(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも表層が絶縁体で構成された基板（１）と、
前記基板の上に形成された第１弾性体（１１）と、前記基板の上であって前記第１弾性体の前記基板の表面に平行な一方向の両側に形成された第２弾性体（１２）と、を有し、少なくとも表面が絶縁体で構成された第１リブ（３）と、
前記第２弾性体の表面のうち前記第１弾性体と反対側に形成されたゲート電極（２３）と、前記第１リブと前記ゲート電極の表面に形成されたゲート絶縁膜（２４）と、前記ゲート絶縁膜を挟んで前記ゲート電極と対向するように形成された半導体層（２５）と、前記基板のうち前記第１リブが形成されていない部分の底面において前記半導体層と接するように形成された底部電極層（２６）と、前記基板のうち前記第１リブが形成された部分の上面において前記半導体層と接するように形成された頂部電極層（２７）と、を有し、前記ゲート電極に対してゲート電圧が印加されることで前記半導体層にチャネル領域が形成されて前記底部電極層と前記頂部電極層との間に電流を流す２つの縦型トランジスタ（２１、２２、２８、２９）と、を備え、
前記第１弾性体を構成する材料のヤング率は、前記第２弾性体を構成する材料のヤング率よりも大きく、
前記２つの縦型トランジスタは、前記第１リブを前記基板の表面に平行な一方向の両側から挟んで対向し、１対のトランジスタを構成することを特徴とする荷重センサ。
【請求項２】
少なくとも表層が絶縁体で構成された基板（１）と、
前記基板の上に形成された第１弾性体（１１）と、前記基板の上であって前記第１弾性体の前記基板の表面に平行な一方向の両側に形成された第２弾性体（１２）と、を有し、少なくとも表面が絶縁体で構成されたリブ（３）と、
前記第２弾性体の表面のうち前記第１弾性体と反対側に形成されたゲート電極（２３）と、前記リブと前記ゲート電極の表面に形成されたゲート絶縁膜（２４）と、前記ゲート絶縁膜を挟んで前記ゲート電極と対向するように形成された半導体層（２５）と、前記基板のうち前記リブが形成されていない部分の底面において前記半導体層と接するように形成された底部電極層（２６）と、前記基板のうち前記リブが形成された部分の上面において前記半導体層と接するように形成された頂部電極層（２７）と、を有し、前記ゲート電極に対してゲート電圧が印加されることで前記半導体層にチャネル領域が形成されて前記底部電極層と前記頂部電極層との間に電流を流す縦型トランジスタ（２１、２２、２８、２９）と、を備え、
前記第１弾性体を構成する材料のヤング率は、前記第２弾性体を構成する材料のヤング率よりも大きく、
前記リブは、２つ備えられ、
前記縦型トランジスタは、少なくとも３つ備えられ、
３つの前記縦型トランジスタのうちの２つは、２つの前記リブのうちの一方である第１リブを前記基板の表面に平行な一方向の両側から挟んで対向し、１対のトランジスタを構成し、
３つの前記縦型トランジスタのうちの１つは、２つの前記リブのうちの他方である第２リブに接するように形成されていることを特徴とする荷重センサ。
【請求項３】
前記第１リブにおける前記半導体層に対する法線方向での前記第２弾性体の幅が、前記第２リブにおける前記半導体層に対する法線方向での前記第２弾性体の幅よりも大きいことを特徴とする請求項２に記載の荷重センサ。
【請求項４】
前記基板の表面に対する法線方向での前記第２弾性体の厚みが、前記第１弾性体の厚みよりも大きく、
前記第２弾性体のうち、前記基板と反対側の部分が、前記第１弾性体の表面のうち、前記基板と反対側の面を覆うように延出されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の荷重センサ。
【請求項５】
前記半導体層に対する法線方向において、前記第１弾性体の一方の側における前記第２弾性体の幅が、他方の側における幅と等しいことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の荷重センサ。
【請求項６】
前記１対のトランジスタを２対備え、
前記第１リブにおいて、前記第２弾性体が、前記基板の面内方向における前記第１弾性体の周囲に形成され、２対の前記１対のトランジスタが、互いに異なる方向に配置されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の荷重センサ。
【請求項７】
前記第１弾性体が、金属、Ｓｉ、ＳｉＯ２、またはＳｉＮで構成されることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の荷重センサ。
【請求項８】
前記第２弾性体が、有機材料で構成されることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の荷重センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、縦型トランジスタを用いた荷重センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、人間のように様々な対象物に対し、より高度で複雑な作業を行うことができるようなロボットアームの開発が期待されている。そして、ロボットが複雑な形状の対象物（柔軟物や形状の複雑な物体など）を壊したり、滑って落としたりせずに的確に把持できるように、荷重センサや触覚センサを用いて接触面にかかる荷重の大きさや方向を検出できるようにする研究が盛んに行われている。
【０００３】
従来、荷重の大きさと作用する方向を３次元的に検出するために、弾性を有し、凸形状をした弾性体の側面部にセンサを取り付けたものが知られている。このセンサでは、荷重がかかった際に、その弾性体の凸部に生じた歪をセンサで検出することにより、荷重の大きさと方向を検出することが可能となっている。
【０００４】
例えば、特許文献１では、センサを薄膜フィルム上に作製し、側面が台形形状を有した弾性体の凸部に接着剤を用いて取り付けることで、弾性体の凸部側面上に、センサを形成することを実現している。
【０００５】
具体的には、人間の場合、触覚は１個／ｍｍ２の密度で存在することが知られている。このため、人間のように高度な触覚機能を実現するには、荷重センサを１個／ｍｍ２程度の密度で集積する必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−１１６３７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載の構成では、接着剤でセンサを形成した薄膜フィルムを貼り付ける作業のため、小型化が難しく高密度化が困難であるという問題があった。
【０００８】
なお、リブの側面に薄膜状の有機縦型トランジスタを形成する技術がある。この技術を特許文献１に記載の構成に対して組み合わせると、台形形状（傾斜６０°）を有するリブの側面に薄膜技術で縦型トランジスタを形成することができる。しかし、このような構成としても、リブを上方から押す方向の荷重とリブ上面に対する水平方向の荷重を分離して検出することが難しい。
【０００９】
本発明は上記点に鑑みて、荷重の大きさだけでなく荷重の方向についても検出することが可能な荷重センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、少なくとも表層が絶縁体で構成された基板（１）と、基板の上に形成された第１弾性体（１１）と、基板の上であって第１弾性体の基板の表面に平行な一方向の両側に形成された第２弾性体（１２）と、を有し、少なくとも表面が絶縁体で構成された第１リブ（３）と、第２弾性体の表面のうち第１弾性体と反対側に形成されたゲート電極（２３）と、第１リブとゲート電極の表面に形成されたゲート絶縁膜（２４）と、ゲート絶縁膜を挟んでゲート電極と対向するように形成された半導体層（２５）と、基板のうち第１リブが形成されていない部分の底面において半導体層と接するように形成された底部電極層（２６）と、基板のうち第１リブが形成された部分の上面において半導体層と接するように形成された頂部電極層（２７）と、を有し、ゲート電極に対してゲート電圧が印加されることで半導体層にチャネル領域が形成されて底部電極層と頂部電極層との間に電流を流す２つの縦型トランジスタ（２１、２２、２８、２９）と、を備え、第１弾性体を構成する材料のヤング率は、第２弾性体を構成する材料のヤング率よりも大きく、２つの縦型トランジスタは、第１リブを基板の表面に平行な一方向の両側から挟んで対向し、１対のトランジスタを構成することを特徴としている。
【００１１】
これによれば、第１リブは、第１弾性体および第２弾性体を有し、第１弾性体を構成する材料のヤング率は、第２弾性体を構成する材料のヤング率よりも大きく、第１リブを挟んで２つの縦型トランジスタが対向している。そのため、荷重の大きさと、荷重の方向と、第１弾性体の両側における第２弾性体の変形との関係を利用して、荷重の大きさだけでなく荷重の方向についても検出することが可能となる。
【００１２】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１実施形態における荷重センサの構成を示す平面図である。
【図２】図１に示す荷重センサのII−II’断面図である。
【図３】荷重印加時におけるリブの変形を示す断面図である。
【図４】荷重と縦型トランジスタの出力との関係を示すグラフである。
【図５】第２実施形態における荷重センサの構成を示す断面図である。
【図６】第３実施形態における荷重センサの構成を示す平面図である。
【図７】第４実施形態における荷重センサの構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。
【００１５】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について図１ないし図４を用いて説明する。なお、図１は断面図ではないが、各構成要素を見やすくするためにハッチングを付してある。
【００１６】
図１および図２に示すように、本実施形態にかかる荷重センサは、基板１と、基板１上に形成されたセンサ素子２とで構成されている。基板１は、ガラスやプラスチックフィルム等のように少なくとも表層が絶縁体で構成された絶縁性基板である。センサ素子２は、リブ３と１対のトランジスタを備える。
【００１７】
リブ３は、第１弾性体１１および第２弾性体１２で構成されており、上面形状が四角形状で構成されている。リブ３は、本発明の第１リブに相当する。第１弾性体１１は、Ａｌ、Ｃｕ、Ｎｉ等の金属、Ｓｉ、ＳｉＯ２、ＳｉＮ等の半導体材料、または樹脂材料で構成される。第１弾性体１１をＮｉ、ＡｌＮｉ等の金属で構成する場合、第１弾性体１１をメッキにより形成することができるので、荷重センサの製造が容易である。
【００１８】
基板１の面内方向における第１弾性体１１の周囲には、第２弾性体１２が形成されている。第２弾性体１２は、図１、図２の紙面左右方向において、第１弾性体１１の一方の側における幅が、他方の側における幅と等しくなるように形成されている。
【００１９】
また、基板１の表面に対する法線方向における第２弾性体１２の厚みは、第１弾性体１１の厚みよりも大きく、第２弾性体１２のうち基板１と反対側の部分は、第１弾性体１１の表面のうち、基板１と反対側の面を覆うように延出されている。
【００２０】
後述する第４実施形態のように、基板１の表面に対する法線方向における第２弾性体１２の厚みが第１弾性体１１の厚みと等しい場合でも、荷重の大きさと方向を検出することができる。しかし、第２弾性体１２が第１弾性体１１の表面のうち基板１に接していない面を覆う上記の構成により、リブ３が垂直な方向に変形しやすくなる。そのため、本実施形態の荷重センサでは、基板１の表面に垂直な方向の荷重に対する感度が向上する。
【００２１】
第２弾性体１２は、第１弾性体１１、基板１を構成する材料よりもヤング率が小さい材料で構成される。例えば、第２弾性体１２は、フォトレジストとして用いられるＳＵ−８（マイクロケム製）、ＷＬ−５１５０（東レ・ダウコーニング製）、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、ＰＭＭＡ（メタクリル樹脂）等の有機材料、樹脂材料で構成される。
【００２２】
第１弾性体１１を構成する材料と第２弾性体１２を構成する材料は、ヤング率の差が大きいほど好ましい。例えば、ヤング率が１桁異なることが好ましく、２桁、あるいは３桁異なることがより好ましい。
【００２３】
本実施形態では、リブ３は図１に示すように上面形状が四角形とされていると共に、図２に示すように断面形状も四角形とされている。具体的には、リブ３は上面形状が５ｍｍ×５ｍｍ□、高さ（厚み方向寸法）が１μｍ以上、例えば２０μｍとされている。
【００２４】
１対のトランジスタは、四角形状のリブ３の各側面のうちの対向する２側面に形成された第１、第２トランジスタ２１、２２により構成されている。具体的には、図１のリブ３の各側面のうち、紙面左右方向が法線方向となる両側面のうちの紙面右側に第１トランジスタ２１が形成され、紙面左側に第２トランジスタ２２が形成されている。第１、第２トランジスタ２１、２２は、本発明の２つの縦型トランジスタに相当する。
【００２５】
第１、第２トランジスタ２１、２２は、１対の組として荷重検出を行うセンサ機能を果たし、それぞれ、ゲート電極２３、ゲート絶縁膜２４、半導体層２５、底部電極層２６、頂部電極層２７を備える縦型トランジスタである。
【００２６】
リブ３の側面には、ゲート電極２３が形成されている。ゲート電極２３は、荷重が印加された際にリブ３の変形を妨げることを抑制するために、可能な限り薄くすることが好ましい。ゲート電極２３は、例えば、Ｃｒを３ｎｍ、Ａｕを６０ｎｍの厚みで順に成膜することで形成された導電層により構成される。
【００２７】
基板１、リブ３、ゲート電極２３の表面には、ゲート絶縁膜２４が形成されている。ゲート絶縁膜２４は、例えばパリレン（登録商標）、ＳｉＯ２、アルミナもしくは有機材料などの絶縁材料によって構成されている。本実施形態の場合、ゲート絶縁膜２４をパリレンにより４５０ｎｍの厚みで形成している。
【００２８】
また、リブ３の側面において、ゲート絶縁膜２４を挟んでゲート電極２３と対向するように半導体層２５が形成されている。基板１の表面に対する法線方向における半導体層２５の両端部のうち、一方はリブ３の上面に、他方は基板１のうちリブ３が形成されていない部分の底面に、それぞれ延出されている。第１、第２トランジスタ１１、１２の半導体層２５は、図１に示すように離間配置されることで互いに電気的に絶縁されている。半導体層２５は、例えば高分子有機材料や低分子有機材料もしくはそれらの積層構造などからなる有機半導体材料にて構成されている。本実施形態ではジナフトチオチエノフェン（ＤＮＴＴ）を厚さ１２０ｎｍで形成することで、半導体層２５を構成している。
【００２９】
後述するように、荷重センサの動作時には、半導体層２５にチャネル領域が形成される。半導体層２５のうち、荷重センサの動作時にチャネル領域が形成される部分をチャネル部２５ａとする。第１、第２トランジスタ２１、２２は、それぞれにおけるチャネル部２５ａに対する法線が互いに平行になるように、リブ３の対向する２つの側面に配置されている。
【００３０】
基板１のうち、リブ３が形成されていない部分の底面に、半導体層２５と接するように底部電極層２６が形成されている。基板１のうち、リブ３が形成された部分の上面に、半導体層２５と接するように頂部電極層２７が形成されている。第１、第２トランジスタ２１、２２それぞれにおいて、底部電極層２６および頂部電極層２７は、離間配置されることで電気的に分離されている。底部電極層２６および頂部電極層２７は、例えば２０ｎｍの厚みで形成されたＡｕ等の電極材料により構成される。
【００３１】
荷重センサの動作時には、底部電極層２６と頂部電極層２７のうちの一方がドレイン電極、他方がソース電極を構成する。本実施形態の場合、底部電極層２６をソース、頂部電極層２７をドレインとして適用する場合を想定しているが、これらが逆であってもよい。
【００３２】
なお、ゲート電極２３や底部電極層２６および頂部電極層２７は、図１に示すように、基板１上においてリブ３が形成されていない部分に引き出された引出部２３ａ、２６ａ、２７ａを通じて、外部との電気的接続が可能となっている。
【００３３】
本実施形態の荷重センサの動作について、図３、図４を用いて説明する。
【００３４】
第１、第２トランジスタ２１、２２は、ゲート電極２３に対して所定のゲート電圧が印加されると、半導体層２５のうち、ドレイン電極とソース電極の間に位置する部分においてチャネル領域を形成する。これにより、チャネル領域を通じてドレイン・ソース間、つまりリブ３の側面において電流Ｉｄｓを流す動作を行う。
【００３５】
このとき、荷重センサに対して荷重が印加されると、荷重に応じてリブ３が変形し、第１、第２トランジスタ２１、２２を構成する半導体層２５が変形する。
【００３６】
半導体層２５のうち底部電極層２６および頂部電極層２７の間に位置する部分、つまりチャネル部２５ａの最短距離が荷重印加前より短くなると、チャネル長が短くなり、チャネル抵抗が低下する。
【００３７】
また、荷重によりチャネル部２５ａが圧縮されると、有機半導体を構成する分子間の距離が短くなり、トランスファー積分が増加することで、有機半導体の移動度が増加する。
【００３８】
リブ３の変形に伴ってチャネル部２５ａが変形すると、これらの２つの効果により電流Ｉｄｓが変化するため、電流Ｉｄｓの変化に基づいて荷重測定を行うことが可能である。
【００３９】
荷重印加時におけるリブ３の変形の様子を図３に示す。なお、図３では、図を見やすくするために、基板１、第１弾性体１１、第２弾性体１２、チャネル部２５ａのみを図示し、また、ハッチングを省略している。図３の紙面右側に配置されたチャネル部２５ａは第１トランジスタ２１のチャネル部２５ａであり、図３の紙面左側に配置されたチャネル部２５ａは第２トランジスタ２２のチャネル部２５ａである。また、基板１の表面に対する法線方向をｘ方向、チャネル部２５ａに対する法線方向をｙ方向とし、第２トランジスタ２２から第１トランジスタ２１を見る向きをｙ軸の正の向きとする。また、荷重センサに対して印加された荷重のｘ方向成分とｙ方向成分をそれぞれＦｘ、Ｆｙとする。
【００４０】
荷重印加時において、第１弾性体１１を構成する材料はヤング率が大きいため、第１弾性体１１はほとんど変形しない。第２弾性体１２を構成する材料はヤング率が小さいため、第２弾性体１２は、荷重の方向により以下のように変形する。
【００４１】
図３（ａ）に示す状態、つまり、荷重が印加されていない状態では、第２弾性体１２は変形していない。チャネル部２５ａに対する法線方向において、第１弾性体１１の一方の側における第２弾性体１２の幅は、他方の側における幅と等しく、荷重が印加されていない状態では、ともにＬ０である。Ｌ１、Ｌ２をそれぞれ、第１弾性体１１の側面と、第１、第２トランジスタ２１、２２のチャネル部２５ａの上部とのｙ方向における距離とすると、荷重が印加されていない状態では、Ｌ１＝Ｌ２＝Ｌ０である。
【００４２】
この状態においてｙ方向成分Ｆｙが０の荷重が印加されると、第２弾性体１２は、図３（ｂ）に示すように変形する。つまり、第２弾性体１２のｘ方向の厚みが小さくなって、第１、第２トランジスタ２１、２２それぞれにおいてチャネル部２５ａがｘ方向に縮み、ｘｙ平面における長さが短くなる。ただし、第１弾性体１１がほとんど変形しないため、基板１の表面に対する法線方向における第２弾性体１２の厚みが第１弾性体１１よりも小さくなるような変形は、第１弾性体１１により抑制される。
【００４３】
ｙ方向成分Ｆｙが０でない荷重が印加された場合、第２弾性体１２は、上面が基板１の表面と平行な方向に移動するように変形する。このとき、荷重のｙ方向成分Ｆｙが正と負のどちらであっても、ｘ方向成分Ｆｘとｙ方向成分Ｆｙに基づいて、第２弾性体１２のｙ方向における両側の側面は伸縮する。これにより、第１、第２トランジスタ２１、２２のチャネル部２５ａは第２弾性体１２の側面に沿って伸縮し、ｘｙ平面における長さが変化する。しかし、その変化の大きさは、第１トランジスタ２１と第２トランジスタ２２とで異なる。
【００４４】
一般的に、材料は、圧縮弾性率と引張弾性率が異なり、圧縮された場合と引き伸ばされた場合とで、変形の大きさが異なる。例えば、多くの有機材料、樹脂材料において、圧縮弾性率は引張弾性率に対して１０〜数十％大きく、ＰＭＭＡでは圧縮弾性率が２．５５ＧＰａ、引張弾性率が２．２４ＧＰａである。ここでは、第２弾性体１２を圧縮弾性率が引張弾性率よりも大きい材料で構成している。つまり、第２弾性体１２は、同じ大きさの力で圧縮された場合と引き伸ばされた場合とでは、引き伸ばされた場合の方が大きく変形する。
【００４５】
そのため、荷重のｙ方向成分Ｆｙが正である場合、第２弾性体１２は、図３（ｃ）に示すように変形する。この場合、第１トランジスタ２１側では、荷重と第１弾性体１１からの張力とによって第２弾性体１２が引き伸ばされ、第２トランジスタ２２側では、荷重と第１弾性体１１からの垂直抗力とによって第２弾性体１２が圧縮される。これにより、第２弾性体１２は、第１トランジスタ２１側において、第２トランジスタ２２側よりも大きく変形し、Ｌ１＞Ｌ２となる。この変形により、第１トランジスタ２１のチャネル部２５ａは、第２トランジスタ２２のチャネル部２５ａよりも大きく伸びる。
【００４６】
荷重のｙ方向成分Ｆｙが負である場合、第２弾性体１２は、図３（ｄ）に示すように変形する。この場合、第１トランジスタ２１側では、荷重と第１弾性体１１からの垂直抗力とによって第２弾性体１２が圧縮され、第２トランジスタ２２側では、荷重と第１弾性体１１からの張力とによって第２弾性体１２が引き伸ばされる。これにより、第２弾性体１２は、第２トランジスタ２２側において、第１トランジスタ２１側よりも大きく変形し、Ｌ１＜Ｌ２となる。この変形により、第２トランジスタ２２のチャネル部２５ａは、第１トランジスタ２１のチャネル部２５ａよりも大きく伸びる。
【００４７】
本実施形態の荷重センサでは、このように第１弾性体１１の両側において第２弾性体１２の変形の大きさが異なる、つまりチャネル部２５ａの伸びの大きさが異なることを利用して、荷重の大きさと方向を検出する。
【００４８】
荷重のｘ方向成分Ｆｘが０のとき、ｙ方向成分Ｆｙと第１、第２トランジスタ２１、２２からの出力ΔＩｄｓ１、ΔＩｄｓ２との関係は図４に示すようになる。出力ΔＩｄｓ１、ΔＩｄｓ２はそれぞれ、第１、第２トランジスタ２１、２２における荷重印加後の電流Ｉｄｓから荷重印加前の電流Ｉｄｓを引いたものである。図４において、実線はｙ方向成分Ｆｙと第１トランジスタ２１の出力ΔＩｄｓ１との関係、破線はｙ方向成分Ｆｙと第２トランジスタ２２の出力ΔＩｄｓ２との関係を示す。
【００４９】
図４に示すように、ｙ方向成分Ｆｙが正である場合と負である場合のそれぞれにおいて、出力ΔＩｄｓ１、ΔＩｄｓ２はｙ方向成分Ｆｙに対して線形に変化し、Ｆｙ＝０においてΔＩｄｓ１＝ΔＩｄｓ２＝０である。また、ｙ方向成分Ｆｙの絶対値が大きいほど出力ΔＩｄｓ１、ΔＩｄｓ２は小さくなる。また、ｙ方向成分Ｆｙが正である場合、ｙ方向成分Ｆｙに対する変化は出力ΔＩｄｓ２よりも出力ΔＩｄｓ１の方が大きく、ｙ方向成分Ｆｙが負である場合、ｙ方向成分Ｆｙに対する変化は出力ΔＩｄｓ１よりも出力ΔＩｄｓ２の方が大きい。また、Ｆｙ＞０のときの出力ΔＩｄｓ１の傾きと、Ｆｙ＜０のときの出力ΔＩｄｓ２の傾きは、絶対値が互いに等しく、Ｆｙ＜０のときの出力ΔＩｄｓ１の傾きと、Ｆｙ＞０のときの出力ΔＩｄｓ２の傾きは、絶対値が互いに等しい。
【００５０】
この関係を用いて、第１トランジスタ２１の出力ΔＩｄｓ１、第２トランジスタ２２の出力ΔＩｄｓ２から、荷重のｘ方向成分、ｙ方向成分を検出する。例えば、ｙ方向成分Ｆｙが正であって、第２弾性体１２が図３（ｃ）の変形をしたとき、第１、第２トランジスタ２１、２２の出力ΔＩｄｓ１、ΔＩｄｓ２は、数式１、数式２で表される。ただし、ＥｅｘｐとＥｃｏｍｐはそれぞれｙ方向の引張弾性率と圧縮弾性率、Ｅｘはｘ方向の圧縮弾性率、α、βはそれぞれｙ方向、ｘ方向の変形と出力との関係により求められる係数である。
【００５１】
（数１）
ΔＩｄｓ１＝−αＦｙ／Ｅｅｘｐ＋βＦｘ／Ｅｘ
（数２）
ΔＩｄｓ２＝−αＦｙ／Ｅｃｏｍｐ＋βＦｘ／Ｅｘ
これをＦｘ、Ｆｙについて解けば、荷重のｘ方向、ｙ方向における大きさを求めることができる。例えば、ｙ方向成分Ｆｙは数式３で表される。
【００５２】
（数３）
Ｆｙ＝（ΔＩｄｓ１−ΔＩｄｓ２）／｛−α（１／Ｅｅｘｐ−１／Ｅｃｏｍｐ）｝
ｘ方向成分Ｆｘは、数式１または数式２に数式３を代入して求めることができる。
【００５３】
このように、本実施形態の荷重センサにより、第１弾性体１１と第２弾性体１２を構成する材料のヤング率の違いと、第２弾性体１２を構成する材料の圧縮弾性率と引張弾性率の違いを利用して、荷重の大きさだけでなく荷重の方向も検出することが可能となる。
【００５４】
また、荷重センサをリブ３および半導体層２５等を用いた第１、第２トランジスタ２１、２２によって構成している。このため、センサの位置合わせの困難性やセンサの重ね合わせによる精度低下を招くことなく、荷重測定の精度を向上させることができる。
【００５５】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して、センサ素子２ａを追加したものであり、その他については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
【００５６】
図５に示すように、本実施形態の荷重センサは、基板１上に、センサ素子２、２ａを備えている。センサ素子２ａは、センサ素子２に対して第２弾性体１２の幅を変更したものであり、センサ素子２の第２弾性体１２と、各トランジスタの構成要素の製造に用いるマスクの大きさを変えるだけで、センサ素子２と同様に製造することができるものである。センサ素子２ａにおけるリブ３は、本発明の第２リブに相当する。
【００５７】
センサ素子２ａのチャネル部２５ａに対する法線方向において、第１弾性体１１の一方の側における第２弾性体１２の幅は、他方の側における幅と等しく、荷重が印加されていない状態では、ともにＬ３であり、Ｌ３＜Ｌ０である。
【００５８】
このような構成のため、センサ素子２ａは、センサ素子２よりもｙ方向の変形が小さい。つまり、センサ素子２ａは、基板１の表面に平行な方向の荷重についての感度がセンサ素子２よりも小さくされている。
【００５９】
本実施形態の荷重センサでは、基板１の表面に垂直な方向の荷重を検出するための素子としてセンサ素子２ａを用いて荷重のｘ方向成分を測定し、測定したｘ方向成分とセンサ素子２とを用いて荷重のｙ方向成分を測定する。
【００６０】
具体的には、センサ素子２ａにおいては、荷重印加時におけるｙ方向の変形は十分に小さいものとして無視し、数式１、数式２においてＦｙ＝０とし、ΔＩｄｓ１＝βＦｘ／Ｅｘ、ΔＩｄｓ２＝βＦｘ／Ｅｘとして、これら２つの式それぞれにおいてＦｘを求める。得られた２つのＦｘの平均を求め、荷重のｘ方向成分とする。そして、センサ素子２においては、求めたＦｘを数式１、数式２に代入して得られる２つのＦｙの平均を求め、荷重のｙ方向成分とする。
【００６１】
本実施形態の荷重センサにおいても、第１実施形態と同様の効果が得られる。また、本実施形態では、２つのセンサ素子２、２ａを同一の基板１上に備えているため、基板１の表面に垂直、平行な方向への荷重分離の精度を向上させることができる。
【００６２】
なお、センサ素子２ａは、主に基板１の表面に対する法線方向の荷重を検出するものであるため、第１、第２トランジスタ２１、２２のいずれか一方のみを備え、数式１、数式２のいずれか一方のみを用いて、荷重のｘ方向成分Ｆｘを求めてもよい。
【００６３】
また、本実施形態では、図５に示すように、センサ素子２ａの第１、第２トランジスタ２１、２２は、センサ素子２の第１、第２トランジスタ２１、２２と同じ方向に配置されているが、これらと異なる方向に配置されていてもよい。
【００６４】
（第３実施形態）
本発明の第３実施形態について図６を用いて説明する。なお、図６は断面図ではないが、各構成要素を見やすくするためにハッチングを付してある。本実施形態は、第１実施形態に対して、縦型トランジスタの数を変更したものであり、その他については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
【００６５】
図６に示すように、本実施形態の荷重センサは、第３、第４トランジスタ２８、２９を備えている。第３、第４トランジスタ２８、２９は第１、第２トランジスタ２１、２２と同様に１対のトランジスタを構成するものであり、第３、第４トランジスタ２８、２９は第１、第２トランジスタ２１、２２と同様の構成を備えている。また、第３、第４トランジスタ２８、２９は、リブ３の側面のうち、第１、第２トランジスタ２１、２２が形成されていない対向する２つの側面にそれぞれ形成されている。ここでは、第３、第４トランジスタ２８、２９のチャネル部２５ａに対する法線と、第１、第２トランジスタ２１、２２のチャネル部２５ａに対する法線は互いに垂直である。
【００６６】
また、本実施形態では、第２弾性体１２は、図６の紙面左右方向および紙面上下方向において、第１弾性体１１の一方の側における幅が、他方の側における幅と等しくなるように形成されている。
【００６７】
本実施形態の荷重センサにおいても、第１実施形態と同様の効果が得られる。また、本実施形態では、リブ３の４つの側面に第１、第２、第３、第４トランジスタ２１、２２、２８、２９のチャネル部２５ａが形成されている。そのため、各トランジスタの出力を用いて、ｘ、ｙ方向だけでなく、ｘｙ平面に垂直な方向の荷重も分離して検出することができる。
【００６８】
なお、本実施形態では第１実施形態の荷重センサに対して縦型トランジスタの数を変更したが、第２実施形態の荷重センサに対して縦型トランジスタの数を変更してもよい。この場合も、上記の効果が得られ、また、第２実施形態と同様の効果が得られる。また、この場合、第２実施形態と同様に、センサ素子２ａは、第１、第２、第３、第４トランジスタ２１、２２、２８、２９のいずれか１つのみを備えていてもよい。
【００６９】
（第４実施形態）
本発明の第４実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して、リブ３の構成を変更したものであり、その他については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
【００７０】
図７に示すように、本実施形態の荷重センサでは、基板１の表面に対する法線方向での第２弾性体１２の厚みが、第１弾性体１１の厚みと等しくされている。このような構成においても、リブ３の上にはゲート絶縁膜２４、半導体層２５、頂部電極層２７が形成されているため、ｘ方向、ｙ方向の荷重により第２弾性体１２が変形し、第１実施形態と同様に荷重の大きさと方向を検出することができる。
【００７１】
本実施形態においても、第１実施形態と同様の効果が得られる。
【００７２】
（他の実施形態）
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。
【００７３】
例えば、上記第１実施形態では、第２弾性体１２を圧縮弾性率が引張弾性率よりも大きい材料で構成したが、第２弾性体１２を圧縮弾性率が引張弾性率よりも小さい材料で構成してもよい。
【００７４】
また、上記第１実施形態では、第２弾性体１２は、基板１の面内方向における第１弾性体１１の周囲に形成されているが、基板１の面内の一方向における第１弾性体１１の両側にのみ形成されていてもよい。
【符号の説明】
【００７５】
１    基板
３    リブ
１１  第１弾性体
１２  第２弾性体
２１  第１トランジスタ
２２  第２トランジスタ
【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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