JP6410024B2 - 温度センサ - Google Patents

Description

本発明は、表面実装が可能なフィルム型サーミスタ温度センサである温度センサに関する。

近年、柔軟性に優れると共に全体を薄くすることができるフィルム型温度センサとして、絶縁性フィルム上に薄膜サーミスタを形成した温度センサが開発されている。例えば、特許文献１には、絶縁性フィルムと、絶縁性フィルム表面に薄膜サーミスタ材料でパターン形成された薄膜サーミスタ部と、薄膜サーミスタ部の上に複数の櫛部を有して互いに対向してパターン形成された一対の櫛型電極と、一対の櫛型電極に接続され絶縁性フィルムの表面にパターン形成された一対のパターン電極とを備えた温度センサが提案されている。

このフィルム型の温度センサでは、表面実装を行うために、絶縁性フィルムの上面だけでなく下面にも電極を形成し、上下面の電極を絶縁性フィルムに形成したスルーホールで導通させることで、上面側に形成した薄膜サーミスタ部を測定対象に向けた状態で下面側の電極を基板等に半田等で表面実装可能にしている。
なお、上記フィルム型の温度センサでは、薄膜サーミスタ部が絶縁性フィルムの上面に形成されているため、温度センサの上下を選別してハンドリングし、実装を行っている。

特開２０１３−２１１４３３号公報

上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
すなわち、上記従来のフィルム型の温度センサでは、薄膜サーミスタ部を測定対象に向けて表面実装するためには、電極を絶縁性フィルムの下面側に形成する必要があるが、上面側の電極と下面側の電極とを接続させるために、絶縁性フィルムにスルーホールを形成する必要がある。しかしながら、その場合、製造工程及び製造コストの増大を招いてしまう不都合があった。さらに、従来は絶縁性フィルムの上面側に薄膜サーミスタ部や櫛型電極等の複数の膜を形成するために、絶縁性フィルムの上下面で応力バランスがとれず、応力により反りが生じてしまう不都合があった。また、上下面の応力バランスがとれない場合、フィルム型温度センサとして高いフレキシブル性が得られず、信頼性も低下するおそれがあった。さらに、上記従来のフィルム型の温度センサでは、薄膜サーミスタ部が絶縁性フィルムの上面に形成されているため、温度センサの上下を選別して実装しなければならず、ハンドリングに手間がかかっていた。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、応力による反りが生じ難く、高いフレキシブル性と信頼性とを得ることができると共に、上下面いずれの面でも表面実装が可能な温度センサを提供することを目的とする。

本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、第１の発明に係る温度センサは、絶縁性フィルムと、前記絶縁性フィルムの上面にサーミスタ材料でパターン形成された上部薄膜サーミスタ部と、前記絶縁性フィルムの下面にサーミスタ材料でパターン形成された下部薄膜サーミスタ部と、前記上部薄膜サーミスタ部の上及び下の少なくとも一方に複数の櫛部を有して互いに対向してパターン形成された一対の上部櫛型電極と、前記下部薄膜サーミスタ部の上及び下の少なくとも一方に複数の櫛部を有して互いに対向してパターン形成された一対の下部櫛型電極と、一端が前記一対の上部櫛型電極に接続されていると共に前記絶縁性フィルムの上面にパターン形成された一対の上部パターン電極と、一端が前記一対の下部櫛型電極に接続されていると共に前記絶縁性フィルムの下面にパターン形成された一対の下部パターン電極とを備えていることを特徴とする。

この温度センサでは、絶縁性フィルムの上面に上部薄膜サーミスタ部と上部櫛型電極と上部パターン電極とが形成されていると共に、絶縁性フィルムの下面に下部薄膜サーミスタ部と下部櫛型電極と下部パターン電極とが形成されているので、絶縁性フィルムの上下面で応力バランスがとり易く、反りが生じ難くなると共に、フレキシブル性が向上して高強度化させることができる。また、熱応力に対しても反りが少なくなり、信頼性を向上させることができる。さらに、上下面にそれぞれにパターン電極と薄膜サーミスタ部とが形成されているので、上下面を選別する必要が無く、上下面のいずれの面でも表面実装が可能である。特に、絶縁性フィルムが高い柔軟性を有しているので、曲面に実装する際にも曲面に沿って上下面いずれの面で実装しても全体が曲がることで、容易に曲面実装を行うことができる。

第２の発明に係る温度センサは、第１の発明において、前記上部パターン電極と前記下部パターン電極とが、前記絶縁性フィルムに形成されたスルーホールで接続されていることを特徴とする。
すなわち、この温度センサでは、上部パターン電極と下部パターン電極とが絶縁性フィルムに形成されたスルーホールで接続されているので、上下面の２つの薄膜サーミスタ部を用いて測定が可能になり、測定ばらつきを小さくすることができる。

第３の発明に係る温度センサは、第１又は第２の発明において、前記上部薄膜サーミスタ部と前記下部薄膜サーミスタ部、前記上部櫛型電極と前記下部櫛型電極、前記上部パターン電極と前記下部パターン電極が、それぞれ上下対称に形成されていることを特徴とする。
すなわち、この温度センサでは、上部薄膜サーミスタ部と下部薄膜サーミスタ部、上部櫛型電極と下部櫛型電極、上部パターン電極と下部パターン電極が、それぞれ上下対称に形成されているので、上下面のどちらで実装しても同じ形状の構造となるため、上下面の選別が不要になってハンドリングが容易になる。

本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係る温度センサによれば、絶縁性フィルムの上下面に薄膜サーミスタ部と櫛型電極とパターン電極とがそれぞれ形成されているので、応力による反りが生じ難くなると共に、フレキシブル性及び信頼性を向上させることができ、さらに上下面のいずれの面でも容易に表面実装が可能である。

本発明に係る温度センサの第１実施形態を示す平面図（ａ）及びＡ−Ａ線断面図（ｂ）である。 第１実施形態において、上部薄膜サーミスタ部形成工程を示す平面図（ａ）及びＢ−Ｂ線断面図（ｂ）である。 第１実施形態において、下部薄膜サーミスタ部形成工程を示す底面図（ａ）及びＣ−Ｃ線断面図（ｂ）である。 第１実施形態において、上部電極形成工程を示す平面図（ａ）及びＤ−Ｄ線断面図（ｂ）である。 第１実施形態において、下部電極形成工程を示す底面図（ａ）及びＥ−Ｅ線断面図（ｂ）である。 本発明に係る温度センサの第２実施形態を示す平面図（ａ）及びＦ−Ｆ線断面図（ｂ）である。

以下、本発明に係る温度センサにおける第１実施形態を、図１から図５を参照しながら説明する。なお、以下の説明に用いる図面の一部では、各部を認識可能又は認識容易な大きさとするために必要に応じて縮尺を適宜変更している。

本実施形態の温度センサ１は、図１に示すように、絶縁性フィルム２と、絶縁性フィルム２の上面にサーミスタ材料でパターン形成された上部薄膜サーミスタ部３Ａと、絶縁性フィルム２の下面にサーミスタ材料でパターン形成された下部薄膜サーミスタ部３Ｂと、上部薄膜サーミスタ部３Ａの上及び下の少なくとも一方に複数の櫛部４ａを有して互いに対向してパターン形成された一対の上部櫛型電極４Ａと、下部薄膜サーミスタ部３Ｂの上及び下の少なくとも一方に複数の櫛部４ａを有して互いに対向してパターン形成された一対の下部櫛型電極４Ｂと、一端が一対の上部櫛型電極４Ａに接続されていると共に絶縁性フィルム２の上面にパターン形成された一対の上部パターン電極５Ａと、一端が一対の下部櫛型電極４Ｂに接続されていると共に絶縁性フィルム２の下面にパターン形成された一対の下部パターン電極５Ｂとを備えている。

なお、本実施形態では、上部薄膜サーミスタ部３Ａの上面側の露出面に上部櫛型電極４Ａが形成され、下部薄膜サーミスタ部３Ｂの下面側の露出面に下部櫛型電極４Ｂが形成されている。
また、上部薄膜サーミスタ部３Ａと下部薄膜サーミスタ部３Ｂ、上部櫛型電極４Ａと下部櫛型電極４Ｂ、上部パターン電極５Ａと下部パターン電極５Ｂが、それぞれ上下対称に形成されている。すなわち、絶縁性フィルム２の上下面で、薄膜サーミスタ部、櫛型電極及びパターン電極が同一形状かつ同一配置とされている。

上記絶縁性フィルム２は、長方形状とされ、上部薄膜サーミスタ部３Ａ及び下部薄膜サーミスタ部３Ｂは、それぞれ絶縁性フィルム２の中央に矩形状に形成されている。
一対の上部パターン電極５Ａは、絶縁性フィルム２の上面の互いに異なる端部まで延在している。また、一対の下部パターン電極５Ｂは、絶縁性フィルム２の下面の互いに異なる端部まで延在している。すなわち、絶縁性フィルム２の両端部における上面側と下面側とに配された上部パターン電極５Ａ及び下部パターン電極５Ｂの端部は、それぞれ実装用の接着パッド部となる。

また、本実施形態の温度センサ１は、絶縁性フィルム２の上面に上部薄膜サーミスタ部３Ａを覆う上部保護膜６Ａと、絶縁性フィルム２の下面に下部薄膜サーミスタ部３Ｂを覆う下部保護膜６Ｂとを備えている。
上記上部保護膜６Ａ及び下部保護膜６Ｂは、絶縁性樹脂膜等であり、例えば厚さ２０μｍのポリイミド膜が採用される。これらの上部保護膜及び下部保護膜６Ｂは、上部薄膜サーミスタ部３Ａ及び下部薄膜サーミスタ部３Ｂと共に櫛部４ａを覆って矩形状にパターン形成されている。

上記絶縁性フィルム２は、例えば厚さ７．５〜１２５μｍのポリイミド樹脂シートで帯状に形成されている。なお、絶縁性フィルム２としては、他にＰＥＴ：ポリエチレンテレフタレート，ＰＥＮ：ポリエチレンナフタレート等でも作製できるが、耐熱温度が高いためポリイミドフィルムが望ましい。
上部薄膜サーミスタ部３Ａ及び下部薄膜サーミスタ部３Ｂは、絶縁性フィルム２の中央に配され、例えばＴｉＡｌＮのサーミスタ材料で形成されている。特に、上部薄膜サーミスタ部３Ａ及び下部薄膜サーミスタ部３Ｂは、一般式：Ｔｉ_ｘＡｌ_ｙＮ_ｚ（０．７０≦ｙ／（ｘ＋ｙ）≦０．９５、０．４≦ｚ≦０．５、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で示される金属窒化物からなり、その結晶構造が、六方晶系のウルツ鉱型の単相であるサーミスタ材料が好適である。

上部パターン電極５Ａ及び上部櫛型電極４Ａと、下部パターン電極５Ｂ及び下部櫛型電極４Ｂとは、上部薄膜サーミスタ部３Ａの上面又は下部薄膜サーミスタ部３Ｂの下面に形成された膜厚５〜１００ｎｍのＣｒ又はＮｉＣｒの接合層と、該接合層上にＡｕ等の貴金属で膜厚５０〜１０００ｎｍで形成された電極層とを有している。
一対の上部櫛型電極４Ａ及び一対の下部櫛型電極４Ｂは、互いに対向状態に配されて交互に櫛部４ａが並んだ櫛型パターンとされている。
なお、櫛部４ａは、絶縁性フィルム２の延在方向に沿って延在している。

次に、本実施形態の温度センサ１の製造方法について、図１から図５を参照して以下に説明する。
本実施形態の温度センサ１の製造方法は、絶縁性フィルム２の上面に上部薄膜サーミスタ部３Ａをパターン形成する上部薄膜サーミスタ部形成工程と、絶縁性フィルム２の下面に下部薄膜サーミスタ部３Ｂをパターン形成する下部薄膜サーミスタ部形成工程と、互いに対向した一対の上部櫛型電極４Ａを上部薄膜サーミスタ部３Ａの上面にパターン形成すると共に絶縁性フィルム２の上面に一対の上部パターン電極５Ａをパターン形成する上部電極形成工程と、互いに対向した一対の下部櫛型電極４Ｂを下部薄膜サーミスタ部３Ｂの下面にパターン形成すると共に絶縁性フィルム２の下面に一対の下部パターン電極５Ｂをパターン形成する下部電極形成工程と、上部薄膜サーミスタ部３Ａを上部保護膜６Ａで覆うと共に下部薄膜サーミスタ部３Ｂを下部保護膜６Ｂで覆う保護膜形成工程とを有している。

より具体的な製造方法の例としては、厚さ５０μｍのポリイミドフィルムの絶縁性フィルム２の上面に、Ｔｉ−Ａｌ合金スパッタリングターゲットを用い、窒素含有雰囲気中で反応性スパッタ法にて、例えばＴｉ_ｘＡｌ_ｙＮ_ｚ（ｘ＝９、ｙ＝４３、ｚ＝４８）のサーミスタ膜を膜厚２００ｎｍで形成する。

成膜したサーミスタ膜の上にレジスト液をバーコーターで塗布した後、１１０℃で１分３０秒のプリベークを行い、露光装置で感光後、現像液で不要部分を除去し、さらに１５０℃で５分のポストベークにてパターニングを行う。その後、不要なＴｉ_ｘＡｌ_ｙＮ_ｚのサーミスタ膜を市販のＴｉエッチャントでウェットエッチングを行い、図２に示すように、レジスト剥離にて所望の形状の上部薄膜サーミスタ部３Ａにする。

次に、絶縁性フィルム２の下面にも、上記と同様にしてサーミスタ膜を成膜し、パターニングを行って、図３に示すように、上部薄膜サーミスタ部３Ａと同じ形状で上部薄膜サーミスタ部３Ａと対向させて下部薄膜サーミスタ部３Ｂを形成する。

次に、上部薄膜サーミスタ部３Ａ及び絶縁性フィルム２の上面に、スパッタ法にて、Ｃｒ膜の接合層を膜厚２０ｎｍ形成する。さらに、この接合層上に、スパッタ法にてＡｕ膜の電極層を膜厚１００ｎｍ形成する。
次に、成膜した電極層の上にレジスト液をバーコーターで塗布した後、１１０℃で１分３０秒のプリベークを行い、露光装置で感光後、現像液で不要部分を除去し、１５０℃で５分のポストベークにてパターニングを行う。その後、不要な電極部分を市販のＡｕエッチャント及びＣｒエッチャントの順番でウェットエッチングを行い、図４に示すように、レジスト剥離にて所望の上部櫛型電極４Ａ及び上部パターン電極５Ａを形成する。

次に、下部薄膜サーミスタ部３Ｂ及び絶縁性フィルム２の下面に、上記と同様にしてＣｒ膜及びＡｕ膜を形成し、パターニングを行って、図５に示すように、上部櫛型電極４Ａ及び上部パターン電極５Ａと同じ形状で、上部櫛型電極４Ａ及び上部パターン電極５Ａと対向させて下部櫛型電極４Ｂ及び下部パターン電極５Ｂを形成する。

さらに、上部薄膜サーミスタ部３Ａ、上部櫛型電極４Ａ及び上部パターン電極５Ａの上面にポリイミドワニスを印刷法により塗布して、２５０℃、３０分でキュアを行い、次に下部薄膜サーミスタ部３Ｂ、下部櫛型電極４Ｂ及び下部パターン電極５Ｂの下面にポリイミドワニスを印刷法により塗布して、２５０℃、３０分でキュアを行い、図１に示すように、２０μｍ厚の上部保護膜６Ａ及び下部保護膜６Ｂをパターン形成することで、本実施形態の温度センサ１が作製される。

なお、複数の温度センサ１を同時に作製する場合、絶縁性フィルム２の大判シートに複数の上部薄膜サーミスタ部３Ａ、下部薄膜サーミスタ部３Ｂ、上部櫛型電極４Ａ、下部櫛型電極４Ｂ、上部パターン電極５Ａ、下部パターン電極５Ｂ、上部保護膜６Ａ及び下部保護膜６Ｂを上述のように形成した後に、大判シートから温度センサ１に切断する。

このように本実施形態の温度センサ１では、絶縁性フィルム２の上面に上部薄膜サーミスタ部３Ａと上部櫛型電極４Ａと上部パターン電極５Ａとが形成されていると共に、絶縁性フィルム２の下面に下部薄膜サーミスタ部３Ｂと下部櫛型電極４Ｂと下部パターン電極５Ｂとが形成されているので、絶縁性フィルム２の上下面で応力バランスがとり易く、反りが生じ難くなると共に、フレキシブル性が向上して高強度化させることができる。

また、熱応力に対しても反りが少なくなり、信頼性を向上させることができる。さらに、上下面にそれぞれにパターン電極５Ａ，５Ｂと薄膜サーミスタ部３Ａ，３Ｂとが形成されているので、上下面を選別する必要が無く、上下面のいずれの面でも表面実装が可能である。特に、絶縁性フィルム２が高い柔軟性を有しているので、曲面に実装する際にも曲面に沿って上下面いずれの面で実装しても全体が曲がることで、容易に曲面実装を行うことができる。
さらに、上下面それぞれにパターン電極５Ａ，５Ｂと櫛型電極４Ａ，４Ｂと薄膜サーミスタ部３Ａ，３Ｂとが対称に同一形状で形成されているので、上下面のどちらで実装しても同じ形状の構造となるため、上下面の選別が不要になってハンドリングが容易になる。

次に、本発明に係る温度センサの第２実施形態について、図６を参照して以下に説明する。なお、以下の実施形態の説明において、上記実施形態において説明した同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。

第２実施形態と第１実施形態との異なる点は、第１実施形態では、上部パターン電極５Ａと下部パターン電極５Ｂとが電気的に接続されていないのに対し、第２実施形態の温度センサ２１では、図６に示すように、上部パターン電極５Ａと下部パターン電極５Ｂとが、絶縁性フィルム２に形成されたスルーホールＨで接続されている点である。すなわち、第２実施形態では、絶縁性フィルム２の両端部にそれぞれ貫通孔が形成され、該貫通孔内を金属で埋めることでスルーホールＨを形成している。

例えば、上部薄膜サーミスタ部３Ａ及び下部薄膜サーミスタ部３Ｂを形成した後、絶縁性フィルム２の両端部の所定位置に、ＹＡＧレーザにて貫通孔を予め形成しておく。次に、絶縁性フィルム２の両面にスパッタ法にて、Ｃｒ膜の電極膜を成膜するが、この際に、同時に貫通孔の内面にもＣｒ膜が上下面から連続して形成される。さらに、絶縁性フィルム２の両面にスパッタ法にてＡｕ膜の電極層を成膜するが、その際に、同時に貫通孔内にＡｕが埋まり、スルーホールＨが形成される。

したがって、第２実施形態の温度センサ２１では、上部パターン電極５Ａと下部パターン電極５Ｂとが絶縁性フィルム２に形成されたスルーホールＨで接続されているので、上下面の２つの薄膜サーミスタ部を用いて測定が可能になり、測定ばらつきを小さくすることができる。すなわち、第２実施形態では、特許文献１のようにスルーホールＨを形成する工程が必要になるが、上下面の薄膜サーミスタ部が導通されることで、両面で測定が行われて高い精度で温度を測定することが可能になる。

なお、本発明の技術範囲は上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記各実施形態では、櫛部を薄膜サーミスタ部の上（露出面上）にパターン形成しているが、薄膜サーミスタ部の下（薄膜サーミスタと絶縁性フィルムとの間）にパターン形成しても構わない。

１，２１…温度センサ、２…絶縁性フィルム、３Ａ…上部薄膜サーミスタ部、３Ｂ…下部薄膜サーミスタ部、４Ａ…上部櫛型電極、４Ｂ…下部櫛型電極、４ａ…櫛部、５Ａ…上部パターン電極、５Ｂ…下部パターン電極、６Ａ…上部保護膜、６Ｂ…下部保護膜、Ｈ…スルーホール

Claims (3)

1. 柔軟性を有した絶縁性フィルムと、
   前記絶縁性フィルムの上面にサーミスタ材料でパターン形成された上部薄膜サーミスタ部と、
   前記絶縁性フィルムの下面にサーミスタ材料でパターン形成された下部薄膜サーミスタ部と、
   前記上部薄膜サーミスタ部の上及び下の少なくとも一方に複数の櫛部を有して互いに対向してパターン形成された一対の上部櫛型電極と、
   前記下部薄膜サーミスタ部の上及び下の少なくとも一方に複数の櫛部を有して互いに対向してパターン形成された一対の下部櫛型電極と、
   一端が前記一対の上部櫛型電極に接続されていると共に前記絶縁性フィルムの上面にパターン形成された一対の上部パターン電極と、
   一端が前記一対の下部櫛型電極に接続されていると共に前記絶縁性フィルムの下面にパターン形成された一対の下部パターン電極とを備え、
   前記上部櫛型電極の前記櫛部が、前記上部薄膜サーミスタ部の少なくとも中央部まで延在していると共に、前記下部櫛型電極の前記櫛部が、前記下部薄膜サーミスタ部の少なくとも中央部まで延在していることを特徴とする温度センサ。
2. 請求項１に記載の温度センサにおいて、
   前記上部パターン電極と前記下部パターン電極とが、前記絶縁性フィルムに形成されたスルーホールで接続されていることを特徴とする温度センサ。
3. 請求項１又は２に記載の温度センサにおいて、
   前記上部薄膜サーミスタ部と前記下部薄膜サーミスタ部、前記上部櫛型電極と前記下部櫛型電極、前記上部パターン電極と前記下部パターン電極が、それぞれ上下対称に形成されていることを特徴とする温度センサ。

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