JP4483478B2 - 力検知装置とその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、作用する力（例えば、外力、圧力、加速度、角速度などに起因して作用する力）の大きさに応じた電気信号を出力する力検知装置に関する。

半導体基板（典型的には、シリコン単結晶が利用される）の表面に、ピエゾ抵抗効果が現れる結晶方向に伸びるメサ段差を形成し、そのメサ段差の頂面に接する力伝達ブロック（典型的には、結晶化ガラスが利用される）を配置した力検知装置が知られている。この種の力検知装置では、突起するメサ段差によって、半導体基板の表面と力伝達ブロックの間に間隙が形成される。間隙が形成されると、製造工程時に発生する異物（典型的には粉塵であり、主にダイシング工程時に発生する）が間隙に侵入し、間隙に浸入した異物が、力伝達ブロックに作用する荷重の大きさと力伝達ブロックとメサ段差の接触圧の大きさの間に成立する関係を所望の関係からずらしてしまうという問題が起こりえる。力伝達ブロックに作用する荷重の大きさとメサ段差に作用する接触圧の大きさの関係が所望の関係からずれてしまうと、力検知装置から得られる電気信号と力検知装置に作用する力の大きさの関係が所望のものからずれてしまう。この問題を解決する力検知装置が特許文献１に開示されている。
特開２００４−１３２８１１号公報

図１１と図１２に、異物対策が講じられた力検知装置の一例を示す。なお、図１１と図１２に示されるように、力伝達ブロック１０３２は、図の明瞭化のために２点破線で図示されている。また、図１２の断面図は、図１１のD、E、F線に対応している。
図１１と図１２に示すように、この力検知装置１０１０は、ｎ型の半導体基板１０２２と、力伝達ブロック１０３２を備えている。この半導体基板１０２２の表面に、メサエッチングによって形成されたメサ段差１０２４が形成されている。このメサ段差１０２４の長手方向は、ピエゾ抵抗効果が現れる方向が選択されている。半導体基板１０２２の表面上は、絶縁性を確保するために、絶縁層１０２８で被覆されている（図１１では図示省略）。
メサ段差１０２４の頂面部は、半導体基板１０２２と反対導電型のｐ型不純物がドープされており、ピエゾ領域１０２５を構成している。ピエゾ領域１０２５は、黒色のハッチングによって示されている。図１２（Ｅ）に示すように、このピエゾ領域１０２５の両端部は、コンタクトホール１０４２ａ、１０４４ａを介して一対の電極１０４２、１０４４と電気的に接続している。これにより、一対の電極間１０４２、１０４４は、メサ段差１０２４の頂面部に形成されたピエゾ領域１０２５を介して電気的に接続されている。
力伝達ブロック１０３２は、メサ段差１０２４の表面のピエゾ領域１０２５と、そのメサ領域１０２５を囲繞する囲繞領域１０３４において、半導体基板１０２２の表面に接している。力伝達ブロック１０３２は、この囲繞領域１０３４によって半導体基板１０２２の表面に固定されている。力伝達ブロック１０３２の形状は直方体である。
力伝達ブロック１０３２の半導体基板１０２２と対向する面と反対側の面（紙面上側の面）に荷重が作用すると、力伝達ブロック１０３２はその荷重の大きさに応じて、ピエゾ領域１０２５及びメサ段差１０２４に圧縮応力を伝達する。メサ段差１０２４はその圧縮応力の大きさに基づいて歪む。この歪みによってメサ段差１０２４のピエゾ領域１０２５の抵抗値は変化する。その変化量は荷重の大きさに比例する。定電流を流している場合、抵抗が変化すると一対の電極間１０４２、１０４４の電圧が変化することから、力伝達ブロック１０３２に作用する荷重を検知することができる。

この力検知装置１０１０の特徴は、力伝達ブロック１０３２が、その周縁において半導体基板１０２２の表面と接合していることであり、換言すると、力伝達ブロック１０３２は、その囲繞領域１０３４の外周輪郭１０３３よりも外部に突出していないことである。このため、この囲繞領域１０３４よりも外部において、力伝達ブロック１０３２と半導体基板１０２２との間に間隙が形成されていない。したがって、間隙に異物が蓄積するという事態が生じない。なお、本出願人が特許文献１で示すように、力伝達ブロックと半導体基板の表面の間に沿って一巡するメサ状の封止部材が設けられていてもよい。この場合も、その封止部材と力伝達ブロックとが接合する囲繞領域の外周輪郭よりも外部では、間隙が形成されない構造を実現することができる。また、力伝達ブロックが、外周輪郭よりも外部において、例えばテーパ状に突出している場合、あるいは曲率を持って突出している場合、この力伝達ブロックと半導体基板の間隙は広く形成されるので、異物の蓄積は実質的に防止されている。この場合も、異物対策が講じられた力検知装置として評価できる。

本出願人は、自ら提案するこの種の力検知装置の研究を詳細に重ねたところ、新たな知見を得ることに成功した。それは、この種の力検知装置が、力伝達ブロックに作用する荷重を検知する感度と、力伝達ブロックと半導体基板との接合強度との間に存在するとされるトレードオフ関係を打破する構造である、という事実である。次に、このことを具体的に説明する。
図１２（Ｆ）に示すように、力伝達ブロック１０３２と半導体基板１０２２との接合強度を強くして、力検知装置の機械的安定性を向上しようとすると、囲繞領域１０３４の面積を大きくする必要がある。一方、この種の力検知装置の検知感度を向上しようとすると、一般的に、力伝達ブロック１０３２と半導体基板１０２２の接する面（囲繞領域１０３４とピエゾ領域１０２５のいずれも）の面積を小さくしなければならないとされている。上述したように、囲繞領域１０３４の面積を小さくすると、力伝達ブロック１０３２と半導体基板１０２２の接合強度が弱くなり、力検知装置１０１０の機械的安定性を確保することが困難となる。即ち、この種の力検知装置１０１０では、検知感度と接合強度の間にトレードオフ関係が存在すると考えられていた。
ところが、本出願人が提案している力検知装置を詳細に研究したところ、力伝達ブロック１０３２と半導体基板１０２２の接する面のうち、ピエゾ領域１０２５の幅Ｌ１０１１を大きくし、その面積を増大した場合には、検知感度が大幅に悪化するものの、囲繞領域１０３４の幅Ｌ１０１２を大きくし、その面積を増大した場合、検知感度はそれほどには
悪化しないという現象を突き止めた。具体的に述べると、囲繞領域１０３４の面積を２倍に増大しても、検知感度は１０％程度しか悪化しないことが判明してきた。つまり、異物対策が講じられた力伝達ブロック１０３２は、作用する荷重をメサ段差１０２４に集中して伝達し易い構造であることが判明してきた。このことから、この種の力検知装置は、検知感度をそれほど悪化させることなく、囲繞領域を広く確保し、力検知装置の機械的安定性を確保することが容易な構造であることが判明してきたのである。この種の力検知装置は、極めて特異な性質を有していると考えられる。
本発明は、この種の力検知装置の性質を利用し、接合強度を損ねないで検知感度をさらに高感度化すること、あるいは逆に、検知感度を損ねないで接合強度をさらに向上すること、さらには必要に応じて接合強度と検知感度の両者を共に向上することを目的として開発された。

本発明の力検知装置は、半導体基板と、半球と、半導体基板と半球の間に設けられているとともにガラス製の力伝達ブロックを備えている。半導体基板の表面の一部の領域には、その領域が歪むと抵抗が変化するピエゾ領域が形成されている。力伝達ブロックの下側面は、ピエゾ領域とそのピエゾ領域を囲繞する囲繞領域において、半導体基板表面に接している。力伝達ブロックと囲繞領域とが接している箇所の最外周（以下、囲繞領域の外周輪郭という）よりも外部では、半導体基板表面と力伝達ブロックの間に異物を蓄積する間隙が存在しない。力伝達ブロックは、ピエゾ領域側で高く形成された部分と囲繞領域側で低く形成された部分を有している。力伝達ブロックの高く形成された部分の上側面が平面であり、その平面で半球を介して伝達された荷重を受圧している。
力伝達ブロックと半導体基板は、直接的に接していてもよく、あるいは他部材を介在させて間接的に接していてもよい。他部材を介在させる場合は、その他部材を半導体基板の一部として評価することができる。あるいは、力伝達ブロックの一部として評価することが妥当な場合もある。
囲繞領域の外周輪郭よりも外部において、力伝達ブロックと半導体基板の間隙が十分に広い場合は、異物が実質的に蓄積されない。ここでいう異物が蓄積する間隙とは、力伝達ブロックに荷重が作用したときに、力伝達ブロックの変位を妨げるほどに異物が蓄積されてしまう間隙をいう。異物の存在の有無によって、力検知装置の検知結果が安定しない場合をいう。このような事態が生じない限りにおいて、力伝達ブロックが囲繞領域の外周輪郭よりも外部に突出している態様は、本発明の力伝達ブロックとして解釈されるべきである。典型的には、テーパ状や曲率を持って突出する場合は、本発明の力伝達ブロックとして解釈されるべきである。

上記の力検知装置は、異物対策が講じられた力検知装置である。この種の力検知装置は、力伝達ブロックと半導体基板が接する囲繞領域の面積を大きくしても、検知感度がそれほど悪化しない。したがって、この種の力検知装置は、囲繞領域の面積を大きくし、接合強度を強固にした構成を採用することが可能である。さらに、上記力検知装置では、半導体基板表面と直交する方向の力伝達ブロックの高さが、ピエゾ領域側で高く、囲繞領域側で低く調整されている。そして、高く形成された部分の上側面が平面である。このため、この力伝達ブロックに作用する力は、囲繞領域よりもピエゾ領域に集中し易くなる。これにより、この力検知装置は、ピエゾ領域に対して、より多くの圧縮応力が伝達され、力伝達ブロックに作用する荷重を高感度で検知することが可能となっている。したがって、この力検知装置は、接合強度を強固にするとともに、検知感度を悪化させない、あるいは必要に応じて高感度化することができる。あるいは、接合強度を従来と同等とするとともに、検知感度を高感度化することもできる。
なお、上記の力検知装置は、別の見方をすると、次のように捉えることができる。異物対策が講じられた力検知装置は、囲繞領域の面積を大きくすることができる。囲繞領域が幅広で構成されると、その囲繞領域に対応する力伝達ブロックも幅広で構成され得る。このような力伝達ブロックに対しては、囲繞領域の力伝達ブロックの高さを低くする本発明の構成を採用することで、力伝達ブロックに作用する荷重をピエゾ領域に集中して伝達させる現象を効果的に得ることができる。即ち、異物対策が講じられた力検知装置において、本発明の力伝達ブロックの構成は極めて有効に機能すると言える。

ピエゾ領域と囲繞領域との間の領域の少なくとも一部で、半導体基板と力伝達ブロックの間に間隙が確保されていることが好ましい。
間隙が確保されると、ピエゾ領域と力伝達ブロックとの接触する面積が相対的に大きくなる。このため、力伝達ブロックに作用する荷重を、ピエゾ領域に集中して伝達することができ、検知感度を高感度化することができる。

ピエゾ領域と囲繞領域の間の領域の少なくとも一部で、半導体基板表面に凹所が形成されているのが好ましい。
上記態様によると、前記凹所が力伝達ブロックによって囲繞され、半導体基板と力伝達ブロックの間に間隙を確保することができ、ひいては、ピエゾ領域と力伝達ブロックとの接触する面積を相対的に大きくすることができる。この力伝達ブロックは、作用する荷重をピエゾ領域に集中して伝達することができ、検知感度を高感度化することができる。

ピエゾ領域と囲繞領域の間の領域の少なくとも一部で、力伝達ブロック裏面に凹所が形成されているのが好ましい。
この場合も同様に、前記凹所が半導体基板によって囲繞され、半導体基板と力伝達ブロックの間に間隙を確保することができ、ひいては、ピエゾ領域と力伝達ブロックとの接触する面積を相対的に大きくすることができる。この力伝達ブロックは、作用する荷重をピエゾ領域に集中して伝達することができ、検知感度を高感度化することができる。

力伝達ブロックには、ピエゾ領域と囲繞領域の間の領域において、ピエゾ領域側で高く、囲繞領域側で低い段差が形成されているのが好ましい。
上記の態様によると、半導体基板表面と直交する方向の高さが、ピエゾ領域において高く、囲繞領域において低く調整された力伝達ブロックが得られる。この力伝達ブロックは、作用する荷重をピエゾ領域に集中して伝達することができ、力検知装置の検知感度を高感度化することができる。

力伝達ブロックの側壁は、囲繞領域の外周輪郭から半導体基板表面と直交する方向に伸びているのが好ましい。換言すると、力伝達ブロックは、囲繞領域の外周輪郭の外部に向けて全く突出していない。したがって、囲繞領域の外周輪郭の外部において、力伝達ブロックと半導体基板表面との間に間隙が形成されていない。
上記態様の力伝達ブロックは、外部に突出する部分が存在しないので、この突出する部分が作用する荷重によって垂れ下がり、ピエゾ領域側が反り上がるといった現象が生じない。これにより、作用する荷重をより集中してピエゾ領域に伝達することができる。したがって、より検知感度が高感度化された力検知装置を得ることができる。

本出願人は、上記の力検知装置を簡単に製造することができる新たな製造方法をも創作した。
本発明の力検知装置の製造方法は、半導体基板の表面に、ピエゾ抵抗効果を有するピエゾ領域とそのピエゾ領域に導通する電極で構成される単位素子構造を、格子状に複数個を作り込む工程を備えている。さらに、前記単位素子構造間の間隙を通過する格子状の溝が裏面側に形成されている板材を用意する工程を備えている。上記の工程を経た後に、その板材の裏面を半導体基板の表面に接合する工程を備えている。そして、その板材の裏面側の格子状の溝に対応する表面側の格子状の線に沿って、その板材の表面側から裏面側の溝に達する深さを持ち、裏面側の溝よりも広い幅を持つ格子状の溝を形成する工程を備えている。
上記の各工程を実施すると、各単位素子構造上の板材は、その周囲の高さが低くなった形状として得られる。本発明に係る力伝達ブロックを簡単に得ることができる。本発明の力検知装置を簡単に製造することができる。

本発明の力検知装置は、接合強度を損ねないで検知感度をさらに高感度化すること、あるいは逆に、検知感度を損ねないで接合強度をさらに向上すること、さらには必要に応じて接合強度と検知感度の両者を共に向上することが可能である。

最初に実施例の主要な特徴を列記する。
（第１形態） ピエゾ領域は、周辺の半導体基板から電気的に絶縁された電流経路を形成する。
（第２形態） 第１形態のピエゾ領域は、半導体基板表面に形成されるとともに、ピエゾ抵抗効果が現れる方向に伸びたメサ段差に、半導体基板とは反対導電型の不純物がドープされて形成された領域である。
（第３形態） 第１形態のピエゾ領域は、平坦な半導体基板の表面の一部に半導体基板と反対導電型の不純物がドープされて形成された領域である。
（第４形態） 第１形態のピエゾ領域は、周囲の半導体基板から絶縁材料によって隔てられた内部に電流経路を形成する領域でもよい。
（第５形態） 力伝達ブロックは、半導体基板との囲繞領域に対応する部分の高さが低い段差状の形状である。
（第６形態） 第５形態の段差は、力伝達ブロックを一巡している。
（第７形態） 力伝達ブロック側壁が、半導体基板側に向けて末広がりのテーパ状に加工されている。

図面を参照して以下に各実施例を詳細に説明する。
（第１実施例） 図１と図２に、第１実施例の力検知装置を示す。なお、図１と図２に示すように、力伝達ブロック３２は、図の明瞭化のために２点破線で図示されている。また、図２の断面図は、図１のＡ、Ｂ、Ｃ線に対応している。
図１と図２に示すように、この力検知装置１０は、結晶面（１１０）面のｎ型のシリコン単結晶を主成分とする半導体基板２２と、力伝達ブロック３２を備えている。半導体基板２２の表面にメサエッチングによって形成されたメサ段差２４を備えている。このメサ段差２４は、半導体基板２２に形成された凹所２６の残部として形成されている。メサ段差２４は、凹所２６のほぼ中心を横断して伸びている。このメサ段差２４の長手方向は、ピエゾ抵抗効果が現れる方向が選択されている。この例では、メサ段差２４の長手方向は、結晶方向＜１１０＞と一致する。この凹所２６は、力伝達ブロック３２によって封止され、閉じた間隙２６を形成する（後に詳細する）。
半導体基板２２の表面上は、絶縁性を確保するために、絶縁層２８で被覆されている（図１では図示省略）。メサ段差２４の頂面部は、半導体基板２２と反対導電型のｐ型不純物がドープされており、ピエゾ領域２５を構成している。このピエゾ領域２５は、黒色のハッチングによって図示されている。図２（Ｂ）に示すように、このピエゾ領域２５の両端部は、コンタクトホール４２ａ、４４ａを介して一対の電極４２、４４と電気的に接続している。これにより、一対の電極間４２、４４は、メサ段差２４の頂面部に形成されたピエゾ領域２５を介して電気的に接続されている。

この力検知装置１０の半導体基板２２上に、結晶化ガラスを主成分とする力伝達ブロック３２が固定されている。この力伝達ブロック３２は、メサ段差２４のピエゾ領域２５と、メサ段差２４を囲繞する囲繞領域３４において、半導体基板２２の表面と接している。囲繞領域３４は、メサ段差２４の周部の間隙２６を一巡している。この囲繞領域３４の幅は一定である。力伝達ブロック３２は、この囲繞領域３４によって半導体基板２２上に固定されている。
力伝達ブロック３２は、囲繞領域３４の外周輪郭３３よりも外部に突出していない。力伝達ブロック３２の側壁は、囲繞領域３４の外周輪郭３３から半導体基板２２表面と直交する方向に伸びている。したがって、囲繞領域３４の外周輪郭３３より外部において、力伝達ブロック３２と半導体基板２２表面との間には間隙が形成されていない。異物対策が講じられている。
また、別の見方をすると、この力伝達ブロック３２は、次のように表現することもできる。半導体基板２２と平行方向の力伝達ブロック３２の幅は、図１と図２に示すように、半導体基板２２との囲繞領域３４の外周輪郭３３を越えない範囲内であると表現することもできる。
さらに、この力伝達ブロック３２は、ピエゾ領域２５側で高く、囲繞領域３４側で低い段差で形成されている。図１と図２に示すように、半導体基板２２の表面と直交する方向の力伝達ブロック３２の高さは、囲繞領域３４に対応する部分おける高さＨ１２が残部よりも低くなっている。より詳細には、前記高さＨ１２の部分は、力伝達ブロック３２を一巡して形成されており、この領域の幅３８は囲繞領域３４の幅と略一致している。また、その高さＨ１２は、メサ段差２４のピエゾ領域２５に対応する部分の高さＨ１１よりも低く調整されている。
なお、力伝達ブロック３２の半導体基板２２と対向する面と反対側の面（紙面上側の面である。以下、上側面という）に、図示しない半球が固定されている。

図示しない半球に荷重が作用すると、半球はその荷重を力伝達ブロック３２の上側面に均等に加える。力伝達ブロック３２はその荷重の大きさに応じて、接触領域３６を介してメサ段差２４に圧縮応力を伝達する。本実施例の力伝達ブロック３２は、ピエゾ領域２５側で高く、囲繞領域３４側で低く調整されているので、力伝達ブロック３２に作用する荷重は、圧縮応力としてメサ段差２４に集中して伝達される。メサ段差２４はその圧縮応力によって歪み、その歪み量は圧縮応力の大きさに基づいている。より多くの圧縮応力が伝達されるので、メサ段差２４は大きく歪む（力伝達ブロックが直方体である場合と比較して）。この歪み量に基づくメサ段差２４の抵抗値の変化量は、定電流を流した場合、一対の電極間４２、４４の電圧値の変化量として検知される。メサ段差２４の歪み量が大きいので、電圧値の変化量も大きくなる。これにより、力伝達ブロック３２に作用する力を高感度で検知することができる。
なお、図２に示すように、力伝達ブロック３２の高さが低い部分の幅３８を調整すると、検知感度を調整することが可能である。この幅３８を大きくすると、検知感度はさらに向上する。
また、力伝達ブロック３２と半導体基板２２との接合強度を強固にしようとすると、囲繞領域３４を幅広で構成するのが好ましい。囲繞領域３４を幅広で構成するほど、検知感度は悪化し易くなるが（もちろん、異物対策が講じられている本実施例は、異物対策が講じられていない場合に比して悪化しない）、力伝達ブロック３２の周囲が低く構成されている本実施例では、検知感度の悪化が抑制されている。場合によっては、囲繞領域３４を幅広で構成したとしても、検知感度が高感度化され得る。したがって、検知感度を悪化させないで、あるいは検知感度を高感度化するとともに、接合強度が強固な力検知装置１０を得ることができる。
また、囲繞領域３４の接合面積を従来と同等であっても、段差状の力伝達ブロック３２を利用することで、検知感度を高感度化することができる。接合強度を損ねないで、検知感度を高感度化することができる。

なお、本実施例の異物対策が講じられた力検知装置１０は、力伝達ブロック３２とは無関係に、次の理由からも、メサ段差２４に圧縮応力を集中して伝達することが可能であると考えられる。
例えば、力伝達ブロックが、囲繞領域よりも外側に突出している場合（異物対策が講じられていない場合）、この力伝達ブロックは、その突出している部分の自らの重量及び作用する荷重に基づいて垂れ下がることによって、中心側が反り上がった状態になっていると考えられる。これにより、中心側に荷重が伝達され難い構造であると考えられる。
一方、本実施例の力伝達ブロック３２は、その外周輪郭３３よりも外側に突出して形成されていない。力伝達ブロック３２の外周輪郭３３が、半導体基板２２の表面と接合している。これにより、本実施例の力伝達ブロック３２は、もとより作用する力を中心側に集中し易い構造であると考えられる。したがって、本実施例の力伝達ブロックで３２は、囲繞領域３４の面積を大きくしても、検知感度をそれほど悪化させない現象を得ることができると考えられる。

次に、図３を参照して、この力検知装置１０の製造方法を説明する。
まず、図３（ａ）に示すように、ｎ型の単結晶シリコンを主成分とする半導体ウエハ２２を準備する。この半導体ウエハ２２の表面をエッチング処理し、凹所（後の閉じた空間２６）を形成する。この凹所の残部は、図示されないメサ段差となる。このメサ段差の頂面部にｐ型不純物を注入し、図示しないピエゾ領域を形成する。次に、この半導体基板２２の表面を酸化し、絶縁層２８で被覆した後に、図示しないコンタクトホールを形成し、そのコンタクトホールを覆う電極４２、４４を形成する。この半導体ウエハ２２には、上記単位素子構造が、格子状に複数個作り込まれている。

次に、図３（ｂ）に示すように、結晶化ガラスを主成分とするガラスウエハ３２ａ（後に力伝達ブロック３２となる）を準備する。このガラスウエハ３２ａには、格子状に溝入れ加工が施されており、その溝入れ加工が施された面を半導体基板２２の表面と対向して接合する。この溝は、単位素子構造間の間隙の位置と一致している。ガラスウエハ３２ａと半導体基板２２は、例えば陽極接合によって固着される。
本実施例では、力伝達ブロック３２と半導体基板２２の囲繞領域３４の面積を大きく形成しても、検知感度がそれほど悪化しない。したがって、この囲繞領域３４を幅広で形成することができる。このことは、ガラスウエハ３２ａと半導体基板２２を接合する工程において、両者の位置ずれを許容する幅が広くなるということでもある。したがって、本実施例の力検知装置１０の構造は、製造の面からも作りやすい構造であるという特徴を備えている。

次に、図３（ｃ）に示すように、ダイシングソー９２を複数回（この例では４回。１回でもよい）上下動させて、ガラスウエハ３２ａの溝入れ加工された部分に対応する領域を切削除去する。このとき、溝入れ加工された溝に達するとともに、その溝よりも広い幅の範囲を切削除去する。この工程により、残存したガラスウエハ３２ａの形状は、その周囲の高さがメサ段差側よりも低くなった段差状となり、所望する形状の力伝達ブロック３２を得ることができる。
上述したように、本実施例では、前記囲繞領域３４が幅広で形成されている。したがって、このダイシングソー９２でガラスウエハ３２ａに段差を形成する工程は、正確な制御を必要とせずに、容易に実施することができる。段差状の力伝達ブロック３２を容易に得ることができる。

次に、図３（ｄ）に示すように、電極４２、４４等を保護するために、半導体基板２２の表面を樹脂等を主成分とする保護膜８２で完全に被覆する。
次に、図３（ｅ）に示すように、ダイシングソー９４を用いて、各々の力検知装置に沿って切り出す。
上記の各工程を経て、本実施例の力検知装置を得ることができる。
なお、図３（ｄ）に示す保護膜８２の形成は必ずしも必要ではなく、省略することも可能である。

次に、本実施例の力伝達ブロックの変形例を図４〜図７に示す。この各変形例の断面図は、第１実施例の図２（ｃ）方向の断面に対応して図示されている。
図４の力伝達ブロック１３２は、その断面が台形状である。側壁が半導体基板１２２の表面に向けて末広がりのテーパ状に加工されている。力伝達ブロック１３２は、囲繞領域１３４における高さＨ１１２（囲繞領域１３４の幅内で変動するが、どの高さが選択されてもよい）が、メサ段差１２４のピエゾ領域１２５における高さＨ１１１よりも低く調整されている。この変形例も、力伝達ブロック１３２の上側面に作用する荷重は、メサ段差１２４に集中して伝達されるので、その作用する荷重を高感度に検知することができる。

図５の力伝達ブロック２３２は、力伝達ブロック２３２側に凹所２２６が形成され、この凹所２２６によって、力伝達ブロック２３２と半導体基板２２２との間に閉じた間隙２２６が形成される例である。この例の半導体基板２２２の表面は、エッチング処理されていない。したがって、半導体基板２２２の表面にメサ段差は形成されておらず、ピエゾ領域２２５は平坦な半導体基板２２２の表面部に、図示しない一対の電極間方向に伸びて形成されている。このピエゾ領域２２５の長手方向は、ピエゾ抵抗効果が現れる方向が選択されている。一方、力伝達ブロック２３２側に、閉じた間隙２２６内を横断するメサ段差が形成されている。この力伝達ブロック２３２側のメサ段差が、半導体基板２２２の表面のピエゾ領域２２５の位置に一致しており、力伝達ブロック２３２とピエゾ領域２２５は、この箇所で接している。
力伝達ブロック２３２は、囲繞領域２３４における高さＨ２１２が、ピエゾ領域２２５における高さＨ２１１よりも低く調整されている。したがって、力伝達ブロック２３２の上側面に作用する荷重は、ピエゾ領域２２５に集中して伝達されるので、作用する荷重を高感度に検知することができる。

図６の力伝達ブロック３３２は、図５の一つの変形例と評価できる。この力伝達ブロック３３２は、半導体基板３２２と接合する面（囲繞領域３３４とピエゾ領域３２５のいずれも）に向けて逆末広がりのテーパ状に加工されている。この例では、力伝達ブロック３３２が、囲繞領域３３４の外周輪郭３３３よりも外部に突出して形成されている。外周輪郭３３３側のテーパ面３３１が、その外周輪郭３３３よりも外側に向けて突出している。しかしながら、このテーパ面３３１と半導体基板３２２表面の間隙は十分に広く、この間隙に異物（例えば、粉塵など）が蓄積することはほとんどない。また、本実施例のように、テーパ状に突出している場合は、〔００１５〕で詳細した現象と同様の効果が得られる。即ち、テーパ状に突出している場合は、その突出する部分の重量によって、中心側に荷重が伝達し難くなるという現象は生じず、もとより中心側に集中し易いという、上述した各実施例に特異な現象を得ることができる構造である。なお、このテーパ面３３１と半導体基板３２２表面とのなす角が４５°以上であると、この力伝達ブロック３３２は、上記の効果を確実に得ることができるために好適である。
図６の力検知装置の力伝達ブロック３３２は、囲繞領域３３４における高さＨ３１２が、ピエゾ領域３２５における高さＨ３１１よりも低く調整されている。したがって、力伝達ブロック３３２に作用する荷重は、ピエゾ領域３２５により集中して伝達されるので、作用する荷重を高感度に検知することができる。

図７の力伝達ブロック４３２は、力伝達ブロック４３２と半導体基板４２２との間に、例えばチタン（Ｔｉ）や窒化チタン（ＴｉＮ）を主成分とする金属部材４５２、４５４が介在している例である。金属部材４５２、４５４の材料は、金属に代えて酸化シリコン、窒化シリコンであってもよい。この金属部材４５２は、半導体基板４２２の一部として評価することができる。したがって、力伝達ブロック４３２と半導体基板４２２の接する面は、力伝達ブロック４３２と金属部材４５２が接する面として評価してもよい。
図７に示すように、力伝達ブロック４３２は、囲繞領域４３４における高さＨ４１２が、ピエゾ領域４２５における高さＨ４１１よりも低く調整されている。これにより、力伝達ブロック４３２に作用する荷重は、ピエゾ領域４２５に集中して伝達されるので、作用する荷重を高感度に検知することができる。

次に、段差状の形状異方性で形成される力伝達ブロックを用いた、いくつかの実施例を図８〜図１０に示す。これらの実施例は、メサ段差の形状が、第１実施例のそれとは異なる例である。
（第２実施例） 図８は、第２実施例の力検知装置５１０の平面図を示す。なお、力伝達ブロック５３２の形状は、第１実施例と同様に段差状の形状をしている。図８では、図の明瞭化のため２点破線で示されている。
この実施例のメサ段差５２４は、結晶面（１１０）面のｎ型の半導体基板５２２の表面をメサエッチングして形成されている。このメサ段差５２４は、エッチングされた凹所５２６の残部として形成される。メサ段差５２４の頂面部には、半導体基板５２２と反対導電型のｐ型不純物が導入され、ピエゾ領域５２５が形成されている。ピエゾ領域５２５は、黒色のハッチングによって図示されている。メサ段差５２４は、一対の電極５４２、５４４方向に伸びるとともに、間隙５２６の中心を一巡する円形状に形成されている。このため、円中心に対して対向するメサ段差５２４は実質的に平行であり、そのため、この対向するメサ段差５２４の結晶方向も平行となっている。したがって、一対の電極５４２、５４４間の等価回路は、ピエゾ抵抗効果によって可変する抵抗が並列に構成されていると評価できる。この円形状のメサ段差５２４の構造は、圧縮荷重に対して感度の高い＜１１０＞方向の成分と、感度のない（あるいは小さい）＜１００＞方向の成分の合成となる。そのため、感度は低下するものの２つの可変抵抗の変化量を利用することから、変化量を安定して検知することができる。したがって、力伝達ブロック５３２に作用する荷重の大きさと、抵抗値の変化量の比例関係が極めて線形性を示すことになる。力伝達ブロック５３２に作用する荷重を正確に検知する力伝達装置を得ることができる。

また、この実施例で利用される力伝達ブロック５３２は、囲繞領域５３４の外周輪郭５３３よりも外部に向けて突出して形成されていない。さらに、力伝達ブロック５３２は、囲繞領域５３４における高さが、円形状のメサ段差５２４のピエゾ領域５２５における高さよりも低く調整されている。したがって、この実施例も、力伝達ブロック５３２の上側面に作用する荷重は、円形状のメサ段差５２４のピエゾ領域５２５に集中して伝達されるので、その作用する荷重を高感度に検知することができる。力伝達ブロック５３２に作用する荷重を、正確に、そして高感度に検知することができる。

（第３実施例） 図９に、第３実施例の力検知装置６１０の斜視図を示す。この実施例は、メサ段差６２４ａ、６２４ｂ、６２４ｃ、６２４ｄによってホイーストンブリッジを構成する例である。また、力伝達ブロック６３２の形状は、第１実施例と同様に段差状の形状をしている。
この実施例のメサ段差６２４ａ、６２４ｂ、６２４ｃ、６２４ｄは、結晶面（１１０）面のｎ型の半導体基板６２２の表面をメサエッチングして形成されている。このメサ段差６２４ａ、６２４ｂ、６２４ｃ、６２４ｄは、エッチングされた凹所６２６の残部として形成される。メサ段差６２４ａ、６２４ｂ、６２４ｃ、６２４ｄの頂面部には、半導体基板６２２と反対導電型のｐ型不純物が導入され、ピエゾ領域６２５が形成されている。対向するメサ段差同士（６２４ａと６２４ｂ、６２４ｃと６２４ｄ）の長手方向は平行に伸びている。メサ段差６２４ａ、６２４ｂの長手方向は、メサ段差６２４ｃ、６２４ｄの長手方向と直交しており、各々の結晶方向は＜１１０＞方向と＜１００＞方向である。これにより、メサ段差６２４ａ、６２４ｂ、６２４ｃ、６２４ｄは、正四角形からなるホイーストンブリッジを構成している。この正四角形のそれぞれの角に、電極６４２、６４４、６４６、６４８が接続している。
対角をなす一対の電極６４２、６４６間に一定電流を流すとともに、もう一方の対角をなす一対の電極６４４、６４８間で電圧値を測定する。このような、ホイーストンブリッジで構成されるメサ段差６２４ａ、６２４ｂ、６２４ｃ、６２４ｄを利用すると、力伝達ブロック６３２に作用する荷重の大きさと、抵抗値の変化量との比例関係が極めて線形性を示す。力伝達ブロック６３２に作用する荷重を正確に検知することができる。

また、この実施例で利用される力伝達ブロック６３２は、囲繞領域６３４の外周輪郭６３３を突出して形成されていない。さらに、力伝達ブロック６３２は、囲繞領域６３４における部分の高さは、ホイーストンブリッジで構成されるメサ段差６２４ａ、６２４ｂ、６２４ｃ、６２４ｄのピエゾ領域６２５における高さよりも低く調整されている。したがって、この実施例も、力伝達ブロック６３２の上側面に作用する荷重は、ホイーストンブリッジで構成されるメサ段差６２４に集中して伝達されるので、その作用する荷重を高感度に検知することができる。力伝達ブロック６３２に作用する荷重を、正確に、そして高感度に検知することができる。
図１０は、第３実施例の変形例であり、ホイーンストンブリッジが円形で構成された例である。円中心に対して対向するメサ段差（７２４ａと７２４ｂ、７２４ｃと７２４ｄ）は実質的に平行であり、そのため、この対向するメサ段差（７２４ａと７２４ｂ、７２４ｃと７２４ｄ）の結晶方向は、各々＜１１０＞方向と＜１００＞方向が主成分となっている。したがって、ホイーンストンブリッジとして機能し、第３実施例と同様の作用効果を得ることができる。力伝達ブロック７３２に作用する荷重を、正確に、そして高感度に検知することができる。

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。

第１実施例の力検知装置の斜視図を示す。 第１実施例の各々の線に対応する断面図を示す。 第１実施例の力検知装置の製造工程を示す。 第１実施例の変形例の断面図を示す（１）。 第１実施例の変形例の断面図を示す（２）。 第１実施例の変形例の断面図を示す（３）。 第１実施例の変形例の断面図を示す（４）。 第２実施例の力検知装置の平面図を示す。 第３実施例の力検知装置の斜視図を示す。 第３実施例の変形例の平面図を示す。 従来技術の力検知装置の斜視図を示す。 従来技術の各々の線に対応する断面図を示す。

符号の説明

２２：半導体基板
２４：メサ段差
２５：ピエゾ領域
２６：間隙
３２：力伝達ブロック
３３：力伝達ブロックの外周輪郭
３４：囲繞領域
４２、４４：電極

Claims (7)

1. 半導体基板と、半球と、半導体基板と半球の間に設けられているとともにガラス製の力伝達ブロックを備えており、
   半導体基板の表面の一部の領域に、その領域が歪むと抵抗が変化するピエゾ領域が形成されており、
   力伝達ブロックの下側面は、ピエゾ領域とそのピエゾ領域を囲繞する囲繞領域において、半導体基板の表面に接しており、
   力伝達ブロックは、ピエゾ領域側で高く形成された部分と囲繞領域側で低く形成された部分を有しており、その高く形成された部分の上側面が平面であり、その平面で半球を介して伝達された荷重を受圧しており、
   力伝達ブロックと囲繞領域とが接している箇所の最外周よりも外側には、半導体基板の表面と力伝達ブロックとの間に異物を蓄積する間隙が存在しないことを特徴とする力検知装置。
2. ピエゾ領域と囲繞領域の間の領域の少なくとも一部で、半導体基板と力伝達ブロックの間に間隙が確保されていることを特徴とする請求項１の力検知装置。
3. ピエゾ領域と囲繞領域の間の領域の少なくとも一部で、半導体基板の表面に凹所が形成されていることを特徴とする請求項２の力検知装置。
4. ピエゾ領域と囲繞領域の間の領域の少なくとも一部で、力伝達ブロックの裏面に凹所が形成されていることを特徴とする請求項２の力検知装置。
5. 力伝達ブロックには、ピエゾ領域と囲繞領域の間の領域において、ピエゾ領域側で高く囲繞領域側で低い段差が形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかの力検知装置。
6. 力伝達ブロックの側壁は、力伝達ブロックと囲繞領域とが接している箇所の最外周から半導体基板の表面と直交する方向に伸びていることを特徴とする請求項１から５のいずれかの力検知装置。
7. 半導体ウエハの表面に、ピエゾ抵抗効果を有するピエゾ領域とそのピエゾ領域に導通する電極で構成される単位素子構造を、格子状に複数個を作り込む工程と、
   前記単位素子構造間の間隙を通過する格子状の溝が裏面側に形成されている板材を用意する工程と、
   その板材の裏面を半導体ウエハの表面に接合する工程と、
   その板材の裏面側の格子状の溝に対応する表面側の格子状の線に沿って、その板材の表面側から裏面側の溝に達する深さを持ち、裏面側の溝よりも広い幅を持つ格子状の溝を形成する工程を備えている力検知装置の製造方法。

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