JPH0666162B2 - 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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- JPH0666162B2 JPH0666162B2 JP63306318A JP30631888A JPH0666162B2 JP H0666162 B2 JPH0666162 B2 JP H0666162B2 JP 63306318 A JP63306318 A JP 63306318A JP 30631888 A JP30631888 A JP 30631888A JP H0666162 B2 JPH0666162 B2 JP H0666162B2
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- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
- Apparatuses And Processes For Manufacturing Resistors (AREA)
- Non-Adjustable Resistors (AREA)
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vol.5,No7,49（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。
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vol.5,No7,49（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。
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）と酸素と金属であるアルミニウム
（Ａｌ）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は酸素と
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Ｃｒへの添加剤である酸素とＡｌ等の金属がＣ
ｒの結晶粒を微細化するように作用して、Ｃｒ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）と酸素と金属であるアルミニウム
（Ａｌ）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は酸素と
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Ｃｒへの添加剤である酸素とＡｌ等の金属がＣ
ｒの結晶粒を微細化するように作用して、Ｃｒ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％、金属０〜１０原子
％が均一に分布した薄膜であって、膜厚が0.０１〜１０
μｍ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％、金属０〜１０原子
％が均一に分布した薄膜であって、膜厚が0.０１〜１０
μｍ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±１００ppm／℃以下
と小さい。また、１２０℃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、Ａｌ等の金属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、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。
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±１００ppm／℃以下
と小さい。また、１２０℃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、Ａｌ等の金属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、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１５〜２０％が良い。また、金属はＡ
ｌ、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、ジルコニウム
（Ｚｒ）、インジウム（Ｉｎ）等を用いる。金属の含有
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。Ｃ
ｒ、酸素および金属は、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１５〜２０％が良い。また、金属はＡ
ｌ、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、ジルコニウム
（Ｚｒ）、インジウム（Ｉｎ）等を用いる。金属の含有
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。Ｃ
ｒ、酸素および金属は、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。
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。
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プレーティング法、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
と金属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
素と金属の混合状態を一層均一にするために、薄膜形成
後、２００〜５００℃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。
成に用いられるイオンプレーティング法、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
と金属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
素と金属の混合状態を一層均一にするために、薄膜形成
後、２００〜５００℃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１５〜２０at
％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。
％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、Ａｌ、
Ｔｉ等の金属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。
Ｔｉ等の金属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５×１０-6Ｔｏｒｒまで真空排気
した。次に、Ａｒガスを上記装置内に５×１０-3Ｔｏｒ
ｒ導入し、ＣｒターゲットにＤＣ３００Ｗ、Ａｌ２Ｏ３
ターゲットにＲＦ１５０Ｗ（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ＥＰＭＡ、ＸＰ
Ｓ、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−２１at％酸素（Ｏ）−４at％アルミ
ニウム（Ａｌ）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℃、１hr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５×１０-6Ｔｏｒｒまで真空排気
した。次に、Ａｒガスを上記装置内に５×１０-3Ｔｏｒ
ｒ導入し、ＣｒターゲットにＤＣ３００Ｗ、Ａｌ２Ｏ３
ターゲットにＲＦ１５０Ｗ（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ＥＰＭＡ、ＸＰ
Ｓ、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−２１at％酸素（Ｏ）−４at％アルミ
ニウム（Ａｌ）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℃、１hr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Ｋ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℃か
ら１２０℃まで温度を変化させ、抵抗温度係数ＴＣＲ
（ppm／℃）を測定した。また高温放置試験は、１２０
℃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Ｋ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℃か
ら１２０℃まで温度を変化させ、抵抗温度係数ＴＣＲ
（ppm／℃）を測定した。また高温放置試験は、１２０
℃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Ａｌ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−１８at％Ｏ−１３at％ＡｌおよびＣｒ−２６at
％Ｏ−１１at％Ａｌ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Ｓｉ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−Ｃ
ｒ合金の歪抵抗特性を第３図に示す。
がＣｒ−１８at％Ｏ−１３at％ＡｌおよびＣｒ−２６at
％Ｏ−１１at％Ａｌ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Ｓｉ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−Ｃ
ｒ合金の歪抵抗特性を第３図に示す。
評価 表からわかるように、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。また、Ｃｒ、酸素に対しＳｉを１１％な
らびに１３％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、Ｃｒに酸
素とＡｌが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。
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１１％な
らびに１３％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、Ｃｒに酸
素とＡｌが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、表からわかるようにＣｒと酸素ならびにＣｒと
酸素とＡｌからなる歪ゲージは、比較例 のＳｉ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Ａｌ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Ａｌ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
ることが明らかである。
酸素とＡｌからなる歪ゲージは、比較例 のＳｉ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Ａｌ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Ａｌ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。
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。 １…ガラス基板、２…歪ゲージ膜 ３…Ａｕ電極膜、４…リード線
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。 １…ガラス基板、２…歪ゲージ膜 ３…Ａｕ電極膜、４…リード線
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 尾崎 眞 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 日本電 装株式会社内 審査官 飯高 勉 (56)参考文献 特開 昭52−139992（ＪＰ，Ａ)
Claims (1)
- 【請求項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
％、Ｃｒ以外の金属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。
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| JP63306318A JPH0666162B2 (ja) | 1988-12-02 | 1988-12-02 | 歪ゲージ用薄膜抵抗体 |
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Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| JP63306318A JPH0666162B2 (ja) | 1988-12-02 | 1988-12-02 | 歪ゲージ用薄膜抵抗体 |
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| JPH0666162B2 true JPH0666162B2 (ja) | 1994-08-24 |
Family
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Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP63306318A Expired - Fee Related JPH0666162B2 (ja) | 1988-09-12 | 1988-12-02 | 歪ゲージ用薄膜抵抗体 |
Country Status (1)
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-
1988
- 1988-12-02 JP JP63306318A patent/JPH0666162B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
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| JPH02152201A (ja) | 1990-06-12 |
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