JPS60164231A - 力分布検出器 - Google Patents
力分布検出器Info
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- JPS60164231A JPS60164231A JP1970384A JP1970384A JPS60164231A JP S60164231 A JPS60164231 A JP S60164231A JP 1970384 A JP1970384 A JP 1970384A JP 1970384 A JP1970384 A JP 1970384A JP S60164231 A JPS60164231 A JP S60164231A
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L1/00—Measuring force or stress, in general
- G01L1/18—Measuring force or stress, in general using properties of piezo-resistive materials, i.e. materials of which the ohmic resistance varies according to changes in magnitude or direction of force applied to the material
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- General Physics & Mathematics (AREA)
- Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔発明の利用分野〕
本発明は、力の分布状態を検出する力分布検出器に係り
、たとえばロボット用触覚又は人間の皮膚の硬さを測定
するのに好適な力分布検出器に関する。
、たとえばロボット用触覚又は人間の皮膚の硬さを測定
するのに好適な力分布検出器に関する。
従来の力分布検出器は、ｐｒｏｃｃｅｄｉｎｇｓ ｏｆ
ＩＥＥＥ、 ＶｏＬ、７１． Ａ６． Ｉ）ｐ６５２−
６６０（１９８３）で知られているように第１図に示す
構成となっている。ｌは、いわゆるタフタイルセンサの
力検出部を示す。２は導電性プラスチック、３．４は導
電性プラスチックの上面と下面に互いに直交して配置さ
れた電極である。矢印５は加えられた力を示し、このよ
うに力５が加えられると、導電性プラスチックが変形し
、電極３と４間の電気抵抗が減少する。このようにして
、すべての電極３と４間を測定すれば、その時作用して
いる力の分布を知ることができる。
ＩＥＥＥ、 ＶｏＬ、７１． Ａ６． Ｉ）ｐ６５２−
６６０（１９８３）で知られているように第１図に示す
構成となっている。ｌは、いわゆるタフタイルセンサの
力検出部を示す。２は導電性プラスチック、３．４は導
電性プラスチックの上面と下面に互いに直交して配置さ
れた電極である。矢印５は加えられた力を示し、このよ
うに力５が加えられると、導電性プラスチックが変形し
、電極３と４間の電気抵抗が減少する。このようにして
、すべての電極３と４間を測定すれば、その時作用して
いる力の分布を知ることができる。
しかし、このような構成では、導電性プラスチック２の
変形を必爽の作用とするが、これによりヒステリシスが
ともない、精度の高す力検出ができない欠点を有する。
変形を必爽の作用とするが、これによりヒステリシスが
ともない、精度の高す力検出ができない欠点を有する。
〔発明の目的〕
本発明の目的は、精度の高い力の分布を検出する力分布
検出器を提供することにある。
検出器を提供することにある。
たとえばシリコン等の半導体は理想的な弾性体であり、
ＬＳＩ技術の進展に伴ってその微細加工技術が発達した
材料である。そこで、たとえば異方性エツチングによシ
ダイアフラム又はカンチレバを形成し、力を加えやすく
するため、力点に凸部を形成する。そして前記ダイヤフ
ラム又はカンチレバの可動部の固定端部近傍にピエゾ抵
抗素子を形成し、力点の力による変位を抵抗値変化で検
出するようにしたものでアフ、このようにして形成した
素子をたとえばマトリックス状に配置し、力の分布を検
出することができるものである。
ＬＳＩ技術の進展に伴ってその微細加工技術が発達した
材料である。そこで、たとえば異方性エツチングによシ
ダイアフラム又はカンチレバを形成し、力を加えやすく
するため、力点に凸部を形成する。そして前記ダイヤフ
ラム又はカンチレバの可動部の固定端部近傍にピエゾ抵
抗素子を形成し、力点の力による変位を抵抗値変化で検
出するようにしたものでアフ、このようにして形成した
素子をたとえばマトリックス状に配置し、力の分布を検
出することができるものである。
以下、本発明による力分布検出器の一実施例を第２図に
より説明する。同図（ａ）は力分布検出器の力検出素子
の全体斜視図で、同図（ｂ）は継面斜視図である。２１
は力検出素子マレイを設けた検出器のシリコンチップ、
２２は力を作用させるための凸部、２３は凸部２２に力
を作用させたとき変形するダイアフラム部、２４はダイ
アフラム２３を固定する部、２５は下面に信号処理回路
が形成された信号処理部、２７はダイアフラム２３上に
拡散形成されたピエゾ抵抗体、２８はチップ表面をおお
う酸化膜、２９はチップ２１とガラス台２６を静電接着
するためのポリシリコン膜である。第１図ら）でわかる
ように、凸部２２は、ダイアフラム固定部２４より高く
なっておシ、対象物からの力がこの凸部２２に加わりや
すくするようにしである。
より説明する。同図（ａ）は力分布検出器の力検出素子
の全体斜視図で、同図（ｂ）は継面斜視図である。２１
は力検出素子マレイを設けた検出器のシリコンチップ、
２２は力を作用させるための凸部、２３は凸部２２に力
を作用させたとき変形するダイアフラム部、２４はダイ
アフラム２３を固定する部、２５は下面に信号処理回路
が形成された信号処理部、２７はダイアフラム２３上に
拡散形成されたピエゾ抵抗体、２８はチップ表面をおお
う酸化膜、２９はチップ２１とガラス台２６を静電接着
するためのポリシリコン膜である。第１図ら）でわかる
ように、凸部２２は、ダイアフラム固定部２４より高く
なっておシ、対象物からの力がこの凸部２２に加わりや
すくするようにしである。
今、力３０が凸部２２に加えられると、ダイアフラム２
３が撓む。その結果ダイアプラム上に拡散形成した抵抗
２７はピエゾ抵抗効果によって抵抗値が変化する。この
変化から力を検出することができる。第１図（ａ）に示
すように前記検出素子を２次元アレイ状に配列すれば、
力の分布を測定することが可能となる。
３が撓む。その結果ダイアプラム上に拡散形成した抵抗
２７はピエゾ抵抗効果によって抵抗値が変化する。この
変化から力を検出することができる。第１図（ａ）に示
すように前記検出素子を２次元アレイ状に配列すれば、
力の分布を測定することが可能となる。
第３図（前記信号処理部２５にＬＳＩ技術により形成さ
れる信号処理回路のブロックダイアグラムの一実施例を
示す。２１はシリコンチップ、４２は第２図で示したセ
ンサアレイ部、４３はセンサ部へ供給する電源センナ部
からの信号出力、４４はスキャナ、４５はセンサアレイ
中の特定の出力を得るアドレス信号、４６は選択された
センサ出力、４７は増幅器、４８はアドレス信号５で指
定されたセンナの出力電圧、をそれぞれ示す。
れる信号処理回路のブロックダイアグラムの一実施例を
示す。２１はシリコンチップ、４２は第２図で示したセ
ンサアレイ部、４３はセンサ部へ供給する電源センナ部
からの信号出力、４４はスキャナ、４５はセンサアレイ
中の特定の出力を得るアドレス信号、４６は選択された
センサ出力、４７は増幅器、４８はアドレス信号５で指
定されたセンナの出力電圧、をそれぞれ示す。
この構成で集積化された集積回路はスキャナ４４および
増幅器４７である。
増幅器４７である。
動作を簡単に説明する。外部プロセッサで、センサチッ
プ選択信号４５を送る。
プ選択信号４５を送る。
一方スキャナ４４にはセンサアレイから全信号３３が送
られてきているので、そのうち、信号５５によりチップ
を選択し、その信号を信号線４６を介して増幅器４７に
送る。増幅された信号は出力線４８で出力される。この
ような構成にすれば、センサアレイの信号をすべてとり
出す必要がなく、チップ選択線５５と出力４８並びに電
源線で済み配線数を減らすことができるようになる。
られてきているので、そのうち、信号５５によりチップ
を選択し、その信号を信号線４６を介して増幅器４７に
送る。増幅された信号は出力線４８で出力される。この
ような構成にすれば、センサアレイの信号をすべてとり
出す必要がなく、チップ選択線５５と出力４８並びに電
源線で済み配線数を減らすことができるようになる。
次に、第２図（ａ）に示した力分布検出器の製造方法の
一実施例を第４図（ａ）ないしくｅ）に示す。
一実施例を第４図（ａ）ないしくｅ）に示す。
同図（ａ）は通常の拡散プロセスで、拡散抵抗２７゜２
７／が形成されたウェハを示し、２１がシリコンウェハ
で、２８．２８’は酸化膜である。同図（ｂ）は酸化膜
２８上にポリシリコン２９が堆積された後エツチングに
よシ必要な部分のみ残された状態を示す。次に同図（Ｃ
）では、ダイアフラムを異方性エツチングで形成するた
め酸化膜２８′を選択エツチングした状態を示す。２８
八部の酸化膜は、凸部と固定部の厚さの差を得るために
、スリット２８Ｂが形成されている。酸化膜２８′をマ
スクにして異方性エツチングされた形状を同図（ｄ）に
示す。この状態でウエノ・は完成である゛。灰に、ウェ
ハ２１はポリシリコン膜２９．２９’を介してガラス２
６と静電接合される。この接合方法は、ウェハ２１と台
ガラス２６を約４００Ｃに加熱した後直流電圧源３１に
よ〕、シリコンを正、ガラス２６を負に接続し、約１時
間で、接合が完了する。
７／が形成されたウェハを示し、２１がシリコンウェハ
で、２８．２８’は酸化膜である。同図（ｂ）は酸化膜
２８上にポリシリコン２９が堆積された後エツチングに
よシ必要な部分のみ残された状態を示す。次に同図（Ｃ
）では、ダイアフラムを異方性エツチングで形成するた
め酸化膜２８′を選択エツチングした状態を示す。２８
八部の酸化膜は、凸部と固定部の厚さの差を得るために
、スリット２８Ｂが形成されている。酸化膜２８′をマ
スクにして異方性エツチングされた形状を同図（ｄ）に
示す。この状態でウエノ・は完成である゛。灰に、ウェ
ハ２１はポリシリコン膜２９．２９’を介してガラス２
６と静電接合される。この接合方法は、ウェハ２１と台
ガラス２６を約４００Ｃに加熱した後直流電圧源３１に
よ〕、シリコンを正、ガラス２６を負に接続し、約１時
間で、接合が完了する。
ピエゾ抵抗素子と信号処理回路を結ぶ配線は図示されて
いないが、これは、固定部２４の拡散面に配線されてい
る。
いないが、これは、固定部２４の拡散面に配線されてい
る。
次に本発明による力分布検出器の他の実施例を第４図を
用いて説明する。第２図に示した実施例が、検出機構に
ダイアフラムを使っていたが、この実施例では、シリコ
ンからなるカンチレバを使ったものである。同図におい
て２４はカンチレバ３１の固定部で、カンチレバ３１の
先端に力を加える凸部２２が形成されている。第２図に
示したと同様に、凸部２２は固定部２４より十分高くな
っている。カンチレバ先端部と隣りのカンチレバ固定部
はギャップ３３で分離されている。これは、拡散面側か
らの異方性エツチングにより形成される。面３２は、拡
散面からのエツチングのため生じた面を表わしている。
用いて説明する。第２図に示した実施例が、検出機構に
ダイアフラムを使っていたが、この実施例では、シリコ
ンからなるカンチレバを使ったものである。同図におい
て２４はカンチレバ３１の固定部で、カンチレバ３１の
先端に力を加える凸部２２が形成されている。第２図に
示したと同様に、凸部２２は固定部２４より十分高くな
っている。カンチレバ先端部と隣りのカンチレバ固定部
はギャップ３３で分離されている。これは、拡散面側か
らの異方性エツチングにより形成される。面３２は、拡
散面からのエツチングのため生じた面を表わしている。
各カンチレバ３は隣接するカンチレバとギャップ３４に
よって分離されて、いわゆるカンチレバが２次元状に配
線されている。
よって分離されて、いわゆるカンチレバが２次元状に配
線されている。
カンナレバ固定部近傍に拡散抵抗２７が拡散されている
。拡散面表面は酸化膜２８が形成されている。固定部２
４はポリシリコン膜２９を介してガラス２６と静電接合
されている。
。拡散面表面は酸化膜２８が形成されている。固定部２
４はポリシリコン膜２９を介してガラス２６と静電接合
されている。
このようにした構造において、力３０が凸部２２に加え
られると、カンチレバ３１がたわみピエゾ抵抗効果によ
って前記拡散抵抗２７の抵抗値が変化する。本実施例で
は、カンチレバの剛性はダイアフラムに比較して小さい
ため力３０が小さい場合に効果がある。
られると、カンチレバ３１がたわみピエゾ抵抗効果によ
って前記拡散抵抗２７の抵抗値が変化する。本実施例で
は、カンチレバの剛性はダイアフラムに比較して小さい
ため力３０が小さい場合に効果がある。
以上説明した力分布検出器によれば、検出器材料にシリ
コンを使っているためヒステリシスが生じない、精度が
高い、感度が高い信号処理回路を集積化できる等の効果
がある。更に、構造的には、拡散面を表に出さない構造
になっているため、対象物に接触することによるよごれ
が拡散面に影響せず、またシリコンの微細加工技術によ
り、小型化、精度の高い配置ができる効果もある。
コンを使っているためヒステリシスが生じない、精度が
高い、感度が高い信号処理回路を集積化できる等の効果
がある。更に、構造的には、拡散面を表に出さない構造
になっているため、対象物に接触することによるよごれ
が拡散面に影響せず、またシリコンの微細加工技術によ
り、小型化、精度の高い配置ができる効果もある。
本実施例では、半導体材料としてシリコンを用いたもの
であるが、シリコンに限ラス、ゲルマニウムあるいはガ
リウム砒素等の他の半導体材料であってもよいことはい
うまでもない。
であるが、シリコンに限ラス、ゲルマニウムあるいはガ
リウム砒素等の他の半導体材料であってもよいことはい
うまでもない。
以上述べたことから明らかなように本発明によれば、力
検出材料として半導体材料を用いるため、ヒステリシス
がなく、高感度、高精度な力分布を検出できる力分布検
出器を得ることかできる。
検出材料として半導体材料を用いるため、ヒステリシス
がなく、高感度、高精度な力分布を検出できる力分布検
出器を得ることかできる。
第１図は従来の力分布検出器の一例を示す斜視図、第２
図（ａ）、 （ｂ）は本発明による力分布検出器の一実
施例を示す斜視図、第３図は前記力分布検出器に組込ま
れる電子回路の一実施例を示すブ目ツク図、第４図は本
発明にょる力分布検出器の製造方法の一実施例を示す工
程図、第５図は本発明による力分布検出器の他の実施例
を示す斜視図である。 １・・・タフタイルセンサ、２・・・導電性プラスチッ
ク、３．４・・・電極、２１・・・力分布検出器、２２
・・・凸部、２３・・・ダイアフラム、２４・・・固定
部、２５・・・信号処理回路部、２６川ガラスダイ、２
７・・・拡散抵抗、２８・・・酸化膜、２９・・・ポリ
シリコン、３ｏ・・・カ、３１・・・電源、３１・・・
カンチレバ、３３．３４−１’ヤツプ。 代理人 弁理士 鵜沼辰之 茅 １ 固 ／−′Ｉ ＃！２ 目 茅 ３ 目 ＄４ 図
図（ａ）、 （ｂ）は本発明による力分布検出器の一実
施例を示す斜視図、第３図は前記力分布検出器に組込ま
れる電子回路の一実施例を示すブ目ツク図、第４図は本
発明にょる力分布検出器の製造方法の一実施例を示す工
程図、第５図は本発明による力分布検出器の他の実施例
を示す斜視図である。 １・・・タフタイルセンサ、２・・・導電性プラスチッ
ク、３．４・・・電極、２１・・・力分布検出器、２２
・・・凸部、２３・・・ダイアフラム、２４・・・固定
部、２５・・・信号処理回路部、２６川ガラスダイ、２
７・・・拡散抵抗、２８・・・酸化膜、２９・・・ポリ
シリコン、３ｏ・・・カ、３１・・・電源、３１・・・
カンチレバ、３３．３４−１’ヤツプ。 代理人 弁理士 鵜沼辰之 茅 １ 固 ／−′Ｉ ＃！２ 目 茅 ３ 目 ＄４ 図
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １、力を受ける肉厚部と、その肉厚部の変位に伴って髪
形し表面に拡散抵抗が形成された薄肉部と、この薄肉部
を固定する肉厚部からなる半導体検出素子を複数個２次
元状に配列したことを特徴とする力分布検出器。 ２、第１項記載の力分布検出器において、拡散抵抗が形
成された面が力を受ける面と反対側の面とした力分布検
出器。 ３、第１項記載の力分布検出器において、力を受ける肉
厚部の高さが、薄肉部を固定する肉厚部の高さより高く
した力分布検出器。 ４、第１項記載の力分布検出器においで、薄肉部が力を
受ける肉厚部の全周を囲むように形成した力分布検出器
。 ５、第１項記載の力分布検出器において、薄肉部が力を
受ける肉厚部の一部とのみ結合している力分布検出器。 ６、第１項記載の力分布検出器において、２次元配列し
た力検出器の信号を処理する回路を同一チップ上に集積
化させた力分布検出器。 ７、第１項記載の力分布検出器において、その半導体材
料をシリコンとした力分布検出器。 ″″８．第８．記載の力分布検出器において、その拡散
抵抗形成面と同一面にポリシリコン膜を薄肉部を固定す
る肉厚部形成領域に形成し、そのポリシリコン膜とガラ
ス基板を静電接合した力分布検出器。 ９、第１項記載の力分布検出器において、その拡散抵抗
形成面と同一面にガラス膜を薄肉部を固定する肉厚部形
成領域に形成し、そのガラス膜とポリシリコン基板を静
電接合した力分布検出器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1970384A JPS60164231A (ja) | 1984-02-06 | 1984-02-06 | 力分布検出器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1970384A JPS60164231A (ja) | 1984-02-06 | 1984-02-06 | 力分布検出器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS60164231A true JPS60164231A (ja) | 1985-08-27 |
| JPH0554053B2 JPH0554053B2 (ja) | 1993-08-11 |
Family
ID=12006630
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1970384A Granted JPS60164231A (ja) | 1984-02-06 | 1984-02-06 | 力分布検出器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS60164231A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4745812A (en) * | 1987-03-25 | 1988-05-24 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army | Triaxial tactile sensor |
| EP0312605A1 (en) * | 1987-04-24 | 1989-04-26 | Enplas Laboratories, Inc. | Detector for force, acceleration and magnetism using resistor element |
| JP2015513068A (ja) * | 2012-01-30 | 2015-04-30 | ピーエスティ・センサーズ・（プロプライエタリー）・リミテッドＰｓｔ Ｓｅｎｓｏｒｓ （Ｐｒｏｐｒｉｅｔａｒｙ） Ｌｉｍｉｔｅｄ | 熱画像センサ |
| EP2870445A1 (en) * | 2012-07-05 | 2015-05-13 | Ian Campbell | Microelectromechanical load sensor and methods of manufacturing the same |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5460954A (en) * | 1977-10-21 | 1979-05-16 | Toyoda Chuo Kenkyusho Kk | Physical quantity distribution indicator |
| JPS5780532A (en) * | 1980-11-07 | 1982-05-20 | Hitachi Ltd | Semiconductor load converter |
| JPS6090696A (ja) * | 1983-10-25 | 1985-05-21 | オムロン株式会社 | 圧覚センサ |
-
1984
- 1984-02-06 JP JP1970384A patent/JPS60164231A/ja active Granted
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5460954A (en) * | 1977-10-21 | 1979-05-16 | Toyoda Chuo Kenkyusho Kk | Physical quantity distribution indicator |
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| JPS6090696A (ja) * | 1983-10-25 | 1985-05-21 | オムロン株式会社 | 圧覚センサ |
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|---|---|---|---|---|
| US4745812A (en) * | 1987-03-25 | 1988-05-24 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army | Triaxial tactile sensor |
| EP0312605A1 (en) * | 1987-04-24 | 1989-04-26 | Enplas Laboratories, Inc. | Detector for force, acceleration and magnetism using resistor element |
| EP0625701A1 (en) * | 1987-04-24 | 1994-11-23 | Enplas Laboratories, Inc. | Force detector using piezoresistive elements |
| JP2015513068A (ja) * | 2012-01-30 | 2015-04-30 | ピーエスティ・センサーズ・（プロプライエタリー）・リミテッドＰｓｔ Ｓｅｎｓｏｒｓ （Ｐｒｏｐｒｉｅｔａｒｙ） Ｌｉｍｉｔｅｄ | 熱画像センサ |
| EP2870445A1 (en) * | 2012-07-05 | 2015-05-13 | Ian Campbell | Microelectromechanical load sensor and methods of manufacturing the same |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0554053B2 (ja) | 1993-08-11 |
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