JP2004132812A

JP2004132812A - 力検知素子

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Publication number: JP2004132812A
Application number: JP2002297126A
Authority: JP
Inventors: Kentarou Mizuno; 水野　健太朗; Atsushi Tsukada; 塚田　厚志; Jiro Sakata; 坂田　二郎; Yoshiteru Omura; 大村　義輝; Shoji Hashimoto; 橋本　昭二; Masayoshi Masuoka; 増岡　優美
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2002-10-10
Filing date: 2002-10-10
Publication date: 2004-04-30
Anticipated expiration: 2022-10-10
Also published as: JP4254192B2

Abstract

【課題】力伝達体の中心部でゲージ部を押圧するように配置することによって、精度良くかつ高感度に荷重を検知する。
【解決手段】基板の一方の主面には、円柱状のゲージ部３２及びゲージ部３２を中心とするリング状力伝達体支持部３４が形成されている。力伝達体支持部３４は、リング状であるため、円柱状ゲージ部３２を中心として完全対称になる。ゲージ部とゲージ部に対して対称となるように形成した力伝達体支持とにより力伝達体を支持するようにしたので、力伝達体に過大な荷重が作用したときでも、ゲージ部にはバランスよく応力が作用するため、強度に優れ、またゲージ部が力伝達体の応力が大きくなる領域によって押圧されるため、精度良くかつ高感度に荷重を検知することができる
【選択図】　　図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、力検知素子に係り、特に、圧縮力を電気信号に変換する半導体のピエゾ抵抗効果を用いて荷重等を検知する力検知素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、荷重やエンジンのシリンダ内燃焼圧力等を検知するために使用される力検知素子として、ピエゾ抵抗素子を利用した小型の力検知素子が知られている。ピエゾ抵抗素子は、歪み（応力変形）に応じて歪みが生じた部分の抵抗率が変化する素子である。このピエゾ抵抗素子は、一般に、半導体製造技術により単結晶Ｓｉ基板の主面上に形成されたゲージ抵抗によって構成されている。
【０００３】
従来の力検知素子は、（１１０）面を主面とする単結晶Ｓｉ基板上に、ピエゾ抵抗係数π_１３を利用したピエゾ抵抗効果を持つ４つのメサ型ゲージ抵抗を＜１００＞方向及び＜１１０＞方向に沿って、主面の中心に対して対称な位置に形成してホイートストンブリッジを構成し、このホイートストンブリッジの上に力伝達ブロックを配置して構成されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
この力検知素子では、力伝達ブロックに力が作用すると、力伝達ブロックから単結晶Ｓｉ基板の厚み方向に応力が伝達されるので、この応力の方向に対して垂直方向に電流が流れるように電圧を印加する。そして、応力に応じて発生するゲージ抵抗のピエゾ抵抗効果が＜１００＞方向と＜１１０＞方向とで異なることから、抵抗値に差が生じることを利用し、この抵抗値の差を電圧差として検知することで力伝達ブロックに作用した荷重等の力を検知している。
【０００５】
また、ピエゾ抵抗素子上に配置される力伝達ブロックは、ピエゾ抵抗素子への力伝達特性を考慮して、高剛性の直方体状力伝達体と直方体状力伝達体の上に配置された半球状力伝達体とにより構成されている（例えば、特許文献２参照）。この力伝達ブロックでは、半球状力伝達体により半球上部に作用する１点集中荷重を半球下面で等分布荷重とし、直方体状力伝達体を介してピエゾ抵抗素子のゲージ部を押圧して変形させている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平８−２７１３６３号公報
【特許文献２】
特開２００１−３０５００１号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の力検知素子では、（メサ型）ゲージ抵抗が主面の中心に配置されていないため、力伝達ブロック、ゲージ抵抗、及び単結晶Ｓｉ基板が変形する程の荷重・圧力が力伝達ブロックに作用したときに、高精度には荷重を検知できない。また、過大荷重に対しても更なる高耐圧が求められている。
【０００８】
この問題を解決するために、単結晶Ｓｉ基板の主面の中心部に力伝達部を支持する直方体状の支持部を形成することも考えられるが、力伝達ブロックがゲージ部以外に支持部にも接触することから、力伝達ブロックの接触面積が増大し、単位面積当たりに作用する応力が減少し、更に力伝達ブロックから支持部に最も大きな荷重が伝達され、ゲージ部には大きな荷重が伝達されなくなり、更なる高感度化には限界がある。
【０００９】
本発明は、上記問題を解決すべく成されたもので、ゲージ部にバランスよく力が作用するようにして、精度良くかつ高耐圧、高感度に荷重等の力を検知することができるようにした力検知素子を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、ゲージ部と、前記ゲージ部に電流経路を形成するための電極と、作用した力を前記ゲージ部に伝達する力伝達体と、を含む力検知素子であって、前記力伝達体から伝達される力が作用する領域の中心に前記ゲージ部の力を受ける領域の中心が位置するように前記ゲージ部を配置したことを特徴とする。
【００１１】
本発明では、力伝達体から伝達される力が作用する領域の中心にゲージ部の力を受ける領域の中心が位置するようにゲージ部を配置したので、力伝達体から伝達される力が作用する領域の中心によってゲージ部の中心が押圧される。これによって、ゲージ部は力伝達体の応力が大きくなる領域（例えば、中心部）の直下に位置することになり、このゲージ部によって力伝達体が支持される。このため、力伝達体に過大な荷重が作用したときに、ゲージ部にはバランスよく応力が作用するので、充分な強度が得られ、またゲージ部が力伝達体の応力が大きくなる領域によって押圧されるので、精度良くかつ高感度に荷重を検知することができる。
【００１２】
ピエゾ抵抗係数π_１１のピエゾ抵抗効果を利用する場合、本発明のゲージ部は、（１１０）面を主面とするｐ型半導体基板、（１１１）面を主面とするｐ型半導体基板、または（１００）面を主面とするｎ型半導体基板自体で形成され、かつ力伝達体から伝達される力によって半導体基板の厚み方向に押圧されるゲージ部で構成することができる。また、他の係数のピエゾ抵抗効果を利用する場合には、半導体基板上にエピタキシャル成長等によって形成されたピエゾ抵抗効果を有するメサ型ゲージ部で構成することもできる。
【００１３】
ゲージ部をメサ型ゲージ部で構成した場合には、メサ型ゲージ部が力伝達体のエッジ部と交差しないように配置するのが好ましい。このように配置することにより、力伝達体のエッジ部がメサ型ゲージ部等に接触しないので、力伝達体のエッジ部に強度低下が生じていても経年変化や過大圧力に対してより安定な特性が得られる。
【００１４】
また、ゲージ部をメサ型ゲージ部で形成した場合には、メサ型ゲージ部の前記力伝達体から伝達される力が大きくなる領域の単位長さ当たりの抵抗値を、前記メサ型ゲージ部の他の領域の単位長さ当たりの抵抗値より大きくするのが効果的である。この抵抗値は、メサ型ゲージ部の力伝達体から伝達される力が大きくなる領域の幅を、メサ型ゲージ部の他の領域の幅より狭くするか、または、メサ型ゲージ部の力伝達体から伝達される力が大きくなる領域の不純物拡散領域の幅を、メサ型ゲージ部の他の領域の不純物拡散領域の幅より狭くすることにより、大きくすることができる。このように抵抗値を大きくすることにより、より高感度に荷重を検知することができる。
【００１５】
なお、上記のように幅を狭くすると、高抵抗になることに加えて、メサ型ゲージ部の幅狭部の圧縮応力が更に大きくなり、これによってより高感度に荷重を検知することができる。
【００１６】
本発明では、力伝達体を支持するように、ゲージ部に対して対称に配置された支持部を更に含むようにすることができる。すなわち、力伝達体を支持する支持部をメサ型ゲージ部に対して線対称に複数個形成したり、ゲージ部を円柱等の柱状ゲージ部で形成し、力伝達体支持部をこのゲージ部を中心として完全対称となるように形成したリング支持部で支持するように構成したり、柱状ゲージ部を中心とする円周上に等間隔に複数個の支持部を配置したりすることができる。
【００１７】
このように力伝達体を支持する支持部を配置することにより、力伝達体を更に安定に支持することができるため、ゲージ部にはよりバランスよく応力が作用し、より高感度に荷重を検知することができる。なお、力伝達体の力を伝達する領域とゲージ部の力を受ける領域とが同じ大きさまたは略同じ大きさの場合には、この支持部を配置しなくてもよい。
【００１８】
上記で説明したピエゾ抵抗係数π_１１のピエゾ抵抗効果を利用する場合は、（１１０）面を主面とするｐ型シリコン単結晶の場合には＜１１０＞方向、（１１１）面を主面とするｐ型シリコン単結晶の場合には＜１１１＞方向、（１００）面を主面とするｎ型シリコン単結晶の場合には、＜１００＞方向に、各々最大の感度を持つので、各々高感度を有する結晶方向に電流経路が形成されるようにゲージ部を形成するのがよい。また、ピエゾ抵抗係数π_１２を利用する場合には、（１００）面上の＜１１０＞方向のｐ型ゲージを利用するとよいが、＜１００＞方向でも良い。ピエゾ抵抗係数π_１３を利用する場合には、（１１０）面上の＜１１０＞方向にｐ型ゲージを形成すると高感度にすることができる。
【００１９】
上記の利用するピエゾ抵抗係数、基板の種類、結晶面、電流経路が形成される結晶方向をまとめると以下の表に示すようになる。
【００２０】
【表１】

【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の力検知素子の実施の形態のについて詳細に説明する。図１に示すように、本実施の形態の力検知素子２４は、検知素子部２０と、検知素子部２０の上面に載置された半球状の力伝達体２２とによって構成されている。
【００２２】
力伝達体２２は、高電気導電性材料で構成するのが好ましく、また電気導電性を有しない材料や、低電気導電性材料で構成した場合には、力伝達体２２の表面に、Ｎｉ無電解メッキ等の電気導電性処理を施し、電気導電性が良好になるように構成すればよい。
【００２３】
次に、力検知素子の検知素子部について詳細に説明する。第１の実施の形態の力検知素子の検知素子部を図２〜図３に示す。
【００２４】
検知素子部を構成する半導体基板としては、（１１０）面を主面とするｐ型半導体（例えば、シリコン単結晶）基板、または（１００）面を主面とするｎ型半導体（例えば、シリコン単結晶）基板、または（１１１）面を主面とするｐ型半導体（例えば、シリコン単結晶）基板を用いることができる。これらの基板は、下部電極とオーミック接触が得られるように、例えば、０．０１Ω・ｃｍレベルか、またはそれ以上の不純物の濃度を有する基板が使用される。
【００２５】
以下では、半導体基板としてシリコン単結晶基板を用いた場合について説明する。シリコン単結晶基板の一方の主面には、円柱状のゲージ部３２及びゲージ部３２を中心とするリング状力伝達体支持部３４が形成され、他方の主面には下部電極４０が形成されている。このゲージ部３２には、シリコン単結晶基板の厚み方向に電流が流れるように、すなわち、シリコン単結晶基板の厚み方向に電流経路が形成されるように、下部電極４０と対向させて上部電極３８が形成されている。
【００２６】
この検知素子部は、以下のようにして製造される。まず、シリコン単結晶基板上に、エピタキシャル成長により、例えば抵抗値０．１〜１Ω・ｃｍ、厚さ１〜３μｍのエピタキシャル層を成長させる。
【００２７】
次に、図２及び図３に示すように、一方の主面の中心に円柱状ゲージ部３２が形成されると共に、円柱状ゲージ部３２を中心とするリング状力伝達体支持部３４が形成されるように、エピタキシャル層の不用部分をエッチングにより除去する。力伝達体支持部３４は、リング状であるため、円柱状ゲージ部３２を中心として完全対称に形成されている。
【００２８】
その後、シリコン単結晶基板上面（主面）の全面に、ＳｉＯ_２膜３６からなる絶縁膜を形成する。エピタキシャル層の厚さが１〜３μｍであるので、円柱状ゲージ部３２及びリング状力伝達体支持部３４の高さは、１〜３μｍ程度である。
【００２９】
円柱状ゲージ部３２の上面に形成されたＳｉＯ_２膜は、ウエットエッチングによりコンタクトホールが形成され、Ａｌスパッタと反応性イオンエッチングによりこのコンタクトホールを介してゲージ部３２とオーミック接触した第１の電極としての上部電極３８が形成されている。
【００３０】
また、シリコン単結晶基板の下面には、全面にわたって第２の電極としての下部電極４０が形成されている。
【００３１】
これによって、上部電極３８と下部電極４０とは対向して形成され、上部電極３８と下部電極４０との間に電圧を印加したときに、上部電極３８から下部電極４０へ向かう電流経路が形成される。この電流経路は、シリコン単結晶基板の厚み方向を向いており、例えば、ｐ型シリコン単結晶基板の場合には図３に示すように＜１１０＞方向または＜１１１＞方向、ｎ型シリコン単結晶基板の場合には図４に示すように＜１００＞方向に形成される。
【００３２】
上部電極及び下部電極の材料としては、オーミック接触が得られる材料であれば良く、上記で説明したＡｌ、またはＡｌ合金を使用することができるが、材料強度の面からはＷ，Ｎｉ，Ｔｉ，Ｃｒ等のいずれかが望ましく、電極の最表面は、酸化され難い金属材料、例えばＡｕでコーティングするのが好ましい。
【００３３】
ゲージ部３２の形状は、ゲージ部の目的とする抵抗値により決定される。ゲージ部の抵抗値は、下記の式で表されるので、例えば、汎用的に使用されている歪ゲージのゲージ抵抗（１２０Ω〜１ｋΩ）を用いると、例えば、円柱状ゲージ部の比抵抗を０．１Ω・ｃｍ、ゲージ高さを３μｍ、円柱状ゲージ部の直径を５μｍとすれば、ゲージ抵抗値として約１６０Ωが得られる。
【００３４】
ゲージ部の抵抗が比較的高いエピタキシャル層（例えば、１Ωレベル）を用いる場合は、上部電極とのオーミック接触が得られ難いため、この場合には、例えばイオン注入技術によりゲージ部表面に浅い高濃度層を形成すればよい。同様に、下部電極とのオーミック接触が得にくい場合には、下部電極と基板との接触面の不純物濃度を高くすればよい。
【００３５】
ゲージ部の抵抗値＝ゲージ部の比抵抗（エピタキシャル層濃度）
×ゲージ厚さ÷ゲージ部の表面積
なお、円柱状ゲージ部の直径及び高さの上下限値は、荷重作用下でのゲージ部の破壊耐久性及び出力感度により決定される。
【００３６】
また、上記ではリング状の力伝達体支持部について説明したが、ゲージの出力感度及び破壊耐久性に影響を与えないような形状であればよく、特に限定されず、ゲージ部を中心とした四角形や五角形等の多角形状に形成してもよい。
【００３７】
力伝達体２２に作用した荷重は、上側電極３８に伝達され、ゲージ部３２を電流経路の方向に押圧する。この押圧力は、シリコン単結晶基板のピエゾ抵抗係数π_１１によるピエゾ抵抗効果に基づく抵抗変化に変換される。従って、定電流駆動した場合は、抵抗変化に伴う電圧の変化から力伝達体２２に作用した荷重を正確に検知することができる。
【００３８】
なお、上記では、エピタキシャル成長させた部分にゲージ部を形成する例について説明したが、図５に示すようにエピタキシャル成長していないシリコン単結晶基板をダイシング加工等により削り出してゲージ部３２及び支持部３４を形成してもよい。この場合、ゲージ部はシリコン単結晶基板自体で形成される。
【００３９】
次に、第２の実施の形態の力検知素子の検知素子部を図６〜図８を参照して説明する。なお、以下の実施の形態の検知素子部は、上記で説明した方法を用いて製造することができ、電極等の材料も上記で説明した材料を使用することができる。
【００４０】
この第２の実施の形態は、リング状力伝達体支持部に代えて、複数の円柱状力伝達体支持部を円周上に等間隔に配置することによって、ゲージ部に対して点対称に力伝達体支持部を配置したものである。このため、図６〜図８において、図２〜図４と対応する部分には同一符号を付して説明を省略する。
【００４１】
この実施の形態では、図６、図７に示すように、エピタキシャル層の不用部分がエッチングにより除去されて、一方の主面の中心に形成された円柱状ゲージ部３２を中心とする円周上に、等間隔に複数個（例えば、４個）の円柱状力伝達体支持部３５が形成されている。この力伝達体支持部３５の高さは、円柱状ゲージ部３２と同様に１〜３μｍ程度であり、ゲージ部に対して点対称に配置されている。
【００４２】
なお、図７は、ｐ型シリコン単結晶基板を用い、電流経路を＜１１０＞方向、または＜１１１＞方向に形成した例を示すものであり、図８は、ｎ型シリコン単結晶基板を用い、電流経路を＜１００＞方向に形成した例を示すものである。また、複数の力伝達体支持部の配置位置及び各力伝達体支持部の形状は、ゲージの出力感度及び破壊耐久性に影響を与えないような配置及び形状であればよく、特に限定されない。
【００４３】
通常、半導体回路は、（１００）面またはこの面と等価な結晶面に形成されるので、第１及び第２の実施の形態においてｎ型シリコン単結晶（１００）基板を使用すれば、半導体荷重センサに増幅器や駆動回路を容易に組合せることができるため、これまで困難であった制御回路一体型センサが実現可能となる。
【００４４】
第２の実施の形態においても、第１の実施の形態の変形例（図５）で説明したように、エピタキシャル成長していないシリコン単結晶基板をダイシング加工により削り出してゲージ部及び支持部を形成してもよい。この場合も、ゲージ部はシリコン単結晶基板自体で形成されることになる。
【００４５】
次に、図９（Ａ）、（Ｂ）を参照して、第３の実施の形態の力検知素子の検知素子部を説明する。第３の実施の形態は、ピエゾ抵抗係数π_１３を利用したピエゾ抵抗効果に対して最大感度を有する方向に延在するようにメサ型ゲージ部を形成し、力伝達体支持部をメサ型ゲージ部に対して線対称に複数（本実施の形態では４個）配置したものである。
【００４６】
図に示すように、（１１０）面を主面とするｎ型シリコン単結晶基板５０の主面上には、中心が主面の中心に重なり、かつ＜１１０＞方向に延在するように、断面矩形状のｐ型のメサ型ゲージ部５２が形成されている。また、このメサ型ゲージ部５２の両端には、メサ型ゲージ部５２に連続した電極配置部５４が形成されている。メサ型ゲージ部５２及び電極配置部５４の表面から所定深さの領域には、ｐ型の不純物層５６が形成されている。
【００４７】
シリコン単結晶基板５０の主面上であって、メサ型ゲージ部５２に対して対称な位置には、４個の円柱状の力伝達体支持部６２が形成されている。
【００４８】
シリコン単結晶基板５０の主面側は、ｐ型の不純物層５６が形成されたメサ型ゲージ部５２、電極配置部５４、及び力伝達体支持部６２を覆うように、ＳｉＯ_２膜５８で構成された酸化膜により被覆されている。
【００４９】
ＳｉＯ_２膜５８で被覆された各々の電極配置部５４の上には、各々電極配置部５４と略相似形の電極６０が形成されている。電極６０の各々は、電極６０の裏面に形成され、かつＳｉＯ_２膜５８にエッチングにより穿設されたコンタクトホールを貫通するコンタクト部６０Ａを介して、電極配置部５４の不純物層５６にオーミック接触されている。
【００５０】
ＳｉＯ_２膜５８で被覆されたメサ型ゲージ部５２及び力伝達体支持部６２の上方には、パイレックス（Ｒ）ガラス等のガラスブロックで形成された直方体状の力伝達体６４が載置される。更に、力伝達体６４の上に上記で説明した半球状の力伝達体２２が載置されてもよい。直方体状の力伝達体６４を載置したときに、メサ型ゲージ部５２は、力伝達体６４の裏面の中心を通り、かつ裏面の対向する辺の一方から他方に延びる帯状部分で力伝達体６４を支持し、力伝達体支持部６２は、力伝達体６４の４つの角部で力伝達体６４を支持する。このため、力伝達体６４の最も応力が大きくなる中心部でメサ型ゲージ部５２が押圧されることになる。
【００５１】
本実施の形態では、力伝達体６４に荷重が作用すると、メサ型ゲージ部５２が歪み、または作用した応力により抵抗率が変化するので、この抵抗率変化から荷重を検知することができる。また、メサ型ゲージ部は、力伝達体の重心の直下に位置し、対称性よく配置した支持部によりゲージ部にはバランスよく応力が作用しているので、高精度に荷重・圧力を検知することができ、対称配置によりバランスよい応力分布が得られ、耐圧・耐荷重特性に優れる。
【００５２】
第３の実施の形態の変形例を図１０及び図１１に示す。図１０に示す変形例は、第３の実施の形態の円柱状の力伝達体支持部に代えて、メサ型ゲージ部５２に対して線対称の位置に、メサ型ゲージ部５２と並行に形成されたメサ型力伝達体支持部６６を用いるようにしたものである。また、図１１に示す変形例は、図１０の各々のメサ型力伝達体支持部の両端をメサ型ゲージ部５２方向に直角に伸ばして形成した、コ字状のメサ型力伝達体支持部６８を用いるようにしたものである。
【００５３】
次に、図１２（Ａ）を参照して第４の実施の形態の検知素子部を説明する。この実施の形態は、メサ型ゲージ部の中心領域の幅を、メサ型ゲージ部の他の領域の幅より狭くしたものである。これにより、メサ型ゲージ部の前記力伝達体から伝達される力が大きくなる領域の幅が、メサ型ゲージ部の他の領域の幅より狭くなる。なお、本実施の形態は、第３の形態と同様であるので、図９（Ａ）と対応する部分には同一符号を付して説明を省略する。
【００５４】
図に示すように、本実施の形態のメサ型ゲージ部６８は、両端から中心に向かって幅が連続して徐々に狭くなるように形成することによって、メサ型ゲージ部の中心領域の幅が狭くなるように形成されている。このように幅を狭くすると、メサ型ゲージ部の幅狭部の圧縮応力が更に大きくなり、かつ幅狭であることから単位長さ当たりの抵抗値が大きくなって高抵抗となり、これによってより高感度に荷重を検知することができる。
【００５５】
なお、本実施形態では、幅を連続して狭くする例について説明したが、段階的に幅を狭くしてもよく、また中心部分のみ幅を狭くするようにしてもよい。また、力伝達体支持部は、図１０または図１１で説明したメサ型力伝達体支持部を用いるようにしてもよい。
【００５６】
図１２（Ｂ）は、第４の実施の形態の変形例を示すものである。この変形例では、メサ型ゲージ部の幅を変更せずに、メサ型ゲージ部の中心領域の不純物の拡散領域６９の幅をメサ型ゲージ部６８のメサ幅より狭くし、メサ型ゲージ部の中心領域の不純物の拡散幅が、他の領域の不純物の拡散幅より狭くなるように形成されている。これにより、ゲージ部中心付近の単位長さ当たりのゲージ抵抗値が他の部分より大きくなるようにされている。この変形例によれば、メサ幅を変更することなく、不純物の拡散のみによって単位長さ当たりのゲージ抵抗値を大きくしているので、製造が簡単になる。
【００５７】
次に、図１３（Ａ）、（Ｂ）を参照して、本発明の第５の実施の形態の検知素子部を説明する。図に示すように、（１１０）面を主面とするｎ型シリコン単結晶基板７０の主面上には、中心が主面の中心に重なり、かつ＜１１０＞方向に所定長さで延在した四角錐台状のメサ型ゲージ部７２が形成されている。また、このメサ型ゲージ部７２を挟むように、四角錐台状の一対のメサ型電極配置部７４が形成されている。この電極配置部７４は、上記の実施の形態と異なりメサ型ゲージ部とは連続していない。
【００５８】
メサ型ゲージ部７２の表面、メサ型ゲージ部７２と一方の電極配置部７４との間の部分であってメサ型ゲージ部７２の幅と同じ幅の領域、及び、この領域と同じ幅の電極配置部７４の側面及び上面の一部の領域には、表面から所定深さの領域にｐ型の不純物が拡散されて、荷重に対する感度が零の拡散引出し部７６が形成されている。なお、拡散引出し部７６の他方の電極配置部７４側は、メサ型ゲージ部７２と他方の電極配置部７４との間の部分の途中の領域まで延びている。
【００５９】
シリコン単結晶基板７０の主面上であって、メサ型ゲージ部７２に対して対称な位置には、４個の円錐台状の力伝達体支持部８２が形成されている。
【００６０】
シリコン単結晶基板７０の主面側は、拡散引出し部７６、電極配置部７４、及び力伝達体支持部８２を覆うように、ＳｉＯ_２膜７８で構成された酸化膜により被覆されている。
【００６１】
ＳｉＯ_２膜７８で被覆された一方の電極配置部７４の上には、電極配置部７４と略相似形の電極８０が形成され、ＳｉＯ_２膜７８で被覆された他方の電極配置部７４の上には、メサ型ゲージ部７２方向に延びた引出し部８１Ａが形成された電極８１が形成されている。電極８０は、電極８０の裏面に形成され、かつＳｉＯ_２膜７８にエッチングにより穿設されたコンタクトホールを貫通するコンタクト部を介して、また電極８１の引出し部８１Ａは、引出し部８１Ａの裏面に形成され、かつＳｉＯ_２膜７８にエッチングにより穿設されたコンタクトホールを貫通するコンタクト部を介して、各々拡散引出し部７６にオーミック接触されている。
【００６２】
ＳｉＯ_２膜７８で被覆されたメサ型ゲージ部７２及び力伝達体支持部８２の上方には、上記で説明したように、パイレックス（Ｒ）ガラス等のブロックで形成された直方体状の力伝達体６４が載置される。
【００６３】
本実施の形態では、力伝達体６４に荷重が作用すると、メサ型ゲージ部７２が歪み、抵抗が変化するので、この抵抗変化から荷重を検知することができる。また、メサ型ゲージ部は、力伝達体の重心の直下に位置している、すなわち平均圧縮応力よりも大きな応力が作用し易い位置に位置しているので、高感度に荷重を検知することができる。また、力伝達体５４をガラスで構成した場合には、特にエッジ部が加工時にチッピングにより強度低下することが考えられるが、本実施の形態ではメサ型ゲージ部とガラスエッジ部とが交差しないため、経年変化や過大荷重に対しても安定な特性が得られる。更に、上記ではエッジ部両端と電極とを異なる手法で電気的に接続する例について説明したが、同じ手法で接続するようにしてもよい。
【００６４】
なお、本実施の形態の力伝達体は、図１０及び図１１で説明したように、側面が半導体基板表面と垂直となるメサ型に形成するようにしてもよく、上記第３、第４の実施の形態では、メサ型ゲージの側面を垂直（第３の実施の形態）、または傾斜（第４の実施の形態）させて説明したが、側面形状は特に限定しない。
【００６５】
次に、図１４を参照して、本発明の第６の実施の形態を説明する。本実施の形態では、（１１０）面を主面とするｎ型シリコン単結晶基板を用いている。このシリコン単結晶基板の主面には、中心が主面の中心に重なり、かつ感度が最大である＜１１０＞方向に延在するようにｐ型のメサ型ゲージ部８６が形成されている。このメサ型ゲージ部８６の両端には、中間部においてこのメサ型ゲージ部８６に連続する長さが同一の引出し部８８が、＜１００＞方向に沿って平行に形成されている。引出し部８８は、後述するように作用する荷重に対する感度が低いので力伝達体を支持する力伝達体支持部として機能する。
【００６６】
引出し部８８の各々の基端部は、矩形状の電極配置部９０に連続しており、メサ型ゲージ部８６、引出し部８８、及び電極配置部９０は、ＳｉＯ_２膜からなる絶縁膜によって被覆されている。
【００６７】
ＳｉＯ_２膜によって被覆された各電極配置部９０の上面には、電極９２が形成されている。この電極は、ＳｉＯ_２膜に穿設されたコンタクトホールを介して電極配置部９０とオーミック接続されている。
【００６８】
メサ型ゲージ部８６及び引出し部８８の上には、直方体状の力伝達体６４が載置され、力伝達体６４の重心直下が力伝達体６４の下部に位置するメサ型ゲージ部８６によって支持され、また力伝達体６４は一対の引出し部８８によっても支持される。
【００６９】
このメサ型ゲージ部８６は、大きな抵抗率変化を示す（最大感度を有する）＜１１０＞方向に延在しているため、図１６（Ａ）に示すように、垂直荷重（ゲージ頂部の圧縮応力）に対する抵抗率変化の特性は、初期荷重では感度が若干低くなり、中程度の荷重で最適な感度を示し、高い荷重に対しては感度が若干高くなるため、Ｓ字カーブとなり、大きく抵抗が変化する領域まで良好な直線性が得られていない。また、引出し部８８は、感度が非常に低い＜１００＞方向に延在しているため、図１６（Ｂ）に示すように、初期荷重に対して若干上に凸の感度を有し、高い荷重に対しては若干下に凸の感度を有する。
【００７０】
本実施の形態では、電極９２間に電圧を印加した状態で力伝達体６４に荷重が作用すると、メサ型ゲージ部８６に圧縮応力が作用し、メサ型ゲージ部８６の抵抗が図１６（Ａ）示す特性に応じて抵抗値が変化すると共に、引出し部８８の抵抗が図１６（Ｂ）示す特性に応じて抵抗値が変化する。このとき、電流は、一方の引出し部８８の１／２の部分、メサ型ゲージ部８６、及び他方の引出し部８８の１／２の部分からなる直列接続部分を流れる。このため、この直列接続部分の荷重に対する抵抗変化は、図１６（Ａ）の特性と図１６（Ｂ）の特性とを合成した図１６図（Ｃ）に示すようになり、大きな荷重が作用する領域、すなわち大きく抵抗率変化が生じる領域まで良好な直線性が得られる。
【００７１】
図１５は、第６の実施の形態の変形例を示すものである。この変形例では、メサ型ゲージ部８６を複数回折り返して形成することにより、メサ型ゲージ部８６の長さをより長くすることにより、作用する荷重に対する感度を更に高くしたものである。
【００７２】
なお、（１１０）面を主面とするｎ型シリコン単結晶基板に＜１１０＞方向のｐ型のメサ型ゲージ部を形成する例について説明したが、これらと等価な結晶面及び結晶方向を有するシリコン単結晶基板であれば、いずれも使用することができ、結晶面及び結晶方向のいずれか一方にオフセットがあっても、感度は低下するが検知素子としては機能する。
【００７３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、力伝達体から伝達される力が作用する領域の中心にゲージ部の中心が位置するようにゲージ部を配置し、力伝達体から伝達される力が作用する領域の中心によってゲージ部の力を受ける領域の中心を押圧するようにしたので、力伝達体からの応力がバランスよくゲージ部に作用し、精度良くかつ高感度に荷重を検知することができと共に耐圧に優れる、という効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の力検知素子の拡大図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態の検知素子部の斜視図である。
【図３】図２の検知素子部のｐ型シリコン単結晶基板を用いた場合の断面図である。
【図４】図２の検知素子部のｎ型シリコン単結晶基板を用いた場合の断面図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態の変形例を示す断面図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態の検知素子部の斜視図である。
【図７】図６の検知素子部のｐ型シリコン単結晶基板を用いた場合の断面図である。
【図８】図６の検知素子部のｎ型シリコン単結晶基板を用いた場合の断面図である。
【図９】（Ａ）は本発明の第３の実施の形態の検知素子部の平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。
【図１０】本発明の第３の実施の形態の変形例を示す平面図である。
【図１１】本発明の第３の実施の形態の他の変形例を示す平面図である。
【図１２】（Ａ）は本発明の第４の実施の形態の検知素子部の平面図であり、（Ｂ）は変形例である。
【図１３】（Ａ）は、本発明の第５の実施の形態の検知素子部の平面図、（Ｂ）は、（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。
【図１４】本発明の第６の実施の形態の検知素子部の平面図である。
【図１５】第６の実施の形態の変形例を示す平面図である。
【図１６】（Ａ）は＜１１０＞方向の荷重特性を示す線図、（Ｂ）は＜１００＞方向の荷重特性を示す線図、（Ｃ）は第６の実施の形態の荷重特性を示す線図である。
【符号の説明】
２０　検知素子部
２２　力伝達体
３２　ゲージ部
３４　力伝達体支持部

Claims

ゲージ部と、前記ゲージ部に電流経路を形成するための電極と、作用した力を前記ゲージ部に伝達する力伝達体と、を含む力検知素子であって、
前記力伝達体から伝達される力が作用する領域の中心に前記ゲージ部の力を受ける領域の中心が位置するように前記ゲージ部を配置した力検知素子。
前記ゲージ部を、半導体基板上に形成されたピエゾ抵抗効果を有するメサ型ゲージ部で構成した請求項１記載の力検知素子。
前記力伝達体のエッジ部と交差しないように前記メサ型ゲージ部を配置した請求項２記載の力検知素子。
前記メサ型ゲージ部の前記力伝達体から伝達される力が大きくなる領域の単位長さ当たりの抵抗値を、前記メサ型ゲージ部の他の領域の単位長さ当たりの抵抗値より大きくした請求項２または請求項３記載の力検知素子。
前記力伝達体を支持するように、前記ゲージ部に対して対称に配置された支持部を更に含む請求項１〜請求項４のいずれか１項記載の力検知素子。
伝達された力に対して高感度を有する結晶方向に前記電流経路が形成されるように前記ゲージ部を形成した請求項１〜５のいずれか１項記載の力検知素子。