JP6028677B2 - 力検知素子 - Google Patents

Description

本明細書で開示される技術は、半導体結晶のピエゾ抵抗効果を利用する力検知素子に関する。

半導体結晶のピエゾ抵抗効果を利用する力検知素子が開発されている。図５に、特許文献１に開示される技術を適用した力検知素子１００を例示する。力検知素子１００は、半導体基板１１０、一対の電極配座部１２２，１２４及び力伝達ブロック１３０を備えている。半導体基板１１０の表面には溝１１２Ａ，１１２Ｂが形成されており、その溝１１２Ａ，１１２Ｂを横断してメサ段差１１３が伸びている。メサ段差１１３を含む半導体基板１１０の表面には、ｐ型の不純物が導入されたゲージ部１１４が形成されている。ゲージ部１１４は、一端が第１電極配座部１２２の貫通孔１２２ａに露出しており、他端が第２電極配座部１２４の貫通孔１２４ａに露出している。第１電極配座部１２２の表面に形成される電極（図示省略）は、貫通孔１２２ａを介してゲージ部１１４の一端に電気的に接続される。第２電極配座部１２４の表面に形成される電極（図示省略）は、貫通孔１２４ａを介してゲージ部１１４の他端に電気的に接続される。力伝達ブロック１３０は、メサ段差１１３の頂面と溝１１２Ａ，１１２Ｂの周縁部１１５の表面に接触するように接合される。

力検知素子１００では、力伝達ブロック１３０を介してメサ段差１１３に圧縮応力が加わると、メサ段差１１３に形成されているゲージ部１１４の電気抵抗がピエゾ抵抗効果によって変化する。このため、一対の電極配座部１２２，１２４に形成される電極を介してゲージ部１１４に一定電流を通電するか一定電圧を印加しておくことによって、圧縮応力に応じた出力信号を得られる。

特開２００４−１３２８１１号公報

図６に、メサ段差１１３に加わる圧縮応力の長手方向の分布を示す。このように、メサ段差１１３に加わる圧縮応力は、メサ段差１１３が溝１１２Ａ，１１２Ｂの周縁部１１５に接続する端部で小さく、中心部で大きい分布となる。メサ段差１１３の破壊強度は、メサ段差１１３に加わる最大の圧縮応力に依存する。一方、力検知素子１００の感度は、メサ段差１１３に加わる圧縮応力の平均値に依存する。このため、図６に示すように、メサ段差１１３に加わる最大圧縮応力と最小圧縮応力の差が大きいと、メサ段差１１３に加わる最大圧縮応力と平均値の差も大きくなり、力検知素子１００の信頼性と感度の間にトレードオフの関係が問題となる。

本明細書で開示される技術は、メサ段差に加わる圧縮応力の長手方向の分布を均一化し、力検知素子の信頼性と感度の間のトレードオフの関係を改善することを目的としている。

本明細書で開示される力検知素子の一実施形態は、溝を横断して伸びているメサ段差に形成されているゲージ部を有する半導体基板、及びメサ段差の頂面と溝の周縁部の表面に接触する力伝達ブロックを備えている。メサ段差は、溝の周縁部に接続する第１端部と溝の周縁部に接続する第２端部の間を第１方向に沿って伸びている。第１方向に直交する第２方向に沿って計測したときに、第１端部から溝の周縁部までの距離を第１距離とし、第２端部から溝の周縁部までの距離を第２距離とし、第１端部と第２端部の間の中間部から溝の周縁部までの距離を第３距離とすると、第３距離は第１距離及び第２距離よりも短い。

上記形態の力検知素子では、メサ段差に加わる圧縮応力の長手方向の分布が均一化される。これにより、上記形態の力検知素子では、信頼性と感度の間のトレードオフの関係が改善される。

図１は、実施例の力検知素子の斜視図を模式的に示す。 図２は、実施例の力検知素子において、図１のII-II線に対応した断面図を模式的に示す。 図３は、実施例の力検知素子の平面図を模式的に示す。 図４は、実施例の力検知素子の変形例の一例の平面図を模式的に示す。 図５は、従来の力検知素子の斜視図を模式的に示す。 図６は、従来の力検知素子の平面図及びメサ段差に加わる圧縮応力の分布を示す。

以下、本明細書で開示され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。
（特徴１）本明細書で開示される力検知素子の一実施形態は、半導体基板と力伝達ブロックを備えていてもよい。半導体基板は、溝を横断して伸びているメサ段差に形成されているゲージ部を有してもよい。力伝達ブロックは、メサ段差の頂面と溝の周縁部の表面に接触してもよい。メサ段差は、溝の周縁部に接続する第１端部と溝の周縁部に接続する第２端部の間を第１方向に沿って伸びていてもよい。このように、力検知素子のゲージ部は、単軸で構成されていてもよい。第１方向に直交する第２方向に沿って計測したときに、第１端部から溝の周縁部までの距離を第１距離とし、第２端部から溝の周縁部までの距離を第２距離とし、第１端部と第２端部の中間部から溝の周縁部までの距離を第３距離とすると、第３距離は第１距離及び第２距離よりも短くてもよい。
（特徴２）第２方向に沿って計測したときに、メサ段差から溝の周縁部まで距離のうちの最短の距離が、第３距離であってもよい。この実施形態によると、メサ段差に加わる圧縮応力の長手方向の分布が良好に均一化され、力検知素子の信頼性と感度の間のトレードオフの関係が改善される。
（特徴３）第２方向に沿って計測したときに、メサ段差から溝の周縁部まで距離のうちの最長の距離が、第１距離及び第２距離であってもよい。この実施形態によると、メサ段差に加わる圧縮応力の長手方向の分布が良好に均一化され、力検知素子の信頼性と感度の間のトレードオフの関係が改善される。
（特徴４）メサ段差の第２方向における幅が、第１端部及び第２端部よりも中間部で広くてもよい。メサ段差の第２方向における幅のうちの最大の幅が、中間部に形成されていてもよい。メサ段差の第２方向における幅のうちの最小の幅が、第１端部及び第２端部に形成されていてもよい。
（特徴５）メサ段差の第２方向における幅は、第１端部と中間部の間において、漸次増加してもよく、非連続的に増加してもよい。同様に、メサ段差の第２方向における幅は、第２端部と中間部の間において、漸次増加してもよく、非連続的に増加してもよい。メサ段差の第２方向における幅は、メサ段差に加わる圧縮応力の長手方向の分布が均一化されるように、適宜に調整されていればよい。
（特徴６）メサ段差から第２方向に離れて存在する溝の周縁部が、メサ段差に向けて凸状に突出していてもよい。凸状の周縁部の頂部（極大値となる部位ともいえる）は、第２方向に沿って観測したときに、メサ段差の中間部に対応して配置されていてもよい。

図１〜３に示されるように、力検知素子１は、半導体基板１０、一対の電極配座部２２，２４及び力伝達ブロック３０を備えている。

半導体基板１０は、ｎ型の単結晶シリコンであり、その表面が（１１０）結晶面である。半導体基板１０の表面には、概ね矩形状の溝１２Ａ，１２Ｂが形成されている。溝１２Ａ，１２Ｂは、一対の第１周縁部１５ａと一対の第２周縁部１５ｂで画定されている。一対の第１周縁部１５ａは、第１方向（半導体基板１０の＜１１０＞方向であり、以下、長手方向という）に対して平行に伸びている。一対の第２周縁部１５ｂは、第１方向に直交する第２方向（半導体基板１０の＜１００＞方向であり、以下、幅方向という）に対して平行に伸びている。半導体基板１０の表面にはさらに、溝１２Ａ，１２Ｂの第２周縁部１５ｂの間を長手方向に沿って伸びているメサ段差１３が形成されている。便宜上、メサ段差１３によって分割された溝１２Ａ，１２Ｂの一方を「１２Ａ」とし、他方を「１２Ｂ」とする。

メサ段差１３は、溝１２Ａ，１２Ｂ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。メサ段差１３の頂面は、溝１２Ａ，１２Ｂの周縁部１５の表面と同一面に位置している。即ち、メサ段差１３は、例えばドライエッチング技術を利用して、半導体基板１０の表面に溝１２Ａ，１２Ｂを形成した残部として形成される。メサ段差１３を含む半導体基板１０の表面には、ｐ型不純物が導入されたゲージ部１４が形成されている。ゲージ部１４の不純物濃度は、約１×１０^１８〜１×１０^２１ｃｍ^−３である。ゲージ部１４は、ｐｎ接合によって、ｎ型の半導体基板１０から実質的に絶縁されている。

一対の電極配座部２２，２４は、溝１２Ａ，１２Ｂを間に置いて半導体基板１０の表面に配置されており、力伝達ブロック３０の配置範囲以外の位置に配置されている。一対の電極配座部２２，２４の材料には、絶縁体が用いられており、一例では酸化膜が用いられる。第１電極配座部２２には、貫通孔２２ａが形成されている。ゲージ部１４の一端は、メサ段差１３から長手方向に沿って第１電極配座部２２の下方の半導体基板１０の表面を伸びて形成されており、貫通孔２２ａから露出している。第１電極配座部２２の表面に形成される電極（図示省略）は、貫通孔２２ａを介してゲージ部１４の一端に接続される。第２電極配座部２４には、貫通孔２４ａが形成されている。ゲージ部１４の他端は、メサ段差１３から長手方向に沿って第２電極配座部２４の下方の半導体基板１０の表面を伸びて形成されており、貫通孔２４ａから露出している。第２電極配座部２４の表面に形成される電極（図示省略）は、貫通孔２４ａを介してゲージ部１４の他端に接続される。

力伝達ブロック３０は、直方体形状を有しており、その材料にはガラスが用いられている。力伝達ブロック３０の下側表面は、例えば静電接合を利用して、メサ段差１３の頂面と溝１２Ａ，１２Ｂの周縁部１５の表面に接合されている。力伝達ブロック３０は、溝１２Ａ，１２Ｂの周縁部１５の全周に亘って周縁部１５に接合している。このため、溝１２Ａ，１２Ｂ及びメサ段差１３は、力伝達ブロック３０によって封止される。

力検知素子１では、力伝達ブロック３０を介してメサ段差１３に圧縮応力が加わると、メサ段差１３に形成されているゲージ部１４の電気抵抗がピエゾ抵抗効果によって変化する。このため、一対の電極配座部２２，２４に形成される電極を介してゲージ部１４に一定電流を通電するか一定電圧を印加しておくことによって、圧縮応力に応じた出力信号を得られる。

図３に示されるように、メサ段差１３では、幅方向の幅が、長手方向に沿って変化していることを特徴としている。ここで、メサ段差１３が第２周縁部１５ｂに接続する一方の端部を第１端部１３ａといい、メサ段差１３が第２周縁部１５ｂに接続する他方の端部を第２端部１３ｂという。また、長手方向に沿って計測したときに、第１端部１３ａからの距離と第２端部１３ｂからの距離が等しいメサ段差１３の部位を中間部１３ｃという。力検知素子１では、メサ段差１３の中間部１３ｃに対して点対称な形態を有している。このため、以下、第１端部１３ａについての説明は、等価な第２端部１３ｂについての説明も兼ねていることに留意されたい。

図３に示されるように、力検知素子１では、メサ段差１３の幅について、中間部１３ｃの幅Ｗ１３ｃが第１端部１３ａの幅Ｗ１３ａよりも広く構成されている。さらに、この例では、中間部１３ｃの幅Ｗ１３ｃが最大であり、第１端部１３ａの幅Ｗ１３ａが最小である。メサ段差１３の幅は、第１端部１３ａから中間部１３ｃに向けて漸次増加している。例えば、メサ段差１３の幅は、メサ段差の幅が一定の場合（図５及び図６参照）の応力分に基づいて設定されるのが望ましい。具体的には、メサ段差の幅が一定の場合（図５及び図６参照）において、メサ段差の中間部に加わる圧縮応力（図６の応力分布の左端に対応）をＰ１とし、メサ段差の端部に加わる圧縮応力（図６の応力分布の右端に対応）をＰ２としたときに、本実施例のメサ段差１３の中間部１３ｃの幅Ｗ１３ｃと第１端部１３ａの幅Ｗ１３ａは、Ｐ１：Ｐ２＝Ｗ１３ｃ：Ｗ１３ａに設定されるのが望ましい。メサ段差１３の中間部１３ｃと第１端部１３ａの間の幅においても同様に設定されるのが望ましい。

このため、力検知素子１では、幅方向に計測したときに、メサ段差１３と第１周縁部１５ａの間の距離について、中間部１３ｃと第１周縁部１５ａの間の距離Ｗ１２ｃが、第１端部１３ａと第１周縁部１５ａの間の距離Ｗ１２ａよりも短く構成されている。さらに、この例では、中間部１３ｃと第１周縁部１５ａの間の距離Ｗ１２ｃが最小であり、第１端部１３ａと第１周縁部１５ａの間の距離Ｗ１２ａが最大である。なお、中間部１３ｃと第１周縁部１５ａの間の距離Ｗ１２ｃは、メサ段差１３の中央線と第１周縁部１５ａの間の距離をＷｏとしたときに、Ｗｏ−Ｗ１３ｃ／２と評価することができる。同様に、第１端部１３ａと第１周縁部１５ａの間の距離Ｗ１２ａは、Ｗｏ−Ｗ１３ａ／２と評価することができる。

このような形態であると、メサ段差の幅が一定の場合（図５及び図６参照）と比較すると、メサ段差１３の中間部１３ｃに加わる圧縮応力と第１端部１３ａに加わる圧縮応力の差が小さくなる。これにより、メサ段差１３に加わる圧縮応力が長手方向において均一化され、メサ段差１３に加わる最大圧縮応力と圧縮応力の平均値の差が小さくなる。この結果、力検知素子１の信頼性と感度の間のトレードオフの関係が改善される。

図４に示される変形例の力検知素子２では、メサ段差１３の幅が長手方向に沿って一定である。一方、第１周縁部１５ａは、メサ段差１３に向けて凸状に突出している。第１周縁部１５ａの頂部は、幅方向に観測したときに、メサ段差１３の中間部１３ｃに対応した位置に形成されている。この例でも、メサ段差１３の中間部１３ｃと第１周縁部１５ａの間の距離が、メサ段差１３の第１端部１３ａと第１周縁部１５ａの間の距離よりも短い関係が得られる。このため、メサ段差１３に加わる圧縮応力が長手方向において均一化され、メサ段差１３に加わる最大圧縮応力と圧縮応力の平均値の差が小さくなる。この結果、力検知素子２の信頼性と感度の間のトレードオフの関係が改善される。なお、力検知素子２においても、力検知素子１のように、メサ段差１３の幅が長手方向に沿って変化していてもよい。

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。

１０：半導体基板
１２Ａ，１２Ｂ：溝
１３：メサ段差
１４：ゲージ部
１５：周縁部
２２，２４：電極配座部
３０：力伝達ブロック

Claims (3)

1. 溝を横断して伸びているメサ段差に形成されているゲージ部を有する半導体基板と、
   前記メサ段差の頂面と前記溝の周縁部の表面に接触する力伝達ブロックと、を備えており、
   前記メサ段差は、前記溝の前記周縁部に接続する第１端部と前記溝の前記周縁部に接続する第２端部の間を第１方向に沿って伸びており、
   前記第１方向に直交する第２方向に沿って計測したときに、前記第１端部から前記溝の前記周縁部までの距離を第１距離とし、前記第２端部から前記溝の前記周縁部までの距離を第２距離とし、前記第１端部と前記第２端部の間の中間部から前記溝の前記周縁部までの距離を第３距離とすると、前記第３距離は前記第１距離及び第２距離よりも短い力検知素子。
2. 前記メサ段差の前記第２方向における幅が、前記第１端部及び前記第２端部よりも前記中間部で広い請求項１に記載の力検知素子。
3. 前記メサ段差から前記第２方向に離れて存在する前記溝の前記周縁部が、前記メサ段差に向けて凸状に突出している請求項１又は２に記載の力検知素子。

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