JPH0473630B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の属する技術分野］ この本発明は、ストレンゲージを用いて、受圧
面に印加されている力を検出する圧覚センサのう
ちで、特に面状に分布された荷重の分布を検出す
るに適した小形の圧覚センサに関する。

［従来技術とその問題点］ 第１図に従来から用いられてる力の３方向成分
を検出するセンサ（八角形応力リング）を示す。
このセンサは金属製八角形リング１の受圧面２お
よび基板面３を除く外周部の６面と、両側面およ
び内周面とにそれぞれストレンゲージ４１〜４
４，５１〜５４，６１〜６４を貼付して、その貼
付位置によつて３方向成分を互いに分離してそれ
ぞれ検出するようにしたものである。上述のスト
レンゲージ４１〜４４は八角形リングのうちの受
圧面２に垂直な外周面とリングの内周面とに貼付
されており、受圧面２に垂直な力の成分Fzを研
修する。また、ストレンゲージ５１〜５４は八角
形リングのうちの４つの斜めの外周面に貼付され
ており、受圧面２にかかる水平な力の成分のうち
のＸ方向の成分Fxを検出する。さらに、ストレ
ンゲージ６１〜６４はリングの両側面に、八角形
リングの斜め面と同じ角度で、リングの肉厚のほ
ぼ中央部に貼付されており、受圧面２にかかる水
平な力の成分のうちのｙ方向の成分Fyを検出す
る。

このように、図示のような３方向分力センサは
力を基本的な直角座標系に分解し３方向分力とし
て検出しているので、この３分力を演算式により
合成することによつて力の大きさや方向を求める
ことがでる。更に任意の方向の力も求めることが
できる。

このように力の分解、合成が容易にできるの
が、３方向分力センサの大きな特徴である。

しかしながら、図示のような従来の八角形応力
リングは、、３方向の力の成分を検出するセンサ
としては著名なものであるが、次のような欠点が
あり、特にこれを面アレイ状に配列して面状に分
布する荷重の荷重分布を検出するには不適当であ
る。以下、その欠点を列挙する。

多数のストレンゲージをリング体の各方向に
貼付した構造であるので、小形化が困難であ
る。

ストレンゲージを貼付するために、その貼付
層によるクリープを生じさせ、安定性が悪い。

ストレンゲージの貼付位置により、大きな干
渉出力を発生する。

製作が比較的大変である。特に、リングの内
周面へのストレンゲージの貼付は難しい。

量産性がなく、高価となる。

一応、人間の手のひらの有する圧覚機能にでき
るだけ近いレベルの高度な圧覚機能を有するロボ
ツトハンドを実現するためには、その圧覚センサ
としては３方向分力センサの機能を有し、さらに
このセンサを多数高密度で面アレイ状に配列し
て、印加される力の分布状態や力の中心（重心）
とそれに働く合成力を正確に求めることができな
けれならない。そのため、このような圧覚センサ
としては、荷重の分力を相互間の干渉なしによく
分離して正確に研修できること、寸法を極小化し
て高密度集積化できることが要求され、例えばセ
ンサの受圧板の大きさは数mm角、できれば１mm角
以下にすることが望ましい。

第２図は上述の従来技術の有する欠点を解消す
る目的で提案されたこの発明の対象のシリコン製
プレーナ形圧覚センサの一例を示すもので、所定
の伝導形のシリコン単結晶からなるリング状の感
圧構造体７の受圧面８に垂直な平面１３の各所定
位置に、複数個の拡散形ストレンゲージ１０１〜
１０４，１１１〜１１４，１２１〜１２４をプレ
ーナ技術によつて形成している。上述のストレン
ゲージ１０１〜１０４は受圧面に垂直な力の成分
Fzを検出し、また、ストレンゲージ１１１〜１
１４は受圧面８に平行な力の一成分Fxを検出し、
さらに、ストレンゲージ１２１〜１２４は受圧面
８に平行な力の成分Fyを検出する。これらのス
トレンゲージの配置は後述のように高感度でかつ
他の二方行分力に対し理論的に影響を受けぬ場所
に設けられている。また拡散形ストレンゲージを
ゲージ率（ピエゾ抵抗係数）の結晶方位依存のな
い｛111｝面に形成すれば、特性のバラツキの非
常に小さい圧覚センサが得られる。

感圧構造体７は基板面９で不図示の基板上に固
定され、受圧面８に印加される力を受け止める。
この力の各成分を検出する上述のストレンゲージ
群は、例えば第３図Ａ〜Ｃに示すように、それぞ
れにブリツジに結線されて、力の成分に応じた電
気信号Ez，ExおよびEyを出力する。なお、第２
図においては、ブリツジ結線するための配線は煩
雑さを避けるために省略してある。

第４図は第２図のストレンゲージ形成面（平
面）１３のゲージ配置および配線の一例を示す。
この例は従来の配線法によるものであるが、図示
のように、Fz検出用のストレンゲージ１０１〜
１０４は感圧構造体７の中心を通り、上部の受圧
面８に平行な線Ａ−A′上で、左右の外縁および
内縁の近くのストレンゲージ形成面１３に合計４
個配置され、かつ配線１４１でブリツジ結線さ
れ、この配線１４１に接続したボンデイングパツ
ド部１５で入出力がされている。また、Fx検出
用のストレンゲージ１１１〜１１４は上述の線Ａ
−A′から上下両方向に角度α°傾いた２つの線上の
外縁近くのストレンゲージ形成面１３に合計４個
配置され、かつ配線１４２でブリツジ結線され、
この配線１４２に接続したボンデイングパツド部
１５で入出力がされている。さらに、Fy検出用
のストレンゲージ１２１〜１２４は、上述の線Ａ
−A′から上下両方向に角度α°傾いた線上のリング
の中央近くの材料力学的な中立軸上の位置のスト
レンゲージ形成面１３に合計４個配置され、かつ
配線１４３でブリツジ結線され、この配線１４３
に接続したボンデイングパツド部１５で入出力が
されている。上述の角度α°は受圧面８に垂直な力
のみがその受圧面に印加されたとき、ひずみを生
じない位置の角度に選定され、例えば図示のよう
な円形リングの場合には、50.4°の近傍になる。
すなわち、円形リングの場合においては、ストレ
ンゲージ配置位置は受圧面８に平行な中心点を通
る線上およびこの線と約50°の傾きをもつ線上が
望ましい。

このような、シリコン製プレーナ形圧覚センサ
において、その信頼性を決める大きな要素は配線
の信頼性である。すわち、上述のように感圧構造
体を構成するシリコンの表面近くにストレンゲー
ジを形成し、そのストレンゲージ間の結線および
入出力のための配線がシリコンの表面に形成され
るのであるから、シリコン感圧構造体に生じる歪
が配線部にも及ぶ。この歪で、配線部の抵抗変化
あるいは断線を生じると、信頼性を大きく低下さ
せる。力の三成分を検出する圧覚センサの場合に
はその配線が複雑で、第５図に示すような通常の
金属薄膜による配線２４の構成では、第６図に示
すように相当多数の配線２４−１，２４−２のク
ロスオーバが必要となる。（なお、ここで、２２
はＮ形シリコン基板２１上に形成された、SiO₂
膜、２６はSiO₂膜２２上の２つの配線２４−１，
２４−２のクロスオーバ位置で両線を分離する被
覆絶縁層であり、２１はＮ形シリコン基板、２５
はボンデイングパツド部である。） 例えば、前述の第４図に示すような力の三成分
検出用電源を力の三成分検出ストレンゲージ群毎
に完全に独立に配線した片面三成分電源完全独立
形の圧覚セン単位セルの場合では、その配線のク
ロスオーバは39個所も必要となる。図の、X₃，
X₄，Y₃，Y₄，Z₃，Z₄はプラスまたはマイナス側
電源端子である。また、第７図に示すように、そ
の電源の一方を共通（アース側端子Ｇ）にし、他
方を独立プラス側端子（V_X，V_Y，V_Z）にした片
面三成分電源不完全独立形では、その配線のクロ
スオーバは35個所になる。さらに、第８図に示す
ように各ブリツジに対して電源を共通（プラス側
端子Ｖ、マイナス側端子Ｖ）にした片面三成分電
源共用形の場合にしても、その配線のクロスオー
バは31個所も必要となる。このようなクロスオー
バは、シリコン感圧構造体に生じる歪がクロスオ
ーバ部に及ぶと、配線部２４の抵抗変化あるいは
断線を生じやすく、信頼性を大きく低下させるこ
ととなる。

そこで、配線のクロスオーバの設置場所を圧覚
センサ単位セルの左右個所と下部位置とにし、そ
の左右個所をそれぞれ垂直方向分力Fz検出用の
両ストレンゲージの中間部の中央位置にすれば、
その左右個所は比較的歪の発生の小さい領域とす
ることができて、そこのクロスオーバの信頼性へ
の影響はほぼなくなるが、一方下部位置は歪の比
較的最も大きな領域であるので、その下部のクロ
スオーバは抵抗変化や断線を生じやすく信頼性に
問題がある。

［発明の目的］ この発明の目的は、上述の従来技術の有する欠
点を解消して、小形で高密度集積化が可能であ
り、かつ安定性が良く、力の３方向成分の正確な
検出ができ、また量産性がよく、廉価に製作で
き、力の三方向成分間の干渉が小さい圧覚センサ
を提供することにあり、特に信頼性の点で問題の
ある配線のクロスオーバの数を減少し、圧覚セン
サ単位セルの下部位置のクロスオーバ数を減ら
し、できればそのクロスオーバを皆無にすること
におり、信頼性の高い圧覚センサを提供すること
にある。

［発明の要点］ この発明は、弾性体として非常に秀れた特性を
有する単結晶シリコンを感圧構造体とし、その受
圧面に垂直な面にプレーナ技術によつて形成した
拡散形ストレンゲージ群の抵抗値の変化によつ
て、受圧面に印加された力の三方向成分を検出す
るシリコン製プレーナ形の圧覚センサにおいて、
その単結晶シリコンの基板部表面に設けたエピタ
キシヤル層は、このエピタキシヤル層表面に形成
されたストレンゲージと、このエピタキシヤル層
を上記基板部表面または貫通して形成された拡散
層とを有し、かつこのエピタキシヤル層は、上記
基板部と上記拡散層と上記ストレンゲージとは反
対の伝導形であり、上記拡散層および上記基板部
を上記ストレンゲージへの配線の一部として構成
したことことにより、配線の一部を表面の金属配
線から内部のシリコン基板へと置き変えて、配線
のクロスオーバの数を減らすようにしたものであ
る。

［発明の実施例］ 以下、図面を参照してこの発明を詳細に説明す
る。

第９図は第２図のようなシリコン製プレーナ形
圧覚センサ単位セルに適用したこの発明の一実施
例の要部断面を示すもので、単結晶シイコン基板
３６上にエピタキシヤル層３７を衛生し、このエ
ピタキシヤル層３７の表面近くに拡散形ストレン
ゲージ２３を形成し、かつエピタキシヤル層３７
に貫通させた貫通拡散層３８により金属薄膜配線
２４とシリコン基板３６とを接続させ、これによ
り拡散形ストレンゲージ２３とボンデイングパツ
ド部２５とを２つの短い金属薄膜配線２４と２つ
の貫通拡散層３８と共通のシリコン基板３６とを
通じて電気的に接続させている。

このように電気的に接続させるため、シリコン
基板３６、貫通拡散層３８および拡散形ストレン
ゲージ２３は全て同じ伝導形（例えばＰ形）に
し、絶縁層の役目をはたすエピタキシヤル層３７
はこれと反対の伝導形（例えばＮ形）にする。こ
のように、配線の一部は上述の貫通拡散層３８と
シリコン基板３６とに置き換えられるので、配線
のクロスオーバの数を大幅に減少させることがで
きる。すなわち、貫通拡散層３８と接続する金属
薄膜配線２４はごく短くすることができるので、
例えば後述のように電源配線としてこの配線等２
４，２６，３８を用いれば少なくともこの配線を
他の検出信号等の配線とはクロスオーバすること
がなくなる。

なお、Ｐ形のエピタキシヤル層３７にＮ形の拡
散形ストレンゲージ２３を形成する場合も可能で
はあるが、Ｎ形のエピタキシヤル層３７にＰ形の
拡散形ストレンゲージ２３を形成する方が感度の
高いものが得られる。また、Ｐ形単結晶シリコン
基板３６としては、配線の一部として用いる関係
上、比抵抗が１Ω・cm以下のシリコンを用いるの
が好ましい。

さらに、製造工程例を簡単に説明すると、Ｐ形
単結晶シリコン基板３６上の全面に気相成長法に
よりＮ形エピタキシヤル層３７を成長させた後、
このエピタキシヤル層３７上にSiO₂酸化膜２２
を熱酸化などにより形成する。次にこの形成した
酸化膜２２にホトエツチング技術を用いて、選択
拡散を行う部分に拡散孔を設ける。次いで、イオ
ン注入技術により高濃度Ｐ形の不純物の選択拡散
を行つて、Ｐ形拡散形ストレンゲージ２３とＰ形
貫通拡散層３８とをエピタキシヤル層３７に形成
する。その際、Ｐ形拡散形ストレンゲージ２３は
エピタキシヤル層３７の表面近くに形成し、Ｐ形
貫通拡散層３８はエピタキシヤル層３７を貫通す
るように形成する。続いて、蒸着技術によりアル
ミニウム薄膜をSiO₂酸化膜２２上に付着させて、
更にホトエツチング技術により、金属薄膜配線２
４を形成する。この配線２４の一部の所定場所に
ボンデイングパツド２５を固着する。

第１０図はこの発明の他の実施例の要部断面を
示すもので、ストレンゲージ側の貫通拡散層３８
がエピタキシヤル層３７を貫通して、拡散形スト
レンゲージ２３とシリコン基板３６と直接接続し
ている。これにより、ストレンゲージ２３と貫通
拡散層３８とを接続する金属薄膜配線２４が無く
なるので、配線の数がさらに少なくなり、さらに
信頼性を高めることができる。

第１１図および第１２図にこの発明による圧覚
センサ単位エルの配線の例を示す。図中〓で図示
した個所に、第９図および第１０図で示したこの
発明を適用している。なお、図のＧはマイナス側
電源端子（アース端子）である。この発明の適用
により、例えば第１１図の片面エピ形・三成分電
源共用形の場合では、クロスオーバがほぼ1/3の
13ケ所に減らせ、第１２図の片面エピ形・三成分
電源共用形の場合では、クロスオーバがほぼ1/3
の12ケ所または10ケ所に減らせ、さらに信頼性に
一番問題とな下部位置におけるクロスオーバをそ
れぞれ１〜０ケ所とすることができる。

なお、この実施例では単結晶シリコン感圧構造
体の所定の片面のみ拡散形ストレンゲージを形成
した圧覚センサ単位セルの場合について説明した
が、この発明はその単結晶シリコン感圧構造体の
両面にそれぞれ力の三成分を検出する拡散形スト
レンゲージを形成する場合にも好適であり、両側
のストレンゲージの配線の一部としてシリコン基
板が使用できるのは勿論である。

次に、このように構成した圧覚センサの製造方
法の一例について第１３図Ａ，Ｂを参照して簡単
に説明する。まず、所定の厚さ（例えば0.6mm）
を有し。所定の伝導形（例えばＰ形）と比抵抗
（例えば１Ω・cm以下）を有し、かつ所定方向の
結晶方位を有する単結晶シリコンウエハ１６の
｛111｝面上に形成したそれと反対の伝導形（例え
ばＮ形）のエピタキシヤル層の圧覚センサ単位セ
ル相当領域１７に第１１図または第１２図のよう
な配置の拡散形ストレンゲージ１０１〜１２４の
群、および金属配線をマスクレスイオンビーム加
工やAl蒸着などのIC製造技術（プレーナ技術）
によつて形成する。このIC製造方法によれば、
１枚のウエハ１６のエピタキシヤル層に多数個の
圧覚センサ単位セルを作り込むことができる。こ
のウエハ１６からワイヤーソーカツト法やレーザ
加工あるいはエツチカツトなどの機械加工によ
り、圧覚センサ単位セルを精度よく切り出すこと
によつて、特性のよく揃つた小形（例えば数mm〜
１mm）のプレーナ形圧覚センサ単位セルが得られ
る。なお、以上の説明ではリング状の圧覚センサ
について述べたが、リング状以外の圧覚センサに
も本発明のプレーナ形製造が適用できることは勿
論である。

なお、本例の圧覚センサ単位セルは極めて小形
にできるので、第１４図に示すようにこの圧覚セ
ンサ単位セル２０２を下部共通基板２０３上にそ
の溝２０４に嵌め合せて多数個ｘ、ｙ方向の面ア
レイ状に垂直に並べて固着し、それらの圧覚セン
サ単位セル２０２の上部に受圧板２０５を固着し
て圧覚センサアレイ２０６を形成すれば、面状に
分布する荷重の荷重分布を正確に検出することが
でできる。その際、圧覚センサ単位セル２０２を
１個また２個を１組として、受圧微細モジユール
の単位を形成する場合に、その各受圧微細モジユ
ールは１cm²当り25〜100個程度の密度でアレイ状
に一体に集積することができ、これらをロボツト
ハンド等の把持面等に取付けて高精度の各種制御
を行うことが可能となる。

［発明の効果］ 以上説明したように、この発明によれば、拡散
形ストレンゲージの配線の一部を貫通拡散層とシ
リコン基板とに置き換えるようにしたので、配線
のクロスオーバの数が大幅に減り、しかもその結
果、クロスオーバの大部分を小歪領域に限定する
ことができるので、抵抗変化あるいは断線を生じ
やすいクロスオーバをほとんど無くすることが可
能となり、圧覚センサの信頼性が飛躍的に向上す
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来技術による圧覚センサ（八角形応
力リング）を示す斜視図、第２図はこの発明の対
象の圧覚センサの一例の斜視図、第３図Ａ〜Ｃは
第２図の圧覚センサのストレンゲージの結線状態
を示す回路図、第４図は従来技術を適用して配線
した圧覚センサの配線の配置例を示す模式図、第
５図および第６図は第４図の圧覚センサの配線部
分の構成を示す断面図、第７図および第８図は従
来技術を適用して配線した圧覚センサの配線の配
置例の模式図、第９図はこの発明を実施した圧覚
センサの配線部分の構成例を示す断面図、第１０
図はこの発明の他の実施例を示す断面図、第１１
図および第１２図はこの発明を実施して配線した
圧覚センサの線の配置例を示す模式図、第１３図
Ａはこの発明による圧覚センサ単位セルの製造方
法の説明図で、第１３図ＢはそのＡ部を拡大した
拡大図、第１４図はこの発明による圧覚センサ単
位セルを面アレイ状に配列して圧覚センサアレイ
を形成した例を示す斜視図である。 １……金属製八角形リング、７……シリコン感
圧構造体、２，８……受圧面、３，９……基板
面、１３……ストレンゲージ形成面、１５……ボ
ンデイングパツド部、１６……シリコンウエハ、
１７……圧覚センサ単位セル相当領域、２１……
（Ｎ形）シリコン基板、２２……SiO₂膜、２３…
…（Ｐ形）拡散形ストレンゲージ、２４……金属
薄膜配線、２４−１，２４−２……第１、第２金
属薄膜配線、２５……ボンデイングパツド部、２
６……被覆絶縁層、２６……（Ｐ形）シリコン基
板、３７……（Ｎ形）エピタキシヤル層、３８…
…（Ｐ形）貫通拡散層、１０１〜１０４，１１１
〜１１４，１２１〜１２４……拡散形ストレンゲ
ージ、１４１〜１４３……配線。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 単結晶シリコンを感圧構造体とし、該感圧構
   造体の受圧面に垂直な面に複数個の拡散形ストレ
   ンゲージを形成し、これらの該ストレンゲージの
   抵抗値の変化によつて前記受圧面に印加された力
   の三成分を検出する圧覚センサにおいて、 前記単結晶シリコンの基板部表面に設けたエピ
   タキシヤル層は、該エピタキシヤル層表面に形成
   されたストレンゲージと、該エピタキシヤル層を
   前記基板部表面まで貫通して形成された拡散層と
   を有し、かつ該エピタキシヤル層は、前記基板部
   と前記拡散層と前記ストレンゲージとは反対の伝
   導形であり、前記拡散層および前記基板部を前記
   ストレンゲージへの配線の一部として構成したこ
   とを特徴とする圧覚センサ。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の圧覚センサにお
   いて、前記単結晶シリコンの基板部としてＰ形シ
   リコンを用い、前記エピタキシヤル層としてＮ形
   シリコンを用い、前記拡散形ストレンゲージとし
   てＰ形拡散層を用いたことを特徴とする圧覚セン
   サ。 ３ 特許請求の範囲第１項または第２項記載の圧
   覚センサにおいて、前記単結晶シリコンの基板部
   として、比抵抗が１Ω・cm以下のシリコンを用い
   たことを特徴とする圧覚センサ。