JPS63111676A - 力検出装置 - 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】 技術分野 本発明は、例えばロボット用力覚センサやマンマシンイ
ンターフェースとしての三次元入力装置等に利用される
力検出装置に関するものである。

従来の技術 従来の力検出装置は、外力が印加されることにより弾性
変形する起歪体にこの起歪体の機械的変形により電気抵
抗を変化させる複数の検出素子を形成し、これらの検出
素子の電気的抵抗変化を電気的信号として取り出して外
力の強さを検出しているものである。

そして、シリコン単結晶による起歪体を用いて、その表
面に半導体プレーナプロセス技術により検出素子を形成
する技術は、特開昭６０−２２　］、　２８８号公報に
開示されている。すなわち、シリコン単結晶による正八
角形の平板リング状の起歪体を形成し、この起歪体の一
面に複数個の検出素子を形成し、起歪体の対向辺に外力
を作用させてＦｘ、Ｆｙ、Ｆｚの力の三成分の２次元分
布を検出しているものである。

しかしながら、シリコン単結晶基板から六角形の平板リ
ング状の起歪体を切り出すには、ダイミングソーカット
法、レーザ加工、エツチング加工等を組合せて加工しな
ければならず、その加工が容易ではないという問題を有
する。

目的 本発明は、単結晶基板の表面に半導体プレーナプロセス
等の技術を応用して検出素子を形成したツノ検出素子に
おいて、ピエゾ抵抗効果の最も高い状態で力の３成分の
検出を行うことができる検出装置を得ることを目的とす
る。

構成 本発明は、中心部と周辺部とのいずれか一方を支持部と
し他方を作用部とした単結晶基板による平板状起歪体を
形成し、この平板状起歪体の検出面に機械的変形により
電気抵抗を変化させる検出素子を互いに直交するＸ軸方
向とＹ軸方向とにそれぞれ複数個ずつ形成してブリッジ
結合し、前記Ｘ軸方向または前記Ｙ軸方向の少なくとも
いずれか一方に他の検出素子を並列に形成して前記検出
素子とは配列を変えてブリッジ結合したものである。し
たがって、半導体プレーナプロセス技術を利用して検出
素子の形成を平板状起歪体の表面に直接的に形成するこ
とができ、このような検出素子がピエゾ抵抗効果に方向
性のある単結晶基板に形成するものであっても力の３方
向の検出をする検出素子がＸ軸方向かＹ軸方向かの互い
に直交する方向に配列するだけで得ることができるため
、最もピエゾ抵抗効果の高い単結晶基板の方向を利用す
ることができるように構成したものである。

本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。

まず、平板状起歪体１はシリコン単結晶体基板よりなり
正方形状をしている。そして、外周側はハウジング２に
埋め込まれて支持部３とされ、中心に力伝達体４が結合
されて作用部５とされている。

そして、前記力伝達体４が結合された面を作用面６とし
、この作用面６の逆の面を検出面７としている。この検
出面７にはシリコンプレーナプロセス技術を用いて１２
個の検出素子８が形成されている。

これらの検出素子８は応力を受けて変形することにより
抵抗率が変化する原理、すなわち、ピエゾ抵抗効果を利
用するものであり、例えば、平板状起歪体１が、ｎ　−
Ｓ　１（１１０）ウェハである場合、第３図に示すＲｘ
、　、　Ｒｘ２．　Ｒｘ３．　Ｒｘ４とＲｙ、、Ｒｙ、
。

Ｒｙ、、Ｒｙ、なる検出素子８は＜１１０＞　（Ｘ軸、
Ｙ軸）方向に配置され、Ｒｚ、、Ｒｚ、、Ｒｚ、、Ｒｘ
４なる検出素子８は前記Ｒｘ、　、　Ｒｘ、　、　Ｒｘ
３．　Ｒｘ４なる検出素子８と平行なＸ軸方向に並列さ
せて配置されている。

そして、それぞれの検出素子８は、第５図に拡大してそ
の形状を示すが、Ｘ軸、Ｙ軸の方向に電流ｊが流れるよ
うに幅がＱ、で長さがＱ２であり、かつ、Ｑ、（Ｄ、、
であるように設定されている。

つぎに、検出素子８の製造方法を第８図に基づいて説明
する。しかして、第８図に示すものは、ウェハ処理工程
の概略とその工程における断面図である。

〔熱酸化〕

ｎ　−５ｊ（１１０）ウェハを酸化し、表面にＳｉＣ，
を形成する。５ｊＯ２は次工程の拡散のマスクとして使
う。

〔拡散窓明〕

選択拡散を行うためにＳｉｎ、を除去し、拡散窓明を行
う。

〔拡散〕

ＢＮ固体拡散源等により拡散を行う。ボロンはシリコン
面が露出しているところのみ拡散し、ｎ型からｐ型に変
わる。

（ＣＶＤ−３ｊＮ） 両面にＣＶＤ−５ｉＮをデポジションする。表面は外部
からの汚染に対するバリアとし、裏面はシリコン基板を
エツチングする時のマスクとして６一 使う。

〔コンタクトホール〕

検出素子８を電気的に接続するためのコンタクトホール
をエツチングで明ける。

〔アルミ蒸着／加工〕

アルミニウムにより検出素子８の相互接続及び外部回路
への電気的接続を図る。

〔シンタリング〕

アルミニウムとゲージ抵抗のオーミック性を改善するた
めにシンタリングを行う。

〔ダイシング〕

シリコン処理工程を完了した後、個々のセンサチップに
分離する。

〔力伝達体４の接着〕 力伝達体の材質は、シリコン単結晶基板の線膨張係数に
近い材料が望ましい。この材料としては金属やガラス等
が考えられる。

金属の場合は、コバールなどがあり、シリコンとの接着
はＡｕ−３ｊ共品、半田、樹脂等の接着が考えられる。

また、ガラスの場合は、テンパックスガラスなどがあり
、シリコンとの接着はガラスや高温中でガラスとシリコ
ンに電界をかけて行う静電シーリングなどで接着するこ
とができる。

しかして、これらの１２個の検出素子８はその検出素子
８に形成されたアルミ配線、ワイヤーボンデング線９、
リードピン１０を介して外部回路に接続されている。

しかして、力伝達体４に作用する力としては、各軸方向
、すなわち、それぞれ三次元的に直交するｘ、ｙ、ｚ方
向に沿う力（Ｆ　ｘ、　　Ｆ　ｙ、　　Ｆ　ｚ）と、各
軸回りのモーメンｌ）（Ｍｘ、　Ｍｙ、　Ｍｚ）との６
成分であるが、これらの内のＦ７．、ＭＹ、ＭＹの３成
分を検出するためのブリッジ回路が第６図（ａ）（ｂ）
（ｃ）に示すように形成されている。

また、前記ハウジング２は前記平板状起歪体１の外周部
と前記リードピン１０とをインサートするモールド体１
１とこのモールド体１１の中心穴部１２に固定される円
形の蓋体１３とよりなる。

そして、前記モールド体１１には、その外周のフランジ
部１４に取付用の複数個の取付穴１５が形成されている
。

このような構成において、力伝達体４に外力を作用させ
ることにより平板状起歪体１に内部応力が発生し、これ
に基づく歪により検出素子８が変形してピエゾ抵抗効果
により抵抗変化ΔＲが生じる。

ここで、応力が存在するときの抵抗変化ΔＲは、ΔＲ／
Ｒ−π息σ℃＋πｔσを十πＳσＳ　・・・・・・　（
１）π２：縦ピエゾ抵抗係数 πｔ：横ピエゾ抵抗係数 πＳ：剪断ピエゾ抵抗係数 σＵ：縦方向応力 σｔ：横方向応力 σＳ：剪断方向応力 となる。

ここでは、剪断応力σＳがσ℃、σｔに比べて小さいこ
とから、以後はこの剪断応力σＳを無視して考察する。

また、前述のように検出素子８の形状が第５図に示すよ
うに、Ｑ、（Ｑ２に設定されているので、式（１）のπ
ｔ、σｔを無視することができる。したがって、式（１
）は次の式（２）のようになる。

ΔＲ／Ｒ＝π氾θＢ　・・・・・・　（２）このとき、
力伝達体４にＦｚ、Ｍｘ、Ｍｙの３成分の力が作用した
とすれば、検出素子８の抵抗の変化は第４図に示すよう
になる。すなわち、［Ｍｘが加わった時］ Ｒｘ０．　　Ｒｘ、は減少、ＲＸ２　、ＲＸ４は増加Ｒ
ｙ１．Ｒｙ２．Ｒｙ３．Ｒｙ４は変化なしＲｚ、、　　
Ｒｚ、は減少、Ｒｚ２．　　Ｒｚ、は増加（Ｍｙが加わ
った時］ −１０＝ Ｒｘ、、Ｒｘ３．Ｒｘ、、Ｒｘ４は変化なしＲＬ＋　　
Ｒｙ、は減少、Ｒｙｚ　、　　Ｒｙ、は増加Ｒｚ、、　
　Ｒｚ、は減少、Ｆｚ６．Ｆｚ４は増加［Ｆｚが加わっ
た時］ Ｒｘ、、　　Ｒｘ、は減少、Ｒｘ２．Ｒｘ３は増加ＲＬ
Ｉ　　Ｒｘ４は減少、Ｒｙ、＋　　Ｒｘ３は増加Ｒｚ、
、Ｒｚ４は減少、Ｆｚ２．　　Ｆｚ３は増加となる。

このような抵抗変化を纏めると、次の第１表のようにな
る。

第１表 ＝１１− このような力の３成分（ＭＸ、　Ｍｙ＋　　Ｆｚ）を検
出するために、第６図に示すようにブリッジ回路が構成
されているので、互いのノＪ成分に干渉されることなく
各回路毎にＭｘ、Ｍｙ、　　Ｆｚの出ツノが得られる。

例えば、Ｍｘが加わった時の第６図（ａ）（ｂ）（ｃ）
の出力は次のようになる。

まず、第６図（ａ）において、 となる。

ここで、簡単化するために、Ｒｘ、　＝　Ｒｘ２＝＝　
Ｒｘ３＝Ｒｘ４＝Ｒとすると、式（３）は、Ｖ＝Ｏとな
る。

また、Ｍｘによる抵抗の増加分をΔＲ１減少分を−ΔＲ
とすると、第１表よりＭｘによる出力は一１２＝ Ｒ ＝ΔＲ・工　・・・・・　（４） となる。

すなわち、Ｍｘによる出力変化（感度へ■）は、Δ■＝
ΔＲ−Ｉ　　・・・・・・　（５）となる。

次に、第６図（ｂ）において、 となる。

ここで、Ｒｙ、　−Ｒｙ２＝Ｒｙ３＝Ｒｙ４＝Ｒとする
と、式（６）は、Ｖ−Ｏとなる。

また、Ｍｘによる抵抗変化はないとすると、−〇　　・
・・・・（７） すなわち、Ｍｘによる感度へ■は、 ΔＶ＝Ｏ・・・・・　（８） となる。

つぎに、第６図（ｃ）において、 ここで、Ｒ７，、＝Ｒｚ、＝Ｒｚ、＝Ｒｚ４＝Ｒとする
と、式（９）は、Ｖ＝Ｏとなる。

また、Ｍｘによる抵抗の増加分をΔＲ１減少分を−ΔＲ
とすると、 一〇　・・・・（１０） となる。すなわち、Ｍｘによる感度Δ■は、Ｖ＝Ｏ・・
・・・・　（１１） となる。

以上の事項は、Ｍｘについて述べたが、Ｍｙ、Ｆｚにつ
いても同様に考えられる。とくに、Ｆｚが印加された場
合には、Ｒ７，、、ＲＺ２．　　ＲＺ３．　　ＲＺ。

の抵抗値の変化は、Ｒｘ、、　　Ｒｘ１．　Ｒｘ３．　
Ｒｘ４と同様であるが、これらの接続状態が相違するた
め、第６図（ａ）（ｂ）の回路では出力が出ず、第６図
（Ｃ）の回路においてのみ出力が出るものである。

しかして、第６図（ａ）（ｂ）（Ｃ）のブリッジ回路は
、（ｉ）、各検出素子８の抵抗は等しい。

（ｉｉ）、検出素子８の抵抗の増減ΔＲが等しい。

と云う条件の下で、Ｍｘ、Ｍｙ、Ｆｚの３成分は互いに
干渉されることなく検出することができるものである。

すなわち、第６図（ａ）（１））（ｃ）に示すブリッジ
回路とＭｘ、Ｍｙ、Ｆｚの３成分の力との関係を表にす
ると次のようになる。

第２表 効果 本発明は、上述のように中心部と周辺部とのいずれか一
方を支持部とし他方を作用部とした単結晶基板による平
板状起歪体を形成し、この平板状起歪体の検出面に機械
的変形により電気抵抗を変化させる検出素子を互いに直
交するＸ軸方向とＹ軸方向とにそれぞれ複数個ずつ形成
してブリッジ結合し、前記Ｘ軸方向または前記Ｙ軸方向
の少なくともいずれか一方に他の検出素子を並列に形成
して前記検出素子とは配列を変えてブリッジ結合したの
で、半導体プレーナプロセス技術を利用して検出素子の
形成を平板状起歪体の表面に直接的に形成することがで
き、このような検出素子がピエゾ抵抗効果に方向性のあ
る単結晶基板に形成するものであっても力の３方向の検
出をする検出素子がＸ軸方向かＹ軸方向かの互いに直交
する方向に配列するだけで得ることができるため、最も
ピエゾ抵抗効果の高い単結晶基板の方向を利用すること
ができる等の効果を有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す縦断側面図、第２図は
全体を縮小して示す斜視図、第３図は起歪体の平面図、
第４図はｐ−５ｉ（１１０）におけるピエゾ抵抗係数を
示す特性図、第５図は検出素子の形状を示す平面図、第
６図（ａ）（ｂ）（ｃ）はブリッジ回路図、第７図（ａ
）（ｂ）（ｃ）は各種の応力の発生状態を示す特性図、
第８図は製造工程図である。 １・・・平板状起歪体、３・・・支持部、５・・・作用
部、７・・・検出面、８・・・検出素子 用　願　人　　　株式会社　リコー ３　」　図 ３７ダ をＲ （支） 冑 喝　１ ■ ＋ＧｍＩＶｎ＜ ＋１＋１ 東只　　　　　　　惺Ｒ 駅　　　　ビニ一

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 中心部と周辺部とのいずれか一方を支持部とし他方を作
   用部とした単結晶基板による平板状起歪体を形成し、こ
   の平板状起歪体の検出面に機械的変形により電気抵抗を
   変化させる検出素子を互いに直交するＸ軸方向とＹ軸方
   向とにそれぞれ複数個ずつ形成してブリッジ結合し、前
   記Ｘ軸方向または前記Ｙ軸方向の少なくともいずれか一
   方に他の検出素子を並列に形成して前記検出素子とは配
   列を変えてブリッジ結合したことを特徴とする力検出装
   置。