JP4952202B2 - 力検知装置 - Google Patents

Description

本発明は、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。

メサ段差を利用する力検知装置が知られている。この種の力検知装置は、表面にメサ段差が形成されている半導体基板と、そのメサ段差に接しているブロックを備えている。メサ段差は、ピエゾ抵抗効果が現れる結晶方向に伸びており、そのメサ段差に不純物導入領域が形成されている。ブロックに荷重が加わり、その荷重がブロックを介してメサ段差に伝わると、メサ段差には荷重に応じた圧縮応力が加わる。この結果、メサ段差に形成されている不純物導入領域の抵抗値が変化する。この抵抗値の変化を電圧変化として取り出すことによって、ブロックに加わった荷重の大きさを検知することができる。

特許文献１には、外部から封止されたメサ段差を有する力検知装置が開示されている。本明細書では、外部から封止されたメサ段差を「封止型のメサ段差」という。図１９に、特許文献１の力検知装置２００の断面図を模式的に示す。力検知装置２００は、ｐ型の不純物を含むシリコン基板２２２と絶縁層２２３とｐ型の不純物を含むシリコン層２２４が積層している半導体基板２２０（SOI基板）を備えている。シリコン層２２４には溝が形成されており、その溝内にメサ段差２２６が収められている。メサ段差２２６は、ｐ型の不純物を含んでおり、不純物導入領域でもある。力検知装置２００はさらに、半導体基板２２０に接合しているブロック２５０を備えている。ブロック２５０は、裏面に形成されている絶縁性の接合層２５１とｐ型の不純物を含むシリコン基板２５２を備えている。ブロック２５０は、メサ段差２２６の頂面と溝の周囲のシリコン層２２４の表面に接合している。これにより、力検知装置２００は、メサ段差２２６がブロック２５０によって外部から封止された形態を備えている。

力検知装置２００では、メサ段差２２６の一端に電極２２７が形成されている。その電極２２７は、ブロック２５０の接合層２５１を貫通して形成されている取り出し電極２５４及びシリコン基板２５２を介してブロック２５０の表面に形成されている表面電極２５３に電気的に接続している。メサ段差２２６の他端は、絶縁層２２３を貫通して形成されている電極２２５及びシリコン基板２２２を介して半導体基板２２０の裏面に形成されている裏面電極２２１に電気的に接続している。力検知装置２００では、ワイヤボンディングを利用しないで、メサ段差２２６の不純物導入領域が表面電極２５３と裏面電極２２１を介して外部電流源と電気的に接続することができる。このため、力検知装置２００は、ワイヤボンディングを利用しないので振動環境に強い。

特開２００４−３８９０号公報

図２０に、力検知装置２００の要部拡大断面図を模式的に示す。図２０は、電極２２７の近傍を示している。図２０に示すように、ブロック２５０とシリコン層２２４の間には、電極２２７の厚みに応じた空間が存在している。ブロック２５０とシリコン層２２４は、電極２２７から距離Ｌ２００だけ離れていれば、ブロック２５０が変形することによって接合することができる。このため、距離Ｌ２００の範囲内に存在するメサ段差２２６には、ブロック２５０が接触していないので、ブロック２５０を介して圧縮応力が加わらない。一方、距離Ｌ２００の範囲外に存在するメサ段差２２６には、ブロック２５０が接触しているので、ブロック２５０を介して圧縮応力が加わる。

製造される力検知装置２００毎の電極２２７の厚みが一定であれば、距離Ｌ２００も一定となり、ブロック２５０とメサ段差２２６が接する面積も一定となる。この場合、ブロック２５０に加わる荷重に対してメサ段差２２６に加わる圧縮応力が力検知装置２００毎に一定となり、出力も一定となる。製造される力検知装置２００毎の電極２２７の厚みが一定であれば、力検知装置２００毎の特性が安定する。
一般的に、電極２２７の厚みの差は僅かなものであり、力検知装置２００の特性に与える影響は小さい。したがって、電極２２７の厚みの差を考慮しなくても力検知装置２００を利用可能な場面も多い。しかしながら、より高精度に力を検知したいという要求もあり、この場合は電極２２７の厚みの差さえも考慮することが望まれる。さらに、力検知装置２００の小型化が進むと、電極２２７の厚みの差の影響が相対的に大きくなり、電極２２７の厚みの差も考慮することが望まれる。
本発明は、所望の特性を安定して得ることができる力検知装置を提供することを目的としている。

本明細書で開示される技術は、不純物導入領域の一端をメサ段差の端部から離れて形成することを特徴としている。不純物導入領域の一端をメサ段差の端部から離れて形成することによって、ブロックと不純物導入領域の一端の間に空間が形成されたとしても、ブロックはメサ段差の頂面の全体に接することができる。メサ段差は圧縮応力が相対的に強く加わる領域であり、メサ段差以外の領域は圧縮応力が相対的に弱く加わる領域である。本明細書で開示される技術によると、ブロックとメサ段差の頂面の全体が確実に接することによって、圧縮応力が相対的に強く加わる領域を確実に利用することができる。一方、不純物導入領域の一端は、圧縮応力が相対的に弱く加わる領域に位置している。したがって、ブロックと不純物導入領域の一端の間に空間が形成され、ブロックと不純物導入領域の接する面積が変動したとしても、不純物導入領域の抵抗値の変化における影響を小さくすることができる。本明細書で開示される力検知装置は、所望の特性を安定して得ることができる。

即ち、本明細書で開示される力検知装置は、表面に溝が形成されており、その溝を横断する横断メサ段差が形成されており、そのメサ段差を通過してメサ段差と溝の境界を越えて伸びている不純物導入領域が形成されている半導体基板を備えている。力検知装置はさらに、少なくとも溝の周囲に位置する半導体基板の表面とその表面に露出している不純物導入領域の一端に当接して溝を封止しているブロックを備えている。力検知装置はさらに、半導体基板の裏面に形成されている裏面電極を備えている。半導体基板は、不純物導入領域の他端以外を取り囲むことによってその不純物導入領域の他端以外を周囲から電気的に分離しているウェル領域を有している。不純物導入領域の一端は、ブロックを介して外部電流源と電気的に接続することができる。ウェル領域に取り囲まれていない不純物導入領域の他端は、半導体基板を介して裏面電極に電気的に接続されている。ブロックを介して外部電流源と電気的に接続するためには、ブロックの少なくとも一部に導電性の領域が形成されているのが好ましい。例えば、メサ段差と絶縁された状態でブロック全体が導電性であってもよく、ブロック全体が絶縁性で不純物導入領域の一端と電気的に接続する導電性の領域を一部に有していてもよい。また、半導体基板とブロックは、直接的に接合していてもよく、他の部材を介して間接的に接合していてもよい。
上記の力検知装置では、メサ段差が溝を横断して形成されている。さらに、そのメサ段差を通過して不純物導入領域が形成されている。したがって、不純物導入領域は、メサ段差と溝の境界から側方に張り出して形成されている。このため、メサ段差の端部と不純物導入領域の一端の間には距離が確保されている。上記の力検知装置では、溝の周囲に位置する半導体基板の表面と不純物導入領域の一端に当接してブロックが溝を封止している。このため、ブロックと不純物導入領域の一端の間に空間が形成されたとしても、その空間はメサ段差と溝の境界から不純物導入領域の一端の間の距離内に留まることができる。したがって、ブロックは、メサ段差の頂面の全体に接することができる。この結果、不純物導入領域の抵抗値の変化における空間の影響を小さくすることができる。本明細書で開示される力検知装置は、所望の特性を安定して得ることができる。また、この力検知装置では、外部電流源と表面側からの電気的な接続はブロックを介して実現することができ、外部電流源との裏面側からの電気的な接続は裏面電極を利用して実現することができる。外部電流源は、ワイヤボンディングを利用しないで、不純物導入領域の両端に電気的に接続することができる。この接続方法は、力検知装置の水平方向で外部電流源と電気的に接続する場合に比して、力検知装置を小型化することができる。

本明細書で開示される力検知装置では、メサ段差と溝の境界から一端までの不純物導入領域の少なくとも一部の幅が、メサ段差に形成されている不純物導入領域の幅よりも広いことが好ましい。
メサ段差と溝の境界から側方に張り出している不純物導入領域は、圧縮応力が相対的に弱く加わる領域であるとともに、ブロックとの間に空間が形成されたときはブロックとの間の接触面積が変動する領域でもある。したがって、メサ段差と溝の境界から側方に張り出している不純物導入領域は、その抵抗値が小さいのが望ましい。上記の力検知装置では、メサ段差と溝の境界から側方に張り出している不純物導入領域の幅を大きくすることによって、その領域の抵抗値を低減している。この結果、不純物導入領域の抵抗値の変化における空間の影響をさらに小さくすることができる。

本明細書で開示される力検知装置では、ブロックが絶縁性材料で形成されているのが好ましい。さらに、ブロックは、表面から裏面まで貫通しているとともに不純物導入領域の一端と電気的に接続している導電体領域を有しているのが好ましい。
上記の力検知装置によると、不純物導入領域の一端と外部電流源の電気的な接続は、ブロックの表面に露出している導電体領域を利用して実現することができる。ブロックの表面に露出している導電体領域は、簡単な構成の接続方法で電気的な接続を実現することができる。導電体領域を利用すれば、ワイヤボンディングを利用しないで外部電流源から電力を容易に供給することができる。

ウェル領域を有する力検知装置では、不純物導入領域と半導体基板に第１導電型の不純物が導入されており、ウェル領域が第２導電型の不純物が導入された半導体領域であることが好ましい。
この力検知装置によると、不純物導入領域とウェル領域の間にはｐｎ接合が形成され、不純物導入領域の他端以外がウェル領域によって周囲から電気的に分離される。ウェル領域に取り囲まれていない不純物導入領域の他端は、半導体基板と接している。不純物導入領域と半導体基板が同一導電型であるので、不純物導入領域の他端は、半導体基板を介して裏面電極と電気的に接続することができる。

本明細書で開示される力検知装置では、ブロックが、半導体基板の表面全体に接合していることが好ましい。
この力検知装置によると、ブロックと半導体基板の表面が接合する面積を最大で確保することができ、ブロックと半導体基板の接合力を向上させることができる。その一方で、力検知装置の検知感度は、顕著に悪化しない。この力検知装置によると、検知感度を顕著に悪化させないで、ブロックと半導体基板の接合力を向上させることができる。

本明細書で開示される技術によると、所望の特性を安定して得ることができる力検知装置を提供することができる。

本発明の好ましい特徴を列記する。
（第１特徴） 溝を横断するメサ段差は１つであるのが好ましい。
（第２特徴） 第１特徴において、溝の平面形状は円形であり、その円形の溝内をメサ差が横断しているのが好ましい。
（第３特徴） ブロックには、接合を利用できる材料が用いられるのが好ましい。陽極接合の場合には、ブロックの材料にパイレックス（登録商標）ガラス、テンパックス等が用いられるのが好ましい。

（参考例）
図１に、力検知装置１０の斜視図を模式的に示す。図２に、図１のII-II線の縦断面図を模式的に示す。図３に、図１のIII-III線の縦断面図を模式的に示す。
力検知装置１０は、ｎ型の不純物を含む単結晶シリコンの半導体基板２０を備えている。半導体基板２０に含まれるｎ型の不純物濃度は、約1×10¹⁴〜1×10¹⁷cm^-3である。半導体基板２０の表面には、酸化シリコンの絶縁層３０が形成されている。半導体基板２０の表面には、矩形状の溝４０が形成されている。溝４０は、絶縁層３０の厚みよりも深く形成されている。溝４０は、エッチング技術を利用して半導体基板２０の表面に形成することができる。溝４０は、隣接する分散溝４２、４４によって構成されており、その分散溝４２と分散溝４４の間にメサ段差２４が形成されている。メサ段差２４は、溝４０を横断して伸びている。分散溝４２と分散溝４４は、メサ段差２４を対称軸とする線対称な形状を有している。半導体基板２０の表面は（１１０）面である。メサ段差２４は、ピエゾ抵抗効果が大きく現れる＜１１０＞方向に伸びている。

半導体基板２０の表面には、不純物導入領域２２が形成されている。不純物導入領域２２は、ｐ型の不純物を含んでいる。不純物導入領域２２に含まれるｐ型の不純物濃度は、約1×10¹⁸又は1×10²⁰cm^-3に調整されている。不純物導入領域２２は、ｎ型の半導体基板２０と反対導電型である。したがって、不純物導入領域２２と半導体基板２０は、電気的に絶縁されている。不純物導入領域２２は、メサ段差２４を通過して溝４０を横断している。不純物導入領域２２は、メサ段差２４と溝４０の境界から側方に大きく張り出して形成されている。さらに、不純物導入領域２２は、メサ段差２４から側方に張り出している部分で幅広に形成されている。
図２に示すように、不純物導入領域２２の一端は、第１コンタクト領域３２に電気的に接続している。第１コンタクト領域３２は、絶縁層３０を貫通して絶縁層３０の表面に露出している。さらに、不純物導入領域２２の他端は、第２コンタクト領域３４に電気的に接続している。第２コンタクト領域３４は、絶縁層３０を貫通して絶縁層３０の表面に露出している。第１コンタクト領域３２と第２コンタクト領域３４には、アルミニウムが用いられている。

力検知装置１０はさらに、絶縁性のブロック５０を備えている。ブロック５０は、溝４０、第１コンタクト領域３２及び第２コンタクト領域３４を被覆して半導体基板２０の表面に絶縁層３０を介して間接的に接合している。ブロック５０は、半導体基板２０の表面全体に接合している。ブロック５０は、絶縁層３０に陽極接合している。ブロック５０には、ガラスブロックが用いられている。メサ段差２４の頂面を被覆している絶縁層３０の表面と溝４０の周囲の半導体基板２０の表面を被覆している絶縁層３０の表面は、同一面内である。このため、ブロック５０は、メサ段差２４を外部から封止した状態で半導体基板２０の表面に絶縁層３０を介して接合することができる。

ブロック５０には、表面から裏面まで貫通しているとともに、第１コンタクト領域３２に接する第１導電体領域５２が形成されている。第１導電体領域５２は、第１コンタクト領域３２を介して不純物導入領域２２の一端と電気的に接続している。ブロック５０にはさらに、表面から裏面まで貫通しているとともに、第２コンタクト領域３４に接する第２導電体領域５４が形成されている。第２導電体領域５４は、第２コンタクト領域３４を介して不純物導入領域２２の他端と電気的に接続している。第１導電体領域５２及び第２導電体領域５４には、低い熱膨張係数を有するコバールが用いられている。

ここで、絶縁層３０とブロック５０を陽極接合する方法に関して説明する。
図４には、陽極接合を実施する前の段階が示されている。図４に示すように、第１コンタクト領域３２と第２コンタクト領域３４は、絶縁層３０に形成されている貫通孔よりも幅狭で貫通孔から突出した状態で形成されている。次に、ブロック５０を絶縁層３０の表面に接触させると、第１コンタクト領域３２と第２コンタクト領域３４は押し圧され、貫通孔内を伸展する。第１コンタクト領域３２と第２コンタクト領域３４の材料はアルミニウムであり、柔らかい。この結果、図２に示すように、第１コンタクト領域３２と第２コンタクト領域３４は、絶縁層３０の貫通孔内に充填された状態になる。次に、高温下において、ブロック５０と半導体基板２０の間に高静電界を印加する。これにより、ブロック５０と絶縁層３０の間には共有結合が形成され、ブロック５０と絶縁層３０が強固に接合される。

図３及び図４に示すように、第１コンタクト領域３２と第２コンタクト領域３４は、押し圧された後に、絶縁層３０の貫通孔に収まるように形成されているのが望ましい。しかし、図５及び図６に示すように、第１コンタクト領域３２と第２コンタクト領域３４は、製造公差によって絶縁層３０に形成されている貫通孔よりも幅狭で貫通孔から突出した状態で形成できないときが発生する。この場合、図６に示すように、絶縁層３０とブロック５０を陽極接合したときに、絶縁層３０とブロック５０の間に空間が形成されてしまう。

力検知装置１０では、不純物導入領域２２がメサ段差２４と溝４０の境界から側方に大きく張り出しているので、メサ段差２４の端部と第１コンタクト領域３２の間に水平方向の距離Ｄ２０が確保されている。同様に、メサ段差２４の端部と第２コンタクト領域３４の間にも水平方向の距離Ｄ２０が確保されている。このため、絶縁層３０とブロック５０の間に空間が形成されたとしても、その空間は距離Ｄ２０内に留まることができる。したがって、力検知装置１０では、絶縁層３０とブロック５０の間に空間が形成されたとしても、ブロック５０はメサ段差２４の頂面の全体に接することができる。メサ段差２４は、圧縮応力が相対的に強く加わる領域である。一方、メサ段差２４の端部から側方の領域は、圧縮応力が相対的に弱く加わる領域である。このため、力検知装置１０では、ブロック５０とメサ段差２４の頂面の全体が確実に接することによって、圧縮応力が相対的に強く加わる領域を確実に利用することができる。一方、絶縁層３０とブロック５０の間に空間され、ブロック５０が接する面積が変動する領域は、圧縮応力が相対的に弱く加わる領域である。したがって、ブロック５０が接する面積が変動したとしても不純物導入領域２２の抵抗値の変化における影響が小さい。さらに、その領域の不純物導入領域２２の幅が大きく形成されているので、その領域の抵抗値が低減されており、不純物導入領域２２の抵抗値の変化における空間の影響がさらに低減されている。
この結果、力検知装置１０は、絶縁層３０とブロック５０の間の空間の影響を排除することができ、製造毎に均一な特性を得ることができる。

なお、絶縁層３０とブロック５０を接合する方法は、以下のような陽極接合による方法を利用してもよい。図７には、陽極接合を実施する前の段階が示されている。図８には、陽極接合を実施した後の段階が示されている。図７に示すように、ブロック５０の第１導電体領域５２の裏面に第１接触層５２ａが形成されており、第２導電体領域５４の裏面に第２接触層５４ａが形成されている。第１接触層５２ａ及び第２接触層５４ａの材料には、アルミニウムを主とした金属が用いられている。この方法を利用すると、第１接触層５２ａと第１コンタクト領域３２の間の接触抵抗及び第２接触層５４ａと第２コンタクト領域３４の間の接触抵抗が減少する。したがって、第１導電体領域５２と不純物導入領域２２の一端が電気的に良好に接続し、第２導電体領域５４と不純物導入領域２２の他端が電気的に良好に接続することができる。

力検知装置１０は、図９に示す状態で金属ハーメ端子６０に固定され、図１０に示す状態で内燃機関内に設置される。
図９に示すように、力検知装置１０は、ブロック５０を下向きにして金属ハーメ端子６０に固定されている。ブロック５０と金属ハーメ端子６０は、接着剤６６を利用して固定されている。ブロック５０と金属ハーメ端子６０は、接合を利用して固定されていてもよい。ブロック５０と金属ハーメ端子６０は、陽極接合を利用して固定されていてもよい。金属ハーメ端子６０の材料には、低膨張金属を用いるのが好ましく、ここではコバールが用いられている。
金属ハーメ端子６０は、表面から裏面まで貫通している一対の封入ガラス６３を備えている。正極ピン６２は、一方の封入ガラス６３の表面から裏面まで貫通して形成されている。負極ピン６４は、他方の封入ガラス６３の表面から裏面まで貫通して形成されている。正極ピン６２は、ブロック５０の第１導電体領域５２に電気的に接続している。負極ピン６４は、ブロック５０の第２導電体領域５４に電気的に接続している。正極ピン６２と第１導電体領域５２、及び負極ピン６４と第２導電体領域５４の電気的な接続は、はんだ、導電性接着剤などを利用することができる。あるいは、正極ピン６２と第１導電体領域５２、及び負極ピン６４と第２導電体領域５４の電気的な接続は、単に物理的に接触しているだけでもよい。

図１０に示すように、金属ハーメ端子６０に固定された力検知装置１０は、内燃機関の隔壁７０の貫通孔に配置される。力検知装置１０は、内燃機関内に臨むように隔壁７０の貫通孔に配置される。
図１０に示すように、金属ハーメ端子６０は、隔壁７０の貫通孔の内壁に形成された段差面７１を利用して貫通孔内に狭持される。ハーメ固定ネジ７４は、その外面に形成されたネジ部７２を利用して貫通孔の内壁に螺嵌され、金属ハーメ端子６０を内燃機関内の方向に向けて押し込んでいる。
図１０に示すように、正極リード線６６は、正極ピン６２の端部からハーメ固定ネジ７４の中空内を通過してハーメ固定ネジ７４の外にまで伸びている。負極リード線６８は、負極ピン６４の端部からハーメ固定ネジ７４の中空内を通過してハーメ固定ネジ７４の外にまで伸びている。

図９及び１０に示すように、ブロック５０を貫通して第１導電体領域５２が形成されていると、不純物導入領域２２の一端と外部電流源の電気的な接続は、第１導電体領域５２、正極ピン６２及び正極リード線６６を介して実現することができる。さらに、ブロック５０を貫通して第２導電体領域５４が形成されていると、不純物導入領域２２の他端と外部電流源の電気的な接続は、第２導電体領域５４、負極ピン６４及び負極リード線６８を介して実現することができる。ブロック５０を貫通している第１導電体領域５２と第２導電体領域５４を利用すれば、ワイヤボンディングを利用しないで外部電流源から不純物導入領域２２に対して電力を容易に供給することができる。

次に、力検知装置１０の動作を説明する。内燃機関内の燃焼圧が増加すると、半導体基板２０の裏面に圧力が作用する。金属ハーメ端子６０には固い材料が用いられているので、半導体基板２０のメサ段差２４に圧縮応力が作用し、メサ段差２４の不純物領域２２の抵抗値が増大する。力検知装置１０では、正極リード線６６及び負極リード線６８の間に定電流を供給しているので、正極リード線６６及び負極リード線６８の間の電圧値は、メサ段差２４の不純物領域２２の抵抗値の増大に応じて増大する。この結果、内燃機関内の燃焼圧の大きさは、正極リード線６６及び負極リード線６８の間の電圧値から換算することができる。

ここで、力検知装置１０の特異な性質に関して説明する。
図１１に、ブロック５０と絶縁層３０の接合面積比に対する検知感度の比を表す。なお、ここでいう感度とは、作用する力に対する電圧値の変動量をいう。図中符号１０は、参考例の力検知装置１０の結果である。図中１１は比較例の力検知装置の結果である。比較例の力検知装置は、半導体基板の表面に凸状のメサ段差が形成され、その周囲に形成された支柱を介してブロックと接触している形態である。支柱は、メサ段差の周囲を一巡しておらず、メサ段差を外部から封止していない。なお、接合比が「１」の結果は、参考例の力検知装置１０と比較例の力検知装置の接合面積が同一の場合を示している。
図１１に示すように、接合面積が同一の場合、参考例の力検知装置１０は、比較例の力検知装置よりも高感度である。さらに、接合面積が増加した場合、参考例の力検知装置１０の感度比は直線的に減少するのに対し、比較例の力検知装置の感度比は逆比例の関係で減少する。したがって、接合面積を増加させた場合、参考例の力検知装置１０の感度は、比較例の力検知装置よりも顕著に悪化しない。
この結果から、封止型のメサ段差２４を有する力検知装置１０は、接触面積を大きく確保しても、検知感度が顕著に悪化しないという特徴を備えていると評価できる。換言すれば、封止型のメサ段差２４を有する力検知装置１０は、検知感度が顕著に悪化させないで、ブロック５０と絶縁層３０の接合力を向上させることができる。

図１２に、力検知装置１０の分散溝４２、４４の幅（メサ段差２４の長手方向に直交する方向の幅）に対する検知感度の比を表す。ここで、図３に示すように、分散溝４２の幅Ｗ４２と分散溝４４の幅Ｗ４４は同一の大きさである。
図１２に示すように、分散溝４２、４４の幅Ｗ４２、Ｗ４４と感度比の間には、ほぼ直線的な関係が存在している。力検知装置１０では、図１に示すように、ブロック５０と半導体基板２０は、溝４０の側方において広い面積で接合しており、分散溝４２、４４の幅Ｗ４２、Ｗ４４を変化させても接合面積はそれほど変化しない。しかし、図１２に示すように、分散溝４２、４４の幅Ｗ４２、Ｗ４４を変化させると、感度は変化する。即ち、分散溝４２、４４の幅Ｗ４２、Ｗ４４を大きくすることによって、接合面積を十分に確保しながら、感度を向上させることができる。換言すると、半導体基板２０の表面のうち、メサ段差２４の長手方向に直交する方向は検知感度に敏感であり、メサ段差２４の長手方向であって溝４０の側方は検知感度に鈍感である。力検知装置１０は、その特性を有効に利用しており、メサ段差２４の長手方向に直交する方向に分散溝４２、４４を形成し、メサ段差２４の長手方向であって溝４０の側方にブロック５０と接合するために大面積を確保している。この結果、力検知装置１０は、高い検知感度と強い接合力を兼ね備えた特性を有することができる。

以下、力検知装置１０を固定する他の方式を説明する。
図１３に、固定基板８０を利用した力検知装置１０の固定方式１２を示す。図１３（Ａ）は縦断面図であり、図１３（Ｂ）は平面図（但し、力検知装置１０が存在している範囲を破線で示す）であり、図１３（Ｃ）は底面図（但し、力検知装置１０が存在している範囲を破線で示す）である。なお、図１３（Ａ）の縦断面図は、図１３（Ｂ）のA-A線に対応している。
この固定方式１２では、力検知装置１０は、ブロック５０を下向きにして固定基板８０の表面に固定されている。固定基板８０の表面には第１端子８６が形成されている。第１端子８６は、ブロック５０の第１導電体領域５２と電気的に接続している。第１端子８６の材料には、銅又はニッケルが用いられている。
半導体基板８０の裏面には第２端子８４が形成されている。半導体基板８０にはさらに、表面から裏面まで貫通している貫通導電体領域８３が形成されている。その貫通導電体領域８３の表面には、コンタクト端子８２が形成されている。第２端子８４は、その貫通導電体領域８３及びコンタクト端子８２を介してブロック５０の第２導電体領域５４と電気的に接続している。第２端子８４の材料には、銅、ニッケル又ははんだ等が用いられている。コンタクト端子８２には、銅又はニッケルが用いられている。
力検知装置１０と固定基板８０の固定は、第１端子８６と力検知装置１０の間のはんだ付け、及びコンタクト端子８２力検知装置１０の間のはんだ付けが利用されている。なお、力検知装置１０と固定基板８０の固定は、電気的な接続部に導電性の半田や接着剤を利用してもよい。

固定基板８０には、圧力導入孔８５が形成されている。力検知装置１０は、その圧力導入孔８５を覆うように半導体基板８０の表面に固定されている。圧力導入孔８５を介して圧力を導入することによって、力検知装置１０にはあらゆる方向から圧力を印加することができる。力検知装置１０の感度をより向上させることができる。
固定方式１２の場合も同様に、ブロック５０を貫通して第１導電体領域５２が形成されているので、不純物導入領域２２の一端と外部電流源の電気的な接続は、第１導電体領域５２と第１端子８６を介して実現することができる。さらに、ブロック５０を貫通して第２導電体領域５４が形成されているので、不純物導入領域２２の他端と外部電流源の電気的な接続は、第２導電体領域５４、コンタクト端子８２、貫通導電体領域８３及び第２端子８４を介して実現することができる。ブロック５０を貫通している第１導電体領域５２と第２導電体領域５４を利用すれば、ワイヤボンディングを利用しないで外部電流源から不純物導入領域２２に対して電力を容易に供給することができる。

図１４に、他の固定方式１３を示す。
この固定方式１３では、力検知装置１０の第１導電体領域５２に正極リード９２が固定されている。さらに、力検知装置１０の第２導電体領域５４に負極リード９４が固定されている。第１導電体領域５２と正極リード９２、及び第２導電体領域５４と負極リード９４の固定は、はんだが利用されている（図示しないが、はんだは破線の範囲に融着されている）。なお、第１導電体領域５２と正極リード９２、及び第２導電体領域５４と負極リード９４の固定は、導電性の接着剤を利用してもよい。
この固定方式１３では、力検知装置１０の全体がコート剤で被覆されている（図示しない）。コート剤の材料には、シリコン系材料又はフッ素系材料が用いられる。正極リード９２の一部、及び負極リード９４の一部は、そのコート剤から外に伸びている。

固定方式１３の場合も同様に、ブロック５０を貫通して第１導電体領域５２が形成されているので、不純物導入領域２２の一端と外部電流源の電気的な接続は、第１導電体領域５２と正極リード９２を介して実現することができる。さらに、ブロック５０を貫通して第２導電体領域５４が形成されているので、不純物導入領域２２の他端と外部電流源の電気的な接続は、第２導電体領域５４と負極リード９４を介して実現することができる。ブロック５０を貫通している第１導電体領域５２と第２導電体領域５４を利用すれば、ワイヤボンディングを利用しないで外部電流源から不純物導入領域２２に対して電力を容易に供給することができる。

（実施例）
図１５に、力検知装置１００の斜視図を模式的に示す。図１６に、図１５のXVI-XVI線の縦断面図を模式的に示す。
力検知装置１００は、ｐ型の不純物を含む単結晶シリコンの半導体基板１２０を備えている。半導体基板１２０に含まれるｐ型の不純物濃度は、約1×10¹⁸又は1×10²⁰cm^-3に調整している。半導体基板１２０の表面には、酸化シリコンの絶縁層１３０が形成されている。半導体基板１２０の表面には、円形状の溝１４０が形成されている。溝１４０は、絶縁層１３０の厚みよりも深く形成されている。溝１４０は、エッチング技術を利用して半導体基板１２０の表面に形成することができる。溝１４０は、隣接する分散溝１４２と分散溝１４４で構成されており、その分散溝１４２と分散溝１４４の間にメサ段差１２４が形成されている。分散溝１４２と分散溝１４４は、メサ段差１２４を対称軸とする線対称な形状を有している。力検知装置１００では、分散溝１４２、１４４の側面において、溝１４０を平面視したときに多角形の項点に相当するコーナー部が形成されていない。したがって、溝１４０の周囲の半導体基板１２０とブロック１５０が、幾何学的に安定した状態で接合している。この結果、ブロック１５０に作用する荷重とメサ段差１２４の圧縮応力の間の比例関係が向上する。半導体基板２０の表面は（１１０）面である。メサ段差１２４は、ピエゾ抵抗効果が大きく現れる＜１１０＞方向に伸びている。

半導体基板１２０の表面には、不純物導入領域１２２が形成されている。不純物導入領域１２２は、ｐ型の不純物を含んでいる。不純物導入領域１２２に含まれるｐ型の不純物濃度は、約1×10¹⁴〜1×10¹⁷cm^-3である。不純物導入領域１２２は、メサ段差１２４を通過して溝１４０を横断している。不純物導入領域１２２の一端は、メサ段差１２４と溝１４０の境界から側方に大きく張り出して形成されている。なお、不純物導入領域１２２の一端は、メサ段差１２４と溝１４０の境界から側方に張り出している部分で幅広に形成されていてもよい。不純物導入領域１２２の一端は、第１コンタクト領域１３２に電気的に接続している。第１コンタクト領域１３２は、絶縁層１３０を貫通して絶縁層１３０の表面に露出している。このため、不純物導入領域１２２の一端がメサ段差１２４と溝１４０の境界から側方に大きく張り出しているので、メサ段差１２４の端部と第１コンタクト領域１３２の間に水平方向の距離が確保されている。したがって、ブロック２５０が接する面積が変動したとしても不純物導入領域１２２の抵抗値の変化における影響が小さい。

半導体基板１２０にはさらに、ウェル領域１２８が形成されている。ウェル領域１２８は、不純物導入領域１２２の一部以外を取り囲んでいる。ウェル領域１２８には、ｎ型の不純物が導入されている。ウェル領域１２８に含まれるｎ型の不純物濃度は、約1×10¹⁵〜1×10¹⁸cm^-3である。したがって、不純物導入領域１２２とウェル領域１２８の間にはｐｎ接合が形成され、不純物導入領域１２８の一部以外がウェル領域１２８によって周囲から電気的に分離される。ウェル領域１２８に取り囲まれていない不純物導入領域１２２の一部は、半導体基板１２０と接している。不純物導入領域１２２と半導体基板１２０が同一のｐ型であるので、不純物導入領域１２２の一部と半導体基板１２０は電気的に接続している。

力検知装置１００は、半導体基板１２０の裏面に形成されている裏面電極１２６を備えている。裏面電極１２６の材料には、アルミニウム又はニッケルが用いられている。裏面電極１２６は、半導体基板１２０の裏面全体に形成され、半導体基板１２０と電気的に接続している。この結果、不純物導入領域１２２の一部は、半導体基板１２０を介して裏面電極１２６と電気的に接続している。

力検知装置１００はさらに、絶縁性のブロック１５０を備えている。ブロック１５０は、溝１４０と第１コンタクト領域１３２を被覆して半導体基板１２０の表面に絶縁層１３０を介して間接的に接合している。ブロック１５０は、半導体基板１２０の表面全体に接合している。ブロック１５０は、絶縁層１３０に陽極接合している。ブロック１５０には、ガラスブロックが用いられている。メサ段差１２４の頂面を被覆している絶縁層１３０の表面と溝１４０の周囲の半導体基板１２０の表面を被覆している絶縁層１３０の表面は、同一面内である。このため、ブロック１５０は、メサ段差１２４を外部から封止した状態で半導体基板１２０の表面に絶縁層１３０を介して接合することができる。

ブロック１５０には、表面から裏面まで貫通しているとともに、第１コンタクト領域１３２に接する第１導電体領域１５２が形成されている。第１導電体領域１５２は、第１コンタクト領域１３２を介して不純物導入領域１２２の一端と電気的に接続している。第１導電体領域１５２には、低い熱膨張係数を有するコバールが用いられている。
力検知装置１００にはさらに、ブロック１５０の表面に形成されている表面電極１５６を備えている。表面電極１５６の材料には、アルミニウム又はニッケルが用いられている。表面電極１５６は、ブロック１５０の表面全体に形成されており、第１導電体領域１５２と電気的に接続している。

力検知装置１００では、ブロック１５０の表面に表面電極１５６が形成されており、半導体基板１２０の裏面に裏面電極１２６が形成されている。不純物導入領域１２２は、この表面電極１１５６と裏面電極１２６の間に電気的に接続されている。外部電流源は、ワイヤボンディングを利用しないで、表面電極１１５６と裏面電極１２６に電気的に接続することができる。この接続方法は、力検知装置１００の水平方向で外部電流源と電気的に接続する場合に比して、力検知装置１００を小型化することができる。

力検知装置１００は、図１７に示す状態でダイアフラム１６０に固定される。
図１７に示すように、力検知装置１００は、ダイアフラム１６０の内部に狭持されている。なお、力検知装置１００は、はんだを介してダイアフラム１６０に固定されていてもよい。
ダイアフラム１６０は、正極端子１６２と負極端子１６４を備えている。正極端子１６２と負極端子１６４は、絶縁分離されている。正極端子１６２は、力検知装置１００の裏面電極１２６に電気的に接続している。負極端子１６４は、ダイアフラム１６０の側壁１６３、薄層部１６５及び厚層部１６７を介して力検知装置１００の表面電極１５６に電気的に接続している。

図１７に示すように、力検知装置１００が表面電極１５６と裏面電極１２６を備えていると、不純物導入領域１２２の一端と外部電流源の電気的な接続は、表面電極１５６、ダイアフラム１６０及び負極端子１６４を介して実現することができる。さらに、不純物導入領域１２２の他端と外部電流源の電気的な接続は、裏面電極１２６及び正極端子１６２を介して実現することができる。表面電極１５６と裏面電極１２６を利用すれば、ワイヤボンディングを利用しないで外部電流源から不純物導入領域１２２に対して電力を容易に供給することができる。

図１８に、他の固定方式１１０を示す。
この固定方式１１０では、力検知装置１００の裏面電極１２６に正極リード１９２が固定されている。さらに、力検知装置１００の表面電極１５６に負極リード１９４が固定されている。裏面電極１２６と正極リード１９２、及び表面電極１５６と負極リード１９４の固定は、はんだが利用されている（図示しないが、はんだは破線の範囲に溶着されている）。なお、裏面電極１２６と正極リード１９２、及び表面電極１５６と負極リード１９４の固定は、導電性の接着剤を利用してもよい。
この固定方式１１０では、力検知装置１００の全体がコート剤で被覆されている（図示しない）。コート剤の材料には、シリコン系材料又はフッ素系材料が用いられる。正極リード１９２の一部、及び負極リード１９４の一部は、そのコート剤から外に伸びている。

固定方式１１０の場合も同様に、不純物導入領域１２２の一端と外部電流源の電気的な接続は、表面電極１５６及び負極リード１９４を介して実現することができる。さらに、不純物導入領域１２２の他端と外部電流源の電気的な接続は、裏面電極１２６及び正極リード１９２を介して実現することができる。表面電極１５６と裏面電極１２６を利用すれば、ワイヤボンディングを利用しないで外部電流源から不純物導入領域１２２に対して電力を容易に供給することができる。

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。例えば、半導体基板にSOI基板を利用することもできる。
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。

参考例の力検知装置の斜視図を模式的に示す。 図１のII-II線の縦断面図を示す。 図１のIII-III線の縦断面図を示す。 陽極接合を実施する前の段階の一例を示す。 陽極接合を実施する前の他の段階の一例を示す。 陽極接合を実施した後の他の段階の一例を示す。 陽極接合を実施する前の他の段階の一例を示す。 陽極接合を実施した後の他の段階の一例を示す。 参考例の力検知装置が金属ハーメ端子に固定された状態を示す。 参考例の力検知装置が内燃機関に設置された状態を示す。 参考例の力検知装置の接合面積比と感度比の関係を示す。 参考例の力検知装置の溝の幅と感度比の関係を示す。 （Ａ）参考例の力検知装置を固定する他の方式の縦断面図を示す。（Ｂ）参考例の力検知装置を固定する他の方式の平面図を示す。（Ｃ）参考例の力検知装置を固定する他の方式の底面図を示す。 参考例の力検知装置を固定する他の方式を示す。 実施例の力検知装置の斜視図を模式的に示す。 図１５のXVI- XVI線の縦断面図を示す。 実施例の力検知装置がダイアフラムに固定された状態を示す。 実施例の力検知装置を固定する他の方式を示す。 従来の力検知装置の断面図を模式的に示す。 従来の力検知装置の要部拡大断面図を模式的に示す。

符号の説明

２０、１２０：半導体基板
２２、１２２：不純物導入領域
２４、１２４：メサ段差
３０、１３０：絶縁層
３２、１３２：第１コンタクト領域
３４：第２コンタクト領域
４２、４４、１４２、１４４：分散溝
４０、１４０：溝
５０、１５０：ブロック
５２、１５２：第１導電体領域
５４：第２導電体領域
１２６：裏面電極
１２８：ウェル領域
１５６：表面電極

Claims (5)

1. 力検知装置であって、
   表面に溝が形成されており、その溝を横断するメサ段差が形成されており、そのメサ段差を通過してメサ段差と溝の境界を越えて伸びている不純物導入領域が形成されている半導体基板と、
   少なくとも溝の周囲に位置する前記表面と前記表面に露出している不純物導入領域の一端に当接して溝を封止しているブロックと、
   半導体基板の裏面に形成されている裏面電極と、を備えており、
   半導体基板は、不純物導入領域の他端以外を取り囲むことによってその不純物導入領域の他端以外を周囲から電気的に分離しているウェル領域を有しており、
   不純物導入領域の一端は、ブロックを介して外部電流源に電気的に接続されており、
   ウェル領域に取り囲まれていない不純物導入領域の他端は、半導体基板を介して裏面電極に電気的に接続されていることを特徴とする力検知装置。
2. メサ段差と溝の境界から前記一端までの不純物導入領域の少なくとも一部の幅が、メサ段差に形成されている不純物導入領域の幅よりも広いことを特徴とする請求項１の力検知装置。
3. ブロックは、絶縁性材料で形成されているとともに、表面から裏面まで貫通して不純物導入領域の一端と電気的に接続している導電体領域を有していることを特徴とする請求項１又は２の力検知装置。
4. 不純物導入領域と半導体基板には、第１導電型の不純物が導入されており、
   ウェル領域は、第２導電型の不純物が導入されている半導体領域であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかの力検知装置。
5. ブロックは、半導体基板の表面全体に接合していることを特徴とする請求項１〜４のいずれかの力検知装置。
   

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