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JPH0473630B2 - - Google Patents
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JPH0473630B2 - - Google Patents

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JPH0473630B2
JPH0473630B2 JP59008785A JP878584A JPH0473630B2 JP H0473630 B2 JPH0473630 B2 JP H0473630B2 JP 59008785 A JP59008785 A JP 59008785A JP 878584 A JP878584 A JP 878584A JP H0473630 B2 JPH0473630 B2 JP H0473630B2
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pressure sensor
type
wiring
pressure
strain gauge
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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

Landscapes

  • 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、ストレンゲージを用いて、受圧
面に印加されている力を検出する圧覚センサのう
ちで、特に面状に分布された荷重の分布を検出す
るに適した小形の圧覚センサに関する。
[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. 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る力の3方向成分
を検出するセンサ(八角形応力リング)を示す。
このセンサは金属製八角形リング1の受圧面2お
よび基板面3を除く外周部の6面と、両側面およ
び内周面とにそれぞれストレンゲージ41〜4
4,51〜54,61〜64を貼付して、その貼
付位置によつて3方向成分を互いに分離してそれ
ぞれ検出するようにしたものである。上述のスト
レンゲージ41〜44は八角形リングのうちの受
圧面2に垂直な外周面とリングの内周面とに貼付
されており、受圧面2に垂直な力の成分Fzを研
修する。また、ストレンゲージ51〜54は八角
形リングのうちの4つの斜めの外周面に貼付され
ており、受圧面2にかかる水平な力の成分のうち
のX方向の成分Fxを検出する。さらに、ストレ
ンゲージ61〜64はリングの両側面に、八角形
リングの斜め面と同じ角度で、リングの肉厚のほ
ぼ中央部に貼付されており、受圧面2にかかる水
平な力の成分のうちのy方向の成分Fyを検出す
る。
[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 4 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.
4, 51 to 54, and 61 to 64 are pasted, and the three directional components are separated from each other and detected respectively 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 the inner peripheral surface of the ring to train 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解し3方向分力とし
て検出しているので、この3分力を演算式により
合成することによつて力の大きさや方向を求める
ことがでる。更に任意の方向の力も求めることが
できる。
In this way, the three-direction force sensor shown in the figure decomposes force into the basic orthogonal coordinate system and detects it as three-direction component forces, so by combining these three component forces using an arithmetic expression, You can find the magnitude and direction of force. Furthermore, force in any direction can be determined.

このように力の分解、合成が容易にできるの
が、3方向分力センサの大きな特徴である。
A major feature of the three-directional force sensor is that force can be easily decomposed and combined in this way.

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 plane. 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、安定性が悪い。
Since the strain gauge is attached, creep occurs due to the attached layer, resulting in poor stability.

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.

一応、人間の手のひらの有する圧覚機能にでき
るだけ近いレベルの高度な圧覚機能を有するロボ
ツトハンドを実現するためには、その圧覚センサ
としては3方向分力センサの機能を有し、さらに
このセンサを多数高密度で面アレイ状に配列し
て、印加される力の分布状態や力の中心(重心)
とそれに働く合成力を正確に求めることができな
けれならない。そのため、このような圧覚センサ
としては、荷重の分力を相互間の干渉なしによく
分離して正確に研修できること、寸法を極小化し
て高密度集積化できることが要求され、例えばセ
ンサの受圧板の大きさは数mm角、できれば1mm角
以下にすることが望ましい。
In order to realize a robot hand with 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 to determine the distribution of applied force and the center of force (center of gravity)
It must be possible to accurately determine the resultant force acting on it. Therefore, such a pressure sensor is required to be able to accurately separate the component forces of the load without mutual interference, and to be able to minimize dimensions and integrate at 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は受圧面に垂直な力の成分
Fzを検出し、また、ストレンゲージ111〜1
14は受圧面8に平行な力の一成分Fxを検出し、
さらに、ストレンゲージ121〜124は受圧面
8に平行な力の成分Fyを検出する。これらのス
トレンゲージの配置は後述のように高感度でかつ
他の二方行分力に対し理論的に影響を受けぬ場所
に設けられている。また拡散形ストレンゲージを
ゲージ率(ピエゾ抵抗係数)の結晶方位依存のな
い{111}面に形成すれば、特性のバラツキの非
常に小さい圧覚センサが得られる。
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 above-mentioned strain gauges 101 to 104 measure the force component perpendicular to the pressure receiving surface.
Fz is detected, and strain gauges 111 to 1
14 detects one component Fx of the force parallel to the pressure receiving surface 8,
Furthermore, the strain gauges 121 to 124 detect a force component Fy 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 other bidirectional forces. Furthermore, if the diffusion type strain gauge is formed on the {111} plane in which the gauge factor (piezoresistance coefficient) does not depend on the crystal orientation, 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形成面(平
面)13のゲージ配置および配線の一例を示す。
この例は従来の配線法によるものであるが、図示
のように、Fz検出用のストレンゲージ101〜
104は感圧構造体7の中心を通り、上部の受圧
面8に平行な線A−A′上で、左右の外縁および
内縁の近くのストレンゲージ形成面13に合計4
個配置され、かつ配線141でブリツジ結線さ
れ、この配線141に接続したボンデイングパツ
ド部15で入出力がされている。また、Fx検出
用のストレンゲージ111〜114は上述の線A
−A′から上下両方向に角度α°傾いた2つの線上の
外縁近くのストレンゲージ形成面13に合計4個
配置され、かつ配線142でブリツジ結線され、
この配線142に接続したボンデイングパツド部
15で入出力がされている。さらに、Fy検出用
のストレンゲージ121〜124は、上述の線A
−A′から上下両方向に角度α°傾いた線上のリング
の中央近くの材料力学的な中立軸上の位置のスト
レンゲージ形成面13に合計4個配置され、かつ
配線143でブリツジ結線され、この配線143
に接続したボンデイングパツド部15で入出力が
されている。上述の角度α°は受圧面8に垂直な力
のみがその受圧面に印加されたとき、ひずみを生
じない位置の角度に選定され、例えば図示のよう
な円形リングの場合には、50.4°の近傍になる。
すなわち、円形リングの場合においては、ストレ
ンゲージ配置位置は受圧面8に平行な中心点を通
る線上およびこの線と約50°の傾きをもつ線上が
望ましい。
FIG. 4 shows an example of the gauge arrangement and wiring on the strain gauge forming surface (plane) 13 of FIG. 2. FIG.
This example is based on the conventional wiring method, but as shown in the figure, strain gauges 101 to 101 for Fz detection are used.
104 is a line A-A' that passes through the center of the pressure-sensitive structure 7 and is parallel to the upper pressure-receiving surface 8, and a total of 4
They are arranged and bridge-connected by a wiring 141, and input/output is performed by a bonding pad section 15 connected to this wiring 141. In addition, the strain gauges 111 to 114 for Fx detection are connected to the line A mentioned above.
A total of four strain gauges are arranged on the strain gauge forming surface 13 near the outer edge on two lines tilted at an angle α° both upward and downward 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。すわち、上述のように感圧構造
体を構成するシリコンの表面近くにストレンゲー
ジを形成し、そのストレンゲージ間の結線および
入出力のための配線がシリコンの表面に形成され
るのであるから、シリコン感圧構造体に生じる歪
が配線部にも及ぶ。この歪で、配線部の抵抗変化
あるいは断線を生じると、信頼性を大きく低下さ
せる。力の三成分を検出する圧覚センサの場合に
はその配線が複雑で、第5図に示すような通常の
金属薄膜による配線24の構成では、第6図に示
すように相当多数の配線24−1,24−2のク
ロスオーバが必要となる。(なお、ここで、22
はN形シリコン基板21上に形成された、SiO2
膜、26はSiO2膜22上の2つの配線24−1,
24−2のクロスオーバ位置で両線を分離する被
覆絶縁層であり、21はN形シリコン基板、25
はボンデイングパツド部である。) 例えば、前述の第4図に示すような力の三成分
検出用電源を力の三成分検出ストレンゲージ群毎
に完全に独立に配線した片面三成分電源完全独立
形の圧覚セン単位セルの場合では、その配線のク
ロスオーバは39個所も必要となる。図の、X3
X4,Y3,Y4,Z3,Z4はプラスまたはマイナス側
電源端子である。また、第7図に示すように、そ
の電源の一方を共通(アース側端子G)にし、他
方を独立プラス側端子(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. That is, as described above, the strain gauges are formed near the surface of the silicon that constitutes the pressure sensitive structure, and the connections between the strain gauges and the wiring for input and output are formed on the surface of the silicon. The strain that occurs in the silicon 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, 22
is SiO 2 formed on the 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 pad part. ) For example, in the case of a single-sided three-component power supply completely 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 Fig. 4 above. In this case, 39 wiring crossovers would be required. In the figure, X 3 ,
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設置場所を圧覚
センサ単位セルの左右個所と下部位置とにし、そ
の左右個所をそれぞれ垂直方向分力Fz検出用の
両ストレンゲージの中間部の中央位置にすれば、
その左右個所は比較的歪の発生の小さい領域とす
ることができて、そこのクロスオーバの信頼性へ
の影響はほぼなくなるが、一方下部位置は歪の比
較的最も大きな領域であるので、その下部のクロ
スオーバは抵抗変化や断線を生じやすく信頼性に
問題がある。
Therefore, if the wiring crossovers are installed 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 the reliability of the crossover there is almost eliminated.On the other hand, the lower position is the area where the distortion is relatively large, 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
におり、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 reduce the number of crossovers at the lower position of a pressure sensor unit cell, and if possible, eliminate the crossovers altogether, thereby providing a highly reliable pressure sensor.

[発明の要点] この発明は、弾性体として非常に秀れた特性を
有する単結晶シリコンを感圧構造体とし、その受
圧面に垂直な面にプレーナ技術によつて形成した
拡散形ストレンゲージ群の抵抗値の変化によつ
て、受圧面に印加された力の三方向成分を検出す
るシリコン製プレーナ形の圧覚センサにおいて、
その単結晶シリコンの基板部表面に設けたエピタ
キシヤル層は、このエピタキシヤル層表面に形成
されたストレンゲージと、このエピタキシヤル層
を上記基板部表面または貫通して形成された拡散
層とを有し、かつこのエピタキシヤル層は、上記
基板部と上記拡散層と上記ストレンゲージとは反
対の伝導形であり、上記拡散層および上記基板部
を上記ストレンゲージへの配線の一部として構成
したことことにより、配線の一部を表面の金属配
線から内部のシリコン基板へと置き変えて、配線
のクロスオーバの数を減らすようにしたものであ
る。
[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. A planar pressure sensor made of silicon that detects three-directional components of force applied to a pressure-receiving surface by changes in the resistance value of
The epitaxial layer provided on the surface of the single crystal silicon substrate has a strain gauge formed on the surface of this epitaxial layer and a diffusion layer formed on or through this epitaxial layer. and the epitaxial layer has a conductivity type opposite to that of the substrate portion, the diffusion layer, and the strain gauge, and the diffusion layer and the substrate portion are configured as part of wiring to the strain gauge. This reduces the number of wiring crossovers by replacing part of the wiring from the metal wiring on the surface to the internal silicon substrate.

[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図は第2図のようなシリコン製プレーナ形
圧覚センサ単位セルに適用したこの発明の一実施
例の要部断面を示すもので、単結晶シイコン基板
36上にエピタキシヤル層37を衛生し、このエ
ピタキシヤル層37の表面近くに拡散形ストレン
ゲージ23を形成し、かつエピタキシヤル層37
に貫通させた貫通拡散層38により金属薄膜配線
24とシリコン基板36とを接続させ、これによ
り拡散形ストレンゲージ23とボンデイングパツ
ド部25とを2つの短い金属薄膜配線24と2つ
の貫通拡散層38と共通のシリコン基板36とを
通じて電気的に接続させている。
FIG. 9 shows a cross section of a main part of an embodiment of the present invention applied to a silicon planar pressure sensor unit cell as shown in FIG. , a diffusion type strain gauge 23 is formed near the surface of this epitaxial layer 37, and
The metal thin film wiring 24 and the silicon substrate 36 are connected by the through diffusion layer 38 penetrated through the metal thin film wiring 24 and the two short metal thin film wiring 24 and the two through diffusion layers. 38 and a common silicon substrate 36 .

このように電気的に接続させるため、シリコン
基板36、貫通拡散層38および拡散形ストレン
ゲージ23は全て同じ伝導形(例えばP形)に
し、絶縁層の役目をはたすエピタキシヤル層37
はこれと反対の伝導形(例えばN形)にする。こ
のように、配線の一部は上述の貫通拡散層38と
シリコン基板36とに置き換えられるので、配線
のクロスオーバの数を大幅に減少させることがで
きる。すなわち、貫通拡散層38と接続する金属
薄膜配線24はごく短くすることができるので、
例えば後述のように電源配線としてこの配線等2
4,26,38を用いれば少なくともこの配線を
他の検出信号等の配線とはクロスオーバすること
がなくなる。
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 wires 4, 26, and 38 are used, at least this wire will not cross over with wires for other detection signals, etc.

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 resistivity 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上の全面に気相成長法に
よりN形エピタキシヤル層37を成長させた後、
このエピタキシヤル層37上にSiO2酸化膜22
を熱酸化などにより形成する。次にこの形成した
酸化膜22にホトエツチング技術を用いて、選択
拡散を行う部分に拡散孔を設ける。次いで、イオ
ン注入技術により高濃度P形の不純物の選択拡散
を行つて、P形拡散形ストレンゲージ23とP形
貫通拡散層38とをエピタキシヤル層37に形成
する。その際、P形拡散形ストレンゲージ23は
エピタキシヤル層37の表面近くに形成し、P形
貫通拡散層38はエピタキシヤル層37を貫通す
るように形成する。続いて、蒸着技術によりアル
ミニウム薄膜をSiO2酸化膜22上に付着させて、
更にホトエツチング技術により、金属薄膜配線2
4を形成する。この配線24の一部の所定場所に
ボンデイングパツド25を固着する。
Furthermore, to briefly explain an example of the manufacturing process, after growing an N-type epitaxial layer 37 on the entire surface of a P-type single crystal silicon substrate 36 by a vapor phase growth method,
A SiO 2 oxide film 22 is formed on this epitaxial layer 37.
is formed by thermal oxidation etc. Next, a photoetching technique is used in the formed oxide film 22 to provide a diffusion hole in a portion where selective diffusion is to be performed. Next, selective diffusion of highly concentrated P-type impurities is performed using ion implantation technology to form a P-type diffusion type strain gauge 23 and a P-type through diffusion layer 38 in the epitaxial layer 37. At this time, the P type diffusion type strain gauge 23 is formed near the surface of the epitaxial layer 37, and the P type through diffusion layer 38 is formed so as to penetrate the epitaxial layer 37. Next, an aluminum thin film is deposited on the SiO 2 oxide film 22 by vapor deposition technology,
Furthermore, using photoetching technology, metal thin film wiring 2
form 4. A bonding pad 25 is fixed to a predetermined portion of this wiring 24.

第10図はこの発明の他の実施例の要部断面を
示すもので、ストレンゲージ側の貫通拡散層38
がエピタキシヤル層37を貫通して、拡散形スト
レンゲージ23とシリコン基板36と直接接続し
ている。これにより、ストレンゲージ23と貫通
拡散層38とを接続する金属薄膜配線24が無く
なるので、配線の数がさらに少なくなり、さらに
信頼性を高めることができる。
FIG. 10 shows a cross section of a main part of another embodiment of the present invention, in which the penetration diffusion layer 38 on the strain gauge side is shown.
penetrates the epitaxial layer 37 and directly connects the diffusion type strain gauge 23 and the silicon substrate 36 . This eliminates the metal thin film wiring 24 that connects the strain gauge 23 and the through-diffusion layer 38, so the number of wiring can be further reduced and reliability can be further improved.

第11図および第12図にこの発明による圧覚
センサ単位エルの配線の例を示す。図中〓で図示
した個所に、第9図および第10図で示したこの
発明を適用している。なお、図のGはマイナス側
電源端子(アース端子)である。この発明の適用
により、例えば第11図の片面エピ形・三成分電
源共用形の場合では、クロスオーバがほぼ1/3の
13ケ所に減らせ、第12図の片面エピ形・三成分
電源共用形の場合では、クロスオーバがほぼ1/3
の12ケ所または10ケ所に減らせ、さらに信頼性に
一番問題とな下部位置におけるクロスオーバをそ
れぞれ1〜0ケ所とすることができる。
FIGS. 11 and 12 show examples of wiring of the pressure sensor unit L according to the present invention. The present invention shown in FIGS. 9 and 10 is applied to the area shown by 〓 in the figure. Note that G in the figure is a negative power terminal (earth terminal). By applying this invention, for example, in the case of the single-sided epitaxial type and three-component power supply type shown in Fig. 11, the crossover is reduced to approximately 1/3.
The number of locations can be reduced to 13, and in the case of the single-sided epitaxial type and three-component power supply type shown in Figure 12, the crossover is approximately 1/3.
It is possible to reduce the number of crossovers to 12 or 10 locations, and furthermore, the number of crossovers at the bottom position, which poses the greatest problem in reliability, can be reduced to 1 to 0 locations.

なお、この実施例では単結晶シリコン感圧構造
体の所定の片面のみ拡散形ストレンゲージを形成
した圧覚センサ単位セルの場合について説明した
が、この発明はその単結晶シリコン感圧構造体の
両面にそれぞれ力の三成分を検出する拡散形スト
レンゲージを形成する場合にも好適であり、両側
のストレンゲージの配線の一部としてシリコン基
板が使用できるのは勿論である。
In this example, the case of a pressure sensor unit cell in which a diffusion type strain gauge is formed on only one predetermined side of a single crystal silicon pressure sensitive structure has been described. It is also suitable for forming a diffusion type strain gauge that detects each of the three components of force, and it goes without saying that a silicon substrate can be used as part of the wiring of the strain gauges on both sides.

次に、このように構成した圧覚センサの製造方
法の一例について第13図A,Bを参照して簡単
に説明する。まず、所定の厚さ(例えば0.6mm)
を有し。所定の伝導形(例えばP形)と比抵抗
(例えば1Ω・cm以下)を有し、かつ所定方向の
結晶方位を有する単結晶シリコンウエハ16の
{111}面上に形成したそれと反対の伝導形(例え
ばN形)のエピタキシヤル層の圧覚センサ単位セ
ル相当領域17に第11図または第12図のよう
な配置の拡散形ストレンゲージ101〜124の
群、および金属配線をマスクレスイオンビーム加
工やAl蒸着などのIC製造技術(プレーナ技術)
によつて形成する。このIC製造方法によれば、
1枚のウエハ16のエピタキシヤル層に多数個の
圧覚センサ単位セルを作り込むことができる。こ
のウエハ16からワイヤーソーカツト法やレーザ
加工あるいはエツチカツトなどの機械加工によ
り、圧覚センサ単位セルを精度よく切り出すこと
によつて、特性のよく揃つた小形(例えば数mm〜
1mm)のプレーナ形圧覚センサ単位セルが得られ
る。なお、以上の説明ではリング状の圧覚センサ
について述べたが、リング状以外の圧覚センサに
も本発明のプレーナ形製造が適用できることは勿
論である。
Next, an example of a method for manufacturing the pressure sensor configured as described above will be briefly described with reference to FIGS. 13A and 13B. First, a given thickness (e.g. 0.6mm)
has. A conductivity type opposite to that formed on the {111} plane of the single-crystal silicon wafer 16 having a predetermined conductivity type (e.g., P type) and specific resistance (e.g., 1 Ω cm or less) and crystal orientation in a predetermined direction. A group of diffusion strain gauges 101 to 124 arranged as shown in FIG. 11 or FIG. 12 and metal wiring are formed in a region 17 corresponding to a pressure sensor unit cell of a (for example, N-type) epitaxial layer by maskless ion beam processing. IC manufacturing technology such as Al deposition (planar technology)
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. By accurately cutting out pressure sensor unit cells from this wafer 16 by wire saw cutting, laser processing, or machining such as etching cutting, pressure sensor unit cells can be cut into small pieces with well-matched characteristics (for example, from a few mm to
A planar pressure sensor unit cell of 1 mm) is obtained. In the above description, a ring-shaped pressure sensor has been described, but it goes without saying that the planar type manufacturing of the present invention can be applied to pressure sensors other than ring-shaped pressure sensors.

なお、本例の圧覚センサ単位セルは極めて小形
にできるので、第14図に示すようにこの圧覚セ
ンサ単位セル202を下部共通基板203上にそ
の溝204に嵌め合せて多数個x、y方向の面ア
レイ状に垂直に並べて固着し、それらの圧覚セン
サ単位セル202の上部に受圧板205を固着し
て圧覚センサアレイ206を形成すれば、面状に
分布する荷重の荷重分布を正確に検出することが
でできる。その際、圧覚センサ単位セル202を
1個また2個を1組として、受圧微細モジユール
の単位を形成する場合に、その各受圧微細モジユ
ールは1cm2当り25〜100個程度の密度でアレイ状
に一体に集積することができ、これらをロボツト
ハンド等の把持面等に取付けて高精度の各種制御
を行うことが可能となる。
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. I can do it. At this time, when one or two pressure sensor unit cells 202 are used to form a unit of pressure-receiving micro-modules, each of the pressure-sensing micro-modules is arranged in an array at a density of about 25 to 100 cells per 1 cm2. They can be integrated into one body, and by attaching them to the gripping surface of a robot hand or the like, it becomes 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、拡散
形ストレンゲージの配線の一部を貫通拡散層とシ
リコン基板とに置き換えるようにしたので、配線
のクロスオーバの数が大幅に減り、しかもその結
果、クロスオーバの大部分を小歪領域に限定する
ことができるので、抵抗変化あるいは断線を生じ
やすいクロスオーバをほとんど無くすることが可
能となり、圧覚センサの信頼性が飛躍的に向上す
る。
[Effects of the Invention] As explained above, according to the present invention, a part of the wiring of a diffusion type strain gauge is replaced with a through diffusion layer and a silicon substrate, so that the number of wiring crossovers is greatly reduced. Moreover, as a result, most of the crossover can be limited to the small strain region, making it possible to almost eliminate crossovers that tend to change resistance or disconnect, dramatically increasing the reliability of the pressure sensor. improves.

【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の斜視図、第3図A〜Cは
第2図の圧覚センサのストレンゲージの結線状態
を示す回路図、第4図は従来技術を適用して配線
した圧覚センサの配線の配置例を示す模式図、第
5図および第6図は第4図の圧覚センサの配線部
分の構成を示す断面図、第7図および第8図は従
来技術を適用して配線した圧覚センサの配線の配
置例の模式図、第9図はこの発明を実施した圧覚
センサの配線部分の構成例を示す断面図、第10
図はこの発明の他の実施例を示す断面図、第11
図および第12図はこの発明を実施して配線した
圧覚センサの線の配置例を示す模式図、第13図
Aはこの発明による圧覚センサ単位セルの製造方
法の説明図で、第13図BはそのA部を拡大した
拡大図、第14図はこの発明による圧覚センサ単
位セルを面アレイ状に配列して圧覚センサアレイ
を形成した例を示す斜視図である。 1……金属製八角形リング、7……シリコン感
圧構造体、2,8……受圧面、3,9……基板
面、13……ストレンゲージ形成面、15……ボ
ンデイングパツド部、16……シリコンウエハ、
17……圧覚センサ単位セル相当領域、21……
(N形)シリコン基板、22……SiO2膜、23…
…(P形)拡散形ストレンゲージ、24……金属
薄膜配線、24−1,24−2……第1、第2金
属薄膜配線、25……ボンデイングパツド部、2
6……被覆絶縁層、26……(P形)シリコン基
板、37……(N形)エピタキシヤル層、38…
…(P形)貫通拡散層、101〜104,111
〜114,121〜124……拡散形ストレンゲ
ージ、141〜143……配線。
FIG. 1 is a perspective view showing a pressure sensor (octagonal stress ring) according to the prior art, FIG. 2 is a perspective view of an example of the pressure sensor to which the present invention is applied, and FIGS. 3A to 3C are the pressure sensors shown in FIG. Fig. 4 is a schematic diagram showing an example of the wiring arrangement of the pressure sensor wired using the conventional technology, and Figs. 7 and 8 are schematic diagrams of examples of the wiring arrangement of a pressure sensor wired using the conventional technology, and FIG. 9 is a wiring portion of a pressure sensor according to the present invention. 10th cross-sectional view showing a configuration example of
The figure is a sectional view showing another embodiment of the present invention, No. 11.
12 and 12 are schematic diagrams showing examples of wire arrangement of a pressure sensor wired according to the present invention, FIG. 13A is an explanatory diagram of a method for manufacturing a pressure sensor unit cell according to the present invention, and FIG. 13B 14 is a perspective view showing an example in which pressure sensor unit cells according to the present invention are arranged in a planar array to form a pressure sensor array. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Metal octagonal ring, 7... Silicon pressure sensitive structure, 2, 8... Pressure receiving surface, 3, 9... Substrate surface, 13... Strain gauge forming surface, 15... Bonding pad portion, 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
6... Covering insulating layer, 26... (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表面に設けたエピ
タキシヤル層は、該エピタキシヤル層表面に形成
されたストレンゲージと、該エピタキシヤル層を
前記基板部表面まで貫通して形成された拡散層と
を有し、かつ該エピタキシヤル層は、前記基板部
と前記拡散層と前記ストレンゲージとは反対の伝
導形であり、前記拡散層および前記基板部を前記
ストレンゲージへの配線の一部として構成したこ
とを特徴とする圧覚センサ。 2 特許請求の範囲第1項記載の圧覚センサにお
いて、前記単結晶シリコンの基板部としてP形シ
リコンを用い、前記エピタキシヤル層としてN形
シリコンを用い、前記拡散形ストレンゲージとし
てP形拡散層を用いたことを特徴とする圧覚セン
サ。 3 特許請求の範囲第1項または第2項記載の圧
覚センサにおいて、前記単結晶シリコンの基板部
として、比抵抗が1Ω・cm以下のシリコンを用い
たことを特徴とする圧覚センサ。
[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 the surface of the single-crystal silicon substrate has a strain gauge formed on the surface of the epitaxial layer. , a diffusion layer formed 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. . A pressure sensor, wherein the diffusion layer and the substrate portion are configured as part of wiring to the strain gauge. 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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