JPH02152201A - 歪ゲージ用薄膜抵抗体 - Google Patents
歪ゲージ用薄膜抵抗体Info
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- JPH02152201A JPH02152201A JP63306318A JP30631888A JPH02152201A JP H02152201 A JPH02152201 A JP H02152201A JP 63306318 A JP63306318 A JP 63306318A JP 30631888 A JP30631888 A JP 30631888A JP H02152201 A JPH02152201 A JP H02152201A
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Landscapes
- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
- Apparatuses And Processes For Manufacturing Resistors (AREA)
- Non-Adjustable Resistors (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は、歪による電気抵抗変化を利用した歪ゲージ用
の薄膜抵抗体に関するものである。
の薄膜抵抗体に関するものである。
従来、歪ゲージ用薄膜抵抗体は、大きく分けて、金属ま
たは合金の歪抵抗変化を利用したものと、半導体のピエ
ゾ抵抗効果を利用したものの二種類が用いられてきた（
センサ技術ｖｏ１．５．Ｎα７，４９（１９８５））。
たは合金の歪抵抗変化を利用したものと、半導体のピエ
ゾ抵抗効果を利用したものの二種類が用いられてきた（
センサ技術ｖｏ１．５．Ｎα７，４９（１９８５））。
前者（例えばニッケル（Ｎｉ）クロム（Ｃｒ）合金）は
、抵抗温度係数が小さいため温度による出力の変動が小
さく、かつ歪抵抗特性の直線性に優れている。しかし、
歪に対する抵抗変化の割合、すなわちゲージ率が低いと
いう欠点があった。その結果、前者は、ゲージ率が低い
ために、歪ゲージのＳ／Ｎ比が小さく高感度の増幅器を
必要とし、歪ゲージの小型化が困難であった。一方、後
者（例えばＳｉ）は、ゲージ率は高いが、抵抗温度係数
が大きく、歪抵抗特性の直線性が悪いという欠点があっ
た。その結果、後者は、歪ゲージの出力に直線性を改善
するための増幅器や温度補償回路を必要とし、制御系が
複雑になるという問題があった。さらに、後者は前者と
比べて破壊強度が弱く、高圧用の歪ゲージには不適であ
った。
、抵抗温度係数が小さいため温度による出力の変動が小
さく、かつ歪抵抗特性の直線性に優れている。しかし、
歪に対する抵抗変化の割合、すなわちゲージ率が低いと
いう欠点があった。その結果、前者は、ゲージ率が低い
ために、歪ゲージのＳ／Ｎ比が小さく高感度の増幅器を
必要とし、歪ゲージの小型化が困難であった。一方、後
者（例えばＳｉ）は、ゲージ率は高いが、抵抗温度係数
が大きく、歪抵抗特性の直線性が悪いという欠点があっ
た。その結果、後者は、歪ゲージの出力に直線性を改善
するための増幅器や温度補償回路を必要とし、制御系が
複雑になるという問題があった。さらに、後者は前者と
比べて破壊強度が弱く、高圧用の歪ゲージには不適であ
った。
すなわち、従来は高感度で機械的強度に優れた歪ゲージ
用薄膜抵抗体は存在しなかった。特に高感度で歪抵抗特
性・抵抗温度特性・機械的強度がともに良好な歪ゲージ
用薄膜抵抗体は開発することが困難であるとされていた
。
用薄膜抵抗体は存在しなかった。特に高感度で歪抵抗特
性・抵抗温度特性・機械的強度がともに良好な歪ゲージ
用薄膜抵抗体は開発することが困難であるとされていた
。
このような状況下、本発明者等は上記問題点を解決すべ
（鋭意努力を重ねた。本発明者等はスパッタリングによ
ってクロム（Ｃｒ）と酸素と金属であるアルミニウム（
Ａｊ７）を混合した薄膜が通常の金属・合金では得られ
ないゲージ率（ｋ＝５〜ｌＯ１通常の金属等は１．５〜
３）を持つことを見出した。したがって、Ｃｒと酸素と
金属を含んだ薄膜抵抗体を歪ゲージ材として用いれば、
高感度の歪ゲージ材が得られることに到達した。また、
発明者はＣｒへの添加剤である酸素とＡ１等の金属がＣ
ｒの結晶粒を微細化するように作用して、Ｃｒの伝導電
子の平均自由行程を制御でき、その結果、抵抗温度係数
を低下することができると考えた。
（鋭意努力を重ねた。本発明者等はスパッタリングによ
ってクロム（Ｃｒ）と酸素と金属であるアルミニウム（
Ａｊ７）を混合した薄膜が通常の金属・合金では得られ
ないゲージ率（ｋ＝５〜ｌＯ１通常の金属等は１．５〜
３）を持つことを見出した。したがって、Ｃｒと酸素と
金属を含んだ薄膜抵抗体を歪ゲージ材として用いれば、
高感度の歪ゲージ材が得られることに到達した。また、
発明者はＣｒへの添加剤である酸素とＡ１等の金属がＣ
ｒの結晶粒を微細化するように作用して、Ｃｒの伝導電
子の平均自由行程を制御でき、その結果、抵抗温度係数
を低下することができると考えた。
本発明は、高感度で機械的強度に優れた歪ゲージ用薄膜
抵抗体、さらには歪抵抗特性および抵抗温度特性にも優
れた歪ゲージ用の薄膜抵抗体を提供することを目的とす
る。
抵抗体、さらには歪抵抗特性および抵抗温度特性にも優
れた歪ゲージ用の薄膜抵抗体を提供することを目的とす
る。
〔第１発明の説明〕
本第１発明（特許請求の範囲に記載の発明）は、物理的
蒸着法または化学的蒸着法によって形成されたＣｒ６０
〜９８原子％、酸素２〜３０原子％、金属０〜１０原子
％が均一に分布した薄膜であって、膜厚が０．０１〜１
０μｍであることを特徴とする歪ゲージ用薄膜抵抗体に
関するものである。
蒸着法または化学的蒸着法によって形成されたＣｒ６０
〜９８原子％、酸素２〜３０原子％、金属０〜１０原子
％が均一に分布した薄膜であって、膜厚が０．０１〜１
０μｍであることを特徴とする歪ゲージ用薄膜抵抗体に
関するものである。
本第１発明に係る歪ゲージ用薄膜抵抗体は、従来ある金
属または合金の歪ゲージに比べ５以上という高いゲージ
率を示す。また、Ｓｉ等の半導体歪ゲージに比べ歪抵抗
の直線性に優れ、抵抗温度係数も±１００ ｐ ｐｍ／
’Ｃ以下と小さい。また、１２０°Ｃ前後の温度に長時
間保持しても抵抗変化率がほとんど変わらず優れた高温
耐久性を示す。
属または合金の歪ゲージに比べ５以上という高いゲージ
率を示す。また、Ｓｉ等の半導体歪ゲージに比べ歪抵抗
の直線性に優れ、抵抗温度係数も±１００ ｐ ｐｍ／
’Ｃ以下と小さい。また、１２０°Ｃ前後の温度に長時
間保持しても抵抗変化率がほとんど変わらず優れた高温
耐久性を示す。
さらに、従来の金属抵抗体に近い強度が維持されており
、Ｓｉ等の半導体系抵抗体に比べ著しく高い強度を示す
。このような優れた特性を示す理由ははっきり明らかに
されていないが、抵抗温度係数が小さい理由として、酸
素、および金属がＣｒの伝導電子の流れを妨げる散乱体
として作用しＣｒの伝導電子の平均自由行程を制御して
いること、Ａｌ等の金属を添加することにより組織が極
めて微細であること等によるものと考えられる。また、
Ｃｒと添加元素との混合状態が均一なため高温強度に優
れているものと推定される。
、Ｓｉ等の半導体系抵抗体に比べ著しく高い強度を示す
。このような優れた特性を示す理由ははっきり明らかに
されていないが、抵抗温度係数が小さい理由として、酸
素、および金属がＣｒの伝導電子の流れを妨げる散乱体
として作用しＣｒの伝導電子の平均自由行程を制御して
いること、Ａｌ等の金属を添加することにより組織が極
めて微細であること等によるものと考えられる。また、
Ｃｒと添加元素との混合状態が均一なため高温強度に優
れているものと推定される。
したがって、本発明に係る薄膜抵抗体を用いれば、高ゲ
ージ率で高温耐久性に優れた圧力センサ、ロードセル等
への応用も可能である。
ージ率で高温耐久性に優れた圧力センサ、ロードセル等
への応用も可能である。
〔第２発明の説明〕
以下、本第１発明をより具体化した発明（本第２発明と
する）について詳しく説明する。
する）について詳しく説明する。
薄膜抵抗体を構成するＣｒの含有量は、６０〜９８原子
％で、酸素の含有量は２〜３０原子％の範囲で用いる。
％で、酸素の含有量は２〜３０原子％の範囲で用いる。
これらの範囲外では、高ゲージ率を得るのが困難である
。望ましくは１５〜２０％が良い。また、金属はＡｌ、
チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、ジルコニウム（Ｚ
ｒ）、インジウム（Ｉｎ）等を用いる。金属の含有量は
、高ゲージ率を保ち良好な歪抵抗特性・抵抗温度特性を
得るために、０〜１０原子％の範囲が望ましい。
。望ましくは１５〜２０％が良い。また、金属はＡｌ、
チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、ジルコニウム（Ｚ
ｒ）、インジウム（Ｉｎ）等を用いる。金属の含有量は
、高ゲージ率を保ち良好な歪抵抗特性・抵抗温度特性を
得るために、０〜１０原子％の範囲が望ましい。
Ｃｒ、酸素および金属は、少なくともμｍオーダー以下
でほぼ均一に分布していないと良好な性質は得られない
。
でほぼ均一に分布していないと良好な性質は得られない
。
膜厚は連続膜を形成でき安定な歪抵抗特性を得るために
、０．０１μｍ以上で、かつ、膜の内部応力による破壊
を防ぐために１０μｍ以下が望ましい。
、０．０１μｍ以上で、かつ、膜の内部応力による破壊
を防ぐために１０μｍ以下が望ましい。
本第２発明に係る薄膜抵抗体の製造方法は通常の薄膜形
成に用いられるイオンブレーティング法、スパッタリン
グ法、蒸着法やプラズマＣＶＤ法等のＰＶＤ法あるいは
ＣＶＤ法のいずれを用いてもよい。ただし、Ｃｒ、酸素
と金属の混合状態を緻密かつ均一にするためには、スパ
ッタリング法または蒸着法が望ましい。また、Ｃｒ、酸
素と金属の混合状態を一層均一にするために、薄膜形成
後、２００〜５００°Ｃで１〜２時間程度の熱処理を施
してもよい。薄膜抵抗体中に酸素を含ませるためには、
スパッタリング等の処理雰囲気中に酸素が含有されてい
なければならない。
成に用いられるイオンブレーティング法、スパッタリン
グ法、蒸着法やプラズマＣＶＤ法等のＰＶＤ法あるいは
ＣＶＤ法のいずれを用いてもよい。ただし、Ｃｒ、酸素
と金属の混合状態を緻密かつ均一にするためには、スパ
ッタリング法または蒸着法が望ましい。また、Ｃｒ、酸
素と金属の混合状態を一層均一にするために、薄膜形成
後、２００〜５００°Ｃで１〜２時間程度の熱処理を施
してもよい。薄膜抵抗体中に酸素を含ませるためには、
スパッタリング等の処理雰囲気中に酸素が含有されてい
なければならない。
膜の特性が特に優れているのは、酸素量が１５〜２Ｑａ
ｔ％の範囲であるが、１５ａｔ％以上の酸素を膜中に含
ませるためには不純物として雰囲気中に含まれている酸
素量以上の酸素を雰囲気中に積極的に添加する必要があ
る。
ｔ％の範囲であるが、１５ａｔ％以上の酸素を膜中に含
ませるためには不純物として雰囲気中に含まれている酸
素量以上の酸素を雰囲気中に積極的に添加する必要があ
る。
しかし、雰囲気中に酸素が含まれていなくても、ＡＩ、
Ｔｉ等の金属を酸化物の形でスパッタリング等を行えば
３０ａｔ％までの酸素量であれば薄膜中に含ませ得る。
Ｔｉ等の金属を酸化物の形でスパッタリング等を行えば
３０ａｔ％までの酸素量であれば薄膜中に含ませ得る。
実施例１
第１図に、本実施例によって製作した歪ゲージを示す。
薄膜抵抗体は、二元同時スパッタリング法により形成し
た。まず、コーニング０３１３ガラス基板ｌに、トリク
レン煮沸洗浄およびアセトン超音波洗浄を施し、乾燥後
スパッタリング装置内に歪ゲージ用ＳＵＳ製マスクを介
して配置し、装置内で５ＸｌＯ−６Ｔｏｒｒまで真空排
気した。次に、Ａｒガスを上記装置内に５Ｘ１０−３Ｔ
ｏｒｒ導入し、ＣｒターゲットにＤＣ３００Ｗ、Ａｊ２
ｇ ＯｓターゲットにＲＦ１５０Ｗ（１３，５６Ｍ）ｌ
ｘ）の電力を印加し、６分間スパッタリングを行った。
た。まず、コーニング０３１３ガラス基板ｌに、トリク
レン煮沸洗浄およびアセトン超音波洗浄を施し、乾燥後
スパッタリング装置内に歪ゲージ用ＳＵＳ製マスクを介
して配置し、装置内で５ＸｌＯ−６Ｔｏｒｒまで真空排
気した。次に、Ａｒガスを上記装置内に５Ｘ１０−３Ｔ
ｏｒｒ導入し、ＣｒターゲットにＤＣ３００Ｗ、Ａｊ２
ｇ ＯｓターゲットにＲＦ１５０Ｗ（１３，５６Ｍ）ｌ
ｘ）の電力を印加し、６分間スパッタリングを行った。
このように製作した抵抗体である歪ゲージ膜２の組成を
ＥＰＭＡ、ＸＰＳ、厚さを触針式膜厚計によって調査し
たところ歪ゲージ膜の組成はＣｒ−２１ａｔ％酸素（０
）−４ａｔ％アルミニウム（ＡＡ）膜厚は０．２０μｍ
であった（表）。歪ゲージ膜を形成した基板を大気中に
取り出し、電極用マスクを取り付けた後スパッタリング
装置内で前記と同様の方法で、ＡｕターゲットにＤＣ２
５０Ｗの電力を印加し、１分間のスパッタリングを行い
、ＡＵ電極膜３を０．１μｍ形成した。さらに、大気中
で３００°Ｃ１１ｈｒの熱処理を施した後、Ａｕ電極に
リード線４を半田付けした。このようにして製作した歪
ゲージを用いて特性評価試験を行った。
ＥＰＭＡ、ＸＰＳ、厚さを触針式膜厚計によって調査し
たところ歪ゲージ膜の組成はＣｒ−２１ａｔ％酸素（０
）−４ａｔ％アルミニウム（ＡＡ）膜厚は０．２０μｍ
であった（表）。歪ゲージ膜を形成した基板を大気中に
取り出し、電極用マスクを取り付けた後スパッタリング
装置内で前記と同様の方法で、ＡｕターゲットにＤＣ２
５０Ｗの電力を印加し、１分間のスパッタリングを行い
、ＡＵ電極膜３を０．１μｍ形成した。さらに、大気中
で３００°Ｃ１１ｈｒの熱処理を施した後、Ａｕ電極に
リード線４を半田付けした。このようにして製作した歪
ゲージを用いて特性評価試験を行った。
歪ゲージとしての特性評価は、歪抵抗特性、抵抗温度特
性、高温放置試験により行った。第３図は、本実施例に
よって製作した歪ゲージの歪と抵抗変化率の関係を示し
たものである。ゲージ率には歪と抵抗変化率の関係を示
す直線の傾きから求めた。抵抗温度特性は、−３０°Ｃ
から１２０℃まで温度を変化させ、抵抗温度係数ＴＣＲ
（ｐｐｍ１０Ｃ）を測定した。また高温放置試験は、１
２００Ｃで５００ｈｒ放置した後の抵抗変化率ΔＲ（％
）を測定した。表に評価結果を示す。
性、高温放置試験により行った。第３図は、本実施例に
よって製作した歪ゲージの歪と抵抗変化率の関係を示し
たものである。ゲージ率には歪と抵抗変化率の関係を示
す直線の傾きから求めた。抵抗温度特性は、−３０°Ｃ
から１２０℃まで温度を変化させ、抵抗温度係数ＴＣＲ
（ｐｐｍ１０Ｃ）を測定した。また高温放置試験は、１
２００Ｃで５００ｈｒ放置した後の抵抗変化率ΔＲ（％
）を測定した。表に評価結果を示す。
実施例２〜４
実施例１と同様の方法で、酸素およびＡｌの組成を変え
て歪ゲージ膜を形成した。表に、歪ゲージ膜の組成・膜
厚を示す。つぎに、実施例１と同様の方法で電極・リー
ド線を取り付けて、実施例１と同様の評価試験を実施し
、表に評価結果を示す。
て歪ゲージ膜を形成した。表に、歪ゲージ膜の組成・膜
厚を示す。つぎに、実施例１と同様の方法で電極・リー
ド線を取り付けて、実施例１と同様の評価試験を実施し
、表に評価結果を示す。
比較例
実施例１と同様、二元スパッタリング法を用いて、組成
がＣｒ−１８ａｔ％０−１３ａｔ％ＡＡおよびＣｒ−２
６ａｔ％０−１１ａｔ％Ａｌである薄膜抵抗体ならびに
従来使われてきた歪ゲージ材であるＮｉ−ＣｒおよびＳ
ｉをガラス基板上に歪ゲージ膜として形成した。表に組
成・膜厚を示す。次に、実施例１と同様の方法で電極・
リード線を取り付けて歪ゲージを製作し、実施例１と同
様の評価試験を実施した。表に評価結果を示す。また、
Ｎｉ−Ｃｒ合金の歪抵抗特性を第３図に示す。
がＣｒ−１８ａｔ％０−１３ａｔ％ＡＡおよびＣｒ−２
６ａｔ％０−１１ａｔ％Ａｌである薄膜抵抗体ならびに
従来使われてきた歪ゲージ材であるＮｉ−ＣｒおよびＳ
ｉをガラス基板上に歪ゲージ膜として形成した。表に組
成・膜厚を示す。次に、実施例１と同様の方法で電極・
リード線を取り付けて歪ゲージを製作し、実施例１と同
様の評価試験を実施した。表に評価結果を示す。また、
Ｎｉ−Ｃｒ合金の歪抵抗特性を第３図に示す。
評価
表かられかるように、本実施例１〜４に係るＣｒと酸素
ならびにＣｒと酸素とＳｉで構成される歪ゲージ膜は、
比較例のＮｉ−Ｃｒ合金と比べて、３〜５．６倍のゲー
ジ率を有する。すなわち、本実施例の歪ゲージは従来の
金属抵抗型歪ゲージよりも感度が数倍も優れていること
が明らかである。
ならびにＣｒと酸素とＳｉで構成される歪ゲージ膜は、
比較例のＮｉ−Ｃｒ合金と比べて、３〜５．６倍のゲー
ジ率を有する。すなわち、本実施例の歪ゲージは従来の
金属抵抗型歪ゲージよりも感度が数倍も優れていること
が明らかである。
また、Ｃｒ、酸素に対しＳｉを１１％ならびに１３％添
加した比較例５．６は抵抗温度係数が劣っている。これ
は、本実施例の歪ゲージでは、Ｃｒに酸素とＡＩが適当
量混合していることにより高いゲージ率を有し、抵抗温
度係数の小さい薄膜が形成された効果によるものである
。
加した比較例５．６は抵抗温度係数が劣っている。これ
は、本実施例の歪ゲージでは、Ｃｒに酸素とＡＩが適当
量混合していることにより高いゲージ率を有し、抵抗温
度係数の小さい薄膜が形成された効果によるものである
。
さらに、表かられかるようにＣｒと酸素ならびにＣｒと
酸素とＡ１からなる歪ゲージは、比較例３・・・ Ａｕ電極膜、 ４・・・ リード線
酸素とＡ１からなる歪ゲージは、比較例３・・・ Ａｕ電極膜、 ４・・・ リード線
Claims (1)
- 物理的蒸着法または化学的蒸着法によって形成された
、Ｃｒ６０〜９８原子％、酸素２〜３０原子％、金属０
〜１０原子％が均一に分布した薄膜であって、膜厚が０
．０１〜１０μｍであることを特徴とする歪ゲージ用薄
膜抵抗体。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63306318A JPH0666162B2 (ja) | 1988-12-02 | 1988-12-02 | 歪ゲージ用薄膜抵抗体 |
| US07/404,209 US5001454A (en) | 1988-09-12 | 1989-09-07 | Thin film resistor for strain gauge |
| EP89116555A EP0359132B1 (en) | 1988-09-12 | 1989-09-07 | Thin film resistor for strain gauge |
| DE68911630T DE68911630T2 (de) | 1988-09-12 | 1989-09-07 | Dünnschichtwiderstand für Dehnungsmesser. |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63306318A JPH0666162B2 (ja) | 1988-12-02 | 1988-12-02 | 歪ゲージ用薄膜抵抗体 |
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| JPH02152201A true JPH02152201A (ja) | 1990-06-12 |
| JPH0666162B2 JPH0666162B2 (ja) | 1994-08-24 |
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Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH07335911A (ja) * | 1994-06-06 | 1995-12-22 | Osaka Prefecture | 受圧管一体型圧力センサ |
| JPH0892730A (ja) * | 1994-09-27 | 1996-04-09 | Nok Corp | クロム−酸素合金薄膜の製造法 |
| JPH1151793A (ja) * | 1997-07-31 | 1999-02-26 | Matsushita Electric Works Ltd | 薄膜素子及びその製造方法 |
| JPH11325811A (ja) * | 1998-05-21 | 1999-11-26 | Fuji Photo Film Co Ltd | 間隙寸法検出方法、間隙寸法検出用積層体および間隙寸法検出装置 |
| JP2018036143A (ja) * | 2016-08-31 | 2018-03-08 | 公益財団法人電磁材料研究所 | 歪抵抗膜およびその製造方法、ならびに高温用歪センサおよびその製造方法 |
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| JP2018151203A (ja) * | 2017-03-10 | 2018-09-27 | 公益財団法人電磁材料研究所 | 圧力センサ |
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1988
- 1988-12-02 JP JP63306318A patent/JPH0666162B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| JP2018151203A (ja) * | 2017-03-10 | 2018-09-27 | 公益財団法人電磁材料研究所 | 圧力センサ |
| WO2020013046A1 (ja) * | 2018-07-12 | 2020-01-16 | ミネベアミツミ株式会社 | ひずみゲージ、センサモジュール、軸受機構 |
| JP2020008527A (ja) * | 2018-07-12 | 2020-01-16 | ミネベアミツミ株式会社 | ひずみゲージ、センサモジュール、軸受機構 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0666162B2 (ja) | 1994-08-24 |
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