JPS6140327B2

JPS6140327B2 -

Info

Publication number: JPS6140327B2
Application number: JP16545180A
Authority: JP
Inventors: Jei Konebaru Donarudo
Original assignee: Gould Inc
Current assignee: Gould Inc
Priority date: 1980-11-26
Filing date: 1980-11-26
Publication date: 1986-09-09
Also published as: JPS5797420A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、ひずみゲージに関するものであり、
より詳細に述べるならば、応力変形を受けない温
度補償抵抗を備えた薄膜ひずみゲージ装置に関す
るものである。

本願は、ウオルター・Ｈ・アイゼル、ロナル
ド・Ｐ・ヘリンおよびドナルド・Ｊ・コネバルに
より1978年８月２日に出願され、本願と同一の譲
受人に譲渡され現在は放棄されている米国特許出
願第930338号の「ひずみゲージの回路結線」およ
び、ドナルド・Ｊ・コネバルが1979年11月13日に
出願し且つ譲渡されている米国特許出願第093834
号の「薄膜センサ構造の形成方法」に関するもの
である。

薄膜ひずみゲージ抵抗ブリツジがひとつの態様
である力変換器（force transducers）は長年の
間使用されてきた。典型的には、ひずみゲージは
加えられる圧力に応答して変形するたわみ素子の
上に設けられている。このような場合、実際に力
が加わつていないときでも、温度の影響によりブ
リツジ脚の不均一な膨張が生じる。そのため、力
が加わらないときでも出力が発生するのでブリツ
ジのゼロ点がシフトしまう。同様に、温度の影響
により変換器の様々な部品の弾性、すなわち、ば
ね定数が特異に変動し、その結果、たわみ素子の
与えられたわみにより、温度の変動につれて異な
るブリツジ出力が生じる。これにより、ゲージ率
すなわち感度として知らているブリツジのスパン
がシフトする。

温度の影響を補償するための様々の方法が過去
に試みられている。ボドナー他の米国特許第
2930224号において、温度の影響を相殺するため
にひずみを感知しない熱電対を使用して、ひずみ
ゲージ抵抗内を流れる電流とは逆の電流を発生す
るようなタイプの温度補償ひずみゲージを開示し
た。しかしながら、温度補償素子がたわみ素子の
ひずむ部分に配設されているために、実際には加
わるひずみにより抵抗が変化しやすい。スターも
米国特許第3034346号において、補償抵抗がたわ
み素子のひずむ部分に配置されているひずみのゲ
ージの非直線性を補償する技術を開示している。
ビレツテ他は米国特許第3886799号において、補
償素子がひずみゲージブリツジを有するたわみ素
子上に設けられているようなタイプの半導体圧力
変換器について説明している。

これらの先行技術の装置は温度の影響を補償す
る手段としては成功しているが、補償素子がたわ
み素子のひずむ部分の上に配置されているため
に、ひずみによる抵抗の変動が生じ、この変動が
補償素子の所望の機能、すなわち温度の影響を最
少限に抑えるという機能を妨げる傾向がある。さ
らに、先行技術の薄膜ひずみゲージ変換器を製造
する手順が複雑であつたために、製造時間がかな
り長く、コストも高かつた。

本発明の目的は、温度補償用備えを有する改良
された薄膜ひずみゲージ変換器を提供することで
ある。

本発明の別の目的は、変換器内の補償素子がそ
の性能に影響を及ぼすであろうひずみを受けない
ような変換器を提供することである。

本発明のさらに別の目的は、変換器内でのひず
みゲージと補償素子の構造がきわめて簡単であ
り、そのために迅速且つ費用もかさまずに容易に
製造できるような変換器を提供することである。

これらの目的は単に例としてあげたものであ
る。従つて当業者は他の望ましい目的および開示
した本発明により十分に達成される利点を思い浮
かべることができよう。従つて、本発明の範囲は
添付の特許請求の範囲によつてのみ限定されるべ
きである。

前記の目的および他の利点は、１つの実施態様
例において、たわみ素子が変形したときにひずむ
べき位置に少なくとも１つの薄膜ひずみゲージ抵
抗素子が配置されているたわみ素子を具備する本
発明により達成される。ひずみゲージ抵抗の温度
係数と逆の抵抗温度係数を有する材料から成るリ
ードをひずみゲージに取付ける。温度補償抵抗は
リード内に形成されかつたわみ素子上で使用中に
ひずまない位置に配置されている。通常はひずみ
ゲージのブリツジを使用する。簡単にしたプロセ
スを利用して変換器を作るので、ひずみゲージ抵
抗と同じ材料の下側薄膜層の上にリードが重なつ
ている。

本願では使用している「薄膜」という用語はス
パツタリングまたは真空蒸着技術を利用して付着
させたごく薄い素子のことを言う。このような膜
の厚さは典型的にはオングストローム単位または
ミクロン単位で測定され、このような「薄膜」か
ら成るいくつかの層の厚さはわずか４ないし30ミ
クロン程度であり、各々の層は約200オングスト
ロームないし１ミクロンの厚さであろう。このよ
うな薄膜素子は集積回路で使用されており、個個
の部分から成る素子すなわちひずみゲージの場合
でいえば接着ゲージやワイヤゲージとは容易に区
別することができる。

以下に、図面を参照しながら本発明を詳細に説
明する。図面の各々において同一の参照番号は構
造の同様な部材を表わす。

第１図ないし第３図について説明すると、本発
明の一実施態様例である力変換器が、可撓性部分
１６で接合された不動部分１２および可動部分１
４を有するたわみビームすなわち素子１０を具備
していることがわかる。図示したように、たわみ
素子１０は方形の平行六面体の形態を有するスチ
ール等の弾性材料から形成されてることが望まし
いが、任意の適切な通性材料を使用しても良い。
可撓性部分１６は素子１０に側面から穿孔するか
またはその他の方法で２つの穴１８，２０をあけ
ることにより形成する。これらの穴をみぞ２２で
つなぎ、みぞ２４によつて穴２０が素子１０の底
面に開口している。このようにして不動部分１２
を固定し、第１図の矢印で示しように可動部分１
４に力を加えると、可撓性部分１６の上面２６が
変形して彎曲した形態となり、穴１８の上にある
薄い部分２８が引張られ、穴２０の上の薄い部分
３０は圧縮される。

４つの薄膜ひずみのゲージ抵抗素子Ｒ１，Ｒ
２，Ｒ３，Ｒ４が以下に説明するような方法で上
面２６に配設されている。すなわちＲ１およびＲ
３が薄い部分２８の上方にあり、Ｒ２およびＲ４
は薄い部分３０の上方にある。第２図は、どのひ
ずみゲージ抵抗素子が伸張Ｔ状態または圧縮Ｃ状
態にあるかを略図で示したもので、またこれらの
抵抗素子がホイートストン・ブリツジパターンに
相互接続されている様子を図示している。抵抗素
子Ｒ１およびＲ４は接続点３２で薄膜金属リード
３４，３６によつて接続されている。長い薄膜リ
ード３８は接続点３２から可動部分１４を出て、
不動部分１２上を進み、リード３８と同じ金属か
ら成る曲がりくねつた（蛇行）薄膜温度補償抵抗
素子Ｒ_s1まで延びている。抵抗素子Ｒ_s1の他端は
コネクタパツド４０に接合している。薄膜リード
４２は抵抗素子Ｒ４から可動部分１４を出て、不
動部分１２上を進み、同様にリード４２と同じ金
属から成る曲がりくねつた（蛇行）薄膜温度補償
抵抗素子Ｒ_z1まで延びている。抵抗素子Ｒ_z1の他
端は２つのコネクタパツド４４の第２のものに接
合している。抵抗素子Ｒ１およびＲ２は接合点４
６で薄膜金属リード４８，５０によつて接続して
いる。長い薄膜リード５２が、接続点４６から不
動部分１２上に配設したコネクタパツド５４まで
延びている。薄膜リード５６は抵抗素子Ｒ２から
接続点５８まで延び、この接続点は薄膜リード６
０によつて抵抗素子Ｒ３に接続されている。長い
薄膜リード６２が接続点５８から不動部分１２上
に配設された別の曲がりくねつた薄膜温度補償抵
抗素子Ｒ_s2まで延びる。抵抗素子Ｒ_s2の他端はコ
ネクタパツド６４に接合している。最後に、長い
薄膜リード６６が抵抗素子Ｒ３から、不動部分１
２に配設され且つリード６６と同じ金属から成る
さらに別の曲がりくねつた薄膜温度補償抵抗素子
Ｒ_z2まで延びる。抵抗素子Ｒ_z2は２つのコネクタ
パツド６８の第２のものの位置で終わる。

第３図には第１図の抵抗素子Ｒ１に近い線３―
３に沿つた略断面図が図示されている。抵抗素子
Ｒ１ないしＲ４および素子３２ないし６８は、抵
抗体およびリードの図形的配置を規定するように
独特の４層構族および従来の写真蝕刻技術を利用
してたわみ素子１０上に被着することが望まし
い。たわみ素子１０を適切にクリーニングした
後、電気絶縁層７０、抵抗層７２および導電層７
４を順次表面２６上に被着して表面２６全体が合
同の３層でおおわれる。次に、適切なフオトマス
クを使用して、導電層７４のうち前述のリードパ
ターンおよび温度補償抵抗の図形的配置に必要な
部分のみを残すように導電層７４をエツチングす
る。その後別の適切なフオトマスクを使用して、
各々のリードに接合した抵抗素子Ｒ１，Ｒ２，Ｒ
３およびＲ４のみが残るように抵抗層７２をエツ
チングする。第３図に示すように、各々のリード
および温度補償抵抗素子は実際には同じ図形の重
ね合わせた２層薄膜で構成されており、上側金属
膜は導電層７４から残つたもので、その下の下側
抵抗膜は抵抗層７２から残つたものである。パツ
シベーシヨン層７６をゲージ機構全体にかぶせる
のが好ましく、その後貫通孔すなわち通路（図示
さず）をコネクタパツド４０，４４・２、５４，
６４および６８・２までエツチングする。ひずみ
ゲージブリツジを配設する方法については、前述
の本願出願人の同時係属特許出願第093834号によ
り詳細に論じており、この係属出願は本願に参考
として取り入れられている。しかしながら当業者
は本発明に範囲から逸脱することなく他の製造方
法も利用できることを認めるであろう。

絶縁層７０はTA₂O₅で形成することができ
る。抵抗層７２は従来のサーメツト材料で形成
し、そして導電層７４は金で形成する。絶縁層７
０にはアルミナまたはフオステライト
（Fosterite）等の他の適切な材料を使用すること
ができ、抵抗層７２にはニクロム、MOSIまたは
CRSIを、導電層７４にはニツケルを使用しも良
い。ひずみゲージ抵抗材料７２の抵抗の温度係数
はリードの材料７４の温度係数と符号が反対にな
るように選ぶ。

動作中、力が加わつたために可動部分１４が上
方にたわむと、素子Ｒ１ないしＲ４の抵抗が加わ
るひずみのために変化する。公知のように、ブリ
ツジの電力がコネクタパツド４０，６４間に印加
され、コネクタパツド５４および４４―６８間か
らブリツジ出力が得られる。それぞれの抵抗の温
度が、変換器を較正したときのレベルから変動す
ると、素子Ｒ１ないしＲ４の抵抗は一方向に変化
し、また素子Ｒ_s1とＲ_s1およびＲ_z1および／また
はＲ_z2（回路内に残る）の抵抗は反対方向に変化
する。Ｒ_z1およびＲ_z2が回路内に残るかまたは回
路から短絡されるかを較正中に決定する要因は、
ゼロ位設定較正の必要条件に依存している。温度
が変動したとしても、抵抗Ｒ_s1およびＲ_s2の変化
は比較的一定のスパンすなわちゲージ率を維持す
るのに寄与し、一方、Ｒ_z1および／またはＲ_z2の
変化は負荷のかかつていないときでの比較的一定
のゼロ位設定を維持するので寄与する。

抵抗Ｒ_s1およびＲ_s2はブリツジの入力回路に図
示されているが、これらを出力回路に配置しても
本発明の範囲からはずれない。同様に、抵抗Ｒ_z1
およびＲ_z2はブリツジの脚でみずみゲージ抵抗と
直列に接続されていると示してあるが、ひずみゲ
ージ抵抗と並列に配置することもでき、このよう
にしても本発明の範囲内に入つている。また、温
度補償抵抗については曲がりくねつた図形的配置
が示されているが、この構造は決定的なものでは
なく、他の用意も本発明に含まれる。たとえだ、
補償抵抗に作用するように金層の厚さを変えるこ
とも、いま一つの方法である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による温度償ひずみゲージブリ
ツジが上に被着されたわみ素子を非常に大きく拡
大した斜視図である。第２図は第１図に示したブ
リツジの概略線図である。第３図はブリツジひず
みゲージ抵抗体および電気リードを形成するため
に被着した個々の薄膜の一部分を示す、第１図の
線３―３に沿つて非常に大きく拡大した断面図で
ある。１０……たわみ素子、１２……不動部分、１４
……可動部分、１６……可撓性部分、１８，２０
……穴、２２……みぞ、２４……みぞ、２６……
可撓性部分１６の上面、２８……薄い部分、３０
……薄い部分、３２……接続点、３４，３６……
薄膜金属リード、３８……長い薄膜リード、４０
…コネクタパツド、４２……薄膜リード、４４…
…コネクタパツド、４６……接続点、４８，５０
……薄膜金属リード、５２……長い薄膜リード、
５４……コネクタパツド、５６……薄膜リード、
５８……接続点、６０……薄膜リード、６２……
長い薄膜リード、６４……コネクタパツド、６６
……長い薄膜リード、６８……コネクタパツド、
７０……電気絶縁層、７２……抵抗層、７４……
導電層、７６……パツシベーシヨン、Ｒ１，Ｒ
２，Ｒ３，Ｒ４……薄膜ひずみゲージ抵抗素子、
Ｒ_s1，Ｒ_s2，Ｒ_z1，Ｒ_z2……曲がりくねつた薄膜温
度補償抵抗素子。

Claims

【特許請求の範囲】１加えられた力に応答して変形可能であるたわ
み素子；前記たわみ素子上に形成された電気絶縁材の薄
膜；前記たわみ素子上の前記電気絶縁材薄膜上に前
記たわみ素子の変形時にひずむべき位置で形成さ
れた少なくともひとつの薄膜ひずみゲージ抵抗素
子であつて、第１の抵抗温度係数を有する第１の
材料から作られている薄膜ひずみゲージ抵抗素
子；前記電気絶縁材薄膜上に形成された少なくとも
２つの導電性薄膜リードであつて、該薄膜リード
と前記電気絶縁材薄膜との間に前記第１の材料の
薄層を有する該リードであり、前記抵抗素子に電
流を導通したり抵抗素子から電流を導出するため
に前記少なくともひとつの薄膜ひずみゲージ抵抗
素子に接続されかつ前記第１の材料の抵抗温度係
数の符号とは反対の符号の第２の抵抗温度係数を
有する第２の材料から作られている導電性薄膜リ
ード；および前記電気絶縁性薄膜上に形成された少なくとも
ひとつの薄膜温度補償抵抗素子であつて、該温度
補償抵抗素子と前記電気絶縁性薄膜との間に前記
第１の材料の薄層を有する該抵抗素子であり、前
記リードと回路接続され、前記たわみ素子上に前
記たわみ素子の変形時にひずみを受けない位置で
配置されかつ前記第２の材料から作られている温
度補償抵抗素子；を含んでなる薄膜ひずみゲージ変換器であつて、
温度変化による前記ひずみゲージ抵抗素子の抵抗
の変化が、前記温度補償抵抗素子の抵抗が反対に
変化することにより相殺されて、周囲温度の変動
に影響されにくくなつている薄膜ひずみゲージ変
換器。２少なくとも４つの前記ひずみゲージ抵抗素子
がホイートストン・ブリツジ形態に接続されてお
り、且つ前記少なくとも１つの薄膜温度補償抵抗
素子が前記ブリツジの入力回路に接続されて前記
ブリツジのスパンすなわちゲージ率の温度補償を
行なう特許静求の範囲第１項に記載の変換器。３別の薄膜温度補償抵抗素子が前記ホイートス
トン・ブリツジの少なくともひとつの脚に接続さ
れて前記ブリツジのゼロ設定の温度補償を行なう
特許請求の範囲第２項記載の変換器。４少なくとも４つの前記ひずみゲージ抵抗素子
がホイートストン・ブリツジ形態に接続されてお
り、且つ前記少なくとも１つの薄膜温度補償抵抗
が前記ブリツジの少なくとも１つの脚に接続され
て前記ブリツジのゼロ設定の温度補償を行なう特
許請求の範囲第１項に記載の変換器。５加えられる力に応答して変形可能な部分を有
するたわみ素子；前記変形可能部分上に形成されかつ第１の抵抗
係数を有する第１の材料で作られている少なくと
もひとつの薄膜抵抗素子；前記第１の材料の抵抗係数の符号とは反対の符
号の第２の抵抗係数を有する第２の材料で作られ
ている一組の導電性薄膜リードであつて、前記抵
抗素子に電流を流すために該抵抗素子の各端部に
接続された導電性薄膜リード；および前記薄膜リードと同じ材料で作られ、前記たわ
み素子のひずみを受けない部分の上に形成されか
つ少なくともひとつの前記薄膜リードに回路で接
続された少なくともひとつの薄膜温度補償素子で
あつて、蛇行形態を有する温度補償素子；を含んでなる薄膜ひずみゲージ変換器であつて、
温度変化による前記ひずみゲージ抵抗素子の抵抗
の変化が、前記温度補償素子の抵抗が反対に変化
するとにより相殺されて、周囲温度の変動に影響
されにくくなつている薄膜ひずみゲージ換器。６前記第２の材料が金属である特許請求の範囲
第５項記載の変換器。