特許 6333208 力検知装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6333208

(24)【登録日】2018年5月11日

(45)【発行日】2018年5月30日

(54)【発明の名称】力検知装置

(51)【国際特許分類】

   G01L 1/18 20060101AFI20180521BHJP

   G01L 9/00 20060101ALI20180521BHJP

   H01L 29/84 20060101ALI20180521BHJP

【ＦＩ】

   G01L1/18 A

   G01L9/00 303E

   H01L29/84 A

   H01L29/84 B

【請求項の数】4

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2015-77773(P2015-77773)

(22)【出願日】2015年4月6日

(65)【公開番号】特開2016-197076(P2016-197076A)

(43)【公開日】2016年11月24日

【審査請求日】2017年4月18日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003609

【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所

(73)【特許権者】

【識別番号】000004260

【氏名又は名称】株式会社デンソー

(74)【代理人】

【識別番号】110000110

【氏名又は名称】特許業務法人快友国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】田口 理恵

(72)【発明者】

【氏名】水野 健太朗

(72)【発明者】

【氏名】勝間田 卓

【審査官】 岡田 卓弥

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００６−５８２６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−２５７６４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−３０４９９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平８−２７１３６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平３−２０６３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００８／００８４２６９（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｌ １／００− １／２６

Ｇ０１Ｌ ７／００−２３／３２

Ｇ０１Ｌ２７／００−２７／０２

Ｈ０１Ｌ２９／８４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板と力伝達ブロックを備え、
前記基板は、
主面に設けられており、ブリッジ回路を構成しているメサ型ゲージと、
前記主面に設けられており、不純物が導入されている接続領域と、
前記主面に設けられており、前記メサ型ゲージの周囲を一巡しており、前記力伝達ブロックに接合する封止部と、を有し、
前記メサ型ゲージは、
第１方向に延びる第１メサ型ゲージと、
前記第１方向と異なる第２方向に延びており、前記第１メサ型ゲージから離れている第２メサ型ゲージと、を有し、
前記接続領域は、前記第１メサ型ゲージの一端と前記第２メサ型ゲージの一端の間に配置されており、前記第１メサ型ゲージの一端と前記第２メサ型ゲージの一端を電気的に接続する、力検知装置。

【請求項2】

前記基板は、前記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おり、
前記接続領域は、前記第１メサ型ゲージの一端と前記第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み、
前記配線は、前記狭窄部に接続する、請求項１に記載の力検知装置。

【請求項3】

前記基板の前記第１方向は、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、
前記基板の前記第２方向は、前記第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り、
前記第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、
前記第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、
前記第１高感度メサ型ゲージと前記第２高感度メサ型ゲージは、前記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る、請求項１又は２に記載の力検知装置。

【請求項4】

前記内側領域は、矩形状であり、
前記内側領域は、１組の対向する辺が前記第１方向に延びており、別の１組の対向する辺が前記第２方向に延びており、
前記第１高感度メサ型ゲージと前記第２高感度メサ型ゲージは、前記内側領域を前記第２方向に３等分した位置に配置されており、かつ、前記内側領域の前記第１方向の中央に配置されている、請求項３に記載の力検知装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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。

【背景技術】

【0002】

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。

【0003】

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。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００１−３０４９９７号公報

【特許文献2】特開２００６−０５８２６６号公報（特に、図９）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

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。

【0006】

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。

【課題を解決するための手段】

【0007】

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。

【0008】

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。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】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。

【図2】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。

【図3】図３は、図２のIII-III線に対応した断面図を模式的に示す。

【図4】図４は、図２のIV-IV線に対応した断面図を模式的に示す。

【図5】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。

【発明を実施するための形態】

【0010】

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。

【0011】

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。

【0012】

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。

【0013】

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。

【0014】

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。

【実施例1】

【0015】

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。

【0016】

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。

【0017】

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。

【0018】

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。

【0019】

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。

【0020】

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。

【0021】

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。

【0022】

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。

【0023】

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。

【0024】

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。

【0025】

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。

【0026】

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。

【0027】

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。

【0028】

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。

【0029】

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。

【0030】

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。

【0031】

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。

【0032】

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。

【0033】

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。

【0034】

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。

【0035】

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。

【0036】

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。

【0037】

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。

【0038】

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。

【0039】

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。

【0040】

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。

【0041】

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。

【0042】

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。

【0043】

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。

【0044】

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。

【0045】

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。

【0046】

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。

【0047】

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。

【0048】

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。

【符号の説明】

【0049】

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

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】