JP6774861B2 - Strain resistance film and strain sensor for high temperature, and their manufacturing method - Google Patents

Strain resistance film and strain sensor for high temperature, and their manufacturing method Download PDF

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Description

本発明は、高温で優れた特性を有する歪抵抗膜およびそのような歪抵抗膜を用いた高温用歪センサ、ならびにそれらの製造方法に関する。 The present invention relates to a strain resistance film having excellent properties at high temperatures, a strain sensor for high temperature using such a strain resistance film, and a method for manufacturing the same.

歪センサは、薄膜、細線または箔形状のセンサ材の電気抵抗が弾性歪によって変化する現象を利用するものであり、その抵抗変化を測定することにより、歪や応力の計測ならびに変換に用いられる。 The strain sensor utilizes a phenomenon in which the electrical resistance of a thin film, fine wire, or foil-shaped sensor material changes due to elastic strain, and is used for measuring and converting strain and stress by measuring the resistance change.

歪センサの感度は、ゲージ率Kによって決まり、Kの値は一般に以下の(1)式で与えられる。
K=(ΔR/R)/(Δl/l)=1+2σ+(Δρ/ρ)/(Δl/l) (1)
ここで、R、σおよびρは、それぞれセンサ材である薄膜、細線または箔の全抵抗、ポアソン比および比電気抵抗である。またlは被測定体の全長であり、よってΔl/lは被測定体に生じる歪を表す。一般に、金属・合金におけるσはほぼ0.3であるから、前記の式における右辺第1項と第2項の合計は約1.6でほぼ一定の値となる。したがってゲージ率を大きくするためには、前記の式における第3項が大きいことが必須条件である。すなわち、材料に引っ張り変形を与えたとき材料の長さ方向の電子構造が大幅に変化し、比電気抵抗の変化量Δρ/ρが増加することによる。
The sensitivity of the strain sensor is determined by the gauge factor K, and the value of K is generally given by the following equation (1).
K = (ΔR / R) / (Δl / l) = 1 + 2σ + (Δρ / ρ) / (Δl / l) (1)
Here, R, σ, and ρ are the total resistance, Poisson's ratio, and specific electrical resistance of the thin film, thin wire, or foil that is the sensor material, respectively. Further, l is the total length of the object to be measured, and Δl / l represents the strain generated in the object to be measured. In general, since σ in metals and alloys is approximately 0.3, the sum of the first term and the second term on the right side in the above equation is about 1.6, which is a substantially constant value. Therefore, in order to increase the gauge ratio, it is an essential condition that the third term in the above equation is large. That is, when the material is subjected to tensile deformation, the electronic structure in the length direction of the material changes significantly, and the amount of change in specific electrical resistance Δρ / ρ increases.

そこで近年になって注目されたのが、バルクのゲージ率として26〜28という非常に大きい値が報告されていたクロミウム(Cr)である。Crは加工が非常に困難であるが、加工を必要としない薄膜化によって歪センサに応用することができ、Crは薄膜化してもゲージ率が約15と依然として大きいため、Cr薄膜が歪センサとして注目されている(例えば特許文献1)。 Therefore, in recent years, attention has been paid to chromium (Cr), which has been reported to have a very large bulk gauge ratio of 26 to 28. Although Cr is very difficult to process, it can be applied to a strain sensor by thinning it without processing, and even if Cr is thinned, the gauge ratio is still large at about 15, so the Cr thin film can be used as a strain sensor. It is attracting attention (for example, Patent Document 1).

一方、近年、自動車および航空機等の内燃機関関連、射出成型、地熱発電、油田開発、火力発電のタービン関連など、200〜700℃の高温領域においてゲージ率が高く高感度な各種力学量のセンシングが強く要望されている。 On the other hand, in recent years, sensing of various dynamic quantities with high gauge ratio and high sensitivity in the high temperature range of 200 to 700 ° C, such as internal combustion engine related to automobiles and aircraft, injection molding, geothermal power generation, oil field development, turbine related to thermal power generation, etc. It is strongly requested.

特許文献2、3には、Cr系薄膜を用いて、このような高温での力学量のセンシングを行う技術が開示されている。 Patent Documents 2 and 3 disclose a technique for sensing a mechanical quantity at such a high temperature by using a Cr-based thin film.

特開昭61−256233号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 61-256233 特開2005−69685号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2005-69685 特開2012−207985号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2012-207985

ところで、高温領域で使用される歪ゲージにおいても、3以上という実用的な大きさのゲージ率が求められているが、上記特許文献2,3では、高温でのゲージ率は測定しておらず不明である。 By the way, even in strain gauges used in a high temperature region, a gauge ratio having a practical size of 3 or more is required, but in the above Patent Documents 2 and 3, the gauge ratio at a high temperature is not measured. It is unknown.

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、所定の高温領域において、高いゲージ率を示す歪抵抗膜およびその製造方法、ならびに、そのような歪抵抗膜を用いた高温用歪センサおよびその製造方法を提供することを課題とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and a strain resistance film exhibiting a high gauge ratio in a predetermined high temperature region, a method for producing the same, and a strain for high temperature using such a strain resistance film. An object of the present invention is to provide a sensor and a method for manufacturing the same.

本発明者は、先に、Cr薄膜を歪抵抗膜として用い、所定の高温での使用温度領域の上限よりも50℃以上高い温度で大気中において所定時間の熱処理を施すことにより、その高温での使用温度範囲において、実用的なゲージ率が得られることを見出し、特許出願した(特願2016−169410)。 The present inventor first uses a Cr thin film as a strain resistance film and heat-treats it in the air at a temperature 50 ° C. or higher higher than the upper limit of the operating temperature range at a predetermined high temperature for a predetermined time at that high temperature. We have found that a practical gauge ratio can be obtained in the operating temperature range of (Japanese Patent Application No. 2016-169410).

しかし、このようなCr薄膜は、100℃ではゲージ率の値が14程度であるが、100℃を超えるとゲージ率が低下して行き、250℃以上になると6程度、350℃以上になると4程度まで低下する。この値は、実用に供することができる値ではあるものの、常温から100℃におけるゲージ率よりもかなり小さい値である。このため、高温においてさらに大きなゲージ率を示す材料を見出すべく、Crに他の元素を添加したCr系薄膜について検討した。 However, such a Cr thin film has a gauge ratio value of about 14 at 100 ° C., but the gauge ratio decreases when the temperature exceeds 100 ° C., about 6 when the temperature exceeds 250 ° C., and 4 when the temperature exceeds 350 ° C. It drops to a degree. Although this value can be put to practical use, it is considerably smaller than the gauge ratio at room temperature to 100 ° C. Therefore, in order to find a material that exhibits a larger gauge ratio at high temperatures, a Cr-based thin film in which other elements are added to Cr was examined.

その結果、Crに添加する元素としてMnまたはAlを用い、その量を適切に調整することにより、250〜500℃において、Cr薄膜より高い6以上のゲージ率を安定的に得られることを見出した。 As a result, it was found that by using Mn or Al as an element to be added to Cr and adjusting the amount appropriately, a gauge ratio of 6 or more, which is higher than that of the Cr thin film, can be stably obtained at 250 to 500 ° C. ..

本発明は、このような知見に基づいてなされたものであり、以下の(1)〜(16)を提供する。 The present invention has been made based on such findings, and provides the following (1) to (16).

(1)一般式Cr100−xMn
(ただし、xは原子比率(at.%)であり、0.1≦x≦34である)で表され、かつ使用温度範囲が250℃以上500℃以下であり、前記使用温度範囲において、ゲージ率が6以上であることを特徴とする歪抵抗膜。
(1) General formula Cr 100-x Mn x
(However, x is an atomic ratio (at.%), 0.1 ≦ x ≦ 34), and the operating temperature range is 250 ° C. or higher and 500 ° C. or lower, and the gauge is in the operating temperature range. A strain resistance film having a ratio of 6 or more.

(2)一般式Cr100−xAl
(ただし、xは原子比率(at.%)であり、4≦x≦25である)で表され、かつ使用温度範囲が250℃以上500℃以下であり、前記使用温度範囲において、ゲージ率が6以上であることを特徴とする歪抵抗膜。
(2) General formula Cr 100-x Al x
(However, x is an atomic ratio (at.%), Which is 4 ≦ x ≦ 25), and the operating temperature range is 250 ° C. or higher and 500 ° C. or lower, and the gauge ratio is high in the operating temperature range. A strain resistance film having a temperature of 6 or more.

(3)使用温度範囲が250℃以上450℃以下であり、前記使用温度範囲において、抵抗値の安定性が±0.2%以内であることを特徴とする(1)または(2)に記載の歪抵抗膜。 (3) The description according to (1) or (2), wherein the operating temperature range is 250 ° C. or higher and 450 ° C. or lower, and the stability of the resistance value is within ± 0.2% in the operating temperature range. Strain resistance film.

(4)使用温度範囲が250℃以上400℃以下であり、前記使用温度範囲において、抵抗値の安定性が±0.02%以内であることを特徴とする(3)に記載の歪抵抗膜。 (4) The strain resistance film according to (3), wherein the operating temperature range is 250 ° C. or higher and 400 ° C. or lower, and the stability of the resistance value is within ± 0.02% in the operating temperature range. ..

(5)一般式Cr100−xMn
(ただし、xは原子比率(at.%)であり、0.1≦x≦34である)で表される薄膜を形成し、250℃以上500℃以下の範囲における使用する上限温度よりも50℃以上高い温度で大気中において30分以上4時間以下の熱処理を施し、250℃以上500℃以下の温度範囲において、ゲージ率が6以上である歪抵抗膜を得ることを特徴とする歪抵抗膜の製造方法。
(5) General formula Cr 100-x Mn x
(However, x is an atomic ratio (at.%), And 0.1 ≦ x ≦ 34), and forms a thin film, which is 50 than the upper limit temperature used in the range of 250 ° C. or higher and 500 ° C. or lower. A strain resistance film having a gauge ratio of 6 or more in a temperature range of 250 ° C. or higher and 500 ° C. or lower by heat treatment in the air at a temperature higher than ° C. for 30 minutes or longer and 4 hours or lower. Manufacturing method.

(6)一般式Cr100−xAl
(ただし、xは原子比率(at.%)であり、4≦x≦25である)で表される薄膜を形成し、250℃以上500℃以下の範囲における使用する上限温度よりも50℃以上高い温度で大気中において30分以上4時間以下の熱処理を施し、250℃以上500℃以下の温度範囲において、ゲージ率が6以上である歪抵抗膜を得ることを特徴とする歪抵抗膜の製造方法。
(6) General formula Cr 100-x Al x
(However, x is an atomic ratio (at.%), And 4 ≦ x ≦ 25.) A thin film is formed, and the temperature is 50 ° C. or higher than the upper limit temperature used in the range of 250 ° C. or higher and 500 ° C. or lower. Manufacture of a strain resistance film having a gauge ratio of 6 or more in a temperature range of 250 ° C. or more and 500 ° C. or less by performing a heat treatment at a high temperature in the atmosphere for 30 minutes or more and 4 hours or less. Method.

(7)250℃以上450℃以下の範囲における使用する上限温度よりも50℃以上高い温度で大気中において30分以上4時間以下の熱処理を施し、250℃以上450℃以下の範囲において、抵抗値の安定性が±0.2%以内であることを特徴とする(5)または(6)に記載の歪抵抗膜の製造方法。 (7) Heat treatment is performed in the atmosphere for 30 minutes or more and 4 hours or less at a temperature 50 ° C or more higher than the upper limit temperature used in the range of 250 ° C or more and 450 ° C or less, and the resistance value is in the range of 250 ° C or more and 450 ° C or less. The method for producing a strain resistance film according to (5) or (6), wherein the stability of the strain resistance film is within ± 0.2%.

(8)250℃以上400℃以下の範囲における使用する上限温度よりも50℃以上高い温度で大気中において30分以上4時間以下の熱処理を施し、250℃以上400℃以下の範囲において、抵抗値の安定性が±0.02%以内であることを特徴とする(7)に記載の歪抵抗膜の製造方法。 (8) Heat treatment is performed in the atmosphere for 30 minutes or more and 4 hours or less at a temperature 50 ° C or more higher than the upper limit temperature used in the range of 250 ° C or more and 400 ° C or less, and the resistance value is in the range of 250 ° C or more and 400 ° C or less. The method for producing a strain resistance film according to (7), wherein the stability of the strain resistance film is within ± 0.02%.

(9)一般式Cr100−xMn
(ただし、xは原子比率(at.%)であり、0.1≦x≦34である)で表される薄膜で構成され、かつ使用温度範囲が250℃以上500℃以下であり、前記使用温度範囲において、ゲージ率が6以上の歪抵抗膜を起歪構造体上に形成してなることを特徴とする高温用歪センサ。
(9) General formula Cr 100-x Mn x
(However, x is an atomic ratio (at.%), And 0.1 ≦ x ≦ 34), and the operating temperature range is 250 ° C. or higher and 500 ° C. or lower. A strain sensor for high temperature characterized in that a strain resistance film having a gauge ratio of 6 or more is formed on a strain generating structure in a temperature range.

(10)一般式Cr100−xAl
(ただし、xは原子比率(at.%)であり、4≦x≦25である)で表される薄膜で構成され、かつ使用温度範囲が250℃以上500℃以下であり、前記使用温度範囲において、ゲージ率が6以上の歪抵抗膜を起歪構造体上に形成してなることを特徴とする高温用歪センサ。
(10) General formula Cr 100-x Al x
(However, x is an atomic ratio (at.%), And 4 ≦ x ≦ 25), and the working temperature range is 250 ° C. or higher and 500 ° C. or lower. A high temperature strain sensor characterized in that a strain resistance film having a gauge ratio of 6 or more is formed on a strain generating structure.

(11)使用温度範囲が250℃以上450℃以下であり、前記使用温度範囲における前記歪抵抗膜の抵抗安定性が±0.2%以内であることを特徴とする(9)または(10)に記載の高温用歪センサ。 (11) The operating temperature range is 250 ° C. or higher and 450 ° C. or lower, and the resistance stability of the strain resistance film in the operating temperature range is within ± 0.2% (9) or (10). Distortion sensor for high temperature described in.

(12)使用温度範囲が250℃以上400℃以下であり、前記使用温度範囲における前記歪抵抗膜の抵抗安定性が±0.02%以内であることを特徴とする(11)に記載の高温用歪センサ。 (12) The high temperature according to (11), wherein the operating temperature range is 250 ° C. or higher and 400 ° C. or lower, and the resistance stability of the strain resistance film in the operating temperature range is within ± 0.02%. Distortion sensor for.

(13)一般式Cr100−xMn
(ただし、xは原子比率(at.%)であり、0.1≦x≦34である)で表される薄膜を起歪構造体上に形成し、250℃以上500℃以下の範囲における使用する上限温度よりも50℃以上高い温度で大気中において30分以上4時間以下の熱処理を施し、250℃以上500℃以下の温度範囲において、ゲージ率が6以上である歪抵抗膜とし、これを用いて高温用歪センサを製造することを特徴とする高温用歪センサの製造方法。
(13) General formula Cr 100-x Mn x
(However, x is an atomic ratio (at.%), And 0.1 ≦ x ≦ 34) is formed on the strain-causing structure and used in the range of 250 ° C. or higher and 500 ° C. or lower. Heat treatment is performed in the air for 30 minutes or more and 4 hours or less at a temperature higher than the upper limit temperature of 50 ° C. or more to obtain a strain resistance film having a gauge ratio of 6 or more in a temperature range of 250 ° C. or more and 500 ° C. or less. A method for manufacturing a high-temperature strain sensor, which comprises using it to manufacture a high-temperature strain sensor.

(14)一般式Cr100−xAl
(ただし、xは原子比率(at.%)であり、4≦x≦25である)で表される薄膜を起歪構造体上に形成し、250℃以上500℃以下の範囲における使用する上限温度よりも50℃以上高い温度で大気中において30分以上4時間以下の熱処理を施し、250℃以上500℃以下の温度範囲において、ゲージ率が6以上である歪抵抗膜とし、これを用いて高温用歪センサを製造することを特徴とする高温用歪センサの製造方法。
(14) General formula Cr 100-x Al x
(However, x is an atomic ratio (at.%), And 4 ≦ x ≦ 25.) A thin film represented by is formed on the strain-causing structure, and the upper limit of use in the range of 250 ° C. or higher and 500 ° C. or lower. A strain resistance film having a gauge ratio of 6 or more in a temperature range of 250 ° C. or higher and 500 ° C. or lower is obtained by heat treatment in the air at a temperature higher than the temperature of 50 ° C. or higher for 30 minutes or longer and 4 hours or shorter. A method for manufacturing a high temperature strain sensor, which comprises manufacturing a high temperature strain sensor.

(15)使用温度範囲が250℃以上450℃以下であり、前記使用温度範囲における前記歪抵抗膜の抵抗安定性が±0.2%以内であることを特徴とする(13)または(14)に記載の高温用歪センサの製造方法。 (15) The operating temperature range is 250 ° C. or higher and 450 ° C. or lower, and the resistance stability of the strain resistance film in the operating temperature range is within ± 0.2% (13) or (14). The method for manufacturing a strain sensor for high temperature described in 1.

(16)使用温度範囲が250℃以上400℃以下であり、前記使用温度範囲における前記歪抵抗膜の抵抗安定性が±0.02%以内であることを特徴とする(15)に記載の高温用歪センサの製造方法。 (16) The high temperature according to (15), wherein the operating temperature range is 250 ° C. or higher and 400 ° C. or lower, and the resistance stability of the strain resistance film in the operating temperature range is within ± 0.02%. Manufacturing method of strain sensor for.

本発明によれば、高温領域において、高いゲージ率が安定して得られる歪抵抗膜およびその製造方法、ならびに、そのような歪抵抗膜を用いた高温用歪センサおよびその製造方法が提供される。 According to the present invention, there is provided a strain resistance film capable of stably obtaining a high gauge ratio in a high temperature region and a method for manufacturing the same, and a strain sensor for high temperature using such a strain resistance film and a method for manufacturing the same. ..

Crに添加する元素Xの量とネール温度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the amount of element X added to Cr, and the Néel temperature. Crに添加する元素Xの量とネール温度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the amount of element X added to Cr, and the Néel temperature. Cr−Al合金のAlの添加量とネール温度の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the addition amount of Al of Cr—Al alloy and the Néel temperature. Cr−Mn合金のMnの添加量とネール温度の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the addition amount of Mn of a Cr—Mn alloy, and the Néel temperature. 高温歪印加電気抵抗測定装置を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the electric resistance measuring apparatus which applied high temperature strain. 曲げ試験シーケンスを示す図である。It is a figure which shows the bending test sequence. Cr薄膜(サンプルA)の測定温度とゲージ率との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the measurement temperature of a Cr thin film (sample A), and the gauge ratio. Cr薄膜(サンプルA)とCr−3.0at.%Mn薄膜(サンプルB)の測定温度とゲージ率との関係を示す図である。Cr thin film (Sample A) and Cr-3.0 at. It is a figure which shows the relationship between the measurement temperature of% Mn thin film (sample B), and the gauge ratio. Cr薄膜(サンプルA)とCr−14.1at.%Al薄膜(サンプルC)の測定温度とゲージ率との関係を示す図である。Cr thin film (Sample A) and Cr-14.1 at. It is a figure which shows the relationship between the measurement temperature of% Al thin film (sample C), and the gauge ratio. Cr薄膜(サンプルA)の測定温度に対するゲージ率および抵抗の値を示す図である。It is a figure which shows the value of the gauge ratio and resistance with respect to the measurement temperature of a Cr thin film (sample A). Cr−3.0at.%Mn薄膜(サンプルB)の測定温度に対するゲージ率および抵抗の値を示す図である。Cr-3.0 at. It is a figure which shows the value of the gauge ratio and resistance with respect to the measurement temperature of a% Mn thin film (sample B). Cr−14.1at.%Al薄膜(サンプルC)の測定温度に対するゲージ率および抵抗の温度変化を示す図である。Cr-14.1 at. It is a figure which shows the temperature change of the gauge ratio and resistance with respect to the measurement temperature of a% Al thin film (sample C). Cr−3.0at.%Mn薄膜(サンプルB)の抵抗変化率(ΔR/R)を示す図である。Cr-3.0 at. It is a figure which shows the resistance change rate (ΔR / R 0 ) of% Mn thin film (sample B). Cr−14.1at.%Al薄膜(サンプルC)の抵抗変化率(ΔR/R)を示す図である。Cr-14.1 at. It is a figure which shows the resistance change rate (ΔR / R 0 ) of% Al thin film (sample C). 比較例であるCr−4.4at.%Ni薄膜における測定温度と抵抗の値との関係を示す図、および測定温度とゲージ率との関係を示す図である。A comparative example of Cr-4.4 at. It is a figure which shows the relationship between the measurement temperature and the value of resistance in% Ni thin film, and the figure which shows the relationship between the measurement temperature and a gauge ratio.

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
Cr系薄膜においては、一般に、その電気抵抗は、広い温度領域全般に亘っては、通常の金属と同様に温度変化に対し正の傾きで変化するが、Crの反強磁性に関連するネール温度において極小値をとることが知られている。すなわち、ネール温度近傍のネール温度以下の温度領域では、電気抵抗の傾きが負になるかまたは傾きの減少が生じて極小点であるネール温度に至り、ネール温度以上の温度領域では再び正の傾きで電気抵抗が増加していく挙動を示す。そこで実際に種々のCr系薄膜の抵抗値の温度依存性を調査した結果、電気抵抗の温度変化においてネール温度と考えられる極小値が見出された。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
In a Cr-based thin film, in general, its electric resistance changes with a positive gradient with respect to a temperature change like a normal metal over a wide temperature range, but the Néel temperature related to the antiferromagnetism of Cr. It is known to take a minimum value in. That is, in the temperature range below the Néel temperature near the Néel temperature, the inclination of the electric resistance becomes negative or the inclination decreases to reach the minimum point Néel temperature, and in the temperature range above the Néel temperature, the inclination becomes positive again. Shows the behavior of increasing electrical resistance. Therefore, as a result of actually investigating the temperature dependence of the resistance values of various Cr-based thin films, a minimum value considered to be the Néel temperature was found in the temperature change of the electrical resistance.

一方、過去の文献(E.Fawcett et al.:"Spin-density-wave antiferromagnetism in chromium alloys", Rev.Mod.Phys.,66(1),(1994).)には、Crに添加する元素Xの量とネール温度との関係が示されている。その40ページ、39ページに実際に示された、添加元素Xの量とネール温度との関係を、図1および図2に示す。これらに示すように、Crのネール温度が300K(127℃)程度であるのに対し、CrにAl、Mn、Pt、Re、Ru、Rh、Os、Ir、Ga、およびGeを添加することにより、添加する量に応じてネール温度が上昇することがわかる。 On the other hand, in the past literature (E. Fawcett et al .: "Spin-density-wave antiferromagnetism in chromium alloys", Rev. Mod. Phys., 66 (1), (1994).), Elements added to Cr The relationship between the amount of X and the nail temperature is shown. The relationship between the amount of the additive element X and the Néel temperature actually shown on pages 40 and 39 is shown in FIGS. 1 and 2. As shown in these, while the Neel temperature of Cr is about 300K (127 ° C.), by adding Al, Mn, Pt, Re, Ru, Rh, Os, Ir, Ga, and Ge to Cr, It can be seen that the nail temperature rises according to the amount added.

これらの中で、MnとAl以外の他の元素はネール温度の上昇がおよそ300℃までであるのに対し、MnとAlは500℃を超える温度までネール温度を上昇させ得ることが確認された。 Among these, it was confirmed that the elements other than Mn and Al can raise the Néel temperature up to about 300 ° C, whereas Mn and Al can raise the Néel temperature up to a temperature exceeding 500 ° C. ..

Cr−Al合金の磁気状態図、つまりAlの添加量とネール温度の関係が上記文献の48ページに示されており、その図を図3に示す。図3から、CrへのAlの添加量が約25at%までネール温度が上昇し、その最高温度は約800K、すなわち約530℃であることがわかる。 The magnetic phase diagram of the Cr—Al alloy, that is, the relationship between the amount of Al added and the Néel temperature is shown on page 48 of the above document, and the figure is shown in FIG. From FIG. 3, it can be seen that the Néel temperature rises to about 25 at% of the amount of Al added to Cr, and the maximum temperature is about 800 K, that is, about 530 ° C.

Mnの添加量とネール温度の関係については、上記文献の85ページに示されており、その図を図4に示す。この図の中で1〜20は、Mn添加量が異なっており、1がMn:0at.%、2がMn:0.1at.%、3がMn:0.2at.%、・・・・・8がMn:0.7at.%、9が1.0at.%、・・・・16がMn:6.0at.%、・・・・19がMn:30at.%、20がMn:34at.%である。この図に示すように、Mn添加量が34at.%まで、ネール温度が一様に上昇し、その最高温度は約780K、すなわち約510℃であることがわかる。 The relationship between the amount of Mn added and the Néel temperature is shown on page 85 of the above document, and the figure is shown in FIG. In this figure, 1 to 20 have different amounts of Mn added, and 1 is Mn: 0 at. % 2 is Mn: 0.1 at. % 3 is Mn: 0.2 at. %, ... 8 is Mn: 0.7 at. %, 9 is 1.0 at. %, ... 16 is Mn: 6.0 at. %, ... 19 is Mn: 30 at. %, 20 is Mn: 34 at. %. As shown in this figure, the amount of Mn added is 34 at. It can be seen that the Néel temperature rises uniformly up to%, and its maximum temperature is about 780 K, or about 510 ° C.

一方、後述するように高温におけるゲージ率を測定した結果、Cr系薄膜においては、ほとんどの場合、ネール温度のすぐ低温側にゲージ率のピークが現れることが確認された。そして、上述したネール温度が高いCr−Mn薄膜、Cr−Al薄膜の場合、MnまたはAl成分量の増加にともなって、ネール温度とともに、ゲージ率のピークまたはピーク高温側の傾斜のふもとが高温側へシフトしていく挙動が観察された。 On the other hand, as a result of measuring the gauge ratio at a high temperature as described later, it was confirmed that in most cases, the gauge ratio peak appears on the immediately low temperature side of the Néel temperature in the Cr-based thin film. In the case of the above-mentioned Cr-Mn thin film and Cr-Al thin film having a high Néel temperature, the peak of the gauge ratio or the base of the slope on the high temperature side of the peak becomes the high temperature side with the Néel temperature as the amount of Mn or Al component increases. The behavior of shifting to was observed.

このことから、Cr−Mn薄膜およびCr−Al薄膜は、MnおよびAl量に追従するネール温度の高温化にともなって、高温領域で大きなゲージ率を示すことが見出された。 From this, it was found that the Cr-Mn thin film and the Cr-Al thin film show a large gauge ratio in the high temperature region as the Néel temperature increases to follow the amount of Mn and Al.

そして、Cr−Al合金の場合、上記図3に示すように、Alが4at.%未満ではネール温度の減少が見られ、4〜25at.%でネール温度の上昇が見られ、Cr−Mn合金の場合、上記図4に示すように、Mnが0.1〜34at.%でネール温度の上昇がみられることから、Cr−Al薄膜では、Al量が4〜25at.%の範囲、Cr−Mn薄膜では、Mn量が0.1〜34at.%の範囲において、250〜500℃の高温領域で6以上の高いゲージ率を安定して示すことが見出された。 Then, in the case of the Cr—Al alloy, as shown in FIG. 3, Al is 4 at. If it is less than%, the Néel temperature decreases, and 4 to 25 at. The Néel temperature increased in%, and in the case of the Cr—Mn alloy, Mn was 0.1 to 34 at. As shown in FIG. Since the Néel temperature rises in%, the amount of Al in the Cr—Al thin film is 4 to 25 at. In the Cr-Mn thin film in the range of%, the amount of Mn is 0.1 to 34 at. In the% range, it was found that a high gauge ratio of 6 or more was stably exhibited in the high temperature region of 250 to 500 ° C.

このように、上記組成範囲のCr−Mn薄膜およびCr−Al薄膜は、高温用歪センサに用いる抵抗薄膜として良好な特性を有する。また、このような抵抗薄膜を歪材料として用いることにより、実用的な高温用歪センサが得られる。 As described above, the Cr-Mn thin film and the Cr-Al thin film in the above composition range have good characteristics as resistance thin films used for high temperature strain sensors. Further, by using such a resistance thin film as a strain material, a practical strain sensor for high temperature can be obtained.

また、上記Cr−Mn薄膜またはCr−Al薄膜からなる抵抗薄膜は、250℃以上450℃以下の範囲で、上記特性に加えて抵抗値の安定性が±0.2%以内という特性を示す。また、250℃以上400℃以下の範囲において、抵抗値の安定性が±0.02%以内と一層良好な抵抗安定性を示す。 Further, the resistance thin film made of the Cr—Mn thin film or the Cr—Al thin film exhibits a characteristic that the stability of the resistance value is within ± 0.2% in addition to the above characteristics in the range of 250 ° C. or higher and 450 ° C. or lower. Further, in the range of 250 ° C. or higher and 400 ° C. or lower, the stability of the resistance value is within ± 0.02%, which is more excellent resistance stability.

次に、高温におけるゲージ率の測定装置および方法について説明する。
上述したように、本発明は高温領域でのゲージ率が高い抵抗薄膜および歪センサを提供するものであり、高温でのゲージ率を把握することが必要であるが、従来、高温におけるゲージ率の測定方法が確立されていなかった。
Next, a device and a method for measuring the gauge ratio at high temperature will be described.
As described above, the present invention provides a resistance thin film and a strain sensor having a high gauge ratio in a high temperature region, and it is necessary to grasp the gauge ratio at a high temperature. The measurement method has not been established.

このため、高温におけるゲージ率を測定することができる装置と方法について様々な検討を行った結果、図5に示す高温歪印加電気抵抗測定装置に想到した。 Therefore, as a result of various studies on a device and a method capable of measuring the gauge ratio at a high temperature, the high temperature strain applied electric resistance measuring device shown in FIG. 5 was conceived.

図5の装置は、大気中で1000℃付近まで加熱することができる温度制御機能付きの電気オーブン1を有し、電気オーブン1の上部には窓2が形成されている。窓2は蓋部材3により塞がれており、蓋部材3には、電気オーブン1内に向けて下方に延びる支持棒4が固定されている。支持棒4は、電気オーブン1内の測定台5を支持している。 The device of FIG. 5 has an electric oven 1 having a temperature control function capable of heating to around 1000 ° C. in the atmosphere, and a window 2 is formed above the electric oven 1. The window 2 is closed by a lid member 3, and a support rod 4 extending downward toward the inside of the electric oven 1 is fixed to the lid member 3. The support rod 4 supports the measuring table 5 in the electric oven 1.

測定台5の上には固定部材6が設けられており、固定部材6には、基板7上に高周波スパッタリング等により所定パターンのCr系薄膜8が形成された試料20が片持ち梁固定されている。測定台5は箱状をなしており、内部に端子11を有する端子台10が設けられている。Cr系薄膜8と端子11はボンディングワイヤー9で接続されている。 A fixing member 6 is provided on the measuring table 5, and a sample 20 in which a Cr-based thin film 8 having a predetermined pattern is formed on the substrate 7 by high-frequency sputtering or the like is fixed to the fixing member 6 with a cantilever. There is. The measuring table 5 has a box shape, and a terminal block 10 having a terminal 11 inside is provided. The Cr-based thin film 8 and the terminal 11 are connected by a bonding wire 9.

端子11には耐熱配線ケーブル(図示せず)が接続されている。耐熱配線ケーブルは窓2を介して引き出され、測定系(DMM)14に接続されている。また、電源15も耐熱配線ケーブルにより接続されている。 A heat-resistant wiring cable (not shown) is connected to the terminal 11. The heat-resistant wiring cable is pulled out through the window 2 and connected to the measurement system (DMM) 14. The power supply 15 is also connected by a heat-resistant wiring cable.

蓋部材3にはマイクロメータ12が固定されており、マイクロメータ12からは歪印加用押し込み棒13が下方に延び、試料20の自由端近傍に接触するようになっている。これにより、マイクロメータ12により歪印加用押し込み棒13を所定長さ降下させて、試料20に所定の歪を印加することができるようになっている。 A micrometer 12 is fixed to the lid member 3, and a strain applying push rod 13 extends downward from the micrometer 12 so as to come into contact with the vicinity of the free end of the sample 20. As a result, the strain applying push rod 13 can be lowered by a predetermined length by the micrometer 12 to apply a predetermined strain to the sample 20.

このような高温歪印加電気抵抗測定装置により高温でのゲージ率を測定するに際しては、電気オーブン1内の温度を約800℃までの所定の温度に設定し、電気オーブン1の外部からマイクロメータ12により歪印加用押し込み棒13を操作して、試料20に所定の歪を印加し、歪抵抗膜の抵抗を測定する。このような操作を各温度で行い、各温度で得られた抵抗変化率を別途100℃で測定したゲージ率で校正し、高温でのゲージ率を求める。これにより、高温でのゲージ率を正確に求めることができる。 When measuring the gauge ratio at a high temperature with such a high temperature strain application electric resistance measuring device, the temperature inside the electric oven 1 is set to a predetermined temperature up to about 800 ° C., and the micrometer 12 is measured from the outside of the electric oven 1. By operating the strain applying push rod 13, a predetermined strain is applied to the sample 20 and the resistance of the strain resistance film is measured. Such an operation is performed at each temperature, and the resistance change rate obtained at each temperature is calibrated with a gauge rate separately measured at 100 ° C. to obtain a gauge rate at a high temperature. As a result, the gauge rate at high temperature can be accurately obtained.

次に、本発明の歪抵抗膜および歪センサの製造方法について説明する。
本発明では、基板上に歪抵抗膜として上述したCr−Mn薄膜またはCr−Al薄膜を成膜した後、250℃以上500℃以下における使用温度範囲の上限よりも50℃以上高い温度で大気中において30分以上4時間以下の熱処理を施す。例えば使用温度範囲の上限が300℃の場合は、350℃以上の温度でこのような熱処理を施す。
Next, a method for manufacturing the strain resistance film and the strain sensor of the present invention will be described.
In the present invention, after the above-mentioned Cr—Mn thin film or Cr—Al thin film is formed as a strain resistance film on the substrate, the temperature is 50 ° C. or higher higher than the upper limit of the operating temperature range at 250 ° C. or higher and 500 ° C. or lower in the atmosphere. Heat treatment is performed for 30 minutes or more and 4 hours or less. For example, when the upper limit of the operating temperature range is 300 ° C., such heat treatment is performed at a temperature of 350 ° C. or higher.

これにより、上述したように、使用範囲が250℃以上500℃以下の範囲で、ゲージ率が6以上の高いゲージ率を安定して示す歪抵抗膜を製造することができる。また、このようにして製造された歪抵抗膜は、450℃以下の範囲で、上記特性に加えて抵抗値の安定性が±0.2%以内、400℃以下の範囲において、抵抗値の安定性が±0.02%以内という良好な抵抗安定性を示す。 As a result, as described above, it is possible to manufacture a strain resistance film that stably exhibits a high gauge ratio of 6 or more in the range of use of 250 ° C. or higher and 500 ° C. or lower. Further, the strain resistance film produced in this manner has a stable resistance value within ± 0.2% in addition to the above characteristics in a range of 450 ° C. or lower, and a stable resistance value in a range of 400 ° C. or lower. It shows good resistance stability with properties within ± 0.02%.

そして、このような歪抵抗膜を用いることにより、高温用歪センサを製造することができる。 Then, by using such a strain resistance film, a strain sensor for high temperature can be manufactured.

本発明において、歪抵抗膜を構成するCr−Mn薄膜、Cr−Al薄膜を成膜する基材(起歪構造体)としては、耐熱性が良好な絶縁性セラミックスであるアルミナを好適に用いることができる。また、アルミナに限らず、他の種々のセラミックスを用いることもできる。さらに、基材としてステンレス鋼(SUS)等、種々の金属板に絶縁コートを施したものを用いることもできる。また、歪抵抗膜を構成するCr−Mn薄膜、Cr−Al薄膜を成膜する手法は特に限定されないがスパッタリング、特に高周波スパッタリングが好ましい。高周波スパッタリング装置としてはマグネトロン方式のものが好適である。高周波スパッタリングの際のガス圧は、16mTorr(2.13Pa)以下、例えば5mTorr(0.67Pa)が好ましい。歪抵抗膜として用いるCr系薄膜のパターンとしては、歪センサとして通常用いるパターンでよく、例えば格子状パターンを用いることができる。また、高周波スパッタリングに用いるターゲットとしては高純度のCr円盤にMnまたはAlのチップを所定個数貼り付けた複合ターゲットでもよいが、予め所定組成のCr−Mn、Cr−Alに調製された合金ターゲットを用いてもよい。 In the present invention, as the base material (distortion-causing structure) for forming the Cr—Mn thin film and the Cr—Al thin film constituting the strain resistance film, alumina, which is an insulating ceramic having good heat resistance, is preferably used. Can be done. Further, not limited to alumina, various other ceramics can also be used. Further, as the base material, various metal plates such as stainless steel (SUS) coated with an insulating coating can also be used. Further, the method for forming the Cr—Mn thin film and the Cr—Al thin film constituting the strain resistance film is not particularly limited, but sputtering, particularly high frequency sputtering is preferable. As the high-frequency sputtering apparatus, a magnetron type apparatus is preferable. The gas pressure during high-frequency sputtering is preferably 16 mTorr (2.13 Pa) or less, for example, 5 mTorr (0.67 Pa). As the pattern of the Cr-based thin film used as the strain resistance film, a pattern usually used as a strain sensor may be used, and for example, a grid pattern can be used. The target used for high-frequency sputtering may be a composite target in which a predetermined number of Mn or Al chips are attached to a high-purity Cr disk, but an alloy target prepared in advance to Cr-Mn or Cr-Al having a predetermined composition may be used. You may use it.

以下、本発明の実施例について説明する。
ここでは、まず、基材(起歪構造体)としてのアルミナ基板上に、高周波スパッタリングにより、比較材として格子状パターンのCr薄膜を成膜したサンプルAを準備した。その後、図5の装置により試料を大気中500℃で0.5時間の熱処理を施した後、図5の装置により450℃までの温度範囲におけるゲージ率を測定した。
Hereinafter, examples of the present invention will be described.
Here, first, sample A in which a Cr thin film having a lattice pattern was formed as a comparative material was prepared as a comparative material on an alumina substrate as a base material (distortion structure) by high-frequency sputtering. Then, the sample was heat-treated in the air at 500 ° C. for 0.5 hours by the apparatus of FIG. 5, and then the gauge ratio in the temperature range up to 450 ° C. was measured by the apparatus of FIG.

ゲージ率の測定に際しては、試料を測定台の所定の位置にセットし、各温度に保持した状態で、図5の装置のマイクロメータにより歪印加用押し込み棒を操作して、試料に図6のシーケンスで約0.05%の歪を印加する曲げ試験を行い、450℃までの各温度において抵抗測定を行った。各温度で得られた抵抗変化率を、別途100℃で測定したゲージ率で校正し、各温度でのゲージ率を求めた。 When measuring the gauge ratio, the sample is set at a predetermined position on the measuring table, and the sample is held at each temperature by operating the strain applying push rod with the micrometer of the device of FIG. A bending test was performed in which a strain of about 0.05% was applied in the sequence, and resistance was measured at each temperature up to 450 ° C. The resistance change rate obtained at each temperature was calibrated with a gauge rate separately measured at 100 ° C., and the gauge rate at each temperature was obtained.

その結果を図7に示す。この図に示すように、350℃以上450℃以下において、ゲージ率が3以上であり、かつゲージ率の温度変化が小さいことが確認された。 The result is shown in FIG. As shown in this figure, it was confirmed that the gauge ratio was 3 or more and the temperature change of the gauge ratio was small at 350 ° C. or higher and 450 ° C. or lower.

次に、基材(起歪構造体)としてのアルミナ基板上に、高周波スパッタリングにより、本発明例としてCr−3.0at.%Mn薄膜を成膜したサンプルBおよび、Cr−14.1at.%Al薄膜を成膜したサンプルCを準備した。その後、図5の装置により試料を大気中500℃で0.5時間の熱処理を施した後、図5の装置により450℃までの温度範囲におけるゲージ率を測定した。 Next, on an alumina substrate as a base material (distortion structure), high-frequency sputtering was performed to obtain Cr-3.0 at. Sample B on which a% Mn thin film was formed and Cr-14.1 at. Sample C on which a% Al thin film was formed was prepared. Then, the sample was heat-treated in the air at 500 ° C. for 0.5 hours by the apparatus of FIG. 5, and then the gauge ratio in the temperature range up to 450 ° C. was measured by the apparatus of FIG.

ゲージ率の測定に際しては、試料を測定台の所定の位置にセットし、各温度に保持した状態で、図5の装置のマイクロメータにより歪印加用押し込み棒を操作して、試料に図6のシーケンスで約0.05%の歪を印加する曲げ試験を行い、450℃までの各温度において抵抗測定を行った。各温度で得られた抵抗変化率を、別途100℃で測定したゲージ率で校正し、各温度でのゲージ率を求めた。 When measuring the gauge ratio, the sample is set at a predetermined position on the measuring table, and the sample is held at each temperature by operating the strain applying push rod with the micrometer of the device of FIG. A bending test was performed in which a strain of about 0.05% was applied in the sequence, and resistance was measured at each temperature up to 450 ° C. The resistance change rate obtained at each temperature was calibrated with a gauge rate separately measured at 100 ° C., and the gauge rate at each temperature was obtained.

その結果を図8、図9に示す。図8は、Cr薄膜を成膜したサンプルAとCr−3.0at.%Mn薄膜を成膜したサンプルBの結果を比較したものであり、図9はサンプルAとCr−14.1at.%Al薄膜を成膜したサンプルCの結果を比較したものである。これらの図に示すように、本発明例であるCr−3.0at.%Mn薄膜(サンプルB)およびCr−14.1at.%Al薄膜(サンプルC)は、250℃から450℃において、Cr薄膜(サンプルA)よりもゲージ率が高く、サンプルAでは250℃でゲージ率が6、300℃でゲージ率が5、350〜450℃でゲージ率が4程度であったのに対し、サンプルBおよびサンプルCでは、ほぼ6以上であった。 The results are shown in FIGS. 8 and 9. FIG. 8 shows Sample A on which a Cr thin film was formed and Cr-3.0 at. The results of Sample B on which a% Mn thin film was formed are compared. FIG. 9 shows Sample A and Cr-14.1 at. The results of Sample C on which a% Al thin film was formed were compared. As shown in these figures, Cr-3.0 at. % Mn thin film (Sample B) and Cr-14.1 at. The% Al thin film (sample C) has a higher gauge ratio than the Cr thin film (sample A) at 250 ° C to 450 ° C, and sample A has a gauge ratio of 6, at 250 ° C and a gauge ratio of 5,350 to 350 ° C. The gauge ratio was about 4 at 450 ° C., whereas it was about 6 or more in Sample B and Sample C.

なお、サンプルA〜Cの製造条件等の詳細について、以下にまとめて示す。
1.成膜方法:スパッタリング法
2.成膜装置:マグネトロン方式の高周波スパッタリング装置
3・ターゲット
・Cr:公称純度99.9%で直径75.5mmのCr円盤
・Cr−Mn、Cr−Al:上記Cr円盤状に5×5mm大で厚さ1mmのMnチップ、Alチップを8個乗せた複合ターゲット
4・基板:純度99.9%、厚さ0.1mmのアルミナ板
5・成膜条件
・成膜真空度(背景真空度):1×10−5Pa
・ターゲット−基板間距離(T−S距離):43mm
・スパッタガス圧:5mTorr(0.67Pa)
・スパッタガス流量:5sccm
・入力電力:10W
・基板温度:20℃水冷
6.薄膜歪センサ(歪ゲージ)素子のパターニングおよび熱処理等
・受感部形状:8回の折り返しからなる格子状
・格子の線幅および間隔:ともに0.05mm
・格子長さ:2mm
・薄膜の厚さ:約100nm
・パターン形状:フォトリソグラフィー技術とCrエッチング液による腐食整形技術を利用
・熱処理:大気中において所定の温度で30分間保持
・電極形成:センサ薄膜の所定位置にAu/Ni/Cr積層薄膜をリフトオフ法で重ねて形成
・評価用素子の切り出し:ダイシング装置を用いて素子を個別に切り出し
The details of the production conditions and the like of the samples A to C are summarized below.
1. 1. Film formation method: Sputtering method 2. Film forming apparatus: RF sputtering apparatus 3 target, Cr of magnetron: Cr disc-Cr-Mn diameter 75.5mm nominal purity 99.9%, Cr-Al: at 5 × 5 mm 2 in diameter in the Cr discotic Composite target with 8 Mn chips and Al chips with a thickness of 1 mm 4. Substrate: Alumina plate with a purity of 99.9% and a thickness of 0.1 mm 5. Film formation conditions-Deposition vacuum degree (background vacuum degree): 1 × 10-5 Pa
-Target-board distance (TS distance): 43 mm
・ Sputter gas pressure: 5mTorr (0.67Pa)
・ Sputter gas flow rate: 5 sccm
・ Input power: 10W
-Substrate temperature: 20 ° C water cooling 6. Patterning and heat treatment of thin film strain sensor (strain gauge) elements ・ Sensitive part shape: Lattice consisting of 8 folds ・ Lattice line width and spacing: 0.05 mm
・ Lattice length: 2 mm
-Thin film thickness: Approximately 100 nm
・ Pattern shape: Utilizes photolithography technology and corrosion shaping technology using Cr etching solution ・ Heat treatment: Holds at a predetermined temperature in the air for 30 minutes ・ Electrode formation: Lift-off method of Au / Ni / Cr laminated thin film at a predetermined position of sensor thin film -Cut out the evaluation element: Cut out the element individually using a dicing device.

次に、Cr薄膜を成膜したサンプルAと、Cr−3.0at.%Mn薄膜を成膜したサンプルBと、Cr−14.1at.%Al薄膜を成膜したサンプルCとについて、ゲージ率および抵抗の温度依存性を把握した。図10はCr薄膜(サンプルA)の測定温度に対するゲージ率および抵抗の値を示す図であり、図11はCr−3.0at.%Mn薄膜(サンプルB)の測定温度に対するゲージ率および抵抗の値を示す図であり、図12はCr−14.1at.%Al薄膜(サンプルC)の測定温度に対するゲージ率および抵抗の温度変化を示す図である。 Next, sample A on which a Cr thin film was formed and Cr-3.0 at. Sample B on which a% Mn thin film was formed and Cr-14.1 at. The temperature dependence of the gauge ratio and resistance of the sample C on which the% Al thin film was formed was grasped. FIG. 10 is a diagram showing the gauge ratio and resistance values of the Cr thin film (sample A) with respect to the measured temperature, and FIG. 11 is a diagram showing Cr-3.0 at. It is a figure which shows the value of the gauge ratio and resistance with respect to the measurement temperature of a% Mn thin film (sample B), and FIG. 12 is a figure which shows Cr-14.1 at. It is a figure which shows the temperature change of the gauge ratio and resistance with respect to the measurement temperature of a% Al thin film (sample C).

これらの図に示すように、Cr薄膜(サンプルA)はネール温度が170℃程度と低いため、ゲージ率のピークが100℃程度であり、高温でのゲージ率が低下する傾向にあったが、本発明例であるCr−3.0at.%Mn薄膜(サンプルB)と、Cr−14.1at.%Al薄膜(サンプルC)は、ネール温度が500℃付近であり、いずれもゲージ率のピークが350〜400℃程度であり、ネール温度が高いことにより、高温領域でのゲージ率が高い値を示すことが確認された。 As shown in these figures, since the Cr thin film (Sample A) has a low Néel temperature of about 170 ° C., the gauge rate peaks at about 100 ° C., and the gauge rate tends to decrease at high temperatures. An example of the present invention, Cr-3.0 at. % Mn thin film (Sample B) and Cr-14.1 at. The% Al thin film (Sample C) has a Néel temperature of around 500 ° C., and the peak of the gauge ratio is about 350 to 400 ° C., and due to the high Néel temperature, the gauge ratio in the high temperature region is high. It was confirmed to show.

次に、上記サンプルB,Cについて各測定温度における抵抗変化率(ΔR/R)を求めた。図13はサンプルBにおける抵抗変化率(ΔR/R)を示す図であり、図14はサンプルCにおける抵抗変化率(ΔR/R)を示す図である。抵抗変化率は、図6に示すように、曲げを含む30分保持前後の抵抗値から求めた。なお、成膜後の熱処理は、大気中500℃で0.5時間とした。 Next, the resistance change rate (ΔR / R 0 ) at each measurement temperature was determined for the samples B and C. Figure 13 is a graph showing the resistance change ratio in the sample B of (ΔR / R 0), FIG. 14 is a diagram showing the resistance change ratio in the sample C of (ΔR / R 0). As shown in FIG. 6, the resistance change rate was obtained from the resistance values before and after holding for 30 minutes including bending. The heat treatment after the film formation was carried out at 500 ° C. in the air for 0.5 hours.

これらの図に示すように、大気中500℃で0.5時間の熱処理によって、いずれも400℃まで抵抗変化率が±0.02%以内の高い安定性を示した。 As shown in these figures, heat treatment at 500 ° C. for 0.5 hours in the atmosphere showed high stability with a resistance change rate of ± 0.02% or less up to 400 ° C.

次に、比較のため、Crに添加する元素としてネール温度を低下させるNiを用いたCr−4.4at.%Ni薄膜について、各測定温度について抵抗の値とゲージ率の値度変化を測定した。測定手法および製造条件等はサンプルA〜Cと同様にした。その結果を図15に示す。図15(a)は、測定温度と抵抗の値との関係を示す図であるが、Cr−Ni薄膜の場合、ネール温度が低温側にシフトして見えなくなっている。また、図15(b)は、測定温度とゲージ率との関係を示す図であるが、ネール温度が低温側にシフトすることにより、室温〜500℃でゲージ率のピークはなく、ゲージ率は室温〜500℃まででほぼ一定値で安定していたが、高温でのゲージ率の上昇は見られなかった。Ni−Cr合金は、温度に対するゲージ率が安定しているため、従来から高温用の歪ゲージとして用いられているが、そのゲージ率の値は2程度であり、不十分であった。 Next, for comparison, Cr-4.4 at. Using Ni, which lowers the Néel temperature, was used as an element to be added to Cr. For the% Ni thin film, the resistance value and the gauge rate change were measured at each measurement temperature. The measurement method, manufacturing conditions, etc. were the same as in Samples A to C. The result is shown in FIG. FIG. 15A is a diagram showing the relationship between the measured temperature and the resistance value, but in the case of the Cr—Ni thin film, the Neel temperature shifts to the low temperature side and becomes invisible. Further, FIG. 15B is a diagram showing the relationship between the measured temperature and the gauge rate, but due to the shift of the Neel temperature to the low temperature side, there is no peak of the gauge rate at room temperature to 500 ° C., and the gauge rate is It was stable at an almost constant value from room temperature to 500 ° C., but no increase in the gauge rate was observed at high temperature. Since the Ni-Cr alloy has a stable gauge ratio with respect to temperature, it has been conventionally used as a strain gauge for high temperature, but the value of the gauge ratio is about 2, which is insufficient.

1;電気オーブン、2;窓、3;蓋部材、4;支持棒、5;測定台、6;固定部材、7;基板、8;Cr系薄膜(歪抵抗膜)、10;端子台、11;端子、12;マイクロメータ、13;歪印加用押し込み棒 1; Electric oven, 2; Window, 3; Lid member, 4; Support rod, 5; Measuring stand, 6; Fixing member, 7; Substrate, 8; Cr-based thin film (distortion resistance film), 10; Terminal block, 11 Terminal, 12; Micrometer, 13; Push rod for strain application

Claims (16)

一般式Cr100−xMn
(ただし、xは原子比率(at.%)であり、0.1≦x≦34である)で表され、かつ使用温度範囲が250℃以上500℃以下であり、前記使用温度範囲において、ゲージ率が6以上であることを特徴とする歪抵抗膜。
General formula Cr 100-x Mn x
(However, x is an atomic ratio (at.%), 0.1 ≦ x ≦ 34), and the operating temperature range is 250 ° C. or higher and 500 ° C. or lower, and the gauge is in the operating temperature range. A strain resistance film having a ratio of 6 or more.
一般式Cr100−xAl
(ただし、xは原子比率(at.%)であり、4≦x≦25である)で表され、かつ使用温度範囲が250℃以上500℃以下であり、前記使用温度範囲において、ゲージ率が6以上であることを特徴とする歪抵抗膜。
General formula Cr 100-x Al x
(However, x is an atomic ratio (at.%), Which is 4 ≦ x ≦ 25), and the operating temperature range is 250 ° C. or higher and 500 ° C. or lower, and the gauge ratio is high in the operating temperature range. A strain resistance film having a temperature of 6 or more.
使用温度範囲が250℃以上450℃以下であり、前記使用温度範囲において、抵抗値の安定性が±0.2%以内であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の歪抵抗膜。 The strain resistance according to claim 1 or 2, wherein the operating temperature range is 250 ° C. or higher and 450 ° C. or lower, and the stability of the resistance value is within ± 0.2% in the operating temperature range. film. 使用温度範囲が250℃以上400℃以下であり、前記使用温度範囲において、抵抗値の安定性が±0.02%以内であることを特徴とする請求項3に記載の歪抵抗膜。 The strain resistance film according to claim 3, wherein the operating temperature range is 250 ° C. or higher and 400 ° C. or lower, and the stability of the resistance value is within ± 0.02% in the operating temperature range. 一般式Cr100−xMn
(ただし、xは原子比率(at.%)であり、0.1≦x≦34である)で表される薄膜を形成し、250℃以上500℃以下の範囲における使用する上限温度よりも50℃以上高い温度で大気中において30分以上4時間以下の熱処理を施し、250℃以上500℃以下の温度範囲において、ゲージ率が6以上である歪抵抗膜を得ることを特徴とする歪抵抗膜の製造方法。
General formula Cr 100-x Mn x
(However, x is an atomic ratio (at.%), And 0.1 ≦ x ≦ 34), and forms a thin film, which is 50 than the upper limit temperature used in the range of 250 ° C. or higher and 500 ° C. or lower. A strain resistance film having a gauge ratio of 6 or more in a temperature range of 250 ° C. or higher and 500 ° C. or lower by heat treatment in the air at a temperature higher than ° C. for 30 minutes or longer and 4 hours or lower. Manufacturing method.
一般式Cr100−xAl
(ただし、xは原子比率(at.%)であり、4≦x≦25である)で表される薄膜を形成し、250℃以上500℃以下の範囲における使用する上限温度よりも50℃以上高い温度で大気中において30分以上4時間以下の熱処理を施し、250℃以上500℃以下の温度範囲において、ゲージ率が6以上である歪抵抗膜を得ることを特徴とする歪抵抗膜の製造方法。
General formula Cr 100-x Al x
(However, x is an atomic ratio (at.%), And 4 ≦ x ≦ 25.) A thin film is formed, and the temperature is 50 ° C. or higher than the upper limit temperature used in the range of 250 ° C. or higher and 500 ° C. or lower. Manufacture of a strain resistance film having a gauge ratio of 6 or more in a temperature range of 250 ° C. or more and 500 ° C. or less by performing a heat treatment at a high temperature in the atmosphere for 30 minutes or more and 4 hours or less. Method.
250℃以上450℃以下の範囲における使用する上限温度よりも50℃以上高い温度で大気中において30分以上4時間以下の熱処理を施し、250℃以上450℃以下の範囲において、抵抗値の安定性が±0.2%以内であることを特徴とする請求項5または請求項6に記載の歪抵抗膜の製造方法。 Heat treatment is performed in the air for 30 minutes or more and 4 hours or less at a temperature 50 ° C or more higher than the upper limit temperature used in the range of 250 ° C or more and 450 ° C or less, and the stability of the resistance value in the range of 250 ° C or more and 450 ° C or less. The method for producing a strain resistance film according to claim 5 or 6, wherein the temperature is within ± 0.2%. 250℃以上400℃以下の範囲における使用する上限温度よりも50℃以上高い温度で大気中において30分以上4時間以下の熱処理を施し、250℃以上400℃以下の範囲において、抵抗値の安定性が±0.02%以内であることを特徴とする請求項7に記載の歪抵抗膜の製造方法。 Heat treatment is performed in the air for 30 minutes or more and 4 hours or less at a temperature 50 ° C or more higher than the upper limit temperature used in the range of 250 ° C or more and 400 ° C or less, and the stability of the resistance value in the range of 250 ° C or more and 400 ° C or less. The method for producing a strain resistance film according to claim 7, wherein the temperature is within ± 0.02%. 一般式Cr100−xMn
(ただし、xは原子比率(at.%)であり、0.1≦x≦34である)で表される薄膜で構成され、かつ使用温度範囲が250℃以上500℃以下であり、前記使用温度範囲において、ゲージ率が6以上の歪抵抗膜を起歪構造体上に形成してなることを特徴とする高温用歪センサ。
General formula Cr 100-x Mn x
(However, x is an atomic ratio (at.%), And 0.1 ≦ x ≦ 34), and the operating temperature range is 250 ° C. or higher and 500 ° C. or lower. A strain sensor for high temperature characterized in that a strain resistance film having a gauge ratio of 6 or more is formed on a strain generating structure in a temperature range.
一般式Cr100−xAl
(ただし、xは原子比率(at.%)であり、4≦x≦25である)で表される薄膜で構成され、かつ使用温度範囲が250℃以上500℃以下であり、前記使用温度範囲において、ゲージ率が6以上の歪抵抗膜を起歪構造体上に形成してなることを特徴とする高温用歪センサ。
General formula Cr 100-x Al x
(However, x is an atomic ratio (at.%), And 4 ≦ x ≦ 25), and the working temperature range is 250 ° C. or higher and 500 ° C. or lower. A high temperature strain sensor characterized in that a strain resistance film having a gauge ratio of 6 or more is formed on a strain generating structure.
使用温度範囲が250℃以上450℃以下であり、前記使用温度範囲における前記歪抵抗膜の抵抗安定性が±0.2%以内であることを特徴とする請求項9または請求項10に記載の高温用歪センサ。 The ninth or tenth aspect of the present invention, wherein the operating temperature range is 250 ° C. or higher and 450 ° C. or lower, and the resistance stability of the strain resistance film in the operating temperature range is within ± 0.2%. Distortion sensor for high temperature. 使用温度範囲が250℃以上400℃以下であり、前記使用温度範囲における前記歪抵抗膜の抵抗安定性が±0.02%以内であることを特徴とする請求項11に記載の高温用歪センサ。 The strain sensor for high temperature according to claim 11, wherein the operating temperature range is 250 ° C. or higher and 400 ° C. or lower, and the resistance stability of the strain resistance film in the operating temperature range is within ± 0.02%. .. 一般式Cr100−xMn
(ただし、xは原子比率(at.%)であり、0.1≦x≦34である)で表される薄膜を起歪構造体上に形成し、250℃以上500℃以下の範囲における使用する上限温度よりも50℃以上高い温度で大気中において30分以上4時間以下の熱処理を施し、250℃以上500℃以下の温度範囲において、ゲージ率が6以上である歪抵抗膜とし、これを用いて高温用歪センサを製造することを特徴とする高温用歪センサの製造方法。
General formula Cr 100-x Mn x
(However, x is an atomic ratio (at.%), And 0.1 ≦ x ≦ 34) is formed on the strain-causing structure and used in the range of 250 ° C. or higher and 500 ° C. or lower. Heat treatment is performed in the air for 30 minutes or more and 4 hours or less at a temperature higher than the upper limit temperature of 50 ° C. or more to obtain a strain resistance film having a gauge ratio of 6 or more in a temperature range of 250 ° C. or more and 500 ° C. or less. A method for manufacturing a high-temperature strain sensor, which comprises using it to manufacture a high-temperature strain sensor.
一般式Cr100−xAl
(ただし、xは原子比率(at.%)であり、4≦x≦25である)で表される薄膜を起歪構造体上に形成し、250℃以上500℃以下の範囲における使用する上限温度よりも50℃以上高い温度で大気中において30分以上4時間以下の熱処理を施し、250℃以上500℃以下の温度範囲において、ゲージ率が6以上である歪抵抗膜とし、これを用いて高温用歪センサを製造することを特徴とする高温用歪センサの製造方法。
General formula Cr 100-x Al x
(However, x is an atomic ratio (at.%), And 4 ≦ x ≦ 25.) A thin film represented by is formed on the strain-causing structure, and the upper limit of use in the range of 250 ° C. or higher and 500 ° C. or lower. A strain resistance film having a gauge ratio of 6 or more in a temperature range of 250 ° C. or higher and 500 ° C. or lower is obtained by heat treatment in the air at a temperature higher than the temperature of 50 ° C. or higher for 30 minutes or longer and 4 hours or shorter. A method for manufacturing a high temperature strain sensor, which comprises manufacturing a high temperature strain sensor.
使用温度範囲が250℃以上450℃以下であり、前記使用温度範囲における前記歪抵抗膜の抵抗安定性が±0.2%以内であることを特徴とする請求項13または請求項14に記載の高温用歪センサの製造方法。 The 13th or 14th claim, wherein the operating temperature range is 250 ° C. or higher and 450 ° C. or lower, and the resistance stability of the strain resistance film in the operating temperature range is within ± 0.2%. A method for manufacturing a strain sensor for high temperature. 使用温度範囲が250℃以上400℃以下であり、前記使用温度範囲における前記歪抵抗膜の抵抗安定性が±0.02%以内であることを特徴とする請求項15に記載の高温用歪センサの製造方法。 The strain sensor for high temperature according to claim 15, wherein the operating temperature range is 250 ° C. or higher and 400 ° C. or lower, and the resistance stability of the strain resistance film in the operating temperature range is within ± 0.02%. Manufacturing method.
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