JP2587255B2

JP2587255B2 - 力検出装置

Info

Publication number: JP2587255B2
Application number: JP62291294A
Authority: JP
Inventors: 大介小坂; 庄司松本; 達夫吉澤; 博史山崎; 淳一高橋
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1987-11-17
Filing date: 1987-11-17
Publication date: 1997-03-05
Anticipated expiration: 2012-03-05
Also published as: JPH01131424A

Description

【発明の詳細な説明】（技術分野）本発明は、例えばロボット用力覚センサやマンマシン
インタフェースとしての三次元入力装置に利用される力
検出装置に関するものである。

（従来技術）力検出装置では、外力が印加されることにより弾性変
形する起歪体に、この起歪体の機械的変形により電気抵
抗を変化させる複数の検出素子を形成し、これらの検出
素子の電気抵抗変化を電気信号として取り出して外力の
強さを検出している。

力検出装置では、例えばシリコン単結晶にてなる起歪
体の表面に半導体プレーナプロセス技術により検出素子
が形成される（特開昭60−221288号公報参照）。そこで
はシリコン単結晶基板が正八角形の平板リング状に切り
出されて起歪体が形成される。この起歪体の対向辺に外
力を作用させてFx,Fy,Fzの力の３成分の二次元分布を検
出する。

しかし、シリコン単結晶基板から八角形の平板リング
状の起歪体を切り出すには、ダイシングソーカット法、
レーザー加工、エッチング加工などを組み合せて加工し
なければならず、その加工は容易ではない。

また、シリコン単結晶基板により起歪体を形成した場
合には、シリコン単結晶基板はその物理的性質として脆
性が高いものであり、荷重検出可能な最大値が低いとい
う問題がある。そして衝撃にも弱い。

さらに、Ｘ軸及びＹ軸の方向を検出素子が形成されて
いるシリコン単結晶基板の面内方向とすると、Ｚ軸方向
は面に垂直な方向となり、Ｘ軸、Ｙ軸方向とＺ軸方向の
力に対する検出素子の感度が異なり、通常Ｚ軸方向の検
出感度が小さくなる。

（目的）本発明は、検出素子を半導体プレーナプロセス等の技
術を応用して単結晶基板に形成しても大きな荷重の検出
を行うことができ、耐衝撃性を高めることができるとと
もに、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向の検出素子の感度を同程
度にし、S/N比をよくすることを目的とするものであ
る。

（構成）本発明の力検出装置では、中心部と周辺部とのいずれ
か一方を支持部とし地方を作用部とする起歪体の表面に
単結晶基板を固定し、その単結晶基板表面には面内方向
のＸ軸方向、Ｙ軸方向及び面に垂直なＺ軸方向の力によ
り生ずる機械的変形により電気抵抗を変化させる各方向
別の検出素子を不純物拡散抵抗により形成するととも
に、Ｚ軸方向の成分力の検出を行う検出素子の表面不純
物濃度を他の検出素子の表面不純物濃度より低くした。

ピエゾ抵抗係数は、第３図、第４図に示されるよう
に、Ｐ形でもＮ形でも表面不純物濃度に依存する。表面
不純物濃度が低くなる程ピエゾ抵抗係数が大きくなり、
圧力検出の濃度が高くなる。

以下、実施例について具体的に説明する。

第１図は一実施例を示す断面図、第２図は同実施例の
キャップを外した状態を示す平面図、第５図は同実施例
におけるシリコン単結晶基板を示す平面図である。

１は正方形のシリコン単結晶基板であり、その一表面
は検出面２となり、この検出面２には検出素子３が形成
されている。検出素子３は不純物拡散により形成された
ものであり、応力を受けて変形することにより抵抗率が
変化する所謂ピエゾ抵抗効果を利用したものである。

単結晶基板１として比抵抗が15〜20Ωcmのｎ型Si基板
である場合、第５図に示されるようにＺ方向の力を検出
する４個の検出素子Rz₁〜Rz₄が一直線上に配置され、中
心に対してRz₁とRz₄が対称な位置に配置され、Rz₂とRz₃
が対称な位置に配置されている。Ｘ方向の力を検出する
４個の検出素子Rx₁〜Rx₄はRz₁〜Rz₄が配置されている直
線に対して45度の方向（Ｘ軸方向という）の線上に配置
され、中心に対してRx₁とRx₄が対称な位置に配置され、
Rx₂とRx₃が対称な位置に配置されている。また、Ｙ方向
の力を検出する４個の検出素子Ry₁〜Ry₄はRz₁〜Rz₄が配
置されている直線に対して45度でＸ軸方向とは直行する
方向（Ｙ軸方向という）の線上に配置され、中心に対し
てRy₁とRy₄が対称な位置に配置され、Ry₂とRy₃が対称な
位置に配置されている。

各検出素子３の拡散抵抗はＰ形であってもＮ形であっ
てもよい。また、一部をＰ形とし、残りをＮ形としても
よい。いま、例して拡散抵抗をＰ形にする。

ピエゾ抵抗素子の感度温度係数は、第６図に示される
ように表面不純物濃度に依存する。そこで、Ｚ方向の力
を検出する検出素子Rz₁〜Rz₄の表面不純物濃度を２×10
¹⁸原子/cm³とし、Ｘ方向の力を検出する検出素子Rx₁〜R
x₄とＹ方向の力を検出する検出素子Ry₁〜Ry₄の表面不純
物濃度を２×10²⁰原子/cm³とする。これにより、Ｚ方向
の検出素子Rz₁〜Rz₄の感度を高くすることができるとと
もに、X,Y,Z各方向の検出素子３の温度係数が０となっ
て温度の影響を受けないようにすることができる。

第５図で11は単結晶基板１に形成された接続端子、11
aは検出素子３間を接続してブリッジ回路を構成し、端
子11に接続するアルミニウム配線である。

単結晶基板１は後述のようにＮ型Si（111）ウエハで
あることが望ましい。

各検出素子３は、第７図に示されるように、それらの
検出素子が配置されている方向に電流ｉが流れるように
配置方向に長く延びた形状に形成されている。図でl₁＜
＜l₂である。

第１図、第２図に戻って説明すると、４は単結晶基板
１を補強する補強基板として作用する起歪体である。起
歪体４は円盤状をなしており、外周部が固定用ねじ孔５
を備えた支持部６となり、中心部７には力伝達体８が形
成され、力伝達体８の周囲には円形の凹部９が形成され
て薄肉状の弾性変形面10が形成されている。この弾性変
形面10の表面には、起歪体４の中心と単結晶基板１の中
心とが一致するように単結晶基板１が配置され、両者は
接着されて固定されている。

単結晶基板１に接近して起歪体４上には、外部接続端
子12が形成されたフレキシブルプリント基板13が接着し
て固定されている。接続端子11はワイヤ15を介してフレ
キシブルプリント基板13に形成された中継端子14に接続
されている。

単結晶基板１はゲル状樹脂20によって被われ、保護さ
れている。また、起歪体４の検出面２側にはキャップ16
が設けられ、単結晶基板１を外気から遮断するととも
に、単結晶基板１に傷がついたり衝撃が加えられること
などから保護している。

力伝達体８に作用する力としては、互いに三次元的に
直行するX,Y,Z方向に沿う力Fx,Fy,Fzと、各軸回りのモ
ーメントMx,My,Mzの６成分がある。これらのうち、第８
図に示されるMx,My,Fzの３成分を検出するために、第９
図（Ａ）〜（Ｃ）に示されるブリッジ回路が形成されて
いる。

力伝達体８に外力を作用させることにより、起歪体４
が変形し、この起歪体４の変形に対応して単結晶基板１
には内部応力が発生し、これに基づく歪により検出素子
３が変形してピエゾ抵抗効果により抵抗変化ΔＲが生じ
る。力の３成分Mx,My,Fzは第９図のブリッジ回路により
互いの力成分に干渉されることなく各回路ごとにMx,My,
Fzの出力が得られる。

ここでFzを検出する検出素子Rz₁〜Rz₄の表面不純物濃
度が他の検出素子Rx₁〜Rx₄,Ry₁〜Ry₄の表面不純物濃度
より低いので、Fzの検出感度が高められる。

第10図及び第11図は本発明の他の実施例を表わすもの
である。

本実施例では検出素子３の出力の外部への取り出し手
段が前記実施例と相違している。すなわち、起歪体４は
検出素子３の出力信号を外部に取り出すためのステムを
兼ねているものであり、単結晶基板１の外周部に複数本
のリードピン17が配設されている。

上記の実施例では、起歪体４は中心部を作用部として
おり、単結晶基板１は面方位が（111）のシリコン基板
であり、Ｘ軸方向の成分力の検出を行なう検出素子Rx₁
〜Rx₄とＹ軸方向の成分力の検出を行なう検出素子Ry₁〜
Ry₄は起歪体４の中心で直交して交差する２つの直線上
にそれぞれ配置され、Ｚ軸方向の成分力の検出を行なう
検出素子Rz₁〜Rz₄はその２つの直線と45゜で交差する１
つの直線上に配置されている。（111）シリコン基板面
にこのように検出素子を配置した場合の意義について説
明する。

単結晶基板１としては主として（100）、（110）又は
（111）のいずれかの結晶面方位をもつＮ型シリコン基
板上にＰ型の不純物を拡散した歪ゲージを形成するのが
一般的である。これらの面方位の基板が用いられる理由
は、これらの面方位をもつシリコンウエハの入手が容易
だからである。

実施例の第５図に示されるように検出素子３を配置し
た場合、Mx,My,Fzの３成分全てに対して十分な感度を得
るために（110）又は（111）の結晶面方位に採用する必
要がある。もし、（100）面を採用した場合には、良好
な感度を有する方向は互いに垂直な２つの方向しかない
ので（特公昭45−37754号参照）、他の１つの成分に対
する感度が著しく小さくなってしまうからである。これ
を避けるために、（110）面を用いるとすれば、Mx,Myの
２成分の間に無視できない干渉が生じる。一方、（11
1）面内では各方向に対して均等な感度を得ることがで
きる。

次に、もし（100）面を用いた場合でも３軸力（Mx,M
y,Fz）の測定を可能にするためには、良好な感度を有す
る互いに直交する２つの直線上にそれぞれの成分を検出
するための検出素子を配置し、他の１成分の検出素子は
その２つの直線のいずれかに平行に配置しなければなら
ない。その場合、その第３の成分を検出する検出素子が
配置されている直線は起歪体の中心を通る線上に配置す
ることができないため、その中心から外れて配置された
検出素子の出力には他の軸力からの干渉成分が多くな
る。（100）画上で、１つの成分を検出する検出素子を
起歪体の中心を通る１つの直線上に配置し、他の２つの
成分を検出する検出素子をその直線と直交して起歪体の
中心を通る直線に沿って起歪体の中心からいずれも外れ
た位置に配置した場合には、中心から外れて配置された
２つの成分を検出する検出素子には他の軸力からの干渉
成分が作用する。したがって、（100）面を用いて十分
な精度をもって３軸力を測定することはできない。

その結果、Mx,My,Fzの３成分全てに対して十分な感度
を得るには、検出素子を上記の実施例のように配置する
のが最も好ましい。

次に、第５図に示される単結晶基板１を形成する方法
について、第12図（Ａ）〜（Ｋ）を参照して説明する。

（Ａ）例えば比抵抗15〜20ΩcmのＮ型Si（111）ウエハ2
1を1100℃にて酸化し、5000Å程度の酸化膜22を形成す
る。

（Ｂ）Ｘ方向の検出素子とＹ方向の検出素子を形成する
ために、それらの検出素子を形成する領域に開口をもつ
レジストパターン23を写真製版によって形成し、酸化膜
22の所定部分をエッチングによって除去する。

（Ｃ）ポロンを40KeVの加速電圧で５×10¹⁸/cm²イオン
注入する。

（Ｄ）Ｚ方向の検出素子を形成するために、それらの検
出素子を形成する領域に開口をもつレジストパターン24
を写真製版によって形成し、酸化膜22の所定部分をエッ
チングによって除去する。

（Ｅ）ボロンを40KeVの加速電圧で５×10¹⁴/cm²イオン
注入する。

（Ｆ）注入したボロンを活性化するために、950℃でド
ライブを行なう。

（Ｇ）層間絶縁膜25として例えばPSG膜を堆積し、約100
0℃でリフローさせて表面を平坦化する。

（Ｈ）写真製版とエッチングを施しコンタクト孔26を形
成する。コンタクト孔26は検出素子を電気的に接続する
ためのものである。

（Ｉ）導電体膜として例えばAl膜、Al−Si化合物膜又は
Au膜などをスパッタリング法や蒸着法によって形成し、
写真製版とエッチングによってパターン化して電極27を
形成する。

（Ｊ）最終の保護膜28として層間絶縁膜25と同様の絶縁
膜、例えばPSG膜を形成した後、写真製版とエッチング
によって接続端子を作成する。

（Ｋ）裏面を研磨し、裏面に導電体層29を形成する。

（効果）本発明の力検出装置では、中心部と周辺部とのいずれ
か一方を支持部とし他方を作用部とする起歪体の表面に
単結晶基板を接着固定し、その単結晶基板表面には面内
方向のＸ軸方向、Ｙ軸方向及び面に垂直なＺ軸方向の力
により生ずる機械的変形により電気抵抗を変化させる各
方向別の検出素子を形成した。そのため、作用部に作用
する外力を起歪体により受けさせることができ、その起
歪体が変形することにより単結晶基板を変形させるの
で、単結晶基板では受けることができない大きさの荷重
を受けることができ、また、衝撃荷重が作用部に印加さ
れてもその衝撃は単結晶基板に直接伝達されることがな
く、起歪体により衝撃されるので単結晶基板が脆性の高
い材料であっても十分に保護され、信頼性の高い力検出
を行うことができる。

また、Ｚ軸方向の成分力の検出を行う検出素子の表面
不純物濃度を他の方向の成分力の検出を行う検出素子の
表面不純物濃度より低くしたので、Ｚ軸方向の検出感度
を高め、Z,Y軸方向の感度と同程度にすることができ、S
/N比を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は一実施例を示す断面図、第２図は同実施例のキ
ャップを外した状態の平面図であり、第１図は第２図の
Ａ−Ａ線位置での断面図を表わしている。第３図及び第
４図はそれぞれピエゾ抵抗係数の温度と表面不純物濃度
の関係を示す図、第５図は一実施例における単結晶基板
を示す平面図、第６図はピエゾ抵抗素子の感度温度係数
と表面不純物濃度の関係を示す図、第７図は検出素子の
形状を示す平面図、第８図（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は各
種の応力の発生状態を示す特性図、第９図（Ａ），
（Ｂ），（Ｃ）は各成分の力を検出するブリッジ回路
図、第10図は他の実施例を示す断面図、第11図は同実施
例のキャップを外した状態を示す平面図であり、第10図
は第11図のＤ−Ｄ線位置での断面図を表わしている。第
12図（Ａ）から同図（Ｋ）は一実施例における単結晶基
板の製造工程を示す断面図である。１……単結晶基板、３……検出素子、４……起歪体、６……支持部、７……中心部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者山崎博史東京都大田区中馬込１丁目３番６号株式会社リコー内 (72)発明者高橋淳一東京都大田区中馬込１丁目３番６号株式会社リコー内 (56)参考文献特開昭61−223626（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−214582（ＪＰ，Ａ) 特開昭55−113379（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】中心部と周辺部とのいずれか一方を支持部
とし他方を作用部とする起歪体の表面に単結晶基板を固
定し、その単結晶基板表面には面内方向のＸ軸方向、Ｙ
軸方向及び面に垂直なＺ軸方向の力により生ずる機械的
変形により電気抵抗を変化させる各方向別の検出素子を
不純物拡散抵抗により形成するとともに、Ｚ軸方向の成
分力の検出を行なう検出素子の表面不純物濃度を他の検
出素子の表面不純物濃度より低くした力検出装置。
【請求項２】前記起歪体は中心部を作用部とし、前記単
結晶基板は面方位が（111）のシリコン基板であり、Ｘ
軸方向の成分力の検出を行なう検出素子とＹ軸方向の成
分力の検出を行なう検出素子は前記起歪体の中心で直交
して交差する２つの直線上にそれぞれ配置され、Ｚ軸方
向の成分力の検出を行なう検出素子は前記２つの直線と
45゜で交差する１つの直線上に配置されている特許請求
の範囲第１項に記載の力検出装置。