JPH08201200A

JPH08201200A - 薄膜歪ゲージの形成方法

Info

Publication number: JPH08201200A
Application number: JP2609195A
Authority: JP
Inventors: Noriyasu Amano; 典保天野; Takahiko Yoshida; 貴彦吉田; Muneo Yorinaga; 宗男頼永; Mitsunori Uchida; 光宣内田
Original assignee: Nippon Soken Inc
Current assignee: Soken Inc
Priority date: 1995-01-20
Filing date: 1995-01-20
Publication date: 1996-08-09

Abstract

(57)【要約】【目的】ブリッジ回路を構成する各歪ゲージの抵抗温
度係数のばらつきを低減し、温度補正等の必要をなくす
ことを目的とするものである。【構成】基板１上に薄膜抵抗体３を成膜して、複数の
歪ゲージ３１〜３４を形成するにあたり、上記薄膜抵抗
体３の成膜を、上記基板１を回転させた状態で行ない、
かつ上記基板１の回転方向と上記歪ゲージ３１〜３４の
長手方向とのなす角度が、各歪ゲージ３１〜３４で一致
するように歪ゲージ３１〜３４を配置することによっ
て、抵抗温度係数のばらつきを低減する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、歪により電気抵抗値が
変化する薄膜歪ゲージの形成方法に関する。薄膜歪ゲー
ジは、例えば、圧力センサ等の感圧素子として利用され
る。

【０００２】

【従来の技術】歪ゲージ用薄膜抵抗体としては、現在、
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が主に用いられてい
る。前者は、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。しかしながら、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り、出力のＳ／Ｎ比が
小さく高感度の増幅器を必要とする。一方、後者はゲー
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。このため、直線性を補
正する増幅器や温度補償回路を必要とし、制御系が複雑
になる不具合があった。

【０００３】このような問題に対し、両者の利点を兼ね
備えた薄膜抵抗体の開発が進められいる。そして、例え
ば特開平２−１５２２０１号公報には、構成元素として
クロム、酸素、および金属元素の１種を含有する薄膜抵
抗体（例えばＣｒ−Ｏ−Ａｌ）が、高感度で、優れた歪
抵抗特性および抵抗温度特性を示し、機械的強度も高い
ことが開示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
Ｃｒ−Ｏ−Ａｌ系薄膜抵抗体よりなる歪ゲージを用いて
ブリッジ回路を試作したところ、ブリッジ内の歪ゲージ
の抵抗温度係数にばらつきが見られた。そのため、ブリ
ッジ出力のオフセット電圧が温度により大きく変動し、
温度補正が必要となるという問題があった。

【０００５】そこで、本発明はブリッジ回路を構成する
各歪ゲージの抵抗温度係数のばらつきを低減し、温度補
正等の必要をなくすことを目的とするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、上記課題
を解決するために研究を重ねた結果、図１（ａ）（ｂ）
に示すように、基板１上に薄膜抵抗体３を成膜して複数
の歪ゲージ３１〜３４を形成するにあたり、上記薄膜抵
抗体３の成膜を、上記基板１を回転させた状態で行な
い、かつ上記基板１の回転方向と上記歪ゲージ３１〜３
４の長手方向とのなす角度が、各歪ゲージ３１〜３４で
一致するように該歪ゲージ３１〜３４を配置することに
よって、抵抗温度係数のばらつきを低減できることを見
出した（請求項１）。あるいは上記薄膜抵抗体３を構成
する結晶の配向方向と上記歪ゲージ３１〜３４の長手方
向とのなす角度が、各歪ゲージ３１〜３４で一致するよ
うに該歪ゲージ３１〜３４を配置することもできる（請
求項２）。ここで、上記薄膜抵抗体３の成膜は、図２の
ように上記基板１を回転体７に保持させた状態で行な
い、上記基板１表面に、上記回転体７の回転方向と垂直
な方向（図１（ｂ）点線）に結晶が配向する上記薄膜抵
抗体３を形成する（請求項３）。

【０００７】上記薄膜抵抗体３は、アルミニウム、チタ
ン、タンタル、ジルコニウムおよびインジウムから選ば
れる少なくとも一種の金属と、クロム、および酸素を構
成元素とする（請求項４）。また、上記薄膜抵抗体３
は、例えばスパッタリング法により基板１上に成膜する
ことができる（請求項５）。

【０００８】

【作用】薄膜抵抗体３の成膜は、通常、基板１を回転体
７に保持して行ない、成膜が均一になされるようにして
いる。この時、図３のように薄膜抵抗体３を構成する結
晶粒３５は回転体７の回転方向に対し、垂直な方向に配
向する。従って、歪ゲージを結晶の配向方向に沿って形
成した場合と、これと垂直な方向に沿って形成した場合
とでは、結晶粒界３６を横切る割合が異なる。そして、
この結晶粒３５内と結晶粒界３６とでは抵抗温度係数が
異なるため、結晶粒界３６の影響を受ける割合の違いに
よって、各歪ゲージの抵抗温度係数が変化し、ばらつき
が生じていたものと思われる。また、成膜条件によって
は、結晶粒子が明瞭に観察されない場合もあるが、薄膜
抵抗体３の方向によって同様の抵抗温度係数の差が認め
られたので同じ現象が起きていると推定される。

【０００９】これに対し、本発明では、上記基板１の回
転方向と上記歪ゲージ３１〜３４の長手方向とのなす角
度が各歪ゲージ３１〜３４で一致するように、言い換え
れば、上記薄膜抵抗体３の結晶の配向方向と上記歪ゲー
ジ３１〜３４の長手方向とのなす角度が各歪ゲージ３１
〜３４で一致するように歪ゲージ３１〜３４が配置され
ている。例えば前記図１（ｂ）のゲージパターンでは、
図の左右方向を長手方向とする歪ゲージ３１、３３、上
下方向を長手方向とする歪ゲージ３２、３４のいずれも
結晶の配向方向（図の点線）とのなす角度は４５°であ
り、各歪ゲージ３１〜３４を流れる電流が結晶粒界３６
を通る割合は常に一定となる。よって、抵抗温度係数に
対する結晶粒界３６の寄与分が各歪ゲージ３１〜３４で
ほぼ一定となり、抵抗温度係数のばらつきを大幅に低減
することが可能となる。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の一実施例を添付図面を参照し
て説明する。図１（ａ）（ｂ）は、本発明方法によって
歪ゲージを形成した基板の側面図および平面図である。
図１（ａ）において、ステンレス鋼（ＪＩＳＳＵＳ６
３１）よりなる基板１表面には、全面にＳｉＯ₂等より
なる絶縁膜２が形成され、その上面に歪ゲージとなる薄
膜抵抗体３が形成してある。上記薄膜抵抗体３は、基板
１上に成膜された後、エッチングにより図１（ｂ）に示
す４つの歪ゲージ３１〜３４に加工される。これら歪ゲ
ージ３１〜３４は上記基板１の四辺に沿って同じゲージ
パターンに形成され、その上面の４か所に形成される電
極４により互いに接続されてブリッジ回路を構成してい
る。上記電極４はリード線５により（図１（ａ））、外
部回路に接続される。

【００１１】次に、上記基板１上に歪ゲージ３１〜３４
を形成する方法について説明する。まず、ステンレス製
の薄板よりなる上記基板１の表面を有機溶剤によって十
分に洗浄脱脂した後、該表面にＳｉＯ₂よるなる絶縁膜
２をスパッタリング法にて形成した。次いで、その上面
に歪ゲージとなる薄膜抵抗体３を、図２のスパッタリン
グ装置を用いて成膜した。図中、チャンバー６内には基
板ホルダー７が配設してあり、その外周部下面に上記基
板１を保持せしめた。この時、絶縁膜２を形成した表面
が下に向くようにした。上記基板１の下方にＣｒターゲ
ット８１、Ａｌ₂Ｏ₃ターゲット８２をそれぞれ配設
し、これらＣｒターゲット８１、Ａｌ₂Ｏ₃ターゲット
８２をそれぞれ高周波電源に接続した。なお、上記基板
ホルダー７は図略の回転機構により回転可能となしてあ
り、薄膜抵抗体３が均一に成膜されるようにしてある。
また、上記基板ホルダー７は電気ヒータ７１によって加
熱されるようになしてある。

【００１２】表面に絶縁膜２を設けた上記基板１を、上
記装置の基板ホルダー７に取付け、チャンバー６内を真
空排気した。ここにＡｒとＯ₂の混合ガスを全圧で５×
１０^-3Ｔｏｒｒ導入した。なお、この時、Ｏ₂の含有量
が０．５〜１．０体積％となるようにした。次に、Ｃｒ
ターゲット８１にＲＦ５４０Ｗ、Ａｌ₂Ｏ₃ターゲット
８２にＲＦ２２０Ｗの高周波電力を印加して、基板ホル
ダー７を回転させつつ１０分間スパッタリングを行なっ
た。

【００１３】このようにして得られた薄膜抵抗体３の組
成をＸＰＳ分析により、また厚さを触針式膜厚計によっ
て調べた結果、Ｃｒ−１９原子％酸素−２原子％Ａｌの
組成で、膜厚は０．２μm であった。また、薄膜抵抗体
３の表面をＳＥＭにより観察した。図３に薄膜抵抗体３
の表面ＳＥＭ像の模式図を示すように、薄膜抵抗体３を
構成する結晶粒３５が、基板１の回転方向に対し、垂直
に配向していることがわかった。

【００１４】次に、得られた薄膜抵抗体３をウェットエ
ッチングすることにより、上記図１（ｂ）に示すゲージ
パターンの４つの歪ゲージ３１〜３４を形成した。この
時、各歪ゲージ３１〜３４の長手方向（歪ゲージ３１、
３３は図の左右方向、歪ゲージ３２、３４は図の上下方
向）と、薄膜抵抗体３を構成する結晶粒３５の配向方
向、すなわち基板ホルダー７の回転方向と垂直な方向
（図中、点線）とのなす角度が各歪ゲージ３１〜３４で
一定となるようにする。ここではいずれも４５°となる
ようにした。なお、図１（ｂ）において、上記歪ゲージ
３１は、線幅を図の左右方向３１ａで細く上下方向３１
ｂで太くなるように変えてあり、線幅の細い部分３１ａ
のみの抵抗が歪により変化して歪を検出するように構成
されている。また、この抵抗値に直接かかわる線幅の細
い部分３１ａの方向（左右方向）を歪ゲージの長手方向
とする。これは他の歪ゲージ３２〜３４も同様である。

【００１５】次いで、上記歪ゲージ３１〜３４を互いに
接続するように、上記歪ゲージ３１〜３４上の４か所に
電極４を形成した。電極４はＮｉとＡｕを連続的にスパ
ッタリングし、ＮｉとＡｕの２層構造となるようにし
た。その後、大気中で３００℃、１時間の熱処理を施し
た後、上記電極４にリード線５を半田付けした。

【００１６】このようにして形成した歪ゲージの、抵抗
温度特性（抵抗温度係数）を評価した。各歪ゲージ３１
〜３４の抵抗温度係数を、２５℃から１２５℃まで温度
を変化させて測定したところ、そのばらつきΔＴＣＲは
±３ｐｐｍ／℃とごく小さいことがわかった。

【００１７】次いで、各歪ゲージの長手方向と結晶粒の
配向方向とのなす角度がいずれも９０°である歪ゲージ
（図４（ｃ））についても同様にして抵抗温度係数のば
らつきを調べた。また、比較のため、図４（ａ）のよう
に、上記図１と同様のゲージパターンを有し、各歪ゲー
ジの長手方向と結晶粒の配向方向（図の点線）とのなす
角度が０°または９０°である歪ゲージを形成し、同様
にして歪ゲージの抵抗温度係数のばらつきを調べ、これ
らの結果を図５にグラフ化して示した。ここで、図４
（ｂ）は上記図１の実施例の歪ゲージパターンである。

【００１８】その結果、図４（ａ）のパターンでは、抵
抗温度係数のばらつきΔＴＣＲが±２０ｐｐｍ／℃とば
らつきが大きいのに対し、図４（ｂ）のパターンである
上記実施例の歪ゲージはΔＴＣＲが±３ｐｐｍ／℃、図
４（ｃ）のパターンではΔＴＣＲが±１ｐｐｍ／℃と大
幅に低減している。この結果を図３に示した結晶の配向
をもとに考察すると、図４（ａ）のパターンでは、回転
方向と同方向に形成された歪ゲージはゲージ内を電流が
流れる際に結晶粒界を通る割合が多いため、結晶粒界の
影響を大きく受け、逆に、回転方向と垂直な方向に形成
された歪ゲージはその内部を電流が流れる際に結晶粒界
を通る割合が少なく、結晶粒界の影響をあまり受けない
ものと考えられる。そして、結晶粒３５内と結晶粒界３
６では抵抗温度係数が異なっているため、回転方向と平
行な歪ゲージと垂直な歪ゲージとで抵抗温度係数に差が
生じ、ばらつきの原因となっているものと考えられる。

【００１９】本発明において、歪ゲージの長手方向と基
板の回転方向（結晶粒の配向方向）とのなす角度は、上
記実施例のものに限らず、各歪ゲージで一定であればよ
い。なお、薄膜抵抗体３を構成する金属元素としては、
Ａｌ以外に、アルミニウム、チタン、タンタル、ジルコ
ニウムまたはインジウム等を用いてもよい。基板１はス
テンレス製のものに限らず、例えば電気絶縁性のガラス
基板であってもよい。また、薄膜抵抗体３中のクロムの
含有量は、通常、６０〜９９原子％、酸素は２〜３０原
子％、金属元素は０〜１０原子％の範囲とするのがよ
く、Ｃｒ−Ｏ−金属の３元素がほぼ均一に分布している
ことが特性上望ましい。さらに、薄膜抵抗体３の成膜方
法としては、イオンプレーティング法、プラズマＣＶＤ
法、物理的蒸着法（ＰＶＤ）、化学的蒸着法（ＣＶＤ）
を用いてもよく、上記実施例と同様の効果が得られる。

【００２０】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、抵抗温
度係数のばらつきの小さな歪ゲージを形成することがで
きる。従って温度補正等の必要がないブリッジを形成で
きるので、装置が簡略化でき、低コストにできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１（ａ）（ｂ）は、本発明方法により歪ゲー
ジを形成した基板の全体断面図、および平面図である。

【図２】薄膜抵抗体の形成に使用されるスパッタリング
装置の概略図である。

【図３】薄膜抵抗体の表面ＳＥＭ像の模式図である。

【図４】図４（ａ）（ｂ）（ｃ）は、本発明の効果を調
べるために形成したゲージパターンの例であり、図４
（ａ）は比較用ゲージパターン、図４（ｂ）（ｃ）は本
発明によるゲージパターンである。

【図５】上記図４の各パターンにおける抵抗温度係数の
ばらつきを示す特性図である。

【符号の説明】

１基板２絶縁体３薄膜抵抗体３１〜３４歪ゲージ４電極５リード線７基板ホルダー（回転体）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者内田光宣愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地株式会社日本自動車部品総合研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に薄膜抵抗体を成膜して、複数の
歪ゲージを形成する方法において、上記薄膜抵抗体の成
膜を、上記基板を回転させた状態で行ない、かつ上記基
板の回転方向と上記歪ゲージの長手方向とのなす角度
が、各歪ゲージで一致するように該歪ゲージを配置する
ことを特徴とする薄膜歪ゲージの形成方法。
【請求項２】上記薄膜抵抗体を構成する結晶の配向方
向と上記歪ゲージの長手方向とのなす角度が、各歪ゲー
ジで一致するように該歪ゲージが配置されている請求項
１記載の薄膜歪ゲージの形成方法。
【請求項３】上記薄膜抵抗体の成膜を、上記基板を回
転体に保持させた状態で行ない、上記基板表面に、上記
回転体の回転方向と垂直な方向に結晶が配向する上記薄
膜抵抗体を形成する請求項１または２記載の薄膜歪ゲー
ジの形成方法。
【請求項４】上記薄膜抵抗体がアルミニウム、チタ
ン、タンタル、ジルコニウムおよびインジウムから選ば
れる少なくとも一種の金属と、クロム、および酸素を構
成元素とする請求項１ないし３記載の薄膜歪ゲージの形
成方法。
【請求項５】上記薄膜抵抗体をスパッタリング法によ
り上記基板上に成膜する請求項１ないし４記載の薄膜歪
ゲージの形成方法。