CN116638261A - 力觉传感器的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种力觉传感器的制造方法，包括如下工序：准备第一基板和第二基板的工序，其中，第一基板由供电磁波透过的材料构成，该第一基板在表面具有以周期性的图案排列的金属阵列，第二基板在表面具有反射电磁波的金属层；在第一基板的表面且在金属阵列的周围形成间隔构件的工序；在第一基板的表面且在间隔构件的周围形成比间隔构件薄的第一金属层的工序；在第二基板且在与第一金属层对应的区域形成比间隔构件薄的第二金属层的工序；以及通过将第一金属层与第二金属层熔接，而在使形成于第一基板的表面的间隔构件与第二基板的表面抵接的状态下将第一基板与第二基板固定的工序。
Description
技术领域
本公开涉及力觉传感器的制造方法。
背景技术
专利文献1公开一种具有能够通过外力使金属阵列与金属薄膜的间隙变化的空气间隙构造的位移传感器的制造方法。该制造方法包括：在第一基板形成金属阵列的工序、在第二基板形成金属薄膜和间隔构件的工序、以及使第一基板和第二基板重叠并利用聚酰亚胺带将第一基板与第二基板固定的工序。
专利文件1：日本特开2020-94973号公报
发明内容
能够考虑从多个方向对力觉传感器施加载荷。专利文献1记载的制造方法那样的利用聚酰亚胺带的固定是试制中使用的简单的方法，因此存在固定不充分的担忧。因此，存在初始状态下的无载荷的状态下的第一基板与第二基板的间隔随着使用而变化的情况。本公开提供一种能够以无载荷的状态下的第一基板与第二基板的间隔成为恒定的方式保持第一基板与第二基板之间的位置关系的力觉传感器的制造方法。
本公开的一方面所涉及的力觉传感器的制造方法具备以下的(1)～(5)的工序。
(1)准备第一基板和第二基板的工序，其中，第一基板由供电磁波透过的材料构成，该第一基板在表面具有以周期性的图案排列的金属阵列，第二基板在表面具有反射电磁波的金属层。
(2)在第一基板的表面且在金属阵列的周围形成间隔构件的工序。
(3)在第一基板的表面且在间隔构件的周围形成比间隔构件薄的第一金属层的工序。
(4)在第二基板且在与第一金属层对应的区域形成比间隔构件薄的第二金属层的工序。
(5)通过将第一金属层与第二金属层熔接，而在使形成于第一基板的表面的间隔构件与第二基板的表面抵接的状态下将第一基板与第二基板固定的工序。
在该力觉传感器的制造方法中，通过将第一基板的第一金属层与第二基板的第二金属层熔接，而在第一基板的间隔构件与第二基板的表面抵接的状态下将第一基板与第二基板固定。通过将第一金属层与第二金属层熔接，第一基板与第二基板相比利用聚酰亚胺带的固定而被更可靠地固定。通过使第一基板的间隔构件与第二基板的表面抵接，即便在第一金属层与第二金属层的厚度因熔接而变动的情况下，也能够将第一基板与第二基板的间隔保持为恒定。因此，该力觉传感器的制造方法能够以无载荷时的第一基板与第二基板的间隔成为恒定的方式保持第一基板与第二基板之间的位置关系。
本公开的其他方面所涉及的力觉传感器的制造方法具备以下的(1)～(5)的工序。
(1)准备第一基板和第二基板的工序，其中，第一基板由供电磁波透过的材料构成，该第一基板在表面具有以周期性的图案排列的金属阵列，第二基板在表面具有反射电磁波的金属层。
(2)在第二基板的表面且在金属层的周围形成间隔构件的工序。
(3)在第二基板的表面且在间隔构件的周围形成比间隔构件薄的第一金属层的工序。
(4)在第一基板且在与第一金属层对应的区域形成比间隔构件薄的第二金属层的工序。
(5)通过将第一金属层与第二金属层熔接，而在使形成于第二基板的表面的间隔构件与第一基板的表面抵接的状态下进行固定。
在该力觉传感器的制造方法中，通过将第一基板的第一金属层与第二基板的第二金属层熔接，而在第二基板的间隔构件与第一基板的表面抵接的状态下将第一基板与第二基板固定。通过将第一金属层与第二金属层熔接，第一基板与第二基板相比利用聚酰亚胺带的固定而被更可靠地固定。通过使第二基板的间隔构件与第一基板的表面抵接，即便在第一金属层与第二金属层的厚度因熔接而变动的情况下，也能够将第一基板与第二基板的间隔保持为恒定。因此，该力觉传感器的制造方法能够以无载荷时的第一基板与第二基板的间隔成为恒定的方式保持第一基板与第二基板之间的位置关系。
本公开的又一其他方面所涉及的力觉传感器的制造方法具备以下的(1)～(5)的工序。
(1)准备第一基板和第二基板的工序，其中，第一基板由供电磁波透过的材料构成，该第一基板在表面具有以周期性的图案排列的金属阵列，第二基板在表面具有反射电磁波的金属层。
(2)在第一基板的表面且在金属阵列的周围形成第一间隔构件的工序。
(3)在第一基板的表面且在第一间隔构件的周围形成第一金属层的工序。
(4)在第二基板的表面且在金属层的周围并且与第一间隔构件对应的区域形成第二间隔构件的工序。
(5)在第二基板的表面且在第二间隔构件的周围并且与第一金属层对应的区域形成第二金属层的工序。
(6)通过将第一金属层与第二金属层熔接，而在使形成于第一基板的表面的第一间隔构件与形成于第二基板的表面的第二间隔构件抵接的状态下将第一基板与第二基板固定。
在该力觉传感器的制造方法中，通过将第一基板的第一金属层与第二基板的第二金属层熔接，而在第一基板的第一间隔构件与第二基板的第二间隔构件抵接的状态下将第一基板与第二基板固定。通过将第一金属层与第二金属层熔接，第一基板与第二基板相比利用聚酰亚胺带的固定而被更可靠地固定。通过使第一基板的第一间隔构件与第二基板的第二间隔构件抵接，即便在第一金属层与第二金属层的厚度因熔接而变动的情况下，也能够将第一基板与第二基板的间隔保持为恒定。因此，该力觉传感器的制造方法能够以无载荷时的第一基板与第二基板的间隔成为恒定的方式保持第一基板与第二基板之间的位置关系。
在一个实施方式中，第一金属层与第二金属层也可以由相同材料构成。在这种情况下，第一金属层与第二金属层由相同材料构成，因此第一金属层与第二金属层被稳固地熔接。因此，该力觉传感器的制造方法能够将第一基板与第二基板更可靠地固定。
根据本公开，能够制造能够以无载荷的状态下的第一基板与第二基板的间隔成为恒定的方式保持第一基板与第二基板之间的位置关系的力觉传感器。
附图说明
图1是表示力觉传感器的一个例子的剖视图。
图2是沿着图1的II-II线的剖视图。
图3是表示一个实施方式所涉及的制造方法的一个例子的流程图。
图4是对一个实施方式所涉及的制造方法的工序进行说明的剖视图。
图5是对一个实施方式所涉及的制造方法的工序进行说明的剖视图。
附图标记说明
1...力觉传感器；10...下基板(第一基板的一个例子)；11...金属阵列；20...上基板(第二基板的一个例子)；21...金属层；30...间隔构件；31...第一金属层；32...第二金属层。
具体实施方式
以下，参照附图，对本公开的实施方式进行说明。另外，在以下的说明中，对相同或者相当的要素标注相同附图标记，省略重复的说明。附图的尺寸比率不必与说明的尺寸比率一致。
[力觉传感器]
通过本实施方式所涉及的制造方法而被制造的力觉传感器是使用了电磁波的力觉传感器。电磁波包括可见光、红外光、太赫兹波或者微波。力觉传感器具有在金属阵列与金属层之间形成有间隙的空气间隙构造。根据入射至空气间隙构造的电磁波的入射波来测定反射波。基于入射波以及反射波能够得到谐振波长。谐振波长根据形成于金属阵列与金属层之间的间隙的大小而变化。形成于金属阵列与金属层之间的间隙根据外力而变化。换句话说，使用了电磁波的力觉传感器是基于谐振波长的变化来测定外力的传感器。
图1是表示一个实施方式所涉及的力觉传感器的一个例子的剖视图。图2是沿着图1的II-II线的剖视图。如图1所示那样，力觉传感器1具备下基板10以及上基板20。下基板10是第一基板的一个例子。上基板20是第二基板的一个例子。下基板10由供光透过的材料构成。光是电磁波的一个例子。下基板10作为一个例子是玻璃基板。下基板10在上表面具有以周期性的图案排列的金属阵列11。该上表面是下基板10的表面的一个例子。金属阵列11作为一个例子是棒阵列或者点阵列。金属阵列11也可以通过一边为350nm的大致正方形的阵列以400nm间隔周期性地配置的图案而构成。金属阵列11的材料作为一个例子是Au(金)或者Al(铝)。上基板20无需由供光透过的材料构成，可以是玻璃基板，也可以是硅基板等。上基板20在下表面具有反射光的金属层21。该下表面是上基板20的表面的一个例子。金属层21的材料作为一个例子是Au或者Al。下基板10以及上基板20也可以由不包含碱成分的无碱玻璃或者石英形成。
如图1以及图2所示的那样，下基板10以及上基板20通过设置于金属阵列11以及金属层21的周围的间隔构件30、第一金属层31以及第二金属层32而隔开间隔被相互固定。由此，在金属阵列11与金属层21之间形成有间隙。间隔构件30由难以氧化的金属且高熔点的金属形成。间隔构件30作为一个例子由Mo(钼)/Al/Mo的三层构造构成。间隔构件30也可以是Al、Mo、Ag(银)、Ti(钛)或者Cr(铬)的单层。
透过了下基板10以及金属阵列11的光的一部分被金属层21反射，并且在金属阵列11与金属层21之间谐振而被吸收。被吸收的光的波长根据金属阵列11与金属层21之间的间隔而变化。力觉传感器1构成为根据来自外部的载荷而变更上基板20相对于下基板10的姿势。因此，施加于力觉传感器1的载荷由力觉传感器1吸收的光的波长的变化而示出。
[力觉传感器的制造方法]
图3是表示一个实施方式所涉及的制造方法的一个例子的流程图。在制造方法M1中，首先，准备具有金属阵列11的下基板10以及具有金属层21的上基板20(步骤S10)。
接下来，在下基板10的上表面形成有间隔构件30(步骤S20)。图4是对一个实施方式所涉及的制造方法的工序进行说明的剖视图。如图4所示那样，在下基板10的上表面且在金属阵列11的周围形成有间隔构件30。间隔构件30设置为包围形成有金属阵列11的区域。间隔构件30与金属阵列11分离(参照图2)。间隔构件30形成为比金属阵列11厚。作为一个例子，金属阵列11的厚度为25nm，间隔构件30的厚度为30nm。间隔构件30在通过溅射而被成膜后，通过光刻法而形成。间隔构件30也可以通过热蒸镀法或者电子束蒸镀法而被成膜。
接下来，在下基板10的上表面形成有第一金属层31(步骤S30)。如图4所示那样，在下基板10的上表面且在间隔构件30的周围形成有第一金属层31。第一金属层31设置为包围间隔构件30。第一金属层31与间隔构件30分离(参照图2)。第一金属层31形成为比间隔构件30薄。第一金属层31的厚度设定为与后述的第二金属层32的厚度的合计与间隔构件30的厚度大致相同。大致相同是指允许数nm的误差。在间隔构件30的厚度为30nm的情况下，第一金属层31例如在1nm～29nm的范围内任意地设定。作为一个例子，第一金属层31设定为间隔构件30的厚度的一半的15nm。第一金属层31在通过溅射而被成膜后，通过光刻法而形成。第一金属层31也可以通过热蒸镀法或者电子束蒸镀法而被成膜。
接下来，在上基板20的下表面形成有第二金属层32(步骤S40)。图5是对一个实施方式所涉及的制造方法的工序进行说明的剖视图。如图5所示那样，在上基板20的下表面且在与第一金属层31对应的区域以包围金属层21的周围的方式形成有第二金属层32。第二金属层32设置为包围形成有金属层21的区域。第二金属层32与金属层21分离。第二金属层32形成为比间隔构件30薄。第二金属层32的厚度设定为与上述的第一金属层31的厚度的合计与间隔构件30的厚度大致相同。在第一金属层31设定为间隔构件30的厚度的一半的15nm的情况下，第二金属层32设定为15nm。第二金属层32在通过溅射而被成膜后，通过光刻法而形成。第二金属层32也可以通过热蒸镀法或者电子束蒸镀法而被成膜。
接下来，将下基板10的第一金属层31与上基板20的第二金属层32熔接(步骤S50)。首先，将下基板10的上表面与上基板20的下表面以相对的方式配置，由此在下基板10之上重叠上基板20。由此，下基板10的第一金属层31与上基板20的第二金属层32接触，并且下基板10的间隔构件30的前端与上基板20的下表面抵接。通过间隔构件30，而在下基板10与上基板20之间保持有间隔构件30的厚度的间隔。在该状态下，将第一金属层31与第二金属层32熔接。第一金属层31以及第二金属层32例如通过激光焊接而熔接。第一金属层31以及第二金属层32也可以通过常温接合或者直接接合而熔接。如以上那样，能够制造力觉传感器1。另外，制造方法M1也可以在步骤S50的工序之前包括清洗金属阵列11的清洗工序。
[实施方式的总结]
在本公开所涉及的力觉传感器1的制造方法M1中，将下基板10的第一金属层31与上基板20的第二金属层32熔接，由此在下基板10的间隔构件30与上基板20的下表面抵接的状态下将下基板10与上基板20固定。将第一金属层31与第二金属层32熔接，由此下基板10与上基板20相比利用聚酰亚胺带的固定而被更可靠地固定。下基板10的间隔构件30与上基板的下表面抵接，由此即便在第一金属层31与第二金属层32的厚度因熔接而变动的情况下，也能够将下基板10与上基板20的间隔维持为恒定。因此，制造方法M1能够以无载荷的状态下的下基板10与上基板20的间隔成为恒定的方式保持下基板10与上基板20之间的位置关系。
此外，在力觉传感器1中，第一金属层31与第二金属层32由相同材料构成，因此能够相互稳固地熔接。因此，制造方法M1能够更可靠地固定下基板10与上基板20。
以上，对各种例示的实施方式进行了说明，但不限定于上述实施方式，也可以进行各种省略、置换以及变更。
[变形例1]
在上述的实施方式中，在下基板10的上表面形成有间隔构件30，但间隔构件30也可以形成于上基板20的下表面。在这种情况下，在图3的步骤S20中，在上基板20的下表面且在金属层21的周围形成有间隔构件30。然后，在步骤S50中，上基板20的间隔构件30的下端与下基板10的上表面抵接。其他的制造方法的工序相同。
[变形例2]
在上述的实施方式中，在下基板10的上表面形成有间隔构件30，但间隔构件30也可以进一步形成于上基板20的下表面。换句话说，在下基板10的上表面形成有第一间隔构件，在上基板20的下表面形成有第二间隔构件。在这种情况下，在图3的步骤S20中，在下基板10的下表面且在金属阵列11的周围形成有第一间隔构件。在上基板20的上表面且在金属层21的周围形成有第二间隔构件。然后，在步骤S50中，上基板20的第二间隔构件的下端与下基板10的第一间隔构件的上端抵接。其他的制造方法的工序相同。
即便在如变形例1以及变形例2那样进行了制造的情况下，也能够制造能够以无载荷的状态下的下基板10与上基板20的间隔成为恒定的方式保持下基板10与上基板20之间的位置关系的力觉传感器1。
力觉传感器1也可以用于压力传感器、测力计、接触传感器等。在上述实施方式中，间隔构件30设置为连续地包围形成有金属阵列11的区域，第一金属层31设置为连续地包围间隔构件30，第二金属层32设置为连续地包围形成有金属层21的区域，但不限定于连续，也可以是不连续。
力觉传感器1也可以具备覆盖金属阵列11的表面的保护层。具备保护层，由此在力觉传感器1的制造工序中，能够省略上述的清洗工序。保护层例如由石英形成。保护层保护金属阵列11免受损伤或者氧化等。保护层也可以由聚二甲基硅氧烷(PDMS)形成。在这种情况下，保护层也可以填充于金属层21与金属阵列11之间的间隙。由聚二甲基硅氧烷形成的保护层根据外力而变化。
间隔构件30的厚度也可以为190nm。金属层21的厚度也可以为100nm。金属阵列11的厚度也可以为30nm。由石英形成的保护层的厚度也可以为35nm。金属层21与保护层之间的间隙也可以为30nm。金属层21与金属阵列11之间的距离也可以为65nm。
Claims (4)
1.一种力觉传感器的制造方法，其特征在于，包括如下工序：
准备第一基板和第二基板的工序，其中，所述第一基板由供电磁波透过的材料构成，所述第一基板在表面具有以周期性的图案排列的金属阵列，所述第二基板在表面具有反射电磁波的金属层；
在所述第一基板的表面且在所述金属阵列的周围形成间隔构件的工序；
在所述第一基板的表面且在所述间隔构件的周围形成比所述间隔构件薄的第一金属层的工序；
在所述第二基板且在与所述第一金属层对应的区域形成比所述间隔构件薄的第二金属层的工序；以及
通过将所述第一金属层与所述第二金属层熔接，而在使形成于所述第一基板的表面的所述间隔构件与所述第二基板的表面抵接的状态下将所述第一基板与所述第二基板固定的工序。
2.一种力觉传感器的制造方法，其特征在于，包括如下工序：
准备第一基板和第二基板的工序，其中，所述第一基板由供电磁波透过的材料构成，所述第一基板在表面具有以周期性的图案排列的金属阵列，所述第二基板在表面具有反射电磁波的金属层；
在所述第二基板的表面且在所述金属层的周围形成间隔构件的工序；
在所述第二基板的表面且在所述间隔构件的周围形成比所述间隔构件薄的第一金属层的工序；
在所述第一基板且在与所述第一金属层对应的区域形成比所述间隔构件薄的第二金属层的工序；以及
通过将所述第一金属层与所述第二金属层熔接，而在使形成于所述第二基板的表面的所述间隔构件与所述第一基板的表面抵接的状态下进行固定的工序。
3.一种力觉传感器的制造方法，其特征在于，包括如下工序：
准备第一基板和第二基板的工序，其中，所述第一基板由供电磁波透过的材料构成，所述第一基板在表面具有以周期性的图案排列的金属阵列，所述第二基板在表面具有反射电磁波的金属层；
在所述第一基板的表面且在所述金属阵列的周围形成第一间隔构件的工序；
在所述第一基板的表面且在所述第一间隔构件的周围形成第一金属层的工序；
在所述第二基板的表面且在所述金属层的周围并且与所述第一间隔构件对应的区域形成第二间隔构件的工序；
在所述第二基板的表面且在所述第二间隔构件的周围并且与所述第一金属层对应的区域形成第二金属层的工序；以及
通过将所述第一金属层与所述第二金属层熔接，而在使形成于所述第一基板的表面的所述第一间隔构件与形成于所述第二基板的表面的所述第二间隔构件抵接的状态下将所述第一基板与所述第二基板固定的工序。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的力觉传感器的制造方法，其特征在于，
所述第一金属层与所述第二金属层由相同材料构成。
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