JP2022110230A - ひずみゲージ - Google Patents
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Abstract
【課題】リーク電流の影響による出力電圧のばらつきを低減可能なひずみゲージを提供する。【解決手段】本ひずみゲージは、可撓性を有する基材と、前記基材の一方の面に、Ｃｒ、ＣｒＮ、及びＣｒ２Ｎを含む膜から形成された抵抗体と、前記抵抗体を被覆する樹脂製のバリア層と、を有し、前記バリア層は、透湿度（ｇ／ｍ２／２４ｈ）と厚さ（ｍｍ）との比が５：１以上であり、厚さが１００μｍ以上３ｍｍ以下である。【選択図】図２
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、抵抗体は、例えば、絶縁性樹脂上に形成されている。抵抗体は、例えば、配線を介して、電極と接続されている（例えば、特許文献１参照）。
上記のようなひずみゲージは、水中や水の飛散する環境等で使用する場合にリーク電流による安定性が問題となる。特に、ゲージ率が高いひずみゲージの場合、リーク電流の影響が顕著であり、出力電圧がばらつく。
本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、リーク電流の影響による出力電圧のばらつきを低減可能なひずみゲージを提供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、前記基材の一方の面に、Ｃｒ、ＣｒＮ、及びＣｒ２Ｎを含む膜から形成された抵抗体と、前記抵抗体を被覆する樹脂製のバリア層と、を有し、前記バリア層は、透湿度（ｇ／ｍ２／２４ｈ）と厚さ（ｍｍ）との比が５：１以上であり、厚さが１００μｍ以上３ｍｍ以下である。
開示の技術によれば、リーク電流の影響による出力電圧のばらつきを低減可能なひずみゲージを提供できる。
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実施形態〉
図１は、第１実施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実施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を参照すると、ひずみゲージ１は、基材１０と、抵抗体３０と、配線４０と、電極５０と、バリア層７０とを有している。
図１は、第１実施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実施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を参照すると、ひずみゲージ１は、基材１０と、抵抗体３０と、配線４０と、電極５０と、バリア層７０とを有している。
なお、本実施形態では、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、ＬＣＰ（液晶ポリマー）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。
基材１０の樹脂以外の材料としては、例えば、ＳｉＯ２、ＺｒＯ２（ＹＳＺも含む）、Ｓｉ、Ｓｉ２Ｎ３、Ａｌ２Ｏ３（サファイヤも含む）、ＺｎＯ、ペロブスカイト系セラミックス（ＣａＴｉＯ３、ＢａＴｉＯ３）等の結晶性材料が挙げられ、更に、それ以外に非晶質のガラス等が挙げられる。又、基材１０の材料として、アルミニウム、アルミニウム合金（ジュラルミン）、チタン等の金属を用いてもよい。この場合、金属製の基材１０上に、例えば、絶縁膜が形成される。
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を濃い梨地模様で示している。
抵抗体３０は、複数の細長状部が長手方向を同一方向（図１のＡ－Ａ線の方向）に向けて所定間隔で配置され、隣接する細長状部の端部が互い違いに連結されて、全体としてジグザグに折り返す構造である。複数の細長状部の長手方向がグリッド方向となり、グリッド方向と垂直な方向がグリッド幅方向となる。
グリッド幅方向の最も外側に位置する２つの細長状部の長手方向の一端部は、グリッド幅方向に屈曲し、抵抗体３０のグリッド幅方向の各々の終端３０ｅ１及び３０ｅ２を形成する。抵抗体３０のグリッド幅方向の各々の終端３０ｅ１及び３０ｅ２は、配線４０を介して、電極５０と電気的に接続されている。言い換えれば、配線４０は、抵抗体３０のグリッド幅方向の各々の終端３０ｅ１及び３０ｅ２と各々の電極５０とを電気的に接続している。
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、Ｃｕ－Ｎｉ（銅ニッケル）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、Ｃｒ２Ｎ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い。また、抵抗体３０の厚さが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。抵抗体３０の幅は、抵抗値や横感度等の要求仕様に対して最適化し、かつ断線対策も考慮すると、１０μｍ以上１００μｍ以下とすることが好ましい。
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重量％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く、９０重量％以上含むことが更に好ましい。なお、α－Ｃｒは、ｂｃｃ構造（体心立方格子構造）のＣｒである。
又、抵抗体３０がＣｒ混相膜である場合、Ｃｒ混相膜に含まれるＣｒＮ及びＣｒ２Ｎは２０重量％以下であることが好ましい。Ｃｒ混相膜に含まれるＣｒＮ及びＣｒ２Ｎが２０重量％以下であることで、ゲージ率の低下を抑制できる。
又、ＣｒＮ及びＣｒ２Ｎ中のＣｒ２Ｎの割合は８０重量％以上９０重量％未満であることが好ましく、９０重量％以上９５重量％未満であることが更に好ましい。ＣｒＮ及びＣｒ２Ｎ中のＣｒ２Ｎの割合が９０重量％以上９５重量％未満であることで、半導体的な性質を有するＣｒ２Ｎにより、ＴＣＲの低下（負のＴＣＲ）が一層顕著となる。更に、セラミックス化を低減することで、脆性破壊の低減がなされる。
一方で、膜中に微量のＮ２もしくは原子状のＮが混入、存在した場合、外的環境（例えば高温環境下）によりそれらが膜外へ抜け出ることで、膜応力の変化を生ずる。化学的に安定なＣｒＮの創出により上記不安定なＮを発生させることがなく、安定なひずみゲージを得ることができる。
配線４０は、基材１０上に形成されている。電極５０は、基材１０上に形成され、配線４０を介して抵抗体３０と電気的に接続されており、例えば、配線４０よりも拡幅して略矩形状に形成されている。電極５０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。図１では、便宜上、配線４０及び電極５０を、抵抗体３０よりも薄い梨地模様で示している。
なお、抵抗体３０と配線４０と電極５０とは便宜上別符号としているが、同一工程において同一材料により一体に形成できる。従って、抵抗体３０と配線４０と電極５０とは、厚さが略同一である。
配線４０や電極５０の上面を、配線４０や電極５０よりも低抵抗の材料から形成された金属で被覆してもよい。例えば、抵抗体３０、配線４０、及び電極５０がＣｒ混相膜である場合、Ｃｒ混相膜よりも低抵抗な金属の材料として、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ等、又は、これら何れかの金属の合金、これら何れかの金属の化合物、或いは、これら何れかの金属、合金、化合物を適宜積層した積層膜が挙げられる。
バリア層７０は、抵抗体３０を被覆するように設けられている。バリア層７０は、抵抗体３０に流れるリーク電流を低減するために形成される樹脂製の層であり、絶縁性の材料から形成されている。なお、本願において、絶縁性の材料とは、体積抵抗率が０．１ＭΩ・ｍ以上の材料を指し、１ＭΩ・ｍ以上であることが好ましい。
バリア層７０は、透湿度（ｇ／ｍ２／２４ｈ）と厚さ（ｍｍ）との比が、５：１以上である。例えば、バリア層７０の透湿度が５ｇ／ｍ２／２４ｈであれば、バリア層７０の厚さは１ｍｍ以上である。また、バリア層７０の透湿度が０．５ｇ／ｍ２／２４ｈであれば、バリア層７０の厚さは０．１ｍｍ（１００μｍ）以上である。また、バリア層７０の透湿度が０．０５ｇ／ｍ２／２４ｈであれば、バリア層７０の厚さは０．０１ｍｍ（１０μｍ）以上である。バリア層７０の最小厚さｘ（ｍｍ）は、バリア層材料の透湿度Ａ（ｇ／ｍ２／２４ｈ）×透湿度Ａ測定時の厚さＢ（ｍｍ）／係数Ｃである。係数Ｃは最小厚さ（ｍｍ）を算出するための係数値であり５（ｇ／ｍ２／２４ｈ）である。
なお、本願において、透湿度とは、２４時間当たりに単位面積（１ｍ２）のバリア層７０を透過する水蒸気の質量（ｇ）である。また、本願において、透湿度は、４０℃９０％ＲＨの環境下において、ＪＩＳ Ｚ０２０８の規定に基づいて測定する。
また、透湿度との比を定義する場合のバリア層７０の厚さは、抵抗体３０の上面と接する部分のバリア層７０の厚さとする。すなわち、抵抗体３０の上面から、抵抗体３０の上面の法線方向に測定した場合のバリア層７０の厚さである。
バリア層７０は、透湿度（ｇ／ｍ２／２４ｈ）と厚さ（ｍｍ）との比が、５：１以上であれば、材料は適宜選択してよいが、例えば、フッ素樹脂、エポキシ樹脂、又はアクリル樹脂から形成できる。バリア層７０は、異なる材料からなる層が複数積層された積層構造であってもよい。また、例えば、エポキシ樹脂とアクリル樹脂を複合させたハイブリッド樹脂であってもよい。
例えば、薬品と接するおそれがある場合には、バリア層７０の材料として耐薬品性が高いフッ素樹脂が好適である。また、比較的高温で用いる用途の場合には、バリア層７０の材料として耐熱性に優れたエポキシ樹脂が好適である。また、比較的低温で用いる用途の場合には、バリア層７０の材料として低温でも柔軟性が確保できるアクリル樹脂が好適である。
前述のように、バリア層７０は、透湿度（ｇ／ｍ２／２４ｈ）と厚さ（ｍｍ）との比が５：１以上であればよい。しかし、透湿度が高い樹脂でも厚くすれば必ず使用できるということではない。バリア層７０が厚くなると硬化収縮応力等が問題となるため、ある程度薄くする必要がある。硬化収縮応力等を考慮すると、バリア層７０の厚さは３ｍｍ以下であることが好ましい。一方、製造上の限界から、バリア層７０の厚さは１００μｍ以上であることが好ましい。
このように、ひずみゲージ１では、抵抗体３０を被覆するように樹脂製のバリア層７０を形成しており、バリア層７０は透湿度（ｇ／ｍ２／２４ｈ）と厚さ（ｍｍ）との比が５：１以上であり、厚さが１００μｍ以上３ｍｍ以下である。
これにより、ひずみゲージ１を水中や水の飛散する環境等で使用する場合であっても、バリア層７０が水蒸気の透過を抑制するため、抵抗体３０に流れるリーク電流を低減できる。その結果、ひずみゲージ１において、リーク電流の影響による出力電圧のばらつきを低減可能となる。
特に、抵抗体３０としてＣｒ混相膜を用いたゲージ率１０以上の高感度なひずみゲージは、ゲージ率が１０未満である従来のひずみゲージと比較して高感度であることにより、水分の影響を受けやすく、出力電圧に測定誤差やばらつきが生じやすい。したがって、抵抗体３０を被覆するように、透湿度（ｇ／ｍ２／２４ｈ）と厚さ（ｍｍ）との比が５：１以上であり、厚さが１００μｍ以上３ｍｍ以下であるバリア層７０を形成することは、抵抗体３０としてＣｒ混相膜を用いたゲージ率１０以上の高感度なひずみゲージにおいて特に有効である。
バリア層７０は、抵抗体３０の上面及び側面を連続的に被覆するように設けることが好ましい。これにより、バリア層７０が抵抗体３０の上面のみを被覆する場合よりも水分の影響を低減する効果が大きくなる。ただし、バリア層７０が抵抗体３０の少なくとも一部でも被覆していれば、水分の影響の低減について一定の効果が得られる。
図３は、バリア層によるリーク電流低減効果を確認する実験結果である。図３において、試験サンプルＡは、図１及び図２の構造のひずみゲージにおいてバリア層７０を設けていないものであり、試験サンプルＢは、図１及び図２の構造のひずみゲージ１のとおりにバリア層７０を設けたものである。
試験サンプルＡ及びＢでは、抵抗体３０として膜厚２００ｎｍのＣｒ混相膜を用いた。また、試験サンプルＢでは、バリア層７０として膜厚１ｍｍのアクリル樹脂を用いた。この場合、透湿度（ｇ／ｍ２／２４ｈ）と厚さ（ｍｍ）との比が５：１．１となる。
実験では、試験サンプルＡ及びＢに測定安定時間経過（図３中の一点鎖線）後に市販の加圧式スプレーを用いて水分を噴霧し、試験サンプルＡ及びＢを水の飛散環境に暴露した際の出力電圧の時間変化を測定した。
図３より、バリア層を有していない試験サンプルＡでは、水分に暴露した段階で、リーク電流の影響により抵抗体の抵抗値が下がることから出力電圧が急上昇していることが確認できる。一方、バリア層７０を有している試験サンプルＢでは、リーク電流の影響による出力電圧の上昇は確認できない。なお、試験サンプルＢにおいて、ゆっくりと出力電圧が上昇しているが、これは、温度変化と同様の挙動を示しているため、ひずみゲージの熱特性（ＴＣＲ）に依存するものであり、水分の影響ではない。
発明者らは、図３と同様の実験を繰り返した結果、バリア層７０の透湿度（ｇ／ｍ２／２４ｈ）と厚さ（ｍｍ）との比が５：１以上であれば、試験サンプルＡのような出力電圧の急上昇が見られず、試験サンプルＢのように温度変化と同様の挙動を示すことを見出した。また、発明者らの検討によれば、バリア層７０としてエポキシ樹脂及びフッ素樹脂を用いた場合にも、アクリル樹脂を用いた図３の試験サンプルＢと同様の結果が得られた。
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に金属層（便宜上、金属層Ａとする）を形成する。金属層Ａは、最終的にパターニングされて抵抗体３０、配線４０、及び電極５０となる層である。従って、金属層Ａの材料や厚さは、前述の抵抗体３０、配線４０、及び電極５０の材料や厚さと同様である。
金属層Ａは、例えば、金属層Ａ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できる。金属層Ａ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、金属層Ａ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所定の膜厚の機能層を真空成膜することが好ましい。
本願において、機能層とは、少なくとも上層である金属層Ａ（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金属層Ａの酸化を防止する機能や、基材１０と金属層Ａ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、特に金属層ＡがＣｒを含む場合、Ｃｒは自己酸化膜を形成するため、機能層が金属層Ａ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金属層Ａ（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、Ｓｉ３Ｎ４、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＳｉＯ２等が挙げられる。
機能層が金属又は合金のような導電材料から形成される場合には、機能層の膜厚は抵抗体の膜厚の１／２０以下であることが好ましい。このような範囲であると、α－Ｃｒの結晶成長を促進できると共に、抵抗体に流れる電流の一部が機能層に流れて、ひずみの検出感度が低下することを防止できる。
機能層が金属又は合金のような導電材料から形成される場合には、機能層の膜厚は抵抗体の膜厚の１／５０以下であることがより好ましい。このような範囲であると、α－Ｃｒの結晶成長を促進できると共に、抵抗体に流れる電流の一部が機能層に流れて、ひずみの検出感度が低下することを更に防止できる。
機能層が金属又は合金のような導電材料から形成される場合には、機能層の膜厚は抵抗体の膜厚の１／１００以下であることが更に好ましい。このような範囲であると、抵抗体に流れる電流の一部が機能層に流れて、ひずみの検出感度が低下することを一層防止できる。
機能層が酸化物や窒化物のような絶縁材料から形成される場合には、機能層の膜厚は、１ｎｍ～１μｍとすることが好ましい。このような範囲であると、α－Ｃｒの結晶成長を促進できると共に、機能層にクラックが入ることなく容易に成膜できる。
機能層が酸化物や窒化物のような絶縁材料から形成される場合には、機能層の膜厚は、１ｎｍ～０．８μｍとすることがより好ましい。このような範囲であると、α－Ｃｒの結晶成長を促進できると共に、機能層にクラックが入ることなく更に容易に成膜できる。
機能層が酸化物や窒化物のような絶縁材料から形成される場合には、機能層の膜厚は、１ｎｍ～０．５μｍとすることが更に好ましい。このような範囲であると、α－Ｃｒの結晶成長を促進できると共に、機能層にクラックが入ることなく一層容易に成膜できる。
なお、機能層の平面形状は、例えば、図１に示す抵抗体の平面形状と略同一にパターニングされている。しかし、機能層の平面形状は、抵抗体の平面形状と略同一である場合には限定されない。機能層が絶縁材料から形成される場合には、抵抗体の平面形状と同一形状にパターニングしなくてもよい。この場合、機能層は少なくとも抵抗体が形成されている領域にベタ状に形成されてもよい。或いは、機能層は、基材１０の上面全体にベタ状に形成されてもよい。
又、機能層が絶縁材料から形成される場合に、機能層の厚さを５０ｎｍ以上１μｍ以下となるように比較的厚く形成し、かつベタ状に形成することで、機能層の厚さと表面積が増加するため、抵抗体が発熱した際の熱を基材１０側へ放熱できる。その結果、ひずみゲージ１において、抵抗体の自己発熱による測定精度の低下を抑制できる。
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。
機能層の材料と金属層Ａ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Ｔｉを用い、金属層Ａ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、金属層Ａを成膜できる。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、金属層Ａを成膜してもよい。この際、窒素ガスの導入量や圧力（窒素分圧）を変えることや加熱工程を設けて加熱温度を調整することで、Ｃｒ混相膜に含まれるＣｒＮ及びＣｒ２Ｎの割合、並びにＣｒＮ及びＣｒ２Ｎ中のＣｒ２Ｎの割合を調整できる。
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（窒化チタン）が含まれる場合がある。
なお、金属層ＡがＣｒ混相膜である場合、Ｔｉからなる機能層は、金属層Ａ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金属層Ａの酸化を防止する機能、及び基材１０と金属層Ａ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、Ｔｉに代えてＴａ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｆｅを用いた場合も同様である。
このように、金属層Ａの下層に機能層を設けることにより、金属層Ａの結晶成長を促進可能となり、安定な結晶相からなる金属層Ａ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できる。又、機能層を構成する材料が金属層Ａに拡散することにより、ひずみゲージ１において、ゲージ特性を向上できる。
次に、フォトリソグラフィによって金属層Ａをパターニングし、図１に示す平面形状の抵抗体３０、配線４０、及び電極５０を形成する。
なお、抵抗体３０、配線４０、及び電極５０の下地層として基材１０の上面１０ａに機能層を設けた場合には、ひずみゲージ１は図４に示す断面形状となる。符号２０で示す層が機能層である。機能層２０を設けた場合のひずみゲージ１の平面形状は、例えば、図１と同様となる。但し、前述のように、機能層２０は、基材１０の上面の一部又は全部にベタ状に形成される場合もある。
次に、基材１０の上面１０ａに、抵抗体３０を被覆し電極５０を露出するようにバリア層７０を形成する。バリア層７０は、少なくとも抵抗体３０を被覆していれば、さらに配線４０の一部又は全部を被覆してもよい。バリア層７０の材料や厚さは、前述の通りである。なお、図１では、バリア層７０は配線４０の一部を被覆するように形成されている。
バリア層７０の形成方法は、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、例えば、基材１０の上面１０ａに、抵抗体３０を被覆し電極５０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できる。バリア層７０は、基材１０の上面１０ａに、抵抗体３０を被覆し電極５０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。以上の工程により、ひずみゲージ１が完成する。
〈第１実施形態の変形例１〉
第１実施形態の変形例１では、ひずみゲージに応力緩和層を設ける例を示す。なお、第１実施形態の変形例１において、既に説明した実施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。
第１実施形態の変形例１では、ひずみゲージに応力緩和層を設ける例を示す。なお、第１実施形態の変形例１において、既に説明した実施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１実施形態の変形例１に係るひずみゲージを例示する平面図である。図６は、第１実施形態の変形例１に係るひずみゲージを例示する断面図であり、図５のＢ－Ｂ線に沿う断面を示している。図５及び図６を参照すると、ひずみゲージ１Ａは、絶縁性の応力緩和層６０を有する点が、ひずみゲージ１（図１、図２等参照）と相違する。
ひずみゲージ１Ａにおいて、応力緩和層６０は、抵抗体３０とバリア層７０との間に配置されている。すなわち、応力緩和層６０は、抵抗体３０を被覆するように形成され、バリア層７０は応力緩和層６０を被覆するように形成されている。なお、応力緩和層６０を抵抗体３０の上面のみに形成し、抵抗体３０の側面はバリア層７０で直接被覆するようにしてもよい。
応力緩和層６０は、バリア層７０よりもヤング率の低い有機膜により形成されている。バリア層７０のヤング率や硬化収縮応力が高いと、ひずみゲージ１Ａのゲージ率を低下させる場合がある。抵抗体３０とバリア層７０との間に、バリア層７０よりもヤング率の低い有機膜からなる絶縁性の応力緩和層６０を配置することで、バリア層７０に生じる応力を応力緩和層６０により緩和し、抵抗体３０に伝えにくくできる。
これにより、ひずみゲージ１Ａのゲージ率の低下を抑制できる。バリア層７０の効果と合わせて考えると、ひずみゲージ１Ａのゲージ率を犠牲にすることなく、リーク電流の影響による出力電圧のばらつきを低減可能となる。
なお、応力緩和層６０の線膨張係数は、基材１０の線膨張係数に近い方が好ましい。応力緩和層６０の線膨張係数と基材１０の線膨張係数の差が大きくなると、温度変化に対する膨張の違いによるひずみが増幅し、抵抗体３０の抵抗値の変化が大きくなる。一方、応力緩和層６０の線膨張係数を基材１０の線膨張係数に近くすることにより、ＴＣＲを小さくする効果が得られる。
応力緩和層６０の材料としては、例えば、樹脂、ゴム等の有機材料が挙げられる。例えば、応力緩和層６０の材料は、基材１０の材料と同じであってもよい。応力緩和層６０の厚さは、例えば、２μｍ以上５００μｍ以下とすることができる。応力緩和層６０の厚さは、基材１０の厚さと同じであってもよい。応力緩和層６０は、例えば、バリア層７０と同様の方法で形成できる。
以上、好ましい実施形態等について詳説したが、上述した実施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、２０ 機能層、３０ 抵抗体、３０ｅ１、３０ｅ２ 終端、４０ 配線、５０ 電極、６０ 応力緩和層、７０ バリア層
Claims (8)
- 可撓性を有する基材と、
前記基材の一方の面に、Ｃｒ、ＣｒＮ、及びＣｒ２Ｎを含む膜から形成された抵抗体と、
前記抵抗体を被覆する樹脂製のバリア層と、を有し、
前記バリア層は、透湿度（ｇ／ｍ２／２４ｈ）と厚さ（ｍｍ）との比が５：１以上であり、厚さが１００μｍ以上３ｍｍ以下である、ひずみゲージ。 - 前記バリア層は、フッ素樹脂、エポキシ樹脂、又はアクリル樹脂から形成されている、請求項１に記載のひずみゲージ。
- 前記バリア層は、前記抵抗体の上面及び側面を連続的に被覆する、請求項１又は２に記載のひずみゲージ。
- 前記抵抗体と前記バリア層との間に、絶縁性の応力緩和層が配置されている、請求項１乃至３の何れか一項に記載のひずみゲージ。
- 前記応力緩和層は、前記バリア層よりもヤング率の小さい有機膜である、請求項４に記載のひずみゲージ。
- ゲージ率が１０以上である、請求項１乃至５の何れか一項に記載のひずみゲージ。
- 前記抵抗体に含まれるＣｒＮ及びＣｒ２Ｎは、２０重量％以下である、請求項１乃至６の何れか一項に記載のひずみゲージ。
- 前記ＣｒＮ及び前記Ｃｒ２Ｎ中の前記Ｃｒ２Ｎの割合は、８０重量％以上９０重量％未満である、請求項７に記載のひずみゲージ。
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