TW201814261A - 感測器晶片、應變體以及力量感測器裝置 - Google Patents

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    • G01L1/2293—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges constructional details of the strain gauges of the semi-conductor type
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    • G01L5/161—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force using variations in ohmic resistance
    • G01L5/162—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force using variations in ohmic resistance of piezoresistors

Abstract

設為
本發明提供一種能夠以簡易之方法偵測多軸之位移並加以輸出之感測器晶片。本發明之感測器晶片係用以基於與施加至力點之力或位移之方向相應且配置於預定之梁之複數個應變檢測元件之輸出之變化，對預定之軸方向之位移最大進行6軸偵測；該感測器晶片係具備有：基板；第一支持部，配置於前述基板之四角；第二支持部，配置於前述基板之中央；第一偵測用梁，將鄰接之前述第一支持部彼此連結；第二偵測用梁，與各個前述第一偵測用梁平行地設置於各個前述第一偵測用梁與前述第二支持部之間；第三偵測用梁，於平行地設置之前述第一偵測用梁及前述第二偵測用梁之組中，將前述第一偵測用梁與前述第二偵測用梁連結；力點，配置於各個前述第一偵測用梁與各個前述第三偵測用梁之交點，且被施加力；以及複數個應變檢測元件，配置於前述第一偵測用梁、前述第二偵測用梁及前述第三偵測用梁之預定位置；前述基板之厚度方向即Z軸方向之位移係至少基於前述第三偵測用梁之變形而偵測；與前述Z軸方向正交之X軸方向及Y軸方向之位移係基於前述第一偵測用梁或前述第二偵測用梁之至少一者之變形而偵測。

Description

感測器晶片、應變體以及力量感測器裝置
本發明係關於一種感測器晶片、應變體以及力量感測器裝置。
自以往以來，已知有一種力量感測器裝置，係對由金屬所構成之應變體貼附複數個應變計，藉由將被施加外力時之應變轉換為電信號而檢測多軸之力。然而，該力量感測器裝置因需要藉由手動作業來逐片地貼附應變計，故精度或生產性方面存在問題，且構造上難以小型化。
另一方面，已提出一種力量感測器裝置，係藉由將應變計置換為應變檢測用之MEMS(Micro Electro Mechanical Systems；微機電系統)之感測器晶片，而解決貼合精度之問題，且實現了小型化(例如參照專利文獻1)。
[先前技術文獻]
[專利文獻]
專利文獻1：日本特許第4011345號。
然而，上述力量感測器裝置中，需要對自感測器晶片之複數個應變元件之輸出進行運算(信號處理)而獲得6軸輸出，從而無法以簡易之方法獲得多軸輸出。
本發明係有鑒於上述方面而研創，其目的在於提供一種能夠以簡易之方法偵測多軸之位移並加以輸出之感測器晶片。
本發明之感測器晶片(10)係用以基於與施加至力點之力或位移之方向相應且配置於預定之梁之複數個應變檢測元件之輸出之變化，對預定之軸方向之位移最大進行6軸偵測；該感測器晶片(10)係具備有：基板；第一支持部(11a至11d)，配置於前述基板之四角；第二支持部(11e)，配置於前述基板之中央；第一偵測用梁(13a、13d、13g、13j)，將鄰接之前述第一支持部(11a至11d)彼此連結；第二偵測用梁(13b、13e、13h、13k)，與各個前述第一偵測用梁(13a、13d、13g、13j)平行地設置於各個前述第一偵測用梁(13a、13d、13g、13j)與前述第二支持部(11e) 之間；第三偵測用梁(13c、13f、13i、13l)，於平行地設置之前述第一偵測用梁(13a、13d、13g、13j)及前述第二偵測用梁(13b、13c、13h、13k)之組中，將前述第一偵測用梁(13a、13d、13g、13j)與前述第二偵測用梁(13b、13e、13h、13k)連結；力點(14a至14d)，配置於各個前述第一偵測用梁(13a、13d、13g、13j)與各個前述第三偵測用梁(13c、13f、13i、13l)之交點且被施加力；以及複數個應變檢測元件(MxR1至MxR4、MyR1至MyR4、MzR1至MzR4、FxR1至FxR4、FyR1至FyR4、FzR1至FzR4)，配置於前述第一偵測用梁(13a、13d、13g、13j)、前述第二偵測用梁(13b、13e、13h、13k)及前述第三偵測用梁(13f、13l)之預定位置；前述基板之厚度方向即Z軸方向之位移係至少基於前述第三偵測用梁(13f、13l)之變形而偵測；與前述Z軸方向正交之X軸方向及Y軸方向之位移係基於前述第一偵測用梁(13a、13d、13g、13j)或前述第二偵測用梁(13b、13e、13h、13k)之至少一者之變形而偵測。
另外，上述括弧內之參照的元件符號係為了容易理解而附上，僅為一例，並未限定於圖式之態樣。
根據揭示之技術，可提供一種能夠以簡易之方法對多軸之位移進行偵測並加以輸出之感測器晶片。
1、1A、1B、1C‧‧‧力量感測器裝置
10、50、110‧‧‧感測器晶片
11a至11e、51a至51e、111a至111e‧‧‧支持部
12a至12h、52a至52d、112a至112h‧‧‧補強用梁
13a至13l、53a至53l、113a至113l‧‧‧偵測用梁
14a至14d、54a至54d、114a至114d‧‧‧力點
15‧‧‧電極
16‧‧‧配線
17‧‧‧溫度感測器
20‧‧‧應變體
21、81‧‧‧基台
22a至22e、25a至25d、82a至82i‧‧‧柱
23a至23d、26a至26d‧‧‧梁
24a至24d‧‧‧輸入部
27a至27d、61a至61d‧‧‧突起部
30‧‧‧輸入輸出基板
31‧‧‧電極
40、60‧‧‧受力板
40x、40y‧‧‧凹部
41、42‧‧‧接著劑
70‧‧‧封裝體
80‧‧‧柱構造部
Fx、Fy、Fz‧‧‧力
L1、L2‧‧‧長度
Mx、My、Mz‧‧‧力矩
MxR1至MxR4、MyR1至MyR4、MzR1至MzR4、FxR1至FxR4、FyR1至FyR4、FzR1至FzR4、TR1、TR2、TR3、TR4‧‧‧壓阻元件
W1、W2‧‧‧平均寬度
X、Y、Z‧‧‧軸方向
X1、X2、Y1、Y2、Z1、Z2‧‧‧方向
圖1係例示第一實施形態之力量感測器裝置之立體圖。
圖2係例示第一實施形態之力量感測器裝置之感測器晶片及應變體之立體圖。
圖3係自Z軸方向上側觀看感測器晶片10之圖。
圖4係自Z軸方向下側觀看感測器晶片10之圖。
圖5係說明表示施加至各軸之力及力矩之符號之圖。
圖6係例示感測器晶片10之壓阻(piezoresistance)元件之配置之圖。
圖7係例示感測器晶片10中之電極配置與配線之圖。
圖8係例示感測器晶片10之溫度感測器之放大俯視圖。
圖9係例示應變體20之立體圖。
圖10係例示應變體20之圖。
圖11係例示力量感測器裝置1之製造步驟之圖(其一)。
圖12係例示力量感測器裝置1之製造步驟之圖(其二)。
圖13係例示力量感測器裝置1之製造步驟之圖(其三)。
圖14係關於對應變體施加力及力矩時之變形(應變)之模擬結果(其一)。
圖15係關於對應變體施加力及力矩時之變形(應變) 之模擬結果(其二)。
圖16係關於圖14及圖15之施加力及力矩時感測器晶片10中產生之應力之模擬結果(其一)。
圖17係關於圖14及圖15之施加力及力矩時感測器晶片10中產生之應力之模擬結果(其二)。
圖18係關於圖14及圖15之施加力及力矩時感測器晶片10中產生之應力之模擬結果(其三)。
圖19係例示第一實施形態之變形例1之力量感測器裝置之立體圖。
圖20係例示第一實施形態之變形例1之力量感測器裝置之圖。
圖21係自Z軸方向上側觀看感測器晶片50之圖。
圖22係例示感測器晶片50之壓阻元件之配置之圖。
圖23係例示第一實施形態之變形例3之力量感測器裝置之立體圖。
圖24係例示第一實施形態之變形例4之力量感測器裝置之立體圖。
圖25係自Z軸方向上側觀看感測器晶片110之圖。
圖26係自Z軸方向下側觀看感測器晶片110之圖。
圖27係例示感測器晶片110之壓阻元件之配置之圖。
圖28係說明感測器晶片110中之承受負載之改善之圖(其一)。
圖29係說明感測器晶片110中之承受負載之改善之圖(其二)。
圖30係說明感測器晶片110中之承受負載之改善之圖(其三)。
圖31係說明感測器晶片110中之承受負載之改善之圖(其四)。
圖32係說明感測器晶片110中之感度之提高之圖。
圖33係說明感測器晶片110中之他軸特性之改善之圖(其一)。
圖34係說明感測器晶片110中之他軸特性之改善之圖(其二)。
圖35係關於施加力及力矩時感測器晶片110中產生之應力之模擬結果(其一)。
圖36係關於施加力及力矩時感測器晶片110中產生之應力之模擬結果(其二)。
以下，參照圖式對用以實施發明之形態進行說明。各圖式中，對相同構成部分附上相同元件符號，且有時省略重複之說明。
〈第一實施形態〉
(力量感測器裝置1之概略構成)
圖1係例示第一實施形態之力量感測器裝置之立體圖。圖2係例示第一實施形態之力量感測器裝置之感測器晶片及應變體之立體圖。參照圖1及圖2，力量感測器裝 置1具有感測器晶片10、應變體20以及輸入輸出基板30。力量感測器裝置1係例如搭載於工作機械等而使用之機器人之手臂或手指等之多軸之力量感測器裝置。
感測器晶片10以不自應變體20突出之方式接著於應變體20之上表面側。又，於應變體20之上表面及側面接著有用以對感測器晶片10進行信號之輸入輸出之輸入輸出基板30之一端側。感測器晶片10與輸入輸出基板30之各個電極31係利用接線(bonding wire)等(未圖示)而電性連接。於輸入輸出基板30之另一端側排列有端子(未圖示)，該端子能夠與和力量感測器裝置1連接之控制裝置等進行電性輸入輸出。
另外，本實施形態中，為了方便起見，於力量感測器裝置1中，將應變體20中之設置有輸入輸出基板30之側設為上側或一側，將其相反側設為下側或另一側。又，將各個部位之應變體20中之設置有輸入輸出基板30之側之面設為一面或上表面，將其相反側之面設為另一面或下表面。其中，力量感測器裝置1可於上下顛倒之狀態下使用，或者可配置成任意角度。又，俯視係指自感測器晶片10之上表面之法線方向(Z軸方向)觀看對象物，平面形狀係指自感測器晶片10之上表面之法線方向(Z軸方向)觀看對象物之形狀。
(感測器晶片10)
圖3係自Z軸方向上側觀看感測器晶片10之圖，圖3中的(a)係立體圖，圖3中的(b)係俯視圖。圖4係自Z軸方向下側觀看感測器晶片10之圖，圖4中的(a)係立體圖，圖4中的(b)係仰視圖。圖4中的(b)中，為了方便起見，以同一梨地紋路顯示同一高度之面。另外，將與感測器晶片10之上表面之一邊平行之方向設為X軸方向，將垂直之方向設為Y軸方向，將感測器晶片10之厚度方向(感測器晶片10之上表面之法線方向)設為Z軸方向。X軸方向、Y軸方向及Z軸方向彼此正交。
圖3及圖4所示之感測器晶片10係1晶片中最大可偵測6軸之MEMS感測器晶片，且由SOI(Silicon On Insulator；絕緣體上覆矽)基板等半導體基板所形成。感測器晶片10之平面形狀例如可設為3000μm見方左右之正方形。
感測器晶片10具備柱狀之5個支持部11a至支持部11e。支持部11a至支持部11e之平面形狀例如可設為500μm見方左右之正方形。作為第一支持部之支持部11a至支持部11d係配置於感測器晶片10之四角。作為第二支持部之支持部11e係配置於支持部11a至支持部11d之中央。
支持部11a至支持部11e例如可由SOI基板之活性層、BOX(buried oxide；埋入氧化物)層及支持層所形成，各自之厚度例如可設為500μm左右。
於支持部11a與支持部11b之間設置有兩端固定於支持部11a與支持部11b(將鄰接之支持部彼此連結)且用以補強構造之補強用梁12a。於支持部11b與支持部11c之間設置有兩端固定於支持部11b與支持部11c(將鄰接之支持部彼此連結)且用以補強構造之補強用梁12b。
於支持部11c與支持部11d之間設置有兩端固定於支持部11c與支持部11d(將鄰接之支持部彼此連結)且用以補強構造之補強用梁12c。於支持部11d與支持部11a之間設置有兩端固定於支持部11d與支持部11a(將鄰接之支持部彼此連結)且用以補強構造之補強用梁12d。
換言之，作為第一補強用梁之4個補強用梁12a、12b、12c、12d形成為框狀，用以形成各個補強用梁之交點之角部係成為支持部11b、11c、11d、11a。
支持部11a之內側之角部和與該支持部11a之內側之角部對向之支持部11e之角部係藉由用以補強構造之補強用梁12e而連結。支持部11b之內側之角部和與該支持部11b之內側之角部對向之支持部11e之角部係藉由用以 補強構造之補強用梁12f而連結。
支持部11c之內側之角部和與該支持部11c之內側之角部對向之支持部11e之角部係藉由用以補強構造之補強用梁12g而連結。支持部11d之內側之角部和與該支持部11d之內側之角部對向之支持部11e之角部係藉由用以補強構造之補強用梁12h而連結。作為第二補強用梁之補強用梁12e至補強用梁12h係相對於X軸方向(Y軸方向)傾斜配置。亦即，補強用梁12e至補強用梁12h係與補強用梁12a、12b、12c、12d非平行地配置。
補強用梁12a至補強用梁12h例如可由SOI基板之活性層、BOX層及支持層所形成。補強用梁12a至補強用梁12h之厚度(短邊方向之寬度)例如可設為140μm左右。補強用梁12a至補強用梁12h之各自之上表面係與支持部11a至支持部11e之上表面為大致齊平。
與此相對，補強用梁12a至補強用梁12h之各自之下表面係比支持部11a至支持部11e之下表面及力點14a至力點14d之下表面還向上表面側凹陷數10μm左右。其原因在於，於將感測器晶片10接著於應變體20時，補強用梁12a至補強用梁12h之下表面不與應變體20之對向之面相接。
如此，藉由與用以偵測應變之偵測用梁分開地配置形成為比偵測用梁還厚且剛性強之補強用梁，可提高感測器晶片10整體之剛性。藉此，偵測用梁以外相對於輸入不易發生變形，因此可獲得良好之感測器特性。
於支持部11a與支持部11b之間之補強用梁12a之內側，與補強用梁12a隔開預定間隔平行地設置有兩端固定於支持部11a與支持部11b(將鄰接之支持部彼此連結)且用以偵測應變之偵測用梁13a。
於偵測用梁13a與支持部11e之間，與偵測用梁13a及支持部11e隔開預定間隔而與偵測用梁13a平行地設置有偵測用梁13b。偵測用梁13b係將補強用梁12e中之支持部11e側之端部與補強用梁12f中之支持部11e側之端部連結。
偵測用梁13a之長邊方向之大致中央部和與該偵測用梁13a之長邊方向之大致中央部對向之偵測用梁13b之長邊方向之大致中央部係藉由偵測用梁13c而連結，該偵測用梁13c係以與偵測用梁13a及偵測用梁13b正交之方式配置且用以偵測應變。
於支持部11b與支持部11c之間之補強用梁12b之內側，與補強用梁12b隔開預定間隔平行地設置有兩端固定 於支持部11b與支持部11c(將鄰接之支持部彼此連結)且用以偵測應變之偵測用梁13d。
於偵測用梁13d與支持部11e之間，與偵測用梁13d及支持部11e隔開預定間隔而與偵測用梁13d平行地設置有偵測用梁13e。偵測用梁13e係將補強用梁12f中之支持部11e側之端部與補強用梁12g中之支持部11e側之端部連結。
偵測用梁13d之長邊方向之大致中央部和與該偵測用梁13d之長邊方向之大致中央部對向之偵測用梁13e之長邊方向之大致中央部係藉由偵測用梁13f而連結，該偵測用梁13f係以與偵測用梁13d及偵測用梁13e正交之方式配置且用以偵測應變。
於支持部11c與支持部11d之間之補強用梁12c之內側，與補強用梁12c隔開預定間隔平行地設置有兩端固定於支持部11c與支持部11d(將鄰接之支持部彼此連結)且用以偵測應變之偵測用梁13g。
於偵測用梁13g與支持部11e之間，與偵測用梁13g及支持部11e隔開預定間隔而與偵測用梁13g平行地設置有偵測用梁13h。偵測用梁13h係將補強用梁12g中之支持部11e側之端部與補強用梁12h中之支持部11e側之端 部連結。
偵測用梁13g之長邊方向之大致中央部和與該偵測用梁13g之長邊方向之大致中央部對向之偵測用梁13h之長邊方向之大致中央部係藉由偵測用梁13i而連結，該偵測用梁13i係以與偵測用梁13g及偵測用梁13h正交之方式配置且用以偵測應變。
於支持部11d與支持部11a之間之補強用梁12d之內側，與補強用梁12d隔開預定間隔平行地設置有兩端固定於支持部11d與支持部11a(將鄰接之支持部彼此連結)且用以偵測應變之偵測用梁13j。
於偵測用梁13j與支持部11e之間，與偵測用梁13j及支持部11e隔開預定間隔而與偵測用梁13j平行地設置有偵測用梁13k。偵測用梁13k係將補強用梁12h中之支持部11e側之端部與補強用梁12e中之支持部11e側之端部連結。
偵測用梁13j之長邊方向之大致中央部和與該偵測用梁13j之長邊方向之大致中央部對向之偵測用梁13k之長邊方向之大致中央部係藉由偵測用梁13l而連結，該偵測用梁13l係以與偵測用梁13j及偵測用梁13k正交之方式配置且用以偵測應變。
偵測用梁13a至偵測用梁13l係設置於支持部11a至支持部11e之厚度方向之上端側，且例如可由SOI基板之活性層所形成。偵測用梁13a至偵測用梁13l之厚度(短邊方向之寬度)例如可設為75μm左右。偵測用梁13a至偵測用梁13l之各自之上表面係與支持部11a至支持部11e之上表面為大致齊平。偵測用梁13a至偵測用梁13l之各自之厚度例如可設為50μm左右。
於偵測用梁13a之長邊方向之中央部之下表面側(偵測用梁13a與偵測用梁13c之交點)設置有力點14a。藉由偵測用梁13a、13b、13c與力點14a形成1組偵測塊。
於偵測用梁13d之長邊方向之中央部之下表面側(偵測用梁13d與偵測用梁13f之交點)設置有力點14b。藉由偵測用梁13d、13e、13f與力點14b形成1組偵測塊。
於偵測用梁13g之長邊方向之中央部之下表面側(偵測用梁13g與偵測用梁13i之交點)設置有力點14c。藉由偵測用梁13g、13h、13i與力點14c形成1組偵測塊。
於偵測用梁13j之長邊方向之中央部之下表面側(偵測用梁13j與偵測用梁13l之交點)設置有力點14d。藉由偵測用梁13j、13k、13l與力點14d形成1組偵測塊。
力點14a至力點14d係被施加外力之部位，且例如可由SOI基板之BOX層及支持層所形成。力點14a至力點14d之各自之下表面係與支持部11a至支持部11e之下表面為大致齊平。
如此，藉由自4個力點14a至力點14d取得力或位移，而獲得針對每種力不同的梁之變形，因此可實現6軸之分離性良好之感測器。
另外，感測器晶片10中，自抑制應力集中之觀點考慮，形成內角之部分較佳設為R狀。
圖5係說明表示施加至各軸之力及力矩之符號之圖。如圖5所示，將X軸方向之力設為Fx，將Y軸方向之力設為Fy，將Z軸方向之力設為Fz。又，將以X軸為軸而旋轉之力矩設為Mx，將以Y軸為軸而旋轉之力矩設為My，將以Z軸為軸而旋轉之力矩設為Mz。
圖6係例示感測器晶片10之壓阻元件之配置之圖。於與4個力點14a至力點14d對應之各個偵測塊之預定位置配置有壓阻元件。
具體而言，若參照圖3及圖6，於與力點14a對應之 偵測塊中，壓阻元件MxR3、MxR4係配置於將偵測用梁13a於長邊方向進行二等分之線上，且相對於將偵測用梁13c於長邊方向進行二等分之線對稱的位置。又，壓阻元件FyR3、FyR4係配置於比將偵測用梁13b於長邊方向進行二等分之線還靠近偵測用梁13a之側，且相對於將偵測用梁13c於長邊方向進行二等分之線對稱的位置。
又，於與力點14b對應之偵測塊，壓阻元件MyR3、MyR4係配置於將偵測用梁13d於長邊方向進行二等分之線上，且相對於將偵測用梁13f於長邊方向進行二等分之線對稱的位置。又，壓阻元件FxR3、FxR4係配置於比將偵測用梁13e於長邊方向進行二等分之線還靠近偵測用梁13d之側，且相對於將偵測用梁13f於長邊方向進行二等分之線對稱的位置。
又，壓阻元件MzR3、MzR4係配置於比將偵測用梁13f於短邊方向進行二等分之線還靠近偵測用梁13e之側，且相對於將偵測用梁13f於長邊方向進行二等分之線對稱的位置。又，壓阻元件FzR3、FzR4係配置於將偵測用梁13f於長邊方向進行二等分之線上，且相對於將偵測用梁13f於短邊方向進行二等分之線對稱的位置。
又，於與力點14c對應之偵測塊中，壓阻元件MxR1、MxR2係配置於將偵測用梁13g於長邊方向進行二等分之 線上，且相對於將偵測用梁13i於長邊方向進行二等分之線對稱的位置。又，壓阻元件FyR1、FyR2係配置於比將偵測用梁13h於長邊方向進行二等分之線還靠近偵測用梁13g之側，且相對於將偵測用梁13i於長邊方向進行二等分之線對稱的位置。
又，於與力點14d對應之偵測塊中，壓阻元件MyR1、MyR2係配置於將偵測用梁13j於長邊方向進行二等分之線上，且相對於將偵測用梁13l於長邊方向進行二等分之線對稱的位置。又，壓阻元件FxR1、FxR2係配置於比將偵測用梁13k於長邊方向進行二等分之線靠偵測用梁13j側，且相對於將偵測用梁13l於長邊方向進行二等分之線對稱的位置。
又，壓阻元件MzR1、MzR2係配置於比將偵測用梁13l於短邊方向進行二等分之線還靠近偵測用梁13k之側，且相對於將偵測用梁13l於長邊方向進行二等分之線對稱的位置。又，壓阻元件FzR1、FzR2係配置於將偵測用梁13l於長邊方向進行二等分之線上，且相對於將偵測用梁13l於短邊方向進行二等分之線對稱的位置。
在此，壓阻元件FxR1至壓阻元件FxR4係對力Fx進行檢測，壓阻元件FyR1至壓阻元件FyR4係對力Fy進行檢測，壓阻元件FzR1至壓阻元件FzR4係對力Fz進行檢 測。又，壓阻元件MxR1至壓阻元件MxR4係對力矩Mx進行檢測，壓阻元件MyR1至壓阻元件MyR4係對力矩My進行檢測，壓阻元件MzR1至壓阻元件MzR4係對力矩Mz進行檢測。
如此，感測器晶片10中，將複數個壓阻元件分開配置於各個偵測塊。藉此，可基於與施加(傳遞)至力點14a至力點14d之力或位移之方向(軸方向)相應且配置於預定之梁之複數個壓阻元件之輸出之變化，對預定之軸方向之位移最大進行6軸偵測。
具體而言，感測器晶片10中，Z軸方向之位移(Mx、My、Fz)可基於預定之偵測用梁之變形而偵測。亦即，X軸方向及Y軸方向之力矩(Mx、My)可基於作為第一偵測用梁之偵測用梁13a、13d、13g、13j之變形而偵測。又，Z軸方向之力(Fz)可基於作為第三偵測用梁之偵測用梁13f、13l之變形而偵測。
又，感測器晶片10中，X軸方向及Y軸方向之位移(Fx、Fy、Mz)可基於預定之偵測用梁之變形而偵測。亦即，X軸方向及Y軸方向之力(Fx、Fy)可基於作為第二偵測用梁之偵測用梁13b、13e、13h、13k之變形而偵測。又，Z軸方向之力矩(Mz)可基於作為第三偵測用梁之偵測用梁13f、13l之變形而偵測。
藉由使各個偵測用梁之厚度與寬度可變，而可實現檢測感度之均勻化以及檢測感度之提高等調整。
然而，亦能夠實現減少壓阻元件之數量且偵測5軸以下之預定之軸方向之位移的感測器晶片。
圖7係例示感測器晶片10中之電極配置與配線之圖，且為自Z軸方向上側觀看感測器晶片10之俯視圖。如圖7所示，感測器晶片10具有用以提取電信號之複數個電極15。各個電極15係配置於對力點14a至力點14d施力時之應變最少的感測器晶片10之支持部11a至支持部11d之上表面。自各個壓阻元件至電極15為止之配線16係可適當地引繞至各個補強用梁上及各個偵測用梁上。
如此，各個補強用梁亦可視需要被用作引出配線時之旁路，因此藉由與偵測用梁分開地配置補強用梁，可提高配線設計之自由度。藉此，能夠將各個壓阻元件配置於更理想之位置。
圖8係例示感測器晶片10之溫度感測器之放大俯視圖。如圖7及圖8所示，感測器晶片10具備用以對用於應變檢測用的壓阻元件進行溫度修正之溫度感測器17。溫度感測器17係4個壓阻元件TR1、TR2、TR3、TR4橋 接連接而成之構成。
壓阻元件TR1、TR2、TR3、TR4中，對向之2個壓阻元件設為與用於應變檢測用的壓阻元件MxR1等為相同特性。又，壓阻元件TR1、TR2、TR3、TR4中，對向之另外2個壓阻元件係利用雜質半導體而改變雜質濃度，藉此設為與壓阻元件MxR1等不同之特性。藉此，因溫度變化而橋接之平衡破壞，從而能夠進行溫度檢測。
另外，用於應變檢測用的壓阻元件(MxR1等)均係與構成感測器晶片10之半導體基板(矽等)之結晶方位水平或垂直地配置。藉此，相對於相同之應變，可獲得更大之電阻之變化，從而能夠提高所施加之力及力矩之測量精度。
與此相對，構成溫度感測器17之壓阻元件TR1、TR2、TR3、TR4係相對於構成感測器晶片10之半導體基板(矽等)之結晶方位傾斜45度而配置。藉此，可減少相對於應力之電阻變化，因此可精度優良地僅偵測溫度變化。
又，溫度感測器17係配置於對力點14a至力點14d施力時之應變最少的感測器晶片10之支持部11a之上表面。藉此，可進一步減少相對於應力之電阻變化。
另外，壓阻元件為本發明之應變檢測元件之代表性之一例。
(應變體20)
圖9係例示應變體20之立體圖。圖10係例示應變體20之圖，圖10中的(a)係俯視圖，圖10中的(b)係沿著圖10中的(a)之A-A線之剖面立體圖。圖10中的(a)中，為了方便起見，以同一梨地紋路顯示同一高度之面。
如圖9及圖10所示，應變體20中，於基台21上之四角配置有作為第一柱之4根柱22a至柱22d，作為將鄰接之柱彼此連結之第一梁之4根梁23a至梁23d設置成框狀。又，於基台21上之中央配置有作為第二柱之柱22e。柱22e係用以固定感測器晶片10之柱，且形成為比柱22a至柱22d還粗且還短。另外，感測器晶片10係以不自柱22a至柱22d之上表面突出之方式固定於柱22e上。
應變體20之概略形狀例如可設為長5000μm左右、寬5000μm左右、高7000μm左右之長方體狀。柱22a至柱22d之橫剖面形狀例如可設為1000μm見方左右之正方形。柱22e之橫剖面形狀例如可設為2000μm見方左右之正方形。
於梁23a至梁23d之各自之上表面之長邊方向之中央部設置有自梁23a至梁23d之長邊方向之中央部向上方突起之突起部，於突起部上設置有例如圓柱狀之輸入部24a至輸入部24d。輸入部24a至輸入部24d係自外部施力之部分，若對輸入部24a至輸入部24d施力，則與其相應地，梁23a至梁23d及柱22a至柱22d會發生變形。
另外，對於柱22e而言，因所施加之力而變形之梁23a至梁23d或因所施加之力而變形之柱22a至柱22d分離，因此即便對輸入部24a至輸入部24d施力亦不會可動(不會因所施加之力而變形)。
如此，藉由設置4個輸入部24a至輸入部24d，與例如1個輸入部之構造相比，可提高梁23a至梁23d之承受負載。
於柱22e之上表面之四角配置有作為第三柱之4根柱25a至柱25d，於柱22e之上表面之中央部配置有作為第四柱之柱25e。柱25a至柱25e形成為同一高度。
亦即，柱25a至柱25e之各自之上表面位於同一平面上。柱25a至柱25e之各自之上表面成為與感測器晶片10之下表面接著之接合部。對於柱25a至柱25e而言，因所施加之力而變形之梁23a至梁23d或因所施加之力而變形 之柱22a至柱22d分離，因此即便對輸入部24a至輸入部24d施力亦不會可動(不會因所施加之力而變形)。
於梁23a至梁23d之各自之內側面之長邊方向之中央部設置有自梁23a至梁23d之各自之內側面朝水平方向內側突出之梁26a至梁26d。梁26a至梁26d係將梁23a至梁23d或柱22a至柱22d之變形傳遞至感測器晶片10之第二梁。又，於梁26a至梁26d之各自之上表面之前端側設置有自梁26a至梁26d之各自之上表面之前端側向上方突起之突起部27a至突起部27d。
突起部27a至突起部27d形成為同一高度。亦即，突起部27a至突起部27d之各自之上表面位於同一平面上。突起部27a至突起部27d之各自之上表面成為與感測器晶片10之下表面接著之接合部。由於梁26a至梁26d及突起部27a至突起部27d係與成為可動部之梁23a至梁23d連結，因此若對輸入部24a至輸入部24d施力，則會與其相應地發生變形。
另外，於未對輸入部24a至輸入部24d施力之狀態下，柱25a至柱25e之各自之上表面與突起部27a至突起部27d之各自之上表面位於同一平面上。
自確保剛性且精度優良地製作之觀點考慮，應變體 20中，基台21、柱22a至柱22e、梁23a至梁23d、輸入部24a至輸入部24d、柱25a至柱25e、梁26a至梁26d以及突起部27a至突起部27d之各部位較佳為形成為一體。作為應變體20之材料，例如可使用SUS(Stainless Used Steel；不鏽鋼)等硬質的金屬材料。其中，尤佳為使用硬質且機械強度高之SUS630。
如此，與感測器晶片10同樣地，藉由設為應變體20亦具備柱與梁之構造，因為所施加之力分別於6軸中顯示不同之變形，從而可將6軸之分離性優良之變形傳遞至感測器晶片10。
亦即，將對應變體20之輸入部24a至輸入部24d施加之力經由柱22a至柱22d、梁23a至梁23d及梁26a至梁26d而傳遞至感測器晶片10，利用感測器晶片10偵測位移。而且，感測器晶片10中，可自每1個軸逐個形成之橋接電路獲得各軸之輸出。
另外，應變體20中，自抑制應力集中之觀點考慮，形成內角之部分較佳設為R狀。
(力量感測器裝置1之製造步驟)
圖11至圖13係例示力量感測器裝置1之製造步驟之圖。首先，如圖11中的(a)所示製作應變體20。應變體20 例如可藉由成形、切削或導線放電等形成為一體。作為應變體20之材料，例如可使用SUS(不鏽鋼)等硬質的金屬材料。其中，尤佳為使用硬質且機械強度高之SUS630。於藉由成形來製作應變體20之情形時，例如將金屬粒子與作為黏合劑(binder)之樹脂放入模具中成形，之後進行燒結而使樹脂蒸發，藉此可製作由金屬所構成之應變體20。
接下來，於圖11中的(b)所示之步驟中，對柱25a至柱25e之上表面及突起部27a至突起部27d之上表面塗佈接著劑41。作為接著劑41，例如可使用環氧系的接著劑等。自針對從外部施加之力之耐力之觀點而言，接著劑41較佳為楊氏率為1GPa以上且厚度為20μm以下。
接下來，於圖12中的(a)所示之步驟中，製作感測器晶片10。感測器晶片10例如可藉由準備SOI基板且對所準備之基板實施蝕刻加工(例如反應性離子蝕刻等)等的周知方法而製作。又，電極或配線例如可藉由如下而製作：於基板之表面藉由濺鍍法等成膜銅等金屬膜後，利用光微影將金屬膜予以圖案化(patterning)。
接下來，於圖12中的(b)所示之步驟中，以感測器晶片10之下表面與塗佈於柱25a至柱25e之上表面及突起部27a至突起部27d之上表面之接著劑41相接的方式，一邊將感測器晶片10朝應變體20內加壓一邊配置感測器 晶片10。然後，將接著劑41加熱至預定溫度而使接著劑41硬化。藉此，感測器晶片10被固定於應變體20內。具體而言，感測器晶片10之支持部11a至支持部11d分別固定於柱25a至柱25e上，支持部11e固定於柱25e上，力點14a至力點14d分別固定於突起部27a至突起部27d上。
接下來，於圖13中的(a)所示之步驟中，對柱22a至柱22d之上表面塗佈接著劑42。作為接著劑42，例如可使用環氧系的接著劑等。另外，接著劑42係用以將輸入輸出基板30固定於應變體20上，由於不會自外部被施加力，故可使用通用之接著劑。
接下來，於圖13中的(b)所示之步驟中，準備輸入輸出基板30，以輸入輸出基板30之下表面與塗佈於柱22a至柱22d之上表面之接著劑42相接之方式，將輸入輸出基板30配置於應變體20上。然後，一邊將輸入輸出基板30向應變體20側加壓一邊將接著劑42加熱至預定溫度而使接著劑42硬化。藉此，輸入輸出基板30固定於應變體20。
另外，輸入輸出基板30係以使感測器晶片10及輸入部24a至輸入部24d露出之方式固定於應變體20。輸入輸出基板30之各個電極31較佳為配置於對輸入部24a至輸 入部24d施力時之應變最少的應變體20之柱22a至柱22d上。
之後，使輸入輸出基板30中之從應變體20向水平方向伸出之部分(除了輸入端子側之外)向應變體20之側面側彎折。然後，藉由接線等(未圖示)將輸入輸出基板30與感測器晶片10之對應之部分電性連接。藉此，完成圖1所示之力量感測器裝置1。
如此，由於力量感測器裝置1可僅由感測器晶片10、應變體20及輸入輸出基板30這3個零件製作，因此組裝容易，且位置對準部位亦為最低限度即可，因此可抑制由安裝原因所導致之精度之劣化。
又，應變體20中，由於與感測器晶片10之連接部位(柱25a至柱25e之上表面以及突起部27a至突起部27d之上表面)均位於同一平面，因此感測器晶片10相對於應變體20之位置對準進行一次即可，從而容易將感測器晶片10安裝於應變體20。
(應力之模擬)
圖14及圖15係關於對應變體20施加力及力矩時之變形(應變)之模擬結果。力及力矩係從應變體20之輸入部24a至輸入部24d(參照圖9等)施加。又，圖16至圖18 係關於圖14及圖15之施加力及力矩時感測器晶片10中產生之應力之模擬結果。圖16至圖18中，拉伸之垂直應力由「+」表示，壓縮之垂直應力由「-」表示。
於沿著X軸自X1向X2之方向施加力Fx之情形時，應變體20係如圖14所示般發生變形，感測器晶片10中產生如圖16中的(a)般之應力。具體而言，藉由力Fx之施加，偵測用梁13k、13e會向力Fx之方向應變。
在此，由於壓阻元件FxR1、FxR2係位於比偵測用梁13k之長邊方向之中心還靠近X1之側，因此產生拉伸之垂直應力而電阻值增加。另一方面，壓阻元件FxR3、FxR4係位於比偵測用梁13e之長邊方向之中心還靠近X2之側，因此會產生壓縮之垂直應力而電阻值減少。藉此，由於壓阻元件FxR1至壓阻元件FxR4之平衡破壞，因此自圖16中的(a)所示之橋接電路輸出電壓，而可檢測力Fx。
另外，雖然偵測用梁13d、13j亦向力Fx之方向應變，但於壓阻元件MyR1、MyR2以及壓阻元件MyR3、MyR4之位置幾乎不會產生應力，或者產生同方向之應力。因此，橋接之平衡得以維持，不會自圖18中的(a)所示之力矩My之橋接電路輸出電壓。
於沿著Y軸自Y1向Y2之方向施加力Fy之情形時， 於感測器晶片10中產生如圖16中的(b)般之應力。具體而言，藉由力Fy之施加，偵測用梁13b、13h會向力Fy之方向應變。
在此，由於壓阻元件FyR3、FyR4係位於比偵測用梁13b之長邊方向之中心還靠近Y1之側，因此會產生拉伸之垂直應力而電阻值增加。另一方面，由於壓阻元件FyR1、FyR2係位於比偵測用梁13h之長邊方向之中心還靠近Y2之側，因此會產生壓縮之垂直應力而電阻值減少。藉此，壓阻元件FyR1至壓阻元件FyR4之平衡破壞，因此自圖16中的(b)所示之橋接電路輸出電壓，而可檢測力Fy。
另外，基於與力矩My相同之理由，不會自圖17中的(b)所示之力矩Mx之橋接電路輸出電壓。
於沿著Z軸自Z2向Z1之方向施加力Fz之情形時，應變體20係如圖14所示般發生變形，於感測器晶片10中產生如圖17中的(a)般之應力。具體而言，藉由力Fz之施加，偵測用梁13a、13b、13g、13h、13d、13e、13j、13k、13c、13f、13l、13i會向力Fz之方向應變。
在此，於壓阻元件FzR1、FzR4中產生拉伸之垂直應力而電阻值增加。又，於壓阻元件FzR2、FzR3中產生壓 縮之垂直應力而電阻值減少。藉此，由於壓阻元件FzR1至壓阻元件FzR4之平衡破壞，故可藉由圖17中的(a)所示之橋接電路而檢測力Fz。
另外，基於與上述相同之理由，不會自圖16中的(a)所示之力Fx之橋接電路、圖16中的(b)所示之力Fy之橋接電路、圖17中的(b)所示之力矩Mx之橋接電路、圖18中的(a)所示之力矩My之橋接電路以及圖18中的(b)所示之力矩Mz之橋接電路輸出電壓。
於以X軸作為旋轉軸而向Y2-Z2-Y1之方向施加力矩Mx之情形時，於感測器晶片10中產生如圖17中的(b)般之應力。具體而言，藉由力矩Mx之施加，偵測用梁13g、13a會向力矩Mx之方向應變。因此，於壓阻元件MxR1、MxR2中產生拉伸之垂直應力而電阻值增加。又，於壓阻元件MxR3、MxR4中產生壓縮之垂直應力而電阻值減少。藉此，由於壓阻元件MxR1至壓阻元件MxR4之平衡破壞，故藉由圖17中的(b)所示之橋接電路可檢測力矩Mx。
另外，基於與上述相同之理由，不會自圖16中的(b)所示之力Fy之橋接電路輸出電壓。
於以Y軸作為旋轉軸而向X1-Z2-X2之方向施加力矩My之情形時，應變體20係如圖15所示般發生變形，於 感測器晶片10中產生如圖18中的(a)般之應力。具體而言，藉由力矩My之施加，偵測用梁13j、13d會向力矩My之方向應變。
在此，於壓阻元件MyR1、MyR2中產生拉伸之垂直應力而電阻值增加。又，於壓阻元件MyR3、MyR4中產生壓縮之垂直應力而電阻值減少。藉此，由於壓阻元件MyR1至壓阻元件MyR4之平衡破壞，故藉由圖18中的(a)所示之橋接電路可檢測力矩My。
另外，基於與上述相同之理由，不會自圖16中的(a)所示之力Fx之橋接電路輸出電壓。
於以Z軸作為旋轉軸而向X2-Y2-X1之方向施加力矩Mz之情形時，應變體20係如圖15所示般發生變形，於感測器晶片10中產生如圖18中的(b)般之應力。具體而言，藉由力矩Mz之施加，偵測用梁13a、13b、13g、13h、13d、13e、13j、13k、13c、13f、13l、13i會向力矩Mz之方向應變。
在此，於壓阻元件MzR1、MzR4中產生拉伸之垂直應力而電阻值增加。又，於壓阻元件MzR2、MzR3中產生壓縮之垂直應力而電阻值減少。藉此，由於壓阻元件MzR1至壓阻元件MzR4之平衡破壞，故藉由圖18中的(b) 所示之橋接電路可檢測力矩Mz。
另外，基於與上述相同之理由，不會自圖16中的(a)所示之力Fx之橋接電路、圖16中的(b)所示之力Fy之橋接電路、圖17中的(b)所示之力矩Mx之橋接電路以及圖18中的(a)所示之力矩My之橋接電路輸出電壓。
如此，感測器晶片10中，若對力點輸入位移(力或力矩)，則與輸入相應之彎曲及扭轉之應力會產生於預定之偵測用梁。藉由所產生之應力，配置於偵測用梁之預定位置之壓阻元件之電阻值會發生變化，從而可自電極15獲得來自形成於感測器晶片10之各個橋接電路之輸出電壓。再者，電極15之輸出電壓可經由輸入輸出基板30而於外部獲得。
又，感測器晶片10中，由於在每1個軸形成1個橋接電路，故可不伴隨輸出之合成而獲得各軸之輸出。藉此，能夠利用不需要複雜計算和信號處理之簡易方法偵測多軸之位移並加以輸出。
又，將壓阻元件分開配置於根據輸入之種類而不同之偵測用梁。藉此，藉由變更相符之偵測用梁之剛性(厚度或寬度)，可獨立地調整任意之軸之感度。
另外，本說明書中之「平行」、「垂直」、「正交」、「同一平面」等文語不僅包含嚴格意義上之「平行」、「垂直」、「正交」、「同一平面」等，亦包含實質性地「平行」、「垂直」、「正交」、「同一平面」等情形。亦即，亦包含於可獲得本實施形態之作用及功效之範圍內存在不均之態樣。
〈第一實施形態之變形例1〉
在第一實施形態之變形例1中顯示具備受力板之力量感測器裝置之例子。另外，於第一實施形態之變形例1中，有時會省略關於與已說明之實施形態相同之構成部分的說明。
圖19係例示第一實施形態之變形例1之力量感測器裝置之立體圖。圖20係例示第一實施形態之變形例1之力量感測器裝置之圖，圖20中的(a)係俯視圖，圖20中的(b)係沿著圖20中的(a)之B-B線之剖面圖。參照圖19及圖20，與力量感測器裝置1不同之點在於力量感測器裝置1A係於應變體20之輸入部24a至輸入部24d上設置有受力板40。
於受力板40之下表面側設置有4個凹部40x。又，於受力板40之上表面側中之與各個凹部40x俯視時大致重疊的位置設置有4個凹部40y。4個凹部40x係以各自覆蓋應變體20之輸入部24a至輸入部24d之方式配置， 各個凹部40x之底面係與輸入部24a至輸入部24d之上表面相接。
藉由此種構造，可將受力板40與應變體20進行定位。又，凹部40y可用於將力量感測器裝置1A安裝於機器人等時之定位。
作為受力板40之材料，例如可使用SUS(不鏽鋼)630等。受力板40例如可藉由熔接、接著、螺固等而固定於應變體20。
如此，藉由設置受力板40，可經由受力板40自外部對應變體20之輸入部24a至輸入部24d輸入力。
〈第一實施形態之變形例2〉
在第一實施形態之變形例2中顯示與第一實施形態不同之感測器晶片之例子。另外，第一實施形態之變形例2中，有時會省略關於與已說明之實施形態相同之構成部的說明。
圖21係自Z軸方向上側觀看感測器晶片50之圖，圖21中的(a)係俯視圖，圖21中的(b)係仰視圖。圖21中的(b)中，為了方便起見，以同一梨地紋路顯示同一高度之面。
與感測器晶片10同樣地，圖21所示之感測器晶片50係於1晶片中最大可偵測6軸之MEMS感測器晶片，且可由SOI基板等製作。感測器晶片50之平面形狀例如可設為3000μm見方左右之正方形。在力量感測器裝置1中，可代替感測器晶片10而使用感測器晶片50。
感測器晶片50具備柱狀之5個支持部51a至支持部51e。支持部51a至支持部51e之平面形狀例如可設為500μm見方左右之正方形。作為第一支持部之支持部51a至支持部51d係配置於感測器晶片50之四角。作為第二支持部之支持部51e係配置於支持部51a至支持部51d之中央。
支持部51a至支持部51e例如可由SOI基板之活性層、BOX層及支持層所形成，各自之厚度例如可設為500μm左右。
於支持部51a與支持部51b之間設置有兩端固定於支持部51a與支持部51b(將鄰接之支持部彼此連結)且用以補強構造之補強用梁52a。於支持部51b與支持部51c之間設置有兩端固定於支持部51b與支持部51c(將鄰接之支持部彼此連結)且用以補強構造之補強用梁52b。
於支持部51c與支持部51d之間設置有兩端固定於支持部51c與支持部51d(將鄰接之支持部彼此連結)且用以補強構造之補強用梁52c。於支持部51d與支持部51a之間設置有兩端固定於支持部51d與支持部51a(將鄰接之支持部彼此連結)且用以補強構造之補強用梁52d。
換言之，作為第一補強用梁之4個補強用梁52a、52b、52c、52d形成為框狀，形成各個補強用梁之交點之角部為支持部51b、51c、51d、51a。
補強用梁52a至補強用梁52d例如可由SOI基板之活性層、BOX層及支持層所形成。補強用梁52a至補強用梁52d之厚度(短邊方向之寬度)例如可設為30μm左右。補強用梁52a至補強用梁52d之各自之上表面係與支持部51a至支持部51e之上表面為大致齊平。
與此相對，補強用梁52a至補強用梁52d之各自之下表面係比支持部51a至支持部51e之下表面及力點54a至力點54d之下表面還向上表面側凹陷數10μm左右。其原因在於，於將感測器晶片50接著於應變體20時，補強用梁52a至補強用梁52d之下表面不與應變體20之對向之面相接。
如此，藉由與用以偵測應變之偵測用梁分開地配置形 成為比偵測用梁還厚且剛性強之補強用梁，可提高感測器晶片50整體之剛性。藉此，由於偵測用梁以外相對於輸入不易發生變形，故可獲得良好之感測器特性。
於支持部51a與支持部51b之間之補強用梁52a之內側，與補強用梁52a隔開預定間隔平行地設置有兩端固定於支持部51a與支持部51b(將鄰接之支持部彼此連結)且用以偵測應變之偵測用梁53a。
於偵測用梁53a與支持部51e之間，與偵測用梁53a及支持部51e隔開預定間隔設置有長邊方向與偵測用梁53a平行之框狀之偵測用梁53b。偵測用梁53b係保持於偵測用梁53c之長邊方向之大致中央部，該偵測用梁53c係用以將偵測用梁53a之長邊方向之大致中央部和與該偵測用梁53a之長邊方向之大致中央部對向之支持部51e之1邊之大致中央部之間予以連結且向相對於偵測用梁53a之長邊方向大致垂直的方向伸長。
於支持部51b與支持部51c之間之補強用梁52b之內側，與補強用梁52b隔開預定間隔平行地設置有兩端固定於支持部51b與支持部51c(將鄰接之支持部彼此連結)且用以偵測應變之偵測用梁53d。
於偵測用梁53d與支持部51e之間，與偵測用梁53d 及支持部51e隔開預定間隔設置有長邊方向與偵測用梁53d平行之框狀之偵測用梁53e。偵測用梁53e係保持於偵測用梁53f之長邊方向之大致中央部，該偵測用梁53f係用以將偵測用梁53d之長邊方向之大致中央部和與該偵測用梁53d之長邊方向之大致中央部對向之支持部51e之1邊之大致中央部之間予以連結且向相對於偵測用梁53d之長邊方向大致垂直的方向伸長。
於支持部51c與支持部51d之間之補強用梁52c之內側，與補強用梁52c隔開預定間隔平行地設置有兩端固定於支持部51c與支持部51d(將鄰接之支持部彼此連結)且用以偵測應變之偵測用梁53g。
於偵測用梁53g與支持部51e之間，與偵測用梁53g及支持部51e隔開預定間隔設置有長邊方向與偵測用梁53g平行之框狀之偵測用梁53h。偵測用梁53h係保持於偵測用梁53i之長邊方向之大致中央部，該偵測用梁53i將偵測用梁53g之長邊方向之大致中央部和與該偵測用梁53g之長邊方向之大致中央部對向之支持部51e之1邊之大致中央部之間予以連結且向相對於偵測用梁53g之長邊方向大致垂直的方向伸長。
於支持部51d與支持部51a之間之補強用梁52d之內側，與補強用梁52d隔開預定間隔平行地設置有兩端固定 於支持部51d與支持部51a(將鄰接之支持部彼此連結)且用以偵測應變之偵測用梁53j。
於偵測用梁53j與支持部51e之間，與偵測用梁53j及支持部51e隔開預定間隔設置有長邊方向與偵測用梁53j平行之框狀之偵測用梁53k。偵測用梁53k係保持於偵測用梁53l之長邊方向之大致中央部，該偵測用梁53l係用以將偵測用梁53j之長邊方向之大致中央部和與該偵測用梁53j之長邊方向之大致中央部對向之支持部51e之1邊之大致中央部之間予以連結且向相對於偵測用梁53j之長邊方向大致垂直的方向伸長。
偵測用梁53a至偵測用梁53l係設置於支持部51a至支持部51e之厚度方向之上端側，且例如可由SOI基板之活性層所形成。偵測用梁53a至偵測用梁53l之厚度(短邊方向之寬度)例如可設為150μm左右。偵測用梁53a至偵測用梁53l之各自之上表面係與支持部51a至支持部51e之上表面為大致齊平。偵測用梁53a至偵測用梁53l之各自之厚度例如可設為50μm左右。
於偵測用梁53a之長邊方向之中央部之下表面側(偵測用梁53a與偵測用梁53c之交點)設置有力點54a。由偵測用梁53a、53b、53c與力點54a形成1組偵測塊。
於偵測用梁53d之長邊方向之中央部之下表面側(偵測用梁53d與偵測用梁53f之交點)設置有力點54b。由偵測用梁53d、53e、53f與力點54b形成1組偵測塊。
於偵測用梁53g之長邊方向之中央部之下表面側(偵測用梁53g與偵測用梁53i之交點)設置有力點54c。由偵測用梁53g、53h、53i與力點54c形成1組偵測塊。
於偵測用梁53j之長邊方向之中央部之下表面側(偵測用梁53j與偵測用梁53l之交點)設置有力點54d。由偵測用梁53j、53k、53l與力點54d形成1組偵測塊。
力點54a至力點54d係被施加外力之部位，且例如可由SOI基板之BOX層及支持層所形成。力點54a至力點54d之各自之下表面係與支持部51a至支持部51e之下表面為大致齊平。
如此，藉由自4個力點54a至力點54d取得力，而可獲得針對每種力不同的梁之變形，因此可實現6軸之分離性良好之感測器。
圖22係例示感測器晶片50之壓阻元件之配置之圖。於與4個力點54a至力點54d對應之各個偵測塊之預定位置配置有壓阻元件。
具體而言，若參照圖21及圖22，則於與力點54a對應之偵測塊中，壓阻元件MxR3、MxR4係配置於將偵測用梁53a於長邊方向進行二等分之線上，且相對於將偵測用梁53c於長邊方向進行二等分之線對稱的位置。又，壓阻元件FyR3、FyR4係配置於比框狀之偵測用梁53b之開口部還靠近偵測用梁53a之側，且相對於將偵測用梁53c於長邊方向進行二等分之線對稱的位置。
又，於與力點54b對應之偵測塊中，壓阻元件MyR3、MyR4係配置於將偵測用梁53d於長邊方向進行二等分之線上，且相對於將偵測用梁53f於長邊方向進行二等分之線對稱的位置。又，壓阻元件FxR3、FxR4係配置於比框狀之偵測用梁53e之開口部還靠近偵測用梁53d之側，且相對於將偵測用梁53f於長邊方向進行二等分之線對稱的位置。
又，壓阻元件MzR3、MzR4係配置於比偵測用梁53e還靠近支持部51e之側，且相對於將偵測用梁53f於長邊方向進行二等分之線對稱的位置。又，壓阻元件FzR3、FzR4係配置於將偵測用梁53f於長邊方向進行二等分之線上，且相對於將框狀之偵測用梁53e之開口部於長邊方向進行二等分之線對稱的位置。
又，於與力點54c對應之偵測塊中，壓阻元件MxR1、MxR2係配置於將偵測用梁53g於長邊方向進行二等分之線上，且相對於將偵測用梁53i於長邊方向進行二等分之線對稱的位置。又，壓阻元件FyR1、FyR2係配置於比框狀之偵測用梁53h之開口部還靠近偵測用梁53g之側，且相對於將偵測用梁53i於長邊方向進行二等分之線對稱的位置。
又，於與力點54d對應之偵測塊中，壓阻元件MyR1、MyR2係配置於將偵測用梁53j於長邊方向進行二等分之線上，且相對於將偵測用梁53l於長邊方向進行二等分之線對稱的位置。又，壓阻元件FxR1、FxR2係配置於比框狀之偵測用梁13k之開口部還靠近偵測用梁53j之側，且相對於將偵測用梁53l於長邊方向進行二等分之線對稱的位置。
又，壓阻元件MzR1、MzR2係配置於比偵測用梁53k還靠近支持部51e之側，且相對於將偵測用梁53l於長邊方向進行二等分之線對稱的位置。又，壓阻元件FzR1、FzR2係配置於將偵測用梁53l於長邊方向進行二等分之線上，且相對於將框狀之偵測用梁53k之開口部於長邊方向進行二等分之線對稱的位置。
如此，與感測器晶片10同樣地，在感測器晶片50中 將複數個壓阻元件分開配置於各個偵測塊。藉此，與感測器晶片10同樣地，可基於與對力點54a至力點54d施加(傳遞)之力之方向(軸方向)相應且配置於預定之梁之複數個壓阻元件之輸出之變化，對預定之軸方向之位移最大進行6軸偵測。
〈第一實施形態之變形例3〉
在第一實施形態之變形例3中顯示不使用應變體之力量感測器裝置之例子。另外，第一實施形態之變形例3中，有時會省略關於與已說明之實施形態相同之構成部分的說明。
圖23係例示第一實施形態之變形例3之力量感測器裝置之立體圖。參照圖23，力量感測器裝置1B具有感測器晶片10、受力板60及封裝體70。將受力板60接合於感測器晶片10上，感測器晶片10保持於封裝體70內。受力板60例如可由玻璃所形成。封裝體70例如可由陶瓷所形成。
受力板60具有大致圓形狀之本體61及設置於本體61之下表面側之4個突起部61a、61b、61c、61d。突起部61a係與偵測用梁13a之上表面中之與力點14a對應之區域相接。突起部61b係與偵測用梁13j之上表面中之與力點14d對應之區域相接。突起部61c係與偵測用梁13g之 上表面中之與力點14c對應之區域相接。突起部61d係與偵測用梁13d之上表面中之與力點14b對應之區域相接。
力量感測器裝置1B中，藉由設為如圖23之構成，不使用應變體，能經由受力板60對感測器晶片10施加外力。
另外，關於力量感測器裝置1B，可作為於感測器晶片10之完成後接合受力板60之製造製程，亦可作為以下之製造製程。亦即，對形成有感測器晶片10之切割前之感測器晶片晶圓予以陽極接合成為受力板60之玻璃晶圓(與感測器晶片晶圓為相同尺寸)。然後，藉由同時切割經陽極接合後的感測器晶片晶圓與玻璃晶圓，而可同時形成感測器晶片10與受力板60。
〈第一實施形態之變形例4〉
在第一實施形態之變形例4中顯示不使用應變體之力量感測器裝置之其他例子。另外，第一實施形態之變形例4中，有時會省略關於與已說明之實施形態相同之構成部分的說明。
圖24係例示第一實施形態之變形例4之力量感測器裝置之立體圖。參照圖24，力量感測器裝置1C具有感測器晶片10及柱構造部80。感測器晶片10係接著於柱構造部80上。柱構造部80例如可由矽、玻璃、金屬等所形 成。
柱構造部80具有基台81及以大致等間隔地配置於基台81上之9根柱82a至柱82i。柱82a、82c、82e、82g係配置於基台81之四角。柱82i係配置於基台81之中央。柱82b係配置於柱82a與柱82c之間。柱82d係配置於柱82c與柱82e之間。柱82f係配置於柱82e與柱82g之間。柱82h係配置於柱82g與柱82a之間。
在力量感測器裝置1C中，藉由設為圖24之構成，可不使用應變體而直接對感測器晶片10施加外力。另外，亦可與力量感測器裝置1B同樣地，於感測器晶片10上設置受力板60。
另外，關於力量感測器裝置1C，可作為於感測器晶片10之完成後接合柱構造部80之製造製程，亦可作為以下之製造製程。亦即，對形成有感測器晶片10之切割前之感測器晶片晶圓予以陽極接合成為柱構造部80之玻璃晶圓或矽晶圓(與感測器晶片晶圓為相同尺寸)。然後，藉由同時切割經陽極接合的感測器晶片晶圓與玻璃晶圓或矽晶圓，而可同時形成感測器晶片10與柱構造部80。
又，力量感測器裝置亦可作成具備圖23所示之受力板60與圖24所示之柱構造部80之兩者之構成。該情形 時，例如於形成有感測器晶片10之感測器晶片晶圓之一面側予以陽極接合成為受力板60之玻璃晶圓，於另一面側予以陽極接合成為柱構造部80之玻璃晶圓或矽晶圓。然後，陽極接合後，於利用成為受力板60或柱構造部80之玻璃晶圓或矽晶圓夾住感測器晶片晶圓之狀態下進行切割，藉此可同時形成受力板60、感測器晶片10以及柱構造部80。
〈第一實施形態之變形例5〉
在第一實施形態之變形例5中顯示與第一實施形態不同之感測器晶片之其他例子。另外，第一實施形態之變形例5中，有時會省略關於與已說明之實施形態相同之構成部分的說明。
圖25係自Z軸方向上側觀看感測器晶片110之圖，圖25中的(a)係立體圖，圖25中的(b)係俯視圖。圖26係自Z軸方向下側觀看感測器晶片110之圖，圖26中的(a)係立體圖，圖26中的(b)係仰視圖。圖26中的(b)中，為了方便起見，以同一梨地紋路顯示同一高度之面。
與感測器晶片10同樣地，圖25及圖26所示之感測器晶片110係1晶片中最大可偵測6軸之MEMS感測器晶片，且由SOI基板等半導體基板所形成。感測器晶片110之平面形狀例如可設為3000μm見方左右之正方形。
感測器晶片110之基本的梁構造係與感測器晶片10相同。感測器晶片110之支持部111a至支持部111e係相當於感測器晶片10之支持部11a至支持部11e。
同樣地，感測器晶片110之補強用梁112a至補強用梁112h係相當於感測器晶片10之補強用梁12a至補強用梁12h。同樣地，感測器晶片110之偵測用梁113a至偵測用梁113l係相當於感測器晶片10之偵測用梁13a至偵測用梁13l。同樣地，感測器晶片110之力點114a至力點114d係相當於感測器晶片10之力點14a至力點14d。
感測器晶片110中，第一偵測用梁(偵測用梁113a、113d、113g、113j)以及第二偵測用梁(偵測用梁113b、113e、113h、113k)之寬度係比第三偵測用梁(偵測用梁113c、113f、113i、113l)之寬度還窄。
又，第一偵測用梁(偵測用梁113a、113d、113g、113j)以及第二偵測用梁(偵測用梁113b、113e、113h、113k)之長度係比第三偵測用梁(偵測用梁113c、113f、113i、113l)之長度還長。
又，若將圖25與圖3比較，則可知在感測器晶片110與感測器晶片10中偵測用梁之寬度和長度不同。例如， 偵測用梁113a係寬度比偵測用梁13a還窄(0.67倍左右)而長度比偵測用梁13a還長(1.36倍左右)。同樣地，偵測用梁113d、113g、113j係寬度比偵測用梁13d、13g、13j還窄(0.67倍左右)而長度比偵測用梁13d、13g、13j還長(1.36倍左右)。
又，與偵測用梁13b相比，偵測用梁113b的最細部之寬度變窄(0.47倍左右)且長度變長(2.9倍左右)。同樣地，與偵測用梁13e、13h、13k相比，偵測用梁113e、113h、113k的最細部之寬度變窄(0.47倍左右)且長度變長(2.9倍左右)。然而，為了維持強度，於偵測用梁113b、113e、113h、113k中之與其他梁之連接部分係形成為比最細部還粗。
又，與偵測用梁13c相比，偵測用梁113c的長度變短(0.5倍左右)。與偵測用梁13c相比，偵測用梁113c的平均寬度為相同程度，但不同點在於具有朝向支持部111e之側逐漸變窄之部分。同樣地，與偵測用梁13f、13i、13l相比，偵測用梁113f、113i、113l的長度變短(0.5倍左右)。與偵測用梁13c相比，偵測用梁13f、13i、13l的平均寬度為相同程度，不同點在於具有朝向支持部111e之側逐漸變窄之部分。
又，藉由縮短偵測用梁113c、113f、113i、113l，且 使偵測用梁113b、113e、113h、113k靠近偵測用梁113a、113d、113g、113j，支持部111e之面積變得大於支持部11e之面積。
基於以上之不同點，輸入相同之應變(位移)時，偵測用梁113a、113d、113g、113j係比偵測用梁13a、13d、13g、13j更能夠使梁中產生之應力減少，且偵測用梁113b、113e、113h、113k係比偵測用梁13b、13e、13h、13k更能夠使梁中產生之應力減少。
藉此，於輸入較大之應變(位移)時，可使偵測用梁113a、113d、113g、113j之承受負載大於偵測用梁13a、13d、13g、13j之承受負載。又，可使偵測用梁113b、113e、113h、113k之承受負載大於偵測用梁13b、13e、13h、13k之承受負載。
尤其，縮短偵測用梁113c、113f、113i、113l且使偵測用梁113b、113e、113h、113k靠近偵測用梁113a、113d、113g、113j之功效較大。藉此，因使偵測用梁113b、113e、113h、113k與偵測用梁13b、13e、13h、13k相比大幅地變得細長，故可容易地如弓般撓曲而緩和應力集中，從而可大幅提高偵測用梁113b、113e、113h、113k之承受負載。
圖27係例示感測器晶片110之壓阻元件之配置之 圖。若參照圖25及圖27，則於與力點14a對應之偵測塊中，壓阻元件MxR3、MxR4係配置於將偵測用梁113a於長邊方向進行二等分之線上，且於偵測用梁113a之靠近偵測用梁113c之區域中相對於將偵測用梁113c於長邊方向(Y方向)進行二等分之線對稱的位置。又，壓阻元件FyR3、FyR4係配置於比將偵測用梁113a於長邊方向進行二等分之線還靠近補強用梁112a之側，且於偵測用梁113a中之遠離偵測用梁113c之區域中相對於將偵測用梁113c於長邊方向進行二等分之線對稱的位置。
又，於與力點14b對應之偵測塊中，壓阻元件MyR3、MyR4係配置於將偵測用梁113d於長邊方向進行二等分之線上，且於偵測用梁113d中之靠近偵測用梁113f之區域中相對於將偵測用梁113f於長邊方向(X方向)進行二等分之線對稱的位置。又，壓阻元件FxR3、FxR4係配置於比將偵測用梁113d於長邊方向進行二等分之線還靠近補強用梁112b之側，且於偵測用梁113d中之遠離偵測用梁113f之區域中相對於將偵測用梁113f於長邊方向進行二等分之線對稱的位置。
又，壓阻元件MzR3、MzR4係配置於比將偵測用梁113d於長邊方向進行二等分之線還靠近偵測用梁113f之側，且於偵測用梁113d中之靠近偵測用梁113f之區域中相對於將偵測用梁113f於長邊方向進行二等分之線對稱 的位置。壓阻元件FzR2、FzR3係配置於比將偵測用梁113e於長邊方向進行二等分之線還靠近支持部111e之側，且於偵測用梁113e中之靠近偵測用梁113f之區域中相對於將偵測用梁113f於長邊方向進行二等分之線對稱的位置。
又，於與力點14c對應之偵測塊中，壓阻元件MxR1、MxR2係配置於將偵測用梁113g於長邊方向進行二等分之線上，且於偵測用梁113g中之靠近偵測用梁113i之區域中相對於將偵測用梁113i於長邊方向(Y方向)進行二等分之線對稱的位置。又，壓阻元件FyR1、FyR2係配置於比將偵測用梁113g於長邊方向進行二等分之線還靠近補強用梁112c之側，且於偵測用梁113g中之遠離偵測用梁113i之區域中相對於將偵測用梁113i於長邊方向進行二等分之線對稱的位置。
又，於與力點14d對應之偵測塊中，壓阻元件MyR1、MyR2係配置於將偵測用梁113j於長邊方向進行二等分之線上，且於偵測用梁113j中之靠近偵測用梁113l之區域中相對於將偵測用梁113l於長邊方向(X方向)進行二等分之線對稱的位置。又，壓阻元件FxR1、FxR2係配置於比將偵測用梁113j於長邊方向進行二等分之線還靠近補強用梁112d之側，且於偵測用梁113j中之遠離偵測用梁113l之區域中相對於將偵測用梁113l於長邊方向進行二等分之線對稱的位置。
又，壓阻元件MzR1、MzR2係配置於比將偵測用梁113j於長邊方向進行二等分之線還靠近偵測用梁113k之側，且於偵測用梁113j中之靠近偵測用梁113l之區域中相對於將偵測用梁113l於長邊方向進行二等分之線對稱的位置。壓阻元件FzR1、FzR4係配置於比將偵測用梁113k於長邊方向進行二等分之線還靠近支持部111e之側，且於偵測用梁113k中之遠離偵測用梁113l之區域中相對於將偵測用梁113l於長邊方向進行二等分之線對稱的位置。
如此，與感測器晶片10同樣地，在感測器晶片110中將複數個壓阻元件分開配置於各個偵測塊。藉此，與感測器晶片10同樣地，可基於與施加(傳遞)至力點114a至114d之力之方向(軸方向)相應且配置於預定之梁之複數個壓阻元件之電阻之變化，對預定之軸方向之位移最大進行6軸偵測。
另外，在感測器晶片110中，除了應變之檢測所使用之壓阻元件以外，亦配置有虛設(dummy)之壓阻元件。虛設之壓阻元件係將包含應變之檢測所使用之壓阻元件在內的所有壓阻元件以相對於支持部111e之中心為點對稱的方式配置。
圖28至圖31係說明感測器晶片110中之承受負載之 改善之圖。圖28中的(a)係感測器晶片10中施加X軸方向之力Fx時之應力產生分佈之模擬結果，右圖係將左圖之虛線部分放大所得。圖28中的(b)係感測器晶片110中施加X軸方向之力Fx時之應力產生分佈之模擬結果，右圖係將左圖之虛線部分放大所得。
如圖28中的(a)所示，在感測器晶片10中，短且不易撓曲之偵測用梁13k成為應力集中部。如圖28中的(b)所示，在感測器晶片110中，將偵測用梁113k作成比偵測用梁13k還細長。同時，將偵測用梁113j作成比偵測用梁13j還細長。
以上對偵測用梁113k與偵測用梁13k以及偵測用梁113j與偵測用梁13j進行了說明，但關於偵測用梁113a與偵測用梁13a及偵測用梁113b與偵測用梁13b、偵測用梁113d與偵測用梁13d以及偵測用梁113e與偵測用梁13e、偵測用梁113g與偵測用梁13g以及偵測用梁113h與偵測用梁13h亦同樣。
對圖29所示之偵測用梁113j之長度L1與偵測用梁113k之長度L2之比(偵測用梁113a、113d、113g之長度與偵測用梁113b、113e、113h之長度之比亦同樣地)、以及偵測用梁113k之平均寬度W2與偵測用梁113j之平均寬度W1之比(偵測用梁113b、113e、113h之平均寬度與偵測 用梁113a、113d、113g之平均寬度之比亦同樣地)進行調整，藉此可將偵測用梁中產生之最大應力設為與感測器晶片10相同或以下。
圖30中的(a)係將感測器晶片10中圖28中的(a)所示之應力集中部產生之最大應力設為100時的感測器晶片110之應力集中部產生之最大應力以L2/L1作為參數進行模擬所得的結果。圖30中的(a)中，橫軸為L2/L1，縱軸為應力。圖30中的(b)係針對圖30中的(a)中L2/L1為0.36以上0.82以下之繪圖，表示W1/W2與L2/L1之關係。圖30中的(b)中，橫軸為W1/W2，縱軸為L2/L1。
如圖30中的(a)及圖30中的(b)所示，將L2/L1設為0.36以上0.82以下，將W1/W2設為5.3以上37.7以下，藉此於感測器晶片110中可將偵測用梁中產生之最大應力設為與感測器晶片10相同或以下。
如此，在感測器晶片110中，藉由選擇W1/W2與L2/L1之關係而降低剛性，能夠減小偵測用梁中產生之最大應力，且能夠將感測器晶片110之承受負載提高成比感測器晶片10還高。藉由選擇W1/W2與L2/L1之關係，例如如圖31所示，感測器晶片110可比感測器晶片10大幅提高承受負載(圖31之例子中約11倍)。
圖32係說明感測器晶片110中之感度之提高之圖。如圖32中的(a)及圖32中的(b)所示，與感測器晶片10不同，在感測器晶片110中並未於藉由變短而相對於應力之變形減小的偵測用梁113l(虛線部分)配置壓阻元件，而是於偵測用梁113j、113k之應力為最大之位置的附近配置壓阻元件。關於偵測用梁113c、113f、113i亦同樣。
其結果，如圖32中的(c)之模擬結果所示，感測器晶片110能夠比感測器晶片10更有效率地取得應力，從而感度(壓阻元件相對於相同應力之電阻變化)提高。
亦即，在感測器晶片110中，並未於藉由變短而相對於應力之變形減小的偵測用梁113c、113f、113i、113l配置壓阻元件。取而代之，於比偵測用梁113c、113f、113i、113l還細長且容易如弓般撓曲之偵測用梁113a、113d、113g、113j以及偵測用梁113b、113e、113h、113k之應力為最大的位置之附近配置壓阻元件。其結果，在感測器晶片110中能夠效率佳地取得應力，且可提高感度(壓阻元件相對於相同應力之電阻變化)。
另外，將圖29所示之偵測用梁113j(關於偵測用梁113a、113d、113g亦同樣)之B側之梁寬設定為A側之梁寬之75%至80%之寬度，且設為自A側朝向B側前端變細的形狀，藉此可提高感測器感度，並且可維持承受負 載。若B側之梁寬為A側之梁寬之75%以下，則承受負載劣化而容易破損。又，若B側之梁寬為A側之梁寬之80%以上，則感測器感度變差。
圖33及圖34係說明感測器晶片110中之他軸干涉(力與力矩之分離性)之改善之圖。如圖33所示，於感測器晶片110中進行施加了X軸方向之力Fx之模擬之結果，獲得圖34中的(a)所示之他軸特性。圖34中的(b)係於感測器晶片10中進行施加X軸方向之力Fx之模擬之結果所獲得的他軸特性。
若將圖34中的(a)與圖34中的(b)進行比較，則圖34中的(b)所示之感測器晶片10中，施加力Fx時會出現力矩My之成分，而圖34中的(a)所示之感測器晶片110中，施加力Fx時包含力矩My之成分在內之他軸成分大致為零。
圖34中的(b)中出現力矩My之成分之理由被認為是由於感測器晶片10之偵測用梁13b、13e、13h、13k還粗短故橫向上難以變形，致使偵測用梁13a、13d、13g、13j於上下方向變形。
與此相對，感測器晶片110之偵測用梁113b、113e、113h、113k由於比感測器晶片10之偵測用梁13b、13e、 13h、13k還細長，故相對於厚度而橫向(Fx、Fy)或扭轉方向(Mx、My)之變形更容易，且偵測用梁113a、113d、113g、113j於上下方向未發生變形。其結果，如圖34中的(a)所示，認為不會出現力矩My之成分，並進方向之力與力矩之分離性(即他軸特性)提高。
(應力之模擬)
圖35及圖36係關於施加力及力矩時感測器晶片110中產生之應力之模擬結果。圖35及圖36中，拉伸之垂直應力由「+」表示，壓縮之垂直應力由「-」表示。
於沿著X軸自X1向X2之方向施加力Fx之情形時，感測器晶片110中產生如圖35中的(a)般之應力。具體而言，藉由力Fx之施加，偵測用梁113d、113j向力Fx之方向應變。
在此，壓阻元件FxR1、FxR2係位於比偵測用梁113d之長邊方向之中心還靠近X1之側，因此會產生拉伸之垂直應力而電阻值增加。另一方面，壓阻元件FxR3、FxR4係位於比偵測用梁113j之長邊方向之中心還靠近X2之側，因此會產生壓縮之垂直應力而電阻值減少。藉此，由於壓阻元件FxR1至壓阻元件FxR4之平衡破壞，因此自圖35中的(a)所示之橋接電路輸出電壓，可檢測力Fx。關於力Fy亦同樣。
於沿著Z軸自Z2向Z1之方向(自感測器晶片110之表面側向背面側)施加力Fz之情形時，感測器晶片110中產生如圖35中的(b)般之應力。具體而言，藉由力Fz之施加，偵測用梁113a、113b、113g、113h、113d、113e、113j、113k、113c、113f、113l、113i向力Fz之方向應變。
在此，於壓阻元件FzR1、FzR4中產生拉伸之垂直應力而電阻值增加。又，於壓阻元件FzR2、FzR3中產生壓縮之垂直應力而電阻值減少。藉此，由於壓阻元件FzR1至壓阻元件FzR4之平衡破壞，因此藉由圖35中的(b)所示之橋接電路可檢測力Fz。
於以Y軸作為旋轉軸而向X1-Z2-X2之方向施加力矩My之情形時，於感測器晶片110中產生如圖36中的(a)般之應力。具體而言，藉由力矩My之施加，偵測用梁113d、113j向力矩My之方向應變。
在此，壓阻元件MyR1、MyR2中產生拉伸之垂直應力而電阻值增加。又，於壓阻元件MyR3、MyR4中產生壓縮之垂直應力而電阻值減少。藉此，由於壓阻元件MyR1至壓阻元件MyR4之平衡破壞，因此藉由圖36中的(a)所示之橋接電路可檢測力矩My。
於以Z軸作為旋轉軸而向X2-Y2-X1之方向施加力矩Mz之情形時，感測器晶片110中產生如圖36中的(b)般之應力。具體而言，藉由力矩Mz之施加，偵測用梁113a、113b、113g、113h、113d、113e、113j、113k、113c、113f、113l、113i向力矩Mz之方向應變。
在此，壓阻元件MzR1、MzR4中產生拉伸之垂直應力而電阻值增加。又，壓阻元件MzR2、MzR3中產生壓縮之垂直應力而電阻值減少。藉此，由於壓阻元件MzR1至壓阻元件MzR4之平衡破壞，因此藉由圖36中的(b)所示之橋接電路可檢測力矩Mz。
如此，在感測器晶片110中，若對力點輸入位移(力或力矩)，則與輸入相應之彎曲及扭轉之應力會產生於預定之偵測用梁。藉由所產生之應力，配置於偵測用梁之預定位置之壓阻元件之電阻值會發生變化，從而可自電極15獲得來自形成於感測器晶片110之各個橋接電路之輸出電壓。再者，電極15之輸出電壓可經由輸入輸出基板30而於外部獲得。
又，在感測器晶片110中，由於每1個軸形成1個橋接電路，故可不伴隨輸出之合成而獲得各軸之輸出。藉此，能夠利用不需要複雜計算或信號處理之簡易方法偵測多軸之位移並加以輸出。
又，將壓阻元件分開配置於根據輸入之種類而不同之偵測用梁。藉此，藉由變更相符之偵測用梁之剛性(厚度或寬度)，可獨立地調整任意之軸之感度。
以上，已對較佳之實施形態進行了詳細說明，但並未限定於上述實施形態，只要不脫離申請專利範圍所記載之範圍，則可於上述實施形態中添加各種變形及置換。

Claims (21)

  1. 一種感測器晶片，係用以基於與施加至力點之力或位移之方向相應且配置於預定之梁之複數個應變檢測元件之輸出之變化，對預定之軸方向之位移最大進行6軸偵測；該感測器晶片係具備有：基板；第一支持部，配置於前述基板之四角；第二支持部，配置於前述基板之中央；第一偵測用梁，將鄰接之前述第一支持部彼此連結；第二偵測用梁，與各個前述第一偵測用梁平行地設置於各個前述第一偵測用梁與前述第二支持部之間；第三偵測用梁，於平行設置之前述第一偵測用梁及前述第二偵測用梁之組中，將前述第一偵測用梁與前述第二偵測用梁連結；力點，配置於各個前述第一偵測用梁與各個前述第三偵測用梁之交點，且被施加力；以及複數個應變檢測元件，配置於前述第一偵測用梁、前述第二偵測用梁及前述第三偵測用梁之預定位置；前述基板之厚度方向即Z軸方向之位移係至少基於前述第三偵測用梁之變形而偵測； 與前述Z軸方向正交之X軸方向及Y軸方向之位移係基於前述第一偵測用梁或前述第二偵測用梁之至少一者之變形而偵測。
  2. 如請求項1所記載之感測器晶片，其中於前述第一偵測用梁配置用以偵測前述X軸方向之力矩及前述Y軸方向之力矩之應變檢測元件；於前述第二偵測用梁配置用以偵測前述X軸方向之力及前述Y軸方向之力之應變檢測元件；於前述第三偵測用梁配置用以偵測前述Z軸方向之力矩及前述Z軸方向之力之應變檢測元件。
  3. 一種感測器晶片，係用以基於與施加至力點之力或位移之方向相應且配置於預定之梁之複數個應變檢測元件之輸出之變化，對預定之軸方向之位移最大進行6軸偵測；該感測器晶片係具備有：基板；第一支持部，配置於前述基板之四角；第二支持部，配置於前述基板之中央；第一偵測用梁，將鄰接之前述第一支持部彼此連結；第二偵測用梁，與各個前述第一偵測用梁平行地設置於各個前述第一偵測用梁與前述第二支持部之間；第三偵測用梁，於平行設置之前述第一偵測用梁 及前述第二偵測用梁之組中，將前述第一偵測用梁與前述第二偵測用梁連結；力點，配置於各個前述第一偵測用梁與各個前述第三偵測用梁之交點，且被施加力；以及複數個應變檢測元件，配置於前述第一偵測用梁及前述第二偵測用梁之預定位置；前述基板之厚度方向即Z軸方向之位移係基於前述第一偵測用梁或前述第二偵測用梁之變形而偵測；與前述Z軸方向正交之X軸方向及Y軸方向之位移係基於前述第一偵測用梁之變形而偵測。
  4. 如請求項3所記載之感測器晶片，其中於前述第一偵測用梁配置用以偵測前述X軸方向之力矩、前述Y軸方向之力矩、前述X軸方向之力、前述Y軸方向之力以及前述Z軸方向之力矩之應變檢測元件；於前述第二偵測用梁配置偵測前述Z軸方向之力之應變檢測元件。
  5. 如請求項3或4所記載之感測器晶片，其中前述第一偵測用梁及前述第二偵測用梁之寬度係比前述第三偵測用梁之寬度還窄；前述第一偵測用梁及前述第二偵測用梁之長度係比前述第三偵測用梁之長度還長。
  6. 如請求項1至4中任一項所記載之感測器晶片，其中具備有： 第一補強用梁，與前述第一偵測用梁平行地設置於前述第一偵測用梁之外側，將鄰接之前述第一支持部彼此連結；以及第二補強用梁，將前述第一支持部與前述第二支持部連結；前述第二補強用梁係與前述第一補強用梁非平行地配置；前述第一補強用梁及前述第二補強用梁係形成為比前述第一偵測用梁、前述第二偵測用梁及前述第三偵測用梁還厚；前述第二偵測用梁係將鄰接之前述第二補強用梁中之前述第二支持部側之端部彼此連結。
  7. 如請求項6所記載之感測器晶片，其中前述第一偵測用梁、前述第二偵測用梁以及前述第三偵測用梁係設置於前述第一支持部及前述第二支持部之厚度方向之上端側；於前述第一支持部及前述第二支持部之厚度方向之下端側中，前述第一支持部之下表面、前述第二支持部之下表面及前述力點之下表面為齊平；於前述下端側中，前述第一補強用梁之下表面及前述第二補強用梁之下表面係比前述第一支持部之下表面、前述第二支持部之下表面及前述力點之下表面還向前述上端側凹陷。
  8. 如請求項6所記載之感測器晶片，其中於前述第一補 強用梁及前述第二補強用梁之一者或兩者之上表面形成有配線。
  9. 如請求項8所記載之感測器晶片，其中於前述第一支持部之上表面配置有與前述配線連接之電極。
  10. 如請求項1至4中任一項所記載之感測器晶片，其中前述感測器晶片係由半導體基板所形成；前述感測器晶片係具備有由應變檢測元件與雜質半導體所構成之溫度感測器；構成前述溫度感測器之前述應變檢測元件與位移偵測用之前述應變檢測元件係配置於相對於前述半導體基板之結晶方位不同之方向。
  11. 如請求項10所記載之感測器晶片，其中於前述第一支持部之上表面配置有前述溫度感測器。
  12. 一種應變體，係與用以偵測預定之軸方向之位移之感測器晶片接著；該應變體係具備有：第一柱，配置於四角且因所施加之力而變形；第二柱，配置於中央且不會因所施加之力而變形；4個第一梁，將鄰接之前述第一柱彼此連結且因所施加之力而變形；第二梁，自各個前述第一梁之內側面朝水平方向內側突出，且將前述第一柱及前述第一梁之變形傳遞至前述感測器晶片；以及 4個輸入部，自各個前述第一梁之長邊方向之中央部向上方突起，且被施加力。
  13. 如請求項12所記載之應變體，其中具備有：第三柱，設置於前述第二柱之一面之四角；以及第四柱，設置於前述第二柱之一面之中央。
  14. 如請求項13所記載之應變體，其中前述第二梁係自各個前述第一梁之長邊方向之中央部之內側面朝水平方向內側突出。
  15. 如請求項13或14所記載之應變體，其中於各個前述第二梁之前端側設置有向上方突起而與前述感測器晶片相接之突起部。
  16. 一種力量感測器裝置，具備有如請求項1至11中任一項所記載之感測器晶片以及如請求項13至15中任一項所記載之應變體；前述感測器晶片之前述第一支持部係固定於前述應變體之前述第三柱上；前述感測器晶片之前述第二支持部係固定於前述應變體之前述第四柱上；前述感測器晶片之前述力點係固定於前述應變體之前述第二梁之前端側。
  17. 如請求項16所記載之力量感測器裝置，其中前述感測器晶片係以不自前述第一柱之上表面突出之方式固定於前述應變體。
  18. 如請求項16或17所記載之力量感測器裝置，其中 具有對前述感測器晶片進行信號之輸入輸出之輸入輸出基板；前述輸入輸出基板係以電極配置於前述第一柱上之方式接著於前述應變體。
  19. 如請求項18所記載之力量感測器裝置，其中前述輸入輸出基板之形成有電極之區域之背面係藉由樹脂而接著於前述第一柱。
  20. 如請求項16至18中任一項所記載之力量感測器裝置，其中於4個前述輸入部上設置有受力板。
  21. 如請求項20所記載之力量感測器裝置，其中於前述受力板設置有4個凹部；前述受力板係藉由各個前述凹部覆蓋前述輸入部而與前述應變體定位。
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