JPH06201492A - Force conversion element - Google Patents
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- JPH06201492A JPH06201492A JP36042792A JP36042792A JPH06201492A JP H06201492 A JPH06201492 A JP H06201492A JP 36042792 A JP36042792 A JP 36042792A JP 36042792 A JP36042792 A JP 36042792A JP H06201492 A JPH06201492 A JP H06201492A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 力が印加されない状態でのオフセット電圧が
0でありながら、素子感度の高い高性能の力変換素子を
提供すること。
【構成】 (011)面を有するSi単結晶体30と、
Si単結晶体30の<001>方向および<00−1>
方向に形成された一対の入力電極60a,60bと、<
010>方向および<0−10>方向に形成された一対
の出力電極62a,62bと、Si単結晶体30の(0
11)面に接合された力伝達ブロック体40と、Si単
結晶体30の前記接合面と反対側の面に接合された支持
台座50と、を含む力変換素子である。
(57) [Abstract] [Purpose] To provide a high-performance force conversion element with high element sensitivity even when the offset voltage is 0 when no force is applied. A Si single crystal body 30 having a (011) plane,
<001> direction and <00-1> of Si single crystal 30
A pair of input electrodes 60a and 60b formed in the direction
A pair of output electrodes 62a and 62b formed in the <010> direction and the <0-10> direction, and (0
11) A force transducing element including a force transmission block body 40 joined to the surface and a support pedestal 50 joined to the surface of the Si single crystal body 30 opposite to the joining surface.
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、力変換素子、特に半導
体のピエゾ抵抗効果を利用して、圧縮力を電気信号に変
換する力変換素子に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a force converting element, and more particularly to a force converting element for converting a compressive force into an electric signal by utilizing the piezo resistance effect of a semiconductor.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来より、半導体のピエゾ抵抗効果を利
用した力変換素子が周知であり、例えば圧力検出器、ロ
ードセル、さらには内燃機関の燃焼圧力のような高温流
体用圧力検出器として用いられている。2. Description of the Related Art Conventionally, force conversion elements utilizing the piezoresistive effect of semiconductors are well known, and are used as pressure detectors, load cells, and pressure detectors for high temperature fluids such as combustion pressure of internal combustion engines. ing.
【0003】このような力変換素子としては、半導体S
iを用いたものが一般に用いられている。例えば、π´
11型と呼ばれる電流・電圧・力平行型の方式を用いたも
の、π´13型と呼ばれる電流・電圧平行・力直交型の方
式を用いたもの、π´63型と呼ばれる電流・電圧・力直
交型の検知方式のものなどがある。A semiconductor S is one of such force conversion elements.
Those using i are generally used. For example, π '
One using a scheme of current, voltage, power parallel type called 11 type, those using the method of current-voltage parallel-force orthogonal called Pai' 13 type, current, voltage, and power called Pai' 63 type There is an orthogonal type detection system.
【0004】図14には、電流・電圧・力平行π´11型
の検出方式を用いた力変換素子が示されている。この力
変換素子は、Si単結晶体10の(110)面10a上
に、その<1−10>方向に入力電極11,11´及び
出力電極12,12´が設けられている。[0004] FIG. 14, the force transducer using a method of detecting the current, voltage, power parallel Pai' 11 type is shown. In this force conversion element, input electrodes 11, 11 'and output electrodes 12, 12' are provided on the (110) plane 10a of the Si single crystal body 10 in the <1-10> direction thereof.
【0005】Si単結晶体10は、接着材14を介し起
歪材16に接着されている。前記入力電極11,11´
には、電源18から定電流が供給され、<1−10>方
向に加えられた力T1 に相当する電気信号を出力電極1
2,12´間の出力電位の差として測定器20で測定す
る。なお、図14において入出力電極方向(<1−10
>方向)を1軸、Si単結晶体10上の同一面で1軸に
直交する方向を2軸、さらに前記1,2軸の両方向に直
交する方向(<110>方向)を3軸とする。The Si single crystal body 10 is bonded to the strain generating material 16 via an adhesive material 14. The input electrodes 11, 11 '
Is supplied with a constant current from the power supply 18 and outputs an electric signal corresponding to the force T 1 applied in the <1-10> direction to the output electrode 1
The difference between the output potentials 2 and 12 'is measured by the measuring device 20. In FIG. 14, the input / output electrode direction (<1-10
> Direction) is a single axis, the same plane on the Si single crystal body 10 is a direction orthogonal to the first axis, and a direction orthogonal to both the directions of the first and second axes (the <110> direction) is the third axis. .
【0006】そして、この力変換素子は、起歪材16
に、Si単結晶体10の<1−10>方向の力が印加さ
れた場合に、この力を電圧として測定器20を用いて電
気的に検出するものである。The force conversion element is composed of the flexure material 16
In addition, when a force in the <1-10> direction of the Si single crystal body 10 is applied, the force is electrically detected as a voltage using the measuring device 20.
【0007】すなわち、この力変換素子は、力が印加さ
れる前には、入力抵抗値に比例したオフセット電圧が発
生している。このオフセット電圧VOFFSETは、次式で表
される。That is, in this force conversion element, an offset voltage proportional to the input resistance value is generated before the force is applied. This offset voltage V OFFSET is expressed by the following equation.
【数1】 ここで、ρはSi単結晶体10の比抵抗、bは入出力電
極間の間隔、tはSi単結晶体10の厚さ、wはSi単
結晶体10の幅、Isupplyは印加電流である。[Equation 1] Here, ρ is the specific resistance of the Si single crystal body 10, b is the distance between the input and output electrodes, t is the thickness of the Si single crystal body 10, w is the width of the Si single crystal body 10, and I supply is the applied current. is there.
【0008】そして、前述した力を起歪材16に印加す
ると、Si単結晶体10の入出力電極間からは次式で表
す電圧Vout が出力される。When the above-mentioned force is applied to the strain generating member 16, a voltage V out expressed by the following equation is output between the input and output electrodes of the Si single crystal body 10.
【数2】 ここで、T1 はSi単結晶体10上に発生する<1−1
0>方向(1軸方向)の応力成分である。[Equation 2] Here, T 1 is generated on the Si single crystal body <1-1.
It is a stress component in the 0> direction (uniaxial direction).
【0009】ところで、この力変換素子は、入力電極1
1,11´と出力電極12,12´とが共通である。こ
のため、前記数1で示すように、無負荷時においても、
入出力電極間の抵抗値と印加電流Isupplyとの積で表さ
れる大きなオフセット電圧Voffsetが生じるという問題
があった。特に、このオフセット電圧は温度変化によ
り、その値が大きく変動し、これが大きな誤差成分にな
って表れるという問題があった。By the way, this force conversion element is composed of the input electrode 1
1, 11 'and the output electrodes 12, 12' are common. Therefore, as shown in the above equation 1, even when there is no load,
There is a problem that a large offset voltage V offset represented by the product of the resistance value between the input and output electrodes and the applied current I supply occurs. In particular, there has been a problem that the value of the offset voltage fluctuates greatly due to temperature changes, and this offset voltage appears as a large error component.
【0010】また、素子出力を増幅器により増幅する場
合においても、その構成が複雑になるという問題があっ
た。Further, when the element output is amplified by an amplifier, there is a problem that the structure becomes complicated.
【0011】このようなオフセット電圧の問題を解消す
るため、電流・電圧・力直交型π´63型の検出技術も提
案されている。この検出技術は、電流・電圧平行力垂直
π´13型の効果を用いた複数のゲージを、等価的にブリ
ッジ配置にし、その出力を取り出す構成としたものであ
る。[0011] Such order to solve the problem of the offset voltage, current, voltage, power orthogonal Pai' 63 type detection techniques have also been proposed. This detection technology has a configuration in which a plurality of gauges using the current / voltage parallel force vertical π ′ 13 type effect are equivalently arranged in a bridge and the outputs thereof are taken out.
【0012】図15には、このπ´63の検出技術に係る
力変換素子が示されている。[0012] Figure 15 is a force transducer according to the detection technique of the Pai' 63 is shown.
【0013】この力変換素子は、Si単結晶体9の(1
10)面上の一方の面上に力伝達ブロック体22を、他
方の(110)面上に支持台座24を接合した構造とな
っている。そして、Si単結晶体9の一方の(110)
面上において、その<001>方向から<1−10>方
向に向け45°回転した方向に一対の電極25,25´
を形成し、135°回転した方向に、さらにもう一対の
電極26,26´を形成し、その一方を入力電極とし、
他方を出力電極として用いている。This force conversion element is composed of (1
The force transmission block body 22 is joined to one surface of the (10) surface, and the support pedestal 24 is joined to the other (110) surface. Then, one (110) of the Si single crystal bodies 9
On the plane, the pair of electrodes 25, 25 'is rotated from the <001> direction toward the <1-10> direction by 45 °.
Forming another pair of electrodes 26, 26 'in the direction rotated by 135 °, one of which is used as an input electrode,
The other is used as an output electrode.
【0014】そして、入力電極25,25´に定電圧を
印加し、(110)面に垂直に印加された圧縮力Wを出
力電極26,26´間の電位差として読み取る(特開昭
62−190409)。Then, a constant voltage is applied to the input electrodes 25 and 25 ', and the compressive force W applied perpendicularly to the (110) plane is read as a potential difference between the output electrodes 26 and 26' (Japanese Patent Laid-Open No. 62-190409). ).
【0015】この出力検出方式において、その出力電圧
は、ピエゾ抵抗係数π´63を用いて表現される。入力電
極方向を1軸、それに直交する出力電極方向を2軸、さ
らに1,2の両方向に直交する力印加方向を3軸とすれ
ば、出力電圧値は次式で表される。[0015] In this output detection method, the output voltage is expressed using a piezoresistance coefficient π'63. If the input electrode direction is one axis, the output electrode direction orthogonal thereto is two axes, and the force application direction orthogonal to both directions 1, 2 is three axes, the output voltage value is expressed by the following equation.
【数3】 ここにおいて、kは素子の形状により決まる係数であ
る。[Equation 3] Here, k is a coefficient determined by the shape of the element.
【0016】このように構成された力変換素子は、等価
回路的には、図16に示すブリッジ回路で表される。す
なわち、このタイプの力変換素子は、等価回路的には、
電流・電圧平行力直交π´13型の効果を用いる複数のゲ
ージを等価的にブリッジ配置したのもである。The force conversion element thus constructed is represented by a bridge circuit shown in FIG. 16 in terms of an equivalent circuit. That is, this type of force conversion element has an equivalent circuit,
It also had equivalently bridge arrangement a plurality of gauges using effect of the current-voltage parallel force perpendicular Pai' 13 type.
【0017】このように、この力変換素子は、抵抗変化
を等価回路的に見てブリッジ構成とすることにより、そ
のオフセット電圧を0Vにする構成である。As described above, this force conversion element has a structure in which the offset voltage is set to 0V by forming a bridge structure in terms of resistance change in terms of an equivalent circuit.
【0018】この半面、この力変換素子では、図16に
示す簡易的な等価回路から見ると、4つの抵抗のうち<
1−10>方向の抵抗は応力により、RからΔRだけ変
化するが、<001>方向の2つの抵抗はほとんど変化
しない。したがって、この等価回路の出力は、無荷重時
の抵抗値をR,荷重印加時の<1−10>方向のピエゾ
抵抗効果による抵抗の増加分をΔRとすると、次式のよ
うに表される。On the other hand, in this force conversion element, when viewed from the simple equivalent circuit shown in FIG.
The resistance in the 1-10> direction changes from R by ΔR due to stress, but the two resistances in the <001> direction hardly change. Therefore, the output of this equivalent circuit is expressed by the following equation, where R is the resistance value when no load is applied and ΔR is the increase in resistance due to the piezoresistance effect in the <1-10> direction when a load is applied. .
【数5】 また、電流・電圧平行力垂直π´13型素子の出力電圧
の、荷重印加による増加分は、前記数5と同様な表現を
用いれば近似的に次式で表される。[Equation 5] Further, the increase amount of the output voltage of the current / voltage parallel force vertical π ′ 13 type element due to the load application is approximately represented by the following equation using the expression similar to the above-mentioned equation 5.
【数6】 このため、前記数5と数6を比較すると、このタイプの
力変換素子は、前記図14に示す力変換素子を用いた電
流・電圧・力平行のπ´11型検知方式や、ブリッジ構成
にせず、大きなオフセット電圧を有する電流・電圧・平
行力直交のπ´ 13型検知方式に比べ、その素子出力が小
さく、約2分の1の出力になるという問題があった。[Equation 6]Therefore, comparing Equations 5 and 6 above,
The force conversion element is an electric power conversion element using the force conversion element shown in FIG.
Flow, voltage, force parallel π '11Type detection method and bridge configuration
Current, voltage, flat with a large offset voltage
Π 'of power orthogonal 13Smaller element output than type detection method
There was a problem that the output would be about half.
【0019】またこのことは、表1で示すように、素子
出力の主力となるピエゾ抵抗係数π´13とπ´63を比較
すると、その値が約2分の1であることからも明らかで
ある。[0019] This is as shown in Table 1, when comparing the piezoresistance coefficient Pai' 13 and Pai' 63 serving as a main element output, evident from the fact that value is about one-half is there.
【表1】 図15に示す力変換素子の出力電圧を実際に求めると、
次にようになる。[Table 1] When the output voltage of the force conversion element shown in FIG. 15 is actually obtained,
It will be as follows.
【0020】例えば、入力電圧Vsupplyとして1Vを印
加し、応力T3 =15kg/mm2を加えたときの出力
は、k=1と仮定すれば、計算上、次式で表される。For example, the output when 1 V is applied as the input voltage V supply and the stress T 3 = 15 kg / mm 2 is applied, assuming k = 1, is calculated and expressed by the following equation.
【数4】 しかし、この従来の力変換素子では、電極構成などの関
係からkは1より小さい。図17には、この力変換素子
の実際の出力特性が示されている。同図に示す特性から
明らかなように、従来の素子は、kが1より小さいこと
から、その素子出力は前記数4の値よりも小さい23m
Vとなる。[Equation 4] However, in this conventional force conversion element, k is smaller than 1 because of the electrode configuration and the like. FIG. 17 shows the actual output characteristic of this force conversion element. As is clear from the characteristics shown in the figure, since k is smaller than 1 in the conventional element, the element output is 23 m, which is smaller than the value of the mathematical expression 4.
It becomes V.
【0021】これに加え、前述した各力変換素子では、
素子作成時における部材の各形状のばらつき、取り付け
位置の誤差等に起因し、素子出力に誤差が含まれてしま
うという問題があった。たとえば、図15に示す力変換
素子では、力伝達ブロック22,支持台座24の形状の
ばらつきや、Si単結晶体9に対するこれらブロック2
2,支持台座24の取り付け位置ばらつき等に起因し、
素子出力に比較的大きな誤差成分が含まれてしまうとい
う問題があった。In addition to this, in each of the force conversion elements described above,
There is a problem in that the element output includes an error due to variations in each shape of the member at the time of manufacturing the element, an error in a mounting position, and the like. For example, in the force conversion element shown in FIG. 15, there are variations in the shapes of the force transmission block 22 and the support pedestal 24, and these blocks 2 with respect to the Si single crystal body 9.
2, due to variations in the mounting position of the support pedestal 24,
There is a problem that a relatively large error component is included in the element output.
【0022】[0022]
【発明が解決しようとする課題】本発明は、このような
従来の課題に鑑みなされたものであり、その目的は、無
負荷時のオフセット電圧が0であり、しかも素子作成時
における形状のずれ、取り付け位置のばらつき等に起因
した出力誤差が小さく、かつ素子自体の感度の高い力変
換素子を得ることにある。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of such conventional problems, and an object thereof is to provide an offset voltage of 0 when there is no load, and a deviation of a shape when manufacturing an element. The purpose of the present invention is to obtain a force conversion element that has a small output error due to variations in the mounting position and has a high sensitivity of the element itself.
【0023】[0023]
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明は、受圧面として(011)面または(0−
1−1)面を有するように形成されたSi単結晶体と、
前記Si単結晶体の<001>方向および<00−1>
方向に形成された一対の第1電極と、<010>方向お
よび<0−10>方向に形成された一対の第2電極とを
有し、これらの一方を入力電極、他方を出力電極として
用いる複数の電極と、前記Si単結晶体の受圧面に接合
され、加えられた圧縮力をその結晶面に垂直に伝達する
力伝達ブロック体と、前記Si単結晶体の前記受圧面と
反対側の面に接合された支持台座と、を含み、前記Si
単結晶体は、<011>方向への圧縮力の印加にともな
い、<011>方向の圧縮応力と共に<01−1>方向
および<0−11>方向に大きな引張応力が発生する構
成としたことを特徴とする。To achieve the above object, the present invention provides a (011) plane or a (0-
1-1) Si single crystal formed to have a plane,
<001> direction and <00-1> of the Si single crystal body
Has a pair of first electrodes formed in a direction and a pair of second electrodes formed in a <010> direction and a <0-10> direction, and one of these is used as an input electrode and the other is used as an output electrode. A plurality of electrodes, a force transmission block body joined to the pressure receiving surface of the Si single crystal body and transmitting the applied compressive force perpendicularly to the crystal surface, and a force transmission block body on the opposite side of the pressure receiving surface of the Si single crystal body. A support pedestal joined to the surface,
The single crystal body is configured to generate a large tensile stress in the <01-1> direction and the <0-11> direction together with the compressive stress in the <011> direction as the compressive force is applied in the <011> direction. Is characterized by.
【0024】ここにおいて、前記Si単結晶体の受圧面
は、その断面形状および面積が、前記力伝達ブロック体
の接合断面形状および断面積と等しくなるよう形成する
ことが好ましい。Here, it is preferable that the pressure receiving surface of the Si single crystal body is formed so that its cross-sectional shape and area are equal to the joint cross-sectional shape and cross-sectional area of the force transmission block body.
【0025】また、前記Si単結晶体の受圧面と反対側
の面は、その断面形状および面積が、前記支持台座の断
面形状および断面積と等しく形成することが好ましい。Further, it is preferable that the surface of the Si single crystal body opposite to the pressure receiving surface is formed so that its sectional shape and area are equal to the sectional shape and sectional area of the support pedestal.
【0026】また、力伝達ブロックおよび支持台座の剛
性率をSi単結晶体よりも小さく形成することが好まし
い。Further, it is preferable that the rigidity of the force transmission block and the support pedestal be smaller than that of the Si single crystal.
【0027】また、p型Si単結晶を用いた場合には、
不純物濃度が約5×1018(/cm3 )、あるいは約2
×1020(/cm3 )とすることが好ましい。When a p-type Si single crystal is used,
Impurity concentration is about 5 × 10 18 (/ cm 3 ) or about 2
It is preferably set to × 10 20 (/ cm 3 ).
【0028】(考案の着目点および概念)前記従来技術
では、力変換素子内に発生する歪み(応力)のうち、単
一成分のみを用いることしか考えておらず、その結果、
効果的に力を検出できなかった。(Points of Interest and Concept of the Invention) In the prior art described above, only the single component of the strain (stress) generated in the force conversion element is considered, and as a result,
The force could not be detected effectively.
【0029】そこで、本発明者は、力変換素子の等価回
路の4つのブリッジ抵抗が全て有効に変化するよう、S
i単結晶体の結晶方向と力印加方向を選択すれば、出力
の大きい力変換素子が得られることを考えついた。直交
座標系の各座標を、それぞれ1,2,3軸とすると、応
力は各軸に平行な垂直応力成分T1 〜T3 と、剪断応力
成分T4 〜T6 とで表される。そこで、力が印加される
方向の応力成分T1 と、二次的に発生するそれ以外の応
力成分T2 〜T6 とが、素子出力を向上させる方向に有
効に作用するような素子構造とすることにより、素子出
力が向上する。Therefore, the inventor of the present invention makes sure that all four bridge resistances of the equivalent circuit of the force conversion element are changed effectively.
It was conceived that a force conversion element having a large output can be obtained by selecting the crystal direction of the i single crystal and the force application direction. When the coordinates of the orthogonal coordinate system are 1, 2 and 3 axes, the stress is represented by vertical stress components T1 to T3 and shear stress components T4 to T6 parallel to the respective axes. Therefore, the element structure is such that the stress component T 1 in the direction in which the force is applied and the other secondary stress components T 2 to T 6 effectively act in the direction of improving the element output. As a result, the device output is improved.
【0030】図5には、本発明の力変換素子に圧縮力を
印加した際発生する応力分布のFEM(Finite Element
Method有限要素法)解析結果が示されている。この解析
に用いた力変換素子は、Si単結晶体の上下両面に、断
面形状がSi単結晶体と同じく長方形であり、断面積が
等しく、しかもSi単結晶体と比べて剛性率の低いガラ
ス等の材料を、力伝達ブロック体および支持台座として
接合した構造体を用いた。ここでは、Si単結晶体に圧
縮力を作用させる(011)面は、長方形状に形成され
ている。なお、<011>方向を1軸,<0−11>方
向を2軸,<100>方向を3軸とする。FIG. 5 shows an FEM (Finite Element) of the stress distribution generated when a compressive force is applied to the force conversion element of the present invention.
Method Finite element method) The analysis results are shown. The force conversion element used for this analysis is a glass having a rectangular cross section on the upper and lower surfaces of the Si single crystal body as in the case of the Si single crystal body, having the same cross sectional area, and having a lower rigidity than the Si single crystal body. A structure in which the above materials are joined as a force transmission block body and a support pedestal is used. Here, the (011) plane that exerts a compressive force on the Si single crystal body is formed in a rectangular shape. The <011> direction is one axis, the <0-11> direction is two axes, and the <100> direction is three axes.
【0031】このような構造体の力変換素子を用い、そ
のSi単結晶体の接合面に垂直に力が加わるよう<01
1>方向に圧縮力を印加し、この場合に得られる応力分
布をFEM解析した結果が、同図に表されている。Si
単結晶体全域に負の記号で表現される圧縮応力T1 が発
生することが分かる。A force conversion element having such a structure is used so that a force is applied perpendicularly to the bonding surface of the Si single crystal body.
The result of FEM analysis of the stress distribution obtained in this case by applying a compressive force in the 1> direction is shown in FIG. Si
It can be seen that a compressive stress T 1 represented by a negative sign is generated in the entire single crystal body.
【0032】図6には、Si単結晶体の2軸方向への応
力成分T2 が示され、図7には、Si単結晶体の3軸方
向への応力成分T3 が示されている。FIG. 6 shows the stress component T2 in the biaxial direction of the Si single crystal body, and FIG. 7 shows the stress component T3 in the triaxial direction of the Si single crystal body.
【0033】これらの解析結果によれば、図5に示す構
造体の断面積が前記l2 /l1 が1以上の長方形の場
合、Si単結晶体中に、長方形の短辺方向(2軸方向)
に大きな引張応力T2 が発生することがわかった。According to these analysis results, when the cross-sectional area of the structure shown in FIG. 5 is a rectangle in which l 2 / l 1 is 1 or more, in the Si single crystal, the direction of the short side of the rectangle (biaxial direction)
It was found that a large tensile stress T2 is generated in
【0034】ところで、たとえばp型Si単結晶体の
(100)面におけるピエゾ抵抗係数を見ると、表2の
ようになっていることが知られている。By the way, it is known that the piezoresistance coefficient on the (100) plane of a p-type Si single crystal is as shown in Table 2.
【表2】 ここにおいて、π´ijは、j方向の応力に伴うi方向の
抵抗変化量に相当する値と考えるとよい。[Table 2] Here, π ′ ij may be considered as a value corresponding to the amount of resistance change in the i direction due to the stress in the j direction.
【0035】本発明者は、これらのピエゾ抵抗係数のう
ち、絶対値の大きなπ´11,π´22,π´12を有効に使
い、軸方向への圧縮力印加にともない発生する1方向の
みの応力成分だけではなく、それにともない発生する応
力の2方向および3方向への引張応力成分をも重畳する
ことを考えついた。そして、等価回路的に表現された各
ブリッジ抵抗が、素子出力を最大に引き出せるように、
素子構成を実現した。The inventor of the present invention effectively uses π ′ 11 , π ′ 22 , and π ′ 12 having a large absolute value among these piezoresistive coefficients, and only one direction is generated with the application of the compressive force in the axial direction. It was conceived that not only the stress component of No. 3 but also the tensile stress component of the stress generated in the two directions and the three directions are superposed. Then, each bridge resistance expressed as an equivalent circuit can maximize the element output,
Realized the element configuration.
【0036】以下にその構成を説明する。The configuration will be described below.
【0037】(発明の構成)本発明の力変換素子の主要
な構成を図1(A)に示す。図1(B)には、Si単結
晶体の各面の方向が示されている。同図に示す力変換素
子は、圧縮力が加えられる面として(011)面を有す
るよう形成されたSi単結晶体30と、このSi単結晶
体30の(011)面に接合された力伝達ブロック体4
0と、前記Si単結晶体30の(0−1−1)面に接合
された支持台座50とを含む。(Structure of the Invention) FIG. 1A shows the main structure of the force conversion element of the present invention. FIG. 1B shows the direction of each surface of the Si single crystal body. The force conversion element shown in the figure has a Si single crystal body 30 formed to have a (011) plane as a surface to which a compressive force is applied, and a force transmission bonded to the (011) plane of the Si single crystal body 30. Block body 4
0 and a support pedestal 50 bonded to the (0-1-1) plane of the Si single crystal body 30.
【0038】前記Si単結晶体30の、<010>方向
および<0−10>方向に電極形成面32a,32bを
形成し、ここに一対の第1電極60a,60bを設け
る。Electrode forming surfaces 32a and 32b are formed in the <010> direction and the <0-10> direction of the Si single crystal body 30, and a pair of first electrodes 60a and 60b are provided therein.
【0039】さらに、前記Si単結晶体30の<001
>および<00−1>方向に電極形成面34a,34b
を形成し、ここに一対の第2電極62a,62bを設け
る。Furthermore, <001 of the Si single crystal 30 is formed.
> And <00-1> direction in the electrode forming surfaces 34a, 34b
And a pair of second electrodes 62a and 62b are provided therein.
【0040】そして、図2に示すよう、電源64からい
ずれか一対の電極、たとえば第1の電極60a,60b
に電圧を印加し、Si単結晶体30内全体に電流を流
す。Then, as shown in FIG. 2, one of a pair of electrodes, for example, the first electrodes 60a and 60b from the power source 64 is supplied.
A voltage is applied to the whole of the Si single crystal body 30 to supply a current.
【0041】そして、力伝達ブロック体40に作用する
圧縮力Wに比例した電圧出力を、他の一方の電極、たと
えば第2電極62a,62bを介して取り出し、測定器
66を用いて測定する。Then, a voltage output proportional to the compressive force W acting on the force transmission block 40 is taken out through the other electrode, for example, the second electrodes 62a and 62b, and measured by the measuring device 66.
【0042】[0042]
【作用】本発明の力変換素子の作用は、細長い形状のゲ
ージをシリコン上のある方向に形成した従来の力変換素
子とは異なるため、従来技術で述べたような直交座標系
に沿った電流・電圧・力を用いた単純な検出方式によっ
ては説明できない。The operation of the force conversion element of the present invention is different from that of the conventional force conversion element in which an elongated gauge is formed in a certain direction on silicon, so that the current along the orthogonal coordinate system as described in the prior art is used. -It cannot be explained by a simple detection method using voltage and force.
【0043】まず、本発明の力変換素子の入力電圧60
a,60b間に定電圧を印加した場合を想定する。First, the input voltage 60 of the force conversion element of the present invention.
It is assumed that a constant voltage is applied between a and 60b.
【0044】力変換素子に力を印加していない場合、F
EM解析によると、Si単結晶体30には、図8に示す
ような電流が流れる。このとき両出力電極62a,62
b間の電位差は0Vである。When no force is applied to the force conversion element, F
According to the EM analysis, a current as shown in FIG. 8 flows through the Si single crystal body 30. At this time, both output electrodes 62a, 62
The potential difference between b is 0V.
【0045】ここで、ローカルな座標系を、Si単結晶
体30の結晶面の方向に基づき、<01−1>,<01
1>,<100>方向と定義する。Here, the local coordinate system is set to <01-1>, <01> based on the direction of the crystal plane of the Si single crystal body 30.
1> and <100> directions are defined.
【0046】次に、力変換素子の力伝達ブロック40に
対し、<011>方向に力を印加すると、前述した図5
〜7に示すように、Si単結晶体30には、印加した力
Wに比例する<011>方向の圧縮応力T1 が生じ、し
かも、<01−1>方向および<0−11>方向にも引
張応力T2 が生じる。なお、剪断応力成分による出力
は、全体的にも小さいため無視できる。また、<100
>方向の応力成分T3 による抵抗の変化量も、一軸およ
び二軸方向の抵抗変化に関連したピエゾ抵抗係数π
´13,π´23が小さいため、省略する(表2参照)。Next, when a force is applied to the force transmission block 40 of the force conversion element in the <011> direction, the above-mentioned FIG.
7 to 7, a compressive stress T1 in the <011> direction, which is proportional to the applied force W, is generated in the Si single crystal body 30, and further in the <01-1> direction and the <0-11> direction. Tensile stress T 2 occurs. The output due to the shear stress component is small as a whole and can be ignored. Also, <100
The amount of change in resistance due to the stress component T3 in the> direction is also related to the change in resistance in the uniaxial and biaxial directions.
Omitted because ´ 13 and π´ 23 are small (see Table 2).
【0047】なお、<011>方向への圧縮力の印加に
ともない、Si単結晶体30が、<01−1>方向およ
び<0−11>方向に引張応力T2 をより効果的に発生
する構成として、必要に応じ各種構成が採用できる。た
とえば、図1に示すようSi単結晶体30の力伝達ブロ
ック体40と接触する(011)が長方形状をしている
ような場合には、その<01−1>方向の長さl1 と、
<100>方向の長さl2 との比l2 /l1 が1以上
で、かつ2以下とすることが好ましい。さらに、Si単
結晶体10の<01−1>方向の長さl1 と,高さ<0
11>方向の長さl3 との比l3 /l1 が1以上であ
り、かつ3以下となるように形成することが好ましい。With the application of the compressive force in the <011> direction, the Si single crystal 30 more effectively generates the tensile stress T 2 in the <01-1> direction and the <0-11> direction. Various configurations can be adopted as required. For example, as shown in FIG. 1, when the contact (011) of the Si single crystal body 30 with the force transmission block body 40 has a rectangular shape, the length l 1 in the <01-1> direction is ,
The ratio l 2 / l 1 to the length l 2 in the <100> direction is preferably 1 or more and 2 or less. Furthermore, the length l 1 of the Si single crystal body 10 in the <01-1> direction and the height <0.
The ratio l 3 / l 1 to the length l 3 in the 11> direction is preferably 1 or more and 3 or less.
【0048】本発明の力変換素子の出力を説明するた
め、前述した発生応力を考慮し、力変換素子を簡略化し
た等価回路として表現すると、図3に示すようなフルブ
リッジ回路となる。ここにおいて、ΔR1 ,ΔR2 ,Δ
R3 ,ΔR4 は、ピエゾ抵抗係数π´22,π´21,π´
11,π´12の効果による抵抗変化分であり、その変化量
は、次式で表現される。In order to explain the output of the force conversion element of the present invention, the force conversion element described above is expressed as a simplified equivalent circuit in consideration of the above-mentioned generated stress, resulting in a full bridge circuit as shown in FIG. Here, ΔR 1 , ΔR 2 , and Δ
R 3 and ΔR 4 are piezoresistive coefficients π ′ 22 , π ′ 21 , and π ′.
11, the resistance change due to the effect of Pai' 12, the amount of change is expressed by the following equation.
【数7】 [Equation 7]
【数8】 [Equation 8]
【数9】 [Equation 9]
【数10】 ここでπ´ijは、表2に示す値であり、j方向の応力に
基づく、i方向の抵抗の変化量に比例した値である。T
i はi方向の応力、Rは素子の抵抗値である。[Equation 10] Here, π ′ ij is a value shown in Table 2 and is a value proportional to the amount of change in resistance in the i direction based on the stress in the j direction. T
i is the stress in the i direction, and R is the resistance value of the element.
【0049】この等価回路で表される力変換素子の出力
は、フルブリッジ回路の出力端の電圧となり、次の数1
1で表現される。The output of the force conversion element represented by this equivalent circuit becomes the voltage at the output end of the full bridge circuit, and
Expressed as 1.
【数11】 表2のピエゾの値より、π´11=π´22=−π´12の関
係が成立する。したがって、前記数7〜10から、ΔR
1 =−ΔR3 ,ΔR2 =−ΔR4 の関係が成立し、この
結果各ΔRの間には次式で示す関係が成立する。[Equation 11] Than piezo values of Table 2, the relationship π'11 = π'22 = -π' 12 is established. Therefore, from the above equations 7 to 10, ΔR
The relation of 1 = −ΔR 3 and ΔR 2 = −ΔR 4 is established, and as a result, the relation shown by the following equation is established between each ΔR.
【数12】 前記数12を数11に代入すると、数11は次のように
簡略化される。[Equation 12] By substituting the equation 12 into the equation 11, the equation 11 is simplified as follows.
【数13】 ここで、力変換素子の入力電極60a,60bに1Vの
電圧を印加し、力伝達ブロック体40に15kg/mm
2 の圧力を印加した場合を考える。このとき発生する各
応力値として、T1 =−15kg/mm2 ,T2 =1.
5kg/mm2の平均応力値を用いると、入力電圧1V
当たりの出力は、前記数13より、ΔV=109(mV
/15kgV)と算出される。従来の、オフセット電圧
が0Vタイプのピエゾ抵抗効果を用いた力変換素子で
は、その出力の最高値は、電流・電圧・力直交π´63型
の49(mV/15kgV)である。したがって、本発
明の力変換素子は、前述した単純な計算式からは、従来
素子の以上の素子出力を得ることができる。[Equation 13] Here, a voltage of 1 V is applied to the input electrodes 60a and 60b of the force conversion element to apply 15 kg / mm to the force transmission block body 40.
Consider the case where a pressure of 2 is applied. As each stress value generated at this time, T1 = -15kg / mm 2, T2 = 1.
Using an average stress value of 5 kg / mm 2 , input voltage 1 V
The output per hit is ΔV = 109 (mV
/ 15 kgV). Conventional, with a force transducer offset voltage using a piezoresistive effect of 0V type, maximum value of the output is the current, voltage, power orthogonal Pai' 63 type 49 (mV / 15kgV). Therefore, the force conversion element of the present invention can obtain the element output higher than that of the conventional element from the simple calculation formula described above.
【0050】したがって、本発明によれば、力が印加さ
れない状態のオフセット電圧が0でありながら、素子感
度の高い力変換素子を得ることができる。Therefore, according to the present invention, it is possible to obtain a force conversion element having a high element sensitivity while the offset voltage is 0 when no force is applied.
【0051】また、本発明の力変換素子では、図8に示
すよう、Si単結晶体30の全面に電流を流す構成とし
た。このことから、Si単結晶体上に細いゲージを形成
した場合と異なり、素子作成時の形状のばらつきや、取
り付け位置のずれ等による出力誤差を大幅に低減でき
る。Further, in the force conversion element of the present invention, as shown in FIG. 8, a current is made to flow over the entire surface of the Si single crystal body 30. For this reason, unlike the case where a thin gauge is formed on the Si single crystal body, it is possible to greatly reduce the output error due to the variation in the shape at the time of manufacturing the element, the displacement of the mounting position, and the like.
【0052】なお、以上の説明では、Si単結晶体30
の受圧面を(011)面とした場合を例にとり説明した
が、本発明はこれに限らず、受圧面として(0−1−
1)面を用いてもよい。In the above description, the Si single crystal 30 is used.
The case where the pressure receiving surface of (011) is set to (011) has been described as an example, but the present invention is not limited to this, and the pressure receiving surface of (0-1-
1) The surface may be used.
【0053】[0053]
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
力が印加されない状態でのオフセット電圧が0でありな
がら、素子感度の高い高性能の力変換素子を提供できる
という効果がある。As described above, according to the present invention,
Even if the offset voltage is 0 when no force is applied, there is an effect that a high-performance force conversion element having high element sensitivity can be provided.
【0054】これに加えて、Si単結晶体の広い範囲に
電流を流す構造としたことにより、素子制作時における
各部の形状や、その取り付け位置に誤差があっても、発
生する出力誤差を小さくすることができ、精度の高い力
変換素子を得ることができるという効果がある。In addition to this, by adopting a structure in which an electric current is caused to flow in a wide range of the Si single crystal body, even if there is an error in the shape of each part at the time of manufacturing the element or its mounting position, the output error generated is small. Therefore, it is possible to obtain a highly accurate force conversion element.
【0055】他の発明 また、本発明の力変換素子では、Si単結晶体を、受圧
面を有する基台の側面に層状に形成してもよい。 Other Inventions Further, in the force conversion element of the present invention, the Si single crystal body may be formed in layers on the side surface of the base having the pressure receiving surface.
【0056】この様な力変換素子は、受圧面を有する基
台と、前記基台の受圧面に接合され、加えられた圧縮力
をその受圧面に垂直に伝達する力伝達ブロック体と、前
記基台の前記受圧面と反対側の面に接合された支持台座
と、前記基台の側面に層状に形成され、前記受圧面への
圧縮力印加方向に(011)面または(0−1−1)面
を向けた通電用Si単結晶体と、前記通電用Si単結晶
体の側面に、その<001>方向および<00−1>方
向に形成された一対の第1電極と、<010>方向およ
び<0−10>方向に形成された一対の第2電極とを有
し、これらの一方を入力電極、他方を出力電極として用
いる複数の電極と、を含み、前記通電用Si単結晶体
は、前記基台に対する<011>方向への圧縮力の印加
にともない、<01−1>方向および<0−11>方向
に引張応力が発生するよう形成することで、構成でき
る。Such a force converting element includes a base having a pressure receiving surface, a force transmitting block body joined to the pressure receiving surface of the base and transmitting the applied compressive force perpendicularly to the pressure receiving surface, A support pedestal joined to the surface of the base opposite to the pressure receiving surface and a layer formed on the side surface of the base in a layer of (011) or (0-1-) in the direction of compressive force applied to the pressure receiving surface. 1) A current-oriented Si single crystal body facing the plane, a pair of first electrodes formed in the <001> direction and the <00-1> direction on the side surface of the current conduction Si single crystal body, and <010 A pair of second electrodes formed in the <> direction and the <0-10> direction, a plurality of electrodes using one of them as an input electrode and the other as an output electrode, and the Si single crystal for energization As the body applies compressive force in the <011> direction to the base, <011>1> by forming so that the tensile stress is generated in the direction and <011> directions, be configured.
【0057】[0057]
【実施例】次に本発明の好適な実施例を図面に基づきに
詳細に説明する。The preferred embodiments of the present invention will now be described in detail with reference to the drawings.
【0058】第1実施例 図1には、本発明の第1実施例に係る力変換素子の斜視
図が示されており、図2には、この力変換素子を用いた
測定回路が示されている。なお、図1,図2において、
<011>,<01−1>,<100>方向を簡易的に
1軸,2軸,3軸方向と定義する。 First Embodiment FIG. 1 shows a perspective view of a force converting element according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 shows a measuring circuit using this force converting element. ing. In addition, in FIG. 1 and FIG.
The <011>, <01-1>, and <100> directions are simply defined as 1-axis, 2-axis, and 3-axis directions.
【0059】本実施例の力変換素子は、比抵抗20Ω・
cmのp型Si単結晶体30の(011)面を、<01
−1>方向の長さがl1 で、<100>方向への長さが
l2の長方形状に形成している。そして、このSi単結
晶体30の(011)面および(0−1−1)面上に、
それぞれ水平断面形状が等しいガラスやセラミックス製
の力伝達ブロック体40および支持台座ブロック50
が、陽極接合などの接合技術により接合されている。The force conversion element of this embodiment has a specific resistance of 20Ω.
cm of the (011) plane of the p-type Si single crystal 30 is <01
It is formed in a rectangular shape having a length in the -1> direction of l 1 and a length in the <100> direction of l 2 . Then, on the (011) plane and the (0-1-1) plane of the Si single crystal body 30,
A force transmission block body 40 and a support pedestal block 50 made of glass or ceramics having the same horizontal cross-sectional shape
However, they are joined by a joining technique such as anodic joining.
【0060】ここにおいて、前記Si単結晶体30の<
011>方向への圧縮力印加にともない、効果的に<0
1−1>方向および<0−11>方向に引張応力が誘起
されるよう、Si単結晶体30を形成することが好まし
い。このためには、例えば、前記Si単結晶体30の
(011)面を長方形状に形成し、その<01−1>方
向と<100>方向の長さl1 ,l2 の比l2 /l1 が
1以上2以下となるよう形成することが好ましい。さら
に、前記Si単結晶30の<01−1>方向と、<01
1>方向の長さl1 ,l3 の比l3 /l1 が1以上3以
下となるよう形成することが好ましい。In the above, the Si single crystal body 30 <
Effectively <0 with the application of compressive force in the 011> direction
It is preferable to form the Si single crystal body 30 so that tensile stress is induced in the 1-1> direction and the <0-11> direction. To this end, for example, the (011) plane of the Si single crystal body 30 is formed in a rectangular shape, and the ratio l 2 / l 2 of the lengths l 1 and l 2 in the <01-1> direction and the <100> direction is 1 2 / It is preferable to form l 1 to 1 or more and 2 or less. Furthermore, the <01-1> direction of the Si single crystal 30 and <01-1>
The ratio l 3 / l 1 of the lengths l 1 and l 3 in the 1> direction is preferably 1 or more and 3 or less.
【0061】本実施例において、Si単結晶体30の長
方形状をした(011)面は、 l1 :l2 =2:3 のアスペクト比に形成されている。これにより、<01
1>方向への圧縮応力印加にともない、<01−1>お
よび<0−11>方向に引張応力T2 が効果的に生ずる
ことになる。In the present embodiment, the rectangular (011) plane of the Si single crystal body 30 is formed with an aspect ratio of l 1 : l 2 = 2: 3. This gives <01
As the compressive stress is applied in the 1> direction, the tensile stress T 2 is effectively generated in the <01-1> and <0-11> directions.
【0062】また、前記Si単結晶体30は、その<0
10>方向,<0−10>方向に、(010)面,(0
−10)面からなる電極形成面32a,32bが形成さ
れ、これら電極形成面32a,32b上にアルミニウム
等の金属により形成した一対の入力電極60a,60b
が設けられている。Further, the Si single crystal body 30 has a <0
10> direction, <0-10> direction, (010) plane, (0
-10) electrode forming surfaces 32a, 32b are formed, and a pair of input electrodes 60a, 60b formed of a metal such as aluminum on the electrode forming surfaces 32a, 32b.
Is provided.
【0063】さらに、これらの電極に対し、<100>
軸を中心に90°回転した方向、すなわちSi単結晶体
30の<001>方向および<00−1>方向に、(0
01)面および(00−1)面からなる電極形成面34
a,34bを形成し、これら各電極形成面34a,34
bに一対の出力電極62a,62bを同様の手法を用い
て設ける。Furthermore, with respect to these electrodes, <100>
In the direction rotated by 90 ° about the axis, that is, in the <001> direction and the <00-1> direction of the Si single crystal body 30, (0
Electrode forming surface 34 consisting of (01) plane and (00-1) plane
a, 34b are formed, and these electrode forming surfaces 34a, 34b are formed.
A pair of output electrodes 62a and 62b are provided on b using the same method.
【0064】したがって、実施例のSi単結晶体30
は、結果的に八角柱となる。Therefore, the Si single crystal body 30 of the embodiment is
Results in an octagonal prism.
【0065】図2には、実施例のSi単結晶体30を用
いた回路図が示され、前記入力電極60a,60bに
は、電源64から定電圧が印加され、このとき出力電極
62a,62bから出力される電圧は、測定器66で測
定される構成となっている。FIG. 2 shows a circuit diagram using the Si single crystal body 30 of the embodiment. A constant voltage is applied from the power source 64 to the input electrodes 60a and 60b, and at this time, the output electrodes 62a and 62b. The voltage output from is measured by the measuring device 66.
【0066】このような構成の力変換素子では、力伝達
ブロック体40に力を印加していないときには、両出力
電極60a,60bからの電位差は0Vである。In the force conversion element having such a structure, when no force is applied to the force transmission block body 40, the potential difference from both output electrodes 60a and 60b is 0V.
【0067】そして、力伝達ブロック体40の<011
>方向に力Wを印加すると、Si単結晶体30に、主と
して<011>方向の圧縮応力T1 と、<01−1>方
向への引張応力T2 とが生じる。これらの応力のピエゾ
抵抗効果の重ね合わせにより、力変換素子からは、前記
数13に示す電圧ΔVが出力される。Then, <011 of the force transmission block body 40
When a force W is applied in the> direction, a compressive stress T 1 mainly in the <011> direction and a tensile stress T 2 in the <01-1> direction are generated in the Si single crystal body 30. By superimposing the piezoresistive effect of these stresses, the voltage ΔV shown in the above-mentioned expression 13 is output from the force conversion element.
【0068】図4には、電源64から電極60a,60
b間に印加される電圧を1Vに設定し、力伝達ブロック
体40に印加する圧力を変化させた場合に得られる出力
電圧の値が示されている。なお、図中実線は、本実施例
の測定データであり、点線は図15〜17に示す従来の
力変換素子の出力特性である。同図に示すよう、15k
g/mm2 の圧力を印加した場合に、実施例の力変換素
子では、43mVの電圧が実際に得られた。この出力電
圧は、同一の圧力を従来の力変換素子に加えた場合に実
際に得られる出力電圧23mV(図17参照)の約2倍
の値となる。In FIG. 4, the power source 64 is connected to the electrodes 60a, 60.
The value of the output voltage obtained when the voltage applied between b is set to 1 V and the pressure applied to the force transmission block body 40 is changed is shown. The solid line in the figure is the measured data of this embodiment, and the dotted line is the output characteristic of the conventional force conversion element shown in FIGS. As shown in the figure, 15k
When a pressure of g / mm 2 was applied, a voltage of 43 mV was actually obtained in the force conversion element of the example. This output voltage is about twice the output voltage 23 mV (see FIG. 17) actually obtained when the same pressure is applied to the conventional force conversion element.
【0069】第2実施例 図9には、本発明の第2実施例に係る力変換素子の斜視
図が示され、図10にはこの力変換素子を用いた測定回
路図が示されている。 Second Embodiment FIG. 9 shows a perspective view of a force conversion element according to a second embodiment of the present invention, and FIG. 10 shows a measurement circuit diagram using this force conversion element. .
【0070】本実施例の力変換素子の特徴は、その水平
断面形状がどの部分においても同じである四角柱構造と
したことにある。The feature of the force conversion element of the present embodiment is that it has a quadrangular prismatic structure whose horizontal cross-sectional shape is the same in all parts.
【0071】このため、実施例の力変換素子では、比抵
抗20Ω・cmの四角柱構造のp型Si単結晶体30が
用いられ、長方形状をしたその(011)面および(0
−1−1)面の、<01−1>方向への長さがl1 ,<
100>方向への長さがl2に設定されている。そし
て、このSi単結晶体30の(011)面および(0−
1−1)面には、水平断面積形状の等しい力伝達ブロッ
ク体40および支持台座ブロック50接合されている。For this reason, in the force conversion element of the example, the p-type Si single crystal body 30 having a square pole structure with a specific resistance of 20 Ω · cm is used, and its rectangular (011) plane and (0
The length of the (1-1) plane in the <01-1> direction is l 1 , <
The length in the 100> direction is set to l 2 . Then, the (011) plane and (0−
The force transmission block body 40 and the support pedestal block 50 having the same horizontal cross-sectional area are joined to the (1-1) plane.
【0072】前記Si単結晶体30は、<011>方向
への圧縮力印加にともない、効果的に<01−1>方向
および<0−11>方向に引張応力T2 が誘起されるよ
う、l1 :l2 =1:2のアスペクト比となるよう形成
されている。In the Si single crystal 30, the tensile stress T 2 is effectively induced in the <01-1> direction and the <0-11> direction with the application of compressive force in the <011> direction. It is formed to have an aspect ratio of l 1 : l 2 = 1: 2.
【0073】そして、前記Si単結晶体30の側面であ
る(0−11)面の<010>方向および(01−1)
面の<0−10>方向には、一対の入力電極60a,6
0bが設けられている。これらの入力電極に対し、<1
00>軸を中心に90°回転した方向、すなわちSi単
結晶体30の(01−1)面および(0−11)面上
の、<001>および<00−1>方向に一対の出力電
極62a,62bが設けられている。Then, the <010> direction of the (0-11) plane, which is the side surface of the Si single crystal body 30, and the (01-1) direction.
In the <0-10> direction of the plane, a pair of input electrodes 60a, 6
0b is provided. <1 for these input electrodes
A pair of output electrodes in a direction rotated by 90 ° about the 00> axis, that is, in the (01-1) plane and the (0-11) plane of the Si single crystal body 30 in the <001> and <00-1> directions. 62a and 62b are provided.
【0074】そして、前記実施例と同様に、前記入力電
極60a,60bに、電源64から定電圧を印加し、こ
のとき出力電極62a,62bから得られる出力電圧を
測定器66で測定している。A constant voltage is applied to the input electrodes 60a, 60b from the power supply 64, and the output voltage obtained from the output electrodes 62a, 62b is measured by the measuring device 66, as in the above embodiment. .
【0075】図11には、実施例の力変換素子の出力特
性図が示されている。同図に示すよう、実施例の力変換
素子は、15kg/mm2 の圧力を印加した際、その出
力電圧はΔV=54mVとなることが確認された。FIG. 11 shows an output characteristic diagram of the force conversion element of the embodiment. As shown in the figure, it was confirmed that the output voltage of the force conversion element of the example was ΔV = 54 mV when a pressure of 15 kg / mm 2 was applied.
【0076】なお、本実施例の力変換素子では、p型S
i単結晶体30の不純物濃度が5×1018(/cm3 )
あるいは2×1020(/cm3 )の場合、電圧出力ΔV
の温度に対する変動の少ない力変換素子が構成できる。In the force conversion element of this embodiment, the p-type S
The impurity concentration of the i single crystal 30 is 5 × 10 18 (/ cm 3 ).
Alternatively, in the case of 2 × 10 20 (/ cm 3 ), the voltage output ΔV
It is possible to construct a force conversion element that has little fluctuation with respect to temperature.
【0077】第3実施例 図12には、本発明の第3実施例に係る力変換素子の斜
視図が示されている。なお、本実施例において前記第2
実施例と対応する部材には同一符号を付し、その説明は
省力する。 Third Embodiment FIG. 12 shows a perspective view of a force conversion element according to a third embodiment of the present invention. In the present embodiment, the second
Members corresponding to those in the embodiment are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.
【0078】本実施例の特徴は、入力電極60a、60
bから電流が通電されるSi単結晶体30を、基台80
の側面に層状に形成したことにある。The feature of this embodiment is that the input electrodes 60a, 60
The Si single crystal 30 to which a current is applied from
It is formed in layers on the side surface of the.
【0079】すなわち、前記基台80は、受圧面82が
長方形状の四角柱形状に形成されている。この基台80
の受圧面82には、前記実施例と同様な手法により力伝
達ブロック体40が接合され、基台80の他方の面84
には支持台座ブロック50が接合されている。That is, the pressure receiving surface 82 of the base 80 is formed in a rectangular prism shape. This base 80
The force transmission block body 40 is joined to the pressure receiving surface 82 of the base plate 80 by the same method as in the above-described embodiment, and the other surface 84 of the base 80 is joined.
A support pedestal block 50 is joined to the.
【0080】そして、前記基台80の側面には、入力電
極60a、60bにより電流が通電されるSi単結晶体
30が、層状に形成されている。このSi単結晶体30
は、受圧面82への圧力印加方向にその(011)面が
向くように形成されている。On the side surface of the base 80, the Si single crystal bodies 30 to which current is applied by the input electrodes 60a and 60b are formed in layers. This Si single crystal 30
Is formed such that its (011) plane faces the direction of pressure application to the pressure receiving surface 82.
【0081】以下、前記力変換素子の具体的な構成を、
より詳細に説明する。The specific structure of the force conversion element will be described below.
This will be described in more detail.
【0082】実施例の力変換素子は、Si単結晶体30
を含む基台80全体を、まずn型Si単結晶体100と
して形成する。The force conversion element of the embodiment is the Si single crystal body 30.
First, the entire base 80 including is formed as an n-type Si single crystal body 100.
【0083】このn型Si単結晶体100は、(01
1)面を力伝達ブロック体40と接合される受圧面82
とし、(0−1−1)面を支持台座ブロック50と接合
される面84とする。This n-type Si single crystal body 100 has
1) Pressure receiving surface 82 whose surface is joined to the force transmission block body 40
And the (0-1-1) plane is the plane 84 joined to the support pedestal block 50.
【0084】このように、実施例の力変換素子は、基台
80として機能するn型Si単結晶体100の(01
1)面、(0−1−1)面に、力伝達ブロック体40、
支持台座ブロック50がそれぞれ接合され、断面形状が
長方形をした四角柱構造に形成されることになる。As described above, the force conversion element according to the example has (01) of the n-type Si single crystal body 100 functioning as the base 80.
The force transmission block body 40 is attached to the (1) plane and the (0-1-1) plane.
The support pedestal blocks 50 are joined together to form a rectangular columnar structure having a rectangular cross section.
【0085】さらに、前記n型Si単結晶体100は、
長方形をしたその(011)面の<01−1>方向の長
さl1 と,<100>方向の長さl2 のアスペクト比が
l1:l2 =2:3に設定されている。これにより<0
11>方向への圧縮力印加にともない、効果的に<01
−1>方向および<0−11>方向に引張応力T2 が誘
起されるようになる。Furthermore, the n-type Si single crystal 100 is
And a rectangle with its (011) of <01-1> direction of the surface length l 1, the aspect ratio of the <100> direction of the length l 2 is l 1: l 2 = 2: set to 3. Due to this, <0
With the application of compressive force in the 11> direction, effectively <01
The tensile stress T 2 is induced in the −1> direction and the <0-11> direction.
【0086】そして、このn型Si単結晶体100の
(100)面上に、熱拡散あるいはイオン注入などによ
り、不純物濃度が約5×1018(/cm3 )あるいは約
2×1020(/cm3 )となるように制御したp型拡散
層70を形成している。The impurity concentration on the (100) plane of the n-type Si single crystal 100 is about 5 × 10 18 (/ cm 3 ) or about 2 × 10 20 (/ cm 3 ) due to thermal diffusion or ion implantation. The p-type diffusion layer 70 is formed so as to have a size of 3 cm3.
【0087】このp型拡散層70が、基台80の側面に
層状に形成された通電用のSi単結晶体30となる。This p-type diffusion layer 70 becomes the current-carrying Si single crystal body 30 formed in layers on the side surface of the base 80.
【0088】また、前記n型Si単結晶体100の拡散
層70(30)の表面上には、<010>方向および<
0−10>方向に一対の出力電極60a,60bを設
け、これらの電極に対し、<100>軸を中心に90°
回転した方向、すなわち<001>および<00−1>
方向に一対の出力電極62a,62bを設けている。On the surface of the diffusion layer 70 (30) of the n-type Si single crystal 100, the <010> direction and the <010> direction are formed.
A pair of output electrodes 60a and 60b are provided in the 0-10> direction, and 90 ° with respect to these electrodes about the <100> axis.
Direction of rotation, ie <001> and <00-1>
A pair of output electrodes 62a and 62b are provided in the direction.
【0089】以上の構成とすることにより、図13に示
す荷重−出力特性をもつ力変換素子を得ることができ
る。With the above structure, the force conversion element having the load-output characteristic shown in FIG. 13 can be obtained.
【0090】特に、本実施例では、n型Si単結晶体1
00の(100)面上に、通電用Si単結晶体30とし
て拡散層70を形成し、この拡散層70上に各電極を設
けている。このため、入力電極60a,60bを用いて
力変換素子を定電流駆動することにより、電圧出力が温
度に対して常に一定となる、いわゆる自己感度温度補償
タイプの力変換素子を得ることができる。Particularly, in this embodiment, the n-type Si single crystal body 1 is used.
A diffusion layer 70 is formed on the (100) plane of No. 00 as the energizing Si single crystal body 30, and each electrode is provided on the diffusion layer 70. Therefore, by driving the force conversion element with a constant current using the input electrodes 60a and 60b, it is possible to obtain a so-called self-sensitivity temperature compensation type force conversion element in which the voltage output is always constant with respect to temperature.
【0091】なお、この第3実施例では、通電用のSi
単結晶体層30として、n型Si単結晶体100の(1
00)面上に拡散層70を形成した場合を例にとり説明
したが、前記基台80としては、これ以外に各種構成の
ものを採用できる。例えば、基台80としては、n型S
i単結晶体以外に、SOI(Silicon onin
sulater)基板あるいはSIMOX(Separation
by IMplanted OXygen)を用い、その表面のSi単結晶
体層を通電用に用いることもできる。In the third embodiment, the current-carrying Si is used.
As the single crystal layer 30, the n-type Si single crystal 100 (1
The case where the diffusion layer 70 is formed on the (00) plane has been described as an example, but the base 80 may have various configurations other than this. For example, the base 80 is an n-type S
In addition to i single crystal, SOI (Silicon onin)
substrate) or SIMOX (Separation)
by IMplanted OXygen), the Si single crystal layer on the surface can be used for energization.
【0092】以上の構成とすることにより、Si単結晶
体30と基台80との間にp−n接合部を有しない構造
となるため、高温での使用においても漏れ電流が小さ
い、高温用力変換素子を形成することができる。With the above-described structure, the structure does not have a pn junction between the Si single crystal body 30 and the base 80, so that the leakage current is small even when used at high temperatures, and the high-temperature utility A conversion element can be formed.
【0093】また、本発明は前記各実施例に限定される
ものではなく、本発明の要旨の範囲内で各種の変形実施
が可能である。The present invention is not limited to the above-mentioned embodiments, but various modifications can be made within the scope of the gist of the present invention.
【0094】例えば、前記第1、第2、第3実施例で
は、Si単結晶体30またはn型Si単結晶体100の
(011)面側を受圧面とする場合を例にとり説明した
が、本発明は、これに限らず、(0−1−1)面側を受
圧面とし、力伝達ブロック体と接合するよう形成して
も、前記実施例と同様な作用効果を奏することができ
る。For example, in the first, second and third embodiments, the case where the (011) plane side of the Si single crystal 30 or the n-type Si single crystal 100 is used as the pressure receiving surface has been described as an example. The present invention is not limited to this, and even if the (0-1-1) plane side is used as the pressure receiving surface and is formed so as to be joined to the force transmission block body, the same operational effect as that of the above-described embodiment can be obtained.
【図1】本発明の第1実施例の力変換素子の概略斜視説
明図である。FIG. 1 is a schematic perspective explanatory view of a force conversion element according to a first embodiment of the present invention.
【図2】図1に示す力変換素子を用いた測定回路の説明
図である。2 is an explanatory diagram of a measurement circuit using the force conversion element shown in FIG.
【図3】図2に示す力変換素子を等価的にブリッジ回路
で表した説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram equivalently representing the force conversion element shown in FIG. 2 by a bridge circuit.
【図4】前記第1実施例に係る力変換素子の荷重−出力
特性図である。FIG. 4 is a load-output characteristic diagram of the force conversion element according to the first embodiment.
【図5】図1に示す力変換素子に圧縮力を印加した場合
の応力分布のFEM解析結果の説明図である。5A and 5B are explanatory diagrams of FEM analysis results of stress distribution when a compressive force is applied to the force conversion element shown in FIG.
【図6】図1に示す力変換素子に圧縮力を印加した場合
に、<0−11>方向に発生する圧縮応力分布のFEM
解析結果の説明図である。6 is an FEM of a compressive stress distribution generated in the <0-11> direction when a compressive force is applied to the force conversion element shown in FIG.
It is explanatory drawing of an analysis result.
【図7】図1に示す力変換素子に圧縮力を印加した際、
<100>方向に発生する圧縮応力分布のFEM解析結
果の説明図である。FIG. 7 is a diagram showing a case where a compressive force is applied to the force conversion element shown in FIG.
It is explanatory drawing of the FEM analysis result of the compressive stress distribution which generate | occur | produces in a <100> direction.
【図8】図1に示す力変換素子に力を印加していないと
きに流れる電流の、FEM解析結果の説明図である。FIG. 8 is an explanatory diagram of an FEM analysis result of a current flowing when a force is not applied to the force conversion element shown in FIG. 1.
【図9】本発明の第2実施例に係る力変換素子の概略斜
視説明図である。FIG. 9 is a schematic perspective explanatory view of a force conversion element according to a second embodiment of the present invention.
【図10】第2実施例の力変換素子を用いて構成された
測定回路の説明図である。FIG. 10 is an explanatory diagram of a measurement circuit configured using the force conversion element according to the second embodiment.
【図11】第2実施例の力変換素子の荷重−出力特性図
である。FIG. 11 is a load-output characteristic diagram of the force conversion element of the second embodiment.
【図12】本発明の第3実施例に係る力変換素子の概略
斜視説明図である。FIG. 12 is a schematic perspective explanatory view of a force conversion element according to a third embodiment of the present invention.
【図13】第3実施例の力変換素子の荷重−出力特性図
である。FIG. 13 is a load-output characteristic diagram of the force conversion element of the third embodiment.
【図14】従来の力変換素子の概略説明図である。FIG. 14 is a schematic explanatory view of a conventional force conversion element.
【図15】従来の他の力変換素子の概略説明図である。FIG. 15 is a schematic explanatory view of another conventional force conversion element.
【図16】図15に示す力変換素子を用いて構成された
測定回路の説明図である。16 is an explanatory diagram of a measurement circuit configured using the force conversion element shown in FIG.
【図17】図15に示す力変換素子の荷重−出力特性図
である。FIG. 17 is a load-output characteristic diagram of the force conversion element shown in FIG.
30 Si単結晶体 40 力伝達ブロック体 50 支持台座 60a,60b 第1の電極 62a,62b 第2の電極 30 Si single crystal body 40 Force transfer block body 50 Support pedestal 60a, 60b First electrode 62a, 62b Second electrode
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 野々村 裕 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の1 株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者 竹内 正治 愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番 地の1 株式会社豊田中央研究所内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Hiroshi Nonomura, Nagakute-cho, Aichi-gun, Aichi Prefecture 1-41 Yokomichi, Yokosui Central Research Institute Co., Ltd. (72) Shoji Takeuchi, Aichi-gun, Nagakute-cho, Aichi-gun 41, Yokoshiro Road Inside Toyota Central Research Institute Co., Ltd.
Claims (2)
1−1)面を有するように形成されたSi単結晶体と、 前記Si単結晶体の<001>方向および<00−1>
方向に形成された一対の第1電極と、<010>方向お
よび<0−10>方向に形成された一対の第2電極とを
有し、これらの一方を入力電極、他方を出力電極として
用いる複数の電極と、 前記Si単結晶体の受圧面に接合され、加えられた圧縮
力をその結晶面に垂直に伝達する力伝達ブロック体と、 前記Si単結晶体の前記受圧面と反対側の面に接合され
た支持台座と、 を含み、 前記Si単結晶体は、 <011>方向への圧縮力の印加にともない、<01−
1>方向および<0−11>方向に引張応力が発生する
構成としたことを特徴とする力変換素子。1. A (011) plane or (0-
1-1) a Si single crystal formed so as to have a plane, and a <001> direction and <00-1> of the Si single crystal.
Has a pair of first electrodes formed in a direction and a pair of second electrodes formed in a <010> direction and a <0-10> direction, and one of these is used as an input electrode and the other is used as an output electrode. A plurality of electrodes, a force transmission block body that is joined to the pressure-receiving surface of the Si single crystal body, and transmits the applied compressive force perpendicularly to the crystal surface, and a force transfer block body on the opposite side of the pressure-receiving surface of the Si single crystal body. A support pedestal bonded to the surface, and the Si single crystal body having a compressive force in the <011> direction, <01-
A force conversion element having a configuration in which tensile stress is generated in the 1> direction and the <0-11> direction.
受圧面に垂直に伝達する力伝達ブロック体と、 前記基台の前記受圧面と反対側の面に接合された支持台
座と、 前記基台の側面に層状に形成され、前記受圧面への圧縮
力印加方向に(011)面または(0−1−1)面を向
けた通電用Si単結晶体と、 前記通電用Si単結晶体の側面に、その<001>方向
および<00−1>方向に形成された一対の第1電極
と、<010>方向および<0−10>方向に形成され
た一対の第2電極とを有し、これらの一方を入力電極、
他方を出力電極として用いる複数の電極と、 を含み、 前記通電用Si単結晶体は、 前記基台に対する<011>方向への圧縮力の印加にと
もない、<01−1>方向および<0−11>方向に引
張応力が発生する構成としたことを特徴とする力変換素
子。2. A base having a pressure receiving surface, a force transmission block body joined to the pressure receiving surface of the base and transmitting the applied compressive force perpendicularly to the pressure receiving surface, the pressure receiving surface of the base. A support pedestal joined to a surface opposite to the surface and a layer formed on a side surface of the base, and a (011) surface or a (0-1-1) surface is oriented in a direction in which a compressive force is applied to the pressure receiving surface. An energizing Si single crystal, a pair of first electrodes formed in the <001> direction and the <00-1> direction on the side surface of the energizing Si single crystal, and a <010> direction and a <0- A pair of second electrodes formed in the 10> direction, one of which is an input electrode,
A plurality of electrodes using the other one as an output electrode; and the Si single crystal body for energization, in association with application of a compressive force in a <011> direction to the base, <01-1> direction and <0- 11 is a force conversion element having a structure in which a tensile stress is generated in the 11> direction.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP36042792A JPH06201492A (en) | 1992-12-29 | 1992-12-29 | Force conversion element |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP36042792A JPH06201492A (en) | 1992-12-29 | 1992-12-29 | Force conversion element |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH06201492A true JPH06201492A (en) | 1994-07-19 |
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ID=18469360
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP36042792A Withdrawn JPH06201492A (en) | 1992-12-29 | 1992-12-29 | Force conversion element |
Country Status (1)
Country | Link |
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JP (1) | JPH06201492A (en) |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2002090231A (en) * | 2000-09-20 | 2002-03-27 | Kansai Tlo Kk | Semiconductor piezoresistance sensor |
JP2002310813A (en) * | 2001-04-10 | 2002-10-23 | Toyota Central Res & Dev Lab Inc | Load sensor element |
JP2002310814A (en) * | 2001-04-17 | 2002-10-23 | Toyota Central Res & Dev Lab Inc | Pressure sensor element |
JP2005351901A (en) * | 2004-06-11 | 2005-12-22 | Samsung Electronics Co Ltd | Combined sensor and its manufacturing method |
JP2009074969A (en) * | 2007-09-21 | 2009-04-09 | Toyota Central R&D Labs Inc | 6-axis force sensor |
WO2016170748A1 (en) * | 2015-04-22 | 2016-10-27 | 株式会社デンソー | Force detection device |
-
1992
- 1992-12-29 JP JP36042792A patent/JPH06201492A/en not_active Withdrawn
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2002090231A (en) * | 2000-09-20 | 2002-03-27 | Kansai Tlo Kk | Semiconductor piezoresistance sensor |
JP2002310813A (en) * | 2001-04-10 | 2002-10-23 | Toyota Central Res & Dev Lab Inc | Load sensor element |
JP2002310814A (en) * | 2001-04-17 | 2002-10-23 | Toyota Central Res & Dev Lab Inc | Pressure sensor element |
JP2005351901A (en) * | 2004-06-11 | 2005-12-22 | Samsung Electronics Co Ltd | Combined sensor and its manufacturing method |
JP2009074969A (en) * | 2007-09-21 | 2009-04-09 | Toyota Central R&D Labs Inc | 6-axis force sensor |
WO2016170748A1 (en) * | 2015-04-22 | 2016-10-27 | 株式会社デンソー | Force detection device |
JP2016205982A (en) * | 2015-04-22 | 2016-12-08 | 株式会社豊田中央研究所 | Force detector |
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