(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つ以上の半導体ブロックと１つ以上の力伝達ブロックを含んで合計して３つ以上のブロックを備えた力検知素子であって、
１つの半導体ブロック又は２つ以上の半導体ブロックの２つ以上の面に、ピエゾ抵抗効果を奏するゲージ抵抗が少なくとも一部に形成されたメサ段差が設けられており、
半導体ブロックの各ゲージ抵抗形成面に力伝達ブロックが重ねられ、各メサ段差の頂面に力伝達ブロックが接触しており、
各メサ段差の頂面の面積が異なっており、
力検知素子に作用する力に対するゲージ抵抗の抵抗値の変化量が、ゲージ抵抗ごとに異なることを特徴とする力検知素子。
【請求項２】
１つ以上の半導体ブロックと１つ以上の力伝達ブロックを含んで合計して３つ以上のブロックを備えた力検知素子であって、
１つの半導体ブロック又は２つ以上の半導体ブロックの２つ以上の面に、ピエゾ抵抗効果を奏するゲージ抵抗が少なくとも一部に形成されたメサ段差が設けられており、
半導体ブロックの各ゲージ抵抗形成面に力伝達ブロックが重ねられ、各メサ段差の頂面に力伝達ブロックが接触しており、
各メサ段差の有効受圧面とメサ段差の頂面の面積比が異なっており、
力検知素子に作用する力に対するゲージ抵抗の抵抗値の変化量が、ゲージ抵抗ごとに異なることを特徴とする力検知素子。
【請求項３】
積層された半導体ブロックと力伝達ブロックの一端側が固定され、他端側に検知する力が作用する力検知素子であって、一端側のメサ段差で囲まれる面積の方が、他端側のメサ段差で囲まれる面積よりも大きいことを特徴とする請求項１又は２の力検知素子。
【請求項４】
力検知素子に作用する力に対して抵抗値の変化量が大きいゲージ抵抗が形成されたメサ段差に隣接して、そのメサ段差よりも低く突出するストッパー部が形成されていることを特徴とする請求項３の力検知素子。
【請求項５】
表面に前記ゲージ抵抗が形成されたメサ段差が設けられている第１半導体ブロックと、第１半導体ブロックのゲージ抵抗形成面に接触した第１力伝達ブロックと、表面に前記ゲージ抵抗が形成されたメサ段差が設けられている第２半導体ブロックと、第２半導体ブロックのゲージ抵抗形成面に接触した第２力伝達ブロックが順に積層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素子。
【請求項６】
２つの半導体ブロックと１つの力伝達ブロックを備え、
各半導体ブロックの表面には、前記ゲージ抵抗が形成されたメサ段差が設けられており、
力伝達ブロックの表面に一方の半導体ブロックのゲージ抵抗形成面が接触し、力伝達ブロックの裏面に他方の半導体ブロックのゲージ抵抗形成面が接触し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素子。
【請求項７】
１つの半導体ブロックと２つの力伝達ブロックを備え、
半導体ブロックの表面と裏面に前記ゲージ抵抗が形成されたメサ段差が設けられており、
半導体ブロックの表面側のゲージ抵抗形成面に一方の力伝達ブロックが接触し、半導体ブロックの裏面側のゲージ抵抗形成面に他方の力伝達ブロックが接触し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素子。
【請求項８】
（１１０）面にゲージ抵抗が形成されたメサ段差が設けられている半導体ブロックと、（１００）面にゲージ抵抗が形成されたメサ段差が設けられている半導体ブロックを備えることを特徴とする請求項１から７のいずれかの力検知素子。
【請求項９】
半導体ブロックのゲージ抵抗が単ゲージ構成とされていることを特徴とする請求項１から８のいずれかの力検知素子。
【請求項１０】
ハウジングと、圧力−力変換部と、請求項１から９のいずれかの力検知素子を備え、
圧力−力変換部は、ハウジング先端側に位置し、ハウジング先端側に圧力が作用するとハウジング後端側に変位し、
力検知素子は、ハウジング内のうち圧力−力変換部よりもハウジング後端側に収容されており、圧力−力変換部がハウジング後端側に変位することによる圧縮応力が作用するとゲージ抵抗の抵抗値が変化する圧力検知センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、作用している力（圧力に起因する力を含む。以下同じ）の大きさを検知する力検知素子及びこの力検知素子を用いた圧力検知センサに関する。特に、力検知素子の検知レンジを広くするための技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
本発明者らによって、図１３に示す力検知素子１が創作されている。この力検知素子１は、半導体ブロック２０と、力伝達ブロック２８を備えている。半導体ブロック２０の表面には、メサ段差２２ａ〜２２ｄが設けられている。メサ段差２２ａ〜２２ｄには、応力が作用するとピエゾ抵抗効果によって抵抗値が変化するゲージ抵抗２４ａ、２４ｃと、応力が作用しても抵抗値がほとんど変化しない基準抵抗２４ｂ、２４ｄが形成されている。力伝達ブロック２８の表面に力が作用して、その力がメサ段差２２ａ〜２２ｄの頂面に圧縮応力として作用すると、ゲージ抵抗２４ａ、２４ｃの抵抗値が変化する。この抵抗値の変化から、力伝達ブロック２８に作用する力の大きさを検知できる。即ち、力検知素子１は力検知センサとして用いることができる。
【０００３】
また、力検知素子１はそれ自体を圧力検知センサとして用いることもできる。但し、この場合はメサ段差２２ａ〜２２ｄと力伝達ブロック２８で囲まれる空間を外部から遮断した構成とすることが望ましい。この空間が外部から遮断されていないと、外部からの圧力が力伝達ブロック２８の表面のみならず裏面のほとんどの領域にも作用してしまい、力伝達ブロック２８を設けている意味がなくなってしまうからである。この力検知素子１を圧力が作用する環境に置くと、力伝達ブロック２８の表面に作用した圧力がそのブロック２８で力に変換され、その力がメサ段差２２ａ〜２２ｄの頂面に圧縮応力として作用すると、ゲージ抵抗２４ａ、２４ｃの抵抗値が変化する。この抵抗値の変化から、力検知素子１の周囲に作用する圧力の大きさを検知できる。この力検知素子の詳細は、例えば、特開平８−２７１３６３号公報等に開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
力検知素子では、小さな力は細かい分解能で検知する必要があるが、大きな力は粗い分解能ですればよい。大きな力も細かい分解能で検知できるのが理想とも言えるが、現実的には大きな力は粗い分解能で検知できれば問題がないことがほとんどである。
従来の通常の力検知素子は、小さな力を細かい分解能で検知するか、大きな力を粗い分解能で検知するかのいずれかであった。小さな力を細かい分解能で検知し、しかも、大きな力を粗い分解能で検知するというような広いレンジの力を検知するためには、力検知素子（典型的には力伝達ブロックの表面）に作用する力に対するゲージ抵抗の抵抗値の変化量が異なる複数の力検知素子を用いる必要があった。この場合、複数の力検知素子を別個に設置するのに手間がかかり、複数の力検知素子を並列に設置するのに広い設置面積が必要とされるという問題が生じていた。
【０００５】
図１４に、力検知素子１が組込まれた圧力検知センサ１０を例示する。この圧力検知センサ１０では、力検知素子１をハウジング４０、４６内に組込んで使用する。図中の４９は、ダイアフラム５０に作用する圧力に起因する力を伝達する機能を有する断熱性の力伝達部材である。ダイアフラム５０に作用した圧力は、力伝達部材４９で力に変換されて力検知素子１に伝達される。力検知素子１で検知したその力の大きさに基づいてダイアフラム５０に作用した圧力を求めることができる。
【０００６】
小さな圧力を細かい分解能で検知し、大きな圧力を粗い分解能で検知するために、従来は、力検知素子に作用する力（この力はダイアフラム５０に作用した圧力に起因する）の大きさに対するゲージ抵抗の抵抗値の変化量が異なる力検知素子１をそれぞれ備えた複数の圧力検知センサ１０を用いていた。このために、コスト高となり（複数のハウジングや力伝達部材等が必要）、複数の圧力検知センサ１０を設置するのに広いスペースが必要とされ、複数の圧力検知センサ１０の設置や管理の負担が大きい等の様々な問題が生じていた。
【０００７】
本発明は、小さな力を細かい分解能で検知でき、しかも、大きな力を粗い分解能で検知できる検知レンジの広い力検知素子を実現することを第１の目的とする。本発明はまた、この力検知素子を用いて、小さな圧力を細かい分解能で検知でき、大きな圧力を粗い分解能で検知できる検知レンジの広い圧力検知センサを実現することを第２の目的とする。本発明は、上記目的の少なくとも１つを達成しようとするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段および作用とその効果】
本発明の一つの態様を表す力検知素子は、１つ以上の半導体ブロックと１つ以上の力伝達ブロックを含んで合計して３つ以上のブロックを備えている。そして、１つの半導体ブロック又は２つ以上の半導体ブロックの２つ以上の面に、ピエゾ抵抗効果を奏するゲージ抵抗が少なくとも一部に形成されたメサ段差が設けられている。また、半導体ブロックの各ゲージ抵抗形成面に力伝達ブロックが重ねられており、各メサ段差の頂面に力伝達ブロックが接触しており、各メサ段差の頂面の面積が異なっている。さらに、力検知素子に作用する力に対するゲージ抵抗の抵抗値の変化量が、ゲージ抵抗ごとに異なる（請求項１）。
本発明の他の１つの態様を表す力検知素子は、１つ以上の半導体ブロックと１つ以上の力伝達ブロックを含んで合計して３つ以上のブロックを備えている。そして、１つの半導体ブロック又は２つ以上の半導体ブロックの２つ以上の面に、ピエゾ抵抗効果を奏するゲージ抵抗が少なくとも一部に形成されたメサ段差が設けられている。また、半導体ブロックの各ゲージ抵抗形成面に力伝達ブロックが重ねられており、各メサ段差の頂面に力伝達ブロックが接触しており、各メサ段差の有効受圧面とメサ段差の頂面の面積比が異なっている。さらに、力検知素子に作用する力に対するゲージ抵抗の抵抗値の変化量が、ゲージ抵抗ごとに異なる（請求項２）。
ここで、「有効受圧面」とは、メサ段差に最も有効に応力を作用させる検知圧力が作用する面をいう。本発明の第１実施例である図１及び図３の第２力検知部１０１ｂを例にして説明すると、メサ段差１３２ａ〜１３２ｄに応力を作用させ得る検知圧力が作用する面は５つある。そのうちの４つはメサ段差１３２ａ〜１３２ｄの４つの側面である。これら４つの側面からはメサ段差１３２ａ〜１３２ｄに検知圧力が直接に作用し、この検知圧力が応力となってメサ段差に作用する。残りの１つは、力伝達ブロック１３８のメサ段差接触面の反対面（力伝達ブロック１３８の頂面）のうち、メサ段差１３２ａ〜１３２ｄの頂面に垂直な方向からみたときに、メサ段差１３２ａ〜１３２ｄの頂面の外周で囲まれる面（１辺がＬ＋Ｗの正方形）と重複する領域（面部）Ｎ２である。但し、これは半球状の力伝達ブロック１４０がないと仮定した場合である（半球状の力伝達ブロック１４０があれば、そのブロック１４０の表面に検知圧力が作用する）。なお、図１の固定部１１９の底面が検知圧力が作用する空間に面している場合は、その底面の所定領域もメサ段差１３２ａ〜１３２ｄに応力をさせ得る検知圧力作用面となるが、図１の場合は、固定部１１９の底面は検知圧力が作用する空間に面していない。
そして、図１及び図３の例でいえば、上記した５つの面のうち、力伝達ブロック１３８のメサ段差接触面の反対面の上記領域（面部）Ｎ２が、メサ段差１３２ａ〜１３２ｄに最も有効に応力を作用させる検知圧力が作用する面であり、有効受圧面である。
また、有効受圧面は、半導体ブロックのメサ段差形成面の反対面のうち、メサ段差の頂面に垂直な方向からみたときに、メサ段差の頂面の外周で囲まれる面と重複する領域であること等もある（後述する第４実施例参照）。
上記の２つの態様のように、半導体ブロックにゲージ抵抗が形成されたメサ段差を設け、そのメサ段差の頂面に力伝達ブロックを接触させると、半導体ブロックの平坦な表面に力伝達ブロックを接合する場合に比較して、接合面積を小さくできる。この結果、力伝達ブロックから伝達された力はメサ段差に集中し、ゲージ抵抗が形成されたメサ段差の頂面には大きな応力が作用する。
また、上記の２つの態様のうち前者の態様は力検知素子を力検知センサとして用いる場合に好適な態様である。力検知素子に力が作用したとき、メサ段差の頂面の面積の小さい方がそのメサ段差の頂面には高応力が作用する。このため、そのメサ段差に形成されたゲージ抵抗の抵抗値の変化量は大きい。逆に、メサ段差の頂面の面積の大きい方では、そのメサ段差に形成されたゲージ抵抗の抵抗値の変化量は小さい。このため、この態様によると、力検知素子を力検知センサとして用いる場合に、メサ段差の頂面の面積を異ならせるという簡単な構成によって、ゲージ抵抗ごとに抵抗値の変化量を異ならせることができる。
また、上記の２つの態様のうち後者の態様は力検知素子自体を圧力検知センサとして用いる場合に好適な態様である。力検知素子を圧力が作用する環境に置いた場合、上記した面積比（以下、適宜「伝達面積比」という）が大きい方のメサ段差の頂面には高応力が作用する。このため、伝達面積比が大きい方のメサ段差に形成されたゲージ抵抗は抵抗値の変化量が大きい。逆に、伝達面積比の小さい方のメサ段差に形成されたゲージ抵抗は抵抗値の変化量が小さい。このため、この態様によると、力検知素子を圧力検知センサとして用いる場合に、上記した伝達面積比を異ならせるという簡単な構成によって、ゲージ抵抗ごとに抵抗値の変化量を異ならせることができる。
上記の２つの態様の力検知素子においては、積層された半導体ブロックと力伝達ブロックの一端側が固定され、他端側に検知する力が作用する力検知素子であって、一端側のメサ段差で囲まれる面積の方が、他端側のメサ段差で囲まれる面積よりも大きいことが好ましい（請求項３）。この態様によると、一端側の半導体ブロックのメサ段差によって他端側の半導体ブロックや力伝達ブロックを安定的に支持することができる。
請求項３の力検知素子においては、力検知素子に作用する力に対する抵抗値の変化量が大きいゲージ抵抗が形成されたメサ段差に隣接して、そのメサ段差よりも低く突出するストッパー部が形成されていることが好ましい。
以上で説明してきた本発明の態様によると、抵抗値の変化量が大きい小さな力検知用のゲージ抵抗が形成されたメサ段差にも、大きな力が作用する。上記の態様によると、半導体ブロックには、抵抗値の変化量が大きいゲージ抵抗が形成されたメサ段差に隣接して、そのメサ段差よりも低く突出するストッパー部が形成されているため、大きな力がそのメサ段差に作用した場合でも、途中からその力はストッパー部にも分散されて作用する。このため、抵抗値の変化量が大きいゲージ抵抗が形成されたメサ段差の損傷・破壊等を防止することができる。この態様は特に、抵抗値の変化量が大きいゲージ抵抗が形成されたメサ段差の頂面が細長い形状の場合に有用である。
【０００９】
上記態様の力検知素子では、力検知素子（典型的には力伝達ブロックの表面）に力が作用すると、その力は隣接するブロックに順次伝達される。この結果、その力に基づく圧縮応力は半導体ブロックに形成された各ゲージ抵抗に作用する。各ゲージ抵抗は、力検知素子に作用する力に対するゲージ抵抗の抵抗値の変化量が異なる。このため、小さな力が作用した場合はその抵抗値の変化量が大きなゲージ抵抗の抵抗値の変化量を検出し、大きな力が作用した場合はその抵抗値の変化量が小さなゲージ抵抗の抵抗値の変化量を検出することで、小さな力を細かい分解能で検知でき、しかも、大きな力を粗い分解能で検知できる検知レンジの広い力検知素子を実現することができる。
【００１０】
上記態様の力検知素子は、半導体ブロックの各ゲージ抵抗形成面に力伝達ブロックを重ねるという構成をとることで、１つの力検知素子で上記したように広いレンジ力を検知することに成功した。このため、広いレンジの力を検知するために、従来のような複数の力検知素子を別個に設置する手間をなくすことができ、また、複数の力検知素子を並列に設置する場合に比較して設置面積を小さくすることができる。
【００１１】
ここで、力検知素子（典型的には力伝達ブロックの表面）に作用する力（これはゲージ抵抗に作用する応力と区別されるべきものである）に対するゲージ抵抗の抵抗値の変化量を、ゲージ抵抗ごとに異ならせる態様としては、上記の具体的な態様も含めて、例えば以下の態様がある。
【００１２】
（第１の態様）  ゲージ抵抗の抵抗値の変化量は、同じピエゾ抵抗係数に対しては、ゲージ抵抗に作用する応力の大きさに比例するという性質がある。このため、例えば力検知素子に作用した力に基づいてゲージ抵抗に作用する圧縮応力をゲージ抵抗ごとに異ならせることで、力検知素子に作用する力に対するゲージ抵抗の抵抗値の変化量をゲージ抵抗ごとに異ならせることができる。これは、各ゲージ抵抗について、ゲージ抵抗に作用する応力に対するゲージ抵抗の抵抗値の変化量が等しい場合であっても可能である。
【００１３】
（第２の態様）  ゲージ抵抗の抵抗値の変化量はまた、例えばゲージ抵抗を形成する半導体ブロックの結晶面や結晶方向等によって異なるという性質がある。このため、例えばゲージ抵抗を形成する半導体ブロックの結晶面や結晶方向等をゲージ抵抗ごとに異ならせることで、ゲージ抵抗に作用する応力（これは力検知素子に作用する力と区別されるべきものである）に対するゲージ抵抗の抵抗値の変化量をゲージ抵抗ごとに異ならせることができる。この結果、力検知素子に作用する力に対するゲージ抵抗の抵抗値の変化量をゲージ抵抗ごとに異ならせることができる。これは、各ゲージ抵抗について、ゲージ抵抗に作用する応力が等しい場合であっても可能である。またこれは、一般にいう「ゲージ抵抗の感度が異なる」という内容を示すものであり、本明細書でも「感度」というときはこの意味（ゲージ抵抗に作用する応力に対するゲージ抵抗の抵抗値の変化量）で用いるものとする。
【００１４】
本明細書において、単に「抵抗値の変化量」というときは、力検知素子に作用する力に対するゲージ抵抗の抵抗値の変化量を意味するものとする。抵抗値の変化量がゲージ抵抗に作用する応力に対するゲージ抵抗の抵抗値の変化量を意味する場合は、その旨を明記する。
【００１５】
この力検知素子を例えばハウジング式の圧力検知センサに用いると、さらに有用な効果が発揮される。即ち、この力検知素子を用いた圧力検知センサによると、１つの圧力検知センサで、小さな圧力を細かい分解能で検知でき、しかも、大きな圧力を粗い分解能で検知でき、広いレンジの圧力を検知することができる。従って、従来、広いレンジの圧力を検知するために、複数の圧力検知センサを用いることで生じていた様々な問題（コスト高となり、複数の圧力検知センサを設置するのに広いスペースが必要とされ、複数の圧力検知センサの設置や管理の負担が大きい等）を解決ないしは大幅に解消できるという極めて優れた効果が発揮される。
【００１６】
上記した作用・効果は、通常の圧力検知センサとしてよく知られているダイアフラム上にゲージ抵抗を形成したダイアフラム式圧力センサを用いて、それらを単に重ねただけでは生じ得ないものであり、本発明に正に固有の着想により生じるものである。
【００１７】
請求項１〜４の力検知素子においては、表面に前記ゲージ抵抗が形成されたメサ段差が設けられている第１半導体ブロックと、第１半導体ブロックのゲージ抵抗形成面に接触した第１力伝達ブロックと、表面に前記ゲージ抵抗が形成されたメサ段差が設けられている第２半導体ブロックと、第２半導体ブロックのゲージ抵抗形成面に接触した第２力伝達ブロックが順に積層されていることが好ましい（請求項５）。
【００１８】
この態様は、本発明を具現化した１つの態様として典型的なものである。この態様によると、各半導体ブロックの同じ面側（表面側）にゲージ抵抗が形成されているので、互いに反対面側にゲージ抵抗が形成されている場合に比較して、各種の設置作業やメンテナンス作業が行い易い。
【００１９】
また、請求項１〜４の力検知素子においては、２つの半導体ブロックと１つの力伝達ブロックを備え、各半導体ブロックの表面には、前記ゲージ抵抗が形成されたメサ段差が設けられており、力伝達ブロックの表面に一方の半導体ブロックのゲージ抵抗形成面が接触し、力伝達ブロックの裏面に他方の半導体ブロックのゲージ抵抗形成面が接触していることが好ましい（請求項６）。
【００２０】
請求項６の態様によると、例えばゲージ抵抗が２つの場合、請求項５の態様では力伝達ブロックが２つ必要であるのに対し、力伝達ブロックが１つで済む。この結果、力伝達ブロック１つ分の厚みを減らすことができる。
【００２１】
あるいは、請求項１〜４の力検知素子においては、１つの半導体ブロックと２つの力伝達ブロックを備え、半導体ブロックの表面と裏面に前記ゲージ抵抗が形成されたメサ段差が設けられており、半導体ブロックの表面側のゲージ抵抗形成面に一方の力伝達ブロックが接触し、半導体ブロックの裏面側のゲージ抵抗形成面に他方の力伝達ブロックが接触していることが好ましい（請求項７）。
【００２２】
請求項７の態様によると、例えばゲージ抵抗が２つの場合、請求項５の態様では半導体ブロックが２つ必要であるのに対し、半導体ブロックが１つで済む。この結果、半導体ブロック１つ分の厚みを減らすことができる。
【００２３】
請求項１から７のいずれかの力検知素子においては、（１１０）面にゲージ抵抗が形成されたメサ段差が設けられている半導体ブロックと、（１００）面にゲージ抵抗が形成されたメサ段差が設けられている半導体ブロックを備えることが好ましい（請求項８）。
【００２４】
半導体ブロックの（１１０）面にゲージ抵抗を形成すると、ゲージ抵抗に作用する応力に対するゲージ抵抗の抵抗値の変化量を大きくできる。即ち、力を高感度で検知できる。一方、半導体ブロックの（１００）面にゲージ抵抗を形成すると、（１１０）面にゲージ抵抗を形成するよりも、ゲージ抵抗に作用する応力に対するゲージ抵抗の抵抗値の変化量は小さくなる（低感度になる）が、集積化が容易であるというメリットがある。このため、（１１０）面に高感度のゲージ抵抗を形成し、（１００）面に低感度のゲージ抵抗を形成するというように、高感度と低感度のゲージ抵抗を形成する結晶面を上手に使い分けることによって、小さな力を細かい分解能で検知でき、しかも、大きな力を粗い分解能で検知でき、さらに、集積化が容易な（１００）面に増幅回路等の各種回路を形成することで、素子の高集積化をも達成できる。
【００２５】
なお、ここでいう「高感度」又は「低感度」とは、ゲージ抵抗に作用する応力（これは力検知素子に作用する力と区別されるべきものである）に対するゲージ抵抗の抵抗値の変化量が大きいこと、又は小さいことを意味する。
【００２６】
請求項１から８のいずれかの力検知素子においては、半導体ブロックのゲージ抵抗を単ゲージ構成とされていることが好ましい（請求項９）。
【００２７】
ここでいう「単ゲージ構成」には、フルブリッジ構成やハーフブリッジ構成の端子間を短絡等させることで結果的に単ゲージ構成とするものも含まれる。
この態様によると、ゲージ抵抗をフルブリッジ構成やハーフブリッジ構成とした場合に比較して、配線数を減らすことができる。
【００３９】
本発明は、上記のいずれかの力検知素子を組込んだ圧力検知センサをも実現する。この圧力検知センサは、ハウジングと、圧力−力変換部と、上記のいずれかの力検知素子を備えている。圧力−力変換部は、ハウジング先端側に位置し、ハウジング先端側に圧力が印加されるとハウジング後端側に変位する。力検知素子は、ハウジング内のうち圧力−力変換部よりもハウジング後端側に収容されており、圧力−力変換部のハウジング後端側の変位による圧縮応力が作用するとゲージ抵抗の抵抗値が変化する（請求項１０）。
【００４０】
上記のいずれかの力検知素子を例えば上記構成のハウジング式の圧力検知センサに用いることで、さらに有用な効果を奏することができる。
【００４１】
【発明の実施の形態】
（第１実施例）  図１に、第１実施例の力検知素子１０１の斜視図とその周辺回路を示す。図２に、その力検知素子１０１のＩＩ−ＩＩ線断面図を示す。この力検知素子１０１は、力伝達ブロック１３８の表面に作用する力の大きさを検知する。力検知素子１０１が置かれている環境の圧力が変化すると、力伝達ブロック１３８又は１２８の表面に作用する力も変化することから、圧力の大きさを検知することもできる。即ち、この力検知素子は、それ自体で力検知センサにも圧力検知センサにもなり得る。また、この力検知素子は、後述するようにダイアフラムを備えたハウジング式の圧力検知センサに用いることもできる。
【００４２】
力検知素子１０１は、第１及び第２力検知部１０１ａ、１０１ｂと、半球状の力伝達ブロック１４０を備えている。第１力検知部１０１ａは、第１半導体ブロック１２０と、第１力伝達ブロック１２８を有する。第２力検知部１０１ｂは、第２半導体ブロック１３０と、第２力伝達ブロック１３８を有する。
この力検知素子１０１は、通常は、固定部１１９に載置されるか、又は取付けられた状態で使用される。固定部１１９の側から見て、第１半導体ブロック１２０、第１力伝達ブロック１２８、第２半導体ブロック１３０、第２力伝達ブロック１３８、半球状力伝達ブロック１４０の順で積層された状態で用いられる。
第１又は第２力検知部１０１ａ、１０１ｂの例としては、本願発明者らによって創作された特開平８−２７１３６３号公報に記載の力検知素子、特開２００１−３０４９９７号公報に記載の半導体圧力センサ、特願２００１−０５６３５０号公報に記載の力検知センサ（但し未公開）等が挙げられる。
【００４３】
第１及び第２半導体ブロック１２０、１３０は、シリコン単結晶で形成されており、平面視したときに正方形状の直方体である。第１及び第２半導体ブロック１２０、１３０の表面にはそれぞれ、頂面が平坦で、平面視したときにロの字形のメサ段差１２２ａ〜１２２ｄ、１３２ａ〜１３２ｄと、各メサ段差１２２ａ〜１２２ｄ、１３２ａ〜１３２ｄの隅部から伸びる箇所に位置する電極１２６ａ〜１２６ｄ、１３６ａ〜１３６ｄが形成されている。
【００４４】
メサ段差１２２ａ〜１２２ｄ、１３２ａ〜１３２ｄのそれぞれには、図１と図２に示されるように、抵抗１２４ａ〜１２４ｄ、１３４ａ〜１３４ｄが形成されている。ここで、抵抗１２４ａ、１２４ｃ、１３４ａ、１３４ｃは、メサ段差に図２の紙面上下方向の応力（圧縮応力）が作用するとピエゾ抵抗効果によって抵抗値が変化するゲージ抵抗である。抵抗１２４ｂ、１２４ｄ、１３４ｂ、１３４ｄは、応力が作用しても抵抗値がほとんど変化しない基準抵抗である。
【００４５】
上記した構造は、抵抗１２４ａ〜１２４ｄ、１３４ａ〜１３４ｄをピエゾ抵抗係数π１３に従うように配置することで構成できる。ピエゾ抵抗係数π１３は、半導体ブロック１２０、１３０の（１１０）面の＜１１０＞方向に最大の感度を持ち、＜１００＞方向には感度ゼロである。従って、長尺状の抵抗１２４ａ、１２４ｃ、１３４ａ、１３４ｃを、半導体ブロック１２０、１３０の（１００）面の＜１１０＞方向に平行に配置し、長尺状の抵抗１２４ｂ、１２４ｄ、１３４ｂ、１３４ｄを、半導体ブロック１２０、１３０の（１００）面の＜１００＞方向に平行に配置することで、上記した構造を実現できる。なお、上記した構造の形成方法はこれに限られないのは勿論である。例えば、ピエゾ抵抗係数π６３、π１２、π１１等に従うように配置してもよいのは勿論である。また、ゲージ抵抗の配置構造は、上記した構造に限られないのは勿論である。
【００４６】
第１及び第２力伝達ブロック１２８、１３８は、絶縁性材料で形成されており、平面視したときに正方形状の直方体である。絶縁性材料としては、結晶化ガラス、硼珪酸ガラス等の可動イオンを含むガラス類や、表面に絶縁膜を形成したシリコン基板等を用いることができる。第１力伝達ブロック１２８の底面積は、第１半導体ブロック１２０の上面積より小さく、メサ段差１２２ａ〜１２２ｄのロの字形の外周より若干大きい。第１力伝達ブロック１２８の底面は、メサ段差１２２ａ〜１２２ｄの頂面に陽極接合等で強固に固定されている。これにより、メサ段差１２２ａ〜１２２ｄと第１力伝達ブロック１２８で囲まれる空間を外部から遮断した構成とすることができる。この結果、力検知素子１０１は、圧力検知センサとしても効果的に用いることができる。
陽極接合以外の手段では、半田接合や希フッ酸接合（希フッ酸で溶かした表面の酸化膜をボンドとして接合する手段）などが有効である。また、接合、接着等されておらず、単に接触している状態であってもよい。このことは、以下で、陽極接合で接合している場合についても同様である。
【００４７】
第２半導体ブロック１３０の底面積は、第１力伝達ブロック１２８の上面積と同じ大きさであり、両ブロック１３０、１２８も陽極接合等で強固に固定されている。第２半導体ブロック１３０と第２力伝達ブロック１３８で構成される第２力検知部１０１ｂは、上記した第１半導体ブロック１２０と第１力伝達ブロック１２８で構成される第１力検知部１０１ａを相似的に小さくした構造となっている。第２力伝達ブロック１３８の上面には、半球状の力伝達ブロック１４０が接合されている。
このように、下段の第１力検知部１０１ａのロの字状のメサ段差１２２ａ〜１２２ｄで囲まれる面積は、上段の第２力検知部１０１ｂのロの字状のメサ段差１３２ａ〜１３２ｄで囲まれる面積よりも大きいので、上段の第２力検知部１０１ｂは安定的に支持されている。
【００４８】
半導体ブロック１２０のゲージ抵抗１２４ａ、１２４ｃと、半導体ブロック１３０のゲージ抵抗１３４ａ、１３４ｃでは、ゲージ抵抗に作用する応力に対するゲージ抵抗の抵抗値の変化量が等しい。即ち、感度が等しい。しかしながら、半球状の力伝達ブロック１４０に力（圧力に起因する場合もある）が作用したときに、ゲージ抵抗１２４ａ、１２４ｃと、ゲージ抵抗１３４ａ、１３４ｃに作用する圧縮応力の大きさが異なる。これによって、半球状の力伝達ブロック１４０に作用する力に対して、ゲージ抵抗１２４ａ、１２４ｃと、ゲージ抵抗１３４ａ、１３４ｃで、抵抗値の変化量を異ならせている。
【００４９】
図３に示す具体例に基づいて説明する。図３はメサ段差１２２、１２４と力伝達ブロック１２８、１３８の概略斜視図を示す。図３の斜線部は、ゲージ抵抗１２４ａ、１２４ｃ、１３４ａ、１３４ｃを模式的に示している。なお、図３は図１のメサ段差１２２、１２４と力伝達ブロック１２８、１３８を抜出したものであるが、一部簡略化あるいは変形して示している部分がある。また、下記の計算は概略の計算であり、近似的にＬ＞＞Ｗとして計算した。
図３に示すように、第１力検知部１０１ａの各メサ段差１２２ａ〜１２２ｄの長さは２Ｌであり、幅はＷである。従って、メサ段差１２２ａ〜１２２ｄの頂面Ｍ１（メサ段差１２２ａ〜１２２ｄと第１力伝達ブロック１２８の接合部）の面積は８ＬＷである。また、平面視したときに正方形状の第１力伝達ブロック１２８の上面のうち、メサ段差１２２ａ〜１２２ｄの有効受圧面Ｎ１の１辺の長さはＬ＞＞Ｗとすると２Ｌとみなすことができ、その面積は４Ｌ２とみなすことができる。なお、有効受圧面の意味内容の説明は段落番号〔００３３〕に記載されている。
【００５０】
一方、第２力検知部１０１ｂの各メサ段差１３２ａ〜１３２ｄの長さはＬであり、幅はＷである。従って、メサ段差１３２ａ〜１３２ｄの頂面Ｍ２の面積は４ＬＷである。また、正方形状の第２力伝達ブロック１３８の上面のうち、メサ段差１３２ａ〜１３２ｄの有効受圧面Ｎ２の１辺の長さはＬ＞＞ＷとするとＬとみなすことができ、その有効受圧面積はＬ２とみなすことができる。
【００５１】
力検知素子１０１を力検知センサとして用いる場合を最初に説明する。第２力伝達ブロック１３８の上面に、その面に垂直な方向に力Ｆが作用したとする。印加された力Ｆは、第２半導体ブロック１３０のメサ段差１３２ａ〜１３２ｄの頂面Ｍ２と、第１半導体ブロック１２０のメサ段差１２２ａ〜１２２ｄの頂面Ｍ１にそのまま（大きさＦの力として）伝達される。
【００５２】
この結果、図３と図４（ａ）に示すように、メサ段差１３２の頂面Ｍ２（面積４ＬＷ）には高応力（１／４ＬＷ）Ｆが作用し、メサ段差１２２の頂面Ｍ１（面積８ＬＷ）には低応力（１／８ＬＷ）Ｆが作用する。このように、力検知素子１０１を力検知センサとして用いる場合は、頂面Ｍ２の面積が小さい第２力検知部１０１ｂのメサ段差１３２に高応力が作用し、頂面Ｍ1の面積が大きい第２力検知部１０１ａのメサ段差１２２に低応力が作用する。ゲージ抵抗の抵抗値の変化量は、ゲージ抵抗に作用する応力の大きさに比例する。このため、第２力検知部１０１ｂのメサ段差１３２に形成されたゲージ抵抗１３４ａ、１３４ｃの抵抗値の変化量は大きく、第１力検知部１０１ａのメサ段差１２２に形成されたゲージ抵抗１２４ａ、１２４ｃの抵抗値の変化量は小さい。
このため、上段の第２力検知部１０１ｂ（ゲージ抵抗１３４ａ、１３４ｃ）によって小さな力を細かい分解能で検知でき、下段の第１力検知部１０１ａ（ゲージ抵抗１２４ａ、１２４ｃ）によって大きな力を粗い分解能で検知できる。
【００５３】
これに対し、力検知素子１０１をそれ自体で圧力検知センサとして用いる場合を説明する。力検知素子１０１が、圧力Ｐの環境に置かれたものとする。この場合、メサ段差１３２と第２力伝達ブロック１３８に囲まれた空間は外部から遮断されているので、圧力Ｐが作用しない。よって、第２力伝達ブロック１３８の下面には圧力Ｐがほとんど作用しない。このため、第２力伝達ブロック１３８の有効受圧面Ｎ２（有効受圧面積Ｌ２）に作用した圧力Ｐが、力ＰＬ２に変換されて、第２半導体ブロック１３８のメサ段差１３２ａ〜１３２ｄに作用する。この結果、メサ段差１３２ａ〜１３２ｄの頂面Ｍ２（面積４ＬＷ）には、応力ＰＬ２／４ＬＷ＝（Ｌ／４Ｗ）Ｐが作用する。ここで、Ｌ／４Ｗは、第２力伝達ブロック１３８の有効受圧面Ｎ２の面積とメサ段差１３２ａ〜１３２ｄの頂面Ｍ２の面積比（伝達面積比）である。
【００５４】
また、メサ段差１２２と力伝達ブロック１２８に囲まれた空間には圧力Ｐが作用しないので、第１力伝達ブロック１２８の有効受圧面Ｎ１（有効受圧面積４Ｌ２）に印加された圧力Ｐが、力Ｐ４Ｌ２に変換されて、第１半導体ブロック１２０のメサ段差１２２ａ〜１２２ｄに作用する。この結果、メサ段差１２２ａ〜１２２ｄの頂面Ｍ１（面積８ＬＷ）には、応力Ｐ４Ｌ２／８ＬＷ＝（Ｌ／２Ｗ）Ｐが印加される。ここで、Ｌ／２Ｗは、第１力伝達ブロック１２８の有効受圧面Ｎ１の面積とメサ段差１２２ａ〜１２２ｄの頂面Ｍ１の面積比（伝達面積比）である。
【００５５】
このように、力検知素子１０１を圧力検知センサとして用いる場合は、伝達面積比の大きい第１力検知部１０１ａのメサ段差１２２の方に大きな応力が作用する。上記したように、ゲージ抵抗の抵抗値の変化量は、ゲージ抵抗に作用する応力の大きさに比例する。このため、力検知素子１０１を圧力検知センサとして用いる場合には、伝達面積比の大きい下段の第１力検知部１０１ａのゲージ抵抗１２４ａ、１２４ｃの方が力検知素子１０１に作用する力（この場合は圧力に起因する）に対する抵抗値の変化量が大きい。
このため、上段の第２力検知部１０１ｂによって大きな圧力を粗い分解能で検知でき、下段の第１力検知部１０１ａによって小さな圧力を細かい分解能で検知できる。
【００５６】
なお、下段の第１検知部１０１ａを大きな力又は小さな圧力の検知用に用い、上段の第２検知部１０１ｂを小さな力又は大きな圧力の検知用に使用する態様には限られない。メサ段差の頂面や有効受圧面の面積を適宜調整することで、例えば、第１検知部１０１ａを大きな圧力の検知用、第２検知部１０１ｂを小さな圧力の検知用に用いることもできる。このことは他の実施例でも同様である。
【００５７】
図５に、図１の力検知素子１０１の回路とその周辺回路を示す。図１と図５に示すように、電極１２６ａと１２６ｄの間、及び電極１３６ａと１３６ｄの間はそれぞれ、配線１４２、１５０によって短絡されている。即ち、基準抵抗１２４ｄ、１３４ｄは短絡されている。この配線１４２、１５０の他端はそれぞれ、Ａ端子１４４とＢ端子１５２を介して、配線１４５、１５３が接続されている。その配線１４５、１５３の他端にはそれぞれ、定電流Ｉ１の電流源１４８と、定電流Ｉ２の電流源１５６が接続されている。Ａ端子１４４と定電流Ｉ１の電流源１４８の間には、出力電圧Ｖ１の検出端子１４６が設けられている。Ｂ端子１５２と定電流Ｉ２の電流源１５６の間には、出力電圧Ｖ２の検出端子１５４が設けられている。本実施例によると、各半導体ブロック１２０、１３０の同じ面側（上面側）にメサ段差（ゲージ抵抗）や電極が形成されているので、各種の作業（例えば配線の接続作業等）が行い易い。
【００５８】
電極１２６ｂと１２６ｃの間、及び電極１３６ｂと１３６ｃの間もそれぞれ配線１５８、１６０によって短絡されている。即ち、基準抵抗１２４ｂ、１３４ｂは短絡されている。この配線１５８、１６０の他端は、Ｃ端子１６２を介して、接地部位１６４で接地されている。
図５の回路は、図６の回路のようにさらに簡単化して示すことができる。このように、本実施例では、フルブリッジの基準抵抗間を短絡することによって、結果としては単ゲージ構成を実現している。このため、第１力検知部１０１ａと第２力検知部１０１ｂが重ねられた２段構成であっても、Ａ端子１４４、Ｂ端子１５２、Ｃ端子１６２の３端子構造を実現でき、この結果、３線式（各端子１４４、１５２、１６２に接続された配線１４５、１５３、１６３）の力検知素子１０１が実現されている。このように、本実施例の態様によると、配線数を減少させることができ、素子の回路構成を極めて簡単化することができる。
なお、フルブリッジ又はハーフブリッジ構成や、その他の構成としてもよいのは勿論である。
【００５９】
図６の回路に示すように、ゲージ抵抗（１２４ａ、１２４ｃ）と（１３４ａ、１３４ｃ）に、それぞれ電流源１４８、１５６によって電流Ｉ１、Ｉ２を流すとする。電流Ｉ１、Ｉ２を流した状態で、ゲージ抵抗（１２４ａ、１２４ｃ）と（１３４ａ、１３４ｃ）に応力が作用し、作用した応力に比例してゲージ抵抗（１２４ａ、１２４ｃ）と（１３４ａ、１３４ｃ）の抵抗値が変化（増加）したとする。すると、その抵抗値の変化に比例してゲージ抵抗（１２４ａ、１２４ｃ）と（１３４ａ、１３４ｃ）の検出端子１４６、１５４に出力される電圧値が変化（増加）する。このため、この検出端子１４６、１５４に出力された電圧値を検出することで、ゲージ抵抗に作用した応力の大きさを検知することができ、ひいては力検知素子１０１に作用した力（圧力に起因する力も含む）の大きさを検知できる。
【００６０】
ここで、ゲージ抵抗（１２４ａ、１２４ｃ）と（１３４ａ、１３４ｃ）は、力検知素子１０１に作用した力又は圧力に対して抵抗値の変化量が異なることから、その抵抗値の変化量の大きいゲージ抵抗によって小さな力を細かい分解能で検知し、その抵抗値の変化量の小さいゲージ抵抗によって大きな力を粗い分解能で検知することができ、広いレンジの力を検知できる。
【００６１】
（第１実施例の変形例）  力検知素子１０１を力検知センサとして用いる場合は、図７に示すように、小さな力検知用の第２力検知部１０１ｂの半導体ブロック１３０からロの字型のメサ段差１３２の内側に位置し、そのメサ段差１３２よりも低く突出するストッパ部１３５を形成することが好ましい。この態様によると、力検知素子１０１に大きな力が作用したときに第１力伝達ブロック１３８がストッパ部１３５に当接してそれ以上には変形しないことから、メサ段差１３２が損傷・破壊等されてしまうことを防止できる。ストッパ部１３５がなければメサ段差１３２が損傷・破壊等されてしまうほどの大きな力は、下段の第１力検知部１０１ａのメサ段差１２２を利用して検知することができる。
上段の第２力検知部１０１ｂのメサ段差１３２では、第１力伝達ブロック１３８がストッパ部１３５に当接しない程度の小さな力しか検出できないが、もともと小さな力を細かい分解能で検知するものであるため問題はない。大きな力を粗い分解能で検知する下段の第１力検知部１０１ａのメサ段差１３２では、第１力伝達ブロック１３８がストッパ部１３５に当接するかしないかに関係なく、力を検知できる。
【００６２】
また、力検知素子１０１を力検知センサとして用いる場合、図７に示すように、第１力検知部１０１ａのメサ段差１２２の幅を、第２力検知部１０１ｂのメサ段差１３２の幅よりも大きくしてもよい。この態様によると、小さな力検知用の第１力検知部１０１ａでさらに小さな力を細かい分解能で検知することができ、検知レンジを一層大きくすることができる。
なお、力検知素子１０１を圧力検知センサとして用いる場合にも、小さな圧力検知用の第１力検知部１０１ａにストッパ部を形成して第１力検知部１０１ａの１２２の破壊を防いだり、大きな圧力検知用の第２力検知部１０１ｂのメサ段差の幅を大きくしてさらに大きな力を粗い分解能で検知することができ、検知レンジを一層大きくすることができる。
【００６３】
（第１実施例の応用例）  図８に、第１実施例の力検知素子１０１を組込んだ圧力検知センサ１１０の断面図を示す。
この圧力検知センサ１１０は、アウターハウジング４０と、インナーハウジング４６と、力を伝達する機能を有する断熱性の力伝達部材４９と、固定台４４と、力検知素子１０１と、リードピン４２等を備えている。なお、図示上側が先端側、図示下側が後端側である。
【００６４】
アウターハウジング４０には、インナーハウジング４６が気密に収容されている。インナーハウジング４６の先端には、ダイアフラム５０が形成されている。ダイアフラム５０は金属で形成されている。力伝達部材４９は、ダイアフラム５０に取付けられている。固定台４４は、インナーハウジング４６に固定されている。力検知素子１０１は、固定台４４の中央に取付けらており、力伝達部材４９と対向した位置に配置されている。力検知素子１０１の電極（図１参照）から伸びる３本の配線１４５、１５３、１６３（図１等参照）は、３本存在するそれぞれ別のリードピン４２にワイヤボンディングされている。
【００６５】
この圧力検知センサ１１０では、圧力がダイアフラム５０に作用すると、ダイアフラム５０がたわむことで力伝達部材４９が後端側に変位する。力伝達部材４９が後端側に変位すると、その変位による圧縮応力が力伝達部材４９と対向する力検知素子１０１の力伝達ブロックに作用する。力伝達ブロックに作用した圧縮応力は、隣接するブロックに順次伝達される。半導体ブロックに所定の圧縮応力が伝達されると、上記したように各半導体ブロックに形成されたゲージ抵抗の抵抗値が変化する。各ゲージ抵抗は力検知素子１０１に作用する力に対するゲージ抵抗の抵抗値の変化量が異なることから、小さな圧力は細かい分解能で検知でき、しかも、大きな圧力は粗い分解能で検知することができる。
【００６６】
この圧力検知センサ１１０は、例えばエンジンのシリンダ内に配置された筒内圧センサとして用いられ、爆発圧力（１００気圧程度）に達する高い圧力を粗い分解能で検知し、吸入圧力（１気圧以下）を細かい分解能で検知することができる。小さな圧力を細かい分解能で検知し、大きな圧力を粗い分解能で検知するために、従来は別個の圧力検知センサを用いざるを得なかったのに対し、本実施例によると１個の圧力検知センサで従来の様々な問題を解決ないしは解消できる。
【００６７】
（第２実施例）  図９に、第２実施例の力検知素子１０２の、図２のＩＩ−ＩＩ線断面図に対応する断面図を示す。この力検知素子１０２では、第１力検知部１０２ａの第１力伝達ブロック１７０が薄板状に形成されている。この第１力伝達ブロック１７０は、第２力検知部１０２ｂの第２半導体ブロック１３０の裏面にスパッタ法等で成膜することで形成されている。この第１力伝達ブロック１７０に第１半導体ブロック１２０のメサ段差１２２ａ〜１２２ｄの頂面が陽極接合等されて強固に固定されている。これらの点が第２実施例の力検知素子１０２に固有の主な特徴点である。
【００６８】
この力検知素子１０２によると、第１力伝達ブロック１７０が薄板状であるので、より小型化された素子を実現しながらも、第１半導体ブロック１２０と第２半導体ブロック１３０の間の絶縁を良好に行い、しかも、第１力検知部１０２ａと第２力検知部１０２ｂの間を強固に接合することができる。
【００６９】
（第３実施例）  図１０に、第３実施例の力検知素子１０３の、図２のＩＩ−ＩＩ線断面図に対応する断面図を示す。この力検知素子１０３では、第１力検知部１０３ａの第１半導体ブロック１２０の（１００）面にメサ段差１２２ａ〜１２２ｄが形成されており、第２力検知部１０３ｂの第２半導体ブロック１３０の（１１０）面にメサ段差１３２ａ〜１３２ｄが形成されている。
また、第１半導体ブロック１２０の（１００）面には、平面視したときにロの字形のメサ段差１２２ａ〜１２２ｄの内側に回路領域Ａが形成されている。回路領域Ａには、ゲージ抵抗の両端電圧の増幅回路等の各種回路が形成されている。これに対応して力検知部１０３ｂの薄板状の力伝達ブロック１７６の中央部が窪んでいる。これらの点が第３実施例の力検知素子１０３に固有の主な特徴点である。
【００７０】
このように力検知素子１０３を構成すると、ロの字形のメサ段差１２２ａ〜１２２ｄの内側に形成された回路領域Ａの各種回路によって、作用する力に対応する出力電圧の各種補正を行うことができるので、小型でありながら、より高性能な力検知素子を実現できる。
【００７１】
（第４実施例）  図１１に、第４実施例の力検知素子１０４の、図２のＩＩ−ＩＩ線断面図に対応する断面図を示す。この力検知素子１０４は、固定部１７８側から、第１半導体ブロック１８０、力伝達ブロック１８８、第２半導体ブロック１９０の順に積層されている。半導体ブロック１８０、１９０の表面１８０ａ、１９０ａには、それぞれ平面視したときにロの字形（図示省略）のメサ段差１８２、１９２が形成されている（図１１にはメサ段差１８２ａ、１８２ｃ、１９２ａ、１９２ｃのみが示されている）。メサ段差１８２、１９２の突出する向きは、互いに逆向きで、かつ、向い合っている。各メサ段差１８２、１９２にはそれぞれ、抵抗１８４、１９２が形成されている（図１１にはゲージ抵抗１８４ａ、１８４ｃ、１９２ａ、１９２ｃのみが示されている）。
【００７２】
メサ段差１８２は、メサ段差１９２よりも頂面の面積が大きい。本実施例では各メサ段差１８２、１９２のロの字形の各辺の長さはほとんど変えずに、各メサ段差１８２、１９２の幅を変えることで面積を異ならせ、ゲージ抵抗（１８４ａ、１８４ｃ）と（１９２ａ、１９２ｃ）に作用する応力を異ならせている。この結果として、力検知素子１０４に作用する力に対するゲージ抵抗の抵抗値の変化量を、ゲージ抵抗（１８４ａ、１８４ｃ）と（１９２ａ、１９２ｃ）で異ならせている。これは、本実施例では両メサ段差１８２、１９２を共に同じ力伝達ブロック１８８に接合させているため、両メサ段差１８２、１９２共に力伝達ブロック１８８の裏面１８８ｂ、表面１８８ａの外周から少し内側の位置で接合させて、安定して上側のブロック（メサ段差１８２については力伝達ブロック１８８、メサ段差１９２については第２半導体ブロック１９０）を支持したいからである。
【００７３】
向い合ったメサ段差１８２、１９２の各々の頂面は、１つの力伝達ブロック１８８の裏面１８８ｂと表面１８８ａに陽極接合等されている。この力検知素子１０４は例えば、第１半導体ブロック１８０の裏面１８０ｂが固定部１７８に接合された状態で、第２半導体ブロック１９０の裏面１９０ｂに作用する力、又は素子１０４の周囲から作用する圧力を検出するという態様で使用する。また、第１実施例の力検知素子１０１等と同様に、第２半導体ブロック１９０の裏面１９０ｂに、半球状の力伝達ブロック１９８を接合した状態で使用してもよい。
【００７４】
力検知素子１０４を力検知センサとして用いる場合は、メサ段差１９２の方がメサ段差１８２よりも頂面の面積が小さいので、メサ段差１９２ａ、１９２ｃのゲージ抵抗１９４ａ、１９４ｃ（メサ段差の頂面の面積小、抵抗値の変化量大）を小さな力検知用に使用し、メサ段差１８２ａ、１８２ｃのゲージ抵抗１８４ａ、１８４ｃ（メサ段差の頂面の面積大、抵抗値の変化量小）を大きな力検知用に使用するのが適している。
【００７５】
力検知素子１０４を圧力検知センサとして用いる場合、メサ段差１８２、１９２共に第２半導体ブロック１９０の裏面１９０ｂの一部に有効受圧面が存在する。このため、メサ段差１９２の方がメサ段差１８２よりも伝達面積比（有効受圧面とメサ段差頂面の面積比）が大きい。このため、この素子１０４の場合は、圧力検知センサとして用いる場合でも、メサ段差１９２ａ、１９２ｃのゲージ抵抗１９４ａ、１９４ｃ（伝達面積比大、抵抗値の変化量大）を小さな圧力検知用に使用し、メサ段差１８２ａ、１８２ｃのゲージ抵抗１８４ａ、１８４ｃ（伝達面積比小、抵抗値の変化量小）を大きな圧力検知用に使用するのが適している。これらの点が第４実施例の力検知素子１０４に固有の主な特徴点である。
【００７６】
この力検知素子１０４によると、ゲージ抵抗が２つという点で同じ構成の第１実施例の力検知素子１０１と比較して、力伝達ブロックを１つ減らすことができる。このため、素子が占有するスペースを小さくすることができる。
【００７７】
（第５実施例）  図１２に、第５実施例の力検知素子１０５の、図２のＩＩ−ＩＩ線断面図に対応する断面図を示す。
この力検知素子１０５は、固定部２００側から第１力伝達ブロック２０２、半導体ブロック２０４、第２力伝達ブロック２１８の順に積層されている。
半導体ブロック２０４は、その裏面２０４ｂと表面２０４ａにそれぞれ、メサ段差２０６、２１２（図１２には２０６ａ、２０６ｃ、２１２ａ、２１２ｃのみが示されている）が形成されている。各メサ段差２０６、２１２にはそれぞれ、抵抗２０８、２１４が形成されている（図１２にはゲージ抵抗２０８ａ、２０８ｃ、２１４ａ、２１４ｃのみが示されている）。本実施例の素子１０５は、第４実施例の素子１０４と同様に、各メサ段差２０６、２１２の幅を変えることでその頂面の面積を異ならせることで、結果として、力検知素子１０５に作用する力に対するゲージ抵抗の抵抗値の変化量を、ゲージ抵抗（２０８ａ、２０８ｃ）と（２１４ａ、２１４ｃ）で異ならせている。
【００７８】
第１力伝達ブロック２０２は、半導体ブロック２０４の裏面２０４ｂに形成されたメサ段差２０６の頂面に陽極接合等されている。第２力伝達ブロック２１８は、半導体ブロック２０４の表面２０４ａに形成されたメサ段差２１２の頂面に陽極接合等されている。
【００７９】
本実施例の素子１０５は、第４実施例の素子１０４と同様に例えば、第１力伝達ブロック２０２の裏面２０２ｂｂが固定部２００に接合された状態で、第２力伝達ブロック２１８の裏面２１８ｂに作用する力、又は素子１０５の周囲に作用する圧力を検出するという態様で使用する。また、第２力伝達ブロック２１８の裏面２１８ｂに、半球状の力伝達ブロック２２０を接合した状態で使用してもよい。
【００８０】
この素子１０５を力検知センサとして用いる場合は、第４実施例と同様に考えると、ゲージ抵抗２１４ａ、２１４ｃ（メサ段差２１２ａ、２１２ｃの頂面の面積小、抵抗値の変化量大）を小さな力検知用に使用し、ゲージ抵抗２０８ａ、２０８ｃ（メサ段差２０６ａ、２０６ｃの頂面の面積大、抵抗値の変化量小）を大きな力検知用に使用するのが適している。
【００８１】
この素子１０５を圧力検知センサとして用いる場合、メサ段差２１２については第２力伝達ブロック２１８の裏面２１８ｂの一部に有効受圧面が存在する。メサ段差２０６については半導体ブロック２０４の表面２０４ａの一部に有効受圧面が存在する。例えば、この２つの面２１８ｂと２０４ａの面積比が２／３であり、メサ段差２１２と２０６の頂面の面積比（この例ではメサ段差２１２と２０６の幅の比とほぼ同等）が１／３であるとすると、メサ段差２１２の伝達面積比はメサ段差２０６の伝達面積比よりも２倍（上記した１番目の面積比２／３を２番目の面積比１／３で割ると求まる）大きくなる。このため、この数値例によれば、第４実施例と同様に、圧力検知センサとして用いる場合でも、ゲージ抵抗２１４ａ、２１４ｃ（伝達面積比大、抵抗値の変化量大）を小さな圧力検知用に使用し、ゲージ抵抗２０８ａ、２０８ｃ（伝達面積比小、抵抗値の変化量小）を大きな圧力検知用に使用するのが適している。これらの点が第５実施例の力検知素子１０５に固有の主な特徴点である。
【００８２】
この力検知素子１０５によると、ゲージ抵抗が２つという点で同じ構成の第１実施例の力検知素子１０１と比較して、半導体ブロックを１つ減らすことができる。このため、素子が占有するスペースを小さくすることができる。
【００８３】
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。
【００８４】
例えば、上記実施例では、ゲージ抵抗が２つの場合を例にして説明したが、ゲージ抵抗の数が３つ以上であってもよいのは勿論である。また、ゲージ抵抗の数が３つ以上の場合は、各実施例の素子構成を繰返し重ねて行く構成のみならず、異なる複数の実施例（例えば第１実施例と第２実施例）を重ねて構成する態様も本発明の技術的思想に含まれる。
【００８５】
また、本明細書又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、本明細書又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】
【図１】  第１実施例の力検知素子の斜視図とその周辺回路を示す。
【図２】  第１実施例の力検知素子のＩＩ−ＩＩ線断面図を示す。
【図３】  第１実施例の力検知素子のメサ段差と力伝達ブロックの概略斜視図を示す。
【図４】  力検知の場合と圧力検知の場合について、メサ段差の頂面に作用する圧縮応力の値等を示す。
【図５】  第１実施例の力検知素子の回路とその周辺回路を示す（１）。
【図６】  第１実施例の力検知素子の回路とその周辺回路を示す（２）。
【図７】  第１実施例の力検知素子にストッパ部を形成した場合の断面図を示す。
【図８】  第１実施例の力検知素子が組込まれたハウジング式圧力検知センサの断面図を示す。
【図９】  第２実施例の力検知素子の、図２のＩＩ−ＩＩ線断面図に対応する断面図を示す。
【図１０】  第３実施例の力検知素子の、図２のＩＩ−ＩＩ線断面図に対応する断面図を示す。
【図１１】  第４実施例の力検知素子の、図２のＩＩ−ＩＩ線断面図に対応する断面図を示す。
【図１２】  第５実施例の力検知素子の、図２のＩＩ−ＩＩ線断面図に対応する断面図を示す。
【図１３】  従来の力検知素子の斜視図を示す。
【図１４】  従来の力検知素子が組込まれたハウジング式圧力検知センサの断面図を示す。
【符号の説明】
１０１：力検知素子
１２０、１３０：半導体ブロック
１２２、１３２：メサ段差
１２４、１３４：抵抗
１２４ａ、１２４ｃ、１３４ａ、１３４ｃ：ゲージ抵抗
１２６、１３６：電極
１２８、１３８：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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