JP2019082425A - ひずみゲージ - Google Patents

Abstract

【課題】ひずみゲージにおいて抵抗温度係数ＴＣＲの安定性を向上する。【解決手段】本ひずみゲージは、可撓性を有する基材と、前記基材上に、クロムとニッケルの少なくとも一方を含む材料から形成された抵抗体と、を有し、前記抵抗体に、前記抵抗体の主成分である結晶粒同士が近づくことを防止する機能を有する第１の物質が添加されている。【選択図】図３

Description

本発明は、ひずみゲージに関する。

測定対象物に貼り付けて、測定対象物のひずみを検出するひずみゲージが知られている。ひずみゲージは、ひずみを検出する抵抗体を備えており、抵抗体の材料としては、例えば、Ｃｒ（クロム）やＮｉ（ニッケル）を含む材料が用いられている。又、抵抗体は、例えば、金属箔をエッチングすることにより、所定のパターンに形成されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１６−７４９３４号公報

しかしながら、可撓性を有する基材を用いた場合、基材上に安定な抵抗体を形成することは困難であり、ゲージ特性、特に抵抗温度係数ＴＣＲの安定性に欠けるという問題があった。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、ひずみゲージにおいて抵抗温度係数ＴＣＲの安定性を向上することを目的とする。

本ひずみゲージは、可撓性を有する基材と、前記基材上に、クロムとニッケルの少なくとも一方を含む材料から形成された抵抗体と、を有し、前記抵抗体に、前記抵抗体の主成分である結晶粒同士が近づくことを防止する機能を有する第１の物質が添加されている。

開示の技術によれば、ひずみゲージにおいて抵抗温度係数ＴＣＲの安定性を向上することができる。

第１の実施の形態に係るひずみゲージを例示する平面図である。 第１の実施の形態に係るひずみゲージを例示する断面図である。 抵抗体がＣｒ混相膜である場合の抵抗体の内部を例示する模式図（その１）である。 抵抗体がＣｒ混相膜である場合の抵抗体の内部を例示する模式図（その２）である。 第３の実施の形態に係るひずみゲージを例示する断面図である。

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

〈第１の実施の形態〉
図１は、第１の実施の形態に係るひずみゲージを例示する平面図である。図２は、第１の実施の形態に係るひずみゲージを例示する断面図であり、図１のＡ−Ａ線に沿う断面を示している。図１及び図２を参照するに、ひずみゲージ１は、基材１０と、抵抗体３０と、端子部４１とを有している。

なお、本実施の形態では、便宜上、ひずみゲージ１において、基材１０の抵抗体３０が設けられている側を上側又は一方の側、抵抗体３０が設けられていない側を下側又は他方の側とする。又、各部位の抵抗体３０が設けられている側の面を一方の面又は上面、抵抗体３０が設けられていない側の面を他方の面又は下面とする。但し、ひずみゲージ１は天地逆の状態で用いることができ、又は任意の角度で配置することができる。又、平面視とは対象物を基材１０の上面１０ａの法線方向から視ることを指し、平面形状とは対象物を基材１０の上面１０ａの法線方向から視た形状を指すものとする。

基材１０は、抵抗体３０等を形成するためのベース層となる部材であり、可撓性を有する。基材１０の厚さは、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、例えば、５μｍ〜５００μｍ程度とすることができる。特に、基材１０の厚さが５μｍ〜２００μｍであると、接着層等を介して基材１０の下面に接合される起歪体表面からの歪の伝達性、環境に対する寸法安定性の点で好ましく、１０μｍ以上であると絶縁性の点で更に好ましい。

基材１０は、例えば、ＰＩ（ポリイミド）樹脂、エポキシ樹脂、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）樹脂、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）樹脂、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）樹脂、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）樹脂、ポリオレフィン樹脂等の絶縁樹脂フィルムから形成することができる。なお、フィルムとは、厚さが５００μｍ以下程度であり、可撓性を有する部材を指す。

ここで、『絶縁樹脂フィルムから形成する』とは、基材１０が絶縁樹脂フィルム中にフィラーや不純物等を含有することを妨げるものではない。基材１０は、例えば、シリカやアルミナ等のフィラーを含有する絶縁樹脂フィルムから形成しても構わない。

抵抗体３０は、基材１０上に所定のパターンで形成された薄膜であり、ひずみを受けて抵抗変化を生じる受感部である。抵抗体３０は、基材１０の上面１０ａに直接形成されてもよいし、基材１０の上面１０ａに他の層を介して形成されてもよい。なお、図１では、便宜上、抵抗体３０を梨地模様で示している。

抵抗体３０は、例えば、Ｃｒ（クロム）を含む材料、Ｎｉ（ニッケル）を含む材料、又はＣｒとＮｉの両方を含む材料から形成することができる。すなわち、抵抗体３０は、ＣｒとＮｉの少なくとも一方を含む材料から形成することができる。Ｃｒを含む材料としては、例えば、Ｃｒ混相膜が挙げられる。Ｎｉを含む材料としては、例えば、Ｎｉ−Ｃｕ（ニッケル銅）が挙げられる。ＣｒとＮｉの両方を含む材料としては、例えば、Ｎｉ−Ｃｒ（ニッケルクロム）が挙げられる。

ここで、Ｃｒ混相膜とは、Ｃｒ、ＣｒＮ、Ｃｒ_２Ｎ等が混相した膜である。Ｃｒ混相膜は、酸化クロム等の不可避不純物を含んでもよい。

抵抗体３０の厚さは、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、例えば、０．０５μｍ〜２μｍ程度とすることができる。特に、抵抗体３０の厚さが０．１μｍ以上であると抵抗体３０を構成する結晶の結晶性（例えば、α−Ｃｒの結晶性）が向上する点で好ましく、１μｍ以下であると抵抗体３０を構成する膜の内部応力に起因する膜のクラックや基材１０からの反りを低減できる点で更に好ましい。

例えば、抵抗体３０がＣｒ混相膜である場合、安定な結晶相であるα−Ｃｒ（アルファクロム）を主成分とすることで、ゲージ特性の安定性を向上することができる。又、抵抗体３０がα−Ｃｒを主成分とすることで、ひずみゲージ１のゲージ率を１０以上、かつゲージ率温度係数ＴＣＳ及び抵抗温度係数ＴＣＲを−１０００ｐｐｍ／℃〜＋１０００ｐｐｍ／℃の範囲内とすることができる。ここで、主成分とは、対象物質が抵抗体を構成する全物質の５０質量％以上を占めることを意味するが、ゲージ特性を向上する観点から、抵抗体３０はα−Ｃｒを８０重量％以上含むことが好ましい。なお、α−Ｃｒは、ｂｃｃ構造（体心立方格子構造）のＣｒである。

図３は、抵抗体がＣｒ混相膜である場合の抵抗体の内部を例示する模式図である。図３に示すように、Ｃｒ混相膜である抵抗体３０は、α−Ｃｒ結晶粒３０１と窒化クロム３０２（ＣｒＮ、Ｃｒ_２Ｎの一方又は両方）とを含むが、本実施の形態では、更に物質３０３が添加されている。

物質３０３が添加されていない加熱前のＣｒ混相膜のＴＣＲは負の値を示す。これは、Ｃｒの結晶粒はＴＣＲの正の成分であるが、例えば窒素雰囲気中での成膜により、Ｃｒの結晶粒界にＴＣＲの負の成分である窒化クロムが（ＣｒＮ、Ｃｒ_２Ｎの一方又は両方）が形成され、ＴＣＲの負の成分である窒化クロムの影響が大きく表れたためと考えられる。

物質３０３が添加されていないＣｒ混相膜では、加熱によりＴＣＲが大きく変化し、Ｃｒ混相膜のＴＣＲは低値となる。この理由は、Ｃｒ混相膜中の残留応力が緩和されてＣｒの結晶粒同士が近づくことにより、結晶粒界におけるトンネル電流がより大きくなり、ＴＣＲの負の成分である窒化クロムの影響が低減されたためと考えられる。

本実施の形態では、Ｃｒ混相膜中にα−Ｃｒ結晶粒３０１同士が近づくことを防止する機能を有する物質３０３を添加しており、物質３０３はＣｒ混相膜中に分散してα−Ｃｒ結晶粒３０１の結晶粒界に存在している。

物質３０３は、α−Ｃｒ結晶粒３０１同士が近づくことを防止する機能を有する物質であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できる。物質３０３は、ＴＣＲが−３００００ｐｐｍ／℃以上＋１０００ｐｐｍ／℃以下であり、かつ電気伝導率が１０^−６Ｓ／ｍ以下であることが好ましく、例えば、ＡｌＮやＢＮ、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２、ＳｉＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４等の絶縁物が挙げられる。これらの群から選択される複数種の物質が混在しても構わない。

ここで、ＴＣＲが−３００００ｐｐｍ／℃以上＋１０００ｐｐｍ／℃以下であると好ましい理由は次の通りである。例えば、ＴＣＲが＋１０００ｐｐｍ／℃より大きい物質が結晶粒界に存在する場合、伝導体の挙動が支配的になるため、膜全体のＴＣＲ値が＋１０００ｐｐｍ／℃より大きくなってしまう。又、ＴＣＲが−３００００ｐｐｍ／℃より小さい物質が結晶粒界に存在する場合、構造欠陥により熱的に活性化されたホッピング伝導が寄与するため、不安定なＴＣＲ値になってしまう。これらに対して、ＴＣＲが−３００００ｐｐｍ／℃以上＋１０００ｐｐｍ／℃以下である物質３０３が結晶粒界に存在する場合には、上記の問題がないため、Ｃｒ混相膜全体のＴＣＲを安定して低値に制御可能となる。

又、電気伝導率が１０^−６Ｓ／ｍ以下であることが好ましい理由は次の通りである。例えば、Ｃｒ混相膜中に電気伝導率が１０^７Ｓ／ｍより大きい物質として金属を添加する場合、加熱により金属がＣｒ混相膜中に拡散するためＴＣＲが大きく変化する。又、Ｃｒ混相膜中に電気伝導率が１０^−６Ｓ／ｍより大きく１０^７Ｓ／ｍ以下の物質として絶縁体より電気特性が高い金属化合物を添加する場合、金属と異なり拡散は抑制されるもののＣｒ混相膜の電気特性を変化させてしまう。これらに対して、Ｃｒ混相膜中に電気伝導率が１０^−６Ｓ／ｍ以下である物質３０３を添加する場合には、金属と異なり拡散が抑制され、Ｃｒ粒子間の距離を制御できるため、加熱前後の何れにおいてもＴＣＲを低値に抑えることができる。

物質３０３の添加量は、抵抗体３０の成膜条件に応じて適宜選択できるが、１重量％〜２５重量％とすることができる。特に、抵抗体３０中の物質３０３の添加量が２重量％〜１０重量％であると、α−Ｃｒの結晶性が向上する点で好ましい。

Ｃｒ混相膜である抵抗体３０に、α−Ｃｒ結晶粒３０１同士が近づくことを防止する機能を有する物質３０３を添加し物質３０３が結晶粒界に存在することで、ＴＣＲの正の成分であるＣｒの結晶粒同士の結合が抑制され、ひずみゲージのＴＣＲを低値とすることができる。

すなわち、結晶粒界に存在する物質３０３は、加熱時の残留応力緩和によりα−Ｃｒ結晶粒３０１同士が近づくことを防止するため、加熱後においても抵抗体３０の内部の状態は加熱前と大きく変わらず、ひずみゲージ１のＴＣＲを低値のまま維持することができる。

結果として、Ｃｒ混相膜の加熱前と加熱後のＴＣＲを何れも低値とすることが可能となり、加熱前後のＴＣＲ変化を抑制することができる。すなわち、ひずみゲージ１のＴＣＲの安定性を向上できる。なお、Ｃｒ混相膜に添加する物質３０３の量によって、α−Ｃｒ結晶粒３０１同士が近づく度合いを制御でき、その結果ひずみゲージ１のＴＣＲを制御できる。

以上はＣｒ混相膜を例にして説明したが、Ｎｉ−Ｃｕ薄膜やＮｉ−Ｃｒ薄膜についても、抵抗体に、抵抗体の主成分である結晶粒同士が近づくことを防止する機能を有する物質を添加することにより、Ｃｒ混相膜の場合と同様の効果が得られる。

図１及び図２の説明に戻り、端子部４１は、抵抗体３０の両端部から延在しており、平面視において、抵抗体３０よりも拡幅して略矩形状に形成されている。端子部４１は、ひずみにより生じる抵抗体３０の抵抗値の変化を外部に出力するための一対の電極であり、例えば、外部接続用のリード線等が接合される。抵抗体３０は、例えば、端子部４１の一方からジグザグに折り返しながら延在して他方の端子部４１に接続されている。端子部４１の上面を、端子部４１よりもはんだ付け性が良好な金属で被覆してもよい。なお、抵抗体３０と端子部４１とは便宜上別符号としているが、両者は同一工程において同一材料により一体に形成することができる。

抵抗体３０を被覆し端子部４１を露出するように基材１０の上面１０ａにカバー層６０（絶縁樹脂層）を設けても構わない。カバー層６０を設けることで、抵抗体３０に機械的な損傷等が生じることを防止できる。又、カバー層６０を設けることで、抵抗体３０を湿気等から保護することができる。なお、カバー層６０は、端子部４１を除く部分の全体を覆うように設けてもよい。

カバー層６０は、例えば、ＰＩ樹脂、エポキシ樹脂、ＰＥＥＫ樹脂、ＰＥＮ樹脂、ＰＥＴ樹脂、ＰＰＳ樹脂、複合樹脂（例えば、シリコーン樹脂、ポリオレフィン樹脂）等の絶縁樹脂から形成することができる。カバー層６０は、フィラーや顔料を含有しても構わない。カバー層６０の厚さは、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、例えば、２μｍ〜３０μｍ程度とすることができる。

ひずみゲージ１を製造するためには、まず、基材１０を準備し、基材１０の上面１０ａに図１に示す平面形状の抵抗体３０及び端子部４１を形成する。抵抗体３０及び端子部４１の材料や厚さは、前述の通りである。抵抗体３０と端子部４１とは、同一材料により一体に形成することができる。

抵抗体３０及び端子部４１は、例えば、抵抗体３０及び端子部４１を形成可能な原料をターゲットとしたマグネトロンスパッタ法により成膜し、フォトリソグラフィによってパターニングすることで形成できる。抵抗体３０及び端子部４１は、マグネトロンスパッタ法に代えて、反応性スパッタ法や蒸着法、アークイオンプレーティング法、パルスレーザー堆積法等を用いて成膜してもよい。

ゲージ特性を安定化する観点から、抵抗体３０及び端子部４１を成膜する前に、下地層として、基材１０の上面１０ａに、例えば、コンベンショナルスパッタ法により膜厚が１ｎｍ〜１００ｎｍ程度の機能層を真空成膜することが好ましい。なお、機能層は、機能層の上面全体に抵抗体３０及び端子部４１を形成後、フォトリソグラフィによって抵抗体３０及び端子部４１と共に図１に示す平面形状にパターニングされる。

本願において、機能層とは、少なくとも上層である抵抗体３０の結晶成長を促進する機能を有する層を指す。機能層は、更に、基材１０に含まれる酸素や水分による抵抗体３０の酸化を防止する機能や、基材１０と抵抗体３０との密着性を向上する機能を備えていることが好ましい。機能層は、更に、他の機能を備えていてもよい。

基材１０を構成する絶縁樹脂フィルムは酸素や水分を含むため、特に抵抗体３０がＣｒを含む場合、Ｃｒは自己酸化膜を形成するため、機能層が抵抗体３０の酸化を防止する機能を備えることは有効である。

機能層の材料は、少なくとも上層である抵抗体３０の結晶成長を促進する機能を有する材料であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、例えば、Ｃｒ（クロム）、Ｔｉ（チタン）、Ｖ（バナジウム）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｔａ（タンタル）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｙ（イットリウム）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｓｉ（シリコン）、Ｃ（炭素）、Ｚｎ（亜鉛）、Ｃｕ（銅）、Ｂｉ（ビスマス）、Ｆｅ（鉄）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｗ（タングステン）、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｒｈ（ロジウム）、Ｒｅ（レニウム）、Ｏｓ（オスミウム）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｐｔ（白金）、Ｐｄ（パラジウム）、Ａｇ（銀）、Ａｕ（金）、Ｃｏ（コバルト）、Ｍｎ（マンガン）、Ａｌ（アルミニウム）からなる群から選択される１種又は複数種の金属、この群の何れかの金属の合金、又は、この群の何れかの金属の化合物が挙げられる。

上記の合金としては、例えば、ＦｅＣｒ、ＴｉＡｌ、ＦｅＮｉ、ＮｉＣｒ、ＣｒＣｕ等が挙げられる。又、上記の化合物としては、例えば、ＴｉＮ、ＴａＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、ＳｉＯ_２等が挙げられる。

機能層は、例えば、機能層を形成可能な原料をターゲットとし、チャンバ内にＡｒ（アルゴン）ガスを導入したコンベンショナルスパッタ法により真空成膜することができる。コンベンショナルスパッタ法を用いることにより、基材１０の上面１０ａをＡｒでエッチングしながら機能層が成膜されるため、機能層の成膜量を最小限にして密着性改善効果を得ることができる。

但し、これは、機能層の成膜方法の一例であり、他の方法により機能層を成膜してもよい。例えば、機能層の成膜の前にＡｒ等を用いたプラズマ処理等により基材１０の上面１０ａを活性化することで密着性改善効果を獲得し、その後マグネトロンスパッタ法により機能層を真空成膜する方法を用いてもよい。

機能層の材料と抵抗体３０及び端子部４１の材料との組み合わせは、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、例えば、機能層としてＡｌを用い、抵抗体３０及び端子部４１としてα−Ｃｒ（アルファクロム）を主成分とするＣｒ混相膜を成膜することが可能である。

この場合、例えば、Ｃｒ混相膜を形成可能な原料をターゲットとし、チャンバ内にＡｒガスを導入したマグネトロンスパッタ法により、抵抗体３０及び端子部４１を成膜することができる。或いは、純Ｃｒをターゲットとし、チャンバ内にＡｒガスと共に適量の窒素ガスを導入し、反応性スパッタ法により、抵抗体３０及び端子部４１を成膜してもよい。

これらの方法では、Ａｌからなる機能層がきっかけでＣｒ混相膜の成長面が規定され、安定な結晶構造であるα−Ｃｒを主成分とするＣｒ混相膜を成膜できる。又、機能層を構成するＡｌがＣｒ混相膜中に拡散することにより、ゲージ特性が向上する。例えば、ひずみゲージ１のゲージ率を１０以上、かつゲージ率温度係数ＴＣＳ及び抵抗温度係数ＴＣＲを−１０００ｐｐｍ／℃〜＋１０００ｐｐｍ／℃の範囲内とすることができる。なお、機能層がＡｌから形成されている場合、Ｃｒ混相膜にＡｌやＡｌＮが含まれる場合がある。つまり、Ａｌからなる機能層からＣｒ混相膜中にＡｌＮを添加することができる。

なお、抵抗体３０がＣｒ混相膜である場合、Ａｌからなる機能層は、抵抗体３０の結晶成長を促進する機能、基材１０に含まれる酸素や水分による抵抗体３０の酸化を防止する機能、及び基材１０と抵抗体３０との密着性を向上する機能の全てを備えている。機能層として、Ａｌに代えてＴｉ、Ｓｉ、Ｆｅを用いた場合も同様である。

このように、抵抗体３０の下層に機能層を設けることにより、抵抗体３０の結晶成長を促進することが可能となり、安定な結晶相からなる抵抗体３０を作製できる。その結果、ひずみゲージ１において、ゲージ特性の安定性を向上することができる。又、機能層を構成する材料が抵抗体３０に拡散することにより、ひずみゲージ１において、ゲージ特性を向上することができる。

又、ＡｌＮが添加されたＣｒ混相膜を形成するために、Ｃｒ及びＡｌをそれぞれターゲットとし、チャンバ内にＡｒガスと共に適量の窒素ガスを導入し、反応性スパッタ法により、抵抗体３０及び端子部４１を成膜してもよい。この場合、ＡｌはＣｒ混相膜中にＡｌＮとして成膜され、ＡｌＮが添加されたＣｒ混相膜を形成することができる。

なお、この方法では、Ａｌ以外の機能層上にＣｒ混相膜を成膜してもＡｌＮが添加されたＣｒ混相膜を形成することができる。又、この方法では、機能層を形成せずに、基材１０の上面１０ａに直接Ｃｒ混相膜を成膜してもＡｌＮが添加されたＣｒ混相膜を形成することができる。

抵抗体３０及び端子部４１を形成後、必要に応じ、基材１０の上面１０ａに、抵抗体３０を被覆し端子部４１を露出するカバー層６０を設けることで、ひずみゲージ１が完成する。カバー層６０は、例えば、基材１０の上面１０ａに、抵抗体３０を被覆し端子部４１を露出するように半硬化状態の熱硬化性の絶縁樹脂フィルムをラミネートし、加熱して硬化させて作製することができる。カバー層６０は、基材１０の上面１０ａに、抵抗体３０を被覆し端子部４１を露出するように液状又はペースト状の熱硬化性の絶縁樹脂を塗布し、加熱して硬化させて作製してもよい。

〈第２の実施の形態〉
第２の実施の形態では、第１の実施の形態とは特性の異なる物質を抵抗体に添加する例を示す。なお、第２の実施の形態において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。

図４は、抵抗体がＣｒ混相膜である場合の抵抗体の内部を例示する模式図であり、加熱前後の様子を模式的に示している。図４に示すように、Ｃｒ混相膜である抵抗体３０は、α−Ｃｒ結晶粒３０１と窒化クロム３０２（ＣｒＮ、Ｃｒ_２Ｎの一方又は両方）とを含むが、本実施の形態では、更に物質３０４が添加されている。

物質３０４が添加されていないＣｒ混相膜では、加熱によりＴＣＲが大きく変化し、加熱時間が長いほどＴＣＲは正の方向に大きくなる。これは、加熱によりＴＣＲの正の成分であるＣｒの結晶粒が徐々に成長し、結晶粒界に存在するＴＣＲの負の成分である窒化クロムがＣｒ膜内部に取り込まれるか、又は、外部へ押し出され、結晶粒界に存在する窒化クロムが減少したことによると考えられる。そのため、加熱時間が長くなるほどＴＣＲは正の値で大きくなり続けてしまう。

そこで、本実施の形態では、Ｃｒ混相膜中にα−Ｃｒ結晶粒３０１の成長を抑制する機能を有する物質３０４を添加しており、物質３０４はＣｒ混相膜中に分散している。

物質３０４は、α−Ｃｒ結晶粒３０１の成長を抑制する機能を有する物質であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できる。物質３０４は、ＴＣＲが−３００００ｐｐｍ／℃以上＋１０００ｐｐｍ／℃以下であり、かつ電気伝導率が１０^−６Ｓ／ｍより大きく１０^７Ｓ／ｍ以下であることが好ましく、例えば、ＴｉＮやＴａＮ、ＳｉＴｉＮ、ＣｒＳｉＯ等の金属化合物、Ｓｉ等の半導体が挙げられる。これらの群から選択される複数種の物質が混在しても構わない。

ここで、ＴＣＲが−３００００ｐｐｍ／℃以上＋１０００ｐｐｍ／℃以下であると好ましい理由は次の通りである。例えば、ＴＣＲが＋１０００ｐｐｍ／℃より大きい物質が結晶粒界に存在する場合、伝導体の挙動が支配的になるため、膜全体のＴＣＲ値が＋１０００ｐｐｍ／℃より大きくなってしまう。又、ＴＣＲが−３００００ｐｐｍ／℃より小さい物質が結晶粒界に存在する場合、構造欠陥により熱的に活性化されたホッピング伝導が寄与するため、不安定なＴＣＲ値になってしまう。これらに対して、ＴＣＲが−３００００ｐｐｍ／℃以上＋１０００ｐｐｍ／℃以下である物質３０４が結晶粒界に存在する場合には、上記の問題がないため、Ｃｒ混相膜全体のＴＣＲを安定して低値に制御可能となる。

又、電気伝導率が１０^−６Ｓ／ｍより大きく１０^７Ｓ／ｍ以下であることが好ましい理由は次の通りである。例えば、Ｃｒ混相膜中に電気伝導率が１０^７Ｓ／ｍより大きい物質として金属を添加する場合、加熱により金属がＣｒ混相膜中に拡散するためＴＣＲが大きく変化する。又、１０^−６Ｓ／ｍ以下の物質を添加する場合、電気を殆ど通さないためにＣｒ混相膜中の電気特性を制御することができない。これらに対して、Ｃｒ混相膜中に電気伝導率が１０^−６Ｓ／ｍより大きく１０^７Ｓ／ｍ以下である物質３０４を添加する場合には、金属と異なり拡散が抑制されるだけでなく、Ｃｒ混相膜の特性に応じた電気特性の材料を添加可能なため、加熱前後の何れにおいてもＴＣＲを低値に抑えることができる。

物質３０４の添加量は、抵抗体３０の成膜条件に応じて適宜選択できるが、１重量％〜２５重量％とすることができる。特に、抵抗体３０中の物質３０４の添加量が２重量％〜１０重量％であると、α−Ｃｒの結晶性が向上する点で好ましい。

Ｃｒ混相膜である抵抗体３０に、α−Ｃｒ結晶粒３０１の成長を抑制する機能を有する物質３０４を添加することにより、加熱によりＴＣＲが正の値で大きくなり続けることを抑制し、ＴＣＲを低値に抑えることができる。すなわち、ひずみゲージ１のＴＣＲの安定性を向上できる。なお、Ｃｒ混相膜に添加する物質３０４の量によって、α−Ｃｒ結晶粒３０１の成長度合いを制御でき、その結果ひずみゲージ１のＴＣＲを制御できる。

ＴｉＮが添加されたＣｒ混相膜を形成するためには、例えば、基材１０の上面１０ａにＴｉからなる機能層を成膜する。そして、Ｃｒ混相膜を形成可能な原料をターゲットとし、チャンバ内にＡｒガスを導入したマグネトロンスパッタ法により、抵抗体３０及び端子部４１を成膜することができる。或いは、純Ｃｒをターゲットとし、チャンバ内にＡｒガスと共に適量の窒素ガスを導入し、反応性スパッタ法により、抵抗体３０及び端子部４１を成膜してもよい。

これらの方法では、Ｔｉからなる機能層がきっかけでＣｒ混相膜の成長面が規定され、安定な結晶構造であるα−Ｃｒを主成分とするＣｒ混相膜を成膜できる。又、機能層を構成するＴｉがＣｒ混相膜中に拡散することにより、ゲージ特性が向上する。例えば、ひずみゲージ１のゲージ率を１０以上、かつゲージ率温度係数ＴＣＳ及び抵抗温度係数ＴＣＲを−１０００ｐｐｍ／℃〜＋１０００ｐｐｍ／℃の範囲内とすることができる。なお、機能層がＴｉから形成されている場合、Ｃｒ混相膜にＴｉやＴｉＮが含まれる場合がある。つまり、Ｔｉからなる機能層からＣｒ混相膜中にＴｉＮを添加することができる。

又、ＴｉＮが添加されたＣｒ混相膜を形成するために、Ｃｒ及びＴｉをそれぞれターゲットとし、チャンバ内にＡｒガスと共に適量の窒素ガスを導入し、反応性スパッタ法により、抵抗体３０及び端子部４１を成膜してもよい。この場合、ＴｉはＣｒ混相膜中にＴｉＮとして成膜され、ＴｉＮが添加されたＣｒ混相膜を形成することができる。

なお、この方法では、Ｔｉ以外の機能層上にＣｒ混相膜を成膜してもＴｉＮが添加されたＣｒ混相膜を形成することができる。又、この方法では、機能層を形成せずに、基材１０の上面１０ａに直接Ｃｒ混相膜を成膜してもＴｉＮが添加されたＣｒ混相膜を形成することができる。

第１の実施の形態と第２の実施の形態とは組み合わせることが可能である。例えば、抵抗体３０がＣｒ混相膜である場合、抵抗体３０に物質３０３としてＡｌＮを、物質３０４としてＴｉＮを添加することができる。これにより、第１の実施の形態及び第２の実施の形態で示した両方の効果を得ることができる。

以上はＣｒ混相膜を例にして説明したが、Ｎｉ−Ｃｕ薄膜やＮｉ−Ｃｒ薄膜についても、抵抗体に、抵抗体の主成分である結晶粒の成長を抑制する機能を有する物質を添加することにより、Ｃｒ混相膜の場合と同様の効果が得られる。

〈第３の実施の形態〉
第３の実施の形態では、第１及び第２の実施の形態とは異なる方法により、ひずみゲージのＴＣＲの安定性を向上する例を示す。なお、第３の実施の形態において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。

図５は、第３の実施の形態に係るひずみゲージを例示する断面図であり、図２に対応する断面を示している。図５を参照するに、ひずみゲージ１Ａは、抵抗体３０及び端子部４１の上面に酸化阻害層５０を設けた点が、ひずみゲージ１（図１、図２等参照）と相違する。

Ｃｒを母体とする薄膜は酸化状態により抵抗値やゲージ率が左右される。そのため、Ｃｒの酸化制御が重要となるが、Ｃｒの酸化層は一般的に不動態層といわれているように、容易に酸化層を作製するため、酸化制御を行うことは困難である。そこで、本実施の形態では、図５に示すように、抵抗体３０及び端子部４１の上面に酸化阻害層５０を設けている。但し、酸化阻害層５０の導電性によっては、端子部４１の上面の酸化阻害層５０を除去しても構わない。

酸化阻害層５０の材料は、抵抗体３０の酸化を防止できれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、Ｔｉ、ＴｉＮ、ＴａＮ、Ｓｉ_３Ｏ_４、Ｓｉ、ＳｉＯ_２、ＺｒＯ_２等が挙げられる。これらの群から選択される複数種の物質が混在しても構わない。

例えば、抵抗体３０がＣｒ混相膜であり、酸化阻害層５０の材料がＴｉである場合、酸化阻害層５０の厚さは、Ｃｒ混相膜のゲージ特性への影響を低減する観点から、１ｎｍ〜１００ｎｍ程度とすることが好ましい。又、抵抗体３０がＣｒ混相膜であり、酸化阻害層５０の材料がＴｉＮである場合、酸化阻害層５０の厚さは、Ｃｒ混相膜のＴＣＲの安定性を向上する観点から、１ｎｍ〜１０ｎｍ程度とすることが好ましい。

抵抗体３０及び端子部４１の上面に酸化阻害層５０を形成するためには、抵抗体３０及び端子部４１を成膜後、例えば、酸化阻害層５０を形成可能な原料をターゲットとし、チャンバ内にＡｒ（アルゴン）ガスを導入したコンベンショナルスパッタ法により、抵抗体３０及び端子部４１の上面全体に真空成膜する。その後、抵抗体３０、端子部４１、及び酸化阻害層５０を図１に示す平面形状にパターニングする。その後、必要に応じて、端子部４１の上面の酸化阻害層５０を除去する。

抵抗体３０及び端子部４１の成膜と酸化阻害層５０の成膜を真空のチャンバ内で一連の工程として実行することで、抵抗体３０及び端子部４１の上面に酸化層が形成されることなく、抵抗体３０の上面に直接酸化阻害層５０を成膜することができる。すなわち、抵抗体３０及び端子部４１の上面となる非酸化面に、酸化阻害層５０を成膜することができる。

なお、パターニングにより抵抗体３０及び端子部４１の側面は酸化阻害層５０から露出するが、抵抗体３０及び端子部４１は薄くて側面の面積が小さいため、側面からの酸化は問題とはならない。

このように、抵抗体３０の上面となる非酸化面に酸化阻害層５０を成膜することで、抵抗体３０がＣｒを母体とする薄膜である場合でも、抵抗体３０が酸化されることがないため、抵抗体３０の抵抗値やひずみゲージ１Ａのゲージ率の安定性を向上することができる。又、ひずみゲージ１ＡのＴＣＲの安定性を向上することができる。

なお、第１及び第２の実施の形態と同様に、抵抗体３０の下層に機能層を設けることが好ましい。本実施の形態では、機能層として、上層である抵抗体３０の結晶成長を促進する機能を有すると共に、基材１０に含まれる酸素や水分による抵抗体３０の酸化を防止する機能を有する層を用いることが好ましい。

これにより、抵抗体３０の結晶成長を促進して安定な結晶相からなる抵抗体３０を作製可能となり、ゲージ特性の安定性を向上することができる。又、機能層を構成する材料が抵抗体３０に拡散することにより、ゲージ特性を向上することができる。更に、機能層がバリア層となって、基材１０側からの抵抗体３０の酸化を抑制するため、より一層、抵抗体３０の抵抗値やひずみゲージ１Ａのゲージ率の安定性を向上することができる。又、より一層、ひずみゲージ１ＡのＴＣＲの安定性を向上することができる。

結晶成長の促進及びバリア層としての機能を備えた機能層としては、例えば、抵抗体３０がＣｒ混相膜である場合、ＴｉやＴｉＮを挙げられるが、特にＴｉＮを用いることが好ましい。Ｃｒ混相膜中にＴｉを拡散させるとゲージ特性が向上する一方で拡散の程度によりゲージ特性のバラつきが生じるが、Ｃｒ混相膜中にＴｉＮを拡散させる場合には、Ｃｒ混相膜中での拡散が小さいため、拡散の程度によるゲージ特性のバラつきが生じ難く、温度によるゲージ特性の安定性が向上するからである。

第１の実施の形態と第３の実施の形態とは組み合わせることが可能である。例えば、抵抗体３０がＣｒ混相膜である場合、抵抗体３０に物質３０３としてＡｌＮを添加し、かつ抵抗体３０の上面に酸化阻害層５０としてＴｉを成膜することができる。更に、抵抗体３０の結晶成長を促進する機能及び抵抗体３０の酸化を防止する機能を備えた機能層としてＴｉＮ等を抵抗体３０の下層に設けてもよい。これにより、第１の実施の形態及び第３の実施の形態で示した両方の効果を得ることができる。

又、第２の実施の形態と第３の実施の形態とは組み合わせることが可能である。例えば、抵抗体３０がＣｒ混相膜である場合、抵抗体３０に物質３０４としてＴｉＮを添加し、かつ抵抗体３０の上面に酸化阻害層５０としてＴｉを成膜することができる。更に、抵抗体３０の結晶成長を促進する機能及び抵抗体３０の酸化を防止する機能を備えた機能層としてＴｉＮ等を抵抗体３０の下層に設けてもよい。これにより、第２の実施の形態及び第３の実施の形態で示した両方の効果を得ることができる。

又、第１の実施の形態と第２の実施の形態と第３の実施の形態とは組み合わせることが可能である。例えば、抵抗体３０がＣｒ混相膜である場合、抵抗体３０に物質３０３としてＡｌＮを、物質３０４としてＴｉＮを添加し、かつ抵抗体３０の上面に酸化阻害層５０としてＴｉを成膜することができる。更に、抵抗体３０の結晶成長を促進する機能及び抵抗体３０の酸化を防止する機能を備えた機能層としてＴｉＮ等を抵抗体３０の下層に設けてもよい。これにより、第１の実施の形態、第２の実施の形態、及び第３の実施の形態で示した全ての効果を得ることができる。

以上はＣｒを母体とする薄膜を例にして説明したが、Ｎｉ−Ｃｕ薄膜やＮｉ−Ｃｒ薄膜についても、抵抗体３０の上面に酸化阻害層５０を設けることにより、Ｃｒを母体とする薄膜の場合と同様の効果が得られる。又、Ｎｉ−Ｃｕ薄膜やＮｉ−Ｃｒ薄膜についても、抵抗体３０の下層に結晶成長の促進及びバリア層としての機能を備えた機能層を設けることにより、Ｃｒを母体とする薄膜の場合と同様の効果が得られる。

以上、好ましい実施の形態等について詳説したが、上述した実施の形態等に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態等に種々の変形及び置換を加えることができる。

１、１Ａ ひずみゲージ、１０ 基材、１０ａ 上面、３０ 抵抗体、４１ 端子部、５０ 酸化阻害層、６０ カバー層、３０１ α−Ｃｒ結晶粒、３０２ 窒化クロム、３０３、３０４ 物質

Claims (15)

1. 可撓性を有する基材と、
   前記基材上に、クロムとニッケルの少なくとも一方を含む材料から形成された抵抗体と、を有し、
   前記抵抗体に、前記抵抗体の主成分である結晶粒同士が近づくことを防止する機能を有する第１の物質が添加されているひずみゲージ。
2. 前記第１の物質は、抵抗温度係数が−３００００ｐｐｍ／℃以上＋１０００ｐｐｍ／℃以下であり、かつ電気伝導率が１０^−６Ｓ／ｍ以下である請求項１に記載のひずみゲージ。
3. 前記第１の物質は、ＡｌＮ、ＢＮ、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２、ＳｉＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４からなる群から選択される１種又は複数種の物質である請求項１又は２に記載のひずみゲージ。
4. 前記抵抗体に、前記抵抗体の主成分である結晶粒の成長を抑制する機能を有する第２の物質が添加されている請求項１乃至３の何れか一項に記載のひずみゲージ。
5. 前記第２の物質は、抵抗温度係数が−３００００ｐｐｍ／℃以上＋１０００ｐｐｍ／℃以下であり、かつ電気伝導率が１０^−６Ｓ／ｍより大きく１０^７Ｓ／ｍ以下である請求項４に記載のひずみゲージ。
6. 前記第２の物質は、ＴｉＮ、ＴａＮ、ＳｉＴｉＮ、ＣｒＳｉＯ、Ｓｉからなる群から選択される１種又は複数種の物質である請求項４又は５に記載のひずみゲージ。
7. 前記抵抗体の上面となる非酸化面に、酸化阻害層が形成されている請求項１乃至６の何れか一項に記載のひずみゲージ。
8. 前記酸化阻害層は、Ｔｉ、ＴｉＮ、ＴａＮ、Ｓｉ_３Ｏ_４、Ｓｉ、ＳｉＯ_２、ＺｒＯ_２からなる群から選択される１種又は複数種の物質から形成されている請求項７に記載のひずみゲージ。
9. 前記基材の一方の面に、金属、合金、又は、金属の化合物から形成された機能層を有し、
   前記抵抗体は、前記機能層の一方の面に形成されている請求項１乃至８の何れか一項に記載のひずみゲージ。
10. 前記機能層は、前記抵抗体の結晶成長を促進する機能を有する請求項９に記載のひずみゲージ。
11. 前記機能層は、前記抵抗体の酸化を防止する機能を有する請求項１０に記載のひずみゲージ。
12. 前記抵抗体は、アルファクロムを主成分とする請求項１乃至１１の何れか一項に記載のひずみゲージ。
13. 前記抵抗体は、アルファクロムを８０重量％以上含む請求項１２に記載のひずみゲージ。
14. 前記抵抗体は、窒化クロムを含む請求項１２又は１３に記載のひずみゲージ。
15. 前記抵抗体を被覆する絶縁樹脂層を有する請求項１乃至１４の何れか一項に記載のひずみゲージ。

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