WO2023139807A1 - ひずみゲージ - Google Patents

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WO2023139807A1
WO2023139807A1 PCT/JP2022/014159 JP2022014159W WO2023139807A1 WO 2023139807 A1 WO2023139807 A1 WO 2023139807A1 JP 2022014159 W JP2022014159 W JP 2022014159W WO 2023139807 A1 WO2023139807 A1 WO 2023139807A1
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WO
WIPO (PCT)
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resistor
strain gauge
layer
functional layer
base material
Prior art date
Application number
PCT/JP2022/014159
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
彩 小野
厚 北村
寿昭 浅川
昭代 湯口
Original Assignee
ミネベアミツミ株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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    • 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
    • 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

Definitions

  • the present invention relates to strain gauges.
  • a strain gauge is known that has a resistor on a base material, is attached to an object to be measured, and detects the characteristics of the object to be measured.
  • BACKGROUND ART Strain gauges are used, for example, as sensors that detect strain in materials and sensors that detect ambient temperature (see, for example, Patent Document 1).
  • Strain gauges that use a resin base material may suffer from creep.
  • 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 creep.
  • This strain gauge has a base made of resin, a resistor formed of a film containing Cr, CrN, and Cr2N on one side of the base, and an inorganic insulating layer formed on the other side of the base.
  • a strain gauge capable of reducing creep can be provided.
  • FIG. 1 is a plan view illustrating a strain gauge according to a first embodiment
  • FIG. 1 is a cross-sectional view (part 1) illustrating a strain gauge according to a first embodiment
  • FIG. It is a figure explaining the measuring method of the amount of creeps, and the amount of creep recovery. It is a figure which shows the study result of the amount of creeps, and the amount of creep recovery.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view (part 2) illustrating the strain gauge according to the first embodiment
  • FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating a strain gauge according to Modification 1 of the first embodiment;
  • FIG. 1 is a plan view illustrating a strain gauge according to a first embodiment
  • FIG. 2 is a cross-sectional view (Part 1) illustrating the strain gauge according to the first embodiment, showing a cross section along line AA in FIG.
  • the strain gauge 1 has a base material 10, a resistor 30, a wiring 40, an electrode 50, a cover layer 60, and an inorganic insulating layer .
  • the cover layer 60 can be provided as required. 1 and 2, only the outer edge of the cover layer 60 is indicated by broken lines for the sake of convenience. First, each part constituting the strain gauge 1 will be described in detail.
  • the strain gauge 1 the side of the substrate 10 on which the resistor 30 is provided is called “upper side”, and the side on which the resistor 30 is not provided is called “lower side”. Further, the surface located above each part is called “upper surface”, and the surface located below each part is called “lower surface”.
  • the strain gauge 1 can also be used upside down. Also, the strain gauge 1 can be arranged at any angle.
  • the term “planar view” refers to viewing an object in the direction normal to the upper surface 10a of the substrate 10 from the upper side to the lower side.
  • the planar shape refers to the shape of the object when the object is viewed in the normal direction.
  • the base material 10 is a member that serves as a base layer for forming the resistor 30 and the like.
  • the base material 10 has flexibility.
  • the thickness of the base material 10 is not particularly limited, and may be appropriately determined according to the purpose of use of the strain gauge 1 or the like.
  • the thickness of the base material 10 may be about 5 ⁇ m to 500 ⁇ m.
  • a strain-generating body may be joined to the inorganic insulating layer 70 side of the strain gauge 1 via an adhesive layer or the like.
  • the thickness of the substrate 10 is preferably in the range of 5 ⁇ m to 200 ⁇ m from the viewpoints of strain transmission from the surface of the strain-generating body to the sensing portion and dimensional stability against environmental changes. From the standpoint of insulation, the thickness of the base material 10 is preferably 10 ⁇ m or more.
  • the base material 10 is formed of insulating resin films such as PI (polyimide) resin, epoxy resin, PEEK (polyetheretherketone) resin, PEN (polyethylene naphthalate) resin, PET (polyethylene terephthalate) resin, PPS (polyphenylene sulfide) resin, LCP (liquid crystal polymer) resin, and polyolefin resin.
  • PI polyimide
  • epoxy resin epoxy resin
  • PEEK polyetheretherketone
  • PEN polyethylene naphthalate
  • PET polyethylene terephthalate
  • PPS polyphenylene sulfide
  • LCP liquid crystal polymer
  • the insulating resin film may contain fillers, impurities, and the like.
  • the base material 10 may be formed from an insulating resin film containing a filler such as silica or alumina.
  • the resistor 30 is a thin film formed in a predetermined pattern on one side of the base material 10 (upper side in FIGS. 1 and 2).
  • the resistor 30 is a sensing part that receives strain and produces a resistance change.
  • the resistor 30 may be formed directly on the top surface 10a of the base material 10, or may be formed on the top surface 10a of the base material 10 via another layer.
  • the resistor 30 is shown with a high-density pear-skin pattern for the sake of convenience.
  • the resistor 30 has a structure in which a plurality of elongated portions are arranged at predetermined intervals with their longitudinal directions directed in the same direction (the X direction in the example of FIG. 1), and the ends of the adjacent elongated portions are alternately connected to fold 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 (the Y direction in the example of FIG. 1).
  • the X ⁇ side end of the elongated portion located closest to the Y+ side bends in the Y+ direction and reaches one end 30e1 of the resistor 30 in the grid width direction.
  • the X-side end of the elongated portion positioned closest to the Y-side bends in the Y-direction and reaches the other end 30e2 of the resistor 30 in the grid direction.
  • Each end 30e 1 and 30e 2 is electrically connected to the electrode 50 via the wiring 40.
  • the wiring 40 electrically connects the ends 30e 1 and 30e 2 of the resistor 30 in the grid width direction and each electrode 50 .
  • the resistor 30 can be made of, 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 made of a material containing at least one of Cr and Ni.
  • Materials containing Cr include, for example, a Cr mixed phase film.
  • Materials containing Ni include, for example, Cu—Ni (copper nickel).
  • Materials containing both Cr and Ni include, for example, Ni—Cr (nickel chromium).
  • the Cr mixed phase film is a film in which Cr, CrN, Cr 2 N 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 may be determined as appropriate according to the purpose of use of the strain gauge 1.
  • the thickness of the resistor 30 may be about 0.05 ⁇ m to 2 ⁇ m.
  • the crystallinity of the crystal for example, the crystallinity of ⁇ -Cr
  • the thickness of the resistor 30 is 1 ⁇ m or less, (i) cracks in the film and (ii) warpage of the film from the substrate 10 due to internal stress of the film forming the resistor 30 are reduced.
  • the width of the resistor 30 is preferably 10 ⁇ m or more and 100 ⁇ m or less. Furthermore, the width of the resistor 30 is preferably 10 ⁇ m or more and 70 ⁇ m or less, more preferably 10 ⁇ m or more and 50 ⁇ m or less.
  • the stability of gauge characteristics can be improved by using ⁇ -Cr (alpha chromium), which is a stable crystal phase, as the main component.
  • the strain gauge 1 can have a gauge factor of 10 or more and a gauge factor temperature coefficient TCS and a temperature coefficient of resistance TCR in the range of -1000 ppm/°C to +1000 ppm/°C by making the resistor 30 mainly composed of ⁇ -Cr.
  • the "main component” means a component that accounts for 50% by weight or more of the total substance constituting the resistor.
  • the resistor 30 preferably contains 80% by weight or more of ⁇ -Cr. Furthermore, from the same point of view, it is more preferable that the resistor 30 contains 90% by weight or more of ⁇ -Cr. Note that ⁇ -Cr is Cr with a bcc structure (body-centered cubic lattice structure).
  • the content of CrN and Cr 2 N contained in the Cr mixed phase film is preferably 20% by weight or less.
  • the content of CrN and Cr 2 N in the Cr mixed phase film is 20% by weight or less, it is possible to suppress a decrease in the gauge factor of the strain gauge 1 .
  • the ratio of CrN and Cr 2 N in the Cr mixed phase film is preferably such that the ratio of Cr 2 N is 80% by weight or more and less than 90% by weight with respect to the total weight of CrN and Cr 2 N. More preferably, the ratio of Cr 2 N to the total weight of CrN and Cr 2 N is 90% by weight or more and less than 95% by weight. Cr 2 N has semiconducting properties. Therefore, by setting the ratio of Cr 2 N to 90% by weight or more and less than 95% by weight, the decrease in TCR (negative TCR) becomes even more pronounced. Furthermore, by setting the ratio of Cr 2 N to 90% by weight or more and less than 95% by weight, it is possible to reduce ceramicization of the resistor 30 and make brittle fracture of the resistor 30 less likely to occur.
  • CrN has the advantage of being chemically stable. By including more CrN in the Cr mixed phase film, the possibility of generating unstable N can be reduced, so a stable strain gauge can be obtained.
  • “unstable N” means a trace amount of N 2 or atomic N that may exist in the Cr mixed-phase film. These unstable N may leak out of the film depending on the external environment (for example, high temperature environment). When unstable N escapes out of the film, the film stress of the Cr mixed phase film can change.
  • the strain gauge 1 when a Cr mixed phase film is used as the material of the resistor 30, it is possible to achieve high sensitivity and miniaturization.
  • the output of a conventional strain gauge was about 0.04 mV/2V
  • a Cr mixed phase film when a Cr mixed phase film is used as the material of the resistor 30, an output of 0.3 mV/2V or more can be obtained.
  • the size of the conventional strain gauge was about 3 mm x 3 mm
  • the size (gauge length x gauge width) when using a Cr mixed phase film as the material of the resistor 30 can be reduced to about 0.3 mm x 0.3 mm.
  • the wiring 40 is provided on the base material 10 .
  • the wiring 40 is electrically connected with the resistor 30 and the electrode 50 .
  • the wiring 40 is not limited to a straight line, and may be of any pattern. Also, the wiring 40 can be of any width and any length. In FIG. 1, the wiring 40 is shown in a satin pattern having a lower density than the resistor 30 for the sake of convenience.
  • the electrode 50 is provided on the substrate 10.
  • the electrode 50 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 in plan view.
  • the electrodes 50 are a pair of electrodes for outputting to the outside the change in the resistance value of the resistor 30 caused by strain.
  • a lead wire for external connection for example, is joined to the electrode 50 .
  • a metal layer with low resistance such as copper or a metal layer with good solderability such as gold may be laminated on the upper surface of the electrode 50 .
  • the resistor 30, the wiring 40, and the electrode 50 are given different reference numerals for convenience, they can be integrally formed from the same material in the same process. In FIG. 1, the electrodes 50 are shown in a pear-skin pattern having the same density as the wirings 40 for the sake of convenience.
  • the cover layer 60 (insulating resin layer) is provided on the upper surface 10a of the base material 10 so as to cover the resistors 30 and the wirings 40 and expose the electrodes 50, if necessary.
  • materials for the cover layer 60 include insulating resins such as PI resins, epoxy resins, PEEK resins, PEN resins, PET resins, PPS resins, and composite resins (eg, silicone resins and polyolefin resins).
  • the cover layer 60 may contain a filler or a pigment.
  • the thickness of the cover layer 60 is not particularly limited, and can be appropriately selected according to the purpose. For example, the thickness of the cover layer 60 can be about 2 ⁇ m to 30 ⁇ m.
  • the inorganic insulating layer 70 is formed on the other side of the base material 10 (the lower surface 10b side of the base material 10 in the example of FIG. 2).
  • the inorganic insulating layer 70 is formed at a position overlapping at least the grid region (the region where the resistor 30 is formed) in plan view.
  • the inorganic insulating layer 70 may be formed over the entire bottom surface 10b of the base material 10 . If the inorganic insulating layer 70 is formed only in a position that overlaps the grid region (the region in which the resistor 30 is formed) in plan view, the area of the inorganic insulating layer 70 can be reduced, so the inorganic insulating layer 70 is less likely to crack.
  • Examples of materials for the inorganic insulating layer 70 include metals such as Cu, Cr, Ni, Al, Fe, W, Ti, and Ta, and oxides, nitrides, and nitrides of alloys containing them.
  • metals such as Cu, Cr, Ni, Al, Fe, W, Ti, and Ta
  • oxides, nitrides, and nitrides of alloys containing them As a material for the inorganic insulating layer 70, semiconductors such as Si and Ge, oxides, nitrides, and nitrides thereof may be used.
  • the thickness of the inorganic insulating layer 70 is not particularly limited, and can be appropriately selected according to the purpose. Within this range, the gauge factor of the strain gauge 1 can be maintained to the same extent as when the inorganic insulating layer 70 is not provided.
  • the strain gauge 1 preferably has excellent creep characteristics. For example, if the creep characteristic can be reduced to a predetermined value or less, the strain gauge 1 can be used for weighing applications in addition to sensor applications.
  • the creep properties of strain gauges are affected by the viscoelasticity of the constituent materials. In general, metal materials, which are elastic materials, do not creep, but creep occurs in resins, which are viscous materials. Since the strain gauge 1 uses the base material 10 made of resin, the viscosity of the base material 10 cannot be ignored.
  • the amount of creep and the amount of creep recovery are amounts in which the amount of elastic deformation (strain amount) of the surface on which the resistor 30 is provided in the strain gauge 1 changes over time, so they can be measured by monitoring the strain voltage calculated based on the output between the pair of electrodes 50. A detailed description will be given with reference to FIG.
  • FIG. 3 is a diagram explaining a method for measuring the amount of creep and the amount of creep recovery.
  • the horizontal axis is time
  • the vertical axis is strain voltage [mV].
  • the strain voltage changes, for example, as shown in FIG. In FIG. 3, the absolute value B of the strain voltage difference is measured 20 minutes after the 150% load is removed and immediately after the 100% load is applied.
  • the absolute value ⁇ A of the difference in strain voltage immediately after application of 100% load and 20 minutes after the start of application of 100% load is measured. At this time, ⁇ A/B is the amount of creep.
  • the absolute value ⁇ C of the difference in strain voltage immediately after the 100% load is removed and 20 minutes after the 100% load is removed is measured. At this time, ⁇ C/B is the amount of creep recovery.
  • the 100% load is 3 kg, and the 150% load is 1.5 times the 100% load.
  • FIG. 4 is a diagram showing the study results of the creep amount and the creep recovery amount, and summarizes the results of measuring the creep amount and the creep recovery amount of polyimide (PI) and glass (SiO 2 ) having the same shape by the measurement method of FIG.
  • the respective thicknesses of polyimide and glass are 25 ⁇ m for polyimide and 100 ⁇ m for glass.
  • glass has a smaller creep amount and creep recovery amount than polyimide. Similar results are obtained when resins other than polyimide are compared with inorganic materials other than glass. In other words, when resin and inorganic material are compared, the inorganic material, which has a large elastic modulus and is difficult to expand and contract, can reduce the amount of creep and the amount of creep recovery.
  • the base material 10 is made of resin, for example, by providing the inorganic insulating layer 70 on the lower surface 10b of the base material 10, the expansion and contraction of the base material 10 in the grid area is suppressed, and the creep characteristics of the strain gauge 1 are improved.
  • the strain gauge 1 when the base material 10 is made of resin and the cover layer 60 made of resin is provided, the elastic modulus of the strain gauge 1 as a whole tends to increase, so providing the inorganic insulating layer 70 is particularly effective.
  • a highly sensitive strain gauge with a gauge factor of 10 or more due to its high sensitivity, it is sensitive to the influence of material properties, and creep characteristics may be significantly reduced. Therefore, in a highly sensitive strain gauge having a gauge factor of 10 or more, it is extremely important to improve the creep property by providing the inorganic insulating layer 70 .
  • the base material 10 is prepared, and a metal layer (referred to as metal layer A for convenience) is formed on the upper surface 10 a of the base material 10 .
  • the metal layer A is a layer that is finally patterned to become the resistor 30 , the wiring 40 and the electrode 50 . Therefore, the material and thickness of the metal layer A are the same as those of the resistor 30, the wiring 40, and the electrode 50 described above.
  • the metal layer A can be formed, for example, by magnetron sputtering using a raw material capable of forming the metal layer A as a target.
  • the metal layer A may be formed by using 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 with a predetermined thickness in vacuum on the upper surface 10a of the base material 10 as a base layer by, for example, conventional sputtering before forming the metal layer A.
  • a functional layer refers to a layer having a function of promoting crystal growth of at least the upper metal layer A (resistor 30).
  • the functional layer preferably further has a function of preventing oxidation of the metal layer A due to oxygen and moisture contained in the base material 10 and a function of improving adhesion between the base material 10 and the metal layer A.
  • the functional layer may also have other functions.
  • the insulating resin film that constitutes the base material 10 contains oxygen and moisture, especially when the metal layer A contains Cr, Cr forms a self-oxidizing film. Therefore, it is effective for the functional layer to have a function of preventing oxidation of the metal layer A.
  • the material of the functional layer is not particularly limited as long as it has a function of promoting the crystal growth of at least the metal layer A (resistor 30) which is the upper layer, and can be appropriately selected according to the purpose.
  • Examples of the above alloy include FeCr, TiAl, FeNi, NiCr, CrCu, and the like.
  • Examples of the above compounds include TiN, TaN , Si3N4 , TiO2 , Ta2O5 , SiO2 and the like.
  • the thickness of the functional layer is preferably 1/20 or less of the thickness of the resistor. Within this range, it is possible to promote the crystal growth of ⁇ -Cr, and to prevent a part of the current flowing through the resistor from flowing through the functional layer, thereby preventing a decrease in strain detection sensitivity.
  • the thickness of the functional layer is more preferably 1/50 or less of the thickness of the resistor. Within this range, it is possible to promote the crystal growth of ⁇ -Cr, and further prevent the deterioration of the strain detection sensitivity due to part of the current flowing through the resistor flowing through the functional layer.
  • the thickness of the functional layer is more preferably 1/100 or less of the thickness of the resistor. Within such a range, it is possible to further prevent a decrease in strain detection sensitivity due to part of the current flowing through the resistor flowing through the functional layer.
  • the film thickness of the functional layer is preferably 1 nm to 1 ⁇ m. Within such a range, the crystal growth of ⁇ -Cr can be promoted, and the film can be easily formed without causing cracks in the functional layer.
  • the 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 formed more easily without cracks.
  • the 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 formed more easily without cracks.
  • the planar shape of the functional layer is, for example, patterned to be substantially the same as the planar shape of the resistor shown in FIG.
  • the planar shape of the functional layer is not limited to being substantially the same as the planar shape of the resistor. If the functional layer is made of an insulating material, it may not be patterned in the same planar shape as the resistor. In this case, the functional layer may be solidly formed at least in the region where the resistor is formed. Alternatively, the functional layer may be formed all over the top surface of the substrate 10 .
  • the thickness of the functional layer is formed relatively thick such that the thickness is 50 nm or more and 1 ⁇ m or less, and the thickness and surface area of the functional layer are increased by forming the functional layer in a solid manner.
  • the strain gauge 1 deterioration in measurement accuracy due to self-heating of the resistor can be suppressed.
  • the functional layer can be formed, for example, by conventional sputtering using a raw material capable of forming the functional layer as a target and introducing Ar (argon) gas into the chamber in a vacuum.
  • Ar argon
  • the functional layer is formed while etching the upper surface 10a of the base material 10 with Ar. Therefore, the amount of film formation of the functional layer can be minimized and an effect of improving adhesion can be obtained.
  • the functional layer may be formed by other methods.
  • a method may be used in which the adhesion improving effect is obtained by activating the upper surface 10a of the base material 10 by plasma treatment or the like using Ar or the like before forming the functional layer, and then the functional layer is vacuum-formed by magnetron sputtering.
  • the combination of the material of the functional layer and the material of the metal layer A is not particularly limited and can be appropriately selected according to the purpose.
  • Ti can be used as the functional layer and a Cr mixed phase film containing ⁇ -Cr (alpha chromium) as the main component can be formed as the metal layer A.
  • the metal layer A can be formed by magnetron sputtering using a raw material capable of forming a Cr mixed-phase film as a target and introducing Ar gas into the chamber.
  • the metal layer A may be formed by reactive sputtering using pure Cr as a target, introducing an appropriate amount of nitrogen gas into the chamber together with Ar gas.
  • the ratio of CrN and CrN contained in the Cr mixed phase film and the ratio of CrN in CrN and CrN can be adjusted by changing the introduction amount and pressure (nitrogen partial pressure) of nitrogen gas or by providing a heating step to adjust the heating temperature.
  • the growth surface of the Cr mixed phase film is defined by the functional layer made of Ti, and a Cr mixed phase film whose main component is ⁇ -Cr, which has a stable crystal structure, can be formed.
  • the diffusion of Ti constituting the functional layer into the Cr mixed phase film improves the gauge characteristics.
  • the gauge factor of the strain gauge 1 can be 10 or more, and the temperature coefficient of gauge factor TCS and the temperature coefficient of resistance TCR can be set within 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 all the functions of promoting crystal growth of the metal layer A, preventing oxidation of the metal layer A due to oxygen and moisture contained in the base material 10, and improving 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 below the metal layer A in this manner, it is possible to promote the crystal growth of the metal layer A, and the metal layer A having a stable crystal phase can be produced. As a result, in the strain gauge 1, the stability of gauge characteristics can be improved. Further, by diffusing the material forming the functional layer into the metal layer A, the gauge characteristics of the strain gauge 1 can be improved.
  • the planar resistor 30, two wirings 40, and two electrodes 50 shown in FIG. 1 are formed.
  • an inorganic insulating layer 70 is formed on the lower surface 10b of the base material 10 at least at a position overlapping the grid area in plan view.
  • the material and thickness of the inorganic insulating layer 70 are as described above.
  • the method of forming the inorganic insulating layer 70 is not particularly limited and can be appropriately selected according to the purpose. After film formation, patterning may be performed by photolithography, if necessary. Note that the inorganic insulating layer 70 may be formed at other timings. For example, before forming the metal film A, the inorganic insulating layer 70 may be formed.
  • a cover layer 60 may be formed on the upper surface 10a of the base material 10 after the resistors 30, the wirings 40, and the electrodes 50 are formed. Cover layer 60 covers resistor 30 and wiring 40 , but electrode 50 may be exposed from cover layer 60 .
  • the cover layer 60 can be formed by laminating a semi-cured thermosetting insulating resin film on the upper surface 10a of the base material 10 so as to cover the resistors 30 and the wiring 40 and exposing the electrodes 50, and then heating and curing the insulating resin film. Through the above steps, the strain gauge 1 is completed.
  • the strain gauge 1 has the cross-sectional shape shown in FIG.
  • a 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 that shown in FIG. However, as described above, the functional layer 20 may be formed solidly on part or all of the upper surface of the base material 10 .
  • Modification 1 of the first embodiment shows an example of a strain gauge in which an inorganic insulating layer is provided at a position different from that of the first embodiment.
  • the description of the same components as those of the already described embodiment may be omitted.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a strain gauge according to modification 1 of the first embodiment. Referring to FIG. 6, the strain gauge 1A differs from the strain gauge 1 shown in FIG.
  • the inorganic insulating layer 70 may be provided at a position overlapping at least the grid area (area where the resistor 30 is formed) in plan view.
  • the inorganic insulating layer 70 may be provided over the entire top surface 10a of the base material 10 .
  • the inorganic insulating layer 70 and the functional layer 20 are made of different materials.
  • the inorganic insulating layer 70 and the functional layer 20 may be formed only at positions overlapping the region where the resistor 30 is formed in plan view.
  • the planar shape of the functional layer 20 is patterned to be substantially the same as the planar shape of the resistor 30 . If the functional layer 20 is made of an insulating material, it may not be patterned in the same planar shape as the resistor 30 . In this case, the functional layer 20 may be solidly formed on at least the grid region where the resistor 30 is formed. Alternatively, the functional layer 20 may be formed all over the upper surface of the inorganic insulating layer 70 .
  • the base material 10 is made of resin, for example, by providing the inorganic insulating layer 70 on the upper surface 10a of the base material 10, the expansion and contraction of the base material 10 in the grid area is suppressed, and the creep characteristics of the strain gauge 1A are improved.
  • strain gauge according to the present disclosure is not limited to the above-described embodiments, modifications, and the like.
  • various modifications and replacements can be made to the strain gauges according to the above-described embodiments and the like without departing from the scope of the claims.

Landscapes

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  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)

Abstract

本ひずみゲージは、樹脂製の基材と、前記基材の一方の側にＣｒ、ＣｒＮ、及びＣｒ２Ｎを含む膜から形成された抵抗体と、前記基材の他方の側に形成された無機絶縁層と、を有し、前記無機絶縁層は、平面視で少なくとも前記抵抗体が形成されている領域と重複する位置に形成されている。

Description

ひずみゲージ
　本発明は、ひずみゲージに関する。
　基材上に抵抗体を備え、測定対象物に貼り付けて、測定対象物の特性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、例えば、材料のひずみを検出するセンサや、周囲温度を検出するセンサ等のセンサ用途として使用されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１－２２１６９６号公報
　樹脂製の基材を用いたひずみゲージでは、クリープが問題となる場合がある。
　本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、クリープ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、樹脂製の基材と、前記基材の一方の側にＣｒ、ＣｒＮ、及びＣｒ２Ｎを含む膜から形成された抵抗体と、前記基材の他方の側に形成された無機絶縁層と、を有し、前記無機絶縁層は、平面視で少なくとも前記抵抗体が形成されている領域と重複する位置に形成されている。
　開示の技術によれば、クリープ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。 クリープ量及びクリープリカバリー量の測定方法について説明する図である。 クリープ量及びクリープリカバリー量の検討結果を示す図である。 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、同一の構成部には同一の符号を付す場合がある。また、各図面において、互いに直交するＸ方向、Ｙ方向、及びＺ方向を規定する場合がある。この場合、Ｘ方向において、矢印の始点（根元）側をＸ－側、矢印の終点（矢尻）側をＸ＋側と称する場合がある。Ｙ方向及びＺ方向についても同様である。また、各図面の説明において、既に説明した構成部と同一の構成部についての説明は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（その１）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、カバー層６０と、無機絶縁層７０とを有している。カバー層６０は、必要に応じて設けることができる。なお、図１及び図２では、便宜上、カバー層６０の外縁のみを破線で示している。まずは、ひずみゲージ１を構成する各部について詳細に説明する。
　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」と称し、抵抗体３０が設けられていない側を「下側」と称する。又、各部位の上側に位置する面を「上面」と称し、各部位の下側に位置する面を「下面」と称する。ただし、ひずみゲージ１は天地逆の状態で用いることもできる。又、ひずみゲージ１は任意の角度で配置することもできる。又、平面視とは、基材１０の上面１０ａに対する上側から下側への法線方向で対象物を視ることを指すものとする。そして、平面形状とは、前記法線方向で対象物を視たときの、対象物の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る。基材１０は可撓性を有する。基材１０の厚さは特に限定されず、ひずみゲージ１の使用目的等に応じて適宜決定されてよい。例えば、基材１０の厚さは５μｍ～５００μｍ程度であってよい。ひずみゲージ１の無機絶縁層７０側には、接着層等を介して起歪体が接合されていてもよい。なお、起歪体の表面から受感部へのひずみの伝達性、及び、環境変化に対する寸法安定性の観点から考えると、基材１０の厚さは５μｍ～２００μｍの範囲内であることが好ましい。また、絶縁性の観点から考えると、基材１０の厚さは１０μｍ以上であることが好ましい。
　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される。なお、フィルムとは、厚さが５００μｍ以下程度であり、かつ可撓性を有する部材を指す。
　基材１０が絶縁樹脂フィルムから形成される場合、当該絶縁樹脂フィルムには、フィラーや不純物等が含まれていてもよい。例えば、基材１０は、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されてもよい。
　抵抗体３０は、基材１０の一方の側（図１及び図２では上側）に所定のパターンで形成された薄膜である。ひずみゲージ１において、抵抗体３０は、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を密度の高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の例ではＸ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（図１の例ではＹ方向）となる。
　抵抗体３０において、最もＹ＋側に位置する細長状部のＸ－側の端部は、Ｙ＋方向に屈曲し、抵抗体３０のグリッド幅方向の一方の終端３０ｅ１に達する。また、最もＹ－側に位置する細長状部のＸ－側の端部は、Ｙ－方向に屈曲し、抵抗体３０のグリッド方向の他方の終端３０ｅ２に達する。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することができる。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することができる。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、及び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いてもよい。
　抵抗体３０の厚さは特に限定されず、ひずみゲージ１の使用目的等に応じて適宜決定されてよい。例えば、抵抗体３０の厚さは０．０５μｍ～２μｍ程度であってよい。特に、抵抗体３０の厚さが０．１μｍ以上である場合、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。また、抵抗体３０の厚さが１μｍ以下である場合、抵抗体３０を構成する膜の内部応力に起因する、（i）膜のクラック及び（ii）膜の基材１０からの反りが、低減される。
　横感度を生じ難くすることと、断線対策とを考慮すると、抵抗体３０の幅は１０μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましい。更に言えば、抵抗体３０の幅は１０μｍ以上７０μｍ以下であることが好ましく、１０μｍ以上５０μｍ以下であるとより好ましい。
　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させることができる。又例えば、抵抗体３０がＣｒ混相膜である場合、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、抵抗体を構成する全物質の５０重量％以上を占める成分のことを意味する。ゲージ特性を向上させるという観点から考えると、抵抗体３０はα－Ｃｒを８０重量％以上含むことが好ましい。更に言えば、同観点から考えると、抵抗体３０はα－Ｃｒを９０重量％以上含むことがより好ましい。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、ひずみゲージ１のゲージ率の低下を抑制することができる。
　又、Ｃｒ混相膜におけるＣｒＮとＣｒ２Ｎとの比率は、ＣｒＮとＣｒ２Ｎの重量の合計に対し、Ｃｒ２Ｎの割合が８０重量％以上９０重量％未満となるようにすることが好ましい。更に言えば、同比率は、ＣｒＮとＣｒ２Ｎの重量の合計に対し、Ｃｒ２Ｎの割合が９０重量％以上９５重量％未満となるようにすることがより好ましい。Ｃｒ２Ｎは半導体的な性質を有する。そのため、前述のＣｒ２Ｎの割合を９０重量％以上９５重量％未満とすることで、ＴＣＲの低下（負のＴＣＲ）が一層顕著となる。更に、前述のＣｒ２Ｎの割合を９０重量％以上９５重量％未満とすることで抵抗体３０のセラミックス化を低減し、抵抗体３０の脆性破壊が起こりにくくすることができる。
　一方で、ＣｒＮは化学的に安定であるという利点を有する。Ｃｒ混相膜にＣｒＮをより多く含むことで、不安定なＮが発生する可能性を低減することができるため、安定なひずみゲージを得ることができる。ここで「不安定なＮ」とは、Ｃｒ混相膜の膜中に存在し得る、微量のＮ２もしくは原子状のＮのことを意味する。これらの不安定なＮは、外的環境（例えば高温環境）によっては膜外へ抜け出ることがある。不安定なＮが膜外へ抜け出るときに、Ｃｒ混相膜の膜応力が変化し得る。
　ひずみゲージ１において、抵抗体３０の材料としてＣｒ混相膜を用いた場合、高感度化かつ、小型化を実現することができる。例えば、従来のひずみゲージの出力が０．０４ｍＶ／２Ｖ程度であったのに対して、抵抗体３０の材料としてＣｒ混相膜を用いた場合は０．３ｍＶ／２Ｖ以上の出力を得ることができる。また、従来のひずみゲージの大きさ（ゲージ長×ゲージ幅）が３ｍｍ×３ｍｍ程度であったのに対して、抵抗体３０の材料としてＣｒ混相膜を用いた場合の大きさ（ゲージ長×ゲージ幅）は０．３ｍｍ×０．３ｍｍ程度に小型化することができる。
　配線４０は、基材１０上に設けられている。配線４０は、抵抗体３０及び電極５０と電気的に接続されている。配線４０は、直線状には限定されず、任意のパターンとすることができる。また、配線４０は、任意の幅及び任意の長さとすることができる。なお、図１では、便宜上、配線４０を抵抗体３０よりも密度の低い梨地模様で示している。
　電極５０は、基材１０上に設けられている。電極５０は、配線４０を介して抵抗体３０と電気的に接続されている。電極５０は、平面視において、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る。電極５０には、例えば外部接続用のリード線等が接合される。電極５０の上面に、銅等の抵抗の低い金属層、または、金等のはんだ付け性が良好な金属層を積層してもよい。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、両者は同一工程において同一材料により一体に形成することができる。なお、図１では、便宜上、電極５０を配線４０と同じ密度の梨地模様で示している。
　カバー層６０（絶縁樹脂層）は、必要に応じ、基材１０の上面１０ａに、抵抗体３０及び配線４０を被覆し電極５０を露出するように設けられる。カバー層６０の材料としては、例えば、ＰＩ樹脂、エポキシ樹脂、ＰＥＥＫ樹脂、ＰＥＮ樹脂、ＰＥＴ樹脂、ＰＰＳ樹脂、複合樹脂（例えば、シリコーン樹脂、ポリオレフィン樹脂）等の絶縁樹脂が挙げられる。なお、カバー層６０は、フィラーや顔料を含有しても構わない。カバー層６０の厚さは、特に制限されず、目的に応じて適宜選択することができる。例えば、カバー層６０の厚さは２μｍ～３０μｍ程度とすることができる。カバー層６０を設けることで、抵抗体３０に機械的な損傷等が生じることを抑制することができる。又、カバー層６０を設けることで、抵抗体３０を湿気等から保護することができる。
　無機絶縁層７０は、基材１０の他方の側（図２の例では基材１０の下面１０ｂ側）に形成されている。無機絶縁層７０は、平面視で少なくともグリッド領域（抵抗体３０が形成されている領域）と重複する位置に形成されている。無機絶縁層７０は、基材１０の下面１０ｂの全体に形成されてもよい。無機絶縁層７０を、平面視でグリッド領域（抵抗体３０が形成されている領域）と重複する位置のみに形成する場合は、無機絶縁層７０の面積が抑えられるため、無機絶縁層７０が割れるおそれを低減できる点で好適である。
　無機絶縁層７０の材料としては、例えば、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｗ、Ｔｉ、Ｔａ等の金属やそれらを含む合金の酸化物や窒化物、窒酸化物が挙げられる。無機絶縁層７０の材料として、Ｓｉ、Ｇｅ等の半導体やそれらの酸化物や窒化物、窒酸化物を用いてもよい。無機絶縁層７０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、０．５μｍ～６２５μｍ程度とすることができる。この範囲内であれば、ひずみゲージ１のゲージ率を、無機絶縁層７０がない場合と同程度に維持できる。
　ひずみゲージ１は、クリープ特性に優れていることが好ましい。例えば、クリープ特性を所定値以下にできれば、ひずみゲージ１をセンサ用途に加え、はかり用途に使用可能となる。ひずみゲージのクリープ特性は、構成材料の粘弾性に影響される。一般に弾性材料である金属材料ではクリープが発生しないが、粘性材料である樹脂ではクリープが発生する。ひずみゲージ１には、樹脂製の基材１０が用いられているため、基材１０の粘性は無視できない。
　クリープ量及びクリープリカバリー量は、ひずみゲージ１において、抵抗体３０が設けられた面の弾性変形の量（ひずみ量）が時間経過と共に変化する量であるため、一対の電極５０間の出力に基づいて算出したひずみ電圧をモニタすることで測定できる。図３を参照して、詳しく説明する。
　図３は、クリープ量及びクリープリカバリー量の測定方法について説明する図である。図３において、横軸は時間、縦軸はひずみ電圧［ｍＶ］である。
　まず、測定装置に電源を投入して１０秒後に、起歪体に貼り付けられたひずみゲージ１に１５０％荷重を１０秒間かけ、その後、除荷する。除荷後、２０分が経過したら、起歪体に貼り付けられたひずみゲージ１に１００％荷重を２０分間かけ、その後、除荷する。そして、除荷後２０分経過するのを待つ。
　ひずみ電圧は、例えば、図３に示すように変化する。図３において、１５０％荷重を除荷後２０分経過した時点と、１００％荷重をかけた直後の時点のひずみ電圧の差の絶対値Ｂを測定する。また、１００％荷重をかけた直後の時点と、１００％荷重をかけ始めてから２０分経過した時点のひずみ電圧の差の絶対値ΔＡを測定する。このとき、ΔＡ／Ｂがクリープ量となる。次に、１００％荷重を除荷した直後の時点と、１００％荷重を除荷後２０分経過した時点のひずみ電圧の差の絶対値ΔＣを測定する。このとき、ΔＣ／Ｂがクリープリカバリー量となる。
　なお、１００％荷重とは３ｋｇであり、１５０％荷重とは１００％荷重の１．５倍の荷重である。
　図４は、クリープ量及びクリープリカバリー量の検討結果を示す図であり、同一形状のポリイミド（ＰＩ）とガラス（ＳｉＯ２）のクリープ量及びクリープリカバリー量を図３の測定方法で測定した結果をまとめたものである。ポリイミドとガラスのそれぞれの厚さは、ポリイミドが２５μｍ、ガラスが１００μｍである。
　図４に示ように、ガラスは、ポリイミドと比べてクリープ量及びクリープリカバリー量が小さい。ポリイミド以外の樹脂とガラス以外の無機材料とを比較した場合も同様の結果が得られる。つまり、樹脂と無機材料を比べると、弾性率が大きく、伸縮しにくい無機材料の方が、クリープ量及びクリープリカバリー量を小さくできる。
　すなわち、基材１０が樹脂製であっても、例えば、基材１０の下面１０ｂに無機絶縁層７０を設けることで、グリッド領域の基材１０の伸縮が抑制され、ひずみゲージ１のクリープ特性が改善される。ひずみゲージ１において、基材１０が樹脂製であり、さらに樹脂製のカバー層６０が設けられた場合は、ひずみゲージ１全体としての弾性率が大きくなる傾向にあるため、無機絶縁層７０を設けることが特に有効である。
　なお、ゲージ率が１０以上である高感度のひずみゲージ（例えば、抵抗体３０にＣｒ混相膜を用いた場合など）の場合、高感度故に材料物性からの影響に敏感であり、クリープ特性も著しく低下する場合がある。したがって、ゲージ率が１０以上である高感度のひずみゲージにおいて、無機絶縁層７０を設けることでクリープ特性を改善することは極めて重要である。
　［ひずみゲージの製造方法］
　以下、ひずみゲージ１の製造方法について説明する。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をパターニングすることで、図１に示す平面形状の抵抗体３０、２つの配線４０、及び２つの電極５０を形成する。
　次に、基材１０の下面１０ｂの少なくとも平面視でグリッド領域と重複する位置に、無機絶縁層７０を形成する。無機絶縁層７０の材料や厚さは、前述の通りである。無機絶縁層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、スパッタ法、めっき法、化学気相蒸着（ＣＶＤ）法等の真空プロセスや、スピンコート法やゾルゲル法等の溶液プロセスによる成膜が挙げられる。成膜後、必要に応じ、フォトリソグラフィによってパターニングしてもよい。なお、無機絶縁層７０は、他のタイミングで形成してもよい。例えば、金属膜Ａの形成の前に、無機絶縁層７０を形成してもよい。
　抵抗体３０、配線４０、及び電極５０を形成した後、基材１０の上面１０ａにカバー層６０を形成してもよい。カバー層６０は抵抗体３０及び配線４０を被覆するが、電極５０はカバー層６０から露出していてよい。例えば、基材１０の上面１０ａに、抵抗体３０及び配線４０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て、その後に当該絶縁樹脂フィルムを加熱して硬化させることにより、カバー層６０を形成することができる。以上の工程により、ひずみゲージ１が完成する。
　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５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。
　〈第１実施形態の変形例１〉
　第１実施形態の変形例１では、第１実施形態とは異なる位置に無機絶縁層を設けたひずみゲージの例を示す。なお、第１実施形態の変形例１では、既に説明した実施形態と同一の構成部についての説明は省略する場合がある。
　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る。図６を参照すると、ひずみゲージ１Ａは、無機絶縁層７０が基材１０の上面１０ａに形成され、無機絶縁層７０上に機能層２０及び抵抗体３０が順次積層されている点が、図５に示すひずみゲージ１と相違する。
　無機絶縁層７０は、平面視で少なくともグリッド領域（抵抗体３０が形成されている領域）と重複する位置に設けられればよい。無機絶縁層７０は、基材１０の上面１０ａの全体に設けられてもよい。
　ひずみゲージ１Ａにおいて、無機絶縁層７０と機能層２０とは、互いに異なる材料から形成される。無機絶縁層７０及び機能層２０は、平面視で抵抗体３０が形成されている領域と重複する位置にのみ形成されてもよい。
　機能層２０が導電材料から形成される場合には、機能層２０の平面形状は、抵抗体３０の平面形状と略同一にパターニングされる。機能層２０が絶縁材料から形成される場合には、抵抗体３０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２０は少なくとも抵抗体３０が形成されているグリッド領域にベタ状に形成されてもよい。或いは、機能層２０は、無機絶縁層７０の上面全体にベタ状に形成されてもよい。
　このように、基材１０が樹脂製であっても、例えば、基材１０の上面１０ａに無機絶縁層７０を設けることで、グリッド領域の基材１０の伸縮が抑制され、ひずみゲージ１Ａのクリープ特性が改善される。
　以上、好ましい実施形態等について詳説した。しかしながら、本開示に係るひずみゲージは、上述した実施形態及び変形例等に限定されない。例えば、上述した実施形態等に係るひずみゲージについて、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、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２０２２年１月１９日に出願した日本国特許出願２０２２－００６２５７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２０２２－００６２５７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、１０ｂ　下面、２０　機能層、３０　抵抗体、４０　配線、５０　電極、６０　カバー層、７０　無機絶縁層

Claims (7)

  1. 　樹脂製の基材と、
    　前記基材の一方の側にＣｒ、ＣｒＮ、及びＣｒ２Ｎを含む膜から形成された抵抗体と、
    　前記基材の他方の側に形成された無機絶縁層と、を有し、
    　前記無機絶縁層は、平面視で少なくとも前記抵抗体が形成されている領域と重複する位置に形成されている、ひずみゲージ。
  2. 　前記基材の一方の面に、前記抵抗体の下地層として機能層が形成されている、請求項１に記載のひずみゲージ。
  3. 　樹脂製の基材と、
    　前記基材の一方の側に形成された無機絶縁層と、
    　前記無機絶縁層上に順次積層された機能層及び抵抗体と、を有し、
    　前抵抗体は、Ｃｒ、ＣｒＮ、及びＣｒ２Ｎを含む膜から形成され、
    　前記無機絶縁層と前記機能層とは、互いに異なる材料から形成され、
    　前記無機絶縁層は、平面視で少なくとも前記抵抗体が形成されている領域と重複する位置に形成されている、ひずみゲージ。
  4. 　前記無機絶縁層及び前記機能層は、平面視で前記抵抗体が形成されている領域と重複する位置にのみ形成されている、請求項２又は３に記載のひずみゲージ。
  5. 　前記抵抗体は、前記機能層の一方の面に直接形成されている、請求項２乃至４の何れか一項に記載のひずみゲージ。
  6. 　前記抵抗体を被覆する絶縁樹脂層を有する、請求項１乃至５の何れか一項に記載のひずみゲージ。
  7. 　ゲージ率が１０以上である、請求項１乃至６のいずれか一項に記載のひずみゲージ。
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