WO2022154057A1 - ひずみゲージ - Google Patents

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WO2022154057A1
WO2022154057A1 PCT/JP2022/000985 JP2022000985W WO2022154057A1 WO 2022154057 A1 WO2022154057 A1 WO 2022154057A1 JP 2022000985 W JP2022000985 W JP 2022000985W WO 2022154057 A1 WO2022154057 A1 WO 2022154057A1
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WO
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resistor
barrier layer
strain gauge
layer
thickness
Prior art date
Application number
PCT/JP2022/000985
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English (en)
French (fr)
Inventor
達也 滝本
真太郎 ▲高▼田
慎也 戸田
寿昭 浅川
重之 足立
Original Assignee
ミネベアミツミ株式会社
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Filing date
Publication date
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Priority to EP22739462.4A priority patent/EP4261494A4/en
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/20—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress
    • G01L1/22—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges
    • G01L1/2287—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges constructional details of the strain gauges
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/16—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. by resistance strain gauge
    • G01B7/18—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. by resistance strain gauge using change in resistance
    • G01B7/20—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. by resistance strain gauge using change in resistance formed by printed-circuit technique
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B1/00—Measuring instruments characterised by the selection of material therefor

Definitions

  • the present invention relates to a strain gauge.
  • a strain gauge that is attached to the object to be measured and detects the strain of the object to be measured is known.
  • the strain gauge includes a resistor that detects strain, and the resistor is formed on, for example, an insulating resin.
  • the resistor is connected to the electrode via wiring, for example (see, for example, Patent Document 1).
  • the present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a strain gauge capable of reducing variations in output voltage due to the influence of leakage current.
  • This strain gauge is made of a flexible base material, a resistor formed of a film containing Cr, CrN, and Cr 2N on one surface of the base material, and a resin that coats the resistor.
  • the barrier layer has a ratio of moisture permeability (g / m 2 / 24h) to thickness (mm) of 5: 1 or more, and a thickness of 100 ⁇ m or more and 3 mm or less. ..
  • FIG. 1 is a plan view illustrating a strain gauge according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating the strain gauge according to the first embodiment, and shows a cross section taken along the line AA of FIG.
  • the strain gauge 1 has a base material 10, a resistor 30, a wiring 40, an electrode 50, and a barrier layer 70.
  • the side of the base material 10 where the resistor 30 is provided is the upper side or one side, and the side where the resistor 30 is not provided is the lower side or the other side.
  • the surface on the side where the resistor 30 is provided at each portion is defined as one surface or upper surface, and the surface on the side where the resistor 30 is not provided is defined as the other surface or lower surface.
  • the strain gauge 1 can be used upside down, or can be arranged at an arbitrary angle.
  • the plan view means that the object is viewed from the normal direction of the upper surface 10a of the base material 10, and the planar shape refers to the shape of the object viewed from the normal direction of the upper surface 10a of the base material 10. And.
  • the base material 10 is a member that serves as a base layer for forming the resistor 30 and the like, and has flexibility.
  • the thickness of the base material 10 is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the intended purpose, but may be, for example, about 5 ⁇ m to 500 ⁇ m. In particular, when the thickness of the base material 10 is 5 ⁇ m to 200 ⁇ m, strain transmission from the surface of the strain-causing body joined to the lower surface of the base material 10 via an adhesive layer or the like and dimensional stability with respect to the environment are taken into consideration. It is preferably 10 ⁇ m or more, and more preferably 10 ⁇ m or more in terms of insulating property.
  • the base material 10 is, for example, PI (polyethylene) resin, epoxy resin, PEEK (polyether ether ketone) resin, PEN (polyethylene naphthalate) resin, PET (polyethylene terephthalate) resin, PPS (polyphenylene sulfide) resin, LCP (liquid crystal). It can be formed from an insulating resin film such as a polymer) resin or a polyolefin resin. The film refers to a member having a thickness of about 500 ⁇ m or less and having flexibility.
  • the base material 10 may be formed of, for example, an insulating resin film containing a filler such as silica or alumina.
  • Examples of materials other than the resin of the base material 10 include SiO 2 , ZrO 2 (including YSZ), Si, Si 2 N 3 , Al 2 O 3 (including sapphire), ZnO, and perovskite ceramics (CaTIO 3 ,). Crystalline materials such as BaTIO 3 ) can be mentioned, and amorphous glass and the like can also be mentioned. Further, as the material of the base material 10, a metal such as aluminum, an aluminum alloy (duralumin), or titanium may be used. In this case, for example, an insulating film is formed on the metal base material 10.
  • the resistor 30 is a thin film formed on the base material 10 in a predetermined pattern, and is a sensitive portion that undergoes strain to cause a change in resistance.
  • the resistor 30 may be formed directly on the upper surface 10a of the base material 10 or may be formed on the upper surface 10a of the base material 10 via another layer. In FIG. 1, for convenience, the resistor 30 is shown in a dark satin pattern.
  • a plurality of elongated portions are arranged at predetermined intervals with the longitudinal direction oriented in the same direction (direction of lines AA in FIG. 1), and the ends of adjacent elongated portions are alternately connected. , It is a structure that folds back in a zigzag as a whole.
  • the longitudinal direction of the plurality of elongated portions is the grid direction, and the direction perpendicular to the grid direction is the grid width direction.
  • One end in the longitudinal direction of the two elongated portions located on the outermost side in the grid width direction bends in the grid width direction to form the respective ends 30e 1 and 30e 2 in the grid width direction of the resistor 30.
  • the respective ends 30e 1 and 30e 2 in the grid width direction of the resistor 30 are electrically connected to the electrode 50 via the wiring 40.
  • the wiring 40 electrically connects the respective ends 30e 1 and 30e 2 of the resistor 30 in the grid width direction and the respective electrodes 50.
  • the resistor 30 can be formed from, for example, a material containing Cr (chromium), a material containing Ni (nickel), or a material containing both Cr and Ni. That is, the resistor 30 can be formed from a material containing at least one of Cr and Ni. Examples of the material containing Cr include a Cr mixed phase film. Examples of the material containing Ni include Cu—Ni (copper nickel). Examples of the material containing both Cr and Ni include Ni—Cr (nickel chromium).
  • the Cr mixed phase film is a film in which Cr, CrN, Cr 2N and the like are mixed.
  • the Cr mixed phase film may contain unavoidable impurities such as chromium oxide.
  • the thickness of the resistor 30 is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the intended purpose, but can be, for example, about 0.05 ⁇ m to 2 ⁇ m. In particular, when the thickness of the resistor 30 is 0.1 ⁇ m or more, the crystallinity of the crystals constituting the resistor 30 (for example, the crystallinity of ⁇ -Cr) is improved, which is preferable. Further, when the thickness of the resistor 30 is 1 ⁇ m or less, it is more preferable that the crack of the film and the warp from the base material 10 due to the internal stress of the film constituting the resistor 30 can be reduced.
  • the width of the resistor 30 is preferably 10 ⁇ m or more and 100 ⁇ m or less in consideration of the required specifications such as the resistance value and the lateral sensitivity and the measures against disconnection.
  • the stability of the gauge characteristics can be improved by using ⁇ -Cr (alpha chromium), which is a stable crystal phase, as a main component.
  • ⁇ -Cr alpha chromium
  • the gauge ratio of the strain gauge 1 is 10 or more
  • the gauge coefficient temperature coefficient TCS and the resistance temperature coefficient TCR are within the range of ⁇ 1000 ppm / ° C. to + 1000 ppm / ° C. Can be.
  • the main component means that the target substance accounts for 50% by weight or more of all the substances constituting the resistor, but from the viewpoint of improving the gauge characteristics, the resistor 30 contains 80% by weight of ⁇ -Cr. It is preferably contained in an amount of 90% by weight or more, and more preferably 90% by weight or more.
  • ⁇ -Cr is Cr of a bcc structure (body-centered cubic lattice structure).
  • the Cr N and Cr 2 N contained in the Cr mixed-phase film are preferably 20% by weight or less.
  • Cr N and Cr 2 N contained in the Cr mixed phase film are 20% by weight or less, a decrease in the gauge ratio can be suppressed.
  • the ratio of Cr 2N in Cr N and Cr 2 N is preferably 80% by weight or more and less than 90% by weight, and more preferably 90% by weight or more and less than 95% by weight.
  • the ratio of Cr 2 N in Cr N and Cr 2 N is 90% by weight or more and less than 95% by weight, the decrease in TCR (negative TCR) becomes more remarkable due to Cr 2 N having semiconducting properties. .. Further, by reducing the ceramicization, brittle fracture is reduced.
  • the wiring 40 is formed on the base material 10.
  • the electrode 50 is formed on the base material 10 and is electrically connected to the resistor 30 via the wiring 40.
  • the electrode 50 is wider than the wiring 40 and formed in a substantially rectangular shape.
  • the electrode 50 is a pair of electrodes for outputting a change in the resistance value of the resistor 30 caused by strain to the outside, and for example, a lead wire for external connection is joined.
  • the wiring 40 and the electrode 50 are shown in a satin pattern thinner than the resistor 30.
  • the resistor 30, the wiring 40, and the electrode 50 are designated by different codes for convenience, they can be integrally formed of the same material in the same process. Therefore, the thickness of the resistor 30, the wiring 40, and the electrode 50 is substantially the same.
  • the upper surface of the wiring 40 or the electrode 50 may be covered with a metal formed of a material having a lower resistance than the wiring 40 or the electrode 50.
  • a metal formed of a material having a lower resistance than the wiring 40 or the electrode 50 when the resistor 30, the wiring 40, and the electrode 50 are Cr mixed-phase films, Cu, Ni, Al, Ag, Au, Pt, etc., or any of these, can be used as a metal material having a lower resistance than the Cr mixed-phase film. Examples thereof include alloys of the metals, compounds of any of these metals, and laminated films in which any of these metals, alloys, and compounds are appropriately laminated.
  • the barrier layer 70 is provided so as to cover the resistor 30.
  • the barrier layer 70 is a resin layer formed to reduce the leakage current flowing through the resistor 30, and is made of an insulating material.
  • the insulating material refers to a material having a volume resistivity of 0.1 M ⁇ ⁇ m or more, and preferably 1 M ⁇ ⁇ m or more.
  • the barrier layer 70 has a ratio of moisture permeability (g / m 2 / 24h) to thickness (mm) of 5: 1 or more. For example, if the moisture permeability of the barrier layer 70 is 5 g / m 2 / 24h, the thickness of the barrier layer 70 is 1 mm or more. Further, if the moisture permeability of the barrier layer 70 is 0.5 g / m 2 / 24h, the thickness of the barrier layer 70 is 0.1 mm (100 ⁇ m) or more. Further, if the moisture permeability of the barrier layer 70 is 0.05 g / m 2 / 24h, the thickness of the barrier layer 70 is 0.01 mm (10 ⁇ m) or more.
  • the minimum thickness x (mm) of the barrier layer 70 is the moisture permeability A (g / m 2 / 24h) of the barrier layer material ⁇ the thickness B (mm) / coefficient C when the moisture permeability A is measured.
  • the coefficient C is a coefficient value for calculating the minimum thickness (mm) and is 5 (g / m 2 / 24h).
  • the moisture permeation is the mass (g) of water vapor that permeates the barrier layer 70 having a unit area (1 m 2 ) per 24 hours. Further, in the present application, the moisture permeability is measured in an environment of 40 ° C. and 90% RH based on the provisions of JIS Z0208.
  • the thickness of the barrier layer 70 when defining the ratio with the moisture permeability is the thickness of the barrier layer 70 at the portion in contact with the upper surface of the resistor 30. That is, it is the thickness of the barrier layer 70 when measured from the upper surface of the resistor 30 in the normal direction of the upper surface of the resistor 30.
  • the material of the barrier layer 70 may be appropriately selected as long as the ratio of the moisture permeability (g / m 2 / 24h) to the thickness (mm) is 5: 1 or more.
  • a fluororesin or an epoxy resin is used.
  • the barrier layer 70 may have a laminated structure in which a plurality of layers made of different materials are laminated. Further, for example, it may be a hybrid resin in which an epoxy resin and an acrylic resin are compounded.
  • a fluororesin having high chemical resistance is suitable as the material for the barrier layer 70.
  • an epoxy resin having excellent heat resistance is suitable as a material for the barrier layer 70.
  • an acrylic resin capable of ensuring flexibility even at a low temperature is suitable as a material for the barrier layer 70.
  • the barrier layer 70 may have a ratio of moisture permeability (g / m 2 / 24h) to thickness (mm) of 5: 1 or more.
  • a resin with high moisture permeability it is not always possible to use a resin with high moisture permeability by making it thicker.
  • the thickness of the barrier layer 70 is preferably 3 mm or less.
  • the thickness of the barrier layer 70 is preferably 100 ⁇ m or more due to manufacturing limitations.
  • a resin barrier layer 70 is formed so as to cover the resistor 30, and the barrier layer 70 has a moisture permeability (g / m 2 / 24h) and a thickness (mm).
  • the ratio is 5: 1 or more, and the thickness is 100 ⁇ m or more and 3 mm or less.
  • the barrier layer 70 suppresses the permeation of water vapor, so that the leakage current flowing through the resistor 30 can be reduced.
  • the strain gauge 1 it is possible to reduce the variation in the output voltage due to the influence of the leak current.
  • a highly sensitive strain gauge using a Cr mixed film as the resistor 30 and having a gauge ratio of 10 or more is more sensitive than a conventional strain gauge having a gauge ratio of less than 10, and thus is affected by moisture. It is easily received, and measurement errors and variations are likely to occur in the output voltage. Therefore, the barrier layer 70 having a ratio of moisture permeability (g / m 2 / 24h) to thickness (mm) of 5: 1 or more and a thickness of 100 ⁇ m or more and 3 mm or less so as to cover the resistor 30. Is particularly effective in a highly sensitive strain gauge having a gauge ratio of 10 or more using a Cr mixed-phase film as the resistor 30.
  • the barrier layer 70 is preferably provided so as to continuously cover the upper surface and the side surface of the resistor 30. As a result, the effect of reducing the influence of moisture is greater than when the barrier layer 70 covers only the upper surface of the resistor 30. However, if the barrier layer 70 covers at least a part of the resistor 30, a certain effect can be obtained in reducing the influence of moisture.
  • FIG. 3 shows the experimental results for confirming the leak current reduction effect of the barrier layer.
  • the test sample A does not have the barrier layer 70 in the strain gauges having the structures of FIGS. 1 and 2, and the test sample B has the same structure as the strain gauges 1 of FIGS. 1 and 2.
  • the barrier layer 70 is provided.
  • a Cr mixed phase film having a film thickness of 200 nm was used as the resistor 30. Further, in the test sample B, an acrylic resin having a film thickness of 1 mm was used as the barrier layer 70. In this case, the ratio of the moisture permeability (g / m 2 / 24h) to the thickness (mm) is 5: 1.1.
  • test samples A and B were exposed to water scattering environment by spraying water on test samples A and B using a commercially available pressurized spray after the elapse of measurement stability time (dotted line in FIG. 3). The time change of the output voltage was measured.
  • the inventors found that the ratio of the moisture permeability (g / m 2 / 24h) to the thickness (mm) of the barrier layer 70 was 5: 1 or more, as a test sample. It was found that the output voltage did not rise sharply as in A, and that the behavior was similar to the temperature change as in test sample B. Further, according to the study by the inventors, even when the epoxy resin and the fluororesin were used as the barrier layer 70, the same results as those of the test sample B of FIG. 3 using the acrylic resin were obtained.
  • the base material 10 is prepared, and a metal layer (referred to as a metal layer A for convenience) is formed on the upper surface 10a of the base material 10.
  • the metal layer A is a layer that is finally patterned to become a resistor 30, a wiring 40, and an electrode 50. Therefore, the material and thickness of the metal layer A are the same as the material and thickness of the resistor 30, the wiring 40, and the electrode 50 described above.
  • the metal layer A can be formed by, for example, a magnetron sputtering method targeting a raw material capable of forming the metal layer A.
  • the metal layer A may be formed by a reactive sputtering method, a vapor deposition method, an arc ion plating method, a pulse laser deposition method, or the like, instead of the magnetron sputtering method.
  • a functional layer having a predetermined film thickness is vacuum-deposited on the upper surface 10a of the base material 10 as a base layer by, for example, a conventional sputtering method. Is preferable.
  • the functional layer refers to a layer having a function of promoting crystal growth of at least the upper metal layer A (resistor 30). It is preferable that the functional layer further has a function of preventing oxidation of the metal layer A by oxygen and moisture contained in the base material 10 and a function of improving the adhesion between the base material 10 and the metal layer A.
  • the functional layer may further have other functions.
  • the insulating resin film constituting the base material 10 contains oxygen and water, especially when the metal layer A contains Cr, Cr forms a self-oxidizing film, so that the functional layer has a function of preventing oxidation of the metal layer A. It is effective to prepare.
  • the material of the functional layer is not particularly limited as long as it has a function of promoting crystal growth of at least the upper metal layer A (resistor 30), and can be appropriately selected depending on the intended purpose.
  • Cr Chrome
  • Ti tungsten
  • V vanadium
  • Nb niob
  • Ta tantal
  • Ni nickel
  • Y ittrium
  • Zr zir
  • Hf hafnium
  • Si silicon
  • C Carbon
  • Cu copper
  • Bi bismas
  • Fe iron
  • Mo mo
  • W tungsten
  • Ru ruthenium
  • Rh Rh
  • Re renium
  • Os 1 selected from the group consisting of osmium), Ir (iridium), Pt (platinum), Pd (palladium), Ag (silver), Au (gold), Co (cobalt), Mn (manganese), Al (aluminum) 1
  • Examples of the above alloy include FeCr, TiAl, FeNi, NiCr, CrCu and the like.
  • Examples of the above-mentioned compounds include TiN, TaN, Si 3 N 4 , TiO 2 , Ta 2 O 5 , SiO 2 , and the like.
  • the film thickness of the functional layer is preferably 1/20 or less of the film thickness of the resistor. Within such a range, the crystal growth of ⁇ —Cr can be promoted, and a part of the current flowing through the resistor can be prevented from flowing to the functional layer to reduce the strain detection sensitivity.
  • the film thickness of the functional layer is more preferably 1/50 or less of the film thickness of the resistor.
  • the crystal growth of ⁇ -Cr can be promoted, and a part of the current flowing through the resistor can be prevented from flowing to the functional layer to further prevent the strain detection sensitivity from being lowered.
  • the film thickness of the functional layer is more preferably 1/100 or less of the film thickness of the resistor. Within such a range, it is possible to further prevent a part of the current flowing through the resistor from flowing to the functional layer and the strain detection sensitivity from being lowered.
  • the film thickness of the functional layer is preferably 1 nm to 1 ⁇ m. Within such a range, crystal growth of ⁇ -Cr can be promoted, and a film can be easily formed without cracking in the functional layer.
  • the film thickness of the functional layer is more preferably 1 nm to 0.8 ⁇ m. Within such a range, the crystal growth of ⁇ -Cr can be promoted, and the functional layer can be more easily formed without cracks.
  • the film thickness of the functional layer is more preferably 1 nm to 0.5 ⁇ m. Within such a range, the crystal growth of ⁇ -Cr can be promoted, and the functional layer can be more easily formed without cracks.
  • the planar shape of the functional layer is patterned substantially the same as the planar shape of the resistor shown in FIG. 1, for example.
  • the planar shape of the functional layer is not limited to the case where it is substantially the same as the planar shape of the resistor.
  • the functional layer may be formed in a solid shape at least in the region where the resistor is formed.
  • the functional layer may be formed in a solid shape on the entire upper surface of the base material 10.
  • the thickness and surface area of the functional layer can be increased by forming the functional layer relatively thick so as to be 50 nm or more and 1 ⁇ m or less and forming the functional layer in a solid shape. Since it increases, the heat generated when the resistor generates heat can be dissipated to the base material 10 side. As a result, in the strain gauge 1, it is possible to suppress a decrease in measurement accuracy due to self-heating of the resistor.
  • the functional layer can be vacuum-deposited by, for example, a conventional sputtering method in which Ar (argon) gas is introduced into the chamber, targeting a raw material capable of forming the functional layer.
  • Ar argon
  • the functional layer is formed while etching the upper surface 10a of the base material 10 with Ar, so that the film forming amount of the functional layer can be minimized and the adhesion improving effect can be obtained.
  • the functional layer may be formed by another method.
  • the effect of improving adhesion is obtained by activating the upper surface 10a of the base material 10 by plasma treatment using Ar or the like before the film formation of the functional layer, and then the functional layer is vacuum-deposited by the magnetron sputtering method. You may use the method of
  • the combination of the material of the functional layer and the material of the metal layer A is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the intended purpose.
  • Ti is used as the functional layer and ⁇ -Cr (alpha chromium) is used as the metal layer A.
  • ⁇ -Cr alpha chromium
  • a Cr mixed-phase film containing the main component can be formed.
  • the metal layer A can be formed by a magnetron sputtering method in which Ar gas is introduced into the chamber by targeting a raw material capable of forming a Cr mixed phase film.
  • the metal layer A may be formed by targeting pure Cr, introducing an appropriate amount of nitrogen gas together with Ar gas into the chamber, and performing a reactive sputtering method.
  • the introduction amount and pressure ( nitrogen partial pressure) of nitrogen gas and adjusting the heating temperature by providing a heating step by changing the introduction amount and pressure ( nitrogen partial pressure) of nitrogen gas and adjusting the heating temperature by providing a heating step, the ratio of CrN and Cr 2N contained in the Cr mixed phase film, and CrN and Cr The ratio of Cr 2 N in 2 N can be adjusted.
  • the growth surface of the Cr mixed film is defined by the functional layer made of Ti, and a Cr mixed film containing ⁇ -Cr as a main component, which has a stable crystal structure, can be formed.
  • the gauge characteristics are improved by diffusing Ti constituting the functional layer into the Cr mixed phase film.
  • the gauge ratio of the strain gauge 1 can be 10 or more, and the gauge ratio temperature coefficient TCS and the resistance temperature coefficient TCR can be in the range of ⁇ 1000 ppm / ° C. to + 1000 ppm / ° C.
  • the Cr mixed phase film may contain Ti or TiN (titanium nitride).
  • the functional layer made of Ti has a function of promoting crystal growth of the metal layer A and a function of preventing oxidation of the metal layer A by oxygen and moisture contained in the base material 10. , And all the functions of improving the adhesion between the base material 10 and the metal layer A.
  • Ta, Si, Al, or Fe is used as the functional layer instead of Ti.
  • the functional layer under the metal layer A By providing the functional layer under the metal layer A in this way, the crystal growth of the metal layer A can be promoted, and the metal layer A composed of a stable crystal phase can be produced. As a result, the stability of the gauge characteristics of the strain gauge 1 can be improved. Further, by diffusing the material constituting the functional layer into the metal layer A, the gauge characteristics of the strain gauge 1 can be improved.
  • the metal layer A is patterned by photolithography to form the planar resistor 30, the wiring 40, and the electrode 50 shown in FIG.
  • the strain gauge 1 When the functional layer is provided on the upper surface 10a of the base material 10 as the base layer of the resistor 30, the wiring 40, and the electrode 50, the strain gauge 1 has the cross-sectional shape shown in FIG.
  • the layer indicated by reference numeral 20 is a functional layer.
  • the planar shape of the strain gauge 1 when the functional layer 20 is provided is, for example, the same as in FIG. However, as described above, the functional layer 20 may be formed in a solid shape on a part or all of the upper surface of the base material 10.
  • the upper surface 10a of the base material 10 is covered with the resistor 30 to form the barrier layer 70 so as to expose the electrode 50.
  • the barrier layer 70 may further cover a part or all of the wiring 40 as long as it covers at least the resistor 30.
  • the material and thickness of the barrier layer 70 are as described above. In FIG. 1, the barrier layer 70 is formed so as to cover a part of the wiring 40.
  • the method for forming the barrier layer 70 is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the intended purpose.
  • the heat in a semi-cured state is such that the upper surface 10a of the base material 10 is covered with the resistor 30 to expose the electrode 50. It can be produced by laminating a curable insulating resin film and heating it to cure it.
  • the barrier layer 70 is produced by coating the upper surface 10a of the base material 10 with a liquid or paste-like thermosetting insulating resin so as to cover the resistor 30 and exposing the electrodes 50, and heating and curing the barrier layer 70. May be good. By the above steps, the strain gauge 1 is completed.
  • ⁇ Modification 1 of the first embodiment> an example in which a stress relaxation layer is provided on the strain gauge is shown.
  • the description of the same component as that of the above-described embodiment may be omitted.
  • FIG. 5 is a plan view illustrating the strain gauge according to the first modification of the first embodiment.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating the strain gauge according to the first modification of the first embodiment, and shows a cross section along the line BB of FIG.
  • the strain gauge 1A differs from the strain gauge 1 (see FIGS. 1, 2, etc.) in that it has an insulating stress relaxation layer 60.
  • the stress relaxation layer 60 is arranged between the resistor 30 and the barrier layer 70. That is, the stress relaxation layer 60 is formed so as to cover the resistor 30, and the barrier layer 70 is formed so as to cover the stress relaxation layer 60.
  • the stress relaxation layer 60 may be formed only on the upper surface of the resistor 30, and the side surface of the resistor 30 may be directly covered with the barrier layer 70.
  • the stress relaxation layer 60 is formed of an organic film having a Young's modulus lower than that of the barrier layer 70. If the Young's modulus of the barrier layer 70 and the curing shrinkage stress are high, the gauge ratio of the strain gauge 1A may decrease.
  • an insulating stress relaxation layer 60 made of an organic film having a Young's modulus lower than that of the barrier layer 70 between the resistor 30 and the barrier layer 70 the stress generated in the barrier layer 70 is relieved by the stress relaxation layer 60. It can be relaxed and difficult to convey to the resistor 30.
  • the coefficient of linear expansion of the stress relaxation layer 60 is preferably close to the coefficient of linear expansion of the base material 10.
  • the difference between the linear expansion coefficient of the stress relaxation layer 60 and the linear expansion coefficient of the base material 10 becomes large, the strain due to the difference in expansion with respect to the temperature change is amplified, and the change in the resistance value of the resistor 30 becomes large.
  • the coefficient of linear expansion of the stress relaxation layer 60 close to the coefficient of linear expansion of the base material 10
  • the effect of reducing the TCR can be obtained.
  • the material of the stress relaxation layer 60 examples include organic materials such as resin and rubber.
  • the material of the stress relaxation layer 60 may be the same as the material of the base material 10.
  • the thickness of the stress relaxation layer 60 can be, for example, 2 ⁇ m or more and 500 ⁇ m or less.
  • the thickness of the stress relaxation layer 60 may be the same as the thickness of the base material 10.
  • the stress relaxation layer 60 can be formed, for example, in the same manner as the barrier layer 70.

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Abstract

本ひずみゲージは、可撓性を有する基材と、前記基材の一方の面に、Ｃｒ、ＣｒＮ、及びＣｒ２Ｎを含む膜から形成された抵抗体と、前記抵抗体を被覆する樹脂製のバリア層と、を有し、前記バリア層は、透湿度（ｇ／ｍ２／２４ｈ）と厚さ（ｍｍ）との比が５：１以上であり、厚さが１００μｍ以上３ｍｍ以下である。

Description

ひずみゲージ
　本発明は、ひずみゲージに関する。
　測定対象物に貼り付けて、測定対象物のひずみを検出するひずみゲージが知られている。ひずみゲージは、ひずみを検出する抵抗体を備えており、抵抗体は、例えば、絶縁性樹脂上に形成されている。抵抗体は、例えば、配線を介して、電極と接続されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０１６－７４９３４号公報
　上記のようなひずみゲージは、水中や水の飛散する環境等で使用する場合にリーク電流による安定性が問題となる。特に、ゲージ率が高いひずみゲージの場合、リーク電流の影響が顕著であり、出力電圧がばらつく。
　本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、リーク電流の影響による出力電圧のばらつきを低減可能なひずみゲージを提供することを目的とする。
　本ひずみゲージは、可撓性を有する基材と、前記基材の一方の面に、Ｃｒ、ＣｒＮ、及びＣｒ２Ｎを含む膜から形成された抵抗体と、前記抵抗体を被覆する樹脂製のバリア層と、を有し、前記バリア層は、透湿度（ｇ／ｍ２／２４ｈ）と厚さ（ｍｍ）との比が５：１以上であり、厚さが１００μｍ以上３ｍｍ以下である。
　開示の技術によれば、リーク電流の影響による出力電圧のばらつきを低減可能なひずみゲージを提供できる。
第１実施形態に係るひずみゲージを例示する平面図である。 第１実施形態に係るひずみゲージを例示する断面図（その１）である。 バリア層によるリーク電流低減効果を確認する実験結果である。 第１実施形態に係るひずみゲージを例示する断面図（その２）である。 第１実施形態の変形例１に係るひずみゲージを例示する平面図である。 第１実施形態の変形例１に係るひずみゲージを例示する断面図である。
　以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。
　〈第１実施形態〉
　図１は、第１実施形態に係るひずみゲージを例示する平面図である。図２は、第１実施形態に係るひずみゲージを例示する断面図であり、図１のＡ－Ａ線に沿う断面を示している。図１及び図２を参照すると、ひずみゲージ１は、基材１０と、抵抗体３０と、配線４０と、電極５０と、バリア層７０とを有している。
　なお、本実施形態では、便宜上、ひずみゲージ１において、基材１０の抵抗体３０が設けられている側を上側又は一方の側、抵抗体３０が設けられていない側を下側又は他方の側とする。又、各部位の抵抗体３０が設けられている側の面を一方の面又は上面、抵抗体３０が設けられていない側の面を他方の面又は下面とする。但し、ひずみゲージ１は天地逆の状態で用いることができ、又は任意の角度で配置できる。又、平面視とは対象物を基材１０の上面１０ａの法線方向から視ることを指し、平面形状とは対象物を基材１０の上面１０ａの法線方向から視た形状を指すものとする。
　基材１０は、抵抗体３０等を形成するためのベース層となる部材であり、可撓性を有する。基材１０の厚さは、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、例えば、５μｍ～５００μｍ程度とすることができる。特に、基材１０の厚さが５μｍ～２００μｍであると、接着層等を介して基材１０の下面に接合される起歪体表面からの歪の伝達性、環境に対する寸法安定性の点で好ましく、１０μｍ以上であると絶縁性の点で更に好ましい。
　基材１０は、例えば、ＰＩ（ポリイミド）樹脂、エポキシ樹脂、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）樹脂、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）樹脂、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）樹脂、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）樹脂、ＬＣＰ（液晶ポリマー）樹脂、ポリオレフィン樹脂等の絶縁樹脂フィルムから形成できる。なお、フィルムとは、厚さが５００μｍ以下程度であり、可撓性を有する部材を指す。
　ここで、『絶縁樹脂フィルムから形成する』とは、基材１０が絶縁樹脂フィルム中にフィラーや不純物等を含有することを妨げるものではない。基材１０は、例えば、シリカやアルミナ等のフィラーを含有する絶縁樹脂フィルムから形成しても構わない。
　基材１０の樹脂以外の材料としては、例えば、ＳｉＯ２、ＺｒＯ２（ＹＳＺも含む）、Ｓｉ、Ｓｉ２Ｎ３、Ａｌ２Ｏ３（サファイヤも含む）、ＺｎＯ、ペロブスカイト系セラミックス（ＣａＴｉＯ３、ＢａＴｉＯ３）等の結晶性材料が挙げられ、更に、それ以外に非晶質のガラス等が挙げられる。又、基材１０の材料として、アルミニウム、アルミニウム合金（ジュラルミン）、チタン等の金属を用いてもよい。この場合、金属製の基材１０上に、例えば、絶縁膜が形成される。
　抵抗体３０は、基材１０上に所定のパターンで形成された薄膜であり、ひずみを受けて抵抗変化を生じる受感部である。抵抗体３０は、基材１０の上面１０ａに直接形成されてもよいし、基材１０の上面１０ａに他の層を介して形成されてもよい。なお、図１では、便宜上、抵抗体３０を濃い梨地模様で示している。
　抵抗体３０は、複数の細長状部が長手方向を同一方向（図１のＡ－Ａ線の方向）に向けて所定間隔で配置され、隣接する細長状部の端部が互い違いに連結されて、全体としてジグザグに折り返す構造である。複数の細長状部の長手方向がグリッド方向となり、グリッド方向と垂直な方向がグリッド幅方向となる。
　グリッド幅方向の最も外側に位置する２つの細長状部の長手方向の一端部は、グリッド幅方向に屈曲し、抵抗体３０のグリッド幅方向の各々の終端３０ｅ１及び３０ｅ２を形成する。抵抗体３０のグリッド幅方向の各々の終端３０ｅ１及び３０ｅ２は、配線４０を介して、電極５０と電気的に接続されている。言い換えれば、配線４０は、抵抗体３０のグリッド幅方向の各々の終端３０ｅ１及び３０ｅ２と各々の電極５０とを電気的に接続している。
　抵抗体３０は、例えば、Ｃｒ（クロム）を含む材料、Ｎｉ（ニッケル）を含む材料、又はＣｒとＮｉの両方を含む材料から形成できる。すなわち、抵抗体３０は、ＣｒとＮｉの少なくとも一方を含む材料から形成できる。Ｃｒを含む材料としては、例えば、Ｃｒ混相膜が挙げられる。Ｎｉを含む材料としては、例えば、Ｃｕ－Ｎｉ（銅ニッケル）が挙げられる。ＣｒとＮｉの両方を含む材料としては、例えば、Ｎｉ－Ｃｒ（ニッケルクロム）が挙げられる。
　ここで、Ｃｒ混相膜とは、Ｃｒ、ＣｒＮ、Ｃｒ２Ｎ等が混相した膜である。Ｃｒ混相膜は、酸化クロム等の不可避不純物を含んでもよい。
　抵抗体３０の厚さは、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、例えば、０．０５μｍ～２μｍ程度とすることができる。特に、抵抗体３０の厚さが０．１μｍ以上であると、抵抗体３０を構成する結晶の結晶性（例えば、α－Ｃｒの結晶性）が向上する点で好ましい。また、抵抗体３０の厚さが１μｍ以下であると、抵抗体３０を構成する膜の内部応力に起因する膜のクラックや基材１０からの反りを低減できる点で更に好ましい。抵抗体３０の幅は、抵抗値や横感度等の要求仕様に対して最適化し、かつ断線対策も考慮すると、１０μｍ以上１００μｍ以下とすることが好ましい。
　例えば、抵抗体３０がＣｒ混相膜である場合、安定な結晶相であるα－Ｃｒ（アルファクロム）を主成分とすることで、ゲージ特性の安定性を向上できる。又、抵抗体３０がα－Ｃｒを主成分とすることで、ひずみゲージ１のゲージ率を１０以上、かつゲージ率温度係数ＴＣＳ及び抵抗温度係数ＴＣＲを－１０００ｐｐｍ／℃～＋１０００ｐｐｍ／℃の範囲内とすることができる。ここで、主成分とは、対象物質が抵抗体を構成する全物質の５０重量％以上を占めることを意味するが、ゲージ特性を向上する観点から、抵抗体３０はα－Ｃｒを８０重量％以上含むことが好ましく、９０重量％以上含むことが更に好ましい。なお、α－Ｃｒは、ｂｃｃ構造（体心立方格子構造）のＣｒである。
　又、抵抗体３０がＣｒ混相膜である場合、Ｃｒ混相膜に含まれるＣｒＮ及びＣｒ２Ｎは２０重量％以下であることが好ましい。Ｃｒ混相膜に含まれるＣｒＮ及びＣｒ２Ｎが２０重量％以下であることで、ゲージ率の低下を抑制できる。
　又、ＣｒＮ及びＣｒ２Ｎ中のＣｒ２Ｎの割合は８０重量％以上９０重量％未満であることが好ましく、９０重量％以上９５重量％未満であることが更に好ましい。ＣｒＮ及びＣｒ２Ｎ中のＣｒ２Ｎの割合が９０重量％以上９５重量％未満であることで、半導体的な性質を有するＣｒ２Ｎにより、ＴＣＲの低下（負のＴＣＲ）が一層顕著となる。更に、セラミックス化を低減することで、脆性破壊の低減がなされる。
　一方で、膜中に微量のＮ２もしくは原子状のＮが混入、存在した場合、外的環境（例えば高温環境下）によりそれらが膜外へ抜け出ることで、膜応力の変化を生ずる。化学的に安定なＣｒＮの創出により上記不安定なＮを発生させることがなく、安定なひずみゲージを得ることができる。
　配線４０は、基材１０上に形成されている。電極５０は、基材１０上に形成され、配線４０を介して抵抗体３０と電気的に接続されており、例えば、配線４０よりも拡幅して略矩形状に形成されている。電極５０は、ひずみにより生じる抵抗体３０の抵抗値の変化を外部に出力するための一対の電極であり、例えば、外部接続用のリード線等が接合される。図１では、便宜上、配線４０及び電極５０を、抵抗体３０よりも薄い梨地模様で示している。
　なお、抵抗体３０と配線４０と電極５０とは便宜上別符号としているが、同一工程において同一材料により一体に形成できる。従って、抵抗体３０と配線４０と電極５０とは、厚さが略同一である。
　配線４０や電極５０の上面を、配線４０や電極５０よりも低抵抗の材料から形成された金属で被覆してもよい。例えば、抵抗体３０、配線４０、及び電極５０がＣｒ混相膜である場合、Ｃｒ混相膜よりも低抵抗な金属の材料として、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ等、又は、これら何れかの金属の合金、これら何れかの金属の化合物、或いは、これら何れかの金属、合金、化合物を適宜積層した積層膜が挙げられる。
　バリア層７０は、抵抗体３０を被覆するように設けられている。バリア層７０は、抵抗体３０に流れるリーク電流を低減するために形成される樹脂製の層であり、絶縁性の材料から形成されている。なお、本願において、絶縁性の材料とは、体積抵抗率が０．１ＭΩ・ｍ以上の材料を指し、１ＭΩ・ｍ以上であることが好ましい。
　バリア層７０は、透湿度（ｇ／ｍ２／２４ｈ）と厚さ（ｍｍ）との比が、５：１以上である。例えば、バリア層７０の透湿度が５ｇ／ｍ２／２４ｈであれば、バリア層７０の厚さは１ｍｍ以上である。また、バリア層７０の透湿度が０．５ｇ／ｍ２／２４ｈであれば、バリア層７０の厚さは０．１ｍｍ（１００μｍ）以上である。また、バリア層７０の透湿度が０．０５ｇ／ｍ２／２４ｈであれば、バリア層７０の厚さは０．０１ｍｍ（１０μｍ）以上である。バリア層７０の最小厚さｘ（ｍｍ）は、バリア層材料の透湿度Ａ（ｇ／ｍ２／２４ｈ）×透湿度Ａ測定時の厚さＢ（ｍｍ）／係数Ｃである。係数Ｃは最小厚さ（ｍｍ）を算出するための係数値であり５（ｇ／ｍ２／２４ｈ）である。
　なお、本願において、透湿度とは、２４時間当たりに単位面積（１ｍ２）のバリア層７０を透過する水蒸気の質量（ｇ）である。また、本願において、透湿度は、４０℃９０％ＲＨの環境下において、ＪＩＳ　Ｚ０２０８の規定に基づいて測定する。
　また、透湿度との比を定義する場合のバリア層７０の厚さは、抵抗体３０の上面と接する部分のバリア層７０の厚さとする。すなわち、抵抗体３０の上面から、抵抗体３０の上面の法線方向に測定した場合のバリア層７０の厚さである。
　バリア層７０は、透湿度（ｇ／ｍ２／２４ｈ）と厚さ（ｍｍ）との比が、５：１以上であれば、材料は適宜選択してよいが、例えば、フッ素樹脂、エポキシ樹脂、又はアクリル樹脂から形成できる。バリア層７０は、異なる材料からなる層が複数積層された積層構造であってもよい。また、例えば、エポキシ樹脂とアクリル樹脂を複合させたハイブリッド樹脂であってもよい。
　例えば、薬品と接するおそれがある場合には、バリア層７０の材料として耐薬品性が高いフッ素樹脂が好適である。また、比較的高温で用いる用途の場合には、バリア層７０の材料として耐熱性に優れたエポキシ樹脂が好適である。また、比較的低温で用いる用途の場合には、バリア層７０の材料として低温でも柔軟性が確保できるアクリル樹脂が好適である。
　前述のように、バリア層７０は、透湿度（ｇ／ｍ２／２４ｈ）と厚さ（ｍｍ）との比が５：１以上であればよい。しかし、透湿度が高い樹脂でも厚くすれば必ず使用できるということではない。バリア層７０が厚くなると硬化収縮応力等が問題となるため、ある程度薄くする必要がある。硬化収縮応力等を考慮すると、バリア層７０の厚さは３ｍｍ以下であることが好ましい。一方、製造上の限界から、バリア層７０の厚さは１００μｍ以上であることが好ましい。
　このように、ひずみゲージ１では、抵抗体３０を被覆するように樹脂製のバリア層７０を形成しており、バリア層７０は透湿度（ｇ／ｍ２／２４ｈ）と厚さ（ｍｍ）との比が５：１以上であり、厚さが１００μｍ以上３ｍｍ以下である。
　これにより、ひずみゲージ１を水中や水の飛散する環境等で使用する場合であっても、バリア層７０が水蒸気の透過を抑制するため、抵抗体３０に流れるリーク電流を低減できる。その結果、ひずみゲージ１において、リーク電流の影響による出力電圧のばらつきを低減可能となる。
　特に、抵抗体３０としてＣｒ混相膜を用いたゲージ率１０以上の高感度なひずみゲージは、ゲージ率が１０未満である従来のひずみゲージと比較して高感度であることにより、水分の影響を受けやすく、出力電圧に測定誤差やばらつきが生じやすい。したがって、抵抗体３０を被覆するように、透湿度（ｇ／ｍ２／２４ｈ）と厚さ（ｍｍ）との比が５：１以上であり、厚さが１００μｍ以上３ｍｍ以下であるバリア層７０を形成することは、抵抗体３０としてＣｒ混相膜を用いたゲージ率１０以上の高感度なひずみゲージにおいて特に有効である。
　バリア層７０は、抵抗体３０の上面及び側面を連続的に被覆するように設けることが好ましい。これにより、バリア層７０が抵抗体３０の上面のみを被覆する場合よりも水分の影響を低減する効果が大きくなる。ただし、バリア層７０が抵抗体３０の少なくとも一部でも被覆していれば、水分の影響の低減について一定の効果が得られる。
　図３は、バリア層によるリーク電流低減効果を確認する実験結果である。図３において、試験サンプルＡは、図１及び図２の構造のひずみゲージにおいてバリア層７０を設けていないものであり、試験サンプルＢは、図１及び図２の構造のひずみゲージ１のとおりにバリア層７０を設けたものである。
　試験サンプルＡ及びＢでは、抵抗体３０として膜厚２００ｎｍのＣｒ混相膜を用いた。また、試験サンプルＢでは、バリア層７０として膜厚１ｍｍのアクリル樹脂を用いた。この場合、透湿度（ｇ／ｍ２／２４ｈ）と厚さ（ｍｍ）との比が５：１．１となる。
　実験では、試験サンプルＡ及びＢに測定安定時間経過（図３中の一点鎖線）後に市販の加圧式スプレーを用いて水分を噴霧し、試験サンプルＡ及びＢを水の飛散環境に暴露した際の出力電圧の時間変化を測定した。
　図３より、バリア層を有していない試験サンプルＡでは、水分に暴露した段階で、リーク電流の影響により抵抗体の抵抗値が下がることから出力電圧が急上昇していることが確認できる。一方、バリア層７０を有している試験サンプルＢでは、リーク電流の影響による出力電圧の上昇は確認できない。なお、試験サンプルＢにおいて、ゆっくりと出力電圧が上昇しているが、これは、温度変化と同様の挙動を示しているため、ひずみゲージの熱特性（ＴＣＲ）に依存するものであり、水分の影響ではない。
　発明者らは、図３と同様の実験を繰り返した結果、バリア層７０の透湿度（ｇ／ｍ２／２４ｈ）と厚さ（ｍｍ）との比が５：１以上であれば、試験サンプルＡのような出力電圧の急上昇が見られず、試験サンプルＢのように温度変化と同様の挙動を示すことを見出した。また、発明者らの検討によれば、バリア層７０としてエポキシ樹脂及びフッ素樹脂を用いた場合にも、アクリル樹脂を用いた図３の試験サンプルＢと同様の結果が得られた。
　ひずみゲージ１を製造するためには、まず、基材１０を準備し、基材１０の上面１０ａに金属層（便宜上、金属層Ａとする）を形成する。金属層Ａは、最終的にパターニングされて抵抗体３０、配線４０、及び電極５０となる層である。従って、金属層Ａの材料や厚さは、前述の抵抗体３０、配線４０、及び電極５０の材料や厚さと同様である。
　金属層Ａは、例えば、金属層Ａを形成可能な原料をターゲットとしたマグネトロンスパッタ法により成膜できる。金属層Ａは、マグネトロンスパッタ法に代えて、反応性スパッタ法や蒸着法、アークイオンプレーティング法、パルスレーザー堆積法等を用いて成膜してもよい。
　ゲージ特性を安定化する観点から、金属層Ａを成膜する前に、下地層として、基材１０の上面１０ａに、例えば、コンベンショナルスパッタ法により所定の膜厚の機能層を真空成膜することが好ましい。
　本願において、機能層とは、少なくとも上層である金属層Ａ（抵抗体３０）の結晶成長を促進する機能を有する層を指す。機能層は、更に、基材１０に含まれる酸素や水分による金属層Ａの酸化を防止する機能や、基材１０と金属層Ａとの密着性を向上する機能を備えていることが好ましい。機能層は、更に、他の機能を備えていてもよい。
　基材１０を構成する絶縁樹脂フィルムは酸素や水分を含むため、特に金属層ＡがＣｒを含む場合、Ｃｒは自己酸化膜を形成するため、機能層が金属層Ａの酸化を防止する機能を備えることは有効である。
　機能層の材料は、少なくとも上層である金属層Ａ（抵抗体３０）の結晶成長を促進する機能を有する材料であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、例えば、Ｃｒ（クロム）、Ｔｉ（チタン）、Ｖ（バナジウム）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｔａ（タンタル）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｙ（イットリウム）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｓｉ（シリコン）、Ｃ（炭素）、Ｚｎ（亜鉛）、Ｃｕ（銅）、Ｂｉ（ビスマス）、Ｆｅ（鉄）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｗ（タングステン）、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｒｈ（ロジウム）、Ｒｅ（レニウム）、Ｏｓ（オスミウム）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｐｔ（白金）、Ｐｄ（パラジウム）、Ａｇ（銀）、Ａｕ（金）、Ｃｏ（コバルト）、Ｍｎ（マンガン）、Ａｌ（アルミニウム）からなる群から選択される１種又は複数種の金属、この群の何れかの金属の合金、又は、この群の何れかの金属の化合物が挙げられる。
　上記の合金としては、例えば、ＦｅＣｒ、ＴｉＡｌ、ＦｅＮｉ、ＮｉＣｒ、ＣｒＣｕ等が挙げられる。又、上記の化合物としては、例えば、ＴｉＮ、ＴａＮ、Ｓｉ３Ｎ４、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＳｉＯ２等が挙げられる。
　機能層が金属又は合金のような導電材料から形成される場合には、機能層の膜厚は抵抗体の膜厚の１／２０以下であることが好ましい。このような範囲であると、α－Ｃｒの結晶成長を促進できると共に、抵抗体に流れる電流の一部が機能層に流れて、ひずみの検出感度が低下することを防止できる。
　機能層が金属又は合金のような導電材料から形成される場合には、機能層の膜厚は抵抗体の膜厚の１／５０以下であることがより好ましい。このような範囲であると、α－Ｃｒの結晶成長を促進できると共に、抵抗体に流れる電流の一部が機能層に流れて、ひずみの検出感度が低下することを更に防止できる。
　機能層が金属又は合金のような導電材料から形成される場合には、機能層の膜厚は抵抗体の膜厚の１／１００以下であることが更に好ましい。このような範囲であると、抵抗体に流れる電流の一部が機能層に流れて、ひずみの検出感度が低下することを一層防止できる。
　機能層が酸化物や窒化物のような絶縁材料から形成される場合には、機能層の膜厚は、１ｎｍ～１μｍとすることが好ましい。このような範囲であると、α－Ｃｒの結晶成長を促進できると共に、機能層にクラックが入ることなく容易に成膜できる。
　機能層が酸化物や窒化物のような絶縁材料から形成される場合には、機能層の膜厚は、１ｎｍ～０．８μｍとすることがより好ましい。このような範囲であると、α－Ｃｒの結晶成長を促進できると共に、機能層にクラックが入ることなく更に容易に成膜できる。
　機能層が酸化物や窒化物のような絶縁材料から形成される場合には、機能層の膜厚は、１ｎｍ～０．５μｍとすることが更に好ましい。このような範囲であると、α－Ｃｒの結晶成長を促進できると共に、機能層にクラックが入ることなく一層容易に成膜できる。
　なお、機能層の平面形状は、例えば、図１に示す抵抗体の平面形状と略同一にパターニングされている。しかし、機能層の平面形状は、抵抗体の平面形状と略同一である場合には限定されない。機能層が絶縁材料から形成される場合には、抵抗体の平面形状と同一形状にパターニングしなくてもよい。この場合、機能層は少なくとも抵抗体が形成されている領域にベタ状に形成されてもよい。或いは、機能層は、基材１０の上面全体にベタ状に形成されてもよい。
　又、機能層が絶縁材料から形成される場合に、機能層の厚さを５０ｎｍ以上１μｍ以下となるように比較的厚く形成し、かつベタ状に形成することで、機能層の厚さと表面積が増加するため、抵抗体が発熱した際の熱を基材１０側へ放熱できる。その結果、ひずみゲージ１において、抵抗体の自己発熱による測定精度の低下を抑制できる。
　機能層は、例えば、機能層を形成可能な原料をターゲットとし、チャンバ内にＡｒ（アルゴン）ガスを導入したコンベンショナルスパッタ法により真空成膜できる。コンベンショナルスパッタ法を用いることにより、基材１０の上面１０ａをＡｒでエッチングしながら機能層が成膜されるため、機能層の成膜量を最小限にして密着性改善効果を得ることができる。
　但し、これは、機能層の成膜方法の一例であり、他の方法により機能層を成膜してもよい。例えば、機能層の成膜の前にＡｒ等を用いたプラズマ処理等により基材１０の上面１０ａを活性化することで密着性改善効果を獲得し、その後マグネトロンスパッタ法により機能層を真空成膜する方法を用いてもよい。
　機能層の材料と金属層Ａの材料との組み合わせは、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、例えば、機能層としてＴｉを用い、金属層Ａとしてα－Ｃｒ（アルファクロム）を主成分とするＣｒ混相膜を成膜可能である。
　この場合、例えば、Ｃｒ混相膜を形成可能な原料をターゲットとし、チャンバ内にＡｒガスを導入したマグネトロンスパッタ法により、金属層Ａを成膜できる。或いは、純Ｃｒをターゲットとし、チャンバ内にＡｒガスと共に適量の窒素ガスを導入し、反応性スパッタ法により、金属層Ａを成膜してもよい。この際、窒素ガスの導入量や圧力（窒素分圧）を変えることや加熱工程を設けて加熱温度を調整することで、Ｃｒ混相膜に含まれるＣｒＮ及びＣｒ２Ｎの割合、並びにＣｒＮ及びＣｒ２Ｎ中のＣｒ２Ｎの割合を調整できる。
　これらの方法では、Ｔｉからなる機能層がきっかけでＣｒ混相膜の成長面が規定され、安定な結晶構造であるα－Ｃｒを主成分とするＣｒ混相膜を成膜できる。又、機能層を構成するＴｉがＣｒ混相膜中に拡散することにより、ゲージ特性が向上する。例えば、ひずみゲージ１のゲージ率を１０以上、かつゲージ率温度係数ＴＣＳ及び抵抗温度係数ＴＣＲを－１０００ｐｐｍ／℃～＋１０００ｐｐｍ／℃の範囲内とすることができる。なお、機能層がＴｉから形成されている場合、Ｃｒ混相膜にＴｉやＴｉＮ（窒化チタン）が含まれる場合がある。
　なお、金属層ＡがＣｒ混相膜である場合、Ｔｉからなる機能層は、金属層Ａの結晶成長を促進する機能、基材１０に含まれる酸素や水分による金属層Ａの酸化を防止する機能、及び基材１０と金属層Ａとの密着性を向上する機能の全てを備えている。機能層として、Ｔｉに代えてＴａ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｆｅを用いた場合も同様である。
　このように、金属層Ａの下層に機能層を設けることにより、金属層Ａの結晶成長を促進可能となり、安定な結晶相からなる金属層Ａを作製できる。その結果、ひずみゲージ１において、ゲージ特性の安定性を向上できる。又、機能層を構成する材料が金属層Ａに拡散することにより、ひずみゲージ１において、ゲージ特性を向上できる。
　次に、フォトリソグラフィによって金属層Ａをパターニングし、図１に示す平面形状の抵抗体３０、配線４０、及び電極５０を形成する。
　なお、抵抗体３０、配線４０、及び電極５０の下地層として基材１０の上面１０ａに機能層を設けた場合には、ひずみゲージ１は図４に示す断面形状となる。符号２０で示す層が機能層である。機能層２０を設けた場合のひずみゲージ１の平面形状は、例えば、図１と同様となる。但し、前述のように、機能層２０は、基材１０の上面の一部又は全部にベタ状に形成される場合もある。
　次に、基材１０の上面１０ａに、抵抗体３０を被覆し電極５０を露出するようにバリア層７０を形成する。バリア層７０は、少なくとも抵抗体３０を被覆していれば、さらに配線４０の一部又は全部を被覆してもよい。バリア層７０の材料や厚さは、前述の通りである。なお、図１では、バリア層７０は配線４０の一部を被覆するように形成されている。
　バリア層７０の形成方法は、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、例えば、基材１０の上面１０ａに、抵抗体３０を被覆し電極５０を露出するように半硬化状態の熱硬化性の絶縁樹脂フィルムをラミネートし、加熱して硬化させて作製できる。バリア層７０は、基材１０の上面１０ａに、抵抗体３０を被覆し電極５０を露出するように液状又はペースト状の熱硬化性の絶縁樹脂を塗布し、加熱して硬化させて作製してもよい。以上の工程により、ひずみゲージ１が完成する。
　〈第１実施形態の変形例１〉
　第１実施形態の変形例１では、ひずみゲージに応力緩和層を設ける例を示す。なお、第１実施形態の変形例１において、既に説明した実施形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
　図５は、第１実施形態の変形例１に係るひずみゲージを例示する平面図である。図６は、第１実施形態の変形例１に係るひずみゲージを例示する断面図であり、図５のＢ－Ｂ線に沿う断面を示している。図５及び図６を参照すると、ひずみゲージ１Ａは、絶縁性の応力緩和層６０を有する点が、ひずみゲージ１（図１、図２等参照）と相違する。
　ひずみゲージ１Ａにおいて、応力緩和層６０は、抵抗体３０とバリア層７０との間に配置されている。すなわち、応力緩和層６０は、抵抗体３０を被覆するように形成され、バリア層７０は応力緩和層６０を被覆するように形成されている。なお、応力緩和層６０を抵抗体３０の上面のみに形成し、抵抗体３０の側面はバリア層７０で直接被覆するようにしてもよい。
　応力緩和層６０は、バリア層７０よりもヤング率の低い有機膜により形成されている。バリア層７０のヤング率や硬化収縮応力が高いと、ひずみゲージ１Ａのゲージ率を低下させる場合がある。抵抗体３０とバリア層７０との間に、バリア層７０よりもヤング率の低い有機膜からなる絶縁性の応力緩和層６０を配置することで、バリア層７０に生じる応力を応力緩和層６０により緩和し、抵抗体３０に伝えにくくできる。
　これにより、ひずみゲージ１Ａのゲージ率の低下を抑制できる。バリア層７０の効果と合わせて考えると、ひずみゲージ１Ａのゲージ率を犠牲にすることなく、リーク電流の影響による出力電圧のばらつきを低減可能となる。
　なお、応力緩和層６０の線膨張係数は、基材１０の線膨張係数に近い方が好ましい。応力緩和層６０の線膨張係数と基材１０の線膨張係数の差が大きくなると、温度変化に対する膨張の違いによるひずみが増幅し、抵抗体３０の抵抗値の変化が大きくなる。一方、応力緩和層６０の線膨張係数を基材１０の線膨張係数に近くすることにより、ＴＣＲを小さくする効果が得られる。
　応力緩和層６０の材料としては、例えば、樹脂、ゴム等の有機材料が挙げられる。例えば、応力緩和層６０の材料は、基材１０の材料と同じであってもよい。応力緩和層６０の厚さは、例えば、２μｍ以上５００μｍ以下とすることができる。応力緩和層６０の厚さは、基材１０の厚さと同じであってもよい。応力緩和層６０は、例えば、バリア層７０と同様の方法で形成できる。
　以上、好ましい実施形態等について詳説したが、上述した実施形態等に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施形態等に種々の変形及び置換を加えることができる。
　本国際出願は２０２１年１月１８日に出願した日本国特許出願２０２１－００５４９５号に基づく優先権を主張するものであり、日本国特許出願２０２１－００５４９５号の全内容を本国際出願に援用する。
　１、１Ａ　ひずみゲージ、１０　基材、１０ａ　上面、２０　機能層、３０　抵抗体、３０ｅ１、３０ｅ２　終端、４０　配線、５０　電極、６０　応力緩和層、７０　バリア層

Claims (8)

  1. 　可撓性を有する基材と、
    　前記基材の一方の面に、Ｃｒ、ＣｒＮ、及びＣｒ２Ｎを含む膜から形成された抵抗体と、
    　前記抵抗体を被覆する樹脂製のバリア層と、を有し、
    　前記バリア層は、透湿度（ｇ／ｍ２／２４ｈ）と厚さ（ｍｍ）との比が５：１以上であり、厚さが１００μｍ以上３ｍｍ以下である、ひずみゲージ。
  2. 　前記バリア層は、フッ素樹脂、エポキシ樹脂、又はアクリル樹脂から形成されている、請求項１に記載のひずみゲージ。
  3. 　前記バリア層は、前記抵抗体の上面及び側面を連続的に被覆する、請求項１又は２に記載のひずみゲージ。
  4. 　前記抵抗体と前記バリア層との間に、絶縁性の応力緩和層が配置されている、請求項１乃至３の何れか一項に記載のひずみゲージ。
  5. 　前記応力緩和層は、前記バリア層よりもヤング率の小さい有機膜である、請求項４に記載のひずみゲージ。
  6. 　ゲージ率が１０以上である、請求項１乃至５の何れか一項に記載のひずみゲージ。
  7. 　前記抵抗体に含まれるＣｒＮ及びＣｒ２Ｎは、２０重量％以下である、請求項１乃至６の何れか一項に記載のひずみゲージ。
  8. 　前記ＣｒＮ及び前記Ｃｒ２Ｎ中の前記Ｃｒ２Ｎの割合は、８０重量％以上９０重量％未満である、請求項７に記載のひずみゲージ。
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