CN111406195B - 应变片 - Google Patents

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Abstract

本应变片包括：基材，具有可挠性；以及电阻体，在所述基材上，由包含铬和镍中的至少一者的材料形成，其中，所述基材的膨胀系数在7ppm/K～20ppm/K的范围内。

Description

应变片
技术领域
本发明涉及一种应变片(strain gauge)。
背景技术
已知一种应变片，其粘贴在测定对象物上，以对测定对象物的应变进行检测。应变片具有用于对应变进行检测的电阻体，作为电阻体的材料，例如使用包含Cr(铬)或Ni(镍)的材料。另外，电阻体例如形成在由绝缘树脂构成的基材上(例如参见专利文献1)。
<现有技术文献>
<专利文献>
专利文献1：(日本)特开2016-74934号公报
发明内容
<本发明要解决的问题>
然而，与使用由机械强度较高的陶瓷等构成的基材的情况不同，在使用具有可挠性的基材的情况下，在应变片上产生的翘曲成为问题。如果在应变片上产生翘曲，则有可能会在电阻体上产生裂纹而使应变特性恶化或无法起到应变片的作用。
鉴于上述问题，本发明的目的在于，在包括在具有可挠性的基材上所形成的电阻体的应变片中，减少翘曲。
<用于解决问题的手段>
本应变片包括：基材，具有可挠性；以及电阻体，在所述基材上，由包含铬和镍中的至少一者的材料形成，其中，所述基材的膨胀系数在7ppm/K～20ppm/K的范围内。
<发明的效果>
根据所公开的技术，能够在包括在具有可挠性的基材上所形成的电阻体的应变片中，减少翘曲。
附图说明
图1是示出根据第1实施方式的应变片的平面图。
图2是示出根据第1实施方式的应变片的剖面图(其1)。
图3是示出根据第1实施方式的应变片的剖面图(其2)。
图4是示出基材的膨胀系数与电阻体的内部应力之间的关系的图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。在各附图中，对相同部件赋予相同符号，并且有时会省略重复的说明。
<第1实施方式>
图1是示出根据第1实施方式的应变片的平面图。图2是示出根据第1实施方式的应变片的剖面图，示出了沿图1的线A-A的剖面。如图1及图2所示，应变片1具有基材10、电阻体30、以及端子部41。
需要说明的是，在本实施方式中，为方便起见，在应变片1中，基材10的设置有电阻体30的一侧为上侧或一侧，未设置电阻体30的一侧为下侧或另一侧。另外，各部位的设置有电阻体30的一侧的表面为一个表面或上表面，未设置电阻体30的一侧的表面为另一表面或下表面。但是，也可以以上下颠倒的状态来使用应变片1，或者可以以任意角度来布置应变片1。另外，平面图是指从基材10的上表面10a的法线方向对对象物进行观察的视图，平面形状是指从基材10的上表面10a的法线方向对对象物进行观察时的形状。
基材10是作为用于形成电阻体30等的基底层的部件，并且具有可挠性。对于基材10的厚度并无特别限制，可以根据目的适当地选择，例如可以为大约5μm～500μm。特别地，从来自经由粘合层等接合在基材10的下表面上的应变体表面的应变的传递性、对于环境的尺寸稳定性的观点来看，基材10的厚度优选为5μm～200μm，从绝缘性的观点来看，更优选为10μm以上。
基材10例如可以由PI(聚酰亚胺)树脂、环氧树脂、PEEK(聚醚醚酮)树脂、PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯)树脂、PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)树脂、PPS(聚苯硫醚)树脂、聚烯烃树脂等绝缘树脂薄膜形成。需要说明的是，薄膜是指厚度为大约500μm以下、并且具有可挠性的部件。
在此，“由绝缘树脂薄膜形成”并不妨碍在基材10的绝缘树脂薄膜中含有填充剂或杂质等。基材10例如也可以由含有二氧化硅或氧化铝等填充剂的绝缘树脂薄膜形成。
电阻体30是以预定图案形成在基材10上的薄膜，并且是经受应变而产生电阻变化的感测部。电阻体30可以直接形成在基材10的上表面10a上，也可以经由其他层而形成在基材10的上表面10a上。需要说明的是，在图1中，为方便起见，以阴影图案示出电阻体30。
电阻体30例如可以由包含Cr(铬)的材料、包含Ni(镍)的材料、或包含Cr和Ni两者的材料形成。即，电阻体30可以由包含Cr和Ni中的至少一者的材料形成。作为包含Cr的材料，例如可以举出Cr混合相膜。作为包含Ni的材料，例如可以举出Cu-Ni(铜镍)。作为包含Cr和Ni两者的材料，例如可以举出Ni-Cr(镍铬)。
在此，Cr混合相膜是对Cr、CrN、Cr2N等进行相混合而成的膜。Cr混合相膜可以包含氧化铬等不可避免的杂质。
对于电阻体30的厚度并无特别限制，可以根据目的适当地选择，例如可以为大约0.05μm～2μm。特别地，从构成电阻体30的晶体的结晶性(例如，α-Cr的结晶性)得到提高的观点来看，电阻体30的厚度优选为0.1μm以上，从能够减少因构成电阻体30的膜的内部应力而引起的膜的裂纹或从基材10上翘曲的观点来看，更优选为1μm以下。
例如，在电阻体30是Cr混合相膜的情况下，通过以作为稳定的晶相的α-Cr(α-铬)作为主成分，从而能够提高应变特性的稳定性。另外，通过使电阻体30以α-Cr作为主成分，从而能够将应变片1的应变率设为10以上，并且将应变率温度系数TCS及电阻温度系数TCR设为-1000ppm/℃～+1000ppm/℃的范围内。在此，主成分是指对象物质占构成电阻体的全部物质的50质量％以上，从提高应变特性的观点来看，电阻体30优选包含80重量％以上的α-Cr。需要说明的是，α-Cr是bcc结构(体心立方晶格结构)的Cr。
需要说明的是，从将电阻体30的内部应力设为零附近以减少基材10的翘曲的观点来看，基材10的膨胀系数优选为7ppm/K～20ppm/K。例如可以通过进行基材10的材料的选定、基材10中所含有填充剂的材料的选定以及含量的调整等，来对基材10的膨胀系数进行调整。
端子部41从电阻体30的两端部延伸，并且在平面图中形成为比电阻体30宽的大致矩形形状。端子部41是用于将因应变而产生的电阻体30的电阻值的变化输出至外部的一对电极，例如与外部连接用的引线等接合。电阻体30例如从一个端子部41呈之字形延伸并折返从而与另一个端子部41连接。可以利用焊接性优于端子部41的金属来覆盖端子部41的上表面。需要说明的是，虽然为方便起见对电阻体30和端子部41赋予不同符号，但是两者可以在相同工序中由相同材料一体地形成。
可以以覆盖电阻体30并使端子部41露出的方式在基材10的上表面10a上设置覆盖层60(绝缘树脂层)。通过设置覆盖层60，从而能够防止在电阻体30上产生机械性的损伤等。另外，通过设置覆盖层60，从而能够保护电阻体30不受湿气等的影响。需要说明的是，覆盖层60可以设置为对除了端子部41以外的整个部分进行覆盖。
覆盖层60例如可以由PI树脂、环氧树脂、PEEK树脂、PEN树脂、PET树脂、PPS树脂、复合树脂(例如硅酮树脂、聚烯烃树脂)等绝缘树脂形成。覆盖层60可以含有填充剂或颜料。对于覆盖层60的厚度并无特别限制，可以根据目的适当地选择，例如可以为大约2μm～30μm。
为了制造应变片1，首先，准备基材10，在基材10的上表面10a上形成图1所示的平面形状的电阻体30及端子部41。电阻体30及端子部41的材料和厚度如上所述。电阻体30和端子部41可以利用相同材料一体地形成。
电阻体30及端子部41例如可以通过利用以能够形成电阻体30及端子部41的原料作为靶的磁控溅射法进行成膜，并利用光刻法进行图案化而形成。对于电阻体30及端子部41，可以利用反应溅射法、蒸镀法、电弧离子镀法或脉冲激光沉积法等来代替磁控溅射法而进行成膜。
从使应变特性稳定化的观点来看，优选在电阻器30和端子部41的成膜之前，在基材10的上表面10a上例如利用传统的溅射法真空成膜出厚度为大约1nm～100nm的功能层作为基底层。需要说明的是，可以在功能层的整个上表面上形成电阻体30及端子部41之后，利用光刻法将功能层和电阻体30及端子部41一起图案化成图1所示的平面形状。
在本申请中，功能层是指至少具有促进作为上层的电阻体30的晶体生长的功能的层。功能层优选还具有防止电阻体30因基材10中所含的氧或水分而氧化的功能、以及提高基材10与电阻体30之间的密合性的功能。功能层还可以具有其他功能。
由于构成基材10的绝缘树脂薄膜包含氧或水分，因此特别在电阻体30包含Cr的情况下，由于Cr会形成自氧化膜，因此使功能层具有防止电阻体30氧化的功能是有效的。
关于功能层的材料，只要其是至少具有促进作为上层的电阻体30的晶体生长的功能的材料，便无特别限制，可以根据目的适当地选择，例如可以举出选自由Cr(铬)、Ti(钛)、V(钒)、Nb(铌)、Ta(钽)、Ni(镍)、Y(钇)、Zr(锆)、Hf(铪)、Si(硅)、C(碳)、Zn(锌)、Cu(铜)、Bi(铋)、Fe(铁)、Mo(钼)、W(钨)、Ru(钌)、Rh(铑)、Re(铼)、Os(锇)、Ir(铱)、Pt(铂)、Pd(钯)、Ag(银)、Au(金)、Co(钴)、Mn(锰)、Al(铝)组成的群组一种或多种的金属、该群组中的任意金属的合金、或者该群组中的任意金属的化合物。
作为上述合金，例如可以举出FeCr、TiAl、FeNi、NiCr、CrCu等。另外，作为上述化合物，例如可以举出TiN、TaN、Si3N4、TiO2、Ta2O5、SiO2等。
功能层例如可以利用传统的溅射法来进行真空成膜，该传统的溅射法以能够形成功能层的原料作为靶，并且向腔室内导入Ar(氩)气体。通过使用传统的溅射法，从而能够一边利用Ar对基材10的上表面10a进行蚀刻一边形成功能层，因此能够使功能层的成膜量最小化从而获得密合性改善效果。
但是，其仅是功能层的成膜方法的一个示例，也可以利用其他方法来形成功能层。例如，可以在功能层的成膜之前通过使用了Ar等的等离子体处理等将基材10的上表面10a活化从而获得密合性改善效果，然后使用通过磁控溅射法来对功能层进行真空成膜的方法。
对于功能层的材料与电阻体30及端子部41的材料的组合并无特别限制，可以根据目的适当地选择，例如可以使用Ti作为功能层，并且形成以α-Cr(α-铬)作为主成分的Cr混合相膜作为电阻体30及端子部41。
在此情况下，例如可以利用以能够形成Cr混合相膜的原料作为靶、并且向腔室内导入Ar气体的磁控溅射法，来形成电阻体30及端子部41。或者，可以以纯Cr作为靶，向腔室内导入Ar气体以及适量的氮气，并利用反应溅射法来形成电阻体30及端子部41。
在这些方法中，能够以由Ti构成的功能层为开端对Cr混合相膜的生长面进行限制，并且形成以作为稳定的晶体结构的α-Cr为主成分的Cr混合相膜。另外，通过使构成功能层的Ti扩散至Cr混合相膜，从而使应变特性得到提高。例如，能够使应变片1的应变率为10以上，并且使应变率温度系数TCS及电阻温度系数TCR在-1000ppm/℃～+1000ppm/℃的范围内。需要说明的是，在功能层由Ti形成的情况下，在Cr混合相膜中有时会包含Ti或TiN(氮化钛)。
需要说明的是，在电阻体30为Cr混合相膜的情况下，由Ti构成的功能层具备促进电阻体30的晶体生长的功能、防止电阻体30因包含在基材10中的氧或水分而氧化的功能、以及提高基材10与电阻体30之间的密合性的功能的全部功能。使用Ta、Si、Al、Fe来代替Ti用作功能层的情况也同样。
这样一来，通过在电阻体30的下层设置功能层，从而能够促进电阻体30的晶体生长，并且能够制作由稳定的晶相构成的电阻体30。因此，在应变片1中，能够提高应变特性的稳定性。另外，通过使构成功能层的材料扩散至电阻体30，从而能够在应变片1中提高应变特性。
在形成电阻体30及端子部41之后，根据需要，在基材10的上表面10a上设置覆盖电阻体30并且使端子部41露出的覆盖层60，从而完成了应变片1。覆盖层60例如可以通过在基材10的上表面10a上以覆盖电阻体30且使端子部41露出的方式层压半固化状态的热固性的绝缘树脂薄膜，并进行加热使其固化来制作。覆盖层60也可以通过在基材10的上表面10a上以覆盖电阻体30且使端子部41露出的方式涂布液状或糊状的热固性的绝缘树脂，并进行加热使其固化来制作。
需要说明的是，在基材10的上表面10a上设置功能层作为电阻体30及端子部41的基底层的情况下，应变片1为图3所示的剖面形状。由符号20所表示的层为功能层。设置功能层20的情况下的应变片1的平面形状与图1相同。
[实施例1]
在实施例1中，准备由膨胀系数不同的厚度为25μm的聚酰亚胺树脂构成的多个基材10，并且针对成膜出Cr混合相膜作为电阻体30的情况下的基材10的膨胀系数与电阻体30的内部应力之间的关系进行调查，得到了图4所示的结果。
对评价样本的翘曲进行测定并利用公式(1)所示的Stoney公式估算出电阻体30的内部应力。需要说明的是，从公式(1)可以看出，图4所示的电阻体30的内部应力是每单位厚度的值，并且不取决于电阻体30的厚度。
[数1]
内部应力＝ED2/6(1-v)tR···(1)
需要说明的是，在公式(1)中，E为杨氏模量，ν为泊松比，D为基材10的厚度，t为电阻体30的厚度，R为基材10的曲率半径的变化。
从图4可以看出，通过将基材10的膨胀系数设定在7ppm/K～20ppm/K的范围内，从而能够将电阻体30的内部应力保持在±0.4GPa的范围内。在此，±0.4GPa是产生使应变片1起作用的极限的翘曲的值，其是由发明人由实验获得的值。
换言之，如果基材10的膨胀系数超出7ppm/K～20ppm/K的范围，则电阻体30的内部应力超出±0.4GPa的范围且应变片1的翘曲增大，从而无法起到应变片的功能。因此，需要将基材10的膨胀系数设定在7ppm/K～20ppm/K的范围内。需要说明的是，基材10的材料并不必一定是聚酰亚胺树脂。
通过进行基材10的材料的选定、基材10中包含的填充剂的材料的选定及含量的调整等，从而能够将基材10的膨胀系数设定在7ppm/K～20ppm/K的范围内。
这样一来，通过将基材10的膨胀系数设定在7ppm/K～20ppm/K的范围内，从而能够吸收基材10与电阻体30之间的膨胀系数的差异及其他因素，并将电阻体30的内部应力保持在±0.4GPa的范围内。因此，减小了应变片1的翘曲，并且能够在维持良好的应变特性的状态下使应变片1稳定地起作用。
[实施例2]
在实施例2中，使用将膨胀系数设定在7ppm/K～20ppm/K的范围内的基材10制作多个应变片1。
首先，利用传统的溅射法在由厚度为25μm的聚酰亚胺树脂构成的基材10的上表面10a上真空成膜出膜厚为3nm的Ti膜作为功能层20。
接着，在利用磁控溅射法在功能层20的整个上表面上成膜出Cr混合相膜作为电阻体30及端子部41之后，利用光刻法如图1所示对功能层20、以及电阻体30及端子部41进行图案化。
接着，对实施例2的各样本的应变特性进行了测定。作为其结果，实施例2的各样本的应变率为14～16。另外，实施例2的各样本的应变率温度系数TCS及电阻温度系数TCR在-1000ppm/℃～+1000ppm/℃的范围内。
这样一来，确认出：通过使用将膨胀系数设定在7ppm/K～20ppm/K的范围内的基材10，从而能够制作出翘曲被减少、且具有良好的应变特性的应变片1。另外，确认出：即使存在功能层20，也不会导致应变片1的翘曲的恶化。
以上对优选的实施方式等进行了详细说明，但不限于上述的实施方式等，在不脱离权利要求书所记载的范围情况下，可以对上述实施方式等进行各种变形及替换。
本国际申请以2017年9月29日提交的日本发明专利申请第2017-191821号作为要求优先权的基础，本国际申请援引日本发明专利申请第2017-191821号的全部内容。
符号说明
1应变片；10基材；10a上表面；20功能层；30电阻体；41端子部；60覆盖层。

Claims (11)

1.一种应变片，包括：
树脂制的基材，具有可挠性；
功能层，由金属、合金、或金属的化合物直接形成在所述基材的一个表面上；以及
电阻体，由Cr、CrN、Cr2N进行相混合而成并且扩散有所述功能层中包含的Cr以外的元素的Cr混合相膜直接形成在所述功能层的一个表面上，其中，
所述电阻体以α-Cr作为主成分，
所述功能层对所述Cr混合相膜的生长面进行限制并促进所述Cr混合相膜的晶体生长，
应变率为10以上，
所述基材的膨胀系数在7ppm/K～20ppm/K的范围内。
2.一种应变片，包括：
树脂制的基材，具有可挠性；
功能层，由金属、合金、或金属的化合物直接形成在所述基材的一个表面上；以及
电阻体，由Cr、CrN、Cr2N进行相混合而成并且扩散有所述功能层中包含的Cr以外的元素的Cr混合相膜直接形成在所述功能层的一个表面上，其中，
所述电阻体以α-Cr作为主成分，
所述功能层对所述Cr混合相膜的生长面进行限制并促进所述Cr混合相膜的晶体生长，
电阻温度系数在-1000ppm/℃～+1000ppm/℃的范围内，
所述基材的膨胀系数在7ppm/K～20ppm/K的范围内。
3.一种应变片，包括：
树脂制的基材，具有可挠性；
功能层，由金属、合金、或金属的化合物直接形成在所述基材的一个表面上；以及
电阻体，由Cr、CrN、Cr2N进行相混合而成的Cr混合相膜直接形成在所述功能层的一个表面上，其中，
所述电阻体以α-Cr作为主成分，
所述功能层对所述Cr混合相膜的生长面进行限制并促进所述Cr混合相膜的晶体生长，
所述基材的膨胀系数在7ppm/K～20ppm/K的范围内。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的应变片，其中，
所述功能层包含选自由Cr、Ti、V、Nb、Ta、Ni、Y、Zr、Hf、Si、C、Zn、Cu、Bi、Fe、Mo、W、Ru、Rh、Re、Os、Ir、Pt、Pd、Ag、Au、Co、Mn、Al组成的群组的一种或多种金属、所述群组中的任意金属的合金、或者所述群组中的任意金属的化合物。
5.根据权利要求4所述的应变片，其中，
所述功能层包含选自由Cr、V、Nb、Ta、Ni、Y、Hf、C、Zn、Bi、Fe、Mo、W、Ru、Rh、Re、Os、Ir、Pt、Pd、Ag、Au、Co、Mn组成的群组的一种或多种金属、所述群组中的任意金属的合金、或者所述群组中的任意金属的化合物。
6.根据权利要求4所述的应变片，其中，
所述功能层包含选自由TiN、TaN、Si3N4、TiO2、Ta2O5、SiO2组成的群组的一种金属化合物。
7.根据权利要求6所述的应变片，其中，
所述功能层包含选自由TiN、TaN、Si3N4、Ta2O5组成的群组的一种金属化合物。
8.根据权利要求4所述的应变片，其中，
所述功能层包含选自由FeCr、TiAl、FeNi、NiCr、CrCu组成的群组的一种合金。
9.根据权利要求1至3中任一项所述的应变片，其中，
所述功能层具有防止所述电阻体因所述基材中所含的氧和水分而氧化的功能、以及提高所述基材与所述电阻体的密合性的功能。
10.根据权利要求1至3中任一项所述的应变片，其中，
所述功能层图案化成与所述电阻体相同的平面形状。
11.根据权利要求1至3中任一项所述的应变片，其中，
所述功能层的厚度为1nm～100nm。
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