(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子％にて、Ｃｒ（残部）を主成分とし、副成分としてＴｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｎｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｃ、Ｎ、Ｐ、Ｓｅ、Ｔｅのそれぞれ５％以下、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｂｉのそれぞれ８％以下、Ｆｅ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｓ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｐｂ、Ｂ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｔｌのそれぞれ１０％以下、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｇ、Ａｕ、希土類元素のそれぞれ１５％以下、Ｃｏ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｍｎ、Ａｌのそれぞれ１２．４％以下のうち１元素または２元素以上の合計０．０１〜１５％（IIＡ族元素２〜１５原子％の範囲、およびＮ０．１〜５原子％の範囲を除く）と不純物からなり、ゲージ率が２以上で、且つ抵抗温度計数が（−３．５〜３．５）×１０−４／℃以内であることを特徴とするストレインゲージ用Ｃｒ基合金薄膜。
【請求項２】
導電性基板上に絶縁体膜を形成した上に、または絶縁性基板上に、原子％にて、Ｃｒ（残部）を主成分とし、副成分としてＴｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｎｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｃ、Ｎ、Ｐ、Ｓｅ、Ｔｅのそれぞれ５％以下、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｂｉのそれぞれ８％以下、Ｆｅ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｓ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｐｂ、Ｂ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｔｌのそれぞれ１０％以下、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｇ、Ａｕ、希土類元素のそれぞれ１５％以下、Ｃｏ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｍｎ、Ａｌのそれぞれ１２．４％以下のうち１元素または２元素以上の合計０．０１〜１５％（IIＡ族元素２〜１５原子％の範囲、およびＮ０．１〜５原子％の範囲を除く）と不純物からなる薄膜を、蒸着またはスパッタリング等で成膜することにより、ゲージ率が２以上で、且つ抵抗温度係数が（−３．５〜３．５）×１０−４／℃以内とすることを特徴とするストレインゲージ用Ｃｒ基合金薄膜の製造法。
【請求項３】
導電性基板上に絶縁体膜を形成した上に、または絶縁性基板上に、原子％にて、Ｃｒ（残部）を主成分とし、副成分としてＴｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｎｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｃ、Ｎ、Ｐ、Ｓｅ、Ｔｅのそれぞれ５％以下、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｂｉのそれぞれ８％以下、Ｆｅ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｓ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｐｂ、Ｂ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｔｌのそれぞれ１０％以下、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｇ、Ａｕ、希土類元素のそれぞれ１５％以下、Ｃｏ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｍｎ、Ａｌのそれぞれ１２．４％以下のうち１元素または２元素以上の合計０．０１〜１５％（IIＡ族元素２〜１５原子％の範囲、およびＮ０．１〜５原子％の範囲を除く）と不純物からなる薄膜を、蒸着またはスパッタリング等により成膜し、さらに非酸化性ガス、還元性ガスまたは真空中の１００℃以上１２００℃以下の温度で加熱後冷却することにより、ゲージ率が２以上で、且つ抵抗温度係数が（−３．５〜３．５）×１０−４／℃以内とすることを特徴とするストレインゲージ用Ｃｒ基合金薄膜の製造法。
【請求項４】
導電性基板上に絶縁体膜を形成した上に、または絶縁性基板上に、原子％にて、Ｃｒ（残部）を主成分とし、副成分としてＴｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｎｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｃ、Ｎ、Ｐ、Ｓｅ、Ｔｅのそれぞれ５％以下、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｂｉのそれぞれ８％以下、Ｆｅ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｓ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｐｂ、Ｂ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｔｌのそれぞれ１０％以下、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｇ、Ａｕ、希土類元素のそれぞれ１５％以下、Ｃｏ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｍｎ、Ａｌのそれぞれ１２．４％以下のうち１元素または２元素以上の合計０．０１〜１５％（IIＡ族元素２〜１５原子％の範囲、およびＮ０．１〜５原子％の範囲を除く）と不純物からなり、ゲージ率が２以上で、且つ抵抗温度係数が（−３．５〜３．５）×１０−４／℃以内であるＣｒ基合金薄膜からなることを特徴とするストレインゲージ。
【請求項５】
導電性基板上に絶縁体膜を形成した上に、または絶縁性基板上に、原子％にて、Ｃｒ（残部）を主成分とし、副成分としてＴｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｎｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｃ、Ｎ、Ｐ、Ｓｅ、Ｔｅのそれぞれ５％以下、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｂｉのそれぞれ８％以下、Ｆｅ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｓ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｐｂ、Ｂ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｔｌのそれぞれ１０％以下、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｇ、Ａｕ、希土類元素のそれぞれ１５％以下、Ｃｏ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｍｎ、Ａｌのそれぞれ１２．４％以下のうち１元素または２元素以上の合計０．０１〜１５％（IIＡ族元素２〜１５原子％の範囲、およびＮ０．１〜５原子％の範囲を除く）と不純物からなり、ゲージ率が２以上で、且つ抵抗温度係数が（−３．５〜３．５）×１０−４／℃以内であるＣｒ基合金薄膜の上部または下部に金属電極を形成することを特徴とするストレインゲージ。
【請求項６】
導電性基板上に絶縁体膜を形成した上に、または絶縁性基板上に、原子％にて、Ｃｒ（残部）を主成分とし、副成分としてＴｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｎｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｃ、Ｎ、Ｐ、Ｓｅ、Ｔｅのそれぞれ５％以下、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｂｉのそれぞれ８％以下、Ｆｅ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｓ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｐｂ、Ｂ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｔｌのそれぞれ１０％以下、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｇ、Ａｕ、希土類元素のそれぞれ１５％以下、Ｃｏ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｍｎ、Ａｌのそれぞれ１２．４％以下のうち１元素または２元素以上の合計０．０１〜１５％（IIＡ族元素２〜１５原子％の範囲、およびＮ０．１〜５原子％の範囲を除く）と不純物からなる薄膜を、蒸着またはスパッタリング等により成膜し、さらに非酸化性ガス、還元性ガスまたは真空中の１００℃以上１２００℃以下の温度で加熱後冷却することにより、ゲージ率が２以上で、且つ抵抗温度係数が（−３．５〜３．５）×１０−４／℃以内であるＣｒ基合金薄膜からなることを特徴とするストレインゲージ。
【請求項７】
導電性基板上に絶縁体膜を形成した上に、または絶縁性基板上に、原子％にて、Ｃｒ（残部）を主成分とし、副成分としてＴｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｎｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｃ、Ｎ、Ｐ、Ｓｅ、Ｔｅのそれぞれ５％以下、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｂｉのそれぞれ８％以下、Ｆｅ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｓ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｐｂ、Ｂ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｔｌのそれぞれ１０％以下、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｇ、Ａｕ、希土類元素のそれぞれ１５％以下、Ｃｏ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｍｎ、Ａｌのそれぞれ１２．４％以下のうち１元素または２元素以上の合計０．０１〜１５％（IIＡ族元素２〜１５原子％の範囲、およびＮ０．１〜５原子％の範囲を除く）と不純物からなる薄膜を、蒸着またはスパッタリング等により成膜し、さらに非酸化性ガス、還元性ガスまたは真空中の１００℃以上１２００℃以下の温度で加熱後冷却することにより、ゲージ率が２以上で、且つ抵抗温度係数が（−３．５〜３．５）×１０−４／℃以内であるＣｒ基合金薄膜の上部もしくは下部に金属電極を形成することを特徴とするストレインゲージ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、Ｃｒ（クロム）を主成分としたストレインゲージ用Ｃｒ基合金薄膜およびその製造法ならびにこの合金薄膜を使用したストレインゲージに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ストレインゲージは、一般に弾性ひずみによって細線または箔形状のゲージ材の電気抵抗が変化する現象を利用するものであるが、逆に抵抗変化を測定することにより、ひずみや応力の計測ならびに変換に用いられる。例えば、生産工業におけるひずみ計、重量計、加速度計および各種力学量−電気量変換機器、土木工業における土圧計、建築業・エネルギー関連業における圧力計および撓み量計、航空・宇宙・鉄道・船舶関連業における各種応力・ひずみ計等に広く利用されており、さらに民生用としての商用秤およびセキュリティ機器等にも多く利用されている。
【０００３】
ストレインゲージは、その構造が金属細線（１０〜３０μｍ）または金属箔（３〜５μｍ）をグリッド状あるいはロゼット状に配置してなり、またその使用法としては前記ゲージを被測定物に接着剤で貼り付けし、被測定物に生じたひずみをゲージの抵抗変化から間接的に測定するものである。ストレインゲージの感度は、ゲージ率Ｋによって決まり、Κの値は一般に次の式で与えられる。
【０００４】
【数１】
0003933213.tif 000002
【０００５】
ここで、Ｒ、σ、ρおよびｌはそれぞれゲージ細線または箔の全抵抗、ポアソン比、比電気抵抗および全長である。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。
【０００６】
ゲージ率が大きな材料には半導体の炭素、ケイ素およびゲルマニウム等が知られている。しかしこれら半導体の場合、ゲージ率は１０〜１７０と非常に大きいが、その値の異方性および温度による変動が大きく安定性にも欠け、さらに機械的強度が劣る等の欠点を有することから、特殊な小型圧力変換機器に応用されるにとどまっている。ストレインゲージ用材料として現在最も多く使用されている材料は、Ｃｕ−Ｎｉ合金である。この合金は抵抗温度係数がきわめて小さいため、温度変化に対する特性の変動が小さという特徴を有しているが、その反面、ゲージ率は２と小さく、さらに高感度なストレインゲージ用材料としては適していない。
【０００７】
合金材料を用いたストレインゲージは、上で述べたように細線もしくは箔の形で使用される。しかし、細線形状のストレインゲージは、グリッド形成時の残留ひずみの影響および加工した細線材と基板を密着させるために用いる接着剤の影響等により特性にばらつきが大きく、しかもグリッドの形成や細線材と基板の接着といった特殊技術が必要なため、生産効率が悪くコスト高の原因となっている。また、箔形状のストレインゲージは、加工時のひずみの影響はないが、接着剤の影響については細線材と同様であり、これも問題となっている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ストレインゲージの応用領域は、近年のマイクロコンピューターの進歩に伴ってますます拡大し、小型化および高性能化に向かっている。特に、高感度で安定性を必要とする圧力変換器やロードセルの他、ロボットの接触センサや滑りセンサ等に使用可能なストレインゲージの要求が高まってきた。これらの各種センサ用ストレインゲージに関して、高感度で良好な安定性を有する素材の開発ならびに製造工程の改良が緊急に求められている。
【０００９】
本発明が解決しようとする課題は、既に市販されているストレインゲージのゲージ率２を上回り、且つ実用上（−３．５〜３．５）×１０−４／℃以内が望ましいとされている抵抗温度係数の小さい薄膜材料とその製造法を開発するにある。本発明においては、高感度で良好な安定数を有する素材として構造上安定な金属材料に対象を絞り、その中からゲージ率の高い素材としてＣｒに着目した。
【００１０】
Ｃｒのバルク（塊状）の抵抗ひずみ感度は２６〜２８と非常に大きいことが知られている。しかし、Ｃｒは加工が非常に困難であることから、これまで細線および箔形状のストレインゲージに用いることはできなかった。そこで加工を必要としない薄膜化によって、Ｃｒをストレインゲージに応用することが考えられる。Ｃｒ薄膜のゲージ率はバルクほどではないが１４．８と大きい。しかしストレインゲージは通常室温で使用されるので、室温における抵抗変化量が小さいことが必要であるが、図１に示すとおり、Ｃｒ薄膜の室温における抵抗温度係数は負の値で大きく（−６×１０−４／℃）、安定性の点でストレインゲージに適していない。
【００１１】
そこで本発明は、Ｃｒ薄膜の高いゲージ率をできるだけ保持しながら、抵抗温度係数を小さくすることによって、優れた高感度で高安定なストレインゲージ用薄膜を得ることを目的としてなされたものである。
【００１２】
【発明が解決するための手段】
本発明は、図１に見られるように比電気抵抗値の温度変化における極小または極大の領域で抵抗変化が小さいことに着目し、この領域を室温に移動する方法について検討した。すなわちバルクのＣｒのネール点の温度（ネール温度）は特定の元素を添加することによって低温側または高温側に移動することが知られている。そこで極小および極大はネール点と緊密な関連があるものと考え、Ｃｒに副成分として種々の元素を添加し、その添加量と極小および最大の領域の移動幅との関係について調べる実験を鋭意行った。その結果、適当な量の副成分元素をＣｒに加えることによって、室温近傍に極大または極小の領域をもたらすことができ、これによって室温における抵抗温度係数を小さくできることが明らかとなった。
【００１３】
また、室温以外の温度でストレインゲージを使用する場合にも、Ｃｒに加える元素の種類と量を適当に選択することによって、所望の温度領域において抵抗温度係数が小さいストレインゲージを提供することが可能であることが判明した。
【００１４】
これらの知見のもとに、さらに幾多の実験を行った結果、原子％にて、Ｃｒ（残部）を主成分とし、副成分としてＴｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｎｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｃ、Ｎ、Ｐ、Ｓｅ、Ｔｅのそれぞれ５％以下、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｂｉのそれぞれ８％以下、Ｆｅ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｓ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｐｂ、Ｂ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｔｌのそれぞれ１０％以下、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｇ、Ａｕ、希土類元素それぞれ１５％以下、Ｃｏ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｍｎ、Ａｌのそれぞれ１２．４％以下のうち１元素または２元素以上の合計０．０１〜１５％と不純物からなり、室温付近でゲージ率が大きく、抵抗温度係数の小さいＣｒ基合金薄膜が得られ、高感度ストレインゲージ用材料として適していることを見出したのである。
【００１５】
本発明を製造するには、上記組成の合金を原料とした蒸着、または上記組成の薄膜の形成が可能な合金ターゲット、複合ターゲットまたは多元ターゲットを用いたスパッタリング、もしくは上記組成の薄膜の形成が可能な原料を用いた気相輸送法等により、導電性基板上に絶縁体膜を形成した上または絶縁性基板上にマスク法などを用いて所望の形状および、厚さの薄膜を形成する。または適当な形状の薄膜を形成した後、ドライエッチング（プラズマエッチング、スパッタエッチング等）、化学エッチング（腐食法）、レーザトリミング法などのエッチングまたはトリミング加工などを施すことにより所望の形状に加工し、素子となす。また必要ならば温度補償として、前記素子と直角に配置した素子を同一面内に構築したゲージパターンを形成する。さらにこのままで使用するか、または必要ならばこれに電極を構築し、さらに必要ならばこれらの薄膜を大気中、非酸化性ガス中、還元性ガス中または真空中の１００℃以上１２００℃以下の温度で、適当な時間、好ましくは１秒間以上１００時間以下加熱後、適度な速度で、好ましくは１℃／時以上１００℃／分以下の速度で冷却することによって、抵抗ひずみ感度（ゲージ率）が２以上で、且つ抵抗温度係数が（−３．５〜３．５）×１０−４／℃以内の値を有するストレインゲージ用Ｃｒ基合金薄膜が得られる。
【００１６】
第１発明
原子％にて、Ｃｒ（残部）を主成分とし、副成分としてＴｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｎｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｃ、Ｎ、Ｐ、Ｓｅ、Ｔｅのそれぞれ５％以下、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｂｉのそれぞれ８％以下、Ｆｅ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｓ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｐｂ、Ｂ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｔｌのそれぞれ１０％以下、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｇ、Ａｕ、希土類元素のそれぞれ１５％以下、Ｃｏ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｍｎ、Ａｌのそれぞれ１２．４％以下のうち１元素または２元素以上の合計０．０１〜１５％（IIＡ族元素２〜１５原子％の範囲、およびＮ０．１〜５原子％の範囲を除く）と不純物からなり、ゲージ率が２以上で、且つ抵抗温度計数が（−３．５〜３．５）×１０−４／℃以内であることを特徴とするストレインゲージ用Ｃｒ基合金薄膜。
【００１７】
第２発明
導電性基板上に絶縁体膜を形成した上に、または絶縁性基板上に、原子％にて、Ｃｒ（残部）を主成分とし、副成分としてＴｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｎｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｃ、Ｎ、Ｐ、Ｓｅ、Ｔｅのそれぞれ５％以下、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｂｉのそれぞれ８％以下、Ｆｅ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｓ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｐｂ、Ｂ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｔｌのそれぞれ１０％以下、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｇ、Ａｕ、希土類元素のそれぞれ１５％以下、Ｃｏ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｍｎ、Ａｌのそれぞれ１２．４％以下のうち１元素または２元素以上の合計０．０１〜１５％（IIＡ族元素２〜１５原子％の範囲、およびＮ０．１〜５原子％の範囲を除く）と不純物からなる薄膜を、蒸着またはスパッタリング等で成膜することにより、ゲージ率が２以上で、且つ抵抗温度係数が（−３．５〜３．５）×１０−４／℃以内とすることを特徴とするストレインゲージ用Ｃｒ基合金薄膜の製造法。
【００１８】
第３発明
導電性基板上に絶縁体膜を形成した上に、または絶縁性基板上に、原子％にて、Ｃｒ（残部）を主成分とし、副成分としてＴｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｎｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｃ、Ｎ、Ｐ、Ｓｅ、Ｔｅのそれぞれ５％以下、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｂｉのそれぞれ８％以下、Ｆｅ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｓ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｐｂ、Ｂ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｔｌのそれぞれ１０％以下、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｇ、Ａｕ、希土類元素のそれぞれ１５％以下、Ｃｏ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｍｎ、Ａｌのそれぞれ１２．４％以下のうち１元素または２元素以上の合計０．０１〜１５％（IIＡ族元素２〜１５原子％の範囲、およびＮ０．１〜５原子％の範囲を除く）と不純物からなる薄膜を、蒸着またはスパッタリング等により成膜し、さらに非酸化性ガス、還元性ガスまたは真空中の１００℃以上１２００℃以下の温度で加熱後冷却することにより、ゲージ率が２以上で、且つ抵抗温度係数が（−３．５〜３．５）×１０−４／℃以内とすることを特徴とするストレインゲージ用Ｃｒ基合金薄膜の製造法。
【００１９】
第４発明
導電性基板上に絶縁体膜を形成した上に、または絶縁性基板上に、原子％にて、Ｃｒ（残部）を主成分とし、副成分としてＴｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｎｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｃ、Ｎ、Ｐ、Ｓｅ、Ｔｅのそれぞれ５％以下、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｂｉのそれぞれ８％以下、Ｆｅ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｓ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｐｂ、Ｂ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｔｌのそれぞれ１０％以下、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｇ、Ａｕ、希土類元素のそれぞれ１５％以下、Ｃｏ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｍｎ、Ａｌのそれぞれ１２．４％以下のうち１元素または２元素以上の合計０．０１〜１５％（IIＡ族元素２〜１５原子％の範囲、およびＮ０．１〜５原子％の範囲を除く）と不純物からなり、ゲージ率が２以上で、且つ抵抗温度係数が（−３．５〜３．５）×１０−４／℃以内であるＣｒ基合金薄膜からなることを特徴とするストレインゲージ。
【００２０】
第５発明
導電性基板上に絶縁体膜を形成した上に、または絶縁性基板上に、原子％にて、Ｃｒ（残部）を主成分とし、副成分としてＴｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｎｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｃ、Ｎ、Ｐ、Ｓｅ、Ｔｅのそれぞれ５％以下、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｂｉのそれぞれ８％以下、Ｆｅ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｓ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｐｂ、Ｂ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｔｌのそれぞれ１０％以下、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｇ、Ａｕ、希土類元素のそれぞれ１５％以下、Ｃｏ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｍｎ、Ａｌのそれぞれ１２．４％以下のうち１元素または２元素以上の合計０．０１〜１５％（IIＡ族元素２〜１５原子％の範囲、およびＮ０．１〜５原子％の範囲を除く）と不純物からなり、ゲージ率が２以上で、且つ抵抗温度係数が（−３．５〜３．５）×１０−４／℃以内であるＣｒ基合金薄膜の上部または下部に金属電極を形成することを特徴とするストレインゲージ。
【００２１】
第６発明
導電性基板上に絶縁体膜を形成した上に、または絶縁性基板上に、原子％にて、Ｃｒ（残部）を主成分とし、副成分としてＴｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｎｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｃ、Ｎ、Ｐ、Ｓｅ、Ｔｅのそれぞれ５％以下、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｂｉのそれぞれ８％以下、Ｆｅ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｓ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｐｂ、Ｂ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｔｌのそれぞれ１０％以下、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｇ、Ａｕ、希土類元素のそれぞれ１５％以下、Ｃｏ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｍｎ、Ａｌのそれぞれ１２．４％以下のうち１元素または２元素以上の合計０．０１〜１５％（IIＡ族元素２〜１５原子％の範囲、およびＮ０．１〜５原子％の範囲を除く）と不純物からなる薄膜を、蒸着またはスパッタリング等により成膜し、さらに非酸化性ガス、還元性ガスまたは真空中の１００℃以上１２００℃以下の温度で加熱後冷却することにより、ゲージ率が２以上で、且つ抵抗温度係数が（−３．５〜３．５）×１０−４／℃以内であるＣｒ基合金薄膜からなることを特徴とするストレインゲージ。
【００２２】
第７発明
導電性基板上に絶縁体膜を形成した上に、または絶縁性基板上に、原子％にて、Ｃｒ（残部）を主成分とし、副成分としてＴｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｎｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｃ、Ｎ、Ｐ、Ｓｅ、Ｔｅのそれぞれ５％以下、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｂｉのそれぞれ８％以下、Ｆｅ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｓ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｐｂ、Ｂ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｔｌのそれぞれ１０％以下、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｇ、Ａｕ、希土類元素のそれぞれ１５％以下、Ｃｏ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｍｎ、Ａｌのそれぞれ１２．４％以下のうち１元素または２元素以上の合計０．０１〜１５％（IIＡ族元素２〜１５原子％の範囲、およびＮ０．１〜５原子％の範囲を除く）と不純物からなる薄膜を、蒸着またはスパッタリング等により成膜し、さらに非酸化性ガス、還元性ガスまたは真空中の１００℃以上１２００℃以下の温度で加熱後冷却することにより、ゲージ率が２以上で、且つ抵抗温度係数が（−３．５〜３．５）×１０−４／℃以内であるＣｒ基合金薄膜の上部もしくは下部に金属電極を形成することを特徴とするストレインゲージ。
【００２３】
【作用】
図１からわかるように、極小および極大の領域の温度は、それぞれ約９０℃および−１５０℃である。これらの温度領域を室温に移動させ、室温における抵抗温度係数を小さくするためには、ネール温度を低温側に移動させる働きをもつ元素によって極小領域を適用する場合と高温側に移動させる働きをもつ元素によって極大領域を適用する場合の両方法が可能であると考えられる。
【００２４】
図２〜７には、高周波スパッタリング装置を用いてガラス基板上に成膜した試料について、各元素の添加量と、０〜５０℃における抵抗温度係数および室温（約２０℃）におけるゲージ率との関係を示す。これらの図からわかるように、Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｎｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｃ、Ｎ、Ｐ、Ｓｅ、Ｔｅのそれぞれ５％以下、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｂｉのそれぞれ８％以下、Ｆｅ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｓ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｐｂ、Ｂ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｔｌのそれぞれ１０％以下、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｇ、Ａｕ、希土類元素のそれぞれ１５％以下、Ｃｏ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｍｎ、Ａｌのそれぞれ１２．４％以下のうち１元素または２元素以上の合計０．０１〜１５％、好ましくは０．１〜１５％、さらに好ましくは１〜１５％および残部Ｃｒと、それぞれの範囲に限定した理由は、これらの範囲ではゲージ率が２以上の高い値が得られ、且つ抵抗温度係数が（−３．５〜３．５）×１０−４／℃以内の小さい値が得られるからである。
【００２５】
上記副成分のうち、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｍｇ、Ｃａ、ＣｏおよびＰｄについては、限定の範囲を超えても抵抗温度係数が（−３．５〜３．５）×１０−４／℃以内を示すが、ＨｆとＺｒは、５％を越えると薄膜表面の荒れがひどく特性がまったく安定せず、また、ＰおよびＡｓとＳｂならびにＭｇとＣａはそれぞれ、５％および１０％ならびに２０％を越えると膜が基板から剥離してしまい、さらに、ＰｄおよびＣｏはそれぞれ１５％および２０％を越えると、ゲージ率が２よりも小さくなってしまう。
【００２６】
図２〜７から、ゲージ率は副成分の添加量の増加に伴って減少することがわかるが、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、ＡｌおよびＧａは、副成分の添加量の増加に対しゲージ率の減少が小さく、また、Ｎｉ、ＮｂおよびＴｉは、それら副成分を少量添加するだけで極小点が室温に移動するので、高いゲージ率を得ることができる。これらの高いゲージ率を得ることができる元素を複数加えた場合は高いゲージ率が得られ、また、本発明の副成分のうちから２元素以上を加えた場合、すべて２より大きなゲージ率の値が得られた。
【００２７】
なお、希土類元素はＳｃ、Ｙおよびランタン系元素（Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕ）からなるが、その効果は均等であり、いずれも同効成分である。
【００２８】
図８は、加熱温度と本発明合金（試料番号：１３）の抵抗温度係数、比抵抗およびゲージ率との関係を示す。図に見られるように、本発明合金を１００℃以上１２００℃以下の温度範囲において、１分間以上１００時間以下加熱し、ついで１℃／時以上１０００℃／分以下の速度で冷却することにより、所期のゲージ特性が得られる。熱処理の条件において、１００℃以上１２００℃以下の温度範囲において、好ましくは１分間以上１００時間以下加熱するように限定した理由は、この処理条件内ではゲージ率が２以上で、且つ抵抗温度係数が（−３．５〜３．５）×１０−４／℃以内になって好ましいからである。１００℃以下ではゲージ特性に変化が見られず、工程上無駄になるので経済的に好ましくない。また１２００℃以上では、所期のゲージ特性が得られず好ましくない。
【００２９】
【実施例】
本発明の実施例について説明する。
実施例１  試料番号７（組成：Ｃｒ−５．８％Ｆｅ）の合金薄膜の製造と評価
直径１０５ｍｍおよび厚さ３ｍｍのＣｒの円盤（純度９９．９％）を銅製電極にボンディングし、さらにＣｒの上に面積７×７ｍｍ２および厚さ０．８ｍｍの大きさの板状Ｆｅチップ（純度９９．９％）を４枚ボンディングしてスパッタ用複合ターゲットとする。この複合ターゲットからマグネトロン方式高周波スパッタリング装置を用いて、下記に示したスパッタリング条件で厚さ０．３６μｍの薄膜をを作製する。基板には成膜前にガラス製のマスクをかぶせておき、成膜時にパターン化した薄膜を形成できるようにする。
予備排気          １×１０−７Ｔｏｒｒ
高周波電力        １００ｗ
アルゴンガス圧    １×１０−２Ｔｏｒｒ
基板              ガラス（ＣＯＲＮＩＮＧ  ＃０２１１）
基板温度          非加熱
電極間距艦        ５０ｍｍ
成膜速度          ３０Å／ｍｉｎ
作製した薄膜にハンダを用いて直径０．０５ｍｍの被服導線を溶接して電極となし、４端子法にて抵抗温度係数およびゲージ率の測定を行った。その結果、表１に示したとおり、０．１８×１０−４／℃の非常に小さい抵抗温度係数と５．６のゲージ率が得られた。
次に得られた薄膜を、各種雰囲気中１００℃〜５００℃の各種温度で適当時間加熱後室温まで炉中冷却（冷却速度：２００℃／時間）した。表１は、それら熱処理の方法と、熱処理後の抵抗温度係数、比抵抗およびゲージ率を示す。いずれの雰囲気においてもゲージ率は改善され、大きな値を示した。熱処理温度の上昇に伴って抵抗温度係数は若干大きくなったが、ストレインゲージとして安定性に支障をきたすほどではなかった。
【００３０】
【表１】
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【００３１】
実施例２  試料番号１３（組成：Ｃｒ−１．０％Ｖ）の合金薄膜の製造と評価
純度９９．９％のＣｒおよびＶをアークメルト法によって合金化し、直径２０３ｍｍおよび厚さ５ｍｍの合金ターゲットを作製する。その合金ターゲットを銅製電極にボンディングしてスパッタ用ターゲットとする。このターゲットからイオンビームスパッタリング装置を用いて、下記に示したスパッタリング条件で厚さ０．３６μｍの薄膜を作製する。基板には成膜前にガラス製のマスクをかぶせておき、成膜時にゲージパターンを形成できるようにし、さらにＮｉおよびＡｕの積層電極を構築する
予備排気          ２×１０−８Ｔｏｒｒ
加速電圧          ７００Ｖ
イオン電流密度    ２ｍＡ／ｃｍ２
基板              表面にＳｉＯ２絶縁膜を形成したステンレス
基板温度          ５００℃
イオン源−ターゲット間距離        １２０ｍｍ
基板−ターゲット間距離            １２０ｍｍ
成膜速度          ９０Å／ｍｉｎ
作製した薄膜の電極にＡｕ線を溶接し、４端子法にて抵抗温度係数およびゲージ率の測定を行った。その結果、０．０８×１０−４／℃の非常に小さい抵抗温度係数と９．４の非常に大きなゲージ率が得られた。
次に得られた薄膜に対して、各種雰囲気中１００℃〜１２００℃の各種温度で適当時間加熱後室温まで炉中冷却（冷却速度：５０℃／時間）した。表２は、それら熱処理の方法と熱処理後の抵抗温度係数、比抵抗およびゲージ率を示す。いずれの雰囲気においてもゲージ率は改善され、大きな値を示した。図８は、これら熱処理を真空中２時間の条件で施した場合の加熱温度と抵抗温度係数、比抵抗およびゲージ率との関係を示す。ゲージ率は約５００℃で極大値を示し、また、比抵抗は加熱温度の上昇とともに小さくなっていくが、抵抗温度係数はこれも約５００℃付近で極大値を示した。この熱処理による抵抗温度係数の増加分は０．３×１０−４／℃程度と小さく、ゲージ率の増大の方がより顕著であるので、高感度で高安定なストレインゲージを製造する上で本発明の熱処理は有効である。
【００３２】
【表２】
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【００３３】
実施例３  試料番号５３（組成：Ｃｒ−１．２％Ａｌ−１．６％Ｓｉ）の合金薄膜の製造と評価
鈍度９９．９９％のＣｒ、純度９９．９％のＡｌおよび純度９９．９９％のＳｉを、それぞれ９７．０％、１．３％および１．７％を高周波溶解炉により溶解して合金化し、そのうち約１ｇを蒸発源原料とする。この原料を用いて、真空蒸着装置中において下記の条件のもと真空蒸着によって厚さ１．２μｍの薄膜を作製する。基板には成膜前に金属製のマスクをかぶせておき、成膜時にゲージパターンを形成できるようにする。
真空度            ６×１０−７Ｔｏｒｒ
基板              ポリイミド（厚さ０．１ｍｍ）
基板温度          ２００℃
基板−蒸発源間距離            １８０ｍｍ
成膜速度          １３０Å／ｍｉｎ
作製した薄膜を真空蒸着装置から取り出し、基板を覆うマスクを交換した後再び真空蒸着装置にて電極用のＣｕ膜を形成し、ハンダを用いて直径０．２ｍｍの被服導線を溶接して４端子法にて抵抗温度係数およびゲージ率の測定を行った。その結果、−０．２４×１０−４／℃の小さい抵抗温度係数と７．９の大きなゲージ率が得られた。
次に得られた薄膜に対して、各種雰囲気中１００℃〜４００℃の各種温度で適当時間加熱後室温まで炉中冷却（冷却速度：５００℃／時間）した。表３は、それら熱処理の方法と、熱処理後の抵抗温度係数、比抵抗およびゲージ率を示す。実施例１と同様、いずれの雰囲気においてもゲージ率は改善され、大きな値を示した。また、これも同様に熱処理温度の上昇に伴って抵抗温度係数は若干大きくなったが、ストレインゲージとして安定性に支障をきたすほどではなかった。すなわち、本発明合金を使用することによって高感度・高安定性ストレインゲージを提供できることが明らかになった。
【００３４】
【表３】
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【００３５】
表４および表５は、高周波スパッタリング装置を用いて表面にＳｉＯ２絶縁膜を形成したステンレスの基板上に成膜したそのままの試料、またはそれらに種々の条件で熱処理を施した試料についての、本発明の代表的な合金薄膜の抵抗温度係数（ＴＣＲ）、比電気抵抗（ρ）およびゲージ率（Ｋ）の測定結果を示す。
【００３６】
【表４】
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【００３７】
【表５】
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【００３８】
【発明の効果】
本発明のＣｒ基合金薄膜は室温付近で抵抗温度係数が小さく、且つ従来の材料よりもゲージ率が格段に大きい。すなわち、本発明のストレインゲージ用薄膜よりなるストレインゲージは、ゲージ率が２以上で、且つ抵抗温度係数が（−３．５〜３．５）×１０−４／℃以内であるので、高感度・高安定性を発揮する効果がある。したがって、本発明の薄膜よりなるストレインゲージは、ロードセル、ストレインセンサ、重量計、加速度計、各種応力・歪計および各種セキュリティ機器等に好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、Ｃｒ薄膜の電気抵抗の温度依存性を示す。
【図２】図２は、副成分として加えるＢｅ、Ｍｇ、Ｃａ、ＳｒおよびＢａの量に対する０〜５０℃における抵抗温度係数および室温（２０℃）におけるゲージ率を示す。
【図３】図３は、副成分として加えるＦｅ、Ｃｏ、ＭｎおよびＡｌの量に対する０〜５０℃における抵抗温度係数および室温（２０℃）におけるゲージ率を示す。
【図４】図４は、副成分として加えるＴｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｎｉ、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｃ、Ｎ、Ｐ、ＳｅおよびＴｅの量に対する０〜５０℃における抵抗温度係数および室温（２０℃）におけるゲージ率を示す。
【図５】図５は、副成分として加えるＲｕ、Ｒｈ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、ＰｔおよびＰｄの量に対する０〜５０℃における抵抗温度係数および室温（２０℃）におけるゲージ率を示す。
【図６】図６は、副成分として加えるＡｇ、Ａｕ、Ｙ、ＬａおよびＣｅの量に対する０〜５０℃における抵抗温度係数および室温（２０℃）におけるゲージ率を示す。
【図７】図７は、副成分として加えるＰｂ、Ｓｎ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｗ、Ｂ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｔｌ、ＣｕおよびＺｎの量に対する０〜５０℃における抵抗温度係数および室温（２０℃）におけるゲージ率を示す。
【図８】図８は、試料番号１３（組成：Ｃｒ−１．０％Ｖ）の合金薄膜に真空中２時間の熱処理を施した場合の加熱温度と抵抗温度係数、比抵抗およびゲージ率との関係を示す。
【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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【図７】
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【図８】
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