JPS63196080A - 半導体力センサ及びそれを用いた触覚センサ - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は半導体力セン及びそれを用いた触覚センサに関
し、特にロボットや各種産業機器もしくは事務機器に装
備し、対象物と機器間の力もしくは分布力を測定する半
導体力センサ及びそれを用いた触覚センサに関する。

〔従来の技術〕

近年、安価で高性能なマイクロコンピュータが普及し、
それらを用いることにより様々な産業分野で自動化ある
いはロボット化が進められつつある。しかし、現°在実
用化されているロボットあるいは自動機器は、ある定ま
った形、定まった大きさ、あるいは定まった重さの物を
持ち上げたり運んだり、あるいは加工、組立等の作業を
一定のブログラムによってしか行うことができないのが
現状である。

一方、消費者層の多様化により、多品種少量生産の傾向
が強くなり、Ｆ　Ｍ　Ｓ　（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ　Ｍａｎ
ｕｆａｃ−ｔｕｒｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ）と呼ばれる自
動化技術の開発が叫ばれている。このような自動化の流
れに於ては、人間の感覚器官に代わる様々なセンサをロ
ボットあるいは自動機械に装備し、それらの情報を基に
的確な制御を行う必要がある。

ロボットがある対象物を持ち上ることを想定した場合、
まず視覚センサにより対象物を見つけ、次に近接視覚セ
ンサの助けを借りて対象物に接近し、最後に触覚センサ
により対象物の固さ、対象物をつかんだ時の反発力等を
測定し、把握力を制御しながら、物体を持ち上げるとい
う動作を行う、このように対象物を把持する場合最低限
一点での力測定、願わくば分布圧が感度良く測定できれ
ばロボットの自由度は飛躍的に増す、また高度なロボッ
トの分野のみならず、自動機械や事務機器等においても
力の測定が高精度に行えれば、その自由度は増す０例え
ば、複写機におけろ紙圧の制御、プリンタの印字圧の制
御等々である。

従来、この種の力センサとして用いられてきたものに、
金属薄膜を用いた歪みゲージがあるが、感度が低くまた
なんらかの変位しやすい構造体に張付ける必要があり、
センサ部が大きくなり、また構造体を合せ持つために費
用も安価にならないという欠点を持っていた。更に、歪
みゲージを複数個並べて分布圧を測定することは困難で
あった。

また別の試みとして、感圧導電性ゴムを用いた力センサ
も提案されている。感圧導電性ゴムを用いた力センサは
安価で分布圧の測定には利点を有するが、耐久性及び再
現性に劣るという問題がある。

一方、半導体力センサも提案されている０例えば、１９
８５年に開催されたインターナショナル・コンファレン
ス・オン・ソリッドステート・センサーズ・アンド・ア
クチュエータズ（Ｉｎｔｅｒ−ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏ
ｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　５ｏｌｉｄ−ｓｔａｔｅ　５
ｅｎｓｏｒｓＡｃｔｕａｔｏｒｓ）においてケイ・ベニ
ターセン（Ｋ。

Ｐｅｔｅｒｓｅｎ）らがダイジェスト・オン・テクニカ
ル・ヘーパズ（Ｄｉｇｅｓｔ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｉｃａ
ｌ　Ｐａｐｅｒｓ）　３　Ｑ頁に次のような論文を発表
している。その論文では、第７図に示すようなＭ造の半
導体力センサが提案されている。

即ち、シリコンチップを機械的に削りシリコン突起部２
１を形成する。また、応力検出を行うゲージ抵抗２２を
シリコン突出部２１のちょうど真下部分に設けておく、
その御、中央に凹部を有するガラス２３にゲージ抵抗部
２２が下向きになるようにシリコンチップを乗せ、いわ
ゆる静電接着法でシリコンチップとガラス２３を接着す
る。その際ガラス２３の上に予め形成した金パツド部と
、シリコンチップ側に形成されたゲージ抵抗２２と接続
したパッド部とが接着され、電気的な信号はガラス２３
のパッド部に引出されるようになっている。その後、パ
ッド部はボンディングワイヤ２４で第７図に示すように
パッケージ部システムと接続される。

荷重がシリコン突出部２１に加圧されるとゲージ抵抗部
２２が歪みピエゾ抵抗効果によりその大きさが検出され
る。この力センサは、小型で高精度かつ再現性に優れた
ものであるがシリコン突起部２１の下の部分のシリコン
層２６を薄くできない、シリコンＪＷ２６が薄い程高精
度になるがあまり薄いと機械的にシリコンチップが破壊
する。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上述した従来の半導体力センサは、シリコン突起部の下
のシリコン層を薄くできないので、感度が劣るという欠
点がある。

本発明の目的は、機械的強度が大きく葛感度にできる半
導体力センサ及びそれを用いた触覚センサを提供するこ
とにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本箱１の発明の半導体力センサは不純物を拡散して形成
したダイヤフラムと該ダイヤフラムを支持するリム部と
から成るシリコン基板と、前記リム部と反対側の前記ダ
イヤフラム上に設けたゲージ抵抗を各辺とするブリッジ
回路と、前記ダイヤフラムに接着される中央に凹部を有
し前記ブリッジ回路と接続する配線パッドを形成した絶
縁性の基部と、前記ダイヤフラムと接触せず前記リム部
に接着される絶縁性の球とを含んで構成される。

本箱２の発明の触覚センサは、不純物を拡散して形成し
たダイヤフラムと該ダイヤフラムを支持するリム部とか
ら成るシリコン基板と、前記リム部と反対側の前記ダイ
ヤフラム上に設けたゲージ抵抗を各辺とするブリッジ回
路と、前記ダイヤフラムに接着される中央に凹部を有し
前記ブリッジ回路と接続する配線パッドを形成した絶縁
性の基部と、前記ダイヤフラムと接触せず前記リム部に
接着される絶縁性の球とを備える半導体力センサを複数
個アレイ状に配置している。

〔作用〕

本発明はシリコンのピエゾ抵抗効果を利用した半導体力
センサで再現性が良くかつ高精度である。又、外力の印
加される部分は、シリコン基板の薄膜部ではなく厚肉の
リム部で、その結果高感度でかつ強度も十分にとること
ができる。従って本発明の構造をとることにより高感度
・高精度かつ再現性の良い半導体力センサが得られる。

〔実施例〕

以下、本発明について図面を参照して説明する。

第１図は第１の発明の一実施例の断面図である。

第１図に示すように、シリコン基板１に不純物を拡散し
てダイヤフラム２を形成し、ダイヤフラム２を支持する
リム部３を形成する。リム部３と反対側のダイヤフラム
２の表面には、後述するようにゲージ抵抗を各辺とする
ブリッジ回路とブリッジ回路と外部との接続用パッドが
形成される。

更に、ダイヤフラム２に接着する面の中央に凹部４を有
しダイヤフラム２上のパッドと接続する配線用パッドを
形成した絶縁性の基部としてのパイレックスガラス５と
ダイヤフラム２とを接着する。又、リム部３にはダイヤ
フラム２と接触しない大きさのサファイヤ球６が接着さ
れている。

このように構成された半導体力センサは、パイレックス
ガラス５の底面がパッケージ７に接着され、配線用パッ
ドとパッケージ７のステムとがボンディングワイヤ８で
接続される。

第２図（ａ）及び（ｂ）、第３図（ａ）及び（ｂ）はそ
れぞれ第１図の実施例を説明するための工程順に示す半
導体チップの平面図及び断面図である。

第２図（ａ）に示すように、（１００）ｎ型のシリコン
基板１に熱酸化膜を形成しゲージ抵抗１１になる部分を
開口し、その部分にイオン注入法によりホウ素イオンを
注入しｐ型の拡散層を形成する。

更に、ｐ型拡散層上に酸化膜を形成し、配線用のコンタ
クト六を作りチタン・金の配線１５により各ゲージ抵抗
１１を接続しブリッジ回路をつくりチタン・金のパッド
１４と配線１５とを接続する。

次に、第２図（ｂ）に示すように、表面にＣＶＤ法で酸
化膜をかぶせ、シリコン基板１の裏面から異方性エツチ
ング技術を用いてダイヤフラム２を形成する０本実施例
の場合、厚さ２０μｍのダイヤフラムを作るのにヒドラ
ジン水和液を用い温度９０℃中で約２時間生栗した。こ
の異方性エツチングは、ヒドラジンのみならず水酸化カ
リウムやエチレンジアミン・ピロカテコール混合液等で
も可能である。

（１００）方位のシリコン基板１を用いた場合の特徴は
、第２図（ｂ）に示すように１、リム部３が角度５４，
７度のテーパ状になることである。

次に、第３図（ａ）及び（ｂ）に示すように、パイレッ
クスガラス５の中央部をフッ酸でエツチングし約３０μ
ｍの深さに凹部４を設ける。更に、金メッキにより配線
用パッド１２を形成する。このようにして得られたパイ
レックスガラス５の上にシリコン基板１を表面側からの
せ、仮りどめ後、静電接°着法によりパイレックスガラ
ス５とシリコン基板１を接着する。この際、パッド１４
と配線用パッド１２が接続される。接着の条件は、温度
４００℃で電圧５００ｖを約５分間印加した。

次に、第１図に示すように、パッケージ７にパイレック
スガラス５の底面を張付け、配線用パッド１２とパッケ
ージ７のステムをボンディングワイヤ８でボンディング
する。更に、リム部３のテーパに接するようにサファイ
ア球６（もしくはガラス球）を乗せ、シリコン樹脂でサ
ファイア球６をリム部３に接着して、半導体力センナが
得られる。

第４図は第１図の実施例の荷重対出力の相関を示す特性
図である。

第４図に示すように、ヒステリシスもなく荷重１ｇから
１ｋｇまで０．１ｇの精度で直線性の非常に良い特性を
示している。

第５図は第２の発明の一実施例の平面図である。

第５図に示すように、上述した第１の半導体力センサを
ピッチ２龍で５Ｘ５の格子状に２５個配列したアレイ状
にし、約１０　Ｘ　１０　ａｍの触覚センサとした。

第６図は第５図の実施例の動作を説明するための出カバ
ターン図である。

第６図に示すように、第５図の実施例上に直径３　ａｍ
のナツトを置いた場合、ハツチングして示すように半導
体力センサからの出力電圧が得られ、分布電圧検出の機
能を十分に満たすことができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように第１の発明の半導体力センサは、力
センサとしての基本的な特性、即ち、感度、精度、再現
性等に優れた特性をもつことができるという効果がある
。更に、通常のチリコンダイヤフラム型圧力センサのチ
ップを、そのまま組・立工程の変更のみで製造すること
ができ低価格にできるという効果もある。

又、第２の発明の触覚センサはアレイ状に並べることに
より分布圧の検出ができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は第１の発明の一実施例の断面図、第２図（ａ）
及び（ｂ）、第３図（ａ＞及び（ｂ）はそれぞれ第１図
の実施例を説明するための工程順に示す半導体チップの
平面図及び断面図、第４図は第１図の実施例の荷重対出
力の相関を示す特性図、第５図は第２の発明の一実施例
の平面図、第６図は第５図の実施例の動作を説明するた
めの出カバターン図、第７図は従来の半導体力センサの
一例の断面図である。 １・・・シリコン基板、２・・・ダイヤフラム、３・・
・リム部、４・・・凹部、５・・・パイレックスガラス
、６・・・サファイヤ球、７・・・パッケージ、８・・
・ボンディングワイヤ、１１・・・ゲージ抵抗、１２・
・・配線用パッド、１３・・・半導体力センサ、１４・
・・パッド、１５・・・配線、２１・・・シリコン突起
部、２２・・・ゲージ抵抗、２３・・・ガラス。 ７　第２図 第３図 第４図 第５図　　　　　　　　第６図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）不純物を拡散して形成したダイヤフラムと該ダイ
   ヤフラムを支持するリム部とから成るシリコン基板と、
   前記リム部と反対側の前記ダイヤフラム上に設けたゲー
   ジ抵抗を各辺とするブリッジ回路と、前記ダイヤフラム
   に接着される中央に凹部を有し前記ブリッジ回路と接続
   する配線パッドを形成した絶縁性の基部と、前記ダイヤ
   フラムと接触せず前記リム部に接着される絶縁性の球と
   を含むことを特徴とする半導体力センサ。
2. （２）不純物を拡散して形成したダイヤフラムと該ダイ
   ヤフラムを支持するリム部とから成るシリコン基板と、
   前記リム部と反対側の前記ダイヤフラム上に設けたゲー
   ジ抵抗を各辺とするブリッジ回路と、前記ダイヤフラム
   に接着される中央に凹部を有し前記ブリッジ回路と接続
   する配線パッドを形成した絶縁性の基部と、前記ダイヤ
   フラムと接触せず前記リム部に接着される絶縁性の球と
   を備える半導体力センサを複数個アレイ状に配置するこ
   とを特徴とする触覚センサ。