JP7549984B2 - Stacked electrode, strain-resistant film with electrode, and pressure sensor - Google Patents
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Description
本発明は、歪抵抗膜の上に設けられる積層電極、電極付き歪抵抗膜およびこれらを有する圧力センサ等に関する。 The present invention relates to a laminated electrode provided on a strain-resistance film, a strain-resistance film with electrodes, and a pressure sensor having these.
圧力センサなどのデバイスに用いられる歪抵抗膜として、CrとAlとを含むものが提案されている。このような歪抵抗膜は、特に高温で優れた特性を有することが報告されている。 A strain-resistance film containing Cr and Al has been proposed for use in devices such as pressure sensors. Such strain-resistance films have been reported to have excellent properties, especially at high temperatures.
また、このような歪抵抗膜の上には、外部回路との配線のための電極層が設けられる。このような電極層は、歪抵抗膜と配線材料の双方に対する接合性が良好であることが好ましく、たとえば、複数の層を積層した積層電極が提案されている(特許文献1等参照)。 In addition, an electrode layer for wiring to an external circuit is provided on such a strain resistive film. It is preferable that such an electrode layer has good adhesion to both the strain resistive film and the wiring material. For example, a laminated electrode in which multiple layers are stacked has been proposed (see Patent Document 1, etc.).
しかしながら、本発明の発明者らは、従来の歪抵抗膜用電極層は、たとえ常温での接合性が良好であったとしても、高温環境に暴露されると、配線との密着力が低下するという課題に遭遇した。 However, the inventors of the present invention encountered the problem that, even if the electrode layer for a conventional strain-resistant film has good bonding properties at room temperature, the adhesion to the wiring decreases when exposed to a high-temperature environment.
本発明は、このような実状に鑑みてなされ、その目的は、歪抵抗膜としてCrとAlとを含むものを用いる場合いおいて、高温環境に暴露された後でも、配線に対する良好な密着力を奏する歪抵抗膜用積層電極等を提供することである。 The present invention was made in consideration of the above-mentioned circumstances, and its purpose is to provide a laminated electrode for a strain-resistant film that exhibits good adhesion to wiring even after exposure to a high-temperature environment when a strain-resistant film containing Cr and Al is used.
本発明に係る積層電極は、歪抵抗膜の上に設けられる積層電極であって、
前記歪抵抗膜は、CrとAlとを含み、
前記積層電極は、前記歪抵抗膜の上に重なるコンタクト層と、前記コンタクト層の上に重なる拡散防止層と、前記拡散防止層の上に重なる実装層と、を有し、
前記拡散防止層は、第5または6周期に属する遷移元素を含む。
The laminated electrode according to the present invention is a laminated electrode provided on a strain resistive film,
The strain-resistance film includes Cr and Al,
the laminated electrode has a contact layer overlapping the strain resistive film, a diffusion prevention layer overlapping the contact layer, and a mounting layer overlapping the diffusion prevention layer,
The diffusion prevention layer contains a transition element belonging to the fifth or sixth period.
本発明に係る積層電極は、CrとAlとを含む歪抵抗膜の上に形成され、コンタクト層と、拡散防止層と、実装層の少なくとも3層を有する。第5または6周期に属する遷移元素を含む拡散防止層は、コンタクト層および歪抵抗膜に含まれる元素が、実装層へ相互拡散することを防止する。このような拡散防止層を有する積層電極は、相互拡散した元素の実装層界面での反応が抑制されることにより、高温耐性が向上するとともに、高温環境に暴露された後でも配線に対する良好な密着力を奏する。 The laminated electrode according to the present invention is formed on a strain-resistant film containing Cr and Al, and has at least three layers: a contact layer, a diffusion prevention layer, and a mounting layer. The diffusion prevention layer, which contains a transition element belonging to the fifth or sixth period, prevents elements contained in the contact layer and the strain-resistant film from interdiffusing into the mounting layer. A laminated electrode having such a diffusion prevention layer has improved high-temperature resistance and exhibits good adhesion to wiring even after exposure to a high-temperature environment by suppressing the reaction of the interdiffused elements at the mounting layer interface.
また、たとえば、前記歪抵抗膜は、50~99at%のCrと、1~50at%のAlとを含んでいてもよい。 For example, the strain-resistant film may contain 50 to 99 at% Cr and 1 to 50 at% Al.
このような歪抵抗膜は、広い温度範囲で安定した高いゲージ率を有するとともに、積層電極の拡散防止層が、歪抵抗膜において含有率の高いCrの実装層への相互拡散を効果的に防止し、良好な密着力を奏する積層電極を実現する。 This type of strain-resistant film has a stable, high gauge factor over a wide temperature range, and the anti-diffusion layer of the laminated electrode effectively prevents interdiffusion of Cr, which has a high content in the strain-resistant film, into the mounting layer, resulting in a laminated electrode with good adhesion.
また、たとえば、前記拡散防止層は、白金族元素を含むものであってもよい。 For example, the diffusion prevention layer may contain a platinum group element.
拡散防止層が化学的に安定な白金族元素を含むものであることにより、歪抵抗膜および積層電極における各膜間および各層間の相互拡散を効果的に防止できる。また、相互拡散した元素の実装層界面での反応についても、効果的に抑制できる。 By containing a chemically stable platinum group element, the diffusion prevention layer can effectively prevent interdiffusion between the films and layers in the strain resistive film and laminated electrode. In addition, reactions of interdiffused elements at the mounting layer interface can also be effectively suppressed.
また、たとえば、前記コンタクト層は、Cr、Ti、Ni、Moのうち少なくともいずれか1つを含むものであってもよい。
また、たとえば、前記コンタクト層は、Tiを含むものであってもよい。
Furthermore, for example, the contact layer may contain at least one of Cr, Ti, Ni, and Mo.
For example, the contact layer may contain Ti.
このようなコンタクト層に含まれる元素は、他の金属元素と合金を形成しやすいため、膜間および層間の密着強度を確保して膜の剥離不良を防ぐのに効果的である。また、特にTiは、CrとAlとを含む歪抵抗膜に対して比較的拡散しにくい性質を有するとともに、第5または6周期に属する遷移元素を含む拡散防止層により、実装層への相互拡散が効果的に防止される。さらに、Tiは、Auなどを含む実装層へも拡散しづらく、実装層上面への析出を生じにくい。したがって、このようなコンタクト層を有する積層電極は、歪抵抗膜および積層電極における各膜間および各層間の相互拡散を効果的に防止できる。また、このようなコンタクト層を有する積層電極は、高温環境下における歪抵抗膜の特性変化を防止するとともに、高温耐性が向上し、かつ、高温環境に暴露された後でも配線に対する非常に良好な密着力を奏する。 The elements contained in such a contact layer are likely to form alloys with other metal elements, and are therefore effective in ensuring inter-film and inter-layer adhesion strength and preventing film peeling failure. In particular, Ti is relatively difficult to diffuse into a strain-resistant film containing Cr and Al, and the diffusion prevention layer containing a transition element belonging to the fifth or sixth period effectively prevents interdiffusion into the mounting layer. Furthermore, Ti is also difficult to diffuse into a mounting layer containing Au, etc., and is unlikely to precipitate on the upper surface of the mounting layer. Therefore, a laminated electrode having such a contact layer can effectively prevent interdiffusion between the films and layers in the strain-resistant film and the laminated electrode. In addition, a laminated electrode having such a contact layer prevents changes in the characteristics of the strain-resistant film in a high-temperature environment, improves high-temperature resistance, and exerts very good adhesion to wiring even after exposure to a high-temperature environment.
また、たとえば、前記実装層は、Auを含むものであってもよい。 Also, for example, the mounting layer may contain Au.
実装層がAuを含むものであることにより、耐熱性の良好なAu配線に対する実装層の密着性が特に良好となる。したがって、このような実装層を有する積層電極は、高温耐性が向上するとともに、配線に対する良好な密着力を奏する。 By containing Au in the mounting layer, the adhesion of the mounting layer to the heat-resistant Au wiring is particularly good. Therefore, a laminated electrode having such a mounting layer has improved high-temperature resistance and exhibits good adhesion to the wiring.
また、本発明に係る電極付き歪抵抗膜は、上記いずれかに記載の積層電極と、前記歪抵抗膜と、を有する。
また、本発明に係る圧力センサは、上記いずれかに記載の積層電極と、
前記歪抵抗膜と、
前記歪抵抗膜が設けられるメンブレンと、を有する。
Moreover, an electrode-attached strain-resistance film according to the present invention comprises any one of the laminated electrodes described above and the strain-resistance film.
A pressure sensor according to the present invention includes any one of the laminated electrodes described above,
The strain-resistance film;
and a membrane on which the strain resistive film is provided.
上記の積層電極は、歪抵抗膜の上に設けられて、電極付き歪抵抗膜として用いられる。また、このような積層電極および歪抵抗膜は、メンブレンなどに設けられて、たとえば、高温環境でも優れた耐性を奏する圧力センサを構成する。 The laminated electrode is provided on a strain resistance film and used as an electrode-equipped strain resistance film. In addition, such a laminated electrode and strain resistance film are provided on a membrane or the like to form, for example, a pressure sensor that exhibits excellent resistance even in high-temperature environments.
以下、本発明を、図面に示す実施形態に基づき説明する。 The present invention will now be described based on the embodiments shown in the drawings.
図1は、本発明の一実施形態に係る積層電極36(図2参照)を用いる圧力センサ10の概略断面図である。図1に示すように、圧力センサ10は、圧力に応じた変形を生じるメンブレン22を有する。メンブレン22は、本実施形態では、中空筒状のステム20の一端に形成してある端壁で構成してある。ステム20の他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。 Figure 1 is a schematic cross-sectional view of a pressure sensor 10 using a laminated electrode 36 (see Figure 2) according to one embodiment of the present invention. As shown in Figure 1, the pressure sensor 10 has a membrane 22 that deforms in response to pressure. In this embodiment, the membrane 22 is composed of an end wall formed at one end of a hollow cylindrical stem 20. The other end of the stem 20 is an open end of the hollow portion, and the hollow portion of the stem 20 is connected to the flow path 12b of the connection member 12.
圧力センサ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、流体圧をメンブレン22に作用するようになっている。ステム20は、たとえばステンレスなどの金属で構成される。 In the pressure sensor 10, the fluid introduced into the flow path 12b is guided from the hollow portion of the stem 20 to the inner surface 22a of the membrane 22, so that the fluid pressure acts on the membrane 22. The stem 20 is made of a metal such as stainless steel.
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。 A flange portion 21 is formed around the open end of the stem 20 so as to protrude outward from the axis of the stem 20. The flange portion 21 is sandwiched between the connection member 12 and the holding member 14, so that the flow path 12b leading to the inner surface 22a of the membrane 22 is sealed.
接続部材12は、圧力センサ10を固定するためのねじ溝12aを有する。圧力センサ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。 The connecting member 12 has a screw groove 12a for fixing the pressure sensor 10. The pressure sensor 10 is fixed via the screw groove 12a to a pressure chamber in which the fluid to be measured is sealed. As a result, the flow path 12b formed inside the connecting member 12 and the inner surface 22a of the membrane 22 in the stem 20 are airtightly connected to the pressure chamber in which the fluid to be measured exists.
抑え部材14の上面には、回路基板16が取り付けてある。回路基板16は、ステム20の周囲を囲むリング状の形状を有しているが、回路基板16の形状としてはこれに限定されない。回路基板16には、たとえば、電極付き歪抵抗膜30からの検出信号が伝えられる回路などが内蔵してある。 A circuit board 16 is attached to the upper surface of the retaining member 14. The circuit board 16 has a ring shape that surrounds the stem 20, but the shape of the circuit board 16 is not limited to this. The circuit board 16 includes, for example, a built-in circuit that transmits a detection signal from the electrode-equipped strain-resistance film 30.
図1に示すように、メンブレン22の外面22bには、電極付き歪抵抗膜30が設けられている。電極付き歪抵抗膜30と回路基板16とは、ワイヤボンディングなどによる中間配線72により接続してある。 As shown in FIG. 1, an electrode-equipped strain-resistance film 30 is provided on the outer surface 22b of the membrane 22. The electrode-equipped strain-resistance film 30 and the circuit board 16 are connected by intermediate wiring 72, for example, by wire bonding.
図2は、図1に示す圧力センサ10に含まれる電極付き歪抵抗膜30の一部を拡大して表示した模式断面図である。図2に示すように、電極付き歪抵抗膜30は、歪抵抗膜32と、歪抵抗膜用積層電極(以下、単に「積層電極」とも言う。)36と、を有する。 Figure 2 is a schematic cross-sectional view showing an enlarged portion of the electrode-attached strain-resistance film 30 included in the pressure sensor 10 shown in Figure 1. As shown in Figure 2, the electrode-attached strain-resistance film 30 has a strain-resistance film 32 and a laminated electrode for the strain-resistance film (hereinafter also simply referred to as a "laminated electrode") 36.
図2に示すように、歪抵抗膜32は、メンブレン22の外面22bに、下地絶縁層52を介して設けられている。 As shown in FIG. 2, the strain-resistant film 32 is provided on the outer surface 22b of the membrane 22 via an underlying insulating layer 52.
下地絶縁層52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り、たとえばシリコン酸化物、シリコン窒化物、シリコン酸窒化物などで構成される。下地絶縁層52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。下地絶縁層52は、たとえばCVDなどの蒸着法によりメンブレン22の外面22bに形成することができる。 The base insulating layer 52 is formed so as to cover almost the entire outer surface 22b of the membrane 22, and is composed of, for example, silicon oxide, silicon nitride, silicon oxynitride, etc. The thickness of the base insulating layer 52 is preferably 10 μm or less, and more preferably 1 to 5 μm. The base insulating layer 52 can be formed on the outer surface 22b of the membrane 22 by, for example, a deposition method such as CVD.
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52は、形成することなく、メンブレン22の外面22bに直接に歪抵抗膜32を成膜してもよい。たとえば、メンブレン22がアルミナなどの絶縁材料からなる場合には、歪抵抗膜32がメンブレン22に直接設けられてもよい。 If the outer surface 22b of the membrane 22 is insulating, the strain resistance film 32 may be formed directly on the outer surface 22b of the membrane 22 without forming the base insulating layer 52. For example, if the membrane 22 is made of an insulating material such as alumina, the strain resistance film 32 may be provided directly on the membrane 22.
図2に示すように、電極付き歪抵抗膜30において、積層電極36は、歪抵抗膜32の上に設けられる。図3は、図1および図2に示す電極付き歪抵抗膜30を上方から見た模式平面図であり、電極付き歪抵抗膜30のパターン配列を示している。 As shown in FIG. 2, in the electrode-equipped strain-resistance film 30, the laminated electrode 36 is provided on the strain-resistance film 32. FIG. 3 is a schematic plan view of the electrode-equipped strain-resistance film 30 shown in FIGS. 1 and 2, seen from above, and shows the pattern arrangement of the electrode-equipped strain-resistance film 30.
図3に示すように、歪抵抗膜32には、第1抵抗体R1、第2抵抗体R2、第3抵抗体R3および第4抵抗体R4が、所定パターンで形成されている。第1~第4抵抗体R1、R2、R3、R4は、メンブレン22の変形に応じた歪を生じ、メンブレン22の変形に応じて抵抗値が変化する。これらの第1~第4抵抗体R1~R4は、電気配線34によりホイートストーンブリッジ回路を構成するように接続されている。 As shown in FIG. 3, the first resistor R1, the second resistor R2, the third resistor R3 and the fourth resistor R4 are formed in a predetermined pattern on the strain resistive film 32. The first to fourth resistors R1, R2, R3 and R4 generate strain in response to the deformation of the membrane 22, and their resistance values change in response to the deformation of the membrane 22. These first to fourth resistors R1 to R4 are connected by electrical wiring 34 to form a Wheatstone bridge circuit.
図1に示す圧力センサ10は、図3に示す第1~第4抵抗体R1~R4による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に作用する流体圧を検出する。すなわち、第1~第4抵抗体R1~R4は、図1および図2に示すメンブレン22が、流体圧により変形して歪む位置に設けられており、その歪み量に応じて抵抗値が変化するように構成してある。 The pressure sensor 10 shown in FIG. 1 detects the fluid pressure acting on the membrane 22 from the output of a Wheatstone bridge circuit consisting of the first to fourth resistors R1 to R4 shown in FIG. 3. That is, the first to fourth resistors R1 to R4 are provided at positions where the membrane 22 shown in FIGS. 1 and 2 is deformed and distorted by fluid pressure, and are configured so that the resistance value changes according to the amount of distortion.
第1~第4抵抗体R1~R4を有する歪抵抗膜32は、たとえば、所定の材料の導電性の薄膜を、パターニングすることにより作製することができる。歪抵抗膜32は、CrとAlとを含み、好ましくは、50~99at%のCrと、1~50at%のAlとを含み、さらに好ましくは70~90at%のCrと、5~30at%のAlとを含む。歪抵抗膜32がCrとAlとを含むことにより、高温環境下におけるTCR(Temperature coefficient of Resistance、抵抗値温度係数)やTCS(Temperature coefficient of sensitivity、抵抗温度係数)が安定し、精度の高い圧力検出が可能となる。また、CrとAlの含有量を所定の範囲とすることにより、高いゲージ率と良好な温度安定性を、より高いレベルで両立できる。 The strain-resistance film 32 having the first to fourth resistors R1 to R4 can be fabricated, for example, by patterning a conductive thin film of a predetermined material. The strain-resistance film 32 contains Cr and Al, preferably 50 to 99 at% Cr and 1 to 50 at% Al, and more preferably 70 to 90 at% Cr and 5 to 30 at% Al. By containing Cr and Al, the strain-resistance film 32 stabilizes the TCR (Temperature coefficient of Resistance) and TCS (Temperature coefficient of sensitivity) in a high-temperature environment, enabling highly accurate pressure detection. In addition, by setting the content of Cr and Al within a predetermined range, a high gauge factor and good temperature stability can be achieved at a higher level.
歪抵抗膜32は、CrおよびAl以外の元素を含んでいてもよく、たとえば、歪抵抗膜32は、ОやNを含んでいてもよい。歪抵抗膜32に含まれるOやNは、歪抵抗膜32を成膜する際に反応室から除去しきれずに残留したものが、歪抵抗膜32に取り込まれたものであってもよい。また、歪抵抗膜32に含まれるOやNは、成膜時またはアニール時に雰囲気ガスとして使用されるなどして、意図的に歪抵抗膜32に導入されたものであってもよい。 The strain resistive film 32 may contain elements other than Cr and Al. For example, the strain resistive film 32 may contain O or N. The O or N contained in the strain resistive film 32 may be those that were not completely removed from the reaction chamber when the strain resistive film 32 was formed and that were then incorporated into the strain resistive film 32. The O or N contained in the strain resistive film 32 may also be those that were intentionally introduced into the strain resistive film 32 by being used as an atmospheric gas during film formation or annealing.
また、歪抵抗膜32は、CrおよびAl以外の金属元素を含んでいてもよい。歪抵抗膜32は、CrおよびAl以外の金属や非金属元素を微量に含み、アニールなどの熱処理が行われることにより、ゲージ率や温度特性が向上する場合がある。歪抵抗膜32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。 The strain-resistance film 32 may also contain metal elements other than Cr and Al. The strain-resistance film 32 may contain trace amounts of metals and nonmetallic elements other than Cr and Al, and may improve the gauge factor and temperature characteristics by heat treatment such as annealing. Examples of metals and nonmetallic elements other than Cr and Al contained in the strain-resistance film 32 include 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, and rare earth elements.
歪抵抗膜32は、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。第1~第4抵抗体R1~R4は、たとえば薄膜をミアンダ形状にパターニングすることで形成することができる。歪抵抗膜32の厚みは、特に限定されないが、好ましくは10μm以下、さらに好ましくは0.1~1μmである。なお、電気配線34は、図3に示すように、歪抵抗膜32をパターニングすることにより形成されたものであってもよく、歪抵抗膜32とは異なる導電性の膜または層によって形成されたものであってもよい(図7参照)。 The strain resistive film 32 can be formed by a thin film method such as sputtering or vapor deposition. The first to fourth resistors R1 to R4 can be formed, for example, by patterning a thin film into a meandering shape. The thickness of the strain resistive film 32 is not particularly limited, but is preferably 10 μm or less, and more preferably 0.1 to 1 μm. The electrical wiring 34 may be formed by patterning the strain resistive film 32 as shown in FIG. 3, or may be formed from a conductive film or layer different from that of the strain resistive film 32 (see FIG. 7).
図2に示すように、積層電極36は、歪抵抗膜32の上に重ねて設けられる。図2に示すように、積層電極36は、歪抵抗膜32の上表面の一部に形成されている。 As shown in FIG. 2, the laminated electrode 36 is disposed on top of the strain resistive film 32. As shown in FIG. 2, the laminated electrode 36 is formed on a portion of the upper surface of the strain resistive film 32.
図3に示すように、積層電極36は、歪抵抗膜32上の4か所に、それぞれ独立して形成してある。各積層電極36は、電気配線34を介して、第1~第4抵抗体R1~R4のいずれか2つに、電気的に接続されている。積層電極36は、歪抵抗膜32のうち、第1~第4抵抗体R1~R4が形成されていない位置に設けられている。 As shown in FIG. 3, the laminated electrodes 36 are formed independently at four locations on the strain resistive film 32. Each laminated electrode 36 is electrically connected to any two of the first to fourth resistors R1 to R4 via electrical wiring 34. The laminated electrodes 36 are provided at locations on the strain resistive film 32 where the first to fourth resistors R1 to R4 are not formed.
図3では図示されていないが、図1および図2に示す中間配線72の一方の端部が、図3に示すそれぞれの積層電極36に接続してある。すなわち、第1~第4抵抗体R1~R4によるホイートストーンブリッジ回路の出力は、積層電極36および中間配線72(図1および図2参照)を介して、図1に示す回路基板16へ伝えられる。 Although not shown in FIG. 3, one end of the intermediate wiring 72 shown in FIG. 1 and FIG. 2 is connected to each of the laminated electrodes 36 shown in FIG. 3. In other words, the output of the Wheatstone bridge circuit formed by the first to fourth resistors R1 to R4 is transmitted to the circuit board 16 shown in FIG. 1 via the laminated electrode 36 and the intermediate wiring 72 (see FIG. 1 and FIG. 2).
図2に示すように、積層電極36は、歪抵抗膜の上に重なるコンタクト層36aと、コンタクト層36aの上に重なる拡散防止層36bと、拡散防止層36bの上に重なる実装層36cとを有する。積層電極36は、異なる材料で形成される3層以上の多層膜構造を有する。ただし、積層電極36としては、図2に示すような3層構造のもののみには限定されず、積層電極36は、4層以上の積層構造を有していてもよい。 As shown in FIG. 2, the laminated electrode 36 has a contact layer 36a that overlaps the strain resistive film, a diffusion prevention layer 36b that overlaps the contact layer 36a, and a mounting layer 36c that overlaps the diffusion prevention layer 36b. The laminated electrode 36 has a multilayer film structure of three or more layers formed of different materials. However, the laminated electrode 36 is not limited to the three-layer structure shown in FIG. 2, and the laminated electrode 36 may have a laminated structure of four or more layers.
図2に示すように、積層電極36のうち最も下層にあるコンタクト層36aは、歪抵抗膜32に直接接触する。コンタクト層36aは、歪抵抗膜32とのオーミック接続を確保して、電極付き歪抵抗膜30の電気的特性を向上させる。また、コンタクト層36aは、歪抵抗膜32と積層電極36との密着強度を確保して、膜および層の剥離不良を防止する。 As shown in FIG. 2, the contact layer 36a, which is the lowest layer of the laminated electrode 36, is in direct contact with the strain resistive film 32. The contact layer 36a ensures an ohmic connection with the strain resistive film 32, improving the electrical characteristics of the electrode-attached strain resistive film 30. The contact layer 36a also ensures the adhesive strength between the strain resistive film 32 and the laminated electrode 36, preventing peeling of the films and layers.
コンタクト層36aは、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。コンタクト層36aの厚みは、特に限定されないが、たとえば1~50nmであり、好ましくは5~20nmである。コンタクト層36aは、Cr、Ti、Ni、Moのうち少なくともいずれか1つを含むことが好ましい。これらの元素は、他金属と合金を作り易いため、このような元素を含むコンタクト層36aは、歪抵抗膜32および拡散防止層36bとの密着強度を確保して、膜および層間の剥離不良を防止できる。 The contact layer 36a can be formed by a thin film method such as sputtering or vapor deposition. The thickness of the contact layer 36a is not particularly limited, but is, for example, 1 to 50 nm, and preferably 5 to 20 nm. The contact layer 36a preferably contains at least one of Cr, Ti, Ni, and Mo. These elements are easy to form alloys with other metals, so the contact layer 36a containing such elements can ensure the adhesive strength with the strain resistive film 32 and the diffusion prevention layer 36b, and prevent peeling failure between the films and layers.
また、コンタクト層36aは、Tiを含むことが、特に好ましい。Tiは、Auなどを含む実装層36cに拡散しづらく、実装層36cの上表面への析出を生じにくい傾向がある。そのため、Tiを含むコンタクト層36aを有する積層電極36は、積層電極36が高温環境に曝された後も、中間配線72に対して好適な密着性を奏する。また、コンタクト層36aは、Tiを含むことが、特に好ましい。 It is particularly preferable that the contact layer 36a contains Ti. Ti is less likely to diffuse into the mounting layer 36c containing Au, etc., and is less likely to precipitate on the upper surface of the mounting layer 36c. Therefore, the laminated electrode 36 having the contact layer 36a containing Ti exhibits suitable adhesion to the intermediate wiring 72 even after the laminated electrode 36 is exposed to a high-temperature environment. It is particularly preferable that the contact layer 36a contains Ti.
さらに、TiはCr中へも拡散しづらいため、コンタクト層36aを構成するTiは、高温環境下においても、CrおよびAlを含む歪抵抗膜32中へ拡散しづらい特性を有する。したがって、Tiを含むコンタクト層36aを有する電極付き歪抵抗膜30は、高温環境下における使用においても、積層電極36中の元素の歪抵抗膜32中への拡散を防止することができ、組成変化による歪抵抗膜32の性能低下を防止することができる。 Furthermore, since Ti does not easily diffuse into Cr, the Ti constituting the contact layer 36a has the property of not easily diffusing into the strain-resistance film 32 containing Cr and Al even in a high-temperature environment. Therefore, the electrode-attached strain-resistance film 30 having the contact layer 36a containing Ti can prevent the elements in the laminated electrode 36 from diffusing into the strain-resistance film 32 even when used in a high-temperature environment, and can prevent the performance degradation of the strain-resistance film 32 due to composition changes.
また、コンタクト層36aは、Cr、Ti、Ni、Moのうち複数の元素を含むことも好ましい。また、コンタクト層36aは、Cr、Ti、Ni、Moのうち少なくともいずれか1つからなることも好ましい。さらに、コンタクト層36aは、Tiからなることも、特に好ましい。また、コンタクト層36aは、Cr、Ti、Ni、Moのうち複数の元素からなることも好ましい。 It is also preferable that the contact layer 36a contains a plurality of elements selected from the group consisting of Cr, Ti, Ni, and Mo. It is also preferable that the contact layer 36a is made of at least one of the group consisting of Cr, Ti, Ni, and Mo. It is particularly preferable that the contact layer 36a is made of Ti. It is also preferable that the contact layer 36a is made of a plurality of elements selected from the group consisting of Cr, Ti, Ni, and Mo.
なお、コンタクト層36a、拡散防止層36bおよび実装層36cが、1または複数の指定する元素からなるという場合、指定する元素以外の他元素が、不可避的または意図的にこれらの層に含まれることを排除しない。その場合、他元素の含有率は、たとえば10at%未満、好ましくは3at%未満、さらに好ましくは1at%未満である。 When the contact layer 36a, the diffusion prevention layer 36b, and the mounting layer 36c are said to be made of one or more specified elements, this does not exclude the inevitable or intentional inclusion of other elements in these layers other than the specified elements. In such cases, the content of the other elements is, for example, less than 10 at%, preferably less than 3 at%, and more preferably less than 1 at%.
図2に示すように、拡散防止層36bは、積層電極36において、コンタクト層36aと実装層36cの間に配置してあり、上下方向を実装層36cとコンタクト層36aによって挟まれている。拡散防止層36bは、歪抵抗膜32やコンタクト層36aなど、拡散防止層36bより下に配置されている膜および層に含まれる元素が、拡散防止層36bより上に配置されている実装層36cへ拡散することを防止し、また、実装層36cの上表面へ析出することを防止する。なお、拡散防止層36bは、歪抵抗膜32や積層電極36が4層以上の多層構造である場合にも、実装層36cの直下に配置されることが好ましい。 As shown in FIG. 2, the diffusion prevention layer 36b is disposed between the contact layer 36a and the mounting layer 36c in the laminated electrode 36, and is sandwiched between the mounting layer 36c and the contact layer 36a in the vertical direction. The diffusion prevention layer 36b prevents elements contained in the films and layers disposed below the diffusion prevention layer 36b, such as the strain resistance film 32 and the contact layer 36a, from diffusing into the mounting layer 36c disposed above the diffusion prevention layer 36b, and also prevents them from precipitating on the upper surface of the mounting layer 36c. Note that the diffusion prevention layer 36b is preferably disposed directly below the mounting layer 36c even when the strain resistance film 32 and the laminated electrode 36 have a multi-layer structure of four or more layers.
拡散防止層36bは、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。拡散防止層36bの厚みは、特に限定されないが、たとえば1~500nmであり、好ましくは5~50nmである。拡散防止層36bの厚みが薄すぎると連続膜を形成することが難しくなり、拡散防止機能が弱められる場合があり、厚みが厚すぎると、膜剥がれの問題が生じたり、成膜時間の増加による生産性(スループット)低下の問題が生じたりする場合がある。 The diffusion prevention layer 36b can be formed by a thin film method such as sputtering or vapor deposition. The thickness of the diffusion prevention layer 36b is not particularly limited, but is, for example, 1 to 500 nm, and preferably 5 to 50 nm. If the diffusion prevention layer 36b is too thin, it may be difficult to form a continuous film, and the diffusion prevention function may be weakened, while if the thickness is too thick, problems may occur with film peeling or reduced productivity (throughput) due to increased film formation time.
拡散防止層36bは、第5または6周期に属する遷移元素を含むことが、歪抵抗膜32やコンタクト層36aなどに含まれる元素の上層への拡散を防止する観点から好ましい。具体的には、拡散防止層36bは、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Auから選ばれる1または複数の元素を含むことが好ましい。 The diffusion prevention layer 36b preferably contains a transition element belonging to the fifth or sixth period from the viewpoint of preventing the diffusion of elements contained in the strain resistive film 32, the contact layer 36a, etc., into upper layers. Specifically, the diffusion prevention layer 36b preferably contains one or more elements selected from Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, and Au.
また、拡散防止層36bは、白金族元素を含むことがさらに好ましい。具体的には、拡散防止層36bは、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Ptから選ばれる1または複数の元素を含むことが好ましい。白金族元素は、反応性が小さく化学的に安定であるため、白金族元素を含む拡散防止層36bは、高温環境においても、特に好適な拡散防止効果を奏する。なお、白金族元素の中でも特にPtは、他の電極分野でも使用されている実績があり、他の白金族元素より技術的蓄積がある。 Moreover, it is more preferable that the diffusion prevention layer 36b contains a platinum group element. Specifically, it is preferable that the diffusion prevention layer 36b contains one or more elements selected from Ru, Rh, Pd, Os, Ir, and Pt. Platinum group elements are less reactive and chemically stable, so the diffusion prevention layer 36b containing a platinum group element exhibits a particularly favorable diffusion prevention effect even in high-temperature environments. Among the platinum group elements, Pt in particular has a track record of being used in other electrode fields, and has more technological expertise than other platinum group elements.
拡散防止層36bは、第5または6周期に属する遷移元素からなることも好ましい。また、拡散防止層36bは、白金族元素からなることも好ましい。 The diffusion prevention layer 36b is preferably made of a transition element belonging to the fifth or sixth period. The diffusion prevention layer 36b is also preferably made of a platinum group element.
図2に示すように、積層電極36のうち最も上層にある実装層36cは、電極付き歪抵抗膜30の上表面に露出する。実装層36cには、AuやAlなどの細線で構成される中間配線72が、ワイヤボンディングなどにより接合される。なお、AuやAlの細線による中間配線72を用いる圧力センサ10は、はんだの融点以上となる高温環境でも使用可能であり、耐熱性が良好である。また、Auの細線による中間配線72を用いる圧力センサ10は、Alの細線による中間配線72を用いる圧力センサより耐熱性を向上させることができる。 As shown in FIG. 2, the mounting layer 36c, which is the uppermost layer of the laminated electrode 36, is exposed on the upper surface of the electrode-attached strain-resistance film 30. An intermediate wiring 72 made of thin wires such as Au or Al is joined to the mounting layer 36c by wire bonding or the like. Note that a pressure sensor 10 using intermediate wiring 72 made of thin wires of Au or Al can be used in high-temperature environments above the melting point of solder, and has good heat resistance. Furthermore, a pressure sensor 10 using intermediate wiring 72 made of thin Au wires can have improved heat resistance compared to a pressure sensor using intermediate wiring 72 made of thin Al wires.
実装層36cは、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。実装層36cの厚みは、特に限定されないが、たとえば10~400nmであり、好ましくは100~300nmである。実装層36cの厚みが薄すぎると連続膜を形成することが難しくなり、中間配線72との密着性が低下するおそれがある。実装層36cの厚みが厚すぎると、膜剥がれの問題が生じたり、成膜時間の増加による生産性(スループット)低下の問題が生じたりする場合がある。 The mounting layer 36c can be formed by a thin film method such as sputtering or vapor deposition. The thickness of the mounting layer 36c is not particularly limited, but is, for example, 10 to 400 nm, and preferably 100 to 300 nm. If the mounting layer 36c is too thin, it becomes difficult to form a continuous film, and there is a risk of reduced adhesion to the intermediate wiring 72. If the mounting layer 36c is too thick, problems such as film peeling may occur, or the productivity (throughput) may decrease due to increased film formation time.
実装層36cは、Au、Al、Niのすくなくともいずれかを含むことが、耐熱性および中間配線72との接合性の観点から好ましい。また、耐熱性を高めてさらに高温環境への対応性を高める観点から、実装層36cは、高温環境においても低抵抗かつ融点の高いAuを含むことがさらに好ましい。また、中間配線72の材料としてAuの細線を用いる場合、実装層36cがAuを含むことにより、中間配線72と実装層36cの材料が、いずれもAuとなる。これにより、中間配線72と実装層36cとの接合部分の密着性が向上する。 From the viewpoint of heat resistance and bonding with the intermediate wiring 72, it is preferable that the mounting layer 36c contains at least one of Au, Al, and Ni. Furthermore, from the viewpoint of improving heat resistance and further improving compatibility with high-temperature environments, it is even more preferable that the mounting layer 36c contains Au, which has low resistance and a high melting point even in high-temperature environments. Furthermore, when a thin Au wire is used as the material for the intermediate wiring 72, the mounting layer 36c contains Au, so that both the intermediate wiring 72 and the mounting layer 36c are made of Au. This improves the adhesion of the joint between the intermediate wiring 72 and the mounting layer 36c.
また、実装層36cは、Au、Al、Niのすくなくともいずれかからなることも好ましく、Auからなることも、特に好ましい。 Mounting layer 36c is also preferably made of at least one of Au, Al, and Ni, and is particularly preferably made of Au.
次に、図1に示す圧力センサ10の製造方法について説明する。圧力センサ10では、まず、ステム20を準備する。ステム20の材質は、たとえばSUS316などである。次に、図2に示すように、ステム20のメンブレン22の外面22bに、電極付き歪抵抗膜30を形成する。 Next, a method for manufacturing the pressure sensor 10 shown in FIG. 1 will be described. In the pressure sensor 10, first, the stem 20 is prepared. The material of the stem 20 is, for example, SUS316. Next, as shown in FIG. 2, a strain-resistance film 30 with electrodes is formed on the outer surface 22b of the membrane 22 of the stem 20.
電極付き歪抵抗膜30を形成するために、まず、メンブレン22の外面22bに、メンブレン22を覆うように、下地絶縁層52を所定厚みでCVDまたはスパッタリングなどの薄膜法により形成する(図2参照)。下地絶縁層52としては、シリコン酸化膜またはシリコン窒化膜などが例示される。 To form the electrode-attached strain-resistance film 30, first, a base insulating layer 52 is formed to a predetermined thickness on the outer surface 22b of the membrane 22 by a thin-film method such as CVD or sputtering so as to cover the membrane 22 (see FIG. 2). Examples of the base insulating layer 52 include a silicon oxide film or a silicon nitride film.
次に、図2に示すように、下地絶縁層52の表面に、歪抵抗膜32を形成する。歪抵抗膜32は、たとえば蒸着またはスパッタリングなどの薄膜法により成膜される。第1~第4抵抗体R1~R4および電気配線34などを有する歪抵抗膜32の形状は、フォトリソグラフィなどによりパターニングを行い形成する。 Next, as shown in FIG. 2, a strain resistive film 32 is formed on the surface of the base insulating layer 52. The strain resistive film 32 is formed by a thin film method such as vapor deposition or sputtering. The shape of the strain resistive film 32, which includes the first to fourth resistors R1 to R4 and the electrical wiring 34, is formed by patterning using photolithography or the like.
次に、図2に示すように、歪抵抗膜32の上に、積層電極36を形成する。積層電極36を形成する場合、歪抵抗膜32の上に、コンタクト層36a、拡散防止層36b、実装層36cの順に、導電性の薄膜を形成する。積層電極36のコンタクト層36a、拡散防止層36bおよび実装層36cは、スパッタリングや蒸着などの薄膜法により形成する。 Next, as shown in FIG. 2, a laminated electrode 36 is formed on the strain resistive film 32. When forming the laminated electrode 36, conductive thin films are formed on the strain resistive film 32 in the following order: contact layer 36a, diffusion prevention layer 36b, and mounting layer 36c. The contact layer 36a, diffusion prevention layer 36b, and mounting layer 36c of the laminated electrode 36 are formed by a thin film method such as sputtering or vapor deposition.
積層電極36に含まれるコンタクト層36a、拡散防止層36bおよび実装層36cは、図3に示すように、歪抵抗膜32上の所定の位置にのみ形成される。積層電極36に含まれる各層のパターニングは、歪抵抗膜32と同様にフォトリソグラフィなどにより行うことができるが、他の方法を用いてもよい。 The contact layer 36a, the diffusion prevention layer 36b, and the mounting layer 36c included in the laminated electrode 36 are formed only at predetermined positions on the strain resistive film 32, as shown in FIG. 3. The patterning of each layer included in the laminated electrode 36 can be performed by photolithography, as with the strain resistive film 32, but other methods may also be used.
このように、メンブレン22の外面22bに形成された下地絶縁層52の上に、歪抵抗膜32および積層電極36を薄膜形成することにより、図3に示す電極付き歪抵抗膜30を形成する。電極付き歪抵抗膜30の製造においては、歪抵抗膜32および積層電極36の形成後において、アニールなどの熱処理(たとえば350~800℃)を施してもよい。 In this way, the strain-resistance film 32 and the laminated electrode 36 are formed as thin films on the base insulating layer 52 formed on the outer surface 22b of the membrane 22, thereby forming the strain-resistance film 30 with electrodes shown in FIG. 3. In manufacturing the strain-resistance film 30 with electrodes, a heat treatment such as annealing (e.g., 350 to 800°C) may be performed after the strain-resistance film 32 and the laminated electrode 36 are formed.
歪抵抗膜32および積層電極36の形成後において適切な温度で熱処理することにより、歪抵抗膜32のゲージ率などの特性を高めることができる。また、積層電極36の形成後に熱処理することにより、歪抵抗膜32と積層電極36および積層電極36内部の各層の接合性を高めることができる。 By performing heat treatment at an appropriate temperature after the formation of the strain resistive film 32 and the laminated electrode 36, it is possible to improve the characteristics of the strain resistive film 32, such as the gauge factor. In addition, by performing heat treatment after the formation of the laminated electrode 36, it is possible to improve the bonding between the strain resistive film 32 and the laminated electrode 36, and between each layer inside the laminated electrode 36.
なお、図7に示す電極付き歪抵抗膜130のように、電気配線134は、積層電極36または積層電極36に含まれる一部の層の形成と同時に、歪抵抗膜32の上に作製してもよい。この場合、電気配線134は、積層電極36またはその一部と同じ材質および性質を有する。電気配線134を積層電極36またはその一部と同様の材質とすることにより、歪抵抗膜32の一部が電気配線34を構成しているものに比べて(図3参照)、電気配線134の抵抗値が歪の影響を受ける問題を防止できる。また、積層電極36と同じ材質および構造の電気配線134は、歪抵抗膜32に対する結合性が良好であり、剥離不良などを防止することができる。ただし、電気配線134は、下地絶縁層52上に形成されていてもよい。 As shown in FIG. 7, the electrical wiring 134 may be formed on the strain resistive film 32 at the same time as the laminated electrode 36 or a part of the layer included in the laminated electrode 36 is formed. In this case, the electrical wiring 134 has the same material and properties as the laminated electrode 36 or a part of it. By making the electrical wiring 134 from the same material as the laminated electrode 36 or a part of it, the problem of the resistance value of the electrical wiring 134 being affected by strain can be prevented compared to when a part of the strain resistive film 32 constitutes the electrical wiring 34 (see FIG. 3). In addition, the electrical wiring 134 of the same material and structure as the laminated electrode 36 has good bonding to the strain resistive film 32, and can prevent peeling defects. However, the electrical wiring 134 may be formed on the base insulating layer 52.
最後に、図1に示すように、回路基板16を、電極付き歪抵抗膜30が形成されたステム20に対して固定し、回路基板16と電極付き歪抵抗膜30とを接続する中間配線72を形成することにより、圧力センサ10を得る。中間配線72は、Auの細線を用いたワイヤボンディングなどにより形成する。 Finally, as shown in FIG. 1, the circuit board 16 is fixed to the stem 20 on which the electrode-equipped strain-resistance film 30 is formed, and intermediate wiring 72 is formed to connect the circuit board 16 and the electrode-equipped strain-resistance film 30, thereby obtaining the pressure sensor 10. The intermediate wiring 72 is formed by wire bonding using thin Au wires, etc.
図3に示す積層電極36は、コンタクト層36aと、拡散防止層36bと、実装層36cの少なくとも3層を有し、拡散防止層36bは、第5または6周期に属する遷移元素を含む。このような拡散防止層36bを有する積層電極36は、コンタクト層36aおよび歪抵抗膜32に含まれる元素が、実装層36cへ相互拡散することを防止し、相互拡散した元素の実装層36c界面での反応が抑制されることにより、高温耐性が向上する。また、積層電極36は、拡散防止層36bの拡散防止作用により、高温環境に暴露された後でも、中間配線72に対する良好な密着力を奏する。 The laminated electrode 36 shown in FIG. 3 has at least three layers: a contact layer 36a, a diffusion prevention layer 36b, and a mounting layer 36c, and the diffusion prevention layer 36b contains a transition element belonging to the fifth or sixth period. The laminated electrode 36 having such a diffusion prevention layer 36b prevents elements contained in the contact layer 36a and the strain resistance film 32 from interdiffusing into the mounting layer 36c, and the reaction of the interdiffused elements at the interface of the mounting layer 36c is suppressed, thereby improving high temperature resistance. In addition, the laminated electrode 36 has good adhesion to the intermediate wiring 72 even after exposure to a high temperature environment due to the diffusion prevention effect of the diffusion prevention layer 36b.
以下、実施例を示しつつ、上述した積層電極36および電極付き歪抵抗膜30をさらに詳細に説明するが、本発明は実施例のみには限定されない。 The laminated electrode 36 and the electrode-attached strain-resistance film 30 will be described in more detail below with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.
<試料1>
70~95at%のCrと5~30at%のAlを含む歪抵抗膜32の上に、Tiからなるコンタクト層36aを5nm、Ptからなる拡散防止層36bを20nm、Auからなる実装層36cを200nm、それぞれ図2に示すように順次形成して積層電極36を形成し、試料1を作製した。歪抵抗膜32、および積層電極36の各層は、スパッタリングにより形成した(表1参照)。
<Sample 1>
A contact layer 36a made of Ti with a thickness of 5 nm, a diffusion prevention layer 36b made of Pt with a thickness of 20 nm, and a mounting layer 36c made of Au with a thickness of 200 nm were formed in this order on a strain-resistant film 32 containing 70 to 95 at % Cr and 5 to 30 at % Al, as shown in Fig. 2, to form a laminated electrode 36, thereby producing sample 1. The strain-resistant film 32 and each layer of the laminated electrode 36 were formed by sputtering (see Table 1).
<試料2~試料4>
試料2は、コンタクト層36aの厚みを20nmとし、試料3は、拡散防止層36bの厚みを5nmとし、試料4は、実装層36cの厚みを100nmとしたことを除き、各試料は試料1と同様である(表1参照)。
<Samples 2 to 4>
Each sample is similar to sample 1, except that sample 2 has a contact layer 36a with a thickness of 20 nm, sample 3 has a diffusion prevention layer 36b with a thickness of 5 nm, and sample 4 has a mounting layer 36c with a thickness of 100 nm (see Table 1).
<試料5~試料7>
試料5は、コンタクト層36aがCrからなり、試料6は、コンタクト層36aがNiからなり、試料7は、拡散防止層36bがWからなることを除き、各試料は試料1と同様である(表1参照)。
<Samples 5 to 7>
Sample 5 has contact layer 36a made of Cr, sample 6 has contact layer 36a made of Ni, and sample 7 has diffusion prevention layer 36b made of W. Except for this, each sample is similar to sample 1 (see Table 1).
<試料8>
試料8は、拡散防止層36bに相当する層がNiからなることを除き、試料1と同様である。
<Sample 8>
Sample 8 is similar to sample 1, except that the layer corresponding to the diffusion prevention layer 36b is made of Ni.
<試料9~試料15>
試料9~試料15は、積層電極が実装層36cとコンタクト層36aの2層構造であり、拡散防止層36bを有しない点で、試料1と異なる。試料9は、厚さ5nmのTiからなるコンタクト層36aを有し、試料10は、厚さ20nmのTiからなるコンタクト層36aを有する。試料11は、厚さ5nmのCrからなるコンタクト層36aを有し、試料12は、厚さ20nmのCrからなるコンタクト層36aを有する。試料13は、厚さ5nmのNiからなるコンタクト層36aを有し、試料14は、厚さ20nmのNiからなるコンタクト層36aを有する。試料15は、厚さ20nmのMoからなるコンタクト層36aを有する。試料9~試料15は、いずれも200nmのAuからなる実装層36cを有する。
<Samples 9 to 15>
Samples 9 to 15 are different from Sample 1 in that the laminated electrode has a two-layer structure of a mounting layer 36c and a contact layer 36a, and does not have a diffusion prevention layer 36b. Sample 9 has a contact layer 36a made of Ti with a thickness of 5 nm, and Sample 10 has a contact layer 36a made of Ti with a thickness of 20 nm. Sample 11 has a contact layer 36a made of Cr with a thickness of 5 nm, and Sample 12 has a contact layer 36a made of Cr with a thickness of 20 nm. Sample 13 has a contact layer 36a made of Ni with a thickness of 5 nm, and Sample 14 has a contact layer 36a made of Ni with a thickness of 20 nm. Sample 15 has a contact layer 36a made of Mo with a thickness of 20 nm. All of Samples 9 to 15 have a mounting layer 36c made of Au with a thickness of 200 nm.
<試料1~試料15の評価>
各試料を100サンプルずつ準備し、Au細線によるワイヤボンディングの付着成功率を評価した。評価では、25サンプルずつ4つのグループに分け、グループ毎に、積層電極36形成後であってワイヤボンディング実施前に行われる熱処理条件を異ならせた。第1のグループは熱処理なし、第2のグループは350度2hの熱処理を行い、第3のグループは400度2hの熱処理を行い、第4のグループは500度2hの熱処理を行った。各試料の条件と、評価結果を表1に示す。
<Evaluation of Samples 1 to 15>
100 samples of each specimen were prepared, and the success rate of wire bonding with Au fine wires was evaluated. In the evaluation, the specimens were divided into four groups of 25 samples each, and the heat treatment conditions performed after the formation of the laminated electrode 36 and before wire bonding were different for each group. The first group was not heat-treated, the second group was heat-treated at 350 degrees for 2 hours, the third group was heat-treated at 400 degrees for 2 hours, and the fourth group was heat-treated at 500 degrees for 2 hours. The conditions of each specimen and the evaluation results are shown in Table 1.
表1の「◎」、「〇」、「△」、「×」は、各試料のワイヤボンディングの付着成功率を表しており、「◎」は全体の上位4分の1の成功率であったことを示しており、「〇」は全体の上位4分の1未満かつ2分の1以上の成功率であったことを示している。また、「△」は、全体の上記2分の1未満、4分の3以上の成功率であったことを示しており、「×」は全体の上位4分の3未満の成功率であったことを示している。 In Table 1, "◎", "〇", "△", and "×" represent the wire bonding attachment success rate for each sample, with "◎" indicating a success rate that was in the top quarter of the overall rate, "〇" indicating a success rate that was less than the top quarter and more than half the overall rate. "△" indicates a success rate that was less than half the overall rate but more than three-quarters the above rate, and "×" indicating a success rate that was less than the top three-quarters the overall rate.
表1の試料1~試料7は、高温で熱処理したのちのサンプルでも、良好なワイヤボンディングの付着成功率を示した。なお、Wからなる拡散防止層36bを有する試料7では、熱処理しない(AsDepo)条件において膜剥離によるワイヤボンディング付着不良が発生したが、他の高温熱処理後のサンプルでは、良好な付着成功率を示した。この結果から、第5または6周期に属する遷移元素であるが白金族元素ではないWからなる拡散防止層36bは、適切な熱処理により膜剥離を防ぐことができ、かつ、良好なワイヤボンディングの付着成功率を示すことがわかる。 Samples 1 to 7 in Table 1 showed good wire bonding attachment success rates even after high-temperature heat treatment. Note that sample 7, which has a diffusion prevention layer 36b made of W, experienced wire bonding adhesion failure due to film peeling when not heat-treated (AsDepo), but other samples after high-temperature heat treatment showed good attachment success rates. These results show that the diffusion prevention layer 36b made of W, a transition element belonging to the fifth or sixth period but not a platinum group element, can prevent film peeling with appropriate heat treatment and shows good wire bonding attachment success rates.
表1の試料1~試料6は、いずれの熱処理条件でも、良好なワイヤボンディングの付着成功率を示しており、拡散防止層36bを構成する元素としてPtが特に好ましいことが理解できる。また、試料1と、試料5、6との比較により、コンタクト層36aがTiからなる試料1が、コンタクト層36aがCrまたはNiからなる試料5、6より優れたワイヤボンディングの付着成功率を示すことが理解できる。 Samples 1 to 6 in Table 1 show good wire bonding attachment success rates under all heat treatment conditions, and it can be seen that Pt is particularly preferable as the element that constitutes the diffusion prevention layer 36b. Furthermore, by comparing sample 1 with samples 5 and 6, it can be seen that sample 1, whose contact layer 36a is made of Ti, shows a better wire bonding attachment success rate than samples 5 and 6, whose contact layer 36a is made of Cr or Ni.
表1の試料8は、熱処理しない(AsDepo)条件では、良好な付着成功率を示すが、熱処理条件が高温になるほど付着成功率が悪化することがわかる。特に、400℃および500℃の熱処理を施したのちのサンプルでは、ワイヤボンディングが積層電極36表面に密着しない不良が多数生じた。拡散防止層36bに相当する層が、第5または6周期に属する遷移元素ではないNiからなる試料8では、400℃および500℃の熱処理を施したのちのサンプルにおいて、十分な拡散防止効果が得られなかったと考えられる。 Sample 8 in Table 1 shows a good adhesion success rate when no heat treatment (AsDepo) was performed, but it can be seen that the adhesion success rate worsens as the heat treatment temperature increases. In particular, in samples after heat treatment at 400°C and 500°C, many defects occurred in which the wire bonding did not adhere to the surface of the laminated electrode 36. In sample 8, in which the layer corresponding to the diffusion prevention layer 36b is made of Ni, which is not a transition element belonging to the 5th or 6th period, it is believed that a sufficient diffusion prevention effect was not obtained in samples after heat treatment at 400°C and 500°C.
表1の試料9~試料15は、熱処理しない(AsDepo)条件では、良好な付着成功率を示すが、熱処理条件が高温になるほど付着成功率が悪化することがわかる。拡散防止層36bがないこれらのサンプルでは、歪抵抗膜32やコンタクト層36aの元素が、高温での熱処理により実装層36c表面に析出し、ワイヤボンディングの細線が積層電極表面に密着しない不良を多発したと考えられる。 Samples 9 to 15 in Table 1 show a good adhesion success rate when no heat treatment (AsDepo) was performed, but it can be seen that the adhesion success rate worsens as the heat treatment temperature increases. In these samples without the diffusion prevention layer 36b, it is believed that elements of the strain resistive film 32 and contact layer 36a precipitate on the surface of the mounting layer 36c due to the high-temperature heat treatment, causing many defects in which the thin wires of the wire bonding do not adhere to the surface of the laminated electrode.
<試料1と試料5の結果の違いについて>
図4(a)は、70~95at%のCrと5~30at%のAlを含む薄膜(厚み300nm)上に、Tiの薄膜(厚み5nm)と、Auの薄膜(厚み200nm)とを形成して3層構造のサンプルを作製し、350℃2hの熱処理施した後、サンプルの再上面近傍の元素を、XPS(ESCA)により分析したものである。
<Differences in results between Sample 1 and Sample 5>
FIG. 4(a) shows a sample with a three-layer structure prepared by forming a thin film of Ti (5 nm thick) and a thin film of Au (200 nm thick) on a thin film (300 nm thick) containing 70 to 95 at % Cr and 5 to 30 at % Al, and then subjecting the sample to a heat treatment at 350° C. for 2 hours. After that, the elements in the vicinity of the top surface of the sample were analyzed by XPS (ESCA).
また、図4(b)は、70~95at%のCrと5~30at%のAlを含む薄膜(厚み300nm)上に、Crの薄膜(厚み5nm)と、Auの薄膜(厚み200nm)とを形成して3層構造のサンプルを作製し、350℃2hの熱処理施した後、サンプルの再上面近傍の元素を、XPS(ESCA)により分析したものである。なお、図4(a)および図4(b)における横軸はスパッタ時間(Sputter time (min))であり、縦軸は強度(Intensity)である。 Figure 4(b) shows a sample with a three-layer structure prepared by forming a thin film of Cr (5 nm thick) and a thin film of Au (200 nm thick) on a thin film (300 nm thick) containing 70-95 at% Cr and 5-30 at% Al, and after heat treatment at 350°C for 2 hours, the elements near the top surface of the sample were analyzed by XPS (ESCA). Note that the horizontal axis in Figures 4(a) and 4(b) is the sputtering time (min), and the vertical axis is the intensity.
ここで、図4(a)では、下層のTiが、サンプル表面にほとんど存在せず、Auが多く存在するのに対して、図4(b)では、サンプル表面にCrや酸素が多く存在し、Auが少ないことが理解できる。図4(a)と図4(b)との比較から、Tiは、Crに比べてAu中に拡散しづらく、熱処理後にAu層の表面に偏析する問題が生じにくいことが理解できる。また、このことが、表1に示す結果において、コンタクト層36aがTiからなる試料1が、コンタクト層36aがCrからなる試料5に比べて、より良好なワイヤボンディング付着成功率を示したことと、対応していると考えられる。 Here, in FIG. 4(a), it can be seen that there is almost no Ti in the lower layer on the sample surface and there is a lot of Au, whereas in FIG. 4(b), there is a lot of Cr and oxygen on the sample surface and little Au. Comparing FIG. 4(a) and FIG. 4(b), it can be seen that Ti is less likely to diffuse into Au than Cr, and the problem of segregation on the surface of the Au layer after heat treatment is less likely to occur. This is also thought to correspond to the fact that, in the results shown in Table 1, sample 1, whose contact layer 36a is made of Ti, showed a better wire bonding attachment success rate than sample 5, whose contact layer 36a is made of Cr.
<コンタクト層36aとしてTiが好ましい他の理由>
図5は、Crからなる薄膜の上に、Tiからなる薄膜を5nm、Auからなる薄膜を200nm形成して3層構造のサンプルを作製し、350℃2hの熱処理施した後、サンプル断面をSEM-EDSにより元素分析したものである。図5(a)は、Tiの存在位置を白色で示しており、図5(b)はCrの存在位置を白色で示している。
<Other reasons why Ti is preferable for the contact layer 36a>
Fig. 5 shows a sample with a three-layer structure prepared by forming a thin film of Ti (5 nm) and a thin film of Au (200 nm) on a thin film of Cr, and then performing a heat treatment at 350°C for 2 hours, after which the cross section of the sample was subjected to elemental analysis by SEM-EDS. Fig. 5(a) shows the location of Ti in white, and Fig. 5(b) shows the location of Cr in white.
図5(a)からは、サンプルの上下方向中央に多く存在するTiが、上層のAu側に若干広がって混在領域を形成しているのに対して、下層のCr中にはほとんど広がっておらず、シャープな境界を形成していることが理解できる。また、図5(a)と図5(b)との比較から、Tiが多く存在するサンプルの上下方向中央には、Crがほとんど存在しないことが理解できる。 From Figure 5(a), it can be seen that Ti, which is abundant in the vertical center of the sample, spreads slightly toward the upper Au layer to form a mixed region, whereas it hardly spreads into the lower Cr layer, forming a sharp boundary. Also, from a comparison of Figures 5(a) and 5(b), it can be seen that there is almost no Cr in the vertical center of the sample where Ti is abundant.
図5からは、TiとCrは相互拡散しづらいことが理解でき、Tiをコンタクト層36aの材料として用いることにより、高温環境での歪抵抗膜32の組成変化を防止できると考えられる。 From Figure 5, it can be seen that Ti and Cr are unlikely to diffuse into each other, and it is believed that using Ti as the material for the contact layer 36a can prevent the composition of the strain resistive film 32 from changing in a high-temperature environment.
<歪抵抗膜のCrとAlの好ましい含有率について>
図6は、図2および図3に示す電極付き歪抵抗膜30について、歪抵抗膜32の組成の違いと、歪抵抗膜32のゲージ率の変化との関係を表したものである。評価に用いた電極付き歪抵抗膜30は、熱酸化膜付きSiウエハ上に、スパッタリングによりCrおよびAlを含む歪抵抗膜32を形成した後、コンタクト層36a(Ti、5nm)、拡散防止層36b(Pt、20nm)、実装層36c(Au、200nm)を電子線蒸着で形成して積層電極36を形成した。以下のように、歪抵抗膜32の組成が異なる6サンプルの電極付き歪抵抗膜30を作製し、それぞれのサンプルについて、片持ち梁の曲げ試験にてゲージ率を測定した。なお、歪抵抗膜32の組成は、スパッタターゲットのCr/Al比を変えて調整した。
<サンプル1>Al:5at%、Cr:95at%
<サンプル2>Al:15at%、Cr:85at%
<サンプル3>Al:30at%、Cr:70at%
<サンプル4>Al:45at%、Cr:55at%
<サンプル5>Al:60at%、Cr:40at%
<サンプル6>Al:80at%、Cr:20at%
<Preferable Cr and Al content of strain-sensitive resistive film>
6 shows the relationship between the difference in composition of the strain resistive film 32 and the change in the gauge factor of the strain resistive film 32 for the electrode-attached strain resistive film 30 shown in FIG. 2 and FIG. 3. The electrode-attached strain resistive film 30 used for the evaluation was prepared by forming the strain resistive film 32 containing Cr and Al by sputtering on a Si wafer with a thermal oxide film, and then forming the contact layer 36a (Ti, 5 nm), the diffusion prevention layer 36b (Pt, 20 nm), and the mounting layer 36c (Au, 200 nm) by electron beam deposition to form the laminated electrode 36. As described below, six samples of the electrode-attached strain resistive film 30 with different compositions of the strain resistive film 32 were prepared, and the gauge factor of each sample was measured by a cantilever bending test. The composition of the strain resistive film 32 was adjusted by changing the Cr/Al ratio of the sputtering target.
<Sample 1> Al: 5 at %, Cr: 95 at %
<Sample 2> Al: 15 at%, Cr: 85 at%
<Sample 3> Al: 30 at%, Cr: 70 at%
<Sample 4> Al: 45 at%, Cr: 55 at%
<Sample 5> Al: 60 at%, Cr: 40 at%
<Sample 6> Al: 80 at%, Cr: 20 at%
図6の横軸はAl含有率(Al composition (at%))であり、縦軸はゲージ率(K-factor)である。図6に示すように、電極付き歪抵抗膜30は、Alの含有率がCrの含有率より少ない領域において、ゲージ率が高くなることが理解できる。したがって、ゲージ率を高める観点から、歪抵抗膜32は、50~99at%のCrと、1~50at%のAlとを含むことが好ましく、70~95at%のCrと、5~30at%のAlとを含むことがさらに好ましいことが理解できる。 The horizontal axis of FIG. 6 is the Al composition (at%), and the vertical axis is the gauge factor (K-factor). As shown in FIG. 6, it can be seen that the electrode-attached strain-resistant film 30 has a high gauge factor in the region where the Al content is lower than the Cr content. Therefore, from the viewpoint of increasing the gauge factor, it can be seen that the strain-resistant film 32 preferably contains 50 to 99 at% Cr and 1 to 50 at% Al, and more preferably contains 70 to 95 at% Cr and 5 to 30 at% Al.
以上、実施形態および実施例を挙げて本発明に係る積層電極36、電極付き歪抵抗膜30および圧力センサ10を説明したが、本発明はこれらの実施形態や実施例のみに限定されるものではない。本発明は、上述した実施形態および実施例のほかに、他の実施形態および変形例を多く含むことは言うまでもない。たとえば、圧力センサ10としては、図1のようなステム20を有するもののみには限定されず、平板状の基板に電極付き歪抵抗膜30を形成したものであってもよい。基板の材質としては、たとえばSiやアルミナ(Al2O3)などが挙げられる。 The laminated electrode 36, the strain-resistance film 30 with electrodes, and the pressure sensor 10 according to the present invention have been described above with reference to embodiments and examples, but the present invention is not limited to these embodiments and examples. It goes without saying that the present invention includes many other embodiments and modifications in addition to the above-mentioned embodiments and examples. For example, the pressure sensor 10 is not limited to only those having a stem 20 as shown in FIG. 1, but may be one in which the strain-resistance film 30 with electrodes is formed on a flat substrate. Examples of the material of the substrate include Si and alumina (Al 2 O 3 ).
10…圧力センサ
12…接続部材
12a…ねじ溝
12b…流路
14…抑え部材
16…回路基板
20…ステム
21…フランジ部
22…メンブレン
22a…内面
22b…外面
30…電極付き歪抵抗膜
32…歪抵抗膜
R1…第1抵抗体
R2…第2抵抗体
R3…第3抵抗体
R4…第4抵抗体
34…電気配線
36…歪抵抗膜用積層電極(積層電極)
36a…コンタクト層
36b…拡散防止層
36c…実装層
52…下地絶縁層
72…中間配線
REFERENCE SIGNS LIST 10...Pressure sensor 12...Connecting member 12a...Thread groove 12b...Flow path 14...Retaining member 16...Circuit board 20...Stem 21...Flange portion 22...Membrane 22a...Inner surface 22b...Outer surface 30...Strain resistance film with electrode 32...Strain resistance film R1...First resistor R2...Second resistor R3...Third resistor R4...Fourth resistor 34...Electrical wiring 36...Laminated electrode for strain resistance film (laminate electrode)
36a: contact layer; 36b: diffusion prevention layer; 36c: mounting layer; 52: base insulating layer; 72: intermediate wiring
Claims (6)
前記歪抵抗膜は、CrとAlとを含み、
前記積層電極は、前記歪抵抗膜の上に重なるコンタクト層と、前記コンタクト層の上に重なる拡散防止層と、前記拡散防止層の上に重なる実装層と、を有し、
前記コンタクト層は、Ti、Ni、Moのうち少なくともいずれか1つを含み、
前記拡散防止層は、白金族元素からなる積層電極。 A laminated electrode provided on a strain-resistance film,
The strain-resistance film includes Cr and Al,
the laminated electrode has a contact layer overlapping the strain resistive film, a diffusion prevention layer overlapping the contact layer, and a mounting layer overlapping the diffusion prevention layer,
the contact layer includes at least one of Ti, Ni, and Mo;
The diffusion prevention layer is a laminated electrode made of a platinum group element .
前記歪抵抗膜と、を有する電極付き歪抵抗膜。 A laminated electrode according to any one of claims 1 to 4 ,
A strain-resistance film with an electrode comprising the strain-resistance film.
前記歪抵抗膜と、
前記歪抵抗膜が設けられるメンブレンと、を有する圧力センサ。
The laminated electrode according to any one of claims 1 to 4 ,
The strain-resistance film;
A pressure sensor having a membrane on which the strain resistive film is provided.
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