(57)【要約】【課題】ひずみ感度が高く、横感度が低く、抵抗温度係数が低い薄膜ひずみセンサ用材料およびこれを用いた薄膜ひずみセンサを提供する。【解決手段】本発明に係る薄膜ひずみセンサ用材料は、Ｃｒの含有量が１４〜２５質量％であり、残部がＰｄおよび不可避不純物からなることを特徴とする。また、本発明に係る薄膜ひずみセンサ１は、絶縁膜（図示せず）上に、ひずみを感知する感知部３と、前記感知部３の両端に形成されるリード部４と、を形成したものであって、前記感知部３および前記リード部４のうち少なくとも感知部３が前記した薄膜ひずみセンサ用材料を用いて形成されていることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃｒの含有量が１４〜２５質量％であり、残部がＰｄおよび不可避不純物からなることを特徴とする薄膜ひずみセンサ用材料。
【請求項２】
絶縁膜上に、
ひずみを感知する感知部と、
前記感知部の両端に形成されるリード部と、
を形成した薄膜ひずみセンサであって、
前記感知部および前記リード部のうち少なくとも感知部が請求項１に記載の薄膜ひずみセンサ用材料を用いて形成されていることを特徴とする薄膜ひずみセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜ひずみセンサ用材料およびこれを用いた薄膜ひずみセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
機械部品に外力が作用したときのひずみ量を計測するためのセンサとして、薄膜ひずみセンサ（薄膜ひずみゲージとも呼ばれている。）が知られている。
薄膜ひずみセンサは、基材の上に、ひずみを感知する感知部とこの感知部の両端に形成され、ホイートストンブリッジなどのブリッジ回路と接続されたリード部と、が形成されており、当該感知部とリード部は、特定の組成でなる合金を用いて形成されている。
【０００３】
薄膜ひずみセンサは、外力が加えられて感知部が伸縮すると、伸縮によって生じる抵抗値の変化分に比例した微小な出力電圧を得ることができ、この微小な出力電圧を増幅器で増幅してひずみを測定する。
【０００４】
薄膜ひずみセンサの性能や特性は、感知部およびリード部を形成する合金とそのセンサ形状によって大きく左右される。そのため、感知部およびリード部を形成する合金は種々のものが開発されている。一般的には、Ｃｕ−Ｎｉ系合金やＮｉ−Ｃｒ系合金が使用されているが、例えば、非特許文献１や特許文献１に記載されたものなどもある。
【０００５】
非特許文献１には、Ｐｄの含有量が８８．５質量％、Ｃｒの含有量が１１．５質量％であるＰｄ−Ｃｒ系合金（８８．５Ｐｄ−１１．５Ｃｒ）を用いて作製した薄膜ひずみセンサの電気的な特性について記載されている。
【０００６】
特許文献１には、感知部を特定の形状とするとともに、感知部およびリード部を形成する合金をＮｉ−Ｃｒ−Ａｌ合金とするとよい旨が記載されている。また、かかるＮｉ−Ｃｒ−Ａｌ合金の組成として、Ｃｒの含有量が１８．５質量％、Ａｌの含有量が１１．０質量％、残部をＮｉ（１８．５Ｃｒ−１１．０Ａｌ−Ｎｉ ｒｅｓｔ）とすることが記載されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】P. Kayser, J.C. Godefroy and L. Leca, “High-temperature thin-film strain gauges”, Sensors and Actuators A, 37-38(1993) P.328-332
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第４４８２２５０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、非特許文献１には図６に示すように、熱的安定性が低いため、温度に対する抵抗温度係数（Temperature Coefficient of Resistance；ＴＣＲ）が２１０ｐｐｍ／℃以上と大きく、高温になるとひずみ感度が悪化するという問題があった。なお、ひずみ感度とは、ゲージ率とも呼ばれるものであり、ひずみゲージのゲージ軸方向に加えられた一軸応力によって生じる抵抗変化率ΔＲ／Ｒと、ゲージ軸方向のひずみεとの比で表すことができる。ひずみ感度は、ひずみ感度をＫとすると、Ｋ＝（ΔＲ／Ｒ）／εで求めることができる。
【００１０】
また、特許文献１に記載のＮｉ−Ｃｒ−Ａｌ合金は、材質上、ひずみ感度が低く（縦方向１．４０〜１．５０）、かつノイズとなる横感度が大きい（横方向−０．４２〜−０．３７）という問題があるとともに、熱的安定性が低いという問題があった。なお、横感度とは、ゲージ軸方向（受感軸）に直角な任意の方向の励振に対する感度をいう。
【００１１】
そのため、非特許文献１および特許文献１のいずれにおいても、例えば４００℃以上の高温となる内燃機関内で使用することができなかった。
【００１２】
本発明は前記問題に鑑みてなされたものであり、ひずみ感度が高く、横感度が低く、抵抗温度係数が低い薄膜ひずみセンサ用材料およびこれを用いた薄膜ひずみセンサ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】
【００１３】
（１）前記課題を解決した本発明に係る薄膜ひずみセンサ用材料は、Ｃｒの含有量が１４〜２５質量％であり、残部がＰｄおよび不可避不純物からなることを特徴としている。
【００１４】
本発明に係る薄膜ひずみセンサ用材料は、特定の組成範囲からなるＰｄ−Ｃｒ合金であるため、ひずみ感度を高く、横感度を低く、かつ抵抗温度係数を低くすることができる。
【００１５】
（２）また、本発明に係る薄膜ひずみセンサは、絶縁膜上に、ひずみを感知する感知部と、前記感知部の両端に形成されるリード部と、を形成した薄膜ひずみセンサであって、前記感知部および前記リード部のうち少なくとも感知部が前記（１）に記載の薄膜ひずみセンサ用材料を用いて形成されていることを特徴としている。
【００１６】
本発明に係る薄膜ひずみセンサは、前記（１）に記載の薄膜ひずみセンサ用材料を用いて感知部を形成しているため、ひずみ感度が高く、横感度が低く、抵抗温度係数が低いセンサとすることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係る薄膜ひずみセンサ用材料は、特定の組成範囲からなるＰｄ−Ｃｒ合金であるため、ひずみ感度が高く、横感度が低く、抵抗温度係数が低い。つまり、本発明に係る薄膜ひずみセンサ用材料は、熱的安定性が高いため、例えば４００℃以上となる高温下でも使用可能である。
【００１８】
本発明に係る薄膜ひずみセンサは、感知部およびリード部のうち少なくとも感知部が本発明に係る薄膜ひずみセンサ用材料を用いて形成されているため、ひずみ感度が高く、横感度が低く、抵抗温度係数が低い。つまり、本発明に係る薄膜ひずみセンサは、熱的安定性が高いため、例えば４００℃以上となる高温下でも使用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】Ｐｄに対するＣｒの含有量とひずみ感度と抵抗温度係数（ＴＣＲ）との関係を説明するグラフである。なお、横軸はＰｄに対するＣｒの含有量［質量％］であり、第１縦軸はひずみ感度Ｋであり、第２縦軸はＴＣＲ［ｐｐｍ／℃］である。また、破線は縦ひずみ感度を表し、実線は横感度を表し、一点鎖線はＴＣＲを表す。
【図２】本発明に係る薄膜ひずみセンサの一実施形態を示す平面図である。
【図３】本発明に係る薄膜ひずみセンサの他の実施形態を示す平面図である。
【図４】ひずみ感度の測定に用いたひずみ感度試験器を説明する図であって、右図は平面図であり、左図は側面図である。
【図５】Ｐｄ−Ｃｒ合金で作製した薄膜ひずみセンサとＮｉ−Ｃｒ−Ａｌ合金で作製した薄膜ひずみセンサについて、４００℃、１時間の熱履歴の有無に対するひずみ感度を示すグラフである。
【図６】８８．５Ｐｄ−１１．５Ｃｒを用いた従来の薄膜ひずみセンサの温度に対する抵抗温度係数（ＴＣＲ）を示すグラフである。なお、横軸は温度［℃］であり、縦軸はＴＣＲ［ｐｐｍ／℃］である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の要旨は、薄膜ひずみセンサ用材料を特定の組成範囲からなるＰｄ−Ｃｒ合金とすることにより、従来公知のＰｄ−Ｃｒ合金やＮｉ−Ｃｒ−Ａｌ合金と比較して高温下でのひずみ感度の低下を抑えることにある。
【００２１】
以下に、適宜図面を参照して本発明に係る薄膜ひずみセンサ用材料およびこれを用いた薄膜ひずみセンサを実施するための形態について説明する。
本発明に係る薄膜ひずみセンサ用材料は、Ｃｒの含有量が１４〜２５質量％であり、残部がＰｄおよび不可避不純物からなる。
【００２２】
Ｃｒの含有量が１４〜２５質量％の範囲にあると、図１に示すように、１．７５以上という高いひずみ感度Ｋ（縦方向）を得ることができる。
【００２３】
また、Ｃｒの含有量がこの範囲にあると、図１に示すように、横感度が−０．３〜０．３の範囲となるためノイズを少なくすることができる。つまり、主ひずみ値を精度良く検出することができる。
【００２４】
さらに、Ｃｒの含有量がこの範囲にあると、図１に示すように、抵抗温度係数（ＴＣＲ）の変化が少ないため、温度ドリフト量を低減させることができる。つまり、熱的安定性が高く、高温下でひずみ感度が悪化し難くなる。そのため、高温下でも安定してひずみを測定することができる。
【００２５】
すなわち、Ｃｒの含有量がこの範囲にあると、ひずみ感度が高く、かつひずみ感度の変化が少ない領域と、横感度の使用可能領域と、ＴＣＲの変化が少ない領域とを兼ね備えた薄膜ひずみセンサ用材料とすることができる。
【００２６】
一方、Ｃｒの含有量が１４質量％未満であると、横感度が−０．３よりも低くなるためノイズが大きくなるとともに、ＴＣＲが高くなるため温度ドリフト量が増大する。従って、熱的安定性が低く、高温下でひずみ感度が悪化し易くなる。
また、Ｃｒの含有量が２５質量％を超えると、横感度が０．３を超えて増大するためノイズが多くなる。つまり、主ひずみ値を精度良く検出することができなくなる。
なお、Ｃｒの含有量は１４．５〜２０．３質量％などとすることもできる。かかる範囲でも前記した効果を確実に奏することができる。
【００２７】
残部は、前記したようにＰｄおよび不可避不純物である。本発明における不可避不純物とは、製造過程で不可避的に含有されてしまう元素をいう。このような不可避不純物はなるべく含有しない方が好ましいが、殆どの場合、その含有量は極微量であり、本発明の薄膜ひずみセンサ用材料の奏する効果に影響を与えない。
【００２８】
かかる薄膜ひずみセンサ用材料は、例えば、スパッタリングを行うことで、Ｃｒの含有量が１４〜２５質量％であり、残部がＰｄおよび不可避不純物からなる、所定の形状の感知部３およびリード部４（図２参照）を形成することができる。
【００２９】
次に、本発明に係る薄膜ひずみセンサについて説明する。図２に示すように、本発明に係る薄膜ひずみセンサ１は、基材２の表面に形成した絶縁膜（図示せず）上に、ひずみを感知する感知部３と、この感知部３の両端に形成されるリード部４と、を形成したものであって、当該感知部３およびリード部４のうち少なくとも感知部３が、前記した本発明に係る薄膜ひずみセンサ用材料を用いて形成されたものである。
【００３０】
基材２としては、例えば、４００℃以上の高温となる内燃機関や各種の機器を挙げることができる。内燃機関を例にすると、具体的には、主軸受、コンロッド軸、ピストンピンボス部などの構成品を挙げることができる。
【００３１】
絶縁膜は、基材２と、その上に形成される感知部３およびリード部４と、の通電を阻止し、ひずみを正確に測定するために設ける。
絶縁膜は、例えば、Ａｌ2Ｏ3やＡｌＮなどを用いて、任意の膜厚で形成することができる。絶縁膜の厚さは、例えば、１〜２０μｍなどとすることができる。絶縁膜の厚さが前記した下限未満であると絶縁膜の強度が低くなるため、製品寿命が短くなるおそれがある。また、絶縁膜の厚さが前記した上限を超えると薄膜センサとしてのメリットを失うおそれがある。
【００３２】
感知部３は、図２に示すように、折り返し部をもたないで（つまり、直線で）、または、図３に示すように、２つのリード部４の間を、１つ以上の折り返し部をもって形成される。感知部３は、例えば、幅０．０３ｍｍ、厚さ０．２μｍで形成することができる。ここで、感知部３の長さは折り返し部の有無によって相違し、任意に設定することができる。また、感知部３は、２つのリード部４の間を、折り返し部をもたないで（直線で）形成する場合、例えば、横３ｍｍなどとすることができる。なお、感知部３の幅寸法、厚さ寸法、横寸法は前記に限定されないことはいうまでもない。
【００３３】
リード部４は、感知部３と接続されているほか、ホイートストンブリッジなどのブリッジ回路（図示せず）と接続されている。リード部４は、感知部３と同じく本発明に係る薄膜ひずみセンサ用材料で形成するのが作製工程上好ましいが、異なる材料で形成することも可能である。
なお、リード部４は、例えば、幅３ｍｍ×横２ｍｍなどとすることができるがこれに限定されるものではない。
【００３４】
かかる薄膜ひずみセンサ１は、公知の技術によって基材２の表面に絶縁膜を成膜し、その上にスパッタリングによってＰｄ−Ｃｒ合金層を形成し、形成したＰｄ−Ｃｒ合金層に対してフォトリソグラフィ法などにより感知部３およびリード部４を所定の形状にすることで、製造することができる。なお、感知部３およびリード部４を形成した後、この上にＡｌ2Ｏ3やＡｌＮなどを用いて保護膜（図示せず）を形成してもよい。保護膜は、例えば、厚さ１．５μｍなどとすることができる。
【実施例】
【００３５】
本発明の要件を満たす実施例とそうでない比較例とにより、本発明に係る薄膜ひずみセンサ用材料およびこれを用いた薄膜ひずみセンサについて具体的に説明する。
【００３６】
薄膜ひずみセンサ用材料として、下記表１に示す組成となるように実施例１〜３および比較例１、２に係るＰｄ−Ｃｒ合金を調製した。
【００３７】
【表１】
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【００３８】
実施例１〜３および比較例１、２に係るＰｄ−Ｃｒ合金を用いてスパッタリングを行い、図４に示す形状および寸法を有するひずみ感度試験器に厚さ０．２μｍのＰｄ−Ｃｒ合金層を形成した。同図中に寸法（ミリメートル）を示している。なお、Ｐｄ−Ｃｒ合金層を形成する面には、Ａｌ2Ｏ3を用いて厚さ１．５μｍの絶縁膜を形成している。
【００３９】
Ｐｄ−Ｃｒ合金層は、ひずみ感度試験器の薄板部（厚さ２ｍｍ）に幅０．０３ｍｍ×横３ｍｍの感知部（図２参照）およびこの感知部の両端に幅３ｍｍ×横２ｍｍのリード部（図２参照）を有してなるセンサを２つ形成した。
【００４０】
２つのセンサはそれぞれ、感知部の長さ方向がひずみ感度試験器の短手方向と平行となる方向（これを縦方向という）と、短手方向に対して垂直となる方向（これを横方向という）となるように形成した。つまり、前者のセンサがひずみ感度Ｋ用センサであり、後者のセンサが横感度用センサである。なお、リード部が形成される箇所には、予めホイートストンブリッジ回路が形成されている。
以後、このようにして作製した薄膜ひずみセンサを備えたひずみ感度試験器をそれぞれ実施例１〜３および比較例１、２と呼ぶ。
【００４１】
実施例１〜３および比較例１、２にモニタ用ゲージを貼付け、最大主ひずみ方向に１０００με発生させて最大横方向ひずみが５με以下となったときのひずみ感度Ｋ用センサおよび横感度用センサの出力からひずみ感度を求めた。なお、モニタ用ゲージは、実施例１〜３および比較例１、２の横感度用センサの感知部と同軸上に、積層型２軸９０度ゲージ（ゲージ長３ｍｍ）の１軸が配置されるようにして貼り付けた（図４参照）。
実施例１〜３および比較例１、２のひずみ感度（縦方向）および横感度（横方向）を表１に併せて示す。なお、ひずみ感度（縦方向）は、１．７５以上を合格、１．７５未満を不合格とし、横感度は、−０．３〜０．３を合格、−０．３よりも低い場合および０．３を超える場合を不合格とした。
【００４２】
また、実施例１〜３および比較例１、２について、温度に対する抵抗温度係数（Temperature Coefficient of Resistance；ＴＣＲ）を求めた。ＴＣＲは、７０未満を合格、７０以上を不合格とした。
実施例１〜３および比較例１、２のＴＣＲを表１に併せて示す。
【００４３】
表１に示すとおり、実施例１〜３は、Ｐｄ−Ｃｒの組成が適切であるため、ひずみ感度（縦方向）は１．７５以上という十分に高い値となり、また、ノイズとなる横感度も−０．３〜０．３となった。さらに、ＴＣＲも７０未満であり、温度ドリフト量が低かった。
よって、実施例１〜３は、ひずみ感度が高く、ノイズなどの影響が少なく、かつ、高温下で使用可能であることが確認された。
【００４４】
これに対し、比較例１、２は、Ｐｄ−Ｃｒの組成が適切でないため、ひずみ感度（縦方向）は高いものの、横感度が−０．３よりも低くなる結果となった。また、ＴＣＲが大きくなった。
よって、比較例１、２は、ひずみ感度は高いものの、ノイズが大きくなり、かつ、熱的安定性が低い場合もあるため高温下で使用できないことが確認された。
【００４５】
次に、７９．６Ｐｄ−２０．３Ｃｒ合金（実施例２）と、１８．５Ｃｒ−１１．０Ａｌ−Ｎｉ ｒｅｓｔ合金（比較例３（特許文献１参照））とを用いて所定の条件の加熱を行った際のひずみ感度の変化を調べた。
【００４６】
実施例２と比較例３を、実施例１などと同様の条件で薄膜ひずみセンサを作製した。
作製した実施例２および比較例３について、熱履歴なしの場合と、４００℃、１時間の加熱を行った場合のひずみ感度（縦方向）を測定したところ、図５のようになった。
【００４７】
図５に示すように、実施例２は、熱履歴なしのひずみ感度が１．７５であるのに対して、比較例３は、熱履歴なしのひずみ感度が１．２８であった。すなわち、実施例２は、比較例３よりも３７％感度が高かった。
【００４８】
また、実施例２は、４００℃、１時間の加熱を行った後もひずみ感度に変化はなかったのに対し、比較例３は、４００℃、１時間の加熱を行ったところ、ひずみ感度は１．１８となり、８％低下していた。
よって、Ｐｄ−Ｃｒの組成が適切である実施例２は、Ｎｉ−Ｃｒ−Ａｌ合金を用いる場合よりも熱的安定性が高いことが確認された。
【００４９】
以上説明したとおり、実施例１〜３の結果から、本発明の要件を満たす薄膜ひずみセンサ用材料およびこれを用いた薄膜ひずみセンサは、ひずみ感度が高く、横感度が低く、抵抗温度係数が低く、４００℃以上の高温となる内燃機関内でも使用可能であることが確認された。
【符号の説明】
【００５０】
１      薄膜ひずみセンサ
２      基材
３      感知部
４      リード部
【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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