JP2023039125A - 脈波センサ - Google Patents
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Abstract
【課題】異物の入り込みを防止した脈波センサを提供する。【解決手段】本脈波センサは、起歪体と、前記起歪体に設けられた、Cr混相膜を抵抗体とするひずみゲージと、を有し、前記起歪体は、枠部と、前記枠部の内側を橋渡しする梁部と、平面視で、前記枠部の内側と前記梁部の外側とを隙間なく接続する接続部と、を有し、前記接続部は、前記枠部及び前記梁部よりも薄く、前記梁部の変形に伴なう前記抵抗体の抵抗値の変化に基づいて脈波を検出する。【選択図】図2
Description
本発明は、脈波センサに関する。
心臓が血液を送り出すことに伴い発生する脈波を検出する脈波センサが知られている。一例として、外力の作用により撓み可能に支持されている起歪体となる受圧板と、その受圧板の撓みを電気信号に変換する圧電変換手段とが設けられた脈波センサが挙げられる。この脈波センサは、受圧板の可撓領域が外方に向かって凸曲面となるドーム状に形成されており、圧電変換手段として受圧板における頂部の内面に圧力検出素子を備えている(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、上記の脈波センサでは、受圧板の中心位置を中心として略扇型の貫通開口が放射状に配置されている。脈波センサは、被験者の肌に直接触れる部分であるため、貫通開口からゴミや水分などの異物が脈波センサ内に入り込み、電気的な短絡や、異物の挟み込みによる可撓性の阻害等の問題が生じるおそれがある。
本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、異物の入り込みを防止した脈波センサを提供することを目的とする。
本脈波センサは、起歪体と、前記起歪体に設けられた、Cr混相膜を抵抗体とするひずみゲージと、を有し、前記起歪体は、枠部と、前記枠部の内側を橋渡しする梁部と、平面視で、前記枠部の内側と前記梁部の外側とを隙間なく接続する接続部と、を有し、前記接続部は、前記枠部及び前記梁部よりも薄く、前記梁部の変形に伴なう前記抵抗体の抵抗値の変化に基づいて脈波を検出する。
開示の技術によれば、異物の入り込みを防止した脈波センサを提供できる。
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実施形態に係る脈波センサを例示する平面図である。図2は、第1実施形態に係る脈波センサを例示する底面図である。図3は、第1実施形態に係る脈波センサを例示する断面図(その1)であり、図1のA-A線に沿う断面を示している。図4は、第1実施形態に係る脈波センサを例示する断面図(その2)であり、図1のB-B線に沿う断面を示している。なお、ここでは、負荷部14が突起する方向から視た図を平面図、ひずみゲージ100が設けられた方向から視た図を底面図としている。
図1は、第1実施形態に係る脈波センサを例示する平面図である。図2は、第1実施形態に係る脈波センサを例示する底面図である。図3は、第1実施形態に係る脈波センサを例示する断面図(その1)であり、図1のA-A線に沿う断面を示している。図4は、第1実施形態に係る脈波センサを例示する断面図(その2)であり、図1のB-B線に沿う断面を示している。なお、ここでは、負荷部14が突起する方向から視た図を平面図、ひずみゲージ100が設けられた方向から視た図を底面図としている。
図1~図4を参照すると、脈波センサ1は、起歪体10と、ひずみゲージ100とを有している。脈波センサ1は、外部との電気信号の入出力を行うシールドケーブルやフレキシブル基板等を有してもよい。X、Y、Zは、直交座標系を示している。
起歪体10は、枠部11と、梁部12と、接続部13と、負荷部14とを有している。ただし、負荷部14は必要に応じて設けられる。起歪体10は、例えば平板状であり、各構成要素は、例えば一体に形成されている。起歪体10は、例えば、平面視で2回対称の形状である。
起歪体10は、例えば、平面視で矩形状であるが、平面視で円形状や楕円形状等であってもよい。起歪体10が平面視で矩形状である場合、例えば、起歪体10は、平面視で、X方向に平行な2辺と、Y方向に平行な2辺とを有する。この場合、起歪体10の外径は、例えば、20±2mm(X方向)×15±2mm(Y方向)とすることができる。起歪体10の材料としては、例えば、SUS(ステンレス鋼)、銅、又はアルミニウム等を用いることができる。
枠部11は、例えば、平面視で、起歪体10の最も外側に設けられた、矩形枠状等の領域である。枠部11の幅W1は、例えば、1mm以上5mm以下である。枠部11の幅W1は、一定であってもよいし、一定でなくてもよい。
梁部12は、枠部11の内側を橋渡しするように設けられている。梁部12は、例えば、平面視で十字状に交差する第1梁12a及び第2梁12bを有する。第1梁12aと第2梁12bとが交差する領域は、両者の共通部分であり、枠部11の中心を含む。図1~図4の例では、十字を構成する一方の梁である第1梁12aがX方向を長手方向とし、十字を構成する他方の梁である第2梁12bがY方向を長手方向とし、両者は直交している。
第1梁12a及び第2梁12bにおいて、交差する領域以外の幅W2は一定であり、例えば、1mm以上5mm以下である。幅W2が一定であることは必須ではないが、幅W2を一定とすることは、ひずみをリニアに検出できる点で好ましい。
接続部13は、平面視で、枠部11の内側と梁部12の外側とを隙間なく接続する4つの部分である。各々の接続部13の平面形状は、例えば、矩形である。各々の接続部13は、枠部11及び梁部12よりも薄い。枠部11及び梁部12の厚さt1は、例えば同一であり、例えば0.1mm以上0.2mm以下である。接続部13の厚さt2は、例えば、厚さt1の1/2程度とすることができる。
負荷部14は、梁部12に設けることができる。負荷部14は、例えば、梁部12を構成する第1梁12aと第2梁12bの交差する領域に設けられる。負荷部14は、梁部12の上面から突起している。梁部12の上面を基準とする負荷部14の突起量は、例えば、0.1mm程度である。梁部12は可撓性を有しており、負荷部14に負荷が加わると弾性変形する。
ひずみゲージ100は、起歪体10に設けられている。ひずみゲージ100は、例えば、梁部12の下面側に設けることができる。梁部12は平板状であるため、ひずみゲージを容易に貼り付けることができる。ひずみゲージ100は、1個以上設ければよいが、本実施形態では、4つのひずみゲージ100を設けている。4つのひずみゲージ100を設けることで、フルブリッジにより、ひずみを検出できる。
4つのひずみゲージ100のうちの2つは、X方向を長手方向とする第1梁12aの枠部11に近い側に、平面視で負荷部14を挟んで対向するように配置されている。4つのひずみゲージ100のうちの他の2つは、Y方向を長手方向とする第2梁12bの負荷部14に近い側(枠部11の中心側)に、平面視で負荷部14を挟んで対向するように配置されている。このような配置により、圧縮力と引張力を有効に検出してフルブリッジにより大きな出力を得ることができる。
脈波センサ1は、負荷部14が被験者の橈骨動脈に当たるように被験者の腕に固定して使用される。被験者の脈波に応じて負荷部14に負荷が加わって梁部12が弾性変形すると、ひずみゲージ100の抵抗体130(後述)の抵抗値が変化する。脈波センサ1は、梁部12の変形に伴なうひずみゲージ100の抵抗体130の抵抗値の変化に基づいて脈波を検出できる。脈波は、例えば、ひずみゲージ100の電極150(後述)と接続された測定回路から、周期的な電圧の変化として出力される。
負荷部14は設けなくても脈波の検出は可能であるが、梁部12から被験者側に突起する負荷部14を設けることで、脈波を検出する際のS/N比が改善され、脈波の検出精度を向上できる。
第1梁12aの長さL1と第2梁12bの長さL2は、同じであっても良いが、第1梁12aは第2梁12bよりも長い方が好ましい。例えば、起歪体10が平面視で矩形状であって、起歪体10の外径が20mm(X方向)×15mm(Y方向)である場合、例えば、第1梁12aの長さL1=18mm、第2梁12bの長さL2=13mmとすることができる。
長さの長い第1梁12aが橈骨動脈に沿うように、脈波センサ1を被験者の腕に固定することで、橈骨動脈に沿う成分を大きな信号レベルで取得できるため、S/N比が改善され、脈波の検出精度を向上できる。また、長さの長い第1梁12aが橈骨動脈に沿うように、脈波センサ1を被験者の腕に固定することで、脈波の低周波線分を効率よく取得できる点で好適である。
なお、第1梁12aを第2梁12bよりも長くする場合、起歪体10を平面視で楕円形状とすることも可能である。また、起歪体10を平面視で円形状とし、枠部11の幅を部分的に変えることで、第1梁12aを第2梁12bよりも長くすることも可能である。しかし、起歪体10を平面視で矩形状とすることは、起歪体10を平面視で円形状や楕円形状とするよりも、製造が容易である点で好ましい。
起歪体10は、例えば、図5に示すように、筐体20の一方側に取り付けてもよい。筐体20は、起歪体10を保持する部分である。筐体20は例えば枡状であって、下面側が塞がれ上面側が開口されている。筐体20の上面側の開口を塞ぐように、例えば矩形状の起歪体10が接着剤等により固定されている。
筐体20は、例えば、金属や樹脂等から形成できる。ただし、熱膨張の影響によるひずみ検出の精度低下を防止するために、起歪体10と筐体20は熱膨張係数が同じ材料から形成することが好ましい。起歪体10及び筐体20の材料としては、例えば、SUS(ステンレス鋼)を用いることができる。
なお、図1~図4の例では、枠部11、梁部12、及び接続部13の厚さ方向の一方側(図3の上側)は面一であり、負荷部14は一方側に設けられ、ひずみゲージは、一方側の反対となる他方側(図3の下側)に設けられている。この場合には、枠部11、梁部12、及び接続部13の面一である側が、被験者に接する側となる。
ただし、負荷部14が他方側(図3の上側)に設けられ、ひずみゲージが一方側(図3の上側)に設けられてもよい。この場合には、枠部11、梁部12、及び接続部13の面一でない側が、被験者に接する側となる。枠部11、梁部12、及び接続部13の面一である側が被験者に接する側となる構造(図3の例)の方が、被験者に不快感を与えるおそれが少ない点で好適である。
このように、脈波センサ1では、起歪体10が平面視で枠部11の内側と梁部12の外側とを隙間なく接続する接続部13を有するため、従来のように、脈波センサの内部に異物が入り込む開口(隙間)がない。そのため、脈波センサ1の内部にゴミや水分などの異物が入り込み、電気的な短絡や、異物の挟み込みによる可撓性の阻害等の問題が生じるおそれを防止できる。
また、接続部13は、枠部11及び梁部12よりも薄く形成されているため、梁部12の変形を大きく阻害することがない。そのため、脈波センサ1は、梁部12の変形に伴なう抵抗体130の抵抗値の変化に基づいて高感度で脈波を検出できる。
また、脈波センサ1は、抵抗体130として後述の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100を有することで、梁部12の変形に伴なう抵抗体130の抵抗値の変化に基づいて特に高感度で脈波を検出できる。
[ひずみゲージ100]
図6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7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6のC-C線に沿う断面を示している。図6及び図7を参照すると、ひずみゲージ100は、基材110と、抵抗体130と、配線140と、電極150と、カバー層160とを有している。なお、図6では、便宜上、カバー層160の外縁のみを破線で示している。なお、カバー層160は、必要に応じて設ければよい。
図6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7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6のC-C線に沿う断面を示している。図6及び図7を参照すると、ひずみゲージ100は、基材110と、抵抗体130と、配線140と、電極150と、カバー層160とを有している。なお、図6では、便宜上、カバー層160の外縁のみを破線で示している。なお、カバー層160は、必要に応じて設ければよい。
なお、図6及び図7におけるひずみゲージ100の説明では、便宜上、ひずみゲージ100において、基材110の抵抗体130が設けられている側を上側又は一方の側、抵抗体130が設けられていない側を下側又は他方の側とする。また、各部位の抵抗体130が設けられている側の面を一方の面又は上面、抵抗体130が設けられていない側の面を他方の面又は下面とする。ただし、ひずみゲージ100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。例えば、図5では、ひずみゲージ100は、図7とは上下が反転した状態で梁部12に貼り付けられる。つまり、図7の基材110が接着剤等で梁部12の下面に貼り付けられる。また、平面視とは対象物を基材110の上面110a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110の上面110aの法線方向から視た形状を指すものとする。
基材110は、抵抗体130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110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110の厚さが5μm~200μmであると、接着層等を介して基材110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110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110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110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110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。また、基材110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110上に、例えば、絶縁膜が形成される。
抵抗体130は、基材110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130は、基材110の上面110aに直接形成されてもよいし、基材110の上面110aに他の層を介して形成されてもよい。なお、図6では、便宜上、抵抗体130を濃い梨地模様で示している。
抵抗体130は、複数の細長状部が長手方向を同一方向(図6のC-C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(図6ではC-C線と垂直な方向)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130のグリッド幅方向の各々の終端130e1及び130e2を形成する。抵抗体130のグリッド幅方向の各々の終端130e1及び130e2は、配線140を介して、電極150と電気的に接続されている。言い換えれば、配線140は、抵抗体130のグリッド幅方向の各々の終端130e1及び130e2と各々の電極150とを電気的に接続している。
抵抗体130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130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130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130の厚さが0.1μm以上であると、抵抗体130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130の厚さが1μm以下であると、抵抗体130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110からの反りを低減できる点で更に好ましい。抵抗体130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して、例えば、10μm~100μm程度とすることができる。
例えば、抵抗体130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。また、抵抗体130がα-Crを主成分とすることで、ひずみゲージ100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130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。
また、抵抗体130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。
また、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140は、基材110上に形成され、抵抗体130及び電極150と電気的に接続されている。配線140は、第1金属層141と、第1金属層141の上面に積層された第2金属層142とを有している。配線140は直線状には限定されず、任意のパターンとすることができる。また、配線140は、任意の幅及び任意の長さとすることができる。なお、図6では、便宜上、配線140及び電極150を抵抗体130よりも薄い梨地模様で示している。
電極150は、基材110上に形成され、配線140を介して抵抗体130と電気的に接続されており、例えば、配線140よりも拡幅して略矩形状に形成されている。電極150は、ひずみにより生じる抵抗体130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。
電極150は、一対の第1金属層151と、各々の第1金属層151の上面に積層された第2金属層152とを有している。第1金属層151は、配線140の第1金属層141を介して抵抗体130の終端130e1及び130e2と電気的に接続されている。第1金属層151は、平面視において、略矩形状に形成されている。第1金属層151は、配線140と同じ幅に形成しても構わない。
なお、抵抗体130と第1金属層141と第1金属層151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130と第1金属層141と第1金属層151とは、厚さが略同一である。また、第2金属層142と第2金属層152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、第2金属層142と第2金属層152とは、厚さが略同一である。
第2金属層142及び152は、抵抗体130(第1金属層141及び151)よりも低抵抗の材料から形成されている。第2金属層142及び152の材料は、抵抗体130よりも低抵抗の材料であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できる。例えば、抵抗体130がCr混相膜である場合、第2金属層142及び152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、あるいは、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。第2金属層142及び152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、3μm~5μm程度とすることができる。
第2金属層142及び152は、第1金属層141及び151の上面の一部に形成されてもよいし、第1金属層141及び151の上面の全体に形成されてもよい。第2金属層152の上面に、更に他の1層以上の金属層を積層してもよい。例えば、第2金属層152を銅層とし、銅層の上面に金層を積層してもよい。あるいは、第2金属層152を銅層とし、銅層の上面にパラジウム層と金層を順次積層してもよい。電極150の最上層を金層とすることで、電極150のはんだ濡れ性を向上できる。
このように、配線140は、抵抗体130と同一材料からなる第1金属層141上に第2金属層142が積層された構造である。そのため、配線140は抵抗体130よりも抵抗が低くなるため、配線140が抵抗体として機能してしまうことを抑制できる。その結果、抵抗体130によるひずみ検出精度を向上できる。
言い換えれば、抵抗体130よりも低抵抗な配線140を設けることで、ひずみゲージ100の実質的な受感部を抵抗体130が形成された局所領域に制限できる。そのため、抵抗体130によるひずみ検出精度を向上できる。
特に、抵抗体130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、配線140を抵抗体130よりも低抵抗化して実質的な受感部を抵抗体130が形成された局所領域に制限することは、ひずみ検出精度の向上に顕著な効果を発揮する。また、配線140を抵抗体130よりも低抵抗化することは、横感度を低減する効果も奏する。
カバー層160は、基材110上に形成され、抵抗体130及び配線140を被覆し電極150を露出する。配線140の一部は、カバー層160から露出してもよい。抵抗体130及び配線140を被覆するカバー層160を設けることで、抵抗体130及び配線140に機械的な損傷等が生じることを防止できる。また、カバー層160を設けることで、抵抗体130及び配線140を湿気等から保護できる。なお、カバー層160は、電極150を除く部分の全体を覆うように設けてもよい。
カバー層160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できる。カバー層160は、フィラーや顔料を含有しても構わない。カバー層160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100を製造するためには、まず、基材110を準備し、基材110の上面110a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130、第1金属層141、及び第1金属層151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130、第1金属層141、及び第1金属層151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110の上面110a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130)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110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110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110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130)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。また、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6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。あるいは、機能層は、基材110の上面全体にベタ状に形成されてもよい。
また、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110側へ放熱できる。その結果、ひずみゲージ100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110の上面110a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。
ただし、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110の上面110a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。あるいは、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。また、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100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110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110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100において、ゲージ特性の安定性を向上できる。また、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100において、ゲージ特性を向上できる。
次に、金属層Aの上面に、第2金属層142及び第2金属層152を形成する。第2金属層142及び第2金属層152は、例えば、フォトリソグラフィ法により形成できる。
具体的には、まず、金属層Aの上面を覆うように、例えば、スパッタ法や無電解めっき法等により、シード層を形成する。次に、シード層の上面の全面に感光性のレジストを形成し、露光及び現像して第2金属層142及び第2金属層152を形成する領域を露出する開口部を形成する。このとき、レジストの開口部の形状を調整することで、第2金属層142のパターンを任意の形状とすることができる。レジストとしては、例えば、ドライフィルムレジスト等を用いることができる。
次に、例えば、シード層を給電経路とする電解めっき法により、開口部内に露出するシード層上に第2金属層142及び第2金属層152を形成する。電解めっき法は、タクトが高く、かつ、第2金属層142及び第2金属層152として低応力の電解めっき層を形成できる点で好適である。膜厚の厚い電解めっき層を低応力とすることで、ひずみゲージ100に反りが生じることを防止できる。なお、第2金属層142及び第2金属層152は無電解めっき法により形成してもよい。
次に、レジストを除去する。レジストは、例えば、レジストの材料を溶解可能な溶液に浸漬することで除去できる。
次に、シード層の上面の全面に感光性のレジストを形成し、露光及び現像して、図6の抵抗体130、配線140、及び電極150と同様の平面形状にパターニングする。レジストとしては、例えば、ドライフィルムレジスト等を用いることができる。そして、レジストをエッチングマスクとし、レジストから露出する金属層A及びシード層を除去し、図6の平面形状の抵抗体130、配線140、及び電極150を形成する。
例えば、ウェットエッチングにより、金属層A及びシード層の不要な部分を除去できる。金属層Aの下層に機能層が形成されている場合には、エッチングによって機能層は抵抗体130、配線140、及び電極150と同様に図6に示す平面形状にパターニングされる。なお、この時点では、抵抗体130、第1金属層141、及び第1金属層151上にシード層が形成されている。
次に、第2金属層142及び第2金属層152をエッチングマスクとし、第2金属層142及び第2金属層152から露出する不要なシード層を除去することで、第2金属層142及び第2金属層152が形成される。なお、第2金属層142及び第2金属層152の直下のシード層は残存する。例えば、シード層がエッチングされ、機能層、抵抗体130、配線140、及び電極150がエッチングされないエッチング液を用いたウェットエッチングにより、不要なシード層を除去できる。
その後、必要に応じ、基材110の上面110aに、抵抗体130及び配線140を被覆し電極150を露出するカバー層160を設けることで、ひずみゲージ100が完成する。カバー層160は、例えば、基材110の上面110aに、抵抗体130及び配線140を被覆し電極150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。カバー層160は、基材110の上面110aに、抵抗体130及び配線140を被覆し電極150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、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 脈波センサ、10 起歪体、11 枠部、12 梁部、12a 第1梁、12b 第2梁、13 接続部、14 負荷部、20 筐体、100 ひずみゲージ、110 基材、110a 上面、130 抵抗体、130e1、130e2 終端、140 配線、150 電極、160 カバー層
Claims (8)
- 起歪体と、
前記起歪体に設けられた、Cr混相膜を抵抗体とするひずみゲージと、を有し、
前記起歪体は、
枠部と、
前記枠部の内側を橋渡しする梁部と、
平面視で、前記枠部の内側と前記梁部の外側とを隙間なく接続する接続部と、を有し、
前記接続部は、前記枠部及び前記梁部よりも薄く、
前記梁部の変形に伴なう前記抵抗体の抵抗値の変化に基づいて脈波を検出する、脈波センサ。 - 前記梁部は、平面視で十字状に交差する第1梁及び第2梁を有する、請求項1に記載の脈波センサ。
- 前記第1梁は、前記第2梁よりも長い、請求項2に記載の脈波センサ。
- 前記第1梁と前記第2梁の交差する領域に、前記梁部から突起する負荷部が設けられている、請求項2又は3に記載の脈波センサ。
- 前記枠部、前記梁部、及び前記接続部の厚さ方向の一方側は面一であり、
前記負荷部は、前記一方側に設けられ、
前記ひずみゲージは、前記一方側の反対となる他方側に設けられている、請求項4に記載の脈波センサ。 - 前記ひずみゲージを4つ備え、
4つの前記ひずみゲージのうちの2つは、前記第1梁の前記枠部に近い側に、平面視で前記負荷部を挟んで対向するように配置され、
4つの前記ひずみゲージのうちの他の2つは、前記第2梁の前記負荷部に近い側に、平面視で前記負荷部を挟んで対向するように配置されている、請求項4又は5に記載の脈波センサ。 - 前記第1梁及び前記第2梁において、交差する領域以外の幅は一定である、請求項2乃至6のいずれか一項に記載の脈波センサ。
- 平面視で、前記起歪体は矩形状である、請求項1乃至7のいずれか一項に記載の脈波センサ。
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