JP2023049807A - 感温感歪複合センサ - Google Patents

Abstract

【課題】－５０℃以上４５０℃以下の温度範囲で使用可能な感温感歪複合センサを提供すること。
【解決手段】
本発明に係る感温感歪複合センサは、一般式Ｃｒ_{１００－ｘ－ｙ}Ａｌ_ｘＮ_ｙで表され、ｘ、ｙのそれぞれの組成領域が５＜ｘ≦５０，０．１≦ｙ≦２０である感歪用抵抗膜と、
－５０以上４５０℃以下の温度範囲における抵抗温度係数（ＴＣＲ）の絶対値が、２０００ｐｐｍ／℃以上である感温用抵抗膜と、を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、感温用抵抗膜と感歪用抵抗膜とを含む感温感歪複合センサに関する。

特許文献１に示すように、流体などの測定対象物の温度と圧力とを同時に検出する感温感歪複合センサが知られている。特に、特許文献１では、Ｃｒ－Ｎ系合金からなる感歪用抵抗膜と、Ｆｅ－Ｐｄ合金からなる感温用抵抗膜と、を組み合わせることで、温度補償用のホイーストンブリッジ回路を必要とせずに、温度と圧力の同時検出が可能であることが報告されている。

ただし、特許文献１で使用しているＣｒ－Ｎ系合金膜のゲージ率は、２００℃以上の高温領域において極端に低下してしまう。つまり、２００℃以上の高温領域では、圧力測定の精度が低下する。そのため、特許文献１の感温感歪複合センサの使用可能範囲は、２００℃以下の範囲に限られていた。近年、－５０℃の低温領域から４５０℃の高温領域までの範囲で、温度と圧力の同時検出を可能にすることが求められており、感温感歪複合センサのさらなる性能向上が期待されている。

特開２００１－２２１６９６号公報

本発明は、このような実情を鑑みてなされ、その目的は、－５０℃以上４５０℃以下の温度範囲で使用可能な感温感歪複合センサを提供することである。

上記の目的を達成するために、本発明に係る感温感歪複合センサは、
一般式Ｃｒ_{１００－ｘ－ｙ}Ａｌ_ｘＮ_ｙで表され、ｘ、ｙのそれぞれの組成領域が５＜ｘ≦５０，０．１≦ｙ≦２０である感歪用抵抗膜と、
－５０以上４５０℃以下の温度範囲における抵抗温度係数（ＴＣＲ_ｔ）の絶対値が、２０００ｐｐｍ／℃以上である感温用抵抗膜と、を有する。

一般式Ｃｒ_{１００－ｘ－ｙ}Ａｌ_ｘＮ_ｙで表される感歪用抵抗膜は、５＜ｘ≦５０，０．１≦ｙ≦２０を満たすことで、２００℃以下の領域のみならず、２００℃～４５０℃の高温領域においても、安定して高いゲージ率を有する。そのため、当該感歪用抵抗膜を用いることで、圧力測定の精度が安定し、本発明の感温感歪複合センサは、－５０℃以上４５０℃以下の温度範囲で、温度と圧力の同時検出が可能である。

好ましくは、－５０以上４５０℃以下の温度範囲における前記感温用抵抗膜の感度温度係数（ＴＣＳ_ｔ）の絶対値が、５００ｐｐｍ／℃以下である。

また、好ましくは、前記感温用抵抗膜が、ＴＣＲ_ｔ≧（２．５×ｋ_ｔ×ε_ｔ）を満たす。当該条件式において、ＴＣＲ_ｔは、前記感温用抵抗膜の抵抗温度係数であり、ｋ_ｔは、前記感温用抵抗膜のゲージ率であり、ε_ｔは、前記感温用抵抗膜の設置個所に加わる最大の歪量である。
本発明の感温感歪複合センサが上記の特徴を有することで、－５０℃以上４５０℃以下の範囲の温度測定において、１℃以下の分解能が得られる。

好ましくは、－５０以上４５０℃以下の温度範囲における前記感歪用抵抗膜のゲージ率ｋ_ｄが、４以上であり、
前記感温用抵抗膜が、ＴＣＲ_ｔ≧（１０×ｋ_ｔ×ε_ｔ）を満たす。
本発明の感温感歪複合センサが上記の特徴を有することで、－５０℃以上４５０℃以下の範囲の圧力測定において、２００με以下の分解能が得られる。

好ましくは、前記感歪用抵抗膜におけるｘ、ｙのそれぞれの組成領域が、２５＜ｘ≦５０，０．１≦ｙ≦２０である。
本発明の感温感歪複合センサでは、感歪用抵抗膜が上記の組成を満たすことで、感歪用抵抗膜の組成変化に伴う特性変化（感歪用抵抗膜のＴＣＲ_ｄ変化）を抑制でき、良好な生産性が得られる。また、感歪用抵抗膜のＴＣＲ_ｄ特性のばらつきが抑えられることにより、圧力測定の精度をさらに向上させることができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る感温感歪複合センサの概略断面図である。 図２は、図１の感温感歪複合センサにおける抵抗体の配置を示す概念図である。 図３は、図２に示すIII－III線に沿う概略断面図である。 図４は、感歪用抵抗膜のゲージ率と温度との関係を表すグラフである。 図５は、感歪用抵抗膜のＡｌ含有量とゲージ率との関係を表すグラフである。 図６は、感歪用抵抗膜のＡｌ含有量とＴＣＲ_ｄとの関係を表すグラフである。 図７は、所定の条件式１と、設置個所の最大歪量ε_ｔが加わった際の感温用抵抗膜の抵抗変化量と、の関係を表すグラフである。 図８は、所定の条件式２と、ΔＲ_ΔＴと、の関係を表すグラフである。

本実施形態では、本発明に係る感温感歪センサの一例として、流体の温度と流体圧とを同時に検出する複合センサ１０（図１）について説明する。

図１に示すように、複合センサ１０は、流体圧に応じて変形するメンブレン２２を有する。メンブレン２２は、中空筒状のステム２０のＺ軸上端に形成してある端壁で構成してある。端壁であるメンブレン２２は、側壁などのステム２０における他の部分に比べて、肉薄になっている。なお、メンブレン２２は、図１で示す様態に限定されず、Ｓｉ基板などの平板状の基板で構成してもよい。ステム２０のＺ軸下端は、中空部の開放端となっており、ステム２０の中空部は、接続部材１２の流路１２ｂに連通してある。

複合センサ１０では、流路１２ｂに導入される流体が、ステム２０の中空部からメンブレン２２の内面２２ａに導かれて、流体圧がメンブレン２２に加わるようになっている。メンブレン２２を有するステム２０は、たとえば、ステンレスなどの金属で構成することができる。もしくは、ステム２０は、エッチングにより中空筒状に加工したＳｉ基板で構成してあってもよく、平板状のＳｉ基板を他部材に接合することで構成してあってもよい。

ステム２０の開放端の周囲には、フランジ部２１がステム２０の軸芯から外方に突出するように形成してある。フランジ部２１は、接続部材１２と抑え部材１４との間に挟まれ、メンブレン２２の内面２２ａへと至る流路１２ｂが密封されるようになっている。

接続部材１２は、複合センサ１０を固定するためのねじ溝１２ａを有する。複合センサ１０は、測定対象となる流体が封入してある圧力室などに対して、ねじ溝１２ａを介して固定されている。これにより、接続部材１２の内部に形成されている流路１２ｂおよびステム２０におけるメンブレン２２の内面２２ａは、測定対象となる流体が内部に存在する圧力室に対して、気密に連通する。

抑え部材１４の上面には、回路基板７０が取り付けてある。回路基板７０の形状は、特に限定されず、たとえば、図１に示すように、ステム２０の周囲を囲むリング状の形状とすることができる。回路基板７０には、たとえば、メンブレン２２で検出した温度および歪に関する信号が伝えられる回路などが内蔵してある。

図２に示すように、メンブレン２２の外面２２ｂには、歪測定部Ｓ１および温度測定部Ｓ２が設けられている。歪測定部Ｓ１および温度測定部Ｓ２は、ワイヤボンディングなどによる中間配線８２を介して回路基板７０に電気的に接続してあり、歪測定部Ｓ１および温度測定部Ｓ２の検出信号が、中間配線８２を介して回路基板７０に伝送される。

歪測定部Ｓ１は、４つの感歪抵抗体ＲＤ１～ＲＤ４と、配線Ｗ１と、電極部５０と、を有する。歪測定部Ｓ１では、４つの感温抵抗体ＲＤ１～ＲＤ４によりホイーストンブリッジ回路が構成されている。ただし、歪測定部Ｓ１は、少なくとも１つの感歪抵抗体ＲＤを有していればよく、感歪抵抗体ＲＤの数は特に限定されない。たとえば、メンブレン２２の界面２２ｂ上に２以上のホイーストンブリッジ回路が形成されていてもよい。歪測定部Ｓ１では、メンブレン２２の変形に応じて感歪抵抗体ＲＤ１～ＲＤ４の抵抗値が変化する。そのため、ホイートストーンブリッジ回路の出力から、メンブレン２２に生じる歪、すなわち、メンブレン２２に作用する流体圧を検出することができる。

一方、温度測定部Ｓ２は、感温抵抗体ＲＴと、配線Ｗ１と、電極部５０とを有する。温度測定部Ｓ２では、感温抵抗体ＲＴが、配線Ｗ２を介して電極部５０と電気的に接続している。図２では、感温抵抗体ＲＴが１つのみ図示してあるが、感温抵抗体ＲＴの数は特に限定されず、温度測定部Ｓ２が複数の感温抵抗体ＲＴを有していてもよい。温度測定部Ｓ２では、温度変化に応じて感温抵抗体ＲＴの抵抗値が変化し、この抵抗変化に基づいて、メンブレン２２の内面２２ａに導かれた流体の温度を検出する。

感温抵抗体ＲＴおよび感歪抵抗体ＲＤ１～ＲＤ４は、いずれも、メンブレン２２の外面２２ｂにおける同一平面上に形成してある。感歪抵抗体ＲＤ１～ＲＤ４は、感歪用抵抗膜３０を微細加工（パターニング）することで形成され、感温抵抗体ＲＴは、感温用抵抗膜４０を微細加工することで形成される。すなわち、感歪抵抗体ＲＤは感歪用抵抗膜３０であり、感温抵抗体ＲＴは感温用抵抗膜４０である。

図３に示すように、感歪用抵抗膜３０および感温用抵抗膜４０は、メンブレン２２の外面２２ｂにおいて、下地絶縁層６０を介して設けられている。下地絶縁層６０は、メンブレン２２の外面２２ｂのほぼ全体を覆うように形成してある。ただし、下地絶縁層６０は、必ずしも外面２２ｂの全面を覆っている必要はなく、外面２２ｂの外縁には、下地絶縁層６０で覆われない非被覆部が存在していてもよい。

下地絶縁層６０は、絶縁性を有していればよく、下地絶縁層６０の材質は特に限定されない。たとえば、下地絶縁層６０は、ＳｉＯ_２などのシリコン酸化物、シリコン窒化物、シリコン酸窒化物などで構成することができる。また、メンブレン２２がＳｉ基板である場合、下地絶縁層６０は、Ｓｉ基板を加熱して形成した熱酸化膜であってもよい。下地絶縁層６０の厚みは、好ましくは１０μｍ以下、さらに好ましくは１～５μｍである。なお、メンブレン２２の外面２２ｂが絶縁性を有する場合には、下地絶縁層６０を形成することなく、抵抗膜３０，４０をメンブレン２２の外面２２ｂに直接に形成してもよい。

次に、感歪用抵抗膜３０および感温用抵抗膜４０の特徴について説明する。

なお、各抵抗膜３０，４０の説明において使用する抵抗温度係数（ＴＣＲ：Temperature coefficient of Resistance、単位ｐｐｍ／℃）とは、温度変化に伴う抵抗の変化率を意味し、ＴＣＲ＝Ａ／Ｒ（２５℃，０με）×１０^６で定義される。Ａは、－５０℃～４５０℃の範囲における抵抗値変化の傾きであり、Ｒ（２５℃，０με）は、温度２５℃、歪０μεにおける抵抗値である。感歪用抵抗膜３０の抵抗温度係数は、ＴＣＲ_ｄと表記し、感温用抵抗膜４０の抵抗温度係数は、ＴＣＲ_ｔと表記する。

また、各抵抗膜３０，４０の説明において使用する感度温度係数（ＴＣＳ：Temperature coefficient of sensitivity、単位ｐｐｍ／℃）とは、温度変化に伴うゲージ率（単位：無次元数）の変化率であり、ＴＣＳ＝Ｂ／ｋ_２５℃×１０^６で定義される。Ｂは、－５０℃～４５０℃の範囲におけるゲージ率変化の傾きであり、ｋ_２５℃は、２５℃におけるゲージ率である。感歪用抵抗膜３０のゲージ率および感度温度係数を、ｋ_ｄ、ＴＣＳ_ｄと表記し、感温用抵抗膜４０のゲージ率および感度温度係数を、ｋ_ｔ、ＴＣＳ_ｔと表記する。

（感歪用抵抗膜３０）
感歪用抵抗膜３０は、一般式Ｃｒ_{１００－ｘ－ｙ}Ａｌ_ｘＮ_ｙで表され、ｘ、ｙのそれぞれの組成領域が５＜ｘ≦５０，０．１≦ｙ≦２０である。感歪用抵抗膜３０をこのような組成とすることにより、－５０℃以上４５０℃以下の温度範囲において、一般金属薄膜よりも高いゲージ率ｋ_ｄが得られ、かつ、温度変化に伴うゲージ率ｋ_ｄの変化を低減することができる。そのため、複合センサ１０で上記組成の感歪用抵抗膜３０を用いることで、－５０℃以上４５０℃以下の温度範囲において、精度よく歪（圧力）を検出することができる。

上記のＣｒＡｌＮ系の感歪用抵抗膜３０では、Ａｌ含有量が特に重要であり、ｘの組成領域は、２５＜ｘ≦５０であることが好ましく、２５＜ｘ≦４０であることがより好ましい。

Ｎの含有量を所定範囲に制御したうえで、Ａｌ含有量を２５ａｔ％超過とすることにより、感歪用抵抗膜３０の組成変化に伴う特性変化を抑制できる。より具体的に、Ａｌ含有量が２５ａｔ％超過の場合、１ａｔ％のＡｌ含有量の変動に対するＴＣＲ_ｄの変化率を、５％未満に抑制することができる。つまり、製造時の組成のばらつきを適切な範囲で許容でき、良好な生産性が得られる。また、ＴＣＲ_ｄのばらつきを抑制できることにより、感歪用抵抗膜３０による歪測定の精度をさらに向上させることができる。

また、Ｎの含有量を所定範囲に制御したうえで、Ａｌ含有量を５０ａｔ％以下、より好ましくは４０ａｔ％以下とすることで、感歪用抵抗膜３０のゲージ率ｋ_ｄをより高くすることができる。

感歪用抵抗膜３０は、不可避不純物としてのОを、Ｃｒ、Ａｌ、Ｎ、Ｏの総量に対して１０ａｔ％以下の量で含んでいてもよい。不可避不純物としてのＯが１０ａｔ％以下であることにより、－５０℃以上４５０℃以下の温度範囲におけるゲージ率ｋ_ｄをより高めることができる。

さらに、感歪用抵抗膜３０は、ＣｒおよびＡｌ以外の金属や非金属元素を微量に含んでいてもよい。感歪用抵抗膜３０に含まれるＣｒおよびＡｌ以外の金属および非金属元素としては、たとえば、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｎｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｃ、Ｐ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｂｉ、Ｆｅ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｓ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｐｂ、Ｂ、Ｇｅ、Ｉｎ、Ｔｌ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｏ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｍｎおよび希土類元素が挙げられる。

感歪用抵抗膜３０は、－５０℃以上４５０℃以下の温度範囲において、ＴＣＲ_ｄの絶対値が、２０００ｐｐｍ／℃未満であり、１５００ｐｐｍ／℃以下であることが好ましい。感歪用抵抗膜３０のＴＣＲ_ｄを上記範囲に制御することで、低温領域から高温領域までの広い範囲で、温度変化に伴う感歪用抵抗膜３０の抵抗値変化を小さくすることができる。これにより、歪測定部Ｓ１における温度補正誤差を低減でき、高い精度で歪を検出することができる。

感歪用抵抗膜３０は、－５０℃以上４５０℃以下の温度範囲において、ゲージ率ｋ_ｄが３以上であり、４以上であることが好ましい。感歪用抵抗膜３０では、ゲージ率ｋ_ｄが大きいほど、歪に対する抵抗値の変化量が大きくなる。そのため、感歪用抵抗膜３０のゲージ率ｋ_ｄを４以上とすることで、－５０℃以上４５０℃以下の範囲における歪測定の分解能を向上させることができる。なお、ゲージ率ｋ_ｄの上限値は特に限定されない。

また、感歪用抵抗膜３０は、－５０℃以上４５０℃以下の温度範囲において、ＴＣＳ_ｄの絶対値が、２０００ｐｐｍ／℃以下であり、１０００ｐｐｍ／℃以下であることが好ましく、５００ｐｐｍ／℃以下であることがより好ましい。感歪用抵抗膜３０のＴＣＳ_ｄを上記範囲に制御することで、低温領域から高温領域までの広い範囲で、温度変化に伴う感歪用抵抗膜３０の感度変化を小さくすることができる。これにより、歪測定部Ｓ１における温度補正誤差を低減でき、高い精度で歪を検出することができる。

なお、ＴＣＲ_ｄ、ｋ_ｄ、およびＴＣＳ_ｄは、基本的に感歪用抵抗膜３０の主成分組成に依存するが、感歪用抵抗膜３０中の微量元素や、熱処理などの製造条件によっても変化する場合がある。

感歪用抵抗膜３０の厚みは、特に限定されず、たとえば、１ｎｍ～１０００ｎｍとすることができ、５０ｎｍ～５００ｎｍ程度とすることが好ましい。

なお、メンブレン２２の外面２２ｂにおける感歪用抵抗膜３０（ＲＤ）の配置は、特に限定されないが、なるべく外面２２ｂの中心に近い位置に配置することが望ましい。図２の上図に示すように、メンブレン２２では、外面２２ｂの中心に近いほど大きな歪が発生し、ステム２０の側壁と接する外面２２ｂの外縁において歪がゼロになる。図２では、４つの感温用抵抗膜４０のうちのＲＤ１およびＲＤ３を、所定の歪特性ε１が生じる第１円周２４上に配置し、ＲＤ２およびＲＤ４を、歪特性ε１とは異なる歪特性ε２が生じる第２円周２６上に配置している。複数の感歪用抵抗膜３０（ＲＤ）を形成する場合には、上記のように、複数の抵抗群に分けて感歪用抵抗膜３０の配置を決定してもよいし、全ての感歪用抵抗膜３０を同一円周上に配置してもよい。

（感温用抵抗膜４０）
感温用抵抗膜４０は、感歪用抵抗膜３０とは異なる材質で構成され、－５０℃以上４５０℃以下の温度範囲におけるＴＣＲ_ｔの絶対値が、２０００ｐｐｍ／℃以上である。感温用抵抗膜４０では、ＴＣＲ_ｔを２０００ｐｐｍ／℃以上とすることで、温度変化に対する抵抗値の変化量が大きくなる。そのため、２０００ｐｐｍ／℃≦ＴＣＲ_ｔの感温用抵抗膜４０を用いることで、－５０℃以上４５０℃以下の範囲において、高い精度で流体の温度を検出することができる。上記のとおり、ＴＣＲ_ｔが大きいほど、１℃の温度変化に対する抵抗変化量も大きくなるため、ＴＣＲ_ｔの上限は特に限定されない。

２０００ｐｐｍ／℃以上のＴＣＲ_ｔを満たす感温用抵抗膜４０の材料としては、遷移金属、１種以上の遷移金属を含む合金などが挙げられる。感温用抵抗膜４０は、特に、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｐｔから選択される１種以上の元素を含む金属膜であることが好ましい。

感温用抵抗膜４０の厚みは、特に限定されず、たとえば、１ｎｍ～１０００ｎｍとすることができ、５０ｎｍ～５００ｎｍ程度とすることが好ましい。

感温用抵抗膜４０は、－５０℃以上４５０℃以下の温度範囲におけるゲージ率ｋ_ｔが、４以下であることが好ましく、３以下であることがより好ましい。なお、ゲージ率ｋ_ｔの下限値は特に限定されず、０＜ｋ_ｔである。感温用抵抗膜４０では、ゲージ率ｋ_ｔを小さくすることで、低温領域から高温領域までの広い範囲で、歪による感温用抵抗膜４０の抵抗値変化を小さくすることができ、温度測定の分解能が向上する。

また、感温用抵抗膜４０は、－５０℃以上４５０℃以下の温度範囲におけるＴＣＳ_ｔの絶対値が、５００ｐｐｍ／℃以下であることが好ましい。なお、ＴＣＲ_ｔ、ｋ_ｔ、およびＴＣＳ_ｔは、基本的に感温用抵抗膜４０の主成分組成に依存するが、感温用抵抗膜４０中の微量元素や、熱処理などの製造条件によっても変化する場合がある。

本実施形態において、感温用抵抗膜４０の配置は、抵抗膜の諸特性を考慮して決定する必要がある。従来の圧力センサなどでは、メンブレンの外縁部分などの歪が加わらない位置に温度補償用の抵抗体を設置する技術が用いられてきた。しかしながら、歪が加わらない位置では、流体の温度も伝達され難く、実際の流体温度と検出温度との間に差が生じてしまう。そのため、流体の温度と圧力とを同時に検出する複合センサ１０では、メンブレン２２の外面２２ｂにおいて、歪が発生する領域内に感温用抵抗膜４０を配置する。

ただし、感温用抵抗膜４０を歪発生領域に配置すると、感温用抵抗膜４０の抵抗値が、温度だけでなく歪によっても変化し、温度測定の分解能や歪測定の分解能に影響を及ぼす。そのため、本実施形態の複合センサ１０では、以下に示す条件式１または／および条件式２を満たすように、感温用抵抗膜４０の特性（すなわち材質や製造条件）および設置個所を決定することが好ましい。

具体的に、感温用抵抗膜４０が、条件式１：ＴＣＲ_ｔ≧（２．５×ｋ_ｔ×ε_ｔ）を満たすことが好ましい。上記条件式１を変換すると、１≦｛ＴＣＲ_ｔ／（２．５×ｋ_ｔ×ε_ｔ）｝となる。ここで、条件式１のε_ｔは、感温用抵抗膜４０の設置個所に加わる最大の歪量である。このε_ｔは、各抵抗膜３０，４０や下地絶縁層６０を有するメンブレン２２の材質、寸法、形状などの情報を基に、シミュレーションすることで求めることができる。感温用抵抗膜４０が、条件式１を満たすことで、－５０℃以上４５０℃以下の範囲における温度測定の分解能を、１℃以下とすることができる。なお、温度測定の分解能とは、検出可能な最小の温度変化を意味し、数値が小さいほど分解能が良好であるといえる。

また、感歪用抵抗膜３０のゲージ率ｋ_ｄを４以上としたうえで、感温用抵抗膜４０が、条件式２：ＴＣＲ_ｔ≧（１０×ｋ_ｔ×ε_ｔ）を満たすことが好ましい。条件式２を変換すると、１≦｛ＴＣＲ_ｔ／（１０×ｋ_ｔ×ε_ｔ）｝となる。ここで、歪の測定において、感温用抵抗膜４０の測定誤差によりずれる抵抗変化量を、ΔＲ_ΔＴとする。感歪用抵抗膜３０のゲージ率ｋ_ｄが４以上で、なおかつ、感温用抵抗膜４０が条件式２を満たすことで、ΔＲ_ΔＴを小さくすることができる。その結果、－５０℃以上４５０℃以下の範囲における歪測定の分解能を、２００με以下とすることができる。歪測定の分解能は、検出可能な最小の歪量を意味し、数値が小さいほど分解能が良好であるといえる。

次に、各抵抗膜３０，４０を有するメンブレン２２（ステム２０）の製造方法について説明する。まず、中空筒状のステム２０は、ステンレス板などの金属板に対してプレスなどの機械加工を施すことで製造できる。この際、メンブレン２２となるステム２０の端壁が、他の部位よりも肉薄となるように、ステム２０を加工する。そして、下地絶縁層６０を、ＣＶＤなどの蒸着法により、メンブレン２２の外面２２ｂに形成する。

下地絶縁層６０の形成後、下地絶縁層６０の上に、感歪用抵抗膜３０と、感温用抵抗膜４０と、電極部５０と、を形成する。まず、各抵抗膜３０，４０を、ＤＣスパッタ装置やＲＦスパッタ装置を用いたスパッタリングや蒸着などの薄膜法により形成する。感歪用抵抗膜３０と感温用抵抗膜４０の成膜順序は、特に限定されず、それぞれの抵抗膜３０，４０の成膜後に、レーザー加工や、スクリーン印刷のような半導体加工技術による微細加工を施し、抵抗膜３０，４０の形成位置や平面形状を制御する。

なお、感歪用抵抗膜３０の成膜に際しては、反応室から除去しきれずに残留したＯやＮが、感歪用抵抗膜３０に取り込まれることがある。感歪用抵抗膜３０の組成におけるＯやＮの含有量は、上記のように成膜時に取り込まれたＯやＮにより決定されていてもよい。もしくは、成膜時またはアニール時における雰囲気ガスとして酸素ガスや窒素ガスを使用して、これら酸素ガスや窒素ガスの導入量を意図的に制御することで、感歪用抵抗膜３０の組成におけるＯやＮの含有量を制御してもよい。

また感歪用抵抗膜３０の成膜後には、当該抵抗膜に対して熱処理を施すことが好ましい。その際の熱処理温度は、特に限定されず、たとえば、５０℃～５５０℃とすることができ、３５０℃～５５０℃とすることが好ましい。

各抵抗膜３０，４０を所定のパターンで形成した後、電極部５０を、各抵抗膜３０，４０と電気的に接続するように、図２に示すような位置に形成する。電極部５０は、各抵抗膜３０，４０と同様にして、スパッタリングや蒸着などの薄膜法により形成することができる。電極部５０の材質は、導電性の金属または合金とすることができ、たとえば、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｍｏ、白金族元素、などが含まれることが好ましい。また、電極部５０は、材質の異なる多層構造であってもよい。

上記の方法により、歪測定部Ｓ１および温度測定部Ｓ２を有するメンブレン２２（ステム２０）が得られる。

以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明は、上述した実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々に改変することができる。

以下、本発明をさらに詳細な実施例に基づき説明するが、本発明はこれら実施例に限定されない。なお、下記に示す表において、※を付した試料番号が比較例である。

（実験１）
実験１では、ＣｒＮ系の感歪用抵抗膜を有する試料１と、ＣｒＡｌ系の感歪用抵抗膜を有する試料２と、ＣｒＡｌＮ系の感歪用抵抗膜を有する試料３～４を作製した。そして、作製した各試料について、膜組成、抵抗温度係数（ＴＣＲ_ｄ）、ゲージ率ｋ_ｄ、および感度温度係数（ＴＣＳ_ｄ）を測定した。

試料作製
まず、Ｓｉ基板を加熱して、基板表面に熱酸化膜であるＳｉＯ_２膜を形成した。その後、ＤＣスパッタ装置を用いて、ＳｉＯ_２膜の表面に感歪用抵抗膜を製膜した。さらに、成膜後の感歪用抵抗膜を３５０℃で熱処理したのち、微細加工によりホイーストンブリッジ回路を構成する感歪抵抗体（ＲＤ）を形成した。最後に、感歪用抵抗膜の表面に電子蒸着で電極部を形成し、感歪用抵抗膜の特性評価用の試料を得た。

なお、感歪用抵抗膜の成膜では、ＤＣスパッタ装置に用いるＣｒターゲットとＡｌターゲットの数、および、各ターゲットの電位を調整することにより、Ａｌ含有量を制御した。また、成膜時の雰囲気ガスとして、Ａｒガスと微量の窒素ガスを使用し、雰囲気ガス中の窒素ガスの割合により、Ｎ含有量を制御した。また、感歪用抵抗膜の膜厚は、いずれの試料においても、３００ｎｍとした。

組成分析
試料１～４における感歪用抵抗膜の組成は、ＸＲＦ（蛍光Ｘ線）法により分析した。

抵抗温度係数の測定
各試料（試料１～４）において、測定環境の温度を－５０℃から４５０℃まで変化させながら、抵抗値を測定し、温度変化に対する抵抗値の変化傾向を示すグラフを得た。そして、当該グラフの傾きＡを、最小二乗法による直線近似により求め、その傾きＡから、各試料のＴＣＲ_ｄを算出した。算出したＴＣＲ_ｄの基準温度は、２５℃である。

ゲージ率および感度温度係数の測定
各試料（試料１～４）において、測定環境の温度を－５０℃から４５０℃まで変化させながら、ゲージ率ｋ_ｄを測定し、図４に示すような温度変化対するゲージ率ｋ_ｄの変化傾向を示すグラフを得た。そして、当該グラフの傾きＢを、最小二乗法による直線近似により求め、その傾きＢから、各試料のＴＣＳ_ｄを算出した。算出したＴＣＳ_ｄの基準温度は、２５℃である。

各試料の組成分析結果、ＴＣＲ_ｄ、ゲージ率ｋ_ｄ、ＴＣＳ_ｄを、表１および図４に示す。

表１および図４に示すように、ＣｒＮ系合金膜の試料１は、－５０℃から１５０℃の低温域では高いゲージ率が得られるが、２００℃以上の高温域では、極端にゲージ率が低下してしまった。そのため、感歪用抵抗膜としてＣｒＮ系合金膜を用いた場合には、２００℃以上の高温域において、圧力測定の精度が得られないことがわかった。試料２では、Ａｌが含まれているが、Ａｌ含有率が５ａｔ％以下であり、２００℃以上の高温域でゲージ率が低下し、安定したゲージ率を確保できなかった。

一方、一般式Ｃｒ_{１００－ｘ－ｙ}Ａｌ_ｘＮ_ｙで表され、５＜ｘ≦５０，０．１≦ｙ≦２０を満たすＣｒＡｌＮ合金膜を用いた試料３，４では、－５０℃～４５０℃の範囲で高いゲージ率を安定して確保することができた。この結果から、所定の組成を満たすＣｒＡｌＮ合金膜を感歪用抵抗膜として用いることで、－５０℃～４５０℃の範囲で高い精度で圧力測定が可能であることがわかった。

（実験２）
実験２では、一般式Ｃｒ_{１００－ｘ－ｙ}Ａｌ_ｘＮ_ｙで表される感歪用抵抗膜３０について、組成範囲とゲージ率との関係性を評価するために、Ａｌ含有量（ｘの値）が異なる９試料を作製した。そして、各試料の組成（Ａｌ含有量）と、２５℃でのゲージ率ｋ_ｄと、を測定した。実験２における各試料の作製方法およびゲージ率の測定方法は、実験１と同様とした。実験２の評価結果を図５に示す。図５では、Ａｌ含有量を横軸、感歪用抵抗膜３０のゲージ率ｋ_ｄを縦軸として、実験２の各試料の測定結果をプロットした。なお、図５では、Ｎの含有量を示していないが、実験２の全ての試料において、０．１≦ｙ≦２０であった。

図５に示すように、ｘ≦５０の試料については、一般的な金属のゲージ率である２．６に対して十分に大きなゲージ率が得られ、感歪用抵抗膜３０として好適に用いることができることがわかった。特に、Ａｌ含有量をｘ≦４０とすることで、ゲージ率ｋ_ｄが４以上となり、圧力測定の感度が良好となることがわかった。

（実験３）
実験３では、一般式Ｃｒ_{１００－ｘ－ｙ}Ａｌ_ｘＮ_ｙで表される感歪用抵抗膜３０について、組成範囲とＴＣＲ_ｄとの関係性を評価するために、Ａｌ含有量（ｘの値）が異なる８試料を作製した。そして、各試料の組成（Ａｌ含有量）と、ＴＣＲ_ｄと、を測定した。実験３における各試料の作製方法およびＴＣＲ_ｄの測定方法は、実験１と同様とした。実験３の評価結果を図６に示す。図６では、Ａｌ含有量を横軸、ＴＣＲ_ｄを縦軸として、実験３の各試料の測定結果をプロットした。なお、図６では、Ｎの含有量を示していないが、実験３の全ての試料において、０．１≦ｙ≦２０であった。

図６に示すように、Ａｌ含有量が０≦ｘ≦２５である４つの試料では、Ａｌの単位組成変化（横軸）に伴うＴＣＲ_ｄの傾きが大きく、各プロットを最小二乗法により直線近似して算出した傾きの絶対値は、１０５であった。これに対して、Ａｌ含有量が２５＜ｘ≦５０である４つの試料では、Ａｌの単位組成変化（横軸）に伴うＴＣＲの傾きが小さく、各プロットを最小二乗法により直線近似して算出した傾きの絶対値は、１６であった。

すなわち、Ａｌ含有量が２５＜ｘ≦５０の試料では、１ａｔ％のＡｌ含有量の変動に対するＴＣＲ_ｄの変化率を、５％未満に抑制することができ、組成変化に伴う特性変化を大幅に抑制できることがわかった。

（実験４）
実験４では、感歪用抵抗膜３０と感温用抵抗膜４０とを有する４つの試料（試料５～８）を作製した。

試料５
具体的に、試料５では、一般式Ｃｒ_{１００－ｘ－ｙ}Ａｌ_ｘＮ_ｙで表され、５＜ｘ≦５０，０．１≦ｙ≦２０を満たす感歪用抵抗膜３０を、ＤＣスパッタ装置を用いて、Ｓｉ基板のＳｉＯ_２膜の表面に形成した。そして、感歪用抵抗膜３０を３５０℃で熱処理したのち、当該感歪用抵抗膜３０に対して微細加工を施し、ホイーストンブリッジ回路を形成した。また、感温用抵抗膜４０を、最大の歪量ε_ｔが２００μεである位置に、形成した。試料５において、感温用抵抗膜４０は、一般式Ｃｒ_{１００－ｘ－ｙ}Ａｌ_ｘＮ_ｙで表され、５＜ｘ≦５０，０．１≦ｙ≦２０を満たしており、感歪用抵抗膜３０と同じ組成とした。最後に、電子蒸着で電極部を形成し、感温感歪複合センサとしての試料５を得た。

試料６
試料６では、一般式Ｃｒ_{１００－ｘ－ｙ}Ａｌ_ｘＮ_ｙで表され、５＜ｘ≦５０，０．１≦ｙ≦２０を満たす感歪用抵抗膜３０と、Ｐｔ系合金薄膜からなる感温用抵抗膜４０と、を形成した。試料６において、各抵抗膜の組成が試料５とは異なるが、組成以外の実験条件は試料５と同様とした。

試料７
試料７では、一般式Ｃｒ_{１００－ｘ－ｙ}Ａｌ_ｘＮ_ｙで表され、５＜ｘ≦５０，０．１≦ｙ≦２０を満たす感歪用抵抗膜３０と、Ｃｕ系合金薄膜からなる感温用抵抗膜４０と、を形成した。試料７において、各抵抗膜の組成が試料５とは異なるが、組成以外の実験条件は試料５と同様とした。

試料８
試料８では、一般式Ｃｒ_{１００－ｘ－ｙ}Ａｌ_ｘＮ_ｙで表され、５＜ｘ≦５０，０．１≦ｙ≦２０を満たす感歪用抵抗膜３０と、Ｎｉ系合金薄膜からなる感温用抵抗膜４０と、を形成した。試料８において、各抵抗膜の組成が試料５とは異なるが、組成以外の実験条件は試料５と同様とした。

実験４の各試料５～８について、各抵抗膜３０，４０の抵抗温度係数、ゲージ率、および、感度温度係数を、実験１と同様にして測定した。また、各試料について、－５０℃～４５０℃の範囲における温度測定の分解能と、歪測定の分解能とを算出した。温度測定の分解能については、－５０℃～４５０℃の温度域において常に１℃以下の分解能が得られた場合を、合格（Ｇ）と判断し、－５０℃～４５０℃の温度域で分解能が１℃を超えた場合を、不合格（Ｆ）と判断した。実験４の評価結果を表２に示す。なお、表２に示すゲージ率（ｋ_ｄ、ｋ_ｔ）は、２５℃における測定結果である。

表２に示すように、感歪用抵抗膜３０と感温用抵抗膜４０とを同質材で構成した試料５では、温度測定の分解能が悪く、ε_ｔが２００μεの箇所に感温用抵抗膜４０を配置すると、１℃の温度変化を正確に計測できなかった。また、試料５では、歪測定において、感温用抵抗膜４０の測定誤差によりずれる抵抗変化量ΔＲ_ΔＴが大きくなり、歪測定の分解能が４００μεとなった。つまり、試料５では、４００με未満の歪量の検出ができず、歪測定の精度が得られなかった。

一方、試料６～８では、感温用抵抗膜４０として、感歪用抵抗膜３０と異なる組成を有し、かつ、ＴＣＲ_ｔが２０００ｐｐｍ／℃以上である金属膜を用いた。この試料６～８では、－５０℃～４５０℃の温度域で、温度測定の分解能が常に１℃以下となり、十分な精度で温度測定が可能であった。また、歪測定の分解能は、２００με以下であり、試料６～８では、試料５よりも歪測定の精度が向上した。

なお、試料６～８の評価結果を比較することで、感温用抵抗膜４０のＴＣＲ_ｔが高くなるほど、温度測定の分解能および歪測定の分解能がさらに向上することがわかった。また、感温用抵抗膜４０のゲージ率ｋ_ｔが低くなるほど、温度測定の分解能および歪測定の分解能がさらに向上することがわかった。

（実験５）
実験５では、感温用抵抗膜４０の材質および設置個所を変えた９つの試料を作製した。実験５における試料の製造方法は実験４と同様とした。そして、実験５の各試料について、設置個所の最大歪量ε_ｔが加わった際の感温用抵抗膜４０の抵抗変化量ΔＲ’’_ｔを測定した。各試料のΔＲ’’_ｔの測定は、環境温度：－５０℃、２５℃、４５０℃の条件で実施した。実験５の評価結果を図７に示す。

図７では、条件式１に該当するＴＣＲ_ｔ／（２．５×ｋ_ｔ×ε_ｔ）を横軸とし、ΔＲ’’_ｔを縦軸として、各試料の測定結果をプロットした。ΔＲ’’_ｔが小さいほど、温度測定の分解能が良好であるといえる。より具体的に、図７に示す基準線ＲＬ１は、１℃の温度変化により生じる感温用抵抗膜４０の抵抗変化量ΔＲ’である。測定結果のプロットが基準線ＲＬ１を下回った場合（すなわち、ΔＲ’’_ｔ＜ΔＲ’の場合）、温度変化に伴う抵抗変化量が、最大歪量ε_ｔによる抵抗変化量よりも大きく、１℃の温度変化が計測可能である。つまり、－５０℃、２５℃、４５０℃のプロットがいずれも基準線ＲＬ１を下回れば、－５０℃～４５０℃の範囲において、温度測定の分解能が常に１℃以下になると判断できる。

図７に示すように、０．５≦｛ＴＣＲ_ｔ／（２．５×ｋ_ｔ×ε_ｔ）｝＜１．０の範囲では、－５０℃のプロットおよび２５℃のプロットが、基準線ＲＬ１を下回った。ただし、４５０℃のプロットが、基準線ＲＬ１を上回っており、４５０℃の高温域では、１℃以下の分解能が得られなかった。

一方、１．０≦｛ＴＣＲ_ｔ／（２．５×ｋ_ｔ×ε_ｔ）｝の範囲では、－５０℃～４５０℃の全てのプロットが、基準線ＲＬ１を下回り、－５０℃～４５０℃の範囲で常に１℃以下の分解能が得られた。

（実験６）
実験６では、感温用抵抗膜４０の材質および設置個所を変えた７つの試料を作製した。実験６における試料の製造方法は実験４と同様とした。そして、実験６の各試料について、感温用抵抗膜４０の測定誤差によりずれる抵抗変化量ΔＲ_ΔＴを算出した。実験６の評価結果を図８に示す。

図８では、条件式２に該当するＴＣＲ_ｔ／（１０×ｋ_ｔ×ε_ｔ）を横軸とし、ΔＲ_ΔＴを縦軸として、各試料の測定結果をプロットした。図８に示す基準線ＲＬ２は、ｋ_ｄ＝４の感歪用抵抗膜３０が、４５０℃で２００μεの歪を受けた際に生じる抵抗変化量ΔＲ’’_ｄである。同様に、基準線ＲＬ３は、ｋ_ｄ＝４の感歪用抵抗膜３０が、－５０℃で２００μεの歪を受けた際に生じる抵抗変化量ΔＲ’’_ｄである。歪の測定では、感歪用抵抗膜３０に所定の歪ε_ｎが加わった際の抵抗変化量ΔＲ’’_ｄが、ΔＲ_ΔＴよりも大きければ、所定の歪ε_ｎを正確に検出できる。つまり、ΔＲ_ΔＴのプロットが、基準線ＲＬ２およびＲＬ３の両方を下回れば、－５０℃～４５０℃の温度範囲で常に２００μｍ以下の分解能が得られる。

図８に示すように、０．４≦｛ＴＣＲ_ｔ／（１０×ｋ_ｔ×ε_ｔ）｝＜１．０の範囲では、ΔＲ_ΔＴが、基準線ＲＬ３を下回るが、基準線ＲＬ２を上回った。つまり、０．４≦｛ＴＣＲ_ｔ／（１０×ｋ_ｔ×ε_ｔ）｝＜１．０の場合、－５０℃では２００μεの歪を検出できるが、４５０℃では２００μεの歪を検出できない。

一方、１．０≦｛ＴＣＲ_ｔ／（１０×ｋ_ｔ×ε_ｔ）｝の範囲では、ΔＲ_ΔＴが、基準線ＲＬ２とＲＬ３の両方を下回っており、－５０℃～４５０℃の範囲で常に２００με以下の分解能が得られることがわかった。

なお、図８に示す基準線ＲＬ４は、ｋ_ｄ＝３の感歪用抵抗膜３０が、４５０℃で２００μεの歪を受けた際に生じる抵抗変化量ΔＲ’’_ｄである。ゲージ率が４未満であるｋ_ｄ＝３の感歪用抵抗膜３０を使用する場合には、１．３≦｛ＴＣＲ_ｔ／（１０×ｋ_ｔ×ε_ｔ）｝を満たすことで、２００με以上の分解能が得られることがわかった。

１０ … 感温感歪複合センサ
１２ … 接続部材
１２ａ … ねじ溝
１２ｂ … 流路
１４ … 抑え部材
７０ … 回路基板
８２ … 中間配線
２０ … ステム
２１ … フランジ部
２２ … メンブレン
２２ａ … 内面
２２ｂ … 外面
３０ … 感歪用抵抗膜
４０ … 感温用抵抗膜
５０ … 電極部
６０ … 下地絶縁層

Claims (5)

1. 一般式Ｃｒ_{１００－ｘ－ｙ}Ａｌ_ｘＮ_ｙで表され、ｘ、ｙのそれぞれの組成領域が５＜ｘ≦５０，０．１≦ｙ≦２０である感歪用抵抗膜と、
   －５０以上４５０℃以下の温度範囲における抵抗温度係数（ＴＣＲ）の絶対値が、２０００ｐｐｍ／℃以上である感温用抵抗膜と、を有する感温感歪複合センサ。
2. －５０以上４５０℃以下の温度範囲における前記感温用抵抗膜の感度温度係数（ＴＣＳ）の絶対値が、５００ｐｐｍ／℃以下である請求項１に記載の感温感歪複合センサ。
3. 前記感温用抵抗膜の抵抗温度係数をＴＣＲ_ｔとし、前記感温用抵抗膜のゲージ率をｋ_ｔとし、前記感温用抵抗膜の設置個所に加わる最大の歪量をε_ｔとして、
   ＴＣＲ_ｔ≧（２．５×ｋ_ｔ×ε_ｔ）を満たす請求項１または２に記載の感温感歪複合センサ。
4. －５０以上４５０℃以下の温度範囲における前記感歪用抵抗膜のゲージ率ｋ_ｄが、４以上であり、
   前記感温用抵抗膜の抵抗温度係数をＴＣＲ_ｔとし、前記感温用抵抗膜のゲージ率をｋ_ｔとし、前記感温用抵抗膜の設置個所に加わる最大の歪量をε_ｔとして、
   ＴＣＲ_ｔ≧（１０×ｋ_ｔ×ε_ｔ）を満たす請求項１～３のいずれかに記載の感温感歪複合センサ。
5. 前記感歪用抵抗膜におけるｘ、ｙのそれぞれの組成領域が、２５＜ｘ≦５０，０．１≦ｙ≦２０である請求項１～４のいずれかに記載の感温感歪複合センサ。
   
   
   
   

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