JPH09257612A - Force sensor - Google Patents

Force sensor

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JPH09257612A
JPH09257612A JP8066468A JP6646896A JPH09257612A JP H09257612 A JPH09257612 A JP H09257612A JP 8066468 A JP8066468 A JP 8066468A JP 6646896 A JP6646896 A JP 6646896A JP H09257612 A JPH09257612 A JP H09257612A
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JP
Japan
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region
force sensor
semiconductor substrate
wiring
diffusion layer
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Application number
JP8066468A
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Japanese (ja)
Inventor
Shinji Kaneko
新二 金子
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Olympus Corp
Original Assignee
Olympus Optical Co Ltd
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Publication date
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Publication of JPH09257612A publication Critical patent/JPH09257612A/en
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a minute high sensible sensor for a micro-manipulator by integrally forming a grip part, a detection part, a base part and a wiring part on the semiconductor substrate on a thin board. SOLUTION: A force sensor comprises a base part 1, a rear high rigidity region 2, a sensing region 3, a front high rigidity region 4 and a grip part 5 and is formed of silicon. The region 3 detects stress applied to the grip part 5, and the base part supports the region 3 and the grip part 5. Pieces of wiring 9-15 are connected to the region 3, and extend up to the base part 1. These can be integrally formed, no process of gage sticking or the like is needed and minuteness is made easy by lithography technique because semiconductor production technique can be applied. Thus, a minute sensor suitable for a micro- manipulator used for the hand ring of a minute object can be obtained.

Description

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

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は力覚センサーに関
し、特に微小部品や細胞等のハンドリングに用いられる
マイクロマニピュレータに供せられる力覚センサーに関
する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a force sensor, and more particularly to a force sensor used for a micromanipulator used for handling micro parts, cells and the like.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年のマイクロマシン技術の進展に伴
い、微小部品のハンドリングや細胞操作を目的とした高
精度の位置制御が可能なマイクロマニピュレータが開発
されている。このようなマイクロマニピュレータとして
は、例えばIEEE International Conference on
Robot and Automation ,1995,pp1674-1679 に開
示されているものが挙げられる。これについては図38
に示す。一対の細いガラス針141 は圧電素子142 によっ
て駆動される。この圧電素子142 の変位を精密にコント
ロールすることで、ガラス針141 を箸のように用いて細
胞操作などの微妙なハンドリングを行う。
2. Description of the Related Art With the progress of micromachine technology in recent years, a micromanipulator capable of highly precise position control for the purpose of handling minute parts and manipulating cells has been developed. As such a micromanipulator, for example, the IEEE International Conference on
The robots disclosed in Robot and Automation, 1995, pp1674-1679 can be mentioned. See Figure 38 for this.
Shown in The pair of thin glass needles 141 are driven by the piezoelectric element 142. By precisely controlling the displacement of the piezoelectric element 142, delicate handling such as cell manipulation is performed using the glass needle 141 like chopsticks.

【0003】このようなマイクロマニピュレータを用い
たマニピュレーションシステムにおいては、機械強度の
弱い微小部品や細胞をハンドリングする際の微小な応力
を検出してフィードバックする制御系を構成することが
特に望ましい。比較的大きなサイズの部品等を扱う産業
用ロボットのマニピュレータにおいては、このような力
覚フィードバック用センサーには歪みゲージが用いられ
るのが一般的である。特に、ピエゾ抵抗効果を用いた半
導体歪みゲージは、計測感度が高いことから微小応力の
計測に適している。このような歪みセンサーの実装に
は、例えば特開平7−311107に開示されているよ
うに、弾性部材にゲージを接着などの方法で固定するの
が一般的であった。
In a manipulation system using such a micromanipulator, it is particularly desirable to construct a control system that detects and feeds back minute stress when handling minute parts or cells having weak mechanical strength. In industrial robot manipulators that handle relatively large-sized components and the like, strain gauges are generally used for such force feedback sensors. In particular, a semiconductor strain gauge using the piezoresistive effect has high measurement sensitivity and is suitable for measuring minute stress. For mounting such a strain sensor, it is common to fix a gauge to an elastic member by a method such as adhesion, as disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-311107.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この方
法をマイクロマニピュレータに適用しようとすると、非
常に剛性の小さい微小構造体を製作してこれに高感度の
歪みセンサーを固定する必要があり、製作精度と組立性
の問題から安定した高精度の応力計測は困難である。
However, when this method is applied to a micromanipulator, it is necessary to manufacture a microstructure having extremely small rigidity and fix a highly sensitive strain sensor to the microstructure. Therefore, stable and highly accurate stress measurement is difficult because of the problem of assembling.

【0005】本発明は上記事情を考慮してなされたもの
で、マイクロマニピュレータに適用可能な高感度で微小
な力覚センサーを提供することを目的とする。
The present invention has been made in consideration of the above circumstances, and an object thereof is to provide a highly sensitive and minute force sensor applicable to a micromanipulator.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】[Means for Solving the Problems]

請求項1:把持部と、該把持部に加えられる応力を検出
する検出部と、前記把持部及び検出部を支持する基部
と、前記検出部に接続され、前記基部まで延在して設け
られた配線部とを具備した力覚センサーにおいて、前記
把持部、検出部、基部及び配線部を薄板状の半導体基板
に一体的に形成したことを特徴とする力覚センサー。
Claim 1: A gripping part, a detecting part for detecting a stress applied to the gripping part, a base part for supporting the gripping part and the detecting part, and a detector connected to the detecting part and extending to the base part. A force sensor having a wiring portion, wherein the grip portion, the detection portion, the base portion and the wiring portion are integrally formed on a thin semiconductor substrate.

【0007】(構成)全ての実施形態が該当する。例え
ば、実施形態1では、図1,2における把持部5とこれ
に加えられる応力を検出する検出部となるセンシング領
域3と、把持部及び検出部を支持する基部1と、検出部
に接続されて基部まで延在して設けられた配線9乃至11
よりなる配線部とからなり、把持部、検出部、配線部が
一体的に形成されている。
(Structure) All the embodiments are applicable. For example, in the first embodiment, the grip portion 5 in FIGS. 1 and 2, the sensing region 3 serving as a detection portion that detects the stress applied thereto, the base portion 1 that supports the grip portion and the detection portion, and the detection portion are connected. Wirings 9 to 11 provided to extend to the base
The wiring part is made up of, and the grip part, the detection part, and the wiring part are integrally formed.

【0008】(作用・効果)把持部、検出部、基部が一
体に形成され、さらに検出部のセンシング信号を基部ま
で伝達する配線部が一体に形成されていることによっ
て、組立工程が不要となり、微小物体のハンドリング等
に利用するマイクロマニピュレータに好適な微小な力覚
センサーが得られる。
(Operation / Effect) Since the gripping portion, the detecting portion and the base portion are integrally formed and the wiring portion for transmitting the sensing signal of the detecting portion to the base portion is integrally formed, the assembling process becomes unnecessary, A micro force sensor suitable for a micro manipulator used for handling a micro object can be obtained.

【0009】請求項2:表面が一導電型の薄板状の半導
体基板と、この半導体基板上に形成され、半導体基板上
に加えられる応力を検出する検出部と、前記半導体基板
に形成され、前記検出部を支持する基部と、前記検出部
に接続され、前記基部まで延在するように前記半導体基
板上に形成された配線部とを具備した力覚センサーにお
いて、前記検出部は、互いに直交する3方向の応力を検
出するように、前記半導体基板上の異なる部位に設けら
れた少なくとも3つの検出手段を備えたことを特徴する
力覚センサー。
According to a second aspect of the present invention, a thin conductive semiconductor substrate having a surface of one conductivity type, a detection portion formed on the semiconductor substrate for detecting stress applied to the semiconductor substrate, and formed on the semiconductor substrate, In a force sensor having a base portion that supports a detection portion and a wiring portion that is connected to the detection portion and that is formed on the semiconductor substrate so as to extend to the base portion, the detection portions are orthogonal to each other. A force sensor comprising at least three detection means provided at different portions on the semiconductor substrate so as to detect stress in three directions.

【0010】(構成)実施形態3、4、5が該当する。(Structure) Embodiments 3, 4, and 5 are applicable.

【0011】(作用・効果)加えられた応力の方向によ
って異なる出力信号を発生する3つの検出手段を有する
ことによって、応力の方向成分を分離して計測すること
ができる微小な力覚センサーが得られる。
(Operation / Effect) A micro force sensor capable of separately measuring the directional component of stress is obtained by having three detecting means which generate different output signals depending on the direction of applied stress. To be

【0012】請求項3:表面が一導電型の薄板状の半導
体基板と、この半導体基板上に形成された可撓性部と、
この可撓性部を挟んで前記半導体基板上に形成され、半
導体基板上に加えられる応力を検出する2つの検出部
と、前記可撓性部を挟んで前記半導体基板上に形成さ
れ、前記検出部を支持する2つの基部と、前記半導体基
板及び前記可撓性部に形成され、前記2つの検出部を電
気的に接続する配線部とを具備した力覚センサーにおい
て、前記可撓性部を湾曲させることにより、前記2つの
検出部を対向配置させたことを特徴する力覚センサー。
A third aspect of the present invention is a thin-film semiconductor substrate having one conductivity type surface, and a flexible portion formed on the semiconductor substrate.
Two detecting portions formed on the semiconductor substrate with the flexible portion interposed therebetween to detect stress applied to the semiconductor substrate; and two detecting portions formed on the semiconductor substrate with the flexible portion interposed therebetween, In a force sensor including two bases that support a portion and a wiring portion that is formed on the semiconductor substrate and the flexible portion and electrically connects the two detection portions, the flexible portion is A force sensor in which the two detectors are arranged to face each other by being curved.

【0013】(構成)実施形態5が対応する。(Structure) Embodiment 5 corresponds.

【0014】(作用・効果)対向して配置された検出部
となる薄板状の半導体領域に形成された歪みセンシング
素子によって、多軸の応力センシングを可能にし、これ
らのセンシング素子の配線が可撓性部である可撓性薄膜
配線層によって接続されているために、一つの面に電極
を配置できる。
(Operation / Effect) Multi-axial stress sensing is made possible by the strain sensing elements formed in the thin plate-shaped semiconductor regions serving as the detecting portions arranged opposite to each other, and the wiring of these sensing elements is flexible. The electrodes can be arranged on one surface because they are connected by the flexible thin film wiring layer, which is a flexible portion.

【0015】[0015]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面を
参照して説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0016】(実施形態1)図1、図2及び図3
(A),(B)を参照する。ここで、図1は平面図、図
2は図1のX−X線に沿う断面図、図3(A)は図1の
力覚センサーの一構成であるセンシング素子の平面図、
図3(B)は図3(A)のX−X線に沿う断面図を示
す。本実施形態1に係る力覚センサーは、マイクロマニ
ピュレータに適用するもので、図38のガラス針141 に置
き換えて用いられる。力覚センサーは、基部1と、後部
高剛性領域2と、センシング領域3と、前部高剛性領域
4と、把持部5からなる。いずれもシリコンで構成さ
れ、後部高剛性領域2の表面部2a、センシング領域3
の表面部3a、前部高剛性領域4の表面部4a、把持部
5の表面部5aの導電型はいずれもN型である。
(Embodiment 1) FIGS. 1, 2 and 3
Reference is made to (A) and (B). Here, FIG. 1 is a plan view, FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line XX of FIG. 1, and FIG. 3A is a plan view of a sensing element which is one configuration of the force sensor of FIG.
FIG. 3B is a sectional view taken along the line XX of FIG. The force sensor according to the first embodiment is applied to a micromanipulator and is used by replacing it with the glass needle 141 in FIG. The force sensor includes a base 1, a rear high-rigidity region 2, a sensing region 3, a front high-rigidity region 4, and a grip 5. Both are made of silicon, and the surface portion 2a of the rear high rigidity region 2 and the sensing region 3
The conductivity type of the surface portion 3a, the surface portion 4a of the front high rigidity region 4, and the surface portion 5a of the grip portion 5 are all N type.

【0017】前記表面部(N型領域)3aには歪みセン
シング素子6が、領域2aには温度補償素子7がそれぞ
れ形成されている。これらの素子6、7は、いずれも同
じ形態のPNP型バイポーラトランジスタである。前記
シリコンの表面にはシリコン窒化膜よりなる絶縁膜8が
形成され、この絶縁膜8にはコンタクト孔(図示せず)
が開口されている。このコンタクト孔を介して接続され
た、センシング素子6のエミッタ配線9、ベース配線1
0、コレクタ配線11、基板配線12が前記基部1まで延在
し、同じく絶縁膜8に開口したコンタクト孔(図示せ
ず)を介して接続された、温度補償素子7のエミッタ配
線13、ベース配線14、コレクタ配線15、基板配線12(セ
ンシング素子と共通)が基部まで延在する。
A strain sensing element 6 is formed on the surface portion (N-type region) 3a, and a temperature compensation element 7 is formed on the region 2a. These elements 6 and 7 are PNP-type bipolar transistors of the same form. An insulating film 8 made of a silicon nitride film is formed on the surface of the silicon, and a contact hole (not shown) is formed in the insulating film 8.
Is open. The emitter wiring 9 and the base wiring 1 of the sensing element 6 connected through this contact hole
0, a collector wiring 11, and a substrate wiring 12 extend to the base portion 1 and are connected to each other through a contact hole (not shown) that also opens in the insulating film 8, and an emitter wiring 13 and a base wiring of the temperature compensation element 7. 14, collector wiring 15, and substrate wiring 12 (common to the sensing element) extend to the base.

【0018】これらの配線はいずれも基部1において電
極パッドを有する。配線の上部には上部絶縁膜となるポ
リイミド膜16が形成され、ポリイミド膜のパッド部分に
は開口部17が形成されている。この様な力覚センサーの
各領域の厚さは、検出すべき把持力の範囲や求められる
精度、製作の容易さ等によって最適化されるが、一例を
挙げると、後部高剛性領域2及び前部高剛性領域4で4
0μm程度、センシング領域3及び把持部5で10μm
程度、基部1で300μm程度である。
Each of these wirings has an electrode pad on the base 1. A polyimide film 16 serving as an upper insulating film is formed on the wiring, and an opening 17 is formed in the pad portion of the polyimide film. The thickness of each region of such a force sensor is optimized depending on the range of gripping force to be detected, the required accuracy, the ease of manufacturing, etc., but one example is the rear high rigidity region 2 and the front region. 4 in high rigidity region 4
0 μm, sensing area 3 and gripping portion 5 are 10 μm
About 300 μm at the base 1.

【0019】次に、前記センシング素子6の形態につい
て図3を用いて詳しく説明する。
Next, the form of the sensing element 6 will be described in detail with reference to FIG.

【0020】センシング領域3のN型領域3aの表面に
コレクタ領域となるP型拡散層18が形成され、その中に
ベース領域となるN型拡散層19が形成され、さらにその
中にエミッタ領域となるP型の高濃度拡散層20が形成さ
れている。各拡散層の不純物濃度は、後述するように求
められる検出感度などによって最適化される。一例を挙
げると、エミッタとなるP型の高濃度拡散層20で1×1
20/cm3 、ベースとなるN型拡散層19で3×1018
/cm3 、コレクタとなるP型拡散層18で3×1017
cm3 程度である。また、各配線のコンタクト孔24の領
域にはオーミックコンタクトを得るために、ベース領域
に対して高濃度N型拡散層21、コレクタ領域に対して高
濃度P型拡散層22、基板領域に対して高濃度N型拡散層
23がそれぞれ形成されている。なお、温度補償素子7に
ついても同様な形態であるので、説明は省略する。
A P-type diffusion layer 18 serving as a collector region is formed on the surface of the N-type region 3a of the sensing region 3, an N-type diffusion layer 19 serving as a base region is formed therein, and an emitter region and an emitter region are formed therein. The P-type high-concentration diffusion layer 20 is formed. The impurity concentration of each diffusion layer is optimized depending on the detection sensitivity required as described later. As an example, the P-type high-concentration diffusion layer 20 serving as the emitter is 1 × 1.
0 20 / cm 3 , 3 × 10 18 in N-type diffusion layer 19 serving as a base
/ Cm 3 , 3 × 10 17 / in the P-type diffusion layer 18 serving as a collector
cm 3 . Further, in order to obtain ohmic contact in the region of the contact hole 24 of each wiring, the high-concentration N-type diffusion layer 21 with respect to the base region, the high-concentration P-type diffusion layer 22 with respect to the collector region, and the substrate region. High concentration N type diffusion layer
23 are formed respectively. Since the temperature compensating element 7 has the same form, the description thereof will be omitted.

【0021】センシング素子6及び温度補償素子7の各
配線は基部の電極パッドの開口部17に接続されるリード
線によって外部の検出回路に接続される。把持部5に応
力が加わると、センシング領域3の表面にも僅かな歪み
が発生し、この領域のシリコンの格子定数が変化する。
これが接合のバンド構造に影響し、ベース電流が変化し
てコレクタ電流を大きく変調する。後部高剛性領域2に
おいても把持部5への応力印加による表面歪みは発生す
るが、その量は厚さが大きく異なるので、センシング領
域と比較すると非常に小さい。従って、センシング素子
6と温度補償素子7の出力変調を比較することによって
温度補償されたセンシング領域の歪み量を得ることがで
きる。なお、図1のように、温度補償素子7が形成され
る後部高剛性領域2の幅をセンシング領域3よりも大き
くすると、温度補償素子7の歪みの影響を更に小さくす
ることができるので特に好ましい。把持部5の応力とセ
ンシング領域3の歪み量の関係は、一体化された把持部
も含めた全体の構造によって決まるので、歪み量を計測
することによって把持部5の応力を計算することができ
る。
Each wire of the sensing element 6 and the temperature compensating element 7 is connected to an external detection circuit by a lead wire connected to the opening 17 of the electrode pad at the base. When stress is applied to the grip portion 5, a slight strain is also generated on the surface of the sensing region 3, and the lattice constant of silicon in this region changes.
This affects the band structure of the junction, changes the base current, and greatly modulates the collector current. Even in the rear high-rigidity region 2, surface strain occurs due to the application of stress to the grip portion 5, but the amount is very small compared to the sensing region because the thickness is significantly different. Therefore, the amount of distortion in the temperature-compensated sensing region can be obtained by comparing the output modulations of the sensing element 6 and the temperature compensation element 7. As shown in FIG. 1, if the width of the rear high-rigidity region 2 in which the temperature compensating element 7 is formed is larger than that of the sensing region 3, the influence of distortion of the temperature compensating element 7 can be further reduced, which is particularly preferable. . Since the relationship between the stress of the grip portion 5 and the strain amount of the sensing region 3 is determined by the entire structure including the integrated grip portion, the stress of the grip portion 5 can be calculated by measuring the strain amount. .

【0022】本実施形態1においては、把持部5とセン
シング領域3を一体に形成することが可能で、しかも応
力を検出する領域(センシング部3)がセンシング素子
6と一体であるので、従来のように歪みゲージを貼り付
けるなどの組立工程が不要であるため、微小化に適して
いる。加えて製作には半導体製造技術が適用できるので
フォトリソグラフィー技術によってセンシング素子6や
把持部5自体も非常に小さく形成することが可能であ
る。
In the first embodiment, since the grip portion 5 and the sensing area 3 can be integrally formed, and the area for detecting the stress (sensing portion 3) is integrated with the sensing element 6, the conventional structure can be realized. Since it does not require an assembly process such as attaching a strain gauge, it is suitable for miniaturization. In addition, since semiconductor manufacturing technology can be applied to manufacturing, the sensing element 6 and the grip portion 5 themselves can be formed to be extremely small by photolithography technology.

【0023】また、センシング素子6にバイポーラトラ
ンジスタを用いることで、歪みによるバンド構造の変化
による電流変調を増幅することができるので、従来のピ
エゾ抵抗効果を利用した半導体歪みゲージよりも大幅に
高感度化できる。更に、温度補償素子7を一体でしかも
近接して配置できるので温度補償の精度を高めて、結果
として応力の計測精度を高めることができる。このよう
に、本実施形態1によれば、小型で高精度で、しかもセ
ンシング機能と把持機能が一体化した力覚センサーを得
ることができる。
Further, by using the bipolar transistor as the sensing element 6, the current modulation due to the change of the band structure due to the strain can be amplified, so that the sensitivity is significantly higher than that of the conventional semiconductor strain gauge utilizing the piezoresistive effect. Can be converted. Furthermore, since the temperature compensating element 7 can be integrally and closely arranged, the accuracy of temperature compensation can be improved, and as a result, the accuracy of stress measurement can be improved. As described above, according to the first embodiment, it is possible to obtain a force sensor having a small size, high accuracy, and an integrated sensing function and gripping function.

【0024】次に、実施形態1の力覚センサーの製造方
法について図10から図17を用いて説明する。なお、
拡散層の表記の方法について、実線はその拡散層が形成
された領域(基板もしくは他の拡散層)に対してPN接
合を形成している場合に用い、破線は拡散層が形成され
た領域(基板もしくは他の拡散層)と同じ導電型の拡散
層が形成され場合、即ち濃度の違いはあるがPN接合を
構成しない場合に用いるものとする。この表記法は実施
形態2の説明以降も同様とする。
Next, a method of manufacturing the force sensor of the first embodiment will be described with reference to FIGS. In addition,
Regarding the notation method of the diffusion layer, the solid line is used when a PN junction is formed with respect to the region (substrate or other diffusion layer) where the diffusion layer is formed, and the broken line is the region where the diffusion layer is formed ( It is used when a diffusion layer of the same conductivity type as that of the substrate or another diffusion layer) is formed, that is, when a PN junction is not formed although there is a difference in concentration. This notation is the same after the description of the second embodiment.

【0025】また、図面の付番に当たって、同一の形態
もしくは機能を有する部位は同一の番号でアルファベッ
トの添字を加えて区分したものがあるが、この場合でア
ルファベットの添字を省略して記した場合はその番号の
全てのアルファベットの添字の部位を指すものとする。
この表記法は実施形態2以降も同様とする。
In addition, in the numbering of the drawings, parts having the same form or function are classified by adding the alphabetical suffix with the same number. In this case, however, the alphabetical suffix is omitted. Indicates the subscript part of all alphabets of the number.
This notation is the same for the second and subsequent embodiments.

【0026】(1) .まず、図10に示すように、面方位
が<100>で基板濃度が2×1014/cm3 、厚さ3
00μmのP型シリコン基板31の裏面にシリコン窒化膜
をCVDによって形成し、これを通常の半導体製造で用
いるフォトリソグラフィー技術によってパターニングし
て、シリコン窒化膜パターン32a、32bを得る。ここ
で、シリコン窒化膜パターン32aは図1の基部となる領
域に対応し、シリコン窒化膜パターン32bは後で述べる
電気化学エッチング時の枠部分に対応する。なお、ここ
では1 つの把持部付き力覚センサーについてのみ図示す
るが、この把持部付き力覚センサーは小さいので、1 枚
のシリコン基板上に多数の把持部付き力覚センサーを形
成できることは言うまでもない。
(1). First, as shown in FIG. 10, the plane orientation is <100>, the substrate concentration is 2 × 10 14 / cm 3 , and the thickness is 3
A silicon nitride film is formed on the back surface of a P-type silicon substrate 31 having a thickness of 00 μm by CVD, and the silicon nitride film is patterned by a photolithography technique used in usual semiconductor manufacturing to obtain silicon nitride film patterns 32a and 32b. Here, the silicon nitride film pattern 32a corresponds to the base region of FIG. 1, and the silicon nitride film pattern 32b corresponds to the frame portion during electrochemical etching described later. Although only one force sensor with a grip is shown here, it is needless to say that a large number of force sensors with a grip can be formed on one silicon substrate because this force sensor with a grip is small. .

【0027】(2) .次に、図11に示すように、シリコ
ン基板31の表面に、深いN型拡散層33a、33bと、深い
P型拡散層34a、34bを形成する。ここで、拡散層33
a、33b、34a、34bはそれぞれ図1における後部高剛
性領域2、センシング領域3、前部高剛性領域4、把持
部5にそれぞれ相当する部位に形成される。但し、深い
P型拡散層34a、34bは最終的にセンシング領域及び把
持部として形成される領域よりも幅広く形成される。こ
れらの拡散層の不純物濃度はいずれも表面で1〜2×1
16/cm3 程度である。N型拡散層33a、33bの接合
深さは25μm程度で、P型拡散層の不純物も同程度の
深さまで拡散される。これらの拡散層の形成工程には、
通常の半導体製造で用いるフォトリソグラフィー、イオ
ン注入及び熱拡散が適用される。
(2). Next, as shown in FIG. 11, deep N-type diffusion layers 33a and 33b and deep P-type diffusion layers 34a and 34b are formed on the surface of the silicon substrate 31. Here, the diffusion layer 33
Reference characters a, 33b, 34a, and 34b are respectively formed in regions corresponding to the rear high-rigidity region 2, the sensing region 3, the front high-rigidity region 4, and the grip 5 in FIG. However, the deep P-type diffusion layers 34a and 34b are formed wider than the regions finally formed as the sensing region and the grip portion. The impurity concentration of each of these diffusion layers is 1-2 × 1 on the surface.
It is about 0 16 / cm 3 . The junction depth of the N-type diffusion layers 33a and 33b is about 25 μm, and the impurities of the P-type diffusion layer are also diffused to the same depth. The steps of forming these diffusion layers include
Photolithography, ion implantation and thermal diffusion used in normal semiconductor manufacturing are applied.

【0028】(3) .次に、図12に示すように、接合深
さ6μm、表面濃度3〜6×1016/cm3 程度のN型
拡散層35を形成する。これは図1の後部高剛性領域2の
一部、センシング領域3、前部高剛性領域4の一部、把
持部5に相当する領域に形成される。つづいて、図13
に示すように、センシング素子6と温度補償素子7及び
高濃度のP型拡散層よりなるガードリング36を形成す
る。センシング素子6と温度補償素子7の詳細の図示は
ここでは省略するが、図3に示したように、N型領域
(ここではN型拡散層35が該当する)に形成されたP型
コレクタ領域、N型ベース領域、高濃度のP型エミッタ
領域と、ベース・エミッタの配線のコンタクト領域に該
当する部位に形成された高濃度拡散層が形成されてい
る。これらについても通常の半導体製造技術を適用する
ことができる。なお、ガードリング36は最終的な把持部
付き力覚センサーの外周に相当する領域に形成される。
このガードリング36となる拡散層はセンシング素子6と
温度補償素子7のエミッタ領域と同時に形成されること
が製造工程の簡略化の点で好ましい。
(3). Next, as shown in FIG. 12, an N-type diffusion layer 35 having a junction depth of 6 μm and a surface concentration of 3 to 6 × 10 16 / cm 3 is formed. This is formed in a part of the rear high-rigidity region 2, a sensing region 3, a part of the front high-rigidity region 4, and a region corresponding to the grip 5. Next, FIG.
As shown in FIG. 3, the guard ring 36 including the sensing element 6, the temperature compensating element 7, and the high-concentration P-type diffusion layer is formed. Although details of the sensing element 6 and the temperature compensating element 7 are omitted here, as shown in FIG. 3, a P-type collector region formed in the N-type region (here, the N-type diffusion layer 35 corresponds). , An N-type base region, a high-concentration P-type emitter region, and a high-concentration diffusion layer formed in a portion corresponding to a contact region of a base-emitter wiring. Normal semiconductor manufacturing techniques can be applied to these as well. The guard ring 36 is formed in a region corresponding to the outer circumference of the final force sensor with a grip.
It is preferable that the diffusion layer serving as the guard ring 36 is formed at the same time as the emitter regions of the sensing element 6 and the temperature compensating element 7 from the viewpoint of simplifying the manufacturing process.

【0029】(4) .次に、図14に示すように、厚さ4
00nmの低応力シリコン窒化膜の絶縁膜37を形成し
て、これの所定位置にコンタクト孔(図示せず)を形成
した後、図1に示した配線9,10,11,12,13,14,15
を形成する。つづいて、図15に示すように、表面にポ
リイミド膜38をスピンコートによって形成し、配線9,
10,11,12,13,14,15の電極パッド部分に開口部17を
形成する。更に、図16に示すように、表面側を機械的
に封止することによって保護した状態で強アルカリのエ
ッチャントに浸すことで裏面側のシリコン窒化膜32a、
32bのない領域のシリコン基板を裏面からエッチングす
る。この際、N型拡散層33a、33b、35をアノードとし
て、強アルカリのエッチャントをカソードとしてバイア
スを印加する。これは配線12に正バイアスを与えること
でなされる。このエッチングはN型拡散層33a、33b、
35がない領域ではシリコン窒化膜37が裏面側で露出する
まで進行するが、N型拡散層33a、33b、35が存在する
領域では電気化学エッチングによって、N型拡散層33
a、33b、35とP型基板31もしくはP型拡散層34のPN
接合のP型側の空乏層端部近傍で停止する。
(4). Next, as shown in FIG.
After forming an insulating film 37 of a low stress silicon nitride film of 00 nm and forming a contact hole (not shown) at a predetermined position of the insulating film 37, the wirings 9, 10, 11, 12, 13, 14 shown in FIG. , 15
To form Subsequently, as shown in FIG. 15, a polyimide film 38 is formed on the surface by spin coating, and the wiring 9,
Openings 17 are formed in the electrode pad portions of 10, 11, 12, 13, 14, and 15. Furthermore, as shown in FIG. 16, the silicon nitride film 32a on the back surface side is immersed by immersing it in a strong alkaline etchant while the front surface side is mechanically sealed and protected.
The silicon substrate in the area without 32b is etched from the back surface. At this time, a bias is applied using the N-type diffusion layers 33a, 33b, and 35 as anodes and a strong alkaline etchant as a cathode. This is done by applying a positive bias to the wiring 12. This etching is performed by N type diffusion layers 33a, 33b,
In the region where there is no 35, the silicon nitride film 37 proceeds until it is exposed on the back surface side, but in the region where the N-type diffusion layers 33a, 33b and 35 exist, the N-type diffusion layer 33 is formed by electrochemical etching.
a, 33b, 35 and PN of P-type substrate 31 or P-type diffusion layer 34
It stops near the end of the depletion layer on the P-type side of the junction.

【0030】このエッチングではP型拡散層が存在する
領域(図1のセンシング領域3及び把持部5に該当す
る)では、接合部のP型領域の不純物濃度が高いので同
じバイアスを印加した場合でもP型側への空乏層の拡が
りが抑制され、残存するP型領域3b、5bの厚さは小
さくなる。一方、P型拡散層が存在しない領域(図1の
後部高剛性領域2及び前部高剛性領域4に該当する)で
は、接合部近傍のP型領域の不純物濃度が低いので同じ
バイアスを印加した場合でもP型側への空乏層の拡がり
が大きく、残存するP型領域2b、4bの厚さは大きく
なる。
In this etching, in the region where the P-type diffusion layer is present (corresponding to the sensing region 3 and the grip portion 5 in FIG. 1), the impurity concentration of the P-type region of the junction is high, so that the same bias is applied. The spread of the depletion layer to the P-type side is suppressed, and the thickness of the remaining P-type regions 3b and 5b is reduced. On the other hand, in the region where the P-type diffusion layer does not exist (corresponding to the rear high-rigidity region 2 and the front high-rigidity region 4 in FIG. 1), the same bias is applied because the P-type region near the junction has a low impurity concentration. Even in such a case, the depletion layer spreads largely to the P-type side, and the thickness of the remaining P-type regions 2b and 4b becomes large.

【0031】即ち、センシング領域では測定感度を高め
るために薄くして、温度補償素子を形成する後部高剛性
領域では歪みの影響を小さくするために厚くすることが
望ましいが、本製造方法ではセンシング領域3でのN型
拡散層35の接合深さが小さく、しかもこの領域での電気
化学エッチング時の空乏層の拡がりを抑制できるので全
体の厚さを非常に薄くできる。これに対して、後部高剛
性領域2でのN型拡散層33a の接合深さが大きく、しか
もこの領域での電気化学エッチング時の空乏層の拡がり
が大きくなるので全体の厚さを厚くすることができる。
また、電気化学エッチング時の空乏層の横方向への拡が
りは高濃度のP型領域であるガードリング36で抑制され
るので、横方向については、残存する部位の形状はほぼ
N型拡散層の接合部に対応する。即ち、図16の上面図
の破線で示した領域のシリコンが残存することになる。
That is, it is desirable that the sensing region is thin in order to enhance the measurement sensitivity, and thick in the rear high rigidity region where the temperature compensating element is formed in order to reduce the influence of strain. Since the junction depth of the N-type diffusion layer 35 in 3 is small and the depletion layer can be prevented from expanding in this region during electrochemical etching, the overall thickness can be made very thin. On the other hand, the junction depth of the N-type diffusion layer 33a in the rear high-rigidity region 2 is large, and the depletion layer spreads at the time of electrochemical etching in this region is large. You can
Further, the lateral expansion of the depletion layer during electrochemical etching is suppressed by the guard ring 36, which is a high-concentration P-type region, so that in the lateral direction, the shape of the remaining portion is almost the same as that of the N-type diffusion layer. Corresponds to the joint. That is, the silicon in the region shown by the broken line in the top view of FIG. 16 remains.

【0032】(5) .次に、図17に示すように、裏面側
からのCF4 とO2 の混合ガス雰囲気中でのRIE(R
eactive Ion Etching)によってシリコンが除去され
た領域でのシリコン窒化膜37を除去し、更に残存したシ
リコン部を図16で破線で示した形状に沿ってポリイミ
ド膜38をレーザーアブレーションで切り出すことで図1
に示したような把持部付き力覚センサーを得る。
(5). Next, as shown in FIG. 17, RIE (R) in the mixed gas atmosphere of CF 4 and O 2 from the back side is performed.
The silicon nitride film 37 in the region where the silicon is removed by eactive ion etching is removed, and the remaining silicon portion is cut out by the laser ablation of the polyimide film 38 along the shape shown by the broken line in FIG.
A force sensor with a grip as shown in is obtained.

【0033】上記実施形態1に係る力覚センサーの製造
方法によれば、電気化学エッチングによって残存させる
領域の厚さを、N型拡散層の接合深さとPN接合のバイ
アス印加時のP型領域側での空乏層の拡がりを制御する
ことによって広い範囲で制御することができる。この電
気化学エッチングで薄いシリコンを残存させる手法の形
状制御性は不純物濃度分布及びバイアス時の電位分布の
制御性で規定されるが、イオン注入とフォトリソグラフ
ィー及び熱拡散の制御性は半導体製造技術で用いられる
もので制御性は極めて高い。従って、従来の機械加工と
比較すると10μm程度のサイズでも極めて再現性良く
微小構造体を製作することができる。しかも把持部付き
力覚センサー自体が小さいので、バッチ処理によって量
産が可能で、製造コストを低減することができる。
According to the method of manufacturing the force sensor of the first embodiment, the thickness of the region left by electrochemical etching is set so that the junction depth of the N-type diffusion layer and the P-type region side when biasing the PN junction are applied. It is possible to control in a wide range by controlling the spread of the depletion layer at. The shape controllability of the method of leaving thin silicon by this electrochemical etching is defined by the controllability of the impurity concentration distribution and the potential distribution at the time of bias, but the controllability of ion implantation, photolithography and thermal diffusion is controlled by semiconductor manufacturing technology. It is used and has extremely high controllability. Therefore, as compared with the conventional machining, the microstructure can be manufactured with extremely reproducibility even in the size of about 10 μm. Moreover, since the force sensor with the grip portion itself is small, mass production is possible by batch processing, and the manufacturing cost can be reduced.

【0034】(実施形態2)本発明の実施形態2につい
て図4(A),(B)を用いて説明する。ここで、図4
(A)は本実施形態2に係る力覚センサーの特に配線領
域の平面図、図4(B)は図4(A)のX−X線に沿う
断面図である。本実施形態2は、実施形態1のセンシン
グ素子6及び温度補償素子7をPNP型バイポーラトラ
ンジスタからピエゾ抵抗素子に置き換えたものである。
センシング領域の表面のN型領域3aに表面濃度が3×
1017/cm3 で接合深さが0.8μmのP型拡散層41
が形成され、この両端部に配線に対してオーミックコン
タクトをとるための高濃度のP型拡散層42が形成されて
いる。また、P型拡散層41に近接してN型の高濃度拡散
層43が形成されている。
(Second Embodiment) A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 4 (A) and 4 (B). Here, FIG.
FIG. 4A is a plan view of the force sensor according to the second embodiment, particularly a wiring region, and FIG. 4B is a cross-sectional view taken along line XX of FIG. In the second embodiment, the sensing element 6 and the temperature compensating element 7 of the first embodiment are replaced with PNP type bipolar transistors by piezoresistive elements.
The surface concentration is 3 × in the N-type region 3a on the surface of the sensing region.
P-type diffusion layer 41 with a junction depth of 10 17 / cm 3 and 0.8 μm
Is formed, and high-concentration P-type diffusion layers 42 for making ohmic contact with the wiring are formed at both ends thereof. Further, an N-type high-concentration diffusion layer 43 is formed near the P-type diffusion layer 41.

【0035】これらの高濃度拡散層42、43はN型領域3
aの上部のシリコン窒化膜の絶縁膜8に開口されたコン
タクト孔44を介して配線45、46、47に接続されている。
前記配線45、46、47は、実施形態1と同様に、基部の電
極パッドまで延在している。センシングは配線45、46を
用いてP型拡散層41の抵抗値を計測することによってな
される。配線47はN型領域3aの電位を安定させるため
のものであり、これによって基板の電位変動を抑制す
る。また、この配線47は、実施形態1において電気化学
エッチング時のバイアス印加の電極としても用いられ
る。実施形態1の場合と同様に、温度補償素子も図4と
同じ形態が適用される。
The high-concentration diffusion layers 42 and 43 are formed in the N-type region 3
It is connected to the wirings 45, 46 and 47 through a contact hole 44 opened in the insulating film 8 of the silicon nitride film on the upper part of a.
The wirings 45, 46, 47 extend to the electrode pads at the base, as in the first embodiment. Sensing is performed by measuring the resistance value of the P-type diffusion layer 41 using the wirings 45 and 46. The wiring 47 is for stabilizing the potential of the N-type region 3a, and thereby suppresses the potential fluctuation of the substrate. Further, the wiring 47 is also used as an electrode for applying a bias during the electrochemical etching in the first embodiment. As in the case of the first embodiment, the same form as in FIG. 4 is applied to the temperature compensation element.

【0036】本実施形態2の力覚センサーは単純なピエ
ゾ抵抗素子であり、感度の点でPNP型バイポーラトラ
ンジスタを用いた実施形態1の場合よりも劣るが、必要
な配線数が少ないことと、製造工程が単純であること
と、出力が線形であることから外部の検出回路が単純化
できるので、あまり高い検出感度が求められない用途で
はより好ましい。なお、本実施形態2においては、力覚
センサーに拡散抵抗のピエゾ抵抗素子を用いたが、PN
接合ダイオードを利用する方法やNPN型バイポーラト
ランジスタを利用する方法なども考えられる。求められ
る応力の計測感度や計測範囲によって最適な力覚センサ
ーの形態が選択される。
The force sensor of the second embodiment is a simple piezoresistive element, and is inferior to the first embodiment using the PNP type bipolar transistor in terms of sensitivity, but it requires a small number of wirings. Since the external detection circuit can be simplified because the manufacturing process is simple and the output is linear, it is more preferable in applications where a very high detection sensitivity is not required. In the second embodiment, the piezoresistive element of diffusion resistance is used for the force sensor, but PN
A method using a junction diode and a method using an NPN bipolar transistor are also possible. The optimum form of the force sensor is selected according to the required measurement sensitivity and measurement range of stress.

【0037】(実施形態3)本発明の実施形態3に係る
力覚センサーを図5(A),(B)を用いて説明する。
ここで、図5(A)は本実施形態3に係る力覚センサー
の特に配線領域の平面図、図5(B)は図5(A)のX
−X線に沿う断面図である。本実施形態3は、実施形態
1のセンシング素子と温度補償素子を電流経路の異なる
3つのショットキーダイオードに置き換えたものであ
る。図1におけるセンシング領域3はP型領域3bとN
型領域3aよりなるが、本実施形態3はN型領域の表面
は、センシング素子が形成される領域に選択的にエピタ
キシャル成長法によって形成されたN型エピタキシャル
層51で、ボロンを拡散させたP型埋め込み拡散層52が所
定領域に形成されている。このP型埋め込み拡散層52の
不純物濃度は5×1018/cm3 程度である。前記エピ
タキシャル層51の表面には表面不純物濃度が5×1018
/cm3 程度のP型拡散層53a、53b、53cと表面濃度
が1×1020/cm3 程度の高濃度のN型拡散層54a、
54b、54cが形成され、P型拡散層53aとN型高濃度拡
散層54a、P型拡散層53bとN型高濃度拡散層54b、P
型埋め込み拡散層52とN型高濃度拡散層54cでショット
キーダイオード60、61、62をそれぞれ構成する。
(Embodiment 3) A force sensor according to Embodiment 3 of the present invention will be described with reference to FIGS. 5 (A) and 5 (B).
Here, FIG. 5A is a plan view of the force sensor according to the third embodiment, particularly a wiring region, and FIG. 5B is a plan view of FIG. 5A.
It is sectional drawing which follows the X-ray. In the third embodiment, the sensing element and the temperature compensation element of the first embodiment are replaced with three Schottky diodes having different current paths. The sensing region 3 in FIG. 1 includes a P-type region 3b and an N-type region 3b.
In the third embodiment, the surface of the N-type region is the N-type epitaxial layer 51 selectively formed in the region where the sensing element is formed by the epitaxial growth method. The buried diffusion layer 52 is formed in a predetermined area. The impurity concentration of the P type buried diffusion layer 52 is about 5 × 10 18 / cm 3 . The surface of the epitaxial layer 51 has a surface impurity concentration of 5 × 10 18
/ Cm 3 of P-type diffusion layers 53a, 53b and 53c and a high-concentration N-type diffusion layer 54a of surface concentration of about 1 × 10 20 / cm 3 ,
54b and 54c are formed, and the P-type diffusion layer 53a and the N-type high concentration diffusion layer 54a, the P-type diffusion layer 53b and the N-type high concentration diffusion layer 54b and P are formed.
The Schottky diodes 60, 61 and 62 are constituted by the type buried diffusion layer 52 and the N type high concentration diffusion layer 54c, respectively.

【0038】図から分かるように、これらの3つのショ
ットキーダイオード55、56、57の接合面は互いに直交す
る。なお、各ショットキーダイオードに配置されたP型
高濃度拡散層58a、58b、58cは配線に対してオーミッ
クコンタクトをとるためのものである。また、P型拡散
層53cはP型埋め込み拡散層52とP型高濃度拡散層58c
の間の抵抗を低減するためのものである。エピタキシャ
ル層51の上部にはシリコン窒化膜よりなる絶縁膜8が形
成され、これに開口されたコンタクト孔59を介してショ
ットキーダイオード60、61、62の配線63が形成されてい
る。この配線63は、実施形態1と同様にポリイミド膜16
に覆われて図1における基部2の領域まで延在する。特
に図示はしないが、ショットキーダイオード60、61、62
と同じ構成の温度補償素子が図1における後部高剛性領
域2に形成されている。
As can be seen from the figure, the junction surfaces of these three Schottky diodes 55, 56 and 57 are orthogonal to each other. The P-type high-concentration diffusion layers 58a, 58b, and 58c arranged in each Schottky diode are for making ohmic contact with the wiring. The P-type diffusion layer 53c includes the P-type buried diffusion layer 52 and the P-type high concentration diffusion layer 58c.
It is for reducing the resistance between them. The insulating film 8 made of a silicon nitride film is formed on the epitaxial layer 51, and the wiring 63 of the Schottky diodes 60, 61, 62 is formed through the contact hole 59 opened in the insulating film 8. The wiring 63 is formed by the polyimide film 16 as in the first embodiment.
And extends to the area of the base 2 in FIG. Although not specifically shown, Schottky diodes 60, 61, 62
A temperature compensating element having the same structure as the above is formed in the rear high rigidity region 2 in FIG.

【0039】ところで、図1における把持部5に応力が
加えられた場合、その応力の方向によってセンシング領
域3には異なった方向の歪みが発生する。実施形態1、
2においては、表面歪みを1 つのセンサーーで計測する
構成となっている。応力の方向がある程度限定されるよ
うな作業ではこれでも問題はないが、マイクロマニピュ
レータをマスター・スレーブ環境で操作して、複雑な作
業を行う場合は、把持部の各方向の応力成分を分離し
て、マスターマニピュレータにフィードバックする構成
とすることが特に望ましい。一方、本実施形態3の方法
では、互いに直交する接合面を有する3つのショットキ
ーダイオードの出力変調を比較することによって、セン
シング領域3の歪みの方向成分を分離することができ
る。これにより、把持部に加わる応力を各方向に分離し
てマスターマニピュレータにフィードバックするなどの
マイクロマニピュレータによる複雑で高度な作業を実現
するための環境を構築できる。
When stress is applied to the grip portion 5 in FIG. 1, strains in different directions are generated in the sensing region 3 depending on the direction of the stress. Embodiment 1,
In No. 2, the surface strain is measured by one sensor. This is not a problem for work in which the direction of stress is limited to some extent, but when performing complicated work by operating the micromanipulator in a master / slave environment, the stress components in each direction of the gripping part should be separated. Therefore, it is particularly desirable to have a configuration in which feedback is provided to the master manipulator. On the other hand, in the method of the third embodiment, the directional components of the strain in the sensing region 3 can be separated by comparing the output modulations of three Schottky diodes having mutually orthogonal junction surfaces. As a result, it is possible to construct an environment for realizing complicated and sophisticated work by the micromanipulator, such as separating the stress applied to the gripping portion in each direction and feeding it back to the master manipulator.

【0040】また、本実施形態3では、ショットキーダ
イオードの接合面を流れる電流をセンシングに用いてい
るので、拡散抵抗の方向を変えてピエゾ抵抗効果を用い
る方法と比較して高い検出感度が得られる。更に、本実
施形態3の方法では3つのセンシング素子が、把持部に
一体に形成されているために力覚センサーの組立が不要
で、小型化に適する。実施形態1において説明した製造
方法が基本的にはそのまま適用できる。更には、本実施
形態3においては把持部を一体形成した力覚センサーを
示しているが、把持部を別体で形成して接着等の方法で
組み付けても良い。
Further, in the third embodiment, since the current flowing through the junction surface of the Schottky diode is used for sensing, higher detection sensitivity can be obtained as compared with the method of changing the direction of the diffusion resistance and using the piezoresistive effect. To be Furthermore, in the method of the third embodiment, since the three sensing elements are integrally formed on the grip portion, it is not necessary to assemble the force sensor, which is suitable for downsizing. The manufacturing method described in the first embodiment can be basically applied as it is. Furthermore, in the third embodiment, the force sensor in which the grip portion is integrally formed is shown, but the grip portion may be formed separately and assembled by a method such as adhesion.

【0041】(実施形態4)本発明の実施形態4に係る
係る力覚センサーを図6及び図7(A),(B)を参照
して説明する。ここで、図6は実施形態4に係る力覚セ
ンサーの平面図、図7(A)は図6のX−X線に沿う断
面図、図7(B)は図6のY−Y線に沿う断面図であ
る。図6は3軸の把持部付き力覚センサーを示してい
る。これは、基部71、後部高剛性領域72、センシング領
域73a〜73c、前部高剛性領域74、把持部75からなる。
いずれもシリコンで構成されている。前記センシング領
域73はスリット76によって第1センシング領域73a、第
2センシング領域73b、第3センシング領域73cの3つ
の部分に区分されている。また、第2センシング領域73
bは表面側から全体の約半分の厚さに相当する部分が除
去されている。このため、第2センシング領域73bは、
第1センシング領域73a及び第3センシング領域73cの
約半分の厚さとなっている。
(Embodiment 4) A force sensor according to Embodiment 4 of the present invention will be described with reference to FIGS. 6 and 7A and 7B. Here, FIG. 6 is a plan view of the force sensor according to the fourth embodiment, FIG. 7A is a cross-sectional view taken along the line XX of FIG. 6, and FIG. 7B is a line YY of FIG. FIG. FIG. 6 shows a force sensor with a triaxial grip. This includes a base 71, a rear high rigidity region 72, sensing regions 73a to 73c, a front high rigidity region 74, and a grip 75.
Both are made of silicon. The sensing area 73 is divided by a slit 76 into three parts, a first sensing area 73a, a second sensing area 73b, and a third sensing area 73c. In addition, the second sensing area 73
In b, a portion corresponding to a thickness of about half of the whole is removed from the surface side. Therefore, the second sensing area 73b is
The thickness is about half the thickness of the first sensing region 73a and the third sensing region 73c.

【0042】前記後部高剛性領域72の表面の中央部には
窪み77が設けられており、その表面からの深さは第2セ
ンシング領域73bに等しい。センシング領域73a、73
b、73cの表面には歪みセンシング素子78a、78b、78
cがそれぞれ形成されており、後部高剛性領域72の表面
には、窪み77の両側に温度補償素子79a、79cが、窪み
77には温度補償素子79bがそれぞれ形成されている。こ
れらの歪みセンシング素子78a〜78cと温度補償素子79
a〜79cは、いずれも同じ形態のPNP型バイポーラト
ランジスタで、構造は図3に示したものと同じである。
また、前記基部71には電子回路80が形成されている。表
面にはシリコン窒化膜81の上に配線82が形成され、シリ
コン窒化膜81に開口されたコンタクト孔(図示せず)を
介して各歪みセンシング素子78a〜78cと温度補償素子
79a〜79cと電子回路80を配線(図示せず)によって電
気的に接続している。更にその上部にはポリイミド膜83
が形成され、基部71において外部リードとの接続のため
のパッド開口部84が形成されている。なお、電子回路80
から外部リード線に接続するための配線82はパッド開口
部84まで延在している。
A recess 77 is provided at the center of the surface of the rear high rigidity region 72, and the depth from the surface is equal to that of the second sensing region 73b. Sensing area 73a, 73
The strain sensing elements 78a, 78b, 78 are provided on the surfaces of b, 73c.
c are respectively formed, and temperature compensation elements 79a and 79c are formed on both sides of the depression 77 on the surface of the rear high rigidity region 72.
Temperature compensation elements 79b are formed on the respective 77. These strain sensing elements 78a to 78c and temperature compensation element 79
All of a to 79c are PNP type bipolar transistors of the same form, and the structure is the same as that shown in FIG.
An electronic circuit 80 is formed on the base 71. Wirings 82 are formed on the surface of the silicon nitride film 81, and the strain sensing elements 78a to 78c and the temperature compensating element are formed through contact holes (not shown) formed in the silicon nitride film 81.
79a-79c and the electronic circuit 80 are electrically connected by wiring (not shown). Further on top of that is a polyimide film 83
And a pad opening 84 for connection with an external lead is formed in the base 71. The electronic circuit 80
To the external lead wire extends to the pad opening 84.

【0043】この図においては、煩雑さを避けるために
配線82はパッド開口部84の部位以外での表記を省略して
いるが、各歪みセンシング素子78a〜78cと各温度補償
素子79a〜79cの各端子と電子回路80が接続され、さら
にこの電子回路80から必要な数の配線がパッド開口部84
の部位まで延在している。電子回路80には各歪みセンシ
ング素子78a〜78c及び各温度補償素子79a〜79cが配
線82によって接続され、これらの素子(PNP型バイポ
ーラトランジスタ)を時分割で駆動するためのフリップ
フロップ回路や出力信号検出のためのブリッジ回路及び
マイクロマニピュレータをフィードバック制御するため
の外部コントローラに対して、把持部の応力の状態を伝
達するためのA/Dコンバータと信号伝送回路が含まれ
る。この回路の機能によって、把持部付き力覚センサー
ーと外部コントローラの間のエネルギー供給や信号伝達
は比較的少ない配線によって実現できる。
In this figure, the wiring 82 is omitted except for the portion of the pad opening 84 in order to avoid complication, but the strain sensing elements 78a to 78c and the temperature compensating elements 79a to 79c are not shown. Each terminal is connected to the electronic circuit 80, and the required number of wires from the electronic circuit 80 are connected to the pad opening 84.
It extends to the part of. Strain sensing elements 78a to 78c and temperature compensation elements 79a to 79c are connected to the electronic circuit 80 by wiring 82, and flip-flop circuits and output signals for driving these elements (PNP type bipolar transistors) in a time division manner. A bridge circuit for detection and an external controller for feedback control of the micromanipulator include an A / D converter and a signal transmission circuit for transmitting the state of stress of the grip portion. With the function of this circuit, energy supply and signal transmission between the force sensor with the grip and the external controller can be realized with relatively few wires.

【0044】把持部75に対して、図6の平面図に示した
X軸の正方向に応力が加わった場合には歪みセンシング
素子78aに対しては圧縮歪みが、歪みセンシング素子78
cに対しては引張り歪みが発生し、湾曲のほぼ中立面上
ある歪みセンシング素子78bに対しては歪みはほとんど
発生しない。Z軸の正方向に応力が加わった場合には、
歪みセンシング素子78a〜78cには等しい圧縮歪みが生
じる。Y軸の正方向(図示せず、紙面に鉛直下側の方
向)に応力が加えられた場合は、表面歪みによって歪み
センシング素子78a、78cには等しい引張り歪みが発生
し、ほぼ中立線上に存在する歪みセンシング素子78bに
対しては歪みはほとんど発生しない。即ち、歪みセンシ
ング素子78bの接合面は歪みセンシング素子78a、78c
よりも深く、Y軸方向に歪みが加わった場合の湾曲の中
立面近傍に配置されていることによって異なる電流変調
を得ることが可能になる。
When stress is applied to the grip portion 75 in the positive direction of the X-axis shown in the plan view of FIG. 6, compressive strain is applied to the strain sensing element 78a, and stress is applied to the strain sensing element 78a.
Tensile strain is generated for c and almost no strain is generated for the strain sensing element 78b, which is substantially on the neutral plane of the curve. When stress is applied in the positive Z-axis direction,
Equal compression strains are generated in the strain sensing elements 78a to 78c. When stress is applied in the positive direction of the Y-axis (not shown, vertically downward on the paper surface), the strain sensing elements 78a and 78c generate equal tensile strain due to surface strain, and are present almost on the neutral line. Almost no strain occurs in the strain sensing element 78b that operates. That is, the joint surface of the strain sensing element 78b has the strain sensing elements 78a, 78c.
It is possible to obtain different current modulation by being arranged deeper and closer to the neutral surface of the curve when distortion is applied in the Y-axis direction.

【0045】このように本実施形態4によれば、把持部
75に加わる応力の方向によって3つの歪みセンシング素
子78a〜78cの出力変調が異なるので、これらを比較す
ることによって各方向の応力を分離して計算することが
できる。また、センシング領域73a〜73cにスリット76
が設けられているため、X軸の方向に応力が加わった場
合の歪みセンシング素子78a、78cに発生する歪みを大
きくすることができるので、X軸の方向の応力に対する
感度を高めることができる。なお、表記されたX,Y,
Zの各軸の方向は図6に対応していることに注意された
い。温度補償素子79bが窪み77の中に設けられているの
は、素子の不純物濃度分布を歪みセンシング素子78bと
完全に同じにするためである。温度補償素子79a、79c
は同一の素子であるので一方を省略することもできる。
As described above, according to the fourth embodiment, the grip portion
Since the output modulations of the three strain sensing elements 78a to 78c differ depending on the direction of the stress applied to 75, the stress in each direction can be calculated separately by comparing these. In addition, slits 76 are provided in the sensing areas 73a to 73c.
Is provided, the strain generated in the strain sensing elements 78a and 78c when stress is applied in the X-axis direction can be increased, and thus the sensitivity to the stress in the X-axis direction can be increased. In addition, the written X, Y,
Note that the direction of each axis of Z corresponds to FIG. The temperature compensating element 79b is provided in the recess 77 in order to make the impurity concentration distribution of the element completely the same as that of the strain sensing element 78b. Temperature compensation element 79a, 79c
Are the same element, one of them can be omitted.

【0046】このように、本実施形態4によれば、微小
部品や細胞のハンドリングするための、マイクロアーム
(把持部)を一体化した高感度の3軸力覚センサーーを
得ることができる。また、本実施形態4では機械的構造
によって、同一形態の3つのセンシング素子が方向によ
って異なる出力変調が得られる構成となっているので、
センサーー素子の構造の自由度が大きく、計測範囲や計
測感度を用途に応じて最適化することができる。また、
本実施形態4においては把持部75を一体形成した力覚セ
ンサーを示したが、把持部を省略して形成して、別体の
把持部を接着等の方法で取り付けても良い。この方法は
微小化には限界があるが、比較的把持部の形状を自由に
設定することが可能で、しかも単純な把持操作だけでな
くなんらかの作業を行うエンドエフェクタも取り付けら
れるので、把持対象が比較的大きな場合には好ましい。
As described above, according to the fourth embodiment, it is possible to obtain a highly sensitive three-axis force sensor which integrates micro arms (grasping parts) for handling micro parts and cells. Further, in the fourth embodiment, because of the mechanical structure, the three sensing elements having the same shape can obtain different output modulation depending on the direction,
The sensor element has a high degree of freedom in structure, and the measurement range and measurement sensitivity can be optimized according to the application. Also,
In the fourth embodiment, the force sensor in which the grip portion 75 is integrally formed is shown, but the grip portion may be omitted and formed, and a separate grip portion may be attached by a method such as bonding. Although this method has a limit to miniaturization, the shape of the gripping part can be set relatively freely, and the end effector that does some work as well as simple gripping operation can be attached, so the gripping target It is preferable when it is relatively large.

【0047】次に、実施形態4の把持部付き力覚センサ
ーの製造方法について図18〜図28を用いて説明す
る。
Next, a method of manufacturing the force sensor with the grip portion of the fourth embodiment will be described with reference to FIGS.

【0048】(1) .まず、図18に示すように、面方位
が<100>で基板濃度が2×1014/cm3 、厚さ3
00μmのP型のシリコン基板91の裏面にシリコン窒化
膜をCVDによって形成し、これを通常の半導体製造で
用いるフォトリソグラフィー技術によってパターニング
して、シリコン窒化膜パターン92a、92bを形成する。
ここで、シリコン窒化膜パターン92aは図6,7の把持
部付き力覚センサーの基部71に対応し、シリコン窒化膜
パターン92bは後で述べる電気化学エッチング時の枠部
分に相当する。なお、ここでは1つの把持部付き力覚セ
ンサーについてのみ図示するが、力覚センサーは小さい
ので、1 枚のシリコン基板上に多数の力覚センサーを形
成できることは言うまでもない。
(1). First, as shown in FIG. 18, the plane orientation is <100>, the substrate concentration is 2 × 10 14 / cm 3 , and the thickness is 3
A silicon nitride film is formed on the back surface of a P-type silicon substrate 91 having a thickness of 00 μm by CVD, and the silicon nitride film is patterned by a photolithography technique used in usual semiconductor manufacturing to form silicon nitride film patterns 92a and 92b.
Here, the silicon nitride film pattern 92a corresponds to the base portion 71 of the force sensor with the grip portion shown in FIGS. 6 and 7, and the silicon nitride film pattern 92b corresponds to a frame portion during electrochemical etching described later. Although only one force sensor with a grip is illustrated here, it is needless to say that a large number of force sensors can be formed on one silicon substrate because the force sensor is small.

【0049】(2) .次に、図19に示すように、シリコ
ン基板91の表面に、深いN型拡散層93a、93bと、深い
P型拡散層94を形成する。ここで、拡散層93a、94、93
bはそれぞれ図6,7における後部高剛性領域72、セン
シング領域73、前部高剛性領域74にそれぞれ対応する部
位に形成される。但し、深いP型拡散層94は最終的にセ
ンシング領域73として形成される領域よりも幅広く形成
される。これらの拡散層の不純物濃度はいずれも表面で
1〜2×1016/cm3 程度である。N型拡散層93a、
93bの接合深さは25μm程度で、P型拡散層の不純物
も同程度の深さまで拡散される。これらの拡散層の形成
工程には、通常の半導体製造で用いるフォトリソグラフ
ィー、イオン注入及び熱拡散が適用される。
(2). Next, as shown in FIG. 19, deep N-type diffusion layers 93a and 93b and a deep P-type diffusion layer 94 are formed on the surface of the silicon substrate 91. Here, the diffusion layers 93a, 94, 93
b are formed in the regions corresponding to the rear high rigidity region 72, the sensing region 73, and the front high rigidity region 74 in FIGS. However, the deep P-type diffusion layer 94 is formed wider than the region finally formed as the sensing region 73. The impurity concentration of each of these diffusion layers is about 1 to 2 × 10 16 / cm 3 on the surface. N-type diffusion layer 93a,
The junction depth of 93b is about 25 μm, and the impurities in the P-type diffusion layer are also diffused to the same depth. Photolithography, ion implantation, and thermal diffusion used in ordinary semiconductor manufacturing are applied to the formation process of these diffusion layers.

【0050】(3) .次に、図20に示すように、図6,
7における歪みセンシング素子78bが形成されるセンシ
ング領域73b及び温度補償素子79bが形成される窪み77
に対応する領域をシリコン酸化膜をマスクとしてTMA
H(テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド)の
水溶液で15μmの深さまでエッチングすることで窪み
95a、95bを形成する。エッチングの後でマスクのシリ
コン酸化膜はフッ化水素酸の水溶液で除去する。
(3). Next, as shown in FIG.
7 in which the strain sensing element 78b is formed and the depression 77 where the temperature compensation element 79b is formed
The area corresponding to is TMA using the silicon oxide film as a mask
Recessed by etching to a depth of 15 μm with an aqueous solution of H (tetramethylammonium hydroxide)
95a, 95b are formed. After the etching, the silicon oxide film of the mask is removed with an aqueous solution of hydrofluoric acid.

【0051】(4) .次に、図21、図22(A),
(B)に示すように、接合深さ6μm、表面濃度3〜6
×1014/cm3 程度のN型拡散層96を形成する。な
お、図22(A) は図21のX−X線に沿う断面図、図22(B)
は図21のY−Y線に沿う断面図である。これは図6,7
の後部高剛性領域72の一部、センシング領域73、前部高
剛性領域74の一部、把持部75に相当する領域に形成され
る。但し、この拡散層96は図6,7のスリット76に対応
する部位(矩形97で囲まれた領域)には形成されない。
(4). Next, referring to FIG. 21, FIG.
As shown in (B), the junction depth is 6 μm and the surface concentration is 3 to 6
An N-type diffusion layer 96 of about × 10 14 / cm 3 is formed. 22 (A) is a sectional view taken along the line XX of FIG. 21, FIG.
FIG. 22 is a sectional view taken along the line YY of FIG. This is shown in Figs.
It is formed in a part of the rear high rigidity region 72, the sensing region 73, a part of the front high rigidity region 74, and a region corresponding to the grip portion 75. However, the diffusion layer 96 is not formed in the portion (the area surrounded by the rectangle 97) corresponding to the slit 76 in FIGS.

【0052】(5) .次に、図23、図24(A),
(B)に示すように、センシング素子78a〜78c及び温
度補償素子79a〜79cを実施形態1と同様に形成する。
なお、図24(A) は図23のX−X線に沿う断面図、図24
(B) は図23のY−Y線に沿う断面図である。ここで、電
子回路80も併せて形成される。これらの形成には通常の
半導体製造技術が適用される。また、図6,7の把持部
付き力覚センサーの外周に合わせたP型高濃度拡散層よ
りなるガードリング98aと図6,7のスリット76に該当
する領域にP型高濃度拡散層98bも併せて形成される。
(5). Next, FIG. 23, FIG.
As shown in (B), the sensing elements 78a to 78c and the temperature compensation elements 79a to 79c are formed similarly to the first embodiment.
24 (A) is a sectional view taken along line XX of FIG.
FIG. 24B is a sectional view taken along the line YY of FIG. Here, the electronic circuit 80 is also formed. A usual semiconductor manufacturing technique is applied to these formations. In addition, a guard ring 98a made of a P-type high-concentration diffusion layer that matches the outer circumference of the force sensor with a gripping portion of FIGS. 6 and 7 and a P-type high-concentration diffusion layer 98b in a region corresponding to the slit 76 of FIGS. It is also formed.

【0053】(6) .次に、図25、図26(A),
(B)に示すように、シリコン窒化膜より成る絶縁膜8
1、コンタクト孔(図示せず)、配線パターン84、ポリ
イミド膜83、パッド開口部84が順次形成される。なお、
図26(A) は図25のX−X線に沿う断面図、図26(B) は図
25のY−Y線に沿う断面図である。但し、図6、図7と
同様にパッド開口部84以外の部位の配線82の表記は省略
されている。
(6). Next, FIG. 25, FIG.
As shown in (B), an insulating film 8 made of a silicon nitride film
1, a contact hole (not shown), a wiring pattern 84, a polyimide film 83, and a pad opening 84 are sequentially formed. In addition,
FIG. 26 (A) is a sectional view taken along line XX of FIG. 25, and FIG. 26 (B) is a view.
It is sectional drawing which follows the YY line of 25. However, like FIG. 6 and FIG. 7, the notation of the wiring 82 in the portion other than the pad opening 84 is omitted.

【0054】(7) .次に、図27,図28(A),
(B)に示すように、表面側を機械的に封止することに
よって保護した状態で強アルカリのエッチャントに浸す
ことで、裏面側のシリコン窒化膜92a 及び92b のない領
域のシリコン基板を裏面からエッチングする。なお、図
28(A) は図27のX−X線に沿う断面図、図28(B) は図27
のY−Y線に沿う断面図である。この際、N型拡散層9
3、96をアノードとして、強アルカリのエッチャントを
カソードとしてバイアスを印加する。これは特定の配線
の電極パッドがN型拡散層96に接続されるように配置し
て、これに正バイアスを与えることでなされる。
(7). Next, FIG. 27, FIG. 28 (A),
As shown in (B), by immersing in a strong alkaline etchant in a state where the front surface side is mechanically sealed and protected, the silicon substrate in the area without the silicon nitride films 92a and 92b on the back surface side is removed from the back surface. Etching. Note that the figure
28 (A) is a sectional view taken along line XX of FIG. 27, and FIG. 28 (B) is FIG.
FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line YY of FIG. At this time, the N-type diffusion layer 9
A bias is applied with 3, 96 as the anode and a strong alkaline etchant as the cathode. This is done by arranging the electrode pad of a specific wiring so as to be connected to the N-type diffusion layer 96 and applying a positive bias to it.

【0055】(8) .このエッチングはN型拡散層93又は
96がない領域ではシリコン窒化膜81が裏面側で露出する
まで進行するが、N型拡散層93又は96が存在する領域で
は電気化学エッチングによって、N型拡散層93又は96と
P型基板91もしくはP型拡散層94のPN接合のP型側の
空乏層端部近傍で停止する。このエッチングではP型拡
散層が存在する領域(図6,図7のセンシング領域73に
該当する)では接合部のP型領域の不純物濃度が高いの
で同じバイアスを印加した場合でもP型側への空乏層の
拡がりが抑制され、残存するP型領域の73´の厚さは小
さくなる。
(8). This etching is performed by the N-type diffusion layer 93 or
In the region where 96 does not exist, the silicon nitride film 81 proceeds until it is exposed on the back surface side, but in the region where the N-type diffusion layer 93 or 96 exists, the N-type diffusion layer 93 or 96 and the P-type substrate 91 or It stops near the end of the depletion layer on the P-type side of the PN junction of the P-type diffusion layer 94. In this etching, in the region where the P-type diffusion layer is present (corresponding to the sensing region 73 in FIGS. 6 and 7), the impurity concentration of the P-type region of the junction is high, so even if the same bias is applied, The expansion of the depletion layer is suppressed, and the thickness of the remaining P-type region 73 'is reduced.

【0056】(9) .一方、P型拡散層が存在しない領域
(図6,図7の後部高剛性領域72、前部高剛性領域74及
び把持部75に該当する)では接合部のP型領域の不純物
濃度が低いので同じバイアスを印加した場合でもP型側
への空乏層の拡がりが大きく、残存するP型領域72´、
74´、75´の厚さがP型領域73´と比較して大きくな
る。ここで、図6,図7の把持部75の厚さはセンシング
領域73よりも厚くなるので、実施形態1のように把持部
とセンシング領域の厚さを等しくした場合と比較してセ
ンシング領域の歪みを大きくできるので、高感度化の点
で好ましい。
(9). On the other hand, in the region where the P-type diffusion layer does not exist (corresponding to the rear high-rigidity region 72, the front high-rigidity region 74 and the grip 75 in FIGS. 6 and 7), the impurity concentration of the P-type region of the joint is low, so Even if the same bias is applied, the depletion layer spreads greatly to the P-type side, and the remaining P-type region 72 ',
The thickness of 74 'and 75' is larger than that of the P-type region 73 '. Here, since the thickness of the gripping portion 75 in FIGS. 6 and 7 is thicker than the sensing area 73, the thickness of the sensing area is larger than that in the case where the thickness of the gripping portion and the sensing area are equal as in the first embodiment. Since distortion can be increased, it is preferable in terms of high sensitivity.

【0057】(10).また、図6、図7において説明した
ように、エッチングによる窪みの形性によって薄膜化さ
れたセンシング領域73bでは、その厚さがセンシング領
域73a、73bと比較してほぼ半分になるように拡散層の
不純物濃度分布と電気化学エッチングのバイアス条件が
設定される。更に、電気化学エッチング時の空乏層の横
方向への拡がりは高濃度のP型領域であるガードリング
98aで抑制される為、横方向については、残存する部位
の形状はほぼN型拡散層の接合部に対応する。更には、
スリット76に該当する部位に形成された高濃度のP型領
域98bにより、空乏層の横方向拡がりが抑制されるの
で、この領域のシリコンは完全に除去される。
(10). In addition, as described with reference to FIGS. 6 and 7, in the sensing region 73b thinned due to the shape of the recess due to etching, the diffusion layer is formed so that the thickness thereof is almost half that of the sensing regions 73a and 73b. The impurity concentration distribution and the bias condition for electrochemical etching are set. Furthermore, the lateral expansion of the depletion layer during electrochemical etching is a high concentration P-type region, which is a guard ring.
Since it is suppressed by 98a, the shape of the remaining portion in the lateral direction substantially corresponds to the junction of the N-type diffusion layer. Furthermore,
Since the lateral expansion of the depletion layer is suppressed by the high-concentration P-type region 98b formed in the portion corresponding to the slit 76, the silicon in this region is completely removed.

【0058】(11).次に、図29,図30(A),
(B)に示すように、裏面側からのCF4 とO2 の混合
ガス雰囲気中でのRIE(Reactive Ion Etching)
によってシリコンが除去された領域でのシリコン窒化膜
81を除去し、更に残存したシリコンに沿ってポリイミド
膜をレーザーアブレーションで切り出すことで図6,図
7に示したような把持部付き3軸力覚センサを製造す
る。なお、図30(A) は図29のX−X線に沿う断面図、図
30(B) は図29のY−Y線に沿う断面図である。
(11). Next, FIG. 29, FIG. 30 (A),
As shown in (B), RIE (Reactive Ion Etching) in a mixed gas atmosphere of CF 4 and O 2 from the back surface side.
Silicon nitride film in the region where silicon is removed by
81 is removed, and the polyimide film is cut out by laser ablation along the remaining silicon to manufacture a three-axis force sensor with a grip as shown in FIGS. Note that FIG. 30 (A) is a sectional view taken along the line XX of FIG.
30 (B) is a sectional view taken along the line YY of FIG.

【0059】(実施形態5)本発明の実施形態5の力覚
センサーについて図8(A)〜(C)、図9を参照して
説明する。なお、図8(A)は実施形態5の力覚センサーの
平面図、図8(B)は図8(A)のX−X線に沿う断面図、図8
(C)は図8(A)の正面図である。図8、図9は一体形成さ
れた把持部を備えた3軸の力覚センサーを示している。
把持部101 が延在する第1の前側基部102 及び第2の前
側基部105 よりなる前側基部112 と、根元側の第1の後
側基部103 及び第2の後側基部106 よりなる後側基部11
3 は、4本のシリコンの支柱104a,104b,104c,104dで
支持されている。ここで、第1の前側基部102 及び第1
の後側基部103 の底面同士をそれぞれ接着することによ
って形成される。4本のシリコン支柱104a〜104dには歪
みセンシング素子107a〜107dがそれぞれ設けられ、第1
の後側基部103 には電子回路108 が形成されている。こ
こで、歪みセンシング素子は、図3で示したPNP型バ
イポーラトランジスタと同種のものである。
(Fifth Embodiment) A force sensor according to a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 8 (A) to 8 (C) and FIG. 9. 8A is a plan view of the force sensor of the fifth embodiment, FIG. 8B is a sectional view taken along line XX of FIG. 8A, and FIG.
FIG. 8C is a front view of FIG. 8 and 9 show a triaxial force sensor having an integrally formed grip portion.
A front side base portion 112 including a first front side base portion 102 and a second front side base portion 105 from which the grip portion 101 extends, and a rear side base portion including a root side first rear side base portion 103 and a second rear side base portion 106. 11
3 is supported by four silicon columns 104a, 104b, 104c, 104d. Here, the first front base 102 and the first
It is formed by bonding the bottom surfaces of the rear base 103 to each other. Strain sensing elements 107a-107d are provided on the four silicon columns 104a-104d, respectively.
An electronic circuit 108 is formed on the rear base 103. Here, the strain sensing element is of the same kind as the PNP type bipolar transistor shown in FIG.

【0060】第1の後側基部103 及びシリコンの支柱10
4a、104bにはポリイミド膜より成る可撓性薄膜で覆われ
た配線層109aが、第2の後側基部106 及シリコンの支柱
104c、104dにはポリイミド膜より成る可撓性薄膜で覆わ
れた配線層109bが形成されている。シリコンの支柱104
a、104bに形成されたセンシング素子107a、107bの各端
子は、配線層109aに接続されて第1の後側基部103 に形
成された電子回路108 に接続される。一方、シリコンの
支柱104c、104dに形成されたセンシング素子107c、107d
の各端子は、配線層109bに接続されて第2の後側基部10
6 まで延在し、ここから配線層109cを介して配線層109b
に接続され、ここから電子回路108 に接続される。ここ
で、配線層109cは湾曲させて配線層109a、109bを接続さ
せるためのもので、配線層109a、109b、109cは一体に形
成されている。
First rear base 103 and silicon column 10
Wiring layers 109a covered with a flexible thin film made of a polyimide film are provided on the second rear base 106 and the silicon pillars 4a and 104b.
A wiring layer 109b covered with a flexible thin film made of a polyimide film is formed on 104c and 104d. Silicon stanchions 104
The terminals of the sensing elements 107a and 107b formed on a and 104b are connected to the wiring layer 109a and to the electronic circuit 108 formed on the first rear side base 103. On the other hand, sensing elements 107c and 107d formed on the silicon columns 104c and 104d.
Are connected to the wiring layer 109b and are connected to the second rear base 10
6 to the wiring layer 109b via the wiring layer 109c
To the electronic circuit 108. Here, the wiring layer 109c is for bending and connecting the wiring layers 109a and 109b, and the wiring layers 109a, 109b, and 109c are integrally formed.

【0061】電子回路108 には、歪みセンシング素子10
7a〜107d(PNP型バイポーラトランジスタ)を時分割
で駆動するためのフリップフロップ回路、温度補償回
路、出力信号検出のためのブリッジ回路及びマイクロマ
ニピュレータをフィードバックするための外部コントロ
ーラに対して、把持部の応力の状態を伝達するためのA
/Dコンバータと信号伝送回路が含まれる。この回路の
機能によって、把持部付き力覚センサーと外部コントロ
ーラの間のエネルギー供給や信号伝達は比較的少ない配
線によって実現できる。また、外部接続のための電子回
路108 の各端子は電極パッド110 に、配線層109a内の配
線によって接続されている。
The electronic circuit 108 includes a strain sensing element 10
A flip-flop circuit for driving 7a to 107d (PNP type bipolar transistor) in a time-division manner, a temperature compensation circuit, a bridge circuit for detecting an output signal, and an external controller for feeding back a micromanipulator. A for transmitting the state of stress
The / D converter and the signal transmission circuit are included. With the function of this circuit, energy supply and signal transmission between the force sensor with the grip portion and the external controller can be realized with relatively few wires. Further, each terminal of the electronic circuit 108 for external connection is connected to the electrode pad 110 by the wiring in the wiring layer 109a.

【0062】このように本実施形態5においては、基部
が4本の細い支柱によって支持され、この支柱に一体に
形成された歪みセンシング素子によって、把持部に加わ
る応力を方向別に分離して計測することができる。この
ように計測された応力をマスターマニピュレータにフィ
ードバックすることで微小部品や細胞を操作する良好な
マイクロマニピュレーションの環境を構築できる。ま
た、実施形態4においては構造上の問題から、図6,図
7のX方向とY方向での感度差が大きくなるが、本実施
形態5では計測感度の方向依存性が比較的小さいので、
微妙な作業により適している。なお、本実施形態5の力
覚センサーは把持部を一体形成しているが、把持部101
を形成せずに細いガラス針などを先端に接着等の方法で
固定して図38のようなマイクロマニピュレータに適用す
ることもできる。
As described above, in the fifth embodiment, the base portion is supported by the four thin columns, and the stress applied to the gripping portion is separately measured according to the direction by the strain sensing element formed integrally with the columns. be able to. By feeding back the stress thus measured to the master manipulator, a good micromanipulation environment for manipulating minute parts and cells can be constructed. Further, in the fourth embodiment, the structural difference causes a large difference in sensitivity between the X direction and the Y direction in FIGS. 6 and 7, but in the fifth embodiment, the direction dependency of the measurement sensitivity is relatively small.
More suitable for delicate work. The force sensor according to the fifth embodiment has a grip part integrally formed.
It is also possible to apply a thin glass needle or the like to the tip by a method such as adhesion without forming the above, and apply it to the micromanipulator as shown in FIG.

【0063】次に、本実施形態5の把持部付き力覚セン
サーの製造方法を図31〜図37を用いて説明する。
Next, a method of manufacturing the force sensor with the grip portion of the fifth embodiment will be described with reference to FIGS.

【0064】(1) .まず、図31(A),(B)に示す
ように、面方位が<100>で基板濃度が4×1015
cm3 、厚さ300μmのP型シリコン基板121 の裏面
にシリコン窒化膜をCVDによって形成し、これを通常
の半導体製造で用いるフォトリソグラフィー技術によっ
てパターニングして、シリコン窒化膜パターン122a、12
2b、122c、122dを形成する。なお、図31(A) は平面図、
図31(B) は図31(A) のX−X線に沿う断面図である。
(1). First, as shown in FIGS. 31A and 31B, the plane orientation is <100> and the substrate concentration is 4 × 10 15 /
A silicon nitride film is formed on the back surface of a P-type silicon substrate 121 having a cm 3 and a thickness of 300 μm by CVD, and the silicon nitride film is patterned by a photolithography technique used in ordinary semiconductor manufacturing to form silicon nitride film patterns 122a, 12a.
2b, 122c and 122d are formed. Note that FIG. 31 (A) is a plan view,
FIG. 31 (B) is a sectional view taken along line XX of FIG. 31 (A).

【0065】(2) .次に、図32(A),(B)に示す
ように、接合深さ6μm、表面濃度3〜6×1016/c
3 程度のN型拡散層123a、123b、123c、123d、123e、
123fを形成する。なお、図32(A) は平面図、図32(B) は
図32(A) のX−X線に沿う断面図である。ここで、各拡
散層123a〜123fは、図8のシリコンの支柱104b、104a、
104c、104d、105 、106 にそれぞれ対応する。つづい
て、歪みセンシング素子107a、107b、107c、107d及び電
子回路108 を形成する。この際に、高濃度P型拡散層よ
りなるガードリング領域124 も併せて形成される。
(2). Next, as shown in FIGS. 32A and 32B, the junction depth is 6 μm, and the surface concentration is 3 to 6 × 10 16 / c.
m 3 of about N-type diffusion layer 123a, 123b, 123c, 123d, 123e,
Forming 123f. 32 (A) is a plan view and FIG. 32 (B) is a sectional view taken along line XX of FIG. 32 (A). Here, the diffusion layers 123a to 123f are the silicon pillars 104b and 104a of FIG.
It corresponds to 104c, 104d, 105 and 106, respectively. Subsequently, the strain sensing elements 107a, 107b, 107c, 107d and the electronic circuit 108 are formed. At this time, the guard ring region 124 made of the high concentration P-type diffusion layer is also formed.

【0066】(3) .次に、図33、図34(A),
(B)に示すように、シリコン基板121の表面にシリコ
ン窒化膜よりなる絶縁膜(図示せず)、下層ポリイミド
膜125 を順次形成した後、配線126a、126b、126cを形成
する。なお、図34(A) は図33のX−X線に沿う断面図、
図34(B) は図33のY−Y線に沿う断面図である。前記配
線126a〜126cは歪みセンシング素子107a〜107dと電子回
路108 をシリコン窒化膜よりなる絶縁膜及び下層ポリイ
ミド膜125 に開口されたコンタクト孔(図示せず)を介
して接続するとともに、電子回路108 と電極パッド110
に接続される。ここで、シリコン窒化膜よりなる絶縁膜
(図示せず)、下層ポリイミド膜125 、配線126 、上層
ポリイミド膜127 、パッド開口部128 は、図8における
配線層109a〜109cに該当する。
(3). Next, FIG. 33, FIG. 34 (A),
As shown in (B), an insulating film (not shown) made of a silicon nitride film and a lower polyimide film 125 are sequentially formed on the surface of the silicon substrate 121, and then wirings 126a, 126b, 126c are formed. Note that FIG. 34 (A) is a cross-sectional view taken along line XX of FIG.
FIG. 34B is a sectional view taken along the line YY of FIG. The wirings 126a to 126c connect the strain sensing elements 107a to 107d to the electronic circuit 108 via an insulating film made of a silicon nitride film and a contact hole (not shown) opened in the lower polyimide film 125, and the electronic circuit 108 is connected. And electrode pad 110
Connected to. Here, the insulating film (not shown) made of a silicon nitride film, the lower layer polyimide film 125, the wiring 126, the upper layer polyimide film 127, and the pad opening 128 correspond to the wiring layers 109a to 109c in FIG.

【0067】図33、図34においては図が煩雑になるのを
防ぐために、ガードリング124 は記載を省略し、配線12
6 について、歪みセンシング素子107bと電子回路108 を
接続する配線の内の1本の配線126a、歪みセンシング素
子107cと電子回路108 を接続する配線の内の1本の配線
126b、電子回路108 と電極パッド110 の内の1つを接続
する配線126cのみを図示したが、実際には半導体のフォ
トリソグラフィー技術によって必要な数の微細配線パタ
ーンが形成されている。
In FIG. 33 and FIG. 34, in order to prevent the drawing from being complicated, the guard ring 124 is omitted and the wiring 12 is omitted.
Regarding 6, one of the wirings 126a connecting the strain sensing element 107b and the electronic circuit 108 and one of the wiring connecting the strain sensing element 107c and the electronic circuit 108
Although only the wiring 126c for connecting the electronic circuit 108 and one of the electrode pads 110 is shown in FIG. 126b, the necessary number of fine wiring patterns are actually formed by the photolithography technique of the semiconductor.

【0068】(4) .次に、図35、図36(A),
(B),(C)に示すように、表面側を機械的に封止す
ることによって保護した状態で強アルカリのエッチャン
トに浸すことで、裏面側のシリコン窒化膜パターン122a
〜122dのない領域のシリコン基板を裏面からエッチング
する。なお、図36(A) は図35のX−X線に沿う断面図、
図36(B) は図35のY−Y線に沿う断面図、図36(C) は図
35のZ−Z線に沿う断面図である。この際、N型拡散層
123 をアノードとして、TMAH(テトラメチルアンモ
ニウムハイドロオキサイド)のエッチャントをカソード
としてバイアスを印加する。これは特定の電極パッドが
N型拡散層123 に接続されるように配置して、これに正
バイアスを与えることでなされる。このエッチングはN
型拡散層123がない領域では表面側のシリコン窒化膜よ
りなる絶縁膜(図示せず)が裏面側で露出するまで進行
するが、N型拡散層123 が存在する領域では電気化学エ
ッチングによって、N型拡散層123 とP型基板121 のP
N接合のP型側の空乏層端部近傍で停止する。また、電
気化学エッチング時の空乏層の横方向への拡がりは高濃
度のP型領域であるガードリング124 (図32参照)で抑
制されるので、横方向については、残存する部位の形状
はほぼN型拡散層の接合部に対応する。
(4). Next, FIG. 35, FIG. 36 (A),
As shown in (B) and (C), the silicon nitride film pattern 122a on the back surface side is formed by immersing it in a strong alkaline etchant in a state where the front surface side is protected by being mechanically sealed.
Etch the backside of the silicon substrate in areas where ~ 122d is not present. Note that FIG. 36 (A) is a cross-sectional view taken along the line XX of FIG.
36 (B) is a sectional view taken along the line YY of FIG. 35, and FIG. 36 (C) is a view.
It is sectional drawing which follows the ZZ line of 35. At this time, the N-type diffusion layer
A bias is applied using 123 as an anode and an etchant of TMAH (tetramethylammonium hydroxide) as a cathode. This is done by arranging a specific electrode pad so as to be connected to the N-type diffusion layer 123 and applying a positive bias thereto. This etching is N
In the region where the N-type diffusion layer 123 is not formed, the process proceeds until an insulating film (not shown) made of a silicon nitride film on the front surface side is exposed on the back surface side. The P type diffusion layer 123 and the P type substrate 121 P
It stops near the end of the depletion layer on the P-type side of the N junction. Further, the lateral expansion of the depletion layer during electrochemical etching is suppressed by the guard ring 124 (see FIG. 32), which is a high-concentration P-type region, so that in the lateral direction, the shape of the remaining portion is almost the same. It corresponds to the junction of the N-type diffusion layer.

【0069】このエッチングの際の把持部101 の形状に
ついて図36(C)を用いて説明する。ここで、裏面側
からのエッチングでは裏面のシリコン窒化膜122aがマス
クとなる。エッチングの進行に伴い、エッチング面は
(a) から(b) 、(c) を経て、表面側のシリコン窒化膜
(図示せず)が露出するまで進行する。ここでTMAH
のエッチングレートの面方位依存性によって、最終的に
は断面が三角形の把持部101 が得られる。
The shape of the grip portion 101 during this etching will be described with reference to FIG. Here, in the etching from the back surface side, the silicon nitride film 122a on the back surface serves as a mask. With the progress of etching, the etching surface
The process proceeds from (a) to (b) and (c) until the silicon nitride film (not shown) on the surface side is exposed. TMAH here
Due to the plane orientation dependence of the etching rate of, the grip portion 101 having a triangular cross section is finally obtained.

【0070】次に、図37に示すように、裏面からのC
4 とO2 の混合ガス雰囲気中でのRIE(Reactive
Ion Etching)によってシリコンが除去された領域で
露出したシリコン窒化膜を除去してから、太い破線で示
した形状にポリイミド膜125、127 をレーザーアブレー
ションで切断する。ここで、図9の配線層109cに該当す
る領域は内部に配線層を有する可撓性のポリイミド膜で
ある。この後で、シリコン窒化膜122bが形成されていた
領域のシリコン基板121 の裏面と電気化学エッチングで
残存したN型拡散層123eに該当する領域及び、シリコン
窒化膜122cが形成されていた領域のシリコン基板121 の
裏面と電気化学エッチングで残存したN型拡散層123fに
該当する領域をそれぞれ接着等の方法で接合することに
よって図8及び図9に示した把持部付き力覚センサーを
得る。
Next, as shown in FIG. 37, C from the back surface
RIE (Reactive) in a mixed gas atmosphere of F 4 and O 2.
After removing the silicon nitride film exposed in the region where the silicon is removed by Ion Etching), the polyimide films 125 and 127 are cut by laser ablation into the shape shown by the thick broken line. Here, a region corresponding to the wiring layer 109c in FIG. 9 is a flexible polyimide film having a wiring layer inside. After this, the silicon in the region where the silicon nitride film 122b was formed, the region corresponding to the N-type diffusion layer 123e remaining by the electrochemical etching and the region where the silicon nitride film 122c was formed, and the silicon in the region where the silicon nitride film 122c was formed. The back surface of the substrate 121 and the region corresponding to the N-type diffusion layer 123f remaining by the electrochemical etching are bonded by a method such as bonding to obtain the force sensor with a grip portion shown in FIGS. 8 and 9.

【0071】このように、本実施形態5の製造方法にあ
っては、3軸把持部付き力覚センサーはモノリシックで
形成され、簡単な組立で得ることができる。加えて3次
元の構造を有するにも関わらず、全ての電極パッドが1
つの面に形成されているので、外部装置へのリード線接
続が容易である。また、素子形成や電子回路はもちろ
ん、構造体形成にも半導体製造技術が適用されるので、
微小で加工性の高い力覚センサーがバッチ処理により低
コストで生産することができる。
As described above, in the manufacturing method according to the fifth embodiment, the force sensor with the triaxial grip portion is formed monolithically, and can be obtained by simple assembly. In addition, even though it has a three-dimensional structure, all electrode pads are 1
Since it is formed on one surface, it is easy to connect a lead wire to an external device. In addition, since semiconductor manufacturing technology is applied not only to element formation and electronic circuits, but also to structure formation,
A small and highly workable force sensor can be produced at low cost by batch processing.

【0072】以上、実施形態に基づいて説明してきた
が、本明細書は以下の発明を含む。
Although the description has been given based on the embodiment, the present specification includes the following inventions.

【0073】1.把持部と、該把持部に加えられる応力
を検出する検出部と、前記把持部及び検出部を支持する
基部と、前記検出部に接続され、前記基部まで延在して
設けられた配線部とを具備した力覚センサーにおいて、
前記把持部、検出部、基部及び配線部を薄板状の半導体
基板に一体的に形成したことを特徴とする力覚センサ
ー。
1. A grip portion, a detection portion that detects a stress applied to the grip portion, a base portion that supports the grip portion and the detection portion, and a wiring portion that is connected to the detection portion and that extends to the base portion. In the force sensor equipped with
A force sensor, wherein the grip portion, the detection portion, the base portion, and the wiring portion are integrally formed on a thin semiconductor substrate.

【0074】(構成)全ての実施形態が該当する。例え
ば、実施形態1では、図1,2における把持部5とこれ
に加えられる応力を検出する検出部となるセンシング領
域3と、把持部及び検出部を支持する基部1と、検出部
に接続されて基部まで延在して設けられた配線9〜11よ
りなる配線部とからなり、把持部、検出部、配線部が一
体的に形成されている。
(Structure) All the embodiments are applicable. For example, in the first embodiment, the grip portion 5 in FIGS. 1 and 2, the sensing region 3 serving as a detection portion that detects the stress applied thereto, the base portion 1 that supports the grip portion and the detection portion, and the detection portion are connected. And a wiring portion composed of wirings 9 to 11 extending to the base portion, and a grip portion, a detection portion, and a wiring portion are integrally formed.

【0075】(作用・効果)把持部、検出部、基部が一
体に形成され、さらに検出部のセンシング信号を基部ま
で伝達する配線部が一体に形成されていることによっ
て、組立工程が不要となり、微小物体のハンドリング等
に利用するマイクロマニピュレータに好適な微小な力覚
センサーが得られる。
(Operation / Effect) Since the grip portion, the detecting portion and the base portion are integrally formed, and the wiring portion for transmitting the sensing signal of the detecting portion to the base portion is integrally formed, the assembling process becomes unnecessary, A micro force sensor suitable for a micro manipulator used for handling a micro object can be obtained.

【0076】2.前記検出部は、前記半導体基板に形成
された一導電型の第1の領域(P型拡散層18)と、この
第1領域内に形成され、第1の領域と異なる他の導電型
からなる第2の領域(N型拡散層19)と、この第2領域
内に形成され、第1の領域と同じ一導電型からなる第3
の領域(P型拡散層20)とを備え、前記配線部は、前記
第1から第3の領域のそれぞれの領域に独立して接続さ
れる複数の配線からなることを特徴とする前記1.記載
の力覚センサー。
2. The detection unit is composed of a first region (P-type diffusion layer 18) of one conductivity type formed in the semiconductor substrate, and another conductivity type formed in the first region and different from the first region. A second region (N-type diffusion layer 19) and a third region formed in the second region and having the same one conductivity type as the first region.
1. The area (P-type diffusion layer 20) and the wiring part is composed of a plurality of wirings independently connected to the respective areas of the first to third areas. The force sensor described.

【0077】(構成)実施形態1が該当する。(Structure) This corresponds to the first embodiment.

【0078】(作用・効果)センシング領域の歪みを、
センサー第1〜第3の領域のPN接合間の電流変調とし
て計測することで、高精度の応力検出が可能となる。
(Action / Effect) Distortion in the sensing area
By measuring the current modulation between the PN junctions in the sensor first to third regions, the stress can be detected with high accuracy.

【0079】3.前記検出部は、前記把持部に加えられ
る応力を歪みに変換する応力歪み変換(センシング)領
域と、この応力歪み変換(センシング)領域内に設けら
れ、前記歪みを電気信号に変換して出力する歪み検出部
とからなることを特徴とする前記1.記載の力覚センサ
ー。
3. The detection unit is provided in a stress-strain conversion (sensing) region that converts a stress applied to the gripping unit into a strain, and in the stress-strain conversion (sensing) region, converts the strain into an electric signal and outputs the electric signal. 1. The above-mentioned 1. characterized in that it comprises a distortion detector. The force sensor described.

【0080】(構成)実施形態1が該当する。(Structure) This corresponds to the first embodiment.

【0081】(作用・効果)薄板化された応力歪み変換
(センシング)領域に歪みセンシング素子(歪み検出
部)が一体に形成されているので、応力歪み変換(セン
シング)領域を微小化できるため高い計測感度が得られ
る。
(Operation / Effect) Since the strain sensing element (strain detecting portion) is integrally formed in the stress-strain conversion (sensing) region which is made thin, the stress-strain conversion (sensing) region can be miniaturized, which is high. Measurement sensitivity can be obtained.

【0082】4.前記半導体基板は、前記検出部の両端
に、検出部よりも高い剛性を有する高剛性領域を備えた
ことを特徴とする前記1.記載の力覚センサー。
4. The semiconductor substrate includes high-rigidity regions having rigidity higher than that of the detection unit at both ends of the detection unit. The force sensor described.

【0083】(構成)実施形態1が該当する。歪みセン
シング素子6が形成されたセンシング領域(検出部)の
前後には前部高剛性領域と後部高剛性領域が一体に連結
されている。
(Structure) This corresponds to the first embodiment. A front high-rigidity region and a rear high-rigidity region are integrally connected in front of and behind the sensing region (detection unit) in which the strain sensing element 6 is formed.

【0084】(作用・効果)センシング素子6が形成さ
れている領域の剛性が隣接する両端部の剛性よりも小さ
いので、把持部に応力が加わったときの検出部の歪みが
大きくなるため計測精度が向上する。また、センシング
素子と把持部の距離が大きくなるので、把持操作に伴う
温度変化の影響が小さくなりセンシング素子の温度ドリ
フトが減少する。
(Operation / Effect) Since the rigidity of the region where the sensing element 6 is formed is smaller than the rigidity of both end portions adjacent to each other, the strain of the detection portion when stress is applied to the gripping portion becomes large, so that the measurement accuracy is high. Is improved. Further, since the distance between the sensing element and the grip portion is increased, the influence of the temperature change accompanying the grip operation is reduced, and the temperature drift of the sensing element is reduced.

【0085】5.表面が一導電型の薄板状の半導体基板
と、この半導体基板上に形成され、半導体基板に加えら
れる応力を検出する検出部と、前記半導体基板上に形成
され、前記検出部を支持する基部と、前記検出部に接続
され、前記基部まで延在するように前記半導体基板上に
形成された配線部とを具備した力覚センサーにおいて、
前記検出部は、互いに直交する3方向の応力を検出する
ように、前記半導体基板上の異なる部位に設けられた少
なくとも3つの検出手段を備えたことを特徴する力覚セ
ンサー。
5. A thin conductive semiconductor substrate having a surface of one conductivity type, a detection portion formed on the semiconductor substrate for detecting stress applied to the semiconductor substrate, and a base portion formed on the semiconductor substrate and supporting the detection portion. A force sensor including a wiring portion connected to the detection portion and formed on the semiconductor substrate so as to extend to the base portion,
The force sensor, wherein the detection unit includes at least three detection means provided at different portions on the semiconductor substrate so as to detect stress in three directions orthogonal to each other.

【0086】(構成)実施形態3〜5が該当する。(Structure) Embodiments 3 to 5 are applicable.

【0087】(作用・効果)加えられた応力の方向によ
って異なる出力信号を発生する3 つの検出手段を有する
ことによって、応力の方向成分を分離して計測すること
ができる微小な力覚センサーが得られる。
(Operation / Effect) A micro force sensor capable of separating and measuring the directional component of stress is obtained by having three detecting means which generate different output signals depending on the direction of applied stress. To be

【0088】6.前記3つの検出手段は、いずれも、前
記半導体基板に形成された3つのPN接合の接合面から
なることを特徴する前記5.記載の力覚センサー。
6. 4. Each of the three detection means is composed of a junction surface of three PN junctions formed on the semiconductor substrate. The force sensor described.

【0089】(構成)実施形態3〜5が該当する。(Structure) Embodiments 3 to 5 are applicable.

【0090】(作用・効果)センシング領域に曲げ応力
や圧縮応力が加えられたときに、PN接合を流れる電流
の歪みによる変化は接合面によって異なるので、これら
の電流変調を比較することで応力の方向性を計測するこ
とができる。
(Operation / Effect) When a bending stress or a compressive stress is applied to the sensing region, the change in the current flowing through the PN junction due to the strain varies depending on the junction surface. Therefore, by comparing these current modulations, the stress The directionality can be measured.

【0091】7.前記3つの検出手段のうち、少なくと
も1つの検出手段のPN接合の接合面を、他の検出手段
におけるPN接合の接合面とは異なる部位に設けたこと
を特徴する前記6.記載の力覚センサー。
7. 5. The PN junction joining surface of at least one of the three detecting means is provided at a portion different from the PN junction joining surface of the other detecting means. The force sensor described.

【0092】(構成)実施形態3、4が該当する。(Structure) Embodiments 3 and 4 are applicable.

【0093】(作用・効果)センシング領域に曲げ応力
や圧縮応力が加えられたときに、接合面の深さによって
異なる電流変調が得られるので、応力の方向性を検出で
きる。
(Operation / Effect) When bending stress or compressive stress is applied to the sensing region, different current modulation is obtained depending on the depth of the joint surface, so that the directionality of the stress can be detected.

【0094】8.前記半導体基板に、窪み領域を設け、
この窪み領域に、前記3つの検出手段のうち、少なくと
も1つの検出手段を設けたことを特徴する前記7.記載
の力覚センサー。
8. The semiconductor substrate is provided with a recessed region,
7. At least one of the three detecting means is provided in the recessed area. The force sensor described.

【0095】(構成)実施形態4が該当する。(Structure) This corresponds to the fourth embodiment.

【0096】(作用・効果)センシング領域の一部に窪
みが設けられているので、同じ接合深さの拡散層で接合
面の異なるPN接合を得ることができる。
(Operation / Effect) Since the recess is provided in a part of the sensing region, it is possible to obtain PN junctions having different junction surfaces with diffusion layers having the same junction depth.

【0097】9.前記3つのPN接合の接合面が、前記
半導体基板の主面に平行な方向を有する第1の接合面
と、この第1の接合面に直交する第2の方向を有する第
2の接合面と、前記第1及び第2の接合面に互いに直交
する第3の方向を有する第3の接合面とからなることを
特徴する前記6.記載の力覚センサー。
9. A bonding surface of the three PN junctions has a first bonding surface having a direction parallel to the main surface of the semiconductor substrate, and a second bonding surface having a second direction orthogonal to the first bonding surface. And a third joint surface having a third direction orthogonal to the first and second joint surfaces. The force sensor described.

【0098】(構成)実施形態3が該当する。(Structure) The third embodiment is applicable.

【0099】(作用・効果)センシング領域に曲げ応力
や圧縮応力が加えられたときに、接合面によってPN接
合を流れる電流の歪みによる変化は接合面によって異な
るので、互いに直交する3つの接合面の電流変調を比較
することで応力の方向性を計測することができる。
(Operation / Effect) When a bending stress or a compressive stress is applied to the sensing area, the change in the current flowing through the PN junction due to the strain varies depending on the joint surfaces, so that the three joint surfaces orthogonal to each other are The directionality of stress can be measured by comparing the current modulation.

【0100】10.前記検出部が、物体を把持したときの
応力を検出するように、前記基部から前記検出部方向に
延在する方向に沿って設けられた把持部を備えたことを
特徴する前記5.記載の力覚センサー。
10. 4. The detection section includes a grip section provided along a direction extending from the base section toward the detection section so as to detect stress when gripping an object. The force sensor described.

【0101】(構成)実施形態3、4が該当する。(Structure) Embodiments 3 and 4 are applicable.

【0102】(作用・効果)応力の方向を分離して計測
することができる力覚センサーに把持部が一体に設けら
れているので、小型で高精度の多軸応力センサーを備え
た把持部付きの力覚センサーが得られる。
(Action / Effect) Since the grip portion is integrally provided with the force sensor capable of measuring the directions of stress separately, the grip portion is equipped with a compact and highly accurate multi-axis stress sensor. The force sensor of is obtained.

【0103】11.前記半導体基板に、前記基部から前記
検出部方向に延在する方向にスリットを設け、前記3つ
の検出手段を、前記スリットにより互いに空間的に分離
するように設けたことを特徴する前記5.記載の力覚セ
ンサー。
11. 4. The semiconductor substrate is provided with slits in a direction extending from the base portion toward the detection portion, and the three detection means are provided so as to be spatially separated from each other by the slits. The force sensor described.

【0104】(構成)実施形態4が該当する。(Structure) This corresponds to the fourth embodiment.

【0105】(作用・効果)スリットが設けられている
ことによって、把持部に応力が加えられた場合の歪みを
大きくすることができるので応力の計測感度が向上す
る。
(Operation / Effect) Since the slit is provided, the strain when the stress is applied to the grip portion can be increased, so that the stress measurement sensitivity is improved.

【0106】12.前記検出部は、前記把持部に加えられ
る応力を歪みに変換する応力歪み変換(センシング)領
域と、この応力歪み変換(センシング)領域内に設けら
れ、前記歪みを電気信号に変換して出力する歪み検出部
とからなることを特徴とする前記5.記載の力覚センサ
ー。
12. The detection unit is provided in a stress-strain conversion (sensing) region that converts a stress applied to the gripping unit into a strain, and in the stress-strain conversion (sensing) region, converts the strain into an electric signal and outputs the electric signal. 5. A distortion detecting unit. The force sensor described.

【0107】(構成)実施形態3、4が該当する。実施
形態4を例に取れば、応力歪み変換(センシング)領域
73a、73b、73cに歪み検出部(センシング素子)78
a、78b、78cがそれぞれ形成されている。
(Structure) Embodiments 3 and 4 are applicable. Taking Embodiment 4 as an example, the stress strain conversion (sensing) region
Strain detectors (sensing elements) 78 on 73a, 73b, 73c
a, 78b, and 78c are formed respectively.

【0108】(作用・効果)応力を歪みに変換する応力
歪み変換領域にセンシングのための検出部を一体に形成
することによって変換領域を微小化することが可能にな
り、結果として低剛性の変換領域が得られるため微小な
応力の計測が可能になる。
(Action / Effect) Stress converting stress into strain By integrally forming a detecting portion for sensing in the stress-strain converting region, it becomes possible to miniaturize the converting region, resulting in conversion of low rigidity. Since the area is obtained, it becomes possible to measure minute stress.

【0109】13.前記半導体基板は、前記検出部の両端
に、検出部よりも高い剛性を有する高剛性領域を備えた
ことを特徴とする前記5.記載の力覚センサー。
13. 4. The semiconductor substrate is provided with high-rigidity regions having higher rigidity than the detection unit at both ends of the detection unit. The force sensor described.

【0110】(構成)実施形態4が該当する。(Structure) This corresponds to the fourth embodiment.

【0111】(作用・効果)検出部(センシング素子)
が形成されている領域の剛性が隣接する両端部の剛性よ
りも小さいので、把持部に応力が加わったときの検出部
の歪みが大きくなるため計測精度が向上する。また、検
出部と把持部の距離が大きくなるので、把持操作に伴う
温度変化の影響が小さくなり検出部の温度ドリフトが減
少する。
(Operation / Effect) Detection Unit (Sensing Element)
Since the rigidity of the region in which is formed is smaller than the rigidity of both end portions adjacent to each other, the distortion of the detection portion when stress is applied to the gripping portion is increased, and therefore the measurement accuracy is improved. Further, since the distance between the detection unit and the gripping unit becomes large, the influence of temperature change due to the gripping operation is reduced, and the temperature drift of the detection unit is reduced.

【0112】14.(構成)表面が一導電型の薄板状の半
導体基板と、この半導体基板上に形成された可撓性部
と、この可撓性部を挟んで前記半導体基板上に形成さ
れ、半導体基板上に加えられる応力を検出する2つの検
出部と、前記可撓性部を挟んで前記半導体基板上に形成
され、前記検出部を支持する2つの基部と、前記半導体
基板及び前記可撓性部に形成され、前記2つの検出部を
電気的に接続する配線部とからなる力覚センサーにおい
て、前記可撓性部を湾曲させることにより、前記2つの
検出部を対向配置させたことを特徴する力覚センサー。
14. (Structure) A thin-film semiconductor substrate having one conductivity type surface, a flexible portion formed on the semiconductor substrate, and the flexible substrate formed on the semiconductor substrate with the flexible portion interposed therebetween. Two detection parts for detecting the stress applied, two base parts formed on the semiconductor substrate with the flexible part sandwiched therebetween and supporting the detection part, and formed on the semiconductor substrate and the flexible part. In the force sensor including the wiring portion electrically connecting the two detection portions, the two detection portions are arranged to face each other by bending the flexible portion. sensor.

【0113】(構成)実施形態5が対応する。(Structure) This corresponds to the fifth embodiment.

【0114】(作用・効果)対向して配置された検出部
となる薄板状の半導体領域に形成された歪みセンシング
素子によって、多軸の応力センシングを可能にし、これ
らのセンシング素子の配線が可撓性である可撓性薄膜配
線層によって接続されているために、一つの面に電極を
配置できる。
(Operation / Effect) Multi-axial stress sensing is enabled by the strain sensing elements formed in the thin plate-shaped semiconductor regions serving as the detection sections which are arranged facing each other, and the wiring of these sensing elements is flexible. The electrodes can be placed on one side because they are connected by flexible flexible thin film wiring layers.

【0115】15.前記2つの検出部の内の少なくとも一
方の検出部に、物体を把持したときの応力を検出するよ
うに、前記基部から前記検出部方向に延在する方向に沿
って設けられた把持部を備えたことを特徴する前記14.
記載の力覚センサー。
15. At least one of the two detectors is provided with a grip provided along a direction extending from the base toward the detector so as to detect stress when gripping an object. 14. The above-mentioned 14.
The force sensor described.

【0116】(構成)実施形態5が該当する。(Structure) The fifth embodiment is applicable.

【0117】(作用・効果)応力の方向を分離して計測
することができる力覚センサーに把持部が一体に設けら
れているので、小型で高精度の多軸応力センサーを備え
た把持部付きの力覚センサーが得られる。
(Operation / Effect) Since the force sensor capable of separating and measuring the directions of stress is integrally provided with the grip portion, the grip portion is provided with a compact and highly accurate multi-axis stress sensor. The force sensor of is obtained.

【0118】16.前記半導体基板に、前記基部から前記
検出部方向に延在する方向にスリットを設け、前記2つ
の検出部は、前記スリットにより互いに空間的に分離さ
れた少なくとも2つの検出手段を備えたことを特徴する
前記14.記載の力覚センサー。
16. A slit is provided on the semiconductor substrate in a direction extending from the base portion toward the detection unit, and the two detection units include at least two detection means spatially separated from each other by the slit. 14. The force sensor described.

【0119】(構成)実施形態5が対応する。(Structure) This corresponds to the fifth embodiment.

【0120】(作用・効果)スリットが設けられている
ことによって、感圧部に応力が加えられた場合の歪みを
大きくすることができるので応力の計測感度が向上す
る。
(Operation / Effect) Since the slits are provided, the strain when the stress is applied to the pressure sensitive portion can be increased, so that the stress measurement sensitivity is improved.

【0121】17.前記検出部は、前記把持部に加えられ
る応力を歪みに変換する応力歪み変換(センシング)領
域と、この応力歪み変換(センシング)領域内に設けら
れ、前記歪みを電気信号に変換して出力する歪み検出部
とからなることを特徴とする前記14.記載の力覚センサ
ー。
17. The detection unit is provided in a stress-strain conversion (sensing) region that converts a stress applied to the gripping unit into a strain, and in the stress-strain conversion (sensing) region, converts the strain into an electric signal and outputs the electric signal. 14. The above-mentioned 14. characterized in that it comprises a distortion detector. The force sensor described.

【0122】(構成)実施形態5が該当する。応力歪み
変換(センシング)領域(シリコンの支柱)104a、104
b、104c、104dに歪み検出部(センシング素子)107a、1
07b、107c、107dがそれぞれ形成されている。
(Structure) The fifth embodiment is applicable. Stress-strain conversion (sensing) area (silicon column) 104a, 104
Distortion detectors (sensing elements) 107a, 1 on b, 104c, 104d
07b, 107c and 107d are formed respectively.

【0123】(作用・効果)応力を歪みに変換する応力
歪み変換領域にセンシングのための検出部を一体に形成
することによって変換領域を微小化することが可能にな
り、結果として低剛性の変換領域が得られるため微小な
応力の計測が可能になる。
(Operation / Effect) Stress converting stress into strain By integrally forming a sensing portion for sensing in the strain converting region, it becomes possible to miniaturize the converting region, resulting in conversion of low rigidity. Since the area is obtained, it becomes possible to measure minute stress.

【0124】18.前記半導体基板は、前記検出部の両端
に、検出部よりも高い剛性を有する高剛性領域を備えた
ことを特徴とする前記14.記載の力覚センサー。
18. 14. The semiconductor substrate is provided with high-rigidity regions having rigidity higher than that of the detection unit at both ends of the detection unit. The force sensor described.

【0125】(作用・効果)検出部(センシング素子)
が形成されている領域の剛性が隣接する両端部の剛性よ
りも小さいので、把持部に応力が加わったときの検出部
の歪みが大きくなるため計測精度が向上する。また、検
出部と把持部の距離が大きくなるので、把持操作に伴う
温度変化の影響が小さくなり検出部の温度ドリフトが減
少する。
(Operation / Effect) Detection Unit (Sensing Element)
Since the rigidity of the region in which is formed is smaller than the rigidity of both end portions adjacent to each other, the distortion of the detection portion when stress is applied to the gripping portion is increased, and therefore the measurement accuracy is improved. Further, since the distance between the detection unit and the gripping unit becomes large, the influence of temperature change due to the gripping operation is reduced, and the temperature drift of the detection unit is reduced.

【0126】19.前記基部または前記高剛性領域に、前
記配線部を介して前記検出部に接続され、信号増幅回路
或いはスイッチング回路などの電子回路或いは温度補償
素子を含む制御部を設けたことを特徴する前記1.〜1
8.記載の力覚センサー。
19. 1. A control unit, which is connected to the detection unit via the wiring unit and is provided with an electronic circuit such as a signal amplification circuit or a switching circuit, or a temperature compensation element, is provided in the base portion or the high rigidity region. ~ 1
8. The force sensor described.

【0127】(構成)実施形態4、5の形態が該当す
る。実施形態4を例に取れば、基部71に電子回路80が形
成されている。
(Structure) The forms of Embodiments 4 and 5 are applicable. Taking the fourth embodiment as an example, an electronic circuit 80 is formed on the base 71.

【0128】(作用・効果)この回路の機能によって、
把持部付きの力覚センサーと外部コントローラの間のエ
ネルギー供給や信号伝達は比較的少ない配線によって実
現できる。加えて、センサーに近接してブリッジ回路や
アンプを配置できるので耐ノイズ性の高い応力計測が可
能になる。
(Operation / Effect) By the function of this circuit,
Energy supply and signal transmission between the force sensor with the grip and the external controller can be realized with relatively few wires. In addition, since a bridge circuit and amplifier can be placed close to the sensor, it is possible to perform stress measurement with high noise resistance.

【0129】20.他の導電型の半導体基板の表面に一導
電型の拡散層を形成する工程と、該半導体基板の表面を
保護した状態で裏面側からアルカリ性溶液でエッチング
し、この際に該一導電型の拡散層をアノードとして、該
アルカリ性溶液をカソードとする電気化学エッチングに
よって該拡散層を前記表面が一導電型の薄板状の半導体
領域または把持部として残存させることを特徴とする前
記1.〜19.記載の力覚センサー。
20. A step of forming a diffusion layer of one conductivity type on the surface of a semiconductor substrate of another conductivity type, and etching with an alkaline solution from the back surface side while the surface of the semiconductor substrate is protected, and at this time, diffusion of the one conductivity type 1. The layer is used as an anode, and the diffusion layer is left as a thin plate-shaped semiconductor region having one conductivity type or a gripping portion by electrochemical etching using the alkaline solution as a cathode. ~ 19. The force sensor described.

【0130】(構成)実施形態1、4、5の製造方法が
該当する。
(Structure) This corresponds to the manufacturing method of the first, fourth, and fifth embodiments.

【0131】(作用・効果)電気化学エッチングによっ
て残存させる領域の厚さを、N型拡散層の接合深さとP
N接合のバイアス印加時のP型領域側での空乏層の拡が
りを制御することによって残存させるシリコンの厚さを
広い範囲で制御することができる。この電気化学エッチ
ングで薄いシリコンを残存させる手法の形状制御性は不
純物濃度分布及びバイアス印加時の電位分布の制御性で
規定されるが、イオン注入とフォトリソグラフィー及び
熱拡散の制御性は半導体製造技術で用いられるもので制
御性は極めて高い。従って、従来の機械加工と比較する
と極めて再現性良く微小構造体を製作することができ
る。しかも把持部付きの力覚センサー自体が小さいの
で、バッチ処理によって量産が可能で、製造コストを低
減することができる。
(Function / Effect) The thickness of the region left by the electrochemical etching is determined by the junction depth of the N-type diffusion layer and P
By controlling the spread of the depletion layer on the P-type region side when the bias of the N-junction is applied, the thickness of the remaining silicon can be controlled in a wide range. The shape controllability of the method of leaving thin silicon by this electrochemical etching is defined by the controllability of the impurity concentration distribution and the potential distribution when a bias is applied, but the controllability of ion implantation, photolithography and thermal diffusion is the semiconductor manufacturing technology. The controllability is extremely high. Therefore, the microstructure can be manufactured with extremely high reproducibility as compared with the conventional machining. Moreover, since the force sensor itself with the grip portion is small, mass production is possible by batch processing, and the manufacturing cost can be reduced.

【0132】21.他の導電型の半導体基板の表面に、一
導電型の接合深さの深い拡散層と一導電型の接合深さの
浅い拡散層を形成する工程と、該半導体基板の表面を保
護した状態で裏面側からアルカリ性溶液でエッチング
し、この際に該一導電型の拡散層をアノードとして、該
アルカリ性溶液をカソードとする電気化学エッチングに
よって、該接合深さの浅い拡散層の領域を残存させてこ
れを前記表面が一導電型の薄板状の半導体とし、該接合
深さの深い拡散層を残存させてこれを前記基部または高
剛性の領域または把持部とすることを特徴とする前記
1.〜19.記載の力覚センサーの製造方法。
21. A step of forming a diffusion layer having a deep junction depth of one conductivity type and a diffusion layer having a shallow junction depth of one conductivity type on the surface of a semiconductor substrate of another conductivity type; Etching from the back surface side with an alkaline solution, in which case the diffusion layer of one conductivity type is used as an anode and the alkaline solution is used as a cathode to leave a region of the diffusion layer having a shallow junction depth, which is left unetched. Is a semiconductor of a thin plate type having one conductivity type on the surface, and a diffusion layer having a deep junction depth is left to serve as the base portion, a highly rigid region, or a grip portion. ~ 19. A method for manufacturing the force sensor described.

【0133】(構成)実施形態1、4、5の製造方法が
該当する。
(Structure) This corresponds to the manufacturing method of the first, fourth, and fifth embodiments.

【0134】(作用・効果)応力によって大きな歪みを
得ることが望ましいセンシング領域の拡散層の接合深さ
を浅くして、歪みを大きく受けないことが望ましい高剛
性領域若しくは基部に該当する領域の拡散層の接合深さ
を大きくすることによって、電気化学エッチングで残存
させる厚さを制御する。この方法では厚さ及び平面形状
の制御性は不純物濃度分布及びバイアス印加時の電位分
布の制御性で規定されるが、イオン注入とフォトリソグ
ラフィー及び熱拡散の制御性は半導体製造技術で用いら
れるもので制御性は極めて高い。従って、従来の機械加
工と比較すると極めて再現性良く微小構造体を製作する
ことができる。
(Action / Effect) It is desirable to obtain a large strain due to stress. It is desirable that the junction depth of the diffusion layer in the sensing region is made shallow so that the strain is not significantly received. By increasing the junction depth of the layers, the thickness left for electrochemical etching is controlled. In this method, the controllability of the thickness and the planar shape is defined by the controllability of the impurity concentration distribution and the potential distribution when a bias is applied, but the controllability of ion implantation, photolithography and thermal diffusion is used in semiconductor manufacturing technology. The controllability is extremely high. Therefore, the microstructure can be manufactured with extremely high reproducibility as compared with the conventional machining.

【0135】22.他の導電型の半導体基板の表面の所定
領域に他の導電型の基板よりも高濃度の拡散層を設ける
工程と、該半導体基板の表面の所定領域に該他の導電型
の基板よりも高濃度の拡散層よりも高濃度の一導電型の
拡散層を形成する工程と、該半導体基板の表面を保護し
た状態で裏面側からアルカリ性溶液でエッチングし、こ
の際に該一導電型の拡散層をアノードとして、該アルカ
リ性溶液をカソードとする電気化学エッチングによって
第一導電型の拡散層の領域を残存させ、該他の導電型の
基板よりも高濃度の拡散層が形成された領域とされてい
ない領域で異なる厚さの半導体を残存させることを特徴
とする前記1.〜19.記載の力覚センサの製造方法。
22. A step of providing a diffusion layer having a higher concentration than that of the other conductive type substrate on a predetermined area of the surface of the other conductive type semiconductor substrate; Forming a diffusion layer of one conductivity type having a concentration higher than that of the diffusion layer having a higher concentration, and etching with an alkaline solution from the back surface side while protecting the surface of the semiconductor substrate, and at this time, the diffusion layer of one conductivity type Is used as an anode, and a region of the diffusion layer of the first conductivity type is left by electrochemical etching using the alkaline solution as a cathode to form a region in which a diffusion layer having a higher concentration than that of the other conductivity type substrate is formed. 1. A semiconductor having a different thickness is left in a non-existing region. ~ 19. A method for manufacturing the force sensor described.

【0136】(構成)実施例1、4、5が該当する。実
施形態4においては、センシング領域に該当するN型拡
散層96の接合部近傍のP型側の濃度は、P型拡散層94の
ために、把持部に該当する領域のN型拡散層96の接合部
近傍のP型側の濃度よりも高い。このため、電気化学エ
ッチング時の空乏層の幅が異なり、結果として厚さの異
なる残存領域が得られる。
(Structure) Examples 1, 4, and 5 are applicable. In the fourth embodiment, the concentration on the P-type side in the vicinity of the junction of the N-type diffusion layer 96 corresponding to the sensing region is the same as that of the N-type diffusion layer 96 in the region corresponding to the grip portion because of the P-type diffusion layer 94. It is higher than the concentration on the P-type side near the junction. Therefore, the width of the depletion layer at the time of electrochemical etching is different, and as a result, the remaining regions having different thicknesses are obtained.

【0137】(作用・効果)電気化学エッチングの際に
P型側のPN接合近傍の不純物濃度を変えることで、残
存する膜厚を制御する。この方法でセンシング領域と基
部や高剛性とすべき領域の厚さの差を得ることができ
る。
(Operation / Effect) The remaining film thickness is controlled by changing the impurity concentration in the vicinity of the P-type PN junction during the electrochemical etching. By this method, it is possible to obtain the difference in thickness between the sensing region and the base or the region where high rigidity is required.

【0138】23.前記20.〜22.の力覚センサまたは把
持装置の製造方法において、残存させるべき一導電型の
拡散層の外周部に高濃度の他の導電型の拡散層を形成す
ることを特徴とする前記1.〜19.記載の力覚センサの
製造方法。
23. 20. ~twenty two. In the method for manufacturing a force sensor or a gripping device according to the above item 1, a high-concentration diffusion layer of another conductivity type is formed on the outer peripheral portion of the diffusion layer of one conductivity type to be left. ~ 19. A method for manufacturing the force sensor described.

【0139】(構成)実施形態1、4、5の製造方法が
該当する。実施形態1においては、N型拡散層105 及び
104 の外周部に高濃度のP型ガードリング領域106 が形
成されている。
(Structure) This corresponds to the manufacturing method of Embodiments 1, 4, and 5. In the first embodiment, the N-type diffusion layer 105 and
A high-concentration P-type guard ring region 106 is formed on the outer peripheral portion of 104.

【0140】(作用・効果)電気化学エッチングによっ
てN型拡散層の領域を残存させる際に、外周部に高濃度
のP型拡散層を配置することによってPN接合の空乏層
の拡がりを抑制することによって、残存する領域の形状
精度を向上させる。
(Operation / Effect) When a region of the N-type diffusion layer is left by electrochemical etching, a high-concentration P-type diffusion layer is arranged in the outer peripheral portion to suppress the expansion of the depletion layer of the PN junction. This improves the shape accuracy of the remaining region.

【0141】24.他の導電型の半導体基板上に、第1の
センシング領域に接続された配線が延在する基部となる
領域と、第2のセンシング領域に接続された配線が延在
する基部となる領域の間に各々の領域の配線に接続する
ための開口部を設けた可撓性薄膜を形成する工程と、該
可撓性薄膜上の各々の領域を電気的に接続するための配
線を形成する工程と、該第1のセンシング領域に接続さ
れた配線が延在する基部となる領域と、該第2のセンシ
ング領域に接続された配線が延在する基部となる領域の
間の該半導体基板を除去する工程と、該第1のセンシン
グ領域に接続された配線が延在する基部となる領域と、
該第2のセンシング領域に接続された配線が延在する基
部となる領域を裏面同士で接合する工程を有することを
特徴とする前記14.〜18.記載の力覚センサーの製造方
法。
24. Between a region serving as a base portion on which the wiring connected to the first sensing region extends and a region serving as a base portion on which the wiring connected to the second sensing region extends, on a semiconductor substrate of another conductivity type. A step of forming a flexible thin film provided with an opening for connecting to a wiring in each region, and a step of forming a wiring for electrically connecting each region on the flexible thin film And removing the semiconductor substrate between a region serving as a base portion on which the wiring connected to the first sensing region extends and a region serving as a base portion extending on the wiring connected to the second sensing region. A step, and a region serving as a base on which the wiring connected to the first sensing region extends,
14. The method according to the above 14, characterized in that the method further comprises a step of joining the areas, which are the bases, in which the wirings connected to the second sensing area extend, to each other on the back surfaces. ~ 18. A method for manufacturing the force sensor described.

【0142】(構成)実施態様5の製造方法が該当す
る。P型の半導体基板上に、N型拡散層123a及び123b上
を第1の後側基部103 に該当する領域まで延在する配線
とN型拡散層123c及び123d上を領域123eまで延在する配
線を相互接続するために、ポリイミド膜125 及び127 と
配線126a、126bより成る可撓性配線薄膜を形成する工程
と、N型拡散層123a〜123fが形成された領域と基部とな
る領域以外の領域の基板を電気化学エッチングによって
除去する工程と、基部103 に該当する領域とN型拡散層
123eに該当する領域の裏面同士を接合する工程を有す
る。
(Structure) The manufacturing method of Embodiment 5 is applicable. On the P-type semiconductor substrate, the wiring extending on the N-type diffusion layers 123a and 123b to the region corresponding to the first rear side base 103 and the wiring extending on the N-type diffusion layers 123c and 123d to the region 123e. And a region other than the region where the N-type diffusion layers 123a to 123f are formed and the region which is the base, for forming the flexible wiring thin film including the polyimide films 125 and 127 and the wirings 126a and 126b. Of removing the substrate by electrochemical etching, the region corresponding to the base 103 and the N-type diffusion layer
There is a step of joining the back surfaces of the regions corresponding to 123e.

【0143】(作用・効果)把持部付き3軸力覚センサ
ーをモノリシックで形成し、簡単な組立で得ることがで
きる。加えて3次元の構造を有するにも関わらず、全て
の電極パッドが1つの面に形成されているので、外部装
置へのリード線接続が容易である。また、素子形成や電
子回路はもちろん、構造体形成にも半導体製造技術が適
用されるので、微小で加工性との高い把持部付き力覚セ
ンサーがバッチ処理により低コストで生産することがで
きる。
(Operation / Effect) The triaxial force sensor with the grip portion is monolithically formed and can be obtained by simple assembly. In addition, since all the electrode pads are formed on one surface despite having a three-dimensional structure, it is easy to connect lead wires to an external device. Further, since the semiconductor manufacturing technique is applied not only to the element formation and the electronic circuit but also to the structure formation, a force sensor with a gripping portion which is minute and has high workability can be produced at low cost by batch processing.

【0144】[0144]

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、従
来のように剛性の小さい微小構造体に高感度の歪みセン
サーを固定することなく、マイクロマニピュレータに適
用可能な高感度で微小な力覚センサーを提供できる。
As described in detail above, according to the present invention, it is possible to apply a high-sensitivity and small-scale application to a micromanipulator without fixing a high-sensitivity strain sensor to a microstructure having a small rigidity as in the prior art. A force sensor can be provided.

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

【図1】本発明の実施例1に係る力覚センサーの平面
図。
FIG. 1 is a plan view of a force sensor according to a first embodiment of the present invention.

【図2】図1のX−X線に沿う断面図。FIG. 2 is a sectional view taken along line XX of FIG. 1;

【図3】図1の力覚センサーの一構成であるセンシング
素子の説明図で、図3(A)は平面図、図3(B)は図
3(A)のX−X線に沿う断面図。
3A and 3B are explanatory views of a sensing element which is one configuration of the force sensor of FIG. 1, FIG. 3A is a plan view, and FIG. 3B is a cross section taken along line XX of FIG. 3A. Fig.

【図4】本発明の実施例2に係る力覚センサーの説明図
で、図4(A)は同力覚センサーの特に配線領域の平面
図、図4(B)は図4(A)のX−X線に沿う断面図。
FIG. 4 is an explanatory view of a force sensor according to a second embodiment of the present invention, FIG. 4 (A) is a plan view of a wiring region of the force sensor, and FIG. 4 (B) is a plan view of FIG. 4 (A). Sectional drawing which follows the XX line.

【図5】本発明の実施例3に係る力覚センサーの説明図
で、図5(A)は同力覚センサーの特に配線領域の平面
図、図5(B)は図5(A)のX−X線に沿う断面図。
5A and 5B are explanatory views of a force sensor according to a third embodiment of the present invention. FIG. 5A is a plan view of a wiring region of the force sensor, and FIG. 5B is a plan view of FIG. 5A. Sectional drawing which follows the XX line.

【図6】本発明の実施例4に係る力覚センサーの平面
図。
FIG. 6 is a plan view of a force sensor according to a fourth embodiment of the present invention.

【図7】図7(A)は図6のX−X線に沿う断面図、図
7(B)は図6のY−Y線に沿う断面図。
7A is a sectional view taken along line XX of FIG. 6, and FIG. 7B is a sectional view taken along line YY of FIG.

【図8】本発明の実施例5に係る力覚センサーの説明図
で、図8(A)は同力覚センサーの平面図、図8(B)
は図8(A)のX−X線に沿う断面図、図8(C)は同
力覚センサーの正面図。
8A and 8B are explanatory views of a force sensor according to a fifth embodiment of the present invention, FIG. 8A is a plan view of the force sensor, and FIG.
Is a cross-sectional view taken along line XX in FIG. 8A, and FIG. 8C is a front view of the force sensor.

【図9】図8の力覚センサーの斜視図。9 is a perspective view of the force sensor of FIG.

【図10】本発明の実施例1に係る力覚センサーの製造
方法の一工程図でかつ基板裏面にシリコン窒化膜パター
ンを形成するまでの説明図で、図10(A)は平面図、
図10(B)は図10(A)のX−X線に沿う断面図。
FIG. 10 is a process drawing of the method of manufacturing the force sensor according to the first embodiment of the present invention, and is an explanatory view until a silicon nitride film pattern is formed on the back surface of the substrate, FIG.
FIG. 10B is a cross-sectional view taken along line XX of FIG.

【図11】本発明の実施例1に係る力覚センサーの製造
方法の一工程図でかつ基板表面に深い拡散層を形成する
までの説明図で、図11(A)は平面図、図11(B)
は図11(A)のX−X線に沿う断面図。
FIG. 11 is a process chart of the method for manufacturing the force sensor according to the first embodiment of the present invention, and is an explanatory view until a deep diffusion layer is formed on the substrate surface, FIG. 11 (A) is a plan view, and FIG. (B)
Is a cross-sectional view taken along line XX of FIG.

【図12】本発明の実施例1に係る力覚センサーの製造
方法の一工程図でかつ基板表面に図11の拡散層よりも
浅い拡散層を形成するまでの説明図で、図12(A)は
平面図、図12(B)は図12(A)のX−X線に沿う
断面図。
FIG. 12 is a process chart of the method of manufacturing the force sensor according to the first embodiment of the present invention, and is an explanatory view until a diffusion layer shallower than the diffusion layer of FIG. 11 is formed on the substrate surface. 12A is a plan view, and FIG. 12B is a cross-sectional view taken along line XX of FIG. 12A.

【図13】本発明の実施例1に係る力覚センサーの製造
方法の一工程図でかつ基板表面にセンシング素子,温度
補償素子及び高濃度の拡散層を形成するまでの説明図
で、図13(A)は平面図、図13(B)は図13
(A)のX−X線に沿う断面図。
FIG. 13 is a process chart of the method for manufacturing the force sensor according to the first embodiment of the present invention, and is an explanatory view until a sensing element, a temperature compensation element, and a high-concentration diffusion layer are formed on the substrate surface. 13A is a plan view and FIG. 13B is FIG.
Sectional drawing which follows the XX line of (A).

【図14】本発明の実施例1に係る力覚センサーの製造
方法の一工程図でかつ基板表面にコンタクト孔及び配線
を形成するまでの説明図で、図14(A)は平面図、図
14(B)は図14(A)のX−X線に沿う断面図。
FIG. 14 is a process diagram of the method of manufacturing the force sensor according to the first embodiment of the present invention, and is an explanatory diagram up to forming contact holes and wirings on the surface of the substrate, FIG. 14B is a cross-sectional view taken along the line XX of FIG.

【図15】本発明の実施例1に係る力覚センサーの製造
方法の一工程図でかつ基板表面に電極パッド用の開口部
を形成するまでの説明図で、図15(A)は平面図、図
15(B)は図15(A)のX−X線に沿う断面図。
FIG. 15 is a process drawing of the method of manufacturing the force sensor according to the first embodiment of the present invention, which is an explanatory view until an opening for an electrode pad is formed on the substrate surface, and FIG. 15B is a cross-sectional view taken along line XX of FIG. 15A.

【図16】本発明の実施例1に係る力覚センサーの製造
方法の一工程図でかつ基板裏面側をエッチングするまで
の説明図で、図16(A)は平面図、図16(B)は図
16(A)のX−X線に沿う断面図。
FIG. 16 is a process diagram of the method of manufacturing the force sensor according to the first embodiment of the present invention and is an explanatory diagram up to etching the back surface side of the substrate, FIG. 16 (A) being a plan view and FIG. 16 (B). 16A is a cross-sectional view taken along line XX of FIG.

【図17】本発明の実施例1に係る力覚センサーの製造
方法の最終工程図で、図17(A)は平面図、図17
(B)は図17(A)のX−X線に沿う断面図。
FIG. 17 is a final step diagram of the method for manufacturing the force sensor according to the first embodiment of the present invention, FIG. 17 (A) is a plan view, and FIG.
17B is a cross-sectional view taken along line XX of FIG.

【図18】本発明の実施例4に係る力覚センサーの製造
方法の一工程図でかつ基板裏面にシリコン窒化膜パター
ンを形成するまでの説明図で、図18(A)は平面図、
図18(B)は図18(A)のX−X線に沿う断面図。
FIG. 18 is a process drawing of the method of manufacturing the force sensor according to the fourth embodiment of the present invention, and is an explanatory view until a silicon nitride film pattern is formed on the back surface of the substrate, FIG.
18B is a cross-sectional view taken along line XX of FIG.

【図19】本発明の実施例4に係る力覚センサーの製造
方法の一工程図でかつ基板表面に深い拡散層を形成する
までの説明図で、図19(A)は平面図、図19(B)
は図19(A)のX−X線に沿う断面図。
FIG. 19 is a process chart of the method of manufacturing the force sensor according to the fourth embodiment of the present invention, and is an explanatory view until a deep diffusion layer is formed on the substrate surface, FIG. 19 (A) is a plan view, and FIG. (B)
Is a cross-sectional view taken along line XX of FIG.

【図20】本発明の実施例4に係る力覚センサーの製造
方法の一工程図でかつ基板表面に1つのセンシング素子
及び1つの温度補償素子を設ける領域に窪みを形成する
までの説明図で、図20(A)は平面図、図20(B)
は図20(A)のX−X線に沿う断面図。
FIG. 20 is a process chart of the method for manufacturing the force sensor according to the fourth embodiment of the present invention, and is an explanatory diagram up to forming a depression in a region where one sensing element and one temperature compensation element are provided on the substrate surface. , FIG. 20 (A) is a plan view, and FIG. 20 (B).
20A is a cross-sectional view taken along line XX of FIG.

【図21】本発明の実施例4に係る力覚センサーの製造
方法の一工程図でかつ基板表面にN型拡散層を形成する
までの平面図。
FIG. 21 is a process drawing of the method of manufacturing the force sensor according to the fourth embodiment of the present invention, and is a plan view showing a process for forming an N-type diffusion layer on the substrate surface.

【図22】図22(A)は図21(A)のX−X線に沿
う断面図、図22(B)は図22(A)のY−Y線に沿
う断面図。
22A is a cross-sectional view taken along line XX of FIG. 21A, and FIG. 22B is a cross-sectional view taken along line YY of FIG.

【図23】本発明の実施例4に係る力覚センサーの製造
方法の一工程図でかつ基板表面にセンシング素子、温度
補償素子、電子回路及び高濃度拡散層を形成するまでの
平面図。
FIG. 23 is a process view of the method of manufacturing the force sensor according to the fourth embodiment of the present invention, and is a plan view of forming a sensing element, a temperature compensation element, an electronic circuit, and a high-concentration diffusion layer on the surface of the substrate.

【図24】図24(A)は図23のX−X線に沿う断面
図、図24(B)は図23のY−Y線に沿う断面図。
24A is a sectional view taken along line XX of FIG. 23, and FIG. 24B is a sectional view taken along line YY of FIG.

【図25】本発明の実施例4に係る力覚センサーの製造
方法の一工程図でかつ基板表面に絶縁膜、コンタクト
孔、配線パターン、ポリイミド膜及びパッド開口部を形
成するまでの平面図。
FIG. 25 is a process view of the method of manufacturing the force sensor according to the fourth embodiment of the present invention, and is a plan view of forming an insulating film, a contact hole, a wiring pattern, a polyimide film, and a pad opening on the substrate surface.

【図26】図26(A)は図25のX−X線に沿う断面
図、図26(B)は図25のY−Y線に沿う断面図。
26A is a sectional view taken along line XX of FIG. 25, and FIG. 26B is a sectional view taken along line YY of FIG. 25.

【図27】本発明の実施例4に係る力覚センサーの製造
方法の一工程図でかつ基板裏面側をエッチングするまで
の平面図。
FIG. 27 is a process view of the method of manufacturing the force sensor according to the fourth embodiment of the present invention, and is a plan view until the back surface of the substrate is etched.

【図28】図28(A)は図27のX−X線に沿う断面
図、図28(B)は図27のY−Y線に沿う断面図。
28A is a sectional view taken along line XX of FIG. 27, and FIG. 28B is a sectional view taken along line YY of FIG. 27.

【図29】本発明の実施例4に係る力覚センサーの製造
方法の最終工程を示す平面図。
FIG. 29 is a plan view showing the final step of the method for manufacturing the force sensor according to Example 4 of the present invention.

【図30】図30(A)は図29のX−X線に沿う断面
図、図30(B)は図29のY−Y線に沿う断面図。
30A is a sectional view taken along line XX of FIG. 29, and FIG. 30B is a sectional view taken along line YY of FIG. 29.

【図31】本発明の実施例5に係る力覚センサーの製造
方法の一工程図でかつ基板裏面にシリコン窒化膜パター
ンを形成するまでの説明図で、図31(A)は平面図、
図31(B)は図31(A)のX−X線に沿う断面図。
FIG. 31 is a process chart of the method of manufacturing the force sensor according to the fifth embodiment of the present invention, and is an explanatory view until a silicon nitride film pattern is formed on the back surface of the substrate, FIG. 31 (A) is a plan view,
31B is a cross-sectional view taken along line XX of FIG.

【図32】本発明の実施例5に係る力覚センサーの製造
方法の一工程図でかつ基板表面に深い拡散層と高濃度拡
散層を形成するまでの説明図で、図32(A)は平面
図、図32(B)は図32(A)のX−X線に沿う断面
図。
FIG. 32 is a process chart of the method of manufacturing the force sensor according to the fifth embodiment of the present invention, which is an explanatory diagram for forming a deep diffusion layer and a high-concentration diffusion layer on the substrate surface, and FIG. A plan view and FIG. 32B are cross-sectional views taken along line XX of FIG.

【図33】本発明の実施例5に係る力覚センサーの製造
方法の一工程図でかつ基板表面に歪みセンシング素子と
電子回路を接続する配線等を形成するまでの平面図。
FIG. 33 is a process view of the method of manufacturing the force sensor according to the fifth embodiment of the present invention, and is a plan view of forming a wiring connecting the strain sensing element and the electronic circuit on the surface of the substrate.

【図34】図34(A)は図33のX−X線に沿う断面
図、図34(B)は図33のY−Y線に沿う断面図。
34A is a sectional view taken along line XX of FIG. 33, and FIG. 34B is a sectional view taken along line YY of FIG.

【図35】本発明の実施例5に係る力覚センサーの製造
方法の一工程図でかつ基板裏面側をエッチングするまで
の平面図。
FIG. 35 is a process view of the method of manufacturing the force sensor according to the fifth embodiment of the present invention, and is a plan view of the back surface side of the substrate until it is etched.

【図36】図36(A)は図35のX−X線に沿う断面
図、図36(B)は図35のY−Y線に沿う断面図、図
36(C)は図35のZ−Z線に沿う断面図。
36A is a sectional view taken along line XX of FIG. 35, FIG. 36B is a sectional view taken along line YY of FIG. 35, and FIG. 36C is Z of FIG. -A sectional view taken along the line Z.

【図37】本発明の実施例5に係る力覚センサーの製造
方法の最終工程を示す平面図。
FIG. 37 is a plan view showing the final step of the method of manufacturing the force sensor according to Example 5 of the invention.

【図38】従来のマイクロマニピュレータの説明図。FIG. 38 is an explanatory diagram of a conventional micromanipulator.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1、71、102 、103 …基部、 2、72、106 …後部高剛性領域、 3、73a〜73c…センシング領域、 4、74、105 …前部高剛性領域、 5、75、101 …把持部、 6、78a〜78c、107a〜107d…歪みセンシング素子、 7、79a〜79c…温度補償素子、 9、10、11、12、13、14、15、45、46、47…配線、 17…開口部、 18、34a、34b、41、42、94…P型拡散層、 19、33a、33b、35、93a、93b、96、123a〜123d…N
型拡散層、 20、48a〜48c、98a、98b…P型の高濃度拡散層、 31…シリコン基板、 36、124 …ガードリング、 43…N型の高濃度拡散層、 44、49…コンタクト孔、 50、51、52…ショットキーダイオード、 76…スリット、 77、95a、95b…窪み、 80、108 …電子回路。
1, 71, 102, 103 ... Base part, 2, 72, 106 ... Rear high rigidity region, 3, 73a to 73c ... Sensing region, 4, 74, 105 ... Front high rigidity region, 5, 75, 101 ... Gripping part , 6, 78a to 78c, 107a to 107d ... Strain sensing element, 7, 79a to 79c ... Temperature compensation element, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 45, 46, 47 ... Wiring, 17 ... Opening Section, 18, 34a, 34b, 41, 42, 94 ... P-type diffusion layer, 19, 33a, 33b, 35, 93a, 93b, 96, 123a to 123d ... N
Type diffusion layer, 20, 48a to 48c, 98a, 98b ... P type high concentration diffusion layer, 31 ... Silicon substrate, 36, 124 ... Guard ring, 43 ... N type high concentration diffusion layer, 44, 49 ... Contact hole , 50, 51, 52 ... Schottky diode, 76 ... Slit, 77, 95a, 95b ... Dimple, 80, 108 ... Electronic circuit.

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 把持部と、該把持部に加えられる応力を
検出する検出部と、前記把持部及び検出部を支持する基
部と、前記検出部に接続され、前記基部まで延在して設
けられた配線部とを具備した力覚センサーにおいて、前
記把持部、検出部、基部及び配線部を薄板状の半導体基
板に一体的に形成したことを特徴とする力覚センサー。
1. A grip portion, a detection portion for detecting a stress applied to the grip portion, a base portion for supporting the grip portion and the detection portion, and a base portion connected to the detection portion and extending to the base portion. In the force sensor having the wiring portion, the grip portion, the detecting portion, the base portion and the wiring portion are integrally formed on a thin semiconductor substrate.
【請求項2】 表面が一導電型の薄板状の半導体基板
と、この半導体基板上に形成され、半導体基板上に加え
られる応力を検出する検出部と、前記半導体基板に形成
され、前記検出部を支持する基部と、前記検出部に接続
され、前記基部まで延在するように前記半導体基板上に
形成された配線部とを具備した力覚センサーにおいて、
前記検出部は、互いに直交する3方向の応力を検出する
ように、前記半導体基板上の異なる部位に設けられた少
なくとも3つの検出手段を備えたことを特徴する力覚セ
ンサー。
2. A semiconductor substrate having a thin plate-like surface of one conductivity type, a detection unit formed on the semiconductor substrate for detecting stress applied to the semiconductor substrate, and the detection unit formed on the semiconductor substrate. In a force sensor including a base portion that supports, and a wiring portion that is connected to the detection portion and that is formed on the semiconductor substrate so as to extend to the base portion,
The force sensor, wherein the detection unit includes at least three detection means provided at different portions on the semiconductor substrate so as to detect stress in three directions orthogonal to each other.
【請求項3】 表面が一導電型の薄板状の半導体基板
と、この半導体基板上に形成された可撓性部と、この可
撓性部を挟んで前記半導体基板上に形成され、半導体基
板上に加えられる応力を検出する2つの検出部と、前記
可撓性部を挟んで前記半導体基板上に形成され、前記検
出部を支持する2つの基部と、前記半導体基板及び前記
可撓性部に形成され、前記2つの検出部を電気的に接続
する配線部とを具備した力覚センサーにおいて、前記可
撓性部を湾曲させることにより、前記2つの検出部を対
向配置させたことを特徴する力覚センサー。
3. A semiconductor substrate in the form of a thin plate having a surface of one conductivity type, a flexible portion formed on the semiconductor substrate, and a semiconductor substrate formed on the semiconductor substrate with the flexible portion interposed therebetween. Two detectors for detecting stress applied on the two, two bases formed on the semiconductor substrate with the flexible portion interposed therebetween to support the detector, the semiconductor substrate and the flexible portion. In the force sensor having a wiring part that electrically connects the two detection parts to each other, the two detection parts are arranged to face each other by bending the flexible part. Force sensor to do.
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