JPH0350801A

JPH0350801A - 歪ゲージ用薄膜抵抗体

Info

Publication number: JPH0350801A
Application number: JP1186944A
Authority: JP
Inventors: Hideya Yamadera; 秀哉山寺; Yasunori Taga; 康訓多賀
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1989-07-19
Filing date: 1989-07-19
Publication date: 1991-03-05

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。

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。

〔従来技術と問題点〕

従来、歪デ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（ヒを利用したものと、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ｖｏ１．５　、　Ｎｏ、　７　、４９（１
９８５））。前者（例えばニッケル（Ｎｉ）クロム（Ｃ
ｒ）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（例えばシリコン（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
。

〔発明の背景〕

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
って鉄（Ｆｅ）と酸素と金属であるアルミニウム（Ａｊ
２）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＝５〜７、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、Ｆｅと酸素と金属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Ｆｅへの添加剤であ
る酸素とＡ１等の金属等がＦｅの結晶粒を微細化するよ
うに作用して、Ｆｅ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。

〔発明の目的〕本発明は、高感度で機械的強度に侵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。

〔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Ｆｅ６０
〜９８原子％、酸素２〜３０原子％、金属又は半導体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±１００　ｐ　ｐｍ／
’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、および金属がＦｅの伝導電子の流れを妨げる散乱体
として作用しＦｅの伝導電子の平均自由行程を制御して
いること、ＡＡ等の金属ならびにＳｉ等の半導体を添加
することにより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、Ｆｅと添加元素との混合状態が
均一なため高温強度に憂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。

〔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。

薄膜抵抗体を構成するＦｅの含有量は、６０〜９８原子
％で、酸素の含有量は２〜３０原子％の範囲で用いる。

これらの範囲外では、高ゲージ率を得るのが困難である
。望ましくは１５〜２５％が良い。また、金属はＡｌ、
チタン（Ｔｉ）、クンタル（Ｔａ）、ジルコニウム（Ｚ
ｒ）、インジウム（Ｉｎ）等を、また、半導体はＳｉ、
ゲルマニウム（Ｇｅ）、硼素（Ｂ）等を用いる。金５瀉
ならびに半導体の含有量は、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、０〜１０原子％
の範囲が望ましい。Ｆｅ、酸素および金属または半導体
は、少なくともμｍオーダーｚ下でほぼ均一に分布して
いないと良好な性質；マ得られない。

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
、０．０１８ｍ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、Ｆｅ、酸素
と金属または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、Ｆｅ、酸素と金属または半導体の混合状態をｍ−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。

膜の特性が特に優れているのは、酸素量が１５〜２５ａ
ｔ％の範囲であるが、１５ａｔ％以上の酸素を膜中に含
ませるためには不純物として雰囲気中に含まれている酸
素量以上の酸素を雰囲気中に積極的に添加する必要があ
る。

しかし、雰囲気中に酸素が含まれていなくても、ＡＣＴ
ｉ等の金属またはＳｉ等の半導体を酸化物の形でスパッ
タリング等を行えば３０ａｔ％までの酸素量であれば薄
膜中に含ませ得る。

〔実施例〕

実施例１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５Ｘ１０−６Ｔｏｒｒまで真空排
気した。次に、Ａｒガスを上記装置内に５Ｘ１０−３Ｔ
ｏｒｒ導入し、ＦｅターゲットにＤＣ３００ＷＳＡｆｆ
２０゜ターゲットにＲＦ　１５０Ｗ　（１３，５６ＭＨ
ｚ）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
ＥＰＭＡ、ＸＰＳ、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Ｆｅ−１８ａｔ％酸素（０
）−４ａｔ％ＡＡ膜厚は０．２０μｍ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°Ｃ，ｌ
ｈｒの熱処理を施した後、Ａｕ電極にリード線、１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、
１２００Ｃ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、膜の組成を８１とした場合な
らひに酸素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。

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
かＦｅ−１６ａｔ％０−１３ａｔ％Ａｊ２およびＦｅ−
２４ａｔ％０−ＬＬａｔ％Ｓｉ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Ｎ＋ＣｒおよびＳ
ｉ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・
リート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、
ＮｉＣｒ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Ｆｅと酸素
、Ｆｅと酸素とＡｌならひにＦｅと酸素とＳｉで構成さ
れる歪ゲージ膜は、比較例のＮｉＣｒ合金と比べて、３
〜４．２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
も優れていることか明らかである。また、Ｆｅ、酸素に
対しＡｌを１３ａｔ％ならびに５ｉｌｌａｔ％添加した
比較例５．６は抵抗温度係数が劣っている。これは、本
実施例の歪ゲージでは、Ｆｅに酸素とＡｌまたはＦｅと
酸素とＳｉか適当量混合していることにより高いゲージ
率を有し、抵抗温度係数の小さい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Ｆｅと酸素ならびにＦｅと
酸素とＡ！、Ｆｅと、酸素とＳｉからなる歪ゲージは、
比較例のＳｉの歪ゲージと比へ、抵抗温度特性・高温耐
久性が憂れていることが明らかである。これは、Ｆｅ中
に酸素とＡβまたはＳｉが適当量混合することにより、
Ｆｅの伝導電子の平均自由行程か短くなり、抵抗温度係
数か小さくなったためであると考えられる。また、Ｆｅ
と酸素とＡ１またはＳｉ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
歪感度か著しく改善されていることが明らかである。

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。

【図面の簡単な説明】

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■と
比較例１の歪−抵抗変化率の関係を求めた図である。

Claims

【特許請求の範囲】

　物理的蒸着法または化学的蒸着法によって形成された
、鉄６０〜９８原子％、酸素２〜３０原子％、金属又は
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。