JP2001255221A - 接触センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、非常に狭い空間に配置することがで
きる極薄の接触センサを提供する。 【解決手段】本発明の一態様によると、半導体からなる
薄板に設けられた突起部と、この突起部の周辺部の前記
半導体からなる薄板に設けられた開口部と、前記突起部
近傍に設けられ、前記突起部に作用する力を前記半導体
からなる薄板の歪みにより検出する歪みセンサとを有す
ることを特徴とする接触センサが提供される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、接触センサに係
り、特に、対象物と非常に狭い間隔を隔てて機能する機
器に好適する薄膜状の高感度の接触センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】高倍率の顕微鏡対物レンズのように、対
象物と非常に狭い間隔をおいて機能する機器では、対象
物と機器とが接触して、どちらかが破損する危険が、常
に、存在する。

【０００３】高倍率の顕微鏡対物レンズにおいては、オ
ートフォーカス機能を搭載することによって通常は接触
の危険を回避することができるが、対象物の形状等の関
係で焦点検出に失敗した場合にはやはり破損の危険が生
じるため、接触センサを搭載してインターロックをかけ
ることが望ましい。

【０００４】このような用途には光学式の測距センサを
用いることも考えられるが、対象物表面の状態によって
は正確な距離測定を行うことができないケースがあり、
機械的な接触センサの方が最も望ましい。

【０００５】このような接触センサの例としては、例え
ば、特開平１１−１１８６３６号公報に開示されている
ような、接触センサを壊れにくく、小型にしたものなど
がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】一般的に、対物レンズ
と対象物との間が厳密に平行に保たれているわけではな
いので、このような接触センサは対象物と対物レンズと
の間に配置されている必要がある。

【０００７】しかしながら、高倍率の対物レンズの対象
物までの距離すなわちワークディスタンスは０．２ｍｍ
以下の場合もあり、このような狭い空間に配置できる接
触センサは皆無であった。

【０００８】本発明は上記の問題に鑑みて成されたもの
で、非常に狭い空間に配置することができる極薄の接触
センサを提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明によると、上記課
題を解決するために、（１） 半導体からなる薄板に設
けられた突起部と、この突起部の周辺部の前記半導体か
らなる薄板に設けられた開口部と、前記突起部近傍に設
けられ、前記突起部に作用する力を前記半導体からなる
薄板の歪みにより検出する歪みセンサと、を有すること
を特徴とする接触センサが提供される。

【００１０】（対応する実施の形態）後述する第１及び
第２の実施の形態が該当する。

【００１１】（作用）半導体薄板からなる本体部２にお
いて、複数の突起部８の周辺に切り欠き（開口部）９が
形成されていると共に、突起部８に近接して歪みセンサ
としてのセンサ部１０が配置されていることにより、突
起部８が対象物に接触して応力が発生すると、センサ部
１０に歪みが生じて、対象物の接触が検知される。

【００１２】また、本発明によると、上記課題を解決す
るために、（２） 前記突起部の直下では周辺部よりも
前記半導体からなる薄板が薄くなっていることを特徴と
する（１）に記載の接触センサが提供される。

【００１３】（対応する実施の形態）後述する第１の実
施の形態が該当する。

【００１４】（作用）突起部８と歪みセンサとしてのセ
ンサ素子１０が形成された領域１１の厚さが、その周囲
の半導体薄板からなる本体部２の厚さよりも薄く形成さ
れていることにより、接触センサの取り付け面が単純な
平面であっても、特別なスペーサなどを必要とせずに、
受圧部としての突起部８の動作クリアランスが確保され
る。

【００１５】また、本発明によると、上記課題を解決す
るために、（３） 前記開口部は前記突起部を取り囲ん
で形成されており、前記開口部によって前記突起部直下
の領域は、周辺の前記半導体からなる薄板から片持ち梁
として支持されていることを特徴とする（１）又は
（２）に記載の接触センサが提供される。

【００１６】（対応する実施の形態）後述する第１の実
施の形態が該当する。

【００１７】（作用）受圧部としての突起部８が形成さ
れた領域１１が、周囲の半導体薄板からなる本体部２に
よって一端を支持された片持ち梁を構成していることに
より、受圧部としての突起部８に印加された応力によっ
て容易に変形する。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下図面を参照して本発明の実施
の形態について説明する。

【００１９】（第１の実施の形態）本発明の第１の実施
の形態として、顕微鏡対物レンズの先端部に取り付けて
用いる接触センサについて図１から図６を用いて説明す
る。

【００２０】図１は、本発明の第１の実施の形態による
接触センサの構造を示している。

【００２１】ここで、図１の（ａ）は、第１の実施の形
態による接触センサの平面図であり、図１の（ｂ）は、
図１の（ａ）におけるＡ−Ａ´断面図である。

【００２２】すなわち、本発明の第１の実施の形態によ
る接触センサ１は、ｎ型の単結晶シリコン等の半導体薄
板からなる円環状の本体部２と、ｎ型の単結晶シリコン
等の半導体薄板からなる電極部３及びｎ型の単結晶シリ
コン等の半導体薄板からなる可撓性薄膜部４とで構成さ
れる。

【００２３】なお、これらの円環状の本体部２と、電極
部３とは、ｎ型の単結晶シリコンの半導体薄板で構成さ
れ、これらと一体に形成された可撓性薄膜部４によって
連結されている。

【００２４】そして、円環状の本体部２上には円周に沿
って８個のセンサ部５が形成されていると共に、電極部
３には電子回路６と複数の外部リード電極７とが形成さ
れている。

【００２５】センサ部５は、ゴム部材のように弾性を備
えたドーム状として形成された受圧部としての突起部８
と、該突起部８の周囲３方を囲う切り欠き（開口）部９
及び受圧部としての突起部８に近接して切り欠き（開
口）部９のない部位に配置された歪みセンサとしてのセ
ンサ素子１０とで構成される。

【００２６】図２は、図１のセンサ部５の拡大図であ
る。

【００２７】すなわち、センサ部５における歪みセンサ
としてのセンサ素子１０は、ｎ型の単結晶シリコン等の
半導体薄板からなる円環状の本体部２上における上述し
た部位に、ｐ型拡散層により四角の各辺を構成するよう
に形成された４つのピエゾ抵抗素子１０ａ，１０ｂ，１
０ｃ，１０ｄで構成されている。

【００２８】また、図２から分かるように、受圧部とし
ての突起部８とそれに近接して配置されたセンサ素子１
０の領域１１の直下では、ｎ型の単結晶シリコン等の半
導体薄板の厚さ（ｔ１）が、他の領域の半導体薄板の厚
さ（ｔ２）よりも薄く（ｔ１＜ｔ２）なるように形成さ
れている。

【００２９】また、図２から分かるように、この領域１
１は、周囲の本体部２において切り欠き（開口）部９が
形成されていない部位によって支持された片持ち梁を構
成している。

【００３０】そして、受圧部としての突起部８に対し
て、ｎ型の単結晶シリコン等の半導体薄板からなる本体
部２の主面に鉛直な方向に応力が印加された場合、領域
１１は押し下げられることになるが、この際、ピエゾ抵
抗素子１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄが形成されてい
る部位の表面には引っ張り応力が作用する。

【００３１】ここで、この応力の方向は、ピエゾ抵抗素
子１０ａ、１０ｂの電流経路と同じであり、ピエゾ抵抗
素子１０ｂ、１０ｄの電流経路とは直交する。

【００３２】また、ピエゾ抵抗素子１０ａ、１０ｂの電
流経路は＜１１０＞の結晶方位に沿ったものである。

【００３３】図３は、図１及び図２のセンサ素子１０部
の拡大図である。

【００３４】ここで、図３の（ａ）は、センサ素子１０
部の平面図であり、図３の（ｂ）は、図３の（ａ）にお
けるＡ−Ａ´断面図である。

【００３５】すなわち、センサ素子１０部における４つ
のピエゾ抵抗素子１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄは、
それぞれ、配線層１２によって、ブリッジ回路を構成し
ている。

【００３６】この場合、配線層１２は、図３の（ｂ）の
断面図に示されているように、下層ポリイミド膜１３に
よつて、ｎ型の単結晶シリコン等の半導体薄板からなる
本体部２から電気的に絶縁されていると共に、この下層
ポリイミド膜１３の所定部位に開口されたコンタクト孔
１５によって、ｐ型拡散層で形成されたピエゾ抵抗素子
１０ｂに電気的に接続されている。

【００３７】この電気的な接続関係は、他のピエゾ抵抗
素子１０ａ，１０ｃ，１０ｄに対しても同様になされて
いる。

【００３８】また、配線層１２の上部は、上層ポリイミ
ド膜１４で覆われている。

【００３９】また、図１及び図２では特に図示していな
いが、８つのセンサ部１０の各々のセンサ素子１０部の
配線は、ｎ型の単結晶シリコン等の半導体薄板からなる
本体部２上に形成された下層ポリイミド膜１３及び上層
ポリイミド膜１４の間に形成されている配線層１２によ
つて、図１及び図２に示した可撓性薄膜部４を通って電
極部３に形成された電子回路６に接続されている。

【００４０】この電気回路６は、ＣＭＯＳ−ＬＳＩであ
り、各センサ素子１０部への電力供給と、これらを時分
割で切り替える時分割回路としての機能及び各センサ素
子１０からの信号を増幅する増幅回路としての機能を有
している。

【００４１】また、この電子回路６は、複数の電極７に
も接続されており、ここに接続されたリードワイヤによ
つて外部コントローラに接続される。

【００４２】次に、本実施の形態の接触センサ１の製造
方法について図４の（ａ）〜図４の（ｃ）及び図５の
（ａ）〜図５の（ｃ）を用いて説明する。

【００４３】まず、図４の（ａ）に示すように、主面の
面方位が＜１００＞のシリコンの低濃度ｐ型半導体基板
１０１上の、受圧部としての突起部８の下部の領域１１
に対応する領域に基板１０１よりも濃度が高いｐ型拡散
層１０２を形成する。

【００４４】その後で、図４の（ｂ）に示すように、本
体部２及び電極部３となる領域にｎ型拡散層１０３を形
成する。

【００４５】このとき、ｐ型拡散層１０２が形成された
領域では、ｐ型不純物の濃度が他の領域と比較して高い
ため、この領域での接合深さが浅くなる。

【００４６】さらに、この後で、ピエゾ抵抗素子１０
ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄとなる接合深さが浅くて比
較的高濃度のｐ型拡散層１０４を形成する。

【００４７】また、この工程に前後して電極部３内の電
子回路６を通常のＣＭＯＳプロセスによつて形成する。

【００４８】次に、図４の（ｃ）に示したように、半導
体基板１０１の裏面の、接触センサ１が形成される領域
の外周部にシリコン窒化膜１０５を形成する。

【００４９】また、シリコン等の半導体基板１０１の表
面にはシリコン酸化膜よりなる絶縁膜１０６が形成さ
れ、その内部には電子回路６の配線層（図示せず）が通
常の集積回路と同様の手法で形成される。

【００５０】また、絶縁膜１０６の表面側には下層ポリ
イミド膜１３、アルミニウム薄膜よりなる配線層１２及
び上層ポリイミド膜１４を順次形成する。

【００５１】この際、絶縁層１０６及び下層ポリイミド
膜１３には、ピエゾ抵抗素子１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，
１０ｄ及び電子回路６の配線層（図示せず）に電気的に
接続するためのコンタクト孔（図示せず）か形成され、
上層ポリイミド膜１４の所定領域には外部リード電極と
なる複数の電極７のための開口部が形成される。

【００５２】この後で、上層ポリイミド膜１４上の所定
領域に弾性を備えたドーム状に形成された受圧部として
の突起部８が形成される。

【００５３】この弾性を備えた受圧部としての突起部８
を形成する方法については、幾つかの方法が考えられる
が、例えば、比較的ガラス転移温度の低い柔らかな樹脂
をスクリーン印刷などの方法で所定部位に形成し、これ
を加熱することでドーム状に変形させて固化することで
形成できる。

【００５４】次に、図５の（ａ）に示すように、ｎ型拡
散層１０３に正バイアスを印加してアルカリ溶液中で電
気化学エッチングを行う。

【００５５】この際、シリコン等の半導体基板１０１の
表面側を機械的に封止するなどして保護し、シリコン窒
化膜１０５のパターンをマスクとすることで、ｎ型拡散
層１０３の領域が選択的に残存して図示したような形態
が得られる。

【００５６】また、この際、シリコン酸化膜よりなる絶
縁層１０６がエッチングストッパとして機能する。

【００５７】ここで、シリコンが残存する領域の厚さ
は、ｎ型拡散層１０３の接合深さと、そこからｐ型基板
もしくはｐ型拡散層に延在する空乏層幅によつて規定さ
れるが、この厚さは拡散層のｎ型不純物導入及び熱拡散
工程と電気化学エッチングの印加電圧によつて、例え
ば、１０μ程度の厚さに厳密にコントロールすることが
できる。

【００５８】また、図４の（ａ）に示したｐ型拡散層１
０２が形成された領域では前述のように、周囲と比較し
て接合深さが浅いことと、接合部近傍の基板側の濃度が
高いことによつて、電気化学エッチング時の空乏層幅が
抑制される効果が生じるので、残存するシリコンの厚さ
が周囲の厚さと比較して薄くなるように形成することが
できる。

【００５９】この残存するシリコンの厚さと周囲の厚さ
との差についても、ｐ型不純物導入及ぴ熱拡散工程によ
つて厳密に制御できるので、結果として再現性の高い薄
板状の単結晶シリコン層を得ることが可能になる。

【００６０】次に、図５の（ｂ）に示すように、裏面側
から反応性イオンエッチングを行うことで、シリコン酸
化膜よりなる絶縁膜１０６の露出した領域を選択的に除
去し、エキシマレーザーアブレーションによつて、その
領域のポリイミド膜１３及び１４、シリコン等の半導体
基板１０１表面のシリコン酸化膜１０６を除去すること
で平面コの字型の切り欠き（開口）部９を形成する。

【００６１】この切り欠き（開口）部９の形成方法とし
ては、あらかじめ、その領域にｎ型拡散層１０３を形成
しないことによつて、電気化学エッチングの際に、この
領域にシリコンが残らないようにすることでも可能であ
る。

【００６２】この方法では、ポリイミド膜１３及び１４
は切り欠きの領域に残存することになるが、ポリイミド
の剛性はシリコンと比較して十分に小さいので、後に説
明するようにセンサの特性に大きく影響することはな
い。

【００６３】また、上述のエキシマレーザーアブレーシ
ョンの代わりに反応性イオンエッチングを用いたフォト
リソグラフィー技術を適用する手法も考えられる。

【００６４】次に、図５の（ｃ）に示すように、図５の
（ｂ）における本体部２の中空部に該当する領域１０７
と外周部のポリイミド膜１３及び１４を切断することに
よって、図１に示した形態の接触センサ１を得ることが
できる。

【００６５】この場合、ポリイミド膜１３及び１４や絶
縁膜１０６の厚さは、半導体プロセスの適用によって容
易に数μｍのレベルまで薄膜化することができるので、
前述の薄板状単結晶シリコンの形成手法と相まって、全
体の厚さが１００μｍを大きく下回る極薄の接触センサ
１を得ることができる。

【００６６】図６は、本実施の形態の接触センサ１を顕
微鏡の対物レンズ１６に組み付けた状態を示している。

【００６７】すなわち、対物レンズ１６の鏡枠前面１７
に対して、接触センサ１の本体部２が接着されている。

【００６８】そして、接触センサ１の電極部３は、該接
触センサ１の本体部２と電極部３との間に存在している
可撓性薄膜部４の部分を折り曲げることによって、対物
レンズ１６の鏡枠側面部に貼り付けられている。

【００６９】なお、ここでは、特に、図示しないが、電
極部３の外部リード電極７には外部コントローラと接続
するためのリード線が接続される。

【００７０】また、可撓性薄膜部４は、前述のように下
層ポリイミド膜１３、上層ポリイミド膜１４およびそれ
らの間に形成された配線層１２によって構成されるが、
全体の厚さで数μｍ程度の厚さなので、小さな曲率半径
で折り曲げたとしても断線することはない。

【００７１】このように電極部３を対物レンズ１６の鏡
枠側面部に配置することによつて、外部コントローラと
接続するためのリード線を接続する空間を確保するため
に実質的な接触センサ１の厚さが増大することを防ぐこ
とができる。

【００７２】このため、対物レンズ１６の最前面レンズ
１８と対象物の間隔が非常に小さい、高倍率の対物レン
ズにあっても本実施の形態の接触センサ１を適用するこ
とが可能となる。

【００７３】次に、本実施の形態による接触センサ１の
動作について説明する。

【００７４】図２に示したような構成のセンサ部５で
は、受圧部としての突起部８の下部の領域１１がｎ型の
単結晶シリコン等の半導体薄板からなる本体部２に支持
された片持ち梁であるので、受圧部としての突起部８に
対象物が接触するとセンサ素子１０に曲げ応力が作用す
る。

【００７５】この際に、ピエゾ抵抗素子１０ａ及び１０
ｃには電流経路と同一の方向に引っ張り歪みが作用し、
ピエゾ抵抗素子１０ｂ及び１０ｄには電流経路と直交す
る方向に引っ張り歪みが作用することになる。

【００７６】なお、先に、本実施の形態による接触セン
サ１の製造方法の説明の際に触れたように、センサ部５
の切り欠き（開口）部９の部分にポリイミド膜などの弾
性率の低い薄膜が残存した場合でも、その剛性がｎ型の
単結晶シリコン等の半導体薄板からなる領域１１の剛性
よりも十分に小さければ、この受圧部としての突起部８
に対象物が接触することによってセンサ素子１０に曲げ
応力が作用する動作を大幅に損なうことはない。

【００７７】ところで、主面が＜１００＞のシリコン基
板１０１上に形成された、主な電流経路の面方位が＜１
１０＞の低濃度ｐ型拡散層のゲージ率は最大値を示し、
例えば、文献「Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｓｉｌｉ
ｃｏｎ」（ＩＳＢＮ０ ８５２９６ ４７５ ７）によ
れば、電流経路と同一の方向の歪みに対して＋１２１．
３で電流経路と直交する方向の歪みに対して−１１２．
０である。

【００７８】すなわち，受圧部としての突起部８に対象
物が接触するとピエゾ抵抗素子１０ａ及び１０ｃの抵抗
値は増大し、ピエゾ抵抗素子１０ｂ及び１０ｄの抵抗値
は減少する。

【００７９】このため、４つのピエゾ抵抗素子１０ａ，
１０ｂ，１０ｃ及び１０ｄ各々のゲージ率が金属薄膜な
どと比較すると非常に大きいことと相まって、これら４
つのピエゾ抵抗素子１０ａ，１０ｂ，１０ｃ及び１０ｄ
でブリッジ回路を構成することで相補的で高感度の歪み
計測が可能となり、結果として、接触センサ１によって
非常に小さな接触に伴う応力をも検知することが可能と
なる。

【００８０】また、上述のように、本実施の形態による
接触センサ１の製造に際しては、集積回路の製造に用い
られるフォトリソグラフィー技術を適用することができ
るので、４つのピエゾ抵抗素子１０ａ，１０ｂ，１０ｃ
及び１０ｄを微細かつ近接して配置することが可能とな
り、４つのピエゾ抵抗素子１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１
０ｄ間の温度差を非常に小さくすることができるので、
センサ部５としての応力検知に及ぼす温度ドリフトの影
響をきわめて小さくすることができる。

【００８１】このように本実施の形態のセンサ部５は、
周囲の温度変化に対して安定に、非常に小さい接触応力
の検知が可能である。

【００８２】また、本実施の形態の接触センサ１では、
図６に示したように、顕微鏡の対物レンズ１６に組み付
けた場合に、対物レンズ１６の最前面レンズ１８の周囲
に８個のセンサ部５の各受圧部としての突起部８が形成
されているので、対象物と対物レンズ１６の鏡枠前面１
７が厳密に平行でない場合であっても、対象物が対物レ
ンズ１６の最前面のレンズ１８ヘの接触に先立っていず
れかのセンサ部５の受圧部としての突起部８が対象物と
接触し、その接触を検知することができる。

【００８３】また、上述のように本実施の形態の接触セ
ンサ１では、非常に微小な応力でも接触検知が可能であ
るので、接触検知後に速やかに回避もしくは対物レンズ
１６のフォーカシング動作の停止を行うことによつて、
接触に伴う対象物へのダメージをきわめて少なくするこ
とが可能である。

【００８４】加えて、本実施の形態の構成にあっては、
受圧部としての突起部８が形成されたｎ型の単結晶シリ
コン等の半導体薄板からなる領域１１の厚さ（ｔ１）
は、その周囲のｎ型の単結晶シリコン等の半導体薄板か
らなる本体部２の厚さ（ｔ２）よりも薄いので、より小
さな応力で歪みが生じるばかりでなく、対物レンズ１６
の鏡枠前面１７に貼り付けた際に、特別なスペーサを用
いることなく受圧部としての突起部８の動作のクリアラ
ンスを確保できると共に、実質的なセンサの厚さを薄く
することができる。

【００８５】また、対物レンズ１６の鏡枠側面に取り付
けられた電極部３に配置された電子回路６に時分割回路
と増幅回路等を内蔵することにより、複数のセンサ部５
を備えた場合にあっても、外部コントローラとの接続は
電源ライン、信号ライン、クロックラインなどの最小限
の配線数で機能する。

【００８６】また、これによって増幅回路が接触センサ
１に近接して配置されることにより、ら高いＳ／Ｎでの
接触検知を実現することができる。

【００８７】また、実質的に、センサ部と回路部が一体
で形成されていることにより、装置を小型化することが
可能であるので、不必要に対物レンズ１６等の鏡枠を大
型化することはない。

【００８８】なお、本実施の形態では、電子回路６を、
本体部２と一体に形成した電極部３に配置しているが、
スペースに余裕があれば本体部２に組み込むことも可能
であることは言うまでもない。

【００８９】なお、本実施の形態においては、接触セン
サ１を顕微鏡の対物レンズ１６への適用例を取り上げた
が、対象物に近接して動作する各種の機器について広範
囲に適用可能であることは言うまでもない。

【００９０】（第２の実施の形態）次に、本発明の第２
の実施の形態による接触センサについて、図７を用いて
説明する。

【００９１】本発明の第２の実施の形態による接触セン
サは、基本的には、上述した第１の実施の形態と同一で
あるが、センサ部の構成のみが異なる。

【００９２】すなわち、本実施の形態では、センサ部
５′として、ｎ型の単結晶シリコン等の半導体薄板から
なる本体部２に受圧部としての突起部８が形成され、そ
の両側に２つの切り欠き（開口）部９′が形成されてい
る。

【００９３】この場合、受圧部としての突起部８の直下
に形成されたｎ型の単結晶シリコン等の半導体薄板から
なる領域１１′の厚さ（ｔ１）は、その周囲のｎ型の単
結晶シリコン等の半導体薄板からなる本体部２の厚さ
（ｔ２）よりも薄く形成されている。

【００９４】また、受圧部としての突起部８の近傍に
は、ｐ型拡散層よりなるピエゾ抵抗素子１０ａ′，１０
ｂ′，１０ｃ′，１０ｄ′が四角の４つの辺を構成する
ように形成されている。

【００９５】図７から判るように、第１の実施の形態で
はセンサ部５の領域１１が片持ち梁で形成されていたの
に対して、本実施の形態ではセンサ部５′の領域１１′
が両持ち梁で支持されている点が異なる。

【００９６】この構成では第１の実施の形態と比較する
と、接触応力に対する感度の点で劣るが、受圧部として
の突起部８に横あるいは斜め方向から大きな応力が加わ
った場合の機械強度が高いので、清掃などの目的でセン
サ部５′に対して比較的強い応力が加わる可能性のある
用途には好適である。

【００９７】そして、上述したような実施の形態で示し
た本明細書には、特許請求の範囲に示した請求項１乃至
３以外にも、以下に付記１乃至付記６として示すような
発明が含まれている。

【００９８】（付記１） 半導体からなる薄板と、この
薄板上に設けられた可撓性薄膜と、この可撓性薄膜上に
設けられた突起部と、前記薄板と前記可撓性薄膜に設け
られた開口部と、前記突起部近傍の前記半導体からなる
薄板上に設けられ、前記突起部に作用する力を検出する
歪みセンサと、を有することを特徴とする接触センサ。

【００９９】（対応する実施の形態）第１及び第２の実
施の形態が該当する。

【０１００】（作用効果）半導体薄板からなる本体部２
において、複数の突起部８の周辺に切り欠き（開口部）
９が形成されていると共に、突起部８に近接して歪みセ
ンサとしてのセンサ部１０が配置されていることによ
り、突起部８が対象物に接触して応力が発生すると、セ
ンサ部１０に歪みが生じて、対象物の接触が検知され
る。

【０１０１】このようにして、対象物が突起部に接触し
て応力が発生するのを歪みセンサで検知することによ
り、その対象物の接触を検知する接触センサが半導体薄
板で形成されているので、センサ自体を非常に薄くする
ことができると共に、突起部が複数形成されているの
で、対象物と接触センサを組み付けた機器とが厳密に平
行でない場合であってもいずれかの突起部を介して対象
物の接触を検知することが可能である。

【０１０２】（付記２） 前記開口部は、前記突起部の
両側の対向する位置に形成されており、前記開口部によ
って前記突起部直下の領域は、周辺の前記半導体からな
る薄板から両持ち梁として支持されていることを特徴と
する請求項１に記載の接触センサ。

【０１０３】（対応する実施の形態）第２の実施の形態
が該当する。

【０１０４】（作用効果）受圧部としての突起部８が形
成された領域１１′が、周囲の単結晶シリコン薄板から
なる本体部２によって両端を支持された両持ち梁を構成
している。

【０１０５】このように領域１１′は、両持ち梁となっ
ているので、受圧部としての突起部８に印加された応力
によつて容易に変形し、ピエゾ抵抗素子１０ａ′，１０
ｂ′，１０ｃ′，１０ｄ′で構成される歪みセンサとし
てのセンサ素子において、比較的小さい応力に対して大
きな出力信号が得られる。

【０１０６】加えて、領域１１′は、その機械的強度が
高いので、清掃などの目的で受圧部としての突起部８に
大きな力が作用した場合にあっても容易には破損しな
い。

【０１０７】（付記３） 前記半導体からなる薄板は単
結晶シリコン基板を電気化学エッチングすることによっ
て形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記
載の接触センサ。

【０１０８】（対応する実施の形態）第１の実施の形態
が該当する。

【０１０９】（作用効果）接触センサ１の本体部２が、
ｐ型単結晶半導体基板１０１に形成したｎ型拡散層１０
３にバイアスを印加してアルカリ性水溶液中で電気化学
エッチングを行うことによって形成される。

【０１１０】これにより、シリコンが残存する領域の厚
さは、ｎ型拡散層１０３の接合深さとそこからｐ型基板
１０１もしくはｐ型拡散層１０３に延在する空乏層幅に
よつて規定されるが、この厚さは拡散層のｎ型不純物導
入及び熱拡散工程と電気化学エッチングの印加電圧によ
って、例えば、１０μ程度の厚さに厳密にコントロール
することができる。

【０１１１】このようにして、単結晶シリコンの本体部
２を薄く形成することによつて、受圧部としての突起部
８に対する応力を高感度に検知すると共に、センサ全体
の厚さを薄くすることができる。

【０１１２】（付記４） 前記歪みセンサは、主面の面
方位が＜１００＞の単結晶シリコン基板に形成されたＰ
型拡散層からなる複数の抵抗素子であり、この内、少な
くとも一つの前記抵抗素子の電流経路は、前記単結晶シ
リコン基板の＜１１０＞の結晶方位に沿つており、他の
前記抵抗素子の電流経路は＜１１０＞の結晶方位に直交
していることを特徴とする付記２に記載の接触センサ。

【０１１３】（対応する実施の形態）第１の実施の形態
が該当する。

【０１１４】（作用効果）歪みセンサしてのピエゾ抵抗
素子１０ａ、１０ｂ，１０ｃ、１０ｄは、主面の面方位
が＜１００＞の単結晶半導体基板に形成されたｐ型拡散
層で構成され、ピエゾ抵抗素子１０ａ、１０ｂの電流経
路はピエゾ抵抗素子１０ｂ、１０ｄの電流経路とは直交
する。

【０１１５】また、ピエゾ抵抗素子１０ａ、１０ｂの電
流経路は＜１１０＞の結晶方位に沿ったものである。

【０１１６】そして、主面が＜１００＞の単結晶半導体
基板してのシリコン基板上に形成された主な電流経路の
面方位が＜１１０＞の低濃度ｐ型拡散層のゲージ率は最
大値を示す。

【０１１７】すなわち、受圧部しての突起部８に対象物
が接触するとピエゾ抵抗素子１０ａ及び１０ｃの抵抗値
は増大し、ピエゾ抵抗素子１０ｂ及ぴ１０ｄの抵抗値は
減少する。

【０１１８】このため、歪みセンサしてのピエゾ抵抗素
子１０ａ、１０ｂ，１０ｃ、１０ｄ各々のゲージ率が金
属薄膜などと比較すると非常に大きいことと相まって、
これら４つのピエゾ抵抗素子１０ａ、１０ｂ，１０ｃ、
１０ｄでブリッジ回路を構成することで相補的で高感度
の歪み計測が可能となり、結果として非常に小さな接触
に伴う応力を検知することが可能である。

【０１１９】（付記５） 前記歪みセンサの信号処理回
路が前記半導体からなる薄板上に一体に形成されている
ことを特徴とする請求項１ないし３、付記１ないし４に
記載の接触センサ。

【０１２０】（対応する実施の形態）第１の実施の形態
が該当する。

【０１２１】（作用効果）歪みセンサを構成する複数の
センサ部５の時分割回路や増幅回路などを含んだ電子回
路６が、歪みセンサとしての接触センサ１の本体部２と
一体に形成されている。

【０１２２】これにより、電極部３に配置された電子回
路６に時分割回路と増幅回路が内蔵されているので、歪
みセンサが複数のセンサ部５を備えた場合にあっても、
外部コントローラとの接続は電源ライン、信号ライン、
クロックラインなどの最小限の配線数で機能する。

【０１２３】また、これによって増幅回路が接触センサ
１に近接して配置されることにより、ら高いＳ／Ｎでの
接触検知を実現することができる。

【０１２４】また、実質的に、センサ部と回路部が一体
で形成されていることにより、装置を小型化することが
可能であるので、不必要に対物レンズ１６等の鏡枠を大
型化することはない。

【０１２５】（付記６） 外部コントローラに接続する
ためのリード線を接続するための電極が、前記半導体か
らなる薄板と一体に形成されている可撓性薄膜によっ
て、前記歪みセンサを形成した半導体からなる薄板と分
離した領域にあって、前記可撓性薄膜内に形成された配
線層によつて電気的に接続されていることを特徴とする
請求項１ないし３、付記１ないし５に記載の接触セン
サ。

【０１２６】（対応する実施の形態）第１の実施の形態
が該当する。

【０１２７】（作用効果）外部リード電極７が形成され
た電極部３は、複数のセンサ部５が形成された本体部２
と、可撓性薄膜部４をによって連結されており、可撓性
薄膜内の配線によって電気的に接続されている。

【０１２８】電極部３の外部リード電極７には外部コン
トローラと接続するためのリード線が接続される。

【０１２９】可撓性薄膜部４は前述のように下層ポリイ
ミド膜１３、上層ポリイミド膜１４及びそれらの間に形
成された配線層１２によって構成されるが、全体の厚さ
で数μｍ程度の厚さなので、小さな曲率でかなり強い応
力が作用するように折り曲げても断線することはない。

【０１３０】このように電極部３を対物レンズ１６の鏡
枠側面部に配置することによつて、外部コントローラと
接続するためのリード線を接続する空間を確保するため
に実質的な接触センサの厚さが増大することを防ぐこと
ができる。

【０１３１】このため、対物レンズ１６の最前面のレン
ズ１８と対象物の間隔が非常に小さい、高倍率の対物レ
ンズにあっても本発明による接触センサ１を適用するこ
とが可能となる。

【０１３２】

【発明の効果】請求項１に記載の本発明によれば、対象
物が突起部に接触して応力が発生するのを歪みセンサで
検知することにより、その対象物の接触を検知する接触
センサが半導体薄板で形成されているので、センサ自体
を非常に薄くすることができると共に、突起部が複数形
成されているので、対象物と接触センサを組み付けた機
器とが厳密に平行でない場合であってもいずれかの突起
部を介して対象物の接触を検知することが可能である。

【０１３３】請求項２に記載の本発明によれば、突起部
と歪みセンサが形成された領域が、その周囲の単結晶シ
リコン等の半導体からなる薄板よりも薄く形成されてい
ることにより、接触センサの取り付け面が単純な平面で
あっても、特別なスペーサなどを必要とせずに、受圧部
としての突起部の動作クリアランスが確保されるので、
実質的な接触センサの厚さを薄くすることができる。

【０１３４】請求項３に記載の本発明によれば、突起部
と歪みセンサが形成された領域が、周囲の半導体からな
る薄板によって一端を支持された片持ち梁を構成してい
ることにより、突起部に印加された応力によって容易に
変形するので、歪みセンサにおいて比較的小さな応力に
対して大きな出力信号を得ることができる。

【０１３５】従って、以上説明したように、本発明によ
れば、非常に狭い空間に配置することができる極薄の接
触センサを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の第１の実施の形態による接触
センサの構造を示しており、図１の（ａ）は、第１の実
施の形態による接触センサの平面図であり、図１の
（ｂ）は、図１の（ａ）におけるＡ−Ａ´断面図であ
る。

【図２】図２は、図１のセンサ部５の拡大図である。

【図３】図３は、図１及び図２のセンサ素子１０部の拡
大図であり、図３の（ａ）は、センサ素子１０部の平面
図であり、図３の（ｂ）は、図３の（ａ）におけるＡ−
Ａ´断面図である。

【図４】図４の（ａ）〜図４の（ｃ）は、第１の実施の
形態による接触センサ１の製造方法を説明するための工
程図である。

【図５】図５の（ａ）〜図５の（ｃ）は、第１の実施の
形態による接触センサ１の製造方法を説明するための工
程図である。

【図６】図６は、第１の実施の形態による接触センサ１
を顕微鏡の対物レンズ１６に組み付けた状態を示す図で
ある。

【図７】図７は、本発明の第２の実施の形態による接触
センサの構造を示しており、特に、センサ部５の拡大図
である。

【符号の説明】

１…接触センサ、 ２…ｎ型の単結晶シリコン等の半導体薄板からなる円環
状の本体部、 ３…ｎ型の単結晶シリコン等の半導体薄板からなる電極
部、 ４…ｎ型の単結晶シリコン等の半導体薄板からなる可撓
性薄膜部、 ５…センサ部、 ６…電子回路、 ７…複数の外部リード電極、 ８…受圧部としての突起部、 ９…切り欠き（開口）部、 １０…センサ素子、 １０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ…ピエゾ抵抗素子、 １１…領域、 １２…配線層、 １３…下層ポリイミド膜、 １４…上層ポリイミド膜、 １５…コンタクト孔、 １０１…主面の面方位が＜１００＞の低濃度ｐ型半導体
基板、 １０２…基板よりも濃度が高いｐ型拡散層、 １０３…ｎ型拡散層、 １０４…比較的高濃度のｐ型拡散層、 １０５…シリコン窒化膜、 １０６…シリコン酸化膜よりなる絶縁膜、 １６…対物レンズ、 １７…対物レンズの鏡枠前面、 １８…対物レンズの最前面のレンズ、 ５′…センサ部、 ９′…切り欠き（開口）部、 １１′…領域、 １０ａ′，１０ｂ′，１０ｃ′，１０ｄ′…ピエゾ抵抗
素子。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体からなる薄板に設けられた突起部
   と、 この突起部の周辺部の前記半導体からなる薄板に設けら
   れた開口部と、 前記突起部近傍に設けられ、前記突起部に作用する力を
   前記半導体からなる薄板の歪みにより検出する歪みセン
   サと、 を有することを特徴とする接触センサ。
2. 【請求項２】 前記突起部の直下では周辺部よりも前記
   半導体からなる薄板が薄くなっていることを特徴とする
   請求項１に記載の接触センサ。
3. 【請求項３】 前記開口部は前記突起部を取り囲んで形
   成されており、 前記開口部によって前記突起部直下の領域は、周辺の前
   記半導体からなる薄板から片持ち梁として支持されてい
   ることを特徴とする請求項１又は２に記載の接触セン
   サ。