TW202231893A - 應變感測器、功能性膜及其製造方法 - Google Patents

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中島一裕
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Abstract

本發明之功能性膜(101)係於可撓性絕緣基材(50)之一主面上具備應變電阻膜(10)。應變電阻膜係膜厚為150 nm以下之氮化鉻薄膜，且於將CuKα射線作為X射線源之X射線繞射圖中，2θ為60°～65°之範圍之第二峰之強度I 2相對於2θ為43°～45°之範圍之第一峰之強度I 1的強度比I 2/I 1為0.001以上。本發明之應變電阻膜不易因彎曲產生裂痕，且應變計因數較高。功能性膜可較好地用於應變感測器。

Description

應變感測器、功能性膜及其製造方法
本發明係關於一種於可撓性絕緣基材上具備經圖案化之薄膜的應變感測器、以及用於製作應變感測器之功能性膜及其製造方法。
應變感測器係利用感測材料之電阻隨彈性應變而變化之現象，基於電阻變化ΔR，可算出應變或應力。應變感測器之感度由感測材料之應變計因數(gage factor)K決定。應變計因數K係縱應變ε＝ΔL/L與電阻變化率ΔR/R之比，由下述式定義。 K＝(ΔR/R)/ε
應變計因數K越大，即便應變較小，電阻之變化ΔR亦越大，因此應變感測器之感度越高。又，應變計因數K較大時，即便感測材料之整體電阻R較小亦能夠檢測出應變，因此能夠縮短感測器配線之長度，有利於小型化。已知一般之金屬材料之應變計因數為2左右，相對於此，塊狀之金屬鉻顯示出26～28左右之應變計因數，鉻薄膜亦顯示出15左右之較高之應變計因數。
作為應變感測器之感測材料，除需要應變計因數較高以外，亦需要相對於溫度變化之電阻變化(溫度電阻係數：TCR(Temperature Coefficient of Resistance))較小。金屬鉻雖應變計因數較高，但TCR較大，欠缺穩定性。
作為顯示出較高之應變計因數且TCR較小之應變感測材料，提出有氮化鉻(Cr-N合金)，該氮化鉻係於金屬鉻中添加少量氮使其合金化而製成。於專利文獻1及專利文獻2中，揭示有如下示例：使用金屬鉻靶，除導入氬氣以外，亦導入少量氮氣，藉由反應性濺鍍，於玻璃基材上形成包含膜厚300～400 nm左右之氮化鉻薄膜之應變電阻膜。
為了能夠應用於各種形狀之測定対象，提出於可撓性絕緣基材上設置有感測器配線之可撓性應變感測器。例如，於專利文獻3中，揭示有於厚度為20～200 μm之氧化鋯基板上設置有厚度500 nm之氮化鉻薄膜作為應變電阻膜的應變感測器。於專利文獻4中，揭示有於具有特定熱膨脹係數之聚醯亞胺膜上設置作為底層之鈦薄膜，並於其上設置氮化鉻薄膜作為應變電阻膜的應變感測器。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開平7-306002號公報 [專利文獻2]日本專利特開平10-270201號公報 [專利文獻3]日本專利特開2014-74661號公報 [專利文獻4]日本專利特開2019-66312號公報
[發明所欲解決之問題]
將設置於絕緣基材上之薄膜圖案化為特定形狀之配線，並視需要於經圖案化之薄膜上設置覆蓋材料，藉此形成應變感測器。於使用可撓性絕緣基材之情形時，藉由採用卷對卷式濺鍍等連續成膜方式，能夠以長條狀提供具備膜厚均勻且特性統一之薄膜的功能性膜，因此生產性得到提高，有助於降低成本。
然而，若藉由卷對卷式方式形成具有與專利文獻1～4同等膜厚之氮化鉻薄膜，則薄膜會產生裂痕，而難以用作應變感測器之電阻膜。另一方面，若減小應變電阻膜之膜厚，則應變計因數會變小，從而感測器感度存在下降之傾向。
鑒於上述情況，本發明之目的在於提供一種於可撓性絕緣基材上具備不易因彎曲產生裂痕、且應變計因數較高之應變電阻膜的功能性膜、及將該應變電阻膜圖案化而形成有感測器配線之應變感測器。 [解決問題之技術手段]
本發明者等人發現，即便膜厚較小，於X射線繞射圖中顯示出特定繞射峰之氮化鉻薄膜亦顯示出較高之應變計因數，從而完成本發明。
應變感測器用功能性膜於可撓性絕緣基材之一主面上具備應變電阻膜。可撓性絕緣基材亦可為樹脂膜。應變感測器用功能性膜亦可以長條膜之卷狀捲繞體之形式提供。藉由將應變電阻膜圖案化，可形成於可撓性絕緣基材上具備經圖案化之感測器配線之應變感測器。
應變電阻膜為氮化鉻薄膜，膜厚較佳為150 nm以下。於將CuKα射線作為X射線源之X射線繞射圖中，應變電阻膜顯示出2θ為43°～45°之範圍之第一峰與2θ為60°～65°之範圍之第二峰。第二峰之峰強度I 2相對於第一峰之峰強度I 1的強度比I 2/I 1較佳為0.001以上。
應變電阻膜之應變計因數較佳為10以上。應變電阻膜之電阻溫度係數較佳為-600～600 ppm/℃。
應變電阻膜較佳為藉由濺鍍法形成。例如，使用Cr靶，導入氬氣及氮氣實施濺鍍成膜，藉此形成應變電阻膜(氮化鉻薄膜)。應變電阻膜之濺鍍成膜亦可藉由卷對卷式濺鍍實施。
於濺鍍成膜應變電阻膜時，相對於氬氣導入量100體積份之氮氣導入量較佳為0.5～15體積份。濺鍍成膜應變電阻膜時之成膜壓力亦可為0.20 Pa以下。 [發明之效果]
本發明之功能性膜不易產生電阻膜之裂痕，且具有較高之應變計因數，因此適於形成應變感測器，可有助於應變感測器之高感度化及小型化。
[功能性膜之構成] 圖1係表示用於形成應變感測器之功能性膜之積層構成例之剖視圖，於作為可撓性絕緣基材之膜基材50之一主面上具備應變電阻膜10。藉由將功能性膜101之應變電阻膜圖案化而得到圖2之俯視圖所示之應變感測器110。
＜膜基材＞ 膜基材50為形成作為感測材料之應變電阻膜10之基底。膜基材50係可撓性絕緣基材，可透明亦可不透明。膜基材之厚度雖無特別限定，一般為2～500 μm左右，亦可為10～300 μm、或20～200 μm左右。
作為膜基材50之材料，較佳為各種樹脂材料或具有可撓性之薄板玻璃，因其等能夠藉由卷對卷式濺鍍形成薄膜。作為樹脂材料，可例舉：聚對苯二甲酸乙二酯等聚酯、聚醯亞胺、聚烯烴、降𦯉烯系等環狀聚烯烴、聚碳酸酯、聚醚碸、聚芳酯、聚醚醚酮、聚苯硫醚等。就耐熱性、尺寸穩定性、電特性、機械特性、耐化學品性等觀點而言，較佳為聚醯亞胺或聚酯。
膜基材50較佳為伴隨溫度變化產生之尺寸變化較小，於0～60℃之範圍之熱膨脹係數較佳為50 ppm/℃以下，更佳為30 ppm/℃以下，進而較佳為20 ppm/℃以下。
膜基材亦可於表面具備硬塗層(固化樹脂層)、易接著層、抗靜電層等功能層。又，為了提昇與薄膜之密接性等，亦可對膜基材之表面實施電暈放電處理、紫外線照射處理、電漿處理、濺鍍蝕刻處理等處理。
＜應變電阻膜＞ 設置於膜基材50上之應變電阻膜10係於應變感測器中作為感測材料發揮功能之電阻體。應變電阻膜10係氮化鉻薄膜。
氮化鉻薄膜作為應變電阻膜10較佳為包含Cr、N及不可避免之雜質元素之薄膜。作為不可避免之雜質元素，可例舉鉻靶中含有之雜質金屬元素、碳、氧等。氮化鉻薄膜中含有之Cr及N以外之元素之含量較佳為1原子%以下，更佳為0.1原子%以下，進而較佳為0.05原子%以下。
應變電阻膜10(氮化鉻薄膜)之膜厚較佳為150 nm以下。於設置於可撓性膜基材上之氮化鉻薄膜之膜厚較大之情形時，內部應力較大，因卷對卷式搬送等使膜產生彎曲時，薄膜容易產生裂痕，難以用作感測材料。就降低裂痕之產生之觀點而言，氮化鉻薄膜之膜厚更佳為120 nm以下，進而較佳為100 nm以下。氮化鉻薄膜之膜厚亦可為90 nm以下或80 nm以下。
氮化鉻薄膜之膜厚之下限雖無特別限定，一般為5 nm以上。存在應變電阻膜之膜厚越大，則應變計因數越大之傾向，從而應變感測器之感度得到提昇。因此，氮化鉻薄膜之膜厚較佳為10 nm以上，更佳為20 nm以上，進而較佳為30 nm以上。氮化鉻薄膜之膜厚亦可為40 nm以上、45 nm以上或50 nm以上。
氮化鉻薄膜較佳為於將CuKα射線作為X射線源之X射線繞射圖中，於2θ為43°～45°之範圍與2θ為60°～65°之範圍分別具有繞射峰。又，2θ為60°～65°之範圍之繞射峰之峰強度I 2相對於2θ為43°～45°之範圍之繞射峰之峰強度I 1的比I 2/I 1較佳為0.001以上。於在2θ為60°～65°之範圍具有繞射峰之情形時，存在應變計因數變大之傾向。I 2/I 1較佳為0.01以上，更佳為0.05以上。I 2/I 1亦可為0.1以上、0.2以上或0.3以上。
作為應變電阻膜發揮功能之氮化鉻薄膜係於Cr基質中含有CrN及/或Cr 2N之混晶系。氮原子相對於鉻原子之比率(N/Cr)較佳為0.01～0.1，較佳為0.02～0.06。藉由於金屬鉻基質中含有少量氮原子，可維持金屬鉻之高應變計因數，同時使電阻溫度係數(TCR)之值接近0。若氮原子之含量變得過高，則存在應變計因數下降之傾向。
金屬Cr之α-Cr穩定，α-Cr單晶具有晶格常數為0.288 nm之體心立方晶格(BCC，Body Centered Cubic)之結構。於將CuKα射線作為X射線源之X射線繞射圖中，2θ為43°～45°之範圍(晶面間距為0.201～0.210 nm)之峰可歸屬為α-Cr之(110)面之繞射峰，2θ為60°～65°之範圍(晶面間距為0.143～0.154 nm)之峰可歸屬為α-Cr之(200)面之繞射峰。
氮化鉻薄膜存在膜厚越大則塊狀特性越大，伴隨於此從而應變計因數越大之傾向。然而，如上所述，由於膜厚較大之氮化鉻薄膜欠缺可撓性，容易因彎曲產生裂痕，故不適合卷對卷式搬送。若減小氮化鉻薄膜之膜厚，則不易因彎曲產生裂痕，但一般存在應變計因數變小之傾向。與此相對，具有晶面間距為0.143～0.154 nm之晶格面(推定為α-Cr之(200)面)之繞射峰的氮化鉻薄膜，存在即便膜厚較小亦顯示出較高之應變計因數之傾向。因此，能夠同時實現裂痕之抑制與較大之應變計因數。
氮化鉻薄膜之應變計因數較佳為10以上，更佳為11以上。應變計因數亦可為12以上或13以上。應變計因數之上限雖無特別限定，塊狀α-Cr之應變計因數為26～28，氮化鉻薄膜之應變計因數一般比其更小。氮化鉻薄膜之應變計因數亦可為25以下或20以下。
氮化鉻薄膜較佳為伴隨溫度變化產生之電阻之變化較小。氮化鉻薄膜之TCR較佳為-600～+600 ppm/℃，更佳為-500～+500 ppm/℃。氮化鉻薄膜之TCR可為-400 ppm/℃以上、-300 ppm/℃以上、-200 ppm/℃以上、-150 ppm/℃以上或-100 ppm/℃以上，亦可為400 ppm/℃以下、300 ppm/℃以下、200 ppm/℃以下、150 ppm/℃以下或100 ppm/℃以下。
氮化鉻薄膜之TCR理想情況下為0。於氮化鉻薄膜中之氮含量為5原子%以下之範圍，氮含量越高，TCR越趨向於較大之負值，於氮含量較少之情形時TCR趨向於正值。
氮化鉻薄膜之形成方法無特別限定，例如，可例舉濺鍍法、真空蒸鍍法、電子束蒸鍍法、化學氣相蒸鍍法(CVD)等。該等之中較佳為濺鍍法，因其可成膜膜厚均勻性優異之薄膜。尤其是藉由使用卷對卷式濺鍍裝置，一面將長條狀之膜基材於長度方向連續地移動一面進行成膜，可提高生產性。藉由卷對卷式濺鍍於長條狀之膜基材上連續成膜作為應變電阻膜之氮化鉻薄膜，藉此得到長條狀之功能性膜之卷狀捲繞體。
較佳為於濺鍍裝置內裝填卷狀之膜基材後，於濺鍍成膜開始前，對濺鍍裝置內進行排氣，從而使其成為除去了自膜基材產生之水分及有機氣體等雜質之環境。濺鍍成膜開始前，濺鍍裝置內之真空度(極限真空度)例如為1×10 -2Pa以下，較佳為5×10 -3Pa以下，更佳為1×10 -3Pa以下。
較佳為濺鍍成膜氮化鉻薄膜時使用金屬Cr靶，除導入氬氣等惰性氣體以外，亦導入氮氣，實施反應性濺鍍。相對於氬氣100體積份，氮氣導入量較佳為0.5～15體積份，更佳為1～10體積份。濺鍍成膜之成膜壓力較佳為0.20 Pa以下，更佳為0.15 Pa以下，進而較佳為0.10 Pa以下。成膜壓力亦可為0.01 Pa以上、0.03 Pa以上或0.05 Pa以上。
於氮氣導入量及成膜壓力為上述範圍內，且膜厚為150 nm以下之情形時，容易形成於將CuKα射線作為X射線源之X射線繞射圖中具有2θ為60°～65°之範圍(晶面間距為0.143～0.154 nm)之繞射峰的氮化鉻薄膜。即便於同樣之條件實施成膜，於膜厚較大之情形時，幾乎觀測不到2θ為60°～65°之範圍之繞射峰。
薄膜於成膜初期受與基材之界面之影響較大，存在膜厚越大則越接近塊狀特性之傾向。因此，一般存在膜厚越大則應變計因數越大之傾向。另一方面，推測藉由控制氮氣導入量及成膜壓力，使成膜初期發生了特異之膜生長，生長了(200)面配向之α-Cr。認為其係由於在氮化鉻薄膜之膜厚為150 nm以下、尤其是100 nm以下之範圍內，成膜初期之膜特性之影響具支配性，因此容易形成(200)配向性較高、且I 2/I 1較大之氮化鉻薄膜。
濺鍍成膜時之基板溫度可於膜基材具有耐熱性之範圍內適當地設定。基板溫度越高，結晶化越得到促進，從而容易使膜特性穩定化。因此，基板溫度較佳為30℃以上，更佳為50℃以上，進而較佳為70℃以上。基板溫度亦可為100℃以上、120℃以上或130℃以上。
就使電漿放電穩定之同時抑制對膜基材之損傷之觀點而言，放電功率密度較佳為0.5～15 W/cm 2，更佳為1～10 W/cm 2。
濺鍍成膜時之靶表面之磁通密度為10～200 mT左右。存在磁通密度越高，I 2/I 1越大，從而越能形成應變計因數較高之薄膜之傾向。靶表面之磁通密度較佳為20 mT以上，更佳為30 mT以上。靶表面之磁通密度亦可為40 mT以上或50 mT以上。
亦可於成膜氮化鉻薄膜後實施加熱處理。存在藉由加熱膜基材上之氮化鉻薄膜而可提高結晶性之傾向，從而有時可使膜特性穩定化。認為其係由於藉由加熱而使鉻之結晶化進展時，原子之再排列促使晶格缺陷減少，該等有助於膜特性之穩定化。
於進行加熱處理之情形時，加熱溫度較佳為80℃以上，更佳為100℃以上，進而較佳為120℃以上。加熱溫度之上限視膜基材之耐熱性而定即可，一般為200℃以下或180℃以下。於使用聚醯亞胺膜等高耐熱性聚合物膜、及薄板玻璃等無機膜基材之情形時，加熱溫度亦可超出上述範圍。加熱時間較佳為1分鐘以上，更佳為5分鐘以上，進而較佳為10分鐘以上。進行加熱處理之時機只要為氮化鉻薄膜成膜後則無特別限定。例如，亦可於將氮化鉻薄膜圖案化後實施加熱處理。
＜附加層＞ 功能性膜除膜基材50與應變電阻膜10以外亦可具備附加之層。例如，如上所述，亦可於膜基材50之表面設置硬塗層。例如，藉由於樹脂膜之表面設置硬塗層，存在提昇功能性膜之硬度、提高耐擦傷性之傾向。
硬塗層亦可含有微粒子。微粒子之平均粒徑(平均一次粒徑)較佳為10 nm～10 μm左右。藉由使硬塗層含有具有0.5 μm～10 μm左右、較佳為0.8～5 μm左右之次微米或μm級平均粒徑的微粒子，於硬塗層之表面及設置於其上之薄膜之表面形成直徑為次微米或μm級之突起，從而使功能性膜之滑動性、耐黏連性、及耐擦傷性趨於得到提昇。
藉由使硬塗層含有平均粒徑10 nm～100 nm左右、較佳為20 nm～80 nm左右之微粒子，於硬塗層之表面形成微細之凹凸，從而與應變電阻膜10之密接性趨於得到提昇。
功能性膜亦可於膜基材50與應變電阻膜10之間具備底層。藉由於膜基材50上設置底層，並於其上形成作為應變電阻膜10之氮化鉻薄膜，可抑制成膜氮化鉻薄膜時對膜基材50造成電漿損傷。又，藉由設置底層，阻斷由膜基材產生之水分及有機氣體等，從而可抑制雜質混入氮化鉻薄膜。雖然鉻具有容易形成自氧化膜之性質，但藉由設置底層阻斷來自膜基材之水分及有機氣體等，可抑制應變電阻膜之氧化。
底層可具有導電性亦可具有絕緣性。於底層為導電性之無機材料(無機導電體)之情形時，於製作應變感測器時，將底層與作為應變電阻膜之氮化鉻薄膜一同圖案化即可。於底層為絕緣材料(介電體)之情形時，底層可圖案化亦可不圖案化。
作為無機材料，可例舉：Si、Ge、Sn、Pb、Al、Ga、In、Tl、As、Sb、Bi、Se、Te、Mg、Ca、Sr、Ba、Sc、Y、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Tc、Re、Fe、Ru、Os、Co、Rh、Ir、Pd、Pt、Cu、Ag、Au、Zn、Cd等金屬元素或半金屬元素及該等之合金、氮化物、氧化物、氮氧化物等。
底層亦可為具有提昇作為應變電阻膜之氮化鉻薄膜之密接性、以及控制氮化鉻之結晶性(例如促進結晶化)等作用者。底層之膜厚無特別限定。於設置導電體作為底層之情形時，其膜厚較佳為充分小於應變電阻膜10，較佳為10 nm以下，更佳為5 nm以下。
底層之形成方法無特別限定，可採用乾式塗佈、濕式塗佈之任一種。於藉由濺鍍法形成氮化鉻薄膜之情形時，就生產性之觀點而言，較佳為底層亦藉由濺鍍法形成。又，因濺鍍法容易形成緻密之膜，從而抑制來自膜基材之水分及有機物混入氮化鉻薄膜之效果優異，故較佳為藉由濺鍍法形成底層。
功能性膜亦可於應變電阻膜10上具有面塗層。面塗層亦可為具有作為防止應變電阻膜之損傷及腐蝕之保護膜之作用、以及提昇與導線之焊料連接性等作用者。
[應變感測器] 藉由將功能性膜之應變電阻膜10圖案化，形成應變感測器。圖2係一實施形態之應變感測器110之俯視圖。圖3係表示於被檢體90安裝有應變感測器110之情況之剖視圖，示出了沿圖2之A1-A2線之剖面。
應變感測器110於膜基材50上具備包含感測器配線122、123之感測器配線部12、及一對端子部13a、13b。感測器配線及端子部皆係藉由將功能性膜之應變電阻膜圖案化而形成。
感測器配線部12係藉由感測器配線122、123形成，該感測器配線122、123係將應變電阻膜10圖案化為細線狀而成者。設置為條紋狀之複數個縱配線122於其端部經由橫配線123連結而形成髮夾狀之彎曲部，感測器配線從而具有曲折狀之圖案。
形成感測器配線部12之圖案形狀之細線的線寬越小(截面面積越小)、自感測器配線部12之感測器配線之一端至另一端之線長越大，則兩點間之電阻越大，伴隨應變產生之電阻變化量亦越大，因此應變之測定精度提昇。藉由設為如圖2所示之髮夾彎狀之配線圖案，可縮小感測器配線部12之面積，並且增大感測器配線之長度(自連接於配線一端之端子部13a至連接於另一端之端子部13b之線長)。再者，感測器配線之圖案形狀不限定於如圖2所示之形態，亦可為螺旋狀等圖案形狀。
感測器配線122與123之線寬、及相鄰配線間之距離(間隔寬)根據光微影法之圖案化精度設定即可。線寬及間隔寬一般為1～150 μm左右。就防止感測器配線發生斷線之觀點而言，線寬較佳為3 μm以上，較佳為5 μm以上。就增大電阻變化而提高應變之測定精度之觀點而言，線寬較佳為100 μm以下，更佳為70 μm以下。就同樣之觀點而言，間隔寬較佳為3～100 μm，更佳為5～70 μm。
端子部13a、13b自感測器配線之兩端延伸，於俯視時，較感測器配線122更寬。端子部係用以向外部輸出因應變產生之感測器配線之電阻值之變化的一對電極，例如接合有外部連接用之導線80等。
應變電阻膜之圖案化方法無特別限定。較佳為藉由光微影法進行圖案化，因其容易進行圖案化，且精度較高。進行光微影法時，於應變電阻膜之表面形成與上述感測器配線及端子部之形狀相對應之蝕刻阻劑，藉由濕式蝕刻去除沒有形成蝕刻阻劑之區域之應變電阻膜後，剝離蝕刻阻劑。應變電阻膜之圖案化可藉由雷射加工等乾式蝕刻實施。
亦可於將應變電阻膜圖案化而形成感測器配線後，以覆蓋感測器配線部整體之方式設置覆蓋層60。藉由設置覆蓋層60，可保護感測器配線不受外部影響，從而可防止配線之機械損傷、以及因水分及氣體等引起之配線之劣化。
覆蓋層60之材料只要為絕緣材料則無特別限定，例如，可使用作為膜基材之樹脂材料例示的各種樹脂材料。覆蓋層60亦可藉由熱固化性或光固化性之樹脂材料形成。例如亦可於將應變電阻膜圖案化而形成配線後，以覆蓋感測器配線部12之方式塗佈固化性樹脂組合物，並藉由加熱或活性能量線之照射進行固化。亦可於感測器配線部12上層壓乾膜光阻等半固化膜後進行固化。覆蓋層60之厚度雖無特別限定，例如為2 μm～100 μm左右。
圖3中，於被檢體90之表面經由適當之接著層55貼合有應變感測器110之膜基材50。端子部13a、13b分別經由適當之導電接著層18連接有導線80。作為導電接著層之材料，可例舉焊料。作為導電性接著材料，亦可使用於樹脂黏合劑中含有導電性材料之導電性膏或導電性接著膜。
感測器配線122經由端子部13a、13b及導線80與外部之電阻測定電路連接。若被檢體90發生變形而產生應變，則感測器配線部12之電阻值發生變化。基於感測器配線部12之電阻值之變化，算出應變量。
例如，於被檢體發生如圖3之雙點鏈線所示之變形之情形時，由於縱配線122被賦予拉伸應變，故配線之截面面積減小，感測器配線部之電阻變大。相反，於縱配線被賦予壓縮應變之情形時，由於配線之截面面積增大，故感測器配線部之電阻變小。根據該電阻變化量算出應變量。由於應變所致之電阻之變化較小，故一般導線80連接於橋接電路，將電阻之變化轉換為電壓之變化，藉由放大器將電壓之變化放大，藉此檢測出被檢體之應變。 [實施例]
以下，例舉實施例對本發明進行更詳細之說明，本發明並不限定於以下實施例。
[實施例1] 於卷對卷式濺鍍裝置內設置長條聚醯亞胺膜之捲筒，並對濺鍍裝置內進行排氣，直至真空度成為1×10 -3Pa以下，其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)，成膜膜厚60 nm之氮化鉻薄膜。 靶：金屬鉻(500 mm×150 mm) 輸入電力：5 kW(功率密度：6.7 W/cm 2) 磁通密度(靶表面)：100 mT 基板溫度：150℃ 導入氣體：氬氣及氮氣 成膜壓力：0.085 Pa
[實施例2～5、比較例1～3] 將基材膜之種類、磁通密度、氮氣導入量、成膜壓力、及氮化鉻薄膜之膜厚變更為如表1所示者。除此以外以與實施例1相同之條件，於膜基材上藉由濺鍍成膜氮化鉻薄膜。於實施例4中，變更磁體，以靶表面之磁通密度30 mT之條件進行成膜。各實施例所使用之膜基材之詳細情況如下所述。 PI(Polyimide，聚醯亞胺)-1：東麗・杜邦製之聚醯亞胺膜「Kapton 500V」，厚度125 μm PI-2：東麗・杜邦製之聚醯亞胺膜「Kapton 200V」，厚度50 μm PI-3：東麗・杜邦製之聚醯亞胺膜「Kapton 200EN」，厚度50 μm PET(Polyethylene terephthalate，聚對苯二甲酸乙二酯)：東麗製之聚對苯二甲酸乙二酯膜「Lumirror 149UNS」，厚度150 μm
[評估] ＜裂痕＞ 目視觀察氮化鉻薄膜有無裂痕。
＜X射線繞射＞ 使用粉末X射線繞射裝置(Rigaku製「SmartLab」)，以下述條件實施out-of-plane(面外)測定，自XRD(X-ray diffraction analysis)圖讀取2θ＝43～45°範圍之繞射峰之峰強度I 1、及2θ＝60～65°範圍之繞射峰之峰強度I 2，算出I 2/I 1。 X射線源：CuKα射線(波長：0.15418 nm)，9 kW 受光PSA(Parallel Slit Analyzer，平行狹縫分析儀)：0.114° 掃描軸：2θ/θ 步寬：0.04° 掃描範圍：20°～70°
＜應變計因數及電阻溫度係數之測定＞ (應變感測器之製作) 將於膜基材上設置有作為應變電阻膜之氮化鉻薄膜之試樣，切割為10 mm×200 mm之尺寸，藉由雷射圖案化，將氮化鉻薄膜圖案加工為線寬30 μm之條紋形狀，製作圖2所示之圖案形狀之應變感測器。
(應變計因數(Gf)之測定) 藉由萬能材料試驗機(INSTRON製「5967」)，於縱配線之延伸方向拉伸應變感測器，以使變形量(縱應變)達到0.4%，於該狀態下，藉由高電阻/低電流靜電計(KEITHLEY製「Model 6514 System Electgrometer」測定電阻，根據與無負載狀態之電阻之比，算出應變計因數。
(電阻溫度係數(TCR)之測定) 用小型之加熱冷卻烘箱，使應變感測器處於5℃、25℃、45℃。將端子部13a、13b連接於測試器，流通定電流並讀取電壓，藉此測定各溫度下之兩端子電阻。將根據5℃及25℃之電阻值計算出之TCR與根據25℃及45℃之電阻值計算出之TCR之平均值作為氮化鉻薄膜之TCR。
[評估結果] 實施例及比較例之功能性膜的製作條件(膜基材之種類、靶表面之磁通密度、氮氣導入量、成膜壓力及膜厚)、以及評估結果(有無裂痕、X射線繞射之峰強度、應變計因數(Gf)及電阻溫度係數(TCR))如表1所示。表1中之N 2量係相對於Ar導入量100體積份之N 2導入量(體積份)。比較例1中，由於於氮化鉻薄膜上產生了較多裂痕，故未實施感測器特性之評估。
[表1]
   成膜條件 裂痕 XRD 感測器特性
基材 磁場強度 (mT) N 2量 成膜 壓力 (Pa) 膜厚 (nm) I 1 I 2 I 2/I 1 Gf TCR (ppm/℃)
實施例1 PI-1 100 10 0.085 60 無 467 212 0.45 12.9 -579
實施例2 PI-3 100 6.0 0.085 60 無 1225 763 0.62 13.7 -400
實施例3 PI-1 100 4.0 0.085 60 無 172 1137 6.63 15.5 -96
實施例4 PI-2 30 4.0 0.085 60 無 1129 136 0.12 11.6 -150
實施例5 PI-1 100 4.5 0.16 120 無 3885 14 0.004 13.3 25
比較例1 PI-1 100 4.5 0.16 180 有 8379 32 0.004 - -
比較例2 PET 100 10 0.20 60 無 1706 0 - 9.5 -495
比較例3 PET 100 10 0.25 60 無 780 0 - 4.2 -155
於比較例1中，於膜基材上成膜膜厚180 nm之氮化鉻薄膜，結果於薄膜之整體產生了裂痕。於實施例5中，以與比較例1相同之條件形成膜厚120 nm之氮化鉻薄膜未產生裂痕，於形成膜厚60 nm之氮化鉻薄膜之其他實施例及比較例中亦未觀察到裂痕。由該等結果可知，藉由減小膜厚，可形成柔軟性優異之氮化鉻薄膜，該氮化鉻薄膜即便於實施卷對卷式成膜及捲筒搬送之情形時亦不易產生裂痕。
比較例2及比較例3中，XRD圖中於2θ為60～65°之範圍未觀察到繞射峰，薄膜之應變計因數未達10。相比於比較例2、3，於低壓下進行濺鍍成膜之實施例1中，於2θ為60～65°之範圍觀察到繞射峰，應變計因數超過10。
實施例2、3中，氮氣導入量比實施例1少，I 2/I 1比實施例1大，即便其氮化鉻薄膜之膜厚為實施例5之一半，亦顯示出比實施例5更高之應變計因數。於實施例1～3中，觀察到應變計因數隨著I 2/I 1增大而上升之傾向。以比實施例3低之磁通密度進行成膜之實施例4中，I 2/I 1較小，應變計因數下降。
由以上結果可知，藉由減小氮化鉻薄膜之膜厚能夠抑制裂痕之產生，藉由調節成膜條件，而得到於2θ為60～65°之範圍顯示出繞射峰之氮化鉻薄膜，即便膜厚較小亦顯示出較高之應變計因數。
10:應變電阻膜(氮化鉻薄膜) 12:感測器配線部 13a:端子部 13b:端子部 18:導電接著層 50:膜基材 55:接著層 60:覆蓋材料 80:導線 90:被檢體 101:功能性膜 110:應變感測器 122:感測器配線 123:感測器配線
圖1係表示功能性膜之積層構成例之剖視圖。 圖2係應變感測器之俯視圖。 圖3係表示於被檢體安裝有應變感測器之情況之剖視圖。
10:應變電阻膜(氮化鉻薄膜)
50:膜基材
101:功能性膜

Claims (10)

  1. 一種功能性膜， 其係用於製作應變感測器之應變感測器用功能性膜，其係於可撓性絕緣基材之一主面上具備應變電阻膜， 上述應變電阻膜係 膜厚為150 nm以下之氮化鉻薄膜，且 於將CuKα射線作為X射線源之X射線繞射圖中，2θ為60°～65°之範圍之第二峰之強度I 2相對於2θ為43°～45°之範圍之第一峰之強度I 1的強度比I 2/I 1為0.001以上。
  2. 如請求項1之功能性膜，其中上述應變電阻膜之應變計因數為10以上。
  3. 如請求項1或2之功能性膜，其中上述應變電阻膜之電阻溫度係數為-600～600 ppm/℃。
  4. 如請求項1或2之功能性膜，其中上述可撓性絕緣基材為樹脂膜。
  5. 如請求項1或2之功能性膜，其係長條膜之捲繞體。
  6. 一種功能性膜之製造方法，其係如請求項1至5中任一項之功能性膜之製造方法，且 使用Cr靶，導入氬氣及氮氣，藉由濺鍍法成膜上述應變電阻膜。
  7. 如請求項6之功能性膜之製造方法，其係藉由卷對卷式濺鍍成膜上述應變電阻膜。
  8. 如請求項6或7之功能性膜之製造方法，其中於濺鍍成膜上述應變電阻膜時，相對於氬氣導入量100體積份之氮氣導入量為0.5～15體積份。
  9. 如請求項6或7之功能性膜之製造方法，其中濺鍍成膜上述應變電阻膜時之成膜壓力為0.20 Pa以下。
  10. 一種應變感測器， 其係於可撓性絕緣基材之一主面上具備經圖案化之感測器配線者， 上述感測器配線係 膜厚為150 nm以下之氮化鉻薄膜，且 於將CuKα射線作為X射線源之X射線繞射圖中，2θ為60°～65°之範圍之第二峰之強度I 2相對於2θ為43°～45°之範圍之第一峰之強度I 1的強度比I 2/I 1為0.001以上。
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