感熱素子３Ｂとが互いに平行に張設されている。
上記フレーム支持部材１２は、上記各リードフレームが貫通状態に設置された樹脂等の絶縁材料で形成されており、上部にカバー部材５が取り付けられている。
【００２０】
上記カバー部材５は、補償用感熱素子３Ｂの周囲を囲うように略角筒状に形成され、壁を形成して内側の補償用感熱素子３Ｂの周囲で気体の流れを抑制すると共に乱流が極力発生しないように設定されている。
このカバー部材５は、風路管６に開けられた略四角形状の孔部６ａ周囲に上部が取り付けられて風路管６の外側に固定されている。この状態で、測定用感熱素子３Ａは、風路管６のほぼ中央に配されると共に、補償用感熱素子３Ｂが風路管６の孔部６ａの近傍であって、風路２の外に配される。このように、補償用感熱素子３Ｂ及びカバー部材５は、測定用感熱素子３Ａから離間して設置され、風路２内の気流、特に測定用感熱素子３Ａ周囲の気流を乱さないようにしている。また、補償用感熱素子３Ｂは、孔部６ａを介して気流の温度を測定可能に配されている。
【００２１】
また、本実施形態の気流センサ１は、パターン電極１０の基端部（端子部１０ａ）が配されている絶縁性フィルム７の両端部を除いて、絶縁性フィルム７上に形成され薄膜サーミスタ部８、櫛型電極９及びパターン電極１０を覆う保護膜１３とを備えている。
なお、本実施形態では、薄膜サーミスタ部８の上に櫛型電極９を形成しているが、薄膜サーミスタ部８の下に櫛型電極を形成しても構わない。
【００２２】
上記絶縁性フィルム７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７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構わない。
上記薄膜サーミスタ部８は、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８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。
【００２３】
上記パターン電極１０及び櫛型電極９は、薄膜サーミスタ部８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９は、互いに対向状態に配されて交互に櫛部９ａが並んだ櫛型パターンの部分を有している。
【００２４】
一対のパターン電極１０は、対応する櫛型電極９に先端部が接続され基端部が絶縁性フィルム７の基端部に配された端子部１０ａとされている。
上記保護膜１３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。
【００２５】
上記薄膜サーミスタ部８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５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。
【００２６】
また、この薄膜サーミスタ部８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。
【００２７】
この気流センサ１の製造方法について、図６から図８を参照して以下に説明する。
まず、本実施形態の測定用感熱素子３Ａ及び補償用感熱素子３Ｂの製造方法は、絶縁性フィルム７上に薄膜サーミスタ部８を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９及び一対のパターン電極１０を薄膜サーミスタ部８上にパターン形成する電極形成工程と、これらの上に保護膜１３を形成する保護膜形成工程とを有している。
【００２８】
より具体的な製造方法の例としては、厚さ４０μｍのポリイミドフィルムの絶縁性フィルム７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。
【００２９】
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５に示すように、レジスト剥離にて四角形状の薄膜サーミスタ部８にする。
【００３０】
次に、薄膜サーミスタ部８及び絶縁性フィルム７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。
【００３１】
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６に示すように、レジスト剥離にて所望の櫛型電極９及びパターン電極１０を形成する。
【００３２】
次に、端子部１０ａとなる部分を含む絶縁性フィルム７の基端部を除いて絶縁性フィルム７上に、接着剤付きポリイミドカバーレイフィルムを載せ、プレス機にて１５０℃、２Ｎ／ｍで３０分加圧し、接着させて図７に示すように、ポリイミド保護膜１３を形成する。なお、この保護膜をポリイミド系の樹脂材料を用いて印刷で形成しても構わない。
【００３３】
さらに、端子部１０ａとなる部分に、図３に示すように、はんだ接続用の３μｍ厚のＮｉめっきと１０μｍ厚のＳｎめっきとをめっき液により施し、めっき層を形成して端子部１０ａとする。このようにして、測定用感熱素子３Ａ又は補償用感熱素子３Ｂが作製される。
なお、複数の測定用感熱素子３Ａ及び補償用感熱素子３Ｂを同時に作製する場合、絶縁性フィルム７の大判シートに複数の薄膜サーミスタ部８、櫛型電極９、パターン電極１０及び保護膜１３を上述のように形成した後に、大判シートから各感熱素子に切断する。
【００３４】
次に、保護膜１３側をフレーム支持部材１２側に向けた状態で、作製した測定用感熱素子３Ａ及び補償用感熱素子３Ｂの各端子部１０ａに、それぞれ対応する測定用リードフレーム１１Ａ又は補償用リードフレーム１１Ｂの先端部をはんだ材により接続する。なお、一対の測定用リードフレーム１１Ａ及び一対の補償用リードフレーム１１Ｂは、互いに対向する方向に先端部が９０度曲げられており、その先端部上に端子部１０ａが接着されて測定用感熱素子３Ａ又は補償用感熱素子３Ｂが張設状態に固定される。
【００３５】
「気流の速度測定の原理」
この気流センサ１では、測定用感熱素子３Ａにおける薄膜サーミスタ部８に電流を流し、自己加熱させ雰囲気温度より高くし、周囲の気体が移動すればそれによって熱が奪われて冷却される。つまり、気流の変化により熱放散が変化し、薄膜サーミスタ部８のサーミスタ温度つまり抵抗値が変化する。この原理を用いて本実施形態の気流センサ１により気流の速度を測定する。また、気流の温度によっても薄膜サーミスタ部８のサーミスタ温度は変化するので、本実施形態では、別途補償用感熱素子３Ｂで気流温度を測定し、温度補償を行っている。
【００３６】
このように本実施形態の気流センサ１では、測定用感熱素子３Ａが、絶縁性フィルム７上に薄膜サーミスタ部８を備え、支持機構４が、風路２内の気流の方向Ｙに対して絶縁性フィルム７の平面方向を平行に配置しているので、薄いフィルム型の測定用感熱素子３Ａが気流に沿って設置されることで、気流を乱さないと共に、熱容量が小さく優れた応答性と高い測定精度とを得ることができる。
【００３７】
また、一対の測定用リードフレーム１１Ａの平面方向が、風路２内の気流の方向に対して平行に配置されているので、板状の測定用リードフレーム１１Ａが気流に沿って設置されることで、測定用リードフレーム１１Ａによる気流の乱れを極力低減することができる。
さらに、補償用感熱素子３Ｂと、該補償用感熱素子３Ｂを囲んで気流を遮るカバー部材５を備えているので、気流が直接当たって影響を受けないようにカバー部材５で囲まれた補償用感熱素子３Ｂによって気流の気体温度を測定することで温度補償を行うことができ、さらに高い精度で測定可能である。
【００３８】
また、薄膜サーミスタ部８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。
【００３９】
なお、本実施形態のサーミスタ材料層（薄膜サーミスタ部８）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。
【００４０】
したがって、本実施形態の気流センサ１では、絶縁性フィルム７上に上記サーミスタ材料層で薄膜サーミスタ部８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８により、樹脂フィルム等の耐熱性の低い絶縁性フィルム７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を得ることができる。
【実施例】
【００４１】
次に、本発明に係る気流センサについて、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９から図１７を参照して具体的に説明する。
【００４２】
＜熱放散定数及び自己加熱による熱時定数の測定＞
直径１．３５ｍｍのガラスで覆ったリードタイプサーミスタを従来例とし、該従来例と本発明の気流センサの実施例とについて、気流速度に対する熱放散定数の測定を行った結果を図８に示す。
【００４３】
なお、熱放散定数δは熱平衡状態でサーミスタ素子の温度を、自己加熱によって１℃上げるために必要な電力を表す定数であり、熱平衡状態でのサーミスタ温度Ｔ１、周囲温度Ｔ０、電流Ｉ、抵抗値Ｒの間には、下記関係がある。
δ＝Ｉ２×Ｒ／（Ｔ１−Ｔ０）
この熱放散定数δは、気流の速度には変化するが、気流の温度には変化しない。
上記熱放散定数の測定の結果、本発明の実施例の気流センサは、従来例に比べて弱い気流においても気流速度に対し熱放散定数が敏感に変化することで、気流の速度を精度よく測定できることが分かる。
【００４４】
また、静止空気中で熱時定数を測定した結果、従来例が５．９ｓｅｃであったのに対し、本発明の実施例の気流センサは０．７ｓｅｃであり、非常に応答性が早いことが分かる。このことにより、本願発明では、急激な気流変化に対しても精度良く測定することができる。
なお、この熱時定数は、サーミスタ素子を２５℃静止空気中に設置し、電流を流し自己加熱により５０℃の熱平衡状態から電流をゼロに急変させたとき、サーミスタ素子の温度が最初の温度と周囲温度との温度差の６３．２％変化するのに要した時間である。なお、気流の速度が上昇すれば応答性は速くなる（熱時定数は小さくなる）。
【００４５】
＜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８）の評価を行う実施例及び比較例として、図９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８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。
【００４６】
次に、上記薄膜サーミスタ部８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。
【００４７】
＜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８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。
【００４８】
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。
【００４９】
（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８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。
【００５０】
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
【００５１】
これらの結果からわかるように、ＴｉｘＡｌｙＮｚの組成比が図３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。
【００５２】
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１０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１１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１１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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
（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８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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
【表１】
2014119257.tif 000003
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
ｃ軸配向が強い実施例のＸＲＤプロファイルの一例を、図１２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１３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。
【００６２】
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。）。
【００６３】
なお、比較例のＸＲＤプロファイルの一例を、図１４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。
【００６４】
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１５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。
【００６５】
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。
【００６６】
【表２】
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【００６７】
＜結晶形態の評価＞
次に、薄膜サーミスタ部８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８における断面ＳＥＭ写真を、図１６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８における断面ＳＥＭ写真を、図１７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。
【００６８】
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。
【００６９】
＜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。
【００７０】
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。
【００７１】
【表３】
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【００７２】
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、上記補償用感熱素子やカバー部材は、風路の外側に設置され孔部を介して気流の温度を測定しているが、気流に影響を与えない位置であれば風路内に設置しても構わない。その際は、カバー部材を流線形状などの気流に影響を与え難い形状に設定することが好ましい。
【符号の説明】
【００７３】
１…気流センサ、２…風路、３Ａ…測定用感熱素子、３Ｂ…補償用感熱素子、４…支持機構、５…カバー部材、７…絶縁性フィルム、８…薄膜サーミスタ部、９…櫛型電極、９ａ…櫛部、１０…パターン電極、１１Ａ…測定用リードフレーム、１１Ｂ…補償用リードフレーム、１３…保護膜、Ｙ…気流の方向
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図９】
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【図１８】
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【図４】
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【図８】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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