JP7743266B2 - Strain gauge and its manufacturing method - Google Patents
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Description
本発明は、測定対象である起歪構造体の表面に接着して用いるひずみゲージに関する。 The present invention relates to a strain gauge that is attached to the surface of a strain-generating structure to be measured.
Cr-N薄膜は、ひずみに対する感度を示すゲージ率が約14と大きいこと、窒素の少量添加と熱処理により抵抗温度係数(TCR)をゼロ近傍(<±50ppm/℃)にすることが可能であること、および数10kΩの高抵抗化が可能であることなどを特徴とする新しいひずみセンサ材料である(特許文献1参照)。 Cr-N thin film is a new strain sensor material characterized by a large gauge factor of approximately 14, which indicates sensitivity to strain; the temperature coefficient of resistance (TCR) can be reduced to near zero (<±50 ppm/°C) by adding a small amount of nitrogen and performing heat treatment; and high resistance of several tens of kΩ is possible (see Patent Document 1).
従来のひずみゲージ(接着式ひずみセンサ素子)は、センサ材である格子状に成形されたCuNi系やNiCr系合金等の金属箔をポリイミド等樹脂製のベース(基板)に貼り付けた構造を成す。それをひずみならびに各種力学量の計測に利用する場合、さらに測定対象である起歪構造体表面に接着して用いる。そのときベースは電気的な絶縁と形状保持を含む取り扱いの簡便さを提供するために必要とされる。また、ベースがひずみを正しく伝達することも重要であり、そのためにヤング率が小さく伸びの大きい素材が要求され、今日では樹脂が多く用いられている。 Conventional strain gauges (adhesive-type strain sensor elements) are constructed by attaching the sensor material, a metal foil made of a CuNi or NiCr alloy, formed into a grid pattern, to a base (substrate) made of resin such as polyimide. When used to measure strain and various mechanical quantities, they are further adhered to the surface of the strain-generating structure to be measured. In this case, the base is required to provide electrical insulation and ease of handling, including shape retention. It is also important that the base transmits strain correctly, which requires a material with a low Young's modulus and high elongation; resin is commonly used today.
ひずみセンサ薄膜を力学量センサとして利用する場合、ベースは用いずに、(起歪構造体が金属等導電体の場合は絶縁体膜を介して)起歪構造体上に直接センサ素子を形成することが可能である。従来のひずみゲージでは「接着」が手作業ゆえ位置ずれが生じやすく、またベースや接着剤によるクリープの影響も懸念されるのに対し、測定対象上に直接形成する薄膜の場合それらの問題を考慮する必要が無い。しかし、測定対象の構造上、穴、菅、複雑形状等の内奥部など、薄膜形成が不可能な場所にひずみセンサを設置する場合は接着による方式を選択する必要がある。そこでCr-N薄膜についても接着方式で利用できる素子の開発のために、ベースとなる基板材料の検討が行われた。 When using a strain sensor thin film as a mechanical quantity sensor, it is possible to form the sensor element directly on the strain-sensitive structure without using a base (via an insulating film if the strain-sensitive structure is a conductor such as metal). With conventional strain gauges, the "bonding" is done manually, which makes it prone to misalignment, and there are also concerns about the effects of creep due to the base or adhesive. However, with a thin film formed directly on the object to be measured, these issues do not need to be considered. However, when installing a strain sensor in a location where thin film formation is not possible due to the structure of the object to be measured, such as deep inside a hole, pipe, or complex shape, an adhesive method must be used. Therefore, investigation was conducted into base substrate materials for Cr-N thin film in order to develop an element that can be used with the adhesive method.
従来のひずみゲージに用いられるポリイミドは樹脂フィルムの中では最も高い耐熱性を有するが、無機材料と比較すると熱膨張係数や熱収縮が大きい。そのためポリイミドを基材とした場合、基材上で局所的な応力の影響が顕著となりクラックが発生しやすいという問題があった。その課題に対する研究の結果、Cr-N薄膜組織(膜質)の緻密化により薄膜自体の強化を促す成膜ガス圧の低減が有効であることを見出し、クラックの低減に成功した。しかしポリイミドにおける熱的な影響は完全に取り除かれたわけではなく、作製した素子に基材の反りや薄膜周囲の基材に部分的な変形が生じやすく、特性およびその安定性への影響が問題となっている。 The polyimide used in conventional strain gauges has the highest heat resistance of all resin films, but has a larger thermal expansion coefficient and thermal shrinkage than inorganic materials. As a result, when polyimide is used as a substrate, the effects of localized stress on the substrate become more pronounced, making it prone to cracking. Research into this issue has revealed that reducing the deposition gas pressure, which strengthens the thin film itself by densifying the Cr-N thin film structure (film quality), is effective in reducing cracking. However, the thermal effects of polyimide have not been completely eliminated, and the fabricated elements are prone to substrate warping and partial deformation of the substrate around the thin film, posing problems with regard to its characteristics and stability.
そこでは、熱膨張係数がCr-N薄膜と近く、耐熱性に優れて熱収縮もなく、強度が十分大きく高い絶縁性があり、さらにひずみ伝達性を持たせるために薄くすることが可能な自立薄板材料としてジルコニアに注目し、それを基材とするひずみゲージの試作と評価を行った結果、基材の厚さが80μm以下であればほぼ従来と同程度の機能を有したまま接着して使用する高感度なひずみゲージを提供できることを明らかにした(特許文献2参照)。 The study focused on zirconia as a freestanding thin plate material that has a thermal expansion coefficient similar to that of Cr-N thin films, excellent heat resistance with no thermal shrinkage, sufficient strength and high insulation, and can be thinned to provide strain transmission. The results of prototyping and evaluating strain gauges using this as the substrate revealed that, if the substrate thickness is 80 μm or less, it is possible to provide highly sensitive strain gauges that can be bonded and used while maintaining functionality roughly equivalent to conventional ones (see Patent Document 2).
Cr-N薄膜ひずみゲージを接着式として用いる場合、ジルコニア基板素子は、曲げに対しては非常に強いが、基板面内方向の直線的な引張や圧縮に対しては弱く、壊れやすい点が問題である。壊れにくい基板材料として、従来用いられている樹脂材料が挙げられる。そこで再度、樹脂材料について検討を行ったが、成膜プロセスにおいて熱処理が必要なことから、耐熱性が最も高いポリイミドが有効であるが、やはり、従来の一般的なポリイミドを基板とする場合には、成膜歩留りおよび特性の均一性に問題があった。 When using a Cr-N thin-film strain gauge as an adhesive, the zirconia substrate element is very strong against bending, but is weak against linear tension or compression in the in-plane direction of the substrate, making it prone to breakage. Conventional resin materials are cited as a substrate material that is less likely to break. Therefore, we re-examined resin materials, and found that polyimide, which has the highest heat resistance, would be effective because heat treatment is required in the film formation process. However, when using conventional polyimide as a substrate, there were still problems with film formation yield and uniformity of characteristics.
ひずみゲージを使用する場合、測定用回路としてホイートストンブリッジ構造が用いられるが、その時用いられる例えば4個のひずみゲージ素子の特性にばらつきがあると電流ラインの中点電位のゼロバランスが崩れて正しい測定ができず、さらに温度などの外的要因による出力ドリフトが増大するなどの問題の原因にもなる。そのため製造される複数の(多数の)ひずみゲージ素子はそれぞれ、バラツキのない均一な特性を持つことが極めて重要である。そこで、本発明は、樹脂基板を用いる場合の成膜歩留まりおよび特性の均一性の向上を図り得るひずみゲージおよびその製造方法を提供することを目的とする。 When using strain gauges, a Wheatstone bridge structure is used as the measurement circuit. However, if there is variation in the characteristics of the four strain gauge elements used, for example, the zero balance of the midpoint potential of the current line will be disrupted, making accurate measurements impossible. It can also cause problems such as increased output drift due to external factors such as temperature. For this reason, it is extremely important that the multiple (large number) strain gauge elements manufactured each have uniform characteristics without variation. Therefore, the present invention aims to provide a strain gauge and a manufacturing method thereof that can improve film formation yield and uniformity of characteristics when using a resin substrate.
本発明者は、前記課題を解決すべく検討を重ねた結果、所定の特性を有する樹脂基板と、所定の組成および特性を有するCr-N薄膜からなる接着式ひずみゲージ、ならびに、その成膜方法及び所定の温度で熱処理する製造方法を用いることにより、成膜歩留まりおよび特性の均一性の向上を図り得ることを見出した。本発明のひずみゲージは、剛性比率が227.5×10 3 Pa・m~682.5×10 3 Pa・mの範囲に含まれ、かつ、熱膨張係数が3ppm/℃~27ppm/℃の範囲に含まれている樹脂からなる基板と、前記基板上に形成されている薄膜素子と、を備えているひずみゲージであって、前記薄膜素子が、窒素(N)含有量が2.09at%~4.20at%の範囲に含まれ、かつ抵抗温度係数(TCR)が-186.1ppm/℃~370.1ppm/℃であり、かつ、ゲージ率が16.6~19.0であるCr-N薄膜からなる。 The present inventors have conducted extensive research to solve the above problems and have found that a bonded strain gauge comprising a resin substrate having predetermined properties and a Cr-N thin film having predetermined composition and properties, as well as a film-forming method and manufacturing method involving heat treatment at a predetermined temperature, can improve the film-forming yield and the uniformity of properties. The strain gauge of the present invention comprises a substrate made of a resin having a stiffness ratio of 227.5 x 103 Pa ·m to 682.5 x 103 Pa·m and a thermal expansion coefficient of 3 ppm/°C to 27 ppm/°C, and a thin film element formed on the substrate, the thin film element being made of a Cr-N thin film having a nitrogen (N) content of 2.09 at% to 4.20 at% , a temperature coefficient of resistance (TCR) of -186.1 ppm/°C to 370.1 ppm/°C , and a gauge factor of 16.6 to 19.0 .
前記した本発明のひずみゲージの製造方法は、剛性比率が227.5×10 3 Pa・m~682.5×10 3 Pa・mの範囲に含まれ、かつ、熱膨張係数が3ppm/℃~27ppm/℃の範囲に含まれている樹脂からなる基板の主面に指定態様で配置されている、Cr-N薄膜からなる薄膜素子を形成する工程と、前記薄膜素子を180~200℃の範囲の温度で熱処理する工程と、を含んでいる。 The method for manufacturing the strain gauge of the present invention described above includes the steps of forming a thin -film element made of a Cr-N thin film, the thin-film element being arranged in a specified manner on the main surface of a substrate made of a resin having a stiffness ratio in the range of 227.5 x 103 Pa·m to 682.5 x 103 Pa·m and a thermal expansion coefficient in the range of 3 ppm/°C to 27 ppm/°C, and heat-treating the thin-film element at a temperature in the range of 180 to 200°C.
本発明によれば、樹脂基板を用いる場合の成膜歩留まりおよび特性の均一性の向上を図り得る接着式ひずみゲージおよびその製造方法が提供される。 The present invention provides a bonded strain gauge and a manufacturing method thereof that can improve film formation yield and uniformity of characteristics when using a resin substrate.
課題を解決するための重要なポイントは樹脂材料の「耐熱性」が低い点にあると考えられる。そこで、本発明では次の2つの側面からの改善を試みた。その一つは、ひずみセンサ薄膜の熱処理温度の低減であり、もう一つはその低減した熱処理温度範囲で問題の生じない樹脂基板の探索である。 The key to solving this problem is thought to be the low heat resistance of the resin material. Therefore, in this invention, we attempted to improve this from the following two perspectives. One was to reduce the heat treatment temperature of the strain sensor thin film, and the other was to search for a resin substrate that would not cause problems within this reduced heat treatment temperature range.
ひずみセンサとしてのCr-N薄膜における熱処理はTCRを0とする調整のために施されるものであり、従来、ガラス、セラミックス、金属等の基材では200~300℃の熱処理温度が用いられてきた。しかし、樹脂系では耐熱性を有する材料でも、後段で示す試験結果から熱処理温度は200℃以下とする必要があることがわかった。 Heat treatment of Cr-N thin films used as strain sensors is carried out to adjust the TCR to 0, and traditionally, heat treatment temperatures of 200-300°C have been used for substrates such as glass, ceramics, and metals. However, test results shown later indicate that for resin-based materials, even those with heat resistance, the heat treatment temperature must be kept below 200°C.
スパッタリング等における薄膜作製時において、熱処理温度を低減させるための方法として次の2つが挙げられる。 When producing thin films using methods such as sputtering, there are two methods for reducing the heat treatment temperature:
(1)入力電力が適度に低い条件での成膜(図1参照)(参考文献:丹羽他,第32回「センサ・マイクロマシンと応用システム」シンポジウム論文集,28pm1-A-1 (2015))。 (1) Film deposition under conditions of moderately low input power (see Figure 1) (Reference: Niwa et al., Proceedings of the 32nd Symposium on Sensors, Micromachines and Application Systems, 28pm1-A-1 (2015)).
(2)窒素含有量が少ない薄膜を作製すること(図2参照)(参考文献:特許第6159613号公報)。 (2) Creating a thin film with a low nitrogen content (see Figure 2) (Reference: Japanese Patent No. 6159613).
これらの手段によって、作製したCr-N薄膜の熱処理前の状態(as-deposited膜)のTCRが負の小さい値となり、TCRをゼロとするための熱処理温度を低くすることができる。 By using these methods, the TCR of the fabricated Cr-N thin film before heat treatment (as-deposited film) becomes a small negative value, and the heat treatment temperature required to achieve a TCR of zero can be lowered.
X まず、前記既存の熱処理温度低減手法を用いて200℃以下の温度で熱処理した場合でも、TCRが実際にゼロ近傍(±400ppm/℃以内)でゲージ率が十分大きい、良好な値に収まることを硼珪酸ガラス(0.2mm厚、窒素含有量2.09%および4.20%以外の試料)およびジルコニア基板(0.1mm厚、窒素含有量2.09%および4.20%の試料)を用いた成膜試験により確認した。それらの結果を図3および4に示す。窒素含有量は全て硼珪酸ガラス(0.2mm厚)を基板として同条件で作製した非パターン化(べた膜)のCr-N薄膜について波長分散型X線分析装置(WDS)を用いて分析した。次に、樹脂基板素子について調べるために、図3および4のジルコニア基板素子と同じ条件で薄膜を各基板上に作製し、180℃、200℃、220℃の温度で熱処理を施して試料とし、成膜歩留まりおよび特性の均一性についての評価から、問題の生じない樹脂基板の探索を行った。 X First, film formation tests using borosilicate glass (0.2 mm thick, samples other than those with nitrogen contents of 2.09% and 4.20%) and zirconia substrates (0.1 mm thick, samples with nitrogen contents of 2.09% and 4.20%) confirmed that even when heat treatment was performed at temperatures below 200°C using the existing heat treatment temperature reduction method, the TCR was actually near zero (within ±400 ppm/°C) and the gauge factor remained at a sufficiently large, favorable value. The results are shown in Figures 3 and 4. The nitrogen content was analyzed using a wavelength dispersive X-ray analyzer (WDS) for unpatterned (plain film) Cr-N thin films prepared under the same conditions using borosilicate glass (0.2 mm thick) as a substrate. Next, to investigate resin substrate elements, thin films were fabricated on each substrate under the same conditions as the zirconia substrate elements in Figures 3 and 4, and heat-treated at temperatures of 180°C, 200°C, and 220°C to prepare samples. Film formation yield and uniformity of properties were evaluated to search for a resin substrate that would not cause any problems.
これまでの経緯から問題点を考察すると、すでに実用化されているジルコニア基板は、300℃での熱処理の際にも熱による変形が生じないことから耐熱性および形状安定性に優れる点が利点と考えられ、そこに作用する性質として熱収縮がなく、熱膨張係数は比較的小さく、ヤング率が大きい点が考えられる。一方、ポリイミドを基板とする場合、その熱処理温度では熱による変形がみられ、形成した薄膜にクラックが生じるなど成膜が難しく、センサ薄膜の特性のバラツキも大きかった。したがって、これをジルコニア基板の場合と比較して考えると、耐熱性および形状安定性に問題があると考えられる。実際、樹脂の場合、熱収縮があり、熱膨張係数は比較的大きく、ヤング率が小さい。 Considering the issues from the past, zirconia substrates, which are already in practical use, have the advantage of excellent heat resistance and shape stability, as they do not deform due to heat even when heat-treated at 300°C. The properties that contribute to this are thought to be the lack of thermal shrinkage, a relatively small thermal expansion coefficient, and a large Young's modulus. On the other hand, when using polyimide as a substrate, thermal deformation occurs at the heat treatment temperature, making film formation difficult as cracks occur in the thin film formed, and there is also significant variation in the characteristics of the sensor thin film. Therefore, when comparing this with zirconia substrates, it is thought that there are problems with heat resistance and shape stability. In fact, resins undergo thermal shrinkage, have a relatively large thermal expansion coefficient, and a small Young's modulus.
そこで、耐熱温度が高く、熱収縮が小さい樹脂を基板とする試料を作製し、樹脂基板の熱膨張係数およびヤング率に着目して薄膜素子の製造歩留まりおよび特性バラツキの評価を行った。200℃以上の耐熱性を有するフィルム化が可能な樹脂材料は限られており、それらにおいても、熱収縮率や線膨張係数は比較的大きな値をとるものが多い。樹脂フィルム材料で耐熱性が最も高いポリイミド(PI)から数種とそれに次ぐ耐熱性を持つと言われるポリアミド(PA)について調べた。本発明の検討に際して使用した基板材料およびそれらの特性を表1に示す。表中に示した特性の内、厚さ、耐熱温度、熱収縮率、熱膨張係数、ヤング率は公称値を用いた。 Therefore, samples were prepared using a resin substrate with a high heat resistance temperature and low thermal shrinkage, and the manufacturing yield and characteristic variations of thin-film elements were evaluated, focusing on the thermal expansion coefficient and Young's modulus of the resin substrate. Only a limited number of resin materials can be made into films with a heat resistance of 200°C or higher, and even among these, many have relatively large thermal shrinkage coefficients and linear expansion coefficients. Several types of polyimide (PI), which has the highest heat resistance among resin film materials, and polyamide (PA), which is said to have the second highest heat resistance, were investigated. The substrate materials used in the study of this invention and their properties are shown in Table 1. Of the properties listed in the table, nominal values were used for thickness, heat resistance temperature, thermal shrinkage coefficient, thermal expansion coefficient, and Young's modulus.
また、形状安定性に関しては、厚さが大きいことも有利に作用すると考えられる。実際、後述する実施例からも、同じ材質の樹脂でも厚さが薄いと不良な結果を示し、厚いと良好な結果を示した。そこで、ヤング率だけでなく厚さの要素も重要と考え、それらを含む「剛性」というファクターについて検討を行った。 In addition, a larger thickness is thought to be advantageous in terms of shape stability. In fact, as will be seen in the examples described below, even with the same resin material, a thinner thickness produced poor results, while a thicker thickness produced good results. Therefore, we believe that not only Young's modulus but also thickness is important, and investigated the factor of "rigidity," which includes both.
一般に、板材における引張変形時の剛性kNは次の式で与えられる。 Generally, the stiffness kN of a plate during tensile deformation is given by the following formula:
kN=N/δN=E・A/L=E・t・w/L 。 k N =N/δ N =E・A/L=E・t・w/L.
ここで、Nは板材に作用する引張方向の力、δNは板材に生じる引張方向の変形、Eは板材の引張弾性率、Aは引張方向に垂直な断面積(=t×w)、Lは引張方向の板材の長さ、tは板材の厚さ、wは板材の幅(引張方向に垂直な方向の長さ)を示す。後述するように、試験試料の基板形状、成膜領域および薄膜パターン形状は全て同一であることから、それらのwとLは全ての試料で同一であり、基板の剛性に関する差異はE・t(引張弾性率×厚さ)の項だけで決まり、本発明ではその項で表される値を剛性比率と称することとし、熱膨張係数とともにその剛性比率について評価を行った。 Here, N is the force acting on the plate in the tensile direction, δN is the deformation in the tensile direction that occurs in the plate, E is the tensile modulus of elasticity of the plate, A is the cross-sectional area perpendicular to the tensile direction (= t × w), L is the length of the plate in the tensile direction, t is the thickness of the plate, and w is the width of the plate (length perpendicular to the tensile direction). As will be described later, since the substrate shape, film formation area, and thin film pattern shape of the test samples were all identical, w and L were the same for all samples, and the difference in substrate rigidity was determined only by the term E·t (tensile modulus of elasticity × thickness). In this invention, the value expressed by this term is referred to as the rigidity ratio, and this rigidity ratio was evaluated together with the thermal expansion coefficient.
(ひずみゲージの構成)
図5に示されている本発明の一実施形態としてのひずみゲージは、薄板状の基板1と、基板1の一対の主面101、102のうち一方の主面101に形成された、指定態様で配置されている薄膜素子2と、により構成されている。基板1は、剛性比率が200~1000×103Pa・mの範囲に含まれ、かつ、熱膨張係数が0ppm/℃~30ppm/℃の範囲に含まれている樹脂からなる。薄膜素子2は、窒素(N)含有量が2~8at%の範囲に含まれ、かつ抵抗温度係数(TCR)が0±400ppm/℃以内であり、かつ、ゲージ率が3~20であるCr-N薄膜からなる。
(Structure of strain gauge)
The strain gauge according to one embodiment of the present invention shown in Figure 5 comprises a thin plate-shaped substrate 1 and a thin film element 2 arranged in a specified manner on one of a pair of main surfaces 101, 102 of the substrate 1. The substrate 1 is made of a resin having a stiffness ratio in the range of 200 to 1000 x 103 Pa m and a thermal expansion coefficient in the range of 0 ppm/°C to 30 ppm/°C. The thin film element 2 is made of a Cr-N thin film having a nitrogen (N) content in the range of 2 to 8 at%, a temperature coefficient of resistance (TCR) within 0±400 ppm/°C, and a gauge factor of 3 to 20.
(ひずみゲージの製造方法)
本発明の一実施形態としてのひずみゲージの製造方法は、(1)成膜工程と(2)熱処理工程とを含んでいる。
(Strain gauge manufacturing method)
A method for manufacturing a strain gauge according to one embodiment of the present invention includes (1) a film forming step and (2) a heat treatment step.
基板上へのCr-N薄膜の作製にはArとともに微量の窒素ガスを導入して成膜を行う反応性スパッタリング法を用い、装置には一般金属用(非強磁性体用、すなわち低磁力の)マグネットを用いたマグネトロン方式の高周波スパッタリング装置を使用した。窒素の添加量は、導入する窒素ガス流量を調節することにより制御した。ターゲットには公称純度99.9%のCr円盤(直径3インチ)を用い、成膜前真空度(背景真空度)、ターゲット-基板間距離(T-S距離)、成膜ガス圧、入力電力および窒素流量比をそれぞれ2×10-5Pa、43mm、5mTorr、10Wおよび0.02~0.12%として成膜を行った。 The Cr-N thin film was fabricated on the substrate using reactive sputtering, which involves introducing a small amount of nitrogen gas along with Ar. A magnetron-type high-frequency sputtering system with a magnet for general metals (non-ferromagnetic, i.e., low magnetic force) was used. The amount of nitrogen added was controlled by adjusting the flow rate of the introduced nitrogen gas. A Cr disk (3-inch diameter) with a nominal purity of 99.9% was used as the target. The pre-deposition vacuum (background vacuum), target-substrate distance (TS distance), deposition gas pressure, input power, and nitrogen flow rate ratio were set to 2 x 10-5 Pa, 43 mm, 5 mTorr, 10 W, and 0.02-0.12%, respectively.
試作するCr-N薄膜ひずみゲージ素子の受感部は8回の折返しからなる格子状とし、格子の線幅は40μm、線間隔を50μm、長さ(受感部長)を1mmとした。その素子パターン形成にはフォトリソグラフィー技術とCrエッチング液による腐食整形技術を用いた。薄膜の厚さは約100nmとした。実際に作製した薄膜素子のパターン形状を図6に示す。 The sensing area of the prototype Cr-N thin-film strain gauge element was a lattice-shaped element consisting of eight folds, with a line width of 40 μm, line spacing of 50 μm, and a length (sensing length) of 1 mm. The element pattern was formed using photolithography and corrosion shaping techniques using a Cr etching solution. The thin film was approximately 100 nm thick. The pattern shape of the thin-film element that was actually fabricated is shown in Figure 6.
図7には、薄膜素子配列パターンが示されている。1回の成膜において、50mm×50mmの大きさの基板上の中央部の30mm×30mmの範囲内にCr-N薄膜が形成され、そこから前記パターン形成された素子が横に1~8の8行、縦にA~Eの5列の配列からなる計40個が得られる。 Figure 7 shows the thin-film element array pattern. In one deposition run, a Cr-N thin film is formed within a 30 mm x 30 mm area in the center of a 50 mm x 50 mm substrate, from which a total of 40 patterned elements are obtained, arranged in eight rows (1 to 8) horizontally and five columns (A to E) vertically.
熱処理は大気中において所定の温度で30分保持して行った。作製した薄膜の所定の位置にNi(ニッケル)薄膜をリフトオフ法により重ねて形成し、これを抵抗測定のための電極とした。この電極に、電源および電圧計につながるリード線をはんだ付けするが、その前に前記40個の配列から素子を個別に切り出した。なお、電極膜としてのNi薄膜は、電極やリード部分でのひずみ検知情報を含まないようにするために比抵抗の小さい電極膜を重ねて形成する必要があることから、受感部以外の電極タブおよびリード部分のCr-N薄膜に重ねて形成した。本発明にかかる薄膜作成、パターン形成、熱処理等の方法、方式、形状、材質および条件等は当該実施形態に限定されるものではない。 The heat treatment was carried out by holding the sample in air at a specified temperature for 30 minutes. A Ni (nickel) thin film was formed by lift-off at a specified position on the prepared thin film, and this served as an electrode for measuring resistance. Lead wires connected to a power supply and voltmeter were soldered to this electrode, but before that, elements were individually cut out from the array of 40. The Ni thin film used as the electrode film was formed by overlaying an electrode film with low resistivity to prevent strain detection information from being included in the electrode and lead portions. Therefore, it was formed by overlaying the Cr-N thin film on the electrode tab and lead portions other than the sensing portion. The methods, systems, shapes, materials, and conditions for thin film formation, pattern formation, heat treatment, etc., according to the present invention are not limited to those of the present embodiment.
(1.成膜工程)
成膜工程において、基板1の一方の主面101に対して、Crターゲットを用いてスパッタリングを行うことにより、当該基板1の主面101において指定態様で配置されているCr-N薄膜が当該主面に直接的に形成される。スパッタリングに際して、窒素流量比は、例えば、0.02~0.05%の範囲に調節される。基板1の主面101における薄膜素子2の指定態様の配置は、マスキングおよび/またはエッチング等の既存の手法により形成される。
(1. Film forming process)
In the film formation process, a Cr—N thin film arranged in a specified manner on one main surface 101 of the substrate 1 is formed directly on the main surface by sputtering using a Cr target. During sputtering, the nitrogen flow rate is adjusted to, for example, a range of 0.02 to 0.05%. The thin-film elements 2 are arranged in a specified manner on the main surface 101 of the substrate 1 by known techniques such as masking and/or etching.
(2.熱処理工程)
熱処理工程において、基板1の主面101に形成されたCr-N薄膜が180~200℃の温度範囲で熱処理される。熱処理時間は、Cr-N薄膜が目標とする特性が実現されるように、例えば0.5~4hrの範囲に調節される。これにより、薄膜素子2は、窒素含有量が2.09~4.20at%の範囲に含まれ、抵抗温度係数(TCR)が45.1ppm/℃~370.1ppm/℃の範囲に含まれ、かつ、ゲージ率が16.6~17.9の範囲に含まれているCr-N薄膜からなる薄膜素子が形成される。
(2. Heat Treatment Process)
In the heat treatment step, the Cr—N thin film formed on the main surface 101 of the substrate 1 is heat treated at a temperature in the range of 180 to 200° C. The heat treatment time is adjusted to, for example, a range of 0.5 to 4 hours so that the Cr—N thin film achieves the desired characteristics. As a result, the thin film element 2 is formed, which is made of a Cr—N thin film having a nitrogen content in the range of 2.09 to 4.20 at %, a temperature coefficient of resistance (TCR) in the range of 45.1 ppm/° C. to 370.1 ppm/° C., and a gauge factor in the range of 16.6 to 17.9.
(実施例および比較例)
第1基板としてポリアミド(商品名:ミクトロン(型番:ML))の薄板状部材が用意された。第2基板としてポリイミド(商品名:ユートピレックス(型番:25S))の薄板状部材が用意された。第3基板としてポリイミド(商品名:カプトン(型番:300V))の薄板状部材が用意された。第4基板としてポリイミド(商品名:カプトン(型番:100V))の薄板状部材が用意された。第5基板としてポリイミド(商品名:アピカル(型番:NPI))の薄板状部材が用意された。第6基板としてポリイミド(商品名:アピカル(型番:AH))の薄板状部材が用意された。第7基板としてポリイミド(商品名:ユーピレックス(型番:75S))の薄板状部材が用意された。参考基板としてジルコニア(商品名:セラフレックス(型番:A))の薄板状部材が用意された。表1には、第1基板、第2基板、第3基板、第4基板、第5基板、第6基板、第7基板および参考基板のそれぞれの厚さ、耐熱温度、ヤング率(引張弾性率)、剛性比率、熱膨張係数および熱収縮率がまとめて示されている。
Examples and Comparative Examples
A thin plate-shaped member made of polyamide (trade name: Mictron (model number: ML)) was prepared as the first substrate. A thin plate-shaped member made of polyimide (trade name: Utopirex (model number: 25S)) was prepared as the second substrate. A thin plate-shaped member made of polyimide (trade name: Kapton (model number: 300V)) was prepared as the third substrate. A thin plate-shaped member made of polyimide (trade name: Kapton (model number: 100V)) was prepared as the fourth substrate. A thin plate-shaped member made of polyimide (trade name: Apical (model number: NPI)) was prepared as the fifth substrate. A thin plate-shaped member made of polyimide (trade name: Apical (model number: AH)) was prepared as the sixth substrate. A thin plate-shaped member made of polyimide (trade name: Upirex (model number: 75S)) was prepared as the seventh substrate. A thin plate-shaped member made of zirconia (trade name: Ceraflex (model number: A)) was prepared as the reference substrate. Table 1 summarizes the thickness, heat resistance temperature, Young's modulus (tensile modulus of elasticity), rigidity ratio, thermal expansion coefficient, and thermal shrinkage rate of each of the first substrate, second substrate, third substrate, fourth substrate, fifth substrate, sixth substrate, seventh substrate, and reference substrate.
第1基板、第2基板、第3基板、第4基板および参考基板のそれぞれが用いられ、第1作製条件にしたがって実施例1、実施例3、実施例5、比較例4および参考例1のひずみゲージ群が作製された。第1基板、第2基板、第3基板、第5基板、第6基板、第7基板および参考基板のそれぞれが用いられ、第2作製条件にしたがって実施例2、実施例4、比較例3、実施例6、比較例5、実施例7および参考例2のひずみゲージ群が作製された。第1基板および第2基板のそれぞれが用いられ、第3作製条件にしたがって比較例1および比較例2のひずみゲージ群が作製された。ひずみゲージ群は、8行5列に配置された40個のひずみゲージにより構成されている。 The strain gauge groups of Example 1, Example 3, Example 5, Comparative Example 4, and Reference Example 1 were fabricated using the first, second, third, fourth, and reference substrates, respectively, according to the first fabrication conditions. The strain gauge groups of Example 2, Example 4, Comparative Example 3, Example 6, Comparative Example 5, Example 7, and Reference Example 2 were fabricated using the first, second, third, fifth, sixth, seventh, and reference substrates, respectively, according to the second fabrication conditions. The strain gauge groups of Comparative Examples 1 and 2 were fabricated using the first and second substrates, respectively, according to the third fabrication conditions. The strain gauge groups consist of 40 strain gauges arranged in 8 rows and 5 columns.
表2には、実施例1~7、比較例1~5および参考例1~2のそれぞれ(以下「各作製例」という。)のひずみゲージ群の作製条件および後述する評価結果がまとめて示されている。 Table 2 summarizes the fabrication conditions for the strain gauge groups of Examples 1 to 7, Comparative Examples 1 to 5, and Reference Examples 1 and 2 (hereinafter referred to as "each fabrication example") and the evaluation results described below.
1回の成膜で同時に同条件にしたがって形成された40個全てのCr-N薄膜ひずみセンサ素子(図7参照)の抵抗値を20MΩまで測定可能なテスターを用いて測定した。その際、薄膜にクラックが生じて測定不能だった素子の個数を全素子数である40で除算した値の百分率を「断線率」とし、成膜歩留まりを評価する指標とした。
The resistance values of all 40 Cr-N thin film strain sensor elements (see Figure 7) formed simultaneously under the same conditions in one film formation were measured using a tester capable of measuring up to 20 MΩ. The percentage of the value obtained by dividing the number of elements that could not be measured due to cracks in the thin film by the total number of elements, 40, was taken as the "breakage rate," and was used as an index for evaluating the film formation yield.
抵抗温度計数(TCR)測定のための抵抗測定にはデジタルマルチメーターによる直流四端子法を用い、温度制御可能な恒温槽内での異なる温度において測定された薄膜素子の抵抗値からTCRの値を求めた。ここで、TCRは温度範囲0~50℃における値を意味する。 The resistance for the temperature coefficient of resistance (TCR) measurement was measured using the DC four-terminal method with a digital multimeter, and the TCR value was calculated from the resistance values of the thin-film element measured at different temperatures in a temperature-controllable thermostatic chamber. Here, TCR refers to the value in the temperature range of 0 to 50°C.
ゲージ率(Gf)は、起歪体としての50mm×250mm×1.6mm厚の寸法のSUS304製の板に試料を接着して曲げる連続片持ち梁方式を用いてひずみを印加し、正から負にわたる約600με(=0.06%)までのひずみ印加時の抵抗変化から求めた。Gfを計算するのに必要なひずみ量は、同じSUS板起歪体上の等量のひずみが入る位置に接着した市販のひずみゲージ(共和電業製,KFG-2-350-C1-11)を用いて測定した。接着には市販の一般用瞬間接着剤を用いた。 The gauge factor (Gf) was determined by applying strain to a 50mm x 250mm x 1.6mm thick SUS304 plate bonded to the strain body using a continuous cantilever method, and measuring the change in resistance when strain was applied from positive to negative, approximately 600με (=0.06%). The strain required to calculate Gf was measured using a commercially available strain gauge (Kyowa Electronics, KFG-2-350-C1-11) bonded to the same SUS plate strain body at a position where the same amount of strain would be applied. A commercially available general-purpose instant adhesive was used for bonding.
前記のTCRおよびGfは、作製した40個の素子の内、基本的に図7の配列中の1A、2A、1E、2E、3B、4B、3D、4D、5B、6B、5D、6D、7A、8A、7E、8Eの計16個の素子について測定を行った。これらの中で断線により測定不能な素子があった場合は、その隣接する素子を代わりに測定して、合計の測定数は16個となるようにした。TCRおよびGfの値のバラツキ評価の指標として、それぞれ、16個の測定結果における最大値、最小値、平均値から次の式で与えられる「不均一性」を求めた。ここで、|f(x)|はf(x)の絶対値を表す。 Of the 40 elements fabricated, the TCR and Gf were measured for a total of 16 elements, essentially 1A, 2A, 1E, 2E, 3B, 4B, 3D, 4D, 5B, 6B, 5D, 6D, 7A, 8A, 7E, and 8E in the arrangement shown in Figure 7. If any of these elements were unmeasurable due to a broken wire, an adjacent element was measured instead, bringing the total number of measurements to 16. As an index for evaluating the variation in the TCR and Gf values, the "non-uniformity" was calculated using the maximum, minimum, and average values of the 16 measurement results, as given by the following formula: Here, |f(x)| represents the absolute value of f(x).
(不均一性)=|{(最大値)―(最小値)}/(平均値)|。 (Heterogeneity) = |{(Maximum value) - (Minimum value)}/(Average value)|.
前記の試作試験から、所定の特性を示し、ばらつきの小さなひずみゲージを歩留まり良く作製するのに適した、耐熱性に優れた樹脂基板材料を調べた。所定の特性として、図23からわかるように、Cr-N薄膜の窒素含有量2~8at%の範囲において、TCRが±400ppm/℃以内であり、Gfが3~20であり、成膜歩留まりは9割以上、すなわち断線率10%以下であることが好ましく、Cr-N薄膜の特性の不均一性は参考例(実用化されている既存のジルコニア基板素子)の値の2倍以下であることが好ましい。なお、断線とは、基板の変形等によって薄膜素子にクラックが発生し抵抗値が測定できなくなった状態を指す。 From the prototype testing described above, we investigated a resin substrate material with excellent heat resistance that exhibits the required characteristics and is suitable for producing strain gauges with minimal variation with a high yield. As shown in Figure 23, the required characteristics are a TCR of ±400 ppm/°C or less, a Gf of 3 to 20, a deposition yield of 90% or more (i.e., a wire breakage rate of 10% or less) within the nitrogen content range of 2 to 8 at% in the Cr-N thin film, and a wire breakage rate of 10% or less. It is also preferable that the non-uniformity of the Cr-N thin film characteristics be no more than twice the value of the reference example (an existing zirconia substrate element in practical use). Note that a wire breakage refers to a state in which cracks occur in the thin film element due to substrate deformation or other reasons, making it impossible to measure the resistance value.
TCRおよびGfの測定に関して、断線数が多い試料については、非断線試料が16個に満たず不均一性検定の全数が異なってしまうこと、および、そのような断線数の多い試料では極端に外れた悪い測定結果を示すものが生じることから妥当な試料を16個そろえることができない場合があることから、適切な評価結果が得られないため評価結果には含めなかった。 For TCR and Gf measurements, samples with a large number of breaks were not included in the evaluation results because there were fewer than 16 non-break samples, which would result in a difference in the total number of non-uniformity tests, and because such samples with a large number of breaks may show extremely poor measurement results, making it impossible to assemble 16 valid samples.
図8には、熱収縮率に対する断線率が示されている。図9には、TCRの不均一性が示されている。図10には、Gfの不均一性が示されている。いずれも熱収縮率が0.05%において最も悪い結果を示し、一様な傾向を示さなかった。特に、TCRの不均一性においては、最も熱収縮率が大きな0.5%においてむしろ良好な値を示した。これらの結果から、少なくとも0.5%以下の範囲の熱収縮率は断線率、TCRの不均一性およびGfの不均一性に影響を及ぼさないことがわかった。 Figure 8 shows the breakage rate versus heat shrinkage rate. Figure 9 shows the TCR non-uniformity. Figure 10 shows the Gf non-uniformity. In both cases, the worst results were observed at a heat shrinkage rate of 0.05%, and no consistent trend was observed. In particular, the TCR non-uniformity showed better values at the highest heat shrinkage rate of 0.5%. These results demonstrate that a heat shrinkage rate of at least 0.5% or less does not affect the breakage rate, TCR non-uniformity, or Gf non-uniformity.
図11には、熱膨張係数が小さく、かつ、ヤング率の大きな第1基板(ポリアミド・ミクトロン)および第2基板(ポリイミド・ユーピレックス)のそれぞれについて、熱処理温度に対する断線率が示されている。図11には、断線率に関して好ましい数値範囲の上限が破線で示されている。図12には、第1基板および第2基板のそれぞれのTCRの不均一性が示されている。図12には、TCRの不均一性に関して好ましい数値範囲の上限が破線で示されている。図13には、第1基板および第2基板のそれぞれのGfの不均一性が示されている。図13には、Gfの不均一性に関して好ましい数値範囲の上限が破線で示されている。 Figure 11 shows the breakage rate versus heat treatment temperature for the first substrate (polyamide Mictron) and the second substrate (polyimide Upilex), both of which have a low thermal expansion coefficient and a high Young's modulus. In Figure 11, the upper limit of the preferred numerical range for the breakage rate is indicated by a dashed line. Figure 12 shows the TCR non-uniformity for the first and second substrates. In Figure 12, the upper limit of the preferred numerical range for the TCR non-uniformity is indicated by a dashed line. Figure 13 shows the Gf non-uniformity for the first and second substrates. In Figure 13, the upper limit of the preferred numerical range for the Gf non-uniformity is indicated by a dashed line.
図13からわかるように、Gfの不均一性について問題はなかった。その一方、図11からわかるように、第1基板は断線率が220℃で急激に大きくなり、好ましい数値範囲から外れた。図12からわかるように、第2基板の熱処理温度が200℃以下であればTCRの不均一性が好ましい数値範囲に含まれるものの、熱処理温度が220℃では好ましい数値範囲から外れた。 As can be seen from Figure 13, there were no problems with Gf non-uniformity. On the other hand, as can be seen from Figure 11, the breakage rate for the first substrate increased sharply at 220°C, falling outside the preferred range. As can be seen from Figure 12, when the heat treatment temperature for the second substrate was 200°C or lower, the TCR non-uniformity was within the preferred range, but fell outside the preferred range at a heat treatment temperature of 220°C.
図14には、180℃で熱処理された試料および200℃で熱処理された試料のそれぞれについての剛性比率に対する断線率が示されている。図15には、図14の剛性比率範囲200~300kPa・mが拡大されて示されている。図16には、180℃で熱処理された試料および200℃で熱処理された試料のそれぞれについての熱膨張係数に対する断線率が示されている。図14~図16からわかるように、180℃で熱処理された第4基板の試料と200℃で熱処理された第3基板の試料は断線率が好ましい数値範囲の上限値を超えた。図16からわかるように、180℃で熱処理された第4基板および第3基板は熱膨張係数が同じであるにもかかわらず、前者の断線率は97.5%であるのに対して、後者の断線率は0%であった。 Figure 14 shows the wire breakage rate versus stiffness ratio for samples heat-treated at 180°C and samples heat-treated at 200°C. Figure 15 shows an enlarged view of the stiffness ratio range of 200 to 300 kPa·m in Figure 14. Figure 16 shows the wire breakage rate versus thermal expansion coefficient for samples heat-treated at 180°C and samples heat-treated at 200°C. As can be seen from Figures 14 to 16, the wire breakage rates for the fourth substrate sample heat-treated at 180°C and the third substrate sample heat-treated at 200°C exceeded the upper limit of the preferred numerical range. As can be seen from Figure 16, even though the fourth and third substrates heat-treated at 180°C have the same thermal expansion coefficient, the wire breakage rate for the former was 97.5%, while the wire breakage rate for the latter was 0%.
180℃で熱処理された第4基板の試料に関する断線率は熱膨張係数の影響によるのではなく、図14からわかるように剛性比率が小さいことに起因していると考えられる。したがって、図15からわかるように、200kPa・mを下回るような剛性比率を有する基板は好ましくないことがわかった。また、図14および図15から、200℃で熱処理された試料の断線率は剛性比率に対しては一様な変化を示さず、剛性比率が好ましくない大きな断線率の原因ではないことがわかる。一方、図16において、200℃で熱処理された試料の断線率は熱膨張係数の増加に伴って増大し、27ppm/℃では好ましい数値範囲の上限値を超える程度に大きな値となった。したがって200℃で熱処理された試料の断線率は熱膨張係数に依存し、およそ15ppm/℃を超えると好ましい数値範囲の上限値を超える程度に大きな値となることがわかった。 The breakage rate for the fourth substrate sample heat-treated at 180°C is not due to the influence of the thermal expansion coefficient, but rather, as can be seen in Figure 14, is thought to be due to the small rigidity ratio. Therefore, as can be seen in Figure 15, substrates with rigidity ratios below 200 kPa·m are undesirable. Furthermore, Figures 14 and 15 show that the breakage rate for the sample heat-treated at 200°C does not show a uniform change with the rigidity ratio, indicating that the rigidity ratio is not the cause of the undesirable high breakage rate. On the other hand, Figure 16 shows that the breakage rate for the sample heat-treated at 200°C increases with increasing thermal expansion coefficient, reaching a value that is large enough to exceed the upper limit of the preferable numerical range at 27 ppm/°C. Therefore, it was found that the breakage rate for the sample heat-treated at 200°C depends on the thermal expansion coefficient, and that it becomes large enough to exceed the upper limit of the preferable numerical range at values exceeding approximately 15 ppm/°C.
図17には、180℃で熱処理された試料および200℃で熱処理された試料のそれぞれについての剛性比率に対するTCRの不均一性が示されている。図18には、図17の剛性比率範囲200~300kPa・mが拡大されて示されている。図19には、180℃で熱処理された試料および200℃で熱処理された試料のそれぞれについての熱膨張係数に対するTCRの不均一性が示されている。図17~図19から、200℃で熱処理された試料についても、図14~図16で示された結果と同様の結果が得られた。また、図20および図21からわかるように、Gfの不均一性に関しては、180℃で熱処理された試料および200℃で熱処理された試料のいずれも、剛性比率および熱膨張係数のどちらに対してもこれらの範囲では問題はなかった。 Figure 17 shows the TCR non-uniformity versus stiffness ratio for samples heat-treated at 180°C and 200°C. Figure 18 shows an expanded view of the stiffness ratio range of 200 to 300 kPa·m in Figure 17. Figure 19 shows the TCR non-uniformity versus thermal expansion coefficient for samples heat-treated at 180°C and 200°C. Figures 17 to 19 show similar results to those shown in Figures 14 to 16 for the samples heat-treated at 200°C. Furthermore, as can be seen from Figures 20 and 21, there were no problems with Gf non-uniformity within these ranges for either stiffness ratio or thermal expansion coefficient for either the samples heat-treated at 180°C or 200°C.
以上の結果から、断線率が10%以下で薄膜特性の不均一性が参考例(実用化されている既存のジルコニア基板素子)の値の2倍以下となるひずみゲージ用基板特性の条件は、180~200℃の温度範囲で熱処理された場合、熱膨張係数が0~30ppm/℃、かつ、剛性比率が200~1000×103Pa・mの範囲に含まれることがわかった。各基板の特性および前記範囲境界が図22に示されている。 From the above results, it was found that the conditions for the substrate characteristics for strain gauges, under which the breakage rate is 10% or less and the non-uniformity of the thin film characteristics is less than twice that of the reference example (an existing zirconia substrate element in practical use), are a thermal expansion coefficient of 0 to 30 ppm/°C and a rigidity ratio in the range of 200 to 1000 x 103 Pa·m when heat treated in the temperature range of 180 to 200°C. The characteristics of each substrate and the boundaries of the ranges are shown in Figure 22.
図22には、第1基板、第2基板、第3基板、第4基板、第5基板、第6基板、第7基板および参考基板のそれぞれの剛性比率および熱膨張係数の組み合わせを表わすプロットが1から7までの丸付き数字および白丸により示されている。図22に示されている剛性比率-熱膨張係数における第1指定範囲S1は、剛性比率が200~1000×103Pa・mの範囲に含まれ、かつ、熱膨張係数が0ppm/℃~30ppm/℃の範囲に含まれていることを意味している。図22に示されている剛性比率-熱膨張係数における第2指定範囲S2は、剛性比率が227.5~682.5×103Pa・mの範囲に含まれ、かつ、熱膨張係数が3~27ppm/℃の範囲に含まれていることを意味している。図22から、第1基板、第2基板、第3基板、第5基板および第7基板のそれぞれの剛性比率および熱膨張係数の組み合わせを表わすプロットが、第1指定範囲S1および第2指定範囲S2に含まれていることがわかる。その一方、図22から、第4基板、第6基板および参考基板のそれぞれの剛性比率および熱膨張係数の組み合わせを表わすプロットが、第1指定範囲S1および第2指定範囲S2から外れていることがわかる。 In Figure 22, plots representing combinations of stiffness ratio and thermal expansion coefficient for each of the first, second, third, fourth, fifth, sixth, seventh, and reference substrates are indicated by circled numbers from 1 to 7 and open circles. The first specified range S1 for stiffness ratio-thermal expansion coefficient shown in Figure 22 means that the stiffness ratio falls within the range of 200 to 1000 x 103 Pa-m and the thermal expansion coefficient falls within the range of 0 ppm/°C to 30 ppm/°C. The second specified range S2 for stiffness ratio-thermal expansion coefficient shown in Figure 22 means that the stiffness ratio falls within the range of 227.5 to 682.5 x 103 Pa-m and the thermal expansion coefficient falls within the range of 3 to 27 ppm/°C. 22 shows that the plots representing the combinations of stiffness ratios and thermal expansion coefficients of the first, second, third, fifth, and seventh substrates are included in the first and second specified ranges S1 and S2, while the plots representing the combinations of stiffness ratios and thermal expansion coefficients of the fourth, sixth, and reference substrates are outside the first and second specified ranges S1 and S2.
前記条件の樹脂基板を用いることによって、既存のジルコニア基板Cr-N薄膜ひずみゲージ素子における、基板が壊れやすいという問題が解決され、さらに、表3からわかるように、第1基板および第2基板が、参考基板(ジルコニア基板)とほぼ同様に断線せずに歩留まり良くCr-N薄膜を成膜でき、かつ、TCRおよびGfの不均一性(バラツキ)が同等以上に改善されることが明らかになった。実用上、本発明により非常に大きな改善がなされ、従来よりも扱いやすく、特性バラツキやドリフトの問題が少ない高感度で温度に安定なひずみゲージが提供可能になる。 By using a resin substrate that meets the above conditions, the problem of easily broken substrates in existing zirconia-substrate Cr-N thin-film strain gauge elements is resolved. Furthermore, as can be seen from Table 3, the first and second substrates allow for the deposition of Cr-N thin films with good yield and without breakage, almost as readily as the reference substrate (zirconia substrate), and the non-uniformity (variation) of TCR and Gf is improved to an equal or greater extent. From a practical standpoint, the present invention offers significant improvements, making it possible to provide highly sensitive, temperature-stable strain gauges that are easier to handle than conventional ones and have fewer problems with characteristic variation and drift.
熱処理温度が200℃を超えると断線率が高くなって成膜歩留まりが悪くなることやTCRの不均一性が増大して特性の不安定性の要因になるので好ましくない。熱処理温度の下限は温度の影響が低下することから特に制限はないが、特性が大きく異なることがない160℃でも好ましく、さらに180℃がより好ましい。また、熱膨張係数が30ppm/℃を超えると、やはり断線率が高くなって成膜歩留まりが悪くなることやTCRの不均一性が増大して特性の不安定性の要因になるので好ましくない。さらに、剛性比率が200×103Pa・mを下まわると断線率が急激に高くなって成膜歩留まりが極端に悪くなるので好ましくない。一方、剛性比率が大きすぎても断線率や特性の均一性に問題は生じないが、ヤング率が小さい樹脂フィルム基板の場合、厚さが増大することになるためゲージ率が正しく測定できなくなる。本発明では、試験した樹脂フィルム中最大のヤング率13GPaと最大のフィルム厚75μmから約1000×103Pa・mを超えると好ましくないと考えられる。 A heat treatment temperature exceeding 200°C is undesirable because it increases the wire breakage rate, reduces the film formation yield, and increases the TCR non-uniformity, resulting in instability of the characteristics. The lower limit of the heat treatment temperature is not particularly limited because the effect of temperature is reduced, but 160°C, at which the characteristics do not change significantly, is also preferable, and 180°C is even more preferable. Furthermore, a thermal expansion coefficient exceeding 30 ppm/°C is undesirable because it increases the wire breakage rate, reduces the film formation yield, and increases the TCR non-uniformity, resulting in instability of the characteristics. Furthermore, a rigidity ratio below 200 × 10 3 Pa·m is undesirable because it abruptly increases the wire breakage rate and significantly reduces the film formation yield. On the other hand, even if the rigidity ratio is too high, there are no problems with the wire breakage rate or the uniformity of the characteristics, but in the case of a resin film substrate with a small Young's modulus, the thickness increases, making it impossible to accurately measure the gauge factor. In the present invention, it is considered undesirable for the Young's modulus to exceed approximately 1000×10 3 Pa·m from the maximum Young's modulus of 13 GPa and the maximum film thickness of 75 μm among the resin films tested.
樹脂基板の薄膜特性として窒素含有量に対する抵抗温度係数およびゲージ率の値を図23および図24にそれぞれ示す。樹脂基板においても、図3および4に示したジルコニア基板(参考例)およびガラス基板の場合と同様、抵抗温度係数は調査した全窒素含有量にわたってゼロ近傍の値を示し、ゲージ率は窒素量の増大に伴って減少する傾向が得られた。本発明で取り上げた熱処理温度低減手法に従う場合のCr-N薄膜は、窒素含有量2~8at%において抵抗温度係数(TCR)が±400ppm/℃以内、ゲージ率(Gf)が3~20を示すものであり、この手法と条件および前記特性の基板を用いることで、前記、目的のひずみゲージの提供が可能となる。
The values of the temperature coefficient of resistance and gauge factor as a function of nitrogen content as thin-film properties of the resin substrate are shown in Figures 23 and 24, respectively. As with the zirconia substrate (reference example) and glass substrate shown in Figures 3 and 4, the temperature coefficient of resistance for the resin substrate exhibited values near zero across all nitrogen contents investigated, and the gauge factor tended to decrease as the nitrogen content increased. When the heat treatment temperature reduction technique discussed in this invention was followed, Cr—N thin films exhibited a temperature coefficient of resistance (TCR) within ±400 ppm/°C and a gauge factor (Gf) of 3 to 20 at a nitrogen content of 2 to 8 at%. By using this technique, conditions, and a substrate with the above-mentioned properties, it is possible to provide the desired strain gauge.
表2には、各作製例のひずみゲージ群の抵抗温度係数TCR(平均値)およびその不均一性の評価結果が示されている。表2から、実施例1~5のそれぞれのひずみゲージ群のTCRが-186.1~370.1[ppm/℃]の範囲に含まれ、この点では比較例2、比較例3、参考例1および参考例2のそれぞれのひずみゲージ群と共通していることがわかる。その一方、実施例1~5のそれぞれのひずみゲージ群のTCR不均一性が参考例1および参考例2のそれぞれのひずみゲージ群と同様に0.263~1.916の範囲に含まれ、比較例2および3のそれぞれのひずみゲージ群よりも低いことがわかる。 Table 2 shows the temperature coefficient of resistance (TCR) (average value) and the evaluation results of its non-uniformity for the strain gauge groups of each fabrication example. Table 2 shows that the TCR of each of the strain gauge groups of Examples 1 to 5 falls within the range of -186.1 to 370.1 ppm/°C, which is common to the strain gauge groups of Comparative Example 2, Comparative Example 3, Reference Example 1, and Reference Example 2. On the other hand, the TCR non-uniformity of each of the strain gauge groups of Examples 1 to 5 falls within the range of 0.263 to 1.916, similar to the strain gauge groups of Reference Example 1 and Reference Example 2, and is lower than the strain gauge groups of Comparative Examples 2 and 3.
表2には、各作製例のひずみゲージ群のゲージ率Gf(平均値)およびその不均一性の評価結果が示されている。表2から、実施例1~5のそれぞれのひずみゲージ群のGfが16.6~19.0の範囲に含まれ、比較例2および3のそれぞれのひずみゲージ群と同程度であることがわかる。また、実施例1~5のそれぞれのひずみゲージ群のGfの不均一性が0.076~0.121の範囲に含まれ、比較例2および3のそれぞれのひずみゲージ群よりも低く、さらには参考例1および参考例2のそれぞれのひずみゲージ群よりも低いことがわかる。 Table 2 shows the gauge factor Gf (average value) and the evaluation results of its non-uniformity for the strain gauge groups of each fabrication example. Table 2 shows that the Gf of each of the strain gauge groups of Examples 1 to 5 falls within the range of 16.6 to 19.0, which is comparable to that of each of the strain gauge groups of Comparative Examples 2 and 3. It also shows that the non-uniformity of Gf for each of the strain gauge groups of Examples 1 to 5 falls within the range of 0.076 to 0.121, which is lower than that of each of the strain gauge groups of Comparative Examples 2 and 3, and is also lower than that of each of the strain gauge groups of Reference Examples 1 and 2.
図23には、基板1として合成樹脂(第1基板)のフィルムの上に成膜された薄膜素子2の窒素含有量および抵抗温度係数(TCR)の関係が示されている。図23から、窒素含有量2~10.5%の範囲において、薄膜素子2の抵抗温度係数がゼロ近傍の値を示していることがわかる。 Figure 23 shows the relationship between the nitrogen content and temperature coefficient of resistance (TCR) of thin-film element 2 formed on a synthetic resin film (first substrate) as substrate 1. Figure 23 shows that the temperature coefficient of resistance of thin-film element 2 exhibits a value close to zero when the nitrogen content is in the range of 2 to 10.5%.
図24には、基板1として合成樹脂(第1基板)のフィルムの上に成膜された薄膜素子2の窒素含有量およびゲージ率(Gf)の関係が示されている。図24から、窒素含有量2~10.5%の範囲において、薄膜素子2のゲージ率が窒素含有量の増大に伴って減少する傾向があることがわかる。 Figure 24 shows the relationship between the nitrogen content and gauge factor (Gf) of thin-film element 2 formed on a synthetic resin film (first substrate) as substrate 1. Figure 24 shows that, in the nitrogen content range of 2 to 10.5%, the gauge factor of thin-film element 2 tends to decrease as the nitrogen content increases.
1‥基板、2‥薄膜素子、101‥基板の上面(主面)、102‥基板の下面(主面)。 1: Substrate, 2: Thin-film element, 101: Upper surface (main surface) of substrate, 102: Lower surface (main surface) of substrate.
Claims (2)
前記基板上に形成されている薄膜素子と、
を備えているひずみゲージであって、
前記薄膜素子が、窒素(N)含有量が2.09at%~4.20at%の範囲に含まれ、かつ抵抗温度係数(TCR)が-186.1ppm/℃~370.1ppm/℃であり、かつ、ゲージ率が16.6~19.0であるCr-N薄膜からなる
ことを特徴とするひずみゲージ。 a substrate made of a resin having a stiffness ratio in the range of 227.5×10 3 Pa·m to 682.5×10 3 Pa·m and a thermal expansion coefficient in the range of 3 ppm/°C to 27 ppm/°C;
a thin film element formed on the substrate;
A strain gauge comprising:
The thin film element is made of a Cr-N thin film having a nitrogen (N) content in the range of 2.09 at% to 4.20 at% , a temperature coefficient of resistance (TCR) of -186.1 ppm/°C to 370.1 ppm/°C , and a gauge factor of 16.6 to 19.0 .
前記薄膜素子を180~200℃の範囲の温度で熱処理することで、前記Cr-N薄膜の窒素(N)含有量を2.09at%~4.20at%の範囲にし、かつ前記Cr-N薄膜の抵抗温度係数(TCR)を-186.1ppm/℃~370.1ppm/℃にし、かつ、前記Cr-N薄膜のゲージ率を16.6~19.0にする工程と、
を含んでいる、請求項1記載のひずみゲージの製造方法。 forming a thin-film element made of a Cr—N thin film disposed in a specified manner on a main surface of a substrate made of a resin having a stiffness ratio in the range of 227.5×10 3 Pa·m to 682.5×10 3 Pa·m and a thermal expansion coefficient in the range of 3 ppm/°C to 27 ppm/°C;
heat-treating the thin-film element at a temperature in the range of 180 to 200°C to adjust the nitrogen (N) content of the Cr-N thin film to a range of 2.09 at% to 4.20 at%, the temperature coefficient of resistance (TCR) of the Cr-N thin film to a range of -186.1 ppm/°C to 370.1 ppm/°C, and the gauge factor of the Cr-N thin film to a range of 16.6 to 19.0 ;
2. The method of claim 1, further comprising:
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