JP5303101B2 - 力覚センサ用チップ - Google Patents

Description

本発明は力覚センサ用チップに関し、特に、半導体製造プロセス技術を利用して半導体基板上に形成される複数の歪み抵抗素子を有し、産業用ロボット等の小型力覚センサとして利用される６軸力センサ等に好適な力覚センサ用チップに関する。

工作機械や産業用ロボット等の自動作業機械では、その作業動作上で、作業対象物に対して力を加えたり、外界から力の作用を受けたりする。この場合、自動作業機械では、自身に加わる外部からの力やモーメントを検出し、当該力やモーメントに対応した制御を行うことが要求される。力やモーメントに対応する制御を高精度で行うためには、外部から加わる力とモーメントを正確に検出することが必要となる。

そこで従来から、各種の力覚センサが提案されている。通常、力覚センサは、検出方式の観点で大別すると、弾性式力覚センサと平衡式力覚センサがある。弾性式力覚センサは外力に比例した変形量に基づき力を測定する。平衡式力覚センサは既知の力との釣り合わせによって力を測定する。

また力覚センサは、原理的な構造として、外力に応じて弾性変形する起歪体の部分に複数の歪み抵抗素子を設けた構造を有するものが知られている。力覚センサの起歪体に外力が加わると、起歪体の変形度合いに応じた電気信号が複数の歪み抵抗素子から出力される。これらの電気信号に基づいて起歪体に加わった２成分以上の力等を検出することができる。力覚センサで生じる力の測定は、上記電気信号に基づいて算出される。

力覚センサの一種として６軸力センサが知られている。この６軸力センサは弾性式力センサの一種であって、起歪体部分に複数の歪み抵抗素子を備えている。６軸力センサは、外力を、直交座標系の３軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）の各軸方向の力成分（力：Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ）と、各軸まわりのモーメント成分（モーメント：Ｍｘ，Ｍｙ，Ｍｚ）に分け、６軸成分として検出するものである。

本発明者らは先に新しい構成を有する６軸力センサを提案した（特許文献１）。この６軸力センサは、起歪体に加わる外力の各成分（力およびモーメント）を精度よく分離できないという「他軸干渉」の問題を解決できる。この６軸力センサは、半導体製造プロセスを利用して半導体基板上の起歪体の部分に複数の歪み抵抗素子を所定の配置パターンで一体的に組み付けている。当該６軸力センサは、ほぼ正方形の平面形状を有する板状の半導体基板から成り、基板の周囲部分であって作用部を支持する支持部と、中央部分に位置する平面形状がほぼ正方形の作用部と、正方形の作用部の４つの辺の各々と支持部の対応部分との間を連結する連結部とから構成されている。歪み抵抗素子は、正方形作用部の各辺と連結部との間の境界部に設けられる。この６軸力センサによれば、起歪体の部分の形態と複数の歪み抵抗素子の配置パターンを改良し、複数の歪み抵抗素子の配置パターンを最適化して「他軸干渉」の問題を解決している。

また本願発明に関連する先行技術文献として特許文献２を挙げることができる。特許文献２に開示される多軸力覚センサでは、センサチップの小型化に伴ってセンサチップの歪み量を大きくするために、電気化学エッチングを用いてセンサチップの連結部の一部のみを薄くし、歪み検出感度を高めている。
特開２００３−２０７４０５号公報 特開２００１−２６４１９８号公報

特許文献１に記載された６軸力センサについては、センサチップを形成する半導体基板の平面形状をさらに小型化する際における軸力間の検知バランスを良好にする観点での言及はない。実際上、各軸力間の検知バランスを良好に保ちながら半導体基板の平面形状を小型化するには、当該平面積と同じ比率で半導体基板の厚みも薄くしなければならない。これは、ＸＹＺ各軸方向にかかる外力が等しい場合であっても、厚みを変えずに平面形状だけ小型化しようとすると、ＸＹ軸方向にかかる外力によるチップの変形量とＺ軸方向にかかる外力によるチップの変形量に差異がでてしまい、検知バランスが保てなくなるからである。しかし、検知バランスを良好に保つという観点で半導体基板の厚みを薄くするという記述はない。また、望みの薄さにチップ全体を薄くしようとすると、最初から望みの薄さにチップ全体を薄くしようとすると、半導体プロセスにおいて以下のような問題が生じる。チップを製造するシリコンウエハ自体はそもそも面積に比して薄いものであるので、これ以上薄くしようとするとプロセス中にウエハに反りや割れが生じる危険がある。しかし、そのままでは、チップの面積に比して厚みが残ってしまうので、可撓部を形成してもチップ感度を上げることが困難であるという問題がある。

これに対して、特許文献２に記載された多軸力覚センサでは、センサチップの歪み検出感度を高める目的でセンサチップの連結部の一部の厚みを薄くするという記載がある。これは、機械加工ではなく半導体プロセス（電気化学エッチング）を用いて連結部を薄く形成することで、連結部の剛性を低くすることでたわみやすくし、チップを小型化しようとするものである。しかしながら、この多軸力覚センサによれば、センサチップを薄くする際にその薄化領域の境界（厚肉部と薄肉部による境界）が連結部に形成されてしまうと、応力集中が発生して破損するという問題が生じる。さらに薄化領域の境界が連結部に形成されることにより、各歪み検出素子が検出する歪み量にバラつきが生じ、設計で意図している歪み量と実際に発生する歪み量とに差異が出る可能性がある。つまり、連結部に薄化領域の境界がかかることにより、不要な集中応力がかかりやすくなり、検出される歪み量に予期しないノイズが重量され、それにより、各軸間、ひいては各チップ間に固体差が生じてしまうという問題が生じる。

本発明の目的は、上記の課題に鑑み、センサチップの平面形状が小型化されても各軸力間の検知バランスを良好に保持することができ、なおかつ、印加外力が連結部に応力集中するのを防止してチップ破損を防止することができ、また、各歪み検出素子の歪み検出量の設計誤差を生じにくくしつつ、連結部を十分に撓ませて検出感度を高めることができる力覚センサ用チップを提供することにある。

本発明に係る力覚センサ用チップは、上記目的を達成するために、次のように構成される。

第１の力覚センサ用チップ（請求項１に対応）は、多軸力センサ機能を有する力覚センサ用チップであって、外力作用領域部を有する作用部、この作用部を支持する支持部、作用部と支持部を連結する連結部を備えるベース部材と、連結部内、または連結部と作用部との境界に設けられた歪み抵抗素子とを備え、さらに、ベース部材は、薄く形成された薄化領域を有し、薄化領域の外側境界及び内側境界は連結部の各々の全体に掛からないように、外側境界は前記支持部のうち連結部と支持部との境界である連結部の外側端部からベース部材の縁までの間に配され、内側境界は前記作用部のうち連結部と作用部との境界である連結部の内側端部から前記外力作用領域部までの間に配されるように構成される。
第１の力覚センサ用チップ（請求項１に対応）は、上記の構成において、更に、ベース部材は、スリット形状の第１の孔及び第２の孔により作用部、支持部および連結部よりなる複数の領域に機能的に分離され、作用部は前記第１の孔によって形成され、連結部は第１の孔と第２の孔との間に形成され、連結部は剛性の高い領域からなる橋梁部と剛性の低い領域とからなる弾性部とを有し、弾性部は第２の孔の内側領域において支持部に対してその長手方向における両端で接続され、橋梁部は長手方向における一方の端部が作用部に接続され、他方の端部が弾性部に接続されるように構成される。

上記の第１の力覚センサ用チップでは、ベース部材に形成される薄化領域は連結部の領域を含むように形成される。これによって、チップの平面形状そのものが小型化されるとき、薄化領域によって連結部の全体の変形度合いを大きくし、各軸力間の検知バランスを小型化に伴って維持することが可能となる。

第１の力覚センサ用チップ（請求項１に対応）は、上記の構成において、更に、薄化領域は、連結部の各々の全体を含むように形成されている。

第２の力覚センサ用チップ（請求項２に対応）は、多軸力センサ機能を有する力覚センサ用チップであって、外力作用領域部を有する作用部と、この作用部を支持する支持部と、作用部と支持部を連結する連結部とを備えるベース部材と、連結部内、または連結部と前記作用部との境界に設けられた歪み抵抗素子とを備え、ベース部材は、スリット形状の第１の孔及び第２の孔により作用部、支持部および連結部よりなる複数の領域に機能的に分離され、作用部は第１の孔によって形成され、連結部は第１の孔と第２の孔との間に形成され、連結部は剛性の高い領域からなる橋梁部と剛性の低い領域とからなる弾性部とを有し、弾性部は前記第２の孔の内側領域において支持部に対してその長手方向における両端で接続され、橋梁部は長手方向における一方の端部が作用部に接続され、他方の端部が弾性部に接続され、ベース部材は、薄く形成された薄化領域を有し、薄化領域の境界は支持部および作用部に配される構成において、更に、薄化領域は、連結部の各々の全体を含み、かつ連結部に相似して形成されていることを特徴とする。

第３の力覚センサ用チップ（請求項３に対応）は、多軸力センサ機能を有する力覚センサ用チップであって、外力作用領域部を有する作用部、この作用部を支持する支持部、作用部と支持部を連結する連結部を備えるベース部材と、連結部内、または連結部と作用部との境界に設けられた歪み抵抗素子とを備え、さらに、ベース部材は、薄く形成された薄化領域を有し、薄化領域の境界は支持部および作用部に配されるように構成され、更に、薄化領域は、連結部の各々の全体を含み、かつ連結部に相似して形成されているように構成される。

第４の力覚センサ用チップ（請求項４に対応）は、上記の各構成において、好ましくは、薄化領域はベース部材の裏面に形成されることを特徴とする。

第５の力覚センサ用チップ（請求項５に対応）は、上記の各構成において、好ましくは、ベース部材は半導体基板であり、上記の薄化領域はドライエッチング処理で形成されることを特徴とする。

本発明によれば次の効果を奏する。
第１に、ベース部材に形成される薄化領域を、連結部が形成された領域を含むように形成し、もって連結部の変形度合いを大きくできるため、チップの平面方向への小型化がされても、各軸力間の検知バランスを小型化に伴って良好に維持することができる。特に、薄化領域の薄肉部とその他の領域の厚肉部との境界を支持部と作用部に形成するようにしたため、連結部に影響を与えず、各軸力の間の検知バランスを良好に保持することができる。
第２に、薄化領域の境界を上記のごとく支持部と作用部に形成するようにしたため、連結部への応力の集中状態を生じさせず、ベース部材すなわちチップの破損を防止することができる。
第３に、薄化領域を形成することにより連結部の全体の変形度合いを高めることが出切るため、連結部の変形発生部で歪みを有効に生じさせることができ、検出感度を高めることができる。

以下に、本発明の好適な実施形態（実施例）を添付図面に基づいて説明する。

図１〜図３を参照して本発明に係る力覚センサ用チップの第１の実施形態を説明する。この実施形態では、力覚センサ用チップとして６軸力センサチップの例を説明する。なお本発明に係る力覚センサ用チップは６軸力センサチップには限定されない。

図１は、力覚センサ用チップの表面を示す平面図である。図１の力覚センサ用チップでは、すべての歪み抵抗素子および温度補償用抵抗素子と、複数の孔と、電極パッドのパターンを示している。

図１において、本実施形態に係る６軸力センサチップ１は、平面形状が好ましくは正方形の半導体基板を利用して形成されている。この正方形の半導体基板の一辺の長さは例えば５．５ｍｍである。基板は半導体基板には限定されない。６軸力センサチップ１は、半導体基板に基づく板状の形状を有する。

６軸力センサチップ１は、基板上に半導体デバイスを形成する場合、好ましくは、一方の面（表面）に半導体製造プロセス技術（パターニング、エッチング処理、イオン注入、Ｐ−ＣＶＤ、スパッタリング、ＲＩＥ等の処理）を適用して、正方形の半導体基板の平面形状や所要の孔の形成等それ自体に加工を施すと共に、半導体基板の表面の所定領域に成膜処理を行って製作される。

以上のごとく本実施形態に係る６軸力センサチップ１は、半導体センサデバイスとして形成されている。

６軸力センサチップ１において、６軸力センサとして６軸成分を検出する機能部分は、半導体基板２の表面にイオン注入された活性層（または熱拡散層）より成る１２個の歪み抵抗素子（またはピエゾ抵抗素子。以下において「抵抗素子」と記し、歪み抵抗素子を意味するものとする。）Ｓxa1〜Ｓxa3，Ｓxb1〜Ｓxb3，Ｓya1〜Ｓya3，Ｓyb1〜Ｓyb3によって形成される。総計１２個の抵抗素子は、３個ずつの組(Sxa1,Sxa2,Sxa3)，(Sxb1,Sxb2,Sxb3)，(Sya1,Sya2,Sya3)，(Syb1,Syb2,Syb3)で、後述される逆Ｔ字（またはＴ字）形状の４つの連結部５Ａ〜５Ｄの各々における作用部４との境界縁近傍に沿って配置されている。

さらに６軸力センサチップ１には、１２個の抵抗素子Ｓxa1〜Ｓxa3，Ｓxb1〜Ｓxb3，Ｓya1〜Ｓya3，Ｓyb1〜Ｓyb3のそれぞれに対応して、個別に、活性層（熱拡散層）より成る温度補償用抵抗素子１１が形成されている。

図１に示されるように、半導体基板２は、穿設することにより板材の厚み方向に貫通して形成された孔Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｋ，Ｌ，Ｍ，Ｎを有している。６軸力センサチップ１は、孔Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｋ，Ｌ，Ｍ，Ｎにより、支持部、作用部、連結部の複数の領域に機能的に分離されている。

孔Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｋ，Ｌ，Ｍ，Ｎのいずれも相対的に狭い幅を有するスリット状の形状を有している。孔Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄはほぼ直線状スリットの形状を有し、孔Ｋ，Ｌ，Ｍ，ＮはＬ字に類似したスリット形状を有している。

６軸力センサチップ１を形成する半導体基板２は、中央部に位置する正方形に類似する平面形状を有した作用部４と、この作用部４を囲むような位置にあるほぼ正方形リング形状の支持部３と、作用部４と支持部３の間に位置して四辺の各部分に対応して両者を連結するＴ字形状の４つの連結部５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄとから構成されている。作用部４は孔Ｋ，Ｌ，Ｍ，Ｎによって形成される。Ｔ字形状の４つの連結部５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄは、孔Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄと孔Ｋ，Ｌ，Ｍ，Ｎとの間に形成される。

なお、連結部上において歪み抵抗素子が配置される場所は、必ずしも連結部で最も応力が生じる場所とは限らない。歪み抵抗素子はその形成プロセスや配線ルート等、他の様々な要件をも考慮して配置される。

上記の形態を有する半導体基板２に関して、周囲の支持部３は、例えば６軸力センサのユニットに組み付けられるとき、支持部３の裏面から支持台座（例えば、後述する図７で言えばチップ台座３０３）と接合される。

シリコンとガラス、ガラスと金属の陽極接合は可能だが、シリコンと金属を直接に陽極接合することができないため、支持台座および外力を伝達する連結ロッド等の金属部品と接合する際には、ガラス部品を介して接合される。この点については後で詳述される。

また作用部４は、例えば６軸力センサのユニットに組み付けられ、連結ロッド等（例えば、後述する図７で言えば伝達部１０４）を介して外力や荷重等（以下「外力」と記す）が伝達されるとき、当該外力の作用を直接に受ける部分である。作用部４は、通常、その中央部で外力を受けるように構成される。また連結部５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄは、作用部４が外力を受けて位置の変化を生じたとき、これに連動して変形を顕著に生じる。

上記作用部４は、外力が印加または入力される中央部（外力作用領域部）４Ａと、中央部４Ａの周囲に位置する４隅に相当する４つの角部４Ｂとから形成される。破線で示した円４Ｃは、外力等を伝達する連結ロッドが接続される連結領域である。円４Ｃの直径は例えば１．６ｍｍである。作用部４における４つの角部４Ｂの外縁部は、孔Ｋ，Ｌ，Ｎ，Ｍによって自由端として形成されている。従って４つの角部４Ｂの自由端近傍の領域は、中央部４Ａに外力が加わったときでも、その部分自体に変形を生じない非変形領域部となっている。

作用部４では、その中央部４Ａが、外力が印加または入力される部分である。その周囲の４つの連結部５Ａ〜５Ｄは、図２に示すごとく、それぞれ、ほぼＴ字梁となっており、橋梁部５Aaおよび弾性部５Ab、橋梁部５Baおよび弾性部５Bb、橋梁部５Caおよび弾性部５Cb、橋梁部５Daおよび弾性部５Dbを備えている。連結部５Ａ〜５Ｄの弾性部５Ab，５Bb，５Cb，５Dbは、それぞれ、孔Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの内側領域において、支持部３に対して、その長手方向における両端部で接続されている。連結部５Ａ〜５Ｄの橋梁部５Aa，５Ba，５Ca，５Daは、それぞれ、長手方向における一方の端部（内側端部）が、作用部４の一辺に相当する部分に接続され、また他方の端部（外側端部）が対応する弾性部に接続されている。

橋梁部５Aa，５Ba，５Ca，５Daと、弾性部５Ab，５Bb，５Cb，５Dbおよび作用部４との各境界周辺は、作用部４に印加される外力による応力を分散させ、印加される外力に対する強度を持たせるため、円弧状に加工、好ましくはＲ加工されて接続されている。なお孔Ａ〜Ｄ，Ｋ〜Ｎの形状は本実施形態のものに限定されない。１２個の歪み抵抗素子Ｓxa1〜Ｓxa3，Ｓxb1〜Ｓxb3，Ｓya1〜Ｓya3，Ｓyb1〜Ｓyb3の部分が最も歪みが顕著に生じ、かつ、温度補償用抵抗素子１１の位置で歪みが生ぜず、温度条件が１２個の歪み抵抗素子と同等になるように、６軸力センサチップ１のサイズ、歪み抵抗素子の数、検出可能な応力範囲等を考慮して孔Ａ〜Ｄ，Ｋ〜Ｎは形成される。例えば、孔Ｋ〜Ｎの端部の直線長（橋梁部５Aa〜５Daから各温度補償用素子に伸びている孔の部分）を図１や図２に示したものよりも長くしてもよい。

図１に示した構造例では、半導体基板２において、貫通状態で形成される孔Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｋ，Ｌ，Ｍ，Ｎによって連結部５Ａ〜５ＤがほぼＴ字状（Ｔ字型ビーム）に形成されているが、所要の弾性機能が満足されるのであれば、Ｙ字状等にすることもでき、形状を問わない。

図１において、例えば抵抗素子Ｓya1，Ｓya2，Ｓya3等は、連結部５Ａにおいて、作 用部４と橋梁部５Aaとの境界近傍に形成されている。すなわち連結部５Ａの表面において、作用部４に印加される外力に対応して応力が生じ、それにより歪みが最も顕著に発生する部分に配置するように形成されている。さらに抵抗素子Ｓya1，Ｓya2，Ｓya3は、橋梁部５Aaの幅方向に並び、かつそれらの長手方向が橋梁部5Aaの長軸方向に対して平行で等間隔となるように形成されている。中央の抵抗素子Ｓya2，Ｓxa2，Ｓyb2，Ｓxb2は、各橋梁部の長手方向中心線上に配置されている。

他の抵抗素子Ｓyb1〜Ｓyb3、抵抗素子Ｓxa1〜Ｓxa3、抵抗素子Ｓxb1〜Ｓxb3についても、上述した抵抗素子Ｓya1〜Ｓya3と同様に、それぞれ、作用部４および橋梁部５Caの境界近傍、作用部４および橋梁部５Baの境界近傍、作用部４および橋梁部５Daの境界近傍に配置するよう形成されている。

半導体基板２の周縁には、各辺に沿って所要の幅にてほぼ正方形リング状のＧＮＤ（グラウンド）配線１３が形成されている。ＧＮＤ配線１３には２個の電極パッド１４が接続されている。

半導体基板２では、さらに、対向する一対の辺のそれぞれに沿って総計で２６個の信号電極パッド１６が形成されている。辺ごとに１３個の信号電極パッド１６が並べて設けられている。また残りの２個の電極パッド１７は追加用の電極パッドである。追加用の電極パッド１７は、外部のＧＮＤ電位またはバイアス電位に接続することで、半導体基板面内の電位を均一にするために設けられている。なお追加用の電極パッド１７は２個に限定されず、３個以上設けてもよい。なお図１に示す正方形リング状のＧＮＤ配線１３は一例に過ぎず、一定電位にするものであれば、その機能を果たす。

６軸力センサチップ１において、１２個の抵抗素子Ｓxa1〜Ｓxa3，Ｓxb1〜Ｓxb3，Ｓya1〜Ｓya3，Ｓyb1〜Ｓyb3のそれぞれに対応して個別に設けられた１２個の上記温度補償用抵抗素子１１は、非変形領域である４ヶ所の角部４Ｂの周縁部に配置される。抵抗素子と温度補償用抵抗素子１１とは一対一の対応関係で関係付けられている。１２個の上記温度補償用抵抗素子１１のそれぞれは、対応する抵抗素子に対して温度条件がほぼ等しい状態にあり、かつ作用部４が外力を受けても変形状態が生じない角部４Ｂの周縁部の表面に形成される。外力の影響を受けない温度補償用抵抗素子１１の抵抗変化に基づいて、外力測定用抵抗素子の抵抗変化の測定結果を常に補正することにより、周囲温度に影響されない力およびモーメントの測定を行うようにしている。

ここで、６軸力センサチップ１の製造方法の一例を概説する。例えばｎ型（１００）シリコンである半導体基板に対して、フォトリソグラフィにより形成した抵抗素子形成用のパターンを用いて、ｐ型不純物であるボロンをイオン注入し、半導体基板２を加熱することにより、注入したボロンの活性化処理を行い、活性層を形成する。半導体基板２の表面に形成される抵抗素子は、歪み抵抗素子Ｓya1〜Ｓya3，Ｓyb1〜Ｓyb3，Ｓxa1〜Ｓxa3，Ｓxb1〜Ｓxb3、温度補償用抵抗素子１１である。その後、ｐ−ＣＶＤ（プラズマ化学的気相成長法）により酸化シリコン膜を層間絶縁膜として成長させる。

その後、コンタクトホールを形成するためのレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクとし、コンタクトホールの形成部の層間絶縁膜をＢＨＦ（バッファド弗酸）により除去する。そして上記レジストパターンを除去し、ＡｌまたはＡｌ−Ｓｉ（アルミニウムとシリコンとの合金）を半導体基板２の表面全体にスパッタリングし、オーミック接合形成のための熱処理を行う。これにより、各種電極と半導体基板２とのコンタクト、および活性層のコンタクトが形成される。

その後、フォトリソグラフィにより、ＧＮＤ配線や信号配線等、各電極の領域を形成するためのレジストパターンを形成し、ウェットエッチングにより不要な金属部分を除去して各配線および電極のパターンニングを行う。さらに上記レジストパターンを除去し、ｐ−ＣＶＤによりＳｉＮ膜（窒化シリコン膜）をパッシベーション膜として形成する。その後、ＲＩＥ（リアクティブ・イオン・エッチング）により、半導体基板２に孔Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｋ，Ｌ，Ｍ，Ｎを形成し、その後ダイシングしてセンサチップ分割（ウェハからの各センサチップ１の切出し）を行う。なお、ダイシングによるセンサチップの分割を、ＲＩＥによるエッチング処理で代用する場合もある。

次に、図２、図３Ａおよび図３Ｂを参照して、表面に上記構造を有する６軸力センサチップ１での薄化領域について説明する。

図２は図１で示した６軸力センサチップ１の半導体基板２の表面を簡略して示し、図３Ａはさらに簡略したチップ表面を示す上面図（Ａ）とそのＡ−Ａ線断面図（Ｂ）を示し、図３Ｂはチップ裏面を示す下面図（Ａ）とそのＢ−Ｂ線断面図（Ｂ）を示す。なお特に、図３Ａの断面図（Ｂ）と図３Ｂの断面図（Ｂ）では、後述するチップ裏面に接合されるガラス部品との接合アライメントの関係も示されている。

図２に示すように、薄化領域２０は、外側境界２１と内側境界２２の間に斜線で示された領域である。薄化領域２０は、図３Ａの（Ｂ）および図３Ｂの（Ｂ）に示すごとく、半導体基板２の裏面をドライエッチング等でエッチング処理されることにより薄肉部として形成される。半導体基板２をエッチング処理する工程は、上述した６軸力センサチップ１の製造方法の一工程として設定される。

なお、ウェットエッチングを用いて薄化することも可能だが、より微細加工精度に優れたＲＩＥ等のドライエッチング処理を用いることで、薄化領域をより精度良く形成することができる。

また図３Ａの（Ａ）で示したチップ上面図、および図３Ｂの（Ａ）で示したチップ下面図において上記の薄化領域２０は、各図の断面図で示した薄肉部との対応関係に基づき明らかである。

また図３Ａの（Ｂ）および図３Ｂの（Ｂ）等に示すごとく、半導体基板２の裏面には、薄化領域２０を形成することにより残存する半導体基板２の厚肉部、すなわち支持部３と作用部４の厚肉部に対して、それぞれ、ガラス部品２５，２６が接合されている。ガラス部品２５は支持部３に接合され、ガラス部品２６は作用部４に接合されている。前述した通りの接合アライメントの観点から、支持部３におけるガラス部品２５との接合面は、支持部３に対するガラス部品２５の対向面よりも狭くなるように設計される。同様に、作用部４におけるガラス部品２６との接合面は、作用部４に対するガラス部品２６の対向面よりも広くなるように設計される。つまり、ガラス部品との接合アライメントの観点からは、半導体基板２の薄化領域２０の形状および面積は所要の大きさに形成される。

一般に、シリコンとガラスの間、ガラスと金属の間の陽極接合は可能だが、シリコンと金属を直接に陽極接合することができない。従って、本実施形態では、図３Ａ、図３Ｂに示すように、図示しない支持台座（金属）と支持部３との接合間、および作用部４に外力を伝達する図示しない連結ロッド（金属）と作用部４との接合間には、それぞれガラス部品２５，２６を介して陽極接合できるようにした。

また陽極接合処理においては、６軸力センサチップ１の支持部３および作用部４における接合部と、ガラス部品２５，２６とのアライメントを行う必要がある。

本実施形態デは、既述の従来技術よりも薄化領域を大きくしているため、支持部３および作用部４の厚肉部の平面積をガラス部品２５，２６の平面積よりも小さくできるので、この結果、アライメント時にセンサチップ１が多少位置ずれしても、本来接合したいと意図している支持部３および作用部４の接合面をセンサチップ側で規定することができる。接合アライメントの観点からは、チップ裏面の接合面（薄化していない残りの部分）は接合されるガラス部品の接合面よりも小さい方が好ましい。つまり、ガラス部品との接合来面との観点からは、薄化領域が大きい方が好ましい態様であると言える。

第１実施形態による薄化領域２０の平面形状は環状の形状である。環状の平面形状を持つことによってガラス部品２５，２６とのアライメントの調整を簡略化できるという利点を有している。環状の薄化領域２０の外側境界２１は支持部３を形成する部分の裏面に形成される。薄化領域２０の内側境界２２は、作用部４を形成する部分であって、外力が印加される中央部（外力作用領域部）４Ａの周囲の領域部分の裏面に形成されている。この結果、この薄化領域２０は、連結部５Ａ〜５Ｄの全体を含む領域として形成されている。

次に、薄化領域２０の範囲を決める外側境界２１の位置と内側境界２２の位置について説明する。ここで図２に示すごとく「距離Ｗ_０」と「距離Ｗ_３」を定義する。「距離Ｗ_０」は例えば連結部５Ａの連結部外側端部（弾性部端部）２７から半導体基板２の縁までの距離である。また「距離Ｗ_３」は例えば連結部５Ａの連結部内側端部（橋梁部端部）２８から作用部４の外力作用領域部４Ａまでの距離である。

薄化領域２０で、支持部３に形成される外側境界２１の位置は、各連結部の外側端部（連結部と支持部の境界）２７から半導体基板２の縁までの間に設けられる。換言すると、半導体基板２の裏面に薄化領域２０を作ることにより、支持部３としての機能を失わない程度（外部構造体との接合面積を残し、かつ強度的に問題がない程度）の範囲で外側境界２１の位置が設定される。当該薄化領域の外側境界が設定される範囲を図２に示した距離Ｗ_１で表現すると、この距離Ｗ_１が、例えば「０＜Ｗ_１≦Ｗ_０×０．９」の条件を満たすように設定される。ここで「０＜Ｗ_１」は、外側境界２１の位置が、連結部外側端部２７をスタート点として始まって半導体基板２の縁に向うことを意味する。

また作用部４に形成される内側境界２２の位置は、外力作用領域部４Ａの縁から連結部の内側端部（連結部と作用部の境界）２８までの間に設けられる。換言すると、半導体基板２の裏面に薄化領域２０を作ることにより、作用部４としての機能を失わない程度（外力を伝達する連結ロッド等の外力伝達部材との接合面積を残し、かつ強度的に問題がない程度）の範囲で内側境界２２の位置が設定される。当該薄化領域の内側境界が設定される範囲を図２に示した距離Ｗ_２で表現すると、この距離Ｗ_２が例えば「０≦Ｗ_２＜Ｗ_３」の条件を満たすように設定される。ここで、「０≦Ｗ_２」は、内側境界２２の位置が、外力作用領域部をスタート点として始まって連結部内側端部２８の縁に向うことを意味する。

この際に薄化領域の外側境界及び内側境界が、連結部に掛からないように設定される。このように薄化領域の境界の位置が設定されることにより、連結部は厚肉部と薄肉部の境界における不要な応力集中を避けることができる。

なお前述した薄化領域２０において、作用部４の裏面に形成される薄化部分に関して、作用部４の４つの角部である非変形領域部４Ｂは、軸力計測に影響を与える部分ではないので薄化する必要は必ずしもないが、ガラス部品２５，２６とのアライメントの観点から薄化することが好ましい。薄化領域を大きくとることで、チップ側の接合面（厚肉部）の面積がガラス部品側の接合面の面積よりも小さくなり、両接合面のアライメントに許容を持たすことができる。換言すると、チップ側の接合面がガラス部品の接合面内に位置するよう調整するだけでよく、接合面同士の縁を合わせることを考慮しなくてもよくなる。これは、チップの接合面（本来接合したいと意図している接合面）の面積をチップ側の要件だけで設計できるということである。つまり、ガラス部品に設けられている溝の位置をシビアに考慮しなくてもよいということである。

次に図４を参照して、６軸力センサチップ１での形成される薄化領域について第２の実施形態を説明する。図４は、図２と同様な図であり、６軸力センサチップ１の半導体基板２の表面を簡略して示している。

本実施形態の薄化領域は、４つの連結部５Ａ〜５Ｄのそれぞれに対応して、図４で斜線範囲として示されるように薄化領域３１〜３４として形成される。薄化領域３１〜３４は、第１実施形態の場合と同様に半導体基板２の裏面をドライエッチング等によりエッチング処理し、かつそれぞれ分離された別々の領域として形成されている。

４箇所の薄化領域３１〜３４は、それぞれ、対応する連結部５Ａ〜５Ｄを含むように形成されている。斜線範囲で示された薄化領域３１〜３４は、その他の領域の部分に比して薄肉部として形成される。本実施形態においても、薄化領域３１〜３４の各々の境界は、連結部５Ａ〜５Ｄには形成されず、支持部３および作用部４に形成されている。

本実施形態による薄化領域３１〜３４は、実質的に連結部５Ａ〜５Ｄを含むよう平面形状にほぼ一致させるようにその範囲を設定しているので、エッチングする面積が少なくて済むという利点を有している。

図４に示した薄化領域３１〜３４は分離した状態で形成されているが、薄化領域３１〜３４の各々の両端部を、隣接する薄化領域の端部に接続するにように形成することもできる。

次に図５を参照して上記の第２実施形態の変形例を説明する。この実施形態に係る６軸力センサチップ１の半導体基板２の表面を簡略して示し、かつ図４で説明した半導体基板２の右上の角部の箇所を部分的に示している。

本実施形態の薄化領域は、例えば連結部５Ａ，５Ｂのそれぞれに対応して、図５で斜線範囲として示されるように薄化領域４１，４２として形成される。薄化領域４１，４２は、第１および第２の実施形態の場合と同様に半導体基板２の裏面をドライエッチング等によりエッチング処理し、かつそれぞれ分離された別々の領域として形成されている。

図５で薄化領域４１は左半分が省略されており、薄化領域４２は下半分が省略されている。薄化領域４１，４２は共にＴ字形状を有している。薄化領域４１，４２は、それぞれ、対応する連結部５Ａ，５Ｂとその孔Ａ，Ｂ，Ｌ，Ｍ，Ｋを含むように形成され、かつＴ字形状を有する連結部よりも大きな面積を有する同形または相似の形状にて形成されている。斜線範囲で示された薄化領域４１，４２は、その他の領域の部分に比して薄肉部として形成される。図５では連結部５Ａ，５Ｂの薄化領域４１，４２を示したが、他の連結部５Ｃ，５Ｄの薄化領域も同様に形成される。本実施形態においても、薄化領域３１〜３４の各々の境界は、連結部５Ａ〜５Ｄには形成されず、支持部３および作用部４に形成されている。

本実施形態による薄化領域は、連結部５Ａ〜５Ｄを含め、かつ連結部よりも一回り大きく形成される。このような形状にて薄化することにより、薄化のためのエッチングする面積を小さくし、かつ薄化領域の設計を簡単化することができる。

次に、図６および図７を参照して、前述の形状を有する半導体基板２によって形成される６軸力センサチップ１の力覚センサのセンサユニットへの組付け例を説明する。

図６は力覚センサの外観の斜視図を示し、図７は力覚センサの内部の構造を示す断面斜視図を示す。

力覚センサ３００の要部は、力覚センサ用チップ１０１と緩衝装置１０２とから構成されている。力覚センサ用チップ１０１は上記の各実施形態で説明した６軸力センサチップ１である。力覚センサ３００は、外部から与えられる外力（軸力または荷重）Ｆ１が直接に印加される円柱棒状の入力部３０１と、力覚センサ３００を所要の場所に固定するための軸方向の長さが短い比較的扁平な円筒形状（またはリング形状）のセンサ固定部３０２と、力覚センサ用チップ１０１を取り付けるための円板形状のチップ台座３０３と、減衰または緩衝の機能を有する円板３０４と、入力部３０１と力覚センサ用チップ１０１の作用部１０３とを結合する伝達部１０４とから構成されている。上記円板３０４が前述の緩衝装置１０２の減衰機構部を形成する。

円板３０４と円板形状のチップ台座３０３とは、比較的に接近した位置にて、平行に配置されている。円板３０４とチップ台座３０３は共に中心部に穴が形成されている。また円形形状のチップ台座３０３の中心部の穴の部分には、チップ台座３０３の下側（外側）の位置に力覚センサ用チップ１０１の裏面が、図示しないガラス部品を介して固定されている。棒状の伝達部１０４は、チップ台座３０３の穴を通して配置され、入力部３０１の下面と力覚センサ用チップ１０１の作用部１０３とを連結している。

力覚センサ３００では、チップ台座３０３と伝達部１０４とが力覚センサ用チップ１０１に対して同じ側で接している。また図６および図７に示す減衰装置１０２のようなレイアウトを採用することで、減衰装置１０２の全構成部が力覚センサ用チップ１０１に対して同一側に存在することになり（図７では力覚センサ用チップ１０１の上側）、入力部３０１、円板３０４、センサ固定部３０２、伝達部１０４、およびチップ台座３０３の少なくとも２つ以上を一体的に形成してから後付けで力覚センサ用チップ１０１を接合することが可能となる。

力覚センサ３００では、薄型化を図るために、伝達部１０４、減衰機構部３０４、およびチップ台座３０３を力覚センサ用チップ１０１の同一面側に配置し、さらにセンサ固定部３０２の内周側に減衰機構部３０４を設け、チップ台座３０３の内周側に伝達部１０４を設けている。

入力部３０１に外力Ｆ１が印加されると、外力Ｆ１によって円板３０４が変形し、当該外力Ｆ１を減衰させて弱くし、力覚センサ用チップ１０１の作用部１０３に伝達する。

以上の実施形態で説明された構成、形状、大きさおよび配置関係については本発明が理解・実施できる程度に概略的に示したものにすぎず、また数値および各構成の組成（材質）については例示にすぎない。従って本発明は、説明された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。

本発明は、力覚センサ用チップの平面形状が小型化されても軸力の検知バランスを保持できるセンサチップ構造に利用される。

本発明に係る力覚センサ用チップの第１の実施形態を示す平面図である。 第１実施形態に係る力覚センサ用チップの半導体基板の表面を簡略して示した平面図である。 さらに簡略した力覚センサ用チップのチップ表面を示す上面図（Ａ）とそのＡ−Ａ線断面図（Ｂ）である。 さらに簡略した力覚センサ用チップのチップ裏面を示す下面図（Ａ）とそのＢ−Ｂ線断面図（Ｂ）である。 本発明に係る力覚センサ用チップの第２の実施形態を示し、図２と同様な図である。 第２実施形態の力覚センサ用チップの変形例の要部平面図である。 本発明に係る力覚センサ用チップをセンサユニットへの組付け例を示す力覚センサの外観斜視図である。 図６で示した力覚センサの断面斜視図である。

符号の説明

１ 力覚センサ用チップ
２ 半導体基板
３ 支持部
４ 作用部
５Ａ〜５Ｄ 連結部
２０ 薄化領域
２１ 外側境界
２２ 内側境界
２５，２６ ガラス部品
３１〜３４ 薄化領域
４１，４２ 薄化領域
１０１ 力覚センサ用チップ
３００ 力覚センサ
Ｓxa1〜Ｓxa3 歪み抵抗素子
Ｓya1〜Ｓya3 歪み抵抗素子
Ｓxb1〜Ｓxb3 歪み抵抗素子
Ｓyb1〜Ｓyb3 歪み抵抗素子

Claims (5)

1. 多軸力センサ機能を有する力覚センサ用チップであって、
   外力作用領域部を有する作用部と、この作用部を支持する支持部と、前記作用部と前記支持部を連結する連結部とを備えるベース部材と、
   前記連結部内、または前記連結部と前記作用部との境界に設けられた歪み抵抗素子とを備え、
   前記ベース部材は、スリット形状の第１の孔及び第２の孔により前記作用部、前記支持部および前記連結部よりなる複数の領域に機能的に分離され、
   前記作用部は前記第１の孔によって形成され、
   前記連結部は前記第１の孔と前記第２の孔との間に形成され、
   前記連結部は剛性の高い領域からなる橋梁部と剛性の低い領域とからなる弾性部とを有し、
   前記弾性部は前記第２の孔の内側領域において前記支持部に対してその長手方向における両端で接続され、
   前記橋梁部は長手方向における一方の端部が前記作用部に接続され、他方の端部が前記弾性部に接続され、
   前記ベース部材は、薄く形成された薄化領域を有し、前記薄化領域の外側境界及び内側境界は前記連結部の各々の全体に掛からないように、前記外側境界は前記支持部のうち前記連結部と前記支持部との境界である前記連結部の外側端部から前記ベース部材の縁までの間に配され、前記内側境界は前記作用部のうち前記連結部と前記作用部との境界である前記連結部の内側端部から前記外力作用領域部までの間に配され、
   前記薄化領域は、前記連結部の各々の前記全体を含むように形成されたことを特徴とする力覚センサ用チップ。
2. 多軸力センサ機能を有する力覚センサ用チップであって、
   外力作用領域部を有する作用部と、この作用部を支持する支持部と、前記作用部と前記支持部を連結する連結部とを備えるベース部材と、
   前記連結部内、または前記連結部と前記作用部との境界に設けられた歪み抵抗素子とを備え、
   前記ベース部材は、スリット形状の第１の孔及び第２の孔により前記作用部、前記支持部および前記連結部よりなる複数の領域に機能的に分離され、
   前記作用部は前記第１の孔によって形成され、
   前記連結部は前記第１の孔と前記第２の孔との間に形成され、
   前記連結部は剛性の高い領域からなる橋梁部と剛性の低い領域とからなる弾性部とを有し、
   前記弾性部は前記第２の孔の内側領域において前記支持部に対してその長手方向における両端で接続され、
   前記橋梁部は長手方向における一方の端部が前記作用部に接続され、他方の端部が前記弾性部に接続され、
   前記ベース部材は、薄く形成された薄化領域を有し、前記薄化領域の境界は前記支持部および前記作用部に配され、
   前記薄化領域は、前記連結部の各々の全体を含み、かつ前記連結部に相似して形成されていることを特徴とする力覚センサ用チップ。
3. 多軸力センサ機能を有する力覚センサ用チップであって、
   外力作用領域部を有する作用部と、この作用部を支持する支持部と、前記作用部と前記支持部を連結する連結部とを備えるベース部材と、
   前記連結部内、または前記連結部と前記作用部との境界に設けられた歪み抵抗素子とを備え、
   前記ベース部材は、薄く形成された薄化領域を有し、前記薄化領域の境界は前記支持部および前記作用部に配され、
   前記薄化領域は、前記連結部の各々の全体を含み、かつ前記連結部に相似して形成されていることを特徴とする力覚センサ用チップ。
4. 前記薄化領域は前記ベース部材の裏面に形成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の力覚センサ用チップ。
5. 前記ベース部材は半導体基板であり、前記薄化領域はドライエッチング処理で形成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の力覚センサ用チップ。

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