JPH0236574A - 力変換素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は力変換素子、特に圧縮力を検出し電気信号とし
て出力する力変換素子の改良に関する。

［従来の技術］ 力変換素子は、各種分野において圧縮ノ１を検出するた
めのセンサとして幅広く用いられている。

したがって、このよな力変換素子には、周囲の環境に影
響されることなく圧縮力を正確に測定できる能力が要求
される。

特に、この力変換素子は、極めて厳しい使用環境で用い
られることも多く、例えば近年においては内燃機関のシ
リンダ内の圧力測定用として用いられ、その測定圧力を
用いて内燃機関の点火時期制ｆｉｌｌが行われている。

したかって、このような状況のもとで使用される自交１
ｆｉ素子には、周囲に存在する磁気的、電気的なノイズ
の影響を受けることなく、しかも加えられる燃焼カスの
圧力を、応答性良く確実に測定することが要求される。

従来、このような力変換素子としては、圧縮型ロードセ
ルに代表される歪みゲージタイプのものが一般的に知ら
れている。

このタイプの力変換素子は、複数の半導体歪ゲージと接
着剤を用いて起工体の側面に貼付け、これら各歪ゲージ
をホビートス１−ンブリツジ回路を形成するよう電気的
に接続し形成されている。

そして、加えられた圧縮力に対応し７て生ずる起歪体の
歪を、ホイートストンブリッジ回路から電圧信号として
出力している。

［発明が解決しようとする問題点］ しかし、このような従来の力変換素子は、以下に述べる
問題点を有しており、その解決か望まれていた。

第１の問題点 従来の力変換素子は、温度変化に伴う半導体歪ゲージの
抵抗値の増減がもたらず検出特性への悪影響を低減する
ために、複数の半導体歪ゲージを起工体に張付け、ホイ
ートストンブリッジ回路ご形成するよう結線していた。

このため、力変換素子の製造工程が複雑化し、しかも製
造された力変換素子が高洒なものとなってしまうという
問題かあった。

第２の問題点 また、従来の歪ゲージタイプの力変換素子は、複数の歪
ゲージを、接着剤を用いて起歪体の側面に張付けている
。このため、接着剤がもたらすクリープ、ヒステリシス
等の測定特性への悪影響が避けられないという問題があ
った。さらに、接着剤を用いた歪ゲージの張付けには、
高いノウハウを必要とし、しかも接着による歪ゲージ特
性のバラツキも大きいという問題があった。

［発明の目的コ 本発明は、このような従来の課題に鑑みなされたもので
あり、その目的は、前述した問題点を解決することがで
き、信顆性が高くしかも安価な力変換素子と提供するこ
とにある。

［問題点を解決するための手段］ 前記目的を達成するため、第１の発明は、圧縮力が加え
られる面として＋１１０１面の結晶面を有するとともに
、不純物濃度が１×１０１５／Ｃ信　〜１　ｘ　１０　
”／ｃ１１３の範囲に制御され、その厚さが５０μｍ以
下となるように形成されたＳｉ単結晶体と、 前記Ｓｉ単結晶体上に、その（１１０１面上における結
晶の＜００１＞方向より４５度の方向に対向して設けた
第１の電極と、＜１１０＞方向より４５度の方向に対向
して設けた第２の電極と、を含み、これら第１および第
２の電極のいずれか一方を出力電極とし、他方を入力電
極として用いる複数の電極と、 前記Ｓｉ単結晶体の＋１１０）面の結晶面と接合され、
圧縮力をその結晶面に垂直に伝達する台座と、 前記Ｓｉ単結晶体の、台座の接合された面と対向する面
と接合され、そのＳｉ単結晶体を支持するための支持基
台と、 を含み、前記入力電極を用いてＳｉ単結晶体に電流を流
しながらＳｉ単結晶体の結晶面に垂直に圧縮力を作用さ
せ、出力電極から圧縮力に対応した電圧を出力すること
を特徴とする。

また、前記目的を達成するため、第２の発明は、＋１１
０＋面の結晶面を有するよう形成され、（１１０）面の
結晶面に絶縁膜が被覆形成された半導体層と、 圧縮力か加えられる面として＋１１０を面の結晶面を有
するとともに、不純物濃度が１×】Ｏ１５／Ｃｆｌ１〜
１×１０２１／ｃｍ３ノ範囲に制御され、その厚さか５
０μｍ以下となるように前記半導体層の絶縁膜４［に成
長させて形成されたＳｉ単結晶体と、 前記Ｓｉ単結晶体上に、その｛１１０｝面上における結
晶の＜　ＯＯ］、　＞方向より４５度の方向に対向して
設けた第１の電極と、＜１１０＞方向より４５度の方向
に対向して設けた第２の電極と、を含み、これら第１お
よび第２の電極のいずれか一方を出力電極とし、他方を
入力電極として用いる複数の電極と、 前記Ｓｉ単結晶体の（１１０１面の結晶面と接合され、
圧縮力をその結晶面に垂直に伝達する台座と、 前記半導体層の絶縁膜が形成された面と対向する面と接
合され、前記Ｓｉ単結晶体を支持するなめの支持基台と
、 を含み、前記入力電極を用いてＳｉ単結晶体に電流を流
しながらＳｉ４を結晶体の結晶面に垂直に圧縮力を作用
させ、出力電極から圧縮力に対応した電圧を出力するこ
とを特徴とする。

さらに前記目的を達成するため、第３の発明は、圧縮力
が加えられる面として＋１１０）面の結晶面を有すると
ともに、不純物濃度がＩ　Ｘ　１０　”／ＣＩＱ　　〜
１．　ｘ　１０２’／ｃｏ＋”の範囲に制御された伝導
層と、この伝導層と隣接して設けられた電気的な絶縁分
離層と、を含むＳｉ単結晶体と、前記伝導層上に、結晶
の＜００１＞方向より４５度の方向に対向して設けた第
１の電極と、＜　１１．０　＞方向より４５度の方向に
対向して設けた第２の電極と、を含み、これら第１およ
び第２の’ｔＦｉ１のいずれか一方を出力電極とし、他
方を入力電極として用いる複数の電極と、 前記伝ｇＩＰ府の＋１１０１面の結晶面と接合され、圧
縮力をその結晶面に垂直に伝達する台座と、前記絶縁分
闇屑の伝導層の接合された面と対向する而と接合され、
Ｓｉ単結晶体を支持するための支持基台と、 を含み、前記入力電極を用いて伝導層に電流を流しなが
ら伝導層の結晶面に垂直に圧縮力を作用させ、出力電極
から圧縮力に対応した電圧を出力することを特徴とする
。

五−一旦一一点 次に、前記各問題点を解決し、本発明に至るまでのＭ目
的について説明する。

第１の着目点 従来は、温度の変化に伴ない増減する半導体歪ゲージの
抵抗値がもたらす特性への悪影響を低減するために、複
数の半導体歪ゲージを用いて、ホイートストンブリッジ
回路を形成していた。

本発明の第１の着目点は、このような複数の半導体歪ゲ
ージを用いて形成されたホイートストンブリッジ回路に
代え、一つのＳｉ単結晶体で＃Ｉ数の歪ゲージを構成し
ようとすることにある。このため、本発明においては、
一つのＳｉ単結晶体に一対の出力電極と入力電極とを交
差して設け、望ましくは直交する方向に相対して設ける
よう構成している。

以上の構成とすることにより、本発明によれば、後述す
る理由から、温度の変動がもたらず特性などの悪影響を
低減し、前記第１の問題点を解決することができる。

第２の着目点 しかし、前述したように、一対の出力電極と入力電極と
を直交して設けたＳｉ単結晶体を用いたとしても、従来
のようにこのＳｉ単結晶体を起歪体の側面へ接着剤を用
いて貼付けていたのでは、前述した第２の問題点を解決
することができない。

本発明の第２の着目点は、前記Ｓｉ単結晶体の結晶面に
対し垂直に圧縮力を作用させ、この圧縮力に基づ＜Ｓｉ
単結晶体のピエゾ抵抗効果を利用して圧縮力を検知する
という、新規な力検知方式を採用したことにある。

すなわち、従来の力変換素子は、起歪体の側面に複数の
歪ゲージを接着剤を用いて貼付け、圧縮力を起歪体の圧
縮歪として検知していた。したがって、起歪体の圧縮歪
が接着剤を介して、各歪ゲージに伝達されることになり
、接着剤に起因するクリープ、ヒステリヒス等め悪影響
を受けやすく、信頼性が低いという問題があった。

これに対し、本発明では、Ｓｉ単結晶体の結晶面の一方
を台座と接合し、他の結晶面を支持基台に接合し、Ｓｉ
単結晶体の結晶面に対し垂直に圧縮力を作用させるとい
う、従来には全くない新規な構成を採用している。

したがって、仮にＳｉ単結晶体と台座および支持基台と
の接合に接着剤を用いたとしても、接着剤に起因するク
リープ、ヒステリヒス等の悪影響が著しく小さくなり、
測定データの信頼性が極めて高いものとなる。なお、こ
のような接着剤の影響を確実に除去するためには、Ｓｉ
単結晶体と支持基台および台座との接合を、接着剤を用
いることなく、例えば特公昭５３−２８７４７号公報に
開示された静電接合方法等を用いて行うことが好ましい
。

第３の着目点 ところで、このようなＳｉ単結晶体を用いて圧縮力の測
定を行うとする場合には、加えられる圧縮力に対応した
測定電圧を、Ｓｉ単結晶体から出力することが必要とさ
れる。

本発明者らは、このような観点にたって、Ｓｉ単結晶体
のピエゾ抵抗係数π６３−が大きな値となるようＳｉ単
結晶体の結晶面についての検討を行った。

この検討の結果、圧力が加えられる面として（１１０）
面の結晶面を有するよう、Ｓｉ単結晶体を形成する必要
があることを見い出した。

本発明者等は、このような（１１０）面の結晶面を有す
るＳｉ単結晶体を用いて、実用」−十分な大きさの電圧
ΔＶを出力するための検討を進めた。

この検討の結果、Ｓｉ単結晶体から大きな電圧ΔＶを出
力するためには、Ｓｉ単結晶体の厚さをできるだけ小さ
くすればよいことを見い出した。

特に、実用上十分な大きさのΔ■を出力するためには、
このＳｉ単結晶体の厚さを５０μｍ以下、好ましくは２
０μｍ以下に形成すればよい。

このため、本発明においては、圧縮力が加えられる面と
して（１１０）結晶面を有するとともに、不純物濃度が
１×１０７０ｍ　〜１×１０２１／ｃｍ３の範囲に制御
され、その厚さが５０μｍ以下となるよう、前記Ｓｉ単
結晶体を形成している。

［作用］ 次に、本発明の詳細な説明する。

！」」χユヌｌΔ子 第２図には、本発明に係る第１の力変換素子が示されて
いる。

この第１の力変換素子１０００は、圧縮力が加えられる
面として＜１１０）面の結晶面を有するよう形成された
Ｓｉ単結晶体１０と、このＳｉ単結晶体１０の（１１０
）面の結晶面１２と接合され、圧縮力Ｗをその結晶面１
２に垂直に伝達する台座３０と、前記Ｓｉ単結晶体１０
の他の結晶面１４と接合され、Ｓｉ単結晶体１０を支持
する支持基台５０とを含む。

前記Ｓｉ単結晶体１０には、結晶の［００１］方向より
４５゛の方向に対向して設けられた第１の電極１６．１
６’と、［１１０］方向より４う°の方向に対向して設
けられた第２の電極１８．１８−とが設けられている。

そして、これら第１および第２の？＄、極のいずれか一
方１６゜１６−を出力電極とし、他方１８．１８−を入
力電極として用いている。

そして、この力変換素子１０００は、台座３０の頂面３
２に、Ｓｉ単結晶体１０の結晶面１２゜１４に対し垂直
となるよう圧縮力Ｗが加えられる。

そして、加えられた圧縮力Ｗは、台座３０により均等に
分散され、Ｓｉ単結晶体１０の結晶面１２に垂直に圧縮
応力 σＺ＝Ｗ／Ａ として作用する。ここにおいて、Ａは台座３０のＳｉ単
結晶体１０に対する接合面３４の面積を表す。

そして、Ｓｉ単結晶体１０の出力電極１６゜１６−から
は、この圧縮応力σｌに対応した測定電圧Δ■が出力さ
れる。

（ａ）台座、支持基台 このように、圧縮力Ｗを台座３０を介してＳｉ単結晶体
１０に印加するようにしたのは、Ｓｉ単結晶体１０に圧
縮力Ｗが集中して加わることがないようにするためであ
る。

すなわち、Ｓｉ単結晶体１０は周知のように機械的にも
優れた強度と弾性領域とを備えた材料であるが、Ｓｉ単
結晶体に一点に集中して圧縮力Ｗが作用した場合、いか
に機械的に優れた強度を備えているといえども簡単に破
壊してしまう。

したがって、支持基台５０に接合固定されたＳｉ単結晶
体１０を用いて圧縮力Ｗを測定する場合には、結晶面１
２との接触面積が小さく、結晶面１２の一部に集中して
垂直に圧力が加わるような構造は避けなければならない
。

このため、本発明においては、Ｓｉ単結晶体１０の結晶
面１２に圧縮力Ｗが集中して加わることがないよう、圧
縮力の伝達材料として台座３０を設け、圧縮力Ｗを常に
分散してＳｉ単結晶体１０の結晶面１２へ伝達するよう
形成している。

なお、結晶面１２と台座３０の接合面３４との接合領域
（接合面の面積）の外接円の半径をｄ／２とした場合、
台座３０の高さＣは、前記半径６７２以上となるよう形
成することが好ましい、このように、台座３０の高さＣ
を設定することにより、シリコン単結晶体１０に伝達さ
れる圧縮応力σＺは、Ｓｉ単結晶体１０の破壊応力に対
して十分率さなものとして均等に分散されることとなる
。

ただし、台座３０の高さＣに対しての上限は、圧縮力Ｗ
に対し座屈を生じないこと、また圧縮力Ｗを分散してＳ
ｉ単結晶体１０に伝達し、測定電圧Δ■を得る場合の効
率を低減させない範囲に制約されることはいうまでもな
い。

また、本発明において、支持基台５０は１．ビエゾ抵抗
係数π６３゛の有効な利用を妨げる応力等（圧縮応力σ
Ｚ以外の応力）を感知しないよう、圧縮力σＺの生じる
Ｚ軸方向に十分な剛性を備えるよう配慮することが好ま
しい。

このように形成することにより、Ｓｉ単結晶体１０の結
晶面１２に垂直に圧縮力Ｗが作用した場合に、Ｓｉ単結
晶体１０には単純な圧縮応力σｌの歪が生じ、そのピエ
ゾ抵抗係数π６３−を有効に利用することができる。

（ｂ）Ｓｉ単結晶体 ｂ−ｔ　　まな、第２図（Ａ）に示すように、Ｓｉ単結
晶体１０は、その結晶面１２が矩形（正方形を片む）と
なるよう切出され、その厚み、不純物濃度か均一となる
ように形成されている。また、前記出力電極１６，１６
°は、Ｓｉ単結晶体１０−にに距離すを隔てて取付けら
れており、また入力電極１８．１８−は同様にＳｉ単結
晶体１０上に所定間隔おいて取付けられている。

このように各電極１６．１６−　１８．１８−を設ける
ことにより、１６と１８．１８と１６゛１６゛と１８−
１．８−と１６との間の各抵抗値を等しくでき、また、
Ｓｉ単結晶体１０の厚みと不純物濃度が均一であること
から、温度の変化に対する前記各抵抗値もほぼ等しくで
きる。

したがって、入力電極１８．１８−から５ｉｌＪｔ結晶
体１０に電流を流し、出力′Ｓ極１６．ｉ６から電圧出
力を取出すようにした場合のオフセット電圧は、温度の
変化に左右されることなく、はぼ零として維持されるこ
ととなり、単一のＳｉ単結晶体１０が、前述した従来の
複数の半導体歪ゲージを用いて形成されたホイートスト
ンブリッジ回路に置き代わり、前記第１の問題点を解決
することができる。

ｂ−２Ｓｉ単結晶体の結晶面 本発明の力変換素子ｉ　ｏｏｏを用いて圧縮力Ｗを測定
する場合には、まず入力電極１８．１８からＳｉ単結晶
体１０に電流■を流し、出力電極１６．１６−から電圧
ΔＶを取出すようにした状態で、台座３０の頂面３２に
圧縮力Ｗを印加すればよい、このとき、Ｓｉ単結晶体１
０には圧縮応力σＺが作用し、出力電極１６．１６−か
ら次式で示す電圧Δ■が出力される。

Δｖ＝ｂ・ρ・Ｊ　・π　　・σＺ　・・・（１）ここ
において、ρはＳｉ単結晶体１０の比抵抗、Ｊ　は電流
密変、π６３゛はピエゾ抵抗係数である。

本発明の特徴は、出力電極１６．１６“から圧縮力に対
応した電圧ΔＶを出力するため、ピエゾ抵抗係数π６３
−が十分大きな値となるようにＳｔ即結晶体１０を形成
したことにある。

すなわち、本発明者等は、代表的な次の４つの結晶面（
１００）、（１１０）、（１１１）、（２１１）を有す
るＳｉ単結晶体１０について、電極を設ける方向を代え
て、Ｓｉ単結晶体１０から、電圧ΔＶを得るために不可
欠なピエゾ抵抗係数π　−についての計算を行った。こ
の結果、（１００）、（１１１）、（２１１，）の場合
、いずれの方向に電極を設けてもピエゾ抵抗係数π６３
−は零となった。これに対し、（１１０）の場合には、
電極を［００１］方向より４５゛の方向、または［１丁
０コより４５゛の方向に設けることで、絶対値が相等し
く最大のピエゾ抵抗係数π６３゛が存在することが判明
した。

第３図は、比抵抗７．８Ωｌのｐ型（１，１０）面Ｓ　
ｉ　０＋、結晶体のピエゾ抵抗係数π６３−の計算結宋
を示したもので、出力電極を、［ｏ　ｏ　Ｌ　］方向よ
り４５°の方向、入力電極を［１１’Ｏ］方向より４５
°の方向に設けることにより、最大のどニジ抵抗係数π
６３−を得ることができる。

なお、出力電極１６．１６’とし１「０］方向より４５
°の方向に、入力電極１８．１８−を［００１］方向よ
り４５°の方向に設けた場りでも、ピエゾ抵抗係数π６
３゛を同様に利用でき、本発明の目的とする自交＃ｆＡ
素子１０００か実現できことには変りない。

また、前記［００１］、［１１，０］となる結晶方向は
（１１０）面のＳｉ単結晶体１０における代表的な結晶
方向を示したもので、これらの結晶方向と等価な結晶方
向においては全く同様に考えることができる。

第１表には、Ｓｉ単結晶体１０の（１１０１面の結晶面
と等価な結晶面と、［００１］［ＩＴＯ］からなる結晶
方向と等価な結晶方向が示されている。この表から明ら
かなように、Ｓｉ単結晶体には（１１０）面と等価な結
晶面が複数存在する。したがって、（１１０）面と等価
な結晶面をもつＳｉ単結晶体を用いても、本発明の力変
換素子１０００を形成することができる。

なお、（１１０）の結晶面と等価な結晶面は＋　１１．
０　＋で表わされ、また［００１コ［１１０］と等価な
結晶方向は、＜ｏｏｉ＞。

＜１１０＞で一般的に表わされる。

第 表 （以下余白） なお、第３図ではｐ型Ｓｉ単結晶体１０のピエゾ抵抗係
数π　−を示したが、もちろんｎ型（１１０）面Ｓｉ単
結晶体にあっても、前記ピエゾ抵抗係数π６３゛は、第
４図のごと＜　ｐ、型の場合と同等の大きさを有して同
様に存在する。

このように、本発明の力変換素子１０００は、台座３０
を介してＳｉ単結晶体１０の（１１０）面の結晶面１２
に圧縮力Ｗを垂直に伝達するという従来にはない新規な
構成を採用している。このため、Ｓｉ単結晶体１０の出
力電＃１１１６，１６゜からは、実用上十分な大きさを
もった電圧ΔＶを出力することができる。

ｂ−３他の粂件についての検討 Ｓｉ単結晶体１０内に流れる電流■の電流密度をＪ２は
、次式で表わされる。

Ｊ２＝１／　（ｂ　−ｈ）　　　　　　　　・・・（２
）したがって、前記第１式に、第２式を代入することに
より、Ｓｉ単結晶体１０からの測定電圧Δ■は、次式で
表わすことができる。なお、開式において、ｈはＳｉ単
結晶体１０の厚みを表わす。

ΔＶ＝ρ　（Ｉ　／　ｈ）　　π　　゛　・　σ　　　
　・・・　（３）６３　　　　　　Ｚ 前記第３式から明らかなように、本発明の力変換素子１
０００から出力される電圧ΔＶをより大きくするために
は、前記ピエゾ抵抗係数π６３゛以外に、Ｓｉ単結晶体
１０の比抵抗ρ、Ｓｉ単結晶体１０の厚みに対する電流
値Ｉ／ｈ、圧縮応力σｌのいずれかを大きくしてやれば
よい。

しかし、実際には、Ｓｉ￥Ｌ結晶体１０の比抵抗ρ、電
流■、圧縮応力σｌは、以下に述べる理由から常識を越
える範囲より大きくできない。

すなわち、ｐまたはｎ伝導型として市販されるＳｉ単結
晶体１０は、比抵抗ρが１×１０４Ω１を越えるインＩ
・リンシックな特性を備えるよう製造することは困難で
ある。

また、Ｓｉ単結晶体１０に複数の電極を設けるにあたり
、この比抵抗ρが１０Ω■を越えると、良好な電気的接
続を得ることが困難となる。

さらにＳｉ単結晶体１０の室温における比抵抗ρが、１
０Ωａａ（不純物濃度が約１×１０１５／ｃｍ１３に相
当する）〜１×１００ｃｍ（不純物濃度が約１×１０２
１／Ｃｌｌ３に相当する）の範囲を満足しない場合、測
定電圧Δ■の室温に対する変化が著しく大きくなってし
まう。

このため、本発明の力変換素子１０００を構成するＳｉ
単結晶体１０は、その比抵抗ρが１０Ωｃｎ〜ｌＸｌ０
−’Ω備の範囲として制御されたもの３１［１いること
が好ましく、このなめ本発明に用いられるＳｉ単結晶体
１０は、その不純物の濃度がｌＸｌ０　　／ｃｍｌ　　
〜１×１０２１／ｃｍ３の範囲内に制御されている。

また、Ｓｉ単結晶体１０のピエゾ抵抗係数π６３′の大
きさも、前記比抵抗ρの大きさにより左右されるため、
比抵抗ρと同様の理由によりその範囲も制約される。

また、Ｓｉ単結晶体１０の圧縮力による破壊強度は、最
大で約５０＋、（／ｉｎ２であることが知られている。

したかって、Ｓｉ単結晶体１０には、この破壊強度５０
ｋＫ／ｎｌ　を越える圧縮応力σＺが加わることがない
よう形成する必要があり、望ましくはその圧縮応力を２
５ｋｇ／ａＪ以下として作用させることが好ましい。

また、Ｓｉ単結晶体１０に流す電、流値工は、その値が
過大になることがないよう注意する必要がある。これは
、Ｓｉ単結晶体１０に過大な電流工を流すと、Ｓｔ単結
晶体１０自体が電気的な抵抗体として著しく発熱し、そ
の測定電圧ΔＶはもちろん、その他の特性まで悪影響を
及ぼすことになるからである。

本発明者等の確認したところによれば、前記電流■は、
その消費電力か約３０ｍＷを越えない範囲で流すかぎり
、その特性に悪影響がなかった。

以−Ｅ説明したように、Ｓｉ単結晶体１０がらより大き
な測定電圧Δ■を得るうえで望ましい条件をまとめると
、次のようになる。

第１に、Ｓｉ単結晶体１０の不純物濃度は、１ＸＩＯ／
Ｃ履　〜１　ｘ　Ｌ　Ｏ２１／ｃｒ＃３として制御する
。

第２に、Ｓｉ単結晶体１０に作用する圧縮応力σＺは、
Ｓｉ単結晶体１０の破壊限界を越えないようにする。実
験によれば５０ｋＩｒ／ｒａ１２を越えない範囲、望ま
しくは２５　ｋｇ　／　Ｃ１１２を越えない範囲とすれ
ばよいことが確認されている。

第３に、Ｓｉ単結晶体１０に流す電流Ｉは、このＳｉ単
結晶体１０が著しく発熱しない範囲に設定する。実験に
よれば、Ｓｉ単結晶体１０の消費電力か３０　Ｉｎ　Ｗ
を越えない範囲に設定すればよいことか確認されている
。

ｂ−４厚さ１１についての検討 本発明者等は、このような望ましい条件を満足し、しか
もＳｉ単結晶体１０から出力される電圧ΔＶをさらに大
きくすることができるよう、前記第３式に示ずｈ、すな
わちＳｉ単結晶体１０の厚さｈを薄くすることについて
の検討を行った。

通常、Ｓｉ単結晶体１０は、口径が１．５インチ以上の
Ｓｉ単結晶ウェハを用いて製造される。

周知のように、Ｓｉ単結晶ウェハは、種々のＩＣプロセ
ス処理を前提とし、その取扱いを容易にするなめ、少な
くとも厚みが２００μｍ以上あるように製造され、ウニ
ハロ径が５インチのものでは、そのウェハの厚みが約５
００μｍに形成されたものが市販されている。

このため、本発明の力変換素子１０００は、まず通常市
販される＜１１０）面のＳＬ単結晶体ウェハを切り出し
て、Ｓｉ単結晶体１０を形成する。

そして、このＳｉ単結晶体１０の（１１０）面の結晶面
１４を支持基台５０に接合して裏打ちし、その取扱いを
容易なものとする。その後、Ｓｉ単結晶体１０の他の結
晶面１２を、機械的方法と化学的方法とを併用して研磨
し、その厚みか通常のＳｉ単結晶体ウェハとして製造し
市販することが困難と思われる５０μｍ以下とする。

その後、このＳｉ単結晶体１０に、前記出力電極１６．
１６−５入力電極１８．１８−を収り付け、さらにその
結晶面１２に台座３０を接合する。

このようにして、本発明の力変換素子１０００は、Ｓｉ
単結晶体１０の厚さ１１を５０μｍ以下とすることによ
り、Ｓｉ単結晶体１０に対する望ましい状況を満足する
という制約の中で、実用」二十分に大きい測定電圧Δ■
を得ることができる。

本発明者らの実験によれば、不純物濃度が１×１０　／
ｃｍ〜１×１０２１／ｃ１１３の範囲に制御され、しか
もその厚さがｈ＝２０μｍまで研磨されたＳｉ単結晶体
１０を用い、第２図に示す力変換素子ｉ　ｏｏｏを形成
した場合には、厚さが２００μｍｎ以上のＳｉ単結晶体
１０を用いて形成された力変換素子１０００に比べ、温
度による特性への影響が少なく、しかも測定電圧Δ■が
約１０倍以上となることが確認された。

２の　ｙ″′−換、 第５図には、本発明に係る第２の力変換素子２０００が
示されている。

この力変換素子２０００は、（１１０）面の結晶面を有
するよう形成され、その（１１０）面の結晶面上に絶縁
膜２２が被覆形成された半導体屑２４と、この絶縁膜２
２上に成長させることにより形成されたＳｉ単結晶体１
０と、を含み、このＳｉ単結晶体１０の結晶面１２に台
座３０を接合し、半導体層２４側に支持基台５０を接合
して形成されている。

この第２の力変換素子２０００においても、５ｉＱＬ結
晶体１０は、温度による電圧Δ■の影響が少なくなるよ
う、不純物濃度が１×１０１５／ｃｍ〜１×１０２１／
ｃｍ１３の範囲に制御される。

ところで、このような不純物濃度の範囲内には、Ｓｉ単
結晶体が備える抵抗値の止め温度特性と、ピエゾ抵抗係
数π６３−の負の温度特性とを利用して、測定電圧Δ■
が温度に伴って変動する現象を抑制する自己感度補償方
法（特公昭５７−５８７９１号公報に開示されている）
が適用可能な領域が存在する０例えばｐ伝導型Ｓｉ単結
晶体の場合、２つの不純物濃度領域、ずなわち約５Ｘ１
０１８／ＣＩ　　と約２×１０２０／ｃｍ３が存在する
。

この２つの不純物濃度の領域は、ｐ伝導型のＳｉ単結晶
体１０の比抵抗ρに換算すると、約２×１０　ΩＣ１と
、約６Ｘ１０−４ΩＣ１である。例えば、比抵抗ρが６
Ｘ１０−４ΩＣ１で、厚みが２００μｍのＳｉ単結晶体
１０を用い、前記第２図に示す力変換素子１０００を形
成した場合を想定する。

このとき、Ｓｉ単結晶体１０に消費電力が３０ｍＷを越
えない範囲で電流Ｉを流し、圧縮応力σ２として許され
る最大５０　ｋ　ｇ　／ｃｉ２が作用するよう圧縮力Ｗ
を加えた場合には、測定電圧ΔＶは３ｒｎＶ以下の実用
に供さない小さな値となってしまう。

このような力変換素子において、前記自己感度補償法が
適用可能で、しかも実用上限界とも思われる１　０　ｍ
　Ｖ以上の測定電圧Δ■を得ようとする場合には、前記
Ｓｉ単結晶体１０の厚さを１μｍ以下としなければなら
ない。

しかし、Ｓｉ単結晶体１０の厚さｈを１０μｍ以下、特
に１μｍ以下とするようにその結晶面１２を研磨するこ
とは極めて困難である。仮にこのような研磨を行ってＳ
ｉ単結晶体１０を形成しても、力変換素子の歩留りが極
めて悪く、生産性に著しい悪影響を及ぼすことは避けら
れない。

本発明の特徴は、第５図に示すよう厚さｈが極めて薄い
（１１０）面を有するＳｉ単結晶体１０を、以下に説明
するＩＣプロセス製造技術を用いて形成することにより
、特公昭５７−５８７９１号公報に開示された自己感度
補償機能を有する力変換素子を得ることにある。

本発明において、前記半導体層２４上に、例えばＳ　ｉ
　Ｏ、Ｓ　１３Ｎｔ、などの電気的な絶縁膜２２を形成
する手段としては、熱拡散方法、ＣＶＤ法などがあるこ
とは周知のところである。

そして、前記絶縁膜２２上に、Ｓｉ単結晶体１０を形成
する手段としては、エピタキシャル成長法、ＣＶＤ法な
どがあり、エツチング技術やレーザ再結晶技術などを組
み合せることにより、厚さ２０μバ【以下の（１１０）
面のＳｉ単結晶体１０を容易に形成することができる。

そして、本発明において、このＳ　ｉ　ＪｉＬ結晶体１
０はその不純物濃度が、温度による特性の影響が少ない
、約５Ｘ１０　　／ｃｎ　　と約２Ｘ１０２’／ｃｍ１
３に制御され、自己感度補償機能を有するよう形成され
ている。

このようにすることにより、本発明の第２の力変換素子
２０００は、前述した自己感度補償機能を有すると共に
、この出力電極１６．１６−から、十分実用に供する程
度に大きな測定電圧Δ■を得ることができる。

さらに、本発明に係る第２の力変換素子２０００は、電
気的な絶縁膜２２トに５ｉｉＬ結晶体１０が設けられて
いることから、電気的なリークの心配かなく、しかも不
純物濃度も比較的高くできることから、高温での使用に
際しても十分に耐え得ることができる。

工」ゴ工ユヌＪＬＬ子 本発明に係る第３の力変換素子は、前記第２の力変換素
子と同様に、厚みの小さな（１１０）面のＳｉ単結晶体
１０を、ＩＣプロセス製造技術を用いて形成することに
より、自己感度補償機能を有し、しかも実用−Ｌ充分な
大きさの測定電圧ΔＶを得ることができるよう形成した
ことを特徴とするものである。

第６図には、本発明に係る第３の自交ＩｆＡ素子３００
０か示されており、この力変換素子３０００は、Ｓｉ単
結晶体１０を、不純物濃度が１　Ｘ　１０１５／　ｃｍ
”〜５　Ｘ　１０２１／　ｃｍ３の範囲に制御された伝
導層２６と、この伝導層と隣接して設けられた電気的な
絶縁分離層２８と、を含むよう形成し、その絶縁分子ａ
層２８側を支持基台５０に接合し、その伝導層２６側を
台座３０と接合して形成されている。

そして、このＳｉ単結晶体１０上に設けられる一対の出
力電極１６．１６−５入力電極１８．１８゛は、少なく
とも前記伝導層２６と電気的に接続されるよう形成され
、しかもこの伝導層２６は、不純物濃度が１×１０１５
／Ｃｌｌ１３〜１−×１０２１／ｃｍ３として制御され
、かつ出力電極Δ■を大きくして取り出す目的で、その
厚み１１が小さく形成されることはいうまでもない。

本発明において、前記伝導層２６は、熱拡散法あるいは
イオン注入法により、絶縁分子ａ１２８１に形成される
。

また、伝導層２６と絶縁分離層２８との間の電気的な絶
縁分層のための手法としては、ｐ−ｎ接合分電法や抵抗
値の違いを利用したいわゆる抵抗屑分寸法などを用いれ
ば良く、特に抵抗層分離方法を用いるにあたっては、１
％の精度を保つため、伝導層２６の電流の流れる経路の
抵抗値は、絶縁分離Ｎ４２８の電流の流れる経路の抵抗
値の少なくとも１．　／　１．　ＯＯ以下となるように
、している。

このようにすることにより、この第３の力変換素子３０
００は、前記第２の力変換素子２０００と同様に、自己
感度補償機能を有し、しかも充分な測定電圧Δ■をその
出力雷雨１６．１６゛からｌＨ、Ｊノすることができる
。

［・年明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、圧縮力の伝達材
料である台座を介して、圧縮力をＳｉ単結晶体の（１，
１０）面の結晶面に加えるよう構成したことにより、従
来の力変換素子のように接着剤のもたらず特性の悪影響
および起歪体のもたらず特性への悪影響はなく、圧縮力
に対するＳｉ単結晶体のピエゾ抵抗効果を有効に利用し
、圧縮力に対応した電圧出力ｆ！：得ることかできると
いう効果がある。

また、本発明によれば、１つのＳｉ単結晶体がホイート
ストンブリッジ回路としての機能を備えているので、従
来の力変換素子に用いられた複数の半導体歪ゲージを、
１つのＳｉ単結晶体に置き換えることができ、構造が簡
単でしかも安価な力変換素子を製造することかできると
いう効果がある。

また、本発明によれば、Ｓｉ単結晶体の不純物濃度をＩ
　Ｘ　１０　　／ｃｍｌ　　〜１．　Ｘ　１０２’／Ｃ
ＩＱ”　ノ５０゜囲に制御することにより、周囲の温度
変動による影響が少ない、信顆度の高い力変換素子を得
ることができる。

さらに、本発明によれば、Ｓｉ単結晶体のＪ７さが５０
μｍ以下となるよう形成することにより、圧縮力に比例
し、しかも実用−ト充分な大きさをちった電圧出力３得
ることができるという効果がある。

また、本発明に係る第２および第３の力変換素子は、前
記効果に加えて、自己感度補償機能を有するという効果
もある。

［実施例コ 次に本発明の好適な実施例を図面に基づき説明する。

’＄１￥Ｎ＠躬 第１図には本発明に係る第１の力変換素子１０００の好
適な実施例が示されており、同図（Ａ）はその平面説明
図、同図（Ｂ）はその側面説明図を表している。

実施例の力変換素子１０００は、圧縮力が加えられる面
としく１１０）面の結晶面を有するよう形成されたＳｉ
単結晶体１０と、このＳｉ単結晶体の一方の結晶面に静
電接合された台座３０と、Ｓｉ単結晶体１０の他方の結
晶面１４に静電接合された支持基台５０とを含む。

そして、前記Ｓｉ単結晶体１０は、不純物濃度が１　ｘ
　１０１５／ｃｍ”　〜１　ｘ　１０２’／ｃｎ＋”　
ノ！ｔｆｆｌ内にある１、　ｘ　１０１６／ｃｒａ３（
比抵抗ρが約１Ωｃｌ）に制御され、しかもその厚さが
ｈ＝１７μｍとなるよう形成されている。

そして、このＳｉ単結晶体１０の一方の結晶面１２上に
は、結晶の［００１］方向より４５度の方向に、距雇ｂ
＝１．２１１１を隔てて一対の出力電極１６．１４６−
が設けられ、さらに結晶の［１丁０１方向より４５度の
方向に幅Ｗが０．９Ｉｌｌの一対の入力？ＩＪｉ１８．
１８−が設けられている。

そして、前記入力電極１８．１８−には、図示しないが
、電源より電流工を供給するためのリード線が接続され
、Ｓｉ単結晶体１０内には供給された電流Ｉが流れるこ
とになる。さらに、前記出力電極１６．１６−には、電
圧計にて測定電圧ΔＶを読み取るための図示しないリー
ド線が同様に接続されている。

また、前記台座３０は、１１２で、その厚みか１１１１
の結晶化ガラスを用いて形成されており、その接合面３
４は、Ｓｉ単結晶体１０の一方の結晶面１２に静電接合
され、加えられた圧縮力ＷをＳｉ単結晶体１０の結晶面
１２に垂直かつ均等に伝達するよう形成されている。

また、前記支持基台５０は、厚さＩｌｌの結晶化ガラス
を用いて形成されている。

本実施例において、この力変換素子１０００は次のよう
にして製造される。

まず、不純物濃度が１×１０１６／Ｃｒａ３に制御され
、しかもｐ伝導型の（１１０）面の結晶面を備えた、直
径５０ｍ１で厚さ２００μｍ■のＳｉ単結晶体ウェハの
結晶面を、直径５０ＩＩＩＩ″ｒ厚さ１１ｍの結晶化ガ
ラスからなる支持基台ウェハへ静電接合して裏打ちする
。その後、粒径０．１μｍ〜３μｍのダイヤモンド砥粒
によるＲ械的研磨と、ＮａＯＨ水溶液によるエツチング
で代表される化学的研磨とを併用して、前記Ｓｉ単結晶
体ウェハの他の一方の結晶面を厚さがｈ＝１７μｍとな
るまで研磨する。

その後、１．７１１１２となるよう、Ｓｉ単結晶ウェハ
を分割し、支持基台５０に静電接合されたＳｉ単結晶体
１０を得る。

そして、このＳｉ単結晶体１０の他の一方の結晶面１２
．１２−に、１１ｍ２テ厚さが１　””ノ結晶化ガラス
からなる台座３０を静電接合することにより、本実施例
の力変換索子１０００か形成されることとなる。

次に、このようにして形成された力変換素子１０００が
、十分天川に耐える大きさの電圧ΔＶをその出力電極１
６．１６−かち出力することができ、しかもその測定電
圧ΔＶは温度による影響が少ないことを検証するために
、次のような実験を行った。

すなわち、本発明者らは、室温における消費電力が３０
ｍＷを越えないよう、電源からＳｉ単結晶体１２に電流
Ｉを流し、しかもこのＳｉ単結晶体１０を破壊に至らし
めないよう、台座３０を介してσ２が１５　ｋ　ｇ　／
ｎｎ２となるよう１５ｋｇの圧縮力を加えた。

実施例において、Ｓｉ単結晶体１０に設けた一対の入力
電極１８．１８−の間の抵抗値、いわゆる入力抵抗値は
、室温で８００Ωであった。このため、消費電力が３０
ｍＷｆ！：越えないよう、これら入力電極１８．１８゛
からＩ＝６ｍＡの電流をＳｉ単結晶体１０へ通電した。

この結果、このＳｉ単結晶体１０の出力電極１６．１６
゛からは室温でΔＶ＝約１１．０ｍＶの電圧を得ること
ができた。また、この測定電圧ΔＶは−４０’Ｃ〜１５
０°Ｃの範囲における変化率は０．１５％／℃であった
。この結果、本実施例の力変換素子１０００は、実用に
際して充分な大きさの電圧Δ■を出力することができ、
しかも温度に対する特性の影響が極めて小さいことが確
認された。

さらに、前記力変換素子１０００を製造するために用い
た、機械的方法および化学的方法とを兼用したＳｔ単結
晶体ウェハの研磨手段の歩留は、約７０％程度であり、
生産性を著しく低減させるものではないことが確認され
た。

ちなみに、第１図に示ず力変換素子１０００において、
Ｓｉ単結晶体１０として、厚さ２００μＴ口のものを用
いた場合、消費電力が３０ｍＷを越えないようにするた
めには入力電極１８．１８゜から２１ｒｎＡの電流工を
流す必要があり、そして、この厚さｈが２００μｍのＳ
ｉ単結晶体１０を用いると、入力電極１８．１８−から
仮に２１ｍＡの電流を通電したとしても、この力変換素
子からは約３０　ｍ　Ｖ程度の電圧しか出力することが
できず、このことからも、本発明の力変換素子１０００
は、実用上充分な大きさを持った測定電圧ΔＶを得るこ
とができるものであることが理解されよう。

なお、本実施例では、Ｓｉ単結晶体１０の不純物濃度が
１×１０１６／ｃｍ３のｎ伝導型として形成した場合を
例に収り説明したが、本発明はこれに限らず、ｎ伝導型
のＳｉ単結晶体１０を用いても同様な効果を得ることが
できることは、第４図の特性データからも明らかである
。

また、本発明の力変換素子１０００は、Ｓｉ単結晶体１
０の厚さｈを小さくすることにより、Ｓｉ単結晶体１０
を研磨しない場合と比叔して、この測定電圧Δ■を大き
く取り出させる効果かあり、この効果は、不純物濃度を
Ｉ　Ｘ　Ｉ　Ｇ、？、ｂｗｂ　ＣＩＩＩ　”に向って大
きくするにしたがって顕著に現れる。

第２実施例 第５図には、本発明に係る第２の力変換素子の好適な実
施例が示されている。

実施例の力変換素子２０００は、＜　１１．０　＞面の
結晶面を備えた１、７１ｍ２、厚さ２００μｍのＳＬよ
りなる半導体ｗ１２４と、この半導体層２４の側面側を
高温にて熱処理し形成された厚さ１μｍの５ｉ０２より
なる電気的な絶縁膜２２と、この絶縁膜２２の主表面２
２ａ上にエピタキシャル成長法によりＪ７さがｈ＝１μ
ｍｎとなるよう成長して形成された（１１０）面のＳＬ
単結晶体とを含む。そして、このＳｉ単結晶体１０の結
晶面１２に、台座３０を静電接合し、半導体層２４の絶
縁１漠２２を設けた面と対向する面に支持基台５０を静
電接合して形成されている。

ここにおいて、前記Ｓｉ単結晶体１０には、その不純物
濃度が１×１０１５／ｃｍ３〜１．Ｘ１０２’／ｃｉ　
　の範囲にある、１　ｘ　１０１９／ｃｒｒ＋３（比抵
抗ρが約０６０１ΩｃＩ）となるよう、Ｐ伝導型として
ボロンが熱拡散されている。

なお、前記半導体層２４に、絶縁膜２２を形成し、しか
もＳｉ単結晶体１０の不純物濃度を１×１０１９／ｃｍ
３で制御するといったＩＣ製造プロセス技術による一連
の工程は、実際にはウェハの製造段階になされる。その
後、ダイサーにて、このウェハを第５図に示すよう１．
．７ｒｎｒａ２として切出する。

次に、このように形成された力変換素子に対し、本発明
者等は前記第１実施例と同様にして、室温における消費
電力が３０ｒｎＷを越えない範囲でＳｉ単結晶体１０に
電流Ｉを流し、しかも１５ｋｇＷの圧縮力を加えて、Ｓ
ｉ単結晶体１０を薄くした効果の確認と、温度変動か特
性にもたらず影響か少ないという結果についてのＲ，認
を行った。

本実施例において、厚さ１μｍのＳｉ単結晶体１０の入
力抵抗値は、室温で約３３０Ωであった。

このため、室温で消費電力か３０ｒｎＷを越えないよう
、このＳｉ単結晶体１０に流ず電流工は１５ｍＡとした
。この結果、このＳｉ単結晶体１０の測定電圧ΔＶは室
温で約２５ｍＶとなり、しかもこの測定電圧ΔＶの一４
０°〜１５０＠の範囲内における変化率が−０，２３％
／℃であった。

このことから、実施例の力変換素子は、実用に際し十分
大きな電圧ΔＶを出力することができ、しかも測定電圧
Ｖの温度による影響が極めて小さいものであることが確
認された。

ちなみに、第５図に示す力変換素子において、シリコン
単結晶体１０として厚さがｈ＝２００μｍのものを用い
た場合には、ΔＶ＝約１約１．５程Ｖ程電圧しか得られ
ず、このことからも、本実施例の力変換素子が実用に際
し十分なものであることが理解されよう。

さらに、本実施例の力変換素子は、Ｓｉ単結晶体１０が
電気的な絶縁膜２２の主表面２２ａ上に形成されている
ことから、高温でも電流リークがなく信頼性の高いもの
となる。

なお、本実施例においては、Ｓｉ単結晶体１０を、ｐ伝
導型として形成した場合を例にとり説明したが、本発明
はこれに限らず前記シリコン単結晶体１０をｎ伝導型と
して形成しても全く問題はない。

また、本実施例においては、（１１０）面のＳｉ単結晶
体１０をエピタキシャル成長法により形成した場合を例
とり説明したが、本発明はこれに限らず、たとえばＣＶ
Ｄ法やＭＢＥ成長法とレーザ再結晶技術等を併用して形
成してもよい。

！−１−犬一施一１ 第６図には本発明に係る力変換素子の好適な第３実施例
が示されている。

本実施例において、Ｓｉ単結晶体１０は、結晶面が（１
１０）面のｐ伝導型からなり、その厚さがｈ＝２００μ
ｍｎのものとして形成されている。

そして、このＳｉ単結晶体１０は、不純物濃度が５ｘｌ
Ｏ／ｃｎ　　（比抵抗が約２　ｘ　１０−２０−２Ｏと
なるようボロンを熱拡散して形成された厚さｈ＝２μｍ
のｐ伝導型圧縮力感知用伝導層２６と、この伝導層２６
が少なくとも１％精度で機能するよう伝導層２６を電気
的に絶縁分離する絶縁分離層２８と、を含むよう形成さ
れている。

また、Ｓｉ単結晶体１０は、入力電極１８から相対向す
る入力電極１８−に向って伝導層２６内を流れる電流経
路の抵抗値が、電気的な絶縁分離層を同様にして流れる
電流経路の抵抗値の少なくと６１　／　１００以下とな
るようその不純物濃度が制御されている。

そして、このＳｉ単結晶体ＩＱは、その一方の結晶面１
２側に台座３０が静電接合され、他方の結晶面１４に支
持基台５０が静電接合されている。

また、実施例において、前記入力電極１８゜１８−出力
電ｆｔ１１６．１６−は、ともに伝導層２６のピエゾ抵
抗効果に基づく測定電圧ΔＶを収出ずため、少なくとも
伝導層２６と電気的な接続をなすよう蒸着形成されてい
る。

このようにして形成された力変換素子に対し、本発明者
等は前記第１および第２の実施例と同様にして、室温に
おける消費電力が３０ｍＷを越えない範囲でＳｉ単結晶
体１０に電流Ｉを流し、Ｓｔ単結晶体を薄くした効果と
、温度変動が特性にもならず影響が小さいという効果に
ついての確認を行った。

この結果、伝導層２２の厚さをｈ＝２μｍと小さくした
ことにより、伝導層を２２の厚さが２００μｍの場合に
比較して、約１０倍の測定電圧Δ■を得ることができ、
さらに自己感度保障機能を備えるよう前記伝導層２２の
不純物濃度を制御したことにより、−４０℃〜１う０℃
の温度範囲における測定電圧Δ■の変化がほぼ零となる
ことが確認された。

なお、本実施例においては、伝導層２６と電気的な絶縁
分離ｗｊＪ２８を兼ねたＳｉ単結晶体１０を、ｐ伝導型
とした抵抗分離法によるように記載したが、本発明はこ
れに限らず、ｎ伝導型による抵抗分離法を用いても、は
ぼ同様の効果を有する力変換素子を形成することができ
る。

また、本実施例において、電気的な絶縁分贋層２８を兼
ねるＳｉ単結晶体１０を、ドナーとアクセプターとが中
和するよう制御された、キャリアの少ないイントリンシ
ックな特性を備えたものとすることで、伝導層２６はＰ
伝導型またはｎ伝導型のいずれに形成してもよい。

そして、伝導層２６と電気的な絶縁分離層２８とは、ｐ
−ｎ接合分電法を用いて形成しても全く問題はない。た
だし、ｐ−ｎ接合分離法を用いた場合には、出力電力１
６．１６−と入力電極１８゜１８−とは、伝導層２６と
のみ電気的な接続をなすように形成しなければならず、
ｐ−ｎ接合分離法を用いた電気的な分層は、本質的に１
５０℃前後までの温度範囲でしか電気的な分離機能を備
えてないことは周知のところである。

なお、本発明は、前記各実施例に限定されるものではな
く、本発明の要旨の範囲内で各種の変形実施が可能であ
る。

たとえば、第７図には、前記第３実施例の変形例か示さ
れている。

本実施例において、Ｓｉ単結晶体１０は、加えられた圧
縮力を感知するためにその不純物濃度が１×１０１５／
ｃｍ３〜１×１０２１／ｃｍ１３の範囲に制御された伝
導層２６と、この伝導層２６と隣接し伝導層２６を電気
的に絶縁分離することを目的として形成された電気的な
絶縁膜ＮＭ２８とを含み、これら伝導層２６、分離層２
８が、（１１０）面の結晶面を有する厚さ２００μｍの
Ｓｉの単結晶層２７の結晶面側に不純物拡散により形成
されている。

このような構成とすることによっても、前記第３実施例
の力変換素子と同様、出力電極１６゜１．６−から実用
」二十分な大きさをもった電圧Δ■を取出すことができ
、しかも温度による特性の影響の少ない力変換素子を得
ることができきる。

第８図には、前記第３実施例の他の変形例が示されてお
り、実施例の力変換素子は、伝導Ｒ２６がＳｉ単結晶体
１０の側面に出ないように形成したことを特徴とするも
のである。このようにしても、前記第３実施例と同様、
十分大きな測定電圧Δ■を取出すことができ、しかも温
度による影響が少ない力変換素子を得ることかできる。

第９図には、前記第３実施例の、その他の変形例が示さ
れており、本実施例の特徴は、伝導層２６を、（１１０
）面のＳｉ単結晶体１０にイオン注入法により形成した
ことを特徴とするものである。

このようにしても、前記第３実施例と同様な効果を得る
ことができる。

また、前記各実施例においては、結晶面が（１，１，０
）面のＳｉ単結晶体を用い力変換素子を形成した場合を
例にとり説明したか、本発明はこれに限らずこれ以外に
前記第１表に示すように＜　１．１０　＞面と等価な＋
　１１．　Ｏ）結晶面をもつＳｉ単結晶体を用いて力変
換素子を形成してもよい。

【図面の簡単な説明】

第１１２１は本発明に係る力変換素子の好適な第１実施
例の説明し１であり、同図（Ａ）はその平面説明図、同
図（Ｂ）はその側面説明図、 第２図は本発明の力変換素子の検出原理の説明（図であ
り、同図（Ａ＞はその検出原理を説明するために用いら
れる力変換素子の平面説明図、同図（Ｂ）はその力変換
素子の側面説明図、第３図はｐ伝導型（１，１０）面の
ピエゾ抵抗係数π６３゛の特性図、 第４図はΩ伝導型（１１０）面のピエゾ抵抗係数π６３
−の特性］Ａ、 第５図は本発明に係る力変換素子の好適な第２実施例の
説明図、 第６図は本発明の力変換素子の好適な第３実施例の説明
図、 第７図〜第９図は、第６図に示す第３実施例の変形例の
説明図である。 １０　・・・　Ｓｔ単結晶体 １２．１４　　・・・　結晶面 １６．１６−　・・・　出力電極 １８．１８−　・・・　入力電極 ２２　・・・　絶縁膜 ２４　・・・　半導体層 ２６　・・・　伝導層 絶縁分離層 台座 支持基台

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）圧縮力が加えられる面として｛１１０｝面の結晶
   面を有するとともに、不純物濃度が１×１０＾１＾５／
   ｃｍ＾３〜１×１０＾２＾１／ｃｍ＾３の範囲に制御さ
   れ、その厚さが５０μｍ以下となるように形成されたＳ
   ｉ単結晶体と、 前記Ｓｉ単結晶体上に、その｛１１０｝面上における結
   晶の＜００１＞方向より４５度の方向に対向して設けた
   第１の電極と、＜１１０＞方向より４５度の方向に対向
   して設けた第２の電極と、を含み、これら第１および第
   ２の電極のいずれか一方を出力電極とし、他方を入力電
   極として用いる複数の電極と、 前記Ｓｉ単結晶体の｛１１０｝面の結晶面と接合され、
   圧縮力をその結晶面に垂直に伝達する台座と、 前記Ｓｉ単結晶体の、台座の接合された面と対向する面
   と接合され、そのＳｉ単結晶体を支持するための支持基
   台と、 を含み、前記入力電極を用いてＳｉ単結晶体に電流を流
   しながらＳｉ単結晶体の結晶面に垂直に圧縮力を作用さ
   せ、出力電極から圧縮力に対応した電圧を出力すること
   を特徴とする力変換素子。
2. （２）｛１１０｝面の結晶面を有するよう形成され、｛
   １１０｝面の結晶面に絶縁膜が被覆形成された半導体層
   と、 圧縮力が加えられる面として｛１１０｝面の結晶面を有
   するとともに、不純物濃度が１×１０＾１＾５／ｃｍ＾
   ３〜１×１０＾２＾１／ｃｍ＾３の範囲に制御され、そ
   の厚さが５０μｍ以下となるように前記半導体層の絶縁
   膜上に成長させて形成されたＳｉ単結晶体と、 前記Ｓｉ単結晶体上に、その｛１１０｝面上における、
   結晶の＜００１＞方向より４５度の方向に対向して設け
   た第１の電極と、＜１１０＞方向より４５度の方向に対
   向して設けた第２の電極と、を含み、これら第１および
   第２の電極のいずれか一方を出力電極とし、他方を入力
   電極として用いる複数の電極と、 　前記Ｓｉ単結晶体の｛１１０｝面の結晶面と接合され
   、圧縮力をその結晶面に垂直に伝達する台座と、 　前記半導体層の絶縁膜が形成された面と対向する面と
   接合され、前記Ｓｉ単結晶体を支持するための支持基台
   と、 　を含み、前記入力電極を用いてＳｉ単結晶体に電流を
   流しながらＳｉ単結晶体の結晶面に垂直に圧縮力を作用
   させ、出力電極から圧縮力に対応した電圧を出力するこ
   とを特徴とする力変換素子。
3. （３）圧縮力が加えられる面として｛１１０｝面の結晶
   面を有するとともに、不純物濃度が１×１０＾１＾５／
   ｃｍ＾３〜１×１０＾２＾１／ｃｍ＾３の範囲に制御さ
   れた伝導層と、この伝導層と隣接して設けられた電気的
   な絶縁分離層と、を含むＳｉ単結晶体と、　前記伝導層
   上に、結晶の＜００１＞方向より４５度の方向に対向し
   て設けた第１の電極と、＜１１０＞方向より４５度の方
   向に対向して設けた第２の電極と、を含み、これら第１
   および第２の電極のいずれか一方を出力電極とし、他方
   を入力電極として用いる複数の電極と、 　前記伝導層の｛１１０｝面の結晶面と接合され、圧縮
   力をその結晶面に垂直に伝達する台座と、　前記絶縁分
   離層の伝導層の接合された面と対向する面と接合され、
   Ｓｉ単結晶体を支持するための支持基台と、 　を含み、前記入力電極を用いて伝導層に電流を流しな
   がら伝導層の結晶面に垂直に圧縮力を作用させ、出力電
   極から圧縮力に対応した電圧を出力することを特徴とす
   る力変換素子。