JP2803796B2 - 荷重センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 開示技術は、物体に印加される圧縮荷重や引張り荷重
をその物体のひずみをして荷重電気変換により測定する
ことが出来るセンサの構造の技術の分野に属する。 〈要旨の概要〉 而して、この出願の発明は物体に印加される力の変化
を電気的な信号に変換してその量を計測したり、制御す
る手段に用いるべくピエゾ効果を利用し、シリコン半導
体によって形成されるｐ型素子とｎ型素子を積層状に重
ね、銀ペースト等を介してリード線により測定回路に接
続されるpn接合型の荷重センサに関する発明であり、特
に、該ｐ型素子とｎ型素子のいずれか一方、或いは、双
方を単結晶シリコンと水素化マイクロクリスタルシリコ
ン等のアモルファスシリコンとの組み合せにより、その
少くとも一方がアモルファスシリコンから形成されるよ
うにし、該アモルファスシリコンにそのほぼ中央部に荷
重を線的に印加するようにし、更には、ｐ型素子とｎ型
素子との間にｉ型素子のアモルファスシリコンを介装す
るようにした検出特性の良い荷重センサに係る発明であ
る。 〈従来の技術〉 周知の如く、近時において科学技術の進歩は著しく、
その成果は実用化に供されるのみならず、更なる研究開
発にフイードバックされ、したがって、これらの相互の
間には技術開発を促進するための緊密な関係があり、例
えば、様々な装置や設備に印加される荷重によるひずみ
を電気的に変換して定量的にデータ処理する技術が極め
て重要視されてきている。 而して、ひずみ検出のための力と電気信号の変換のゲ
ージに用いる荷重センサは、例えば、ロードセルのゲー
ジに用いられている金属箔等が用いられて物理的、機械
的なひずみによる抵抗変化によって電気信号に変換して
いた。 さりながら、該種技術による荷重センサは近時の各種
装置のマイクロ化に対しては著しく大型であり、そのう
え、印加電圧や電流が大きく、データ処理も大掛かりに
なり、処理スピードが遅いのに加えて、コスト高になる
というデメリットがあった。 而して、これに対処するに、例えば、高橋清著「半導
体工学」（昭和50年９月森北出版発行）に記載されてい
るように、シリコン半導体のピエゾ効果を利用したひず
みゲージの荷重センサが開発されて実用化されるように
なってきている。 そして、周知の如く、第17図に示す様に、単結晶シリ
コンを素材とするシリコン半導体によって形成されるｎ
型素子１とｐ型素子２を積層状にしてpn接合型の荷重セ
ンサ３とし、接合層の印加荷重による状態変化を物理的
に電気信号に変換するようにして、例えば、第18図に示
す様にベース４にセットして接合面に垂直な印加荷重Ｆ
によるひずみを検出したり、又、第19図に示す様に、ビ
ーム４′にセットして印加荷重Ｆによる両面に平行なひ
ずみの検出を行ったり、更に、第20図に示す様に、ワー
ド４″のねじれ検出を剪断方向のひずみを定期的に検出
するようなゲージとして用いられており、それらの素子
のサイズが著しく小さいにもかかわらず、ひずみに対す
る抵抗変化が極めて大きいメリットがフルに利用されて
いた。 〈発明が解決しようとする課題〉 しかしながら、この出願の発明の時点における在来技
術としての単結晶シリコン素材によるシリコン半導体の
ｐ型素子とｎ型素子による上記各荷重センサにおいて
は、その素子のサイズが1mm角ぐらいの微小面積のもの
を用いるものであって、受圧面積が比較的小さく、した
がって、測定に要する電源電流は大きく、そのため、消
費電力が大きいという不都合さがあり、荷重センサとし
ての適用範囲が狭いという欠点があった。 又、素材のシリコン半導体の製造がコストを大幅に高
くするというデメリットもあった。 〈発明の目的〉 この出願の発明の目的は上述従来技術に基づく単結晶
シリコンによるゲージ素子の問題点を解決すべき技術的
課題とし、pn接合の印加荷重と電気信号変換機能の利点
をフルに用いながら、アモルファスシリコンの高周波グ
ロー放電分解を介してのｐ型素子やｎ型素子の製造の容
易性を用い、広い接合面積のpn接合を得、稼動電力が少
く、しかも、大きな電圧変化、電流変化を得て、低コス
トで適用範囲を拡大することが出来るようにして各種産
業における測定技術利用分野に益する優れた荷重センサ
を提供せんとするものである。 〈課題を解決するための手段・作用〉 上述目的に沿い先述特許請求の範囲を要旨とするこの
出願の発明の構成は前述課題を解決するために、pn接合
型の荷重センサはｐ型素子とｎ型素子のいづれか一方、
或いは、双方に単結晶シリコンとアモルファスシリコン
の組み合せのうち、少くとも一方にアモルファスシリコ
ンを水素化マイクロクリスタルシリコン等を用いてシリ
コン半導体とし、上記アモルファスシリコンにそのほぼ
中央部に荷重を線的に印加するようにし、更にには、上
記ｐ型素子とｎ型素子の間にｐ型素子でもｎ型素子でも
ないpn接合の整流性を向上させるアモルファスシリコン
のｉ型素子を介装させ、荷重に対する厚さを薄膜状に小
さくし、又、その受感部の接合面積を大きくして適用範
囲を広くし、電源電流を小さくしても敏感で充分な電圧
変化、電流変化が得られ、消費電力も少く、検出特性に
優れ、低コストで製造が出来、測定も確実に行えるよう
にした技術的手段を講じたものである。 〈実施例〉 次に、この出願の発明の実施例を第１〜16図に基づい
て説明すれば以下の通りである。尚、第17〜20図と同一
態様部分は同一符号を用いて説明するものとする。 第10〜15図に示す態様はこの出願の発明の荷重センサ
本体31〜36を模式的に示すものであって、白部分は単結
晶シリコンによる素子であり、右上がりの対角線を有す
る態様の素子は水素化マイクロクリスタルシリコン等の
アモルファスシリコンにより形成されるシリコン半導体
のｎ型素子１′であり、右下がりの対角線を有する態様
の素子は同じく水素化マイクロクリスタルシリコン等の
アモルファスシリコンのシリコン半導体のｐ型素子２′
を示しており、したがって、第10図に示す荷重センサ31
はｎ型素子１′と単結晶シリコンによるシリコン半導体
のｐ型素子２のpn接合とされており、又、第11図に示す
荷重センサ32はｎ型素子１が単結晶シリコンのシリコン
半導体からなり、ｐ型素子２′は水素化マイクロクリス
タルシリコン等のアモルファスシリコンからなるpn接合
で、第12図に示す荷重センサ本体33はｎ型素子１′、ｐ
型素子２′共に水素化マイクロクリスタルシリコン等の
アモルファスシリコンのシリコン半導体からなるpn接合
とされているものである。 而して、この出願の別の実施例においてはｐ型素子と
ｎ型素子の間にアモルファスシリコンの内部に直径数10
〜200オングストローム程度の単結晶シリコンを有する
制御特性に優れたアモルファスシリコンのｉ型素子５を
介装してpin接合層としたものであり、第13図に示す荷
重センサ本体34においてはｎ型素子１′がアモルファス
シリコンのシリコン半導体であり、ｐ型素子には単結晶
シリコンによるシリコン半導体であり、又、第14図に示
す荷重センサ本体35においてはｎ型素子１が単結晶シリ
コンのシリコン半導体であり、ｐ型素子２′がアモルフ
ァスシリコンのシリコン半導体であるようにpin接合層
とされ、第15図に示す荷重センサ本体36においてはｎ型
素子１′、及び、ｐ型素子２′が共にアモルファスシリ
コンのシリコン半導体からなるpin接合層に形成されて
いるものである。 尚、この出願の発明においては第16図に示す様に、上
述した如く、水素化マイクロクリスタルシリコン６′は
水素化アモルファスシリコン６の範囲内における一種の
一部の状態と考えることが出来、その機能はアモルファ
スシリコンの特性と同等であると予測されるものであ
り、したがって、この出願の発明においては水素化マイ
クロクリスタルシリコンは水素化アモルファスシリコ
ン、即ち、マイクロクリスタルシリコンはアモルファス
シリコンの等価なものとしてみなされるものである。 尚、この出願の発明におけるアモルファスシリコン素
子、或いは、マイクロクリスタルシリコン素子、ｉ型素
子はこれまでに開発されている技術により１μｍ程度の
微小厚さに形成することが出来るために、ｎ型素子
１′、ｐ型素子２′、更には、中間のｉ型素子６は１μ
ｍの薄さに形成出来、これに対し在来の単結晶シリコン
によるシリコン半導体のｎ型素子１、ｐ型素子２は0.5m
mの厚さであるために、第10、11、13、14図に示す荷重
センサ本体31、32、34、35はほとんど単結晶シリコンの
シリコン半導体によるｐ型素子２、ｎ型素子１の厚さと
ほとんど近似した0.5mmの厚さに近く、これに対し第1
2、15図に示す荷重センサ33、36は２μｍ〜３μｍの極
めて厚さがマイクロ化されており、第17図に示す単結晶
シリコンのシリコン半導体によるｎ型素子１、ｐ型素子
２の荷重センサ本体３の1mmの厚さに比し、極端に薄
く、したがって、そのpn接合面積に比し厚みはほとんど
０に近く、力に対する電流−電圧特性の変化を著しく敏
感に良好にすることが出来る。 そこで、最も基本的に簡潔なモデルとして第10図に示
す荷重センサ本体31を用いた荷重センサ７を第１図乃至
第６図に基づいて説明すると、アモルファスシリコンと
しての水素化マイクロクリスタルシリコンのｎ型素子
１′と単結晶シリコンのｐ型素子２とをpn接合型の荷重
センサ本体31としてｎ型素子１′とｐ型素子２とにアン
チモン１％程度を含有する金のオーム性電極としての薄
膜８、８を蒸着し、各金の蒸着薄膜８に銀ペースト９を
介して導線のリード線10を各々接続し、第５図に示す様
に、電流計11を介して定電圧電源12に接続し、或いは、
第６図に示す様に、電圧計11′を介して定電流電源12′
に各々直列で接続する。 そして、このようにして荷重センサ７を電気的に絶縁
性であるガラス板13を介してベース４上に載置し、更
に、ガラス板13′を載置して線的荷重Ｆをバー13″を介
して印加するようにセットする。 尚、ｐ型素子２の基板とｎ型素子１′の薄膜のデータ
は次の表１と表２の通りである。 尚、接合面積は0.8cm²の矩形形状 そして、第５、６図に示すセット装置により接合面に
直交する方向の荷重Ｆを様々に変えて電流−電圧特性を
試験した結果は第７、８図のグラフに示す様に現わさ
れ、第７図に示す順方向特性おいても、又、第８図に示
す逆方向の特性においても荷重Ｆが増加するに従い、定
電圧では電流が増加し、定電流でも電圧減少することが
分り、その特性自体は在来態様の単結晶シリコンのシリ
コン半導体によるｎ型素子１とｐ型素子２とによる特性
と実質的に同一であることが分った。 又、第５図に示す装置により電圧変化を荷重に対して
測定したデータは第９図に示す様に、白丸で示す方向の
特性は黒丸で示す方向の特性にほぼ一致するヒステリシ
スを示し、良好な特性を示すことも分った。 尚、装置については第３図に示す様に、接合面に直交
な方向の荷重Ｆの印加について該接合面が極めて大きい
ために、全面に対する印加荷重では大きな加圧を必要と
し、又、スポット的印加では印加素子の形成がし難いの
に比し、バー13″は断面円形であるために一種の線荷重
であるために、荷重印加と測定印加の安定が得られる。 尚、この出願の発明の実施態様は上述各実施例に限る
ものでないことは勿論であり、例えば、ｎ型素子とｐ型
素子についてはそのアモルファスシリコンを水素化マイ
クロクリスタルシリコン以外のアモルファスシリコンに
することも可能である等種々の態様が採用可能である。 又、適用対象は接合面に対する垂直なひずみの検出の
みばかりでなく、接合面に平行なひずみや接合面に対し
て剪断的なひずみの検出に対しても適用出来ることは勿
論のことである。 したがって、実装置においては各種荷重試験装置や検
知装置、或いは、計量装置に用いることが出来るもので
ある。 〈発明の効果〉 以上、この出願の発明によれば、印加される荷重を電
気信号に変換してひずみ計測や印加荷重の計測を行うに
際し、荷重センサとして荷重センサ本体が著しく小型化
され、イニシャルコストは勿論のこと、消費電力も少い
ためにランニングコストも低く抑えることが出来るとい
う優れた効果が奏される。 又、在来の金属箔のひずみゲージ等の荷重センサや在
来の単結晶シリコンのシリコン半導体を素材とするひず
みゲージに比し、その感度が数十倍から数百倍と鋭敏に
なり、電源からの電流が小さくても、充分な電圧変化が
得られ、より精密で緻密な計測が行えるという優れた効
果が奏される。 したがって、荷重やひずみ測定を行わねばならない各
種の産業分野に対する寄与が極めて高いという優れた効
果が奏される。 而して、水素化マイクロクリスタルシリコン等のアモ
ルファスシリコンのｎ型素子やｐ型素子が高周波グロー
放電分解を介して薄膜状に形成することが出来るため
に、その厚さが薄く、接合面積が広く形成されることに
より、受感部の広い荷重センサ本体が得られて、上述の
如き敏感な高度の高い荷重センサを提供することが出来
るという優れた効果が奏される。 又、上述の如く、高周波グロー放電分解によるアモル
ファスシリコンの薄膜素子が得られるために、在来の単
結晶シリコンのシリコン半導体等より量産化が可能にな
り、低コストで安定した大量供給がユーザーに対して行
われ得るために、比較的低コストで容易に荷重センサが
得られ、適用範囲も拡大されるという優れた効果が奏さ
れる。 更に、ｐ型素子とｎ型素子との間にｉ型アモルファス
シリコンの半導体素子を介装したから、pn接合の整流性
が向上し、検出特性の良い荷重センサを提供することが
出来るという優れた効果が奏される。

【図面の簡単な説明】 第１〜16図はこの出願の発明の実施例の説明図であり、
第１図は１実施例の荷重センサの概略斜視図、第２図は
同側面図、第３図は荷重検出態様の模式斜視図、第４図
は同模式正面図、第５図は印加荷重に対する電流変化の
測定装置の模式正面図、第６図は印加荷重の大きさに対
して電圧が変化する場合の測定模式正面図、第７図は印
加荷重を変えた場合の電圧−電流の順方向特性グラフ
図、第８図は同逆方向特性グラフ図、第９図は定電流で
の荷重と電圧変化のヒステリシスグラフ図、第10〜15図
は荷重センサ本体の各態様の模式正面図、第16図はマイ
クロクリスタルシリコンのアモルファスシリコンの対応
関係模式図、第17図は従来技術に基づく荷重センサ本体
の模式正面図、第18、19、20図は荷重センサ本体の印加
荷重とひずみとの対応関係模式図である。 ２′……ｐ型素子、１′……ｎ型素子、10……リード
線、７……荷重センサ、５……ｉ型素子、Ｆ……荷重

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 １．シリコン半導体により形成されるｐ型素子とｎ型素
   子が積層されて各々リード線に接続されるpn接合型の荷
   重センサにおいて、該ｐ型素子とｎ型素子を形成するシ
   リコン半導体のうち少くとも一方が単結晶シリコンとア
   モルファスシリコンのうちアモルファスシリコンから成
   り、該アモルファスシリコンが水素化マイクロクリスタ
   ルシリコンであり、上記アモルファスシリコンにそのほ
   ぼ中央部に線的荷重を印加することを特徴とする荷重セ
   ンサ。 ２．上記ｐ型素子とｎ型素子との間にアモルファスシリ
   コンの固有半導体素子を介装してあることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載の荷重センサ。