JPS62158367A

JPS62158367A - 圧力センサ

Info

Publication number: JPS62158367A
Application number: JP29946485A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Kinugawa; 衣川　茂; Setsuo Kotado; 古田土　節夫
Original assignee: Anritsu Corp
Current assignee: Anritsu Corp
Priority date: 1985-12-28
Filing date: 1985-12-28
Publication date: 1987-07-14
Also published as: JPH0564866B2

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】〔産業上の利用分野〕本発明ハ、真空システム、油圧システム、エンジンシス
テム等における圧力計測をはじめ、各種重量計の検出部
、あるいは、ロボットの手に当たる部分に装着させ、触
覚センサとして構成できる圧力センサに関し、特に、被
測定圧の面状分布をはじめ、物体の圧力センサとの接触
の有無を判別するシステムと組み合わせ形状認識システ
ムを構成できる２次元の面状に配列されたアレイ状の圧
力センナに関する。

〔従来技術〕

従来の圧力センサは、圧力を片持梁やダイヤフラムの歪
として捉え、その歪の変化量を歪ゲージにより測定して
いる。以下、その代表例について説明する。

（１）金属ゲージを用いた圧力センサ圧力により、片持梁やダイヤフラム上に発生した歪を、
該片持梁やダイヤフラム上に接着した金属歪ゲージで測
定する。すなわち、この金属歪ゲージは、断面積の小さ
い細長い線またはホイルの伸び縮みを電気抵抗変化と対
応させ、加えられた圧力を測定するものでおるが、該金
属歪ゲージを片持梁やダイヤフラムに接着するため、そ
の接着剤によυクリープ現象やヒステリシスが発生する
。また、金属歪ゲージのゲージ率は２程度と感度が低い
。

（２）　　半導体ゲージ管用いた圧力センナシリコン結
晶で作られたダイヤフラム表面に不純物を拡散して歪ゲ
ージを形成し、熱応力の少ない支持台に接合した圧力セ
ンサであって、加えられた圧力により該ダイヤフラムが
変形すると、ピエゾ抵抗効果でゲージの電気抵抗が著し
く変化し、その変化量によυ圧力が測定できるものであ
る。このように形成された圧力センサはゲージ率が百程
度と高く感度的に優れている。

しかし、つぎの問題があった。ゲージ率の直線性のバラ
つきが数多程度あシ、温度依存性が大きいので、高精度
のセンサを構成する上では複雑な補償回路を必要とした
。また、不純物の拡散等の複雑なウェハープロセスが必
要でアった。さらに、該ダイヤフラムにＳｔ結晶板を用
いているので、機械的に弱かった。

（３）アモルファス半導体歪ゲージダイヤフラムや片持梁にプラズマＣＶＤ法によりアモル
ファスシリコン薄膜を堆積し、バターニング技術を利用
して歪ゲージを形成する圧カセｙすであって、圧力によ
り該ダイヤフラムや片持梁が変形すると前述した半導体
ゲージを用いた圧力センサと同じく、ピエゾ抵抗効果に
よりゲージの電気抵抗が変化し、その変化量により加え
られた圧力が測定できるものである。

このように形成された圧力センサは、アモルファスシリ
コンのゲージ率が３θ程度と結晶シリコンに比べ低い。

しかし、直線性に優れている。

以上述べた従来技術に共通する問題点を整理すると、次
のことが云える。

（１）　　ダイヤフラムや片持梁等の歪ゲージの基板と
なる物体自体の構造を、加えられる圧力によシ歪が効率
良く発生するよう設計する必要がある。

（２）　また、ロボット用触覚センサ、面状に多数個並
べた形状認識システム用タッチセンサ等として構成する
場合、構造的にセンサ全体が大きくなり、製造プロセス
が煩雑となって実用的でなかった。

〔不発明が解決しようとする問題点〕

従来技術の問題点を列記すると以下のようになる。

（１）接着によるクリープ現象やヒステリシスが発生す
る。

（２）半導体ゲージの場合、ゲージ率の直線性が悪い。

（３）　　金属ゲージの場合、ゲージ率が小さい。

（４）歪を効率良く発生させるため、基板の構造が複雑
になる。

（５）圧力センサを面状に多数個配列した構造のものを
構成することが困難である。

本発明は、以上の問題点を解決することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

第１図は、プラズマＣＶＤ法で堆積されたアモルファス
シリコンと、微結晶相を含むアモルファス７リコンの両
者についてのＸ線回折データを示す。図において、（、
）はアモルファスシリコンを、（ｂ）は微結晶相を含む
アモルファスシリコンを示す。

なお、横軸はＸ線回折角度を示し、縦軸は角度（２θ）
ごとの計数量を示す。第１図に表示するように微結晶相
を含むアモルファスシリコンの回折パターンでは、シリ
コン結晶の（１１１）面、（１１０）面及び（３１１）
面に対応する位置に各回折ピークが得られている。また
、これらの面に対応する回折ピークは表面にほぼ平行に
面が配向していることを示す。このことにより、微結晶
相を含むアモルファスシリコンにおいては、（１１１）
面、（１１０）面及び（３１１）面は、はぼ表面に平行
に配向していることがわかる。

なお、シリコンやゲルマニウム等の半導体結晶では、（
１１１）面、（１１０）面に垂直方向の（１１１＞軸方
向、＜１１０＞軸方向の応力に対するゲージ率は、百か
ら二百程度と、他の軸方向（例えば、＜１００＞軸方向
では中以下）に比べて非常に高い。

第２図は、アモルファスシリコンおよび、微結晶相を含
むアモルファスシリコンに関して表面に垂直に重さを加
えたときのピエゾ抵抗効果による抵抗値を示す。図にお
いて、（ａ）はアモルファスシリコンの抵抗値変化を、
（ｂ）は微結晶相を含むアモルファスシリコンの抵抗値
変化を示す。

本発明は、かかるピエゾ抵抗効果による抵抗値変化の現
象を利用して圧力センサを構成した。すなわち、絶縁性
基板の上表面上に下部電極を形成し、該下部電極の上表
面上に（１１１）面及び（１１０）面が表面にほぼ平行
となるような微結晶相を含むアモルファス半導体を形成
し、さらに、該微結晶相を含むアモルファス半導体の上
表面上に上部電極を形成する。そして、かかる構成とし
た圧力センサに、該上部電極を介して、該絶縁性基板に
対し垂直な圧力を外部から加えることによシ、該微結晶
相を含むアモルファス半導体に（１１１）面および（１
１０）面の有する大きなどニジ抵抗効果を発生させ、そ
の抵抗値変化量を計測して圧力の測定を行うものである
。

〔作　用〕

シリコン・ゲルマニウム等の半導体結晶において、ピエ
ゾ抵抗効果のゲージ率が＜１１１〉軸方向と＜１１０＞
軸方向で百から二百と他の軸方向（＜１００）軸では中
以下）に比べて非常に高いという事実と、プラズマＣＶ
Ｄ法によシ堆積した微結晶相を含むアモルファス半導体
において、微結晶相の中で上記したピエゾ抵抗効果の高
い＜１１１＞軸と＜１１０＞軸が表面とほぼ垂直に形成
される事実とに着目して、従来技術は、絶縁性基板に対
して平行な歪を加えていたのに対し、本発明では、絶縁
性基板に対し垂直な歪を加える方法を用いた。この方法
を用いたことによシ、従来技術のアモルファス半導体歪
ゲージに比べ高感度な圧力センサを構成できた。

また、この絶縁性基板に対して垂直な方向の歪を検出す
る方式を採用したので、センサの絶縁性基板に生じた歪
を効率良く発生させる如き複雑な構造とする必要がなく
なシ、センサ自体の構造を非常に簡単、かつ、小型化で
きた。そのため、本発明による小型化された圧力センサ
を２次元の面状に多数個配列することにより、タッチセ
ンサ等の二次元センナとして構成できた。

〔実施例〕

第３図は、本発明による圧力センサの一実施例の構成断
面図を示す。図において、ｌは絶縁性基板、２は下部電
極、３は微結晶相を含むアモルファス半導体、４は上部
電極、５．５′はリード線対、６は上部電極の上から加
えられる圧力をそれぞれ示す。第３図に示す構造をもつ
圧力センサは、それ自体に加わる圧力を直接、微結晶相
を含むアモルファス半導体内部の歪に変換できるため、
従来の圧力センナに使用されているダイヤフラムや片持
梁等の如き歪の発生のための構造体が必要でなく、小型
化が容易である。

第４図および第５図は、本発明による圧力センサを面状
に並べたタッチセンサの一実施例を示す。

第４図は、該タッチセンサの平面図を、また、第５図は
第４図の線ｘ　−ｘ’における断面図をそれぞれ示す。

図において、７は絶縁性基板、８は下部電極群、９は下
部電極上に並べられた微結晶相を含むアモルファス半導
体群の中の任意のアモルファス半導体の１つを、１０は
上部電極群、１１．１１’はリード線対群をそれぞれ示
す。この場合、上部電極群と下部電極群を、平面上にマ
ドＩＪソクス状に交差させ、その交点に、微結晶相を含
むアモルファス半”ｉ体薄膜層をサンドインチ状に挾み
込む構造とした。この構造においては、任意の対となる
上部電極と下部電極を指定することによシ面状に運んだ
素子群の１つを指定し、その指定された位置での圧力を
測定できると同時に、配線が複雑になることを避けるこ
とができる。

第６図は、第４図及び第５図で明示したタッチセンサを
利用した形状認識システムの模式図を示す。図において
、１２はタッチセンサ、１３及ヒ１４はＸ軸走査回路と
Ｙ軸走査回路、１５は定電圧源、１６は電流計、１７は
データ処理システム、１８はＣＲＴ出力装置、１９はデ
ータバス、２０は被形状認識物体をそれぞれ示す。この
形状認識システムでは。

該タッチセ／す６上に被測定物体２０を乗せると、該物
体２０の下の素子の抵抗値がピエゾ抵抗効果によυ変化
し、それに伴なって定電圧源１５から供給される電流値
が変化する。その電流値の変化を電流計１６で読みとシ
、コンピュータでデータ処理を行なうことにより、該素
子上に物体が有るが否かの判断をなし、該素子上に物体
２０がある場合には出力装置１８に信号を出力する。こ
の作業を、Ｘ軸走査回路１３とＹ軸走査回路１４で面全
体の交点を走査することにより、該タッチセンサ１２上
に置かれた物体の形状を認識することができる。

〔製造方法〕

第３図に示した圧力センサの製造方法を同図と連関して
次に述べる。

絶縁性基板１の材料としては、耐熱性がある絶縁体や、
同様の性質を有する導体板もしくは半導体板の表面を５
ｉ０２薄膜、５ｉａＮ４薄膜、Ａｔ２０３薄膜あるいは
これらの多層膜で覆ったものが望ましく、例えばガラス
板、石英板、耐熱性ポリミドフィルム、金属板や半導体
の表面を絶縁膜（例えば５ｉ０２薄膜や、５ｉａＮ４薄
膜、Ａｔ２０３薄膜）で覆ったもの等が用いられる。

そして、かかる材料で作った絶縁性基板１を有機溶剤等
によυ十分洗浄し乾燥させた後、真空蒸着法を用いて下
部電極２のための金属薄膜（例えばＮｉＣｒ　５００　
Ｘ　／　Ａｕ　１０００　Ｋ　）を該絶縁性基板の上表
面上に堆積させ、フォトエツチング技術を用いて不用部
を除去して下部電極２を形成する。

次に、プラズマＣＶＤ法を用いてアモルファス半導体を
形成する。アモルファス半導体に、ｐ型アモルファスシ
リコンを用いた場合の堆積条件の一例は、堆積圧力Ｏ１
１〜１０　ｔｏｒｒ、放電パワー密度０．１〜ＬＯＷ／
ｃｊ、堆積温度２００〜６００℃、電極間隔１０〜３０
咽、Ｈ２／　５ｉｌＨｔ　＝　１０〜１００　ｐ１ｍ％
８２Ｈ６／　５ｉＨ４＝１００〜１５０００ｐｐｍ　　
である。

この条件で堆積されたアモルファスシリコンハ、微結晶
相が形成され、該アモルファスシリコン薄膜異面にほぼ
平行に（１１１）面及び、（１１０）面が形成される。

ここで、（１１１）面と（１１０）面の結晶配向の強さ
の割合はＢｚＨ６／　５ｉＨ４＝　１５００１’ｌ＠程
度以上では（１１０）面が強く表面に平行に配向し、そ
れ以下では（１１１）面が強く表面に平行に配向する。

このような方法で作られたアモルファス半導体の微結晶
相は５０〜１０００　ｉ程度の粒径サイズをもつ。

また、光ＣＶＤ法で堆積されたアモルファス半導体でも
、プラズマＣＶＤ法で堆積したアモルファス半導体と同
様に、表面に対してほぼ平行に（１１１）面、（１１０
）面が微結晶内ｓＶこ形成される。

光ＣＶＤ法によるｐ型アモルファスシリコンの堆積条件
の一例を次に記す。光源としては低圧水銀ラングを使用
し、その発光輝線波長は１８４９にと２５３７Ｘである
。水銀ランプのパワー密度は最大ＩＷ／ｄ、堆積温度１
５０〜３００℃、堆積圧力０．１〜１０　ｔｏｒｒ、基
板の光源からの距離１〜３　ａｎ、　　Ｈ２／８１２Ｈ
６＝５０〜５００Ｐ、　Ｂ２Ｈ６／　５ｉ２Ｈｓ　＝　
１００〜５００００四である。この方法で堆積されたア
モルファスシリコン薄膜内部の結晶配向性はＸ線回折パ
ターン及びＲＨＥＥＤパターンによシ、表面に対して（
１１１）面及び（１１０）面が強く配向していることを
確認している。

以上のような方法で堆積したアモルファス半導体を、フ
ォトエツチング技術を用いて不要部を除去し、アモルフ
ァス素子部３を形成する。つづいて、真空蒸着法を用い
て、上部電極４のための金属薄膜（例えばＮｉＣｒ　５
００　Ｎ　／Ａｕ　１０００＾）を堆積し、フォトエツ
チング技術を用いて不要部分を除去し、上部電極４を形
成する。

最後に、上部電極４及び下部電極２にリード線対５，５
′用金線又はアルミニウム線をつけて完成する。

以上の製造方法では、電極形成およびアモルファス半導
体素子形成に、フォトエツチング技術を用いたが、メタ
ルマスクを用いた方法でも形成できる。この場合は、下
部電極を形成する時に不要部をメタルマスクでカバーし
、アモルファス半導体をその上に一面に堆積させ、上部
電極の形成時も不要部をメタルマスクでカバーし、その
後、上部電極をアモルファス半導体のレジスト膜として
、ウェットエツチング法、あるいはドライエツチング法
でアモルファス半導体の不要部分を除去してパターンを
形成する。

〔本発明の効果〕

本発明による圧力センサは、従来の圧力センサに比べて
、下記のような幾多の利点を有する。

：）、ゲージ率の高い＜１１１＞軸および（１１０＞軸
のピエゾ抵抗効果を主に使うため、ゲージ率で百程度と
感度が高い。

Ｕ）圧力に対する出力の直線性が良い。

ｌ）基板に対して垂直方向の歪を検出するため、センサ
の構造が簡単になり、製造プロセスが容易である。

ｌｖ）　　圧力センサを面状に並べ組み合わせた構造の
タッチセンサを容易に構成できる。

■）タッチセンサを検出部に用いることにより簡便な形
状認識システムを構成できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、アモルファス半導体および微結晶相を含むア
モルファス半導体の表面に対するＸ線回折パターンを示
す。第２図は、アモルファス半導体および微結晶相を含
むアモルファス半導体の基板に対して垂直方向の圧力を
加えた場合のピエゾ抵抗効果による抵抗値変化を示す。第３図は、本発明による圧力センサの一実施例の構成断
面図を示す。第４図および第５図は本発明による圧力セ
ンサを面状に並べたタッチセンサの一実施例を示し、第
４図は平面図、第５図は第４図の線ｘ　−ｘ’で切断し
た断面図を示す。第６図は、第４図および第５図で明示
したタッチセンサを利用した形状認識システムの模式図
を示す。図において、１・７は絶縁性基板、２・８は下部電極と
下部電極群、３・９は微結晶相を含むアモルファス半導
体、４・１０は上部電極と上部電極群、５・ダ・１１・
１１′はリード線対とリード線対群、１２はタッチセン
サ、１３・１４はＸ軸走査回路とＹ軸走査回路、１５は
定電圧源、１６は電流計、１７はデータ処理システム、
１８はＣＲＴ出力装置、１９はデータバス、２０は被形
状認識物体をそれぞれ示す。特許出願人　　アンリツ株式会社代理人　　弁理士　小池　龍太部第　　１　図１．０　　　　　　　　２．０　　　　　　　　３．０
歪量（ＸＩＯ）１・・・絶縁性基板２・・・下部電極４・・・上部電桟５．５′・・・リード線対６・・・圧力

Claims

【特許請求の範囲】

（１）絶縁性基板（１）と、該絶縁性基板の上表面上に
薄膜状に形成した下部電極（２）と、該下部電極の上表
面上に形成した＜１１１＞軸又は＜１１０＞軸が該絶縁
性基板の上表面とほぼ垂直となるような微結晶相を含む
アモルファス半導体薄膜（３）と、該アモルファス半導
体薄膜の上表面上に薄膜状に形成した上部電極（４）と
を備え、該アモルファス半導体薄膜に作用する前記＜１
１１＞軸又は＜１１０＞軸方向の力の成分を前記上部電
極及び下部電極間の抵抗値の変化として検出することを
特徴とする圧力センサ。
（２）絶縁性基板（１）と、該絶縁性基板の上表面上に
薄膜状に形成された複数個の下部電極（５）と、該複数
個の下部電極のそれぞれの上表面上に形成された＜１１
１＞軸又は＜１１０＞軸が該絶縁性基板の上表面とほぼ
垂直となるような微結晶相を含む複数個のアモルファス
半導体薄膜（６）と、該複数個のアモルファス半導体薄
膜の上表面上にそれぞれ薄膜状に形成された複数個の上
部電極（７）とを備え、前記＜１１１＞軸又はく１１０
＞軸方向の力の成分が印加されている前記アモルファス
半導体薄膜の位置を前記複数個の上部電極及び下部電極
間の抵抗値の変化によって検出することを特徴とする圧
力センサ。