特許 6774861 歪抵抗膜および高温用歪センサ、ならびにそれらの製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6774861

(24)【登録日】2020年10月7日

(45)【発行日】2020年10月28日

(54)【発明の名称】歪抵抗膜および高温用歪センサ、ならびにそれらの製造方法

(51)【国際特許分類】

   G01B 7/16 20060101AFI20201019BHJP

【ＦＩ】

   G01B7/16 R

【請求項の数】16

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2016-234834(P2016-234834)

(22)【出願日】2016年12月2日

(65)【公開番号】特開2018-91705(P2018-91705A)

(43)【公開日】2018年6月14日

【審査請求日】2019年10月9日

(73)【特許権者】

【識別番号】000173795

【氏名又は名称】公益財団法人電磁材料研究所

(74)【代理人】

【識別番号】100099944

【弁理士】

【氏名又は名称】高山 宏志

(72)【発明者】

【氏名】丹羽 英二

【審査官】 九鬼 一慶

(56)【参考文献】

【文献】 特開平１０−２７０２０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−２７５５９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１７−０３２５５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１１７４２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６０−０５９０４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−０３８７２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−２０１２００（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０２−１５２２０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０５３７５４７４（ＵＳ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１６／０３５６６５７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 丹羽英二，高温領域におけるCr-N薄膜ひずみセンサのゲージ率，第77回応用物理学会秋季学術講演会講演予稿集(CD-ROM)，２０１６年，13p-D62-8，05-069

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｂ ７／１６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

一般式Ｃｒ_{１００−ｘ}Ｍｎ_ｘ
（ただし、ｘは原子比率（ａｔ．％）であり、０．１≦ｘ≦３４である）で表され、かつ使用温度範囲が２５０℃以上５００℃以下であり、前記使用温度範囲において、ゲージ率が６以上であることを特徴とする歪抵抗膜。

【請求項2】

一般式Ｃｒ_{１００−ｘ}Ａｌ_ｘ
（ただし、ｘは原子比率（ａｔ．％）であり、４≦ｘ≦２５である）で表され、かつ使用温度範囲が２５０℃以上５００℃以下であり、前記使用温度範囲において、ゲージ率が６以上であることを特徴とする歪抵抗膜。

【請求項3】

使用温度範囲が２５０℃以上４５０℃以下であり、前記使用温度範囲において、抵抗値の安定性が±０．２％以内であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の歪抵抗膜。

【請求項4】

使用温度範囲が２５０℃以上４００℃以下であり、前記使用温度範囲において、抵抗値の安定性が±０．０２％以内であることを特徴とする請求項３に記載の歪抵抗膜。

【請求項5】

一般式Ｃｒ_{１００−ｘ}Ｍｎ_ｘ
（ただし、ｘは原子比率（ａｔ．％）であり、０．１≦ｘ≦３４である）で表される薄膜を形成し、２５０℃以上５００℃以下の範囲における使用する上限温度よりも５０℃以上高い温度で大気中において３０分以上４時間以下の熱処理を施し、２５０℃以上５００℃以下の温度範囲において、ゲージ率が６以上である歪抵抗膜を得ることを特徴とする歪抵抗膜の製造方法。

【請求項6】

一般式Ｃｒ_{１００−ｘ}Ａｌ_ｘ
（ただし、ｘは原子比率（ａｔ．％）であり、４≦ｘ≦２５である）で表される薄膜を形成し、２５０℃以上５００℃以下の範囲における使用する上限温度よりも５０℃以上高い温度で大気中において３０分以上４時間以下の熱処理を施し、２５０℃以上５００℃以下の温度範囲において、ゲージ率が６以上である歪抵抗膜を得ることを特徴とする歪抵抗膜の製造方法。

【請求項7】

２５０℃以上４５０℃以下の範囲における使用する上限温度よりも５０℃以上高い温度で大気中において３０分以上４時間以下の熱処理を施し、２５０℃以上４５０℃以下の範囲において、抵抗値の安定性が±０．２％以内であることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の歪抵抗膜の製造方法。

【請求項8】

２５０℃以上４００℃以下の範囲における使用する上限温度よりも５０℃以上高い温度で大気中において３０分以上４時間以下の熱処理を施し、２５０℃以上４００℃以下の範囲において、抵抗値の安定性が±０．０２％以内であることを特徴とする請求項７に記載の歪抵抗膜の製造方法。

【請求項9】

一般式Ｃｒ_{１００−ｘ}Ｍｎ_ｘ
（ただし、ｘは原子比率（ａｔ．％）であり、０．１≦ｘ≦３４である）で表される薄膜で構成され、かつ使用温度範囲が２５０℃以上５００℃以下であり、前記使用温度範囲において、ゲージ率が６以上の歪抵抗膜を起歪構造体上に形成してなることを特徴とする高温用歪センサ。

【請求項10】

一般式Ｃｒ_{１００−ｘ}Ａｌ_ｘ
（ただし、ｘは原子比率（ａｔ．％）であり、４≦ｘ≦２５である）で表される薄膜で構成され、かつ使用温度範囲が２５０℃以上５００℃以下であり、前記使用温度範囲において、ゲージ率が６以上の歪抵抗膜を起歪構造体上に形成してなることを特徴とする高温用歪センサ。

【請求項11】

使用温度範囲が２５０℃以上４５０℃以下であり、前記使用温度範囲における前記歪抵抗膜の抵抗安定性が±０．２％以内であることを特徴とする請求項９または請求項１０に記載の高温用歪センサ。

【請求項12】

使用温度範囲が２５０℃以上４００℃以下であり、前記使用温度範囲における前記歪抵抗膜の抵抗安定性が±０．０２％以内であることを特徴とする請求項１１に記載の高温用歪センサ。

【請求項13】

一般式Ｃｒ_{１００−ｘ}Ｍｎ_ｘ
（ただし、ｘは原子比率（ａｔ．％）であり、０．１≦ｘ≦３４である）で表される薄膜を起歪構造体上に形成し、２５０℃以上５００℃以下の範囲における使用する上限温度よりも５０℃以上高い温度で大気中において３０分以上４時間以下の熱処理を施し、２５０℃以上５００℃以下の温度範囲において、ゲージ率が６以上である歪抵抗膜とし、これを用いて高温用歪センサを製造することを特徴とする高温用歪センサの製造方法。

【請求項14】

一般式Ｃｒ_{１００−ｘ}Ａｌ_ｘ
（ただし、ｘは原子比率（ａｔ．％）であり、４≦ｘ≦２５である）で表される薄膜を起歪構造体上に形成し、２５０℃以上５００℃以下の範囲における使用する上限温度よりも５０℃以上高い温度で大気中において３０分以上４時間以下の熱処理を施し、２５０℃以上５００℃以下の温度範囲において、ゲージ率が６以上である歪抵抗膜とし、これを用いて高温用歪センサを製造することを特徴とする高温用歪センサの製造方法。

【請求項15】

使用温度範囲が２５０℃以上４５０℃以下であり、前記使用温度範囲における前記歪抵抗膜の抵抗安定性が±０．２％以内であることを特徴とする請求項１３または請求項１４に記載の高温用歪センサの製造方法。

【請求項16】

使用温度範囲が２５０℃以上４００℃以下であり、前記使用温度範囲における前記歪抵抗膜の抵抗安定性が±０．０２％以内であることを特徴とする請求項１５に記載の高温用歪センサの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、高温で優れた特性を有する歪抵抗膜およびそのような歪抵抗膜を用いた高温用歪センサ、ならびにそれらの製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

歪センサは、薄膜、細線または箔形状のセンサ材の電気抵抗が弾性歪によって変化する現象を利用するものであり、その抵抗変化を測定することにより、歪や応力の計測ならびに変換に用いられる。

【0003】

歪センサの感度は、ゲージ率Ｋによって決まり、Ｋの値は一般に以下の（１）式で与えられる。
Ｋ＝（ΔＲ／Ｒ）／（Δｌ／ｌ）＝１＋２σ＋（Δρ／ρ）／（Δｌ／ｌ） （１）
ここで、Ｒ、σおよびρは、それぞれセンサ材である薄膜、細線または箔の全抵抗、ポアソン比および比電気抵抗である。またｌは被測定体の全長であり、よってΔｌ／ｌは被測定体に生じる歪を表す。一般に、金属・合金におけるσはほぼ０．３であるから、前記の式における右辺第１項と第２項の合計は約１．６でほぼ一定の値となる。したがってゲージ率を大きくするためには、前記の式における第３項が大きいことが必須条件である。すなわち、材料に引っ張り変形を与えたとき材料の長さ方向の電子構造が大幅に変化し、比電気抵抗の変化量Δρ／ρが増加することによる。

【0004】

そこで近年になって注目されたのが、バルクのゲージ率として２６〜２８という非常に大きい値が報告されていたクロミウム（Ｃｒ）である。Ｃｒは加工が非常に困難であるが、加工を必要としない薄膜化によって歪センサに応用することができ、Ｃｒは薄膜化してもゲージ率が約１５と依然として大きいため、Ｃｒ薄膜が歪センサとして注目されている（例えば特許文献１）。

【0005】

一方、近年、自動車および航空機等の内燃機関関連、射出成型、地熱発電、油田開発、火力発電のタービン関連など、２００〜７００℃の高温領域においてゲージ率が高く高感度な各種力学量のセンシングが強く要望されている。

【0006】

特許文献２、３には、Ｃｒ系薄膜を用いて、このような高温での力学量のセンシングを行う技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開昭６１−２５６２３３号公報

【特許文献2】特開２００５−６９６８５号公報

【特許文献3】特開２０１２−２０７９８５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

ところで、高温領域で使用される歪ゲージにおいても、３以上という実用的な大きさのゲージ率が求められているが、上記特許文献２，３では、高温でのゲージ率は測定しておらず不明である。

【0009】

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、所定の高温領域において、高いゲージ率を示す歪抵抗膜およびその製造方法、ならびに、そのような歪抵抗膜を用いた高温用歪センサおよびその製造方法を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明者は、先に、Ｃｒ薄膜を歪抵抗膜として用い、所定の高温での使用温度領域の上限よりも５０℃以上高い温度で大気中において所定時間の熱処理を施すことにより、その高温での使用温度範囲において、実用的なゲージ率が得られることを見出し、特許出願した（特願２０１６−１６９４１０）。

【0011】

しかし、このようなＣｒ薄膜は、１００℃ではゲージ率の値が１４程度であるが、１００℃を超えるとゲージ率が低下して行き、２５０℃以上になると６程度、３５０℃以上になると４程度まで低下する。この値は、実用に供することができる値ではあるものの、常温から１００℃におけるゲージ率よりもかなり小さい値である。このため、高温においてさらに大きなゲージ率を示す材料を見出すべく、Ｃｒに他の元素を添加したＣｒ系薄膜について検討した。

【0012】

その結果、Ｃｒに添加する元素としてＭｎまたはＡｌを用い、その量を適切に調整することにより、２５０〜５００℃において、Ｃｒ薄膜より高い６以上のゲージ率を安定的に得られることを見出した。

【0013】

本発明は、このような知見に基づいてなされたものであり、以下の（１）〜（１６）を提供する。

【0014】

（１）一般式Ｃｒ_{１００−ｘ}Ｍｎ_ｘ
（ただし、ｘは原子比率（ａｔ．％）であり、０．１≦ｘ≦３４である）で表され、かつ使用温度範囲が２５０℃以上５００℃以下であり、前記使用温度範囲において、ゲージ率が６以上であることを特徴とする歪抵抗膜。

【0015】

（２）一般式Ｃｒ_{１００−ｘ}Ａｌ_ｘ
（ただし、ｘは原子比率（ａｔ．％）であり、４≦ｘ≦２５である）で表され、かつ使用温度範囲が２５０℃以上５００℃以下であり、前記使用温度範囲において、ゲージ率が６以上であることを特徴とする歪抵抗膜。

【0016】

（３）使用温度範囲が２５０℃以上４５０℃以下であり、前記使用温度範囲において、抵抗値の安定性が±０．２％以内であることを特徴とする（１）または（２）に記載の歪抵抗膜。

【0017】

（４）使用温度範囲が２５０℃以上４００℃以下であり、前記使用温度範囲において、抵抗値の安定性が±０．０２％以内であることを特徴とする（３）に記載の歪抵抗膜。

【0018】

（５）一般式Ｃｒ_{１００−ｘ}Ｍｎ_ｘ
（ただし、ｘは原子比率（ａｔ．％）であり、０．１≦ｘ≦３４である）で表される薄膜を形成し、２５０℃以上５００℃以下の範囲における使用する上限温度よりも５０℃以上高い温度で大気中において３０分以上４時間以下の熱処理を施し、２５０℃以上５００℃以下の温度範囲において、ゲージ率が６以上である歪抵抗膜を得ることを特徴とする歪抵抗膜の製造方法。

【0019】

（６）一般式Ｃｒ_{１００−ｘ}Ａｌ_ｘ
（ただし、ｘは原子比率（ａｔ．％）であり、４≦ｘ≦２５である）で表される薄膜を形成し、２５０℃以上５００℃以下の範囲における使用する上限温度よりも５０℃以上高い温度で大気中において３０分以上４時間以下の熱処理を施し、２５０℃以上５００℃以下の温度範囲において、ゲージ率が６以上である歪抵抗膜を得ることを特徴とする歪抵抗膜の製造方法。

【0020】

（７）２５０℃以上４５０℃以下の範囲における使用する上限温度よりも５０℃以上高い温度で大気中において３０分以上４時間以下の熱処理を施し、２５０℃以上４５０℃以下の範囲において、抵抗値の安定性が±０．２％以内であることを特徴とする（５）または（６）に記載の歪抵抗膜の製造方法。

【0021】

（８）２５０℃以上４００℃以下の範囲における使用する上限温度よりも５０℃以上高い温度で大気中において３０分以上４時間以下の熱処理を施し、２５０℃以上４００℃以下の範囲において、抵抗値の安定性が±０．０２％以内であることを特徴とする（７）に記載の歪抵抗膜の製造方法。

【0022】

（９）一般式Ｃｒ_{１００−ｘ}Ｍｎ_ｘ
（ただし、ｘは原子比率（ａｔ．％）であり、０．１≦ｘ≦３４である）で表される薄膜で構成され、かつ使用温度範囲が２５０℃以上５００℃以下であり、前記使用温度範囲において、ゲージ率が６以上の歪抵抗膜を起歪構造体上に形成してなることを特徴とする高温用歪センサ。

【0023】

（１０）一般式Ｃｒ_{１００−ｘ}Ａｌ_ｘ
（ただし、ｘは原子比率（ａｔ．％）であり、４≦ｘ≦２５である）で表される薄膜で構成され、かつ使用温度範囲が２５０℃以上５００℃以下であり、前記使用温度範囲において、ゲージ率が６以上の歪抵抗膜を起歪構造体上に形成してなることを特徴とする高温用歪センサ。

【0024】

（１１）使用温度範囲が２５０℃以上４５０℃以下であり、前記使用温度範囲における前記歪抵抗膜の抵抗安定性が±０．２％以内であることを特徴とする（９）または（１０）に記載の高温用歪センサ。

【0025】

（１２）使用温度範囲が２５０℃以上４００℃以下であり、前記使用温度範囲における前記歪抵抗膜の抵抗安定性が±０．０２％以内であることを特徴とする（１１）に記載の高温用歪センサ。

【0026】

（１３）一般式Ｃｒ_{１００−ｘ}Ｍｎ_ｘ
（ただし、ｘは原子比率（ａｔ．％）であり、０．１≦ｘ≦３４である）で表される薄膜を起歪構造体上に形成し、２５０℃以上５００℃以下の範囲における使用する上限温度よりも５０℃以上高い温度で大気中において３０分以上４時間以下の熱処理を施し、２５０℃以上５００℃以下の温度範囲において、ゲージ率が６以上である歪抵抗膜とし、これを用いて高温用歪センサを製造することを特徴とする高温用歪センサの製造方法。

【0027】

（１４）一般式Ｃｒ_{１００−ｘ}Ａｌ_ｘ
（ただし、ｘは原子比率（ａｔ．％）であり、４≦ｘ≦２５である）で表される薄膜を起歪構造体上に形成し、２５０℃以上５００℃以下の範囲における使用する上限温度よりも５０℃以上高い温度で大気中において３０分以上４時間以下の熱処理を施し、２５０℃以上５００℃以下の温度範囲において、ゲージ率が６以上である歪抵抗膜とし、これを用いて高温用歪センサを製造することを特徴とする高温用歪センサの製造方法。

【0028】

（１５）使用温度範囲が２５０℃以上４５０℃以下であり、前記使用温度範囲における前記歪抵抗膜の抵抗安定性が±０．２％以内であることを特徴とする（１３）または（１４）に記載の高温用歪センサの製造方法。

【0029】

（１６）使用温度範囲が２５０℃以上４００℃以下であり、前記使用温度範囲における前記歪抵抗膜の抵抗安定性が±０．０２％以内であることを特徴とする（１５）に記載の高温用歪センサの製造方法。

【発明の効果】

【0030】

本発明によれば、高温領域において、高いゲージ率が安定して得られる歪抵抗膜およびその製造方法、ならびに、そのような歪抵抗膜を用いた高温用歪センサおよびその製造方法が提供される。

【図面の簡単な説明】

【0031】

【図1】Ｃｒに添加する元素Ｘの量とネール温度との関係を示す図である。

【図2】Ｃｒに添加する元素Ｘの量とネール温度との関係を示す図である。

【図3】Ｃｒ−Ａｌ合金のＡｌの添加量とネール温度の関係を示す図である。

【図4】Ｃｒ−Ｍｎ合金のＭｎの添加量とネール温度の関係を示す図である。

【図5】高温歪印加電気抵抗測定装置を示す概略構成図である。

【図6】曲げ試験シーケンスを示す図である。

【図7】Ｃｒ薄膜（サンプルＡ）の測定温度とゲージ率との関係を示す図である。

【図8】Ｃｒ薄膜（サンプルＡ）とＣｒ−３．０ａｔ．％Ｍｎ薄膜（サンプルＢ）の測定温度とゲージ率との関係を示す図である。

【図9】Ｃｒ薄膜（サンプルＡ）とＣｒ−１４．１ａｔ．％Ａｌ薄膜（サンプルＣ）の測定温度とゲージ率との関係を示す図である。

【図10】Ｃｒ薄膜（サンプルＡ）の測定温度に対するゲージ率および抵抗の値を示す図である。

【図11】Ｃｒ−３．０ａｔ．％Ｍｎ薄膜（サンプルＢ）の測定温度に対するゲージ率および抵抗の値を示す図である。

【図12】Ｃｒ−１４．１ａｔ．％Ａｌ薄膜（サンプルＣ）の測定温度に対するゲージ率および抵抗の温度変化を示す図である。

【図13】Ｃｒ−３．０ａｔ．％Ｍｎ薄膜（サンプルＢ）の抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ_０）を示す図である。

【図14】Ｃｒ−１４．１ａｔ．％Ａｌ薄膜（サンプルＣ）の抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ_０）を示す図である。

【図15】比較例であるＣｒ−４．４ａｔ．％Ｎｉ薄膜における測定温度と抵抗の値との関係を示す図、および測定温度とゲージ率との関係を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0032】

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
Ｃｒ系薄膜においては、一般に、その電気抵抗は、広い温度領域全般に亘っては、通常の金属と同様に温度変化に対し正の傾きで変化するが、Ｃｒの反強磁性に関連するネール温度において極小値をとることが知られている。すなわち、ネール温度近傍のネール温度以下の温度領域では、電気抵抗の傾きが負になるかまたは傾きの減少が生じて極小点であるネール温度に至り、ネール温度以上の温度領域では再び正の傾きで電気抵抗が増加していく挙動を示す。そこで実際に種々のＣｒ系薄膜の抵抗値の温度依存性を調査した結果、電気抵抗の温度変化においてネール温度と考えられる極小値が見出された。

【0033】

一方、過去の文献（E.Fawcett et al.:"Spin-density-wave antiferromagnetism in chromium alloys", Rev.Mod.Phys.,66(1),(1994).）には、Ｃｒに添加する元素Ｘの量とネール温度との関係が示されている。その４０ページ、３９ページに実際に示された、添加元素Ｘの量とネール温度との関係を、図１および図２に示す。これらに示すように、Ｃｒのネール温度が３００Ｋ（１２７℃）程度であるのに対し、ＣｒにＡｌ、Ｍｎ、Ｐｔ、Ｒｅ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｇａ、およびＧｅを添加することにより、添加する量に応じてネール温度が上昇することがわかる。

【0034】

これらの中で、ＭｎとＡｌ以外の他の元素はネール温度の上昇がおよそ３００℃までであるのに対し、ＭｎとＡｌは５００℃を超える温度までネール温度を上昇させ得ることが確認された。

【0035】

Ｃｒ−Ａｌ合金の磁気状態図、つまりＡｌの添加量とネール温度の関係が上記文献の４８ページに示されており、その図を図３に示す。図３から、ＣｒへのＡｌの添加量が約２５ａｔ％までネール温度が上昇し、その最高温度は約８００Ｋ、すなわち約５３０℃であることがわかる。

【0036】

Ｍｎの添加量とネール温度の関係については、上記文献の８５ページに示されており、その図を図４に示す。この図の中で１〜２０は、Ｍｎ添加量が異なっており、１がＭｎ：０ａｔ．％、２がＭｎ：０．１ａｔ．％、３がＭｎ：０．２ａｔ．％、・・・・・８がＭｎ：０．７ａｔ．％、９が１．０ａｔ．％、・・・・１６がＭｎ：６．０ａｔ．％、・・・・１９がＭｎ：３０ａｔ．％、２０がＭｎ：３４ａｔ．％である。この図に示すように、Ｍｎ添加量が３４ａｔ．％まで、ネール温度が一様に上昇し、その最高温度は約７８０Ｋ、すなわち約５１０℃であることがわかる。

【0037】

一方、後述するように高温におけるゲージ率を測定した結果、Ｃｒ系薄膜においては、ほとんどの場合、ネール温度のすぐ低温側にゲージ率のピークが現れることが確認された。そして、上述したネール温度が高いＣｒ−Ｍｎ薄膜、Ｃｒ−Ａｌ薄膜の場合、ＭｎまたはＡｌ成分量の増加にともなって、ネール温度とともに、ゲージ率のピークまたはピーク高温側の傾斜のふもとが高温側へシフトしていく挙動が観察された。

【0038】

このことから、Ｃｒ−Ｍｎ薄膜およびＣｒ−Ａｌ薄膜は、ＭｎおよびＡｌ量に追従するネール温度の高温化にともなって、高温領域で大きなゲージ率を示すことが見出された。

【0039】

そして、Ｃｒ−Ａｌ合金の場合、上記図３に示すように、Ａｌが４ａｔ．％未満ではネール温度の減少が見られ、４〜２５ａｔ．％でネール温度の上昇が見られ、Ｃｒ−Ｍｎ合金の場合、上記図４に示すように、Ｍｎが０．１〜３４ａｔ．％でネール温度の上昇がみられることから、Ｃｒ−Ａｌ薄膜では、Ａｌ量が４〜２５ａｔ．％の範囲、Ｃｒ−Ｍｎ薄膜では、Ｍｎ量が０．１〜３４ａｔ．％の範囲において、２５０〜５００℃の高温領域で６以上の高いゲージ率を安定して示すことが見出された。

【0040】

このように、上記組成範囲のＣｒ−Ｍｎ薄膜およびＣｒ−Ａｌ薄膜は、高温用歪センサに用いる抵抗薄膜として良好な特性を有する。また、このような抵抗薄膜を歪材料として用いることにより、実用的な高温用歪センサが得られる。

【0041】

また、上記Ｃｒ−Ｍｎ薄膜またはＣｒ−Ａｌ薄膜からなる抵抗薄膜は、２５０℃以上４５０℃以下の範囲で、上記特性に加えて抵抗値の安定性が±０．２％以内という特性を示す。また、２５０℃以上４００℃以下の範囲において、抵抗値の安定性が±０．０２％以内と一層良好な抵抗安定性を示す。

【0042】

次に、高温におけるゲージ率の測定装置および方法について説明する。
上述したように、本発明は高温領域でのゲージ率が高い抵抗薄膜および歪センサを提供するものであり、高温でのゲージ率を把握することが必要であるが、従来、高温におけるゲージ率の測定方法が確立されていなかった。

【0043】

このため、高温におけるゲージ率を測定することができる装置と方法について様々な検討を行った結果、図５に示す高温歪印加電気抵抗測定装置に想到した。

【0044】

図５の装置は、大気中で１０００℃付近まで加熱することができる温度制御機能付きの電気オーブン１を有し、電気オーブン１の上部には窓２が形成されている。窓２は蓋部材３により塞がれており、蓋部材３には、電気オーブン１内に向けて下方に延びる支持棒４が固定されている。支持棒４は、電気オーブン１内の測定台５を支持している。

【0045】

測定台５の上には固定部材６が設けられており、固定部材６には、基板７上に高周波スパッタリング等により所定パターンのＣｒ系薄膜８が形成された試料２０が片持ち梁固定されている。測定台５は箱状をなしており、内部に端子１１を有する端子台１０が設けられている。Ｃｒ系薄膜８と端子１１はボンディングワイヤー９で接続されている。

【0046】

端子１１には耐熱配線ケーブル（図示せず）が接続されている。耐熱配線ケーブルは窓２を介して引き出され、測定系（ＤＭＭ）１４に接続されている。また、電源１５も耐熱配線ケーブルにより接続されている。

【0047】

蓋部材３にはマイクロメータ１２が固定されており、マイクロメータ１２からは歪印加用押し込み棒１３が下方に延び、試料２０の自由端近傍に接触するようになっている。これにより、マイクロメータ１２により歪印加用押し込み棒１３を所定長さ降下させて、試料２０に所定の歪を印加することができるようになっている。

【0048】

このような高温歪印加電気抵抗測定装置により高温でのゲージ率を測定するに際しては、電気オーブン１内の温度を約８００℃までの所定の温度に設定し、電気オーブン１の外部からマイクロメータ１２により歪印加用押し込み棒１３を操作して、試料２０に所定の歪を印加し、歪抵抗膜の抵抗を測定する。このような操作を各温度で行い、各温度で得られた抵抗変化率を別途１００℃で測定したゲージ率で校正し、高温でのゲージ率を求める。これにより、高温でのゲージ率を正確に求めることができる。

【0049】

次に、本発明の歪抵抗膜および歪センサの製造方法について説明する。
本発明では、基板上に歪抵抗膜として上述したＣｒ−Ｍｎ薄膜またはＣｒ−Ａｌ薄膜を成膜した後、２５０℃以上５００℃以下における使用温度範囲の上限よりも５０℃以上高い温度で大気中において３０分以上４時間以下の熱処理を施す。例えば使用温度範囲の上限が３００℃の場合は、３５０℃以上の温度でこのような熱処理を施す。

【0050】

これにより、上述したように、使用範囲が２５０℃以上５００℃以下の範囲で、ゲージ率が６以上の高いゲージ率を安定して示す歪抵抗膜を製造することができる。また、このようにして製造された歪抵抗膜は、４５０℃以下の範囲で、上記特性に加えて抵抗値の安定性が±０．２％以内、４００℃以下の範囲において、抵抗値の安定性が±０．０２％以内という良好な抵抗安定性を示す。

【0051】

そして、このような歪抵抗膜を用いることにより、高温用歪センサを製造することができる。

【0052】

本発明において、歪抵抗膜を構成するＣｒ−Ｍｎ薄膜、Ｃｒ−Ａｌ薄膜を成膜する基材（起歪構造体）としては、耐熱性が良好な絶縁性セラミックスであるアルミナを好適に用いることができる。また、アルミナに限らず、他の種々のセラミックスを用いることもできる。さらに、基材としてステンレス鋼（ＳＵＳ）等、種々の金属板に絶縁コートを施したものを用いることもできる。また、歪抵抗膜を構成するＣｒ−Ｍｎ薄膜、Ｃｒ−Ａｌ薄膜を成膜する手法は特に限定されないがスパッタリング、特に高周波スパッタリングが好ましい。高周波スパッタリング装置としてはマグネトロン方式のものが好適である。高周波スパッタリングの際のガス圧は、１６ｍＴｏｒｒ（２．１３Ｐａ）以下、例えば５ｍＴｏｒｒ（０．６７Ｐａ）が好ましい。歪抵抗膜として用いるＣｒ系薄膜のパターンとしては、歪センサとして通常用いるパターンでよく、例えば格子状パターンを用いることができる。また、高周波スパッタリングに用いるターゲットとしては高純度のＣｒ円盤にＭｎまたはＡｌのチップを所定個数貼り付けた複合ターゲットでもよいが、予め所定組成のＣｒ−Ｍｎ、Ｃｒ−Ａｌに調製された合金ターゲットを用いてもよい。

【実施例】

【0053】

以下、本発明の実施例について説明する。
ここでは、まず、基材（起歪構造体）としてのアルミナ基板上に、高周波スパッタリングにより、比較材として格子状パターンのＣｒ薄膜を成膜したサンプルＡを準備した。その後、図５の装置により試料を大気中５００℃で０．５時間の熱処理を施した後、図５の装置により４５０℃までの温度範囲におけるゲージ率を測定した。

【0054】

ゲージ率の測定に際しては、試料を測定台の所定の位置にセットし、各温度に保持した状態で、図５の装置のマイクロメータにより歪印加用押し込み棒を操作して、試料に図６のシーケンスで約０．０５％の歪を印加する曲げ試験を行い、４５０℃までの各温度において抵抗測定を行った。各温度で得られた抵抗変化率を、別途１００℃で測定したゲージ率で校正し、各温度でのゲージ率を求めた。

【0055】

その結果を図７に示す。この図に示すように、３５０℃以上４５０℃以下において、ゲージ率が３以上であり、かつゲージ率の温度変化が小さいことが確認された。

【0056】

次に、基材（起歪構造体）としてのアルミナ基板上に、高周波スパッタリングにより、本発明例としてＣｒ−３．０ａｔ．％Ｍｎ薄膜を成膜したサンプルＢおよび、Ｃｒ−１４．１ａｔ．％Ａｌ薄膜を成膜したサンプルＣを準備した。その後、図５の装置により試料を大気中５００℃で０．５時間の熱処理を施した後、図５の装置により４５０℃までの温度範囲におけるゲージ率を測定した。

【0057】

ゲージ率の測定に際しては、試料を測定台の所定の位置にセットし、各温度に保持した状態で、図５の装置のマイクロメータにより歪印加用押し込み棒を操作して、試料に図６のシーケンスで約０．０５％の歪を印加する曲げ試験を行い、４５０℃までの各温度において抵抗測定を行った。各温度で得られた抵抗変化率を、別途１００℃で測定したゲージ率で校正し、各温度でのゲージ率を求めた。

【0058】

その結果を図８、図９に示す。図８は、Ｃｒ薄膜を成膜したサンプルＡとＣｒ−３．０ａｔ．％Ｍｎ薄膜を成膜したサンプルＢの結果を比較したものであり、図９はサンプルＡとＣｒ−１４．１ａｔ．％Ａｌ薄膜を成膜したサンプルＣの結果を比較したものである。これらの図に示すように、本発明例であるＣｒ−３．０ａｔ．％Ｍｎ薄膜（サンプルＢ）およびＣｒ−１４．１ａｔ．％Ａｌ薄膜（サンプルＣ）は、２５０℃から４５０℃において、Ｃｒ薄膜（サンプルＡ）よりもゲージ率が高く、サンプルＡでは２５０℃でゲージ率が６、３００℃でゲージ率が５、３５０〜４５０℃でゲージ率が４程度であったのに対し、サンプルＢおよびサンプルＣでは、ほぼ６以上であった。

【0059】

なお、サンプルＡ〜Ｃの製造条件等の詳細について、以下にまとめて示す。
１．成膜方法：スパッタリング法
２．成膜装置：マグネトロン方式の高周波スパッタリング装置
３・ターゲット
・Ｃｒ：公称純度９９．９％で直径７５．５ｍｍのＣｒ円盤
・Ｃｒ−Ｍｎ、Ｃｒ−Ａｌ：上記Ｃｒ円盤状に５×５ｍｍ^２大で厚さ１ｍｍのＭｎチップ、Ａｌチップを８個乗せた複合ターゲット
４・基板：純度９９．９％、厚さ０．１ｍｍのアルミナ板
５・成膜条件
・成膜真空度（背景真空度）：１×１０^−５Ｐａ
・ターゲット−基板間距離（Ｔ−Ｓ距離）：４３ｍｍ
・スパッタガス圧：５ｍＴｏｒｒ（０．６７Ｐａ）
・スパッタガス流量：５ｓｃｃｍ
・入力電力：１０Ｗ
・基板温度：２０℃水冷
６．薄膜歪センサ（歪ゲージ）素子のパターニングおよび熱処理等
・受感部形状：８回の折り返しからなる格子状
・格子の線幅および間隔：ともに０．０５ｍｍ
・格子長さ：２ｍｍ
・薄膜の厚さ：約１００ｎｍ
・パターン形状：フォトリソグラフィー技術とＣｒエッチング液による腐食整形技術を利用
・熱処理：大気中において所定の温度で３０分間保持
・電極形成：センサ薄膜の所定位置にＡｕ／Ｎｉ／Ｃｒ積層薄膜をリフトオフ法で重ねて形成
・評価用素子の切り出し：ダイシング装置を用いて素子を個別に切り出し

【0060】

次に、Ｃｒ薄膜を成膜したサンプルＡと、Ｃｒ−３．０ａｔ．％Ｍｎ薄膜を成膜したサンプルＢと、Ｃｒ−１４．１ａｔ．％Ａｌ薄膜を成膜したサンプルＣとについて、ゲージ率および抵抗の温度依存性を把握した。図１０はＣｒ薄膜（サンプルＡ）の測定温度に対するゲージ率および抵抗の値を示す図であり、図１１はＣｒ−３．０ａｔ．％Ｍｎ薄膜（サンプルＢ）の測定温度に対するゲージ率および抵抗の値を示す図であり、図１２はＣｒ−１４．１ａｔ．％Ａｌ薄膜（サンプルＣ）の測定温度に対するゲージ率および抵抗の温度変化を示す図である。

【0061】

これらの図に示すように、Ｃｒ薄膜（サンプルＡ）はネール温度が１７０℃程度と低いため、ゲージ率のピークが１００℃程度であり、高温でのゲージ率が低下する傾向にあったが、本発明例であるＣｒ−３．０ａｔ．％Ｍｎ薄膜（サンプルＢ）と、Ｃｒ−１４．１ａｔ．％Ａｌ薄膜（サンプルＣ）は、ネール温度が５００℃付近であり、いずれもゲージ率のピークが３５０〜４００℃程度であり、ネール温度が高いことにより、高温領域でのゲージ率が高い値を示すことが確認された。

【0062】

次に、上記サンプルＢ，Ｃについて各測定温度における抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ_０）を求めた。図１３はサンプルＢにおける抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ_０）を示す図であり、図１４はサンプルＣにおける抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ_０）を示す図である。抵抗変化率は、図６に示すように、曲げを含む３０分保持前後の抵抗値から求めた。なお、成膜後の熱処理は、大気中５００℃で０．５時間とした。

【0063】

これらの図に示すように、大気中５００℃で０．５時間の熱処理によって、いずれも４００℃まで抵抗変化率が±０．０２％以内の高い安定性を示した。

【0064】

次に、比較のため、Ｃｒに添加する元素としてネール温度を低下させるＮｉを用いたＣｒ−４．４ａｔ．％Ｎｉ薄膜について、各測定温度について抵抗の値とゲージ率の値度変化を測定した。測定手法および製造条件等はサンプルＡ〜Ｃと同様にした。その結果を図１５に示す。図１５（ａ）は、測定温度と抵抗の値との関係を示す図であるが、Ｃｒ−Ｎｉ薄膜の場合、ネール温度が低温側にシフトして見えなくなっている。また、図１５（ｂ）は、測定温度とゲージ率との関係を示す図であるが、ネール温度が低温側にシフトすることにより、室温〜５００℃でゲージ率のピークはなく、ゲージ率は室温〜５００℃まででほぼ一定値で安定していたが、高温でのゲージ率の上昇は見られなかった。Ｎｉ−Ｃｒ合金は、温度に対するゲージ率が安定しているため、従来から高温用の歪ゲージとして用いられているが、そのゲージ率の値は２程度であり、不十分であった。

【符号の説明】

【0065】

１；電気オーブン、２；窓、３；蓋部材、４；支持棒、５；測定台、６；固定部材、７；基板、８；Ｃｒ系薄膜（歪抵抗膜）、１０；端子台、１１；端子、１２；マイクロメータ、１３；歪印加用押し込み棒

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】