(57)【要約】【課題】  メサ段差を利用する力検知装置において、作用する荷重と抵抗変化率の間の直線性を改善する技術を提供すること。【解決手段】  力検知装置１０は、複数の溝４４ａ、４４ｂが形成されている溝群領域４０を有する半導体基板２０と、その溝群領域４０を被覆している力伝達ブロック５０と、溝群領域４０外の一方から溝群領域４０内の溝４４ａと溝４４ｂの間のメサ段差４２を通過して溝群領域４０外の他方まで伸びている不純物導入領域３４、３５、３６を備えている。不純物導入領域３５は、メサ段差４２の側面Ｓと頂面Ｔの間に位置する角部以外の領域に形成されていることを特徴としている。【選択図】  図１
2008076057.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
力検知装置であって、
複数の溝が形成されている溝群領域を有する半導体基板と、
溝群領域を被覆している力伝達ブロックと、
溝群領域外の一方から、溝群領域内の溝と溝の間のメサ段差を通過して、溝群領域外の他方にまで伸びている不純物導入領域を備えており、
不純物導入領域は、メサ段差の側面と頂面の間に位置する角部以外の領域に形成されていることを特徴とする力検知装置。
【請求項２】
溝群領域は、半導体基板の表面に形成されている複数の溝で構成されており、
力伝達ブロックは、溝群領域を被覆して溝群領域の周囲の半導体基板の表面に接しており、
不純物導入領域は、溝群領域外の一方から溝群領域内の溝と溝の間のメサ段差を通過して溝群領域外の他方に至るまで、半導体基板の表面に沿って伸びていることを特徴とする請求項１の力検知装置。
【請求項３】
溝群領域には、メサ段差を対称軸とする２つの溝が形成されていることを特徴とする請求項１又は２の力検知装置。
【請求項４】
メサ段差の側面に対向する溝の側面は、平面視したときに略円状に形成されていることを特徴とする請求項３の力検知装置。
【請求項５】
複数個の不純物導入領域が、溝群領域内の溝と溝の間のメサ段差を通過して伸びているとともに、メサ段差の中央線近傍以外の領域に形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかの力検知装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、作用する力の大きさに応じた電気信号を出力する力検知装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
メサ段差を利用する力検知装置が知られている。この種の力検知装置は、表面にメサ段差が形成されている半導体基板と、そのメサ段差に接している力伝達ブロックを備えている。メサ段差は、ピエゾ抵抗効果が現れる結晶方向に伸びており、その表面に不純物導入領域が形成されている。力伝達ブロックに荷重が作用し、その荷重が力伝達ブロックを介してメサ段差に伝わると、メサ段差に形成されている不純物導入領域の抵抗値が変化する。この抵抗値の変化を電圧変化として取り出すことによって、力伝達ブロックに作用した荷重の大きさを検知することができる。メサ段差を利用する力検知装置は、力伝達ブロックと半導体基板が接する面積を低減することができる。この結果、力伝達ブロックに作用する荷重をメサ段差に集中させることができ、検出感度を向上させることができる。
【０００３】
以下、メサ段差を利用する２種類の力検知装置を説明する。特許文献１には、第１種類の力検知装置が開示されている。特許文献２及び３には、第２種類の力検知装置が開示されている。
特許文献１には、メサ段差をロの字状に配置した力検知装置が開示されている。図１７に、特許文献１の力検知装置４００の斜視図を模式的に示す。力検知装置４００は、半導体基板４２０と、その半導体基板４２０の表面に形成されている４つのメサ段差４３５ａ〜４３５ｄと、メサ段差４３５ａ〜４３５ｄの４つの角に形成されている４つの電極４３２ａ〜４３２ｄと、メサ段差４３５ａ〜４３５ｄに接する力伝達ブロック４５０を備えている。半導体基板４２０の表面は（１１０）面である。メサ段差４３５ｂ、４３５ｄは、ピエゾ抵抗効果が大きく現れる＜１１０＞方向に伸びている。メサ段差４３５ａ、４３５ｃは、ピエゾ抵抗効果がほとんど現れない＜１００＞方向に伸びている。したがって、力伝達ブロック４５０を介してメサ段差４３５ａ〜４３５ｄに圧縮応力が作用すると、＜１１０＞方向のメサ段差４３５ｂ、４３５ｄの抵抗値は変化するものの、＜１００＞方向のメサ段差４３５ａ、４３５ｃの抵抗値は変化しない。電極４３２ａに定電圧を印加し、電極４３２ｃを接地しておくと、電極４３２ｂに現れる分圧値はメサ段差４３５ｂの抵抗値の増加に応じて増大する。一方、電極４３２ｄに現れる分圧値は、メサ段差４３５ｄの抵抗値の増加に応じて減少する。したがって、力伝達ブロック４５０に作用した荷重の大きさは、電極４３２ｂの分圧値と電極４３２ｄの分圧値の差から換算することができる。
【０００４】
力検知装置４００は、メサ段差４３５ｂ、４３５ｄに導入されている不純物導入領域に特徴を有している。図１８に、メサ段差４３５ｂの要部拡大斜視図を模式的に示す。図１８に示すように、メサ段差４３５ｂの表面部には、不純物導入領域４３５ｂ−１、４３５ｂ−２が形成されている。不純物導入領域４３５ｂ−１、４３５ｂ−２は、メサ段差４３５ｂの表面部全体に形成されていない。不純物導入領域４３５ｂ−１、４３５ｂ−２は、メサ段差４３５ｂの側面Ｓと頂面Ｔの間に位置する角部近傍に局所的に形成され、メサ段差４３５ｂの中央線近傍には形成されていない。
図１８のＢに示すように、メサ段差４３５ｂの角部近傍は、中央線近傍に比して圧縮応力が大きく作用する。このため、メサ段差４３５ｂの角部近傍は、抵抗変化率が大きい。力検知装置４００は、メサ段差４３５ｂの角部近傍に不純物導入領域４３５ｂ−１、４３５ｂ−２を局所的に形成することによって、力伝達ブロック４５０に作用する荷重に対して不純物導入領域４３５ｂ−１、４３５ｂ−２の抵抗値を大きく変化させることができる。力検知装置４００は、作用する荷重を高感度に検出することができる。
特許文献１には、図１９に示すように、メサ段差４３５ｂの中央線近傍に不純物領域４３５ｂ−３を局所的に形成した力検知装置４００も開示されている。図１９のＢに示すように、メサ段差４３５ｂの角部近傍は、作用する荷重と圧縮応力の間に成立する関係が装置毎にばらつき易いという問題がある。一方、メサ段差４３５ｂの中央線近傍は、作用する荷重と圧縮応力の間に成立する関係が装置毎に安定している。このため、メサ段差４３５ｂの中央線近傍に不純物領域４３５ｂ−３を局所的に形成することによって、作用する荷重と圧縮応力の間に成立する関係を複数の力検知装置の間で一致させることができる。
【０００５】
特許文献２及び特許文献３には、外部から封止されたメサ段差を有する力検知装置が開示されている。図２０に、特許文献２及び特許文献３の力検知装置５００の斜視図を模式的に示す。図２０の力検知装置５００は、メサ段差５４２が外部から封止されている点で図１７の力検知装置４００から区別される。
【０００６】
力検知装置５００は、複数の溝５４４ａ、５４４ｂが形成されている溝群領域５４０を表面に有する半導体基板５２０と、その溝群領域５４０を被覆して溝群領域５４０の周囲の半導体基板５２０の表面に接合している力伝達ブロック５５０を備えている。溝群領域５４０には、溝５４４ａ、５４４ｂが隣接して設けられており、その溝５４４ａと溝５４４ｂの間にメサ段差５４２が形成されている。半導体基板５２０の表面は（１１０）面である。メサ段差５４２は、ピエゾ抵抗効果が大きく現れる＜１１０＞方向に伸びている。メサ段差５４２の頂面と半導体基板５２０の表面は、同一面内である。このため、力伝達ブロック５５０は、メサ段差５４２の頂面と半導体基板５２０の表面の両者に接することができる。これにより、メサ段差５４２が力伝達ブロック５５０によって外部から封止されているとともに、力伝達ブロック５５０とメサ段差５４２が接する構造が得られる。力検知装置５００はさらに、半導体基板５２０の表面に形成されている一対の第１電極５３２と第２電極５３８を備えている。第１電極５３２と第２電極５３８の間の半導体基板５２０の表面には、不純物導入領域５３４、５３５、５３６が形成されている。不純物導入領域５３４、５３５、５３６は、第１電極５３２からメサ段差５４２を通過して第２電極５３８にまで伸びている。
図２１に、メサ段差５４２の要部拡大斜視図を模式的に示す。図２１に示すように、不純物導入領域５３５は、メサ段差５４２の表面部全体に形成されている。
【０００７】
力検知装置５００では、第１電極５３２と第２電極５３８の間に定電流を供給する。力伝達ブロック５５０を介してメサ段差５４２に圧縮応力が作用すると、不純物導入領域５３５の抵抗値が増大する。このため、第１電極５３２と第２電極５３８の間の電圧値は、不純物導入領域５３５の抵抗値の増大に応じて増大する。この結果、力伝達ブロック５５０に作用した荷重の大きさは、第１電極５３２と第２電極５３８の間の電圧値から換算することができる。
【０００８】
【特許文献１】特開２００３−３０２２９５号公報
【特許文献２】特開２００４−１３２８１１号公報
【特許文献３】特開２００６−５８２６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
力検知装置では、作用する荷重とメサ段差の抵抗変化率の間に比例関係が成立していることが望ましい。ここで、抵抗変化率とは、力伝達ブロックに荷重が加わっていないときの抵抗値を基準とし、その基準抵抗値から変化した割合を表す指標である。しかしながら、図２２に示すように、メサ段差を利用する力検知装置では、作用する荷重と抵抗変化率の間に非直線的な関係が存在することが分かってきた。図２２に示すように、作用する荷重と抵抗変化率の間の関係は、低荷重領域と中荷重領域と高荷重領域のそれぞれにおいて異なる挙動を示すことが分かってきた。
図２３に、各荷重領域の直線性を比較した結果を示す。ここで、直線性とは、各荷重領域の最小荷重の抵抗変化率と最大荷重の抵抗変化率の間を結ぶ一次直線を求め、その一次直線から各荷重領域の抵抗変化率がどれだけの割合で逸脱しているかを示す指標である。図２３に示すように、低荷重領域では、作用する荷重と抵抗変化率の関係が、下に凸な非直線性を示す。高荷重領域では、作用する荷重と抵抗変化率の関係が、上に凸な非直線性を示す。一方、中荷重領域では、作用する荷重と抵抗変化率の関係が、直線的な関係を示す。このため、メサ段差を利用する力検知装置では、作用する荷重と抵抗変化率の間に直線的な関係を得たい場合は、力伝達ブロックに予荷重を加えることで初期荷重を中荷重領域に合わせ込まなければならない。しかしながら、測定できる荷重範囲が中荷重領域の範囲に限られているので、測定できる荷重範囲が狭いという問題がある。さらに、予荷重を正確に加える作業は煩雑で難しく、合わせ込みに失敗すると所望の特性が得られないという問題もある。
本発明は、メサ段差を利用する力検知装置において、作用する荷重と抵抗変化率の間の直線性を改善する技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本明細書で開示される技術は、外部から封止されたメサ段差を有する力検知装置において、そのメサ段差に形成される不純物導入領域が、メサ段差の側面と頂面の間に位置する角部以外の領域に形成されていることを特徴としている。この構成を有する力検知素子は、作用する荷重と抵抗変化率の間の直線性が改善される。
前記したように、特許文献１には、不純物導入領域をメサ段差の表面部に局所的に形成する技術が開示されている。しかし、この技術は、ロの字状に配置されたメサ段差に対して適用されている。特許文献１では、不純物導入領域をメサ段差の表面部に局所的に形成することによって、検知感度の向上や、装置毎の特性バラツキを改善することを実現している。
一方、本明細書で開示される技術は、外部から封止されたメサ段差の表面部に不純物導入領域を局所的に形成することを特徴としている。外部から封止されたメサ段差の表面部に不純物導入領域を局所的に形成すると、直線性が改善するという効果が得られる。本明細書で開示される力検知装置では、従来とは異なる質の効果が得られる点で極めて有用である。
【００１１】
即ち、本明細書で開示される力検知装置は、複数の溝が形成されている溝群領域を有する半導体基板と、その溝群領域を被覆している力伝達ブロックと、溝群領域外の一方から溝群領域内の溝と溝の間のメサ段差を通過して溝群領域外の他方にまで伸びている不純物導入領域を備えている。本明細書で開示される力検知装置では、不純物導入領域が、メサ段差の側面と頂面の間に位置する角部以下の領域に形成されていることを特徴としている。
外部から封止されたメサ段差を有する力検知装置では、力伝達ブロックがメサ段差の周囲から支持された状態でメサ段差の頂面に接している。このような形態は、力伝達ブロックに作用した荷重に比例した圧縮応力をメサ段差に対して伝えるのに有効な形態であると考えられる。ただし、そのメサ段差の角部は、その比例関係が中央部に比して悪化している。したがって、メサ段差の角部には不純物導入領域を形成しないことによって、比例関係を向上させることができるものと考えられる。即ち、外部から封止されたメサ段差の技術と不純物導入領域を角部以外の領域に局所的に形成する技術の組合せは、直線性を改善するのに極めて相性が良いものと考えられる。
実際に上記態様の力検知装置によると、低荷重領域と中荷重領域と高荷重領域の全体に亘って直線性が改善される。このため、測定できる荷重範囲が広くなり、有用な力検知装置が得られる。
【００１２】
本明細書で開示される力検知装置では、溝群領域が半導体基板の表面に形成されている複数の溝で構成されており、力伝達ブロックが溝群領域を被覆して溝群領域の周囲の半導体基板の表面に接しており、不純物導入領域が溝群領域外の一方から溝群領域内の溝と溝の間のメサ段差を通過して溝群領域外の他方に至るまで半導体基板の表面に沿って伸びていることが好ましい。ここで、半導体基板の表面には、半導体以外の層が形成されていることもある。この場合、力伝達ブロックと半導体基板は、その半導体以外の層を介して間接的に接している。本明細書で力伝達ブロックと半導体基板が接しているという場合は、両者が間接的に接する場合も含む広義の意味で解釈されるべきである。
上記態様の力検知装置では、メサ段差の頂面と半導体基板の表面が同一面内に形成されており、力伝達ブロックがメサ段差の頂面と溝群領域の周囲の半導体基板の表面の両者に接している。したがって、上記態様の力検知装置によると、力伝達ブロックと半導体基板の表面の間に間隙が形成されない。この結果、上記態様の力検知装置によると、間隙に異物が蓄積することによって測定結果が変動するという悪影響を排除することができる。
【００１３】
本明細書で開示される力検知装置では、溝群領域内に形成される溝の形状及び個数に特に制限はない。様々な形状及び個数の溝が溝群領域内に形成され得る。例えば、本明細書で開示される力検知装置では、溝群領域にメサ段差を対称軸とする２つの溝が形成されていてもよい。
上記態様の力検知装置では、２つの溝がメサ段差を対称軸として線対称な形状を有している。メサ段差は、溝群領域外の一方から他方まで溝群領域を横断して伸びている。換言すると、メサ段差は、１つの溝の中央を横断して伸びている。上記態様の力検知装置では、メサ段差に作用する圧縮応力に応じた不純物導入領域の抵抗の変化を電圧値の変化として検出する。上記態様の力検知装置によると、その電圧値の変化から力伝達ブロックに作用した荷重の大きさを換算することができる。
【００１４】
本明細書で開示される力検知装置では、メサ段差の側面に対向する溝の側面が、平面視したときに略円状に形成されていることが好ましい。換言すると、この力検知装置は、平面視したときに、半導体基板の表面に形成された円状の溝内の中央をメサ段差が横断して形成されていると観念できる。
上記態様の力検知装置では、溝を平面視したときに多角形の項点に相当するコーナー部が形成されないので、溝群領域の周囲の半導体基板とメサ段差が幾何学的に安定した状態で接している。したがって、力伝達ブロックに作用する荷重とメサ段差の圧縮応力の間の比例関係が向上する。この結果、上記態様の力検知装置では、低荷重領域と中荷重領域と高荷重領域の全体に亘って直線性が±１％以内に収まることができる。直線性が±１％以内という特性は、その荷重領域を実用的に用いることが可能な数値として広く認識されている目標値である。上記態様の力検知装置では、低荷重領域と中荷重領域と高荷重領域の全体に亘ってこの目標値を達成することができる。したがって、上記態様の力検知装置では、測定できる荷重範囲が広くなるとともに、初期荷重を合わせ込むことが完全に不要になる。
【００１５】
本明細書で開示される力検知装置では、複数個の不純物導入領域が、溝群領域内の溝と溝の間のメサ段差を通過して伸びているとともに、メサ段差の中央線近傍以外の領域に形成されていることが好ましい。
メサ段差の中央線近傍は、力伝達ブロックを介して作用する圧縮応力が小さく、抵抗変化率が小さい。上記態様の力検知装置によると、メサ段差の中央線近傍を利用しないで、不純物導入領域を形成する。したがって、高感度な力検知装置を得ることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本明細書で開示される力検知装置では、外部から封止されたメサ段差に形成される不純物導入領域が、メサ段差の側面と頂面の間に位置する角部には形成されていないことを特徴としている。この構成を有する力検知素子は、作用する荷重と抵抗変化率の間の直線性が改善される。この結果、力検知装置を用いて測定できる荷重範囲が広くなる。また、初期荷重を合わせ込むことも不要になり得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の好ましい形態を列記する。
（第１形態）  メサ段差に形成されるゲージ抵抗領域は、メサ段差の長手方向をメサ段差の中央線近傍以外の領域に沿って伸びているのが好ましい。
（第２形態）  ゲージ抵抗領域は、メサ段差の角部から中央線までの範囲のうち角部から5〜10％の範囲には形成されていないのが好ましい。メサ段差のうちこの範囲の領域は、力伝達ブロックに作用する荷重と抵抗変化率の間の直線性が±１％から逸脱している範囲である。したがって、この範囲の領域をゲージ抵抗領域として利用しないことで、ゲージ抵抗領域の直線性が改善される。
【実施例】
【００１８】
（第１実施例）
図１に、力検知装置１０の斜視図を模式的に示す。図２に、図１のII-II線の縦断面図を模式的に示す。図３に、図１のIII-III線の縦断面図を模式的に示す。
力検知装置１０は、ｎ型の不純物を含む単結晶シリコンの半導体基板２０を備えている。半導体基板２０の表面には、酸化シリコンの絶縁層２２が積層している。半導体基板２０及び絶縁層２２の表面には、複数の溝４４ａ、４４ｂが集合した溝群領域４０が形成されている。溝４４ａ、４４ｂは、絶縁層２２の厚みよりも深く形成されている。溝４４ａ、４４ｂの深さは、約1.5μmである。溝４４ａ、４４ｂは、エッチング技術を利用して半導体基板２０及び絶縁層２２の表面に形成することができる。溝群領域４０には、溝４４ａ、４４ｂが隣接して設けられており、その溝４４ａと溝４４ｂの間にメサ段差４２が形成されている。溝４４ａと溝４４ｂは、メサ段差４２を対称軸とする線対称な形状を有している。換言すると、メサ段差４２は、溝４４ａと溝４４ｂで構成される矩形状の１つの溝内を横断して形成されている。半導体基板２０の表面は（１１０）面である。メサ段差４２は、ピエゾ抵抗効果が大きく現れる＜１１０＞方向に伸びている。
【００１９】
力検知装置１０はさらに、溝群領域４０を被覆して半導体基板２０の表面に絶縁層２２を介して間接的に接合している力伝達ブロック５０を備えている。力伝達ブロック５０には、ガラスブロックが用いられている。力伝達ブロック５０は、半導体基板２０の側面よりも側方に張り出していない。力伝達ブロック５０は、半導体基板２０の表面内に収まっている。メサ段差４２の頂面と半導体基板２０の表面は、同一面内である。このため、力伝達ブロック５０は、メサ段差４２の頂面と半導体基板２０の表面の両者に接合することができる。力伝達ブロック５０は、メサ段差４２の頂面と半導体基板２０の表面の両者に陽極接合によって接合している。力伝達ブロック５０は、溝群領域４０の周囲を一巡して半導体基板２０の表面に絶縁層２２を介して間接的に接合している。この結果、メサ段差４２が力伝達ブロック５０によって外部から封止された構造が得られる。
【００２０】
力検知装置１０はさらに、半導体基板２０の表面に形成されている一対の第１電極３２と第２電極３８を備えている。第１電極３２と第２電極３４には、アルミニウムを主成分とする金属材料が用いられている。第１電極３２と第２電極３４は、スパッタリングや蒸着の技術を利用して半導体基板２０の表面に形成することができる。
【００２１】
第１電極３２と第２電極３８の間の半導体基板２０の表面には、不純物導入領域３４、３５、３６が形成されている。不純物導入領域３４、３５、３６は、ｐ型の不純物を含んでいる。不純物導入領域３４、３５、３６は、ｎ型の半導体基板２０と反対導電型である。したがって、不純物導入領域３４、３５、３６と半導体基板２０は、電気的に絶縁されている。不純物導入領域３４、３５、３６は、第１電極３２からメサ段差４２を通過して第２電極３８にまで伸びている。不純物導入領域３４、３５、３６は、第１電極３２と電気的に接続するための幅広な第１コンタクト領域３４と、メサ段差４２内を伸びるゲージ抵抗領域３５と、第２電極３８と電気的に接続するための幅広な第２コンタクト領域３６によって構成されている。
図２に示すように、第１電極３２と第１コンタクト領域３４は、絶縁層２２の一部に形成された第１コンタクト孔３２ａを介して電気的に接続している。第２電極３８と第２コンタクト領域３６は、絶縁層２２の一部に形成された第２コンタクト孔３８ａを介して電気的に接続している。幅広な第１コンタクト領域３４と第２コンタクト領域３６の抵抗値は低い。したがって、第１電極３２と第２電極３８の間の抵抗値は、ゲージ抵抗領域３６の抵抗値が支配的になる。この結果、ゲージ抵抗領域３６の抵抗値の変化が第１電極３２と第２電極３８の間の抵抗値の変化に強く反映するので、力伝達ブロック５０に作用する荷重を高感度に検出することができる。
【００２２】
図４に、メサ段差４２の要部拡大斜視図を模式的に示す。図４に示すように、ゲージ抵抗領域３５は、メサ段差４２の表面部全体に形成されていない。ゲージ抵抗領域３５は、メサ段差４２の中央部に局所的に形成されており、メサ段差４２の側面Ｓと頂面Ｔの間に位置する角部近傍に形成されていない。ゲージ抵抗領域３５が形成されている範囲Ｗ３５は、メサ段差４２の角部から中央線までの範囲のうち角部から5〜10％の範囲Ｗ３６には形成されていない。ゲージ抵抗領域３５は、第１コンタクト領域３４と第２コンタクト領域３６の間を直線的に伸びている。
なお、図５に示す変形例のように、ゲージ抵抗領域３５が複数のゲージ抵抗部分領域３５ａ、３５ｂによって構成されていてもよい。この場合でも、ゲージ抵抗部分領域３５ａ、３５ｂは、メサ段差４２の側面Ｓと頂面Ｔの間に位置する角部近傍に形成されていない。さらに、ゲージ抵抗部分領域３５ａ、３５ｂは、メサ段差４２の中央線近傍に形成されていない。メサ段差４２の中央線近傍は、力伝達ブロック５０を介して作用する圧縮応力が小さく、抵抗変化率が小さい。ゲージ抵抗部分領域３５ａ、３５ｂがメサ段差４２の中央線近傍以外の領域を利用して形成されていると、高感度な特性を得ることができる。
【００２３】
次に、力検知装置１０の動作を説明する。力検知装置１０では、第１電極３２と第２電極３８の間に定電流を供給する。力伝達ブロック５０に荷重が作用し、その荷重が力伝達ブロック５０を介してメサ段差４２に作用すると、メサ段差４２にゲージ抵抗領域３５の抵抗値が増大する。このため、第１電極３２と第２電極３８の間の電圧値は、ゲージ抵抗領域３５の抵抗値の増大に応じて増大する。この結果、力伝達ブロック５０に作用した荷重の大きさは、第１電極３２と第２電極３８の間の電圧値から換算することができる。
【００２４】
図６に、力検知装置１０の力伝達ブロック５０に作用する荷重と第１電極３２と第２電極３４の間の抵抗変化率の関係を示す。図７に、各荷重領域の直線性を比較した結果を示す。図６及び図７に示す結果は、一例である。この結果は、メサ段差４２及び溝４４ａ、４４ｂの形態、ゲージ抵抗領域３５が形成されている範囲Ｗ３５などによって変わり得る。しかし、基本的な作用効果は、メサ段差４２及び溝４４ａ、４４ｂの形態、ゲージ抵抗領域３５が形成されている範囲Ｗ３５などに依らずに共通している。ここで、低荷重領域の範囲は、力伝達ブロック５０に0.5kgfの予荷重を加えたときの抵抗値から抵抗変化率が±7.5%で変動する範囲に設定されている。中荷重領域の範囲は、力伝達ブロック５０に1.6〜1.8kgfの予荷重を加えたときの抵抗値から抵抗変化率が±7.5%で変動する範囲に設定されている。高荷重領域の範囲は、力伝達ブロック５０に2.5kgfの予荷重を加えたときの抵抗値から抵抗変化率が±7.5%で変動する範囲に設定されている。
また、比較例として、ゲージ抵抗領域３５がメサ段差４２の表面部全体に形成されている場合の抵抗変化率及び直線性の結果を図８及び図９に示す。
【００２５】
本実施例の力検知装置１０と比較例の力検知装置を比べると明らかに、本実施例の力検知装置１０の直線性が大きく改善されていることが分かる。図９に示すように、比較例の力検知装置では、低荷重領域と高荷重領域の直線性が±１％の範囲から逸脱している。直線性が±１％以内という特性は、その荷重領域を実用的に用いることが可能な数値として広く認識されている目標値である。したがって、比較例の力検知装置では、低荷重領域と高荷重領域を実用的に用いることができない。このため、比較例の力検知装置では、測定できる荷重範囲が中荷重領域の範囲に限られるので、測定できる荷重範囲が狭い。
一方、本実施例の力検知装置１０では、中荷重領域と高荷重領域の直線性が±１％以内に収まっている。したがって、本実施例の力検知装置１０では、測定できる荷重範囲が広くなる。
【００２６】
このような現象は、以下の理由から説明することができる。
外部から封止されたメサ段差４２を有する力検知装置１０では、力伝達ブロック５０がメサ段差４２の頂面Ｔの他にそのメサ段差４２の周囲の半導体基板２０の表面にも接合している。このため、力伝達ブロック５０は、メサ段差４２の周囲の半導体基板２０で支持された状態でメサ段差４２の頂面Ｔに接合している。このような形態は、力伝達ブロック５０に作用した荷重に比例した圧縮応力をメサ段差４２に対して伝えるのに有効な形態であると考えられる。ただし、そのメサ段差４２の側面Ｓと頂面Ｔの間に位置する角部は、力伝達ブロック５０の変形による影響を受けて歪んでおり、その比例関係が中央部に比して悪化しているものと考えられる。したがって、メサ段４２差の角部にはゲージ抵抗領域３５を形成しないことによって、比例関係が安定している中央部の特性が支配的になり、比例関係を向上させることができるものと考えられる。即ち、外部から封止されたメサ段差４２の技術とゲージ抵抗領域３５を角部以外の領域に局所的に形成する技術の組合せは、極めて相性が良く、直線性を改善する効果が大きいのである。
【００２７】
（第２実施例）
図１０に、力検知装置１００の斜視図を模式的に示す。力検知装置１００は、溝１４４ａ、１４４ｂの形状のみが第１実施例の力検知装置１０とは異なる。力検知装置１００の他の構成要素に関しては、第１実施例の力検知装置１０と同一である。第１実施例の力検知装置１０と同一の構成要素に関しては、同一符号を付してその説明を省略する。
図１０に示すように、力検知装置１００では、メサ段差４２の側面に対向する溝１４４ａ、１４４ｂの側面１４５ａ、１４５ｂが、平面視したときに略円状に形成されている。換言すると、力検知装置１００は、平面視したときに、半導体基板２０の表面に形成された円状の溝１４４ａ、１４４ｂ内の中央をメサ段差４２が横断して形成されていると観念できる。力検知装置１００では、溝１４４ａ、１４４ｂの側面１４５ａ、１４５ｂにおいて、溝１４４ａ、１４４ｂを平面視したときに多角形の項点に相当するコーナー部が形成されていない。したがって、溝群領域４０の周囲の半導体基板２０と力伝達ブロック５０が、幾何学的に安定した状態で接合している。この結果、力伝達ブロック５０に作用する荷重とメサ段差４２の圧縮応力の間の比例関係が向上する。
【００２８】
図１１に、力検知装置１００の力伝達ブロック５０に作用する荷重と第１電極３２と第２電極３４の間の抵抗変化率の関係を示す。図１２に、各荷重領域の直線性を比較した結果を示す。図１１及び図１２に示す結果は、一例である。この結果は、メサ段差４２の形態、ゲージ抵抗領域３５が形成されている範囲などによって変わり得る。しかし、基本的な作用効果は、メサ段差４２の形態、ゲージ抵抗領域３５が形成されている範囲などに依らずに共通している。ここで、低荷重領域の範囲は、力伝達ブロック５０に0.5kgfの予荷重を加えたときの抵抗値から抵抗変化率が±7.5%で変動する範囲に設定されている。中荷重領域の範囲は、力伝達ブロック５０に1.6〜1.8kgfの予荷重を加えたときの抵抗値から抵抗変化率が±7.5%で変動する範囲に設定されている。高荷重領域の範囲は、力伝達ブロック５０に2.5kgfの予荷重を加えたときの抵抗値から抵抗変化率が±7.5%で変動する範囲に設定されている。
また、比較例として、ゲージ抵抗領域３５がメサ段差４２の表面部全体に形成されている場合の抵抗変化率及び直線性の結果を図１３及び図１４に示す。
【００２９】
本実施例の力検知装置１０と比較例の力検知装置を比べると明らかに、本実施例の力検知装置１００の直線性が大きく改善されていることが分かる。図１４に示すように、比較例の力検知装置では、低荷重領域と高荷重領域の直線性がほぼ±１％まで達している。直線性が±１％以内という特性は、その荷重領域を実用的に用いることが可能な数値として広く認識されている目標値である。したがって、比較例の力検知装置では、低荷重領域と高荷重領域を実用的に用いることができない。このため、比較例の力検知装置では、測定できる荷重範囲が中荷重領域の範囲に限られるので、測定できる荷重範囲が狭い。
一方、本実施例の力検知装置１００では、本実施例の力検知装置１００では、低荷重領域と中荷重領域と高荷重領域の全体に亘って直線性が±１％以内に収まっている。したがって、本実施例の力検知装置１００では、測定できる荷重範囲が広くなる。さらに、本実施例の力検知装置１００では、初期荷重を合わせ込むことが完全に不要になる。この結果、本実施例の力検知装置１００は、製造過程の合わせ込みに係る煩雑な作業が不要になり、製造コストを削減することができる。さらに、歩留まりも向上するので、安価に製造することができる。
【００３０】
以下、外部から封止されたメサ段差を有する力検知素子の例を示す。以下の力検知素子も、力伝達ブロックに作用する荷重と抵抗変化率の間の直線性を改善することができる。
（第３実施例）
図１５に、力検知装置２００の平面図を模式的に示す。なお、第１実施例の力検知装置１０と同一の構成要素に関しては、同一符号を付してその説明を省略する。
力検知装置２００は、溝群領域４０に３つの溝２４４ａ、２４４ｂ、２４４ｃが集合して形成されている。溝２４４ｂは、平面視したときに円形の形状を有している。溝２４４ａ、２４４ｃは、溝２４４ｂの周囲を取り囲むように配置されており、円弧状の形状を有している。溝２４４ｂと溝２４４ａの間には、メサ段差２４２ａが形成されている。溝２４４ｂと溝２４４ｃの間には、メサ段差２４２ｂが形成されている。メサ段差２４２ａ、２４２ｂは、第１コンタクト領域３４と第２コンタクト領域３６の間で二手に分岐している。
図１５に示すように、メサ段差２４２ａに形成されているゲージ抵抗領域２３５ａは、メサ段差２４２ａの角部には形成されていない。同様に、メサ段差２４２ｂに形成されているゲージ抵抗領域２３５ｂも、メサ段差２４２ｂの角部には形成されていない。したがって、この例でも、力伝達ブロック５０に作用する荷重とゲージ抵抗２３５ａ、２３５ｂの抵抗変化率の間の直線性を改善することができる。
【００３１】
（第４実施例）
図１６に、力検知装置３００の平面図を模式的に示す。力検知装置２００は、メサ段差３４２ａ〜３４２ｄによってホイーストンブリッジを構成する例である。
力検知装置３００では、メサ段差３４２ａ〜３４２ｄが円形状に構成されている。そのメサ段差３４２ａ〜３４２ｄが等間隔に４分割され、分割されたメサ段差とメサ段差の間に４つの電極３３２ａ〜３３２ｄが電気的に接続している。
力検知装置３００では、メサ段差３４２ａ、３４２ｃが、概ね＜１１０＞方向に伸びている。一方、メサ段差３４２ｂ、３４２ｄは、概ね＜１００＞方向に伸びている。対角をなす一対の電極３３２ａ、３３２ｃ間に定電流を流すとともに、もう一方の対角をなす一対の電極３３２ｂ、３３２ｄ間で電圧値を測定する。
図１６に示すように、メサ段差３４２ａ〜３４２ｄに形成されているゲージ抵抗領域３３５ａ〜３３５ｄは、メメサ段差３４２ａ〜３４２ｄの角部には形成されていない。したがって、この例でも、力伝達ブロック５０に作用する荷重とゲージ抵抗領域３３５ａ〜３３５ｄの抵抗変化率の間の直線性を改善することができる。
さらに、メサ段差３４２ａ〜３４２ｄでホイーストンブリッジを構成することによって、力伝達ブロック５０に作用する荷重の大きさを高感度に検知することができる。
【００３２】
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。
例えば、上記実施例はいずれも、半導体基板の表面に複数の溝が形成されることによって溝群領域が構成されている例である。この例に代えて、半導体基板の表面に別の半導体層が形成され、その半導体層に溝群領域が形成されていてもよい。
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】
【００３３】
【図１】第１実施例の力検知装置の斜視図を模式的に示す。
【図２】図１のII-II線の縦断面図を示す。
【図３】図１のIII-III線の縦断面図を示す。
【図４】第１実施例のメサ段差の要部拡大斜視図を模式的に示す。
【図５】第１実施例の変形例のメサ段差の要部拡大斜視図を模式的に示す。
【図６】第１実施例の力検知装置における荷重と抵抗変化率の関係を示す。
【図７】第１実施例の力検知装置における各荷重領域の直線性を示す。
【図８】比較例の力検知装置における荷重と抵抗変化率の関係を示す。
【図９】比較例の力検知装置における各荷重領域の直線性を示す。
【図１０】第２実施例の力検知装置の斜視図を模式的に示す。
【図１１】第２実施例の力検知装置における荷重と抵抗変化率の関係を示す。
【図１２】第２実施例の力検知装置における各荷重領域の直線性を示す。
【図１３】比較例の力検知装置における荷重と抵抗変化率の関係を示す。
【図１４】比較例の力検知装置における各荷重領域の直線性を示す。
【図１５】第３実施例の力検知装置の平面図を模式的に示す。
【図１６】第４実施例の力検知装置の平面図を模式的に示す。
【図１７】第１種類の従来の力検知装置の斜視図を模式的に示す。
【図１８】第１種類の従来のメサ段差の要部拡大斜視図を模式的に示す（１）。
【図１９】第１種類の従来のメサ段差の要部拡大斜視図を模式的に示す（２）。
【図２０】第２種類の従来の力検知装置の斜視図を模式的に示す。
【図２１】第２種類の従来のメサ段差の要部拡大斜視図を模式的に示す。
【図２２】従来の力検知装置における荷重と抵抗変化率の関係を示す。
【図２３】従来の力検知装置における各荷重領域の直線性を示す。
【符号の説明】
【００３４】
２０：半導体基板
２２：絶縁層
３２：第１電極
３４：第１コンタクト領域
３５：ゲージ抵抗領域
３６：第２コンタクト領域
３８：第２電極
４０：溝群領域
４２：メサ段差
４４ａ、４４ｂ：溝
５０：力伝達ブロック
【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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