JP2003279423A - Strain sensor - Google Patents

Strain sensor

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JP2003279423A
JP2003279423A JP2002080913A JP2002080913A JP2003279423A JP 2003279423 A JP2003279423 A JP 2003279423A JP 2002080913 A JP2002080913 A JP 2002080913A JP 2002080913 A JP2002080913 A JP 2002080913A JP 2003279423 A JP2003279423 A JP 2003279423A
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JP
Japan
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strain sensor
insulating layer
film
magnetostrictive film
heat
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Pending
Application number
JP2002080913A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Teruo Kiyomiya
照夫 清宮
Yoshiyuki Umemoto
美之 梅本
Hiroyuki Wakiwaka
弘之 脇若
Hirotsugu Yamada
洋次 山田
Mika Makimura
美加 牧村
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nagano Prefecture
FDK Corp
Original Assignee
Nagano Prefecture
FDK Corp
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Publication date
Application filed by Nagano Prefecture, FDK Corp filed Critical Nagano Prefecture
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To evaluate highly sensitively a fine generated force or a torque, and to perform stress adjustment of a magnetostrictive film corresponding to the using state easily with excellent reproducibility over a wide range. <P>SOLUTION: This strain sensor has a structure wherein at least one coil 16 is formed through an insulating layer 14, on the surface of the magnetostrictive film 12 formed on a substrate 10. The insulating layer is formed from a heat-shrinkable material, and the stress adjustment of the magnetostrictive film is performed by using the heat-shrinkable property. As another example, a constitution may be adopted, wherein the magnetostrictive film is formed on the coil through the second insulating layer, and either or both insulating layers are formed from the heat-shrinkable material, to thereby perform the stress adjustment of the magnetostrictive films. The insulating layer comprising the heat-shrinkable material is formed from, for example, a polyimide-based resin, and is heat-cured at 200-350°C. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、磁歪膜を用いた歪
センサに関し、更に詳しく述べると、基板上に形成した
磁歪膜の表面に、絶縁層を介してコイルを形成した構造
を有し、絶縁層を熱収縮性材料で構成することによって
磁歪膜の応力調整がなされている歪センサに関するもの
である。この歪センサは、例えばマイクロマシンなどの
分野において、微小な力・トルクなどを計測するのに有
用である。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a strain sensor using a magnetostrictive film, and more specifically, it has a structure in which a coil is formed on the surface of a magnetostrictive film formed on a substrate via an insulating layer, The present invention relates to a strain sensor in which the stress of a magnetostrictive film is adjusted by forming an insulating layer with a heat-shrinkable material. This strain sensor is useful for measuring a minute force / torque in the field of micromachines, for example.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、マイクロアクチュエータで発生す
る力やトルクの評価、マイクロトライボロジー分野にお
ける摩擦力や材料間の相互作用の評価などとして、微小
力計測の必要性が高まっている。しかし、これらマイク
ロシステム分野においては、微小力計測範囲や計測部位
が従来の測定対象に比べて格段に小さいため、金属歪ゲ
ージや半導体ゲージなど既存のセンサでは評価が困難で
あり、測定装置とマイクロマシン間などのインターフェ
ースに多くの課題が生じていた。
2. Description of the Related Art In recent years, there has been an increasing need for micro-force measurement for evaluation of forces and torques generated by microactuators, and evaluation of frictional forces and interactions between materials in the field of microtribology. However, in these micro system fields, the micro force measurement range and measurement site are much smaller than conventional measurement targets, so it is difficult to evaluate with existing sensors such as metal strain gauges and semiconductor gauges. There were many problems in the interface such as Ma.

【0003】そこで最近、基板上に形成した磁歪膜の表
面に、絶縁層を介して少なくとも一つのコイルを形成し
た構造の歪センサが開発されている。この歪センサで
は、微小な外力により磁歪膜の透磁率が変化することを
利用し、コイルのインピーダンス変化を計測して歪を求
めるように構成されている。
Therefore, recently, a strain sensor having a structure in which at least one coil is formed on the surface of a magnetostrictive film formed on a substrate via an insulating layer has been developed. This strain sensor is configured to measure the impedance change of the coil and obtain the strain by utilizing the fact that the magnetic permeability of the magnetostrictive film changes due to a small external force.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】この種の歪センサにお
いて、微小な外力に反応するためには、外力が無い状態
で磁歪膜の応力が小さいことが重要である。また、ある
曲率半径を有する曲面に歪センサを貼り付けて使用する
場合には、高い歪感度を保ったまま動作点を移動させる
必要があるため、磁歪膜の応力調整を広範囲にわたって
行えるようにすることが重要となる。
In order to react to a small external force in this type of strain sensor, it is important that the stress of the magnetostrictive film is small in the absence of the external force. Further, when a strain sensor is attached to a curved surface having a certain radius of curvature, the operating point needs to be moved while maintaining high strain sensitivity, so that the stress adjustment of the magnetostrictive film can be performed over a wide range. Is important.

【0005】従来、磁歪膜の応力調整は、磁歪膜を成膜
する際に、基板と磁歪膜との熱膨張差を利用するなどの
方法で行われている。しかし、実際には、磁歪膜の上に
コイルが形成される他、その上に更に様々な膜が積層さ
れる複雑な構造となることもあり、前記の方法では磁歪
膜の応力調整は困難である。
Conventionally, the stress adjustment of the magnetostrictive film has been performed by a method of utilizing the difference in thermal expansion between the substrate and the magnetostrictive film when forming the magnetostrictive film. However, in reality, in addition to the coil being formed on the magnetostrictive film, it may have a complicated structure in which various films are further laminated thereon, and it is difficult to adjust the stress of the magnetostrictive film by the above method. is there.

【0006】本発明の目的は、微小の発生力やトルクを
高感度で且つ再現性よく評価できる歪センサを提供する
ことである。本発明の他の目的は、使用状況に応じて磁
歪膜の応力調整を広い範囲にわたって且つ再現性よく容
易に行える構造の歪センサを提供することである。
An object of the present invention is to provide a strain sensor which can evaluate a minute generated force or torque with high sensitivity and reproducibility. Another object of the present invention is to provide a strain sensor having a structure in which the stress of the magnetostrictive film can be easily adjusted over a wide range and with good reproducibility in accordance with the situation of use.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明は、基板上に形成
した磁歪膜の表面に、絶縁層を介して少なくとも一つの
コイルを形成した構造を有する歪センサにおいて、前記
絶縁層が熱収縮性の材料で形成され、該絶縁層の熱収縮
性を利用して磁歪膜の応力調整がなされていることを特
徴とする磁歪膜を用いた歪センサである。
The present invention provides a strain sensor having a structure in which at least one coil is formed on the surface of a magnetostrictive film formed on a substrate through an insulating layer, wherein the insulating layer is heat-shrinkable. A strain sensor using a magnetostrictive film, characterized in that the stress of the magnetostrictive film is adjusted by utilizing the heat shrinkability of the insulating layer.

【0008】また本発明は、基板上に形成した磁歪膜の
表面に、絶縁層を介して少なくとも一つのコイルを形成
した構造の歪センサにおいて、前記コイル上に第2の絶
縁層を介して磁性膜が形成され、一方もしくは両方の絶
縁層が熱収縮性の材料で形成され、該絶縁層の熱収縮性
を利用して磁歪膜の応力調整がなされていることを特徴
とする磁歪膜を用いた歪センサである。磁性膜は、例え
ば高透磁率磁性膜であり、無電解めっき又は電解めっき
によってコイル部のほぼ全面にわたって形成するのがよ
い。
Further, according to the present invention, in a strain sensor having a structure in which at least one coil is formed on the surface of a magnetostrictive film formed on a substrate via an insulating layer, a magnetic sensor is formed on the coil via a second insulating layer. A film is formed, one or both insulating layers are formed of a heat-shrinkable material, and the stress of the magnetostrictive film is adjusted by utilizing the heat-shrinkability of the insulating layer. It was a strain sensor. The magnetic film is, for example, a high-permeability magnetic film and is preferably formed over substantially the entire surface of the coil portion by electroless plating or electrolytic plating.

【0009】これらにおいて、磁歪膜は、基板表面が全
周のみで露出するように基板面積よりも一回り小さく形
成され、絶縁層は、磁歪膜を周囲端縁も含めて完全に覆
うように形成されている構造が望ましい。
In these, the magnetostrictive film is formed to be slightly smaller than the substrate area so that the substrate surface is exposed only in the entire circumference, and the insulating layer is formed so as to completely cover the magnetostrictive film including the peripheral edges. The structure is preferable.

【0010】熱収縮性の材料からなる絶縁層としては、
ポリイミド系樹脂が最適であり、その場合には200〜
350℃の範囲の温度で加熱硬化させる。その膜厚と硬
化時もしくは硬化後の熱処理温度を調整することによっ
て、磁歪膜の応力調整を行うことができる。
As the insulating layer made of a heat-shrinkable material,
Polyimide resin is the most suitable, and in that case 200-
Heat cure at a temperature in the range of 350 ° C. The stress of the magnetostrictive film can be adjusted by adjusting the film thickness and the heat treatment temperature during or after hardening.

【0011】磁歪膜は、典型的には気相成長させたRT
系磁歪材料(但し、R:Yを含む希土類元素、T:Fe
を主成分とする遷移金属)からなる。その場合、希土類
元素Rの組成比率は、37〜43at%とすることが好
ましい。例えば、Tb−Fe系磁歪材料が好ましい。
Magnetostrictive films are typically vapor phase grown RTs.
-Based magnetostrictive material (however, rare earth elements including R: Y, T: Fe
Transition metal whose main component is). In that case, the composition ratio of the rare earth element R is preferably 37 to 43 at%. For example, a Tb-Fe based magnetostrictive material is preferable.

【0012】[0012]

【発明の実施の形態】図1は、本発明に係る歪センサの
基本構成図であり、Aは平面を、Bはそのb−b位置で
の縦断面を表している。ガラスやポリイミド系樹脂など
からなる薄い基板10の上に磁歪膜12を形成し、該磁
歪膜12上に絶縁層14を介してコイル16を形成した
構造である。磁歪膜12は、例えば気相成長させたRT
系磁歪材料(但し、R:Yを含む希土類元素、T:Fe
を主成分とする遷移金属)からなり、その希土類元素R
の組成比率は37〜43at%程度とする。コイル16
は、薄い基板上に容易に形成できるつづら折れ形状(図
1のA参照)あるいはスパイラル形状(図示せず)など
とし、蒸着やスパッタなどの乾式法あるいは無電解めっ
きや電解めっきなどの湿式法で形成する。
1 is a basic configuration diagram of a strain sensor according to the present invention, in which A is a plane and B is a longitudinal section taken along the line bb. In this structure, a magnetostrictive film 12 is formed on a thin substrate 10 made of glass or polyimide resin, and a coil 16 is formed on the magnetostrictive film 12 via an insulating layer 14. The magnetostrictive film 12 is, for example, a vapor phase grown RT.
-Based magnetostrictive material (however, rare earth elements including R: Y, T: Fe
Is a transition metal whose main component is R, and its rare earth element R
The composition ratio is about 37 to 43 at%. Coil 16
Is a meandering shape (see A in FIG. 1) or a spiral shape (not shown) that can be easily formed on a thin substrate. Form.

【0013】ここで絶縁層14は熱収縮性の材料で形成
されており、それによって磁歪膜の応力調整がなされて
いる。絶縁層14は、耐熱性及び耐食性の良好なもので
ある必要があり、このような観点からポリイミド系樹脂
が最適である。この樹脂は、200〜350℃の温度範
囲内の所望の温度で加熱硬化する。最適な膜厚に制御す
ることによって、あるいは加熱硬化温度もしくは硬化後
の熱処理温度を調整することによって、収縮度合いを制
御し、磁歪膜の応力調整を行うことができる。
Here, the insulating layer 14 is formed of a heat-shrinkable material, by which the stress of the magnetostrictive film is adjusted. The insulating layer 14 needs to have good heat resistance and corrosion resistance, and a polyimide resin is optimal from this viewpoint. This resin is heat-cured at a desired temperature within a temperature range of 200 to 350 ° C. The degree of shrinkage can be controlled and the stress of the magnetostrictive film can be adjusted by controlling the film thickness to an optimum value or by adjusting the heat hardening temperature or the heat treatment temperature after hardening.

【0014】なお磁歪膜12は、基板10の表面が全周
で露出するように基板面積よりも一回り小さく形成さ
れ、絶縁層14は磁歪膜12を周囲端縁も含めて完全に
覆うように形成されている構造が望ましい。この種のセ
ンサは、通常、ウエハー(大型の基板)上に縦横に規則
的にセンサ部を配列形成し、それを縦横に切断すること
によって、1個1個の歪センサを得るように、多数個取
り方式で製造する。そこで、ウエハー上にセンサ素子部
を島状に形成し、センサ素子部の間の位置でダイシング
ソーなどで基板を切断することで、切断時に膜などに損
傷を与えることなく1個1個の歪センサに分離できる。
しかも切断後でも、磁歪膜12が端縁も含めて絶縁層1
4で覆われるために、外部環境などから完全に保護され
ることとなる。
The magnetostrictive film 12 is formed to be slightly smaller than the substrate area so that the surface of the substrate 10 is exposed over the entire circumference, and the insulating layer 14 completely covers the magnetostrictive film 12 including the peripheral edges. A formed structure is desirable. In this type of sensor, usually, sensor units are regularly formed in a matrix on a wafer (a large substrate), and the sensor units are cut in the vertical and horizontal directions to obtain a large number of strain sensors. It is manufactured by the individual picking method. Therefore, by forming the sensor element parts on the wafer in an island shape and cutting the substrate with a dicing saw or the like at a position between the sensor element parts, each strain is generated without damaging the film or the like at the time of cutting. Can be separated into sensors.
In addition, even after cutting, the magnetostrictive film 12 including the edges is the insulating layer 1.
Since it is covered with 4, it is completely protected from the external environment.

【0015】この種の歪センサの動作原理は次の通りで
ある。微小な外力により厚さ0.1mm程度の薄いガラス
などからなる基板10が歪むと、それによって磁歪膜1
2も歪む。すると、その透磁率が変化するため、コイル
16のインピーダンスも変化する。このことを利用し
て、コイル16の両端間でインピーダンス変化を測定す
ることにより、微小な歪(従って力やトルク)を計測で
きるのである。
The operating principle of this type of strain sensor is as follows. When the substrate 10 made of thin glass having a thickness of about 0.1 mm is distorted by a small external force, the magnetostrictive film 1 is thereby distorted.
2 is also distorted. Then, since the magnetic permeability changes, the impedance of the coil 16 also changes. By utilizing this fact, a minute strain (hence force or torque) can be measured by measuring the impedance change between both ends of the coil 16.

【0016】このような動作原理から、歪センサにおい
て微小な外力に反応するためには、外力の無い状態で磁
歪膜の応力が小さいことが重要である。また、ある曲率
半径を有する曲面に歪センサを貼り付けて使用する場合
には、高い歪感度を保ったまま動作点を移動させるた
め、磁歪膜の応力調整を広い範囲にわたって行えること
が重要となる。
From such an operating principle, in order for the strain sensor to react to a minute external force, it is important that the stress of the magnetostrictive film is small in the absence of the external force. When a strain sensor is attached to a curved surface having a certain radius of curvature, the operating point is moved while maintaining high strain sensitivity, so it is important to be able to adjust the stress of the magnetostrictive film over a wide range. .

【0017】そこで歪センサを作製する際あるいは作製
後、加熱処理して絶縁層を収縮させることで、磁歪膜に
加わる応力を調整する。そのとき、絶縁層の膜厚によっ
て磁歪膜に加わる応力も変化するため、絶縁層の膜厚も
適切に制御する必要がある。ある曲率半径を有する曲面
に歪センサを貼り付けて使用する場合、高い歪感度を保
ったまま動作点を移動させるためには磁歪膜の応力を圧
縮側に大きく移動させる必要があるため、絶縁層として
熱圧縮性の材料を用いること、特にポリイミド系樹脂を
用いることは有効である。ポリイミド系樹脂は、応力調
整が容易に行える利点もあるからである。ポリイミド系
樹脂を使用する場合、十分硬化させるためには200℃
以上、また樹脂の劣化が生じないように350℃以下の
温度範囲で加熱処理する必要がある。熱を加えれば加え
るほど硬化により圧縮側に移行するため、加熱条件を選
定することによって圧縮応力を調整できる。応力調整
は、歪センサが実際の使用状態において磁歪膜の応力が
ほぼゼロとなるように行う。
Therefore, the stress applied to the magnetostrictive film is adjusted by heat-treating the insulating layer during or after manufacturing the strain sensor to shrink the insulating layer. At that time, the stress applied to the magnetostrictive film also changes depending on the film thickness of the insulating layer, so that the film thickness of the insulating layer also needs to be appropriately controlled. When a strain sensor is attached to a curved surface with a certain radius of curvature, the stress of the magnetostrictive film must be largely moved to the compression side in order to move the operating point while maintaining high strain sensitivity. It is effective to use a heat-compressible material, especially to use a polyimide resin. This is because the polyimide resin also has an advantage that stress can be easily adjusted. When using polyimide-based resin, 200 ° C for sufficient curing
As described above, it is necessary to perform heat treatment within a temperature range of 350 ° C. or lower so that the resin does not deteriorate. Since the more the heat is applied, the more it moves toward the compression side due to hardening, so the compression stress can be adjusted by selecting the heating conditions. The stress adjustment is performed so that the stress of the magnetostrictive film becomes substantially zero when the strain sensor is actually used.

【0018】歪センサの特性を向上させるためには、磁
歪膜として大きな磁歪特性を呈する材料を使用すること
が望ましい。そこで前記のように、大きな磁歪特性を有
する気相成長させたRT系(例えばTb−Fe系)磁歪
材料を用い、特にその希土類元素の組成比率を37〜4
3at%とする。これによって、低磁場(80kA/
m)で磁歪700ppm以上というように、従来の磁歪
膜には見られない極めて良好な磁歪特性が得られている
(特願2001−137294参照)。この磁歪材料か
らなる薄膜を用いることで、計測部位が非常に小さく且
つ微小の歪みに対してもセンサ感度を高めることができ
る。
In order to improve the characteristics of the strain sensor, it is desirable to use a material exhibiting large magnetostriction characteristics as the magnetostrictive film. Therefore, as described above, a vapor-phase grown RT-based (for example, Tb-Fe-based) magnetostrictive material having a large magnetostrictive characteristic is used, and the composition ratio of the rare earth element is 37 to 4 in particular.
3 at%. As a result, a low magnetic field (80 kA /
In the case of m), the magnetostriction is 700 ppm or more, and extremely good magnetostrictive characteristics not found in conventional magnetostrictive films are obtained (see Japanese Patent Application No. 2001-137294). By using the thin film made of this magnetostrictive material, it is possible to enhance the sensor sensitivity even for a small measurement area and a minute distortion.

【0019】図2のA〜Cは、本発明の他の構成例を示
す縦断面図である。いずれも基板10上に形成した磁歪
膜12の表面に、絶縁層14を介してコイル16を形成
した構造を有する。Aに示す例は、コイル16上のほぼ
全面に第2の絶縁層20を形成し、その上のコイルに相
当する部分のみに磁性膜22を形成した構成である。こ
の構成は、コイル幅が大きな場合にしか適用できない可
能性があるが、蒸着法やスパッタ法などでも良好な磁性
膜22を形成できる。Bに示す例は、コイル16上のほ
ぼ全面に第2の絶縁層20を形成し、その上のほぼ全面
に磁性膜24を形成した構成である。この構成は、製造
工程的には最も簡便である。Cに示す例は、コイル16
の周囲のみに第2の絶縁層26を形成し、その上のほぼ
全面に磁性膜24を形成した構成である。この構成は、
コイル間隔が広い場合にしか適用できない可能性がある
が、磁気回路上は最も効果的である。
2A to 2C are vertical cross-sectional views showing another structural example of the present invention. Both have a structure in which the coil 16 is formed on the surface of the magnetostrictive film 12 formed on the substrate 10 with the insulating layer 14 interposed therebetween. In the example shown in A, the second insulating layer 20 is formed on almost the entire surface of the coil 16, and the magnetic film 22 is formed only on the portion corresponding to the second insulating layer 20. This configuration may be applicable only when the coil width is large, but a good magnetic film 22 can be formed by a vapor deposition method or a sputtering method. In the example shown in B, the second insulating layer 20 is formed on almost the entire surface of the coil 16, and the magnetic film 24 is formed on the almost entire surface of the second insulating layer 20. This configuration is the simplest in terms of manufacturing process. The example shown in C is the coil 16
The second insulating layer 26 is formed only on the periphery of the above, and the magnetic film 24 is formed on almost the entire surface thereof. This configuration
It may be applicable only when the coil spacing is wide, but it is most effective on the magnetic circuit.

【0020】いずれにしても、これらの構成では、コイ
ルを磁歪膜と磁性膜とで挾み込まれ磁気的に閉磁路状に
近づくために、微小な外力により磁歪膜の透磁率が変化
するときのコイルのインピーダンス変化の感度を上げる
ことができる。磁性膜としては、Ni−Fe系合金など
の高透磁率磁性膜が好ましい。その他、磁性膜として磁
歪膜を用いてサンドイッチ構造にすることによっても、
歪センサの感度を向上させることができる。
In any case, in these configurations, when the coil is sandwiched between the magnetostrictive film and the magnetic film and magnetically approaches a closed magnetic circuit, when the magnetic permeability of the magnetostrictive film changes due to a small external force. The sensitivity of the impedance change of the coil can be increased. As the magnetic film, a high-permeability magnetic film such as Ni-Fe alloy is preferable. In addition, by using a magnetostrictive film as the magnetic film to form a sandwich structure,
The sensitivity of the strain sensor can be improved.

【0021】コイルは電気抵抗を小さくするために比較
的厚くする(例えば厚さ10μm程度)のが好ましいた
め、その上に形成する第2の絶縁層は、コイルの形状に
倣って波を打ったような凹凸が生じる。そのため、その
上に蒸着法やスパッタ法などで磁性膜を形成すると、部
分的にコイルの影になって膜が形成されないことが起こ
りうる。すると、段差形状の影響により強い異方性が生
じる可能性もある。この問題は、Aに示すようにパター
ン状の磁性膜とすることで解消できるが、磁気効率的に
は必ずしも満足しうるものとはなり難い。ところが、こ
のコイルによる凹凸の問題は、磁性膜を無電解めっきあ
るいは電解めっきなどの湿式法により成膜することで解
決でき、それによって十分に良好な(必要な膜厚の)磁
性膜が形成できる。また、この全面を覆う磁性膜は、磁
気シールドとしての機能も果たすことができる。
Since the coil is preferably made relatively thick (for example, about 10 μm in thickness) in order to reduce the electric resistance, the second insulating layer formed on the coil is undulated according to the shape of the coil. Such unevenness occurs. Therefore, if a magnetic film is formed thereon by a vapor deposition method, a sputtering method, or the like, it may happen that the film is not formed because it partially shades the coil. Then, strong anisotropy may occur due to the influence of the step shape. This problem can be solved by using a patterned magnetic film as shown in A, but it is not always satisfactory in terms of magnetic efficiency. However, the problem of unevenness due to the coil can be solved by forming a magnetic film by a wet method such as electroless plating or electrolytic plating, and thereby a sufficiently good (required film thickness) magnetic film can be formed. . The magnetic film covering the entire surface can also function as a magnetic shield.

【0022】ところで、めっき法により形成した膜は、
通常、水素が関係して(水素イオンの出入りの関係で)
引っ張り応力が発生すると言われている。本発明では、
絶縁層に熱収縮性の材料を用いているため、めっきによ
る磁性層の引っ張り応力も、絶縁層の収縮で相殺するこ
とが可能となり、上部に磁性膜をめっき法で形成する構
造でも良好な特性が得られる。
By the way, the film formed by the plating method is
Usually related to hydrogen (related to the entry and exit of hydrogen ions)
It is said that tensile stress occurs. In the present invention,
Since a heat-shrinkable material is used for the insulating layer, the tensile stress of the magnetic layer due to plating can be canceled out by the shrinking of the insulating layer, and even with a structure in which the magnetic film is formed on top by plating, good characteristics are achieved. Is obtained.

【0023】[0023]

【実施例】磁歪膜はTb及びFeの2元系とし、厚さ
0.1mmのガラス基板上に、DCマグネトロンスパッタ
により気相成長させて作製した。Feターゲット上にT
bチップを配置し、Tbチップの数量を調整することに
よって磁歪膜の組成を調整した。ここでは、Tbの組成
比率が約40at%のTb−Fe2元系磁歪膜を、約1
μmの膜厚となるように成膜した。
EXAMPLE A magnetostrictive film was made of a binary system of Tb and Fe, and was produced by vapor phase growth on a glass substrate having a thickness of 0.1 mm by DC magnetron sputtering. T on Fe target
The composition of the magnetostrictive film was adjusted by arranging b chips and adjusting the number of Tb chips. Here, a Tb-Fe binary system magnetostrictive film having a Tb composition ratio of about 40 at% is used in an amount of about 1%.
The film was formed to have a film thickness of μm.

【0024】続いて、前記磁歪膜上にポリイミド系樹脂
をスピンコート法により塗布し、大気中250℃で1時
間熱硬化して絶縁層を形成した。絶縁層の膜厚は、1μ
m、3μm、6μmの3種類とし、絶縁層の膜厚によっ
て磁歪膜の応力を制御した。絶縁層上に、厚さ10μm
のつづら折れCuコイルを電解めっき法で形成した。こ
のようにして、図1に示すような構造の歪センサを作製
した。
Subsequently, a polyimide resin was applied onto the magnetostrictive film by a spin coating method and heat-cured at 250 ° C. for 1 hour in the atmosphere to form an insulating layer. The thickness of the insulating layer is 1μ
m, 3 μm, and 6 μm, and the stress of the magnetostrictive film was controlled by the film thickness of the insulating layer. 10 μm thick on the insulating layer
A zigzag folded Cu coil was formed by electrolytic plating. In this way, a strain sensor having a structure as shown in FIG. 1 was manufactured.

【0025】歪センサの特性評価は、図3に示すよう
に、歪センサ30をガラス基板32の一端で固定部34
にカンチレバー状に固定し、マイクロメータヘッド36
により該ガラス基板32に歪みを与えて、共振点付近の
周波数にてインピーダンスを測定することにより行っ
た。ガラス基板32に印加される荷重はガラス基板32
の変位(たわみ量)xから算出した。なお、インピーダ
ンス変化はインピーダンスアナライザで測定した。ガラ
ス基板32に与えたたわみ量は、最大500μmとし
た。
To evaluate the characteristics of the strain sensor, as shown in FIG. 3, the strain sensor 30 is fixed at one end of the glass substrate 32 to the fixing portion 34.
Fixed in a cantilever shape to the micrometer head 36
Was applied to the glass substrate 32 to measure the impedance at a frequency near the resonance point. The load applied to the glass substrate 32 is the glass substrate 32.
The displacement (deflection amount) x was calculated. The impedance change was measured with an impedance analyzer. The maximum amount of deflection given to the glass substrate 32 was 500 μm.

【0026】絶縁層の膜厚が3μmの場合について、測
定周波数を共振点付近(195〜203MHz)としたと
きの変位(たわみ量)x−インピーダンス変化(ΔZ/
Z)の関係を図4に示す。このように膜厚3μmの絶縁
層を形成した歪センサでは、ガラス基板30に歪みを与
えることで、最大約7%のインピーダンス変化が得られ
た。しかし、膜厚1μmと6μmの絶縁層を形成した歪
センサでは、同じ歪みをガラス基板30に与えてもイン
ピーダンス変化は測定できなかった。このことから、同
じ加熱温度で熱硬化処理しても、絶縁層の膜厚を制御す
ることにより、磁歪膜の応力を調整できることが分か
る。
When the thickness of the insulating layer is 3 μm, the displacement (deflection amount) x-impedance change (ΔZ / when the measurement frequency is near the resonance point (195 to 203 MHz))
The relationship of Z) is shown in FIG. In the strain sensor in which the insulating layer having a film thickness of 3 μm is formed in this way, a maximum impedance change of about 7% was obtained by applying strain to the glass substrate 30. However, in the strain sensor in which the insulating layers having the film thicknesses of 1 μm and 6 μm are formed, the impedance change cannot be measured even if the same strain is applied to the glass substrate 30. From this, it is understood that the stress of the magnetostrictive film can be adjusted by controlling the film thickness of the insulating layer even if the heat treatment is performed at the same heating temperature.

【0027】[0027]

【発明の効果】本発明は上記のように、基板上に形成し
た磁歪膜の表面に、絶縁層を介して少なくとも一つのコ
イルを形成した構造の歪センサであるから、微小の発生
力やトルクを高感度で且つ再現性よく評価できる。特
に、コイル上に第2の絶縁層を介して磁性膜を形成する
と、コイルが磁歪膜と磁性膜で挾まれて閉磁路状に近づ
くため、歪検出感度は更に向上する。
As described above, the present invention is a strain sensor having a structure in which at least one coil is formed on the surface of a magnetostrictive film formed on a substrate via an insulating layer, and therefore, a minute force or torque is generated. Can be evaluated with high sensitivity and reproducibility. In particular, when the magnetic film is formed on the coil via the second insulating layer, the coil is sandwiched by the magnetostrictive film and the magnetic film and approaches a closed magnetic circuit, so that the strain detection sensitivity is further improved.

【0028】また本発明では、絶縁層が熱収縮性の材料
で形成されているため、使用状況に応じて磁歪膜の応力
調整を広い範囲にわたって且つ再現性よく容易に行うこ
とができる。
Further, according to the present invention, since the insulating layer is formed of a heat-shrinkable material, the stress adjustment of the magnetostrictive film can be easily performed over a wide range and with good reproducibility according to the use situation.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明に係る歪センサの基本構成図。FIG. 1 is a basic configuration diagram of a strain sensor according to the present invention.

【図2】本発明に係る歪センサの他の構成例を示す縦断
面図。
FIG. 2 is a vertical cross-sectional view showing another configuration example of the strain sensor according to the present invention.

【図3】歪センサの測定状況の説明図。FIG. 3 is an explanatory diagram of a measurement state of a strain sensor.

【図4】変位−インピーダンス変化の一例を示すグラ
フ。
FIG. 4 is a graph showing an example of displacement-impedance change.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 基板 12 磁歪膜 14 絶縁層 16 コイル 10 substrates 12 Magnetostrictive film 14 Insulation layer 16 coils

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 清宮 照夫 東京都港区新橋5丁目36番11号 エフ・デ ィー・ケイ株式会社内 (72)発明者 梅本 美之 東京都港区新橋5丁目36番11号 エフ・デ ィー・ケイ株式会社内 (72)発明者 脇若 弘之 長野県長野市若里5丁目16番3号 若里宿 舎3−5 (72)発明者 山田 洋次 長野県長野市大字稲葉上千田191−2 大 内田アネックス301 (72)発明者 牧村 美加 長野県長野市若里1丁目18番1号 長野県 工業試験場内   ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page    (72) Inventor Teruo Kiyomiya             F-de, 5-36-1 Shimbashi, Minato-ku, Tokyo             K.K Co., Ltd. (72) Inventor Yoshiyuki Umemoto             F-de, 5-36-1 Shimbashi, Minato-ku, Tokyo             K.K Co., Ltd. (72) Inventor Hiroyuki Wakiwaka             Wakasato inn, 5-16-3 Wakasato, Nagano City, Nagano Prefecture             Building 3-5 (72) Inventor Yoji Yamada             191-2 Inaba Kami-Senta, Nagano City, Nagano Prefecture             Uchida Annex 301 (72) Inventor Mika Makimura             1-1-18 Wakasato Nagano City, Nagano Prefecture Nagano Prefecture             Inside the industrial testing ground

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 基板上に形成した磁歪膜の表面に、絶縁
層を介して少なくとも一つのコイルを形成した構造を有
する歪センサにおいて、 前記絶縁層が熱収縮性の材料で形成され、その熱収縮性
を利用して磁歪膜の応力調整がなされていることを特徴
とする歪センサ。
1. A strain sensor having a structure in which at least one coil is formed on the surface of a magnetostrictive film formed on a substrate via an insulating layer, wherein the insulating layer is formed of a heat-shrinkable material, A strain sensor characterized in that the stress of a magnetostrictive film is adjusted by utilizing contractility.
【請求項2】 基板上に形成した磁歪膜の表面に、絶縁
層を介して少なくとも一つのコイルを形成した構造を有
する歪センサにおいて、 前記コイル上に第2の絶縁層を介して磁性膜が形成さ
れ、一方もしくは両方の絶縁層が熱収縮性の材料で形成
され、その熱収縮性を利用して磁歪膜の応力調整がなさ
れていることを特徴とする歪センサ。
2. A strain sensor having a structure in which at least one coil is formed on the surface of a magnetostrictive film formed on a substrate via an insulating layer, wherein a magnetic film is formed on the coil via a second insulating layer. A strain sensor, wherein one or both insulating layers are formed of a heat-shrinkable material, and the stress of the magnetostrictive film is adjusted by utilizing the heat-shrinkability.
【請求項3】 磁性膜が、無電解めっき又は電解めっき
によってコイル部のほぼ全面にわたって形成されている
高透磁率磁性膜である請求項2記載の歪センサ。
3. The strain sensor according to claim 2, wherein the magnetic film is a high magnetic permeability magnetic film formed over substantially the entire surface of the coil portion by electroless plating or electrolytic plating.
【請求項4】 磁歪膜は、基板表面が全周で露出するよ
うに基板面積よりも小さく形成され、絶縁層は磁歪膜を
周囲端縁も含めて完全に覆うように形成されている請求
項1乃至3のいずれかに記載の歪センサ。
4. The magnetostrictive film is formed smaller than the substrate area so that the surface of the substrate is exposed over the entire circumference, and the insulating layer is formed so as to completely cover the magnetostrictive film including the peripheral edges. The strain sensor according to any one of 1 to 3.
【請求項5】 熱収縮性の材料からなる絶縁層が、ポリ
イミド系樹脂からなり、200〜350℃の温度で加熱
硬化されている請求項1乃至4のいずれかに記載の歪セ
ンサ。
5. The strain sensor according to claim 1, wherein the insulating layer made of a heat-shrinkable material is made of a polyimide resin and is heat-cured at a temperature of 200 to 350 ° C.
【請求項6】 磁歪膜が、気相成長させたRT系磁歪材
料(但し、R:Yを含む希土類元素、T:Feを主成分
とする遷移金属)からなる請求項1乃至5のいずれかに
記載の歪センサ。
6. The magnetostrictive film is formed of a vapor-grown RT-based magnetostrictive material (however, a rare earth element containing R: Y and a transition metal containing T: Fe as a main component). The strain sensor described in.
【請求項7】 希土類元素Rの組成比率が、37〜43
at%である請求項6記載の歪センサ。
7. The composition ratio of the rare earth element R is 37 to 43.
The strain sensor according to claim 6, wherein the strain sensor is at%.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009036733A (en) * 2007-08-03 2009-02-19 Fdk Corp Strain sensor
WO2023135753A1 (en) * 2022-01-14 2023-07-20 国立大学法人東北大学 Strain sensor, sensor unit, and method for manufacturing strain sensor

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