(57)【要約】【課題】高配向性ダイヤモンドを用いたピエゾ抵抗体の結晶方位依存性を利用した力変換素子等を提供する。【解決手段】ダイヤモンドピエゾ抵抗体のピエゾ抵抗係数の絶対値が、<100>方向を主軸としたときのピエゾ抵抗係数π11またはπ12の絶対値よりも大きくなるように、前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体を形成する。高配向性ダイヤモンドを用いたピエゾ抵抗体の結晶方位依存性を利用して種々の力変換素子を得ることができる。【選択図】図１
2014215098.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
不純物としてボロンを導入した高配向性ダイヤモンドから成るダイヤモンドピエゾ抵抗体を備える力変換素子において、
前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体のピエゾ抵抗係数の絶対値が、<100>方向を主軸としたときのピエゾ抵抗係数π11またはπ12の絶対値よりも大きくなるように、前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体を形成することを特徴とする力変換素子。
【請求項２】
前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体を(100)面または(110)面または(111)面またはこれらと等価な結晶面上に形成し、前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体上にて相対向する入力電極対を配置し、前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体への応力印加方向が前記入力電極対に対して同方向または垂直方向またはせん断方向であることを特徴とする請求項１に記載の力変換素子。
【請求項３】
前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体の両端にて相対向する前記入力電極対を入出力共用電極対として用い、前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体への応力印加方向が前記入出力共用電極対と同方向または垂直方向であることを特徴とする請求項２に記載の力変換素子。
【請求項４】
前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体を(100)面またはこれと等価な結晶面上に形成し、前記入出力共用電極対が[011]方向またはこれと等価な結晶方向より-15°〜+15°の角度範囲内となるように配置したことを特徴とする請求項３に記載の力変換素子。
【請求項５】
前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体を(110)面またはこれと等価な結晶面上に形成し、前記入出力共用電極対が[110]方向またはこれと等価な結晶方向より-60°〜+60°の角度範囲内となるように配置し、前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体への応力印加方向が前記入出力共用電極対と同方向であることを特徴とする請求項３に記載の力変換素子。
【請求項６】
前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体を(110)面またはこれと等価な結晶面上に形成し、前記入出力共用電極対が[110]方向またはこれと等価な結晶方向から45°の方向より-15°〜+15°の角度範囲内となるように配置し、前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体への応力印加方向が前記入出力共用電極対と垂直方向であることを特徴とする請求項３に記載の力変換素子。
【請求項７】
前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体を(111)面またはこれと等価な結晶面上に形成したことを特徴とする請求項３に記載の力変換素子。
【請求項８】
相対向する２組の前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体によりホイートストンブリッジが構成され、一組の前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体への応力印加方向が前記入出力共用電極対と同方向であり、他の一組の前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体への応力印加方向が前記入出力共用電極対と垂直方向であることを特徴とする請求項３に記載の力検知素子。
【請求項９】
前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体上にて相対向する前記入力電極対と相対向する出力電極対を直交するように配置し、ダイヤモンドピエゾ抵抗体への応力印加方向が入力電極対に対してせん断方向であることを特徴とする請求項２に記載の力変換素子。
【請求項１０】
前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体を(100)面またはこれと等価な結晶面上に形成し、相対向する前記入力電極対を[010]方向またはこれと等価な結晶方向より-15°〜+15°の角度範囲内となるように配置したことを特徴とする請求項９に記載の力変換素子。
【請求項１１】
前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体を(110)面またはこれと等価な結晶面上に形成し、相対向する前記入力電極対を[110]方向または[001]方向またはこれらと等価な結晶方向より-15°〜+15°の角度範囲内となるように配置したことを特徴とする請求項９に記載の力変換素子。
【請求項１２】
ダイヤモンドピエゾ抵抗体を(111)面またはこれと等価な結晶面上に形成したことを特徴とする請求項９に記載の力変換素子。
【請求項１３】
前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体を(110)面または(111)面またはこれと等価な結晶面上に形成し、前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体上にて相対向する入力電極対を配置し、ダイヤモンドピエゾ抵抗体への応力印加面が(110)面または(111)面またはこれと等価な結晶面であることを特徴とする請求項１に記載の力変換素子。
【請求項１４】
前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体の両端にて相対向する前記入力電極対を入出力共用電極対として用いることを特徴とする請求項１３に記載の力変換素子。
【請求項１５】
前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体を(110)面またはこれと等価な結晶面上に形成し、前記入出力共用電極対が[110]方向またはこれと等価な結晶方向より-30°〜+30°の角度範囲内となるように配置し、前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体への応力印加面が(110)面またはこれと等価な結晶面であることを特徴とする請求項１４に記載の力変換素子。
【請求項１６】
前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体を(111)面またはこれと等価な結晶面上に形成し、前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体への応力印加面が(111)面またはこれと等価な結晶面であることを特徴とする請求項１４に記載の力変換素子。
【請求項１７】
前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体を(110)面またはこれと等価な結晶面上に形成し、相対向する２組の前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体によりホイートストンブリッジが構成され、一組の前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体の両端にて相対向する前記入出力共用電極対が[110]方向またはこれと等価な結晶方向より-30°〜+30°の角度範囲内となるように配置し、他の一組の前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体の両端にて相対向する前記入出力共用電極対が[001]方向またはこれと等価な結晶方向より-30°〜+30°の角度範囲内となるように配置することを特徴とする請求項１４に記載の力検知素子。
【請求項１８】
相対向する２組の前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体によりホイートストンブリッジが構成され、一組の前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体のみに応力が印加されることを特徴とする請求項１３または１４に記載の力検知素子。
【請求項１９】
前記一組の前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体の両端にて相対向する前記入出力共用電極対が[110]方向またはこれと等価な結晶方向となるように配置することを特徴とする請求項１８に記載の力検知素子
【請求項２０】
相対向する２組の前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体によりホイートストンブリッジが構成され、一組の前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体の厚みが他の一組の前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体の厚みより大きくなるように形成し、前記一組の前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体のみに応力が印加されることを特徴とする請求項１３または１４に記載の力検知素子。
【請求項２１】
前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体を(110)面またはこれと等価な結晶面上に形成し、前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体上にて相対向する前記入力電極対と相対向する出力電極対を直交するように、かつ相対向する前記入力電極対を[110]方向またはこれと等価な結晶方向から45°の方向より-15°〜+15°の角度範囲内となるように配置し、前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体への応力印加面が(110)面またはこれと等価な結晶面であることを特徴とする請求項１３に記載の力変換素子。
【請求項２２】
前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体の応力印加面に接着したバッファブロックと、
前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体を接着したバッファブロックの反対面に接着し、前記バッファブロックに圧縮力を加える受圧基板と、を備え、
前記バッファブロックの熱膨張率が前記受圧基板の熱膨張率より小さいことを特徴とする請求項１３〜２１のいずれか１項に記載の力検知素子。
【請求項２３】
前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体が形成された単結晶ダイヤモンド受圧基板と、
ダイヤモンドピエゾ抵抗体の応力印加面に接着したバッファブロックと、を備え、
表面にダイヤモンドピエゾ抵抗体が形成された前記単結晶ダイヤモンド受圧基板の裏面から圧縮力が加わることにより、前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体がバッファブロックから圧縮力を受けることを特徴とする請求項１３〜２１のいずれか１項に記載の力検知素子。
【請求項２４】
前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体が、単結晶ダイヤモンド、またはヘテロエピタキシャルダイヤモンドであることを特徴とする請求項１〜２３のいずれか１項に記載の力変換素子。
【請求項２５】
前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体が、高濃度ボロンドープエピタキシャルダイヤモンド、低濃度ボロンドープエピタキシャルダイヤモンド、高濃度ボロンドープエピタキシャルダイヤモンドの順に面方向に積層して形成されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の力変換素子
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、不純物としてボロンを導入したダイヤモンドからなるピエゾ抵抗体を備える力変換素子に関し、とくに、かかるピエゾ抵抗体の結晶方位依存性を利用した力変換素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１には、測定雰囲気中に突出せしめた筒状ハウジングを有し、測定圧を導入する圧力室を上記ハウジング内に形成するとともに圧力室の室壁の一部を測定圧の変化に応じて変形するダイヤフラムで構成し、該ダイヤフラムにこれの歪に応じた出力信号を発する歪ゲージを設けてなる圧力検出器において、上記歪ゲージを、ダイヤモンド単結晶板上にダイヤモンド半導体膜を形成して構成したことを特徴とする圧力検出器が開示されている。
【０００３】
下記特許文献２には、ダイヤモンドピエゾ抵抗/SiO2/SiCダイヤフラムの構成による高温・高感度の圧力センサが開示されている。
【０００４】
下記非特許文献１には、(100)面に形成したピエゾ抵抗体の[100]方向に関するピエゾ抵抗効果について記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特告平５−１３４５１号公報号公報
【特許文献２】米国特許５３０３５９４号明細書
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】''Piezoresistivity in vapor-deposited diamond films'', Appl.Phys.Lett. 60 (23) 8 June 1992
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１には、ダイヤモンド半導体膜の結晶方位依存性に関する記述はない。また、特許文献２には、結晶配向の揃ったダイヤモンドを用いてピエゾ抵抗体を作製する点、さらにはダイヤモンドピエゾ抵抗体の結晶方位依存性を利用することに関する記述はない。また、非特許文献１には、(100)面に形成したピエゾ抵抗体の[100]方向に関するピエゾ抵抗効果について開示があるが、後述するように、(100)面における[100]方向のピエゾ抵抗係数は、結晶方位依存性により極めて小さくなることが判明している。
【０００８】
本発明の目的は、高配向性ダイヤモンドを用いたピエゾ抵抗体の結晶方位依存性を利用した力変換素子等を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の力変換素子は、不純物としてボロンを導入した高配向性ダイヤモンドから成るダイヤモンドピエゾ抵抗体を備える力変換素子において、前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体のピエゾ抵抗係数の絶対値が、<100>方向を主軸としたときのピエゾ抵抗係数π11またはπ12の絶対値よりも大きくなるように、前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体を形成することを特徴とする。
この力変換素子によれば、ダイヤモンドピエゾ抵抗体のピエゾ抵抗係数の絶対値が、<100>方向を主軸としたときのピエゾ抵抗係数π11またはπ12の絶対値よりも大きくなるように、ダイヤモンドピエゾ抵抗体を形成するので、高配向性ダイヤモンドを用いたピエゾ抵抗体の結晶方位依存性を利用して種々の力変換素子を得ることができる。
【００１０】
前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体を(100)面または(110)面または(111)面またはこれらと等価な結晶面上に形成し、前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体上にて相対向する入力電極対を配置し、前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体への応力印加方向が前記入力電極対に対して同方向または垂直方向またはせん断方向であってもよい。
【００１１】
前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体の両端にて相対向する前記入力電極対を入出力共用電極対として用い、前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体への応力印加方向が前記入出力共用電極対と同方向または垂直方向であってもよい。
【００１２】
前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体を(100)面またはこれと等価な結晶面上に形成し、前記入出力共用電極対が[011]方向またはこれと等価な結晶方向より-15°〜+15°の角度範囲内となるように配置してもよい。
【００１３】
前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体を(110)面またはこれと等価な結晶面上に形成し、前記入出力共用電極対が[110]方向またはこれと等価な結晶方向より-60°〜+60°の角度範囲内となるように配置し、前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体への応力印加方向が前記入出力共用電極対と同方向であってもよい。
【００１４】
前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体を(110)面またはこれと等価な結晶面上に形成し、前記入出力共用電極対が[110]方向またはこれと等価な結晶方向から45°の方向より-15°〜+15°の角度範囲内となるように配置し、前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体への応力印加方向が前記入出力共用電極対と垂直方向であってもよい。
【００１５】
前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体を(111)面またはこれと等価な結晶面上に形成してもよい。
【００１６】
相対向する２組の前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体によりホイートストンブリッジが構成され、一組の前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体への応力印加方向が前記入出力共用電極対と同方向であり、他の一組の前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体への応力印加方向が前記入出力共用電極対と垂直方向であってもよい。
【００１７】
前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体上にて相対向する前記入力電極対と相対向する出力電極対を直交するように配置し、ダイヤモンドピエゾ抵抗体への応力印加方向が入力電極対に対してせん断方向であってもよい。
【００１８】
前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体を(100)面またはこれと等価な結晶面上に形成し、相対向する前記入力電極対を[010]方向またはこれと等価な結晶方向より-15°〜+15°の角度範囲内となるように配置してもよい。
【００１９】
前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体を(110)面またはこれと等価な結晶面上に形成し、相対向する前記入力電極対を[110]方向または[001]方向またはこれらと等価な結晶方向より-15°〜+15°の角度範囲内となるように配置してもよい。
【００２０】
ダイヤモンドピエゾ抵抗体を(111)面またはこれと等価な結晶面上に形成してもよい。
【００２１】
前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体を(110)面または(111)面またはこれと等価な結晶面上に形成し、前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体上にて相対向する入力電極対を配置し、ダイヤモンドピエゾ抵抗体への応力印加面が(110)面または(111)面またはこれと等価な結晶面であってもよい。
【００２２】
前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体の両端にて相対向する前記入力電極対を入出力共用電極対として用いてもよい。
【００２３】
前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体を(110)面またはこれと等価な結晶面上に形成し、前記入出力共用電極対が[110]方向またはこれと等価な結晶方向より-30°〜+30°の角度範囲内となるように配置し、前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体への応力印加面が(110)面またはこれと等価な結晶面であってもよい。
【００２４】
前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体を(111)面またはこれと等価な結晶面上に形成し、前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体への応力印加面が(111)面またはこれと等価な結晶面であってもよい。
【００２５】
前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体を(110)面またはこれと等価な結晶面上に形成し、相対向する２組の前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体によりホイートストンブリッジが構成され、一組の前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体の両端にて相対向する前記入出力共用電極対が[110]方向またはこれと等価な結晶方向より-30°〜+30°の角度範囲内となるように配置し、他の一組の前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体の両端にて相対向する前記入出力共用電極対が[001]方向またはこれと等価な結晶方向より-30°〜+30°の角度範囲内となるように配置してもよい。
【００２６】
相対向する２組の前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体によりホイートストンブリッジが構成され、一組の前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体のみに応力が印加されてもよい。
【００２７】
前記一組の前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体の両端にて相対向する前記入出力共用電極対が[110]方向またはこれと等価な結晶方向となるように配置してもよい。
【００２８】
相対向する２組の前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体によりホイートストンブリッジが構成され、一組の前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体の厚みが他の一組の前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体の厚みより大きくなるように形成し、前記一組の前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体のみに応力が印加されてもよい。
【００２９】
前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体を(110)面またはこれと等価な結晶面上に形成し、前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体上にて相対向する前記入力電極対と相対向する出力電極対を直交するように、かつ相対向する前記入力電極対を[110]方向またはこれと等価な結晶方向から45°の方向より-15°〜+15°の角度範囲内となるように配置し、前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体への応力印加面が(110)面またはこれと等価な結晶面であってもよい。
【００３０】
前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体の応力印加面に接着したバッファブロックと、
前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体を接着したバッファブロックの反対面に接着し、前記バッファブロックに圧縮力を加える受圧基板と、を備え、
前記バッファブロックの熱膨張率が前記受圧基板の熱膨張率より小さくてもよい。
【００３１】
前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体が形成された単結晶ダイヤモンド受圧基板と、
ダイヤモンドピエゾ抵抗体の応力印加面に接着したバッファブロックと、を備え、
表面にダイヤモンドピエゾ抵抗体が形成された前記単結晶ダイヤモンド受圧基板の裏面から圧縮力が加わることにより、前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体がバッファブロックから圧縮力を受けてもよい。
【００３２】
前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体が、単結晶ダイヤモンド、またはヘテロエピタキシャルダイヤモンドであってもよい。
【００３３】
前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体が、高濃度ボロンドープエピタキシャルダイヤモンド、低濃度ボロンドープエピタキシャルダイヤモンド、高濃度ボロンドープエピタキシャルダイヤモンドの順に面方向に積層して形成されてもよい。
【発明の効果】
【００３４】
本発明の力変換素子によれば、ダイヤモンドピエゾ抵抗体のピエゾ抵抗係数の絶対値が、<100>方向を主軸としたときのピエゾ抵抗係数π11またはπ12の絶対値よりも大きくなるように、ダイヤモンドピエゾ抵抗体を形成するので、高配向性ダイヤモンドを用いたピエゾ抵抗体の結晶方位依存性を利用して種々の力変換素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】エピタキシャルダイヤモンドを用いたピエゾ抵抗体の作製プロセスを示す図。
【図２】エピタキシャルダイヤモンドを用いたピエゾ抵抗体の作製プロセスを示す図。
【図３】エピタキシャルダイヤモンドを用いたピエゾ抵抗体の作製プロセスを示す図。
【図４】実験方法を示す図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は底面図。
【図５】単結晶ダイヤモンドピエゾ抵抗体の構成および配置方向を示す図。
【図６】単結晶ダイヤモンドピエゾ抵抗体の寸法等を図であり、（ａ）は実験に用いた単結晶ダイヤモンドピエゾ抵抗体の寸法を示す図、（ｂ）は、<100>方向を主軸としたときの行列標記を示す図。
【図７】各具体例の関係を示す図。
【図８】面内垂直応力による力変換素子を示す図であり、（ａ）および（ｂ）は各素子の構造を示す図。
【図９】面内垂直応力による力変換素子を示す図であり、（ａ）および（ｂ）は具体例を示す図。
【図１０】面内垂直応力による力変換素子の具体例を示す図。
【図１１】ホイートストンブリッジの構成を示す斜視図。
【図１２】面内せん断応力による力変換素子の構造を示す図。
【図１３】面内せん断応力による力変換素子を示す図であり、（ａ）および（ｂ）は具体例を示す図。
【図１４】面内せん断応力による力変換素子の具体例を示す図。
【図１５】面外応力による力変換素子を示す図であり、（ａ）および（ｂ）は各素子の構造を示す図。
【図１６】面外応力による力変換素子を示す図であり、（ａ）および（ｂ）は具体例を示す図。
【図１７】ホイートストンブリッジの構成を示す斜視図。
【図１８】ホイートストンブリッジの構成を示す斜視図。
【図１９】ホイートストンブリッジの構成を示す斜視図。
【図２０】面外応力による力変換素子の具体例を示す図。
【図２１】バッファブロックを備える力変換素子を示す図であり、（ａ）および（ｂ）は、バッファブロックを備える力変換素子の断面図。
【図２２】縦型ダイヤモンドピエゾ素子を示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）および（ｄ）は圧力印加方向を示す図。
【図２３】バッファ層を設けた構成を示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図。
【図２４】「等価な」方向、および「等価な」面について例示した図。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
以下、本発明による力変換素子の実施形態について説明する。
【００３７】
＜概要＞
本発明の力変換素子は、不純物としてボロンを導入した高配向性ダイヤモンドから成るダイヤモンドピエゾ抵抗体を備える力変換素子において、前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体のピエゾ抵抗係数の絶対値が、<100>方向を主軸としたときのピエゾ抵抗係数π11またはπ12の絶対値よりも大きくなるように、前記ダイヤモンドピエゾ抵抗体を形成することを特徴とする。
【００３８】
本発明は、不純物としてボロンを導入した高配向性ダイヤモンドピエゾ抵抗体を備える力変換素子に関するものであるが、不純物としてボロンを導入したダイヤモンドはエピタキシャルダイヤモンドとして作製することができる。
【００３９】
エピタキシャルダイヤモンドとは、基板結晶の上に結晶成長を行い、基板結晶とある一定の結晶方位関係になるように堆積成長させたダイヤモンドである。ダイヤモンドは炭素の同素体の一つであり、結晶内部は炭素同士の共有結合により構成されている。ダイヤモンド単結晶中の置換位置にボロンあるいはリンなどが不純物として取り込まれる事により、アクセプターあるいはドナーを形成しp型あるいはn型の半導体特性が生じるようになる。この半導体特性を活かして、紫外線発光素子・パワーデバイス・電子放出源デバイスなどへの利用が試みられている。
【００４０】
ピエゾ抵抗効果とは、結晶に応力・ひずみが作用したときにその抵抗率が変化する現象である。例えば単結晶シリコン等の半導体材料に外力が作用すると結晶格子に歪が生じ、伝導バンドや価電子バンドのエネルギ状態が変化する。これによりバンド中のキャリアの数や移動度に変化が生じ巨視的には電気伝導度あるいは抵抗率の変化が生じる。この特性を活かして歪センサや圧力センサ等の物理センサの検出原理として広く利用されている。本発明ではピエゾ抵抗効果の生じる抵抗体をピエゾ抵抗体としている。
【００４１】
結晶方位依存性とは、結晶材料にて特異な異方性を有している場合、結晶面の方位により特性が異なる現象である。エピタキシャルダイヤモンドは結晶材料であるため特異な異方性を有しており、ヤング率やポアソン比に関して結晶方位依存性を有することが一般的に知られていた。またシリコンおよびゲルマニウムのピエゾ抵抗係数が結晶方位依存性を生じることは、1954年にC.S.Smithにより報告されている。しかしエピタキシャルダイヤモンドに関しては、ダイヤモンドの結晶化技術、不純物ドーピング技術、加工技術の点で評価が困難であり、これまで報告されていなかった。近年前記技術の進展によりエピタキシャルダイヤモンドを用いた様々なデバイスについて評価することが可能になった。そこで今回、本発明の発明者による実験において、エピタキシャルダイヤモンドを用いてピエゾ抵抗体を作製し、評価を行った結果、エピタキシャルダイヤモンドを用いたピエゾ抵抗体において結晶方位依存性が生じることを発見した。
【００４２】
本実験では、ピエゾ抵抗体として不純物を導入したエピタキシャルダイヤモンドを用いており、今回発見したエピタキシャルダイヤモンドを用いたピエゾ抵抗体の結晶方位依存性により、特定の面及び方向に形成した高配向性ダイヤモンドピエゾ抵抗体に作用する応力に対応した出力の得られる力変換素子に関する発明を開示する。
【００４３】
従来までの力変換素子として、ボロン、リン、砒素等の不純物を導入したp型あるいはn型シリコン半導体を用いたピエゾ抵抗体があるが、Siのバンドギャップが約1.1eVと小さく、使用温度は150℃程度で制限されていた。本発明では、エピタキシャルダイヤモンドをピエゾ抵抗体として用いており、ダイヤモンドのバンドギャップが約5.5eVと大きいため、高温環境下（例えば500℃）においても半導体特性を維持するピエゾ抵抗体の作製が可能となる。
【００４４】
高温環境下において、ピエゾ抵抗体を収納する金属筐体が熱膨張もしくは熱収縮した際に加わる応力により、印加可能な応力範囲が狭められる。ダイヤモンドの圧縮強度もしくは引張強度がそれぞれ9GPaおよび2〜3GPaと非常に大きいため、高配向性ダイヤモンドピエゾ抵抗体を用いることによりダイナミックレンジが狭められる割合が極めて小さくなる。
【００４５】
従来までのダイヤモンドを用いたピエゾ抵抗体では、米国特許5303594号明細書に示されるようにSi基板等に成膜を行った多結晶ダイヤモンドを用いている。通常の多結晶ダイヤモンドでは、結晶軸の方向が異なる多数の結晶粒が集まって構成されているため、結晶方位依存性はほとんど現れない。
【００４６】
単結晶ダイヤモンドを用いたピエゾ抵抗体において、単軸方向に応力を印加してピエゾ抵抗体の抵抗変化について評価したものとして以下の論文が挙げられる。
【００４７】
''Piezoresistivity in vapor-deposited diamond films'', Appl.Phys.Lett. 60 (23) 8 June 1992
【００４８】
しかし上記論文では、(100)面に形成したピエゾ抵抗体の[100]方向に関するピエゾ抵抗効果について述べているが、本実験では(100)面における[100]方向のピエゾ抵抗係数は、結晶方位依存性により極めて小さくなるという結果になった。また上記論文では結晶方位依存性に関する記述は特にない。別の例として、特告平5-13451では「歪ゲージを、ダイヤモンド単結晶板上にダイヤモンド半導体膜を形成して構成した」ことを特徴としているが、同様に結晶方位依存性に関する記述はない。
【００４９】
高配向性ダイヤモンドを用いたピエゾ抵抗体の結晶方位依存性を利用することにより、様々な構成の力変換素子が作製可能になる。面内応力以外にも、面外応力を印加したダイヤモンドピエゾ抵抗体を取り扱うことが可能になる。
【００５０】
ピエゾ抵抗体を形成する結晶面を(111) またはこれと等価な結晶面とすれば、ピエゾ抵抗係数の方向依存性が無く一定の値をとるため、ダイヤモンドピエゾ抵抗体の方向ずれが生じた際にもピエゾ抵抗係数は一定であり、個体差を最小にすることが可能になる。
【００５１】
ホイートストンブリッジとして構成する際に、高配向性ダイヤモンドの結晶方位依存性を用いて正負反対のピエゾ抵抗係数を持つ一組のダイヤモンドピエゾ抵抗体を用いることで、単一のダイヤモンドピエゾ抵抗体を用いた時と比較してホイートストンブリッジからの出力を大きくすることが可能になり、また抵抗値の温度依存性をキャンセルすることが可能になる。
【００５２】
高配向性ダイヤモンドの結晶方位依存性を用いてせん断型ゲージの構成にすることにより、単一の抵抗でホイートストンブリッジのように抵抗値の温度依存性をキャンセルすることが可能になるため、より小型な構成が可能になる。
【００５３】
以上のように、高配向性ダイヤモンドを用いたピエゾ抵抗体の結晶方位依存性を利用することにより、高温環境下において安定性のある使用を可能にし、様々な構成の力変換素子の作製が可能になる。
【００５４】
＜ダイヤモンドピエゾ抵抗体の作製プロセス＞
次に、図１〜図３を参照しつつ、エピタキシャルダイヤモンドを用いたピエゾ抵抗体の作製プロセスを説明する。本実験ではエピタキシャルダイヤモンドとして、単結晶ダイヤモンド基板上にホモエピタキシャル成長させた単結晶ダイヤモンドを用いている。
【００５５】
[単結晶ダイヤモンド膜の成膜]
１）単結晶ダイヤモンド基板１を準備する（図１）。単結晶ダイヤモンド基板１は長さ３．０ｍｍ，幅３．０ｍｍ，厚さ０．１５ｍｍ，{100}面，<100>端とした。
２）単結晶ダイヤモンド基板１の{100}面に対して所定の微小な傾斜（オフ角）が生じるように研磨加工を行う（図１）。
３）オフ角を有する単結晶ダイヤモンド基板１を用い、CVD法（気相合成法）を用いて単結晶ダイヤモンド基板上にステップフロー成長を行い、同時に不純物となる所定の濃度のボロンを添加してp型単結晶ダイヤモンド膜２を5μm成長させる（図１）。本実験では、エピタキシャル成長時のボロンの気相中濃度を炭素に対して4.5ppm及び5000ppmの二種類の濃度で作製している。
４）熱混酸による表面処理を行い、p型単結晶ダイヤモンド膜２表面における水素終端による表面伝導層、およびグラファイト成分の除去を行う（図１）。
【００５６】
[単結晶ダイヤモンドピエゾ抵抗体の作製]
５）p型単結晶ダイヤモンド膜面に対して、Alスパッタリングを行い1μm厚のアルミニウム膜３を形成する（図１）。
６）さらにAlスパッタリングを行った面に対して、フォトレジスト（ポジ型）４のスプレーコートを行う。恒温炉により焼成し、フォトレジスト４の乾燥およびフォトレジスト４-下地との密着性を高める（図１）。
７）パターンの描画されているフォトマスクＭ１を用いて、露光によりフォトレジスト４上にパターンを転写する（図１）。
８）現像液により露光された箇所のフォトレジスト４を除去し、ポストベークを行う（図１）。
９）残ったフォトレジスト４のパターンをマスクとして、アルミニウム膜３のエッチングを行う（図２）。
１０）アセトンによりフォトレジスト４を除去する（図２）。
１１）アルミニウム膜３のパターンをマスクとして、p型単結晶ダイヤモンド膜２に対してＯ2ガス流量45sccm、ＣＦ4ガス流量5sccm、RF出力100Wの条件下でRIE（反応性イオンエッチング）を用いてドライエッチングを行う。マスク下部以外のp型単結晶ダイヤモンド膜２を約7.5μmエッチングすることにより、絶縁性の単結晶ダイヤモンド基板１の表面を露出させる（図２）。
１２）アルミニウムのエッチング液により、アルミニウム膜３によるAlマスクを除去することで、単結晶ダイヤモンドピエゾ抵抗体が作製される（図２）。
【００５７】
[配線のフォトリソグラフィ]
１３）単結晶ダイヤモンドピエゾ抵抗体を作製した面に対して、Ti(1000Å), Au(3000Å)の順でスパッタリングを行いＴｉ／Ａｕ膜５を形成する（図２）。
１４）スパッタリングを行った面に対して、フォトレジスト（ポジ型）６のスプレーコートを行う。恒温炉により焼成し、フォトレジスト６の乾燥およびフォトレジスト６-下地との密着性を高める（図２）。
１５）ピエゾ抵抗体を作製したマスクとは異なるパターンの描画されているフォトマスクＭ２を用いて、露光によりフォトレジスト６上にパターンを転写する（図３）。
１６）現像液により露光された箇所のフォトレジスト６を除去し、ポストベークを行う（図３）。
１７）フォトレジスト６のパターンをマスクとして、Au,Tiの順にＴｉ／Ａｕ膜５をエッチングする（図３）。
１８）アセトンによりフォトレジスト６を除去する（図３）。
１９）ダイヤモンドピエゾ抵抗体-Ti間のオーミックコンタクトの低減および密着性の向上のため、真空炉内において520℃  1時間のアニールを行う（図３）。
【００５８】
＜ダイヤモンドピエゾ抵抗体の結晶方位依存性＞
次に、図４〜図６を参照しつつ、単結晶ダイヤモンドピエゾ抵抗体の結晶方位依存性を求めるために行った実験方法の詳細について説明する。図４は実験方法を示す図であり、図４（ａ）は正面図、図４（ｂ）は底面図である。
【００５９】
[実験方法]
１）図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、単結晶ダイヤモンドピエゾ抵抗体を形成したダイヤモンド基板１０が固定端から20mmの位置に位置するように、ダイヤモンド基板１０をタングステン製の片持ち梁１１上に接着剤で貼り付ける。片持ち梁１１は、幅15mm, 厚さ0.5mmとした。またダイヤモンド基板１０と同等の形状および厚みを持つダイヤモンド基板１０Ａを、単結晶ダイヤモンドピエゾ抵抗体を形成したダイヤモンド基板１０の隣の同位置（固定端から20mmの位置）になるように同じく接着剤にて貼り付け、そのダイヤモンド基板１０Ａ上にシリコン歪ゲージを貼り付ける。このようにして、片持ち梁１１のダイヤモンド基板を貼り付けた位置における剛性のバランスをとるとともに、シリコン歪ゲージにより、ダイヤモンドピエゾ抵抗体を形成したダイヤモンド基板１０と同様の環境下にて参照値となる歪量を計測可能とする。
【００６０】
２）図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、Auワイヤや銅線等を用いてダイヤモンドピエゾ抵抗体とシリコン歪ゲージをそれぞれ外部の回路１２および回路１２Ａに接続する。また、単結晶ダイヤモンドピエゾ抵抗体を形成したダイヤモンド基板１０を貼り付けた面が下面となる向きで、片持ち梁１１の片端を固定部１１Ａに固定する。
【００６１】
３）固定端から80mmの箇所に位置するマイクロメーター１１Ｂを用いて、自由端より片持ち梁１１を撓ませる。図４（ａ）に示すように、片持ち梁１１の下面では長手方向に圧縮応力が加わり、接着剤により単結晶ダイヤモンド基板が強固に固定されているため、単結晶ダイヤモンドピエゾ抵抗体とシリコン歪ゲージに同等の圧縮応力が加わる。
【００６２】
４）圧縮応力による単結晶ダイヤモンドピエゾ抵抗体とシリコン歪ゲージの抵抗値変化を外部の回路１２，１２Ａを介して電圧として出力し、オシロスコープ１３（横河電機製DL750）およびコンピュータ１４により出力電圧を計測する。入出力共用電極対を持つピエゾ抵抗体は単一の抵抗体であるため、回路１２のブリッジ回路に接続し出力を得る。入力電極対・出力電極対の二組の電極対を持つピエゾ抵抗体は、入力電極対に電源電圧5Vを印加し、出力電極対より出力を得る。
【００６３】
図５は、単結晶ダイヤモンドピエゾ抵抗体の構成および配置方向を示す図である。
【００６４】
図５に示すように、入出力共用電極対を持つピエゾ抵抗体２０は、単一の抵抗体２１を用いて構成され、抵抗体２１の両端に入出力共用電極２２，２２が接続される。
【００６５】
また、入力電極対・出力電極対の二組の電極対を持つピエゾ抵抗体３０は、互いに交差する２つの矩形３１ａ，３１ｂを重ね合わせた十文字形状の抵抗体３１を用いて構成され、矩形３１ａの両端部分に入力電極３２ａ，３２ａが、矩形３１ｂの両端部分に出力電極３２ｂ，３２ｂが、それぞれ接続される。
【００６６】
図５のモード１〜モード６は、それぞれ単結晶ダイヤモンドピエゾ抵抗体の配置方法を示している。
【００６７】
図５のモード１では、[010]方向が片持ち梁１１の長手方向となるように単結晶ダイヤモンドピエゾ抵抗体を配置するとともに、単結晶ダイヤモンドピエゾ抵抗体２０の両端にて相対向する入出力共用電極対（入出力共用電極２２，２２）が[010]方向となるように配置することで、単結晶ダイヤモンドピエゾ抵抗体２０への応力印加方向が入出力共用電極対（入出力共用電極２２，２２）と同方向（[010]方向）となる。
【００６８】
なお、本明細書では、「電極対の方向」は対をなす２つの電極の位置ないしその中心を結ぶ線分の方向を意味する。
【００６９】
図５のモード２では、[010]方向が片持ち梁１１の長手方向となるように単結晶ダイヤモンドピエゾ抵抗体を配置するとともに、単結晶ダイヤモンドピエゾ抵抗体２０の両端にて相対向する入出力共用電極対（入出力共用電極２２，２２）が[001]方向となるように配置することで、応力印加方向が入出力共用電極対と垂直方向（[010]方向）となる。
【００７０】
図５のモード３では、[010]方向が片持ち梁１１の長手方向となるように単結晶ダイヤモンドピエゾ抵抗体３０を配置するとともに、単結晶ダイヤモンドピエゾ抵抗体３０上にて入力電極対（入力電極３２ａ，３２ａ）と出力電極対（出力電極３２ｂ，３２ｂ）を直交させ、かつ相対向する入力電極対（入力電極３２ａ，３２ａ）を[011]方向となるように配置し、応力印加方向を[010]方向にすることにより、等価的にせん断応力を印加させた状態を得る。
【００７１】
以上のモード１によりピエゾ抵抗係数π11が、モード２によりピエゾ抵抗係数π12が、モード３によりπ’66=π11-π12が求まる。
【００７２】
次に、図５のモード４では、[011]方向が片持ち梁１１の長手方向となるように単結晶ダイヤモンドピエゾ抵抗体２０を配置するとともに、単結晶ダイヤモンドピエゾ抵抗体２０の両端にて相対向する入出力共用電極対（入出力共用電極２２，２２）が[011]方向となるように配置することで、単結晶ダイヤモンドピエゾ抵抗体２０への応力印加方向が入出力共用電極対（入出力共用電極２２，２２）と同方向（[011]方向）となる。
【００７３】
図５のモード５では、[011]方向が片持ち梁１１の長手方向となるように単結晶ダイヤモンドピエゾ抵抗体２０を配置するとともに、単結晶ダイヤモンドピエゾ抵抗体２０の両端にて相対向する入出力共用電極対（入出力共用電極２２，２２）が[0-11]方向となるように配置することで、応力印加方向が入出力共用電極対（入出力共用電極２２，２２）と垂直方向（[011]方向）となる。
【００７４】
図５のモード６では、[011]方向が片持ち梁１１の長手方向となるように単結晶ダイヤモンドピエゾ抵抗体３０を配置するとともに、単結晶ダイヤモンドピエゾ抵抗体３０上にて入力電極対（入力電極３２ａ，３２ａ）と出力電極対（出力電極３２ｂ，３２ｂ）を直交させ、かつ相対向する入力電極対（入力電極３２ａ，３２ａ）を[001]方向となるように配置し、応力印加方向を[011]方向にすることにより、等価的にせん断応力を印加させた状態を得る。
【００７５】
以上のモード６によりピエゾ抵抗係数π44が求まる。またモード４によりπ’11=1/2(π11+π12+π44)が、モード５によりπ’12=1/2(π11+π12-π44)が求まるため、モード１〜３に基づく算出結果と照合することで、数値の桁数確認および結晶方位依存性の確認に使用することができる。
。
【００７６】
図６（ａ）は実験に用いた単結晶ダイヤモンドピエゾ抵抗体の寸法を示す図である。この寸法は、単結晶ダイヤモンドピエゾ抵抗体２０を構成する抵抗体２１、あるいは単結晶ダイヤモンドピエゾ抵抗体３０を構成する抵抗体３１のうち実質的に抵抗体として機能する領域の寸法に相当する。
【００７７】
エピタキシャル成長時のボロンの気相中濃度が炭素に対して4.5ppmと5000ppmの単結晶ダイヤモンドではピエゾ抵抗体内の不純物濃度が異なり、抵抗率が大きく変わるため、図６（ａ）に示すように、ボロンの気相中濃度に応じて単結晶ダイヤモンドピエゾ抵抗体の寸法が異なる。ここでは、単結晶ダイヤモンドのヤング率は<100>方向と<110>方向がそれぞれ1050GPaと1150GPa、ポアソン比は<100>方向と<110>方向がそれぞれ0.104と0.008としてピエゾ抵抗係数を導出した。
【００７８】
上記のような実験により、<100>方向を主軸としたときのピエゾ抵抗係数π11,π12,π44を求め、また結晶方位依存性について確認を行った。得られた結果を以下に示す。
【００７９】
＜不純物濃度4.5ppmの時の単結晶ダイヤモンドピエゾ抵抗係数＞
π11 = -0.33, π12 = 0.20, π44 = 7.60 [10-11/Pa]
(抵抗率ρ = 13.23[ohm・cm])
【００８０】
＜不純物濃度5000ppmの時の単結晶ダイヤモンドピエゾ抵抗係数＞
π11 = 0.18, π12 = -0.04, π44 = 3.63 [10-11/Pa]
(抵抗率ρ = 0.00466[ohm・cm])
【００８１】
ここで特筆すべきはπ44の値がπ11およびπ12と比較して一桁以上大きいことである。例えば、単結晶ダイヤモンドピエゾ抵抗体を(100)面に形成し、単結晶ダイヤモンドピエゾ抵抗体の両端にて相対向する入出力共用電極対が[010]方向となるように配置し、単結晶ダイヤモンドピエゾ抵抗体への応力印加方向が入出力共用電極対と同方向または垂直方向である場合、不純物濃度4.5ppmの時のピエゾ抵抗係数はそれぞれπ11=-0.33[10-11/Pa]、π12=0.20[10-11/Pa]となるため出力は極めて小さい。ところがダイヤモンドピエゾ抵抗体を同じく(100)面に形成し、単結晶ダイヤモンドピエゾ抵抗体の両端にて相対向する入出力共用電極対が[011]方向となるように配置し、単結晶ダイヤモンドピエゾ抵抗体への応力印加方向が入出力共用電極対と同方向である場合、不純物濃度4.5ppmの時のピエゾ抵抗係数はそれぞれπ’11=3.735[10-11/Pa]、π’12=-3.865[10-11/Pa]となるため単結晶ダイヤモンドピエゾ抵抗体の結晶方位依存性により出力を大きく取ることが可能になる。
【００８２】
以上の結果より、単結晶ダイヤモンドのピエゾ抵抗係数が結晶方位依存性を有することを発見した。今回用いた単結晶ダイヤモンドピエゾ抵抗体は単結晶ダイヤモンド基板上にホモエピタキシャル成長させて単結晶ダイヤモンド膜を成長させたものであるが、基板結晶とある一定の結晶方位関係になるように堆積成長させたヘテロエピタキシャルダイヤモンドでも同様に結晶方位依存性を有することが可能である。
【００８３】
＜ダイヤモンドピエゾ抵抗体の結晶方位依存性を利用した力変換素子＞
以下、ダイヤモンドピエゾ抵抗体の結晶方位依存性を利用して力変換素子とした実施例をいくつか示す。
【００８４】
ここで主軸に沿って直角座標をとると、ダイヤモンドが立方晶であるため、応力σiと比抵抗の変化分Δρiの関係はピエゾ抵抗係数πijにより所定の行列として結びつけることができる。図６（ｂ）は、<100>方向を主軸としたときの行列標記を示している。
【００８５】
図６（ｂ）に示すピエゾ抵抗係数に関する行列を座標変換することにより、ある面上における特定の方向を主軸とするピエゾ抵抗係数を求めることが可能になる。この座標変換により、ある面上に形成したピエゾ抵抗係数の結晶方位依存性のグラフを示し、感度が良好となる方位や様々な配置・構成のピエゾ抵抗体を選択する。また、ある面上における特定の方向を主軸とするピエゾ抵抗係数については、π´ij（i,j=1〜6）と表記する。なお、座標変換に関する計算式は「マイクロマシン技術総覧，p.98-109，産業技術サービスセンター，2003年1月22日」を参考とした。以下に具体例を示す。
【００８６】
図７は、以下に述べる各具体例の関係を示す図である。各具体例あるいはその上位概念となる構成を階層化することにより、発明の全体像を明らかにしている。図７に示す番号（1.1.1.などの番号）が各具体例あるいはその上位概念となる構成に対応しており、図７に示すツリー構造が各具体例および各構成間の関係（上位概念、下位概念）を示している。以下、図７に示す番号に即して、各具体例およびその上位概念となる構成を説明する。
【００８７】
＜面内応力による力変換素子の構成＞
1.π´11, π´12, π´66 ：(100)/(110)/(111)
図８（ａ）には、不純物としてボロンを導入した高配向性ダイヤモンドから成るダイヤモンドピエゾ抵抗体を備える力変換素子において、ダイヤモンドピエゾ抵抗体を(100)面または(110)面または(111)面またはこれらと等価な結晶面上に形成し、ダイヤモンドピエゾ抵抗体上にて相対向する入力電極対（入出力共用電極２２，２２）を配置し、ダイヤモンドピエゾ抵抗体への応力印加方向が入力電極対（入出力共用電極２２，２２）に対して同方向（Ｐ１）または垂直方向（Ｐ２）またはせん断方向（Ｐ３）であることを特徴とする力変換素子が示されている。
【００８８】
＜面内垂直応力による力変換素子の構造＞
1.1.π´11, π´12 ：(100)/(110)/(111)
図８（ｂ）には、不純物としてボロンを導入した高配向性ダイヤモンドから成るダイヤモンドピエゾ抵抗体を備える力変換素子において、ダイヤモンドピエゾ抵抗体を(100)面または(110)面または(111)面またはこれらと等価な結晶面上に形成し、ダイヤモンドピエゾ抵抗体の両端にて相対向する入出力共用電極対（入出力共用電極２２，２２）を配置し、ダイヤモンドピエゾ抵抗体への応力印加方向が入出力共用電極対（入出力共用電極２２，２２）と同方向（Ｐ１）または垂直方向（Ｐ２）であることを特徴とする力変換素子が示されている。
【００８９】
この構成（1.1）は、面内応力によるピエゾ抵抗効果を利用するため、歪ゲージ、圧力センサ、加速度センサ、ジャイロセンサ等への応用が容易である。
【００９０】
＜面内垂直応力による力変換素子の具体例＞
1.1.1.π´11, π´12 ：(100)
図９（ａ）には、不純物としてボロンを導入した高配向性ダイヤモンドから成るダイヤモンドピエゾ抵抗体を備える力変換素子において、ダイヤモンドピエゾ抵抗体を(100)面またはこれと等価な結晶面上に形成し、ダイヤモンドピエゾ抵抗体の両端にて相対向する入出力共用電極対（入出力共用電極２２，２２）が[011]方向またはこれと等価な結晶方向より-15°〜+15°の角度範囲内となるように配置し、ダイヤモンドピエゾ抵抗体への応力印加方向が入出力共用電極対（入出力共用電極２２，２２）と同方向または垂直方向であることを特徴とする力変換素子が示されている。
【００９１】
高配向性ダイヤモンドのピエゾ抵抗係数における結晶方位依存性を利用するために、ダイヤモンドピエゾ抵抗体を形成する面方位と、入出力共用電極対の方向および応力印加方向を決定する必要がある。
【００９２】
面方位を(100)面またはこれと等価な結晶面と定めた場合、ダイヤモンドピエゾ抵抗体の両端にて相対向する入出力共用電極対が[011]方向またはこれと等価な結晶方向となるように配置し、ダイヤモンドピエゾ抵抗体への応力印加方向が入出力共用電極対と同方向または垂直方向にするとピエゾ抵抗係数が最大値となることが分かった。
【００９３】
図９（ａ）に示すピエゾ抵抗係数の結晶方位依存性のグラフ４１〜４４より、(100)面内において、入出力共用電極対が[011]方向より-15°〜+15°の角度範囲内であればピエゾ抵抗係数は十分大きく、特に[011]方向において最大値を持つ。
【００９４】
なお、図９（ａ）に示すグラフ４１、４２は、入出力共用電極対の方向と、ピエゾ抵抗係数π´１１との関係を示しており、グラフ４１はエピタキシャル成長時のボロンの気相中濃度が4.5ppmの場合を、グラフ４２は同濃度が5000ppmの場合を、それぞれ示している。また、グラフ４３、４４は、入出力共用電極対の方向と、ピエゾ抵抗係数π´１２との関係を示しており、グラフ４３はエピタキシャル成長時のボロンの気相中濃度が4.5ppmの場合を、グラフ４４は同濃度が5000ppmの場合を、それぞれ示している。同様に、各図に表示された同様の他のグラフにおいても、指定された面内における電極対の方向と、指定されたピエゾ抵抗係数との関係が、同濃度とともに示されている。
【００９５】
1.1.2.π´11 ：(110)
図９（ｂ）には、不純物としてボロンを導入した高配向性ダイヤモンドから成るダイヤモンドピエゾ抵抗体を備える力変換素子において、ダイヤモンドピエゾ抵抗体を(110)面またはこれと等価な結晶面上に形成し、ダイヤモンドピエゾ抵抗体の両端にて相対向する入出力共用電極対（入出力共用電極２２，２２）が[-110]方向より-60°〜+60°の角度範囲内となるように配置し、ダイヤモンドピエゾ抵抗体への応力印加方向が入出力共用電極対（入出力共用電極２２，２２）と同方向であることを特徴とする力変換素子が示されている。
【００９６】
図９（ｂ）に表示されたピエゾ抵抗係数の結晶方位依存性のグラフより、(110)面内において入出力共用電極対が[110]方向より-60°〜+60°の角度範囲内であればピエゾ抵抗係数は十分大きく、特に[-111]方向において最大値を持つ。
【００９７】
1.1.3.π´12 ：(110)
図９（ｂ）には、不純物としてボロンを導入した高配向性ダイヤモンドから成るダイヤモンドピエゾ抵抗体を備える力変換素子において、ダイヤモンドピエゾ抵抗体を(110)面またはこれと等価な結晶面上に形成し、ダイヤモンドピエゾ抵抗体の両端にて相対向する入出力共用電極対（入出力共用電極２２，２２）が[-110]方向またはこれと等価な結晶方向から45°の方向より-15°〜+15°の角度範囲内となるように配置し、ダイヤモンドピエゾ抵抗体への応力印加方向が入出力共用電極対（入出力共用電極２２，２２）と垂直方向であることを特徴とする力変換素子が示されている。
【００９８】
図９（ｂ）に表示されたピエゾ抵抗係数の結晶方位依存性のグラフより、(110)面内において、入出力共用電極対が[-110]方向から45°の方向より-15°〜+15°の角度範囲内であればピエゾ抵抗係数は十分大きく、特に[-110]方向より45°の方向において最大値を持つ。
【００９９】
1.1.4.π´11, π´12 ：(111)
図１０には、不純物としてボロンを導入した高配向性ダイヤモンドから成るダイヤモンドピエゾ抵抗体を備える力変換素子において、ダイヤモンドピエゾ抵抗体を(111)面またはこれと等価な結晶面上に形成し、ダイヤモンドピエゾ抵抗体の両端にて相対向する入出力共用電極対（入出力共用電極２２，２２）を配置し、ダイヤモンドピエゾ抵抗体への応力印加方向が入出力共用電極対（入出力共用電極２２，２２）と同方向または垂直方向であることを特徴とする力変換素子が示されている。
【０１００】
図１０に表示されたピエゾ抵抗係数の結晶方位依存性のグラフより、(111)面内のピエゾ抵抗係数π´11, π´12は方向依存性が無く一定の値をとることが分かった。そのためダイヤモンドピエゾ抵抗体の方向ずれが生じた際にもピエゾ抵抗係数π´11, π´12は一定であり、個体差を最小にすることが可能になる。
【０１０１】
1.1.5.π´11, π´12 ：(100)/(110)/(111)のホイートストンブリッジ
図１１には、相対向する２組のダイヤモンドピエゾ抵抗体によりホイートストンブリッジが構成され、一組のダイヤモンドピエゾ抵抗体への応力印加方向が入出力共用電極対と同方向であり、他の一組のダイヤモンドピエゾ抵抗体への応力印加方向が入出力共用電極対と垂直方向であることを特徴とする力検知素子が示されている。
【０１０２】
図１１において、ダイヤモンドピエゾ抵抗体２０Ａ，２０Ａ、ダイヤモンドピエゾ抵抗体２０Ｂ，２０Ｂ、ダイヤモンドピエゾ抵抗体２０Ａ，２０Ａとダイヤモンドピエゾ抵抗体２０Ｂ，２０Ｂに接続される配線パターンＰＴ１、および配線パターンＰＴ１に接続される端子５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃ，５０Ｄによりホイートストンブリッジが構成される。ダイヤモンドピエゾ抵抗体２０Ａ，２０Ａが相対向し、ダイヤモンドピエゾ抵抗体２０Ｂ，２０Ｂが相対向しており、ダイヤモンドピエゾ抵抗体２０Ａ，２０Ａへの応力印加方向が入出力共用電極対（２２Ａ，２２Ａ）と同方向であり、ダイヤモンドピエゾ抵抗体２０Ｂ，２０Ｂへの応力印加方向が入出力共用電極対（２２Ｂ，２２Ｂ）と垂直方向であるようなダイヤフラムの上に形成されている。
【０１０３】
ダイヤモンドピエゾ抵抗体への応力印加方向が入出力共用電極対と同方向の場合にはπ´11が、ダイヤモンドピエゾ抵抗体への応力印加方向が入出力共用電極対と垂直方向の場合にはπ´12が適用され、またピエゾ抵抗係数π´11, π´12は互いに逆符号をとるため、ホイートストンブリッジの出力値を大きくすることが可能になる。特に(100)面内の[011]方向ではポアソン比が最小となるため、出力を大きくとることが可能になる。
【０１０４】
面方位を(100)面またはこれと等価な結晶面と定めた場合、一組のダイヤモンドピエゾ抵抗体の両端にて相対向する入出力共用電極対が[011]方向またはこれと等価な結晶方向となるように配置し、応力印加方向が入出力共用電極対と同方向であり、他の一組のダイヤモンドピエゾ抵抗体の両端にて相対向する入出力共用電極対が[011]方向またはこれと等価な結晶方向となるように配置し、応力印加方向が入出力共用電極対と垂直方向にすると、ホイートストンブリッジの出力が最大値となる。ピエゾ抵抗係数の結晶方位依存性のグラフより、(100)面内において[011]方向より-15°〜+15°の角度範囲内であればピエゾ抵抗係数は十分大きく、特に[011]方向において最大値を持つ。
【０１０５】
面方位を(110)面またはこれと等価な結晶面と定めた場合、一組のダイヤモンドピエゾ抵抗体の両端にて相対向する入出力共用電極対が[111]方向またはこれと等価な結晶方向となるように配置し、応力印加方向が入出力共用電極対と同方向であり、他の一組のダイヤモンドピエゾ抵抗体の両端にて相対向する入出力共用電極対が[110]方向またはこれと等価な結晶方向から45°の方向となるように配置し、応力印加方向が入出力共用電極対と垂直方向にすると、ホイートストンブリッジの出力が最大値となる。
【０１０６】
面方位を(111)面またはこれと等価な結晶面と定めた場合、(111)面内のピエゾ抵抗係数π´11, π´12は方向依存性が無く一定の値をとるため、一組のダイヤモンドピエゾ抵抗体の応力印加方向が入出力共用電極対と同方向であり、他の一組のダイヤモンドピエゾ抵抗体の応力印加方向が入出力共用電極対と垂直方向にするのみで良く、ホイートストンブリッジの出力はダイヤモンドピエゾ抵抗体の両端にて相対向する入出力共用電極対の方向に依存しない。
【０１０７】
＜面内せん断応力による力変換素子の構造＞
1.2.π´66 ：(100)/(110)/(111)
図１２には、不純物としてボロンを導入した高配向性ダイヤモンドから成るダイヤモンドピエゾ抵抗体を備える力変換素子において、ダイヤモンドピエゾ抵抗体を(100)面または(110)面または(111)面またはこれらと等価な結晶面上に形成し、ダイヤモンドピエゾ抵抗体上にて相対向する入力電極対と相対向する出力電極対を直交するように配置し、ダイヤモンドピエゾ抵抗体への応力印加方向が入力電極対に対してせん断方向であることを特徴とする力変換素子が示されている。
【０１０８】
図１２において、ダイヤモンドピエゾ抵抗体３０の入力電極３２ａ、３２ａからなる入力電極対の方向と、出力電極３２ｂ、３２ｂからなる出力電極対の方向とが互いに直交しており、応力印加方向が入力電極対に対して（例えば４５°の角度で）交わる方向とされている。
【０１０９】
この構成によれば、単一の抵抗によりホイートストンブリッジのように抵抗値の温度依存性をキャンセルすることが可能になるため、より小型な構成を可能にする。
【０１１０】
＜面内せん断応力による力変換素子の具体例＞
1.2.1.π´66 ：(100)
図１３（ａ）には、不純物としてボロンを導入した高配向性ダイヤモンドから成るダイヤモンドピエゾ抵抗体を備える力変換素子において、ダイヤモンドピエゾ抵抗体を(100)面またはこれと等価な結晶面上に形成し、ダイヤモンドピエゾ抵抗体上にて相対向する入力電極対（入力電極３２ａ、３２ａ）と相対向する出力電極対（出力電極３２ｂ、３２ｂ）を直交するように、かつ相対向する入力電極対（入力電極３２ａ、３２ａ）を[010]方向またはこれと等価な結晶方向より-15°〜+15°の角度範囲内となるように配置し、ダイヤモンドピエゾ抵抗体への応力印加方向が入力電極対（入力電極３２ａ、３２ａ）に対してせん断方向であることを特徴とする力変換素子が示されている。
【０１１１】
面方位を(100)面またはこれと等価な結晶面と定めた場合、ダイヤモンドピエゾ抵抗体上にて相対向する入力電極対と相対向する出力電極対を直交するように、かつ相対向する入力電極対を[010]方向またはこれと等価な結晶方向となるように配置し、ダイヤモンドピエゾ抵抗体への応力印加方向が入力電極対に対してせん断方向とするとピエゾ抵抗係数が最大値となる。
【０１１２】
(100)面内におけるピエゾ抵抗係数π´66は、(111)面内のピエゾ抵抗係数π´66よりも大きいため、高感度化が可能である。
【０１１３】
図１３（ａ）に表示されたピエゾ抵抗係数の結晶方位依存性のグラフより、(100)面内において、入力電極対が[010]方向より-15°〜+15°の角度範囲内であればピエゾ抵抗係数は十分大きく、特に[010]方向において最大値を持つ。
【０１１４】
1.2.2.π´66 ：(110)
図１３（ｂ）には、不純物としてボロンを導入した高配向性ダイヤモンドから成るダイヤモンドピエゾ抵抗体を備える力変換素子において、ダイヤモンドピエゾ抵抗体を(110)面またはこれと等価な結晶面上に形成し、ダイヤモンドピエゾ抵抗体上にて相対向する入力電極対（入力電極３２ａ、３２ａ）と相対向する出力電極対（出力電極３２ｂ、３２ｂ）を直交するように、かつ相対向する入力電極対（入力電極３２ａ、３２ａ）を[-110]方向または[001]方向またはこれらと等価な結晶方向より-15°〜+15°の角度範囲内となるように配置し、ダイヤモンドピエゾ抵抗体への応力印加方向が入力電極対（入力電極３２ａ、３２ａ）に対してせん断方向であることを特徴とする力変換素子が示されている。
【０１１５】
(110)面内におけるピエゾ抵抗係数π´66は、(111)面内のピエゾ抵抗係数π´66よりも大きいため、高感度化が可能である。
【０１１６】
図１３（ｂ）に表示されたピエゾ抵抗係数の結晶方位依存性のグラフより、(110)面内において、入力電極対が[001]方向または[-110]方向より-15°〜+15°の角度範囲内であればピエゾ抵抗係数は十分大きく、特に[001]方向または[-110]方向において最大値を持つ。
【０１１７】
1.2.3.π´66 ：(111)
図１４には、不純物としてボロンを導入した高配向性ダイヤモンドから成るダイヤモンドピエゾ抵抗体を備える力変換素子において、ダイヤモンドピエゾ抵抗体を(111)面またはこれと等価な結晶面上に形成し、ダイヤモンドピエゾ抵抗体上にて相対向する入力電極対（入力電極３２ａ、３２ａ）と相対向する出力電極対（出力電極３２ｂ、３２ｂ）を直交するように配置し、ダイヤモンドピエゾ抵抗体への応力印加方向が入力電極対（入力電極３２ａ、３２ａ）の方向に対してせん断方向であることを特徴とする力変換素子が示されている。
【０１１８】
図１４に表示されたピエゾ抵抗係数の結晶方位依存性のグラフより、(111)面内のピエゾ抵抗係数π´66は方向依存性が無く一定の値をとるため、ダイヤモンドピエゾ抵抗体の方向ずれが生じた際にもピエゾ抵抗係数π´66は一定であり、個体差を最小にすることが可能になる。
【０１１９】
＜面外応力による力変換素子の構造＞
2.π´13, π´63 ：(110)/(111)
図１５（ａ）には、不純物としてボロンを導入した高配向性ダイヤモンドから成るダイヤモンドピエゾ抵抗体を備える力変換素子において、ダイヤモンドピエゾ抵抗体を(110)面または(111)面またはこれと等価な結晶面上に形成し、ダイヤモンドピエゾ抵抗体上にて相対向する入力電極対（入力出力共用電極２２，２２）を配置し、ダイヤモンドピエゾ抵抗体への応力印加面が(110)面または(111)面またはこれと等価な結晶面であることを特徴とする力変換素子が示されている。
【０１２０】
図１５（ａ）において、ダイヤモンドピエゾ抵抗体２０が(110)面または(111)面またはこれと等価な結晶面上に形成され、ダイヤモンドピエゾ抵抗体２０への応力印加面が(110)面または(111)面またはこれと等価な結晶面とされている。すなわち、応力印加方向Ｐ４が[110]方向または[111]方向またはこれと等価な結晶方向とされている。
【０１２１】
ダイヤモンドピエゾ抵抗体を(100)面方向またはこれと等価な結晶面上に形成した場合、ピエゾ抵抗係数π´13およびπ´63の値はほぼ0であるため、(110)面または(111)面を用いる。
【０１２２】
＜面外応力による力変換素子の具体例＞
2.1.π´13 ：(110)/(111)
図１５（ｂ）には、不純物としてボロンを導入した高配向性ダイヤモンドから成るダイヤモンドピエゾ抵抗体を備える力変換素子において、ダイヤモンドピエゾ抵抗体を(110)面または(111)面またはこれと等価な結晶面上に形成し、ダイヤモンドピエゾ抵抗体の両端にて相対向する入出力共用電極対（入力出力共用電極２２，２２）を配置し、ダイヤモンドピエゾ抵抗体への応力印加面が(110)面または(111)面またはこれと等価な結晶面であることを特徴とする力変換素子が示されている。
【０１２３】
図１５（ｂ）において、ダイヤモンドピエゾ抵抗体２０が(110)面または(111)面またはこれと等価な結晶面上に形成されている。また、ダイヤモンドピエゾ抵抗体２０への応力印加面が(110)面または(111)面またはこれと等価な結晶面とされている。すなわち、応力印加方向Ｐ４が[110]方向または[111]方向またはこれと等価な結晶方向とされている。
【０１２４】
ダイヤモンドピエゾ抵抗体を形成した面に垂直方向に圧縮力を作用させる力変換素子であり、ダイヤモンドの圧縮強度が9 GPaと非常に高いため、圧縮応力を加える力変換素子としてダイヤモンドピエゾ抵抗体を用いることは、強度・耐久性・安定性の面において最適である。本構成のダイヤモンドピエゾ抵抗体を(100)面上に形成した場合ピエゾ抵抗係数が0となるため、(110)面または(111)面を用いる。
【０１２５】
2.1.1.π´13 ：(110)
図１６（ａ）には、不純物としてボロンを導入した高配向性ダイヤモンドから成るダイヤモンドピエゾ抵抗体を備える力変換素子において、ダイヤモンドピエゾ抵抗体を(110)面またはこれと等価な結晶面上に形成し、ダイヤモンドピエゾ抵抗体の両端にて相対向する入出力共用電極対（入出力共用電極２２，２２）が[110]方向またはこれと等価な結晶方向より-30°〜+30°の角度範囲内となるように配置し、ダイヤモンドピエゾ抵抗体への応力印加面が(110)面またはこれと等価な結晶面であることを特徴とする力変換素子が示されている。
【０１２６】
(111)面内のピエゾ抵抗係数π´13よりも大きいため、高感度化が可能である。
【０１２７】
図１６（ａ）に表示されたピエゾ抵抗係数の結晶方位依存性のグラフより、(110)面内において、入出力共用電極対が[110]方向より-30°〜+30°の角度範囲内であればピエゾ抵抗係数は十分大きく、特に[110]方向において最大値を持つ。
【０１２８】
2.1.2.π´13 ：(111)
図１６（ｂ）には、不純物としてボロンを導入した高配向性ダイヤモンドから成るダイヤモンドピエゾ抵抗体を備える力変換素子において、ダイヤモンドピエゾ抵抗体を(111)面またはこれと等価な結晶面上に形成し、ダイヤモンドピエゾ抵抗体の両端にて相対向する入出力共用電極対（入出力共用電極２２，２２）を配置し、ダイヤモンドピエゾ抵抗体への応力印加面が(111)面またはこれと等価な結晶面であることを特徴とする力変換素子が示されている。
【０１２９】
図１６（ｂ）に表示されたピエゾ抵抗係数の結晶方位依存性のグラフより、(111)面内のピエゾ抵抗係数π´13は方向依存性が無く一定の値をとるため、ダイヤモンドピエゾ抵抗体の方向ずれが生じた際にもピエゾ抵抗係数π´13は一定であり、個体差を最小にすることが可能になる。
【０１３０】
2.1.3.π´13 ：(110)のホイートストンブリッジ＜１＞（二組共に圧縮力作用）
図１７には、ダイヤモンドピエゾ抵抗体を(110)面またはこれと等価な結晶面上に形成し、相対向する２組のダイヤモンドピエゾ抵抗体によりホイートストンブリッジが構成され、一組のダイヤモンドピエゾ抵抗体の両端にて相対向する入出力共用電極対が[110]方向またはこれと等価な結晶方向より-30°〜+30°の角度範囲内となるように配置し、他の一組のダイヤモンドピエゾ抵抗体の両端にて相対向する入出力共用電極対が[001]方向またはこれと等価な結晶方向より-30°〜+30°の角度範囲内となるように配置することを特徴とする力検知素子が示されている。
【０１３１】
図１７において、(110)面にダイヤモンドピエゾ抵抗体２０Ｃ，２０Ｃおよびダイヤモンドピエゾ抵抗体２０Ｄ，２０Ｄが形成され、ダイヤモンドピエゾ抵抗体２０Ｃ，２０Ｃ、ダイヤモンドピエゾ抵抗体２０Ｄ，２０Ｄ、ダイヤモンドピエゾ抵抗体２０Ｃ，２０Ｃとダイヤモンドピエゾ抵抗体２０Ｄ，２０Ｄに接続される配線パターンＰＴ２、および配線パターンＰＴ２に接続される端子５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃ，５０Ｄによりホイートストンブリッジが構成される。
【０１３２】
ダイヤモンドピエゾ抵抗体２０Ｃ，２０Ｃが相対向し、ダイヤモンドピエゾ抵抗体２０Ｄ，２０Ｄが相対向しており、ダイヤモンドピエゾ抵抗体２０Ｃ，２０Ｃの入出力共用電極対（入出力共用電極２２Ｃ，２２Ｃ）が[-110]方向より-30°〜+30°の角度範囲内となるように配置され、ダイヤモンドピエゾ抵抗体２０Ｄ，２０Ｄの入出力共用電極対（入出力共用電極２２Ｄ，２２Ｄ）が[001]方向より-30°〜+30°の角度範囲内となるように配置されている。
【０１３３】
上記他の一組のダイヤモンドピエゾ抵抗体の両端にて相対向する入出力共用電極対が[001]方向またはこれと等価な結晶方向となるように配置することにより、圧縮力による抵抗変化はほとんど生じない。そのため単一のダイヤモンドピエゾ抵抗体を用いた時と比較してホイートストンブリッジからの出力を大きくすることが可能になり、また抵抗値の温度依存性をキャンセルすることが可能になる。
【０１３４】
図１６（ａ）に表示されたピエゾ抵抗係数の結晶方位依存性のグラフより、(110)面内において、入出力共用電極対（入出力共用電極２２Ｃ，２２Ｃ）が[-110]方向より-30°〜+30°の角度範囲内であればピエゾ抵抗係数は十分大きく、特に[-110]方向において最大値を持つ。また、 (110)面内において、入出力共用電極対（入出力共用電極２２Ｄ，２２Ｄ）が[001]方向より-30°〜+30°の角度範囲内であればピエゾ抵抗係数は十分小さく、特に[001]方向において最小値を持つ。
【０１３５】
2.1.4.π´13 ：(110)/(111)のホイートストンブリッジ（一組のみ圧縮力作用）
図１７に示されたホイートストンブリッジにおいて、相対向する２組のダイヤモンドピエゾ抵抗体によりホイートストンブリッジが構成され、一組のダイヤモンドピエゾ抵抗体のみに応力が印加されるようにしてもよい。
【０１３６】
一組のダイヤモンドピエゾ抵抗体にのみ圧縮力を作用させるため、他の一組のダイヤモンドピエゾ抵抗体は圧縮力による抵抗変化は生じない。そのため単一のダイヤモンドピエゾ抵抗体を用いた時と比較してホイートストンブリッジからの出力を大きくすることが可能になり、また抵抗値の温度依存性をキャンセルすることが可能になる。
【０１３７】
ダイヤモンドピエゾ抵抗体に対して圧縮力を作用させるブロック面において、一組のダイヤモンドピエゾ抵抗体のみに応力が印加されるように段差を設けても良く、後述する2.1.4.2.のように圧縮力を作用させる一組のダイヤモンドピエゾ抵抗体の厚みを大きくしても良い。
【０１３８】
2.1.4.1.π´13 ：(110)のホイートストンブリッジ＜２＞
図１８には、相対向する２組のダイヤモンドピエゾ抵抗体によりホイートストンブリッジが構成され、一組のダイヤモンドピエゾ抵抗体のみに応力が印加される力検知素子において、一組のダイヤモンドピエゾ抵抗体の両端にて相対向する入出力共用電極対が[-110]方向またはこれと等価な結晶方向となるように配置することを特徴とする力検知素子が示されている。
【０１３９】
図１８において、(110)面にダイヤモンドピエゾ抵抗体２０Ｅ，２０Ｅおよびダイヤモンドピエゾ抵抗体２０Ｆ，２０Ｆが形成され、ダイヤモンドピエゾ抵抗体２０Ｅ，２０Ｅ、ダイヤモンドピエゾ抵抗体２０Ｆ，２０Ｆ、ダイヤモンドピエゾ抵抗体２０Ｅ，２０Ｅとダイヤモンドピエゾ抵抗体２０Ｆ，２０Ｆに接続される配線パターンＰＴ３、および配線パターンＰＴ３に接続される端子５２Ａ，５２Ｂ，５２Ｃ，５２Ｄによりホイートストンブリッジが構成される。
【０１４０】
ダイヤモンドピエゾ抵抗体２０Ｅ，２０Ｅが相対向し、ダイヤモンドピエゾ抵抗体２０Ｆ，２０Ｆが相対向しており、ダイヤモンドピエゾ抵抗体２０Ｅ，２０Ｅの入出力共用電極対（入出力共用電極２２Ｅ，２２Ｅ）が[-110]方向より-30°〜+30°の角度範囲内となるように配置されている。
【０１４１】
図１８に示すように、ダイヤモンドピエゾ抵抗体２０Ｅ，２０Ｅのみに圧縮力を作用させ、ダイヤモンドピエゾ抵抗体２０Ｆ，２０Ｆには圧縮力を作用させない。
【０１４２】
2.1.4.2.π´13 ：(111)のホイートストンブリッジ
図１９には、相対向する2組のダイヤモンドピエゾ抵抗体によりホイートストンブリッジが構成され、一組のダイヤモンドピエゾ抵抗体の厚みが他の一組のダイヤモンドピエゾ抵抗体の厚みより大きくなるように形成し、前記一組のダイヤモンドピエゾ抵抗体のみに応力が印加されることを特徴とする力検知素子が示されている。
【０１４３】
図１９において、(111)面にダイヤモンドピエゾ抵抗体２０Ｇ，２０Ｇおよびダイヤモンドピエゾ抵抗体２０Ｈ，２０Ｈが形成され、ダイヤモンドピエゾ抵抗体２０Ｇ，２０Ｇ、ダイヤモンドピエゾ抵抗体２０Ｈ，２０Ｈ、ダイヤモンドピエゾ抵抗体２０Ｇ，２０Ｇとダイヤモンドピエゾ抵抗体２０Ｈ，２０Ｈに接続される配線パターンＰＴ４、および配線パターンＰＴ４に接続される端子５３Ａ，５３Ｂ，５３Ｃ，５３Ｄによりホイートストンブリッジが構成される。
【０１４４】
図１６（ｂ）に表示されたピエゾ抵抗係数の結晶方位依存性のグラフより、(111)面内のピエゾ抵抗係数π´13は方向依存性が無く一定の値をとるため、ダイヤモンドピエゾ抵抗体の方向ずれが生じた際にもピエゾ抵抗係数π´13は一定であり、個体差を最小にすることが可能になる。
【０１４５】
また、一組のダイヤモンドピエゾ抵抗体２０Ｇ，２０Ｇの厚みが他の一組のダイヤモンドピエゾ抵抗体２０Ｈ，２０Ｈの厚みより大きくなるように形成しており、これにより、一組のダイヤモンドピエゾ抵抗体２０Ｇ，２０Ｇにのみ圧縮力を作用させるため、他の一組のダイヤモンドピエゾ抵抗体２０Ｈ，２０Ｈは圧縮力による抵抗変化は生じない。そのため単一のダイヤモンドピエゾ抵抗体を用いた時と比較してホイートストンブリッジからの出力を大きくすることが可能になり、また抵抗値の温度依存性をキャンセルすることが可能になる。
【０１４６】
2.2.π´63 ：(110)
図２０には、不純物としてボロンを導入した高配向性ダイヤモンドから成るダイヤモンドピエゾ抵抗体を備える力変換素子において、ダイヤモンドピエゾ抵抗体３０を(110)面またはこれと等価な結晶面上に形成し、ダイヤモンドピエゾ抵抗体上にて相対向する入力電極対（入力電極３２ａ，３２ａ）と相対向する出力電極対（出力電極３２ｂ，３２ｂ）を直交するように、かつ相対向する入力電極対（入力電極３２ａ，３２ａ）を[-110]方向またはこれと等価な結晶方向から45°の方向より-15°〜+15°の角度範囲内となるように配置し、ダイヤモンドピエゾ抵抗体への応力印加面が(110)面またはこれと等価な結晶面であることを特徴とする力変換素子が示されている。
【０１４７】
単一の抵抗によりホイートストンブリッジのように抵抗値の温度依存性をキャンセルすることが可能になるため、より小型な構成を可能にする。
【０１４８】
図２０に表示されたピエゾ抵抗係数の結晶方位依存性のグラフより、(110)面内において、入力電極対が[-110]方向から45°の方向より-15°〜+15°の角度範囲内であればピエゾ抵抗係数は十分大きく、特に[-110]方向より45°の方向において最大値を持つ。
【０１４９】
2.3.π´13, π´63 ：(110)/(111)でのバッファブロックを介した応力印加
図２１（ａ）には、不純物としてボロンを導入した高配向性ダイヤモンドから成るダイヤモンドピエゾ抵抗体６０と、ダイヤモンドピエゾ抵抗体６０の応力印加面に接着したバッファブロック６１と、ダイヤモンドピエゾ抵抗体を接着したバッファブロック６１の反対面に接着し、バッファブロック６１に圧縮力を加える受圧基板６２と、を備える力変換素子において、バッファブロック６１の熱膨張率が受圧基板６２の熱膨張率より小さいことを特徴とする力変換素子が示されている。
【０１５０】
ダイヤモンドピエゾ抵抗体６０は、上記の「2.π´13, π´63 ：(110)/(111)」の項で示した力変換素子を構成するダイヤモンドピエゾ抵抗体である。ダイヤモンドピエゾ抵抗体６０は、基板６３上に形成され、抵抗体６０ａと抵抗体６０ａの両端部に接続された電極６０ｂ，６０ｂとを備える。基板６３は固定板６４を介して固定され、受圧基板６２の外周部と固定板６４の外周部は、支持台６５に結合されている。
【０１５１】
ダイヤモンドピエゾ抵抗体に応力を印加するためには、外部からの圧力を受ける受圧基板から直接的に圧縮力を加えるか、もしくはブロックを介して圧縮力を加える方法がある。前者では構造的な制約が生じ、また直接的に受圧基板とダイヤモンドピエゾ抵抗体の熱膨張率差に起因する熱歪の影響を受けるため好ましくない。後者では前記問題点を解決することに加えて、バッファブロックの熱膨張率を受圧基板の熱膨張率より小さくすることにより、ダイヤモンドピエゾ抵抗体に加わる受圧基板よりの熱歪を緩和することが可能になる。
【０１５２】
特にバッファブロック６１としてダイヤモンドを用いることにより、ダイヤモンドピエゾ抵抗体６０に対する熱膨張の影響を最小限に抑えることができる。またバッファブロック６１を他の材料にした場合、バッファブロック６１の圧縮強度によりダイヤモンドピエゾ抵抗体６０に加える圧縮応力が制限されてしまうが、ダイヤモンドをバッファブロック６１の材料として用いるとダイヤモンドピエゾ抵抗体６０に加える圧縮応力がバッファブロック６１により制限されないため、ダイヤモンドピエゾ抵抗体６０の性能を最大限活用することが可能になる。
【０１５３】
2.4.π´13, π´63 ：(110)/(111)の耐腐食性受圧基板一体構造
図２１（ｂ）には、ダイヤモンドピエゾ抵抗体７０の応力印加面に接着したバッファブロック７１と、を備える力変換素子において、表面にダイヤモンドピエゾ抵抗体７０が形成された単結晶ダイヤモンド受圧基板７３の裏面から圧縮力が加わることにより、ダイヤモンドピエゾ抵抗体７０がバッファブロック７１から圧縮力を受けることを特徴とする力変換素子が示されている。
【０１５４】
ダイヤモンドピエゾ抵抗体７０は、上記の「2.π´13, π´63 ：(110)/(111)」の項で示した力変換素子を構成するダイヤモンドピエゾ抵抗体である。ダイヤモンドピエゾ抵抗体７０は、単結晶ダイヤモンド受圧基板７３上に形成され、抵抗体７０ａと抵抗体７０ａの両端部に接続された電極７０ｂ，７０ｂとを備える。バッファブロック７１は単結晶ダイヤモンド受圧基板７３への当接面と反対面側（図２１（ｂ）において下面）において固定板７４により固定され、単結晶ダイヤモンド受圧基板７３の外周部と固定板７４の外周部は、支持台７５に結合されている。
【０１５５】
バッファブロック７１としては、バッファブロック６１と同等のものを使用でき、同様の効果を得ることができる。
【０１５６】
またこの構成では、単結晶ダイヤモンド受圧基板を接液面もしくは接気面として用いることにより、耐腐食性が格段に向上する。またダイヤフラムを用いた場合、たわみ量の個体差を低減するためにはダイヤフラムの厚みを精密に制御する必要があるが、受圧基板を用いることにより厚みを厳密に制御する必要が無くなる。
【０１５７】
3. 高配向性ダイヤモンドの種類
配向性とは、結晶軸の揃い方の程度を表しており、高配向性ダイヤモンドとは、結晶軸の揃い方が良好なダイヤモンドを指す。例えば、上記実施形態で用いたような単結晶ダイヤモンド基板上にホモエピタキシャル成長させて作成した単結晶ダイヤモンド膜は、高配向性・高結晶性・低欠陥密度であり、また結晶粒界が無いため、本発明に適した材料である。しかし、基板結晶とある一定の結晶方位関係になるように堆積成長させたヘテロエピタキシャルダイヤモンド、その他の高配向性多結晶ダイヤモンドでも同様に結晶方位依存性を有することが可能であり、本発明に適用できる。ヘテロエピタキシャルダイヤモンドに関しては、MgO基板やサファイア基板上にエピタキシャルIrを下地として結晶性に優れたエピタキシャルダイヤモンドの成長が可能であり、同様に結晶方位依存性を有することが可能である。また高配向性ダイヤモンドでは成長粒子が成長方向，面内方向ともに基板に配向しており、同様に結晶方位依存性を有することが可能である。
【０１５８】
4.縦型ダイヤモンドピエゾ抵抗体
図２２には、高濃度ボロンドープエピタキシャルダイヤモンド、低濃度ボロンドープエピタキシャルダイヤモンド、高濃度ボロンドープエピタキシャルダイヤモンドの順に面方向に積層して形成することを特徴とする力変換素子が示されている。
【０１５９】
図２２（ａ）は力変換素子の断面図、図２２（ｂ）は図２２（ａ）のＢ−Ｂ線方向から見た平面図である。
【０１６０】
図２２に示すように、縦型ダイヤモンドピエゾ抵抗体８０は、高濃度ボロンドープエピタキシャルダイヤモンド層８１、低濃度ボロンドープエピタキシャルダイヤモンド層８２、高濃度ボロンドープエピタキシャルダイヤモンド層８３の順に、面方向（図２２（ａ）において上方向）に積層されている。また、Ti/Au層により、高濃度ボロンドープエピタキシャルダイヤモンド層８１に接続される電極８４ａおよび高濃度ボロンドープエピタキシャルダイヤモンド層８３に接続される電極８４ｂが形成されている。
【０１６１】
このように、抵抗体を縦型構造にすることも可能である。縦型にすることにより、ピエゾ抵抗体の低抵抗化または製造工程における位置ずれの影響を小さくすることができる。接触抵抗低減のための高濃度ボロンドープダイヤモンド（HBDD）、ピエゾ抵抗体として用いる低濃度ボロンドープダイヤモンド（LBDD）を積層することによりピエゾ抵抗体を作製する。縦型構造の場合、低濃度ボロンドープダイヤモンドの結晶性を高くして、かつ接触抵抗を低減するために、下地となる高濃度ボロンドープダイヤモンドを形成することが必要になる。例えば、図２２（ｃ）に示すように、ダイヤモンドピエゾ抵抗体を(110)面にHBDD-LBDD-HBDDの積層構造となるように形成し、ダイヤモンドピエゾ抵抗体への応力印加方向が[110]方向またはこれと等価な結晶方向である場合、ピエゾ抵抗係数π´12を利用することができる。またダイヤモンドピエゾ抵抗体を(110)面にHBDD-LBDD-HBDDの積層構造となるように形成し、ダイヤモンドピエゾ抵抗体への応力印加面を(110)方向またはこれと等価な結晶面である場合、ピエゾ抵抗係数π´11を利用することができる。
【０１６２】
＜変形例＞
上記実験では、エピタキシャル成長時のボロンの気相中濃度を炭素に対して4.5ppm及び5000ppmの二種類の濃度で作製したが、0.01ppm〜10%程度範囲内で任意の濃度を選択できる。
【０１６３】
単結晶ダイヤモンド基板上への単結晶ダイヤモンド膜の合成方法は特に限定さず、熱フィラメントCVD法、マイクロ波プラズマCVD法、直流プラズマCVD法、高温高圧合成法、プラズマアークジェット法及び物理蒸着法などが使用される。単結晶ダイヤモンド成膜方法としては、金属等の不純物が入りにくく、欠陥を抑えられるマイクロ波プラズマCVD法が好適である。
【０１６４】
ダイヤモンドの気相合成法において、単結晶ダイヤモンド合成時の欠陥の発生を抑制できる方法として、例えば、（１）原料ガス中に微量の不純物成分を添加して特定の結晶面を優先的に成長させる方法、（２）特定の結晶面が優先的に配向する条件を選択する方法、（３）表面が、エピタキシャル成長が可能な結晶面に対して微小な傾斜（オフ角）を有する基板を用い、この上にステップフロー成長によってダイヤモンドを成長させる方法が使用される。
【０１６５】
上記実施例ではダイヤモンドピエゾ抵抗体の面方位は｛100｝｛110｝｛111｝としているが、オフ角として0〜10°程度傾いていても良い。
【０１６６】
ダイヤモンド膜に導電性を付与するためのドーパントとして、p型ドーパントとしてB（ボロン）、n型ドーパントとしてP（リン）、N（窒素）、S（硫黄）、As（砒素）、Sb（アンチモン）などが使用される。特に高濃度のドーピングを可能にし、またアクセプタレベル（0.37eV）が他のドーパントと比較して小さいB（ボロン）が有効である。
【０１６７】
ダイヤモンド膜に導電性を付与するための不純物導入法として、CVD合成時に原料ガスと共にドーパントガスを混入させる方法以外に、熱拡散、イオン注入などが使用可能である。
【０１６８】
上記の「ダイヤモンドピエゾ抵抗体の作製プロセス」における１３）のTi/Auスパッタリング（図２）のように、金属炭化物を形成し単結晶ダイヤモンドピエゾ抵抗体とオーミックコンタクトを行う金属膜(Ti)と共に、金属膜の保護およびワイヤボンディングを行うための金属からなる保護膜(Au)を成膜しても良い。金属膜は、例えば、Ti（チタン）、V（バナジウム）、Cr（クロム）、Mo（モリブデン）、W（タングステン）、SiC（炭化珪素）、Ta（タンタル）、Nb（ニオブ）、Zr（ジルコニウム）、TiC（炭化チタン）、VC（炭化バナジウム）、Cr3C2（炭化クロム）、Mo2C（炭化モリブデン）、WC（炭化タングステン）、TaC（炭化タンタル）、NbC（炭化ニオブ）、ZrC（炭化ジルコニウム）の単体または前記を成分とする合金が用いられる。金属膜には、Ni（ニッケル）、Cu（銅）、Fe（鉄）、Co（コバルト）、Au（金）、Pt（白金）、Al（アルミニウム）の単体または前記を成分とする合金を用いることができる。また保護膜は上記の金属を成分とする多層膜であっても良い。
【０１６９】
上記の「ダイヤモンドピエゾ抵抗体の作製プロセス」では真空炉内においてアニールを行い、ダイヤモンドピエゾ抵抗体-Ti間の接触抵抗の低減および密着性を向上させている（図３の「１９）アニール」）が、ダイヤモンドピエゾ抵抗体-Tiの間にバッファ層として高濃度ボロンドープダイヤモンド層を導入しても良い。
【０１７０】
図２３は、このようなバッファ層を示す図であり、図２３（ａ）は断面図、図２３（ｂ）は図２３（ａ）におけるＢ−Ｂ線断面図である。
【０１７１】
図２３に示すように、ダイヤモンドピエゾ抵抗体を構成するｐ型単結晶ダイヤモンド膜２と、Ti/Au膜５との間に、バッファ層ＢＦとしての高濃度ボロンドープダイヤモンド層が設けられる。このようにバッファ層を導入することにより、アニールすることなく金属配線とダイヤモンドピエゾ抵抗体の接触抵抗を低減させることが可能になる。
【０１７２】
また、真空炉内におけるアニールに代えて、不活性ガス環境下におけるアニールを行っても良い。不活性ガスとしてN2（窒素）ガス、Ar（アルゴン）ガス、He（ヘリウム）ガスなどが用いられる。アニール温度はスパッタリングを行った金属とダイヤモンドの接合面において炭化物を形成するように、200℃-1200℃の間とされる。
【０１７３】
ダイヤフラム形状は、四角形、円形もしくは楕円形のダイヤフラム、などが使用される。
【０１７４】
ホイートストンブリッジにおけるピエゾ抵抗体の配置として、4つの単結晶ダイヤモンドピエゾ抵抗体の内、一組はダイヤフラム端部に形成されており、他の一組はダイヤフラム外の領域に形成されていても良い。
【０１７５】
また別の方法として、例えばダイヤフラム中央部に一組の単結晶ダイヤモンドピエゾ抵抗体が形成されており、ダイヤフラム端部に他の一組の単結晶ダイヤモンドピエゾ抵抗体が形成されても良い。中央部において圧縮（引張り）方向の歪が生じた際には、端部では引張り（圧縮）方向の歪が生じるため、この二組の導電性単結晶ダイヤモンドピエゾ抵抗体によるブリッジ回路の出力を大きくとることが可能になる。
【０１７６】
さらに別の実施例として、ホイートストンブリッジ内の電源側もしくはグランド端子側に接続された二つのダイヤモンドピエゾ抵抗において、例えばダイヤフラム中央部に一つの単結晶ダイヤモンドピエゾ抵抗体が形成されており、ダイヤフラム端部にもう一つの単結晶ダイヤモンドピエゾ抵抗体が形成され、残りの二つの抵抗体はレーザートリマによる抵抗値調整が行い易い金属薄膜抵抗体を用いても良い。中央部において圧縮（引張り）方向の歪が生じた際には、端部では引張り（圧縮）方向の歪が生じるため、この二組の導電性単結晶ダイヤモンドピエゾ抵抗体によるブリッジ回路の出力を大きくとることが可能になり、また金属薄膜抵抗体によりオフセット電圧を調整することが可能になる。
【０１７７】
上記実施例においてダイヤモンドピエゾ抵抗体を構成するエピタキシャルダイヤモンドが、ヘテロエピタキシャルダイヤモンド、高配向性ダイヤモンドであっても良い。ヘテロエピタキシャルダイヤモンドに関しては、MgO基板やサファイア基板上にエピタキシャルIrを下地として結晶性に優れたエピタキシャルダイヤモンドの成長が可能であり、同様に結晶方位依存性を有することが可能である。また高配向性ダイヤモンドでは成長粒子が成長方向，面内方向ともに基板に配向しており、同様に結晶方位依存性を有することが可能である。
【０１７８】
図２４は、本明細書に記載された「等価な」方向、および「等価な」面について例示した図である。<u v w>のように山括弧により等価な方向をまとめて表現し、{ u v w }のように波括弧により等価な面をまとめて表現している。
【０１７９】
以上説明したように、本発明によれば、高配向性ダイヤモンドピエゾ抵抗体の結晶方位依存性を利用することにより、高温環境下において安定性のある使用を可能とするなど、様々な構成の力変換素子の作製が可能になる。
【０１８０】
本発明の適用範囲は上記実施形態に限定されることはない。本発明は、不純物としてボロンを導入した高配向性ダイヤモンドから成るダイヤモンドピエゾ抵抗体を備える力変換素子に対し、広く適用することができる。
【符号の説明】
【０１８１】
２０    ダイヤモンドピエゾ抵抗体
３０    ダイヤモンドピエゾ抵抗体
２２    入出力共用電極（入力電極対、入出力電極対）
３２ａ  入力電極（入力電極対）
３２ｂ  出力電極（出力電極対）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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