JP2011197001A - 半導体ストレインゲージを用いたフレキシブルな力または圧力センサアレイ、そのフレキシブルな力または圧力センサアレイの製造方法、及びそのフレキシブルな力または圧力センサアレイを用いた力または圧力測定方法 - Google Patents
半導体ストレインゲージを用いたフレキシブルな力または圧力センサアレイ、そのフレキシブルな力または圧力センサアレイの製造方法、及びそのフレキシブルな力または圧力センサアレイを用いた力または圧力測定方法 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】柔軟性、伸縮性、及び強固性を同時に行う半導体ストレインゲージを用いた力または圧力センサアレイを提供する。
【解決手段】所定のアレイパターンで形成され、力または圧力により変形する半導体ストレインゲージと、フィルム面が互いに対向して接し、接するフィルム面の間に半導体ストレインゲージを含む一対の高分子フィルム層と、一対の高分子フィルム層のいずれか１つを絶縁層として、絶縁層の上下面に形成され、アレイパターンの各単位体１１１に接続され、電極を形成し、各単位体１１１の変形で出力される変形信号を外部に取り込む一対の信号線層とから構成される基板１０と；基板１０内を含むように、基板１０の両面に形成される一対のエラストマ層２０、３０とを含む。
【選択図】図１
【解決手段】所定のアレイパターンで形成され、力または圧力により変形する半導体ストレインゲージと、フィルム面が互いに対向して接し、接するフィルム面の間に半導体ストレインゲージを含む一対の高分子フィルム層と、一対の高分子フィルム層のいずれか１つを絶縁層として、絶縁層の上下面に形成され、アレイパターンの各単位体１１１に接続され、電極を形成し、各単位体１１１の変形で出力される変形信号を外部に取り込む一対の信号線層とから構成される基板１０と；基板１０内を含むように、基板１０の両面に形成される一対のエラストマ層２０、３０とを含む。
【選択図】図１
Description
本発明は、半導体ストレインゲージを用いたフレキシブルな力または圧力センサアレイに関する。さらに詳しくは、高い感度の半導体ストレインゲージを用い、柔軟性及び安全性を有する高分子フィルム層及びエラストマ層を構成する半導体ストレインゲージを用いた力または圧力センサアレイ、力または圧力センサアレイの製造方法、及び力または圧力センサアレイを用いた力または圧力測定方法に関する
力または圧力センサアレイを製造するに際して、従来には、Ｎi/ＣrまたはＣu/Ｎi金属層を用いてストレインゲージを構成したが、これはゲージファクターが、半導体ストレインゲージよりも５０〜１００倍程度に低いから、感度がその分だけ低下するという不都合がある。
半導体ストレインゲージは、単結晶又は多結晶シリコンに不純物を注入して製造したもので、ゲージファクターが１５０程度にかなり高く、高感度のセンシングが可能なメリットはあるが、柔軟性の不足と、ポリマ基盤工程と共に行えない既存の製造過程の問題点のため、柔軟かつ可撓性の力または圧力感知アレイへの応用は、制限があった。
一方、力または圧力に感応する伝導性ゴムやインク層を用いて、力または圧力センサアレイを形成したが、これは、大きさの小さい伝導性の金属粉末をゴムまたはポリマを母材として混合して作った混合材であって、力または圧力を受けると、母材が変形し、その中にある金属粉末間の間隔が細くなるか、互いに接触して電流が流れるパスが形成され、抵抗が減少するという性質を利用したものである。更に、大面積で安価に製造することができるため、既に、医療用、人体工学用の圧力分布測定素材として広く使用されているが、母材中に散らしている金属粒子の伝導によるため、繰返し性、再現性が大きく落ちるので、定量的な力または圧力分布の測定には限界があった。
また、既存に抵抗マトリックスで構成された触覚センサアレイの一要素の抵抗変化を、周辺抵抗の干渉を受けることなく読むためには、０電位法(zero potential method or ground potential method)が使用されてきた。しかし、０電位法を具現するためには、複雑な電子回が必要であり、小さな触覚センサに統合されにくいという問題がある。したがって、触覚センサのサイズが小さくなり、アレイの個数が多くなるほど、信号処理を全て触覚センサの外部で行うことは、信号線の数も多くなり、ノイズの点でも問題が存在する。
力または圧力分布が定量的に測定可能であり、且つ様々な曲面に取り付けられるように柔軟性と伸縮性を有し、容易に損傷しないように強固な構造と化学的な安全性を有し、触覚センサの内部で信号を前処理することができる新たなセンサアレイの必要が望まれている。
本発明は、前記のような必要により案出されたものであって、本発明の目的は、高い感度と線形性、繰り返し性、再現性を有する半導体ストレインゲージを使用し、かつ、高分子材料を用いて、柔軟性、伸縮性、及び強固性を同時に行う半導体ストレインゲージを用いた力または圧力センサアレイを提供する。
そして、本発明の目的は、所定のアレイパターンを有する半導体ストレインゲージを構成する各単位体の抵抗変化を、フレキシブルＣＭＯＳ回路により信号を処理することで、より正確な抵抗値、電圧値を測定し、回路構成を単純化し、触覚センサ内で信号を前処理する半導体ストレインゲージを用いた力または圧力センサアレイを提供する。
また、本発明の目的は、シリコン基板の力センサの性能を追求すると共に、シリコン基板のセンサが提供できない柔軟性と伸縮性を有するため、応用分野として、人工肌(特に、精密な力の測定及び制御を必要とするロボット指の肌)、タッチセンサ、触覚センサなどに様々に使用可能な半導体ストレインゲージを用いた力又は圧力センサアレイを提供する。
本発明の目的は、複数の単位体が所定のアレイパターンで形成され、力または圧力により変形する半導体ストレインゲージと、フィルム面が互いに対向して接し、接するフィルム面の間に半導体ストレインゲージを含む一対の高分子フィルム層と、一対の高分子フィルム層のいずれか１つを絶縁層として、絶縁層の上下面に形成され、アレイパターンの各単位体に接続されて電極を形成し、各単位体の変形で出力される変形信号を外部に取り込む一対の信号線層とを備える基板と、基板内を含むように、基板の両面に形成された一対のエラストマ層とを含み、一対の信号線層は、絶縁層の一面に一方向に配列された複数の第１の信号線と、絶縁層の他面に一方向に垂直に配列された複数の第２の信号線とを含み、単位体の抵抗は、力または圧力に基づいて変化し、変形信号は、抵抗の変化に基づいて出力されることを特徴とする半導体ストレインゲージを用いたフレキシブルな力または圧力センサアレイとして達成することができる。
第１の信号線及び前記第２の信号線は、ＣＭＯＳ回路を構成し、第１の信号線は、第１の信号線に定電流が流れるようにするＰ-ＭＯＳＦＥＴを設け、記基板は、第２の信号線それぞれの一端に接続された複数のスイッチと、スイッチを制御して、第２の信号線のいずれか１つに電流が流れるように、第２の信号線のそれぞれを順次スキャンするスイッチ制御部とを更に含むことを特徴とする。
本発明によれば、第１に、本発明のセンサ構造は、簡単で強固である。すなわち、一般に、ストレインの拡大のため、広い薄膜(membrane)の構造をセンサの感知部として採ることになるが、ここでは、軟性のポリマ基板そのものが本発明の感知部として働くので、センサ構造は、理的に強固である。更に、ポリマは、通常、化学的不活性の材質であるため、本発明のセンサ構造は、化学的に安定している。第２に、半導体ストレインゲージは、無機シリコンにホウ素(Boron、B)といった不純物を注入し、ピエゾ抵抗を形成して製造されるので、信号の感度が極に優れている。また、力覚抵抗(Force Sensitive Resistor)を用いる方式と比較して、繰返し性、再現性に優れたメリットがある。
第３に、所定のアレイパターンを有する半導体ストレインゲージを構成する各単位体の抵抗変化を、ＣＭＯＳ回路信号処理方式を用いて、より正確に抵抗値及び電圧値を測定し、回路の構成を単純化し、また、触覚センサ内で信号を前処理することができるという効果がある。第４に、本発明の力センサアレイは、柔軟性と伸縮性を同時に有する。基板自体がポリマ系の材質であるため、前記基板は、曲げることも、伸ばすこともでき、前記半導体ストレインゲージとＣＭＯＳ回路の材料である無機シリコンはよく折れ且つ硬いが、この厚さを極に薄く製造すると、機械的な柔軟性を確保することができ、コルゲート構造に製造すると、伸縮性も同時に有することができる。
第３に、所定のアレイパターンを有する半導体ストレインゲージを構成する各単位体の抵抗変化を、ＣＭＯＳ回路信号処理方式を用いて、より正確に抵抗値及び電圧値を測定し、回路の構成を単純化し、また、触覚センサ内で信号を前処理することができるという効果がある。第４に、本発明の力センサアレイは、柔軟性と伸縮性を同時に有する。基板自体がポリマ系の材質であるため、前記基板は、曲げることも、伸ばすこともでき、前記半導体ストレインゲージとＣＭＯＳ回路の材料である無機シリコンはよく折れ且つ硬いが、この厚さを極に薄く製造すると、機械的な柔軟性を確保することができ、コルゲート構造に製造すると、伸縮性も同時に有することができる。
<力または圧力センサアレイの構成及び作用>
図１аは、本発明の半導体ストレインゲージ１１０を用いた力または圧力センサアレイの１実施例を示す斜視図であり、図１ｂは、図１аに示した力または圧力センサアレイを層構成に分解した分解斜視図である。図１а及び図１ｂに示すように、本発明の実施例による力または圧力センサアレイは、基板１０と、その基板の両面に接着された一対のエラストマ層２０、３０とから構成される。ここで、基板１０には、高分子フィルム層と、複数の単位体１１１が特定のアレイパターンに配列された半導体ストレインゲージ１１０とが位置し、電極を形成する複数の第１及び第２の信号線１４０、１５０が基板に形成されている。また、基板の下部には、第１の信号線１４０に一定の電流が流れるようにする電流源１４１と、第２の信号線１５０のそれぞれの一端に接続されたスイッチ１５１と、スイッチを制御して第２の信号線１５０をリアルタイムでスキャンするスイッチ制御部１６０とがＣＭＯＳ工程で形成された、ＣＭＯＳ回路層１７０を更に含む。
図１аは、本発明の半導体ストレインゲージ１１０を用いた力または圧力センサアレイの１実施例を示す斜視図であり、図１ｂは、図１аに示した力または圧力センサアレイを層構成に分解した分解斜視図である。図１а及び図１ｂに示すように、本発明の実施例による力または圧力センサアレイは、基板１０と、その基板の両面に接着された一対のエラストマ層２０、３０とから構成される。ここで、基板１０には、高分子フィルム層と、複数の単位体１１１が特定のアレイパターンに配列された半導体ストレインゲージ１１０とが位置し、電極を形成する複数の第１及び第２の信号線１４０、１５０が基板に形成されている。また、基板の下部には、第１の信号線１４０に一定の電流が流れるようにする電流源１４１と、第２の信号線１５０のそれぞれの一端に接続されたスイッチ１５１と、スイッチを制御して第２の信号線１５０をリアルタイムでスキャンするスイッチ制御部１６０とがＣＭＯＳ工程で形成された、ＣＭＯＳ回路層１７０を更に含む。
複数の単位体１１１のアレイパターンを有する半導体ストレインゲージ１１０は、半導体ストレインゲージが変形すると、抵抗の変化に基づいて、高いゲージファクターの優れた感度で力または圧力を感知する。そして、半導体ストレインゲージが全体の層構造において中間の中立軸に位置し、全体のセンサアレイが曲げても、ストレインは０である。
半導体ストレインゲージを構成する単位体１１１は複数設けられ、アレイパターンを有するように製造され、単位体１１１は、棒状又はバー状(bar-shaped)の同一の形状を有するように形成される。アレイパターンは、棒状の長さ方向の単位体がいずれも同一に配列するおうにして、大面積に力または圧力センスが均一に行われるようにし、各単位体１１１は、伸縮性を与えるため、図面の単位体とは異なり、その形状が波形態に製造され得る。各単位体１１１は、シリコンウエハ４０に基づいて製造されるものであり、曲げ性を与えるため、１００μm以下の厚さで製造される。
複数の単位体１１１がアレイパターンに配列される半導体ストレインゲージ１１０は、ポリイミド(ＰＩ)のような高分子フィルム層に形成される。高分子フィルム層は、電極間の絶縁層としても用いられるため、少なくとも２層以上の薄膜を有するように基板１０が完成するのが好適である。本発明において、一対のエラストマ層２０、３０は、力(Ｆ)を最初に感知する感知部、及び保護膜として働く。一対のエラストマ層２０、３０の両面は、力または圧力感知の均一性を保障するため、同一の厚さ(約０.５〜１０mm)で製造する。
そして、エラストマ層２０、３０(又は、ポリマ層)は、柔軟性と伸縮性を提供するため、本発明においてポリジメチルシロキサン(ＰＤＭＳ)層で形成した。本発明の実施例は、図１аに示すように、上部エラストマ層３０に外部の力(Ｆ)が与えられると、半導体ストレインゲージの該当部位の単位体１１１が変形し、このような変形により抵抗が変化すると、複数の第１、２の信号線１４０，１５０を通じて所定の信号が出力され、本発明のセンサに与えられる力又は圧力が測定される。
図２は、図１аのА-А線に沿う断面図である。図２に示すように、本発明の基板１０は、第１の高分子フィルム層１２０上に半導体ストレインゲージ１１０が配列され、各単位体１１１の一端に第１の信号線１４０が接続され、各単位体１１１の多端に第２の信号線１５０が接続されている。そして、基板１０の上下面に、エラストマ層２０、３０が接着されている。
半導体ストレインゲージ１１０が様々なアレイパターンに製造することができるが、曲げ性を与えるため、厚さを１００μm以下にしなければならなく、電極形成のための複数の第１、２の信号線１４０，１５０の場合、望ましくは、ＣＭＯＳ回路を構成し、Ａu／Ｔiのような金属を用いて、パターニング工程及び金属蒸着(metal evaporation)などからなるＣＭＯＳ工程で転写され、形成されることができる。
但し、第１の信号線１４０と第２の信号線１５０は、相互に絶縁しなければならないので、第１の信号線１４０と第２の信号線１５０との間には、絶縁層として第２の高分子フィルム層１３０が更に形成され、ホールを通じて、半導体ストレインゲージ１１０が第２の信号線１５０に接続されることができる。一方、第１、２の高分子フィルム層１２０、１３０は、回路及び導線を構成するために必要な構成であると共に、半導体ストレインゲージ１１０が膜に安着するようにする役目もする。このような第１、２の高分子フィルム層１２０、１３０のそれぞれは、０.５〜５μmの厚さを有するポリイミド(ＰＩ)薄膜層で形成されることができる。
図３は、本発明の実施例による基板における第１、２の信号線１４０、１５０、スイッチ１５１、及びスイッチ制御部１６０を示す回路図である。図３に示すように、第１の信号線１４０の複数のＹ０、Ｙ１…Ｙｎ−１は、各単位体１１１の一端に一方向に平行に接続され、第２の信号線１５０の複数のＸ０、Ｘ１…Ｘｎ−１は、各単位体１１１の多端に一方向に垂直に接続されている。また、複数の第１の信号線１４０は、Ｐ−ＭＯＥＳＦＥＴから構成され、入力電圧(Ｖｉｎ)が与えられる電流源１４１にバイアス電圧を供給して、第１の信号線１４０のそれぞれに常時定電流が流れるようになる。
そして、図３に示すように、第２の信号線１５０の各一端には、スイッチ１５１が接続されている。スイッチ１５１のそれぞれには、スイッチ１５１を制御して、リアルタイムで第２の信号線１５０をスキャンするスイッチ制御部１６０が接続されている。したがって、スイッチ制御部１６０は、スイッチ１５１のいずれか１つを順次オン(ｏｎ)状態とし、残りをオフ(ｏｆｆ)にする。スイッチ制御部１６０は、デコーダなどで構成されることができる。したがって、外部から力または圧力が与えられると、抵抗値が変化する単位体１１１に接続された出力端で出力電圧(Ｖ０…Ｖｎ−２)が測定される。このような出力電圧により変化した抵抗及び電圧値が演算され、このような抵抗及び電圧値に基づいて、印加された力または圧力の値が測定される。
このようなＣＭＯＳ回路を用いる信号処理は、信号処理方式の好適な例示であるだけで、これに限るものではなく、特許発明の権利範囲は、特許請求の範囲により解析すべきである。
<力または圧力センサアレイの製造方法>
図４は、本発明の半導体ストレインゲージ１１０を用いた力または圧力センサアレイの製造方法のフローチャートである。まず、シリコンウエハ４０上で所定のアレイパターンを有する半導体ストレインゲージ１１０が製造される(Ｓ１１００)。この製造された半導体ストレインゲージ１１０は、ＳＯＩ(Silicon-On-Insulator)ウエハ又は単結晶シリコンウエハを用いて、アレイパターンの各単位体１１１の厚さが０.１μm〜１００μmになるように製造され、特に、ＳＯＩウエハを用いる場合、エッチング膜が挿入されているので、半導体ストレインゲージ１１０の厚さを容易に調節することができる。
図４は、本発明の半導体ストレインゲージ１１０を用いた力または圧力センサアレイの製造方法のフローチャートである。まず、シリコンウエハ４０上で所定のアレイパターンを有する半導体ストレインゲージ１１０が製造される(Ｓ１１００)。この製造された半導体ストレインゲージ１１０は、ＳＯＩ(Silicon-On-Insulator)ウエハ又は単結晶シリコンウエハを用いて、アレイパターンの各単位体１１１の厚さが０.１μm〜１００μmになるように製造され、特に、ＳＯＩウエハを用いる場合、エッチング膜が挿入されているので、半導体ストレインゲージ１１０の厚さを容易に調節することができる。
次いで、この製造された半導体ストレインゲージ１１０が、ポリジメチルシロキサン媒体５０を用いて、キャリアウエハ６０に犠牲層６２を挟んで積層された第１の高分子フィルム層１２０に転写される(Ｓ１２００)。犠牲層６２は、ポリメチルメタクリルレート(ＰＭＭＡ、アクリル樹脂)であり、この転写工程(Ｓ１２００)は、１の高分子フィルム層１２０としてポリイミド薄膜層を用いて行われる。
次いで、複数の第１の信号線１４０がアレイパターンの各単位体１１１の一端に接続されて、第１の電極を形成する(Ｓ１３００)。 ここで、複数の第１の信号線は ＣＭＯＳ工程で転写・形成されることができ、複数の第１の信号線１４０が一方向に平行に配列して形成される。このような第１の信号線１４０は、Ｐ-ＭＯＳＦＥＴで構成され、電流源１４１により常時に定電流が流れるようになる。
次いで、第２の高分子フィルム層１３０が複数の第１の信号線１４０の上部に積層されて、絶縁層が形成される(Ｓ１４００)。ポリイミド薄膜層は、 第１の高分子フィルム層１２０と同様に、第２の高分子フィルム層１３０として用いられる。また、複数の第２の信号線１５０が第２の高分子フィルム層１３０の各単位体１１１の多端に接続されて、第２の電極を形成する(Ｓ１５００)。更に、複数の第２の信号線１５０も、ＣＭＯＳ工程で転写・形成され、複数の第１の信号線１４０の配列方向に垂直に配列するように、複数の第２の信号線１５０が形成される。
ついで、第２の信号線１５０の一端のそれぞれにスイッチ１５１を接続され、スイッチ１５１のそれぞれをスイッチ制御部１６０に接続させる(Ｓ１６００)。次いで、第１及び第２の高分子フィルム層と、半導体ストレインゲージ１１０と、複数の第１、２の信号線とらから構成された基板１０が、所定の溶解剤による犠牲層６２の溶解で分離される(Ｓ１７００)。最後に、基板１０が一対のエラストマ層２０、３０の間に挿入・接着されることで(Ｓ１８００)、本発明の力または圧力センサアレイの製造方法が行われる。
一方、ゲージ製造段階(Ｓ１１００)において、シリコンウエハ４０に、リソグラフィ印刷工程、イオン注入工程、及びエッチング工程が順に行われることで、所望するアレイパターンの半導体ストレインゲージ１１０が製造されることができる。これらの工程は、半導体ストレインゲージの製造において自明な工程であるので、その説明は省略する。上述したような一般の半導体ストレインゲージ１１０の製造工程の他にも、様々な製造工程があるが、低費用の工程として、単結晶シリコンウエハを用いたマイクロ構造体を抽出する方法[参考文献:A.J. Baca, et al., Adv. Func. Mater., 17, 3051(2007)]で半導体ストレインゲージ１１０を製造する工程(図５а〜図５ｄ)が利用され得る。
図５а〜図５ｄは、本発明による半導体ストレインゲージ１１０を用いた力または圧力センサアレイの１構成において、半導体ストレインゲージ１１０の製造過程を順次示す工程断面図である。図５аに示すように、製造される半導体ストレインゲージ１１０を考慮して、単結晶シリコン１１２に所定のパターンで感光液１１３を塗布する。以後、金属蒸着で該当部位を除去し、ＲＩＥ(Reactive Ion Etching)でレンチ１１４を形成した。その後、この状態でサイドウォール精製過程が行われると、図５ｂのような単結晶シリコンが完成する。
以後、図５ｃに示すように、第１の保護膜１１５及び第２の保護膜１１６を順に形成するが、第１の保護膜１１５としてＳi３Ｎ４／ＳiＯ２を用い、第２の保護膜１１６としてＡu／Ｔiを用いる。次いで、ＣＦ４プラズマを用いたＲＩＥ過程とＫＯＨエッチング過程を通じて、第１、２の保護膜１１５，１１６が部分的に除去され、最後に、第１、２の保護膜１１５、１１６を完全に除去すると、アレイパターンを有するＳiリボン形態の単位体１１１の半導体ストレインゲージ１１０が完成する。
図６は、本発明の半導体ストレインゲージ１１０を用いた力または圧力センサアレイの製造方法において、半導体ストレインゲージ１１０を転写する状態を示す斜視図である。図６に示すように、ポリジメチルシロキサン媒体５０(又は、ＰＤＭＳスタンプ)を用いて、アレイパターンを有する半導体ストレインゲージ１１０を、ポリジメチルシロキサン媒体５０の面積分だけ、シリコンウエハ４０から離脱させるようになる。
図７は、本発明の半導体ストレインゲージ１１０を用いた力または圧力センサアレイの製造方法のうち、キャリアウエハ６０の層に半導体ストレインゲージ１１０が転写した状態を示す斜視図である。図７に示すように、キャリアウエハ６０に犠牲層６２を挟んで積層されている第１の高分子フィルム層１２０に半導体ストレインゲージ１１０が転写・積層される。ここで、第１の高分子フィルム層１２０は、ポリイミド薄膜層で形成され、犠牲層６２は、ポリメチルクリルレート(ＰＭＭА、アクリル樹脂)でコーティングされている。
図８は、本発明による半導体ストレインゲージ１１０を用いた力または圧力センサアレイの製造方法において、複数の信号線が配列した状態を示す斜視図である。図８に示すように、ＣＭＯＳ工程で信号線を転写して、複数の第１、２の信号線１４０、１５０を形成することで、ＣＭＯＳ回路を構成する。この点、きめ細かい導線パターニング作業、及びスピンコートのような他の工程が行われることができる。複数の第１、２の信号線１４０，１５０は、任意のＸ軸電極と、このＸ軸電極に垂直するＹ軸電極とが形成される。
<力または圧力の測定方法>
図９は、本発明による力または圧力センサアレイを用いた力または圧力測定方法を順次に示すたフローチャートである。図９に示すように、まず、フィルム面が互いに対向して接する一対の高分子フィルム層１２０、１３０の外側両面にそれぞれ、エラストマ層２０、３０がが接着され、エラストマ層２０、３０の少なくとも１つが、外部から力または圧力を受ける(Ｓ２１００)。
図９は、本発明による力または圧力センサアレイを用いた力または圧力測定方法を順次に示すたフローチャートである。図９に示すように、まず、フィルム面が互いに対向して接する一対の高分子フィルム層１２０、１３０の外側両面にそれぞれ、エラストマ層２０、３０がが接着され、エラストマ層２０、３０の少なくとも１つが、外部から力または圧力を受ける(Ｓ２１００)。
次いで、一対の高分子フィルム層１２０、１３０間に所定のアレイパターンを有する半導体ストレインゲージ１１０が位置し、力または圧力を受け、力が与えられた部分に隣接する単位体１１１の一部の抵抗が変化する(Ｓ２２００)。ＣＭＯＳ回路を構成し、単位体それぞれの一端に接続された第１の信号線１４０には、定電流が流れることになる(Ｓ２３００)。第１の信号線１４０は、前述したように、Ｐ-ＭＯＳＦＥＴで構成され、電流源により、常時定電流が流れるように構成される。
そして、スイッチ制御部１６０は、第２の信号線の一端のそれぞれに接続されたスイッチ１５１を制御して、リアルタイムで第２の信号線１５０をスキャンする(Ｓ２４００)。次いで、第２の信号線をスキャンした後、制御部(図示せず)は、変化した抵抗に基づいて出力された変形信号を、アレイパターンの各単位体１１１に接続された複数の第１、２の信号線を通じて受信する(Ｓ２５００)。ここで、制御部は、数値演算と数値比較を実行可能なコンピュータでもあり、本発明の力または圧力センサアレイから信号を受信する入力ポートを備えるのが望ましい。
次いで、制御部は、信号に基づいて、測定された抵抗値または測定された電圧値を演算する(Ｓ２６００)。 最後に、制御部は、測定された抵抗値または測定された電圧値に基づいて、力または圧力の強さを出力することにより(Ｓ２７００)、力または圧力センサアレイを用いた力または圧力測定方法が行われる。ここで、制御部の演算段階(Ｓ２６００)と制御部の出力段階(Ｓ２７００)との間には、制御部が各単位体１１１に対応してバッファーメモリ(図示せず)に格納しておいた初期抵抗又は初期電圧値を読み込む段階が更に含まれ、測定値と初期値とを比較して、その比例程度に基づいて、力又は圧力の強さを演算し、出力することが望ましい。
<力または圧力センサアレイの第１の変形例>
図１０は、本発明による半導体ストレインゲージ１１０を用いた力または圧力センサアレイの第１の変形例として、棒状の単位体１１１が十字状に配列されたアレイパターンを簡略的に示す平面図である。図１０に示すように、第１の変形例は、上記の実施例で記述した複数の棒状(又は、バー状)の単位体１１１、１１１′がアレイパターンに配列された２つの基板１０を用意し、十字状となるように、基板１０の単位体１１１に、他の基板１０の対応する単位体１１１′が互いに重ねて形成されることができる。勿論、重ねて形成された２つの基板１０の外側両面にそれぞれエラストマ層を接着して、本発明の力または圧力センサアレイが完成する。
図１０は、本発明による半導体ストレインゲージ１１０を用いた力または圧力センサアレイの第１の変形例として、棒状の単位体１１１が十字状に配列されたアレイパターンを簡略的に示す平面図である。図１０に示すように、第１の変形例は、上記の実施例で記述した複数の棒状(又は、バー状)の単位体１１１、１１１′がアレイパターンに配列された２つの基板１０を用意し、十字状となるように、基板１０の単位体１１１に、他の基板１０の対応する単位体１１１′が互いに重ねて形成されることができる。勿論、重ねて形成された２つの基板１０の外側両面にそれぞれエラストマ層を接着して、本発明の力または圧力センサアレイが完成する。
<力または圧力センサアレイの第２の変形例>
図１１は、本発明による半導体ストレインゲージ１１０を用いた力または圧力センサアレイの第２の変形例として、アレイパターンの上部に突起３１構造を形成した状態を示す平面図であり、図１２は、図１１のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。
図１１は、本発明による半導体ストレインゲージ１１０を用いた力または圧力センサアレイの第２の変形例として、アレイパターンの上部に突起３１構造を形成した状態を示す平面図であり、図１２は、図１１のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。
図１１及び図１２に示すように、各突起３１がエラストマ３０の表面となす境界線の下部で四方を向こうように配列したアレイパターンを有するように、半導体ストレインゲージ１１１а、１１１ｂ、１１１ｃ、１１１ｄが形成されている。このような突起３１の構造は、荷重が集中すると共に、３軸方向の力または圧力を測定することができる構造である。
上述した第１、２の変形例も、上述した製造方法と同一の製造方法で製造することができ、力または圧力の測定方法も、測定方向を除くと、同様に行われる。
１０: 基板
２０、３０: 一対のエラストマ層
３１: 突起
４０: シリコンウエハ
５０: ポリジメチルシロキサン媒体
６０: キャリアウエハ
６２: 犠牲層
１１０: 半導体ストレインゲージ
１１１、 １１１'、 １１１а、１１１ｂ、１１１ｃ、１１１ｄ: 半導体ストレインゲージの単位体
１１２: 単結晶シリコン
１１３: フォトレジスタ
１１４: トレンチ
１１５: 第１の保護膜
１１６: 第２の保護膜
１２０: 第１の高分子フィルム層
１３０: 第２の高分子フィルム層
１４０: 第１の信号線
１４１: 電流源
１５０: 第２の信号線
１５１: スイッチ
１６０: スイッチ制御部
１７０: ＣＭＯＳ回路層
２０、３０: 一対のエラストマ層
３１: 突起
４０: シリコンウエハ
５０: ポリジメチルシロキサン媒体
６０: キャリアウエハ
６２: 犠牲層
１１０: 半導体ストレインゲージ
１１１、 １１１'、 １１１а、１１１ｂ、１１１ｃ、１１１ｄ: 半導体ストレインゲージの単位体
１１２: 単結晶シリコン
１１３: フォトレジスタ
１１４: トレンチ
１１５: 第１の保護膜
１１６: 第２の保護膜
１２０: 第１の高分子フィルム層
１３０: 第２の高分子フィルム層
１４０: 第１の信号線
１４１: 電流源
１５０: 第２の信号線
１５１: スイッチ
１６０: スイッチ制御部
１７０: ＣＭＯＳ回路層
Claims (16)
- 複数の単位体が所定のアレイパターンで形成され、力または圧力により変形する半導体ストレインゲージと、フィルム面が互いに対向して接し、前記接するフィルム面の間に前記半導体ストレインゲージを含む一対の高分子フィルム層と、前記一対の高分子フィルム層のいずれか１つを絶縁層として、前記絶縁層の上下面に形成され、前記アレイパターンの各単位体に接続されて電極を形成し、前記各単位体の変形で出力される変形信号を外部に取り込む一対の信号線層とを備える基板と、
前記基板内を含むように、前記基板の両面に形成された一対のエラストマ層とを含み、
前記一対の信号線層は、前記絶縁層の一面に一方向に配列された複数の第１の信号線と、前記絶縁層の他面に前記一方向に垂直に配列された複数の第２の信号線とを含み、前記単位体の抵抗は、前記力または圧力に基づいて変化し、前記変形信号は、前記抵抗の変化に基づいて出力されることを特徴とする半導体ストレインゲージを用いたフレキシブルな力または圧力センサアレイ。 - 前記第１の信号線及び前記第２の信号線は、ＣＭＯＳ回路を構成し、前記第１の信号線は、前記第１の信号線に定電流が流れるようにするＰ-ＭＯＳＦＥＴを設け、 前記基板は、前記第２の信号線それぞれの一端に接続された複数のスイッチと、前記スイッチを制御して、前記第２の信号線のいずれか１つに電流が流れるように、前記第２の信号線のそれぞれを順次スキャンするスイッチ制御部とを更に含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体ストレインゲージを用いたフレキシブルな力または圧力センサアレイ。
- 前記一対の高分子フィルム層は、一対のポリイミド薄膜層であることを特徴とする請求項１に記載の半導体ストレインゲージを用いたフレキシブルな力または圧力センサアレイ。
- 前記単位体は、棒状であり、
前記アレイパターンは、前記棒状の長さ方向を同一に有するパターンであることを特徴とする請求項１に記載の半導体ストレインゲージを用いたフレキシブルな力または圧力センサアレイ。 - 前記基板は２つであり、前記各基板に対応する各単位体が交差するように重ね、前記２つの基板が互いに接着されたことを特徴とする請求項４に記載の半導体ストレインゲージを用いたフレキシブルな力または圧力センサアレイ。
- 前記一対のエラストマ層は、いずれか１つのエラストマ層の表面で均一に複数の突起が形成されており、
前記アレイパターンは、前記各突起が前記表面となす境界線の下部で四方に向かうように配列されたパターンであることを特徴とする請求項４に記載の半導体ストレインゲージを用いたフレキシブルな力または圧力センサアレイ。 - 前記一対の信号線層は、金属蒸着またはＣＭＯＳ工程により転写・形成されたことを特徴とする請求項２に記載の半導体ストレインゲージを用いたフレキシブルな力または圧力センサアレイ。
- 前記一対のエラストマ層は、一対のポリジメチルシロキサン層であることを特徴とする請求項１に記載の半導体ストレインゲージを用いたフレキシブルな力または圧力センサアレイ。
- シリコンウエハ上で所定のアレイパターンを有する半導体ストレインゲージを製造するゲージ製造ステップと、
前記製造された半導体ストレインゲージを、ポリジメチルシロキサン媒体用いて、キャリアウエハに犠牲層を挟んで積層されている第１の高分子フィルム層に転写する転写ステップと、
複数の第１の信号線が一方向に平行に配列され、前記アレイパターンの各単位体の一端と接続されて、第１の電極を形成する第１の信号線形成ステップと、
第２の高分子フィルム層が前記複数の第１の信号線上に積層され、絶縁層を形成する絶縁層形成段階と、
複数の第２の信号線が前記一方向に垂直に配列され、前記第２の高分子フィルム層に前記各単位体の他端と接続されて、第２の電極を形成する第２の信号線形成段階と、
前記第１、２の高分子フィルム層、前記半導体ストレインゲージ、及び前記複数の第１、２の信号線から構成された基板を、所定の溶解剤による前記犠牲層の溶解で分離する基板分離ステップと、
前記基板を、一対のエラストマ層の間に挿入し、接着する基板接着段階とを含むことを特徴とするフレキシブルな力または圧力センサアレイの製造方法。 - 前記第１の信号線形成ステップは、電流源により定電流が流れるようにする複数の前記第１の信号線をＣＭＯＳ工程で転写し、前記各単位体の一端に接続するステップであり、
前記第２の信号線形成ステップの後に、前記第２の信号線の一端のそれぞれにスイッチを接続し、前記スイッチを制御して、リアルタイムで前記第２の信号線をスキャンするスイッチ制御部に前記スイッチを接続するステップを、更に含むことを特徴とする請求項９に記載のフレキシブルな力または圧力センサアレイの製造方法。 - 前記ゲージ製造ステップにおいて、前記半導体ストレインゲージは厚さが０．１μm 〜１００μmとなるように製造されることを特徴とする請求項９に記載のフレキシブル力または圧力センサアレイの製造方法。
- 前記半導体ストレインゲージ転写段階において、 前記犠牲層は、ポリメチルメタクリルレートであり、前記第１の高分子フィルム層は、ポリイミド薄膜層であることを特徴とする請求項９に記載のフレキシブル力または圧力センサアレイの製造方法。
- 前記絶縁層形成ステップにおいて、前記第２の高分子フィルム層は、ポリイミド薄膜層であることを特徴とする請求項９に記載のフレキシブルな力または圧力センサアレイの製造方法。
- フィルム面が対向して接する一対の高分子フィルム層の外側面にそれぞれ、ポリジメチルシロキサン層を接着し、前記ポリジメチルシロキサンの少なくとも一つが外部から力または圧力を受けるステップと、
前記一対の高分子フィルム層の間に所定のアレイパターンを有する半導体ストレインゲージを配置し、前記力または前記圧力を伝達されて、抵抗が変化するステップと、
制御部が、前記変化した抵抗に基づいて出力される所定の信号を、前記アレイパターンの各単位体に接続された複数の第１，２の信号線を通じて受信する段階と、
前記制御部が、前記信号に基づいて、測定抵抗値または測定電圧値を演算するステップと、
前記制御部が、前記測定抵抗値または前記測定電圧値に基づいて、前記力または前記圧力の強さを出力するステップとを含むことを特徴とするフレキシブルな力または圧力センサアレイを用いた力または圧力測定方法。 - 電流源により、前記単位体それぞれの一端に接続された第１の信号線に定電流が流れるようにするステップと、
前記単位体それぞれの他端に接続され、前記第１の信号線とＣＭＯＳ回路を構成する第２の信号線とのそれぞれの一端に接続されたスイッチを、スイチング制御部で制御して、前記第２の信号線をリアルタイムでスキャンするステップとを更に含むことを特徴とする請求項１４に記載のフレキシブルな力または圧力センサアレイを用いた力または圧力測定方法。 - 前記制御部の演算段階と測定段階との間に、
前記制御部が、前記各単位体に対応してバッファーメモリに格納した初期抵抗値又は初期電圧値を読み込むステップを更に含み、
前記制御部の演算段階と出力段階との間に、
前記制御部が、前記各単位体に対応してバッファーメモリに格納した初期抵抗値または初期電圧値を読み込むステップを更に含み、
前記制御部の出力段階は、
前記制御部が、前記測定抵抗値と前記初期抵抗値とを比較するか、前記測定電圧値と前記初期電圧値とを比較し、前記力または前記圧力の強さを出力するステップであることを特徴とする請求項１４に記載の力または圧力センサアレイを用いたフレキシブルな力または圧力測定方法。
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