JPH0770367B2 - 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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- JPH0770367B2 JPH0770367B2 JP63227740A JP22774088A JPH0770367B2 JP H0770367 B2 JPH0770367 B2 JP H0770367B2 JP 63227740 A JP63227740 A JP 63227740A JP 22774088 A JP22774088 A JP 22774088A JP H0770367 B2 JPH0770367 B2 JP H0770367B2
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- Non-Adjustable Resistors (AREA)
- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (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,No.7,49（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,No.7,49（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（Si）
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
とを見いだした。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Crの伝導電子の
流れを妨げる散乱体として作用して、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）と酸素と半導体であるシリコン（Si）
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
とを見いだした。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Crの伝導電子の
流れを妨げる散乱体として作用して、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％、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、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。
属または合金の歪ゲージに比べ５以上という高ゲージ率
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、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％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、０〜10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。
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、０〜10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、0.01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、0.01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％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％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５×10-3Torr導入し、Crターゲッ
トにDC300W、SiOターゲットにRF100W（13.56M Hz）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Cr−24at％酸素（Ｏ）−4at％シリコン（Si）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電力膜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５×10-3Torr導入し、Crターゲッ
トにDC300W、SiOターゲットにRF100W（13.56M Hz）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Cr−24at％酸素（Ｏ）−4at％シリコン（Si）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電力膜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Si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。
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と同様に、二元スパッタリング法を用いて、組
成がCr−15at％Ｏ−13at％SiおよびCr−26at％Ｏ−12at
％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−Cr合金の歪抵抗特性を第３
図に示す。
成がCr−15at％Ｏ−13at％SiおよびCr−26at％Ｏ−12at
％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−Cr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、Si12％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。
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、Si12％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、表からわかるように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Si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
が著しく改善されていることが明らかである。
とSi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Si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
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
体の歪ゲージに比し、強度が著しく優れていた。
体の歪ゲージに比し、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 有賀 勝彦 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 日本電 装株式会社内 (72)発明者 尾崎 真 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 日本電 装株式会社内 (72)発明者 原 直樹 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 日本電 装株式会社内 (72)発明者 井上 治彦 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 張谷 雅人 (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％、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 |
| US07/404,209 US5001454A (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. |
| EP89116555A EP0359132B1 (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 JPH0276201A (ja) | 1990-03-15 |
| JPH0770367B2 true JPH0770367B2 (ja) | 1995-07-31 |
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