JPS63266324A

JPS63266324A - モ−メント検出装置

Info

Publication number: JPS63266324A
Application number: JP62101268A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Okada; 和廣岡田
Original assignee: NEKUSHII KENKYUSHO KK
Current assignee: NEKUSHII KENKYUSHO KK
Priority date: 1987-04-24
Filing date: 1987-04-24
Publication date: 1988-11-02

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〕本発明はモーメント検出装置、特にモーメントを応力歪
みとして検出するモーメント検出装置に関する。

〔従来の技術〕

一般に回転モーメントを検出するための装置では、回転
モーメントによって物体に応力歪みを発生させ、この応
力歪みを電気的な量に変換することによって測定を行っ
ている。応力歪みを電気信号に変換するトランスデユー
サとしては、通常ストレーンゲージが用いられている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、前述した従来のモーメント検出装置は、
装置が大型化し、量産性に適さずコスト高になるという
問題点がある。すなわち、応力歪みを生じさせる対象と
なる物体にストレーンゲージなどの応力センサを貼りつ
けなければならず、効率良い製造ラインに流すことが困
難なのである。

また、ストレーンゲージなどのセンサを用いているため
、測定精度が低いという問題もある。

そこで、本発明は小型化が図れ、量産に適し、しかも高
精度の測定を行うことができるモーメント検出装置を提
供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明はモーメント検出装置において、機械的変形によ
って電気抵抗が変化する抵抗素子が少なくとも一面に形
成された半導体基板と、この半導体基板上の一点に設け
られた作用点に回転モーメントを与えるための作用体と
、半導体基板の作用点から隔たった部分を固着支持する
支持体と、を設け、作用点に回転モーメントが与えられ
たときに半導体基板に不均一な応力を発生させるための
開口部を半導体基板に形成し、この不均一な応力を抵抗
素子の電気抵抗の変化として検出するようにしたもので
ある。

〔作　用〕

本発明に係るモーメント検出装置によれば、作用体を介
して半導体基板の作用点に回転モーメントが加えられる
。半導体基板の一部は支持体によって固着支持されてい
るため、加えられた回転モーメントによって半導体基板
に応力が加わる。半導体基板には開口部が形成されてい
るため、この応力は基板上で不均一になる。したがって
、基板上に形成された抵抗素子の抵抗が加えられた回転
モーメントの向きおよび大きさによって変化し、モーメ
ントを電気信号として検出することができる。

抵抗素子はすべて半導体基板上の一面に形成されている
ため、構造は非常に単純になり、小型化が図れ量産に適
したものとなる。また、このような抵抗素子はストレー
ンゲージに比べて感度が高いため、測定精度が向上する
。

〔実施例〕

以下本発明を図示する実施例に基づいて説明する。

装置の構成第１図は本発明の一実施例に係るモーメント検出装置の
上面図、第２図は同装置を切断線Ａ−Ａで切また側断面
図である。この装置は、シリコンの単結晶基板１０と、
この基板１０の中心部１１に接召された作用体２０と、
基板１０の周縁部１２を測定場所に固着支持する支持体
３０と、を備えている。また、基板１０には２つの開口
部１３が設けられており、この開口部１３を設けること
によって中心部１１と周縁部１２との間に２つの架橋部
１４が形成されることになる。この架橋部１４の表面に
はそれぞれ抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４および抵抗素子Ｒ１１〜
Ｒ１４が形成されている。この抵抗素子Ｒは、機械的変
形によって電気抵抗が変化するピエゾ抵抗効果を有する
抵抗素子であり、その構造および形成方法については後
に詳述することにする。

各抵抗素子には第３図に示すような配線がなされる。す
なわち、抵抗索子Ｒ１〜Ｒ４によってブリッジ回路が構
成され、このブリッジ回路に電源４０から電圧が供給さ
れ、ブリッジ電圧が電圧計５０によって測定される。第
３図には示されていないが、抵抗素子Ｒ１１−ＲＬ４に
ついても同様にブリッジ回路が構成される。

装置の動作以下、第４図および第５図を参照して本装置の動作を説
明する。第４図は上方からみて反時計回りに、第５図は
上方からみて時計回りに、それぞれ作用体２０に回転を
加えた場合に単結晶基板１０に生じる応力歪みを示した
図である。中心点Ｐについてそれぞれ矢印の方向に回転
モーメントが生じ、周縁部１２は外部に固着支持されて
いるため、架橋体１４に歪みが生じることになる。基板
１０には開口部１３が形成されているため、この歪みは
基板内で均一にはならず、各抵抗素子Ｒによって加わる
歪みが異なることになる。たとえば、第４図のような歪
みが生じた場合、抵抗素子の導電型をＰ型とすれば、抵
抗索子Ｒ１およびＲ４には伸びる方向に力が加わるため
電気抵抗が増加し、抵抗素子Ｒ２およびＲ３には縮む方
向に力が加わるため電気抵抗が減少することになる。

第５図のような歪みが生じた場合はこれと全く逆の現象
が起こる。

いま、抵抗素子Ｒ１およびＲ４を第１の抵抗素子対、抵
抗素子Ｒ２およびＲ３を第２の抵抗素子対、と呼ぶこと
にすると、上述のように同じ抵抗素子対に属する抵抗素
子Ｒは、所定方向の回転モーメントに対して同じような
変化をすることになる。ここで、第３図に示すブリッジ
回路を考えると、同じ抵抗素子対を構成する抵抗素子Ｒ
がそれぞれ対辺に位置している。したがって、第４図に
示すような回転モーメントに対しては第１の抵抗素子対
は抵抗増加を示し、第２の抵抗素子対は抵抗減少を示す
。逆に第５図に示すような回転モーメントに対しては第
１の抵抗素子対は抵抗減少を示し、第２の抵抗素子対は
抵抗増加を示すことになる。結局、電圧計５０に現れる
ブリッジ電圧の極性は、中心点Ｐまわりの回転モーメン
トの向きに対応し、ブリッジ電圧の大きさは回転モーメ
ントの大きさに対応することになる。このようにして、
作用体２０に加わる回転モーメントの向きと大きさを電
圧計５０によって検出することができる。

本実施例に係る装置の特長の１つは、応力以外のパラメ
ータに基づく抵抗変化の影響を補償することができる点
である。抵抗索子Ｒは、たとえば温度の変化によっても
電気抵抗が変化する。ところが、第１図に示すように、
抵抗素子Ｒ１とＲ３とは対称の位置に、また、抵抗素子
Ｒ２とＲ４とも対称の位置に、それぞれ設けられており
、この対称位置に設けられた抵抗素子の応力以外のパラ
メータに基づく抵抗変化は等しくなる。したがって、応
力以外のパラメータに基づく抵抗変化は互いに相殺され
、電圧計５０の出力には現れないのである。

また、」二連の説明では、抵抗素子Ｒ１−Ｒ４による検
出についてのみ述べたが、抵抗素子Ｒ１１〜Ｒ１４を用
いても同様に検出結果が得られる。この両検出結果を平
均することにより、測定精度をより向上させることがで
きる。あるいは、抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４、Ｒ１１−Ｒｌ４
の中から適当な組合せを選んでも同様の測定結果を得る
ことが可能である。

ピエゾ抵抗効果を有する抵抗素子の製造以下、本発明に
用いる抵抗素子の製造方法の一例を簡単に述べる。この
抵抗素子はピエゾ抵抗効果を有し、半導体基板上に半導
体ブレーナプロセスによって形成されるものである。ま
ず、第６図（ａ）に示すように、Ｎ型のシリコン基板１
０１を熱酸化し、表面に酸化シリコン層１０２を形成す
る。続いて同図（ｂ）に示すように、この酸化シリコン
層１０２を写真蝕刻法によってエツチングして、開口部
１０３を形成する。続いて同図（Ｃ）に示すように、こ
の開口部１０３からほう素を熱拡散し、Ｐ型拡散領域１
０４を形成する。なお、この熱拡散の行程で、開口部１
０３には酸化シリコン層１０５が形成されることになる
。次に同図（ｄ）に示すように、ＣＶＤ法によって窒化
シリコンを堆積させ、窒化シリコン層１０６を保護層と
して形成する。そして同図（ｅ）に示すように、この窒
化シリコン層１０６および酸化シリコン層１０５に写真
蝕刻法によってコンタクトホールを開口した後、同図＜
ｒ＞に示すように、アルミニウム配線層１０７を蒸着形
成する。そして最後にこのアルミニウム配線層１０７を
写真蝕刻法によってパターニングし、同図（ｇ）に示す
ような構造を得る。

なお、上述の製造工程は一例として示したものであり、
本発明は要するに機械的変形によって電気抵抗が変化す
る抵抗素子であればどのようなものを用いても実現可能
である。また、第１図に示した構造は本発明の一実施例
であり、開口部１３の形状、各抵抗素子Ｒの配置などは
この実施例に限定されるものではなく、種々の変形が可
能である。

製品化に適した実施例以上、本発明を最も基本的な一実施例について説明した
が、一般に半導体基板はもろいため、実際に製品化する
上では、作用体として剛体を用いいるようにするのが好
ましい。第７図はこのような一実施例を示す図で、同図
（ａ）−が上面図、同図（ｂ）が側断面図である。前述
の実施例と同様に、単結晶基板１０には開口部１３が形
成されており、これによって架橋部１４が形成されてい
る。

この架橋部１４には抵抗素子Ｒが形成されている。

この単結晶基板１０自身はたとえば金属材料からなる剛
体平板部２０１と、これに連接された作用部２０２に接
若されている。各抵抗素子Ｒはボンディングワイヤ２０
３を介して配線端子２０４に接続される。なお、装置上
部には保護カバー２０５を設けるのが好ましい。

このように作用部を剛体にすることにより、測定すべき
回転モーメントはこの剛体を介して半導体基板１０に伝
えられることになり、耐久性が向上する。

このように本発明に係る装置は、単結晶基板上で面状に
形成された抵抗素子を用いるため、構造が非常に単純に
なる。また、上述のようなプロセスで製造を行うことが
できるため量産に適し、コストダウンを図ることができ
、装置自体も小型化が図れる。しかも抵抗素子は単結晶
からなる素子であり、応力に基づいた高精度の抵抗変化
を得ることができるため、高精度の測定が可能になる。

〔発明の効果〕

以上のとおり本発明によれば、機械的変形によって電気
抵抗が変化する抵抗素子を半導体基板上に形成し、この
半導体基板の作用点に加わった回転モーメントを、抵抗
素子の抵抗変化によって検出するようにしたため、量産
に適し、小型化が図れ、しかも高精度の測定を行うこと
ができるモーメント検出装置が実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は本発明の一実施例に係るモーメン
ト検出装置の上面図および側断面図、第３図は第１図に
示す装置における抵抗素子のブリッジ構成を示す回路図
、第４図および第５図は第１図に示す装置の動作原理を
示す図、第６図は第１図に示す装置に用いる抵抗素子を
単結晶基板上に形成するプロセスの工程図、第７図は本
発明の別な実施例に係わるモーメント検出装置を示す図
である。１０・・・単結晶基板、１１・・・中心部、１２・・・
周縁部、１３・・・開口部、１４・・・架橋部、２０・
・・作用体、３０・・・支持体、４０・・・電源、５０
・・・電圧計、Ｒ１−Ｒ４，Ｒ１１〜Ｒ１４・・・抵抗
素子、１０１・・・Ｎ型シリコン基板、１０２・・・酸
化シリコン層、１０３・・・開口部、１０４・・・Ｐ型
拡散領域、１０５・・・酸化シリコン層、１０６・・・
窒化シリコン層、１０７・・・アルミニウム配線層、２
０１・・・剛体平板部、２０２・・・作用部、２０３・
・・ボンディングワイヤ、２０４・・・配線端子、２０
５・・・保護カバー。出願人代理人　　佐　　藤　　−雄第１図第２図第３図第４図第５図

Claims

【特許請求の範囲】１、機械的変形によって電気抵抗が変化する抵抗素子が
少なくとも一面に形成された半導体基板と、この半導体
基板上の一点に設けられた作用点に回転モーメントを与
えるための作用体と、前記半導体基板の前記作用点から
隔たった部分を固着支持する支持体と、を備え、前記作
用点に回転モーメントが与えられたときに前記半導体基
板に不均一な応力を発生させるための開口部が前記半導
体基板に設けられ、この不均一な応力を前記抵抗素子の
電気抵抗の変化として検出することを特徴とするモーメ
ント検出装置。２、所定方向の回転モーメントが加わったときに、電気
抵抗が増加する位置に設けられた２つの抵抗素子からな
る第１の抵抗素子対と、電気抵抗が減少する位置に設け
られた２つの抵抗素子からなる第２の抵抗素子対と、を
有し、前記第１の抵抗素子対と前記第２の抵抗素子対と
は、応力以外のパラメータに基づく抵抗変化が互いにほ
ぼ等しくなるような位置に形成されており、かつ、同じ
抵抗素子対を構成する抵抗素子がそれぞれ対辺に位置す
るようなブリッジ回路が組まれ、このブリッジ回路のブ
リッジ電圧によってモーメントの検出を行うことを特徴
とする特許請求の範囲第１項記載のモーメント検出装置
。３、半導体基板がシリコン単結晶基板からなり、抵抗素
子が半導体プレーナプロセスによってこのシリコン基板
上に形成されていることを特徴とする特許請求の範囲第
１項または第２項記載のモーメント検出装置。４、作用体が、半導体基板に接着された剛体平板部と、
この剛体平板部に回転歪みを与えるための作用部と、を
有することを特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第３
項のいずれかに記載のモーメント検出装置。