JPH0640037B2 - 二次元平面上の力検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は二次元平面上の力検出装置、特に二次元平面上
の荷重分布を測定するための二次元平面上の力検出装置
に関する。

〔従来の技術〕

二次元平面上の荷重分布を測定するためには、測定面の
微小部分に作用する力を各微小部分ごとに検出する必要
がある。従来の二次元平面上の力検出装置は、測定面に
ピエゾ素子などの力検出素子を二次元的に配列し、各力
検出素子の出力に基づいて二次元的荷重分布の測定を行
っている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、従来の二次元平面上の力検出装置には、
構造が複雑になり量産に適さないという問題点がある。
たとえば、検出面の分解能を縦横ともに１００とした場
合、合計１万個の力検出素子を二次元的に配列しなけれ
ばならず、この配列および配線を考慮すると非常に複雑
な構造になってしまう。

そこで本発明は、構造が単純で量産に適した二次前平面
上の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、検出面となる二次元平面上に広がった絶縁基
板上の第１の層上に、第１の方向を向いた多数の検出用
抵抗素子からなる第１の抵抗素子群を形成し、第１の層
とは異なる第２の層上に、第１の方向とは異なる第２の
方向を向いた多数の検出用抵抗素子からなる第２の抵抗
素子群を形成して二次元平面上の力検出装置を構成し、 各抵抗素子は、機械的変形によって電気抵抗が変化する
性質をもつものとし、 第１の抵抗素子群の電気抵抗の変化と、第２の抵抗素子
群の電気抵抗の変化とを検出し、これらの検出結果に基
づいて検出面上に作用する力の位置および大きさを検出
できるようにしたものである。

〔作 用〕

本発明に係る二次元平面上の力検出装置によれば、第１
の抵抗素子群の検出結果と第２の抵抗素子群の検出結果
との組合わせによって、検出面上での力の作用している
位置およびその大きさを特定することができる。各抵抗
素子群は、機械的変形によって電気抵抗が変化する性質
をもつため、検出面上での力の作用は電気信号として取
出される。第１の抵抗素子群と第２の抵抗素子群とは、
異なる層に形成されているため、互いに干渉しあうこと
なく独立した検出ができる。各抵抗素子は絶縁基板内に
形成されるため、量産に適した単純な構造になる。

〔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。

検出部の構成 第１図は本発明の一実施例に係る二次元平面上の力検出
装置の検出部の構成図である。この装置は、図のＸ方向
に２つのブリッジＸ１，Ｘ２を、図のＹ方向に２つのブ
リッジＹ１，Ｙ２を備えている。ここでは説明の便宜上
Ｘ，Ｙの各方向に２つのブリッジのみを有する装置を示
したが、実際にはそれぞれの方向に多数のブリッジが配
列されている。このブリッジの配列数がその方向の分解
能に相当することになる。

Ｘ方向に配列されたブリッジＸ１，Ｘ２が第１の抵抗素
子群を構成し、Ｙ方向に配列されたブリッジＹ１，Ｙ２
が第２の抵抗素子群を構成する。第１の抵抗素子群は第
２の抵抗素子群の上層に位置するため、両者は互いに干
渉しあうことなしに独立した測定を行うことができる。

本装置の各ブリッジは、それぞれ４つの抵抗素子からな
る。たとえば、第１の抵抗素子群に属するブリッジＸ１
は図に示すような抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４の４つの抵抗素子
からなる。このうち、Ｙ方向を向いたＲ２，Ｒ４が検出
用抵抗素子となり、Ｘ方向を向いたＲ１，Ｒ３が連結用
抵抗素子となる。逆に、第２の抵抗素子群に属するブリ
ッジＹ１は図に示すように抵抗素子Ｒ５〜Ｒ８の４つの
抵抗素子からなり、このうちＸ方向を向いたＲ６，Ｒ８
が検出用抵抗素子となり、Ｙ方向を向いたＲ５，Ｒ７が
連結用抵抗素子となる。前述のように、実際の装置では
多数のブリッジがＸ方向およびＹ方向に配列されてお
り、検出用抵抗素子はこの多数のブリッジすべてをまた
ぐように形成される。力の検出面はＸＹ平面となるが、
この検出面上に検出用抵抗素子が縦横に格子のように配
されることになる。

２つの連結用抵抗素子によって、２つの検出用抵抗素子
の端部が連結され、ブリッジが構成される。第１図では
この連結部をハッチングで示す。連結用抵抗素子は隣接
する検出用抵抗素子間を連結する機能を有すればよいの
で、検出用抵抗素子に比べて長さは非常に短くなる。両
者の長さ比は、配列するブリッジ数が増えるほど大きく
なる。

検出部の製造方法 上述の各ブリッジは、ポリイミドフィルム等の絶縁基板
上に形成され、しかも各ブリッジを構成する抵抗素子
は、機械的変形によって電気抵抗が変化する性質をも
つ。第２図に絶縁基板上の具体的な構成図を示す。この
第２図は第１図に示す検出部を切断線Ａ−Ａで切った断
面図に相当する。以下、この検出部の製造方法の一例を
示す。まず、ポリイミドなどの絶縁基板１上に、プラズ
マＣＶＤあるいは光ＣＶＤ法によってシリコンを堆積
し、ピエゾ抵抗効果を有するシリコン薄膜（たとえば、
マイクロクリスタルシリコン、ポリシリコンなど）を形
成する。そしてこのシリコン薄膜をパターニングしブリ
ッジ回路を形成する。第１図の装置では、下層にあるブ
リッジＹ１，Ｙ２が形成されることになる。第２図の断
面図では、ブリッジＹ１の構成要素である抵抗素子Ｒ８
の断面が示されている。

続いて酸化シリコン、窒化シリコンなどの層間絶縁膜２
をＣＶＤ法で堆積したのち、再びシリコン薄膜を形成、
パターニングしてブリッジ回路を形成する。第１図の装
置では、上層にあるブリッジＸ１，Ｘ２が形成されるこ
とになる。第２図の断面図では、ブリッジＸ１の構成要
素である抵抗素子Ｒ２，Ｒ４の断面が示されている。

ここで再び層間絶縁膜２をＣＶＤ法で堆積すれば、第２
図に示すような構造を得る。このあと、コンタクトホー
ルの開口を行い、後述する所定の配線をアルミニウムな
どの導体で行う。

ブリッジ回路の配線 第３図にブリッジＸ１についての配線を一例として示
す。前述のようにこのブリッジは４つの抵抗素子Ｒ１〜
Ｒ４によって構成されているが、図にハッチングで示す
それぞれの連結部３にアルミニウムによる配線層Ｗ１〜
Ｗ４が接続される。第３図に示すように配線層Ｗ１，Ｗ
３を下方に、配線層Ｗ２，Ｗ４を上方にそれぞれ配線
し、下方の配線層Ｗ１，Ｗ３間に電源４を、上方の配線
層Ｗ２，Ｗ４間に電圧計５をそれぞれ接続すれば、第４
図に示すブリッジ回路が構成される。ブリッジＹ１につ
いても同様に、配線層Ｗ５〜Ｗ８を接続し、配線層Ｗ
５，Ｗ７間に電源を、配線層Ｗ６，Ｗ８間に電圧計を、
それぞれ接続してブリッジ回路を構成する。

第５図は、多数の抵抗素子を上述のようにブリッジ構成
し、これを１チップに納めた装置である。半導体チップ
６の中には、第１図に示すような構造をした多数のブリ
ッジからなる第１の抵抗素子群と、第２の抵抗素子群と
が形成されており、それぞれから配線層Ｗ１〜Ｗ８が導
出されている。そこで配線層Ｗ１，Ｗ３，Ｗ５，Ｗ７に
は電源を、配線層Ｗ２，Ｗ４，Ｗ６，Ｗ８には電圧計
を、それぞれ半導体チップ６の外部に接続して用いるこ
とになる。なお、半導体チップ６は支持基体７の上の固
着されている。

装置の動作 各抵抗素子Ｒは、ピエゾ抵抗効果を有するシリコンの薄
膜からなる。このため、力が加わると、電気抵抗が変化
することになる。いま、たとえば第３図の構成におい
て、検出用抵抗素子Ｒ２，Ｒ４に力が加わったとする
と、第４図に示すようにこの検出用抵抗素子Ｒ２，Ｒ４
はブリッジの対辺をなすので、ブリッジ電圧が電圧計５
によって検出できる。検出面のＸ方向には第３図に示す
ブリッジＸ１と同じ構造をもったブリッジが多数配列さ
れて第１の抵抗素子群を構成しているため、検出面の任
意の一点に力が作用した場合、そのＸ方向の位置は、第
１の抵抗素子群に属するブリッジのブリッジ電圧を検出
することによって特定でき、その大きさはブリッジ電圧
の大きさによって特定できる。また、Ｙ方向の位置につ
いては、第２の抵抗素子群に属するブリッジによって同
様に特定できる。このようにして二次元平面上の加重分
布の測定が可能になる。

本発明の原理によれば、各抵抗素子を必ずしもブリッジ
構成する必要はない。各抵抗素子を単独で配列しても検
出を行うことはできる。しかしながら、抵抗素子は応力
以外の要因によって電気抵抗が変化する可能性があり、
このような要因の影響を相殺するためには本実施例のよ
うにブリッジ構成するのが好ましい。たとえば、温度の
変化によって抵抗素子の電気抵抗に変化が生じるが、ブ
リッジを構成しておけば、検出用抵抗素子と同様に連結
用抵抗素子も抵抗変化を生じるため、温度変化による影
響はブリッジによって相殺され、温度変化が測定値に与
える影響を軽減することができる。

なお前述のように、連結用抵抗素子は検出用抵抗素子に
比べて長さが非常に短くなる。ところが、ブリッジの精
度を高めるためには、ブリッジを構成する４つの抵抗素
子の抵抗値をなるべく同じ大きさにするのが好ましい。
したがって、検出用抵抗素子に比べて連結用抵抗素子の
幅を狭くし、両者の抵抗値をほぼ等しくするのがよい。

また、第５図に示す支持基体７として、シリコンゴムの
ような弾性体を用いれば、検出面の各微小位置における
荷重の有無をＯＮ／ＯＦＦの形で測定するのに適した装
置が構成でき、弾性領域の広い金属を用いれば、荷重値
に対する線形出力を得るのに適した装置が構成できる。

以上のように、本実施例に係る装置は従来のものに比べ
て構造が非常に単純になる。たとえば、Ｘ方向を１００
分割、Ｙ方向を１００分割した分割能で荷重分布の測定
を行なえる装置について考えると、従来装置では１００
×１００＝１００００個もの検出素子を二次元的に配列
し、これらそれぞれについて配線を行わねばならなかっ
たが、本実施例に係る装置では、同じ分解能のものを１
００＋１００＝２００個のブリッジで実現でき、この２
００個のブリッジについての配線を行うだけでよい。し
かも、本実施例に係る装置は半導体プレーナプロセスに
よって製造することができ、量産性も向上する。

〔発明の効果〕 以上のとおり本発明によれば、二次元平面上の力検出装
置を構成する絶縁基板上に２とおりの方向を向いた多数
の検出用抵抗素子を形成し、この検出用抵抗素子の電気
抵抗の変化によって加わる力を検出するようにしたた
め、構造が単純になり、量産に適したものになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る二次元平面上の力検出
装置の検出部の構成図、第２図は第１図に示す装置にお
ける単結晶基板内の具体的構成例を示す断面図、第３図
は第１図に示す装置のブリッジＸ１についての配線例を
示す図、第４図は第３図のブリッジの等価回路図、第５
図は、多数の抵抗素子をブリッジ構成して１チップに納
めた装置の斜視図である。 １……絶縁基板、２……層間絶縁膜、３……連結部、４
……電源、５……電圧計、６……半導体チップ、７……
支持基体、Ｘ１，Ｘ２，Ｙ１，Ｙ２……ブリッジ、Ｒ１
〜Ｒ８……抵抗素子、Ｗ１〜Ｗ８……配線層。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】検出面となる二次元平面上に広がった絶縁
   基板上の第１の層上に、第１の方向を向いた多数の検出
   用抵抗素子からなる第１の抵抗素子群を形成し、前記第
   １の層とは異なる第２の層上に、前記第１の方向とは異
   なる第２の方向を向いた多数の検出用抵抗素子からなる
   第２の抵抗素子群を形成し、 前記各抵抗素子は、機械的変形によって電気抵抗が変化
   する性質をもつものとし、 前記第１の抵抗素子群の電気抵抗の変化と、前記第２の
   抵抗素子群の電気抵抗の変化とを検出し、これらの検出
   結果に基づいて前記検出面上に作用する力の位置および
   大きさを検出できるようにしたことを特徴とする二次元
   平面上の力検出装置。
2. 【請求項２】第１の方向を長手方向とした２つの検出用
   抵抗素子と、第２の方向を向き前記検出用抵抗素子に比
   べて十分短い長さをもった２つの連結用抵抗素子とをそ
   れぞれ接続して構成されるブリッジを複数並べることに
   より第１の抵抗素子群を構成し、 前記第２の方向を長手方向とした２つの検出用抵抗素子
   と、前記第１の方向を向き前記検出用抵抗素子に比べて
   十分短い長さをもった２つの連結用抵抗素子とをそれぞ
   れ接続して構成されるブリッジを複数並べることにより
   第２の抵抗素子群を構成し、 前記各ブリッジのブリッジ電圧によって抵抗素子の電気
   抵抗の変化を検出することを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の二次元平面上の力検出装置。
3. 【請求項３】検出用抵抗素子の抵抗値と連結用抵抗素子
   の抵抗値がほぼ等しくなるように構成したことを特徴と
   する特許請求の範囲第２項記載の二次元平面上の力検出
   装置。
4. 【請求項４】連結用抵抗素子の幅を検出用抵抗素子の幅
   に比べて狭くすることにより両者の抵抗値をほぼ等しく
   したことを特徴とする特許請求の範囲第３項記載の二次
   元平面上の力検出装置。
5. 【請求項５】連結用抵抗素子の不純物濃度を検出用抵抗
   素子の不純物濃度に比べて低くすることにより両者の抵
   抗値をほぼ等しくしたことを特徴とする特許請求の範囲
   第３項記載の二次元平面上の力検出装置。
6. 【請求項６】抵抗素子が半導体プレーナプロセスによっ
   て絶縁基板上に形成されていることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項乃至第５項のいずれかに記載の二次元平
   面上の力検出装置。
7. 【請求項７】絶縁基板の下層に弾性をもった支持基板が
   形成されていることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   乃至第６項のいずれかに記載の二次元平面上の力検出装
   置。