JP2023071473A - strain gauge - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ひずみゲージに関する。 The present invention relates to strain gauges.
基材上に抵抗体を備え、測定対象物に貼り付けて、測定対象物の特性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、例えば、材料のひずみを検出するセンサや、周囲温度を検出するセンサ等のセンサ用途として使用されている(例えば、特許文献1参照)。 A strain gauge is known that has a resistor on a base material, is attached to an object to be measured, and detects the characteristics of the object to be measured. BACKGROUND ART Strain gauges are used, for example, as sensors that detect strain in materials and sensors that detect ambient temperature (see, for example, Patent Document 1).
ひずみゲージはセンサ用途に用いる以外に、はかり用途に用いる場合もある。ひずみゲージをセンサ用途に用いる場合も、はかり用途に用いる場合も、クリープ特性は重要であり、ひずみゲージをはかり用途に用いる場合は、特に厳しいクリープ特性に関する規格を満足する必要がある。 In addition to being used for sensors, strain gauges are sometimes used for scales. Whether the strain gauge is used as a sensor or as a scale, the creep property is important. When the strain gauge is used as a scale, it must satisfy particularly stringent creep property standards.
本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、クリープ特性を改善したひずみゲージを提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a strain gauge with improved creep characteristics.
本ひずみゲージは、基材と、前記基材上にCr、CrN、及びCr2Nを含む膜から形成された抵抗体と、前記基材上に形成され、前記抵抗体を被覆する絶縁樹脂層と、を有し、前記絶縁樹脂層には、上面側に開口し、側面側には開口しない溝が設けられている。 The present strain gauge comprises a substrate, a resistor formed on the substrate from a film containing Cr, CrN, and Cr2N , and an insulating resin layer formed on the substrate and covering the resistor. , and the insulating resin layer is provided with a groove that opens on the upper surface side and does not open on the side surface side.
開示の技術によれば、クリープ特性を改善したひずみゲージを提供できる。 According to the disclosed technique, a strain gauge with improved creep characteristics can be provided.
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。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments for carrying out the invention will be described with reference to the drawings. In each drawing, the same components are denoted by the same reference numerals, and redundant description may be omitted.
〈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、カバー層60とを有している。
<First embodiment>
1 is a plan view illustrating a strain gauge according to a first embodiment; FIG. FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating the strain gauge according to the first embodiment, showing a cross section along line AA in FIG. 1 and 2, the
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。
In this embodiment, for the sake of convenience, in the
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。
The
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。
The
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。
Here, "formed from an insulating resin film" does not prevent the
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。
Materials other than the resin of the
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。
The
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。
The
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。 Here, the Cr mixed phase film is a film in which Cr, CrN, Cr 2 N, or the like is mixed. The Cr mixed phase film may contain unavoidable impurities such as chromium oxide.
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。
The thickness of the
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。
For example, when the
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。
Moreover, when the
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。 Also, the ratio of Cr 2 N in CrN and Cr 2 N is preferably 80% by weight or more and less than 90% by weight, more preferably 90% by weight or more and less than 95% by weight. When the ratio of Cr 2 N in CrN and Cr 2 N is 90% by weight or more and less than 95% by weight, the decrease in TCR (negative TCR) becomes more pronounced due to Cr 2 N having semiconducting properties. . Furthermore, by reducing ceramicization, brittle fracture is reduced.
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。 On the other hand, when a small amount of N 2 or atomic N is mixed in the film and is present, they escape from the film due to the external environment (for example, high temperature environment), causing a change in film stress. By creating chemically stable CrN, a stable strain gauge can be obtained without generating unstable N.
電極50は、配線40を介して、抵抗体30の両端部と電気的に接続されており、平面視において、抵抗体30及び配線40よりも拡幅して略矩形状に形成されている。なお、配線40は、抵抗体30よりも拡幅してもよい。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。抵抗体30は、例えば、電極50の一方から配線40を介してジグザグに折り返しながら延在し、配線40を介して電極50の他方に達する。配線40の上面に、銅等の抵抗の低い金属層を積層してもよい。電極50の上面に、銅等の抵抗の低い金属層や金等のはんだ付け性が良好な金属層を積層してもよい。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、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。
The
抵抗体30及び配線40を被覆し、電極50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)が設けられている。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。
A cover layer 60 (insulating resin layer) is provided on the
カバー層60を設けることで、抵抗体30や配線40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や配線40を湿気等から保護できる。
By providing the
カバー層60には、カバー層60の上面側に開口する複数の溝60xが設けられている。溝60xは、カバー層60を貫通し、基材10の上面10aを露出するように設けられている。溝60xの内側面はカバー層60で形成され、溝60xの底面は基材10の上面10aにより形成されている。なお、溝60xは、カバー層60の側面側には開口しない。溝60xがカバー層60の側面側に開口しないことで、カバー層60の強度を維持できる。
The
抵抗体30は、複数の略同じ長さの細長状部が長手方向を同一方向(図1のA-A線に直交する方向)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順番に連結されて、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る。
The
図1の例では、平面視において、溝60xは、カバー層60の、隣接する細長状部の間の全ての領域、及び抵抗体30のグリッド方向に直交する方向の両外側に配置された細長状部の外側の領域に、細長状部に沿って配置されている。なお、抵抗体30のグリッド方向に直交する方向の両外側に配置された細長状部の外側の領域には、必要に応じて溝60xを配置すればよい。溝60xは、各々の細長状部の長手方向の略全体と対向する長さであることが好ましい。溝60xの内側面は、抵抗体30の側面には達しないことが好ましいが、必要な場合には達してもよい。溝60xの技術的な意義については、後述する。
In the example of FIG. 1, in plan view, the
[クリープの低減]
ひずみゲージ1をはかり用途に用いる場合には、クリープに関する規格を満足する必要がある。クリープに関する規格とは、例えば、OIML R60に基づく精度等級C1(以降、C1規格とする)や、OIML R60に基づく精度等級C2(以降、C2規格とする)が挙げられる。
[Reduction of creep]
When using the
C1規格では、クリープ量及びクリープリカバリー量を±0.0735%以下にする必要がある。また、C2規格では、クリープ量及びクリープリカバリー量を±0.0368%以下にする必要がある。なお、ひずみゲージ1をセンサ用途に用いる場合には、クリープ量及びクリープリカバリー量の規格は±0.5%程度である。
The C1 standard requires that the creep amount and creep recovery amount be ±0.0735% or less. In addition, the C2 standard requires that the amount of creep and the amount of creep recovery be ±0.0368% or less. When the
ひずみゲージのクリープ特性は、構成材料の粘弾性に影響される。一般に弾性材料である金属材料ではクリープが発生しないが、粘性材料である樹脂ではクリープが発生する。ひずみゲージ1には、樹脂からなるカバー層60が設けられているため、カバー層60の粘性は無視できない。
The creep properties of strain gauges are affected by the viscoelasticity of the constituent materials. In general, metal materials, which are elastic materials, do not creep, but creep occurs in resins, which are viscous materials. Since the
そこで、発明者らが鋭意検討したところ、抵抗体30のラインをL、スペースをSとすると、クリープ値はL/(L+S)の値に依存し、L/(L+S)の値が大きい方が好ましいとの知見に至った。ここで、抵抗体30のラインLは、抵抗体30を構成する1本の細長状部のグリッド方向に直交する方向(図1のA-A線の方向)の幅である。また、スペースSは、隣接する細長状部の間のグリッド方向に直交する方向(図1のA-A線の方向)のカバー層60の幅である。
As a result of intensive studies by the inventors, the creep value depends on the value of L/(L+S), where L is the line of the
クリープ量及びクリープリカバリー量は、ひずみゲージ1において、抵抗体30が設けられた面の弾性変形の量(ひずみ量)が時間経過と共に変化する量であるため、一対の電極50間の出力に基づいて算出したひずみ電圧をモニタすることで測定できる。図3を参照して、詳しく説明する。
The amount of creep and the amount of creep recovery are amounts in which the amount of elastic deformation (amount of strain) of the surface on which the
図3は、クリープ量及びクリープリカバリー量の測定方法について説明する図である。図3において、横軸は時間、縦軸はひずみ電圧[mV]である。 FIG. 3 is a diagram illustrating a method of measuring the creep amount and the creep recovery amount. In FIG. 3, the horizontal axis is time, and the vertical axis is strain voltage [mV].
まず、測定装置に電源を投入して10秒後に、起歪体に貼り付けられたひずみゲージ1に150%荷重を10秒間かけ、その後、除荷する。除荷後、20分が経過したら、起歪体に貼り付けられたひずみゲージ1に100%荷重を20分間かけ、その後、除荷する。そして、除荷後20分経過するのを待つ。
First, 10 seconds after turning on the power to the measuring device, a 150% load is applied to the
ひずみ電圧は、例えば、図3に示すように変化する。図3において、150%荷重を除荷後20分経過した時点と、100%荷重をかけた直後の時点のひずみ電圧の差の絶対値Bを測定する。また、100%荷重をかけた直後の時点と、100%荷重をかけ始めてから20分経過した時点のひずみ電圧の差の絶対値ΔAを測定する。このとき、ΔA/Bがクリープ量となる。次に、100%荷重を除荷した直後の時点と、100%荷重を除荷後20分経過した時点のひずみ電圧の差の絶対値ΔCを測定する。このとき、ΔC/Bがクリープリカバリー量となる。 The strain voltage changes, for example, as shown in FIG. In FIG. 3, the absolute value B of the strain voltage difference is measured 20 minutes after the 150% load is removed and immediately after the 100% load is applied. In addition, the absolute value ΔA of the difference in strain voltage immediately after application of 100% load and 20 minutes after the start of application of 100% load is measured. At this time, ΔA/B is the amount of creep. Next, the absolute value ΔC of the difference in strain voltage immediately after the 100% load is removed and 20 minutes after the 100% load is removed is measured. At this time, ΔC/B is the amount of creep recovery.
なお、100%荷重とは3kgであり、150%荷重とは100%荷重の1.5倍の荷重である。 The 100% load is 3 kg, and the 150% load is 1.5 times the 100% load.
図4は、クリープ量及びクリープリカバリー量の検討結果を示す図であり、L/(L+S)の値を変えた複数のひずみゲージ1のクリープ量及びクリープリカバリー量を図3の測定方法で測定した結果をまとめたものである。具体的には、クリープ量及びクリープリカバリー量は、各々のひずみゲージ1をSUS304製の起歪体上に貼り付けて測定した。なお、基材10としては、膜厚25μmのポリイミド樹脂製のフィルムを用いた。また、抵抗体30には、Cr混相膜を用いた。また、カバー層60としては、膜厚15μmのポリイミド樹脂製のフィルムを用いた。
FIG. 4 is a diagram showing the study results of the creep amount and the creep recovery amount. The creep amount and the creep recovery amount of a plurality of
図4に示ように、L/(L+S)が大きくなるにしたがって、クリープ量及びクリープリカバリー量が低減する。例えば、L/(L+S)が96.5%以上であれば、C1規格のクリープ量及びクリープリカバリー量を満足できる。また、L/(L+S)が98.5%以上であれば、C2規格のクリープ量及びクリープリカバリー量を満足できる。すなわち、L/(L+S)を所定範囲内に制御することで、クリープ量及びクリープリカバリー量が改善するため、ひずみゲージ1をはかり用途に使用可能となる。また、L/(L+S)をある程度制御し、他のクリープ対策を併用してクリープに関する規格を満足させてもよい。もちろん、ひずみゲージ1をセンサ用途に用いてもよい。
As shown in FIG. 4, as L/(L+S) increases, the amount of creep and the amount of creep recovery decrease. For example, if L/(L+S) is 96.5% or more, the C1 standard creep amount and creep recovery amount can be satisfied. Also, when L/(L+S) is 98.5% or more, the C2 standard creep amount and creep recovery amount can be satisfied. That is, by controlling L/(L+S) within a predetermined range, the amount of creep and the amount of creep recovery are improved, so the
L/(L+S)は、抵抗体30の各細長状部の幅を広くし、隣接する細長状部の間隔を狭くすることで大きくできるが、隣接する細長状部の間隔がある程度広くても、図1に示すように、カバー層60に溝60xを設けてスペースSを小さくすることでも大きくできる。すなわち、カバー層60の、隣接する細長状部の間の領域に、細長状部に沿って溝60xを設けることでL/(L+S)が大きくなるため、カバー層60の粘性を低減でき、クリープ特性を改善することができる。
L/(L+S) can be increased by increasing the width of each elongated portion of the
なお、ゲージ率が10以上である高感度のひずみゲージ(例えば、抵抗体30にCr混相膜を用いた場合など)の場合、高感度故に材料物性からの影響に敏感であり、クリープ特性も著しく低下する場合がある。したがって、ゲージ率が10以上である高感度のひずみゲージにおいて、L/(L+S)を所定範囲内に制御してクリープ特性を改善することは極めて重要である。 In addition, in the case of a highly sensitive strain gauge with a gauge factor of 10 or more (for example, when a Cr mixed phase film is used for the resistor 30), it is sensitive to the influence of material properties due to its high sensitivity, and the creep characteristics are also remarkable. may decrease. Therefore, in a highly sensitive strain gauge having a gauge factor of 10 or more, it is extremely important to control L/(L+S) within a predetermined range to improve creep characteristics.
[ひずみゲージの製造方法]
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。
[Manufacturing method of strain gauge]
In order to manufacture the
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。 The metal layer A can be formed, for example, by magnetron sputtering using a raw material capable of forming the metal layer A as a target. The metal layer A may be formed by using a reactive sputtering method, a vapor deposition method, an arc ion plating method, a pulse laser deposition method, or the like instead of the magnetron sputtering method.
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。
From the viewpoint of stabilizing the gauge characteristics, before forming the metal layer A, a functional layer having a predetermined thickness is vacuum-formed on the
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。
In the present application, the functional layer refers to a layer having a function of promoting crystal growth of at least the upper metal layer A (resistor 30). The functional layer preferably further has a function of preventing oxidation of the metal layer A due to oxygen and moisture contained in the
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。
Since the insulating resin film that constitutes the
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。 The material of the functional layer is not particularly limited as long as it has a function of promoting the crystal growth of at least the upper metal layer A (resistor 30), and can be appropriately selected according to the purpose. Chromium), Ti (titanium), V (vanadium), Nb (niobium), Ta (tantalum), Ni (nickel), Y (yttrium), Zr (zirconium), Hf (hafnium), Si (silicon), C ( carbon), Zn (zinc), Cu (copper), Bi (bismuth), Fe (iron), Mo (molybdenum), W (tungsten), Ru (ruthenium), Rh (rhodium), Re (rhenium), Os ( osmium), Ir (iridium), Pt (platinum), Pd (palladium), Ag (silver), Au (gold), Co (cobalt), Mn (manganese), Al (aluminum) 1 selected from the group consisting of Metal or metals, alloys of any of this group of metals, or compounds of any of this group of metals.
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。 Examples of the above alloy include FeCr, TiAl, FeNi, NiCr, CrCu, and the like. Examples of the above compounds include TiN, TaN , Si3N4 , TiO2 , Ta2O5 , SiO2 and the like.
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。 When the functional layer is made of a conductive material such as a metal or alloy, the thickness of the functional layer is preferably 1/20 or less of the thickness of the resistor. Within this range, it is possible to promote the crystal growth of α-Cr, and to prevent a part of the current flowing through the resistor from flowing through the functional layer, thereby preventing a decrease in strain detection sensitivity.
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。 When the functional layer is made of a conductive material such as a metal or alloy, the thickness of the functional layer is preferably 1/50 or less of the thickness of the resistor. Within this range, it is possible to promote the crystal growth of α-Cr, and further prevent the deterioration of the strain detection sensitivity due to part of the current flowing through the resistor flowing through the functional layer.
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。 When the functional layer is made of a conductive material such as a metal or alloy, the thickness of the functional layer is more preferably 1/100 or less of the thickness of the resistor. Within such a range, it is possible to further prevent a decrease in strain detection sensitivity due to part of the current flowing through the resistor flowing through the functional layer.
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。 When the functional layer is made of an insulating material such as oxide or nitride, the thickness of the functional layer is preferably 1 nm to 1 μm. Within such a range, the crystal growth of α-Cr can be promoted, and the film can be easily formed without causing cracks in the functional layer.
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。 When the functional layer is made of an insulating material such as oxide or nitride, the thickness of the functional layer is more preferably 1 nm to 0.8 μm. Within such a range, the crystal growth of α-Cr can be promoted, and the functional layer can be formed more easily without cracks.
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。 When the functional layer is made of an insulating material such as oxide or nitride, the thickness of the functional layer is more preferably 1 nm to 0.5 μm. Within such a range, the crystal growth of α-Cr can be promoted, and the functional layer can be formed more easily without cracks.
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。
The planar shape of the functional layer is patterned to be substantially the same as the planar shape of the resistor shown in FIG. 1, for example. However, the planar shape of the functional layer is not limited to being substantially the same as the planar shape of the resistor. If the functional layer is made of an insulating material, it may not be patterned in the same planar shape as the resistor. In this case, the functional layer may be solidly formed at least in the region where the resistor is formed. Alternatively, the functional layer may be formed all over the top surface of the
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。
Further, when the functional layer is formed of an insulating material, the thickness and surface area of the functional layer can be increased by forming the functional layer relatively thickly, such that the thickness is 50 nm or more and 1 μm or less, and by forming the functional layer in a solid shape. Since the resistance increases, the heat generated by the resistor can be dissipated to the
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。
The functional layer can be formed, for example, by conventional sputtering using a raw material capable of forming the functional layer as a target and introducing Ar (argon) gas into the chamber in a vacuum. By using the conventional sputtering method, the functional layer is formed while etching the
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。
However, this is an example of the method of forming the functional layer, and the functional layer may be formed by another method. For example, before forming the functional layer, the
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。 The combination of the material of the functional layer and the material of the metal layer A is not particularly limited and can be appropriately selected according to the purpose. It is possible to form a Cr mixed phase film as a main component.
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。 In this case, for example, the metal layer A can be formed by magnetron sputtering using a raw material capable of forming a Cr mixed-phase film as a target and introducing Ar gas into the chamber. Alternatively, the metal layer A may be formed by reactive sputtering using pure Cr as a target, introducing an appropriate amount of nitrogen gas into the chamber together with Ar gas. At this time, by changing the introduction amount and pressure (nitrogen partial pressure) of nitrogen gas and adjusting the heating temperature by providing a heating process, the ratio of CrN and Cr N contained in the Cr mixed phase film, and CrN and Cr The proportion of Cr2N in 2N can be adjusted.
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。
In these methods, the growth surface of the Cr mixed phase film is defined by the functional layer made of Ti, and a Cr mixed phase film containing α-Cr, which has a stable crystal structure, as a main component can be formed. In addition, the diffusion of Ti constituting the functional layer into the Cr mixed phase film improves the gauge characteristics. For example, the gauge factor of the
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。
When the metal layer A is a Cr mixed phase film, the functional layer made of Ti has the function of promoting the crystal growth of the metal layer A and the function of preventing oxidation of the metal layer A due to oxygen and moisture contained in the
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。
In this way, by providing the functional layer under the metal layer A, the crystal growth of the metal layer A can be promoted, and the metal layer A having a stable crystal phase can be produced. As a result, in the
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。
Next, the metal layer A is patterned by photolithography to form the
その後、基材10の上面10aに、抵抗体30及び配線40を被覆し電極50を露出する、溝60xを有するカバー層60を設けることで、ひずみゲージ1が完成する。
After that, the
溝60xを有するカバー層60を形成するには、例えば、基材10の上面10aに、抵抗体30及び配線40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、その後絶縁樹脂フィルムを加熱して硬化させる。そして、例えば、カバー層60にレーザ光を照射して溝60xを形成する。
In order to form the
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5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。
When a functional layer is provided on the
〈第1実施形態の変形例1〉
第1実施形態の変形例1では、カバー層に形成する溝の個数や形状が異なる例を示す。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平面図である。図7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6のB-B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1Aは、カバー層60に1つの溝60xを形成した点が、ひずみゲージ1(図1等参照)と相違する。平面視において、溝60xは、カバー層60の、隣接する細長状部の間の1つの領域に、細長状部に沿って配置されている。なお、平面視において、溝60xは、カバー層60の、隣接する細長状部の間の何れか1つ以上の領域に、細長状部に沿って配置してもよい。
FIG. 6 is a plan view illustrating a strain gauge according to
前述のように、L/(L+S)の値を大きくすることで、ひずみゲージをはかり用途に用いることができる。しかし、ひずみゲージをはかり用途に用いない場合でも、クリープ量及びクリープリカバリー量をある程度低減したい場合がある。そのような場合には、カバー層60に1つ以上の溝60xを形成すればよい。溝60xの個数は、クリープ量及びクリープリカバリー量の所望値に対応して適宜決定することができる。
As mentioned above, by increasing the value of L/(L+S), the strain gauge can be used for weighing applications. However, even if the strain gauge is not used for weighing purposes, it may be desirable to reduce the amount of creep and the amount of creep recovery to some extent. In such a case, one or
このように、カバー層60に1つ以上の溝60xを形成することで、カバー層60の粘性を低減できるため、クリープ特性を改善できる。
By thus forming one or
図8に示すように、溝60xは、カバー層60を貫通しなくてもよい。図8の例では、溝60xの内側面及び底面はカバー層60で形成されている。図8の場合も、カバー層60の粘性を低減できるため、クリープ特性を改善できる。
As shown in FIG. 8, the
なお、クリープ量及びクリープリカバリー量がC1規格やC2規格を満足できれば、図1に示すひずみゲージ1をはかり用途に用いる場合に、溝60xがカバー層60を貫通していなくてもよい。
The
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。 Although the preferred embodiments and the like have been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiments and the like, and various modifications and substitutions can be made to the above-described embodiments and the like without departing from the scope of the claims. can be added.
1、1A ひずみゲージ、10 基材、10a 上面、20 機能層、30 抵抗体、40 配線、50 電極、60 カバー層、60x 溝
Claims (7)
前記基材上にCr、CrN、及びCr2Nを含む膜から形成された抵抗体と、
前記基材上に形成され、前記抵抗体を被覆する絶縁樹脂層と、を有し、
前記絶縁樹脂層には、上面側に開口し、側面側には開口しない溝が設けられている、ひずみゲージ。 a base material;
a resistor formed from a film containing Cr, CrN, and Cr2N on the substrate;
an insulating resin layer formed on the base material and covering the resistor,
The strain gauge, wherein the insulating resin layer is provided with a groove that opens on the upper surface side and does not open on the side surface side.
平面視において、前記溝は、前記絶縁樹脂層の、隣接する前記細長状部の間の何れか1つ以上の領域に、前記細長状部に沿って配置されている、請求項1に記載のひずみゲージ。 The resistor has a structure in which a plurality of elongated portions are arranged at predetermined intervals with the longitudinal direction directed in the same direction, and the ends of the adjacent elongated portions are connected in order and folded in a zigzag as a whole,
2. The groove according to claim 1, wherein said grooves are arranged along said elongated portions in any one or more regions between said adjacent elongated portions of said insulating resin layer in plan view. strain gauge.
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