JP2013217763A - Material for thin film strain sensor and thin film strain sensor using the same - Google Patents

Material for thin film strain sensor and thin film strain sensor using the same Download PDF

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雄司 三原
Koji Katsumata
耕二 勝俣
Kenji Shimizu
賢治 清水
Shoichi Yamamoto
祥一 山本
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide material for a thin film strain sensor having high strain sensitivity, low lateral sensitivity, and a low resistance temperature coefficient, and to provide a thin film strain sensor using the material.SOLUTION: The Cr content of material for a thin film strain sensor of the present invention is 14-25 mass%, and the rest is composed of Pd and inevitable impurities. A thin film strain sensor 1 according to the present invention is obtained by forming, on an insulating film (not shown): a sensing part 3 for sensing strain; and lead parts 4 formed at both ends of the sensing part 3. At least the sensing part 3, among the sensing part 3 and the lead parts 4, is formed using the material for a thin film strain sensor.

Description

本発明は、薄膜ひずみセンサ用材料およびこれを用いた薄膜ひずみセンサに関する。   The present invention relates to a material for a thin film strain sensor and a thin film strain sensor using the same.

機械部品に外力が作用したときのひずみ量を計測するためのセンサとして、薄膜ひずみセンサ(薄膜ひずみゲージとも呼ばれている。)が知られている。
薄膜ひずみセンサは、基材の上に、ひずみを感知する感知部とこの感知部の両端に形成され、ホイートストンブリッジなどのブリッジ回路と接続されたリード部と、が形成されており、当該感知部とリード部は、特定の組成でなる合金を用いて形成されている。
A thin film strain sensor (also referred to as a thin film strain gauge) is known as a sensor for measuring a strain amount when an external force is applied to a mechanical component.
The thin film strain sensor is formed on a base material with a sensing portion for sensing strain and a lead portion formed at both ends of the sensing portion and connected to a bridge circuit such as a Wheatstone bridge. The lead portion is formed using an alloy having a specific composition.

薄膜ひずみセンサは、外力が加えられて感知部が伸縮すると、伸縮によって生じる抵抗値の変化分に比例した微小な出力電圧を得ることができ、この微小な出力電圧を増幅器で増幅してひずみを測定する。   When an external force is applied to the thin-film strain sensor, the sensing unit expands and contracts, and a minute output voltage proportional to the change in resistance value caused by the expansion and contraction can be obtained. taking measurement.

薄膜ひずみセンサの性能や特性は、感知部およびリード部を形成する合金とそのセンサ形状によって大きく左右される。そのため、感知部およびリード部を形成する合金は種々のものが開発されている。一般的には、Cu−Ni系合金やNi−Cr系合金が使用されているが、例えば、非特許文献1や特許文献1に記載されたものなどもある。   The performance and characteristics of the thin film strain sensor greatly depend on the alloy forming the sensing part and the lead part and the shape of the sensor. Therefore, various alloys for forming the sensing part and the lead part have been developed. In general, a Cu—Ni-based alloy or a Ni—Cr-based alloy is used, but there are, for example, those described in Non-Patent Document 1 and Patent Document 1.

非特許文献1には、Pdの含有量が88.5質量%、Crの含有量が11.5質量%であるPd−Cr系合金(88.5Pd−11.5Cr)を用いて作製した薄膜ひずみセンサの電気的な特性について記載されている。   Non-Patent Document 1 discloses a thin film manufactured using a Pd—Cr alloy (88.5Pd-11.5Cr) having a Pd content of 88.5 mass% and a Cr content of 11.5 mass%. The electrical characteristics of the strain sensor are described.

特許文献1には、感知部を特定の形状とするとともに、感知部およびリード部を形成する合金をNi−Cr−Al合金とするとよい旨が記載されている。また、かかるNi−Cr−Al合金の組成として、Crの含有量が18.5質量%、Alの含有量が11.0質量%、残部をNi(18.5Cr−11.0Al−Ni rest)とすることが記載されている。   Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-228561 describes that the sensing portion is made to have a specific shape, and the alloy forming the sensing portion and the lead portion is preferably a Ni—Cr—Al alloy. In addition, the composition of the Ni—Cr—Al alloy is such that the Cr content is 18.5% by mass, the Al content is 11.0% by mass, and the balance is Ni (18.5Cr-11.0Al—Ni rest). It is described that.

P. Kayser, J.C. Godefroy and L. Leca, “High-temperature thin-film strain gauges”, Sensors and Actuators A, 37-38(1993) P.328-332P. Kayser, J.C.Godefroy and L. Leca, “High-temperature thin-film strain gauges”, Sensors and Actuators A, 37-38 (1993) P.328-332

特許第4482250号明細書Patent No. 4482250

しかしながら、非特許文献1には図6に示すように、熱的安定性が低いため、温度に対する抵抗温度係数(Temperature Coefficient of Resistance;TCR)が210ppm/℃以上と大きく、高温になるとひずみ感度が悪化するという問題があった。なお、ひずみ感度とは、ゲージ率とも呼ばれるものであり、ひずみゲージのゲージ軸方向に加えられた一軸応力によって生じる抵抗変化率ΔR/Rと、ゲージ軸方向のひずみεとの比で表すことができる。ひずみ感度は、ひずみ感度をKとすると、K=(ΔR/R)/εで求めることができる。   However, as shown in FIG. 6, Non-Patent Document 1 has a low thermal stability, so the temperature coefficient of resistance (TCR) with respect to temperature is as large as 210 ppm / ° C. or higher, and the strain sensitivity increases at higher temperatures. There was a problem of getting worse. The strain sensitivity is also called a gauge factor, and can be expressed as a ratio of a resistance change rate ΔR / R caused by uniaxial stress applied in the gauge axis direction of the strain gauge and a strain ε in the gauge axis direction. it can. The strain sensitivity can be obtained by K = (ΔR / R) / ε, where K is the strain sensitivity.

また、特許文献1に記載のNi−Cr−Al合金は、材質上、ひずみ感度が低く(縦方向1.40〜1.50)、かつノイズとなる横感度が大きい(横方向−0.42〜−0.37)という問題があるとともに、熱的安定性が低いという問題があった。なお、横感度とは、ゲージ軸方向(受感軸)に直角な任意の方向の励振に対する感度をいう。   Further, the Ni—Cr—Al alloy described in Patent Document 1 has low strain sensitivity (vertical direction 1.40 to 1.50) and large lateral sensitivity that causes noise (lateral direction −0.42). There is a problem that the thermal stability is low. The lateral sensitivity refers to sensitivity to excitation in an arbitrary direction perpendicular to the gauge axis direction (sensitive axis).

そのため、非特許文献1および特許文献1のいずれにおいても、例えば400℃以上の高温となる内燃機関内で使用することができなかった。   For this reason, neither NPL 1 nor PTL 1 could be used in an internal combustion engine having a high temperature of 400 ° C. or higher.

本発明は前記問題に鑑みてなされたものであり、ひずみ感度が高く、横感度が低く、抵抗温度係数が低い薄膜ひずみセンサ用材料およびこれを用いた薄膜ひずみセンサを提供することを課題とする。   This invention is made | formed in view of the said problem, and makes it a subject to provide the material for thin film strain sensors with a high strain sensitivity, a low lateral sensitivity, and a low resistance temperature coefficient, and a thin film strain sensor using the same. .

(1)前記課題を解決した本発明に係る薄膜ひずみセンサ用材料は、Crの含有量が14〜25質量%であり、残部がPdおよび不可避不純物からなることを特徴としている。 (1) The material for a thin film strain sensor according to the present invention that solves the above-mentioned problems is characterized in that the Cr content is 14 to 25% by mass, and the balance is composed of Pd and inevitable impurities.

本発明に係る薄膜ひずみセンサ用材料は、特定の組成範囲からなるPd−Cr合金であるため、ひずみ感度を高く、横感度を低く、かつ抵抗温度係数を低くすることができる。   Since the thin film strain sensor material according to the present invention is a Pd—Cr alloy having a specific composition range, the strain sensitivity can be increased, the lateral sensitivity can be decreased, and the resistance temperature coefficient can be decreased.

(2)また、本発明に係る薄膜ひずみセンサは、絶縁膜上に、ひずみを感知する感知部と、前記感知部の両端に形成されるリード部と、を形成した薄膜ひずみセンサであって、前記感知部および前記リード部のうち少なくとも感知部が前記(1)に記載の薄膜ひずみセンサ用材料を用いて形成されていることを特徴としている。 (2) Moreover, the thin film strain sensor according to the present invention is a thin film strain sensor in which a sensing portion for sensing strain and lead portions formed at both ends of the sensing portion are formed on an insulating film, At least the sensing part of the sensing part and the lead part is formed using the material for a thin film strain sensor described in (1).

本発明に係る薄膜ひずみセンサは、前記(1)に記載の薄膜ひずみセンサ用材料を用いて感知部を形成しているため、ひずみ感度が高く、横感度が低く、抵抗温度係数が低いセンサとすることができる。   Since the thin film strain sensor according to the present invention forms the sensing portion using the material for the thin film strain sensor described in (1), the sensor has high strain sensitivity, low lateral sensitivity, and low resistance temperature coefficient. can do.

本発明に係る薄膜ひずみセンサ用材料は、特定の組成範囲からなるPd−Cr合金であるため、ひずみ感度が高く、横感度が低く、抵抗温度係数が低い。つまり、本発明に係る薄膜ひずみセンサ用材料は、熱的安定性が高いため、例えば400℃以上となる高温下でも使用可能である。   Since the thin film strain sensor material according to the present invention is a Pd—Cr alloy having a specific composition range, the strain sensitivity is high, the lateral sensitivity is low, and the resistance temperature coefficient is low. That is, since the material for a thin film strain sensor according to the present invention has high thermal stability, it can be used at a high temperature of, for example, 400 ° C. or higher.

本発明に係る薄膜ひずみセンサは、感知部およびリード部のうち少なくとも感知部が本発明に係る薄膜ひずみセンサ用材料を用いて形成されているため、ひずみ感度が高く、横感度が低く、抵抗温度係数が低い。つまり、本発明に係る薄膜ひずみセンサは、熱的安定性が高いため、例えば400℃以上となる高温下でも使用可能である。   In the thin film strain sensor according to the present invention, at least the sensing portion of the sensing portion and the lead portion is formed using the thin film strain sensor material according to the present invention, so that the strain sensitivity is high, the lateral sensitivity is low, the resistance temperature The coefficient is low. That is, since the thin film strain sensor according to the present invention has high thermal stability, it can be used even at a high temperature of 400 ° C. or higher, for example.

Pdに対するCrの含有量とひずみ感度と抵抗温度係数(TCR)との関係を説明するグラフである。なお、横軸はPdに対するCrの含有量[質量%]であり、第1縦軸はひずみ感度Kであり、第2縦軸はTCR[ppm/℃]である。また、破線は縦ひずみ感度を表し、実線は横感度を表し、一点鎖線はTCRを表す。It is a graph explaining the relationship between content of Cr with respect to Pd, strain sensitivity, and resistance temperature coefficient (TCR). The horizontal axis represents Cr content [% by mass] relative to Pd, the first vertical axis represents strain sensitivity K, and the second vertical axis represents TCR [ppm / ° C.]. The broken line represents the longitudinal strain sensitivity, the solid line represents the lateral sensitivity, and the alternate long and short dash line represents the TCR. 本発明に係る薄膜ひずみセンサの一実施形態を示す平面図である。It is a top view which shows one Embodiment of the thin film strain sensor which concerns on this invention. 本発明に係る薄膜ひずみセンサの他の実施形態を示す平面図である。It is a top view which shows other embodiment of the thin film strain sensor which concerns on this invention. ひずみ感度の測定に用いたひずみ感度試験器を説明する図であって、右図は平面図であり、左図は側面図である。It is a figure explaining the strain sensitivity tester used for the measurement of a strain sensitivity, Comprising: The right figure is a top view and the left figure is a side view. Pd−Cr合金で作製した薄膜ひずみセンサとNi−Cr−Al合金で作製した薄膜ひずみセンサについて、400℃、1時間の熱履歴の有無に対するひずみ感度を示すグラフである。It is a graph which shows the strain sensitivity with respect to the presence or absence of a thermal history of 400 degreeC and 1 hour about the thin film strain sensor produced with the Pd-Cr alloy, and the thin film strain sensor produced with the Ni-Cr-Al alloy. 88.5Pd−11.5Crを用いた従来の薄膜ひずみセンサの温度に対する抵抗温度係数(TCR)を示すグラフである。なお、横軸は温度[℃]であり、縦軸はTCR[ppm/℃]である。It is a graph which shows the temperature coefficient of resistance (TCR) with respect to the temperature of the conventional thin film strain sensor using 88.5Pd-11.5Cr. The horizontal axis represents temperature [° C.], and the vertical axis represents TCR [ppm / ° C.].

本発明の要旨は、薄膜ひずみセンサ用材料を特定の組成範囲からなるPd−Cr合金とすることにより、従来公知のPd−Cr合金やNi−Cr−Al合金と比較して高温下でのひずみ感度の低下を抑えることにある。   The gist of the present invention is that the material for the thin film strain sensor is a Pd—Cr alloy having a specific composition range, so that the strain at a high temperature is higher than that of a conventionally known Pd—Cr alloy or Ni—Cr—Al alloy. The purpose is to suppress a decrease in sensitivity.

以下に、適宜図面を参照して本発明に係る薄膜ひずみセンサ用材料およびこれを用いた薄膜ひずみセンサを実施するための形態について説明する。
本発明に係る薄膜ひずみセンサ用材料は、Crの含有量が14〜25質量%であり、残部がPdおよび不可避不純物からなる。
Hereinafter, an embodiment for implementing a thin film strain sensor material according to the present invention and a thin film strain sensor using the same will be described with reference to the drawings as appropriate.
The thin film strain sensor material according to the present invention has a Cr content of 14 to 25% by mass, and the balance is made of Pd and inevitable impurities.

Crの含有量が14〜25質量%の範囲にあると、図1に示すように、1.75以上という高いひずみ感度K(縦方向)を得ることができる。   When the Cr content is in the range of 14 to 25% by mass, a high strain sensitivity K (longitudinal direction) of 1.75 or more can be obtained as shown in FIG.

また、Crの含有量がこの範囲にあると、図1に示すように、横感度が−0.3〜0.3の範囲となるためノイズを少なくすることができる。つまり、主ひずみ値を精度良く検出することができる。   Further, when the Cr content is in this range, as shown in FIG. 1, the lateral sensitivity is in the range of -0.3 to 0.3, so that noise can be reduced. That is, the main strain value can be detected with high accuracy.

さらに、Crの含有量がこの範囲にあると、図1に示すように、抵抗温度係数(TCR)の変化が少ないため、温度ドリフト量を低減させることができる。つまり、熱的安定性が高く、高温下でひずみ感度が悪化し難くなる。そのため、高温下でも安定してひずみを測定することができる。   Furthermore, when the Cr content is in this range, as shown in FIG. 1, the temperature coefficient of resistance (TCR) changes little, so that the amount of temperature drift can be reduced. That is, the thermal stability is high, and the strain sensitivity is unlikely to deteriorate at high temperatures. Therefore, the strain can be measured stably even at high temperatures.

すなわち、Crの含有量がこの範囲にあると、ひずみ感度が高く、かつひずみ感度の変化が少ない領域と、横感度の使用可能領域と、TCRの変化が少ない領域とを兼ね備えた薄膜ひずみセンサ用材料とすることができる。   In other words, when the Cr content is within this range, the thin film strain sensor has a high strain sensitivity and a region where the change in strain sensitivity is small, a region where the lateral sensitivity can be used, and a region where the change in TCR is small. Can be a material.

一方、Crの含有量が14質量%未満であると、横感度が−0.3よりも低くなるためノイズが大きくなるとともに、TCRが高くなるため温度ドリフト量が増大する。従って、熱的安定性が低く、高温下でひずみ感度が悪化し易くなる。
また、Crの含有量が25質量%を超えると、横感度が0.3を超えて増大するためノイズが多くなる。つまり、主ひずみ値を精度良く検出することができなくなる。
なお、Crの含有量は14.5〜20.3質量%などとすることもできる。かかる範囲でも前記した効果を確実に奏することができる。
On the other hand, when the Cr content is less than 14% by mass, the lateral sensitivity becomes lower than −0.3, so that noise increases, and the TCR increases, so that the amount of temperature drift increases. Accordingly, the thermal stability is low, and the strain sensitivity is likely to deteriorate at high temperatures.
On the other hand, if the Cr content exceeds 25% by mass, the lateral sensitivity increases beyond 0.3 and noise increases. That is, the main strain value cannot be detected with high accuracy.
In addition, content of Cr can also be 14.5-20.3 mass%. Even in such a range, the above-described effects can be reliably achieved.

残部は、前記したようにPdおよび不可避不純物である。本発明における不可避不純物とは、製造過程で不可避的に含有されてしまう元素をいう。このような不可避不純物はなるべく含有しない方が好ましいが、殆どの場合、その含有量は極微量であり、本発明の薄膜ひずみセンサ用材料の奏する効果に影響を与えない。   The balance is Pd and inevitable impurities as described above. Inevitable impurities in the present invention refer to elements that are inevitably contained in the production process. It is preferable not to contain such inevitable impurities as much as possible. However, in most cases, the content is extremely small, and does not affect the effect of the thin film strain sensor material of the present invention.

かかる薄膜ひずみセンサ用材料は、例えば、スパッタリングを行うことで、Crの含有量が14〜25質量%であり、残部がPdおよび不可避不純物からなる、所定の形状の感知部3およびリード部4(図2参照)を形成することができる。   Such a material for a thin film strain sensor is formed by, for example, sputtering so that the Cr content is 14 to 25% by mass, and the remaining portion is made of Pd and inevitable impurities, and the sensing portion 3 and lead portion 4 ( 2) can be formed.

次に、本発明に係る薄膜ひずみセンサについて説明する。図2に示すように、本発明に係る薄膜ひずみセンサ1は、基材2の表面に形成した絶縁膜(図示せず)上に、ひずみを感知する感知部3と、この感知部3の両端に形成されるリード部4と、を形成したものであって、当該感知部3およびリード部4のうち少なくとも感知部3が、前記した本発明に係る薄膜ひずみセンサ用材料を用いて形成されたものである。   Next, the thin film strain sensor according to the present invention will be described. As shown in FIG. 2, a thin film strain sensor 1 according to the present invention includes a sensing unit 3 for sensing strain on an insulating film (not shown) formed on the surface of a substrate 2, and both ends of the sensing unit 3. And at least the sensing part 3 of the sensing part 3 and the lead part 4 is formed using the thin film strain sensor material according to the present invention described above. Is.

基材2としては、例えば、400℃以上の高温となる内燃機関や各種の機器を挙げることができる。内燃機関を例にすると、具体的には、主軸受、コンロッド軸、ピストンピンボス部などの構成品を挙げることができる。   Examples of the base material 2 include an internal combustion engine and various devices that have a high temperature of 400 ° C. or higher. Taking an internal combustion engine as an example, specific examples include main bearings, connecting rod shafts, piston pin bosses, and the like.

絶縁膜は、基材2と、その上に形成される感知部3およびリード部4と、の通電を阻止し、ひずみを正確に測定するために設ける。
絶縁膜は、例えば、Al23やAlNなどを用いて、任意の膜厚で形成することができる。絶縁膜の厚さは、例えば、1〜20μmなどとすることができる。絶縁膜の厚さが前記した下限未満であると絶縁膜の強度が低くなるため、製品寿命が短くなるおそれがある。また、絶縁膜の厚さが前記した上限を超えると薄膜センサとしてのメリットを失うおそれがある。
The insulating film is provided in order to prevent the energization of the substrate 2 and the sensing unit 3 and the lead unit 4 formed thereon and to accurately measure the strain.
The insulating film can be formed with an arbitrary film thickness using, for example, Al 2 O 3 or AlN. The thickness of the insulating film can be set to 1 to 20 μm, for example. If the thickness of the insulating film is less than the lower limit described above, the strength of the insulating film is lowered, and the product life may be shortened. Further, if the thickness of the insulating film exceeds the above upper limit, the merit as a thin film sensor may be lost.

感知部3は、図2に示すように、折り返し部をもたないで(つまり、直線で)、または、図3に示すように、2つのリード部4の間を、1つ以上の折り返し部をもって形成される。感知部3は、例えば、幅0.03mm、厚さ0.2μmで形成することができる。ここで、感知部3の長さは折り返し部の有無によって相違し、任意に設定することができる。また、感知部3は、2つのリード部4の間を、折り返し部をもたないで(直線で)形成する場合、例えば、横3mmなどとすることができる。なお、感知部3の幅寸法、厚さ寸法、横寸法は前記に限定されないことはいうまでもない。   As shown in FIG. 2, the sensing unit 3 does not have a folded part (that is, in a straight line) or, as shown in FIG. 3, between the two lead parts 4, one or more folded parts. It is formed with. The sensing unit 3 can be formed with a width of 0.03 mm and a thickness of 0.2 μm, for example. Here, the length of the sensing unit 3 differs depending on the presence or absence of the folded portion, and can be arbitrarily set. In addition, when the sensing unit 3 is formed between the two lead units 4 without a folded part (in a straight line), for example, the sensing unit 3 can be 3 mm wide, for example. Needless to say, the width, thickness, and lateral dimensions of the sensing unit 3 are not limited to the above.

リード部4は、感知部3と接続されているほか、ホイートストンブリッジなどのブリッジ回路(図示せず)と接続されている。リード部4は、感知部3と同じく本発明に係る薄膜ひずみセンサ用材料で形成するのが作製工程上好ましいが、異なる材料で形成することも可能である。
なお、リード部4は、例えば、幅3mm×横2mmなどとすることができるがこれに限定されるものではない。
In addition to being connected to the sensing unit 3, the lead unit 4 is connected to a bridge circuit (not shown) such as a Wheatstone bridge. The lead portion 4 is preferably formed of the material for a thin film strain sensor according to the present invention as in the case of the sensing portion 3 in terms of the manufacturing process, but may be formed of a different material.
The lead portion 4 can be, for example, 3 mm wide × 2 mm wide, but is not limited to this.

かかる薄膜ひずみセンサ1は、公知の技術によって基材2の表面に絶縁膜を成膜し、その上にスパッタリングによってPd−Cr合金層を形成し、形成したPd−Cr合金層に対してフォトリソグラフィ法などにより感知部3およびリード部4を所定の形状にすることで、製造することができる。なお、感知部3およびリード部4を形成した後、この上にAl23やAlNなどを用いて保護膜(図示せず)を形成してもよい。保護膜は、例えば、厚さ1.5μmなどとすることができる。 Such a thin film strain sensor 1 is formed by forming an insulating film on the surface of a substrate 2 by a known technique, forming a Pd—Cr alloy layer thereon by sputtering, and performing photolithography on the formed Pd—Cr alloy layer. It can be manufactured by making the sensing part 3 and the lead part 4 into a predetermined shape by a method or the like. In addition, after forming the sensing part 3 and the lead part 4, a protective film (not shown) may be formed thereon using Al 2 O 3 or AlN. The protective film can have a thickness of 1.5 μm, for example.

本発明の要件を満たす実施例とそうでない比較例とにより、本発明に係る薄膜ひずみセンサ用材料およびこれを用いた薄膜ひずみセンサについて具体的に説明する。   A thin film strain sensor material and a thin film strain sensor using the same according to the present invention will be specifically described with reference to an example that satisfies the requirements of the present invention and a comparative example that does not.

薄膜ひずみセンサ用材料として、下記表1に示す組成となるように実施例1〜3および比較例1、2に係るPd−Cr合金を調製した。   As materials for the thin film strain sensor, Pd—Cr alloys according to Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2 were prepared so as to have the compositions shown in Table 1 below.

Figure 2013217763
Figure 2013217763

実施例1〜3および比較例1、2に係るPd−Cr合金を用いてスパッタリングを行い、図4に示す形状および寸法を有するひずみ感度試験器に厚さ0.2μmのPd−Cr合金層を形成した。同図中に寸法(ミリメートル)を示している。なお、Pd−Cr合金層を形成する面には、Al23を用いて厚さ1.5μmの絶縁膜を形成している。 Sputtering was performed using the Pd—Cr alloys according to Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2, and a 0.2 μm thick Pd—Cr alloy layer was formed on the strain sensitivity tester having the shape and dimensions shown in FIG. Formed. The dimension (millimeter) is shown in the same figure. Note that an insulating film having a thickness of 1.5 μm is formed using Al 2 O 3 on the surface on which the Pd—Cr alloy layer is formed.

Pd−Cr合金層は、ひずみ感度試験器の薄板部(厚さ2mm)に幅0.03mm×横3mmの感知部(図2参照)およびこの感知部の両端に幅3mm×横2mmのリード部(図2参照)を有してなるセンサを2つ形成した。   The Pd-Cr alloy layer consists of a thin plate portion (thickness 2 mm) of a strain sensitivity tester, a sensing portion (refer to FIG. 2) of width 0.03 mm × width 3 mm, and a lead portion of width 3 mm × width 2 mm at both ends of the sensing portion. Two sensors having (see FIG. 2) were formed.

2つのセンサはそれぞれ、感知部の長さ方向がひずみ感度試験器の短手方向と平行となる方向(これを縦方向という)と、短手方向に対して垂直となる方向(これを横方向という)となるように形成した。つまり、前者のセンサがひずみ感度K用センサであり、後者のセンサが横感度用センサである。なお、リード部が形成される箇所には、予めホイートストンブリッジ回路が形成されている。
以後、このようにして作製した薄膜ひずみセンサを備えたひずみ感度試験器をそれぞれ実施例1〜3および比較例1、2と呼ぶ。
Each of the two sensors has a direction in which the length direction of the sensing unit is parallel to the short direction of the strain sensitivity tester (this is called a vertical direction) and a direction perpendicular to the short side direction (this is a horizontal direction). It was formed to become. That is, the former sensor is a strain sensitivity K sensor, and the latter sensor is a lateral sensitivity sensor. A Wheatstone bridge circuit is formed in advance at the location where the lead portion is formed.
Hereinafter, the strain sensitivity testers equipped with the thin film strain sensors thus produced are referred to as Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2, respectively.

実施例1〜3および比較例1、2にモニタ用ゲージを貼付け、最大主ひずみ方向に1000με発生させて最大横方向ひずみが5με以下となったときのひずみ感度K用センサおよび横感度用センサの出力からひずみ感度を求めた。なお、モニタ用ゲージは、実施例1〜3および比較例1、2の横感度用センサの感知部と同軸上に、積層型2軸90度ゲージ(ゲージ長3mm)の1軸が配置されるようにして貼り付けた(図4参照)。
実施例1〜3および比較例1、2のひずみ感度(縦方向)および横感度(横方向)を表1に併せて示す。なお、ひずみ感度(縦方向)は、1.75以上を合格、1.75未満を不合格とし、横感度は、−0.3〜0.3を合格、−0.3よりも低い場合および0.3を超える場合を不合格とした。
Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2 are affixed with a monitor gauge, and a strain sensitivity K sensor and a lateral sensitivity sensor when 1000 με is generated in the maximum principal strain direction and the maximum lateral strain is 5 με or less. Strain sensitivity was obtained from the output. Note that the monitor gauge has one axis of a laminated biaxial 90 degree gauge (gauge length 3 mm) coaxially with the sensing part of the lateral sensitivity sensor of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2. In this way, it was pasted (see FIG. 4).
The strain sensitivity (vertical direction) and lateral sensitivity (horizontal direction) of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2 are also shown in Table 1. The strain sensitivity (longitudinal direction) passed 1.75 or more and passed less than 1.75, and the lateral sensitivity passed -0.3 to 0.3, lower than -0.3 and A case of exceeding 0.3 was regarded as a failure.

また、実施例1〜3および比較例1、2について、温度に対する抵抗温度係数(Temperature Coefficient of Resistance;TCR)を求めた。TCRは、70未満を合格、70以上を不合格とした。
実施例1〜3および比較例1、2のTCRを表1に併せて示す。
Moreover, about Examples 1-3 and Comparative Examples 1 and 2, the temperature coefficient of resistance (Temperature Coefficient of Resistance; TCR) with respect to temperature was calculated | required. A TCR of less than 70 was accepted and 70 or more was rejected.
Table 1 shows TCRs of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2.

表1に示すとおり、実施例1〜3は、Pd−Crの組成が適切であるため、ひずみ感度(縦方向)は1.75以上という十分に高い値となり、また、ノイズとなる横感度も−0.3〜0.3となった。さらに、TCRも70未満であり、温度ドリフト量が低かった。
よって、実施例1〜3は、ひずみ感度が高く、ノイズなどの影響が少なく、かつ、高温下で使用可能であることが確認された。
As shown in Table 1, in Examples 1 to 3, since the composition of Pd—Cr is appropriate, the strain sensitivity (longitudinal direction) is a sufficiently high value of 1.75 or more, and the lateral sensitivity that causes noise is also present. It became -0.3-0.3. Furthermore, the TCR was less than 70, and the amount of temperature drift was low.
Therefore, it was confirmed that Examples 1 to 3 have high strain sensitivity, are less affected by noise and the like, and can be used at high temperatures.

これに対し、比較例1、2は、Pd−Crの組成が適切でないため、ひずみ感度(縦方向)は高いものの、横感度が−0.3よりも低くなる結果となった。また、TCRが大きくなった。
よって、比較例1、2は、ひずみ感度は高いものの、ノイズが大きくなり、かつ、熱的安定性が低い場合もあるため高温下で使用できないことが確認された。
On the other hand, in Comparative Examples 1 and 2, since the composition of Pd—Cr was not appropriate, the strain sensitivity (longitudinal direction) was high, but the lateral sensitivity was lower than −0.3. Moreover, TCR became large.
Therefore, it was confirmed that Comparative Examples 1 and 2 could not be used at high temperatures because the strain sensitivity was high but the noise was large and the thermal stability was sometimes low.

次に、79.6Pd−20.3Cr合金(実施例2)と、18.5Cr−11.0Al−Ni rest合金(比較例3(特許文献1参照))とを用いて所定の条件の加熱を行った際のひずみ感度の変化を調べた。   Next, heating under predetermined conditions is performed using a 79.6Pd-20.3Cr alloy (Example 2) and an 18.5Cr-11.0Al-Ni rest alloy (Comparative Example 3 (see Patent Document 1)). Changes in strain sensitivity during the test were examined.

実施例2と比較例3を、実施例1などと同様の条件で薄膜ひずみセンサを作製した。
作製した実施例2および比較例3について、熱履歴なしの場合と、400℃、1時間の加熱を行った場合のひずみ感度(縦方向)を測定したところ、図5のようになった。
A thin film strain sensor was fabricated under the same conditions as in Example 1 and Example 2 and Comparative Example 3.
About the produced Example 2 and the comparative example 3, when the strain sensitivity (longitudinal direction) when the heat history was not carried out and when heating at 400 ° C. for 1 hour was measured, it was as shown in FIG.

図5に示すように、実施例2は、熱履歴なしのひずみ感度が1.75であるのに対して、比較例3は、熱履歴なしのひずみ感度が1.28であった。すなわち、実施例2は、比較例3よりも37%感度が高かった。   As shown in FIG. 5, in Example 2, the strain sensitivity without thermal history was 1.75, while in Comparative Example 3, the strain sensitivity without thermal history was 1.28. That is, Example 2 was 37% more sensitive than Comparative Example 3.

また、実施例2は、400℃、1時間の加熱を行った後もひずみ感度に変化はなかったのに対し、比較例3は、400℃、1時間の加熱を行ったところ、ひずみ感度は1.18となり、8%低下していた。
よって、Pd−Crの組成が適切である実施例2は、Ni−Cr−Al合金を用いる場合よりも熱的安定性が高いことが確認された。
Further, in Example 2, the strain sensitivity did not change even after heating at 400 ° C. for 1 hour, whereas in Comparative Example 3, the strain sensitivity was as follows when heated at 400 ° C. for 1 hour. It was 1.18, a decrease of 8%.
Therefore, it was confirmed that Example 2 in which the composition of Pd—Cr is appropriate has higher thermal stability than the case of using a Ni—Cr—Al alloy.

以上説明したとおり、実施例1〜3の結果から、本発明の要件を満たす薄膜ひずみセンサ用材料およびこれを用いた薄膜ひずみセンサは、ひずみ感度が高く、横感度が低く、抵抗温度係数が低く、400℃以上の高温となる内燃機関内でも使用可能であることが確認された。   As described above, from the results of Examples 1 to 3, the material for a thin film strain sensor that satisfies the requirements of the present invention and the thin film strain sensor using the material have high strain sensitivity, low lateral sensitivity, and low resistance temperature coefficient. It was confirmed that it could be used even in an internal combustion engine having a high temperature of 400 ° C. or higher.

1 薄膜ひずみセンサ
2 基材
3 感知部
4 リード部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Thin film strain sensor 2 Base material 3 Sensing part 4 Lead part

Claims (2)

Crの含有量が14〜25質量%であり、残部がPdおよび不可避不純物からなることを特徴とする薄膜ひずみセンサ用材料。   A thin film strain sensor material, wherein the Cr content is 14 to 25% by mass, and the balance is Pd and inevitable impurities. 絶縁膜上に、
ひずみを感知する感知部と、
前記感知部の両端に形成されるリード部と、
を形成した薄膜ひずみセンサであって、
前記感知部および前記リード部のうち少なくとも感知部が請求項1に記載の薄膜ひずみセンサ用材料を用いて形成されていることを特徴とする薄膜ひずみセンサ。
On the insulating film,
A sensor for detecting strain;
Lead portions formed at both ends of the sensing portion;
A thin film strain sensor formed of
The thin film strain sensor, wherein at least the sensing portion of the sensing portion and the lead portion is formed using the thin film strain sensor material according to claim 1.
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