JPH0473631B2

JPH0473631B2 -

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Publication number: JPH0473631B2
Application number: JP59008787A
Authority: JP
Priority date: 1984-01-20
Filing date: 1984-01-20
Publication date: 1992-11-24
Also published as: JPS60153176A

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。

［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。

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。

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。

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、安全性が悪い。

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。

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。

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。

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（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。

［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。

［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。

［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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

［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。

【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。

Claims

【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。