(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイアフラム上に、絶縁膜，ゲージ膜，タングステンからなるバインダ膜及び電極膜をそれぞれ成膜する工程と、
その後、酸素ガスを熱処理炉内に導入して炉内の酸素濃度を９０％以上とし、その経路内で水のバブリングを通して常温での飽和湿度を炉内に導入することにより形成される酸化性雰囲気下において、２５０〜４００℃の熱処理温度で加熱処理を施す工程と、
を含むことを特徴とする歪ゲージの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧力センサなどに用いられる歪ゲージ及び歪ゲージの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の歪ゲージは、たとえば、圧力センサ，荷重センサ，型内圧センサ，樹脂圧センサなど広く用いられている。
【０００３】
歪ゲージは、ダイアフラムに対する圧力（応力）が変化すると、ダイアフラムがそれに応じて変形し、ダイアフラム上に形成されたゲージ膜の歪量が変化することを利用したものである。
【０００４】
例えば、このような歪ゲージを圧力センサなどに用いる場合には、ゲージ膜の歪量が変化することによって、その電気抵抗も変化するため、ゲージ膜に対して電圧を入力し、その出力電圧の測定によって、ダイアフラムに対する圧力を測定できるようにすることができる。
【０００５】
ここで、歪ゲージは、ダイアフラム上に絶縁膜を介してゲージ膜が形成され、更に、その上に、ゲージ膜に対して電圧を印加するための電極膜が形成されるが、ゲージ膜上に直接電極膜を形成するのは困難である。
【０００６】
何故ならば、ゲージ膜に用いられる素材と、電極膜に用いられる素材の性質上、ゲージ膜と電極膜との密着性が悪く直接成膜できなかったり、ワイヤボンディングできなかったり、各膜を構成する成分が一方から他方あるいは相互に拡散して抵抗値を変えてしまうなどの問題があるからである。
【０００７】
そのため、通常、これらの諸問題を解決するために、ゲージ膜と電極膜との間には、バインダ膜が設けられている。このバインダ膜は、一般に、高融点金属であるタングステン（Ｗ）やモリブデン（Ｍｏ）などが利用されている。
【０００８】
一方、タングステンやモリブデンは水に溶解する性質を有しており、特に高温の水に対しては、急激に溶解し、例えば、膜厚１００ｎｍのタングステンの場合には、８５℃の水中に浸しておくと２４時間以内に溶解してしまう。
【０００９】
従って、高温高湿下の環境下（例えば８５℃，９５％ＲＨ）においては、タングステンやモリブデンは腐蝕してしまうため、バインダとしての機能が発揮できなくなったり、あるいは、腐蝕によって電気抵抗値が変化してしまったりするなどの問題がある。
【００１０】
この問題を解決するためには、バインダ膜を酸化させて、安定化させれば良い。バインダ膜を酸化させるには、大気中で熱処理することで実現できる。
【００１１】
しかし、ゲージ膜のゲージ率，抵抗温度係数（ＴＣＲ），抵抗値の変化や、ゲージ膜の膜構造の変化、あるいはダイアフラムの材質の変質などの影響を考慮すると、４００℃以上の熱を加える熱処理は困難である。
【００１２】
一方、３００℃程度の比較的低温での熱処理では、バインダ膜の露出面（サイドウォール）に十分な酸化膜を形成することができなかった。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上記の通り、従来、バインダ膜を安定化させるために、酸化膜を形成することが必要であるものの、他の影響を考えると、低温で加熱処理を行う必要があり、十分な酸化膜の形成が困難で、バインダ膜を十分に安定化させることができなかった。
【００１４】
本発明の目的とするところは、比較的低温の加熱処理によって十分な酸化膜が形成され、品質性に優れた歪ゲージ及び歪ゲージの製造方法を提供することにある。
【００１５】
【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にあっては、９９％酸素ガスを熱処理炉内に導入するとともに、その経路内で水のバブリングを通して常温での飽和湿度を炉内に導入することにより形成される酸化性雰囲気下で、加熱処理を施すようにした。
【００１６】
これにより、比較的低温の加熱処理によって、十分な酸化膜の形成が可能となった。従って、高温加熱処理の場合に問題となる悪影響を排除しつつ、バインダ膜には十分な酸化膜が形成されるため、高温高湿下においても安定した状態が維持されるようになった。
【００１７】
ここで、酸化性雰囲気には、大気中の酸素ガス濃度が高い状態，湿度が高い状態、及びこれらのいずれをも満たす状態が含まれる。酸素ガス濃度としては、好ましくは９０％以上である。
【００１８】
また、加熱処理時の加熱温度としては、２５０℃〜４００℃程度が好適であり、更に望ましくは３００〜３５０℃が好適である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して、この発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。ただし、この実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
【００２０】
図１〜図４を参照して、本発明の実施の形態に係る歪ゲージ及び歪ゲージの製造方法について説明する。
【００２１】
図１は本発明の実施の形態に係る歪ゲージが適用された圧力センサの模式的断面図である。図２は本発明の実施の形態に係る歪ゲージが適用された圧力センサの回路図である。図３は熱処理後の歪ゲージに対するエックス線回折結果を示す図である。図４は歪ゲージの出力変動量を示す図である。
【００２２】
図１に示すように、本発明の実施の形態に係る歪ゲージが適用された圧力センサ１は、ダイアフラム２と、ダイアフラム２上に形成される絶縁膜３と、絶縁膜３上に形成される歪ゲージ４と、を備える。そして、歪ゲージ４は、絶縁膜３上に形成されるゲージ膜４１と、ゲージ膜４１上に形成されるバインダ膜４２と、バインダ膜４２上に形成される電極膜４３と、を備える。
【００２３】
圧力センサ１は、特に図示はしないが、４つの電極膜４３と、各電極膜４３の相互間に設けられる４つのゲージ膜４１によって、ゲージパターンを形成しており、これにより、図２に示すような回路を構成している。図２においては、各電極膜間に設けられるゲージ膜の抵抗をそれぞれＲ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４としている。
【００２４】
以上の構成により、ダイアフラム２に対する圧力（応力）が変化すると、ダイアフラム２がそれに応じて変形する。従って、ダイアフラム２が変形すると、ダイアフラム２上に形成された各ゲージ膜の歪量が変化する。
【００２５】
ところで、ダイアフラム２上での応力係数は、位置によって異なるため、各ゲージ膜の歪量は一律ではない。これにより、各ゲージ膜の歪量が、圧力変化に応じて変化することによって、各ゲージ膜の電気抵抗も変化することになる。
【００２６】
従って、図２に示す抵抗値Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４が圧力に応じて変化するため、入力電圧Ｖ１に対する出力電圧Ｖ２が変化し、この出力電圧Ｖ２は、圧力変化に応じてリニアに変化するので、出力電圧Ｖ２から圧力を測定することができる。
【００２７】
次に、本発明の実施の形態に係る歪ゲージの製造方法について説明する。
【００２８】
本実施の形態においては、まず、金属で構成されたダイアフラム２上に絶縁膜３を成膜して、その上に、ゲージ膜４１，バインダ膜４２及び電極膜４３を、この順に成膜して、上述した図２に示すブリッジ回路を形成して圧力センサとした。
【００２９】
ここで、絶縁膜３にはＳｉＯ2を用い、ゲージ膜４１にはＮｉＣｒを用い、バインダ膜４２にはタングステン（Ｗ）を用い、電極膜４３にはＡｕを用いた。
【００３０】
成膜はフォトリソグラフィ技術を用い、ゲージ膜４１はゲージパターンを用い、バインダ膜４２及び電極膜４３は電極パターンを用いてパターニングを行った。
【００３１】
このようにして、各膜の成膜が終了した後に、加熱処理を施した。
【００３２】
ここで、加熱処理を施す目的は、ゲージ膜４１及びバインダ膜４２の安定化である。ゲージ膜４１の安定化のみを目的とするのであれば、大気中において、２５０℃〜４００℃の加熱処理で十分である。
【００３３】
しかし、上述の通り、このような加熱処理では、バインダ膜４２の露出面（サイドウォール）に安定な酸化膜を形成することができない。一方、４００℃以上の加熱処理を行うと、様々な悪影響が生じてしまう。
【００３４】
そこで、本実施の形態では、酸化性雰囲気下において、加熱処理を行うようにした。より具体的には、９９％酸素ガスを熱処理炉内に導入し、更に、その経路内で水のバブリングを通して常温での飽和湿度を炉内に導入した。また、熱処理温度は３００℃とした。この場合、炉内の酸素濃度は９０％以上となっている。勿論、炉内の酸素濃度は熱処理中に酸素を順次流していき高めていっても良く、また、熱処理開始前に置換しておいても構わない。タングステンの安定な酸化膜ができるように、熱処理温度，酸素濃度，温度，熱処理開始時間を調整する。
【００３５】
これにより、３００℃という比較的低温による加熱処理によっても、十分な酸化膜を形成することができ、加熱による悪影響を発生させることなく、バインダ膜４２を安定化することが可能となった。
【００３６】
この点について、エックス線回折（Ｘ−ｒａｙ  Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ（以下、ＸＲＤと称する）による分析結果を参照して、更に詳しく説明する。なお、ＸＲＤとは、Ｘ線を試料（結晶）に入射すると、その試料の内部構造に応じて、回折される。従って、その回折は、試料の元素（組成）や構造（結晶性）によって、ピーク位置等が変化する。これにより、回折したＸ線ピークを観測することによって、試料を構成している元素や結晶性を分析できるというものである。
【００３７】
まず、ガラス基板上にバインダ膜であるタングステンで成膜した試料に対して、従来通り、大気中において３００℃の加熱処理を行ったものに対してＸＲＤを行った分析結果を図３（ａ）に示している。
【００３８】
この分析結果から、ガラス基板やタングステンによる回折したＸ線のピークしか得られることができず、酸化タングステン（ＷＯｘ）による回折Ｘ線のピークは認められず、酸化膜が形成されなかったことが分かる。なお、図中、Ｗ（１１０），Ｗ（２００），Ｗ（２１１），Ｗ（２２０）は、タングステン（Ｗ）の結晶構造における、それぞれ異なる面のピークが現れていることを示している。
【００３９】
次に、ガラス基板上にバインダ膜であるタングステンで成膜した試料に対して、本実施の形態による加熱処理（９９％の酸素ガスと飽和湿度を炉内に導入しつつ、３００℃の加熱処理）を行ったものに対してＸＲＤを行った分析結果を図３（ｂ）に示している。
【００４０】
この分析結果から、３００℃という比較的温度の低い加熱処理によっても、酸化タングステン（ＷＯｘ）による回折Ｘ線のピークが現れており、バインダ膜の表面に酸化膜が形成されていることが認められた。
【００４１】
また、これらの加熱処理を施した圧力センサに対して、高温高湿の耐久試験を行った。耐久試験は、８５℃，９５％ＲＨの環境の下で、経時的な出力変動を測定した。その測定結果を図４に示している。
【００４２】
なお、図４において、縦軸の出力変動量（％ＦＳ）は、定格出力ＦＳに対して、何％の出力があるかを示したものである。例えば、１０ＭＰａ用の圧力センサを考えた場合、定格圧力１０ＭＰａの時に５Ｖを出力するとすると、５Ｖが定格出力となる。従って、０．０５Ｖ出力が変動すると、１％ＦＳ変動したことになる。
【００４３】
図４に示す結果から、従来の加熱処理を行ったものでは、経時的に出力が大きく変動していき、かつ変動量のばらつきが大きく不安定なのに対して、本実施の形態における加熱処理を行ったものは、出力の変動が１％以下であり経時的な変化が少なく、かつ変動量のばらつきが小さく安定していることが分かった。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、比較的低温の加熱処理によって十分な酸化膜が形成され、品質性に優れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る歪ゲージが適用された圧力センサの模式的断面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る歪ゲージが適用された圧力センサの回路図である。
【図３】熱処理後の歪ゲージに対するエックス線回折結果を示す図である。
【図４】歪ゲージの出力変動量を示す図である。
【符号の説明】
１  圧力センサ
２  ダイアフラム
３  絶縁膜
４  歪ゲージ
４１  ゲージ膜
４２  バインダ膜
４３  電極膜
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４  抵抗値
Ｖ１  入力電圧
Ｖ２  出力電圧
【図１】
0004207427.tif 000002
【図２】
0004207427.tif 000003
【図３】
0004207427.tif 000004
【図４】
0004207427.tif 000005