JPH06296032A

JPH06296032A - 力変換素子

Info

Publication number: JPH06296032A
Application number: JP8337893A
Authority: JP
Inventors: Masaki Moronuki; 正樹諸貫; Sakae Minagawa; 栄皆川
Original assignee: Riken Corp
Current assignee: Riken Corp
Priority date: 1993-04-09
Filing date: 1993-04-09
Publication date: 1994-10-21

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】高温環境下でも圧縮力を検出することが可能
な力変換素子に関し、シリコン単結晶板の厚さを薄くし
ないで自己温度補償を行いつつ、出力電圧を確保するこ
とを目的とする。【構成】中央に形成された厚肉部６に連続して歪を生
じる薄肉起歪部７を厚肉部の周りに形成し、この歪部の
周りに該歪部と一体に構成された支持部８を有するシリ
コン単結晶板３と、シリコン単結晶板を、その支持部を
介して支持する基台２と、シリコン単結晶板に力を伝達
する台座５と、シリコン単結晶板の上に形成された絶縁
膜４と、前記シリコン単結晶板の薄肉起歪部７と重なる
位置で絶縁膜上に形成されて不純物をドーピングした多
結晶シリコン膜からなるゲージ抵抗を、ストレインゲー
ジとして構成したホイートストーンブリッジ回路とを備
えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高温環境下でも圧縮力
を電気信号として検出することが可能な力変換素子の改
良に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、圧縮力を検出するためのセンサ
である力変換素子は、複数の半導体歪ゲージを接着剤を
用いて起歪体の側面に貼り付け、これら各歪ゲージをホ
イートストーンブリッジ回路を形成するように電気的に
接続して構成されているが、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を回避するた
め、例えば、特開平２−３６５７４号公報（図４，図５
図示）に示す力変換素子が提案されている。

【０００３】図において、符号１０１はシリコン単結晶
板で、このシリコン単結晶板１０１は、圧縮力が加えら
れる面として、（１１^-０）面の結晶面１０２を有し、
シリコン単結晶板１０１は、その結晶面１０２の反対側
の面で基台１０３上に接合されている。

【０００４】シリコン単結晶板１０１の結晶面１０２上
には、結晶の（００１）方向から４５度の方向に対向し
て入力電極１０４Ａ，１０４Ｂが形成され、入力電極１
０４Ａ，１０４Ｂと直交方向に、出力電極１０５Ａ，１
０５Ｂが形成されている。

【０００５】シリコン単結晶板１０１の結晶面１０２に
は、台座１０６が接合され、圧縮力が、結晶面１０２に
垂直に伝達するようになっている。そして、この力変換
素子は、１つのシリコン単結晶板１０１で複数の歪ゲー
ジを構成してなり、シリコン単結晶板１０１の結晶面１
０２に対して圧縮力を垂直に作用させると、この圧縮力
に基づくシリコン単結晶板１０１のピエゾ抵抗効果を、
ホイートストーンブリッジ回路の各片を構成する歪ゲー
ジとして利用し、ホイートストーンブリッジ回路の出力
電圧の測定により圧縮力を検知するようになっている。

【０００６】台座１０６に加えられた力Ｗは、圧縮応力
σ（ｚ）に変換され、シリコン単結晶板１０１に伝達さ
れるが、入力電極１０４Ａ，１０４Ｂに一定の電流を印
加しておくと、その圧縮応力σ（ｚ）に比例して出力電
圧間の電圧ΔＶは、 ΔＶ＝ρ×（Ｉ／ｈ）×π_63'×σ（ｚ）×ｋ・・・・・（１）として与えられる。

【０００７】ここで、ρはシリコン単結晶板の比抵抗Ｉは印加電流ｈはシリコン単結晶板の厚さ π_63'はピエゾ抵抗係数 σ（ｚ）は圧縮応力ｋはシリコン単結晶板の電極形状で決まる定数であ
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
上述の力変換素子にあっては、次の問題点があった。
（１）式から明らかのように、出力電圧ΔＶを大きくす
るためには、（Ｉ／ｈ）を大きくすれば良いが、印加電
流を大きくし過ぎると、発熱により力変換素子の温度が
上昇し、出力電圧が不安定となる等の悪影響を及ぼす。
従って、シリコン単結晶板１０１の厚さｈを５０ミクロ
ン以下に薄くすることを余儀なくされるが、このように
すると、工程が複雑になり、高精度にシリコン単結晶板
１０１を研磨することが困難となり、歩留りが低く、製
造された力変換素子が高価になってしまうという問題が
あった。

【０００９】そして、シリコン単結晶板１０１の厚さｈ
が薄くなると、出力電圧ΔＶの温度による変動について
は、シリコン単結晶板１０１の両側に接合された台座１
０６，支持台１０３の熱膨張特性による影響が著しくな
るという問題がある。

【００１０】ところで、力変換素子においては、シリコ
ン単結晶板１０１は、温度による電圧ΔＶの影響が少な
くなるよう、不純物濃度が１×１０¹⁵／ｃｍ³〜１×１
０²¹／ｃｍ³の範囲に制限される。そして、このような
不純物濃度の範囲内には、シリコン単結晶板１０１が備
える正の温度特性と、ピエゾ抵抗係数π_63'の負の温度
特性とを利用して、測定電圧ΔＶが温度に伴って変動す
る現象を抑制する自己温度補償方法（特公昭５７−５８
７９１号公報）が運用可能な領域が存在する。例えば、
ｐ型伝導型シリコン単結晶板の場合、２つの不純物濃度
領域、即ち、５×１０¹⁸／ｃｍ³と２×１０²⁰／ｃｍ³
が存在する。この２つの不純物濃度濃度は、ｐ型伝導型
シリコン単結晶板の比抵抗ρに換算すると、約２×１０
^-2Ωｃｍと約６×１０^-4Ωｃｍとなる。

【００１１】ここで、通常のシリコン単結晶板の比抵抗
が数Ωｃｍに選定されるので、出力電圧ΔＶの温度変動
を抑制するため、上記の自己温度補償方法を適用する
と、他の条件が同じとすると、（１）式から出力電圧Δ
Ｖは、シリコン単結晶板１０１の比抵抗に比例するた
め、１／１００〜１／１０００と低くくなってしまい、
実用に供することが困難とされている。要するに自己温
度補償を確保すると、出力電圧が低くなるという問題が
ある。

【００１２】本発明は、上述の問題点を解決するために
なされたもので、その目的は、シリコン単結晶板の厚さ
を薄くしないで自己温度補償を行いつつ、出力電圧を確
保できる力変換素子を提供することである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
中央に形成された厚肉部に連続して圧縮力が加えられて
歪を生じる薄肉起歪部を厚肉部の周りに形成し、この歪
部の周りに該歪部と一体に構成された支持部を有するシ
リコン単結晶板と、シリコン単結晶板を、その支持部を
介して支持する基台と、シリコン単結晶板に力を伝達す
る台座と、シリコン単結晶板の上に形成された絶縁膜
と、前記シリコン単結晶板の薄肉起歪部と重なる位置で
絶縁膜上に形成されて不純物をドーピングした多結晶シ
リコン膜からなるゲージ抵抗を、ストレインゲージとし
て構成したホイートストーンブリッジ回路とを備えてい
ることを特徴とする。

【００１４】請求項２記載の発明は、請求項１記載の発
明において、基台には、シリコン単結晶板の厚肉部と隙
間を介して受け部が形成されていることを特徴とする。

【００１５】

【作用】請求項１記載の発明においては、台座によって
伝達された力は、シリコン単結晶板を押すように作用
し、シリコン単結晶板の力を受ける面には、圧縮応力が
生じ、この圧縮応力は、ホイートストーンブリッジ回路
により、抵抗変化に変換され、検出される。即ち、ホイ
ートストーンブリッジ回路の入力電極に定電流を流せ
ば、加えられた力に比例する出力電圧が得られる。

【００１６】そして、シリコン単結晶板は中央に形成さ
れた厚肉部に連続して圧縮力が加えられて歪を生じる薄
肉起歪部を厚肉部の周りに形成してなるので、薄肉起歪
部における歪量が大きく、その歪量が検出されるので、
検出感度が良くなる。

【００１７】請求項２記載の発明においては、請求項１
記載の発明において、基台には、シリコン単結晶板の厚
肉部と隙間を介して受け部が形成されているので、過大
な力が加わった場合に、受け部がシリコン単結晶板の厚
肉部の変位を拘束し、ストッパーとして作用する。

【００１８】また、力の方向が垂直方向からずれた場合
に、受け部がガイドとなり、厚肉部の変位方向が修正さ
れる。

【００１９】

【実施例】以下、図面により本発明の実施例について説
明する。図１ないし図３は本発明の実施例に係わる力変
換素子を示す。

【００２０】図において、符号１は、本発明の実施例に
係わる力変換素子で、力変換素子１は、基台２と、基台
２の上に接着されたシリコン単結晶板３と、シリコン単
結晶板３の上面に形成された絶縁膜４と、絶縁膜４の上
に接合された台座５とを備えている。

【００２１】シリコン単結晶板３は、板状に構成され、
下面側には、正方形状の厚肉部６と、厚肉部６に連続し
て該厚肉部６の外側部分に形成され、圧縮力が加えられ
て歪を生じる薄肉起歪部７と、薄肉起歪部７の外側部分
に連続して基台２に接合される支持部８とから構成され
ている。薄肉起歪部７は、厚肉部６と支持部８の間にあ
って、４角形状の環状溝部となっている。従って、薄肉
起歪部７における歪量が大きく、その歪量が検出される
ので、検出感度が良くなる。

【００２２】基台２の中央部には、下方に行くに従って
拡がるテーパ状の孔部９が形成され、該基台２の上面に
は、孔部９の周りに皿状凹部からなる受け部１０が設け
られている。

【００２３】受け部１０と、上記シリコン単結晶板３の
厚肉部６の底部周縁部６Ａ付近の間には隙間１１が形成
されている。従って、シリコン単結晶板３に過大な力が
加わった場合に、受け部１０がシリコン単結晶板３の厚
肉部６の変位を拘束し、ストッパーとして作用する。ま
た、力の方向が垂直方向からずれた場合に、受け部１０
がガイドとなり、厚肉部６の変位方向が修正される。

【００２４】絶縁膜４の上に、台座５の各側面に対向す
る位置に、４つのゲージ抵抗１２，１３，１４，１５が
それぞれ形成されるとともに、各隅部には、電極１６，
１７，１８，１９が形成されている。ゲージ抵抗１２の
一端と電極１９はリード線２０Ａで接続され、ゲージ抵
抗１２の他端と電極１６はリード線２０Ｂで接続され、
ゲージ抵抗１３の一端と電極１６はリード線２０Ｃで接
続され、ゲージ抵抗１３の他端と電極１７はリード線２
０Ｄで接続され、ゲージ抵抗１４の一端と電極１７はリ
ード線２０Ｅで接続され、ゲージ抵抗１４の他端と電極
１８はリード線２０Ｆで接続され、ゲージ抵抗１５の一
端と電極１８はリード線２０Ｇで接続され、ゲージ抵抗
１５の他端と電極１９はリード線２０Ｈで接続されてい
る。

【００２５】ゲージ抵抗１２，１３，１４，１５とし
て、不純物を高濃度にボロンをドーピングした多結晶シ
リコン膜が用いられている。多結晶シリコンの物理的性
質については、文献ＳｅｎｓｏｒｓａｎｄＡｃｔｕ
ａｔｏｒｓ，１７（１９８９）Ｐ５２１−Ｐ５２７のＰ
５２１〜Ｐ５２６参照（記事内容：ＴＥＭＰＥＲＴＵＲ
Ｅ−ＩＮＤＥＰＥＮＥＮＴＰＲＥＳＳＵＲＥＳＥＮ
ＳＯＥＲＳＵＳＩＮＧＰＯＬＹＣＲＹＳＴＡＬＬＩＮ
ＥＳＩＬＩＣＯＮＳＴＲＡＩＮＧＡＵＧＥＳ）に
研究データが記載されている。

【００２６】ところで、多結晶シリコン中の導電機構は
かなり複雑なことが知られている。多結晶シリコンは単
結晶シリコンの小さなグレインからなっており、結晶粒
界により分離された構造をしている。このため、全抵抗
はグレインの抵抗と結晶粒界の抵抗を合わせたものにな
る。グレイン中では抵抗はほとんど単結晶シリコンと同
じ挙動を示し、温度が上昇すると、キャリヤのモビリテ
ィが減少するため、その結果、抵抗値は増大する。

【００２７】また、結晶粒界ではキャリヤのトラップに
より空乏層が広がる。形成された空乏層はキャリヤの動
きを妨げるため結晶粒界の抵抗値は大きくなる。従っ
て、この結晶粒界の抵抗分だけ多結晶シリコンの方が単
結晶シリコンに比べて相対的に抵抗が大きくなる。

【００２８】多結晶シリコン層は、ボロンやリンでドー
プされると、グレインの影響が結晶粒界の影響よりも大
きくなり、温度係数も急速に単結晶に近い挙動を示すよ
うになることが知られている。このことを利用すると、
適当なドーピングレベルを選択して多結晶シリコンの抵
抗値の温度係数を調整することができる。また、抵抗値
の温度係数の場合と全く同様にしてゲージファクタもド
ーズ量に依存して変化することが知られている。

【００２９】そして、多結晶シリコン膜からなるゲージ
抵抗１２，１３，１４，１５を、ストレインゲージとし
てそれぞれ構成したホイートストーンブリッジ回路２１
が構成され、電極１６，１８または電極１７，１９のい
ずれか一組が入力電極として用いられ、他方の一組が出
力電極として用いられる。

【００３０】次に、上述の力変換素子１の製造手順につ
いて説明する。上記シリコン単結晶板３には、（１０
０）面のシリコン単結晶が用いられ、薄肉起歪部７に
は、熱酸化による二酸化シリコン膜をマスクとして、水
酸化カリウム水溶液などによりシリコン異方性エッチン
グを行なうことにより形成される。

【００３１】一方、基台２にも、（１００）面のシリコ
ン単結晶が用いられ、前述のシリコン異方性エッチング
により、孔部９及び受け部１０が形成され、シリコン単
結晶板３の支持部８に直接接合される。

【００３２】そして、シリコン単結晶板３のエッチング
しない方の面に形成した二酸化シリコン膜が絶縁膜とし
て構成され、減圧ＣＶＤ法等により多結晶シリコン膜を
形成し、さらに、この多結晶シリコン膜に、イオン注入
法等により高濃度にボロンをドーピングした後、フォト
リソグラフィによりゲージ抵抗１２，１３，１４，１５
が形成される。

【００３３】次いで、材料に硼珪酸ガラスを用いた台座
５を、シリコン単結晶板３の中央部分に絶縁膜４を介し
て陽極接合する。この台座５により、力Ｗがシリコン単
結晶板３の一箇所に集中せず、シリコン単結晶板３を破
壊するのが防止されている。

【００３４】また、上記リード線２０Ａ，２０Ｂ，２０
Ｃ，２０Ｄ，２０Ｅ，２０Ｆ，２０Ｇ，２０Ｈとして
は、アルミニウム薄膜や、高温での動作を安定させるた
めにタングステン等の高融点金属材料を用いることもで
きる。なお、タングステンを用いる場合には、多結晶シ
リコン膜と、タングステンの合金化を防止するため、中
間にタングステンシリサイドを形成する。また、電極１
６，１７，１８，１９は、金線によるワイヤボンデイン
グを容易にするため、タングステン上に金を蒸着して造
られる。

【００３５】以上の如き構成によれば、当該力変換素子
１は、圧縮力を受けるシリコン単結晶板３の歪量を、ホ
イートストーンブリッジ回路２１により検出し、また、
ホイートストーンブリッジ回路２１のストレインゲージ
として、不純物をドーピングした多結晶シリコン膜から
なるゲージ抵抗１２，１３，１４，１５を利用した構造
になっており、ゲージ抵抗１２，１３，１４，１５を構
成する多結晶シリコン膜は、その比抵抗が相対的に大き
いという性質があるので、多結晶シリコン膜により自己
温度補償を確保しつつ感度（出力電圧）を大きくするこ
とができる。

【００３６】即ち、従来のシリコン単結晶では、自己温
度補償される場合に、比抵抗が１／１００〜１／１００
０に小さくなってしまい、感度（出力電圧）が低く、実
用に供しないという問題を解決できる。

【００３７】しかも、従来においては、出力電圧を確保
するためにはシリコン単結晶板の厚さを薄くすることが
条件となっていたが、シリコン単結晶板３は単に撓ん
で、その歪量を測定するという性質さえ有れば良く、シ
リコン単結晶板３全体を薄くしないでも良く、シリコン
単結晶板３の薄肉起歪部７は、シリコン異方性エッチン
グを行なうことにより簡便に形成されるので、従来の如
く極薄に加工研磨する必要がなく、その結果、従来の如
き高精度な研磨加工を不要にできる。

【００３８】ここで、上述の多結晶シリコン膜により自
己温度補償ができることを説明する。上述のように、高
濃度にボロンをドーピングした多結晶シリコン膜からな
るゲージ抵抗１２，１３，１４，１５の抵抗温度係数は
０．１％／℃程度になり、単結晶シリコンの場合のピ
エゾ抵抗係数に相当するゲージ率は−０．１％／℃程度
にできるため、シリコン単結晶における場合と同様に出
力電圧の温度変動を抑える自己温度補償を確保すること
ができる。

【００３９】ところで、単結晶シリコンによるピエゾ抵
抗素子では、抵抗値の温度係数ＴＣＲは正であり、一
方、ゲージ率の温度係数ＴＣＫは負の値をとり、周囲温
度の影響を受けて変化し、これらの値はドープされた不
純物濃度により変化することが知られている。また、単
結晶シリコンによるピエゾ抵抗素子を定電圧源により駆
動した場合には、その出力の温度変動はゲージ率の温度
係数ＴＣＫに比例して発生し、また定電流源により駆動
した場合には出力の温度変動は抵抗温度係数ＴＣＲ及び
ゲージ率の温度係数ＴＣＫの和（ＴＣＲ＋ＴＣＫ）に比
例して生じることが知られている。

【００４０】多結晶シリコン膜によるゲージ抵抗でボロ
ンのドーピング濃度を１０¹⁰〜１０ ²⁰（ａｔｍｓ／ｃｍ
³）に変えた時の抵抗温度係数ＴＣＲ及びゲージ率の温
度係数ＴＣＫは図３に示すようになる。従って、単結晶
シリコンの場合と同様に定電流源により駆動する場合に
は抵抗温度係数ＴＣＲとゲージ率温度係数ＴＣＫの和が
ゼロになる点、即ち、出力の温度変動がゼロとなるドー
ピング濃度が約９×１０¹⁰（ａｔｍｓ／ｃｍ³）付近に
存在することがわかる。

【００４１】また、多結晶シリコン膜からなるゲージ抵
抗１２，１３，１４，１５は、二酸化シリコンからなる
絶縁膜４上に形成されているため、印加電流の増加によ
る素子の温度上昇等により１５０℃以上の高温になって
も、リーク電流が発生せず、安定に動作することができ
る。

【００４２】なお、本実施例においては、基台には、受
け部が形成されているが、かかる受け部が無くても良
い。

【００４３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
力変換素子は、圧縮力を受けるシリコン単結晶板の歪量
を、ホイートストーンブリッジ回路により検出し、ま
た、ホイートストーンブリッジ回路のストレインゲージ
として、不純物をドーピングした多結晶シリコン膜から
なるゲージ抵抗を利用した構造になっており、ゲージ抵
抗を構成する多結晶シリコン膜は、その比抵抗が相対的
に大きいという性質があるので、多結晶シリコン膜によ
り自己温度補償を確保しつつ感度（出力電圧）を大きく
することができる。

【００４４】しかも、従来においては、出力電圧を確保
するためにはシリコン単結晶板の厚さを薄くすることが
条件となっていたが、シリコン単結晶板は単に撓んで、
その歪量を測定するという性質さえ有れば良く、シリコ
ン単結晶板全体を薄くしなくても良くできる。その結
果、従来の如き高精度な研磨加工を不要にできる。

【００４５】また、多結晶シリコン膜からなるゲージ抵
抗は、絶縁膜上に形成されているため、印加電流の増加
による素子の温度上昇等により高温になっても、リーク
電流が発生せず、安定に動作することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の実施例に係わる力変換素子の平面図で
ある。

【図２】図１の一部断面説明図である。

【図３】多結晶シリコンにおけるドーピング濃度に対す
る抵抗値の温度係数，ゲージ率の温度係数の関係を示す
説明図である。

【図４】従来における力変換素子の平面図である。

【図５】同力変換素子の側面図である。

【符号の説明】

１力変換素子２基台３シリコン単結晶板４絶縁膜５台座１２ゲージ抵抗１３ゲージ抵抗１４ゲージ抵抗１５ゲージ抵抗２１ホイートストーンブリッジ回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】中央に形成された厚肉部に連続して圧縮
力が加えられて歪を生じる薄肉起歪部を厚肉部の周りに
形成し、この歪部の周りに該歪部と一体に構成された支
持部を有するシリコン単結晶板と、シリコン単結晶板を、その支持部を介して支持する基台
と、シリコン単結晶板に力を伝達する台座と、シリコン単結晶板の上に形成された絶縁膜と、前記シリコン単結晶板の薄肉起歪部と重なる位置で絶縁
膜上に形成されて不純物をドーピングした多結晶シリコ
ン膜からなるゲージ抵抗を、ストレインゲージとして構
成したホイートストーンブリッジ回路とを備えているこ
とを特徴とする力変換素子。
【請求項２】基台には、シリコン単結晶板の厚肉部と
隙間を介して受け部が形成されていることを特徴とする
請求項１記載の力変換素子。