JPS582466B2 - 半導体変位変換器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は半導体変位変喚器に関する。

特定な結晶軸方向を有する半導体単結晶はピエゾ抵抗を
有することが知られ、かかるピエゾ抵抗は半導体固有の
もので、従来の金属線型歪ゲージに比較して格段に優れ
た特性を示すことは周知の通りである。

一般に、半導体型変位変換器は第１図に示す各部材から
構成されている。

同図においで、１は歪伝達部材、２は歪検出体、３は接
着層、４は歪検出体２と外部回路を結ぶリード線である
。

即ち、歪伝達部材１の変位にともなう歪を接着層３を介
して歪検出体２に伝達し、その伝達歪量に対応する電気
出力をリード線４を通して外部回路に取出すものである
。

この際、電気出力中に種々の誘導雑音を含むことのない
ように歪検出体２が歪伝達部材１から電気的に絶縁され
るとともに、歪伝達部材１は接地される。

かかる構造物が変位変換器として有効に作動するために
は、歪検出体２を歪伝達部材１に強固に取付けるととも
に、両者間を電気的に絶縁する必要がある。

このような要請を満す半導体型変位変換器の具体例とし
て（１）半導体からなる歪検出体内にｐｎ接合を形成し
、このｐｎ接合障壁によって歪感応部（抵抗領域）と歪
伝達部材間を電気的に分離し、歪検出体−歪伝達部材間
を合金ソルダ（中間層）を介して接着したものや、（２
）半導体からなる歪検出体表面に絶縁性物質膜を形成し
この絶縁性物質膜によって歪検出体と歪伝達部材間を電
気的に分離し、歪検出体−歪伝達部材間を合金ソルダ（
中間層）を介して接着したものが知られている。

以上の構成を有する半導体型変位変換器に所望の特性、
性能を持たせるために不可欠な要件は（１）歪検出体（
歪感応領域〕−歪伝達部材間の電気的絶縁が完全である
こと、（２）歪検出体−歪伝達部材間の接着が強固に保
たれること、および（３）歪検出体−歪伝達部材間に介
在する中間層または接着剤層が歪伝達部材の変位量を吸
収もしくは緩和することなく、完全に歪検出体へ伝達す
ることである。

これらの要件のうち（１）に関しては上述の構成によっ
て実用性が認められている。

しかし、（２）および（３）に関しては、接着層は単体
金属で構成されることはほとんどなく、通常は単体金属
または合金層を積層した多層金属層で構成され、しかも
同層の構成元素は相互に異なる挙動を示すため、これら
２つの要件を同時に満した変位変換器を得るのに多くの
困難を伴うのが通例である。

例えば、半導体からなる歪検出体２および弾性金属から
なる歪伝達部材１をＰｂ−Ｓｎ系合金接着層３を介して
一体化した歪ゲージの場合、そのままでは上述の（２）
，（３）の要件を満すことは困難である。

これは、周知のごとくＰｂ−Ｓｎ系合金は弾性歪伝達部
材として一般的なファニコ材などに比べて極端に軟かく
、かつ塑性変形しやすく、したがって歪伝達部材の変位
量をかなりの程度に吸収する結果前記変位量を完全に歪
検出体２へ伝達し得ないからである。

本発明者らが確認したところによれば、接着層に厚さ３
μｍのＰｂ−Ｓｎ合金をそのまま用いた場合半導体歪検
出体への伝達変位量は歪伝達部材の変位量に対して４０
〜８０％であった。

このように接着層が軟かい場合、伝達変位量が接着層に
よって吸収、緩和される傾向はＰｂ−Ｓｎ系合金に限っ
たことではなく、例えば主要な成分系がＡｕ−Ｓｉ，Ａ
ｕ−Ｇｅ，Ａｕ−Ｓｎ系である合金などを、そのまま接
着層または中間層として用いた場合にも同様の傾向が見
出されている。

一方、中間層または接着層が硬すぎる場合は歪伝達部材
の変位に対する中間層または接着層自身の反発力が影響
してくるため、歪検出体への伝達変位量は歪伝達部材の
変位量より少なくなる。

例えば主要な成分系がＡｕ−Ｓｉ系でも銅ニッケル等の
添加量が多い場合半導体歪検出体へ伝達される変位量は
７０〜８５％である。

前述のように中間層または接着層が軟かい合金材で構成
されていると変位量を吸収、緩和する作用があり歪−出
力特性が直線的になりにくく、またこれに付随して多く
の場合接着層の塑性変形をともなう結果歪ゲージの特性
面で最も重要な歪−出力特性にヒステリシスを生ずる。

また、接着層が硬い場合は歪伝達部材の変位量が正確に
伝達されないため歪−出力特性にバラツキが多く歪ゲー
ジを量産する上で大きな障害になりやすい。

この種の欠点は中間層または接着層の厚さを薄くすれば
改善できることが知られている。

例えば有機接着剤を用いる場合には１μｍ以下に薄くす
れば有効であることが知られている。

しかし接着層をこのように薄くすることは接着の均一性
がそこなわれるという新たな問題をひきおこすことにな
る。

本発明は前述の欠点を改善し、歪伝達部材の変位量を正
確に歪検出体へ伝達することが可能な半導体変位変換器
を提供するものである。

本発明の半導体変位変喚器は歪感応領域を備えた半導体
単結晶歪検出体と、この歪検出体に変位を伝達する歪伝
達部材とを中間層を介して一体化してなる半導体変位変
換器においで、この中間層に前記歪伝達部材の硬さの０
．５倍ないし１．５倍の範囲から選択された硬さを具備
せしめたことを特徴とする。

このことにより接着層の厚さを実用的な厚さまで増して
も０．２％級の高精度変位変換器を容易に提供できる。

本発明をさらに詳細に説明する，本発明は、歪伝達部材
１から歪検出体２に伝えられる変位量または変位伝達率
は接着層である中間層の硬さと相関を有する、という本
発明者らによって見出された実験事実に基づくものであ
る。

第２図はこの相関関係を示す図で、変位伝達率（＝歪検
出体の変位量／歪伝達部材の変位量）は歪伝達部材に対
する接着層すなわち中間層む硬さ比（接着層の硬さ／歪
伝達部材の硬さ）の対数に比例しで増加し、硬さ比約０
．５で伝達率は約０．９５に達し、硬さ比約０．５〜１
．５の範囲では伝達率は約０．９５に保たれ、そして硬
さ比が１．５を越えると硬さ比の対数に反比例して減少
する。

即ち、硬さ比領域０．５〜１．５では、歪伝達部材の変
位量にほぼ匹敵する変位量が歪伝達部材１から歪検出体
２へ伝達される。

したがつで、中間層または接着層３の硬さを歪伝達部材
１の硬さに応じて、前述の硬さ比が０．５〜１．５の範
囲に入るように選ぶことにより、前記（３）の要件を満
足する変位変換器を得ることが可能である。

また第２図から、硬さ比０．８〜１．３５の範囲では変
位伝達率かほゾ一定に保たれ、特に好適であることがわ
かる。

中間層または接着層３の硬さを所望の値に調節するには
、（１）主要な合金、例えばＡｕ−Ｇｅ，Ａｕ−Ｓｉ，
Ａｕ−Ｓｎ，Ｐｂ，Ｓｎ，ＡＩ−Ｇｅ，Ａｌ−Ｓｉなど
の組成を調節すること、（２）接着時の熱処理条件、例
えば接着（加熱）温度や冷却速度を調節すること、およ
び（３）前記例示の各単一主要成分系にＡｕ，Ｇｅ＋Ｓ
ｉ，Ｓｎ，Ｐｂ，ＡＩ，Ｚｎ，Ａｇ，Ｍｏ，Ｗ，Ｎｉ，
Ｓｂ，Ｉｎ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｃｕ，Ｐｔ，Ｐｄを添加する
ことなどの方法がある。

特に第３の方法は効果的で、例えばＡｕ−Ｇｅ系合金に
Ｃｕを添加する場合は、この合金の硬さは添加するＣｕ
の量に応じて任意に調節できる。

以下本発明を実施例を用いてさらに詳細に説明する。

実施例 １ 本実施例はシリコン変位変換器である。

この変換器は面方位（１１０）、比抵抗４Ωｃｍ、導電
型ｎのシリコン単結晶の一方の主面側にｐ型拡散抵抗領
域を有し、また前記主面に対向する他方の主面側に二酸
化シリコン膜を具備した歪ゲージチップと表面に金をメ
ッキ形成したファニコカンチレバ（ビツカース硬さ３１
０）とを、前記二酸化シリコン膜上に連続してマスク蒸
着形成したクロム−銅−金の積層金属層、およびこの金
属層の上にマスク蒸着形成した厚さ約３μｍの金一ゲル
マニウム（１２重量パーセント）の中間層を介して一体
化したものである。

中間層のビンカース硬さは３７５で前記カンチレバの硬
さの約１．２倍になるように調節されたものである。

第３図の曲線Ａは以上の構成で得られたシリコン変位変
換器における抵抗ブリッジのカンチレバの変位量と変位
伝達率の関係であり、比較のために中間層の硬さをカン
チレバの硬さの０．４倍に調整した変位変換器のそれを
曲線Ｂで示す。

同図で明らかなように、本発明の変位変換器の変位伝達
率（曲線Ａ）は引張り、圧縮とも実測したカンチレバ変
位量の全範囲で約１で一定値を示している。

これに対し中間層の硬さを小さくした変位変換器のそれ
は引張り、圧縮ともカンチレバの変位量に依存し、変位
量が大きくなるほど伝達率が低下している。

この比較から明らかなように、本発明の変位変拗器は中
間層の硬度をカンチレバのそれに近ずけてあるため、カ
ンチレバの変位量を吸収、緩和せずにシリコン歪ゲージ
チップに伝達できることが明らかである。

この結果、この変換器の歪−出力特性の非直線誤差は最
大歪量を３０００×１０−６とした場合±０．００１％
以下と極めて小さく、そして同特性のヒステリシスは０
．０３％以下と極めて小さく、精度や安定性に優れるこ
とが明らかになった。

実施例 ２ 本実施例はシリコン変位変換器である。

この変換器は前記実施例１と同様の歪ゲージチップとカ
ンチレバとを、二酸化シリコン膜上に連続マスクスパッ
タリング形成したクロム−銅−金の積層金属層、および
この金属層の上にマスク蒸着形成した厚さ約３μｍの金
一シリコン（６重量パーセント）中間層を介して一体化
したものである。

合金層のビツカース硬さは２５０で、前記カンチレバの
硬さの０．８倍になるように調節されたものである。

以上の構成で得られた変位変拗器の変位伝達率は最大歪
量を３０００×１０−６とした場合引張り、圧縮とも１
±０．０５であった。

このように本発明の変位変撲器は中間層の硬さをカンチ
レバのそれに近ずけてあるため、カンチレバの変位量を
吸収，緩和せずにシリコン歪ゲージチップに伝達できる
ことが明らかである。

この結果、この変換器の歪−出力特性の非直線誤差は最
大歪量を３０００×１０−６とした場合±０．００１％
以下と極めて小さく、そして同特性のヒステリシスは０
，０３以下と極めて小さく精度や安定性に優れることが
明らかになった。

実施例 ３ 本実施例のシリコン変位変換器は前記実施例１と同様の
歪ゲージチップとカンチレバとを、二酸化シリコン膜上
に連続マスク蒸着しで形成したクロム−銅−金の積層金
属層、およびこの金属層の上にマスク蒸着形成した厚さ
約３μｍの金−スズ（１０重量パーセント）中間層を介
して一体化したものである。

中間層のビツカース硬さは１７０で前記カンチレバの硬
さの約０．５５倍になるように調節されたものである。

以上の構成で得られた変位変換器の変位伝達率は最大歪
量を３０００×１０−６とした場合引張り、圧縮とも１
±０．０５であった。

このように本発明の変位変換器は中間層の硬さをカンチ
レバのそれに近ずけてあるため、カンチレバの変位量を
吸収、緩和せずにシリコン歪ゲージチップに伝達できる
ことが明らかである。

この結果、この変換器の歪−出力特性の非直線誤差は最
大歪量を３０００×１０−６とした場合±０．００１％
以下と極めて小さく精度や安定性に優れることが明らか
になった。

実施例 ４ 本実施例のシリコン変位変換器は前記実施例１と同様の
歪ゲージチップとカンチレバとを、二酸化シリコン膜上
に連続マスク蒸着しで形成したクロム−銅−金の積層金
属層、およびこの金属層の上にマスク蒸着形成した厚さ
約３μｍのアルミニウム−シリコン（１２重量パーセン
ト）中間層を介して一体化したものである。

中間層のビツカース硬さは４３０で前記カンチレバの硬
さの１．４倍になるように調節されたものである。

以上の構成で得られた変位変換器の変位伝達率は最大歪
量を３０００×１０−６とした場合引張り、圧縮とも１
±０．０５であった。

このように、本発明の変位変換器は中間層の硬さをカン
チレバのそれに近ずけてあるため、カンチレバの変位量
を吸収、緩和せずにシリコン歪ゲージチップに伝達でき
ることが明らかである。

この結果、この変換器の歪−出力特性の非直線誤差は最
大歪量を３０００×１０−６とした場合±０００１％以
下と極めて小さく精度や安定性に優れることが明らかに
なった。

実施例 ５ 本実施例のシリコン変位変換器は前記実施例１ト同様の
歪ゲージチップとカンチレバとを、二酸化シリコン膜上
に連続マスク蒸着して形成したクロム−銅−金の積層金
属層、およびこの金属層の上にマスク蒸着形成した厚さ
１５μｍから１５μｍの金−ゲルマニウム（８〜１６重
量パーセント）中間層を介して一体化したものである。

中間層のビツカース硬さは１６０〜４３０で前記カンチ
レバの硬さの０．５〜１．４倍になるように調節された
ものである。

第３図は本実施例で得た変換器に歪量２０００×１０−
６を印加したときの接着強度歩留りを示す。

同図で明らかなように、接着強度歩留りは、金−ゲルマ
ニウム中間層の厚さが１μｍの場合は５３％と低いが、
１．５μｍでは８３％と高くなり、そして厚さが２μｍ
から１５μｍまでの範囲ではいずれの場合も９０％台と
極めて高率な歩留りを記録している。

このように中間層１μｍと薄くした場合に接着強度歩留
りが極端に低下するのは同層が薄すぎて接着部全面にわ
たって均一に接着されない結果、歪印加によってシリコ
ン歪ゲージチップの局部に歪が集中したため同チップの
破壊をまねいたものである。

しかし、中間層厚さを１．５μｍ以上にすれば均−な接
着が可能になる結果シリコン歪ゲージチップのほぼ全面
に歪が分散されてかかるため破壊を生じない。

また、中間層厚さが１．５μｍ以上の変倹器では変位伝
達率は最大歪量を２０００×１０−６とした場合引張り
、圧縮とも１±０．０５であり、中間層の硬さをカンチ
レバのそれに近ずけてあるためカンチレバの変位量を吸
収、緩和せずにシリコン歪ゲージチップに伝達できるこ
とが明らかになった。

この結果、この変換器の歪−出力特性の非直線誤差は中
間層厚さ１．５〜１５μｍの範囲では最大歪量を２００
０×１０−６とした場合±０．００１％以下と極めて小
さく精度や安定性に優れることが明らかになった。

以上、実施例を用いて本発明を説明したが、本発明はこ
れのみに限定されるものではなく、例えば次のような場
合も同様の効果が達成されるものであって、本発明の範
囲に含まれるものである。

（１）歪検出体としてゲルマニウム単結晶を用いた場合
。

（２）歪検出体の被接着面に形成される二酸化シリコン
膜に代えてアルミナ、炭化珪素、窒化シリコン、酸化ゲ
ルマニウム、窒化ゲルマニウム、酸化鉄等の絶縁性物質
を用いた場合。

（３）歪検出体の被接着面に二酸化シリコン膜等の絶縁
性酸化物が形成されず、半導体物質上に直接接着用中間
層を形成した場合。

なお、この際歪抵抗領域を絶縁するためのｐｎ接合を歪
検出体内に設ける必要がある。

（４）接着用中間層として前述の主要な合金系に他成分
としてモリブデン、タングステン、ニッケル、銀、銅、
鉛、クローム、アンチモン、亜鉛、インジウム、チタニ
ウム、金、シリコン、ゲルマニウム、アルミニウム、ス
ズ、白金、パラジウムを添加した場合。

（５）歪伝達部材として、鉄、ニッケル、コバルト、モ
リブデン、タングステン、チタニウムなどの単体金属ま
たはこれらの金属を含む合金材を用いる場合。

本発明において、実施例１の積層金属層Ｃｒ−Ｃｕ−Ａ
ｕＯ代りに用い得る金属層の組合せおよび中間層として
用い得る各種合金に添加して良好な効果が得られる物質
は、それぞれ第１、第２表に示すとおりである。

以上に記述した本発明の変位変換器によれば、次のよう
な利点ないし効果が得られる。

（１）歪伝達部材の変位量が接着層または中間層によっ
て吸収、緩和されることなく歪検出体に伝達できる。

（２）接着層または中間層の硬さが歪伝達部材のそれに
近いため、外力の印加によって接着層または中間層が塑
性変形しにくい。

（３）（１），（２）の結果、変換器の歪−出力特性の
非直線誤差が極めで小さく、そして同特性のヒステリシ
スがほとんどなくなり、計測器としての精度や安定性の
面ですぐれでいる。

【図面の簡単な説明】 第１図は半導体型変位変換器の一般的な構造を説明する
図、第２図は本発明の基本を説明するための硬さ比と変
位伝達率の関係を示す図、第３図は本発明によるシリコ
ン変位変換器の特性の１例を示す図、第４図は金−ゲル
マニウム中間層の厚さと接着強度歩留りとの関係を示す
図である。 １……歪伝達部材、２……歪検出体、３……中間（接着
）層。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 少なくとも１つの歪感応領域を備えた半導体単結晶
   歪検出体を、前記歪検出体に変位を伝達する歪伝達部材
   に、前記歪検出体表面に形成された絶縁性物質膜および
   中間層を介して一体化してなる半導体変位変検器におい
   て、前記中間層の硬さを前記歪伝達部材の硬さの０．５
   倍ないし１．５倍にしたことを特徴とする半導体変位変
   換器。 ２ 特許請求の範囲第１項において、中間層を構成する
   成分が、金、銀、シリコン、ゲルマニウム、モリブデン
   、タングステン、ニッケル、アンチモン、亜鉛、インジ
   ウム、チタニウム、アルミニウム、スズ、鉛、クロム、
   銅、白金、パラジウムからなる群のうちの２種またはそ
   れ以上の金属であることを特徴とする半導体変位変換器
   。 ３ 特許請求の範囲第１項または第２項においで、中間
   層の厚さを１．５μｍ以上としたことを特徴とする半導
   体変位変換器。 ４ 少なくとも１つの歪感応領域と、前記歪感応領域を
   他の部分から絶縁分離するＰｎ接合とを備えた半導体単
   結晶歪検出体を、前記歪検出体に変位を伝達する歪伝達
   部材に、中間層を介して一体化してなる半導体変位変換
   器においで、前記中間層の硬さを前記歪伝達物材の硬さ
   の０．５倍ないし１．５倍にしたことを特徴とする半導
   体変位変襖器５ 特許請求の範囲第４項において、中間
   層を構成する成分が金、銀、シリコン、ゲルマニウム、
   モリブデン、タングステン、ニッケル、アンチモン、亜
   鉛、インジウム、チタニウム、アルミニウム、スズ、鉛
   、クロム、銅、白金、パラジウムからなる群のうちの２
   種またはそれ以上の金属であることを特徴とする半導体
   変位変換器。 ６ 特許請求の範囲第４項または第５項においで、中間
   層の厚さを１．５μｍ以上としたことを特徴とする半導
   体変位変換器。