CN111742189B - 应变片及传感器模块 - Google Patents

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Abstract

本应变片包括：基材，具有可挠性；功能层，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；电阻体，在所述功能层的一个表面上，由Cr混合相膜形成；以及绝缘树脂层，覆盖所述电阻体。

Description

应变片及传感器模块
技术领域
本发明涉及一种应变片(strain gauge)及传感器模块。
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>
近年来，寻求使应变片高电阻化，并且正在对电阻体的材料等进行研究。
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，使电阻体高电阻化。
<用于解决问题的手段>
本应变片包括：基材，具有可挠性；功能层，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；电阻体，在所述功能层的一个表面上，由Cr混合相膜形成；以及绝缘树脂层，覆盖所述电阻体。
<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，使电阻体高电阻化。
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。
图3A是示出根据第1实施方式的应变片的制造工序的图(其1)。
图3B是示出根据第1实施方式的应变片的制造工序的图(其2)。
图3C是示出根据第1实施方式的应变片的制造工序的图(其3)。
图4是示出根据第1实施方式的变形例1的应变片的剖面图。
图5是示出根据第2实施方式的应变片的平面图。
图6是示出根据第2实施方式的应变片的剖面图。
图7A是示出根据第2实施方式的应变片的制造工序的图(其1)。
图7B是示出根据第2实施方式的应变片的制造工序的图(其2)。
图7C是示出根据第2实施方式的应变片的制造工序的图(其3)。
图7D是示出根据第2实施方式的应变片的制造工序的图(其4)。
图8A是示出根据第2实施方式的应变片的制造工序的图(其5)。
图8B是示出根据第2实施方式的应变片的制造工序的图(其6)。
图8C是示出根据第2实施方式的应变片的制造工序的图(其7)。
图8D是示出根据第2实施方式的应变片的制造工序的图(其8)。
图9是示出根据第2实施方式的变形例1的应变片的剖面图。
图10是示出根据第2实施方式的变形例2的应变片的剖面图。
图11是示出根据第3实施方式的传感器模块的剖面图。
图12是示出功能层的荧光X射线分析的结果的图。
图13是示出电阻体的X射线衍射的结果的图。
图14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。
图15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、功能层20、电阻体30、端子部41、以及覆盖层60。需要说明的是，在图1中，为了示出电阻体30，为方便起见，对于覆盖层60仅以虚线示出了其外缘。
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。
功能层20作为电阻体30的下层形成在基材10的上表面10a上。即，功能层20的平面形状与图1所示的电阻体30的平面形状大致相同。功能层20的厚度例如可以为大约1nm～100nm。
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20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20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(铬)的情况下，由于Cr会形成自氧化膜，因此使功能层20具有防止电阻体30氧化的功能是有效的。
关于功能层20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。
电阻体30是以预定图案形成在功能层20的上表面上的薄膜，并且是经受应变而产生电阻变化的感测部。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)。换言之，可以使用Cr混合相膜作为电阻体30，也可以使用Cu-Ni或Ni-Cr等Cr混合相膜以外的材料。
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。另外，构成功能层20的材料的一部分可以扩散至Cr混合相膜。在此情况下，构成功能层20的材料和氮也有时会形成化合物。例如，在功能层20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)。
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。
对于电阻体的线宽并无特别限制，可以根据目的适当地选择，例如可以为大约5μm～40μm。
特别地，从使电阻体30高电阻化的观点来看，电阻体30的厚度优选为大约0.05μm～0.25μm，电阻体30的线宽优选为大约5μm～20μm。
通过在功能层20上形成电阻体30，从而能够利用稳定的晶相来形成电阻体30，因此能够提高灵敏特性(灵敏度(gauge factor)、灵敏度温度系数TCS、以及电阻温度系数TCR)的稳定性。
例如，在电阻体30为Cr混合相膜的情况下，通过设置功能层20，从而能够形成以α-Cr(α-铬)作为主成分的电阻体30。由于α-Cr为稳定的晶相，因此能够提高灵敏特性的稳定性。
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。在电阻体30为Cr混合相膜的情况下，从提高灵敏特性的观点来看，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。
另外，通过使构成功能层20的金属(例如Ti)扩散至Cr混合相膜，从而能够提高灵敏特性。具体地，可以将应变片1的灵敏度设为10以上，并且将灵敏度温度系数TCS及电阻温度系数TCR设为-1000ppm/℃～+1000ppm/℃的范围内。
电阻体30的L1×L2例如可以形成在3mm×3mm的范围内。在此情况下，使用Cr混合相膜作为电阻体30时的膜厚T及线宽W与电阻体30的电阻值之间的关系例如如表1所示。需要说明的是，在此，作为一个示例，相邻的线之间的线间隔与线宽相同。
[表1]
Figure BDA0002637631670000061
如表1所示，在L1×L2为3mm×3mm且膜厚T为0.5μm的情况下，线宽W为40μm时电阻值为2.9kΩ，线宽W为20μm时电阻值为11.8kΩ，线宽W为10μm时电阻值为49.1kΩ，线宽W为5μm时电阻值为198.9kΩ。
在L1×L2为3mm×3mm且膜厚T为0.1μm的情况下，线宽W为40μm时电阻值为14.5kΩ，线宽W为20μm时电阻值为59.0kΩ，线宽W为10μm时电阻值为245.5kΩ，线宽W为5μm时电阻值为994.5kΩ。
在L1×L2为3mm×3mm且膜厚T为0.05μm的情况下，线宽W为40μm时电阻值为29.0kΩ，线宽W为20μm时电阻值为118.0kΩ，线宽W为10μm时电阻值为491.0kΩ，线宽W为5μm时电阻值为1989.0kΩ。
另外，电阻体30的L1×L2例如可以形成在0.3mm×0.3mm的范围内。在此情况下，使用Cr混合相膜作为电阻体30时的膜厚T及线宽W与电阻体30的电阻值之间的关系例如如表2所示。需要说明的是，在此，作为一个示例，相邻的线之间的线间隔与线宽相同。
[表2]
Figure BDA0002637631670000071
如表2所示，在L1×L2为0.3mm×0.3mm且膜厚T为0.5μm的情况下，线宽W为40μm时电阻值为20Ω，线宽W为20μm时电阻值为100Ω，线宽W为10μm时电阻值为410Ω，线宽W为5μm时电阻值为1.88kΩ。
在L1×L2为0.3mm×0.3mm且膜厚T为0.1μm的情况下，线宽W为40μm时电阻值为100Ω，线宽W为20μm时电阻值为500Ω，线宽W为10μm时电阻值为2.1kΩ，线宽W为5μm时电阻值为9.4kΩ。
在L1×L2为0.3mm×0.3mm且膜厚T为0.05μm的情况下，线宽W为40μm时电阻值为200Ω，线宽W为20μm时电阻值为1.0kΩ，线宽W为10μm时电阻值为4.2kΩ，线宽W为5μm时电阻值为18.8kΩ。
另外，在利用惠斯通电桥(Wheatstone bridge)电路来构成表1和表2的电阻体的情况下，施加1V电压时的消耗功率如表3及表4所示。如表3及表4所示，通过将电阻体30的膜厚T形成得更薄并将线宽W形成得更细以使其高电阻化，从而能够降低电阻体30的消耗功率。
[表3]
Figure BDA0002637631670000081
[表4]
Figure BDA0002637631670000091
需要说明的是，在以上说明中，L1×L2为3mm×3mm或L1×L2为0.3mm×0.3mm的情况为一个示例，不限于该大小。另外，L1和L2也可以设为不同的值。
如上所述，通过在具有可挠性的基材10上形成Cr混合相膜作为电阻体30，从而能够将电阻体30的膜厚T形成得更薄并将线宽W形成得更细以使其高电阻化。另外，随着电阻体30的高电阻化，能够降低电阻体30的消耗功率。另外，通过将电阻体30的线宽W形成得更细，从而能够使应变片1小型化。
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。
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，则灵敏特性可能会恶化，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，并成为灵敏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灵敏特性。
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灵敏特性的观点来看，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灵敏特性的恶化。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。
覆盖层60是以覆盖电阻体30并使端子部41露出的方式设置在基材10的上表面10a上的绝缘树脂层。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。
图3A～图3C是示出根据第1实施方式的应变片的制造工序的图，示出了与图2相对应的剖面。为了制造应变片1，首先，在图3A所示的工序中，准备基材10，在基材10的上表面10a上形成功能层20。基材10及功能层20的材料和厚度如上所述。
功能层20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20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20，因此能够使功能层20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20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20。例如，可以在功能层20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20进行真空成膜的方法。
接着，在图3B所示的工序中，在功能层20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20、以及电阻体30及端子部41图案化成图1所示的平面形状。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来形成。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。
对于功能层20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20，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20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20的Ti扩散至Cr混合相膜，从而使灵敏特性得到提高。例如，能够使应变片1的灵敏度为10以上，并且使灵敏度温度系数TCS及电阻温度系数TCR在-1000ppm/℃～+1000ppm/℃的范围内。
需要说明的是，在电阻体30为Cr混合相膜的情况下，由Ti构成的功能层20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20的情况也同样。
接着，在图3C所示的工序中，在基材10的上表面10a上，形成覆盖电阻体30并且使端子部41露出的覆盖层60。覆盖层60的材料和厚度如上所述。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。通过以上工序，完成了应变片1。
这样一来，通过在电阻体30的下层设置功能层20，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，能够提高灵敏特性的稳定性。另外，通过使构成功能层20的材料扩散至电阻体30，从而能够在应变片1中提高灵敏特性。
<第1实施方式的变形例1>
在第1实施方式的变形例1中，示出了在覆盖层的下层设置绝缘层的应变片的示例。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结构部，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的应变片的剖面图，示出了与图2相对应的剖面。如图4所示，应变片1A与应变片1(参见图1、图2等)的不同之处在于，在覆盖层60的下层设置了绝缘层50。需要说明的是，覆盖层60也可以设置为覆盖除了端子部41以外的整个部分。
绝缘层50以覆盖电阻体30且使端子部41露出的方式设置在基材10的上表面10a上。覆盖层60例如可以设置为覆盖绝缘层50的侧面的一部分以及上表面。
对于绝缘层50的材料，只要其电阻高于电阻体30及覆盖层60便无特别限制，可以根据目的适当地选择，例如可以使用Si、W、Ti、Ta等的氧化物或氮化物。对于绝缘层50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～1μm。
对于绝缘层50的形状方法并无特别限制，可以根据目的适当地选择，例如可以使用溅射法或化学气相沉积(CVD)法等真空工艺、或旋涂法或溶胶凝胶法等溶液工艺。
这样一来，通过在覆盖层60的下层设置绝缘层50，从而与单独设置覆盖层60的情况相比，能够提高绝缘性及环境密封性。因此，能够根据绝缘性及环境密封性的要求规格来适当地设置绝缘层50。
<第2实施方式>
在第2实施方式中，示出了将电极设为层叠结构的应变片的示例。需要说明的是，在第2实施方式中，对于与已经说明的实施方式相同的结构部，有时会省略其说明。
图5是示出根据第2实施方式的应变片的平面图。图6是示出根据第2实施方式的应变片的剖面图，示出了沿图5的线B-B的剖面。如图5及图6所示，应变片2具有层叠有多个层的电极40A。需要说明的是，覆盖层60可以设置为覆盖除了电极40A以外的整个部分。
电极40A设置成层叠有多个金属层的层叠结构。具体地，电极40A具有从电阻体30的两端部延伸的端子部41、在端子部41的上表面上形成的金属层42、在金属层42的上表面上形成的金属层43、以及在金属层43的上表面上形成的金属层44。金属层43是根据本发明的第一金属层的代表性的一个示例，金属层44是根据本发明的第二金属层的代表性的一个示例。
对于金属层42的材料并无特别限制，可以根据目的适当地选择，例如可以使用Cu(铜)。对于金属层42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0.01μm～1μm。
作为金属层43的材料，优选使用Cu、Cu合金、Ni、或Ni合金。作为金属层43的厚度，可以考虑针对电极40A的焊接性来确定，优选为1μm以上，更优选为3μm以上。通过使用Cu、Cu合金、Ni、或Ni合金作为金属层43的材料，并且将金属层43的厚度设为1μm以上，从而使焊料溶蚀得到改善。另外，通过使用Cu、Cu合金、Ni、或Ni合金作为金属层43的材料，并且将金属层43的厚度设为3μm以上，从而使焊料溶蚀进一步得到改善。需要说明的是，从容易进行电解镀的观点来看，金属层43的厚度优选为30μm以下。
在此，焊料溶蚀是指构成电极40A的材料溶解在与电极40A接合的焊料中，从而使电极40A的厚度变薄或消失。当发生焊料溶蚀时，由于与接合在电极40A上的引线等的粘合强度或抗拉强度有可能会降低，因此优选不发生焊料溶蚀。
作为金属层44的材料，可以选择焊料润湿性优于金属层43的材料。例如，如果金属层43的材料为Cu、Cu合金、Ni、或Ni合金，则可以使用Au(金)作为金属层44的材料。通过用Au来覆盖Cu、Cu合金、Ni、或Ni合金的表面，从而能够防止Cu、Cu合金、Ni、或Ni合金的氧化及腐蚀，并且能够获得良好的焊料润湿性。使用Pt(铂)代替Au作为金属层44的材料也能够获得同样的效果。对于金属层44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0.01μm～1μm。
需要说明的是，在平面图中，虽然端子部41在金属层42、43及44的层叠部的周围露出，但是端子部41也可以是与金属层42、43及44的层叠部相同的平面形状。
图7A～图8D是示出根据第2实施方式的应变片的制造工序的图，示出了与图6相对应的剖面。为了制造应变片2，首先，在执行与第1实施方式的图3A同样的工序之后，在图7A所示的工序中，在功能层20的上表面上形成金属层300。金属层300是最终被图案化而成为电阻体30及端子部41的层。因此，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例如可以利用以能够形成金属层300的原料作为靶的磁控溅射法来形成。金属层300也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形成。
接着，在图7B所示的工序中，以覆盖金属层300的上表面的方式，例如利用溅射法或无电解镀法等，形成将成为金属层42的种子层420。
接着，在图7C所示的工序中，在种子层420的整个上表面上形成光敏性的抗蚀剂800，并且进行曝光及显影以形成将用于形成电极40A的区域露出的开口部800x。作为抗蚀剂800，例如可以使用干膜抗蚀剂等。
接着，在图7D所示的工序中，例如利用以种子层420作为供电路径的电解镀法，在从开口部800x内露出的种子层420上形成金属层43，并且进一步在金属层43上形成金属层44。由于电解镀法的生产节拍(takt)较高、并且能够形成低应力的电解镀层作为金属层43因而优选。通过将膜厚较厚的电解镀层设为低应力，从而能够防止在应变片2上产生翘曲。
需要说明的是，由于在形成金属层44时金属层43的侧面被抗蚀剂800覆盖，因此金属层44仅形成在金属层43的上表面上，而未形成在侧面上。
接着，在图8A所示的工序中，去除图7D所示的抗蚀剂800。例如，可以通过将抗蚀剂800浸入能够将其材料溶解的溶液中来去除抗蚀剂800。
接着，在图8B所示的工序中，在种子层420的整个上表面上形成光敏性的抗蚀剂810，并进行曝光及显影，从而将其图案化成与图5的电阻体30及端子部41同样的平面形状。作为抗蚀剂810，例如可以使用干膜抗蚀剂等。
接着，在图8C所示的工序中，以抗蚀剂810作为蚀刻掩模，去除从抗蚀剂810露出的功能层20、金属层300及种子层420，形成图5的平面形状的功能层20、电阻体30及端子部41。例如可以通过湿蚀刻，将功能层20、金属层300及种子层420的不需要的部分去除。需要说明的是，此时，在电阻体30上形成有种子层420。
接着，在图8D所示的工序中，以金属层43及金属层44作为蚀刻掩模，将从金属层43及金属层44露出的不需要的种子层420去除，以形成金属层42。例如可以通过使用了将种子层420蚀刻、且不将功能层20及电阻体30蚀刻的蚀刻液的湿蚀刻，将不需要的种子层420去除。
在图8D所示的工序之后，与图3C所示的工序同样地，通过在基材10的上表面10a上形成覆盖电阻体30并使电极40A露出的覆盖层60，从而完成了应变片2。
这样一来，作为电极40A，在端子部41上形成由Cu、Cu合金、Ni、或Ni合金的厚膜(1μm以上)构成的金属层43，并进一步在最表层形成由焊料润湿性优于金属层43的材料(Au或Pt)构成的金属层44，从而能够防止焊料溶蚀，并且能够提高焊料润湿性。
<第2实施方式的变形例1>
在第2实施方式的变形例1中，示出了层结构与第2实施方式不同的电极的示例。需要说明的是，在第2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结构部，有时会省略其说明。
图9是示出根据第2实施方式的变形例1的应变片的剖面图，示出了与图6相对应的剖面。如图9所示，应变片2A与应变片2(参见图6等)的不同之处在于，将电极40A替换为电极40B。另外，与应变片2(参见图6等)的不同之处在于，覆盖层60被设置为覆盖除了电极40B以外的大致整个部分。
电极40B设置成层叠有多个金属层的层叠结构。具体地，电极40B具有从电阻体30的两端部延伸的端子部41、在端子部41的上表面上形成的金属层42、在金属层42的上表面上形成的金属层43、在金属层43的上表面上形成的金属层45、以及在金属层45的上表面上形成的金属层44。换言之，电极40B是在电极40A的金属层43与金属层44之间设置有金属层45的构造。
对于金属层45的材料并无特别限制，可以根据目的适当地选择，例如可以使用Ni。也可以使用NiP(镍磷)或Pd来代替Ni。另外，也可以将金属层45设为Ni/Pd(将Ni层和Pd层以该顺序层叠的金属层)。对于金属层45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1μm～2μm。
例如可以在图7D所示的工序中，利用以种子层420作为供电路径的电解镀法，在金属层43上形成金属层45。
这样一来，对于电极的层叠数量并无特别限定，也可以根据需要增加层叠数量。在此情况下，由于在端子部41上形成由Cu、Cu合金、Ni、或Ni合金的厚膜(1μm以上)构成的金属层43，并进一步在最表层形成由焊料润湿性优于金属层43的材料(Au或Pt)构成的金属层44，因此与第2实施方式同样，也能够防止焊料溶蚀，并且能够提高焊料润湿性。
<第2实施方式的变形例2>
在第2实施方式的变形例2中，示出了层结构与第2实施方式不同的电极的另一个示例。需要说明的是，在第2实施方式的变形例2中，对于与已经说明的实施方式相同的结构部，有时会省略其说明。
图10是示出根据第2实施方式的变形例2的应变片的剖面图，示出了与图6相对应的剖面。如图10所示，应变片2B与应变片2A(参见图9等)的不同之处在于，将电极40B替换为电极40C。另外，与应变片2(参见图6等)的不同之处在于，覆盖层60被设置为覆盖除了电极40C以外的大致整个部分。
电极40C设置成层叠有多个金属层的层叠结构。具体地，电极40C具有从电阻体30的两端部延伸的端子部41、在端子部41的上表面上形成的金属层42、在金属层42的上表面上形成的金属层43、在金属层43的上表面及侧面以及金属层42的侧面上形成的金属层45A、以及在金属层45A的上表面及侧面上形成的金属层44A。金属层44A及45A的材料和厚度例如可以与金属层44及45同样地设定。需要说明的是，金属层44A是根据本发明的第二金属层的代表性的一个示例。
为了形成电极40C，首先，在图7D所示的工序中，例如在利用以种子层420作为供电路径的电解镀法形成金属层43之后，不形成金属层44，而是与图8A所示的工序同样地去除抗蚀剂800，然后，进行与图8B～图8D同样的工序。然后，例如可以利用无电解镀法，在金属层43的上表面及侧面、以及金属层42的侧面上形成金属层45A。接着，例如可以利用无电解镀法，在金属层45A的上表面及侧面上形成金属层44A。
这样一来，能够适当地并用电解镀及无电解镀来制作电极。在电极40C的构造中，在端子部41上形成由Cu、Cu合金、Ni、或Ni合金的厚膜(1μm以上)构成的金属层43，并进一步在最表层形成由焊料润湿性优于金属层43的材料(Au或Pt)构成的金属层44A。但是，由于最表层的金属层44A除了在金属层43的上表面上以外、在金属层42及43的侧面上也经由金属层45A形成，因此与电极40A和电极40B相比，能够进一步提高防止构成金属层43的Cu、Cu合金、Ni、或Ni合金的氧化及腐蚀的效果，并且能够进一步提高焊料润湿性。
需要说明的是，不形成金属层45A，而在金属层43的上表面及侧面以及金属层42的侧面上直接形成金属层44A也能够获得同样的效果。即，金属层44A直接或间接地覆盖金属层43的上表面及侧面以及金属层42的侧面即可。
<第3实施方式>
在第3实施方式中，示出了使用应变片的传感器模块的示例。需要说明的是，在第3实施方式中，对于与已经说明的实施方式相同的结构部，有时会省略其说明。
图11是示出根据第3实施方式的传感器模块的剖面图，示出了与图2相对应的剖面。如图11所示，传感器模块5具有应变片1、应变体110、以及粘合层120。需要说明的是，覆盖层60可以被设置为覆盖除了端子部41以外的整个部分。
在传感器模块5中，应变体110的上表面110a经由粘合层120与基材10的下表面10b粘合。应变体110是例如由Fe、SUS(不锈钢)、Al等金属或PEEK等树脂形成、并且根据所施加的力而变形(产生应变)的物体。应变片1能够将在应变体110中产生的应变作为电阻体30的电阻值变化加以检测。
粘合层120只要具有粘合应变片1与应变体110的功能的材料便无特别限制，可以根据目的适当地选择，例如可以使用环氧树脂、改性环氧树脂、硅酮树脂、改性硅酮树脂、聚氨酯树脂、改性聚氨酯树脂等。另外，可以使用粘结片等材料。对于粘合层120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0.1μm～50μm。
为了制造传感器模块5，在制作了应变片1之后，例如在基材10的下表面10b和/或应变体110的上表面110a上涂布将成为粘合层120的上述任意的材料。接着，使基材10的下表面10b与应变体110的上表面110a相对，以夹着所涂布的材料的方式在应变体110上布置应变片1。或者，可以将粘结片夹在应变体110与基材10之间。
接着，一边将应变片1按压向应变体110侧一边将其加热至预定温度，并且使所涂布的材料固化以形成粘合层120。由此，经由粘合层120将应变体110的上表面110a与基材10的下表面10b粘合，从而完成了传感器模块5。传感器模块5例如可以应用于负载、压力、扭矩、加速度等的测定。
需要说明的是，在传感器模块5中，也可以使用应变片1A、2、2A或2B来代替应变片1。
[实施例1]
首先，作为事前实验，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Ti膜作为功能层20。此时，以多个膜厚为目标制作了进行了Ti成膜的5个样本。
接着，针对制作的5个样本进行荧光X射线(XRF：X-ray Fluorescence)分析，并且得到图12所示的结果。从图12中的X射线峰确认出Ti的存在，并且从在X射线峰处的各个样本的X射线强度确认出能够在1nm～100nm的范围内对Ti膜的膜厚进行控制。
接着，作为实施例1，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。
另外，作为比较例1，在由厚度为25μm的聚酰亚胺树脂构成的基材10的上表面10a上未形成功能层20，而是利用磁控溅射法成膜出Cr混合相膜作为电阻体30及端子部41，并利用光刻法如图1所示进行图案化。需要说明的是，在实施例1的样本和比较例1的样本中，电阻体30及端子部41的成膜条件完全相同。
接着，针对实施例1的样本和比较例1的样本，进行X射线衍射(XRD：X-raydiffraction)评价，得到图13所示的结果。图13是2θ的衍射角度为36～48度的范围内的X射线衍射图案，实施例1的衍射峰向比较例1的衍射峰的右侧偏移。另外，实施例1的衍射峰高于比较例1的衍射峰。
实施例1的衍射峰位于α-Cr(110)的衍射线附近，并且认为通过设置由Ti构成的功能层20，从而促进了α-Cr的晶体生长从而形成了以α-Cr作为主成分的Cr混合相膜。
接着，制作多个实施例1的样本和比较例1的样本，并对灵敏特性进行了测定。作为其结果，实施例1的各样本的灵敏度为14～16，相比之下，比较例1的各样本的灵敏度小于10。
另外，实施例1的各样本的灵敏度温度系数TCS及电阻温度系数TCR在-1000ppm/℃～+1000ppm/℃的范围内，相比之下，比较例1的各样本的灵敏度温度系数TCS及电阻温度系数TCR未在-1000ppm/℃～+1000ppm/℃的范围内。
这样一来，通过设置由Ti构成的功能层20，从而制作出促进了α-Cr的晶体生长从而形成了以α-Cr作为主成分的Cr混合相膜、并且灵敏度为10以上且灵敏度温度系数TCS及电阻温度系数TCR在-1000ppm/℃～+1000ppm/℃范围内的应变片。需要说明的是，可以认为Ti向Cr混合相膜的扩散效果有助于灵敏特性的提高。
[实施例2]
在实施例2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14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14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14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灵敏特性的状态下使应变片1稳定地起作用。
[实施例3]
实施例3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15。需要说明的是，图15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15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15所示的未处理的针孔数(大约140)为使灵敏特性恶化的程度，加热处理后的针孔数(大约20)为未对灵敏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灵敏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灵敏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灵敏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，能够在维持良好的灵敏特性的状态下，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灵敏特性产生不利影响的程度。
[实施例4]
在实施例4中，如第2实施方式的变形例1般对图7A～图8D所示的工序进行变形，以制作具有电极40B的应变片2A，并对有无焊料溶蚀进行确认。具体地，使用Cu作为金属层42及43，使用NiP作为金属层45，使用Au作为金属层44，制作10种对各金属层的厚度进行改变的样本(样本编号1～样本编号10)，并对有无焊料溶蚀进行确认。
结果如表5所示。需要说明的是，在表5中，膜厚“0”表示未形成该金属层。另外，“×”表示在第一次焊接中发生了焊料溶蚀。另外，“〇”表示虽然在第一次焊接中未发生焊料溶蚀，但是在第二次焊接中发生了少量的焊料溶蚀(假设进行了焊料调整等)。另外，“◎”表示在第一焊接或第二焊接中均未发生焊料溶蚀。
[表5]
Figure BDA0002637631670000271
如表5所示可以确认出，通过将Cu的厚度设为1μm以上能够改善焊料溶蚀，并且通过将其设为3μm以上能够进一步改善焊料溶蚀。另外，从样本1和样本5的结果可以确认出，焊料溶蚀的有无仅取决于Cu的厚度，而不取决于NiP或Au的有无。但是，如上所述，为了防止焊料溶蚀并提高焊料润湿性，需要由Au或与其相当的材料(Pt等)构成的金属层。
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12月22日提交的日本发明专利申请第2017-246871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2017-246871号的全部内容。
符号说明
1、1A、2、2A、2B 应变片；5 传感器模块；10 基材；10a 上表面；20 功能层；30 电阻体；41 端子部；40A、40B、40C 电极；42、43、44、44A、45、45A 金属层；50 绝缘层；60 覆盖层；110 应变体；120 粘合层。

Claims (11)

1.一种应变片，包括：
树脂制的基材，具有可挠性；
功能层，在所述基材的一个表面上，由金属、合金、或金属的化合物直接形成；
电阻体，在所述功能层的一个表面上，以α-Cr作为主成分并由Cr、CrN、Cr2N进行相混合而成的Cr混合相膜直接形成；以及
绝缘树脂层，覆盖所述电阻体，
其中，在所述Cr混合相膜扩散有所述功能层中包含的Cr以外的元素，
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，
所述电阻体的膜厚为0.05μm以上且0.5μm以下。
2.根据权利要求1所述的应变片，其中，
所述电阻体的线宽为5μm以上且40μm以下。
3.根据权利要求1或2所述的应变片，其中，
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或2所述的应变片，其中，
所述基材的一个表面的表面凹凸为15nm以下。
5.根据权利要求1或2所述的应变片，其中，
所述应变片包括电极，所述电极与所述电阻体电连接，
所述电极具有：
端子部，从所述电阻体的端部延伸；
第一金属层，在所述端子部上，由铜、铜合金、镍、或镍合金形成；以及
第二金属层，在所述第一金属层上，由焊料润湿性优于所述第一金属层的材料形成。
6.根据权利要求1或2所述的应变片，其中，
所述应变片包括绝缘层，所述绝缘层在所述绝缘树脂层的下层，由电阻高于所述电阻体及所述绝缘树脂层的材料形成，并且覆盖所述电阻体。
7.根据权利要求1或2所述的应变片，其中，
所述电阻体包含80重量％以上的α-铬。
8.根据权利要求1所述的应变片，其中，
所述功能层包含钛。
9.根据权利要求8所述的应变片，其中，
所述电阻体包含钛。
10.根据权利要求8或9所述的应变片，其中，
所述电阻体包含氮化钛。
11.一种传感器模块，包括：
根据权利要求1至10中任一项所述的应变片；以及
应变体，设置在所述基材的另一个表面侧。
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