JP2016197076A - Force detector - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a technique of increasing the degree of freedom in designing mesa gauges in an encapsulation-type force detector having a plurality of mesa gauges forming a bridge circuit.SOLUTION: The force detector 1 has an encapsulation-type structure, and includes mesa gauges 12, 14, 16, 18 forming a bridge circuit and connecting regions 42, 44, 46, 48. The connecting regions 42, 44, 46, 48 are arranged between two different ends of each mesa gauge and electrically connect the ends.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本明細書で開示される技術は、ピエゾ抵抗効果を利用する力検知装置に関する。   The technology disclosed in this specification relates to a force detection device that uses a piezoresistance effect.

ピエゾ抵抗効果を利用する力検知装置が開発されており、その一例が特許文献1に開示されている。この種の力検知装置は、基板及び力伝達ブロックを備える。基板の主面には、ブリッジ回路を構成する複数のメサ型ゲージが設けられている。例えば、ブリッジ回路を構成する複数のメサ型ゲージは、矩形の辺に対応して配置されている。力伝達ブロックは、複数のメサ型ゲージの頂面に接するように設けられている。力伝達ブロックがメサ型ゲージを押圧すると、メサ型ゲージに加わる圧縮応力が増大し、メサ型ゲージの電気抵抗値がピエゾ抵抗効果によって変化する。この電気抵抗値の変化から力伝達ブロックに加わる力が検知される。   A force detection device using a piezoresistance effect has been developed, and an example thereof is disclosed in Patent Document 1. This type of force detection device includes a substrate and a force transmission block. A plurality of mesa gauges that form a bridge circuit are provided on the main surface of the substrate. For example, a plurality of mesa gauges constituting the bridge circuit are arranged corresponding to rectangular sides. The force transmission block is provided in contact with the top surfaces of the plurality of mesa gauges. When the force transmission block presses the mesa gauge, the compressive stress applied to the mesa gauge increases, and the electric resistance value of the mesa gauge changes due to the piezoresistance effect. The force applied to the force transmission block is detected from the change in the electrical resistance value.

特許文献2は、複数のメサ型ゲージの周囲を一巡して力伝達ブロックが基板に接合する封止型構造を有する力検知装置を提案する。このような、封止型の力検知装置は、力伝達ブロックに加わる力が複数のメサ型ゲージに効率よく伝達され、高感度な特性を有することができる。   Patent Document 2 proposes a force detection device having a sealed structure in which a force transmission block is joined to a substrate in a round around a plurality of mesa gauges. Such a sealed-type force detection device can have a highly sensitive characteristic because the force applied to the force transmission block is efficiently transmitted to a plurality of mesa gauges.

特開2001−304997号公報JP 2001-304997 A 特開2006−058266号公報(特に、図9)JP 2006-058266 A (in particular, FIG. 9)

封止型の力検知装置では、メサ型ゲージに加わる圧縮応力は、メサ型ゲージが封止されている空間(以下、封止空間と称する)内におけるメサ型ゲージの位置に依存する。このため、メサ型ゲージに適切に圧縮応力を加えるためには、メサ型ゲージを封止空間内の所定の位置に配置する必要がある。この結果、矩形の辺に対応して配置されている複数のメサ型ゲージがブリッジ回路を構成する場合は、各々のメサ型ゲージの長さが自動的に決定されてしまう。このため、メサ型ゲージの感度を調整するためには、メサ型ゲージの幅を変更するしかなく、メサ型ゲージの設計の自由度が低い。   In the sealed type force detection device, the compressive stress applied to the mesa type gauge depends on the position of the mesa type gauge in a space in which the mesa type gauge is sealed (hereinafter referred to as a sealed space). For this reason, in order to appropriately apply compressive stress to the mesa gauge, it is necessary to arrange the mesa gauge at a predetermined position in the sealed space. As a result, when a plurality of mesa gauges arranged corresponding to the sides of the rectangle form a bridge circuit, the length of each mesa gauge is automatically determined. For this reason, in order to adjust the sensitivity of the mesa gauge, the width of the mesa gauge must be changed, and the degree of freedom in designing the mesa gauge is low.

本明細書では、ブリッジ回路を構成する複数のメサ型ゲージを備える封止型の力検知装置において、メサ型ゲージの設計の自由度を向上する技術を提供する。   The present specification provides a technique for improving the degree of freedom in designing a mesa gauge in a sealed force detection device including a plurality of mesa gauges constituting a bridge circuit.

本明細書で開示する力検知装置の一実施形態は、基板と力伝達ブロックを備える。基板は、メサ型ゲージと、接続領域と、封止部を有する。メサ型ゲージは、基板の主面に設けられており、ブリッジ回路を構成している。接続領域は、基板の主面に設けられており、不純物が導入されている。封止部は、基板の主面に設けられており、メサ型ゲージの周囲を一巡しており、力伝達ブロックに接合する。メサ型ゲージは、第1メサ型ゲージと、第2メサ型ゲージを有する。第1メサ型ゲージは、第1方向に延びる。第2メサ型ゲージは、第1方向と異なる第2方向に延びており、第1メサ型ゲージから離れている。接続領域は、第1メサ型ゲージの一端と第2メサ型ゲージの一端の間に配置されており、第1メサ型ゲージの一端と第2メサ型ゲージの一端を電気的に接続する。   One embodiment of the force detection device disclosed herein comprises a substrate and a force transmission block. The substrate has a mesa gauge, a connection region, and a sealing portion. The mesa gauge is provided on the main surface of the substrate and forms a bridge circuit. The connection region is provided on the main surface of the substrate, and impurities are introduced. The sealing portion is provided on the main surface of the substrate, makes a round around the mesa gauge, and is joined to the force transmission block. The mesa type gauge has a first mesa type gauge and a second mesa type gauge. The first mesa type gauge extends in the first direction. The second mesa gauge extends in a second direction different from the first direction and is away from the first mesa gauge. The connection region is disposed between one end of the first mesa gauge and one end of the second mesa gauge, and electrically connects one end of the first mesa gauge and one end of the second mesa gauge.

上記の力検知装置では、第1メサ型ゲージの一端と第2メサ型ゲージの一端は直接的に接続しておらず、両者の間には接続領域が配置されている。第1メサ型ゲージの一端及び第2メサ型ゲージの一端は、接続領域に電気的に接続されている。このため、接続領域の範囲を調整することにより、第1メサ型ゲージの長さ及び第2メサ型ゲージの長さを調整できる。従って、ブリッジ回路を構成するメサ型ゲージを備える封止型の力検知装置において、第1メサ型ゲージ及び第2メサ型ゲージの設計の自由度を向上することができる。   In the above-described force detection device, one end of the first mesa gauge and one end of the second mesa gauge are not directly connected, and a connection region is disposed between them. One end of the first mesa gauge and one end of the second mesa gauge are electrically connected to the connection region. For this reason, the length of the first mesa gauge and the length of the second mesa gauge can be adjusted by adjusting the range of the connection region. Therefore, in the sealed force detection device including the mesa gauge constituting the bridge circuit, the degree of freedom in designing the first mesa gauge and the second mesa gauge can be improved.

図1は、実施例の力検知装置の分解斜視図を模式的に示しており、半導体基板と力伝達ブロックで構成される封止空間の範囲を二点鎖線で示す。FIG. 1 schematically shows an exploded perspective view of the force detection device of the embodiment, and shows a range of a sealing space constituted by a semiconductor substrate and a force transmission block by a two-dot chain line. 図2は、実施例の力検知装置が備える半導体基板の平面図を模式的に示しており、半導体基板と力伝達ブロックで構成される封止空間の範囲を二点鎖線で示す。FIG. 2 schematically shows a plan view of a semiconductor substrate included in the force detection device of the embodiment, and a range of a sealing space constituted by the semiconductor substrate and the force transmission block is indicated by a two-dot chain line. 図3は、図2のIII-III線に対応した断面図を模式的に示す。FIG. 3 schematically shows a cross-sectional view corresponding to line III-III in FIG. 図4は、図2のIV-IV線に対応した断面図を模式的に示す。FIG. 4 schematically shows a cross-sectional view corresponding to the line IV-IV in FIG. 図5は、実施例の力検知装置が備える力伝達ブロックを示しており、半導体基板の接合する面を模式的に示す。FIG. 5 shows a force transmission block provided in the force detection device of the embodiment, and schematically shows a surface to which the semiconductor substrate is bonded.

以下、本明細書で開示される技術の特徴を整理する。なお、以下に記す事項は、各々単独で技術的な有用性を有している。   The technical features disclosed in this specification will be summarized below. The items described below have technical usefulness independently.

本明細書で開示される力検知装置の一実施形態は、各種圧力を検知するセンサであり、一例では、気圧又は液圧を検知対象としてもよい。この力検知装置は、基板と力伝達ブロックを備えていてもよい。基板の材料は、圧縮応力に応じて電気抵抗が変化するピエゾ抵抗効果が現われるものが望ましい。例えば、基板としては、半導体基板及びSOI基板が例示される。基板は、メサ型ゲージと、接続領域と、封止部を有する。メサ型ゲージは、基板の主面に設けられており、ブリッジ回路を構成している。接続領域は、基板の主面に設けられており、不純物が導入されている。封止部は、基板の主面に設けられており、メサ型ゲージの周囲を一巡しており、力伝達ブロックに接合する。メサ型ゲージは、第1メサ型ゲージと、第2メサ型ゲージを有する。第1メサ型ゲージは、第1方向に延びる。第2メサ型ゲージは、第1方向と異なる第2方向に延びており、第1メサ型ゲージから離れている。接続領域は、第1メサ型ゲージの一端と第2メサ型ゲージの一端の間に配置されており、第1メサ型ゲージの一端と第2メサ型ゲージの一端を電気的に接続する。   One embodiment of the force detection device disclosed in the present specification is a sensor that detects various pressures. In one example, the detection target may be atmospheric pressure or hydraulic pressure. The force detection device may include a substrate and a force transmission block. The material of the substrate is preferably one that exhibits a piezoresistance effect in which the electrical resistance changes according to the compressive stress. For example, examples of the substrate include a semiconductor substrate and an SOI substrate. The substrate has a mesa gauge, a connection region, and a sealing portion. The mesa gauge is provided on the main surface of the substrate and forms a bridge circuit. The connection region is provided on the main surface of the substrate, and impurities are introduced. The sealing portion is provided on the main surface of the substrate, makes a round around the mesa gauge, and is joined to the force transmission block. The mesa type gauge has a first mesa type gauge and a second mesa type gauge. The first mesa type gauge extends in the first direction. The second mesa gauge extends in a second direction different from the first direction and is away from the first mesa gauge. The connection region is disposed between one end of the first mesa gauge and one end of the second mesa gauge, and electrically connects one end of the first mesa gauge and one end of the second mesa gauge.

本明細書が開示する力検知装置では、基板が、基板の主面に設けられており、不純物が導入されている配線をさらに有していてもよい。接続領域は、第1メサ型ゲージの一端と第2メサ型ゲージの一端の間で狭窄されている狭窄部を含んでいてもよい。配線は、狭窄部に接続する。例えば、狭窄部を含まない接続領域では、製造バラツキによって接続領域内を流れる電流の経路もばらつく。このような電流経路のばらつきは、零点オフセット特性の悪化の原因となる。一方、狭窄部を含む接続領域では、接続領域内を流れる電流の経路を制限することができる。これにより、力検知装置の零点オフセット特性の悪化が抑えられる。   In the force detection device disclosed in this specification, the substrate may be further provided with a wiring that is provided on the main surface of the substrate and into which impurities are introduced. The connection region may include a constricted portion that is constricted between one end of the first mesa gauge and one end of the second mesa gauge. The wiring is connected to the narrowed portion. For example, in the connection region that does not include the constriction, the path of the current flowing in the connection region varies due to manufacturing variations. Such variations in the current path cause deterioration of the zero point offset characteristic. On the other hand, in the connection region including the constricted portion, the path of current flowing in the connection region can be limited. Thereby, the deterioration of the zero point offset characteristic of the force detection device can be suppressed.

本明細書が開示する力検知装置では、基板の第1方向が、応力に対して電気抵抗値が相対的に大きく変化する方向であり、基板の第2方向が、第1方向に対して直交しており、応力に対して電気抵抗値が相対的に小さく変化する方向であってもよい。第1メサ型ゲージは、第1高感度メサ型ゲージと第2高感度メサ型ゲージを有し、第2メサ型ゲージは、第1低感度メサ型ゲージと第2低感度メサ型ゲージを有していてもよい。第1高感度メサ型ゲージと第2高感度メサ型ゲージは、封止部の内側の内側領域の中心点に対して点対称に配置されていてもよい。この構成によると、力伝達ブロックに加わる力に対して第1高感度メサ型ゲージ及び第2高感度メサ型ゲージの各々に伝達される力が等しくなるので、力伝達ブロックに加わる力に対する出力の線形性を向上できる。   In the force detection device disclosed in this specification, the first direction of the substrate is a direction in which the electrical resistance value changes relatively greatly with respect to the stress, and the second direction of the substrate is orthogonal to the first direction. The electric resistance value may change in a relatively small manner with respect to the stress. The first mesa gauge has a first high sensitivity mesa gauge and a second high sensitivity mesa gauge, and the second mesa gauge has a first low sensitivity mesa gauge and a second low sensitivity mesa gauge. You may do it. The first high-sensitivity mesa gauge and the second high-sensitivity mesa gauge may be arranged point-symmetrically with respect to the center point of the inner region inside the sealing portion. According to this configuration, the force transmitted to each of the first high-sensitivity mesa gauge and the second high-sensitivity mesa gauge is equal to the force applied to the force transmission block. Linearity can be improved.

本明細書が開示する力検知装置では、内側領域が、矩形状であってもよい。内側領域は、1組の対向する辺が第1方向に延びており、別の1組の対向する辺が第2方向に延びていてもよい。第1高感度メサ型ゲージと第2高感度メサ型ゲージは、内側領域を第2方向に3等分した位置に配置されており、かつ、内側領域の第1方向の中央に配置されていてもよい。この構成によると、力伝達ブロックに加わる力は、第1高感度メサ型ゲージ及び第2高感度メサ型ゲージに対して垂直な方向に伝達される。このため、第1高感度メサ型ゲージ及び第2高感度メサ型ゲージが斜めに圧縮することが抑制され、力伝達ブロックに加わる力に対する出力の線形性をさらに向上できる。   In the force detection device disclosed in the present specification, the inner region may be rectangular. In the inner region, one set of opposing sides may extend in the first direction, and another set of opposing sides may extend in the second direction. The first high-sensitivity mesa gauge and the second high-sensitivity mesa gauge are arranged at a position obtained by dividing the inner region into three equal parts in the second direction, and are arranged at the center of the inner region in the first direction. Also good. According to this configuration, the force applied to the force transmission block is transmitted in a direction perpendicular to the first high sensitivity mesa gauge and the second high sensitivity mesa gauge. For this reason, the first high-sensitivity mesa gauge and the second high-sensitivity mesa gauge are prevented from being compressed obliquely, and the linearity of the output with respect to the force applied to the force transmission block can be further improved.

図1に示されるように、力検知装置1は、例えば、圧力容器の容器内圧を検知する半導体圧力センサであり、半導体基板2及び力伝達ブロック4を備える。   As shown in FIG. 1, the force detection device 1 is, for example, a semiconductor pressure sensor that detects the internal pressure of a pressure vessel, and includes a semiconductor substrate 2 and a force transmission block 4.

図1,2に示されるように、半導体基板2は、n型の単結晶シリコンであり、その主面2Sが(110)結晶面である。半導体基板2の主面2Sには複数の溝11が形成されている。複数の溝11は、半導体基板2の主面2Sの検知部10内に形成されており、その検知部10内に複数のメサ型ゲージ12,14,16,18を画定する。   As shown in FIGS. 1 and 2, the semiconductor substrate 2 is n-type single crystal silicon, and its main surface 2S is a (110) crystal plane. A plurality of grooves 11 are formed in the main surface 2S of the semiconductor substrate 2. The plurality of grooves 11 are formed in the detection unit 10 on the main surface 2 </ b> S of the semiconductor substrate 2, and a plurality of mesa gauges 12, 14, 16, 18 are defined in the detection unit 10.

図1,2,3,4に示されるように、メサ型ゲージ12,14,16,18は、溝11の底面からメサ状に突出しており、その高さは約0.5〜5μmである。メサ型ゲージ12,14,16,18の頂面は、溝11の周囲の半導体基板2の主面2Sと同一面に位置する。即ち、メサ型ゲージ12,14,16,18は、例えばドライエッチング技術を利用して、半導体基板2の主面2Sに複数の溝11を形成した残部として形成される。   As shown in FIGS. 1, 2, 3, and 4, the mesa type gauges 12, 14, 16, and 18 protrude in a mesa shape from the bottom surface of the groove 11, and the height thereof is about 0.5 to 5 μm. . The top surfaces of the mesa gauges 12, 14, 16, 18 are located on the same plane as the main surface 2 </ b> S of the semiconductor substrate 2 around the groove 11. That is, the mesa gauges 12, 14, 16, and 18 are formed as a remaining portion in which the plurality of grooves 11 are formed in the main surface 2S of the semiconductor substrate 2 by using, for example, a dry etching technique.

図1,2に示されるように、検知部10のメサ型ゲージ12,14,16,18は、正方形の辺に対応して配置されているが、メサ型ゲージ12,14,16,18の各々の端部は他のメサ型ゲージ12,14,16,18の各々の端部から離れて配置されている。対向する一対の辺を構成するメサ型ゲージ14,18はそれぞれ、第1高感度メサ型ゲージ14及び第2高感度メサ型ゲージ18と称する。対向する他の一対の辺を構成するメサ型ゲージ12,16はそれぞれ、第1低感度メサ型ゲージ12及び第2低感度メサ型ゲージ16と称する。   As shown in FIGS. 1 and 2, the mesa type gauges 12, 14, 16 and 18 of the detection unit 10 are arranged corresponding to the sides of the square, but the mesa type gauges 12, 14, 16 and 18 are arranged. Each end portion is disposed away from each end portion of the other mesa type gauges 12, 14, 16, 18. The mesa gauges 14 and 18 constituting a pair of opposing sides are referred to as a first high sensitivity mesa gauge 14 and a second high sensitivity mesa gauge 18, respectively. The mesa-type gauges 12 and 16 constituting the other pair of opposing sides are referred to as a first low-sensitivity mesa gauge 12 and a second low-sensitivity mesa-type gauge 16, respectively.

第1高感度メサ型ゲージ14及び第2高感度メサ型ゲージ18は、半導体基板2の<110>方向に沿って延びている。半導体基板2の<110>方向に延びる第1高感度メサ型ゲージ14及び第2高感度メサ型ゲージ18は、圧縮応力に応じて電気抵抗値が大きく変化することを特徴としており、ピエゾ抵抗効果を有する。なお、半導体基板2の<110>方向が「第1方向」の一例に相当する。   The first high sensitivity mesa gauge 14 and the second high sensitivity mesa gauge 18 extend along the <110> direction of the semiconductor substrate 2. The first high-sensitivity mesa gauge 14 and the second high-sensitivity mesa gauge 18 that extend in the <110> direction of the semiconductor substrate 2 are characterized in that the electrical resistance value changes greatly according to the compressive stress, and the piezoresistance effect Have The <110> direction of the semiconductor substrate 2 corresponds to an example of a “first direction”.

第1低感度メサ型ゲージ12及び第2低感度メサ型ゲージ16は、半導体基板2の<110>方向と直交する半導体基板2の<100>方向に沿って延びている。半導体基板2の<100>方向に延びる第1低感度メサ型ゲージ12及び第2低感度メサ型ゲージ16は、圧縮応力に応じて電気抵抗値がほとんど変化しないことを特徴としており、ピエゾ抵抗効果を実質的に有しない。なお、半導体基板2の<100>方向が「第2方向」の一例に相当する。   The first low-sensitivity mesa gauge 12 and the second low-sensitivity mesa gauge 16 extend along the <100> direction of the semiconductor substrate 2 orthogonal to the <110> direction of the semiconductor substrate 2. The first low-sensitivity mesa gauge 12 and the second low-sensitivity mesa gauge 16 extending in the <100> direction of the semiconductor substrate 2 are characterized in that the electrical resistance value hardly changes according to the compressive stress, and the piezoresistance effect Is substantially absent. The <100> direction of the semiconductor substrate 2 corresponds to an example of a “second direction”.

図1,2,3,4に示されるように、メサ型ゲージ12,14,16,18の表面には、p型不純物が導入されたゲージ部12a,14a,16a,18aが形成されている。ゲージ部12a,14a,16a,18aの不純物濃度は、約1×1018〜1×1021cm-3である。ゲージ部12a,14a,16a,18aの不純物濃度及び拡散深さは、メサ型ゲージ12,14,16,18の各々において共通である。ゲージ部12a,14a,16a,18aは、pn接合によって、n型の半導体基板2から実質的に絶縁されている。 As shown in FIGS. 1, 2, 3, and 4, gauge portions 12a, 14a, 16a, and 18a into which p-type impurities are introduced are formed on the surfaces of the mesa-type gauges 12, 14, 16, and 18. . The impurity concentration of the gauge portions 12a, 14a, 16a, and 18a is about 1 × 10 18 to 1 × 10 21 cm −3 . The impurity concentrations and diffusion depths of the gauge portions 12a, 14a, 16a, and 18a are common to the mesa gauges 12, 14, 16, and 18, respectively. The gauge portions 12a, 14a, 16a, and 18a are substantially insulated from the n-type semiconductor substrate 2 by pn junctions.

メサ型ゲージ12,14,16,18の各々の幅及び長さは共通である。このため、メサ型ゲージ12,14,16,18のゲージ部12a,14a,16a,18aの各々の抵抗値は等しい。なお、メサ型ゲージ12,14,16,18の幅とは、長手方向に直交する方向の幅である。この例では、高感度メサ型ゲージ14,18の幅は半導体基板2の<100>方向の幅となり、低感度メサ型ゲージ12,16の幅は半導体基板2の<110>方向の幅となる。高感度メサ型ゲージ14,18は、低感度メサ型ゲージ12,16の各々の中点を結ぶ直線(図示省略)に関して線対称である。低感度メサ型ゲージ12,16は、高感度メサ型ゲージ14,18の各々の中点を結ぶ直線(図示省略)に関して線対称である。   The width and length of each of the mesa gauges 12, 14, 16, 18 are common. For this reason, each resistance value of the gauge parts 12a, 14a, 16a, and 18a of the mesa type gauges 12, 14, 16, and 18 is equal. The width of the mesa gauges 12, 14, 16, 18 is a width in a direction orthogonal to the longitudinal direction. In this example, the width of the high-sensitivity mesa gauges 14 and 18 is the width of the semiconductor substrate 2 in the <100> direction, and the width of the low-sensitivity mesa gauges 12 and 16 is the width of the semiconductor substrate 2 in the <110> direction. . The high-sensitivity mesa gauges 14 and 18 are line-symmetric with respect to a straight line (not shown) connecting the midpoints of the low-sensitivity mesa gauges 12 and 16. The low sensitivity mesa gauges 12 and 16 are line symmetric with respect to a straight line (not shown) connecting the midpoints of the high sensitivity mesa gauges 14 and 18.

図1,2に示されるように、半導体基板2は、主面2Sにp型不純物が導入された接続領域42,44,46,48を有する。接続領域42,44,46,48の不純物濃度は、約1×1018〜1×1021cm-3である。接続領域42,44,46,48は、メサ型ゲージ12,14,16,18のゲージ部12a,14a,16a,18aと同一の工程で形成される。 As shown in FIGS. 1 and 2, the semiconductor substrate 2 has connection regions 42, 44, 46, and 48 in which p-type impurities are introduced into the main surface 2 </ b> S. The impurity concentration of the connection regions 42, 44, 46, and 48 is about 1 × 10 18 to 1 × 10 21 cm −3 . The connection regions 42, 44, 46, 48 are formed in the same process as the gauge portions 12 a, 14 a, 16 a, 18 a of the mesa type gauges 12, 14, 16, 18.

第1接続領域42は、第1低感度メサ型ゲージ12の一端と第1高感度メサ型ゲージ14の一端の間に配置されている。第1接続領域42は、大きく狭窄された狭窄部42aと、狭窄されることにより分離した2つの部分42b及び部分42cにより構成されている。部分42b及び部分42cが第1接続領域42の大部分を占めており、狭窄部42aが占める範囲は極めて狭い。部分42bと部分42cは、狭窄部42aを介して接続されている。部分42bの抵抗値と部分42cの抵抗値は等しくなるように構成されている。第1低感度メサ型ゲージ12のゲージ部12aの一端は部分42bに電気的に接続されており、第1高感度メサ型ゲージ14のゲージ部14aの一端は部分42cに電気的に接続されている。即ち、第1接続領域42は、ゲージ部12aの一端とゲージ部14aの一端を電気的に接続している。   The first connection region 42 is disposed between one end of the first low-sensitivity mesa gauge 12 and one end of the first high-sensitivity mesa gauge 14. The first connection region 42 includes a narrowed portion 42a that is largely narrowed, and two portions 42b and 42c that are separated by being narrowed. The portion 42b and the portion 42c occupy most of the first connection region 42, and the range occupied by the narrowed portion 42a is extremely narrow. The part 42b and the part 42c are connected via the constriction part 42a. The resistance value of the portion 42b and the resistance value of the portion 42c are configured to be equal. One end of the gauge portion 12a of the first low sensitivity mesa gauge 12 is electrically connected to the portion 42b, and one end of the gauge portion 14a of the first high sensitivity mesa gauge 14 is electrically connected to the portion 42c. Yes. In other words, the first connection region 42 electrically connects one end of the gauge portion 12a and one end of the gauge portion 14a.

第2接続領域44は、第1高感度メサ型ゲージ14の他端と第2低感度メサ型ゲージ16の一端の間に配置されている。第2接続領域44は、大きく狭窄された狭窄部44aと、狭窄されることにより分離した2つの部分44b及び部分44cにより構成されている。狭窄部44a、部分44b及び部分44cの構成は、第1接続領域42の狭窄部42a、部分42b及び部分42cの構成と同一である。第1高感度メサ型ゲージ14のゲージ部14aの他端は部分44bに電気的に接続されており、第2低感度メサ型ゲージ16のゲージ部16aの一端は部分44cに電気的に接続されている。即ち、第2接続領域44は、ゲージ部14aの他端とゲージ部16aの一端を電気的に接続している。   The second connection region 44 is disposed between the other end of the first high sensitivity mesa gauge 14 and one end of the second low sensitivity mesa gauge 16. The second connection region 44 includes a narrowed portion 44a that is largely narrowed, and two portions 44b and 44c that are separated by being narrowed. The configurations of the narrowed portion 44a, the portion 44b, and the portion 44c are the same as the configurations of the narrowed portion 42a, the portion 42b, and the portion 42c of the first connection region 42. The other end of the gauge portion 14a of the first high sensitivity mesa gauge 14 is electrically connected to the portion 44b, and one end of the gauge portion 16a of the second low sensitivity mesa gauge 16 is electrically connected to the portion 44c. ing. That is, the second connection region 44 electrically connects the other end of the gauge portion 14a and one end of the gauge portion 16a.

第3接続領域46は、第2低感度メサ型ゲージ16の他端と第2高感度メサ型ゲージ18の一端の間に配置されている。第3接続領域46は、大きく狭窄された狭窄部46aと、狭窄されることにより分離した2つの部分46b及び部分46cにより構成されている。狭窄部46a、部分46b及び部分46cの構成は、第1接続領域42の狭窄部42a、部分42b及び部分42cの構成と同一である。第2低感度メサ型ゲージ16のゲージ部16aの他端は部分46bに電気的に接続されており、第2高感度メサ型ゲージ18のゲージ部18aの一端は部分46cに電気的に接続されている。即ち、第3接続領域46は、ゲージ部16aの他端とゲージ部18aの一端を電気的に接続している。   The third connection region 46 is disposed between the other end of the second low-sensitivity mesa gauge 16 and one end of the second high-sensitivity mesa gauge 18. The third connection region 46 includes a narrowed portion 46a that is largely narrowed and two portions 46b and 46c that are separated by being narrowed. The configurations of the narrowed portion 46a, the portion 46b, and the portion 46c are the same as the configurations of the narrowed portion 42a, the portion 42b, and the portion 42c of the first connection region 42. The other end of the gauge portion 16a of the second low-sensitivity mesa gauge 16 is electrically connected to the portion 46b, and one end of the gauge portion 18a of the second high-sensitivity mesa gauge 18 is electrically connected to the portion 46c. ing. That is, the third connection region 46 electrically connects the other end of the gauge portion 16a and one end of the gauge portion 18a.

第4接続領域48は、第2高感度メサ型ゲージ18の他端と第1低感度メサ型ゲージ12の他端の間に配置されている。第4接続領域48は、大きく狭窄された狭窄部48aと、狭窄されることにより分離した2つの部分48b及び部分48cにより構成されている。狭窄部48a、部分48b及び部分48cの構成は、第1接続領域42の狭窄部42a、部分42b及び部分42cの構成と同一である。第2高感度メサ型ゲージ18のゲージ部18aの他端は部分48bに電気的に接続されており、第1低感度メサ型ゲージ12のゲージ部12aの他端は部分48cに電気的に接続されている。即ち、第4接続領域48は、ゲージ部18aの他端とゲージ部12aの他端を電気的に接続している。   The fourth connection region 48 is disposed between the other end of the second high sensitivity mesa gauge 18 and the other end of the first low sensitivity mesa gauge 12. The fourth connection region 48 includes a narrowed portion 48a that is largely narrowed and two portions 48b and 48c that are separated by being narrowed. The configurations of the narrowed portion 48a, the portion 48b, and the portion 48c are the same as the configurations of the narrowed portion 42a, the portion 42b, and the portion 42c of the first connection region 42. The other end of the gauge portion 18a of the second high sensitivity mesa gauge 18 is electrically connected to the portion 48b, and the other end of the gauge portion 12a of the first low sensitivity mesa gauge 12 is electrically connected to the portion 48c. Has been. That is, the fourth connection region 48 electrically connects the other end of the gauge portion 18a and the other end of the gauge portion 12a.

第1低感度メサ型ゲージ12のゲージ部12aと、その両端に直列に接続された第1接続領域42の部分42b及び第4接続領域48の部分48cにより、1つの第1抵抗体112が構成されている。第1接続領域42の部分42b及び第4接続領域48の部分48cは幅広に構成されているので、それらの抵抗値は極めて低い。このため、第1抵抗体112の抵抗値は、主に第1低感度メサ型ゲージ12のゲージ部12aの抵抗値に依存する。   One first resistor 112 is constituted by the gauge portion 12a of the first low-sensitivity mesa gauge 12, the portion 42b of the first connection region 42 and the portion 48c of the fourth connection region 48 connected in series to both ends thereof. Has been. Since the portion 42b of the first connection region 42 and the portion 48c of the fourth connection region 48 are configured to be wide, their resistance values are extremely low. For this reason, the resistance value of the first resistor 112 mainly depends on the resistance value of the gauge portion 12 a of the first low-sensitivity mesa gauge 12.

第1高感度メサ型ゲージ14のゲージ部14aと、その両端に直列に接続された第1接続領域42の部分42c及び第2接続領域44の部分44bにより、1つの第2抵抗体114が構成されている。第1接続領域42の部分42c及び第2接続領域44の部分44bは幅広に構成されているので、それらの抵抗値は極めて低い。このため、第2抵抗体114の抵抗値は、主に第1高感度メサ型ゲージ14のゲージ部14aの抵抗値に依存する。   One gage portion 14a of the first high-sensitivity mesa type gage 14, a portion 42c of the first connection region 42 and a portion 44b of the second connection region 44 connected in series to both ends thereof constitute one second resistor 114. Has been. Since the portion 42c of the first connection region 42 and the portion 44b of the second connection region 44 are configured to be wide, their resistance values are extremely low. For this reason, the resistance value of the second resistor 114 mainly depends on the resistance value of the gauge portion 14 a of the first high-sensitivity mesa gauge 14.

第2低感度メサ型ゲージ16のゲージ部16aと、その両端に直列に接続された第2接続領域44の部分44c及び第3接続領域46の部分46bにより、1つの第3抵抗体116が構成されている。第2接続領域44の部分44c及び第3接続領域46の部分46bは幅広に構成されているので、それらの抵抗値は極めて低い。このため、第3抵抗体116の抵抗値は、主に第2低感度メサ型ゲージ16のゲージ部16aの抵抗値に依存する。   One third resistor 116 is constituted by the gauge portion 16a of the second low-sensitivity mesa gauge 16, the portion 44c of the second connection region 44 and the portion 46b of the third connection region 46 connected in series to both ends thereof. Has been. Since the portion 44c of the second connection region 44 and the portion 46b of the third connection region 46 are configured to be wide, their resistance values are extremely low. For this reason, the resistance value of the third resistor 116 mainly depends on the resistance value of the gauge portion 16 a of the second low-sensitivity mesa gauge 16.

第2高感度メサ型ゲージ18のゲージ部18aと、その両端に直列に接続された第3接続領域46の部分46c及び第4接続領域48の部分48bにより、1つの第4抵抗体118が構成されている。第3接続領域46の部分46c及び第4接続領域48の部分48bは幅広に構成されているので、それらの抵抗値は極めて低い。このため、第4抵抗体118の抵抗値は、主に第2高感度メサ型ゲージ18のゲージ部18aの抵抗値に依存する。抵抗体112,114,116,118の各々の抵抗値は等しい。   One fourth resistor 118 is constituted by the gauge portion 18a of the second high-sensitivity mesa gauge 18, the portion 46c of the third connection region 46 and the portion 48b of the fourth connection region 48 connected in series to both ends thereof. Has been. Since the portion 46c of the third connection region 46 and the portion 48b of the fourth connection region 48 are configured to be wide, their resistance values are extremely low. For this reason, the resistance value of the fourth resistor 118 mainly depends on the resistance value of the gauge portion 18 a of the second high-sensitivity mesa gauge 18. The resistance values of the resistors 112, 114, 116, and 118 are equal.

図1,2に示されるように、半導体基板2は、主面2Sにp型不純物が導入された配線22,24,26,28を有する。配線22,24,26,28の不純物濃度は、約1×1018〜1×1021cm-3である。配線22,24,26,28は、メサ型ゲージ12,14,16,18のゲージ部12a,14a,16a,18aと同一の工程で形成される。 As shown in FIGS. 1 and 2, the semiconductor substrate 2 has wirings 22, 24, 26 and 28 in which p-type impurities are introduced into the main surface 2 </ b> S. The impurity concentration of the wirings 22, 24, 26, and 28 is about 1 × 10 18 to 1 × 10 21 cm −3 . The wirings 22, 24, 26, and 28 are formed in the same process as the gauge portions 12a, 14a, 16a, and 18a of the mesa gauges 12, 14, 16, and 18.

メサ型ゲージ12,14,16,18は、検知部10内にフルブリッジ回路を構成する。電源配線28は、第4接続領域48の狭窄部48aに接続している。基準配線24は、第2接続領域44の狭窄部44aに接続している。第1抵抗体112と第2抵抗体114は、電源配線28と基準配線24の間に、第1接続領域42の狭窄部42aを介して直列に接続されている。第4抵抗体118と第3抵抗体116は、電源配線28と基準配線24の間に、第3接続領域46の狭窄部46aを介して直列に接続されている。第1抵抗体112と第2抵抗体114の組と第4抵抗体118と第3抵抗体116の組は、電源配線28と基準配線24の間に並列に接続されている。   The mesa gauges 12, 14, 16, and 18 constitute a full bridge circuit in the detection unit 10. The power supply wiring 28 is connected to the narrowed portion 48 a of the fourth connection region 48. The reference wiring 24 is connected to the narrowed portion 44 a of the second connection region 44. The first resistor 112 and the second resistor 114 are connected in series between the power supply wiring 28 and the reference wiring 24 via the narrowed portion 42 a of the first connection region 42. The fourth resistor 118 and the third resistor 116 are connected in series between the power supply wiring 28 and the reference wiring 24 via the narrowed portion 46 a of the third connection region 46. A set of the first resistor 112 and the second resistor 114 and a set of the fourth resistor 118 and the third resistor 116 are connected in parallel between the power supply wiring 28 and the reference wiring 24.

第1出力配線26は、第4抵抗体118と第3抵抗体116の間の第3接続領域46の狭窄部46aに接続している。第2出力配線22は、第1抵抗体112と第2抵抗体114の間の第1接続領域42の狭窄部42aに接続している。   The first output wiring 26 is connected to the narrowed portion 46 a of the third connection region 46 between the fourth resistor 118 and the third resistor 116. The second output wiring 22 is connected to the narrowed portion 42 a of the first connection region 42 between the first resistor 112 and the second resistor 114.

基準配線24は、基準電極34に電気的に接続する。第1出力配線26は、第1出力電極36に電気的に接続する。電源配線28は、電源電極38に電気的に接続する。第2出力配線22は、第2出力電極32に電気的に接続する。これらの電極32,34,36,38は、半導体基板2の主面2S上に設けられており、力伝達ブロック4で覆われる範囲外に配置されている。基準配線24及び電源配線28は幅広に構成されており、それらの抵抗値は、抵抗体112,114,116,118の抵抗値に対して無視できるほどに小さい。第1出力配線26の抵抗値と第2出力配線22の抵抗値は、等しくなるように構成されている。   The reference wiring 24 is electrically connected to the reference electrode 34. The first output wiring 26 is electrically connected to the first output electrode 36. The power supply wiring 28 is electrically connected to the power supply electrode 38. The second output wiring 22 is electrically connected to the second output electrode 32. These electrodes 32, 34, 36 and 38 are provided on the main surface 2 </ b> S of the semiconductor substrate 2 and are disposed outside the range covered by the force transmission block 4. The reference wiring 24 and the power supply wiring 28 are configured to be wide, and their resistance values are negligibly small with respect to the resistance values of the resistors 112, 114, 116, and 118. The resistance value of the first output wiring 26 and the resistance value of the second output wiring 22 are configured to be equal.

図1,3,4に示されるように、力伝達ブロック4は、直方体形状を有しており、シリコン層4aと酸化シリコン層4bを有する。半導体基板2と力伝達ブロック4は、常温個相接合技術を利用して接合される。具体的には、アルゴンイオンを用いて半導体基板2の主面2S及び力伝達ブロック4の酸化シリコン層4bの表面を活性化させた後に、超高真空中で半導体基板2の主面2Sと力伝達ブロック4の酸化シリコン層4bの表面を接触させ、両者を接合させる。   As shown in FIGS. 1, 3, and 4, the force transmission block 4 has a rectangular parallelepiped shape, and includes a silicon layer 4a and a silicon oxide layer 4b. The semiconductor substrate 2 and the force transmission block 4 are bonded using a room temperature single phase bonding technique. Specifically, the main surface 2S of the semiconductor substrate 2 and the surface of the silicon oxide layer 4b of the force transmission block 4 are activated using argon ions, and then the main surface 2S of the semiconductor substrate 2 and the force are applied in an ultrahigh vacuum. The surfaces of the silicon oxide layer 4b of the transmission block 4 are brought into contact with each other to join them together.

図3,4,5に示されるように、力伝達ブロック4の酸化シリコン層4bの一部が除去されており、力伝達ブロック4の半導体基板2と接合する側の面に溝4cが形成されている。溝4cが形成されていることにより、力伝達ブロック4の酸化シリコン層4bは、封止部分40aと押圧部分40bに区画されている。また、このような溝4cが形成されていることにより、半導体基板2と力伝達ブロック4の間には、外部から隔てられた封止空間6が構成される。   As shown in FIGS. 3, 4, and 5, a part of the silicon oxide layer 4 b of the force transmission block 4 is removed, and a groove 4 c is formed on the surface of the force transmission block 4 on the side to be bonded to the semiconductor substrate 2. ing. By forming the groove 4c, the silicon oxide layer 4b of the force transmission block 4 is partitioned into a sealing portion 40a and a pressing portion 40b. In addition, by forming such a groove 4 c, a sealed space 6 separated from the outside is formed between the semiconductor substrate 2 and the force transmission block 4.

力伝達ブロック4の封止部分40aは、メサ型ゲージ12,14,16,18の周囲を一巡するように、半導体基板2の主面2Sに接合する。半導体基板2のうちの力伝達ブロック4の封止部分40aが接合する部分を封止部20という。力伝達ブロック4の封止部分40aが矩形状に構成されているので、半導体基板2の封止部20は、高感度メサ型ゲージ14,18の長手方向と平行な部分と低感度メサ型ゲージ12,16の長手方向と平行な部分で構成される。半導体基板2の主面2Sにおける封止部20の内側の領域は正方形形状となっている。封止部20の内側の領域の1組の対向する辺は、半導体基板2の<110>方向に延びており、別の1組の対向する辺は、半導体基板2の<100>方向に延びている。半導体基板2の封止部20と力伝達ブロック4の封止部分40aは、気密に接合する。   The sealing portion 40a of the force transmission block 4 is joined to the main surface 2S of the semiconductor substrate 2 so as to make a round around the mesa gauges 12, 14, 16, and 18. A portion of the semiconductor substrate 2 where the sealing portion 40 a of the force transmission block 4 is joined is referred to as a sealing portion 20. Since the sealing portion 40a of the force transmission block 4 is formed in a rectangular shape, the sealing portion 20 of the semiconductor substrate 2 includes a portion parallel to the longitudinal direction of the high-sensitivity mesa gauges 14 and 18 and a low-sensitivity mesa gauge. It is comprised by the part parallel to the longitudinal direction of 12,16. A region inside the sealing portion 20 on the main surface 2S of the semiconductor substrate 2 has a square shape. One set of opposing sides of the inner region of the sealing portion 20 extends in the <110> direction of the semiconductor substrate 2, and another set of opposing sides extends in the <100> direction of the semiconductor substrate 2. ing. The sealing portion 20 of the semiconductor substrate 2 and the sealing portion 40a of the force transmission block 4 are joined in an airtight manner.

図1,2に示されるように、高感度メサ型ゲージ14,18は、半導体基板2の<100>方向において封止空間6を3等分した位置(即ち、封止部20の内側の領域を3等分した位置)に配置されている。低感度メサ型ゲージ12,16は、半導体基板2の<110>方向において封止空間6を3等分した位置(即ち、封止部20の内側の領域を3等分した位置)に配置されている。   As shown in FIGS. 1 and 2, the high-sensitivity mesa gauges 14 and 18 are located at positions where the sealing space 6 is equally divided into three in the <100> direction of the semiconductor substrate 2 (that is, regions inside the sealing portion 20). Is divided into three equal parts). The low-sensitivity mesa gauges 12 and 16 are arranged at a position obtained by dividing the sealing space 6 into three equal parts in the <110> direction of the semiconductor substrate 2 (that is, a position obtained by dividing the inner region of the sealing part 20 into three equal parts). ing.

力伝達ブロック4の押圧部分40bは、メサ型ゲージ12,14,16,18の頂面に接合している。押圧部分40bと高感度メサ型ゲージ14、18の各々の頂面との接触面積は等しい。押圧部分40bと低感度メサ型ゲージ12、16の各々の頂面との接触面積は等しい。   The pressing portion 40 b of the force transmission block 4 is joined to the top surfaces of the mesa type gauges 12, 14, 16, 18. The contact area between the pressing portion 40b and the top surfaces of the high-sensitivity mesa gauges 14 and 18 is equal. The contact area between the pressing portion 40b and the top surfaces of the low-sensitivity mesa gauges 12 and 16 is equal.

次に、力検知装置1の動作を説明する。まず、力検知装置1は、電源電極38に定電流源が接続され、基準電極34が接地され、第1出力電極36と第2出力電極32の間に電圧測定器が接続して用いられる。力検知装置1では、力伝達ブロック4に加わる容器内圧が変化すると、力伝達ブロック4を介してメサ型ゲージ12,14,16,18のゲージ部12a,14a,16a,18aに加わる圧縮応力も変化する。ピエゾ抵抗効果が現われる高感度メサ型ゲージ14,18のゲージ部14a,18aの電気抵抗値は、圧縮応力に比例して変化する。このため、第1出力電極36と第2出力電極32の電位差は、ゲージ部14a,18aに加わる圧縮応力に比例する。これにより、電圧測定器で計測される電圧変化から力伝達ブロック4に加わる容器内圧が検知される。   Next, the operation of the force detection device 1 will be described. First, the force detection device 1 is used by connecting a constant current source to the power supply electrode 38, grounding the reference electrode 34, and connecting a voltage measuring device between the first output electrode 36 and the second output electrode 32. In the force detection device 1, when the container internal pressure applied to the force transmission block 4 changes, the compressive stress applied to the gauge portions 12 a, 14 a, 16 a, 18 a of the mesa type gauges 12, 14, 16, 18 via the force transmission block 4 is also increased. Change. The electrical resistance values of the gauge portions 14a and 18a of the high-sensitivity mesa-type gauges 14 and 18 in which the piezoresistance effect appears change in proportion to the compressive stress. For this reason, the potential difference between the first output electrode 36 and the second output electrode 32 is proportional to the compressive stress applied to the gauge portions 14a and 18a. Thereby, the container internal pressure added to the force transmission block 4 is detected from the voltage change measured with a voltage measuring device.

力検知装置1は、力伝達ブロック4によって半導体基板2の検知部10が封止される封止型構造を有する。この力検知装置1では、ブリッジ回路を構成するメサ型ゲージ12,14,16,18の各々の端部が互いに直接的に接続しておらず、これらの端部の間には、接続領域42,44,46,48が配置されている。接続領域42,44,46,48の各々を挟む2つのメサ型ゲージは、接続領域42,44,46,48の各々を介して電気的に接続されている。このため、接続領域42,44,46,48が形成される範囲を拡張又は収縮させることにより、メサ型ゲージ12,14,16,18の長さを調整することができる。例えば、接続領域42,44,46,48が形成される範囲を広くすると、メサ型ゲージ12,14,16,18の長さを短くでき、力伝達ブロック4の押圧部40bと高感度メサ型ゲージ14,18との接触面積を減らすことが可能となる。この結果、力伝達ブロック4に加わる容器内圧は、高感度メサ型ゲージ14,18に効率的に伝達され、力検知装置1のセンサ感度を向上することができる。これにより、封止型構造を有し、メサ型ゲージ12,14,16,18がブリッジ回路を構成する力検知装置1において、メサ型ゲージ12,14,16,18の感度を調整するための設計の自由度を向上することができる。   The force detection device 1 has a sealed structure in which the detection unit 10 of the semiconductor substrate 2 is sealed by the force transmission block 4. In this force detection device 1, the ends of each of the mesa gauges 12, 14, 16, 18 constituting the bridge circuit are not directly connected to each other, and a connection region 42 is provided between these ends. , 44, 46, 48 are arranged. Two mesa gauges sandwiching each of the connection regions 42, 44, 46, 48 are electrically connected via each of the connection regions 42, 44, 46, 48. For this reason, the length of the mesa gauges 12, 14, 16, 18 can be adjusted by expanding or contracting the range in which the connection regions 42, 44, 46, 48 are formed. For example, if the range in which the connection regions 42, 44, 46, 48 are formed is widened, the length of the mesa type gauges 12, 14, 16, 18 can be shortened. The contact area with the gauges 14 and 18 can be reduced. As a result, the container internal pressure applied to the force transmission block 4 is efficiently transmitted to the high-sensitivity mesa type gauges 14 and 18, and the sensor sensitivity of the force detection device 1 can be improved. As a result, in the force detection device 1 having a sealed structure and the mesa gauges 12, 14, 16, and 18 forming a bridge circuit, the sensitivity of the mesa gauges 12, 14, 16, and 18 is adjusted. The degree of freedom in design can be improved.

上述したように、力検知装置1は封止型構造を有するため、高感度メサ型ゲージ14,18に加わる圧縮応力は、封止空間6内の高感度メサ型ゲージ14,18の位置に依存する。この例では、図2に示されるように、高感度メサ型ゲージ14,18が半導体基板2の<100>方向に並んで配置されているので、高感度メサ型ゲージ14,18に加わる圧縮応力は、半導体基板2の<100>方向における封止空間6内の高感度メサ型ゲージ14,18の位置に依存する。   As described above, since the force detection device 1 has a sealed structure, the compressive stress applied to the high-sensitivity mesa gauges 14 and 18 depends on the positions of the high-sensitivity mesa gauges 14 and 18 in the sealed space 6. To do. In this example, as shown in FIG. 2, the high-sensitivity mesa gauges 14 and 18 are arranged in the <100> direction of the semiconductor substrate 2, so that the compressive stress applied to the high-sensitivity mesa gauges 14 and 18. Depends on the position of the high-sensitivity mesa gauges 14 and 18 in the sealed space 6 in the <100> direction of the semiconductor substrate 2.

力検知装置1では、第1高感度メサ型ゲージ14と第2高感度メサ型ゲージ18が、封止部20の内側の領域の中心点7(図1,2参照)に対して点対称に配置されている。より具体的には、半導体基板2の<100>方向において、第1高感度メサ型ゲージ14と半導体基板2の封止部20(第1高感度メサ型ゲージ14の長手方向と平行な封止部20の部分であり、図2の紙面左側の封止空間6の縁に相当する)の間の最短距離と、第2高感度メサ型ゲージ18と半導体基板2の封止部20(第2高感度メサ型ゲージ18の長手方向と平行な封止部20の部分であり、図2の紙面右側の封止空間6の縁に相当する)の間の最短距離が等しい。これにより、力伝達ブロック4に加わる力に対して第1高感度メサ型ゲージ14及び第2高感度メサ型ゲージ18の各々に伝達される力が等しくなるので、力伝達ブロック4に加わる力に対する出力の線形性が向上する。   In the force detection device 1, the first high-sensitivity mesa gauge 14 and the second high-sensitivity mesa gauge 18 are point-symmetric with respect to the center point 7 (see FIGS. 1 and 2) of the inner region of the sealing portion 20. Has been placed. More specifically, in the <100> direction of the semiconductor substrate 2, the first high sensitivity mesa gauge 14 and the sealing portion 20 of the semiconductor substrate 2 (sealing parallel to the longitudinal direction of the first high sensitivity mesa gauge 14). 2, which corresponds to the edge of the sealing space 6 on the left side of FIG. 2, the second high-sensitivity mesa gauge 18 and the sealing portion 20 of the semiconductor substrate 2 (second portion). This is the portion of the sealing portion 20 parallel to the longitudinal direction of the high-sensitivity mesa gauge 18 and corresponds to the edge of the sealing space 6 on the right side of FIG. As a result, the force transmitted to each of the first high-sensitivity mesa gauge 14 and the second high-sensitivity mesa gauge 18 is equal to the force applied to the force transmission block 4. The linearity of the output is improved.

さらに、力検知装置1では、高感度メサ型ゲージ14,18は、封止空間6を半導体基板2の<100>方向において3等分した位置に配置されており、かつ、封止空間6の半導体基板2の<110>方向における中央部に配置されている。これにより、力伝達ブロック4に加わる力は、高感度メサ型ゲージ14,18の頂面に対して垂直な方向に伝達されるので、高感度メサ型ゲージ14,18が斜めに圧縮することが抑制され、力伝達ブロック4に加わる力に対する出力の線形性がさらに向上する。   Furthermore, in the force detection device 1, the high-sensitivity mesa type gauges 14 and 18 are arranged at a position obtained by dividing the sealing space 6 into three equal parts in the <100> direction of the semiconductor substrate 2. The semiconductor substrate 2 is disposed at the center in the <110> direction. As a result, the force applied to the force transmission block 4 is transmitted in a direction perpendicular to the top surfaces of the high-sensitivity mesa gauges 14 and 18, so that the high-sensitivity mesa gauges 14 and 18 can be compressed obliquely. It is suppressed and the linearity of the output with respect to the force applied to the force transmission block 4 is further improved.

また、力検知装置1では、接続領域42,44,46,48が、狭窄部42a,44a,46a,48aを有しており、配線22,24,26,28は狭窄部42a,44a,46a,48aに接続している。狭窄部42a,44a,46a,48aが接続領域42,44,46,48に占める範囲は極めて狭い。例えば、狭窄部42a,44a,46a,48aを含まない接続領域では、製造バラツキによって接続領域内を流れる電流の経路もばらつく。このような電流経路のばらつきは、零点オフセット特性の悪化の原因となる。一方、狭窄部42a,44a,46a,48aを含む接続領域42,44,46,48では、接続領域42,44,46,48内を流れる電流の経路を制限することができる。これにより、力検知装置1の零点オフセット特性の悪化が抑えられる。   In the force detection device 1, the connection regions 42, 44, 46, and 48 have narrow portions 42a, 44a, 46a, and 48a, and the wirings 22, 24, 26, and 28 are narrow portions 42a, 44a, and 46a. , 48a. The range occupied by the constricted portions 42a, 44a, 46a, 48a in the connection regions 42, 44, 46, 48 is extremely narrow. For example, in the connection region that does not include the constricted portions 42a, 44a, 46a, and 48a, the path of the current flowing in the connection region varies due to manufacturing variations. Such variations in the current path cause deterioration of the zero point offset characteristic. On the other hand, in the connection regions 42, 44, 46, 48 including the constricted portions 42 a, 44 a, 46 a, 48 a, the path of current flowing through the connection regions 42, 44, 46, 48 can be restricted. Thereby, the deterioration of the zero point offset characteristic of the force detection device 1 is suppressed.

さらに、力検知装置1では、接続領域42,44,46,48の各々が狭窄されることにより分離される2つの部分(部分42b,部分42c,部分44b,部分44c,部分46b,部分46c,部分48b,部分48c)の抵抗値がいずれも等しくなるように構成されており、これにより、抵抗体112,114,116,118の抵抗値が等しくなっている。従って、力検知装置1では、オフセット電圧が低減される。   Further, in the force detection device 1, two parts (part 42b, part 42c, part 44b, part 44c, part 46b, part 46c, and the like are separated by constricting each of the connection regions 42, 44, 46, and 48. The resistance values of the portions 48b and 48c) are configured to be equal to each other, whereby the resistance values of the resistors 112, 114, 116, and 118 are equal. Therefore, in the force detection device 1, the offset voltage is reduced.

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。   Specific examples of the present invention have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above. The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology exemplified in this specification or the drawings can achieve a plurality of objects at the same time, and has technical usefulness by achieving one of the objects.

1:力検知装置、 2:半導体基板、 4:力伝達ブロック、 7:中心点、 12,16:低感度メサ型ゲージ、 14,18:高感度メサ型ゲージ、 20:封止部、 22:第2出力配線、 24:基準配線、 26:第1出力配線、 28:電源配線、 42,44,46,48:接続領域、 42a,44a,46a,48a:狭窄部 1: Force detector, 2: Semiconductor substrate, 4: Force transmission block, 7: Center point, 12, 16: Low sensitivity mesa type gauge, 14, 18: High sensitivity mesa type gauge, 20: Sealing part, 22: Second output wiring 24: Reference wiring 26: First output wiring 28: Power supply wiring 42, 44, 46, 48: Connection area 42a, 44a, 46a, 48a: Narrowed portion

Claims (4)

基板と力伝達ブロックを備え、
前記基板は、
主面に設けられており、ブリッジ回路を構成しているメサ型ゲージと、
前記主面に設けられており、不純物が導入されている接続領域と、
前記主面に設けられており、前記メサ型ゲージの周囲を一巡しており、前記力伝達ブロックに接合する封止部と、を有し、
前記メサ型ゲージは、
第1方向に延びる第1メサ型ゲージと、
前記第1方向と異なる第2方向に延びており、前記第1メサ型ゲージから離れている第2メサ型ゲージと、を有し、
前記接続領域は、前記第1メサ型ゲージの一端と前記第2メサ型ゲージの一端の間に配置されており、前記第1メサ型ゲージの一端と前記第2メサ型ゲージの一端を電気的に接続する、力検知装置。
It has a substrate and a force transmission block,
The substrate is
A mesa gauge that is provided on the main surface and forms a bridge circuit;
A connection region provided on the main surface and doped with impurities;
A sealing portion that is provided on the main surface, circulates around the mesa gauge, and is joined to the force transmission block;
The mesa gauge is
A first mesa gauge extending in the first direction;
Extending in a second direction different from the first direction and having a second mesa gauge separated from the first mesa gauge,
The connection region is disposed between one end of the first mesa gauge and one end of the second mesa gauge, and electrically connects one end of the first mesa gauge and one end of the second mesa gauge. Force sensing device connected to.
前記基板は、前記主面に設けられており、不純物が導入されている配線をさらに有しており、
前記接続領域は、前記第1メサ型ゲージの一端と前記第2メサ型ゲージの一端の間で狭窄されている狭窄部を含み、
前記配線は、前記狭窄部に接続する、請求項1に記載の力検知装置。
The substrate further includes a wiring provided on the main surface, into which impurities are introduced,
The connection region includes a constricted portion that is constricted between one end of the first mesa gauge and one end of the second mesa gauge,
The force detection device according to claim 1, wherein the wiring is connected to the narrowed portion.
前記基板の前記第1方向は、応力に対して電気抵抗値が相対的に大きく変化する方向であり、
前記基板の前記第2方向は、前記第1方向に対して直交しており、応力に対して電気抵抗値が相対的に小さく変化する方向であり、
前記第1メサ型ゲージは、第1高感度メサ型ゲージと第2高感度メサ型ゲージを有し、
前記第2メサ型ゲージは、第1低感度メサ型ゲージと第2低感度メサ型ゲージを有し、
前記第1高感度メサ型ゲージと前記第2高感度メサ型ゲージは、前記封止部の内側の内側領域の中心点に対して点対称に配置されている、請求項1又は2に記載の力検知装置。
The first direction of the substrate is a direction in which the electrical resistance value changes relatively greatly with respect to stress,
The second direction of the substrate is perpendicular to the first direction, and is a direction in which the electrical resistance value changes relatively small with respect to stress,
The first mesa type gauge has a first high sensitivity mesa type gauge and a second high sensitivity mesa type gauge,
The second mesa gauge has a first low sensitivity mesa gauge and a second low sensitivity mesa gauge,
The first high-sensitivity mesa type gauge and the second high-sensitivity mesa type gauge are arranged point-symmetrically with respect to a center point of an inner region inside the sealing portion. Force detection device.
前記内側領域は、矩形状であり、
前記内側領域は、1組の対向する辺が前記第1方向に延びており、別の1組の対向する辺が前記第2方向に延びており、
前記第1高感度メサ型ゲージと前記第2高感度メサ型ゲージは、前記内側領域を前記第2方向に3等分した位置に配置されており、かつ、前記内側領域の前記第1方向の中央に配置されている、請求項3に記載の力検知装置。
The inner region is rectangular;
The inner region has one set of opposing sides extending in the first direction and another set of opposing sides extending in the second direction;
The first high-sensitivity mesa gauge and the second high-sensitivity mesa gauge are arranged at a position obtained by dividing the inner region into three equal parts in the second direction, and in the first direction of the inner region. The force detection device according to claim 3, wherein the force detection device is arranged in the center.
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