JPS60153176A - Sense of contact force sensor - Google Patents

Sense of contact force sensor

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JPS60153176A
JPS60153176A JP59008787A JP878784A JPS60153176A JP S60153176 A JPS60153176 A JP S60153176A JP 59008787 A JP59008787 A JP 59008787A JP 878784 A JP878784 A JP 878784A JP S60153176 A JPS60153176 A JP S60153176A
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pressure sensor
wiring
pressure
substrate
diffused
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Teizo Takahama
高浜 禎造
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Fuji Electric Co Ltd
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Fuji Electric Corporate Research and Development Ltd
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    • H01L29/00Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/84Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by variation of applied mechanical force, e.g. of pressure

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Abstract

PURPOSE:To simplify the wiring by marked reduction of wiring density, and thus to contrive the improvement of reliability by enabling marked reduction of the number of cross-over only to one, by a method wherein diffused type strain gauges are formed on both surfaces, and a part of the strain gauges is replaced by a through-diffused layer and an Si substrate. CONSTITUTION:Epitaxial layers 37 and 37 are formed on two surfaces front and back of the single crystal Si substrate 36, and the diffused type strain gauges 23 and 23 are formed in the neighborhood of the surfaces of the layers 37 and 37 of both the surfaces; further, through diffused layers 38 and 38 reaching the substrate 36 by penetrating through these layers 37 and 37 are formed. A diffused strain gauge 23 or a metallic thin film wiring 24 of a bonding pad 25 is connected to the Si substrate 36 via these through-diffused layers 38, and the strain gauge 23 is directly connected to the substrate 36. Thereby, diffused type strain gauges 23 and 23 on both surfaces are electrically connected to the bonding pad 25 on one surface through three through-diffused layers 38, 38, and 38 and the common Si substrate 36.

Description

【発明の詳細な説明】 [発明の属する技術分野] この本発明は、ストレンゲージを用いて、受圧面に印加
されている力を検出する圧覚センサのうちで、特に面状
に分布された荷重の分布を検出するに適した小形の圧覚
センサに関する。
[Detailed description of the invention] [Technical field to which the invention pertains] This invention relates to a pressure sensor that uses a strain gauge to detect a force applied to a pressure-receiving surface. This invention relates to a small pressure sensor suitable for detecting the distribution of

[従来技術とその問題点] Ml[fflに従来から用いられている力の3方向成分
を検出するセンサ(六角形応力リング)を示す。このセ
ンサは金属製入角形リング1の受圧面2および基板面3
を除く外周部の8面と1両側面および内周面とにそれぞ
れストレンゲージ41〜44.51〜54.81〜84
を貼付して、その貼付位置によって3方向成分を互いに
分離してそれぞれ検出するようにしたものである。上述
のストレンゲージ41〜44は八角形リングのうちの受
圧面2に垂直な外周面とリングの内周面とに貼付されて
おり、受圧面2に垂直な力の成分Fzを検出する。また
、ストレンゲージ51〜54は八角形リングのうちの4
つの斜めの外周面に貼付されており、受圧面2にかかる
水平な力の成分のうちのX方向の成分FXを検出する。
[Prior Art and its Problems] A sensor (hexagonal stress ring) that detects three-directional components of force, which has been conventionally used in Ml[ffl, is shown. This sensor consists of a pressure receiving surface 2 of a metal rectangular ring 1 and a substrate surface 3.
Strain gauges 41-44.
is pasted, and the three directional components are separated from each other and detected depending on the pasting position. The above-mentioned strain gauges 41 to 44 are attached to the outer peripheral surface of the octagonal ring perpendicular to the pressure receiving surface 2 and to the inner peripheral surface of the ring, and detect the force component Fz perpendicular to the pressure receiving surface 2. Moreover, the strain gauges 51 to 54 are four of the octagonal rings.
It is attached to two oblique outer circumferential surfaces, and detects the component FX in the X direction of the horizontal force component applied to the pressure receiving surface 2.

さらに、ストレンゲ−シロ1〜64はリングの両側面に
、八角形リングの斜め面と回じ角度で、リングの肉厚の
ほぼ中央部に貼付されており、受圧面2にかかる水平な
力の成分のうちのy方向の成分FWを検出する。
Furthermore, the strain gauges 1 to 64 are affixed to both sides of the ring, at a rotation angle with the diagonal surface of the octagonal ring, and approximately at the center of the ring's wall thickness, so that the horizontal force applied to the pressure receiving surface 2 is reduced. Among the components, the component FW in the y direction is detected.

このように、図示のような3方向分カセンサは力を基本
的な直角座標系に分解し3方向分力として検出している
ので、この3分力を演算式により合成することによって
、力の大きさや方向をめることができる。更に任意の方
向の力もめることができる。
In this way, the three-direction force sensor shown in the figure decomposes the force into the basic orthogonal coordinate system and detects it as three-direction component force, so by combining these three component forces using an arithmetic expression, the force can be calculated. You can determine the size and direction. Furthermore, force in any direction can be measured.

このように力の分解、合成が容易にできるのが、3方向
分カセンサの大きな特徴である。
A major feature of the three-directional force sensor is that force can be easily resolved and combined in this way.

しかしながら、図示のような従来の六角形応力リングは
、3方向の力の成分を検出するセンサとしては著名なも
のであるが、次のような欠点があり、特にこれを面アレ
イ状に配列して面状に分布する荷重の荷重分布を検出す
るには不適当である。以下、その欠点を列挙する。
However, although the conventional hexagonal stress ring shown in the figure is well-known as a sensor that detects force components in three directions, it has the following drawbacks, especially when arranged in a planar array. It is inappropriate to detect the load distribution of a load distributed over a surface. The drawbacks are listed below.

■ 多数のストレンゲージをリング体の各方向に貼付し
た構造であるので、小形化が困難である。
■ It is difficult to downsize the ring body because it has a structure in which many strain gauges are attached in each direction.

■ ストレンゲージを貼付するために、その貼付層によ
るクリープを生じさせ、安定性か悪l/)。
■ In order to attach the strain gauge, creep occurs due to the attachment layer, resulting in poor stability (l/).

■ ストレンゲージの結句位置により、大きな干渉出力
を発生する。
■ A large interference output is generated depending on the strain gauge's knot position.

■ 製作が比較的大変である。特に、リングの内周面へ
のストレンゲージの貼付は難しい。
■ It is relatively difficult to manufacture. In particular, it is difficult to attach the strain gauge to the inner peripheral surface of the ring.

■ 量産性がなく、高価となる。■ It is not suitable for mass production and is expensive.

一方、人間の手のひらの有する圧覚機能にできるだけ近
いレベルの高度な圧覚機能を有するロポッI・ハンドを
実現するためには、その圧覚センサとしては3方向分カ
センサの機能を有し、さらにこのセンサを多数高密度で
面アレイ状に配列して、印加される力の分布状態や力の
中心(重心)とそれに働く合成力を正確にめることがで
きなければならない。そのため、このような圧覚センサ
としては、荷重の分力を相互間の干渉なしによく分離し
て正確に検出できること、寸法を極小化して高密度集積
化できることが要求され1例えばセンサの受圧板の大き
さは数ml11角、できればIIIIII角以下にする
ことが望ましい。
On the other hand, in order to realize a robot I hand that has an advanced pressure sensing function as close as possible to the pressure sensing function of the human palm, the pressure sensor must have a three-directional force sensor function, and this sensor must also be It must be possible to accurately determine the distribution of applied force, the center of force (center of gravity), and the resultant force acting on it by arranging a large number of them in a high-density planar array. Therefore, such a pressure sensor is required to be able to accurately separate and accurately detect the component forces of a load without mutual interference, and to be able to minimize dimensions and integrate at high density. It is desirable that the size be several milliliters and 11 squares, preferably no more than IIIIII square.

第2図は上述の従来技術の有する欠点を解消する目的で
提案されたこの発明の対象のシリコン製プレーナ形圧覚
センサの一例をボすもので、所定の伝導形のシリコン単
結晶からなるリング状の感圧構造体7の受圧面8に垂直
な平面13の各所定位置に、複数個の拡散形ストレンゲ
ージlot〜104゜ut −114,121−1,!
4をプレーナ技術によって形成している。上述のストレ
ンゲージ101〜104は受圧面8に垂直な力の成分F
zを検出し、また、ストレンゲージ111〜114は受
圧面8に平行な力の一成分Fxを検出し、さらに、スト
レンゲージ121〜124は受圧面8に平行な力の他の
成分FWを検出する。これらのストレンゲージの配置は
後述のように高感度でかつ他の二方向分力に対し理論的
に影響を受けぬ場所に設けられている。また、拡散形ス
トレンゲージをゲージ率(ピエゾ抵抗係数)の結晶方位
依存のない(1111面に形成すれば、特性のバラツキ
の非常に小さい圧覚センサが得られる。
FIG. 2 shows an example of a silicon planar pressure sensor, which is the object of the present invention and was proposed to eliminate the drawbacks of the prior art described above. A plurality of diffusion type strain gauges lot~104°ut -114,121-1,!
4 is formed using planar technology. The above-mentioned strain gauges 101 to 104 have a force component F perpendicular to the pressure receiving surface 8.
In addition, the strain gauges 111 to 114 detect one component Fx of the force parallel to the pressure receiving surface 8, and furthermore, the strain gauges 121 to 124 detect another component FW of the force parallel to the pressure receiving surface 8. do. As will be described later, these strain gauges are arranged in locations that are highly sensitive and are theoretically unaffected by component forces in other two directions. Furthermore, if the diffusion type strain gauge is formed in the 1111 plane, in which the gauge factor (piezoresistance coefficient) does not depend on the crystal orientation, a pressure sensor with very small variation in characteristics can be obtained.

感圧構造体7は基板面8で不図示の基板上に固足され、
受圧面8に印加される力を受け止める。
The pressure sensitive structure 7 is fixed on a substrate (not shown) at a substrate surface 8,
It receives the force applied to the pressure receiving surface 8.

この力の各成分を検出する上述のストレンゲージ群は、
例えは第3図(A)〜(C)に示すように、それぞれに
ブリッジに結線されて、力の成分に応じた電気信号Ez
、ExおよびEVを出力する。なお、第2図においては
、ブリッジ結線するための配線は煩雑さを避けるために
省略しである。
The above-mentioned strain gauge group that detects each component of this force is
For example, as shown in Fig. 3 (A) to (C), each wire is connected to a bridge and an electric signal Ez corresponding to the force component is transmitted.
, Ex and EV are output. Note that in FIG. 2, wiring for bridge connection is omitted to avoid complexity.

第4図は第2図のストレンゲージ形成面(平面)13の
ゲージ配置および配線の一例を示す。この例は従来の配
線法によるものであるが、図示のように、Fz検出用の
ストレンゲージ101〜104は感圧構造体7の中心を
通り、上部の受圧面8に平行な線A−A’上で、左右の
外縁および内縁の近くのストレンゲージ形成面13に合
計4個配置され、かつ配線141でブリッジ結線され、
この配線141に接続したポンディングパッド部15で
入出力がされている。また、FX検出用のストレンゲー
ジ111〜114は上述の線A−A’から上下両方向に
角度α0傾いた2つの線上の外縁近くのストレンゲージ
形成面13に合計4個配置され、かつ配線142でブリ
ッジ結線され、この配線142に接続したポンディング
パッド部15で入出力かされている。さらに、FW検出
用のストレンゲージ121〜124は、上述の線A−A
’から上下両方向に角度α0傾いた線上のリングの中央
近くの材料力学的な中立軸上の位置のストレンゲージ形
成血13に合計4個配置され、かつ配線143でブリッ
ジ結線され、この配線143に接続したポンディングパ
ッド部15で人出力がされている。上述の角度α0は受
圧面8に垂直な力のみがその受圧面に印加されたとき、
ひずみを生じない位置の角度に選定され、例えば図示の
ような円形リングの場合には、50.4°の近傍になる
。すなわち、円形リングの場合においては、ストレンゲ
ージ配置位置は受圧面8に平行な中心点を通る線上およ
びこの線と約50°の傾きをもつ線上が望ましい。
FIG. 4 shows an example of the gauge arrangement and wiring on the strain gauge forming surface (plane) 13 of FIG. 2. FIG. This example is based on the conventional wiring method, but as shown in the figure, the strain gauges 101 to 104 for Fz detection are connected to a line A-A that passes through the center of the pressure-sensitive structure 7 and is parallel to the upper pressure-receiving surface 8. 'A total of four strain gauges are arranged on the strain gauge forming surface 13 near the left and right outer edges and inner edges, and are bridge-connected with wiring 141,
Input/output is performed through the bonding pad section 15 connected to this wiring 141. In addition, a total of four strain gauges 111 to 114 for FX detection are arranged on the strain gauge forming surface 13 near the outer edge on two lines tilted at an angle α0 in both the up and down directions from the above-mentioned line AA', and are connected to the wiring 142. A bridge connection is made, and input and output are performed through the bonding pad section 15 connected to this wiring 142. Furthermore, the strain gauges 121 to 124 for FW detection are connected to the line A-A mentioned above.
A total of four strain gauges are placed on the strain gauge formation blood 13 at a position on the material mechanical neutral axis near the center of the ring on a line tilted at an angle α0 in both the vertical and vertical directions from A human output is provided by the connected bonding pad section 15. The above-mentioned angle α0 is calculated when only a force perpendicular to the pressure-receiving surface 8 is applied to the pressure-receiving surface.
The angle is selected at a position that does not cause distortion, and for example, in the case of a circular ring as shown in the figure, it is around 50.4°. That is, in the case of a circular ring, the strain gauge is preferably arranged on a line passing through the center point parallel to the pressure receiving surface 8 and on a line having an inclination of about 50 degrees with this line.

このような、シリコン製ブレーナ形圧覚センサにおいて
、その信頼性を決める大きな要素は配線の44頼性であ
る。すなわち、上述のように感圧構造体を構成するシリ
コンの表面近くにストレンゲージを形成し、そのストレ
ンゲージ間の結線および人出力のための配線がシリコン
の表面に形成されるのであるから、シリコン感圧構造体
に生じる歪が配線1°■にも及ぶ、この歪で、配線部の
抵抗変化あるいは断線を生じると、信頼性を大きく低下
させる。力の三成分を検出する圧覚センサの場合にはそ
の配線が複雑で、第5図に示すような通常の金属薄膜に
よる配線24の構成では、第6図に示すように相当多数
の配Mi 24−1.24−2のクロスオーバが必要と
なる。(なお、ここで、22はN形シリコン基板21上
に形成された5102膜、26は5iOz11り22上
の2つの配線24−1.24−2のクロスオー/へ位置
で両線を分離する被覆絶縁層であり、21はN形シリコ
ンノ^板、25はホンデイングバ・ンド部である。) 例えば、前述の第4図に示すような力の三成分検出用電
源を力の三成分検出ストレンゲージ群毎に完全に独立に
配線した片面三成分電源完全独立形の圧覚セン単位セル
の場合では、その配線のクロスオーバは38個所も必要
となる。図の×3゜X4 +Y3’+Y4 +23 +
24はブラフ、またはマイナス側電源端子である。また
、第7図に示すように、その電源の一方を共通(アース
側端子G)にし、他方を独立プラス側端子(Vll、V
Y 、Vz )にした片面三成分電源不完全独立形では
、その配線のクロスオーバは35個所になる。さらに、
第8図に示すように各ブリッジに対して電源を共通(プ
ラス側端子V、マイナス側端子V)にした片面三成分電
源共用形の場合にしても、その配線のクロスオー/〜は
31個所も必要となる。このようなりロスオー/曳は、
シリコン感圧構造体に生じる歪かクロスオーバ部に及ぶ
と、配線部24の抵抗変化あるいは断線を生じやすく、
1δ頼性を大きく低下させることとなる。
In such a silicon Brenna type pressure sensor, a major factor that determines its reliability is the reliability of the wiring. In other words, as described above, strain gauges are formed near the surface of the silicon that constitutes the pressure-sensitive structure, and connections between the strain gauges and wiring for human output are formed on the surface of the silicon. The strain generated in the pressure-sensitive structure reaches as much as 1°■ in the wiring, and if this strain causes a change in resistance or disconnection in the wiring, reliability will be greatly reduced. In the case of a pressure sensor that detects three components of force, the wiring is complicated, and the configuration of the wiring 24 made of a normal metal thin film as shown in FIG. 5 requires a considerable number of wires Mi 24 as shown in FIG. -1.24-2 crossover is required. (Here, 22 is a 5102 film formed on the N-type silicon substrate 21, and 26 is a coating that separates the two wires 24-1 and 24-2 on the 5iOz11 layer 22 at the cross-over/toward position. 21 is an N-type silicon plate, and 25 is an insulating layer.) For example, a power source for detecting three components of force as shown in FIG. In the case of a single-sided three-component power supply completely independent type pressure sensor unit cell in which each group is wired completely independently, 38 wiring crossovers are required. ×3゜X4 +Y3'+Y4 +23 +
24 is a bluff or negative power terminal. Also, as shown in Figure 7, one of the power supplies is common (earth terminal G), and the other is an independent positive terminal (Vll, V
In a single-sided, three-component power supply incompletely independent type with a power supply voltage of 100% (Y, Vz), there are 35 wiring crossovers. moreover,
As shown in Figure 8, even in the case of a single-sided three-component power supply type in which the power supply is common to each bridge (positive side terminal V, negative side terminal V), there are 31 wiring cross-overs. It becomes necessary. This is how Rosso/Hiki goes,
If the strain occurring in the silicon pressure-sensitive structure extends to the crossover portion, resistance changes or disconnections in the wiring portion 24 are likely to occur.
This will greatly reduce the 1δ reliability.

そこで、配線のクロスオーバの設置場所を圧覚センサ単
位セルの左右個所と下部位置とにし、その左右個所をそ
れぞれ垂直方向分力t2検出用の両ストレンゲージの中
間部の中央位置にすれば、その左右個所は比較画歪の発
生の小さい領域とすることができて、そこのクロスオー
/への信頼性への影響はほぼなくなるか、−カニ部位置
は歪の比較的厳も大きな領域であるので、その下部のク
ロスオーバは抵抗変化や断線を生じやすく信頼性に問題
かある。
Therefore, if the wiring crossovers are installed at the left and right locations and at the bottom of the pressure sensor unit cell, and the left and right locations are placed at the center between the two strain gauges for detecting the vertical component force t2, it is possible to The left and right parts can be made into areas where comparative image distortion occurs, and the influence on the reliability of the cross-over there will be almost eliminated. The crossover at the bottom is prone to resistance changes and disconnections, which poses reliability problems.

[発明の目的コ この発明の目的は、上述の従来技術の有する欠点を解消
して、小形で高に度集積化が可能であり、かつ安定性か
良く、力の3方向成分の正確な検出ができ、また量産性
かよく、廉価に製作でき、力の三方向成分間の干渉が小
さい圧覚センサを提供することにあり、特に信頼性の点
で問題のある配線のクロスオーバの数を減少し、圧覚セ
ンサ単位セルの下部位置のタロスオーパ数を減らし、で
きればそのクロスオーバを皆無にすることにより、信頼
性の高い圧覚センサを提供することにある。
[Objective of the Invention] The object of the present invention is to overcome the drawbacks of the above-mentioned prior art, to provide a compact and highly integrated technology with good stability and accurate detection of three-directional components of force. The purpose of the present invention is to provide a pressure sensor that can be mass-produced at a low cost, has low interference between three-way components of force, and reduces the number of wiring crossovers, which are problematic in terms of reliability. However, it is an object of the present invention to provide a highly reliable pressure sensor by reducing the number of talosopers at the lower position of the pressure sensor unit cell and, if possible, eliminating the crossover.

[発明の要点] この発明は、弾性体として非常に秀れた特性を有する単
結晶シリコンを感圧構造体とし、その受圧面に垂直な面
にプレーナ技術によって形成した拡散形ストレンゲージ
群の抵抗値の変化によって、受圧面に印加された力の三
方向成分を検出するシリコン製プレーナ形圧覚センサに
おいては、ストレンゲージを形成できる面は表裏二面あ
るので、その表裏面で検出する力の成分を分担させ、更
に、エピタキシャル層を貫通して基板部と表面配線を拡
散層で接続し、配線の一部、特に電源配線の一部を金7
i!配線から置き換えることにより、クロスオー/へを
敏らし、表面における配!M′&度を減らしたものであ
る。
[Summary of the Invention] This invention uses single-crystal silicon, which has excellent characteristics as an elastic body, as a pressure-sensitive structure, and uses a diffused strain gauge group resistor formed by planar technology on a plane perpendicular to the pressure-receiving surface. In a silicon planar pressure sensor that detects the three-directional components of force applied to the pressure-receiving surface by changes in value, there are two surfaces on which strain gauges can be formed, the front and back, so the force components detected on the front and back surfaces are Furthermore, the substrate part and the surface wiring are connected by a diffusion layer through the epitaxial layer, and part of the wiring, especially a part of the power supply wiring, is made of gold 7.
i! By replacing the wiring, the cross-over/to is made easier, and the arrangement on the surface is improved! M′& degree is reduced.

[発明の実施例] 以下、図面を参照してこの発明の詳細な説明する。[Embodiments of the invention] Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

第9図はこの発明の一実施例の要部断面を拡大して示す
もので、ここで38は第2図のようなシリコン製プレー
ナ形圧覚センサ単位セルの単結晶シリコン基板である。
FIG. 9 shows an enlarged cross-section of a main part of an embodiment of the present invention, where 38 is a single crystal silicon substrate of a silicon planar pressure sensor unit cell as shown in FIG.

この単結晶シリコン基板36の表と表の二面上にエピタ
キシャル層37,3?を形成し、この両面のエピタキシ
ャル層37.37の表面近くに拡散形ストレンゲージ2
3,23を形成し、さらにこれらのエピタキシャル層3
7.37を貫通して基板38に達する貫通拡散層38.
38を形成する。これらの貫通拡散層38を介して、拡
散形ストレンゲージ23やボンデ、ングパッド部25の
金属薄膜配ff124とシリコン基板36とを接続させ
、また直接に拡散形ストレンゲージ23とシリコン基板
36とを接続させる。
Epitaxial layers 37, 3? A diffusion type strain gauge 2 is formed near the surface of the epitaxial layer 37 on both sides.
3 and 23, and further these epitaxial layers 3
7.37 to reach the substrate 38 through diffusion layer 38.
form 38. Through these penetration diffusion layers 38, the diffusion type strain gauge 23 and the metal thin film distribution 124 of the bonding pad portion 25 are connected to the silicon substrate 36, and the diffusion type strain gauge 23 and the silicon substrate 36 are directly connected. let

これにより、両面の拡散形ストレンゲージ23゜23と
片口f1のポンディングパッド部25とを3個の貫通拡
散層38 、38.38と共通のシリコン基板36とを
通じて′電気的に接続させている。なお、拡散形ストレ
ンゲージ23とシリコン基板36とを貫通拡散層38を
介して直接に接続した場合の方が、さらに配線数が減少
するのは勿論である。
As a result, the diffusion type strain gauges 23° 23 on both sides and the bonding pad portion 25 on one side f1 are electrically connected through the three through diffusion layers 38, 38, 38 and the common silicon substrate 36. . Note that, of course, the number of wiring lines is further reduced when the diffusion type strain gauge 23 and the silicon substrate 36 are directly connected via the through-diffusion layer 38.

このように電気的に接続させるため、シリコン基板36
、貫通拡散層38および拡散形ストレンゲージ23は全
て同じ伝導形(例えばP形)にし、絶縁層の役目をはだ
すエピタキシャル層37はこれと反対の伝導形(例えば
N形)にする。このように、配線の一部は上述の貫通拡
散層3Bとシリコン基板38とに置き換えられるので、
配線のクロスオー/への数を大幅に減少させることがで
きる。すなわち、貫通拡散層38と接続する金属薄膜配
線24はごく短くすることができるので、例えば後述の
ように電源配線としてこの配線等24.38.38を用
いれば少なくともこの配線を他の検出信号線等の配線と
はクロスオーバすることがなくなる。
In order to make electrical connections in this way, a silicon substrate 36
, the through diffusion layer 38 and the diffusion type strain gauge 23 are all of the same conductivity type (eg, P type), and the epitaxial layer 37, which serves as an insulating layer, is of the opposite conductivity type (eg, N type). In this way, a part of the wiring is replaced with the above-mentioned through diffusion layer 3B and silicon substrate 38, so
The number of interconnections to/from cross-overs can be significantly reduced. That is, since the metal thin film wiring 24 connected to the through-diffusion layer 38 can be made very short, for example, if this wiring 24, 38, 38 is used as a power supply wiring as described later, at least this wiring can be connected to other detection signal lines. There will be no crossover with other wiring.

なお、P形のエピタキシャル層37にN形の拡散形スト
レンゲージ23を形成する場合も可能ではあるが、N形
のエピタキシャル層37にP形の拡散形ストレンゲージ
23を形成する方が感俄の高いものが得られる。また、
P形単結晶シリコン基板36としては、配線の一部とし
て用いる関係上、比抵抗が1Ωecm以下のシリコンを
用いるのか好ましい。
Although it is possible to form the N-type diffused strain gauge 23 in the P-type epitaxial layer 37, it is more convenient to form the P-type diffused strain gauge 23 in the N-type epitaxial layer 37. You can get something expensive. Also,
As the P-type single crystal silicon substrate 36, it is preferable to use silicon having a resistivity of 1 Ωecm or less since it is used as a part of wiring.

さらに、製造工程例を簡単に説明すると、P形単結晶シ
リコン基板36の両面の全面に気相成長法によりN形エ
ピタキシャル層37を成長させた後、このエピタキシャ
ル層37上に5102酸化膜22を熱酸化などにより形
成する。次にこの形成した酸化膜22にホトエツチング
技術を用いて、選択拡散を行う部分に拡散孔を設ける。
Furthermore, to briefly explain an example of the manufacturing process, an N-type epitaxial layer 37 is grown on the entire surface of both surfaces of a P-type single crystal silicon substrate 36 by a vapor phase growth method, and then a 5102 oxide film 22 is formed on this epitaxial layer 37. Formed by thermal oxidation, etc. Next, a photoetching technique is used in the formed oxide film 22 to provide a diffusion hole in a portion where selective diffusion is to be performed.

次いで、イオン注入技術により高濃度P形の不純物の選
択拡散を行って、P膨拡1t&形ストレンゲージ23と
P形貫通拡散層38とをエピタキシャル層37に形成す
る。その際、P膨拡故形ストレンゲージ23はエピタキ
シャル層37の表面近くに形成し、P形貫通拡散層38
はエピタキシャル層37を貫通するように形成する。続
いて、ノに着技術によりアルミニウム薄膜を5i02酸
化膜22上に伺着させて、更にホトエツチング技術によ
り、金属薄膜配線24を形成する。この配線24の一部
の所定場所にボンディングパット25を固着する。
Next, selective diffusion of high-concentration P-type impurities is performed using ion implantation technology to form a P-expanded 1t&-type strain gauge 23 and a P-type through diffusion layer 38 in the epitaxial layer 37. At that time, the P expansion and expansion type strain gauge 23 is formed near the surface of the epitaxial layer 37, and the P type through diffusion layer 38 is formed near the surface of the epitaxial layer 37.
is formed so as to penetrate the epitaxial layer 37. Subsequently, an aluminum thin film is deposited on the 5i02 oxide film 22 using a metal deposition technique, and a metal thin film wiring 24 is further formed using a photoetching technique. A bonding pad 25 is fixed to a predetermined portion of this wiring 24.

第1O図(A)、(B)にこの発明による圧覚センサ単
位セルの配線の例を示す。ただし、第1O図(A)は表
面を表し、第1θ図(B)は裏面を表すものとする。図
中−て図示した個所に、第8図で示したこの発明を適用
している。また、図のGはマイナス側電源端子(アース
端子)である。図示のように、電源配線の一方が両面の
拡散形ストレンゲージに共通に用いられ、他方のうちで
二成分用電源が共通の場合に相当する。表面でFzを検
出し、表面でFW、jYを検出する。表裏か逆になって
も全く同等である。この発明の適用によりクロスオー/
へが1ケ所に減り、それも最も歪の小さい左側両ストレ
ンゲージの中間部の中央近くに配置されている。
FIGS. 10(A) and 1(B) show examples of wiring of the pressure sensor unit cell according to the present invention. However, FIG. 1O (A) represents the front surface, and FIG. 1θ (B) represents the back surface. The invention shown in FIG. 8 is applied to the parts shown in the figure. Further, G in the figure is a negative power terminal (earth terminal). As shown in the figure, this corresponds to a case where one of the power supply wirings is used in common for the double-sided diffusion type strain gauge, and the power supply for two components is common among the other power supply wirings. Fz is detected on the surface, and FW and jY are detected on the surface. It is exactly the same whether it is front or back or reversed. By applying this invention, cross-over/
The strain gauge has been reduced to one location, and it is located near the center between the left strain gauges, where strain is the least.

次に、このように構成した圧覚センサの製造方法の一例
について第11図(A)、(B)を参照して簡単に説明
する。まず、所定の厚さく例えば0.8mm)を有し、
所定の伝導形(例えばP形)と比抵抗(例えばlΩ・C
m以下)を有し、かつ所定方向の結晶方位を有する単結
晶シリコンウェハ16の(1111面上の両面に形成し
たそれと反対の伝導形(例えばN形)のエピタキシャル
層の圧覚センサ単位セル相当領域17に第1θ図(A)
、(B)のような配置の拡散形ストレンゲージ101−
124の群、および金属配線をマスクレスイオンビーム
加工やAn蒸看などのIC製造技術(プレーナ技術)に
よって形成する。このIC製造方法によれば、1枚のウ
ェハ18のエピタキシャル層に多数個8の圧覚センサ単
位セルを作り込むことができる。このウェハ16からワ
イヤーソーカット法やレーザ加工あるいはエッチカット
などの機械加工により、圧覚センサ単位セルを精度よく
切り出すことによって、特性のよく揃った小形(例えば
数mm〜1■)のプレーナ形圧覚センサ単位セルが得ら
れる。なお、以上の説明ではリング状の圧覚センサにつ
いて述べたが、リング状以外の圧覚センサにも本発明の
プレーナ形構造が適用できることは勿論である。
Next, an example of a method for manufacturing the pressure sensor configured as described above will be briefly described with reference to FIGS. 11(A) and 11(B). First, it has a predetermined thickness (for example, 0.8 mm),
A predetermined conductivity type (e.g. P type) and specific resistance (e.g. lΩ・C
m or less) and having a crystal orientation in a predetermined direction, an area corresponding to a pressure sensor unit cell of an epitaxial layer of an opposite conductivity type (for example, N type) formed on both sides of the (1111 plane) of a single crystal silicon wafer 16 having a crystal orientation in a predetermined direction. Figure 17 (A)
, a diffusion type strain gauge 101- arranged as shown in (B).
124 groups and metal wiring are formed by IC manufacturing technology (planar technology) such as maskless ion beam processing and An evaporation. According to this IC manufacturing method, a large number of pressure sensor unit cells 8 can be fabricated in the epitaxial layer of one wafer 18. By accurately cutting out pressure sensor unit cells from this wafer 16 by wire saw cutting, laser processing, or machining such as etch cutting, a small (for example, several mm to 1 cm) planar pressure sensor with well-matched characteristics is produced. A unit cell is obtained. Although the above description has been made regarding a ring-shaped pressure sensor, it goes without saying that the planar structure of the present invention can also be applied to pressure sensors other than ring-shaped.

なお、本例の圧覚センサ単位セルは極めて小形にできる
ので、第12図に示すようにこの圧覚センサ単位セル2
02を下部共通基板203上にその溝204に嵌め合せ
て多数個x+Y方向の面アレイ状に垂直に並へて固着し
、それらの圧覚センサ単位セル202の」二部に受圧板
205を固着して圧覚センサアレイ206を形成すれば
、面状に分布する荷重の荷重分布を正確に検出すること
ができる。その際、圧覚センサ単位セル202を1個ま
たは2個を1組として、受圧微細モジュールの単位を形
成する場合に、その各受圧微細モジュールは1cm2当
り25〜lOO個程度の密度でアレイ状に一体に集積す
ることができ、これらをロボットハンド等の把持面等に
取付けて高精度の各種制御を行うことが可能となる。
Note that since the pressure sensor unit cell of this example can be made extremely small, the pressure sensor unit cell 2 as shown in FIG.
02 are fitted into the grooves 204 on the lower common substrate 203, and a large number of them are fixed vertically in a plane array in the x+Y direction, and the pressure receiving plate 205 is fixed to the second part of the pressure sensor unit cell 202. By forming the pressure sensor array 206 using the pressure sensor array 206, it is possible to accurately detect the load distribution of the load distributed in a planar manner. At that time, when a unit of pressure-receiving micro-modules is formed by using one or two pressure sensor unit cells 202 as one set, each of the pressure-sensing micro-modules is integrated in an array at a density of about 25 to 100 pieces per 1 cm2. By attaching these to the gripping surface of a robot hand, etc., it becomes possible to perform various types of highly accurate control.

[発明の効果] 以上説明したように、この発明によれば、力の三成分の
うち二成分を片側の面で検出し、他の一成分を反対側の
面で検出するように、拡散形ストレンゲージを両面に形
成し、しかも拡散形ストレンゲージの配線の一部を貫通
拡散層とシリコン基板とに置き換えるようにしたので、
配線密度が大幅に低くなって配線が簡単になり、最も信
頼性に影響するクロスオーバの数が1ケのみと大幅に減
らすことかでき、そのためその配置位置も最も歪の小さ
い領域におけるので、信頼性が飛躍的に向上する。
[Effects of the Invention] As explained above, according to the present invention, two of the three components of force are detected on one side, and the other component is detected on the opposite side. By forming strain gauges on both sides and replacing part of the wiring of the diffusion type strain gauge with a through diffusion layer and a silicon substrate,
The wiring density has been significantly lowered, making wiring easier, and the number of crossovers, which affect reliability the most, can be significantly reduced to just one, and the placement position is also in the area with the least distortion, which increases reliability. Sexuality improves dramatically.

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

第1図は従来技術による圧覚センサ(六角形応力リング
)を示す斜視図、 第2図はこの発明の対象の圧覚センサの一例を示す斜視
図、 第3図(A)〜(C)は第2図の圧覚センサのストレン
ゲージの結線状態を示す回路図、 第4図は従来技術を適用して配線した圧覚センサの配線
の配置例を示す模式図、 第5図および第6図は第4図の圧覚センサの配線部分の
構成を示す断面図、 第7図および第8図は従来技術を両用して配線した圧覚
センサの配線の配置11例の模式図、第8図はこの発明
を実施した圧覚センサの配線部分の構成例を示す断面図
、 第101K(A) 、(B)はこの発明を実施して配線
した圧覚センサの配線の配置例を示す模式図、第11図
(A)はこの発明による圧覚センサ単位セルの製造方法
の説明図で、第11図(B)はそのA部を拡大した拡大
図、 第12図はこの発明による圧覚センサ単位セルを面アレ
イ状に配列して圧覚センサアレイを形成した例を示す斜
視図である。 l・・・金属製式角形リング、 7・・・シリコン感圧構造体、 2.8・・・受圧面、 3.8・・・基板面、 13・・・ストレンゲージ形成面、 15・・・ポンディングパッド部、 16・・・シリコンウェハ、 17・・・圧覚センサ単位セル相当領域、21・・・(
N形)シリコン基板。 22・・・S i02膜、 23・・・(P形)拡散形ストレンゲージ、24・・・
金属薄膜配線、 24−1.24−2・・・ 第1.第2金属薄H体配線、 25・・・ポンディングパッド部、 26・・・被覆絶縁層、 36・・・(P形)シリコン基板、 37・・・(N形)エピタキシャル層、3日・・・(P
形)貢通拡散層、 101−104.lit〜114,121 N124・
・・拡散形ストレンゲージ、 141−143・・・配線。 特許出願人 株式会社 富士電機総合研究所第1図 /”z 第2図 FZ 第3図 (A> (B) (C) 第4図 第5図 第7図 15 ” 第S図 8 24 26 第1O図 第11図 A部
Fig. 1 is a perspective view showing a pressure sensor (hexagonal stress ring) according to the prior art, Fig. 2 is a perspective view showing an example of a pressure sensor to which the present invention is applied, and Figs. 2 is a circuit diagram showing the connection state of the strain gauge of the pressure sensor, FIG. 4 is a schematic diagram showing an example of the wiring arrangement of the pressure sensor wired using the conventional technology, and FIGS. 7 and 8 are schematic diagrams of 11 examples of the wiring arrangement of a pressure sensor wired using both conventional techniques. FIG. 101K (A) and (B) are schematic diagrams showing an example of the wiring arrangement of a pressure sensor wired according to the present invention; FIG. 11 (A) 11(B) is an enlarged view of part A of the manufacturing method of the pressure sensor unit cell according to the present invention, and FIG. 12 is an explanatory diagram showing the method of manufacturing the pressure sensor unit cell according to the present invention in a planar array. FIG. 3 is a perspective view showing an example in which a pressure sensor array is formed by using the pressure sensor array. l... Metal square ring, 7... Silicon pressure sensitive structure, 2.8... Pressure receiving surface, 3.8... Substrate surface, 13... Strain gauge forming surface, 15...・Pounding pad portion, 16... Silicon wafer, 17... Area corresponding to pressure sensor unit cell, 21... (
N type) silicon substrate. 22... Si02 film, 23... (P type) diffusion type strain gauge, 24...
Metal thin film wiring, 24-1.24-2... 1st. 2nd metal thin H-body wiring, 25... Bonding pad portion, 26... Covering insulating layer, 36... (P type) silicon substrate, 37... (N type) epitaxial layer, 3 days... ...(P
form) tribute diffusion layer, 101-104. lit~114,121 N124・
...Diffusion type strain gauge, 141-143...Wiring. Patent applicant: Fuji Electric Research Institute Co., Ltd. Figure 1/"z Figure 2 FZ Figure 3 (A> (B) (C) Figure 4 Figure 5 Figure 7 Figure 15" Figure S Figure 8 24 26 Figure 1O Figure 11 Part A

Claims (1)

【特許請求の範囲】 l)単結晶シリコンを感圧構造体とし、該感圧構造体の
受圧面に垂直な面に複数mの拡散形ストレフケージを形
成し、これらの該ストレフケージの抵抗値の変化によっ
て前記受圧面に印加された力の三成分を検出する圧覚セ
ンサにおいて、前記単結晶シリコンの基板部に該基板部
とは反対の伝導形をもつエピタキシャル層を形成し、該
両面のエピタキシャル層に前記ストレフケージを形成し
、前記両面のエピタキシャル層とは反対の伝導形をもつ
拡散層を該両面エピタキシャル層を貫通して+iFj記
基板部に達するまでJし成し、前記拡散層および前記基
板部を前記ストレフケージへの配線の一部として構成し
たことを特徴とする圧覚センサ。 2、特許請求の範囲第1項記載の圧覚センサにおいて、
前記単結晶シリコンの基板部とL2てP形シリコンを用
い、前記エピタキシャル層としてN形シリコンを用い、
前記拡散形ストシ・ンケージとしてP膨拡散層を用いた
ことを特徴とする圧覚センサ。 3)特許請求の範囲第1項または第2項記載の圧覚セン
サにおいて、前記単結晶シリコンの基板部として、比抵
抗がlΩ・am以下のシリコンを用いたことを特徴とす
る圧覚センサ。 (以 下 余 白 )
[Claims] l) Single crystal silicon is used as a pressure-sensitive structure, a plurality of meters of diffused Stref cages are formed on a surface perpendicular to the pressure-receiving surface of the pressure-sensitive structure, and the resistance value of these Stref cages is changed. In the pressure sensor that detects the three components of force applied to the pressure receiving surface, an epitaxial layer having a conductivity type opposite to that of the substrate is formed on the single crystal silicon substrate, and the epitaxial layers on both sides are forming the stretch cage, and forming a diffusion layer having a conductivity type opposite to that of the epitaxial layers on both sides, penetrating the epitaxial layers on both sides until reaching the +iFj substrate section, and forming the diffusion layer and the substrate section. A pressure sensor configured as part of wiring to the Stref cage. 2. In the pressure sensor according to claim 1,
P-type silicon is used for the single-crystal silicon substrate portion and L2, and N-type silicon is used for the epitaxial layer;
A pressure sensor characterized in that a P-swelled diffusion layer is used as the diffusion type storage cage. 3) A pressure sensor according to claim 1 or 2, wherein silicon having a specific resistance of 1Ω·am or less is used as the single-crystal silicon substrate portion. (Margin below)
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0656920U (en) * 1991-03-19 1994-08-05 昭和アルミニウム株式会社 lighting equipment

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