KR20070105579A - A tactile sensor array and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 종래의 촉각센서 단면도,1 is a cross-sectional view of a conventional tactile sensor;
도 2는 종래의 촉각센서 어레이 단면도,2 is a cross-sectional view of a conventional tactile sensor array;
도 3은 본 발명에 따른 촉각센서 어레이의 일부를 나타낸 평면도,3 is a plan view showing a part of the tactile sensor array according to the present invention;
도 4는 본 발명에 따른 촉각센서 어레이 평면도,4 is a plan view of the tactile sensor array according to the present invention;
도 5a 내지 도 5o는 본 발명의 일실시예에 따른 촉각센서 어레이 제조 공정도.5a to 5o are tactile sensor array manufacturing process diagram according to an embodiment of the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
520 : 고분자층 530 : 제1금속배선520: polymer layer 530: first metal wiring
540 : 변형 검출기 560 : 콘택홀540: strain detector 560: contact hole
580 : 제2금속배선 600 : 지지블록580: second metal wiring 600: support block
610 : 보호블록 640 : 하중블록610: protective block 640: load block
본 발명은 촉각 센서 어레이 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 외부 물체와의 접촉 압력 정보 감지 및 다양한 지지물과의 접착을 위한 유연성을 가지며, 별도의 PCB 기판을 필요로 하지 않는 연성회로기판상에 형성된 일체형 촉각 센서 어레이 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a tactile sensor array and a method of manufacturing the same, and more particularly, a flexible circuit board having flexibility for sensing contact pressure information with an external object and bonding to various supports, and which does not require a separate PCB board. An integrated tactile sensor array formed on the substrate and a method of manufacturing the same.
현재, 접촉을 통한 주변환경의 정보, 즉 접촉력, 진동, 표면의 거칠기, 열전도도에 대한 온도변화 등을 획득하는 촉각기능은 차세대 정보수집 매체로 인식되고 있으며, 이와 같은 촉각감각을 대체할 수 있는 생체모방형 촉각센서는 혈관내의 미세수술, 암진단 등의 각종 의료진단 및 시술에 사용될 뿐만 아니라 향후 가상환경 구현기술에서 중요한 촉각제시 기술에 적용될 수 있기 때문에 그 중요성이 점차 증가하고 있다.Currently, the tactile function of acquiring information on the surrounding environment through contact, that is, contact force, vibration, surface roughness, and temperature change for thermal conductivity, is recognized as a next-generation information collection medium, and can replace such tactile sensation. The biomimetic tactile sensor is increasingly used because it can be used for various medical diagnosis and procedures such as intravascular microsurgery and cancer diagnosis, and can be applied to tactile presentation techniques important in the virtual environment implementation technology in the future.
이러한 생체모방형 촉각센서는 이미 산업용 로봇의 손목에 사용되고 있는 6자 유도의 힘/토크 센서와 로봇의 그리퍼(gripper)용으로 접촉 압력 및 순간적인 미끄러짐을 감지할 수 있는 것이 개발된 바 있으나, 이는 감지부의 크기가 비교적 큰 관계로 민감도가 낮은 문제점을 안고 있다.The biomimetic tactile sensor has been developed to detect contact pressure and instantaneous slip for the six-way inductive force / torque sensor and the gripper of the robot, which is already used for the wrist of an industrial robot. Due to the relatively large size of the sensing unit, there is a problem of low sensitivity.
그리고, 마이크로 전자기계시스템(MEMS; micro electro mechanical systems) 제작기술을 이용하여 촉각센서의 개발 가능성을 보여준 바 있으나, 이들은 단지 접촉력에 대한 정보만을 획득할 수 있도록 제작되기 때문에 외부환경에 대한 정보 수집면이 제한적이다.In addition, although the development of tactile sensors has been shown using micro electro mechanical systems (MEMS) manufacturing technology, they are only designed to acquire information on contact force, so that the information collection surface of the external environment can be obtained. This is limited.
한편, 실리콘 기반의 MEMS기술로 제작한 실리콘 촉각센서(T)는 통상적으로 도 1에 도시된 바와 같이 하중을 받고 있는 사각형 모양의 박막형 감지부(100)로 구성되는 것으로서, 촉각센서의 감지부(100)는 하중블록(loading block)(110)과 전체 구조를 지지하는 지지블록(side block)(120)으로 이루어지고, 과하중(overload)이 전달되었을 때 막의 파괴를 방지하기 위하여 과하중 보호블록(overload protection)(130)을 포함한다.On the other hand, the silicon tactile sensor (T) produced by the silicon-based MEMS technology is typically composed of a rectangular thin film-
따라서, 종래의 촉각센서(T) 어레이는 도 2에 도시된 바와 같이 연성인쇄회로기판(FPCB)(200)에 단일의 촉각센서(T)를 어레이하며, 인쇄회로기판상에 어레이된 촉각센서(T)는 메탈 와이어(210)를 이용한 와이어 본딩(wire-bonding) 공정으로 연성인쇄회로기판(200)과 전기적으로 연결되어 있다. Accordingly, the conventional tactile sensor (T) array arrays a single tactile sensor (T) on the flexible printed circuit board (FPCB) 200 as shown in FIG. 2, and the tactile sensor (arrayed on the printed circuit board) T) is electrically connected to the flexible printed
그러나, 종래의 촉각센서는 실리콘 기반의 MEMS기술을 이용하여 제작함으로써 촉각센서의 유연성이 크게 저하되며, 이러한 촉각센서를 적용한 어레이는 다양한 지지물과의 접착면에 있어서 극히 제한적일 수 밖에 없다.However, the conventional tactile sensor is manufactured by using a silicon-based MEMS technology, the flexibility of the tactile sensor is greatly reduced, and the array using the tactile sensor is extremely limited in terms of adhesion to various supports.
또한, 이와 같은 종래의 촉각센서 어레이는 단일의 촉각센서를 제조한 후, 제조된 촉각센서를 연성인쇄회로기판상에 정렬하여 형성하나, 정렬과정에 있어 불량을 유발하게 되며, 이로 인하여 공정 수율이 저하된다. In addition, such a conventional tactile sensor array is manufactured by manufacturing a single tactile sensor, and then aligning the manufactured tactile sensor on a flexible printed circuit board, but causing a defect in the alignment process, thereby resulting in a process yield. Degrades.
이와 더불어, 촉각센서와 연성인쇄회로기판과의 연결을 위한 와이어 본딩 공정에 있어서 공정의 난이성으로 인하여 공정비용이 상승하고, 단락이 유발될 수 있으며, 집적도가 저하되는 문제점이 존재한다.In addition, due to the difficulty of the process in the wire bonding process for connecting the tactile sensor and the flexible printed circuit board, the process cost may increase, short circuit may occur, and integration may be degraded.
본 발명의 목적은 유연한 고분자층의 상부에 촉각센서를 형성하여 외부물체와의 접촉 압력 정보를 유연하게 획득할 수 있는 촉각센서 어레이 및 그 제조방법을 제공함에 있다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a tactile sensor array and a method of manufacturing the same, by forming a tactile sensor on a flexible polymer layer to flexibly obtain contact pressure information with an external object.
본 발명의 다른 목적은 촉각센서가 형성된 고분자층의 상부에 금속 배선을 형성하여 별도의 인쇄회로기판 없이 구동회로와 접촉할 수 있는 배선 일체형의 촉각센서 어레이 및 그 제조방법을 제공함에 있다.Another object of the present invention is to provide a wiring-integrated tactile sensor array and a method of manufacturing the same which form a metal wiring on the polymer layer on which the tactile sensor is formed to be in contact with a driving circuit without a separate printed circuit board.
본 발명의 또 다른 목적은 촉각센서 어레이 형성공정을 용이하게 하여 공정상의 불량 유발 및 공정비용을 절감할 수 있는 촉각센서 어레이 및 그 제조방법을 제공함에 있다.It is still another object of the present invention to provide a tactile sensor array and a method of manufacturing the same, which facilitate the formation of the tactile sensor array, thereby reducing process cost and reducing process cost.
본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위하여 촉각센서 어레이 제조방법에 있어서, 기판의 상부에 고분자층을 형성하는 단계(S1), 상기 고분자층의 상부에 변형 검출기 및 제1금속배선을 형성하는 단계(S2), 상기 고분자층의 전면에 감광막을 형성하는 단계(S3), 상기 감광막을 패터닝하여 상기 변형 검출기의 상부에 콘택홀을 형성하는 단계(S4), 상기 감광막의 상부에 제2금속배선을 형성하는 단계(S5), 상기 감광막 상부의 끝단에 지지블록을 형성하는 단계(S6), 상기 지지블록이 형성된 영역을 제외한 상기 감광막 상부에 보호블록을 형성하는 단계(S7), 상기 기판으로부터 상기 고분자층을 분리하는 단계(S8) 및 상기 고분자층의 하부에 하중블록을 형 성하는 단계(S9)를 포함한다.The present invention provides a method of manufacturing a tactile sensor array in order to achieve the above object, the step of forming a polymer layer on the upper portion of the substrate (S1), the step of forming a strain detector and the first metal wiring on the polymer layer ( S2), forming a photoresist film on the entire surface of the polymer layer (S3), patterning the photoresist film to form a contact hole on the top of the strain detector (S4), and forming a second metal wiring on the photoresist film. Forming a support block at an end of the upper portion of the photoresist layer (S6), forming a protective block on the photoresist layer except for a region in which the support block is formed (S7), and the polymer layer from the substrate. Separating (S8) and forming a load block on the lower portion of the polymer layer (S9).
본 발명에 있어서, 기판의 상부에 고분자층을 형성하는 단계는, 산화막이 형성된 반도체 기판 표면의 소수화 또는 친수화 처리 후 고분자층을 형성하는 것이 바람직하다.In the present invention, in the forming of the polymer layer on the upper portion of the substrate, it is preferable to form the polymer layer after hydrophobization or hydrophilization treatment of the surface of the semiconductor substrate on which the oxide film is formed.
본 발명에 있어서, 고분자층의 상부에 변형 검출기 및 제1금속배선을 형성하는 단계는, 상기 고분자층의 상부에 변형 검출기 패턴 및 제1금속배선 패턴을 형성하는 단계, 패턴이 형성된 상기 고분자층의 상부에 금속을 증착하는 단계 및 리프트 오프공정을 수행하여 변형 검출기 및 제1금속배선을 형성하는 단계를 포함한다. In the present invention, the step of forming the strain detector and the first metal wiring on the polymer layer, the step of forming the strain detector pattern and the first metal wiring pattern on the polymer layer, the pattern of the polymer layer Depositing a metal on the upper surface and performing a lift off process to form a strain detector and a first metal wiring.
본 발명에 있어서, 지지블록이 형성된 영역을 제외한 상기 감광막 상부에 보호블록을 형성하는 단계는, 상기 지지블록이 형성된 영역을 제외한 상기 감광막 상부에 액상의 실리콘 탄성체를 채우는 단계 및 상기 액상의 실리콘 탄성체를 열처리하여 경화시키는 단계를 포함한다.In the present invention, the forming of the protective block on the photoresist layer except for the region in which the support block is formed, filling the liquid silicone elastomer on the photoresist layer except the region in which the support block is formed and the liquid silicone elastomer Heat-treating to harden.
본 발명에 있어서, 액상의 실리콘 탄성체를 채우는 단계는 닥터 브레이드 공정을 이용하는 것이 바람직하다.In the present invention, the step of filling the liquid silicone elastomer is preferably using a doctor braid process.
본 발명에 있어서, 기판으로부터 상기 고분자층을 분리하는 단계는, 75℃ 내지 95℃의 온도범위로 가열된 초순수와 희석된 불산(HF) 용액을 이용하는 것이 바람직하다.In the present invention, the step of separating the polymer layer from the substrate, it is preferable to use the ultra-pure water and dilute hydrofluoric acid (HF) solution heated to a temperature range of 75 ℃ to 95 ℃.
본 발명에 있어서, 고분자층의 하부에 하중블록을 형성하는 단계는, 상기 고분자층의 상부를 유리 기판에 부착하는 단계, 상기 고분자층의 하부에 감광층을 형성하는 단계, 상기 감광층을 패터닝한 후, 열처리하여 하중블록을 형성하는 단계 및 상기 하중블록이 형성된 상기 고분자층과 상기 유리 기판을 분리하는 단계를 포함한다.In the present invention, the forming of the load block on the lower portion of the polymer layer, the step of attaching the upper portion of the polymer layer to the glass substrate, forming a photosensitive layer on the lower portion of the polymer layer, patterning the photosensitive layer Thereafter, the step of heat treatment to form a load block and the step of separating the polymer layer and the glass substrate on which the load block is formed.
본 발명에 있어서, 고분자층은 폴리이미드 또는 폴리이미드 복합재인 것이 바람직하다. In the present invention, the polymer layer is preferably a polyimide or a polyimide composite.
앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.The foregoing terms or words used in this specification and claims are not to be construed as being limited to the common or dictionary meanings, and the inventors properly define the concept of terms in order to explain their invention in the best way. It should be interpreted as meaning and concept corresponding to the technical idea of the present invention based on the principle that it can.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Therefore, the embodiments described in the specification and the drawings shown in the drawings are only the most preferred embodiment of the present invention and do not represent all of the technical idea of the present invention, various modifications that can be replaced at the time of the present application It should be understood that there may be equivalents and variations.
이하, 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
도 3은 본 발명에 따라 제조된 촉각센서 어레이의 일부를 나타낸 평면도이며, 도 4는 본 발명에 따라 제조된 촉각센서 어레이의 전면을 나타낸 평면도이다.3 is a plan view showing a part of the tactile sensor array manufactured according to the present invention, Figure 4 is a plan view showing the front surface of the tactile sensor array manufactured according to the present invention.
도 3에 나타난 바와 같이 본 발명에 의한 촉각센서 어레이는 고분자층의 상부에 제1금속배선(300), 변형 검출기(310), 제2금속배선(320), 지지블록(330), 보호블록(340)이 모두 형성되어 있음을 알 수 있다.As shown in FIG. 3, the tactile sensor array according to the present invention includes a
또한, 도 4에 나타난 바와 같이 본 발명의 촉각센서 어레이는 다수개의 촉각센서(T)가 행렬의 형태로 유연한 고분자층의 상부에 일정하게 배열되어 있으며, 각각의 촉각센서는 금속 배선(320, 330)을 통해 구동회로(도시하지 않음)와 연결되어 있다. In addition, as shown in FIG. 4, in the tactile sensor array of the present invention, a plurality of tactile sensors T are constantly arranged on the flexible polymer layer in the form of a matrix, and each tactile sensor is formed of
도면부호 350은 접지단자를 나타낸 것이며, 도면부호 360은 회로연결단자를 나타낸 것이다.
이하, 첨부된 도 5a 내지 도 5o를 참조하여 본 발명의 일실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 5A to 5O.
도 5a 내지 도 5o는 본 발명에 의한 촉각센서 어레이의 제조과정을 도시한 것이다.5a to 5o illustrate the manufacturing process of the tactile sensor array according to the present invention.
우선, 기판의 상부에 고분자층(520)을 형성한다. First, the
기판은 반도체, 세라믹, 고분자, 유리, 수정 등 적용 분야에 따라, 다양한 재질의 기판을 사용하여도 무방하나, 그 상부에 형성되는 고분자층과의 분리가 용이한 것이 바람직하며, 본 발명의 일실시예에서는 반도체 기판(500)을 사용하며, 향후, 촉각센서 어레이가 형성된 고분자층과의 분리를 용이하게 하기 위하여 반도체 기판의 표면에 산화막(510)을 형성하고, 기판의 표면처리를 통해 소수화 또는 친수화한다.The substrate may be a substrate of various materials, depending on the application field such as semiconductor, ceramic, polymer, glass, quartz, etc., but it is preferable that the substrate is easily separated from the polymer layer formed thereon. In the example, the
고분자층은 유연한 특성을 가지는 물질을 적용할 수 있으며, 본 발명의 일실 시예에서는 폴리이미드(polyimide)를 이용하여 고분자층(520)을 형성한다.The polymer layer may be a material having a flexible property, and in one embodiment of the present invention, the
고분자층의 상부에 변형 검출기와 제1금속배선을 형성하기 위하여 사진식각공정을 이용하여 변형 검출기 및 제1금속배선 패턴을 형성하고, 금속물질을 증착한 후, 리프트 오프(lift-off) 공정을 수행함으로써 도 5에 도시된 바와 같이, 고분자층(520)의 상부에 변형 검출기(540)와 제1금속배선(530)을 형성한다.In order to form the strain detector and the first metal wiring on the polymer layer, the strain detector and the first metal wiring pattern are formed using a photolithography process, the metal material is deposited, and then a lift-off process is performed. As shown in FIG. 5, the
변형 검출기(540)와 제1금속배선(530)이 형성된 고분자층(520)의 상부에 감광막(550)을 형성한 후, 변형 검출기(540)와 전기적인 접촉을 위한 콘택홀(contact hole, 560)을 형성한다.After the
콘택홀(560)의 형성은 변형 검출기(540)의 상부에 존재하는 감광막(550)의 일부를 제거하여 형성하며, 이때, 콘택홀(560) 형성공정은 포토리소그라피 공정 및 열처리 공정을 수행하여 형성한다.The
그리고, 도 5g에 도시된 바와 같이, 고분자층(520)의 전면에 금속층(570)을 형성한 후, 패터닝하여 제2금속배선(580)을 형성한다. As shown in FIG. 5G, the
이때, 제2금속배선(580)의 형성은 콘택홀(560)을 포함한 고분자층(520)의 전면에 전자빔을 이용하여 금속 증착 공정을 선행한 후, 도금 공정을 수행하여 금속층(570)을 형성하며, 형성된 금속층을 포토리소그라피 공정 및 습식 식각공정을 통해 제2금속배선(580)을 형성한다.In this case, the formation of the
도 5i에 도시된 바와 같이, 제2금속배선(580)을 형성한 후, 감광막(590)을 형성한 후 포토리소그라피 공정 및 열처리 공정하여 지지블록(600)을 형성한다.As shown in FIG. 5I, after forming the
지지블록(600)은 촉각센서의 전체 구조를 지지하는 것으로서 중앙에 빈 공간이 존재하며, 본 발명의 일실시예에서는 감광막을 이용하여 지지블록을 형성한다.The
이후, 상기 지지블록(600)의 중앙에 존재하는 빈 공간에 탄성물질인 액상의 실리콘 탄성체를 채운 후, 열처리 공정을 통하여 경화시켜 보호블록(610)을 형성한다.Thereafter, after filling the liquid silicone elastomer, which is an elastic material, in an empty space existing in the center of the
본 발명의 일실시예에서 사용된 액상의 실리콘 탄성체는 일반적으로 사용되고 있는 RTV이며, 닥터 브레이드 공정을 이용하여 액상의 실리콘 탄성체를 채운다.The liquid silicone elastomer used in one embodiment of the present invention is an RTV that is generally used, and fills the liquid silicone elastomer using a doctor braid process.
이러한 일련의 공정이 완료되면, 고분자층(520)과 기판(500)을 분리한다. When the series of processes is completed, the
기판과 고분자층과의 분리는 75℃ 내지 95℃의 온도범위로 가열된 초순수와 희석된 불산 용액을 이용하여 기판의 전면에 형성된 산화막(510)을 제거함으로써 용이하게 이루어진다.Separation of the substrate and the polymer layer is easily performed by removing the
따라서, 분리된 고분자층(520)의 상부에는 변형 검출기(540), 제1금속배선(530), 제2금속배선(580), 지지블록(600) 및 보호블록(610)이 형성되게 된다.Therefore, the
도 5m에 나타난 바와 같이, 분리된 고분자층(520)의 상부를 제2기판(620)에 접착하여 분리된 고분자층(520) 하부의 전면에 감광막(630)을 증착한 후, 사진식각공정 및 열처리 공정을 수행하여 하중블록(640)을 형성한다.As shown in FIG. 5M, the
제2기판은 반도체, 세라믹, 고분자, 유리, 수정 등 적용 분야에 따라, 다양한 재질의 기판을 사용하여도 무방하나, 그 상부에 형성되는 고분자층과의 분리가 용이한 것이 바람직하며 본 발명의 일실시예에서는 제2기판을 유리 기판을 적용하였다.The second substrate may be a substrate of various materials, depending on the application field such as semiconductor, ceramic, polymer, glass, quartz, etc., but it is preferable that the second substrate be easily separated from the polymer layer formed thereon. In the embodiment, a glass substrate was used as the second substrate.
최종적으로 고분자층(520)과 제2기판(620)을 분리함으로써 촉각센서 어레이를 형성하는 공정을 완료한다.Finally, the process of forming the tactile sensor array is completed by separating the
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.
본 발명은 유연한 고분자층의 상부에 촉각센서 어레이를 형성함으로써, 다양한 지지물과의 접착이 용이한 이점이 있다.The present invention has an advantage of easily bonding with various supports by forming the tactile sensor array on the flexible polymer layer.
본 발명은 고분자층의 상부에 촉각센서 어레이 및 금속배선을 동시에 형성함으로써, 별도의 센서 정렬공정이 불필요하여 공정단계를 줄일 수 있어 공정 수율의 향상 및 공정 비용의 절감 효과가 있다.According to the present invention, by simultaneously forming the tactile sensor array and the metal wiring on the polymer layer, a separate sensor alignment process is unnecessary, thereby reducing the process steps, thereby improving the process yield and reducing the process cost.
또한, 본 발명은 다양한 고분자층의 상부에 촉각센서 어레이를 형성할 수 있어 각종 산업분야에 적용이 용이하며 가상환경 구현 기술에 중요한 촉각제시 기술 에 유효하게 적용 및 채택할 수 있는 이점이 있다.In addition, the present invention can form a tactile sensor array on the upper portion of the various polymer layer is easy to apply to various industrial fields and has the advantage that can be effectively applied and adopted in the tactile presentation technology important to the virtual environment implementation technology.
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