JPS60181602A - 薄膜歪計装置およびその製造方法 - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、弾性的に変形しうる可撓性基板」二に電気絶
縁層が設ＬＪられ、その上に抵抗層と、電気接点用の構
造部を有する良導電性の層との構造体が設りられている
薄膜歪計装置に関し、またこのような歪計装置を製造す
る方法にも関するものである。

物理景、ずなわら質量、出力、トルク、加速度、流量、
圧力および圧力差を測定する為には、電気出力信号を生
しる測定変換器を用いるのが好ましい。正副に基づく測
定変換器は測定量によって変形される伸性素子（基板）
と、この変形を電気信号に変換する抵抗とを具えている
。このような電気信号は増幅されて長距離に亘って伝送
される。

このような電気信号は制御ループ内に導入され、コンピ
ュータにより処理されまたは記１ａされ、また表示語π
上に容易に表示されうるようにもされる。抵抗（抵抗層
）はその抵抗値の変化を以って前記の変形の尾を電気信
号に変換セしめうる。

抵抗層に対する材料としては金属合金や半導体が用いら
れている。低い抵抗値変化を測定する為には、抵抗層よ
り成る４つの抵抗路（以後歪計と称する）を組合せて対
称的なボイートストンブリノジを形成している。

ブリッジの平衡状態からの偏移が正副の弾性変形量に比
例する。

薄膜歪計装置は、特に弾性素子と抵抗層との間の電気絶
縁層が重要となっている種々の形態で知られている。電
気絶縁層に対しては種々の材料が用いられているも、こ
れらの＋Ａ料には実際にある欠点があるということが確
かめられている。

例えば、酸化物の無機層（八ｊ！　ｚＯｎ、　Ｍ（４０
或いはポルステライ）：２Ｍｇ０・ＳｉＯ□）を無線周
波陰極スパッタリング成いは電子ビーム蒸着或いは加熱
蒸着により製造した薄膜歪計装置がドイツ連邦共和国特
許出願公開第２７４１０５５号明細書から既知である。

酸化珪素或いは窒化珪素の無機層をプラズマ気相堆積（
ＰＣＶＤ）により設りた薄膜歪計装置はドイツ連邦共和
国特許出願公開第３０４１７５６号明細書から既知であ
る。

欧州特許出願第５３３３７号明細書には、電気絶縁層を
ポリイミド或いはポリアミド−イミド或いはエポキシ改
質ボ１丁イミ１を以って構成し、この場合層祠料を／８
液として基板十に設ＬＪ、これに遠心作用を加え、温度
調節処理により硬化さ・Ｖるようにした薄膜歪計装置が
記載されている。

種々の欠点は既知の電気絶縁層と関連して生しるもので
ある。

蒸着層或いは陰極スパッタリングによって得た層の横プ
ｊ向被着は不十分である。従って、基板に微視的に小さ
くても凹凸があると、弾性基板と抵抗層との間に短絡が
生してしまう。

更に、無機材料は比較的もろく、わずかな暇、荷の下で
も毛割れを生してしまい、これにより正則の寿命に悪影
響を及ばず。また大きな負荷の下では、抵抗路の中断を
生ぜしめるような破１員が生してしまう。

有機層の最大伸張力は大きくしうるち、これら有機層の
クリープ特性は特に高温度で劣っている。

本発明の目的は、上述した欠点を除去するように前述し
た７ｆｔＪ膜歪旧装置を改善すること、従って電気絶縁
層の横方向被着が良好で、最大伸張度が大きく、同時に
３００”Ｃよりも高い温度にも安定で弾性材料（基板）
のクリープを補償しうる薄膜歪計装置を提供することに
ある。

本発明は、弾性的に変形しうる可撓性基板上に電気絶縁
層が設けられ、その上に抵抗層と、電気接点用の構造部
を有する良導電性の層との構造体が設げ４れている薄膜
歪計装置において、前記の電気絶縁層をプラズマ重合＋
Ａ料を以っ一ζ構造したことを特徴とする。

本発明の実施例によれば、前記の電気絶縁層をＳｉ：Ｎ
：（１：Ｃ：Ｉｆ含有化合物、特にプラズマ重合シリコ
ーン或いは窒素を含有する類似のシリコーンを以って構
成するのが有利である。

本発明の薄膜歪計装置の製造方法においては、プラズマ
重合した材料の層を気相からの堆積により弾性的に変形
しうる可撓性の基板上に設け、その後このポリマ層上に
抵抗層を設ジノ、次にこの抵抗層を少くとも１つの抵抗
路を形成するように構成し、このように構成された抵抗
層」二に電気的な薄層接続部を形成することを特徴とす
る。

本発明による方法の実施例では、プラズマ気相成長装置
（Ｐ　ＣＶ　１１装置）において、少くとも１種類の単
量体プロセスガスを導入し、このプロセスガスから気相
分子の高周波励起により重二されたＳｒ：　Ｎ　：　０
　二Ｃ：　Ｉ＋含有化合物を形成し、これをＩ）ＣＶＤ
装置に存在する２Ｎ板」二に堆積するように電気絶縁層
を形成するのが有利である。単量体プロセスガスとしζ
はヘート〜す°メチルジシラザンを用いるのが有利であ
る。

本発明によって達成しうる利点は、特に、プラズマ重合
月料の電気絶縁層の横方向被着が良好となるということ
にある。これらの電気絶縁層は良好な伸張度を呈し、３
００℃以上でも安定であり、水のはじきが良く、耐化学
性に豊んでいる。これらは通常仲性恭板を製造するあら
ゆる材料に容易に被着し、上側の抵抗層にも良好に固着
する。これらの電気絶縁層は０．２メツｍおよび２０μ
ｍ間で目的に適したいかなる厚さにも形成しうる。更に
、電気絶縁層の厚さおよび組成を適当に調整することに
より仲性祠ｌ：＋＜基板材料）のクリープを補償する可
能性が得られる。

本発明による絶縁層は所期の目的に対し優れた特性を呈
する。すなわち弾性基板（胛性部月）に対する短絡のお
それが極めてわずかとなり、この点には本発明による歪
計装置の製造歩留りが高くなるという利点が含まれる。

本発明による電気箱、縁層も極めて優れた伸張性を呈す
る。圧力変換器において生じる代表的な伸張度（歪）は
ｌＸｌ０−’ｍ／ｍである。不均一な伸張の領域では２
　Ｘ　１０−’ｍ／ｍの伸張ピークが容易に生じうる。

過負荷強度を保証する必要がある場合には、４　Ｘｌ０
−’ｍ／ｍまでの伸張度に損傷なく耐える必要がある。

本発明による絶縁層は上述した条件を満足する。本発明
による電気絶縁層は３００℃まで安定となる。このこと
は特に、電気絶縁層上の伸張（歪）感応抵抗層の製造中
に処理温度が高くなったり、抵抗層の所望特性の調整に
通常３００℃までの温度が代表的な熱的な後処理を必要
とする場合に重要な利点となるものである。また本発明
による電気絶縁層は空気中の相対湿度が高くなってもこ
れに感応しない。

弾性変形担体るこ接着した合成樹脂支持体上に抵抗箔を
設ＬＪだ通常の全相装置においては、接着剤および担体
材料（裁板）は、空気中の相対湿度が高くなると伸張し
従って測定装；〃の測定信号を変更−ロしめる有機材料
から成っている。

本発明による電気絶縁層は弾性基板および抵抗層の双方
に対する優れた接着特性を有する。

酸化絶縁層においては、例えば接着が困難とな゛　ると
いう問題が生し、この困難性は接着中間層として作用す
る追加の層を設りることにより解決する必要があり、こ
のことは工業的生産に対して追加の処理」程を必要とす
るということ、従って製造費を高めるということを意味
する。

また、本発明による電気絶縁層は腐食性の液体セガスに
対して優れた化学抵抗性を呈する。この、ことはθり定
装置の信頼性および長期間の安定性を考慮するにで利点
となるものである。必要とする写真食刻処理Ｇこ用いる
化学薬品によって電気絶縁層は腐食されない。本発明に
よる電気絶縁層の他の利点は、これらを極めて薄肉に、
ずなわら約０．２μｍ〜２０μ印の厚さに製造でき、し
かもビンボールが殆んど無く極めて密に製造できるとい
うことである。薄膜技術で厚肉層を形成する場合処理価
格が増大することは別として、弾性基板と抵抗層との間
の良好な熱結合が重要となる。抵抗層より成る正則に弾
性基板の伸張状態が最適に伝達されるようにする為には
即座に接着が行なわれるようにすることも望ましいこと
である。本発明の更に他の利点は、本発明による電気絶
縁層のクリープ特性を直接調整しうるということである
。一定負荷の下での弾性基板（ばね部十月）のゆっくり
した変形をクリープと称する。良好な弾性材料において
は、表面伸張が負荷の変化後５分間以内で０．０１％〜
０．０５％間の値たり変化し、これにより圧力測定に該
差を生ぜしめる。接着する歪計装置においては、接着に
当って特に注意深く処理することにより前記のクリープ
を補償することができる。

その理由は、このようにして製造した測定装置において
は、接着剤も疲れ従って逆のクリープを生しる為である
。

薄膜手利装置では弾性基板（弾性部子イ）のクリープを
−に述したように補償することができないとされている
（　”　Ｗ、Ｏｒｊ、Ｗ；ｉｇｅｎ　ｕｎｄ　Ｄｏｓｉ
ｅｒｅｎ　”　＋］９７９＋隔３．Ｉ’、８６を参照）
。しかし、本発明によって製造した薄膜歪ｉｌｌ装置で
は驚いたことに、従来の考えとは相違し７７仲ｔ！１４
％仮の材料のクリープを補償することができるというご
とをｒｒｒｃかめた。弾性基板に対する異なる材料は５
分後の最終値およびクリープの時間変化の双方において
異なる値を呈する。

ｊγさおよび生長反応パラメータを直接調整することに
より、電気絶縁層の逆のクリープ特性を正確に調整して
歪、！Ｉ装置のクリープ誤差がｑｉｉｔ性基板に対する
代表的な材料、例えばはがねて０．０１％よりも低い値
に維持されるようにすることができる。

この目的の為には実施例のデータを参照する。

図面につき本発明を説明する。

第１図は、７ＲＩＩｗ歪計装置の層の構成を線図的に示
す。弾性的に変形しうる可撓性の、例えばはがねより成
る基板１上に電気絶縁層３として、プラズマ重合＋Ａ料
より成るほぼ３ｐｍの１￥さの層を設、す、この上に例
えばニッケルークロム合金より成るほぼ０．３μｍの厚
さの抵抗層５を陰極スパッタリングにより設りる。次に
、収縮性のパッドおよび相互接続導体を形成する為に例
えば陰極スパッタリングにより例えば金より成るほぼ１
μｍの厚さの良導電性の層７を設ける。

プラズマ重合された電気絶縁層３を形成する為のプロセ
スガスとしてヘキザメチルジシラザンをプラズマ気相成
長（ＰＣＶＤ）装置９（第２図を参照）内で用いた。導
入されたガスはｐｃｖｏ装置９内で高周波プラズマを生
じる。ｐｃｖｏ装置９内で電極１７，９の一方の上に設
けられた基板上には、５ｉ−０−５ｉ結合或いは５ｉ−
Ｎ−５ｉ結合で三次元架橋結合された高分子が重合作用
により形成される。

珪素を含有するプロセスガスとしてヘギザメチルジシラ
ザンを用いて製造した層を次の処理条件の下で準備した
。

ｐｃｖ口装置９をまず最初真空ポンプ１５で数１０−’
Ｐａの圧力に排気した。プロセスガスとしてはプロセス
ガス入口１３の１つを経て０−０２Ｐａの圧力でヘキサ
メヂルジシラザンを供給した。電極間隔は５０ｍｍとし
た。２７　ＭＩ＋２の高周波発住器を用いた。被覆を行
なうべき少くとも１つの基牟反１１カく設りられている
無線周波電極１７におりる調整電位は２５０Ｖの直流電
圧とした。６０分間の堆積後、３ｐｍのＩＦさのポリマ
層３が９ｉ４反１１」二に得られた。

本例では高周波電圧により気相分子を励起する場合につ
き説明する。第２図に示す二極装置により励起する以外
に気相分子を誘導或いは各層励起することも原理的に可
能である。

電気絶縁層３を堆積した後に抵抗層５を設りる。

この抵抗層に対する材料としては、前述した合金ＮｉＣ
ｒ或いはｔ’を一以外にＣｒＳｉ或いはドーピングした
半導体も適している。前記の例に対してばＮｉＣｒを用
いた。これらのすべての材料の抵抗層は極めて安定であ
り、比較的高いオーＪ、抵抗を有する。抵抗層は当業者
にとって既知のいかなる薄膜技術方法によっても設ける
ことができるう本例によれば、無線周波ｌＩ８極スパッ
タリング処理を用いた。

抵抗層５上に存在する良導電性の材料、例えば金より成
る接続接点用の層７も無線周波陰極スパッタリングによ
り製造する。

金層７の接点バンドと、抵抗層５のボイートストンブリ
ノジ構造とは２つの写真食刻処理工程で製造する。必要
とするエツチング［程は湿潤中で化学的に行なうか或い
はイオン衝撃（ハックスパッタリング）により行なうこ
とができる。

抵抗ブリッジの電気接続線は熱圧着により層７より成る
接点パッド上に接続した４木の金線を以って構成する。

抵抗層を以って構成した歪計の電気抵抗値の温度係数（
ＴＣ，）は通常小さな負の値となる。しかしこの温度係
数は約３００℃での熱的な後処理（温度調節；　ｔａｍ
ｐｅｒｉｎ（Ｈ）により調節しうる。この温度調節期間
に依存して抵抗値は小さくなり、これに対し温度係数Ｔ
Ｃ，は大きくなりまた正にもなる。温度調節期間を適当
に選択することにより抵抗値に対する温度の影響を無視
しうる程度に小さくしうる。これらの手段は当業者にと
って既知のことである。

処理の最後の工程として、可撓性の基板の弾性特性に悪
影響を及ぼさない表面安定化層を歪計装置−１−に設け
るのが望ましい。また表面安定化層の１￥さは約１０μ
ｍに制限するのが有利である。

本発明により製造した薄膜手羽装置の技術的なデータは
以下の通りである。

基板・研磨した貴金属のはかね 絶縁層・層の厚さが３〆Ｉｍのポリマ層抵抗層二層の１
７さが０．３ｔｔｍのＮｉＣｒシート１氏抗：４Ω、７
口 個々の抵抗路の抵抗値：１３ｏΩ 個々の抵抗路の温度係数：　１ＯｐＨ＋ｍ／に歪のに対
する相対抵抗変化の特性（歪感度）：２．２ クリープ（クリープ誤差’）　：　＜０．０１％絶縁層
の１（１″Ｌ値、＞ＩＱＩＩΩ’　Ｃｍ最大許容歪：　
２〜ＩＯＸ　１０−”ｍ／ｍピンボール密度：２／ｃｒ
Ａ 降服電界強度：　１５０Ｖ／　７７　ｍ

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による薄膜歪ａ１装置を示す線図的断
面図、 第２図は、本発明により電気絶縁層を製造する無線周波
二極装置を示す線図的説明図である。 １・・・基板　３・・・電気絶縁層 ５・・・抵抗層　７・・・良導電層 ９・・・プラズマ気相成長０’ＣＶＤ）装置１１・・・
基板　１３・・・プロセスガス入口１５・・・真空ポン
プ 第１頁の続き ０発　明　者　クラウス・ゲルステン ベルグ ０発　明　者　ゲルハルドークルステ ン ０発　明　者　レイネル・オルロウス キー ■発明者　ブトレフ・ショーフ ドイツ連邦共和国２０８３ノ１ルステンベクパツペンホ
ールベーク　２ ドイツ連邦共和国　２０００ハンブルク　６１オストフ
アレンベーク　１６ ドイツ連邦共和国　２０８５クイツクボルンロツトドル
ンベーク　１７

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ■、　弾性的に変形しうる可撓性裁板上に電気絶縁層が
   設ｋＪられ、その北に抵抗層と、電気接点用の構造部を
   有する良導電性の層との構造体が設けられている薄膜全
   相装置において、前記の電気絶縁層（３）をプラズマ重
   合材料を以って構造したことを特徴とする薄膜全相装置
   。 ２、特許請求の範囲１に記載の薄膜歪計装置において、
   前記の電気絶縁層（３）をＳｔ　：Ｎ：０・Ｃ：１１含
   有化合物を以って構成したことを特Ｇとする薄１１り歪
   計装置。 ３、特許請求の範囲２に記載の薄膜全相装置におい′ζ
   、前記の電気絶縁層（３）をプラズマ重合されたシリコ
   ーン或いは窒素を含有するこれに類似のシリコーンを以
   って構成したことを特徴とする薄膜歪計装置。 ４、特許請求の範囲１に記載の薄膜全相装置において、
   前記の電気絶縁層（３）の厚さを０．２μｍ〜２０μｍ
   の範囲内としたことを特徴とする薄膜歪計装置。 ５、特許請求の範囲１に記載の薄膜歪計装置において、
   前記の基板（１）をはがねを以って構成したことを特徴
   とする薄膜歪計装置。 ６、特許請求の範囲Ｉに記載の薄膜全相装置において、
   前記の基板ｆｉ＋を銅−ヘリリウム合金を以って構成し
   たことを特徴とする薄膜全員１装置。 ７、特許請求の範囲１に記載の薄膜全員１装置において
   、前記の抵抗層（５）を金属合金を以って構成したこと
   を特徴とする薄膜歪計装置。 ８、特許請求の範囲７に記載の薄膜全相装置において、
   前記の抵抗層（５）をニラゲル−クロム合金を以って構
   成したことを特徴とする薄膜全相装置。 ９、特許請求の範囲ｌに記載の薄膜全相装置において、
   前記の抵抗層（５）をドーピングした半導体材料を以っ
   て構成したことを特徴とする薄膜歪計装置。 ＩＯ特許請求の範囲９に記載の薄ｌり歪計装置におい−
   ζ、前記の抵抗層を、硼素或いは燐をドーピングした珪
   素を以って構成したことを特徴とする薄膜歪計装置。 １１、薄膜正則装置を製造するに当り、プラズマ重合し
   た月利の層を気相からの堆積により弾性的に変形しうる
   可撓性の基板上に設ｉＪ、その後このポリマ層」二に抵
   抗層を設り、次にこの抵抗層を少くとも１つの抵抗路を
   形成するように構成し、このように構成された抵抗層ト
   に電気的な薄層接続部を形成することを特徴とする薄膜
   歪計装置の製造方法。 １２、特許請求の範囲１１に記載の薄膜歪計装置の製造
   方法において、φ電体のプロセスガスをプラス−７気相
   成長装置内に導入し、このプロセスガスから気相分子の
   高周波励起により、重合されたＳｉ：Ｎ：０：Ｃ：Ｉｆ
   含有化合物を形成し、これをプラズマ気相成長装置内に
   存在する尽板十に堆積しうるようにするごとにより前記
   の電気絶縁層を形成することを特徴とする薄膜歪計装置
   の製造方法。 １３、特許請求の範囲１２に記載の薄膜歪計装置の製造
   方法において、単量体のプロセスガスとしてヘキザメチ
   ルジシラザンを導入することを特徴とする薄膜歪計装置
   の製造方法。 １４、特許請求の範囲１１に記載の薄膜正則装置の製造
   方法において、前記の抵抗層を蒸着により設けることを
   特徴とする薄膜歪計装置の製造方法。 １５、特許請求の範囲１１に記載の薄膜正則装置の製造
   方法において、前記の抵抗層を陰極高周波スパッタリン
   グにより設υノることを特徴とする薄１１り全相装置の
   製造方法。 １６、特許請求の範囲１１に記載の薄膜歪計装置の製造
   方法において、前記の抵抗層をプラズマ気相成長により
   設＋Ｊることを特徴とする薄膜歪計装置の製造方法。