JP6333208B2

JP6333208B2 - Force detector

Info

Publication number: JP6333208B2
Application number: JP2015077773A
Authority: JP
Inventors: 理恵田口; 水野　健太朗; 健太朗水野; 勝間田　卓; 卓勝間田
Original assignee: Denso Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Denso Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2015-04-06
Filing date: 2015-04-06
Publication date: 2018-05-30
Anticipated expiration: 2035-04-06
Also published as: JP2016197076A

Description

本明細書で開示される技術は、ピエゾ抵抗効果を利用する力検知装置に関する。 The technology disclosed in this specification relates to a force detection device that uses a piezoresistance effect.

ピエゾ抵抗効果を利用する力検知装置が開発されており、その一例が特許文献１に開示されている。この種の力検知装置は、基板及び力伝達ブロックを備える。基板の主面には、ブリッジ回路を構成する複数のメサ型ゲージが設けられている。例えば、ブリッジ回路を構成する複数のメサ型ゲージは、矩形の辺に対応して配置されている。力伝達ブロックは、複数のメサ型ゲージの頂面に接するように設けられている。力伝達ブロックがメサ型ゲージを押圧すると、メサ型ゲージに加わる圧縮応力が増大し、メサ型ゲージの電気抵抗値がピエゾ抵抗効果によって変化する。この電気抵抗値の変化から力伝達ブロックに加わる力が検知される。 A force detection device using a piezoresistance effect has been developed, and an example thereof is disclosed in Patent Document 1. This type of force detection device includes a substrate and a force transmission block. A plurality of mesa gauges that form a bridge circuit are provided on the main surface of the substrate. For example, a plurality of mesa gauges constituting the bridge circuit are arranged corresponding to rectangular sides. The force transmission block is provided in contact with the top surfaces of the plurality of mesa gauges. When the force transmission block presses the mesa gauge, the compressive stress applied to the mesa gauge increases, and the electric resistance value of the mesa gauge changes due to the piezoresistance effect. The force applied to the force transmission block is detected from the change in the electrical resistance value.

特許文献２は、複数のメサ型ゲージの周囲を一巡して力伝達ブロックが基板に接合する封止型構造を有する力検知装置を提案する。このような、封止型の力検知装置は、力伝達ブロックに加わる力が複数のメサ型ゲージに効率よく伝達され、高感度な特性を有することができる。 Patent Document 2 proposes a force detection device having a sealed structure in which a force transmission block is joined to a substrate in a round around a plurality of mesa gauges. Such a sealed-type force detection device can have a highly sensitive characteristic because the force applied to the force transmission block is efficiently transmitted to a plurality of mesa gauges.

特開２００１−３０４９９７号公報JP 2001-304997 A 特開２００６−０５８２６６号公報（特に、図９）JP 2006-058266 A (in particular, FIG. 9)

封止型の力検知装置では、メサ型ゲージに加わる圧縮応力は、メサ型ゲージが封止されている空間（以下、封止空間と称する）内におけるメサ型ゲージの位置に依存する。このため、メサ型ゲージに適切に圧縮応力を加えるためには、メサ型ゲージを封止空間内の所定の位置に配置する必要がある。この結果、矩形の辺に対応して配置されている複数のメサ型ゲージがブリッジ回路を構成する場合は、各々のメサ型ゲージの長さが自動的に決定されてしまう。このため、メサ型ゲージの感度を調整するためには、メサ型ゲージの幅を変更するしかなく、メサ型ゲージの設計の自由度が低い。 In the sealed type force detection device, the compressive stress applied to the mesa type gauge depends on the position of the mesa type gauge in a space in which the mesa type gauge is sealed (hereinafter referred to as a sealed space). For this reason, in order to appropriately apply compressive stress to the mesa gauge, it is necessary to arrange the mesa gauge at a predetermined position in the sealed space. As a result, when a plurality of mesa gauges arranged corresponding to the sides of the rectangle form a bridge circuit, the length of each mesa gauge is automatically determined. For this reason, in order to adjust the sensitivity of the mesa gauge, the width of the mesa gauge must be changed, and the degree of freedom in designing the mesa gauge is low.

本明細書では、ブリッジ回路を構成する複数のメサ型ゲージを備える封止型の力検知装置において、メサ型ゲージの設計の自由度を向上する技術を提供する。 The present specification provides a technique for improving the degree of freedom in designing a mesa gauge in a sealed force detection device including a plurality of mesa gauges constituting a bridge circuit.

本明細書で開示する力検知装置の一実施形態は、基板と力伝達ブロックを備える。基板は、メサ型ゲージと、接続領域と、封止部を有する。メサ型ゲージは、基板の主面に設けられており、ブリッジ回路を構成している。接続領域は、基板の主面に設けられており、不純物が導入されている。封止部は、基板の主面に設けられており、メサ型ゲージの周囲を一巡しており、力伝達ブロックに接合する。メサ型ゲージは、第１メサ型ゲージと、第２メサ型ゲージを有する。第１メサ型ゲージは、第１方向に延びる。第２メサ型ゲージは、第１方向と異なる第２方向に延びており、第１メサ型ゲージから離れている。接続領域は、第１メサ型ゲージの一端と第２メサ型ゲージの一端の間に配置されており、第１メサ型ゲージの一端と第２メサ型ゲージの一端を電気的に接続する。 One embodiment of the force detection device disclosed herein comprises a substrate and a force transmission block. The substrate has a mesa gauge, a connection region, and a sealing portion. The mesa gauge is provided on the main surface of the substrate and forms a bridge circuit. The connection region is provided on the main surface of the substrate, and impurities are introduced. The sealing portion is provided on the main surface of the substrate, makes a round around the mesa gauge, and is joined to the force transmission block. The mesa type gauge has a first mesa type gauge and a second mesa type gauge. The first mesa type gauge extends in the first direction. The second mesa gauge extends in a second direction different from the first direction and is away from the first mesa gauge. The connection region is disposed between one end of the first mesa gauge and one end of the second mesa gauge, and electrically connects one end of the first mesa gauge and one end of the second mesa gauge.

上記の力検知装置では、第１メサ型ゲージの一端と第２メサ型ゲージの一端は直接的に接続しておらず、両者の間には接続領域が配置されている。第１メサ型ゲージの一端及び第２メサ型ゲージの一端は、接続領域に電気的に接続されている。このため、接続領域の範囲を調整することにより、第１メサ型ゲージの長さ及び第２メサ型ゲージの長さを調整できる。従って、ブリッジ回路を構成するメサ型ゲージを備える封止型の力検知装置において、第１メサ型ゲージ及び第２メサ型ゲージの設計の自由度を向上することができる。 In the above-described force detection device, one end of the first mesa gauge and one end of the second mesa gauge are not directly connected, and a connection region is disposed between them. One end of the first mesa gauge and one end of the second mesa gauge are electrically connected to the connection region. For this reason, the length of the first mesa gauge and the length of the second mesa gauge can be adjusted by adjusting the range of the connection region. Therefore, in the sealed force detection device including the mesa gauge constituting the bridge circuit, the degree of freedom in designing the first mesa gauge and the second mesa gauge can be improved.

図１は、実施例の力検知装置の分解斜視図を模式的に示しており、半導体基板と力伝達ブロックで構成される封止空間の範囲を二点鎖線で示す。FIG. 1 schematically shows an exploded perspective view of the force detection device of the embodiment, and shows a range of a sealing space constituted by a semiconductor substrate and a force transmission block by a two-dot chain line. 図２は、実施例の力検知装置が備える半導体基板の平面図を模式的に示しており、半導体基板と力伝達ブロックで構成される封止空間の範囲を二点鎖線で示す。FIG. 2 schematically shows a plan view of a semiconductor substrate included in the force detection device of the embodiment, and a range of a sealing space constituted by the semiconductor substrate and the force transmission block is indicated by a two-dot chain line. 図３は、図２のIII-III線に対応した断面図を模式的に示す。FIG. 3 schematically shows a cross-sectional view corresponding to line III-III in FIG. 図４は、図２のIV-IV線に対応した断面図を模式的に示す。FIG. 4 schematically shows a cross-sectional view corresponding to the line IV-IV in FIG. 図５は、実施例の力検知装置が備える力伝達ブロックを示しており、半導体基板の接合する面を模式的に示す。FIG. 5 shows a force transmission block provided in the force detection device of the embodiment, and schematically shows a surface to which the semiconductor substrate is bonded.

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。 The technical features disclosed in this specification will be summarized below. The items described below have technical usefulness independently.

本明細書で開示される力検知装置の一実施形態は、各種圧力を検知するセンサであり、一例では、気圧又は液圧を検知対象としてもよい。この力検知装置は、基板と力伝達ブロックを備えていてもよい。基板の材料は、圧縮応力に応じて電気抵抗が変化するピエゾ抵抗効果が現われるものが望ましい。例えば、基板としては、半導体基板及びＳＯＩ基板が例示される。基板は、メサ型ゲージと、接続領域と、封止部を有する。メサ型ゲージは、基板の主面に設けられており、ブリッジ回路を構成している。接続領域は、基板の主面に設けられており、不純物が導入されている。封止部は、基板の主面に設けられており、メサ型ゲージの周囲を一巡しており、力伝達ブロックに接合する。メサ型ゲージは、第１メサ型ゲージと、第２メサ型ゲージを有する。第１メサ型ゲージは、第１方向に延びる。第２メサ型ゲージは、第１方向と異なる第２方向に延びており、第１メサ型ゲージから離れている。接続領域は、第１メサ型ゲージの一端と第２メサ型ゲージの一端の間に配置されており、第１メサ型ゲージの一端と第２メサ型ゲージの一端を電気的に接続する。 One embodiment of the force detection device disclosed in the present specification is a sensor that detects various pressures. In one example, the detection target may be atmospheric pressure or hydraulic pressure. The force detection device may include a substrate and a force transmission block. The material of the substrate is preferably one that exhibits a piezoresistance effect in which the electrical resistance changes according to the compressive stress. For example, examples of the substrate include a semiconductor substrate and an SOI substrate. The substrate has a mesa gauge, a connection region, and a sealing portion. The mesa gauge is provided on the main surface of the substrate and forms a bridge circuit. The connection region is provided on the main surface of the substrate, and impurities are introduced. The sealing portion is provided on the main surface of the substrate, makes a round around the mesa gauge, and is joined to the force transmission block. The mesa type gauge has a first mesa type gauge and a second mesa type gauge. The first mesa type gauge extends in the first direction. The second mesa gauge extends in a second direction different from the first direction and is away from the first mesa gauge. The connection region is disposed between one end of the first mesa gauge and one end of the second mesa gauge, and electrically connects one end of the first mesa gauge and one end of the second mesa gauge.

本明細書が開示する力検知装置では、基板が、基板の主面に設けられており、不純物が導入されている配線をさらに有していてもよい。接続領域は、第１メサ型ゲージの一端と第２メサ型ゲージの一端の間で狭窄されている狭窄部を含んでいてもよい。配線は、狭窄部に接続する。例えば、狭窄部を含まない接続領域では、製造バラツキによって接続領域内を流れる電流の経路もばらつく。このような電流経路のばらつきは、零点オフセット特性の悪化の原因となる。一方、狭窄部を含む接続領域では、接続領域内を流れる電流の経路を制限することができる。これにより、力検知装置の零点オフセット特性の悪化が抑えられる。 In the force detection device disclosed in this specification, the substrate may be further provided with a wiring that is provided on the main surface of the substrate and into which impurities are introduced. The connection region may include a constricted portion that is constricted between one end of the first mesa gauge and one end of the second mesa gauge. The wiring is connected to the narrowed portion. For example, in the connection region that does not include the constriction, the path of the current flowing in the connection region varies due to manufacturing variations. Such variations in the current path cause deterioration of the zero point offset characteristic. On the other hand, in the connection region including the constricted portion, the path of current flowing in the connection region can be limited. Thereby, the deterioration of the zero point offset characteristic of the force detection device can be suppressed.

本明細書が開示する力検知装置では、基板の第１方向が、応力に対して電気抵抗値が相対的に大きく変化する方向であり、基板の第２方向が、第１方向に対して直交しており、応力に対して電気抵抗値が相対的に小さく変化する方向であってもよい。第１メサ型ゲージは、第１高感度メサ型ゲージと第２高感度メサ型ゲージを有し、第２メサ型ゲージは、第１低感度メサ型ゲージと第２低感度メサ型ゲージを有していてもよい。第１高感度メサ型ゲージと第２高感度メサ型ゲージは、封止部の内側の内側領域の中心点に対して点対称に配置されていてもよい。この構成によると、力伝達ブロックに加わる力に対して第１高感度メサ型ゲージ及び第２高感度メサ型ゲージの各々に伝達される力が等しくなるので、力伝達ブロックに加わる力に対する出力の線形性を向上できる。 In the force detection device disclosed in this specification, the first direction of the substrate is a direction in which the electrical resistance value changes relatively greatly with respect to the stress, and the second direction of the substrate is orthogonal to the first direction. The electric resistance value may change in a relatively small manner with respect to the stress. The first mesa gauge has a first high sensitivity mesa gauge and a second high sensitivity mesa gauge, and the second mesa gauge has a first low sensitivity mesa gauge and a second low sensitivity mesa gauge. You may do it. The first high-sensitivity mesa gauge and the second high-sensitivity mesa gauge may be arranged point-symmetrically with respect to the center point of the inner region inside the sealing portion. According to this configuration, the force transmitted to each of the first high-sensitivity mesa gauge and the second high-sensitivity mesa gauge is equal to the force applied to the force transmission block. Linearity can be improved.

本明細書が開示する力検知装置では、内側領域が、矩形状であってもよい。内側領域は、１組の対向する辺が第１方向に延びており、別の１組の対向する辺が第２方向に延びていてもよい。第１高感度メサ型ゲージと第２高感度メサ型ゲージは、内側領域を第２方向に３等分した位置に配置されており、かつ、内側領域の第１方向の中央に配置されていてもよい。この構成によると、力伝達ブロックに加わる力は、第１高感度メサ型ゲージ及び第２高感度メサ型ゲージに対して垂直な方向に伝達される。このため、第１高感度メサ型ゲージ及び第２高感度メサ型ゲージが斜めに圧縮することが抑制され、力伝達ブロックに加わる力に対する出力の線形性をさらに向上できる。 In the force detection device disclosed in the present specification, the inner region may be rectangular. In the inner region, one set of opposing sides may extend in the first direction, and another set of opposing sides may extend in the second direction. The first high-sensitivity mesa gauge and the second high-sensitivity mesa gauge are arranged at a position obtained by dividing the inner region into three equal parts in the second direction, and are arranged at the center of the inner region in the first direction. Also good. According to this configuration, the force applied to the force transmission block is transmitted in a direction perpendicular to the first high sensitivity mesa gauge and the second high sensitivity mesa gauge. For this reason, the first high-sensitivity mesa gauge and the second high-sensitivity mesa gauge are prevented from being compressed obliquely, and the linearity of the output with respect to the force applied to the force transmission block can be further improved.

図１に示されるように、力検知装置１は、例えば、圧力容器の容器内圧を検知する半導体圧力センサであり、半導体基板２及び力伝達ブロック４を備える。 As shown in FIG. 1, the force detection device 1 is, for example, a semiconductor pressure sensor that detects the internal pressure of a pressure vessel, and includes a semiconductor substrate 2 and a force transmission block 4.

図１，２に示されるように、半導体基板２は、ｎ型の単結晶シリコンであり、その主面２Ｓが（１１０）結晶面である。半導体基板２の主面２Ｓには複数の溝１１が形成されている。複数の溝１１は、半導体基板２の主面２Ｓの検知部１０内に形成されており、その検知部１０内に複数のメサ型ゲージ１２，１４，１６，１８を画定する。 As shown in FIGS. 1 and 2, the semiconductor substrate 2 is n-type single crystal silicon, and its main surface 2S is a (110) crystal plane. A plurality of grooves 11 are formed in the main surface 2S of the semiconductor substrate 2. The plurality of grooves 11 are formed in the detection unit 10 on the main surface 2 S of the semiconductor substrate 2, and a plurality of mesa gauges 12, 14, 16, 18 are defined in the detection unit 10.

図１，２，３，４に示されるように、メサ型ゲージ１２，１４，１６，１８は、溝１１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。メサ型ゲージ１２，１４，１６，１８の頂面は、溝１１の周囲の半導体基板２の主面２Ｓと同一面に位置する。即ち、メサ型ゲージ１２，１４，１６，１８は、例えばドライエッチング技術を利用して、半導体基板２の主面２Ｓに複数の溝１１を形成した残部として形成される。 As shown in FIGS. 1, 2, 3, and 4, the mesa type gauges 12, 14, 16, and 18 protrude in a mesa shape from the bottom surface of the groove 11, and the height thereof is about 0.5 to 5 μm. . The top surfaces of the mesa gauges 12, 14, 16, 18 are located on the same plane as the main surface 2 S of the semiconductor substrate 2 around the groove 11. That is, the mesa gauges 12, 14, 16, and 18 are formed as a remaining portion in which the plurality of grooves 11 are formed in the main surface 2S of the semiconductor substrate 2 by using, for example, a dry etching technique.

図１，２に示されるように、検知部１０のメサ型ゲージ１２，１４，１６，１８は、正方形の辺に対応して配置されているが、メサ型ゲージ１２，１４，１６，１８の各々の端部は他のメサ型ゲージ１２，１４，１６，１８の各々の端部から離れて配置されている。対向する一対の辺を構成するメサ型ゲージ１４，１８はそれぞれ、第１高感度メサ型ゲージ１４及び第２高感度メサ型ゲージ１８と称する。対向する他の一対の辺を構成するメサ型ゲージ１２，１６はそれぞれ、第１低感度メサ型ゲージ１２及び第２低感度メサ型ゲージ１６と称する。 As shown in FIGS. 1 and 2, the mesa type gauges 12, 14, 16 and 18 of the detection unit 10 are arranged corresponding to the sides of the square, but the mesa type gauges 12, 14, 16 and 18 are arranged. Each end portion is disposed away from each end portion of the other mesa type gauges 12, 14, 16, 18. The mesa gauges 14 and 18 constituting a pair of opposing sides are referred to as a first high sensitivity mesa gauge 14 and a second high sensitivity mesa gauge 18, respectively. The mesa-type gauges 12 and 16 constituting the other pair of opposing sides are referred to as a first low-sensitivity mesa gauge 12 and a second low-sensitivity mesa-type gauge 16, respectively.

第１高感度メサ型ゲージ１４及び第２高感度メサ型ゲージ１８は、半導体基板２の＜１１０＞方向に沿って延びている。半導体基板２の＜１１０＞方向に延びる第１高感度メサ型ゲージ１４及び第２高感度メサ型ゲージ１８は、圧縮応力に応じて電気抵抗値が大きく変化することを特徴としており、ピエゾ抵抗効果を有する。なお、半導体基板２の＜１１０＞方向が「第１方向」の一例に相当する。 The first high sensitivity mesa gauge 14 and the second high sensitivity mesa gauge 18 extend along the <110> direction of the semiconductor substrate 2. The first high-sensitivity mesa gauge 14 and the second high-sensitivity mesa gauge 18 that extend in the <110> direction of the semiconductor substrate 2 are characterized in that the electrical resistance value changes greatly according to the compressive stress, and the piezoresistance effect Have The <110> direction of the semiconductor substrate 2 corresponds to an example of a “first direction”.

第１低感度メサ型ゲージ１２及び第２低感度メサ型ゲージ１６は、半導体基板２の＜１１０＞方向と直交する半導体基板２の＜１００＞方向に沿って延びている。半導体基板２の＜１００＞方向に延びる第１低感度メサ型ゲージ１２及び第２低感度メサ型ゲージ１６は、圧縮応力に応じて電気抵抗値がほとんど変化しないことを特徴としており、ピエゾ抵抗効果を実質的に有しない。なお、半導体基板２の＜１００＞方向が「第２方向」の一例に相当する。 The first low-sensitivity mesa gauge 12 and the second low-sensitivity mesa gauge 16 extend along the <100> direction of the semiconductor substrate 2 orthogonal to the <110> direction of the semiconductor substrate 2. The first low-sensitivity mesa gauge 12 and the second low-sensitivity mesa gauge 16 extending in the <100> direction of the semiconductor substrate 2 are characterized in that the electrical resistance value hardly changes according to the compressive stress, and the piezoresistance effect Is substantially absent. The <100> direction of the semiconductor substrate 2 corresponds to an example of a “second direction”.

図１，２，３，４に示されるように、メサ型ゲージ１２，１４，１６，１８の表面には、ｐ型不純物が導入されたゲージ部１２ａ，１４ａ，１６ａ，１８ａが形成されている。ゲージ部１２ａ，１４ａ，１６ａ，１８ａの不純物濃度は、約１×１０¹⁸〜１×１０²¹ｃｍ^-3である。ゲージ部１２ａ，１４ａ，１６ａ，１８ａの不純物濃度及び拡散深さは、メサ型ゲージ１２，１４，１６，１８の各々において共通である。ゲージ部１２ａ，１４ａ，１６ａ，１８ａは、ｐｎ接合によって、ｎ型の半導体基板２から実質的に絶縁されている。 As shown in FIGS. 1, 2, 3, and 4, gauge portions 12a, 14a, 16a, and 18a into which p-type impurities are introduced are formed on the surfaces of the mesa-type gauges 12, 14, 16, and 18. . The impurity concentration of the gauge portions 12a, 14a, 16a, and 18a is about 1 × 10 ¹⁸ to 1 × 10 ²¹ cm ⁻³ . The impurity concentrations and diffusion depths of the gauge portions 12a, 14a, 16a, and 18a are common to the mesa gauges 12, 14, 16, and 18, respectively. The gauge portions 12a, 14a, 16a, and 18a are substantially insulated from the n-type semiconductor substrate 2 by pn junctions.

メサ型ゲージ１２，１４，１６，１８の各々の幅及び長さは共通である。このため、メサ型ゲージ１２，１４，１６，１８のゲージ部１２ａ，１４ａ，１６ａ，１８ａの各々の抵抗値は等しい。なお、メサ型ゲージ１２，１４，１６，１８の幅とは、長手方向に直交する方向の幅である。この例では、高感度メサ型ゲージ１４，１８の幅は半導体基板２の＜１００＞方向の幅となり、低感度メサ型ゲージ１２，１６の幅は半導体基板２の＜１１０＞方向の幅となる。高感度メサ型ゲージ１４，１８は、低感度メサ型ゲージ１２，１６の各々の中点を結ぶ直線（図示省略）に関して線対称である。低感度メサ型ゲージ１２，１６は、高感度メサ型ゲージ１４，１８の各々の中点を結ぶ直線（図示省略）に関して線対称である。 The width and length of each of the mesa gauges 12, 14, 16, 18 are common. For this reason, each resistance value of the gauge parts 12a, 14a, 16a, and 18a of the mesa type gauges 12, 14, 16, and 18 is equal. The width of the mesa gauges 12, 14, 16, 18 is a width in a direction orthogonal to the longitudinal direction. In this example, the width of the high-sensitivity mesa gauges 14 and 18 is the width of the semiconductor substrate 2 in the <100> direction, and the width of the low-sensitivity mesa gauges 12 and 16 is the width of the semiconductor substrate 2 in the <110> direction. . The high-sensitivity mesa gauges 14 and 18 are line-symmetric with respect to a straight line (not shown) connecting the midpoints of the low-sensitivity mesa gauges 12 and 16. The low sensitivity mesa gauges 12 and 16 are line symmetric with respect to a straight line (not shown) connecting the midpoints of the high sensitivity mesa gauges 14 and 18.

図１，２に示されるように、半導体基板２は、主面２Ｓにｐ型不純物が導入された接続領域４２，４４，４６，４８を有する。接続領域４２，４４，４６，４８の不純物濃度は、約１×１０¹⁸〜１×１０²¹ｃｍ^-3である。接続領域４２，４４，４６，４８は、メサ型ゲージ１２，１４，１６，１８のゲージ部１２ａ，１４ａ，１６ａ，１８ａと同一の工程で形成される。 As shown in FIGS. 1 and 2, the semiconductor substrate 2 has connection regions 42, 44, 46, and 48 in which p-type impurities are introduced into the main surface 2 S. The impurity concentration of the connection regions 42, 44, 46, and 48 is about 1 × 10 ¹⁸ to 1 × 10 ²¹ cm ⁻³ . The connection regions 42, 44, 46, 48 are formed in the same process as the gauge portions 12 a, 14 a, 16 a, 18 a of the mesa type gauges 12, 14, 16, 18.

第１接続領域４２は、第１低感度メサ型ゲージ１２の一端と第１高感度メサ型ゲージ１４の一端の間に配置されている。第１接続領域４２は、大きく狭窄された狭窄部４２ａと、狭窄されることにより分離した２つの部分４２ｂ及び部分４２ｃにより構成されている。部分４２ｂ及び部分４２ｃが第１接続領域４２の大部分を占めており、狭窄部４２ａが占める範囲は極めて狭い。部分４２ｂと部分４２ｃは、狭窄部４２ａを介して接続されている。部分４２ｂの抵抗値と部分４２ｃの抵抗値は等しくなるように構成されている。第１低感度メサ型ゲージ１２のゲージ部１２ａの一端は部分４２ｂに電気的に接続されており、第１高感度メサ型ゲージ１４のゲージ部１４ａの一端は部分４２ｃに電気的に接続されている。即ち、第１接続領域４２は、ゲージ部１２ａの一端とゲージ部１４ａの一端を電気的に接続している。 The first connection region 42 is disposed between one end of the first low-sensitivity mesa gauge 12 and one end of the first high-sensitivity mesa gauge 14. The first connection region 42 includes a narrowed portion 42a that is largely narrowed, and two portions 42b and 42c that are separated by being narrowed. The portion 42b and the portion 42c occupy most of the first connection region 42, and the range occupied by the narrowed portion 42a is extremely narrow. The part 42b and the part 42c are connected via the constriction part 42a. The resistance value of the portion 42b and the resistance value of the portion 42c are configured to be equal. One end of the gauge portion 12a of the first low sensitivity mesa gauge 12 is electrically connected to the portion 42b, and one end of the gauge portion 14a of the first high sensitivity mesa gauge 14 is electrically connected to the portion 42c. Yes. In other words, the first connection region 42 electrically connects one end of the gauge portion 12a and one end of the gauge portion 14a.

第２接続領域４４は、第１高感度メサ型ゲージ１４の他端と第２低感度メサ型ゲージ１６の一端の間に配置されている。第２接続領域４４は、大きく狭窄された狭窄部４４ａと、狭窄されることにより分離した２つの部分４４ｂ及び部分４４ｃにより構成されている。狭窄部４４ａ、部分４４ｂ及び部分４４ｃの構成は、第１接続領域４２の狭窄部４２ａ、部分４２ｂ及び部分４２ｃの構成と同一である。第１高感度メサ型ゲージ１４のゲージ部１４ａの他端は部分４４ｂに電気的に接続されており、第２低感度メサ型ゲージ１６のゲージ部１６ａの一端は部分４４ｃに電気的に接続されている。即ち、第２接続領域４４は、ゲージ部１４ａの他端とゲージ部１６ａの一端を電気的に接続している。 The second connection region 44 is disposed between the other end of the first high sensitivity mesa gauge 14 and one end of the second low sensitivity mesa gauge 16. The second connection region 44 includes a narrowed portion 44a that is largely narrowed, and two portions 44b and 44c that are separated by being narrowed. The configurations of the narrowed portion 44a, the portion 44b, and the portion 44c are the same as the configurations of the narrowed portion 42a, the portion 42b, and the portion 42c of the first connection region 42. The other end of the gauge portion 14a of the first high sensitivity mesa gauge 14 is electrically connected to the portion 44b, and one end of the gauge portion 16a of the second low sensitivity mesa gauge 16 is electrically connected to the portion 44c. ing. That is, the second connection region 44 electrically connects the other end of the gauge portion 14a and one end of the gauge portion 16a.

第３接続領域４６は、第２低感度メサ型ゲージ１６の他端と第２高感度メサ型ゲージ１８の一端の間に配置されている。第３接続領域４６は、大きく狭窄された狭窄部４６ａと、狭窄されることにより分離した２つの部分４６ｂ及び部分４６ｃにより構成されている。狭窄部４６ａ、部分４６ｂ及び部分４６ｃの構成は、第１接続領域４２の狭窄部４２ａ、部分４２ｂ及び部分４２ｃの構成と同一である。第２低感度メサ型ゲージ１６のゲージ部１６ａの他端は部分４６ｂに電気的に接続されており、第２高感度メサ型ゲージ１８のゲージ部１８ａの一端は部分４６ｃに電気的に接続されている。即ち、第３接続領域４６は、ゲージ部１６ａの他端とゲージ部１８ａの一端を電気的に接続している。 The third connection region 46 is disposed between the other end of the second low-sensitivity mesa gauge 16 and one end of the second high-sensitivity mesa gauge 18. The third connection region 46 includes a narrowed portion 46a that is largely narrowed and two portions 46b and 46c that are separated by being narrowed. The configurations of the narrowed portion 46a, the portion 46b, and the portion 46c are the same as the configurations of the narrowed portion 42a, the portion 42b, and the portion 42c of the first connection region 42. The other end of the gauge portion 16a of the second low-sensitivity mesa gauge 16 is electrically connected to the portion 46b, and one end of the gauge portion 18a of the second high-sensitivity mesa gauge 18 is electrically connected to the portion 46c. ing. That is, the third connection region 46 electrically connects the other end of the gauge portion 16a and one end of the gauge portion 18a.

第４接続領域４８は、第２高感度メサ型ゲージ１８の他端と第１低感度メサ型ゲージ１２の他端の間に配置されている。第４接続領域４８は、大きく狭窄された狭窄部４８ａと、狭窄されることにより分離した２つの部分４８ｂ及び部分４８ｃにより構成されている。狭窄部４８ａ、部分４８ｂ及び部分４８ｃの構成は、第１接続領域４２の狭窄部４２ａ、部分４２ｂ及び部分４２ｃの構成と同一である。第２高感度メサ型ゲージ１８のゲージ部１８ａの他端は部分４８ｂに電気的に接続されており、第１低感度メサ型ゲージ１２のゲージ部１２ａの他端は部分４８ｃに電気的に接続されている。即ち、第４接続領域４８は、ゲージ部１８ａの他端とゲージ部１２ａの他端を電気的に接続している。 The fourth connection region 48 is disposed between the other end of the second high sensitivity mesa gauge 18 and the other end of the first low sensitivity mesa gauge 12. The fourth connection region 48 includes a narrowed portion 48a that is largely narrowed and two portions 48b and 48c that are separated by being narrowed. The configurations of the narrowed portion 48a, the portion 48b, and the portion 48c are the same as the configurations of the narrowed portion 42a, the portion 42b, and the portion 42c of the first connection region 42. The other end of the gauge portion 18a of the second high sensitivity mesa gauge 18 is electrically connected to the portion 48b, and the other end of the gauge portion 12a of the first low sensitivity mesa gauge 12 is electrically connected to the portion 48c. Has been. That is, the fourth connection region 48 electrically connects the other end of the gauge portion 18a and the other end of the gauge portion 12a.

第１低感度メサ型ゲージ１２のゲージ部１２ａと、その両端に直列に接続された第１接続領域４２の部分４２ｂ及び第４接続領域４８の部分４８ｃにより、１つの第１抵抗体１１２が構成されている。第１接続領域４２の部分４２ｂ及び第４接続領域４８の部分４８ｃは幅広に構成されているので、それらの抵抗値は極めて低い。このため、第１抵抗体１１２の抵抗値は、主に第１低感度メサ型ゲージ１２のゲージ部１２ａの抵抗値に依存する。 One first resistor 112 is constituted by the gauge portion 12a of the first low-sensitivity mesa gauge 12, the portion 42b of the first connection region 42 and the portion 48c of the fourth connection region 48 connected in series to both ends thereof. Has been. Since the portion 42b of the first connection region 42 and the portion 48c of the fourth connection region 48 are configured to be wide, their resistance values are extremely low. For this reason, the resistance value of the first resistor 112 mainly depends on the resistance value of the gauge portion 12 a of the first low-sensitivity mesa gauge 12.

第１高感度メサ型ゲージ１４のゲージ部１４ａと、その両端に直列に接続された第１接続領域４２の部分４２ｃ及び第２接続領域４４の部分４４ｂにより、１つの第２抵抗体１１４が構成されている。第１接続領域４２の部分４２ｃ及び第２接続領域４４の部分４４ｂは幅広に構成されているので、それらの抵抗値は極めて低い。このため、第２抵抗体１１４の抵抗値は、主に第１高感度メサ型ゲージ１４のゲージ部１４ａの抵抗値に依存する。 One gage portion 14a of the first high-sensitivity mesa type gage 14, a portion 42c of the first connection region 42 and a portion 44b of the second connection region 44 connected in series to both ends thereof constitute one second resistor 114. Has been. Since the portion 42c of the first connection region 42 and the portion 44b of the second connection region 44 are configured to be wide, their resistance values are extremely low. For this reason, the resistance value of the second resistor 114 mainly depends on the resistance value of the gauge portion 14 a of the first high-sensitivity mesa gauge 14.

第２低感度メサ型ゲージ１６のゲージ部１６ａと、その両端に直列に接続された第２接続領域４４の部分４４ｃ及び第３接続領域４６の部分４６ｂにより、１つの第３抵抗体１１６が構成されている。第２接続領域４４の部分４４ｃ及び第３接続領域４６の部分４６ｂは幅広に構成されているので、それらの抵抗値は極めて低い。このため、第３抵抗体１１６の抵抗値は、主に第２低感度メサ型ゲージ１６のゲージ部１６ａの抵抗値に依存する。 One third resistor 116 is constituted by the gauge portion 16a of the second low-sensitivity mesa gauge 16, the portion 44c of the second connection region 44 and the portion 46b of the third connection region 46 connected in series to both ends thereof. Has been. Since the portion 44c of the second connection region 44 and the portion 46b of the third connection region 46 are configured to be wide, their resistance values are extremely low. For this reason, the resistance value of the third resistor 116 mainly depends on the resistance value of the gauge portion 16 a of the second low-sensitivity mesa gauge 16.

第２高感度メサ型ゲージ１８のゲージ部１８ａと、その両端に直列に接続された第３接続領域４６の部分４６ｃ及び第４接続領域４８の部分４８ｂにより、１つの第４抵抗体１１８が構成されている。第３接続領域４６の部分４６ｃ及び第４接続領域４８の部分４８ｂは幅広に構成されているので、それらの抵抗値は極めて低い。このため、第４抵抗体１１８の抵抗値は、主に第２高感度メサ型ゲージ１８のゲージ部１８ａの抵抗値に依存する。抵抗体１１２，１１４，１１６，１１８の各々の抵抗値は等しい。 One fourth resistor 118 is constituted by the gauge portion 18a of the second high-sensitivity mesa gauge 18, the portion 46c of the third connection region 46 and the portion 48b of the fourth connection region 48 connected in series to both ends thereof. Has been. Since the portion 46c of the third connection region 46 and the portion 48b of the fourth connection region 48 are configured to be wide, their resistance values are extremely low. For this reason, the resistance value of the fourth resistor 118 mainly depends on the resistance value of the gauge portion 18 a of the second high-sensitivity mesa gauge 18. The resistance values of the resistors 112, 114, 116, and 118 are equal.

図１，２に示されるように、半導体基板２は、主面２Ｓにｐ型不純物が導入された配線２２，２４，２６，２８を有する。配線２２，２４，２６，２８の不純物濃度は、約１×１０¹⁸〜１×１０²¹ｃｍ^-3である。配線２２，２４，２６，２８は、メサ型ゲージ１２，１４，１６，１８のゲージ部１２ａ，１４ａ，１６ａ，１８ａと同一の工程で形成される。 As shown in FIGS. 1 and 2, the semiconductor substrate 2 has wirings 22, 24, 26 and 28 in which p-type impurities are introduced into the main surface 2 S. The impurity concentration of the wirings 22, 24, ^{26, and} ²⁸ is about 1 × 10 ¹⁸ to 1 × 10 ²¹ cm ⁻³ . The wirings 22, 24, 26, and 28 are formed in the same process as the gauge portions 12a, 14a, 16a, and 18a of the mesa gauges 12, 14, 16, and 18.

メサ型ゲージ１２，１４，１６，１８は、検知部１０内にフルブリッジ回路を構成する。電源配線２８は、第４接続領域４８の狭窄部４８ａに接続している。基準配線２４は、第２接続領域４４の狭窄部４４ａに接続している。第１抵抗体１１２と第２抵抗体１１４は、電源配線２８と基準配線２４の間に、第１接続領域４２の狭窄部４２ａを介して直列に接続されている。第４抵抗体１１８と第３抵抗体１１６は、電源配線２８と基準配線２４の間に、第３接続領域４６の狭窄部４６ａを介して直列に接続されている。第１抵抗体１１２と第２抵抗体１１４の組と第４抵抗体１１８と第３抵抗体１１６の組は、電源配線２８と基準配線２４の間に並列に接続されている。 The mesa gauges 12, 14, 16, and 18 constitute a full bridge circuit in the detection unit 10. The power supply wiring 28 is connected to the narrowed portion 48 a of the fourth connection region 48. The reference wiring 24 is connected to the narrowed portion 44 a of the second connection region 44. The first resistor 112 and the second resistor 114 are connected in series between the power supply wiring 28 and the reference wiring 24 via the narrowed portion 42 a of the first connection region 42. The fourth resistor 118 and the third resistor 116 are connected in series between the power supply wiring 28 and the reference wiring 24 via the narrowed portion 46 a of the third connection region 46. A set of the first resistor 112 and the second resistor 114 and a set of the fourth resistor 118 and the third resistor 116 are connected in parallel between the power supply wiring 28 and the reference wiring 24.

第１出力配線２６は、第４抵抗体１１８と第３抵抗体１１６の間の第３接続領域４６の狭窄部４６ａに接続している。第２出力配線２２は、第１抵抗体１１２と第２抵抗体１１４の間の第１接続領域４２の狭窄部４２ａに接続している。 The first output wiring 26 is connected to the narrowed portion 46 a of the third connection region 46 between the fourth resistor 118 and the third resistor 116. The second output wiring 22 is connected to the narrowed portion 42 a of the first connection region 42 between the first resistor 112 and the second resistor 114.

基準配線２４は、基準電極３４に電気的に接続する。第１出力配線２６は、第１出力電極３６に電気的に接続する。電源配線２８は、電源電極３８に電気的に接続する。第２出力配線２２は、第２出力電極３２に電気的に接続する。これらの電極３２，３４，３６，３８は、半導体基板２の主面２Ｓ上に設けられており、力伝達ブロック４で覆われる範囲外に配置されている。基準配線２４及び電源配線２８は幅広に構成されており、それらの抵抗値は、抵抗体１１２，１１４，１１６，１１８の抵抗値に対して無視できるほどに小さい。第１出力配線２６の抵抗値と第２出力配線２２の抵抗値は、等しくなるように構成されている。 The reference wiring 24 is electrically connected to the reference electrode 34. The first output wiring 26 is electrically connected to the first output electrode 36. The power supply wiring 28 is electrically connected to the power supply electrode 38. The second output wiring 22 is electrically connected to the second output electrode 32. These electrodes 32, 34, 36 and 38 are provided on the main surface 2 S of the semiconductor substrate 2 and are disposed outside the range covered by the force transmission block 4. The reference wiring 24 and the power supply wiring 28 are configured to be wide, and their resistance values are negligibly small with respect to the resistance values of the resistors 112, 114, 116, and 118. The resistance value of the first output wiring 26 and the resistance value of the second output wiring 22 are configured to be equal.

図１，３，４に示されるように、力伝達ブロック４は、直方体形状を有しており、シリコン層４ａと酸化シリコン層４ｂを有する。半導体基板２と力伝達ブロック４は、常温個相接合技術を利用して接合される。具体的には、アルゴンイオンを用いて半導体基板２の主面２Ｓ及び力伝達ブロック４の酸化シリコン層４ｂの表面を活性化させた後に、超高真空中で半導体基板２の主面２Ｓと力伝達ブロック４の酸化シリコン層４ｂの表面を接触させ、両者を接合させる。 As shown in FIGS. 1, 3, and 4, the force transmission block 4 has a rectangular parallelepiped shape, and includes a silicon layer 4a and a silicon oxide layer 4b. The semiconductor substrate 2 and the force transmission block 4 are bonded using a room temperature single phase bonding technique. Specifically, the main surface 2S of the semiconductor substrate 2 and the surface of the silicon oxide layer 4b of the force transmission block 4 are activated using argon ions, and then the main surface 2S of the semiconductor substrate 2 and the force are applied in an ultrahigh vacuum. The surfaces of the silicon oxide layer 4b of the transmission block 4 are brought into contact with each other to join them together.

図３，４，５に示されるように、力伝達ブロック４の酸化シリコン層４ｂの一部が除去されており、力伝達ブロック４の半導体基板２と接合する側の面に溝４ｃが形成されている。溝４ｃが形成されていることにより、力伝達ブロック４の酸化シリコン層４ｂは、封止部分４０ａと押圧部分４０ｂに区画されている。また、このような溝４ｃが形成されていることにより、半導体基板２と力伝達ブロック４の間には、外部から隔てられた封止空間６が構成される。 As shown in FIGS. 3, 4, and 5, a part of the silicon oxide layer 4 b of the force transmission block 4 is removed, and a groove 4 c is formed on the surface of the force transmission block 4 on the side to be bonded to the semiconductor substrate 2. ing. By forming the groove 4c, the silicon oxide layer 4b of the force transmission block 4 is partitioned into a sealing portion 40a and a pressing portion 40b. In addition, by forming such a groove 4 c, a sealed space 6 separated from the outside is formed between the semiconductor substrate 2 and the force transmission block 4.

力伝達ブロック４の封止部分４０ａは、メサ型ゲージ１２，１４，１６，１８の周囲を一巡するように、半導体基板２の主面２Ｓに接合する。半導体基板２のうちの力伝達ブロック４の封止部分４０ａが接合する部分を封止部２０という。力伝達ブロック４の封止部分４０ａが矩形状に構成されているので、半導体基板２の封止部２０は、高感度メサ型ゲージ１４，１８の長手方向と平行な部分と低感度メサ型ゲージ１２，１６の長手方向と平行な部分で構成される。半導体基板２の主面２Ｓにおける封止部２０の内側の領域は正方形形状となっている。封止部２０の内側の領域の１組の対向する辺は、半導体基板２の＜１１０＞方向に延びており、別の１組の対向する辺は、半導体基板２の＜１００＞方向に延びている。半導体基板２の封止部２０と力伝達ブロック４の封止部分４０ａは、気密に接合する。 The sealing portion 40a of the force transmission block 4 is joined to the main surface 2S of the semiconductor substrate 2 so as to make a round around the mesa gauges 12, 14, 16, and 18. A portion of the semiconductor substrate 2 where the sealing portion 40 a of the force transmission block 4 is joined is referred to as a sealing portion 20. Since the sealing portion 40a of the force transmission block 4 is formed in a rectangular shape, the sealing portion 20 of the semiconductor substrate 2 includes a portion parallel to the longitudinal direction of the high-sensitivity mesa gauges 14 and 18 and a low-sensitivity mesa gauge. It is comprised by the part parallel to the longitudinal direction of 12,16. A region inside the sealing portion 20 on the main surface 2S of the semiconductor substrate 2 has a square shape. One set of opposing sides of the inner region of the sealing portion 20 extends in the <110> direction of the semiconductor substrate 2, and another set of opposing sides extends in the <100> direction of the semiconductor substrate 2. ing. The sealing portion 20 of the semiconductor substrate 2 and the sealing portion 40a of the force transmission block 4 are joined in an airtight manner.

図１，２に示されるように、高感度メサ型ゲージ１４，１８は、半導体基板２の＜１００＞方向において封止空間６を３等分した位置（即ち、封止部２０の内側の領域を３等分した位置）に配置されている。低感度メサ型ゲージ１２，１６は、半導体基板２の＜１１０＞方向において封止空間６を３等分した位置（即ち、封止部２０の内側の領域を３等分した位置）に配置されている。 As shown in FIGS. 1 and 2, the high-sensitivity mesa gauges 14 and 18 are located at positions where the sealing space 6 is equally divided into three in the <100> direction of the semiconductor substrate 2 (that is, regions inside the sealing portion 20). Is divided into three equal parts). The low-sensitivity mesa gauges 12 and 16 are arranged at positions where the sealing space 6 is divided into three equal parts in the <110> direction of the semiconductor substrate 2 (that is, positions where the inner region of the sealing part 20 is divided into three equal parts). ing.

力伝達ブロック４の押圧部分４０ｂは、メサ型ゲージ１２，１４，１６，１８の頂面に接合している。押圧部分４０ｂと高感度メサ型ゲージ１４、１８の各々の頂面との接触面積は等しい。押圧部分４０ｂと低感度メサ型ゲージ１２、１６の各々の頂面との接触面積は等しい。 The pressing portion 40 b of the force transmission block 4 is joined to the top surfaces of the mesa type gauges 12, 14, 16, 18. The contact area between the pressing portion 40b and the top surfaces of the high-sensitivity mesa gauges 14 and 18 is equal. The contact area between the pressing portion 40b and the top surfaces of the low-sensitivity mesa gauges 12 and 16 is equal.

次に、力検知装置１の動作を説明する。まず、力検知装置１は、電源電極３８に定電流源が接続され、基準電極３４が接地され、第１出力電極３６と第２出力電極３２の間に電圧測定器が接続して用いられる。力検知装置１では、力伝達ブロック４に加わる容器内圧が変化すると、力伝達ブロック４を介してメサ型ゲージ１２，１４，１６，１８のゲージ部１２ａ，１４ａ，１６ａ，１８ａに加わる圧縮応力も変化する。ピエゾ抵抗効果が現われる高感度メサ型ゲージ１４，１８のゲージ部１４ａ，１８ａの電気抵抗値は、圧縮応力に比例して変化する。このため、第１出力電極３６と第２出力電極３２の電位差は、ゲージ部１４ａ，１８ａに加わる圧縮応力に比例する。これにより、電圧測定器で計測される電圧変化から力伝達ブロック４に加わる容器内圧が検知される。 Next, the operation of the force detection device 1 will be described. First, the force detection device 1 is used by connecting a constant current source to the power supply electrode 38, grounding the reference electrode 34, and connecting a voltage measuring device between the first output electrode 36 and the second output electrode 32. In the force detection device 1, when the container internal pressure applied to the force transmission block 4 changes, the compressive stress applied to the gauge portions 12 a, 14 a, 16 a, 18 a of the mesa type gauges 12, 14, 16, 18 via the force transmission block 4 is also increased. Change. The electrical resistance values of the gauge portions 14a and 18a of the high-sensitivity mesa-type gauges 14 and 18 in which the piezoresistance effect appears change in proportion to the compressive stress. For this reason, the potential difference between the first output electrode 36 and the second output electrode 32 is proportional to the compressive stress applied to the gauge portions 14a and 18a. Thereby, the container internal pressure added to the force transmission block 4 is detected from the voltage change measured with a voltage measuring device.

力検知装置１は、力伝達ブロック４によって半導体基板２の検知部１０が封止される封止型構造を有する。この力検知装置１では、ブリッジ回路を構成するメサ型ゲージ１２，１４，１６，１８の各々の端部が互いに直接的に接続しておらず、これらの端部の間には、接続領域４２，４４，４６，４８が配置されている。接続領域４２，４４，４６，４８の各々を挟む２つのメサ型ゲージは、接続領域４２，４４，４６，４８の各々を介して電気的に接続されている。このため、接続領域４２，４４，４６，４８が形成される範囲を拡張又は収縮させることにより、メサ型ゲージ１２，１４，１６，１８の長さを調整することができる。例えば、接続領域４２，４４，４６，４８が形成される範囲を広くすると、メサ型ゲージ１２，１４，１６，１８の長さを短くでき、力伝達ブロック４の押圧部４０ｂと高感度メサ型ゲージ１４，１８との接触面積を減らすことが可能となる。この結果、力伝達ブロック４に加わる容器内圧は、高感度メサ型ゲージ１４，１８に効率的に伝達され、力検知装置１のセンサ感度を向上することができる。これにより、封止型構造を有し、メサ型ゲージ１２，１４，１６，１８がブリッジ回路を構成する力検知装置１において、メサ型ゲージ１２，１４，１６，１８の感度を調整するための設計の自由度を向上することができる。 The force detection device 1 has a sealed structure in which the detection unit 10 of the semiconductor substrate 2 is sealed by the force transmission block 4. In this force detection device 1, the ends of each of the mesa gauges 12, 14, 16, 18 constituting the bridge circuit are not directly connected to each other, and a connection region 42 is provided between these ends. , 44, 46, 48 are arranged. Two mesa gauges sandwiching each of the connection regions 42, 44, 46, 48 are electrically connected via each of the connection regions 42, 44, 46, 48. For this reason, the length of the mesa gauges 12, 14, 16, 18 can be adjusted by expanding or contracting the range in which the connection regions 42, 44, 46, 48 are formed. For example, if the range in which the connection regions 42, 44, 46, 48 are formed is widened, the length of the mesa type gauges 12, 14, 16, 18 can be shortened, and the pressing portion 40 b of the force transmission block 4 and the high sensitivity mesa type The contact area with the gauges 14 and 18 can be reduced. As a result, the container internal pressure applied to the force transmission block 4 is efficiently transmitted to the high-sensitivity mesa type gauges 14 and 18, and the sensor sensitivity of the force detection device 1 can be improved. As a result, in the force detection device 1 having a sealed structure and the mesa gauges 12, 14, 16, and 18 forming a bridge circuit, the sensitivity of the mesa gauges 12, 14, 16, and 18 is adjusted. The degree of freedom in design can be improved.

上述したように、力検知装置１は封止型構造を有するため、高感度メサ型ゲージ１４，１８に加わる圧縮応力は、封止空間６内の高感度メサ型ゲージ１４，１８の位置に依存する。この例では、図２に示されるように、高感度メサ型ゲージ１４，１８が半導体基板２の＜１００＞方向に並んで配置されているので、高感度メサ型ゲージ１４，１８に加わる圧縮応力は、半導体基板２の＜１００＞方向における封止空間６内の高感度メサ型ゲージ１４，１８の位置に依存する。 As described above, since the force detection device 1 has a sealed structure, the compressive stress applied to the high-sensitivity mesa gauges 14 and 18 depends on the positions of the high-sensitivity mesa gauges 14 and 18 in the sealed space 6. To do. In this example, as shown in FIG. 2, the high-sensitivity mesa gauges 14 and 18 are arranged in the <100> direction of the semiconductor substrate 2, so that the compressive stress applied to the high-sensitivity mesa gauges 14 and 18. Depends on the position of the high-sensitivity mesa gauges 14 and 18 in the sealed space 6 in the <100> direction of the semiconductor substrate 2.

力検知装置１では、第１高感度メサ型ゲージ１４と第２高感度メサ型ゲージ１８が、封止部２０の内側の領域の中心点７（図１，２参照）に対して点対称に配置されている。より具体的には、半導体基板２の＜１００＞方向において、第１高感度メサ型ゲージ１４と半導体基板２の封止部２０（第１高感度メサ型ゲージ１４の長手方向と平行な封止部２０の部分であり、図２の紙面左側の封止空間６の縁に相当する）の間の最短距離と、第２高感度メサ型ゲージ１８と半導体基板２の封止部２０（第２高感度メサ型ゲージ１８の長手方向と平行な封止部２０の部分であり、図２の紙面右側の封止空間６の縁に相当する）の間の最短距離が等しい。これにより、力伝達ブロック４に加わる力に対して第１高感度メサ型ゲージ１４及び第２高感度メサ型ゲージ１８の各々に伝達される力が等しくなるので、力伝達ブロック４に加わる力に対する出力の線形性が向上する。 In the force detection device 1, the first high-sensitivity mesa gauge 14 and the second high-sensitivity mesa gauge 18 are point-symmetric with respect to the center point 7 (see FIGS. 1 and 2) of the inner region of the sealing portion 20. Has been placed. More specifically, in the <100> direction of the semiconductor substrate 2, the first high sensitivity mesa gauge 14 and the sealing portion 20 of the semiconductor substrate 2 (sealing parallel to the longitudinal direction of the first high sensitivity mesa gauge 14). 2, which corresponds to the edge of the sealing space 6 on the left side of FIG. 2, the second high-sensitivity mesa gauge 18 and the sealing portion 20 of the semiconductor substrate 2 (second portion). This is the portion of the sealing portion 20 parallel to the longitudinal direction of the high-sensitivity mesa gauge 18 and corresponds to the edge of the sealing space 6 on the right side of FIG. As a result, the force transmitted to each of the first high-sensitivity mesa gauge 14 and the second high-sensitivity mesa gauge 18 is equal to the force applied to the force transmission block 4. The linearity of the output is improved.

さらに、力検知装置１では、高感度メサ型ゲージ１４，１８は、封止空間６を半導体基板２の＜１００＞方向において３等分した位置に配置されており、かつ、封止空間６の半導体基板２の＜１１０＞方向における中央部に配置されている。これにより、力伝達ブロック４に加わる力は、高感度メサ型ゲージ１４，１８の頂面に対して垂直な方向に伝達されるので、高感度メサ型ゲージ１４，１８が斜めに圧縮することが抑制され、力伝達ブロック４に加わる力に対する出力の線形性がさらに向上する。 Furthermore, in the force detection device 1, the high-sensitivity mesa type gauges 14 and 18 are arranged at a position obtained by dividing the sealing space 6 into three equal parts in the <100> direction of the semiconductor substrate 2. The semiconductor substrate 2 is disposed at the center in the <110> direction. As a result, the force applied to the force transmission block 4 is transmitted in a direction perpendicular to the top surfaces of the high-sensitivity mesa gauges 14 and 18, so that the high-sensitivity mesa gauges 14 and 18 can be compressed obliquely. It is suppressed and the linearity of the output with respect to the force applied to the force transmission block 4 is further improved.

また、力検知装置１では、接続領域４２，４４，４６，４８が、狭窄部４２ａ，４４ａ，４６ａ，４８ａを有しており、配線２２，２４，２６，２８は狭窄部４２ａ，４４ａ，４６ａ，４８ａに接続している。狭窄部４２ａ，４４ａ，４６ａ，４８ａが接続領域４２，４４，４６，４８に占める範囲は極めて狭い。例えば、狭窄部４２ａ，４４ａ，４６ａ，４８ａを含まない接続領域では、製造バラツキによって接続領域内を流れる電流の経路もばらつく。このような電流経路のばらつきは、零点オフセット特性の悪化の原因となる。一方、狭窄部４２ａ，４４ａ，４６ａ，４８ａを含む接続領域４２，４４，４６，４８では、接続領域４２，４４，４６，４８内を流れる電流の経路を制限することができる。これにより、力検知装置１の零点オフセット特性の悪化が抑えられる。 In the force detection device 1, the connection regions 42, 44, 46, and 48 have narrow portions 42a, 44a, 46a, and 48a, and the wirings 22, 24, 26, and 28 are narrow portions 42a, 44a, and 46a. , 48a. The range occupied by the constricted portions 42a, 44a, 46a, 48a in the connection regions 42, 44, 46, 48 is extremely narrow. For example, in the connection region that does not include the constricted portions 42a, 44a, 46a, and 48a, the path of the current flowing in the connection region varies due to manufacturing variations. Such variations in the current path cause deterioration of the zero point offset characteristic. On the other hand, in the connection regions 42, 44, 46, 48 including the constricted portions 42 a, 44 a, 46 a, 48 a, the path of current flowing through the connection regions 42, 44, 46, 48 can be restricted. Thereby, the deterioration of the zero point offset characteristic of the force detection device 1 is suppressed.

さらに、力検知装置１では、接続領域４２，４４，４６，４８の各々が狭窄されることにより分離される２つの部分（部分４２ｂ，部分４２ｃ，部分４４ｂ，部分４４ｃ，部分４６ｂ，部分４６ｃ，部分４８ｂ，部分４８ｃ）の抵抗値がいずれも等しくなるように構成されており、これにより、抵抗体１１２，１１４，１１６，１１８の抵抗値が等しくなっている。従って、力検知装置１では、オフセット電圧が低減される。 Further, in the force detection device 1, two parts (part 42b, part 42c, part 44b, part 44c, part 46b, part 46c, and the like are separated by constricting each of the connection regions 42, 44, 46, and 48. The resistance values of the portions 48b and 48c) are configured to be equal to each other, whereby the resistance values of the resistors 112, 114, 116, and 118 are equal. Therefore, in the force detection device 1, the offset voltage is reduced.

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。 Specific examples of the present invention have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above. The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology exemplified in this specification or the drawings can achieve a plurality of objects at the same time, and has technical usefulness by achieving one of the objects.

１：力検知装置、２：半導体基板、４：力伝達ブロック、７：中心点、１２，１６：低感度メサ型ゲージ、１４，１８：高感度メサ型ゲージ、２０：封止部、２２：第２出力配線、２４：基準配線、２６：第１出力配線、２８：電源配線、４２，４４，４６，４８：接続領域、４２ａ，４４ａ，４６ａ，４８ａ：狭窄部 1: Force detector, 2: Semiconductor substrate, 4: Force transmission block, 7: Center point, 12, 16: Low sensitivity mesa type gauge, 14, 18: High sensitivity mesa type gauge, 20: Sealing part, 22: Second output wiring 24: Reference wiring 26: First output wiring 28: Power supply wiring 42, 44, 46, 48: Connection area 42a, 44a, 46a, 48a: Narrowed portion

Claims

It has a substrate and a force transmission block,
The substrate is
A mesa gauge that is provided on the main surface and forms a bridge circuit;
A connection region provided on the main surface and doped with impurities;
A sealing portion that is provided on the main surface, circulates around the mesa gauge, and is joined to the force transmission block;
The mesa gauge is
A first mesa gauge extending in the first direction;
Extending in a second direction different from the first direction and having a second mesa gauge separated from the first mesa gauge,
The connection region is disposed between one end of the first mesa gauge and one end of the second mesa gauge, and electrically connects one end of the first mesa gauge and one end of the second mesa gauge. Force sensing device connected to.

The substrate further includes a wiring provided on the main surface, into which impurities are introduced,
The connection region includes a constricted portion that is constricted between one end of the first mesa gauge and one end of the second mesa gauge,
The force detection device according to claim 1, wherein the wiring is connected to the narrowed portion.

The first direction of the substrate is a direction in which the electrical resistance value changes relatively greatly with respect to stress,
The second direction of the substrate is perpendicular to the first direction, and is a direction in which the electrical resistance value changes relatively small with respect to stress,
The first mesa type gauge has a first high sensitivity mesa type gauge and a second high sensitivity mesa type gauge,
The second mesa gauge has a first low sensitivity mesa gauge and a second low sensitivity mesa gauge,
The first high-sensitivity mesa type gauge and the second high-sensitivity mesa type gauge are arranged point-symmetrically with respect to a center point of an inner region inside the sealing portion. Force detection device.

The inner region is rectangular;
The inner region has one set of opposing sides extending in the first direction and another set of opposing sides extending in the second direction;
The first high-sensitivity mesa gauge and the second high-sensitivity mesa gauge are arranged at a position obtained by dividing the inner region into three equal parts in the second direction, and in the first direction of the inner region. The force detection device according to claim 3, wherein the force detection device is arranged in the center.