CN111919082A - 应变片 - Google Patents

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Abstract

本应变片包括：基材，具有可挠性；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；由无机材料制成的绝缘层，覆盖所述电阻体；以及由有机材料制成的绝缘树脂层，覆盖所述绝缘层。

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制成的基材上，并被保护薄膜等覆盖(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，存在如果不对用于形成保护电阻体的层的材料进行适当地选择，则无法充分地对电阻体进行保护的问题。
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种具有在可挠性的基材上形成的电阻体的应变片，其能够提高对电阻体进行保护的性能。
<用于解决问题的手段>
本应变片包括：基材，具有可挠性；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；由无机材料制成的绝缘层，覆盖所述电阻体；以及由有机材料制成的绝缘树脂层，覆盖所述绝缘层。
<发明的效果>
根据所公开的技术，能够提供一种具有在可挠性的基材上形成的电阻体的应变片，其能够提高对电阻体进行保护的性能。
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实施方式的应变片的剖面图(其2)。
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)。
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、端子部41、绝缘层50、以及覆盖层60。
需要说明的是，在本实施方式中，为了方便起见，在应变片1中，以基材10的设置有电阻体30的一侧作为上侧或一侧，以未设置电阻体30的一侧作为下侧或另一侧。另外，以各部位的设置有电阻体30的一侧的表面作为一个表面或上表面，以未设置电阻体30的一侧的表面作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的法线方向来观察对象物的视图，平面形状是指从基材10的上表面10a的法线方向来观察对象物时的形状。
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的下表面上的挠曲体(flexure element)表面的形变的传递性、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，为了方便起见，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为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，从而能够提高灵敏度特性的稳定性。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的灵敏度(gauge factor)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。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，从提高灵敏度特性的观点来看，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41从电阻体30的两端部延伸，并且在平面图中相对于电阻体30扩宽以形成为大致矩形形状。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。
绝缘层50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。绝缘层50由无机材料形成。作为绝缘层50的材料，例如可以举出Cu、Cr、Ni、Al、Fe、W、Ti、Ta等金属、或者包含该些金属的合金的氧化物、氮化物或氮氧化物。作为绝缘层50的材料，可以使用Si、Ge等半导体、或者其氧化物、氮化物或氮氧化物。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0.01μm～2μm。
覆盖层60是以覆盖绝缘层50的方式设置在基材10的上表面10a上的绝缘树脂层。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。需要说明的是，覆盖层60可以设置为覆盖除了端子部41以外的整个部分。
覆盖层60由绝缘性的有机材料形成。作为覆盖层60的材料，例如可以举出PI树脂、环氧树脂、PEEK树脂、PEN树脂、PET树脂、PPS树脂、PE(聚乙烯)树脂、PVDC(聚偏二氯乙烯)树脂、PVDF(聚偏二氟乙烯)树脂、PTFE(聚四氟乙烯)树脂、PP(聚丙烯)树脂、丁基橡胶、硅酮橡胶、复合树脂(例如硅酮树脂、聚烯烃树脂)等。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。
这样一来，通过利用由无机材料制成的绝缘层50来覆盖电阻体30，从而能够防止电阻体30被环境中的水分或氧腐蚀。另外，通过利用由具有柔软性的有机材料制成的覆盖层60来覆盖绝缘层50，从而能够防止在电阻体30上产生机械性的损伤等。另外，通过利用覆盖层60来覆盖绝缘层50，从而能够进一步提高防止电阻体30因环境中的水分或氧而腐蚀的效果。另外，通过利用覆盖层60来覆盖绝缘层50，从而能够提高耐热性。
特别地，当使用Si的氧化物作为绝缘层50的材料，并使用丁基橡胶作为覆盖层60的材料时，由于能够获得高耐湿性的效果，因此优选。
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，其示出了与图2对应的剖面。
为了制造应变计1，首先，在图3A所示的工序中，准备基材10，并在基材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可以由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。
从使计量特性稳定化的观点来看，优选在电阻体30及端子部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膜厚为大约1nm～100nm的功能层作为基底层。需要说明的是，对于功能层，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与电阻体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以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混合相膜中，从而使计量特性得到提高。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，能够提高计量特性的稳定性。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中提高计量特性。
接着，在图3B所示的工序中，在基材10的上表面10a上，设置覆盖电阻体30并使端子部41露出的绝缘层50。绝缘层50的材料和厚度如上所述。对于绝缘层50的形成方法并无特别限制，可以根据目的适当地选择，例如可以举出在利用溅射法、镀敷法、化学气相沉积(CVD)法等真空工艺、或者旋涂法或溶胶凝胶法等溶液工艺进行成膜之后利用光刻法进行图案化的方法。
接着，在图3C所示的工序中，在基材10的上表面10a上形成覆盖层60，该覆盖层60覆盖绝缘层50并使端子部41露出。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上以覆盖绝缘层50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上以覆盖绝缘层50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。
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4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。
<第2实施方式>
在第2实施方式中，示出了电极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，有时会省略关于与已经说明的实施方式相同的构成部的说明。
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与应变片1(参见图1等)的不同之处在于，应变片2具有电极40A及绝缘层50A。
电极40A为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、以及形成在端子部41的上表面上的金属层42。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，例如可以使用焊接性优于端子部41的金属(例如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。需要说明的是，在金属层42上，可以进一步层叠镍层或金层等由与金属层42不同的金属制成的层。
绝缘层50A设置在电阻体30的上表面上。绝缘层50A由无机材料形成。具体地，绝缘层50A是构成金属层42的金属的氧化膜。例如，如果金属层42的材料为Cu(铜)，则绝缘层50A的材料为CuO(氧化铜)。绝缘层50A的厚度与金属层42的厚度大致相同。
图7A～图7C是示出根据第2实施方式的应变片的制造工序的图，其示出了与图6对应的剖面。为了制造应变计2，首先，在图7A所示的工序中，准备基材10，并在基材10的整个上表面10a上，形成最终将成为电阻体30及端子部41的金属层300。金属层300的材料和厚度与上述的电阻体30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来形成。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。
与第1实施方式同样，从使计量特性稳定化的观点来看，优选在金属层300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膜厚为大约1nm～100nm的功能层作为基底层。
接着，在金属层300的上表面上，例如利用溅射法或镀敷法等，形成最终将成为绝缘层50A及金属层42的金属层310。金属层310的材料和厚度与上述的金属层42的材料和厚度相同。
接着，在图7B所示的工序中，利用光刻法将金属层300及310图案化成图5的平面形状。形成在电阻体30及端子部41上层叠有金属层42的图案。
接着，在图7C所示的工序中，对除了构成电极40A的部分以外的金属层42进行加热并使其氧化，形成由构成金属层42的金属的氧化膜制成的绝缘层50A。
在图7C所示的工序之后，通过与图3C的工序同样地形成覆盖层60，从而完成了图5及图6所示的应变片2。
这样一来，可以由构成电极40A的金属层42的氧化膜来形成绝缘层50A。在此情况下，也获得与第1实施方式同样的效果。
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2018年4月3日提交的日本发明专利申请第2018-071762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2018-071762号的全部内容。
符号说明
1、2应变片；10基材；10a上表面；20功能层；30电阻体；40A电极；41端子部；42金属层；50、50A绝缘层；60覆盖层。

Claims (7)

1.一种应变片，包括：
基材，具有可挠性；
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；
由无机材料制成的绝缘层，覆盖所述电阻体；以及
由有机材料制成的绝缘树脂层，覆盖所述绝缘层。
2.根据权利要求1所述的应变片，包括：
电极，与所述电阻体电连接，
其中，所述电极包括：
从所述电阻体的端部延伸的端子部；以及
在所述端子部上形成的金属层，
所述绝缘层是构成所述金属层的金属的氧化膜。
3.根据权利要求1或2所述的应变片，其中，
所述电阻体以α-铬作为主成分。
4.根据权利要求3所述的应变片，其中，
所述电阻体包含80重量％以上的α-铬。
5.根据权利要求3或4所述的应变片，其中，
所述电阻体包含氮化铬。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的应变片，包括：
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，
其中，所述电阻体形成在所述功能层的一个表面上。
7.根据权利要求6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。
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