KR100816660B1 - Tactile sensor and manafacturing method of tactile sensor - Google Patents
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Abstract
본 발명은 촉각 센서 및 제조 방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 과대 접촉력에 대한 파손 예방과 X, Y, Z의 3축 접촉력을 동시에 측정할 수 있는 촉각 센서 및 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a tactile sensor and a manufacturing method, and more particularly, to a tactile sensor and a manufacturing method capable of simultaneously measuring the damage to the excessive contact force and the three-axis contact force of X, Y, Z.
본 발명의 초각 센서는 외부로부터의 촉각을 접촉하기 위하여 SOI기판상에 형성된 접촉력 전달매체; 상기 접촉력 전달매체의 접촉력을 전달하기 위한 접촉력 전달기둥; 상기 접촉력 전달기둥으로부터 소정의 거리로 이격된 곳에 형성되어 감도 손실을 최소로 하기 위한 과대 접촉력 파손방지 기둥; 상기 과대 접촉력 파손방지 기둥 하부에 위치하며 상기 접촉력 전달기둥으로부터 전달받은 접촉력의 크기에 따라 변형되어 응력을 발생하기 위한 다이아프램; 상기 다이아프램내에 형성되어 상기 응력을 저항으로 변환하기 위한 압저항; 상기 압저항에서 변환된 전기적 신호가 출력하기 위하여 상기 SOI 기판의 하부 산화막에 형성된 감지부 도전성 전기 배선 금속을 포함하는 촉각 감지 기판부; 및 상기 촉각 감지 기판부에서 출력된 전기 신호를 외부로 출력하기 위하여 연성회로 기판과 상기 감지부 도전성 배선 금속과 전기적으로 연결된 기판부 도전성 전기 배선을 포함하는 연성회로 기판부를 포함하는 촉각 센서에 의해 달성된다.The first sensor of the present invention comprises a contact force transmission medium formed on the SOI substrate in order to contact the touch from the outside; A contact force transmission column for transmitting a contact force of the contact force transmission medium; Excessive contact force breakage prevention column is formed at a predetermined distance from the contact force transmission pillar to minimize the loss of sensitivity; A diaphragm positioned under the excessive contact force breakage preventing pillar and deformed according to the magnitude of the contact force received from the contact force transmission pillar to generate stress; A piezoresistor formed in the diaphragm to convert the stress into a resistor; A tactile sensing substrate portion including a sensing portion conductive electrical wiring metal formed on a lower oxide film of the SOI substrate to output an electrical signal converted from the piezoresistive; And a flexible circuit board unit including a flexible circuit board and a board unit electrically conductive wire electrically connected to the sensing unit conductive wire metal to output an electrical signal output from the tactile sensor board unit to the outside. do.
따라서, 본 발명의 촉각 센서 및 제조 방법은 정밀한 건식식각으로 다이아프램의 정의를 정확히 하여 칩의 크기를 줄이고, 촉각 감지 기판부와 연성회로 기판부와의 간격 조절을 솔더링에 의해 조절하며, 접촉력 전달기둥이 다이아프램 상부에 위치하여 X, Y, Z 축의 접촉력을 감지할 수 있는 3축 촉각 감지가 가능하며, 범프 본딩이 가능하여 와이어 본딩 공정이 필요 없으며, 촉각 감지 기판부 상면에 전기배선 금속이 없으므로 촉각 감지소자들을 분리할 수 있어 연성회로 기판의 사용으로 곡면에서도 촉각을 감지할 수 있는 효과가 있다.Therefore, the tactile sensor and the manufacturing method of the present invention reduce the size of the chip by precisely defining the diaphragm with precise dry etching, and adjust the spacing between the tactile sensor board and the flexible circuit board by soldering, and transmit contact force. The pillar is located on top of the diaphragm to enable three-axis tactile sensing to detect contact force in the X, Y, and Z axes, and bump bonding is possible, eliminating the need for a wire bonding process, and the electrical wiring metal on the top of the tactile sensing substrate. Therefore, it is possible to separate the tactile sensing elements, so the use of the flexible circuit board has the effect of sensing the tactile sense even on curved surfaces.
촉각 센서, 압저항 Tactile Sensor, Piezoresistive
Description
도 1은 종래의 촉각 센서의 감지 소자부를 나타내는 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing a sensing element of a conventional tactile sensor.
도 2a 내지 도 2i는 종래의 촉각 센서 감지 소자부의 제조 방법을 나타내는 공정 단면도이다.2A to 2I are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a conventional tactile sensor sensing element unit.
도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 촉각 센서의 기판 구성도를 나타내는 단면도이다.3A and 3B are cross-sectional views illustrating a board configuration of the tactile sensor according to the present invention.
도 4a 내지 도 4y는 본 발명에 따른 촉각 센서의 제조 방법을 나타내는 공정 단면도이다.4A to 4Y are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a tactile sensor according to the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명> <Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
100 : 촉각 감지 기판부 110 : 연성회로 기판부100: tactile sensing substrate portion 110: flexible circuit board portion
130 : 압저항 131 : 실리콘130: piezoresistive 131: silicon
132 : 산화막 133 : 접촉력 전달기둥 132: oxide film 133: contact force transmission pillar
134 : 접촉력 전달매체 135 : 다이아프램134: contact force transmission medium 135: diaphragm
136 : 과대 접촉력 파손방지 기둥136: excessive contact force breakage prevention column
137 : 감지부 도전성 전기 배선 금속137: detection unit conductive electrical wiring metal
138, 154 : 도전성 범프 솔더 150 : 연성회로 기판138, 154: conductive bump solder 150: flexible circuit board
152 : 기판부 도전성 전기 배선 금속152: the board portion conductive electrical wiring metal
본 발명은 촉각 센서 및 제조 방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 과대 접촉력에 대한 파손 예방과 X, Y, Z의 3축 접촉력을 동시에 측정할 수 있는 촉각 센서 및 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a tactile sensor and a manufacturing method, and more particularly, to a tactile sensor and a manufacturing method capable of simultaneously measuring the damage to the excessive contact force and the three-axis contact force of X, Y, Z.
촉각 센서는 로보트 및 컴퓨터 하드웨어용으로 광범위하게 응용할 수 있다. 로보트에서 촉각 센서는 포착시에 로보트 손과 물체 사이의 접촉 상태에 따라 다양한 형태의 유용한 정보를 제공한다. 센서는 물체, 손의 위치, 접촉력의 상태를 표시하고 물체의 형상에 관한 정보를 제공한다. 불행하게도, 대부분의 로보트 센서는 전단 운동과 관계없이 단지 압축력만을 측정한다. 전단 센서는 예컨대 파지한 물체의 운동을 감지할 수 있다.Tactile sensors have a wide range of applications for robotic and computer hardware. In the robot, the tactile sensor provides various types of useful information depending on the contact state between the robot hand and the object at the time of capture. The sensor indicates the state of the object, hand position, contact force and provides information about the shape of the object. Unfortunately, most robotic sensors only measure compressive forces, regardless of shear motion. The shear sensor can, for example, detect the motion of the gripped object.
컴퓨터 관련 제품용의 대부분의 조정 장치는 키와 같은 압력 감지 장치이다. 컴퓨터 마우스 또는 컴퓨터 조이스틱과 같은 제어기는 2차원에서의 운동에 반응하지만 비교적 크고 제조하기 복잡하며 기계적 손상이 가해진다. 따라서, 로보트 및 컴퓨터용으로 간단하고 소형인 촉각 센서가 필요하게 되었다.Most adjusting devices for computer-related products are pressure sensing devices such as keys. Controllers such as computer mice or computer joysticks respond to movement in two dimensions but are relatively large and complex to manufacture and incur mechanical damage. Thus, there is a need for a simple and compact tactile sensor for robots and computers.
종래의 촉각 센서는 촉각의 힘(접촉력)을 받아 전달하는 다이아프램, 다이아프램을 지지 및 접촉력에 의해 휘어지는 네 대각선 방향의 스프링 보(Beam), 스프링 보의 휘어짐에 의해 응력(Stress)에 집중되는 부분에 응력변화에 따라 저항의 크기가 변화는 압저항으로 이루어진 촉각 감지 소자부, 2차원 배열로 구성된 촉각 감지소자의 각각의 신호를 감지하여 스위칭, 증폭 등의 신호처리를 하는 신호처리 회로부로 구성되어 있다.Conventional tactile sensor is a diaphragm that receives and transmits the tactile force (contact force), four diagonal spring beams bent by supporting and contacting the diaphragm, and the stress is concentrated by stress of the spring beams. The resistance of the part changes according to the change of stress in the part. It consists of a tactile sensing element part consisting of piezoresistance and a signal processing circuit part that senses each signal of the tactile sensing element composed of a two-dimensional array and processes signals such as switching and amplifying. It is.
도 1은 종래의 촉각 센서의 감지 소자부를 나타내는 단면도이다. 도 1을 살펴보면, 상면과 외부와의 접촉으로 다이아프램이 접촉력을 받게 되고, 상기 다이아프램을 지지하고 있는 네 대각선 방향의 스프링 보(Beam)가 외부의 접촉력에 의해 휘어지게 된다.1 is a cross-sectional view showing a sensing element of a conventional tactile sensor. Referring to FIG. 1, the diaphragm receives contact force by contact between the upper surface and the outside, and four diagonal spring beams supporting the diaphragm are bent by an external contact force.
상기 스프링 보가 휘어지면 스프링 보가 변형하게 되어 응력을 유발하게 되는데, 이 응력은 스프링 보의 양 끝단 및 중앙부에 응력이 가장 크게 나타나게 되며 일정한 응력분포를 가지게 된다. 응력이 가장 크게 나타나는 부분에 확산이나 이온주입 등의 반도체 기술로 형성된 응력의 변화에 따라 저항의 크기가 변화는 압저항이 응력변화에 비례하게 저항의 크기가 변하게 된다. 이러한 저항 크기의 변화를 전기신호처리부가 감지하여 접촉력의 크기를 감지하게 된다.When the spring beam is bent, the spring beam is deformed to induce stress, and the stress is the greatest at both ends and the center of the spring beam and has a constant stress distribution. As the size of the resistance changes according to the change of stress formed by semiconductor technology such as diffusion or ion implantation at the point where stress is greatest, the size of the resistance changes in proportion to the change in stress. The electrical signal processor detects the change in the magnitude of the resistance to detect the magnitude of the contact force.
도 2a 내지 도 2i는 종래의 촉각 센서 감지 소자부의 제조 방법을 나타내는 공정 단면도이다. 도 2a 내지 도 2i에 도시된 바와 같이, 실리콘 기판(5) 상에 인(P) 이온을 주입한 후, 제1 실리콘 산화막 패터닝 후, 제1 실리콘 산화막(10)을 증착한다.2A to 2I are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a conventional tactile sensor sensing element unit. 2A to 2I, after phosphorus (P) ions are implanted onto the
이후, 상기 제1 실리콘 산화막(10) 상에 제1 포토레지스트(15)로 패턴을 형성한 후, 붕소(B) 이온을 주입하여 폴리 실리콘(20)을 형성한다.Subsequently, after the pattern is formed on the first
이후, 상기 폴리 실리콘(20) 상에 제2 포토레지스트(25)로 패턴을 형성한 후, 비소(As) 이온을 주입하여 소스/드레인(30)을 형성한다.Subsequently, after the pattern is formed on the
다시, 붕소 이온을 주입하고, 제2 실리콘 산화막(35)을 증착한 후, 알루미늄(Al) 금속막(40)을 형성하며, 상기 알루미늄 금속막(40) 상에 실리콘 질화막을 증착한다.Again, boron ions are implanted, the second
그러나 상기와 같은 종래의 촉각 센서는 넓은 면적의 다이아프램을 공중에 뜬 구조물로 제작하기 위해서 이방성 습식 식각(Anisotropic Wet Etching) 방법을 사용함으로 인해 다이아프램과 기판 바닥과의 간격이 커서 과대 접촉력을 받을 때, 스토퍼(Stopper)가 없어 다이아프램이 과도하게 변형하게 되어 파손될 가능성이 크고, 외부의 접촉력을 받는 다이아프램 상부의 형상이 평평하여 Z축 방향으로의 접촉력은 잘 감지할 수 있으나 다이아프램 상부 면상의 X, Y 축으로 가해지는 접촉력은 상부 면상에 X, Y 축 접촉력 전달기둥이 없어 X, Y 축으로 가해지는 접촉력을 효과적으로 감지할 수 없어서 X, Y, Z의 3축으로 가해진 접촉력을 동일한 정도의 민감도로 감지하기 어려운 문제점이 있다.However, the conventional tactile sensor as described above uses anisotropic wet etching method to fabricate a large area of diaphragm in the air so that the diaphragm is separated from the bottom of the substrate and thus receives excessive contact force. When there is no stopper, the diaphragm is excessively deformed and is likely to be damaged.The shape of the upper diaphragm subject to external contact force is flat, so that the contact force in the Z-axis direction can be well sensed. The contact force exerted on the X and Y axes of X is not equal to the contact force exerted on the X and Y axes because there is no X, Y axis contact force transmission pillar on the upper surface, so the contact force exerted on the 3 axes of X, Y and Z is the same. There is a problem that is difficult to detect with sensitivity.
또한, 접촉력을 저항변화로 감지하는 압저항을 외부의 신호처리 회로부와 전기적으로 연결하는 역할을 하는 전기배선이 감지 소자부 상부 평면에 위치하고 있어 각각의 감지소자가 한 덩어리로 되어 있어 곡면에는 종래 촉각 센서를 부착하기 불가능하여 곡면에의 적용이 불가능한 문제점이 있었다.In addition, the electrical wiring, which serves to electrically connect the piezoresistor that senses the contact force as a resistance change, is located on the upper surface of the sensing element, so that each sensing element is in a lump. There was a problem in that it is impossible to attach the sensor to the curved surface.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 제반 단점과 문제점을 해결하기 위한 것으로, 과대 접촉력에 대한 파손 예방과 X, Y, Z의 3축 접촉력을 동시에 측정할 수 있고, 각각의 감지소자가 분리되어 있어 곡면에도 적용이 가능한 유연한 구조를 가지며, 각각의 촉각 감지소자의 미세한 신호를 감지소자 가까이에서 증폭 또는 스위칭이 가능하도록 CMOS 공정이 가능한 촉각 센서 및 제조 방법을 제공함에 본 발명의 목적이 있다.Accordingly, the present invention is to solve the above-mentioned disadvantages and problems of the prior art, it is possible to measure the damage to the excessive contact force and the three-axis contact force of X, Y, Z at the same time, each sensing element is separated It is an object of the present invention to provide a tactile sensor and a manufacturing method capable of a CMOS process to have a flexible structure that can be applied to a curved surface, and to enable amplification or switching of a minute signal of each tactile sensing element near the sensing element.
또한, 본 발명은 와이어의 외부 노출에 의한 파손이나 와이어 본딩에 소요되는 감지소자 사이의 면적의 증가 및 공정의 복잡성 등의 문제점이 있는 와이어 본딩이 필요없고, 3축의 접촉력 측정을 위해 필요한 접촉력 전달용 기둥의 재현성 있는 일괄 제작이 가능하며, 대면적의 접촉력 분포 측정의 위한 2차원 배열이 가능한 촉각 센서 및 제조 방법을 제공함에 본 발명의 다른 목적이 있다.In addition, the present invention does not require wire bonding having problems such as damage due to external exposure of the wire or increase in area between the sensing elements required for wire bonding and complexity of the process, and is required for transmitting the contact force required for measuring the three-axis contact force. Another object of the present invention is to provide a tactile sensor and a manufacturing method capable of reproducible batch production of pillars and a two-dimensional arrangement for measuring a large contact force distribution.
본 발명의 상기 목적은 외부로부터의 촉각을 접촉하기 위하여 SOI기판상에 형성된 접촉력 전달매체; 상기 접촉력 전달매체의 접촉력을 전달하기 위한 접촉력 전달기둥; 상기 접촉력 전달기둥으로부터 소정의 거리로 이격된 곳에 형성되어 감도 손실을 최소로 하기 위한 과대 접촉력 파손방지 기둥; 상기 과대 접촉력 파손방지 기둥 하부에 위치하며 상기 접촉력 전달기둥으로부터 전달받은 접촉력의 크기에 따라 변형되어 응력을 발생하기 위한 다이아프램; 상기 다이아프램내에 형성되어 상기 응력을 저항으로 변환하기 위한 압저항; 상기 압저항에서 변환된 전기적 신호가 출력하기 위하여 상기 SOI 기판의 하부 산화막에 형성된 감지부 도전성 전기 배선 금속을 포함하는 촉각 감지 기판부; 및 상기 촉각 감지 기판부에서 출력된 전기 신호를 외부로 출력하기 위하여 연성회로 기판과 상기 감지부 도전성 배선 금속과 전기적으로 연결된 기판부 도전성 전기 배선을 포함하는 연성회로 기판부를 포함하는 촉각 센서에 의해 달성된다.The object of the present invention is a contact force transmission medium formed on the SOI substrate for contacting the tactile sense from the outside; A contact force transmission column for transmitting a contact force of the contact force transmission medium; Excessive contact force breakage prevention column is formed at a predetermined distance from the contact force transmission pillar to minimize the loss of sensitivity; A diaphragm positioned under the excessive contact force breakage preventing pillar and deformed according to the magnitude of the contact force received from the contact force transmission pillar to generate stress; A piezoresistor formed in the diaphragm to convert the stress into a resistor; A tactile sensing substrate portion including a sensing portion conductive electrical wiring metal formed on a lower oxide film of the SOI substrate to output an electrical signal converted from the piezoresistive; And a flexible circuit board unit including a flexible circuit board and a board unit electrically conductive wire electrically connected to the sensing unit conductive wire metal to output an electrical signal output from the tactile sensor board unit to the outside. do.
본 발명의 다른 목적은 촉각 센서의 제조 방법에 있어서, (a) SOI 기판에 제1, 제2 산화막을 순차적으로 증착하는 단계; (b) 상기 제1 산화막의 상부에 제1 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계; (c) 상기 제1 산화막을 선택적으로 식각하여 노출된 상기 SOI 기판에 이온 주입 공정과 열처리 공정을 한 후 제3 산화막을 증착하는 단계; (d) 상기 제3 산화막의 상부에 제2 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계; (e) 상기 제3 산화막 상에 금속막을 증착한 후, 제3 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계; (f) 금속으로 전기 도금한 후, 제4 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계; (g) 상기 제4 포토레지스트 패턴 상부에 제5 포토레지스트로 코팅하는 단계; (h) 상기 SOI 기판의 하부에 제6 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계; (i) 상기 SOI 기판의 하부를 식각한 후, 제6 포토레지스트를 제거하는 단계; (j) 상기 SOI 기판의 하부에 제7 포토레지스트 패턴을 형성한 후, SOI 기판의 절연막까지 식각하고 제7 포토레지스트를 제거하여 촉각 감지 기판부를 형성하는 단계; (k) 상기 촉각 감지 기판부와 연성회로 기판부를 범프 솔더로 접합하는 단계; 및 (l) 상기 촉각 감지 기판부를 다이싱 공정을 한 후, 접촉력 전달매체를 도포 및 패키징하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 촉각 센서의 제조 방법에 의해 달성된다.Another object of the present invention is a method of manufacturing a tactile sensor, comprising: (a) sequentially depositing a first and a second oxide film on an SOI substrate; (b) forming a first photoresist pattern on the first oxide film; (c) selectively etching the first oxide film, performing an ion implantation process and a heat treatment process on the exposed SOI substrate, and depositing a third oxide film; (d) forming a second photoresist pattern on the third oxide film; (e) forming a third photoresist pattern after depositing a metal film on the third oxide film; (f) electroplating with metal to form a fourth photoresist pattern; (g) coating a fifth photoresist on the fourth photoresist pattern; (h) forming a sixth photoresist pattern under the SOI substrate; (i) removing the sixth photoresist after etching the lower portion of the SOI substrate; (j) forming a haptic sensing substrate by forming a seventh photoresist pattern on the bottom of the SOI substrate and then etching the insulating film of the SOI substrate and removing the seventh photoresist; (k) bonding the tactile sensing substrate portion and the flexible circuit board portion with bump solder; And (l) dicing the tactile sensor substrate, and then applying and packaging a contact force transmission medium.
본 발명의 상기 목적과 기술적 구성 및 그에 따른 작용효과에 관한 자세한 사항은 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하고 있는 도면을 참조한 이하 상세한 설명에 의해 보다 명확하게 이해될 것이다.Details of the above object and technical configuration of the present invention and the effects thereof according to the present invention will be more clearly understood by the following detailed description with reference to the drawings showing preferred embodiments of the present invention.
도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 촉각 센서의 기판 구성도를 나타내는 단면도이다. 도 3a와 도 3b에 도시된 바와 같이, 촉각 센서는 촉각 감지 기판부(100)와 연성회로 기판부(110)로 구성되어 있다.3A and 3B are cross-sectional views illustrating a board configuration of the tactile sensor according to the present invention. As shown in FIGS. 3A and 3B, the tactile sensor includes a tactile
촉각 감지 기판부(100)는 압저항(130), 실리콘(131), 산화막(132), 접촉력 전달기둥(133), 접촉력 전달매체(134), 다이아프램(135), 과대 접촉력 파손방지 기둥(136), 감지부 도전성 전기 배선 금속(137), 도전성 범프 솔더(Bump Solder)(138)로 구성되어 있다. The
연성회로 기판부(110)는 연성회로 기판(150), 기판부 도전성 전기 배선 금속(152), 도전성 범프 솔더(154)로 구성되어 있다.The flexible
상기 촉각 센서의 구성 요소를 살펴 보면, 촉각 감지 기판부(100)에서 외부 촉각과 최외각에서 직접 접촉하여 접촉력 전달기둥(133)에 촉각의 힘을 전달하는 접촉력 전달매체(134), 그리고 상기 접촉력 전달매체(134)로부터 접촉력을 1차로 전달받는 접촉력 전달기둥(133)이 있다. 상기 촉각 감지 기판부(100)는 가로, 세로로 다이싱되고, 연성회로 기판부(110)의 유연성을 이용할 수 있어 곡면에서도 촉각 감지를 할 수 있다.Looking at the components of the tactile sensor, the contact
그리고 상기 접촉력 전달기둥(133)을 지지하고 접촉력의 크기에 따라 변형되어 응력이 발생되는 다이아프램(135), 상기 다이아프램(135)의 응력변화를 저항변화로 감지 및 변환하는 압저항(130), 상기 다이아프램(135)을 형성하는 실리콘(131), 상기 실리콘(131)과 상부의 요소들과 전기적 절연 및 식각정지층으로 작용하는 산화막(132)을 포함하는 촉각 감지소자와 상기 산화막(132) 하부에 압저항(130)의 전기적 신호를 연결시켜 주는 감지부 도전성 전기 배선 금속(137), 연성회로 기판부(110)와의 전기적 연결 및 기계적 접합 역할을 위한 도전성 범프 솔더(138) 등이 있다. The
과대 접촉력 파손방지 기둥(136)은 접촉력 전달기둥(133) 제작시 포토레지스트 패턴을 형성하여 제조되어 감도손실을 최소로 하면서 촉각 감지소자의 파손을 효과적으로 막아주는 스토퍼(Stopper)로써 기능을 수행함으로써 과대 접촉력에 대해 파손방지가 가능하다. 접촉력 전달기둥(133)은 과대 접촉력 파손방지 기둥(136)보다 소정의 위치만큼 돌출되게 가공하였다. 이는 외부의 접촉력에 대해 접촉력 전달기둥(133)이 1차로 접촉력을 민감하게 반응하게 하는 것이다.Excessive contact force
연성회로 기판부(110)에는 기본 기판 역할을 하는 연성회로 기판(150), 그 위에 촉각 감지소자의 전기적 신호를 외부로 연결시켜 주는 기판부 도전성 전기 배선 금속(152), 그리고 촉각 감지 기판부(100)와의 전기적 연결 및 기계적 접합 역할을 위한 도전성 범프 솔더(154)로 구성되어 있다.The flexible
상기와 같은 구성 요소로 이루어진 촉각 센서는 접촉력 전달매체(134)가 외부 접촉력에 대한 촉각 센서의 감도를 높이고, 3축에 대한 촉각도 효과적으로 감지한다. In the tactile sensor composed of the above components, the contact
접촉력 전달 기둥(133)이 없는 다이아프램(135) 부분이 스프링 계수가 작으므로 접촉력에 의해 휘어 변형되어지고, 상기 다이아프램(135)이 변형되면 응력이 발생된다. 상기 응력은 다이아프램(135) 고정 끝단과 접촉력 전달 기둥(133) 부분 에 응력이 가장 크게 나타나게 되며 일정한 응력분포를 가지게 된다. 응력이 가장 크게 나타나는 부분에 확산이나 이온주입 등의 반도체 기술로 형성된 응력의 변화에 따라 저항의 크기가 변하는 압저항(130)이 응력변화에 비례하게 저항의 크기가 변하게 된다. 이러한 저항 크기의 변화를 감지하여 접촉력의 크기를 감지하게 된다.The
도 4a 내지 도 4y는 본 발명에 따른 촉각 센서의 제조 방법을 나타내는 공정 단면도이다. 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, SOI 기판(200)에 제1 산화막(SiO2)(210)과 제2 산화막(220)을 저압 화학기상증착(Low Pressure Chemical Vapor Deposition) 또는 플라즈마 화학기상증착(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 방법으로 순차적으로 증착한다.4A to 4Y are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a tactile sensor according to the present invention. As shown in FIGS. 4A and 4B, a low pressure chemical vapor deposition or plasma chemical vapor deposition of the first
도 4c 및 도 4d에 도시된 바와 같이, 제1 산화막(210)의 상부에 제1 포토레지스트(230)를 도포하고, 마스크를 이용하여 상기 제1 포토레지스트(230)를 노광 현상함으로써, 패턴을 형성한다. 상기 제1 포토레지스트 패턴을 마스크로 제1 산화막(210)을 식각한다.As shown in FIGS. 4C and 4D, the pattern is formed by coating the
도 4e 및 도 4f에 도시된 바와 같이, 이온 주입(240) 공정을 하고, 제1 포토레지스트(230)와 제1 산화막(210)을 순차적으로 제거한 후, 열처리 공정을 한다.4E and 4F, an
도 4g 내지 도 4i에 도시된 바와 같이, 패시베이션(Passivation)막으로 제3 산화막(250)을 증착한 후, 상기 제3 산화막(250)의 상부에 제2 포토레지스트(260)를 도포하고, 마스크를 이용하여 상기 제2 포토레지스트(260)를 노광 현상함으로 써, 패턴을 형성한다. 상기 제2 포토레지스트 패턴을 마스크로 제3 산화막(250)을 식각한 후, 상기 제2 포토레지스트(260)를 제거한다.As shown in FIGS. 4G to 4I, after depositing the
도 4j 및 도 4k에 도시된 바와 같이, 금속막(270)을 증착하고, 상기 금속막(270)의 상부에 제3 포토레지스트(280)를 도포하고, 마스크를 이용하여 상기 제3 포토레지스트(280)를 노광 현상함으로써, 패턴을 형성한다. 상기 금속막(270)은 Cr(크롬)과 Au(금)를 적층한 막을 이용함이 바람직하다.As shown in FIGS. 4J and 4K, a
도 4l 내지 도 4n에 도시된 바와 같이, Ni(니켈)과 Au(금)을 순차적으로 전기 도금(290)을 하고, 제3 포토레지스트(280)를 제거한 후, 제4 포토레지스트(300)를 도포하고, 마스크를 이용하여 상기 제4 포토레지스트(300)를 노광 현상함으로써, 패턴을 형성한다. As shown in FIGS. 4L to 4N, Ni (nickel) and Au (gold) are sequentially electroplated 290, the
도 4o 내지 도 4r에 도시된 바와 같이, 금속막(270)과 제4 포토레지스트(300)를 순차적으로 제거한 후, 제5 포토레지스트(310)로 코팅하고, 제2 산화막(220)에 제6 포토레지스트(320)를 도포하고, 마스크를 이용하여 상기 제6 포토레지스트(320)를 노광 현상함으로써, 패턴을 형성한다. 상기 제6 포토레지스트 패턴을 마스크로 제2 산화막(220)을 식각한다.As shown in FIGS. 4O to 4R, the
도 4s 및 도 4t에 도시된 바와 같이, SOI 기판(200)을 건식식각 또는 습식식각으로 소량 식각하고, 제6 포토레지스트(320)를 제거한 후, 제7 포토레지스트(미도시)를 도포하고, 마스크를 이용하여 상기 제7 포토레지스트를 노광 현상함으로써, 패턴을 형성한다. 상기 제7 포토레지스트 패턴을 마스크로 SOI 기판(200)의 절연막까지 깊은 반응성 이온 식각(RIE:Reactive Ion Etch) 식각을 한 후, 제7 포토레지스트를 제거하여 촉각 감지 기판부의 제조 공정을 완료한다.As shown in FIGS. 4S and 4T, the
이후, 도 4u 내지 도 4x에 도시된 바와 같이, 촉각 감지 기판부와 연성회로 기판부를 범프 솔더(330)를 이용하여 접합하고, 다이싱(Dicing) 공정을 통해 분리한 후, SOI 기판(200) 상에 접촉력 전달매체(340)를 도포한다. 상기 접촉력 전달매체(340)는 엘라스토머와 같은 고무 재질이다. 이후, 촉각 감지 기판부를 보호하기 위해 패키징(350)을 하는데, 상기 패키징(350)은 고무와 같은 재질로 실링처리한다.Thereafter, as shown in FIGS. 4U to 4X, the tactile sensing substrate portion and the flexible circuit board portion are bonded using the
도 4y에 도시된 바와 같이, 도 4x와 달리 금속막1(271)과 금속막2(272) 사이에 패키징(360)을 하는데, 상기 패키징(360)은 엘라스토머와 같은 고무로 실링처리하여 촉각 감지 기판부의 휨이나 변형에 의한 깨짐현상을 방지한다. 이는 도 4x에서 패키징할 때와 달리 촉각센서의 감도가 떨어짐을 방지할 수 있다.As shown in FIG. 4y, unlike FIG. 4x, a
본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.Although the present invention has been shown and described with reference to the preferred embodiments as described above, it is not limited to the above embodiments and those skilled in the art without departing from the spirit of the present invention. Various changes and modifications will be possible.
따라서, 본 발명의 촉각 센서 및 제조 방법은 정밀한 건식식각으로 다이아프램의 정의를 정확히 하여 칩의 크기를 줄이고, 촉각 감지 기판부와 연성회로 기판부와의 간격 조절을 솔더링에 의해 조절하며, 접촉력 전달기둥이 다이아프램 상부 에 위치하여 X, Y, Z 축의 접촉력을 감지할 수 있는 3축 촉각 감지가 가능하며, 범프 본딩이 가능하여 와이어 본딩 공정이 필요 없으며, 촉각 감지 기판부 상면에 전기배선 금속이 없으므로 촉각 감지소자들을 분리할 수 있어 연성회로 기판의 사용으로 곡면에서도 촉각을 감지할 수 있는 효과가 있다.Therefore, the tactile sensor and the manufacturing method of the present invention reduce the size of the chip by precisely defining the diaphragm with precise dry etching, and adjust the spacing between the tactile sensor board and the flexible circuit board by soldering, and transmit contact force. The pillar is located on top of the diaphragm to enable three-axis tactile sensing to detect the contact force of the X, Y, and Z axes.Bump bonding is possible, so no wire bonding process is required. Therefore, it is possible to separate the tactile sensing elements, so the use of the flexible circuit board has the effect of sensing the tactile sense even on curved surfaces.
또한, 본 발명의 촉각 센서 및 제조 방법은 각각의 촉각 감지소자의 미세한 신호를 감지소자 가까이에서 증폭 또는 스위칭이 가능하여 CMOS 공정이 가능하고, 와이어의 외부 노출에 의한 파손이나 와이어 본딩에 소요되는 감지소자 사이의 면적의 증가 및 공정의 복잡성 등의 문제점이 있는 와이어 본딩이 필요 없으며, 3축의 접촉력 측정을 위해 필요한 접촉력 전달용 기둥의 재현성 있는 일괄 제작이 가능하여 제조 비용이 저렴한 효과가 있다.In addition, the tactile sensor and the manufacturing method of the present invention is capable of amplifying or switching the fine signal of each tactile sensing element close to the sensing element to enable the CMOS process, and the sensing required for breakage or wire bonding due to external exposure of the wire. There is no need for wire bonding, which has problems such as an increase in area between devices and complexity of the process, and it is possible to produce a reproducible batch of pillars for contact force transmission required for measuring the contact force of three axes, thereby reducing manufacturing costs.
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