JP2010153759A - 接触センサ - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構造で加圧点の位置を検出できる接触センサを提供する。
【解決手段】梁部と、前記梁部の両端を支持する支持部と、前記梁部の両端近傍に設けられた一対の抵抗素子と、前記抵抗素子を可変抵抗とするブリッジ回路を有し、前記ブリッジ回路の出力電圧に相関する信号を前記梁部の加圧点の位置に対応する信号として出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は加圧点の位置や加圧点にかかる圧力を検出する接触センサに関する。

従来、接触センサにおいて、加圧点の位置を検出するために検出対象領域の下部に複数個の押圧検出部を配列し、各押圧検出部のオン／オフ信号によって離散的に加圧点の位置を特定する構成が知られている（例えば特許文献１）。また、特許文献２には、ピエゾ抵抗を用いたブリッジ回路により突起部にかかる圧力を検出する触覚センサが開示されている。
特開２００５−９３１２８号公報 特開昭６１−２０８２７４号公報

特許文献２の触覚センサでは、突起部にかかる圧力を検出することはできるが、検出対象範囲内にある直線上あるいは平面上における任意の加圧点の位置を検出することはできない。加圧点の位置を検出するために、特許文献１のように、検出対象領域内に押圧検出部を複数の配列する構成では、加圧点の位置の検出精度は当該押圧検出部の個数や面積に依存する。押圧検出部の個数を増やすと、配線数が増え信号処理回路が複雑化する。
本発明は上記課題に鑑みてなされたもので、簡易な構造で加圧点の位置を検出できる接触センサを提供することを目的の１つとする。

（１）上記目的を達成するための接触センサは、梁部と、前記梁部の両端を支持する支持部と、前記梁部の両端近傍に設けられた一対の抵抗素子と、前記抵抗素子を可変抵抗とするブリッジ回路を有し、前記ブリッジ回路の出力電圧に相関する信号を前記梁部の加圧点の位置に対応する信号として出力する位置導出手段と、を備える。
本発明によると、梁部の一端から他端までの間の線分上の任意の加圧点の位置を、検出手段の個数や大きさに依存することなく導出することができる。抵抗素子には、変形による電気抵抗の変化を検出するため、例えばピエゾ抵抗素子や、歪みゲージを採用することができる。

（２）上記目的を達成するための接触センサにおいて、前記位置導出手段は、一対の前記抵抗素子の一方を唯一の可変抵抗とする第一の前記ブリッジ回路と、一対の前記抵抗素子の他方を唯一の可変抵抗とする第二の前記ブリッジ回路とを有し、前記第一のブリッジ回路の出力電圧と前記第二のブリッジ回路の出力電圧との和に対する前記第一のブリッジ回路の出力電圧の割合に比例した信号を前記梁部の加圧点の位置に対応する信号として出力してもよい。
本発明によると、二つのブリッジ回路の出力電圧に関する上述の割合に基づいて加圧点に対応する位置を導出することができる。

（３）上記目的を達成するための接触センサは、前記第一のブリッジ回路の出力電圧と前記第二のブリッジ回路の出力電圧との積の二乗に対する、前記第一のブリッジ回路の出力電圧と前記第二のブリッジ回路の出力電圧との和の三乗の割合に比例した信号を前記加圧点にかかる圧力に対応する信号として出力する圧力導出手段を備えていてもよい。
本発明によると、二つのブリッジ回路の出力電圧に関する上述の割合に基づいて加圧点に加えられた圧力を導出することができる。

（４）上記目的を達成するための接触センサにおいて、前記位置導出手段は、一対の前記抵抗素子を２つの可変抵抗とする前記ブリッジ回路を有し、前記ブリッジ回路の出力電圧と入力電圧との差に比例した信号を前記梁部の加圧点の位置に対応する信号として出力してもよい。
本発明によると、一つのブリッジ回路の入力電圧と出力電圧との差に基づいて加圧点に対応する位置を導出することができる。

（５）上記目的を達成するための接触センサにおいて、前記梁は単結晶シリコンからなる半導体層を含んでもよく、前記抵抗素子は前記半導体層の不純物拡散領域からなるピエゾ抵抗素子であってもよい。
すなわち、本発明の接触センサは、半導体製造技術を用いて製造されるため、高精度のセンサを製造することができる。また接触センサのサイズも小型化が可能である。さらに、梁部の大部分を単結晶シリコンで構成することにより、機械特性を向上させることもできる。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照しながら以下の順に説明する。尚、各図において対応する構成要素には同一の符号が付され、重複する説明は省略される。

１．第一実施形態
（構成）
図１Ａは、本発明の第一実施形態にかかる接触センサ１の機能的な構成を示すブロック図である。図１Ｂおよび図１Ｃは、接触センサ１の機械的な構造を説明するための図であり、図１Ｂは接触センサ１の構造体１０の平面図を表しており、図１Ｃは図１Ｂの１Ｃ−１Ｃ線の断面図を表している。接触センサ１は、平面視（梁部Ｆの厚さ方向から見た形状）が矩形で可撓性を有する梁部Ｆと、梁部Ｆの両端を支持する支持部Ｓと、抵抗素子Ｒ，Ｒ_Ａ，Ｒ_Ｂと、位置導出手段１００と、圧力導出手段１０１とを備えており、梁部Ｆに圧力が加えられると、圧力が加えられた加圧点の位置およびその圧力の大きさに対応する信号を出力するセンサである。図１Ｂおよび図１Ｃにおいて、梁部Ｆと支持部Ｓとの境界を二点鎖線で示している。

図１Ｃに示すように、梁部Ｆは、半導体層１１と、絶縁層１２と、配線層１３と、保護層１４とで構成されている。支持部Ｓは、台座１５と、半導体層１１と、絶縁層１２と、配線層１３と、保護層１４とで構成されている。半導体層の厚さは約５００μｍ〜１ｍｍ程度、絶縁層１２の厚さは１μｍ、配線層１３の厚さは１μｍ、保護層１４の厚さは１０μｍ、台座１５の厚さは約５ｍｍである。梁部Ｆと両端の支持部Ｓとを合わせた長さｄ１は約１０ｃｍ、矩形形状の梁部Ｆの短手辺の長さｄ２は約１ｃｍである。

絶縁層１２は二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）からなり、絶縁層１２にはピエゾ抵抗素子Ｒ_Ａ，Ｒ_Ｂ，ＲのコンタクトホールＨ１が複数形成されている。半導体層１１の表層（台座１５に接しない方の面を表とする）にはピエゾ抵抗素子Ｒ_Ａ，Ｒ_Ｂ，Ｒが形成されている。各ピエゾ抵抗素子は、ピエゾ抵抗部５０とコンタクト抵抗低減部５１とで構成されている。半導体層１１の残部は単結晶シリコン（Ｓｉ）からなる。

ピエゾ抵抗部５０にはホウ素（Ｂ）イオンがシリコンの不純物として導入されている。コンタクト抵抗低減部５１はピエゾ抵抗部５０の両端部に連続している。コンタクト抵抗低減部５１にはピエゾ抵抗部５０よりも高濃度でホウ素イオンが導入されている。コンタクトホールＨ１においてコンタクト抵抗低減部５１と配線層１３とが結合している。配線層１３はアルミニウム（Ａｌ）からなり、配線層１３とピエゾ抵抗部５０とはコンタクト抵抗低減部５１を介して電気的に接続されている。パッシベーション膜としての保護層１４には、絶縁材料が用いられる。

図１Ｂおよび図１Ｃに示すように、梁部Ｆは梁部Ｆの４つの長手辺の中点を通る面を基準に対称に形成されている。梁部Ｆの撓みによる歪みが集中する梁部Ｆの両端近傍の表層付近には、前述の面を基準にして対称に一対のピエゾ抵抗素子Ｒ_Ａ，Ｒ_Ｂが配置され、歪みが生じない支持部Ｓの表層付近にはそれぞれ３つずつ計６個のピエゾ抵抗素子Ｒが配置されている。可変抵抗としてのピエゾ抵抗素子Ｒ_Ａと他の３つの不変抵抗としてのピエゾ抵抗素子Ｒとで一つのブリッジ回路が構成されている。また、可変抵抗としてのピエゾ抵抗素子Ｒ_Ｂと他の３つの不変抵抗としてのピエゾ抵抗素子Ｒとで、もう一つのブリッジ回路が構成されている。位置導出手段１００は、２つのブリッジ回路を含むブリッジ回路部４０と位置導出回路部４１を含んでおり、梁部Ｆに対する加圧点の位置に対応する信号を出力する機能を有する。圧力導出手段１０１は、加圧点に加えられた圧力に対応する信号を導出する機能を有する。位置導出手段１００および圧力導出手段１０１は、構造体１０の外部に設けられている電子回路で実現される。なお、位置導出手段１００および圧力導出手段１０１は支持部Ｓに設けられていてもよい。

（動作原理）
接触センサ１は、半導体層１１と台座１５の接合面に垂直な方向に加圧されたときに加圧点の位置と圧力の大きさとを検出するセンサである。梁部Ｆに対して梁部Ｆの表面から裏面に向かう方向に圧力が加えられたとき、梁部Ｆは撓んで変形し、梁部Ｆの両端（Ａ端、Ｂ端）近傍には図２に示すように曲げモーメントＭ_Ａ，Ｍ_Ｂがそれぞれ作用する。曲げモーメントＭ_Ａ，Ｍ_Ｂに応じてピエゾ抵抗素子Ｒ_Ａ，Ｒ_Ｂが歪み、ピエゾ抵抗素子Ｒ_Ａ，Ｒ_Ｂの長さと太さが変化する。その結果、各ブリッジ回路の出力電圧Ｅ_Ａｏｕｔ、Ｅ_Ｂｏｕｔが変化する。次式（１）は梁部ＦのＡ端およびＢ端における歪みε_Ａ、ε_Ｂとブリッジ回路の入出力電圧との関係を表す式、式（２）は圧力Ｗと曲げモーメントＭ_Ａ，Ｍ_Ｂとの関係を表す式、式（３）は曲げモーメントＭ_ＡとＭ_Ｂとの関係を表す式である。なお、Ｋはゲージ率、Ｗは圧力、ｌは梁部Ｆの長さ、ａはＡ端から圧力が加えられた位置までの長さを意味している。

また、梁部Ｆの両端近傍の表面に発生する応力σ_Ａ、σ_Ｂは、Ｚを梁部Ｆの断面係数とすると次式（４）で表される。

このことから、長さａは、梁部Ｆの弾性率をＥとすると前式（１）（３）（４）より、次式（５）で表される。

すなわち、梁部Ｆの長さｌに対するＡ端から加圧点までの長さａの割合は、２つのブリッジ回路の出力電圧の和に対するＡ端側のブリッジ回路の出力電圧の割合として表すことができる。位置導出回路部４１は、ブリッジ回路部４０から２つのブリッジ回路の出力電圧Ｅ_Ａｏｕｔ、Ｅ_Ｂｏｕｔを入力し、Ｅ_ＡｏｕｔとＥ_Ｂｏｕｔの和に対するＥ_Ａｏｕｔの割合に比例する信号を出力する回路である。接触センサ１から出力されるこの信号に基づいて、加圧点の相対的な位置あるいは基準位置に対する絶対的な位置を表現することが可能である。また、加圧点に加えられた圧力Ｗは前式（１）（２）（４）（５）から、次式（６）で表される。なお、constは定数部を意味している。圧力導出手段１０１は、Ｅ_ＡｏｕｔおよびＥ_Ｂｏｕｔの積の二乗に対するＥ_ＡｏｕｔおよびＥ_Ｂｏｕｔの和の三乗の割合に比例する信号を出力する回路である。接触センサ１から出力されるこの信号に基づいて加圧点に加えられた圧力を表現することが可能である。

このように、本実施形態の接触センサ１を用いると、梁部の一端から他端までの間の任意の加圧点の位置を抵抗素子の大きさや個数に依存することなく特定することができる。また、本実施形態の接触センサ１を用いると、任意の加圧点に加えられた圧力を導出することができる。このような接触センサは、例えば音響信号のレベルを調整するミキサー装置においてその調整部（フェーダ）の部品に適用することができる。また、顕微鏡のステージ移動制御等に適用することもできる。

（製造方法）
第一実施形態の接触センサ１の構造体１０の製造方法を説明する。はじめに、図３Ａに示すように、単結晶シリコン基板である半導体層１１の表面に、フォトレジストからなる開口部を有する保護層Ｒ１を形成し、開口部からホウ素イオンを不純物として導入することによって、半導体層１１の表層にピエゾ抵抗部５０を形成する。なお、ホウ素の他にリン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）等を用いてもよい。続いて図３Ｂに示すように、保護層Ｒ１を除去した後、半導体層１１の表面に絶縁層１２を形成する。例えば熱酸化させることによりＳｉＯ_２からなる絶縁層１２を形成する。

続いて図３Ｃに示すように、フォトレジストからなる保護層Ｒ２を用いて絶縁層１２を異方性エッチングすることにより、複数のコンタクトホールＨ１を形成してピエゾ抵抗部５０の両端表面を露出させ、ピエゾ抵抗部５０よりも高い濃度で不純物イオンを導入することによってコンタクト抵抗低減部５１を形成する。続いて保護層Ｒ２を除去して絶縁層１２とコンタクト抵抗低減部５１を露出させ、その表面に配線層１３を形成する。そして、図示しないフォトレジストからなる保護膜を用いて配線層１３をエッチングによりパターニングし配線を形成する（図３Ｄ）。

続いて配線層１３と絶縁層１２の表面に保護層１４を形成する（図３Ｅ）。保護層１４は例えばフォトレジストや感光性ポリイミドからなり、露光および現像によりパターニングする。最後に図３Ｆに示すように接着剤などによって半導体層１１の裏面に台座を接合することにより、接触センサ１の構造体１０が完成する。このように、半導体製造技術を用いて接触センサ１の構造体１０を製造することにより、高精度の接触センサを製造することができる。また、梁部Ｆの大部分を単結晶シリコンで構成することにより、機械特性を向上させることができるが良好である。

２．第二実施形態
（構成）
図４Ａは、本発明の第二実施形態にかかる接触センサ２の機能的な構成を示すブロック図である。図４Ｂおよび図４Ｃは、接触センサ２の機械的な構造を説明するための図であり、図４Ｂは接触センサ２の構造体２０の平面図を表しており、図４Ｃは図４Ｂの４Ｃ−４Ｃ線の断面図を表している。

図４Ｂおよび図４Ｃに示すように、梁部Ｆは梁部Ｆの４つの長手辺の中点を通る面を基準に対称に形成されている。梁部Ｆの撓みによる歪みが集中する梁部Ｆの両端近傍の表面付近には、前述の面を基準にして対称の位置に一対のピエゾ抵抗素子Ｒ_Ａ，Ｒ_Ｂが配置されている。また、一方の支持部Ｓの表面付近（歪みが生じない）に２個のピエゾ抵抗素子Ｒが配置されている。位置導出手段２００は、２つの不変抵抗としてのピエゾ抵抗素子Ｒと可変抵抗としてのピエゾ抵抗素子Ｒ_Ａ，Ｒ_Ｂとから構成されるブリッジ回路部４２と、梁部Ｆの加圧点の位置を導出する機能を有する位置導出回路部４３とを含んでいる。位置導出回路部４３は、構造体２０の外部に設けられている電子回路で実現される。なお、位置導出回路部４３は支持部Ｓに設けられていてもよい。

（動作原理）
接触センサ２も、半導体層１１と台座１５の接合面に垂直な方向に加圧されたときに加圧点の位置を検出するセンサである。梁部Ｆに対して上述の方向から圧力が加えられたとき、ブリッジ回路の出力電圧Ｅ_ｏｕｔと入力電圧Ｅ_ｉｎとの関係は次式（７）で表される。したがって、式（７）から、加圧点の位置（Ａ端からの長さａ）は式（８）で表される。

すなわち、加圧点の位置を示す長さａは、ブリッジ回路４２の出力電圧Ｅ_ｏｕｔと入力電圧Ｅ_ｉｎとの差を変数とする前式（８）のような比例式で表される。入力電圧Ｅ_ｉｎは定数と見なすことができる。位置導出回路部４３は、ブリッジ回路４２から出力電圧Ｅ_ｏｕｔを取得し、入力電圧Ｅ_ｉｎと出力電圧Ｅ_ｏｕｔとの差に比例する値に対応する信号を出力する回路である。接触センサ２から出力されるこの信号に基づいて、加圧点の位置を表現することが可能である。

（製造方法）
第一実施形態にかかる構造体１０の製造工程におけるピエゾ抵抗部５０、コンタクト抵抗低減部５１、配線を形成するための保護膜のパターンを変更することによって、第二実施形態にかかる接触センサ２の構造体２０を製造することができる。

３．他の実施形態
尚、本発明の技術的範囲は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、上記実施形態で示した材質や寸法や形状や成膜方法やパターン転写方法はあくまで例示であるし、当業者であれば自明である工程の追加や削除や工程順序の入れ替えについては説明が省略されている。

例えば、図５Ａに示すように、ピエゾ抵抗素子は梁部Ｆの裏面側に設けられていてもよい。また、この場合に、図５Ｂに示すように梁部Ｆおよび支持部Ｓの表面側に補強部材６０が取り付けられてもよい。表面側に取り付けられた補強部材６０は、平面視したときに梁部Ｆおよび支持部Ｓを覆う大きさであってもよい。さらに、図５Ｃに示すように、接触センサを設置する設置基板に梁部Ｆの過度の撓みを規制するストッパ６１を設置してもよい。なお、図５Ｄに示すように支持部の一部がストッパであってもよい。すなわち台座１５とストッパ６１とが接合されていてもよい。

さらに、以上で説明したような接触センサの構造体を、図５Ｅに示すように、平面視が直角の十字形態となるように２つ重ねて取り付け、その上に薄膜６２を取り付けることにより、２次元で加圧点の位置を検出する接触センサを構成してもよい。薄膜６２の材料には梁部Ｆの大部分を占める単結晶シリコンと同等の剛性かそれよりも剛性が高い材料が用いられることが望ましい。なお、例えば薄膜６２が単結晶シリコンよりも剛性が低い材料が用いられた場合であって、２つの梁部のいずれとも重ならない領域において薄膜に加圧されたときに、一方の梁部の撓みが他方の梁部の撓みの影響を受ける（２つの梁部の交差領域からも押される状態となる）場合は、その影響を加味して加圧点の位置を導出する。平面視が矩形形状の梁部Ｆを持つ２個の接触センサを十字に重ねて二次元接触センサに用いる構成は、もともと平面視が十字形態の梁部Ｆを形成してその上に薄膜を取り付ける構成や、矩形や円形の薄膜に十字線上にピエゾ抵抗素子を形成する構成と比較すると、同量のシリコン基板から多くの二次元接触センサを製造できる。

（１Ａ）は第一実施形態にかかるブロック図、（１Ｂ）は平面図、（１Ｃ）は断面図。 第一実施形態にかかる説明図。 第一実施形態にかかる製造工程を説明するための断面図。 （４Ａ）は第二実施形態にかかるブロック図、（４Ｂ）は平面図、（４Ｃ）は断面図。 （５Ａ）〜（５Ｄ）は他の実施形態にかかる模式的な断面図、（５Ｅ）は平面図。

符号の説明

１：接触センサ、２：接触センサ、１０：構造体、１１：半導体層、１２：絶縁層、１３：配線層、１４：保護層、１５：台座、２０：構造体、４０：ブリッジ回路部、４２：位置導出回路部、４２：ブリッジ回路部、４３：位置導出回路部、５０：ピエゾ抵抗部、５１：コンタクト抵抗低減部、６１：ストッパ、６２：薄膜、１００：位置導出手段、１０１：圧力導出手段、２００：位置導出手段、Ｆ：梁部、Ｈ１：コンタクトホール、Ｒ，Ｒ_Ａ，Ｒ_Ｂ：ピエゾ抵抗素子、Ｒ１：保護層、Ｒ２：保護層、Ｓ：支持部。

Claims (5)

1. 梁部と、
   前記梁部の両端を支持する支持部と、
   前記梁部の両端近傍に設けられた一対の抵抗素子と、
   前記抵抗素子を可変抵抗とするブリッジ回路を有し、前記ブリッジ回路の出力電圧に相関する信号を前記梁部の加圧点の位置に対応する信号として出力する位置導出手段と、
   を備える接触センサ。
2. 前記位置導出手段は、一対の前記抵抗素子の一方を唯一の可変抵抗とする第一の前記ブリッジ回路と、一対の前記抵抗素子の他方を唯一の可変抵抗とする第二の前記ブリッジ回路とを有し、前記第一のブリッジ回路の出力電圧と前記第二のブリッジ回路の出力電圧との和に対する前記第一のブリッジ回路の出力電圧の割合に比例した信号を前記梁部の加圧点の位置に対応する信号として出力する、
   請求項１に記載の接触センサ。
3. 前記第一のブリッジ回路の出力電圧と前記第二のブリッジ回路の出力電圧との積の二乗に対する、前記第一のブリッジ回路の出力電圧と前記第二のブリッジ回路の出力電圧との和の三乗の割合に比例した信号を前記加圧点にかかる圧力に対応する信号として出力する圧力導出手段を備える、
   請求項２に記載の接触センサ。
4. 前記位置導出手段は、一対の前記抵抗素子を２つの可変抵抗とする前記ブリッジ回路を有し、前記ブリッジ回路の出力電圧と入力電圧との差に比例した信号を前記梁部の加圧点の位置に対応する信号として出力する、
   請求項１に記載の接触センサ。
5. 前記梁は単結晶シリコンからなる半導体層を含み、
   前記抵抗素子は前記半導体層の不純物拡散領域からなるピエゾ抵抗素子である、
   請求項１から４のいずれか一項に記載の接触センサ。

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