JPH08271363A - 力検知素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 十分な圧縮破壊強度を確保し、高出力かつ高
信頼度の力検知素子を提供することである。 【構成】 力検知素子１０００は（１１０）面のシリコ
ン単結晶４０と結晶化ガラス製の力伝達ブロック６０、
台座７０からなり、それぞれ静電接合により強固に固着
している。シリコン単結晶４０と力伝達ブロック６０の
接合面側のシリコン単結晶４０の表面においてメサエッ
チングにより、ゲージ（Ｇａ１，Ｇａ２，Ｇｂ１，Ｇｂ
２）、リード部（４３）、電極部（４４ａ１，４４ａ
２，４４ｂ１，４４ｂ２）がメサ底部より１〜３μｍ突
出して形成されている。ゲージの受圧面積の縮小で高感
度化を図り、メサ段差の調節によってストッパ構造を実
現して耐破壊強度を確保する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、圧縮力を電気信号に変
換する、半導体のピエゾ抵抗効果を用いた力検知素子に
関する。

【０００２】

【従来の技術】力検知素子は、各種分野において圧縮力
を検知するためのセンサとして幅広く用いられている。
従って、このような力検知素子には、種々の測定条件に
おいて圧縮力を正確に検知できる能力が要求される。

【０００３】特に、この力検知素子は、極めて激しい測
定条件で用いられることが多い。近年においては、とり
わけエンジンのシリンダ内の燃焼圧力測定用として高
温、高圧力の環境下で用いられることが多く、その測定
圧力を用いてエンジンの燃焼制御が行われている。

【０００４】従って、このような状況の下で使用される
力検知素子には、信頼性を確保するために高い圧縮破壊
強度と電気ノイズに対して十分に高い出力が要求され
る。

【０００５】図２０には、本出願人の先の提案（特開平
６−３４４５５号）にかかる燃焼圧センサの一例が示さ
れる。

【０００６】同図（ａ）はその平面概略図、同図（ｂ）
はその側面概略図をそれぞれ表している。

【０００７】この燃焼センサは、圧縮力Ｗが加えられる
面として（１１０）の結晶面１０ａを具備する矩形板状
のｐ伝導型シリコン半導体（抵抗率８Ω−ｃｍ、厚み約
２００μｍ）１０と、このシリコン半導体１０の結晶面
１０ａと接合され、圧縮力Ｗを結晶面１０ａに垂直に伝
達する力伝達ブロック３０と、前記シリコン半導体１０
の他面側に接合された指示台座２０とを有する。そし
て、図示しないエンジンのシリンダ内における燃焼ガス
圧力Ｐがダイアフラムを介し、力伝達ブロック３０の頂
面３０ａに圧縮力として垂直に作用するよう形成されて
いる。

【０００８】このとき、前記ダイアフラムの受圧面積を
Ａ，圧力をＰ，力変換効率をａとすると、圧縮力Ｗは、
Ｗ＝Ｐ×Ａ×ａとなる。

【０００９】また、前記シリコン半導体１０には、その
＜１１０＞結晶方向から反時計回りに４５°の方向に、
相対向する一対の入力電極１４，１４′が設けられてお
り、この入力電極対１４，１４′を介して電源からシリ
コン半導体１０に電流を流している。

【００１０】また、前記シリコン半導体１０には、その
＜００１＞結晶方向から反時計回りに４５°の方向に一
対の出力電極１２，１２′が相対向して設けられてい
る。この出力電極対１２，１２′からは、シリコン半導
体１０の結晶面１０ａに垂直に圧縮力Ｗが作用したとき
に、圧縮力Ｗに対応する電圧がシリコン半導体のピエゾ
抵抗効果に基づき出力される。従って、この出力電圧を
測定することにより、圧縮力Ｗ、ひいては燃焼ガスの圧
力Ｐを測定することができる。

【００１１】すなわち、力伝達ブロック３０を介してシ
リコン半導体１０の結晶面１０ａに圧縮力Ｗが加えられ
たとき、出力電極１２，１２′の間で電圧出力△Ｖが検
出される。

【００１２】

【数１】

【００１３】なお（数１）で示したピエゾ抵抗係数π₆₃
は、次の（数２）により書き示されることが「Ｕｓｅ
ｏｆ Ｐｉｅｚｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ Ｍａｔｅｒｉａ
ｌｓｉｎ ｔｈｅ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ Ｄ
ｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ，Ｆｏｒｃｃ，ａｎｄ Ｔｏｒ
ｑｕｃ，Ｒ．Ｎ．ＴＨＵＲＳＴＯＮ，ＴＨＥ ＪＯＵＲ
ＮＡＬ ＯＦ ＴＨＥ ＡＣＯＵＳＴＩＣＡＬ ＳＯＣ
ＩＥＴＹ ＯＦ ＡＭＥＲＩＣＡ，Ｖｏｌ．２９，Ｎ
ｏ．１０，ＯＣＴ，１９５７」に開示されており、例え
ば抵抗率約８Ω−ｃｍのｐ伝導型の場合、約−３３×１
０^-6ｃｍ²／ｋｇとして計算できる。

【００１４】

【数２】

【００１５】数（２）において、π₁₁，π₁₂，π₄₄は、
立法結晶におけるピエゾ抵抗係数で、抵抗率約８Ω−ｃ
ｍのｐ導電型シリコンの場合、π₁₁＝６×１０^-6ｃｍ²
／ｋｇ、π₁₂＝−１×１０^-6ｃｍ²／ｋｇ、π₄₄＝１３
８×１０^-6ｃｍ²／ｋｇとなる。

【００１６】従って、ダイアフラムを備えたハウジング
に、図１６に示すよう、高弾性材料として知られるシリ
コン半導体１０を有する力検知素子２０００を、圧力検
出手段としてアッセンブリすることで、静圧の計測も可
能な燃焼圧センサを提供することができる。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】本願発明者は、上述し
た力検知素子に関する技術に基づき、さらに研究開発を
すすめてきたが、その結果として、以下の課題が明らか
となった。

【００１８】（１）力検知素子の高感度（高出力）化と
圧縮破壊強度とはトレードオフの関係にあり、信頼性の
観点から高感度（高出力）化にはおのずと限界がある。

【００１９】特に、力検知素子を自動車用の燃焼圧セン
サとして用いた場合には、過酷な環境下で使用されるが
ゆえに高い信頼性が要求される（特に、決して壊れない
ことが重要である）。したがって、センサ出力を犠牲に
しても、素子の使用荷重領域を限定して信頼性を優先さ
せなければならない。このような事情から、センサ感度
の大幅な向上を達成するのは困難である。

【００２０】（２）特に、車載用途の場合には、温度に
対する対策（つまり、センサ出力の温度特性の補償）が
重要である。センサ出力の温特補償には、力検知素子の
入力抵抗に逆の温特を持たせて特性変動をキャンセルす
る手法が有効である。そして、そのような都合のよい抵
抗の温特を得るためには、力検知素子を構成する半導体
単結晶として高濃度に不純物をドープしたものを使用す
る必要がある。

【００２１】しかし、センサ感度の温度特性向上を目的
に、半導体単結晶に高不純物濃度拡散すると素子の入力
抵抗が低くなり、かつ、従来から使用しているピエゾ抵
抗係数π₆₃が小さくなってしまう。したがって、センサ
出力（電圧値）が極度に小さくなってＳ／Ｎが悪化し、
現実の使用には耐えなくなる。したがって、本発明前で
は、不純物濃度を利用した温特補償の技術を現実に実施
することは困難であった。

【００２２】したがって、π₆₃と同様に圧縮応力のみで
電橋回路が構成できる素子構造で、高不純物濃度拡散で
も１ｋΩ程度の入力抵抗が確保でき、十分な圧縮破壊強
度を確保して、高不純物濃度拡散でも十分な感度を有す
る素子構造の開発が望まれていた。

【００２３】本発明は、このような課題に鑑みてなされ
たものであり、その目的は、十分な圧縮破壊強度を確保
し、かつ、感度温度特性の優れた高不純物濃度拡散でも
十分高い感度を有し、精度と信頼性の高い力検知素子を
提供することにある。

【００２４】

【課題を解決するための手段】上述した目的を達成する
本発明は、以下の構成となっている。

【００２５】（１）請求項１記載の本発明は、圧縮力が
加えられる面として（１１０）面またはこれと等価な結
晶面を有するシリコン単結晶と、前記シリコン単結晶の
前記結晶面と固着され、前記圧縮力をその結晶面に垂直
に伝達する力伝達ブロックと、前記シリコン単結晶の、
前記力伝達ブロックが固着された面とは別の面に固着さ
れ、このシリコン単結晶を支持する支持台座と、を具備
する力検知素子であって、前記シリコン単結晶の、前記
力伝達ブロックが固着された前記結晶面の表面には、力
伝達ブロックによる圧縮力を受け、その圧縮力によって
電気抵抗が変化するゲージが設けられ、前記ゲージは、
前記結晶面の表面に段差を形成することによってその段
差の底部より突出して設けられ、かつ、このゲージは、
対向する２組の辺をもつ形状に配設されてホイートスト
ンブリッジを構成し、このうちの１組のゲージの長手方
向は＜１１０＞方向またはこれと等価な結晶方向になっ
ており、他の１組のゲージの長手方向は＜１００＞方向
またはこれと等価な結晶方向になっており、前記ホイー
トストンブリッジの入力極に電流を流し、出力極より前
記力伝達ブロックに作用させた圧縮力に比例した電圧出
力を得ることを特徴とする。

【００２６】（２）請求項２に記載の本発明は、ゲージ
を突出させるための前記結晶面における段差の深さは、
圧縮力が所定量を越えた場合に、その圧縮力によって変
形が生じた前記力伝達ブロックの、前記シリコン結晶面
の段差底部に対向する面の少なくとも一部が、前記シリ
コン結晶面の段差底部に接触するような深さとなってお
り、これによって圧縮力が前記所定量を越えた場合に、
力伝達ブロックとシリコン結晶面の段差底部の接触部分
がストッパとして働いて前記圧縮応力を分担して支える
ようになっていることを特徴とする。

【００２７】（３）請求項３に記載の本発明は、シリコ
ン単結晶の前記結晶面において、ゲージを突出させるた
めの第１の段差に連接して、その第１の段差よりも浅い
第２の段差が設けられており、この第１および第２の段
差の深さの調整によって、圧縮力が所定量を越えた場合
にその圧縮力によって変形が生じた前記力伝達ブロック
は前記第２の段差の底部のみに接触し、第１の段差の底
部には接触し得ないようになっており、これによって圧
縮力が前記所定量を越えた場合に、力伝達ブロックとシ
リコン結晶面の前記第２の段差底部の接触部分がストッ
パとして働いて前記圧縮応力を分担して支えるようにな
っていることを特徴とする。

【００２８】（４）請求項４に記載の本発明は、ゲージ
は、前記結晶面上において、互いに平行な２組の辺をも
つ四角形の形状に配設され、隣あったゲージの結合部４
箇所の、向かいあった対角の１組を入力極とし、他の１
組を出力極とし、入力極に電流を流して出力極に力伝達
ブロックに作用させた圧縮力に比例した電圧出力が得ら
れるようになっており、また、前記四角形の各辺を構成
する各ゲージに対して力伝達ブロックによる圧縮力が加
わるように各ゲージが配設されていることを特徴とす
る。

【００２９】（５）請求項５に記載の本発明は、四角形
の各辺を構成する各ゲージは、力伝達ブロックを圧縮す
ることにより発生する平面方向応力の中立線近傍に設け
られていることを特徴とする。

【００３０】（６）請求項６に記載の本発明は、段差底
部から突出した前記ゲージの、少なくとも表面部分はｐ
型不純物が導入された領域となっており、これによっ
て、前記ゲージの抵抗値の温度特性は、入力極に定電圧
を印加した場合における力検知感度特性の温度に依存し
た変動を補償するような温度特性となっていることを特
徴とする。

【００３１】（７）請求項７に記載の本発明は、ｐ型不
純物の濃度は、１×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³のオーダ
ー，あるいは１×１０²⁰ａｔｏｍｓ／ｃｍ³のオーダー
の、いずれかのオーダーとなっていることを特徴とす
る。

【００３２】（８）請求項８に記載の本発明は、段差底
部から突出した前記ゲージの両側に、そのゲージと同程
度に段差底部から突出し、かつそのゲージとは電気的に
分離されてなるガードバンクが設けられていることを特
徴とする。

【００３３】（９）請求項９に記載の本発明は、力伝達
ブロックと固着される前記シリコン単結晶の前記結晶面
には、結晶面の表面段差底部から前記ゲージと同程度に
突出し、かつそのゲージとは電気的に分離されている、
前記力伝達ブロックの中央部分を支持するための支持突
起部が設けられていることを特徴とする。

【００３４】（１０）請求項１０に記載の本発明は、圧
縮力の検知に使用される前記ゲージにおけるピエゾ抵抗
係数として、π₁₃を使用することを特徴とする。

【００３５】（１１）請求項１１に記載の本発明の力検
知素子の製造方法は、圧縮力が加えられる面として（１
１０）面またはこれと等価な結晶面を有するシリコン単
結晶と、前記シリコン単結晶の前記結晶面と固着され、
前記圧縮力をその結晶面に垂直に伝達する力伝達ブロッ
クと、前記シリコン単結晶の、前記力伝達ブロックが固
着された面とは別の面に固着され、このシリコン単結晶
を支持する支持台座とを具備し、前記シリコン単結晶
の、前記力伝達ブロックが固着された前記結晶面の表面
には、力伝達ブロックによる圧縮力を受け、その圧縮力
によって電気抵抗が変化するゲージが設けられ、前記ゲ
ージは、前記結晶面の表面に段差を形成することによっ
てその段差の底部より突出して設けられ、かつ、この段
差底部から突出したゲージの表層部分はｐ型領域となっ
ている力検知素子を製造する方法であって、前記ゲージ
ならびにｐ型領域を含む前記シリコン単結晶を形成する
工程として、ｎ型シリコン単結晶基板の表面部にｐ型不
純物を導入してｐ型領域を形成する工程と、ゲージとな
る部分を除いて前記ｎ型シリコン単結晶基板の前記表面
部においてメサエッチングを施して前記ｐ型領域よりも
深い段差を形成し、これによって表層部においてｐ型領
域が形成されてなる細いゲージを得る工程とを有するこ
とを特徴とする。

【００３６】（１２）請求項１２に記載の本発明は、請
求項１１において、シリコン単結晶基板として、ＳＯＩ
（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を
用いることを特徴とする。

【００３７】

【作用】

（１）請求項１の本発明では、半導体単結晶のメサ底部
より突出した細いゲージを設け、このゲージによって力
伝達ブロックの圧縮力を受ける。したがって、単結晶面
で圧縮力を受けていた従来構造と違い、受圧面積が小さ
くなっており、したがって、ゲージにより大きな圧縮応
力が作用し、検出感度が高い。

【００３８】つまり、圧縮力Ｗ＝Ｐ（圧力）×Ａ（受圧
面積）×ａ（力変換効率：ダイアフラムの固定部が受持
つ力と圧縮力Ｗとして作用する力の比）と表される。し
たがって、圧縮力Ｗを一定として、検知素子部に作用す
る応力（出力はピエゾ抵抗係数×応力に比例する）を大
きくするには、検知素子部の受圧面積を小さくするのが
有効である。

【００３９】但し、本発明者のＳｉの異方性を考慮した
電場の統合解析（ＦＥＭ）により、本発明の場合、測定
ゲージ領域の受圧面積を小さくした量に比例して圧縮応
力が増加する以上に、測定ゲージ部には急激な応力集中
を起こすことなく有効な圧縮応力が作用していることが
確認されている。

【００４０】このような本発明の構造は、シリコン単結
晶の（１１０）面上で〈１１０〉方向に最大の感度を有
するピエゾ抵抗係数π₁₃を使用し、ブリッジを構成する
という新規な構成を採用することで実現できる。

【００４１】（２）請求項２の本発明では、メサ段差を
調整することによってストッパ構造を実現し、圧縮力を
分散させ、耐圧を向上させる。

【００４２】つまり、圧縮力が増大して力伝達ブロック
の変形（たわみ）が大きくなると、力伝達ブロックの底
面の一部が半導体単結晶表面のメサ底部に接触し、この
接触領域によってストッパが構成され、このストッパが
圧縮力を分担することにより、ゲージにかかる応力を分
散させる。メサ段差は１μｍ〜３μｍが好適である。

【００４３】（３）請求項３の本発明では、半導体単結
晶表面のメサ構造を図７に例示されるような２段階のメ
サ構造とし、深いメサ段差における力伝達ブロックの撓
みを利用して、ストッパ作用後の、力伝達ブロック底面
と浅い段差の底面全面とのすみやかな接触を実現し、ス
トッパ作用後の接触面積変化を速やかに一定とすること
により、力検知素子のストッパ接触後の出力のリニアリ
ティを向上させる。

【００４４】つまり、２段メサ構造を採用しない場合に
は、図６に例示するようにストッパ作用の開始の初期に
おいて、接触面積が少しづつ変化していくために、検知
出力になまりが生じる。これに対し２段メサ構造では、
ストッパ作用後の接触面積変化が速やかに飽和する（つ
まり、速やかに、力伝達ブロックのストッパとして機能
する底面域の全面が浅い段差の底面にぴったりと接触
し、かつ、深い段差の底面には力伝達ブロックの底面は
接触できないようになっているため、それ以降は接触面
積が変化しなくなり変化は一定となる）ことにより、図
８に例示されるように、ストッパ作用後の初期における
出力のリニアリティが改善され、したがって、ストッパ
領域も測定領域として使う２段出力型（高感度特性域Ｓ
Ｌ１と低感度特性域ＳＬ２を有する）とすることができ
る。これにより、測定範囲を拡大することができる。

【００４５】つまり、図８のストッパ構造の出力特性に
おいて、高感度領域の直線部分と低感度領域の直線部分
が曲線部分でつながっている。この曲線部分を２段メサ
で少なくして、低感度領域の直線部分を広くすることに
より高感度領域と低感度領域の両方を使用する２段出力
特性を有するセンサができる。

【００４６】（４）請求項４記載の本発明では、図２に
例示されるように、４本のゲージ（Ｇａ１，Ｇａ２，Ｇ
ｂ１，Ｇｂ２）を四角形の形状に配設し、かつ、全ての
ゲージに力伝達ブロック（６０）による圧縮力を与える
構成としている。

【００４７】本請求項の構成では、以下の２つの作用が
得られる。

【００４８】ゲージを四角形の形状に配設することに
よる作用 上述のように、ゲージを突出加工することにより受圧面
積を減らしてセンサ感度を向上できる。しかし、単に受
圧面積を小さくしただけでは、半導体単結晶の表面に作
用する水平分力（構造的誤差により必ず発生する）によ
り、ゲージは破壊されやすい。

【００４９】すなわち、図４（ａ）に例示されるような
構成では、斜め方向の圧縮力ＷＰによってゲージＧＸ
は、回転モーメント（剥離応力）によって破壊されやす
い。

【００５０】この対策として、図４（ｂ）に例示される
ように、各ゲージをロの字型に配設し、かつ、力伝達ブ
ロックの圧縮面（力伝達ブロックの底面）の周辺（つま
り、圧縮面の形状を決定している各辺から少し内側に入
った位置）に配設することが有効である。このような構
成により、斜め上方からの圧縮力ＷＰが有効な圧縮力と
して各ゲージに作用するようになり、回転モーメントの
剥離応力が作用せず、破壊しにくくなる。したがって、
耐破壊強度が向上する。

【００５１】４本のゲージ全てに力伝達ブロックによ
る圧縮力を与えることによる作用 上述のように、ゲージを四角形（ロの字型）に配置する
場合に有効となるのがπ₁₃である。このπ₁₃は、（１１
０）面の〈１１０〉方向に最大の感度をもち、〈１０
０〉方向には感度０であり、したがって、請求項１に記
載の方向にゲージを配置してホイートストンブリッジを
構成すると、フルブリッジ構成でハーフブリッジ相当の
出力を得ることができる。

【００５２】しかし、図５に例示するように、〈１０
０〉方向のゲージ（Ｇｄ１，Ｇｄ２）を圧縮力の作用し
ない部分に配置して、〈１１０〉方向のゲージ（Ｇａ
１，Ｇａ２）にのみ圧縮力を作用させるようなレイアウ
トを採用すると、ゲージ（Ｇａ１，Ｇａ２）には、有効
な縦方向の圧縮力のみならずゲージの水平方向の変形に
よりわずかに生じる水平分力の圧縮力が与えらる。した
がって、その不要な水平方向の応力によって生じるピエ
ゾ抵抗係数π₁₂（図１８の（ウ）参照）の変化分が、正
規の圧縮力によるπ₁₃の変化に重畳されＳ／Ｎが悪化す
る（信号レベルが低下し、出力の直線性が悪くなる）。

【００５３】この対策として図４のように、〈１００〉
方向のゲージ（Ｇｂ１，Ｇｂ２）にも圧縮力を作用させ
ると、この〈１００〉方向のゲージ（Ｇｂ１，Ｇｂ２）
に生じるπ₁₂の変化の方向と、〈１１０〉方向のゲージ
（Ｇａ１，Ｇａ２）に生じる水平分力によるπ₁₂の変化
の方向が逆となり（ゲージが直交しているため）、した
がってπ₁₂の変化が相殺されることとなり、検知感度が
向上する。

【００５４】（５）請求項５に記載の本発明では、四角
形（ロの字型）の各辺を構成する各ゲージを、力伝達ブ
ロックを圧縮することにより発生する平面方向応力の中
立線近傍に設けることとしている。

【００５５】これは、請求項４の作用において説明し
た、「力伝達ブロックの圧縮面（力伝達ブロックの底
面）の周辺（つまり、圧縮面の形状を決定している各辺
から少し内側に入った位置）に配設することが有効であ
る」という記述をより具体化したものである。

【００５６】ここで、「平面方向応力の中立線」とは、
力伝達ブロックの圧縮によって発生する各方向の水平応
力が相互に相殺しあって、見かけ上、水平応力が生じな
い線領域をいう。

【００５７】このような構成により、力伝達ブロックが
圧縮により変形してゲージ角部を斜めに押すことにより
発生する平面方向応力の左右の対称性が確保でき打ち消
し合って応力を０にすることができ、圧縮力が有効な圧
縮力として各ゲージに作用するようになり、水平の剥離
応力が極めて低減されて、ゲージが破壊されにくくな
る。したがって、耐破壊強度が向上する。

【００５８】（６）請求項６および請求項７の本発明で
は、グリッド状の細いゲージの特徴を活かして、力検知
素子の自己感度温度補償ならびに耐高温性を実現する。

【００５９】すなわち、図１７（ア）に例示されるよう
に、定電圧印加によるセンサ感度（Ｇ），ゲージの抵抗
値（Ｒ）は共に温度（Ｔ）によって変化する（例えば、
図１７（ア）に示されるような温度特性Ｇ１，Ｒ１をも
つ）。

【００６０】そして、両者の温特は、図１７（イ）に示
される特性ｒ１，ｇ１のように、不純物濃度に依存して
変化する。したがって、不純物濃度の選択によって温特
の補償が可能である。

【００６１】つまり、力検知素子の入力極を定電流駆動
し、このとき、例えば、△ｔの温度上昇でセンサ感度が
２０％低下したとき、仮にゲージの抵抗値が２０％上昇
すれば、印加電圧の増大によってブリッジ入力電圧は２
０％上昇して感度低下分を補償することができる。

【００６２】このような温特補償を可能ならしめる不純
物濃度は、ｐ型半導体の場合には、図１７（イ）に例示
されるように、１×１０¹⁸ａｔｏｍ／ｃｍ³（Ａ点）
と、１×１０²⁰ａｔｏｍｓ／ｃｍ³（Ｂ点）近傍にあ
り、これによって、感度の温度依存性を大幅に改良する
ことができる。

【００６３】この場合、本発明では、細い突出したゲー
ジを使用するがゆえに、断面積が小さく、ゲージの抵抗
は高抵抗化されている。したがって、上述のように高不
純物濃度としても、ゲージの抵抗値として１ｋΩ程度の
入力抵抗を確保でき、したがって、充分に実用に耐える
ゲージを作製できる。

【００６４】また、本発明によれば、以下の理由により
耐高温性も向上できる。

【００６５】つまり、ｎ型半導体基板の表面にゲージを
作成する場合には、上述の温特補償のためのｐ型不純物
の導入によってｐ型層を形成すると、必然的にｐｎ接合
が形成される。このｐｎ接合のリーク電流は周囲温度が
高温になるにつれて増大するため温特不良の一因とな
る。

【００６６】しかし、図１５（ｃ）に例示されるよう
に、メサエッチングによってｐｎ接合界面をより深く段
差を形成することによって、ｐｎ接合面をゲージ部底面
のみにとどめることができ、半導体基板の表面に一様に
ｐ型層を形成した場合に比べ、リーク電流を低減でき、
これによって、高温に強い素子が得られる。例えば、少
なくとも２００℃までの使用が可能となる。

【００６７】さらに、図１６（ｃ）に例示されるＳＯＩ
構造を使用すると、絶縁膜が介在するためにｐｎ接合が
形成されないため、より高温に強い素子が得られる。

【００６８】（８）請求項８の本発明では、ガードバン
クを設ける。

【００６９】「ガードバンク」は、常に圧縮力を支え、
力伝達ブロックが圧縮力により変形することにより発生
する水平分力も常に支え、ゲージに作用する水平分力を
低減させる働きをもつ。

【００７０】したがって、力伝達ブロックが圧縮により
変形してゲージ角部を斜めに押すことにより発生する、
平面方向応力をガードバンク部で緩和し、ゲージに有効
な圧縮応力を効率良く作用させことができる。したがっ
て、高感度化ならびに耐破壊強度の向上を図ることがで
きる。

【００７１】（９）請求項９の本発明では、中央突起部
（以後、臍部ともいう）を設ける。この中央突起部（臍
部）は、常に圧縮力を支え、主に、力伝達ブロックの変
形を抑制する働きをする。

【００７２】この臍構造により、受圧面積の変化を極め
て小さく保ったままで（感度を下げずに）、また、メサ
段差を増加させることなく、ストッパ接触開始荷重を大
きくすることができる。したがって、高感度領域を拡大
して設計自由度の向上に役立つ。

【００７３】つまり、高感度領域を広くするには、メサ
段差を高くする必要があるが、メサ段差の限界はフォト
リソグラフィの解像度の制約により約３μｍ（これを越
えると、露光がぼける）である。しかし、臍を設けるこ
とにより力伝達ブロックが圧縮力により変形する量を約
１／１０に減少させることができ、結果として、高感度
領域の受圧面積をほとんど変化させるたとなく、フォト
リソの作業性を確保してストッパに力伝達ブロックが接
触し始める圧縮力を１０倍に拡大できる。

【００７４】上述したストッパ構造において、ストッパ
開始荷重は、測定ゲージ部面積とストッパ部面積の比、
メサ段差、臍の有り無し、力伝達ブロックの形状と縦弾
性係数により決まる。感度を高くするには測定ゲージ部
面積をストッパ部面積より小さくし、臍をつけ、プロセ
スの容易さからメサ段差を少なくし、ストッパ開始荷重
の制御から力伝達ブロックの縦弾性係数を小さくするの
が望ましい。この点で、力伝達ブロックの材質として
は、デビトロン（結晶化ガラス）が適している。

【００７５】（１０）請求項１０では、本発明におい
て、ピエゾ抵抗係数としてπ₁₃を使用することを明確化
している。

【００７６】ピエゾ抵抗係数π₁₃は、図１８（ａ）に示
すように、電圧検出の方向と電流を流す方向が同じで、
前記方向と垂直に一軸応力が作用する場合のピエゾ抵抗
係数の呼称である。

【００７７】ちなみに、従来構造で使用していたピエゾ
抵抗係数π₆₃は、図１８（イ）に示されるように電圧検
出の方向と電流を流す方向が直交する場合に、前記方向
と垂直に一軸応力が作用する場合のピエゾ抵抗係数の呼
称である。また、請求項４で問題となった、ピエゾ抵抗
係数π₁₂は、図１８（ウ）に示すように、電圧検出の方
向と電流を流す方向が同じで、前記方向と水平に一軸応
力が作用する場合のピエゾ抵抗係数の呼称である。

【００７８】π₁₃は、図１９に例示されるように、（１
１０）面の〈１１０〉方向に最大の感度をもち、〈１０
０〉方向には感度０であり、したがって、請求項１に記
載の方向にゲージを配置してホイートストンブリッジを
構成すると、フルブリッジ構成でハーフブリッジ相当の
出力を得ることができる。

【００７９】（１１）請求項１１の製造方法では、半導
体基板の一括メサエッチにより、グリッド（格子）状の
ゲージを形成する。すなわち、半導体基板の主表面の全
面に不純物を拡散後、メサエッチを施してグリッド状ゲ
ージを作成する。これにより、簡単なプロセスで上述し
た優れた特性を有するゲージ（素子）を作成できる。

【００８０】（１２）請求項１２の製造方法では、ＳＯ
Ｉ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板
を利用することにより、簡単なプロセス（一括メサの工
程と同じ工程で処理できる）により、２００℃以上の高
温で使用することも可能なゲージ（素子）を得ることが
できる（ｐｎ接合が形成されないため）。

【００８１】（１３）以上の本発明によって、信頼性が
高く、かつ、従来の８倍も高感度の力検知素子を製造で
きる。したがって、燃焼圧センサに利用した場合には、
センサ出力を増幅するためのアンプが不要となる可能性
がある。

【００８２】センサ全体の価格の１／３を占めるアンプ
部を省略できれば、ローコスト化が可能である。

【００８３】

【実施例】次に、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。

【００８４】（１）実施例１（全面拡散、ガードバンク
および臍なし） （全体構成）図１には、本発明の第１の実施例に係わる
力検知素子１０００の斜視図が示されている。

【００８５】力検知素子１０００は、（１１０）面のシ
リコン単結晶４０と、結晶化ガラス製の力伝達ブロック
６０および台座７０からなり、それぞれ静電接合により
強固に固着している。

【００８６】この（１１０）面のシリコン単結晶４０
は、抵抗率約１Ωｃｍのｎ型半導体であり、幅Ｗ₂＝
１．４ｍｍ、長さＬ₂＝２．０ｍｍ、高さＨ₂＝０．３ｍ
ｍの直方体状に形成されている。

【００８７】台座部７０は、幅Ｗ₂＝１．４ｍｍ、長さ
Ｌ₂＝２．０ｍｍ、高さＨ₂＝０．５ｍｍの直方体状に形
成されている。

【００８８】シリコン単結晶４０と力伝達ブロック６０
の接合面側のシリコン単結晶表面には、ゲージ幅１０μ
ｍでフルブリッジ構成の口の字状のゲージ（Ｇａ１〜Ｇ
ｂ２）が形成されている。このゲージは、ｎ型半導体表
面全面にボロンを拡散させ０．００１Ωｃｍのｐ型半導
体層（図３の参照番号４１）を形成し、ゲージ（Ｇａ１
〜Ｇｂ２）、リード部４３、電極部（４４ａ１〜４４ｂ
２）を除いてメサエッチングにより３μｍ加工すること
により形成される。

【００８９】ゲージ（Ｇａ１〜Ｇｂ２）に、静電接合に
より強固に固着した結晶化ガラスからなる力伝達ブロッ
ク６０は、幅Ｗ₂＝１．０ｍｍ、長さＬ₂＝０．５ｍｍの
直方体形状に形成され、その頂面６０ａに加えられる圧
縮力Ｗをゲージ（Ｇａ１〜Ｇｂ２）に垂直に伝達する。

【００９０】この圧縮力Ｗにより、ゲージに作用するピ
エゾ抵抗効果を決定するピエゾ抵抗係数π₁₃の感度を極
座標系で表したものを図１９に示す。

【００９１】ロの字の形状の向かいあった１組のゲージ
Ｇａ１，Ｇａ２の長手方向を〈１１０〉方向に、他の１
組のゲージＧｂ１，Ｇｂ２の長手方向を〈１００〉方向
に作製し、隣あったゲージの結合部４箇所からリード部
４３を取り出す。

【００９２】リード部４３は、ゲージ（Ｇａ１〜Ｇｂ
２）と同じｐ型半導体からなり、電極部４４ａ１〜４４
ｂ２に電気的に接続している。

【００９３】電極部４４ａ１〜４４ｂ２は、約１μｍの
厚みをもつ。参照番号４４ａ１，４４ａ２が入力極であ
り、４４ｂ１，４４ｂ２が出力極である。入力極に一定
電流を流せば、出力極に力伝達ブロック６０に作用させ
た圧縮力Ｗに比例した電圧出力Ｖが得られる。この電圧
出力Ｖと圧縮力Ｗ、ピエゾ抵抗係数π₁₃の関係数式を
（数３）に示す。

【００９４】

【数３】

【００９５】またピエゾ抵抗係数π₁₃は以下の（数４）
のように書き表すことができる。

【００９６】

【数４】

【００９７】（燃焼圧センサの構造）図１３には、本実
施例の力検知素子１０００を、圧力検出手段としてアッ
センブリした燃焼圧センサ１１００が示されている。

【００９８】この燃焼圧センサ１１００は、金属製ダイ
アフラム８２を備えた筒状のハウジング８０と、このハ
ウジング８０内に取付け固定された力検知素子１０００
とを含む。

【００９９】ハウジング８０は、図示しないエンジンの
シリンダヘッドの壁面に装着され、金属製ダイアフラム
８２にシリンダ内圧力Ｐ作用するよう形成されている。

【０１００】力検知素子１０００は、ハウジング８０内
に密封端子９０を用いて取付け固定され、その力伝達ブ
ロック６０の頂部６２はドーム形状となっており、金属
製ダイアフラム８２の裏面側と接触している。

【０１０１】したがって、シリンダ内の圧力Ｐは、金属
製ダイアフラム８２によって圧縮力Ｗとして変換され、
力検知素子１０００を構成する力伝達ブロックの頂面６
２に伝達され、最終的に図１のシリコン半導体の（１１
０）結晶面に圧縮応力として作用する。

【０１０２】また、密封端子９０には、リードピン９２
ａ，９２ｂ，９２ｃ，９２ｄ（９２ａ，９２ｂのみ図１
３に示されている）が設けられている。そして、リード
ピン９２ａ，９２ｂ，９２ｃ，９２ｄの上端と力検知素
子１０００の電極４４ａ１，４４ａ２，４４ｂ１，４４
ｂ２は、直径５０μｍのボンディングワイヤ９４ａ等に
て電気的接続がなされている。

【０１０３】燃焼圧センサ１１００のダイアフラム８２
に、シリンダ内圧力Ｐが作用した場合、この圧力Ｐは、
圧縮力Ｗとして力検知素子１０００に伝達され、前記
（数４）に示したシリコン半導体４０のピエゾ抵抗効果
に基づく電圧出力△Ｖに変換される。

【０１０４】従って外乱等の影響を受けることなく、シ
リンダ内圧力Ｐを正確に測定することができる。なお、
ピエゾ抵抗係数π₁₃を有効に利用できるその他のシリコ
ン半導体として、ｐ伝導型（１１１）面、（２１１）
面、ｎ導電型（１００）面が存在するが、ｐ導電型（１
１０）面が最も係数が大きい。

【０１０５】（本実施例の特徴） 本実施例の特徴は、まず、図３（ａ）に示されるよう
に、各ゲージ（図３ではＧａ１，Ｇａ２のみ示されてい
る）が、半導体基板（メサ底部）から突出した細いゲー
ジとして加工されていること、ならびに、図３（ｂ）に
示されるように、メサ段差の調整によって、荷重が所定
量を越えると、ストッパ領域（力伝達ブロック６０の底
面の一部ならびにｎ型シリコン基板のメサ段差底部）Ｓ
ＴＰ１〜ＳＴＰ４）が互いに接触してストッパが作用
し、圧縮力（Ｗ）を分担するようになっていることであ
る。このストッパ作用により、立体化されて細くなった
ゲージにかかる圧縮力が分担され、破壊強度が向上す
る。

【０１０６】図６に、本実施例のセンサの出力特性が示
される。高感度特性Ｓ１がストッパが作用しない状態に
おける特性であり、低感度特性Ｓ２がストッパが作用し
た後の特性である。図中、ストッパ作動開始荷重はＷＰ
１として示されている。

【０１０７】本実施例の圧縮荷重に対するセンサ出力の
特性が、図１２に示される。特性曲線Ｄ１が本実施例の
特性を示す。

【０１０８】本実施例の他の特徴は、図２に示される
ように、４本のゲージＧａ１，Ｇａ２，Ｇｂ１，Ｇｂ２
が口の字型（四角形形状）に配列されていること、なら
びに、これらのゲージの全部に力伝達ブロック６０の圧
縮応力が作用するようになっていることである。

【０１０９】シリコンゲージは、垂直方向の圧縮力には
極めて強い破壊強度を示すものの、水平方向の応力と垂
直方向のひっぱり力には弱いという性質がある、したが
って、本実施例では、図４（ａ）のような構成をとら
ず、図４（ｂ）のように、力伝達ブロック６０の周辺
（平面応力の中立線近傍）にゲージ（Ｇａ１，Ｇａ２）
を配設し、水平方向の応力を低減している。

【０１１０】つまり、力伝達ブロック６０を圧縮するこ
とにより発生する平面方向応力の中立線近傍にロの字の
形状のゲージ部を作製することにより、ゲージの平面方
向応力の両側のバランスをとることができ、ゲージへの
平面方向応力の穏和が可能になる。

【０１１１】また、図５に示すような１組のゲージ（Ｇ
ａ１，Ｇａ２）のみを圧縮する構造（他の１組のゲージ
Ｇｄ１，Ｇｄ２は圧縮しない）とすると、ゲージの水平
方向の伸張によるπ₁₃以外のピエゾ抵抗係数の影響が直
接的に検知出力に現れて感度が低下するため、図２に示
すように全部のゲージを圧縮するようにしている。

【０１１２】この場合、直交するゲージには、符号が反
対の、π₁₃以外のピエゾ抵抗の変化が生じるため、変化
が相殺され、出力に影響を与えないようになる。

【０１１３】また、本実施例では、図３に示すよう
に、ゲージＧａ１，Ｇａ２等の圧縮力を直接に受ける先
端部分には、高濃度のｐ型不純物の拡散がなされてい
る。この不純物濃度は、図１７（イ）のＡ点またはＢ点
のオーダーの濃度であり、これにより、センサ出力の温
特の自動的な補償がなされる。

【０１１４】さらに、本実施例では、ゲージの断面積
が小さいために、高不純物濃度でも１ｋΩ程度の入力抵
抗を確保でき、実使用に耐えるゲージを得ることができ
る。また、ｐｎ接合がゲージ部のみにしか生じず、環境
温度の高温化に伴うｐｎ接合からの漏れ電流を低減でき
る。したがって、少なくとも２００℃程度までは、使用
できる。

【０１１５】（２）実施例２（２段メサ構造） 図７に本発明の第２の実施例が示される。本実施例で
は、ｎ型単結晶シリコン４０の表面に２段階のメサエッ
チングを施し、浅い段差の第１のメサ部ＭＳ１と、深い
段差の第２のメサ部ＭＳ２を形成している。

【０１１６】この場合、浅い段差の第１のメサ部ＭＳ１
の底面ならびに、この面に対応する力伝達ブロック６０
の底面の一部のみがストッパＳＴＰ１〜ＳＴＰ４として
機能し、深い段差の第２のメサ部ＭＳ２に対応した部分
はストッパとして機能しないように段差が調節されてい
る。

【０１１７】この結果、図７（ｂ）に示されるように、
第２のメサ部ＭＳ２において力伝達ブロック６０の撓み
が生じ、これによって浅い第１のメサ部ＭＳ１において
速やかにストッパが働き、その後は接触面積に変化が生
じないため、図８に示されるように、力検知出力のリニ
アリティが向上する（図６に見られるような、接触面積
の変動に起因するストッパ作動の初期における鈍りが少
なくなる）。

【０１１８】つまり、二重メサ構造により、ストッパ領
域接触後の接触面積変化を速やかに一定にすることがで
き、これにより、低感度領域も測定領域として使う２段
出力型とすることができる。したがって測定範囲を拡大
し、必要部分のみを高感度で測定することができるよう
になる。

【０１１９】（３）実施例３（ガードバンク、臍あり） 図９に、ガードバンク・臍ありの構成で、全面拡散によ
りゲージＧａ１〜Ｇｂ２を作製した力検知素子の斜視図
を示す。

【０１２０】本実施例の特徴は、ロの字の形状に配設さ
れたゲージＧａ１〜Ｇｂ２の両側に、このゲージの幅の
１〜５倍の距離を隔ててゲージと同質、同形状で、電気
的にゲージ部に接続していないガードバンクＫ１〜Ｋ５
を設け、このガードバンクによりゲージへの平面方向応
力の緩和とゲージ肩部の応力集中の緩和を行うこと、な
らびに、ロの字の形状のゲージの中心近傍に、ゲージと
同質、同高さで電気的にゲージに接続していない中央突
起部（へそ部）ＨＡを設け、この臍構造により、受圧面
積変化を極めて小としつつ（感度を下げずに）、ストッ
パ接触開始荷重を大きくしたことである。

【０１２１】ガードバンクＫ１〜Ｋ１は、図１０に示さ
れるように、ゲージＧａ１〜Ｇｂ２の外側に個別に設け
られ、ガードバンクＫ５は、ゲージＧａ１〜Ｇｂ２の内
側にに一体的に設けられている。

【０１２２】また、ロの字の形状のゲージの中心近傍に
ゲージと同質、同高さで電気的にゲージに接続していな
い臍部ＨＡを設けることにより、臍構造により受圧面積
変化極めて小さく維持しつつストッパ接触開始荷重を大
きくすることができる。この時の、荷重−出力特性が図
１２に示される。特性曲線Ｄ２が本実施例の特性であ
る。図１の構造の特性比べ、破壊耐圧がかなり高くなっ
ていることがわかる。

【０１２３】図１１（ｂ）に示されるように、本実施例
によれば、中央突起部（へそ部）ＨＡが力伝達ブロック
６０を常に支えてその変形を抑制し、一方、ガードバン
クＫ１〜Ｋ５がゲージにかかる圧縮力を分担するため、
図１１（ａ）に示される図１の構造よりもゲージにかか
る負担が少なく、よって、図１２のように耐圧が向上す
るものである。

【０１２４】（４）実施例４（メサ一括プロセス） 上述した構造の力検知素子（半導体素子）を効率よく作
製する手法として、図１５に示されるようなメサ一括プ
ロセスが有効である。

【０１２５】この方法では、まず、図１５（ａ）に示さ
れるように、ｎ型シリコン単結晶基板４０に全面にｐ型
不純物を拡散して表面より１μｍ程度の深さのｐ型拡散
層４１を形成する。

【０１２６】次に、同図（ｂ）のように、ゲージ部、リ
ード部、電極部を残して３μｍ程度のメサエッチングを
施し、ストッパ部、ゲージ（Ｇａ１，Ｇａ２等）、リー
ド部、電極部を一括して形成する。

【０１２７】このような製造方法によって、効率的に、
図１や図９に示される本発明の半導体素子を形成でき
る。

【０１２８】（５）実施例５（ＳＯＩ基板を用いたメサ
一括プロセス） 本実施例では、ＳＯＩ基板を用いて、図１や図９に示さ
れる本発明にかかる半導体素子を製造する。

【０１２９】ＳＯＩ構造のシリコン基板を実現する手段
としては、エピタキシャル成長技術、シリコンウェハ直
接接合（ＳＤＢ）技術、ＳＩＭＯＸ技術を利用する方法
があるが、本実施例では、ＳＩＭＯＸ法によりＳＯＩ基
板を作成する。

【０１３０】すなわち、まず、図１６（ａ）に示すよう
に、ｎ型シリコン半導体基板４０の表面から酸素
（Ｏ₂）原子を打ち込み、熱処理によりＯ₂を活性化させ
て、シリコン基板の表面の内部に絶縁層（同図（ｂ）の
参照番号４５のシリコン酸化膜）を形成する。

【０１３１】続いて、図１６（ｂ）に示すように、ボロ
ン（Ｂ）を全面に拡散し、高濃度のｐ型層４１を形成す
る。

【０１３２】次に、図１６（ｃ）に示すようにメサエッ
チングを施し、ゲージＧａ１，Ｇａ２等を形成する。

【０１３３】ＳＯＩ構造のゲージはｐｎ接合が形成され
ず、高温下でも、リーク電流が生じず、２００℃以上の
温度環境でも使用できる。

【０１３４】このようなＳＯＩ構造の半導体ゲージは、
例えば、図１４のように組み立てられて使用される。

【０１３５】図１４では、力伝達ブロック６０の頂部
に、半球状の頭部６２を設けている。これにより、図１
３に示す金属製ダイアフラム８２と、力伝達ブロック６
０との接触面積が小さくなり、高温の金属製ダイアフラ
ム８２から力検知素子への直接的な熱伝導が少なくな
り、力検知素子の温度上昇を抑制することができる。し
たがって、ＳＯＩ構造のゲージの採用効果とあいまっ
て、高温下での使用により適する構造となっている。

【０１３６】以上、本発明を実施例に基づいて説明した
が、本発明はこれらに限定されるものではなく、種々変
形が可能である。例えば、前掲の各実施例では、本発明
を燃焼圧センサに適用した場合を例にとり説明したが、
本発明はこれに限らず、これ以外の各種分野において幅
広く用いることが可能である。

【０１３７】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、以
下の効果を得ることができる。

【０１３８】（１）請求項１の本発明では、半導体単結
晶のメサ底部より突出した細いゲージを設け、このゲー
ジによって力伝達ブロックの圧縮力を受けるため、受圧
面積が小さく、したがってゲージにより大きな圧縮応力
が作用し、力検知感度を極めて向上させることができ
る。

【０１３９】（２）請求項２の本発明では、メサ段差を
調整することによってストッパ構造を実現し、圧縮力を
分散させ、耐圧を向上させることができる。

【０１４０】（３）請求項３の本発明では、半導体単結
晶表面に２段階のメサ構造を採用することにより、力検
知素子の出力のリニアリティを向上させることができ
る。

【０１４１】（４）請求項４の本発明では、ゲージを四
角形の形状に配設することによる作用、ならびに４本の
ゲージ全てに力伝達ブロックによる圧縮力を与えること
による作用によって、素子の耐破壊強度の向上および素
子の高感度化を図ることができる。

【０１４２】（５）請求項５の本発明では、各ゲージ
を、力伝達ブロックを圧縮することにより発生する平面
方向応力の中立線近傍に設けることにより、圧縮力が有
効な圧縮力として各ゲージに作用するようになり、水平
の剥離応力が極めて低減されて、ゲージが破壊されにく
くなる。

【０１４３】（６）請求項６および請求項７の本発明で
は、グリッド状の細いゲージの特徴を活かして、力検知
素子の自己感度温度補償ならびに耐高温性を実現するこ
とができる。

【０１４４】（８）請求項８の本発明では、ガードバン
クを形成することにより、力伝達ブロックが圧縮により
変形してゲージ角部を斜めに押すことにより発生する平
面方向応力を緩和でき、素子の高感度化ならびに耐破壊
強度の向上を図ることができる。

【０１４５】（９）請求項９の本発明では、中央突起部
（臍部）を設けることにより、受圧面積の変化を極めて
小さく保ったままで（感度を下げずに）、また、メサ段
差を増加させることなく、ストッパ接触開始荷重を大き
くすることができる。したがって、高感度領域を拡大し
て設計自由度の向上を図れる。

【０１４６】（１０）請求項１０では、ピエゾ抵抗係数
としてπ₁₃を使用することを明確化している。 π₁₃は
（１１０）面の〈１１０〉方向に最大の感度をもち、
〈１００〉方向には感度０であり、したがって、ホイー
トストンブリッジを構成すると、フルブリッジ構成でハ
ーフブリッジ相当の出力を得ることができる。

【０１４７】（１１）請求項１１の製造方法では、半導
体基板の一括メサエッチにより、グリッド（格子）状の
ゲージを形成することにより、簡単なプロセスによっ
て、優れた性能を有するゲージ（素子）を作成できる。

【０１４８】（１２）請求項１２の製造方法では、ＳＯ
Ｉ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板
を利用することにより、簡単なプロセス（一括メサの工
程と同じ工程で処理できる）により、２００℃以上の高
温で使用することも可能なゲージ（素子）を得ることが
できる。

【０１４９】（１３）以上の本発明によって、信頼性が
高く、かつ、従来の８倍も高感度の力検知素子を製造で
きる。したがって、燃焼圧センサに利用した場合には、
センサ出力を増幅するためのアンプを不要とできる。セ
ンサ全体の価格の１／３を占めるアンプ部を省略できれ
ば、燃焼圧センサのローコスト化ができる。

【０１５０】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の力検知素子の好適な第１の実施例の外
観斜視図である。

【図２】図１の力検知素子における、各ゲージの配置な
らびに力伝達ブロックとの相対関係を説明するための図
である。

【図３】ストッパ構造の働きを説明するための断面図で
あり、（ａ）は圧縮力なしの場合、（ｂ）は圧縮力によ
って力伝達ブロックが変形してストッパが機能している
場合を示す。

【図４】図１の力検知素子において、ゲージの配列形状
によって材料力学的に破壊強度が向上する理由を説明す
るための断面図であり、（ａ）は比較例を示し、（ｂ）
は図１の実施例の場合を示す。

【図５】図１の力検知素子において、図２に示されるよ
うなゲージと力伝達ブロックとの相対関係によって、検
知感度が向上する理由を説明するための平面図である。

【図６】図１の力検知素子の特性（荷重−出力特性）を
示す図である。

【図７】本発明の第２の実施例の要部構造（２段メサ構
造）を示す図であり、（ａ）は圧縮力なしの場合、
（ｂ）は圧縮力によって力伝達ブロックが変形してスト
ッパが機能している場合を示す。

【図８】図７の力検知素子の特性（荷重−出力特性）を
示す図である。

【図９】本発明の力検知素子の第３の実施例を示す斜視
図である。

【図１０】図９の力検知素子における、ゲージ，ガード
バンク，中央突起部等の平面配置を示す図である。

【図１１】図９の力検知素子における、ガードバンクな
らびに中央突起部の作用，効果を説明するための図であ
り、（ａ）は比較例を示し、（ｂ）は図９の実施例の場
合を示す。

【図１２】図１ならびに図９の実施例の耐破壊強度を示
す図である。

【図１３】本発明の力検知素子を用いて構成された燃焼
圧センサの要部の概略を示す断面図である。

【図１４】図１４における、力検知素子を含む要部の具
体的構成例を示す図である。

【図１５】（ａ），（ｂ）は本発明の力検知素子の製造
方法の一実施例を示す図である。

【図１６】（ａ），（ｂ），（ｃ）は、本発明の力検知
素子の製造方法の他の実施例を示す図である。

【図１７】（ア），（イ）はそれぞれ、本発明の力検知
素子におけるセンサ感度の温特補償効果を説明するため
の図である。

【図１８】（ア），（イ），（ウ）はそれぞれ、ピエゾ
抵抗係数を説明するための図である。

【図１９】（１１０）結晶面を備えたシリコン半導体に
相対する２個の入出力電極を形成し、結晶面に圧縮力を
作用させた場合のピエゾ抵抗係数π１３を、入出力電極
の形成方向を３６０全方向におたり変化させて測定し円
グラフ化した図である。

【図２０】（ａ），（ｂ）は、本発明前に本願出願人に
よって開発された力検知素子の構造を説明するための図
である。

【符号の説明】

４０ シリコン単結晶 ４３ リード部 ４４ａ１〜４４ｂ２ 電極部 ６０ 力伝達ブロック ７０ 台座 Ｇａ１〜Ｇｂ２ グリッド状ゲージ １０００ 力検知素子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 野々村 裕 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 徳光 早苗 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ (72)発明者 竹内 正治 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１ (72)発明者 川口 一義 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の１

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧縮力が加えられる面として（１１０）
   面またはこれと等価な結晶面を有するシリコン単結晶
   と、 前記シリコン単結晶の前記結晶面と固着され、前記圧縮
   力をその結晶面に垂直に伝達する力伝達ブロックと、 前記シリコン単結晶の、前記力伝達ブロックが固着され
   た面とは別の面に固着され、このシリコン単結晶を支持
   する支持台座と、を具備する力検知素子であって、 前記シリコン単結晶の、前記力伝達ブロックが固着され
   た前記結晶面の表面には、力伝達ブロックによる圧縮力
   を受け、その圧縮力によって電気抵抗が変化するゲージ
   が設けられ、 前記ゲージは、前記結晶面の表面に段差を形成すること
   によってその段差の底部より突出して設けられ、かつ、
   このゲージは、対向する２組の辺をもつ形状に配設され
   てホイートストンブリッジを構成し、このうちの１組の
   ゲージの長手方向は＜１１０＞方向またはこれと等価な
   結晶方向になっており、他の１組のゲージの長手方向は
   ＜１００＞方向またはこれと等価な結晶方向になってお
   り、 前記ホイートストンブリッジの入力極に電流を流し、出
   力極より前記力伝達ブロックに作用させた圧縮力に比例
   した電圧出力を得ることを特徴とする力検知素子。
2. 【請求項２】 ゲージを突出させるための前記結晶面に
   おける段差の深さは、圧縮力が所定量を越えた場合に、
   その圧縮力によって変形が生じた前記力伝達ブロック
   の、前記シリコン結晶面の段差底部に対向する面の少な
   くとも一部が、前記シリコン結晶面の段差底部に接触す
   るような深さとなっており、これによって圧縮力が前記
   所定量を越えた場合に、力伝達ブロックとシリコン結晶
   面の段差底部の接触部分がストッパとして働いて前記圧
   縮力を分担して支えるようになっていることを特徴とす
   る、請求項１記載の力検知素子。
3. 【請求項３】 シリコン単結晶の前記結晶面において、
   ゲージを突出させるための第１の段差に連接して、その
   第１の段差よりも浅い第２の段差が設けられており、こ
   の第１および第２の段差の深さの調整によって、圧縮力
   が所定量を越えた場合にその圧縮力によって変形が生じ
   た前記力伝達ブロックは前記第２の段差の底部のみに接
   触し、第１の段差の底部には接触し得ないようになって
   おり、これによって圧縮力が前記所定量を越えた場合
   に、力伝達ブロックとシリコン結晶面の前記第２の段差
   底部の接触部分がストッパとして働いて前記圧縮応力を
   分担して支えるようになっていることを特徴とする、請
   求項１記載の力検知素子。
4. 【請求項４】 ゲージは、前記結晶面上において、互い
   に平行な２組の辺をもつ四角形の形状に配設され、隣あ
   ったゲージの結合部４箇所の、向かいあった対角の１組
   を入力極とし、他の１組を出力極とし、入力極に電流を
   流して出力極に力伝達ブロックに作用させた圧縮力に比
   例した電圧出力が得られるようになっており、 また、前記四角形の各辺を構成する各ゲージに対して力
   伝達ブロックによる圧縮力が加わるように各ゲージが配
   設されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれ
   かに記載の力検知素子。
5. 【請求項５】 四角形の各辺を構成する各ゲージは、力
   伝達ブロックを圧縮することにより発生する平面方向応
   力の中立線近傍に設けられていることを特徴とする請求
   項４記載の力検知素子。
6. 【請求項６】 段差底部から突出した前記ゲージの、少
   なくとも表面部分はｐ型不純物が導入された領域となっ
   ており、これによって、前記ゲージの抵抗値の温度特性
   は、入力極に定電圧を印加した場合における力検知感度
   特性の温度に依存した変動を補償するような温度特性と
   なっていることを特徴とする請求項４または５記載の力
   検知素子。
7. 【請求項７】 ｐ型不純物の濃度は、１×１０¹⁸ａｔｏ
   ｍｓ／ｃｍ³のオーダー，あるいは１×１０²⁰ａｔｏｍ
   ｓ／ｃｍ³のオーダーの、いずれかのオーダーとなって
   いることを特徴とする請求項６記載の力検知素子。
8. 【請求項８】 段差底部から突出した前記ゲージの両側
   に、そのゲージと同程度に段差底部から突出し、かつそ
   のゲージとは電気的に分離されてなるガードバンクが設
   けられていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか
   に記載の力検知素子。
9. 【請求項９】 力伝達ブロックと固着される前記シリコ
   ン単結晶の前記結晶面には、結晶面の表面段差底部から
   前記ゲージと同程度に突出し、かつそのゲージとは電気
   的に分離されている、前記力伝達ブロックの中央部分を
   支持するための支持突起部が設けられていることを特徴
   とする請求項１〜８のいずれかに記載の力検知素子。
10. 【請求項１０】 圧縮力の検知に使用される前記ゲージ
    におけるピエゾ抵抗係数として、π₁₃を使用することを
    特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の力検知素
    子。
11. 【請求項１１】 圧縮力が加えられる面として（１１
    ０）面またはこれと等価な結晶面を有するシリコン単結
    晶と、前記シリコン単結晶の前記結晶面と固着され、前
    記圧縮力をその結晶面に垂直に伝達する力伝達ブロック
    と、前記シリコン単結晶の、前記力伝達ブロックが固着
    された面とは別の面に固着され、このシリコン単結晶を
    支持する支持台座とを具備し、前記シリコン単結晶の、
    前記力伝達ブロックが固着された前記結晶面の表面に
    は、力伝達ブロックによる圧縮力を受け、その圧縮力に
    よって電気抵抗が変化するゲージが設けられ、前記ゲー
    ジは、前記結晶面の表面に段差を形成することによって
    その段差の底部より突出して設けられ、かつ、この段差
    底部から突出したゲージの表層部分はｐ型領域となって
    いる力検知素子を製造する方法であって、 前記ゲージならびにｐ型領域を含む前記シリコン単結晶
    を形成する工程として、 ｎ型シリコン単結晶基板の表面部にｐ型不純物を導入し
    てｐ型領域を形成する工程と、 ゲージとなる部分を除いて前記ｎ型シリコン単結晶基板
    の前記表面部においてメサエッチングを施して前記ｐ型
    領域よりも深い段差を形成し、これによって表層部にお
    いてｐ型領域が形成されてなる細いゲージを得る工程と
    を有することを特徴とする力検知素子の製造方法。
12. 【請求項１２】 シリコン単結晶基板として、ＳＯＩ
    （Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を
    用いることを特徴とする請求項１１記載の力検知素子の
    製造方法。