JP3830906B2 - 半導体力センサ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、外部からの力を半導体力センサ素子により検出して、電気信号として出力する半導体力センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ダイアフラム部と、ダイアフラム部の外周に位置してダイアフラム部を支持する筒状の支持部が位置するように形成された半導体力センサ素子と、支持部の反対側のダイアフラム部の表面上に形成されて、ピエゾ抵抗効果を利用して力の変化を電気信号の変化に変換する変換部と、剛性を有する球体から構成されてダイアフラム部の裏面側から測定の対象となる力を加える力伝達手段とを具備し、支持部の内周面がダイアフラム部に向かうにしたがって近づくように傾斜している半導体力センサが知られている。特開昭６３−１９６０８０号公報（特許文献１）には、力伝達手段の一部がダイアフラム部と支持部の内周面とに囲まれた空間内に配置されている状態で、支持部の内周面に球状の力伝達手段を当接させた半導体力センサが示されている。この半導体力センサでは、力伝達手段により支持部の内周面に力を加え、支持部を介してダイアフラム部に力を伝達している。そして、ダイアフラム部の撓みをダイアフラム部上の変換部が電気信号の変化に変換して、電気信号として出力する。このような構成では、力伝達手段がダイアフラム部を直接押さないため、ダイアフラム部の損傷を防止できる。
【０００３】
【特許文献１】
特開昭６３−１９６０８０号公報（図１）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の半導体センサでは、力伝達手段からの力は支持部を介してダイアフラム部に伝わるため、出力リニアティが悪くなるという問題があった。
【０００５】
本発明の目的は、力伝達手段によるダイアフラム部の損傷を防止でき、しかも出力リニアティを向上できる半導体力センサを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明が改良の対象とする半導体力センサは、ダイアフラム部とダイアフラム部の外周に位置してダイアフラム部を支持する筒状の支持部とを有する半導体力センサ素子と、支持部の反対側のダイアフラム部の表面上に形成されて、ピエゾ抵抗効果を利用して力の変化を電気信号の変化に変換する変換部と、剛性を有する球体から構成されてダイアフラム部の裏面側から測定の対象となる力をダイアフラム部に加える力伝達手段とを具備している。そして、支持部の内周面がダイアフラム部に向かうにしたがって近づくように傾斜している。本発明では、支持部の内周面の形状及び寸法、並びに力伝達手段の形状及び寸法は、力伝達手段の一部がダイアフラム部と支持部の内周面とに囲まれた空間内に配置されている状態で力伝達手段がダイアフラム部に当接し、力伝達手段がダイアフラム部に向かって所定量変位したときに、力伝達手段と支持部の内周面とが当接するように定める。そして、力伝達手段と内周面とにより力伝達手段がダイアフラム部側に変位する変位量を規制するストッパ構造を構成する。
【０００７】
本発明によれば、力伝達手段をダイアフラム部に当接させて、力伝達手段からの力を直接ダイアフラム部に伝える。そのため、出力リニアティが悪くなるのを防ぐことができる。また、本発明では、力伝達手段によってダイアフラム部に加わる力が大きくても、力伝達手段が支持部の内周面と当接することにより、ダイアフラム部の撓みが大きくなるのが抑制される。そのため、ダイアフラム部が損傷するのを防ぐことができる。
【０００８】
本願の他の発明は、ダイアフラム部とダイアフラム部の外周に位置してダイアフラム部を支持する筒状の支持部とを有する半導体力センサ素子と、支持部の反対側のダイアフラム部の表面上に形成されてピエゾ抵抗効果を利用して力の変化を電気信号の変化に変換する変換部と、ダイアフラム部の裏面と間隔を隔てて対向する対向面を形成するように支持部と接合して半導体力センサ素子を支持するセンサ素子支持体と、剛性を有する球体から構成されてダイアフラム部の表面側から測定の対象となる力をダイアフラム部に加える力伝達手段とを具備している。本発明では、ダイアフラム部の裏面とセンサ素子支持体の対向面との間の寸法を、力伝達手段がダイアフラム部に向かって所定量変位したときに、裏面と対向面とが当接するように定める。そして、裏面と対向面とにより力伝達手段がダイアフラム部側に変位する変位量を規制するストッパ構造を構成する。
【０００９】
本発明では、力伝達手段をダイアフラム部に当接させて、力伝達手段からの力を直接ダイアフラム部に伝える。そのため、出力リニアティが悪くなるのを防ぐことができる。また、力伝達手段によってダイアフラム部に加わる力が大きくても、ダイアフラム部の裏面とセンサ素子支持体の対向面とが当接することにより、ダイアフラム部の撓みが大きくなるのが抑制される。そのため、ダイアフラム部が損傷するのを防ぐことができる。また、本発明では、力伝達手段をダイアフラム部の表面側に配置するので、力伝達手段を半導体力センサ素子の支持部の寸法に拘束されることなく設計でき、力伝達手段の設計の自由度を高くできる。
【００１０】
センサ素子支持体の対向面は、全体に亘って平坦に形成してもよいし、センサ素子支持体にダイアフラム部と支持部とに囲まれた空間内でダイアフラム部の裏面側に突出する突出部を形成し、突出部の先端面により対向面を形成してもよい。このように突出部の先端面により対向面を形成すれば、支持部の高さ寸法が大きい既成の半導体力センサ素子を用いて、ダイアフラム部が損傷するのを防ぐことができる。
【００１１】
また、突出部を位置決め手段として用いて、突出部により半導体力センサ素子をセンサ素子支持体に対して位置決めすれば、半導体力センサの製造が容易になる。
【００１２】
半導体力センサ素子が中央部にダイアフラム部を残し、外周部に前記ダイアフラム部を支持する筒状の支持部を残すように、半導体基板にエッチングが施されて形成されている場合には、ダイアフラム部が測定に必要な力で十分に撓む厚み寸法をダイアフラム部が有し、且つ力伝達手段がダイアフラム部に向かって所定量変位したときにダイアフラム部の裏面とセンサ素子支持体の対向面とが当接するように支持部の高さ寸法を定めればよい。具体的には、エッチング量を調整して所定量のエッチングを施せばよい。このようにすれば、ダイアフラム部の撓みを十分に維持して、ダイアフラム部の損傷を図れる半導体力センサをエッチング作業だけで容易に形成できる。このようなエッチング作業では、エッチング量が少ないとダイアフラム部の厚み寸法が大きすぎて、ダイアフラム部が十分に撓まなくなる。また、エッチング量が多いと、ダイアフラム部の裏面とセンサ素子支持体の対向面との間の間隔が大きくなり過ぎて、裏面と対向面とが当接し難くなる。
【００１３】
センサ素子支持体をガラスから形成すれば、半導体力センサ素子の支持部とセンサ素子支持体とを陽極接合により接合することができる。陽極接合とは、陽極接合可能な材料（ガラス、シリカ、真鍮、黄銅等）どうしを接合する公知の接合方法である。陽極接合については、株式会社産業調査会より発行された「先端材料辞典」の第６２６〜６３０頁等に記載されている。陽極接合は、陽極接合可能な材料どうしを平滑な面を突き合わせ、常温または加熱した状態で両者に直流電流を流して行う接合である。陽極接合により接合すれば、半導体力センサ素子の支持部とセンサ素子支持体とを確実に接合することができる。
【００１４】
ダイアフラム部の表面との間に間隔を開け且つダイアフラム部と対向するように配置される対向壁部を備えて、力伝達手段をダイアフラム部の中心部に直接接触させるように、力伝達手段を位置決め配置する力伝達手段位置決め構造とを更に具備することができる。この場合、力伝達手段位置決め構造の対向壁部に、ダイアフラム部の中心部と対向する位置にダイアフラム部に向かう方向に対向壁部を貫通する貫通孔を形成する。そして、貫通孔は、力伝達手段の一部を対向壁部の外部に臨ませ、力伝達手段がダイアフラム部と直交する方向にのみ移動可能で且つ力伝達手段がダイアフラム部の中心部上で回動し得るように力伝達手段の残部の一部を収容する形状を有するのが好ましい。このように、対向壁部の貫通孔を形成すると、ダイアフラム部と直交する方向の力が球体に加わると、球体に加えられた力でダイアフラム部が撓む。これに対して、ダイアフラム部と直交する方向以外の方向の力が球体に加わると、球体がダイアフラム部の中心部上で回動して、ダイアフラム部を撓むのを防ぐことができる。そのため、ダイアフラム部と直交する方向以外の方向の力が球体に加わっても、ダイアフラム部に無理な力が加わることがなく、ダイアフラム部が破損するのを防ぐことができる。また、ダイアフラム部と直交する方向に加わる力だけを正確に測定することができる。
【００１５】
センサ素子支持体には、支持部とダイアフラム部とによって囲まれた空間をセンサ素子支持体の外部と連通させる連通路を形成するのが好ましい。このようにすれば、支持部とダイアフラム部とによって囲まれた空間が大気圧と等しくなり、ダイアフラム部の撓みが容易になる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態の半導体力センサの主要部の概略断面図である。図１に示すように、本実施の形態の半導体力センサは、半導体力センサ素子１と力伝達手段を構成する球体３とベース５とケース７とを有している。半導体力センサ素子１は、Ｓｉ半導体基板を用いて形成されており、ダイアフラム部９とダイアフラム部９の外周に位置してダイアフラム部９を支持する筒状の支持部１１とを有している。支持部１１は、ダイアフラム部９に向かうにしたがって近づくように傾斜する内周面１１ａを有している。具体的には、ダイアフラム部９と内周面１１ａとの交差角θが約１２５°になるように、内周面１１ａは傾斜している。支持部１１の反対側に位置するダイアフラム部９の表面には、ピエゾ抵抗効果を利用して力の変化を電気信号の変化に変換する変換部が形成されている。この変換部は、ダイアフラム部９の表面の所定位置にボロンイオンを注入してｐ型の拡散抵抗層を形成することにより形成されている。
【００１７】
球体３は、剛性を有する金属球により形成されており、半導体力センサ素子１のダイアフラム部９の裏面側から測定の対象となる力をダイアフラム部９に加えるための力伝達手段を構成している。この球体３は、ダイアフラム部９に当接し、支持部１１の内周面１１ａとは２０μｍの距離を隔てて当接しないように、その一部がダイアフラム部９と内周面１１ａとに囲まれた空間内に配置されている。そして、球体３は、図示しない適宜な手段により、上下方向に移動可能に支持されている。また、内周面１１ａ及び球体３の形状及び寸法は、球体３がダイアフラム部９に向かって所定量（３０μｍ）変位したときに、球体３と支持部１１の内周面１１ａとが当接するように定められている。
【００１８】
ベース５は、パイレックスガラスからなるほぼ直方体の形状を有しており、上方に開口する凹部５ａを有している。ベース５は、凹部５ａ上にダイアフラム部９及びその周囲部が位置するように半導体力センサ素子１を載置している。ベース５には、ダイアフラム部９上の変換部に電気的に接続されてベース５とケース７との間を延びるボンディングワイヤ１３が接続されている。
【００１９】
本例の半導体力センサによれば、球体３をダイアフラム部９に当接させて、球体３からの力を直接ダイアフラム部９に伝えている。そのため、出力リニアティが悪くなるのを防ぐことができる。また、球体３がダイアフラム部９に向かって所定量変位したときに、球体３と支持部１１の内周面１１ａとが当接するため、球体３と内周面１１ａとにより球体３がダイアフラム部９側に変位する変位量を規制するストッパ構造が構成されることになる。そのため、ダイアフラム部９の撓みが大きくなるのが抑制され、ダイアフラム部９が損傷するのを防ぐことができる。
【００２０】
図２は本発明の第２の実施の形態の半導体力センサの概略断面図である。図２に示すように、本実施の形態の半導体力センサは、半導体力センサ素子５１と力伝達手段を構成する球体５３とケース５５とを有している。半導体力センサ素子５１は、Ｓｉ半導体基板を用いて形成されており、ダイアフラム部５７とダイアフラム部５７の外周に位置してダイアフラム部５７を支持する筒状の支持部５９とを有している。半導体力センサ素子５１は、支持部５９がケース５５の後述するセンサ素子支持体７１に接合されて、ケース５５内に収納されている。支持部５９の反対側に位置するダイアフラム部５７の表面には、ピエゾ抵抗効果を利用して力の変化を電気信号の変化に変換する変換部が形成されている。この変換部は、ダイアフラム部５７の表面の所定位置にボロンイオンを注入してｐ型の拡散抵抗層を形成することにより形成されている。
【００２１】
球体５３は、剛性を有する金属球により形成されており、半導体力センサ素子５１のダイアフラム部５７の表面側から測定の対象となる力をダイアフラム部５７に加えるための力伝達手段を構成している。球体５３は、ダイアフラム部５７に直接力を加えられるように、半導体力センサ素子５１のダイアフラム部５７の中心部に直接接触している。
【００２２】
ケース５５は、ケース本体６１とケース本体６１に対して固定された蓋部材６３とを有している。ケース本体６１は、樹脂により形成されており、一面に開口する開口部を有する箱形を呈している。このケース本体６１は、矩形に近い形状の底壁部６７と底壁部６７の周縁部に一体に設けられた周壁部６９とを有している。また、底壁部６７には、半導体力センサ素子５１の支持部５９とダイアフラム部５７とによって囲まれた空間をケース本体６１の外部と連通させる連通路６７ａが底壁部６７を貫通するように形成されている。本例では、底壁部６７のほぼ中央部に連通路６７ａを形成しているが、連通路は、半導体力センサ素子５１の支持部５９とダイアフラム部５７とによって囲まれた空間をケース本体６１の外部と連通させればよく、底壁部６７の任意の場所に形成できるのは勿論である。底壁部６７は、半導体力センサ素子５１が接合されるセンサ素子支持体７１を中央部分に有している。このように、センサ素子支持体７１に支持部５９が接合された状態で、ダイアフラム部５７を覆うように絶縁性を有するシリコーンからなるゲル状保護剤７３がケース本体６１内に充填されている。ゲル状保護剤７３の針入度は、球体５３がダイアフラム部５７上のゲル状保護剤７３を押し広げて、球体５３がダイアフラム部５７の中央部と実質的に直接接触するように定められている。本例では、この針入度は約６５であり、弾性率は約１×１０−５Ｎ／ｍ２となっている。また、前述したように、支持部５９は、ケース５５のセンサ素子支持体７１に接合されているので、センサ素子支持体７１は、ダイアフラム部５７の裏面５７ａと間隔を隔てて対向する対向面７１ａを有することになる。ダイアフラム部５７の裏面５７ａとセンサ素子支持体７１の対向面７１ａとの間の寸法（支持部５９の高さ寸法）Ｌ１は、球体５３がダイアフラム部５７に向かって所定量（３０μｍ）変位したときに、裏面５７ａと対向面７１ａとが当接する寸法に定められている。本例では、２．３ｍｍ角、厚さ２２０μｍのＳｉ半導体基板に、ダイアフラム部５７の厚み寸法が１９０μｍになり、支持部５９の高さ寸法（Ｌ１）が３０μｍになるまで、エッチングを施して半導体力センサ素子５１を形成した。これにより、ダイアフラム部５７は、測定に必要な力で十分に撓み、しかも球体５３がダイアフラム部５７に向かって所定量（３０μｍ）変位したときに、裏面５７ａと対向面７１ａとが当接する。
【００２３】
蓋部材６３は、矩形板状の対向壁部を構成しており、第１の蓋板材７５と第２の蓋板材７７とが積層されて形成されている。第１の蓋板材７５及び第２の蓋板材７７は、いずれもセラミックスまたは金属からなり矩形状を有している。第１の蓋板材７５の中心部に貫通して形成された第１の貫通孔部分７９と、第２の蓋板材７７の中心部に貫通して形成された第２の貫通孔部分８１とにより球体５３を収納する貫通孔８３が形成されている。これにより、蓋部材６３は、球体５３をダイアフラム部５７の中心部に接触させるように、球体５３を位置決め配置する力伝達手段位置決め構造の役割を果たしている。第１の貫通孔部分７９は球体５３の直径よりも僅かに大きい一定の直径寸法を有している。第２の貫通孔部分８１は該第２の貫通孔部分８１から球体５３の一部が外部に露出するのを許容するように外部に向かうに従って徐々に直径寸法が小さくなる形状を有している。本例の形状の貫通孔は、蓋部材を硬度の高いセラミックスまたは金属により形成した場合に適している。球体５３は、貫通孔８３に収納されることにより、球体５３の一部を対向壁部６３の外部に臨ませ、球体５３がダイアフラム部５７の中心部に直接接触した状態で、ダイアフラム部５７と直交する方向にのみ移動可能で且つダイアフラム部５７の中心部上で回動し得るように、ケース５５内に位置決めされることになる。なお、蓋部材は、樹脂等により一体に成形しても構わない。
【００２４】
本例の半導体力センサによれば、球体５３をダイアフラム部５７に当接させて、球体５３からの力を直接ダイアフラム部５７に伝えている。そのため、出力リニアティが悪くなるのを防ぐことができる。また、球体５３がダイアフラム部５７に向かって所定量変位したときに、ダイアフラム部５７の裏面５７ａとセンサ素子支持体７１の対向面７１ａとが当接するため、裏面５７ａと対向面７１ａとにより球体５３がダイアフラム部５７側に変位する変位量を規制するストッパ構造が構成されることになる。そのため、ダイアフラム部５７の撓みが大きくなるのが抑制され、ダイアフラム部５７が損傷するのを防ぐことができる。
【００２５】
図３は本発明の第３の実施の形態の半導体力センサの概略断面図である。本実施の形態の半導体力センサは、センサ素子支持体１７１が、ダイアフラム部１５７と支持部１５９とに囲まれた空間内でダイアフラム部１５７の裏面側１５７ａに突出する突出部１７２を有しており、その他は、図２に示す半導体力センサと同じ構造を有している。そのため、図２に示す部材と同じ部材には、図２に付した符号に１００を加えた数の符号を付して説明を省略する。この半導体力センサでは、突出部１７２の先端面により対向面１７２ａが形成されている。そのため、球体１５３がダイアフラム部１５７に向かって所定量変位すると、ダイアフラム部１５７の裏面１５７ａとセンサ素子支持体１７１の対向面１７２ａとが当接する。本例では、突出部１７２の高さ寸法Ｌ２を８０μｍとし、ダイアフラム部１５７の裏面１５７ａとセンサ素子支持体１７１の対向面１７２ａとの間の寸法Ｌ３を３０μｍとした。本例のように、突出部１７２の先端面により対向面１７２ａを形成すれば、支持部の高さ寸法が大きい既成の半導体力センサ素子を用いて、ダイアフラム部１５７が損傷するのを防ぐことができる。また、突出部１７２を位置決め手段として用いて、突出部１７２により半導体力センサ素子１５１をセンサ素子支持体１７１に対して位置決めすれば、半導体力センサの製造が容易になる。
【００２６】
図４は本発明の第４の実施の形態の半導体力センサの概略断面図である。本実施の形態の半導体力センサは、センサ素子支持体２００をケース２５５と別体に形成して、このセンサ素子支持体２００をケース２５５内に配置し、その他は、図２に示す半導体力センサと同じ構造を有している。そのため、図２に示す部材と同じ部材には、図２に付した符号に２００を加えた数の符号を付して説明を省略する。センサ素子支持体２００は、厚み寸法０．３〜０．４ｍｍのガラスからなる矩形の板形状を有しており、ケース２５５の底壁部２６７上に配置されている。なお、ケース２５５の底壁部２６７に凹部を形成し、この凹部内にセンサ素子支持体２００を配置してもよい。また、ダイアフラム部２５７の裏面２５７ａと該裏面２５７ａに対向するセンサ素子支持体２００の対向面２００ａとの間の寸法Ｌ４は、３０μｍを有している。この半導体力センサでは、ダイアフラム部２５７の裏面２５７ａとセンサ素子支持体２００の対向面２００ａとにより、球体２５３がダイアフラム部２５７側に変位する変位量を規制するストッパ構造が構成されることになる。本例では、半導体力センサ素子２５１の支持部２５９とセンサ素子支持体２００とを突き合わせ、３００〜４００℃の温度で加熱した状態で８００〜１０００Ｖの直流電圧を両者の間に印加して、陽極接合により半導体力センサ素子２５１の支持部２５９とセンサ素子支持体２００とを接合した。本例の半導体力センサでは、陽極接合により半導体力センサ素子の支持部とセンサ素子支持体とを接合するので、両者を確実に接合することができる。
【００２７】
【発明の効果】
本発明によれば、力伝達手段をダイアフラム部に当接させて、力伝達手段からの力を直接ダイアフラム部に伝える。そのため、出力リニアティが悪くなるのを防ぐことができる。また、力伝達手段によってダイアフラム部に加わる力が大きくても、力伝達手段が支持部の内周面と当接することにより、ダイアフラム部の撓みが大きくなるのが抑制される。そのため、ダイアフラム部が損傷するのを防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体力センサの第１の実施の形態の概略断面図である。
【図２】本発明の半導体力センサの第２の実施の形態の概略断面図である。
【図３】本発明の半導体力センサの第３の実施の形態の概略断面図である。
【図４】本発明の半導体力センサの第４の実施の形態の概略断面図である。
【符号の説明】
１，５１ 半導体力センサ素子
３，５３ 球体（力伝達手段）
７，５５ ケース
９，５７ ダイアフラム部
５７ａ 裏面
１１，５９ 支持部
１１ａ 内周面
６３ 蓋部材（対向壁部）
６７ａ 連通路
７１ センサ素子支持体
７１ａ，１７２ａ 対向面
１７２ 突出部
【発明の属する技術分野】
本発明は、外部からの力を半導体力センサ素子により検出して、電気信号として出力する半導体力センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ダイアフラム部と、ダイアフラム部の外周に位置してダイアフラム部を支持する筒状の支持部が位置するように形成された半導体力センサ素子と、支持部の反対側のダイアフラム部の表面上に形成されて、ピエゾ抵抗効果を利用して力の変化を電気信号の変化に変換する変換部と、剛性を有する球体から構成されてダイアフラム部の裏面側から測定の対象となる力を加える力伝達手段とを具備し、支持部の内周面がダイアフラム部に向かうにしたがって近づくように傾斜している半導体力センサが知られている。特開昭６３−１９６０８０号公報（特許文献１）には、力伝達手段の一部がダイアフラム部と支持部の内周面とに囲まれた空間内に配置されている状態で、支持部の内周面に球状の力伝達手段を当接させた半導体力センサが示されている。この半導体力センサでは、力伝達手段により支持部の内周面に力を加え、支持部を介してダイアフラム部に力を伝達している。そして、ダイアフラム部の撓みをダイアフラム部上の変換部が電気信号の変化に変換して、電気信号として出力する。このような構成では、力伝達手段がダイアフラム部を直接押さないため、ダイアフラム部の損傷を防止できる。
【０００３】
【特許文献１】
特開昭６３−１９６０８０号公報（図１）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の半導体センサでは、力伝達手段からの力は支持部を介してダイアフラム部に伝わるため、出力リニアティが悪くなるという問題があった。
【０００５】
本発明の目的は、力伝達手段によるダイアフラム部の損傷を防止でき、しかも出力リニアティを向上できる半導体力センサを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明が改良の対象とする半導体力センサは、ダイアフラム部とダイアフラム部の外周に位置してダイアフラム部を支持する筒状の支持部とを有する半導体力センサ素子と、支持部の反対側のダイアフラム部の表面上に形成されて、ピエゾ抵抗効果を利用して力の変化を電気信号の変化に変換する変換部と、剛性を有する球体から構成されてダイアフラム部の裏面側から測定の対象となる力をダイアフラム部に加える力伝達手段とを具備している。そして、支持部の内周面がダイアフラム部に向かうにしたがって近づくように傾斜している。本発明では、支持部の内周面の形状及び寸法、並びに力伝達手段の形状及び寸法は、力伝達手段の一部がダイアフラム部と支持部の内周面とに囲まれた空間内に配置されている状態で力伝達手段がダイアフラム部に当接し、力伝達手段がダイアフラム部に向かって所定量変位したときに、力伝達手段と支持部の内周面とが当接するように定める。そして、力伝達手段と内周面とにより力伝達手段がダイアフラム部側に変位する変位量を規制するストッパ構造を構成する。
【０００７】
本発明によれば、力伝達手段をダイアフラム部に当接させて、力伝達手段からの力を直接ダイアフラム部に伝える。そのため、出力リニアティが悪くなるのを防ぐことができる。また、本発明では、力伝達手段によってダイアフラム部に加わる力が大きくても、力伝達手段が支持部の内周面と当接することにより、ダイアフラム部の撓みが大きくなるのが抑制される。そのため、ダイアフラム部が損傷するのを防ぐことができる。
【０００８】
本願の他の発明は、ダイアフラム部とダイアフラム部の外周に位置してダイアフラム部を支持する筒状の支持部とを有する半導体力センサ素子と、支持部の反対側のダイアフラム部の表面上に形成されてピエゾ抵抗効果を利用して力の変化を電気信号の変化に変換する変換部と、ダイアフラム部の裏面と間隔を隔てて対向する対向面を形成するように支持部と接合して半導体力センサ素子を支持するセンサ素子支持体と、剛性を有する球体から構成されてダイアフラム部の表面側から測定の対象となる力をダイアフラム部に加える力伝達手段とを具備している。本発明では、ダイアフラム部の裏面とセンサ素子支持体の対向面との間の寸法を、力伝達手段がダイアフラム部に向かって所定量変位したときに、裏面と対向面とが当接するように定める。そして、裏面と対向面とにより力伝達手段がダイアフラム部側に変位する変位量を規制するストッパ構造を構成する。
【０００９】
本発明では、力伝達手段をダイアフラム部に当接させて、力伝達手段からの力を直接ダイアフラム部に伝える。そのため、出力リニアティが悪くなるのを防ぐことができる。また、力伝達手段によってダイアフラム部に加わる力が大きくても、ダイアフラム部の裏面とセンサ素子支持体の対向面とが当接することにより、ダイアフラム部の撓みが大きくなるのが抑制される。そのため、ダイアフラム部が損傷するのを防ぐことができる。また、本発明では、力伝達手段をダイアフラム部の表面側に配置するので、力伝達手段を半導体力センサ素子の支持部の寸法に拘束されることなく設計でき、力伝達手段の設計の自由度を高くできる。
【００１０】
センサ素子支持体の対向面は、全体に亘って平坦に形成してもよいし、センサ素子支持体にダイアフラム部と支持部とに囲まれた空間内でダイアフラム部の裏面側に突出する突出部を形成し、突出部の先端面により対向面を形成してもよい。このように突出部の先端面により対向面を形成すれば、支持部の高さ寸法が大きい既成の半導体力センサ素子を用いて、ダイアフラム部が損傷するのを防ぐことができる。
【００１１】
また、突出部を位置決め手段として用いて、突出部により半導体力センサ素子をセンサ素子支持体に対して位置決めすれば、半導体力センサの製造が容易になる。
【００１２】
半導体力センサ素子が中央部にダイアフラム部を残し、外周部に前記ダイアフラム部を支持する筒状の支持部を残すように、半導体基板にエッチングが施されて形成されている場合には、ダイアフラム部が測定に必要な力で十分に撓む厚み寸法をダイアフラム部が有し、且つ力伝達手段がダイアフラム部に向かって所定量変位したときにダイアフラム部の裏面とセンサ素子支持体の対向面とが当接するように支持部の高さ寸法を定めればよい。具体的には、エッチング量を調整して所定量のエッチングを施せばよい。このようにすれば、ダイアフラム部の撓みを十分に維持して、ダイアフラム部の損傷を図れる半導体力センサをエッチング作業だけで容易に形成できる。このようなエッチング作業では、エッチング量が少ないとダイアフラム部の厚み寸法が大きすぎて、ダイアフラム部が十分に撓まなくなる。また、エッチング量が多いと、ダイアフラム部の裏面とセンサ素子支持体の対向面との間の間隔が大きくなり過ぎて、裏面と対向面とが当接し難くなる。
【００１３】
センサ素子支持体をガラスから形成すれば、半導体力センサ素子の支持部とセンサ素子支持体とを陽極接合により接合することができる。陽極接合とは、陽極接合可能な材料（ガラス、シリカ、真鍮、黄銅等）どうしを接合する公知の接合方法である。陽極接合については、株式会社産業調査会より発行された「先端材料辞典」の第６２６〜６３０頁等に記載されている。陽極接合は、陽極接合可能な材料どうしを平滑な面を突き合わせ、常温または加熱した状態で両者に直流電流を流して行う接合である。陽極接合により接合すれば、半導体力センサ素子の支持部とセンサ素子支持体とを確実に接合することができる。
【００１４】
ダイアフラム部の表面との間に間隔を開け且つダイアフラム部と対向するように配置される対向壁部を備えて、力伝達手段をダイアフラム部の中心部に直接接触させるように、力伝達手段を位置決め配置する力伝達手段位置決め構造とを更に具備することができる。この場合、力伝達手段位置決め構造の対向壁部に、ダイアフラム部の中心部と対向する位置にダイアフラム部に向かう方向に対向壁部を貫通する貫通孔を形成する。そして、貫通孔は、力伝達手段の一部を対向壁部の外部に臨ませ、力伝達手段がダイアフラム部と直交する方向にのみ移動可能で且つ力伝達手段がダイアフラム部の中心部上で回動し得るように力伝達手段の残部の一部を収容する形状を有するのが好ましい。このように、対向壁部の貫通孔を形成すると、ダイアフラム部と直交する方向の力が球体に加わると、球体に加えられた力でダイアフラム部が撓む。これに対して、ダイアフラム部と直交する方向以外の方向の力が球体に加わると、球体がダイアフラム部の中心部上で回動して、ダイアフラム部を撓むのを防ぐことができる。そのため、ダイアフラム部と直交する方向以外の方向の力が球体に加わっても、ダイアフラム部に無理な力が加わることがなく、ダイアフラム部が破損するのを防ぐことができる。また、ダイアフラム部と直交する方向に加わる力だけを正確に測定することができる。
【００１５】
センサ素子支持体には、支持部とダイアフラム部とによって囲まれた空間をセンサ素子支持体の外部と連通させる連通路を形成するのが好ましい。このようにすれば、支持部とダイアフラム部とによって囲まれた空間が大気圧と等しくなり、ダイアフラム部の撓みが容易になる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態の半導体力センサの主要部の概略断面図である。図１に示すように、本実施の形態の半導体力センサは、半導体力センサ素子１と力伝達手段を構成する球体３とベース５とケース７とを有している。半導体力センサ素子１は、Ｓｉ半導体基板を用いて形成されており、ダイアフラム部９とダイアフラム部９の外周に位置してダイアフラム部９を支持する筒状の支持部１１とを有している。支持部１１は、ダイアフラム部９に向かうにしたがって近づくように傾斜する内周面１１ａを有している。具体的には、ダイアフラム部９と内周面１１ａとの交差角θが約１２５°になるように、内周面１１ａは傾斜している。支持部１１の反対側に位置するダイアフラム部９の表面には、ピエゾ抵抗効果を利用して力の変化を電気信号の変化に変換する変換部が形成されている。この変換部は、ダイアフラム部９の表面の所定位置にボロンイオンを注入してｐ型の拡散抵抗層を形成することにより形成されている。
【００１７】
球体３は、剛性を有する金属球により形成されており、半導体力センサ素子１のダイアフラム部９の裏面側から測定の対象となる力をダイアフラム部９に加えるための力伝達手段を構成している。この球体３は、ダイアフラム部９に当接し、支持部１１の内周面１１ａとは２０μｍの距離を隔てて当接しないように、その一部がダイアフラム部９と内周面１１ａとに囲まれた空間内に配置されている。そして、球体３は、図示しない適宜な手段により、上下方向に移動可能に支持されている。また、内周面１１ａ及び球体３の形状及び寸法は、球体３がダイアフラム部９に向かって所定量（３０μｍ）変位したときに、球体３と支持部１１の内周面１１ａとが当接するように定められている。
【００１８】
ベース５は、パイレックスガラスからなるほぼ直方体の形状を有しており、上方に開口する凹部５ａを有している。ベース５は、凹部５ａ上にダイアフラム部９及びその周囲部が位置するように半導体力センサ素子１を載置している。ベース５には、ダイアフラム部９上の変換部に電気的に接続されてベース５とケース７との間を延びるボンディングワイヤ１３が接続されている。
【００１９】
本例の半導体力センサによれば、球体３をダイアフラム部９に当接させて、球体３からの力を直接ダイアフラム部９に伝えている。そのため、出力リニアティが悪くなるのを防ぐことができる。また、球体３がダイアフラム部９に向かって所定量変位したときに、球体３と支持部１１の内周面１１ａとが当接するため、球体３と内周面１１ａとにより球体３がダイアフラム部９側に変位する変位量を規制するストッパ構造が構成されることになる。そのため、ダイアフラム部９の撓みが大きくなるのが抑制され、ダイアフラム部９が損傷するのを防ぐことができる。
【００２０】
図２は本発明の第２の実施の形態の半導体力センサの概略断面図である。図２に示すように、本実施の形態の半導体力センサは、半導体力センサ素子５１と力伝達手段を構成する球体５３とケース５５とを有している。半導体力センサ素子５１は、Ｓｉ半導体基板を用いて形成されており、ダイアフラム部５７とダイアフラム部５７の外周に位置してダイアフラム部５７を支持する筒状の支持部５９とを有している。半導体力センサ素子５１は、支持部５９がケース５５の後述するセンサ素子支持体７１に接合されて、ケース５５内に収納されている。支持部５９の反対側に位置するダイアフラム部５７の表面には、ピエゾ抵抗効果を利用して力の変化を電気信号の変化に変換する変換部が形成されている。この変換部は、ダイアフラム部５７の表面の所定位置にボロンイオンを注入してｐ型の拡散抵抗層を形成することにより形成されている。
【００２１】
球体５３は、剛性を有する金属球により形成されており、半導体力センサ素子５１のダイアフラム部５７の表面側から測定の対象となる力をダイアフラム部５７に加えるための力伝達手段を構成している。球体５３は、ダイアフラム部５７に直接力を加えられるように、半導体力センサ素子５１のダイアフラム部５７の中心部に直接接触している。
【００２２】
ケース５５は、ケース本体６１とケース本体６１に対して固定された蓋部材６３とを有している。ケース本体６１は、樹脂により形成されており、一面に開口する開口部を有する箱形を呈している。このケース本体６１は、矩形に近い形状の底壁部６７と底壁部６７の周縁部に一体に設けられた周壁部６９とを有している。また、底壁部６７には、半導体力センサ素子５１の支持部５９とダイアフラム部５７とによって囲まれた空間をケース本体６１の外部と連通させる連通路６７ａが底壁部６７を貫通するように形成されている。本例では、底壁部６７のほぼ中央部に連通路６７ａを形成しているが、連通路は、半導体力センサ素子５１の支持部５９とダイアフラム部５７とによって囲まれた空間をケース本体６１の外部と連通させればよく、底壁部６７の任意の場所に形成できるのは勿論である。底壁部６７は、半導体力センサ素子５１が接合されるセンサ素子支持体７１を中央部分に有している。このように、センサ素子支持体７１に支持部５９が接合された状態で、ダイアフラム部５７を覆うように絶縁性を有するシリコーンからなるゲル状保護剤７３がケース本体６１内に充填されている。ゲル状保護剤７３の針入度は、球体５３がダイアフラム部５７上のゲル状保護剤７３を押し広げて、球体５３がダイアフラム部５７の中央部と実質的に直接接触するように定められている。本例では、この針入度は約６５であり、弾性率は約１×１０−５Ｎ／ｍ２となっている。また、前述したように、支持部５９は、ケース５５のセンサ素子支持体７１に接合されているので、センサ素子支持体７１は、ダイアフラム部５７の裏面５７ａと間隔を隔てて対向する対向面７１ａを有することになる。ダイアフラム部５７の裏面５７ａとセンサ素子支持体７１の対向面７１ａとの間の寸法（支持部５９の高さ寸法）Ｌ１は、球体５３がダイアフラム部５７に向かって所定量（３０μｍ）変位したときに、裏面５７ａと対向面７１ａとが当接する寸法に定められている。本例では、２．３ｍｍ角、厚さ２２０μｍのＳｉ半導体基板に、ダイアフラム部５７の厚み寸法が１９０μｍになり、支持部５９の高さ寸法（Ｌ１）が３０μｍになるまで、エッチングを施して半導体力センサ素子５１を形成した。これにより、ダイアフラム部５７は、測定に必要な力で十分に撓み、しかも球体５３がダイアフラム部５７に向かって所定量（３０μｍ）変位したときに、裏面５７ａと対向面７１ａとが当接する。
【００２３】
蓋部材６３は、矩形板状の対向壁部を構成しており、第１の蓋板材７５と第２の蓋板材７７とが積層されて形成されている。第１の蓋板材７５及び第２の蓋板材７７は、いずれもセラミックスまたは金属からなり矩形状を有している。第１の蓋板材７５の中心部に貫通して形成された第１の貫通孔部分７９と、第２の蓋板材７７の中心部に貫通して形成された第２の貫通孔部分８１とにより球体５３を収納する貫通孔８３が形成されている。これにより、蓋部材６３は、球体５３をダイアフラム部５７の中心部に接触させるように、球体５３を位置決め配置する力伝達手段位置決め構造の役割を果たしている。第１の貫通孔部分７９は球体５３の直径よりも僅かに大きい一定の直径寸法を有している。第２の貫通孔部分８１は該第２の貫通孔部分８１から球体５３の一部が外部に露出するのを許容するように外部に向かうに従って徐々に直径寸法が小さくなる形状を有している。本例の形状の貫通孔は、蓋部材を硬度の高いセラミックスまたは金属により形成した場合に適している。球体５３は、貫通孔８３に収納されることにより、球体５３の一部を対向壁部６３の外部に臨ませ、球体５３がダイアフラム部５７の中心部に直接接触した状態で、ダイアフラム部５７と直交する方向にのみ移動可能で且つダイアフラム部５７の中心部上で回動し得るように、ケース５５内に位置決めされることになる。なお、蓋部材は、樹脂等により一体に成形しても構わない。
【００２４】
本例の半導体力センサによれば、球体５３をダイアフラム部５７に当接させて、球体５３からの力を直接ダイアフラム部５７に伝えている。そのため、出力リニアティが悪くなるのを防ぐことができる。また、球体５３がダイアフラム部５７に向かって所定量変位したときに、ダイアフラム部５７の裏面５７ａとセンサ素子支持体７１の対向面７１ａとが当接するため、裏面５７ａと対向面７１ａとにより球体５３がダイアフラム部５７側に変位する変位量を規制するストッパ構造が構成されることになる。そのため、ダイアフラム部５７の撓みが大きくなるのが抑制され、ダイアフラム部５７が損傷するのを防ぐことができる。
【００２５】
図３は本発明の第３の実施の形態の半導体力センサの概略断面図である。本実施の形態の半導体力センサは、センサ素子支持体１７１が、ダイアフラム部１５７と支持部１５９とに囲まれた空間内でダイアフラム部１５７の裏面側１５７ａに突出する突出部１７２を有しており、その他は、図２に示す半導体力センサと同じ構造を有している。そのため、図２に示す部材と同じ部材には、図２に付した符号に１００を加えた数の符号を付して説明を省略する。この半導体力センサでは、突出部１７２の先端面により対向面１７２ａが形成されている。そのため、球体１５３がダイアフラム部１５７に向かって所定量変位すると、ダイアフラム部１５７の裏面１５７ａとセンサ素子支持体１７１の対向面１７２ａとが当接する。本例では、突出部１７２の高さ寸法Ｌ２を８０μｍとし、ダイアフラム部１５７の裏面１５７ａとセンサ素子支持体１７１の対向面１７２ａとの間の寸法Ｌ３を３０μｍとした。本例のように、突出部１７２の先端面により対向面１７２ａを形成すれば、支持部の高さ寸法が大きい既成の半導体力センサ素子を用いて、ダイアフラム部１５７が損傷するのを防ぐことができる。また、突出部１７２を位置決め手段として用いて、突出部１７２により半導体力センサ素子１５１をセンサ素子支持体１７１に対して位置決めすれば、半導体力センサの製造が容易になる。
【００２６】
図４は本発明の第４の実施の形態の半導体力センサの概略断面図である。本実施の形態の半導体力センサは、センサ素子支持体２００をケース２５５と別体に形成して、このセンサ素子支持体２００をケース２５５内に配置し、その他は、図２に示す半導体力センサと同じ構造を有している。そのため、図２に示す部材と同じ部材には、図２に付した符号に２００を加えた数の符号を付して説明を省略する。センサ素子支持体２００は、厚み寸法０．３〜０．４ｍｍのガラスからなる矩形の板形状を有しており、ケース２５５の底壁部２６７上に配置されている。なお、ケース２５５の底壁部２６７に凹部を形成し、この凹部内にセンサ素子支持体２００を配置してもよい。また、ダイアフラム部２５７の裏面２５７ａと該裏面２５７ａに対向するセンサ素子支持体２００の対向面２００ａとの間の寸法Ｌ４は、３０μｍを有している。この半導体力センサでは、ダイアフラム部２５７の裏面２５７ａとセンサ素子支持体２００の対向面２００ａとにより、球体２５３がダイアフラム部２５７側に変位する変位量を規制するストッパ構造が構成されることになる。本例では、半導体力センサ素子２５１の支持部２５９とセンサ素子支持体２００とを突き合わせ、３００〜４００℃の温度で加熱した状態で８００〜１０００Ｖの直流電圧を両者の間に印加して、陽極接合により半導体力センサ素子２５１の支持部２５９とセンサ素子支持体２００とを接合した。本例の半導体力センサでは、陽極接合により半導体力センサ素子の支持部とセンサ素子支持体とを接合するので、両者を確実に接合することができる。
【００２７】
【発明の効果】
本発明によれば、力伝達手段をダイアフラム部に当接させて、力伝達手段からの力を直接ダイアフラム部に伝える。そのため、出力リニアティが悪くなるのを防ぐことができる。また、力伝達手段によってダイアフラム部に加わる力が大きくても、力伝達手段が支持部の内周面と当接することにより、ダイアフラム部の撓みが大きくなるのが抑制される。そのため、ダイアフラム部が損傷するのを防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体力センサの第１の実施の形態の概略断面図である。
【図２】本発明の半導体力センサの第２の実施の形態の概略断面図である。
【図３】本発明の半導体力センサの第３の実施の形態の概略断面図である。
【図４】本発明の半導体力センサの第４の実施の形態の概略断面図である。
【符号の説明】
１，５１ 半導体力センサ素子
３，５３ 球体（力伝達手段）
７，５５ ケース
９，５７ ダイアフラム部
５７ａ 裏面
１１，５９ 支持部
１１ａ 内周面
６３ 蓋部材（対向壁部）
６７ａ 連通路
７１ センサ素子支持体
７１ａ，１７２ａ 対向面
１７２ 突出部
Claims (1)
- ダイアフラム部と前記ダイアフラム部の外周に位置して前記ダイアフラム部を支持する筒状の支持部とを有する半導体力センサ素子と、
前記支持部の反対側の前記ダイアフラム部の表面上に形成されて、ピエゾ抵抗効果を利用して力の変化を電気信号の変化に変換する変換部と、
剛性を有する球体から構成されて、前記ダイアフラム部の裏面側から測定の対象となる力を前記ダイアフラム部に加える力伝達手段とを具備し、
前記支持部の内周面が前記ダイアフラム部に向かうにしたがって近づくように傾斜している半導体力センサにおいて、
前記支持部の内周面の形状及び寸法、並びに前記力伝達手段の形状及び寸法は、前記力伝達手段の一部が前記ダイアフラム部と前記支持部の前記内周面とに囲まれた空間内に配置されている状態で前記力伝達手段が前記ダイアフラム部に当接し、前記力伝達手段が前記ダイアフラム部に向かって所定量変位したときに、前記力伝達手段と前記支持部の前記内周面とが当接するように定められており、
前記力伝達手段と前記内周面とにより前記力伝達手段が前記ダイアフラム部側に変位する変位量を規制するストッパ構造が構成されていることを特徴とする半導体力センサ。
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