(57)【要約】【課題】導通状態で低電気抵抗、非導通状態で高電気抵抗である温度感応電流遮断回路、過電流保護回路等に有用な電流スイッチング素子を提供するものである。【解決手段】基板上に融解状態で体積収縮を起こすビスマス金属またはビスマス基合金薄膜を形成し、前記薄膜上に電気絶縁性物質からなる保護層を設けた構造を特徴とする電流スイッチング素子に関する。【選択図】図１
2008124507.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に融解状態で体積収縮を起こすビスマス金属またはビスマス基合金薄膜を形成し、前記薄膜は線幅が０．１〜１０μｍの線状構造を有し、前記薄膜上に電気絶縁性物質からなる保護層を設けた構造を特徴とする電流スイッチング素子。
【請求項２】
前記ビスマス基合金は、Ｂｉ−Ｐｂ−Ｓｎ−Ｓｂ合金である請求項１記載の電流スイッチング素子。
【請求項３】
前記薄膜の膜厚は、１〜１００μｍである請求項１または２記載の電流スイッチング素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、通常は電流導通状態でありながら、周囲温度の異常上昇または素子に流れる異常過電流などの異常状態を検知して電流を遮断し、温度または電流が異常状態から正常状態に復帰すると再び導通状態に自己修復する機能をもつ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、高温または過電流に感応して電流スイッチングを行う素子としては、バイメタル、ＰＴＣサーミスタなどがある。しかし、バイメタルでは周囲温度のみにしか応答せず、かつ振動等の機械的ショックによって誤動作する場合もある。ＰＴＣサーミスタは周囲温度と過電流の両者に応答し機械的ショックに対する誤動作もないが、導通状態での電気抵抗率が数１０オームｃｍ、非導通状態の電気抵抗率が数万オームｃｍ程度であり、導通状態での抵抗率が高く、また導通状態と非導通状態との比が小さいため理想的な電流スイッチング素子とはいえない。したがって、従来素子を使った高温と過電流に応答する電流スイッチングは使用条件が制限されるという問題がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来の電流スイッチング素子が抱える前記問題は基本的には素子の構造と材質から生じる。したがって、前記問題を解決するには全く新しい動作原理に基づいた新規構造をもち、その動作原理に合致する材料から構成される電流スイッチング素子が必要とされる。
【０００４】
本発明は、従来の電流スイッチング素子とは動作原理、構造、材料が異なる素子に関するものであり、導通状態での電気抵抗が１オーム以下、非導通状態での電気抵抗が数百万オーム以上の電流スイッチング素子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】
【０００５】
本発明者らは、基板上にビスマス金属またはビスマス基合金薄膜を形成させることにより、従来の電流スイッチング素子とは異なる新しい原理、構造で高温または過電流に感応して電流を制限することを見出した。すなわち、本発明は、基板上に融解状態で体積収縮を起こすビスマス金属またはビスマス基合金薄膜を形成し、前記薄膜は線幅が０．１〜１０μｍの線状構造を有し、前記薄膜上に電気絶縁性物質からなる保護層を設けた構造を特徴とする電流スイッチング素子に関する。また、前記ビスマス基合金は、Ｂｉ−Ｐｂ−Ｓｎ−Ｓｂ合金である電流スイッチング素子に関する。さらに、前記薄膜の膜厚は、１〜１００μｍである電流スイッチング素子に関する。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によると、基板上に融解状態で体積収縮を起こすビスマス金属またはビスマス基合金薄膜を形成し、前記薄膜上にセラミックス、ガラス、または高分子材料等の電気絶縁性物質からなる保護層を設けた構造をとることで、導通状態で１オーム以下の低電気抵抗、非導通状態で数百万オームの高電気抵抗となり、良好なスイッチング特性を示す素子を得ることができる。したがって、温度感応電流遮断回路、過電流保護回路等への利用が見込まれる。また、本発明の素子は、温度センサとしての利用や非線形特性を利用した各種信号処理回路での利用も見込まれる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明の構造により、導通状態では低抵抗であり、かつ非導通状態では非常に高い絶縁抵抗を有する電流スイッチング素子が得られる。その発現機構は、以下のように推察される。
【０００８】
本発明の素子は、素子周囲の温度上昇または素子に流れる電流による発熱によって、基板上のビスマス金属またはビスマス基合金薄膜が融点以上で体積収縮を伴って融解し膜の電気的導通が破れ、その結果として素子の電気抵抗が瞬時に増大し電気絶縁状態に変化し電流を遮断する。次いで、素子温度が低下すると、融解金属が凝固する際に体積増加して電気的導通を回復する。本発明において、ビスマス金属またはビスマス基合金薄膜の１箇所を線状加工することにより、電気導通が遮断される位置を線状加工位置に特定すると共に、スイッチング素子における遮断電流を一定値とすることができる。また、線状加工した位置の線幅を変えることにより、遮断電流値を所望の値に設定することができる。ビスマス基合金を用いて膜の融点を所望の値とすることにより、素子の電流遮断温度あるいは遮断電流値を変えることができる。
【０００９】
本発明における薄膜の形成に使用される金属または合金としては、融解状態で体積収縮を起こすビスマス金属またはビスマス基合金である。前記ビスマス基合金を例示すると、Ｂｉ−Ｐｂ、Ｂｉ−Ｓｎ、Ｂｉ−Ｉｎ、Ｂｉ−Ｓｎ−Ｐｂ、Ｂｉ−Ｐｂ−Ｓｎ−Ｓｂ、Ｂｉ−Ｓｂ、Ｂｉ−Ｃｄ、Ｂｉ−Ｐｂ−Ｓｎ−Ｉｎ、Ｂｉ−Ｐｂ−Ｓｎ−Ｃｄ等である。ビスマス基合金におけるＢｉの量は合金重量に対して４０重量％以上、特に５０重量％以上が好ましい。
【００１０】
前記薄膜の膜厚は特に限定されないが、通常１〜１００μｍであるのが好ましい。また、線状加工した線幅についても特に限定されるものではないが、通常０．１〜１０μｍであるのが好ましい。そしてこれらは、真空蒸着法、スパッタリング法、メッキ法等の方法で形成することができる。
【００１１】
被覆する電気絶縁性物質としては、素子の電流遮断温度で溶融（融解）したり、性能劣化を起こさないセラミックス、ガラス、あるいは高分子ポリマーが好ましい。被覆する電気絶縁性物質を例示すると、アルミナ、Ｂ2Ｏ3系ガラス、ＳｉＯ2系ガラス、ポリエチレン、エポキシ樹脂、フッ素樹脂、ポリイミド、シリコンゴム等である。
【実施例】
【００１２】
以下、本発明の一実施例の形態における電流スイッチング素子について、図面を参照しながら具体的に説明する。
【００１３】
［実施例１］
図１は実施例１に用いた素子構造を示す平面図である．図中、１は基板、２は電極、３はビスマス金属薄膜、４はビスマス金属薄膜の線状加工位置、５は被覆電気絶縁性物質のガラスである。図２は、図１中のａ−ｂ線に沿う断面図である。図３に温度上昇による電気抵抗−温度特性を示す。ビスマス金属薄膜は、スパッタリング法を用いて作製されており、この測定では、被覆材にはガラスを用いている。素子の温度を上昇させるとビスマスの融点（２７１℃）以上でビスマスが融解し線状加工位置で薄膜が断線状態になり、その結果、電気抵抗が急増する。素子の温度を下降させると融点より約２０℃低い温度で融解したビスマスが膨張凝固し、再び電気抵抗が低下する。
【００１４】
［実施例２］
実施例２に用いた素子構造は、実施例１で用いたビスマス金属の替わりにＢｉ−Ｐｂ−Ｓｎ−Ｓｂ合金（重量比４７.７／３３.２／１８.８／０.３）を膜として基板上に形成したものである。図４はＢｉ−Ｐｂ−Ｓｎ−Ｓｂ合金薄膜を形成した素子の電気抵抗−温度特性である。 Ｂｉ−Ｐｂ−Ｓｎ−Ｓｂ合金の融点（約１３０℃）で電気抵抗は急増し素子は電流遮断状態となる。電流遮断状態となった素子の温度を低下させると約１１０℃で再び電流導通状態に復帰する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施例１および実施例２に用いた電流スイッチング素子の平面図である。
【図２】図１のａ−ｂ線に沿う断面図である。
【図３】実施例１で用いた素子の電気抵抗−温度特性を示す図である。
【図４】実施例２で用いた素子の電気抵抗−温度特性を示す図である。
【符号の説明】
【００１６】
１：基板
２：電極
３：ビスマス金属薄膜またはビスマス基合金薄膜
４：ビスマス金属薄膜またはビスマス基合金薄膜の線状加工位置
５：被覆電気絶縁性物質
【図１】
2008124507.tif 000003
【図２】
2008124507.tif 000004
【図３】
2008124507.tif 000005
【図４】
2008124507.tif 000006