JP6117139B2 - 力検知装置 - Google Patents

Description

本明細書で開示される技術は、ピエゾ抵抗効果を利用する力検知装置に関する。

ピエゾ抵抗効果を利用する力検知装置が開発されている。この種の力検知装置は、基板及び力伝達ブロックを備える。基板の主面には、ブリッジ回路を構成するメサ型ゲージが形成されている。力伝達ブロックは、メサ型ゲージの頂面に接する。力伝達ブロックがメサ型ゲージを押圧すると、メサ型ゲージに加わる圧縮応力が増大し、メサ型ゲージの電気抵抗がピエゾ抵抗効果によって変化する。この電気抵抗の変化から力伝達ブロックに加わる力が検知される。

特許文献１及び特許文献２は、封止型の力検知装置を開示する。封止型の力検知装置は、力伝達ブロックがメサ型ゲージの周囲の基板の主面に一巡して接合することを特徴とする。

特開２００４−１３２８１１号公報 特開２００６−０５８２６６号公報（特に、図９）

封止型の力検知装置の小型化を進めると、力伝達ブロックの受圧面積が小さくなり、メサ型ゲージに加わる圧縮応力が小さくなる。この結果、力検知装置のセンサ感度が低下する。本明細書は、高センサ感度の封止型の力検知装置を提供することを目的とする。

本明細書で開示される力検知装置の一実施形態は、基板及び力伝達ブロックを備える。基板は、メサ型ゲージ、封止部及び支柱を有する。メサ型ゲージは、基板の主面に形成されており、力伝達ブロックに接しており、ブリッジ回路を構成する。封止部は、基板の主面に形成されており、メサ型ゲージの周囲を一巡して力伝達ブロックに接する。支柱は、基板の主面に形成されており、メサ型ゲージで囲まれた内部に配置されており、力伝達ブロックに接する。

上記実施形態の力検知装置では、基板と力伝達ブロックの間に封止空間が構成される。力伝達ブロックに加わる力が増大すると、力伝達ブロックがこの封止空間内を基板側に向けて湾曲する。このとき、力伝達ブロックが湾曲して変位する部分が力点となり、支柱が支点となり、メサ型ゲージが作用点となる梃子の関係が成立する。このため、作用点となるメサ型ゲージには大きな圧縮応力が加わるので、力検知装置のセンサ感度が向上する。

図１は、実施例の力検知装置であり、図２のI-I線に対応した断面図を模式的に示す。 図２は、実施例の力検知装置であり、基板の平面図を模式的に示す。 図３は、実施例の力検知装置であり、封止空間近傍の要部拡大断面図であり、梃子の作用を説明するための図を示す。 図４は、変形例の力検知装置であり、図２のI-I線に対応した断面図を模式的に示す。 図５は、変形例の力検知装置であり、図２のI-I線に対応した断面図を模式的に示す。

以下、本明細書で開示される技術の特徴を整理する。なお、以下に記す事項は、各々単独で技術的な有用性を有している。

本明細書で開示される力検知装置の一実施形態は、気圧を検知するセンサであり、一例では、燃焼圧を検知対象としてもよい。この力検知装置は、基板と力伝達ブロックを備えていてもよい。基板の材料は、圧縮応力に応じて電気抵抗が変化するピエゾ抵抗効果が現われるものが望ましい。例えば、基板は、半導体基板及びＳＯＩ基板を含む。基板は、メサ型ゲージ、封止部及び支柱を有していてもよい。メサ型ゲージは、基板の主面に形成されており、力伝達ブロックに接しており、ブリッジ回路を構成してもよい。メサ型ゲージは、メサ状の形態を有しており、その頂面で力伝達ブロックに接していてもよい。封止部は、基板の主面に形成されており、メサ型ゲージの周囲を一巡して力伝達ブロックに接していてもよい。支柱は、基板の主面に形成されており、メサ型ゲージで囲まれた内部に配置されており、力伝達ブロックに接していてもよい。支柱は、メサ状の形態を有しており、その頂面で力伝達ブロックに接していてもよい。支柱の剛性は、メサ型ゲージの剛性よりも高いのが望ましい。

上記実施形態では、基板と力伝達ブロックで外部から気密に隔てられる封止空間が構成されていてもよい。封止空間は、メサ型ゲージと封止部の間に配置されており、力伝達ブロックが湾曲するのを許容する厚みを有していてもよい。

上記実施形態の力伝達ブロックには、基板側の面に溝が形成されていてもよい。溝は、メサ型ゲージに接する部分と封止部に接する部分の間に配置されていてもよい。この溝により封止空間が構成される。

上記実施形態では、力伝達ブロックが、シリコン層と酸化シリコン層を有していてもよい。酸化シリコン層は、シリコン層の基板側の面の一部を被覆してもよい。この場合、溝は、酸化シリコン層の非被覆領域に構成されてもよい。力伝達ブロックの酸化シリコン層を加工することで、封止空間を構成するための溝を容易に形成することができる。

図１及び図２に示されるように、力検知装置１は、例えば、内燃機関の燃焼圧を検知する半導体圧力センサであり、半導体基板２及び力伝達ブロック４を備える。

半導体基板２は、ｎ型の単結晶シリコンであり、その主面２Ｓが（１１０）結晶面である。半導体基板２の主面２Ｓには複数の溝１１が形成されている。複数の溝１１は、半導体基板２の主面２Ｓに検知部１０、支柱２０及び封止部３０を画定する。

図２に示されるように、検知部１０は、ブリッジ回路を構成するメサ型ゲージ１２，１４，１６，１８を有する。メサ型ゲージ１２，１４，１６，１８は、溝１１の底面からメサ状に突出しており、その高さは約０．５〜５μｍである。メサ型ゲージ１２，１４，１６，１８の頂面は、溝１１の周囲の半導体基板２の主面２Ｓと同一面に位置している。即ち、メサ型ゲージ１２，１４，１６，１８は、例えばドライエッチング技術を利用して、半導体基板２の主面２Ｓに複数の溝１１を形成した残部として形成される。

図２に示されるように、検知部１０では、第１メサ型ゲージ１２及び第３メサ型ゲージ１６が矩形の対向する一対の辺を構成し、第２メサ型ゲージ１４及び第４メサ型ゲージ１８が矩形の対向する一対の辺を構成する。第１メサ型ゲージ１２及び第３メサ型ゲージ１６は、半導体基板２の＜１１０＞方向に沿って伸びている。半導体基板２の＜１１０＞方向に伸びる第１メサ型ゲージ１２及び第３メサ型ゲージ１６には、圧縮応力に応じて電気抵抗が変化するピエゾ抵抗効果が現われる。第２メサ型ゲージ１４及び第４メサ型ゲージ１８は、半導体基板２の＜１００＞方向に沿って伸びている。半導体基板２の＜１００＞方向に伸びる第２メサ型ゲージ１４及び第４メサ型ゲージ１８には、ピエゾ抵抗効果が実質的に現われない。

図１及び図２に示されるように、メサ型ゲージ１２，１４，１６，１８の表面には、ｐ型不純物が導入されたゲージ部１２ａ，１４ａ，１６ａ，１８ａが形成されている。ゲージ部１２ａ，１４ａ，１６ａ，１８ａの不純物濃度は、約１×１０^１８〜１×１０^２１ｃｍ^−３である。ゲージ部１２ａ，１４ａ，１６ａ，１８ａは、ｐｎ接合によって、ｎ型の半導体基板２から実質的に絶縁されている。

図１及び図２に示されるように、支柱２０は、メサ型ゲージ１２，１４，１６，１８で囲まれた内部に配置されている。支柱２０は、溝１１の底面からメサ状に突出しており、その高さは約０．５〜５μｍである。支柱２０の頂面は、溝１１の周囲の半導体基板２の主面２Ｓと同一面に位置している。即ち、支柱２０は、例えばドライエッチング技術を利用して、半導体基板２の主面２Ｓに複数の溝１１を形成した残部として形成される。支柱２０は、平面視したときに、メサ型ゲージ１２，１４，１６，１８の矩形と相似な形態を有している。支柱２０の辺長は、メサ型ゲージ１２，１４，１６，１８の幅（長手方向に直交する方向の幅）よりも大きい。これにより、支柱２０の剛性は、メサ型ゲージ１２，１４，１６，１８の剛性よりも高い。

図２に示されるように、半導体基板２は、主面２Ｓにｐ型不純物が導入された配線部３２，３４，３６，３８を有する。配線部３２，３４，３６，３８の不純物濃度は、約１×１０^１８〜１×１０^２１ｃｍ^−３である。第１配線部３２は、一端が第１ゲージ部１２ａと第２ゲージ部１４ａの接続部に接続されており、他端が第１電極４２に接続されている。第２配線部３４は、一端が第２ゲージ部１４ａと第３ゲージ部１６ａの接続部に接続されており、他端が第２電極４４に接続されている。第３配線部３６は、一端が第３ゲージ部１６ａと第４ゲージ部１８ａの接続部に接続されており、他端が第３電極４６に接続されている。第４配線部３８は、一端が第４ゲージ部１８ａと第１ゲージ部１２ａの接続部に接続されており、他端が第４電極４８に接続されている。電極４２，４４，４６，４８の各々は、半導体基板２の主面２Ｓ上に設けられており、力伝達ブロック４で覆われる範囲外に配置されている。

図１に示されるように、力伝達ブロック４は、直方体形状を有しており、シリコン層４ａと酸化シリコン層４ｂを有する。酸化シリコン層４ｂは、シリコン層４ａの半導体基板２側の表面の一部を被覆する。力伝達ブロック４は、メサ型ゲージ１２，１４，１６，１８の周囲を一巡するように、半導体基板２の主面２Ｓに接合する。半導体基板２のうちの力伝達ブロック４が接合する部分を封止部３０という。半導体基板２の封止部３０と力伝達ブロック４は、気密に接合する。また、力伝達ブロック４は、メサ型ゲージ１２，１４，１６，１８の頂面及び支柱２０の頂面にも接合する。半導体基板２と力伝達ブロック４は、常温個相接合技術を利用して接合される。具体的には、アルゴンイオンを用いて半導体基板２の主面２Ｓ及び力伝達ブロック４の酸化シリコン層４ｂの表面を活性化させた後に、超高真空中で半導体基板２の主面２Ｓと力伝達ブロック４の酸化シリコン層４ｂの表面を接触させ、両者を接合させる。

図１に示されるように、力伝達ブロック４の酸化シリコン層４ｂの一部が除去されており、力伝達ブロック４の半導体基板２側の面に溝４ｃが形成されている。溝４ｃは、半導体基板２のメサ型ゲージ１２，１４，１６，１８と封止部３０の間の領域に対向するように配置されており、力検知装置１を平面視したときに、メサ型ゲージ１２，１４，１６，１８の周囲を一巡する。このような溝４ｃが形成されていることにより、半導体基板２と力伝達ブロック４の間には、外部から隔てられた封止空間６が構成される。

次に、力検知装置１の動作を説明する。まず、力検知装置１は、第１電極４２に定電流源が接続され、第３電極４６が接地され、第２電極４４と第４電極４８の間に電圧測定器が接続して用いられる。力検知装置１では、力伝達ブロック４に加わる燃焼圧が変化すると、力伝達ブロック４を介してメサ型ゲージ１２，１４，１６，１８のゲージ部１２ａ，１４ａ，１６ａ，１８ａに加わる圧縮応力も変化する。ピエゾ抵抗効果が現われるゲージ部１２ａ，１６ａの電気抵抗は、圧縮応力に比例して変化する。このため、第２電極４４と第４電極４８の電位差は、ゲージ部１２ａ，１６ａに加わる圧縮応力に比例する。これにより、電圧測定器で計測される電圧変化から力伝達ブロック４に加わる燃焼圧が検知される。

図３に示されるように、封止型の力検知装置１は、半導体基板２と力伝達ブロック４の間に封止空間６が構成されている。封止空間６は、半導体基板２の封止部３０と力伝達ブロック４の気密接合により、外部から隔てられている。このため、封止型の力検知装置１は、燃焼圧が増大すると、封止空間６の内部の気圧と燃焼圧の間の圧力差が増大する構成を有する。したがって、力伝達ブロック４の受圧面積（力検知装置１を平面視したときに、メサ型ゲージ１２，１４，１６，１８と封止部３０の間の面積に相当する）に加わる燃焼圧の合計である力Ｆ２は、力伝達ブロック４を封止空間６側に向けて湾曲させる。このとき、力伝達ブロック４が湾曲して変位する部分が力点となり、支柱２０が支点となり、メサ型ゲージ１２が作用点となる梃子の関係が成立する。支柱２０の支点とメサ型ゲージ１２の作用点の間の距離をＬ１とし、支柱２０の支点と変位する部分の力点の間の距離をＬ２とすると、作用点に加わる力Ｆ１は、理想的な梃子の効果が発揮されるとすると、以下の数式１で表される。

このように、本実施例の封止型の力検知装置１は、梃子の関係が成立する構成を有しているので、力伝達ブロック４に加わる力Ｆ２を増幅させた力Ｆ１をメサ型ゲージ１２，１６に加えることができる。これにより、力検知装置１のセンサ感度が大幅に向上する。

数式１に示されるように、力検知装置１のセンサ感度を向上させるためには、Ｌ２／Ｌ１が大きいのが望ましく、Ｌ２／Ｌ１が２以上であるのが望ましい。

図４に示されるように、封止空間６を構成する溝４ｃが、酸化シリコン層４ｂ及びシリコン層４ａの双方を加工して形成されていてもよい。梃子の効果が発揮されるためには、封止空間６に対応する位置の力伝達ブロック４が湾曲しなければならない。図４に示されるように、封止空間６に対応する位置のシリコン層４ａが薄く形成されていると、その部分のシリコン層４ａが良好に湾曲するので、梃子の効果が良好に発揮される。

図５に示されるように、封止空間６を構成する溝４ｃが、半導体基板２の主面２Ｓを加工して形成されていてもよい。この溝４ｃは、メサ型ゲージ１２，１４，１６，１８及び支柱２０をドライエッチング技術を利用して形成する工程と同一工程で形成することができる。

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。

１：力検知装置、 ２：半導体基板、 ４：力伝達ブロック、 ４ａ：シリコン層、 ４ｂ：酸化シリコン層、 ４ｃ：溝、 ６：封止空間、 １０：検知部、 １２，１４，１６，１８：メサ型ゲージ、 １２ａ，１４ａ，１６ａ，１８ａ：ゲージ部、 ２０：支柱、 ３０：封止部

Claims (3)

1. 基板と力伝達ブロックを備え、
   前記基板は、
   主面に形成されており、前記力伝達ブロックに接しており、ブリッジ回路を構成するメサ型ゲージと、
   前記主面に形成されており、前記メサ型ゲージの周囲を一巡して前記力伝達ブロックに接する封止部と、
   前記主面に形成されており、前記メサ型ゲージで囲まれた内部に配置されており、前記力伝達ブロックに接する支柱と、を有しており、
   前記基板と前記力伝達ブロックで外部から気密に隔てられる封止空間が、前記メサ型ゲージと前記封止部の間に配置されており、
   前記封止空間に対応する前記力伝達ブロックが前記封止空間側に向けて湾曲すると、その湾曲する部分が力点となり、前記支柱が支点となり、前記メサ型ゲージが作用点となる梃子の関係が成立するように構成されている、力検知装置。
2. 前記力伝達ブロックには、前記基板側の面に溝が形成されており、
   前記溝は、前記メサ型ゲージに接する部分と前記封止部に接する部分の間に配置されている、請求項１に記載の力検知装置。
3. 前記力伝達ブロックは、
   シリコン層と、
   前記シリコン層の前記基板側の面の一部を被覆する酸化シリコン層と、を有し
   前記溝は、前記酸化シリコン層の非被覆領域に構成される、請求項２に記載の力検知装置。