JPH0617834B2

JPH0617834B2 - 力検出装置

Info

Publication number: JPH0617834B2
Application number: JP62101269A
Authority: JP
Inventors: 和廣岡田
Original assignee: ENPURASU KENKYUSHO KK
Current assignee: ENPURASU KENKYUSHO KK
Priority date: 1987-04-24
Filing date: 1987-04-24
Publication date: 1994-03-09
Anticipated expiration: 2009-03-09
Also published as: JPS63266325A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は力検出装置、特に三次元座標系において各方向
に加わる力を検出することができる力検出装置に関す
る。

〔従来の技術〕

三次元空間に作用する力を検出する場合、ＸＹＺの３軸
で表現される三次元座標系において、作用する力の各軸
方向成分を独立して検出する必要が生じる。従来、一般
に用いられている力検出装置は、作用する力に起因する
応力歪みをストレーンゲージなどで電気量に変換するこ
とによって検出を行っている。通常は片持梁の構造体に
ストレーンゲージを貼り付け、この片持梁の応力歪みに
よって特定の方向の力検出を行うことが多い。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、前述した従来の力検出装置には、構造が
複雑で量産性に適さないという問題点がある。たとえ
ば、片持梁の構造体を用いた装置では、３軸方向成分を
検出するために３組の片持梁を立体的に組合わせなけれ
ばならない。したがって、量産に適さずコスト高になる
という問題が生じるのである。また、従来装置はストレ
ーンゲージなどのセンサを用いているため、測定精度が
低いという問題もある。

そこで、本発明は構造が単純で量産に適し、しかも高精
度の測定を行うことができる力検出装置を提供すること
を目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、機械的変形によって電気抵抗が変化するピエ
ゾ抵抗効果を有する抵抗素子が少なくとも一面に形成さ
れた単結晶基板に、支持部と作用部とを有する起歪体を
連接し、この作用部の支持部に対する変位に基づいて抵
抗素子に機械的変形を生じさせるようにし、作用部に働
く力を電気的に検出するようにし、しかも単結晶基板の
抵抗素子形成面上で、ピエゾ抵抗係数がピークとなる２
方向がほぼ直交するように抵抗素子形成面を選択するよ
うにしたものである。

〔作用〕

本発明に用いる力検出装置の作用部に力が加わると、ピ
エゾ抵抗効果により機械的変形に基づく電気抵抗の変化
が起り、加わった力を電気的に検出することができる。
抵抗素子はすべて単結晶基板上の一面に形成されている
ため、構造は非常に簡単になり、量産に適したものとな
る。また、抵抗素子形成面上では、ピエゾ抵抗係数がピ
ークとなる２方向がほぼ直交するようになるため、この
ピークとなる２方向を力の検出軸にとることができ、感
度良い測定を行うことができ、測定精度が向上する。

〔実施例〕

以下本発明を図示する実施例に基づいて説明する。

装置の構成第１図(a) は本発明の一実施例に係る力検出装置の側断
面図、同図(b) は同装置の上面図である。ここで、Ｘ
軸，Ｙ軸，Ｚ軸を図の方向に定義するものとする。第１
図(a) は同図(b) に示す装置をＸ軸に沿って切断した断
面図に相当する。

この装置において、シリコンの単結晶基板１０上には、
合計１２個の抵抗素子Ｒが形成されている。抵抗素子Ｒ
x1〜Ｒx4はＸ軸上に配されてＸ軸方向の力検出に用いら
れ、抵抗素子Ｒy1〜Ｒy4はＹ軸上に配されＹ軸方向の力
検出に用いられ、抵抗素子Ｒz1〜Ｒz4はＸ軸に平行でこ
の近傍にある軸上に配されＺ軸方向の力検出に用いられ
る。各抵抗素子Ｒの具体的な構造およびその製造方法に
ついては後に詳述するが、これら抵抗素子Ｒは機械的変
形によってその電気抵抗が変化するピエゾ抵抗効果を有
する素子である。

この単結晶基板１０は起歪体２０に接着されている。本
実施例に係る装置では、起歪体２０は円盤状のフランジ
部２１と、可撓性をもたせるために肉厚を薄くした可撓
部２２と、中心に突出した突出部２３とから構成され
る。この起歪体２０の材質としてはコバール（鉄、コバ
ルト、ニッケルの合金）が用いられている。コバールは
シリコン単結晶基板１０とほぼ同程度の熱膨脹率を有す
るため、単結晶基板１０に接着されていても、温度変化
によって生じる熱応力が極めて小さいという利点を有す
る。起歪体２０の材質、形状は、上述のものに限定され
るわけではなく、ここに示す実施例は最適な一態様にす
ぎない。なお、この起歪体２０は取付孔２４によって所
定の支持体に固着される、起歪体２０の上部には、単結晶基板１０を保護するため
の保護カバー４０が取付けられている（第１図(b) では
図示省略）。保護カバー４０は、保護の機能を有するも
のであればどのようなものでもよく、この装置の使用態
様によっては設けなくてもかまわない。

各抵抗素子には第２図に示すような配線がなされる。す
なわち、抵抗素子Ｒx1〜Ｒx4は第２図(a) に示すような
ブリッジ回路に組まれ、抵抗素子Ｒy1〜Ｒy4は第２図
(b) に示すようなブリッジ回路に組まれ、抵抗素子Ｒz1
〜Ｒz4は第２図(c) に示すようなブリッジ回路に組まれ
る。各ブリッジ回路には電源５０から所定の電圧または
電流が供給され、各ブリッジ電圧は電圧系５１〜５３に
よって測定される。各抵抗素子Ｒに対してこのような配
線を行うため、第１図に示すように単結晶基板１０上で
各抵抗素子Ｒに電気的に接続されているボンディングパ
ッド１１と外部配線用の電極１３とが、ボンディングワ
イヤ１２で接続される。電極１３は配線孔２５を通して
外部に導出されている。

なお、上述の実施例では、起歪体２０と単結晶基板１０
とが別体になっているが、起歪体２０を単結晶で構成す
れば、両者を一体形成することもできる。

装置の基本原理第１図(a) において、突出部２３先端の作用点Ｓに力を
加えると、起歪体２０にこの加えた力に応じた応力歪み
が生じることになる。前述のように可撓部２２は肉厚が
薄く可撓性を有するため、起歪体２０の中心部（以下作
用部という）と周辺部（以下支持部という）との間に変
位が生じ、各抵抗素子Ｒが機械的に変形することにな
る。この変形によって各抵抗素子Ｒの電気抵抗が変化
し、結局、加えた力は第２図に示す各ブリッジ電圧の変
化として検出される。

第３図に、応力歪みと抵抗素子Ｒの電気抵抗の変化との
関係を示す。ここでは、説明の便宜上、単結晶基板１０
と起歪体２０の突出部２３のみを図示し、図の左から右
に４つの抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４が形成されている場合を考
える。まず第３図(a) に示すように、作用点Ｓに力が加
わらないときは、単結晶基板１０に応力歪みは加わら
ず、すべての抵抗素子の抵抗変化は０である。ところが
下方向の力Ｆ１が加わると、単結晶基板１０が図のよう
に機械的に変形することになる。いま、抵抗素子の導電
型をＰ型とすれば、この変形によって、抵抗素子Ｒ１お
よびＲ４は伸びて抵抗が増え（＋記号で示すことにす
る）、抵抗素子Ｒ２およびＲ３は縮んで抵抗が減る（−
記号で示すことにする）ことになる。また、右方向の力
Ｆ２が加わると、単結晶基板１０が図のように機械的に
変形することになる（実際には単結晶基板１０に対し、
力Ｆ２はモーメント力として作用する）。この変形によ
って、抵抗素子Ｒ１およびＲ３は伸びて抵抗が増え、抵
抗素子Ｒ２およびＲ４は縮んで抵抗が減ることになる。
なお、各抵抗素子Ｒは図の横方向を長手方向とする抵抗
素子であるため、図の紙面に垂直は方向に力を加えた場
合は、各抵抗素子ともに抵抗値の変化は無視できる。こ
のように、本装置では加わる力の方向によって抵抗素子
の抵抗変化特性が異なることを利用して、各方向の力を
独立して検出するのである。

装置の動作以下、第４図〜第６図を参照して本装置の動作を説明す
る。第４図はＸ軸方向に力が加わった場合、第５図はＹ
軸方向に力が加わった場合、第６図はＺ軸方向に力が加
わった場合、の各抵抗素子に加わる応力（伸びる方向を
＋、縮む方向を−、変化なしを０で示す）をそれぞれ示
したものである。各図では、第１図に示す装置をＸ軸に
沿って切った断面を(a) 、Ｙ軸に沿って切った断面を
(b) 、そしてＸ軸に平行で素子Ｒz1〜Ｒz4に沿って切っ
た断面を(c) として示すことにする。

まず、第４図(a),(b),(c) の矢印Ｆｘ（第４図(b) では
紙面に垂直な方向）で示すようなＸ軸方向の力が加わっ
た場合を考えると、それぞれ図示する極性の応力が発生
する。この応力の極性は第３図の説明から容易に理解で
きよう。各抵抗素子Ｒには、この応力に対応した抵抗変
化が生じる。たとえば、抵抗素子Ｒx1の抵抗は減り
（−）、抵抗素子Ｒx2の抵抗は増え（＋）、抵抗素子Ｒ
y1の抵抗は変化しない（０）。また、それぞれ第５図お
よび第６図の矢印ＦｙおよびＦｚで示すようなＹ軸およ
びＺ軸方向に力が加わった場合は、図示するような応力
が発生する。

結局、加わる力と各抵抗素子の変化の関係を表にまとめ
ると、表１のようになる。

ここで、各抵抗素子Ｒが第２図に示すようなブリッジを
構成していることを考慮に入れると、加わる力と各電圧
計５１〜５３の変化の有無は表２のような関係になる。

抵抗素子Ｒz1〜Ｒz4は抵抗素子Ｒx1〜Ｒx4とほぼ同じ応
力変化を受けるが、第２図に示すようにブリッジ構成が
両者異なるため、電圧計５１と５３とは異なった応答を
する点に注意されたい。結局、電圧計５１、５２、５３
は、それぞれＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の力に応答すること
になる。なお、表２では変化の有無だけを示したが、加
わる力の方向によって変化の極性が支配され、また加わ
る力の大きさによって変化量が支配されることになる。

ピエゾ抵抗効果を有する抵抗素子の製造以下、本発明に用いる抵抗素子の製造方法の一例を簡単
に述べる。この抵抗素子はピエゾ抵抗効果を有し、半導
体基板上に半導体プレーナプロセスによって形成される
ものである。まず、第７図(a) に示すように、Ｎ型のシ
リコン基板１０１を熱酸化し、表面に酸化シリコン層１
０２を形成する。続いて同図(b) に示すように、この酸
化シリコン層１０２を写真蝕刻法によってエッチングし
て、開口部１０３を形成する。続いて同図(c) に示すよ
うに、この開口部１０３からほう素を熱拡散し、Ｐ型拡
散領域１０４を形成する。なお、この熱拡散の行程で、
開口部１０３には酸化シリコン層１０５が形成されるこ
とになる。次に同図(d) に示すように、ＣＶＤ法によっ
て窒化シリコンを堆積させ、窒化シリコン層１０６を保
護層として形成する。そして同図(e) に示すように、こ
の窒化シリコン層１０６および酸化シリコン層１０５に
写真蝕刻法によってコンタクトホールを開口した後、同
図(f) に示すように、アルミニウム配線層１０７を蒸着
形成する。そして最後にこのアルミニウム配線層１０７
を写真蝕刻法によってパターニングし、同図(g) に示す
ような構造を得る。

なお、上述の製造工程は一例として示したものであり、
本発明は要するにピエゾ抵抗効果を有する抵抗素子であ
ればどのようなものを用いても実現可能である。

単結晶の面方位の選択前述のようなピエゾ抵抗効果を有する単結晶基板のピエ
ゾ抵抗係数、すなわち、応力歪みに対する電気抵抗変化
感度には、方向依存性がある。したがって、単結晶基板
を切出すときの面方位によって、測定感度が大きく左右
される。本発明の特徴の１つは、最も感度のよい方向を
検出軸として選ぶ点にある。第１図(b) に示されている
ように、抵抗素子Ｒx1〜Ｒx4はＸ線上に配され、抵抗素
子Ｒy1〜Ｒy4はＹ軸上に配される。Ｘ軸とＹ軸とは直交
しているので、結局、抵抗素子形成面上に互いに直交す
る２つの検出軸を設ける必要があることがわかる。この
直交する検出軸方向、すなわち、第１図(b) におけるＸ
軸およびＹ軸方向において、ピエゾ抵抗係数がピーク値
をとれば、非常に感度のよい高精度の測定ができること
になる。このような条件は、ピエゾ抵抗係数のピーク方
向が直交するような面に沿って単結晶基板の切出しを行
うことにより満足される。

第８図に、ピエゾ抵抗係数の面方位性の一例のグラフを
示す。このグラフはシリコンの単結晶をある特定の結晶
面で切出し、この切出し面内の各方向についてのピエゾ
抵抗係数を原点０からの距離に対応させてプロットした
ものである。第８図(a) は（００１）面についての、同
図(b) は（１１０）面についての、それぞれ測定結果を
示すグラフである。

たとえば、（００１）面においては、第８図(a) に示す
０゜、９０゜、１８０゜、２７０゜の各方向において、
ピエゾ抵抗係数がピーク値をとっている。すなわち、ピ
ークとなる方向が面内で直交しており、本発明の条件を
満たしていることになる。そこで、たとえば［０１０］
方向および［００］方向をそれぞれ第１図(b)に示す
装置のＸ軸方向およびＹ軸方向として用いれば、感度の
良い測定が行なえることになる。

これに対し、たとえば（１１０）面においては、第８図
(b) に破線で示す方向において、ピエゾ抵抗係数がピー
ク値をとっている。角ＰＯＱは直角ではないので、この
破線で示す方向を、第１図(b) に示す装置のＸ軸方向お
よびＹ軸方向として用いることはできない。この面に用
いてできるだけ感度の良い測定を行うためには、たとえ
ば、第８図(b) に示す４５゜の方向をＸ軸方向に、１３
５゜の方向をＹ軸方向に、それぞれ用いることになる
が、いずれの軸もピーク値からはややずれてしまう結果
となり、理想的な感度条件を得ることができない。

第８図(a) に示すようなピーク方向が直交するような切
出し面はこの他にも存在するが、本発明はそのいずれの
面を用いてもかまわない。なお、第１図(b) に示す装置
において、Ｚ軸方向の力を検出するための抵抗素子Ｒz1
〜Ｒz4は、Ｘ軸方向に沿って配置されている。原理的に
は、これらの抵抗素子はどのような向きに向いていても
かまわない。たとえば、Ｘ軸に対して４５゜の方向に配
列してもＺ軸方向の力を検出可能である。しかしなが
ら、第８図(a) に示すように、（００１）面を用いて抵
抗素子を形成する場合には、この４５゜の方向の感度は
極めて悪いので望ましくない。したがって、第１図(b)
に示すように、高感度を示すＸ軸方向に配するのが好ま
しい。あるいは、同様の理由によりＹ軸方向に配するこ
ともできる。

このように本発明に係る装置は、単結晶基板上で面状に
形成された抵抗素子を用いるため、構造が非常に単純に
なる。また、前述のようなプロセスで製造を行うことが
できるため量産に適し、コストダウンを図ることができ
る。しかも抵抗素子は単結晶からなる素子であり、前述
のようにピエゾ抵抗係数がピークとなる方向を利用でき
るため、高精度の測定が可能である。

〔発明の効果〕

以上のとおり本発明によれば、機械的変形によって電気
抵抗が変化するピエゾ抵抗効果を有する抵抗素子を単結
晶基板上に形成し、この単結晶基板に起歪体を接着し、
この起歪体に作用する力を抵抗素子の抵抗変化として検
出するようにしたため、構造が単純になり、量産に適す
るようになる。しかも単結晶基板のピエゾ抵抗係数がピ
ークとなる方向を２つの直交する検出軸としてとること
ができるため、高精度の測定が可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図(a) および(b) は本発明に係る力測定装置のそれ
ぞれ断面図および平面図、第２図は第１図に示す装置の
抵抗素子のブリッジ構成を示す回路図、第３図は第１図
に示す装置における応力歪みと抵抗素子の抵抗変化との
関係を示す原理図、第４図、第５図、第６図は、第１図
に示す装置において、それぞれＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に
力がかかったときに発生する応力を示す図、第７図は第
１図に示す装置に用いる抵抗素子を単結晶基板上に形成
するプロセスの工程図、第８図はシリコン単結晶の各面
におけるピエゾ抵抗係数を示すグラフである。１０……単結晶基板、１１……ボンディングパッド、１
２……ボンディングワイヤ、１３……電極、２０……起
歪体、２１……フランジ部、２２……可撓部、２３……
突出部、２４……取付孔、２５……配線孔、４０……保
護カバー、５０……電源、５１〜５３……電圧計、１０
１……Ｎ型シリコン基板、１０２……酸化シリコン層、
１０３……開口部、１０４……Ｐ型拡散領域、１０５…
…酸化シリコン層、１０６……窒化シリコン層、１０７
……アルミニウム配線層、Ｒ……抵抗素子、Ｓ……作用
点。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】作用部と前記作用部を支持する支持部を有
する起歪体に、機械的変形によって電気抵抗が変化する
ピエゾ抵抗効果を有する抵抗素子が少なくとも一面に形
成された単結晶基板を、前記作用部が変形したときに前
記変形に対応して前記抵抗素子の電気抵抗が変化するよ
うに前記作用部に連接させ、前記各抵抗素子は細長い矩
形で、少なくとも４つからなる３列で構成され、前記３
列のうち２列は直交し他の１列は前記２列のうちのどち
らかの列に対して平行に配列され、かつ、前記抵抗素子
の長手方向が各列においてすべて列方向に向いており、
更に、前記単結晶基板の抵抗素子形成面上で、前記２列
が直交する方向と同じ方向でピエゾ抵抗係数のピークと
なる２方向がほぼ直交するように、前記抵抗素子形成面
を選択し、前記各列毎の抵抗素子によってそれぞれブリ
ッジ回路を形成することで、前記作用部に加えられたＸ
ＹＺの３軸で表現される三次元座標系における力を検出
することを特徴とする力検出装置。
【請求項２】前記半導体基板は、シリコンの単結晶基板
上に抵抗素子を半導体プレーナプロセスによって形成
し、その後、前記起歪体の作用部に接着したことを特徴
とする特許請求の範囲第１項記載の力検出装置。