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JP7659746B2 - Strain gauges - Google Patents
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JP7659746B2 - Strain gauges - Google Patents

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Description

本発明は、ひずみゲージに関する。 The present invention relates to a strain gauge.

測定対象物に貼り付けて、測定対象物のひずみを検出するひずみゲージが知られている。ひずみゲージは、ひずみを検出する抵抗体を備えており、抵抗体の材料としては、例えば、Cr(クロム)やNi(ニッケル)を含む材料が用いられている。又、抵抗体は、例えば、絶縁樹脂からなる基材上に形成されている(例えば、特許文献1参照)。 There is known a strain gauge that is attached to an object to be measured to detect the strain of the object. The strain gauge has a resistor that detects the strain, and the resistor is made of a material that contains, for example, Cr (chromium) or Ni (nickel). The resistor is formed on a base material made of insulating resin, for example (see Patent Document 1).

特開2016-74934号公報JP 2016-74934 A

しかしながら、可撓性を有する基材を用いた場合、基材上に安定な抵抗体を形成することは困難であり、ゲージ特性(ゲージ率、ゲージ率温度係数TCS、及び抵抗温度係数TCR)の安定性に欠けるという問題があった。 However, when a flexible substrate is used, it is difficult to form a stable resistor on the substrate, and there is a problem in that the gauge characteristics (gauge factor, temperature coefficient of gauge factor TCS, and temperature coefficient of resistance TCR) are lacking in stability.

本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、可撓性を有する基材上に形成された抵抗体を有するひずみゲージにおいて、ゲージ特性の安定性を向上することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of the above points, and aims to improve the stability of the gauge characteristics in a strain gauge having a resistor formed on a flexible substrate.

本ひずみゲージは、可撓性を有する樹脂製の基材と、前記基材の一方の面に、直接金属、合金、又は、金属の化合物から形成された機能層と、前記機能層の一方の面に直接Cr、CrN、及びCr Nを含む膜から形成された、α-Crを主成分とする抵抗体と、を有し、前記機能層は、前記α-Crの結晶成長を促進させ、前記α-Crを主成分とする膜を成膜する機能を有し、前記抵抗体の厚さは、0.05μm以上2μm以下であり、前記機能層の厚さは、1nm以上100nm以下である
This strain gauge comprises a flexible resin substrate, a functional layer formed directly on one side of the substrate from a metal, alloy, or metal compound, and a resistor mainly composed of α-Cr, formed directly on one side of the functional layer from a film containing Cr, CrN, and Cr 2 N , the functional layer having a function of promoting crystal growth of the α-Cr and forming a film mainly composed of the α-Cr, the resistor having a thickness of 0.05 μm or more and 2 μm or less, and the functional layer having a thickness of 1 nm or more and 100 nm or less .

開示の技術によれば、可撓性を有する基材上に形成された抵抗体を有するひずみゲージにおいて、ゲージ特性の安定性を向上することができる。 The disclosed technology can improve the stability of the gauge characteristics in a strain gauge having a resistor formed on a flexible substrate.

第1の実施の形態に係るひずみゲージを例示する平面図である。FIG. 1 is a plan view illustrating a strain gauge according to a first embodiment. 第1の実施の形態に係るひずみゲージを例示する断面図である。1 is a cross-sectional view illustrating a strain gauge according to a first embodiment. 第1の実施の形態に係るひずみゲージの製造工程を例示する図である。3A to 3C are diagrams illustrating a manufacturing process of the strain gauge according to the first embodiment; 機能層の蛍光X線分析の結果を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing the results of fluorescent X-ray analysis of the functional layer. 抵抗体のX線回折の結果を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing the results of X-ray diffraction of a resistor.

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。 Below, a description will be given of a mode for carrying out the invention with reference to the drawings. In each drawing, the same components are given the same reference numerals, and duplicated explanations may be omitted.

〈第1の実施の形態〉
図1は、第1の実施の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の実施の形態に係るひずみゲージを例示する断面図であり、図1のA-A線に沿う断面を示している。図1及び図2を参照するに、ひずみゲージ1は、基材10と、機能層20と、抵抗体30と、端子部41とを有している。
First Embodiment
Fig. 1 is a plan view illustrating a strain gauge according to a first embodiment. Fig. 2 is a cross-sectional view illustrating the strain gauge according to the first embodiment, showing a cross section along line A-A in Fig. 1. Referring to Figs. 1 and 2, the strain gauge 1 has a substrate 10, a functional layer 20, a resistor 30, and a terminal portion 41.

なお、本実施の形態では、便宜上、ひずみゲージ1において、基材10の抵抗体30が設けられている側を上側又は一方の側、抵抗体30が設けられていない側を下側又は他方の側とする。又、各部位の抵抗体30が設けられている側の面を一方の面又は上面、抵抗体30が設けられていない側の面を他方の面又は下面とする。但し、ひずみゲージ1は天地逆の状態で用いることができ、又は任意の角度で配置することができる。又、平面視とは対象物を基材10の上面10aの法線方向から視ることを指し、平面形状とは対象物を基材10の上面10aの法線方向から視た形状を指すものとする。 In this embodiment, for convenience, in the strain gauge 1, the side of the substrate 10 on which the resistor 30 is provided is referred to as the upper side or one side, and the side on which the resistor 30 is not provided is referred to as the lower side or the other side. Also, the surface on which the resistor 30 is provided in each portion is referred to as the one side or upper surface, and the surface on which the resistor 30 is not provided is referred to as the other side or lower surface. However, the strain gauge 1 can be used upside down or placed at any angle. Also, a planar view refers to viewing an object from the normal direction of the upper surface 10a of the substrate 10, and a planar shape refers to the shape of the object viewed from the normal direction of the upper surface 10a of the substrate 10.

基材10は、抵抗体30等を形成するためのベース層となる部材であり、可撓性を有する。基材10の厚さは、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、例えば、5μm~500μm程度とすることができる。特に、基材10の厚さが5μm~200μmであると、接着層等を介して基材10の下面に接合される起歪体表面からの歪の伝達性、環境に対する寸法安定性の点で好ましく、10μm以上であると絶縁性の点で更に好ましい。 The substrate 10 is a flexible member that serves as a base layer for forming the resistor 30 and the like. There are no particular limitations on the thickness of the substrate 10, and it can be selected appropriately depending on the purpose, but it can be, for example, about 5 μm to 500 μm. In particular, a thickness of 5 μm to 200 μm is preferable in terms of the transmission of strain from the surface of the strain generator that is joined to the underside of the substrate 10 via an adhesive layer or the like, and dimensional stability against the environment, and a thickness of 10 μm or more is even more preferable in terms of insulation.

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、ポリオレフィン樹脂等の絶縁樹脂フィルムから形成することができる。なお、フィルムとは、厚さが500μm以下程度であり、可撓性を有する部材を指す。 The substrate 10 can be formed from an insulating resin film such as PI (polyimide) resin, epoxy resin, PEEK (polyether ether ketone) resin, PEN (polyethylene naphthalate) resin, PET (polyethylene terephthalate) resin, PPS (polyphenylene sulfide) resin, polyolefin resin, etc. Note that a film refers to a flexible material with a thickness of about 500 μm or less.

ここで、『絶縁樹脂フィルムから形成する』とは、基材10が絶縁樹脂フィルム中にフィラーや不純物等を含有することを妨げるものではない。基材10は、例えば、シリカやアルミナ等のフィラーを含有する絶縁樹脂フィルムから形成しても構わない。 Here, "formed from an insulating resin film" does not prevent the base material 10 from containing fillers, impurities, etc. in the insulating resin film. The base material 10 may be formed from an insulating resin film containing fillers such as silica or alumina.

機能層20は、基材10の上面10aに抵抗体30の下層として形成されている。すなわち、機能層20の平面形状は、図1に示す抵抗体30の平面形状と略同一である。機能層20の厚さは、例えば、1nm~100nm程度とすることができる。 The functional layer 20 is formed on the upper surface 10a of the substrate 10 as a lower layer of the resistor 30. That is, the planar shape of the functional layer 20 is substantially the same as the planar shape of the resistor 30 shown in FIG. 1. The thickness of the functional layer 20 can be, for example, about 1 nm to 100 nm.

本願において、機能層とは、少なくとも上層である抵抗体30の結晶成長を促進する機能を有する層を指す。機能層20は、更に、基材10に含まれる酸素や水分による抵抗体30の酸化を防止する機能や、基材10と抵抗体30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20は、更に、他の機能を備えていてもよい。 In this application, the functional layer refers to a layer that has the function of promoting the crystal growth of at least the upper layer, the resistor 30. The functional layer 20 preferably also has the function of preventing oxidation of the resistor 30 due to oxygen and moisture contained in the substrate 10, and the function of improving the adhesion between the substrate 10 and the resistor 30. The functional layer 20 may also have other functions.

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、特に抵抗体30がCr(クロム)を含む場合、Crは自己酸化膜を形成するため、機能層20が抵抗体30の酸化を防止する機能を備えることは有効である。 The insulating resin film that constitutes the substrate 10 contains oxygen and moisture, and since Cr forms a self-oxidizing film, particularly when the resistor 30 contains Cr (chromium), it is effective for the functional layer 20 to have the function of preventing oxidation of the resistor 30.

機能層20の材料は、少なくとも上層である抵抗体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。 The material of the functional layer 20 is not particularly limited as long as it has the function of promoting the crystal growth of at least the upper layer, the resistor 30, and can be appropriately selected according to the purpose. For example, one or more metals selected from the group consisting of 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), and Al (aluminum), an alloy of any of the metals in this group, or a compound of any of the metals in this group can be mentioned.

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、Si、TiO、Ta、SiO等が挙げられる。 Examples of the alloy include FeCr, TiAl, FeNi, NiCr, CrCu, etc. Examples of the compound include TiN, TaN, Si3N4 , TiO2 , Ta2O5 , SiO2 , etc.

抵抗体30は、機能層20の上面に所定のパターンで形成された薄膜であり、ひずみを受けて抵抗変化を生じる受感部である。なお、図1では、便宜上、抵抗体30を梨地模様で示している。 The resistor 30 is a thin film formed in a predetermined pattern on the upper surface of the functional layer 20, and is a sensing part that generates a resistance change when strained. For convenience, the resistor 30 is shown in FIG. 1 with a matte finish.

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、Ni-Cu(ニッケル銅)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。 The resistor 30 can be formed, for example, from 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. An example of a material containing Cr is a Cr mixed phase film. An example of a material containing Ni is Ni-Cu (nickel copper). An example of a material containing both Cr and Ni is Ni-Cr (nickel chromium).

ここで、Cr混相膜とは、Cr、CrN、CrN等が混相した膜である。Cr混相膜は、酸化クロム等の不可避不純物を含んでもよい。又、Cr混相膜に、機能層20を構成する材料の一部が拡散されてもよい。この場合、機能層20を構成する材料と窒素とが化合物を形成する場合もある。例えば、機能層20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。 Here, the Cr mixed phase film is a film in which Cr, CrN, Cr 2 N, etc. are mixed. The Cr mixed phase film may contain inevitable impurities such as chromium oxide. In addition, a part of the material constituting the functional layer 20 may be diffused into the Cr mixed phase film. In this case, the material constituting the functional layer 20 and nitrogen may form a compound. For example, when the functional layer 20 is formed of Ti, the Cr mixed phase film may contain Ti or TiN (titanium nitride).

抵抗体30の厚さは、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、例えば、0.05μm~2μm程度とすることができる。特に、抵抗体30の厚さが0.1μm以上であると抵抗体30を構成する結晶の結晶性(例えば、α-Crの結晶性)が向上する点で好ましく、1μm以下であると抵抗体30を構成する膜の内部応力に起因する膜のクラックや基材10からの反りを低減できる点で更に好ましい。 The thickness of the resistor 30 is not particularly limited and can be selected appropriately depending on the purpose, but can be, for example, about 0.05 μm to 2 μm. In particular, a thickness of 0.1 μm or more is preferable in that the crystallinity of the crystals constituting the resistor 30 (for example, the crystallinity of α-Cr) is improved, and a thickness of 1 μm or less is even more preferable in that film cracks caused by internal stress in the film constituting the resistor 30 and warping from the substrate 10 can be reduced.

機能層20上に抵抗体30を形成することで、安定な結晶相により抵抗体30を形成できるため、ゲージ特性(ゲージ率、ゲージ率温度係数TCS、及び抵抗温度係数TCR)の安定性を向上することができる。 By forming the resistor 30 on the functional layer 20, the resistor 30 can be formed with a stable crystal phase, improving the stability of the gauge characteristics (gauge factor, temperature coefficient of gauge factor TCS, and temperature coefficient of resistance TCR).

例えば、抵抗体30がCr混相膜である場合、機能層20を設けることで、α-Cr(アルファクロム)を主成分とする抵抗体30を形成することができる。α-Crは安定な結晶相であるため、ゲージ特性の安定性を向上することができる。 For example, if the resistor 30 is a Cr mixed phase film, providing the functional layer 20 makes it possible to form a resistor 30 whose main component is α-Cr (alpha chromium). α-Cr is a stable crystal phase, which can improve the stability of the gauge characteristics.

ここで、主成分とは、対象物質が抵抗体を構成する全物質の50質量%以上を占めることを意味する。抵抗体30がCr混相膜である場合、ゲージ特性を向上する観点から、抵抗体30はα-Crを80重量%以上含むことが好ましい。なお、α-Crは、bcc構造(体心立方格子構造)のCrである。 Here, the term "main component" means that the target substance accounts for 50% by mass or more of the total substances that make up the resistor. When resistor 30 is a Cr mixed phase film, it is preferable that resistor 30 contains 80% by weight or more of α-Cr from the viewpoint of improving the gauge characteristics. α-Cr is Cr with a bcc structure (body-centered cubic lattice structure).

又、機能層20を構成する金属(例えば、Ti)がCr混相膜中に拡散することにより、ゲージ特性を向上することができる。具体的には、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。 In addition, the metal (e.g., Ti) constituting the functional layer 20 diffuses into the Cr mixed phase film, thereby improving the gauge characteristics. Specifically, the gauge factor of the strain gauge 1 can be set to 10 or more, and the gauge factor temperature coefficient TCS and the resistance temperature coefficient TCR can be set within the range of -1000 ppm/°C to +1000 ppm/°C.

端子部41は、抵抗体30の両端部から延在しており、平面視において、抵抗体30よりも拡幅して略矩形状に形成されている。端子部41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。抵抗体30は、例えば、端子部41の一方からジグザグに折り返しながら延在して他方の端子部41に接続されている。端子部41の上面を、端子部41よりもはんだ付け性が良好な金属で被覆してもよい。なお、抵抗体30と端子部41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。 The terminals 41 extend from both ends of the resistor 30 and are formed in a generally rectangular shape in plan view, wider than the resistor 30. The terminals 41 are a pair of electrodes for outputting the change in resistance value of the resistor 30 caused by distortion to the outside, and are connected to, for example, lead wires for external connection. The resistor 30 extends from one of the terminals 41 while folding back in a zigzag pattern and is connected to the other terminal 41. The upper surface of the terminal 41 may be covered with a metal that has better solderability than the terminal 41. Although the resistor 30 and the terminals 41 are given different reference numerals for convenience, they can be integrally formed from the same material in the same process.

抵抗体30を被覆し端子部41を露出するように基材10の上面10aにカバー層60(絶縁樹脂層)を設けても構わない。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防止できる。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。なお、カバー層60は、端子部41を除く部分の全体を覆うように設けてもよい。 A cover layer 60 (insulating resin layer) may be provided on the upper surface 10a of the substrate 10 so as to cover the resistor 30 and expose the terminal portion 41. By providing the cover layer 60, mechanical damage to the resistor 30 can be prevented. Furthermore, by providing the cover layer 60, the resistor 30 can be protected from moisture and the like. The cover layer 60 may be provided so as to cover the entire portion except for the terminal portion 41.

カバー層60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)等の絶縁樹脂から形成することができる。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、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、例えば、2μm~30μm程度とすることができる。 The cover layer 60 can be formed from an insulating resin such as PI resin, epoxy resin, PEEK resin, PEN resin, PET resin, PPS resin, or composite resin (e.g., silicone resin, polyolefin resin). The cover layer 60 may contain a filler or pigment. There is no particular limit to the thickness of the cover layer 60 and it can be appropriately selected depending on the purpose, but it can be, for example, about 2 μm to 30 μm.

図3は、第1の実施の形態に係るひずみゲージの製造工程を例示する図であり、図2に対応する断面を示している。ひずみゲージ1を製造するためには、まず、図3(a)に示す工程では、基材10を準備し、基材10の上面10aに機能層20を形成する。基材10及び機能層20の材料や厚さは、前述の通りである。 Figure 3 illustrates the manufacturing process of the strain gauge according to the first embodiment, showing a cross section corresponding to Figure 2. To manufacture the strain gauge 1, first, in the process shown in Figure 3(a), a substrate 10 is prepared, and a functional layer 20 is formed on the upper surface 10a of the substrate 10. The materials and thicknesses of the substrate 10 and the functional layer 20 are as described above.

機能層20は、例えば、機能層20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することができる。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20が成膜されるため、機能層20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。 The functional layer 20 can be formed in a vacuum by conventional sputtering, for example, using a raw material capable of forming the functional layer 20 as a target and introducing Ar (argon) gas into a chamber. By using conventional sputtering, the functional layer 20 is formed while etching the upper surface 10a of the substrate 10 with Ar, so that the amount of the functional layer 20 formed can be minimized and the effect of improving adhesion can be obtained.

但し、これは、機能層20の成膜方法の一例であり、他の方法により機能層20を成膜してもよい。例えば、機能層20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20を真空成膜する方法を用いてもよい。 However, this is just one example of a method for forming the functional layer 20, and the functional layer 20 may be formed by other methods. For example, a method may be used in which the upper surface 10a of the substrate 10 is activated by a plasma treatment using Ar or the like before forming the functional layer 20, thereby improving adhesion, and then the functional layer 20 is vacuum-formed by magnetron sputtering.

次に、図3(b)に示す工程では、機能層20の上面全体に抵抗体30及び端子部41を形成後、フォトリソグラフィによって機能層20並びに抵抗体30及び端子部41を図1に示す平面形状にパターニングする。抵抗体30及び端子部41の材料や厚さは、前述の通りである。抵抗体30と端子部41とは、同一材料により一体に形成することができる。抵抗体30及び端子部41は、例えば、抵抗体30及び端子部41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。抵抗体30及び端子部41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。 3B, the resistor 30 and the terminal portion 41 are formed on the entire upper surface of the functional layer 20, and then the functional layer 20, the resistor 30, and the terminal portion 41 are patterned by photolithography into the planar shape shown in FIG. 1. The material and thickness of the resistor 30 and the terminal portion 41 are as described above. The resistor 30 and the terminal portion 41 can be integrally formed from the same material. The resistor 30 and the terminal portion 41 can be formed by, for example, a magnetron sputtering method using a raw material capable of forming the resistor 30 and the terminal portion 41 as a target. The resistor 30 and the terminal portion 41 may be formed by a reactive sputtering method, a vapor deposition method, an arc ion plating method, a pulsed laser deposition method, or the like instead of the magnetron sputtering method.

機能層20の材料と抵抗体30及び端子部41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20としてTiを用い、抵抗体30及び端子部41としてα-Cr(アルファクロム)を主成分とするCr混相膜を成膜することが可能である。 The combination of the material of the functional layer 20 and the material of the resistor 30 and terminal portion 41 is not particularly limited and can be selected appropriately depending on the purpose, but for example, it is possible to use Ti for the functional layer 20 and form a Cr mixed phase film with α-Cr (alpha chromium) as the main component for the resistor 30 and terminal portion 41.

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、抵抗体30及び端子部41を成膜することができる。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、抵抗体30及び端子部41を成膜してもよい。 In this case, for example, the resistor 30 and the terminal portion 41 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. Alternatively, the resistor 30 and the terminal portion 41 can be formed by reactive sputtering using pure Cr as a target and introducing an appropriate amount of nitrogen gas together with Ar gas into the chamber.

これらの方法では、Tiからなる機能層20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20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。 In these methods, the growth surface of the Cr mixed phase film is defined by the functional layer 20 made of Ti, and a Cr mixed phase film can be formed that is mainly composed of α-Cr, which has a stable crystal structure. In addition, the Ti that constitutes the functional layer 20 diffuses into the Cr mixed phase film, improving the gauge characteristics. For example, the gauge factor of the strain gauge 1 can be set to 10 or more, and the temperature coefficient of gauge factor TCS and temperature coefficient of resistance TCR can be set within the range of -1000 ppm/°C to +1000 ppm/°C.

なお、抵抗体30がCr混相膜である場合、Tiからなる機能層20は、抵抗体30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抵抗体30の酸化を防止する機能、及び基材10と抵抗体30との密着性を向上する機能の全てを備えている。機能層20として、Tiに代えてTa、Si、Al、Feを用いた場合も同様である。 When the resistor 30 is a Cr mixed phase film, the functional layer 20 made of Ti has all of the following functions: promoting crystal growth of the resistor 30, preventing oxidation of the resistor 30 due to oxygen and moisture contained in the substrate 10, and improving adhesion between the substrate 10 and the resistor 30. The same applies when Ta, Si, Al, or Fe is used instead of Ti as the functional layer 20.

図3(b)に示す工程の後、必要に応じ、基材10の上面10aに、抵抗体30を被覆し端子部41を露出するカバー層60を設けることで、ひずみゲージ1が完成する。カバー層60は、例えば、基材10の上面10aに、抵抗体30を被覆し端子部41を露出するように半硬化状態の熱硬化性の絶縁樹脂フィルムをラミネートし、加熱して硬化させて作製することができる。カバー層60は、基材10の上面10aに、抵抗体30を被覆し端子部41を露出するように液状又はペースト状の熱硬化性の絶縁樹脂を塗布し、加熱して硬化させて作製してもよい。 3(b), the strain gauge 1 is completed by providing a cover layer 60 on the upper surface 10a of the substrate 10 as necessary, which covers the resistor 30 and exposes the terminal portion 41. The cover layer 60 can be produced, for example, by laminating a semi-cured thermosetting insulating resin film on the upper surface 10a of the substrate 10 so as to cover the resistor 30 and expose the terminal portion 41, and then heating and hardening the film. The cover layer 60 may also be produced by applying a liquid or paste-like thermosetting insulating resin to the upper surface 10a of the substrate 10 so as to cover the resistor 30 and expose the terminal portion 41, and then heating and hardening the film.

このように、抵抗体30の下層に機能層20を設けることにより、抵抗体30の結晶成長を促進することが可能となり、安定な結晶相からなる抵抗体30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することができる。又、機能層20を構成する材料が抵抗体30に拡散することにより、ひずみゲージ1において、ゲージ特性を向上することができる。 In this way, by providing the functional layer 20 under the resistor 30, it is possible to promote crystal growth of the resistor 30, and a resistor 30 consisting of a stable crystalline phase can be produced. As a result, the stability of the gauge characteristics of the strain gauge 1 can be improved. In addition, the material constituting the functional layer 20 diffuses into the resistor 30, thereby improving the gauge characteristics of the strain gauge 1.

[実施例1]
まず、事前実験として、厚さ25μmのポリイミド樹脂からなる基材10の上面10aに、コンベンショナルスパッタ法により機能層20としてTiを真空成膜した。この際、複数の膜厚を狙ってTiを成膜した5個のサンプルを作製した。
[Example 1]
First, as a preliminary experiment, a Ti film was vacuum-formed as the functional layer 20 by conventional sputtering on the upper surface 10a of a substrate 10 made of a polyimide resin having a thickness of 25 μm. At this time, five samples were fabricated by forming the Ti film with different thicknesses.

次に、作製した5個のサンプルについて蛍光X線(XRF:X‐ray Fluorescence)分析を行い、図4に示す結果を得た。図4のX線ピークよりTiの存在が確認され、X線ピークにおける各々のサンプルのX線強度より、1nm~100nmの範囲でTi膜の膜厚が制御できることが確認された。 Next, X-ray fluorescence (XRF) analysis was performed on the five samples produced, obtaining the results shown in Figure 4. The presence of Ti was confirmed from the X-ray peaks in Figure 4, and the X-ray intensity of each sample at the X-ray peak confirmed that the thickness of the Ti film could be controlled in the range of 1 nm to 100 nm.

次に、実施例1として、厚さ25μmのポリイミド樹脂からなる基材10の上面10aに、コンベンショナルスパッタ法により機能層20として膜厚が3nmのTiを真空成膜した。 Next, in Example 1, a Ti film having a thickness of 3 nm was vacuum-formed as a functional layer 20 by conventional sputtering on the upper surface 10a of a substrate 10 made of polyimide resin having a thickness of 25 μm.

続いて、機能層20の上面全体にマグネトロンスパッタ法により抵抗体30及び端子部41としてCr混相膜を成膜後、機能層20並びに抵抗体30及び端子部41をフォトリソグラフィによって図1のようにパターニングした。 Next, a Cr mixed phase film was formed as the resistor 30 and the terminal portion 41 on the entire upper surface of the functional layer 20 by magnetron sputtering, and then the functional layer 20, the resistor 30, and the terminal portion 41 were patterned by photolithography as shown in FIG. 1.

又、比較例1として、厚さ25μmのポリイミド樹脂からなる基材10の上面10aに、機能層20を形成せずに、マグネトロンスパッタ法により抵抗体30及び端子部41としてCr混相膜を成膜し、フォトリソグラフィによって図1のようにパターニングした。なお、実施例1のサンプルと比較例1のサンプルにおいて、抵抗体30及び端子部41の成膜条件は全て同一である。 As Comparative Example 1, a Cr mixed phase film was formed as the resistor 30 and the terminal portion 41 by magnetron sputtering on the upper surface 10a of a substrate 10 made of a 25 μm-thick polyimide resin without forming a functional layer 20, and then patterned by photolithography as shown in FIG. 1. Note that the film formation conditions for the resistor 30 and the terminal portion 41 were all the same in the sample of Example 1 and the sample of Comparative Example 1.

次に、実施例1のサンプルと比較例1のサンプルについて、X線回折(XRD:X‐ray diffraction)評価を行い、図5に示す結果を得た。図5は、2θの回折角度が36~48度の範囲におけるX線回折パターンであり、実施例1の回折ピークは比較例1の回折ピークよりも右側にシフトしている。又、実施例1の回折ピークは比較例1の回折ピークよりも高くなっている。 Next, X-ray diffraction (XRD) evaluation was performed on the sample of Example 1 and the sample of Comparative Example 1, and the results shown in Figure 5 were obtained. Figure 5 shows X-ray diffraction patterns in the 2θ diffraction angle range of 36 to 48 degrees, with the diffraction peak of Example 1 shifted to the right compared to the diffraction peak of Comparative Example 1. In addition, the diffraction peak of Example 1 is higher than the diffraction peak of Comparative Example 1.

実施例1の回折ピークは、α-Cr(110)の回折線の近傍に位置しており、Tiからなる機能層20を設けたことにより、α-Crの結晶成長が促進されてα-Crを主成分とするCr混相膜が形成されたものと考えられる。 The diffraction peak in Example 1 is located near the diffraction line of α-Cr (110), and it is believed that the provision of the functional layer 20 made of Ti promoted the crystal growth of α-Cr, forming a Cr mixed phase film mainly composed of α-Cr.

次に、実施例1のサンプルと比較例1のサンプルを複数個作製し、ゲージ特性を測定した。その結果、実施例1の各サンプルのゲージ率は14~16であったのに対し、比較例1の各サンプルのゲージ率は10未満であった。 Next, multiple samples of Example 1 and Comparative Example 1 were prepared and the gauge characteristics were measured. As a result, the gauge factor of each sample of Example 1 was 14 to 16, whereas the gauge factor of each sample of Comparative Example 1 was less than 10.

又、実施例1の各サンプルのゲージ率温度係数TCS及び抵抗温度係数TCRが-1000ppm/℃~+1000ppm/℃の範囲内であったのに対し、比較例1の各サンプルのゲージ率温度係数TCS及び抵抗温度係数TCRは-1000ppm/℃~+1000ppm/℃の範囲内には入らなかった。 In addition, while the gauge factor temperature coefficient TCS and the temperature coefficient of resistance TCR of each sample in Example 1 were within the range of -1000 ppm/°C to +1000 ppm/°C, the gauge factor temperature coefficient TCS and the temperature coefficient of resistance TCR of each sample in Comparative Example 1 were not within the range of -1000 ppm/°C to +1000 ppm/°C.

このように、Tiからなる機能層20を設けたことにより、α-Crの結晶成長が促進されてα-Crを主成分とするCr混相膜が形成され、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/℃の範囲内とするひずみゲージが作製された。なお、Cr混相膜へのTiの拡散効果がゲージ特性の向上に寄与していると考えられる。 In this way, by providing a functional layer 20 made of Ti, the crystal growth of α-Cr is promoted to form a Cr mixed-phase film mainly composed of α-Cr, and a strain gauge is produced with a gauge factor of 10 or more, and a gauge factor temperature coefficient TCS and a resistance temperature coefficient TCR in the range of -1000 ppm/°C to +1000 ppm/°C. It is believed that the diffusion effect of Ti into the Cr mixed-phase film contributes to the improvement of the gauge characteristics.

以上、好ましい実施の形態等について詳説したが、上述した実施の形態等に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態等に種々の変形及び置換を加えることができる。 Although the preferred embodiments have been described above in detail, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and substitutions can be made to the above-described embodiments without departing from the scope of the claims.

1 ひずみゲージ、10 基材、10a 上面、20 機能層、30 抵抗体、41 端子部、60 カバー層 1 strain gauge, 10 substrate, 10a upper surface, 20 functional layer, 30 resistor, 41 terminal portion, 60 cover layer

Claims (1)

可撓性を有する樹脂製の基材と、
前記基材の一方の面に、直接金属、合金、又は、金属の化合物から形成された機能層と、
前記機能層の一方の面に直接Cr、CrN、及びCr Nを含む膜から形成された、α-Crを主成分とする抵抗体と、を有し、
前記機能層は、前記α-Crの結晶成長を促進させ、前記α-Crを主成分とする膜を成膜する機能を有し、
前記抵抗体の厚さは、0.05μm以上2μm以下であり、
前記機能層の厚さは、1nm以上100nm以下であるひずみゲージ。
A flexible resin base material;
A functional layer formed directly on one surface of the substrate from a metal, an alloy, or a metal compound;
a resistor mainly composed of α-Cr, formed of a film containing Cr, CrN, and Cr 2 N, directly on one surface of the functional layer ;
the functional layer has a function of promoting crystal growth of the α-Cr and forming a film containing the α-Cr as a main component,
The thickness of the resistor is 0.05 μm or more and 2 μm or less,
A strain gauge , wherein the functional layer has a thickness of 1 nm or more and 100 nm or less .
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