JPH01131424A - 力検出装置 - Google Patents
力検出装置Info
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- JPH01131424A JPH01131424A JP62291294A JP29129487A JPH01131424A JP H01131424 A JPH01131424 A JP H01131424A JP 62291294 A JP62291294 A JP 62291294A JP 29129487 A JP29129487 A JP 29129487A JP H01131424 A JPH01131424 A JP H01131424A
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- Japan
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- single crystal
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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。
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１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に利用される力
検出装置に関するものである。
ンターフェースとしての三次元入力装置に利用される力
検出装置に関するものである。
（従来技術）
力検出装置では、外力が印加されることにより弾性変形
する起歪体に、と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
子の電気抵抗変化を電気信号として取り出して外力の強
さを検出している。
する起歪体に、と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
子の電気抵抗変化を電気信号として取り出して外力の強
さを検出している。
力検出装置では、例えばシリコン単結晶にてなる起歪体
の表面に半導体プレーナプロセス技術により検出素子が
形成される（特開昭６０−２２１２８８号公報参照）。
の表面に半導体プレーナプロセス技術により検出素子が
形成される（特開昭６０−２２１２８８号公報参照）。
そこではシリコン単結晶基板が正八角形の平板リング状
に切り出されて起歪体が形成される。この起歪体の対向
辺に外力を作用させてＦｘ、Ｆｙ、Ｆｚの力の３成分の
二次元分布を検出する。
に切り出されて起歪体が形成される。この起歪体の対向
辺に外力を作用させてＦｘ、Ｆｙ、Ｆｚの力の３成分の
二次元分布を検出する。
しかし、シリコン単結晶基板から入角形の平板リング状
の起歪体を切り出すには、ダイシングソーカット法、レ
ーザー加工、エツチング加工などを組み合せて加工しな
ければならず、その加工は容易ではない。
の起歪体を切り出すには、ダイシングソーカット法、レ
ーザー加工、エツチング加工などを組み合せて加工しな
ければならず、その加工は容易ではない。
また、シリコン単結晶基板により起歪体を形成した場合
には、シリコン単結晶基板はその物理的性、質として脆
性が高いものであり、荷重検出可能な最大値が低いとい
う問題もある。そして衝撃にも弱い。
には、シリコン単結晶基板はその物理的性、質として脆
性が高いものであり、荷重検出可能な最大値が低いとい
う問題もある。そして衝撃にも弱い。
さらに、Ｘ軸及びＹ軸の方向を検出素子が形成されてい
るシリコン単結晶基板の面内方向とすると、Ｚ軸方向は
面に垂直な方向となり、Ｘ軸、Ｙ軸方向とＺ軸方向の力
に対する検出素子の感度が異なり、通常Ｚ軸方向の検出
感度が小さくなる。
るシリコン単結晶基板の面内方向とすると、Ｚ軸方向は
面に垂直な方向となり、Ｘ軸、Ｙ軸方向とＺ軸方向の力
に対する検出素子の感度が異なり、通常Ｚ軸方向の検出
感度が小さくなる。
（目的）
本発明は、検出素子を半導体プレーナプロセス等の技術
を応用して単結晶基板に形成しても大きな荷重の検出を
行うことができ、耐衝撃性を高めることができるととも
に、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向の検出素子の感度を同程度
にし、Ｓ／Ｎ比をよくすることを目的とするものである
。
を応用して単結晶基板に形成しても大きな荷重の検出を
行うことができ、耐衝撃性を高めることができるととも
に、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向の検出素子の感度を同程度
にし、Ｓ／Ｎ比をよくすることを目的とするものである
。
（構成）
本発明の力検出装置では、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する起歪体の表面に単
結晶基板を接着固定し、その単結晶基板表面には面内方
向のＸ軸方向、Ｙ軸方向及び面に垂直なＺ軸方向の力に
より生ずる機械的変形により電気抵抗を変化させる各方
向別の検出素子を不純物拡散抵抗により形成するととも
に、Ｚ軸方向の成分力の検出を行う検出素子の表面不純
物濃度を他の検出素子の表面不純物濃度より低くした。
一方を支持部とし他方を作用部とする起歪体の表面に単
結晶基板を接着固定し、その単結晶基板表面には面内方
向のＸ軸方向、Ｙ軸方向及び面に垂直なＺ軸方向の力に
より生ずる機械的変形により電気抵抗を変化させる各方
向別の検出素子を不純物拡散抵抗により形成するととも
に、Ｚ軸方向の成分力の検出を行う検出素子の表面不純
物濃度を他の検出素子の表面不純物濃度より低くした。
ピエゾ抵抗係数は、第３図、第４図に示されるように、
Ｐ形でもＮ形でも表面不純物濃度に依存する０表面不純
物源度が低くなる程ピエゾ抵抗係数が大きくなり、圧力
検出の感度が高くなる。
Ｐ形でもＮ形でも表面不純物濃度に依存する０表面不純
物源度が低くなる程ピエゾ抵抗係数が大きくなり、圧力
検出の感度が高くなる。
以下、実施例について具体的に説明する。
第１図は一実施例を示す断面図、第２図は同実施例のキ
ャップを外した状態を示す平面図、第５図は同実施例に
おけるシリコン単結晶基板を示す平面図である。
ャップを外した状態を示す平面図、第５図は同実施例に
おけるシリコン単結晶基板を示す平面図である。
１は正方形のシリコン単結晶基板であり、その−表面は
検出面２となり、この検出面２には検出素子３が形成さ
れている。検出素子３は不純物拡散により形成されたも
のであり、応力を受けて変形することにより抵抗率が変
化する所謂ピエゾ抵抗効果を利用したものである。
検出面２となり、この検出面２には検出素子３が形成さ
れている。検出素子３は不純物拡散により形成されたも
のであり、応力を受けて変形することにより抵抗率が変
化する所謂ピエゾ抵抗効果を利用したものである。
単結晶基板１として比抵抗が１５〜２０ΩＣｍのｎ型Ｓ
ｉ基板である場合、第５図に示されるようにＺ方向の力
を検出する４個の検出素子Ｒｚｔ〜Ｒｚ４が一直線上に
配置され、中心に対してＲＺｌとＲｚ ４が対称な位置
に配置され、ＲＺ ２とＲｚ ｓが対称な位置に配置さ
れている。Ｘ方向の力を検出する４個の検出素子Ｒｘ＋
〜ＲＸ ４はＲＺｌ”Ｒｚ４が配置されている直線に対
して４５度の方向（Ｘ軸方向という）の線上に配置され
、中心に対してＲｘ＋とＲＸ４が対称な位置に配置され
、ＲＸ ２とＲｘ ｓが対称な位置に配置されている。
ｉ基板である場合、第５図に示されるようにＺ方向の力
を検出する４個の検出素子Ｒｚｔ〜Ｒｚ４が一直線上に
配置され、中心に対してＲＺｌとＲｚ ４が対称な位置
に配置され、ＲＺ ２とＲｚ ｓが対称な位置に配置さ
れている。Ｘ方向の力を検出する４個の検出素子Ｒｘ＋
〜ＲＸ ４はＲＺｌ”Ｒｚ４が配置されている直線に対
して４５度の方向（Ｘ軸方向という）の線上に配置され
、中心に対してＲｘ＋とＲＸ４が対称な位置に配置され
、ＲＸ ２とＲｘ ｓが対称な位置に配置されている。
また、Ｙ方向の力を検出する４個の検出素子Ｒｙｔ”Ｒ
ｙ４はＲＺｌ〜ＲＺ４が配置されている直線に対して４
５度でＸ軸方向とは直交する方向（Ｙ軸方向という）の
線上に配置され、中心に対してＲｙｌとＲｙ ４が対称
な位置に配置され、Ｒｙ ２とＲｙ ３が対称な位置に
配置されている。
ｙ４はＲＺｌ〜ＲＺ４が配置されている直線に対して４
５度でＸ軸方向とは直交する方向（Ｙ軸方向という）の
線上に配置され、中心に対してＲｙｌとＲｙ ４が対称
な位置に配置され、Ｒｙ ２とＲｙ ３が対称な位置に
配置されている。
各検出素子３の拡散抵抗はＰ形であってもＮ形であって
もよい。また、一部をＰ形とし、残りをＮ形としてもよ
い。いま、例として拡散抵抗をＰ形にする。
もよい。また、一部をＰ形とし、残りをＮ形としてもよ
い。いま、例として拡散抵抗をＰ形にする。
ピエゾ抵抗素子の感度温度係数は、第６図に示されるよ
うに表面不純物濃度に依存する。そこで、Ｚ方向の力を
検出する検出素子Ｒｚｌ＝Ｒｚ４の表面不純物濃度を２
Ｘ１．０”原子／ ｃ ｍ ’とし、Ｘ方向の力を検出
する検出素子ＲＸＩ−ＲＸ４とＹ方向の力を検出する検
出素子Ｒｙｌ＝Ｒｙ４の表面不純物濃度を２Ｘ１０”Ｊ
ｌ子／Ｃｍ３とする。これにより、２方向の検出素子Ｒ
ｚｌ−Ｒｚ４の感度を高くすることができるとともに、
Ｘ。
うに表面不純物濃度に依存する。そこで、Ｚ方向の力を
検出する検出素子Ｒｚｌ＝Ｒｚ４の表面不純物濃度を２
Ｘ１．０”原子／ ｃ ｍ ’とし、Ｘ方向の力を検出
する検出素子ＲＸＩ−ＲＸ４とＹ方向の力を検出する検
出素子Ｒｙｌ＝Ｒｙ４の表面不純物濃度を２Ｘ１０”Ｊ
ｌ子／Ｃｍ３とする。これにより、２方向の検出素子Ｒ
ｚｌ−Ｒｚ４の感度を高くすることができるとともに、
Ｘ。
Ｙ、ｚ各方向の検出素子３の温度係数が０となって温度
の影響を受けないようにすることができる。
の影響を受けないようにすることができる。
第５図で１１は単結晶基板１に形成された接続端子、ｌ
ｌａは検出素子３間を接続してブリッジ回路を構成し、
端子１１に接続するアルミニウム配線である。
ｌａは検出素子３間を接続してブリッジ回路を構成し、
端子１１に接続するアルミニウム配線である。
各検出素子３は、第７図に示されるように、それらの検
出素子が配置されている方向に電流ｉが流れるように配
置方向に長く延びた形状に形成されている。図でＱｒ＜
＜Ｑ２である。
出素子が配置されている方向に電流ｉが流れるように配
置方向に長く延びた形状に形成されている。図でＱｒ＜
＜Ｑ２である。
第１図、第２図に戻って説明すると、４は単結晶基板１
を補強する補強基板として作用する起歪体である。起歪
体４は円盤状をなしており、外周部が固定用ねじ孔５を
備えた支持部６となり、中心部７には力伝達体８が形成
され、力伝達体８の周囲には円形の凹部９が形成されて
薄肉状の弾性変形面１０が形成されている。この弾性変
形面１０の表面には、起歪体・４の中心と単結晶基板１
の中心とが一致するように単結晶基板１が配置され、両
者は接着されて固定されている。
を補強する補強基板として作用する起歪体である。起歪
体４は円盤状をなしており、外周部が固定用ねじ孔５を
備えた支持部６となり、中心部７には力伝達体８が形成
され、力伝達体８の周囲には円形の凹部９が形成されて
薄肉状の弾性変形面１０が形成されている。この弾性変
形面１０の表面には、起歪体・４の中心と単結晶基板１
の中心とが一致するように単結晶基板１が配置され、両
者は接着されて固定されている。
単結晶基板ｌに接近して起歪体４上には、外部接続端子
１２が形成されたフレキシブルプリント基板１３が接着
して固定されている。接続端子１１はワイヤ１５を介し
てフレキシブルプリント基板１３に形成された中継端子
１４に接続されている。
１２が形成されたフレキシブルプリント基板１３が接着
して固定されている。接続端子１１はワイヤ１５を介し
てフレキシブルプリント基板１３に形成された中継端子
１４に接続されている。
単結晶基板１はゲル状樹脂２０によって被われ、保護さ
れている。また、起歪体４の検出面２側にはキャップ１
６が設けられ、単結晶基板１を外気から遮断するととも
に、単結晶基板１に傷がついたり衝撃が加えられること
などから保護している。
れている。また、起歪体４の検出面２側にはキャップ１
６が設けられ、単結晶基板１を外気から遮断するととも
に、単結晶基板１に傷がついたり衝撃が加えられること
などから保護している。
力伝達体８に作用する力としては、互いに三次元的に直
交するｘ、ｙ、ｚ方向に沿う力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚと、各
軸回りのモーメントＭｘ、Ｍｙ。
交するｘ、ｙ、ｚ方向に沿う力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚと、各
軸回りのモーメントＭｘ、Ｍｙ。
Ｍｚの６成分がある。これらのうち、第８図に示される
Ｍｘ、Ｍｙ、Ｆｚの３成分を検出するために、第９図（
Ａ）〜（Ｃ）に示されるブリッジ回路が形成されている
。
Ｍｘ、Ｍｙ、Ｆｚの３成分を検出するために、第９図（
Ａ）〜（Ｃ）に示されるブリッジ回路が形成されている
。
力伝達体８に外力を作用させることにより、起歪体４が
変形し、この起歪体４の変形に対応して単結晶基板１に
は内部応力が発生し、これに基づく歪により検出素子３
が変形してピエゾ抵抗効果により抵抗変化ΔＲが生じる
。力の３成分Ｍ ｘ 。
変形し、この起歪体４の変形に対応して単結晶基板１に
は内部応力が発生し、これに基づく歪により検出素子３
が変形してピエゾ抵抗効果により抵抗変化ΔＲが生じる
。力の３成分Ｍ ｘ 。
Ｍｙ、Ｆｚは第９図のブリッジ回路により互いの力成分
に干渉されることなく各回路ごとにＭ ｘ 。
に干渉されることなく各回路ごとにＭ ｘ 。
Ｍｙ、ｐｚの出力が得られる。
ここでＦｚを検出する検出素子Ｒｘｚ〜ＲＸ ４の表面
不純物濃度が他の検出素子Ｒｘ １〜Ｒｘａ。
不純物濃度が他の検出素子Ｒｘ １〜Ｒｘａ。
Ｒｙｅ−Ｒｙ４の表面不純物濃度より低いので、Ｆｚの
検出感度が高められる。
検出感度が高められる。
第１０図及び第１１図は本発明の他の実施例を表わすも
のである。
のである。
本実施例では検出素子３の出力の外部への取り出し手段
が前記実施例と相違している。すなわち、起歪体４は検
出素子３の出力信号を外部に取り出すためのステムを兼
ねているものであり、単結晶基板１の外周部に複数本の
リードピン１７が配設されている。
が前記実施例と相違している。すなわち、起歪体４は検
出素子３の出力信号を外部に取り出すためのステムを兼
ねているものであり、単結晶基板１の外周部に複数本の
リードピン１７が配設されている。
次に、第５図に示される単結晶基板１を形成する方法に
ついて、第１２図（Ａ）〜（Ｋ）を参照して説明する。
ついて、第１２図（Ａ）〜（Ｋ）を参照して説明する。
（Ａ）例えば比抵抗１５〜２０ΩｅｍのＮ型５ｉ（１１
１）ウェハ２１を１１００℃にて酸化し、５０００人程
度０酸化膜２２を形成する。
１）ウェハ２１を１１００℃にて酸化し、５０００人程
度０酸化膜２２を形成する。
（Ｂ）Ｘ方向の検出素子とＹ方向の検出素子を形成する
ために、それらの検出素子を形成する領域に開口をもつ
レジストパターン２３を写真製版によって形成し、酸化
膜２２の所定部分をエツチングによって除去する。
ために、それらの検出素子を形成する領域に開口をもつ
レジストパターン２３を写真製版によって形成し、酸化
膜２２の所定部分をエツチングによって除去する。
（Ｃ）ボロンを４０ＫｅＶの加速電圧で５Ｘ１０′ｓ／
ｃｍ３イオン注入する。
ｃｍ３イオン注入する。
（Ｄ）Ｘ方向の検出素子を形成するために、それらの検
出素子を形成する領域に開口をもつレジストパターン２
４を写真製版によって形成し、酸化膜２２の所定部分を
エツチングによって除去する。
出素子を形成する領域に開口をもつレジストパターン２
４を写真製版によって形成し、酸化膜２２の所定部分を
エツチングによって除去する。
（Ｅ）ボロンを４０ＫｅＶの加速電圧で５×１０”／ｃ
ｍ３イオン注入する。
ｍ３イオン注入する。
（Ｆ）注入したボロンを活性化するために、９５０℃で
ドライブを行なう。
ドライブを行なう。
（Ｇ）層間絶縁膜２５として例えばＰＳＧ膜を堆積し、
約１０００℃でリフローさせて表面を平坦化する。
約１０００℃でリフローさせて表面を平坦化する。
（Ｈ）写真製版とエツチングを施しコンタクト孔２６を
形成する。コンタクト孔２６は検出素子を電気的に接続
するためのものである。
形成する。コンタクト孔２６は検出素子を電気的に接続
するためのものである。
（Ｉ）導電体膜として例えばＡｕ膜、ＡＱ−５ｉ化合物
膜又はＡｕ膜などをスパッタリング法や蒸着法によって
形成し、写真製版とエツチングによってパターン化して
電極２７を形成する。
膜又はＡｕ膜などをスパッタリング法や蒸着法によって
形成し、写真製版とエツチングによってパターン化して
電極２７を形成する。
（、Ｊ）最終の保護膜２８として層間絶縁膜２５と同様
の絶縁膜１例えばＰＳＧ膜を形成した後、写真製版とエ
ツチングによって接続端子を作成する。
の絶縁膜１例えばＰＳＧ膜を形成した後、写真製版とエ
ツチングによって接続端子を作成する。
（Ｋ）裏面を研磨し、裏面に導電体層２９を形成する。
（効果）
本発明の力検出装置では、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する起歪体の表面に単
結晶基板を接着固定し、その単結晶基板表面には面内方
向のＸ軸方向、Ｙ軸方向及び面に垂直なＺ軸方向の力に
より生ずる機械的変形により電気抵抗を変化させる各方
向別の検出素子を形成した。そのため、作用部に作用す
る外力を起歪体により受けさせることができ、その起歪
体が変形することにより単結晶基板を変形させるので、
単結晶基板では受けることができない大きさの荷重を受
けることができ、また、衝撃荷重が作用部に印加されて
もその衝撃は単結晶基板に直接伝達されることがなく、
起歪体により緩衝されるので単結晶基板が脆性の高い材
料であっても十分に保護され、信頼性の高い力検出を行
うことができる。
一方を支持部とし他方を作用部とする起歪体の表面に単
結晶基板を接着固定し、その単結晶基板表面には面内方
向のＸ軸方向、Ｙ軸方向及び面に垂直なＺ軸方向の力に
より生ずる機械的変形により電気抵抗を変化させる各方
向別の検出素子を形成した。そのため、作用部に作用す
る外力を起歪体により受けさせることができ、その起歪
体が変形することにより単結晶基板を変形させるので、
単結晶基板では受けることができない大きさの荷重を受
けることができ、また、衝撃荷重が作用部に印加されて
もその衝撃は単結晶基板に直接伝達されることがなく、
起歪体により緩衝されるので単結晶基板が脆性の高い材
料であっても十分に保護され、信頼性の高い力検出を行
うことができる。
また、Ｚ軸方向の成分力の検出を行う検出素子の表面不
純物濃度を他の方向の成分力の検出を行う検出素子の表
面不純物濃度より低くしたので、Ｚ軸方向の検出感度を
高め、Ｚ、Ｙ軸方向の感度と同程度にすることができ、
Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。
純物濃度を他の方向の成分力の検出を行う検出素子の表
面不純物濃度より低くしたので、Ｚ軸方向の検出感度を
高め、Ｚ、Ｙ軸方向の感度と同程度にすることができ、
Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。
第１図は一実施例を示す断面図、第２図は同実施例のキ
ャップを外した状態の平面図であり、第１図は第２図の
Ａ−Ａ線位置での断面図を表わしている。第３図及び第
４図はそれぞれピエゾ抵抗係数の温度と表面不純物濃度
の関係を示す図、第５図は一実施例における単結晶基板
を示す平面図、第６図はピエゾ抵抗素子の感度温度係数
と表面不純物濃度の関係を示す図、第７図は検出素子の
形状を示す平面図、第８図（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は各
種の応力の発生状態を示す特性図、第９図（Ａ）、（Ｂ
）、（ｃ＞は各成分の力を検出するブリッジ回路図、第
１０図は他の実施例を示す断面図、第１１図は同実施例
のキャップを外した状態を示す平面図であり、第１０図
は第１１図のＤ−Ｄ線位置での断面図を表わしている。 第１２図（Ａ）から同図（Ｋ）は一実施例における単結
晶基板の製造工程を示す断面図である。 １・・・・・・単結晶基板、 ３・・・・・・検出素子
、４・・・・・・起歪体、 ６・・・・・・支持部、７
・・・・・・中心部。
ャップを外した状態の平面図であり、第１図は第２図の
Ａ−Ａ線位置での断面図を表わしている。第３図及び第
４図はそれぞれピエゾ抵抗係数の温度と表面不純物濃度
の関係を示す図、第５図は一実施例における単結晶基板
を示す平面図、第６図はピエゾ抵抗素子の感度温度係数
と表面不純物濃度の関係を示す図、第７図は検出素子の
形状を示す平面図、第８図（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は各
種の応力の発生状態を示す特性図、第９図（Ａ）、（Ｂ
）、（ｃ＞は各成分の力を検出するブリッジ回路図、第
１０図は他の実施例を示す断面図、第１１図は同実施例
のキャップを外した状態を示す平面図であり、第１０図
は第１１図のＤ−Ｄ線位置での断面図を表わしている。 第１２図（Ａ）から同図（Ｋ）は一実施例における単結
晶基板の製造工程を示す断面図である。 １・・・・・・単結晶基板、 ３・・・・・・検出素子
、４・・・・・・起歪体、 ６・・・・・・支持部、７
・・・・・・中心部。
Claims (1)
- （１）中心部と周辺部とのいずれか一方を支持部とし他
方を作用部とする起歪体の表面に単結晶基板を接着固定
し、その単結晶基板表面には面内方向のＸ軸方向、Ｙ軸
方向及び面に垂直なＺ軸方向の力により生ずる機械的変
形により電気抵抗を変化させる各方向別の検出素子を不
純物拡散抵抗により形成するとともに、Ｚ軸方向の成分
力の検出を行う検出素子の表面不純物濃度を他の検出素
子の表面不純物濃度より低くした力検出装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62291294A JP2587255B2 (ja) | 1987-11-17 | 1987-11-17 | 力検出装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62291294A JP2587255B2 (ja) | 1987-11-17 | 1987-11-17 | 力検出装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01131424A true JPH01131424A (ja) | 1989-05-24 |
| JP2587255B2 JP2587255B2 (ja) | 1997-03-05 |
Family
ID=17767024
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62291294A Expired - Lifetime JP2587255B2 (ja) | 1987-11-17 | 1987-11-17 | 力検出装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2587255B2 (ja) |
-
1987
- 1987-11-17 JP JP62291294A patent/JP2587255B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2587255B2 (ja) | 1997-03-05 |
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