JPH04249727A

JPH04249727A - 力および加速度の検出装置

Info

Publication number: JPH04249727A
Application number: JP2416187A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Okada; 和廣岡田
Original assignee: Wako KK
Current assignee: Wako KK
Priority date: 1990-12-31
Filing date: 1990-12-31
Publication date: 1992-09-04

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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は力および加速度の検出装
置、特に機械的変形に基づいて電気抵抗が変化する性質
をもった抵抗素子を利用した力および加速度の検出装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、機械的変形によって電気抵抗が変
化するというピエゾ抵抗効果の性質を備えた抵抗素子を
、半導体基板上に配列し、この抵抗素子の抵抗値の変化
から力を検出する力検出装置が提案されている。更に、
この力検出装置を応用した加速度検出装置あるいは磁気
検出装置も提案されている。いずれの装置においても、
部分的に可撓性をもった起歪体が用いられ、この起歪体
に生じる機械的変形を抵抗素子の電気抵抗の変化として
検出している。すなわち、検出対象となる力を起歪体の
作用部に与えて起歪体を機械的に変形させ、抵抗素子の
電気抵抗の変化を検出結果として出力することになる。加速度に反応する重錘体を作用部に接続しておけば加速
度検出装置となり、磁気に反応する磁性体を作用部に接
続しておけば磁気検出装置となる。

【０００３】たとえば、特許協力条約に基づく国際公開
第ＷＯ８８／０８５２２号公報には、上述の力、加速度
、磁気の検出装置が開示されており、同第ＷＯ８９／０
２５８７号公報には、上述の力検出装置の応用技術が開
示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
検出装置には、力、加速度、磁気など、検出対象となる
物理量の検出感度を高めることが困難であるという問題
がある。上述の検出装置において検出感度を高める方法
としては、一般に、次のような方法が考えられるが、い
ずれも問題がある。

【０００５】（１）　　　起歪体の可撓性をもった部分
（可撓部）の肉厚を薄くすれば、可撓性が高まるため、
検出感度を向上させることが可能である。しかしながら
、肉厚を薄くすればするほど、製造過程で割れるなどの
問題が発生し、半導体基板で起歪体を構成した場合、現
在の技術では１０μｍ程度が限界となる。

【０００６】（２）　　　起歪体の径を大きくすれば、
誘引される機械的変形も大きくなるため、検出感度を向
上させることが可能である。しかしながら、装置全体が
大型化し、半導体基板で起歪体を構成した場合、チップ
サイズが大きくなりコスト高となる。

【０００７】（３）　　　抵抗素子の電気抵抗を大きく
するか、抵抗素子に流す電流を大きくすれば、検出感度
を向上させることが可能である。しかしながら、半導体
基板上に形成することのできる抵抗素子の電気抵抗やこ
れに流すことのできる電流には制約があり、また、ジュ
ール熱に基づく測定誤差を少なくするためにも、電気抵
抗や電流値をあまり大きくすることはできない。

【０００８】（４）　　　加速度検出装置では、重錘体
を重くすることにより、検出感度を向上させることが可
能である。しかしながら、質量の大きな重錘体を加工す
るのは困難であり、歩留まりの低下をもたらす結果とな
る。

【０００９】そこで本発明は、検出対象となる物理量の
検出感度を高めることが可能な検出装置を提供すること
を目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】（１）　　　本願第１の
発明は、力検出装置において、力の作用を受ける作用部
と、この作用部の周囲に形成され可撓性をもった第１可
撓部と、この第１可撓部の周囲に形成された中間部と、
この中間部の周囲に形成され可撓性をもった第２可撓部
と、この第２可撓部の周囲に形成され装置本体に固定さ
れる固定部と、を有し、中間部が第１可撓部および第２
可撓部に比べて可撓性の少ない構造となっている起歪体
と、第１可撓部に生じる機械的変形により電気抵抗が変
化する性質をもった第１の抵抗素子と、第２可撓部に生
じる機械的変形により電気抵抗が変化する性質をもった
第２の抵抗素子と、第１の抵抗素子と第２の抵抗素子の
電気抵抗の変化を検出する検出回路と、を設け、検出回
路による検出結果に基づいて、作用部に作用した力を検
出するようにしたものである。

【００１１】（２）　　　本願第２の発明は、力検出装
置において、装置本体に固定される固定部と、この固定
部の周囲に形成され可撓性をもった第１可撓部と、この
第１可撓部の周囲に形成された中間部と、この中間部の
周囲に形成され可撓性をもった第２可撓部と、この第２
可撓部の周囲に形成され力の作用を受ける作用部と、を
有し、中間部が第１可撓部および第２可撓部に比べて可
撓性の少ない構造となっている起歪体と、第１可撓部に
生じる機械的変形により電気抵抗が変化する性質をもっ
た第１の抵抗素子と、第２可撓部に生じる機械的変形に
より電気抵抗が変化する性質をもった第２の抵抗素子と
、第１の抵抗素子と第２の抵抗素子の電気抵抗の変化を
検出する検出回路と、を設け、検出回路による検出結果
に基づいて、作用部に作用した力を検出するようにした
ものである。

【００１２】（３）　　　本願第３の発明は、前述の第
１または第２の発明に係る力検出装置において、起歪体
をほぼ平板状の基板によって構成し、この基板に環状に
第１の溝を掘ることにより第１可撓部を形成し、この第
１の溝の周囲に環状に第２の溝を掘ることにより第２可
撓部を形成するようにしたものである。

【００１３】（４）　　　本願第４の発明は、前述の第
３の発明に係る力検出装置において、基板を単結晶基板
により構成し、第１の抵抗素子および第２の抵抗素子を
、この単結晶基板上に形成するようにしたものである。

【００１４】（５）　　　本願第５の発明は、前述の第
１または第２の発明に係る力検出装置において、起歪体
とは別個の単結晶基板を用意し、第１の抵抗素子および
第２の抵抗素子をこの単結晶基板上に形成し、この単結
晶基板を起歪体に接合するようにしたものである。

【００１５】（６）　　　本願第６の発明は、前述の第
１〜５の発明に係る力検出装置において、加速度に起因
して発生する力を作用部に作用させることにより、加速
度検出装置として用いることができるようにしたもので
ある。

【００１６】

【作　　用】起歪体の固定部は装置本体に固定されてい
るため、起歪体の作用部に力が作用すると、固定部と作
用部との間に形成された可撓部に撓みが生じ、起歪体が
機械的に変形することになる。その結果、第１の抵抗素
子および第２の抵抗素子に電気抵抗の変化が生じ、この
変化が検出回路により検出される。これが、この装置に
おける力検出の原理である。本発明の特徴は、可撓部を
第１可撓部と第２可撓部とに分け、これらの間に可撓性
の少ない中間部を形成した点にある。この中間部を形成
したため、撓みは第１可撓部および第２可撓部に集中す
るようになり、作用した力に基づく機械的変形は、第１
の抵抗素子および第２の抵抗素子に効果的に伝達される
ようになる。こうして、より感度の高い測定が可能にな
る。

【００１７】

【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。本発明に係る力検出装置の実施例を説明する前
に、従来提案されている一般的な力検出装置の構造およ
び動作を簡単に説明しておく。図１は、この力検出装置
の上面図である。装置本体は、単結晶シリコンからなる
半導体基板１０により構成されている。ここでは、図に
示すようにＸ軸およびＹ軸を定義し、更に紙面に垂直上
方にＺ軸を定義することにする。図１に示す装置をＸ軸
に沿って切断した断面図を図２に示す。半導体基板１０
の下面には、円環状の溝Ｃが掘られており、この部分は
他の部分に比べて肉厚が薄く可撓性をもった部分となる
。ここでは、半導体基板１０の中心部を作用部１１、そ
の周囲の溝Ｃが形成された部分を可撓部１２、更にその
周囲の部分を固定部１３、と定義する。可撓部１２は、
半導体基板１０上の円環状の領域であり、可撓性をもっ
たダイヤフラムを形成する部分となる。この可撓部１２
上には、Ｘ軸方向の力を検出するための抵抗素子Ｒｘ１
〜Ｒｘ４、Ｙ軸方向の力を検出するための抵抗素子Ｒｙ
１〜Ｒｙ４、Ｚ軸方向の力を検出するための抵抗素子Ｒ
ｚ１〜Ｒｚ４、が形成されている。これらの抵抗素子は
、半導体基板１０の表面に不純物を拡散することにより
得られ、機械的変形に基づい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る。

【００１８】この装置の動作は次のとおりである。いま
、図３に示すように、作用部１１にＺ軸方向の力Ｆｚを
作用させた状態を考える（図は抵抗素子Ｒｚ１〜Ｒｚ４
に沿った断面を示す）。固定部１３が装置本体に固定さ
れていれば、図のように、可撓部１２に撓みが生じるこ
とになる。すなわち、半導体基板１０は起歪体として機
能する。図３の上方に示したグラフは、このときに基板
表面（抵抗素子が形成された上面）に生じる応力分布を
示し、グラフの横軸は半導体基板１０の断面横方向に対
応している（実際のグラフは、よる複雑な曲線になるが
、ここでは説明の便宜上、近似的な直線グラフを用いて
示している）。応力「＋」は伸びる方向に加わる応力を
示し、応力「−」は縮む方向に加わる応力を示している
。ここで、ハッチングを施した部分が、抵抗素子に加わる
応力である。すなわち、抵抗素子Ｒｚ１〜Ｒｚ４には、
それぞれ応力Ｓ１１〜Ｓ１４が加わることになる。同様
に、作用部１１にＸ軸方向の力Ｆｘを作用させた場合の
変形状態および応力分布を図４に示す（図は抵抗素子Ｒ
ｘ１〜Ｒｘ４に沿った断面を示す）。抵抗素子Ｒｘ１〜
Ｒｘ４には、それぞれ応力Ｓ２１〜Ｓ２４が加わること
になる。各抵抗素子には、加わった応力に対応した電気
抵抗の変化が現れる。この電気抵抗の変化を外部の検出
回路で測定することにより、作用部１１に作用した力の
検出が行われる。この検出方法については、前掲公報に
詳述されている。

【００１９】図３および図４に示されているように、力
の作用によって生じる応力は、可撓部１２全域に分布す
ることになる。別言すれば、溝Ｃが形成されている領域
全域に分布することになる。ところが、実際の力検出に
寄与できる応力は、抵抗素子に加わる分（グラフにハッ
チングを施した部分）のみである。たとえば、図３にお
いて、抵抗素子Ｒｚ１とＲｚ２との間に分布している応
力や、抵抗素子Ｒｚ３とＲｚ４との間に分布している応
力は、力検出には何ら寄与していないことになる。本発
明の基本思想は、このように実際の力検出に寄与しない
応力発生を抑制し、効率良い検出動作を行わせることに
より検出感度を向上させようとするものである。

【００２０】図５は、本発明の一実施例に係る力検出装
置の上面図、図６は、この装置をＸ軸に沿って切断した
断面図である。装置本体は、単結晶シリコンからなる半
導体基板１００により構成されており、前述の装置と同
様に、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸が定義されている。半導体基板
１００の下面には、２つの円環状の溝Ｃ１とＣ２とが掘
られており、この部分は他の部分に比べて肉厚が薄く可
撓性をもった部分となる。ここでは、半導体基板１００
の中心部を作用部１１０、内側の溝Ｃ１が掘られた領域
を第１可撓部１２１、外側の溝Ｃ２が掘られた領域を第
２可撓部１２２、両可撓部の間に位置する領域を中間部
１２３、そして半導体基板１００の外周部分を固定部１
３０、とそれぞれ呼ぶことにする。第１可撓部１２１お
よび第２可撓部１２２は、いずれも肉厚が薄いため、可
撓性をもったダイヤフラムを形成する部分となるが、そ
の中間に位置する中間部１２３は、作用部１１０および
固定部１３０と同じ厚みを有し、可撓性の低い領域とな
っている。前述の従来装置と比較すると、本装置では抵
抗素子が形成される領域にのみ溝が掘られている点に特
徴があることが認識できるであろう。すなわち、内側に
位置する第１の抵抗素子（Ｒｘ２，Ｒｘ３，Ｒｚ２，Ｒ
ｚ３，Ｒｙ２，Ｒｙ３）は内側の溝Ｃ１の上部に形成さ
れ、外側に位置する第２の抵抗素子（Ｒｘ１，Ｒｘ４，
Ｒｚ１，Ｒｚ４，Ｒｙ１，Ｒｙ４）は外側の溝Ｃ２の上
部に形成されている。

【００２１】前述の従来装置と同様に、本装置の動作を
考えてみる。いま、図７に示すように、作用部１１０に
Ｚ軸方向の力Ｆｚを作用させた状態を考える（図は抵抗
素子Ｒｚ１〜Ｒｚ４に沿った断面を示す）。固定部１３
０が装置本体に固定されていれば、図のように、第１可
撓部１２１および第２可撓部１２２に撓みが生じること
になり、半導体基板１００は起歪体として機能する。と
ころが、中間部１２３には、作用部１１０および固定部
１３０と同様に、ほとんど撓みは生じない。別言すれば
、力Ｆｚの作用によって生じる撓みは、第１可撓部１２
１および第２可撓部１２２に集中することになる。これ
は、図７の上方に示したグラフに明瞭に示されている。このグラフは、基板表面（抵抗素子が形成された上面）
に生じる応力分布を示し、グラフの横軸は半導体基板１
００の断面横方向に対応している。応力「＋」は伸びる
方向に加わる応力を示し、応力「−」は縮む方向に加わ
る応力を示しており、ハッチングを施した部分が、抵抗
素子に加わる応力である。なお、実際の応力分布はより
複雑な曲線になるが、ここでは説明の便宜上、近似直線
のグラフを示した。同様に、Ｘ軸方向の力Ｆｘを作用さ
せた場合を図８に示す。図７，図８のグラフを、それぞ
れ図３，図４のグラフと比較すると、本発明の効果が理
解できよう。同じ力Ｆｚ，Ｆｘが加わった場合であって
も、従来装置では図３，図４のグラフに示すように、応
力分布は広い範囲に分散してしまうのに対し、本装置で
は図７，図８のグラフに示すように、応力分布は抵抗素
子に集中することになる。一般に、電気抵抗Ｒをもつピ
エゾ抵抗素子に応力σが加わった場合の抵抗変化ΔＲは
、ΔＲ　　＝　　π　　σ　　Ｒで表される。ここでπはピエゾ抵抗係数である。応力σ
は、上述の応力分布を示すグラフのハッチング部分の面
積に対応するので、同じ抵抗素子を用いても、本装置は
従来装置に比べてより大きなΔＲを得ることができる。すなわち、本装置は従来装置に比べて検出感度が向上す
ることになる。

【００２２】続いて、本発明のいくつかの別な実施例を
述べる。前述の実施例では、図６に示すように、溝Ｃ１
，Ｃ２は断面が長方形をしていたが、これはどのような
形状のものでもかまわない。要するに、第１可撓部１２
１および第２可撓部１２２に可撓性をもたせることがで
きるような溝であればよい。たとえば、シリコンウエハ
などの半導体基板に溝を形成する方法のひとつとして、
化学的エッチング法が知られている。この方法で本装置
を製造すると、断面台形状の溝が形成されることになる
。すなわち、この方法では、図９に示すように半導体ウ
エハ９０の上面に抵抗素子Ｒを形成した後、下面の所定
位置にＳｉＯ２やＳｉＮからなるマスク層２００，２０
１，２０２をパターニングにより形成し、化学的エッチ
ングによりマスク層のない部分に溝を掘ることになる。化学的エッチングの方法としては、プラズマ放電中で行
うドライエッチングや、弗酸、硝酸、ＫＯＨ、ヒドラジ
ンなどを用いた液体中で行うウエットエッチングが知ら
れている。また、より正確な溝を形成するためには、等
方性エッチングと異方性エッチングとを組み合わせ、更
にエッチストップという技術を利用する方法（電気化学
的エッチング）を行うのが好ましい。このようなエッチ
ングを行った後、マスク層２００〜２０２を剥離すると
、図１０に断面を、図１１に下面を、それぞれ示すよう
な半導体基板１００ａが形成される。図１１を切断線１
０−１０に沿って切断した断面が図１０に相当する。円
形のマスク層２００に覆われた部分はエッチングされず
に作用部１１０ａとして残り、円環状のマスク層２０１
および２０２に覆われた部分もエッチングされずに中間
部１２３ａおよび固定部１３０ａとして残ることになる
。エッチングにより、円環状の溝Ｃ３およびＣ４が形成
されるが、化学的エッチングを行ったため、これらの溝
の断面は図１０に示すような台形状となる。

【００２３】また、上述の実施例では、いずれも円環状
の溝を形成することにより、可撓部を形成していたが、
溝は円環状に限定されるものではなく、どのような形状
でもかまわない。たとえば、図１２に下面図を示した半
導体基板１００ｂでは、方環状の溝Ｃ５，Ｃ６が形成さ
れている。この半導体基板１００ｂを切断線１０−１０
に沿って切断した断面は、図１０と同様になるが、作用
部１１０ｂは正方形状の領域となり、第１可撓部１２１
ｂ、中間部１２３ｂ、第２可撓部１２２ｂ、固定部１３
０ｂは、いずれも方環状の領域となる。

【００２４】また、上述の実施例では、中間部の肉厚が
作用部および固定部の肉厚と同じ構造となっていたが、
本発明はこのような実施例のみに限定されるものではな
い。たとえば、図１３に断面図を示した半導体基板１０
０ｃでは、第１可撓部１２１ｃと第２可撓部１２２ｃと
の間に形成された中間部１２３ｃは、断面が逆三角形状
をしており、作用部１１０ｃおよび固定部１３０ｃに比
べて肉厚も薄くなっている。しかしながら、第１可撓部
１２１ｃや第２可撓部１２２ｃに比べれ肉厚は厚く、可
撓性は少ない構造となっている。このような中間部１２
３ｃを設けても、本発明の作用効果が得られる。

【００２５】続いて、大量生産に適した構造をもつ実施
例を述べる。いま、図１４に示すような半導体ウエハ３
００を用意し（一般には、円盤状のウエハが用いられて
いるが、ここでは説明の便宜上、正方形状のウエハを用
いた単純な例を示す）、ダイシングソーなどによる機械
的切削加工によって縦横に溝Ｇを図のような位置に形成
したものとする。図１４に示す半導体ウエハ３００を切
断線１５−１５に沿って切断した断面図を図１５に示す
。この後、図の破線Ｂで示す位置で、この半導体ウエハ
３００を切断し、４つのユニットにすれば、各ユニット
のそれぞれが本発明に係る検出装置を構成することが理
解できよう。すなわち、図１５に示すように、中央に作
用部１１０ｄ、その周囲の方環状の溝形成領域に第１可
撓部１２１ｄ、その周囲に中間部１２３ｄ、その周囲の
方環状の溝形成領域に第２可撓部１２２ｄ、更にその周
囲に固定部１３０ｄが形成されている。ここでは、１枚
の半導体ウエハ３００から４つのユニットを取る例を示
したが、実際には、縦横によりたくさんのユニットを配
列し、よりたくさんのユニットを取ることができる。このような工程で溝を形成すると、１回の切削加工で複
数枚のユニットに溝を形成することができるため、大量
生産を行う上で非常に効率的となる。

【００２６】上述の大量生産に適した方法は、機械的加
工により溝を形成するものである。一般に、機械的加工
法としては、上述したようなダイシングソーなどによる
切削加工の他に、放電加工、超音波による加工などが知
られている。たとえば、放電加工を行う場合は、図１６
に示すように、所定形状の放電電極４００を用意し、こ
の放電電極４００の表面から放電を行うことにより、半
導体基板１００ｅの下面に、電極の形状に対応した溝を
形成することができる。その結果、作用部１１０ｅ，第
１可撓部１２１ｅ，中間部１２３ｅ，第２可撓部１２２
ｅ，固定部１３０ｅが形成される。

【００２７】図１７に下面図を示す半導体基板１００ｆ
は、いわゆるカンチレバータイプの構造をもった実施例
である。半導体基板１００ｆを切断線１８−１８で切断
した断面を図１８に、切断線１９−１９で切断した断面
を図１９に、それぞれ示す。この実施例の特徴は、中央
の作用部１１０ｆと、周囲の固定部１３０ｆとの間の領
域の４か所に、貫通孔Ｈが設けられている点である。こ
の貫通孔Ｈに挟まれた部分の４か所に、架橋部１２０ｆ
が形成されている。図１８に示すように、この架橋部１
２０ｆにおける構造は、上述の実施例と同様であり、内
側および外側に溝が形成されており、第１可撓部１２１
ｆ，中間部１２３ｆ，第２可撓部１２２ｆを構成してい
る。このような架橋構造を採ることにより、第１可撓部
１２１ｆ，第２可撓部１２２ｆの可撓性を更に高めるこ
とが可能になる。

【００２８】以上、本発明に係る検出装置を、いくつか
の実施例に基づいて説明したが、本発明の装置は、力の
みでなく、加速度や磁気の検出にも応用しうるものであ
る。たとえば、図２０は、本発明を加速度検出装置に応
用した実施例を示す断面図である。この装置の中枢とな
る部分は、図１０に示した半導体基板１００ａである。半導体基板１００ａの下面には支持基板５００が、上面
には制御基板６００が、それぞれ接合されている。支持
基板５００の中央部には溝Ｃ７が形成されており、作用
部１１０ａの図の下方への変位は、この溝Ｃ７の深さ以
内に制御される。作用部１１０ａがそれ以上下方へ変位
しようとすると、底面５０１に当接して阻まれる。同様
に、制御基板６００の中央部には溝Ｃ８が形成されてお
り、作用部１１０ａの図の上方への変位は、この溝Ｃ８
の深さ以内に制御される。作用部１１０ａがそれ以上上
方へ変位しようとすると、天面６０１に当接して阻まれ
る。半導体基板１００ａは、その周囲の固定部１３０ａ
が支持基板５００の周囲に固着されており、支持基板５
００は、パッケージ７００の底面に固着されている。ま
た、パッケージ７００の上部は蓋板７１０で覆われる。前述したように、半導体基板１００ａの上面所定位置に
は、複数の抵抗素子が形成されており、この抵抗素子は
、ボンディングワイヤ７２０を介して、リード７３０に
接続され、外部の検出回路と電気的に接続されることに
なる。この実施例では、半導体基板１００ａは単結晶シ
リコン基板からなり、支持基板５００および制御基板６
００は、同じシリコンあるいはガラスからなる。

【００２９】このような構造をもった装置では、固定部
１３０ａはパッケージ７００に固着された状態となり、
作用部１１０ａおよび中間部１２３ａは、宙吊りの状態
となっている。したがって、パッケージ７００に加速度
が加わると、作用部１１０ａに慣性力に基づく力が作用
することになる。すなわち、加えられた加速度に基づい
て、作用部１１０ａに力が作用することになる。こうし
て、加速度の検出が可能になる。

【００３０】図２１は、本発明を加速度検出装置に応用
した別な実施例を示す断面図である。この装置の中枢と
なる部分は、図１３に示した半導体基板１００ｃである
。半導体基板１００ｃの固定部１３０ｃの下面には台座
５１０が接合されており、作用部１１０ｃの下面には重
錘体５２０が接合されている。また、台座５１０は支持
基板５００に接合されており、半導体基板１００ｃの上
面には制御基板６００が接合されている。支持基板５０
０の中央部には溝Ｃ７が形成されており、重錘体５２０
の図の下方への変位は、この溝Ｃ７の深さ以内に制御さ
れる。重錘体５２０がそれ以上下方へ変位しようとする
と、底面５０１に当接して阻まれる。同様に、制御基板
６００の中央部には溝Ｃ８が形成されており、作用部１
１０ｃの図の上方への変位は、この溝Ｃ８の深さ以内に
制御される。作用部１１０ｃがそれ以上上方へ変位しよ
うとすると、天面６０１に当接して阻まれる。支持基板
５００は、パッケージ７００の底面に固着されている。また、パッケージ７００の上部は蓋板７１０で覆われる
。前述したように、半導体基板１００ｃの上面所定位置
には、複数の抵抗素子が形成されており、この抵抗素子
は、ボンディングワイヤ７２０を介して、リード７３０
に接続され、外部の検出回路と電気的に接続されること
になる。この実施例では、半導体基板１００ｃは単結晶
シリコン基板からなり、台座５１０、重錘体５２０、支
持基板５００、および制御基板６００は、同じシリコン
あるいはガラスからなる。これらの間の接合部は、静電
接着（陽極接合）されている。

【００３１】このような構造をもった装置では、固定部
１３０ｃはパッケージ７００に固着された状態となり、
重錘体５２０は、宙吊りの状態となっている。したがっ
て、パッケージ７００に加速度が加わると、重錘体５２
０に慣性力に基づく力が作用し、この力は作用部１１０
ｃに伝達される。すなわち、加えられた加速度に基づい
て、作用部１１０ｃに力が作用することになる。重錘体
５２０を設けることにより、上述の実施例に比べて、よ
り感度を高めることが可能である。また、重錘体５２０
の代わりに磁性体を用いるようにすれば、磁気検出装置
として機能させることも可能である。

【００３２】図２２は、本発明を力検出装置として用い
る実施例を示す断面図である。この装置の中枢となる部
分は、図１０に示した半導体基板１００ａである。半導
体基板１００ａの上面には制御基板６００が接合され、
作用部１１０ａの図の上方への変位を制御する点は前述
の加速度検出装置と同様である。半導体基板１００ａの
周囲の固定部１３０ａは、パッケージ７００に固着され
ている。また、パッケージ７００の上部は蓋板７１０で
覆われる。半導体基板１００ａの上面所定位置に形成さ
れた抵抗素子は、ボンディングワイヤ７２０を介して、
リード７３０ａに接続され、外部の検出回路と電気的に
接続されることになる。このような構造をもった装置で
は、作用部１１０ａに加えられた外力Ｆを直接検出する
ことが可能である。

【００３３】図２３は、外力を検出する装置に適した実
施例を示す断面図である。この装置は、金属からなる起
歪体８００と単結晶シリコン基板９００から構成される
。起歪体８００には、金属だけに限らず、セラミック、
プラスチック、ガラスなどの材料を用いてもよい。起歪体８００は、ほぼ円盤状をしており、中心の作用部
８１０は下方へと伸びている。その周囲には同心円状に
、第１可撓部８２１、中間部８２３、第２可撓部８２２
、固定部８３０が形成されている。起歪体８００の上面
には平面が形成されており、この平面上に単結晶シリコ
ン基板９００が接合されている。単結晶シリコン基板９
００の上面の、第１可撓部８２１の上方位置および第２
可撓部８２２の上方位置には、抵抗素子が形成されてい
る。この抵抗素子はボンディングワイヤ９１０により電
極９２０に接続されており、電極９２０は貫通孔８３１
を通して起歪体８００の下面へと導出されている。この
ような構造をもった装置では、作用部８１０に加えられ
た外力Ｆを直接検出することが可能である。外力Ｆの作
用により、第１可撓部８２１および第２可撓部８２２に
撓みが生じると、この撓みは単結晶シリコン基板９００
上の抵抗素子へと伝達され、電気抵抗の変化として外力
Ｆが検出できる。起歪体８００を単結晶シリコン基板９
００とは別体として構成することにより、比較的大きな
外力を作用部８１０に直接作用させることができるため
、外力を検出するための装置として好ましい実施例であ
る。

【００３４】以上、本発明を図示するいくつかの実施例
に基づいて説明したが、本発明はこの他にも種々の応用
ができるものである。たとえば、上述の実施例では、半
導体基板の中心に作用部、外周に固定部を定義している
が、これとは逆に、半導体基板の中心に固定部、外周に
作用部を定義することも可能である。この場合、図６に
おいて、中央部１１０が固定部となり、装置本体に固着
される。そして、周辺部１３０が作用部となるため、検
出対象となる力はこの周辺部１３０に作用させることに
なる。

【００３５】

【発明の効果】以上のとおり、本発明による検出装置に
よれば、可撓部を第１可撓部と第２可撓部とに分け、抵
抗素子形成領域に応力を集中させるようにしたため、感
度の高い検出を行うことができるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の力検出装置の上面図である。

【図２】図１に示す力検出装置をＸ軸に沿って切断した
断面図である。

【図３】図１に示す力検出装置にＺ軸方向の力Ｆｚが作
用したときの応力分布を示すグラフおよび機械的変形を
示す断面図である。

【図４】図１に示す力検出装置にＸ軸方向の力Ｆｘが作
用したときの応力分布を示すグラフおよび機械的変形を
示す断面図である。

【図５】本発明の一実施例に係る力検出装置の上面図で
ある。

【図６】図５に示す力検出装置をＸ軸に沿って切断した
断面図である。

【図７】図５に示す力検出装置にＺ軸方向の力Ｆｚが作
用したときの応力分布を示すグラフおよび機械的変形を
示す断面図である。

【図８】図５に示す力検出装置にＸ軸方向の力Ｆｘが作
用したときの応力分布を示すグラフおよび機械的変形を
示す断面図である。

【図９】本発明に係る力検出装置の製造方法を示す断面
図である。

【図１０】図９に示す製造方法の結果得られる力検出装
置の断面図である。

【図１１】図９に示す製造方法の結果得られる力検出装
置の下面図である。

【図１２】本発明の別な実施例に係る力検出装置の下面
図である。

【図１３】本発明のまた別な実施例に係る力検出装置の
断面図である。

【図１４】本発明に係る力検出装置の大量生産に適した
製造方法を示すための半導体ウエハの下面図である。

【図１５】図１４に示す半導体ウエハを切断線１５−１
５で切断した断面図である。

【図１６】本発明に係る力検出装置を放電加工によって
製造する方法を示す断面図である。

【図１７】本発明の更に別な実施例に係る力検出装置の
下面図である。

【図１８】図１７に示す力検出装置を切断線１８−１８
で切断した断面図である。

【図１９】図１７に示す力検出装置を切断線１９−１９
で切断した断面図である。

【図２０】本発明の一実施例に係る具体的な加速度検出
装置の断面図である。

【図２１】本発明の別な一実施例に係る具体的な加速度
検出装置の断面図である。

【図２２】本発明の一実施例に係る具体的な力検出装置
の断面図である。

【図２３】本発明の別な一実施例に係る具体的な力検出
装置の断面図である。

【符号の説明】

１０…半導体基板１１…作用部１２…可撓部１３…固定部９０…半導体ウエハ１００，１００ａ〜１００ｆ…半導体基板１１０，１１
０ａ〜１１０ｆ…作用部１２１，１２１ａ〜１２１ｆ…第１可撓部１２２，１２
２ａ〜１２２ｆ…第２可撓部１２３，１２３ａ〜１２３
ｆ…中間部１３０，１３０ａ〜１３０ｆ…固定部２０１〜２０２…マスク層３００…シリコンウエハ４００…放電電極５００…支持基板５０１…底面５１０…台座５２０…重錘体６００…制御基板６０１…天面７００，７００ａ…パッケージ７１０…蓋板７２０…ボンディングワイヤ７３０，７３０ａ…リード８００…起歪体８１０…作用体８２１…第１可撓部８２２…第２可撓部８２３…中間部８３０…固定部８３１…貫通孔９００…半導体基板９１０…ボンディングワイヤ９２０…電極Ｂ…切断線Ｃ１〜Ｃ８…溝Ｆ，Ｆｘ，Ｆｚ…力Ｇ…溝Ｈ…貫通孔Ｒ，Ｒｘ１〜Ｒｘ４，Ｒｙ１〜Ｒｙ４，Ｒｚ１〜Ｒｚ４
…抵抗素子Ｓ１１〜Ｓ１４，Ｓ２１〜Ｓ２４，Ｓ３１〜
Ｓ３４，Ｓ４１〜Ｓ４４…応力

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】　　力の作用を受ける作用部と、この作用
部の周囲に形成され可撓性をもった第１可撓部と、この
第１可撓部の周囲に形成された中間部と、この中間部の
周囲に形成され可撓性をもった第２可撓部と、この第２
可撓部の周囲に形成され装置本体に固定される固定部と
、を有し、前記中間部が前記第１可撓部および前記第２
可撓部に比べて可撓性の少ない構造となっている起歪体
と、前記第１可撓部に生じる機械的変形により電気抵抗
が変化する性質をもった第１の抵抗素子と、前記第２可
撓部に生じる機械的変形により電気抵抗が変化する性質
をもった第２の抵抗素子と、前記第１の抵抗素子と前記
第２の抵抗素子の電気抵抗の変化を検出する検出回路と
、を備え、前記検出回路による検出結果に基づいて、前
記作用部に作用した力を検出することを特徴とする力の
検出装置。
【請求項２】　　装置本体に固定される固定部と、この
固定部の周囲に形成され可撓性をもった第１可撓部と、
この第１可撓部の周囲に形成された中間部と、この中間
部の周囲に形成され可撓性をもった第２可撓部と、この
第２可撓部の周囲に形成され力の作用を受ける作用部と
、を有し、前記中間部が前記第１可撓部および前記第２
可撓部に比べて可撓性の少ない構造となっている起歪体
と、前記第１可撓部に生じる機械的変形により電気抵抗
が変化する性質をもった第１の抵抗素子と、前記第２可
撓部に生じる機械的変形により電気抵抗が変化する性質
をもった第２の抵抗素子と、前記第１の抵抗素子と前記
第２の抵抗素子の電気抵抗の変化を検出する検出回路と
、を備え、前記検出回路による検出結果に基づいて、前
記作用部に作用した力を検出することを特徴とする力の
検出装置。
【請求項３】　　請求項１または２に記載の装置におい
て、起歪体がほぼ平板状の基板によって構成され、この
基板に環状に第１の溝を掘ることにより第１可撓部を形
成し、この第１の溝の周囲に環状に第２の溝を掘ること
により第２可撓部を形成したことを特徴とする力の検出
装置。
【請求項４】　　請求項３に記載の装置において、基板
が単結晶基板により構成され、第１の抵抗素子および第
２の抵抗素子が、この単結晶基板上に形成されているこ
とを特徴とする力の検出装置。
【請求項５】　　請求項１または２に記載の装置におい
て、起歪体とは別個に単結晶基板を用意し、第１の抵抗
素子および第２の抵抗素子をこの単結晶基板上に形成し
、この単結晶基板を起歪体に接合するようにしたことを
特徴とする力の検出装置。
【請求項６】　　請求項１〜５のいずれかに記載の装置
において、加速度に起因して発生する力を作用部に作用
させることにより、前記加速度を検出しうるようにした
ことを特徴とする加速度の検出装置。