JPH11160170A - 応力センサの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 応力センサを大きくすることなく、また、工
数を増やすことなく零点調整を精度よく行うことができ
るようにすることである。 【解決手段】 個々の歪ゲージ１３の抵抗値及びブリッ
ジ回路１８の零点を測定し、この測定値に基づいて必要
な歪ゲージ１３の抵抗値を通電によりトリミングするこ
とにより前記ブリッジ回路１８の零点を調整するように
した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、起歪体の上に薄膜
による複数個の歪ゲージによるブリッジ回路を形成し、
このブリッジ回路の出力変化を検出して応力を測定する
ようにした応力センサの製造方法に係り、特に、零点調
整を簡単かつ高精度で行うことができる応力センサの製
造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、起歪体の上に形成したブリッジ回
路の零点を調整する方法としては、特開平３−２２１８
２６号公報に示されたものがある。この零点調整方法を
図５及び図６に基づいて説明する。まず、金属よりなる
起歪体１にＳｉＯ₂ 等からなる絶縁膜２を形成し、この
絶縁膜２の上にリン又はホウ素の不純物をドーピングし
たケイ素薄膜からなる歪ゲージ３及びアルミニウム等の
良導体からなる薄膜導体４が形成され、フォトリソグラ
フィによってブリッジ回路５を構成している。そして、
各歪ゲージ３につらなる薄膜導体４の外側に端子６を形
成し、その間に接続片７を介して一対のＴｉ等からなる
零点調整用薄膜抵抗８，９が配置されている。これらの
零点調整用薄膜抵抗８，９は、並列に形成された複数の
短冊状のパターンからなっている。このような回路構成
において、零点を調整するには、次のように行う。ま
ず、４つの歪ゲージ３をそれぞれ測定し、ブリッジ回路
５の出力端子となる端子６間の電位が零となるように零
点調整用薄膜抵抗８，９の補正すべき抵抗値をそれぞれ
算出する。そして、その算出値に基づいて図６の(ａ)お
よび(ｂ)に示すように、零点調整用薄膜抵抗８，９に接
続されている接続片７及び残った中から任意に選んだ零
点調整用薄膜抵抗８，９をレーザ等によってカット、ト
リミングして全体の抵抗値を調整する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このような方法により
正確に抵抗調整を行うには、零点調整用薄膜抵抗の並列
に接続されるパターンの抵抗部分の数を増やすことが必
要であるが、このようにすることにより、調整可能な抵
抗値や分解能を広げて粗調整における選択を容易にし、
トリミングによる微調整で目標抵抗値に合わせることが
できるものである。しかしながら、このような手段によ
る場合には、起歪体の面上の零点調整用薄膜抵抗が占め
るエリアが大きくなり、小型化への妨げになる。また、
零点調整用薄膜抵抗によって零点を調整したものは、ブ
リッジ回路の入出力端子に対して全体の抵抗値は対象で
等しくなっているが、薄膜導体の抵抗値が異なってお
り、この状態で周囲温度が変化した場合、薄膜導体が自
身のＴＣＲによって抵抗値を変化させるため、プリッジ
回路のバランスが崩れ、零点が変動する。また、薄膜導
体と零点調整用薄膜抵抗の材料が違うため、成膜及びエ
ッチングプロセスにおいて工数が増える等の問題があ
る。

【０００４】本発明はこのような点に鑑みなされたもの
で、応力センサを大きくすることなく、また、工数を増
やすことなく零点調整を精度よく行うことができ、調整
後も温度変化に対して変動を抑えることができるように
した応力センサの製造方法を提供することを目的とす
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
起歪体の上に絶縁膜を介して薄膜による複数個の歪ゲー
ジを形成し、これらの歪ゲージによりブリッジ回路を形
成して応力歪に起因する端子間の出力変化に基づいて前
記起歪体に作用している応力を測定するようにした応力
センサにおいて、個々の前記歪ゲージの抵抗値及び前記
ブリッジ回路の零点を測定し、この測定値に基づいて必
要な前記歪ゲージの抵抗値を通電によりトリミングする
ことにより前記ブリッジ回路の零点を調整するようにし
たものである。従って、個々の歪ゲージの抵抗値の調整
は、通電により抵抗値がアナログ的に変化する現象を利
用して行っているため、別個に調整用抵抗を設けること
なく零点調整を行うことができ、これにより、応力ゲー
ジを大きくすることなく、かつ、その調整作業も容易で
あり、高い精度を得ることもできるものである。

【０００６】請求項２記載の発明は、歪ゲージの抵抗値
を通電によりトリミングすることによりブリッジ回路の
零点を調整した後に、通電によって各歪ゲージの抵抗値
が均一に変化するようにブリッジ回路の安定化処理をす
るようにしたものである。従って、零点調整をした後に
歪ゲージ全体をエージングすることで、温度変化に対し
ても安定した特性を示す状態を得ることができる。

【０００７】請求項３記載の発明は、歪ゲージを含むブ
リッジ回路を金属薄膜により形成し、前記歪ゲージはＮ
ｉＣｒＳｉからなるものである。従って、ブリッジ回路
の形成が容易であるとともに、通電による抵抗値の調整
を簡単かつ高精度で行うことができる。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明の一実施の形態を図１乃至
図４に基づいて説明する。本実施の形態は圧力センサに
関するものであり、図１に示すように、ステンレススチ
ールよりなる起歪体１１が用いられる。この起歪体１１
の上に絶縁膜１２として有機材料であるポリイミドを塗
布し、この上に歪ゲージ１３となるＮｉＣｒＳｉ膜、電
極１４となるＴｉ膜１５、Ｃｕ膜１６がスパッタリング
等により連続成膜される。そして、図２に示すように、
フォトリソグラフィによって、前記起歪体１１の中央部
に２つの歪ゲージ１３Ｂ，１３Ｄ、周縁部に２つの歪ゲ
ージ１３Ａ，１３Ｃを形成し、また、６つの電極１４、
すなわち、電極１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ，１４Ｄ，１４
Ｅ，１４Ｆ及び６つの端子１７、すなわち、端子１７
Ａ，１７Ｂ，１７Ｃ，１７Ｄ，１７Ｅ，１７Ｆを形成す
る。これを等価回路で示すと、図３のようにブリッジ回
路１８を構成しており、電極１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃと
電極１４Ｄ，１４Ｅ，１４Ｆは、それぞれ対称とするこ
とで導体部のバランスをとっている。そして、端子１７
Ｃと端子１７Ｆとの間に一定電圧の電源１９を接続す
る。この状態で、応力に起因した歪による歪ゲージ１３
の抵抗値変化によって生ずる端子１７Ｂと端子１７Ｅと
の電位差を検出し、かつ、増幅することにより起歪体１
１に印加されている圧力を測定するようになっている。

【０００９】このような製造工程において、４つの歪ゲ
ージ１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄの抵抗値には多少
のバラツキが生ずる。これにより、無負荷状態であって
もブリッジ回路１８には出力が発生して零点がずれてし
まうため、抵抗値の調整が必要になる。

【００１０】この抵抗値の調整の手順について以下に説
明する。歪ゲージ１３となるＮｉＣｒＳｉ膜は、電極１
４を介して電気エネルギーを印加すると、図４に示すよ
うに、その印加エネルギーに応じて抵抗値がアナログ的
に減少していくと云う特性を持っている。そこで、４つ
の歪ゲージ１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄの抵抗値を
それぞれ測定して、最も低い抵抗値を基準とし、他の抵
抗値の歪ゲージ１３に電気エネルギーを印加して基準と
なる抵抗値に変化させるための割合を変化率として算出
する。そして、この変化率に相当する印加エネルギーを
図４から求め、その値を目安に抵抗値を観察しながら該
当する端子１７を通じて電気エネルギーを印加し、調整
が必要な歪ゲージ１３の抵抗値を基準値に合わせ、ブリ
ッジ回路１８の出力が零になるようにする。その後、４
つの歪ゲージ１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄの抵抗値
が一律に変化するのに必要なエネルギーを零点調整に投
入したエネルギーから算出し、該当する端子１７を通じ
てそれぞれ電気エネルギーを印加することにより零点の
バランスを崩すことなく歪ゲージ１３のエージングが可
能となる。

【００１１】なお、前述の手段では、ブリッジ回路１８
の零点調整のために、４つの歪ゲージ１３Ａ，１３Ｂ，
１３Ｃ，１３Ｄの抵抗値が同じ値になる方法で行った
が、出力の端子１７Ｂ，１７Ｅの間の電位差が零になる
ような抵抗値の組み合わせ、すなわち、４つの歪ゲージ
１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄの抵抗値をそれぞれＲ
_A，Ｒ_B，Ｒ_C，Ｒ_Dとした時に、Ｒ_A／（Ｒ_A＋Ｒ_B）とＲ_D
／（Ｒ_C＋Ｒ_D）とが等しくなるように各抵抗値を調整す
るようにしてもよい。

【００１２】また、センサの絶縁膜１２として有機材料
であるポリイミドを例に挙げたが、この絶縁膜１２を無
機材料であるＳｉＯ₂ 等を用いてもよい。その際、材料
の熱伝導率が違うため、図４に示す通電による抵抗値変
化の曲線も違ってくるが、手順としては前述の場合と同
様である。

【００１３】なお、前述の実施の態様においては、圧力
センサに利用した状態について説明したが、ブリッジ回
路を構成して応力歪に起因する端子間の出力の変化によ
ってその応力を測定するロードセル等にも適用すること
ができるものである。

【００１４】

【発明の効果】請求項１記載の発明は、起歪体の上に絶
縁膜を介して薄膜による複数個の歪ゲージを形成し、こ
れらの歪ゲージによりブリッジ回路を形成して応力歪に
起因する端子間の出力変化に基づいて前記起歪体に作用
している応力を測定するようにした応力センサにおい
て、個々の歪ゲージの抵抗値及び前記ブリッジ回路の零
点を測定し、この測定値に基づいて必要な歪ゲージの抵
抗値を通電によりトリミングすることにより前記ブリッ
ジ回路の零点を調整するようにしたので、個々の歪ゲー
ジの抵抗値の調整は、通電により抵抗値がアナログ的に
変化する現象を利用して行っているため、別個に調整用
抵抗を設けることなく零点調整を行うことができ、これ
により、応力ゲージを大きくすることなく、かつ、その
調整作業も容易であり、高い精度を得ることもできると
云う効果を有する。

【００１５】請求項２記載の発明は、歪ゲージの抵抗値
を通電によりトリミングすることによりブリッジ回路の
零点を調整した後に、通電によって各歪ゲージの抵抗値
が均一に変化するようにブリッジ回路の安定化処理をす
るようにしたので、零点調整をした後に歪ゲージ全体を
エージングすることで、温度変化に対しても安定した特
性を示す状態を得ることができると云う効果を有する。

【００１６】請求項３記載の発明は、歪ゲージを含むブ
リッジ回路を金属薄膜により形成し、前記歪ゲージはＮ
ｉＣｒＳｉからなるので、ブリッジ回路の形成が容易で
あるとともに、通電による抵抗値の調整を簡単かつ高精
度で行うことができると云う効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態を示す縦断側面図であ
る。

【図２】起歪体の平面図である。

【図３】ブリッジ回路の等価回路図である。

【図４】歪ゲージの印加エネルギーと抵抗変化率との関
係を示す特性図である。

【図５】従来の応力センサの平面図である。

【図６】零点調整用薄膜抵抗を示すもので、(ａ)はＡ点
でカットした状態、(ｂ)はＢ点でカットした状態を示す
説明図である。

【符号の説明】

１１ 起歪体 １２ 絶縁膜 １３ 歪ゲージ １７ 端子 １８ ブリッジ回路

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 起歪体の上に絶縁膜を介して薄膜による
   複数個の歪ゲージを形成し、これらの歪ゲージによりブ
   リッジ回路を形成して応力歪に起因する端子間の出力変
   化に基づいて前記起歪体に作用している応力を測定する
   ようにした応力センサにおいて、個々の前記歪ゲージの
   抵抗値及び前記ブリッジ回路の零点を測定し、この測定
   値に基づいて必要な前記歪ゲージの抵抗値を通電により
   トリミングすることにより前記ブリッジ回路の零点を調
   整するようにしたことを特徴とする応力センサの製造方
   法。
2. 【請求項２】 歪ゲージの抵抗値を通電によりトリミン
   グすることによりブリッジ回路の零点を調整した後に、
   通電によって各歪ゲージの抵抗値が均一に変化するよう
   にブリッジ回路の安定化処理をするようにしたことを特
   徴とする請求項１記載の応力センサの製造方法。
3. 【請求項３】 歪ゲージを含むブリッジ回路を金属薄膜
   により形成し、前記歪ゲージはＮｉＣｒＳｉからなるこ
   とを特徴とする請求項１記載の応力センサの製造方法。