CN111417831A - 应变片 - Google Patents

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CN111417831A CN201880076802.7A CN201880076802A CN111417831A CN 111417831 A CN111417831 A CN 111417831A CN 201880076802 A CN201880076802 A CN 201880076802A CN 111417831 A CN111417831 A CN 111417831A
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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，所述基材的一个表面的表面凹凸为15nm以下，所述电阻体的膜厚为0.05μm以上。

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，如果在具有可挠性的基材上形成电阻体，则有可能在电阻体上产生针孔。如果在电阻体上产生的针孔数超过预定值，则有可能会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，减少针孔数。
<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，所述基材的一个表面的表面凹凸为15nm以下，所述电阻体的膜厚为0.05μm以上。
<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，减少针孔数。
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是示出基材的表面凹凸与电阻体的针孔数之间的关系的图。
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。
然而，如果在基材10上形成电阻体30，则有时会在电阻体30上产生针孔(pinhole)，并且如果在电阻体30上产生的针孔数超过预定值，则应变特性可能会恶化，或可能无法起到应变片的功能。发明人发现：在电阻体30上产生针孔的原因之一是从基材10的上表面10a突出的填充剂。
即，如果基材10含有填充剂，则填充剂的一部分会从基材10的上表面10a突出，使基材10的上表面10a的表面凹凸增大。因此，在形成于基材10的上表面10a上的电阻体30上所产生的针孔数增加，并成为应变特性的恶化等的主要原因。
发明人发现：在电阻体30的厚度为0.05μm以上的情况下，如果基材10的上表面10a的表面凹凸为15nm以下，则能够抑制在电阻体30上所产生的针孔数从而维持应变特性。
即，在电阻体30的厚度为0.05μm以上的情况下，从降低在形成于基材10的上表面10a上的电阻体30上所产生的针孔数以维持应变特性的观点来看，基材10的上表面10a的表面凹凸优选为15nm以下，如果表面凹凸为15nm以下，则即便基材10含有填充剂也不会导致应变特性的恶化。需要说明的是，基材10的上表面10a的表面凹凸可以为0nm。
例如可以通过对基材10进行加热来减少基材10的上表面10a的表面凹凸。或者，也可以使用大致垂直地向基材10的上表面10a照射激光以将凸部削去的方法、使水刀等能够与基材10的上表面10a平行地移动以将凸部刮掉的方法、利用砂轮对基材10的上表面10a进行研磨的方法、或者对基材10一边进行加热一边进行加压的方法(热压)等，来代替针对基材10的加热。
需要说明的是，表面凹凸是算数平均粗糙度，通常表示为Ra。表面凹凸例如可以利用三维光学干涉法来测定。
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]
实施例1中，准备了含有填充剂的由厚度为25μm的聚酰亚胺树脂构成的多片基材10。然后，分别制作3个未进行加热处理的样本、在100℃下进行了加热处理的样本、在200℃下进行了加热处理的样本、在300℃下进行了加热处理的样本，并在返回室温之后，利用三维光学干涉法对各个基材10的上表面10a上的表面凹凸进行测定。
接着，利用磁控溅射法在各个基材10的上表面10a上成膜出厚度为0.05μm的电阻体30，并利用光刻法如图1所示进行图案化之后，利用使光从样本背面透射的光学透射法对在电阻体30上产生的针孔数进行测定。
接着，基于测定结果，将基材10的上表面10a的表面凹凸与电阻体30上产生的针孔数之间的关系总结为图4。需要说明的是，图4所示的柱状图表示表面凹凸，折线图表示针孔数。另外，横轴上的100℃、200℃以及300℃表示对基材10进行加热处理时的温度，“未处理”表示未进行加热处理。
图4表明：通过在100℃以上且300℃以下的温度下对基材10进行加热处理，使得基材10的上表面10a的表面凹凸变成作为未处理时的大约一半的15nm以下，因此电阻体30上产生的针孔数急剧减少至大约1/7。但是，考虑到聚酰亚胺树脂的耐热温度，如果在超过250℃的温度下进行加热处理，则有可能发生变质或劣化。因此，优选在100℃以上且250℃以下的温度下进行加热处理。需要说明的是，认为通过加热处理而减少表面凹凸的原因是，在因加热处理而引起热收缩时，构成基材10的聚酰亚胺树脂将填充剂卷入其内部。
根据发明人的研究发现，图4所示的未处理的针孔数(大约140)为使应变特性恶化的程度，加热处理后的针孔数(大约20)为未对应变特性产生不利影响的程度。即，能够确认出：在使用膜厚为0.05μm的电阻体30的情况下，通过将基材10的上表面10a的表面凹凸设为15nm以下，能够将在电阻体30中产生的针孔数减少至未对应变特性产生不利影响的程度。
需要说明的是，显然在使用膜厚大于0.05μm的电阻体30的情况下，通过将基材10的上表面10a的表面凹凸设为15nm以下，也能够将在电阻体30中产生的针孔数减少至未对应变特性产生不利影响的程度。即，通过将基材10的上表面10a的表面凹凸设为15nm以下，从而在使用膜厚为0.05μm以上的电阻体30的情况下，能够将在电阻体30中产生的针孔数减少至未对应变特性产生不利影响的程度。
这样一来，通过对基材10进行加热处理，能够使基材10的上表面10a的表面凹凸为15nm以下，从而能够大幅地减少在膜厚为0.05μm以上的电阻体30上产生的针孔数。因此，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。
需要说明的是，为了减少在电阻体30中产生的针孔数，重要的是减少基材10的上表面10a的表面凹凸，减少表面凹凸的方法并不重要。以上示出了通过进行加热处理来减少表面凹凸的方法，但是不限于此，只要能够减少基材10的上表面10a的表面凹凸，便可以使用任何方法。
例如可以使用大致垂直地向基材10的上表面10a照射激光以将凸部削去的方法、使水刀等能够与基材10的上表面10a平行地移动以将凸部刮掉的方法、利用砂轮对基材10的上表面10a进行研磨的方法、或者对基材10一边进行加热一边进行加压的方法(热压)等来减少基材10的上表面10a的表面凹凸。
另外，为了减少在电阻体30中产生的针孔数，重要的是减少基材10的上表面10a的表面凹凸，并不一定限于因填充剂的存在而产生的表面凹凸，即使对于并非因填充剂的存在而产生的表面凹凸，利用上述各种方法进行减低也是有效的。例如，在不含有填充剂的基材10的表面凹凸大于15nm的情况下，通过利用上述各种方法使基材10的上表面10a的表面凹凸为15nm以下，从而能够将在膜厚为0.05μm以上的电阻体30中产生的针孔数减少至未对应变特性产生不利影响的程度。
[实施例2]
在实施例2中，使用进行了200℃的加热处理的基材10制作多个应变片1。
首先，对由厚度为25μm的聚酰亚胺树脂构成的基材10进行200℃的加热处理。然而，利用传统的溅射法在基材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膜厚为0.05μm的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：通过使用进行了200℃的加热处理的基材10，从而能够制作出具有良好的应变特性的应变片1。可以认为：在电阻体30上所产生的针孔数大幅减少是获得良好的应变特性的原因之一。需要说明的是，可以认为：功能层20的存在并不会成为在电阻体30上所产生的针孔数的增加的主要原因。
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2017-191822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2017-191822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 (9)

1.一种应变片，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，所述基材的一个表面的表面凹凸为15nm以下，
所述电阻体的膜厚为0.05μm以上。
2.根据权利要求1所述的应变片，其中，
所述基材含有填充剂。
3.根据权利要求1或2所述的应变片，其中，
所述基材由聚酰亚胺树脂形成。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的应变片，其中，
所述电阻体以α-铬作为主成分。
5.根据权利要求4所述的应变片，其中，
所述电阻体包含80重量％以上的α-铬。
6.根据权利要求4或5所述的应变片，其中，
所述电阻体包含氮化铬。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的应变片，其中，
所述应变片包括在所述基材的一个表面上由金属、合金、或金属的化合物形成的功能层，
所述电阻体形成在所述功能层的一个表面上。
8.根据权利要求7所述的应变片，其中，
所述功能层具有促进所述电阻体的晶体生长的功能。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的应变片，其中，
所述应变片包括覆盖所述电阻体的绝缘树脂层。
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