JPH03110435A - 半導体圧覚センサ及びその製造方法 - Google Patents
半導体圧覚センサ及びその製造方法Info
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- JPH03110435A JPH03110435A JP24871489A JP24871489A JPH03110435A JP H03110435 A JPH03110435 A JP H03110435A JP 24871489 A JP24871489 A JP 24871489A JP 24871489 A JP24871489 A JP 24871489A JP H03110435 A JPH03110435 A JP H03110435A
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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】
〔産業上の利用分野］
本発明は、産業用ロボットなどの手や圧力の面内分布の
検出に用いられるピエゾ抵抗効果を利用した半導体圧覚
センサ及びその製造方法に関する。
検出に用いられるピエゾ抵抗効果を利用した半導体圧覚
センサ及びその製造方法に関する。
（従来の技術）
従来の圧覚センサとしては、コイルバネの復元力を利用
するもの、ひずみゲージを取り付けたもの、マイクロス
イッチによるものなどが知られているが、実用性のある
ものは殆どがマイクロスイッチに限られている。このマ
イクロスイッチによる圧覚センサは、動作の信顛性が高
く、大きさや重さの制限のないところには非常に有用で
ある。
するもの、ひずみゲージを取り付けたもの、マイクロス
イッチによるものなどが知られているが、実用性のある
ものは殆どがマイクロスイッチに限られている。このマ
イクロスイッチによる圧覚センサは、動作の信顛性が高
く、大きさや重さの制限のないところには非常に有用で
ある。
〔発明が解決しようとする課題］
しかしながら、マイクロスイッチ等を用いた圧覚センサ
にあっては、次の問題点がある。
にあっては、次の問題点がある。
■ 圧覚センサとして構成する組付工程においては、コ
イルバネ、ひずみゲージ、マイクロスイッチ等の構成部
品を個々的に支持仮に取付ける必要があり、機械的部品
の点数が比較的多いので、組付は作業がきわめて面倒で
ある。
イルバネ、ひずみゲージ、マイクロスイッチ等の構成部
品を個々的に支持仮に取付ける必要があり、機械的部品
の点数が比較的多いので、組付は作業がきわめて面倒で
ある。
■ その組付は作業性のｒＡ雑さの故に、圧覚センサの
素子（セグメント）間隔は１０ＩＩＩＩ１１程度が限界
で、高密度の実装ができない。
素子（セグメント）間隔は１０ＩＩＩＩ１１程度が限界
で、高密度の実装ができない。
■ 柔軟性に冨む高度なハンドリング機能をもつロボッ
トを対象とする圧覚センサにおいては、振動や加速度の
影響を受けないものが望まれるが、上記圧覚センサにあ
っては部品点数の多さや金属材料の使用から軽量化に自
ずと限界があり、振動や加速度の影響を受は易い。
トを対象とする圧覚センサにおいては、振動や加速度の
影響を受けないものが望まれるが、上記圧覚センサにあ
っては部品点数の多さや金属材料の使用から軽量化に自
ずと限界があり、振動や加速度の影響を受は易い。
そこで、本発明は上記問題点を解決するものであり、そ
の課題は、半導体プロセス技術を利用して各構成要素を
一体的に形成することにより、実装時における作業容易
性を満足する小形かつ軽量の半導体圧覚センサ及びその
製造方法を提供することにある。
の課題は、半導体プロセス技術を利用して各構成要素を
一体的に形成することにより、実装時における作業容易
性を満足する小形かつ軽量の半導体圧覚センサ及びその
製造方法を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明の講じた手段は、半
導体基板上に形成された窒化膜等の絶縁膜の上に、中空
部ないし空胴部を持つブリッジ状架設部を備えたひずみ
ゲージ膜を形成したものである。このブリッジ状架設部
は、絶縁膜との間に中空部を有するアーチ状突起部とし
て形成された立体的構造や、基板に掘られた凹所を中空
部とする平面的構造が採用される。ブリッジ状架設部を
有するひずみゲージ膜材質としては不純物ドープの多結
晶シリコン（ポリＳｉ）が採用される。
導体基板上に形成された窒化膜等の絶縁膜の上に、中空
部ないし空胴部を持つブリッジ状架設部を備えたひずみ
ゲージ膜を形成したものである。このブリッジ状架設部
は、絶縁膜との間に中空部を有するアーチ状突起部とし
て形成された立体的構造や、基板に掘られた凹所を中空
部とする平面的構造が採用される。ブリッジ状架設部を
有するひずみゲージ膜材質としては不純物ドープの多結
晶シリコン（ポリＳｉ）が採用される。
上記アーチ状突起部を有する多結晶シリコンのひずみゲ
ージ膜を備えた半導体圧覚センサの製造方法としては、
基板上に絶縁膜、そして予め突起成形用台部を順に形成
した後、その上に不純物ドープの多結晶シリコン膜を全
面被覆し、その多結晶シリコン膜のパターニングにより
突起成形用台部の一部を露出させてアーチ状突起部を有
するひずみゲージ膜を形成した後、そのひずみゲージ膜
の所要箇所に金属電極を被着してから、しかる後上記露
出領域を介して突起成形用台部のみをエツチング除去し
て中空部を得るものである。
ージ膜を備えた半導体圧覚センサの製造方法としては、
基板上に絶縁膜、そして予め突起成形用台部を順に形成
した後、その上に不純物ドープの多結晶シリコン膜を全
面被覆し、その多結晶シリコン膜のパターニングにより
突起成形用台部の一部を露出させてアーチ状突起部を有
するひずみゲージ膜を形成した後、そのひずみゲージ膜
の所要箇所に金属電極を被着してから、しかる後上記露
出領域を介して突起成形用台部のみをエツチング除去し
て中空部を得るものである。
かかる手段によれば、半導体圧覚センサ自体は勿論半導
体プロセスにより形成されるため、可動部ないし弾性変
形部たるブリッジ架設部がひずみゲージ膜の一部として
一体的に半導体基板にもともと組付けられたものである
から、したがって従来の機械的部品を組付けた圧覚セン
サに比して組付は容易性が良い。また、中空部を抱くブ
リッジ状架設部は受圧部としてそれ自体弾性変形性を有
するが、特に、アーチ状突起部の立体的構造を採用した
場合には、別体の受圧部材を介さずに、そのまま圧覚が
検知できる。勿論、この圧覚センサは半導体プロセス（
ＭＯＳプロセス）により製造されることになるため、現
在のサブミクロン微細加工技術においては、１０μｍ程
度の素子（セグメント）として高密度分布の圧覚センサ
が実現されるので、小型かつ軽量となる。したがって、
高分解能であり、しかも加速度等の影響を受けにくい。
体プロセスにより形成されるため、可動部ないし弾性変
形部たるブリッジ架設部がひずみゲージ膜の一部として
一体的に半導体基板にもともと組付けられたものである
から、したがって従来の機械的部品を組付けた圧覚セン
サに比して組付は容易性が良い。また、中空部を抱くブ
リッジ状架設部は受圧部としてそれ自体弾性変形性を有
するが、特に、アーチ状突起部の立体的構造を採用した
場合には、別体の受圧部材を介さずに、そのまま圧覚が
検知できる。勿論、この圧覚センサは半導体プロセス（
ＭＯＳプロセス）により製造されることになるため、現
在のサブミクロン微細加工技術においては、１０μｍ程
度の素子（セグメント）として高密度分布の圧覚センサ
が実現されるので、小型かつ軽量となる。したがって、
高分解能であり、しかも加速度等の影響を受けにくい。
次に、本発明の実施例を添付図面に基づいて説明する。
第１図は本発明の実施例に係る圧覚センサの構造を示す
断面図である。
断面図である。
第１図中、ｌはシリコン基板で、この表面には窒化膜等
の絶縁膜２が形成されている。この絶縁膜２の上にはブ
リッジ状の多結晶シリコン膜３が形成され、これは不純
物ドープで、シート抵抗が数にΩ／口とされている。こ
の多結晶シリコン膜３は、はぼ中央において絶縁膜２と
の間にトンネル状中空部４を画成すべきアーチ状突起部
３ａと、この両側にて絶縁膜２に密着した着座部３ｂと
から構成されている。そして、両側の着座部３ｂ上には
金属電極５が被着されている。
の絶縁膜２が形成されている。この絶縁膜２の上にはブ
リッジ状の多結晶シリコン膜３が形成され、これは不純
物ドープで、シート抵抗が数にΩ／口とされている。こ
の多結晶シリコン膜３は、はぼ中央において絶縁膜２と
の間にトンネル状中空部４を画成すべきアーチ状突起部
３ａと、この両側にて絶縁膜２に密着した着座部３ｂと
から構成されている。そして、両側の着座部３ｂ上には
金属電極５が被着されている。
勿論、この圧覚センサは半導体製造プロセス（ＭＯＳプ
ロセス）により得られるが、そのプロセスを第４図に基
づいて説明すると、まず、第４図（ａ）に示す如く、シ
リコン基板１を準備した後、第４図（ｂ）に示す如く、
シリコン基板１上に窒化膜等の絶縁膜２を形成する。次
に、第４図（Ｃ）に示すように、絶縁膜２上にリンガラ
ス（ＰＳＧ）膜１０を形成した後、第４図（ｄ）に示す
如く、リンガラス膜ＩＯをパターニングして断面略台形
状の突起成形用台部１０ａを形成する。次に、第４図（
ｅ）に示すように、多結晶シリコン膜３′を全面形成す
る。ここで、多結晶シリコン膜３′のシート抵抗は数１
００にΩ／口程度であり、これをそのままひずみゲージ
として用いる場合には抵抗が大きすぎるので、イオン注
入により不純物（リンスはボロン）をドープしてシート
抵抗を数に／口面度としてから、パターニングにより第
４図（ｆ）に示す多結晶シリコン膜３を得る。この後、
第４図（ｇ）に示すように、多結晶シリコン膜３の着座
部３ｂ上に金、クロム・金などの金属電極５を被着し、
しかる後、第４図（ｈ）に示すように、露出領域を介し
て弗酸系のエツチング液で突起成形用台部１０ａのみを
除去して中空部４とする。
ロセス）により得られるが、そのプロセスを第４図に基
づいて説明すると、まず、第４図（ａ）に示す如く、シ
リコン基板１を準備した後、第４図（ｂ）に示す如く、
シリコン基板１上に窒化膜等の絶縁膜２を形成する。次
に、第４図（Ｃ）に示すように、絶縁膜２上にリンガラ
ス（ＰＳＧ）膜１０を形成した後、第４図（ｄ）に示す
如く、リンガラス膜ＩＯをパターニングして断面略台形
状の突起成形用台部１０ａを形成する。次に、第４図（
ｅ）に示すように、多結晶シリコン膜３′を全面形成す
る。ここで、多結晶シリコン膜３′のシート抵抗は数１
００にΩ／口程度であり、これをそのままひずみゲージ
として用いる場合には抵抗が大きすぎるので、イオン注
入により不純物（リンスはボロン）をドープしてシート
抵抗を数に／口面度としてから、パターニングにより第
４図（ｆ）に示す多結晶シリコン膜３を得る。この後、
第４図（ｇ）に示すように、多結晶シリコン膜３の着座
部３ｂ上に金、クロム・金などの金属電極５を被着し、
しかる後、第４図（ｈ）に示すように、露出領域を介し
て弗酸系のエツチング液で突起成形用台部１０ａのみを
除去して中空部４とする。
このようなプロセスにより製造された圧覚センサの半導
体集積回路の平面構造は、圧覚センサ３１ ＋ ＳＲ＋
・・・を縦横に配列した構造において、各圧覚セン
サＳｌ ＋ ＳＸ ＋ ・・・の一方の着座部３ｂに
は金属電極５を介して入力（電源）配線が接続され、他
方の着座部３ｂには金属電極５を介して出力配線１２が
接続されたものである。この圧覚センサの半導体集積回
路の等価回路は、第３図に示すように、電源已に対して
可変抵抗としての半導体圧覚センサＳｌ ＋ ＳＸ
＋ ・・・と固定抵抗１３とを直列接続したもので、
各中点からは分圧電圧たる出力電圧Ｖ、、Ｖ、、 ・
・・が取り出される。
体集積回路の平面構造は、圧覚センサ３１ ＋ ＳＲ＋
・・・を縦横に配列した構造において、各圧覚セン
サＳｌ ＋ ＳＸ ＋ ・・・の一方の着座部３ｂに
は金属電極５を介して入力（電源）配線が接続され、他
方の着座部３ｂには金属電極５を介して出力配線１２が
接続されたものである。この圧覚センサの半導体集積回
路の等価回路は、第３図に示すように、電源已に対して
可変抵抗としての半導体圧覚センサＳｌ ＋ ＳＸ
＋ ・・・と固定抵抗１３とを直列接続したもので、
各中点からは分圧電圧たる出力電圧Ｖ、、Ｖ、、 ・
・・が取り出される。
この圧覚センサ３１ ＋ ＳＲ＋ ・・・において
、アーチ状突起部３ａに力が加わると、第５図に示す如
く、アーチ状突起部３ａがたわみ変形を起こし、金属電
極５，５間の抵抗値がピエゾ抵抗効果により変化する。
、アーチ状突起部３ａに力が加わると、第５図に示す如
く、アーチ状突起部３ａがたわみ変形を起こし、金属電
極５，５間の抵抗値がピエゾ抵抗効果により変化する。
この抵抗値変化は出力電圧値として検出される。アーチ
状突起部３ａはその下に中空部４を抱いているので、比
較的敏感に弾性変形を起こす。本実施例における各圧覚
センサＳ１゜Ｓ２．・・・の素子（セグメント）間隔は
１０μｍ程度であるから、従来の圧覚センサに比して１
／１０００倍の大きさで済み、小形かつ軽量化が実現さ
れている。半導体基（反上に作り込まれた微細の半導体
圧覚センサの集積は各圧覚センサ毎の組付は煩雑さを解
消すると共に、高分解能の圧覚センサを提供する。特に
、本実施例においては、アーチ状多結晶シリコン膜３が
ひずみゲージ膜として用いられているが、多結晶シリコ
ン膜３の断面積等を拡大化して形状寸法から抵抗値を決
定せず、不純物ドープにより抵抗値を下げることにより
、適度の抵抗値を持つ微小のひずみゲージ膜が形成され
ている。その不純物ドープによる多結晶シリコン膜自体
の微細化の寄与率は１〜２桁である。
状突起部３ａはその下に中空部４を抱いているので、比
較的敏感に弾性変形を起こす。本実施例における各圧覚
センサＳ１゜Ｓ２．・・・の素子（セグメント）間隔は
１０μｍ程度であるから、従来の圧覚センサに比して１
／１０００倍の大きさで済み、小形かつ軽量化が実現さ
れている。半導体基（反上に作り込まれた微細の半導体
圧覚センサの集積は各圧覚センサ毎の組付は煩雑さを解
消すると共に、高分解能の圧覚センサを提供する。特に
、本実施例においては、アーチ状多結晶シリコン膜３が
ひずみゲージ膜として用いられているが、多結晶シリコ
ン膜３の断面積等を拡大化して形状寸法から抵抗値を決
定せず、不純物ドープにより抵抗値を下げることにより
、適度の抵抗値を持つ微小のひずみゲージ膜が形成され
ている。その不純物ドープによる多結晶シリコン膜自体
の微細化の寄与率は１〜２桁である。
上記実施例においては、面状の絶縁膜２の上に中空部４
が設けられ、アーチ状突起部３ａが形成されているため
、このアーチ状突起部３ａが受圧部として機能３弾性変
形部としての機能、及びひずみゲージ部としての機能を
有している。したがって、従来の機械的圧覚センサに比
してセンサ構造がもともと一体化されており、現実の使
用においては、基板１の支持板への取付けと電気的接続
だけで済む。
が設けられ、アーチ状突起部３ａが形成されているため
、このアーチ状突起部３ａが受圧部として機能３弾性変
形部としての機能、及びひずみゲージ部としての機能を
有している。したがって、従来の機械的圧覚センサに比
してセンサ構造がもともと一体化されており、現実の使
用においては、基板１の支持板への取付けと電気的接続
だけで済む。
上記受圧部の機能がない圧覚センサの一例としては、シ
リコン基板に形成された凹所に平面状の多結晶シリコン
膜を架設した構造が構成できるが、この構造によれば、
平面状の多結晶シリコン膜に別体の受圧部材を固着する
必要があるものの、従来の圧覚センサに比べると、部品
点数はなおも少なくて済む。
リコン基板に形成された凹所に平面状の多結晶シリコン
膜を架設した構造が構成できるが、この構造によれば、
平面状の多結晶シリコン膜に別体の受圧部材を固着する
必要があるものの、従来の圧覚センサに比べると、部品
点数はなおも少なくて済む。
以上説明したように、本発明に係る半導体圧覚センサは
、半導体基板上に形成された絶縁膜の上に中空部を抱く
ブリッジ状架設部を備えたひずみゲージ膜を設けた点に
特徴を有するものであるから、次の効果を奏する。
、半導体基板上に形成された絶縁膜の上に中空部を抱く
ブリッジ状架設部を備えたひずみゲージ膜を設けた点に
特徴を有するものであるから、次の効果を奏する。
■ 少なくとも、架設部が弾性変形部としての機能と共
に、ひずみゲージ（ピエゾ抵抗効果部）としての機能を
有するから、従来の圧覚センサに比して構成要素が廃用
一体化されているので、実装組付けが容易である。
に、ひずみゲージ（ピエゾ抵抗効果部）としての機能を
有するから、従来の圧覚センサに比して構成要素が廃用
一体化されているので、実装組付けが容易である。
■ 各ひずみゲージ膜の素子（セグメント）間隔は従来
に比して２〜３桁程度の微小となるから、圧覚の分解能
の大幅向上と共に、ひずみゲージ膜自体の軽量化により
振動又は加速度の影響を受けにくい。
に比して２〜３桁程度の微小となるから、圧覚の分解能
の大幅向上と共に、ひずみゲージ膜自体の軽量化により
振動又は加速度の影響を受けにくい。
第１図は本発明の実施例に係る半導体圧覚センサの構造
を示す断面図である。 第２図は同半導体圧覚センサの半導体集積回路の平面構
造を示す平面図である。 第３図は同集積回路を用いた全圧覚回路の回路図である
。 第４図（ａ）乃至（ｈ）は同半導体圧覚センサの製造プ
ロセスを説明する断面図である。 第５図は同圧覚センサの作動態様を示す断面図である。 〔符号の説明〕 １・・・シリコン基板 ２・・・絶縁膜 ３・・・多結晶シリコン膜のひずみゲージ膜３′・・・
アンドープの多結晶シリコン膜３ａ・・・アーチ状突起
部 ３ｂ・・・着座部 ４・・・中空部 ５・・・金属電極 １０・・・リンガラス膜 １０ａ・・・突起成形用台部 １１・・・電源配線 １２・・・出力配線 Ｓ、 ３２．〜Ｓ６・・・圧覚センサ。
を示す断面図である。 第２図は同半導体圧覚センサの半導体集積回路の平面構
造を示す平面図である。 第３図は同集積回路を用いた全圧覚回路の回路図である
。 第４図（ａ）乃至（ｈ）は同半導体圧覚センサの製造プ
ロセスを説明する断面図である。 第５図は同圧覚センサの作動態様を示す断面図である。 〔符号の説明〕 １・・・シリコン基板 ２・・・絶縁膜 ３・・・多結晶シリコン膜のひずみゲージ膜３′・・・
アンドープの多結晶シリコン膜３ａ・・・アーチ状突起
部 ３ｂ・・・着座部 ４・・・中空部 ５・・・金属電極 １０・・・リンガラス膜 １０ａ・・・突起成形用台部 １１・・・電源配線 １２・・・出力配線 Ｓ、 ３２．〜Ｓ６・・・圧覚センサ。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 （１）半導体基板上に形成された絶縁膜と、その上に形
成されており、中空部を抱くブリッジ状架設部を有する
ひずみゲージ膜と、を備えたことを特徴とする半導体圧
覚センサ。（２）請求項第１項において、前記ブリッジ
状架設部はアーチ状突起部であることを特徴とする半導
体圧覚センサ。 （３）請求項第２項において、前記ひずみゲージ膜は不
純物のドープされた多結晶シリコン膜であることを特徴
とする半導体圧覚センサ。 （４）請求項第１項において、前記中空部は前記半導体
基板に形成された凹所であることを特徴とする半導体圧
覚センサ。 （５）請求項第３項の半導体圧覚センサの製造方法にお
いて、基板上に絶縁膜、突起成形用台部を順に形成した
後、その上に不純物ドープの多結晶シリコン膜を全面被
覆し、その多結晶シリコン膜のパターニングにより該突
起成形用台部の一部を露出させてアーチ状突起部を有す
るひずみゲージ膜を形成した後、そのひずみゲージ膜の
所要箇所に金属電極を被着してから、該突起成形用台部
のみをエッチング除去して中空部を得ることを特徴とす
る半導体圧覚センサの製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP24871489A JPH03110435A (ja) | 1989-09-25 | 1989-09-25 | 半導体圧覚センサ及びその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP24871489A JPH03110435A (ja) | 1989-09-25 | 1989-09-25 | 半導体圧覚センサ及びその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03110435A true JPH03110435A (ja) | 1991-05-10 |
Family
ID=17182250
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP24871489A Pending JPH03110435A (ja) | 1989-09-25 | 1989-09-25 | 半導体圧覚センサ及びその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH03110435A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8431089B2 (en) | 2006-04-21 | 2013-04-30 | Bayer Technology Services Gmbh | Process analysis system with sterile sampling of mechanically-sensitive material from a bioreactor |
-
1989
- 1989-09-25 JP JP24871489A patent/JPH03110435A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8431089B2 (en) | 2006-04-21 | 2013-04-30 | Bayer Technology Services Gmbh | Process analysis system with sterile sampling of mechanically-sensitive material from a bioreactor |
| US8647592B2 (en) | 2006-04-21 | 2014-02-11 | Bayer Technology Services Gmbh | Method for transport of suspensions containing mechanically sensitive material |
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