JP2014134543A - センサ素子、感圧型センサ及び触覚センサ - Google Patents

Abstract

【課題】高感度で圧力、摩擦力などの情報を検出可能なセンサ素子、感圧型センサ及び触覚センサを提供する。
【解決手段】開口１９を有するフレーム１２と、前記開口１９を閉塞するように形成された、弾性変形可能な薄膜１４と、前記フレーム１２に基端が保持され、前記薄膜１４と一体に弾性変形可能に形成されたカンチレバー１６とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、センサ素子、感圧型センサ及び触覚センサに関し、特にカンチレバーを利用して力を検出するセンサに関する。

半導体集積回路の形成過程で用いられる微細加工技術を利用して、シリコン等からなる基板上に微細構造をもった構造体を形成することが可能であり、今後その技術の発展が期待されている。そのような構造体は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）と称されている。今までにＭＥＭＳとして様々なセンサやアクチュエータが提案されている。

特許文献１には、カンチレバーを有する圧力センサが開示されている。カンチレバーは、固定端と自由端とを有する屈曲部材であり、片持ち梁とも称されている。その圧力センサにおいては、カンチレバーの下側に空気室が設けられており、カンチレバーの上側が外界（大気）となっている。カンチレバーは、ピエゾ抵抗効果を発揮するように製作されている。カンチレバーの周囲にはギャップ（隙間）が形成されており、そのギャップを介して空気室と外界とが繋がっている。つまり、ギャップを通じて気体が空気室と外界の間を流通し得る。カンチレバーの上側と下側の間に圧力差が生じると、カンチレバーが変形し、その変形がピエゾ抵抗値の変化として検出される。圧力差はギャップを通じた気体の移動により解消され、最終的に圧力平衡状態が生じる。この特許文献１に開示された構成によれば、ダイヤフラム型センサよりも高い感度を得られる。

特許文献２には、内部に粘性流体を有し、応力を受けて変形を生じる弾性体としてのカプセルと、カプセルの内面に位置し、カプセルに変形が生じたときに発生する粘性流体との相対的な動きを検出する変形検出手段とを有する触覚センサが開示されている。上記カプセルは、応力を受けることにより変形する素材で構成されている。また、変形検出手段は、板状体と、前記板状体の根元であってカプセルの内面に固定された一端部に貼付された歪検出素子とからなる。

国際公開第２０１２／１０２０７３号 特開２００５−２９１９０８号公報

圧力、摩擦力などの情報をより高感度で検出することができるセンサが求められている。

そこで本発明は、高感度で圧力、摩擦力などの情報を検出可能なセンサ素子、感圧型センサ及び触覚センサを提供することを目的とする。

本発明に係るセンサ素子は、開口を有するフレームと、前記開口の一側を閉塞するように形成された、弾性変形可能な薄膜と、前記フレームに基端が保持され、前記薄膜と一体に弾性変形可能に形成されたカンチレバーとを備えることを特徴とする。

本発明に係る感圧型センサは、前記センサ素子と、前記開口の他側を閉塞するように設けられた基台とを備え、前記カンチレバーの裏面側に密閉された気体室が設けられていることを特徴とする。

本発明に係る触覚センサは、前記センサ素子と、前記カンチレバーの裏面側を除く前記センサ素子の周囲に形成された弾性変形可能な外装部とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、薄膜が、より小さい圧力差であっても、カンチレバーを変形させるので、より小さい圧力差をカンチレバーで検知することができ、高感度で圧力、摩擦力などの情報を検出することができる。

第１実施形態に係る感圧型センサの全体構成を示す斜視図である。 第１実施形態に係る感圧型センサの縦断面図である。 第１実施形態に係るセンサ素子の製造工程を段階的に示す縦断面図であり、図３Ａはピエゾ抵抗層を積層した状態、図３Ｂは隙間を形成した状態、図３Ｃは金属層を所定形状に形成した状態、図３Ｄはカンチレバーを形成した状態を示す図である。 第１実施形態に係る感圧型センサの製造工程を段階的に示す縦断面図であり、図４Ａはセンサ素子を基板上に重ねた状態、図４Ｂは薄膜を形成した段階、図４Ｃは基板を除去した段階を示す図である。 第１実施形態に係る感圧型センサにおいて圧力差を生じさせた場合の出力電圧を測定した結果を示すグラフである。 第１実施形態に係る感圧型センサにおいて薄膜の大きさの影響を調べた結果を示すグラフである。 第２実施形態に係る触覚センサの全体構成を示す斜視図である。 第２実施形態に係る触覚センサの縦断面図である。 第２実施形態に係る触覚センサの使用状態（１）を示す縦断面図である。 第２実施形態に係る触覚センサの使用状態（２）を示す縦断面図である。 第２実施形態に係る触覚センサにおいてz方向の力を加えた場合のそれぞれのカンチレバーの抵抗変化率を測定した結果を示すグラフである。 第２実施形態に係る触覚センサにおいてy方向の力を加えた場合のそれぞれのカンチレバーの抵抗変化率を測定した結果を示すグラフである。 第２実施形態に係る触覚センサにおいて感度を示すグラフである。 比較例に係る触覚センサの縦断面図である。 比較例に係る触覚センサの感度を示すグラフである。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。

１．第１実施形態
（１）全体構成
本発明の第１実施形態に係る感圧型センサについて説明する。図１に示す感圧型センサ１０は、センサ素子１１と、当該センサ素子１１の一面に設けられた基台１８とを備える。センサ素子１１は、開口１９を有するフレーム１２と、前記開口１９を覆うように形成された薄膜１４と、前記フレーム１２に基端が保持されたカンチレバー１６とを有する。

フレーム１２は、中空の角管状に形成されており、略中央に開口１９を有する。開口１９は、カンチレバー１６に比べ面積が十分に大きく形成されるのが好ましく、例えば、１辺が０．５ｍｍ以上であるのが好ましい。薄膜１４は、開口１９の一側を隙間なく閉塞するように形成されている。薄膜１４は、弾性変形可能、かつ気体及び液体などの流体を通過させない部材で形成されている。薄膜１４は、例えば、ポリパラキシレン（商品名パリレン）をＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)を用いて、１μｍ程度の厚さに形成したものを用いることができる。このように形成された薄膜１４は、例えば、数Ｐａ程度の力を付加することによって弾性変形する。

開口１９を構成する４辺の１つにカンチレバー１６が形成されている。カンチレバー１６は、平板状の受圧部１３と、当該受圧部１３の一側に一体に形成された一対のヒンジ部１５とを有し、当該ヒンジ部１５において、フレーム１２に固定されている。カンチレバー１６は、受圧部１３の裏面が薄膜１４の表面に固定されている。これによりカンチレバー１６は、薄膜１４と一体に弾性変形し得る。カンチレバー１６は、一辺の長さが数十〜数百μｍ程度であるのが好ましい。

図２に示すように、開口１９の他側は、基台１８で閉塞されている。開口１９の一側が薄膜１４で閉塞され、他側が基台１８で閉塞されることにより、薄膜１４の裏面側には、気体室２７が形成される。気体室２７は、気密が保持されている。フレーム１２は、基板２０と、絶縁層２１と、シリコン（Ｓｉ）層２２と、ピエゾ抵抗層２３と、金属層２４とからなり、シリコン層２２と、ピエゾ抵抗層２３とにより、カンチレバー１６が形成されている。当該カンチレバー１６は、薄膜１４と一体となってヒンジ部１５（図１）を中心に弾性変形し得るように構成されている。金属層２４は、図示しないが、ピエゾ抵抗層２３に電流を供給する電源と、ピエゾ抵抗層２３の抵抗値の変化を検出する信号変換部に電気的に接続されている。

（２）製造方法
次に、感圧型センサ１０の製造方法について説明する。まずカンチレバー１６の製造方法について図３を参照して説明する。

まず、Ｓｉからなる基板２０上にＳｉＯ_２からなる絶縁層２１を形成し、さらに、その絶縁層２１の上部にＳｉからなるシリコン層２２を形成することにより、基板２０と絶縁層２１とシリコン層２２からなる積層構造のＳＯＩを形成する。次いで、シリコン層２２上に不純物をドーピングしてシリコン層２２の一部をＮ型もしくはＰ型半導体としたピエゾ抵抗層２３を形成する（図３（Ａ））。

次に、ＳＯＩ上のピエゾ抵抗層２３の上に金属層２４をパターン形成し、その後、シリコン層２２とピエゾ抵抗層２３の一部をエッチングすることにより、上述したカンチレバー１６のヒンジ部１５を除いた外縁とフレーム１２の間の隙間２５を形成する（図３（Ｂ））。なお、このとき、金属層２４の上面には、さらにレジスト（図示しない）を一部に対して形成しておく。

その後、金属層２４をさらにパターン形成し、レジスト（図示しない）が形成されていない部分を除去し、その後にレジストも除去することによって金属層２４を所定形状にする（図３（Ｃ））。そして、底面側から基板２０と絶縁層２１をエッチングすることにより、開口１９及びカンチレバー１６を形成する（図３（Ｄ））。

次に、センサ素子１１を形成する方法について、図４を参照して説明する。上記方法により作製したカンチレバー１６を、天地を逆にして、レジスト２６が形成された基板２８上に重ねる（図４Ａ）。次に、薄膜１４を形成する（４Ｂ）。次いで、溶媒として例えばアセトンを用いてレジスト２６を除去することにより基板２８を取り除く。これによりセンサ素子１１が形成される（図４Ｃ）。このようにして形成されたセンサ素子１１を基台１８表面に固定する。これにより開口１９の他側を基台１８で閉塞することにより気体室２７が形成される。上記のようにして感圧型センサ１０を製造することができる（図２）。必要に応じ、金属層２４と、基台１８上に形成された電極（図示しない）を、ボンディングワイヤによって結線してもよい。

（３）作用及び効果
次に、上記のように構成された本実施形態に係る感圧型センサ１０の作用および効果について説明する。なお、以下の説明において、気体室２７内の圧力を内圧（Ｐ_ｃ）、外部の圧力を外圧（Ｐ_０）と呼ぶこととする。

上記構成において、外部と気体室２７の間に圧力差が生じた場合、薄膜１４は圧力が高い方から低い方へ向かって変形する。例えば、外圧（Ｐ_０）が内圧（Ｐ_ｃ）に比べ高くなった場合、薄膜１４は気体室２７の内部へ向かって変形する。そうすると薄膜１４と一体となって、カンチレバー１６もヒンジ部１５を中心として気体室２７の内部へ向かって変形する。したがって感圧型センサ１０は、圧力差をカンチレバー１６の抵抗値の変化として検出することができる。

実際に３ｍｍ×３ｍｍ×０．３ｍｍの大きさの感圧型センサ１０を作製した。カンチレバー１６の大きさは、１８０μｍ×１５０μｍ×０．３μｍとした。開口１９は１．５ｍｍ×１．５ｍｍとし、厚さ０．５μｍのポリパラキシレンの薄膜１４をＣＶＤ法により作製した。この感圧型センサ１０に対し、圧力差を１０Ｐａずつステップ状に生じさせた場合の出力電圧の変化を測定した。その結果を図５に示す。本図は、縦軸が出力電圧、横軸が時間を示している。本図から、圧力差に応じ、出力電圧がステップ状に変化することが確認できた。

また薄膜１４は、カンチレバー１６に比べ面積が十分に大きいので、より小さい圧力差であっても、カンチレバー１６を容易に変形させ得る。したがって、感圧型センサ１０は、より小さい圧力差をカンチレバー１６で検知することができるので、高感度で圧力などの情報を検出することができる。

図６は、圧力差とカンチレバー１６の抵抗変化の関係を、開口１９すなわち薄膜１４の大きさごとに測定した結果を示すグラフである。本図は、縦軸が抵抗変化、横軸が圧力差を示し、薄膜１４の１辺の長さが、０．５ｍｍ、１．０ｍｍ、２．０ｍｍの結果を示している。本図から、薄膜１４の１辺の長さが０．５ｍｍの場合２．９×１０^−６（Ｐａ^−１）、１．０ｍｍの場合４．３×１０^−６（Ｐａ^−１）、２．０ｍｍの場合６．０×１０^−６（Ｐａ^−１）の測定感度が得られることが確認できた。このことから、カンチレバー１６に比べ薄膜１４の面積が大きいほど、測定感度が向上することが分かった。

本実施形態の場合、感圧型センサ１０は、気体室２７の気密が保持されていることにより、気体室２７内の圧力を基準圧として外部の絶対圧力を測定することができる。

２．第２実施形態
（１）全体構成
次に、本発明の第２実施形態に係る触覚センサについて説明する。上記第１実施形態と同様の構成については同様の符号を付し、説明を省略する。図７に示す触覚センサ３０は、センサ素子３１と、前記センサ素子３１の周囲に形成された外装部３８とを備える。センサ素子３１は、開口４０を有するフレーム１２と、前記開口４０の一側を閉塞するように形成された薄膜３４と、前記フレーム１２に基端が保持された複数のカンチレバー３６とを備える。本実施形態の場合、カンチレバー３６は、開口４０を構成する４辺のそれぞれに１個ずつ、合計４個（３６Ａ，３６Ｂ，３６Ｃ，３６Ｄ）形成されている。

図８に示すように、開口４０の他側は、外部に対し開放されている。外装部３８は、カンチレバー３６及び薄膜３４の裏面から開口４０の他側までを除くセンサ素子３１の周囲を覆うように形成されている。外装部３８の表面は、カンチレバー３６の受圧部１３の表面に対し略平行であって、平坦に形成されていることが好ましい。これにより外装部３８は、表面に付加された力を均一にカンチレバー３６に伝達することができる。外装部３８は、弾性変形可能な材料、例えばポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ：Polydimethylsiloxane）で形成することができる。この場合、外装部３８は、ＰＤＭＳの主剤と硬化剤とからなる二液を所定の混合比率、例えば、５０：１で混合して硬化させることにより、所定形状に成形することができる。

また、外装部３８内には、図示しないが、センサ素子３１上に板状部を設けてもよい。板状部は、例えばアクリルで形成することができる。板状部を設けることにより、圧力とせん断力を適切にカンチレバー３６に伝達することができるため、圧力とせん断力の検出精度を上げることができる。

（２）作用及び効果
次に、上記のように構成された本実施形態に係る触覚センサ３０の作用および効果について説明する。以下の説明において、ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向は、図７に示す軸方向とする。

上記構成において、触覚センサ３０は、外部から力が付加された場合、この力によって外装部３８が変形する。例えば、図９に示すように、外装部３８の表面に対しｚ方向の力（本図中矢印方向）が付加された場合、外装部３８の表面はｚ方向に変形する。これにより薄膜３４は、開口４０の他側に向かって変形する。そうすると薄膜３４と一体となって、カンチレバー３６もヒンジ部１５を中心として開口４０の他側へ向かって変形する。この場合全てのカンチレバー３６のヒンジ部１５（図７）は、同じ方向に曲げ変形する。したがって触覚センサ３０は、外部から付加されたｚ方向の力をカンチレバー３６の抵抗値の変化として検出することができる。

また、図１０に示すように、外装部３８の表面に対し平行な方向（ｘ方向（本図中矢印方向）、又はｙ方向）の力が付加された場合、外装部３８の表面は平行な方向に変形する。これにより薄膜３４は、一側では引張方向に変形し、他側では圧縮方向に変形する。そうすると薄膜３４と一体となって、カンチレバー３６も変形する。この場合カンチレバー３６は、開口４０の一側と他側において逆方向に曲げ変形する。これにより、触覚センサ３０は、外部から付加されたｘ方向、及びｙ方向の力をカンチレバー３６の抵抗値の変化として検出することができる。

実際に触覚センサ３０を作製し、外部から付加された力と抵抗変化との関係を調べた。２ｍｍ×２ｍｍ×０．３ｍｍの大きさのセンサ素子３１を作製した。カンチレバー３６の大きさは、１２５μｍ×１００μｍ×５μｍとした。開口４０は１．０ｍｍ×１．０ｍｍとし、厚さ０．５μｍの薄膜３４をポリパラキシレンで作製した。外装部３８は、１０ｍｍ×１０ｍｍ×１．５ｍｍの大きさに形成した。また板状部として１．５ｍｍ×１．５ｍｍ×０．５ｍｍのアクリルブロックを用いた。

図１１にｚ方向の力を外装部３８に付加した場合の結果を示す。本図において縦軸は抵抗変化、横軸はｚ方向の力を示す。カンチレバー３６の抵抗値をそれぞれＲ_Ａ、Ｒ_Ｂ、Ｒ_Ｃ、Ｒ_Ｄとした場合、抵抗変化Ｓ_ｘは下記式（１）、抵抗変化Ｓ_ｙは下記式（２）、抵抗変化Ｓ_ｚは下記式（３）により算出した値を用いた。

同様にｙ方向の力を外装部３８に付加した場合の結果を図１２に示す。図１１及び図１２の結果から、触覚センサ３０は、外装部３８に付加されたｚ方向、ｙ方向（ｘ方向）の力をカンチレバー３６の抵抗値の変化として検出できることが確認できた。

また、図１１及び図１２の結果から、ｚ方向（Normal force）及びｙ方向（Lateral force）の力を付加した場合の感度が、それぞれ０．１７（ＭＰａ^−１）、０．３４（ＭＰａ^−１）であることが分かった（図１３）。これに対し、図１４に示すように、薄膜３４を設けず、カンチレバー３６の裏面側を含むセンサ素子３１の周囲を覆うように外装部３８を形成した触覚センサ１００について、外装部３８に付加された力と抵抗変化との関係を調べた。その結果、図１５に示すように、ｚ方向（Normal force）及びｙ方向（Lateral force）の力を付加した場合の感度が、それぞれ４．６×１０^−３（ＭＰａ^−１）、１１×１０^−３（ＭＰａ^−１）であることが分かった。このことから本実施形態に係る触覚センサ３０は、カンチレバー３６及び薄膜３４の裏面から開口４０の一側までを除くセンサ素子３１の周囲を覆うように外装部３８を形成することにより、感度を飛躍的に向上できることが分かった。

３．変形例
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内で適宜変更することが可能である。

上記第２実施形態の場合、開口の他側は、外部に開放されている場合につい説明したが、本発明はこれに限らず、基台１８で閉塞してもよい。

上記第２実施形態の場合、カンチレバーを矩形状の開口の各辺に１個ずつ合計４個設けた場合について説明したが、本発明はこれに限らない。例えば、開口を正三角形状に形成し、各辺に１個ずつ合計３個設けることとしてもよい。

１０ 感圧型センサ
１１ センサ素子
１２ フレーム
１４ 薄膜
１６ カンチレバー
１９ 開口
２７ 気体室
３０ 触覚センサ
３１ センサ素子
３６ カンチレバー
３８ 外装部
４０ 開口

Claims (6)

1. 開口を有するフレームと、
   前記開口の一側を閉塞するように形成された、弾性変形可能な薄膜と、
   前記フレームに基端が保持され、前記薄膜と一体に弾性変形可能に形成されたカンチレバーと
   を備えることを特徴とするセンサ素子。
2. 前記薄膜がパリレン膜で形成されていることを特徴とする請求項１記載のセンサ素子。
3. 請求項１又は２記載のセンサ素子と、
   前記開口の他側を閉塞するように設けられた基台と
   を備え、
   前記カンチレバーの裏面側に密閉された気体室が設けられていることを特徴とする感圧型センサ。
4. 請求項１又は２記載のセンサ素子と、
   前記カンチレバーの裏面側を除く前記センサ素子の周囲に形成された弾性変形可能な外装部と
   を備えることを特徴とする触覚センサ。
5. 前記カンチレバーが複数設けられていることを特徴とする請求項４記載の触覚センサ。
6. 前記開口の他側を閉塞するように設けられた基台を備え、前記カンチレバーの裏面側に密閉された気体室が設けられていることを特徴とする請求項４又は５記載の触覚センサ。

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