力檢測(cè)元件和力轉(zhuǎn)換元件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種力檢測(cè)元件和力轉(zhuǎn)換元件。所述力檢測(cè)元件具備金剛石基壓電電阻，所述金剛石基壓電電阻包含導(dǎo)入了作為雜質(zhì)的硼的高取向性金剛石，所述金剛石基壓電電阻的壓電電阻系數(shù)的絕對(duì)值，大于將＜100＞方向作為主軸時(shí)的壓電電阻系數(shù)π11或π12的絕對(duì)值。
【專利說明】力檢測(cè)元件和力轉(zhuǎn)換元件
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)的交叉參考
[0002] 本申請(qǐng)基于2013年04月24日向日本特許廳提交的日本專利申請(qǐng)第2013-090884 號(hào)，因此將所述日本專利申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容以引用的方式并入本文。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003] 本發(fā)明涉及力檢測(cè)元件和力轉(zhuǎn)換元件。

【背景技術(shù)】
[0004] 力檢測(cè)元件例如具備包含作為雜質(zhì)導(dǎo)入了硼的金剛石的壓電電阻。力檢測(cè)元件例 如利用壓電電阻的晶體取向依賴性(結(jié)晶方位依存性)。
[0005] 日本特告平5-13451號(hào)公報(bào)公開了一種壓力檢測(cè)器。所述壓力檢測(cè)器具有向測(cè)量 氣氛中突出的筒狀罩殼。所述罩殼內(nèi)形成有導(dǎo)入測(cè)量壓力的壓力室。壓力室的室壁的一部 分包含根據(jù)測(cè)量壓力的變化而變形的隔膜。所述隔膜上設(shè)有發(fā)出基于隔膜的變形的輸出信 號(hào)的應(yīng)變計(jì)。通過在金剛石單晶板上形成金剛石半導(dǎo)體膜而形成所述應(yīng)變計(jì)。
[0006] 美國專利5303594號(hào)的說明書中公開的高溫、高靈敏度的壓力傳感器，包含金剛 石基壓電電阻/Si0 2/SiC隔膜的結(jié)構(gòu)。
[0007] 在"Piezoresistivity in vapor-deposited diamond films"，Appl.Phys. Lett. 60(23)8Junel992中記載了：形成于基板的（100)面的壓電電阻的、與[100]方向有關(guān) 的壓電電阻效應(yīng)。
[0008] 日本特告平5-13451號(hào)公報(bào)中沒有記述金剛石半導(dǎo)體膜的晶體取向依賴性。此 夕卜，美國專利5303594號(hào)說明書中也沒有記述使用結(jié)晶取向統(tǒng)一的金剛石制作壓電電 阻、以及利用金剛石基壓電電阻的晶體取向依賴性。此外，在''Piezoresistivity in vapor-deposited diamond films' '，Appl. Phys. Lett. 60 (23) 8Junel992 中，公開了形成于 基板的（100)面的壓電電阻的與[100]方向有關(guān)的壓電電阻效應(yīng)。但是，如后所述，判明了： (100)面的[100]方向的壓電電阻系數(shù)，因晶體取向依賴性而變得極小。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種力檢測(cè)元件等，所述力檢測(cè)元件利用了使用了高取 向性金剛石的壓電電阻的晶體取向依賴性。
[0010] 本發(fā)明提供一種力檢測(cè)元件(本力檢測(cè)元件)，其具備金剛石基壓電電阻，所述金 剛石基壓電電阻包含導(dǎo)入了作為雜質(zhì)的硼的高取向性金剛石，所述金剛石基壓電電阻的壓 電電阻系數(shù)的絕對(duì)值，大于將< 1〇〇 >方向作為主軸時(shí)的壓電電阻系數(shù)π 11或JI12的絕 對(duì)值。
[0011] 按照所述的力檢測(cè)元件，以使金剛石基壓電電阻的壓電電阻系數(shù)的絕對(duì)值大于將 < 1〇〇 >方向作為主軸時(shí)的壓電電阻系數(shù)π 11或JI12的絕對(duì)值的方式，形成金剛石基壓 電電阻。因此，可以利用使用了高取向性金剛石的壓電電阻的晶體取向依賴性，得到各種力 檢測(cè)元件或力轉(zhuǎn)換元件。
[0012] 此外，優(yōu)選的是，所述力檢測(cè)元件還具備：金剛石基板；以及輸入電極對(duì)，在所述 金剛石基壓電電阻上相對(duì)，所述金剛石基壓電電阻形成在所述金剛石基板的（100)面、 (110)面、（111)面、或與（100)面、（110)面和（111)面分別等同的晶面上，向所述金剛石基 壓電電阻施加的應(yīng)力施加方向，相對(duì)于所述輸入電極對(duì)為相同的方向或垂直的方向或剪切 的方向。
[0013] 此外，在本力檢測(cè)元件中，優(yōu)選的是，所述輸入電極對(duì)是輸入輸出共用電極對(duì)，所 述輸入輸出共用電極對(duì)在所述金剛石基壓電電阻的兩端相對(duì)，向所述金剛石基壓電電阻施 加的應(yīng)力施加方向是與所述輸入輸出共用電極對(duì)相同的方向或垂直的方向。
[0014] 此外，在本力檢測(cè)元件中，優(yōu)選的是，所述金剛石基壓電電阻形成在所述金剛石基 板的（100)面或與（100)面等同的晶面上，所述輸入輸出共用電極對(duì)以成為從[011]方向或 與其等同的晶體取向（結(jié)晶方向）起的一 15°?+15°的角度范圍的方式配置。
[0015] 此外，在本力檢測(cè)元件中，優(yōu)選的是，所述金剛石基壓電電阻形成在所述金剛石基 板的（110)面或與（110)面等同的晶面上，所述輸入輸出共用電極對(duì)以成為從[110]方向或 與[110]方向等同的晶體取向起的一 60°?+60°的角度范圍內(nèi)的方式配置，向所述金剛 石基壓電電阻施加的應(yīng)力施加方向是與所述輸入輸出共用電極對(duì)相同的方向。
[0016] 此外，在本力檢測(cè)元件中，優(yōu)選的是，所述金剛石基壓電電阻形成在所述金剛石基 板的（110)面或與（110)面等同的晶面上，所述輸入輸出共用電極對(duì)以成為從[110]方向或 與[110]方向等同的晶體取向偏離45°的方向起的一 15°?十15°的角度范圍內(nèi)的方式 配置，向所述金剛石基壓電電阻施加的應(yīng)力施加方向是與所述輸入輸出共用電極對(duì)垂直的 方向。
[0017] 此外，在本力檢測(cè)元件中，優(yōu)選的是，所述金剛石基壓電電阻形成在所述金剛石基 板的（111)面或與（111)面等同的晶面上。
[0018] 此外，在本力檢測(cè)元件中，優(yōu)選的是，所述力檢測(cè)元件包括惠斯通電橋，所述惠斯 通電橋包括相對(duì)的兩組所述金剛石基壓電電阻，向一組所述金剛石基壓電電阻施加的應(yīng)力 施加方向是與所述輸入輸出共用電極對(duì)相同的方向，向另一組所述金剛石基壓電電阻施加 的應(yīng)力施加方向是與所述輸入輸出共用電極對(duì)垂直的方向。
[0019] 此外，在本力檢測(cè)元件中，優(yōu)選的是，所述力檢測(cè)元件還具備相對(duì)的輸出電極對(duì)， 所述輸出電極對(duì)以與所述輸入電極對(duì)垂直的方式配置，向所述金剛石基壓電電阻施加的應(yīng) 力施加方向相對(duì)于所述輸入電極對(duì)是剪切的方向。
[0020] 此外，在本力檢測(cè)元件中，優(yōu)選的是，所述金剛石基壓電電阻形成在所述金剛石基 板的（100)面或與（100)面等同的晶面上，相對(duì)的所述輸入電極對(duì)以成為從[010]方向或與 [010]方向等同的晶體取向起的一 15°?十15°的角度范圍內(nèi)的方式配置。
[0021] 此外，在本力檢測(cè)元件中，優(yōu)選的是，所述金剛石基壓電電阻形成在所述金剛石基 板的（110)面或與（110)面等同的晶面上，相對(duì)的所述輸入電極對(duì)以成為從[110]方向、或 [001]方向、或與[110]方向或[001]方向分別等同的晶體取向起的一 15°?十15°的角 度范圍內(nèi)的方式配置。
[0022] 此外，在本力檢測(cè)元件中，優(yōu)選的是，所述金剛石基壓電電阻形成在所述金剛石基 板的（111)面或與（111)面等同的晶面上。
[0023] 此外，在本力檢測(cè)元件中，優(yōu)選的是，所述力檢測(cè)元件還具備：金剛石基板；以及 輸入電極對(duì)，在所述金剛石基壓電電阻上相對(duì)，所述金剛石基壓電電阻形成在所述金剛石 基板的（110)面、（111)面、或與（110)面和（111)面分別等同的晶面上，向所述金剛石基壓 電電阻施加的應(yīng)力施加面為（110)面、（111)面、或與（110)面和（111)面分別等同的晶面。
[0024] 此外，在本力檢測(cè)元件中，優(yōu)選的是，所述輸入電極對(duì)是輸入輸出共用電極對(duì)，所 述輸入輸出共用電極對(duì)在所述金剛石基壓電電阻的兩端相對(duì)。
[0025] 此外，在本力檢測(cè)元件中，優(yōu)選的是，所述金剛石基壓電電阻形成在所述金剛石基 板的（110)面或與（110)面等同的晶面上，所述輸入輸出共用電極對(duì)以成為從[110]方向或 與[110]方向等同的晶體取向起的一 30°?+30°的角度范圍內(nèi)的方式配置，向所述金剛 石基壓電電阻施加的應(yīng)力施加面是（110)面或與（110)面等同的晶面。
[0026] 此外，在本力檢測(cè)元件中，優(yōu)選的是，所述金剛石基壓電電阻形成在所述金剛石基 板的（111)面或與（111)面等同的晶面上，向所述金剛石基壓電電阻施加的應(yīng)力施加面是 (111)面或與（111)面等同的晶面。
[0027] 此外，在本力檢測(cè)元件中，優(yōu)選的是，本力檢測(cè)元件包括惠斯通電橋，所述惠斯通 電橋包括相對(duì)的兩組所述金剛石基壓電電阻，所述金剛石基壓電電阻形成在所述金剛石 基板的（110)面或與（110)面等同的晶面上，在一組所述金剛石基壓電電阻的兩端相對(duì) 的所述輸入輸出共用電極對(duì)以成為從[110]方向或與[110]方向等同的晶體取向起的一 30°?+30°的角度范圍內(nèi)的方式配置，在另一組所述金剛石基壓電電阻的兩端相對(duì)的 所述輸入輸出共用電極對(duì)以成為從[001]方向或與[001]方向等同的晶體取向起的一 30°?+30°的角度范圍內(nèi)的方式配置。
[0028] 此外，在本力檢測(cè)元件中，優(yōu)選的是，本力檢測(cè)元件包括惠斯通電橋，所述惠斯通 電橋包括相對(duì)的兩組所述金剛石基壓電電阻，僅對(duì)一組所述金剛石基壓電電阻施加應(yīng)力。
[0029] 此外，在本力檢測(cè)元件中，優(yōu)選的是，在被施加應(yīng)力的所述一組所述金剛石基壓電 電阻的兩端相對(duì)的所述輸入輸出共用電極對(duì)以成為[110]方向或與[110]方向等同的晶體 取向的方式配置。
[0030] 此外，在本力檢測(cè)元件中，優(yōu)選的是，被施加應(yīng)力的所述一組所述金剛石基壓電電 阻的厚度，大于另一組所述金剛石基壓電電阻的厚度。
[0031] 此外，在本力檢測(cè)元件中，優(yōu)選的是，本力檢測(cè)元件還具備相對(duì)的輸出電極對(duì)，所 述輸出電極對(duì)以與所述輸入電極對(duì)垂直的方式配置，所述金剛石基壓電電阻形成在所述金 剛石基板的（110)面或與（110)面等同的晶面上，相對(duì)的所述輸入電極對(duì)以成為從[110]方 向或與[110]方向等同的晶體取向偏離45°的方向起的一 15°?+15°的角度范圍內(nèi)的 方式配置，向所述金剛石基壓電電阻施加的應(yīng)力施加面是（110)面或與（110)面等同的晶 面。
[0032] 本發(fā)明還提供一種力轉(zhuǎn)換元件(本力轉(zhuǎn)換元件)，其包括：本力檢測(cè)元件；緩沖塊， 粘接在所述金剛石基壓電電阻的應(yīng)力施加面上；以及受壓基板，粘接在所述緩沖塊的、與粘 接有所述金剛石基壓電電阻的面相反一側(cè)的面上，向所述緩沖塊施加壓縮力，所述緩沖塊 的熱膨脹率小于所述受壓基板的熱膨脹率。
[0033] 本發(fā)明還提供一種力轉(zhuǎn)換元件，其包括：所述金剛石基板是單晶金剛石受壓基板 的本力檢測(cè)元件；以及緩沖塊，粘接在所述金剛石基壓電電阻的應(yīng)力施加面上，通過從所 述單晶金剛石受壓基板的背面施加壓縮力，所述金剛石基壓電電阻從所述緩沖塊接受壓縮 力。
[0034] 此外，在本力檢測(cè)元件中，優(yōu)選的是，所述金剛石基壓電電阻包含單晶金剛石或異 質(zhì)外延金剛石（、亍口工匕。夕3f夕弋卟夕' 4^卜'')。
[0035] 此外，在本力檢測(cè)元件中，優(yōu)選的是，所述金剛石基壓電電阻包括金剛石層疊體， 在所述金剛石層疊體中，在面方向上依次層疊有高濃度硼摻雜外延金剛石、低濃度硼摻雜 外延金剛石以及高濃度硼摻雜外延金剛石。
[0036] 按照本力檢測(cè)元件和本力轉(zhuǎn)換元件，以使金剛石基壓電電阻的壓電電阻系數(shù)的絕 對(duì)值大于將< 100 >方向作為主軸時(shí)的壓電電阻系數(shù)Η 11或Η 12的絕對(duì)值的方式，形成 金剛石基壓電電阻。因此，可以利用使用了高取向性金剛石的壓電電阻的晶體取向依賴性， 得到各種力檢測(cè)元件或力轉(zhuǎn)換元件。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0037] 圖1是表示使用了外延金剛石（工匕。夕3f ; \斤夕' 4 \ ? >卜'')的壓電電阻的制 作工序的圖。
[0038] 圖2是表示使用了外延金剛石的壓電電阻的制作工序的圖。
[0039] 圖3是表示使用了外延金剛石的壓電電阻的制作工序的圖。
[0040] 圖4Α是表不試驗(yàn)方法的主視圖，圖4Β是表不試驗(yàn)方法的仰視圖。
[0041] 圖5是表示單晶金剛石基壓電電阻的結(jié)構(gòu)和配置方向的圖。
[0042] 圖6Α和圖6Β是表不單晶金剛石基壓電電阻的尺寸等的圖，圖6Α和圖6Β表不試 驗(yàn)中使用的單晶金剛石基壓電電阻的尺寸，圖6C表示將< 100 >方向作為主軸時(shí)的矩陣標(biāo) 記(行列標(biāo)記)。
[0043] 圖7是表示各具體例子的關(guān)系的圖。
[0044] 圖8Α和圖8Β是表示利用面內(nèi)垂直應(yīng)力的力檢測(cè)元件的結(jié)構(gòu)的圖。
[0045] 圖9Α和圖9Β是表示利用面內(nèi)垂直應(yīng)力的力檢測(cè)元件的具體例子的圖。
[0046] 圖10是表示利用面內(nèi)垂直應(yīng)力的力檢測(cè)元件的具體例子的圖。
[0047] 圖11是表示惠斯通電橋的結(jié)構(gòu)的立體圖。
[0048] 圖12是表示利用面內(nèi)剪切應(yīng)力的力檢測(cè)元件的結(jié)構(gòu)的圖。
[0049] 圖13Α和圖13Β是表示利用面內(nèi)剪切應(yīng)力的力檢測(cè)元件的具體例子的圖。
[0050] 圖14是表示利用面內(nèi)剪切應(yīng)力的力檢測(cè)元件的具體例子的圖。
[0051] 圖15Α和圖15Β是表示利用面外應(yīng)力的力檢測(cè)元件的結(jié)構(gòu)的圖。
[0052] 圖16Α和圖16Β是表示利用面外應(yīng)力的力檢測(cè)元件的具體例子的圖。
[0053] 圖17是表示惠斯通電橋的結(jié)構(gòu)的立體圖。
[0054] 圖18是表示惠斯通電橋的結(jié)構(gòu)的立體圖。
[0055] 圖19是表示惠斯通電橋的結(jié)構(gòu)的立體圖。
[0056] 圖20是表示利用面外應(yīng)力的力檢測(cè)元件的具體例子的圖。
[0057] 圖21Α和圖21Β是具備緩沖塊的力轉(zhuǎn)換元件的剖視圖。
[0058] 圖22Α是縱式金剛石基壓電元件的剖視圖，圖22Β是縱式金剛石基壓電元件的俯 視圖，圖22C和圖22D是表示壓力施加方向的圖。
[0059] 圖23A是設(shè)置了緩沖層的結(jié)構(gòu)的剖視圖，圖23B是設(shè)置了緩沖層的結(jié)構(gòu)的俯視圖。
[0060] 圖24是例示"等同的"方向和"等同的"面的圖。

【具體實(shí)施方式】
[0061] 在下面的詳細(xì)說明中，出于說明的目的，為了提供對(duì)所公開的實(shí)施方式的徹底的 理解，提出了許多具體的細(xì)節(jié)。然而，顯然可以在沒有這些具體細(xì)節(jié)的前提下實(shí)施一個(gè)或更 多的實(shí)施方式。在其它的情況下，為了簡(jiǎn)化制圖，示意性地示出了公知的結(jié)構(gòu)和裝置。
[0062] 下面說明本發(fā)明的力轉(zhuǎn)換元件的實(shí)施方式。
[0063] 〈概要〉
[0064] 本實(shí)施方式的力檢測(cè)元件(本力檢測(cè)元件）具備金剛石基壓電電阻，所述金剛石基 壓電電阻包含導(dǎo)入了作為雜質(zhì)的的硼的高取向性金剛石。本力檢測(cè)元件以使所述金剛石基 壓電電阻的壓電電阻系數(shù)的絕對(duì)值大于將< 100 >方向作為主軸時(shí)的壓電電阻系數(shù)π 11 或π 12的絕對(duì)值的方式，形成所述金剛石基壓電電阻。
[0065] 本力檢測(cè)元件具備金剛石基壓電電阻，所述金剛石基壓電電阻包含導(dǎo)入了作為雜 質(zhì)的硼的高取向性金剛石。導(dǎo)入了作為雜質(zhì)的硼的金剛石，可以作為外延金剛石進(jìn)行制作。 [0066] 外延金剛石是指在基板結(jié)晶上進(jìn)行結(jié)晶生長并以和基板結(jié)晶成為某一定的晶體 取向關(guān)系的方式堆積生長的金剛石。金剛石是碳的同素異形體的一種。在結(jié)晶內(nèi)部，碳彼 此以共價(jià)鍵結(jié)合。通過使硼或磷等作為雜質(zhì)進(jìn)入金剛石單晶中的取代位置，形成受主或施 主，產(chǎn)生Ρ型或η型的半導(dǎo)體特性。利用所述半導(dǎo)體特性，可以嘗試外延金剛石的例如在紫 外線發(fā)光元件、功率元件和電子釋放源元件方面的利用。
[0067] 壓電電阻效應(yīng)是指當(dāng)應(yīng)力作用在結(jié)晶上或結(jié)晶發(fā)生變形時(shí)，所述結(jié)晶的電阻率發(fā) 生變化的現(xiàn)象。例如，如果外力作用在單晶硅等半導(dǎo)體材料上時(shí)，則晶格產(chǎn)生變形。其結(jié)果， 導(dǎo)帶和/或價(jià)電子帶的能量狀態(tài)發(fā)生變化。由此，帶中的載體的數(shù)量和/或遷移率發(fā)生變 化。其結(jié)果，在宏觀上，電導(dǎo)率或電阻率發(fā)生變化。所述特性作為應(yīng)變傳感器或壓力傳感器 等物理傳感器的檢測(cè)原理廣泛應(yīng)用。在本實(shí)施方式中，將產(chǎn)生壓電電阻效應(yīng)的電阻稱為壓 電電阻。
[0068] 晶體取向依賴性是指在具有特別的各向異性的結(jié)晶材料中，特性因晶面的取向不 同而不同的現(xiàn)象。外延金剛石是結(jié)晶材料，具有特別的各向異性。關(guān)于外延金剛石的楊氏模 量和泊松比具有晶體取向依賴性已被公知。此外，1954年C. S. Smith報(bào)告了硅和鍺的壓電 電阻系數(shù)產(chǎn)生晶體取向依賴性。但是，對(duì)于外延金剛石，在金剛石的結(jié)晶化技術(shù)、雜質(zhì)摻雜 技術(shù)、加工技術(shù)等方面進(jìn)行評(píng)價(jià)是困難的，至今為止還沒有過報(bào)道。近年，隨著所述技術(shù)的 進(jìn)展，評(píng)價(jià)使用了外延金剛石的各種設(shè)備成為可能。因此，這次本發(fā)明的發(fā)明人作為試驗(yàn)， 使用外延金剛石制作了壓電電阻，并進(jìn)行了評(píng)價(jià)。其結(jié)果，發(fā)現(xiàn)了使用了外延金剛石的壓電 電阻產(chǎn)生了晶體取向依賴性。
[0069] 在本力檢測(cè)元件中，作為壓電電阻，采用導(dǎo)入了雜質(zhì)的外延金剛石。即，本力檢測(cè) 元件利用了這次發(fā)現(xiàn)的、使用了外延金剛石的壓電電阻的晶體取向依賴性。由此，本力檢測(cè) 元件能夠得到與作用在形成于特定的面和方向的高取向性金剛石基壓電電阻上的應(yīng)力對(duì) 應(yīng)的輸出。
[0070] 作為現(xiàn)有的力檢測(cè)元件，有采用了導(dǎo)入硼、磷、砷等雜質(zhì)的ρ型或η型硅半導(dǎo)體的 壓電電阻。但是，由于Si的帶隙小到約為1. lev，所以使用溫度被限制在150°C左右。本力 檢測(cè)元件將外延金剛石作為壓電電阻使用。金剛石的帶隙大到約5. 5eV。因此，能夠制作高 溫環(huán)境(例如500°C)下也能維持半導(dǎo)體特性的壓電電阻。
[0071] 在高溫環(huán)境下，收納壓電電阻的金屬箱體發(fā)生熱膨脹或者熱收縮。此時(shí)由于施加 在壓電電阻上的應(yīng)力，能在壓電電阻上施加的應(yīng)力的范圍變窄。金剛石的壓縮強(qiáng)度和拉伸 強(qiáng)度分別為9GPa和2?3GPa，非常大。因此，通過采用高取向性金剛石基壓電電阻，動(dòng)態(tài)范 圍（夕Μ于S vb > y')變窄的比例變得極小。
[0072] 現(xiàn)有的采用了金剛石的壓電電阻，如美國專利5303594號(hào)說明書所示，使用在Si 基板等上成膜的多晶金剛石。通常的多晶金剛石是具有不同的晶軸方向的多個(gè)結(jié)晶粒的集 合體。因此，基本沒有晶體取向依賴性。
[0073] 以下的論文評(píng)價(jià)了對(duì)使用了單晶金剛石的壓電電阻在單軸方向上施加應(yīng)力時(shí)壓 電電阻的電阻變化。
[0074] "Piezoresistivity in vapor-deposited diamond films"，Appl. Phys. Lett. 60(23)8Junel992
[0075] 在所述論文中，敘述了形成于基板的（100)面的壓電電阻的與[100]方向有關(guān)的 壓電電阻效應(yīng)。對(duì)此，本發(fā)明人的試驗(yàn)得到了下述結(jié)果：（1〇〇)面的[100]方向的壓電電阻 系數(shù)因晶體取向依賴性而變得極小。此外在所述論文中特別是沒有關(guān)于晶體取向依賴性的 記述。作為另外的例子，日本特告平5-13451號(hào)公報(bào)公開了，具有金剛石單晶板和在其上形 成的金剛石半導(dǎo)體膜的應(yīng)變計(jì)。但是，在該公報(bào)中，也沒有公開與晶體取向依賴性有關(guān)的記 述。
[0076] 通過利用使用了高取向性金剛石的壓電電阻的晶體取向依賴性，能夠制作各種結(jié) 構(gòu)的力檢測(cè)元件或力轉(zhuǎn)換元件。除了面內(nèi)應(yīng)力，也可以使用施加有面外應(yīng)力的金剛石基壓 電電阻。
[0077] 通過將形成壓電電阻的基板(金剛石基板）的晶面設(shè)為（111)面或與其等同的晶 面，則不存在壓電電阻系數(shù)的方向依賴性，壓電電阻系數(shù)成為一定的值。因此，即使發(fā)生金 剛石基壓電電阻的方向偏離時(shí)，壓電電阻系數(shù)也是一定的。其結(jié)果，能夠?qū)€(gè)體差控制在最 小程度。
[0078] 另外，在基板(金剛石基板）上形成金剛石基壓電電阻時(shí)，金剛石基壓電電阻的表 面取向（面方位）與基板的晶面相同。
[0079] 也可以用金剛石基壓電電阻構(gòu)成惠斯通電橋。此時(shí)，通過利用高取向性金剛石的 晶體取向依賴性，可以制作具有正負(fù)相反的壓電電阻系數(shù)的一組金剛石基壓電電阻，并使 用它們構(gòu)成惠斯通電橋。相比采用單個(gè)金剛石基壓電電阻，能夠加大來自惠斯通電橋的輸 出，此外，能夠消除電阻值的溫度依賴性。
[0080] 利用高取向性金剛石的晶體取向依賴性，也可以構(gòu)成剪切型應(yīng)變計(jì)。此時(shí)，通過單 個(gè)電阻就可以像惠斯通電橋那樣消除電阻值的溫度依賴性。因此，能夠使剪切型應(yīng)變計(jì)進(jìn) 一步小型化。
[0081] 如上所述，通過利用使用了高取向性金剛石的壓電電阻的晶體取向依賴性，能夠 制作可以在高溫環(huán)境下穩(wěn)定使用的各種結(jié)構(gòu)的力檢測(cè)元件或力轉(zhuǎn)換元件。
[0082] 〈金剛石基壓電電阻的制作工序〉
[0083] 接著，參照?qǐng)D1?圖3說明使用了外延金剛石的壓電電阻的制作工序。在本實(shí)施 方式(本試驗(yàn)）中，作為外延金剛石，使用了在單晶金剛石基板上同質(zhì)外延生長得到的單晶 金剛石。
[0084][單晶金剛石膜的成膜]
[0085] 1)準(zhǔn)備單晶金剛石基板1 (圖1)。設(shè)單晶金剛石基板1的長度為3. 0mm、寬度為 3. 0mm、厚度為 0· 15mm、{100}面、< 100 >端。
[0086] 2)進(jìn)行研磨加工，使得相對(duì)于單晶金剛石基板1的{100}面產(chǎn)生規(guī)定的微小傾斜 (偏離角）（圖1)。
[0087] 3)利用CVD法(化學(xué)氣相沉積法)，在具有偏離角的單晶金剛石基板1上，進(jìn)行添 加了作為雜質(zhì)的規(guī)定濃度的硼的臺(tái)階流動(dòng)生長。由此，生長成5 μ m的p型單晶金剛石膜2 (圖1)。在本試驗(yàn)中，將相對(duì)于碳的外延生長時(shí)的硼的氣相中的濃度，設(shè)為兩種（4. 5ppm和 5000ppm)。
[0088] 4)通過熱的混合酸進(jìn)行表面處理。由此，從p型單晶金剛石膜2的表面，去除了氫 終端的表面?zhèn)鲗?dǎo)層和石墨成分（圖1)。
[0089][單晶金剛石基壓電電阻的制作]
[0090] 5)對(duì)p型單晶金剛石膜面進(jìn)行A1濺射。由此，形成Ιμπι厚的鋁膜3 (圖1)。
[0091] 6)進(jìn)一步，對(duì)進(jìn)行了 Α1濺射的面進(jìn)行光刻膠(正型）4的噴涂。通過恒溫爐的燒 成，使光刻膠4干燥并且提高了光刻膠4與基底的貼緊性（圖1)。
[0092] 7)通過利用了描繪有圖案的光掩模Ml的曝光，將圖案復(fù)制到光刻膠4上（圖1)。
[0093] 8)利用顯影液除去被曝光部位的光刻膠4。進(jìn)而進(jìn)行后烘（圖1)。
[0094] 9)將殘留的光刻膠4的圖案作為掩模，對(duì)鋁膜3進(jìn)行刻蝕（圖2)。
[0095] 10)利用丙酮除去光刻膠4 (圖2)。
[0096] 11)將鋁膜3的圖案作為掩模，利用RIE (反應(yīng)離子刻蝕)對(duì)p型單晶金剛石膜2進(jìn) 行干法刻蝕?？涛g的條件包含：〇2氣流量為45sccm、CF4氣流量為5sccm、RF輸出為100W。 將掩模下部以外的P型單晶金剛石膜2刻蝕約7. 5 μ m。由此，露出絕緣性的單晶金剛石基 板1的表面（圖2)。
[0097] 12)利用鋁的刻蝕液，除去鋁膜3的A1掩模。由此，制作成單晶金剛石基壓電電阻 (圖 2)。
[0098] [布線的光刻法]
[0099] 13)針對(duì)基板的制作有單晶金剛石基壓電電阻的面，按Ti (請(qǐng)〇〇農(nóng)）、 AuGOOO贏）的順序進(jìn)行濺射。由此，形成Ti/Au膜5 (圖2)。
[0100] 14)針對(duì)基板的進(jìn)行了濺射的面，進(jìn)行光刻膠(正型）6的噴涂。通過恒溫爐的燒 成，使光刻膠6干燥并且提高了光刻膠6與基底的貼緊性（圖2)。
[0101] 15)準(zhǔn)備描繪有與制作壓電電阻的掩模的圖案不同的圖案的光掩模M2。通過使用 了所述光掩模M2曝光，將圖案復(fù)制到光刻膠6上（圖3)。
[0102] 16)通過顯影液除去被曝光了的部位的光刻膠6。進(jìn)而進(jìn)行后烘（圖3)。
[0103] 17)將光刻膠6的圖案作為掩模，按Au、Ti的順序刻蝕Ti/Au膜5 (圖3)。
[0104] 18)利用丙酮除去光刻膠6 (圖3)。
[0105] 19)為了降低金剛石基壓電電阻與Ti之間的歐姆接觸和提高貼緊性，在真空爐 內(nèi)，在520°C下進(jìn)行1小時(shí)的退火（圖3)。
[0106] 〈金剛石基壓電電阻的晶體取向依賴性〉
[0107] 接著，參照?qǐng)D4A?圖6C具體說明用于求出單晶金剛石基壓電電阻的晶體取向依 賴性而進(jìn)行的試驗(yàn)方法。圖4A是表示試驗(yàn)方法的主視圖，圖4B是表示試驗(yàn)方法的仰視圖。
[0108] [試驗(yàn)方法]
[0109] 1)如圖4A和圖4B所示，以形成有單晶金剛石基壓電電阻的金剛石基板10位于距 固定端20mm的位置的方式，用粘接劑將金剛石基板10粘貼在鎢制的懸臂梁11上。設(shè)懸臂 梁11的寬度為15mm、厚度為0· 5mm。此外，用同樣的粘接劑將具有與金剛石基板10相同的 形狀和厚度的金剛石基板10A粘貼在形成有單晶金剛石基壓電電阻的金剛石基板10芳邊 的相同位置(距固定端20mm的位置)處。所述金剛石基板10A上貼有硅應(yīng)變計(jì)。如此，可以 取得懸臂梁11的粘貼有金剛石基板的位置的剛性平衡，并且能夠利用硅應(yīng)變計(jì)，在與形成 有金剛石基壓電電阻的金剛石基板10同樣的環(huán)境下，測(cè)量成為參照值的金剛石基板10A的 變形量。
[0110] 2)如圖4A和圖4B所示，用金線或銅線等將金剛石基壓電電阻(金剛石基板10)和 硅應(yīng)變計(jì)（金剛石基板10A)分別與外部的電路12和電路12A連接。此外，以使懸臂梁11 的、粘貼了形成有單晶金剛石基壓電電阻的金剛石基板10的面朝下的方式，將懸臂梁11的 一端固定在固定部11A上。
[0111] 3)使用位于距固定端80mm的部位的千分尺11B，使懸臂梁11從自由端彎曲。如 圖4A所示，在懸臂梁11的下表面施加有長邊方向的壓縮應(yīng)力。單晶金剛石基板被粘接劑 牢固固定。因此，單晶金剛石基壓電電阻和硅應(yīng)變計(jì)上施加有同等的壓縮應(yīng)力。
[0112] 4)因壓縮應(yīng)力造成的單晶金剛石基壓電電阻和硅應(yīng)變計(jì)的電阻值變化，分別通過 外部的電路12和12A作為電壓輸出。利用示波器13 (橫河電機(jī)制造的DL750)和計(jì)算機(jī)14 測(cè)量輸出電壓。具有輸入輸出共用電極對(duì)的壓電電阻為單個(gè)電阻。因此，通過與電路12的 電橋電路連接，得到輸出。在具有輸入電極對(duì)和輸出電極對(duì)這兩組電極對(duì)的壓電電阻上，向 輸入電極對(duì)施加電源電壓5V，從輸出電極對(duì)得到輸出。
[0113] 圖5是表示單晶金剛石基壓電電阻的結(jié)構(gòu)和配置方向的圖。
[0114] 如圖5所示，具有輸入輸出共用電極對(duì)的壓電電阻20,包含單個(gè)電阻21。電阻21 的兩端連接有輸入輸出共用電極22、22。
[0115] 此外，具有輸入電極對(duì)和輸出電極對(duì)這兩組電極對(duì)的壓電電阻30,包含十字形的 電阻31。在電阻31中，彼此交叉的兩個(gè)矩形31a和矩形31b重疊。矩形31a的兩端部分連 接有輸入電極32a、32a，矩形31b的兩端部分連接有輸出電極32b、32b。
[0116] 圖5的模式1?模式6分別表示了單晶金剛石基壓電電阻的配置方法。
[0117] 在圖5的模式1中，以使[010]方向成為懸臂梁11的長邊方向的方式配置單晶金 剛石基壓電電阻20。此外，以使在單晶金剛石基壓電電阻20的兩端相對(duì)的輸入輸出共用電 極對(duì)(輸入輸出共用電極22、22)成為[010]方向的方式配置。由此，向單晶金剛石基壓電 電阻20施加的應(yīng)力施加方向，成為與輸入輸出共用電極對(duì)(輸入輸出共用電極22、22)相同 的方向（[010]方向）。
[0118] 另外，在本說明書中，"電極對(duì)的方向"表示連接成對(duì)的兩個(gè)電極各自的位置或中 心的線段的方向。
[0119] 在圖5的模式2中，以使[010]方向成為懸臂梁11的長邊方向的方式配置單晶金 剛石基壓電電阻20。此外，以使在單晶金剛石基壓電電阻20的兩端相對(duì)的輸入輸出共用電 極對(duì)(輸入輸出共用電極22、22)成為[001]方向的方式配置。由此，應(yīng)力施加方向成為與 輸入輸出共用電極對(duì)垂直的方向（[010]方向）。
[0120] 在圖5的模式3中，以使[010]方向成為懸臂梁11的長邊方向的方式配置單晶金 剛石基壓電電阻30。而且，以使輸入電極對(duì)(輸入電極32a、32a)和輸出電極對(duì)(輸出電極 32b、32b)在單晶金剛石基壓電電阻30上彼此垂直的方式配置。而且，以使相對(duì)的輸入電極 對(duì)(輸入電極32a、32a)成為[011]方向的方式配置，并使應(yīng)力施加方向?yàn)閇010]方向。由 此，得到能施加等同的剪切應(yīng)力的狀態(tài)。
[0121] 通過以上的模式1求出壓電電阻系數(shù)π 11。通過模式2求出壓電電阻系數(shù)π 12。 通過模式3求出31 ' 66 = 31 11 - JI 12。
[0122] 接著，在圖5的模式4中，以使[011]方向成為懸臂梁11的長邊方向的方式配置 單晶金剛石基壓電電阻20。并且，以使在單晶金剛石基壓電電阻20的兩端相對(duì)的輸入輸出 共用電極對(duì)(輸入輸出共用電極22、22)成為[011]方向的方式配置。由此，向單晶金剛石 基壓電電阻20施加的應(yīng)力施加方向，成為與輸入輸出共用電極對(duì)(輸入輸出共用電極22、 22)相同的方向（[011]方向）。
[0123] 在圖5的模式5中，以使[011]方向成為懸臂梁11的長邊方向的方式配置單晶金 剛石基壓電電阻20。并且，以使在單晶金剛石基壓電電阻20的兩端相對(duì)的輸入輸出共用電 極對(duì)(輸入輸出共用電極22、22)成為[0 - 11]方向的方式配置。由此，應(yīng)力施加方向成為 與輸入輸出共用電極對(duì)(輸入輸出共用電極22、22)垂直的方向（[011]方向）。
[0124] 在圖5的模式6中，以使[011]方向成為懸臂梁11的長邊方向的方式配置單晶金 剛石基壓電電阻30。并且，以使輸入電極對(duì)(輸入電極32a、32a)和輸出電極對(duì)(輸出電極 32b、32b)在單晶金剛石基壓電電阻30上彼此垂直的方式配置。并且，以使相對(duì)的輸入電 極對(duì)(輸入電極32a、32a)成為[001]方向的方式配置，并使應(yīng)力施加方向成為[011]方向。 由此，得到能夠施加等同的剪切應(yīng)力的狀態(tài)。
[0125] 通過以上的模式6求出壓電電阻系數(shù)π 44。此外通過模式4求出π ' 11 = 1/2 (ji11+ ji12 + π44)。通過模式 5 求出 π'12 = 1/2 (π11+ ji12 - π44)。因此，通 過對(duì)基于模式4?6的計(jì)算結(jié)果和基于模式1?3的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)照，能夠確認(rèn)數(shù)值的 位數(shù)和晶體取向依賴性。
[0126] 圖6A和圖6B是表示試驗(yàn)中使用的單晶金剛石基壓電電阻的尺寸的圖。所述尺寸 相當(dāng)于單晶金剛石基壓電電阻20的電阻21或單晶金剛石基壓電電阻30的電阻31的、實(shí) 質(zhì)上作為電阻發(fā)揮功能的區(qū)域的尺寸。
[0127] 外延生長時(shí)的硼的氣相中的濃度相對(duì)于碳為4. 5ppm這種單晶金剛石、與外延生 長時(shí)的硼的氣相中的濃度相對(duì)于碳為5000ppm這種單晶金剛石，壓電電阻內(nèi)的雜質(zhì)濃度不 同，電阻率大幅改變。因此，如圖6A所示，根據(jù)硼的氣相中的濃度，單晶金剛石基壓電電阻 的尺寸不同。在此，在壓電電阻系數(shù)的導(dǎo)出中，< 100 >方向和< 110 >方向的單晶金剛石 的楊氏模量分別為1050GPa和1150GPa。此外，< 100 >方向和< 110 >方向的單晶金剛石 的泊松比分別為0. 104和0. 008。
[0128] 利用所述的試驗(yàn)，求出了將< 100 >方向作為主軸時(shí)的壓電電阻系數(shù)π 11、π 12 和3144。此外，確認(rèn)了晶體取向依賴性。得到的結(jié)果如下所示?！措s質(zhì)濃度4. 5ppm時(shí)的單 晶金剛石基壓電電阻系數(shù)〉
[0129] π 11 = - 〇· 33, π 12 = 0· 20, π 44 = 7. 60 [KTn/Pa]
[0130] (電阻率 p = 13. 23 [ohm · cm])
[0131] 〈雜質(zhì)濃度5000ppm時(shí)的單晶金剛石基壓電電阻系數(shù)〉
[0132] π 11 = 〇· 18, π 12 = - 0· 04, π 44 = 3. 63 [KTn/Pa]
[0133] (電阻率 p =0· 00466 [ohm · cm])
[0134] 在此尤其需要指出的是，相比π 11和ji 12，3144的值大一位以上。例如，在金剛 石基板的（1〇〇)面上形成單晶金剛石基壓電電阻。隨后，以使在單晶金剛石基壓電電阻的兩 端相對(duì)的輸入輸出共用電極對(duì)成為[010]方向的方式配置。并且，使向單晶金剛石基壓電電 阻施加的應(yīng)力施加方向成為與輸入輸出共用電極對(duì)相同的方向或垂直的方向。此時(shí)，雜質(zhì) 濃度4. 5ppm時(shí)的壓電電阻系數(shù)，分別成為Jill = -〇.33 [10_n/Pa]，3112 = 0.20 [10_n/ Pa]。因此，輸出極小。另一方面，在同樣的金剛石基板的（100)面上形成金剛石基壓電電 阻。而后，以使在單晶金剛石基壓電電阻的兩端相對(duì)的輸入輸出共用電極對(duì)成為[011]方向 的方式配置。并且，使向單晶金剛石基壓電電阻施加的應(yīng)力施加方向成為與輸入輸出共用 電極對(duì)相同的方向。此時(shí)，雜質(zhì)濃度4. 5ppm時(shí)的壓電電阻系數(shù)，分別成為π ' 11 = 3. 735 [KTn/Pa]，π '12 = - 3.865 [Krn/Pa]。由此，利用單晶金剛石基壓電電阻的晶體取向依 賴性，能夠使輸出變大。
[0135] 根據(jù)以上的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)了單晶金剛石的壓電電阻系數(shù)具有晶體取向依賴性。本次 使用的單晶金剛石基壓電電阻，是在單晶金剛石基板上作為單晶金剛石膜同質(zhì)外延生長得 到的。以與基板結(jié)晶成為某一定的晶體取向關(guān)系的方式堆積生長的異質(zhì)外延金剛石，也可 能同樣地具有晶體取向依賴性。
[0136] 〈利用了金剛石基壓電電阻的晶體取向依賴性的力檢測(cè)元件〉
[0137] 下面表示幾個(gè)利用了金剛石基壓電電阻的晶體取向依賴性的力檢測(cè)元件的實(shí)施 例。
[0138] 金剛石為立方晶體。因此，當(dāng)沿主軸取直角坐標(biāo)時(shí)，應(yīng)力〇i與電阻率的變化部分 Λ Pi的關(guān)系，可以利用壓電電阻系數(shù)η u表示為規(guī)定的矩陣。圖6C表示了將< 100 >方 向作為主軸時(shí)的矩陣標(biāo)記。
[0139] 通過對(duì)圖6C所示的與壓電電阻系數(shù)有關(guān)的矩陣進(jìn)行坐標(biāo)變換，能求出某個(gè)面上 的將特定的方向作為主軸的壓電電阻系數(shù)。利用所述坐標(biāo)變換，做成某個(gè)面上的壓電電阻 系數(shù)的晶體取向依賴性的圖。由此，可以選擇靈敏度成為良好的方位、各種配置和結(jié)構(gòu)的壓 電電阻。此外，針對(duì)某個(gè)面上的將特定的方向作為主軸的壓電電阻系數(shù)，表示為η ' ij(i， j = 1?6)。另外，與坐標(biāo)變換有關(guān)的計(jì)算式，參考了 " ^ 4々口 ^ i ^技術(shù)総覧，ρ· 98 - 109,産業(yè)技術(shù)寸一匕' 7七 > 夕一，2003年1月22日，，。以下說明具體示例。
[0140] 圖7是表示以下所述的各具體例子的關(guān)系的圖。通過將各具體例子或成為其上位 概念的結(jié)構(gòu)分層化，明確了發(fā)明的整體。圖7所示的編號(hào)（1.1.1.等編號(hào))，與各具體例子 或成為其上位概念的結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)。圖7所示的樹形結(jié)構(gòu)，表示各具體例子和各結(jié)構(gòu)間的關(guān)系 (上位概念或下位概念)。下面按照?qǐng)D7所示的編號(hào)，說明各具體例子和成為其上位概念的 結(jié)構(gòu)。
[0141] 〈利用面內(nèi)應(yīng)力的力檢測(cè)元件的結(jié)構(gòu)〉
[0142] 1. π，11，π，12,31，66:(100)/(110)/(111)
[0143] 圖8A表示了具備金剛石基壓電電阻的力檢測(cè)元件，所述金剛石基壓電電阻包含 導(dǎo)入了作為雜質(zhì)的硼的高取向性金剛石。在所述的力檢測(cè)元件中，金剛石基壓電電阻形成 于金剛石基板的（100)面、（110)面、（111)面或與它們等同的晶面。配置有在金剛石基壓 電電阻上相對(duì)的輸入電極對(duì)(輸入輸出共用電極22、22)。在這些力檢測(cè)元件中，向金剛石基 壓電電阻施加的應(yīng)力施加方向，相對(duì)于輸入電極對(duì)(輸入輸出共用電極22、22)為相同的方 向P1、垂直的方向P2或剪切的方向P3。
[0144] 〈利用面內(nèi)垂直應(yīng)力的力檢測(cè)元件的結(jié)構(gòu)〉
[0145] 1. 1. Ji ; 11，π ' 12 :(100)/ (110)/ (111)
[0146] 圖8B表示了具備金剛石基壓電電阻的力檢測(cè)元件，所述金剛石基壓電電阻包含 導(dǎo)入了作為雜質(zhì)的硼的高取向性金剛石。在這些力檢測(cè)元件中，金剛石基壓電電阻形成于 金剛石基板的（100)面、（110)面、（111)面或與它們等同的晶面。配置有在金剛石基壓電電 阻的兩端相對(duì)的輸入輸出共用電極對(duì)(輸入輸出共用電極22、22)。在這些力檢測(cè)元件中，向 金剛石基壓電電阻施加的應(yīng)力施加方向，為與輸入輸出共用電極對(duì)(輸入輸出共用電極22、 22)相同的方向P1或垂直的方向P2。
[0147] 由于所述結(jié)構(gòu)（1. 1)利用面內(nèi)應(yīng)力的壓電電阻效應(yīng)，所以容易應(yīng)用于例如應(yīng)變計(jì)、 壓力傳感器、加速度傳感器和陀螺儀傳感器。
[0148] 〈利用面內(nèi)垂直應(yīng)力的力檢測(cè)元件的具體例子〉
[0149] 1. 1. 1. π，11，π，12 : (100)
[0150] 圖9A表示了具備金剛石基壓電電阻的力檢測(cè)元件，所述金剛石基壓電電阻包含 導(dǎo)入了作為雜質(zhì)的硼的高取向性金剛石。在這些力檢測(cè)元件中，金剛石基壓電電阻形成于 金剛石基板的（100)面或與其等同的晶面。在金剛石基壓電電阻的兩端相對(duì)的輸入輸出共 用電極對(duì)(輸入輸出共用電極22、22)以成為從[011]方向或與其等同的晶體取向起的一 15°?+15°的角度范圍內(nèi)的方式配置。在這些力檢測(cè)元件中，向金剛石基壓電電阻施加 的應(yīng)力施加方向，為與輸入輸出共用電極對(duì)(輸入輸出共用電極22、22)相同的方向或垂直 的方向。
[0151] 由于利用了高取向性金剛石的壓電電阻系數(shù)的晶體取向依賴性，所以決定了形成 有金剛石基壓電電阻的表面取向、輸入輸出共用電極對(duì)的方向和應(yīng)力施加方向。
[0152] 當(dāng)將表面取向定為（100)面或與其等同的晶面時(shí)，在金剛石基壓電電阻的兩端相 對(duì)的輸入輸出共用電極對(duì)以成為[oil]方向或與其等同的晶體取向的方式配置。向金剛石 基壓電電阻施加的應(yīng)力施加方向，為與輸入輸出共用電極對(duì)相同的方向或垂直的方向。由 此，壓電電阻系數(shù)成為最大值。
[0153] 從圖9A所示的壓電電阻系數(shù)的晶體取向依賴性的坐標(biāo)圖41?坐標(biāo)圖44,可以得 出以下的結(jié)論。即，在（100)面內(nèi)，輸入輸出共用電極對(duì)的方向如果處于從[011]方向起 的一 15°?+15°的角度范圍內(nèi)，則壓電電阻系數(shù)足夠大，特別是在[011]方向上具有最 大值。
[0154] 另外，圖9A所不的坐標(biāo)圖41、42,表不了輸入輸出共用電極對(duì)的方向與壓電電阻 系數(shù)11的關(guān)系。坐標(biāo)圖41表示了外延生長時(shí)的硼的氣相中的濃度為4. 5ppm時(shí)的所 述關(guān)系。坐標(biāo)圖42表不了外延生長時(shí)的砸的氣相中的濃度為5000ppm時(shí)的所述關(guān)系。此 夕卜，坐標(biāo)圖43、44表不了輸入輸出共用電極對(duì)的方向與壓電電阻系數(shù)3^ 12的關(guān)系。坐標(biāo) 圖43表不了外延生長時(shí)的硼的氣相中的濃度為4. 5ppm時(shí)的所述關(guān)系。坐標(biāo)圖44表不了 外延生長時(shí)的硼的氣相中的濃度為5000ppm時(shí)的所述關(guān)系。同樣地，在各圖所表示的相同 的其他的坐標(biāo)圖中，也和同濃度(外延生長時(shí)的硼的氣相中的濃度）一起表示了指定的面內(nèi) 的電極對(duì)的方向與指定的壓電電阻系數(shù)的關(guān)系。
[0155] 1. 1. 2. π 1 11 ： (110)
[0156] 圖9Β表示了具備金剛石基壓電電阻的力檢測(cè)元件，所述金剛石基壓電電阻包含 導(dǎo)入了作為雜質(zhì)的硼的高取向性金剛石。在這些力檢測(cè)元件中，金剛石基壓電電阻形成于 金剛石基板的（110)面或與其等同的晶面。在金剛石基壓電電阻的兩端相對(duì)的輸入輸出共 用電極對(duì)(輸入輸出共用電極22、22)以成為從[一 110]方向起的一 60°?+60°的角度 范圍內(nèi)的方式配置。在這些力檢測(cè)元件中，向金剛石基壓電電阻施加的應(yīng)力施加方向，為與 輸入輸出共用電極對(duì)(輸入輸出共用電極22、22)相同的方向。
[0157] 從圖9Β表示的壓電電阻系數(shù)的晶體取向依賴性的圖，能得出以下的結(jié)論。即，在 (110)面內(nèi)，輸入輸出共用電極對(duì)的方向如果處于從[一 110]方向起的一 60°?+60°的 角度范圍內(nèi)，則壓電電阻系數(shù)足夠大，特別是在[一 111]方向具有最大值。
[0158] 1. 1. 3. π 1 12 ：(110)
[0159] 圖9B表示了具備金剛石基壓電電阻的力檢測(cè)元件，所述金剛石基壓電電阻包含 導(dǎo)入了作為雜質(zhì)的硼的高取向性金剛石。在這些力檢測(cè)元件中，金剛石基壓電電阻形成于 金剛石基板的（110)面或與其等同的晶面。在金剛石基壓電電阻的兩端相對(duì)的輸入輸出共 用電極對(duì)(輸入輸出共用電極22、22)以成為從[一 110]方向或與其等同的晶體取向偏離 45°的方向起的一 15°?+15°的角度范圍內(nèi)的方式配置。在這些力檢測(cè)元件中，向金剛 石基壓電電阻施加的應(yīng)力施加方向，為與輸入輸出共用電極對(duì)(輸入輸出共用電極22、22) 垂直的方向。
[0160] 從圖9B表示的壓電電阻系數(shù)的晶體取向依賴性的圖，能得出以下的結(jié)論。即，在 (110) 面內(nèi)，輸入輸出共用電極對(duì)的方向如果處于從[一 110]方向偏離45°的方向起的一 15°?+15°的角度范圍內(nèi)，則壓電電阻系數(shù)足夠大，特別是在從[一 110]方向偏離了 45°的方向上具有最大值。
[0161] 1. 1. 4· π，11，π，12 : (111)
[0162] 圖10表示了具備金剛石基壓電電阻的力檢測(cè)元件，所述金剛石基壓電電阻包含 導(dǎo)入了作為雜質(zhì)的硼的高取向性金剛石。在這些力檢測(cè)元件中，金剛石基壓電電阻形成于 金剛石基板的（111)面或與其等同的晶面。配置有在金剛石基壓電電阻的兩端相對(duì)的輸入 輸出共用電極對(duì)(輸入輸出共用電極22、22)。在這些力檢測(cè)元件中，向金剛石基壓電電阻施 加的應(yīng)力施加方向，為與輸入輸出共用電極對(duì)(輸入輸出共用電極22、22)相同的方向或垂 直的方向。
[0163] 從圖10表示的壓電電阻系數(shù)的晶體取向依賴性的圖，能得出以下的結(jié)論。艮P， (111) 面內(nèi)的壓電電阻系數(shù)π' 11，π' 12不具備方向依賴性而取一定的值。因此，即使 產(chǎn)生了金剛石基壓電電阻的方向偏離時(shí)，壓電電阻系數(shù)η' 11、η' 12也是一定的。因 此，能夠使個(gè)體差最小。
[0164] 1. 1.5. π，11，Ji，12 :(100)/ (110)/ (111)的惠斯通電橋
[0165] 圖11表示了包含相對(duì)的兩組金剛石基壓電電阻的惠斯通電橋(力檢測(cè)元件)。在 所述惠斯通電橋中，向一組金剛石基壓電電阻施加的應(yīng)力施加方向，為與輸入輸出共用電 極對(duì)相同的方向。向另一組金剛石基壓電電阻施加的應(yīng)力施加方向，為與輸入輸出共用電 極對(duì)垂直的方向。
[0166] 如圖11所示，所述惠斯通電橋具備金剛石基壓電電阻20A、20A和金剛石基壓電電 阻20B、20B。并且，所述惠斯通電橋包括與金剛石基壓電電阻20A、20A和金剛石基壓電電阻 20B、20B連接的布線圖案PT1以及與布線圖案PT1連接的端子5(^、5(?、50(：、500。金剛石 基壓電電阻20A、20A是相對(duì)的。金剛石基壓電電阻20B、20B是相對(duì)的。在所述惠斯通電橋 的隔膜中，向金剛石基壓電電阻20A、20A施加的應(yīng)力施加方向，為與輸入輸出共用電極對(duì) 22A、22A相同的方向。并且，向金剛石基壓電電阻20B、20B施加的應(yīng)力施加方向，為與輸入 輸出共用電極對(duì)22B、22B垂直的方向。
[0167] 當(dāng)向金剛石基壓電電阻施加的應(yīng)力施加方向?yàn)榕c輸入輸出共用電極對(duì)相同的方 向時(shí)，適用11。當(dāng)向金剛石基壓電電阻施加的應(yīng)力施加方向?yàn)榕c輸入輸出共用電極對(duì) 垂直的方向時(shí)，適用η ' 12。壓電電阻系數(shù)π ' 11和π ' 12彼此正負(fù)符號(hào)相反。因此， 能夠加大惠斯通電橋的輸出值。特別是在（100)面內(nèi)的[011]方向上，泊松比成為最小。因 此，能加大輸出。
[0168] 當(dāng)將表面取向定為（100)面或與其等同的晶面時(shí)，例如在一組金剛石基壓電電阻 的兩端相對(duì)的輸入輸出共用電極對(duì)以成為[oil]方向或與其等同的晶體取向的方式配置， 應(yīng)力施加方向?yàn)榕c輸入輸出共用電極對(duì)相同的方向。并且，在另一組金剛石基壓電電阻的 兩端相對(duì)的輸入輸出共用電極對(duì)以成為[oil]方向或與其等同的晶體取向的方式配置，應(yīng) 力施加方向?yàn)榕c輸入輸出共用電極對(duì)垂直的方向。由此，惠斯通電橋的輸出成為最大值。從 壓電電阻系數(shù)的晶體取向依賴性的圖，能得出以下的結(jié)論。即，輸入輸出共用電極對(duì)的方向 在（100)面內(nèi)如果處于從[011]方向起的一 15°?+15°的角度范圍內(nèi)，則壓電電阻系數(shù) 足夠大，特別是在[011]方向上具有最大值。
[0169] 當(dāng)將表面取向定為（110)面或與其等同的晶面時(shí)，例如在一組金剛石基壓電電阻 的兩端相對(duì)的輸入輸出共用電極對(duì)以成為[111]方向或與其等同的晶體取向的方式配置， 應(yīng)力施加方向?yàn)榕c輸入輸出共用電極對(duì)相同的方向。并且，在另一組金剛石基壓電電阻的 兩端相對(duì)的輸入輸出共用電極對(duì)以成為從[110]方向或與其等同的晶體取向偏離45°的 方向的方式配置，應(yīng)力施加方向?yàn)榕c輸入輸出共用電極對(duì)垂直的方向。由此，惠斯通電橋的 輸出成為最大值。
[0170] 當(dāng)把表面取向定為（111)面或與其等同的晶面時(shí)，（111)面內(nèi)的壓電電阻系數(shù) π' 11、12不具備方向依賴性而取一定的值。因此，一組金剛石基壓電電阻的應(yīng)力施 加方向?yàn)榕c輸入輸出共用電極對(duì)相同的方向。而且，另一組金剛石基壓電電阻的應(yīng)力施加 方向?yàn)榕c輸入輸出共用電極對(duì)垂直的方向?；菟雇姌虻妮敵霾灰蕾囋诮饎偸鶋弘婋娮?的兩端相對(duì)的輸入輸出共用電極對(duì)的方向。
[0171] 〈利用面內(nèi)剪切應(yīng)力的力檢測(cè)元件的結(jié)構(gòu)〉
[0172] 1.2. π f 66 :(100)/ (110)/ (111)
[0173] 圖12表示了具備金剛石基壓電電阻的力檢測(cè)元件，所述金剛石基壓電電阻包含 導(dǎo)入了作為雜質(zhì)的硼的高取向性金剛石。在所述力檢測(cè)元件中，金剛石基壓電電阻形成于 金剛石基板的（100)面、（110)面、（111)面或與它們等同的晶面。在金剛石基壓電電阻上 相對(duì)的輸入電極對(duì)和相對(duì)的輸出電極對(duì)，以垂直方式配置。在所述力檢測(cè)兀件中，向金剛石 基壓電電阻施加的應(yīng)力施加方向，相對(duì)于輸入電極對(duì)為剪切的方向。
[0174] 如圖12所示，在金剛石基壓電電阻30中，包含輸入電極32a、32a的輸入電極對(duì)的 方向、與包含輸出電極32b、32b的輸出電極對(duì)的方向彼此垂直。應(yīng)力施加方向相對(duì)于輸入 電極對(duì)為交叉(例如以45°的角度交叉）的方向。
[0175] 按照所述結(jié)構(gòu)，通過單個(gè)電阻能像惠斯通電橋一樣消除電阻值的溫度依賴性。因 此，所述結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)更小型的力檢測(cè)元件。
[0176] 〈利用面內(nèi)剪切應(yīng)力的力檢測(cè)元件的具體例子〉
[0177] 1. 2. 1. π ' 66 :(100)
[0178] 圖13A表示了具備金剛石基壓電電阻的力檢測(cè)元件，所述金剛石基壓電電阻包含 導(dǎo)入了作為雜質(zhì)的硼的高取向性金剛石。在所述力檢測(cè)元件中，金剛石基壓電電阻形成于 金剛石基板的（1〇〇)面或與其等同的晶面。在金剛石基壓電電阻上相對(duì)的輸入電極對(duì)(輸入 電極32a、32a)和相對(duì)的輸出電極對(duì)(輸出電極32b、32b)，以垂直方式配置。并且，相對(duì)的輸 入電極對(duì)(輸入電極32a、32a)以成為從[010]方向或與其等同的晶體取向起的一 15°?+ 15°的角度范圍內(nèi)的方式配置。在所述力檢測(cè)元件中，向金剛石基壓電電阻施加的應(yīng)力施 加方向，相對(duì)于輸入電極對(duì)(輸入電極32a、32a)為剪切的方向。
[0179] 當(dāng)把表面取向定為（100)面或與其等同的晶面時(shí)，例如在金剛石基壓電電阻上相 對(duì)的輸入電極對(duì)和相對(duì)的輸出電極對(duì)，以彼此垂直的方式配置。并且，相對(duì)的輸入電極對(duì)以 成為[010]方向或與其等同的晶體取向的方式配置。向金剛石基壓電電阻施加的應(yīng)力施加 方向，相對(duì)于輸入電極對(duì)為剪切的方向。由此，壓電電阻系數(shù)成為最大值。
[0180] (100)面內(nèi)的壓電電阻系數(shù)31 ' 66,大于（111)面內(nèi)的壓電電阻系數(shù)31 ' 66。因 此，能夠使力檢測(cè)元件高靈敏度化。
[0181] 從圖13A表示的壓電電阻系數(shù)的晶體取向依賴性的圖，能得出以下的結(jié)論。SP，在 (100)面內(nèi)，輸入電極對(duì)的方向如果處于從[010]方向起的一 15°?+ 15°的角度范圍內(nèi)， 則壓電電阻系數(shù)足夠大，特別是在[010]方向上具有最大值。
[0182] 1. 2· 2· π，66 :(110)
[0183] 圖13B表示了具備金剛石基壓電電阻的力檢測(cè)元件，所述金剛石基壓電電阻包含 導(dǎo)入了作為雜質(zhì)的硼的高取向性金剛石。在所述力檢測(cè)元件中，金剛石基壓電電阻形成于 金剛石基板的（110)面或與其等同的晶面。在金剛石基壓電電阻上相對(duì)的輸入電極對(duì)(輸 入電極32a、32a)和相對(duì)的輸出電極對(duì)(輸出電極32b、32b)，以彼此垂直的方式配置。并且， 相對(duì)的輸入電極對(duì)(輸入電極32a、32a)以成為從[一 110]方向、[001]方向或與它們等同 的晶體取向起的一 15°?+15°的角度范圍內(nèi)的方式配置。在所述力檢測(cè)元件中，向金剛 石基壓電電阻施加的應(yīng)力施加方向，相對(duì)于輸入電極對(duì)(輸入電極32a、32a)為剪切的方向。
[0184] (110)面內(nèi)的壓電電阻系數(shù)π ' 66,大于（111)面內(nèi)的壓電電阻系數(shù)π ' 66。因 此，能夠使力檢測(cè)元件高靈敏度化。
[0185] 從圖13B表示的壓電電阻系數(shù)的晶體取向依賴性的圖，能得出以下的結(jié)論。艮P， 在（110)面內(nèi)，輸入電極對(duì)的方向如果處于從[001]方向或[一 110]方向起的一 15°?+ 15°的角度范圍內(nèi)，則壓電電阻系數(shù)足夠大，特別是在[001]方向或[一 110]方向上具有最 大值。
[0186] 1. 2· 3· π ' 66 :(111)
[0187] 圖14表示了具備金剛石基壓電電阻的力檢測(cè)元件，所述金剛石基壓電電阻包含 導(dǎo)入了作為雜質(zhì)的硼的高取向性金剛石。在所述力檢測(cè)元件中，金剛石基壓電電阻形成于 金剛石基板的（111)面或與其等同的晶面，在金剛石基壓電電阻上相對(duì)的輸入電極對(duì)(輸 入電極32a、32a)和相對(duì)的輸出電極對(duì)(輸出電極32b、32b)，以垂直的方式配置。在所述力 檢測(cè)兀件中，向金剛石基壓電電阻施加的應(yīng)力施加方向，相對(duì)于輸入電極對(duì)(輸入電極32a、 32a)的方向?yàn)榧羟械姆较颉?br> [0188] 從圖14表示的壓電電阻系數(shù)的晶體取向依賴性的圖，能得出以下的結(jié)論。艮P， (111)面內(nèi)的壓電電阻系數(shù)66不具備方向依賴性而取一定的值。因此，即使產(chǎn)生金剛 石基壓電電阻的方向偏離，壓電電阻系數(shù)66也是一定的。因此，能夠使個(gè)體差最小。
[0189] 〈利用面外應(yīng)力的力檢測(cè)元件的結(jié)構(gòu)〉
[0190] 2· π ' 13, π ' 63 :(110)/ (111)
[0191] 圖15A表示了具備金剛石基壓電電阻的力檢測(cè)元件，所述金剛石基壓電電阻包含 導(dǎo)入了作為雜質(zhì)的硼的高取向性金剛石。在所述力檢測(cè)元件中，金剛石基壓電電阻形成于 金剛石基板的（110)面、（111)面或與它們等同的晶面。配置有在金剛石基壓電電阻上相對(duì) 的輸入電極對(duì)(輸入輸出共用電極22、22)。在所述力檢測(cè)元件中，向金剛石基壓電電阻施加 的應(yīng)力施加面，為（110)面、（111)面或與它們等同的晶面。
[0192] 如圖15A所示，金剛石基壓電電阻20形成于金剛石基板的（110)面、（111)面或與 它們等同的晶面。向金剛石基壓電電阻20施加的應(yīng)力施加面，為（110)面、（111)面或與它 們等同的晶面。即，應(yīng)力施加方向P4為[110]方向、[111]方向或與它們等同的晶體取向。
[0193] 當(dāng)把金剛石基壓電電阻形成于金剛石基板的（100)面方向或與其等同的晶面時(shí)， 壓電電阻系數(shù)13和31' 63的值基本為0。因此，使用（110)面或（111)面。
[0194] 〈利用面外應(yīng)力的力檢測(cè)元件的具體例子〉
[0195] 2. 1. π ' 13 : (110) / (111)
[0196] 圖15B表示了具備金剛石基壓電電阻的力檢測(cè)元件，所述金剛石基壓電電阻包含 導(dǎo)入了作為雜質(zhì)的硼的高取向性金剛石。在所述力檢測(cè)元件中，金剛石基壓電電阻形成于 金剛石基板的（110)面、（111)面或與它們等同的晶面。配置有在金剛石基壓電電阻的兩端 相對(duì)的輸入輸出共用電極對(duì)(輸入輸出共用電極22、22)。在所述力檢測(cè)兀件中，向金剛石基 壓電電阻施加的應(yīng)力施加面，為（110)面、（111)面或與它們等同的晶面。
[0197] 如圖15B所示，金剛石基壓電電阻20形成于金剛石基板的（110)面、（111)面或與 它們等同的晶面。向金剛石基壓電電阻20施加的應(yīng)力施加面，為（110)面、（111)面或與它 們等同的晶面。即，應(yīng)力施加方向P4為[110]方向、[111]方向或與它們等同的晶體取向。
[0198] 在所述力檢測(cè)元件中，在形成有金剛石基壓電電阻的面上，作用垂直的方向的壓 縮力。金剛石的壓縮強(qiáng)度為9GPa，是非常高的。因此，從強(qiáng)度、耐久性、穩(wěn)定性方面考慮，施 加有壓縮應(yīng)力的力檢測(cè)元件包含金剛石基壓電電阻是最佳的。當(dāng)在金剛石基板的（1〇〇)面 上形成本結(jié)構(gòu)的金剛石基壓電電阻時(shí)，壓電電阻系數(shù)成為0。因此，采用（110)面或（111) 面。
[0199] 2· 1· 1· π ' 13 :(110)
[0200] 圖16Α表示了具備金剛石基壓電電阻的力檢測(cè)元件，所述金剛石基壓電電阻包含 導(dǎo)入了作為雜質(zhì)的硼的高取向性金剛石。在所述力檢測(cè)元件中，金剛石基壓電電阻形成于 金剛石基板的（110)面或與其等同的晶面。在金剛石基壓電電阻的兩端相對(duì)的輸入輸出共 用電極對(duì)(輸入輸出共用電極22、22)以成為從[110]方向或與其等同的晶體取向起的一 30°?+30°的角度范圍內(nèi)的方式配置。在所述力檢測(cè)元件中，向金剛石基壓電電阻施加 的應(yīng)力施加面，為（110)面或與其等同的晶面。
[0201] (110)面內(nèi)的壓電電阻系數(shù)π ' 13,大于（111)面內(nèi)的壓電電阻系數(shù)π ' 13。因 此，能夠使力檢測(cè)元件高靈敏度化。
[0202] 從圖16A表示的壓電電阻系數(shù)的晶體取向依賴性的圖，能得出以下的結(jié)論。S卩，在 (110) 面內(nèi)，輸入輸出共用電極對(duì)的方向如果處于從[110]方向起的一 30°?十30°的角 度范圍內(nèi)，則壓電電阻系數(shù)足夠大，特別是在[110]方向上具有最大值。
[0203] 2. 1. 2. π 1 13 ：(111)
[0204] 圖16B表示了具備金剛石基壓電電阻的力檢測(cè)元件，所述金剛石基壓電電阻包含 導(dǎo)入了作為雜質(zhì)的硼的高取向性金剛石。在所述力檢測(cè)元件中，金剛石基壓電電阻形成于 金剛石基板的（111)面或與其等同的晶面。配置有在金剛石基壓電電阻的兩端相對(duì)的輸入 輸出共用電極對(duì)(輸入輸出共用電極22、22)。在所述力檢測(cè)元件中，向金剛石基壓電電阻施 加的應(yīng)力施加面，為（111)面或與其等同的晶面。
[0205] 從圖16B表示的壓電電阻系數(shù)的晶體取向依賴性的圖，能得出以下的結(jié)論。艮P， (111) 面內(nèi)的壓電電阻系數(shù)π' 13不具備方向依賴性而取一定的值。因此，即使當(dāng)產(chǎn)生金 剛石基壓電電阻的方向偏離時(shí)，壓電電阻系數(shù)13也是一定的。因此，能夠使個(gè)體差最 小。
[0206] 2. 1. 3· π ' 13 :(110)的惠斯通電橋< 1 >(兩組上都作用壓縮力）
[0207] 圖17表示了惠斯通電橋。所述惠斯通電橋包括相對(duì)的兩組金剛石基壓電電阻。金 剛石基壓電電阻形成于金剛石基板的（110)面或與其等同的晶面。在一組金剛石基壓電電 阻的兩端相對(duì)的輸入輸出共用電極對(duì)以成為從[一 110]方向或與其等同的晶體取向起的一 30°?+30°的角度范圍內(nèi)的方式配置。在另一組金剛石基壓電電阻的兩端相對(duì)的輸入輸 出共用電極對(duì)以成為從[001]方向或與其等同的晶體取向起的一 30°?+30°的角度范 圍內(nèi)的方式配置。
[0208] 圖17所示的惠斯通電橋，在金剛石基板的（110)面上形成有金剛石基壓電電阻 20C、20C和金剛石基壓電電阻20D、20D。所述惠斯通電橋具備金剛石基壓電電阻20C、20C 和金剛石基壓電電阻20D、20D。并且，所述惠斯通電橋包括與金剛石基壓電電阻20C、20C和 金剛石基壓電電阻20D、20D連接的布線圖案PT2以及與布線圖案PT2連接的端子51A、51B、 51C、51D。
[0209] 金剛石基壓電電阻20C、20C是相對(duì)的。金剛石基壓電電阻20D、20D是相對(duì)的。金 剛石基壓電電阻20C、20C的輸入輸出共用電極對(duì)(輸入輸出共用電極22C，22C)以成為從 [一 110]方向起的一 30°?+30°的角度范圍內(nèi)的方式配置。金剛石基壓電電阻20D、20D 的輸入輸出共用電極對(duì)(輸入輸出共用電極22D，22D)以成為從[001]方向起的一 30°?+ 30°的角度范圍內(nèi)的方式配置。
[0210] 所述的在另一組金剛石基壓電電阻的兩端相對(duì)的輸入輸出共用電極對(duì)以成為 [001]方向或與其等同的晶體取向的方式配置。由此，基本上不產(chǎn)生因壓縮力造成的電阻變 化。因此，相比使用單個(gè)金剛石基壓電電阻，能夠加大來自惠斯通電橋的輸出。此外，能夠 消除電阻值的溫度依賴性。
[0211] 從圖16A表示的壓電電阻系數(shù)的晶體取向依賴性的圖，能得出以下的結(jié)論。SP，在 (110)面內(nèi)，輸入輸出共用電極對(duì)(輸入輸出共用電極22C、22C)的方向如果處于從[一 110] 方向起的一 30°?+30°的角度范圍內(nèi)，則壓電電阻系數(shù)足夠大，特別是在[一 110]方 向上具有最大值。此外，在（110)面內(nèi)，如果輸入輸出共用電極對(duì)(輸入輸出共用電極22D、 22D)的方向處于從[001]方向起的一 30°?+30°的角度范圍內(nèi)，則壓電電阻系數(shù)足夠 小，特別是在[001]方向上具有最小值。
[0212] 2. 1.4. π ' 13 :(110)/ (111)的惠斯通電橋(僅對(duì)一組作用壓縮力）
[0213] 在圖17所示的惠斯通電橋中，可以由相對(duì)的兩組金剛石基壓電電阻構(gòu)成惠斯通 電橋。此外，可以僅對(duì)一組金剛石基壓電電阻施加應(yīng)力。
[0214] 此時(shí)，對(duì)一組金剛石基壓電電阻作用壓縮力。因此，另一組金剛石基壓電電阻基本 不產(chǎn)生因壓縮力造成的電阻變化。因此，相比使用單個(gè)金剛石基壓電電阻，能夠加大來自惠 斯通電橋的輸出。此外，能夠消除電阻值的溫度依賴性。
[0215] 金剛石基壓電電阻的、作用壓縮力的塊面，也可以具有臺(tái)階，使得僅使一組金剛石 基壓電電阻被施加應(yīng)力。如后述的2. 1.4.2.所示，還可以加大被作用壓縮力的一組金剛石 基壓電電阻的厚度。
[0216] 2. 1. 4. 1. π ' 13 :(110)的惠斯通電橋< 2 >
[0217] 圖18表示了包含相對(duì)的兩組金剛石基壓電電阻的惠斯通電橋(力檢測(cè)元件)。僅 有一組金剛石基壓電電阻被施加應(yīng)力。在一組金剛石基壓電電阻的兩端相對(duì)的輸入輸出共 用電極對(duì)，以成為[一 110]方向或與其等同的晶體取向的方式配置。
[0218] 如圖18所示，所述惠斯通電橋在金剛石基板的（110)面上形成有金剛石基壓電電 阻20E、20E和金剛石基壓電電阻20F、20F。所述惠斯通電橋具備金剛石基壓電電阻20E、20E 和金剛石基壓電電阻20F、20F。并且，所述惠斯通電橋包括與金剛石基壓電電阻20E、20E和 金剛石基壓電電阻20F、20F連接的布線圖案PT3以及和布線圖案PT3連接的端子52A、52B、 52C、52D。
[0219] 金剛石基壓電電阻20E、20E是相對(duì)的。金剛石基壓電電阻20F、20F是相對(duì)的。金 剛石基壓電電阻20E、20E的輸入輸出共用電極對(duì)(輸入輸出共用電極22E、22E)以成為從 [一 110]方向起的一 30°?+30°的角度范圍內(nèi)的方式配置。
[0220] 如圖18所示，例如對(duì)金剛石基壓電電阻20E、20E作用壓縮力，并且對(duì)金剛石基壓 電電阻20F、20F未作用壓縮力。
[0221] 2. L 4· 2· π ' 13 :(111)的惠斯通電橋
[0222] 圖19表示了包含相對(duì)的兩組金剛石基壓電電阻的惠斯通電橋(力檢測(cè)元件)。一 組金剛石基壓電電阻的厚度，大于另一組金剛石基壓電電阻的厚度。只有較厚一方的一組 金剛石基壓電電阻被施加應(yīng)力。
[0223] 圖19所示的惠斯通電橋在金剛石基板的（111)面上形成有金剛石基壓電電阻 20G、20G和金剛石基壓電電阻20H、20H。所述惠斯通電橋具備金剛石基壓電電阻20G、20G 和金剛石基壓電電阻20H、20H。并且，所述惠斯通電橋包括與金剛石基壓電電阻20G、20G和 金剛石基壓電電阻20H、20H連接的布線圖案PT4以及與布線圖案PT4連接的端子53A、53B、 53C、53D。
[0224] 從圖16B表示的壓電電阻系數(shù)的晶體取向依賴性的圖，能得出以下的結(jié)論。艮P， (111)面內(nèi)的壓電電阻系數(shù)π' 13不具備方向依賴性而取一定的值。因此，即使當(dāng)發(fā)生金 剛石基壓電電阻的方向偏離時(shí)，壓電電阻系數(shù)13也是一定的。因此，能夠使個(gè)體差最 小。
[0225] 此外，一組金剛石基壓電電阻20G、20G的厚度，大于另一組金剛石基壓電電阻 20H、20H的厚度。由此，對(duì)一組金剛石基壓電電阻20G、20G作用壓縮力。因此，另一組金剛 石基壓電電阻20H、20H基本不產(chǎn)生因壓縮力造成的電阻變化。因此，相比使用單個(gè)金剛石 基壓電電阻，能夠加大惠斯通電橋的輸出。此外，能夠消除電阻值的溫度依賴性。
[0226] 2.2.nf 63:(110)
[0227] 圖20表示了具備金剛石基壓電電阻的力檢測(cè)元件，所述金剛石基壓電電阻包含 導(dǎo)入了作為雜質(zhì)的硼的高取向性金剛石。在所述力檢測(cè)元件中，金剛石基壓電電阻30形 成于金剛石基板的（110)面或與其等同的晶面。在金剛石基壓電電阻上相對(duì)的輸入電極對(duì) (輸入電極32a、32a)和相對(duì)的輸出電極對(duì)(輸出電極32b、32b)，彼此以垂直的方式配置。并 且，相對(duì)的輸入電極對(duì)(輸入電極32a、32a)以成為從[一 110]方向或與其等同的晶體取向 偏離45°的方向起的一 15°?+15°的角度范圍內(nèi)的方式配置。向金剛石基壓電電阻施 加的應(yīng)力施加面，為（110)面或與其等同的晶面。
[0228] 在所述力檢測(cè)元件中，利用單個(gè)電阻，能像惠斯通電橋一樣消除電阻值的溫度依 賴性。因此，能夠使力檢測(cè)元件更小型化。
[0229] 從圖20表示的壓電電阻系數(shù)的晶體取向依賴性的圖，能得出以下的結(jié)論。即，在 (110)面內(nèi)，輸入電極對(duì)的方向如果處于從[一 110]方向偏離45°的方向起的一 15°?+ 15°的角度范圍內(nèi)，則壓電電阻系數(shù)足夠大，特別是在從[一 110]方向偏離45°的方向上 具有最大值。
[0230] 2· 3· π ' 13, π ' 63 :通過（110)/ (111)上的緩沖塊的應(yīng)力施加
[0231] 圖21A表示了力轉(zhuǎn)換元件。所述力轉(zhuǎn)換元件具備包含金剛石基壓電電阻60的本 力檢測(cè)元件、緩沖塊61和受壓基板62。金剛石基壓電電阻60包含導(dǎo)入了作為雜質(zhì)的硼的 高取向性金剛石。緩沖塊61粘接在金剛石基壓電電阻60的應(yīng)力施加面上。受壓基板62 粘接在緩沖塊61的與粘接有金剛石基壓電電阻60的面相反一側(cè)的面上。受壓基板62對(duì) 緩沖塊61施加壓縮力。緩沖塊61的熱膨脹率比受壓基板62的熱膨脹率小。
[0232] 金剛石基壓電電阻60是包含在所述的"2. π ' 13, π ' 63 :(110)/ (111)"項(xiàng)所 示的力檢測(cè)元件中的金剛石基壓電電阻。金剛石基壓電電阻60形成在基板63上。金剛石 基壓電電阻60具備電阻60a以及與電阻60a的兩端部連接的電極60b、60b。基板63通過 固定板64固定。受壓基板62的外周部和固定板64的外周部與支承臺(tái)65連接。
[0233] 作為向金剛石基壓電電阻施加應(yīng)力的方法，有從接受來自外部的壓力的受壓基板 直接施加壓縮力的方法、以及通過塊(緩沖塊61)施加壓縮力的方法。前者會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)上的 制約。并且，力檢測(cè)元件會(huì)直接受到起因于受壓基板和金剛石基壓電電阻的熱膨脹率差的 熱變形的影響。后者受到結(jié)構(gòu)上的制約和熱變形的影響少。此外，通過使緩沖塊的熱膨脹 率小于受壓基板的熱膨脹率，能夠緩和施加在金剛石基壓電電阻上的、來自受壓基板的熱 變形。
[0234] 特別是通過使用金剛石作為緩沖塊61，可以將對(duì)金剛石基壓電電阻60的熱膨脹 的影響抑制在最小限度。當(dāng)緩沖塊61采用其他材料時(shí)，由于緩沖塊61的壓縮強(qiáng)度，金剛石 基壓電電阻60上施加的壓縮應(yīng)力受到限制。當(dāng)采用金剛石作為緩沖塊61的材料時(shí)，金剛 石基壓電電阻60上施加的壓縮應(yīng)力不會(huì)因緩沖塊61受到限制。因此，能夠最大限度地利 用金剛石基壓電電阻60的性能。
[0235] 2·4· π ' 13, π ' 63 :(110)/ (111)的耐腐蝕性受壓基板一體結(jié)構(gòu)
[0236] 圖21B表示了力轉(zhuǎn)換元件。所述力轉(zhuǎn)換元件具備包含金剛石基壓電電阻70的本 力檢測(cè)元件、緩沖塊71和單晶金剛石受壓基板73。緩沖塊71粘接在金剛石基壓電電阻70 的應(yīng)力施加 面上。單晶金剛石受壓基板73的表面形成有金剛石基壓電電阻70。通過從單 晶金剛石受壓基板73的背面施加壓縮力，金剛石基壓電電阻70從緩沖塊71受到壓縮力。
[0237] 金剛石基壓電電阻70是包含在所述的"2. π ' 13, π ' 63 :(110)/ (111)"項(xiàng)所 示的力檢測(cè)元件中的金剛石基壓電電阻。金剛石基壓電電阻70形成在單晶金剛石受壓基 板73上。金剛石基壓電電阻70具備電阻70a以及與電阻70a的兩端部連接的電極70b、 70b。緩沖塊71由固定板74固定在與單晶金剛石受壓基板73的抵接面相反一側(cè)的面（圖 21B的下表面)上。單晶金剛石受壓基板73的外周部和固定板74的外周部與支承臺(tái)75連 接。
[0238] 緩沖塊71可以與緩沖塊61相同，并能得到同樣的效果。
[0239] 在圖21B所示的力轉(zhuǎn)換元件中，可以將單晶金剛石受壓基板73作為液體接觸面或 者氣體接觸面使用。由此，能夠顯著提高耐腐蝕性。當(dāng)使用隔膜時(shí)，為了降低彎曲量的個(gè)體 差，要精密控制隔膜的厚度。通過使用受壓基板，無需嚴(yán)格地控制厚度。
[0240] 3.高取向性金剛石的種類
[0241] 取向性是指晶軸的一致性的程度。高取向性金剛石是指晶軸的一致性良好的金剛 石。例如，通過在所述實(shí)施方式采用的單晶金剛石基板上同質(zhì)外延生長做成的單晶金剛石 膜，具有高取向性、高結(jié)晶性以及低缺陷密度。由于所述的單晶金剛石膜基本沒有晶界，因 此是適合本發(fā)明的力檢測(cè)元件的材料。以和基板結(jié)晶具有某一定的晶體取向關(guān)系的方式堆 積生長的異質(zhì)外延金剛石以及其他的高取向性多晶金剛石，也同樣地能具有晶體取向依賴 性，可以適用于本發(fā)明的力檢測(cè)元件。關(guān)于異質(zhì)外延金剛石，可以在MgO基板或藍(lán)寶石基板 上以外延Ir作為基底，生長結(jié)晶性優(yōu)異的外延金剛石。這樣的異質(zhì)外延金剛石也能具有晶 體取向依賴性。此外，高取向性金剛石的生長顆粒的生長方向和面內(nèi)方向，在基板上取向。 因此，高取向性金剛石也能具有晶體取向依賴性。
[0242] 4.縱式金剛石基壓電電阻
[0243] 圖22A?圖22D表示了力檢測(cè)元件。在所述力檢測(cè)元件中，高濃度硼摻雜外延金 剛石、低濃度硼摻雜外延金剛石和高濃度硼摻雜外延金剛石依次層疊在面方向上。
[0244] 圖22A是力檢測(cè)元件的剖視圖。圖22B是從圖22A的B - B線方向看到的俯視圖。
[0245] 如圖22A?圖22D所示，縱式金剛石基壓電電阻(金剛石層疊體)80包含金剛石層 疊體。在所述金剛石層疊體中，高濃度硼摻雜外延金剛石層81、低濃度硼摻雜外延金剛石 層82和高濃度硼摻雜外延金剛石層83依次層疊在面方向（圖22A的上方向）上。此外，電 極84a和電極84b包含Ti/Au層。電極84a與高濃度硼摻雜外延金剛石層81連接。電極 84b與高濃度硼摻雜外延金剛石層83連接。
[0246] 由此，可以使電阻成為縱式結(jié)構(gòu)。通過形成縱式結(jié)構(gòu)，可以減小壓電電阻的低電阻 化和/或制造工序中的位置偏離的影響。通過層疊用于降低接觸電阻的高濃度硼摻雜金剛 石（HBDD)以及作為壓電電阻采用的低濃度硼摻雜金剛石（LBDD)，可以制作壓電電阻。在縱 式結(jié)構(gòu)中，低濃度硼摻雜金剛石的結(jié)晶性得到提高。此外，為降低接觸電阻，形成作為基底 的高濃度硼摻雜金剛石。例如，如圖22C所示，以在金剛石基板的（110)面上成為HBDD - LBDD - HBDD的層疊結(jié)構(gòu)的方式形成金剛石基壓電電阻。當(dāng)向金剛石基壓電電阻施加的應(yīng) 力施加方向?yàn)閇110]方向或與其等同的晶體取向時(shí)，可以利用壓電電阻系數(shù)π ' 12。此外， 也可以以在金剛石基板的（110)面上成為HBDD - LBDD - HBDD的層疊結(jié)構(gòu)的方式形成金 剛石基壓電電阻。當(dāng)向金剛石基壓電電阻施加的應(yīng)力施加面為（110)面或與其等同的晶面 時(shí)，可以利用壓電電阻系數(shù)η ' 11。
[0247] 〈變形例〉
[0248] 在所述試驗(yàn)（實(shí)施方式）中，將相對(duì)于碳的、外延生長時(shí)的硼的氣相中的濃度設(shè) 為兩種（4. 5ppm和5000ppm)。對(duì)于相對(duì)于碳的、外延生長時(shí)的硼的氣相中的濃度，可以在 0. Olppm?10%左右的范圍內(nèi)選擇任意的濃度。
[0249] 向單晶金剛石基板上合成單晶金剛石膜的合成方法，沒有特別限定。作為所述合 成方法，例如可以舉出熱絲CVD法、微波等離子體CVD法、直流等離子體CVD法、高溫高壓合 成法、電弧等離子體噴射法和物理蒸鍍法。作為單晶金剛石的成膜方法，可以舉出微波等離 子體CVD法。按照微波等離子體CVD法，金屬等雜質(zhì)不易進(jìn)入，缺陷受到抑制。
[0250] 在金剛石的化學(xué)氣相沉積法中，作為能夠抑制單晶金剛石合成時(shí)產(chǎn)生缺陷的方 法，例如可以舉出以下的（1)?（3)的方法。
[0251] (1)通過向原料氣體中添加微量的雜質(zhì)成分，使特定的晶面優(yōu)先生長。
[0252] (2)選擇使特定的晶面優(yōu)先取向的條件。
[0253] (3)準(zhǔn)備表面相對(duì)于能外延生長的晶面具有微小的傾斜(偏離角）的基板。通過臺(tái) 階流動(dòng)生長，使金剛石在所述基板上生長。
[0254] 在所述實(shí)施例中，將金剛石基壓電電阻的表面取向設(shè)為{ 100 }{ 110 }{ 111 }。這些 表面取向也可以以具有〇?10°左右的偏離角的方式傾斜。
[0255] 用于向金剛石膜賦予導(dǎo)電性的摻雜劑，可以是p型摻雜劑，也可以是η型摻雜劑。 作為Ρ型摻雜劑，例如可以舉出Β (硼)。作為η型摻雜劑，例如可以舉出Ρ (磷)、Ν (氮)、S (硫黃)、As (砷)、Sb (銻)。特別是Β (硼）可以進(jìn)行高濃度的摻雜。此外，Β (硼）的受主能 級(jí)（0. 37eV)比其他的摻雜劑小。
[0256] 作為用于向金剛石膜賦予導(dǎo)電性的雜質(zhì)導(dǎo)入法，例如可以舉出CVD合成時(shí)與原料 氣體一起混入摻雜劑氣體的方法、利用熱擴(kuò)散的方法和利用離子注入的方法。
[0257] 可以如所述的"金剛石基壓電電阻的制作工序"中13)的Ti/Au濺射（圖2)所示的， 形成金屬碳化物，與單晶金剛石基壓電電阻和進(jìn)行歐姆接觸的金屬膜（Ti) 一起，形成用于 進(jìn)行金屬膜的保護(hù)和引線接合的、由金屬構(gòu)成的保護(hù)膜（Au)。前者的金屬膜的材料例如可 以是 Ti (鈦)、V (釩)、Cr (鉻)、Mo (鑰)、W (鎢)、SiC (碳化硅)、Ta (鉭)、Nb (鈮)、Zr (鋯)、 Tie (碳化鈦)、VC (碳化釩)、Cr3C2 (碳化鉻)、Mo2C (碳化鑰)、WC (碳化鎢)、TaC (碳化鉭)、 NbC (碳化鈮）或ZrC (碳化鋯）的單質(zhì)或合金。由金屬構(gòu)成的保護(hù)膜的材料例如可以是Ni (鎳)、Cu (銅)、Fe (鐵)、Co (鈷)、Au (金)、Pt (白金）或A1 (鋁）的單質(zhì)或合金。此外，保護(hù) 膜也可以是將所述的金屬作為成分的多層膜。
[0258] 在所述的"金剛石基壓電電阻的制作工序"中，在真空爐內(nèi)進(jìn)行退火（圖3的19)退 火)。由此，金剛石基壓電電阻一 Ti之間的接觸電阻降低并且提高了它們的貼緊性。作為 緩沖層，可以在金剛石基壓電電阻一 Ti之間導(dǎo)入高濃度硼摻雜金剛石層。
[0259] 圖23A是表示所述緩沖層的剖視圖，圖23B是圖23A中的B - B線俯視圖。
[0260] 如圖23A和圖23B所示，金剛石基壓電電阻包含p型單晶金剛石膜2和Ti/Au膜 5。在p型單晶金剛石膜2和Ti/Au膜5之間作為緩沖層BF，設(shè)有高濃度硼摻雜金剛石層。 通過導(dǎo)入所述緩沖層，無需進(jìn)行退火就能降低金屬布線和金剛石基壓電電阻的接觸電阻。
[0261] 此外，取代真空爐內(nèi)的退火，也可以在不活潑氣體環(huán)境下進(jìn)行退火。作為不活潑氣 體，例如使用N2 (氮）氣、Ar (氬）氣或He (氦）氣。退火溫度例如以在進(jìn)行了濺射的金屬和 金剛石的接合面上形成碳化物的方式，設(shè)在200°C - 1200°C的范圍。
[0262] 隔膜形狀例如為四邊形、圓形或者橢圓形。
[0263] 關(guān)于惠斯通電橋中的壓電電阻的配置，可以將一組單晶金剛石基壓電電阻形成在 隔膜端部，將另一組單晶金剛石基壓電電阻形成在隔膜外的區(qū)域。
[0264] 此外作為另一配置方式，例如也可以在隔膜中央部形成一組單晶金剛石基壓電電 阻。此外，也可以在隔膜端部形成另一組單晶金剛石基壓電電阻。當(dāng)中央部產(chǎn)生壓縮(拉伸） 方向的變形時(shí)，在端部產(chǎn)生拉伸(壓縮)方向的變形。因此，可以加大包含所述兩組導(dǎo)電性單 晶金剛石基壓電電阻的電橋電路的輸出。
[0265] 此外，作為另一實(shí)施方式，也可以在惠斯通電橋內(nèi)的電源側(cè)或者接地端子側(cè)，連接 兩個(gè)金剛石基壓電電阻。例如，可以在隔膜中央部形成一個(gè)單晶金剛石基壓電電阻。此外， 可以在隔膜端部形成另一個(gè)單晶金剛石基壓電電阻。其余的兩個(gè)電阻可以是容易由激光微 調(diào)器進(jìn)行電阻值調(diào)整的金屬薄膜電阻。當(dāng)中央部產(chǎn)生壓縮(拉伸）方向的變形時(shí)，在端部產(chǎn) 生拉伸（壓縮）方向的變形。因此，可以加大包含所述兩組導(dǎo)電性單晶金剛石基壓電電阻的 電橋電路的輸出。并且，可以通過金屬薄膜電阻調(diào)整偏置電壓（才7卜電圧)。
[0266] 在所述實(shí)施方式中，金剛石基壓電電阻所含的外延金剛石可以是異質(zhì)外延金剛 石、高取向性金剛石。關(guān)于異質(zhì)外延金剛石，可以在MgO基板或藍(lán)寶石基板上將外延Ir作 為基底，生長結(jié)晶性優(yōu)異的外延金剛石。這樣的異質(zhì)外延金剛石也能具有晶體取向依賴性。 此外，在高取向性金剛石中，生長顆粒的生長方向和面內(nèi)方向，在基板上取向。因此，高取向 性金剛石也能具有晶體取向依賴性。
[0267] 圖24例示了本說明書記載的"等同的"方向和"等同的"面。使用<u v ?>這 種尖括號(hào)，統(tǒng)一表示等同的方向。此外，使用{u V w}這種花括號(hào)，統(tǒng)一表示等同的面。
[0268] 如上所述，按照本發(fā)明，例如通過利用高取向性金剛石基壓電電阻的晶體取向依 賴性，可以制作能在高溫環(huán)境下穩(wěn)定使用的各種結(jié)構(gòu)的力檢測(cè)元件或力轉(zhuǎn)換元件。
[0269] 本發(fā)明的應(yīng)用范圍不限于所述實(shí)施方式。對(duì)于具備包含導(dǎo)入了作為雜質(zhì)的硼的高 取向性金剛石的金剛石基壓電電阻的力檢測(cè)元件或力轉(zhuǎn)換元件，可以廣泛應(yīng)用本發(fā)明。
[0270] 另外，關(guān)于圖6B，當(dāng)沿主軸取直角坐標(biāo)時(shí)，由于金剛石為立方晶體，所以應(yīng)力（^和 電阻率的變化部分Λ p i的關(guān)系，可以利用壓電電阻系數(shù)πu作為規(guī)定的矩陣取得聯(lián)系。
[0271] 在對(duì)金剛石基壓電電阻作用壓縮力的塊面上，可以以僅向一組金剛石基壓電電阻 施加應(yīng)力的方式設(shè)置臺(tái)階，也可以如2. 1. 4. 2.那樣加大作用有壓縮力的一組金剛石基壓 電電阻的厚度。
[0272] 此外，本發(fā)明的元件可以是下面的第1力檢測(cè)元件?第23力檢測(cè)元件或第1力轉(zhuǎn) 換元件和第2力轉(zhuǎn)換元件。
[0273] 第1力檢測(cè)元件，其具備金剛石基壓電電阻，所述金剛石基壓電電阻包含導(dǎo)入了 作為雜質(zhì)的硼的高取向性金剛石，所述金剛石基壓電電阻的壓電電阻系數(shù)的絕對(duì)值，大于 將< 100 >方向作為主軸時(shí)的壓電電阻系數(shù)π 11或Ji 12的絕對(duì)值。
[0274] 第2力檢測(cè)元件，在第1力檢測(cè)元件中，所述力檢測(cè)元件還具備：金剛石基板；以 及輸入電極對(duì)，在所述金剛石基壓電電阻上相對(duì)，所述金剛石基壓電電阻形成在所述金剛 石基板的（100)面、（110)面、（111)面、或與（100)面、（110)面和（111)面分別等同的晶面 上，向所述金剛石基壓電電阻施加的應(yīng)力施加方向，相對(duì)于所述輸入電極對(duì)為相同的方向 或垂直的方向或剪切的方向。
[0275] 第3力檢測(cè)元件，在第2力檢測(cè)元件中，所述輸入電極對(duì)是輸入輸出共用電極對(duì)， 所述輸入輸出共用電極對(duì)在所述金剛石基壓電電阻的兩端相對(duì)，向所述金剛石基壓電電阻 施加的應(yīng)力施加方向是與所述輸入輸出共用電極對(duì)相同的方向或垂直的方向。
[0276] 第4力檢測(cè)元件，在第3力檢測(cè)元件中，所述金剛石基壓電電阻形成在所述金剛石 基板的（100)面或與（100)面等同的晶面上，所述輸入輸出共用電極對(duì)以成為從[011]方向 或與其等同的晶體取向起的一 15°?+ 15°的角度范圍的方式配置。
[0277] 第5力檢測(cè)元件，在第3力檢測(cè)元件中，所述金剛石基壓電電阻形成在所述金剛石 基板的（110)面或與（110)面等同的晶面上，所述輸入輸出共用電極對(duì)以成為從[110]方向 或與[110]方向等同的晶體取向起的一 60°?+60°的角度范圍內(nèi)的方式配置，向所述金 剛石基壓電電阻施加的應(yīng)力施加方向是與所述輸入輸出共用電極對(duì)相同的方向。
[0278] 第6力檢測(cè)元件，在第3力檢測(cè)元件中，所述金剛石基壓電電阻形成在所述金剛石 基板的（110)面或與（110)面等同的晶面上，所述輸入輸出共用電極對(duì)以成為從[110]方向 或與[110]方向等同的晶體取向偏離45°的方向起的一 15°?十15°的角度范圍內(nèi)的方 式配置，向所述金剛石基壓電電阻施加的應(yīng)力施加方向是與所述輸入輸出共用電極對(duì)垂直 的方向。
[0279] 第7力檢測(cè)元件，在第3力檢測(cè)元件中，所述金剛石基壓電電阻形成在所述金剛石 基板的（111)面或與（111)面等同的晶面上。
[0280] 第8力檢測(cè)元件，在第3力檢測(cè)元件中，所述力檢測(cè)元件包括惠斯通電橋，所述惠 斯通電橋包括相對(duì)的兩組所述金剛石基壓電電阻，向一組所述金剛石基壓電電阻施加的應(yīng) 力施加方向是與所述輸入輸出共用電極對(duì)相同的方向，向另一組所述金剛石基壓電電阻施 加的應(yīng)力施加方向是與所述輸入輸出共用電極對(duì)垂直的方向。
[0281] 第9力檢測(cè)元件，在第2力檢測(cè)元件中，所述力檢測(cè)元件還具備相對(duì)的輸出電極 對(duì)，所述輸出電極對(duì)以與所述輸入電極對(duì)垂直的方式配置，向所述金剛石基壓電電阻施加 的應(yīng)力施加方向相對(duì)于所述輸入電極對(duì)是剪切的方向。
[0282] 第10力檢測(cè)元件，在第9力檢測(cè)元件中，所述金剛石基壓電電阻形成在所述金剛 石基板的（100)面或與（100)面等同的晶面上，相對(duì)的所述輸入電極對(duì)以成為從[010]方向 或與[010]方向等同的晶體取向起的一 15°?十15°的角度范圍內(nèi)的方式配置。
[0283] 第11力檢測(cè)元件，在第9力檢測(cè)元件中，所述金剛石基壓電電阻形成在所述金剛 石基板的（110)面或與（110)面等同的晶面上，相對(duì)的所述輸入電極對(duì)以成為從[110]方 向、或[001]方向、或與[110]方向或[001]方向分別等同的晶體取向起的一 15°?+ 15° 的角度范圍內(nèi)的方式配置。
[0284] 第12力檢測(cè)元件，在第9力檢測(cè)元件中，所述金剛石基壓電電阻形成在所述金剛 石基板的（111)面或與（111)面等同的晶面上。
[0285] 第13力檢測(cè)元件，在第1力檢測(cè)元件中，所述力檢測(cè)元件還具備：金剛石基板；以 及輸入電極對(duì)，在所述金剛石基壓電電阻上相對(duì)，所述金剛石基壓電電阻形成在所述金剛 石基板的（110)面、（111)面、或與（110)面和（111)面分別等同的晶面上，向所述金剛石基 壓電電阻施加的應(yīng)力施加面為（110)面、（111)面、或與（110)面和（111)面分別等同的晶 面。
[0286] 第14力檢測(cè)元件，在第13力檢測(cè)元件中，所述輸入電極對(duì)是輸入輸出共用電極 對(duì)，所述輸入輸出共用電極對(duì)在所述金剛石基壓電電阻的兩端相對(duì)。
[0287] 第15力檢測(cè)元件，在第14力檢測(cè)元件中，所述金剛石基壓電電阻形成在所述金剛 石基板的（110)面或與（110)面等同的晶面上，所述輸入輸出共用電極對(duì)以成為從[110]方 向或與[110]方向等同的晶體取向起的一 30°?+30°的角度范圍內(nèi)的方式配置，向所述 金剛石基壓電電阻施加的應(yīng)力施加面是（110)面或與（110)面等同的晶面。
[0288] 第16力檢測(cè)元件，在第14力檢測(cè)元件中，所述金剛石基壓電電阻形成在所述金剛 石基板的（111)面或與（111)面等同的晶面上，向所述金剛石基壓電電阻施加的應(yīng)力施加 面是（111)面或與（111)面等同的晶面。
[0289] 第17力檢測(cè)元件，在第14力檢測(cè)元件中，所述力檢測(cè)元件包括惠斯通電橋，所述 惠斯通電橋包括相對(duì)的兩組所述金剛石基壓電電阻，所述金剛石基壓電電阻形成在所述 金剛石基板的（110)面或與（110)面等同的晶面上，在一組所述金剛石基壓電電阻的兩端 相對(duì)的所述輸入輸出共用電極對(duì)以成為從[110]方向或與[110]方向等同的晶體取向起 的一 30°?+30°的角度范圍內(nèi)的方式配置，在另一組所述金剛石基壓電電阻的兩端相 對(duì)的所述輸入輸出共用電極對(duì)以成為從[00 1 ]方向或與[00 1 ]方向等同的晶體取向起的一 30°?+30°的角度范圍內(nèi)的方式配置。
[0290] 第18力檢測(cè)元件，在第14力檢測(cè)元件中，所述力檢測(cè)元件包括惠斯通電橋，所述 惠斯通電橋包括相對(duì)的兩組所述金剛石基壓電電阻，僅對(duì)一組所述金剛石基壓電電阻施加 應(yīng)力。
[0291] 第19力檢測(cè)元件，在第18力檢測(cè)元件中，在被施加應(yīng)力的所述一組所述金剛石基 壓電電阻的兩端相對(duì)的所述輸入輸出共用電極對(duì)以成為[110]方向或與[110]方向等同的 晶體取向的方式配置。
[0292] 第20力檢測(cè)元件，在第18力檢測(cè)元件中，被施加應(yīng)力的所述一組所述金剛石基壓 電電阻的厚度，大于另一組所述金剛石基壓電電阻的厚度。
[0293] 第21力檢測(cè)元件，在第13力檢測(cè)元件中，所述力檢測(cè)元件還具備相對(duì)的輸出電極 對(duì)，所述輸出電極對(duì)以與所述輸入電極對(duì)垂直的方式配置，所述金剛石基壓電電阻形成在 所述金剛石基板的（110)面或與（110)面等同的晶面上，相對(duì)的所述輸入電極對(duì)以成為從 [110]方向或與[110]方向等同的晶體取向偏離45°的方向起的一 15°?+15°的角度 范圍內(nèi)的方式配置，向所述金剛石基壓電電阻施加的應(yīng)力施加面是（110)面或與（110)面 等同的晶面。
[0294] 第1力轉(zhuǎn)換元件，其包括：第13力檢測(cè)元件?第21力檢測(cè)元件中的任意一項(xiàng)所述 的力檢測(cè)元件；緩沖塊，粘接在所述金剛石基壓電電阻的應(yīng)力施加面上；以及受壓基板，粘 接在所述緩沖塊的、與粘接有所述金剛石基壓電電阻的面相反一側(cè)的面上，向所述緩沖塊 施加壓縮力，所述緩沖塊的熱膨脹率小于所述受壓基板的熱膨脹率。
[0295] 第2力轉(zhuǎn)換元件，其包括：所述金剛石基板是單晶金剛石受壓基板的第13力檢測(cè) 元件?第21力檢測(cè)元件中的任意一項(xiàng)所述的力檢測(cè)元件；以及緩沖塊，粘接在所述金剛石 基壓電電阻的應(yīng)力施加面上，通過從所述單晶金剛石受壓基板的背面施加壓縮力，所述金 剛石基壓電電阻從所述緩沖塊接受壓縮力。
[0296] 第22力檢測(cè)元件，在第1力檢測(cè)元件?第21力檢測(cè)元件中的任意一項(xiàng)所述的力 檢測(cè)元件中，所述金剛石基壓電電阻包含單晶金剛石或異質(zhì)外延金剛石。
[0297] 第23力檢測(cè)元件，在第1力檢測(cè)元件?第6力檢測(cè)元件中的任意一項(xiàng)所述的力檢 測(cè)元件中，所述金剛石基壓電電阻包括金剛石層疊體，在所述金剛石層疊體中，在面方向上 依次層疊有高濃度硼摻雜外延金剛石、低濃度硼摻雜外延金剛石以及高濃度硼摻雜外延金 剛石。
[0298] 出于示例和說明的目的已經(jīng)給出了所述詳細(xì)的說明。根據(jù)上面的教導(dǎo)，許多變形 和改變都是可能的。所述的詳細(xì)說明并非沒有遺漏或者旨在限制在這里說明的主題。盡 管已經(jīng)通過文字以特有的結(jié)構(gòu)特征和/或方法過程對(duì)所述主題進(jìn)行了說明，但應(yīng)當(dāng)理解的 是，權(quán)利要求書中所限定的主題不是必須限于所述的具體特征或者具體過程。更確切地說， 將所述的具體特征和具體過程作為實(shí)施權(quán)利要求書的示例進(jìn)行了說明。
【權(quán)利要求】
1. 一種力檢測(cè)元件，其特征在于， 所述力檢測(cè)元件具備金剛石基壓電電阻，所述金剛石基壓電電阻包含導(dǎo)入了作為雜質(zhì) 的硼的高取向性金剛石， 所述金剛石基壓電電阻的壓電電阻系數(shù)的絕對(duì)值，大于將< 100 >方向作為主軸時(shí)的 壓電電阻系數(shù)π 11或π 12的絕對(duì)值。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的力檢測(cè)元件，其特征在于， 所述力檢測(cè)元件還具備： 金剛石基板；以及 輸入電極對(duì)，在所述金剛石基壓電電阻上相對(duì)， 所述金剛石基壓電電阻形成在所述金剛石基板的（100)面、（110)面、（111)面、或與 (100)面、（110)面和（111)面分別等同的晶面上， 向所述金剛石基壓電電阻施加的應(yīng)力施加方向，相對(duì)于所述輸入電極對(duì)為相同的方向 或垂直的方向或剪切的方向。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的力檢測(cè)元件，其特征在于， 所述輸入電極對(duì)是輸入輸出共用電極對(duì)，所述輸入輸出共用電極對(duì)在所述金剛石基壓 電電阻的兩端相對(duì)， 向所述金剛石基壓電電阻施加的應(yīng)力施加方向是與所述輸入輸出共用電極對(duì)相同的 方向或垂直的方向。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的力檢測(cè)元件，其特征在于， 所述力檢測(cè)元件還具備相對(duì)的輸出電極對(duì)，所述輸出電極對(duì)以與所述輸入電極對(duì)垂直 的方式配置， 向所述金剛石基壓電電阻施加的應(yīng)力施加方向相對(duì)于所述輸入電極對(duì)是剪切的方向。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的力檢測(cè)元件，其特征在于， 所述力檢測(cè)元件還具備： 金剛石基板；以及 輸入電極對(duì)，在所述金剛石基壓電電阻上相對(duì)， 所述金剛石基壓電電阻形成在所述金剛石基板的（110)面、（111)面、或與（110)面和 (111)面分別等同的晶面上， 向所述金剛石基壓電電阻施加的應(yīng)力施加面為（110)面、（111)面、或與（110)面和 (111)面分別等同的晶面。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的力檢測(cè)元件，其特征在于，所述輸入電極對(duì)是輸入輸出共用 電極對(duì)，所述輸入輸出共用電極對(duì)在所述金剛石基壓電電阻的兩端相對(duì)。
7. -種力轉(zhuǎn)換元件，其特征在于， 所述力轉(zhuǎn)換元件包括： 權(quán)利要求5或6所述的力檢測(cè)元件； 緩沖塊，粘接在所述金剛石基壓電電阻的應(yīng)力施加面上；以及 受壓基板，粘接在所述緩沖塊的、與粘接有所述金剛石基壓電電阻的面相反一側(cè)的面 上，向所述緩沖塊施加壓縮力， 所述緩沖塊的熱膨脹率小于所述受壓基板的熱膨脹率。
8. -種力轉(zhuǎn)換元件，其特征在于， 所述力轉(zhuǎn)換元件包括： 所述金剛石基板是單晶金剛石受壓基板的權(quán)利要求5或6所述的力檢測(cè)元件；以及 緩沖塊，粘接在所述金剛石基壓電電阻的應(yīng)力施加面上， 通過從所述單晶金剛石受壓基板的背面施加壓縮力，所述金剛石基壓電電阻從所述緩 沖塊接受壓縮力。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1?6中任意一項(xiàng)所述的力檢測(cè)元件，其特征在于，所述金剛石基壓電 電阻包含單晶金剛石或異質(zhì)外延金剛石。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1?3中任意一項(xiàng)所述的力檢測(cè)元件，其特征在于， 所述金剛石基壓電電阻包括金剛石層疊體， 在所述金剛石層疊體中，在面方向上依次層疊有高濃度硼摻雜外延金剛石、低濃度硼 摻雜外延金剛石以及高濃度硼摻雜外延金剛石。
【文檔編號(hào)】G01L9/06GK104122014SQ201410113569
【公開日】2014年10月29日 申請(qǐng)日期:2014年3月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年4月24日
【發(fā)明者】竹中一馬 申請(qǐng)人:橫河電機(jī)株式會(huì)社