JPH0534226A

JPH0534226A - 応力センサ及びその製造方法

Info

Publication number: JPH0534226A
Application number: JP19430991A
Authority: JP
Inventors: Fujio Sato; 藤男佐藤; Morio Tamura; 盛雄田村; Hisayoshi Hashimoto; 久義橋本; Yukio Sakamoto; 幸男坂本
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 1991-08-02
Filing date: 1991-08-02
Publication date: 1993-02-09

Abstract

(57)【要約】【目的】応力センサの製作において製作工程が簡単で
あり、また応力センサにおけるブリッジ回路の調整を精
度良く行うことができ、加えてセンサの薄型化を実現で
きる。【構成】応力センサは、外からの圧力を受ける受圧部
の表面にアモルファス・シリコン膜を設け、このアモル
ファス・シリコン膜に半導体歪みゲージと電極と、半導
体歪みゲージ及び電極で構成されるブリッジ回路のバラ
ンスを調整するための調整用抵抗を設けている。また応
力センサは、受圧部の面にアモルファス・シリコン膜を
成膜し、アモルファス・シリコン膜の一部を加熱して半
導体歪みゲージと電極を作り、その後、半導体歪みゲー
ジに接触する領域を加熱して調整用抵抗を作り、半導体
歪みゲージと電極で構成されるブリッジ回路のバランス
を調整するように製作される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、応力センサ及びその製
造方法に係り、特に、ダイヤフラムの上に複数の歪みゲ
ージでブリッジ回路と電極を構成し、ダイヤフラムに圧
力が加わった時に生じるブリッジ回路の状態で印加圧力
を測定するように構成される応力センサ及びその製造方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、典型的応力センサは、ダイヤフラ
ムの受圧部分に配設された複数の歪みゲージを有する。
これらの歪みゲージはブリッジ回路を構成するように結
線されている。応力センサは、受圧部分に外力が加わっ
た時、ブリッジ回路の平衡・不平衡の状態を利用して受
圧部分に生じる応力を電気的に測定するように構成され
る。応力センサの歪みゲージには、主に半導体歪みゲー
ジが使用される。

【０００３】図７を参照して典型的な従来の応力センサ
の構造を説明する。図７で、１０１は例えばステンレス
で作られるダイヤフラム基体、１０２はダイヤフラム基
体１０１の上面全面に形成された絶縁膜、１０３は多結
晶シリコンで形成された半導体歪みゲージ（以下、歪み
ゲージ）である。歪みゲージ１０３は、ダイヤフラム基
体１０１の受圧部分に４個形成され、これらの歪みゲー
ジによってホイートストンブリッジ回路が形成される。
１０４は歪みゲージ１０３に給電を行う電極、１０５は
歪みゲージ１０３と電極１０４を保護するためのパッシ
ベーション膜である。

【０００４】１０６はダイヤフラム基体１０１の上側に
取り付けられたターミナルベースである。ターミナルベ
ース１０６の上には、ブリッジ回路のバランスに関し零
点調整するための抵抗として角型チップ抵抗器１０７が
２個配設されている。４個の歪みゲージ１０３で構成さ
れる前述のブリッジ回路は、各歪みゲージの抵抗値が等
しくなるように作ることができないため、アンバランス
の状態で作製される。そこで、抵抗器１０７の抵抗値を
調整して、ブリッジ回路が零バランスをとるようにす
る。角型チップ抵抗器１０７は、トリミングにより固定
の抵抗値に設定される。各抵抗器１０７の抵抗値は、半
導体歪みゲージ１０３の抵抗値に基づき計算により算出
される。上記の抵抗器１０７は、電気回路図で表現する
と、４個の歪みゲージ１０３で構成されるブリッジ回路
の中に抵抗要素として含まれる。

【０００５】上記の如く、従来の応力センサでは、外付
けされた抵抗器１０７で、ブリッジ回路のバランスをと
り、ダイヤフラム基体１０１の受圧部分に加わった圧力
を測定する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来の応力センサで
は、ブリッジ回路のバランス状態を作るための零点調整
を外付けの抵抗器で行っていた。従って、ブリッジ回路
の製作工程とは別工程となり、作業に手間がかかる。

【０００７】また零点調整に使用される角型チップ抵抗
器１０７は、零点調整に必要とされる目標抵抗値を有し
ない場合がある。このような場合には、目標抵抗値に近
似した抵抗値を有する抵抗器を用いる。従って、零点調
整を正確に行うことができないという問題を提起する。

【０００８】更に、前述の角型チップ抵抗器１０７は、
ターミナルベース１０６の上に、突出する状態で固着さ
れる。そのために、薄型の応力センサを実現することが
できないという問題が存在する。

【０００９】本発明の目的は、製作工程が簡単となり、
応力センサにおけるブリッジ回路の調整を精度良く行う
ことができると共に、センサの薄型化を実現できる応力
センサ及び応力センサの製造方法を提供することにあ
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明に係る応力センサ
は、外からの圧力を受ける受圧部の表面にアモルファス
・シリコン膜を設け、このアモルファス・シリコン膜に
半導体歪みゲージと電極と、半導体歪みゲージ及び電極
で構成されるブリッジ回路のバランスを調整するための
調整用抵抗を設けている。

【００１１】好ましくは、前記の構成において、調整用
抵抗が、半導体歪みゲージに接触して設けられる。

【００１２】本発明に係る応力センサの製造方法は、外
からの圧力を受ける受圧部の表面にブリッジ回路を構成
する半導体歪みゲージと電極とが設けられる応力センサ
を製造する方法であり、受圧部の面にアモルファス・シ
リコン膜を成膜し、アモルファス・シリコン膜の一部を
加熱して半導体歪みゲージと電極を作り、その後、半導
体歪みゲージに接触する領域を加熱して調整用抵抗を作
り、半導体歪みゲージと電極で構成されるブリッジ回路
のバランスを調整する。

【００１３】好ましくは、前記製造方法において、加熱
を行う手段にレーザ装置を用いる。

【００１４】

【作用】アモルファス・シリコン膜の中の一部の領域を
多結晶シリコンに変化させて、複数の半導体歪みゲージ
と電極を形成し、もって圧力に起因して発生する応力を
検出する機能を有するブリッジ回路を設ける。しかし、
これだけであると、複数の歪みゲージの各抵抗値を目標
値に均一に作ることができないので、ブリッジ回路のバ
ランスをとることができない。そこで、歪みゲージの抵
抗値を適宜な値に調整するための調整用抵抗を作り、ブ
リッジ回路の零点調整を行い、ブリッジ回路が良好に応
力検出を行うようにセットする。調整用抵抗は、歪みゲ
ージに接触した領域に所要の面積で形成される。当該領
域の面積を適宜に調整することにより、必要とする調整
用の抵抗値を決定することができる。

【００１５】応力センサの製造方法では、ダイヤフラム
の上面に形成されるアモルファス・シリコンを利用し
て、その一部の領域を、レーザ装置等の加熱手段を利用
して局部的に加熱することにより、複数の半導体歪みゲ
ージと電極を作る。併せて、半導体歪みゲージと電極と
で、応力を測定するためのブリッジ回路を形成した後
に、当該ブリッジ回路の零点調整を行うための調整用抵
抗を、半導体歪みゲージ等を作るための手段を用いて同
様な方法で作ることができる。調整用抵抗の目標値とす
る抵抗の値は、ブリッジ回路のバランスを逐次測定しな
がら決定することができるし、また予め、ブリッジ回路
の状態を測定及び計算により求め、必要とする調整用の
抵抗値を算出し、この算出値に基づいて、調整用抵抗を
作るようにしても良い。

【００１６】

【実施例】以下に、本発明の実施例を添付図面に基づい
て説明する。図１は本発明に係る応力センサの縦断面図
である。本図において１はダイヤフラム基体である。材
質的には、一般的にステンレス鋼（ＳＵＳ６３０）等の
金属で形成される。これは、強度及び耐熱性を高くする
ためである。しかし実際上、耐熱性の高いものに限定さ
れず、アルミニウムやアルミニウム合金等の耐熱性の低
い材質で作ることもできる。

【００１７】ダイヤフラム基体１は、天井部を備えた例
えば円筒体形状を有する。天井部は、受圧部分であり、
起歪部として機能する。図中、その下面が、液圧等の圧
力を受ける。円筒体部分は、受圧部分を支持する。ダイ
ヤフラム基体１の上面は平坦に形成される。

【００１８】２は絶縁膜である。絶縁膜２は、ダイヤフ
ラム基体１の上面に形成される。３は、絶縁膜２の上に
形成される非晶質のアモルファス・シリコン膜である。
アモルファス・シリコン膜３の中にはＢ又はＰ等の不純
物がドーピングされる。アモルファス・シリコン膜３は
非晶質であるため、比抵抗が大きく絶縁体として機能す
る。絶縁膜２及びアモルファス・シリコン膜３は、従来
方法と同様に、例えばプラズマＣＶＤ法によって作られ
る。

【００１９】図１において、４はアモルファス・シリコ
ン膜３の中に埋設状態で形成された半導体歪みゲージ、
５はブリッジ回路バランス調整用抵抗、６は電極であ
る。なお図１は、半導体歪みゲージ４、調整用抵抗５、
電極６が同じアモルファス・シリコン膜の中に形成され
ることを示すための図示であり、それらの位置関係につ
いては若干不正確になっている。このことは図６でも同
じである。

【００２０】図２は平面図である。半導体歪みゲージ４
は、所定の配置関係、すなわち中心部に２個、周縁部に
２個、合計で４個の設けられている。図２では、半導体
歪みゲージに対して符号４ａ〜４ｄを付している。半導
体歪みゲージはそれぞれ極めて小面積で形成されてい
る。４個の半導体歪みゲージ４ａ〜４ｄは、ホイートス
トンブリッジ回路を構成するように接続されている。４
個の半導体歪みゲージによるブリッジ回路は、受圧部分
に外からの圧力が加わって受圧部分が変形した時、その
応力（歪み）発生状態を電気信号に変換する。これによ
り、外部から与えられる圧力を測定できる。

【００２１】電極６は、図２に示されるように、所定の
パターン形状で６個形成される。これらの電極６は半導
体歪みゲージに電気的に接続され、半導体歪みゲージと
連続的に形成される。電極６の部分は大きな面積で形成
され、その抵抗値は小さくなり、電気配線部として機能
する。

【００２２】図３は、図２中符号Ａで特定した半導体歪
みゲージ４ａの周辺部を拡大して示す平面図である。半
導体歪みゲージ４に対して、前述のバランス調整用抵抗
５が設けられる。バランス調整用抵抗５は、半導体歪み
ゲージ４ａの一部に接触する状態にて形成される。バラ
ンス調整用抵抗５を設けると、電極６ａ，６ｆの間の抵
抗値は、抵抗５を形成する前の抵抗値よりも、低下す
る。この抵抗値の低下分は、抵抗５の面積を適宜に調整
することにより、任意の値で設定することが可能であ
る。

【００２３】バランス調整用抵抗５を設けた半導体歪み
ゲージ４ａを、電気回路的に表現すると、図４の如くな
る。図４で、Ｖ_INはブリッジ回路を能動状態にする電源
電圧で、Ｖ_OUTはブリッジ回路の出力電圧である。回路
的には、バランス調整用抵抗５は、半導体歪みゲージを
表す可変抵抗４ａの一部に並行に接続される抵抗分とな
る。このように、並行に抵抗分が接続されることによ
り、半導体歪みゲージ４ａを表す可変抵抗の抵抗値が低
下する。こうして、全体として、ブリッジ回路のバラン
スについて、零点調整を行うことが可能となる。

【００２４】半導体歪みゲージ４ａに対するブリッジ回
路バランス調整用抵抗５の形成位置は任意である。また
他の半導体歪みゲージ４ｂ〜４ｄのいずれかに形成する
こともできる。更に、形成される個数も任意である。

【００２５】上記において、半導体歪みゲージ４とバラ
ンス調整用抵抗５と電極６は、非晶質のアモルファス・
シリコン膜３内に、歪みゲージと調整用抵抗と電極が形
成される予定箇所に局部的に熱を加えて結晶質化し、形
成される。これによってアモルファス・シリコン膜３の
一部にブリッジ回路が形成される。アモルファス・シリ
コン膜３での半導体歪みゲージ４と調整用抵抗５と電極
６の形成箇所は、加熱によって結晶化され、多結晶シリ
コンに変化する。

【００２６】次に、図５及び図６に基づいて本発明に係
る応力センサの製造方法について説明する。

【００２７】先ず、天井部を有する円筒体形状のダイヤ
フラム基体１は切削加工によって作製される。なお、薄
板状のダイヤフラムを用いることもできる。

【００２８】次に図５に示すように、ダイヤフラム基体
１の上面に絶縁膜２を形成する。絶縁膜２は、例えばＳ
ｉＯ₂、ＳｉＣ、ＳｉＮ_X等を、ＣＶＤ法、真空蒸着
法、スパッタ法等を用いてダイヤフラム基体１の上面に
数μｍの厚みで堆積することにより、形成される。その
後に、絶縁膜２の上にＣＶＤ法等の方法を用いて非晶質
のアモルファス・シリコン膜３を形成する。

【００２９】次にアモルファス・シリコン膜３の中に、
４個の半導体歪みゲージ４、６個の電極６を形成する。
この工程では、レーザ装置７と、レーザ装置７から出力
されたレーザ光９をアモルファス・シリコン膜３の上面
に案内するプロファイラ８が使用される。プロファイラ
８は、レーザ光９を反射し、アモルファス・シリコン膜
３の半導体歪みゲージと電極を形成する予定箇所に照射
させる。図５に示された４は、レーザ光９が照射された
箇所であり、この箇所４はレーザ光９によって加熱さ
れ、結晶化され、多結晶シリコンとなって半導体歪みゲ
ージとして機能する。また同様に、レーザ光９が照射さ
れる箇所として電極形成部が想定され、当該電極形成部
はレーザ光９によって加熱され、結晶化され、多結晶シ
リコンとなって電極が形成される。レーザ装置７には、
例えばエキシマレーザを用い、レーザ光のエネルギ強度
には例えば１００ｍＪ／ｃｍ²のものが用いられる。

【００３０】図６は、ブリッジ回路バランス調整用抵抗
５を形成する工程を示す。アモルファス・シリコン膜３
における半導体歪みゲージ４に接触する領域にレーザ光
９を照射して調整用抵抗５を形成する。調整用抵抗５の
抵抗値は、ブリッジ回路のバランスが零点調整される所
要の値に設定される必要がある。本実施例の場合には、
零点調整の状態を検査しながら調整用抵抗５を作る。調
整用抵抗５の抵抗値は、零点調整が完全に行われた状態
で、最終的に決定される。零点調整の状態を検査する時
には、レーザ光の照射は中断される。また、先に作られ
たブリッジ回路の特性を測定し、バランス調整のために
要する目標抵抗値を計算で求め、この目標抵抗値を満足
するように抵抗５を形成することも可能である。

【００３１】上記の応力センサの製造方法では、加熱手
段としてレーザ装置を使用したが、アモルファス・シリ
コン膜の歪みゲージ形成予定箇所等を局部的に加熱でき
る手段であれば、任意なものを使用することができる。

【００３２】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように本発明によ
れば、次の効果が生じる。アモルファス・シリコン膜に
埋設状態で半導体歪みゲージと電極を連続的に形成する
と共に、更に歪みゲージに接触する状態でブリッジ回路
バランス調整用抵抗を形成するため、応力センサの構造
を小型且つ薄型にすることができる。

【００３３】また半導体歪みゲージ及び電極を作る手段
と、調整用抵抗を作る手段とが共通であり、且つレーザ
光の加熱作用を利用して作ることができるので、製造工
程が簡易化され、製造コストが低減する。

【００３４】また本発明による調整用抵抗では、バラン
ス調整に要する目標抵抗値を常に作ることができ、正確
なバランス調整を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】発明に係る応力センサの縦断面図である。

【図２】応力センサの平面図である。

【図３】図２の部分拡大図である。

【図４】ブリッジ回路の電気回路図である。

【図５】本発明に係る応力センサの製造方法を説明する
ための応力センサの縦断面図である。

【図６】本発明に係る応力センサの製造方法を説明する
ための応力センサの縦断面図である。

【図７】従来の応力センサの構造を示す縦断面図であ
る。

【符号の説明】

１ダイヤフラム基体２絶縁膜３アモルファス・シリコン膜４半導体歪みゲージ５調整用抵抗６電極７レーザ装置８プロファイラ９レーザ光

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者坂本幸男茨城県土浦市神立町650番地日立建機株式会社土浦工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】外からの圧力を受ける受圧部の表面にブ
リッジ回路を構成する半導体歪みゲージと電極が設けら
れる応力センサにおいて、前記受圧部の表面にアモルフ
ァス・シリコン膜を設け、このアモルファス・シリコン
膜に前記半導体歪みゲージと前記電極と前記ブリッジ回
路のバランスを調整するための調整用抵抗を設けたこと
を特徴とする応力センサ。
【請求項２】請求項１記載の応力センサにおいて、前
記調整用抵抗は、前記半導体歪みゲージに接触して設け
られることを特徴とする応力センサ。
【請求項３】外からの圧力を受ける受圧部の表面にブ
リッジ回路を構成する半導体歪みゲージと電極とが設け
られる応力センサの製造方法において、前記受圧部の面
にアモルファス・シリコン膜を成膜し、前記アモルファ
ス・シリコン膜の一部を加熱して前記半導体歪みゲージ
と前記電極を作り、その後、前記半導体歪みゲージに接
触する領域を加熱して調整用抵抗を作り、前記半導体歪
みゲージと前記電極で構成される前記ブリッジ回路のバ
ランスを調整したことを特徴とする応力センサの製造方
法。
【請求項４】請求項３記載の応力センサの製造方法に
おいて、前記加熱を行う手段は、レーザ光であることを
特徴とする応力センサの製造方法。