JPH04249727A - Detecting apparatus of force and acceleration - Google Patents
Detecting apparatus of force and accelerationInfo
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Abstract
Description
【０００１】0001
【産業上の利用分野】本発明は力および加速度の検出装
置、特に機械的変形に基づいて電気抵抗が変化する性質
をもった抵抗素子を利用した力および加速度の検出装置
に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a force and acceleration detection device, and more particularly to a force and acceleration detection device using a resistive element whose electrical resistance changes based on mechanical deformation.
【０００２】0002
【従来の技術】近年、機械的変形によって電気抵抗が変
化するというピエゾ抵抗効果の性質を備えた抵抗素子を
、半導体基板上に配列し、この抵抗素子の抵抗値の変化
から力を検出する力検出装置が提案されている。更に、
この力検出装置を応用した加速度検出装置あるいは磁気
検出装置も提案されている。いずれの装置においても、
部分的に可撓性をもった起歪体が用いられ、この起歪体
に生じる機械的変形を抵抗素子の電気抵抗の変化として
検出している。すなわち、検出対象となる力を起歪体の
作用部に与えて起歪体を機械的に変形させ、抵抗素子の
電気抵抗の変化を検出結果として出力することになる。
加速度に反応する重錘体を作用部に接続しておけば加速
度検出装置となり、磁気に反応する磁性体を作用部に接
続しておけば磁気検出装置となる。[Prior Art] In recent years, resistance elements having a piezoresistance effect in which electrical resistance changes due to mechanical deformation are arranged on a semiconductor substrate, and force is detected from changes in the resistance value of the resistance elements. A detection device has been proposed. Furthermore,
Acceleration detection devices or magnetic detection devices using this force detection device have also been proposed. In either device,
A partially flexible strain body is used, and the mechanical deformation that occurs in the strain body is detected as a change in the electrical resistance of the resistance element. That is, a force to be detected is applied to the acting portion of the strain body to mechanically deform the strain body, and a change in the electrical resistance of the resistance element is output as a detection result. If a weight body that responds to acceleration is connected to the action part, it becomes an acceleration detection device, and if a magnetic body that reacts to magnetism is connected to the action part, it becomes a magnetic detection device.
【０００３】たとえば、特許協力条約に基づく国際公開
第ＷＯ８８／０８５２２号公報には、上述の力、加速度
、磁気の検出装置が開示されており、同第ＷＯ８９／０
２５８７号公報には、上述の力検出装置の応用技術が開
示されている。[0003] For example, International Publication No. WO88/08522 based on the Patent Cooperation Treaty discloses the above-mentioned force, acceleration, and magnetism detection device;
Japanese Patent No. 2587 discloses an application technique for the above-mentioned force detection device.
【０００４】0004
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
検出装置には、力、加速度、磁気など、検出対象となる
物理量の検出感度を高めることが困難であるという問題
がある。上述の検出装置において検出感度を高める方法
としては、一般に、次のような方法が考えられるが、い
ずれも問題がある。However, the above-mentioned detection device has a problem in that it is difficult to increase the detection sensitivity of physical quantities to be detected, such as force, acceleration, and magnetism. Generally, the following methods can be considered as methods for increasing the detection sensitivity in the above-mentioned detection device, but all of them have problems.
【０００５】（１） 起歪体の可撓性をもった部分
（可撓部）の肉厚を薄くすれば、可撓性が高まるため、
検出感度を向上させることが可能である。しかしながら
、肉厚を薄くすればするほど、製造過程で割れるなどの
問題が発生し、半導体基板で起歪体を構成した場合、現
在の技術では１０μｍ程度が限界となる。(1) If the thickness of the flexible part (flexible part) of the strain body is made thinner, the flexibility will increase.
It is possible to improve detection sensitivity. However, the thinner the wall thickness is, the more problems such as cracking occur during the manufacturing process, and when the strain body is made of a semiconductor substrate, the current technology has a limit of about 10 μm.
【０００６】（２） 起歪体の径を大きくすれば、
誘引される機械的変形も大きくなるため、検出感度を向
上させることが可能である。しかしながら、装置全体が
大型化し、半導体基板で起歪体を構成した場合、チップ
サイズが大きくなりコスト高となる。(2) If the diameter of the strain body is increased,
Since the induced mechanical deformation also increases, detection sensitivity can be improved. However, if the entire device becomes large and the strain body is formed of a semiconductor substrate, the chip size becomes large and the cost increases.
【０００７】（３） 抵抗素子の電気抵抗を大きく
するか、抵抗素子に流す電流を大きくすれば、検出感度
を向上させることが可能である。しかしながら、半導体
基板上に形成することのできる抵抗素子の電気抵抗やこ
れに流すことのできる電流には制約があり、また、ジュ
ール熱に基づく測定誤差を少なくするためにも、電気抵
抗や電流値をあまり大きくすることはできない。(3) Detection sensitivity can be improved by increasing the electrical resistance of the resistive element or by increasing the current flowing through the resistive element. However, there are restrictions on the electrical resistance of resistive elements that can be formed on semiconductor substrates and the current that can be passed through them, and in order to reduce measurement errors due to Joule heat, it is necessary to cannot be made too large.
【０００８】（４） 加速度検出装置では、重錘体
を重くすることにより、検出感度を向上させることが可
能である。しかしながら、質量の大きな重錘体を加工す
るのは困難であり、歩留まりの低下をもたらす結果とな
る。(4) In the acceleration detection device, detection sensitivity can be improved by making the weight body heavier. However, it is difficult to process a weight body with a large mass, resulting in a decrease in yield.
【０００９】そこで本発明は、検出対象となる物理量の
検出感度を高めることが可能な検出装置を提供すること
を目的とする。SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a detection device capable of increasing the detection sensitivity of a physical quantity to be detected.
【００１０】0010
【課題を解決するための手段】（１） 本願第１の
発明は、力検出装置において、力の作用を受ける作用部
と、この作用部の周囲に形成され可撓性をもった第１可
撓部と、この第１可撓部の周囲に形成された中間部と、
この中間部の周囲に形成され可撓性をもった第２可撓部
と、この第２可撓部の周囲に形成され装置本体に固定さ
れる固定部と、を有し、中間部が第１可撓部および第２
可撓部に比べて可撓性の少ない構造となっている起歪体
と、第１可撓部に生じる機械的変形により電気抵抗が変
化する性質をもった第１の抵抗素子と、第２可撓部に生
じる機械的変形により電気抵抗が変化する性質をもった
第２の抵抗素子と、第１の抵抗素子と第２の抵抗素子の
電気抵抗の変化を検出する検出回路と、を設け、検出回
路による検出結果に基づいて、作用部に作用した力を検
出するようにしたものである。[Means for Solving the Problems] (1) The first invention of the present application provides a force detection device that includes an acting portion to which a force is applied, and a flexible first flexible portion formed around the acting portion. a flexible portion; an intermediate portion formed around the first flexible portion;
It has a second flexible part formed around this intermediate part and has flexibility, and a fixed part formed around this second flexible part and fixed to the main body of the device, and the intermediate part has flexibility. 1 flexible part and 2nd flexible part
a strain-generating body having a structure with less flexibility than the flexible portion; a first resistance element having a property that electrical resistance changes due to mechanical deformation occurring in the first flexible portion; and a second resistance element. A second resistance element whose electrical resistance changes due to mechanical deformation occurring in the flexible portion, and a detection circuit that detects a change in the electrical resistance of the first resistance element and the second resistance element are provided. , the force acting on the acting portion is detected based on the detection result by the detection circuit.
【００１１】（２） 本願第２の発明は、力検出装
置において、装置本体に固定される固定部と、この固定
部の周囲に形成され可撓性をもった第１可撓部と、この
第１可撓部の周囲に形成された中間部と、この中間部の
周囲に形成され可撓性をもった第２可撓部と、この第２
可撓部の周囲に形成され力の作用を受ける作用部と、を
有し、中間部が第１可撓部および第２可撓部に比べて可
撓性の少ない構造となっている起歪体と、第１可撓部に
生じる機械的変形により電気抵抗が変化する性質をもっ
た第１の抵抗素子と、第２可撓部に生じる機械的変形に
より電気抵抗が変化する性質をもった第２の抵抗素子と
、第１の抵抗素子と第２の抵抗素子の電気抵抗の変化を
検出する検出回路と、を設け、検出回路による検出結果
に基づいて、作用部に作用した力を検出するようにした
ものである。(2) The second invention of the present application is a force detecting device that includes a fixed part fixed to the main body of the device, a first flexible part formed around the fixed part, and a first flexible part formed around the fixed part. an intermediate portion formed around the first flexible portion; a second flexible portion formed around the intermediate portion and having flexibility;
an acting part formed around the flexible part and subjected to the action of force, and the intermediate part has a structure with less flexibility than the first flexible part and the second flexible part. a first resistance element having a property that electrical resistance changes due to mechanical deformation occurring in the first flexible portion; and a first resistance element having a property that electrical resistance changes due to mechanical deformation occurring in the second flexible portion. A second resistance element and a detection circuit that detects a change in electrical resistance between the first resistance element and the second resistance element are provided, and the force acting on the acting part is detected based on the detection result by the detection circuit. It was designed to do so.
【００１２】（３） 本願第３の発明は、前述の第
１または第２の発明に係る力検出装置において、起歪体
をほぼ平板状の基板によって構成し、この基板に環状に
第１の溝を掘ることにより第１可撓部を形成し、この第
１の溝の周囲に環状に第２の溝を掘ることにより第２可
撓部を形成するようにしたものである。(3) A third invention of the present application is that in the force detection device according to the first or second invention, the strain-generating body is constituted by a substantially flat substrate, and a first annular ring is formed on this substrate. A first flexible portion is formed by digging a groove, and a second flexible portion is formed by digging a second groove in an annular shape around the first groove.
【００１３】（４） 本願第４の発明は、前述の第
３の発明に係る力検出装置において、基板を単結晶基板
により構成し、第１の抵抗素子および第２の抵抗素子を
、この単結晶基板上に形成するようにしたものである。(4) A fourth invention of the present application is that in the force detection device according to the third invention, the substrate is constituted by a single crystal substrate, and the first resistance element and the second resistance element are formed of this single crystal substrate. It is formed on a crystal substrate.
【００１４】（５） 本願第５の発明は、前述の第
１または第２の発明に係る力検出装置において、起歪体
とは別個の単結晶基板を用意し、第１の抵抗素子および
第２の抵抗素子をこの単結晶基板上に形成し、この単結
晶基板を起歪体に接合するようにしたものである。(5) A fifth invention of the present application is that in the force detection device according to the first or second invention, a single crystal substrate separate from the strain-generating body is prepared, and the first resistance element and the first resistance element are The second resistance element is formed on this single crystal substrate, and this single crystal substrate is bonded to the strain body.
【００１５】（６） 本願第６の発明は、前述の第
１〜５の発明に係る力検出装置において、加速度に起因
して発生する力を作用部に作用させることにより、加速
度検出装置として用いることができるようにしたもので
ある。(6) The sixth invention of the present application is the force detection device according to the first to fifth inventions described above, which is used as an acceleration detection device by applying a force generated due to acceleration to the acting part. It has been made possible to do so.
【００１６】[0016]
【作 用】起歪体の固定部は装置本体に固定されてい
るため、起歪体の作用部に力が作用すると、固定部と作
用部との間に形成された可撓部に撓みが生じ、起歪体が
機械的に変形することになる。その結果、第１の抵抗素
子および第２の抵抗素子に電気抵抗の変化が生じ、この
変化が検出回路により検出される。これが、この装置に
おける力検出の原理である。本発明の特徴は、可撓部を
第１可撓部と第２可撓部とに分け、これらの間に可撓性
の少ない中間部を形成した点にある。この中間部を形成
したため、撓みは第１可撓部および第２可撓部に集中す
るようになり、作用した力に基づく機械的変形は、第１
の抵抗素子および第２の抵抗素子に効果的に伝達される
ようになる。こうして、より感度の高い測定が可能にな
る。[Operation] Since the fixed part of the flexure body is fixed to the main body of the device, when force is applied to the action part of the flexure body, the flexible part formed between the fixed part and the action part is bent. This causes the strain-generating body to be mechanically deformed. As a result, a change in electrical resistance occurs in the first resistance element and the second resistance element, and this change is detected by the detection circuit. This is the principle of force detection in this device. A feature of the present invention is that the flexible section is divided into a first flexible section and a second flexible section, and an intermediate section with less flexibility is formed between these sections. Since this intermediate portion is formed, the deflection is concentrated on the first flexible portion and the second flexible portion, and the mechanical deformation based on the applied force is limited to the first flexible portion.
and the second resistance element. In this way, more sensitive measurements are possible.
【００１７】[0017]
【実施例】以下、本発明を図示する実施例に基づいて説
明する。本発明に係る力検出装置の実施例を説明する前
に、従来提案されている一般的な力検出装置の構造およ
び動作を簡単に説明しておく。図１は、この力検出装置
の上面図である。装置本体は、単結晶シリコンからなる
半導体基板１０により構成されている。ここでは、図に
示すようにＸ軸およびＹ軸を定義し、更に紙面に垂直上
方にＺ軸を定義することにする。図１に示す装置をＸ軸
に沿って切断した断面図を図２に示す。半導体基板１０
の下面には、円環状の溝Ｃが掘られており、この部分は
他の部分に比べて肉厚が薄く可撓性をもった部分となる
。ここでは、半導体基板１０の中心部を作用部１１、そ
の周囲の溝Ｃが形成された部分を可撓部１２、更にその
周囲の部分を固定部１３、と定義する。可撓部１２は、
半導体基板１０上の円環状の領域であり、可撓性をもっ
たダイヤフラムを形成する部分となる。この可撓部１２
上には、Ｘ軸方向の力を検出するための抵抗素子Ｒｘ１
〜Ｒｘ４、Ｙ軸方向の力を検出するための抵抗素子Ｒｙ
１〜Ｒｙ４、Ｚ軸方向の力を検出するための抵抗素子Ｒ
ｚ１〜Ｒｚ４、が形成されている。これらの抵抗素子は
、半導体基板１０の表面に不純物を拡散することにより
得られ、機械的変形に基づいて電気抵抗が変化するピエ
ゾ抵抗効果を有する抵抗素子である。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be explained below based on illustrative embodiments. Before describing embodiments of the force detection device according to the present invention, the structure and operation of conventionally proposed general force detection devices will be briefly explained. FIG. 1 is a top view of this force detection device. The main body of the device is composed of a semiconductor substrate 10 made of single crystal silicon. Here, as shown in the figure, the X-axis and Y-axis are defined, and the Z-axis is further defined perpendicularly above the plane of the paper. FIG. 2 shows a cross-sectional view of the device shown in FIG. 1 taken along the X-axis. semiconductor substrate 10
An annular groove C is dug in the lower surface of the holder, and this part is thinner and more flexible than other parts. Here, the central part of the semiconductor substrate 10 is defined as the working part 11, the part around it where the groove C is formed is defined as the flexible part 12, and the part around it as the fixed part 13. The flexible portion 12 is
This is an annular region on the semiconductor substrate 10 and forms a flexible diaphragm. This flexible part 12
On the top is a resistance element Rx1 for detecting force in the X-axis direction.
~Rx4, resistance element Ry for detecting force in the Y-axis direction
1 to Ry4, resistance element R for detecting force in the Z-axis direction
z1 to Rz4 are formed. These resistance elements are obtained by diffusing impurities into the surface of the semiconductor substrate 10, and have a piezoresistance effect in which electrical resistance changes based on mechanical deformation.
【００１８】この装置の動作は次のとおりである。いま
、図３に示すように、作用部１１にＺ軸方向の力Ｆｚを
作用させた状態を考える（図は抵抗素子Ｒｚ１〜Ｒｚ４
に沿った断面を示す）。固定部１３が装置本体に固定さ
れていれば、図のように、可撓部１２に撓みが生じるこ
とになる。すなわち、半導体基板１０は起歪体として機
能する。図３の上方に示したグラフは、このときに基板
表面（抵抗素子が形成された上面）に生じる応力分布を
示し、グラフの横軸は半導体基板１０の断面横方向に対
応している（実際のグラフは、よる複雑な曲線になるが
、ここでは説明の便宜上、近似的な直線グラフを用いて
示している）。応力「＋」は伸びる方向に加わる応力を
示し、応力「−」は縮む方向に加わる応力を示している
。
ここで、ハッチングを施した部分が、抵抗素子に加わる
応力である。すなわち、抵抗素子Ｒｚ１〜Ｒｚ４には、
それぞれ応力Ｓ１１〜Ｓ１４が加わることになる。同様
に、作用部１１にＸ軸方向の力Ｆｘを作用させた場合の
変形状態および応力分布を図４に示す（図は抵抗素子Ｒ
ｘ１〜Ｒｘ４に沿った断面を示す）。抵抗素子Ｒｘ１〜
Ｒｘ４には、それぞれ応力Ｓ２１〜Ｓ２４が加わること
になる。各抵抗素子には、加わった応力に対応した電気
抵抗の変化が現れる。この電気抵抗の変化を外部の検出
回路で測定することにより、作用部１１に作用した力の
検出が行われる。この検出方法については、前掲公報に
詳述されている。The operation of this device is as follows. Now, consider a state where a force Fz in the Z-axis direction is applied to the acting portion 11 as shown in FIG. 3 (the figure shows resistance elements Rz1 to Rz4).
). If the fixed part 13 is fixed to the main body of the apparatus, the flexible part 12 will be bent as shown in the figure. That is, the semiconductor substrate 10 functions as a strain body. The graph shown in the upper part of FIG. 3 shows the stress distribution generated on the substrate surface (the upper surface on which the resistance element is formed) at this time, and the horizontal axis of the graph corresponds to the cross-sectional lateral direction of the semiconductor substrate 10 (actually Although the graph of is a complicated curve, an approximate straight line graph is used here for convenience of explanation). Stress "+" indicates stress applied in the direction of extension, and stress "-" indicates stress applied in the direction of contraction. Here, the hatched portion is the stress applied to the resistance element. That is, in the resistance elements Rz1 to Rz4,
Stresses S11 to S14 are applied to each of them. Similarly, FIG. 4 shows the deformation state and stress distribution when a force Fx in the X-axis direction is applied to the acting portion 11 (the figure shows the resistance element R
A cross section along x1 to Rx4 is shown). Resistance element Rx1~
Stresses S21 to S24 are applied to Rx4, respectively. Each resistance element exhibits a change in electrical resistance corresponding to the applied stress. By measuring this change in electrical resistance with an external detection circuit, the force acting on the acting portion 11 is detected. This detection method is detailed in the above-mentioned publication.
【００１９】図３および図４に示されているように、力
の作用によって生じる応力は、可撓部１２全域に分布す
ることになる。別言すれば、溝Ｃが形成されている領域
全域に分布することになる。ところが、実際の力検出に
寄与できる応力は、抵抗素子に加わる分（グラフにハッ
チングを施した部分）のみである。たとえば、図３にお
いて、抵抗素子Ｒｚ１とＲｚ２との間に分布している応
力や、抵抗素子Ｒｚ３とＲｚ４との間に分布している応
力は、力検出には何ら寄与していないことになる。本発
明の基本思想は、このように実際の力検出に寄与しない
応力発生を抑制し、効率良い検出動作を行わせることに
より検出感度を向上させようとするものである。As shown in FIGS. 3 and 4, the stress caused by the action of force will be distributed throughout the flexible portion 12. As shown in FIGS. In other words, it is distributed over the entire region where the groove C is formed. However, the stress that can contribute to actual force detection is only the stress applied to the resistance element (the hatched part in the graph). For example, in FIG. 3, the stress distributed between resistance elements Rz1 and Rz2 and the stress distributed between resistance elements Rz3 and Rz4 do not contribute to force detection at all. . The basic idea of the present invention is to improve detection sensitivity by suppressing the generation of stress that does not contribute to actual force detection and performing efficient detection operations.
【００２０】図５は、本発明の一実施例に係る力検出装
置の上面図、図６は、この装置をＸ軸に沿って切断した
断面図である。装置本体は、単結晶シリコンからなる半
導体基板１００により構成されており、前述の装置と同
様に、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸が定義されている。半導体基板
１００の下面には、２つの円環状の溝Ｃ１とＣ２とが掘
られており、この部分は他の部分に比べて肉厚が薄く可
撓性をもった部分となる。ここでは、半導体基板１００
の中心部を作用部１１０、内側の溝Ｃ１が掘られた領域
を第１可撓部１２１、外側の溝Ｃ２が掘られた領域を第
２可撓部１２２、両可撓部の間に位置する領域を中間部
１２３、そして半導体基板１００の外周部分を固定部１
３０、とそれぞれ呼ぶことにする。第１可撓部１２１お
よび第２可撓部１２２は、いずれも肉厚が薄いため、可
撓性をもったダイヤフラムを形成する部分となるが、そ
の中間に位置する中間部１２３は、作用部１１０および
固定部１３０と同じ厚みを有し、可撓性の低い領域とな
っている。前述の従来装置と比較すると、本装置では抵
抗素子が形成される領域にのみ溝が掘られている点に特
徴があることが認識できるであろう。すなわち、内側に
位置する第１の抵抗素子（Ｒｘ２，Ｒｘ３，Ｒｚ２，Ｒ
ｚ３，Ｒｙ２，Ｒｙ３）は内側の溝Ｃ１の上部に形成さ
れ、外側に位置する第２の抵抗素子（Ｒｘ１，Ｒｘ４，
Ｒｚ１，Ｒｚ４，Ｒｙ１，Ｒｙ４）は外側の溝Ｃ２の上
部に形成されている。FIG. 5 is a top view of a force detection device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 6 is a sectional view of this device taken along the X-axis. The main body of the apparatus is composed of a semiconductor substrate 100 made of single crystal silicon, and similarly to the above-described apparatus, the X-axis, Y-axis, and Z-axis are defined. Two annular grooves C1 and C2 are dug in the lower surface of the semiconductor substrate 100, and this portion is thinner and more flexible than other portions. Here, a semiconductor substrate 100
The center part is the acting part 110, the area where the inner groove C1 is dug is the first flexible part 121, the area where the outer groove C2 is dug is the second flexible part 122, and the area is located between both flexible parts. The area where the semiconductor substrate 100
30, respectively. Since both the first flexible part 121 and the second flexible part 122 have a thin wall thickness, they form a flexible diaphragm, but the intermediate part 123 located between them is a working part. It has the same thickness as 110 and the fixed part 130, and is a region with low flexibility. When compared with the conventional device described above, it will be recognized that the present device is characterized in that a groove is dug only in the region where the resistive element is formed. That is, the first resistance element (Rx2, Rx3, Rz2, R
z3, Ry2, Ry3) are formed in the upper part of the inner groove C1, and the second resistance elements (Rx1, Rx4,
Rz1, Rz4, Ry1, Ry4) are formed in the upper part of the outer groove C2.
【００２１】前述の従来装置と同様に、本装置の動作を
考えてみる。いま、図７に示すように、作用部１１０に
Ｚ軸方向の力Ｆｚを作用させた状態を考える（図は抵抗
素子Ｒｚ１〜Ｒｚ４に沿った断面を示す）。固定部１３
０が装置本体に固定されていれば、図のように、第１可
撓部１２１および第２可撓部１２２に撓みが生じること
になり、半導体基板１００は起歪体として機能する。と
ころが、中間部１２３には、作用部１１０および固定部
１３０と同様に、ほとんど撓みは生じない。別言すれば
、力Ｆｚの作用によって生じる撓みは、第１可撓部１２
１および第２可撓部１２２に集中することになる。これ
は、図７の上方に示したグラフに明瞭に示されている。
このグラフは、基板表面（抵抗素子が形成された上面）
に生じる応力分布を示し、グラフの横軸は半導体基板１
００の断面横方向に対応している。応力「＋」は伸びる
方向に加わる応力を示し、応力「−」は縮む方向に加わ
る応力を示しており、ハッチングを施した部分が、抵抗
素子に加わる応力である。なお、実際の応力分布はより
複雑な曲線になるが、ここでは説明の便宜上、近似直線
のグラフを示した。同様に、Ｘ軸方向の力Ｆｘを作用さ
せた場合を図８に示す。図７，図８のグラフを、それぞ
れ図３，図４のグラフと比較すると、本発明の効果が理
解できよう。同じ力Ｆｚ，Ｆｘが加わった場合であって
も、従来装置では図３，図４のグラフに示すように、応
力分布は広い範囲に分散してしまうのに対し、本装置で
は図７，図８のグラフに示すように、応力分布は抵抗素
子に集中することになる。一般に、電気抵抗Ｒをもつピ
エゾ抵抗素子に応力σが加わった場合の抵抗変化ΔＲは
、ΔＲ ＝ π σ Ｒ
で表される。ここでπはピエゾ抵抗係数である。応力σ
は、上述の応力分布を示すグラフのハッチング部分の面
積に対応するので、同じ抵抗素子を用いても、本装置は
従来装置に比べてより大きなΔＲを得ることができる。
すなわち、本装置は従来装置に比べて検出感度が向上す
ることになる。[0021] As with the conventional apparatus described above, let us consider the operation of the present apparatus. Now, consider a state where a force Fz in the Z-axis direction is applied to the acting portion 110, as shown in FIG. 7 (the figure shows a cross section along the resistance elements Rz1 to Rz4). Fixed part 13
0 is fixed to the device main body, the first flexible section 121 and the second flexible section 122 are bent as shown in the figure, and the semiconductor substrate 100 functions as a strain body. However, similar to the action section 110 and the fixed section 130, the intermediate section 123 is hardly bent. In other words, the deflection caused by the action of the force Fz causes the first flexible portion 12 to
This will concentrate on the first and second flexible parts 122. This is clearly shown in the graph shown at the top of FIG. This graph shows the substrate surface (the top surface where the resistance element is formed)
The horizontal axis of the graph is the stress distribution generated in the semiconductor substrate 1.
It corresponds to the cross-sectional lateral direction of 00. Stress "+" indicates stress applied in the direction of expansion, stress "-" indicates stress applied in the direction of contraction, and the hatched portion is the stress applied to the resistance element. Note that although the actual stress distribution is a more complicated curve, an approximate straight line graph is shown here for convenience of explanation. Similarly, FIG. 8 shows a case where a force Fx in the X-axis direction is applied. The effects of the present invention can be understood by comparing the graphs in FIGS. 7 and 8 with those in FIGS. 3 and 4, respectively. Even when the same forces Fz and Fx are applied, with the conventional device the stress distribution is dispersed over a wide range as shown in the graphs of Figs. 3 and 4, whereas with this device the stress distribution is dispersed over a wide range As shown in graph No. 8, the stress distribution is concentrated on the resistive element. Generally, a resistance change ΔR when a stress σ is applied to a piezoresistive element having an electrical resistance R is expressed as ΔR = π σ R . Here, π is the piezoresistance coefficient. stress σ
corresponds to the area of the hatched portion of the graph showing the stress distribution described above, so even if the same resistance element is used, the present device can obtain a larger ΔR than the conventional device. In other words, the detection sensitivity of the present device is improved compared to the conventional device.
【００２２】続いて、本発明のいくつかの別な実施例を
述べる。前述の実施例では、図６に示すように、溝Ｃ１
，Ｃ２は断面が長方形をしていたが、これはどのような
形状のものでもかまわない。要するに、第１可撓部１２
１および第２可撓部１２２に可撓性をもたせることがで
きるような溝であればよい。たとえば、シリコンウエハ
などの半導体基板に溝を形成する方法のひとつとして、
化学的エッチング法が知られている。この方法で本装置
を製造すると、断面台形状の溝が形成されることになる
。すなわち、この方法では、図９に示すように半導体ウ
エハ９０の上面に抵抗素子Ｒを形成した後、下面の所定
位置にＳｉＯ２やＳｉＮからなるマスク層２００，２０
１，２０２をパターニングにより形成し、化学的エッチ
ングによりマスク層のない部分に溝を掘ることになる。
化学的エッチングの方法としては、プラズマ放電中で行
うドライエッチングや、弗酸、硝酸、ＫＯＨ、ヒドラジ
ンなどを用いた液体中で行うウエットエッチングが知ら
れている。また、より正確な溝を形成するためには、等
方性エッチングと異方性エッチングとを組み合わせ、更
にエッチストップという技術を利用する方法（電気化学
的エッチング）を行うのが好ましい。このようなエッチ
ングを行った後、マスク層２００〜２０２を剥離すると
、図１０に断面を、図１１に下面を、それぞれ示すよう
な半導体基板１００ａが形成される。図１１を切断線１
０−１０に沿って切断した断面が図１０に相当する。円
形のマスク層２００に覆われた部分はエッチングされず
に作用部１１０ａとして残り、円環状のマスク層２０１
および２０２に覆われた部分もエッチングされずに中間
部１２３ａおよび固定部１３０ａとして残ることになる
。エッチングにより、円環状の溝Ｃ３およびＣ４が形成
されるが、化学的エッチングを行ったため、これらの溝
の断面は図１０に示すような台形状となる。Next, some other embodiments of the present invention will be described. In the above embodiment, as shown in FIG.
, C2 had a rectangular cross section, but it may have any shape. In short, the first flexible section 12
Any groove that can provide flexibility to the first and second flexible portions 122 may be used. For example, one method of forming grooves in semiconductor substrates such as silicon wafers is
Chemical etching methods are known. If this device is manufactured using this method, a groove having a trapezoidal cross section will be formed. That is, in this method, after forming the resistive element R on the upper surface of the semiconductor wafer 90 as shown in FIG.
1 and 202 are formed by patterning, and grooves are dug in the areas where there is no mask layer by chemical etching. As chemical etching methods, dry etching performed in plasma discharge and wet etching performed in a liquid using hydrofluoric acid, nitric acid, KOH, hydrazine, etc. are known. Further, in order to form more accurate grooves, it is preferable to combine isotropic etching and anisotropic etching, and to perform a method (electrochemical etching) that uses a technique called etch stop. After performing such etching, when the mask layers 200 to 202 are peeled off, a semiconductor substrate 100a is formed, the cross section of which is shown in FIG. 10, and the bottom surface of which is shown in FIG. 11, respectively. Cutting line 1 in Figure 11
A cross section taken along line 0-10 corresponds to FIG. The portion covered by the circular mask layer 200 is not etched and remains as the active part 110a, and the circular mask layer 201
The portions covered by the intermediate portions 123a and 202 are also not etched and remain as the intermediate portion 123a and the fixed portion 130a. By etching, annular grooves C3 and C4 are formed, but because chemical etching is performed, the cross sections of these grooves are trapezoidal as shown in FIG. 10.
【００２３】また、上述の実施例では、いずれも円環状
の溝を形成することにより、可撓部を形成していたが、
溝は円環状に限定されるものではなく、どのような形状
でもかまわない。たとえば、図１２に下面図を示した半
導体基板１００ｂでは、方環状の溝Ｃ５，Ｃ６が形成さ
れている。この半導体基板１００ｂを切断線１０−１０
に沿って切断した断面は、図１０と同様になるが、作用
部１１０ｂは正方形状の領域となり、第１可撓部１２１
ｂ、中間部１２３ｂ、第２可撓部１２２ｂ、固定部１３
０ｂは、いずれも方環状の領域となる。Furthermore, in all of the above embodiments, the flexible portion was formed by forming an annular groove.
The groove is not limited to an annular shape, and may have any shape. For example, in the semiconductor substrate 100b whose bottom view is shown in FIG. 12, square annular grooves C5 and C6 are formed. This semiconductor substrate 100b is cut along the cutting line 10-10.
The cross section taken along the line is similar to that shown in FIG.
b, intermediate part 123b, second flexible part 122b, fixed part 13
0b is a rectangular ring-shaped area.
【００２４】また、上述の実施例では、中間部の肉厚が
作用部および固定部の肉厚と同じ構造となっていたが、
本発明はこのような実施例のみに限定されるものではな
い。たとえば、図１３に断面図を示した半導体基板１０
０ｃでは、第１可撓部１２１ｃと第２可撓部１２２ｃと
の間に形成された中間部１２３ｃは、断面が逆三角形状
をしており、作用部１１０ｃおよび固定部１３０ｃに比
べて肉厚も薄くなっている。しかしながら、第１可撓部
１２１ｃや第２可撓部１２２ｃに比べれ肉厚は厚く、可
撓性は少ない構造となっている。このような中間部１２
３ｃを設けても、本発明の作用効果が得られる。[0024]Also, in the above-described embodiment, the thickness of the intermediate portion is the same as that of the acting portion and the fixing portion.
The present invention is not limited to these embodiments. For example, the semiconductor substrate 10 whose cross-sectional view is shown in FIG.
0c, the intermediate part 123c formed between the first flexible part 121c and the second flexible part 122c has an inverted triangular cross section and is thicker than the acting part 110c and the fixed part 130c. It's also getting thinner. However, compared to the first flexible part 121c and the second flexible part 122c, it has a thicker wall thickness and less flexibility. Such an intermediate part 12
Even if 3c is provided, the effects of the present invention can be obtained.
【００２５】続いて、大量生産に適した構造をもつ実施
例を述べる。いま、図１４に示すような半導体ウエハ３
００を用意し（一般には、円盤状のウエハが用いられて
いるが、ここでは説明の便宜上、正方形状のウエハを用
いた単純な例を示す）、ダイシングソーなどによる機械
的切削加工によって縦横に溝Ｇを図のような位置に形成
したものとする。図１４に示す半導体ウエハ３００を切
断線１５−１５に沿って切断した断面図を図１５に示す
。この後、図の破線Ｂで示す位置で、この半導体ウエハ
３００を切断し、４つのユニットにすれば、各ユニット
のそれぞれが本発明に係る検出装置を構成することが理
解できよう。すなわち、図１５に示すように、中央に作
用部１１０ｄ、その周囲の方環状の溝形成領域に第１可
撓部１２１ｄ、その周囲に中間部１２３ｄ、その周囲の
方環状の溝形成領域に第２可撓部１２２ｄ、更にその周
囲に固定部１３０ｄが形成されている。ここでは、１枚
の半導体ウエハ３００から４つのユニットを取る例を示
したが、実際には、縦横によりたくさんのユニットを配
列し、よりたくさんのユニットを取ることができる。
このような工程で溝を形成すると、１回の切削加工で複
数枚のユニットに溝を形成することができるため、大量
生産を行う上で非常に効率的となる。Next, an embodiment having a structure suitable for mass production will be described. Now, a semiconductor wafer 3 as shown in FIG.
00 (generally, a disk-shaped wafer is used, but for convenience of explanation, we will show a simple example using a square-shaped wafer), and cut it vertically and horizontally by mechanical cutting using a dicing saw or the like. It is assumed that the groove G is formed at the position shown in the figure. FIG. 15 shows a cross-sectional view of the semiconductor wafer 300 shown in FIG. 14 taken along cutting line 15-15. It will be understood that if the semiconductor wafer 300 is then cut into four units at the position indicated by the broken line B in the figure, each unit constitutes a detection device according to the present invention. That is, as shown in FIG. 15, there is a working part 110d in the center, a first flexible part 121d in a rectangular groove forming area around it, an intermediate part 123d around it, and a first flexible part 123d in a rectangular groove forming area around it. The second flexible portion 122d is further formed with a fixed portion 130d around the flexible portion 122d. Here, an example is shown in which four units are taken from one semiconductor wafer 300, but in reality, more units can be arranged vertically and laterally to take more units. When grooves are formed in such a process, grooves can be formed in a plurality of units in one cutting process, which is very efficient in mass production.
【００２６】上述の大量生産に適した方法は、機械的加
工により溝を形成するものである。一般に、機械的加工
法としては、上述したようなダイシングソーなどによる
切削加工の他に、放電加工、超音波による加工などが知
られている。たとえば、放電加工を行う場合は、図１６
に示すように、所定形状の放電電極４００を用意し、こ
の放電電極４００の表面から放電を行うことにより、半
導体基板１００ｅの下面に、電極の形状に対応した溝を
形成することができる。その結果、作用部１１０ｅ，第
１可撓部１２１ｅ，中間部１２３ｅ，第２可撓部１２２
ｅ，固定部１３０ｅが形成される。The above-mentioned method suitable for mass production is to form the grooves by mechanical processing. In general, as mechanical processing methods, in addition to cutting using a dicing saw as described above, electric discharge machining, processing using ultrasonic waves, etc. are known. For example, when performing electric discharge machining,
As shown in FIG. 1, by preparing a discharge electrode 400 having a predetermined shape and performing discharge from the surface of the discharge electrode 400, a groove corresponding to the shape of the electrode can be formed on the lower surface of the semiconductor substrate 100e. As a result, the acting part 110e, the first flexible part 121e, the intermediate part 123e, the second flexible part 122
e, a fixed portion 130e is formed.
【００２７】図１７に下面図を示す半導体基板１００ｆ
は、いわゆるカンチレバータイプの構造をもった実施例
である。半導体基板１００ｆを切断線１８−１８で切断
した断面を図１８に、切断線１９−１９で切断した断面
を図１９に、それぞれ示す。この実施例の特徴は、中央
の作用部１１０ｆと、周囲の固定部１３０ｆとの間の領
域の４か所に、貫通孔Ｈが設けられている点である。こ
の貫通孔Ｈに挟まれた部分の４か所に、架橋部１２０ｆ
が形成されている。図１８に示すように、この架橋部１
２０ｆにおける構造は、上述の実施例と同様であり、内
側および外側に溝が形成されており、第１可撓部１２１
ｆ，中間部１２３ｆ，第２可撓部１２２ｆを構成してい
る。このような架橋構造を採ることにより、第１可撓部
１２１ｆ，第２可撓部１２２ｆの可撓性を更に高めるこ
とが可能になる。A semiconductor substrate 100f whose bottom view is shown in FIG.
This is an example having a so-called cantilever type structure. FIG. 18 shows a cross section of the semiconductor substrate 100f taken along cutting line 18-18, and FIG. 19 shows a cross section taken along cutting line 19-19. A feature of this embodiment is that through-holes H are provided at four locations in the region between the central acting portion 110f and the surrounding fixing portion 130f. Bridge portions 120f are located at four locations between the through holes H.
is formed. As shown in FIG. 18, this bridge section 1
The structure at 20f is similar to the above-described embodiment, with grooves formed on the inside and outside, and the first flexible portion 121
f, an intermediate portion 123f, and a second flexible portion 122f. By adopting such a bridge structure, it becomes possible to further enhance the flexibility of the first flexible section 121f and the second flexible section 122f.
【００２８】以上、本発明に係る検出装置を、いくつか
の実施例に基づいて説明したが、本発明の装置は、力の
みでなく、加速度や磁気の検出にも応用しうるものであ
る。たとえば、図２０は、本発明を加速度検出装置に応
用した実施例を示す断面図である。この装置の中枢とな
る部分は、図１０に示した半導体基板１００ａである。
半導体基板１００ａの下面には支持基板５００が、上面
には制御基板６００が、それぞれ接合されている。支持
基板５００の中央部には溝Ｃ７が形成されており、作用
部１１０ａの図の下方への変位は、この溝Ｃ７の深さ以
内に制御される。作用部１１０ａがそれ以上下方へ変位
しようとすると、底面５０１に当接して阻まれる。同様
に、制御基板６００の中央部には溝Ｃ８が形成されてお
り、作用部１１０ａの図の上方への変位は、この溝Ｃ８
の深さ以内に制御される。作用部１１０ａがそれ以上上
方へ変位しようとすると、天面６０１に当接して阻まれ
る。半導体基板１００ａは、その周囲の固定部１３０ａ
が支持基板５００の周囲に固着されており、支持基板５
００は、パッケージ７００の底面に固着されている。ま
た、パッケージ７００の上部は蓋板７１０で覆われる。
前述したように、半導体基板１００ａの上面所定位置に
は、複数の抵抗素子が形成されており、この抵抗素子は
、ボンディングワイヤ７２０を介して、リード７３０に
接続され、外部の検出回路と電気的に接続されることに
なる。この実施例では、半導体基板１００ａは単結晶シ
リコン基板からなり、支持基板５００および制御基板６
００は、同じシリコンあるいはガラスからなる。The detection device according to the present invention has been described above based on several embodiments, but the device according to the present invention can be applied not only to detecting force but also to detecting acceleration and magnetism. For example, FIG. 20 is a sectional view showing an embodiment in which the present invention is applied to an acceleration detection device. The central part of this device is the semiconductor substrate 100a shown in FIG. A support substrate 500 is bonded to the lower surface of the semiconductor substrate 100a, and a control substrate 600 is bonded to the upper surface of the semiconductor substrate 100a. A groove C7 is formed in the center of the support substrate 500, and the downward displacement of the action portion 110a in the figure is controlled within the depth of the groove C7. If the acting portion 110a attempts to move further downward, it will come into contact with the bottom surface 501 and be blocked. Similarly, a groove C8 is formed in the center of the control board 600, and the upward displacement of the operating portion 110a in the figure is caused by the groove C8.
controlled within the depth of. If the acting portion 110a attempts to move upward any further, it will come into contact with the top surface 601 and be blocked. The semiconductor substrate 100a has a fixed portion 130a around it.
is fixed around the support substrate 500, and the support substrate 5
00 is fixed to the bottom surface of the package 700. Further, the upper part of the package 700 is covered with a lid plate 710. As described above, a plurality of resistance elements are formed at predetermined positions on the upper surface of the semiconductor substrate 100a, and these resistance elements are connected to the leads 730 via the bonding wires 720, and are electrically connected to an external detection circuit. will be connected to. In this embodiment, the semiconductor substrate 100a is made of a single crystal silicon substrate, and includes a support substrate 500 and a control substrate 6.
00 is made of the same silicon or glass.
【００２９】このような構造をもった装置では、固定部
１３０ａはパッケージ７００に固着された状態となり、
作用部１１０ａおよび中間部１２３ａは、宙吊りの状態
となっている。したがって、パッケージ７００に加速度
が加わると、作用部１１０ａに慣性力に基づく力が作用
することになる。すなわち、加えられた加速度に基づい
て、作用部１１０ａに力が作用することになる。こうし
て、加速度の検出が可能になる。In the device having such a structure, the fixing portion 130a is fixed to the package 700,
The action portion 110a and the intermediate portion 123a are in a suspended state. Therefore, when acceleration is applied to the package 700, a force based on inertial force acts on the acting portion 110a. That is, a force acts on the acting portion 110a based on the applied acceleration. In this way, detection of acceleration becomes possible.
【００３０】図２１は、本発明を加速度検出装置に応用
した別な実施例を示す断面図である。この装置の中枢と
なる部分は、図１３に示した半導体基板１００ｃである
。半導体基板１００ｃの固定部１３０ｃの下面には台座
５１０が接合されており、作用部１１０ｃの下面には重
錘体５２０が接合されている。また、台座５１０は支持
基板５００に接合されており、半導体基板１００ｃの上
面には制御基板６００が接合されている。支持基板５０
０の中央部には溝Ｃ７が形成されており、重錘体５２０
の図の下方への変位は、この溝Ｃ７の深さ以内に制御さ
れる。重錘体５２０がそれ以上下方へ変位しようとする
と、底面５０１に当接して阻まれる。同様に、制御基板
６００の中央部には溝Ｃ８が形成されており、作用部１
１０ｃの図の上方への変位は、この溝Ｃ８の深さ以内に
制御される。作用部１１０ｃがそれ以上上方へ変位しよ
うとすると、天面６０１に当接して阻まれる。支持基板
５００は、パッケージ７００の底面に固着されている。
また、パッケージ７００の上部は蓋板７１０で覆われる
。前述したように、半導体基板１００ｃの上面所定位置
には、複数の抵抗素子が形成されており、この抵抗素子
は、ボンディングワイヤ７２０を介して、リード７３０
に接続され、外部の検出回路と電気的に接続されること
になる。この実施例では、半導体基板１００ｃは単結晶
シリコン基板からなり、台座５１０、重錘体５２０、支
持基板５００、および制御基板６００は、同じシリコン
あるいはガラスからなる。これらの間の接合部は、静電
接着（陽極接合）されている。FIG. 21 is a sectional view showing another embodiment in which the present invention is applied to an acceleration detection device. The central part of this device is the semiconductor substrate 100c shown in FIG. 13. A pedestal 510 is bonded to the lower surface of the fixed portion 130c of the semiconductor substrate 100c, and a weight body 520 is bonded to the lower surface of the action portion 110c. Further, the pedestal 510 is bonded to a support substrate 500, and a control board 600 is bonded to the upper surface of the semiconductor substrate 100c. Support substrate 50
A groove C7 is formed in the center of the weight body 520.
The downward displacement of the figure is controlled within the depth of this groove C7. If the weight body 520 attempts to displace further downward, it comes into contact with the bottom surface 501 and is blocked. Similarly, a groove C8 is formed in the center of the control board 600, and a groove C8 is formed in the central part of the control board 600.
The upward displacement of 10c in the figure is controlled within the depth of this groove C8. If the acting portion 110c attempts to move upward any further, it will come into contact with the top surface 601 and be blocked. Support substrate 500 is fixed to the bottom surface of package 700. Further, the upper part of the package 700 is covered with a lid plate 710. As described above, a plurality of resistance elements are formed at predetermined positions on the upper surface of the semiconductor substrate 100c, and these resistance elements are connected to the leads 730 through the bonding wires 720.
and will be electrically connected to an external detection circuit. In this embodiment, the semiconductor substrate 100c is made of a single crystal silicon substrate, and the pedestal 510, the weight body 520, the support substrate 500, and the control substrate 600 are made of the same silicon or glass. The joints between these are electrostatically bonded (anodic bonded).
【００３１】このような構造をもった装置では、固定部
１３０ｃはパッケージ７００に固着された状態となり、
重錘体５２０は、宙吊りの状態となっている。したがっ
て、パッケージ７００に加速度が加わると、重錘体５２
０に慣性力に基づく力が作用し、この力は作用部１１０
ｃに伝達される。すなわち、加えられた加速度に基づい
て、作用部１１０ｃに力が作用することになる。重錘体
５２０を設けることにより、上述の実施例に比べて、よ
り感度を高めることが可能である。また、重錘体５２０
の代わりに磁性体を用いるようにすれば、磁気検出装置
として機能させることも可能である。In the device having such a structure, the fixing portion 130c is fixed to the package 700,
The weight body 520 is in a suspended state. Therefore, when acceleration is applied to the package 700, the weight body 52
A force based on inertial force acts on the acting part 110.
transmitted to c. That is, a force acts on the acting portion 110c based on the applied acceleration. By providing the weight body 520, it is possible to further increase the sensitivity compared to the above embodiment. In addition, the weight body 520
If a magnetic material is used instead of , it is also possible to function as a magnetic detection device.
【００３２】図２２は、本発明を力検出装置として用い
る実施例を示す断面図である。この装置の中枢となる部
分は、図１０に示した半導体基板１００ａである。半導
体基板１００ａの上面には制御基板６００が接合され、
作用部１１０ａの図の上方への変位を制御する点は前述
の加速度検出装置と同様である。半導体基板１００ａの
周囲の固定部１３０ａは、パッケージ７００に固着され
ている。また、パッケージ７００の上部は蓋板７１０で
覆われる。半導体基板１００ａの上面所定位置に形成さ
れた抵抗素子は、ボンディングワイヤ７２０を介して、
リード７３０ａに接続され、外部の検出回路と電気的に
接続されることになる。このような構造をもった装置で
は、作用部１１０ａに加えられた外力Ｆを直接検出する
ことが可能である。FIG. 22 is a sectional view showing an embodiment in which the present invention is used as a force detection device. The central part of this device is the semiconductor substrate 100a shown in FIG. A control board 600 is bonded to the upper surface of the semiconductor substrate 100a,
The point of controlling the upward displacement of the action portion 110a in the drawing is similar to the above-mentioned acceleration detection device. A fixed portion 130a around the semiconductor substrate 100a is fixed to the package 700. Further, the upper part of the package 700 is covered with a lid plate 710. The resistance element formed at a predetermined position on the upper surface of the semiconductor substrate 100a is connected to
It will be connected to the lead 730a and electrically connected to an external detection circuit. In a device having such a structure, it is possible to directly detect the external force F applied to the action portion 110a.
【００３３】図２３は、外力を検出する装置に適した実
施例を示す断面図である。この装置は、金属からなる起
歪体８００と単結晶シリコン基板９００から構成される
。起歪体８００には、金属だけに限らず、セラミック、
プラスチック、ガラスなどの材料を用いてもよい。
起歪体８００は、ほぼ円盤状をしており、中心の作用部
８１０は下方へと伸びている。その周囲には同心円状に
、第１可撓部８２１、中間部８２３、第２可撓部８２２
、固定部８３０が形成されている。起歪体８００の上面
には平面が形成されており、この平面上に単結晶シリコ
ン基板９００が接合されている。単結晶シリコン基板９
００の上面の、第１可撓部８２１の上方位置および第２
可撓部８２２の上方位置には、抵抗素子が形成されてい
る。この抵抗素子はボンディングワイヤ９１０により電
極９２０に接続されており、電極９２０は貫通孔８３１
を通して起歪体８００の下面へと導出されている。この
ような構造をもった装置では、作用部８１０に加えられ
た外力Ｆを直接検出することが可能である。外力Ｆの作
用により、第１可撓部８２１および第２可撓部８２２に
撓みが生じると、この撓みは単結晶シリコン基板９００
上の抵抗素子へと伝達され、電気抵抗の変化として外力
Ｆが検出できる。起歪体８００を単結晶シリコン基板９
００とは別体として構成することにより、比較的大きな
外力を作用部８１０に直接作用させることができるため
、外力を検出するための装置として好ましい実施例であ
る。FIG. 23 is a sectional view showing an embodiment suitable for a device for detecting external force. This device is composed of a strain body 800 made of metal and a single crystal silicon substrate 900. The strain body 800 is not limited to metal, but also ceramic,
Materials such as plastic and glass may also be used. The strain-generating body 800 has a substantially disk shape, and a central action portion 810 extends downward. Concentrically arranged around it are a first flexible part 821, an intermediate part 823, and a second flexible part 822.
, a fixing portion 830 is formed. A plane is formed on the upper surface of the strain body 800, and a single crystal silicon substrate 900 is bonded onto this plane. Single crystal silicon substrate 9
00, the upper surface of the first flexible portion 821 and the second
A resistance element is formed above the flexible portion 822. This resistance element is connected to an electrode 920 by a bonding wire 910, and the electrode 920 is connected to a through hole 831.
It is led out to the lower surface of the strain body 800 through the flexure element 800 . In a device having such a structure, it is possible to directly detect the external force F applied to the action portion 810. When the first flexible portion 821 and the second flexible portion 822 are bent due to the action of the external force F, this bending causes the single crystal silicon substrate 900 to bend.
The external force F is transmitted to the upper resistance element and can be detected as a change in electrical resistance. A strain body 800 is attached to a single crystal silicon substrate 9
By configuring the device as a separate body from the device 810, a relatively large external force can be directly applied to the acting portion 810, so this is a preferred embodiment as a device for detecting external force.
【００３４】以上、本発明を図示するいくつかの実施例
に基づいて説明したが、本発明はこの他にも種々の応用
ができるものである。たとえば、上述の実施例では、半
導体基板の中心に作用部、外周に固定部を定義している
が、これとは逆に、半導体基板の中心に固定部、外周に
作用部を定義することも可能である。この場合、図６に
おいて、中央部１１０が固定部となり、装置本体に固着
される。そして、周辺部１３０が作用部となるため、検
出対象となる力はこの周辺部１３０に作用させることに
なる。Although the present invention has been described above based on several illustrated embodiments, the present invention can be applied to various other applications. For example, in the above embodiment, the acting part is defined at the center of the semiconductor substrate and the fixing part is defined at the outer periphery, but conversely, the fixing part may be defined at the center of the semiconductor substrate and the acting part is defined at the outer periphery. It is possible. In this case, in FIG. 6, the central portion 110 serves as a fixed portion and is fixed to the main body of the device. Since the peripheral portion 130 becomes the acting portion, the force to be detected is applied to the peripheral portion 130.
【００３５】[0035]
【発明の効果】以上のとおり、本発明による検出装置に
よれば、可撓部を第１可撓部と第２可撓部とに分け、抵
抗素子形成領域に応力を集中させるようにしたため、感
度の高い検出を行うことができるようになる。As described above, according to the detection device according to the present invention, the flexible portion is divided into the first flexible portion and the second flexible portion, and stress is concentrated in the resistive element forming region. It becomes possible to perform highly sensitive detection.
【図１】従来の力検出装置の上面図である。FIG. 1 is a top view of a conventional force detection device.
【図２】図１に示す力検出装置をＸ軸に沿って切断した
断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view of the force detection device shown in FIG. 1 taken along the X-axis.
【図３】図１に示す力検出装置にＺ軸方向の力Ｆｚが作
用したときの応力分布を示すグラフおよび機械的変形を
示す断面図である。3 is a graph showing stress distribution and a cross-sectional view showing mechanical deformation when a force Fz in the Z-axis direction is applied to the force detection device shown in FIG. 1. FIG.
【図４】図１に示す力検出装置にＸ軸方向の力Ｆｘが作
用したときの応力分布を示すグラフおよび機械的変形を
示す断面図である。4 is a graph showing stress distribution and a cross-sectional view showing mechanical deformation when a force Fx in the X-axis direction is applied to the force detection device shown in FIG. 1. FIG.
【図５】本発明の一実施例に係る力検出装置の上面図で
ある。FIG. 5 is a top view of a force detection device according to an embodiment of the present invention.
【図６】図５に示す力検出装置をＸ軸に沿って切断した
断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view of the force detection device shown in FIG. 5 taken along the X-axis.
【図７】図５に示す力検出装置にＺ軸方向の力Ｆｚが作
用したときの応力分布を示すグラフおよび機械的変形を
示す断面図である。7 is a graph showing stress distribution and a cross-sectional view showing mechanical deformation when force Fz in the Z-axis direction is applied to the force detection device shown in FIG. 5. FIG.
【図８】図５に示す力検出装置にＸ軸方向の力Ｆｘが作
用したときの応力分布を示すグラフおよび機械的変形を
示す断面図である。8 is a graph showing stress distribution and a cross-sectional view showing mechanical deformation when a force Fx in the X-axis direction is applied to the force detection device shown in FIG. 5. FIG.
【図９】本発明に係る力検出装置の製造方法を示す断面
図である。FIG. 9 is a sectional view showing a method of manufacturing a force detection device according to the present invention.
【図１０】図９に示す製造方法の結果得られる力検出装
置の断面図である。10 is a cross-sectional view of a force sensing device obtained as a result of the manufacturing method shown in FIG. 9; FIG.
【図１１】図９に示す製造方法の結果得られる力検出装
置の下面図である。FIG. 11 is a bottom view of the force detection device obtained as a result of the manufacturing method shown in FIG. 9;
【図１２】本発明の別な実施例に係る力検出装置の下面
図である。FIG. 12 is a bottom view of a force detection device according to another embodiment of the present invention.
【図１３】本発明のまた別な実施例に係る力検出装置の
断面図である。FIG. 13 is a sectional view of a force detection device according to another embodiment of the present invention.
【図１４】本発明に係る力検出装置の大量生産に適した
製造方法を示すための半導体ウエハの下面図である。FIG. 14 is a bottom view of a semiconductor wafer showing a manufacturing method suitable for mass production of the force detection device according to the present invention.
【図１５】図１４に示す半導体ウエハを切断線１５−１
５で切断した断面図である。[Fig. 15] The semiconductor wafer shown in Fig. 14 is cut along the cutting line 15-1.
5 is a cross-sectional view taken at section 5.
【図１６】本発明に係る力検出装置を放電加工によって
製造する方法を示す断面図である。FIG. 16 is a cross-sectional view showing a method of manufacturing the force detection device according to the present invention by electric discharge machining.
【図１７】本発明の更に別な実施例に係る力検出装置の
下面図である。FIG. 17 is a bottom view of a force detection device according to still another embodiment of the present invention.
【図１８】図１７に示す力検出装置を切断線１８−１８
で切断した断面図である。[Figure 18] Cutting line 18-18 of the force detection device shown in Figure 17.
FIG.
【図１９】図１７に示す力検出装置を切断線１９−１９
で切断した断面図である。[Fig. 19] Cutting line 19-19 of the force detection device shown in Fig. 17.
FIG.
【図２０】本発明の一実施例に係る具体的な加速度検出
装置の断面図である。FIG. 20 is a sectional view of a specific acceleration detection device according to an embodiment of the present invention.
【図２１】本発明の別な一実施例に係る具体的な加速度
検出装置の断面図である。FIG. 21 is a sectional view of a specific acceleration detection device according to another embodiment of the present invention.
【図２２】本発明の一実施例に係る具体的な力検出装置
の断面図である。FIG. 22 is a sectional view of a specific force detection device according to an embodiment of the present invention.
【図２３】本発明の別な一実施例に係る具体的な力検出
装置の断面図である。FIG. 23 is a sectional view of a specific force detection device according to another embodiment of the present invention.
１０…半導体基板
１１…作用部
１２…可撓部
１３…固定部
９０…半導体ウエハ
１００，１００ａ〜１００ｆ…半導体基板１１０，１１
０ａ〜１１０ｆ…作用部
１２１，１２１ａ〜１２１ｆ…第１可撓部１２２，１２
２ａ〜１２２ｆ…第２可撓部１２３，１２３ａ〜１２３
ｆ…中間部
１３０，１３０ａ〜１３０ｆ…固定部
２０１〜２０２…マスク層
３００…シリコンウエハ
４００…放電電極
５００…支持基板
５０１…底面
５１０…台座
５２０…重錘体
６００…制御基板
６０１…天面
７００，７００ａ…パッケージ
７１０…蓋板
７２０…ボンディングワイヤ
７３０，７３０ａ…リード
８００…起歪体
８１０…作用体
８２１…第１可撓部
８２２…第２可撓部
８２３…中間部
８３０…固定部
８３１…貫通孔
９００…半導体基板
９１０…ボンディングワイヤ
９２０…電極
Ｂ…切断線
Ｃ１〜Ｃ８…溝
Ｆ，Ｆｘ，Ｆｚ…力
Ｇ…溝
Ｈ…貫通孔
Ｒ，Ｒｘ１〜Ｒｘ４，Ｒｙ１〜Ｒｙ４，Ｒｚ１〜Ｒｚ４
…抵抗素子Ｓ１１〜Ｓ１４，Ｓ２１〜Ｓ２４，Ｓ３１〜
Ｓ３４，Ｓ４１〜Ｓ４４…応力10...Semiconductor substrate 11...Action part 12...Flexible part 13...Fixed part 90...Semiconductor wafer 100, 100a to 100f...Semiconductor substrate 110, 11
0a to 110f...Action parts 121, 121a to 121f...First flexible parts 122, 12
2a to 122f...second flexible portions 123, 123a to 123
f...Middle part 130, 130a-130f...Fixing part 201-202...Mask layer 300...Silicon wafer 400...Discharge electrode 500...Support substrate 501...Bottom surface 510...Pedestal 520...Weight body 600...Control board 601...Top surface 700 , 700a... Package 710... Lid plate 720... Bonding wires 730, 730a... Leads 800... Strain body 810... Acting body 821... First flexible part 822... Second flexible part 823... Intermediate part 830... Fixed part 831... Through hole 900...Semiconductor substrate 910...Bonding wire 920...Electrode B...Cutting line C1-C8...Groove F, Fx, Fz...Force G...Groove H...Through hole R, Rx1-Rx4, Ry1-Ry4, Rz1-Rz4
...Resistance elements S11 to S14, S21 to S24, S31 to
S34, S41-S44...Stress
Claims (6)
部の周囲に形成され可撓性をもった第１可撓部と、この
第１可撓部の周囲に形成された中間部と、この中間部の
周囲に形成され可撓性をもった第２可撓部と、この第２
可撓部の周囲に形成され装置本体に固定される固定部と
、を有し、前記中間部が前記第１可撓部および前記第２
可撓部に比べて可撓性の少ない構造となっている起歪体
と、前記第１可撓部に生じる機械的変形により電気抵抗
が変化する性質をもった第１の抵抗素子と、前記第２可
撓部に生じる機械的変形により電気抵抗が変化する性質
をもった第２の抵抗素子と、前記第１の抵抗素子と前記
第２の抵抗素子の電気抵抗の変化を検出する検出回路と
、を備え、前記検出回路による検出結果に基づいて、前
記作用部に作用した力を検出することを特徴とする力の
検出装置。Claim 1: An acting part to which a force is applied, a first flexible part formed around the acting part, and an intermediate part formed around the first flexible part. , a second flexible portion formed around the intermediate portion and having flexibility;
a fixed part formed around the flexible part and fixed to the device main body, and the intermediate part is connected to the first flexible part and the second flexible part.
a strain-generating body having a structure with less flexibility than the flexible portion; a first resistance element having a property that electrical resistance changes due to mechanical deformation occurring in the first flexible portion; a second resistance element whose electrical resistance changes due to mechanical deformation occurring in the second flexible portion; and a detection circuit that detects changes in the electrical resistance of the first resistance element and the second resistance element. A force detection device, comprising: detecting a force acting on the acting portion based on a detection result by the detection circuit.
固定部の周囲に形成され可撓性をもった第１可撓部と、
この第１可撓部の周囲に形成された中間部と、この中間
部の周囲に形成され可撓性をもった第２可撓部と、この
第２可撓部の周囲に形成され力の作用を受ける作用部と
、を有し、前記中間部が前記第１可撓部および前記第２
可撓部に比べて可撓性の少ない構造となっている起歪体
と、前記第１可撓部に生じる機械的変形により電気抵抗
が変化する性質をもった第１の抵抗素子と、前記第２可
撓部に生じる機械的変形により電気抵抗が変化する性質
をもった第２の抵抗素子と、前記第１の抵抗素子と前記
第２の抵抗素子の電気抵抗の変化を検出する検出回路と
、を備え、前記検出回路による検出結果に基づいて、前
記作用部に作用した力を検出することを特徴とする力の
検出装置。2. A fixed part fixed to the device main body; a first flexible part formed around the fixed part and having flexibility;
An intermediate portion formed around the first flexible portion, a second flexible portion formed around the intermediate portion, and a flexible second flexible portion formed around the second flexible portion. an acting part that receives an action, and the intermediate part is connected to the first flexible part and the second flexible part.
a strain-generating body having a structure with less flexibility than the flexible portion; a first resistance element having a property that electrical resistance changes due to mechanical deformation occurring in the first flexible portion; a second resistance element whose electrical resistance changes due to mechanical deformation occurring in the second flexible portion; and a detection circuit that detects changes in the electrical resistance of the first resistance element and the second resistance element. A force detection device, comprising: detecting a force acting on the acting portion based on a detection result by the detection circuit.
て、起歪体がほぼ平板状の基板によって構成され、この
基板に環状に第１の溝を掘ることにより第１可撓部を形
成し、この第１の溝の周囲に環状に第２の溝を掘ること
により第２可撓部を形成したことを特徴とする力の検出
装置。3. The device according to claim 1, wherein the strain-generating body is constituted by a substantially flat substrate, and the first flexible portion is formed by digging an annular first groove in the substrate. A force detection device characterized in that a second flexible portion is formed by digging a second groove annularly around the first groove.
が単結晶基板により構成され、第１の抵抗素子および第
２の抵抗素子が、この単結晶基板上に形成されているこ
とを特徴とする力の検出装置。4. The apparatus according to claim 3, wherein the substrate is constituted by a single crystal substrate, and the first resistance element and the second resistance element are formed on this single crystal substrate. force detection device.
て、起歪体とは別個に単結晶基板を用意し、第１の抵抗
素子および第２の抵抗素子をこの単結晶基板上に形成し
、この単結晶基板を起歪体に接合するようにしたことを
特徴とする力の検出装置。5. In the apparatus according to claim 1 or 2, a single crystal substrate is prepared separately from the strain-generating body, and the first resistance element and the second resistance element are formed on this single crystal substrate. , a force detection device characterized in that this single crystal substrate is bonded to a strain-generating body.
において、加速度に起因して発生する力を作用部に作用
させることにより、前記加速度を検出しうるようにした
ことを特徴とする加速度の検出装置。6. The device according to claim 1, wherein the acceleration can be detected by applying a force generated due to acceleration to the acting portion. Acceleration detection device.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2416187A JPH04249727A (en) | 1990-12-31 | 1990-12-31 | Detecting apparatus of force and acceleration |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2416187A JPH04249727A (en) | 1990-12-31 | 1990-12-31 | Detecting apparatus of force and acceleration |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04249727A true JPH04249727A (en) | 1992-09-04 |
Family
ID=18524428
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2416187A Pending JPH04249727A (en) | 1990-12-31 | 1990-12-31 | Detecting apparatus of force and acceleration |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH04249727A (en) |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
1990
- 1990-12-31 JP JP2416187A patent/JPH04249727A/en active Pending
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