应变仪及传感器模块的制作方法

1.本发明涉及应变仪以及传感器模块。


背景技术：

2.已知粘贴于测定对象物，检测测定对象物的应变的应变仪。应变仪具备检测应变的电阻体，作为电阻体的材料，例如，使用包含cr(铬)、ni(镍)的材料。另外，电阻体例如，形成于基材上，被作为保护膜的绝缘树脂层所被覆(例如，参照专利文献1)。
3.现有技术文献
4.专利文献
5.专利文献1：日本特开2016-74934号公报


技术实现要素：

6.发明所要解决的课题
7.然而，上述应变仪中，存在将作为保护膜的绝缘树脂层侧安装于应变体、基板等安装对象物时的操作效率差这样的问题。即，需要向安装对象物涂布粘接剂的工序、从粘接对象物除去多余的粘接剂的工序等，因此操作效率差。
8.本发明是鉴于上述方面而提出的，其课题在于提供能够提高将绝缘树脂层侧安装于应变体、基板等安装对象物时的操作效率的应变仪。
9.用于解决课题的方法
10.本应变仪具有：具有挠性的树脂制的基材，形成于上述基材的一面的电阻体以及被覆上述电阻体的绝缘树脂层，上述绝缘树脂层为热塑性聚酰亚胺层。
11.发明的效果
12.根据公开的技术，能够提供能够提高将绝缘树脂层侧安装于应变体、基板等安装对象物时的操作效率的应变仪。
附图说明
13.图1为例示第1实施方式涉及的应变仪的平面图。
14.图2为例示第1实施方式涉及的应变仪的截面图(其1)。
15.图3为例示第1实施方式涉及的应变仪的截面图(其2)。
16.图4为例示第2实施方式涉及的传感器模块的截面图。
17.图5a为表示将应变仪与应变体熔合的具体的步骤的一例的图(其1)。
18.图5b为表示将应变仪与应变体熔合的具体的步骤的一例的图(其2)。
19.图5c为表示将应变仪与应变体熔合的具体的步骤的一例的图(其3)。
20.图5d为表示将应变仪与应变体熔合的具体的步骤的一例的图(其4)。
21.图6为例示第3实施方式涉及的传感器模块的截面图。
22.图7为例示第4实施方式涉及的传感器模块的截面图。
1000ppm/℃～ 1000ppm/℃的范围内。这里，主成分是指对象物质占据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考虑，电阻体30优选包含α-cr80重量％以上。另外，α-cr为bcc结构(体心立方晶格结构)的cr。
35.端子部41从电阻体30的两端部延伸，俯视时，与电阻体30相比宽度扩展而大致矩形地形成。端子部41为用于将由应变产生的电阻体30的电阻值的变化输出至外部的一对电极，例如，接合外部连接用的引线等。电阻体30例如，一边从端子部41的一方z字形地折回一边延伸以连接另一方的端子部41。可以将端子部41的上面用与端子部41相比焊接性良好的金属来被覆。另外，电阻体30和端子部41为了方便设为不同符号，但是两者能够在同一工序中由同一材料一体地形成。
36.以被覆电阻体30，露出端子部41的方式，在基材10的上面10a设置有绝缘树脂层60(绝缘树脂层)。绝缘树脂层60作为将应变仪1粘贴于应变体时的熔合层起作用。另外，通过设置绝缘树脂层60，从而能够防止电阻体30产生机械损伤等。另外，通过设置绝缘树脂层60，从而能够保护电阻体30不受湿气等影响。另外，绝缘树脂层60可以以覆盖除端子部41以外的部分的整体的方式设置。
37.绝缘树脂层60为热塑性聚酰亚胺层。绝缘树脂层60的厚度t(层叠于电阻体30上的部分的厚度)优选为5μm以上7μm以下。理由如下。
38.热塑性聚酰亚胺层由于制造上的限制而难以厚地形成，因此优选热塑性聚酰亚胺层的厚度小于10μm。另外，在将应变仪1粘贴于应变体时，电阻体30与应变体之间的距离(即，热塑性聚酰亚胺层的厚度)对于检测灵敏度带来影响，因此优选热塑性聚酰亚胺层的厚度薄。根据发明人等的研究，如果热塑性聚酰亚胺层的厚度为7μm以下，则从应变体表面的应变的传递性变得良好，能够充分的高灵敏度的应变检测。由此，如果热塑性聚酰亚胺层的厚度为7μm以下，则制造上的限制也能够满足，并且成为充分的高灵敏度。
39.热塑性聚酰亚胺层在应变体为导电体的情况下，也兼做应变体与电阻体30的绝缘层。如果热塑性聚酰亚胺层的厚度为5μm以上，则获得充分的绝缘性，如果比5μm薄，则由于针孔的产生等而绝缘性降低。另外，如果热塑性聚酰亚胺层的厚度为5μm以上，则获得充分的粘接强度。
40.这样，作为热塑性聚酰亚胺层的绝缘树脂层60的厚度t优选为5μm以上7μm以下，如果在该范围内，则能够充分地高灵敏度的应变检测，并且制造上的要求也满足，并且获得充分的绝缘性和粘接强度。
41.热塑性聚酰亚胺层中，除了热塑性聚酰亚胺以外，可以含有热塑性聚酰亚胺以外的树脂和/或填料。热塑性聚酰亚胺昂贵，由此热塑性聚酰亚胺层通过含有低成本的树脂和/或填料，从能够降低应变仪1的原料费。
42.作为热塑性聚酰亚胺层所含有的热塑性聚酰亚胺以外的树脂，可举出例如，环氧树脂、酚醛树脂、氧杂环丁烷树脂等。另外，可以使用聚对苯二甲酸丁二醇酯(pbt)、聚苯硫醚(pps)、聚醚砜(pes)、聚醚酰亚胺(pei)等工程塑料。
43.含有环氧树脂的热塑性聚酰亚胺层能够通过将聚酰胺酸与环氧树脂进行混合并加热而得。这样操作而获得的含有环氧树脂的热塑性聚酰亚胺层与不含有环氧树脂的热塑性聚酰亚胺层相比，具有粘接强度高这样的优点。
44.作为填料，可举出氧化铝、氧化钛、氮化硼、氧化硅等无机微粒。通过在热塑性聚酰
亚胺层中以适当的比率含有无机微粒，从而能够调整绝缘树脂层60的线膨胀系数。
45.绝缘树脂层60有时产生残留应力，因此优选使绝缘树脂层60的线膨胀系数为接近于粘贴应变仪1的应变体的线膨胀系数的值，抑制残留应力。由此，含有无机微粒的塑性聚酰亚胺层能够通过无机微粒的配合量以调整线膨胀系数，因此作为绝缘树脂层60的材料是适合的。
46.为了制造应变仪1，首先，准备基材10，在基材10的上面10a形成图1所示的平面形状的电阻体30和端子部41。电阻体30和端子部41的材料、厚度如上述那样。电阻体30和端子部41能够通过同一材料而一体地形成。
47.电阻体30和端子部41例如，通过将能够形成电阻体30和端子部41的原料作为靶标的磁控管溅射法进行成膜，从而利用光刻进行图案形成而形成。电阻体30和端子部41可以代替磁控管溅射法，而使用反应性溅射法、蒸镀法、弧离子镀法、脉冲激光堆积法等进行成膜。
48.从将应变特性稳定化的观点考虑，优选在成膜电阻体30和端子部41之前，作为基底层，在基材10的上面10a，例如，通过常规溅射法将膜厚为1nm～100nm左右的功能层进行真空成膜。另外，功能层在功能层的上面整体形成电阻体30和端子部41之后，通过光刻，与电阻体30和端子部41一起图案形成为图1所示的平面形状。
49.本技术中，功能层是指至少具有促进作为上层的电阻体30的结晶生长的功能的层。功能层优选进一步具备防止由基材10所包含的氧、水分带来的电阻体30的氧化的功能、提高基材10与电阻体30的密合性的功能。功能层可以进一步具备其它功能。
50.构成基材10的绝缘树脂膜包含氧、水分，因此特别是在电阻体30包含cr的情况下，cr形成自氧化膜，因此功能层具备防止电阻体30的氧化的功能是有效的。
51.功能层的材料如果为至少具有促进作为上层的电阻体30的结晶生长的功能的材料，就没有特别限制，能够根据目的适当选择，可举出例如，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)所组成的组中的1种或多种金属、该组的任一金属的合金、或该组的任一金属的化合物。
52.作为上述合金，可举出例如，fecr、tial、feni、nicr、crcu等。另外，作为上述化合物，可举出例如，tin、tan、si3n4、tio2、ta2o5、sio2等。
53.功能层例如，能够将能够形成功能层的原料作为靶标，通过向室内导入ar(氩)气体的常规溅射法来真空成膜。通过使用常规溅射法，从而一边将基材10的上面10a利用ar进行蚀刻一边成膜为功能层，因此能够使功能层的成膜量成为最小限度而获得密合性改善效果。
54.但是，这是功能层的成膜方法的一例，可以通过其它方法来成膜为功能层。例如，可以使用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的上面10a进行活化，从而获得密合性改善效果，然后通过磁控管溅射法将功能层进行真空成膜的方法。
55.功能层的材料与电阻体30和端子部41的材料的组合没有特别限制，能够根据目的适当选择，例如，能够作为功能层使用ti，作为电阻体30和端子部41将以α-cr(α铬)为主成分的cr混相膜进行成膜。
56.在该情况下，例如，能够将能够形成cr混相膜的原料作为靶标，通过向室内导入ar气体的磁控管溅射法，从而成膜为电阻体30和端子部41。或者，可以将纯cr作为靶标，向室内与ar气体一起导入适量的氮气，通过反应性溅射法，成膜为电阻体30和端子部41。
57.这些方法中，能够以由ti形成的功能层为契机规定cr混相膜的生长面，成膜为作为稳定的晶体结构的以α-cr作为主成分的cr混相膜。另外，构成功能层的ti扩散至cr混相膜中，从而应变特性提高。例如，能够使应变仪1的应变率为10以上，并且应变率温度系数tcs和电阻温度系数tcr为-1000ppm/℃～ 1000ppm/℃的范围内。另外，在功能层由ti形成的情况下，有时cr混相膜包含ti、tin(氮化钛)。
58.另外，在电阻体30为cr混相膜的情况下，由ti形成的功能层具备：促进电阻体30的结晶生长的功能，防止由基材10所包含的氧、水分带来的电阻体30的氧化的功能，以及提高基材10与电阻体30的密合性的功能全部。作为功能层，代替ti而使用了ta、si、al、fe的情况也同样。
59.这样，通过在电阻体30的下层设置功能层，从而能够促进电阻体30的结晶生长，能够制作由稳定的结晶相形成的电阻体30。其结果在应变仪1中，能够提高应变特性的稳定性。另外，构成功能层的材料通过扩散至电阻体30，从而在应变仪1中，能够提高应变特性。
60.在形成电阻体30和端子部41之后，在基材10的上面10a，被覆电阻体30，设置露出端子部41的绝缘树脂层60，从而完成应变仪1。
61.绝缘树脂层60例如，能够在基材10的上面10a，以被覆电阻体30，露出端子部41的方式涂布热塑性聚酰亚胺清漆，进行烧成，从而在基材10上形成。另外，热塑性聚酰亚胺清漆可以含有热塑性聚酰亚胺以外的树脂和/或填料。另外，可以代替热塑性聚酰亚胺清漆而使用热塑性聚酰胺酸清漆。
62.另外，在作为电阻体30和端子部41的基底层的基材10的上面10a设置功能层的情况下，应变仪1成为图3所示的截面形状。符号20所示的层为功能层。设置有功能层20的情况下的应变仪1的平面形状与图1同样。
63.这样，应变仪1中，绝缘树脂层60为热塑性聚酰亚胺层。因此，能够提高将绝缘树脂层60侧安装于应变体、基板等安装对象物时的操作效率。
64.即，在将应变仪1的绝缘树脂层60侧安装于应变体、基板等安装对象物的情况下，使绝缘树脂层60与安装对象物接触同时进行加热和加压，接着仅冷却为好。由此，能够将应变仪1以高粘接强度固定于安装对象物。
65.因此，不需要向应变仪、安装对象物涂布粘接剂的工序；从应变仪与安装对象物的接触面除去多余的粘接剂的工序等。因此，与应变仪1和安装对象物的粘接使用热固性的粘接剂的以往的工序相比，能够以短时间效率良好地进行对于安装对象物的安装。
66.〈第2实施方式〉
67.第2实施方式中，显示将应变仪粘贴于应变体的传感器模块的例子。即，是第1实施方式涉及的应变仪的安装对象物为应变体的情况下的例子。另外，第2实施方式中，对于与已经说明的实施方式的同一构成部的说明有时省略。
68.图4为例示第2实施方式涉及的传感器模块的截面图。如果参照图4，则传感器模块3具有应变仪1和应变体110。应变体110的上面110a通过粘接剂等粘贴有柔性印刷基板120，在柔性印刷基板120上形成有电极130。
69.传感器模块3中，应变仪1将基材10朝向与应变体110的相反侧，固定于应变体110的上面110a。更具体而言，应变仪1的绝缘树脂层60与应变体110的上面110a熔合。
70.应变体110例如，为由fe、sus(不锈钢)、al等金属、peek等树脂形成，根据所施加的力而变形，将产生的应变传递至应变仪1的物体。应变仪1能够将应变体110产生的应变作为电阻体30的电阻值变化进行检测。
71.应变体110为例如板状构件，但并不限定于此，可以为roberval形、环形等各种形状。另外，安装于应变体110的应变仪1的数目并不限定于1个，可以为任意。
72.应变仪1的端子部41通过导电性粘接层200与柔性印刷基板120上的电极130电连接。导电性粘接层200例如，为各向异性导电膜(anisotropic conductive film，acf)。通过作为导电性粘接层200使用各向异性导电膜，从而能够将端子部41与电极130容易地连接，因此与利用焊料等连接的情况相比，能够大幅提高操作效率。
73.制造传感器模块3时，首先，以成为图4所示的位置的方式，在应变体110的上面110a配置应变仪1。而且，以图4所示的状态进行加热和加压，将应变仪1通过绝缘树脂层60与应变体110的上面110a熔合。另外，将端子部41与电极130通过导电性粘接层200进行接合。
74.图5a～图5d为表示将应变仪与应变体熔合的具体的步骤的一例的图。
75.首先，如图5a所示那样，使载置于传送带500上的应变体110接近被夹具520保持的应变仪1。另外，在应变体110的电极130上，预先配置作为导电性粘接层200的各向异性导电膜。
76.接下来，如图5b所示那样，使应变仪1的绝缘树脂层60与应变体110的上面110a接触，并且使应变仪1的端子部41与配置于应变体110的电极130上的各向异性导电膜进行接触。
77.接下来，如图5c所示那样，通过配置于传送带500的下方的瞬间加热器540，将应变体110的一部分，即，应变仪1的绝缘树脂层60所接触的部分和配置有各向异性导电膜的部分进行局部地加热。同时，通过将夹具520进一步向下方按压，从而将应变仪1向应变体110推压，将应变仪1的绝缘树脂层60与应变体110的上面110a进行压接，并且将端子部41与电极130介由各向异性导电膜进行压接。由此形成绝缘树脂层60的热塑性聚酰亚胺熔融。另外，各向异性导电膜发生固化。
78.加热温度作为一例为220℃～260℃左右，加压力作为一例为1n/m2～2n/m2左右，进行加热和加压的时间作为一例能够为5秒～20秒左右。
79.接下来，进行冷却。具体而言，如图5d所示那样，解除利用夹具520的应变仪1的保持，将应变仪1与应变体110进行空气冷却。由此，形成绝缘树脂层60的热塑性聚酰亚胺凝固，应变仪1以高粘接强度与应变体110熔合。
80.通过以上，完成图4所示的传感器模块3。另外，可以将绝缘树脂层60的加热和加压、以及各向异性导电膜的加热和加压独立地进行。在该情况下，能够独立地设定加热温度、加压时间。
81.这样，传感器模块3为将应变仪1的绝缘树脂层60侧安装于应变体110的结构。应变仪1中，绝缘树脂层60为热塑性聚酰亚胺层，因此如第1实施方式所说明的那样，能够提高将绝缘树脂层60侧安装于应变体110时的操作效率。
82.另外，参照图5a～图5d而说明的应变仪1向应变体110的安装方法为仅将应变仪1的绝缘树脂层60与应变体110的接触面的附近进行局部地加热，进行应变仪1向应变体110的熔合。因此，根据本实施方式的安装方法，与将通过夹具被固定的应变仪与应变体配置于炉内，将应变仪、应变体、夹具的整体在150度以上加热1小时以上的以往的工序相比，能够大幅降低加热需要的能量。
83.应变仪1所具备的绝缘树脂层60能够以短时间的加热和加压与应变体110熔合，因此将应变仪1安装于应变体110的安装工序能够作为使用了夹具520和瞬间加热器540的一次性工序而实现。这样的一次性的安装工序与作为包含1小时以上的加热工序的分批处理工序而进行的以往的加热、加压工序相比被大幅地简化。
84.另外，以往的加热、加压工序包括下述工序：将应变仪与应变体利用夹具一体地保持并加压，将一体地保持的应变仪与应变体在炉内进行加热，加热后将应变仪和应变体从炉中取出，取下夹具。
85.另外，通过应变仪1的端子部41与柔性印刷基板120的电极130的电连接使用各向异性导电膜，从而能够将端子部41与电极130容易地连接，因此与利用焊料等连接的情况相比，能够大幅提高操作效率。
86.〈第3实施方式〉
87.第3实施方式中，显示具备有柔性印刷基板的应变仪的例子。即，第1实施方式涉及的应变仪的安装对象物为柔性印刷基板的情况下的例子。另外，第3实施方式中，对于与已经说明的实施方式同一构成部的说明有时省略。
88.图6为例示第3实施方式涉及的传感器模块的截面图。如果参照图6，则传感器模块5具有应变仪1和柔性印刷基板140。柔性印刷基板140上形成有电极130。
89.应变仪1的端子部41通过导电性粘接层200与柔性印刷基板140上的电极130电连接。导电性粘接层200例如，为各向异性导电膜。应变仪1的绝缘树脂层60与柔性印刷基板140的没有形成电极130的区域的一部分熔合。
90.绝缘树脂层60与柔性印刷基板140的熔合例如，在参照图5a～图5d而说明的工序中，只要在传送带500上代替应变体110载置柔性印刷基板140即可。绝缘树脂层60为热塑性聚酰亚胺层，因此能够提高将绝缘树脂层60侧安装于柔性印刷基板140时的操作效率。
91.柔性印刷基板140的一部分在俯视时，向配置有应变仪1的区域的外侧拉伸。因此，例如，通过在向柔性印刷基板140的应变仪1的外侧拉伸的区域配置外部连接用的电极，从而能够将应变仪1与外部电路容易地电连接。
92.另外，可以在柔性印刷基板140的背面侧(没有形成电极130的一侧)依次层叠粘着层和脱模膜。由此，将传感器模块5容易地粘贴于应变体。
93.〈第4实施方式〉
94.第4实施方式中，显示将传感器模块5粘贴于应变体的传感器模块的例子。另外，第4实施方式中，对于与已经说明的实施方式同一构成部的说明有时省略。
95.图7为例示第4实施方式涉及的传感器模块的截面图。如果参照图7，则传感器模块7具有传感器模块5和应变体110。柔性印刷基板140的形成有电极130的一侧的相反侧粘贴于应变体110的上面110a。
96.柔性印刷基板140的一部分俯视时，向配置有应变仪1的区域的外侧拉伸。因此，例
如，通过在向柔性印刷基板140的应变仪1的外侧拉伸的区域配置外部连接用的电极，从而能够将应变仪1与外部电路容易地电连接。
97.以上，对于优选实施方式等进行了详细说明，但并不限制于上述实施方式等，能够不脱离权利要求所记载的范围，对于上述实施方式等施加各种变形和置换。
98.本国际申请主张基于于2019年10月1日申请的日本专利申请2019-181206号的优先权，将日本专利申请2019-181206号的全部内容援用至本国际申请中。
99.符号的说明
100.1应变仪，3、5、7传感器模块，10基材，10a上面，30电阻体，41端子部，60绝缘树脂层，110应变体，120、140柔性印刷基板，130电极，200导电性粘接层。