JP4250891B2

JP4250891B2 - 熱電変換素子および温度センサ

Info

Publication number: JP4250891B2
Application number: JP2001368547A
Authority: JP
Inventors: 久保　　竜一; 和裕井上; 義光牛見; 幸夫吉野
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2001-12-03
Filing date: 2001-12-03
Publication date: 2009-04-08
Anticipated expiration: 2021-12-03
Also published as: JP2003168830A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱電変換素子および温度センサに関する。この電極構造は、例えば、熱電対を用いた薄膜型の非接触型温度センサ(サーモパイル)などの温度センサにおいて熱電対の構成体どうしを接合する接合電極や取出電極として好適に使用できる電極構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
赤外線センサにおいて熱電対の構成体どうしを接合する従来技術の電極構造の１つに特開２００１−２３７４６４号公報に開示されているものがある。この公報による電極構造の場合、Ｂｉからなる熱電性薄膜とＡｌを含有する電極パッドとの間にＴｉからなるバリアメタル電極(拡散防止層)を介在させて、熱電性薄膜と電極パッドとの相互拡散を防止している。
【０００３】
さらにもう１つの従来技術の電極構造として特許番号第２７７２７７６号に開示されているものがある。この公報による電極構造の場合、パッド電極と熱電対材料との間に熱電対材料の剥離を防止しその密着性の改善ならびにその高抵抗化を防止するＡｇからなる中間層を設けるとともに、このパッド電極と中間層との間に、中間層材料の拡散を防止するＴｉからなるバリヤ層(拡散防止層)を設けた構造になっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
特開２００１−２３７４６４号公報による電極構造の場合、バリアメタル電極が表面に酸化膜を形成しやすいＴｉで構成されているから、バリアメタル電極表面の酸化膜により熱電対の構成体のオーミック接触が低下し赤外線センサとしての感度低下を引き起こしやすい。
【０００５】
これに対して特許番号第２７７２７７６号による電極構造の場合、バリヤ層が表面に酸化膜を形成しやすいＴｉが設けられていても、そのバリア層の表面に中間層が設けられているから、バリア層それ自体は酸化するおそれがなくなり、上記特開２００１−２３７４６４号公報による電極構造のような課題は無いと考えられる。
【０００６】
しかしながら、本発明者らがこの電極構造について検討したところ中間層があるにもかかわらず、上記特開２００１−２３７４６４号公報による電極構造と同様な赤外線センサとしての感度低下を引き起こす傾向が見受けられた。
【０００７】
そこで、さらに鋭意検討したところ、パッド電極と熱電対の構成体との間に該構成体の剥離防止のための密着性改善を目的としてその中間層の材料にＡｇが選択されて使用されていたため、構成体との接合面において経年により酸化膜が形成されてオーミック接触が不十分になりやすかったことが原因であると解明できた。
【０００８】
したがって、本発明は、拡散防止層により電極材料との間での相互拡散を有効に防止する一方で、熱電対の構成体との接合面に対して良好なオーミック接触状態を維持できるようにすることを解決すべき課題としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
(１)本発明の熱電変換素子は、基板上において熱電対を複数接続してなる熱電対パターンを有する熱電変換素子であって、前記熱電対の構成体は複数の異なる金属であり、かつ、前記構成体は接合電極で接続されており、前記接合電極が、少なくとも、電極主材料を含む電極主材料層と、電極主材料の拡散を防止する拡散防止層と、表面の接合金属に対してオーミック接触する、Ａｕもしくは白金族元素からなるオーミック接触層とを順次積層して構成されており、かつ、前記オーミック接触層に対して前記熱電対の構成体がオーミック接触状態で接続されていることを特徴とする。
【００１６】
本発明の熱電変換素子は、好ましくは、前記拡散防止層の材料としてＴｉ、Ｃｒ、Ｗ、ＴｉＮから選択された少なくとも１種を含む。
【００１７】
(２)本発明の温度センサは、開口を有する基板と、前記基板の開口を覆うように設けられた薄膜状のダイヤフラムと、前記ダイヤフラムの上面に設けられた素子部とを含み、前記素子部が、複数の熱電対からなる熱電対パターンと、前記熱電対の構成体を接続する複数の接合電極と、前記熱電対パターンからセンサ出力を取り出す取出電極と、前記熱電対パターンの熱電対の温接点に対しては近く、また、冷接点に対しては遠くなる位置に設けられた赤外線吸収体とを含み、前記接合電極および取出電極が、少なくとも電極主材料を含む電極主材料層と、電極主材料の拡散を防止する拡散防止層と、表面の接合金属に対してオーミック接触する、Ａｕもしくは白金族元素からなるオーミック接触層とを順次積層して構成されている、ことを特徴とする。
【００１８】
本発明の温度センサによると、拡散防止層に酸化膜が形成されやすい材料を用いていても、オーミック接触層により、熱電対の構成体との間で十分なオーミック接触が得られるとともに、拡散防止層の表面酸化それ自体も防止できるから、例えば、熱電対を用いた赤外線センサにおいて、その熱電対の構成体どうしの接合に用いられても、十分なオーミック接触が得られ、センサ感度を長期にわたり良好に維持することができるようになる。
【００２０】
本発明の温度センサは、好ましくは、前記熱電対の構成体の材料としてＢｉが用いられている。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の詳細を図面に示す実施の形態に基づいて説明する。
【００２２】
図１ないし図５は、本発明の実施形態に係り、図１は、非接触型温度センサの平面図、図２は、図１の(２)−(２)線における断面図、図３は、図１のＡ部を詳細に示す拡大斜視図、図４は、図１の熱電材料と接合電極とを拡大して示す平面図、図５は、図４の(５)−(５)線における断面図である。
【００２３】
これらの図に示される非接触型温度センサ１０は、基板２０と、ダイヤフラム３０と、素子部４０とを備える。
【００２４】
基板２０は、例えばＳｉ、ガラス、セラミックなどの半導体や絶縁体その他からなる矩形板状をなし、平面視正方形で厚み方向に貫通した開口２１を有する。この場合、基板２０の構成材料および形状は、本発明を限定するものではない。基板２０の開口２１は、例えば異方性エッチングなどで形成される。この場合、その開口２１の形成手法は本発明を限定するものではない。
【００２５】
ダイヤフラム３０は、絶縁層として、基板２０の開口２１を覆うように設けられた単層または複数の薄膜層状のものであり、熱酸化ＳｉＯ₂からなる絶縁膜３０ａとＳｉＮ(窒化珪素)からなる絶縁膜３０ｂの２層絶縁膜から構成されている。
【００２６】
上記構造により基板２０の開口２１上に位置するダイヤフラム３０の中央領域が小熱容量領域３１となり、そのダイヤフラム３０においてその中央にある小熱容量領域３１より外周のダイヤフラム３０および基板２０領域が大熱容量領域３２となる。
【００２７】
素子部４０は、ダイヤフラム３０の上面に設けられており、熱電対パターン４１と、接合電極４２と、センサ出力取出電極４３と、パシベーション膜４４と、赤外線吸収体４５とから構成されている。
【００２８】
熱電対パターン４１は、異なる金属からなる熱電対の構成体４６、４７が基板２０の開口２１周囲に沿って交互に隣り合う形態で多数配置されて構成されている。両構成体４６、４７の一方の端部は温接点４６ａ，４７ａとして、赤外線吸収体４５に近い位置すなわちその下方位置に、また、他方の端部は冷接点４６ｂ，４７ｂとして赤外線吸収体４５から遠い位置すなわちその下方位置より外側に配置付けられている。この構成体４６、４７の材料としては一般的な材料でよいが、例えば、多結晶シリコン、ＩｎＳｂ、Ｓｂ、Ｂｉなどを選択することができる。この場合、隣り合う構成体４６、４７は例えば一方がＳｂであれば、他方はＢｉとなる異種金属である。
【００２９】
接合電極４２は、熱電対パターン４１における前記両構成体４６、４７の温接点４６ａ，４７ａどうしを接合する複数の電極(温接点側接合電極４２ａ)と、冷接点４６ｂ，４７ｂどうしを接合する複数の電極(冷接点側接合電極４２ｂ)とから構成されている。温接点側接合電極４２ａは、隣り合う両構成体４６、４７の温接点４６ａ，４７ａどうしを接続し、冷接点側接合電極４２ｂは、隣り合う両構成体４６、４７の冷接点４６ｂ，４７ｂどうしを接続する。この接続により、熱電対パターン４１を構成する個々の構成体４６、４７は、基板２０の開口２１周囲に沿って直列に接続されることになる。そして、隣り合う構成体４６、４７における温接点４６ａ，４７ａと冷接点４６ｂ，４７ｂとの間に温度差に対応したゼーベック効果による個別電圧を発生するとともに、前記直列接続により、熱電対パターン４１全体でその個別電圧が加算された加算電圧が発生する。この場合、前記温度差は、温接点４６ａ，４７ａが赤外線吸収体４５体に近く、冷接点４６ｂ，４７ｂが赤外線吸収体４５から遠くに配置されていることにより得られる。
【００３０】
センサ出力取出電極４３は、接合電極４２と同時に形成されるものであり、熱電対パターン４１における一方の端部に接続されたセンサ出力取出電極４３ａと、熱電対パターン４１における他方の端部に接続されたセンサ出力取出電極４３ｂとから構成されており、両センサ出力取出電極４３ａ，４３ｂ間に前記加算電圧がセンサ出力として取り出される。この場合、センサ出力取出電極４３は、接合電極４２と同じ構造を有するから、接合電極４２とセンサ出力取出電極４３とを同時に形成できることになって工程の削減などが可能になるなど好ましい。
【００３１】
パシベーション膜４４は、ＳｉＯ₂膜などの絶縁膜からなりセンサ表面を安定化させるよう不活性化する膜である。
【００３２】
赤外線吸収体４５は、感温体として上述したように赤外線を吸収することにより温度が高くなるもので、例えばＮｉＣｒ、金黒、酸化チタンからなり、基板２０の開口２１より小さな平面視正方形をなしてパシベーション膜３９上、つまり、小熱容量領域６上に設けられており、その下方に熱電対パターン４１の両構成体４６、４７の温接点４６ａ，４７ａが位置している。つまり、構成体４６、４７の温接点４６ａ，４７ａは小熱容量領域３１上に、また、冷接点４６ｂ，４７ｂは大熱容量領域３２上に配置される。なお、熱電対パターン４１における構成体４６、４７の温接点４６ａ，４７ａは、平面視矩形形状をなす赤外線吸収体４５の中央部に向けて延びた形態となって、赤外線吸収体４５の温度変化をばらつきなくかつ高精度に受け易くされている。
【００３３】
次に、本実施形態の特徴を説明する。
【００３４】
本実施形態は、接合電極４２(温接点側接合電極４２ａおよび冷接点側接合電極４２ｂ)を、密着層６０と、電極主材料層６１と、拡散防止層６２と、オーミック接触層６３との積層構造により構成していることに特徴を有する。
【００３５】
密着層６０は、基板に対して接合電極４２を密着させるための層であって単層または複数層からなり、前記密着可能な材料であればなんでもよいが、例えば、チタン(Ｔｉ)、クロム(Ｃｒ)、ニッケルとクロムの合金(ＮｉＣｒ)が好ましい。
【００３６】
電極主材料層６１は、電極構造の主部を構成するものでその主材料を含む単層または複数層からなり、電極主材料としては導電性金属であれば何でもよいが、抵抗率が小さい金属が好ましく例えばＡｕ(金)、Ｐｔ(白金)、Ｃｕ(銅)、Ａｇ(銀)、Ａｌ(アルミニウム)などで構成されている。また、シリコン(Ｓｉ)系半導体や酸化物導電材料(ＩＴＯ、ＺｎＯ)やその他でも構わない。
【００３７】
拡散防止層６２は、金属材料の拡散を防止する単層または複数層からなり、前記拡散を防止できる導電性金属であれば何でもよいが、好ましくはＴｉ(チタン)、Ｃｒ(クロム)、Ｗ(タングステン)、ＴｉＮ(窒化チタン)などで構成されている。
【００３８】
オーミック接触層６３は、金属に対してオーミック接触する導電性を有するとともにその表面に酸化膜を形成しにくい単層または複数層からなる。ここで、オーミック接触とは、詳しい説明は省略するが、要するに抵抗と電流とが比例する接触関係を言う。このようなオーミック接触層６３を構成する材料としては、オーミック接触性を有し、かつ、その表面に酸化膜を形成しにくい導電性金属であれば何でもよいが、例えば、Ａｕ(金)や白金族元素が好ましい。この白金族元素としては、Ｐｔ(白金)、Ｐｄ(パラジウム)、Ｉｒ(イリジウム)、Ｒｈ(ルテニウム)、Ｒｕ(ルスニウム)、Ｏｓ(オスニウム)などが好ましい。
【００３９】
なお、上記各層６０〜６３の形成手法は限定されないが、例えば、真空蒸着、スパッタリング、イオンビーム蒸着、イオンプレーティング、レーザアブレーションなどの真空成膜法、あるいは、密着層６０と電極主材料層６１とをメッキやスクリーン印刷で形成することができる。
【００４０】
本実施形態では、電極構造として密着層６０、電極主材料層６１、拡散防止層６２およびオーミック接触層６３で構成されるが、密着層６０は必ずしも必須とならず、省略することができる。また、上記電極構造に熱電対パターン４１を備えたことで熱電変換素子を構成することができる。さらに、上記熱電変換素子は非接触または接触型温度センサともいえる。また、この熱電変換素子に赤外線吸収体４５を備えたことで非接触型温度センサを構成することができる。この場合、センサ出力取出電極４３を含めて非接触型温度センサを構成することもできる。
【００４１】
次に、上記電極構造に対する１５０℃×５０時間高温放置試験を行った。この試験は、電子部品にとってはかなりの高温の試験となる。この場合、密着層６０をＴｉ、電極主材料層６１をＰｔ、拡散防止層６２をＴｉ、オーミック接触層６３をＰｔで構成するとともに、熱酸化シリコン膜の膜厚を０．７μｍ、窒化珪素膜の膜厚を８００ｎｍとする。また、接合電極４２において、密着層６０の膜厚を５ｎｍ、電極主材料層６１の膜厚を１００ｎｍ、拡散防止層６２の膜厚を５ｎｍ、１０ｎｍ、２０ｎｍ、３０ｎｍ、オーミック接触層６３の膜厚を５ｎｍ、構成体４６、４７の膜厚を７００ｎｍとする。
【００４２】
この高温放置試験後、断面観察およびＳＡＭ(スキャニングオージェーマイクロスコピィ)により分析を行ったところ、拡散防止層６２の膜厚が５ｎｍでは、相互拡散が抑制され、１０ｎｍではかなり相互拡散が抑制され、２０ｎｍ以上になると十分に相互拡散が抑制され、耐熱性が良好であった。
【００４３】
また、この試験において、１２５℃×１０００時間高温放置試験を行ったところ、拡散防止層６２が例えば５ｎｍの膜厚では拡散防止層６２が無い標準品と比較してもほとんど抵抗特性が低下せず耐熱性が良好であった。これは実施形態の電極構造では、オーミック接触層６３が拡散防止層６２の酸化を防止し、これによって構成体４６、４７とのオーミック接触が維持されているからと考えられる。
【００４４】
本実施形態では、拡散防止層６２が設けられているから、電極主材料層６１中の電極主材料が構成体４６、４７中に拡散することを防止できるようになり、これによって、接合電極４２における信頼性および耐熱性が向上し、高信頼および高耐熱のセンサを得ることができる。
【００４５】
また、本実施形態では、電極主材料層６１の材料選択の自由度が増すという効果が得られる。すなわち、本実施形態の場合、接合電極４２において電極主材料層６１と構成体４６、４７との間に拡散防止層６２が設けられているから、電極主材料層６１中の電極主材料が構成体４６、４７側に拡散することを防止できる。そのため、従来ではこの電極主材料の拡散を防止するのに、電極主材料層の材料としてＴｉ(チタン)やＣｒ(クロム)のような金属しか使用できないが、この実施形態では電極主材料層６１の材料としてはＴｉ(チタン)やＣｒ(クロム)のように抵抗率が大きい金属のみならず、抵抗率が小さな金属であるＡｕ(金)、Ｐｔ(白金)、Ｃｕ(銅)、Ａｇ(銀)、Ａｌ(アルミニウム)などを使用することができるようになり、その使用材料の選択の自由度が増す。
【００４６】
さらに、本実施形態では、電極主材料層６１の膜厚の自由度が増すという効果が得られる。すなわち、従来では、電極主材料層６１の拡散を起こすことを前提とした場合、その拡散量を制限し、その影響を小さくするために、その膜厚をごく薄くしかできないが、本実施形態では、電極主材料層６１が拡散しないからその拡散量を考慮した膜厚にする必要がなくなるからその膜厚を任意にすることができる。そのため、本実施形態の場合、接合電極４２の膜厚を増やしてセンサ出力取出電極４３におけるワイヤボンディング性を改善することができるようになる。その理由は、接合電極とセンサ出力取出電極４３は同じ構造を有するもので同じ工程で形成される。そして、ワイヤボンディングそのものが、ワイヤと電極との間に熱や超音波によりエネルギを与え、ワイヤと電極とを溶融接合する。その接合に際して電極の膜厚が薄いと溶融接合ができないか、もしくは接合力が小さくなる。したがって、電極の膜厚を厚くできることによりワイヤボンディング性を改善することができる。この場合、電極の膜厚を厚くすることによりセンサ出力取出電極４３における抵抗値を小さくできるから、センサとしての抵抗値低減につながりＳＮ(信号／ノイズ)比が向上し、センサの高性能化と高信頼および高耐熱化の両立が可能となる。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、拡散防止層により拡散を防止できる一方、その拡散防止層の材料に酸化膜が形成されやすい材料が用いられていても、オーミック接触層により熱電対の構成体との接合面に対して高温状態でも、また、長時間使用下でも良好なオーミック接触状態を維持できるから、熱電対を用いた温度センサに用いた場合、そのセンサに対する一層の高性能化、高信頼化、高耐熱化に貢献できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る非接触型温度センサの平面図
【図２】図１の(２)−(２)線における断面図
【図３】図１のＡ部を詳細に示す拡大斜視図
【図４】図１の熱電材料と接合電極とを拡大して示す平面図
【図５】図４の(５)−(５)線における断面図
【符号の説明】
１０非接触型温度センサ
２０基板
３０ダイヤフラム
４０素子部
４１熱電対パターン
４２接合電極
４３センサ出力取出電極
４４パシベーション膜
４５赤外線吸収体
６０密着層
６１電極主材料層
６２拡散防止層
６３オーミック接触層

Claims

基板上において熱電対を複数接続してなる熱電対パターンを有する熱電変換素子であって、
前記熱電対の構成体は複数の異なる金属であり、かつ、前記構成体は接合電極で接続されており、前記接合電極が、少なくとも、電極主材料を含む電極主材料層と、電極主材料の拡散を防止する拡散防止層と、表面の接合金属に対してオーミック接触する、Ａｕもしくは白金族元素からなるオーミック接触層とを順次積層して構成されており、かつ、前記オーミック接触層に対して前記熱電対の構成体がオーミック接触状態で接続されている、ことを特徴とする熱電変換素子。
請求項１に記載の熱電変換素子において、
前記拡散防止層の材料としてＴｉ、Ｃｒ、Ｗ、ＴｉＮから選択された少なくとも１種を含む、ことを特徴とする熱電変換素子。
開口を有する基板と、
前記基板の開口を覆うように設けられた薄膜状のダイヤフラムと、
前記ダイヤフラムの上面に設けられた素子部とを含み、
前記素子部が、複数の熱電対からなる熱電対パターンと、前記熱電対の構成体を接続する複数の接合電極と、前記熱電対パターンからセンサ出力を取り出す取出電極と、前記熱電対パターンの熱電対の温接点に対しては近く、また、冷接点に対しては遠くなる位置に設けられた赤外線吸収体と、
を含み、
前記接合電極および取出電極が、少なくとも電極主材料を含む電極主材料層と、電極主材料の拡散を防止する拡散防止層と、表面の接合金属に対してオーミック接触する、Ａｕもしくは白金族元素からなるオーミック接触層とを順次積層して構成されている、ことを特徴とする温度センサ。
請求項３に記載の温度センサにおいて、
前記熱電対の構成体としてＢｉが用いられている、ことを特徴とする温度センサ。