(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
メサ型ゲージを備える力検知装置であって、
前記メサ型ゲージに並列に接続されている固定抵抗体を有しており、
前記メサ型ゲージと前記固定抵抗体の合成抵抗値の変化を利用して力を検知するように構成されている、力検知装置。
【請求項２】
前記固定抵抗体の電気抵抗値は、前記メサ型ゲージに応力が加わっていないときの初期電気抵抗値よりも大きい、請求項１に記載の力検知装置。
【請求項３】
前記メサ型ゲージは、半導体基板の主面にメサ段差状に形成されており、
前記固定抵抗体も、前記半導体基板の主面にメサ段差状に形成されている、請求項１又は２に記載の力検知装置。
【請求項４】
力伝達ブロックをさらに有しており、
前記力伝達ブロックは、前記メサ型ゲージの頂面に接触し、前記固定抵抗体の頂面に接触しない、請求項３に記載の力検知装置。
【請求項５】
前記メサ型ゲージは、一方向に沿って直線状に延びており、
前記固定抵抗体は、前記一方向に沿って往復するように延びる部分を含む、請求項３又は４に記載の力検知装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で開示する技術は、メサ型ゲージを備える力検知装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
メサ型ゲージを備える力検知装置が開発されており、その一例が特許文献１〜３に開示されている。メサ型ゲージは、ピエゾ抵抗効果を有しており、応力に対して電気抵抗値が変化する。力検知装置は、この電気抵抗値の変化を利用して力を検知するように構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−３０４９９７号公報
【特許文献２】特開２００６−０５８２６６号公報
【特許文献３】特開２０１５−００１４９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明者らの検討によると、メサ型ゲージにおける応力と電気抵抗値の関係は、図７に示すように、下に凸な非直線性を有することが分かってきた。本明細書は、メサ型ゲージにおける応力と電気抵抗値の非直線性の関係を改善し、力検知装置の出力特性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】
【０００５】
本明細書で開示する力検知装置の一実施形態は、メサ型ゲージを備える。この力検知装置は、メサ型ゲージに並列に接続されている固定抵抗体を有しており、メサ型ゲージと固定抵抗体の合成抵抗値の変化を利用して力を検知するように構成されている。
【０００６】
応力と電気抵抗値の関係が比例特性を示す可変抵抗体に固定抵抗体を並列接続した並列接続体における応力と合成抵抗値の関係は、図８に示すように、上に凸な非直線性を有する。上記の力検知装置では、応力と電気抵抗値の関係が下に凸な非直線性を有するメサ型ゲージに固定抵抗体が並列接続される。この構成によると、メサ型ゲージが有する下に凸な非直線特性が、固定抵抗体の導入により上に凸な非直線特性と相殺され、並列接続体における応力と合成抵抗値の関係が良好な直線性を有する。このため、力検知装置の出力特性の直線性を改善できる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は、実施例１の力検知装置の分解斜視図を模式的に示しており、半導体基板と力伝達ブロックで構成される封止空間の範囲を二点鎖線で示す。
【図２】図２は、実施例１の力検知装置が備える半導体基板の平面図を模式的に示しており、半導体基板と力伝達ブロックで構成される封止空間の範囲を二点鎖線で示す。
【図３】図３は、図２のIII-III線に対応した断面図を模式的に示す。
【図４】図４は、図２のIV-IV線に対応した断面図を模式的に示す。
【図５】図５は、実施例１の力検知装置が備える力伝達ブロックを示しており、半導体基板の接合する面を模式的に示す。
【図６】図６は、実施例２の力検知装置が備えるメサ型ゲージの部分拡大図を模式的に示す。
【図７】図７は、メサ型ゲージ単体の応力と電気抵抗値の関係を示す。
【図８】図８は、応力と電気抵抗値の関係が比例特性を示す可変抵抗体に固定抵抗体を並列接続したときの応力と合成抵抗値の関係を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、本明細書で開示する技術の特徴を整理する。なお、以下に記す事項は、各々単独で技術的な有用性を有している。
【０００９】
本明細書で開示する力検知装置の一実施形態は、各種圧力を検知するセンサであり、一例では、気圧又は液圧を検知対象としてもよい。この力検知装置は、基板と力伝達ブロックを備えていてもよい。基板の材料は、圧縮応力に応じて電気抵抗が変化するピエゾ抵抗効果が現われるものが望ましい。例えば、基板としては、半導体基板及びＳＯＩ基板が例示される。この力検知装置は、メサ型ゲージを備える。力検知装置は、１つのメサ型ゲージで検知部が構成されてもよいし、複数のメサ型ゲージで検知部が構成されてもよい。この力検知装置は、メサ型ゲージに並列に接続されている固定抵抗体を有しており、メサ型ゲージと固定抵抗体の合成抵抗値の変化を利用して力を検知するように構成されている。
【００１０】
本明細書で開示する力検知装置では、固定抵抗体の電気抵抗値が、メサ型ゲージに応力が加わっていないときの初期電気抵抗値よりも大きくてもよい。この構成によると、メサ型ゲージに固定抵抗体を並列接続したときの力検知装置の感度の低下率を小さくすることができる。なお、ここでいう感度とは、応力未印加時の電気抵抗値に対する、応力印加時における電気抵抗値の増加量の比率を意味する。
【００１１】
本明細書で開示する力検知装置では、メサ型ゲージが、半導体基板の主面にメサ段差状に形成されており、固定抵抗体が、半導体基板の主面にメサ段差状に形成されていてもよい。この構成によると、固定抵抗体をメサ型ゲージと同一の工程で製造できる。
【００１２】
本明細書で開示する力検知装置は、力伝達ブロックをさらに有していてもよい。力伝達ブロックは、メサ型ゲージの頂面に接触し、固定抵抗体の頂面に接触しないように構成されていてもよい。この構成によると、固定抵抗体に応力が加わらないので、固定抵抗体の電気抵抗値を一定に保つことができる。
【００１３】
本明細書で開示する力検知装置では、メサ型ゲージが、一方向に沿って直線状に延びており、固定抵抗体が、当該一方向に沿って往復するように延びる部分を含んでいてもよい。基板の面積消費を抑えながら、固定抵抗体の電気抵抗値がメサ型ゲージの初期電気抵抗値よりも大きい関係が得られる。
【実施例１】
【００１４】
図１に示されるように、力検知装置１は、例えば、圧力容器の容器内圧を検知する半導体圧力センサであり、半導体基板２及び力伝達ブロック４を備える。
【００１５】
図１，２に示されるように、半導体基板２は、ｎ型の単結晶シリコンであり、その主面２Ｓが（１１０）結晶面である。半導体基板２の主面２Ｓには複数の溝１１が形成されている。複数の溝１１は、半導体基板２の主面２Ｓの検知部１０内に形成されており、その検知部１０内に複数のメサ型ゲージ１２，１４，１６，１８と複数の固定抵抗体１３，１５，１７，１９を画定する。
【００１６】
図１，２，３，４に示されるように、メサ型ゲージ１２，１４，１６，１８及び固定抵抗体１３，１５，１７，１９は、半導体基板２の主面２Ｓにメサ段差状に形成されている。具体的には、メサ型ゲージ１２，１４，１６，１８及び固定抵抗体１３，１５，１７，１９は、溝１１の底面からメサ状に突出しており、その高さは約０．５〜５μｍである。メサ型ゲージ１２，１４，１６，１８の頂面及び固定抵抗体１３，１５，１７，１９の頂面は、溝１１の周囲の半導体基板２の主面２Ｓと同一面に位置する。即ち、メサ型ゲージ１２，１４，１６，１８及び固定抵抗体１３，１５，１７，１９は、例えばドライエッチング技術を利用して、半導体基板２の主面２Ｓに複数の溝１１を形成した残部として形成される。
【００１７】
図１，２に示されるように、検知部１０のメサ型ゲージ１２，１４，１６，１８は、正方形の辺に対応して配置されているが、メサ型ゲージ１２，１４，１６，１８の各々の端部は他のメサ型ゲージ１２，１４，１６，１８の各々の端部から離れて配置されている。対向する一対の辺を構成するメサ型ゲージ１４，１８はそれぞれ、第１高感度メサ型ゲージ１４及び第２高感度メサ型ゲージ１８と称する。対向する他の一対の辺を構成するメサ型ゲージ１２，１６はそれぞれ、第１低感度メサ型ゲージ１２及び第２低感度メサ型ゲージ１６と称する。
【００１８】
第１高感度メサ型ゲージ１４及び第２高感度メサ型ゲージ１８は、半導体基板２の＜１１０＞方向に沿って延びている。半導体基板２の＜１１０＞方向に延びる第１高感度メサ型ゲージ１４及び第２高感度メサ型ゲージ１８は、圧縮応力に応じて電気抵抗値が大きく変化することを特徴としており、ピエゾ抵抗効果を有する。
【００１９】
第１低感度メサ型ゲージ１２及び第２低感度メサ型ゲージ１６は、半導体基板２の＜１１０＞方向と直交する半導体基板２の＜１００＞方向に沿って延びている。半導体基板２の＜１００＞方向に延びる第１低感度メサ型ゲージ１２及び第２低感度メサ型ゲージ１６は、圧縮応力に応じて電気抵抗値がほとんど変化しないことを特徴としており、ピエゾ抵抗効果を実質的に有しない。
【００２０】
図１，２に示されるように、固定抵抗体１３，１５，１７，１９は、メサ型ゲージ１２，１４，１６，１８の外側（即ち、メサ型ゲージ１２，１４，１６，１８の各々に対して、検知部１０の中心側とは反対側）に配置されている。固定抵抗体１５，１９は、半導体基板２の＜１１０＞方向に沿って延びている。固定抵抗体１３，１７は、半導体基板２の＜１００＞方向に沿って延びている。
【００２１】
図１，２，３，４に示されるように、メサ型ゲージ１２，１４，１６，１８の表面には、ｐ型不純物が導入されたゲージ部１２ａ，１４ａ，１６ａ，１８ａが形成されている。ゲージ部１２ａ，１４ａ，１６ａ，１８ａの不純物濃度は、約１×１０１８〜１×１０２１ｃｍ−３である。ゲージ部１２ａ，１４ａ，１６ａ，１８ａの不純物濃度及び拡散深さは、メサ型ゲージ１２，１４，１６，１８の各々において共通である。ゲージ部１２ａ，１４ａ，１６ａ，１８ａは、ｐｎ接合によって、ｎ型の半導体基板２から実質的に絶縁されている。
【００２２】
図１，２，３，４に示されるように、固定抵抗体１３，１５，１７，１９の表面には、ｐ型不純物が導入されたゲージ部１３ａ，１５ａ，１７ａ，１９ａが形成されている。ゲージ部１３ａ，１５ａ，１７ａ，１９ａの不純物濃度は、約１×１０１８〜１×１０２１ｃｍ−３である。ゲージ部１３ａ，１５ａ，１７ａ，１９ａの不純物濃度及び拡散深さは、固定抵抗体１３，１５，１７，１９の各々において共通である。また、ゲージ部１３ａ，１５ａ，１７ａ，１９ａの不純物濃度及び拡散深さは、メサ型ゲージ１２，１４，１６，１８のゲージ部１２ａ，１４ａ，１６ａ，１８ａの不純物濃度及び拡散深さとも共通である。ゲージ部１３ａ，１５ａ，１７ａ，１９ａは、ｐｎ接合によって、ｎ型の半導体基板２から実質的に絶縁されている。固定抵抗体１３，１５，１７，１９のゲージ部１３ａ，１５ａ，１７ａ，１９ａは、メサ型ゲージ１２，１４，１６，１８のゲージ部１２ａ，１４ａ，１６ａ，１８ａと同一の工程で形成される。
【００２３】
メサ型ゲージ１２，１４，１６，１８の各々の幅及び長さは共通である。このため、メサ型ゲージ１２，１４，１６，１８のゲージ部１２ａ，１４ａ，１６ａ，１８ａの各々の電気抵抗値（厳密には、圧縮応力を加える前の初期抵抗値）は等しい。なお、メサ型ゲージ１２，１４，１６，１８の幅とは、長手方向に直交する方向の幅である。この例では、高感度メサ型ゲージ１４，１８の幅は半導体基板２の＜１００＞方向の幅となり、低感度メサ型ゲージ１２，１６の幅は半導体基板２の＜１１０＞方向の幅となる。高感度メサ型ゲージ１４，１８は、低感度メサ型ゲージ１２，１６の各々の中点を結ぶ直線（図示省略）に関して線対称である。低感度メサ型ゲージ１２，１６は、高感度メサ型ゲージ１４，１８の各々の中点を結ぶ直線（図示省略）に関して線対称である。
【００２４】
固定抵抗体１３，１５，１７，１９の各々の幅及び長さは共通である。このため、固定抵抗体１３，１５，１７，１９のゲージ部１３ａ，１５ａ，１７ａ，１９ａの各々の電気抵抗値は等しい。また、固定抵抗体１３，１５，１７，１９の各々の幅及び長さは、メサ型ゲージ１２，１４，１６，１８の各々の幅及び長さとも共通である。このため、固定抵抗体１３，１５，１７，１９のゲージ部１３ａ，１５ａ，１７ａ，１９ａの各々の電気抵抗値は、メサ型ゲージ１２，１４，１６，１８のゲージ部１２ａ，１４ａ，１６ａ，１８ａの各々の電気抵抗値とも等しい。
【００２５】
図１，２に示されるように、半導体基板２は、主面２Ｓにｐ型不純物が導入された接続領域４２，４４，４６，４８を有する。接続領域４２，４４，４６，４８の不純物濃度は、約１×１０１８〜１×１０２１ｃｍ−３である。接続領域４２，４４，４６，４８は、メサ型ゲージ１２，１４，１６，１８のゲージ部１２ａ，１４ａ，１６ａ，１８ａと同一の工程で形成される。
【００２６】
第１接続領域４２は、第１低感度メサ型ゲージ１２及び固定抵抗体１３の各々の一端と第１高感度メサ型ゲージ１４及び固定抵抗体１５の各々の一端の間に配置されている。第１接続領域４２は、大きく狭窄された狭窄部４２ａと、狭窄されることにより分離した２つの部分４２ｂ及び部分４２ｃにより構成されている。部分４２ｂ及び部分４２ｃが第１接続領域４２の大部分を占めており、狭窄部４２ａが占める範囲は極めて狭い。部分４２ｂと部分４２ｃは、狭窄部４２ａを介して接続されている。部分４２ｂの電気抵抗値と部分４２ｃの電気抵抗値は等しくなるように構成されている。第１低感度メサ型ゲージ１２のゲージ部１２ａの一端と固定抵抗体１３のゲージ部１３ａの一端は、部分４２ｂを介して電気的に接続されている。第１高感度メサ型ゲージ１４のゲージ部１４ａの一端と固定抵抗体１５のゲージ部１５ａの一端は、部分４２ｃを介して電気的に接続されている。
【００２７】
第２接続領域４４は、第１高感度メサ型ゲージ１４及び固定抵抗体１５の各々の他端と第２低感度メサ型ゲージ１６及び固定抵抗体１７の各々の一端の間に配置されている。第２接続領域４４は、大きく狭窄された狭窄部４４ａと、狭窄されることにより分離した２つの部分４４ｂ及び部分４４ｃにより構成されている。狭窄部４４ａ、部分４４ｂ及び部分４４ｃの構成は、第１接続領域４２の狭窄部４２ａ、部分４２ｂ及び部分４２ｃの構成と同一である。第１高感度メサ型ゲージ１４のゲージ部１４ａの他端と固定抵抗体１５のゲージ部１５ａの他端は、部分４４ｂを介して電気的に接続されている。第２低感度メサ型ゲージ１６のゲージ部１６ａの一端と固定抵抗体１７のゲージ部１７ａの一端は、部分４４ｃを介して電気的に接続されている。
【００２８】
第３接続領域４６は、第２低感度メサ型ゲージ１６及び固定抵抗体１７の各々の他端と第２高感度メサ型ゲージ１８及び固定抵抗体１９の各々の一端の間に配置されている。第３接続領域４６は、大きく狭窄された狭窄部４６ａと、狭窄されることにより分離した２つの部分４６ｂ及び部分４６ｃにより構成されている。狭窄部４６ａ、部分４６ｂ及び部分４６ｃの構成は、第１接続領域４２の狭窄部４２ａ、部分４２ｂ及び部分４２ｃの構成と同一である。第２低感度メサ型ゲージ１６のゲージ部１６ａの他端と固定抵抗体１７のゲージ部１７ａの他端は、部分４６ｂを介して電気的に接続されている。第２高感度メサ型ゲージ１８のゲージ部１８ａの一端と固定抵抗体１９のゲージ部１９ａの一端は、部分４６ｃを介して電気的に接続されている。
【００２９】
第４接続領域４８は、第２高感度メサ型ゲージ１８及び固定抵抗体１９の各々の他端と第１低感度メサ型ゲージ１２及び固定抵抗体１３の各々の他端の間に配置されている。第４接続領域４８は、大きく狭窄された狭窄部４８ａと、狭窄されることにより分離した２つの部分４８ｂ及び部分４８ｃにより構成されている。狭窄部４８ａ、部分４８ｂ及び部分４８ｃの構成は、第１接続領域４２の狭窄部４２ａ、部分４２ｂ及び部分４２ｃの構成と同一である。第２高感度メサ型ゲージ１８のゲージ部１８ａの他端と固定抵抗体１９のゲージ部１９ａの他端は、部分４８ｂを介して電気的に接続されている。第１低感度メサ型ゲージ１２のゲージ部１２ａの他端と固定抵抗体１３のゲージ部１３ａの他端は、部分４８ｃを介して電気的に接続されている。
【００３０】
第１低感度メサ型ゲージ１２のゲージ部１２ａと、固定抵抗体１３のゲージ部１３ａと、これらの両端に接続された第１接続領域４２の部分４２ｂ及び第４接続領域４８の部分４８ｃにより、１つの第１抵抗体１１２が構成されている。固定抵抗体１３のゲージ部１３ａは、第１低感度メサ型ゲージ１２のゲージ部１２ａに並列に接続されている。第１接続領域４２の部分４２ｂ及び第４接続領域４８の部分４８ｃは幅広に構成されているので、それらの電気抵抗値は極めて低い。このため、第１抵抗体１１２の電気抵抗値は、主にゲージ部１２ａとゲージ部１３ａの合成抵抗値に依存する。
【００３１】
第１高感度メサ型ゲージ１４のゲージ部１４ａと、固定抵抗体１５のゲージ部１５ａと、これらの両端に接続された第１接続領域４２の部分４２ｃ及び第２接続領域４４の部分４４ｂにより、１つの第２抵抗体１１４が構成されている。固定抵抗体１５のゲージ部１５ａは、第１高感度メサ型ゲージ１４のゲージ部１４ａに並列に接続されている。第１接続領域４２の部分４２ｃ及び第２接続領域４４の部分４４ｂは幅広に構成されているので、それらの電気抵抗値は極めて低い。このため、第２抵抗体１１４の電気抵抗値は、主にゲージ部１４ａとゲージ部１５ａの合成抵抗値に依存する。
【００３２】
第２低感度メサ型ゲージ１６のゲージ部１６ａと、固定抵抗体１７のゲージ部１７ａと、これらの両端に接続された第２接続領域４４の部分４４ｃ及び第３接続領域４６の部分４６ｂにより、１つの第３抵抗体１１６が構成されている。固定抵抗体１７のゲージ部１７ａは、第２低感度メサ型ゲージ１６のゲージ部１６ａに並列に接続されている。第２接続領域４４の部分４４ｃ及び第３接続領域４６の部分４６ｂは幅広に構成されているので、それらの電気抵抗値は極めて低い。このため、第３抵抗体１１６の電気抵抗値は、主にゲージ部１６ａとゲージ部１７ａの合成抵抗値に依存する。
【００３３】
第２高感度メサ型ゲージ１８のゲージ部１８ａと、固定抵抗体１９のゲージ部１９ａと、これらの両端に接続された第３接続領域４６の部分４６ｃ及び第４接続領域４８の部分４８ｂにより、１つの第４抵抗体１１８が構成されている。固定抵抗体１９のゲージ部１９ａは、第２高感度メサ型ゲージ１８のゲージ部１８ａに並列に接続されている。第３接続領域４６の部分４６ｃ及び第４接続領域４８の部分４８ｂは幅広に構成されているので、それらの電気抵抗値は極めて低い。このため、第４抵抗体１１８の電気抵抗値は、主にゲージ部１８ａとゲージ部１９ａの合成抵抗値に依存する。圧縮応力が加わっていないときの抵抗体１１２，１１４，１１６，１１８の各々の電気抵抗値は等しい。
【００３４】
図１，２に示されるように、半導体基板２は、主面２Ｓにｐ型不純物が導入された配線２２，２４，２６，２８を有する。配線２２，２４，２６，２８の不純物濃度は、約１×１０１８〜１×１０２１ｃｍ−３である。配線２２，２４，２６，２８は、メサ型ゲージ１２，１４，１６，１８のゲージ部１２ａ，１４ａ，１６ａ，１８ａと同一の工程で形成される。
【００３５】
メサ型ゲージ１２，１４，１６，１８は、検知部１０内にフルブリッジ回路を構成する。電源配線２８は、第４接続領域４８の狭窄部４８ａに接続している。基準配線２４は、第２接続領域４４の狭窄部４４ａに接続している。第１抵抗体１１２と第２抵抗体１１４は、電源配線２８と基準配線２４の間に、第１接続領域４２の狭窄部４２ａを介して直列に接続されている。第４抵抗体１１８と第３抵抗体１１６は、電源配線２８と基準配線２４の間に、第３接続領域４６の狭窄部４６ａを介して直列に接続されている。第１抵抗体１１２と第２抵抗体１１４の組と第４抵抗体１１８と第３抵抗体１１６の組は、電源配線２８と基準配線２４の間に並列に接続されている。
【００３６】
第１出力配線２６は、第４抵抗体１１８と第３抵抗体１１６の間の第３接続領域４６の狭窄部４６ａに接続している。第２出力配線２２は、第１抵抗体１１２と第２抵抗体１１４の間の第１接続領域４２の狭窄部４２ａに接続している。
【００３７】
基準配線２４は、基準電極３４に電気的に接続する。第１出力配線２６は、第１出力電極３６に電気的に接続する。電源配線２８は、電源電極３８に電気的に接続する。第２出力配線２２は、第２出力電極３２に電気的に接続する。これらの電極３２，３４，３６，３８は、半導体基板２の主面２Ｓ上に設けられており、力伝達ブロック４で覆われる範囲外に配置されている。基準配線２４及び電源配線２８は幅広に構成されており、それらの電気抵抗値は、抵抗体１１２，１１４，１１６，１１８の電気抵抗値に対して無視できるほどに小さい。第１出力配線２６の電気抵抗値と第２出力配線２２の電気抵抗値は、等しくなるように構成されている。
【００３８】
図１，３，４に示されるように、力伝達ブロック４は、直方体形状を有しており、シリコン層４ａと酸化シリコン層４ｂを有する。半導体基板２と力伝達ブロック４は、常温個相接合技術を利用して接合される。具体的には、アルゴンイオンを用いて半導体基板２の主面２Ｓ及び力伝達ブロック４の酸化シリコン層４ｂの表面を活性化させた後に、超高真空中で半導体基板２の主面２Ｓと力伝達ブロック４の酸化シリコン層４ｂの表面を接触させ、両者を接合させる。
【００３９】
図３，４，５に示されるように、力伝達ブロック４の酸化シリコン層４ｂの一部が除去されており、力伝達ブロック４の半導体基板２と接合する側の面に溝４ｃが形成されている。溝４ｃが形成されていることにより、力伝達ブロック４の酸化シリコン層４ｂは、封止部分４０ａと押圧部分４０ｂに区画されている。また、このような溝４ｃが形成されていることにより、半導体基板２と力伝達ブロック４の間には、外部から隔てられた封止空間６が構成される。
【００４０】
力伝達ブロック４の封止部分４０ａは、メサ型ゲージ１２，１４，１６，１８の周囲を一巡するように、半導体基板２の主面２Ｓに接合する。半導体基板２のうちの力伝達ブロック４の封止部分４０ａが接合する部分を封止部２０という。力伝達ブロック４の封止部分４０ａが矩形状に構成されているので、半導体基板２の封止部２０は、高感度メサ型ゲージ１４，１８の長手方向と平行な部分と低感度メサ型ゲージ１２，１６の長手方向と平行な部分で構成される。半導体基板２の主面２Ｓにおける封止部２０の内側の領域は正方形形状となっている。半導体基板２の封止部２０と力伝達ブロック４の封止部分４０ａは、気密に接合する。
【００４１】
図１，２に示されるように、高感度メサ型ゲージ１４，１８は、半導体基板２の＜１００＞方向において封止空間６を３等分した位置（即ち、封止部２０の内側の領域を３等分した位置）に配置されている。低感度メサ型ゲージ１２，１６は、半導体基板２の＜１１０＞方向において封止空間６を３等分した位置（即ち、封止部２０の内側の領域を３等分した位置）に配置されている。
【００４２】
図３，４に示されるように、力伝達ブロック４の押圧部分４０ｂは、メサ型ゲージ１２，１４，１６，１８の頂面に接合する一方で、固定抵抗体１３，１５，１７，１９の頂面には接合していない。このため、固定抵抗体１５，１９は、圧縮応力に対して電気抵抗値が大きく変化する半導体基板２の＜１１０＞方向に沿って延びているものの、それらの電気抵抗値の値は、力伝達ブロック４の受圧時においても実質的に変化しない。押圧部分４０ｂと高感度メサ型ゲージ１４、１８の各々の頂面との接触面積は等しい。押圧部分４０ｂと低感度メサ型ゲージ１２、１６の各々の頂面との接触面積は等しい。
【００４３】
次に、力検知装置１の動作を説明する。まず、力検知装置１は、電源電極３８に定電流源が接続され、基準電極３４が接地され、第１出力電極３６と第２出力電極３２の間に電圧測定器が接続して用いられる。力検知装置１では、力伝達ブロック４に加わる容器内圧が変化すると、力伝達ブロック４を介してメサ型ゲージ１２，１４，１６，１８のゲージ部１２ａ，１４ａ，１６ａ，１８ａに加わる圧縮応力も変化する。ピエゾ抵抗効果が現われる高感度メサ型ゲージ１４，１８のゲージ部１４ａ，１８ａの電気抵抗値は、圧縮応力に応じて変化する。ゲージ部１４ａの電気抵抗値が変化すると、第２抵抗体１１４の合成抵抗値が変化する。ゲージ部１８ａの電気抵抗値が変化すると、第４抵抗体１１８の合成抵抗値が変化する。このため、第１出力電極３６と第２出力電極３２の電位差は、ゲージ部１４ａ，１８ａに加わる圧縮応力に依存する。これにより、電圧測定器で計測される電圧変化から力伝達ブロック４に加わる容器内圧が検知される。
【００４４】
先に述べたように、高感度メサ型ゲージ１４，１８の圧縮応力と電気抵抗値の関係は、図７に示されるように、下に凸な非直線性を示す。このため、固定抵抗体１３，１５，１７，１９が形成されていない力検知装置では、第１出力電極と第２出力電極の電位差が、ゲージ部１４ａ，１８ａに加わる圧縮応力に比例しない。この結果、力検知装置の出力特性の直線性が低くなるという問題があった。
【００４５】
ここで、圧縮応力と電気抵抗値の関係が比例特性を示す可変抵抗体Ａに固定抵抗体Ｂを並列接続した並列接続体Ｃにおける圧縮応力と合成抵抗値の関係について説明する。この可変抵抗体Ａの初期抵抗値をＲ１とし、可変抵抗体Ａの電気抵抗値の増加量をΔＲとし、固定抵抗体Ｂの電気抵抗値をＲ２とすると、並列接続体Ｃの合成抵抗値Ｒ’は、次の数式となる。
【００４６】
【数１】
0006430327.tif 000002
【００４７】
上記数式のＲ’をΔＲについて微分すると、その微分値ｄ１は、次の数式となる。
【００４８】
【数２】
0006430327.tif 000003
【００４９】
このように、微分値ｄ１は、正の値を示す。微分値ｄ１をΔＲについてさらに微分すると、その微分値ｄ２は負の値を示す（式省略）。微分値ｄ１、ｄ２より、並列接続体Ｃでは、ΔＲとＲ’の関係が、上に凸な非直線性を示すことが分かる。このことから、圧縮応力と電気抵抗値の関係が比例特性を示す可変抵抗体に固定抵抗体を並列接続すると、その並列接続体の圧縮応力と合成抵抗値Ｒ’の関係は、図８に示されるように上に凸な非直線性を示す。
【００５０】
本実施例の力検知装置１では、上記の知見を利用して、高感度メサ型がゲージ１４，１８の各々に固定抵抗体１５，１９の各々を並列接続して抵抗体１１４，１１８を形成する。この構成によると、圧縮応力と電気抵抗値の関係において、高感度メサ型ゲージ１４，１８の下に凸な非直線性が、固定抵抗体１５，１９の導入により上に凸な非直線性と相殺される。この結果、抵抗体１１４，１１８の圧縮応力と合成抵抗値の関係が良好な直線性を有する。これにより、第１出力電極３６と第２出力電極３２の電位差が、抵抗体１１４のゲージ部１４ａ及び抵抗体１１８のゲージ部１８ａに加わる圧縮応力に略比例するため、力検知装置１の出力特性の直線性を改善することができる。
【００５１】
また、力検知装置１では、固定抵抗体１３，１５，１７，１９が半導体基板２の主面２Ｓにメサ段差状に形成されている。このため、固定抵抗体１３，１５，１７，１９をメサ型ゲージ１２，１４，１６，１８と同一の工程で製造できる。固定抵抗体１３，１５，１７，１９を形成するための工程を新たに設ける必要がないため、力検知装置１の製造効率の低下を抑制できる。
【００５２】
また、力検知装置１は、力伝達ブロック４によって半導体基板２の検知部１０が封止される封止型構造を有する。この力検知装置１では、ブリッジ回路を構成するメサ型ゲージ１２，１４，１６，１８の各々の端部が互いに直接的に接続しておらず、これらの端部の間には、接続領域４２，４４，４６，４８が配置されている。接続領域４２，４４，４６，４８の各々を挟む２つのメサ型ゲージは、接続領域４２，４４，４６，４８の各々を介して電気的に接続されている。このため、接続領域４２，４４，４６，４８が形成される範囲を拡張又は収縮させることにより、メサ型ゲージ１２，１４，１６，１８の長さを調整することができる。例えば、接続領域４２，４４，４６，４８が形成される範囲を広くすると、メサ型ゲージ１２，１４，１６，１８の長さを短くでき、力伝達ブロック４の押圧部４０ｂと高感度メサ型ゲージ１４，１８との接触面積を減らすことが可能となる。この結果、力伝達ブロック４に加わる容器内圧は、高感度メサ型ゲージ１４，１８に効率的に伝達され、力検知装置１のセンサ感度を向上することができる。これにより、封止型構造を有し、メサ型ゲージ１２，１４，１６，１８がブリッジ回路を構成する力検知装置１において、メサ型ゲージ１２，１４，１６，１８の感度を調整するための設計の自由度を向上することができる。
【００５３】
上述したように、力検知装置１は封止型構造を有するため、高感度メサ型ゲージ１４，１８に加わる圧縮応力は、封止空間６内の高感度メサ型ゲージ１４，１８の位置に依存する。この例では、図２に示されるように、高感度メサ型ゲージ１４，１８が半導体基板２の＜１００＞方向に並んで配置されているので、高感度メサ型ゲージ１４，１８に加わる圧縮応力は、半導体基板２の＜１００＞方向における封止空間６内の高感度メサ型ゲージ１４，１８の位置に依存する。
【００５４】
力検知装置１では、第１高感度メサ型ゲージ１４と第２高感度メサ型ゲージ１８が、封止部２０の内側の領域の中心点７（図１，２参照）に対して点対称に配置されている。より具体的には、半導体基板２の＜１００＞方向において、第１高感度メサ型ゲージ１４と半導体基板２の封止部２０（第１高感度メサ型ゲージ１４の長手方向と平行な封止部２０の部分であり、図２の紙面左側の封止空間６の縁に相当する）の間の最短距離と、第２高感度メサ型ゲージ１８と半導体基板２の封止部２０（第２高感度メサ型ゲージ１８の長手方向と平行な封止部２０の部分であり、図２の紙面右側の封止空間６の縁に相当する）の間の最短距離が等しい。これにより、力伝達ブロック４に加わる力に対して第１高感度メサ型ゲージ１４及び第２高感度メサ型ゲージ１８の各々に伝達される力が等しくなるので、力伝達ブロック４に加わる力に対する出力の線形性が向上する。
【００５５】
さらに、力検知装置１では、高感度メサ型ゲージ１４，１８は、封止空間６を半導体基板２の＜１００＞方向において３等分した位置に配置されており、かつ、封止空間６の半導体基板２の＜１１０＞方向における中央部に配置されている。これにより、力伝達ブロック４に加わる力は、高感度メサ型ゲージ１４，１８の頂面に対して垂直な方向に伝達されるので、高感度メサ型ゲージ１４，１８が斜めに圧縮することが抑制され、力伝達ブロック４に加わる力に対する出力の線形性がさらに向上する。
【００５６】
また、力検知装置１では、接続領域４２，４４，４６，４８が、狭窄部４２ａ，４４ａ，４６ａ，４８ａを有しており、配線２２，２４，２６，２８は狭窄部４２ａ，４４ａ，４６ａ，４８ａに接続している。狭窄部４２ａ，４４ａ，４６ａ，４８ａが接続領域４２，４４，４６，４８に占める範囲は極めて狭い。例えば、狭窄部４２ａ，４４ａ，４６ａ，４８ａを含まない接続領域では、製造バラツキによって接続領域内を流れる電流の経路もばらつく。このような電流経路のばらつきは、零点オフセット特性の悪化の原因となる。一方、狭窄部４２ａ，４４ａ，４６ａ，４８ａを含む接続領域４２，４４，４６，４８では、接続領域４２，４４，４６，４８内を流れる電流の経路を制限することができる。これにより、力検知装置１の零点オフセット特性の悪化が抑えられる。
【００５７】
さらに、力検知装置１では、接続領域４２，４４，４６，４８の各々が狭窄されることにより分離される２つの部分（部分４２ｂ，部分４２ｃ，部分４４ｂ，部分４４ｃ，部分４６ｂ，部分４６ｃ，部分４８ｂ，部分４８ｃ）の電気抵抗値がいずれも等しくなるように構成されており、これにより、抵抗体１１２，１１４，１１６，１１８の初期電気抵抗値が等しくなっている。従って、力検知装置１では、オフセット電圧が低減される。
【実施例２】
【００５８】
次に、図６を参照して実施例２について説明する。以下では、実施例１と相違する点についてのみ説明し、実施例１と同一の構成についてはその詳細な説明を省略する。抵抗体２１４は、実施例１の抵抗体１１４と比較して、固定抵抗体１１５の形状が異なっている。固定抵抗体１１５は、部分１１５０ａ，１１５０ｂ，１１５０ｃ，１１５０ｄ及び１１５０ｅと、部分１１５１ａ，１１５１ｂ，１１５１ｃ及び１１５１ｄによって構成されている。部分１１５０ａ〜１１５０ｅは、半導体基板２の＜１１０＞方向に沿って延びている。部分１１５１ａ〜１１５１ｄは、半導体基板２の＜１００＞方向に沿って延びている。部分１１５０ａ〜１１５０ｅの各々の幅と部分１１５１ａ〜１１５１ｄの各々の幅は共通であり、これらの幅は、第１高感度メサ型ゲージ１４の幅とも共通である。
【００５９】
部分１１５０ａの一端は、接続領域４４の部分４４ｂに電気的に接続されており、部分１１５０ｅの一端は、接続領域４２の部分４２ｂに電気的に接続されている。部分１１５０ａ、部分１１５１ａ、部分１１５０ｂ、部分１１５１ｂ、部分１１５０ｃ、部分１１５１ｃ、部分１１５０ｄ、部分１１５１ｄ及び部分１１５０ｅは、この順に直列に接続されている。部分１１５０ａと部分１１５０ｂは対向している。部分１１５０ｅと部分１１５０ｄは対向している。部分１１５０ｃは、部分１１５０ｂ及び部分１１５０ｄの各々の長さの和よりも長い。部分１１５０ｂ及び部分１１５０ｄは、部分１１５０ｃに対して同じ側で部分１１５０ｃと対向している。即ち、部分１１５０ａと部分１１５０ｂ、部分１１５０ｅと部分１１５０ｄ、部分１１５０ｂ及び部分１１５０ｄと部分１１５０ｃは、それぞれ半導体基板２の＜１１０＞方向に沿って往復するように延びている。固定抵抗体１１５の長さ（即ち、部分１１５０ａ〜１１５０ｅの各々の長さ及び部分１１５１ａ〜１１５１ｄの各々の長さの総和）は、第１高感度メサ型ゲージ１４の長さよりも長い。このため、固定抵抗体１１５の表面に形成されたゲージ部１１５ａの電気抵抗値（別言すれば、部分１１５０ａ〜１１５０ｅの各々の電気抵抗値及び部分１１５１ａ〜１１５１ｄの各々の電気抵抗値の総和）は、第１高感度メサ型ゲージ１４のゲージ部１４ａの電気抵抗値（厳密には、ゲージ部１４ａに圧縮応力が加わっていないときの初期抵抗値）よりも大きい。本実施例では、実施例１の抵抗体１１２、１１６、１１８に相当する抵抗体（図示省略）も、抵抗体２１４と同様の構成を有する。
【００６０】
この構成によっても、実施例１と同様の作用効果を奏することができる。また、固定抵抗体１１５は、ゲージ部１１５ａの電気抵抗値が、第１高感度メサ型ゲージ１４のゲージ部１４ａの初期抵抗値よりも大きくなるように構成されている。ここで、ピエゾ抵抗効果を有する可変抵抗体Ｄの初期抵抗値をＲ３、可変抵抗体Ｄに所定の圧縮応力を加えたときの可変抵抗体Ｄの電気抵抗値の増加量をΔＲ、固定抵抗体Ｅの電気抵抗値をＲ４とすると、所定の圧縮応力を加えたときの可変抵抗体Ｄ単体の感度Ｓ１は、次の数式となる。
【００６１】
【数３】
0006430327.tif 000004
【００６２】
一方、所定の圧縮応力を加えたときの、可変抵抗体Ｄと固定抵抗体Ｅとの並列接続体Ｆの感度Ｓ２は、次の数式となる。
【００６３】
【数４】
0006430327.tif 000005
【００６４】
このため、感度の変化率ｒは、次の数式となる。
【００６５】
【数５】
0006430327.tif 000006
【００６６】
変化率ｒは、Ｒ３に対するＲ４の割合が大きくなるにつれて１に近づく。このことから、可変抵抗体に固定抵抗体を並列接続すると、並列接続体の感度は可変抵抗体単体の感度よりも低下するものの、固定抵抗体の電気抵抗値を可変抵抗体の初期抵抗値よりも大きくすることにより、並列接続体の感度が低下することを抑制できることが分かる。このため、本実施例の構成によると、抵抗体２１４の感度の低下を抑制しながら、力検知装置の出力特性の直線性を改善することができる。
【００６７】
また、本実施例の力検知装置では、固定抵抗体１１５が、半導体基板２の＜１１０＞方向に沿って往復するように延びる部分を複数有している。この構成によると、半導体基板２の面積消費を抑えながら、固定抵抗体１１５の電気抵抗値が第１高感度メサ型ゲージ１４の初期電気抵抗値よりも大きい関係が得られる。
【００６８】
以上、本明細書が開示する技術の実施例について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、本明細書が開示する力検知装置は、上記の実施例を様々に変形、変更したものが含まれる。
【００６９】
例えば、固定抵抗体１３，１５，１７，１９はメサ型ゲージに限られず、半導体表面に形成した拡散抵抗や、抵抗器として使用される電子部品であってもよい。また、接続領域４２，４４，４６，４８は形成されていなくてもよい。また、固定抵抗体１３，１５，１７，１９の各々は、メサ型ゲージ１２，１４，１６，１８の各々に対して平行でなくてもよい。但し、固定抵抗値１５，１９は、互いに等しい電気抵抗値を有することが望ましい。また、メサ型ゲージ１２，１４，１６，１８に作用する応力は、圧縮応力に限られず、例えば引張応力であってもよい。また、力検知装置の種類は、封止型構造を有するものに限られない。また、メサ型ゲージは、フルブリッジ回路以外の回路を構成してもよい。
【００７０】
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。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。
【符号の説明】
【００７１】
１：力検知装置、  ２：半導体基板、  ４：力伝達ブロック、  １２，１６：低感度メサ型ゲージ、  １４，１８：高感度メサ型ゲージ、  １３，１５，１７，１９：固定抵抗体
【図１】
0006430327.tif 000007
【図２】
0006430327.tif 000008
【図３】
0006430327.tif 000009
【図４】
0006430327.tif 000010
【図５】
0006430327.tif 000011
【図６】
0006430327.tif 000012
【図７】
0006430327.tif 000013
【図８】
0006430327.tif 000014