(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物に複数の絶縁薄膜層を積層して絶縁薄膜を形成し、該絶縁薄膜にセンサ膜を取り付けることによって、前記被測定物へ作用する応力や温度などの物理変化量を測定する薄膜センサを製造する方法であって、
次の絶縁薄膜層を成膜する前に、前記被測定物に形成されている絶縁薄膜層の表面を研磨して当該絶縁薄膜層に形成されたピンホールの径を小さくする研磨工程を備えることを特徴とする薄膜センサの製造方法。
【請求項２】
前記研磨工程の後に、表面を研磨した前記絶縁薄膜層を洗浄する洗浄工程を備えることを特徴とする請求項１記載の薄膜センサの製造方法。
【請求項３】
前記研磨工程では、ダイヤモンド研磨剤を用いて研磨することを特徴とする請求項１または２記載の薄膜センサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被測定物に複数の絶縁薄膜層を積層して絶縁薄膜を形成し、この絶縁薄膜にセンサ膜を取り付けることによって、被測定物へ作用する応力や温度などの物理変化量を測定する薄膜センサの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、航空機用のガスタービンエンジンの高圧圧縮機、あるいはタービン動翼等において、機械部材の表面に作用する振動応力や温度等の物理変化量を測定するために、機械部材の表面に薄膜センサを形成する場合がある。こうした薄膜センサを製造するにあたっては、一般に、機械部材の表面にスパッタリングあるいはプラズマＣＶＤ等によって、例えば１０μｍといった厚みの絶縁薄膜を形成し、その上に金属材質のセンサ膜を形成している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の薄膜センサでは、高温環境下で使用すると、絶縁薄膜とセンサ膜との熱膨張係数が異なるために絶縁薄膜からセンサ膜が剥がれてしまったり、絶縁薄膜が厚いために絶縁薄膜が割れてしまうといった問題があった。そこで、本出願人は、特開平６−２１３６９０号公報に開示されているように、絶縁薄膜を、窒化ケイ素、窒化ホウ素、アルミナ等の複数の絶縁薄膜層からなる積層構造とし、絶縁薄膜層のそれぞれの層の厚みを薄くすることで、剥がれにくい薄膜センサを製造する方法を提案している。ところが、こうした薄膜センサであっても、前述した高圧圧縮機やタービン動翼での使用環境である６００℃を超える高温環境下では、薄膜センサの機能が損なわれることが少なくないことが分かってきた。これは、６００℃を超える高温領域では、絶縁薄膜の絶縁特性が低下しやすいことが原因であると考えられている。そこで、さらに研究を進めると、この高温領域での絶縁特性の低下を引き起こす原因として、絶縁薄膜の形成過程で発生するピンホールが大きく影響していることが分かってきた。図４は、こうしたピンホールの形成過程を示す図であって、以下、この図４を参照してピンホールの形成過程を説明する。まず、図４（ａ）において、機械部材２０の表面に汚れ・ゴミ等の微小粒子（パーティクルＰ）が付着していると、絶縁薄膜層２１を成膜した際に、（ｂ）に示すように、絶縁薄膜層２１にパーティクルＰを核としたピンホールＨが形成される場合がある。このピンホールＨは、縁部の角が取れて絶縁薄膜層２１の表面近傍の内径が大きくなっていることが多い。そして、絶縁薄膜層２１の上に次の絶縁薄膜層２２を成膜すると、（ｃ）に示すように、この内径の大きい部分をきっかけに、さらに大きいピンホールＨが形成される。こうした過程が繰り返されることによって、絶縁特性に影響を及ぼすような大きいピンホールＨが絶縁薄膜２３内に形成されてしまい、その結果、高温環境下での絶縁抵抗が低下してしまうことが分かってきた。
【０００４】
本発明は、こうした課題に鑑みてなされたものであり、高温環境下においても絶縁特性が低下することの少ない絶縁薄膜を有し、被測定物に作用する応力や温度などの物理変化量を確実に測定可能な薄膜センサの製造方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、薄膜センサの製造方法に係る第１の手段として、被測定物に複数の絶縁薄膜層を積層して絶縁薄膜を形成し、絶縁薄膜にセンサ膜を取り付けることによって、被測定物へ作用する応力や温度などの物理変化量を測定する薄膜センサを製造する方法であって、次の絶縁薄膜層を成膜する前に、被測定物に形成されている絶縁薄膜層の表面を研磨して当該絶縁薄膜層に形成されたピンホールの径を小さくする研磨工程を備える手段を採用する。
また、第２の手段として、上記第１の手段において、研磨工程の後に、表面を研磨した絶縁薄膜層を洗浄する洗浄工程を備える手段を採用する。
さらに、第３の手段として、上記第１または第２の手段において、研磨工程では、ダイヤモンド研磨剤を用いて研磨する手段を採用する。
これにより、前述した課題を解決した薄膜センサを製造することができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態について図１および図２を参照して説明する。図１は、本発明に係る薄膜センサの製造過程の一部を説明する図であり、図２は、本実施形態の製造方法によって形成された薄膜センサの概略構成を示す縦断面図である。まず、図２を参照して本実施形態に係る薄膜センサの構成について説明する。
【０００７】
被測定物である機械部材１は、例えば航空機用のガスタービンエンジンの高圧圧縮機、あるいはタービン動翼等における機械部材１であって、航空機の動作時には、使用環境温度が６００℃を超えることが多い。機械部材１の表面には、複数（５層）の絶縁薄膜層２，３，４，５，６からなる絶縁薄膜７が、スパッタリングあるいはプラズマＣＶＤ等によって形成されている。絶縁薄膜層２〜６は、例えば、窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）あるいはアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）といった材質で、絶縁薄膜７は、同一材質による積層構造、あるいは異なる材質を組み合わされた積層構造に形成されている。各層２〜６の厚み（膜厚）は、例えば２μｍといった値であり、この膜厚は使用環境や薄膜の材質によって適切な値が定められる。
【０００８】
絶縁薄膜７の表面には、機械部材１表面に作用する振動応力や温度等の物理変化量を測定するためのセンサ膜８が形成されている。センサ膜８は、金属材質の膜であって、パターンが形成されたフォトマスク等を用いて絶縁薄膜７の表面上の所定部分に形成される。また、センサ膜８の一部は、リード線９に接続される金属材質の電極膜１０に覆われ、さらに、センサ膜８および電極膜１０の一部は、樹脂材質等の保護膜１１に覆われている。
【０００９】
次に、このように構成される薄膜センサの製造方法について、図１を参照して説明する。図１は、薄膜センサの製造過程のうち、絶縁薄膜７の製造過程の一部を示している。
【００１０】
まず、絶縁薄膜層の成膜に先立って、機械部材１の洗浄が行われる。この洗浄は、例えばアセトンを用いた超音波洗浄等によって機械部材１表面のゴミや油脂分を取り除くものである。しかしながら、ゴミを完全に取り去ることは難しく、機械部材１の表面上に汚れ・ゴミ等の微小粒子（パーティクルＰ）がわずかに残っていることが多い（図１（ａ））。
【００１１】
次に、機械部材１の表面にスパッタリング等によって絶縁薄膜層２を成膜する（図１（ｂ））。ここでは成膜材料に窒化ケイ素を用い、成膜厚みは約２μｍである。このとき、機械部材１上にパーティクルＰが付着していると、そのパーティクルＰを核としたピンホールＨが絶縁薄膜層２に柱状に形成される場合がある。また、成膜材料の結晶粒の成長方向（柱状結晶）隙間などによってもピンホールＨが形成される場合がある。こうしたピンホールＨは、縁部の角が取れて絶縁薄膜層２の表面近傍の内径が大きくなっていることが多い。
【００１２】
続いて、次の層を成膜する前に、絶縁薄膜層２の表面の研磨を行う（研磨工程：図１（ｃ））。絶縁薄膜層２は、本実施形態では非常に堅い窒化ケイ素であるので、研磨剤としてダイヤモンド研磨剤（ダイヤモンド粒子０．５〜５μｍ）と、不織布からなる研磨クロスとを用いて機械的に研磨を行う。研磨量は、例えば、絶縁薄膜層２の膜厚の１／１０程度であり、ピンホールＨの形状特性に応じて適切に定められる。すなわち、ピンホールＨに内径の大きい部分が深く形成されている場合は、その深さに伴って研磨量も多くなる。この研磨工程によって、ピンホールＨの表面近くの内径の大きな部分が削られて、ピンホールＨはほぼ均一な内径となる。研磨を終えると、次に、研磨した表面の洗浄を行う（洗浄工程）。ここでは、アセトン、トリクロロエチレン、メタノール、あるいはアルコール等の溶剤を用いて、超音波洗浄や蒸気を用いた表面洗浄および脱脂を行い、絶縁薄膜層２の表面のゴミや油脂分を取り除く。
【００１３】
次に、洗浄工程を終えた絶縁薄膜層２の上に、絶縁薄膜層３を成膜して積層する（図１（ｄ））。本実施形態では、成膜材料には絶縁薄膜層２と同一の窒化ケイ素（成膜膜厚：約２μｍ）を用いる。このとき、研磨工程によってピンホールＨの内径の大きな部分が削られているので、絶縁薄膜層２のピンホールＨをきっかけとしたピンホールは形成されにくい。ただし、絶縁薄膜層３の表面にパーティクルＰが残留していると、新たにそのパーティクルＰを核としたピンホールＨが形成される場合がある。
【００１４】
そして、上述したような絶縁薄膜層２〜６を積層する工程を所定回数繰り返すことによって、積層構造の絶縁薄膜７が形成される。絶縁薄膜７が形成されると、センサ膜８、電極膜１０、保護膜１１を絶縁薄膜７上に形成し、さらに、電極膜１０をリード線９と接続することで薄膜センサが形成される。
【００１５】
すなわち、本実施形態では、絶縁薄膜層２〜６を積層して絶縁薄膜７を形成する過程において、次の絶縁薄膜層２〜６を成膜する前に、機械部材１上に形成されている絶縁薄膜層２〜６の表面を研磨するので、絶縁薄膜層２〜６に形成されているピンホールＨの内径の大きな部分が削られて、絶縁特性に影響を及ぼすような大きいピンホールＨが形成されにくくなる。このため、高温環境下においても、絶縁薄膜７の絶縁特性が低下することが少なくなり、機械部材１に作用する応力や温度などの物理変化量を確実に測定することができるようになる。
【００１６】
また、本実施形態では、絶縁薄膜層２〜６を研磨した後に、絶縁薄膜層２〜６を洗浄しているので、次の絶縁薄膜層２〜６に新たなピンホールＨが発生する確率を低くすることができる。
【００１７】
さらに、本実施形態では、ダイヤモンド研磨剤を用いて、絶縁薄膜層２〜６の研磨を行うので、窒化ケイ素等の堅い絶縁薄膜層２〜６であっても、確実に研磨することが可能となる。
【００１８】
続いて、本発明の実施例について説明する。
図３は、薄膜センサの絶縁特性を示すグラフ図であり、（ａ）は従来の製造方法に基づいて形成した薄膜センサ、（ｂ）は本発明の製造方法に基づいて形成した薄膜センサにおける絶縁特性の測定結果をそれぞれ示している。両者とも、３層の窒化ケイ素の積層構造からなる絶縁薄膜層を有するＡ〜Ｆまでのサンプルに対して、雰囲気温度（℃）を変化させた際の、抵抗率（ＭΩ・ｍ）の変化を示している。
【００１９】
この図３から明らかなように、（ａ）では、５００℃を超えると抵抗率が低くなり始め、６００℃でほとんどのサンプルが１００ＭΩ・ｍ以下となってしまっている。それに対して、（ｂ）では６００℃を超えてもすべてのサンプルが１００ＭΩ・ｍ以上の抵抗率を保っていることが分かる。すなわち、本発明の製造方法によって、６００℃以上の高温環境下においても、絶縁薄膜の絶縁特性が低下しにくい薄膜センサを形成することができることが分かる。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば以下の効果を得ることができる。
請求項１に係る薄膜センサの製造方法は、次の絶縁薄膜層を成膜する前に、被測定物に形成されている絶縁薄膜層の表面を研磨して当該絶縁薄膜層に形成されたピンホールの径を小さくする研磨工程を備えているので、絶縁薄膜層に形成されているピンホールの内径の大きな部分が削られて、絶縁特性に影響を及ぼすような大きいピンホールが形成されにくくなる。このため、高温環境下においても、絶縁薄膜の絶縁特性が低下することが少なくなり、被処理物に作用する応力や温度などの物理変化量を確実に測定することができる。
【００２１】
請求項２に係る薄膜センサの製造方法では、研磨工程の後に、表面を研磨した絶縁薄膜層を洗浄する洗浄工程を備えているので、次の絶縁薄膜層に新たなピンホールが発生する確率を低くすることができる。
【００２２】
請求項３に係る薄膜センサの製造方法では、研磨工程では、ダイヤモンド研磨剤を用いて研磨するので、堅い絶縁薄膜層であっても、確実に研磨することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施形態に係る製造方法を示す工程図である。
【図２】  本発明の一実施形態により形成された薄膜センサの断面図である。
【図３】  薄膜センサの絶縁特性を示すグラフ図である。
【図４】  従来の製造方法を示す工程図である。
【符号の説明】
Ｐ  パーティクル
Ｈ  ピンホール
１，２０  機械部材（被測定物）
２〜６，２１，２２  絶縁薄膜層
７，２３  絶縁薄膜
８  センサ膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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