JPH0577304B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は半導体力セン及びそれを用いた触覚セ
ンサに関し、特にロボツトや各種産業機器もしく
は事務機器に装備し、対象物と機器間の力もしく
は分布力を測定する半導体力センサ及びそれを用
いた触覚センサに関する。

〔従来の技術〕 近年、安価で高性能なマイクロコピユータが普
及し、それらを用いることにより様々な産業分野
で自動化あるいはロボツト化が進められつつあ
る。しかし、現在実用化されているロボツトある
いは自動機器は、ある定まつた形、定まつた大き
さ、あるいは定まつた重さの物を持ち上げたり運
んだり、あるいは加工、組立等の作業を一定のプ
ログラムによつてしか行うことができないのが現
状である。

一方、消費者層の多様化により、多品種少量生
産の傾向が強くなり、FMS（Flexible
Manufacturing System）と呼ばれる自動化技術
の開発が叫ばれている。このような自動化の流れ
に於ては、人間の感覚器官に代わる様々なセンサ
をロボツトあるいは自動機械に装備し、それらの
情報を基に的確な制御を行う必要がある。

ロボツトがある対象物を持ち上ることを想定し
た場合、まず視覚センサにより対象物を見つけ、
次に近接視覚センサの助けを借りて対象物に接近
し、最後に触覚センサにより対象物の固さ、対象
物をつかんだ時の反発力等を測定し、把握力を制
御しながら、物体を持ち上げるという動作を行
う。このように対象物を把持する場合最低限一点
での力測定、願わくば分布圧が感度良く測定でき
ればロボツトの自由度は飛躍的に増す。また高度
なロボツトの分野のみならず、自動機械や事務機
器等においても力の測定が高精度に行えれば、そ
の自由度は増す。例えば、複写機における紙圧の
制御、プリンタの印字圧の制御等々である。

従来、この種の力センサとして用いられてきた
ものに、金属薄膜を用いた歪みゲージがあるが、
感度が低くまたなんらかの変位しやすい構造体に
張付ける必要があり、センサ部が大きくなり、ま
た構造体を合せ持つために費用も安価にならない
という欠点を持つていた。更に、歪みゲージを複
数個並べて分布圧を測定することは困難であつ
た。

また別の試みとして、感圧導電性ゴムを用いた
力センサも提案されている。感圧導電性ゴムを用
いた力センサは安価で分布圧の測定には利点を有
するが、耐久性及び再現性に劣るという問題があ
る。

一方、半導体力センサも提案されている。例え
ば、1985年に開催されたインターナシヨナル・コ
ンフアレンス・オン・ソリツドステート・サンサ
ーズ・アンド・アクチユエータズ
（International Conference on Solid−state
Sensors Actuators）においてケイ・ペエターセ
ン（K.Petersen）らがダイジエスト・オブ・テ
クニカル・ヘーパズ（Digest of Technical
Papers）30頁に次のような論文を発表している。
その論文では、第７図に示すような構造の半導力
センサが提案されている。

即ち、シリコンチツプを機械的に削りシリコン
突起部２１を形成する。また、応力検出を行うゲ
ージ抵抗２２をシリコン突出部２１のちようど真
下部分に設けておく。その御、中央の凹部を有す
るガラス２３にゲージ抵抗部２２が下向きになる
ようにシリコンチツプを乗せ、いわゆる静電接着
法でシリコンチツプとガラス２３を接着する。そ
の際ガラス２３の上に予め形成した金パツド部
と、シリコンチツプ側に形成されたゲージ抵抗２
２と接続したパツド部とが接着され、電気的な信
号はガラス２３のパツド部に引出されるようにな
つている。その後、パツド部はボンデイングワイ
ヤ２４で第７図に示すようにパツケージ部システ
ムと接続される。

荷重がシリコン突出部２１に加圧されるとゲー
ジ抵抗部２２が歪みピエゾ抵抗効果によりその大
きさが検出される。この力センサは、小型で高精
度かつ再現性に優れたものであるがシリコン突起
部２１の下の部分のシリコン層２６を薄くできな
い。シリコン層２６が薄い程高精度になるがあま
り薄いと機械的にシリコンチツプが破壊する。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上述した従来の半導体力センサは、シリコン突
出部の下のシリコン層を薄くできないので、感度
が劣るという欠点がある。

本発明の目的は、機械的強度が大きく高感度に
できる半導体力センサ及びそれを用いた触覚セン
サを提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本第１の発明の半導体力センサは不純物を拡散
して形成したダイヤフラムと該ダイヤフラムを支
持するリム部とから成るシリコン基板と、前記リ
ム部と反対側の前記ダイヤフラム上に設けたゲー
ジ抵抗を各辺とするブリツジ回路と、前記ダイヤ
フラムに接着される中央に凹部を有し前記ブリツ
ジ回路と接続する配線パツドを形成した絶縁性の
基部と、前記ダイヤフラムと接触せず前記リム部
に接着される絶縁性の球とを含んで構成される。

本第２の発明の触覚センサは、不純物を拡散し
て形成したダイヤフラムと該ダイヤフラムを支持
するリム部とから成るシリコン基板と、前記リム
部と反対側の前記ダイヤフラム上に設けたゲージ
抵抗を各辺とするブリツジ回路と、前記ダイヤフ
ラムに接着される中央に凹部を有し前記ブリツジ
回路と接続する配線パツドを形成した絶縁性の基
部と、前記ダイヤフラムと接触せず前記リム部に
接着される絶縁性の球とを備える半導体力センサ
を複数個アレイ状に配置している。

〔作用〕

本発明はシリコンのピエゾ抵抗効果を利用した
半導体力センサで再現性が良くかつ高精度であ
る。又、外力の印加される部分は、シリコン基板
の薄膜部ではなく厚肉のリム部で、その結果高感
度でかつ強度も十分にとることができる。従つて
本発明の構造をとることにより高感度・高精度か
つ再現性の良い半導体力センサが得られる。

〔実施例〕

以下、本発明について図面を参照して説明す
る。

第１図は第１の発明の一実施例の断面図であ
る。

第１図に示すように、シリコン基板１に不純物
を拡散してダイヤフラム２を形成し、ダイヤフラ
ム２を支持するリム部３を形成する。リム部３と
反対側のダイヤフラム２の表面には、後述するよ
うにゲージ抵抗を各辺とするブリツジ回路とブリ
ツジ回路と外部との接続用パツドが形成される。
更に、ダイヤフラム２に接着する面の中央に凹部
４を有しダイヤフラム２上のパツドと接続する配
線用パツドを形成した絶縁性の基部としてのパイ
レツクスガラス５とダイヤフラム２とを接着す
る。又、リム部３にはダイヤフラム２と接触しな
い大きさのサフアイヤ球６が接着されている。

このように構成された半導体力センサは、パイ
レツクスガラス５の底面がパツケージ７に接着さ
れ、配線用パツドとパツケージ７のステムとがボ
ンデイングワイヤ８で接続される。

第２図ａ及びｂ、第３図ａ及びｂはそれぞれ第
１図の実施例を説明するための工程順に示す半導
体チツプの平面図及び断面図である。

第２図ａに示すように、（100）ｎ型のシリコン
基板１に熱酸化膜を形成しゲージ抵抗１１になる
部分を開口し、その部分にイオン注入法によりホ
ウ素イオンを注入しｐ型の拡散層を形成する。

更に、ｐ型拡散層上に酸化膜を形成し、配線用
のコンタクト穴を作りチタン・金の配線１５によ
り各ゲージ抵抗１１を接続しブリツジ回路をつく
りチタン・金のパツド１４と配線１５とを接続す
る。

次に、第２図ｂに示しように、表面にCVD法
で酸化膜をかぶせ、シリコン基板１の裏面から異
方性エツチング技術を用いてダイヤフラム２を形
成する。本実施例の場合、厚さ20μｍのダイヤフ
ラムを作るのにヒドラジン水和液を用い温度90℃
中で約２時間半要した。この異方性エツチング
は、ヒトラジンのみならず水酸化カリウムやエチ
レンジアミン・ピロカテコール混合液等でも可能
である。

（100）方位のシリコン基板１を用いた場合の
特徴は、第２図ｂに示すように、、リム部３が角
度54.7度のテーパ状になることである。

次に、第３図ａ及びｂに示すように、パイレツ
クスガラス５の中央部をフツ酸でエツチングし約
30μｍの深さに凹部４を設ける。更に、金メツキ
により配線用パツド１２を形成する。このようし
て得られたパイレツクスガラス５の上にシリコン
基板１を表面側からのせ、仮りどめ後、静電接着
法によりパイレツクスガラス５とシリコン基板１
を接着する。この際、パツド１４と配線用パツド
１２が接続される。接着の条件は、温度400℃で
電圧500Vを約５分間印加した。

次に、第１図に示すように、パツケージ７にパ
イレツクスガラス５の底面を張付け、配線用パツ
ド１２とパツケージ７のステムをボンデイングワ
イヤ８でボンデイングする。更に、リム部３のテ
ーパに接するようにサフアイア球６（もしくはガ
ラス球）を乗せ、シリコン樹脂でサフアイア球６
をリム部３に接着して、半導体力センサが得られ
る。

第４図は第１図の実施例の荷重対出力の相関を
示す特性図である。

第４図に示すように、ヒステリシスもなく荷重
１ｇから１Kgまで0.1ｇの精度で直線性の非常に
良い特性を示している。

第５図は第２の発明の一実施例の平面図であ
る。

第５図に示すように、上述した第１の半導体力
センサをピツチ２mmで５×５の格子状に25個配列
したアレイ状にし、約10×10mmの触覚センサとし
た。

第６図は第５の実施例の動作を説明するための
出力パターン図である。

第６図に示すように、第５図の実施例上に直径
３mmのナツトを置いた場合、ハツチングして示す
ように半導体力センサからの出力電圧が得られ、
分布電圧検出の機能を十分に満たすことができ
る。

〔発明の効果〕

以上説明したように第１の発明の半導体力セン
サは、力センサとしての基本的な特性、即ち、感
度、精度、再現性等に優れた特性をもつことがで
きるという効果がある。更に、通常のチリコンダ
イヤフラム型圧力センサのチツプを、そのまま組
立工程の変更のみで製造することができ低価格に
できるという効果もある。

又、第２の発明の触覚センサはアレイ状に並べ
ることにより分布圧の検出ができるという効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は第１の発明の一実施例の断面図、第２
図ａ及びｂ、第３図ａ及びｂはそれぞれ第１図の
実施例を説明するための工程順に示す半導体チツ
プの平面図及び断面図、第４図は第１図の実施例
の荷重対出力の相関を示す特性図、第５図は第２
の発明の一実施例の平面図、第６図は第５図の実
施例の動作を説明するための出力パターン図、第
７図は従来の半導体力センサの一例の断面図であ
る。 １……シリコン基板、２……ダイヤフラム、３
……リム部、４……凹部、５……パイレツクスガ
ラス、６……サフアイヤ球、７……パツケージ、
８……ボンデイングワイヤ、１１……ゲージ抵
抗、１２……配線用パツド、１３……半導体力セ
ンサ、１４……パツド、１５……配線、２１……
シリコン突起部、２２……ゲージ抵抗、２３……
ガラス。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 不純物を拡散して形成したダイヤフラムと該
   ダイヤフラムを支持するリム部とから成るシリコ
   ン基板と、前記リム部と反対側の前記ダイヤフラ
   ム上に設けたゲージ抵抗を各辺とするブリツジ回
   路と、前記ダイヤフラムに接着される中央に凹部
   を有し前記ブリツジ回路と接続する配線パツドを
   形成した絶縁性の基部と、前記ダイヤフラムと接
   触せず前記リム部に接着される絶縁性の球とを含
   むことを特徴とする半導体力センサ。 ２ 不純物を拡散して形成したダイヤフラムと該
   ダイヤフラムを支持するリム部とから成るシリコ
   ン基板と、前記リム部と反対側の前記ダイヤフラ
   ム上に設けたゲージ抵抗を各辺とするブリツジ回
   路と、前記ダイヤフラムに接着される中央に凹部
   を有し前記ブリツジ回路と接続する配線パツドを
   形成した絶縁性の基部と、前記ダイヤフラムと接
   触せず前記リム部に接着される絶縁性の球とを備
   える半導体力センサを複数個アレイ状に配置する
   ことを特徴とする触覚センサ。