JP7025995B2 - 歪ゲージ用薄膜抵抗体 - Google Patents

Description

本明細書が開示する技術は、歪ゲージ用薄膜抵抗体に関する。

歪ゲージ用薄膜抵抗体は、圧力センサ等に用いられる。歪ゲージ用薄膜抵抗体では、センサの感度を決定する主要因であるゲージ率が重要である。ほとんどの金属でゲージ率は２．０程度であり、より高いゲージ率を有する材料が望まれていた。特許文献１―４には、クロムに他の物質を少量添加することにより、高いゲージ率が得られることが開示されている。

特許文献１に、クロム（Ｃｒ）を主成分とし、窒素（Ｎ）と酸素（Ｏ）を含む歪抵抗膜が開示されている。特許文献１によれば、その歪抵抗膜は、一般式Ｃｒ_{１００－ｘ－ｙ}Ｎ_ｘＯ_ｙで表される。ｘ、ｙは原子％を単位とする組成比を示しており、０．０００１≦ｘ≦３０、０≦ｙ≦３０、０．０００１≦ｘ＋ｙ≦５０の関係を満たす。そして、その歪抵抗膜は、熱処理によるＡ１５型構造のｂｃｃ構造への変化により、ｂｃｃ構造またはｂｃｃ構造とＡ１５型構造との混成組織からなるとされている。

特許第３６４２４４９号公報 特許第１９３８８５３号公報 特許第２１４１２３５号公報 特許第２５６２６１０号公報

特許文献１に開示された歪抵抗膜は、ゲージ率が一桁台であり、抵抗温度係数（ＴＣＲ）は数百［ｐｐｍ／℃］である。本明細書は、従来よりもさらにゲージ率の高い歪抵抗膜（歪みゲージ用薄膜抵抗体）を提供する。

本明細書が開示する歪みゲージ用薄膜抵抗体は、クロム（Ｃｒ）と酸素（Ｏ）と窒素（Ｎ）を含んでおり、一般式Ｃｒ_{１００－ｘ－ｙ}Ｏ_ｘＮ_ｙで表される。その組成比ｘ、ｙは、原子％において、３．０≦ｘ≦１５．０の関係と、１．０≦ｙ≦１０．０の関係を満たしている。そして、本明細書が開示する歪みゲージ用薄膜抵抗体は、クロムが（１１０）配向（優先配向）のｂｃｃ構造を有している。（１１０）配向したＣｒ－Ｏ－Ｎ膜は、高いゲージ率を有しており、従来よりも高感度な歪抵抗素子を実現することができる。なお、「（１１０）配向」とは、（１１０）優先配向を指す。

本明細書が開示する歪ゲージ用薄膜抵抗体の一例は、ゲージ率が１０以上である。また、その抵抗温度係数は、±１００［ｐｐｍ／℃］以下である。本明細書が開示する技術の一つによると、高いゲージ率と低い抵抗温度係数を両立した歪ゲージ用薄膜抵抗体を実現することができる。

本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

作成したサンプルと比較例のゲージ率と抵抗温度係数とＸ線回折強度比を比較した表である。 図１の表のグラフである（横軸は酸素含有率）。 図１の表のグラフである（横軸はクロム含有率）。

温度特性改善のため、クロム（Ｃｒ）に窒素（Ｎ）または酸素（Ｏ）を添加すると、ゲージ率が低下する。これは、クロムに窒素または酸素Ｏを添加すると、ｂｃｃ構造のクロムの結晶性が低下し、本来のｂｃｃ構造のクロムが有するピエゾ抵抗効果が十分に発揮されないためであると推定する。即ち、クロムを主成分とする従来の歪ゲージ用薄膜抵抗体では、ゲージ率と抵抗温度係数は背反する特性であった。

発明者らは、クロム（Ｃｒ）に酸素（Ｏ）と窒素（Ｎ）を添加し、かつ、好適な熱処理を施すと、ｂｃｃ構造のクロムにおいて、（１１０）配向性が高まることを発見した。すなわち、好適な熱処理を施すと、クロムは、ピエゾ抵抗係数の高い（１１０）面に優先配向する。その結果、ゲージ率を高めることができることが解った。また、ｂｃｃ構造のクロムに酸素と窒素を添加し、かつ、良好な熱処理を施すと、ｂｃｃ構造のクロム粒界に金属伝導を妨げる散乱体であるクロムの酸化物および窒化物が生ずることを発見した。そのため、通常の等方性ｂｃｃ構造のクロムは高い抵抗温度係数を有するが、（１１０）配向したクロムでは、抵抗温度係数をゼロ近くまで低下させることができることが判明した。

一般に、（１１０）配向していない等方性のｂｃｃ構造のクロムのゲージ率は１０以下である。一方、（１１０）方位に優先配向したｂｃｃ構造のクロムでは、高いピエゾ抵抗係数を有するために１０以上の高いゲージ率が得られる。

（１１０）配向のｂｃｃ構造のクロムに３乃至１５［原子％］の酸素を添加するとともに、１乃至１０［原子％］の窒素を添加すると、抵抗温度係数が±１００［ｐｐｍ／℃］以下の、抵抗温度特性に優れた歪ゲージ用薄膜抵抗体を提供できる。上述の組成では、（１１０）配向のｂｃｃ構造のクロムの結晶性を変えることなく、粒界金属伝導を妨げるクロムの酸化物および窒化物の散乱体が適度に生じる。そのため、クロムの高い抵抗温度係数を低下させることができる。

酸素が３［原子％］以下、または、窒素が１［原子％］以下であると、ｂｃｃ構造のクロムが（１１０）方位に優先配向することがない。それゆえ、この場合、ゲージ率は１０以上に高くならない。また、添加元素が少ないと、純クロム金属に近い、高い抵抗温度係数（＋１００［ｐｐｍ／℃］以上）になるため、抵抗温度特性に優れなくなる。

一方、酸素が１５［原子％］以上、または、窒素が１０［原子％］以上であると、ｂｃｃ構造のクロムの結晶性が低下するため、ゲージ率は１０以下に低下する。

また、添加元素が多いと、電気伝導が半導体的になり負の抵抗温度係数（－１００［ｐｐｍ／℃］以下）になるため、抵抗温度特性に優れなくなる。

本発明の歪ゲージ用薄膜抵抗体を使用した歪抵抗素子は、以下の方法で製造した。まず基板となるガラス板にアルゴン（Ａｒ）と窒素分子（Ｎ_２）の反応性スパッタリング法により、２００［ｎｍ］のクロム－酸素－窒素（Ｃｒ－Ｏ－Ｎ）の薄膜を形成した。酸素（Ｏ）を導入しないのは、クロムが残留ガス中の酸素（Ｏ）と反応するため、導入しなくとも必要な酸素（Ｏ）を添加できるためである。

得られた薄膜の組成をＸＰＳ法により分析したところ、Ｃｒ_８５Ｏ_１０Ｎ_５であった。次に歪ゲージの両端に、２００［ｎｍ］の厚みのニッケル（Ｎｉ）と、５０［ｎｍ］の厚みの金（Ａｕ）の２層膜からなる電極を形成し、その後、温度３００［℃］の窒素分子（Ｎ２）の雰囲気ガスの中で３０分間熱処理を施した。この熱処理は、ｂｃｃ構造のクロムの（１１０）配向性を高めるためである。この配向性を確認するために、熱処理後の試料を、Ｘ線回析により解析した。配向性の評価は、Ｂｃｃ構造のクロムの最強回折線（１１０）と第２強回折線（２１１）の強度比（Ｐ＝Ｉ（１１０）／Ｉ（２１１））で評価した。なお、無配向のｂｃｃ構造のクロムの粉末のＸ線データでは、Ｐ＝３．３３であった。

歪抵抗素子の評価は次のように実施した。歪抵抗素子に歪（ε）を０～１０^－３のオーダで印加し、歪抵抗素子の抵抗値（Ｒ）を測定し、（１）式からゲージ率を算出した。歪量は、既知の歪ゲージで較正した。

Ｋ＝（Ｒ－Ｒ_０）／ε （１）

数式（１）において、記号Ｒ_０は、歪ゼロのときの抵抗値である。次に、同じ抵抗素子を歪量ε＝０の状態で、温度（Ｔ）を２５［℃］から１５０［℃］の間で変えて、抵抗（Ｒ）を測定し、（２）式から抵抗温度係数（ＴＣＲ）を算出した。
ＴＣＲ＝ｄＲ／ｄＴ （２）

数式（２）において、ｄＲは抵抗変化量を表しており、ｄＴは温度変化量を表している。いくつかのサンプルについての評価結果を、Ｘ線回折の解析結果とともに図１－図３に示す。図１－図３には、（１１０）配向していない比較例についての評価結果も載せている。なお、図２、図３は、図１の表をグラフにしたものである。図２、図３において、黒丸がサンプルの結果を示しており、ばつ印が比較例の結果を示している。縦軸はゲージ率である。図２の横軸は、酸素含有量であり、図３の横軸はクロム含有量である。

図１の結果から、サンプル１－５は、いずれも１０以上の高いゲージ率と±１００［ｐｐｍ／℃］未満の低い抵抗温度係数を示している。また、Ｘ線回折結果では、配向性を表す（１１０）方位と（２１１）方位の強度比ｐ＝Ｉ（１１０）／Ｉ（２２１）は１０以上であり、ｂｃｃ構造のクロムが（１１０）方位に配向（優先配向）していることが示された。サンプルが高いゲージ率を示したのは、ｂｃｃ構造のクロムが（１１０）に優先配向したために、クロムの（１１０）面の高いピエゾ抵抗効果が発現されたためであると推定される。特に、図３に示されているように、クロムの含有率が低下しても、ゲージ率は高い値を保持することがわかった。クロムを主成分とする従来の抵抗体では、クロムの含有率が下がるにつれてゲージ率が低下しているのに対して、（１１０）配向したサンプルでは、クロムの含有率の変化によらず高いゲージ率が得られている。

また、サンプルが低い抵抗温度係数を示したのは、（１１０）配向したｂｃｃ構造のクロムの結晶粒界に金属伝導を妨げるクロムの酸化物および窒化物の散乱体が適度に生ずるため、クロムの高い抵抗温度係数を低下させることができたからであると推定される。

一方、比較例では、１０以下の低いゲージ率と、±１００［ｐｐｍ／℃］以上の高い抵抗温度係数しか得られなかった。また、ｂｃｃ構造のクロムの配向性を示すｐ＝Ｉ（１１０）／Ｉ（２２１）は１０以下で、無配向の数値３．３に近かった。比較例のゲージ率が低いのは、ｂｃｃ構造のクロムが（１１０）方位に配向していないために、クロムの（１１０）面の高いピエゾ抵抗効果が発現されなかったためであると推定される。また、比較例１の抵抗温度係数が特に高いのは、その組成が、含有率１００［％］の純粋なクロムに近かったためであると推定される。比較例２、３で抵抗温度係数が高いのは、添加元素が多すぎて半導体的な電気伝導になったためであると推定される。

比較例１は、窒素（Ｎ）が１［原子％］未満のケースであり、比較例２、３は、窒素（Ｎ）が１０［原子％］を超えるケースである。また、比較例２は、酸素（Ｏ）が３［原子％］未満のケースでもあり、比較例３は、酸素（Ｏ）が１５［原子％］を超えるケースでもある。比較例１－３は、いずれも、ゲージ率Ｋが１０．０を下回っている。

以上のことから、クロムを主成分とし、酸素（Ｏ）を３乃至１５［原子％］、かつ、窒素（Ｎ）を１乃至１０［原子％］含有し、クロムが（１１０）配向のｂｃｃ構造の薄膜抵抗体は、１０以上のゲージ率と、±１００［ｐｐｍ／℃］以下の特性を示す。この薄膜抵抗体（歪ゲージ用薄膜抵抗体）を歪ゲージに適用することで、従来よりもさらに高感度かつ温度特性に優れた歪抵抗素子を実現することができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

Claims (3)

1. クロム（Ｃｒ）と酸素（Ｏ）と窒素（Ｎ）を含んでおり、一般式Ｃｒ_{１００－ｘ－ｙ}Ｏ_ｘＮ_ｙで表され、組成比ｘ、ｙは、原子％において、３．０≦ｘ≦１５．０の関係と、１．０≦ｙ≦１０．０の関係を満たしており、前記クロムが（１１０）配向のｂｃｃ構造を有している、歪ゲージ用薄膜抵抗体。
2. ゲージ率が１０以上である、請求項１に記載の歪ゲージ用薄膜抵抗体。
3. 抵抗温度係数が±１００［ｐｐｍ／℃］以下である、請求項１又は２に記載の歪ゲージ用薄膜抵抗体。

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