JPH0554053B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、力の分布状態を検出する力分布検出
器に係り、たとえばロボツト用触覚又は人間の皮
膚の硬さを測定するのに好適な力分布検出器に関
する。

〔発明の背景〕

従来の力分布検出器は、Proccedings of
IEEE.VoL.71，No.６，pp652−660（1983）で知ら
れているように第１図に示す構成となつている。
１は、いわゆるタクタイルセンサの力検出部を示
す。２は導電性プラスチツク、３，４は導電性プ
ラスチツクの上面と下面に互いに直交して配置さ
れた電極である。矢印５は加えられた力を示し、
このように力５が加えられると、導電性プラスチ
ツクが変形し、電極３と４間の電気抵抗が減少す
る。このようにして、すべての電極３と４間を測
定すれば、その時作用している力の分布を知るこ
とができる。

しかし、このような構成では、導電性プラスチ
ツク２の変形を必須の作用とするが、これにより
ヒステリシスがともない、精度の高い力検出がで
きない欠点を有する。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、精度の高い力の分布を検出す
る力分布検出器を提供することにある。

〔発明の概要〕

たとえばシリコン等の半導体は理想的な弾性体
であり、LSI技術の進展に伴つてその微細加工技
術が発達した材料である。そこで、たとえば異方
性エツチングによりダイアフラム又はカンチレバ
を形成し、力を加えやすくするため、力点に凸部
を形成する。そして前記ダイヤフラム又はカンチ
レバの可動部の固定端部近傍にピエゾ抵抗素子を
形成し、力点の力による変位を抵抗値変化で検出
するようにしたものであり、このようにして形成
した素子をたとえばマトリツクス状に配置し、力
の分布を検出することができるものである。本発
明に係る力分布検出器は、力を受ける複数の肉厚
部と、それぞれの肉厚部と連設しそれぞれの変位
に伴つて変形しかつ表面に拡散抵抗が形成された
複数の薄肉部と、それぞれの薄肉部を固定する固
定部とよりなるシリコンで形成された半導体素子
を備え、それぞれの肉厚部は、格子状に配設され
るとともに、それぞれの肉厚部のほぼ中央に設け
られた凸部で受けた力を信号として処理する信号
処理部が半導体素子に集積され、それぞれの拡散
抵抗は、それぞれの薄肉部の力の作用する側と反
対側の面の近傍に形成され、半導体素子は、反対
側の面の所定部分に堆積されたポリシリコン膜を
介して台ガラスと静電接合されているように構成
されている。

〔発明の実施例〕

以下、本発明による力分布検出器の一実施例を
第２図により説明する。同図ａは力分布検出器の
力検出素子の全体斜視図で、同図ｂは継面斜視図
である。２１は力検出素子マレイを設けた検出器
のシリコンチツプ、２２は力を作用させるための
凸部、２３は凸部２２に力を作用させたとき変形
するダイアフラム部、２４はダイアフラム２３を
固定する部、２５は下面に信号処理回路が形成さ
れた信号処理部、２７はダイアフラム２３上に拡
散形成されたピエゾ抵抗体、２８はチツプ表面を
おおう酸化膜、２９はチツプ２１とガラス台２６
を静電接着するためのポリシリコン膜である。第
２図ｂでわかるように、凸部２２は、格子状に配
設されたダイアフラム固定部（肉厚部）２４のほ
ぼ中央に設けられるとともに、ダイアフラム固定
部２４より高くなつており、対象物からの力がこ
の凸部２２に加わりやすくするようにしてある。
その力を信号として処理する信号処理部２５がシ
リコンチツプ（半導体素子）２１に集積され、各
ピエゾ抵抗体（拡散抵抗）２７は、力の作用する
側と反対側の各ダイアフラム（薄肉部）２３の面
に形成されている。そしてこの面、つまりダイア
フラム固定部２４のガラス台２６側にダイアフラ
ム固定部２４の巾より狭い巾（所定部分）でポリ
シリコン膜２９が堆積され、ダイアフラム２３及
び凸部２２とガラス台２６との間に空隙が形成さ
れた状態で、ポリシリコン膜２９を介してシリコ
ンチツプ２１がガラ台２６に静電接合されてい
る。

今、力３０が凸部２２に加えられると、ダイア
フラム２３が撓む。その結果ダイアフラム上に拡
散形成した抵抗２７はピエゾ抵抗効果によつて抵
抗値が変化する。この変化から力を検出すること
ができる。第２図ａに示すように前記検出素子を
２次元アレイ状に配列すれば、力の分布を測定す
ることが可能となる。

第３図に前記信号処理部２５にLSI技術により
形成される信号処理回路のブロツクダイアグラム
の一実施例を示す。２１はシリコンチツプ、４２
は第２図で示したセンサアレイ部、４３はセンサ
部へ供給する電源センサ部からの信号出力、４４
はスキヤナ、４５はセンサアレイ中の特定の出力
を得るアドレス信号、４６は選択されたセンサ出
力、４７は増幅器、４８はアドレス信号４５で指
定されたセンサの出力電圧、をそれぞれ示す。こ
の構成で集積化された集積回路はスキヤナ４４お
よび増幅器４７である。

動作を簡単に説明する。外部プロセツサで、セ
ンサチツプ選択信号４５を送る。

一方スキヤナ４４にはセンサアレイから全信号
４３が送られてきているので、そのうち、センサ
チツプ選択信号４５によりチツプを選択し、その
信号を信号線４６を介して増幅器４７に送る。増
幅された信号は出力線４８で出力される。このよ
うな構成にすれば、センサアレイの信号をすべて
とり出す必要がなく、センサチツプ選択信号４５
と出力４８並びに電源線で済み配線数を減らすこ
とができるようになる。

次に、第２図ａに示した力分布検出器の製造方
法の一実施例を第４図ａないしｅに示す。

同図ａは通常の拡散プロセスで、拡散抵抗２
７，２７′が形成されたウエハを示し、２１がシ
リコンウエハで、２８，２８′は酸化膜である。
同図ｂは酸化膜２８上にポリシリコン２９が堆積
された後エツチングにより必要な部分のみ残され
た状態を示す。次に同図ｃでは、ダイアフラムを
異方性エツチングで形成するため酸化膜２８′を
選択エツチングした状態を示す。２８Ａ部の酸化
膜は、凸部と固定部の厚さの差を得るために、ス
リツト２８Ｂが形成されている。酸化膜２８′を
マスクにして異方性エツチングされた形状を同図
ｄに示す。この状態でウエハは完成である。次
に、ウエハ２１はポリシリコン膜２９，２９′を
介して台ガラス２６と静電接合される。この接合
方法は、ウエハ２１と台ガラス２６を約400℃に
加熱した後直流電圧源３１により、シリコンを
正、ガラス２６を負に接続し、約１時間で、接合
が完了する。

ピエゾ抵抗素子と信号処理回路を結ぶ配線は図
示されていないが、これは、固定部２４の拡散面
に配線されている。

次に本発明による力分布検出器の他の実施例を
第５図を用いて説明する。第２図に示した実施例
が、検出機構にダイアフラムを使つていたが、こ
の実施例では、シリコンからなるカンチレバを使
つたものである。同図において２４はカンチレバ
３１の固定部で、カンチレバ３１の先端に力を加
える凸部２２が形成されている。第２図に示した
と同様に、凸部２２は固定部２４より十分高くな
つている。カンチレバ先端部と隣りのカンチレバ
固定部はギヤツプ３３で分離されている。これ
は、拡散面側からの異方性エツチングにより形成
される。面３２は、拡散面からのエツチングのた
め生じた面を表わしている。各カンチレバ３１は
隣接するカンチレバとギヤツプ３４によつて分離
されて、いわゆるカンチレバが２次元状に配線さ
れている。カンチレバ固定部近傍に拡散抵抗２７
が拡散されている。拡散面表面は酸化膜２８が形
成されている。固定部２４はポリシリコン膜２９
を介してガラス２６と静電接合されている。

このようにした構造において、力３０が凸部２
２に加えられると、カンチレバ３１がたわみピエ
ゾ抵抗効果によつて前記拡散抵抗２７の抵抗値が
変化する。本実施例では、カンチレバの剛性はダ
イアフラムに比較して小さいため力３０が小さい
場合に効果がある。

以上説明した力分布検出器によれば、検出器材
料にシリコンを使つているためヒステリシスが生
じない、精度が高い、感度が高い信号処理回路を
集積化できる等の効果がある。シリコン、ポリシ
リコン及びガラスはともに脆性材料であるが、破
壊に至らなければほとんど理想的な弾性材料であ
る。したがつて構成材料からは、外力に対して応
力と歪の関係にヒステリシスを生じない。またシ
リコンチツプをポリシリコンを介してガラスと静
電接合することにより、接着剤なして接合できて
ヒステリシスを生ずることがなく、力を増加させ
る過程と減少させる過程で出力にヒステリシスを
生じない。接合に、はんだ又は有機接着剤を用い
ると、それらの材料は、応力と歪の関係にヒステ
リシスがあるため、力を増加させる過程と減少さ
せる過程で、出力にヒステリシスを生じてしま
う。更に、構造的には、拡散面を表に出さない構
造になつているため、対象物に接触することによ
るよごれが拡散面に影響せず、またシリコンの微
細加工技術により、小型化、精度の高い配置がで
きる効果もある。

本実施例では、半導体材料としてシリコンを用
いたものであるが、シリコンに限らず、ゲルマニ
ウムあるいはガリウム砒素等の他の半導体材料で
あつてもよいことはいうまでもない。

〔発明の効果〕

以上述べたことから明らかなように本発明によ
れば、力検出材料として半導体シリコンを用い、
ポリシリコン膜を介して台ガラスに接合するた
め、ヒステリシスが防止されて処理回路部が集積
化できるとともに、拡散抵抗面の汚れによる影響
が防止されて、高感度、高精度な力分布を検出で
きる力分布検出器を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の力分布検出器の一例を示す斜視
図、第２図ａ，ｂは本発明による力分布検出器の
一実施例を示す斜視図、第３図は前記力分布検出
器に組込まれる電子回路の一実施例を示すブロツ
ク図、第４図は本発明による力分布検出器の製造
方法の一実施例を示す工程図、第５図は本発明に
よる力分布検出器の他の実施例を示す斜視図であ
る。 １……タクタイルセンサ、２……導電性プラス
チツク、３，４……電極、２１……シリコンチツ
プ（半導体素子）、２２……凸部、２３……ダイ
アフラム、２４……固定部、２５……信号処理
部、２６……台ガラス、２７……拡散抵抗、２８
……酸化膜、２９……ポリシリコン、３０……
力、３１……電源、３１……カンチレバ、３３，
３４……ギヤツプ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 力を受ける複数の肉厚部と、それぞれの肉厚
   部と連設しそれぞれの変位に伴つて変形しかつ表
   面に拡散抵抗が形成された複数の薄肉部と、それ
   ぞれの薄肉部を固定する固定部とよりなるシリコ
   ンで形成された半導体素子を備え、それぞれの肉
   厚部は、格子状に配設されるとともに、それぞれ
   の肉厚部のほぼ中央に設けられた凸部で受けた前
   記力を信号として処理する信号処理部が前記半導
   体素子に集積され、それぞれの拡散抵抗は、それ
   ぞれの薄肉部の前記力の作用する側と反対側の面
   の近傍に形成され、前記半導体素子は、前記反対
   側の面の所定部分に堆積されたポリシリコン膜を
   介して台ガラスと静電接合されていることを特徴
   とする力分布検出器。