(57)【要約】本発明は、抵抗層を備えるひずみゲージを提供する。抵抗層は、金属のまたは半導性のナノ粒子またはその凝集体を含み、抵抗層においてナノ粒子またはその凝集体は絶縁性および/または半導性材料により分離されている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
抵抗層を備え、抵抗層が金属もしくは半導性のナノ粒子またはその凝集体を含み、当該ナノ粒子またはその凝集体が絶縁性および/または半導性材料により分離されているひずみゲージ。
【請求項２】
前記絶縁性および/または半導性材料が、ナノ粒子またはその凝集体を取り囲む有機分子の自己集合キャッピング層を含む、請求項1に記載のひずみゲージ。
【請求項３】
前記絶縁性および/または半導性材料が、ナノ粒子またはその凝集体を架橋する有機分子を含む、請求項1に記載のひずみゲージ。
【請求項４】
前記絶縁性および/または半導性材料が、ナノ粒子またはその凝集体を取り囲む無機分子のキャッピング層を含む、請求項1に記載のひずみゲージ。
【請求項５】
前記ナノ粒子が金または銀である、請求項1から4のいずれか一項に記載のひずみゲージ。
【請求項６】
前記抵抗層が絶縁基板上に堆積されている、請求項1から5のいずれか一項に記載のひずみゲージ。
【請求項７】
前記絶縁基板がナノ多孔膜である、請求項6に記載のひずみゲージ。
【請求項８】
前記抵抗層が、ゲージを測定装置に接続するリード線を取り付けるための接点パッドを備える、請求項1から7のいずれか一項に記載のひずみゲージ。
【請求項９】
前記ひずみゲージが、不動態化絶縁層をさらに備える、請求項1から8のいずれか一項に記載のひずみゲージ。
【請求項１０】
試験中の表面の平面内で異なる方向に配向した複数の導体を形成するように、抵抗層にパターン形成した、請求項1から9のいずれか一項に記載のひずみゲージの組立体。
【請求項１１】
試験中の表面内のひずみ分布のマッピングに適するように配置された複数の導体を形成するように、抵抗層にパターン形成した、請求項1から9のいずれか一項に記載のひずみゲージの組立体。
【請求項１２】
抵抗層にパターン形成して、ブリッジ回路またはその一部を形成する、請求項1から9のいずれか一項に記載のひずみゲージの組立体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般にひずみゲージの構造に関し、また、より詳細にはナノ粒子を含有する膜に基づく高感度かつ小型のひずみゲージに関する。
【背景技術】
【０００２】
ひずみゲージは、ひずみの原因となる導体への機械的荷重の適用に関連した、電気的導体の抵抗の変化を測定する。この抵抗の変化は、導体の形状における変化、および導体材料の抵抗率における変化によるものとすることができる。従来のひずみゲージは、金属線もしくは箔に基づき、または微細加工された単結晶もしくは多結晶半導体に基づいている。これらのゲージは、通常柔軟なプラスチック基板に取り付けられ、その基板は次に、ひずみを測定しなければならない構造物に接着される。ひずみゲージの感度は、ゲージ率「G」で示され、そのゲージ率「G」は、抵抗における相対的変化「ΔR/R」と、ひずみ「ε」との比として定義される:G=ΔR/R/ε。金属製ひずみゲージについてゲージ率は典型的な値約G=2を有するが、半導体ゲージについてGはかなり高く、70〜200の値に達する可能性がある。WindowおよびHolisterによる単行書「Strain Gauge Technology」は、従来の技術を詳細に記述している。ひずみは、単位「マイクロストレイン」(「με」)、ただし1με=10-6ε、で典型的に測定される。
【非特許文献１】
WindowおよびHolister、単行書「Strain Gauge Technology」
【特許文献１】
米国特許第4732042号
【非特許文献２】
Abeles他、Adv.Phys.24,407(1975)
【非特許文献３】
Alejandro-Arellano他、Pure Appl.Chem. 72 257(2000)
【特許文献２】
国際公開第01/25316号
【特許文献３】
米国特許第5512131号
【特許文献４】
米国特許第4732042号
【非特許文献４】
Turkevich他、Discuss.Faraday Soc.11,55(1951)
【非特許文献５】
Craighton他、J.Chem.Soc.Faraday Trans.2(75),790(1979)
【非特許文献６】
Musick他、Langmuir 15,844(1999)
【特許文献５】
国際公開第125316A1号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来のひずみゲージ技術は、いくつかの不利点を有する。金属線および箔ゲージは限定された感度を有し、このことは、微小ひずみの範囲にある低ひずみに対応する、数ppmの低い相対的抵抗変化を検出するのに、かなり高度な測定技術が要求されることを意味する。その上、このようなゲージの導体材料の抵抗率はかなり低く、電力損が増加することになる。このことにより、ゲージ構造の最小サイズに制限が設けられ、したがってひずみ測定の空間的分解能に制限が設けられる。これに対し、半導体系ゲージは、より高い感度を示すが、非線型挙動、高い抵抗率の温度係数、低いひずみ限界、および複雑な(したがって高コストの)製造工程が欠点である。
【０００４】
Fuchs他(米国特許第4732042号、1989年)は、薄い、粒状の金属膜に基づき、金属粒子間のトンネル効果により伝導が律されるひずみゲージの型を記述している。この伝導機構の理論的記述は、金、銀、パラジウム、またはスズなどの金属の粒状膜の実験結果とともにAbeles他により示された(Adv.Phys.24,407(1975))。粒状膜は、物理または化学蒸着を使用して生成される。粒状金属膜ゲージの感度は、半導体系ゲージの感度に匹敵する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者らは、ナノ粒子またはその凝集体から構成される層を使用して、高感度のひずみゲージを形成することができることを見出した。
【０００６】
したがって、本発明は、ひずみゲージであり、そのひずみゲージが抵抗層を備え、その抵抗層が金属のまたは半導性のナノ粒子またはその凝集体を含み、それらのナノ粒子またはその凝集体が絶縁性および/または半導性材料により分離されているひずみゲージにある。
【０００７】
本発明のひずみゲージにおいて、抵抗層は、絶縁性または半導性障壁により分離されている、金属のまたは半導性のナノ粒子またはその凝集体を含む。ナノ粒子層における伝導は、これらの障壁を通過するナノ粒子間のトンネル効果により律されている。外部の機械的負荷を掛けることによって層が変形すると、ナノ粒子間の離隔距離が変化する。それに応じて、その層のトンネル電流および、したがって抵抗、が変化する。トンネル障壁の厚さへのトンネル電流の指数関数的依存性によってゲージの高感度が得られ、その感度は金属箔ゲージの感度よりもほとんど2桁の大きさで高い可能性があり、半導体系ゲージの感度に匹敵する。
【０００８】
自己集合過程においてナノ粒子またはその凝集体を取り囲みキャッピング層を形成するか、またはナノ粒子またはその凝集体を架橋させることができるかいずれかである有機分子により、ナノ粒子またはその凝集体間のトンネル障壁を形成することができる。別法として、ナノ粒子を取り囲む無機材料のシェル(例えばシリカ、Alejandro-Arellano他、Pure Appl.Chem. 72 257(2000)参照)を使用してトンネル障壁として機能させることができる。
【０００９】
本発明において使用できるナノ粒子の例には、金属元素、例えばAu、Ag、Pd、Pt、Cu、Fe、Co、Niなど;金属合金、例えばCoxFey、CoxAuy;半導体、例えばTiO2、CdS、CdSe、ZnS、ZnSe、PbS、ZnO、CdTe、GaAs、InP、Si、ITOなど;有機化合物、例えば導電性ポリマー、に基づくナノ粒子が含まれる。ナノ粒子は、コア、例えばAu、が異なる材料のシェル、例えばTiO2、によって取り囲まれている複合コア-シェル型のものとすることができる。
【００１０】
機能化剤は荷電したもの、極性の、または中性のものとすることができる。機能化剤には無機イオン、酸化物およびポリマー、ならびに有機脂肪族および芳香族炭化水素;有機ハロゲン化合物、ハロゲン化アルキル、アルケニル、およびアルキニル、ハロゲン化アリール;有機金属化合物;アルコール、フェノール、およびエーテル;カルボン酸およびそれらの誘導体;有機窒素化合物;有機硫黄化合物;有機ケイ素化合物;ヘテロ環式化合物;油、脂肪、およびワックス;炭水化物;アミノ酸、タンパク質、およびペプチド;イソプレノイドおよびテルペン;ステロイドおよびそれらの誘導体;ヌクレオチドおよびヌクレオシド、核酸;アルカロイド;染料および顔料;絶縁性、半導性、および導電性ポリマーを含む有機ポリマー;フラーレン、カーボンナノチューブ、およびナノチューブ破片、が含まれる。例には、4-ニトロチオフェノール(4-NTP);メルカプト酢酸またはジチオグリコール酸;テトラシアノキノジメタン(TCNQ);4-(4-ニトロフェノールアゾ-)レゾルシノール(マグネソン);亜鉛,5,10,15,20-テトラ-(4-ピリジル)21H-23H-ポルフィン-テトラキス(メトクロリド)(Zn-ポルフィン);ジフェニルチオカルバゾン(ジチゾン);アルキルジチオール(例えばエタンジチオール、プロパンジチオール、ブタンジチオール、オクタンジチオールなど);チオ尿素;シスタミン;テトラメチル-p-フェニレンジアミン(TMPD)が含まれる。
【００１１】
ナノ粒子層は、種々の堆積技術によって生成させることができる。再現性があり、かつ制御可能であり、種々のナノ粒子型、キャッピング剤、および架橋剤に基づく均一な膜を、種々の表面上(具体的には柔軟な基板上)に生成させることが可能であって、かつ迅速で、変倍可能であり、経済的な堆積方法を使用するのが、明らかに好ましい。ナノ細孔性基板上にナノ粒子膜を形成する、1つのこのような方法が開発された(Raguse他、国際公開第01/25316号)。代替的方法によって、印刷、吹付け、描画、および塗布方法のためのインキとしての機能化されたナノ粒子、または架橋されたナノ粒子凝集体の安定な濃縮物が生成され、この場合ナノ粒子は有機分子または無機化合物により機能化される。この方法においてナノ粒子、または架橋されたナノ粒子凝集体を、有機分子または無機化合物の保護層により被覆して、ナノ粒子または凝集体の凝集化を停止させる。機能化されたナノ粒子もしくはナノ粒子凝集体のゾルは、遠心、濾過、透析、または沈殿などの方法を1回もしくは反復使用して濃縮される。濃縮過程の間、残渣、汚染物質、および過剰の保護剤または架橋剤分子をナノ粒子ゾルから取り除く。得られた濃縮物を、印刷し、吹付け、塗布しまたは描画して、剛直な基板および柔軟な基板上に、密着したナノ粒子膜を生成させる。
【００１２】
それらが高感度であるほかに、金属膜と比較したナノ粒子層のさらなる利点は、その抵抗率であり、金属導体よりも数桁の大きさで高い可能性がある。ナノ粒子膜の抵抗がより高いことは、いくつかの理由で有利である。一定の測定電圧について、電力は抵抗に反比例するので、電力損が低減される。結果として、より高い励起を行うことができ、または、別法として、抵抗性パスの長さを短縮することができる。このことは、センサ寸法をより小さくすることができるか、または曲折した構造物にパターン形成する必要がなくなるかいずれかを意味する。いずれの場合も、ひずみ測定の空間的分解能が向上する。このことにより、平面内ひずみ成分を測定するために複数的にひずみゲージを接着させること、ならびに、構造物の表面上のひずみ分布をマッピングするために、また同様な非破壊的評価の作業のために、ひずみゲージを配列し接着させることが容易になる。
【００１３】
ナノ粒子膜の抵抗率の値は、トンネル障壁の厚さによって決まる。制御された形でこの厚さを変化させると、特定の用途に適するように抵抗率を調節することができる。このことは、ナノ粒子またはその凝集体を取り囲み、または架橋させるのに使用する有機分子の長さを変化させることにより最も直接的に達成される。その上、架橋過程の間における架橋剤分子の濃度変化により、層抵抗のかなりの変動がもたらされる。
【００１４】
従来のひずみゲージと同様に、ナノ粒子膜は、柔軟な絶縁基板、例えばナノ多孔膜またはプラスチックシート上に堆積させることができ、次いでその基板を適切な接着剤で、試験しようとする構造物に接着させる。この堆積の種々の段階の間にパターン形成技術を適用して、所望の導体形状を画定し、またブリッジまたはロゼットなどの複数ゲージ回路を実現させることができる。このようなパターン形成方法の例には、シャドウマスクによる堆積、マイクロスタンプ(Kumar他、米国特許第5512131号、1996年)、写真平板エッチング、および剥離技術、またはレーザパターン形成が含まれる。
【００１５】
印刷、描画、または吹付けによってナノ粒子膜を堆積させる特定の場合として、構造物の表面が絶縁性である場合に、試験用構造物に抵抗層を直接塗布する可能性が存在する。さらに、これらの技術は、大型構造物におけるひずみ特性解析のために、非常に大型の寸法(>10m)を有するひずみゲージを作製する可能性を開くものである。このことは、ゲージを作るのに使用する半導体ウエハの大きさによって、約300mmの寸法までその大きさが限定される半導体系ゲージでは不可能である。
【００１６】
抵抗性感知層を抵抗測定の回路に接続する目的で、導電性接点パッドまたは電極をひずみゲージに組み込むことができる。このことは、抵抗性ナノ粒子感知層を堆積させる前、または後に、適正な形状にパターン形成した導電性層を堆積させることにより達成することができる。この導電性層の材料の例は、金属、合金、または適切な高導電率の他のナノ粒子膜を含むが、それらに限定されない。
【００１７】
ひずみゲージの表面を、保護不動態化層で被覆することができ、この層は、柔軟性皮膜、例えばポリマー塗膜(例えば、Adams他、米国特許第4732042号、1988年参照)か、または、適正な接着剤を使用して、もしくは熱積層法によりその表面に取り付けることが可能な柔軟性シートのいずれかとすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
トンネルひずみゲージ組立体は、主として抵抗性ナノ粒子層(図1から10において「r」と表示した)からなり、抵抗性ナノ粒子層は、試験用表面(図1から10において「SUT」と表示した)に取り付けられる。抵抗測定を行うため、リード線(図1から10において「l」と表示した)および接点パッド(図1から10において「c」と表示した)を介してオーム計(図1から10において「R」と表示した)を抵抗層に接続している。
【００１９】
ナノ粒子材料は、典型的に金または銀であり、5nmから50nmの範囲にある特性的な粒子直径を有する。ナノ粒子の調製は、文献、例えばTurkevich他による(Discuss.Faraday Soc.11,55(1951))、およびCraighton他によるもの(J.Chem.Soc.Faraday Trans.2(75),790(1979))中に記載されている。ナノ粒子膜の形成について、信頼できる、かつ経済的な手順は非常に僅かしかこれまでに報告されていない。柔軟な基板上へのナノ粒子膜の形成の場合について、このことは特に当てはまる。一例は、Musick他(Langmuir 15,844(1999))により記述される積層物である。Raguse他(国際公開第01/25316号)は、ナノ多孔膜基板上への架橋されたナノ粒子膜の迅速析出のための濾過方法を開示している。さらに、機能化されたナノ粒子濃縮物を使用して、印刷、描画、および吹付け技術により、種々の剛直の、また柔軟性基板上にナノ粒子膜を堆積させることができる。このような濃縮物の例には、4-ニトロチオフェノールなどのキャッピング剤の保護層で囲まれた金もしくは銀ナノ粒子のゾル、または、アルキルジチオールなどの薬剤により架橋されたこのようなナノ粒子の凝集体ゾルが含まれ、これらのゾルはその後、例えば反復される遠心により濃縮される。これらの技術は、ひずみゲージの用途に適したナノ粒子膜を、柔軟性基板上に生成させる問題への解決策を提供している。
【００２０】
ナノ粒子層をパターン形成して、所望される用途によって決まる適正な導体形状を形成することができる。種々のパターン形成技術を活用して、この目的を達成することができる。シャドウマスクによる堆積は、事実上どんな基板または構造物上にも0.5mm程度の特徴サイズを有する構造を画定する単純かつ経済的な方法を提供する。エッチングおよび剥離両方法を含む写真平版方法により、1マイクロメートル程度の特徴サイズを有する構造を生成させることが可能である。これらの技術は、それらの方法におけるエッチング液および溶媒に適合性のある基板に限定される。マイクロスタンプを用い画定する構造に、同様なエッチングおよび剥離方法が適用可能である(Kumar他、米国特許第5512131号、1996年)。ひずみゲージの用途に適した導体形状は、ロゼット配列および規則的配列を含む。前者の場合、異なったひずみ成分を同時に測定する目的で、複数導体が、試験用表面の平面内で異なる方向に沿って配向され、一方導体の配列を、試験用表面におけるひずみ分布のマッピングに使用することができる。ナノ粒子層の適正なパターン形成により生成させることができる重要な導体配置は、ホイートストンブリッジである。ひずみゲージ用ブリッジ回路の実施詳細およびそれら回路のそれぞれの利点の考察は、文献、例えばWindowおよびHolisterによる単行書「Strain Gauge Technology」中に見出すことができる。
【００２１】
接点パッドは、ナノ粒子膜を堆積させる前(図4および9を参照)、またはナノ粒子膜を堆積させた後(図2および7を参照)に付加することができ、あるいはナノ粒子層内に直接組み込むことができる(図5および10を参照)。接点の付加は、接点材料(例えば金または銀)の熱的蒸発を利用し、または導電性塗布を使用することにより行うことができる。ナノ粒子膜上の将来の接点パッド領域を、紫外/可視/赤外領域の強力な電磁放射線に選択的に曝露し、それによりトンネル障壁を形成している材料を蒸発させ、ナノ粒子を有効に焼結もしくは溶融させることにより、直接組込みを達成することができる。この選択的照射方法の結果として、照射領域における伝導特性がトンネル効果伝導からオーム伝導に変化し、抵抗率がかなり低下する。
【００２２】
典型的には、ひずみゲージを形成する抵抗ナノ粒子膜は基板(図1から5において「s」と表示した)上に堆積させ、その基板を次に、接着剤層(図1から5において「a」と表示した)を使用して試験用構造物に接着させる。印刷、描画、または吹付け方法を使用して、濃縮物またはインキからナノ粒子膜を作る場合、試験用構造物に直接抵抗層を堆積させることができる(図6から10を参照)。これにより、基板層および接着剤層を介在させる必要性がなくなり、非常に小さな曲率半径を有する表面におけるひずみの測定が可能になる。この技術は、試験用構造物の表面が絶縁性であることを要する点に留意されたい。この条件が適合されない場合、薄い絶縁性被膜をその表面に塗布しなければならないであろう。印刷、描画、および吹付けにより、試験用構造物上にひずみゲージ層を直接塗布することによってまた、メートルの桁の大きさを有する大規模なひずみゲージの実現も可能になる。
【００２３】
最後に、保護上部層(図1から10において「t」と表示した)を塗布してひずみゲージ組立体を環境の影響から密封することができる。
【００２４】
本明細書全体にわたって、「comprise」の語、または「comprises」もしくは「comprising」などの変形は、言及された要素、完全体、もしくはステップ、または要素、完全体、もしくはステップのグループを含み、しかしどんな他の要素、完全体、もしくはステップ、または要素、完全体、もしくはステップのグループをも除外しないことを意味すると理解される。
【００２５】
本明細書において言及されている全ての出版物は、参照により本明細書に組み入れられている。
【００２６】
本明細書に含まれているどんな資料、文書、材料、装置、文献などについての考察も、単に本発明の状況を提供するためのものである。これらの事柄のいずれかまたは全てのものが、従来技術の基盤の一部を形成し、または、本出願の各特許請求範囲の優先権データの以前にオーストラリアに存在した本発明に関連した分野における通例の一般的知識であったことを容認すると解釈されるべきではない。
【００２７】
本発明の特性が、より明瞭に理解されるために、下記の実施例を参照して本発明の好ましい形態を記述する。
【実施例】
【００２８】
[実施例1]
4-ニトロチオフェノール(4-NTP)の自己集合キャッピング層により囲まれた平均直径18nmを有する金ナノ粒子からなる機能化したナノ粒子濃縮物に基づくナノ粒子膜を使用してトンネルひずみゲージを製作した。膜は、エアブラシにより基板としての厚さ0.14mmのインクジェット透明フィルム上に吹き付けた。
【００２９】
ゲージをオーム計に接続するために、銀塗布を使用して薄い金線(直径0.05mm)を膜に取り付けた。接点間の間隔は6mmであり、ゲージ膜の幅は5mmであった。ひずみのないゲージの室温抵抗が約250kΩであり、リード線の抵抗が1Ωの桁であったので、2点抵抗測定で十分であった。
【００３０】
ナノ粒子トンネルひずみゲージの感度を評価するため、異なる曲率半径を有する表面にゲージを取り付け、それにより異なる曲げひずみにゲージをさらした。圧縮および引張りひずみの両方を適用した。図11は、測定された抵抗を曲げひずみの関数として示している。7500μεまでのひずみについて、抵抗はひずみのおよそ一次関数であり、ひずみを低下させ、かつ/または逆にすると可逆的にふるまっている。ゲージ率G=ΔR/R/εは約60であり、金属線および箔ひずみゲージのゲージ率よりも1桁と2桁の間で大きく、半導体ひずみゲージのゲージ率に匹敵する。
【００３１】
[実施例2]
Raguse他(国際公開第125316A1号、2001年)により記述されている技術により堆積させたナノ粒子膜を使用してトンネルひずみゲージを製作した。膜は、平均直径8nmを有する金ナノ粒子からなり、金ナノ粒子はC2-ジチオールにより架橋していた。膜は、濾過方法を使用して、基板としての厚さ0.14mmを有するナノ細孔性フルオロポリマー(PVDF)膜上に堆積させた。
【００３２】
ゲージをオーム計に接続するために、銀塗布を使用して薄い金線(直径0.05mm)を膜に取り付けた。接点間の間隔は7mmであり、ゲージ膜の幅は3mmであった。ひずみのないゲージの室温抵抗が約3MΩであり、リード線の抵抗が1Ωの桁であったので、2点抵抗測定で十分であった。
【００３３】
ナノ粒子トンネルひずみゲージの感度を評価するため、異なる曲率半径を有する表面にゲージを取り付け、それにより異なる曲げひずみにゲージをさらした。圧縮および引張りひずみの両方を適用した。図12は、測定された抵抗を曲げひずみの関数として示している。7500μεまでのひずみについて、抵抗はひずみのおよそ一次関数であり、ひずみを低下させ、かつ/または逆にすると可逆的に挙動する。ゲージ率G=ΔR/R/εは約35である。
【００３４】
[実施例3]
実施例1に記載しているトンネルひずみゲージと同様なトンネルひずみゲージを製作した。しかし、ナノ粒子濃縮物は、実施例1の金ナノ粒子の代わりに、平均直径50nmを有する銀ナノ粒子に基づいていた。図13は、測定された抵抗変化を曲げひずみの関数として示している。ゲージ率G=ΔR/R/εは約60である。
【００３５】
[実施例4]
実施例3に記載しているトンネルひずみゲージと同様なトンネルひずみゲージを製作した。しかし、ナノ粒子濃縮物は、実施例1の金ナノ粒子の代わりに、平均直径50nmを有する銀ナノ粒子に基づいており、無機キャッピング層シリカ(SiO2)によりトンネル化障壁を形成した。実施例1に記載したものと同様の曲げ試験においてゲージ率G=ΔR/R/ε約20が観察された。
【００３６】
[実施例5]
実施例1に記載しているトンネルひずみゲージと同様ないくつかのトンネルひずみゲージを製作した。しかし、ナノ粒子膜を堆積させる前に、測定装置にゲージを接続するリード線取付け用の接点パッドを、異なる技術を用い異なる基板上に堆積させた。1つの場合、基板は厚さ0.1mmのポリカーボネートシートであり、ナノ粒子膜を堆積させる前に、厚さ20nmのクロム膜上に200nmの金を蒸着させた。他の試料については、基板は、厚さ0.03mmの銅層で被覆した厚さ0.08mmのポリイミド膜であり、ナノ粒子膜を堆積させる前に、写真平版パターン形成と、その後の銅層の湿式エッチングとにより、接点パッドを形成した。実施例1に記載したものと同様の曲げ試験においてゲージ率G=ΔR/R/ε約100が観察された。
【００３７】
[実施例6]
実施例1に記載しているひずみゲージと同様なひずみゲージを製作した。しかし、ナノ粒子膜を堆積させる前に、測定装置にゲージを接続するリード線取付け用の接点パッドを、以下のように蒸着させた。接点パッドは、ひずみ感知層に使用したものと同一のナノ粒子材料からなっていたが、200℃における熱処理を用い高度に導電性の金属状態に変態させた。接点パッドの、またその後堆積させる抵抗性ナノ粒子層の必要なパターン形成は、シャドウマスクを使用して達成した。実施例1に記載したものと同様の曲げ試験においてゲージ率G=ΔR/R/ε約100が観察された。
【００３８】
[実施例7]
実施例1に記載しているトンネルひずみゲージと同様なトンネルひずみゲージを製作した。しかし、シリコーンゴムからなる不動態化層でゲージ組立体を被覆した。実施例1に記載したものと同様の曲げ試験においてゲージ率G=ΔR/R/ε約100が観察された。
【００３９】
[実施例8]
実施例1に記載しているトンネルひずみゲージと同様なトンネルひずみゲージの組立体を製作した。しかし、Canon BubbleJetインクジェットプリンタを使用してナノ粒子膜層を堆積させた。製作した組立体は、2つの直角ひずみ成分測定用二重ロゼット、主ひずみ、せん断ひずみ直接表示のためのシュブロンパターンにおける二要素測定用三要素ロゼット、および個別ゲージ125個の直交配列体を含んでいた。
【００４０】
特定の実施形態において示している本発明に対して、概して本発明の精神または範囲から逸脱することなく数多くの変形および/または修正を行うことができることを当分野の技術者には理解されるであろう。したがって、本実施形態は全ての点で例示的であり、限定的ではないとみなすべきである。
【００４１】
「参考文献」
2004538494.tif 000003
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】接着剤層「a」(本図では覆い隠される、図2を参照)を使用して試験用表面(「SUT」)に取り付け、リード線「l」(場合によってはんだビードを有する)を経由しオーム計「R」に接続している、トンネルひずみゲージ組立体を示す上面図である。ひずみゲージは、抵抗性ナノ粒子トンネル層「r」を堆積させている絶縁基板「s」と、その後ナノ粒子トンネル層「r」上に堆積させる接点パッド「c」とからなる。部分的に切り取って描き、ゲージ構造体が見えるようにしている保護上部層「t」(場合によって)をも示している。
【図２】図1に示しているトンネルひずみゲージ組立体を示す側面断面図である。
【図３】接着剤層「a」(本図では覆い隠される、図4を参照)を使用して試験用表面(「SUT」)に取り付け、リード線「l」(場合によってはんだビードを有する)を経由しオーム計「R」に接続している、トンネルひずみゲージ組立体を示す上面図である。ひずみゲージは、接点パッド「c」を堆積させている絶縁基板「s」と、その後接点パッド「c」上に堆積させる(部分的に接点パッド「c」を覆う)抵抗性ナノ粒子トンネル層「r」とからなる。部分的に切り取って描き、ゲージ構造体が見えるようにしている保護上部層「t」(場合によって)をも示している。
【図４】図3におけるトンネルひずみゲージ組立体を示す側面断面図である。
【図５】図2に示しているものと同様であるが、抵抗層「r」中に直接組み込まれている電気接点領域「c」をここに有する、トンネルひずみゲージ組立体を示す側面断面図である。
【図６】図1に示しているものと同様であるが、基板および接着剤層の必要がなく、抵抗性ナノ粒子トンネル層「r」が試験用表面(「SUT」)上に直接堆積されているという差異を有する、トンネルひずみゲージ組立体を示す上面図である。
【図７】図6におけるトンネルひずみゲージ組立体を示す側面断面図である。
【図８】図3に示しているものと同様であるが、基板および接着剤層の必要がなく、抵抗性ナノ粒子トンネル層「r」が試験用表面(「SUT」)上に直接堆積されているという差異を有する、トンネルひずみゲージ組立体を示す上面図である。
【図９】図8におけるトンネルひずみゲージ組立体を示す側面断面図である。
【図１０】図7に示しているものと同様であるが、抵抗層「r」中に直接組み込まれている電気接点領域「c」をここに有する、トンネルひずみゲージ組立体を示す側面断面図である。
【図１１】ナノ粒子膜ひずみゲージの抵抗を、圧縮、および引張り両方の曲げひずみの関数としてプロットし示した図である。膜は、柔軟なポリイミド基板上の、4-ニトロチオフェノール(4-NTP)キャッピング層を有する18nm金ナノ粒子からなる。
【図１２】ナノ粒子膜ひずみゲージの抵抗を、圧縮、および引張り両方の曲げひずみの関数としてプロットし示した図である。膜は、柔軟なナノ多孔膜上の、エタンジチオール架橋剤で架橋した8nm金ナノ粒子からなる。
【図１３】ナノ粒子膜ひずみゲージの抵抗を、圧縮、および引張り両方の曲げひずみの関数としてプロットし示した図である。膜は、柔軟なポリイミド基板上の、4-ニトロチオフェノール(4-NTP)キャッピング層を有する18nm銀ナノ粒子からなる。
【符号の説明】
【００４３】
l  リード線
r  抵抗性ナノ粒子トンネル層
s  絶縁基板
t  保護上部層
R  オーム計
SUT  試験用表面
【図１１】
2004538494.tif 000004
【図１２】
2004538494.tif 000005
【図１３】
2004538494.tif 000006
【国際公開パンフレット】
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【手続補正書】
【提出日】平成15年11月11日(2003.11.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
抵抗層を備え、抵抗層が金属もしくは半導性の機能化されたナノ粒子またはその凝集体を含み、当該機能化されたナノ粒子またはその凝集体が絶縁性および/または半導性材料により分離されているひずみゲージ。
【請求項２】
前記絶縁性および/または半導性材料が、機能化されたナノ粒子またはその凝集体を取り囲む有機分子の自己集合キャッピング層を含む、請求項1に記載のひずみゲージ。
【請求項３】
前記絶縁性および/または半導性材料が、機能化されたナノ粒子またはその凝集体を架橋する有機分子を含む、請求項1に記載のひずみゲージ。
【請求項４】
前記絶縁性および/または半導性材料が、機能化されたナノ粒子またはその凝集体を取り囲む無機分子のキャッピング層を含む、請求項1に記載のひずみゲージ。
【請求項５】
前記機能化されたナノ粒子が金または銀である、請求項1から4のいずれか一項に記載のひずみゲージ。
【請求項６】
前記抵抗層が絶縁基板上に堆積されている、請求項1から5のいずれか一項に記載のひずみゲージ。
【請求項７】
前記絶縁基板がナノ多孔膜である、請求項6に記載のひずみゲージ。
【請求項８】
前記抵抗層が、ゲージを測定装置に接続するリード線を取り付けるための接点パッドを備える、請求項1から7のいずれか一項に記載のひずみゲージ。
【請求項９】
前記ひずみゲージが、不動態化絶縁層をさらに備える、請求項1から8のいずれか一項に記載のひずみゲージ。
【請求項１０】
試験中の表面の平面内で異なる方向に配向した複数の導体を形成するように、抵抗層にパターン形成した、請求項1から9のいずれか一項に記載のひずみゲージの組立体。
【請求項１１】
試験中の表面内のひずみ分布のマッピングに適するように配置された複数の導体を形成するように、抵抗層にパターン形成した、請求項1から9のいずれか一項に記載のひずみゲージの組立体。
【請求項１２】
抵抗層にパターン形成して、ブリッジ回路またはその一部を形成する、請求項1から9のいずれか一項に記載のひずみゲージの組立体。
【国際調査報告】
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