JPH08201190A - Force detection device - Google Patents

Force detection device

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Publication number
JPH08201190A
JPH08201190A JP7031833A JP3183395A JPH08201190A JP H08201190 A JPH08201190 A JP H08201190A JP 7031833 A JP7031833 A JP 7031833A JP 3183395 A JP3183395 A JP 3183395A JP H08201190 A JPH08201190 A JP H08201190A
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JP
Japan
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resistance element
strain
force
resistance
semiconductor substrate
Prior art date
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Pending
Application number
JP7031833A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Takeshi Yagi
健 八木
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Nikon Corp
Original Assignee
Nikon Corp
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Filing date
Publication date
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Priority to JP7031833A priority Critical patent/JPH08201190A/en
Publication of JPH08201190A publication Critical patent/JPH08201190A/en
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Abstract

PURPOSE: To provide a high sensitive detection device with a simple configuration wherein a strain-generating body being subjected to force action, and a resistance element changing electrical resistance according to the amount of strain are provided and the resistance element is provided, with a first part which is fixed to the surface of the strain-generating body and a second part separated from the surface. CONSTITUTION: A resistance element 1 consists of silicon, the lower portions of both edges of the first part are fixed to a semiconductor substrate 2 of a strain-generating body, and at the same time an edge part which is a second portion and the site of the edge part are constituted separately from the surface of the substrate 2. Then, constant current or constant voltage is fed from contact parts 4a and 4b to the element 1. Also, the voltmeter of Al wires 3a and 3b continuously measures the voltage value of passing current, where the electrical resistance of the element 1 varies according to the distortion of the substrate 2 when the substrate 2 is distorted. The value of variation is immediately detected, outputted to an operation circuit, and is calculated as the physical amount of force. In this manner, since the flexible part of the element 1 is away from the surface of the substrate 2, the amount of strain of the element 1 becomes larger than that of the substrate 2, thus improving detection sensitivity.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、運動を伴う種々の機器
等にかかる力、例えば、加速度、圧力、磁気等の物理量
を検出する力検出装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a force detecting device for detecting a force exerted on various devices and the like accompanied by movement, for example, a physical quantity such as acceleration, pressure or magnetism.

【0002】[0002]

【従来の技術】運動を伴う種々の機器等においては、機
器の運動に伴って生じる加速度や、力の大きさ、圧力又
は磁気強度等の物理量を検出することが必要とされる。
従来より、このような力の作用に伴って生じる物理量を
検出する手段として、機械的変形に対応して電気抵抗が
変化するピエゾ抵抗効果を備えた抵抗素子を用いる力検
出装置が提案されている。
2. Description of the Related Art In various kinds of equipment that accompanies exercise, it is necessary to detect physical quantities such as acceleration, force magnitude, pressure, magnetic strength, etc., that accompany movement of the equipment.
Conventionally, as a means for detecting a physical quantity generated by the action of such a force, a force detection apparatus using a resistance element having a piezoresistive effect in which an electric resistance changes in response to mechanical deformation has been proposed. .

【0003】例えば、特開昭63−266358号公報
の加速度検出装置では、力を受けることにより部分的に
撓む半導体基板(以後「起歪体」と記す。)の表面に微
小な抵抗素子を配置し、裏面側に特定の力が加わると揺
動する錘を設けた構成となっている。
For example, in the acceleration detecting device disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 63-266358, a minute resistance element is formed on the surface of a semiconductor substrate (hereinafter referred to as "strain element") which is partially bent by receiving a force. The weight is arranged and is provided with a weight that swings on the back side when a specific force is applied.

【0004】この加速度検出装置では、機器の運動に伴
って生じる加速度により錘が力の作用を受けると起歪体
が撓むため、起歪体の表面に設けられた抵抗素子が変形
して抵抗素子の電気抵抗が変化する。この電気抵抗値の
変化は、機器の運動に伴って生じる加速度により錘に作
用した力の大きさと対応したものとなる。即ち、この加
速度検出装置では、電気抵抗値の変化を測定することに
より錘に作用した力、言い換えると機器の運動に伴って
生じた加速度を検出している。
In this acceleration detecting device, when the weight is subjected to a force due to the acceleration caused by the movement of the device, the strain-generating body is bent, so that the resistance element provided on the surface of the strain-generating body is deformed to cause resistance. The electric resistance of the element changes. This change in the electric resistance value corresponds to the magnitude of the force acting on the weight due to the acceleration caused by the movement of the device. That is, in this acceleration detecting device, the force acting on the weight, that is, the acceleration caused by the movement of the device, is detected by measuring the change in the electric resistance value.

【0005】このような構成の力検出装置は、上記した
加速度に限らず、例えば、重錘体部分が圧力によって揺
動するように構成して圧力を検出したり、重錘体部分が
磁気の強さによって揺動の大きさが変わるように構成し
て磁気を検出することも可能であり、このような圧力ま
たは磁気を検出する検出装置も提案されている。
The force detecting device having such a configuration is not limited to the above-mentioned acceleration, but is configured such that, for example, the weight body portion is oscillated by the pressure to detect the pressure, or the weight body portion is magnetic. It is also possible to detect the magnetism by configuring so that the magnitude of the swing changes depending on the strength, and a detector for detecting such pressure or magnetism has also been proposed.

【0006】ここで、この様な力検出装置に用いる抵抗
素子の形状として、従来提案されている一般的な抵抗素
子の形状を図5及び図6に示す。
Here, as the shape of the resistance element used in such a force detecting device, the shape of a general resistance element which has been conventionally proposed is shown in FIGS.

【0007】図5(a)は、力検出装置の抵抗素子51
部分を示す断面図であり、図5(b)は図5(a)にお
けるWの位置で抵抗素子51及び半導体基板52とを切
断した場合の断面の構造を示す斜視図である。
FIG. 5A shows a resistance element 51 of the force detecting device.
FIG. 5B is a sectional view showing a part, and FIG. 5B is a perspective view showing a sectional structure when the resistance element 51 and the semiconductor substrate 52 are cut at the position W in FIG. 5A.

【0008】図5において、直方体形の抵抗素子51を
起歪体である半導体基板52に埋め込んで半導体基板5
2と一体化させることにより、半導体基板52と共に抵
抗素子51が撓むようにしたものである。
In FIG. 5, a rectangular parallelepiped resistance element 51 is embedded in a semiconductor substrate 52 which is a strain generating body to form a semiconductor substrate 5.
The resistance element 51 is bent together with the semiconductor substrate 52 by being integrated with the semiconductor substrate 52.

【0009】また、抵抗素子51の両端には、Al(ア
ルミニウム)配線53a、53bが接続されており、図
示しない電源から一定の電流または電圧が抵抗素子51
に供給されている。尚、Al(アルミニウム)配線53
a、53bと半導体基板52とは絶縁膜54により電気
的に分離されている。
Further, Al (aluminum) wirings 53a and 53b are connected to both ends of the resistance element 51, and a constant current or voltage is supplied from a power source (not shown) to the resistance element 51.
Is supplied to The Al (aluminum) wiring 53
The insulating film 54 electrically separates a and 53b from the semiconductor substrate 52.

【0010】また、図6は、半導体基板62に埋め込む
抵抗素子61をコの字形とすることによって、基板表面
で発生する暗電流の影響を防ぎ、S/N比を向上させ、
感度を向上させた構成のものである。
Further, in FIG. 6, the resistance element 61 to be embedded in the semiconductor substrate 62 has a U-shape to prevent the influence of dark current generated on the substrate surface and improve the S / N ratio.
It has a structure with improved sensitivity.

【0011】図6(a)は、力検出装置の抵抗素子61
部分を示す断面図であり、図6(b)は図6(a)にお
けるWの位置で抵抗素子61及び半導体基板62とを切
断した場合の断面の構造を示す斜視図である。
FIG. 6A shows a resistance element 61 of the force detecting device.
6B is a cross-sectional view showing a portion, and FIG. 6B is a perspective view showing a cross-sectional structure when the resistance element 61 and the semiconductor substrate 62 are cut at the position W in FIG. 6A.

【0012】この場合も抵抗素子61の両端には、Al
(アルミニウム)配線63a、63bが接続されてお
り、図示しない電源から一定の電流または電圧が抵抗素
子61に供給されている。尚、Al(アルミニウム)配
線63a、63bと半導体基板62とは絶縁膜64によ
り電気的に分離されている。
In this case as well, Al is formed on both ends of the resistance element 61.
(Aluminum) wirings 63a and 63b are connected to each other, and a constant current or voltage is supplied to the resistance element 61 from a power source (not shown). The Al (aluminum) wirings 63a and 63b and the semiconductor substrate 62 are electrically separated by the insulating film 64.

【0013】このように、力検出装置は、重錘体等の錘
と連結させた基板を錘に働く力に応じて撓ませることに
より、基板に埋設された抵抗素子を変形させるものであ
り、この抵抗素子として、機械的変形に応じてピエゾ抵
抗効果により電気抵抗が変化するものを用いている。す
なわち、計測対象となる力に起因する起歪体の変形を抵
抗素子の電気抵抗の変化として継続的に測定して、力の
物理量(大きさ)を計測することを可能としている。
As described above, the force detecting device is for deforming the resistance element embedded in the substrate by bending the substrate connected to the weight such as the weight body according to the force acting on the weight. As this resistance element, an element whose electric resistance is changed by a piezoresistive effect according to mechanical deformation is used. That is, it is possible to measure the physical quantity (magnitude) of the force by continuously measuring the deformation of the strain element due to the force to be measured as a change in the electrical resistance of the resistance element.

【0014】[0014]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな構成の力検出装置において検出感度を高めること
は、検出対象となる力の物理量が、例えば、力、加速
度、圧力、磁気等のようにどのようなものであっても以
下に示す理由より困難である。
However, in order to increase the detection sensitivity in the force detecting device having such a structure, it is necessary to determine the physical quantity of the force to be detected, such as force, acceleration, pressure, magnetism, etc. Even such a thing is difficult for the following reasons.

【0015】例えば、検出感度を高める方法として、起
歪体である半導体基板の肉厚を薄くして可撓性を上げ検
出感度を向上させることが考えられるが、半導体基板の
肉厚を薄くしようとすると製造工程で割れる等の問題が
発生し歩留が低下するため、起歪体を半導体基板で形成
する場合、現在の技術では構成できる肉厚の厚さは10
μm程度が限界であり、半導体基板の肉厚を薄くして感
度を向上させるには限界がある。
For example, as a method of increasing the detection sensitivity, it is conceivable to reduce the thickness of the semiconductor substrate that is the strain generating element to increase flexibility and improve the detection sensitivity. If so, problems such as cracking occur in the manufacturing process and the yield is reduced. Therefore, when the strain generating element is formed of a semiconductor substrate, the thickness that can be configured by the current technology is 10
The limit is about μm, and there is a limit to reducing the thickness of the semiconductor substrate to improve the sensitivity.

【0016】また、別の方法として、抵抗素子の電気抵
抗を増大させるか、抵抗素子に流す電流を増加させて抵
抗素子の変形前と変形後の電圧比を高めることが考えら
れるが、起歪体である半導体基板上に形成することので
きる抵抗素子の電気抵抗や、これに流せる電流には制約
があり、電気抵抗値や電流値を余り大きくすることはで
きない。
As another method, it is possible to increase the electric resistance of the resistance element or increase the current flowing through the resistance element to increase the voltage ratio before and after the deformation of the resistance element. There is a restriction on the electric resistance of the resistance element that can be formed on the semiconductor substrate that is the body and the electric current that can flow through the resistance element, and the electric resistance value and the electric current value cannot be made too large.

【0017】この制約について具体的に述べると、抵抗
素子はマイクロマシンニングで形成されているため、大
量の(過剰な)電流を流すとジュール熱が発生し、この
熱によって変形する可能性が高まってしまうこと、また
抵抗素子が、過剰な熱により変形するとその精度が低下
し正確な計測を行うことができなくなってしまうこと、
更に、ジュール熱は誤差の原因ともなりこれは得られた
計測値の精度を低下させること、が挙げられる。
To describe this restriction concretely, since the resistance element is formed by micromachining, Joule heat is generated when a large amount (excessive) current is applied, and this heat increases the possibility of deformation. In addition, if the resistance element is deformed by excessive heat, its accuracy deteriorates and accurate measurement cannot be performed.
Furthermore, Joule heat causes an error, which lowers the accuracy of the obtained measured value.

【0018】また、検出感度を高める別の方法として、
起歪体である半導体基板の径を大きくし検出対象となる
力により誘引される機械的変形を大きくして検出感度を
向上させることも考えられるが、この構成であると、装
置全体が大型化してしまい、起歪体を半導体基板で構成
する場合、チップサイズが大きくなりコストが増大する
という問題が発生する。
As another method for increasing the detection sensitivity,
It is also possible to increase the diameter of the semiconductor substrate, which is a strain generating body, to increase the mechanical deformation induced by the force to be detected to improve the detection sensitivity, but with this configuration, the entire device becomes larger. Therefore, when the flexure element is composed of a semiconductor substrate, there arises a problem that the chip size becomes large and the cost increases.

【0019】更に、検出感度を高める別の方法として、
起歪体の裏面に配置する錘を大きな質量の錘とすること
により、少しの力でも起歪体が大きく変形するようにし
て検出感度を向上させることも考えられるが、質量の大
きな錘を加工するのは、現在の技術では困難であり、無
理に質量の大きな錘を製造しようとすると逆に歩留の低
下を招くことになり問題がある。
Further, as another method for increasing the detection sensitivity,
It is also possible to improve the detection sensitivity by making the weight placed on the back surface of the strain-flexing body a weight with a large mass so that the strain-generating body will be deformed significantly by a small force, but processing a weight with a large mass It is difficult to do so with the current technology, and trying to forcibly manufacture a weight having a large mass causes a decrease in yield, which is a problem.

【0020】そこで本発明は、このような力検出装置に
おいて、検出対象となる力がどのようなものであって
も、その検出感度が向上する力検出装置を得ることを目
的とする。また、簡単な構成で高感度な力検出装置を得
ることを目的とする。
Therefore, it is an object of the present invention to obtain a force detection device of such a force detection device whose detection sensitivity is improved regardless of the force to be detected. Another object is to obtain a highly sensitive force detection device with a simple structure.

【0021】[0021]

【課題を解決するための手段】前記目的を達成すべく、
本発明の請求項1に係る発明では、力の作用を受ける起
歪体と、この起歪体への力の作用による機械的な歪量に
応じて電気抵抗値を変化させる抵抗素子とを備えた力検
出装置であって、前記抵抗素子は、前記起歪体の表面に
固定された第一部分と、前記起歪体の表面から離れた第
二部分とを有するマイクロブリッジ状の構造を備えたも
のを提案している。
[Means for Solving the Problems] To achieve the above object,
In the invention according to claim 1 of the present invention, it is provided with a flexure element that is subjected to the action of force, and a resistance element that changes the electrical resistance value according to the amount of mechanical strain due to the action of force on this flexure element. In the force detection device, the resistance element has a micro-bridge structure having a first portion fixed to the surface of the strain-generating body and a second portion separated from the surface of the strain-generating body. Are proposing things.

【0022】また、請求項2の発明では、請求項1の力
検出装置において、前記抵抗素子の前記第二部分と前記
起歪体との間に、可撓性の物質を充填したものを提案し
ている。
The invention of claim 2 proposes the force detecting device of claim 1 in which a flexible substance is filled between the second portion of the resistance element and the strain generating body. are doing.

【0023】[0023]

【作用】起歪体に設けられた抵抗素子には、起歪体の撓
みに応じて引張力或は圧縮力等の曲げ応力が働くが、こ
の時に抵抗素子に働く応力は、抵抗素子が配置された位
置、言い換えると起歪体の中立面からの距離によってそ
の大きさが変化する。この様子を図3を用いて説明す
る。図3は、抵抗素子31を備えた起歪体32(半導体
基板)が曲げ応力を受けて変形した時の状態を示す概略
断面図である。
Function: A bending stress such as a tensile force or a compressive force acts on the resistance element provided in the flexure element depending on the flexure of the flexure element. At this time, the stress acting on the resistance element is The size of the strain body changes depending on the position, in other words, the distance from the neutral plane of the flexure element. This situation will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing a state in which the strain generating element 32 (semiconductor substrate) including the resistance element 31 receives bending stress and is deformed.

【0024】図3において、起歪体32の縦主軸方向を
X方向、起歪体32の厚さ方向をY方向、起歪体32の
中立軸方向をZ方向としている。このような曲げ応力が
生じる場合、起歪体32に働く応力のうち、X方向に働
く応力の向きは、中立面αを境に逆向きとなる。即ち、
中立面αの上方では応力は引張り応力となり、下方では
圧縮応力となる。
In FIG. 3, the longitudinal principal axis direction of the flexure element 32 is the X direction, the thickness direction of the flexure element 32 is the Y direction, and the neutral axis direction of the flexure element 32 is the Z direction. When such bending stress occurs, the direction of the stress acting in the X direction, out of the stress acting on the flexure element 32, is opposite to the neutral plane α. That is,
The stress is tensile stress above the neutral plane α and compressive stress below.

【0025】従って、曲率中心Oから中立面αまでの距
離をR、中立面αから抵抗素子31の中立面側表面まで
の距離をn、中立面αから起歪体32表面までの距離を
n1、曲率中心Oを頂点とする抵抗素子に対する中心角
をdθ、X方向の応力をσx、Y方向の応力をσyと
し、Z方向への公称歪みを0とした場合、抵抗素子31
に働く力のY方向の釣り合いは、以下に示す(1)式で
表すことができる。
Therefore, the distance from the center of curvature O to the neutral surface α is R, the distance from the neutral surface α to the surface of the resistance element 31 on the neutral surface side is n, and the distance from the neutral surface α to the surface of the strain element 32 is. Is n1, the central angle with respect to the resistance element having the center of curvature O as its apex is dθ, the stress in the X direction is σx, the stress in the Y direction is σy, and the nominal strain in the Z direction is 0, the resistance element 31
The balance in the Y direction of the force acting on can be expressed by the following equation (1).

【0026】 (σy+dσy)(R+n+dn) dθdz−2σxdndzsin(dθ/2)−σ y(R+n) dθdz=0 ・・・・(1)式(Σy + dσy) (R + n + dn) dθdz-2σxdndzsin (dθ / 2) -σy (R + n) dθdz = 0 (1) Expression

【0027】更に、上記(1)を整理して以下に示す
(2)式を導くことができる。
Further, by rearranging the above (1), the following equation (2) can be derived.

【0028】 (R+n) (dσy/dn) =σx−σy ・・・・(2)式(R + n) (dσy / dn) = σx−σy (2) Formula

【0029】また、図3の場合ではZ方向への公称歪み
が0である平面歪みと仮定しているため、この抵抗素子
31に働く相当応力σ0 は、以下に示す(3)式で表す
ことができる。
Further, in the case of FIG. 3, it is assumed that the nominal strain in the Z direction is 0, so that the equivalent stress σ 0 acting on the resistance element 31 is expressed by the following equation (3). be able to.

【0030】 σ0 =√3|σx−σy|/2 ・・・・(3)式Σ 0 = √3 | σx−σy | / 2 Equation (3)

【0031】ここで、(3)式に(2)式を代入する
と、以下に示す(4)式を導くことができる。
By substituting the equation (2) into the equation (3), the following equation (4) can be derived.

【0032】 σ0 =√3|(R+n) (dσy/dn) |/2 ・・・・(4)式Σ 0 = √3 | (R + n) (dσy / dn) | / 2 (4)

【0033】この式より、ある起歪体32中の抵抗素子
31に働く応力は、中立面αからの距離に比例すること
がわかり、言い換えると抵抗素子31に働く応力は、起
歪体32の中立面αから離れるほど大きくなることがわ
かる。このことは、Z=0である平面歪みに限らず、Z
≠0でない垂直歪みに関しても通用することは言うまで
もない。
From this equation, it is found that the stress acting on the resistance element 31 in a certain strain element 32 is proportional to the distance from the neutral plane α, in other words, the stress acting on the resistance element 31 is equal to the strain element 32. It can be seen that the distance increases from the neutral plane α. This is not limited to plane distortion where Z = 0, but Z
It goes without saying that it is also valid for vertical distortion that is not ≠ 0.

【0034】そこで、請求項1の発明では、起歪体に設
ける抵抗素子を起歪体の表面に固定する第一部分と、起
歪体の表面から離れた位置に形成する第二部分とを有す
るマイクロブリッジ状の構造とした力検出装置としてい
る。
Therefore, according to the first aspect of the invention, there is provided a first portion for fixing the resistance element provided on the strain-generating body to the surface of the strain-generating body, and a second portion formed at a position distant from the surface of the strain-generating body. The force detection device has a micro-bridge structure.

【0035】この第一部分は、起歪体に直接又は間接に
接し、起歪体の歪みによる力はを第二部分へ伝達する構
成のものであれば良く、また、第二部分は、埋設や貼付
等により起歪体の表面に配置されたものでなく、起歪体
の表面から間隔をあけて離れた位置に存在するように構
成されていればよいものである。
The first portion may be of a structure that directly or indirectly contacts the strain-generating body and transmits the force due to the strain of the strain-generating body to the second portion. The second portion may be embedded or embedded. It does not have to be arranged on the surface of the strain-generating body by sticking or the like, but may be arranged so as to be present at a position spaced apart from the surface of the strain-generating body.

【0036】即ち、請求項1の発明では、力検出装置が
設置された機器の運動に伴って錘が揺動し起歪体が変形
した際に、起歪体の受ける応力が第一部分を介して第二
部分に伝達される。これに伴って変形する抵抗素子の第
二部分は、起歪体の表面から離れて配置されているの
で、従来より中立面から離れた位置にある。そのため、
従来よりも抵抗素子が受ける応力が大きくなる。言い換
えると、起歪体の表面若しくは起歪体中に設けられた抵
抗素子よりも本発明の抵抗素子の方が変形量が大きくな
る。
That is, according to the first aspect of the invention, when the weight is oscillated and the strain-generating body is deformed in accordance with the movement of the device in which the force detecting device is installed, the stress received by the strain-generating body passes through the first portion. Is transmitted to the second part. The second portion of the resistance element that is deformed accordingly is located farther from the surface of the strain-generating body, and thus is located farther from the neutral plane than in the past. for that reason,
The stress applied to the resistance element is larger than in the conventional case. In other words, the deformation amount of the resistance element of the present invention is larger than that of the resistance element provided on the surface of the flexure element or in the flexure element.

【0037】従って、検出対象となる力の作用により起
歪体が変形した際の抵抗素子の電気抵抗の変化量が大き
くなり、起歪体が変形する前と変形した後での抵抗素子
の電圧比が高まるので、より高い感度で力の測定が可能
となる。
Therefore, the amount of change in the electric resistance of the resistance element when the strain element is deformed by the action of the force to be detected becomes large, and the voltage of the resistance element before and after the strain element is deformed. The increased ratio allows for more sensitive force measurements.

【0038】力検出装置としての検出感度は、内部の起
歪体中に設けられた抵抗素子の第二部分が起歪体の中立
面よりも離れれば離れるほど向上するが、抵抗素子の第
二部分が中立面から起歪体の裏面側に向かう方向に沿っ
て離れることは構造上好ましくなく、必然的に中立面か
ら起歪体の表面側に向かう方向に沿って離れることにな
る。
The detection sensitivity of the force detecting device is improved as the second portion of the resistance element provided inside the strain-generating body is further away from the neutral plane of the strain-generating body. It is structurally unfavorable for the two parts to separate from the neutral surface in the direction toward the back surface side of the strain body, and inevitably separate from the neutral surface in the direction toward the front surface side of the strain body. .

【0039】この抵抗素子の第二部分の配置は、基本的
には起歪体の表面から離れれば離れるほど良いが、実際
に構成可能な抵抗素子の第二部分の配置は、現在の技術
では起歪体の表面から0.5μm〜3μm程度離れた位
置とするのが限界であるため、本発明では大体この範囲
に留まるように抵抗素子の第二部分を配置すればよいも
のとし、技術的な面から好ましい配置として起歪体の表
面から1μm程度離れた位置とするとよい。
The placement of the second portion of the resistance element is basically better as it is farther from the surface of the strain generating element, but the placement of the second portion of the resistance element that can be actually configured is not the same as in the present technology. Since the limit is a position separated by about 0.5 μm to 3 μm from the surface of the strain generating element, the second portion of the resistance element may be arranged so as to stay within this range in the present invention. In view of this, a preferable arrangement is a position separated by about 1 μm from the surface of the flexure element.

【0040】更に、抵抗素子の厚さをできるだけ薄くす
ると、抵抗素子の変形量が大きくなるため、力の作用に
より変形した際の抵抗素子の電気抵抗の変化量が大きく
なり、抵抗素子が変形する前と変形した後での電圧比が
更に高まり感度が向上するので好ましい。
Further, if the thickness of the resistance element is made as thin as possible, the amount of deformation of the resistance element increases, so that the amount of change in the electric resistance of the resistance element when deformed by the action of force increases, and the resistance element deforms. This is preferable because the voltage ratio before and after the deformation is further increased and the sensitivity is improved.

【0041】勿論、このことは厚さに限らず、抵抗素子
の幅を小さくしたり、抵抗素子の長手方向に対する長さ
を長くした場合にも同様であることは言うまでもない。
従って、必要に応じて抵抗素子の厚さ、幅、長手方向に
対する長さを決定すれば良い。
Of course, this is not limited to the thickness, and it goes without saying that the same applies when the width of the resistance element is reduced or the length of the resistance element in the longitudinal direction is increased.
Therefore, the thickness, width, and length in the longitudinal direction of the resistance element may be determined as necessary.

【0042】また、一般的に、力検出装置の力検出部の
基板となる起歪体には複数の抵抗素子を設ける場合が多
いが、本発明では、起歪体に設けた全ての抵抗素子をマ
イクロブリッジ状にする構成としてもよいし、勿論、予
め定めた箇所だけにマイクロブリッジ状の抵抗素子を設
ける構成(例えば、特定の一箇所や、特定方向に対して
対称に設ける等)としても良く、必要に応じてマイクロ
ブリッジ状の抵抗素子の数を決定すれば良い。
In general, a plurality of resistance elements are often provided on the strain generating body which is the substrate of the force detecting portion of the force detecting device, but in the present invention, all the resistance elements provided on the strain generating body are provided. May be formed into a microbridge shape, or, of course, a structure in which a microbridge resistance element is provided only at a predetermined location (for example, a specific location or a symmetrical location with respect to a specific direction) It is sufficient to determine the number of micro-bridge-shaped resistance elements as needed.

【0043】このような抵抗素子を構成する物質として
は、例えば、P型単結晶シリコン、N型単結晶シリコ
ン、P型或はN型多結晶シリコン、PZT(ジルコンチ
タン酸鉛;Pb(Zr,ti)O3)、ペロブスカイト系の物質、ロ
シェル塩等の一群の(圧電)物質等が挙げられる。この
中でもシリコン系の物質を用いると、従来から確立され
ているシリコンプロセス技術を用い、容易に抵抗素子を
形成させることが可能である。
Examples of materials forming such a resistance element include P-type single crystal silicon, N-type single crystal silicon, P-type or N-type polycrystalline silicon, PZT (lead zirconate titanate; Pb (Zr, ti) O 3 ), a group of (piezoelectric) substances such as perovskite-based substances and Rochelle salts. Among these, if a silicon-based material is used, it is possible to easily form the resistance element by using the silicon process technology that has been established conventionally.

【0044】また、請求項2の発明では、上述したよう
な抵抗素子の前記第二部分と前記起歪体との間に、可撓
性の物質を充填した構成の抵抗素子を備えた力検出装置
としている。
According to a second aspect of the present invention, a force detecting device is provided which includes a resistance element having a structure in which a flexible substance is filled between the second portion of the resistance element and the strain generating element as described above. The device.

【0045】即ち、起歪体が変形すると、その変形状態
(による力)を可撓性の物質を介して抵抗素子の第二部
分に伝達する構成となっているため、抵抗素子の変形は
起歪体の変形を反映するものとなり、検出される電気抵
抗の変化量、即ち、測定値の精度が向上したものとな
る。
That is, when the strain generating element is deformed, the deformation state (force generated by the strain element) is transmitted to the second portion of the resistance element through the flexible substance, so that the deformation of the resistance element occurs. The deformation of the strain body is reflected, and the change amount of the detected electric resistance, that is, the accuracy of the measured value is improved.

【0046】好ましくは、起歪体や抵抗素子よりも若干
可撓性の高い物質を用いることにより、より起歪体の変
形を確実且つ正確に反映して検出される電気抵抗の変化
量、即ち、測定値の精度が更に向上したものとなる。
Preferably, by using a material having a slightly higher degree of flexibility than the strain generating element or the resistance element, the amount of change in electric resistance detected by more reliably and accurately reflecting the deformation of the strain generating element, that is, , The accuracy of the measured value is further improved.

【0047】また、このような構成であると、可撓性の
物質が抵抗素子を保持することになるため、製造中に抵
抗素子の一部が破断する等の物理的負担による欠陥の発
生が少なく製造歩留が向上する。更に、抵抗素子の欠陥
や接続不良等に起因する検出精度、感度の低下等を防ぐ
ことができるので、性能のよい力検出装置を得ることが
できる。このような可撓性を有する物質としては、例え
ば、SiN膜、PSG膜、BPSG膜、ポリイミド膜等
が挙げられる。
Further, with such a structure, since the flexible material holds the resistance element, a defect due to a physical load such as a breakage of a part of the resistance element during manufacturing is generated. The manufacturing yield is improved. Further, since it is possible to prevent the detection accuracy and the sensitivity from deteriorating due to the defect of the resistance element, the connection failure, and the like, it is possible to obtain the force detection device having good performance. Examples of such a flexible material include a SiN film, a PSG film, a BPSG film, and a polyimide film.

【0048】また、マイクロブリッジ状の抵抗素子は、
以下に述べる三つの工程により簡単に形成させることが
できる。 即ち、三つの工程とは、基板に犠牲層を形成
しこの層に抵抗素子の第一部分の型となる少なくとも二
つの孔を形成させる犠牲層パターニング工程と、パター
ニングした犠牲層上にピエゾ抵抗効果を有する膜を形成
させ、前記二つの孔の間の領域を抵抗素子の第二部分と
して残し、他の部分を除去することによりマイクロブリ
ッジ状の抵抗素子を形成させる抵抗素子形成工程と、犠
牲層を除去する犠牲層除去工程とである。
Further, the micro-bridge type resistance element is
It can be easily formed by the following three steps. That is, the three steps are a sacrificial layer patterning step of forming a sacrificial layer on the substrate and forming at least two holes which will be the mold of the first portion of the resistance element in this layer, and a piezoresistive effect on the patterned sacrificial layer. A resistive element forming step of forming a film having the same, leaving a region between the two holes as a second portion of the resistive element, and removing the other portion to form a microbridge-shaped resistive element; and a sacrificial layer. And a sacrifice layer removing step.

【0049】請求項2の発明で開示したマイクロブリッ
ジ状の抵抗素子の前記第二部分と前記起歪体との間に可
撓性の物質を充填した構成の場合は、予め犠牲層として
この可撓性の物質を用いることにより、第三の工程であ
る犠牲層を除去する犠牲層除去工程を行う必要がなくな
るため、製造上の手間が省け、コストの削減を行うこと
ができるので製造効率を向上させることができる。
In the case of a structure in which a flexible material is filled between the second portion of the microbridge-shaped resistance element and the strain generating element disclosed in the invention of claim 2, this sacrificial layer can be used as a sacrificial layer in advance. By using the flexible material, it is not necessary to perform the sacrifice layer removing step of removing the sacrifice layer, which is the third step, so that the manufacturing labor can be saved and the cost can be reduced, so that the manufacturing efficiency can be improved. Can be improved.

【0050】さらに、このような方法をであれば、第二
部分の膜厚を薄くすることが簡単であるので、より検出
感度が向上した抵抗素子を効率よく得ることができる。
Further, with such a method, it is easy to reduce the film thickness of the second portion, so that it is possible to efficiently obtain a resistance element with improved detection sensitivity.

【0051】また、リフトオフ法以外に素子を製造する
方法として、基板をエッチングする方法や、マイクロマ
シンニング等の技術を応用し別々に形成した第一部分と
第二部分とを貼り合せる方法等も挙げられるが本発明で
はこれらに限られるものではない。
In addition to the lift-off method, as a method for manufacturing an element, a method of etching a substrate, a method of applying a technique such as micromachining, and a method of laminating a first portion and a second portion, which are separately formed, can be cited. However, the present invention is not limited to these.

【0052】[0052]

【実施例】以下、実施例に基づいて本発明を更に詳しく
説明する。図4は、抵抗素子を用いる力強度検出装置の
一例として、加速によって生じる力の強度を検出するこ
とにより、加速度を検出する加速度検出装置を示してい
る。
The present invention will be described in more detail based on the following examples. FIG. 4 shows an acceleration detecting device that detects acceleration by detecting the intensity of force generated by acceleration, as an example of a force intensity detecting device that uses a resistance element.

【0053】図4(a)は、半導体基板42上に加速度
検出回路を形成させた加速度検出装置の平面図を示して
いる。図4(a)において、太線で示した部分41は抵
抗素子であり、この例では、加速度検出回路が12個の
抵抗素子41を備えた構造としている。また、斜線で示
した部分43はAl(アルミニウム)配線であり、図示
しない電源から一定電圧または一定電流が供給されてい
る。また、それぞれの抵抗素子の電圧は、図示しない電
圧計により計測されている。
FIG. 4A shows a plan view of an acceleration detecting device in which an acceleration detecting circuit is formed on the semiconductor substrate 42. In FIG. 4A, a portion 41 indicated by a thick line is a resistance element, and in this example, the acceleration detection circuit has a structure including 12 resistance elements 41. A shaded portion 43 is an Al (aluminum) wiring, and a constant voltage or constant current is supplied from a power source (not shown). The voltage of each resistance element is measured by a voltmeter (not shown).

【0054】起歪体である半導体基板42の表面は平坦
に形成されているが、その裏面は半導体基板42の中心
を中心領域としたドーナツ状(以後、可撓部46と記
す。)に薄く形成されている。この可撓部46は、半導
体基板42を撓み易くするために設けられたものであ
り、これにより、半導体基板42が後に述べる重錘体4
7の揺動に感度よく対応して撓むようになっている。
The front surface of the semiconductor substrate 42, which is a strain generating element, is formed flat, but the back surface thereof is thin in a donut shape (hereinafter referred to as a flexible portion 46) with the center of the semiconductor substrate 42 as a central region. Has been formed. The flexible portion 46 is provided to facilitate the bending of the semiconductor substrate 42, whereby the weight body 4 described later of the semiconductor substrate 42 is provided.
It flexes in response to the swing of 7.

【0055】抵抗素子41は、可撓部46の上部に配置
されており、半導体基板42の裏面側の中心に設けられ
た重錘体47の揺動に伴って半導体基板42が撓むと抵
抗素子41も共に変形するような構成となっている。
The resistance element 41 is disposed above the flexible portion 46, and when the semiconductor substrate 42 bends as the weight body 47 provided at the center on the back surface side of the semiconductor substrate 42 swings, the resistance element 41 is bent. 41 is also configured to be deformed together.

【0056】図4(b)は、点線Mの位置で縦断した際
の断面を示す概略図である。図4(b)において、半導
体基板42の裏面の中心位置には、加速がかかると揺動
する重錘体47が設けられており、更に、この重錘体4
7の配置部周辺の領域は、重錘体47による変形量を大
きくするための可撓部46が形成されている。半導体基
板42は、台座48上に固定されており、この台座48
は、重錘体47が強く揺動しても重錘体47と接触しな
い程度に離れて配置されている。
FIG. 4B is a schematic view showing a cross section taken along the dotted line M. In FIG. 4B, a weight body 47 that swings when acceleration is applied is provided at the center position of the back surface of the semiconductor substrate 42.
A flexible portion 46 for increasing the amount of deformation by the weight body 47 is formed in the area around the arrangement portion of 7. The semiconductor substrate 42 is fixed on a pedestal 48.
Are arranged so as not to come into contact with the weight body 47 even if the weight body 47 swings strongly.

【0057】従って、加速度検出装置を備えつけた機器
の運動に伴って装置全体が運動すると、重錘体47に加
速がかかり、この加速は、その大きさに応じて機器の運
動方向に重錘体47を揺動させるため、重錘体47と連
結された半導体基板42が重錘体47の揺動に伴って撓
み、半導体基板42に設けられた抵抗素子41も重錘体
47の揺動に伴って変形することになる。
Therefore, when the entire apparatus moves along with the movement of the equipment provided with the acceleration detecting device, the weight body 47 is accelerated, and this acceleration is in the movement direction of the equipment in accordance with the magnitude thereof. In order to swing 47, the semiconductor substrate 42 connected to the weight body 47 bends with the swing of the weight body 47, and the resistance element 41 provided on the semiconductor substrate 42 also swings the weight body 47. It will be transformed accordingly.

【0058】抵抗素子41は、図4(a)に示したよう
に、重錘体47を中心とした放射状に配置されているた
め、重錘体47の揺動に伴って変形する状態が抵抗素子
41の配置された場所によって異なり、それぞれの抵抗
素子41の電気抵抗の変化状態もまた異なる。従って、
それぞれの抵抗素子41の電圧を継続的に計測すること
により、機器の加速の方向及び加速度の大きさを知るこ
とができる。
As shown in FIG. 4A, the resistance elements 41 are arranged radially around the weight body 47. Therefore, the resistance element 41 is deformed as the weight body 47 swings. The change state of the electric resistance of each resistance element 41 also differs depending on the place where the element 41 is arranged. Therefore,
By continuously measuring the voltage of each resistance element 41, the acceleration direction and the magnitude of the acceleration of the device can be known.

【0059】ここで、図1に本発明の抵抗素子部分の一
実施例を示す概略図を示す。図1(a)は、抵抗素子部
分の断面図であり、図1(b)は図1(a)におけるW
の位置で抵抗素子1及び半導体基板2とを切断した場合
の断面の構造を示す斜視図である。
FIG. 1 is a schematic view showing an embodiment of the resistance element portion of the present invention. FIG. 1A is a cross-sectional view of the resistance element portion, and FIG. 1B is W in FIG.
FIG. 6 is a perspective view showing a cross-sectional structure when the resistance element 1 and the semiconductor substrate 2 are cut at the position.

【0060】抵抗素子1は、ピエゾ抵抗効果により電気
抵抗が変化するP型単結晶シリコンからなり、その第一
部分である両端下部が、起歪体である半導体基板2に固
定されていると共に、第二部分である端部と端部との間
の部位(以後、抵抗素子の可撓部と記す。)が、半導体
基板2の表面から離れて構成されたマイクロブリッジ状
となっている。
The resistance element 1 is made of P-type single crystal silicon whose electric resistance is changed by the piezoresistive effect, and the lower ends of both ends which are the first parts thereof are fixed to the semiconductor substrate 2 which is a strain element, and A portion between the two end portions (hereinafter, referred to as a flexible portion of the resistance element) has a micro-bridge shape separated from the surface of the semiconductor substrate 2.

【0061】この抵抗素子1を構成する物質としては、
本第一実施例で示したP型単結晶シリコンに限らず、例
えば、N型単結晶シリコン、P型或はN型多結晶シリコ
ン、PZT(ジルコンチタン酸鉛;Pb(Zr,ti)O3)、ペロ
ブスカイト系の物質、ロシェル塩等の一群の(圧電)物
質等のようにピエゾ抵抗効果により電気抵抗が変化する
ものであればよい。
As the substance forming the resistance element 1,
Not limited to the P-type single crystal silicon shown in the first embodiment, for example, N-type single crystal silicon, P-type or N-type polycrystalline silicon, PZT (lead zirconate titanate; Pb (Zr, ti) O 3 ), A perovskite-based substance, a group of (piezoelectric) substances such as Rochelle salt, and the like, whose electrical resistance changes due to the piezoresistive effect.

【0062】抵抗素子1と半導体基板2とが接触する位
置には、P型拡散層よりなるコンタクト部4a、4bが
設けられていて、このコンタクト部4a、4bはAl
(アルミニウム)配線3a、3bと連結する構成となっ
ている。更に、このAl(アルミニウム)配線3a、3
bは、絶縁膜であるシリコン酸化膜5により半導体基板
とは電気的に絶縁されている。
Contact portions 4a and 4b made of a P type diffusion layer are provided at positions where the resistance element 1 and the semiconductor substrate 2 are in contact with each other, and the contact portions 4a and 4b are made of Al.
It is configured to be connected to the (aluminum) wirings 3a and 3b. Furthermore, this Al (aluminum) wiring 3a, 3
b is electrically insulated from the semiconductor substrate by the silicon oxide film 5 which is an insulating film.

【0063】コンタクト部の型は抵抗素子の型と同じで
あれば良く、本第一実施例では、抵抗素子1をP型のシ
リコンからなるものとしているため、コンタクト部4
a、4bも抵抗素子1と同じP型の拡散層としている。
勿論これに限らず、抵抗素子がN型のシリコンからなる
場合では、コンタクト部もN型の拡散層とする等の他の
構成としてもよい。
The type of the contact portion may be the same as the type of the resistance element. In the first embodiment, since the resistance element 1 is made of P type silicon, the contact portion 4 is formed.
A and 4b are also P-type diffusion layers similar to the resistance element 1.
Of course, the present invention is not limited to this, and when the resistance element is made of N-type silicon, the contact portion may have another structure such as an N-type diffusion layer.

【0064】このコンタクト部4a、4bには、電源
(図示せず)からの一定電流または一定電圧がAl(ア
ルミニウム)配線3a、3bを介して供給されている。
従って、抵抗素子1に対して、常に一定電流または一定
電圧がコンタクト部4a、4bから供給される構成とな
っている。また、Al(アルミニウム)配線3a、3b
には、電圧計(図示せず)が接続されおり、Al(アル
ミニウム)配線3a、3b内を通過する電流の電圧値を
継続的に計測している。
A constant current or a constant voltage from a power source (not shown) is supplied to the contact portions 4a and 4b through Al (aluminum) wirings 3a and 3b.
Therefore, a constant current or a constant voltage is always supplied to the resistance element 1 from the contact portions 4a and 4b. Also, Al (aluminum) wiring 3a, 3b
Is connected to a voltmeter (not shown) to continuously measure the voltage value of the current passing through the Al (aluminum) wirings 3a and 3b.

【0065】ここで、半導体基板2が計測目的とする力
(加速度等)の影響で歪んだ場合、この歪みに応じて抵
抗素子の可撓部も歪むため、抵抗素子1の電気抵抗値が
半導体基板2の歪みに応じて変化することになる。
Here, when the semiconductor substrate 2 is distorted by the influence of the force (acceleration or the like) to be measured, the flexible portion of the resistance element is also distorted according to this distortion, so that the electric resistance value of the resistance element 1 is a semiconductor. It will change according to the distortion of the substrate 2.

【0066】先程述べたように、抵抗素子1には常に一
定電流または一定電圧が供給されており、その電圧値は
電圧計(図示せず)により継続的に検出されているの
で、半導体基板2の歪みに応じて電気抵抗値が変化する
と、その変化量が直ちに検出される。検出された変化量
は、演算回路(図示せず)に出力され、ここで計測対象
とする力の物理量として算出される。
As described above, the resistance element 1 is always supplied with a constant current or a constant voltage, and the voltage value is continuously detected by a voltmeter (not shown). When the electric resistance value changes according to the strain of, the amount of change is immediately detected. The detected amount of change is output to an arithmetic circuit (not shown), where it is calculated as a physical amount of force to be measured.

【0067】このように本第一実施例では、抵抗素子の
可撓部が半導体基板2の表面から離れて構成されたマイ
クロブリッジ状であるため、半導体基板2の歪み量より
も抵抗素子1の歪み量の方が多くなり検出される値の感
度が向上する。
As described above, in the first embodiment, since the flexible portion of the resistance element has a micro-bridge shape separated from the surface of the semiconductor substrate 2, the resistance element 1 has a larger strain than the semiconductor substrate 2. The amount of distortion increases and the sensitivity of the detected value improves.

【0068】また、抵抗素子の可撓部の厚さが薄くなれ
ば、それだけ検出される値の感度が向上するので、抵抗
素子の可撓部の厚さの好ましい範囲としては0.1μm
〜10μm程度とするのが良い。本第一実施例では、好
ましい一例として、抵抗素子の可撓部の厚さを1μmと
している。
Further, if the thickness of the flexible portion of the resistance element is reduced, the sensitivity of the detected value is improved accordingly. Therefore, the preferable range of the thickness of the flexible portion of the resistance element is 0.1 μm.
It is preferable to set the thickness to about 10 μm. In the first embodiment, as a preferable example, the thickness of the flexible portion of the resistance element is 1 μm.

【0069】更に、抵抗素子の可撓部が半導体基板2の
表面から離れれば離れる程検出される値の感度が向上す
るが、抵抗素子1の強度や製造条件等を考慮して、半導
体基板2の表面から0.5μm〜3μm程度離した構造
とするのが良く、本実施例では好ましい例として、1μ
m程度離れた構造としている。
Further, the further the flexible portion of the resistance element is from the surface of the semiconductor substrate 2, the more the sensitivity of the detected value is improved. However, in consideration of the strength of the resistance element 1, the manufacturing conditions, etc., the semiconductor substrate 2 It is preferable to have a structure separated from the surface of the substrate by about 0.5 μm to 3 μm.
The structure is separated by about m.

【0070】また、抵抗素子1の長手方向に対する長さ
は、抵抗素子1の強度や製造条件等を考慮して、10μ
m〜500μm程度とするのが良く、本実施例では好ま
しい例として、100μm程度としている。勿論、これ
らの数字(抵抗素子の可撓部の厚さ、及び半導体基板の
表面からの距離及び長手方向に対する長さ)は一例であ
って、これらに限定されないことは言うまでもない。
The length of the resistance element 1 with respect to the longitudinal direction is 10 μ in consideration of the strength of the resistance element 1, the manufacturing conditions, and the like.
The thickness is preferably about m to 500 μm, and in the present embodiment, about 100 μm is a preferable example. Needless to say, these numbers (thickness of the flexible portion of the resistance element, and the distance from the surface of the semiconductor substrate and the length in the longitudinal direction) are examples and are not limited to these.

【0071】また、図2は本発明の力検出装置の別の一
実施例に係る抵抗素子部分の概略図である。図2(a)
は、抵抗素子部分の断面図であり、図2(b)は図2
(a)におけるWの位置で抵抗素子21及び半導体基板
22とを切断した場合の断面の構造を示す斜視図であ
る。
FIG. 2 is a schematic view of a resistance element portion according to another embodiment of the force detecting device of the present invention. Figure 2 (a)
2B is a cross-sectional view of the resistance element portion, and FIG.
It is a perspective view which shows the structure of a cross section when the resistance element 21 and the semiconductor substrate 22 are cut | disconnected in the position of W in (a).

【0072】抵抗素子21は、ピエゾ抵抗効果により電
気抵抗が変化するN型多結晶シリコンからなり、その第
一部分である両端部が、起歪体である半導体基板22に
固定されていると共に、第二部分である端部と端部との
間の部位(以後、抵抗素子の可撓部と記す。)が、半導
体基板22の表面から離れて構成されたマイクロブリッ
ジ状となっている。
The resistance element 21 is made of N-type polycrystalline silicon whose electric resistance changes by the piezoresistive effect, and both ends which are the first parts thereof are fixed to the semiconductor substrate 22 which is a strain element, and A portion between the two end portions (hereinafter, referred to as a flexible portion of the resistance element) has a microbridge shape separated from the surface of the semiconductor substrate 22.

【0073】この抵抗素子21を構成する物質として
は、本第二実施例で示したN型多結晶シリコンに限ら
ず、例えば、P型多結晶シリコン、P型或はN型単結晶
シリコン、PZT(ジルコンチタン酸鉛;Pb(Zr,ti)
O3)、ペロブスカイト系の物質、ロシェル塩等の一群の
(圧電)物質等のようにピエゾ抵抗効果により電気抵抗
が変化するものであればよい。
The material forming the resistance element 21 is not limited to the N-type polycrystalline silicon shown in the second embodiment, but may be, for example, P-type polycrystalline silicon, P-type or N-type single crystal silicon, PZT. (Lead zirconate titanate; Pb (Zr, ti)
O 3 ), perovskite-based substances, a group of (piezoelectric) substances such as Rochelle salts, and the like, whose electrical resistance changes due to the piezoresistance effect may be used.

【0074】更に、本第二実施例では、半導体基板22
の表面と抵抗素子の可撓部との間に、例えば、SiN膜
あるいはPSG膜などの可撓性の高い物質25(以後、
充填部材25と記す。)が充填されている。ここに充填
できる物質は可撓性の物質であれば良いが、半導体基板
22及び抵抗素子21よりも可撓性の高い物質とすると
起歪体に働く応力による作用をより確実に抵抗素子に伝
達することができるので好ましい。
Further, in the second embodiment, the semiconductor substrate 22
Of the highly flexible substance 25 (hereinafter, referred to as a SiN film or a PSG film) between the surface of the element and the flexible portion of the resistance element.
It is referred to as a filling member 25. ) Is filled. The substance that can be filled in here is a flexible substance, but if the substance is more flexible than the semiconductor substrate 22 and the resistance element 21, the action due to the stress acting on the strain generating element is more reliably transmitted to the resistance element. It is possible to do so, which is preferable.

【0075】また、抵抗素子21と半導体基板22とが
接触する位置には、N型拡散層よりなるコンタクト部2
4a、24bが設けられていて、このコンタクト部24
a、24bはAl(アルミニウム)配線23a、23b
と連結する構成となっている。更に、このAl(アルミ
ニウム)配線23a、23bは、絶縁膜であるシリコン
酸化膜26により半導体基板とは電気的に絶縁されてい
る。
Further, at the position where the resistance element 21 and the semiconductor substrate 22 are in contact with each other, the contact portion 2 made of an N type diffusion layer is formed.
4a and 24b are provided, and the contact portion 24
a and 24b are Al (aluminum) wirings 23a and 23b
It is configured to connect with. Further, the Al (aluminum) wirings 23a and 23b are electrically insulated from the semiconductor substrate by the silicon oxide film 26 which is an insulating film.

【0076】本第二実施例では、抵抗素子21をN型の
シリコンからなるものとしているため、コンタクト部2
4a、24bも抵抗素子21と同じN型の拡散層として
いるが、例えば、抵抗素子がP型のシリコンからなる場
合は、コンタクト部もP型の拡散層とする等のように、
コンタクト部の型は抵抗素子の型と同じであれば良い。
In the second embodiment, since the resistance element 21 is made of N type silicon, the contact portion 2
4a and 24b are the same N-type diffusion layers as the resistance element 21, but, for example, when the resistance element is made of P-type silicon, the contact portion is also a P-type diffusion layer.
The type of the contact portion may be the same as the type of the resistance element.

【0077】このコンタクト部24a、24bには、電
源(図示せず)からの一定電流または一定電圧がAl
(アルミニウム)配線23a、23bを介して供給され
ている。従って、抵抗素子21に対して、常に一定電流
または一定電圧がコンタクト部24a、24bから供給
される構成となっている。また、Al(アルミニウム)
配線23a、23bには、電圧計(図示せず)が接続さ
れおり、Al(アルミニウム)配線23a、23b内を
通過する電流の電圧値を継続的に計測している。
A constant current or a constant voltage from a power source (not shown) is applied to the contact portions 24a and 24b by Al.
It is supplied via (aluminum) wirings 23a and 23b. Therefore, a constant current or a constant voltage is always supplied to the resistance element 21 from the contact portions 24a and 24b. Also, Al (aluminum)
A voltmeter (not shown) is connected to the wirings 23a and 23b, and the voltage value of the current passing through the Al (aluminum) wirings 23a and 23b is continuously measured.

【0078】ここで、半導体基板22が計測目的とする
力(加速度等)の影響で歪んだ場合、この歪みの状態は
充填部材25を介して抵抗素子の可撓部に伝達されるの
で、抵抗素子の可撓部が半導体基板22の歪んだ状態に
応じて歪むこととなり、抵抗素子21の電気抵抗値が半
導体基板22の歪みに応じて変化することになる。
Here, when the semiconductor substrate 22 is distorted by the influence of the force (acceleration or the like) to be measured, the state of this distortion is transmitted to the flexible portion of the resistance element through the filling member 25. The flexible portion of the element is distorted according to the distorted state of the semiconductor substrate 22, and the electric resistance value of the resistance element 21 is changed according to the strain of the semiconductor substrate 22.

【0079】先程述べたように、抵抗素子21には常に
一定電流または一定電圧が供給されており、その電圧値
は電圧計(図示せず)により継続的に検出されているの
で、半導体基板22の歪みに応じて電気抵抗値が変化す
ると、その変化量が直ちに検出される。検出された変化
量は、演算回路(図示せず)に出力され、ここで計測対
象とする力の物理量として算出される。
As described above, the resistance element 21 is always supplied with a constant current or a constant voltage, and the voltage value is continuously detected by a voltmeter (not shown). When the electric resistance value changes according to the strain of, the amount of change is immediately detected. The detected amount of change is output to an arithmetic circuit (not shown), where it is calculated as a physical amount of force to be measured.

【0080】ここで、本第二実施例では、充填部材25
が抵抗素子21を保持する構成となっているため、充填
部材25を備えない場合よりも抵抗素子の可撓部の厚さ
が薄くできる。即ち、抵抗素子の可撓部の厚さが薄くな
れば、それだけ検出される値の感度が向上するので、高
感度の力検出装置を得ることができる。
Here, in the second embodiment, the filling member 25
Is configured to hold the resistance element 21, the thickness of the flexible portion of the resistance element can be reduced as compared with the case where the filling member 25 is not provided. That is, if the thickness of the flexible portion of the resistance element is reduced, the sensitivity of the detected value is improved, and thus a highly sensitive force detection device can be obtained.

【0081】この抵抗素子の可撓部の厚さの好ましい範
囲としては0.1μm〜10μm程度がよく、本第二実
施例では、好ましい一例として、抵抗素子の可撓部の厚
さを0.5μmとしている。
A preferable range of the thickness of the flexible portion of the resistance element is about 0.1 μm to 10 μm. In the second embodiment, as a preferable example, the thickness of the flexible portion of the resistance element is 0. It is set to 5 μm.

【0082】また、抵抗素子の可撓部が半導体基板2の
表面から離れれば離れる程検出される値の感度が向上す
るが、抵抗素子21の強度や製造条件等を考慮して、半
導体基板22の表面から0.5μm〜3μm程度離した
構造とするのが良く、本実施例では好ましい例として、
1μm程度離れた構造としている。
Further, the further the flexible portion of the resistance element is from the surface of the semiconductor substrate 2, the more the sensitivity of the detected value is improved, but the semiconductor substrate 22 is considered in consideration of the strength of the resistance element 21, the manufacturing conditions, and the like. It is preferable to have a structure separated from the surface of the substrate by about 0.5 μm to 3 μm.
The structure is separated by about 1 μm.

【0083】更に、抵抗素子21の長手方向に対する長
さは、抵抗素子21の強度や製造条件等を考慮して、1
0μm〜500μm程度とするのが良く、本実施例では
好ましい例として、100μm程度としている。勿論、
これらの数字(抵抗素子の可撓部の厚さ、及び半導体基
板の表面からの距離及び長手方向に対する長さ)は一例
であって、これらに限定されないことは言うまでもな
い。
Further, the length of the resistance element 21 in the longitudinal direction is set to 1 in consideration of the strength of the resistance element 21, the manufacturing conditions, and the like.
The thickness is preferably about 0 μm to 500 μm, and in this embodiment, a preferable example is about 100 μm. Of course,
Needless to say, these numbers (thickness of the flexible portion of the resistance element, and the distance from the surface of the semiconductor substrate and the length with respect to the longitudinal direction) are not limited to these.

【0084】このように本第二実施例では、抵抗素子の
可撓部が半導体基板22の表面から離れて構成されたマ
イクロブリッジ状であるだけでなく、半導体基板22の
表面と抵抗素子の可撓部との間に可撓性の充填部材25
を備えているので、半導体基板22の表面の歪み状態を
確実に抵抗素子21に伝達することができる。
As described above, in the second embodiment, the flexible portion of the resistance element is not only in the shape of a microbridge formed apart from the surface of the semiconductor substrate 22, but also the surface of the semiconductor substrate 22 and the resistance element are flexible. Flexible filling member 25 between the flexible portion
Therefore, the strained state of the surface of the semiconductor substrate 22 can be reliably transmitted to the resistance element 21.

【0085】更に、充填部材25が抵抗素子21を保持
する構成となっているため、充填部材25を備えない場
合よりも抵抗素子21の厚さを薄くできるので感度が向
上した力検出装置を得ることは勿論、製造中に抵抗素子
21の一部が物理的負担により破断する等の欠陥発生率
が低くなり、製造歩留を向上させることができる。
Further, since the filling member 25 is configured to hold the resistance element 21, the resistance element 21 can be made thinner than in the case where the filling member 25 is not provided, so that a force detecting device with improved sensitivity is obtained. As a matter of course, the rate of occurrence of defects such as breakage of a part of the resistance element 21 due to a physical load during manufacturing is reduced, and the manufacturing yield can be improved.

【0086】[0086]

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、検出対
象となる力がどのようなものであっても容易に従来より
も高い感度で検出対象となる物理量を検出することが可
能となる。
As described above, according to the present invention, it is possible to easily detect a physical quantity to be detected with higher sensitivity than conventional ones, regardless of the force to be detected. Become.

【0087】また、起歪体と抵抗素子とは分離した構成
としているので、抵抗素子の厚さを薄くして力の検出感
度を上げることが容易であるだけでなく、これに伴う製
造歩留の低下を引き起こすことがない。
Further, since the strain generating element and the resistance element are separated from each other, it is not only easy to reduce the thickness of the resistance element to improve the sensitivity of force detection, but also the manufacturing yield accompanying this. Does not cause a drop in

【0088】更に、起歪体と抵抗素子との間に充填部材
を備えた構成の場合では、起歪体に働く応力をより確実
に抵抗素子に伝達することができ検出値の確かさが向上
した力検出装置が得られる。
Furthermore, in the case of the structure in which the filling member is provided between the strain generating element and the resistance element, the stress acting on the strain generating element can be transmitted to the resistance element more reliably, and the certainty of the detected value is improved. The force detection device can be obtained.

【0089】また、充填部材が抵抗素子を保持する構成
となっているため、抵抗素子の強度を考慮する必要がな
く、抵抗素子の厚さを充填部材を備えない場合よりも薄
くできるので更に感度が向上した力検出装置を得ること
ができる。
Further, since the filling member is configured to hold the resistance element, it is not necessary to consider the strength of the resistance element, and the thickness of the resistance element can be made thinner than the case where the filling member is not provided. It is possible to obtain a force detection device having improved characteristics.

【0090】加えて、充填部材が抵抗素子を保持する構
成となっているため、製造中に抵抗素子の一部が物理的
負担により破断する等の欠陥発生率を抑えることができ
るので、製造歩留を向上させることができる。
In addition, since the filling member is configured to hold the resistance element, it is possible to suppress a defect occurrence rate such as breakage of a part of the resistance element due to a physical load during manufacture. The retention can be improved.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の力検出装置の一実施例に係る抵抗素子
部分の概略図である。
FIG. 1 is a schematic view of a resistance element portion according to an embodiment of a force detection device of the present invention.

【図2】本発明の力検出装置の別の一実施例に係る抵抗
素子部分の概略図である。
FIG. 2 is a schematic view of a resistance element portion according to another embodiment of the force detection device of the present invention.

【図3】抵抗素子を備えた起歪体が曲げ応力により変形
した時の状態を示す概略断面図である。
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing a state in which a strain generating element including a resistance element is deformed by bending stress.

【図4】加速度検出装置の一構成例を示す説明図であ
る。
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a configuration example of an acceleration detection device.

【図5】従来提案されている抵抗素子の形状を示す説明
図である。
FIG. 5 is an explanatory diagram showing the shape of a conventionally proposed resistance element.

【図6】従来提案されている抵抗素子の別の形状を示す
説明図である。
FIG. 6 is an explanatory diagram showing another shape of a conventionally proposed resistance element.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1、21、31、41、51、61:抵抗素子 2、22、32、42、52、62:半導体基板 3a、3b、23a、23b、43:Al(アルミニウ
ム)配線 53a、53b、63a、63b :Al(アルミニウ
ム)配線 4a、4b、24a、24b :コンタクト部 25 :充填部材 54、64 :絶縁膜 5、26 :シリコン酸化膜 46 :可撓部 47 :重錘体 48 :台座
1, 21, 31, 41, 51, 61: Resistance elements 2, 22, 32, 42, 52, 62: Semiconductor substrates 3a, 3b, 23a, 23b, 43: Al (aluminum) wiring 53a, 53b, 63a, 63b : Al (aluminum) wiring 4a, 4b, 24a, 24b: Contact part 25: Filling member 54, 64: Insulating film 5, 26: Silicon oxide film 46: Flexible part 47: Weight body 48: Pedestal

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 力の作用を受ける起歪体と、この起歪体
への力の作用による機械的な歪量に応じて電気抵抗値を
変化させる抵抗素子とを備えた力検出装置であって、 前記抵抗素子は、前記起歪体の表面に固定された第一部
分と、前記起歪体の表面から離れた第二部分とを有する
マイクロブリッジ状の構造を備えていることを特徴とす
る力検出装置。
1. A force detection device comprising: a strain-generating body that receives a force action; and a resistance element that changes an electric resistance value according to a mechanical strain amount due to a force action on the strain-generating body. The resistance element has a micro-bridge-like structure having a first portion fixed to the surface of the strain-generating body and a second portion separated from the surface of the strain-generating body. Force detection device.
【請求項2】 前記抵抗素子の前記第二部分と前記起歪
体との間に、可撓性の物質を充填したことを特徴とする
請求項1に記載の力検出装置。
2. The force detecting device according to claim 1, wherein a flexible substance is filled between the second portion of the resistance element and the strain-generating body.
JP7031833A 1995-01-30 1995-01-30 Force detection device Pending JPH08201190A (en)

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