阅读说明：本技术 应变片 (Strain gauge ) 是由 浅川寿昭 相泽祐汰 户田慎也 高田真太郎 丹羽真一 于 2018-09-26 设计创作，主要内容包括：本应变片包括：基材,具有可挠性；功能层,在所述基材的一个表面上,由金属、合金、或金属的化合物形成；以及电阻体,在所述功能层的一个表面上,由包含铬和镍中的至少一者的材料形成。(This foil gage includes: a substrate having flexibility; a functional layer formed of a metal, an alloy, or a compound of a metal on one surface of the substrate; and a resistor formed of a material containing at least one of chromium and nickel on one surface of the functional layer.)

应变片

技术领域

本发明涉及一种应变片(strain gauge)。

背景技术

已知一种应变片，其粘贴在测定对象物上，以对测定对象物的应变进行检测。应变片具有用于对应变进行检测的电阻体，作为电阻体的材料，例如使用包含Cr(铬)或Ni(镍)的材料。另外，电阻体例如形成在由绝缘树脂构成的基材上(例如参见专利文献1)。

<现有技术文献>

<专利文献>

专利文献1：(日本)特开2016-74934号公报

发明内容

<本发明要解决的问题>

然而，在使用具有可挠性的基材的情况下，存在难以在基材上形成稳定的电阻体，并且应变特性(应变率、应变率温度系数TCS、以及电阻温度系数TCR)的稳定性不足的问题。

鉴于上述问题，本发明的目的在于，在包括在具有可挠性的基材上所形成的电阻体的应变片中，提高应变特性的稳定性。

<用于解决问题的手段>

本应变片包括：基材，具有可挠性；功能层，在所述基材的一个表面上，由金属、合金、或金属的化合物形成；以及电阻体，在所述功能层的一个表面上，由包含铬和镍中的至少一者的材料形成。

<发明的效果>

根据所公开的技术，能够在包括在具有可挠性的基材上所形成的电阻体的应变片中，提高应变特性的稳定性。

附图说明

图1是示出根据第1实施方式的应变片的平面图。

图2是示出根据第1实施方式的应变片的剖面图。

图3A是示出根据第1实施方式的应变片的制造工序的图(其1)。

图3B是示出根据第1实施方式的应变片的制造工序的图(其2)。

图4是示出功能层的荧光X射线分析的结果的图。

图5是示出电阻体的X射线衍射的结果的图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。在各附图中，对相同部件赋予相同符号，并且有时会省略重复的说明。

<第1实施方式>

图1是示出根据第1实施方式的应变片的平面图。图2是示出根据第1实施方式的应变片的剖面图，示出了沿图1的线A-A的剖面。如图1及图2所示，应变片1具有基材10、功能层20、电阻体30、以及端子部41。

需要说明的是，在本实施方式中，为方便起见，在应变片1中，基材10的设置有电阻体30的一侧为上侧或一侧，未设置电阻体30的一侧为下侧或另一侧。另外，各部位的设置有电阻体30的一侧的表面为一个表面或上表面，未设置电阻体30的一侧的表面为另一表面或下表面。但是，也可以以上下颠倒的状态来使用应变片1，或者可以以任意角度来布置应变片1。另外，平面图是指从基材10的上表面10a的法线方向对对象物进行观察的视图，平面形状是指从基材10的上表面10a的法线方向对对象物进行观察时的形状。

基材10是作为用于形成电阻体30等的基底层的部件，并且具有可挠性。对于基材10的厚度并无特别限制，可以根据目的适当地选择，例如可以为大约5μm～500μm。特别地，从来自经由粘合层等接合在基材10的下表面上的应变体表面的应变的传递性、对于环境的尺寸稳定性的观点来看，基材10的厚度优选为5μm～200μm，从绝缘性的观点来看，更优选为10μm以上。

基材10例如可以由PI(聚酰亚胺)树脂、环氧树脂、PEEK(聚醚醚酮)树脂、PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯)树脂、PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)树脂、PPS(聚苯硫醚)树脂、聚烯烃树脂等绝缘树脂薄膜形成。需要说明的是，薄膜是指厚度为大约500μm以下、并且具有可挠性的部件。

在此，“由绝缘树脂薄膜形成”并不妨碍在基材10的绝缘树脂薄膜中含有填充剂或杂质等。基材10例如也可以由含有二氧化硅或氧化铝等填充剂的绝缘树脂薄膜形成。

功能层20作为电阻体30的下层形成在基材10的上表面10a上。即，功能层20的平面形状与图1所示的电阻体30的平面形状大致相同。功能层20的厚度例如可以为大约1nm～100nm。

在本申请中，功能层是指至少具有促进作为上层的电阻体30的晶体生长的功能的层。功能层20优选还具有防止电阻体30因基材10中所含的氧或水分而氧化的功能、以及提高基材10与电阻体30之间的密合性的功能。功能层20还可以具有其他功能。

由于构成基材10的绝缘树脂薄膜包含氧或水分，因此特别在电阻体30包含Cr(铬)的情况下，由于Cr会形成自氧化膜，因此使功能层20具有防止电阻体30氧化的功能是有效的。

关于功能层20的材料，只要其是至少具有促进作为上层的电阻体30的晶体生长的功能的材料，便无特别限制，可以根据目的适当地选择，例如可以举出选自由Cr(铬)、Ti(钛)、V(钒)、Nb(铌)、Ta(钽)、Ni(镍)、Y(钇)、Zr(锆)、Hf(铪)、Si(硅)、C(碳)、Zn(锌)、Cu(铜)、Bi(铋)、Fe(铁)、Mo(钼)、W(钨)、Ru(钌)、Rh(铑)、Re(铼)、Os(锇)、Ir(铱)、Pt(铂)、Pd(钯)、Ag(银)、Au(金)、Co(钴)、Mn(锰)、Al(铝)组成的群组一种或多种的金属、该群组中的任意金属的合金、或者该群组中的任意金属的化合物。

作为上述合金，例如可以举出FeCr、TiAl、FeNi、NiCr、CrCu等。另外，作为上述化合物，例如可以举出TiN、TaN、Si₃N₄、TiO₂、Ta₂O₅、SiO₂等。

电阻体30是以预定图案形成在功能层20的上表面上的薄膜，并且是经受应变而产生电阻变化的感测部。需要说明的是，在图1中，为方便起见，以阴影图案示出电阻体30。

电阻体30例如可以由包含Cr(铬)的材料、包含Ni(镍)的材料、或包含Cr和Ni两者的材料形成。即，电阻体30可以由包含Cr和Ni中的至少一者的材料形成。作为包含Cr的材料，例如可以举出Cr混合相膜。作为包含Ni的材料，例如可以举出Cu-Ni(铜镍)。作为包含Cr和Ni两者的材料，例如可以举出Ni-Cr(镍铬)。

在此，Cr混合相膜是对Cr、CrN、Cr₂N等进行相混合而成的膜。Cr混合相膜可以包含氧化铬等不可避免的杂质。另外，构成功能层20的材料的一部分可以扩散至Cr混合相膜。在此情况下，构成功能层20的材料和氮也有时会形成化合物。例如，在功能层20由Ti形成的情况下，在Cr混合相膜中有时会包含Ti或TiN(氮化钛)。

对于电阻体30的厚度并无特别限制，可以根据目的适当地选择，例如可以为大约0.05μm～2μm。特别地，从构成电阻体30的晶体的结晶性(例如，α-Cr的结晶性)得到提高的观点来看，电阻体30的厚度优选为0.1μm以上，从能够减少因构成电阻体30的膜的内部应力而引起的膜的裂纹或从基材10上翘曲的观点来看，更优选为1μm以下。

通过在功能层20上形成电阻体30，从而能够利用稳定的晶相来形成电阻体30，因此能够提高应变特性(应变率、应变率温度系数TCS、以及电阻温度系数TCR)的稳定性。

例如，在电阻体30是Cr混合相膜的情况下，通过设置功能层20，从而能够形成以α-Cr(α-铬)作为主成分的电阻体30。由于α-Cr为稳定的晶相，因此能够提高应变特性的稳定性。

在此，主成分是指对象物质占构成电阻体的全部物质的50质量％以上。在电阻体30是Cr混合相膜的情况下，从提高应变特性的观点来看，电阻体30优选包含80重量％以上的α-Cr。需要说明的是，α-Cr是bcc结构(体心立方晶格结构)的Cr。

另外，通过使构成功能层20的金属(例如Ti)扩散至Cr混合相膜，从而能够提高应变特性。具体地，可以将应变片1的应变率设为10以上，并且将应变率温度系数TCS及电阻温度系数TCR设为-1000ppm/℃～+1000ppm/℃的范围内。

端子部41从电阻体30的两端部延伸，并且在平面图中形成为比电阻体30宽的大致矩形形状。端子部41是用于将因应变而产生的电阻体30的电阻值的变化输出至外部的一对电极，例如与外部连接用的引线等接合。电阻体30例如从一个端子部41呈之字形延伸并折返从而与另一个端子部41连接。可以利用焊接性优于端子部41的金属来覆盖端子部41的上表面。需要说明的是，虽然为方便起见对电阻体30和端子部41赋予不同符号，但是两者可以在相同工序中由相同材料一体地形成。

可以以覆盖电阻体30并使端子部41露出的方式在基材10的上表面10a上设置覆盖层60(绝缘树脂层)。通过设置覆盖层60，从而能够防止在电阻体30上产生机械性的损伤等。另外，通过设置覆盖层60，从而能够保护电阻体30不受湿气等的影响。需要说明的是，覆盖层60可以设置为对除了端子部41以外的整个部分进行覆盖。

覆盖层60例如可以由PI树脂、环氧树脂、PEEK树脂、PEN树脂、PET树脂、PPS树脂、复合树脂(例如硅酮树脂、聚烯烃树脂)等绝缘树脂形成。覆盖层60可以含有填充剂或颜料。对于覆盖层60的厚度并无特别限制，可以根据目的适当地选择，例如可以为大约2μm～30μm。

图3A及图3B是示出根据第1实施方式的应变片的制造工序的图，示出了与图2相对应的剖面。为了制造应变片1，首先，在图3A所示的工序中，准备基材10，在基材10的上表面10a上形成功能层20。基材10及功能层20的材料和厚度如上所述。

功能层20例如可以利用传统的溅射法来进行真空成膜，该传统的溅射法以能够形成功能层20的原料作为靶，并且向腔室内导入Ar(氩)气体。通过使用传统的溅射法，从而能够一边利用Ar对基材10的上表面10a进行蚀刻一边形成功能层20，因此能够使功能层20的成膜量最小化从而获得密合性改善效果。

但是，其仅是功能层20的成膜方法的一个示例，也可以利用其他方法来形成功能层20。例如，可以在功能层20的成膜之前通过使用了Ar等的等离子体处理等将基材10的上表面10a活化从而获得密合性改善效果，然后使用通过磁控溅射法来对功能层20进行真空成膜的方法。

接着，在图3B所示的工序中，在功能层20的整个上表面上形成电阻体30及端子部41之后，利用光刻法将功能层20、以及电阻体30及端子部41图案化成图1所示的平面形状。电阻体30及端子部41的材料和厚度如上所述。电阻体30和端子部41可以利用相同材料一体地形成。电阻体30及端子部41例如可以利用以能够形成电阻体30及端子部41的原料作为靶的磁控溅射法来形成。对于电阻体30及端子部41，可以利用反应溅射法、蒸镀法、电弧离子镀法或脉冲激光沉积法等来代替磁控溅射法而进行成膜。

对于功能层20的材料与电阻体30及端子部41的材料的组合并无特别限制，可以根据目的适当地选择，例如可以使用Ti作为功能层20，并且形成以α-Cr(α-铬)作为主成分的Cr混合相膜作为电阻体30及端子部41。

在此情况下，例如可以利用以能够形成Cr混合相膜的原料作为靶、并且向腔室内导入Ar气体的磁控溅射法，来形成电阻体30及端子部41。或者，可以以纯Cr作为靶，向腔室内导入Ar气体以及适量的氮气，并利用反应溅射法来形成电阻体30及端子部41。

在这些方法中，能够以由Ti构成的功能层20为开端对Cr混合相膜的生长面进行限制，并且形成以作为稳定的晶体结构的α-Cr为主成分的Cr混合相膜。另外，通过使构成功能层20的Ti扩散至Cr混合相膜，从而使应变特性得到提高。例如，能够使应变片1的应变率为10以上，并且使应变率温度系数TCS及电阻温度系数TCR在-1000ppm/℃～+1000ppm/℃的范围内。

需要说明的是，在电阻体30为Cr混合相膜的情况下，由Ti构成的功能层20具备促进电阻体30的晶体生长的功能、防止电阻体30因包含在基材10中的氧或水分而氧化的功能、以及提高基材10与电阻体30之间的密合性的功能的全部功能。使用Ta、Si、Al、Fe来代替Ti用作功能层20的情况也同样。

在图3B所示的工序之后，根据需要，在基材10的上表面10a上，形成覆盖电阻体30并且使端子部41露出的覆盖层60，从而完成了应变片1。覆盖层60例如可以通过在基材10的上表面10a上以覆盖电阻体30且使端子部41露出的方式层压半固化状态的热固性的绝缘树脂薄膜，并进行加热使其固化来制作。覆盖层60也可以通过在基材10的上表面10a上以覆盖电阻体30且使端子部41露出的方式涂布液状或糊状的热固性的绝缘树脂，并进行加热使其固化来制作。

这样一来，通过在电阻体30的下层设置功能层20，从而能够促进电阻体30的晶体生长，并且能够制作由稳定的晶相构成的电阻体30。因此，在应变片1中，能够提高应变特性的稳定性。另外，通过使构成功能层20的材料扩散至电阻体30，从而能够在应变片1中提高应变特性。

[实施例1]

首先，作为事前实验，利用传统的溅射法在由厚度为25μm的聚酰亚胺树脂构成的基材10的上表面10a上真空成膜出Ti膜作为功能层20。此时，以多个膜厚为目标制作了进行了Ti成膜的5个样本。

接着，针对制作的5个样本进行荧光X射线(XRF：X-ray Fluorescence)分析，并且得到图4所示的结果。从图4中的X射线峰确认出Ti的存在，并且从在X射线峰处的各个样本的X射线强度确认出能够在1nm～100nm的范围内对Ti膜的膜厚进行控制。

接着，作为实施例1，利用传统的溅射法在由厚度为25μm的聚酰亚胺树脂构成的基材10的上表面10a上真空成膜出膜厚为3nm的Ti膜作为功能层20。

接着，在利用磁控溅射法在功能层20的整个上表面上成膜出Cr混合相膜作为电阻体30及端子部41之后，利用光刻法如图1所示对功能层20、以及电阻体30及端子部41进行图案化。

另外，作为比较例1，在由厚度为25μm的聚酰亚胺树脂构成的基材10的上表面10a上未形成功能层20，而是利用磁控溅射法成膜出Cr混合相膜作为电阻体30及端子部41，并利用光刻法如图1所示进行图案化。需要说明的是，在实施例1的样本和比较例1的样本中，电阻体30及端子部41的成膜条件完全相同。

接着，针对实施例1的样本和比较例1的样本，进行X射线衍射(XRD：X-raydiffraction)评价，得到图5所示的结果。图5是2θ的衍射角度为36～48度的范围内的X射线衍射图案，实施例1的衍射峰向比较例1的衍射峰的右侧偏移。另外，实施例1的衍射峰高于比较例1的衍射峰。

实施例1的衍射峰位于α-Cr(110)的衍射线附近，并且认为通过设置由Ti构成的功能层20，从而促进了α-Cr的晶体生长从而形成了以α-Cr作为主成分的Cr混合相膜。

接着，制作多个实施例1的样本和比较例1的样本，并对应变特性进行了测定。作为其结果，实施例1的各样本的应变率为14～16，相比之下，比较例1的各样本的应变率小于10。

另外，实施例1的各样本的应变率温度系数TCS及电阻温度系数TCR在-1000ppm/℃～+1000ppm/℃的范围内，相比之下，比较例1的各样本的应变率温度系数TCS及电阻温度系数TCR未在-1000ppm/℃～+1000ppm/℃的范围内。

这样一来，通过设置由Ti构成的功能层20，从而制作出促进了α-Cr的晶体生长从而形成了以α-Cr作为主成分的Cr混合相膜、并且应变率为10以上且应变率温度系数TCS及电阻温度系数TCR在-1000ppm/℃～+1000ppm/℃范围内的应变片。需要说明的是，可以认为Ti向Cr混合相膜的扩散效果有助于应变特性的提高。

以上对优选的实施方式等进行了详细说明，但不限于上述的实施方式等，在不脱离权利要求书所记载的范围情况下，可以对上述实施方式等进行各种变形及替换。

本国际申请以2017年9月29日提交的日本发明专利申请第2017-191820号作为要求优先权的基础，本国际申请援引日本发明专利申请第2017-191820号的全部内容。

符号说明

1应变片；10基材；10a上表面；20功能层；30电阻体；41端子部；60覆盖层。