JPS6134402A - 歪センサ - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】 （２）　技　　　術　　　分　　　野 この発明はアモルファスシリコンを利用した歪センサに
関する。

ここで歪センサというのは、対象物の歪みを検出する感
歪センサ（歪ゲージセンサ）と、圧力によって自身が歪
むことによシ圧力を検出する圧力センサとを指している
。

歪ケージセンサは、ロボットの触覚センサ、メカＦロニ
クスにおける微小変位、振動の検出に広く用いられてい
る。メディカルエレクトロニクスに於ては、血圧測定な
どに幅広く応用されている。

（イ）従来技術 歪みゲージセンサとして、従来、２つの種類のものが用
いられてきた。ひとつは、金属歪みゲージセンサであシ
、今ひとつは結晶半導体歪みゲージセンサである。

金属歪みゲージセンサは、Ｃｕ−Ｎｉ　、　Ｃｕ−Ｎｉ
−Ａｌ　。

Ｎｉ−Ｃｕ　、　Ｎｉ−Ｃｕ合金などの箔又は細線が引
張られると、細くのびるので、抵抗が増大する、という
性質を利用している。しかし、これは、歪みに対する抵
抗変化率が小さいという欠点がある。

結晶半導体歪みゲージセンサは、検出感度は高いが、温
度依存性が高く、非直線性を示すなどの欠点がある。ま
た、任意の形状、寸法のものを作シ難いという点も問題
である。

これらの歪みゲージセンサとは全く異なるアモルファス
薄膜半導体を用いた歪みゲージセンサが提案されている
。

コレハ、アモルファスシリコンの半導体薄膜ヲ用いるも
のである。アモルファスシリコンハ、結晶シリコンと製
造方法が異なるので、基板の選択の幅が広い、低温で薄
膜化できる、微小化が容易である、という長所がある。

また、金属歪みゲージセンサに比べて、歪みに対する抵
抗変化率が大きいという利点がある。結晶半導体のもの
に比して、直線性が良く、温度特性も優れている。

アモルファスシリコンヲ用いり歪ゲ−ジセンサは、この
ような長所をもっているが、これまで提案されているも
のは、第３図、第４図に示すよう々構造を持っている。

例えば、「最新アモルファスＳｉハンドブック」高橋清
、小長井誠編、サイエンスフォーラム（株）発行（１９
８３年３月３１　日）には、このようなアモルファスシ
リコンの歪みゲージセンサが説明されている。

（つ）　従来技術の問題点 第３図、第４図の従来構造に於て、アモルファスシリコ
ン歪みゲージセンサは、絶縁基板２０の上に、細長い微
結晶化シリコン（μＣ−５ｉという）の薄膜２１が形成
してあり、薄膜２１の両端に金属電極２２．２３が蒸着
されている。電極２２．２３にはワイヤ２４．２５がポ
ンディングしである。

微結晶シリコン薄膜２１の長さしは１酊あるいはそれ以
上である。幅Ｗは０．１酊程度である。厚さＴは１μｍ
〜数μｍである。

このように細長比Ｌ／Ｗが極めて大きい。

歪みゲージセンサは、このように検出部材が細長いのが
普通である。この理由は、次のようであろうと考えられ
る。

最も古い歴史をもつ金属歪みゲージセンサの場合、導電
率が高すぎるから、十分な抵抗値を得るため細長くする
必要があった。これには、十分な根拠がある。

続いて、結晶シリコンの歪ゲージセンサの場合も、シリ
コンは細長い帯状のエピタキシャル層となっている。細
ｉ比Ｌ／Ｗは、やはり１０程度以上であった。

従来の歪みゲージセンサが、帯状の検出部を必ス持って
いたから、アモルファスシリコンの薄膜を使う新しい歪
みゲージセンサも、第３図、第４図に示すように、細長
い帯状の薄膜を使っているのであろう。

しかしながら、このようなアモルファスシリコン薄膜歪
みゲージセンサには次のような欠点がある。

（１）　　この素子は抵抗が高すぎる。このため、ノイ
ズが入シやすく、精度の高い測定が難かしい。

もつトモ、アモルファスシリコンヲ微ｍ　晶化シリコン
にして抵抗を下げているが、なお十分でない。

これは、膜面と平行な方向に電流を流すためである。抵
抗は長さしに比例し、幅Ｗ、厚さＴに反比例するから、
細長比が大きいと、抵抗も大きくなる。帯状の膜形状の
固有の難点である。

（２）導電性基板を基板２０として使用することができ
ない。電流は膜内を横方向に流れるから、基板２０が導
電性であると、基板によって短絡してしまうからである
。

金属、結晶半導体歪ゲージセンサも、基板は絶縁物であ
る。

しかし、導電性基板の方が便利なこともあシ、用途も拡
大するものと考えられる。

（３）　　−次元ラインセンサを作製する場合、隣接す
る素子間を絶縁するためμＣ−３ｉ薄膜を切断しなけれ
ばならない。電流は、横方向に流れ、隣接素子間の間隔
と同程度の長さを流れるわけであるから、素子間を分離
しなければ、クロストークを生ずるからである。

に）発明の目的 本発明は、抵抗が低く、導電性基板を使用でき、しかも
−次元ラインセンサを作製しても、素子間を分離する必
要のないアモルファスシリコン歪みセンサを学えること
を目的とする。

（イ）構　成 従来の歪ゲージセンサは、全て電流が゛基板面に平行に
流れていた。つまシ横型のセンサである、という事がで
きる。

本発明は、電流が基板面に対し直角に流れるセンサの構
造を新たに提供する。これは、従って縦型のセンサと言
うことができる。

ここでアモルファスシリコンについて述べる。

イスれも、水素を含んだアモルファスのシリコンを基板
の上に堆積してゆくものである。出発物質は主にＳｉＨ
４シランガスである。さらにＳｉＦ４四フッ化ケイ素ガ
ヌを用いることもある。

アモルファスシリコンを形成する方法はいくつか知られ
５ている。

（１）ブーｊ　スフＣＶＤ法（ｐ１ａ３Ｔａｃｈａｒｔ
ｘｔｚ１ｖａｐｏｒ　＝ｄｅｐｏｓｉｔｉａｎ　）シラ
ンガスＳｉＨ４あるいは四フッ化ケイ素ガスＳｉＦ４を
容器内に導入する。高周波電圧をアノ−トドカソード間
に加えて、ガスをプラズマ状態にする。シランガスがＳ
ｉとＨに分解し基板の上に付着してゆく。基板温度は３
００℃程度でよい。基板はアノード側に接触している。

グロー放電によるプラズマのエネルギーでガスを分解す
るものである。

（２）反応性スパッタリング法（ｒ（転）ｔｉｖｅ　ｓ
ｐｕｔｔｅｒｉｎｇ　）７、／＜ツタリングすべき材料
はＳｉである。ガスはアルゴンの他に水素を入れておく
。アルゴンガスには高周波電界がかかつておシ、これが
Ｓｉを叩き、基板へ輸送し、基板上に堆積してゆく。

Ｈ２が含まれているので、水素もシリコンの中に入って
ゆく。こうしてａ−３ｉ：Ｈが基板の上に形成される。

５ａ−“はアモルファスという意味である。：Ｈは水素
が含まれる、という意味である。Ｈを入れるので、反応
性というのである。

（３）反応性イオンブレーティング法 Ｓｉを真空蒸着と同じように加熱蒸発させる。

途中で高周波あるいは直流の電圧による放電域を通シイ
オン化される。イオン化されたシリコンが基板に付着す
る。水素ガスを容器内に通しておき、水素をシリコンの
中に含ませる。水素を加えるので反応性という。

微結晶化シリ：ｌ　ン（ｍ１ｃｒｏ　ｃｒｙｓｔａｌｌ
ｉｎ９５ｉｌｉｃｃｎ　）　　について説明する。これ
は数１０〜数１００人の結晶粒のある水素あるいはフッ
素を含むアモルファスシリコンのことである。電子顕微
鏡でアモルファスシリコンの表面を観察した時、アモル
ファスシリコンの一様な海の中に、一部結晶化した塊状
の部分が見える。結晶化した部分の直径は数１０人から
数１００人である。簡単にμＣ−５ｉと書くことにする
。

これｕアモルファアノリコンのカテゴリーニ入るが、通
常のアモルファスシリコンａ−３ｉ　よリモ抵抗率が低
い。

アモルファスシリコンは、水素が含まれていることが必
須である。水素が含まれていることを明示するため、ａ
−３ｉ：Ｈと書くこともあるが、これを省略することも
多い。ａ−Ｓｉ、μＣ−５ｉと書いていても、Ｈは当然
台まれている。μＣ−３ｉは微結晶を含むアモルファス
シリコンという事であって、単にアモルファスシリコン
という場合、通常のアモルファスシリコンもμＣ−８ｉ
モ含ム。

さらに、アモルファスシリコンニモ、ｉ型、ｎ型、ｐ型
の区別がある。水素を含むことによりアモルファスシリ
コンは構造敏感な性質を得るようになった。ホウ素を、
例えばＢ２Ｈ，の形でドープするとｐ型になり、リンを
ＰＨ３の形でドープすると、ｎ型の半導体となる。ｎ型
、ｐ型にすると、電気抵抗が小さくなる。また電極を付
ける場合はｎ型、ｐ型の方がショットキーバリヤができ
ないので適している。

ｉ型は、ホウ素、リンなどのドーパントをドープしてい
々いもので、抵抗率も高い。

以上の事柄は公知である。

次に、第１図によって、本発明の詳細な説明する。

１は導電性を有する基板である。基板自体が導　。

電性を有するものであってもよいし、絶縁物の外周を導
電物によってコーティングしたものでも良い。コーティ
ングは外周全体でも良いが、上面だけであっても差支え
ない。

２はアモルファスシリコンの薄膜であって、基板１の上
に、既に述べたプラズマＣＶＤ法、反応性スパッタリン
グ法、反応性イオンブレーティング法などＫよって形成
される。

アモルファスシリコン薄膜２　ハ、前述ｏ　ａ−ｓｉで
もよいしμＣ−５ｉでもよい。アモルファスシリコン２
の上に金属電極３が蒸着しである。電極はＡｌ。

Ｃｒ、Ａｕ％Ｎｉなどの単体金属或は合金を用いる。

導電基板１及び金属電極３の上に、ワイヤ４．５をポン
ディングしである。

電流は、アモルファスシリコン薄膜２を上下方向に流れ
る。つまり、従来の歪ゲージセンサと異なシ、縦型にな
っている。

アモルファスシリコン薄膜は、ホウ素をドープしたｐ型
、リンをドープしたｎ型半導体であってもよしし、ノン
ドープのｉ型半導体であってもよい。ｉ型の場合は、オ
ーミックコンタクトをとるために、電極の近傍をｎ型に
して、電極・ｎ型−１型−ｎ型・電極という構造にする
のが望ましい。

ｉ型アモｌレフアノ半導体へ直接に電極を付けると、シ
ョツｔキーバリヤが生じ、この部分に電圧がかかつてし
まい、歪みセンサとして機能しない。

このように、本発明に於ては、電極によって、アモルフ
ァスシリコンを上下から挾んだ構造になっている。

第２図は他の例を示す断面図である。絶縁基板６の上に
電極７を一部分蒸着しである。電極７と基板６の上に、
アモルファスシリコン薄膜２を形成してあシ、さらに電
極３が蒸着しである。ワイヤ４．５を電極７．３にボン
ディングしである。

基板が絶縁性であれば、まず電極を蒸着、印刷によって
設けておいてから、アモルファスシリコン薄膜を形成す
る。

いずれにしても、電極によってアモルファスシリコン薄
膜が挾まれておシ、電流、電圧の加わる方向が上下方向
である。

電極３．１の厚みは０．１μｍ−１μｍ程度でよい。

アモルファスシリコン薄膜の厚みは５００人〜２０１１
ｍ程度である。アモルファスシリコンは薄スキると、上
下の電極間が短絡される。反対に厚すぎると層が剥離し
てしまうことがある。

通常は１μｍ程度が選ばれる。

□□□）効　果 （１）縦型の構成であるから、電流が流れやすく、低抵
抗にする事ができる。

薄膜の辺をり、Ｗとし、厚さをＴとする時、　　□従来
の横型の抵抗体の場合Ｌ／Ｗが大きく、抵抗はＬ／ＷＴ
に比例するので、極めて高い抵抗値であった。

本発明ではＬとＷが同じ程度の大きさで、抵抗はＴ／Ｌ
Ｗに比例する。ｎ型ａ−Ｓｉの抵抗率として例えば１０
’Ωａのものを作ったとする。ｎ型μＣ−３ｉの抵抗率
として５×１００備のものを作ったとする。このそれぞ
れの場合に於て、従来例と本発明の素子抵抗を比較する
と、１ｆｆＸ１鱈×１μｍｔの薄膜である場合、１０の
差異がでてくる。ｎ型ａ−５ｉであれば、従来例で１０
０となるが、本発明では１０２Ωとなる。

ｎ型μＣ−Ｓ　ｉであれば、従来例で５×１００となり
、本発明では５×１００となる。

素子の抵抗は１０　〜１０Ω程度であれば、雑音に対し
ても強いので、上記の寸法の場合、高抵抗率のａ−５ｉ
薄膜であっても十分に役に立つ。

従来例の場合、細長比を１にすることはなく、Ｌ／Ｗは
１０程度であるから、ここに示すものよシ高い抵抗とな
る。

（２）導電性基板を使用することができる。つまり、金
属などを基板にできるから、基板選択の自由度が高くな
る。電流の流れが基板の面に対し直角であるから、これ
が可能になる。

（８）　　アモルファスシリコンを使用Ｌ［−次元ライ
ンセンサラ作製する場合、アモルファスシリコンを切断
して素子間を分離する必要がない。縦型の素子であるか
ら、対向電極間に電流が流れやすく、隣接電極間には流
れない。電極間距離（５００人〜２０μｍ）が小さくて
、隣接電極間（数ｍ）よシはるかに短いから、素子分離
の必要がない。

もちろん、電極の一方は分離されている。

（１）用　途 （１）歪ゲージセンサ（感歪素子）として使うことがで
きる。直線性、温度特性が良い。金属のセンサよシ検出
感度が高い。

（２）圧力センサとしても使うことができる。アモルフ
ァスシリコン薄膜は圧力を受けることによって抵抗値が
異なるからである。

【図面の簡単な説明】

第１２図は本発明の１例を示す断面図。 第２図は本発明の他の例を示す断面図。 第３図は従来例のアモルファスシリコン歪ミケ−ジセン
サの断面図。 第４図は第３図の歪みゲージセンサの平面図。 １・・・・・・・・導電性基板 ２　・・・・・・・・　アモルファスシリコン薄膜３・
・・・・・・・電　　極 ４、５・・・・・・　　ワ　　　　イ　　　　ヤ６・・
・・・・・・絶縁基板 ７・・・・・・・・電　　極 発明者　　　　−柳　　肇 藤　　１）　順　　彦 特許出願人　　　　　住友電気工業株式会社第３図 第４図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）アモルファスシリコン薄膜を膜厚方向に対向する
   電極で挾持する事を特徴とする歪センサ。
2. （２）アモルファスシリコン薄膜の厚みが５００Å以上
   である特許請求の範囲第（１）項記載の歪センサ。