本发明涉及一种应变片(straingauge)。
背景技术：
已知一种应变片，其粘贴在测定对象物上，以对测定对象物的应变进行检测。应变片具有用于对应变进行检测的电阻体，作为电阻体的材料，例如使用包含cr(铬)或ni(镍)的材料。另外，电阻体例如形成在由绝缘树脂构成的基材上(例如参见专利文献1)。
<现有技术文献>
<专利文献>
专利文献1：(日本)特开2016-74934号公报
技术实现要素：
<本发明要解决的问题>
另一方面，存在一种方法，其将2个应变片的栅格方向错开期望的角度(例如90度或45度)并将其粘贴到测定对象物上，以对主应变方向未知的应变进行测定。在该方法中，由于将2个应变片贴合，因此贴合精度较差，难以以期望的角度进行贴合。因此，无法进行精确的应变测定。
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种应变片，其能够在不考虑贴合精度的情况下对主应变方向未知的应变进行测定。
<用于解决问题的手段>
本应变片包括：基材，具有可挠性；以及电阻体，由cr混合相膜形成，其中，所述电阻体包括形成在所述基材的一侧的第一电阻部、以及形成在所述基材的另一侧的第二电阻部，所述第一电阻部和所述第二电阻部被布置成使栅格方向在平面视图中交叉。
<发明的效果>
根据所公开的技术，能够提供一种应变片，其能够在不考虑贴合精度的情况下对主应变方向未知的应变进行测定。
附图说明
图1是示出根据第1实施方式的应变片的平面图。
图2是示出根据第1实施方式的应变片中的电阻部31的图案的平面图。
图3是示出根据第1实施方式的应变片的剖面图(其1)。
图4是示出根据第1实施方式的应变片的剖面图(其2)。
图5a是示出根据第1实施方式的应变片的制造工序的图(其1)。
图5b是示出根据第1实施方式的应变片的制造工序的图(其2)。
图5c是示出根据第1实施方式的应变片的制造工序的图(其3)。
图5d是示出根据第1实施方式的应变片的制造工序的图(其4)。
图6是示出根据第1实施方式的应变片的剖面图(其3)。
图7是示出根据第1实施方式的应变片的剖面图(其4)。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。在各附图中，对相同部件赋予相同符号，并且有时会省略重复的说明。
<第1实施方式>
图1是示出根据第1实施方式的应变片的平面图。图2是示出根据第1实施方式的应变片中的电阻部31的图案的平面图。图3是示出根据第1实施方式的应变片的剖面图，示出了沿图1及图2的线a-a的剖面。图4是示出根据第1实施方式的应变片的剖面图，示出了沿图1及图2的线b-b的剖面。如图1～图4所示，应变片1具有基材10、电阻体30(电阻部31及32)、端子部41及42、以及覆盖层61及62。
需要说明的是，在本实施方式中，为方便起见，在应变片1中，基材10的设置有电阻部32的一侧为上侧或一侧，设置有电阻部31的一侧为下侧或另一侧。另外，各部位的设置有电阻部32的一侧的表面为一个表面或上表面，设置有电阻部31的一侧的表面为另一表面或下表面。但是，也可以以上下颠倒的状态来使用应变片1，或者可以以任意角度来布置应变片1。另外，平面视图是指从基材10的上表面10a的法线方向对对象物进行观察的视图，平面形状是指从基材10的上表面10a的法线方向对对象物进行观察时的形状。
基材10是作为用于形成电阻体30等的基底层的部件，并且具有可挠性。对于基材10的厚度并无特别限制，可以根据目的适当地选择，例如可以为大约5μm～500μm。特别地，从能够减小电阻部31和32的应变灵敏度误差的观点来看，基材10的厚度优选为5μm～200μm。
基材10例如可以由pi(聚酰亚胺)树脂、环氧树脂、peek(聚醚醚酮)树脂、pen(聚萘二甲酸乙二醇酯)树脂、pet(聚对苯二甲酸乙二醇酯)树脂、pps(聚苯硫醚)树脂、聚烯烃树脂等绝缘树脂薄膜形成。需要说明的是，薄膜是指厚度为大约500μm以下、并且具有可挠性的部件。
在此，“由绝缘树脂薄膜形成”并不妨碍在基材10的绝缘树脂薄膜中含有填充剂或杂质等。基材10例如也可以由含有二氧化硅或氧化铝等填充剂的绝缘树脂薄膜形成。
电阻体30是形成在基材10上，并且经受应变而产生电阻变化的感测部。电阻体30包括经由基材10层叠的电阻部31和32。即，电阻体30是电阻部31和32的总称，在无需特别区分电阻部31和32的情况下称为电阻体30。需要说明的是，在图1及图2中，为方便起见，以阴影图案示出电阻部31和32。
电阻部31是以预定图案形成在基材10的下表面10b侧的薄膜。电阻部31可以直接形成在基材10的下表面10b侧，也可以经由其他层形成在基材10的下表面10b侧。
在电阻部31的两端部上，形成有承接通路用的焊盘31a。焊盘31a从电阻部31的两端部延伸，并且在平面视图中相对于电阻部31增宽并形成为大致矩形形状。
电阻部32是以预定图案形成在基材10的上表面10a侧的薄膜。电阻部32可以直接形成在基材10的上表面10a上，也可以经由其他层形成在基材10的上表面10a上。
在平面视图中，电阻部32的栅格方向被布置成与电阻部31的栅格方向交叉。在此，交叉是指在平面视图中电阻部32的栅格方向与电阻部31的栅格方向不平行。
在平面视图中，电阻部32的栅格方向例如相对于电阻部31的栅格方向呈90度(正交)。但是，其仅是一个示例，在平面视图中，电阻部32的栅格方向可以相对于电阻部31的栅格方向呈45度，也可以呈其他角度。
电阻体30(电阻部31和32)例如可以由包含cr(铬)的材料、包含ni(镍)的材料、或包含cr和ni两者的材料形成。即，电阻体30可以由包含cr和ni中的至少一者的材料形成。作为包含cr的材料，例如可以举出cr混合相膜。作为包含ni的材料，例如可以举出cu-ni(铜镍)。作为包含cr和ni两者的材料，例如可以举出ni-cr(镍铬)。
在此，cr混合相膜是对cr、crn、cr2n等进行相混合而成的膜。cr混合相膜可以包含氧化铬等不可避免的杂质。
对于电阻体30的厚度并无特别限制，可以根据目的适当地选择，例如可以为大约0.05μm～2μm。特别地，从构成电阻体30的晶体的结晶性(例如，α-cr的结晶性)得到提高的观点来看，电阻体30的厚度优选为0.1μm以上，从能够减少因构成电阻体30的膜的内部应力而引起的膜的裂纹或从基材10上翘曲的观点来看，更优选为1μm以下。
例如，在电阻体30是cr混合相膜的情况下，通过以作为稳定的晶相的α-cr(α-铬)作为主成分，从而能够提高应变特性的稳定性。另外，通过使电阻体30以α-cr作为主成分，从而能够将应变片1的应变率设定为10以上，并且将应变率温度系数tcs及电阻温度系数tcr设定为-1000ppm/℃～+1000ppm/℃的范围内。在此，主成分是指对象物质占构成电阻体的全部物质的50质量％以上，从提高应变特性的观点来看，电阻体30优选包含80重量％以上的α-cr。需要说明的是，α-cr是bcc结构(体心立方晶格结构)的cr。
端子部41和42形成在基材10上。端子部41和42可以直接形成在基材10的上表面10a上，也可以经由其他层形成在基材10的上表面10a上。
端子部41是用于将因应变而产生的电阻部31的电阻值的变化输出至外部的一对电极，例如与外部连接用的引线等接合。
端子部41中的一者经由贯穿基材10的通路孔10x与在通路孔10x内暴露的焊盘31a中的一者电连接。端子部41中的一者例如从基材10的上表面10a在通路孔10x的侧壁和暴露于通路孔内10x的焊盘31a中的一者的上表面上连续地形成，并且与焊盘31a中的一者电连接。
通过端子部41中的一者的在通路孔10x的侧壁和暴露于通路孔10x内的焊盘31a中的一者的上表面上所形成的部分，在通路孔10x内形成凹部10y。但是，端子部41中的一者也可以对通路孔10x进行填充(也可以不形成凹部10y)。
另外，端子部41中的另一者经由贯穿基材10的通路孔10x与在通路孔10x内暴露的焊盘31a中的另一者电连接。端子部41中的另一者例如从基材10的上表面10a在通路孔10x的侧壁和暴露于通路孔内10x的焊盘31a中的另一者的上表面上连续地形成，并且与焊盘31a中的另一者电连接。
通过端子部41中的另一者的在通路孔10x的侧壁和暴露于通路孔10x内的焊盘31a中的另一者的上表面上所形成的部分，在通路孔10x内形成凹部10y。但是，端子部41中的另一者也可以对通路孔10x进行填充(也可以不形成凹部10y)。
在平面视图中，端子部41相对于电阻部31增宽并形成为大致矩形形状，并且电阻部31在端子部41中的一者与端子部41中的另一者之间呈之字形折返并延伸。可以利用焊接性优于端子部41的金属来覆盖端子部41的上表面。
端子部42从电阻部32的两端部延伸，并且在平面视图中相对于电阻部32增宽并形成为大致矩形形状。端子部42是用于将因应变而产生的电阻部32的电阻值的变化输出至外部的一对电极，例如与外部连接用的引线等接合。电阻部32例如从端子部42中的一者呈之字形折返并延伸从而与另一个端子部42连接。可以利用焊接性优于端子部42的金属来覆盖端子部42的上表面。
需要说明的是，虽然为方便起见对电阻部32和端子部41及42赋予不同符号，但是两者可以在相同工序中由相同材料一体地形成。
覆盖层61是以覆盖电阻部32并使端子部41和42暴露的方式在基材10的上表面10a上设置的绝缘树脂层。通过设置覆盖层61，从而能够防止在电阻部32上产生机械性的损伤等。另外，通过设置覆盖层61，从而能够保护电阻部32不受湿气等的影响。需要说明的是，覆盖层61可以设置为对除了端子部41和42以外的整个部分进行覆盖。
覆盖层62是以覆盖电阻部31和焊盘31a的方式在基材10的下表面10b上设置的绝缘树脂层。通过设置覆盖层62，从而能够防止在电阻部31和焊盘31a上产生机械性的损伤等。另外，通过设置覆盖层62，从而能够保护电阻部31和焊盘31a不受湿气等的影响。
覆盖层61和62例如可以由pi树脂、环氧树脂、peek树脂、pen树脂、pet树脂、pps树脂、复合树脂(例如硅酮树脂、聚烯烃树脂)等绝缘树脂形成。覆盖层61和62可以含有填充剂或颜料。对于覆盖层61和62的厚度并无特别限制，可以根据目的适当地选择，例如可以为大约5μm～500μm。特别地，从来自经由粘合层等接合在覆盖层62的下表面上的应变体表面的应变的传递性、对于环境的尺寸稳定性的观点来看，覆盖层62的厚度优选为5μm～200μm，从绝缘性的观点来看，更优选为10μm以上。需要说明的是，覆盖层61和覆盖层62可以由不同的材料形成，覆盖层61和覆盖层62可以形成为不同的厚度。
图5a～图5d是示出根据第1实施方式的应变片的制造工序的图，示出了与图4对应的剖面。
为了制造应变片1，首先，在图5a所示的工序中，准备基材10，并且在基材10的整个下表面10b上，形成最终被图案化而成为电阻部31及焊盘31a的金属层310。金属层310的材料和厚度与上述的电阻体30(电阻部31)的材料和厚度相同。
金属层310例如可以通过利用以能够形成金属层310的原料作为靶的磁控溅射法进行成膜而形成。对于金属层310，可以利用反应溅射法、蒸镀法、电弧离子镀法或脉冲激光沉积法等来代替磁控溅射法而进行成膜。
从使应变特性稳定化的观点来看，优选在进行金属层310的成膜之前，在基材10的下表面10b上例如利用传统的溅射法真空成膜出膜厚为大约1nm～100nm的功能层作为基底层。
在本申请中，功能层是指至少具有促进作为上层的电阻部(将金属层310图案化后的电阻部)的晶体生长的功能的层。功能层优选还具有防止作为上层的电阻部因基材10等中所含的氧或水分而氧化的功能、以及提高基材10等与作为上层的电阻部之间的密合性的功能。功能层还可以具有其他功能。
由于构成基材10的绝缘树脂薄膜包含氧或水分，因此特别在作为上层的电阻部包含cr的情况下，由于cr会形成自氧化膜，因此使功能层具有防止作为上层的电阻部氧化的功能是有效的。
关于功能层的材料，只要其是至少具有促进作为上层的电阻部的晶体生长的功能的材料，便无特别限制，可以根据目的适当地选择，例如可以举出选自由cr(铬)、ti(钛)、v(钒)、nb(铌)、ta(钽)、ni(镍)、y(钇)、zr(锆)、hf(铪)、si(硅)、c(碳)、zn(锌)、cu(铜)、bi(铋)、fe(铁)、mo(钼)、w(钨)、ru(钌)、rh(铑)、re(铼)、os(锇)、ir(铱)、pt(铂)、pd(钯)、ag(银)、au(金)、co(钴)、mn(锰)、al(铝)组成的群组一种或多种的金属、该群组中的任意金属的合金、或者该群组中的任意金属的化合物。
作为上述合金，例如可以举出fecr、tial、feni、nicr、crcu等。另外，作为上述化合物，例如可以举出tin、tan、si3n4、tio2、ta2o5、sio2等。
功能层例如可以利用传统的溅射法来进行真空成膜，该传统的溅射法以能够形成功能层的原料作为靶，并且向腔室内导入ar(氩)气体。通过使用传统的溅射法，从而能够一边利用ar对基材10的下表面10b进行蚀刻一边形成功能层，因此能够使功能层的成膜量最小化从而获得密合性改善效果。
但是，其仅是功能层的成膜方法的一个示例，也可以利用其他方法来形成功能层。例如，可以在功能层的成膜之前通过使用了ar等的等离子体处理等将基材10的下表面10b活化从而获得密合性改善效果，然后使用通过磁控溅射法来对功能层进行真空成膜的方法。
对于功能层的材料与作为上层的电阻部的材料的组合并无特别限制，可以根据目的适当地选择，例如可以使用ti作为功能层，并且形成以α-cr(α-铬)作为主成分的cr混合相膜用作作为上层的电阻部。
在此情况下，例如可以利用以能够形成cr混合相膜的原料作为靶、并且向腔室内导入ar气体的磁控溅射法，来形成作为上层的电阻部。或者，可以以纯cr作为靶，向腔室内导入ar气体以及适量的氮气，并利用反应溅射法来形成作为上层的电阻部。
在这些方法中，能够以由ti构成的功能层为开端对cr混合相膜的生长面进行限制，并且形成以作为稳定的晶体结构的α-cr为主成分的cr混合相膜。另外，通过使构成功能层的ti扩散至cr混合相膜中，从而使应变特性提高。例如，能够使应变片1的应变率为10以上，并且使应变率温度系数tcs及电阻温度系数tcr在-1000ppm/℃～+1000ppm/℃的范围内。需要说明的是，在功能层由ti形成的情况下，在cr混合相膜中有时会包含ti或tin(氮化钛)。
需要说明的是，在作为上层的电阻部为cr混合相膜的情况下，由ti构成的功能层具备促进作为上层的电阻部的晶体生长的功能、防止作为上层的电阻部因包含在基材10中的氧或水分而氧化的功能、以及提高基材10与作为上层的电阻部之间的密合性的功能的全部功能。使用ta、si、al、fe来代替ti用作功能层的情况也同样。
这样一来，通过在电阻部的下层设置功能层，从而能够促进作为上层的电阻部的晶体生长，并且能够制作由稳定的晶相构成的电阻部。因此，在应变片1中，能够提高应变特性的稳定性。另外，通过使构成功能层的材料扩散至作为上层的电阻部，从而能够在应变片1中提高应变特性。
接着，在图5b所示的工序中，形成通路孔10x，该通路孔10x贯穿基材10并且使金属层310的上表面暴露。通路孔10x例如可以利用激光加工法形成。通路孔10x形成在金属层310被图案化而成为焊盘31a的区域上。
接着，在图5c所示的工序中，在基材10的整个上表面10a上，形成最终被图案化而成为电阻部32以及端子部41和42的金属层320。金属层320从基材10的上表面10a在通路孔10x的侧壁和暴露于通路孔内10x的金属层310的上表面上连续地形成，并且与金属层310电连接。
通过金属层320的在通路孔10x的侧壁和暴露于通路孔10x内的金属层310的上表面上所形成的部分，在通路孔10x内形成凹部10y。但是，金属层310也可以对通路孔10x进行填充(也可以不形成凹部10y)。
金属层320的材料和厚度例如可以与金属层310相同。金属层320例如可以利用与金属层310同样的方法来形成。由于与金属层310同样的理由，优选在进行金属层320的成膜之前，在基材10的上表面10a上例如利用传统的溅射法真空成膜出膜厚为大约1nm～100nm的功能层作为基底层。
接着，在图5d所示的工序中，利用光刻法对在基材10的下表面10b上所形成的功能层和金属层310、以及在基材10的上表面10a上所形成的功能层和金属层320进行图案化。由此，在基材10的下表面10b上形成图2的形状的电阻部31和焊盘31a，并且在基材10的上表面10a上形成图1的形状的电阻部32以及端子部41和42。通过利用光刻法对金属层310和金属层320同时进行图案化，从而能够提高电阻部31与电阻部32之间的相对位置精度。
在图5d所示的工序之后，在基材10的上表面10a上形成覆盖层61，该覆盖层61覆盖电阻部32并使端子部41和42暴露。另外，在基材10的下表面10b上形成覆盖层62，该覆盖层62覆盖电阻部31和焊盘31a。覆盖层61和62的材料和厚度如上所述。
覆盖层61例如可以通过在基材10的上表面10a上以覆盖电阻部32并使端子部41和42暴露的方式层压半固化状态的热固性的绝缘树脂薄膜，并进行加热使其固化来制作。覆盖层61也可以通过在基材10的上表面10a上以覆盖电阻部32并使端子部41和42暴露的方式涂布液状或糊状的热固性的绝缘树脂，并进行加热使其固化来制作。覆盖层62也可以利用与覆盖层61同样的方法来制作。通过以上工序，完成了应变片1。
需要说明的是，在基材10的下表面10b上设置功能层作为将成为电阻部31和焊盘31a的金属层310的基底层，并且在基材10的上表面10a上设置功能层作为将成为电阻部32以及端子部41和42的金属层320的基底层的情况下，应变片1为图6及图7所示的剖面形状。由符号21和22所表示的层为功能层。设置功能层21和22的情况下的应变片1的平面形状与图1及图2相同。
如上所述，在应变片1中，在基材10的下表面10b上形成电阻部31，在基材10的上表面10a上形成电阻部32，并且电阻部31的栅格方向与电阻部32的栅格方向交叉。另外，能够通过利用光刻法对在基材10的两个表面上所形成的金属层同时进行图案化来形成电阻部31和电阻部32。因此，能够提高电阻部31与电阻部32之间的相对位置精度，并且能够实现电阻部31的栅格方向与电阻部32的栅格方向以期望值精确地交叉的应变片。由此，能够在不考虑贴合精度的情况下对主应变方向未知的应变进行测定。
另外，应变片1为基材10的上下大致对称的层叠结构。即，在基材10的下表面10b侧层叠电阻部31和覆盖层62，并在基材10的上表面10a侧层叠电阻部32和覆盖层61。利用该结构，能够降低在应变片1上产生的翘曲。
以上对优选的实施方式等进行了详细说明，但不限于上述的实施方式等，在不脱离权利要求书所记载的范围情况下，可以对上述实施方式等进行各种变形及替换。
本国际申请以2017年11月15日提交的日本发明专利申请第2017-220407号作为要求优先权的基础，本国际申请援引日本发明专利申请第2017-220407号的全部内容。
符号说明
1应变片；10基材；10a上表面；10b下表面；10x通路孔；10y凹部；21、22功能层；30电阻体；31、32电阻部；41、42端子部；61、62覆盖层。