JP4010208B2

JP4010208B2 - Force sensing element

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Publication number: JP4010208B2
Application number: JP2002259220A
Authority: JP
Inventors: 義輝大村; 健太朗水野; 厚志塚田; 二郎坂田
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2002-02-07
Filing date: 2002-09-04
Publication date: 2007-11-21
Anticipated expiration: 2022-09-04
Also published as: JP2003302295A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、力検知素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１に示す力検知素子１は、第１ブロック２０と、第２ブロック２８を備えている。第１ブロック２０は、その主面２１から突出する突出部２２ａ〜２２ｄと、電極２６ａ〜２６ｄを有する。突出部２２ａ〜２２ｄの頂面２３ａ〜２３ｄは、第２ブロック２８の底面２８ｂと接合され、接合面（接触面の一例）Ｍとなっている。また、第２ブロック２８は、その接合面Ｍに垂直な方向からみたときに、接合面Ｍと重複する位置にある重複領域３０と、接合面Ｍと重複しない位置にある非重複領域３２、３４を有する。重複領域３０と非重複領域３２、３４にはそれぞれ、接合面Ｍに垂直な方向の外力が作用する外力作用面３０ａ、３２ａ、３４ａが形成されている。これらの外力作用面３０ａ、３２ａ、３４ａは第２ブロック２８の頂面２８ａである。
【０００３】
第１ブロック２０の突出部２２ｂには、図１の部位Ａの拡大図である図２に示すように、突出部２２ｂの頂部全体に亘ってゲージ部２４ｂが形成されている。ゲージ部２４ｂは、元々はｎ型の半導体層２７ｂの頂部にｐ型不純物を添加することで形成されている。ｐ型拡散領域であるゲージ部２４ｂとｎ型半導体層２７ｂは、ｐｎ接合分離構造によって絶縁されている。突出部２２ａ、２２ｃ、２２ｄについても図示は省略するが同様にゲージ部２４ａ、２４ｃ、２４ｄが形成されている。このうちゲージ部２４ｂ、２４ｄは、ピエゾ抵抗効果によって、作用する応力に応じて抵抗値が変化するゲージ抵抗として機能する。一方、ゲージ部２４ａ、２４ｃは、応力が作用しても抵抗値がほとんど変化しない基準抵抗として機能する。
【０００４】
第２ブロック２８の頂面２８ａ（外力作用面３０ａ、３２ａ、３４ａ）に垂直な方向に外力が作用して、その外力が第２ブロック２８を介して突出部２２ａ〜２２ｄに伝達されると、その外力は突出部２２ａ〜２２ｄに圧縮応力として作用する。この結果、ゲージ部２４ｂ、２４ｄの抵抗値が変化する。その抵抗値の変化量から、第２ブロック２８の頂面２８ａに作用した外力の大きさを検知できる。特許文献１には、この力検知素子１に関連する構造が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平８−２７１３６３号公報
【０００６】
この力検知素子１の構造によると、突出部２２ａ〜２２ｄの接合面Ｍ（頂面２３ａ〜２３ｄ）には、重複領域３０の外力作用面３０ａに作用する外力のみならず、非重複領域３２、３４の外力作用面３２ａ、３４ａに作用する外力による圧縮応力も作用する。即ち、この力検知素子１のように、第１ブロック２０に突出部２２ａ〜２２ｄを設けた構造によると、第２ブロック２８の頂面２８ａに作用した外力に起因する応力を突出部２２ａ〜２２ｄに集中させることができる。このため、突出部２２ａ〜２２ｄ（ゲージ部２４ａ〜２４ｄ）に作用する応力を大きくできる。従って、突出部２２ａ〜２２ｄを設けない場合に比較して、所定の大きさの外力が作用したときのゲージ部２４ｂ、２４ｄの抵抗値の変化量を大きくできる。即ち、高感度化を実現できる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
仮に第２ブロック２８の頂面２８ａの面積を一定とし、その頂面２８ａに作用する外力を一定とした場合、接合面Ｍの面積を小さくすればするほど、接合面Ｍの単位面積に作用する力、即ち、圧縮応力を大きくできる。このため、ゲージ部２４ｂ、２４ｄに作用する圧縮応力を大きくできる。従って、ゲージ部２４ｂ、２４ｄの抵抗値の変化量を大きくでき、高感度化を実現できる。
【０００８】
しかしながら、突出部２２ａ〜２２ｄの接合面Ｍの面積を小さくすると、作用する圧縮応力によって突出部２２ａ〜２２ｄが損傷する可能性も生じ得る。このため、突出部２２ａ〜２２ｄの接合面Ｍの面積を小さくすることには限界がある。
【０００９】
また、力検知素子では、複数の力検知素子間で、所定の大きさの力が作用したときのゲージ部の抵抗値の変化量（検知感度）のばらつきを小さくすることも重要な課題である。
【００１０】
本発明は、ゲージ部の抵抗値の変化量が大きな、検知感度の高い力検知素子を実現することを第１の目的とする。
本発明はまた、複数の力検知素子間でのゲージ部の抵抗値の変化量（検知感度）のばらつきを小さくすることを第２の目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段および作用と効果】
第１ブロックが突出部を有する構造において、従来は、その突出部に作用する応力の分布については、確かな知見は得られていなかった。従来は、突出部に作用する応力の分布は一様であろうという仮定の元に、前記したように第１ブロックの突出部の頂部全体に亘ってゲージ部を形成していた。なお、上記したように、ゲージ部は、作用する応力に応じて抵抗値が変化し、作用する応力が大きいほど抵抗値の変化量が大きい。このゲージ部の抵抗値の変化量は、ゲージ部が形成された領域の全体に作用する応力の平均値に基づいて求める。
【００１２】
これに対し、本発明者らは、力検知素子について鋭意研究を進めた結果、突出部に作用する応力の分布は一様でないという知見を新たに得た。この知見に基づいて、本発明者らは種々の態様に具現化された発明を創作し、その発明によって、力検知素子の特性のさらなる向上を実現した。
【００１３】
本発明を具現化した第１の態様の力検知素子は、第１ブロックと、第２ブロックを備えている。第１ブロックは突出部を有し、その突出部の頂面には第２ブロックの底面に接触する接触面が形成されている。第２ブロックは、第２ブロックの頂面に形成された外力作用面と、接触面垂直方向からみたときに接触面と重複しない位置にある非重複領域を有し、その非重複領域の頂面は外力作用面の少なくとも一部を構成する。そして、前記突出部と第２ブロックが連続して接触している範囲の前記突出部において、前記突出部の所定高さの部位のうち、第２ブロックに作用した外力に起因して前記所定高さの部位全体に作用する応力の平均値よりも作用する応力の平均値が大きな領域に、作用する応力に応じて抵抗値が変化する部位を含むゲージ部が局部的に形成されている。
【００１４】
本発明者らは、第１ブロックの突出部の所定高さの部位に作用する応力の分布は一様ではないことを見出した。この知見に基づいてなされた上記第１の態様によると、所定高さの部位全体にゲージ部を形成する場合に比べて、ゲージ部の抵抗値の変化量の大きな、検知感度の高い力検知素子を実現できる。このように本発明者らは、突出部の接触面（典型的には頂面全体）の面積を小さくせずに、さらなる高感度化の実現に成功したのである。
【００１５】
本発明を具現化した第２の態様の力検知素子は、第１ブロックと、第２ブロックを備えている。第１ブロックは突出部を有し、その突出部には第２ブロックの底面に接触する接触面が形成されている。第２ブロックは、第２ブロックの頂面に形成された外力作用面と、接触面垂直方向からみたときに接触面と重複しない位置にある非重複領域を有し、その非重複領域の頂面は外力作用面の少なくとも一部を構成している。そして、前記突出部と第２ブロックが連続して接触している範囲の前記突出部において、前記突出部の所定高さの部位のうち、第２ブロックに作用した外力に起因して前記所定高さの部位に作用する応力の分布が概ね平坦な領域に、作用する応力に応じて抵抗値が変化する部位を含むゲージ部が局部的に形成されている。ここで、「作用する応力の分布が概ね平坦な領域」は、その領域全体に作用する応力の平均値に対して、作用する応力の変動率が±２０％以内、より好適には±１０％以内の領域であることが好ましい。
【００１６】
本発明者らはまた、第１ブロックの突出部の所定高さの部位に作用する応力の分布は一様でないにしても、応力の分布が概ね平坦な領域が局部的に存在し得るということを見出した。この知見に基づいてなされた上記第２の態様によると、上記ゲージ部を形成した複数の力検知素子間でのゲージ部の抵抗値の変化量（検知感度）のばらつきを小さくできる。
【００１７】
本発明を具現化した第３の態様の力検知素子は、第１ブロックと、第２ブロックを備えている。第１ブロックは突出部を有し、その突出部の頂面には第２ブロックの底面に接触する接触面が形成されている。第２ブロックは、第２ブロックの頂面に形成された外力作用面と、接触面垂直方向からみたときに接触面と重複しない位置にある非重複領域を有し、その非重複領域の頂面は外力作用面の少なくとも一部を構成する。そして、前記突出部と第２ブロックが連続して接触している範囲の前記突出部において、前記突出部のうち、接触面垂直方向からみたときに接触面と重複する領域であって、かつ、その重複領域の幅方向の非重複領域側の側部又は幅方向の中間部に、作用する応力に応じて抵抗値が変化する部位を含むゲージ部が局部的に形成されている。
【００１８】
また、本発明者らは、第２ブロックが上記したような非重複領域を有する構造では、第１ブロックの突出部のうち、接触面垂直方向からみたときに接触面と重複する領域であって、かつ、その重複領域の非重複領域側の側部には、重複領域の中間部に比べて、大きな応力が作用することを見出した。これは、第２ブロックの上記非重複領域の頂面に作用した外力に起因する応力は、第１ブロックの突出部の上記重複領域の中でも、非重複領域に近い領域ほど大きく作用するためと考えられる。この知見に基づいてなされた上記第３の態様によると、ゲージ部の抵抗値の変化量の大きな、検知感度の高い力検知素子を実現できる。
【００１９】
本発明者らはまた、上記重複領域の幅方向の中間部は、非重複領域側の側部に比べて作用する応力は小さいものの、複数の力検知素子間での作用する応力のばらつきが小さいことを見出した。この知見に基づいてなされた上記第３の態様によると、上記ゲージ部を形成した複数の力検知素子間でのゲージ部の抵抗値の変化量（検知感度）のばらつきを小さくできる。
【００２０】
本発明を具現化した第４の態様の力検知素子は、第１ブロックと、第２ブロックを備えている。第１ブロックは突出部を有し、その突出部の頂面には第２ブロックの底面に接触する接触面が形成されている。第２ブロックは、第２ブロックの頂面に形成された外力作用面と、接触面垂直方向からみたときに接触面と重複しない位置にある非重複領域を有し、その非重複領域の頂面は外力作用面の少なくとも一部を構成し、前記突出部の頂面に取付けられている。そして、前記突出部と第２ブロックが連続して接触している範囲の前記突出部において、前記突出部の高さ方向の中間部に、作用する応力に応じて抵抗値が変化する部位を含むゲージ部が局部的に形成されている。
【００２１】
本発明者らはまた、第２ブロックが第１ブロックの突出部に単に接触しているのみならず、取付けられている構造では、その突出部の高さ方向の中間部の方が、その突出部の頂部又は底部に比べて、第２ブロックに作用した外力に起因して作用する応力が大きくなることを見出した。この知見に基づいてなされた上記第４の態様によると、突出部の頂部にゲージ部を形成する場合に比べて、ゲージ部に作用する応力を大きくできる。従って、ゲージ部の抵抗値の変化量の大きな、検知感度の高い力検知素子を実現できる。
【００２２】
上記第１〜第３の態様の力検知素子においては、第２ブロックは、前記突出部の頂面に取付けられており、ゲージ部は、前記突出部の高さ方向の中間部に局部的に形成されていることが好ましい。
これらの態様によると、検知感度のより高い力検知素子を実現できる。
【００２３】
上記各態様の力検知素子においては、前記突出部は細長状であり、複数本設けられていることが好ましい。ここで、「細長状」の突出部とは、平面視したときに長手方向と短手方向の長さの比が４以上、より好適には８以上の突出部であることが好ましい。細長状の突出部は、湾曲していてもよい。
この態様によると、第２ブロックと突出部群の接触面の面積を小さくして検知感度を高くしながらも、複数本の突出部群によって第２ブロックが安定的に支持された構造の実現が容易となる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
後記する本発明の実施例から把握される、特許請求の範囲に記載した発明以外の技術的思想を記載する。
（形態１）第１ブロックの（１１０）面に突出部が形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の力検知素子。この態様によると、、他の結晶面に突出部を形成する場合に比較して、作用した応力に対するゲージ部の抵抗値の変化量を大きくできる。即ち、高感度化を実現できる。
（形態２）第１ブロックの（１００）面に突出部が形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の力検知素子。この態様によると、ある程度高感度化を実現でき、しかも、集積化が容易であるという効果も得られる。
【００２５】
【実施例】
（第１実施例）図３に第１実施例の力検知素子４０１の斜視図を示す。この力検知素子４０１は、力検知ブロック（半導体ブロック、第１ブロックに相当）４２０と、力伝達ブロック（第２ブロックに相当）４２８を備えている。
力検知ブロック４２０は、ｎ型のシリコン単結晶ブロック等によって形成されている。力検知ブロック４２０は、平面視したときに正方形状の直方体であり、幅は約１．４ｍｍ、高さは約０．５ｍｍである。なお、力検知ブロック４２０はガリウムヒ素等で構成してもよい。
力検知ブロック４２０は、その主面４２１から突出する突出部４２２ａ〜４２２ｄを有する。突出部４２２ａ〜４２２ｄは、図４によく示すように、頂面が平坦なメサ状である。また、突出部４２２ａ〜４２２ｄは細長状であり、厚さは比較的薄く形成されている。４本の突出部４２２ａ〜４２２ｄは長さが等しく、ロの字状に配置されている。そのロの字状の突出部４２２ａ〜４２２ｄの４隅付近にはそれぞれ、電極４２６ａ〜４２６ｄが形成されている。電極４２６ａ〜４２６ｄは、対角方向に形成された１組の入力電極４２６ａ、４２６ｃと、１組の出力電極４２６ｂ、４２６ｄによって構成されている。これらの電極４２６ａ〜４２６ｄは、後述するゲージ部４２４（図４参照）の端部に電気的に接続されている。
なお、以下では、複数の突出部のうち、１つの突出部を例示して説明する箇所があるが、その説明は他の突出部についても当てはまる。
【００２６】
力伝達ブロック４２８は、絶縁性材料で構成され、平面視したときに正方形状の直方体であり、幅は約１．０ｍｍ、高さは約０．５ｍｍである。絶縁性材料としては、硼珪酸ガラス、結晶化ガラス等の可動イオンを含むガラス類や、表面に絶縁膜を形成したシリコン基板等を用いることができる。上記したロの字状の突出部４２２ａ〜４２２ｄの頂面４２３ａ〜４２３ｄは、この力伝達ブロック４２８の底面４２８ｂの一部（後述する重複領域４３０の底面４３０ｂ）に、陽極接合で強固に取付けられている。突出部４２２の頂面４２３の全体が接合面（接触面の一例）Ｍとなっている。なお、これらのブロック４２０、４２８は、陽極接合で接合することが好ましいが、陽極接合以外の手段では、半田接合や希フッ酸接合（希フッ酸で溶かした表面の酸化膜をボンドとして接合する手段）などで取付けることが有効である。また、これらのブロック４２０、４２８は、単に接触している状態であってもよい。
【００２７】
力伝達ブロック４２８は、その接合面Ｍに垂直な方向（図示上下方向）からみたときに接合面Ｍ（突出部４２２の頂面４２３）と重複する領域にある重複領域４３０と、重複しない領域にある非重複領域４３２、４３４を有する。非重複領域４３２は、接合面Ｍに垂直な方向からみたときに各突出部４２２ａ〜４２２ｄの接合面Ｍの一方の側にあり、非重複領域４３４は他方の側にある。即ち、非重複領域４３２、４３４は、各突出部４２２ａ〜４２２ｄの接合面Ｍの両側にある。重複領域４３０と非重複領域４３２、４３４にはそれぞれ、接合面Ｍに平行な方向に伸びる外力作用面４３０ａ、４３２ａ、４３４ａが形成されている。これらの外力作用面４３０ａ、４３２ａ、４３４ａは、力伝達ブロック４２８の頂面４２８ａである。
力伝達ブロック４２８の底面４２８ｂは全体が平面状である。その底面４２８ｂは、重複領域４３０の底面４３０ｂと非重複領域４３２、４３４の底面４３２ｂ、４３４ｂによって構成されている。
【００２８】
力検知ブロック４２０の突出部４２２の半導体部分はｎ型シリコンブロックの一部であるため、元々はｎ型半導体層である。図４の突出部４２２ｂに例示されるように、突出部４２２ｂを構成するｎ型半導体層４２７ｂのうち、頂部の両側部にゲージ部４２４ｂ−１、４２４ｂ−２が局部的に形成されている。このゲージ部４２４ｂ−１、４２４ｂ−２は、ｎ型半導体層４２７にｐ型不純物を添加することで形成されたｐ型拡散領域である。ｐ型のゲージ部４２４ｂとｎ型の半導体層４２７ｂは、ｐｎ接合分離構造によって絶縁されている。
【００２９】
ゲージ部４２４のｐ型不純物濃度は１×１０^１８／cm^３のオーダー又は１×１０^２０／cm^３のオーダーである。抵抗率は０．００１Ω・ｃｍである。ゲージ部４２４の不純物濃度は十分に高いために、特開平８−２７１３６３号公報の段落００５８〜００６２に記載の温度補償作用が得られる。ゲージ部４２４ｂ、４２４ｄは高濃度であるものの、細長く、薄いために抵抗値が高い。このため、抵抗値の変化量が大きい。
【００３０】
図３に示す力検知ブロック４２０の主面４２１は（１１０）面である。突出部４２２ｂ、４２２ｄ（ゲージ部４２４ｂ、４２４ｄ）は、長手方向が＜１１０＞方向に伸びている。一方、突出部４２２ａ、４２２ｃ（ゲージ部４２４ａ、４２４ｃ）は、長手方向が＜１００＞方向に伸びている。このように突出部４２２ａ〜４２２ｄを配置することで、各ゲージ部４２４ａ〜４２４ｄは、ピエゾ抵抗係数がπ_１３に従って変化する。これらの４本のゲージ部４２４ａ〜４２４ｄによってホイートストンブリッジが構成されている。
【００３１】
ピエゾ抵抗係数がπ_１３の場合、（１１０）面の＜１１０＞方向で抵抗値の変化量（感度）が最大であり、＜１００＞方向では抵抗値の変化量（感度）はゼロである。従って、長手方向が＜１１０＞方向に伸びるゲージ部４２４ｂ、４２４ｄに（１１０）面から圧縮応力が作用すると、ピエゾ抵抗効果によってその応力に応じて抵抗値が変化（増加）する。即ち、ゲージ部４２４ｂ、４２４ｄはゲージ抵抗として機能する。一方、長手方向が＜１００＞方向に伸びるゲージ部４２４ａ、４２４ｃは、（１１０）面から圧縮応力が作用しても抵抗値がほとんど変化しない。即ち、ゲージ部４２４ａ、４２４ｃは基準抵抗として機能する。
【００３２】
図４の圧縮応力の分布に示すように、突出部４２２ｂの両側部には、中間部に比べて大きな圧縮応力が作用する。第１実施例の力検知素子４０１は、図４の突出部４２２ｂ（ゲージ部４２４ｂ）に例示されるように、突出部４２２の頂部のうち、頂部全体に作用する応力の平均値よりも、作用する応力の平均値が大きな頂部の両側部に、ゲージ部４２４ａ〜４２４ｄを局部的に形成している。
【００３３】
なお、力検知ブロック４２０の主面４２１と突出部４２２は、図示は省略するが、実際にはシリコン酸化膜（絶縁膜）で覆われている。絶縁膜で覆うことで、突出部４２２に形成されたゲージ部４２４を流れる電流がリークすることを防止している。
【００３４】
第１実施例の力検知素子４０１の動作を説明する。対角方向に形成された１組の入力電極４２６ａ、４２６ｃについて、例えば電極４２６ａ側に正電圧を印加して電極４２６ｃ側を接地する。この状態で力伝達ブロック４２８の頂面４２８ａに垂直方向に外力が作用すると、その外力が力伝達ブロック４２８を介して突出部４２２に伝達される。その外力は圧縮応力として突出部４２２ａ〜４２２ｄに作用する。この結果、その圧縮応力の大きさに応じてゲージ部４２４ｂ、４２４ｄの抵抗値が変化（増加）する。上記したように、ゲージ部４２４ｂ、４２４ｄは、大きな圧縮応力が作用する領域に局部的に形成されているので、ゲージ部４２４ｂ、４２４ｄの抵抗値の変化量は大きい。一方、ゲージ部４２４ａ、４２４ｃの抵抗値はほとんど変化しない。
【００３５】
この結果、出力電極４２６ｂに現れる電圧値はゲージ部４２４ｂ、４２４ｃの分圧値となるので所定値だけ減少する。一方、出力電極４２６ｄに現れる電圧値は前記所定値と同じ値だけ増加する。従って、出力電極４２６ｂと４２６ｄに現れた電圧値の差（差動の出力電圧値）から力伝達ブロック４２８の頂面４２８ａに作用した外力の大きさを検知できる。第１実施例によると、高感度のゲージ部４２４ｂ、４２４ｄに基づく電圧値を、差動出力によってさらに２倍にすることができる。また、差動出力によってノイズの影響を相殺することができる。
【００３６】
第１実施例のように、力検知ブロック４２０の突出部４２２の頂部のうち、その頂部全体に作用する応力の平均値よりも、作用する応力の平均値が大きな頂部の両側部にゲージ部４２４を局部的に形成することで、図２に示す従来の力検知素子１のように突出部の頂部全体にゲージ部を形成する場合に比べて、ゲージ部４２４の抵抗値の変化量の大きな、検知感度の高い力検知素子４０１を実現できる。第１実施例によると、突出部４２２の接合面Ｍの面積を小さくせずに、高感度化を実現し得る
【００３７】
第１実施例の力検知素子４０１によると、細長状の突出部４２２ａ〜４２２ｄの幅をある程度広くしつつも、高感度化を実現できる。幅をある程度広くすることができるので、作用する圧縮応力によって突出部４２２ａ〜４２２ｄが損傷する可能性を非常に低くできる。また、その突出部４２２ａ〜４２２ｄによって、力伝達ブロック４２８を安定的に支持できる。また、ゲージ部４２４を突出部４２２の頂部の両側部に形成することで、一方の側部のみに形成するよりも安定した感度が得られる。
【００３８】
ゲージ部４２４ｂを形成する領域は、図４に示した領域の他、例えば以下のような領域であってもよい。
ゲージ部４２４ｂを形成する領域の幅は、図４に示す領域よりも狭くしてもよいし、広くしてもよい。但し、狭くする場合は、大きな圧縮応力が作用する範囲Ａの領域（突出部４２２ｂの縁部周辺）にゲージ部４２４ｂを局部的に形成することが好ましい。この構成によると、抵抗値の変化量をより大きくできる。即ち、より高感度化を実現できる。一方、広くする場合は、高感度化を実現するためには、突出部４２２ｂの頂部全体にゲージ部４２４ｂを形成した場合よりも、ゲージ部４２４ｂの抵抗値の変化量が小さくならない領域に形成する必要がある。
【００３９】
また、例えば、範囲Ｃの領域にゲージ部４２４ｂを局部的に形成したときに、突出部４２２ｂの頂部全体にゲージ部４２４ｂを形成した場合に比べてゲージ部４２２ｂの抵抗値の変化量が大きい場合は、範囲Ｃの領域にゲージ部４２４を局部的に形成し、非重複領域４３２により近い範囲Ａの領域にゲージ部を形成しないという構成も可能である。
【００４０】
（第２実施例）図５に第２実施例の力検知素子５０１の突出部５２２ｂの拡大斜視図を示す。以下では、第１実施例に比較して第２実施例に固有の特徴点を中心に説明する。以下の実施例も同様である。
図５の拡大図は、図４に示した第１実施例の力検知素子４０１の突出部４２２ｂの拡大図に対応するものである。図５の突出部５２２ｂに例示されるように、第２実施例では、突出部５２２ｂを構成するｎ型半導体層５２７ｂのうち、頂部の中間部にｐ型拡散領域であるゲージ部５２４ｂが局部的に形成されている。
【００４１】
図５の圧縮応力の分布に示すように、突出部５２２ｂの中間部は、突出部５２２ｂの側部に比べて作用する圧縮応力は小さい。しかし、突出部５２２ｂの中間部は、突出部５２２ｂの側部に比べて、点線で示されるような複数の力検知素子間での圧縮応力のばらつきが小さい。従って、第２実施例のように、突出部５２２の幅方向の中間部にゲージ部５２４を局部的に形成することで、そのゲージ部５２４を形成した複数の力検知素子間でのゲージ部５２４の抵抗値の変化量（検知感度）のばらつきを小さくできる。
【００４２】
ゲージ抵抗５２４ｂを形成する領域は、図５に示した領域の他、例えば以下のような領域であってもよい。
ゲージ抵抗５２４ｂを形成する領域の幅は、図５に示す領域よりも狭くしてもよいし、広くしてもよい。但し、狭くする場合は、作用する圧縮応力がより平坦に分布する範囲Ｅの領域（突出部５２２ｂの中央周辺）にゲージ抵抗５２４ｂを局部的に形成することが好ましい。この構成によると、複数の力検知素子間での抵抗値の変化量のばらつきをより小さくできる。
また、例えば、範囲Ｇの領域にゲージ部５２４ｂを局部的に形成して、範囲Ｅの領域（突出部５２２ｂの中央周辺）ゲージ部を形成しないという構成も可能である。この構成によっても、複数の力検知素子間でのゲージ部５２４ｂの抵抗値の変化量５２２ｂのばらつきを小さくできる。
【００４３】
（第３実施例）図６に第３実施例の力検知素子６０１の断面図を示す。図６の断面図は、図３の第１実施例の力検知素子４０１の突出部４２２ｂ、４２２ｄを有する部位での断面図に対応する。但し、突出部６２２ｂ、６２２ｄ等を局部的に強調して拡大した断面図として示している。
図６の力検知素子６０１の力伝達ブロック６２８は、図３の力検知素子４０１を構成する力伝達ブロック４２８の外側の非重複領域４３４に相当する領域を有しない。即ち、接合面Ｍに垂直な方向からみたときに、接合面Ｍの片側のみに非重複領域６３２がある。また、力伝達ブロック６２８の底面は平面状ではなく段差が形成されている。力伝達ブロック６２８の重複領域６３０には、非重複領域６３２の底面６３２ｂに対して力検知ブロック６２０側に突出した突出部６３０ｃが形成されている。
【００４４】
図６に示すように、力検知ブロック６２０の突出部６２２ｂ、６２２ｄの全領域は、接合面Ｍに垂直な方向からみたときに接合面Ｍと重複している。図６の突出部６２２ｂ、６２２ｄに例示されるように、力検知ブロック６２０の突出部６２２ｂ、６２２ｄの非重複領域６３２側（内側）の側部のみにゲージ部６２４ｂ、６２４ｄが形成されている。他の見方をすると、ゲージ部６２４ｂ、６２４ｄの形成された領域の中央Ｙが、突出部６２２ｂ、６２２ｄの中央Ｘよりも非重複領域６３２と近い位置にある。ゲージ部６２４ｂ、６２４ｄは、必ずしも突出部６２２ｂ、６２２ｄの内側半分の領域のみに形成されている必要はなく、突出部６２２ｂ、６２２ｄの中央Ｘを超えて外側に伸びていてもよい。
【００４５】
第３実施例の力検知素子６０１では、第１実施例の力検知素子４０１と異なり、力伝達ブロック６２８の非重複領域６３２の底面６３２ｂが、接合面Ｍ（重複領域６３０の底面６３０ｂ）に対し窪んだ位置にある。このため、非重複領域６３２の外力作用面６３２ａに作用した外力に起因する圧縮応力は、非重複領域６３２に近い領域の中でも広い領域に分散して作用する。よって、圧縮応力の分布は緩やかになる。この結果、突出部６２２ｂ、６２２ｄの内側の領域には、比較的大きな圧縮応力が作用する。一方、突出部６２２ｂ、６２２ｄの外側の領域には、比較的小さな圧縮応力が作用する。このように、第３実施例の力検知素子６０１は、突出部６２２ｂ、６２２ｄのうち、比較的大きな圧縮応力が作用する領域にゲージ部６２４ｂ、６２４ｄを局部的に形成したものである。
【００４６】
また、非重複領域６３２の底面６３２ｂは、重複領域６３０の底面６３０ｂに対して窪んでいる。このため、力伝達ブロック６２８の頂面に大きな外力が作用して非重複領域６３２の底面６３２ｂが力検知ブロック６２０側にたわんだときでも、その非重複領域６３２の底面６３２ｂが力検知ブロック６２０の主面６２１に接触することを防止できる。
【００４７】
（第４実施例）図７に第４実施例の力検知素子７０１の断面図を示す。図７の断面図は、図３の第１実施例の力検知素子４０１の突出部４２２ｂ、４２２ｄを有する部位での断面図に対応する。
図７の力検知素子７０１では、力伝達ブロック７２８の底面の全体は平面状ではなく、段差が形成されている。力伝達ブロック７２８の重複領域７３０には、非重複領域７３２、７３４に対して力検知ブロック７２０側に突出した突出部７３０ｃが形成されている。また、突出部７２２ｂ、７２２ｄの頂面７２３ｂ、７２３ｄの面積は、重複領域７３０の底面７３０ｂの面積よりも大きい。即ち、突出部７２２ｂ、７２２ｄの頂面７２３ｂ、７２３ｄの面積は、接合面Ｍの面積よりも大きい。
【００４８】
図７の突出部７２２ｂ、７２２ｄに例示されるように、突出部７２２ｂ、７２２ｄのうち、接合面Ｍに垂直な方向からみたときに接合面Ｍと重複する領域内であって、かつ、その重複領域の両側部にゲージ部７２４ｂ−１、７２４ｂ−２、７２４ｄ−１、７２４ｄ−２が局部的に形成されている。
【００４９】
第４実施例の力検知素子７０１についても、第３実施例と同様に、圧縮応力の分布は緩やかになる。この結果、突出部７２２ｂ、７２２ｄのうち、接合面Ｍに垂直な方向からみたときに接合面Ｍと重複する領域であり、かつ、その重複領域の両側部には、比較的大きな圧縮応力が作用する。一方、その重複領域の中央部には、比較的小さな圧縮応力が作用する。このように、第４実施例の力検知素子７０１は、突出部７２２ｂ、７２２ｄのうち、比較的大きな圧縮応力が作用する領域にゲージ部７２４ｂ、７２４ｄを局部的に形成したものである。
【００５０】
また、力検知素子７０１によると、力検知ブロック７２０の突出部７２２ｂ、７２２ｄの幅（あるいは頂面７２３ｂ、７２３ｄの面積）が、力伝達ブロック７２８の重複領域７３０の突出部７３０ｃの幅（あるいは底面７３０ｂの面積）よりも広い。このため、力伝達ブロック７２８に突出部７３０ｃが形成されている場合でも、力検知ブロック７２０の突出部７２２によって、力伝達ブロック７２８は安定的に支持される。
【００５１】
（第５実施例）図８に第５実施例の力検知素子８０１の斜視図を示す。
第５実施例の力検知素子８０１では、力検知ブロック８２０は主面８２１から突出する４つの突出部８２２ａ〜８２２ｄを有する。各突出部８２２ａ〜８２２ｄは、平面視すると長方形状に形成されている。突出部（８２２ａ、８２２ｃ）と（８２２ｂ、８２２ｄ）はそれぞれ長手方向に向かい合った位置に配置され、全体としては中央に空間が形成された十字状に配置されている。
力伝達ブロック８２８の底面８２８ｂの一部（後述する重複領域８３０の底面８３０ｂ等）は、突出部８２２ａ〜８２２ｄの頂面８２３ａ〜８２３ｄに陽極接合等の技術で強固に接合され、その頂面８２３ａ〜８２３ｄの全体が接合面Ｍとなっている。
【００５２】
力伝達ブロック８２８は、接合面Ｍに垂直な方向からみたときに接合面Ｍと重複する位置にある重複領域８３０と、重複しない位置にある第１〜第３の非重複領域８３２、８３４、８３６を有する。なお、図８では図示の明瞭化のため、力伝達ブロック８２８には、突出部８２２ｂとの重複領域８３０のみ示しているが、実際には、突出部８２２ａ、８２２ｃ、８２２ｄとの重複領域も存在する。重複領域８３０と第１〜第３の非重複領域８３２、８３４、８３６にはそれぞれ、接合面Ｍに平行な外力作用面８３０ａ、８３２ａ、８３４ａ、８３６ａが形成されている。これらの外力作用面８３０ａ、８３２ａ、８３４ａ、８３６ａは力伝達ブロック８２８の頂面８２８ａである。
力伝達ブロック８２８の底面８２８ｂは全体が平面状である。その底面８２８ｂは、重複領域８３０の底面８３０ｂと、第１〜第３の非重複領域８３２、８３４、８３６の底面８３２ｂ、８３４ｂ、８３６ｂによって構成されている。
【００５３】
図８に示すように、例えば突出部８２２ｂについては、接合面Ｍに垂直な方向からみると、突出部８２２ｂの短手方向の両側に非重複領域８３２、８３６がある。突出部８２２ｂの長手方向の片側に非重複領域８３４がある。そして、非重複領域８３２、８３６に対応して突出部８２２ｂの側部にゲージ部８２４ｂ−１、８２４ｂ−３が形成され、非重複領域８３４に対応して突出部８２２ｂの側部にゲージ部８２４ｂ−２が形成されている。ゲージ部８２４ｂ−１〜８２４ｂ−３は全体としては、接合面Ｍに垂直な方向からみるとコの字状の領域に形成されている。この意味では、第５実施例は、第１実施例と第３実施例を組合せたような構造となっている。
【００５４】
図８の圧縮応力の分布に示すように、突出部８２２ｂの第１〜第３の側部８２４ｂ−１〜８２４ｂ−３には、中間部８２５ｂに比べて、大きな圧縮応力が作用する。第５実施例は、突出部８２２ａ〜８２２ｄのうち、大きな圧縮応力が作用する、接合面Ｍに垂直な方向からみるとコの字状の領域にゲージ部８２４ａ〜８２４ｄを局部的に形成したものである。
【００５５】
半導体ブロック８２０の主面８２１は（１１０）面であり、突出部８２２ｂ、８２２ｄ（ゲージ部８２４ｂ、８２４ｄ）は、長手方向が＜１１０＞方向に伸びている。一方、突出部８２２ａ、８２２ｃ（ゲージ部８２４ａ、８２４ｃ）は、長手方向が＜１００＞方向に伸びている。このように突出部８２２ａ〜８２２ｄ（ゲージ部８２４ａ〜８２４ｄ）を配置することで、各ゲージ部８２４ａ〜８２４ｄは、ピエゾ抵抗係数がπ_１３に従って変化する。これらの４本のゲージ部８２４ａ〜８２４ｄによってホイートストンブリッジが構成されている。
【００５６】
上記第４及び第５実施例の変形例として、突出部の重複領域の幅方向の中間部（第４実施例では符号７２５の部位（図７参照）、第５実施例では符号８２５の部位（図８参照））にゲージ部を局部的に形成することで、第２実施例と同様に、そのゲージ部を形成した複数の力検知素子間での、ゲージ部の抵抗値の変化量（検知感度）のばらつきを小さくすることができる。
【００５７】
（第６実施例）図９に第６実施例の力検知素子９０１の断面図を示す。図９の断面図は、図３の第１実施例の力検知素子４０１の突出部４２２ｂ、４２２ｄを有する部位での断面図に対応する。
図９に示すように、第６実施例の力検知素子９０１では、力検知ブロック９２０の突出部９２２ｂ、９２２ｄのうち、高さ方向の中間部にゲージ部９２４ｂ、９２４ｄが局部的に形成されている。力伝達ブロック９２８の底面の一部は、力検知ブロック９２０の突出部９２２の頂面に陽極接合等に技術で強固に取付けられ、その頂面の全体が接合面Ｍとなっている。
【００５８】
力伝達ブロック９２８が力検知ブロック９２０の突出部９２２に取付けられている構造では、その突出部９２２の高さ方向の中間部の方が、頂部又は底部に比べて、作用する圧縮応力が大きくなる（図９の圧縮応力分布を参照）。
よって、力伝達ブロック９２８が力検知ブロック９２０の突出部９２２に取付けられている構造では、第６実施例のように、突出部９２２の高さ方向の中間部にゲージ部９２４を局部的に形成することで、突出部の頂部にゲージ部を形成する場合に比べて、ゲージ部９２４に作用する圧縮応力を大きくできる。従って、ゲージ部９２４の抵抗値の変化量の大きな、検知感度の高い力検知素子９０１を実現できる。
【００５９】
第６実施例の力検知素子９０１の第１の製造方法について説明する。
まず、図１０に示すように、ｎ型シリコン基板９５２の表面にイオン注入法等によってｐ型不純物を添加してゲージ部となるｐ型高濃度拡散層９５４を形成する。次に、図１１に示すように、ｐ型拡散層９５４上に、エピタキシャル成長法によってシリコン薄膜であるエピタキシャル層９５６を形成する。次に、図１２に示すように、突出部９２２ｂ、９２２ｄ等として残す部分をマスクした状態で、図１１のエピタキシャル層９５６と、ｐ型拡散層９５４と、ｐ型拡散層９５４よりも深い位置のシリコン基板９５２の頂部をＲＩＥ（Reactive Ion Etching）等によりエッチングする。この結果、高さ方向の中間部にゲージ部９２４ｂ、９２４ｄが形成された突出部９２２ｂ、９２２ｄ等が形成される。次に、図９に示すように、力検知ブロック９２０の突出部９２２の頂面と力伝達ブロック９２８の底面を陽極接合する。この結果、力検知素子９０１が製造される。
【００６０】
第６実施例の力検知素子９０１の第２の製造方法について説明する。
まず、図１３に示すように、第１のｎ型シリコン基板９７２の表面に、第１の製造方法と同様にして、ｐ型高濃度拡散層９５４を形成する。次に、図１４に示すように、第１のｎ型シリコン基板９７２に、第２のｎ型シリコン基板９７６を接合する。次に、図１５に示すように、第２のｎ型シリコン基板９７６を薄板状になるまで、上側から研削する。この状態では、第１の製造方法の図１１の状態と類似した構造となる。その後は、上記した第１の製造方法の同様の製造工程を経ることで（図１２、図９参照）、力検知素子９０１を製造できる。
【００６１】
第６実施例の力検知素子９０１の第３の製造方法として、イオン注入法等によって、ｎ型シリコン基板の表面からやや深い位置のみに局部的にｐ型不純物を添加することで、図１１に示すような状態を形成してもよい。この場合も、上記した第１の製造方法の同様の製造工程を経ることで（図１２、図９参照）、力検知素子９０１を製造できる。
【００６２】
（第７実施例）図１６に第７実施例の力検知素子１００１の突出部１０２２の斜視図を示す。図１６は、図４に示した第１実施例の力検知素子４０１の突出部４２２ｂの拡大斜視図に対応するものである。
第７実施例の力検知素子１００１は、第１実施例と第６実施例を組合せたような構造となっている。突出部１０２２を構成するｎ型半導体層１０２７には、その高さ方向の中間部であって、かつ、その両側部にｐ型拡散領域であるゲージ部１０２４が局部的に形成されている。第１実施例の力伝達ブロック４２８と同様の力伝達ブロックの底面（図示省略）と、力検知ブロック１０２０の突出部１０２２の頂面１０２３は、陽極接合等の技術で強固に取付けられ、その頂面１０２３の全体が接合面Ｍとなっている。
【００６３】
第７実施例の構造では、第１実施例で説明したように、突出部１０２２の中間部に比べて、突出部１０２２の側部に大きな圧縮応力が作用する。また、第７実施例のように、力伝達ブロックと、力検知ブロック１０２０の突出部１０２２の頂面１０２３が陽極接合等で取付けられた構造では、第６実施例で説明したように、突出部１０２２の頂部又は底部に比べて、突出部１０２２の高さ方向の中間部に大きな圧縮応力が作用する。
従って、第７実施例のように、突出部１０２２の高さ方向の中間部であって、かつ、その両側部にゲージ部１０２４を局部的に形成することで、そのゲージ部１０２４にさらに大きな圧縮応力を作用させることができる。よって、ゲージ部１０２４の抵抗値の変化量のより大きな、より検知感度の高い力検知素子１００１を実現できる。
【００６４】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
【００６５】
本発明の適用範囲は、上記した結晶面、結晶方向、ブリッジ構成に限定されない。即ち、上記した（１１０）面、＜１１０＞方向、＜１００＞方向に代えて、他の結晶面または結晶方向を用いてもよい。例えば、結晶面としては（１００）面を用いてもよい。（１００）面を用いると、ゲージ部の抵抗値の変化量を比較的大きくすることができ、しかも、集積化が容易である。また、特にホイートストンブリッジを構成せずに、単ゲージ構造等を採用してもよい。上記した（１１０）面、＜１１０＞方向、＜１００＞方向を用いる場合は、これらと等価な結晶面または結晶方向を採用してもよい。これらと等価な結晶面または結晶方向は、特開２００１−３０４９９７公報の表１〜表３に示されている。
【００６６】
上記した実施例で説明した突出部の形状に特に限定はない。例えば突出部の頂面は、力検知ブロックの主面に対して傾斜していてもよい。また、突出部の頂面は湾曲していてもよい。また、突出部の側面は、例えばテーパ状の末広がりの形状になっていてもよい。また、上記実施例では、凸状の突出部を例として説明しているが、突出部は例えば段差状に突出していてもよい。また、突出部を配置する形態についても特に限定はない。例えば図４に示す第１実施例の力検知素子４０１では、４本の突出部４２２ａ〜４２２ｄがロの字状に配置されているが、ひし形状に配置してもよいし、あるいは湾曲して伸びる突出部を円形状に配置してもよい。また、例えば細長状の突出部を２本以上配置することで、力伝達ブロックを安定的に支持するようにしてもよい。
【００６７】
また、本発明の適用範囲は、力検知ブロックの突出部と力伝達ブロックの接触面と、力伝達ブロックの外力作用面が平行な場合に限られない。例えば、接触面と外力作用面が垂直になっており、その外力作用面に作用した外力によって曲げモーメントが働き、その曲げモーメントによって接触面に圧縮応力が作用するという態様であってもよい。また、突出部の接触面に作用する応力が圧縮応力の場合だけでなく、引張り応力の場合、あるいは圧縮応力と引張り応力の両方が作用する場合にも適用できる。
【００６８】
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の力検知素子の斜視図を示す。
【図２】従来の力検知素子の突出部の拡大斜視図を示す。
【図３】第１実施例の力検知素子の斜視図を示す。
【図４】第１実施例の力検知素子の突出部の拡大斜視図を示す。
【図５】第２実施例の力検知素子の突出部の拡大斜視図を示す。
【図６】第３実施例の力検知素子の断面図を示す。
【図７】第４実施例の力検知素子の断面図を示す。
【図８】第５実施例の力検知素子の斜視図を示す。
【図９】第６実施例の力検知素子の断面図を示す。
【図１０】第６実施例の力検知素子の第１の製造方法の説明図を示す（１）。
【図１１】第６実施例の力検知素子の第１の製造方法の説明図を示す（２）。
【図１２】第６実施例の力検知素子の第１の製造方法の説明図を示す（３）。
【図１３】第６実施例の力検知素子の第２の製造方法の説明図を示す（１）。
【図１４】第６実施例の力検知素子の第２の製造方法の説明図を示す（２）。
【図１５】第６実施例の力検知素子の第２の製造方法の説明図を示す（３）。
【図１６】第７実施例の力検知素子の突出部の斜視図を示す。
【符号の説明】
４０１：力検知素子
４２０：力検知ブロック
４２２：突出部
４２４：ゲージ部
４２６：電極
４２８：力伝達ブロック[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a force sensing element.
[0002]
[Prior art]
The force detection element 1 shown in FIG. 1 includes a first block 20 and a second block 28. The first block 20 includes projecting portions 22a to 22d projecting from the main surface 21 and electrodes 26a to 26d. The top surfaces 23a to 23d of the projecting portions 22a to 22d are joined to the bottom surface 28b of the second block 28 to form a joining surface (an example of a contact surface) M. Further, the second block 28 has an overlapping region 30 at a position overlapping with the bonding surface M and a non-overlapping region 32 and 34 at a position not overlapping with the bonding surface M when viewed from the direction perpendicular to the bonding surface M. Have In the overlapping region 30 and the non-overlapping regions 32, 34, external force acting surfaces 30a, 32a, 34a on which an external force in a direction perpendicular to the joint surface M acts are formed. These external force acting surfaces 30 a, 32 a, 34 a are the top surfaces 28 a of the second block 28.
[0003]
As shown in FIG. 2, which is an enlarged view of the part A in FIG. 1, a gauge portion 24b is formed on the protrusion 22b of the first block 20 over the entire top of the protrusion 22b. The gauge portion 24b is originally formed by adding a p-type impurity to the top of the n-type semiconductor layer 27b. The gauge portion 24b, which is a p-type diffusion region, and the n-type semiconductor layer 27b are insulated by a pn junction isolation structure. The protrusions 22a, 22c, and 22d are also formed with gauge parts 24a, 24c, and 24d, although not shown. Of these, the gauge portions 24b and 24d function as gauge resistances whose resistance values change in accordance with the applied stress due to the piezoresistance effect. On the other hand, the gauge parts 24a and 24c function as a reference resistance whose resistance value hardly changes even when stress is applied.
[0004]
When an external force acts in a direction perpendicular to the top surface 28a (external force acting surfaces 30a, 32a, 34a) of the second block 28 and the external force is transmitted to the projecting portions 22a to 22d via the second block 28, The external force acts as a compressive stress on the protrusions 22a to 22d. As a result, the resistance values of the gauge portions 24b and 24d change. From the amount of change in the resistance value, the magnitude of the external force acting on the top surface 28a of the second block 28 can be detected. Patent Document 1 discloses a structure related to the force detection element 1.
[0005]
[Patent Document 1]
JP-A-8-271363
[0006]
According to the structure of the force detection element 1, not only the external force acting on the external force acting surface 30a of the overlapping region 30 but also the non-overlapping region 32 is applied to the joint surfaces M (top surfaces 23a to 23d) of the protrusions 22a to 22d. The compressive stress by the external force which acts on the external force action surfaces 32a and 34a of 34 also acts. That is, according to the structure in which the protrusions 22a to 22d are provided in the first block 20 as in the force detection element 1, the stress due to the external force that acts on the top surface 28a of the second block 28 is applied to the protrusions 22a to 22d. Can focus on. For this reason, the stress which acts on protrusion part 22a-22d (gauge part 24a-24d) can be enlarged. Therefore, the amount of change in the resistance values of the gauge portions 24b and 24d when an external force of a predetermined magnitude is applied can be increased as compared with the case where the protruding portions 22a to 22d are not provided. That is, high sensitivity can be realized.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
If the area of the top surface 28a of the second block 28 is constant and the external force acting on the top surface 28a is constant, the smaller the area of the joint surface M, the more the unit area of the joint surface M acts. The force, that is, the compressive stress can be increased. For this reason, the compressive stress which acts on the gauge parts 24b and 24d can be enlarged. Therefore, the amount of change in the resistance values of the gauge portions 24b and 24d can be increased, and high sensitivity can be realized.
[0008]
However, if the area of the joint surface M of the protrusions 22a to 22d is reduced, the protrusions 22a to 22d may be damaged by the compressive stress that acts. For this reason, there is a limit in reducing the area of the joint surface M of the protrusions 22a to 22d.
[0009]
In addition, in the force detection element, it is also an important issue to reduce variation in the amount of change (detection sensitivity) in the resistance value of the gauge portion when a predetermined amount of force is applied between a plurality of force detection elements. .
[0010]
The first object of the present invention is to realize a force detection element having a large change amount of the resistance value of the gauge portion and high detection sensitivity.
A second object of the present invention is to reduce variation in the amount of change (detection sensitivity) in the resistance value of the gauge portion among a plurality of force detection elements.
[0011]
[Means for solving the problem, operation and effect]
In the structure in which the first block has a protrusion, no reliable knowledge has been obtained regarding the distribution of stress acting on the protrusion. Conventionally, as described above, the gauge portion is formed over the entire top portion of the protrusion of the first block on the assumption that the distribution of stress acting on the protrusion will be uniform. Note that, as described above, the resistance value of the gauge portion changes according to the applied stress, and the amount of change in the resistance value increases as the applied stress increases. The amount of change in the resistance value of the gauge portion is determined based on the average value of stress acting on the entire region where the gauge portion is formed.
[0012]
In contrast, as a result of diligent research on the force detection element, the present inventors have newly obtained the knowledge that the distribution of stress acting on the protrusion is not uniform. Based on this knowledge, the present inventors have created inventions embodied in various aspects, and realized further improvements in the characteristics of the force detection element.
[0013]
A force detection element according to a first aspect embodying the present invention includes a first block and a second block. The first block has a protrusion, A contact surface that contacts the bottom surface of the second block is formed on the top surface of the protruding portion. The second block is And an external force acting surface formed on the top surface of the second block, and a non-overlapping region in a position not overlapping with the contact surface when viewed from the direction perpendicular to the contact surface, and the top surface of the non-overlapping region is an external force acting surface Constituting at least a part of And In the protrusion in the range where the protrusion and the second block are in continuous contact, In a region where the average value of the stress acting on the entire portion of the predetermined height due to the external force acting on the second block is larger than the average value of the stress acting on the entire portion of the predetermined height of the protruding portion. A gauge portion including a portion where the resistance value changes according to the applied stress is locally formed.
[0014]
The present inventors have found that the distribution of the stress acting on the predetermined height of the protruding portion of the first block is not uniform. According to the first aspect made on the basis of this finding, a force detection element having a large change amount of the resistance value of the gauge part and a high detection sensitivity as compared with the case where the gauge part is formed in the entire region having a predetermined height. Can be realized. As described above, the present inventors have succeeded in realizing higher sensitivity without reducing the area of the contact surface (typically, the entire top surface) of the protrusion.
[0015]
A force detection element according to a second aspect embodying the present invention includes a first block and a second block. The first block has a protrusion And the contact surface which contacts the bottom face of a 2nd block is formed in the protrusion part. The second block is And an external force acting surface formed on the top surface of the second block, and a non-overlapping region in a position not overlapping with the contact surface when viewed from the direction perpendicular to the contact surface, and the top surface of the non-overlapping region is an external force acting surface At least a part of. And In the protrusion in the range where the protrusion and the second block are in continuous contact, In the region of the projecting portion having a predetermined height, a resistance value corresponding to the stress acting on a region where the distribution of stress acting on the region having the predetermined height due to the external force acting on the second block is substantially flat. The gauge part including the site | part which changes is formed locally. Here, in the “region where the distribution of the acting stress is substantially flat”, the variation rate of the acting stress is within ± 20%, more preferably ± 10% with respect to the average value of the stress acting on the entire region. It is preferable that it is the area within.
[0016]
The present inventors also indicate that even if the distribution of the stress acting on the predetermined height portion of the protrusion of the first block is not uniform, there can be a region where the stress distribution is generally flat. I found. According to the second aspect made based on this knowledge, the variation in the change amount (detection sensitivity) of the resistance value of the gauge portion between the plurality of force detection elements forming the gauge portion can be reduced.
[0017]
A force detection element according to a third aspect that embodies the present invention includes a first block and a second block. The first block has a protrusion, and a contact surface that contacts the bottom surface of the second block is formed on the top surface of the protrusion. The second block is 2nd block And a non-overlapping region that does not overlap with the contact surface when viewed from the direction perpendicular to the contact surface, and the top surface of the non-overlapping region is at least part of the external force operation surface. Configure. And In the protrusion in the range where the protrusion and the second block are in continuous contact, Of the protrusions, the region overlaps with the contact surface when viewed from the contact surface vertical direction, and acts on the side portion on the non-overlap region side in the width direction of the overlap region or the intermediate portion in the width direction. A gauge portion including a portion where the resistance value changes according to the stress is locally formed.
[0018]
Further, the present inventors have a structure in which the second block has a non-overlapping region as described above, and is a region overlapping with the contact surface when viewed from the perpendicular direction of the contact surface, in the protruding portion of the first block. And it discovered that a big stress acted on the side part by the side of the non-overlapping area of the overlapping area compared with the intermediate part of the overlapping area. This is because the stress caused by the external force acting on the top surface of the non-overlapping region of the second block acts more in the overlapping region of the protruding portion of the first block in the region closer to the non-overlapping region. It is done. According to the third aspect made based on this finding, it is possible to realize a force detection element with a large detection sensitivity and a large amount of change in the resistance value of the gauge portion.
[0019]
The present inventors also have a small stress acting on the intermediate portion in the width direction of the overlapping region compared to the side portion on the non-overlapping region side, but a small variation in the acting stress among the plurality of force detection elements. I found out. According to the third aspect made on the basis of this finding, it is possible to reduce the variation in the amount of change (detection sensitivity) in the resistance value of the gauge portion between the plurality of force detection elements forming the gauge portion.
[0020]
A force detection element according to a fourth aspect that embodies the present invention includes a first block and a second block. The first block has a protrusion And the contact surface which contacts the bottom face of a 2nd block is formed in the top surface of the protrusion part. The second block is And an external force acting surface formed on the top surface of the second block, and a non-overlapping region in a position not overlapping with the contact surface when viewed from the direction perpendicular to the contact surface, and the top surface of the non-overlapping region is an external force acting surface At least part of It is attached to the top surface of the protrusion. And In the protrusion in the range where the protrusion and the second block are in continuous contact, A gauge portion including a portion where the resistance value changes in accordance with the acting stress is locally formed in an intermediate portion in the height direction of the protruding portion.
[0021]
In addition to the fact that the second block is not merely in contact with the protrusion of the first block, the present inventors also have a structure in which the intermediate portion in the height direction of the protrusion is protruded. It has been found that the stress acting due to the external force acting on the second block increases compared to the top or bottom of the portion. According to the fourth aspect made based on this finding, the stress acting on the gauge portion can be increased as compared with the case where the gauge portion is formed on the top of the protruding portion. Accordingly, it is possible to realize a force detection element having a large change amount of the resistance value of the gauge portion and high detection sensitivity.
[0022]
In the force detection elements of the first to third aspects, the second block is attached to the top surface of the protruding portion, and the gauge portion is locally located in the intermediate portion in the height direction of the protruding portion. Preferably it is formed.
According to these aspects, a force detection element with higher detection sensitivity can be realized.
[0023]
In the force detection element of each aspect described above, it is preferable that the protruding portion is elongated and provided in a plurality. Here, the “elongated” projecting portion is preferably a projecting portion having a length ratio of 4 or more, more preferably 8 or more, when viewed in plan. The elongated protrusion may be curved.
According to this aspect, it is possible to realize a structure in which the second block is stably supported by the plurality of protrusion portions while reducing the area of the contact surface between the second block and the protrusions and increasing the detection sensitivity. It becomes easy.
[0024]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Technical ideas other than the invention described in the scope of the invention, which will be grasped from the embodiments of the present invention to be described later, will be described.
(Form 1) The force detection element according to any one of claims 1 to 6, wherein a protrusion is formed on a (110) surface of the first block. According to this aspect, the amount of change in the resistance value of the gauge portion with respect to the applied stress can be increased as compared with the case where the protruding portion is formed on another crystal plane. That is, high sensitivity can be realized.
(Mode 2) The force detection element according to any one of claims 1 to 6, wherein a protrusion is formed on a (100) surface of the first block. According to this aspect, it is possible to achieve high sensitivity to some extent and to obtain an effect that integration is easy.
[0025]
【Example】
First Embodiment FIG. 3 is a perspective view of a force detection element 401 according to the first embodiment. The force detection element 401 includes a force detection block (semiconductor block, corresponding to the first block) 420 and a force transmission block (corresponding to the second block) 428.
The force detection block 420 is formed of an n-type silicon single crystal block or the like. The force detection block 420 is a rectangular parallelepiped when viewed in plan, and has a width of about 1.4 mm and a height of about 0.5 mm. The force detection block 420 may be made of gallium arsenide or the like.
The force detection block 420 has projecting portions 422a to 422d that project from the main surface 421 thereof. The protrusions 422a to 422d have a mesa shape with a flat top surface as shown in FIG. The protrusions 422a to 422d are elongated and have a relatively small thickness. The four protrusions 422a to 422d have the same length and are arranged in a square shape. Electrodes 426a to 426d are formed in the vicinity of the four corners of the square-shaped protrusions 422a to 422d, respectively. The electrodes 426a to 426d are configured by a pair of input electrodes 426a and 426c formed in a diagonal direction and a pair of output electrodes 426b and 426d. These electrodes 426a to 426d are electrically connected to an end portion of a gauge portion 424 (see FIG. 4) described later.
In addition, below, although there exists a location which illustrates and demonstrates one protrusion part among several protrusion parts, the description is applied also about another protrusion part.
[0026]
The force transmission block 428 is made of an insulating material and is a rectangular parallelepiped when viewed in plan, and has a width of about 1.0 mm and a height of about 0.5 mm. As the insulating material, glass containing movable ions such as borosilicate glass and crystallized glass, a silicon substrate having an insulating film formed on the surface, and the like can be used. The top surfaces 423a to 423d of the above-mentioned B-shaped protrusions 422a to 422d are firmly attached to a part of the bottom surface 428b of this force transmission block 428 (the bottom surface 430b of the overlapping region 430 described later) by anodic bonding. ing. The entire top surface 423 of the protrusion 422 is a bonding surface (an example of a contact surface) M. Note that these blocks 420 and 428 are preferably bonded by anodic bonding. However, by means other than anodic bonding, solder bonding or dilute hydrofluoric acid bonding (an oxide film on the surface dissolved in dilute hydrofluoric acid is bonded as a bond). It is effective to attach by means). Further, these blocks 420 and 428 may simply be in contact with each other.
[0027]
The force transmission block 428 includes an overlapping region 430 in a region overlapping with the bonding surface M (the top surface 423 of the projecting portion 422) when viewed from a direction perpendicular to the bonding surface M (vertical direction in the drawing), and a region that does not overlap. It has some non-overlapping areas 432, 434. The non-overlapping region 432 is on one side of the joint surface M of each of the protrusions 422a to 422d when viewed from the direction perpendicular to the joint surface M, and the non-overlapping region 434 is on the other side. That is, the non-overlapping regions 432 and 434 are on both sides of the joint surface M of the protrusions 422a to 422d. External force acting surfaces 430a, 432a, and 434a extending in a direction parallel to the joint surface M are formed in the overlapping region 430 and the non-overlapping regions 432 and 434, respectively. These external force acting surfaces 430a, 432a, 434a are the top surfaces 428a of the force transmission block 428.
The bottom surface 428b of the force transmission block 428 is entirely planar. The bottom surface 428 b is configured by the bottom surface 430 b of the overlapping region 430 and the bottom surfaces 432 b and 434 b of the non-overlapping regions 432 and 434.
[0028]
Since the semiconductor portion of the protrusion 422 of the force detection block 420 is a part of the n-type silicon block, it is originally an n-type semiconductor layer. As exemplified by the protruding portion 422b in FIG. 4, gauge portions 424b-1 and 424b-2 are locally formed on both sides of the top portion of the n-type semiconductor layer 427b constituting the protruding portion 422b. The gauge portions 424b-1 and 424b-2 are p-type diffusion regions formed by adding p-type impurities to the n-type semiconductor layer 427. The p-type gauge portion 424b and the n-type semiconductor layer 427b are insulated by a pn junction isolation structure.
[0029]
The p-type impurity concentration of the gauge part 424 is 1 × 10 ¹⁸ /cm ³ Order or 1 × 10 ²⁰ /cm ³ It is an order. The resistivity is 0.001 Ω · cm. Since the impurity concentration of the gauge portion 424 is sufficiently high, the temperature compensation action described in paragraphs 0058 to 0062 of JP-A-8-271363 is obtained. Although the gauge portions 424b and 424d are high in concentration, they are long and thin and have high resistance values. For this reason, the amount of change in resistance value is large.
[0030]
The main surface 421 of the force detection block 420 shown in FIG. 3 is the (110) plane. The protrusions 422b and 422d (gauge portions 424b and 424d) have a longitudinal direction extending in the <110> direction. On the other hand, the protrusions 422a and 422c (gauge portions 424a and 424c) have a longitudinal direction extending in the <100> direction. By arranging the protrusions 422a to 422d in this way, each gauge portion 424a to 424d has a piezoresistance coefficient of π. ₁₃ Changes according to The four gauge portions 424a to 424d constitute a Wheatstone bridge.
[0031]
Piezoresistance coefficient is π ₁₃ In this case, the change amount (sensitivity) of the resistance value is maximum in the <110> direction of the (110) plane, and the change amount (sensitivity) of the resistance value is zero in the <100> direction. Accordingly, when compressive stress is applied to the gauge portions 424b and 424d whose longitudinal direction extends in the <110> direction from the (110) plane, the resistance value changes (increases) in accordance with the stress due to the piezoresistance effect. That is, the gauge portions 424b and 424d function as gauge resistance. On the other hand, the gauge portions 424a and 424c whose longitudinal direction extends in the <100> direction hardly change even when compressive stress is applied from the (110) plane. That is, the gauge portions 424a and 424c function as a reference resistance.
[0032]
As shown in the distribution of compressive stress in FIG. 4, a large compressive stress acts on both sides of the protruding portion 422b as compared with the intermediate portion. The force detection element 401 of the first embodiment acts more than the average value of the stress acting on the entire top portion of the top of the protrusion 422, as illustrated in the protrusion 422b (gauge portion 424b) of FIG. Gauge portions 424a to 424d are locally formed on both side portions of the top portion where the average value of stress to be generated is large.
[0033]
The main surface 421 and the protruding portion 422 of the force detection block 420 are actually covered with a silicon oxide film (insulating film), although illustration is omitted. By covering with an insulating film, current flowing through the gauge portion 424 formed in the protruding portion 422 is prevented from leaking.
[0034]
The operation of the force detection element 401 of the first embodiment will be described. For a pair of input electrodes 426a and 426c formed in a diagonal direction, for example, a positive voltage is applied to the electrode 426a side and the electrode 426c side is grounded. In this state, when an external force acts on the top surface 428a of the force transmission block 428 in the vertical direction, the external force is transmitted to the protruding portion 422 via the force transmission block 428. The external force acts on the protrusions 422a to 422d as compressive stress. As a result, the resistance values of the gauge portions 424b and 424d change (increase) in accordance with the magnitude of the compressive stress. As described above, since the gauge portions 424b and 424d are locally formed in a region where a large compressive stress acts, the amount of change in the resistance value of the gauge portions 424b and 424d is large. On the other hand, the resistance values of the gauge portions 424a and 424c hardly change.
[0035]
As a result, the voltage value appearing at the output electrode 426b becomes a partial pressure value of the gauge portions 424b and 424c, and thus decreases by a predetermined value. On the other hand, the voltage value appearing at the output electrode 426d increases by the same value as the predetermined value. Therefore, the magnitude of the external force acting on the top surface 428a of the force transmission block 428 can be detected from the difference between the voltage values appearing at the output electrodes 426b and 426d (differential output voltage value). According to the first embodiment, the voltage value based on the highly sensitive gauge portions 424b and 424d can be further doubled by the differential output. Further, the influence of noise can be canceled by the differential output.
[0036]
As in the first embodiment, among the top portions of the protrusions 422 of the force detection block 420, the gauge portions 424 are provided on both sides of the top portion where the average value of the applied stress is larger than the average value of the stress acting on the entire top portion. As compared with the case where the gauge portion is formed on the entire top of the protruding portion as in the conventional force detection element 1 shown in FIG. 2, the change amount of the resistance value of the gauge portion 424 is large. A force detection element 401 with high detection sensitivity can be realized. According to the first embodiment, high sensitivity can be realized without reducing the area of the joint surface M of the protrusion 422.
[0037]
According to the force detection element 401 of the first embodiment, high sensitivity can be achieved while widening the elongated protrusions 422a to 422d to some extent. Since the width can be increased to some extent, the possibility that the protrusions 422a to 422d are damaged by the compressive stress acting can be greatly reduced. Further, the force transmission block 428 can be stably supported by the protrusions 422a to 422d. Further, by forming the gauge portions 424 on both side portions of the top portion of the protruding portion 422, more stable sensitivity can be obtained than when forming only on one side portion.
[0038]
The area for forming the gauge portion 424b may be, for example, the following area in addition to the area shown in FIG.
The width of the region for forming the gauge portion 424b may be narrower or wider than the region shown in FIG. However, in the case of narrowing, it is preferable to locally form the gauge portion 424b in a region A (a periphery of the edge of the protruding portion 422b) where a large compressive stress is applied. According to this configuration, the amount of change in resistance value can be further increased. That is, higher sensitivity can be realized. On the other hand, in the case of increasing the width, in order to realize high sensitivity, it is formed in a region where the amount of change in the resistance value of the gauge portion 424b does not become smaller than when the gauge portion 424b is formed on the entire top portion of the protruding portion 422b. There is a need.
[0039]
For example, when the gauge portion 424b is locally formed in the region of the range C, the change amount of the resistance value of the gauge portion 422b is larger than when the gauge portion 424b is formed on the entire top portion of the protruding portion 422b. Can be configured such that the gauge portion 424 is locally formed in the region of the range C and the gauge portion is not formed in the region of the range A closer to the non-overlapping region 432.
[0040]
Second Embodiment FIG. 5 shows an enlarged perspective view of the protruding portion 522b of the force detection element 501 of the second embodiment. In the following, the characteristic points unique to the second embodiment will be mainly described as compared with the first embodiment. The same applies to the following embodiments.
The enlarged view of FIG. 5 corresponds to the enlarged view of the protruding portion 422b of the force detecting element 401 of the first embodiment shown in FIG. As illustrated in the protrusion 522b of FIG. 5, in the second embodiment, the n-type semiconductor layer 527b constituting the protrusion 522b has a local area of the gauge portion 524b that is a p-type diffusion region in the middle of the top. Is formed.
[0041]
As shown in the distribution of compressive stress in FIG. 5, the compressive stress acting on the intermediate portion of the protruding portion 522b is smaller than that on the side portion of the protruding portion 522b. However, the intermediate portion of the protruding portion 522b has a smaller variation in compressive stress between the plurality of force detection elements as indicated by the dotted line than the side portion of the protruding portion 522b. Accordingly, as in the second embodiment, the gauge portion 524 is locally formed at the intermediate portion in the width direction of the protruding portion 522, whereby the gauge portion 524 between the plurality of force detection elements in which the gauge portion 524 is formed. Variation in the amount of change in resistance value (detection sensitivity) can be reduced.
[0042]
The region for forming the gauge resistor 524b may be, for example, the following region in addition to the region shown in FIG.
The width of the region for forming the gauge resistor 524b may be narrower or wider than the region shown in FIG. However, when narrowing, it is preferable to locally form the gauge resistance 524b in a region E (periphery of the center of the protruding portion 522b) where the applied compressive stress is more evenly distributed. According to this configuration, the variation in the amount of change in resistance value among the plurality of force detection elements can be further reduced.
In addition, for example, a configuration in which the gauge portion 524b is locally formed in the region of the range G and the region of the range E (around the center of the protruding portion 522b) is not formed. Also with this configuration, the variation in the change amount 522b of the resistance value of the gauge portion 524b among the plurality of force detection elements can be reduced.
[0043]
Third Embodiment FIG. 6 shows a cross-sectional view of a force detection element 601 of the third embodiment. The cross-sectional view of FIG. 6 corresponds to the cross-sectional view of the portion having the protrusions 422b and 422d of the force detection element 401 of the first embodiment of FIG. However, the protrusions 622b, 622d and the like are shown as enlarged sectional views with local emphasis.
The force transmission block 628 of the force detection element 601 in FIG. 6 does not have a region corresponding to the non-overlapping region 434 outside the force transmission block 428 constituting the force detection element 401 in FIG. That is, when viewed from a direction perpendicular to the bonding surface M, the non-overlapping region 632 exists only on one side of the bonding surface M. Further, the bottom surface of the force transmission block 628 is not flat but has a step. In the overlapping region 630 of the force transmission block 628, a protruding portion 630c that protrudes toward the force detection block 620 with respect to the bottom surface 632b of the non-overlapping region 632 is formed.
[0044]
As shown in FIG. 6, all the regions of the protrusions 622 b and 622 d of the force detection block 620 overlap with the joint surface M when viewed from the direction perpendicular to the joint surface M. As exemplified by the protruding portions 622b and 622d in FIG. 6, the gauge portions 624b and 624d are formed only on the side portion of the protruding portions 622b and 622d of the force detection block 620 on the non-overlapping region 632 side (inner side). From another viewpoint, the center Y of the region where the gauge portions 624b and 624d are formed is closer to the non-overlapping region 632 than the center X of the protruding portions 622b and 622d. The gauge portions 624b and 624d are not necessarily formed only in the inner half region of the protrusions 622b and 622d, and may extend outward beyond the center X of the protrusions 622b and 622d.
[0045]
In the force detection element 601 of the third embodiment, unlike the force detection element 401 of the first embodiment, the bottom surface 632b of the non-overlapping region 632 of the force transmission block 628 is opposite to the joint surface M (the bottom surface 630b of the overlapping region 630). It is in a depressed position. For this reason, the compressive stress resulting from the external force acting on the external force acting surface 632 a of the non-overlapping region 632 acts in a distributed manner in a wide region among the regions close to the non-overlapping region 632. Therefore, the distribution of compressive stress becomes gentle. As a result, a relatively large compressive stress acts on the area inside the protrusions 622b and 622d. On the other hand, a relatively small compressive stress acts on the region outside the protrusions 622b and 622d. As described above, in the force detection element 601 of the third embodiment, the gauge portions 624b and 624d are locally formed in the region where the relatively large compressive stress acts in the protrusions 622b and 622d.
[0046]
Further, the bottom surface 632 b of the non-overlapping region 632 is recessed with respect to the bottom surface 630 b of the overlapping region 630. For this reason, even when a large external force acts on the top surface of the force transmission block 628 and the bottom surface 632b of the non-overlapping region 632 is bent toward the force detection block 620, the bottom surface 632b of the non-overlapping region 632 is Contact with the main surface 621 can be prevented.
[0047]
Fourth Embodiment FIG. 7 shows a cross-sectional view of a force detection element 701 according to a fourth embodiment. The cross-sectional view of FIG. 7 corresponds to the cross-sectional view of the portion having the projecting portions 422b and 422d of the force detection element 401 of the first embodiment of FIG.
In the force detection element 701 in FIG. 7, the entire bottom surface of the force transmission block 728 is not flat but has a step. In the overlapping region 730 of the force transmission block 728, a protruding portion 730c that protrudes toward the force detection block 720 with respect to the non-overlapping regions 732 and 734 is formed. Further, the areas of the top surfaces 723b and 723d of the protruding portions 722b and 722d are larger than the area of the bottom surface 730b of the overlapping region 730. That is, the areas of the top surfaces 723b and 723d of the protrusions 722b and 722d are larger than the area of the joint surface M.
[0048]
As illustrated in the protrusions 722b and 722d in FIG. 7, the protrusions 722b and 722d are in a region overlapping with the joint surface M when viewed from the direction perpendicular to the joint surface M, and the overlap. Gauge portions 724b-1, 724b-2, 724d-1, and 724d-2 are locally formed on both sides of the region.
[0049]
Also in the force detection element 701 of the fourth embodiment, the distribution of compressive stress becomes gentle as in the third embodiment. As a result, the protrusions 722b and 722d are regions that overlap with the joint surface M when viewed from the direction perpendicular to the joint surface M, and relatively large compressive stress acts on both sides of the overlap region. To do. On the other hand, a relatively small compressive stress acts on the central portion of the overlapping region. As described above, in the force detection element 701 of the fourth embodiment, the gauge portions 724b and 724d are locally formed in a region where a relatively large compressive stress acts on the protrusions 722b and 722d.
[0050]
Further, according to the force detection element 701, the width of the protrusions 722b and 722d of the force detection block 720 (or the area of the top surfaces 723b and 723d) is equal to the width of the protrusion 730c of the overlap region 730 of the force transmission block 728 (or the bottom surface). 730b). For this reason, even when the protrusion 730c is formed on the force transmission block 728, the force transmission block 728 is stably supported by the protrusion 722 of the force detection block 720.
[0051]
Fifth Example FIG. 8 is a perspective view of a force detection element 801 according to a fifth example.
In the force detection element 801 of the fifth embodiment, the force detection block 820 includes four projecting portions 822a to 822d that project from the main surface 821. Each of the protrusions 822a to 822d is formed in a rectangular shape when seen in a plan view. The protrusions (822a, 822c) and (822b, 822d) are arranged at positions facing each other in the longitudinal direction, and are arranged in a cross shape having a space at the center as a whole.
A part of a bottom surface 828b of the force transmission block 828 (a bottom surface 830b of an overlapping region 830, which will be described later) is firmly bonded to the top surfaces 823a to 823d of the protruding portions 822a to 822d by a technique such as anodic bonding, and the top surface 823a. The whole of ˜823d is the bonding surface M.
[0052]
The force transmission block 828 includes an overlapping region 830 at a position overlapping the bonding surface M when viewed from a direction perpendicular to the bonding surface M, and first to third non-overlapping regions 832, 834, 836 at positions not overlapping. Have In FIG. 8, only the overlapping area 830 with the protruding portion 822b is shown in the force transmission block 828 for clarity of illustration, but actually there are also overlapping areas with the protruding portions 822a, 822c, and 822d. To do. External force acting surfaces 830 a, 832 a, 834 a, and 836 a parallel to the joint surface M are formed in the overlapping region 830 and the first to third non-overlapping regions 832, 834, and 836, respectively. These external force acting surfaces 830 a, 832 a, 834 a, and 836 a are the top surfaces 828 a of the force transmission block 828.
The bottom surface 828b of the force transmission block 828 is entirely planar. The bottom surface 828b includes a bottom surface 830b of the overlapping region 830 and bottom surfaces 832b, 834b, and 836b of the first to third non-overlapping regions 832, 834, and 836.
[0053]
As shown in FIG. 8, for example, the protrusion 822 b has non-overlapping regions 832 and 836 on both sides in the short direction of the protrusion 822 b when viewed from the direction perpendicular to the joint surface M. There is a non-overlapping region 834 on one side of the protrusion 822b in the longitudinal direction. Gauge portions 824b-1 and 824b-3 are formed on the side portions of the protruding portions 822b corresponding to the non-overlapping regions 832 and 836, and the gauge portions 824b are formed on the side portions of the protruding portions 822b corresponding to the non-overlapping regions 834. -2 is formed. As a whole, the gauge portions 824b-1 to 824b-3 are formed in a U-shaped region when viewed from the direction perpendicular to the joint surface M. In this sense, the fifth embodiment has a structure that combines the first and third embodiments.
[0054]
As shown in the distribution of compressive stress in FIG. 8, a larger compressive stress acts on the first to third side portions 824b-1 to 824b-3 of the projecting portion 822b than the intermediate portion 825b. In the fifth embodiment, among the protrusions 822a to 822d, gauge parts 824a to 824d are locally formed in a U-shaped region when viewed from the direction perpendicular to the joint surface M where a large compressive stress acts. It is.
[0055]
The main surface 821 of the semiconductor block 820 is a (110) plane, and the protrusions 822b and 822d (gauge portions 824b and 824d) have a longitudinal direction extending in the <110> direction. On the other hand, the protrusions 822a and 822c (gauge portions 824a and 824c) have a longitudinal direction extending in the <100> direction. Thus, by arranging the protruding portions 822a to 822d (gauge portions 824a to 824d), each of the gauge portions 824a to 824d has a piezoresistance coefficient of π. ₁₃ Changes according to These four gauge portions 824a to 824d constitute a Wheatstone bridge.
[0056]
As a modification of the fourth and fifth embodiments, the intermediate portion in the width direction of the overlapping region of the protrusions (the portion denoted by reference numeral 725 (see FIG. 7) in the fourth embodiment, the portion denoted by reference numeral 825 in the fifth embodiment ( (See FIG. 8)) By locally forming the gauge part in the same manner as in the second embodiment, the amount of change in the resistance value of the gauge part (detection) between a plurality of force sensing elements that form the gauge part. (Sensitivity) variation can be reduced.
[0057]
(Sixth Embodiment) FIG. 9 shows a cross-sectional view of a force detection element 901 according to a sixth embodiment. The cross-sectional view of FIG. 9 corresponds to the cross-sectional view of the portion having the protruding portions 422b and 422d of the force detection element 401 of the first embodiment of FIG.
As shown in FIG. 9, in the force detection element 901 of the sixth embodiment, gauge portions 924b and 924d are locally formed in the intermediate portion in the height direction among the protrusions 922b and 922d of the force detection block 920. Yes. A part of the bottom surface of the force transmission block 928 is firmly attached to the top surface of the protruding portion 922 of the force detection block 920 by a technique such as anodic bonding, and the entire top surface is a joint surface M.
[0058]
In the structure in which the force transmission block 928 is attached to the protruding portion 922 of the force detecting block 920, the compressive stress acting on the intermediate portion in the height direction of the protruding portion 922 is larger than that of the top portion or the bottom portion. (See compression stress distribution in FIG. 9).
Therefore, in the structure in which the force transmission block 928 is attached to the protruding portion 922 of the force detecting block 920, the gauge portion 924 is locally formed at the intermediate portion in the height direction of the protruding portion 922 as in the sixth embodiment. As a result, the compressive stress acting on the gauge portion 924 can be increased as compared with the case where the gauge portion is formed on the top of the protruding portion. Accordingly, it is possible to realize a force detection element 901 having a high detection sensitivity and a large amount of change in the resistance value of the gauge portion 924.
[0059]
A first manufacturing method of the force detection element 901 of the sixth embodiment will be described.
First, as shown in FIG. 10, a p-type high-concentration diffusion layer 954 to be a gauge portion is formed by adding p-type impurities to the surface of an n-type silicon substrate 952 by ion implantation or the like. Next, as shown in FIG. 11, an epitaxial layer 956 that is a silicon thin film is formed on the p-type diffusion layer 954 by an epitaxial growth method. Next, as shown in FIG. 12, with the portions left as the protrusions 922b and 922d masked, the epitaxial layer 956, the p-type diffusion layer 954, and the p-type diffusion layer 954 in FIG. The top of the silicon substrate 952 is etched by RIE (Reactive Ion Etching) or the like. As a result, projecting portions 922b, 922d and the like in which gauge portions 924b, 924d are formed are formed in the intermediate portion in the height direction. Next, as shown in FIG. 9, the top surface of the protrusion 922 of the force detection block 920 and the bottom surface of the force transmission block 928 are anodically bonded. As a result, the force detection element 901 is manufactured.
[0060]
A second manufacturing method of the force detection element 901 of the sixth embodiment will be described.
First, as shown in FIG. 13, a p-type high concentration diffusion layer 954 is formed on the surface of the first n-type silicon substrate 972 in the same manner as in the first manufacturing method. Next, as shown in FIG. 14, a second n-type silicon substrate 976 is bonded to the first n-type silicon substrate 972. Next, as shown in FIG. 15, the second n-type silicon substrate 976 is ground from above until it becomes a thin plate. In this state, the structure is similar to the state of FIG. 11 of the first manufacturing method. Thereafter, the force detection element 901 can be manufactured through the same manufacturing process of the first manufacturing method described above (see FIGS. 12 and 9).
[0061]
As a third manufacturing method of the force detection element 901 of the sixth embodiment, a p-type impurity is locally added only to a slightly deep position from the surface of the n-type silicon substrate by an ion implantation method or the like. A state as shown may be formed. Also in this case, the force detection element 901 can be manufactured through the same manufacturing process of the first manufacturing method described above (see FIGS. 12 and 9).
[0062]
(Seventh Embodiment) FIG. 16 is a perspective view of a protrusion 1022 of a force detection element 1001 according to a seventh embodiment. FIG. 16 corresponds to an enlarged perspective view of the protruding portion 422b of the force detection element 401 of the first embodiment shown in FIG.
The force detection element 1001 of the seventh embodiment has a structure that combines the first embodiment and the sixth embodiment. In the n-type semiconductor layer 1027 constituting the protruding portion 1022, a gauge portion 1024 that is a middle portion in the height direction and is a p-type diffusion region is locally formed on both sides thereof. The bottom surface (not shown) of the force transmission block similar to the force transmission block 428 of the first embodiment and the top surface 1023 of the protruding portion 1022 of the force detection block 1020 are firmly attached by a technique such as anodic bonding. The entire surface 1023 is a bonding surface M.
[0063]
In the structure of the seventh embodiment, as described in the first embodiment, a larger compressive stress acts on the side portion of the protruding portion 1022 than the intermediate portion of the protruding portion 1022. In the structure in which the force transmission block and the top surface 1023 of the protrusion 1022 of the force detection block 1020 are attached by anodic bonding or the like as in the seventh embodiment, as described in the sixth embodiment, the protrusion Compared with the top part or the bottom part of 1022, a large compressive stress acts on the intermediate part in the height direction of the protruding part 1022.
Therefore, as in the seventh embodiment, the gauge portion 1024 is locally formed in the intermediate portion in the height direction of the protruding portion 1022 and on both sides thereof, thereby further compressing the gauge portion 1024. Stress can be applied. Therefore, it is possible to realize a force detection element 1001 having a larger change amount of the resistance value of the gauge unit 1024 and higher detection sensitivity.
[0064]
Specific examples of the present invention have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.
[0065]
The application range of the present invention is not limited to the above-described crystal plane, crystal direction, and bridge configuration. That is, instead of the above-described (110) plane, <110> direction, and <100> direction, other crystal planes or crystal directions may be used. For example, the (100) plane may be used as the crystal plane. When the (100) plane is used, the amount of change in the resistance value of the gauge portion can be made relatively large, and integration is easy. In addition, a single gauge structure or the like may be employed without particularly configuring the Wheatstone bridge. When using the above-mentioned (110) plane, <110> direction, and <100> direction, a crystal plane or crystal direction equivalent to these may be adopted. The crystal planes or crystal directions equivalent to these are shown in Tables 1 to 3 of JP-A-2001-304997.
[0066]
There is no limitation in particular in the shape of the protrusion part demonstrated in the above-mentioned Example. For example, the top surface of the protrusion may be inclined with respect to the main surface of the force detection block. Moreover, the top surface of the protrusion may be curved. Moreover, the side surface of the protruding portion may have, for example, a tapered end-spread shape. Moreover, in the said Example, although the convex-shaped protrusion part was demonstrated as an example, the protrusion part may protrude in the step shape, for example. Moreover, there is no limitation in particular also about the form which arrange | positions a protrusion part. For example, in the force detection element 401 of the first embodiment shown in FIG. 4, the four protrusions 422a to 422d are arranged in a square shape, but may be arranged in a rhombus shape or curved. The extending protrusions may be arranged in a circular shape. Further, for example, the force transmission block may be stably supported by arranging two or more elongated protrusions.
[0067]
Further, the application range of the present invention is not limited to the case where the protruding portion of the force detection block and the contact surface of the force transmission block are parallel to the external force acting surface of the force transmission block. For example, a mode in which the contact surface and the external force acting surface are perpendicular to each other, a bending moment is exerted by the external force acting on the external force acting surface, and a compressive stress acts on the contact surface by the bending moment may be employed. Further, the present invention can be applied not only when the stress acting on the contact surface of the protrusion is a compressive stress but also when the stress is a tensile stress or when both the compressive stress and the tensile stress are applied.
[0068]
The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology exemplified in this specification or the drawings can achieve a plurality of objects at the same time, and has technical usefulness by achieving one of the objects.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view of a conventional force detection element.
FIG. 2 is an enlarged perspective view of a protrusion of a conventional force detection element.
FIG. 3 is a perspective view of the force detection element of the first embodiment.
FIG. 4 is an enlarged perspective view of a protrusion of the force detection element according to the first embodiment.
FIG. 5 is an enlarged perspective view of a protrusion of a force detection element according to a second embodiment.
FIG. 6 is a sectional view of a force detection element according to a third embodiment.
FIG. 7 is a sectional view of a force detection element according to a fourth embodiment.
FIG. 8 is a perspective view of a force detection element according to a fifth embodiment.
FIG. 9 is a sectional view of a force detection element according to a sixth embodiment.
FIG. 10 shows an explanatory view of a first manufacturing method of the force detection element of the sixth embodiment (1).
FIG. 11 is an explanatory view of a first manufacturing method of the force detection element of the sixth embodiment (2).
FIG. 12 shows an explanatory diagram of the first manufacturing method of the force detection element of the sixth embodiment (3).
FIG. 13 shows an explanatory view of a second manufacturing method of the force detection element of the sixth embodiment (1).
FIG. 14 is an explanatory view of a second manufacturing method of the force detection element of the sixth embodiment (2).
FIG. 15 shows an explanatory view of a second manufacturing method of the force detection element of the sixth embodiment (3).
FIG. 16 is a perspective view of a protrusion of a force detection element according to a seventh embodiment.
[Explanation of symbols]
401: Force detection element
420: Force detection block
422: Projection
424: Gauge part
426: Electrode
428: Force transmission block

Claims

A first block and a second block;
The first block has a protruding portion, and a contact surface that contacts the bottom surface of the second block is formed on the top surface of the protruding portion.
The second block has an external force acting surface formed on the top surface of the second block, and a non-overlapping region in a position not overlapping with the contact surface when viewed from the contact surface vertical direction, and the top surface of the non-overlapping region Constitutes at least part of the external force acting surface,
In the projecting portion in a range where the projecting portion and the second block are continuously in contact with each other, the predetermined height of the projecting portion is caused by an external force acting on the second block out of a predetermined height portion of the projecting portion. The gauge part including the part where the resistance value changes according to the acting stress is locally formed in a region where the average value of the acting stress is larger than the average value of the stress acting on the whole part. Force sensing element.

A first block and a second block;
The first block has a protruding portion, and a contact surface that contacts the bottom surface of the second block is formed on the top surface of the protruding portion.
The second block has an external force acting surface formed on the top surface of the second block, and a non-overlapping region in a position not overlapping with the contact surface when viewed from the contact surface vertical direction, and the top surface of the non-overlapping region Constitutes at least part of the external force acting surface,
In the projecting portion in a range where the projecting portion and the second block are continuously in contact with each other, the predetermined height of the projecting portion is caused by an external force acting on the second block out of a predetermined height portion of the projecting portion. A force sensing element, wherein a gauge portion including a portion where a resistance value changes according to the acting stress is locally formed in a region where the distribution of stress acting on the portion is substantially flat.

A first block and a second block;
The first block has a protruding portion, and a contact surface that contacts the bottom surface of the second block is formed on the top surface of the protruding portion.
The second block has an external force acting surface formed on the top surface of the second block , and a non-overlapping region in a position not overlapping with the contact surface when viewed from the contact surface vertical direction, and the top surface of the non-overlapping region Constitutes at least part of the external force acting surface,
In the projecting portion in a range where the projecting portion and the second block are continuously in contact with each other, the projecting portion is a region overlapping with the contact surface when viewed from the direction perpendicular to the contact surface, and the overlap. A force is characterized in that a gauge part including a part whose resistance value changes according to the applied stress is locally formed on a side part of the non-overlapping area side in the width direction of the area or an intermediate part in the width direction. Sensing element.

The second block is attached to the top surface of the protrusion,
The force detection element according to any one of claims 1 to 3, wherein the gauge portion is locally formed at an intermediate portion in a height direction of the protruding portion.

A first block and a second block;
The first block has a protruding portion, and a contact surface that contacts the bottom surface of the second block is formed on the top surface of the protruding portion.
The second block has an external force acting surface formed on the top surface of the second block, and a non-overlapping region in a position not overlapping with the contact surface when viewed from the contact surface vertical direction, and the top surface of the non-overlapping region Constitutes at least a part of the external force acting surface, is attached to the top surface of the protrusion,
In the protrusion in the range where the protrusion and the second block are continuously in contact with each other , a gauge portion including a portion whose resistance value changes according to the stress acting on an intermediate portion in the height direction of the protrusion Is a locally formed force sensing element.

The force detection element according to any one of claims 1 to 5, wherein a plurality of the protrusions are elongated and are provided.