JP2008533481A - ダブルホイートストンブリッジによる抵抗検知によって力を測定するためのデバイス - Google Patents

Abstract

本発明は、実質上平面状の変形可能な膜（１２、１３、１４）の上に配置され、かつ２つの異なる方向に沿って装着された少なくとも８つの抵抗ゲージ（Ｒ_ｘ１、Ｒ_ｘ２、Ｒ_ｘ３、Ｒ_ｘ４、Ｒ_ｙ１、Ｒ_ｙ２、Ｒ_ｙ３、Ｒ_ｙ４）を備えるダブルホイートストンブリッジによる抵抗検知によって力を測定するためのデバイスに関する。ホイートストンブリッジのそれぞれの抵抗ゲージ（Ｒ_ｘ１、Ｒ_ｘ２、Ｒ_ｘ３、Ｒ_ｘ４、Ｒ_ｙ１、Ｒ_ｙ２、Ｒ_ｙ３、Ｒ_ｙ４）は、膜（１２、１３、１４）に分離された部分のそれぞれ配置され、かつ、少なくとも１つのホイートストンブリッジの２つのゲージ（Ｒ_ｘ２、Ｒ_ｘ３、Ｒ_ｙ１、Ｒ_ｙ４）が膜（１２、１３、１４）の変形不可能な領域（１３）上に配置されている。

Description

本発明は、ダブルホイートストンブリッジによる抵抗検知によって力を測定するためのデバイスに関する。

本発明はまた、このような測定デバイスを製造するための方法に関する。

一般的に言えば、本発明は、２つの異なる方向に向けられた２つのホイートストンブリッジ内に配置された抵抗ゲージを使用した、すべてのタイプの力（力、圧力、モーメント、または角加速度または線形加速度）センサの分野に関する。

このタイプの力センサは、力（空気圧、ビデオゲーム用のジョイスティックなど）または加速度（自動車におけるエアバッグのトリガ、ペースメーカーなど）を測定することがその中で必要とされる、いかなるシステムにも組み込まれることができる。

従来技術の力センサが、文献ＵＳ ４ ７４５ ８１２号に特に記載されている。

マイクロテクノロジー技術によって作成されたそのセンサは、変形可能な支持体の平面内のダブルホイートストンブリッジ内に配置された圧電抵抗検知要素を備える。これらのゲージは、変形可能な支持体に加えられる力の空間内での成分を検知するために、２つの直角な方向に配置されている。

第１の方向に配列された４つのゲージを相互接続することによって得られる、第１のホイートストンブリッジの不均衡は、その第１の方向の力の成分に比例する。第２の方向に配列された４つのゲージを相互接続することによって得られる、第２のホイートストンブリッジの不均衡は、その第２の方向での力の成分に比例する。２つのブリッジの共通モードは、変形可能な支持体の平面に対して垂直な方向の、加えられた力の成分に比例する。

マイクロテクノロジー手段によるこのようなセンサの構造の作成中、ホイートストンブリッジの相互接続は、導電性の経路の絶縁された交差を作成することを必要とする。実際には、これらの絶縁性の交差は、２つの金属レベル層を積層することによって得られる。このような積層は、製造上のオーバーコスト、および効率の低下を有するセンサの不具合のリスクを呈する。

本発明は、上記で述べた欠点を解決し、かつ製造がより簡単である力測定デバイスを提案とする。

本発明は、変形可能な、かつ実質上平面状の膜の上に配置され、かつ２つの異なる方向に配列された少なくとも８つの抵抗ゲージを備えるダブルホイートストンブリッジを使用し、少なくとも１つのホイートストンブリッジの２つのゲージが膜の変形不可能な領域上に配置される、抵抗検知による力測定デバイスを目的とする。

本発明によると、少なくとも１つのホイートストンブリッジの各抵抗ゲージが、ホイートストンブリッジのそれぞれの各抵抗ゲージがそれぞれ別個の膜部分上に配置されるように、他のホイートストンブリッジの抵抗ゲージの配列方向の片側のみに位置された膜部分の上に配置される。

このようにして、別個の膜部分内に同じホイートストンブリッジのゲージを配置することによって、導電性の経路の交差を必要とすることなく、各ブリッジのゲージの相互接続を行うことが可能である。

したがって、ホイートストンブリッジのゲージの相互接続が、導電性材料の単一レベル層によって得られることができる。このため、製造コストが減少され、かつこのような測定デバイスの製造の効率が増加される。

実際には、変形可能な膜上のゲージのこの構成を得るため、および膜の平面内の方向でのゲージの配列を維持するために、ブリッジの少なくとも２つのゲージが、膜の変形不可能な領域上に配置される。

本発明の一実施形態では、少なくとも１つのホイートストンブリッジの２つのゲージが、膜の中央領域上に配置され、それに剛性ロッドが固定される。

本発明の実施例のある実用的な形態によると、２つのホイートストンブリッジのそれぞれの２つのゲージが、膜の変形不可能な領域上に配置される。

第２の態様によると、本発明はまた、上記で説明されたような測定デバイスを製造する方法に関し、その製造方法は、ダブルホイートストンブリッジの抵抗ゲージの相互接続を作成するために導電性材料の単一の被着を含む。

本発明の他の態様および利点が、以下の説明の過程で、より明らかになるであろう。

添付の図面は非限定的な例として与えられる。

本発明の第１の実施形態による力測定デバイスが、図１を参照にして最初に説明される。

図示されている力センサは、「爪」タイプの特定の構造を有する。これは、ヘッド１１が上にある剛性ロッド１０を備える。

測定デバイスのこのヘッド１１は、ロッド１０が力またはモーメントによって作用された場合に、または加速度による完全な構造への荷重がこの膜１２の変形を誘発する場合に、変形されることができる、実質上平面状の変形可能な膜１２を備える。

この実施形態では、変形可能な膜は、中実の円形膜であり、ロッド１０とのその接続は、変形不可能な中心領域１３で行われる。

もちろん、この変形可能な膜は、たとえば、膜の中心領域１３と周縁領域１４の間に延びる様々なアームから作成される、様々な構造を有してもよい。

この周縁領域１４は、休止時に測定デバイスのロッド１０に対する位置を有し、かつロッドまたは構造全体が力によって作用されたときにその位置を実質上保持する固定点を備える。

図１および２の例では、膜１２の周縁領域１４上に延びている複数の連続する固定点がある。

もちろん、固定点はまた、離散した方式で作成されてもよい。

膜１２のこの周縁領域１４もまた、変形不可能である。

したがって、膜１２は、変形不可能な中心領域１３を備える、ディスク状の変形可能な領域を備える。これは、別個のディスクセクタから同様に成ってもよい。

変形可能な膜１２は、ここではダブルホイートストンブリッジとして構成された８つの圧電抵抗ゲージから成る測定要素を備える。

この実施形態では、圧電抵抗ゲージが、２つの異なる方向に４×４で、およびここでは変形可能な膜１２の平面内の２つの直角な方向に配置されている。

特に、最初の４つのゲージＲ_ｘ１、Ｒ_ｘ２、Ｒ_ｘ３、Ｒ_ｘ４は、膜１２の平面の第１の方向Ｘに配列され、かつ図３に示されているようなホイートストンブリッジ回路に接続されている。電圧差Ｖ_Ｂ−Ｖ_Ａによって測定されるようなこのホイートストンブリッジの不均衡は、方向Ｘでの力および加速度の成分に比例する。

同様に、４つのゲージＲ_ｙ１、Ｒ_ｙ２、Ｒ_ｙ３、Ｒ_ｙ４は、方向Ｘに対して直角な第２の方向Ｙに配列され、これらのゲージは図３に示されているように、電位差Ｖ_Ｄ−Ｖ_Ｃによって表されるブリッジの不均衡がこの方向Ｙでの力および加速度の成分に比例するように、ホイートストンブリッジ回路に接続されている。

電位差（Ｖ_Ａ＋Ｖ_Ｂ）−（Ｖ_Ｃ＋Ｖ_Ｄ）によって表される２つのホイートストンブリッジの共通モードは、膜１２に平面に対して垂直な方向Ｚでの力または加速度の成分に比例する。

それぞれのホイートストンブリッジに付随する抵抗ゲージは、それぞれ別個の膜部分１２の上に配置されている、すなわち、膜の平面が、各ブリッジの圧電抵抗ゲージが区画の別個の部分に属するように区分されることができる。

このようにして、様々な直線によって、独立して、導体交差なしに、図２に示されている様々な圧電ゲージの接続を作製することが可能である。

この実施形態では、各ホイートストンブリッジの抵抗ゲージが、他のホイートストンブリッジの抵抗ゲージの配列の方向の片側のみに位置された膜部分上に配置される。

測定デバイスの寸法に関する理由により、本願出願者は、膜１２の変形不可能な領域上に、（複数の）ホイートストンブリッジのそれぞれの少なくとも２つのゲージを配置することが可能であることを見出した。

この実施形態では、ホイートストンブリッジのそれぞれの２つのゲージＲ_ｘ２、Ｒ_ｘ３およびＲ_ｙ１、Ｒ_ｙ４が、膜１２の中央領域１３、すなわち、剛性ロッド１０に取り付けられた中央領域上に配置される。

それぞれの抵抗ゲージが細長い平行四辺形形状を有し、したがってある方向に大きい寸法を有するこの実施形態では、膜の変形不可能な領域上に配置されたゲージが、それらが属するホイートストンブリッジのゲージの配列方向に対して横方向に配置される。もちろん、それらは他のいずれの方式で方向付けられてもよい。

このようにして、ホイートストンブリッジのそれぞれのゲージのいくつかを膜の変形不可能領域へ移動させることによって、力センサのより低い感度が得られる。しかし、変形不可能な部分へのゲージのこの配置は、測定デバイスに加えられる力の強度および方向を測定するためのダブルホイートストンブリッジの計算式をより複雑にすることなく、別個の膜部分上へのブリッジのそれぞれの抵抗ゲージの装着を可能にする。

本発明を実施するための他の構成が、もちろん使用されてもよい。

図４および５に示されているように、ホイートストンブリッジのそれぞれのゲージが、膜１２の周縁領域１４上に配置されてもよく、この周縁領域１４は変形可能な膜１２の固定点を含む。

前の実施形態でのように、ホイートストンブリッジの抵抗ゲージは、他のホイートストンブリッジの抵抗ゲージの配列方向にのみ片側に位置された膜部分上に配置される。

別個の膜部分上へのゲージのこの配置は、様々なダブルホイートストンブリッジ抵抗ゲージの相互接続が、接続部の交差を必要とせずに行われることを可能にする。

図５に示されているゲージのダブルホイートストンブリッジ構成は、図３に示され、かつ前の実施形態を参照にして上記で説明されたものと同一である。

図６に明確に示されているように、１つのホイートストンブリッジ、ここでは、第２の方向Ｙに関連するホイートストンブリッジのゲージのみが、他のホイートストンブリッジの抵抗ゲージの配列の方向Ｘの片側にのみ位置された膜部分上に配置されることができる。

この実施形態では、第１の方向Ｘに関連するホイートストンブリッジの抵抗ゲージが、第２の方向Ｙのいずれかの側に配置される。

このタイプの実施形態もまた、ダブルホイートストンブリッジ回路での様々な抵抗ゲージの相互接続が、接続部の交差を必要とせずに行われることを可能にする。

様々な抵抗ゲージの接続は、図３を参照にして上記で説明されたものと同一である。

上記で説明された力測定デバイスを製造する方法が、図７Ａから７Ｊを参照にして次に説明される。

この実施形態で使用される製造プロセスは、マイクロテクノロジー技術を使用する。

もちろん、他のより簡便な技術もまた、本発明の力測定デバイスを作成するために使用されてもよい。

図７Ａに示されているような、ＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレータ）基板から始めると、たとえばＮタイプの基板内のＰタイプなどの、抵抗ゲージが埋め込まれる。２つの抵抗ゲージＲのみの埋込みが図７Ｂに示されているが、測定デバイスを実施するために必要なゲージのすべてが、もちろんこの段階で埋め込まれる。

図７Ｃに示されているように、パッシベーション層２０が、ゲージＲをカバーするためにＳＯＩ基板上に被着される。

次に、開口が、ゲージＲとの接触を提供する孔を得るために、図７Ｄに示すようにパッシベーション層２０内に作成される。

その後で、ゲージＲの電気的接続および様々な接続、および特にホイートストンブリッジ回路内でのゲージの実装および接続を提供する導体のエッチングが行われる。このエッチングは、図７Ｅに示されているような導電性材料２１の被着によって行われる。

導電性の材料は、たとえば、Ｔｉ−Ｎｉ―ＡｕまたはＣｒ−ＡｕまたはＴｉ−ＴｉＮ−Ａｕなどの導電性材料の１つまたは複数の層から成ってもよい。

上記で明確に説明されたように、様々なゲージＲは、膜の別個の部分の上に配置されており、導電性材料２１の単一の被着が、様々なゲージＲを備えるダブルホイートストンブリッジ回路を作成するために必要とされるすべての接続を作成する。

図７Ｆで明確に示されているように、ダブルエッチングマスク２２、２３が次に、ＳＯＩ基板の裏面上で作成される。

最初のディープエッチングが、測定デバイスの形成を開始するために、特に中央ロッド１０を作成するために、図７Ｇに示されるように行われる。

図７Ｈに示されているように、エッチングマスク２３の１つが、絶縁層まで基板をエッチングするための第２のディープエッチングを図７Ｉに示されているように行う前に、除去される。

他のエッチングマスク２２が次に、図７Ｊに示されているように除去され、裏面をエッチングする様々なステップが、このようにして本発明の測定デバイスの爪型の構造を得る。

上記で示されたように、このようなデバイスを作成するための伝統的な技術では、構造の様々な部分が、従来型の機械加工によって作成され、かつその後組み立てられることができる。金属性のゲージＲが次に、変形可能な部分と接合されてもよい。様々なゲージの接続が、次に導体を作成するための導電性材料の単一の被着によってステップ７Ｄおよび７Ｅを参照にして説明されたように行われる。

様々な修正が、もちろん、本発明の範囲から逸脱することなく上記で説明された実施形態に対して行われることができる。

このようにして、ホイートストンブリッジが、垂直でない２つの方向に方向付けられることができる。

他のタイプの抵抗ゲージもまた、それらが原則として接合されている構造の変形に等しいそれらの変形が、抵抗値の変化に反映されるならば、等しく使用されることができる。金属性のゲージ、または圧電抵抗ゲージ以外の半導体ゲージのタイプもまた、使用されることができる。

本発明の第１の実施形態による力測定デバイスの断面図である。 ダブルホイートストンブリッジ回路を示す、図１による力測定デバイスの上面概略図である。 図１による力測定デバイスのダブルホイートストンブリッジにおけるゲージの相互接続を示す電気回路図である。 本発明の第２の実施形態による力測定デバイスの断面図である。 図４による測定デバイスのダブルホイートストンブリッジを示す上面概略図である。 本発明の第３の実施形態による力測定デバイスのダブルホイートストンブリッジを示す上面図である。 本発明の一実施形態による製造方法のステップの連続を示す図である。 本発明の一実施形態による製造方法のステップの連続を示す図である。 本発明の一実施形態による製造方法のステップの連続を示す図である。 本発明の一実施形態による製造方法のステップの連続を示す図である。 本発明の一実施形態による製造方法のステップの連続を示す図である。 本発明の一実施形態による製造方法のステップの連続を示す図である。 本発明の一実施形態による製造方法のステップの連続を示す図である。 本発明の一実施形態による製造方法のステップの連続を示す図である。 本発明の一実施形態による製造方法のステップの連続を示す図である。 本発明の一実施形態による製造方法のステップの連続を示す図である。

Claims (7)

1. 変形可能な、かつ実質上平面状の膜（１２）の上に配置され、かつ２つの異なる方向（Ｘ、Ｙ）に配列された少なくとも８つの抵抗ゲージ（Ｒ_ｘ１、Ｒ_ｘ２、Ｒ_ｘ３、Ｒ_ｘ４、Ｒ_ｙ１、Ｒ_ｙ２、Ｒ_ｙ３、Ｒ_ｙ４）を備えるダブルホイートストンブリッジを使用し、少なくとも１つのホイートストンブリッジの２つのゲージ（Ｒ_ｙ１、Ｒ_ｙ４）が膜（１２）の変形不可能な領域（１３）上に配置される、抵抗検知による力測定デバイスであって、
   少なくとも１つのホイートストンブリッジの各抵抗ゲージ（Ｒ_ｙ１、Ｒ_ｙ２、Ｒ_ｙ３、Ｒ_ｙ４）が、ホイートストンブリッジのそれぞれの抵抗ゲージ（Ｒ_ｘ１、Ｒ_ｘ２、Ｒ_ｘ３、Ｒ_ｘ４、Ｒ_ｙ１、Ｒ_ｙ２、Ｒ_ｙ３、Ｒ_ｙ４）がそれぞれ別個の膜部分（１２、１３、１４）上に配置されるように、他のホイートストンブリッジの各ゲージ（Ｒ_ｘ１、Ｒ_ｘ２、Ｒ_ｘ３、Ｒ_ｘ４）の配列方向（Ｘ）の片側のみに位置された膜部分（１２、１３、１４）上に配置されることを特徴とする、力測定デバイス。
2. それぞれ第１、第２のホイートストンブリッジの抵抗ゲージ（Ｒ_ｘ１、Ｒ_ｘ２、Ｒ_ｘ３、Ｒ_ｘ４、Ｒ_ｙ１、Ｒ_ｙ２、Ｒ_ｙ３、Ｒ_ｙ４）が、それぞれ第２、第１のホイートストンブリッジの抵抗ゲージ（Ｒ_ｙ１、Ｒ_ｙ２、Ｒ_ｙ３、Ｒ_ｙ４、Ｒ_ｘ１、Ｒ_ｘ２、Ｒ_ｘ３、Ｒ_ｘ４）の配列方向の片側のみに位置された膜部分（１２、１３、１４）上に配置されることを特徴とする、請求項１に記載の力測定デバイス。
3. 少なくとも１つのホイートストンブリッジの２つのゲージ（Ｒ_ｘ２、Ｒ_ｘ３；Ｒ_ｙ１、Ｒ_ｙ４）が、剛性ロッド（１０）に取り付けられた膜の中央領域（１３）上に配置されることを特徴とする、請求項１および２のいずれかに記載の力測定デバイス。
4. 少なくとも１つのホイートストンブリッジの２つのゲージ（Ｒ_ｘ２、Ｒ_ｘ３；Ｒ_ｙ１、Ｒ_ｙ４）が、膜の周縁領域（１４）上に位置され、この周縁領域（１４）が、変形可能な膜（１２）のための固定点を備えることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の力測定デバイス。
5. それぞれのホイートストンブリッジの２つのゲージ（Ｒ_ｘ２、Ｒ_ｘ３、Ｒ_ｙ１、Ｒ_ｙ４）が、膜の変形不可能な領域（１３、１４）上に配置されることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の力測定デバイス。
6. 膜の変形可能な領域がディスクまたは別個のディスクセクタであることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の力測定デバイス。
7. ダブルホイートストンブリッジ内の抵抗ゲージ（Ｒ）の相互接続を作成するための導電性材料の単一の被着を含むことを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の力測定デバイスを製造する方法。

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