WO2023214537A1 - ひずみゲージ - Google Patents

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WO2023214537A1
WO2023214537A1 PCT/JP2023/016698 JP2023016698W WO2023214537A1 WO 2023214537 A1 WO2023214537 A1 WO 2023214537A1 JP 2023016698 W JP2023016698 W JP 2023016698W WO 2023214537 A1 WO2023214537 A1 WO 2023214537A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
metal layer
resistor
strain gauge
wiring
base material
Prior art date
Application number
PCT/JP2023/016698
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
彩 小野
洋介 小笠
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
Application filed by ミネベアミツミ株式会社 filed Critical ミネベアミツミ株式会社
Publication of WO2023214537A1 publication Critical patent/WO2023214537A1/ja

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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

Definitions

  • the present invention relates to a strain gauge.
  • a strain gauge that are used by being attached to an object to be measured have been known.
  • a strain gauge includes a resistor that detects strain, and the resistor is formed on, for example, an insulating resin.
  • the resistor is connected to an electrode via, for example, wiring (see, for example, Patent Document 1).
  • the strain gauge is attached to the strain body and expands and contracts to follow the movement of the strain body, thereby detecting the amount of strain in the strain body. Therefore, in order to detect a larger amount of strain, the strain gauge itself must not be damaged during the expansion and contraction process, and a higher strain limit is required.
  • the present invention has been made in view of the above points, and aims to improve the strain limit of strain gauges.
  • a strain gauge includes a base material, a resistor formed on the base material, and two resistors formed on the base material and connected in series to both ends of the resistor.
  • wiring, the resistor includes a plurality of elongated parts arranged in parallel with their longitudinal directions facing the first direction and connected to each other in series, one of the wirings being perpendicular to the first direction. is juxtaposed to the elongated part located at one end in the second direction, and connected to one end of the elongated part in the first direction, and the other wire is connected to the elongated part located at the other end in the second direction.
  • each of the wirings is arranged in parallel with the elongated part and connected to one end of the elongated part in the first direction, and each of the wirings has a first metal layer and a first metal layer laminated on the first metal layer. a second metal layer formed from a material with low volume resistivity, the outer edge of the first metal layer is exposed from the second metal layer in plan view; The end portion of the space on the one end side in the first direction is larger than the end portion on the one end side in the first direction of the gap between the first metal layer and the elongated portion adjacent to the first metal layer. It protrudes toward one end side in the first direction.
  • the strain limit of a strain gauge can be improved.
  • FIG. 2 is a plan view illustrating a strain gauge according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view (part 1) illustrating the strain gauge according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram schematically showing how cracks occur in a resistor and wiring.
  • FIG. 2 is a partially enlarged plan view of the vicinity of a connection between a resistor and wiring in FIG. 1;
  • FIG. 7 is a partially enlarged plan view of the vicinity of a connection between a resistor and wiring in a strain gauge according to a comparative example. It is a figure which shows the experimental result of a strain limit.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view (Part 2) illustrating the strain gauge according to the first embodiment.
  • an X-axis, a Y-axis, and a Z-axis that are orthogonal to each other may be defined.
  • the starting point (root) side of the arrow may be referred to as the X- side
  • the end point (arrowhead) side of the arrow may be referred to as the X+ side.
  • a direction parallel to the X axis may be referred to as a first direction X
  • a direction parallel to the Y axis may be referred to as a second direction Y.
  • 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, and shows a cross section taken along line AA in FIG.
  • the strain gauge 1 includes a base material 10, a resistor 30, wiring 40, an electrode 50, and a cover layer 60.
  • the cover layer 60 can be provided as necessary. Note that in FIGS. 1 and 2, only the outer edge of the cover layer 60 is shown with a broken line for convenience. First, each part constituting the strain gauge 1 will be explained in detail.
  • the strain gauge 1 the side of the base material 10 where the resistor 30 is provided is referred to as the "upper side", and the side where the resistor 30 is not provided is referred to as the "lower side”. .
  • the surface located above each part is referred to as the "upper surface”, and the surface located below each part is referred to as the "lower surface”.
  • the strain gauge 1 can also be used upside down.
  • the strain gauge 1 can also be arranged at any angle.
  • planar view refers to viewing the object in the normal direction from the upper side to the lower side with respect to the upper surface 10a of the base material 10.
  • the planar shape refers to the shape of the object when viewed in the normal direction.
  • the base material 10 is a member that becomes 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 determined as appropriate depending on the intended use of the strain gauge 1.
  • the thickness of the base material 10 may be about 5 ⁇ m to 500 ⁇ m.
  • a strain-generating body may be bonded to the lower surface side of the strain gauge 1 via an adhesive layer or the like.
  • the thickness of the base material 10 is preferably within the range of 5 ⁇ m to 200 ⁇ m. .
  • the thickness of the base material 10 is preferably 10 ⁇ m or more.
  • the base material 10 is made of, for example, PI (polyimide) resin, epoxy resin, PEEK (polyetheretherketone) resin, PEN (polyethylene naphthalate) resin, PET (polyethylene terephthalate) resin, PPS (polyphenylene sulfide) resin, LCP (liquid crystal) resin, etc. It is formed from an insulating resin film such as polymer) resin or polyolefin resin. Note that the film refers to a member having a thickness of approximately 500 ⁇ m or less and having flexibility.
  • the insulating resin film may contain fillers, impurities, and the like.
  • the base material 10 may be formed from an insulating resin film containing filler such as silica or alumina.
  • Examples of materials other than resin for the base material 10 include SiO 2 , ZrO 2 (including YSZ), Si, Si 2 N 3 , Al 2 O 3 (including sapphire), ZnO, perovskite ceramics (CaTiO 3 , Examples include crystalline materials such as BaTiO 3 ). Further, in addition to the above-mentioned crystalline materials, amorphous glass or the like may be used as the material of the base material 10. Further, as the material of the base material 10, metals such as aluminum, aluminum alloy (duralumin), titanium, etc. may be used. When using metal, an insulating film is provided on the metal base material 10.
  • the resistor 30 is a thin film formed in a predetermined pattern on the base material 10.
  • the resistor 30 is a sensing portion that receives strain and causes 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.
  • the resistor 30 is shown in a dense satin pattern for convenience.
  • the resistor 30 includes a plurality of elongated portions 31 and a plurality of folded portions 32.
  • the resistor 30 includes six elongated portions 31 and seven folded portions 32, but the number of elongated portions 31 and folded portions 32 is not limited to the example of FIG.
  • the plurality of elongated portions 31 are arranged side by side with their longitudinal directions facing the first direction X.
  • the plurality of folded portions 32 alternately connect the ends of adjacent elongated portions 31 among the plurality of elongated portions 31 to connect the respective elongated portions 31 in series.
  • the resistor 30 has a structure that is folded back in a zigzag pattern as a whole.
  • the first direction X which is the longitudinal direction of the plurality of elongated portions 31, is the grid direction
  • the second direction Y which is the direction perpendicular to the grid direction
  • one end in the first direction X (an end on the X-side) of the elongated portion 31 located at one end in the second direction Y (an end on the Y-side) is bent in the Y-direction,
  • One end 30e 1 of the resistor 30 in the grid width direction is reached.
  • one end of the elongated portion 31 in the first direction X (end on the X- side) located at the other end of the second direction Y (end on the Y+ side) is bent in the Y+ direction, and
  • the other end 30e 2 in the grid direction is reached.
  • Each terminal end 30e 1 and 30e 2 is electrically connected to an electrode 50 via a wiring 40.
  • the wiring 40 electrically connects each terminal end 30e 1 and 30e 2 of the resistor 30 in the grid width direction to each electrode 50.
  • the terminations 30e 1 and 30e 2 are shown by broken lines for convenience, but the resistor 30 and the first metal layer 41 (described later) of the wiring 40 can be formed integrally.
  • 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 materials containing Cr include a Cr mixed phase film. Examples of materials containing Ni include Cu--Ni (copper nickel). An example of a material containing both Cr and Ni is Ni--Cr (nickel chromium).
  • the Cr mixed phase film is a film containing mixed phases of Cr, CrN, Cr 2 N, and the like.
  • the Cr mixed phase film may contain inevitable impurities such as chromium oxide.
  • the thickness of the resistor 30 is not particularly limited, and may be determined as appropriate depending on the intended use of the strain gauge 1.
  • the thickness of the resistor 30 may be approximately 0.05 ⁇ m to 2 ⁇ m.
  • the crystallinity of the crystal forming the resistor 30 (for example, the crystallinity of ⁇ -Cr) is improved.
  • the thickness of the resistor 30 is 1 ⁇ m or less, (i) cracks in the film and (ii) warping of the film from the base material 10 due to internal stress of the film constituting the resistor 30 are reduced. be done.
  • the width of each elongated portion 31 of the resistor 30 is 5 ⁇ m or more and 100 ⁇ m or less. Furthermore, the width of each elongated portion 31 of the resistor 30 is preferably 5 ⁇ m or more and 70 ⁇ m or less, more preferably 5 ⁇ m or more and 50 ⁇ m or less.
  • the stability of the gauge characteristics can be improved by using ⁇ -Cr (alpha chromium), which is a stable crystalline phase, as the main component.
  • ⁇ -Cr alpha chromium
  • the resistor 30 has ⁇ -Cr as its main component, so that the gauge factor of the strain gauge 1 is 10 or more, and the gauge factor temperature coefficient TCS and the resistance temperature coefficient TCR are can be within the range of -1000ppm/°C to +1000ppm/°C.
  • the term "main component” refers to a component that accounts for 50% by weight or more of all materials constituting the resistor.
  • the resistor 30 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.
  • ⁇ -Cr is Cr having a bcc structure (body-centered cubic lattice structure).
  • the resistor 30 is a Cr mixed phase film
  • the content of CrN and Cr 2 N in the Cr mixed phase film is 20% by weight or less.
  • the Cr mixed phase film contains 20% by weight or less of CrN and Cr 2 N, a decrease in the gauge factor of the strain gauge 1 can be suppressed.
  • 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 2N. . More preferably, the ratio is such that the proportion of Cr 2 N is 90% by weight or more and less than 95% by weight with respect to the total weight of CrN and Cr 2N .
  • Cr 2 N has semiconductor properties. Therefore, by setting the above-mentioned proportion of Cr 2 N to 90% by weight or more and less than 95% by weight, the decrease in TCR (negative TCR) becomes more remarkable. Further, by setting the above-mentioned proportion of Cr 2 N to 90% by weight or more and less than 95% by weight, it is possible to reduce the ceramic resistance 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 a larger amount of CrN in the Cr multiphase film, it is possible to reduce the possibility of unstable N being generated, thereby making it possible to obtain a stable strain gauge.
  • "unstable N” means a trace amount of N 2 or atomic N that may exist in the Cr multiphase film. Depending on the external environment (for example, high temperature environment), these unstable N may escape out of the membrane. When unstable N escapes from the film, the film stress of the Cr multiphase film may change.
  • the strain gauge 1 when a Cr mixed phase film is used as the material for the resistor 30, higher sensitivity and smaller size can be achieved.
  • the output of a conventional strain gauge is about 0.04 mV/2V
  • a Cr mixed phase film is used as the material for the resistor 30, an output of 0.3 mV/2V or more can be obtained.
  • the size of a conventional strain gauge is approximately 3 mm x 3 mm
  • the size when a Cr mixed phase film is used as the material for the resistor 30 is approximately 3 mm x 3 mm. Width) can be downsized to approximately 0.3 mm x 0.3 mm.
  • Two wirings 40 are formed on the base material 10.
  • One end of the wiring 40 is juxtaposed to the elongated portion 31 located at one end in the second direction Y (the end on the Y ⁇ side), and is connected to one end of the elongated portion 31 in the first direction X via the folded portion 32.
  • the other end of the wiring 40 is juxtaposed to the elongated portion 31 located at the other end in the second direction Y (the end on the Y+ side), and is connected to one end of the elongated portion 31 in the first direction X via the folded portion 32. (X- side end).
  • the wiring 40 only needs to be juxtaposed to the elongated portion 31 at least on one end side in the first direction X, and the entire wiring 40 does not need to be juxtaposed to the elongated portion 31 . That is, the wiring 40 is not limited to a straight line, but may have any pattern juxtaposed to the elongated portion 31 at least on one end side in the first direction X. Furthermore, the wiring 40 can have any length.
  • the electrode 50 is formed on the base material 10 and electrically connected to the resistor 30 via the wiring 40, and is, for example, formed in a substantially rectangular shape with a wider width than the wiring 40.
  • the electrodes 50 are a pair of electrodes for outputting to the outside a change in the resistance value of the resistor 30 caused by strain, and are connected to, for example, a lead wire for external connection.
  • Each wiring 40 has a first metal layer 41 and a second metal layer 42 laminated on the first metal layer 41.
  • each electrode 50 includes a first metal layer 51 and a second metal layer 52 laminated on the first metal layer 51.
  • the first metal layer 51 is electrically connected to the terminal ends 30e 1 and 30e 2 of the resistor 30 via the first metal layer 41 of the wiring 40.
  • the first metal layer 51 is formed into a substantially rectangular shape when viewed from above.
  • the first metal layer 51 may be formed to have the same width as the wiring 40.
  • the first metal layers 41 and 51 are shown with a satin pattern with the same density as the resistor 30, and the second metal layers 42 and 52 are shown with a satin pattern with a lower density than the resistor 30. ing.
  • the second metal layers 42 and 52 are formed on part of the upper surfaces of the first metal layers 41 and 51. Specifically, the second metal layers 42 and 52 are formed on the upper surfaces of the first metal layers 41 and 51 except for the outer edges thereof. Therefore, the outer edge of the first metal layer 41 is exposed from the second metal layer 42 in plan view. Further, the outer edge of the first metal layer 51 is exposed from the second metal layer 52 in plan view.
  • the second metal layer 42 and the second metal layer 52 may be integrally formed of the same material, or may be formed of separate materials.
  • a material having a lower volume resistivity than the resistor 30 (first metal layers 41 and 51) can be selected as the material for the second metal layers 42 and 52.
  • Examples of such materials include Cu, Ni, Al, Ag, Au, Pt, etc., alloys of any of these metals, compounds of any of these metals, or metals and alloys of any of these metals, Examples include laminated films in which compounds are laminated as appropriate.
  • the thickness of the second metal layers 42 and 52 is not particularly limited, and can be appropriately selected depending on the purpose.
  • the thickness of the second metal layers 42 and 52 can be, for example, about 0.5 ⁇ m to 5 ⁇ m.
  • the second metal layer 52 may be a copper layer, and a gold layer may be laminated on the top surface of the copper layer.
  • the second metal layer 52 may be a copper layer, and a palladium layer and a gold layer may be sequentially laminated on the upper surface of the copper layer.
  • the resistor 30, the first metal layer 41, and the first metal layer 51 are given different symbols for convenience, they can be integrally formed using the same material in the same process. Therefore, the resistor 30, the first metal layer 41, and the first metal layer 51 may have substantially the same thickness.
  • the second metal layer 42 and the second metal layer 52 are given different symbols for convenience, they can be integrally formed using the same material in the same process. Therefore, the second metal layer 42 and the second metal layer 52 may have substantially the same thickness.
  • the wiring 40 has the second metal layer 42 made of a material having a lower volume resistivity than the first metal layer 41 stacked on the first metal layer 41 made of the same material as the resistor 30. It is a structure. Therefore, the resistance of the wiring 40 is lower than that of the resistor 30, and it is possible to prevent the wiring 40 from functioning as a resistor. As a result, the accuracy of strain detection by the resistor 30 can be improved.
  • the substantial sensing portion of the strain gauge 1 can be limited to the local area where the resistor 30 is formed. Therefore, the accuracy of strain detection by the resistor 30 can be improved.
  • the resistance of the wiring 40 is made lower than that of the resistor 30, and the resistor 30 is formed as a substantial sensing part. Restricting to a local area has a remarkable effect on improving strain detection accuracy. Furthermore, making the resistance of the wiring 40 lower than that of the resistor 30 also has the effect of reducing lateral sensitivity.
  • the cover layer 60 is provided on the upper surface 10a of the base material 10, if necessary, so as to cover the resistor 30 and the wiring 40 and expose the electrode 50.
  • the material of the cover layer 60 include insulating resins such as PI resin, epoxy resin, PEEK resin, PEN resin, PET resin, PPS resin, and composite resin (eg, silicone resin, polyolefin resin).
  • the cover layer 60 may contain filler or pigment.
  • the thickness of the cover layer 60 is not particularly limited, and can be appropriately selected depending on the purpose. For example, the thickness of the cover layer 60 can be about 2 ⁇ m to 30 ⁇ m.
  • FIG. 3 is a diagram schematically showing how cracks occur in the resistor and wiring. As the strain applied to the strain gauge 1 increases, cracks occur in the resistor 30 and the first metal layer 41. According to the inventors' study, as shown in FIG. 3, the crack C extends approximately in the second direction Y near the end of the second metal layer 42 constituting the wiring 40 in the first direction X. There is a tendency to occur.
  • FIG. 4 is a partially enlarged plan view of the vicinity of the connection between the resistor and wiring in FIG. 1.
  • the strain gauge 1 in plan view, the end portion of the second metal layer 42 on one end side (X- side) in the first direction 41 and the elongated portion 31 adjacent to the elongated portion 31.
  • the gap S protrudes toward the one end side (X-side) in the first direction X from the end portion on the one end side (X-side) in the first direction X.
  • the length of the end of the second metal layer 42 on the one end side of the first direction X that protrudes toward the one end side of the first direction
  • the length L1>0 in the strain gauge 1, in plan view, the end of the second metal layer 42 on the one end side in the first direction X and the end on the one end side of the first direction
  • the positional relationship with the section may be arbitrary.
  • FIG. 5 is a partially enlarged plan view of the vicinity of the connection between a resistor and wiring in a strain gauge according to a comparative example.
  • the length L1 shown in FIG. 4 is zero. That is, in the comparative example of FIG. 5, in the first direction X, the end of the second metal layer 42 on the one end side of the first direction be. In this case, if a crack C as shown in FIG. 3 occurs, the wire 40 and the elongated portion 31 adjacent to the wire 40 will be disconnected and no current will flow. Therefore, the strain gauge according to the comparative example It no longer functions as a game.
  • the length L1 is preferably 1 ⁇ m or more. This makes it easier to maintain electrical connection by ensuring a current conduction width between the wiring 40 and the elongated portion 31 adjacent to the wiring 40.
  • the length L1 is greater than or equal to the length L2 of the elongated portion 31 in the second direction Y (that is, the width of the elongated portion 31).
  • the length of the elongated portion 31 in the second direction Y is preferably 5 ⁇ m or more. That is, it is more preferable that the length L1 is 5 ⁇ m or more.
  • the length in the first direction X between the end of the first metal layer 41 on the one end side in the first direction is preferably 5 ⁇ m or more, more preferably 10 ⁇ m or more.
  • the first metal layer 41 and the second metal layer 42 are etched and patterned, but the first metal layer 41 may be over-etched than the second metal layer 42 during etching. be. If the end of the second metal layer 42 protrudes from the end of the first metal layer 41 in the horizontal direction due to over-etching, the adhesion between the wiring 40 and the cover layer 60 will be affected when the cover layer 60 covering the wiring 40 is provided. decreases.
  • the first metal layer 41 is made of a Cr mixed phase film and the second metal layer 42 is made of copper
  • the Cr mixed phase film is made of copper during etching in the manufacturing process of the strain gauge 1. It is over-etched by about 1 to 2 ⁇ m.
  • the end of the second metal layer 42 protrudes horizontally from the end of the first metal layer 41 due to over-etching, for example, if the second metal layer 42 is made of copper, the copper protrudes.
  • the parts become oxidized, the copper deteriorates, and the reliability of the strain gauge 1 decreases.
  • the outer edge of the first metal layer 41 is preferably exposed from the second metal layer 42, and the length L3 is preferably 5 ⁇ m or more, more preferably 10 ⁇ m or more. .
  • This can prevent the first metal layer 41 from being over-etched with respect to the second metal layer 42, so that the adhesion between the wiring 40 and the cover layer 60 can be maintained. Further, even when the second metal layer 42 is made of copper, it is possible to prevent copper from being oxidized and deteriorated.
  • FIG. 6 is a diagram showing the experimental results of the strain limit, in which the minimum value of the strain limit in a plurality of test strain gauges is plotted.
  • the vertical axis indicates the strain limit [ ⁇ ST].
  • the strain limit is considered to be lowered if the wiring 40 is formed only from the Cr mixed phase film, since the Cr mixed phase film has poor elasticity.
  • the strain limit can be improved by laminating the second metal layer 42 made of a material such as copper that has better elasticity than the Cr mixed-phase film on the first metal layer 41 made of the Cr mixed-phase film.
  • the wiring 40 preferably has a laminated structure of the first metal layer 41 and the second metal layer 42, and the second metal layer 42 is more stretchable than the first metal layer 41.
  • the second metal layer is preferably formed from a material that has a lower volume resistivity than the first metal layer and has better elasticity than the first metal layer 41.
  • the first metal layer is a Cr mixed phase film
  • materials that have a lower volume resistivity than the first metal layer and have better elasticity than the first metal layer 41 include gold, silver, and aluminum in addition to copper. can be mentioned.
  • strain gauge manufacturing method In the strain gauge 1 according to the present embodiment, the resistor 30, the wiring 40, the electrode 50, and the cover layer 60 are formed on the base material 10. Note that another layer (such as a functional layer to be described later) may be formed between the base material 10 and the layers of these members.
  • the base material 10 is prepared, and a metal layer (for convenience, referred to as metal layer A) 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 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 and the like 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 using reactive sputtering, vapor deposition, arc ion plating, pulsed laser deposition, or the like instead of magnetron sputtering.
  • the metal layer A may be formed after forming a base layer on the upper surface 10a of the base material 10.
  • a functional layer having a predetermined thickness may be formed in vacuum on the upper surface 10a of the base material 10 by conventional sputtering.
  • the functional layer refers to a layer that has a function of promoting crystal growth of at least the upper metal layer A (resistor 30).
  • the functional layer further has a function of preventing oxidation of the metal layer A due to oxygen or moisture contained in the base material 10, and/or a function of improving the adhesion between the base material 10 and the metal layer A. is preferred.
  • the functional layer may further include other functions.
  • the insulating resin film constituting the base material 10 may contain oxygen and moisture, and Cr may form a self-oxidized film. Therefore, especially when the metal layer A contains Cr, it is preferable to form a functional layer having a function of preventing the metal layer A from being oxidized.
  • Examples of materials for the functional layer include Cr (chromium), Ti (titanium), V (vanadium), Nb (niobium), Ta (tantalum), Ni (nickel), Y (yttrium), Zr (zirconium), Hf (hafnium), Si (silicon), C (carbon), Zn (zinc), Cu (copper), Bi (bismuth), Fe (iron), Mo (molybdenum), W (tungsten), Ru (ruthenium), Rh (rhodium), Re (rhenium), Os (osmium), Ir (iridium), Pt (platinum), Pd (palladium), Ag (silver), Au (gold), Co (cobalt), Mn (manganese), Al (aluminum), an alloy of any metal in this group, or a compound of any metal in this group.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view (Part 2) illustrating the strain gauge according to the first embodiment.
  • Part 2 shows a cross-sectional shape of the strain gauge 1 in which the functional layer 20 is provided as a base layer for the resistor 30, the wiring 40, and the electrode 50.
  • the planar shape of the functional layer 20 may be patterned to be approximately the same as the planar shape of the resistor 30, the wiring 40, and the electrode 50, for example.
  • the planar shapes of the functional layer 20, the resistor 30, the wiring 40, and the electrode 50 do not have to be substantially the same.
  • the functional layer 20 when the functional layer 20 is formed of an insulating material, the functional layer 20 may be patterned into a shape different from the planar shape of the resistor 30, the wiring 40, and the electrode 50.
  • the functional layer 20 may be formed in a solid manner, for example, in a region where the resistor 30, the wiring 40, and the electrode 50 are formed.
  • the functional layer 20 may be formed in a solid manner over the entire upper surface of the base material 10.
  • the second metal layer 42 and the second metal layer 52 are formed on the upper surface of the metal layer A.
  • the second metal layer 42 and the second metal layer 52 can be formed into a predetermined pattern by, for example, a well-known photolithography method.
  • a photosensitive resist is formed on the upper surface of the metal layer A, the upper surface of the second metal layer 42, and the upper surface of the second metal layer 52, and the resist is exposed and developed to form the resistor 30 of FIG. Patterning is performed to have the same planar shape as the wiring 40 and the electrode 50. Then, using the resist as an etching mask, the metal layer A exposed from the resist is removed by wet etching or the like. Next, by removing the resist, the planar resistor 30, wiring 40, and electrode 50 shown in FIG. 1 can be formed. At this time, the shape of the resist is controlled so that the first metal layer 41 is not over-etched with respect to the second metal layer 42.
  • a cover layer 60 is formed on the upper surface 10a of the base material 10, if necessary. Although the cover layer 60 covers the resistor 30 and the wiring 40, the electrode 50 may be exposed from the cover layer 60.
  • a semi-cured thermosetting insulating resin film is laminated on the upper surface 10a of the base material 10 so as to cover the resistor 30 and wiring 40 and expose the electrode 50, and then the insulating resin film is laminated.
  • the cover layer 60 can be formed by heating and curing. Through the above steps, the strain gauge 1 is completed.
  • strain gauge according to the present disclosure is not limited to the above-described embodiments.
  • various modifications and substitutions can be made to the strain gauges according to the above-described embodiments without departing from the scope of the claims.

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Abstract

本ひずみゲージは、基材と、前記基材上に形成された抵抗体と、前記基材上に形成され、前記抵抗体の両端部に直列に接続された２つの配線と、を有し、前記抵抗体は、長手方向を第１方向に向けて並置され、互いに直列に接続された複数の細長状部を含み、前記配線の一方は、前記第１方向に直交する第２方向の一端に位置する前記細長状部に並置され、該細長状部の前記第１方向の一端に接続され、前記配線の他方は、前記第２方向の他端に位置する前記細長状部に並置され、該細長状部の前記第１方向の一端に接続され、各々の前記配線は、第１金属層と、前記第１金属層上に積層された前記第１金属層よりも体積抵抗率の低い材料から形成された第２金属層と、を含み、平面視で、前記第１金属層の外縁は、前記第２金属層から露出し、平面視で、前記第２金属層の前記第１方向の一端側の端部は、前記第１金属層と、前記第１金属層に隣接する前記細長状部との間の空隙の前記第１方向の一端側の端部よりも前記第１方向の一端側に突出している。

Description

ひずみゲージ
　本発明は、ひずみゲージに関する。
　従来、測定対象物に貼り付けて使用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
　ひずみゲージは起歪体へ貼り付けられ、起歪体の動きに追従して伸縮することで、起歪体のひずみ量を検出する。そのため、より大きなひずみ量を検出するためには、伸縮の過程でひずみゲージ自身が破損してはならず、より高いひずみ限界が求められている。
　本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、ひずみゲージのひずみ限界を向上することを目的とする。
　本開示の一実施形態に係るひずみゲージは、基材と、前記基材上に形成された抵抗体と、前記基材上に形成され、前記抵抗体の両端部に直列に接続された２つの配線と、を有し、前記抵抗体は、長手方向を第１方向に向けて並置され、互いに直列に接続された複数の細長状部を含み、前記配線の一方は、前記第１方向に直交する第２方向の一端に位置する前記細長状部に並置され、該細長状部の前記第１方向の一端に接続され、前記配線の他方は、前記第２方向の他端に位置する前記細長状部に並置され、該細長状部の前記第１方向の一端に接続され、各々の前記配線は、第１金属層と、前記第１金属層上に積層された前記第１金属層よりも体積抵抗率の低い材料から形成された第２金属層と、を含み、平面視で、前記第１金属層の外縁は、前記第２金属層から露出し、平面視で、前記第２金属層の前記第１方向の一端側の端部は、前記第１金属層と、前記第１金属層に隣接する前記細長状部との間の空隙の前記第１方向の一端側の端部よりも前記第１方向の一端側に突出している。
　開示の技術によれば、ひずみゲージのひずみ限界を向上することができる。
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。 抵抗体及び配線にクラックが生じた様子を模式的に示す図である。 図１における抵抗体と配線の接続部近傍の部分拡大平面図である。 比較例に係るひずみゲージにおける抵抗体と配線の接続部近傍の部分拡大平面図である。 ひずみ限界の実験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。
　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。また、各図面において、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸を規定する場合がある。この場合、Ｘ軸方向において、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軸方向及びＺ軸方向についても同様である。また、Ｘ軸と平行な方向を第１方向Ｘ、Ｙ軸と平行な方向を第２方向Ｙと称する場合がある。
　〈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の下面側には、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。
　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る。又、前述の結晶性材料以外に非晶質のガラス等を基材１０の材料としてもよい。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。金属を用いる場合、金属製の基材１０上に絶縁膜が設けられる。
　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３１と、複数の折り返し部３２とを含む。図１の例では、抵抗体３０は、６つの細長状部３１と、７つの折り返し部３２を含むが、細長状部３１と折り返し部３２の個数は、図１の例には限定されない。
　抵抗体３０において、複数の細長状部３１は、長手方向を第１方向Ｘに向けて並置されている。そして、複数の折り返し部３２は、複数の細長状部３１の中で隣接する細長状部３１の端部を互い違いに連結して各々の細長状部３１を互いに直列に接続する。これにより、抵抗体３０は、全体としてジグザグに折り返す構造となっている。複数の細長状部３１の長手方向である第１方向Ｘがグリッド方向となり、グリッド方向と垂直な方向である第２方向Ｙがグリッド幅方向となる。
　抵抗体３０において、第２方向Ｙの一端（Ｙ－側の端部）に位置する細長状部３１の第１方向Ｘの一端（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、第２方向Ｙの他端（Ｙ＋側の端部）に位置する細長状部３１の第１方向Ｘの一端（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。なお、図１では、便宜上、終端３０ｅ１及び３０ｅ２を破線で示しているが、抵抗体３０と配線４０の第１金属層４１（後述）とは、一体に形成することができる。
　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）膜のクラックおよび（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の各々の細長状部３１の幅は５μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましい。更に言えば、抵抗体３０の各々の細長状部３１の幅は５μｍ以上７０μｍ以下であることが好ましく、５μｍ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２つ形成されている。配線４０の一方は、第２方向Ｙの一端（Ｙ－側の端部）に位置する細長状部３１に並置され、折り返し部３２を介して、該細長状部３１の第１方向Ｘの一端（Ｘ－側の端部）に接続されている。配線４０の他方は、第２方向Ｙの他端（Ｙ＋側の端部）に位置する細長状部３１に並置され、折り返し部３２を介して、該細長状部３１の第１方向Ｘの一端（Ｘ－側の端部）に接続されている。
　配線４０は、少なくとも第１方向Ｘの一端側において細長状部３１に並置されていればよく、配線４０の全体が細長状部３１に並置されてなくてもよい。すなわち、配線４０は直線状には限定されず、少なくとも第１方向Ｘの一端側において細長状部３１に並置された任意のパターンとすることができる。又、配線４０は、任意の長さとすることができる。
　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。
　各々の配線４０は、第１金属層４１と、第１金属層４１上に積層された第２金属層４２とを有している。また、各々の電極５０は、第１金属層５１と、第１金属層５１上に積層された第２金属層５２とを有している。第１金属層５１は、配線４０の第１金属層４１を介して抵抗体３０の終端３０ｅ１及び３０ｅ２と電気的に接続されている。第１金属層５１は、平面視において、略矩形状に形成されている。第１金属層５１は、配線４０と同じ幅に形成しても構わない。なお、図１では、便宜上、第１金属層４１及び５１を抵抗体３０と同じ密度の梨地模様で示しており、第２金属層４２及び５２を抵抗体３０よりも低密度の梨地模様で示している。
　第２金属層４２及び５２は、第１金属層４１及び５１の上面の一部に形成されている。具体的には、第２金属層４２及び５２は、第１金属層４１及び５１の上面の外縁を除く領域に形成されている。そのため、平面視で、第１金属層４１の外縁は、第２金属層４２から露出している。また、平面視で、第１金属層５１の外縁は、第２金属層５２から露出している。
　第２金属層４２と第２金属層５２は、同一材料で一体に形成してもよく、別々の材料で形成してもよい。第２金属層４２及び５２の材料には、抵抗体３０（第１金属層４１及び５１）よりも体積抵抗率の低い材料を選択することができる。このような材料としては、例えば、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。特に第２金属層４２及び５２の材料として、ＣｕやＣｕ合金、ＡｌやＡｇ、Ａｕ、ＣｒＭｎ等を用いることが好ましい。第２金属層４２及び５２の厚さは、特に限定されず、目的に応じて適宜選択できる。第２金属層４２及び５２の厚さは、例えば、０．５μｍ～５μｍ程度とすることができる。
　第２金属層５２の上面に、更に他の１層以上の金属層を積層してもよい。例えば、第２金属層５２を銅層とし、銅層の上面に金層を積層してもよい。或いは、第２金属層５２を銅層とし、銅層の上面にパラジウム層と金層を順次積層してもよい。電極５０の最上層を金層とすることで、電極５０のはんだ濡れ性を向上できる。
　なお、抵抗体３０と第１金属層４１と第１金属層５１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することができる。従って、抵抗体３０と第１金属層４１と第１金属層５１とは、厚さが略同一であってよい。又、第２金属層４２と第２金属層５２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することができる。従って、第２金属層４２と第２金属層５２とは、厚さが略同一であってよい。
　このように、配線４０は、抵抗体３０と同一材料からなる第１金属層４１上に、第１金属層４１よりも体積抵抗率の低い材料から形成された第２金属層４２が積層された構造である。そのため、配線４０は抵抗体３０よりも抵抗が低くなり、配線４０が抵抗体として機能してしまうことを抑制できる。その結果、抵抗体３０によるひずみ検出精度を向上できる。
　言い換えれば、抵抗体３０よりも体積抵抗率の低い材料を用いて配線４０を形成することで、ひずみゲージ１の実質的な受感部を抵抗体３０が形成された局所領域に制限できる。そのため、抵抗体３０によるひずみ検出精度を向上できる。
　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において、配線４０を抵抗体３０よりも低抵抗化して実質的な受感部を抵抗体３０が形成された局所領域に制限することは、ひずみ検出精度の向上に顕著な効果を発揮する。又、配線４０を抵抗体３０よりも低抵抗化することは、横感度を低減する効果も奏する。
　カバー層６０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。
　図３は、抵抗体及び配線にクラックが生じた様子を模式的に示す図である。ひずみゲージ１に与えるひずみを大きくしていくと、抵抗体３０や第１金属層４１にクラックが生じる。発明者らの検討によれば、図３に示すように、クラックＣは、配線４０を構成する第２金属層４２の第１方向Ｘの端部付近において、おおよそ第２方向Ｙに伸びるように生じる傾向がある。
　図４は、図１における抵抗体と配線の接続部近傍の部分拡大平面図である。図４に示すように、ひずみゲージ１では、平面視で、第２金属層４２の第１方向Ｘの一端側（Ｘ－側）の端部は、第１金属層４１と、第１金属層４１に隣接する細長状部３１との間の空隙Ｓの第１方向Ｘの一端側（Ｘ－側）の端部よりも第１方向Ｘの一端側（Ｘ－側）に突出している。つまり、第２金属層４２の第１方向Ｘの一端側の端部の、空隙Ｓの第１方向Ｘの一端側の端部を基準とした第１方向Ｘの一端側に突出する長さをＬ１とすると、長さＬ１>０である。なお、ひずみゲージ１において、平面視で、第２金属層４２の第１方向Ｘの一端側の端部と、隣接する細長状部３１同士の間の空隙の第１方向Ｘの一端側の端部との位置関係は任意としてよい。
　図５は、比較例に係るひずみゲージにおける抵抗体と配線の接続部近傍の部分拡大平面図である。図５の比較例では、図４に示す長さＬ１が０である。すなわち、図５の比較例では、第１方向Ｘにおいて、第２金属層４２の第１方向Ｘの一端側の端部は、空隙Ｓの第１方向Ｘの一端側の端部と同じ位置にある。この場合、図３に示すようなクラックＣが生じると、配線４０と、配線４０に隣接する細長状部３１との間が断線して電流が流れなくなるため、比較例に係るひずみゲージは、ひずみゲージとして機能しなくなる。
　これに対して、図４に示すひずみゲージ１では、長さＬ１>０であるため、図３に示すようなクラックＣが生じても、配線４０と、配線４０に隣接する細長状部３１との間は断線せずに電気的な接続が維持されるため、ひずみゲージとして機能し続けることができる。図４において、長さＬ１は、１μｍ以上であることが好ましい。これにより、配線４０と、配線４０に隣接する細長状部３１との間の通電幅を確保して電気的な接続を維持しやすくなる。
　図４において、長さＬ１は、細長状部３１の第２方向Ｙの長さＬ２（すなわち、細長状部３１の幅）以上である事がより好ましい。細長状部３１の第２方向Ｙの長さは、５μｍ以上であることが好ましい。すなわち、長さＬ１は、５μｍ以上であることがより好ましい。これにより、配線４０と、配線４０に隣接する細長状部３１との間の通電幅をさらに確保して電気的な接続を一層維持しやすくなる。
　また、図４において、第１金属層４１の第１方向Ｘの一端側の端部と、第２金属層４２の第１方向Ｘの一端側の端部との間の第１方向Ｘの長さＬ３は、５μｍ以上であることが好ましく、１０μｍ以上であることがより好ましい。
　ひずみゲージ１の製造工程では、第１金属層４１及び第２金属層４２をエッチングしてパターニングするが、エッチングの際に第１金属層４１が第２金属層４２よりもオーバーエッチングされる場合がある。オーバーエッチングにより、第２金属層４２の端部が第１金属層４１の端部より水平方向に突出すると、配線４０を覆うカバー層６０を設ける場合に、配線４０とカバー層６０との密着性が低下する。例えば、配線４０において、第１金属層４１がＣｒ混相膜から形成され、第２金属層４２が銅から形成されている場合、ひずみゲージ１の製造工程でのエッチングの際にＣｒ混相膜が銅よりも１～２μｍ程度オーバーエッチングされる。また、オーバーエッチングにより、第２金属層４２の端部が第１金属層４１の端部より水平方向に突出すると、例えば、第２金属層４２が銅から形成されている場合、銅が突出した部分が酸化して銅が劣化し、ひずみゲージ１の信頼性が低下する。
　そこで、平面視で、第１金属層４１の外縁は、第２金属層４２から露出していることが好ましく、長さＬ３は、５μｍ以上であることが好ましく、１０μｍ以上であることがより好ましい。これにより、第１金属層４１が第２金属層４２に対してオーバーエッチングされることを抑制できるため、配線４０とカバー層６０との密着性を維持することができる。また、第２金属層４２が銅から形成されている場合でも、銅が酸化して劣化することを防止できる。
　図６は、ひずみ限界の実験結果を示す図であり、複数個の試験用ひずみゲージにおけるひずみ限界の最小値をプロットしたものである。図４において、Ｌ１＝０μｍは、比較例に係るひずみゲージの実験結果を示している。一方、Ｌ１＝１μｍは、第１実施形態に係るひずみゲージ１の実験結果を示している。
　図６において、縦軸はひずみ限界［μＳＴ］を示している。ひずみ限界とは、ひずみゲージにひずみを与えたときに、断線が生じてひずみゲージとして機能できなくなる機械的ひずみの値である。図６の結果から、Ｌ１＝５μｍの場合は、Ｌ１＝０μｍの場合よりも、ひずみ限界が約１．４倍向上することが確認できた。
　なお、発明者らの別の検討によれば、第１金属層４１に第２金属層４２を積層しないことは好ましくない。第１金属層４１に第２金属層４２を積層しない場合、図６に示すＬ１＝０μｍの場合よりも、ひずみ限界がさらに低下する。例えば、第１金属層４１がＣｒ混相膜である場合、Ｃｒ混相膜は伸縮性に乏しいため、配線４０をＣｒ混相膜のみから形成すると、ひずみ限界が低くなると考えられる。Ｃｒ混相膜からなる第１金属層４１上に、銅等のＣｒ混相膜よりも伸縮性に優れている材料からなる第２金属層４２を積層することで、ひずみ限界を向上することができる。
　すなわち、ひずみ限界を向上する観点から、配線４０は、第１金属層４１と第２金属層４２の積層構造とすることが好ましく、第２金属層４２は第１金属層４１よりも伸縮性に優れた材料から形成されていることが好ましい。つまり、第２金属層は、第１金属層よりも体積抵抗率が低く、かつ第１金属層４１よりも伸縮性に優れた材料から形成されていることが好ましい。第１金属層がＣｒ混相膜である場合、第１金属層よりも体積抵抗率が低く、かつ第１金属層４１よりも伸縮性に優れた材料としては、銅以外に金、銀、及びアルミニウムが挙げられる。
　［ひずみゲージの製造方法］
　本実施形態に係るひずみゲージ１では、基材１０上に、抵抗体３０と、配線４０と、電極５０と、カバー層６０とが形成される。なお、基材１０とこれらの部材の層の間に別の層（後述する機能層等）が形成されてもよい。
　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と、配線４０と、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等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することができる。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、蒸着法、アークイオンプレーティング法、またはパルスレーザー堆積法等を用いて成膜されてもよい。
　なお、基材１０の上面１０ａに下地層を形成してから金属層Ａを形成してもよい。例えば、基材１０の上面１０ａに、所定の膜厚の機能層をコンベンショナルスパッタ法により真空成膜してもよい。このように下地層を設けることによって、ひずみゲージ１のゲージ特性を安定化させることができる。
　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に含まれる酸素または水分による金属層Ａの酸化を防止する機能、および／または、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ことがあり、また、Ｃｒは自己酸化膜を形成することがある。そのため、特に金属層ＡがＣｒを含む場合、金属層Ａの酸化を防止する機能を有する機能層を成膜することが好ましい。
　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を作製することができる。その結果、ひずみゲージ１において、ゲージ特性の安定性が向上する。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、ゲージ特性が向上する。
　機能層の材料としては、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。
　図７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２）である。図７は、抵抗体３０、配線４０、及び電極５０の下地層として機能層２０を設けた場合のひずみゲージ１の断面形状を示している。
　機能層２０の平面形状は、例えば抵抗体３０、配線４０、及び電極５０の平面形状と略同一にパターニングされてよい。しかしながら、機能層２０と抵抗体３０、配線４０、及び電極５０との平面形状は略同一でなくてもよい。例えば、機能層２０が絶縁材料から形成される場合には、機能層２０を抵抗体３０、配線４０、及び電極５０の平面形状と異なる形状にパターニングしてもよい。この場合、機能層２０は例えば抵抗体３０、配線４０、及び電極５０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２０は、基材１０の上面全体にベタ状に形成されてもよい。
　次に、金属層Ａの上面に、第２金属層４２及び第２金属層５２を形成する。第２金属層４２及び第２金属層５２は、例えば、周知のフォトリソグラフィ法により所定のパターンに形成することができる。
　次に、金属層Ａの上面、第２金属層４２の上面、及び第２金属層５２の上面に、感光性のレジストを形成し、そのレジストを露光及び現像して図１の抵抗体３０、配線４０、及び電極５０と同様の平面形状にパターニングする。そして、レジストをエッチングマスクとし、レジストから露出する金属層Ａをウェットエッチング等により除去する。次に、レジストを除去することで、図１に示す平面形状の抵抗体３０、配線４０、及び電極５０を形成することができる。このとき、第１金属層４１が第２金属層４２に対してオーバーエッチングされないように、レジストの形状を制御する。
　抵抗体３０、配線４０、及び電極５０を形成した後、必要に応じ、基材１０の上面１０ａにカバー層６０を形成する。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。
　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５月２日に出願した日本国特許出願２０２２－０７６１１７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２０２２－０７６１１７号の全内容を本国際出願に援用する。
　１　ひずみゲージ、１０　基材、１０ａ　上面、２０　機能層、３０　抵抗体、３０ｅ１、３０ｅ２　終端、３１　細長状部、３２　折り返し部、４０　配線、４１、５１　第１金属層、４２、５２　第２金属層、５０　電極、６０　カバー層

Claims (8)

  1. 　基材と、
    　前記基材上に形成された抵抗体と、
    　前記基材上に形成され、前記抵抗体の両端部に直列に接続された２つの配線と、を有し、
    　前記抵抗体は、長手方向を第１方向に向けて並置され、互いに直列に接続された複数の細長状部を含み、
    　前記配線の一方は、前記第１方向に直交する第２方向の一端に位置する前記細長状部に並置され、該細長状部の前記第１方向の一端に接続され、
    　前記配線の他方は、前記第２方向の他端に位置する前記細長状部に並置され、該細長状部の前記第１方向の一端に接続され、
    　各々の前記配線は、第１金属層と、前記第１金属層上に積層された前記第１金属層よりも体積抵抗率の低い材料から形成された第２金属層と、を含み、
    　平面視で、前記第１金属層の外縁は、前記第２金属層から露出し、
    　平面視で、前記第２金属層の前記第１方向の一端側の端部は、前記第１金属層と、前記第１金属層に隣接する前記細長状部との間の空隙の前記第１方向の一端側の端部よりも前記第１方向の一端側に突出している、ひずみゲージ。
  2. 　前記第２金属層の前記第１方向の一端側の端部の、前記空隙の前記第１方向の一端側の端部を基準とした前記第１方向の一端側に突出する長さは、１μｍ以上である、請求項１に記載のひずみゲージ。
  3. 　前記突出する長さは、前記細長状部の前記第２方向の長さ以上である、請求項２に記載のひずみゲージ。
  4. 　前記細長状部の前記第２方向の長さは、５μｍ以上である、請求項３に記載のひずみゲージ。
  5. 　前記第１金属層の前記第１方向の一端側の端部と、前記第２金属層の前記第１方向の一端側の端部との間の前記第１方向の長さは、５μｍ以上である、請求項１乃至４の何れか一項に記載のひずみゲージ。
  6. 　前記第２金属層は、前記第１金属層よりも伸縮性に優れた材料から形成されている請求項１乃至５の何れか一項に記載のひずみゲージ。
  7. 　前記第１金属層は、前記抵抗体と同一材料により一体に形成されている請求項１乃至６の何れか一項に記載のひずみゲージ。
  8. 　前記抵抗体は、Ｃｒ、ＣｒＮ、及びＣｒ２Ｎを含む膜から形成されている請求項１乃至７の何れか一項に記載のひずみゲージ。
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