(57)【要約】【課題】所定の高温領域において、実用的なゲージ率を示し、かつゲージ率の安定性が高い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。【解決手段】クロミウム（Ｃｒ）からなる薄膜を形成し、３００℃以上８００℃以下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、３５０℃から８００℃までの温度範囲において、ゲージ率が３以上、ゲージ率の温度係数が２０００ｐｐｍ／℃以下である歪抵抗膜を得る。この歪抵抗膜を歪材料として用いて歪センサを構成する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
クロミウム（Ｃｒ）からなる薄膜で構成され、かつ使用温度範囲が３５０℃以上８００℃以下であり、前記使用温度範囲において、ゲージ率が３以上、ゲージ率の温度係数が２０００ｐｐｍ／℃以下であることを特徴とする歪抵抗膜。
【請求項２】
クロミウム（Ｃｒ）からなる薄膜で構成され、かつ使用温度範囲が３５０℃以上４５０℃以下であり、前記使用温度範囲において、ゲージ率が３以上、ゲージ率の温度係数が２０００ｐｐｍ／℃以下、抵抗値の安定性が±０．２％以内であることを特徴とする歪抵抗膜。
【請求項３】
クロミウム（Ｃｒ）からなる薄膜で構成され、かつ使用温度範囲が３５０℃以上４００℃以下であり、前記使用温度範囲において、ゲージ率が３以上、ゲージ率の温度係数が２０００ｐｐｍ／℃以下、抵抗値の安定性が±０．０２％以内であることを特徴とする歪抵抗膜。
【請求項４】
クロミウム（Ｃｒ）からなる薄膜を形成し、３００℃以上８００℃以下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、３５０℃以上８００℃以下の温度範囲において、ゲージ率が３以上、ゲージ率の温度係数が２０００ｐｐｍ／℃以下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５】
クロミウム（Ｃｒ）からなる薄膜を形成し、３００℃以上８００℃以下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、３５０℃以上４５０℃以下の温度範囲において、ゲージ率が３以上、ゲージ率の温度係数が２０００ｐｐｍ／℃以下、抵抗値の安定性が±０．２％以内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】
クロミウム（Ｃｒ）からなる薄膜を形成し、３００℃以上８００℃以下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、３５０℃以上４００℃以下の温度範囲において、ゲージ率が３以上、ゲージ率の温度係数が２０００ｐｐｍ／℃以下、抵抗値の安定性が±０．０２％以内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】
クロミウム（Ｃｒ）からなる薄膜で構成され、かつ使用温度範囲が３５０℃以上８００℃以下であり、前記使用温度範囲において、ゲージ率が３以上、ゲージ率の温度係数が２０００ｐｐｍ／℃以下である歪抵抗膜を歪材料として用いたことを特徴とする高温用歪センサ。
【請求項８】
クロミウム（Ｃｒ）からなる薄膜で構成され、かつ使用温度範囲が３５０℃以上４５０℃以下であり、前記使用温度範囲において、ゲージ率が３以上、ゲージ率の温度係数が２０００ｐｐｍ／℃以下、抵抗値の安定性が±０．２％以内である歪抵抗膜を歪材料として用いたことを特徴とする高温用歪センサ。
【請求項９】
クロミウム（Ｃｒ）からなる薄膜で構成され、かつ使用温度範囲が３５０℃以上４００℃以下であり、前記使用温度範囲において、ゲージ率が３以上、ゲージ率の温度係数が２０００ｐｐｍ／℃以下、抵抗値の安定性が±０．０２％以内である歪抵抗膜を歪材料として用いたことを特徴とする高温用歪センサ。
【請求項１０】
クロミウム（Ｃｒ）からなる薄膜を形成し、３００℃以上８００℃以下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すことにより、３５０℃以上８００℃以下の温度範囲において、ゲージ率が３以上、ゲージ率の温度係数が２０００ｐｐｍ／℃以下である歪抵抗膜とし、前記歪抵抗膜を歪材料として用いて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１１】
クロミウム（Ｃｒ）で構成された薄膜を形成し、３００℃以上８００℃以下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すことにより、３５０℃以上４５０℃以下の温度範囲において、ゲージ率が３以上、ゲージ率の温度係数が２０００ｐｐｍ／℃以下、抵抗値の安定性が±０．２％以内である歪抵抗膜とし、前記歪抵抗膜を歪材料として用いて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１２】
クロミウム（Ｃｒ）で構成された薄膜を形成し、３００℃以上８００℃以下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すことにより、３５０℃以上４００℃以下の温度範囲において、ゲージ率が３以上、ゲージ率の温度係数が２０００ｐｐｍ／℃以下、抵抗値の安定性が±０．０２％以内である歪抵抗膜とし、前記歪抵抗膜を歪材料として用いて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。
【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】
また、特許文献３には、ゲージ率の温度安定性の指標として抵抗温度係数（ＴＣＲ）が重要であることが記載されているが、ＴＣＲは、ブリッジ回路を用いて均一温度を受けるようにすれば温度変化の影響をほぼなくすことができる。
【００１０】
しかし、本発明者の検討結果によれば、ゲージ率の安定性の指標としてはゲージ率の温度係数（ＴＣＳ）が重要であり、ＴＣＳを小さくするには回路を用いる等の回避手段はなく、その値そのものを小さくする必要があるが、上記特許文献２，３では、ＴＣＳの値は不明である。
【００１１】
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、実用的なゲージ率を示し、かつゲージ率の温度安定性が高い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】
【００１２】
本発明者は、高温用歪センサに適用可能な歪抵抗膜について検討を重ねた。その結果、クロミウム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、その使用温度範囲において、ゲージ率が３以上で、ゲージ率の温度係数（感度温度係数）（ＴＣＳ）が２０００ｐｐｍ／℃以下という良好な値が得られ、実用的なゲージ率を有し、ゲージ率の温度安定性が高い高温用歪センサが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）〜（１２）を提供する。
【００１４】
（１）クロミウム（Ｃｒ）からなる薄膜で構成され、かつ使用温度範囲が３５０℃以上８００℃以下であり、前記使用温度範囲において、ゲージ率が３以上、ゲージ率の温度係数が２０００ｐｐｍ／℃以下であることを特徴とする歪抵抗膜。
【００１５】
（２）クロミウム（Ｃｒ）からなる薄膜で構成され、かつ使用温度範囲が３５０℃以上４５０℃以下であり、前記使用温度範囲において、ゲージ率が３以上、ゲージ率の温度係数が２０００ｐｐｍ／℃以下、抵抗値の安定性が±０．２％以内であることを特徴とする歪抵抗膜。
【００１６】
（３）クロミウム（Ｃｒ）からなる薄膜で構成され、かつ使用温度範囲が３５０℃以上４００℃以下であり、前記使用温度範囲において、ゲージ率が３以上、ゲージ率の温度係数が２０００ｐｐｍ／℃以下、抵抗値の安定性が±０．０２％以内であることを特徴とする歪抵抗膜。
【００１７】
（４）クロミウム（Ｃｒ）からなる薄膜を形成し、３００℃以上８００℃以下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、３５０℃以上８００℃以下の温度範囲において、ゲージ率が３以上、ゲージ率の温度係数が２０００ｐｐｍ／℃以下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。
【００１８】
（５）クロミウム（Ｃｒ）からなる薄膜を形成し、３００℃以上８００℃以下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、３５０℃以上４５０℃以下の温度範囲において、ゲージ率が３以上、ゲージ率の温度係数が２０００ｐｐｍ／℃以下、抵抗値の安定性が±０．２％以内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）クロミウム（Ｃｒ）からなる薄膜を形成し、３００℃以上８００℃以下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、３５０℃以上４００℃以下の温度範囲において、ゲージ率が３以上、ゲージ率の温度係数が２０００ｐｐｍ／℃以下、抵抗値の安定性が±０．０２％以内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）クロミウム（Ｃｒ）からなる薄膜で構成され、かつ使用温度範囲が３５０℃以上８００℃以下であり、前記使用温度範囲において、ゲージ率が３以上、ゲージ率の温度係数が２０００ｐｐｍ／℃以下である歪抵抗膜を歪材料として用いたことを特徴とする高温用歪センサ。
【００２１】
（８）クロミウム（Ｃｒ）からなる薄膜で構成され、かつ使用温度範囲が３５０℃以上４５０℃以下であり、前記使用温度範囲において、ゲージ率が３以上、ゲージ率の温度係数が２０００ｐｐｍ／℃以下、抵抗値の安定性が±０．２％以内である歪抵抗膜を歪材料として用いたことを特徴とする高温用歪センサ。
【００２２】
（９）クロミウム（Ｃｒ）からなる薄膜で構成され、かつ使用温度範囲が３５０℃以上４００℃以下であり、前記使用温度範囲において、ゲージ率が３以上、ゲージ率の温度係数が２０００ｐｐｍ／℃以下、抵抗値の安定性が±０．０２％以内である歪抵抗膜を歪材料として用いたことを特徴とする高温用歪センサ。
【００２３】
（１０）クロミウム（Ｃｒ）からなる薄膜を形成し、３００℃以上８００℃以下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すことにより、３５０℃以上８００℃以下の温度範囲において、ゲージ率が３以上、ゲージ率の温度係数が２０００ｐｐｍ／℃以下である歪抵抗膜とし、前記歪抵抗膜を歪材料として用いて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。
【００２４】
（１１）クロミウム（Ｃｒ）で構成された薄膜を形成し、３００℃以上８００℃以下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すことにより、３５０℃以上４５０℃以下の温度範囲において、ゲージ率が３以上、ゲージ率の温度係数が２０００ｐｐｍ／℃以下、抵抗値の安定性が±０．２％以内である歪抵抗膜とし、前記歪抵抗膜を歪材料として用いて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。
【００２５】
（１２）クロミウム（Ｃｒ）で構成された薄膜を形成し、３００℃以上８００℃以下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すことにより、３５０℃以上４００℃以下の温度範囲において、ゲージ率が３以上、ゲージ率の温度係数が２０００ｐｐｍ／℃以下、抵抗値の安定性が±０．０２％以内である歪抵抗膜とし、前記歪抵抗膜を歪材料として用いて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。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、所定の高温領域において、実用的なゲージ率を示し、かつゲージ率の温度安定性が高い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】
【００２７】
【図１】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２】曲げ試験シーケンスを示す図である。
【図３】Ｃｒ薄膜の測定温度とゲージ率との関係を示す図である。
【図４】Ｃｒ薄膜の測定温度とＴＣＳとの関係を示す図である。
【図５】Ｃｒ薄膜の測定温度と抵抗値との関係を示す図である。
【図６】Ｃｒ薄膜の測定温度と抵抗変化率との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
本発明においては、歪抵抗膜としてＣｒからなる薄膜（Ｃｒ薄膜）を用いる。Ｃｒ薄膜は、Ｃｒと不可避不純物とからなる。
【００２９】
Ｃｒ薄膜は、常温では１５以上の高いゲージ率が得られることが知られているが、高温でのゲージ率は明らかになっておらず、高温におけるゲージ率の測定方法も従来報告がない。
【００３０】
そこで、まず、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。その結果、８００℃までのゲージ率の測定を可能とする装置と測定方法を確立した。
【００３１】
図１は、このような高温のゲージ率を測定することができる高温歪印加電気抵抗測定装置を示す概略構成図である。
この装置は、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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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、歪抵抗膜としてのＣｒ薄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。このような装置および方法を用いることにより、高温でのゲージ率を正確に求めることができる。
【００３６】
このような装置および方法により、高温でのゲージ率の測定およびゲージ率の挙動等の調査を行った。その結果、歪抵抗膜として基板上にＣｒ薄膜を形成した後、３００℃以上８００℃以下における使用する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ことによって、使用範囲が３５０℃以上８００℃以下の範囲で、ゲージ率が３以上で、ゲージ率の温度係数（感度温度係数）（ＴＣＳ）が２０００ｐｐｍ／℃以下という良好な特性を示す歪抵抗膜が得られることが見出された。そして、このような歪抵抗膜を歪材料として用いることにより、実用的なゲージ率および高いゲージ率温度安定性を示す高温用歪センサが得られる。
【００３７】
また、使用温度範囲が３５０℃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％以内というさらに良好な安定性を示す。また、使用温度範囲が３５０℃以上４００℃以下の範囲において、抵抗値の安定性が±０．０２％以内と一層良好な安定性を示す。
【００３８】
本発明において、歪抵抗膜として用いるＣｒ薄膜を形成する基材（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、Ｃｒ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。歪抵抗膜として用いるＣｒ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。
【実施例】
【００３９】
以下、本発明の実施例について説明する。
ここでは、基材（起歪構造体）としての厚さ０．１ｍｍのアルミナ基板上に、高周波スパッタリングにより格子状パターンのＣｒ薄膜を形成したものを試料として用いた。その後、図１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１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。
【００４０】
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１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２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。
【００４１】
その結果を図３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。
【００４２】
次にゲージ率の温度係数（感度温度係数）（ＴＣＳ）を測定した。図４に測定温度とＴＣＳとの関係を示す。ＴＣＳは、測定温度Ｔ℃〜Ｔ＋５０℃のＴＣＳの値を示している。例えば４００℃のときのＴＣＳの値は、４００℃のときのゲージ率の値と４５０℃の時のゲージ率の値の変化から求めている。図４に示すように、３５０℃以上ではＴＣＳの値（絶対値）が２０００ｐｐｍであることが確認された。
【００４３】
次に、Ｃｒ薄膜の抵抗値の温度変化を求めた。その結果を図５に示す。図５の（ａ）は３００℃までの値、（ｂ）は５００℃までの値である。Ｃｒ薄膜は５００℃で熱処理しているので、３００℃までは昇降温でほぼ一致した抵抗値を示す。５００℃までの昇降温では、５００℃付近で抵抗値の変化が生じてしまうので少しずれが生じる。
【００４４】
次に、Ｃｒ薄膜の抵抗の安定性について試験を行った。図６は、各測定温度における抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ０）を示す図である。抵抗安定率は図２の０分と３０分の抵抗値から求めた。図６に示すように、抵抗変化率は、４５０℃以下で±０．２％以内と小さく、４００℃以下では±０．０２％以下と極めて小さい値であることが確認された。すなわち、抵抗の安定性を示す抵抗変化率は、抵抗値の単なる経時変化ではなく、曲げ（歪）を加えたときの抵抗値の変化率を示しており、上記結果から、曲げを加えても曲げを除去した後に抵抗値がほぼ元に戻り、その傾向が高温（４５０℃、好ましくは４００℃）まで維持されることが確認された。
【符号の説明】
【００４５】
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】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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