CN111587357A

CN111587357A - 应变片

Info

Publication number: CN111587357A
Application number: CN201880086299.3A
Authority: CN
Inventors: 美齐津英司; 足立重之; 北原昂祐; 浅川寿昭; 北村厚
Original assignee: MinebeaMitsumi Inc
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2017-11-15
Filing date: 2018-11-01
Publication date: 2020-08-25
Anticipated expiration: 2038-11-01
Also published as: JP2019090724A; CN111587357B; WO2019098049A1; US20210063133A1; US11300398B2; JP2023105040A

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，所述电阻体包括：第一电阻部，形成在所述基材的预定表面上；第二电阻部，以使栅格方向朝向与所述第一电阻部的栅格方向不同的方向的方式，形成在所述基材的所述预定表面或与所述预定表面平行的表面上；以及第三电阻部，形成在所述基材的与所述预定表面相邻的表面上。

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的一个表面上(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>

传统的应变片仅能够对测定对象物的正面表面的应变进行检测，但是还存在针对正面表面以外的应变进行检测的需求。

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种应变片，其除了能够对测定对象物的正面表面的应变进行检测之外，还能够对正面表面以外的应变进行检测。

<用于解决问题的手段>

<发明的效果>

根据所公开的技术，能够提供一种应变片，其除了能够对测定对象物的正面表面的应变进行检测之外，还能够对正面表面以外的应变进行检测。

附图说明

图1是示出根据第1实施方式的应变片的立体图。

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是示出根据第1实施方式的变形例1的应变片的立体图。

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立体图。图2是示出根据第1实施方式的应变片的剖面图，示出了沿着图1的线A-A在平行于YZ平面的方向上进行截断的剖面。如图1及图2所示，应变片1具有基材10、电阻体30(电阻部30x、30y以及30z)、以及端子部41(端子部41x、41y以及41z)。

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的设置有电阻部30x的一侧为上侧或一侧，设置有电阻部30x的一侧的相反侧为下侧或另一侧。另外，各部位的设置有电阻部30x的一侧的表面为一个表面或上表面，设置有电阻部30x的一侧的相反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，平面视图是指从基材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30x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～1000μm。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是形成在基材10上，并且经受应变而产生电阻变化的感测部。电阻体30包括电阻部30x、30y以及30z。即，电阻体30是电阻部30x、30y以及30z的总称，在无需特别区分电阻部30x、30y以及30z的情况下称为电阻体30。需要说明的是，在图1中，为方便起见，以阴影图案示出电阻部30x、30y以及30z。

电阻部30x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。电阻部30x可以直接形成在基材10的上表面10a上，也可以经由其他层形成在基材10的上表面10a上。需要说明的是，图1是以电阻部30x的栅格方向作为X方向的三维正交坐标系。因此，电阻部30x能够对X方向上的应变进行检测。

电阻部30y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。电阻部30y可以直接形成在基材10的上表面10a上，也可以经由其他层形成在基材10的上表面10a上。电阻部30y被布置成使栅格方向为Y方向，并且能够对Y方向上的应变进行检测。

电阻部30z是以预定图案形成在基材10的与上表面10a相邻的侧面10b上的薄膜，并且是经受应变而产生电阻变化的感测部。电阻部30z可以直接形成在基材10的侧面10b上，也可以经由其他层形成在基材10的侧面10b上。在基材10中，侧面10b与上表面10a大致正交。电阻部30z被布置成使栅格方向为Z方向，并且能够对Z方向上的应变进行检测。

这样一来，电阻部30x、电阻部30y以及电阻部30z被布置成使栅格方向彼此正交。

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的应变率设定为10以上，并且将应变率温度系数TCS及电阻温度系数TCR设定为-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。

端子部41x经由布线图案40从电阻部30x的两端部延伸，并且在平面视图中相对于电阻部30x增宽并形成为大致矩形形状。端子部41x是用于将因X方向上的应变而产生的电阻部30x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。电阻部30x例如从端子部41x中的一者经由布线图案40呈之字形折返并延伸从而经由布线图案40与另一个端子部41x连接。

端子部41y经由布线图案40从电阻部30y的两端部延伸，并且在平面视图中相对于电阻部30y增宽并形成为大致矩形形状。端子部41y是用于将因Y方向上的应变而产生的电阻部30y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。电阻部30y例如从端子部41y中的一者经由布线图案40呈之字形折返并延伸从而经由布线图案40与另一个端子部41y连接。

端子部41z经由布线图案40从电阻部30z的两端部延伸，并且在平面视图中相对于电阻部30z增宽并形成为大致矩形形状。端子部41z是用于将因Z方向上的应变而产生的电阻部30z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。电阻部30z例如从端子部41z中的一者经由布线图案40呈之字形折返并延伸从而经由布线图案40与另一个端子部41z连接。

在图1的示例中，将端子部41x、41y以及41z形成在基材10的上表面10a上，但是不限于此，也可以将端子部41x、41y以及41z形成在基材10的任意的表面上。端子部41x、41y以及41z可以不形成在基材10的相同的表面上。

可以利用焊接性优于端子部41x、41y以及41z的金属来覆盖端子部41x、41y以及41z的上表面。需要说明的是，虽然为方便起见对电阻部30x、电阻部30y、端子部41x、端子部41y以及端子部41z赋予不同符号，但是该些部件可以在相同工序中由相同材料一体地形成。

需要说明的是，在无需特别区分端子部41x、41y以及41z的情况下，将其统称为端子部41。

也可以以覆盖电阻体30并使端子部41暴露的方式在基材10的上表面10a和侧面10b上设置的覆盖层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。在图1中，省略了覆盖层60的图示。

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，并且在基材10的整个上表面10a和侧面10b上，形成最终被图案化而成为电阻部30及端子部41的金属层(为方便起见，称为金属层300)。金属层300的材料和厚度与上述的电阻体30及端子部41的材料和厚度相同。

金属层300例如可以通过利用以能够形成金属层300的原料作为靶的磁控溅射法进行成膜而形成。对于金属层300，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，优选在进行金属层300的成膜之前，在基材10的上表面10a和侧面10b上例如利用传统的溅射法真空成膜出膜厚为大约1nm～100nm的功能层作为基底层。

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(将金属层300图案化后的部分)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等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和侧面10b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和侧面10b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将成为电阻体30和端子部41的金属层300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混合相膜用作作为上层的电阻部。

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，来形成金属层300。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金属层300。

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混合相膜中，从而使应变特性提高。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。

在基材10的上表面10a和侧面10b的整个表面上形成功能层及金属层300之后，利用光刻法将在基材10的上表面10a上所形成的功能层和金属层300、以及在基材10的侧面10b上所形成的功能层和金属层300图案化成图1的形状。由此，形成电阻体30和端子部41。

在形成电阻体30和端子部41之后，根据需要，在基材10的上表面10a和侧面10b上形成覆盖层60，该覆盖层60覆盖电阻体30并使端子部41暴露，由此完成了应变片1。覆盖层60例如可以通过在基材10的上表面10a和侧面10b上以覆盖电阻体30并使端子部41暴露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和侧面10b上以覆盖电阻体30并使端子部41暴露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和侧面10b上设置功能层作为将成为电阻体30和端子部41的金属层300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的形状与图1所示的立体图相同。

如上所述，在基材10的上表面10a上形成栅格方向朝向X方向的电阻部30x以及栅格方向朝向Y方向的电阻部30y，并且在基材10的侧面10b上形成栅格方向朝向Z方向的电阻部30z。由此，能够同时对XYZ三个方向上的应变进行检测。

<第1实施方式的变形例1>

在第1实施方式的变形例1中，示出了基材的形状与第1实施方式不同的应变片。需要说明的是，在第1实施方式的变形例1中，对于与已经说明的实施方式相同的构成部，有时会省略其说明。

图4是示出根据第1实施方式的变形例1的应变片的立体图。如图4所示，应变片1A与应变片1(参见图1、图2等)的差异在于基材10的侧面10b不与上表面10a大致正交。

基材10的侧面10b与上表面10a所成的角度θ为钝角，例如可以设定为θ＝135度。例如可以通过抛光，将基材10的侧面10b形成为相对于上表面10a倾斜的面。

这样一来，通过使基材10的侧面10b与上表面10a所成的角度θ为钝角，从而在利用光刻法从形成在基材10的侧面10b上的金属层300中图案化出电阻部30z时，能够容易地进行曝光。

需要说明的是，在应变片1A中，由于电阻部30z的栅格方向不朝向Z方向，因此电阻部30z的电阻值的变化包括Y方向上的应变和Z方向上的应变，因此无法直接对Z方向上的应变进行检测。为了对Z方向上的应变进行检测，例如可以使用电阻部30y的电阻值的变化对电阻部30z的电阻值的变化进行校正。或者，可以基于侧面10b的倾斜角(＝180-θ)来对电阻部30z的电阻值的变化进行校正。但是，在对基材10的侧面10b方向上的应变进行检测的情况下，无需进行校正。

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。

例如，虽然在第1实施方式及其变形例1中，以使电阻部30x的栅格方向为X方向的方式形成电阻部30x，并以使电阻部30y的栅格方向为Y方向的方式形成电阻部30y，但是不限于此。只要电阻部30y以使其栅格方向朝向与电阻部30x的栅格方向不同的方向的方式形成在基材10的预定表面上即可。例如，电阻部30y可以以使其栅格方向朝向与电阻部30x的栅格方向相差45度的方向的方式形成在基材10的预定表面上。

另外，无需将电阻部30x和电阻部30y形成在基材10的同一表面上，电阻部30x和电阻部30y也可以形成在基材10的彼此平行的表面上。例如，可以在基材10的上表面10a上形成电阻部30x，并且在基材10的与上表面10a平行的下表面10c上形成电阻部30y。

另外，也可以根据需要，在第1实施方式及其变形例1中未形成电阻体的表面上形成电阻体。例如，可以在基材10的所有6个表面上形成电阻体。

本国际申请以2017年11月15日提交的日本发明专利申请第2017-220409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2017-220409号的全部内容。

符号说明

1、1A应变片；10基材；10a上表面；10b侧面；10c下表面；20功能层；30电阻体；30x、30y、30z电阻部；40布线图案；41、41x、41y、41z端子部；60覆盖层。

Claims

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，所述电阻体包括：

第一电阻部，形成在所述基材的预定表面上；

第二电阻部，以使栅格方向朝向与所述第一电阻部的栅格方向不同的方向的方式，形成在所述基材的所述预定表面或与所述预定表面平行的表面上；以及

第三电阻部，形成在所述基材的与所述预定表面相邻的表面上。

2.根据权利要求1所述的应变片，其中，

与所述预定表面相邻的表面与所述预定表面之间所成的角度为钝角。

3.根据权利要求1所述的应变片，其中，

所述第一电阻部、所述第二电阻部以及所述第三电阻部被布置成使栅格方向彼此正交。

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，

在所述电阻体的下层具有由金属、合金、或金属的化合物形成的功能层。

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，还包括：

绝缘树脂层，对所述电阻体进行覆盖。