JPH0276201A - 歪ゲージ用薄膜抵抗体 - Google Patents
歪ゲージ用薄膜抵抗体Info
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- JPH0276201A JPH0276201A JP63227740A JP22774088A JPH0276201A JP H0276201 A JPH0276201 A JP H0276201A JP 63227740 A JP63227740 A JP 63227740A JP 22774088 A JP22774088 A JP 22774088A JP H0276201 A JPH0276201 A JP H0276201A
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Landscapes
- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
- Non-Adjustable Resistors (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は、歪による電気抵抗変化を利用した歪ゲージ用
の薄膜抵抗体に関するものである。
の薄膜抵抗体に関するものである。
従来、歪ゲージ用薄膜抵抗体は、大きく分けて、金属ま
たは合金の歪抵抗変化を利用したものと、半導体のピエ
ゾ抵抗効果を利用したものの二種類が用いられてきた(
センサ技術νo1.5.Nα7,49(1985))。
たは合金の歪抵抗変化を利用したものと、半導体のピエ
ゾ抵抗効果を利用したものの二種類が用いられてきた(
センサ技術νo1.5.Nα7,49(1985))。
前者(例えばニッケル(Ni)−クロム(Cr)合金)
は、抵抗温度係数が小さいため温度による出力の変動が
小さく、かつ歪抵抗特性の直線性に優れている。しかし
、歪に対する抵抗変化の割合、すなわちゲージ率が低い
という欠点があった。その結果、前者は、ゲージ率が低
いために、歪ゲージのS/N比が小さく高感度の増幅器
を必要とし、歪ゲージの小型化が困難であった。一方、
後者(例えばSi)は、ゲージ率は高いが、抵抗温度係
数が大きく、歪抵抗特性の直線性が悪いという欠点があ
った。その結果、後者は、歪ゲージの出力に直線性を改
善するための増幅器や温度補償回路を必要とし、制御系
が複雑になるという問題があった。さらに、後者は前者
と比べて破壊強度が弱く、高圧用の歪ゲージには不適で
あった。
は、抵抗温度係数が小さいため温度による出力の変動が
小さく、かつ歪抵抗特性の直線性に優れている。しかし
、歪に対する抵抗変化の割合、すなわちゲージ率が低い
という欠点があった。その結果、前者は、ゲージ率が低
いために、歪ゲージのS/N比が小さく高感度の増幅器
を必要とし、歪ゲージの小型化が困難であった。一方、
後者(例えばSi)は、ゲージ率は高いが、抵抗温度係
数が大きく、歪抵抗特性の直線性が悪いという欠点があ
った。その結果、後者は、歪ゲージの出力に直線性を改
善するための増幅器や温度補償回路を必要とし、制御系
が複雑になるという問題があった。さらに、後者は前者
と比べて破壊強度が弱く、高圧用の歪ゲージには不適で
あった。
すなわち、従来は高感度で機械的強度に優れた歪ゲージ
用薄膜抵抗体は存在しなかった。特に高感度で歪抵抗特
性・抵抗温度特性・機械的強度がともに良好な歪ゲージ
用薄膜抵抗体は開発することが困難であるとされていた
。
用薄膜抵抗体は存在しなかった。特に高感度で歪抵抗特
性・抵抗温度特性・機械的強度がともに良好な歪ゲージ
用薄膜抵抗体は開発することが困難であるとされていた
。
このような状況下、本発明者等は上記問題点を解決すべ
く鋭意努力を重ねた。本発明者等はスパッタリングによ
ってクロム(Cr)と酸素と半導体であるシリコン(S
i)を混合した薄膜が通常の金属・合金では得られない
ゲージ率(k=5〜10、通常の金属等は1.5〜3)
を持つことを見出した。したがって、Crと酸素と半導
体を含んだ薄膜抵抗体を歪ゲージ材として用いれば、高
感度の歪ゲージ材が得られることに到達した。また、発
明者はCrへの添加剤である酸素とSi等の半導体がC
rの伝導電子の流れを妨げる散乱体として作用して、C
rの伝導電子の平均自由行程を制御でき、その結果、抵
抗温度係数を低下することができると考えた。
く鋭意努力を重ねた。本発明者等はスパッタリングによ
ってクロム(Cr)と酸素と半導体であるシリコン(S
i)を混合した薄膜が通常の金属・合金では得られない
ゲージ率(k=5〜10、通常の金属等は1.5〜3)
を持つことを見出した。したがって、Crと酸素と半導
体を含んだ薄膜抵抗体を歪ゲージ材として用いれば、高
感度の歪ゲージ材が得られることに到達した。また、発
明者はCrへの添加剤である酸素とSi等の半導体がC
rの伝導電子の流れを妨げる散乱体として作用して、C
rの伝導電子の平均自由行程を制御でき、その結果、抵
抗温度係数を低下することができると考えた。
本発明は、高感度で機械的強度に優れた歪ゲージ用薄膜
抵抗体、さらには歪抵抗特性および抵抗温度特性にも優
れた歪ゲージ用の薄膜抵抗体を提供することを目的とす
る。
抵抗体、さらには歪抵抗特性および抵抗温度特性にも優
れた歪ゲージ用の薄膜抵抗体を提供することを目的とす
る。
(第1発明の説明〕
本第1発明(特許請求の範囲に記載の発明)は、物理的
蒸着法または化学的蒸着法によって形成されたCr60
〜98原子%、酸素2〜30原子%、半導体0〜10原
子%が均一に分布した薄膜であって、膜厚が0.01〜
10μmであることを特徴とする歪ゲージ用薄膜抵抗体
に関するものである。
蒸着法または化学的蒸着法によって形成されたCr60
〜98原子%、酸素2〜30原子%、半導体0〜10原
子%が均一に分布した薄膜であって、膜厚が0.01〜
10μmであることを特徴とする歪ゲージ用薄膜抵抗体
に関するものである。
本第1発明に係る歪ゲージ用薄膜抵抗体は、従来ある金
属または合金の歪ゲージに比べ5以上という高いゲージ
率を示す。また、Si等の半導体歪ゲージに比べ歪抵抗
の直線性に優れ、抵抗温度係数も±1100pp/’C
以下と小さい。また、120°C前後の温度に長時間保
持しても抵抗変化率がほとんど変わらず優れた高温耐久
性を示す。
属または合金の歪ゲージに比べ5以上という高いゲージ
率を示す。また、Si等の半導体歪ゲージに比べ歪抵抗
の直線性に優れ、抵抗温度係数も±1100pp/’C
以下と小さい。また、120°C前後の温度に長時間保
持しても抵抗変化率がほとんど変わらず優れた高温耐久
性を示す。
さらに、従来の金属抵抗体に近い強度が維持されており
、Si等の半導体系抵抗体に比べ著しく高い強度を示す
。このような優れた特性を示す理由ははっきり明らかに
されていないが、抵抗温度係数が小さい理由として、酸
素、特に半導体がCrの伝導電子の流れを妨げる散乱体
として作用しCrの伝導電子の平均自由行程を制御して
いること、組織が極めて微細であること等によるものと
考えられる。また、Crと添加元素との混合状態が均一
なため高温強度に優れているものと推定される。
、Si等の半導体系抵抗体に比べ著しく高い強度を示す
。このような優れた特性を示す理由ははっきり明らかに
されていないが、抵抗温度係数が小さい理由として、酸
素、特に半導体がCrの伝導電子の流れを妨げる散乱体
として作用しCrの伝導電子の平均自由行程を制御して
いること、組織が極めて微細であること等によるものと
考えられる。また、Crと添加元素との混合状態が均一
なため高温強度に優れているものと推定される。
したがって、本発明に係る薄膜抵抗体を用いれば、高ゲ
ージ率で高温耐久性に優れた圧力センサ、ロードセル等
への応用も可能である。
ージ率で高温耐久性に優れた圧力センサ、ロードセル等
への応用も可能である。
〔第2発明の説明〕
以下、本第1発明をより具体化した発明(本第2発明と
する)について詳しく説明する。
する)について詳しく説明する。
薄膜抵抗体を構成するCrの含有量は、60〜98原子
%で、酸素の含有量は2〜30原子%の範囲が望ましい
。これらの範囲外では、高ゲージ率を得るのが困難であ
る。また、半導体はSiゲルマニウム(Ge)、硼素(
B)等を用いる。半導体の含有量は、高ゲージ率を保ち
良好な歪抵抗特性・抵抗温度特性を得るために、0〜1
0原子%の範囲が望ましい。Cr、酸素および半導体は
、少なくともμmオーダー以下でほぼ均一に分布してい
ないと良好な性質は得られない。
%で、酸素の含有量は2〜30原子%の範囲が望ましい
。これらの範囲外では、高ゲージ率を得るのが困難であ
る。また、半導体はSiゲルマニウム(Ge)、硼素(
B)等を用いる。半導体の含有量は、高ゲージ率を保ち
良好な歪抵抗特性・抵抗温度特性を得るために、0〜1
0原子%の範囲が望ましい。Cr、酸素および半導体は
、少なくともμmオーダー以下でほぼ均一に分布してい
ないと良好な性質は得られない。
膜厚は連続膜を形成でき安定な歪抵抗特性を得るために
、0.01μm以上で、かつ、膜の内部応力による破壊
を防ぐために10μm以下が望ましい。
、0.01μm以上で、かつ、膜の内部応力による破壊
を防ぐために10μm以下が望ましい。
本第2発明に係る薄膜抵抗体の製造方法は通常の薄膜形
成に用いられるイオンブレーティング法、スパッタリン
グ法、蒸着法やプラズマCVD法等のPVD法あるいは
CVD法のいずれを用いてもよい。ただし、Cr、酸素
と半導体の混合状態を緻密かつ均一にするためには、ス
パッタリング法または蒸着法が望ましい。また、Cr、
酸素と半導体の混合状態を一層均一にするために、薄膜
形成後、200〜500°Cで1〜2時間程度の熱処理
を施してもよい。薄膜抵抗体中に酸素を含ませるために
は、スパッタリング等の処理雰囲気中に酸素が含有され
ていなければならないが、スパッタリング等のPVD法
等において雰囲気中に不純物として含まれている程度の
酸素量でよい。
成に用いられるイオンブレーティング法、スパッタリン
グ法、蒸着法やプラズマCVD法等のPVD法あるいは
CVD法のいずれを用いてもよい。ただし、Cr、酸素
と半導体の混合状態を緻密かつ均一にするためには、ス
パッタリング法または蒸着法が望ましい。また、Cr、
酸素と半導体の混合状態を一層均一にするために、薄膜
形成後、200〜500°Cで1〜2時間程度の熱処理
を施してもよい。薄膜抵抗体中に酸素を含ませるために
は、スパッタリング等の処理雰囲気中に酸素が含有され
ていなければならないが、スパッタリング等のPVD法
等において雰囲気中に不純物として含まれている程度の
酸素量でよい。
実施例工
第1図に、本実施例によって製作した歪ゲージを示す。
薄膜抵抗体は、二元同時スパッタリング法により形成し
た。まず、コーニング0313ガラス基板1に、トリク
レン煮沸洗浄およびアセトン超音波洗浄を施し、乾燥後
スパッタリング装置内に歪ゲージ用SUS製マスクを介
して配置し、装置内で5X10”Torrまで真空排気
した。次に、Arガスを上記装置内に5X 10−’T
o r r導入し、CrターゲットにDC300W、S
iOターゲットにRF 100W (13,56MHz
)の電力を印加し、6分間スパッタリングを行った。こ
のように製作した抵抗体である歪ゲージ膜2の組成をX
PS、厚さを触針式膜厚計によって調査したところ歪ゲ
ージ膜の組成はCr−24at%酸素(0)4at%シ
リコン(St)膜厚は0.17μmであった(表)。歪
ゲージ膜を形成した基板を大気中に取り出し、電極用マ
スクを取り付けた後スパッタリング装置内で前記と同様
の方法で、AuターゲットにDC250Wの電力を印加
し、1分間のスパッタリングを行い、Au電極膜3を0
.1μm形成した。さらに、大気中で300℃、lhr
の熱処理を施した後、Au電極にリード線4を半田付け
した。このようにして製作した歪ゲージを用いて特性評
価試験を行った。
た。まず、コーニング0313ガラス基板1に、トリク
レン煮沸洗浄およびアセトン超音波洗浄を施し、乾燥後
スパッタリング装置内に歪ゲージ用SUS製マスクを介
して配置し、装置内で5X10”Torrまで真空排気
した。次に、Arガスを上記装置内に5X 10−’T
o r r導入し、CrターゲットにDC300W、S
iOターゲットにRF 100W (13,56MHz
)の電力を印加し、6分間スパッタリングを行った。こ
のように製作した抵抗体である歪ゲージ膜2の組成をX
PS、厚さを触針式膜厚計によって調査したところ歪ゲ
ージ膜の組成はCr−24at%酸素(0)4at%シ
リコン(St)膜厚は0.17μmであった(表)。歪
ゲージ膜を形成した基板を大気中に取り出し、電極用マ
スクを取り付けた後スパッタリング装置内で前記と同様
の方法で、AuターゲットにDC250Wの電力を印加
し、1分間のスパッタリングを行い、Au電極膜3を0
.1μm形成した。さらに、大気中で300℃、lhr
の熱処理を施した後、Au電極にリード線4を半田付け
した。このようにして製作した歪ゲージを用いて特性評
価試験を行った。
歪ゲージとしての特性評価は、歪抵抗特性、抵抗温度特
性、高温放置試験により行った。第3図は、本実施例に
よって製作した歪ゲージの歪と抵抗変化率の関係を示し
たものである。ゲージ率には歪と抵抗変化率の関係を示
す直線の傾きから求めた。抵抗温度特性は、−30°C
から120°Cまで温度を変化させ、抵抗温度係数TC
R(ppm7°C)を測定した。また高温放置試験は、
120°Cで500hr放置した後の抵抗変化率ΔR(
%)を測定した。表に評価結果を示す。
性、高温放置試験により行った。第3図は、本実施例に
よって製作した歪ゲージの歪と抵抗変化率の関係を示し
たものである。ゲージ率には歪と抵抗変化率の関係を示
す直線の傾きから求めた。抵抗温度特性は、−30°C
から120°Cまで温度を変化させ、抵抗温度係数TC
R(ppm7°C)を測定した。また高温放置試験は、
120°Cで500hr放置した後の抵抗変化率ΔR(
%)を測定した。表に評価結果を示す。
実施例2〜4
実施例1と同様の方法で、酸素およびStの組成を変え
て歪ゲージ膜を形成した。表に、歪ゲージ膜の組成・膜
厚を示す。つぎに、実施例1と同様の方法で電極・リー
ド線を取り付けて、実施例1と同様の評価試験を実施し
、表に評価結果を示す。
て歪ゲージ膜を形成した。表に、歪ゲージ膜の組成・膜
厚を示す。つぎに、実施例1と同様の方法で電極・リー
ド線を取り付けて、実施例1と同様の評価試験を実施し
、表に評価結果を示す。
比較例
実施例1と同様、二元スパッタリング法を用いて、組成
がCr−15at%0−13at%SiおよびCr−2
6at%0 12at%Stである薄膜抵抗体ならびに
従来使われてきた歪ゲージ材であるNi−CrおよびS
tをガラス基板上に歪ゲージ膜として形成した。表に組
成・膜厚を示す。次に、実施例1と同様の方法で電極・
リード線を取り付けて歪ゲージを製作し、実施例1と同
様の評価試験を実施した。表に評価結果を示す。また、
Ni−Cr合金の歪抵抗特性を第3図に示す。
がCr−15at%0−13at%SiおよびCr−2
6at%0 12at%Stである薄膜抵抗体ならびに
従来使われてきた歪ゲージ材であるNi−CrおよびS
tをガラス基板上に歪ゲージ膜として形成した。表に組
成・膜厚を示す。次に、実施例1と同様の方法で電極・
リード線を取り付けて歪ゲージを製作し、実施例1と同
様の評価試験を実施した。表に評価結果を示す。また、
Ni−Cr合金の歪抵抗特性を第3図に示す。
評価
表かられかるように、本実施例1〜4に係るCrと酸素
ならびにCrと酸素とSiで構成される歪ゲージ膜は、
比較例のNi−Cr合金と比べて、3〜5.6倍のゲー
ジ率を有する。すなわち、本実施例の歪ゲージは従来の
金属抵抗型歪ゲージよりも感度が数倍も優れていること
が明らかである。
ならびにCrと酸素とSiで構成される歪ゲージ膜は、
比較例のNi−Cr合金と比べて、3〜5.6倍のゲー
ジ率を有する。すなわち、本実施例の歪ゲージは従来の
金属抵抗型歪ゲージよりも感度が数倍も優れていること
が明らかである。
また、Cr、酸素に対しSiを12%ならびに13%添
加した比較例5.6はゲージ率が5以下と低く、また、
5i12%のものは抵抗温度係数も劣っている。これは
、本実施例の歪ゲージでは、Crに酸素とSiが適当量
混合していることにより高いゲージ率を有する薄膜が形
成された効果によるものである。
加した比較例5.6はゲージ率が5以下と低く、また、
5i12%のものは抵抗温度係数も劣っている。これは
、本実施例の歪ゲージでは、Crに酸素とSiが適当量
混合していることにより高いゲージ率を有する薄膜が形
成された効果によるものである。
さらに、表かられかるようにCrと酸素ならびにCrと
酸素とSiからなる歪ゲージは、比較例のStの歪ゲー
ジと比べ、抵抗温度特性・高温耐久性が優れていること
が明らかである。これは、Cr中に酸素とStが適当量
混合することにより、Crの伝導電子の平均自由行程が
短くなり、抵抗温度係数が小さくなったためであると考
えられる。
酸素とSiからなる歪ゲージは、比較例のStの歪ゲー
ジと比べ、抵抗温度特性・高温耐久性が優れていること
が明らかである。これは、Cr中に酸素とStが適当量
混合することにより、Crの伝導電子の平均自由行程が
短くなり、抵抗温度係数が小さくなったためであると考
えられる。
また、Crと酸素とStの混合状態が均一なために、高
温放置しても薄膜は安定であった。また第3図から本実
施例により製作した歪ゲージは直線性を維持したままで
歪感度が著しく改善されていることか明らかである。
温放置しても薄膜は安定であった。また第3図から本実
施例により製作した歪ゲージは直線性を維持したままで
歪感度が著しく改善されていることか明らかである。
また、本実施例1および2に係る歪ゲージはSi等の半
導体系の歪ゲージに比し、強度が著しく優れていた。
導体系の歪ゲージに比し、強度が著しく優れていた。
第1図は本発明の実施例において用いた歪ゲージの平面
図、第2図は該歪ゲージの断面図、第3図は実施例1と
比較例1の歪−抵抗変化率の関係を求めた図である。
図、第2図は該歪ゲージの断面図、第3図は実施例1と
比較例1の歪−抵抗変化率の関係を求めた図である。
Claims (1)
- 物理的蒸着法または化学的蒸着法によって形成された
、Cr60〜98原子%、酸素2〜30原子%、半導体
0〜10原子%が均一に分布した薄膜であって、膜厚が
0.01〜10μmであることを特徴とする歪ゲージ用
薄膜抵抗体。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63227740A JPH0770367B2 (ja) | 1988-09-12 | 1988-09-12 | 歪ゲージ用薄膜抵抗体 |
| EP89116555A EP0359132B1 (en) | 1988-09-12 | 1989-09-07 | Thin film resistor for strain gauge |
| DE68911630T DE68911630T2 (de) | 1988-09-12 | 1989-09-07 | Dünnschichtwiderstand für Dehnungsmesser. |
| US07/404,209 US5001454A (en) | 1988-09-12 | 1989-09-07 | Thin film resistor for strain gauge |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63227740A JPH0770367B2 (ja) | 1988-09-12 | 1988-09-12 | 歪ゲージ用薄膜抵抗体 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0276201A true JPH0276201A (ja) | 1990-03-15 |
| JPH0770367B2 JPH0770367B2 (ja) | 1995-07-31 |
Family
ID=16865626
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63227740A Expired - Fee Related JPH0770367B2 (ja) | 1988-09-12 | 1988-09-12 | 歪ゲージ用薄膜抵抗体 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0770367B2 (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH07335911A (ja) * | 1994-06-06 | 1995-12-22 | Osaka Prefecture | 受圧管一体型圧力センサ |
| JPH0892730A (ja) * | 1994-09-27 | 1996-04-09 | Nok Corp | クロム−酸素合金薄膜の製造法 |
| KR100396932B1 (ko) * | 1995-03-09 | 2004-06-16 | 코닌클리케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이. | 규화크롬저항막을포함하는저항소자 |
| JP2019074452A (ja) * | 2017-10-18 | 2019-05-16 | 公益財団法人電磁材料研究所 | 薄膜ひずみセンサ材料および薄膜ひずみセンサ |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS52139992A (en) * | 1976-05-06 | 1977-11-22 | Gould Inc | Distortion meter and method of manufacture thereof |
-
1988
- 1988-09-12 JP JP63227740A patent/JPH0770367B2/ja not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS52139992A (en) * | 1976-05-06 | 1977-11-22 | Gould Inc | Distortion meter and method of manufacture thereof |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH07335911A (ja) * | 1994-06-06 | 1995-12-22 | Osaka Prefecture | 受圧管一体型圧力センサ |
| JPH0892730A (ja) * | 1994-09-27 | 1996-04-09 | Nok Corp | クロム−酸素合金薄膜の製造法 |
| KR100396932B1 (ko) * | 1995-03-09 | 2004-06-16 | 코닌클리케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이. | 규화크롬저항막을포함하는저항소자 |
| JP2019074452A (ja) * | 2017-10-18 | 2019-05-16 | 公益財団法人電磁材料研究所 | 薄膜ひずみセンサ材料および薄膜ひずみセンサ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0770367B2 (ja) | 1995-07-31 |
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