WO2024171663A1 - 歪抵抗体用合金、歪ゲージ、およびセンサ - Google Patents

歪抵抗体用合金、歪ゲージ、およびセンサ Download PDF

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resistor
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洋介 井出
正一 世良
晃慈 矢野
浩子 篠崎
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Alps Alpine Co Ltd
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    • C22C27/00—Alloys based on rhenium or a refractory metal not mentioned in groups C22C14/00 or C22C16/00
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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
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    • G—PHYSICS
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    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/20—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress
    • G01L1/22—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges
    • G01L1/2287—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges constructional details of the strain gauges

Definitions

  • the present invention relates to alloys for strain resistors, strain gauges, and sensors.
  • Strain gauges are known that are attached to a measurement object (strain generating body) to detect the strain of the measurement object.
  • a measurement object strain generating body
  • One example of the material that makes up a strain gauge is a strain resistor, whose resistance changes as it changes shape when subjected to an external force. Specifically, metal materials containing Ni, Cr, Cu, etc. are used.
  • the strain resistor is formed, for example, in the form of a film on a substrate, and is formed into a desired pattern, such as a meandering pattern, using photolithography and etching techniques.
  • Patent Document 1 proposes, as an example of a resistor for a strain gauge, a thin-film resistor for a strain gauge having a gauge factor of 10 or more and a temperature coefficient of resistance of ⁇ 100 [ppm/°C] or less, which contains chromium (Cr), oxygen (O) and nitrogen (N), is expressed by the general formula Cr100-xyOxNy , the composition ratios x and y satisfy the relationships of 3.0 ⁇ x ⁇ 15.0 and 1.0 ⁇ y ⁇ 10.0 in atomic %, and the chromium has a bcc structure with a (110) orientation.
  • Cr chromium
  • O oxygen
  • N nitrogen
  • the thin-film resistor described in Patent Document 1 has its temperature coefficient of resistance (TCR) reduced by optimizing the heat treatment included in the manufacturing process to adjust the orientation of chromium. This means that the temperature coefficient of resistance (TCR) of the thin-film resistor described in Patent Document 1 is susceptible to variations in the manufacturing process. For this reason, with the method disclosed in Patent Document 1, it was not easy to consistently create a strain resistor with a high gauge factor Gf and low susceptibility to temperature changes.
  • the present invention aims to provide a strain gauge with a high gauge factor Gf and low susceptibility to temperature changes, using an approach different from that of Patent Document 1, and to make it possible to easily form a strain resistor in a strain gauge without requiring reactive gas components such as oxygen or nitrogen in the manufacturing process, and therefore using a general-purpose sputtering device or the like. It also aims to provide an alloy for a strain resistor that provides the strain resistor in such a strain gauge, and a sensor equipped with such a strain gauge.
  • an alloy for a strain resistor is an alloy for a strain resistor having a composition of Cr100 -xyFexMy , where M is one or more elements selected from the group consisting of Nb, Mo, Ta, and W (hereinafter, also referred to as "element M").
  • a Cr-Fe alloy can provide a strain resistor having a gauge factor Gf of 10 or more and a negative temperature coefficient of resistance TCR.
  • a Cr-M alloy can provide a strain resistor having a gauge factor Gf of 10 or more and a positive temperature coefficient of resistance TCR.
  • a strain resistor made of an alloy for a strain resistor having a composition of Cr 100-xy Fe x M y which is one of these alloys, can easily achieve a gauge factor Gf of 10 or more and a temperature coefficient of resistance TCR in the range of ⁇ 1000 ppm/°C.
  • the gauge factor Gf and temperature coefficient of resistance TCR can be controlled by the alloy composition, precise control of the crystal structure is not required compared to the case of incorporating oxygen (O) and nitrogen (N) into Cr as disclosed in Patent Document 1. Therefore, by using the above-mentioned alloy for strain resistors, it is possible to obtain a strain resistor with a high gauge factor Gf and low susceptibility to temperature effects without increasing the manufacturing load, and therefore of high quality.
  • the amount of Fe added, x is 0.8 atomic % or more and 11.2 atomic % or less.
  • the amount of element M added, y is more than 0 atomic % and 7.7 atomic % or less.
  • Another aspect of the present invention is a strain gauge having a film-shaped strain resistor having the alloy composition of the above-mentioned alloy for strain resistors.
  • the film-shaped strain resistor may be made of a thin film formed by a film formation process such as sputtering, or may be made of a foil formed by mechanical processing such as rolling.
  • the concept of "film-shaped” includes thin film shapes and foil shapes. From the viewpoint of stably achieving a high gauge factor Gf, it is preferable that the strain resistor of this strain gauge has a bcc structure.
  • the above-mentioned strain gauge has a gauge factor Gf and an absolute value
  • the present invention provides a sensor comprising a substrate and the above-described strain gauge provided on the substrate, the strain gauge serving as a detection means.
  • the present invention provides a strain gauge that has a high gauge factor Gf and is not easily affected by temperature changes.
  • the present invention also provides an alloy for a strain resistor that provides the strain resistor included in the strain gauge, and a sensor that includes the strain gauge.
  • the strain resistor included in the strain gauge can be easily manufactured using a general-purpose sputtering device, etc.
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of a strain sensor according to an embodiment of the present invention.
  • 2 is a conceptual diagram showing a cross section taken along line AA in FIG. 1.
  • 1 is a graph showing the relationship between the gauge factor Gf of a strain gauge having a strain resistor made of a Cr-X alloy and the amount of added X element.
  • 1 is a graph showing the relationship between the temperature coefficient of resistance TCR of a strain gauge made of a Cr—X alloy and the amount of added X element.
  • 1 is a graph showing the relationship between the gauge factor Gf and the temperature coefficient of resistance TCR of a strain gauge having a strain resistor made of a Cr—X alloy.
  • Example 6 is a graph in which the horizontal axis is changed to the absolute value of the temperature coefficient of resistance TCR in FIG. 5 .
  • 1 is a graph showing the results of Example 1 and Example 2 (the effect of changing the composition of a Cr—Fe—Ta alloy) showing the dependence of gauge factor Gf on the amount of Ta added.
  • 1 is a graph showing the results of Example 1 and Example 2 (the effect of changing the composition of a Cr—Fe—Ta alloy) showing the dependence of the temperature coefficient of resistance (TCR) on the amount of Ta added.
  • 13 is a graph showing the result (change in film thickness) of Example 3, showing the dependence of gauge factor Gf on temperature coefficient of resistance TCR.
  • 1 is a graph showing the results (type of M) of Examples 4 to 6, showing the dependence of gauge factor Gf on the amount of Ta added.
  • 1 is a graph showing the results (types of M) of Examples 4 to 6, illustrating the dependence of the temperature coefficient of resistance (TCR) on the amount of Ta added.
  • 1 is a graph showing the results of Example 1 and Example 2 (the effect of changing the composition of a Cr—Fe—Ta alloy) showing the absolute value dependency of the gauge factor Gf on the temperature coefficient of resistance TCR.
  • 1 is a graph showing the results of Examples 4 to 6 (types of M) showing the absolute value dependency of the gauge factor Gf on the temperature coefficient of resistance TCR.
  • the sensor 100 has a strain gauge 10 having a meandering pattern and an electrode 20 for passing electricity through the strain gauge 10.
  • the strain gauge 10 and the electrode 20 are both formed on a substrate 30.
  • the strain gauge 10 functions as a detection means.
  • the sensor 100 may be a strain sensor that measures the strain of the strain gauge 10 itself based on a signal from the strain gauge 10, a deformation/displacement sensor that measures the degree of deformation of a member (strain body) to which the sensor 100 is attached, or a sensor that measures other physical quantities (pressure, speed, acceleration, etc.) based on the degree of deformation of the strain body.
  • Non-limiting examples of the constituent material of the electrode 20 include Cu, Au, and alloys containing these.
  • the electrode 20 comprises a first electrode 201 connected to one end of the strain gauge 10 and a second electrode 202 connected to the other end, and each of the first electrode 201 and the second electrode 202 is provided with a plating layer 21 for the purpose of increasing the solder adhesion strength.
  • FIG. 2 is a conceptual diagram showing a cross section taken along line A-A in FIG. 1.
  • the strain gauge 10 comprises a laminate 11 including a film-shaped strain resistor 12 and a protective layer 13 provided with a portion in contact with the strain resistor 12, and the laminate 11 forms a meandering pattern.
  • the protective layer 13 is provided as necessary but is not essential, and may be made of Ta, for example.
  • L is the length in the direction of current flow (current direction length) of the strain gauge 10 when no external force is applied (unloaded)
  • ⁇ L is the change in the length of the strain gauge 10 in the current direction when an external force is applied to the strain gauge 10 (loaded) compared to when it is unloaded
  • R is the resistance value of the strain gauge 10 when it is unloaded
  • ⁇ R is the change in the resistance value of the strain gauge 10 when it is loaded compared to when it is unloaded.
  • the strain resistor 12 is made of a Cr-Fe-M alloy having a composition of Cr100 -xyFexMy , where M is one or more elements (element M) selected from the group consisting of Nb, Mo, Ta, and W.
  • the crystal structure of the strain resistor 12 is preferably a bcc structure from the viewpoint of increasing the gauge factor Gf of the strain resistor 12.
  • a non-limiting example of the resistivity of the strain resistor 12 is 100 ⁇ cm or less.
  • Table 1 shows the results of measuring the gauge factor Gf (measurement temperature: 25°C; same below) and temperature coefficient of resistance TCR for a strain gauge 10 having a strain resistor 12 made of a Cr-X alloy (element X is any one of Fe, Ta, Nb, Mo, or W; same below) while changing the amount of element X added.
  • Figure 3 is a graph created from the results of Table 1 showing the relationship between the gauge factor Gf of a strain gauge 10 having a strain resistor 12 made of a Cr-X alloy and the amount of element X added.
  • Figure 4 is a graph created from the results of Table 1 showing the relationship between the temperature coefficient of resistance TCR of a strain gauge 10 having a strain resistor 12 made of a Cr-X alloy and the amount of element X added.
  • a Cr-Fe alloy can provide a strain gauge 10 having a gauge factor Gf of 10 or more and a negative temperature coefficient of resistance TCR.
  • a Cr-X alloy other than a Cr-Fe alloy can provide a strain gauge 10 having a gauge factor Gf of 10 or more and a positive temperature coefficient of resistance TCR.
  • a strain gauge 10 having a strain resistor 12 made of a strain resistor alloy having a composition of Cr 100-xy Fe x M y , which is one of these alloys can easily achieve a gauge factor Gf of 10 or more and a temperature coefficient of resistance TCR in the range of ⁇ 1000 ppm/°C.
  • the gauge factor Gf and temperature coefficient of resistance TCR of the strain gauge 10 can be controlled by the alloy composition of the strain resistor 12, precise control of the crystal structure is not required compared to the case of incorporating oxygen (O) and nitrogen (N) into Cr as disclosed in Patent Document 1. Therefore, by using the above-mentioned alloy for the strain resistor, it is possible to obtain a high-quality strain gauge 10 that has a high gauge factor Gf and is less susceptible to temperature effects without increasing the manufacturing load.
  • the amount of Fe added x is 0.8 atomic % or more and 11.2 atomic % or less.
  • the gauge factor Gf of the strain gauge 10 is 10 or more. Therefore, by setting the amount of Fe added x in this range, it is easy to make the gauge factor Gf high and less susceptible to temperature changes even in the strain gauge 10 equipped with the strain resistor 12 made of the Cr-Fe-M alloy.
  • the amount of Fe added x is 1.2 atomic % or more and 9.3 atomic % or less, and it may be more preferable that the amount of Fe added x is 3.1 atomic % or more and 7.6 atomic % or less.
  • the amount of element M added (M amount) y is more than 0 atomic % and 7.7 atomic % or less. As shown in FIG. 3, when the M amount y is in the above range, the gauge factor Gf tends to increase for any of the elements constituting element M, and the temperature coefficient of resistance TCR is a positive value, making it easy to obtain a strain resistor 12 that has a high gauge factor Gf and is not easily affected by temperature changes.
  • the M amount y is 0.5 atomic % or more and 3.5 atomic % or less, more preferably 1.1 atomic % or more and 3.1 atomic % or less, and particularly preferably 1.1 atomic % or more and 2.1 atomic % or less.
  • the amount of M added y may be preferably 0.5 atomic % or more and 3.5 atomic % or less, more preferably 0.5 atomic % or more and 3.1 atomic % or less, and particularly preferably 1.1 atomic % or more and 2.0 atomic % or less.
  • the amount of M added y may be preferably 2 atomic % or more and 14 atomic % or less, more preferably 3.3 atomic % or more and 13.5 atomic % or less, and particularly preferably 3.3 atomic % or more and 6.5 atomic % or less.
  • the amount of M added y may preferably be 1 atomic % or more and 12 atomic % or less, more preferably 1.2 atomic % or more and 9.1 atomic % or less, and particularly preferably 4.1 atomic % or more and 7.7 atomic % or less.
  • the gauge factor Gf is closely related to the Neel temperature (Tn) of the Cr-based material, and it is believed that when the amount of Fe or M added is excessively large, the decrease in the gauge factor Gf is caused by Tn deviating from the appropriate temperature range.
  • the sum x+y of the amount of Fe added and the amount of M added depends on the type of constituent element of element M, but in some cases it may be preferable for it to be 11 atomic % or less, in some cases it may be more preferable for it to be 10 atomic % or less, and in some cases it may be particularly preferable for it to be 6 atomic % or less.
  • the ratio of the amount of M added y to the sum (x+y) of the amount of Fe added x and the amount of M added y (y/(x+y), unit: %) depends on the type of element that constitutes element M, but may be preferably 55% or less, more preferably 50% or less, and particularly preferably 40% or less.
  • Fig. 5 is a graph showing the relationship between the gauge factor Gf and the temperature coefficient of resistance TCR of a Cr-X alloy.
  • Fig. 6 is a graph in which the horizontal axis of Fig. 5 is changed to the absolute value of the temperature coefficient of resistance TCR (unit: ppm/°C).
  • Fe is an element whose behavior is significantly different from that of element M, and in particular, the change in the temperature coefficient of resistance TCR is significantly different from that of element M.
  • the gauge factor Gf and the absolute value of the temperature coefficient of resistance TCR in the Cr-Fe alloy generally satisfy the following formula (a). Gf ⁇ 0.0056 ⁇
  • Equation f0 shown by the dashed line in Figure 6, shows the case where the above equation (a) has an equal sign, and is a mathematical formula obtained by linear approximation using the results in Table 1 where the Fe addition amount x is 1.2 atomic % to 5.9 atomic %. Cr-Fe alloys are unable to reach the region in the upper left of the graph compared to equation f0, that is, the region where the gauge factor Gf is high and the absolute value of the temperature coefficient of resistance TCR is low.
  • the Cr-Fe-M alloy according to this embodiment can achieve a range that cannot be achieved by a Cr-Fe alloy, that is, can satisfy the following formula (1).
  • the Cr-Fe-M alloy according to this embodiment can, in a preferred example, reach the upper left region with the boundary line being the formula f1 shown by the solid line in Fig. 6. That is, the Cr-Fe-M alloy according to this embodiment can, in a preferred example, satisfy the following formula (2). Gf ⁇ 0.0056 ⁇
  • the thickness of the strain resistor 12 of the strain gauge 10 is not limited. As shown in the examples described later, the thickness of the strain resistor 12 may have a positive correlation with the gauge factor Gf and the temperature coefficient of resistance TCR. In that case, the thickness of the strain resistor 12 can be changed to match the desired gauge factor Gf and temperature coefficient of resistance TCR. In other words, the thickness of the strain resistor 12 can be positioned as an adjustment factor for the characteristics of the strain resistor 12. The thickness of the strain resistor 12 can be adjusted in the range from a thin film of several tens of nm to a foil of several tens of ⁇ m by appropriately setting the manufacturing method.
  • the method for manufacturing the strain resistor 12 according to this embodiment is not limited. As described above, since the strain resistor 12 is made of the alloy for strain resistors according to this embodiment, it can be manufactured by a known film formation method such as sputtering, or by mechanical processing such as rolling.
  • an alloy having a composition corresponding to the composition of the strain resistor 12 to be manufactured may be used as the target, or a target consisting of tiled pure metals of Cr, Fe, and M may be used to adjust the composition of the strain resistor 12.
  • a target consisting of tiled pure metals of Cr, Fe, and M may be used to adjust the composition of the strain resistor 12.
  • two or more targets may be used for simultaneous sputtering, and the composition of the strain resistor 12 may be adjusted by adjusting the amount of power applied to each of them.
  • the thickness may be preferably 300 nm or less.
  • the thickness of the strain resistor 12 is too small, the resistance change due to strain may be too small and the function of the strain resistor 12 may not be properly performed.
  • the thickness may be preferably 30 nm or more.
  • the thin film resistor for strain gauge disclosed in Patent Document 1 is obtained by performing reactive sputtering in which oxygen molecules (O 2 ) and nitrogen molecules (N 2 ) are mixed into the atmosphere as reactive gas components, and the amount of oxygen (O) and nitrogen (N) contained in the formed film is adjusted, thereby obtaining the desired effect (gauge factor of 10 or more, resistance temperature coefficient of ⁇ 100 [ppm/° C.] or less).
  • the strain resistor 12 according to this embodiment does not require adjustment of the supply amount of reactive gas components, and can be manufactured by forming an alloy film using a general-purpose sputtering device. Therefore, the strain resistor 12 according to this embodiment has excellent quality stability and excellent productivity.
  • the thickness in the range of 1 ⁇ m to 10 ⁇ m, and more preferably in the range of 2 ⁇ m to 5 ⁇ m, from the viewpoints of ensuring ease of manufacturing, ease of handling, and processing accuracy of the thickness.
  • the above-described embodiments are described to facilitate understanding of the present invention, and are not described to limit the present invention. Therefore, each element disclosed in the above embodiments is intended to include all design modifications and equivalents that fall within the technical scope of the present invention.
  • the case where element M consists of one type of element includes the case where other elements are present to an extent that does not substantially affect the effects of the invention, and a specific example of such a case is the case where the mixture of other elements is unavoidable from the perspective of industrial production.
  • Example 1 A strain gauge 10 was manufactured by sputtering on a substrate 30 made of a polyimide film, the substrate 30 being provided with a strain resistor 12 made of a Cr-Fe-Ta alloy.
  • the composition of the Cr-Fe-Ta alloy is as shown in Table 2 (Example 1) and Table 3 (Example 2).
  • the target value of the Fe additive amount x in Example 1 was 5 atomic %, and the target value of the Fe additive amount x in Example 2 was 3 atomic %.
  • the thickness of the strain resistor 12 was 100 nm.
  • the characteristics of the strain gauge 10 were evaluated using a sensor 100 equipped with the obtained strain gauge 10.
  • the evaluation results are shown in Tables 2 and 3. Based on the results in these tables, the dependence of the gauge factor Gf on the amount of Ta added is shown in Figure 7, and the dependence of the temperature coefficient of resistance TCR on the amount of Ta added is shown in Figure 8.
  • the strain gauge 10 provided in the sensor 100 produced in Examples 1 and 2.
  • the gauge factor Gf exceeds 10 when the Ta addition amount y reaches 4.6 atomic % based on the trend shown in FIG. 7, and when the Ta addition amount y is 4.1 atomic % or less based on the measured values shown in Table 2.
  • the temperature coefficient of resistance TCR of the strain gauge 10 is in the range of ⁇ 1000 ppm/° C. when the Ta addition amount y is 0.1 atomic % to 5.1 atomic % based on the trend shown in FIG.
  • the gauge factor Gf exceeds 10 when the Ta additive amount y reaches 2.7 atomic % based on the trend shown in FIG. 7, and when the Ta additive amount y reaches 1.8 atomic % or less based on the measured values shown in Table 3.
  • the temperature coefficient of resistivity TCR is in the range of ⁇ 1000 ppm/° C. when the Ta additive amount y reaches 4.0 atomic % based on the trend shown in FIG. 8, and when the Ta additive amount y reaches 3.8 atomic % or less based on the measured values shown in Table 3.
  • Example 3 Using the same manufacturing method as in Example 1, sensors 100 were fabricated including strain resistors 12 made of Cr-Fe-Ta alloys having the same composition but different film thicknesses as shown in Table 4, and the characteristics of the strain gauges 10 were evaluated. The results are shown in Table 4 and Fig. 9.
  • Fig. 9 is a graph showing the dependence of gauge factor Gf on temperature coefficient of resistance TCR, showing the results of Example 2 (changes in film thickness).
  • Example 4 Strain gauges 10 were manufactured using the same manufacturing method as in Example 1, each of which was provided with a strain resistor 12 in which the type of alloy M was varied.
  • Table 5 shows the case in which the alloy M was made of Nb (Example 4)
  • Table 6 shows the case in which the alloy M was made of Mo (Example 5)
  • Table 7 shows the case in which the alloy M was made of W (Example 6).
  • the Fe addition amount x was aimed for 5 atomic %.
  • the characteristics of the strain gauge 10 were evaluated using a sensor 100 equipped with the obtained strain gauge 10. The evaluation results are shown in Tables 5 to 7. Based on the results in these tables, the dependence of the gauge factor Gf on the amount of element M added is shown in Figure 10, and the dependence of the temperature coefficient of resistance TCR on the amount of element M added is shown in Figure 11.
  • the strain gauge 10 (in which the Fe addition amount x of the Cr-Fe-M alloy constituting the strain resistor 12 is 5.0 atomic % or more and 5.3 atomic % or less) provided in the sensor 100 produced in Examples 4 to 6.
  • the gauge factor Gf exceeds 10 when the amount of Nb added y reaches 3.8 atomic % based on the trend shown in FIG. 10, and reaches 3.0 atomic % or less based on the measured values shown in Table 5, and the temperature coefficient of resistance TCR is in the range of ⁇ 1000 ppm/° C. when the amount of Nb added y reaches 5.4 atomic % based on the trend shown in FIG.
  • the gauge factor Gf of the strain gauge 10 exceeds 10 when the amount of Mo added y reaches 6.2 atomic % based on the trend shown in FIG. 10, and reaches 5.6 atomic % or less based on the measured values shown in Table 6, and the temperature coefficient of resistance TCR is in the range of ⁇ 1000 ppm/° C. when the amount of Mo added y reaches 5.4 atomic % based on the trend shown in FIG. Based on the trend shown in FIG. 10, the temperature coefficient of resistance TCR of the strain gauge 10 is in the range of ⁇ 1000 ppm/° C.
  • the gauge factor Gf of the strain gauge 10 exceeds 10 up to the W additive amount y of 5.8 atomic % based on the trend shown in FIG. 10, and up to 5.6 atomic % based on the measured values shown in Table 7; and based on the trend shown in FIG. 11, the temperature coefficient of resistance TCR of the strain gauge 10 is in the range of ⁇ 1000 ppm/° C. up to the W additive amount y of 6.0 atomic %, and up to 0.8 atomic % to 5.9 atomic % based on the measured values shown in Table 7.
  • FIG. 12 is a graph showing the results of Examples 1 and 2 (the effect of changing the composition of the Cr-Fe-Ta alloy) and the absolute value dependence of the gauge factor Gf on the temperature coefficient of resistance TCR.
  • FIG. 13 is a graph showing the results of Examples 4 to 6 (type of element M) and the absolute value dependence of the gauge factor Gf on the temperature coefficient of resistance TCR. As shown in FIG. 12 and FIG. 13, it was confirmed that the results of all the Examples reached the region to the upper left of formula f0 in these figures, and further reached the region to the upper left of formula f1.
  • sensor 10 strain gauge 11: laminate 12: strain resistor 13: protective layer 20: electrode 201: first electrode 202: second electrode 21: plating layer 30: substrate

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Abstract

ゲージ率Ｇｆが高く温度変化の影響を受けにくい本発明の一態様に係る歪ゲージは、Ｃｒ100-x-yＦｅxＭyからなる組成を有する合金組成を有し膜状の歪抵抗体を備える歪ゲージであって、元素Ｍは、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、およびＷからなる群から選ばれる１種また２種以上であり、Ｆｅ添加率であるｘは０．８原子％以上１１．２原子％以下であることが好ましい場合があり、Ｍ添加率であるｙは０原子％超７．７原子％以下であることが好ましい場合がある。

Description

歪抵抗体用合金、歪ゲージ、およびセンサ
　本発明は、歪抵抗体用合金、歪ゲージ、およびセンサに関する。
　測定対象物（起歪体）に貼付して、測定対象物の歪みを検出する歪ゲージが知られている。歪ゲージの構成材料として、外力を受けて形状変化することに伴って抵抗が変化する歪抵抗体が例示され、具体的には、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｕなどを含有する金属系材料が用いられる。歪抵抗体は、例えば基材に膜状に形成され、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術などによって、ミアンダパターンなど所望のパターンに形成される。
　歪抵抗体は抵抗温度係数の絶対値が大きい場合が多いため、例えば特許文献１には、歪ゲージ用抵抗体の一例として、ゲージ率が１０以上であり、その抵抗温度係数は、±１００［ｐｐｍ／℃］以下である歪ゲージ用薄膜抵抗体として、クロム（Ｃｒ）と酸素（Ｏ）と窒素（Ｎ）を含んでおり、一般式Ｃｒ100-x-yＯxＮyで表され、組成比ｘ、ｙは、原子％において、３．０≦ｘ≦１５．０の関係と、１．０≦ｙ≦１０．０の関係を満たしており、前記クロムが（１１０）配向のｂｃｃ構造を有している薄膜抵抗体が提案されている。
特開２０１９－２０４８７４号公報
　特許文献１に記載される薄膜抵抗体は、その製造工程に含まれる熱処理を最適化することによりクロムの配向性を整え、これにより抵抗温度係数ＴＣＲを低下させている。これはすなわち、特許文献１に記載される薄膜抵抗体は、抵抗温度係数ＴＣＲが製造工程のばらつきの影響を受けやすいことを意味している。このため、特許文献１に開示される方法では、ゲージ率Ｇｆが高く温度変化の影響を受けにくい歪抵抗体を安定的に作ることは容易ではなかった。
　本発明は、かかる事情を背景として、特許文献１とは異なるアプローチで、ゲージ率Ｇｆが高く温度変化の影響を受けにくい歪ゲージを提供すること、また、酸素や窒素などの反応性ガス成分を製造過程で必要とせず、それゆえ汎用スパッタリング装置等を用いて、歪ゲージが備える歪抵抗体を容易に形成できるようにすることを目的とする。また、かかる歪ゲージが備える歪抵抗体を与える歪抵抗体用合金、およびかかかる歪ゲージを備えるセンサを提供することを目的とする。
　上記の課題を解決するための本発明の一態様に係る歪抵抗体用合金は、Ｃｒ100-x-yＦｅxＭyからなる組成を有する歪抵抗体用合金であって、Ｍは、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、およびＷからなる群から選ばれる１種または２種以上の元素（以下、「元素Ｍ」ともいう。）である。
　Ｃｒ－Ｆｅ合金は、ゲージ率Ｇｆが１０以上かつ抵抗温度係数ＴＣＲが負となる歪抵抗体を与えることが可能である。一方、Ｃｒ－Ｍ合金は、ゲージ率Ｇｆが１０以上かつ抵抗温度係数ＴＣＲが正となる歪抵抗体を与えることが可能である。そこで、これらの合金であるＣｒ100-x-yＦｅxＭyからなる組成を有する歪抵抗体用合金からなる歪抵抗体は、ゲージ率Ｇｆが１０以上であること、かつ抵抗温度係数ＴＣＲが±１０００ｐｐｍ／℃の範囲となることを容易に達成することができる。
　しかも、合金組成によりゲージ率Ｇｆおよび抵抗温度係数ＴＣＲを制御することができるため、特許文献１に開示されるようなＣｒに酸素（Ｏ）および窒素（Ｎ）を含有させる場合に比べて、結晶構造の精密な制御が必要とされない。したがって、上記の歪抵抗体用合金を用いることにより、ゲージ率Ｇｆが高く温度の影響を受けにくい歪抵抗体を、製造負荷を高めることなく、それゆえ、高品質で、得ることが可能である。
　上記の歪抵抗体用合金において、Ｆｅの添加量であるｘは０．８原子％以上１１．２原子％以下であることが好ましい場合がある。また、元素Ｍの添加量であるｙは０原子％超７．７原子％以下であることが好ましい場合がある。これらの条件を満たすことにより、高品質で、ゲージ率Ｇｆが高く温度の影響を受けにくい歪抵抗体を得ることがより安定的に実現されうる。
　本発明の他の一態様は、上記の歪抵抗体用合金の合金組成を有し膜状の歪抵抗体を備える歪ゲージである。膜状の歪抵抗体は、スパッタリングなどの成膜プロセスで形成される薄膜からなるものであってもよいし、圧延などの機械加工によって形成される箔からなるものであってもよい。すなわち、「膜状」の概念は、薄膜形状および箔形状を含む。この歪ゲージは、高いゲージ率Ｇｆを安定的に実現する観点から、前記歪抵抗体はｂｃｃ構造を有していることが好ましい。
　上記の歪ゲージは、ゲージ率Ｇｆと、抵抗温度係数ＴＣＲ（単位：ｐｐｍ／℃）の絶対値｜ＴＣＲ｜とが、下記式（１）または下記式（２）を満たすことが可能であることが好ましい。
　　Ｇｆ＞０．００５６×｜ＴＣＲ｜＋１０．２１　　　（１）
　　Ｇｆ≧０．００５６×｜ＴＣＲ｜＋１１　　　　　　（２）
　本発明は、別の一態様として、基材と、前記基材に設けられる上記の歪ゲージと、を備え、前記歪ゲージを検知手段とする、センサを提供する。
　本発明によれば、ゲージ率Ｇｆが高く温度変化の影響を受けにくい歪ゲージが提供される。また、かかる歪ゲージが備える歪抵抗体を与える歪抵抗体用合金、かかる歪ゲージを備えるセンサが、本発明により提供される。かかる歪ゲージが備える歪抵抗体は、汎用スパッタリング装置などを用いることにより容易に製造することが可能である。
本発明の一実施形態に係る歪みセンサの一例を示す図である。 図１のＡ－Ａ線での断面を示す概念図である。 Ｃｒ－Ｘ合金からなる歪抵抗体を備える歪ゲージのゲージ率ＧｆとＸ元素の添加量との関係を示すグラフである。 Ｃｒ－Ｘ合金からなる歪ゲージの抵抗温度係数ＴＣＲとＸ元素の添加量との関係を示すグラフである。 Ｃｒ－Ｘ合金からなる歪抵抗体を備える歪ゲージのゲージ率Ｇｆと抵抗温度係数ＴＣＲとの関係を示すグラフである。 図５について、横軸を抵抗温度係数ＴＣＲの絶対値に変更したグラフである。 実施例１および実施例２の結果（Ｃｒ－Ｆｅ－Ｔａ合金の組成変更の影響）を示す、ゲージ率ＧｆのＴａ添加量依存性グラフである。 実施例１および実施例２の結果（Ｃｒ－Ｆｅ－Ｔａ合金の組成変更の影響）を示す、抵抗温度係数ＴＣＲのＴａ添加量依存性グラフである。 実施例３の結果（膜厚変化）を示す、ゲージ率Ｇｆの抵抗温度係数ＴＣＲ依存性グラフである。 実施例４から実施例６の結果（Ｍの種類）を示す、ゲージ率ＧｆのＴａ添加量依存性グラフである。 実施例４から実施例６の結果（Ｍの種類）を示す、抵抗温度係数ＴＣＲのＴａ添加量依存性グラフである。 実施例１および実施例２の結果（Ｃｒ－Ｆｅ－Ｔａ合金の組成変更の影響）を示す、ゲージ率Ｇｆの抵抗温度係数ＴＣＲの絶対値依存性グラフである。 実施例４から実施例６の結果（Ｍの種類）を示す、ゲージ率Ｇｆの抵抗温度係数ＴＣＲの絶対値依存性グラフである。
　以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。なお、以下の説明では、同一の部材には同一の符号を付し、一度説明した部材については適宜その説明を省略する。
　図１は、本発明の一実施形態に係る歪みセンサの一例を示す図である。図１に示されるように、本実施形態に係るセンサ１００は、ミアンダ形状のパターンを有する歪ゲージ１０と、歪ゲージ１０に通電するための電極２０とを有する。歪ゲージ１０および電極２０は、いずれも基材３０に形成されている。歪ゲージ１０は検知手段として機能する。センサ１００は、歪ゲージ１０からの信号に基づき、歪ゲージ１０の歪そのものを計測する歪センサであってもよいし、センサ１００が取り付けられた部材（起歪体）の変形の程度を測定する変形・変位センサであってもよいし、起歪体の変形の程度に基づき他の物理量（圧力、速度、加速度など）を測定するセンサであってもよい。電極２０の構成材料の限定されない例として、Ｃｕ、Ａｕ、およびこれらを含む合金が挙げられる。電極２０は、歪ゲージ１０の一方の端部に接続される第１電極２０１と、他方の端部に接続される第２電極２０２とを備え、第１電極２０１および第２電極２０２のそれぞれには、はんだ接着強度を高める目的でめっき層２１が設けられている。
　図２は、図１のＡ－Ａ線での断面を示す概念図である。図２に示されるように、歪ゲージ１０は、膜状の歪抵抗体１２と、歪抵抗体１２に接する部分を有して設けられた保護層１３と、を含む積層体１１を備え、積層体１１がミアンダパターンを形成している。保護層１３は必要に応じ設けられるものであって必須とされず、例えばＴａによって構成されてもよい。
　歪抵抗体１２は、外力を受けて電流の流れる方向に長さが変化すると、抵抗値が変化する性質を有する。この性質は、下記式（Ａ）に示されるゲージ率Ｇｆにより定量評価することができる。
　　Ｇｆ＝（ΔＲ／Ｒ）／（ΔＬ／Ｌ）　　　　（Ａ）
　ここで、Ｌは、歪ゲージ１０における外力が付与されていない状態（無負荷時）の電流の流れる方向の長さ（電流方向長さ）であり、ΔＬは、歪ゲージ１０に外力が付与された状態（負荷時）における無負荷時に対する歪ゲージ１０の電流方向長さの変化量であり、Ｒは、歪ゲージ１０における無負荷時の抵抗値であり、ΔＲは、負荷時の無負荷時に対する歪ゲージ１０の抵抗値の変化量である。
　本実施形態において、歪抵抗体１２は、Ｃｒ100-x-yＦｅxＭyからなる組成を有する、歪抵抗体用合金としてのＣｒ－Ｆｅ－Ｍ合金からなる。このＭは、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、およびＷからなる元素から群から選ばれる１種または２種以上の元素（元素Ｍ）である。歪抵抗体１２の結晶構造は、歪抵抗体１２のゲージ率Ｇｆを高める観点から、ｂｃｃ構造であることが好ましい。歪抵抗体１２の比抵抗の限定されない例示をすれば、１００μΩｃｍ以下である。
　表１は、Ｃｒ－Ｘ合金（元素Ｘは、Ｆｅ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｗのいずれか、以下同じ。）からなる歪抵抗体１２を備える歪ゲージ１０について、元素Ｘの添加量を変化させながら、ゲージ率Ｇｆ（測定温度は２５℃、以下同じ。）および抵抗温度係数ＴＣＲを測定した結果を示す表である。図３は、表１の結果から作成した、Ｃｒ－Ｘ合金からなる歪抵抗体１２を備える歪ゲージ１０のゲージ率Ｇｆと元素Ｘの添加量との関係を示すグラフである。図４は、表１の結果から作成した、Ｃｒ－Ｘ合金からなる歪抵抗体１２を備える歪ゲージ１０の抵抗温度係数ＴＣＲと元素Ｘの添加量との関係を示すグラフである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　図３および図４に示されるように、Ｃｒ－Ｆｅ合金は、ゲージ率Ｇｆが１０以上かつ抵抗温度係数ＴＣＲが負となる歪ゲージ１０を与えることが可能である。一方、Ｃｒ－Ｆｅ合金以外のＣｒ－Ｘ合金は、ゲージ率Ｇｆが１０以上かつ抵抗温度係数ＴＣＲが正となる歪ゲージ１０を与えることが可能である。そこで、これらの合金であるＣｒ100-x-yＦｅxＭyからなる組成を有する歪抵抗体用合金からなる歪抵抗体１２を備える歪ゲージ１０は、ゲージ率Ｇｆが１０以上であること、かつ抵抗温度係数ＴＣＲが±１０００ｐｐｍ／℃の範囲となることを容易に達成することができる。
　しかも、歪抵抗体１２の合金組成により歪ゲージ１０のゲージ率Ｇｆおよび抵抗温度係数ＴＣＲを制御することができるため、特許文献１に開示されるようなＣｒに酸素（Ｏ）および窒素（Ｎ）を含有させる場合に比べて、結晶構造の精密な制御が必要とされない。それゆえ、上記の歪抵抗体用合金を用いることにより、製造負荷を高めることなく、それゆえ、高品質で、ゲージ率Ｇｆが高く、温度の影響を受けにくい歪ゲージ１０を得ることが可能である。
　上記の歪抵抗体用合金において、Ｆｅの添加量であるｘは０．８原子％以上１１．２原子％以下であることが好ましい場合がある。図３に示されるように、Ｃｒ－Ｆｅ合金においてＦｅ添加量ｘが０．８原子％以上１１．２原子％以下である場合には、歪ゲージ１０のゲージ率Ｇｆが１０以上となるから、Ｆｅ添加量ｘをこの範囲に設定することで、Ｃｒ－Ｆｅ－Ｍ合金からなる歪抵抗体１２を備える歪ゲージ１０においても、ゲージ率Ｇｆが高く温度変化の影響を受けにくくすることが容易となる。ゲージ率Ｇｆが高く温度変化の影響を受けにくい歪ゲージ１０を得ることをより安定的に実現する観点から、Ｆｅ添加量ｘは１．２原子％以上９．３原子％以下であることが好ましい場合があり、Ｆｅ添加量ｘは３．１原子％以上７．６原子％以下であることがより好ましい場合がある。
　また、元素Ｍの添加量（Ｍ添加量）であるｙは０原子％超７．７原子％以下であることが好ましい場合がある。図３に示されるように、Ｍ添加量ｙが上記の範囲の場合には、元素Ｍを構成する元素のいずれかについてはゲージ率Ｇｆが上昇傾向にあり、かつ抵抗温度係数ＴＣＲは正の値を取るため、ゲージ率Ｇｆが高く温度変化の影響を受けにくい歪抵抗体１２を得ることが容易となる。ゲージ率Ｇｆが高く温度変化の影響を受けにくい歪抵抗体１２を得ることをより安定的に実現する観点から、元素ＭがＴａからなる場合には、Ｍ添加量ｙは０．５原子％以上３．５原子％以下であることが好ましいことがあり、１．１原子％以上３．１原子％以下がより好ましいことがあり、１．１原子％以上２．１原子％以下が特に好ましいことがある。
　同様の観点から、元素ＭがＮｂからなる場合には、Ｍ添加量ｙは０．５原子％以上３．５原子％以下であることが好ましいことがあり、０．５原子％以上３．１原子％以下がより好ましいことがあり、１．１原子％以上２．０原子％以下が特に好ましいことがある。
　また、同様の観点から、元素ＭがＭｏからなる場合には、Ｍ添加量ｙは２原子％以上１４原子％以下であることが好ましいことがあり、３．３原子％以上１３．５原子％以下がより好ましいことがあり、３．３原子％以上６．５原子％以下が特に好ましいことがある。
　さらに、同様の観点から、元素ＭがＷからなる場合には、Ｍ添加量ｙは１原子％以上１２原子％以下であることが好ましいことがあり、１．２原子％以上９．１原子％以下がより好ましいことがあり、４．１原子％以上７．７原子％以下が特に好ましいことがある。
　なお、Ｆｅ添加量ｘおよびＭ添加量ｙのいずれについても、過度に多い場合には、ゲージ率Ｇｆが低下する傾向が見られる。ゲージ率ＧｆはＣｒ基材料のＴｎ(ネール温度)に密接に関係していることが知られており、Ｆｅ、またはＭ添加量が過度に多い場合にはＴｎが適正な温度範囲から逸脱することがゲージ率Ｇｆの低下に起因していると考えられる。したがって、Ｆｅ添加量とＭ添加量との総和ｘ＋ｙは、元素Ｍの構成元素の種類にも依存するが、１１原子％以下であることが好ましい場合があり、１０原子％以下であることがより好ましい場合があり、６原子％以下であることが特に好ましい場合がある。
　また、Ｆｅ添加量ｘとＭ添加量ｙとの総和（ｘ＋ｙ）に対するＭ添加量ｙの割合（ｙ／（ｘ＋ｙ）、単位：％）は、元素Ｍを構成する元素の種類にも依存するが、５５％以下であることが好ましい場合があり、５０％以下であることがより好ましい場合があり、４０％以下であることが特に好ましい場合がある。
　図５は、Ｃｒ－Ｘ合金のゲージ率Ｇｆと抵抗温度係数ＴＣＲとの関係を示すグラフである。図６は、図５について、横軸を抵抗温度係数ＴＣＲ（単位：ｐｐｍ／℃）の絶対値に変更したグラフである。図５に示されるように、Ｃｒ合金の添加元素として、Ｆｅは元素Ｍとは挙動が大きく異なる元素であって、特に抵抗温度係数ＴＣＲの変化が元素Ｍとは顕著に相違している。Ｃｒ－Ｆｅ合金の特性についてより正確に確認するために、図６に示されるように横軸を抵抗温度係数ＴＣＲの絶対値に変更すると、Ｃｒ－Ｆｅ合金におけるゲージ率Ｇｆと抵抗温度係数ＴＣＲの絶対値とは、概ね下記式（ａ）を満たす。
　　Ｇｆ≦０．００５６×｜ＴＣＲ｜＋１０．２１　　　（ａ）
　図６において破線で示した式ｆ０は、上記式（ａ）が等号の場合を示しており、表１におけるＦｅ添加量ｘが１．２原子％～５．９原子％の結果を用いて線形近似して得られた数式である。Ｃｒ－Ｆｅ合金は、式ｆ０よりもグラフ中左上の領域、すなわち、ゲージ率Ｇｆが高くて抵抗温度係数ＴＣＲの絶対値が低い領域に達することができていない。
　これに対し、本実施形態に係るＣｒ－Ｆｅ－Ｍ合金は、Ｃｒ－Ｆｅ合金では達成できない領域に達成すること、すなわち、下記式（１）を満たすことが可能である。
　　Ｇｆ＞０．００５６×｜ＴＣＲ｜＋１０．２１　　　（１）
　後述する実施例に示すように、本実施形態に係るＣｒ－Ｆｅ－Ｍ合金は、好ましい一例において、図６において実線で示された式ｆ１を境界線とする左上の領域に至ることも可能である。すなわち、本実施形態に係るＣｒ－Ｆｅ－Ｍ合金は、好ましい一例において、下記式（２）を満たすことが可能である。
　　Ｇｆ≧０．００５６×｜ＴＣＲ｜＋１１　　　　　　（２）
　本実施形態に係る歪ゲージ１０の歪抵抗体１２の厚さは限定されない。後述する実施例において示すように、歪抵抗体１２の厚さは、ゲージ率Ｇｆおよび抵抗温度係数ＴＣＲに対して正の相関を有する場合がある。その場合には、求めるゲージ率Ｇｆや抵抗温度係数ＴＣＲに合わせて、歪抵抗体１２の厚さを変更すればよい。すなわち、歪抵抗体１２の厚さを歪抵抗体１２の特性の調整因子として位置づけることができる。歪抵抗体１２の厚さは、製造方法を適切に設定することにより、数十ｎｍの薄膜から数十μｍの箔の範囲で調整することが可能である。
　本実施形態に係る歪抵抗体１２の製造方法は限定されない。前述のとおり、歪抵抗体１２は本実施形態に係る歪抵抗体用合金からなることから、スパッタリングなどの公知の成膜方法や、圧延などの機械加工により製造することが可能である。
　スパッタリングにより製造する場合には、ターゲットとして、製造する歪抵抗体１２の組成に対応した組成を有する合金を用いてもよいし、ＣｒおよびＦｅならびにＭの純金属をタイル状に敷き詰めてなるターゲットを用いて歪抵抗体１２の組成を調整してもよい。あるいは、２つ以上のターゲットを用いて同時スパッタリングを行い、各々に印加する電力量を調整して歪抵抗体１２の組成を調整してもよい。なお、スパッタリングなどのドライプロセス成膜により歪抵抗体１２を製造する場合には、歪抵抗体１２の厚さを過大にすると、製造方法にも依存するが、内部応力が高くなりすぎて薄膜としての形状を維持できなくなることがある。歪抵抗体１２の形状安定性を確保する観点から、その厚さは、３００ｎｍ以下であることが好ましいことがある。一方、歪抵抗体１２の厚さが過小の場合には、歪に基づく抵抗変化が過小となって歪抵抗体１２としての機能を適切に発揮できないことがある。歪抵抗体１２としての必須機能を果たす観点から、その厚さは、３０ｎｍ以上であることが好ましい場合がある。
　スパッタリングにより成膜する場合には、汎用スパッタリング装置を用いて、雰囲気としてアルゴンなどの不活性元素を用いればよい。ここで、特許文献１に開示される歪ゲージ用薄膜抵抗体は、酸素分子（Ｏ2）や窒素分子（Ｎ2）を反応性ガス成分として雰囲気に混在させ、形成した膜に含有される酸素（Ｏ）や窒素（Ｎ）の量を調整する反応性スパッタリングを行うことにより、所期の効果（ゲージ率が１０以上、抵抗温度係数は、±１００［ｐｐｍ／℃］以下）を得るものである。ところが、反応性スパッタリングを行うためには専用の設備（マスフローコントローラなどの反応性ガス成分の供給量の制御機構）が必要であり、そのような設備を用いても、これらの元素の混在量を厳密に調整し、かつ形成した膜組成の基材上での均一性を確保することは容易ではない。これに対し、本実施形態に係る歪抵抗体１２は、反応性ガス成分の供給量の調整を必要としないため、汎用スパッタリング装置を用いて合金を成膜することにより製造することが可能である。それゆえ、本実施形態に係る歪抵抗体１２は、品質安定性に優れ、生産性にも優れる。
　圧延などの機械加工は、量産が容易であるなど生産性の観点で有利性を有する場合がある。機械加工により歪抵抗体１２を製造する場合には、製造容易性、取扱性および厚さの加工精度を確保する観点から、１μｍ～１０μｍの範囲とすることが好ましいことがあり、２μｍ～５μｍの範囲とすることがより好ましいことがある。
　以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。例えば、元素Ｍが１種類の元素からなる場合とは、発明の効果に実質的に影響を与えない程度に他元素が存在する場合を含み、その場合の具体例として、工業的製造の観点から不可避的に他の元素が混在する場合が挙げられる。
　以下、実施例を用いて本発明について具体的に説明する。
（実施例１および実施例２）
　ポリイミドフィルムからなる基材３０上に、スパッタリングにより、Ｃｒ－Ｆｅ－Ｔａ合金からなる歪抵抗体１２を備える歪ゲージ１０を製造した。Ｃｒ－Ｆｅ－Ｔａ合金の組成は表２（実施例１）および表３（実施例２）に示すとおりであり、実施例１におけるＦｅ添加量ｘのねらい値は５原子％であり、実施例２におけるＦｅ添加量ｘのねらい値は３原子％であった。歪抵抗体１２の厚さは１００ｎｍであった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　得られた歪ゲージ１０を備えるセンサ１００を用いて、歪ゲージ１０の特性を評価した。評価結果を表２および表３に示した。また、これらの表の結果に基づき、ゲージ率ＧｆのＴａ添加量依存性を図７に、抵抗温度係数ＴＣＲのＴａ添加量依存性を図８に示した。
　実施例１および実施例２において作成したセンサ１００が備える歪ゲージ１０に関し、次の事項が確認された。
（１）Ｆｅ添加量ｘが５．１原子％以上５．３原子％以下の場合（実施例１）には、図７に示される傾向に基づくとＴａ添加量ｙが４．６原子％に至るまで、表２に示される測定値に基づくと４．１原子％以下で、ゲージ率Ｇｆが１０超となり、図８に示される傾向に基づくとＴａ添加量ｙが０．１原子％から５．１原子％まで、表２に示される測定値に基づくと０．１原子％以上４．１原子％以下で、歪ゲージ１０の抵抗温度係数ＴＣＲが±１０００ｐｐｍ／℃の範囲となる。
（２）Ｆｅ添加量ｘが３．０原子％以上３．１原子％以下の場合（実施例２）には、図７に示される傾向に基づくとＴａ添加量ｙが２．７原子％に至るまで、表３に示される測定値に基づくと１．８原子％以下で、ゲージ率Ｇｆが１０超となり、図８に示される傾向に基づくとＴａ添加量ｙが４．０原子％に至るまで、表３に示される測定値に基づくと３．８原子％以下で、抵抗温度係数ＴＣＲが±１０００ｐｐｍ／℃の範囲となる。
（実施例３）
　実施例１と同様の製造方法により、表４に示されるように、組成は等しいが膜厚が異なるＣｒ－Ｆｅ－Ｔａ合金からなる歪抵抗体１２を備えるセンサ１００を作製し、歪ゲージ１０の特性を評価した。その結果を表４および図９に示す。図９は、実施例２の結果（膜厚変化）を示す、ゲージ率Ｇｆの抵抗温度係数ＴＣＲ依存性グラフである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　表４および図９に示されるように、歪抵抗体１２の厚さ（膜厚）が増加すると、歪ゲージ１０のゲージ率Ｇｆおよび抵抗温度係数ＴＣＲはいずれも増加する傾向が確認された。図９中の実線は線形近似した結果であり、決定係数Ｒ2は０．９７（相関係数は０．９８５）であった。このことから、組成を固定した場合には、歪抵抗体１２の厚さを変化させることにより、歪ゲージ１０のゲージ率Ｇｆおよび抵抗温度係数ＴＣＲを調整することが可能であることが示唆された。
（実施例４から実施例６）
　実施例１と同様の製造方法により、合金Ｍの種類を変化させた歪抵抗体１２を備える歪ゲージ１０を製造した。合金ＭがＮｂからなる場合（実施例４）を表５に示し、合金ＭがＭｏからなる場合（実施例５）を表６に示し、合金ＭがＷからなる場合（実施例６）を表７に示した。なお、いずれのＣｒ－Ｆｅ－Ｍ合金もＦｅ添加量ｘは５原子％ねらいであった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000007
　得られた歪ゲージ１０を備えるセンサ１００を用いて、歪ゲージ１０の特性を評価した。評価結果を表５から表７に示した。また、これらの表の結果に基づき、ゲージ率Ｇｆの元素Ｍ添加量依存性を図１０に、抵抗温度係数ＴＣＲの元素Ｍ添加量依存性を図１１に示した。
　実施例４から実施例６において作成したセンサ１００が備える歪ゲージ１０（歪抵抗体１２を構成するＣｒ－Ｆｅ－Ｍ合金のＦｅ添加量ｘは５．０原子％以上５．３原子％以下）に関し、次の事項が確認された。
（１）元素ＭがＮｂの場合（実施例４）には、図１０に示される傾向に基づくとＮｂ添加量ｙが３．８原子％に至るまで、表５に示される測定値に基づくと３．０原子％以下まで、ゲージ率Ｇｆが１０超となること、および図１１に示される傾向に基づくとＮｂ添加量ｙが５．４原子％に至るまで、表５に示される測定値に基づくと０．９原子％以上４．８原子％以下で、抵抗温度係数ＴＣＲが±１０００ｐｐｍ／℃の範囲となること
（２）元素ＭがＭｏの場合（実施例５）には、図１０に示される傾向に基づくとＭｏ添加量ｙが６．２原子％に至るまで、表６に示される測定値に基づくと５．６原子％以下で、歪ゲージ１０のゲージ率Ｇｆが１０超となること、および図１１に示される傾向に基づくとＭｏ添加量ｙが６．２原子％に至るまで、表６に示される測定値に基づくと０．６原子％以上５．６原子％以下で、歪ゲージ１０の抵抗温度係数ＴＣＲが±１０００ｐｐｍ／℃の範囲となること
（３）元素ＭがＷの場合（実施例６）には、図１０に示される傾向に基づくとＷ添加量ｙが５．８原子％に至るまで、表７に示される測定値に基づくと５．６原子％以下で、歪ゲージ１０のゲージ率Ｇｆが１０超となること、および図１１に示される傾向に基づくとＷ添加量ｙが６．０原子％に至るまで、表７に示される測定値に基づくと０．８原子％以上５．９原子％以下で、歪ゲージ１０の抵抗温度係数ＴＣＲが±１０００ｐｐｍ／℃の範囲となること
　元素Ｍを添加することの効果（ゲージ率Ｇｆが高く、かつ温度変化の影響を受けにくいこと）をより明確に確認する観点から、図６に示した、ゲージ率Ｇｆと抵抗温度係数ＴＣＲの絶対値との関係を、実施例１、実施例２および実施例４から実施例６についても確認した。図１２は、実施例１および実施例２の結果（Ｃｒ－Ｆｅ－Ｔａ合金の組成変更の影響）を示す、ゲージ率Ｇｆの抵抗温度係数ＴＣＲの絶対値依存性グラフである。図１３は、実施例４から実施例６の結果（元素Ｍの種類）を示す、ゲージ率Ｇｆの抵抗温度係数ＴＣＲの絶対値依存性グラフである。図１２および図１３に示されるように、いずれの実施例の結果も、これらの図において式ｆ０よりも左上の領域に至る結果を有し、さらには、式ｆ１よりも左上の領域に至る結果を有することが確認された。
１００　　：センサ
１０　　　：歪ゲージ
１１　　　：積層体
１２　　　：歪抵抗体
１３　　　：保護層
２０　　　：電極
２０１　　：第１電極
２０２　　：第２電極
２１　　　：めっき層
３０　　　：基材

Claims (8)

  1. 　Ｃｒ100-x-yＦｅxＭyからなる組成を有する歪抵抗体用合金であって、
    　Ｍは、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、およびＷからなる群から選ばれる１種または２種以上の元素であること
    を特徴とする歪抵抗体用合金。
  2. 　ｘは０．８原子％以上１１．２原子％以下である、請求項１に記載の歪抵抗体用合金。
  3. 　ｙは０原子％超７．７原子％以下である、請求項１に記載の歪抵抗体用合金。
  4. 　請求項１から請求項３のいずれかに１項に記載される歪抵抗体用合金の合金組成を有し膜状の歪抵抗体を備える歪ゲージ。
  5. 　前記歪抵抗体はｂｃｃ構造を有する、請求項４に記載の歪ゲージ。
  6. 　ゲージ率Ｇｆと、抵抗温度係数ＴＣＲ（単位：ｐｐｍ／℃）の絶対値｜ＴＣＲ｜とが、下記式（１）を満たすことが可能である、請求項４に記載の歪ゲージ。
    　　Ｇｆ＞０．００５６×｜ＴＣＲ｜＋１０．２１　　　（１）
  7. 　ゲージ率Ｇｆと、抵抗温度係数ＴＣＲ（単位：ｐｐｍ／℃）の絶対値｜ＴＣＲ｜とが、下記式（２）を満たすことが可能である、請求項４に記載の歪ゲージ。
    　　Ｇｆ≧０．００５６×｜ＴＣＲ｜＋１１　　　（２）
  8. 　基材と、請求項４から請求項７のいずれかに１項に記載され前記基材に設けられる歪ゲージと、を備え、前記歪ゲージを検知手段とする、センサ。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0995751A (ja) * 1995-10-03 1997-04-08 Res Inst Electric Magnetic Alloys ｃｒ基合金薄膜およびその製造法ならびにストレインゲージ
JPH10270201A (ja) * 1997-03-21 1998-10-09 Res Inst Electric Magnetic Alloys Ｃｒ−Ｎ基歪抵抗膜およびその製造法ならびに歪センサ
JP2019074454A (ja) * 2017-10-18 2019-05-16 公益財団法人電磁材料研究所 熱安定性に優れ、高歪ゲージ率を有する歪センサ用薄膜合金

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0995751A (ja) * 1995-10-03 1997-04-08 Res Inst Electric Magnetic Alloys ｃｒ基合金薄膜およびその製造法ならびにストレインゲージ
JPH10270201A (ja) * 1997-03-21 1998-10-09 Res Inst Electric Magnetic Alloys Ｃｒ−Ｎ基歪抵抗膜およびその製造法ならびに歪センサ
JP2019074454A (ja) * 2017-10-18 2019-05-16 公益財団法人電磁材料研究所 熱安定性に優れ、高歪ゲージ率を有する歪センサ用薄膜合金

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