JPH0473631B2 - - Google Patents

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JPH0473631B2
JPH0473631B2 JP59008787A JP878784A JPH0473631B2 JP H0473631 B2 JPH0473631 B2 JP H0473631B2 JP 59008787 A JP59008787 A JP 59008787A JP 878784 A JP878784 A JP 878784A JP H0473631 B2 JPH0473631 B2 JP H0473631B2
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pressure sensor
wiring
strain gauge
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pressure
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    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10DINORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D48/00Individual devices not covered by groups H10D1/00 - H10D44/00
    • H10D48/50Devices controlled by mechanical forces, e.g. pressure

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  • Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)
  • Pressure Sensors (AREA)

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。
[Detailed Description of the Invention] [Technical Field to Which the Invention Pertains] This invention relates to a pressure sensor that uses a strain gauge to detect a force applied to a pressure receiving surface, and particularly to a pressure sensor that detects a force that is applied to a pressure receiving surface. This invention relates to a small pressure sensor suitable for detecting the distribution of

[従来技術とその問題点] 第1図に従来から用いられている力の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〜
44,51〜54,61〜64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を検
出する。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。
[Prior Art and its Problems] Fig. 1 shows a conventionally used sensor (octagonal stress ring) that detects three-directional components of force. This sensor has strain gauges 41 to 41 on six outer peripheral surfaces of a metal octagonal ring 1 excluding the pressure receiving surface 2 and the substrate surface 3, and on both side surfaces and the inner peripheral surface.
44, 51 to 54, and 61 to 64 are pasted, and the three directional components are separated from each other and detected depending on the pasting position. The above-mentioned strain gauges 41 to 44 are attached to the outer peripheral surface of the octagonal ring perpendicular to the pressure receiving surface 2 and to the inner peripheral surface of the ring, and detect the force component Fz perpendicular to the pressure receiving surface 2. Further, the strain gauges 51 to 54 are attached to four oblique outer peripheral surfaces of the octagonal ring, and detect the x-direction component Fx of the horizontal force component applied to the pressure receiving surface 2. Furthermore, the strain gauges 61 to 64 are attached to both sides of the ring at the same angle as the diagonal surface of the octagonal ring and approximately at the center of the wall thickness of the ring, so that the strain gauges 61 to 64 are affixed to both sides of the ring at the same angle as the diagonal surface of the octagonal ring and approximately at the center of the wall thickness of the ring. Detect the component Fy in the y direction.

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離し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
ることができる。更に任意の方向の力も求めるこ
とができる。
In this way, the three-direction force sensor shown in the figure separates the force into a basic rectangular coordinate system and detects it as three-direction component forces, so by combining these three component forces using an arithmetic expression, , the magnitude and direction of force can be determined. Furthermore, force in any direction can be determined.

このように力の分離、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。
The ability to easily separate and combine forces in this way is a major feature of the three-directional force sensor.

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。
However, although the conventional octagonal stress ring shown in the figure is well-known as a sensor for detecting force components in three directions, it has the following drawbacks, especially when arranged in a planar array. It is inappropriate to detect the load distribution of a load distributed over a surface. The drawbacks are listed below.

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。
Since it has a structure in which a large number of strain gauges are attached in each direction of the ring body, it is difficult to downsize it.

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、安全性が悪い。
Since the strain gauge is attached, creep occurs due to the attached layer, resulting in poor safety.

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。
Depending on where the strain gauge is attached, a large interference output is generated.

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。
It is relatively difficult to manufacture. In particular, it is difficult to attach the strain gauge to the inner peripheral surface of the ring.

量産性がなく、高価となる。 It is not suitable for mass production and is expensive.

一方、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
ければならない。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
く分離して正確に検出できること、寸法を極小化
して高密度集積化できことが要求され、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。
On the other hand, in order to realize a robot hand with an advanced pressure sensing function as close as possible to the pressure sensing function of the human palm, the pressure sensor must have the function of a three-directional force sensor, and a large number of such sensors must be used. Arranged in a high-density surface array, the distribution state of the applied force and the center of force (center of gravity)
It is necessary to be able to accurately determine the resultant force acting on it. Therefore, such a pressure sensor is required to be able to accurately separate and accurately detect the component forces of a load without mutual interference, and to be able to minimize dimensions and integrate at a high density. It is desirable that the size be several mm square, preferably less than 1 mm square.

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8に垂直な力の成
分Fzを検出し、また、ストレンゲージ111〜
114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に平行な力の他の成分Fz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
度でかつ他の二方向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1をゲージ率(ピエゾ抵抗係数)の結晶
方向依存のない{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。
FIG. 2 shows an example of a silicon planar pressure sensor which is the object of the present invention and has been proposed for the purpose of eliminating the drawbacks of the above-mentioned prior art. A plurality of diffusion type strain gauges 101 to 10 are installed at predetermined positions on a plane 13 perpendicular to the pressure receiving surface 8 of the pressure sensitive structure 7.
104, 111 to 114, and 121 to 124 are formed by planar technology. The strain gauges 101 to 104 described above detect the force component Fz perpendicular to the pressure receiving surface 8, and the strain gauges 111 to
114 detects one component Fx of the force parallel to the pressure receiving surface 8, and furthermore, strain gauges 121 to 124 detect another component Fz of the force parallel to the pressure receiving surface 8. As will be described later, these strain gauges are arranged in locations that are highly sensitive and are theoretically unaffected by component forces in other two directions. Furthermore, if the diffusion type strain gauge 1 is formed on a {111} plane in which the gauge factor (piezoresistance coefficient) does not depend on the crystal direction, a pressure sensor with very small variation in characteristics can be obtained.

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。
The pressure-sensitive structure 7 is fixed on a substrate (not shown) at a substrate surface 9 and receives the force applied to the pressure-receiving surface 8 .
The above-mentioned strain gauge groups that detect each component of this force are each connected to a bridge, as shown in FIGS. 3A to C, for example, and output electric signals Ez, Ex, and Ey according to the force component. do. In addition, the second
In the figure, wiring for bridge connection is omitted to avoid complexity.

第4図は第2図のストレンゲージ1形成面(平
面)13のゲージ配置および配線の一列を示す。
この列は従来の配線法によるものであが、図示の
ように、Fz検出用のストレンゲージ101〜1
04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、Fz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1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。
FIG. 4 shows a gauge arrangement and a line of wiring on the strain gauge 1 forming surface (plane) 13 of FIG. 2. FIG.
This row is based on the conventional wiring method, but as shown in the figure, strain gauges 101 to 1 for Fz detection are connected.
A total of four 04 are arranged on the line A-A' that passes through the center of the pressure-sensitive structure 7 and is parallel to the upper pressure-receiving surface 8 on the strain gauge forming surface 13 near the left and right outer edges and inner edge, and the wiring Bridge connected at 141,
Input and output are performed through the bonding pad section 15 connected to this wiring 141. In addition, the strain gauges 111 to 114 for Fz detection are connected to the line A-
A total of four pieces are arranged on the strain gauge 1 forming surface 13 near the outer edge on two lines inclined at an angle α° in both the upper and lower directions from A′, and are bridge-connected with wiring 142,
Input and output are performed through the bonding pad section 15 connected to this wiring 142. Furthermore, the strain gauges 121 to 124 for Fy detection are connected to the line A described above.
A total of four strain gauges are arranged on the strain gauge forming surface 13 at a position on the material mechanical neutral axis near the center of the ring on a line tilted at an angle α° in both the vertical and vertical directions from −A', and are bridge-connected with wiring 143. Wiring 143
Input/output is performed through a bonding pad section 15 connected to. The above-mentioned angle α° is selected at a position that does not cause distortion when only a force perpendicular to the pressure receiving surface 8 is applied to the pressure receiving surface. For example, in the case of a circular ring as shown in the figure, the angle α° is 50.4 Become a neighborhood.
That is, in the case of a circular ring, the strain gauge is preferably arranged on a line passing through the center point parallel to the pressure receiving surface 8 and on a line having an inclination of about 50 degrees with this line.

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。すなわち、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、2
2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
はボンデイングオパツド部である。) 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安全独立
形の圧覚センサ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(VX,VY,VZ)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。
In such a silicon planar pressure sensor, a major factor that determines its reliability is the reliability of the wiring. In other words, as described above, strain gauges are formed near the surface of the silicon that constitutes the pressure-sensitive structure, and connections between the strain gauges and wiring for input/output are formed on the surface of the silicon. The strain that occurs in the pressure-sensitive structure also extends to the wiring section. If this distortion causes a resistance change or disconnection in the wiring section, reliability will be greatly reduced. In the case of a pressure sensor that detects three components of force, the wiring is complicated, and in the configuration of the wiring 24 made of a normal metal thin film as shown in FIG. 5, a considerable number of wiring 24- 1,24-2 crossover is required. (Note that here, 2
2 is SiO 2 formed on an N-type silicon substrate 21
The film 26 is two wirings 24-1 on the SiO 2 film 22,
24-2 is a covering insulating layer that separates both wires at the crossover position, 21 is an N-type silicon substrate, 25
is the bonding opad section. ) For example, in the case of a single-sided three-component power supply safety independent type pressure sensor unit cell in which the three-component force detection power supply is wired completely independently for each three-component force detection strain gauge group as shown in Figure 4 above. In this case, 39 wiring crossovers would be required. X 3 in the figure,
X 4 , Y 3 , Y 4 , Z 3 , and Z 4 are positive or negative power terminals. In addition, as shown in Figure 7, a single-sided three-component power supply is an incompletely independent type in which one side of the power supply is common (earth terminal G) and the other is an independent positive terminal (V X , V Y , V Z ). So, the wiring will have 35 crossovers. Furthermore, even in the case of a single-sided three-component power supply type in which the power supply is common to each bridge (positive side terminal V, negative side terminal V) as shown in Figure 8, there are 31 wiring crossovers. is also required. In such a crossover, when the strain generated in the silicon pressure-sensitive structure reaches the crossover portion, resistance change or disconnection of the wiring portion 24 is likely to occur, greatly reducing reliability.

そこで、配線のクロスオーバの配置場所を圧覚
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。
Therefore, if the wiring crossovers are placed at the left and right locations and at the bottom of the pressure sensor unit cell, and the left and right locations are placed at the center between the two strain gauges for vertical component force Fz detection,
The left and right parts can be set as areas where distortion is relatively small, and the influence on crossover reliability there is almost eliminated, but on the other hand, the lower position is the area where distortion is relatively the largest, so The lower crossover is prone to resistance changes and disconnections, which poses reliability problems.

[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
により、信頼性の高い圧覚センサを提供すること
にある。
[Objective of the Invention] The object of the present invention is to overcome the drawbacks of the above-mentioned prior art, to provide a compact and high-density integration system that is highly stable and capable of accurate detection of three-direction components of force. The object of the present invention is to provide a pressure sensor that can be easily mass-produced, is manufactured at low cost, and has little interference between three-directional components of force, and in particular reduces the number of wiring crossovers that are problematic in terms of reliability. The object of the present invention is to provide a highly reliable pressure sensor by reducing the number of crossovers at the lower position of the pressure sensor unit cell and, if possible, eliminating the crossovers.

[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圧覚センサにおいては、
ストレンゲージを形成できる面は表裏二面あるの
で、その表裏面で検出する力の成分を分担させ、
更に、エピタキシヤル層を貫通して基板部と表面
配線を拡散層で接続し、配線の一部、特に電源配
線の一部を金属配線から置き換えることにより、
クロスオーバを減らし、表面における配線密度を
減らしたものである。
[Summary of the Invention] This invention uses single crystal silicon, which has excellent properties as an elastic body, as a pressure-sensitive structure, and uses a diffusion type strain gauge group formed by planar technology on a plane perpendicular to the pressure-receiving surface. In a silicon planar pressure sensor that detects three-directional components of force applied to a pressure-receiving surface by changes in resistance,
Since there are two surfaces that can form a strain gauge, the front and back surfaces share the component of the force to be detected.
Furthermore, by penetrating the epitaxial layer and connecting the substrate part and surface wiring with a diffusion layer, and replacing part of the wiring, especially part of the power supply wiring, from metal wiring,
This reduces crossovers and reduces the wiring density on the surface.

[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。
[Embodiments of the Invention] Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

第9図はこの発明の一実施例の要部断面を拡大
して示すもので、ここで36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の単結晶
シリコン基板である。この単結晶シリコン基板3
6の表と裏の二面上にエピタキシヤル層37,3
7を形成し、この両面のエピタキシヤル層37,
37の表面近くに拡散形ストレンゲージ23,2
3を形成し、さらにこれらのエピタキシヤル層3
7,37を貫通して基板36に達する貫通拡散層
38,38を形成する。これらの貫通拡散層38
を介して、拡散形ストレンゲージ23やボンデイ
ングパツド部25の金属薄膜配線24のシリコン
基板36とを接続させ、また直接に拡散形ストレ
ンゲージ23とシリコン基板36とを接続させ
る。
FIG. 9 shows an enlarged cross-section of a main part of an embodiment of the present invention, where 36 is a single crystal silicon substrate of a silicon planar pressure sensor unit cell as shown in FIG. This single crystal silicon substrate 3
Epitaxial layers 37 and 3 are formed on the front and back surfaces of 6.
7, and epitaxial layers 37,
Diffusion type strain gauges 23, 2 near the surface of 37
3 and further these epitaxial layers 3
Through-diffusion layers 38 and 38 are formed to reach the substrate 36 by penetrating through the layers 7 and 37. These penetration diffusion layers 38
The diffusion type strain gauge 23 and the metal thin film wiring 24 of the bonding pad portion 25 are connected to the silicon substrate 36 via the silicon substrate 36, and the diffusion type strain gauge 23 and the silicon substrate 36 are directly connected.

これにより、両面の拡散形ストレンゲージ2
3,23と片面のボンデイングパツド部25とを
3個の貫通拡散層38,38,38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。なお、拡散形ストレンゲージ23とシリコン
基板36とを貫通拡散層38を介して直接に接続
した場合の方が、さらに配線数が減少するのは勿
論である。
As a result, the double-sided diffused strain gauge 2
3, 23 and the bonding pad portion 25 on one side are electrically connected through the three through diffusion layers 38, 38, 38 and a common silicon substrate 36. Note that, of course, the number of wiring lines is further reduced when the diffusion type strain gauge 23 and the silicon substrate 36 are directly connected via the through-diffusion layer 38.

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
4,36,38を用いれば少なくともこの配線を
他の検出信号線等の配線とはクロスオーバするこ
とがなくなる。
In order to electrically connect in this manner, the silicon substrate 36, the through diffusion layer 38, and the diffusion type strain gauge 23 are all made of the same conductivity type (for example, P type), and an epitaxial layer 37 serving as an insulating layer is formed.
should be of the opposite conduction type (for example, N type). In this way, a portion of the wiring is replaced by the above-described through diffusion layer 38 and silicon substrate 36, so that the number of wiring crossovers can be significantly reduced. That is, since the metal thin film wiring 24 connected to the through diffusion layer 38 can be made very short,
For example, as described later, this wiring etc. 2
If lines 4, 36, and 38 are used, at least this wiring will not cross over with wiring such as other detection signal lines.

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。
Although it is possible to form the N-type diffused strain gauge 23 in the P-type epitaxial layer 37, it is better to form the P-type diffused strain gauge 23 in the N-type epitaxial layer 37 for better sensitivity. A high value can be obtained. Furthermore, as the P-type single crystal silicon substrate 36 is used as a part of wiring, it is preferable to use silicon having a specific resistance of 1 Ω·cm or less.

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の両面の全面に気相成長
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2
3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24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。
Furthermore, to briefly explain an example of the manufacturing process, after growing an N-type epitaxial layer 37 on both surfaces of a P-type single crystal silicon substrate 36 by vapor phase growth, SiO 2 oxidation is applied on this epitaxial layer 37. The film 22 is formed by thermal oxidation or the like. Next, using photoetching technology on the formed oxide film 22,
A diffusion hole is provided in a portion where selective diffusion is performed. Then,
A P-type diffusion type strain gauge 23 and a P-type through diffusion layer 38 are formed in the epitaxial layer 37 by selectively diffusing highly concentrated P-type impurities using ion implantation technology. At that time, P type diffusion type strain gauge 2
3 is formed near the surface of the epitaxial layer 37,
The P-type through diffusion layer 38 is formed to penetrate the epitaxial layer 37. Subsequently, an aluminum thin film is deposited on the SiO 2 oxide film 22 using a vapor deposition technique, and a metal thin film wiring 24 is further formed using a photoetching technique. A bonding pad 25 is fixed to a predetermined portion of this wiring 24.

第10図A,Bにこの発明による圧覚センサ単
位セルの配線の例を示す。ただし、第10図Aは
表面を表し、第10図Bは裏面を表すものとす
る。図中〓で図示した個所に、第9図で示したこ
との発明を適用している。また、図のGはマイナ
ス側電源端子(アース端子)である。図示のよう
に、電源配線の一方が両面の拡散形ストレンゲー
ジに共通に用いられ、他方のうちで二成分用電源
が共通の場合に相当する。表面でFzを検出し、
裏面でFx,Fyを検出する。表裏が逆になつても
全く同等である。この発明の適用によりクロスオ
ーバが1ケ所に減り、それも最も歪の小さい左側
面ストレンゲージの中間部の中央近くに配置され
ている。
FIGS. 10A and 10B show examples of wiring of the pressure sensor unit cell according to the present invention. However, FIG. 10A represents the front surface, and FIG. 10B represents the back surface. The invention shown in FIG. 9 is applied to the part indicated by 〓 in the figure. Further, G in the figure is a negative power terminal (earth terminal). As shown in the figure, this corresponds to a case where one of the power supply wirings is used in common for the double-sided diffusion type strain gauge, and the power supply for two components is common among the other power supply wirings. Detect Fz on the surface,
Detect Fx and Fy on the back side. Even if the front and back sides are reversed, they are exactly the same. By applying this invention, the crossover is reduced to one location, which is also located near the center of the middle portion of the left side strain gauge where the strain is least.

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11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{1
11}面上の両面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10図A,Bのような
配意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製造よく切り出すこと
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構造が適用できることは勿
論である。
Next, an example of a method for manufacturing the pressure sensor configured as described above will be briefly described with reference to FIGS. 11A and 11B. First, a given thickness (e.g. 0.6mm)
{1
11} of the epitaxial layer of the opposite conduction type (for example, N type) formed on both sides of the surface, the diffusion type strain gauges 101 to 101 are arranged as shown in FIGS. IC manufacturing technology (planar technology) such as maskless ion beam processing and Al evaporation for 124 groups and metal wiring
formed by According to this IC manufacturing method,
A large number of pressure sensor unit cells can be fabricated in the epitaxial layer of one wafer 16. Pressure sensor unit cells are cut out from this wafer 16 by mechanical processing such as wire saw cutting, laser processing, or etching cutting, resulting in small size (for example, a few mm to
A planar pressure sensor unit cell with a diameter of 1 mm) is obtained. Although the above description has been made regarding a ring-shaped pressure sensor, it goes without saying that the planar structure of the present invention can also be applied to pressure sensors other than ring-shaped.

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12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
できる。その際、圧覚センサ単位セル202を1
個または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。
Note that the pressure sensor unit cell of this example can be made extremely small, so as shown in FIG. If the pressure sensor unit cells 202 are vertically arranged and fixed in a planar array, and a pressure receiving plate 205 is fixed to the top of the pressure sensor unit cells 202 to form a pressure sensor array 206, the load distribution of the load distributed in a planar manner can be accurately detected. be able to. At that time, the pressure sensor unit cell 202 is
When a unit of pressure-receiving micro-modules is formed by one unit or a set of two pressure-receiving micro-modules, each of the pressure-receiving micro-modules can be integrated into an array at a density of about 25 to 100 per cm2. By attaching it to the gripping surface of a robot hand, etc., it is possible to perform various types of highly accurate control.

[発明の効果] 以上説明したように、この発明によれば、力の
三成分のうち二成分を片側の面で検出し、他の一
成分を反対側の面で検出するように、拡散形スト
レンゲージを両面に形成し、しかも拡散形ストレ
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、配線密度が大
幅に低くなつて配線が簡単になり、最も信頼性に
影響するクロスオーバの数が1ケのみと大幅に減
らすことができ、そのための配線位置も最も歪の
小さい領域におけるので、信頼性が飛躍的に向上
する。
[Effects of the Invention] As explained above, according to the present invention, two of the three components of force are detected on one side, and the other component is detected on the opposite side. Since the strain gauge is formed on both sides, and part of the wiring of the diffusion type strain gauge is replaced with a through-diffusion layer and a silicon substrate, the wiring density is significantly lowered, making the wiring easier and achieving the highest reliability. The number of cross-overs that affect the performance can be significantly reduced to just one, and the wiring for this can be located in the area with the least distortion, so reliability is dramatically improved.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

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を示す斜視図、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A,Bはこの発明を実施して配線した圧
覚センサの配線の配置例を示す模式図、第11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11図BはそのA部を拡大した
拡大図、第12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……金属性八角形リング、7……シリコン感
圧構造体、2,28……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
8……被覆絶縁層、36……(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。
Fig. 1 is a perspective view showing a pressure sensor (octagonal stress ring) according to the prior art, Fig. 2 is a perspective view showing an example of a pressure sensor to which the present invention is applied, and Figs.
C is a circuit diagram showing the connection state of the strain gauge of the pressure sensor in Fig. 2, Fig. 4 is a schematic diagram showing an example of the wiring arrangement of the pressure sensor wired using the conventional technology, and Figs. 5 and 6. are cross-sectional views showing the configuration of the wiring part of the pressure sensor shown in FIG. 4, and FIGS. 7 and 8.
Figure 9 is a schematic diagram of an example of the wiring arrangement of a pressure sensor wired using the conventional technology, Figure 9 is a sectional view showing an example of the configuration of the wiring part of a pressure sensor according to the present invention, and Figure 10 is A and B. A schematic diagram showing an example of the wiring arrangement of a pressure sensor wired according to the present invention, FIG. 11A is an explanatory diagram of the method for manufacturing a pressure sensor unit cell according to the present invention, and FIG. 11B is an enlarged view of part A. FIG. 12 is a perspective view showing an example of a pressure sensor array formed by arranging pressure sensor unit cells in a planar array according to the present invention. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Metal octagonal ring, 7... Silicon pressure sensitive structure, 2, 28... Pressure receiving surface, 3, 9... Substrate surface, 13... Strain gauge forming surface, 15... Bonding pad part, 16...Silicon wafer,
17... Area equivalent to pressure sensor unit cell, 21...
(N type) silicon substrate, 22... SiO 2 film, 23...
...(P type) diffusion type strain gauge, 24...metal thin film wiring, 24-1, 24-2...first and second metal thin film wiring, 25...bonding pad portion, 2
8... Covering insulating layer, 36... (P type) silicon substrate, 37... (N type) epitaxial layer, 38...
...(P type) penetration diffusion layer, 101 to 104, 111
~114, 121-124... Diffusion type strain gauge, 141-143... Wiring.

Claims (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の両表面に設けた
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す
ると共に、前記基板部の両表面のエピタキシヤル
層表面に形成されたストレンゲージのうち、前記
基板部の一面に形成されたエピタキシヤル層表面
のストレンゲージが力の三成分のうち二成分検出
用であり、前記基板部の他面に形成されたエピタ
キシヤル層表面のストレンゲージが力の三成分の
うちの残りの一成分検出用であることを特徴とす
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。
[Claims] 1. A pressure sensitive structure made of single crystal silicon, a plurality of diffusion type strain gauges formed on a surface perpendicular to the pressure receiving surface of the pressure sensitive structure, and a resistance value of the strain gauges. In a pressure sensor that detects three components of force applied to the pressure-receiving surface due to changes, the epitaxial layer provided on both surfaces of the single-crystal silicon substrate portion has a strain formed on the surface of the epitaxial layer. and a diffusion layer formed by penetrating the epitaxial layer to the surface of the substrate portion, and the epitaxial layer has a conductivity type opposite to that of the substrate portion, the diffusion layer, and the strain gauge. The diffusion layer and the substrate section are configured as part of the wiring to the strain gauge, and one surface of the substrate section of the strain gauge formed on the surface of the epitaxial layer on both surfaces of the substrate section. The strain gauge on the surface of the epitaxial layer formed on the other surface of the substrate portion is for detecting two of the three components of force, and the strain gauge on the surface of the epitaxial layer formed on the other surface of the substrate portion is for detecting two of the three components of force. A pressure sensor characterized in that it is used to detect one remaining component. 2. In the pressure sensor according to claim 1, P-type silicon is used as the substrate portion of the single crystal silicon, N-type silicon is used as the epitaxial layer, and a P-type diffusion layer is used as the diffusion type strain gauge. A pressure sensor characterized by using 3. The pressure sensor according to claim 1 or 2, wherein silicon having a specific resistance of 1 Ω·cm or less is used as the single-crystal silicon substrate.
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