CN106164634A - 力检测装置 - Google Patents

Abstract

力检测装置具备基板(2)和力传递块(4)；基板包括高灵敏度台面型测量构件(14、18)、低灵敏度台面型测量构件(12、16)和台面型引线(22a、24a、26a、28a)。力传递块与高灵敏度台面型测量构件的顶面及低灵敏度台面型测量构件的顶面接触，在台面型引线的顶面的至少一部分为非接触。或者，力传递块仅与高灵敏度台面型测量构件的顶面接触，与低灵敏度台面型测量构件为非接触。力检测装置具备基板(204)和力传递块(204)；基板具有台面型测量构件(212、214、216、218)、与力传递块接触的封闭部(230)、和与力传递块接触的支柱(220)。

Description

力检测装置

本申请以2014年6月12日提出的日本专利申请第2014-121824号、2014年3月26日提出的日本专利申请第2014-63198号、2015年3月9日提出的日本专利申请第2015-45682号为基础权，这里通过参照而引用其记载内容。

技术领域

本发明涉及利用压电电阻效应的力检测装置。

背景技术

开发了利用压电电阻效应的力检测装置，在专利文献1中公开了一例。这种力检测装置具备基板及力传递块。在基板的主面上，形成有构成电桥电路的台面型测量构件(gauge)。例如，构成电桥电路的台面型测量构件对应于矩形的边而配置，包括在对应于压缩应力而电阻值相对较大地变化的方向上延伸的高灵敏度台面型测量构件、以及在对应于压缩应力而电阻值相对较小地变化的方向上延伸的低灵敏度台面型测量构件。在基板的主面上，还形成有从高灵敏度台面型测量构件与低灵敏度台面型测量构件连接的连接部延伸的台面型引线。

力传递块设置为，将设在基板的主面上的高灵敏度台面型测量构件、低灵敏度台面型测量构件及台面型引线覆盖，与高灵敏度台面型测量构件的顶面、低灵敏度台面型测量构件的顶面及台面型引线的顶面接触。如果力传递块推压高灵敏度台面型测量构件，则作用在高灵敏度台面型测量构件上的压缩应力增大，高灵敏度台面型测量构件的电阻值通过压电电阻效应而变化。根据该电阻值的变化来检测作用在力传递块上的力。

开发了一种利用压电电阻效应的力检测装置。这种力检测装置具备基板及力传递块。在基板的主面上，形成有构成电桥电路的台面型测量构件。力传递块与台面型测量构件的顶面接触。如果力传递块推压台面型测量构件，则作用在台面型测量构件上的压缩应力增大，台面型测量构件的电阻通过压电电阻效应而变化。根据该电阻的变化，检测作用在力传递块上的力。

专利文献2及专利文献3公开了一种封闭型的力检测装置。封闭型的力检测装置的特征在于，力传递块绕一圈接合在台面型测量构件的周围的基板的主面上。

专利文献1：日本公开专利公报2001-304997号

专利文献2：日本公开专利公报2004-132811号

专利文献3：日本公开专利公报2006-058266号

发明内容

本发明者们关于力检测装置提出了下面的见解。

在这种力检测装置中，希望提高传感器灵敏度。本公开的目的在于，提供一种使力检测装置的传感器灵敏度提高的技术。

进而，本发明者们关于力检测装置发现了下述情况。

如果使封闭型的力检测装置小型化，则力传递块的受压面积变小，作用在台面型测量构件上的压缩应力变小。结果，力检测装置的传感器灵敏度下降。本公开的目的在于，提供一种高传感器灵敏度的封闭型的力检测装置。

根据有关本公开的第一技术方案的力检测装置，力检测装置具备基板及力传递块。基板包括高灵敏度台面型测量构件、低灵敏度台面型测量构件及台面型引线。高灵敏度台面型测量构件设在基板的主面上，在对应于压缩应力而电阻值相对较大地变化的第1方向上延伸，具有顶面。低灵敏度台面型测量构件设在基板的主面上，在对应于压缩应力而电阻值相对较小地变化的第2方向上延伸，具有顶面。台面型引线设在基板的主面上，从高灵敏度台面型测量构件与低灵敏度台面型测量构件连接的连接部在第3方向上延伸，具有顶面。力传递块与高灵敏度台面型测量构件的顶面及低灵敏度台面型测量构件的顶面接触。力传递块不与台面型引线的顶面的至少一部分接触。

根据有关本公开的另一技术方案的力检测装置，力检测装置具备基板及力传递块。基板包括：高灵敏度台面型测量构件，设在基板的主面上，在对应于压缩应力而电阻值相对较大地变化的第1方向上延伸，具有顶面；低灵敏度台面型测量构件，设在基板的主面上，在对应于压缩应力而电阻值相对较小地变化的第2方向上延伸，具有顶面；台面型引线，设在基板的主面上，从高灵敏度台面型测量构件与低灵敏度台面型测量构件连接的连接部在第3方向上延伸，具有顶面。力传递块仅接触在高灵敏度台面型测量构件的顶面上，与低灵敏度台面型测量构件为非接触。

根据上述实施方式的力检测装置，由于力传递块不与台面型引线的顶面的至少一部分接触，所以力传递块受压的力被向高灵敏度台面型测量构件有效率地传递。由此，力检测装置的传感器灵敏度提高。

根据有关本公开的第二技术方案的力检测装置，力检测装置具备基板及力传递块。基板具有台面型测量构件、封闭部及支柱。台面型测量构件形成在基板的主面上，与力传递块接触，构成电桥电路。封闭部形成在基板的主面上，绕台面型测量构件的周围一圈而与力传递块接触。支柱形成在基板的主面上，配置在由台面型测量构件包围的内部，与力传递块接触。

根据上述实施方式的力检测装置，在基板与力传递块之间构成封闭空间。如果作用在力传递块上的力增大，则力传递块在该封闭空间内朝向基板侧弯曲。此时，力传递块弯曲而位移的部分为力点、支柱为支点、台面型测量构件为作用点的杠杆的关系成立。因此，在作为作用点的台面型测量构件上作用较大的压缩应力，所以力检测装置的传感器灵敏度提高。

关于本公开的上述及其他目的、特征及优点参照附图根据下述的详细的说明会变得更明确。

附图说明

图1表示实施例的力检测装置，是示意地表示与图3的I-I线对应的剖视图的图。

图2表示实施例的力检测装置，是示意地表示与图3的II-II线对应的剖视图的图。

图3表示实施例的力检测装置，示意地表示基板的平面图，是将与力传递块接触的范围用虚线表示的图。

图4表示实施例的力检测装置，是示意地表示说明力传递块的推压部分与基板的台面型测量构件的位置关系的说明图的图。

图5表示变形例的力检测装置，是示意地表示说明力传递块的推压部分与基板的台面型测量构件的位置关系的说明图的图。

图6表示比较例的力检测装置，是示意地表示说明力传递块的推压部分与基板的台面型测量构件的位置关系的说明图的图。

图7表示比较例的力检测装置，是示意地表示说明力传递块受压时的高灵敏度台面型测量构件的状况的放大图的图。

图8表示变形例的力检测装置，是示意地表示说明力传递块的推压部分与基板的台面型测量构件的位置关系的说明图的图。

图9表示变形例的力检测装置，是示意地表示说明力传递块的推压部分与基板的台面型测量构件的位置关系的说明图的图。

图10表示变形例的力检测装置，是示意地表示说明力传递块的推压部分与基板的台面型测量构件的位置关系的说明图的图。

图11是实施例的力检测装置，是示意地表示与图12的XI-XI线对应的剖视图的图。

图12是实施例的力检测装置，是示意地表示基板的平面图的图。

图13是实施例的力检测装置，是封闭空间附近的主要部放大剖视图，是表示用来说明杠杆的作用的图的图。

图14是变形例的力检测装置，是示意地表示与图11对应的剖视图的图。

图15是变形例的力检测装置，示意地表示与图11对应的剖视图。

具体实施方式

以下，整理在本说明书中公开的技术的特征。另外，以下所示的事项分别单独具有技术上的实用性。

(第1实施方式)

在本说明书中公开的力检测装置的一个实施方式是检测各种压力的传感器，在一例中，也可以将气压或液压作为检测对象。该力检测装置可以具备基板和力传递块。基板的材料优选的是具有对应于压缩应力而电阻变化的压电电阻效应。例如，作为基板的例子，可以举出半导体基板及SOI基板。基板可以包括高灵敏度台面型测量构件、低灵敏度台面型测量构件和台面型引线。高灵敏度台面型测量构件设在基板的主面上，具有顶面。高灵敏度台面型测量构件在对应于压缩应力而电阻值相对较大地变化的第1方向上延伸。低灵敏度台面型测量构件设在基板的主面上，具有顶面。低灵敏度台面型测量构件在对应于压缩应力而电阻值相对较小地变化的第2方向上延伸。第1方向和第2方向具有交叉的关系。典型地，高灵敏度台面型测量构件和低灵敏度台面型测量构件也可以构成电桥电路。在此情况下，也可以一对高灵敏度台面型测量构件与矩形的对置的一对边对应配置，一对低灵敏度台面型测量构件与矩形的对置的另一对边对应配置。这里所述的“相对”，是指高灵敏度台面型测量构件与低灵敏度台面型测量构件之间的对比。换言之，高灵敏度台面型测量构件的电阻值与低灵敏度台面型测量构件相比对应于压缩应力更大地变化。台面型引线设在基板的主面上，具有顶面。台面型引线从高灵敏度台面型测量构件与低灵敏度台面型测量构件连接的连接部在第3方向上延伸。第3方向既可以具有与第1方向和第2方向的两者交叉的关系，也可以具有与第1方向和第2方向的某一方平行的关系。力传递块与高灵敏度台面型测量构件的顶面及低灵敏度台面型测量构件的顶面接触。力传递块与台面型引线的顶面的至少一部分不接触。即，力传递块在台面型引线的顶面的至少一部分为非接触。优选的是，力传递块不与台面型引线的顶面接触。

在上述实施方式的力检测装置中，力传递块与高灵敏度台面型测量构件的顶面接触的面积也可以比力传递块与低灵敏度台面型测量构件的顶面接触的面积大。在该力检测装置中，通过使力传递块接触的面积在高灵敏度台面型测量构件与低灵敏度台面型测量构件之间不同，能够使由力传递块受压的力的许多传递给高灵敏度台面型测量构件。由此，作用在高灵敏度台面型测量构件上的压缩应力增大，所以力检测装置的传感器灵敏度提高。另外，为了使力检测装置的传感器灵敏度提高，可以考虑力传递块仅与高灵敏度台面型测量构件的顶面接触的结构。但是，在这样的结构的力检测装置中，由于力传递块没有被低灵敏度台面型测量构件支承，所以通过力传递块朝向基板侧挠曲，高灵敏度台面型测量构件单向变形，压缩应力与电阻值之间的直线性变差。如果力传递块与高灵敏度台面型测量构件的顶面及低灵敏度台面型测量构件的顶面的两者接触，在力传递块的挠曲被抑制，高灵敏度台面型测量构件的单向变形被抑制，压缩应力与电阻值之间的直线性变得良好。在上述实施方式的力检测装置中，传感器灵敏度和直线性的两者成为良好。

在上述实施方式的力检测装置中，力传递块也可以具有沿着第2方向相互离开而形成的多个复数部分。在此情况下，也可以是复数部分分别与低灵敏度台面型测量构件的顶面接触。在该实施方式的力检测装置中，力传递块的挠曲被抑制，传感器灵敏度和直线性的两者成为良好。

低灵敏度台面型测量构件也可以具有沿着第2方向在中央附近延伸的中央区域、和从连接部沿着第2方向延伸到中央区域的周边区域。进而，在力传递块的复数部分分别与低灵敏度台面型测量构件的顶面接触的力检测装置中，复数部分与中央区域的顶面接触的面积也可以比复数部分与周边区域的顶面接触的面积大。在该实施方式的力检测装置中，能够在将力传递块与低灵敏度台面型测量构件的接触面积抑制得较小的同时，有效地抑制力传递块的挠曲。由此，在该实施方式的力检测装置中，传感器灵敏度和直线性变得更好。

低灵敏度台面型测量构件也可以具有沿着第2方向在中央附近延伸的中央区域、和从连接部沿着第2方向延伸到中央区域的周边区域。进而，在力传递块的复数部分分别与低灵敏度台面型测量构件的顶面接触的力检测装置中，也可以对应于中央区域配置的复数部分比对应于周边区域配置的复数部分间隔更密地形成。在该实施方式的力检测装置中，能够在将力传递块与低灵敏度台面型测量构件的接触面积抑制得较小的同时，有效地抑制力传递块的挠曲。由此，在该实施方式的力检测装置中，传感器灵敏度和直线性的两者变得更好。

(第1实施例)

如图1～图3所示，力检测装置1例如是检测压力容器的容器内压的半导体压力传感器，具备半导体基板2及力传递块4。

如图1及图2所示，半导体基板2是n型的单晶硅，其主面2S是(110)结晶面。在半导体基板2的主面2S上形成有多个槽11。多个槽11在半导体基板2的主面2S上划出检测部10。

如图3所示，检测部10具有构成电桥电路的台面型测量构件12、14、16、18。如图1及图2所示，台面型测量构件12、14、16、18从槽11的底面以台面状突出，其高度约为0.5～5μm。台面型测量构件12、14、16、18的顶面位于与槽11的周围的半导体基板2的主面2S同一面上。即，例如利用干刻技术，在半导体基板2的主面2S上作为形成多个槽11后的残留部而形成台面型测量构件12、14、16、18。

如图3所示，检测部10的台面型测量构件12、14、16、18与正方形的边对应而配置。构成对置的一对边的台面型测量构件14、18分别称作第1高灵敏度台面型测量构件14和第2高灵敏度台面型测量构件18。构成对置的另一对边的台面型测量构件12、16分别称作第1低灵敏度台面型测量构件12和第2低灵敏度台面型测量构件16。

第1高灵敏度台面型测量构件14和第2高灵敏度台面型测量构件18沿着半导体基板2的<110>方向延伸。在半导体基板2的<110>方向上延伸的第1高灵敏度台面型测量构件14和第2高灵敏度台面型测量构件18的特征是对应于压缩应力而电阻值较大地变化，具有压电电阻效应。

第1低灵敏度台面型测量构件12及第2低灵敏度台面型测量构件16沿着半导体基板2的<100>方向延伸。在半导体基板2的<100>方向上延伸的第1低灵敏度台面型测量构件12及第2低灵敏度台面型测量构件16的特征是对应于压缩应力而电阻值几乎不变化，实质上不具有压电电阻效应。

如图1及图2所示，在台面型测量构件12、14、16、18的表面上，形成有被导入了p型杂质的测量部12a、14a、16a、18a。测量部12a、14a、16a、18a的杂质浓度约为1×10¹⁸～1×10²¹cm^-3。测量部12a、14a、16a、18a通过pn接合而与n型的半导体基板2实质上绝缘。

如图3所示，半导体基板2在主面2S上具有被导入了p型杂质的布线部22、24、26、28。布线部22、24、26、28的杂质浓度约为1×10¹⁸～1×10²¹cm^-3。布线部22、24、26、28将检测部10与电极32、34、36、38电连接。电极32、34、36、38设在半导体基板2的主面2S上，配置在被力传递块4覆盖的范围外。

第1布线部22一端连接到第1低灵敏度台面型测量构件12的测量部12a和第1高灵敏度台面型测量构件14的测量部14a所连接的第1连接部13，另一端连接到第1电极32。第1布线部22在台面型测量构件12、14的第1连接部13侧具有第1台面型引线22a。第1台面型引线22a从槽11的底面以台面状突出，通过与台面型测量构件12、14、16、18相同的工序形成。

第2布线部24一端连接到第1高灵敏度台面型测量构件14的测量部14a和第2低灵敏度台面型测量构件16的测量部16a所连接的第2连接部15，另一端连接到第2电极34。第2布线部24在台面型测量构件14、16的第2连接部15侧具有第2台面型引线24a。第2台面型引线24a从槽11的底面以台面状突出，通过与台面型测量构件12、14、16、18相同的工序形成。

第3布线部26一端连接到第2低灵敏度台面型测量构件16的测量部16a和第2高灵敏度台面型测量构件18的测量部18a连接的第3连接部17，另一端连接到第3电极36。第3布线部26在台面型测量构件16、18的第3连接部17侧具有第3台面型引线26a。第3台面型引线26a从槽11的底面以台面状突出，通过与台面型测量构件12、14、16、18相同的工序形成。

第4布线部28一端连接到第2高灵敏度台面型测量构件18的测量部18a和第1低灵敏度台面型测量构件12的测量部12a连接的第4连接部19，另一端连接到第4电极38。第4布线部26在台面型测量构件12、18的第4连接部19侧具有第4台面型引线28a。第4台面型引线28a从槽11的底面以台面状突出，通过与台面型测量构件12、14、16、18相同的工序形成。

如图1及图2所示，力传递块4具有长方体形状，具有硅层4a和氧化硅层4b。半导体基板2和力传递块4利用常温固相接合技术而接合。具体而言，在使用氩离子使半导体基板2的主面2S及力传递块4的氧化硅层4b的表面活性化后，在超高真空中使半导体基板2的主面2S与力传递块4的氧化硅层4b的表面接触，使两者接合。

如图1及图2所示，力传递块4的氧化硅层4b的一部分被除去，在力传递块4的半导体基板2侧的面上形成槽4c。通过形成槽4c，力传递块4的氧化硅层4b被划分为封闭部分40a和推压部分40b。此外，通过形成这样的槽4c，在半导体基板2与力传递块4之间构成与外部分隔的封闭空间6。

力传递块4的封闭部分40a以绕台面型测量构件12、14、16、18的周围一圈的方式接合在半导体基板2的主面2S上。将半导体基板2中的封闭部分40a所接合的部分称作封闭部20。半导体基板2的封闭部20与力传递块4的封闭部分40a气密地接合。

在图4中示出了力传递块4的推压部分40b与台面型测量构件12、14、16、18的位置关系。推压部分40b具有点对称的形态，与台面型测量构件12、14、16、18的顶面的一部分接合。推压部分40b与高灵敏度台面型测量构件14、18的顶面的大部分接合。推压部分40b不与高灵敏度台面型测量构件14、18的两端部的顶面(与连接部13、15、17、19接近的部分的顶面)接触。推压部分40b与低灵敏度台面型测量构件12、16的顶面的大部分接合。推压部分40b不与低灵敏度台面型测量构件12、16的两端部的顶面(与连接部13、15、17、19接近的部分的顶面)接触。推压部分40b不与台面型引线22a、24a、26a、28a的顶面及连接部13、15、17、19的顶面接触。

接着，说明力检测装置1的动作。首先，力检测装置1在第1电极32上连接恒流源，将第3电极36接地，在第2电极34与第4电极38之间连接电压测量器而使用。在力检测装置1中，如果作用在力传递块4上的容器内压变化，则经由力传递块4作用在台面型测量构件12、14、16、18的测量部12a、14a、16a、18a上的压缩应力也变化。具有压电电阻效应的高灵敏度台面型测量构件14、18的测量部14a、18a的电阻值与压缩应力成比例地变化。因此，第2电极34与第4电极38的电位差和作用在测量部14a、18a上的压缩应力成比例。由此，根据由电压测量器计测的电压变化检测作用在力传递块4上的容器内压。

在力检测装置1中，力传递块4的推压部分40b不与台面型引线22a、24a、26a、28a的顶面接触。因此，作用在力传递块4上的容器内压被向高灵敏度台面型测量构件14、18有效率地传递。由此，力检测装置1的传感器灵敏度提高。

在这种力检测装置1中，由台面型引线22a、24a、26a、28a的寄生电阻值带来的电压下降量使传感器灵敏度变差。因此，在力检测装置1中，优选的是台面型引线22a、24a、26a、28a的宽度(相对于半导体基板2的主面2S平行且相对于台面型引线22a、24a、26a、28a的长度方向正交的方向的宽度)比台面型测量构件12、14、16、18的宽度(相对于半导体基板2的主面2S平行且相对于台面型测量构件12、14、16、18的长度方向正交的方向的宽度)大。由此，能够使台面型引线22a、24a、26a、28a的寄生电阻值降低，所以力检测装置1的传感器灵敏度提高。

另外，在如以往的力检测装置那样、力传递块与台面型引线的顶面也接触的结构中，如果台面型引线的宽度变大，则作用在力传递块上的容器内压也被传递给台面型引线，所以作用在高灵敏度台面型测量构件上的压缩应力降低。这样，在以往的力检测装置中，即使增大台面型引线的宽度而降低寄生电阻值，由于作用在高灵敏度台面型测量构件上的压缩应力降低，所以也难以使传感器灵敏度提高。另一方面，在本实施例的力检测装置1中，由于力传递块4不与台面型引线22a、24a、26a、28a的顶面接触，所以即使增大台面型引线22a、24a、26a、28a的宽度，作用在高灵敏度台面型测量构件14、18上的压缩应力也不降低。由此，在本实施例的力检测装置1中，如果台面型引线22a、24a、26a、28a的宽度变大，则传感器灵敏度有效地提高。

以下，对变形例及比较例的力检测装置进行说明。关于与上述实施例的力检测装置1共通的结构赋予共通的标号，并省略其说明。

在图5所示的变形例的力检测装置中，力传递块的推压部分40b在高灵敏度台面型测量构件14、18与低灵敏度台面型测量构件12、16之间以不同的布局构成。推压部分40b接触在高灵敏度台面型测量构件14、18的顶面的大部分上，推压部分40b与高灵敏度台面型测量构件14、18的接触面积相对较大。与推压部分40b接触的部分在高灵敏度台面型测量构件14、18的顶面的整个面积中所占的占有面积相对较大。推压部分40b有选择地接触在低灵敏度台面型测量构件12、16的中央附近的顶面上，推压部分40b与低灵敏度台面型测量构件12、16的接触面积相对较小。与推压部分40b接触的部分在低灵敏度台面型测量构件12、16的顶面的整个面积中所占的占有面积相对较小。这样，在变形例的力检测装置中，推压部分40b所接触的面积在高灵敏度台面型测量构件14、18与低灵敏度台面型测量构件12、16之间不同。因此，作用在力传递块上的容器内压被有效率地向高灵敏度台面型测量构件14、18传递。由此，在该变形例的力检测装置中，传感器灵敏度提高。

这里，为了说明变形例的力检测装置的其他特征，说明比较例的力检测装置。在图6所示的比较例的力检测装置中，力传递块的推压部分40b仅与一对高灵敏度台面型测量构件14、18接触。如果采用这样的结构，则作用在力传递块上的容器内压被向高灵敏度台面型测量构件14、18有效率地传递。

但是，如图7所示，当在力传递块4上作用有容器内压时，被台面型测量构件包围的区域的中心点成为凸起的顶部，朝向半导体基板2侧挠曲。由于这样的力传递块4的挠曲，高灵敏度台面型测量构件14、18朝向内侧单向变形，压缩应力与电阻值之间的直线性变差。

在图5所示的变形例的力检测装置中，力传递块的推压部分40b也与低灵敏度台面型测量构件12、16的顶面的一部分接触。由此，力传递块的挠曲被抑制，高灵敏度台面型测量构件14、18的单向变形被抑制。因而，在该变形例的力检测装置中，压缩应力与电阻值之间的直线性良好。这样，在该变形例的力检测装置中，能够兼顾传感器灵敏度和直线性。

在图8所示的变形例的力检测装置中，力传递块的推压部分40b具有沿着低灵敏度台面型测量构件12、16的长度方向相互离开而形成的复数部分40c。复数部分40c分别与低灵敏度台面型测量构件12、16的顶面接触。复数部分40c沿着低灵敏度台面型测量构件12、16的长度方向等间隔地配置。在该变形例的力检测装置中，力传递块4的挠曲被抑制，压缩应力与电阻值之间的直线性被改善。

接着，说明图9及图10的变形例的力检测装置。为了理解这些变形例的力检测装置的特征，如图9及图10所示，将低灵敏度台面型测量构件12、16沿着长度方向划分为3个区域(为了便于图示，仅图示了与第1低灵敏度台面型测量构件12对应的区域，但第2低灵敏度台面型测量构件16也是同样的)。低灵敏度台面型测量构件12、16具有中央区域12A和一对周边区域12B。中央区域12A沿着长度方向在中央附近延伸。一对周边区域12B分别从台面型测量构件的连接部13、15、17、19沿着长度方向延伸到中央区域12A。中央区域12A和一对周边区域12B的各自的长度方向的长度相同。即，将低灵敏度台面型测量构件12、16沿着长度方向3等分时，配置在中央附近的是中央区域12A，配置在周边附近的是周边区域12B。

在图9所示的变形例的力检测装置中，如果将中央区域12A与周边区域12B对比，则中央区域12A的顶面与复数部分40c接触的面积比一方的周边区域12B的顶面与复数部分40c接触的面积大。换言之，与复数部分40c接触的部分在中央区域12A的顶面的整个面积中所占的占有面积，比与复数部分40c接触的部分在一方的周边区域12B的顶面的整个面积中所占的占有面积大。如上述那样，当作用有容器内压时，力传递块的中心点成为凸起的顶部，力传递块挠曲。由于低灵敏度台面型测量构件12、16的中央区域12A距其中心点较近，所以在该部分中与力传递块以较大的面积接触，从而能够有效地抑制力传递块的挠曲。即，能够在抑制力传递块与低灵敏度台面型测量构件12、16的接触面积的增加的同时，有效地抑制力传递块的挠曲。由此，该变形例的力检测装置能够兼顾传感器灵敏度和直线性。另外，根据被要求的特性，也可以不形成与周边区域12B对应的复数部分40c。这样的例子对应于图5所示的变形例的力检测装置。因而，图5所示的变形例的力检测装置也能够在抑制力传递块与低灵敏度台面型测量构件12、16的接触面积的增加的同时，有效地抑制力传递块的挠曲，所以能够兼顾传感器灵敏度和直线性。

在图10所示的变形例的力检测装置中，中央区域12A与周边区域12B相比，对应于中央区域40c而配置的复数部分40c比对应于周边区域12B而配置的复数部分40c间隔更密地形成。在该变形例的力检测装置中，也能够得到与复数部分40c接触的部分在中央区域12A的顶面的整个面积中所占的占有面积比与复数部分40c接触的部分在一方的周边区域12B的顶面的整个面积中所占的占有面积大的关系。因此，在该变形例的力检测装置中，也能够有效地抑制力传递块的挠曲，能够兼顾灵敏度和直线性。

(第2实施方式)

在本说明书中公开的力检测装置的一个实施方式是检测气压的传感器，在一例中，也可以将燃烧压作为检测对象。该力检测装置可以具备基板和力传递块。基板的材料优选为具有对应于压缩应力而电阻变化的压电电阻效应。例如，基板包括半导体基板及SOI基板。基板也可以具有台面型测量构件、封闭部及支柱。台面型测量构件也可以形成在基板的主面上，与力传递块接触，构成电桥电路。台面型测量构件也可以具有台面状的形态，用其顶面接触在力传递块上。封闭部也可以形成在基板的主面上，绕台面型测量构件的周围一圈而接触在力传递块上。支柱也可以形成在基板的主面上，配置在被台面型测量构件包围的内部，接触在力传递块上。支柱也可以具有台面状的形态，用其顶面接触在力传递块上。支柱的刚性优选的是比台面型测量构件的刚性高。

在上述实施方式中，也可以由基板和力传递块构成被从外部气密地隔开的封闭空间。封闭空间也可以配置在台面型测量构件与封闭部之间，具有允许力传递块弯曲的厚度。

在上述实施方式的力传递块上，也可以在基板侧的面上形成有槽。槽也可以配置在与台面型测量构件接触的部分和与封闭部接触的部分之间。由该槽构成封闭空间。

在上述实施方式中，力传递块也可以具有硅层和氧化硅层。氧化硅层也可以将硅层的基板侧的面的一部分覆盖。在此情况下，槽也可以构成在氧化硅层的非覆盖区域中。通过将力传递块的氧化硅层加工，能够容易地形成用来构成封闭空间的槽。

(第2实施例)

如图11及图12所示，力检测装置201例如是检测内燃机的燃烧压的半导体压力传感器，具备半导体基板202及力传递块204。

半导体基板202是n型的单晶硅，其主面202S是(110)结晶面。在半导体基板202的主面202S上形成有多个槽211。多个槽211在半导体基板202的主面202S上划分出检测部210、支柱220及封闭部230。

如图12所示，检测部210具有构成电桥电路的台面型测量构件212、214、216、218。台面型测量构件212、214、216、218从槽211的底面以台面状突出，其高度约为0.5～5μm。台面型测量构件212、214、216、218的顶面位于与槽211的周围的半导体基板202的主面202S同一面上。即，台面型测量构件212、214、216、218例如利用干刻技术在半导体基板202的主面202S上作为形成多个槽211后的残留部形成。

如图12所示，在检测部210中，第1台面型测量构件212及第3台面型测量构件216构成矩形的对置的一对边，第2台面型测量构件214及第4台面型测量构件218构成矩形的对置的一对边。第1台面型测量构件212及第3台面型测量构件216沿着半导体基板202的<110>方向延伸。在沿半导体基板202的<110>方向延伸的第1台面型测量构件212及第3台面型测量构件216中，具有对应于压缩应力而电阻变化的压电电阻效应。第2台面型测量构件214及第4台面型测量构件218沿着半导体基板202的<100>方向延伸。在沿半导体基板202的<100>方向延伸的第2台面型测量构件214及第4台面型测量构件218中，实质上不具有压电电阻效应。

如图11及图12所示，在台面型测量构件212、214、216、218的表面，形成有被导入了p型杂质的测量部212a、214a、216a、218a。测量部212a、214a、216a、218a的杂质浓度约为1×10¹⁸～1×10²¹cm^-3。测量部212a、214a、216a、218a通过pn接合而与n型的半导体基板202实质上绝缘。

如图11及图12所示，支柱220配置在被台面型测量构件212、214、216、218包围的内部。支柱220从槽211的底面以台面状突出，其高度约为0.5～5μm。支柱220的顶面位于与槽211的周围的半导体基板202的主面202S同一面上。即，支柱220例如利用干刻技术在半导体基板202的主面202S上作为形成多个槽211后的残留部形成。支柱220在俯视时具有与台面型测量构件212、214、216、218的矩形相似的形态。支柱220的边长比台面型测量构件212、214、216、218的宽度(与长度方向正交的方向的宽度)大。由此，支柱220的刚性比台面型测量构件212、214、216、218的刚性高。

如图12所示，半导体基板202在主面202S上具有被导入了p型杂质的布线部232、234、236、238。布线部232、234、236、238的杂质浓度约为1×10¹⁸～1×10²¹cm^-3。第1布线部232一端连接在第1测量部212a与第2测量部214a的连接部上，另一端连接在第1电极242上。第2布线部234一端连接在第2测量部214a与第3测量部216a的连接部上，另一端连接在第2电极244上。第3布线部236一端连接在第3测量部216a与第4测量部218a的连接部上，另一端连接在第3电极246上。第4布线部238一端连接在第4测量部218a与第1测量部212a的连接部上，另一端连接在第4电极248上。电极242、244、246、248分别设在半导体基板202的主面202S上，配置在被力传递块204覆盖的范围外。

如图11所示，力传递块204具有长方体形状，具有硅层204a和氧化硅层204b。氧化硅层204b将硅层204a的半导体基板202侧的表面的一部分覆盖。力传递块204以绕台面型测量构件212、214、216、218的周围一圈的方式与半导体基板202的主面202S接合。将半导体基板202中的力传递块204所接合的部分称作封闭部230。半导体基板202的封闭部230与力传递块204气密地接合。此外，力传递块204也与台面型测量构件212、214、216、218的顶面及支柱220的顶面接合。半导体基板202与力传递块204被利用常温固相接合技术接合。具体而言，在使用氩离子使半导体基板202的主面202S及力传递块204的氧化硅层204b的表面活性化后，在超高真空中使半导体基板202的主面202S与力传递块204的氧化硅层204b的表面接触，使两者接合。

如图11所示，力传递块204的氧化硅层204b的一部分被除去，在力传递块204的半导体基板202侧的面上形成有槽204c。槽204c以对置于半导体基板202的台面型测量构件212、214、216、218与封闭部230的间的区域的方式配置，将力检测装置201俯视时，绕台面型测量构件212、214、216、218的周围一圈。通过形成这样的槽204c，在半导体基板202与力传递块204之间构成被从外部隔开的封闭空间206。

接着，说明力检测装置201的动作。首先，力检测装置201在第1电极242上连接恒流源、将第3电极246接地、在第2电极244与第4电极248之间连接电压测量器而使用。在力检测装置201中，如果作用在力传递块204上的燃烧压变化，则经由力传递块204作用在台面型测量构件212、214、216、218的测量部212a、214a、216a、218a上的压缩应力也变化。具有压电电阻效应的测量部212a、216a的电阻与压缩应力成比例而变化。因此，第2电极244与第4电极248的电位差和作用在测量部212a、216a上的压缩应力成比例。由此，根据由电压测量器计测的电压变化检测作用在力传递块204上的燃烧压。

如图13所示，封闭型的力检测装置201在半导体基板202与力传递块204之间构成有封闭空间206。封闭空间206通过半导体基板202的封闭部230与力传递块204的气密接合而被从外部隔开。因此，封闭型的力检测装置201具有如果燃烧压增大则封闭空间206的内部的气压与燃烧压之间的压力差增大的结构。因而，作为作用在力传递块204的受压面积(将力检测装置201俯视时，相当于台面型测量构件212、214、216、218与封闭部230之间的面积)上的燃烧压的合计的力F2使力传递块204朝向封闭空间206侧弯曲。此时，力传递块204弯曲而位移的部分为力点、支柱220为支点、台面型测量构件212为作用点的杠杆的关系成立。如果设支柱220的支点与台面型测量构件212的作用点之间的距离为L1、设支柱220的支点与位移的部分的力点之间的距离为L2，则若要发挥理想的杠杆的效果，作用在作用点上的力F1可用以下的数式1表示。

$F1=F2\&CenterDot;\frac{L2}{L1}\mathrm{...}\left(1\right)$

这样，本实施例的封闭型的力检测装置201由于具有杠杆的关系成立的结构，所以能够向台面型测量构件212、216施加使作用在力传递块204上的力F2放大的力F1。由此，力检测装置201的传感器灵敏度大幅提高。

如数式1所示，为了使力检测装置201的传感器灵敏度提高，L2/L1优选为较大，L2/L1优选的是2以上。

如图14所示，构成封闭空间206的槽204c也可以将氧化硅层204b及硅层204a的两者加工而形成。为了发挥杠杆的效果，与封闭空间206对应的位置的力传递块204必须弯曲。如图14所示，如果与封闭空间206对应的位置的硅层204a被形成得较薄，则该部分的硅层204a良好地弯曲，所以能良好地发挥杠杆的效果。

如图15所示，构成封闭空间206的槽204c也可以将半导体基板202的主面202S加工而形成。该槽204c能够通过与利用干刻技术形成台面型测量构件212、214、216、218及支柱220的工序相同的工序形成。

半导体基板2、202对应于本公开的基板的一例。

以上，详细地说明了本公开的具体例，但它们不过是例示，并不限定有关本公开的实施方式、结构、形态。在有关本公开的技术中，包含将以上例示的具体例各种各样地变形、变更的形态。此外，在本说明书或附图中说明的技术要素通过单独或各种组合来发挥技术有用性的，并不限定于申请时权利要求书所记载的组合。此外，在本说明书或附图中例示的技术是能够同时达到多个目的的，达到其中的一个目的本身就具有技术有用性。

Claims (10)

1.一种力检测装置，

具备基板(2)和力传递块(4)；

上述基板(2)包括：

高灵敏度台面型测量构件(14、18)，设在主面(2S)上，在对应于压缩应力而电阻值相对较大地变化的第1方向上延伸，具有顶面；

低灵敏度台面型测量构件(12、16)，设在上述主面(2S)上，在对应于压缩应力而电阻值相对较小地变化的第2方向上延伸，具有顶面；

台面型引线(22a、24a、26a、28a)，设在上述主面(2S)上，从上述高灵敏度台面型测量构件(14、18)与上述低灵敏度台面型测量构件(12、16)相连接的连接部在第3方向上延伸，具有顶面；

上述力传递块(4)与上述高灵敏度台面型测量构件(14、18)的顶面及上述低灵敏度台面型测量构件(12、16)的顶面接触，在上述台面型引线(22a、24a、26a、28a)的顶面的至少一部分为非接触。

2.如权利要求1所述的力检测装置，

上述力传递块(4)在上述台面型引线(22a、24a、26a、28a)的顶面处为非接触。

3.如权利要求1或2所述的力检测装置，

上述力传递块(4)与上述高灵敏度台面型测量构件(14、18)的顶面接触的面积比上述力传递块(4)与上述低灵敏度台面型测量构件(12、16)的顶面接触的面积大。

4.如权利要求1～3中任一项所述的力检测装置，

上述力传递块(4)具有沿着上述第2方向相互离开而形成的多个复数部分(40c)；

上述复数部分(40c)分别与上述低灵敏度台面型测量构件(12、16)的顶面接触。

5.如权利要求4所述的力检测装置，

上述低灵敏度台面型测量构件(12、16)具有沿着上述第2方向在中央附近延伸的中央区域(12A)、以及从上述连接部沿着上述第2方向延伸到上述中央区域(12A)的周边区域(12B)；

上述复数部分(40c)与上述中央区域(12A)的顶面接触的面积比上述复数部分(40c)与上述周边区域(12B)的顶面接触的面积大。

6.如权利要求4所述的力检测装置，

上述低灵敏度台面型测量构件(12、16)具有沿着上述第2方向在中央附近延伸的中央区域(12A)、以及从上述连接部沿着上述第2方向延伸到上述中央区域(12A)的周边区域(12B)；

对应于上述中央区域(12A)配置的上述复数部分(40c)与对应于上述周边区域(12B)配置的上述复数部分(40c)相比，间隔形成得更密。

7.一种力检测装置，

具备基板(2)和力传递块(4)；

上述基板(2)包括：

高灵敏度台面型测量构件(14、18)，设在主面(2S)上，在对应于压缩应力而电阻值相对较大地变化的第1方向上延伸，具有顶面；

低灵敏度台面型测量构件(12、16)，设在上述主面(2S)上，在对应于压缩应力而电阻值相对较小地变化的第2方向上延伸，具有顶面；

台面型引线(22a、24a、26a、28a)，设在上述主面(2S)上，从上述高灵敏度台面型测量构件(14、18)与上述低灵敏度台面型测量构件(12、16)相连接的连接部在第3方向上延伸，具有顶面；

上述力传递块(4)仅与上述高灵敏度台面型测量构件(14、18)的顶面接触，与上述低灵敏度台面型测量构件(12、16)为非接触。

8.一种力检测装置，

具备基板(202)和力传递块(204)；

上述基板(202)包括：

台面型测量构件(212、214、216、218)，形成在主面(202S)上，与上述力传递块(204)接触，构成电桥电路；

封闭部(230)，形成在上述主面(202S)上，绕上述台面型测量构件(212、214、216、218)的周围一圈而与上述力传递块(204)接触；

支柱(220)，形成在上述主面(202S)上，配置在由上述台面型测量构件(212、214、216、218)包围的内部，与上述力传递块(204)接触。

9.如权利要求8所述的力检测装置，

在上述力传递块(204)上，在上述基板(202)侧的面形成有槽(204c)；

上述槽(204c)配置在与上述台面型测量构件(212、214、216、218)接触的部分和与上述封闭部接触的部分之间。

10.如权利要求9所述的力检测装置，

上述力传递块(204)具有：

硅层(204a)；以及

氧化硅层(204b)，将上述硅层(204a)的上述基板(202)侧的面的一部分覆盖，

上述槽(204c)设置在上述氧化硅层(204b)的非覆盖区域。