(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピエゾ抵抗層を含むシート抵抗であって、前記ピエゾ抵抗層は第１の遷移金属炭化物を包含し、遷移金属窒化物、第２の遷移金属炭化物、及びそれらの混合物から選択される、少なくとも１つの追加の材料を含み、かつ、主要構成要素として前記第１の遷移金属炭化物を含む、シート抵抗。
【請求項２】
前記第１の遷移金属炭化物は、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、及びそれらの組み合わせを含む群から選択される遷移金属を包含する、請求項１に記載のシート抵抗。
【請求項３】
前記第１の遷移金属炭化物がＣｒ３Ｃ２である、請求項１〜２のいずれか一項に記載のシート抵抗。
【請求項４】
前記第１の遷移金属炭化物が遷移金属過剰を含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載のシート抵抗。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載のシート抵抗であって、前記ピエゾ抵抗層は、前記第１の遷移金属炭化物からなる、シート抵抗。
【請求項６】
前記追加の材料が炭化タングステンである、請求項１〜５のいずれか一項に記載のシート抵抗。
【請求項７】
前記第１の遷移金属炭化物と前記追加の材料とが混晶を形成している、請求項１〜６のいずれか一項に記載のシート抵抗。
【請求項８】
前記第１の遷移金属炭化物が多結晶である、請求項１〜７のいずれか一項に記載のシート抵抗。
【請求項９】
前記第１の遷移金属炭化物の結晶は、その表面に酸化物層を有する、請求項８に記載のシート抵抗。
【請求項１０】
前記ピエゾ抵抗層の熱膨張係数が、９ｐｐｍ／Ｋ以上１５ｐｐｍ／Ｋ以下である、請求項１〜９のいずれか一項に記載のシート抵抗。
【請求項１１】
前記第１の遷移金属炭化物を含む電気接点をさらに含む、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のシート抵抗。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか一項に記載のシート抵抗を含む薄膜センサ。
【請求項１３】
前記シート抵抗が配置される膜と、前記膜が取り付けられるキャリア本体とを備える請求項１２に記載の薄膜センサであって、前記膜は前記キャリア本体に対して移動可能である、薄膜センサ。
【請求項１４】
前記膜及び前記キャリア本体は、セラミック及び金属から選択される材料を含む、請求項１３に記載の薄膜センサ。
【請求項１５】
前記膜及びキャリア本体は、ステンレス鋼及びイットリウム安定化ジルコニアから選択される材料を含む、請求項１４に記載の薄膜センサ。
【請求項１６】
請求項１〜９のいずれか一項に記載のシート抵抗を少なくとも２つ含む、請求項１２〜１４のいずれか一項に記載の薄膜センサ。
【請求項１７】
前記シート抵抗の１つは、温度測定用に設計されている、請求項１６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、シート抵抗及び前記シート抵抗を有する薄膜センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
シート抵抗が膜に適用される薄膜センサにおいて、測定中のストレスを防ぐために、個々のコンポーネントの熱膨張係数を互いに適合させる必要がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
さらに、良好な測定精度のためには、シート抵抗の高感度が必要である。前記感度は、ｋ係数（「ゲージ率(gage  factor)」）で指定できる。
【０００４】
最後に、機械的安定性、特に、例えば圧力センサで発生する可能性のある周期的な曲げ応力の場合、が重要である。機械的安定性の尺度は、弾性率（ＥーＭｏｄｕｌ）である。
【０００５】
本発明の少なくとも１つの実施形態の目的は、改善された特性を有するシート抵抗器を提供することである。少なくとも１つの実施形態の別の目的は、そのようなシート抵抗を有する薄膜センサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
これらの目的は、独立請求項に記載のシート抵抗と薄膜センサによって達成される。
【０００７】
ピエゾ抵抗層を含むシート抵抗が開示され、ここで、前記ピエゾ抵抗層は第１の遷移金属炭化物を包含する。
【０００８】
前記ピエゾ抵抗層は、特に、薄膜として設計することができ、且つ遷移金属炭化物の粒径の1〜5倍の厚さを有してもよい。
【０００９】
前記ピエゾ抵抗層は、抵抗の変化を伴うたわみに反応する特性を備えているため、薄膜センサで使用した場合、伸縮、力、圧力の測定が可能になる。
【００１０】
遷移金属、特に遷移金属グループＩＶ、Ｖ、及びＶＩの、炭化物は、高温、特に最大３００°Ｃの温度、及び最大１０００ｂａｒの高圧でも高い堅牢性を備えている。その機械的安定性のために、前記ピエゾ抵抗層、及びしたがってシート抵抗も低い弾性率（Ｅ−Ｍｏｄｕｌ）、例えば弾性率≦５００ＧＰａ、を持っている。
【００１１】
さらに、遷移金属炭化物の膨張係数は、薄膜センサで使用されるような、典型的な支持体材料又は膜材料の膨張係数にうまく適合させることができる。したがって、前記ピエゾ抵抗層と、例えば薄膜センサのメンブレンとの異なる膨張係数に起因する、前記ピエゾ抵抗層の抵抗変化を回避できる。この場合、前記ピエゾ抵抗層の熱膨張係数は、前記膜の膨張係数に対応することが好ましい。前記ピエゾ抵抗層の正確に一致した熱膨張係数により、前記ピエゾ抵抗層と前記膜との間の応力が最小限に抑えられ、外部の熱応力に対する耐性が高くなり、及びしたがって、薄膜センサの長期安定性と測定精度が向上する。したがって層の不可逆的な変化、及びしたがってシート抵抗の老化は、調整された熱膨張係数によって最小限に抑えられ、且つシート抵抗の寿命が延びる。したがって、このようなシート抵抗は、薄膜センサでの使用に適している。
【００１２】
一実施形態によると、前記第１の遷移金属炭化物は、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、及びそれらの組み合わせを包含する群から選択される遷移金属を含有する。したがって、前記遷移金属炭化物は、遷移金属グループＩＶ、Ｖ及び／又はＶＩのうち１つの遷移金属を含有する。
【００１３】
一実施形態によると、前記第１の遷移金属炭化物は炭化クロムＣｒ３Ｃ２である。炭化クロムＣｒ３Ｃ２は、例えばＣＶＤ（化学蒸着）法又はスプレーコーティングにより前記ピエゾ抵抗層を形成するために適用でき、且つ非常に良好な耐腐食性及び耐酸化性を有する。したがって、炭化クロムは薄膜センサのシート抵抗の材料として、特に高温高圧での使用に適している。
【００１４】
一実施形態による、前記第１の遷移金属炭化物は遷移金属過剰を有する。原則として、前記遷移金属炭化物は正確に定義された化学量論を持たない。ただし、前記金属過剰は一般式ＭＣｘで表すことができる。ここで、Ｍ＝Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ及びそれらの組み合わせであり、且つｘ≦１である。
【００１５】
ＭＮｘとして表すことができ、且つ、式中Ｍは１つの遷移金属を表す、遷移金属窒化物の組成は、金属過剰（ｘ＜１）と金属不足（ｘ＞１）の両方を持つ可能性がある。これは化学的不安定性につながり、及びしたがって制御が難しい分離プロセスにつながる。不安定性は、金属サイトと窒素サイトの両方が空であり、且つ他の原子によって占有される可能性があるという事実によって生じる。
【００１６】
それとは対照的に、前記遷移金属炭化物の場合、金属の欠損、すなわちｘ＞１は異常である。したがって、遷移金属炭化物は遷移金属窒化物よりも化学的に安定である。遷移金属炭化物では、窒素や酸素などの外来原子による置換は、炭素の格子間サイトでのみ見つけることができる。薄膜センサのピエゾ抵抗層として使用する場合、これは特に重要である。なぜなら、前記材料の電気的特性は固溶体、すなわち、結晶格子内の同型による遷移金属の他の炭化物又は窒化物との混晶を形成する能力に依存するためである。例えば、Ｃｒ３Ｃ２とＷＣの組み合わせでは、セラミックの粒成長が制限される。
【００１７】
遷移金属炭化物の化学的安定性が高いため、例えばＳｉ３Ｎ４によるピエゾ抵抗層の不動態化は、シート抵抗の多くの用途で省略できる。
【００１８】
さらなる一実施形態によれば、前記ピエゾ抵抗層は前記遷移金属炭化物からなる。例えば、前記ピエゾ抵抗層は炭化クロムで構成されている。
【００１９】
さらなる実施形態によれば、前記ピエゾ抵抗層は、遷移金属窒化物、第２の遷移金属炭化物及びそれらの混合物から選択される少なくとも１つの追加の材料を含む。この場合、前記第１の遷移金属炭化物は、前記ピエゾ抵抗層の主要構成要素であってもよい。前記追加材料は、最大５０質量％の割合で存在できる。例えば、前記ピエゾ抵抗層は、主にＣｒ３Ｃ２を含むことができ、且つ他の遷移金属の窒化物又は炭化物の形で追加材料を含んでもよい。前記遷移金属窒化物及び第２の遷移金属炭化物の金属Ｍは、例えば、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ及びそれらの組み合わせから選択されてもよい。
【００２０】
一実施形態によると、前記追加材料は炭化タングステンＷＣである。
【００２１】
一実施形態によれば、前記第１の遷移金属炭化物は、前記追加の材料と混晶を形成する。そのような混晶は、例えば、式Ｍ（Ｃ１‐ｘＮｘ）を有することができ、ここでＭは、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ及びそれらの組み合わせから再び選択することができる。混晶の形成により、例えば、混晶を形成することにより、前記圧電層の熱膨張係数を前記膜に、又は薄膜センサで前記膜が適用される前記キャリアに適合させることができる。さらに、混晶を含む前記圧電層の電気的及び機械的特性は、薄膜センサの要件に合わせて調整できる。
【００２２】
一実施形態によると、前記第１の遷移金属炭化物は多結晶である。したがって、前記第１の遷移金属炭化物の、又は前記第１の遷移金属炭化物が追加の材料とともに形成する
前記混晶の個々の結晶が前記ピエゾ抵抗層に存在する。
【００２３】
さらなる一実施形態によれば、前記第１の遷移金属炭化物の結晶は、それらの表面に酸化物層を有する。前記第１の遷移金属炭化物が追加の材料と混晶を形成する場合、前記混晶の結晶はそれらの表面に酸化物層を有することもできる。遷移金属炭化物は、それらの結晶又は粒子の表面に安定した表面酸化物を容易に形成する。一方では、前記結晶の表面上の酸化物層が前記ピエゾ抵抗層を保護し、他方では、抵抗値を増加させ、及びしたがって前記層のピエゾ抵抗効果を高める導電性粒子間に電気的粒界障壁を形成する。
【００２４】
一実施形態による、前記ピエゾ抵抗層は、９ｐｐｍ／Ｋ以上１５ｐｐｍ／Ｋ以下の熱膨張係数を有する。特に、前記熱膨張係数は１０ｐｐｍ／Ｋである。この範囲の膨張係数、例えば１０ｐｐｍ／Ｋは、薄膜センサで通常使用され、且つ前記シート抵抗が配置される例えば金属などのキャリア又は膜材料の膨張係数によく適合又は対応する。
【００２５】
さらなる一実施形態によれば、前記ピエゾ抵抗層は、２０℃の温度で７０μΩｃｍを超える比抵抗を有する。したがって、前記ピエゾ抵抗層は、室温で高い感度を持つことができる。
【００２６】
さらに、前記ピエゾ抵抗層のｋファクターは２より大きい場合がある。したがって、前記ピエゾ抵抗層は高い感度を有する。
【００２７】
さらなる一実施形態によれば、前記シート抵抗は電気接点を有する。特に、前記電気接点は、前記第１の遷移金属炭化物を含んでもよい。したがって、前記ピエゾ抵抗層及び前記接点は、主要構成要素と同じ第１の遷移金属炭化物を含んでいても、又はそれからなっていてもよい。
【００２８】
上記の実施形態によるシート抵抗を有する薄膜センサがさらに提供される。したがって、前記シート抵抗に関連して言及したすべての特徴は、前記薄膜センサにも適用され、逆もまた同様である。
【００２９】
一実施形態によれば、前記薄膜センサは、シート抵抗器が配置される膜と、前記膜が取り付けられるキャリア本体とを有する。この場合、前記膜は前記キャリア本体に対して移動可能である。特に、前記膜は、前記キャリア本体に対して曲げられたり振動できるように前記キャリア本体に固定されている。これは、前記膜が伸び、力、又は圧力に反応して曲げが起こり、これにより、シート抵抗の抵抗が変化することを意味する。
【００３０】
前記膜及び前記シート抵抗は、互いに直接機械的に接触してもよいか、又はさらなる要素、例えば、前記膜と前記シート抵抗との間の絶縁層が配置されてもよい。
【００３１】
一実施形態によれば、前記膜及び前記キャリア本体は、セラミック及び金属から選択される材料を含む。この場合、膜及びキャリア本体は、これらの材料の1つを互いに独立して持つことができるか、又は、いずれかの材料を含むボディを形成できる。
【００３２】
一実施形態によれば、前記膜及び前記キャリア本体は、ステンレス鋼及びイットリウム安定化ジルコニア（ＹＳＺ）から選択される材料を含む。したがって、膜とキャリア本体は、ステンレス鋼又はＹＳＺの両方を含むことができる。ステンレス鋼及びＹＳＺの膨張係数は、遷移金属炭化物で設定できる膨張係数、特に炭化クロムの膨張係数に特によく対応する。
【００３３】
さらなる一実施形態によれば、前記薄膜センサは、上述のように少なくとも２つのシート抵抗を有する。前記シート抵抗を相互接続してブリッジ回路を形成できる。
【００３４】
さらなる一実施形態によれば、前記シート抵抗の１つは温度測定用に設計されてもよい。前記温度測定用のシート抵抗は、前記１つ又は複数の他のシート抵抗と同じ第１の遷移金属炭化物を含んでもよい。この場合、前記シート抵抗は、前記第１の遷移金属炭化物で構成されるか、それを含むことができる。
【００３５】
温度測定のための前記シート抵抗は、前記キャリア本体の又は前記膜の領域に配置することができる。前記領域は前記キャリア本体の又は前記膜の他の領域よりも低い変形を受ける。
【００３６】
本発明の特定の実施形態は、図及び例示的な実施形態を参照してより詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】図１は、一実施形態による薄膜センサの概略断面図を示す。一実施形態による薄膜センサの概略断面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
前記実施形態及び図面において、同一の、同様な、又は同等の要素には、それぞれ同じ参照番号を付けることができる。図示された要素とそれらの比率は、縮尺どおりとは見なされないが、個々の要素は、表現性及び／又はより良い理解のために誇張されている場合がある。
【００３９】
図１は、一実施形態による薄膜センサの概略断面図を示す。前記キャリア本体３０は開口部３１を有する。ここには示されていないキャリア本体３０の他の形状も考えられる。例えば、前記キャリア本体３０は、前記膜２０がその側縁のうちの１つだけでそれに取り付けられるような形状にすることができる。
【００４０】
１つの膜２０は、それが前記キャリア本体３０に対して前記開口部３１内で前記キャリア本体３０間を自由に移動できるように、前記キャリア本体３０に適用される。
【００４１】
特に、前記膜２０は、前記キャリア本体３０に対して曲げたり振動させたりすることができる。
【００４２】
前記膜２０の上、特に前記膜２０が前記キャリア本体３０に対して自由に移動可能な領域において、前記ピエゾ抵抗層１１を含む前記シート抵抗１０がある。前記ピエゾ抵抗層１１の上には、両端に２つの電気接点４０があり、それらはボンドワイヤ５０を介して電気的に接続されている。
【００４３】
前記膜２０が変形を受けると、前記ピエゾ抵抗層１１も変形し、これはピエゾ抵抗効果により、前記接点４０によって検出できる抵抗変化をもたらす。
【００４４】
前記薄膜センサは、複数のシート抵抗１０も有することができる（ここでは図示せず）。例えば、前記薄膜センサには４つのシート抵抗がある。前記複数のシート抵抗器１０は、それによって例えば圧力を測定できる測定ブリッジに接続することができる。前記膜２０の力とひずみ(Dehnungen)も測定できる。
【００４５】
本実施形態において、前記ピエゾ抵抗層１１は、Ｃｒ３Ｃ２を主要構成要素として含む。これにより、遷移金属の他の窒化物又は炭化物などの追加の材料と、特にＷＣとの、混晶を形成する可能性がある。前記接点４０は同様に、主要構成要素としてＣｒ３Ｃ２を含む。前記キャリア本体３０及び前記膜２０は、ステンレス鋼又はＹＳＺで作られている。
【００４６】
前記ピエゾ抵抗層並びに前記膜２０及び前記キャリア本体３０は、互いに整合する膨張係数、例えばそれぞれ１０ｐｐｍ／Ｋの膨張係数を有する。したがって、測定中に前記膜２０と前記シート抵抗１０との間に、薄膜センサのドリフト又は破壊につながる可能性のある応力が生じない。
【符号の説明】
【００４７】
参照符号のリスト
１０  シート抵抗
１１  ピエゾ抵抗層
２０  膜
３０  キャリアボディ
３１  開口部
４０  接点
５０  ボンディングワイヤ
【００４８】
[請求項１]
ピエゾ抵抗層を含むシート抵抗（１０）であって、前記ピエゾ抵抗層（１１）は第１の遷移金属炭化物を包含する、シート抵抗（１０）。
[請求項２]
請求項１に記載のシート抵抗（１０）であって、前記第１の遷移金属炭化物は、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、及びそれらの組み合わせを含む群から選択される遷移金属を包含する、シート抵抗（１０）。
[請求項３]
前記第１の遷移金属炭化物がＣｒ３Ｃ２である、前記請求項のいずれか一項に記載のシート抵抗（１０）。
[請求項４]
前記第１の遷移金属炭化物が遷移金属過剰を含む、前記請求項のいずれか一項に記載のシート抵抗（１０）。
[請求項５]
前記請求項のいずれか一項に記載のシート抵抗（１０）であって、前記ピエゾ抵抗層（１１）は、前記第１の遷移金属炭化物からなる、シート抵抗（１０）。
［請求項６］
請求項１〜４のいずれか一項に記載のシート抵抗（１０）であって、前記ピエゾ抵抗層（１１）は、遷移金属窒化物、第２の遷移の金属炭化物、及びそれらの混合物から選択される、少なくとも１つの追加の材料を含む、シート抵抗（１０）。
［請求項７］
前記追加の材料が炭化タングステンである、前記請求項に記載のシート抵抗（１０）。
［請求項８］
前記第１の遷移金属炭化物と前記追加の材料とが混晶を形成している、請求項６又は７に記載のシート抵抗（１０）。
［請求項９］
前記第１の遷移金属炭化物が多結晶である、前記請求項のいずれか一項に記載のシート抵抗（１０）。
［請求項１０］
前記第１の遷移金属炭化物の結晶は、その表面に酸化物層を有する、前記請求項に記載のシート抵抗（１０）。
［請求項１１］
前記ピエゾ抵抗層（１１）が、９ｐｐｍ／Ｋ以上１５ｐｐｍ／Ｋ以下の熱膨張係数を有する、前記請求項のいずれか一項に記載のシート抵抗（１０）。
［請求項１２］
前記請求項のいずれか一項に記載のシート抵抗（１０）であって、前記第１の遷移金属炭化物を含む電気接点（４０）をさらに含む、シート抵抗（１０）。
［請求項１３］
前記請求項のいずれか一項に記載のシート抵抗（１０）を含む薄膜センサ。
［請求項１４］
前記シート抵抗（１０）が配置される膜（２０）と、前記膜（２０）が取り付けられるキャリア本体（３０）とを備える前記請求項に記載の薄膜センサであって、前記膜（２０）は前記キャリア本体（３０）に対して移動可能である、薄膜センサ。
［請求項１５］
前記膜（２０）及び前記キャリア本体（３０）は、セラミック及び金属から選択される材料を含む、前記請求項に記載の薄膜センサ。
[請求項１６]
前記請求項に記載の薄膜センサであって、前記膜（２０）及びキャリア本体（３０）は、ステンレス鋼及びイットリウム安定化ジルコニアから選択される材料を含む、薄膜センサ。
[請求項１７]
請求項１〜１１のいずれか一項に記載のシート抵抗（１０）を少なくとも２つ含む、請求項１２〜１５のいずれか一項に記載の薄膜センサ。
[請求項１８]
前記請求項に記載の薄膜センサであって、前記シート抵抗（１０）の１つは、温度測定用に設計されている、薄膜センサ。
【図１】
0006977157.tif 000002