JPH0719975A

JPH0719975A - 圧力センサチップ、触覚センサ、および触覚センサの製造方法

Info

Publication number: JPH0719975A
Application number: JP5186791A
Authority: JP
Inventors: Takanori Fujiwara; 貴典藤原; Masushirou Hisatani; 益士郎久谷; Tatsuhiro Jibiki; 達弘地引
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Priority date: 1993-06-30
Filing date: 1993-06-30
Publication date: 1995-01-20

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】フレキシブルプリント基板上に多数センサチ
ップ配設して２次元アレイ状の３軸触覚センサを構成さ
せ、量産性にも優れ、一括製作を可能とする。【構成】シリコンからなる素子表面に形成された台形
断面の矩形メサ１４を有し、この矩形メサ１４における
斜面部分１６に検出電極２０を設け、電極１４に接して
素子表面にピエゾ効果をもつ圧電材料薄膜層１８を形成
した圧力センサチップ１０とし、触覚センサは、フレキ
シブルプリント基板に複数マトリックス状に配列接続さ
れたシリコンからなる素子表面に、台形断面の矩形メサ
を１乃至複数形成し、各矩形メサにおける斜面部分に検
出電極を設けるとともに、検出電極に電気的に接続され
るインピーダンス変換素子を設け、検出電極に接して素
子表面にピエゾ効果をもつ圧電材料薄膜層を形成し、こ
れを接地電極層、外乱遮蔽層および保護層によって覆っ
た構造とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は圧力センサチップ、触覚
センサ、および触覚センサの製造方法に係り、特にロボ
ットアームに触覚を与えるための分布型触覚センサに適
用するのに好適な構造とした圧力センサチップ、触覚セ
ンサ、および触覚センサの製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来からロボットアームは視覚フィード
バックにより操作されているのが一般的であるが、視覚
センサから離れた位置で微細な操作を行おうとすると操
作者に大変な負担を与えてしまう。このため、操作性の
向上や操作者の疲労軽減の観点から、フィードバック制
御の入力装置となる視覚以外の各種センサが要求され、
特に触覚センサの実現が望まれている。

【０００３】従来、この種の触覚センサ等に用いる圧力
センサは比較的大型でかつ１軸検出型のものが大半であ
る。また、２次元アレイ化されたものも１軸検出型が多
く、３軸検出型は稀であると同時に製作工程が著しく複
雑となっている。更に、アレイ状センサには剛体的構造
を持つものが多いので、柔軟な構造をもつ分布型触覚セ
ンサは殆ど見当たらない。

【０００４】従来、３軸触覚センサとして発表されてい
る例を図５に示す。このセンサは異方性エッチング技術
を用いて試作されたマトリックス状触覚センサであり、
半導体歪ゲージによって圧力を検出するようになってい
る。この例では、４×４個のエレメントが各１ｍｍピッ
チでマトリックス状に配置され、センシング層の下側に
はＩＣ回路が造り込まれて１チップ化されている。ここ
で使用される触覚センサエレメントは検出能力と配置ピ
ッチを組合わせて３軸１ｍｍセンサと呼ばれている。図
６は当該センサの構成図であり、（１）は３軸センサの
基本部分を示し、黒色部分が外力作用部分、斜線部がセ
ンシングエレメントであり、（２）図中のａ〜ｄの４ヵ
所に半導体歪ゲージが形成されている。（３）はセンシ
ングエレメント側、（５）はＩＣ回路の構成された背面
側である。

【０００５】上記のような触覚センサは、放電加工法に
よりシリコンウェハに所定のピッチで長方形の穴を開
け、その後、この穴を基準にして触覚センサの表面にダ
イヤモンド砥石によって縦と横方向に長方形断面の溝を
加工する。この溝の深さを交互に変えることによって１
６個の両端固定はりがｘ、ｙ方向に交互に並んだ３軸１
ｍｍ触覚センサが形成される。そして、作成されたセン
シング部を別体のＩＣ基板と直接ハンダ付けにより電極
接合するようにしている。

【０００６】このような触覚センサでは、小型化が可能
であること、完全弾性体でヒステリシスがないこと、ま
た、強度が強く、電子（ＩＣ）回路との一体化が可能で
あると主張されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の製作工
程から明らかなように、従来型機械加工技術に依存する
ところ大であり、精密な位置決めが要求されると同時
に、微細な加工が困難である。このため、量産性が悪
く、一括製作ができず、センサとしての加工コストが著
しく高くなってしまうという欠点があった。

【０００８】本発明の目的は、半導体製造技術による小
型３軸圧力変換器をフレキシブルプリント基板上に多数
配設して２次元アレイ状の３軸触覚センサを構成するこ
とができ、量産性に優れ、一括製作が可能な圧力センサ
チップ、触覚センサ、および触覚センサの製造方法を提
供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る圧力センサチップは、シリコンからな
る素子表面に形成された台形断面の矩形メサを有し、こ
の矩形メサにおける斜面部分に検出電極を設け、当該電
極に接して前記素子表面にピエゾ効果をもつ圧電材料薄
膜層を形成したものである。

【００１０】また、本発明に係る触覚センサは、フレキ
シブルプリント基板に複数マトリックス状に配列接続さ
れたシリコンからなる素子表面に、台形断面の矩形メサ
を１乃至複数個形成し、各矩形メサにおける斜面部分に
検出電極を設けるとともに、当該検出電極に電気的接続
されるインピーダンス変換素子を設け、前記検出電極に
接して前記素子表面にピエゾ効果をもつ圧電材料薄膜層
を形成し、これを保護層によって覆ったものである。

【００１１】更に、本発明の触覚センサの製造方法は、
シリコン素子表面に異方性エッチングにより台形断面の
矩形メサを１乃至複数個形成し、当該メサの斜面部に少
なくともゲート電極が設定されるＭＯＳ−ＦＥＴをシリ
コン素子表面に構成した後、フレキシブルプリント基板
との接続を図り、前記シリコンの裏面部分を各エレメン
ト毎に分離しつつ、前記メサ側のシリコン素子表面にピ
エゾ効果をもつ圧電材料薄膜層を形成し、この外表面に
接地電極層、外乱遮蔽層および保護層をコーティングす
るようにした。

【００１２】

【作用】上記分布型圧力センサチップの構成によれば、
メサの表面に作用する外力によって圧電材料薄膜層に発
生した電荷量がメサ斜面に設けた検出電極によって検出
される。メサは断面が台形状であり平面矩形となってい
るので、各斜面の電極にて法線および接線方向力が検出
され、直交３軸方向の作用力を検出できるのである。

【００１３】また、上記チップをマトリックスに配置し
て複数設けてフレキシブルプリント基板に接続している
ため、センサ本体が比較的柔軟に変形でき、取り付け箇
所の形状による制約が少なくなり、各チップに作用する
印加圧力の大きさと作用方向が複数箇所で検出されるた
め、センサ本体の接触領域の印加圧力の分布を検出する
ことができ、触覚センサとして対象物の表面性状や接触
状態の把握といった認識データを必要とするロボットア
ームに適用することができる。

【００１４】更に、本発明の製造方法では、エッチング
処理や薄膜層のコーティング等を基本的な製造工程にも
っており、機械加工や製作工程に位置決めを要する組立
工程がないために、バッチプロセスにて作成でき、また
ハンドリングや製作が極めて容易になるので、量産性に
優れたものとなっている。

【００１５】

【実施例】以下に、本発明に係る圧力センサチップ、触
覚センサ、および触覚センサの製造方法の具体的実施例
を図面を参照して詳細に説明する。

【００１６】図１は実施例の圧力センサチップの平面図
および断面図を示している。このチップ１０はシリコン
基板１２の表面に台形断面の矩形メサ１４を形成してい
る。これはシリコン基板１２の表面に中央に正方形開口
を有するように枠形のＳiＯ2マスクを設け、異方性エッ
チングを施すことによりマスク部分に相当する部分が台
形断面となるように矩形枠形のメサ１４が構成される。
これによりメサ１４の内周部四方に位置する各面が傾斜
面１６となっている。

【００１７】このような矩形メサ１４を構成したシリコ
ン基板１２には、ピエゾ効果をもつ圧電材料薄膜層を積
層形成するようにしている。ピエゾ効果をもつ圧電材料
としては、実施例ではポリフッ化ビニリデン（以下ＰＶ
ＤＦという）を用いており、この膜を加熱して真空中に
て加圧転写し、シリコン基板１２のメサ１４に接合させ
るようにしている。圧電材料としては圧電セラミックス
と圧電ポリマーとがあり、両者を用いることができる
が、圧電ポリマーの誘電率が小さいので、両者に同一の
応力を印加すると圧電セラミックスより約１０倍大きな
電圧が発生するので、圧電ポリマーに優位性がある。ま
た、対象物と機械的に接触する触覚センサでは、柔軟な
センシング材料が望ましいので、圧電ポリマーが有利で
ある。更に、圧電ポリマーには上記ＰＶＤＦに代表され
るポリマー単体のものと、圧電性能を改善する目的等の
ために圧電セラミックス粉末をＰＶＤＦやシリコーンゴ
ム中に混入した複合材料があるが、後者はセラミック粉
末がマトリックスポリマー中に均一に分散していなけれ
ば、圧電特性が場所によって不均一になり易い欠点があ
る。したがって材質の安定性の観点から前者の単体ポリ
マーが望ましい。

【００１８】ここで、シリコン基板１２にメサ１４が形
成され、この表面にＰＶＤＦの薄膜層１８が設けられる
ため、ＰＶＤＦ層１８を介してメサ１４が対象物に接触
すると、この接触圧の大きさに応じてＰＶＤＦ層１８に
はピエゾ効果によって電圧を発生する。これを検出する
ために、上記メサ１４の特に矩形に囲まれた内面側の四
方の傾斜面１６のそれぞれに検出電極２０を設けてい
る。すなわち、シリコン基板１２の表面にＰＶＤＦ層１
８を積層形成する前に、図２に示すようなチップベース
の状態で、予め前記各傾斜面１６に検出電極２０を形成
するようにしている。この検出電極２０は同時にインピ
ーダンス変換素子としてのＭＯＳ−ＦＥＴ２２のゲート
電極に接続するようにしている。ＭＯＳ−ＦＥＴ２２は
ＰＶＤＦ層１８による感圧信号をゲート電圧信号として
検出し、検出信号を増幅させるもので、メサ１４の傾斜
面１６の近傍に形成されている。これは図２に示す例で
はメサ１４の上端面に配置され、シリコン基板１２の表
面に不純物注入等によりＭＯＳ−ＦＥＴ２２を造り込む
ようにしている。このＭＯＳ−ＦＥＴ２２のドレイン電
極に接続される出力電極２４を、またソース電極に接続
される電源電極２６を有し、これらはフレキシブルプリ
ント基板２８の回路への接続端子となるようメサ１４の
周囲に配置されている。ＭＯＳ−ＦＥＴ２２は各検出電
極２０ごとに対応して設けられ、実施例のセンサチップ
１０では４ヵ所設けている。これらＭＯＳ−ＦＥＴ２２
とこれに接続される電極２０、２４、２６の形成後、フ
レキシブルプリント基板２８を接続し、検出信号を基板
内回路に取り込んで所定のセンシング出力するようにし
ている。

【００１９】このようにメサ１４のエッチング後に検出
電極２０およびＭＯＳ−ＦＥＴ２２を形成し、同時にフ
レキシブルプリント基板２８への接続を行われた上で、
感圧素子であるＰＶＤＦ層１８が形成されるが、このＰ
ＶＤＦ層１８の表面には接地電極兼用外乱遮蔽用のアル
ミニウム層３０をコーティングし、更に、最外表面部分
に耐摩耗性向上のために、シリコーンゴム層３２を順次
コーティングするようにしている。

【００２０】このように構成された圧力センサチップ１
０によれば、保護層３０、３２を介して作用する外力に
よってＰＶＤＦ層１８には電荷が発生し、これがＭＯＳ
−ＦＥＴ２２により電圧に変換され、発生電圧を検出す
ることによって印加圧力の大きさを検知することができ
る。印加圧力はメサ１４の上面に加えられるが、検出電
極２０は矩形メサ１４の傾斜面に設定されており、メサ
面に対して法線方向と接線方向の力を検出でき、したが
って３軸センサとして機能する。すなわち、センサチッ
プの法線方向のみに力が作用する場合、対向するメサ傾
斜面１６に設けた一対のＰＶＤＦ層１８に発生する電荷
から変換される電圧は等しくなり、このときの法線方向
の出力電圧Ｖnは、対向するＰＶＤＦ層１８からの出力
電圧の和の１／２となる。同様に、センサチップの接線
方向のみに力が作用する場合、対向するメサ傾斜面１６
に設けた一対のＰＶＤＦ層１８のうち、一方は圧縮を受
け他方は引張りを受けるため、両者の出力電圧は極性が
異なり、接線方向出力は両電圧の差分をとることで求め
られる。したがって、対向するＰＶＤＦ層１８から得ら
れる出力電圧の平均値により法線成分の大きさが、差分
を求めることにより接線方向成分の大きさが、またその
極性を求める力の作用方向が検出できる。これにより、
印加応力の３軸方向の各成分を検出することが可能であ
る。

【００２１】ここで、上記のようなセンサチップ１０を
同時に複数マトリックス状に配列形成することにより圧
力分布情報を検出できるので、触覚センサ３４として用
いることができる。これは図３に示すように、上記セン
サチップ１０をフレキシブルプリント基板２８に対して
縦横に一定間隔で配列して形成される。このような触覚
センサ３４の製造プロセスを図４を参照して説明する。

【００２２】まず、第１の工程は、図４（１）に示すよ
うに、シリコン基板１２の表面に異方性エッチングによ
り所定の高さのメサ１４を形成する。このメサ１４のエ
ッチングのためのマスクはＳiＯ2を用いる。メサ１４は
図示の例では２×２のマトリックスに形成する。

【００２３】そして、彫り込んだシリコン基板１２の表
面に、図４（２）に示しているように、第２工程とし
て、インピーダンス変換のためのＭＯＳ−ＦＥＴ２２を
造り込む。不純物の拡散はイオン注入によればよい。こ
の例はＭＯＳ−ＦＥＴ２２はメサ１４の上面に形成して
いるが、シリコン基板１２の平坦度が十分でありＦＥＴ
特性が不揃いにならない場合は、電極２０、２４、２６
以外の任意の位置に構成してもよい。このＭＯＳ−ＦＥ
Ｔ２２のゲート電極とＰＶＤＦ膜１８の絶縁のため、レ
ジスト膜でゲート表面をコーティングする。

【００２４】第３工程はフレキシブルプリント基板２８
との接合工程であり、センサチップ１０の周辺の電極パ
ッド（出力電極２４、電源電極２６）を介して、フレキ
シブルプリント基板２８と接合する（図４（３））。こ
れは基板側パッドに導電性ペーストでバンプを印刷した
後、接合箇所を位置決めして接合すればよい。このプリ
ント基板２８の肉厚に合せて前記メサ１４をエッチング
形成しておく。

【００２５】フレキシブルプリント基板２８の接続の
後、センサチップ１０を分離する第４工程となる（図４
（４））。これは前記メサ１４の形成面と反対側のシリ
コン基板１２の裏面を異方性エッチングで各メサ１４単
位のチップ１０ごとに分離するのである。これによって
複数のセンサチップ１０がマトリックス状に配列してフ
レキシブルプリント基板２８に搭載された状態になる。

【００２６】次に、感圧素子としてＰＶＤＦ膜１８を圧
着して積層する第５工程に移る（図４（５））。これは
シリコン基板１２の表面の凹凸に沿うと同時に充分接合
するように、加熱した状態でやや軟質なシリコーンゴム
製などのパッドで加圧して、ＰＶＤＦ膜１８にシリコン
基板１２表面形状を転写する。接合界面の清浄化および
脱泡のために、真空中加圧が望ましい。ここで、シリコ
ン基板１２とＰＶＤＦ膜１８とは直接接合することが望
ましいが、両者のみで接合できない場合には、シリコン
基板１２の表面の凹凸に適合する形状のマスクを用い
て、ペースト状熱硬化樹脂をスクリーン印刷等によりシ
リコン基板１２の表面に塗布する。その後、位置決めの
後にＰＶＤＦ膜１８とシリコン基板１２とを接合するの
である。

【００２７】上記ＰＶＤＦ膜１８の積層処理の後、これ
を保護する層を形成するが、これは図４（６）に示すよ
うに、ＰＶＤＦ膜１８の表面全面にアルミニウム層３０
をコーティングし、次いで、その外表面側に耐摩耗性向
上のためにシリコーンゴム層３２をコーティングするの
である（図４（７））。前者は接地電極を兼用する外乱
遮蔽用コーティングとなる。アルミニウムコーティング
層３０の反射率は、赤外線から紫外線にわたる幅広い波
長領域で高い反射率を示すので、外乱の抑制効果が大き
い。

【００２８】このような方法によって製作された触覚セ
ンサ３４は、シリコン異方性エッチングにより作成され
た構造体と、圧力変換要素であるＰＶＤＦ膜１８が組み
合わされた触覚センシングチップ１０が、フレキシブル
プリント基板２８上に多数配設されたマトリックス状セ
ンサであり、次のような効果が得られる。すなわち、機
能的な面では、センシングチップ上面に対して法線およ
び接線方向の力の検出が可能な３軸センサとなり、しか
も発生チャージのリークが少ないので、準静的な圧力検
出も可能となっている。また、小型化されたマトリック
ス状センサのため分解能が高く、この分解能もセンサチ
ップ１０の間隔を調整することにより任意に設定でき
る。

【００２９】更に、構造的な面では、フレキシブルプリ
ント基板２８上に構成されるので、取り付け箇所の形状
による制約が少ない。しかもセンシングチップ１０はシ
リコン製のため高い強度をもっており、チップ１０の周
辺に電子（処理）回路を構成することができる。加え
て、製作面からは、バッチプロセスで作成でき、比較的
高密度なセンサの作成も可能であり、製作工程に位置決
めを要する組立工程がないので、ハンドリングや製作が
容易となる効果がある。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
シリコンからなる素子表面に形成された台形断面の矩形
メサを有し、この矩形メサにおける斜面部分に検出電極
を設け、当該電極に接して前記素子表面にピエゾ効果を
もつ圧電材料薄膜層を形成した圧力センサチップである
ため、法線および接線方向の力の検出ができ、３軸方向
に力の検出が可能となる効果が得られる。

【００３１】また、本発明の触覚センサは、フレキシブ
ルプリント基板に複数マトリックス状に配列接続された
シリコンからなる素子表面に、台形断面の矩形メサを１
乃至複数個形成し、各矩形メサにおける斜面部分に検出
電極を設けるとともに、当該検出電極に電気的接続され
るインピーダンス変換素子を設け、前記検出電極に接し
て前記素子表面にピエゾ効果をもつ圧電材料薄膜層を形
成し、これを保護層によって覆った構造となっているの
で、取り付け箇所の制約がなく、高い分解能で検出で
き、ロボットアーム等へ取り付けて圧力分布を容易に把
握できてフィードバック制御の入力手段として極めて有
効なセンシングができる効果がある。

【００３２】更に、本発明の製造方法によれば、シリコ
ン素子表面に異方性エッチングにより台形断面の矩形メ
サを１乃至複数個配列形成し、当該メサの斜面部に少な
くともゲート電極が設定されるＭＯＳ−ＦＥＴをシリコ
ン素子表面に構成した後、フレキシブルプリント基板と
の接続を図り、前記シリコンの裏面部分を各エレメント
毎に分離しつつ、前記メサ側のシリコン素子表面にピエ
ゾ効果をもつ圧電材料薄膜層を形成し、この外表面に接
地電極層、外乱遮蔽層および保護層をコーティングして
製造するため、位置決め要素がなく、穴開け加工がない
ため、バッチプロセスによる一括製造ができ、触覚セン
サの製造コストを大幅に低減することができるという効
果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例に係る圧力センサチップの平面図および
断面図である。

【図２】同センサチップの電極配列の説明図である。

【図３】触覚センサの平面図と側面図である。

【図４】触覚センサの製造工程の説明図である。

【図５】従来の触覚センサの説明図である。

【符号の説明】

１０圧力センサチップ１２シリコン基板１４矩形メサ１６傾斜面１８ＰＶＤＦ膜２０検出電極２２ＭＯＳ−ＦＥＴ２４出力電極２６電源電極２８フレキシブルプリント基板３０アルミニウムコーティング層３２シリコーンゴム層３４触覚センサ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シリコンからなる素子表面に形成された
台形断面の矩形メサを有し、この矩形メサにおける斜面
部分に検出電極を設け、当該電極に接して前記素子表面
にピエゾ効果をもつ圧電材料薄膜層を形成したことを特
徴とする圧力センサチップ。
【請求項２】フレキシブルプリント基板に複数マトリ
ックス状に配列接続されたシリコンからなる素子表面
に、台形断面の矩形メサを１乃至複数個形成し、各矩形
メサにおける斜面部分に検出電極を設けるとともに、当
該検出電極に電気的接続されるインピーダンス変換素子
を設け、前記検出電極に接して前記素子表面にピエゾ効
果をもつ圧電材料薄膜層を形成し、これを保護層によっ
て覆ったことを特徴とする触覚センサ。
【請求項３】シリコン素子表面に異方性エッチングに
より台形断面の矩形メサを１乃至複数個形成し、当該メ
サの斜面部に少なくともゲート電極が設定されるＭＯＳ
−ＦＥＴをシリコン素子表面に構成した後、フレキシブ
ルプリント基板との接続を図り、前記シリコンの裏面部
分を各エレメント毎に分離しつつ、前記メサ側のシリコ
ン素子表面にピエゾ効果をもつ圧電材料薄膜層を形成
し、この外表面に接地電極層、外乱遮蔽層および保護層
をコーティングすることを特徴とする触覚センサの製造
方法。