JPH0564866B2

JPH0564866B2 -

Info

Publication number: JPH0564866B2
Application number: JP60299464A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Kinugawa; Setsuo Kotado
Original assignee: Anritsu Corp
Current assignee: Anritsu Corp
Priority date: 1985-12-28
Filing date: 1985-12-28
Publication date: 1993-09-16
Also published as: JPS62158367A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、真空システム、油圧システム、エン
ジンシステム等における圧力計測をはじめ、各種
重量計の検出部、あるいは、ロボツトの手に当た
る部分に装着させ、触覚センサとして構成できる
圧力センサに関し、特に、被測定圧の面状分布を
はじめ、物体の圧力センサとの接触の有無を判別
するシステムと組み合わせ形状認識システムを構
成できる二次元の面状に配列されたアレイ状の圧
力センサに関する。

〔従来の技術〕

従来の圧力センサは、圧力を片持染やダイヤフ
ラムの歪として捉え、その歪の変化量を歪ゲージ
により測定している。以下、その代表例について
説明する。

(1) 金属歪ゲージを用いた圧力センサ圧力により、片持染やダイヤフラム上に発生
した歪を、該片持染やダイヤフラム上に装着し
た金属歪ゲージで測定する。すなわち、この金
属歪ゲージは、断面積の小さい細長い線又はホ
イルの伸び縮みを電気抵抗変化に対応させ、加
えられた圧力を測定するものであるが、該金属
歪ゲージを片持染やダイヤフラムに装着するた
め、その接着剤によりクリープ現象やヒステリ
シスが発生する。また、金属歪ゲージのゲージ
率は２程度と感度が低い。

(2) 半導体ゲージを用いた圧力センサシリコン結晶で作られたダイヤフラム表面に
不純物を拡散して歪ゲージを形成し、熱応力の
少ない支持台に接合した圧力センサであつて、
加えられた圧力により該ダイヤフラムが変化す
ると、ピエゾ抵抗効果でゲージの電気抵抗が著
しく変化し、その変化量により圧力が測定でき
るものである。このように形成された圧力セン
サはゲージ率が100程度と高く感度的に優れて
いる（特開昭54−98584号公報、特開昭55−
125676号公報、特開昭56−133877号公報）。

しかし、次の問題があつた。ゲージ率の直線
性のバラツキが数％程度あり、温度依存性が大
きいので、高精度のセンサを構成する上では複
雑な補償回路を必要とした。また、不純物の拡
散等の複雑なウエハープロセスが必要であつ
た。さらに、該ダイヤフラムにSi結晶板を用い
ているので、機械的に弱かつた。

(3) アモルフアス半導体歪ゲージダイヤフラムや片持染にプラズマCVD法に
よりアモルフアスシリコン薄膜を堆積し、パタ
ーニング技術を利用して歪ゲージを形成する圧
力センサであつて、圧力により該ダイヤフラム
や片持染が変形すると前述した半導体ゲージを
用いた圧力センサと同じく、ピエゾ抵抗効果に
よりゲージの電気抵抗が変化し、その変化量に
より加えられた圧力が測定できるものである。
このように形成された圧力センサは、アモルフ
アスシリコンのゲージ率が30程度と結晶シリコ
ンに比べ低い。しかし、直線性に優れている
（同一出願人等による特公昭64−10109号公報）。

以上述べた従来技術に共通する問題点を整理す
ると、次のことがいえる。

(1) ダイヤフラムや片持染等の歪ゲージの基板と
なる物体自体の構造を、加えられる圧力により
歪が効率良く発生するよう設計する必要がある (2) また、ロボツト用触覚センサ、面状に多数個
並べた形状認識システム用タツチセンサ等とし
て構成する場合、構造的にセンサ全体が大きく
なり、製造プロセスが煩雑となつて実用的でな
かつた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来技術の問題点を列記すると以下のようにな
る。

(1) シリコンやゲルマニウム等の半導体結晶で
は、（111）面、（110）面に垂直方向の＜111＞
軸方向、＜110＞軸方向の応力に対するゲージ率
は、100から200程度と、他の軸方向（例えば、
＜100＞軸方向では10以下）に比べて非常に高
い。しかし、従来の＜110＞等の軸方向は、受
圧面と平行となつている（特開昭54−98584号
公報、特開昭55−125676号公報、特開昭56−
133877号公報、特公昭64−10109号公報）。

つまり、圧力が受圧面に加わり、素子が伸
び、歪が間接的に＜110＞等の軸方向に加わる
こととなり、本来、軸方向の有する高ゼージ率
を生かすことができなかつた。

(2) 圧力センサを面状に多数個配列した構造のも
のを構成することが困難である。

(3) 接着によるクリープ現象やヒステリシスが発
生する。

(4) 半導体ゲージの場合、ゲージ率の直線性が悪
い。

(5) 金属歪ゲージの場合、ゲージ率が小さい。

(6) 歪を効率良く発生させるため、基板の構造が
複雑になる。

本発明は、以上の問題点を解決することを目的
とする。

〔問題点を解決するための手段〕

第１図は、プラズマCVD法で堆積されたアモ
ルフアスシリコンと、微結晶相を含むアモルフア
スシリコンの両者についてのＸ線回折データを示
す。図において、ａはアモルフアスシリコンを、
ｂは微結晶相を含むアモルフアスシリコンを示
す。なお、横軸はＸ線回折角度を示し、縦軸は角
度（2θ）ごとの計数量を示す。第１図に表示する
ように微結晶相を含むアモルフアスシリコンの回
折パターンでは、シリコン結晶の（111）面、
（110）面及び（311）面に対応する位置に各回折
ピークが得られている。又、これらの面に対応す
る回折ピークは表面にほぼ平行に面が配向してい
ることを示す。このことにより、微結晶相を含む
アモルフアスシリコンにおいては、（111）面、
（110）面及び（311）面は、ほぼ表面に平行に配
向していることがわかる。

第２図は、アモルフアスシリコンおよび、微結
晶相を含むアモルフアスシリコンに関して表面に
垂直に重さを加えたときのピエゾ抵抗効果による
抵抗値を示す。図において、ａはアモルフアスシ
リコンの抵抗値変化を、ｂは微結晶相を含むアモ
ルフアスシリコンの抵抗値変化を示す。

本発明は、かかるピエゾ抵抗効果による抵抗値
変化の現象を利用し、かつ、（111）面、（110）面
に垂直方向の＜111＞軸方向、＜110＞軸方向の応
力に対するゲージ率が他の軸方向に比べて非常に
高いことを、直接的に有効に利用した圧力センサ
を構成した。

すなわち、剛性を有する絶縁性基板の上表面上
に下部電極を形成し、該下部電極の上表面上に
（111）面及び（110）面が表面にほぼ平行となる
ような微結晶相を含むアモルフアス半導体を形成
し、さらに、該微結晶相を含むアモルフアス半導
体の上表面上に絶縁性基板とともに該アモルフア
ス半導体薄膜の厚さ方向に圧力を受ける受圧面を
有する上部電極を形成する。そして、かかる構成
とした圧力センサに、該上部電極を介して、該絶
縁性基板に対し垂直な圧力を外部から加えること
により、該微結晶相を含むアモルフアス半導体に
（111）面および（110）面の有する大きなピエゾ
抵抗効果を発生させ、その抵抗値変化量を計測し
て圧力の測定を行うものである。

〔作用〕

シリコン・ゲルマニウム等の半導体結晶におい
て、ピエゾ抵抗効果のゲージ率が＜111＞軸方向
と＜110＞軸方向で100から200と他の軸方向（＜
100＞軸では10以下に比べて非常に高いという事
実と、プラズマCVD法により堆積した微結晶相
を含むアモルフアス半導体において、微結晶相の
中で上記したピエゾ抵抗効果の高い＜111＞軸と
＜110＞軸が表面とほぼ垂直に形成される事実を
有効に利用して、従来技術は、絶縁性基板に対し
て平行な歪を加えていたのに対し、本発明では、
絶縁性基板に対し垂直な歪を加える方法を用い
た。この方法を用いたことにより、従来技術のア
モルフアス半導体歪ゲージに比べ高感度な圧力セ
ンサをを構成できた。

また、この絶縁性基板に対して垂直な方向の歪
を検出する方式を採用したので、センサの絶縁性
基板に生じた歪を効率良く発生させる如き複雑な
構造とする必要がなくなり、センサ自体の構造を
非常に簡単、かつ、小型化できた。そのため、本
発明による小型化された圧力センサを二次元の面
状に多数個配列することにより、タツチセンサ等
の二次元センサとして構成できた。

〔実施例〕

第３図は、本発明による圧力センサの一実施例
の構成断面図を示す。図において、１は絶縁性基
板、２は下部電極、３は微結晶相を含むアモルフ
アス半導体、４は上部電極、５，５′はリード線
対、６は上部電極の上から加えられる圧力をそれ
ぞれ示す。第３図に示す構造をもつ圧力センサ
は、それ自体に加わる圧力を直接、微結晶相を含
むアモルフアス半導体内部の歪に変換できるた
め、従来の圧力センサに使用されているダイヤフ
ラムや片持染等の如き歪の発生のための構造体が
必要でなく、小型化が容易である。

第４図および第５図は、本発明による複数個の
圧力センサを面状に並べたタツチセンサの一実施
例を示す。第４図は、該タツチセンサの平面図
を、また、第５図は第４図の線Ｘ−X′における
断面図をそれぞれ示す。図において、７は絶縁性
基板、８は下部電極群、９は下部電極上に並べら
れた微結晶相を含むアモルフアス半導体群の中の
任意のアモルフアス半導体の一つを、１０は上部
電極群、１１，１１′はリード線対群をそれぞれ
示す。この場合、上部電極群と下部電極群を、平
面上にマトリツクス状に交差させ、その交点に、
微結晶相を含むアモルフアス半導体薄膜層をサン
ドイツチ状に挟み込む構造とした。この構造にお
いては、任意の対となる上部電極と下部電極を指
定することにより面状に並んだ素子群の一つを指
定し、その指定された位置での圧力を測定できる
と同時に、配線が複雑になることを避けることが
できる。

第６図は、第４図及び第５図で明示したタツチ
センサを利用した形状認識システムの模式図を示
す。図において、１２はタツチセンサ、１３及び
１４はＸ軸走査回路とＹ軸走査回路、１５は定電
圧源、１６は電流計、１７はデータ処理システ
ム、１８はCRT出力装置、９はデータバス、２
０は被形状認識物体をそれぞれ示す。この形状認
識システムでは、該タツチセンサ１２上に被形状
認識物体２０を乗せると、該物体２０の下の素子
の抵抗値がピエゾ抵抗効果により変化し、それに
伴つて定電圧源１５から供給される電流値が変化
する。その電流値の変化を電流計１６で読みと
り、コンピユータでデータ処理を行うことによ
り、該素子上の物体が有るか否かの判断をなし、
義素子上の物体２０がある場合には出力装置１８
に信号を出力する。この作業をＸ軸走査回路１３
とＹ軸走査回路１４で面全体の交点を走査するこ
とにより、該タツチセンサ１２上に置かれた物体
の形状を認識することができる。

〔製造方法〕

圧力センサの製造方法を第３図を参照して説明
する。

剛性を有する絶縁性基板１の材料としては、耐
熱性がある絶縁体や、同様の性質を有する導体板
もしくは半導体板の表面をSiO₂薄膜、Si₃N₄薄
膜、Al₂O₃薄膜あるいはこれらの多層膜で覆つた
ものが望ましく、例えばガラス板、石英板、耐熱
性ポリミドフイルム、金属板や半導体の表面を絶
縁膜（例えば、SiO₂膜、Si₃N⁴薄膜、Al₂O₃薄膜）
で覆つたもの等が用いられる。ポリミドフイルム
を用いた場合は、剛性を有するためにガラス基板
等の上に形成した。

そして、かかる材料で作つた絶縁性基板１を有
機溶剤等により十分洗浄し乾燥させた後、真空蒸
着法を用いて下部電極２のための金属薄膜（例え
ばNiCr500Å／Au1000Å）を該絶縁性基板１の
上表面上に堆積させ、フオトエツチング技術を用
いて不要部分を除去して下部電極２を形成する。

次に、プラズマCVD法を用いて微結晶相を含
むアモルフアス半導体を形成する。アモルフアス
半導体に、ｐ型アモルフアスシリコンを用いた場
合の堆積条件の一例は、堆積圧力0.1〜10torr、
放電パワー密度0.1〜10W／cm²、堆積温度200〜
600℃、電極間隔10〜30cm、H₂／SiH₄＝10〜100、
B₂H₆／SiH₄＝100〜1500ppmである。

この条件で堆積されたアモルフアスシリコン
は、微結晶相が形成され、該アモルフアスシリコ
ン薄膜表面にほぼ平行に（111）面及び、（110）
面が形成される。ここで、（111）面と（110）面
の結晶配向の強さの割合はB₂H₆／SiH₄＝
1500ppm程度以上では（110）面が強く配向し、
それ以下では（111）面が強く表面に平行に配向
する。このような方法で作れらたアモルフアス半
導体の微結晶相は50〜1000Å程度の粒径サイズを
もつ。

また、光CVD法で堆積された微結晶相を含む
アモルフアス半導体でも、プラズマCVD法で堆
積した微結晶相を含むアモルフアス半導体と同様
に、表面に対してほぼ平行に（111）面、（110）
面が微結晶内部に形成される。

光CVD法による微結晶相を含むｐ型アモルフ
アスシリコンの堆積条件の一例を次に示す。光源
としては低圧水銀ランプを使用し、その発行輝線
波長は1849Åと2537Åである。水銀ランプのパワ
ー密度は最大1W／cm²、堆積温度150〜300℃、堆
積圧力0.1〜10torr、基板の光源からの距離１〜
３cm、H₂／Si₂H₆＝50〜500、B₂H₆／Si₂H₆＝100
〜50000ppmである。この方法で堆積された微結
晶相を含むアモルフアスシリコン薄膜内部の結晶
配向性はＸ線回折パターン及びRHEEDパターン
により、表面に対して（111）面及び（110）面が
強く配向していることを確認している。

以上のような方法で堆積した微結晶相を含むア
モルフアス半導体を、フオトエツチング技術を用
いて不要部分を除去し、アモルフアス素子部３を
形成する。つづいて、真空蒸着法を用いて、上部
電極４のための金属薄膜（例えばNiCr500Å／
Au1000Å）を堆積し、フオトエツチング技術を
用いて不要部分を除去し、上部電極４を形成す
る。

最後に、上部電極４及び下部電極２にリード線
対５，５′用金線又はアルミニウム線をつけて完
成する。

以上の製造方法では、電極形成、及び微結晶相
を含むアモルフアス半導体形成に、フオトエツチ
ング技術を用いたが、メタルマスクを用いた方法
でも形成できる。この場合は、下部電極を形成す
る持に不要部分をメタルマスクでカバーし、微結
晶相を含むアモルフアス半導体をその上に一面に
堆積させ、上部電極の形成時も不要部分をメタル
マスクでカバーし、その後、上部電極をアモルフ
アス半導体のレジスト膜として、ウエツトエツチ
ング法、あるいはドライエツチング法でアモルフ
アス半導体の不要部分を除去してパターンを形成
する。

〔発明の効果〕本発明による圧力センサは、従来の圧力センサ
に比べて、下記のような幾多の利点を有する。

(i) ゲージ率の高い＜111＞軸及び＜110＞軸のピ
エゾ抵抗効果を主に使い、基板に対して垂直方
向の歪を加えるため、ゲージ率で100程度と感
度が高い。

(ii) 圧力に対する出力の直線性が良い。

(iii) 基板に対して垂直方向の歪を検出するため、
センサの構造が簡単になり、製造プロセスが容
易である。

(iv) 基板に対して垂直方向の歪を直接、基板に加
えるため、ダイヤフラム等の歪の発生のための
構造体が必要でなく、小型化できる。

(v) 小型化が実現できるため、複数個の圧力セン
サを面状に並べ組み合わせた構造のタツチセン
サを容易に構成できる。

(vi) タツチセンサを検出部に用いることにより簡
便な形状認識システムを構成できる。

(vii) タツチセンサは、歪的に各々独立した複数個
の圧力センサから構成されるため、形状認識の
確度がよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は、アモルフアス半導体および微結晶相
を含むアモルフアス半導体の表面に対するＸ線回
折パターンを示す。第２図は、アモルフアス半導
体および微結晶相を含むアモルフアス半導体の基
板に対して垂直方向の圧力を加えた場合のピエゾ
抵抗効果による抵抗値変化を示す。第３図は本発
明による圧力センサの一実施例の構成断面図を示
す。第４図および第５図は本発明による複数個の
圧力センサを面状に並べたタツチセンサの一実施
例を示し、第４図は平面図、第５図は第４図の線
Ｘ−X′で切断した断面図を示す。第６図は、第
４図および第５図で明示したタツチセンサを利用
した形状認識システムの模式図を示す。図におい
て、１，７は絶縁性基板、２，８は下部電極と下
部電極群、３，９は微結晶相を含むアモルフアス
半導体、４，１０は上部電極と上部電極群、５，
５′，１１，１１′はリード線対とリード線対群、
１２はタツチセンサ、１３，１４はＸ軸走査回路
とＹ軸走査回路、１５は定電圧源、１６は電流
計、１７はデータ処理システム、１８はCRT出
力装置、１９はデータバス、２０は被形状認識物
体をそれぞれ示す。

Claims

【特許請求の範囲】１剛性を有する絶縁性基板１と、該絶縁性基板
の上表面上に薄膜状に形成した下部電極２と、該
下部電極の上表面上に形成した＜111＞軸又は＜
110＞軸が絶縁性基板の上表面と実質的に垂直と
なるような微結晶相を含むアモルフアス半導体薄
膜３と、該アモルフアス半導体薄膜の上表面上に
薄膜状に形成され前記剛性を有する絶縁性基板と
ともに該アモルフアス半導体薄膜の厚さ方向に圧
力を受ける受圧面を有する上部電極４とを備え、
該アモルフアス半導体薄膜に作用する前記＜111
＞軸又は＜110＞軸方向の力の成分を前記上部電
極及び下部電極間の抵抗値の変化として検出する
ことを特徴とする圧力センサ。２剛性を有する絶縁性基板１と、該絶縁性基板
の上表面上に薄膜状に形成された複数個の下部電
極５と、該複数個の下部電極のそれぞれの上表面
上に形成された＜111＞軸又は＜110＞軸が該絶縁
性基板の上表面と実質的に垂直となるような微結
晶相を含む複数個のアモルフアス半導体薄膜６
と、該複数個のアモルフアス半導体薄膜の上表面
上にそれぞれ薄膜状に形成され前記剛性を有する
絶縁性基板とともに該アモルフアス半導体薄膜の
厚さ方向に圧力を受ける受圧面を有する複数個の
上部電極７とを備え、前記＜111＞軸又は＜110＞
軸方向の力の成分が印加されている前記アモルフ
アス半導体薄膜の位置を前記複数個の上部電極及
び下部電極間の抵抗値の変化によつて検出するこ
とを特徴とする圧力センサ。