JP2717812B2 - Load cell - Google Patents

Load cell

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JP2717812B2
JP2717812B2 JP63207288A JP20728888A JP2717812B2 JP 2717812 B2 JP2717812 B2 JP 2717812B2 JP 63207288 A JP63207288 A JP 63207288A JP 20728888 A JP20728888 A JP 20728888A JP 2717812 B2 JP2717812 B2 JP 2717812B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 開示技術は、商品の重量計量等の際に作用する重量等
の荷重を電気信号に変換して計測することが出来る、所
謂荷重変換器のロードセル等の起歪体に添設するゲージ
の構造、及び、製造の技術分野に属する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION <Industrial Application Field> The disclosed technology is a so-called load converter that can convert a load such as weight acting on a product such as weight measurement into an electric signal and measure it. It belongs to the structure of a gauge attached to a strain body such as a load cell and the technical field of manufacturing.

〈発明の概要〉 而して、この出願の発明はジェラルミン製等の所定金
属等の起歪体ビーム等の歪部分の側面にポリイミド、エ
ポキシ、アミドイミド、エポキシ変成ポリイミド等の耐
熱絶縁性の有機樹脂製の耐熱絶縁皮膜を塗布する等して
添設させ、その上にホイートストーンブリッジを形成す
るゲージパターンと導体用パターンとが1層のみで形成
する金属薄膜層が蒸着法やスパッタリング法等により所
定に形成された後、フォトリソ、エッチング等により該
ゲージパターンが1層のみで所定に形成され、ロードセ
ル、及び、該ロードセルの製造方法に関する発明であ
り、特に、ブリッジ出力のゼロ点の温度係数が、所定値
以下となるように金属薄膜の成長時の条件、或いは、熱
処理時の処理条件を所定に設定して、ゲージパターンと
導体用パターンとが1層のみで2層以上にはならないよ
うな簡単な構造になるようにしたロードセル、及び、そ
の製造方法に係る発明である。
<Summary of the Invention> Thus, the invention of this application relates to a heat-insulating organic resin such as polyimide, epoxy, amide imide, epoxy modified polyimide, etc. A heat-resistant insulating film made of stainless steel is applied, and a metal thin film layer consisting of only one layer of a gauge pattern and a conductor pattern that forms a Wheatstone bridge is formed by vapor deposition or sputtering. After being formed in a predetermined manner, the gauge pattern is formed in a single layer only by photolithography, etching, or the like, and the invention relates to a load cell and a method of manufacturing the load cell. , The conditions during the growth of the metal thin film or the processing conditions during the heat treatment are set to a predetermined value so as to be less than or equal to a predetermined value. The present invention relates to a load cell having a simple structure in which a pattern has only one layer and does not have two or more layers, and an invention relating to a method of manufacturing the load cell.

〈従来の技術〉 周知の如く、現代は市民社会、産業社会に於いても科
学技術に負うところが極めて大であり、そして、これら
を支えている各種産業に機械装置類が多く用いられてい
ることもまた否定し難いところである。
<Conventional technology> As is well known, in modern times, civil and industrial societies rely heavily on science and technology, and the use of machinery and equipment in various industries that support them is very large. Is also undeniable.

而して、かかる機械装置類には重力等の印加荷重を用
いるものが極めて多く、そして、各種の機構の関係から
当該装置類は勿論のこと、他の製造装置等に於いても印
加する荷重を正確に測定しておくことが必要な場合が著
しく多い。
Thus, very many of these mechanical devices use an applied load such as gravity, and the load applied to not only the devices but also other manufacturing devices due to various mechanisms. In many cases, it is necessary to accurately measure.

例えば、近時隆盛になってきている流通市場等に於け
る商品に対する重量計量装置や各種の産業施設に於ける
制御機構等に於ける重量等を電気信号に変換する所謂ロ
ードセル等の荷重変換器が広く用いられている。
For example, a load converter such as a so-called load cell that converts weight and the like into an electric signal in a weight weighing device for a commodity in a distribution market and the like which has recently become prosperous, and a control mechanism in various industrial facilities and the like. Is widely used.

かかるロードセル等の荷重変換器は当業者に周知の如
く、ジェラルミン製等の起歪体のビーム等の歪の生じ易
い側面部分に当該ビーム等の歪に応じて電気抵抗体の抵
抗値が変化する原理を利用して入力電圧に対する出力電
圧の変化を用いて電気的に荷重を正確に測定する技術が
用いられており、旧来はかかるロードセルの製造に際
し、当該ビームの歪発生部分にポリイミド、エポキシ樹
脂等の絶縁フィルムにコンスタンタンやニッケル、ニク
ロム等による抵抗体を接着した後、当該絶縁フィルムを
歪発生部分に接着する技術が用いられていたが、各種の
機械装置等の精度向上、コストダウンの趨勢に伴いホイ
ートストーンブリッジを成す低抗体のパターン形成がマ
イクロ化することを強く要求されるようになり、該抵抗
体のゲージパターンを所謂機械加工による成形では精度
上対応しきれなくなり、これに対処するべく、例えば、
特開昭57−93220号公報発明に示されている様なビーム
体の歪発生部分に絶縁層を付設形成した後に当該絶縁層
上に真空蒸着法やスパッタリング法により所定の金属薄
膜層を形成させてフォトリソ、エッチング等の手段によ
り厚さミクロン単位のゲージパターンを形成させる精巧
な高度技術が開発され、ロードセルのコンパクト化、量
産体制による低コスト化、そして、微弱電流導通による
精密な測定データが飛躍的に向上する等の態様で現出さ
れることが可能であるようにはなってきた。
As is well known to those skilled in the art, such a load converter such as a load cell changes the resistance value of the electric resistor in accordance with the strain of the beam or the like on a side portion of the strain-generating body such as a durable body where distortion is likely to occur. The technology of accurately measuring the load electrically using the change of the output voltage with respect to the input voltage using the principle has been used, and in the past, when manufacturing such load cells, polyimide, epoxy resin was used in the strain generating part of the beam. After attaching a resistor made of constantan, nickel, nichrome, or the like to an insulating film such as, the technology of bonding the insulating film to the strain-generating part has been used. Accordingly, it is strongly required that the pattern formation of the low antibody forming the Wheatstone bridge is micronized, and the gauge pattern of the resistor is changed. Called no longer cope on accuracy in shaping by machining, in order to cope with this, for example,
Japanese Patent Application Laid-Open No. 57-93220 discloses a method of forming a metal thin film layer on the insulating layer by vacuum deposition or sputtering after forming an insulating layer on the strain generating portion of the beam as shown in the invention. Elaborate advanced technology has been developed to form gauge patterns in units of micron thickness by means such as photolithography, etching, etc., and compact measurement of load cells, cost reduction by mass production system, and rapid measurement data due to weak current conduction have jumped. It has become possible to appear in such a way as to improve the performance.

しかしながら、近時電子機器装置類の超精密度が図ら
れるようになると、上記ロードセル等の荷重変換器の精
度に対する要求が更に高まり、基礎的に開発された蒸着
法やスパッタリング、そして、フォトリソ、エッチング
等の手段による金属薄膜層のゲージパターンや導体用パ
ターン等に対し、ゼロ点補正等の抵抗体やビームに対す
るゲージパターン等の終段に於ける安定定着状態を保持
させる温度処理等に伴う該ゲージパターン等の温度補正
用のトリミング抵抗体をゲージパターンに介装させる等
の超精密技術が求められるようになり、これに対し、例
えば、特公昭62−25977号公報発明等の技術が開発され
て基本的には実用に供されるようにはなってきた。
However, recently, as the accuracy of electronic equipment has been improved, the demand for the accuracy of load transducers such as the above load cells has further increased, and fundamentally developed evaporation methods, sputtering, photolithography, and etching have been developed. For the gauge pattern of the metal thin film layer, the conductor pattern, etc., by means such as the above, the gauge associated with the temperature treatment for maintaining the stable fixing state at the final stage of the gauge pattern for the resistor or beam, such as zero point correction, etc. Ultra-precision technology such as interposing a trimming resistor for temperature correction of a pattern or the like in a gauge pattern has been required, and for this purpose, for example, a technology such as the invention of Japanese Patent Publication No. 62-25977 has been developed. Basically, it has become practical.

さりながら、該種従来技術における薄膜歪ゲージは、
例えば、特公昭62−59767号公報発明の如く、起歪体に
絶縁層を形成し、その上に所定の各機能を有する金属薄
膜を真空蒸着やスパッタリング、フォトリソ、エッチン
グ処理等を介して積層するのが一般的技術である。
By the way, the thin film strain gauge in this kind of prior art is:
For example, as in the invention of Japanese Patent Publication No. 62-59767, an insulating layer is formed on a strain body, and a metal thin film having predetermined functions is laminated thereon by vacuum deposition, sputtering, photolithography, etching, or the like. This is a general technique.

該種複層の薄膜層としては、第1層に、例えば、NiC
r、Ta2N等の金属のゲージ部、及び、ゼロバランス用の
トリミングパターン(無負荷時の出力電圧を一定以内に
抑えるためのトリミング用パターン)を形成し、第2層
としては、例えば、Ni、Cr等の金属のゼロ点温度補正用
のトリミング用パターンを形成し、又、第3層に、例え
ば、Cu、Al−Cu、Au等の金属の導体用パターンを形成す
る等による複数層の各層が機能別に必要とされている。
As the seed thin film layer, for example, NiC
r, a gauge portion of metal such as Ta 2 N, and a trimming pattern for zero balance (a trimming pattern for suppressing an output voltage at no load within a certain range) are formed. As the second layer, for example, A plurality of layers by forming a trimming pattern for zero-point temperature correction of a metal such as Ni and Cr, and forming a conductor pattern of a metal such as Cu, Al-Cu, and Au on the third layer. Are required for each function.

更に、各パターン層の間の密着強度を上げるために各
層間に結晶構造の差があると、剥離を生ずる虞があるこ
とから、類似結晶構造のバッファー層を介装して設け、
相互になじみ易い金属を順次積み重ねるという3層以上
の多層構造としている。
Furthermore, if there is a difference in the crystal structure between the layers in order to increase the adhesion strength between the pattern layers, since there is a possibility of peeling, provided with a buffer layer of a similar crystal structure interposed,
It has a multilayer structure of three or more layers in which metals that are easily compatible with each other are sequentially stacked.

〈発明が解決しようとする課題〉 しかしながら、かかる在来技術によりロードセルの製
造においては次のような問題があった。
<Problems to be Solved by the Invention> However, there are the following problems in manufacturing a load cell by such a conventional technique.

即ち、まず、第一に、ゼロ点の温度補正を行わねばな
らないが、それには各ロードセルを恒温槽内に収納し
て、各単体のブリッジ出力のゼロ点の温度による出力変
化を測定し、それに基づいて各単体毎に、その出力変化
を補償し得る温度補正用低抗体の抵抗値を算出し、それ
に基づいて該温度補正用抵抗体の抵抗値をカッティング
等によって調整しなければならないという作業上の煩瑣
性がある。
That is, first of all, it is necessary to perform temperature correction of the zero point.In order to do so, each load cell is housed in a constant temperature bath, and the output change of each bridge output due to the zero point temperature is measured. On the basis of the work of calculating the resistance value of the temperature correcting low antibody capable of compensating for the output change for each unit based on the single unit, and adjusting the resistance value of the temperature correcting resistor based on the calculated value by cutting or the like. Is complicated.

又、第二に多くの薄膜金属槽を蒸着やスパッタリング
を介して積層する必要があり、そのため、各金属基板
(例えば、Cu、NiCrスパッタリング等の際のターゲット
物質)を用意しなければならず、コスト的に高価となる
不利点があり、又、金属の金属薄膜の積層を順次反復す
るので、分当たり100オングストローム単位程度の積層
厚しか出来ないことから、ミクロン単位の層厚みにする
には数十分もの多くの時間を費し作業能率が悪くなる不
具合がある。
Secondly, it is necessary to laminate many thin-film metal tanks through vapor deposition or sputtering, and therefore, each metal substrate (eg, a target material for Cu, NiCr sputtering, etc.) must be prepared, It has the disadvantage of being expensive in terms of cost, and since the lamination of metal thin films is repeated sequentially, only a lamination thickness of about 100 angstroms per minute is possible. There is a problem that a sufficient amount of time is spent and work efficiency is deteriorated.

しかしながら、かかる点は装置側の処理において何ら
かの手段により解決出来る点もあるが、第三に各金属薄
膜層のパターン形成のために上側からフォトリソ、エッ
チングプロセスにより順次加工する必要があり、レジス
ト塗布に次いで、乾燥のキュア作業を行い、続いて、マ
スクによるパターン焼き付けの露光作業を行い、その
後、現像、定着を行って未露光のレジストを除去し、エ
ッチング用の金属面を露出させ、レジスト硬化処理を行
い、エッチャント、酸、又は、アルカリによるエッチン
グを行って不要なレジストを除去する作業を繰り返し、
当該複数層の数だけ同じプロセスをたどらざるを得ず、
したがって、多くの工程と治具部品を必要とするネック
があった。
However, although this point can be solved by some means in the processing on the device side, thirdly, it is necessary to sequentially process by photolithography and an etching process from the upper side in order to form a pattern of each metal thin film layer. Next, a drying curing operation is performed, followed by a pattern baking exposure operation using a mask, and then, development and fixing are performed to remove the unexposed resist, to expose a metal surface for etching, and to perform a resist curing process. Perform the work of removing unnecessary resist by performing etching with an etchant, acid, or alkali,
I have to follow the same process by the number of the layers,
Therefore, there is a bottleneck that requires many steps and jig parts.

又、第四に上述各層の処理プロセスにおいて、各金属
ごとに選択エッチングしなければならず、そのため、エ
ッチング用のバス等をエッチャントごとに用意しなけれ
ばならないという不都合さがあり、更に、選択エッチン
グ用のエッチャントを見い出すのが難しいという難点が
ある。
Fourth, in the process of processing the above-described layers, selective etching must be performed for each metal. Therefore, there is an inconvenience that an etching bath or the like must be prepared for each etchant. Disadvantage is that it is difficult to find an etchant for use.

蓋し、その際本来的に金属が全くエッチャントに犯さ
れないということはなく、進行速度が遅いだけであるの
が通例である点に鑑みれば、下側からの複数層の第1
層、第2層のエッチング中に第3層(最上層)がエッチ
ャントに犯され、特性に微妙に影響する欠点があるから
である。
In consideration of the fact that the metal is not originally violated by the etchant at all and that the traveling speed is usually slow, the first of the plurality of layers from the bottom side
This is because the third layer (uppermost layer) is etched by the etchant during the etching of the layer and the second layer, and has a disadvantage that characteristics are slightly affected.

特に、前記特公昭62−25977号公報発明の如く、第3
層がCuであり、該Cuはほとんどあらゆるエッチャントに
犯され、層間に入り込んだ洗浄不充分な弱酸、又は、弱
アルカリによって薄膜金属の抵抗値の経時変化が甚だし
い場合は、導体用パターン層の腐蝕にまで発展する可能
性がある不具合があった。
In particular, as described in the invention of Japanese Patent Publication No. 62-25977,
When the layer is Cu and the Cu is violated by almost any etchant and the resistance value of the thin-film metal is significantly changed with time due to weak acid or insufficient alkali that has penetrated into the layer and is insufficiently washed, the conductive pattern layer is corroded. There was a problem that could develop to.

そして、このことはエッチャントを用いる処理回数が
増せば増す程大きくなる厄介さがあった。
Then, there is a problem that the greater the number of times of using the etchant, the greater the trouble.

そして、第五に異種の薄膜金属を複数層に積層してい
るため、その相互の境界面の接触部分では不可避的にイ
オン化傾向の相違による接触電位の存在のために微弱な
信号電流を再現性良く取り出せないというマスナス点が
あり、又、経時的温度変化を介しての熱挙動による熱起
電力を発生し、温度に対して弱く、微弱な信号電流を同
様に再現性良く取り出せないきらいがある。
Fifth, since different types of thin-film metals are stacked in multiple layers, a weak signal current can be reproduced at the contact area at the boundary between them due to the presence of the contact potential due to the difference in ionization tendency. There is a Masunaus point that it cannot be taken out well, and a thermoelectromotive force is generated due to thermal behavior through temperature change over time, and it is likely that weak signal currents that are weak against temperature and cannot be taken out with good reproducibility as well .

そして、薄膜金属相互が密着していても接触抵抗を有
することから稼動中の各種の揺振動や挙動によってその
抵抗値が安定しないことからもデリケートな信号電流を
取り出せないうらみがある。
Even if the thin-film metals are in close contact with each other, there is a problem that a delicate signal current cannot be taken out because the resistance value is not stable due to various vibrations and behaviors during operation because of the contact resistance.

又、第六に、通例、ゲージ部の抵抗体は最終工程で熱
処理しないと安定しないものであるが、同一起歪体上に
2種類以上の抵抗体を作ると、該各抵抗体の最適な熱処
理条件が異なるのが一般的であり、例えば、2つの抵抗
体に同時にマッチングする最適な熱処理条件は設定出来
ず、したがって、いづれか一方の特性がデバイスとして
の特性になることになるマイナス点があり、このため、
結果的にロードセルの特性の経時変化や不安定性を生
じ、良好な再現性が維持出来ないデメリットがある等の
コスト、及び、特性面で解決すべき点が多々ある。
Sixth, usually, the resistors in the gauge portion are not stable unless heat-treated in the final step. However, when two or more types of resistors are formed on the same strain-generating body, the optimum Generally, the heat treatment conditions are different. For example, it is not possible to set the optimum heat treatment conditions to match two resistors at the same time, and therefore, there is a disadvantage that one of the characteristics becomes a device characteristic. ,For this reason,
As a result, the characteristics of the load cell change with time and instability, and there are many disadvantages such as a disadvantage that good reproducibility cannot be maintained, and there are many points to be solved in terms of characteristics.

〈発明の目的〉 この出願の発明の目的は上述従来技術に基づくロード
セル等の荷重変換装置の起歪体に添着するゲージパター
ンの金属薄膜層形成における、フォトリソ、エッチング
によるパターン処理プロセスでの問題点やゼロ点温度補
正のトリミングにおける問題点を解決すべき技術的課題
とし、能率的にゲージパターン、及び、導体用パターン
の電気回路を形成する層を1層のみとし、その形成能率
を向上させると共に、該ゼロ点温度補正のためのトリミ
ングを不要として、低コストで高精度の信頼性の高い測
定データが再現性良く得られるようにして各種産業にお
ける計測技術利用分野に益する優れたロードセル、及
び、その製造方法を提供せんとするものである。
<Object of the Invention> The object of the invention of this application is a problem in a pattern processing process by photolithography and etching in forming a metal thin film layer of a gauge pattern attached to a strain generating element of a load converter such as a load cell based on the above-mentioned conventional technology. And the technical problem to be solved in the trimming of zero point temperature correction, to efficiently form only one layer forming the electric circuit of the gauge pattern and the conductor pattern, and to improve the forming efficiency. An excellent load cell that eliminates the need for trimming for the zero-point temperature correction and that is advantageous in measurement technology application fields in various industries by enabling low-cost, high-accuracy and highly reliable measurement data to be obtained with good reproducibility, and , And a manufacturing method thereof.

〈課題を解決するための手段・作用〉 上述目的に沿い先述特許請求の範囲を要旨とするこの
出願の発明の構成は前述課題を解決するために、ロード
セル等の荷重変換器の起歪体の所定の歪部側面にポリイ
ミド、エポキシ等の耐熱絶縁性の有機樹脂を塗布し、加
熱硬化させて薄膜状の絶縁層を形成した後、蒸着、或い
は、スパッタリング等の手段によりホイートストーンブ
リッジのゲージパターン、及び、ゼロ点補正用や導体用
パターンを1層のみで形成し、次いで、フォトリソ、エ
ッチング、レジスト除去を行って所定の金属薄膜層を形
成させるに際し、該金属薄膜成長時の処理条件、例え
ば、スパッタリングの投入パワーのワット数を所定値に
維持することにより、或いは、Arの流量と圧力を設定条
件に維持することにより、又、基板の温度を所定条件に
維持することにより、又は、或いは、プラズマ密度を所
定条件に保つようにすることにより、或いは、加えるに
後工程の熱処理条件をコントロールすることにより、ブ
リッジ出力のゼロ点の温度係数が所定値以下となるよう
にするか、各ゲージパターンの抵抗体の温度係数の値を
可及的にゼロに等しいようにするようにして金属薄膜層
を1層のみに抑えることが出来るようにして、以後、ゼ
ロ点の温度補償を行わなくても高いデータ精度の再現性
を正確に維持することが出来るようにしてゲージパター
ン、導体用パターンの製作工数を低減し、低コストで製
造することが出来るようにした技術的手段を講じたもの
である。
<Means and Actions for Solving the Problems> In order to solve the above-mentioned problems, the configuration of the invention of the present application having the above-mentioned claims in accordance with the above-mentioned objects has been described in the form of a flexure element of a load converter such as a load cell. Heat-insulating organic resin such as polyimide, epoxy, etc. is applied to the side surface of a predetermined strained part, heated and cured to form a thin insulating layer, and then the gauge of the Wheatstone bridge is formed by means such as evaporation or sputtering. The pattern, and the pattern for zero point correction and conductors are formed in only one layer, and then photolithography, etching, and resist removal are performed to form a predetermined metal thin film layer. For example, by maintaining the wattage of the input power of sputtering at a predetermined value, or by maintaining the flow rate and pressure of Ar at set conditions, or by controlling the temperature of the substrate. The temperature coefficient of the zero point of the bridge output is maintained by maintaining the predetermined value, or by maintaining the plasma density under the predetermined condition, or by controlling the heat treatment conditions in the post-process. In order to keep the metal thin film layer to only one layer by making the temperature coefficient value of the resistor of each gauge pattern equal to or below zero as much as possible. Since then, it is possible to accurately maintain high data reproducibility without performing zero point temperature compensation, reduce the man-hours required to manufacture gauge patterns and conductor patterns, and manufacture at low cost. It takes technical measures to make it possible.

〈発明の基礎的背景〉 次に、この出願の発明の基礎的背景を説明すると、第
3図に示すホイートストーンブリッジについてその出力
式は となるのは当業者に周知のものであるが、今起歪体に歪
の加わらないゼロ点の時だけに注目すると、Ra〜Rdの各
抵抗Ra、Rb、Rc、Rdには該抵抗の温度係数αa、αb、
αc、αdのみが温度Tによる変動要素として入ってく
ることが分っている。
<Basic Background of the Invention> Next, the basic background of the invention of this application will be described. The output equation of the Wheatstone bridge shown in FIG. It is well known to those skilled in the art, but if attention is focused only on the zero point where the strain is not applied to the flexure element, the resistances Ra, Rb, Rc, and Rd of Ra to Rd are included in the resistance. Temperature coefficients αa, αb,
It is known that only αc and αd enter as a variation factor due to the temperature T.

即ち、 Ra′=Ra(1+αaT) Rb′=Rb(1+αbT) Rc′=Rc(1+αcT) Rd′=Rd(1+αdT) として(1)式に代入すると、 となる。That is, Ra '= Ra (1 + αaT) Rb ′ = Rb (1 + αbT) Rc ′ = Rc (1 + αcT) Rd ′ = Rd (1 + αdT) Becomes

この(2)式を温度Tの項に関して(但し、Tの2乗
項は無視)マクローリン級数展開すると、 となる。
When this equation (2) is expanded with respect to the term of the temperature T (however, the square term of T is ignored), Becomes

該(3)式の[ ]の第1、2項目は通常のブリッジ
バランスの出力式であり、第3項目以後が温度Tに従っ
て変動する要素の温度項である。
The first and second items of [] in the expression (3) are the output expressions of the ordinary bridge balance, and the third and subsequent items are the temperature terms of the elements that fluctuate according to the temperature T.

そこで、(3)式に於いて項式 が満足されると、出力は温度と無関係のなることが分
る。
Then, in equation (3), Is satisfied, the output becomes independent of temperature.

第3、4項をゼロにするには以下の2通りの方法が考
えられる。
The following two methods are conceivable to make the third and fourth terms zero.

即ち、 1)上記(4)式が成立するように各抵抗値(Ra、Rb、
Rc、Rd)を作り上げる。
1) Each resistance value (Ra, Rb,
Rc, Rd).

2)温度係数はゲージが出来上がった時に確定すること
になるので、Ra〜Rdの各抵抗体を(4)式を満足するよ
うにトリミングする。
2) Since the temperature coefficient is determined when the gauge is completed, the resistors of Ra to Rd are trimmed so as to satisfy the expression (4).

しかし、この方法は以下のa)、b)の2点で現実性
がない。
However, this method is not realistic in the following two points a) and b).

a)ブリッジの初期出力(ゼロ点出力)が保証されな
い。
a) The initial output (zero point output) of the bridge is not guaranteed.

即ち、ブリッジバランスを取りながら(4)式を満足
させることは出来ず、又、現実には非常に大きなトリミ
ング量となる。
That is, it is not possible to satisfy the expression (4) while maintaining the bridge balance, and in practice, the trimming amount becomes very large.

b)各抵抗体(Ra、Rb、Rc、Rd)の温度係数(αa、
αb、αc、αd)を全て独立に測定しなければ、トリ
ミング出来ないため、測定に多大な時間と労力を費すこ
とになり、管理操作が極めて煩雑となる。
b) Temperature coefficient of each resistor (Ra, Rb, Rc, Rd) (αa,
If all of αb, αc, and αd) are not measured independently, trimming cannot be performed, so that much time and labor is required for the measurement, and the management operation becomes extremely complicated.

そこで、この出願の発明では上述1)の点について検
討されたものである。
Therefore, the invention of this application has examined the above point 1).

前記(3)式の第1、2項よりブリッジバランスを取
らなければならないので、 Ra=Rb=Rc=Rd になるようにトリミングしたとすると、(3)式は更に
簡略化されて Vout′=1/4(αa+αd−αb−αc)T×Vex
(5) となり、 該(5)式の(αa+αd−αb−αc)を温度項と
する。
Since the bridge balance must be obtained from the first and second terms of the above equation (3), if trimming is performed so that Ra = Rb = Rc = Rd, the equation (3) is further simplified and Vout ′ = 1/4 (αa + αd-αb-αc) T × Vex
(5) where (αa + αd−αb−αc) in the equation (5) is defined as a temperature term.

即ち、該温度項について[αa+αd−αb−αc]
が可及的に小さくなるように各抵抗体Ra、Rb、Rc、Rdを
作り込めば良いこととなる。
That is, [αa + αd-αb-αc]
It is only necessary to form the resistors Ra, Rb, Rc, and Rd so as to reduce as much as possible.

又、多少この数字が規定値をオーバーしても抵抗値
(Ra、Rb、Rc、Rd)をバランスが崩れない程度にトリミ
ングして修正することも可能である。
Further, even if this number slightly exceeds the specified value, the resistance values (Ra, Rb, Rc, Rd) can be trimmed and corrected so that the balance is not lost.

例えば、±100ppm/℃のゼロ点温度係数に抑えようと
すると、[αa+αd−αb−αc]≦0.8ppm/℃以下
になるように各抵抗体(Ra、Rb、Rc、Rd)を作り込めば
良い。
For example, in order to suppress the zero point temperature coefficient to ± 100 ppm / ° C., it is necessary to make each resistor (Ra, Rb, Rc, Rd) such that [αa + αd−αb−αc] ≦ 0.8 ppm / ° C. or less. good.

該種態様はCu−Niの場合、α=−40〜60ppm/℃が通例
であり、したがって、このバラつきをいかに小さく抑え
られるかの条件を探せば良いことになる。
In the case of Cu-Ni, α = −40 to 60 ppm / ° C. is usually used as the seed mode. Therefore, it is sufficient to find a condition for suppressing the variation.

当該作り込み条件についてはこのうち、温度係数(α
a、αb、αc、αd)をばらつきなくコントロールす
るには、以下の1)、2)の2つのプロセスの条件をう
まく制御すれば実現化可能であることが分った。
The temperature coefficient (α
It has been found that it is feasible to control a, αb, αc, and αd) without variation by properly controlling the following two process conditions 1) and 2).

1)金属膜成長時の処理プロセス 2)熱処理時の処理プロセス まず、1)の金属膜成長時の処理プロセスについて金
属薄膜製作プロセスは色々あるが、スパッタリング態様
を例にして示すと ・スパッタ時のパワー(有効面積に対する投入ワット
数)が一定の条件を保つこと ・Ar流量と圧力(装置のパターン用の合金塊に対するイ
オン化Arの条件)の条件を保つこと ・基板温度を保つこと ・プラズマ密度を保つこと の上記4条件を種々組み合せると、前記温度係数条件
[αa+αd−αb−αc]≦0.8ppm/℃に作り込むこ
とが可能な条件があることになる。
1) Processing process at the time of metal film growth 2) Processing process at the time of heat treatment First, regarding the processing process at the time of 1) metal film growth, there are various metal thin film fabrication processes. Power (input wattage per effective area) must be kept constant. Ar flow rate and pressure (ionized Ar condition for alloy pattern for device pattern) must be maintained. Substrate temperature must be maintained. Plasma density must be maintained. When various combinations of the above four conditions for keeping are made, there are conditions that can be made to satisfy the temperature coefficient condition [αa + αd−αb−αc] ≦ 0.8 ppm / ° C.

しかしながら、これだけでは充分とは言えないため
に、2)の熱処理時の処理プロセスにおいて、熱処理温
度とその保持時間により抵抗値と(Ra、Rb、Rc、Rd)と
抵抗温度係数(αa、αb、αc、αd)をコントロー
ル出来る。
However, this alone cannot be said to be sufficient. In the heat treatment process of 2), the resistance value (Ra, Rb, Rc, Rd) and the temperature coefficient of resistance (αa, αb, αc, αd) can be controlled.

上記1)の点のの条件と2)の点のの条件の最適な組
み合せを求めて 1)[αa+αd−αb−αc]≦0.8にするか、 2)αa αb αc αd 0になるような最適条件
を限定すれば良く、これは現状の技術レベルで可能であ
り、現にそれは見つけられるものである。
The optimum combination of the condition of the point 1) and the condition of the point 2) is determined. 1) [αa + αd−αb−αc] ≦ 0.8 or 2) αaαbαcαd0 The conditions need only be limited and this is possible at the state of the art and indeed it can be found.

〈実施例〉 次に、この出願の発明の実施例を図面を参照して説明
すれば以下の通りである。
<Example> Next, an example of the invention of this application will be described with reference to the drawings.

第1図に示す実施例において、1は、例えば、スーパ
ーマーケットのバックヤードに於いて用いられる重量計
量装置に用いられるロードセルであり、そのジェラルミ
ン製等の起歪体2は面対称的に歪部形成用の抜き孔3が
形成されて、その片面の歪発生部分には在来態様同様に
起歪体2の形成仕上げ研磨後に洗浄作用を付与し、ポリ
イミド、エポキシ樹脂等の耐熱絶縁性有機樹脂製の塗布
液を所定厚さに均一に塗布した後、窒素ガス雰囲気中に
所定温度に加熱して塗布し、樹脂を熱硬化させて、例え
ば、6ミクロン程度の耐熱絶縁性皮膜4を形成させ、次
いで、銅−ニッケルのスパッタリングを行い在来態様同
様にレジスト塗布を行い、プリベークして露光させ現像
し、リンス付与してポストベークしてフォトリソ、エッ
チングによりレジスト除去を行い、ゲージパターンを1
層のみに形成させる。
In the embodiment shown in FIG. 1, reference numeral 1 denotes a load cell used in a weighing device used in, for example, a backyard of a supermarket. Hole 3 is formed, and a strain-generating portion on one side is provided with a cleaning action after finishing polishing of the strain-generating body 2 in the same manner as in the conventional mode, and is made of a heat-resistant insulating organic resin such as polyimide or epoxy resin. After uniformly applying the coating solution of a predetermined thickness to a predetermined thickness, the coating solution is heated to a predetermined temperature in a nitrogen gas atmosphere and applied, and the resin is thermally cured to form a heat-resistant insulating film 4 of, for example, about 6 microns. Then, copper-nickel sputtering is performed, resist coating is performed in the same manner as in the conventional mode, pre-baked, exposed and developed, rinsed, post-baked, and subjected to photolithography and etching. It performs a removal, a gauge pattern 1
Only the layer is formed.

当該基本的なプロセスは前記特公昭62−25977号公報
発明に示されているプロセスと同様であるが、金属薄膜
形成時の薄膜成長時に先述した基礎的背景に示されてい
るように、スパッタリング時に単位有効面積に投入する
ワット数を一定条件に保つことと、銅−ニッケル合金塊
に対するイオン化されたアルゴンの流量と圧力を一定条
件に保つようにしたり、基板の温度を一定に保つように
したりプラズマ密度を一定に保つようにする等の条件を
組み合せて先述(5)式の温度項の絶対値を、例えば、
0.8に等しいか小さくなるようにし、そして、かかる金
属薄膜の成長時の条件付与が充分でない場合には、更に
最終熱硬化処理プロセスにおける温度と該温度の保持時
間をコントロールすることにより上記温度項の絶対値
を、例えば、0.8に等しいか小さいようにする。
The basic process is similar to the process disclosed in the above-mentioned Japanese Patent Publication No. 62-25977, but as shown in the above-described basic background at the time of thin film growth at the time of forming a metal thin film, at the time of sputtering, Maintaining a constant wattage per unit effective area, maintaining a constant flow rate and pressure of ionized argon with respect to the copper-nickel alloy mass, maintaining a constant substrate temperature, and controlling plasma By combining conditions such as keeping the density constant, the absolute value of the temperature term in the above equation (5)
0.8 or less, and if the conditions during the growth of such a metal thin film are not sufficient, the temperature in the final heat-curing process and the holding time of the temperature are further controlled to control the temperature term. The absolute value is, for example, smaller or equal to 0.8.

そして、最終的に該導体用パターン層6の上部に保護
膜層7を所定に形成させて完成する。
Then, a protective film layer 7 is finally formed on the conductor pattern layer 6 in a predetermined manner to complete the process.

又、第2図に示すロードセル1′の態様においては、
絶対値4上にゲージパターン5を1層のみにして導体用
パターン6も併せ1層のみに形成させて、実質的に1層
にすることが出来るようにした態様である。
Further, in the embodiment of the load cell 1 'shown in FIG.
In this embodiment, only one layer of the gauge pattern 5 is formed on the absolute value 4 and the conductor pattern 6 is also formed in only one layer, so that the layer can be substantially made one layer.

当該実施例においても最終的に保護膜7が全体をカバ
ーしている。
In this embodiment as well, the protective film 7 finally covers the whole.

而して、当該1層にする時は、導体用パターン6部分
とゲージパターン5部分とは両者が同一結晶物質である
ことからゲージパターンの横幅と導体用パターンの横幅
とを調整することにより形成出来、例えば、通常ゲージ
パターンの横幅を10〜50ミクロンミリとし、導体用パタ
ーンの幅を1〜5mmとして5キロオームのゲージを製作
すると、導体用パターンの抵抗値は10オーム程度にな
り、充分実用に耐えるものが出来る。
Thus, when forming the single layer, the conductor pattern 6 and the gauge pattern 5 are formed by adjusting the lateral width of the gauge pattern and the lateral width of the conductor pattern since both are of the same crystalline material. For example, if the gauge width of the normal gauge pattern is 10 to 50 μm mm and the width of the conductor pattern is 1 to 5 mm and a gauge of 5 kΩ is manufactured, the resistance value of the conductor pattern will be about 10 ohm, and it is sufficiently practical What can withstand.

尚、この出願の発明の実施態様は上述各実施例に限る
ものでないことは勿論であり、例えば、荷重変換器につ
いてはロードセル以外のものにも適用可能であり、更
に、ロードセルについてはスーパーマーケットの重量計
量装置に適用する以外の各種測定機器に適用出来る等種
々の態様が採用可能である。
It should be noted that the embodiments of the invention of this application are not limited to the above-described embodiments. For example, the load converter can be applied to other than the load cell. Various modes can be adopted, such as being applicable to various measuring devices other than the application to the weighing device.

〈発明の効果〉 以上、この出願の発明によれば、基本的にジェラルミ
ン製の起歪体のビームの歪発生部分に絶縁層を塗布硬化
させて形成した後、蒸着法やスパッタリング法による所
定金属薄膜をゲージパターン、導体用パターンを1層の
みとして形成させ、更に、フォトリソ、エッチングによ
る処理を介して最終パターンを付与されたロードセルに
おいて、ブリッジ出力のゼロ点の温度係数が所定値以下
となるように、各ゲージパターンの抵抗体を作り込むの
で、完成後に該ゼロ点の温度補償を行う必要がなく、し
かも人手を介さずに同一特性のものを大量に生産出来る
ので製造工数を少くして特性面、及び、コスト的に極め
て有利な条件を引き出すことが出来るという優れた効果
が奏される。
<Effects of the Invention> As described above, according to the invention of this application, an insulating layer is basically applied to a strain-generating body made of duralumin at a strain-generating portion by applying and curing, and then a predetermined metal is formed by a vapor deposition method or a sputtering method. In a load cell in which a thin film is formed as a gauge pattern and a conductor pattern as only one layer, and further a final pattern is provided through a process such as photolithography and etching, the temperature coefficient of the zero point of the bridge output becomes a predetermined value or less. In addition, since the resistors of each gauge pattern are built, there is no need to perform temperature compensation for the zero point after completion, and since the same characteristics can be mass-produced without human intervention, the number of manufacturing steps is reduced and the characteristics are reduced. An excellent effect that extremely advantageous conditions in terms of surface and cost can be obtained.

而して、その製造方法において連続薄膜の成長時、又
は、熱処理プロセス時にスパッタリング時の投入パワ
ー、アルゴン流量と圧力、基板の温度、プラズマ密度を
一定条件に維持するようにしたり、温度と該温度の保持
時間を所定にコントロールすることにより、ブリッジ出
力のゼロ点の温度係数が所定値以下となるようにし、
又、各抵抗体の温度係数が可及的にゼロに等しくなるよ
うにして、金属薄膜層の形成時にフォトリソ、エッチン
グプロセスでの工数削減、各プロセスにおける測定管理
等に多大な時間やエネルギーを要することなく、しか
も、精度の高く再現性の良い微弱な測定データを取り出
すことが出来るという優れた効果が奏される。
Therefore, in the manufacturing method, the input power, the flow rate and the pressure of argon, the temperature of the substrate, the temperature of the substrate, and the plasma density are maintained at constant conditions during the growth of the continuous thin film or during the heat treatment process. Control the holding time of the bridge output so that the temperature coefficient of the zero point of the bridge output is equal to or less than a predetermined value,
In addition, by setting the temperature coefficient of each resistor to be as equal to zero as possible, a large amount of time and energy is required for photolithography during the formation of the metal thin film layer, reduction in man-hours in the etching process, measurement management in each process, and the like. An excellent effect is obtained in that weak measurement data with high accuracy and high reproducibility can be taken out.

そのため、起歪体の歪発生部分に添着する薄膜金属層
を従来の如く1層のみにすることによる工数削減、精度
管理の煩瑣な手続きを著しく省略させ、製品精度に対す
る信頼を向上させ、コストダウンを導き出すことが出来
るという優れた効果が奏される。
Therefore, the number of steps is reduced by using only one thin-film metal layer attached to the strain-generating portion of the flexure element as in the prior art, complicated procedures for precision control are remarkably omitted, reliability in product precision is improved, and cost is reduced. The excellent effect that can be derived is produced.

このようにすることにより、起歪体に添設するゲージ
パターン、及び、導体用パターンの層構造を従来の3層
以上のものから1層のみ構造への変更によることから前
述した如く、温度補正用の抵抗体が各ゲージのブリッジ
の各辺ごとに所定の態様で作り込まれることにより不要
となることが可能となる効果が奏される。
In this way, the layer structure of the gauge pattern attached to the strain body and the conductor pattern is changed from the conventional structure of three or more layers to the structure of only one layer. It is possible to eliminate the necessity of forming the resistors for each gauge in a predetermined manner for each side of the bridge of each gauge.

特に、フォトリソプロセスを2回反復することによ
り、加工出来、又、選択するエッチングを行いたくなけ
れば、導体用パターンの膜体はゲージパターン加工成形
後にシャドーマスクを被せてスパッタリング等で成膜す
ることが得られる効果がある。
In particular, if the photolithography process can be repeated twice to process and if you do not want to perform selective etching, the conductor pattern film should be formed by sputtering or the like with a shadow mask after gauge pattern processing and molding. The effect is obtained.

而して、第1層だけで導体用パターン、ゲージパター
ン部についてトリミング用のパターンを作れば良く、こ
れにより1層構造への変更が可能となる効果もある。
Thus, it is only necessary to form a conductor pattern and a trimming pattern for the gauge pattern portion using only the first layer. This has an effect that a change to a one-layer structure is possible.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

図面はこの出願の発明の実施例の説明図であり、第1、
2図はロードセルの概略模式側面図、第3図はホイート
ストーンブリッジの回路図である。 2……起歪体、5……ゲージパターン、 1……ロードセル
The drawings are explanatory views of the embodiments of the invention of the present application.
FIG. 2 is a schematic side view of a load cell, and FIG. 3 is a circuit diagram of a Wheatstone bridge. 2 ... strain body, 5 ... gauge pattern, 1 ... load cell

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】起歪体の歪部側面に耐熱絶縁皮膜を介して
ホイートストーンブリッジ形成用のゲージパターンを成
す金属薄膜層が形成されているロードセルにおいて、4
つのゲージパターンの抵抗体が、ブリッジ出力のゼロ点
の温度係数が所定値以下となる値に作り込まれており、
該ゲージパターンと導体用パターンとが1層のみの層で
形成されていることを特徴とするロードセル。
In a load cell, a metal thin film layer forming a gauge pattern for forming a Wheatstone bridge is formed on a side surface of a strained portion of a strain body via a heat-resistant insulating film.
The resistors of the two gauge patterns are built to a value at which the temperature coefficient of the zero point of the bridge output is equal to or less than a predetermined value,
A load cell, wherein the gauge pattern and the conductor pattern are formed of only one layer.
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