JP2009222415A - ３次元構造体およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＭＥＭＳ技術あるいはＮＥＭＳ技術を用いて形成された可動構造を有する微小３次元構造体要素が膜状弾性体内へ配置された３次元構造体において、所望の位置に微小３次元構造体要素を配置することで様々な仕様に対応することができるとともに、その製造における取り扱い性を良好なものとする。
【解決手段】基板部材に固定された微小３次元構造体要素を覆うようにその内部に配置するとともに、基板部材に固定された弾性体を有する複数の３次元構造体構成用素子が、互いの基板部材を離間させて状態にて膜状弾性体内に配置させて３次元構造体を構成することにより、膜状弾性体内にて、複数の３次元構造体構成用素子を、所望の配置間隔や位置に配置することができ、様々な仕様に対応することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術あるいはＮＥＭＳ（Nano Electro Mechanical Systems）技術を用いて３次元的に形成された構造体およびその製造方法に関し、特に、可動構造を有する微小３次元構造体要素が弾性体内へ配置された素子と、この素子を用いて構成された３次元構造体、ならびにそれらの製造方法に関する。

ロボット技術の研究、開発においては、ロボットハンドにより対象物を如何にして確実に制御するのかということが、重要な課題の一つとなっている。具体的には、ロボットハンドにより対象物を掴むという動作に着目すれば、対象物を掴む握力を検出するだけでなく、この掴むという動作によりハンド表面に生じるせん断応力をも検出することが、ロボットハンドの確実な制御のためには必要となる。これは、対象物とハンド表面との間に生じる摩擦力をこのせん断応力により検出することで、最適な摩擦力の制御を行って対象物の確実な制御を実現することに役立つからである。

近年、このようなせん断応力を検出することを目的とした触覚センサが開発されつつある（例えば、特許文献１参照）。このような従来の触覚センサの一例について、図８に示す模式斜視図を用いて以下に説明する。

図８に示すように、触覚センサ５０１は、数百ｎｍ程度の薄膜で形成された複数のピエゾ抵抗カンチレバー５０２（そのヒンジ部にピエゾ抵抗体を備えたカンチレバー）が、互いに独立して膜状弾性体５０３内に配置された構成を有している。

このカンチレバー５０２は、その一端が固定部として形成され、その他端がカンチレバー５０２を形成する薄膜の厚み方向にのみ変形可能な可動部として形成されている。各々のカンチレバー５０２は、図示しない端子部および配線を通して、図示しない制御装置に電気的に接続されている。例えば、膜状弾性体５０３表面にせん断力あるいは圧力が付加された場合、膜状弾性体５０３内部に生じたせん断応力あるいは圧縮応力がカンチレバー５０２の可動部を動作させて変形させることで、このせん断力あるいは圧力を検出することが可能となっている。また、膜状弾性体５０３に作用する様々な方向のせん断応力あるいは圧縮応力を検出するために、それぞれのカンチレバー５０２は、可動部の変形方向が異なるように、例えば、図示Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向のそれぞれの方向にその変形方向が配置されるように、膜状弾性体５０３内に配置されている。

このように触覚センサ５０１が構成されていることにより、膜状弾性体５０３が対象物等に接触することにより、膜状弾性体５０３内に生じる様々な向きのせん断応力あるいは圧縮応力を、それぞれのカンチレバー５０２により検出することが可能となっている。なお、このような膜状弾性体５０３は、外力付加により容易に弾性変形するような材料として、例えばＰＤＭＳ（Polydimethylsiloxane）により形成されている。

次に、このような構成を有する触覚センサ５０１の製造方法について説明する。
図９の模式説明図に示すように、例えば、２個のカンチレバー５０２が形成されたＳＯＩウェハ５１０を、ＰＤＭＳにて形成されたスペーサ５１６にて支持させた状態で容器５１７内に配置する。その後、図９に示すように、容器５１７内に流動状態の弾性体ＰＤＭＳ５１９を注入する。このＰＤＭＳ５１９の注入は、少なくともそれぞれのカンチレバー５０２及びＳＯＩウェハ５１０へのカンチレバー５０２の固定部分が、注入されたＰＤＭＳ５１９内に浸積されて埋設されるように行われる。

その後、容器５１７内に注入されたＰＤＭＳ５１９が硬化した後、ＰＤＭＳ５１９より露出された状態にあるＳＯＩウェハ５１０の表面に付着している強度補強部材であるパリレン層５１８の部分的な除去を、例えばＯ_２プラズマエッチングにより行う。

次に、容器５１７の上面よりエッチング処理を施すことで、ＰＤＭＳ５１９より露出された状態にあるＳＯＩウェハ５１０の犠牲層であるＳｉ５１１およびＳｉＯ_２層５１２を除去する。その結果、図１０に示すように、それぞれのカンチレバー５０２のＳＯＩウェハ５１０への固定部分が除去されて、ＰＤＭＳ５１９の表面においてそれぞれの凹部５２０が形成された状態となる。従って、それぞれのカンチレバー２を固定していた犠牲層が除去されることで、ＰＤＭＳ５１９内において、個々のカンチレバー５０２が互いに独立して配置された状態とされる。

その後、図１１に示すように、ＰＤＭＳ５１９の表面に形成されたそれぞれの凹部５２０内に流動状態のＰＤＭＳ５１９を注入して、ＰＤＭＳ５１９の補充を行う。この補充の後、注入されたＰＤＭＳ５１９を硬化させることによりＰＤＭＳにより形成された膜状弾性体５０３が形成され、触覚センサ５０１が完成する。

特開２００７−２１８９０６号公報

このような構造を有する触覚センサ５０１では、ＳＯＩウェハ５１０上に形成されたカンチレバー５０２を、ＰＤＭＳ５１９内に配置した後、ＳＯＩウェハ５１０への固定部分である犠牲層の除去を行うという製造方法が採用されているため、ＳＯＩウェハ５１０におけるそれぞれのカンチレバー５０２の形成位置が、そのまま触覚センサ５０１におけるそれぞれのカンチレバー５０２の形成位置となる。そのため、例えば、大面積のシート状の膜状弾性体５０３内を用いた触覚センサ５０１を形成することが困難であるという問題がある。また、ＳＯＩウェハ５１０におけるカンチレバー５０２の形成位置に限定されることから、所望のピッチでカンチレバー５０２を膜状弾性体５０３内に配置することも困難となる。すなわち、触覚センサ５０１の大きさやカンチレバー５０２の配置間隔が制約され、その用途に応じた仕様の触覚センサ５０１を製造することができないという問題がある。

仮に、例えば、多数のカンチレバー５０２が形成されたＳＯＩウェハ５１０を切断して、それぞれのカンチレバー５０２を個片化するような場合には、微小な構造体であるカンチレバー５０２に破損等が生じる恐れもあり、その取り扱いが困難となることが考えられる。

従って、本発明の目的は、上記問題を解決することにあって、ＭＥＭＳ技術あるいはＮＥＭＳ技術を用いて形成された可動構造を有する微小３次元構造体要素が膜状弾性体内へ配置された３次元構造体において、所望の位置に微小３次元構造体要素を配置することで様々な仕様に対応することができるとともに、その製造における取り扱い性を良好なものとすることができる３次元構造体構成用素子および３次元構造体、ならびにそれらの製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。

本発明の第１態様によれば、可動構造を有する微小３次元構造体要素と、
上記微小３次元構造体要素が固定された基板部材と、
上記微小３次元構造体要素をその内部に配置する弾性体とを備え、
上記基板部材は凹状または凸状形状を有する係合部を有し、上記係合部と係合された状態にて、上記弾性体が上記基板部材に固定されている、３次元構造体構成用素子を提供する。

本発明の第２態様によれば、上記基板部材における上記微小３次元構造体要素の固定位置の周囲に、上記係合部として複数の係合用孔部が形成され、上記複数の係合用孔部内に上記弾性体が充填されている、第１態様に記載の３次元構造体構成用素子を提供する。

本発明の第３態様によれば、上記可動構造は、実質的に一の方向に変形可能な構造であって、
互いに変形可能な方向が異なる複数の上記微小３次元構造体要素が、１つの上記基板部材に固定された状態にて、１つの上記弾性体の内部に配置されている、第１態様または第２態様に記載の３次元構造体構成用素子を提供する。

本発明の第４態様によれば、上記基板部材は、それぞれの上記微小３次元構造体要素との間で電気信号の受け渡しを行う共通の回路部を有する、第３態様に記載の３次元構造体構成用素子を提供する。

本発明の第５態様によれば、第１態様から第４態様のいずれか１つに記載の複数の３次元構造体構成用素子と、
上記複数の３次元構造体構成用素子を、互いの上記基板部材を離間させた状態にてその内部に配置する膜状弾性体とを備える、３次元構造体を提供する。

本発明の第６態様によれば、上記弾性体を形成する樹脂は、上記膜状弾性体を形成する樹脂よりも、その溶融状態にて高い流動性を有する、第５態様に記載の３次元構造体を提供する。

本発明の第７態様によれば、上記複数の３次元構造体構成素子が実装されたフレキシブル基板をさらに備え、
上記フレキシブル基板は、上記膜状弾性体の内部に配置されている、第５態様または第６態様に記載の３次元構造体を提供する。

本発明の第８態様によれば、基板部材に固定された可動構造を有する複数の微小３次元構造体要素を弾性体の内部に配置するとともに、上記基板部材に形成された凹状または凸状形状を有する係合部と上記弾性体とを係合させながら上記弾性体を上記基板部材に固定し、
その後、上記基板部材と上記弾性体を切断して、上記複数の微小３次元構造体要素を分割して、分割された上記基板部材に１又は複数の上記微小３次元構造体要素が固定され、かつ分割された上記弾性体内に配置された複数の３次元構造体構成用素子を形成する、３次元構造体構成用素子の製造方法を提供する。

本発明の第９態様によれば、上記基板部材における上記微小３次元構造体要素の固定位置の周囲に、上記係合部として複数の係合用孔部を形成した後、
流動状態の樹脂材料を上記基板部材上に供給して、上記微小３次元構造体要素を覆うとともに、上記複数の係合用孔部内に上記樹脂材料を充填させ、
その後、上記樹脂材料を硬化させることにより、上記樹脂材料により形成された上記弾性体を上記基板部材に固定する、第８態様に記載の３次元構造体構成用素子の製造方法を提供する。

本発明の第１０態様によれば、第８態様または第９態様の製造方法により製造された上記複数の３次元構造体構成用素子を、互いに上記基板部材を離間させた状態にて膜状弾性体の内部に配置して３次元構造体を形成する、３次元構造体の製造方法を提供する。

本発明の第１１態様によれば、上記弾性体を形成する樹脂は、上記膜状弾性体を形成する樹脂よりも、その溶融状態にて高い流動性を有する、第１０態様に記載の３次元構造体の製造方法を提供する。

本発明によれば、基板部材に固定された微小３次元構造体要素を覆うようにその内部に配置するとともに、基板部材に固定された弾性体を有する複数の３次元構造体構成用素子が、互いの基板部材を離間させて状態にて膜状弾性体内に配置させて３次元構造体を構成する。そのため、膜状弾性体内にて、複数の３次元構造体構成用素子を、所望の配置間隔や位置に配置することができ、様々な仕様に対応することができる３次元構造体を提供することができる。

また、本発明の３次元構造体構成用素子の製造方法によれば、基板部材上に形成された複数の微小３次元構造体要素を弾性体にて覆った後、基板部材と弾性体とを切断することで、１又は複数の微小３次元構造体要素を分割して、複数の３次元構造体構成用素子を形成することができる。この切断処理を行う際に、それぞれの微小３次元構造体要素は、弾性体により覆われて保護されているため、微小３次元構造体要素の損傷を防止することができるとともに、分割して形成された３次元構造体構成用素子の取り扱い性を良好なものとすることができる。

また、基板部材に設けられた係合部と弾性体とが係合されることで、基板部材への弾性体の固定が行われていることにより、この固定における強度を高めることができる。したがって、３次元構造体構成用素子において、微小３次元構造体要素の可動構造と弾性体との一体性を高めることができ、可動構造の動作と弾性体の変形との関連性を強めることができる。

以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

本発明の一の実施形態にかかる３次元構造体の一例である触覚センサ（あるいは触覚センサ構造体）を構成するために用いられる３次元構造体構成用素子の一例であるセンサ素子１の模式的な構造を示す模式斜視図を図１に示す。

図１に示すように、本実施形態のセンサ素子１は、可動構造を有する微小３次元構造体要素の一例である複数のカンチレバー２と、複数のカンチレバー２が固定された基板部材４と、それぞれのカンチレバー２全体を覆うように基板部材４上に固定された弾性体３とを備えている。

センサ素子１の模式説明図である図２に示すように、それぞれのカンチレバー２は、例えば数百ｎｍ程度の厚さにて薄膜状に形成されており、その一端（固定端）を固定部２ｂとして基板部材４に固定され、その他端（自由端）を可動部２ａとして、可動構造、すなわち片持ち梁構造にて形成されている。カンチレバー２は、その幅方向に対して厚み寸法が十分に薄くなるように形成されており、固定部２ｂに対して可動部２ａを厚み方向に変形可能となっている。さらに、それぞれのカンチレバー２は、可動部２ａと固定部２ｂとを接続し、その変形により可動部２ａが動作するような接続部の一例であるヒンジ部２ｃが設けられており、このヒンジ部２ｃには、可動部２ａの動作角度を電気的に検出するためのピエゾ抵抗部が設けられている。

また、図１に示すように、センサ素子１には、その可動部２ａの変形の方向が異なる３種類のカンチレバー２が備えられており、例えば、図示Ｘ軸方向をその変形の方向とするＸ軸方向用カンチレバー２Ｘと、図示Ｙ軸方向をその変形の方向とするＹ軸方向用カンチレバー２Ｙと、図示Ｚ軸方向をその変形の方向とするＺ軸方向用カンチレバー２Ｚとが備えられている。なお、図１において、Ｘ軸方向とＹ軸方向は、基板部材４の表面沿いにおいて互いに直交する方向であり、さらにＸ軸方向及びＹ軸方向に直交する方向がＺ軸方向となっている。

また、弾性体３は、外力の付加等により弾性変形し、その弾性変形がカンチレバー２の可動部２ａを動作（変形）させるような柔軟性を有する弾性材料により形成されており、このような弾性材料としては、例えば透明又は着色されたＰＤＭＳ（Polydimethylsiloxane）が用いられる。また、弾性体３は、それぞれのカンチレバー２が直接的に外部の物体等と接触して損傷を受けることが無いように保護する機能も有しており、それぞれのカンチレバー２全体を覆うような厚み寸法、例えば３００μｍ〜１ｍｍ以下程度の厚さ寸法に形成されており、後述するカンチレバー２の応力検出機能を効果的に達成しながら、柔軟性と強度とを両立することができるような厚さ寸法に形成されていることがより望ましい。

また、図１に示すように、基板部材４におけるそれぞれのカンチレバー２の形成位置には、カンチレバー２毎に貫通開口部５が形成されており、この貫通開口部５の縁部にカンチレバー２の固定部２ｂが固定されている。また、それぞれの貫通開口部５の縁部にカンチレバー２の可動部２ａが干渉することがない大きさに貫通開口部５が形成されている。

さらに、図１においては図示しないが、それぞれのカンチレバー２における固定部２ｂには端子部が設けられており、これらの端子部には配線６が個別に設けられて、各々のカンチレバー２における可動部２ａの動作角度を電気的に検出することが可能となっている。また、センサ素子１には、それぞれのカンチレバー２との間で配線６を通して電気信号の受け渡しを行う回路部（制御回路等、図示しない）が設けられている。

また、基板部材４の図示Ｙ軸方向の両端部には、それぞれの配線６が接続された電極端子７が設けられている。基板部材４の上面においては、それぞれの電極端子７を露出させ、かつそれぞれの貫通開口部５およびカンチレバー２全体を完全に覆うように、弾性体３が配置されている。図１においては電極端子７が基板部材４の上面に露出しているが、電極端子７は基板部材４の裏面に露出していても良い。この場合は基板部材４を貫通する導電体等により、電極端子７は配線６と電気的に接続される。

さらに、図１に示すように、それぞれの貫通開口部５の周囲における基板部材４の上面には、係合部の一例である多数の係合用孔部８が形成されている。この係合用孔部８内には、弾性体３が充填されており、それぞれの係合用孔部８とその内側に充填された弾性体３との係合により、弾性体３と基板部材４とが強固に係合されて固定された状態とされている。このような係合用孔部８内へ確実に弾性体３を充填させるために、弾性体３として、例えばナノスケールの構造体（孔部等）内にも入り込みやすいという高い流動性（硬化前の溶融状態にて）を有する材料を用いることが好ましい。このような材料としては、例えば、ナノスケールの構造体の型取り・転写などに利用されるDowCorning社製のSylgard184という製品を用いることができる。

このような構成を有するセンサ素子１においては、弾性体３に外力が付加されることにより、その内部に生じるせん断応力または圧縮応力を、その応力が生じる方向をその変形方向とする可動部２ａを有するカンチレバー２の可動部２ａが動作変形されることでもって検出することが可能となっている。なお、図１におけるＸ軸方向用カンチレバー２ＸとＹ軸方向用カンチレバー２Ｙは、膜状弾性体３の表面沿いの方向に生じる力（せん断力）を検出するせん断力センサとして機能し、Ｚ軸方向用カンチレバー２Ｚは、膜状弾性体３のＺ軸方向の力、すなわち圧縮応力を検出する圧力センサとして機能する。なお、Ｚ軸方向用カンチレバー２Ｚは、図１に示すように、カンチレバー２Ｘおよび２Ｙと同様に、片持ち梁形状に形成されるような場合であってもよく、あるいはこのような場合に代えて、その両端が基板部材４に固定されるような両持ち梁形状に形成されるような場合であってもよい。

ここで、このようなカンチレバー２により応力を検出する原理について、図２に示すセンサ素子１の模式説明図を用いて説明する。

図２に示すように、センサ素子１において、弾性体３の表面に沿った外力が作用されると、弾性体３において水平方向にせん断応力τが生じ、弾性体３が弾性的に変形されて、水平方向にせん断歪みγが生じることになる。弾性体３内に配置されているカンチレバー２は、その可動部２ａが弾性体３と一体的に歪むこととなり、その結果、せん断歪みγだけその変形方向（例えば図示Ｘ軸方向）に変形される、すなわち弾性的に変形されることとなる。

一方、カンチレバー２のヒンジ部２ｃには、ピエゾ抵抗部が設けられている。このピエゾ抵抗部は、可動部２ａの変形量に応じてその電気的な抵抗値が変化するという機能を有しているとともに、このような変形量と抵抗値の相関性が予め測定されて、電極端子７と接続される図示しない制御装置等に相関性データとして入力保持されている。従って、このせん断応力τにより弾性体３に生じたせん断歪みγがカンチレバー２を変形させた量に基づくピエゾ抵抗部の抵抗変化を検出することで、外力作用により弾性体３に生じるせん断応力τを検出することができる。なお、このような可動部２ａの変形量検出による応力検出の原理によれば、弾性体３の表面沿いの方向の力を検出するＸ軸方向用カンチレバー２Ｘ及びＹ軸方向用カンチレバー２Ｙにおける可動部の起き上がり角度は、９０度に設定されることが好ましく、圧力を検出するＺ軸方向用カンチレバー２Ｚにおける可動部の起き上がり角度は、０度に設定されることが好ましい。

次に、このような構造を有する複数のセンサ素子１が用いられた触覚センサ１０の構造について、図３の模式図を用いて説明する。

図３に示すように、触覚センサ１０は、複数のセンサ素子１が、所定の位置に実装されたフレキシブル基板１１と、これらのセンサ素子１およびフレキシブル基板１１全体を覆うように、その内部に配置する膜状弾性体１２とを備えている。フレキシブル基板１１は、高い柔軟性を有しており、実装されたそれぞれのセンサ素子との間で信号の伝送を行う配線１３が形成されている。なお、この配線１３は、センサ素子１の基板部材４の上面に露出している電極端子７に導電体のワイヤを介して接続されている、またはセンサ素子１の基板部材４の裏面に露出している電極端子７に直接接続されている。また、それぞれのセンサ素子１は、互いに接触することが無いように、互いに離間、例えば、基板部材４が互いに離間して所定の位置に実装されている。膜状弾性体１２は、高い柔軟性を有する弾性材料により形成されており、このような弾性材料としては、例えばＰＤＭＳが用いられる。

本実施形態の触覚センサ１０がこのような構成を有することにより、図４の模式図に示すように、触覚センサ１０は高い柔軟性を有し、様々な形状を有する表面、例えば曲面上に配置させて、膜状弾性体１２に付加される外力（せん断力または圧力）を検出することができる。

次に、このような機能を有するセンサ素子１の製造方法について、以下に図面を用いて説明する。この製造方法の説明にあたり、図５Ａ〜図５Ｅにセンサ素子１の製造方法の手順を示す模式断面図を示し、図６Ａ〜図６Ｄにそれぞれの工程におけるセンサ素子１の状態を示す模式斜視図を示す。

まず、図５Ａに示すように、例えば、３００μｍ厚さのＳｉ下層２１、４００ｎｍ厚さのＳｉＯ_２層２２、及び２９０ｎｍ厚さのＳｉ上層２３により構成されるＳＯＩウェハ２０を用い、例えば急速熱拡散法を用いて、Ｓｉ上層２３における上１００ｎｍの部分を、ピエゾ抵抗層（部）２４として形成し、さらにその後、ピエゾ抵抗層２４上に、それぞれ厚さ１０ｎｍと１５０ｎｍのＡｕ／Ｎｉ層２５をスパッタリング等により形成する。なお、このＳＯＩウェハ２０が最終的には基板部材４となる。

次に、このＳＯＩウェハ２０において、カンチレバー２の形成位置の周囲に、Ａｕ／Ｎｉ層２５側より複数の係合用孔部８を形成する。具体的には、Ａｕ／Ｎｉ層２５上に所定の形状にパターニングされたマスク層（図示せず）を形成した後、Ａｕ／Ｎｉ層２５をエッチングし、さらにピエゾ抵抗層２４およびＳｉ上層２３をＤＲＩＥ（Deep Reactive Ion Etching）にてエッチングを行う。その後、ＳｉＯ_２層２２をＨＦ（hydrogen fluoride）溶液を用いてエッチングを行い、さらにＳｉ下層２１をＤＲＩＥにてエッチングを行う。このエッチング処理により、ＳＯＩウェハ２０上には、図５Ｂに示すように、複数の係合用孔部８が形成される。なお、係合用孔部８は、後にカンチレバー２が形成される位置の周囲近傍に形成されることが好ましく、配線６などの他の構成部と干渉しない位置に、例えば４０μｍ程度の深さにて形成される。また、エッチング処理完了後、マスク層は除去される。

このような複数の係合用孔部８が形成されたＡｕ／Ｎｉ層２５上に、マスク層（図示せず）を形成し、その後、所定の形状にパターニングして、このマスク層を用いて、Ａｕ／Ｎｉ層２５、ピエゾ抵抗層２４およびＳｉ上層２３に対してエッチングを行う。その後、カンチレバー２のピエゾ抵抗部を形成するために、カンチレバー２の固定部２ｂと可動部２ａをつなぐ部分であるヒンジ部に相当する部分を覆うように配置されているマスク層を、エッチングにより除去する。さらにその後、ＳＯＩウェハ２０の裏面側より、Ｓｉ下層２１に対してＤＲＩＥにてエッチングを行い、さらに、ＨＦガスを用いてＳｉＯ_２層をエッチングすることにより、カンチレバー２において可動部２ａ、すなわち自由端となるべき構造部を、Ｓｉ下層２１及びＳｉＯ_２層から開放させた状態とさせる（すなわち、貫通開口部５を形成する。）。これで、カンチレバー２としての基本的な構造が完成する。

その後、ＳＯＩウェハ２０に対して例えば磁界を付与すること等により、Ｘ軸方向用およびＹ軸方向用のカンチレバー２Ｘ、２Ｙの可動部２ａを鉛直方向沿いに立ち上げさせて、所定の処理を施すことにより、可動部２ａが立ち上げられた状態（起立姿勢状態）を保持させる。一方、Ｚ軸方向用のカンチレバー２Ｚの可動部２ａは立ち上げられることなく、その水平方向の姿勢が保持された状態とされる。その結果、図５Ｃおよび図６Ａに示すように、ＳＯＩウェハ２０をベースとして基板部材４に固定された複数のカンチレバー２が形成される。なお、図５Ｃでは、カンチレバー２として、例えばＸ軸方向用カンチレバー２ＸとＺ軸方向用カンチレバー２Ｚの２つのカンチレバーのみを図示している。

ここで、このようなカンチレバー２の模式上面図を図７に示す。なお、図７では、起立姿勢とされる前の状態のカンチレバー２を示す。図７に示すように、カンチレバー２は、例えばその可動部２ａにおける幅寸法ｄ１が８０μｍ、可動部２ａの長さ寸法ｄ２が２００μｍ、可動部２ａと固定部２ｂとの間のヒンジ部２ｃの長さ寸法ｄ３が１００μｍ、それぞれのヒンジ部２ｃの幅寸法が２５μｍというような大きさに形成されており、カンチレバー２全体の長さ寸法が３００μｍとなっている。また、ピエゾ抵抗層２４の厚さ寸法が１００ｎｍとされている。また、図７に示すように、カンチレバー２の固定部２ｂには、外部との間で電気信号の受け渡しを行うための端子部９が形成されている。さらに、可動部２ａと固定部２ｂとの間のヒンジ部２ｃは、図示平面的に中空部分が設けられている。また、このようにヒンジ部２ｃが、中空部分が設けられるように２本の構造体に分割されていることにより、それぞれの構造体に対して付与される傾き等の出力を、それぞれのピエゾ抵抗層の出力間で打ち消し合うことで、カンチレバー２における一方向のみの変形量を正確に検出することが可能となる。なお、このようなヒンジ部２ｃにおける上記構造体の幅寸法は、例えば２５μｍに形成される。なお、本明細書において微小３次元構造体要素の「微小」とは、例えば、１００μｍ〜１ｍｍ程度の厚さに形成された弾性体３内に複数の３次元構造体要素（すなわち、カンチレバー２）が配置されても、膜状弾性体１２が有する柔軟性に実質的な影響がほとんど生じないような３次元構造体要素の大きさを示すものであり、例えば、数百μｍ以下の大きさを示す。また、このようなカンチレバー２は、弾性体３の厚さ寸法に応じて、その柔軟性に実質的な影響を与えないような大きさに、数百μｍ以下でより小さな大きさに形成されることが望ましい。

次に、図６Ｂに示すように、このようなＳＯＩウェハ２０上において形成されたそれぞれのカンチレバー２を覆うように弾性体３を形成する。具体的には、ＳＯＩウェハ２０のカンチレバー２が形成されている側の表面に、流動状態（あるいは溶融状態）の弾性体（例えば上述したナノ構造体用のＰＤＭＳ）３を注入して供給する。このような弾性体３の供給は、少なくとも全てのカンチレバー２が弾性体３内に浸積されて埋設されるように行われる。また、この弾性体３は、高い流動性を有しているため、それぞれの貫通開口部５および係合用孔部８内にも弾性体３が注入されて充填された状態となる。その後、供給された流動状態の弾性体３を硬化させて、図５Ｄおよび図６Ｃに示すように、弾性体３の内側にそれぞれのカンチレバー２が配置された状態となる。また、この状態においては、それぞれの係合用孔部８内にも弾性体３が入り込んで硬化しているため、弾性体３と基板部材４の表面とが互いに係合された状態にて強固に固定されている。なお、弾性体３は、その厚さ寸法として、例えば５００μｍに形成される。

このような状態では、図６Ｃに示すように、複数のセンサ素子１が、基板部材４および弾性体３が一体的に連結されて連なった状態となっている。その後、図６Ｄに示すように、切断治具の一例であるダイサー２９を用いて、弾性体３および基板部材４を切断する。その結果、図５Ｅに示すように、それぞれのセンサ素子１が互いに分割されて、複数のセンサ素子１が形成される。なお、このセンサ素子１の分割、すなわちダイシング処理の前後において、センサ素子１の電極端子７上に配置されている弾性体３を部分的に除去して、電極端子７を露出される処理が行われる。このように形成されたセンサ素子１は、例えば図１に示すように、Ｘ軸方向用カンチレバー２Ｘ、Ｙ軸方向用カンチレバー２Ｙ、Ｚ軸方向用カンチレバー２Ｚを備えており、例えば、Ｘ軸方向に２ｍｍ、Ｙ軸方向に２ｍｍ程度の大きさにて形成される。

その後、図３に示すように、それぞれのセンサ素子１をフレキシブル基板１１上の所定の実装位置に実装する。さらにその後、複数のセンサ素子１が実装されたフレキシブル基板１１を、流動状態のＰＤＭＳ内に浸積すること等により、膜状弾性体１２内に配置する。流動状態のＰＤＭＳが硬化すると、図３に示す触覚センサ１０が完成する。

また、触覚センサ１０の厚み方向に関して、それぞれのカンチレバー２のヒンジ部２ｃが膜状弾性体１２の中立線上に位置されるように、それぞれのセンサ素子１が配置されることが好ましい。このような配置が採用されることにより、膜状弾性体１２が曲げられた場合であっても、中立線上においては伸びや縮みが生じにくいため、膜状弾性体１２の曲げの伴うカンチレバー２の破損を防止することができる。

なお、膜状弾性体１２の形成が、流動状態のＰＤＭＳの供給により行われる場合に代えて、２枚の膜状のＰＤＭＳを用いてフレキシブル基板１１を挟んで、この２枚の膜を一体的に接合すること等により行われるような場合であってもよい。

また、それぞれのセンサ素子１とフレキシブル基板１１とが、共に膜状弾性体１２の内部に配置される場合に代えて、それぞれのセンサ素子１のみが膜状弾性体１２の内部に配置されて、フレキシブル基板１１が膜状弾性体１１と接するように配置されているような構造を採用することもできる。このような構造が採用される場合には、フレキシブル基板１１のセンサ素子１が実装されている表面にＰＤＭＳを例えば転写することで、それぞれのセンサ素子１を膜状弾性体１２内に配置させるという手法を採用することもできる。

また、このような微小３次元構造体要素であるカンチレバー２は、少なくともその一部が可動する可動構造を有しており、弾性体内へ配置された状態において、外力の作用等によりその周囲に配置されている弾性体とともに可動する構造を有するような構造体要素である。ただし、このような微小３次元構造体要素が弾性体内に埋設されて形成される３次元構造体構成用素子（センサ素子１）が、可動部（可動構造）の変形を検出するセンサ等の用途に限られず用いられるような場合、例えば、集積回路やフォトセンサなどの可動部の変形を伴わないような用途において用いられるような場合にあっては、それぞれの微小３次元構造体要素が、可動構造を有していないような場合であってもよく、本発明の製造方法を適用して３次元構造体構成用素子を製造することができる。

さらに、微小３次元構造体要素は、３次元構造体に対する外力の作用により弾性体に生じる弾性変形（例えばせん断歪み）に基づくその可動構造の動作（変形）を検知する外力検知機能を有していることが好ましい。あるいは、その可動構造を動作（変形）させることによりその周囲に配置されている弾性体に対して外力を伝達し、この弾性体を弾性変形させる外力伝達機能を有しているような場合であってもよい。このような外力検知機能は、例えばカンチレバーを例とすれば、触覚センサとしての機能に代表され、また、外力伝達機能は、カンチレバーをアクチュエータとして作動させることで、弾性体を部分的に弾性変形させるような機能である。このように、微小３次元構造体要素が、外力検知機能や外力伝達機能を有すれば、弾性体内に埋め込まれた状態にて当該機能を個別的にかつ確実に発揮することが可能となる。なお、カンチレバーにおけるピエゾ抵抗層（部）が、このような機能を有する外力検知部である。また、カンチレバーを外力伝達部としても機能させることも可能である。カンチレバーを外力伝達部として機能させるには、可動部を動作させる機構、例えば圧電素子を別途備えさせるか、あるいは、磁気異方性を用いて磁場を印加して可動部を動作させることにより実現することができる。さらにカンチレバーに外力検知機能と外力伝達機能とを併せて備えさせることで、外力検知機能により外力の検知を受けて外力伝達機能により情報伝達させるようにすることもできる。

また、３次元構造体構成用素子や３次元構造体は、このようにセンサやアクチュエータとして適用される以外に、集積回路、ディスプレイ（有機ＥＬ）などにも適用することができる。また、このような触覚センサは、ロボットの皮膚感覚センサとしての用途以外にも、大面積（特に曲面形状を有する）の物体の表面に膜状弾性体を接触させて物体表面の形状を測定する計測器用プローブ、コンピュータ入力用のポインティングデバイス、タブレット、並びにバーチャルリアリティ実現用の入力および出力装置としての用途にも適用可能である。また、３次元構造体は、可動構造を有する微小３次元構造体要素を温度や加速度を検知する構造体要素として機能させるような温度センサや加速度センサとして構成させることもできる。さらに、温度検知機能を有する微小３次元構造体要素と、他の機能を有する微小３次元構造体要素とを混在させて弾性体内に配置させてセンサを一体的に構成することで、温度補償センサを構成することもできる。

上記実施形態によれば、以下のような種々の効果を得ることができる。

まず、基板部材４上に固定されたカンチレバー２と、このカンチレバー２を覆うように基板部材４に固定された弾性体３とにより構成される複数のセンサ素子１を用いて、膜状弾性体１２の内部に、それぞれのセンサ素子１を互いに離間させた状態にて配置して、触覚センサ１０を構成することができる。そのため、膜状弾性体１２内にて、複数のセンサ素子１を、所望の配置間隔や位置に配置させることができ、様々な用途や仕様に対応可能な触覚センサ１０を提供することができる。

特に、このようなカンチレバーは、ＳＯＩウェハ上に形成されるため、従来のように、ＳＯＩウェハ上に形成された複数のカンチレバーを、そのまま弾性体内に配置させるような手法では、それぞれのカンチレバーの配置間隔や位置が、ＳＯＩウェハ上の形成位置に限定されることになるため、カンチレバー２の配置の自由度が低いという問題がある。しかしながら、本実施形態のように、ＳＯＩウェハ２０上に形成された複数のカンチレバー２を１個又は複数個のグループに分割して、分割された個々のグループのカンチレバー２を、所望の配置間隔および位置にて膜状弾性体１２内に配置させることができる。したがって、例えば、大面積のシート状の形態を有する触覚センサ１０を形成することも可能となる。また、カンチレバー２の配置間隔を変更するような場合、エッチングプロセスにて用いられるマスクレイアウトからの設計変更を伴うことなく、単にセンサ素子１の配置間隔を変更することで対応することができるため、カンチレバー２の配置の自由度を高めることができる。

また、本実施形態では、ＳＯＩウェハ２０上に形成されたそれぞれのカンチレバー２を弾性体３にて覆った状態にて、ＳＯＩウェハ２０および弾性体３を切断して、個々のセンサ素子１への分割を行うという手法が採用されている。このような手法が採用されていることにより、分割された後のセンサ素子１においても、それぞれのカンチレバー２が弾性体３にて保護された状態とすることができるため、センサ素子１の取り扱い性を良好なものとすることができる。特に、このようなカンチレバー２自体は、ＭＥＭＳまたはＮＥＭＳ技術にて形成されるような微小な構造体要素であるため、比較的損傷しやすいという特徴を有するが、このように弾性体３にて保護された状態にて、分割のためのダンシング処理が行われるため、分割処理の際にカンチレバー２を確実に保護することができる。さらにその後、個々のセンサ素子１にてもカンチレバー２が弾性体３にて保護された状態が継続されるため、カンチレバー２の保護が確実なものとなる。

また、センサ素子１において、基板部材４の表面におけるそれぞれのカンチレバー２の形成位置の周囲に、複数の係合用孔部８が形成されており、この係合用孔部８の内部に弾性体３が充填されていることにより、基板部材４への弾性体３の固定の強度を高めることができる。このように固定強度を向上させることで、センサ素子１の耐久性を高めることができる。さらに、可動部２ａを有するカンチレバー２の周囲にこのような係合用孔部８が設けられていることにより、カンチレバー２とその周囲近傍の弾性体３との一体性を高めることができ、可動部２ａの動作と弾性体３の変形との関連性を強めることができる。

また、触覚センサ１０では、膜状弾性体１２と、センサ素子１の弾性体３との２つの弾性体が用いられる構成が採用されていることにより、例えば、それぞれの弾性体の種類をその目的や機能に応じて異ならせることができる。例えば、弾性体３として膜状弾性体１２よりも流動性の高い弾性材料を用いることにより、基板部材４上に形成された微小形状を有する種々の構成部（カンチレバー２および係合用孔部８）の細部にまで弾性体３を入り込ませて、それぞれの構成部の表面に弾性体３を確実に接するように配置させることができる。一方、膜状弾性体１２としては、触覚センサ１０の用途や仕様に応じた仕様の弾性材料を用いることができる。したがって、このように弾性体の種類を使い分けることで、センサ素子１としての機能を確実なものとしながら、様々な仕様や用途に対応可能な触覚センサ１０を提供することができる。なお、膜状弾性体１２と弾性体３とに同じ種類の弾性材料が用いられるような場合であってもよい。

また、触覚センサ１０の用途や仕様に応じて、センサ素子１の弾性体３の厚みを設定することができる。例えば、弾性体３の厚みを厚く設定することで、同じ大きさ力（せん断力や圧力）が付加された場合でも弾性体３の変位量が大きくなるため、触覚センサ１０に接する対象物に柔らかく接することができる。また、付加された力が分散することになるため、カンチレバー２等が破損することを防止することができる。また、弾性体３の厚みが厚くなる程、応力検出の周波数特性が低下する傾向になる。したがって、求められる触覚センサ１０の仕様に応じて、センサ素子１の弾性体３の厚みを設定することが好ましい。

また、センサ素子１の製造工程を実施した後、触覚センサ１０を製造する前に、センサ素子１単体にて品質検査を行うことができる。このような品質検査を行うことで、不良のセンサ素子１を排除して、触覚センサ１０を製造することができ、製造された触覚センサ１０の品質を向上させることができる。

なお、上述の説明ではでは、センサ素子１内に、Ｘ軸方向用カンチレバー２Ｘ、Ｙ軸方向用カンチレバー２Ｙ、およびＺ軸方向用カンチレバー２Ｚの異なる３方向の応力を検出可能なカンチレバー２を配置させた構成を例として説明したが、本実施形態はこのような場合についてのみ限定されるものではない。このような場合に代えて、例えば、１つのカンチレバー２のみが、センサ素子１内に備えられるような場合でもよく、また、同一方向の応力を検出可能なカンチレバー２が複数個備えられるような場合でもよい。

ただし、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸というように異なる３つの方向の応力を検出可能なカンチレバー２をセンサ素子１が備えるような構成を採用することにより、１つのセンサ素子１にて、すなわち同じ位置にて異なる３つの方向の応力を検出することができる。また、センサ素子１が備える回路部にて、このような３つのカンチレバー２に共通する回路、例えば、温度補償、増幅などの制御回路を共有させて、センサ素子１毎に調整が可能な仕様とすることができ、センサ素子１の信頼性を高めることができる。また、このような回路部の共有化を行うことで、センサ素子１の電気的な条件の共有化を図ることができるとともに、回路構成の小型化を図ることができる。

また、上述の説明では、係合用孔部８が、基板部材４を貫通しないような孔部として形成されているような場合について説明したが、このような係合用孔部８を貫通孔として形成することもできる。貫通孔として形成される場合には、係合用孔部８内への弾性体３の充填性を高めることができる。一方、貫通しないような孔部として形成される場合には、流動性の高い弾性材料を用いて、孔部内に残留する気泡を真空脱泡することにより、その充填性を高めることができる。

また、このような係合用孔部８は、基板部材４における弾性体３との接触表面積を増大させるように形成されることが好ましく、小さな孔径の係合用孔部８をより深い深さ寸法にて多数形成することが好ましい。また、接触表面積を増大させるという観点から見ると、孔部８の内表面は凹凸の多い表面にて形成することが好ましい。ただし、弾性体３の流動性等の仕様を考慮して、確実な充填を行うという観点から、その孔径や深さ寸法および内表面の形状などを決定することが望ましい。また、係合用孔部８の数や仕様は、基板部材４の強度を損なわないように決定することが望ましい。

なお、上述の説明では、係合部の一例として係合用孔部８について説明したが、この孔部８の孔形状は、円形の他、楕円形、矩形、多角形など、様々な形状を採用することができる。また、係合部として、基板部材４の表面に凹状または凸状形状の構造部を形成するような場合であってもよい。

また、上述の説明では、それぞれのセンサ素子１を切断して分割するための手段としてダイサー２９を用いたダイシング処理が行われる場合を一例として説明したが、このような切断治具を用いるような場合に代えて、エッチング処理等を用いた分割処理を行うような場合であってもよい。

なお、上記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。

本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形や修正は明白である。そのような変形や修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。

本発明の一の実施形態にかかるセンサ素子の模式斜視図 図１のセンサ素子における外力検出機能を説明する模式説明図 センサ素子を用いて構成された触覚センサの模式斜視図 図３の触覚センサの模式断面図 センサ素子の製造方法の模式図であり、基板部材が形成された状態の図 センサ素子の製造方法の模式図であり、基板部材に係合用孔部が形成された状態の図 センサ素子の製造方法の模式図であり、カンチレバーが形成された状態の図 センサ素子の製造方法の模式図であり、弾性体が配置された状態の図 センサ素子の製造方法の模式図であり、センサ素子が分割された状態の図 センサ素子の製造方法を示す別の模式図であり、カンチレバーが形成された状態の図 センサ素子の製造方法を示す別の模式図であり、弾性体を供給している状態の図 センサ素子の製造方法を示す別の模式図であり、弾性体が配置された状態の図 センサ素子の製造方法を示す別の模式図であり、ダイシング処理が行われている状態の図 センサ素子が備えるカンチレバーの模式平面図 従来の触覚センサの模式斜視図 従来の触覚センサの製造方法の模式説明図 従来の触覚センサの製造方法の模式説明図 従来の触覚センサの製造方法の模式説明図

符号の説明

１ センサ素子
２ カンチレバー
３ 弾性体
４ 基板部材
５ 貫通開口部
６ 配線
７ 電極端子
８ 係合用孔部
９ 端子部
１０ 触覚センサ
１１ フレキシブル基板
１２ 膜状弾性体

Claims (11)

1. 可動構造を有する微小３次元構造体要素と、
   上記微小３次元構造体要素が固定された基板部材と、
   上記微小３次元構造体要素をその内部に配置する弾性体とを備え、
   上記基板部材は凹状または凸状形状を有する係合部を有し、上記係合部と係合された状態にて、上記弾性体が上記基板部材に固定されている、３次元構造体構成用素子。
2. 上記基板部材における上記微小３次元構造体要素の固定位置の周囲に、上記係合部として複数の係合用孔部が形成され、上記複数の係合用孔部内に上記弾性体が充填されている、請求項１に記載の３次元構造体構成用素子。
3. 上記可動構造は、実質的に一の方向に変形可能な構造であって、
   互いに変形可能な方向が異なる複数の上記微小３次元構造体要素が、１つの上記基板部材に固定された状態にて、１つの上記弾性体の内部に配置されている、請求項１または２に記載の３次元構造体構成用素子。
4. 上記基板部材は、それぞれの上記微小３次元構造体要素との間で電気信号の受け渡しを行う共通の回路部を有する、請求項３に記載の３次元構造体構成用素子。
5. 請求項１から４のいずれか１つに記載の複数の３次元構造体構成用素子と、
   上記複数の３次元構造体構成用素子を、互いの上記基板部材を離間させた状態にてその内部に配置する膜状弾性体とを備える、３次元構造体。
6. 上記弾性体を形成する樹脂は、上記膜状弾性体を形成する樹脂よりも、その溶融状態にて高い流動性を有する、請求項５に記載の３次元構造体。
7. 上記複数の３次元構造体構成素子が実装されたフレキシブル基板をさらに備え、
   上記フレキシブル基板は、上記膜状弾性体の内部に配置されている、請求項５または６に記載の３次元構造体。
8. 基板部材に固定された可動構造を有する複数の微小３次元構造体要素を弾性体の内部に配置するとともに、上記基板部材に形成された凹状または凸状形状を有する係合部と上記弾性体とを係合させながら上記弾性体を上記基板部材に固定し、
   その後、上記基板部材と上記弾性体を切断して、上記複数の微小３次元構造体要素を分割して、分割された上記基板部材に１又は複数の上記微小３次元構造体要素が固定され、かつ分割された上記弾性体内に配置された複数の３次元構造体構成用素子を形成する、３次元構造体構成用素子の製造方法。
9. 上記基板部材における上記微小３次元構造体要素の固定位置の周囲に、上記係合部として複数の係合用孔部を形成した後、
   流動状態の樹脂材料を上記基板部材上に供給して、上記微小３次元構造体要素を覆うとともに、上記複数の係合用孔部内に上記樹脂材料を充填させ、
   その後、上記樹脂材料を硬化させることにより、上記樹脂材料により形成された上記弾性体を上記基板部材に固定する、請求項８に記載の３次元構造体構成用素子の製造方法。
10. 請求項８または９の製造方法により製造された上記複数の３次元構造体構成用素子を、互いに上記基板部材を離間させた状態にて膜状弾性体の内部に配置して３次元構造体を形成する、３次元構造体の製造方法。
11. 上記弾性体を形成する樹脂は、上記膜状弾性体を形成する樹脂よりも、その溶融状態にて高い流動性を有する、請求項１０に記載の３次元構造体の製造方法。

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