力检测元件和力转换元件的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种力检测元件和力转换元件。所述力检测元件具备金刚石基压电电阻，所述金刚石基压电电阻包含导入了作为杂质的硼的高取向性金刚石，所述金刚石基压电电阻的压电电阻系数的绝对值，大于将＜100＞方向作为主轴时的压电电阻系数π11或π12的绝对值。
【专利说明】力检测元件和力转换元件
[0001] 相关申请的交叉参考
[0002] 本申请基于2013年04月24日向日本特许厅提交的日本专利申请第2013-090884 号，因此将所述日本专利申请的全部内容以引用的方式并入本文。
【技术领域】
[0003] 本发明涉及力检测元件和力转换元件。
【背景技术】
[0004] 力检测元件例如具备包含作为杂质导入了硼的金刚石的压电电阻。力检测元件例 如利用压电电阻的晶体取向依赖性(結晶方位依存性)。
[0005] 日本特告平5-13451号公报公开了一种压力检测器。所述压力检测器具有向测量 气氛中突出的筒状罩壳。所述罩壳内形成有导入测量压力的压力室。压力室的室壁的一部 分包含根据测量压力的变化而变形的隔膜。所述隔膜上设有发出基于隔膜的变形的输出信 号的应变计。通过在金刚石单晶板上形成金刚石半导体膜而形成所述应变计。
[0006] 美国专利5303594号的说明书中公开的高温、高灵敏度的压力传感器，包含金刚 石基压电电阻/Si0 2/SiC隔膜的结构。
[0007] 在"Piezoresistivity in vapor-deposited diamond films"，Appl.Phys. Lett. 60(23)8Junel992中记载了：形成于基板的（100)面的压电电阻的、与[100]方向有关 的压电电阻效应。
[0008] 日本特告平5-13451号公报中没有记述金刚石半导体膜的晶体取向依赖性。此 夕卜，美国专利5303594号说明书中也没有记述使用结晶取向统一的金刚石制作压电电 阻、以及利用金刚石基压电电阻的晶体取向依赖性。此外，在''Piezoresistivity in vapor-deposited diamond films' '，Appl. Phys. Lett. 60 (23) 8Junel992 中，公开了形成于 基板的（100)面的压电电阻的与[100]方向有关的压电电阻效应。但是，如后所述，判明了： (100)面的[100]方向的压电电阻系数，因晶体取向依赖性而变得极小。
【发明内容】
[0009] 本发明的一个目的是提供一种力检测元件等，所述力检测元件利用了使用了高取 向性金刚石的压电电阻的晶体取向依赖性。
[0010] 本发明提供一种力检测元件(本力检测元件)，其具备金刚石基压电电阻，所述金 刚石基压电电阻包含导入了作为杂质的硼的高取向性金刚石，所述金刚石基压电电阻的压 电电阻系数的绝对值，大于将< 1〇〇 >方向作为主轴时的压电电阻系数π 11或JI12的绝 对值。
[0011] 按照所述的力检测元件，以使金刚石基压电电阻的压电电阻系数的绝对值大于将 < 1〇〇 >方向作为主轴时的压电电阻系数π 11或JI12的绝对值的方式，形成金刚石基压 电电阻。因此，可以利用使用了高取向性金刚石的压电电阻的晶体取向依赖性，得到各种力 检测元件或力转换元件。
[0012] 此外，优选的是，所述力检测元件还具备：金刚石基板；以及输入电极对，在所述 金刚石基压电电阻上相对，所述金刚石基压电电阻形成在所述金刚石基板的（100)面、 (110)面、（111)面、或与（100)面、（110)面和（111)面分别等同的晶面上，向所述金刚石基 压电电阻施加的应力施加方向，相对于所述输入电极对为相同的方向或垂直的方向或剪切 的方向。
[0013] 此外，在本力检测元件中，优选的是，所述输入电极对是输入输出共用电极对，所 述输入输出共用电极对在所述金刚石基压电电阻的两端相对，向所述金刚石基压电电阻施 加的应力施加方向是与所述输入输出共用电极对相同的方向或垂直的方向。
[0014] 此外，在本力检测元件中，优选的是，所述金刚石基压电电阻形成在所述金刚石基 板的（100)面或与（100)面等同的晶面上，所述输入输出共用电极对以成为从[011]方向或 与其等同的晶体取向（結晶方向）起的一 15°?+15°的角度范围的方式配置。
[0015] 此外，在本力检测元件中，优选的是，所述金刚石基压电电阻形成在所述金刚石基 板的（110)面或与（110)面等同的晶面上，所述输入输出共用电极对以成为从[110]方向或 与[110]方向等同的晶体取向起的一 60°?+60°的角度范围内的方式配置，向所述金刚 石基压电电阻施加的应力施加方向是与所述输入输出共用电极对相同的方向。
[0016] 此外，在本力检测元件中，优选的是，所述金刚石基压电电阻形成在所述金刚石基 板的（110)面或与（110)面等同的晶面上，所述输入输出共用电极对以成为从[110]方向或 与[110]方向等同的晶体取向偏离45°的方向起的一 15°?十15°的角度范围内的方式 配置，向所述金刚石基压电电阻施加的应力施加方向是与所述输入输出共用电极对垂直的 方向。
[0017] 此外，在本力检测元件中，优选的是，所述金刚石基压电电阻形成在所述金刚石基 板的（111)面或与（111)面等同的晶面上。
[0018] 此外，在本力检测元件中，优选的是，所述力检测元件包括惠斯通电桥，所述惠斯 通电桥包括相对的两组所述金刚石基压电电阻，向一组所述金刚石基压电电阻施加的应力 施加方向是与所述输入输出共用电极对相同的方向，向另一组所述金刚石基压电电阻施加 的应力施加方向是与所述输入输出共用电极对垂直的方向。
[0019] 此外，在本力检测元件中，优选的是，所述力检测元件还具备相对的输出电极对， 所述输出电极对以与所述输入电极对垂直的方式配置，向所述金刚石基压电电阻施加的应 力施加方向相对于所述输入电极对是剪切的方向。
[0020] 此外，在本力检测元件中，优选的是，所述金刚石基压电电阻形成在所述金刚石基 板的（100)面或与（100)面等同的晶面上，相对的所述输入电极对以成为从[010]方向或与 [010]方向等同的晶体取向起的一 15°?十15°的角度范围内的方式配置。
[0021] 此外，在本力检测元件中，优选的是，所述金刚石基压电电阻形成在所述金刚石基 板的（110)面或与（110)面等同的晶面上，相对的所述输入电极对以成为从[110]方向、或 [001]方向、或与[110]方向或[001]方向分别等同的晶体取向起的一 15°?十15°的角 度范围内的方式配置。
[0022] 此外，在本力检测元件中，优选的是，所述金刚石基压电电阻形成在所述金刚石基 板的（111)面或与（111)面等同的晶面上。
[0023] 此外，在本力检测元件中，优选的是，所述力检测元件还具备：金刚石基板；以及 输入电极对，在所述金刚石基压电电阻上相对，所述金刚石基压电电阻形成在所述金刚石 基板的（110)面、（111)面、或与（110)面和（111)面分别等同的晶面上，向所述金刚石基压 电电阻施加的应力施加面为（110)面、（111)面、或与（110)面和（111)面分别等同的晶面。
[0024] 此外，在本力检测元件中，优选的是，所述输入电极对是输入输出共用电极对，所 述输入输出共用电极对在所述金刚石基压电电阻的两端相对。
[0025] 此外，在本力检测元件中，优选的是，所述金刚石基压电电阻形成在所述金刚石基 板的（110)面或与（110)面等同的晶面上，所述输入输出共用电极对以成为从[110]方向或 与[110]方向等同的晶体取向起的一 30°?+30°的角度范围内的方式配置，向所述金刚 石基压电电阻施加的应力施加面是（110)面或与（110)面等同的晶面。
[0026] 此外，在本力检测元件中，优选的是，所述金刚石基压电电阻形成在所述金刚石基 板的（111)面或与（111)面等同的晶面上，向所述金刚石基压电电阻施加的应力施加面是 (111)面或与（111)面等同的晶面。
[0027] 此外，在本力检测元件中，优选的是，本力检测元件包括惠斯通电桥，所述惠斯通 电桥包括相对的两组所述金刚石基压电电阻，所述金刚石基压电电阻形成在所述金刚石 基板的（110)面或与（110)面等同的晶面上，在一组所述金刚石基压电电阻的两端相对 的所述输入输出共用电极对以成为从[110]方向或与[110]方向等同的晶体取向起的一 30°?+30°的角度范围内的方式配置，在另一组所述金刚石基压电电阻的两端相对的 所述输入输出共用电极对以成为从[001]方向或与[001]方向等同的晶体取向起的一 30°?+30°的角度范围内的方式配置。
[0028] 此外，在本力检测元件中，优选的是，本力检测元件包括惠斯通电桥，所述惠斯通 电桥包括相对的两组所述金刚石基压电电阻，仅对一组所述金刚石基压电电阻施加应力。
[0029] 此外，在本力检测元件中，优选的是，在被施加应力的所述一组所述金刚石基压电 电阻的两端相对的所述输入输出共用电极对以成为[110]方向或与[110]方向等同的晶体 取向的方式配置。
[0030] 此外，在本力检测元件中，优选的是，被施加应力的所述一组所述金刚石基压电电 阻的厚度，大于另一组所述金刚石基压电电阻的厚度。
[0031] 此外，在本力检测元件中，优选的是，本力检测元件还具备相对的输出电极对，所 述输出电极对以与所述输入电极对垂直的方式配置，所述金刚石基压电电阻形成在所述金 刚石基板的（110)面或与（110)面等同的晶面上，相对的所述输入电极对以成为从[110]方 向或与[110]方向等同的晶体取向偏离45°的方向起的一 15°?+15°的角度范围内的 方式配置，向所述金刚石基压电电阻施加的应力施加面是（110)面或与（110)面等同的晶 面。
[0032] 本发明还提供一种力转换元件(本力转换元件)，其包括：本力检测元件；缓冲块， 粘接在所述金刚石基压电电阻的应力施加面上；以及受压基板，粘接在所述缓冲块的、与粘 接有所述金刚石基压电电阻的面相反一侧的面上，向所述缓冲块施加压缩力，所述缓冲块 的热膨胀率小于所述受压基板的热膨胀率。
[0033] 本发明还提供一种力转换元件，其包括：所述金刚石基板是单晶金刚石受压基板 的本力检测元件；以及缓冲块，粘接在所述金刚石基压电电阻的应力施加面上，通过从所 述单晶金刚石受压基板的背面施加压缩力，所述金刚石基压电电阻从所述缓冲块接受压缩 力。
[0034] 此外，在本力检测元件中，优选的是，所述金刚石基压电电阻包含单晶金刚石或异 质外延金刚石（、亍口工匕。夕3f夕弋卟夕' 4^卜'')。
[0035] 此外，在本力检测元件中，优选的是，所述金刚石基压电电阻包括金刚石层叠体， 在所述金刚石层叠体中，在面方向上依次层叠有高浓度硼掺杂外延金刚石、低浓度硼掺杂 外延金刚石以及高浓度硼掺杂外延金刚石。
[0036] 按照本力检测元件和本力转换元件，以使金刚石基压电电阻的压电电阻系数的绝 对值大于将< 100 >方向作为主轴时的压电电阻系数Η 11或Η 12的绝对值的方式，形成 金刚石基压电电阻。因此，可以利用使用了高取向性金刚石的压电电阻的晶体取向依赖性， 得到各种力检测元件或力转换元件。
【专利附图】
【附图说明】
[0037] 图1是表示使用了外延金刚石（工匕。夕3f ; \斤夕' 4 \ ? >卜'')的压电电阻的制 作工序的图。
[0038] 图2是表示使用了外延金刚石的压电电阻的制作工序的图。
[0039] 图3是表示使用了外延金刚石的压电电阻的制作工序的图。
[0040] 图4Α是表不试验方法的主视图，图4Β是表不试验方法的仰视图。
[0041] 图5是表示单晶金刚石基压电电阻的结构和配置方向的图。
[0042] 图6Α和图6Β是表不单晶金刚石基压电电阻的尺寸等的图，图6Α和图6Β表不试 验中使用的单晶金刚石基压电电阻的尺寸，图6C表示将< 100 >方向作为主轴时的矩阵标 记(行列標記)。
[0043] 图7是表示各具体例子的关系的图。
[0044] 图8Α和图8Β是表示利用面内垂直应力的力检测元件的结构的图。
[0045] 图9Α和图9Β是表示利用面内垂直应力的力检测元件的具体例子的图。
[0046] 图10是表示利用面内垂直应力的力检测元件的具体例子的图。
[0047] 图11是表示惠斯通电桥的结构的立体图。
[0048] 图12是表示利用面内剪切应力的力检测元件的结构的图。
[0049] 图13Α和图13Β是表示利用面内剪切应力的力检测元件的具体例子的图。
[0050] 图14是表示利用面内剪切应力的力检测元件的具体例子的图。
[0051] 图15Α和图15Β是表示利用面外应力的力检测元件的结构的图。
[0052] 图16Α和图16Β是表示利用面外应力的力检测元件的具体例子的图。
[0053] 图17是表示惠斯通电桥的结构的立体图。
[0054] 图18是表示惠斯通电桥的结构的立体图。
[0055] 图19是表示惠斯通电桥的结构的立体图。
[0056] 图20是表示利用面外应力的力检测元件的具体例子的图。
[0057] 图21Α和图21Β是具备缓冲块的力转换元件的剖视图。
[0058] 图22Α是纵式金刚石基压电元件的剖视图，图22Β是纵式金刚石基压电元件的俯 视图，图22C和图22D是表示压力施加方向的图。
[0059] 图23A是设置了缓冲层的结构的剖视图，图23B是设置了缓冲层的结构的俯视图。
[0060] 图24是例示"等同的"方向和"等同的"面的图。
【具体实施方式】
[0061] 在下面的详细说明中，出于说明的目的，为了提供对所公开的实施方式的彻底的 理解，提出了许多具体的细节。然而，显然可以在没有这些具体细节的前提下实施一个或更 多的实施方式。在其它的情况下，为了简化制图，示意性地示出了公知的结构和装置。
[0062] 下面说明本发明的力转换元件的实施方式。
[0063] 〈概要〉
[0064] 本实施方式的力检测元件(本力检测元件）具备金刚石基压电电阻，所述金刚石基 压电电阻包含导入了作为杂质的的硼的高取向性金刚石。本力检测元件以使所述金刚石基 压电电阻的压电电阻系数的绝对值大于将< 100 >方向作为主轴时的压电电阻系数π 11 或π 12的绝对值的方式，形成所述金刚石基压电电阻。
[0065] 本力检测元件具备金刚石基压电电阻，所述金刚石基压电电阻包含导入了作为杂 质的硼的高取向性金刚石。导入了作为杂质的硼的金刚石，可以作为外延金刚石进行制作。 [0066] 外延金刚石是指在基板结晶上进行结晶生长并以和基板结晶成为某一定的晶体 取向关系的方式堆积生长的金刚石。金刚石是碳的同素异形体的一种。在结晶内部，碳彼 此以共价键结合。通过使硼或磷等作为杂质进入金刚石单晶中的取代位置，形成受主或施 主，产生Ρ型或η型的半导体特性。利用所述半导体特性，可以尝试外延金刚石的例如在紫 外线发光元件、功率元件和电子释放源元件方面的利用。
[0067] 压电电阻效应是指当应力作用在结晶上或结晶发生变形时，所述结晶的电阻率发 生变化的现象。例如，如果外力作用在单晶硅等半导体材料上时，则晶格产生变形。其结果， 导带和/或价电子带的能量状态发生变化。由此，带中的载体的数量和/或迁移率发生变 化。其结果，在宏观上，电导率或电阻率发生变化。所述特性作为应变传感器或压力传感器 等物理传感器的检测原理广泛应用。在本实施方式中，将产生压电电阻效应的电阻称为压 电电阻。
[0068] 晶体取向依赖性是指在具有特别的各向异性的结晶材料中，特性因晶面的取向不 同而不同的现象。外延金刚石是结晶材料，具有特别的各向异性。关于外延金刚石的杨氏模 量和泊松比具有晶体取向依赖性已被公知。此外，1954年C. S. Smith报告了硅和锗的压电 电阻系数产生晶体取向依赖性。但是，对于外延金刚石，在金刚石的结晶化技术、杂质掺杂 技术、加工技术等方面进行评价是困难的，至今为止还没有过报道。近年，随着所述技术的 进展，评价使用了外延金刚石的各种设备成为可能。因此，这次本发明的发明人作为试验， 使用外延金刚石制作了压电电阻，并进行了评价。其结果，发现了使用了外延金刚石的压电 电阻产生了晶体取向依赖性。
[0069] 在本力检测元件中，作为压电电阻，采用导入了杂质的外延金刚石。即，本力检测 元件利用了这次发现的、使用了外延金刚石的压电电阻的晶体取向依赖性。由此，本力检测 元件能够得到与作用在形成于特定的面和方向的高取向性金刚石基压电电阻上的应力对 应的输出。
[0070] 作为现有的力检测元件，有采用了导入硼、磷、砷等杂质的ρ型或η型硅半导体的 压电电阻。但是，由于Si的带隙小到约为1. lev，所以使用温度被限制在150°C左右。本力 检测元件将外延金刚石作为压电电阻使用。金刚石的带隙大到约5. 5eV。因此，能够制作高 温环境(例如500°C)下也能维持半导体特性的压电电阻。
[0071] 在高温环境下，收纳压电电阻的金属箱体发生热膨胀或者热收缩。此时由于施加 在压电电阻上的应力，能在压电电阻上施加的应力的范围变窄。金刚石的压缩强度和拉伸 强度分别为9GPa和2?3GPa，非常大。因此，通过采用高取向性金刚石基压电电阻，动态范 围（夕Μ于S vb > y')变窄的比例变得极小。
[0072] 现有的采用了金刚石的压电电阻，如美国专利5303594号说明书所示，使用在Si 基板等上成膜的多晶金刚石。通常的多晶金刚石是具有不同的晶轴方向的多个结晶粒的集 合体。因此，基本没有晶体取向依赖性。
[0073] 以下的论文评价了对使用了单晶金刚石的压电电阻在单轴方向上施加应力时压 电电阻的电阻变化。
[0074] "Piezoresistivity in vapor-deposited diamond films"，Appl. Phys. Lett. 60(23)8Junel992
[0075] 在所述论文中，叙述了形成于基板的（100)面的压电电阻的与[100]方向有关的 压电电阻效应。对此，本发明人的试验得到了下述结果：（1〇〇)面的[100]方向的压电电阻 系数因晶体取向依赖性而变得极小。此外在所述论文中特别是没有关于晶体取向依赖性的 记述。作为另外的例子，日本特告平5-13451号公报公开了，具有金刚石单晶板和在其上形 成的金刚石半导体膜的应变计。但是，在该公报中，也没有公开与晶体取向依赖性有关的记 述。
[0076] 通过利用使用了高取向性金刚石的压电电阻的晶体取向依赖性，能够制作各种结 构的力检测元件或力转换元件。除了面内应力，也可以使用施加有面外应力的金刚石基压 电电阻。
[0077] 通过将形成压电电阻的基板(金刚石基板）的晶面设为（111)面或与其等同的晶 面，则不存在压电电阻系数的方向依赖性，压电电阻系数成为一定的值。因此，即使发生金 刚石基压电电阻的方向偏离时，压电电阻系数也是一定的。其结果，能够将个体差控制在最 小程度。
[0078] 另外，在基板(金刚石基板）上形成金刚石基压电电阻时，金刚石基压电电阻的表 面取向（面方位）与基板的晶面相同。
[0079] 也可以用金刚石基压电电阻构成惠斯通电桥。此时，通过利用高取向性金刚石的 晶体取向依赖性，可以制作具有正负相反的压电电阻系数的一组金刚石基压电电阻，并使 用它们构成惠斯通电桥。相比采用单个金刚石基压电电阻，能够加大来自惠斯通电桥的输 出，此外，能够消除电阻值的温度依赖性。
[0080] 利用高取向性金刚石的晶体取向依赖性，也可以构成剪切型应变计。此时，通过单 个电阻就可以像惠斯通电桥那样消除电阻值的温度依赖性。因此，能够使剪切型应变计进 一步小型化。
[0081] 如上所述，通过利用使用了高取向性金刚石的压电电阻的晶体取向依赖性，能够 制作可以在高温环境下稳定使用的各种结构的力检测元件或力转换元件。
[0082] 〈金刚石基压电电阻的制作工序〉
[0083] 接着，参照图1?图3说明使用了外延金刚石的压电电阻的制作工序。在本实施 方式(本试验）中，作为外延金刚石，使用了在单晶金刚石基板上同质外延生长得到的单晶 金刚石。
[0084][单晶金刚石膜的成膜]
[0085] 1)准备单晶金刚石基板1 (图1)。设单晶金刚石基板1的长度为3. 0mm、宽度为 3. 0mm、厚度为 0· 15mm、{100}面、< 100 >端。
[0086] 2)进行研磨加工，使得相对于单晶金刚石基板1的{100}面产生规定的微小倾斜 (偏离角）（图1)。
[0087] 3)利用CVD法(化学气相沉积法)，在具有偏离角的单晶金刚石基板1上，进行添 加了作为杂质的规定浓度的硼的台阶流动生长。由此，生长成5 μ m的p型单晶金刚石膜2 (图1)。在本试验中，将相对于碳的外延生长时的硼的气相中的浓度，设为两种（4. 5ppm和 5000ppm)。
[0088] 4)通过热的混合酸进行表面处理。由此，从p型单晶金刚石膜2的表面，去除了氢 终端的表面传导层和石墨成分（图1)。
[0089][单晶金刚石基压电电阻的制作]
[0090] 5)对p型单晶金刚石膜面进行A1溅射。由此，形成Ιμπι厚的铝膜3 (图1)。
[0091] 6)进一步，对进行了 Α1溅射的面进行光刻胶(正型）4的喷涂。通过恒温炉的烧 成，使光刻胶4干燥并且提高了光刻胶4与基底的贴紧性（图1)。
[0092] 7)通过利用了描绘有图案的光掩模Ml的曝光，将图案复制到光刻胶4上（图1)。
[0093] 8)利用显影液除去被曝光部位的光刻胶4。进而进行后烘（图1)。
[0094] 9)将残留的光刻胶4的图案作为掩模，对铝膜3进行刻蚀（图2)。
[0095] 10)利用丙酮除去光刻胶4 (图2)。
[0096] 11)将铝膜3的图案作为掩模，利用RIE (反应离子刻蚀)对p型单晶金刚石膜2进 行干法刻蚀。刻蚀的条件包含：〇2气流量为45sccm、CF4气流量为5sccm、RF输出为100W。 将掩模下部以外的P型单晶金刚石膜2刻蚀约7. 5 μ m。由此，露出绝缘性的单晶金刚石基 板1的表面（图2)。
[0097] 12)利用铝的刻蚀液，除去铝膜3的A1掩模。由此，制作成单晶金刚石基压电电阻 (图 2)。
[0098] [布线的光刻法]
[0099] 13)针对基板的制作有单晶金刚石基压电电阻的面，按Ti (請〇〇農）、 AuGOOO赢）的顺序进行溅射。由此，形成Ti/Au膜5 (图2)。
[0100] 14)针对基板的进行了溅射的面，进行光刻胶(正型）6的喷涂。通过恒温炉的烧 成，使光刻胶6干燥并且提高了光刻胶6与基底的贴紧性（图2)。
[0101] 15)准备描绘有与制作压电电阻的掩模的图案不同的图案的光掩模M2。通过使用 了所述光掩模M2曝光，将图案复制到光刻胶6上（图3)。
[0102] 16)通过显影液除去被曝光了的部位的光刻胶6。进而进行后烘（图3)。
[0103] 17)将光刻胶6的图案作为掩模，按Au、Ti的顺序刻蚀Ti/Au膜5 (图3)。
[0104] 18)利用丙酮除去光刻胶6 (图3)。
[0105] 19)为了降低金刚石基压电电阻与Ti之间的欧姆接触和提高贴紧性，在真空炉 内，在520°C下进行1小时的退火（图3)。
[0106] 〈金刚石基压电电阻的晶体取向依赖性〉
[0107] 接着，参照图4A?图6C具体说明用于求出单晶金刚石基压电电阻的晶体取向依 赖性而进行的试验方法。图4A是表示试验方法的主视图，图4B是表示试验方法的仰视图。
[0108] [试验方法]
[0109] 1)如图4A和图4B所示，以形成有单晶金刚石基压电电阻的金刚石基板10位于距 固定端20mm的位置的方式，用粘接剂将金刚石基板10粘贴在钨制的悬臂梁11上。设悬臂 梁11的宽度为15mm、厚度为0· 5mm。此外，用同样的粘接剂将具有与金刚石基板10相同的 形状和厚度的金刚石基板10A粘贴在形成有单晶金刚石基压电电阻的金刚石基板10芳边 的相同位置(距固定端20mm的位置)处。所述金刚石基板10A上贴有硅应变计。如此，可以 取得悬臂梁11的粘贴有金刚石基板的位置的刚性平衡，并且能够利用硅应变计，在与形成 有金刚石基压电电阻的金刚石基板10同样的环境下，测量成为参照值的金刚石基板10A的 变形量。
[0110] 2)如图4A和图4B所示，用金线或铜线等将金刚石基压电电阻(金刚石基板10)和 硅应变计（金刚石基板10A)分别与外部的电路12和电路12A连接。此外，以使悬臂梁11 的、粘贴了形成有单晶金刚石基压电电阻的金刚石基板10的面朝下的方式，将悬臂梁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，使悬臂梁11从自由端弯曲。如 图4A所示，在悬臂梁11的下表面施加有长边方向的压缩应力。单晶金刚石基板被粘接剂 牢固固定。因此，单晶金刚石基压电电阻和硅应变计上施加有同等的压缩应力。
[0112] 4)因压缩应力造成的单晶金刚石基压电电阻和硅应变计的电阻值变化，分别通过 外部的电路12和12A作为电压输出。利用示波器13 (横河电机制造的DL750)和计算机14 测量输出电压。具有输入输出共用电极对的压电电阻为单个电阻。因此，通过与电路12的 电桥电路连接，得到输出。在具有输入电极对和输出电极对这两组电极对的压电电阻上，向 输入电极对施加电源电压5V，从输出电极对得到输出。
[0113] 图5是表示单晶金刚石基压电电阻的结构和配置方向的图。
[0114] 如图5所示，具有输入输出共用电极对的压电电阻20,包含单个电阻21。电阻21 的两端连接有输入输出共用电极22、22。
[0115] 此外，具有输入电极对和输出电极对这两组电极对的压电电阻30,包含十字形的 电阻31。在电阻31中，彼此交叉的两个矩形31a和矩形31b重叠。矩形31a的两端部分连 接有输入电极32a、32a，矩形31b的两端部分连接有输出电极32b、32b。
[0116] 图5的模式1?模式6分别表示了单晶金刚石基压电电阻的配置方法。
[0117] 在图5的模式1中，以使[010]方向成为悬臂梁11的长边方向的方式配置单晶金 刚石基压电电阻20。此外，以使在单晶金刚石基压电电阻20的两端相对的输入输出共用电 极对(输入输出共用电极22、22)成为[010]方向的方式配置。由此，向单晶金刚石基压电 电阻20施加的应力施加方向，成为与输入输出共用电极对(输入输出共用电极22、22)相同 的方向（[010]方向）。
[0118] 另外，在本说明书中，"电极对的方向"表示连接成对的两个电极各自的位置或中 心的线段的方向。
[0119] 在图5的模式2中，以使[010]方向成为悬臂梁11的长边方向的方式配置单晶金 刚石基压电电阻20。此外，以使在单晶金刚石基压电电阻20的两端相对的输入输出共用电 极对(输入输出共用电极22、22)成为[001]方向的方式配置。由此，应力施加方向成为与 输入输出共用电极对垂直的方向（[010]方向）。
[0120] 在图5的模式3中，以使[010]方向成为悬臂梁11的长边方向的方式配置单晶金 刚石基压电电阻30。而且，以使输入电极对(输入电极32a、32a)和输出电极对(输出电极 32b、32b)在单晶金刚石基压电电阻30上彼此垂直的方式配置。而且，以使相对的输入电极 对(输入电极32a、32a)成为[011]方向的方式配置，并使应力施加方向为[010]方向。由 此，得到能施加等同的剪切应力的状态。
[0121] 通过以上的模式1求出压电电阻系数π 11。通过模式2求出压电电阻系数π 12。 通过模式3求出31 ' 66 = 31 11 - JI 12。
[0122] 接着，在图5的模式4中，以使[011]方向成为悬臂梁11的长边方向的方式配置 单晶金刚石基压电电阻20。并且，以使在单晶金刚石基压电电阻20的两端相对的输入输出 共用电极对(输入输出共用电极22、22)成为[011]方向的方式配置。由此，向单晶金刚石 基压电电阻20施加的应力施加方向，成为与输入输出共用电极对(输入输出共用电极22、 22)相同的方向（[011]方向）。
[0123] 在图5的模式5中，以使[011]方向成为悬臂梁11的长边方向的方式配置单晶金 刚石基压电电阻20。并且，以使在单晶金刚石基压电电阻20的两端相对的输入输出共用电 极对(输入输出共用电极22、22)成为[0 - 11]方向的方式配置。由此，应力施加方向成为 与输入输出共用电极对(输入输出共用电极22、22)垂直的方向（[011]方向）。
[0124] 在图5的模式6中，以使[011]方向成为悬臂梁11的长边方向的方式配置单晶金 刚石基压电电阻30。并且，以使输入电极对(输入电极32a、32a)和输出电极对(输出电极 32b、32b)在单晶金刚石基压电电阻30上彼此垂直的方式配置。并且，以使相对的输入电 极对(输入电极32a、32a)成为[001]方向的方式配置，并使应力施加方向成为[011]方向。 由此，得到能够施加等同的剪切应力的状态。
[0125] 通过以上的模式6求出压电电阻系数π 44。此外通过模式4求出π ' 11 = 1/2 (ji11+ ji12 + π44)。通过模式 5 求出 π'12 = 1/2 (π11+ ji12 - π44)。因此，通 过对基于模式4?6的计算结果和基于模式1?3的计算结果进行对照，能够确认数值的 位数和晶体取向依赖性。
[0126] 图6A和图6B是表示试验中使用的单晶金刚石基压电电阻的尺寸的图。所述尺寸 相当于单晶金刚石基压电电阻20的电阻21或单晶金刚石基压电电阻30的电阻31的、实 质上作为电阻发挥功能的区域的尺寸。
[0127] 外延生长时的硼的气相中的浓度相对于碳为4. 5ppm这种单晶金刚石、与外延生 长时的硼的气相中的浓度相对于碳为5000ppm这种单晶金刚石，压电电阻内的杂质浓度不 同，电阻率大幅改变。因此，如图6A所示，根据硼的气相中的浓度，单晶金刚石基压电电阻 的尺寸不同。在此，在压电电阻系数的导出中，< 100 >方向和< 110 >方向的单晶金刚石 的杨氏模量分别为1050GPa和1150GPa。此外，< 100 >方向和< 110 >方向的单晶金刚石 的泊松比分别为0. 104和0. 008。
[0128] 利用所述的试验，求出了将< 100 >方向作为主轴时的压电电阻系数π 11、π 12 和3144。此外，确认了晶体取向依赖性。得到的结果如下所示。〈杂质浓度4. 5ppm时的单 晶金刚石基压电电阻系数〉
[0129] π 11 = - 〇· 33, π 12 = 0· 20, π 44 = 7. 60 [KTn/Pa]
[0130] (电阻率 p = 13. 23 [ohm · cm])
[0131] 〈杂质浓度5000ppm时的单晶金刚石基压电电阻系数〉
[0132] π 11 = 〇· 18, π 12 = - 0· 04, π 44 = 3. 63 [KTn/Pa]
[0133] (电阻率 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，在金刚 石基板的（1〇〇)面上形成单晶金刚石基压电电阻。随后，以使在单晶金刚石基压电电阻的两 端相对的输入输出共用电极对成为[010]方向的方式配置。并且，使向单晶金刚石基压电电 阻施加的应力施加方向成为与输入输出共用电极对相同的方向或垂直的方向。此时，杂质 浓度4. 5ppm时的压电电阻系数，分别成为Jill = -〇.33 [10_n/Pa]，3112 = 0.20 [10_n/ Pa]。因此，输出极小。另一方面，在同样的金刚石基板的（100)面上形成金刚石基压电电 阻。而后，以使在单晶金刚石基压电电阻的两端相对的输入输出共用电极对成为[011]方向 的方式配置。并且，使向单晶金刚石基压电电阻施加的应力施加方向成为与输入输出共用 电极对相同的方向。此时，杂质浓度4. 5ppm时的压电电阻系数，分别成为π ' 11 = 3. 735 [KTn/Pa]，π '12 = - 3.865 [Krn/Pa]。由此，利用单晶金刚石基压电电阻的晶体取向依 赖性，能够使输出变大。
[0135] 根据以上的结果，发现了单晶金刚石的压电电阻系数具有晶体取向依赖性。本次 使用的单晶金刚石基压电电阻，是在单晶金刚石基板上作为单晶金刚石膜同质外延生长得 到的。以与基板结晶成为某一定的晶体取向关系的方式堆积生长的异质外延金刚石，也可 能同样地具有晶体取向依赖性。
[0136] 〈利用了金刚石基压电电阻的晶体取向依赖性的力检测元件〉
[0137] 下面表示几个利用了金刚石基压电电阻的晶体取向依赖性的力检测元件的实施 例。
[0138] 金刚石为立方晶体。因此，当沿主轴取直角坐标时，应力〇i与电阻率的变化部分 Λ Pi的关系，可以利用压电电阻系数η u表示为规定的矩阵。图6C表示了将< 100 >方 向作为主轴时的矩阵标记。
[0139] 通过对图6C所示的与压电电阻系数有关的矩阵进行坐标变换，能求出某个面上 的将特定的方向作为主轴的压电电阻系数。利用所述坐标变换，做成某个面上的压电电阻 系数的晶体取向依赖性的图。由此，可以选择灵敏度成为良好的方位、各种配置和结构的压 电电阻。此外，针对某个面上的将特定的方向作为主轴的压电电阻系数，表示为η ' ij(i， j = 1?6)。另外，与坐标变换有关的计算式，参考了 " ^ 4々口 ^ i ^技術総覧，ρ· 98 - 109,産業技術寸一匕' 7七 > 夕一，2003年1月22日，，。以下说明具体示例。
[0140] 图7是表示以下所述的各具体例子的关系的图。通过将各具体例子或成为其上位 概念的结构分层化，明确了发明的整体。图7所示的编号（1.1.1.等编号)，与各具体例子 或成为其上位概念的结构对应。图7所示的树形结构，表示各具体例子和各结构间的关系 (上位概念或下位概念)。下面按照图7所示的编号，说明各具体例子和成为其上位概念的 结构。
[0141] 〈利用面内应力的力检测元件的结构〉
[0142] 1. π，11，π，12,31，66:(100)/(110)/(111)
[0143] 图8A表示了具备金刚石基压电电阻的力检测元件，所述金刚石基压电电阻包含 导入了作为杂质的硼的高取向性金刚石。在所述的力检测元件中，金刚石基压电电阻形成 于金刚石基板的（100)面、（110)面、（111)面或与它们等同的晶面。配置有在金刚石基压 电电阻上相对的输入电极对(输入输出共用电极22、22)。在这些力检测元件中，向金刚石基 压电电阻施加的应力施加方向，相对于输入电极对(输入输出共用电极22、22)为相同的方 向P1、垂直的方向P2或剪切的方向P3。
[0144] 〈利用面内垂直应力的力检测元件的结构〉
[0145] 1. 1. Ji ; 11，π ' 12 :(100)/ (110)/ (111)
[0146] 图8B表示了具备金刚石基压电电阻的力检测元件，所述金刚石基压电电阻包含 导入了作为杂质的硼的高取向性金刚石。在这些力检测元件中，金刚石基压电电阻形成于 金刚石基板的（100)面、（110)面、（111)面或与它们等同的晶面。配置有在金刚石基压电电 阻的两端相对的输入输出共用电极对(输入输出共用电极22、22)。在这些力检测元件中，向 金刚石基压电电阻施加的应力施加方向，为与输入输出共用电极对(输入输出共用电极22、 22)相同的方向P1或垂直的方向P2。
[0147] 由于所述结构（1. 1)利用面内应力的压电电阻效应，所以容易应用于例如应变计、 压力传感器、加速度传感器和陀螺仪传感器。
[0148] 〈利用面内垂直应力的力检测元件的具体例子〉
[0149] 1. 1. 1. π，11，π，12 : (100)
[0150] 图9A表示了具备金刚石基压电电阻的力检测元件，所述金刚石基压电电阻包含 导入了作为杂质的硼的高取向性金刚石。在这些力检测元件中，金刚石基压电电阻形成于 金刚石基板的（100)面或与其等同的晶面。在金刚石基压电电阻的两端相对的输入输出共 用电极对(输入输出共用电极22、22)以成为从[011]方向或与其等同的晶体取向起的一 15°?+15°的角度范围内的方式配置。在这些力检测元件中，向金刚石基压电电阻施加 的应力施加方向，为与输入输出共用电极对(输入输出共用电极22、22)相同的方向或垂直 的方向。
[0151] 由于利用了高取向性金刚石的压电电阻系数的晶体取向依赖性，所以决定了形成 有金刚石基压电电阻的表面取向、输入输出共用电极对的方向和应力施加方向。
[0152] 当将表面取向定为（100)面或与其等同的晶面时，在金刚石基压电电阻的两端相 对的输入输出共用电极对以成为[oil]方向或与其等同的晶体取向的方式配置。向金刚石 基压电电阻施加的应力施加方向，为与输入输出共用电极对相同的方向或垂直的方向。由 此，压电电阻系数成为最大值。
[0153] 从图9A所示的压电电阻系数的晶体取向依赖性的坐标图41?坐标图44,可以得 出以下的结论。即，在（100)面内，输入输出共用电极对的方向如果处于从[011]方向起 的一 15°?+15°的角度范围内，则压电电阻系数足够大，特别是在[011]方向上具有最 大值。
[0154] 另外，图9A所不的坐标图41、42,表不了输入输出共用电极对的方向与压电电阻 系数11的关系。坐标图41表示了外延生长时的硼的气相中的浓度为4. 5ppm时的所 述关系。坐标图42表不了外延生长时的砸的气相中的浓度为5000ppm时的所述关系。此 夕卜，坐标图43、44表不了输入输出共用电极对的方向与压电电阻系数3^ 12的关系。坐标 图43表不了外延生长时的硼的气相中的浓度为4. 5ppm时的所述关系。坐标图44表不了 外延生长时的硼的气相中的浓度为5000ppm时的所述关系。同样地，在各图所表示的相同 的其他的坐标图中，也和同浓度(外延生长时的硼的气相中的浓度）一起表示了指定的面内 的电极对的方向与指定的压电电阻系数的关系。
[0155] 1. 1. 2. π 1 11 ： (110)
[0156] 图9Β表示了具备金刚石基压电电阻的力检测元件，所述金刚石基压电电阻包含 导入了作为杂质的硼的高取向性金刚石。在这些力检测元件中，金刚石基压电电阻形成于 金刚石基板的（110)面或与其等同的晶面。在金刚石基压电电阻的两端相对的输入输出共 用电极对(输入输出共用电极22、22)以成为从[一 110]方向起的一 60°?+60°的角度 范围内的方式配置。在这些力检测元件中，向金刚石基压电电阻施加的应力施加方向，为与 输入输出共用电极对(输入输出共用电极22、22)相同的方向。
[0157] 从图9Β表示的压电电阻系数的晶体取向依赖性的图，能得出以下的结论。即，在 (110)面内，输入输出共用电极对的方向如果处于从[一 110]方向起的一 60°?+60°的 角度范围内，则压电电阻系数足够大，特别是在[一 111]方向具有最大值。
[0158] 1. 1. 3. π 1 12 ：(110)
[0159] 图9B表示了具备金刚石基压电电阻的力检测元件，所述金刚石基压电电阻包含 导入了作为杂质的硼的高取向性金刚石。在这些力检测元件中，金刚石基压电电阻形成于 金刚石基板的（110)面或与其等同的晶面。在金刚石基压电电阻的两端相对的输入输出共 用电极对(输入输出共用电极22、22)以成为从[一 110]方向或与其等同的晶体取向偏离 45°的方向起的一 15°?+15°的角度范围内的方式配置。在这些力检测元件中，向金刚 石基压电电阻施加的应力施加方向，为与输入输出共用电极对(输入输出共用电极22、22) 垂直的方向。
[0160] 从图9B表示的压电电阻系数的晶体取向依赖性的图，能得出以下的结论。即，在 (110) 面内，输入输出共用电极对的方向如果处于从[一 110]方向偏离45°的方向起的一 15°?+15°的角度范围内，则压电电阻系数足够大，特别是在从[一 110]方向偏离了 45°的方向上具有最大值。
[0161] 1. 1. 4· π，11，π，12 : (111)
[0162] 图10表示了具备金刚石基压电电阻的力检测元件，所述金刚石基压电电阻包含 导入了作为杂质的硼的高取向性金刚石。在这些力检测元件中，金刚石基压电电阻形成于 金刚石基板的（111)面或与其等同的晶面。配置有在金刚石基压电电阻的两端相对的输入 输出共用电极对(输入输出共用电极22、22)。在这些力检测元件中，向金刚石基压电电阻施 加的应力施加方向，为与输入输出共用电极对(输入输出共用电极22、22)相同的方向或垂 直的方向。
[0163] 从图10表示的压电电阻系数的晶体取向依赖性的图，能得出以下的结论。艮P， (111) 面内的压电电阻系数π' 11，π' 12不具备方向依赖性而取一定的值。因此，即使 产生了金刚石基压电电阻的方向偏离时，压电电阻系数η' 11、η' 12也是一定的。因 此，能够使个体差最小。
[0164] 1. 1.5. π，11，Ji，12 :(100)/ (110)/ (111)的惠斯通电桥
[0165] 图11表示了包含相对的两组金刚石基压电电阻的惠斯通电桥(力检测元件)。在 所述惠斯通电桥中，向一组金刚石基压电电阻施加的应力施加方向，为与输入输出共用电 极对相同的方向。向另一组金刚石基压电电阻施加的应力施加方向，为与输入输出共用电 极对垂直的方向。
[0166] 如图11所示，所述惠斯通电桥具备金刚石基压电电阻20A、20A和金刚石基压电电 阻20B、20B。并且，所述惠斯通电桥包括与金刚石基压电电阻20A、20A和金刚石基压电电阻 20B、20B连接的布线图案PT1以及与布线图案PT1连接的端子5(^、5(?、50(：、500。金刚石 基压电电阻20A、20A是相对的。金刚石基压电电阻20B、20B是相对的。在所述惠斯通电桥 的隔膜中，向金刚石基压电电阻20A、20A施加的应力施加方向，为与输入输出共用电极对 22A、22A相同的方向。并且，向金刚石基压电电阻20B、20B施加的应力施加方向，为与输入 输出共用电极对22B、22B垂直的方向。
[0167] 当向金刚石基压电电阻施加的应力施加方向为与输入输出共用电极对相同的方 向时，适用11。当向金刚石基压电电阻施加的应力施加方向为与输入输出共用电极对 垂直的方向时，适用η ' 12。压电电阻系数π ' 11和π ' 12彼此正负符号相反。因此， 能够加大惠斯通电桥的输出值。特别是在（100)面内的[011]方向上，泊松比成为最小。因 此，能加大输出。
[0168] 当将表面取向定为（100)面或与其等同的晶面时，例如在一组金刚石基压电电阻 的两端相对的输入输出共用电极对以成为[oil]方向或与其等同的晶体取向的方式配置， 应力施加方向为与输入输出共用电极对相同的方向。并且，在另一组金刚石基压电电阻的 两端相对的输入输出共用电极对以成为[oil]方向或与其等同的晶体取向的方式配置，应 力施加方向为与输入输出共用电极对垂直的方向。由此，惠斯通电桥的输出成为最大值。从 压电电阻系数的晶体取向依赖性的图，能得出以下的结论。即，输入输出共用电极对的方向 在（100)面内如果处于从[011]方向起的一 15°?+15°的角度范围内，则压电电阻系数 足够大，特别是在[011]方向上具有最大值。
[0169] 当将表面取向定为（110)面或与其等同的晶面时，例如在一组金刚石基压电电阻 的两端相对的输入输出共用电极对以成为[111]方向或与其等同的晶体取向的方式配置， 应力施加方向为与输入输出共用电极对相同的方向。并且，在另一组金刚石基压电电阻的 两端相对的输入输出共用电极对以成为从[110]方向或与其等同的晶体取向偏离45°的 方向的方式配置，应力施加方向为与输入输出共用电极对垂直的方向。由此，惠斯通电桥的 输出成为最大值。
[0170] 当把表面取向定为（111)面或与其等同的晶面时，（111)面内的压电电阻系数 π' 11、12不具备方向依赖性而取一定的值。因此，一组金刚石基压电电阻的应力施 加方向为与输入输出共用电极对相同的方向。而且，另一组金刚石基压电电阻的应力施加 方向为与输入输出共用电极对垂直的方向。惠斯通电桥的输出不依赖在金刚石基压电电阻 的两端相对的输入输出共用电极对的方向。
[0171] 〈利用面内剪切应力的力检测元件的结构〉
[0172] 1.2. π f 66 :(100)/ (110)/ (111)
[0173] 图12表示了具备金刚石基压电电阻的力检测元件，所述金刚石基压电电阻包含 导入了作为杂质的硼的高取向性金刚石。在所述力检测元件中，金刚石基压电电阻形成于 金刚石基板的（100)面、（110)面、（111)面或与它们等同的晶面。在金刚石基压电电阻上 相对的输入电极对和相对的输出电极对，以垂直方式配置。在所述力检测兀件中，向金刚石 基压电电阻施加的应力施加方向，相对于输入电极对为剪切的方向。
[0174] 如图12所示，在金刚石基压电电阻30中，包含输入电极32a、32a的输入电极对的 方向、与包含输出电极32b、32b的输出电极对的方向彼此垂直。应力施加方向相对于输入 电极对为交叉(例如以45°的角度交叉）的方向。
[0175] 按照所述结构，通过单个电阻能像惠斯通电桥一样消除电阻值的温度依赖性。因 此，所述结构能够实现更小型的力检测元件。
[0176] 〈利用面内剪切应力的力检测元件的具体例子〉
[0177] 1. 2. 1. π ' 66 :(100)
[0178] 图13A表示了具备金刚石基压电电阻的力检测元件，所述金刚石基压电电阻包含 导入了作为杂质的硼的高取向性金刚石。在所述力检测元件中，金刚石基压电电阻形成于 金刚石基板的（1〇〇)面或与其等同的晶面。在金刚石基压电电阻上相对的输入电极对(输入 电极32a、32a)和相对的输出电极对(输出电极32b、32b)，以垂直方式配置。并且，相对的输 入电极对(输入电极32a、32a)以成为从[010]方向或与其等同的晶体取向起的一 15°?+ 15°的角度范围内的方式配置。在所述力检测元件中，向金刚石基压电电阻施加的应力施 加方向，相对于输入电极对(输入电极32a、32a)为剪切的方向。
[0179] 当把表面取向定为（100)面或与其等同的晶面时，例如在金刚石基压电电阻上相 对的输入电极对和相对的输出电极对，以彼此垂直的方式配置。并且，相对的输入电极对以 成为[010]方向或与其等同的晶体取向的方式配置。向金刚石基压电电阻施加的应力施加 方向，相对于输入电极对为剪切的方向。由此，压电电阻系数成为最大值。
[0180] (100)面内的压电电阻系数31 ' 66,大于（111)面内的压电电阻系数31 ' 66。因 此，能够使力检测元件高灵敏度化。
[0181] 从图13A表示的压电电阻系数的晶体取向依赖性的图，能得出以下的结论。SP，在 (100)面内，输入电极对的方向如果处于从[010]方向起的一 15°?+ 15°的角度范围内， 则压电电阻系数足够大，特别是在[010]方向上具有最大值。
[0182] 1. 2· 2· π，66 :(110)
[0183] 图13B表示了具备金刚石基压电电阻的力检测元件，所述金刚石基压电电阻包含 导入了作为杂质的硼的高取向性金刚石。在所述力检测元件中，金刚石基压电电阻形成于 金刚石基板的（110)面或与其等同的晶面。在金刚石基压电电阻上相对的输入电极对(输 入电极32a、32a)和相对的输出电极对(输出电极32b、32b)，以彼此垂直的方式配置。并且， 相对的输入电极对(输入电极32a、32a)以成为从[一 110]方向、[001]方向或与它们等同 的晶体取向起的一 15°?+15°的角度范围内的方式配置。在所述力检测元件中，向金刚 石基压电电阻施加的应力施加方向，相对于输入电极对(输入电极32a、32a)为剪切的方向。
[0184] (110)面内的压电电阻系数π ' 66,大于（111)面内的压电电阻系数π ' 66。因 此，能够使力检测元件高灵敏度化。
[0185] 从图13B表示的压电电阻系数的晶体取向依赖性的图，能得出以下的结论。艮P， 在（110)面内，输入电极对的方向如果处于从[001]方向或[一 110]方向起的一 15°?+ 15°的角度范围内，则压电电阻系数足够大，特别是在[001]方向或[一 110]方向上具有最 大值。
[0186] 1. 2· 3· π ' 66 :(111)
[0187] 图14表示了具备金刚石基压电电阻的力检测元件，所述金刚石基压电电阻包含 导入了作为杂质的硼的高取向性金刚石。在所述力检测元件中，金刚石基压电电阻形成于 金刚石基板的（111)面或与其等同的晶面，在金刚石基压电电阻上相对的输入电极对(输 入电极32a、32a)和相对的输出电极对(输出电极32b、32b)，以垂直的方式配置。在所述力 检测兀件中，向金刚石基压电电阻施加的应力施加方向，相对于输入电极对(输入电极32a、 32a)的方向为剪切的方向。
[0188] 从图14表示的压电电阻系数的晶体取向依赖性的图，能得出以下的结论。艮P， (111)面内的压电电阻系数66不具备方向依赖性而取一定的值。因此，即使产生金刚 石基压电电阻的方向偏离，压电电阻系数66也是一定的。因此，能够使个体差最小。
[0189] 〈利用面外应力的力检测元件的结构〉
[0190] 2· π ' 13, π ' 63 :(110)/ (111)
[0191] 图15A表示了具备金刚石基压电电阻的力检测元件，所述金刚石基压电电阻包含 导入了作为杂质的硼的高取向性金刚石。在所述力检测元件中，金刚石基压电电阻形成于 金刚石基板的（110)面、（111)面或与它们等同的晶面。配置有在金刚石基压电电阻上相对 的输入电极对(输入输出共用电极22、22)。在所述力检测元件中，向金刚石基压电电阻施加 的应力施加面，为（110)面、（111)面或与它们等同的晶面。
[0192] 如图15A所示，金刚石基压电电阻20形成于金刚石基板的（110)面、（111)面或与 它们等同的晶面。向金刚石基压电电阻20施加的应力施加面，为（110)面、（111)面或与它 们等同的晶面。即，应力施加方向P4为[110]方向、[111]方向或与它们等同的晶体取向。
[0193] 当把金刚石基压电电阻形成于金刚石基板的（100)面方向或与其等同的晶面时， 压电电阻系数13和31' 63的值基本为0。因此，使用（110)面或（111)面。
[0194] 〈利用面外应力的力检测元件的具体例子〉
[0195] 2. 1. π ' 13 : (110) / (111)
[0196] 图15B表示了具备金刚石基压电电阻的力检测元件，所述金刚石基压电电阻包含 导入了作为杂质的硼的高取向性金刚石。在所述力检测元件中，金刚石基压电电阻形成于 金刚石基板的（110)面、（111)面或与它们等同的晶面。配置有在金刚石基压电电阻的两端 相对的输入输出共用电极对(输入输出共用电极22、22)。在所述力检测兀件中，向金刚石基 压电电阻施加的应力施加面，为（110)面、（111)面或与它们等同的晶面。
[0197] 如图15B所示，金刚石基压电电阻20形成于金刚石基板的（110)面、（111)面或与 它们等同的晶面。向金刚石基压电电阻20施加的应力施加面，为（110)面、（111)面或与它 们等同的晶面。即，应力施加方向P4为[110]方向、[111]方向或与它们等同的晶体取向。
[0198] 在所述力检测元件中，在形成有金刚石基压电电阻的面上，作用垂直的方向的压 缩力。金刚石的压缩强度为9GPa，是非常高的。因此，从强度、耐久性、稳定性方面考虑，施 加有压缩应力的力检测元件包含金刚石基压电电阻是最佳的。当在金刚石基板的（1〇〇)面 上形成本结构的金刚石基压电电阻时，压电电阻系数成为0。因此，采用（110)面或（111) 面。
[0199] 2· 1· 1· π ' 13 :(110)
[0200] 图16Α表示了具备金刚石基压电电阻的力检测元件，所述金刚石基压电电阻包含 导入了作为杂质的硼的高取向性金刚石。在所述力检测元件中，金刚石基压电电阻形成于 金刚石基板的（110)面或与其等同的晶面。在金刚石基压电电阻的两端相对的输入输出共 用电极对(输入输出共用电极22、22)以成为从[110]方向或与其等同的晶体取向起的一 30°?+30°的角度范围内的方式配置。在所述力检测元件中，向金刚石基压电电阻施加 的应力施加面，为（110)面或与其等同的晶面。
[0201] (110)面内的压电电阻系数π ' 13,大于（111)面内的压电电阻系数π ' 13。因 此，能够使力检测元件高灵敏度化。
[0202] 从图16A表示的压电电阻系数的晶体取向依赖性的图，能得出以下的结论。S卩，在 (110) 面内，输入输出共用电极对的方向如果处于从[110]方向起的一 30°?十30°的角 度范围内，则压电电阻系数足够大，特别是在[110]方向上具有最大值。
[0203] 2. 1. 2. π 1 13 ：(111)
[0204] 图16B表示了具备金刚石基压电电阻的力检测元件，所述金刚石基压电电阻包含 导入了作为杂质的硼的高取向性金刚石。在所述力检测元件中，金刚石基压电电阻形成于 金刚石基板的（111)面或与其等同的晶面。配置有在金刚石基压电电阻的两端相对的输入 输出共用电极对(输入输出共用电极22、22)。在所述力检测元件中，向金刚石基压电电阻施 加的应力施加面，为（111)面或与其等同的晶面。
[0205] 从图16B表示的压电电阻系数的晶体取向依赖性的图，能得出以下的结论。艮P， (111) 面内的压电电阻系数π' 13不具备方向依赖性而取一定的值。因此，即使当产生金 刚石基压电电阻的方向偏离时，压电电阻系数13也是一定的。因此，能够使个体差最 小。
[0206] 2. 1. 3· π ' 13 :(110)的惠斯通电桥< 1 >(两组上都作用压缩力）
[0207] 图17表示了惠斯通电桥。所述惠斯通电桥包括相对的两组金刚石基压电电阻。金 刚石基压电电阻形成于金刚石基板的（110)面或与其等同的晶面。在一组金刚石基压电电 阻的两端相对的输入输出共用电极对以成为从[一 110]方向或与其等同的晶体取向起的一 30°?+30°的角度范围内的方式配置。在另一组金刚石基压电电阻的两端相对的输入输 出共用电极对以成为从[001]方向或与其等同的晶体取向起的一 30°?+30°的角度范 围内的方式配置。
[0208] 图17所示的惠斯通电桥，在金刚石基板的（110)面上形成有金刚石基压电电阻 20C、20C和金刚石基压电电阻20D、20D。所述惠斯通电桥具备金刚石基压电电阻20C、20C 和金刚石基压电电阻20D、20D。并且，所述惠斯通电桥包括与金刚石基压电电阻20C、20C和 金刚石基压电电阻20D、20D连接的布线图案PT2以及与布线图案PT2连接的端子51A、51B、 51C、51D。
[0209] 金刚石基压电电阻20C、20C是相对的。金刚石基压电电阻20D、20D是相对的。金 刚石基压电电阻20C、20C的输入输出共用电极对(输入输出共用电极22C，22C)以成为从 [一 110]方向起的一 30°?+30°的角度范围内的方式配置。金刚石基压电电阻20D、20D 的输入输出共用电极对(输入输出共用电极22D，22D)以成为从[001]方向起的一 30°?+ 30°的角度范围内的方式配置。
[0210] 所述的在另一组金刚石基压电电阻的两端相对的输入输出共用电极对以成为 [001]方向或与其等同的晶体取向的方式配置。由此，基本上不产生因压缩力造成的电阻变 化。因此，相比使用单个金刚石基压电电阻，能够加大来自惠斯通电桥的输出。此外，能够 消除电阻值的温度依赖性。
[0211] 从图16A表示的压电电阻系数的晶体取向依赖性的图，能得出以下的结论。SP，在 (110)面内，输入输出共用电极对(输入输出共用电极22C、22C)的方向如果处于从[一 110] 方向起的一 30°?+30°的角度范围内，则压电电阻系数足够大，特别是在[一 110]方 向上具有最大值。此外，在（110)面内，如果输入输出共用电极对(输入输出共用电极22D、 22D)的方向处于从[001]方向起的一 30°?+30°的角度范围内，则压电电阻系数足够 小，特别是在[001]方向上具有最小值。
[0212] 2. 1.4. π ' 13 :(110)/ (111)的惠斯通电桥(仅对一组作用压缩力）
[0213] 在图17所示的惠斯通电桥中，可以由相对的两组金刚石基压电电阻构成惠斯通 电桥。此外，可以仅对一组金刚石基压电电阻施加应力。
[0214] 此时，对一组金刚石基压电电阻作用压缩力。因此，另一组金刚石基压电电阻基本 不产生因压缩力造成的电阻变化。因此，相比使用单个金刚石基压电电阻，能够加大来自惠 斯通电桥的输出。此外，能够消除电阻值的温度依赖性。
[0215] 金刚石基压电电阻的、作用压缩力的块面，也可以具有台阶，使得仅使一组金刚石 基压电电阻被施加应力。如后述的2. 1.4.2.所示，还可以加大被作用压缩力的一组金刚石 基压电电阻的厚度。
[0216] 2. 1. 4. 1. π ' 13 :(110)的惠斯通电桥< 2 >
[0217] 图18表示了包含相对的两组金刚石基压电电阻的惠斯通电桥(力检测元件)。仅 有一组金刚石基压电电阻被施加应力。在一组金刚石基压电电阻的两端相对的输入输出共 用电极对，以成为[一 110]方向或与其等同的晶体取向的方式配置。
[0218] 如图18所示，所述惠斯通电桥在金刚石基板的（110)面上形成有金刚石基压电电 阻20E、20E和金刚石基压电电阻20F、20F。所述惠斯通电桥具备金刚石基压电电阻20E、20E 和金刚石基压电电阻20F、20F。并且，所述惠斯通电桥包括与金刚石基压电电阻20E、20E和 金刚石基压电电阻20F、20F连接的布线图案PT3以及和布线图案PT3连接的端子52A、52B、 52C、52D。
[0219] 金刚石基压电电阻20E、20E是相对的。金刚石基压电电阻20F、20F是相对的。金 刚石基压电电阻20E、20E的输入输出共用电极对(输入输出共用电极22E、22E)以成为从 [一 110]方向起的一 30°?+30°的角度范围内的方式配置。
[0220] 如图18所示，例如对金刚石基压电电阻20E、20E作用压缩力，并且对金刚石基压 电电阻20F、20F未作用压缩力。
[0221] 2. L 4· 2· π ' 13 :(111)的惠斯通电桥
[0222] 图19表示了包含相对的两组金刚石基压电电阻的惠斯通电桥(力检测元件)。一 组金刚石基压电电阻的厚度，大于另一组金刚石基压电电阻的厚度。只有较厚一方的一组 金刚石基压电电阻被施加应力。
[0223] 图19所示的惠斯通电桥在金刚石基板的（111)面上形成有金刚石基压电电阻 20G、20G和金刚石基压电电阻20H、20H。所述惠斯通电桥具备金刚石基压电电阻20G、20G 和金刚石基压电电阻20H、20H。并且，所述惠斯通电桥包括与金刚石基压电电阻20G、20G和 金刚石基压电电阻20H、20H连接的布线图案PT4以及与布线图案PT4连接的端子53A、53B、 53C、53D。
[0224] 从图16B表示的压电电阻系数的晶体取向依赖性的图，能得出以下的结论。艮P， (111)面内的压电电阻系数π' 13不具备方向依赖性而取一定的值。因此，即使当发生金 刚石基压电电阻的方向偏离时，压电电阻系数13也是一定的。因此，能够使个体差最 小。
[0225] 此外，一组金刚石基压电电阻20G、20G的厚度，大于另一组金刚石基压电电阻 20H、20H的厚度。由此，对一组金刚石基压电电阻20G、20G作用压缩力。因此，另一组金刚 石基压电电阻20H、20H基本不产生因压缩力造成的电阻变化。因此，相比使用单个金刚石 基压电电阻，能够加大惠斯通电桥的输出。此外，能够消除电阻值的温度依赖性。
[0226] 2.2.nf 63:(110)
[0227] 图20表示了具备金刚石基压电电阻的力检测元件，所述金刚石基压电电阻包含 导入了作为杂质的硼的高取向性金刚石。在所述力检测元件中，金刚石基压电电阻30形 成于金刚石基板的（110)面或与其等同的晶面。在金刚石基压电电阻上相对的输入电极对 (输入电极32a、32a)和相对的输出电极对(输出电极32b、32b)，彼此以垂直的方式配置。并 且，相对的输入电极对(输入电极32a、32a)以成为从[一 110]方向或与其等同的晶体取向 偏离45°的方向起的一 15°?+15°的角度范围内的方式配置。向金刚石基压电电阻施 加的应力施加面，为（110)面或与其等同的晶面。
[0228] 在所述力检测元件中，利用单个电阻，能像惠斯通电桥一样消除电阻值的温度依 赖性。因此，能够使力检测元件更小型化。
[0229] 从图20表示的压电电阻系数的晶体取向依赖性的图，能得出以下的结论。即，在 (110)面内，输入电极对的方向如果处于从[一 110]方向偏离45°的方向起的一 15°?+ 15°的角度范围内，则压电电阻系数足够大，特别是在从[一 110]方向偏离45°的方向上 具有最大值。
[0230] 2· 3· π ' 13, π ' 63 :通过（110)/ (111)上的缓冲块的应力施加
[0231] 图21A表示了力转换元件。所述力转换元件具备包含金刚石基压电电阻60的本 力检测元件、缓冲块61和受压基板62。金刚石基压电电阻60包含导入了作为杂质的硼的 高取向性金刚石。缓冲块61粘接在金刚石基压电电阻60的应力施加面上。受压基板62 粘接在缓冲块61的与粘接有金刚石基压电电阻60的面相反一侧的面上。受压基板62对 缓冲块61施加压缩力。缓冲块61的热膨胀率比受压基板62的热膨胀率小。
[0232] 金刚石基压电电阻60是包含在所述的"2. π ' 13, π ' 63 :(110)/ (111)"项所 示的力检测元件中的金刚石基压电电阻。金刚石基压电电阻60形成在基板63上。金刚石 基压电电阻60具备电阻60a以及与电阻60a的两端部连接的电极60b、60b。基板63通过 固定板64固定。受压基板62的外周部和固定板64的外周部与支承台65连接。
[0233] 作为向金刚石基压电电阻施加应力的方法，有从接受来自外部的压力的受压基板 直接施加压缩力的方法、以及通过块(缓冲块61)施加压缩力的方法。前者会产生结构上的 制约。并且，力检测元件会直接受到起因于受压基板和金刚石基压电电阻的热膨胀率差的 热变形的影响。后者受到结构上的制约和热变形的影响少。此外，通过使缓冲块的热膨胀 率小于受压基板的热膨胀率，能够缓和施加在金刚石基压电电阻上的、来自受压基板的热 变形。
[0234] 特别是通过使用金刚石作为缓冲块61，可以将对金刚石基压电电阻60的热膨胀 的影响抑制在最小限度。当缓冲块61采用其他材料时，由于缓冲块61的压缩强度，金刚石 基压电电阻60上施加的压缩应力受到限制。当采用金刚石作为缓冲块61的材料时，金刚 石基压电电阻60上施加的压缩应力不会因缓冲块61受到限制。因此，能够最大限度地利 用金刚石基压电电阻60的性能。
[0235] 2·4· π ' 13, π ' 63 :(110)/ (111)的耐腐蚀性受压基板一体结构
[0236] 图21B表示了力转换元件。所述力转换元件具备包含金刚石基压电电阻70的本 力检测元件、缓冲块71和单晶金刚石受压基板73。缓冲块71粘接在金刚石基压电电阻70 的应力施加 面上。单晶金刚石受压基板73的表面形成有金刚石基压电电阻70。通过从单 晶金刚石受压基板73的背面施加压缩力，金刚石基压电电阻70从缓冲块71受到压缩力。
[0237] 金刚石基压电电阻70是包含在所述的"2. π ' 13, π ' 63 :(110)/ (111)"项所 示的力检测元件中的金刚石基压电电阻。金刚石基压电电阻70形成在单晶金刚石受压基 板73上。金刚石基压电电阻70具备电阻70a以及与电阻70a的两端部连接的电极70b、 70b。缓冲块71由固定板74固定在与单晶金刚石受压基板73的抵接面相反一侧的面（图 21B的下表面)上。单晶金刚石受压基板73的外周部和固定板74的外周部与支承台75连 接。
[0238] 缓冲块71可以与缓冲块61相同，并能得到同样的效果。
[0239] 在图21B所示的力转换元件中，可以将单晶金刚石受压基板73作为液体接触面或 者气体接触面使用。由此，能够显著提高耐腐蚀性。当使用隔膜时，为了降低弯曲量的个体 差，要精密控制隔膜的厚度。通过使用受压基板，无需严格地控制厚度。
[0240] 3.高取向性金刚石的种类
[0241] 取向性是指晶轴的一致性的程度。高取向性金刚石是指晶轴的一致性良好的金刚 石。例如，通过在所述实施方式采用的单晶金刚石基板上同质外延生长做成的单晶金刚石 膜，具有高取向性、高结晶性以及低缺陷密度。由于所述的单晶金刚石膜基本没有晶界，因 此是适合本发明的力检测元件的材料。以和基板结晶具有某一定的晶体取向关系的方式堆 积生长的异质外延金刚石以及其他的高取向性多晶金刚石，也同样地能具有晶体取向依赖 性，可以适用于本发明的力检测元件。关于异质外延金刚石，可以在MgO基板或蓝宝石基板 上以外延Ir作为基底，生长结晶性优异的外延金刚石。这样的异质外延金刚石也能具有晶 体取向依赖性。此外，高取向性金刚石的生长颗粒的生长方向和面内方向，在基板上取向。 因此，高取向性金刚石也能具有晶体取向依赖性。
[0242] 4.纵式金刚石基压电电阻
[0243] 图22A?图22D表示了力检测元件。在所述力检测元件中，高浓度硼掺杂外延金 刚石、低浓度硼掺杂外延金刚石和高浓度硼掺杂外延金刚石依次层叠在面方向上。
[0244] 图22A是力检测元件的剖视图。图22B是从图22A的B - B线方向看到的俯视图。
[0245] 如图22A?图22D所示，纵式金刚石基压电电阻(金刚石层叠体)80包含金刚石层 叠体。在所述金刚石层叠体中，高浓度硼掺杂外延金刚石层81、低浓度硼掺杂外延金刚石 层82和高浓度硼掺杂外延金刚石层83依次层叠在面方向（图22A的上方向）上。此外，电 极84a和电极84b包含Ti/Au层。电极84a与高浓度硼掺杂外延金刚石层81连接。电极 84b与高浓度硼掺杂外延金刚石层83连接。
[0246] 由此，可以使电阻成为纵式结构。通过形成纵式结构，可以减小压电电阻的低电阻 化和/或制造工序中的位置偏离的影响。通过层叠用于降低接触电阻的高浓度硼掺杂金刚 石（HBDD)以及作为压电电阻采用的低浓度硼掺杂金刚石（LBDD)，可以制作压电电阻。在纵 式结构中，低浓度硼掺杂金刚石的结晶性得到提高。此外，为降低接触电阻，形成作为基底 的高浓度硼掺杂金刚石。例如，如图22C所示，以在金刚石基板的（110)面上成为HBDD - LBDD - HBDD的层叠结构的方式形成金刚石基压电电阻。当向金刚石基压电电阻施加的应 力施加方向为[110]方向或与其等同的晶体取向时，可以利用压电电阻系数π ' 12。此外， 也可以以在金刚石基板的（110)面上成为HBDD - LBDD - HBDD的层叠结构的方式形成金 刚石基压电电阻。当向金刚石基压电电阻施加的应力施加面为（110)面或与其等同的晶面 时，可以利用压电电阻系数η ' 11。
[0247] 〈变形例〉
[0248] 在所述试验（实施方式）中，将相对于碳的、外延生长时的硼的气相中的浓度设 为两种（4. 5ppm和5000ppm)。对于相对于碳的、外延生长时的硼的气相中的浓度，可以在 0. Olppm?10%左右的范围内选择任意的浓度。
[0249] 向单晶金刚石基板上合成单晶金刚石膜的合成方法，没有特别限定。作为所述合 成方法，例如可以举出热丝CVD法、微波等离子体CVD法、直流等离子体CVD法、高温高压合 成法、电弧等离子体喷射法和物理蒸镀法。作为单晶金刚石的成膜方法，可以举出微波等离 子体CVD法。按照微波等离子体CVD法，金属等杂质不易进入，缺陷受到抑制。
[0250] 在金刚石的化学气相沉积法中，作为能够抑制单晶金刚石合成时产生缺陷的方 法，例如可以举出以下的（1)?（3)的方法。
[0251] (1)通过向原料气体中添加微量的杂质成分，使特定的晶面优先生长。
[0252] (2)选择使特定的晶面优先取向的条件。
[0253] (3)准备表面相对于能外延生长的晶面具有微小的倾斜(偏离角）的基板。通过台 阶流动生长，使金刚石在所述基板上生长。
[0254] 在所述实施例中，将金刚石基压电电阻的表面取向设为{ 100 }{ 110 }{ 111 }。这些 表面取向也可以以具有〇?10°左右的偏离角的方式倾斜。
[0255] 用于向金刚石膜赋予导电性的掺杂剂，可以是p型掺杂剂，也可以是η型掺杂剂。 作为Ρ型掺杂剂，例如可以举出Β (硼)。作为η型掺杂剂，例如可以举出Ρ (磷)、Ν (氮)、S (硫黄)、As (砷)、Sb (锑)。特别是Β (硼）可以进行高浓度的掺杂。此外，Β (硼）的受主能 级（0. 37eV)比其他的掺杂剂小。
[0256] 作为用于向金刚石膜赋予导电性的杂质导入法，例如可以举出CVD合成时与原料 气体一起混入掺杂剂气体的方法、利用热扩散的方法和利用离子注入的方法。
[0257] 可以如所述的"金刚石基压电电阻的制作工序"中13)的Ti/Au溅射（图2)所示的， 形成金属碳化物，与单晶金刚石基压电电阻和进行欧姆接触的金属膜（Ti) 一起，形成用于 进行金属膜的保护和引线接合的、由金属构成的保护膜（Au)。前者的金属膜的材料例如可 以是 Ti (钛)、V (钒)、Cr (铬)、Mo (钥)、W (钨)、SiC (碳化硅)、Ta (钽)、Nb (铌)、Zr (锆)、 Tie (碳化钛)、VC (碳化钒)、Cr3C2 (碳化铬)、Mo2C (碳化钥)、WC (碳化钨)、TaC (碳化钽)、 NbC (碳化铌）或ZrC (碳化锆）的单质或合金。由金属构成的保护膜的材料例如可以是Ni (镍)、Cu (铜)、Fe (铁)、Co (钴)、Au (金)、Pt (白金）或A1 (铝）的单质或合金。此外，保护 膜也可以是将所述的金属作为成分的多层膜。
[0258] 在所述的"金刚石基压电电阻的制作工序"中，在真空炉内进行退火（图3的19)退 火)。由此，金刚石基压电电阻一 Ti之间的接触电阻降低并且提高了它们的贴紧性。作为 缓冲层，可以在金刚石基压电电阻一 Ti之间导入高浓度硼掺杂金刚石层。
[0259] 图23A是表示所述缓冲层的剖视图，图23B是图23A中的B - B线俯视图。
[0260] 如图23A和图23B所示，金刚石基压电电阻包含p型单晶金刚石膜2和Ti/Au膜 5。在p型单晶金刚石膜2和Ti/Au膜5之间作为缓冲层BF，设有高浓度硼掺杂金刚石层。 通过导入所述缓冲层，无需进行退火就能降低金属布线和金刚石基压电电阻的接触电阻。
[0261] 此外，取代真空炉内的退火，也可以在不活泼气体环境下进行退火。作为不活泼气 体，例如使用N2 (氮）气、Ar (氩）气或He (氦）气。退火温度例如以在进行了溅射的金属和 金刚石的接合面上形成碳化物的方式，设在200°C - 1200°C的范围。
[0262] 隔膜形状例如为四边形、圆形或者椭圆形。
[0263] 关于惠斯通电桥中的压电电阻的配置，可以将一组单晶金刚石基压电电阻形成在 隔膜端部，将另一组单晶金刚石基压电电阻形成在隔膜外的区域。
[0264] 此外作为另一配置方式，例如也可以在隔膜中央部形成一组单晶金刚石基压电电 阻。此外，也可以在隔膜端部形成另一组单晶金刚石基压电电阻。当中央部产生压缩(拉伸） 方向的变形时，在端部产生拉伸(压缩)方向的变形。因此，可以加大包含所述两组导电性单 晶金刚石基压电电阻的电桥电路的输出。
[0265] 此外，作为另一实施方式，也可以在惠斯通电桥内的电源侧或者接地端子侧，连接 两个金刚石基压电电阻。例如，可以在隔膜中央部形成一个单晶金刚石基压电电阻。此外， 可以在隔膜端部形成另一个单晶金刚石基压电电阻。其余的两个电阻可以是容易由激光微 调器进行电阻值调整的金属薄膜电阻。当中央部产生压缩(拉伸）方向的变形时，在端部产 生拉伸（压缩）方向的变形。因此，可以加大包含所述两组导电性单晶金刚石基压电电阻的 电桥电路的输出。并且，可以通过金属薄膜电阻调整偏置电压（才7卜電圧)。
[0266] 在所述实施方式中，金刚石基压电电阻所含的外延金刚石可以是异质外延金刚 石、高取向性金刚石。关于异质外延金刚石，可以在MgO基板或蓝宝石基板上将外延Ir作 为基底，生长结晶性优异的外延金刚石。这样的异质外延金刚石也能具有晶体取向依赖性。 此外，在高取向性金刚石中，生长颗粒的生长方向和面内方向，在基板上取向。因此，高取向 性金刚石也能具有晶体取向依赖性。
[0267] 图24例示了本说明书记载的"等同的"方向和"等同的"面。使用<u v ?>这 种尖括号，统一表示等同的方向。此外，使用{u V w}这种花括号，统一表示等同的面。
[0268] 如上所述，按照本发明，例如通过利用高取向性金刚石基压电电阻的晶体取向依 赖性，可以制作能在高温环境下稳定使用的各种结构的力检测元件或力转换元件。
[0269] 本发明的应用范围不限于所述实施方式。对于具备包含导入了作为杂质的硼的高 取向性金刚石的金刚石基压电电阻的力检测元件或力转换元件，可以广泛应用本发明。
[0270] 另外，关于图6B，当沿主轴取直角坐标时，由于金刚石为立方晶体，所以应力（^和 电阻率的变化部分Λ p i的关系，可以利用压电电阻系数πu作为规定的矩阵取得联系。
[0271] 在对金刚石基压电电阻作用压缩力的块面上，可以以仅向一组金刚石基压电电阻 施加应力的方式设置台阶，也可以如2. 1. 4. 2.那样加大作用有压缩力的一组金刚石基压 电电阻的厚度。
[0272] 此外，本发明的元件可以是下面的第1力检测元件?第23力检测元件或第1力转 换元件和第2力转换元件。
[0273] 第1力检测元件，其具备金刚石基压电电阻，所述金刚石基压电电阻包含导入了 作为杂质的硼的高取向性金刚石，所述金刚石基压电电阻的压电电阻系数的绝对值，大于 将< 100 >方向作为主轴时的压电电阻系数π 11或Ji 12的绝对值。
[0274] 第2力检测元件，在第1力检测元件中，所述力检测元件还具备：金刚石基板；以 及输入电极对，在所述金刚石基压电电阻上相对，所述金刚石基压电电阻形成在所述金刚 石基板的（100)面、（110)面、（111)面、或与（100)面、（110)面和（111)面分别等同的晶面 上，向所述金刚石基压电电阻施加的应力施加方向，相对于所述输入电极对为相同的方向 或垂直的方向或剪切的方向。
[0275] 第3力检测元件，在第2力检测元件中，所述输入电极对是输入输出共用电极对， 所述输入输出共用电极对在所述金刚石基压电电阻的两端相对，向所述金刚石基压电电阻 施加的应力施加方向是与所述输入输出共用电极对相同的方向或垂直的方向。
[0276] 第4力检测元件，在第3力检测元件中，所述金刚石基压电电阻形成在所述金刚石 基板的（100)面或与（100)面等同的晶面上，所述输入输出共用电极对以成为从[011]方向 或与其等同的晶体取向起的一 15°?+ 15°的角度范围的方式配置。
[0277] 第5力检测元件，在第3力检测元件中，所述金刚石基压电电阻形成在所述金刚石 基板的（110)面或与（110)面等同的晶面上，所述输入输出共用电极对以成为从[110]方向 或与[110]方向等同的晶体取向起的一 60°?+60°的角度范围内的方式配置，向所述金 刚石基压电电阻施加的应力施加方向是与所述输入输出共用电极对相同的方向。
[0278] 第6力检测元件，在第3力检测元件中，所述金刚石基压电电阻形成在所述金刚石 基板的（110)面或与（110)面等同的晶面上，所述输入输出共用电极对以成为从[110]方向 或与[110]方向等同的晶体取向偏离45°的方向起的一 15°?十15°的角度范围内的方 式配置，向所述金刚石基压电电阻施加的应力施加方向是与所述输入输出共用电极对垂直 的方向。
[0279] 第7力检测元件，在第3力检测元件中，所述金刚石基压电电阻形成在所述金刚石 基板的（111)面或与（111)面等同的晶面上。
[0280] 第8力检测元件，在第3力检测元件中，所述力检测元件包括惠斯通电桥，所述惠 斯通电桥包括相对的两组所述金刚石基压电电阻，向一组所述金刚石基压电电阻施加的应 力施加方向是与所述输入输出共用电极对相同的方向，向另一组所述金刚石基压电电阻施 加的应力施加方向是与所述输入输出共用电极对垂直的方向。
[0281] 第9力检测元件，在第2力检测元件中，所述力检测元件还具备相对的输出电极 对，所述输出电极对以与所述输入电极对垂直的方式配置，向所述金刚石基压电电阻施加 的应力施加方向相对于所述输入电极对是剪切的方向。
[0282] 第10力检测元件，在第9力检测元件中，所述金刚石基压电电阻形成在所述金刚 石基板的（100)面或与（100)面等同的晶面上，相对的所述输入电极对以成为从[010]方向 或与[010]方向等同的晶体取向起的一 15°?十15°的角度范围内的方式配置。
[0283] 第11力检测元件，在第9力检测元件中，所述金刚石基压电电阻形成在所述金刚 石基板的（110)面或与（110)面等同的晶面上，相对的所述输入电极对以成为从[110]方 向、或[001]方向、或与[110]方向或[001]方向分别等同的晶体取向起的一 15°?+ 15° 的角度范围内的方式配置。
[0284] 第12力检测元件，在第9力检测元件中，所述金刚石基压电电阻形成在所述金刚 石基板的（111)面或与（111)面等同的晶面上。
[0285] 第13力检测元件，在第1力检测元件中，所述力检测元件还具备：金刚石基板；以 及输入电极对，在所述金刚石基压电电阻上相对，所述金刚石基压电电阻形成在所述金刚 石基板的（110)面、（111)面、或与（110)面和（111)面分别等同的晶面上，向所述金刚石基 压电电阻施加的应力施加面为（110)面、（111)面、或与（110)面和（111)面分别等同的晶 面。
[0286] 第14力检测元件，在第13力检测元件中，所述输入电极对是输入输出共用电极 对，所述输入输出共用电极对在所述金刚石基压电电阻的两端相对。
[0287] 第15力检测元件，在第14力检测元件中，所述金刚石基压电电阻形成在所述金刚 石基板的（110)面或与（110)面等同的晶面上，所述输入输出共用电极对以成为从[110]方 向或与[110]方向等同的晶体取向起的一 30°?+30°的角度范围内的方式配置，向所述 金刚石基压电电阻施加的应力施加面是（110)面或与（110)面等同的晶面。
[0288] 第16力检测元件，在第14力检测元件中，所述金刚石基压电电阻形成在所述金刚 石基板的（111)面或与（111)面等同的晶面上，向所述金刚石基压电电阻施加的应力施加 面是（111)面或与（111)面等同的晶面。
[0289] 第17力检测元件，在第14力检测元件中，所述力检测元件包括惠斯通电桥，所述 惠斯通电桥包括相对的两组所述金刚石基压电电阻，所述金刚石基压电电阻形成在所述 金刚石基板的（110)面或与（110)面等同的晶面上，在一组所述金刚石基压电电阻的两端 相对的所述输入输出共用电极对以成为从[110]方向或与[110]方向等同的晶体取向起 的一 30°?+30°的角度范围内的方式配置，在另一组所述金刚石基压电电阻的两端相 对的所述输入输出共用电极对以成为从[00 1 ]方向或与[00 1 ]方向等同的晶体取向起的一 30°?+30°的角度范围内的方式配置。
[0290] 第18力检测元件，在第14力检测元件中，所述力检测元件包括惠斯通电桥，所述 惠斯通电桥包括相对的两组所述金刚石基压电电阻，仅对一组所述金刚石基压电电阻施加 应力。
[0291] 第19力检测元件，在第18力检测元件中，在被施加应力的所述一组所述金刚石基 压电电阻的两端相对的所述输入输出共用电极对以成为[110]方向或与[110]方向等同的 晶体取向的方式配置。
[0292] 第20力检测元件，在第18力检测元件中，被施加应力的所述一组所述金刚石基压 电电阻的厚度，大于另一组所述金刚石基压电电阻的厚度。
[0293] 第21力检测元件，在第13力检测元件中，所述力检测元件还具备相对的输出电极 对，所述输出电极对以与所述输入电极对垂直的方式配置，所述金刚石基压电电阻形成在 所述金刚石基板的（110)面或与（110)面等同的晶面上，相对的所述输入电极对以成为从 [110]方向或与[110]方向等同的晶体取向偏离45°的方向起的一 15°?+15°的角度 范围内的方式配置，向所述金刚石基压电电阻施加的应力施加面是（110)面或与（110)面 等同的晶面。
[0294] 第1力转换元件，其包括：第13力检测元件?第21力检测元件中的任意一项所述 的力检测元件；缓冲块，粘接在所述金刚石基压电电阻的应力施加面上；以及受压基板，粘 接在所述缓冲块的、与粘接有所述金刚石基压电电阻的面相反一侧的面上，向所述缓冲块 施加压缩力，所述缓冲块的热膨胀率小于所述受压基板的热膨胀率。
[0295] 第2力转换元件，其包括：所述金刚石基板是单晶金刚石受压基板的第13力检测 元件?第21力检测元件中的任意一项所述的力检测元件；以及缓冲块，粘接在所述金刚石 基压电电阻的应力施加面上，通过从所述单晶金刚石受压基板的背面施加压缩力，所述金 刚石基压电电阻从所述缓冲块接受压缩力。
[0296] 第22力检测元件，在第1力检测元件?第21力检测元件中的任意一项所述的力 检测元件中，所述金刚石基压电电阻包含单晶金刚石或异质外延金刚石。
[0297] 第23力检测元件，在第1力检测元件?第6力检测元件中的任意一项所述的力检 测元件中，所述金刚石基压电电阻包括金刚石层叠体，在所述金刚石层叠体中，在面方向上 依次层叠有高浓度硼掺杂外延金刚石、低浓度硼掺杂外延金刚石以及高浓度硼掺杂外延金 刚石。
[0298] 出于示例和说明的目的已经给出了所述详细的说明。根据上面的教导，许多变形 和改变都是可能的。所述的详细说明并非没有遗漏或者旨在限制在这里说明的主题。尽 管已经通过文字以特有的结构特征和/或方法过程对所述主题进行了说明，但应当理解的 是，权利要求书中所限定的主题不是必须限于所述的具体特征或者具体过程。更确切地说， 将所述的具体特征和具体过程作为实施权利要求书的示例进行了说明。
【权利要求】
1. 一种力检测元件，其特征在于， 所述力检测元件具备金刚石基压电电阻，所述金刚石基压电电阻包含导入了作为杂质 的硼的高取向性金刚石， 所述金刚石基压电电阻的压电电阻系数的绝对值，大于将< 100 >方向作为主轴时的 压电电阻系数π 11或π 12的绝对值。
2. 根据权利要求1所述的力检测元件，其特征在于， 所述力检测元件还具备： 金刚石基板；以及 输入电极对，在所述金刚石基压电电阻上相对， 所述金刚石基压电电阻形成在所述金刚石基板的（100)面、（110)面、（111)面、或与 (100)面、（110)面和（111)面分别等同的晶面上， 向所述金刚石基压电电阻施加的应力施加方向，相对于所述输入电极对为相同的方向 或垂直的方向或剪切的方向。
3. 根据权利要求2所述的力检测元件，其特征在于， 所述输入电极对是输入输出共用电极对，所述输入输出共用电极对在所述金刚石基压 电电阻的两端相对， 向所述金刚石基压电电阻施加的应力施加方向是与所述输入输出共用电极对相同的 方向或垂直的方向。
4. 根据权利要求2所述的力检测元件，其特征在于， 所述力检测元件还具备相对的输出电极对，所述输出电极对以与所述输入电极对垂直 的方式配置， 向所述金刚石基压电电阻施加的应力施加方向相对于所述输入电极对是剪切的方向。
5. 根据权利要求1所述的力检测元件，其特征在于， 所述力检测元件还具备： 金刚石基板；以及 输入电极对，在所述金刚石基压电电阻上相对， 所述金刚石基压电电阻形成在所述金刚石基板的（110)面、（111)面、或与（110)面和 (111)面分别等同的晶面上， 向所述金刚石基压电电阻施加的应力施加面为（110)面、（111)面、或与（110)面和 (111)面分别等同的晶面。
6. 根据权利要求5所述的力检测元件，其特征在于，所述输入电极对是输入输出共用 电极对，所述输入输出共用电极对在所述金刚石基压电电阻的两端相对。
7. -种力转换元件，其特征在于， 所述力转换元件包括： 权利要求5或6所述的力检测元件； 缓冲块，粘接在所述金刚石基压电电阻的应力施加面上；以及 受压基板，粘接在所述缓冲块的、与粘接有所述金刚石基压电电阻的面相反一侧的面 上，向所述缓冲块施加压缩力， 所述缓冲块的热膨胀率小于所述受压基板的热膨胀率。
8. -种力转换元件，其特征在于， 所述力转换元件包括： 所述金刚石基板是单晶金刚石受压基板的权利要求5或6所述的力检测元件；以及 缓冲块，粘接在所述金刚石基压电电阻的应力施加面上， 通过从所述单晶金刚石受压基板的背面施加压缩力，所述金刚石基压电电阻从所述缓 冲块接受压缩力。
9. 根据权利要求1?6中任意一项所述的力检测元件，其特征在于，所述金刚石基压电 电阻包含单晶金刚石或异质外延金刚石。
10. 根据权利要求1?3中任意一项所述的力检测元件，其特征在于， 所述金刚石基压电电阻包括金刚石层叠体， 在所述金刚石层叠体中，在面方向上依次层叠有高浓度硼掺杂外延金刚石、低浓度硼 掺杂外延金刚石以及高浓度硼掺杂外延金刚石。
【文档编号】G01L9/06GK104122014SQ201410113569
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年3月25日 优先权日:2013年4月24日
【发明者】竹中一马 申请人:横河电机株式会社