TW202231464A - 積層膜、其製造方法及應變感測器 - Google Patents

Abstract

本發明之積層膜1沿厚度方向依序具備絕緣性基材樹脂膜(2)、及電阻層(3)。電阻層(3)含有氮化鉻。於電阻層(3)中，相對於鉻原子100莫耳份，氮原子之莫耳份為3.0莫耳份以上7.0莫耳份以下。

Description

積層膜、其製造方法及應變感測器

本發明係關於一種積層膜、其製造方法及應變感測器。

先前，已知一種具備絕緣性基板、及配置於其表面且被圖案化之Cr-N薄膜的應變感測器(例如參照下述專利文獻1)。

於專利文獻1中，首先於絕緣性基板之表面形成Cr-N薄膜而製成薄膜積層膜，然後，於300℃下進行熱處理，將Cr-N薄膜圖案化而製成應變感測器。於專利文獻1中，藉由300℃之熱處理，而減小了Cr-N薄膜之電阻溫度係數(TCR)之絕對值，改善了應變感測器之穩定性。

又，作為可耐受上述高溫熱處理之絕緣性基板，使用硬質矽基板。 [先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本專利特開2015-31633號公報

[發明所欲解決之問題]

然而，根據用途及目的，有時會使用包含樹脂之樹脂基板。但是，若在上述溫度下對此種樹脂基板進行熱處理，則會導致樹脂基板受到損傷。因此，樹脂基板無法在高溫下進行熱處理，於此情形時，無法使Cr-N薄膜之電阻溫度係數之絕對值接近0，因此存在應變感測器變得不穩定之缺陷。

又，就改善應變感測器之感度之觀點而言，應變感測器之Cr-N薄膜需要具有較高之靈敏係數。

本發明提供一種積層膜、其製造方法及應變感測器，該積層膜具備絕緣性基材樹脂膜、及電阻溫度係數之絕對值較小且靈敏係數較高之電阻層。 [解決問題之技術手段]

本發明(1)包括一種積層膜，其沿厚度方向依序具備絕緣性基材樹脂膜、及電阻層，上述電阻層含有氮化鉻，且相對於鉻原子100莫耳份，氮原子之莫耳份為3.0莫耳份以上7.0莫耳份以下。

由於該積層膜具備基材樹脂膜，並且具備相對於鉻原子100莫耳份而氮原子之莫耳份為3.0莫耳份以上7.0莫耳份以下之電阻層，故而若在相對較低之溫度下對積層膜進行加熱，則能夠減小電阻層之電阻溫度係數之絕對值，並且能夠提高靈敏係數。因此，由該積層膜所獲得之應變感測器之穩定性優異，感度良好。

本發明(2)包括如(1)所記載之積層膜，其中上述基材樹脂膜之材料為聚醯亞胺。

本發明(3)包括如(1)或(2)所記載之積層膜，其中上述基材樹脂膜之厚度為10 μm以上200 μm以下。

本發明(4)包括如(1)至(3)中任一項所記載之積層膜，其中上述電阻層之厚度為10 nm以上150 nm以下。

本發明(5)包括如(1)至(4)中任一項所記載之積層膜，其中上述電阻層之靈敏係數為10以上。

於該積層膜中，由於電阻層之靈敏係數為10以上，故而能夠獲得感度良好之應變感測器。

本發明(7)包括如(1)至(6)中任一項所記載之積層膜，其中上述電阻層之電阻溫度係數之絕對值為300 ppm/℃以下。

於該積層膜中，由於電阻層之電阻溫度係數之絕對值為300 ppm/℃以下，故而能夠獲得穩定性優異之應變感測器。

本發明(7)包括一種積層膜之製造方法，其具備如下步驟：準備如(1)至(6)中任一項所記載之積層膜之步驟；及於200℃以下之溫度下對上述積層膜進行加熱之步驟。

於該積層膜之製造方法中，由於在200℃以下之溫度下對積層膜進行加熱，故而能夠減少基材樹脂膜之由加熱引起之損傷。

本發明(8)包括一種應變感測器，其沿厚度方向依序具備絕緣性基材樹脂膜、及應變感測器部，上述應變感測器部包含經圖案化之氮化鉻，且相對於鉻原子100莫耳份，氮原子之莫耳份為3.0莫耳份以上7.0莫耳份以下。

於該應變感測器中，藉由在相對較低之溫度下進行加熱，能夠減小應變感測器部之電阻溫度係數之絕對值，並且能夠提高靈敏係數。因此，該應變感測器之穩定性優異，感度良好。 [發明之效果]

根據本發明之積層膜，能夠獲得穩定性優異且感度良好之應變感測器。

本發明之積層膜之製造方法能夠減少基材樹脂膜之由加熱引起之損傷。

本發明之應變感測器之穩定性優異，感度良好。

參照圖1～圖2B對本發明之積層膜及應變感測器之一實施方式進行說明。

[積層膜] 積層膜1係用於製造下文所說明之應變感測器15(參照圖2A～圖2B)之應變感測器用膜。該積層膜1具有沿與厚度方向正交之面方向延伸之平板形狀。具體而言，積層膜1朝向厚度方向一側依序具備基材樹脂膜2、及電阻層3。

[基材樹脂膜] 基材樹脂膜2具有絕緣性。基材樹脂膜2形成積層膜1之厚度方向另一面。基材樹脂膜2具有沿面方向延伸之平板形狀。

作為基材樹脂膜2之材料，例如可例舉：聚醯亞胺、例如聚對苯二甲酸乙二酯、聚萘二甲酸乙二酯等聚酯等樹脂。作為基材樹脂膜2之材料，較佳可例舉聚醯亞胺。若基材樹脂膜2為聚醯亞胺，則能夠加熱至200℃左右。

基材樹脂膜2之厚度並無特別限定，例如為2 μm以上，較佳為10 μm以上，更佳為20 μm以上，又，例如為500 μm以下，較佳為300 μm以下，更佳為200 μm以下。若基材樹脂膜2之厚度為上述下限以上，則能夠抑制皺褶之產生。若基材樹脂膜2之厚度為上述上限以下，則能夠以卷對卷方式進行搬送。

對於基材樹脂膜2之厚度方向一面，為了提高其與電阻層3之密接性，例如可實施電暈放電處理、紫外線照射處理、電漿處理、濺鍍蝕刻處理等處理。

[電阻層] 電阻層3係由積層膜1來製造應變感測器15(參照圖2A～圖2B)時被圖案化之層。電阻層3配置於基材樹脂膜2之厚度方向一面。電阻層3形成積層膜1之厚度方向一面。具體而言，電阻層3與基材樹脂膜2之厚度方向一面之整面接觸。

電阻層3含有氮化鉻。具體而言，電阻層3之材料含有氮化鉻作為主成分。另一方面，電阻層3之材料中例如容許混入不可避免之雜質。電阻層3中之不可避免之雜質之比率例如為1原子%以下，較佳為0.1原子%以下，更佳為0.05原子%以下。較佳為電阻層3由氮化鉻所構成。

於氮化鉻中，相對於鉻原子100莫耳份，氮原子之莫耳份為3.0莫耳份以上7.0莫耳份以下。

若相對於鉻原子100莫耳份，氮原子之莫耳份未達3.0莫耳份，則電阻溫度係數(TCR)(將於下文進行敍述)之絕對值變得過高。若電阻溫度係數之絕對值變高，則應變感測器15之穩定性降低。

另一方面，若相對於鉻原子100莫耳份，氮原子之莫耳份超過7.0莫耳份，則電阻溫度係數之絕對值變得過高，或靈敏係數降低。若電阻溫度係數之絕對值變高，則應變感測器15之穩定性降低。若靈敏係數降低，則應變感測器15之感度降低。

又，相對於鉻原子100莫耳份，氮原子之莫耳份較佳為3.5莫耳份以上，更佳為4.0莫耳份以上，進而較佳為4.5莫耳份以上。若相對於鉻原子100莫耳份，氮原子之莫耳份為上述下限以上，則能夠抑制電阻溫度係數之絕對值變得過高。

相對於鉻原子100莫耳份，氮原子之莫耳份較佳為6.0莫耳份以下，更佳為5.25莫耳份以下，進而較佳為5.0莫耳份以下。若相對於鉻原子100莫耳份，氮原子之莫耳份為上述上限以下，則能夠抑制電阻溫度係數之絕對值變得過高，又，能夠提高靈敏係數。

相對於鉻原子100莫耳份之氮原子之莫耳份之求出方法係藉由拉塞福逆散射譜法(RBS)進行測定。RBS之條件將於下述實施例中進行詳細敍述。

電阻層3之靈敏係數例如為10以上，較佳為11以上，更佳為12以上。若電阻層3之靈敏係數為上述下限以上，則能夠改善應變感測器15之感度。另一方面，由於塊狀之氮化鉻之靈敏係數為26～28，故而電阻層3之靈敏係數例如為25以下，又，為20以下。電阻層3之靈敏係數之求出方法將於下述實施例中進行詳細敍述。

電阻層3之厚度例如為5 nm以上，較佳為10 nm以上，又，例如為150 nm以下，較佳為120 nm以下。若電阻層3之厚度為上述下限以上，則能夠增大電阻層3之靈敏係數。若電阻層3之厚度為上述上限以下，則能夠抑制電阻層3發生龜裂。

[積層膜及應變感測器之製造方法] 積層膜1之製造方法係例如以卷對卷方式形成積層膜1。

例如，一面搬送長條狀基材樹脂膜2，一面於基材樹脂膜2之厚度方向一面成膜電阻層3。作為成膜方法，例如可例舉：濺鍍法、真空蒸鍍法、離子鍍覆法等。較佳可例舉濺鍍法，更佳可例舉反應性濺鍍。

於反應性濺鍍中，靶含有鉻，且使用氬氣等惰性氣體與氮氣之混合氣體作為濺鍍氣體。相對於惰性氣體100體積份，氮氣之體積份數例如為0.5～15體積份。

藉此製作具備基材樹脂膜2及電阻層3之積層膜1。

然後，於200℃以下之溫度下對積層膜1進行加熱。若積層膜1之加熱溫度超過200℃，則基材樹脂膜2會受到損傷。

加熱溫度較佳為180℃以下，又，例如為80℃以上，較佳為100℃以上，更佳為120℃以上。加熱時間例如為1分鐘以上，較佳為5分鐘以上，又，例如為1小時以下，較佳為45分鐘以下。

藉由上述加熱，而減小電阻層3之電阻溫度係數之絕對值。具體而言，加熱後之電阻層3之電阻溫度係數之絕對值例如為300 ppm/℃以下，較佳為200 ppm/℃以下，更佳為160 ppm/℃以下，進而尤佳為150 ppm/℃以下，最佳為100 ppm/℃以下，較佳為50 ppm/℃以下。若電阻層3之電阻溫度係數之絕對值為上述上限以下，則能夠減小隨著溫度變化而產生之電阻層3之電阻變化，應變感測器15之穩定性優異。又，若電阻層3之電阻溫度係數之絕對值為上述上限以下，則能夠提高靈敏係數。電阻層3之電阻溫度係數之求出方法將於下述實施例中進行詳細敍述。

藉此獲得具備基材樹脂膜2、及電阻溫度係數之絕對值較小(300 ppm/℃以下)且靈敏係數較高(10以上)之電阻層3的積層膜1。

如圖2A所示，然後將積層膜1中之電阻層3圖案化而形成電阻圖案4。作為電阻層3之圖案化，例如可例舉蝕刻，具體可例舉乾式蝕刻、濕式蝕刻，較佳為乾式蝕刻，更佳為雷射蝕刻。

電阻圖案4一體地包含應變感測器部5、端子6、及配線7。

如圖2B所示，應變感測器部5於俯視下具有大致曲折形狀。具體而言，應變感測器部5具有複數條第1線8、複數條第1連接線9、及複數條第2連接線10。

複數條第1線8分別沿第1方向(包含在面方向中之方向)延伸。複數條第1線8沿第2方向(包含在面方向中且與第1方向正交之方向)隔開間隔而排列配置。

複數條第1連接線9將第2方向上相鄰之第1線8之第1方向一端部加以連結。

複數條第2連接線10將第2方向上相鄰之第1線8之第1方向另一端部加以連結。向第1方向投影時，第1連接線9及第2連接線10交替地配置。

端子6與應變感測器部5沿面方向隔開間隔。端子6例如於俯視下具有大致矩形之焊墊形狀。端子6隔開間隔而設置有2個。

配線7將2個端子6與應變感測器部5之兩端加以連結。

於應變感測器部5中，形成有1條自一端子6起，通過一配線7、應變感測器部5及另一配線7而到達另一端子6之導電路徑。

應變感測器部5之尺寸可根據用途及目的而適當設定。第1線8、第1連接線9及第2連接線10之寬度例如為1 μm以上，較佳為5 μm以上，更佳為10 μm以上，又，例如為150 μm以下，較佳為100 μm以下，更佳為70 μm以下。

又，基材樹脂膜2之形狀亦可根據應變感測器15之用途及目的而適當設定，例如藉由外形加工而成為所需之尺寸。

其次，對將應變感測器15配置於受檢體20而測定受檢體20之應變量(變形量)的方法進行說明。

如圖2A所示，經由接著層21將應變感測器15之積層膜1貼合於受檢體20之表面。又，經由導電性接著層22將導線23連接於2個端子6。導線23與外部之電阻測定電路(未圖示)電性連接。

並且，當受檢體20發生變形時，應變感測器部5之電阻值發生變化。基於此，於電阻測定電路中算出應變量。

具體而言，當受檢體20沿第1方向伸長時，第1線8被賦予拉伸應變，第1線8之截面面積減小，應變感測器部5之電阻變大。另一方面，當受檢體20收縮時，第1線8被賦予壓縮應變，第1線8之截面面積增大，應變感測器部5之電阻變小。根據此種電阻變化量而算出受檢體20之應變量。

[一實施方式之作用效果] 並且，由於該積層膜1具備基材樹脂膜2，且具備相對於鉻原子100莫耳份而氮原子之莫耳份為3.0莫耳份以上7.0莫耳份以下之電阻層3，故而若在相對較低之溫度下對基材樹脂膜2進行加熱，則能夠減小電阻層3之電阻溫度係數之絕對值，並且能夠提高靈敏係數。因此，由該積層膜1獲得之應變感測器15之穩定性優異，感度良好。

於該積層膜1中，若電阻層3之靈敏係數為10以上，則能夠獲得感度良好之應變感測器15。

於該積層膜1中，若電阻層3之電阻溫度係數之絕對值為300 ppm/℃以下，則能夠獲得穩定性優異之應變感測器15。

於該積層膜1之製造方法中，由於在200℃以下之溫度下對積層膜1進行加熱，故而能夠減少基材樹脂膜2之由加熱引起之損傷。

於該應變感測器15中，藉由在相對較低之溫度下進行加熱，能夠減小應變感測器部5之電阻溫度係數之絕對值，並且能夠提高靈敏係數。因此，該應變感測器15之穩定性優異，感度良好。

[變化例] 於以下之各變化例中，對與上述一實施方式相同之構件及步驟標註相同之參照符號，並省略其詳細說明。又，除了特別說明以外，各變化例能夠發揮與一實施方式相同之作用效果。進而，可將一實施方式及其變化例進行適當組合。

於一實施方式中，加熱之時點可為電阻層3之圖案化之前，亦可為例如電阻層3之圖案化之後。

基材樹脂膜2可於其厚度方向一面包含例如硬塗層、易接著層、抗靜電層等功能層(未圖示)。

又，應變感測器15可進而具備將應變感測器部5被覆且包含樹脂之覆蓋層12(單點鏈線)。 [實施例]

以下示出實施例及比較例，對本發明更具體地進行說明。再者，本發明並不受到任何實施例及比較例限定。又，以下之記載中所使用之調配比率(含有比率)、物性值、參數等具體數值可替換為上述「實施方式」中所記載之與其等對應之調配比率(含有比率)、物性值、參數等相應記載之上限值(以「以下」、「未達」定義之數值)或下限值(以「以上」、「超過」定義之數值)。

實施例1 準備包含聚醯亞胺之厚度38 μm之基材樹脂膜2(東麗杜邦公司製造之150EN)。

將基材樹脂膜2設置於卷對卷式之捲出輥及捲取輥，並且設置於配置在其等之間的濺鍍裝置。

繼而，將濺鍍裝置內排氣至真空度成為1×10 ^-3Pa以下後，於下述條件下，藉由反應性脈衝DC(direct current，直流)濺鍍(脈衝寬度：1 μs，頻率：100 kHz)而成膜含有氮化鉻之電阻層3。電阻層3之厚度為60 nm。

靶：金屬鉻，500 mm×150 mm之平板形狀 功率：5 kW(功率密度：6.7 W/cm ²) 磁通密度(靶表面)：30 mT～100 mT 基板溫度：150℃ 濺鍍氣體：氬氣與氮氣之混合氣體 成膜壓力：0.085 Pa

再者，氮氣之比率係以氮原子之莫耳數相對於鉻原子之莫耳數的比率成為表1所示之方式進行調整。

藉此製造具備基材樹脂膜2及電阻層3之積層膜1。

繼而，於150℃下將積層膜1加熱30分鐘(退火處理)。

然後，將積層膜1切割成10 mm×200 mm之尺寸，藉由雷射圖案化，而由電阻層3形成包含曲折狀應變感測器部5、端子6、及配線7之電阻圖案4。應變感測器部5之線寬為30 μm。此時，以電阻圖案4之電阻成為約10 kΩ，應變感測器部5之電阻成為配線7之電阻之30倍之方式進行調整。藉此獲得應變感測器15。

實施例2～比較例3 除了根據表1變更氮原子之莫耳數相對於鉻原子之莫耳數的比率以外，以與實施例1相同之方式進行處理，而獲得積層膜1，進而獲得應變感測器15。具體而言，調整濺鍍氣體中之氮氣之比率。

[評價] 評價以下事項。將其等之結果記載於表1中。 [氮原子之比率] 關於各實施例及比較例之電阻層3，藉由拉塞福逆散射譜法(RBS)求出相對於鉻原子100莫耳份之氮原子之莫耳數。RBS之詳情如下所示。

裝置：National Electrostatics Corporation製造之Pelletron 3SDH 測定條件： 入射離子： ⁴He ⁺⁺入射能量：2300 keV 入射角：0 deg 散射角：160 deg 試樣電流：4 nA 射束直徑：2 mm

面內旋轉：無 照射量：40 μC

[電阻溫度係數] 將各實施例及比較例之應變感測器15之應變感測器部5之溫度設為5℃。將測試機連接於2個端子6各者，施加定電流並讀取電壓，藉此測定5℃下之2端子電阻。以相同方式測定25℃及45℃下之2端子電阻。

然後，求出根據5℃及25℃下之電阻值算出之電阻溫度係數與根據25℃及45℃下之電阻值算出之電阻溫度係數的平均值，將其作為應變感測器部5(電阻層3)之電阻溫度係數。

[靈敏係數] 將測試機連接於各實施例及比較例之2個端子6各者，施加定電流並讀取電壓，同時利用INSTRON公司製造之5967萬能材料試驗機拉伸基材樹脂膜2，根據此時所測得之配線電阻值之變化量及拉伸量求出靈敏係數。

[表1]

表1
	相對於Cr原子100莫耳份之N原子之莫耳份	電阻溫度係數(TCR) (ppm/℃)	靈敏係數
實施例1	4.2	52	12.4
實施例2	4.6	-24.2	12.5
實施例3	3.4	245	11.6
實施例4	5.3	-162	11.5
實施例5	5.2	-159	10.5
比較例1	2.8	412	11.5
比較例2	8.1	-461	12.2
比較例3	14.0	4	9.5

再者，上述發明係作為本發明之例示性實施方式而提供，但其僅為示例，不應限定性地進行解釋。該技術領域之業者所知曉之本發明之變化例包含在下述發明申請專利範圍中。 [產業上之可利用性]

積層膜可用於製造應變感測器。

1:積層膜 2:基材樹脂膜 3:電阻層 4:電阻圖案 5:應變感測器部 6:端子 7:配線 8:第1線 9:第1連接線 10:第2連接線 12:覆蓋層 15:應變感測器 20:受檢體 21:接著層 22:導電性接著層 23:導線

圖1係本發明之積層膜之一實施方式之剖視圖。 圖2係將圖1所示之電阻層圖案化而成之應變感測器，且圖2A為剖視圖，圖2B為俯視圖。

1:積層膜

2:基材樹脂膜

3:電阻層

Claims (8)

1. 一種積層膜，其特徵在於沿厚度方向依序具備絕緣性基材樹脂膜、及電阻層，且 上述電阻層含有氮化鉻，且相對於鉻原子100莫耳份，氮原子之莫耳份為3.0莫耳份以上7.0莫耳份以下。
2. 如請求項1之積層膜，其中上述基材樹脂膜之材料為聚醯亞胺。
3. 如請求項1或2之積層膜，其中上述基材樹脂膜之厚度為10 μm以上200 μm以下。
4. 如請求項1或2之積層膜，其中上述電阻層之厚度為10 nm以上150 nm以下。
5. 如請求項1或2之積層膜，其中上述電阻層之靈敏係數為10以上。
6. 如請求項1或2之積層膜，其中上述電阻層之電阻溫度係數之絕對值為300 ppm/℃以下。
7. 一種積層膜之製造方法，其特徵在於具備如下步驟： 準備如請求項1至6中任一項之積層膜之步驟；及 於200℃以下之溫度下對上述積層膜進行加熱之步驟。
8. 一種應變感測器，其特徵在於沿厚度方向依序具備絕緣性基材樹脂膜、及應變感測器部，且 上述應變感測器部包含經圖案化之氮化鉻，且相對於鉻原子100莫耳份，氮原子之莫耳份為3.0莫耳份以上7.0莫耳份以下。

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