JP2019138741A - Pressure sensor - Google Patents

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Abstract

To provide a pressure sensor that can be fixed to a curved surface due to its flexibility and can measure a pressure highly sensitively.SOLUTION: A pressure sensor 100 according to the present invention includes: a flexible substrate 10; an elastic layer 20 on the flexible substrate; and a first strain detection film 30 on the elastic layer 20.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、圧力センサに関する。   The present invention relates to a pressure sensor.

近年、センサの活用シーンは飛躍的に広がり、平面のみならず様々な曲率の曲面にもセンサを固定する場面が増えている。このため、フレキシブルな配線やセンサ素子の研究が盛んに行われている(例えば、特許文献1、2、非特許文献1)。
特に、フレキシブルなセンサ素子に注目すると、CNTなどの材料を混ぜ込んだ導電性ポリマーのピエゾ抵抗効果を利用した圧力センサなどが研究開発されている(例えば、非特許文献2)。
In recent years, the usage scenes of sensors have expanded dramatically, and the number of scenes in which sensors are fixed not only on flat surfaces but also on curved surfaces with various curvatures has increased. For this reason, research on flexible wiring and sensor elements has been actively conducted (for example, Patent Documents 1 and 2 and Non-Patent Document 1).
In particular, paying attention to a flexible sensor element, a pressure sensor using a piezoresistance effect of a conductive polymer mixed with a material such as CNT has been researched and developed (for example, Non-Patent Document 2).

特開2017−096863号公報JP 2017-096863 A 特開2017−050355号公報JP 2017-050355 A

J. van den Brand, M. de Kok, M. Koetse, M. Cauwe, R. Verplancke, F. Bossuyt, et al., "Flexible and stretchable electronics for wearable health devices," Solid-State Electronics, 2015, vol. 113, pp. 116-120J. van den Brand, M. de Kok, M. Koetse, M. Cauwe, R. Verplancke, F. Bossuyt, et al., "Flexible and stretchable electronics for wearable health devices," Solid-State Electronics, 2015, vol 113, pp. 116-120 M. Kaltenbrunner, T. Sekitani, J. Reeder, T. Yokota, K. Kuribara, T. Tokuhara, et al., "An ultra-lightweight design for imperceptible plastic electronics" Nature, 2013, vol. 499, pp. 458-463M. Kaltenbrunner, T. Sekitani, J. Reeder, T. Yokota, K. Kuribara, T. Tokuhara, et al., "An ultra-lightweight design for imperceptible plastic electronics" Nature, 2013, vol. 499, pp. 458 -463

しかし、導電性ポリマーを用いた圧力センサは、シリコンをベースとした半導体センサよりも、センサの感度が劣るという問題があった。また、フレキシブルな圧力センサを、曲面上に固定すると、曲面に追従するために曲げが生じる。このようにして生じた曲げ由来の歪みは、圧力由来の歪みと合成されて検出される。このため、圧力センサの感度が悪化するおそれがあった。   However, a pressure sensor using a conductive polymer has a problem that the sensitivity of the sensor is inferior to that of a semiconductor sensor based on silicon. When a flexible pressure sensor is fixed on a curved surface, bending occurs to follow the curved surface. The bending-induced strain thus generated is detected by being combined with the pressure-derived strain. For this reason, the sensitivity of the pressure sensor may be deteriorated.

本発明は上記問題に鑑みてなされたものである。フレキシブルで感度が高い圧力センサの提供を課題とする。   The present invention has been made in view of the above problems. An object is to provide a flexible and highly sensitive pressure sensor.

すなわち、本発明は、上記課題を解決するため、以下の態様の圧力センサを提供する。   That is, this invention provides the pressure sensor of the following aspects in order to solve the said subject.

(1)本発明の一態様にかかる圧力センサは、フレキシブル基板と、上記フレキシブル基板上に形成された弾性層と、上記弾性層上に形成された第1歪検出膜とを備える。 (1) A pressure sensor according to an aspect of the present invention includes a flexible substrate, an elastic layer formed on the flexible substrate, and a first strain detection film formed on the elastic layer.

(2)上記(1)の圧力センサにおいて、前記弾性層は、弾性材料からなる層または気体あるいは液体が封入された層でもよい。 (2) In the pressure sensor of (1), the elastic layer may be a layer made of an elastic material or a layer in which a gas or a liquid is enclosed.

(3)上記(1)または(2)の圧力センサは、上記フレキシブル基板上に、第2歪検出膜を有する歪みセンサをさらに備えてもよい。 (3) The pressure sensor of (1) or (2) may further include a strain sensor having a second strain detection film on the flexible substrate.

(4)上記(1)〜(3)のいずれかの圧力センサにおいて、上記第2歪検出膜は、上記フレキシブル基板と上記弾性層との間に配置されてもよい。 (4) In the pressure sensor according to any one of (1) to (3), the second strain detection film may be disposed between the flexible substrate and the elastic layer.

(5)上記(1)〜(4)のいずれかの圧力センサにおいて、上記第2歪検出膜は、上記弾性層および上記第1歪検出膜の積層体に隣接して配置されてもよい。 (5) In the pressure sensor according to any one of (1) to (4), the second strain detection film may be disposed adjacent to a laminate of the elastic layer and the first strain detection film.

(6)上記(5)の圧力センサは、上記フレキシブル基板と上記第2歪検出膜との間に支持層をさらに備え、上記支持層が、その表面の一部に上記第2歪検出膜の下面の一部に接触する突起部を有し、その第2歪検出膜が上記圧力センサに印可されたせん断力を検出可能であってもよい。 (6) The pressure sensor according to (5) further includes a support layer between the flexible substrate and the second strain detection film, and the support layer is formed on a part of the surface of the second strain detection film. There may be a protrusion that contacts a part of the lower surface, and the second strain detection film can detect the shear force applied to the pressure sensor.

(7)上記(3)〜(6)のいずれかの圧力センサは、複数の上記歪みセンサからなる第1歪みセンサ群を備え、上記第1歪みセンサ群の上記複数の歪みセンサは、各々が有する歪み検出方位が、互いに直交するように配置されてもよい。 (7) The pressure sensor according to any one of (3) to (6) includes a first strain sensor group including a plurality of strain sensors, and each of the plurality of strain sensors in the first strain sensor group includes: The strain detection azimuths possessed may be arranged so as to be orthogonal to each other.

(8)上記(7)の圧力センサは、上記第1歪みセンサ群と、複数の前記歪みセンサからなる第2歪みセンサ群とを備え、上記第1歪みセンサ群の歪みセンサに、上記第2歪みセンサ群の歪みセンサが重なるようにして配置されてもよい。 (8) The pressure sensor according to (7) includes the first strain sensor group and a second strain sensor group including a plurality of strain sensors, and the strain sensor of the first strain sensor group includes the second strain sensor. The strain sensors in the strain sensor group may be arranged so as to overlap each other.

(9)上記(8)の圧力センサにおいて、上記第1歪みセンサ群の歪みセンサが有する歪み検出方位と、上記第2歪みセンサ群の歪みセンサが有する歪み検出方位とが、互いに45°をなす方向に配置されてもよい。 (9) In the pressure sensor of (8) above, the strain detection direction of the strain sensor of the first strain sensor group and the strain detection direction of the strain sensor of the second strain sensor group form 45 ° with each other. It may be arranged in the direction.

(10)上記(1)〜(9)のいずれかの圧力センサは、複数の上記第1歪検出膜を備え、上記第1歪検出膜が有する検出方位が互いに直交するように配置されてもよい。 (10) The pressure sensor according to any one of (1) to (9) may include a plurality of the first strain detection films, and may be arranged so that the detection directions of the first strain detection films are orthogonal to each other. Good.

(11)上記(1)〜(10)のいずれかの圧力センサは、上記弾性層の一側に、上記弾性層とヤング率の異なる、上記第1歪検出膜を支持する他の支持層をさらに備え、その第1歪検出膜が片持ち梁構造を有してもよい。 (11) In the pressure sensor according to any one of (1) to (10), another support layer that supports the first strain detection film, having a different Young's modulus from the elastic layer, is provided on one side of the elastic layer. In addition, the first strain detection film may have a cantilever structure.

本発明の圧力センサによれば、フレキシブルであるため、曲面上に固定することができ、さらに、高い感度で圧力を測定することができる。   According to the pressure sensor of the present invention, since it is flexible, it can be fixed on a curved surface, and pressure can be measured with high sensitivity.

第1実施形態の圧力センサを示した断面概略図である。(a)は、弾性層と離すようにして、第2歪検出膜を配置した場合、(b)は、フレキシブル基板と弾性層との間に、第2歪検出膜を配置した場合の圧力センサの断面概略図である。It is the section schematic diagram showing the pressure sensor of a 1st embodiment. (A) is a pressure sensor when the second strain detection film is disposed so as to be separated from the elastic layer, and (b) is a pressure sensor when the second strain detection film is disposed between the flexible substrate and the elastic layer. FIG. 本実施形態の圧力センサの断面概略図の要部を拡大した図である。(a)は圧力が印加されていない状態、(b)は圧力が印加された状態を示す。It is the figure which expanded the principal part of the cross-sectional schematic of the pressure sensor of this embodiment. (A) shows a state where no pressure is applied, and (b) shows a state where pressure is applied. 圧力を検出することができる箇所について要部を示した、圧力センサの断面概略図である。(a)は保護層に圧力が加えられた場合を示す。(b)はフレキシブル基板に圧力が加えられた場合を示す。It is the cross-sectional schematic of the pressure sensor which showed the principal part about the location which can detect a pressure. (A) shows the case where a pressure is applied to the protective layer. (B) shows the case where a pressure is applied to the flexible substrate. 圧力センサの中立軸が第1歪検出膜を通過するようにして、第1歪検出膜を配置した圧力センサの断面概略図である。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of a pressure sensor in which a first strain detection film is disposed such that a neutral axis of the pressure sensor passes through the first strain detection film. 複数個の第1歪検出膜を備えた圧力センサの上面からの平面模式図である。It is a plane schematic diagram from the upper surface of a pressure sensor provided with a plurality of first strain detection films. 弾性層とは離すようにして、歪みセンサを配置した圧力センサが、曲面に固定された場合に、圧力に応答する模様を示した断面概略図である。It is the cross-sectional schematic which showed the pattern which responds to a pressure, when the pressure sensor which has arrange | positioned the strain sensor so that it may separate from an elastic layer was fixed to the curved surface. 複数の歪みセンサが配置された圧力センサの上面からの平面模式図である。It is a plane schematic diagram from the upper surface of the pressure sensor by which the some strain sensor is arrange | positioned. (a)は第2実施形態の圧力センサについて示した断面概略図である。(b)はせん断力検出部の上面からの平面模式図である。(A) is the cross-sectional schematic shown about the pressure sensor of 2nd Embodiment. (B) is a plane schematic diagram from the upper surface of a shear force detection part. (a)は第2実施形態の圧力センサについて、圧力が加えられた際の変形について示した平面模式図である。(b)は第2実施形態の圧力センサについて、せん断力が加えられた際の変形について示した平面模式図である。(A) is the plane schematic diagram shown about the deformation | transformation at the time of a pressure being applied about the pressure sensor of 2nd Embodiment. (B) is the plane schematic diagram shown about the deformation | transformation at the time of a shear force being applied about the pressure sensor of 2nd Embodiment. せん断力検出部が備える第2歪検出膜支持層61の様々な好適な例を示した断面概略図である。It is the cross-sectional schematic which showed the various suitable example of the 2nd distortion | strain detection film | membrane support layer 61 with which a shearing force detection part is provided. 実施例1の圧力センサを作製したフローを示す断面概略図である。1 is a schematic cross-sectional view showing a flow for producing a pressure sensor of Example 1. FIG. 実施例1に用いた、ポリイミド板に銅電極が形成されたフレキシブル基板を撮影した写真である。It is the photograph which image | photographed the flexible substrate used for Example 1 in which the copper electrode was formed in the polyimide board. 実施例1において、シリコーンゴムによる弾性層をフレキシブル基板上に作製した際の、作製中の圧力センサを撮影した写真である。In Example 1, it is the photograph which image | photographed the pressure sensor in preparation when the elastic layer by a silicone rubber was produced on the flexible substrate. 実施例1において、シリコンピエゾ抵抗素子を弾性層上に転写した際の、作製中の圧力センサを撮影した写真である。In Example 1, it is the photograph which image | photographed the pressure sensor under manufacture when the silicon piezoresistive element was transcribe | transferred on the elastic layer. 実施例1において、シリコンピエゾ抵抗素子を、露出したフレキシブル基板に直接転写した際の、作製中の圧力センサを撮影した写真である。In Example 1, it is the photograph which image | photographed the pressure sensor under manufacture when the silicon piezoresistive element was directly transcribe | transferred to the exposed flexible substrate. 実施例1において、導電性接着剤を用いてフレキシブル基板上の電極とシリコンピエゾ抵抗素子を結線した際の、作製中の圧力センサを撮影した写真である。In Example 1, it is the photograph which image | photographed the pressure sensor in preparation when the electrode on a flexible substrate and a silicon piezoresistive element were connected using the conductive adhesive. 実施例1において作製した圧力センサを指で曲げた際の写真である。It is the photograph at the time of bending the pressure sensor produced in Example 1 with a finger. 実施例1で用いられた、シリコンピエゾ抵抗素子を撮影した写真である。2 is a photograph of a silicon piezoresistive element used in Example 1. 実施例1の圧力センサを平面及び曲面上に固定し、圧力負荷試験を行うことで、圧力に対する抵抗変化率を計測した結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of having measured the rate of resistance change to pressure by fixing the pressure sensor of Example 1 on a plane and a curved surface, and performing a pressure load test. 平面上に固定した場合の、圧力センサの表面を指で複数回押した際の圧力センサおよび歪みセンサの出力を示すグラフである。It is a graph which shows the output of a pressure sensor and a distortion sensor at the time of pressing on the surface of a pressure sensor with a finger a plurality of times when fixed on a plane. 曲面上に固定した場合の、圧力センサの表面を指で複数回押した際の圧力センサおよび歪みセンサの出力を示すグラフである。It is a graph which shows the output of a pressure sensor and a distortion sensor at the time of pressing the surface of a pressure sensor with a finger a plurality of times when fixed on a curved surface.

以下、本発明の圧力センサについて、図を適宜参照しながら詳細に説明する。
なお、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。また、以下の説明において例示される材質、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。さらに、本発明は、以下に示す実施形態のみに限定されるものではない。
Hereinafter, the pressure sensor of the present invention will be described in detail with reference to the drawings as appropriate.
In the drawings used in the following description, in order to make the characteristics of the present invention easier to understand, the characteristic parts may be shown in an enlarged manner for the sake of convenience, and the dimensional ratios of the respective components are different from actual ones. Sometimes. In addition, the materials, dimensions, and the like exemplified in the following description are examples, and the present invention is not limited to these, and can be appropriately modified and implemented without changing the gist thereof. Furthermore, the present invention is not limited only to the embodiments described below.

(第1実施形態)
図1〜6を参照して、第1実施形態の圧力センサについて説明する。
(First embodiment)
With reference to FIGS. 1-6, the pressure sensor of 1st Embodiment is demonstrated.

図1は、本実施形態の圧力センサについて断面概略図を示したものである。図1(a)は、弾性層20と離すようにして、第2歪検出膜40を配置した場合の圧力センサの断面概略図である。図1(b)は、フレキシブル基板10と弾性層20との間に、第2歪検出膜40を配置した場合の圧力センサの断面概略図である。
図2は、本実施形態の圧力センサの断面概略図の要部を拡大したものである。図2(a)は圧力が印加されていない状態、図2(b)は圧力が印加された状態を示す。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of the pressure sensor according to the present embodiment. FIG. 1A is a schematic cross-sectional view of the pressure sensor when the second strain detection film 40 is disposed so as to be separated from the elastic layer 20. FIG. 1B is a schematic cross-sectional view of the pressure sensor when the second strain detection film 40 is disposed between the flexible substrate 10 and the elastic layer 20.
FIG. 2 is an enlarged view of a main part of a schematic cross-sectional view of the pressure sensor of the present embodiment. 2A shows a state where no pressure is applied, and FIG. 2B shows a state where pressure is applied.

第1実施形態の圧力センサ100は、フレキシブル基板10と、弾性層20と、第1歪検出膜30と、第2歪検出膜40と、保護層50と、第1電極Ea1と、第2電極Eb1とを備える。フレキシブル基板10と第1歪検出膜30との間に弾性層20が設けられている。第1電極Ea1は第1歪検出膜30に、電気的に接続されている。また、第2電極Eb1は第2歪検出膜40に、電気的に接続されている。   The pressure sensor 100 according to the first embodiment includes a flexible substrate 10, an elastic layer 20, a first strain detection film 30, a second strain detection film 40, a protective layer 50, a first electrode Ea1, and a second electrode. Eb1. An elastic layer 20 is provided between the flexible substrate 10 and the first strain detection film 30. The first electrode Ea1 is electrically connected to the first strain detection film 30. The second electrode Eb1 is electrically connected to the second strain detection film 40.

センサ表面に圧力が印可された場合、弾性層20と保護層50とのヤング率の違いによって、これらの間に配置された第1歪検出膜30がフレキシブル基板10の方向へ、凸形状に変形する(図2(b))。これにより第1歪検出膜30に歪み(長さの変化)が生じる。後述するように、第1歪検出膜30は、内部に生じた歪みを、電気的な性質の変化として変換する。これらを計測(測定)することで、圧力センサ100の表面に加えられた圧力を検出(測定)することができる。   When pressure is applied to the sensor surface, the first strain detection film 30 disposed between the elastic layer 20 and the protective layer 50 is deformed into a convex shape toward the flexible substrate 10 due to a difference in Young's modulus between the elastic layer 20 and the protective layer 50. (FIG. 2B). As a result, distortion (change in length) occurs in the first strain detection film 30. As will be described later, the first strain detection film 30 converts the strain generated inside as a change in electrical properties. By measuring (measuring) these, the pressure applied to the surface of the pressure sensor 100 can be detected (measured).

フレキシブル基板10は可撓性を有する基板である。例えば、プラスチック基板、紙、布、ガラス薄膜、シリコン薄膜などをその範疇に含む。フレキシブル基板10の材料には、プラスチックとして、例えば、極性基のついたポリノルボルネン、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエーテルスルホン(PES)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリカーボネート(PC)、ナイロン、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリスルホン(PSF)、ポリエーテルイミド(PEI)、ポリアリレート(PAR)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)、ポリイミドなどを用いることができる。ガラス薄膜、またはシリコン薄膜の厚さは50μm以下であることが好ましい。フレキシブル基板として、実用上十分な可撓性を有することができる。   The flexible substrate 10 is a flexible substrate. For example, the category includes plastic substrates, paper, cloth, glass thin films, silicon thin films, and the like. Examples of the material of the flexible substrate 10 include plastics such as polynorbornene having a polar group, polyethylene terephthalate (PET), polyethersulfone (PES), polyethylene naphthalate (PEN), polycarbonate (PC), nylon, and polyether. Ether ketone (PEEK), polysulfone (PSF), polyetherimide (PEI), polyarylate (PAR), polybutylene terephthalate (PBT), polyimide, and the like can be used. The thickness of the glass thin film or silicon thin film is preferably 50 μm or less. As a flexible substrate, it can have practically sufficient flexibility.

弾性層20は弾性を有する層である。弾性層20は、例えば弾性材料からなる層を用いることができる。弾性材料として、公知の材料を用いることができる。例えば、シリコーンゴム、弾性プラスチックなどが挙げられる。シリコーンゴムは二液混合式の材料で主剤と硬化剤の混合比でヤング率を調整可能なため、弾性層20の材料に好ましく用いることができる。
また、弾性層20に、気体あるいは液体が封入された層を用いることができる。気体として、例えば、空気、窒素、アルゴンを用いることができる。窒素およびアルゴンは材料の酸化を防ぐため、弾性層20に封入する材料として、好ましく用いることができる。また液体として、水、シリコンオイル、イオン液体などが挙げられる。シリコンオイルやイオン液体は蒸気圧が低く、真空中でも蒸発せずに液体として保持される。このため、真空雰囲気かで行われることが多い半導体プロセスと相性が良い。よって、弾性層20に封入する材料として、弾性層20に好ましく用いることができる。
The elastic layer 20 is a layer having elasticity. As the elastic layer 20, for example, a layer made of an elastic material can be used. A known material can be used as the elastic material. Examples thereof include silicone rubber and elastic plastic. Silicone rubber is a two-component mixed material and can be preferably used as the material of the elastic layer 20 because the Young's modulus can be adjusted by the mixing ratio of the main agent and the curing agent.
Further, a layer in which a gas or a liquid is enclosed in the elastic layer 20 can be used. For example, air, nitrogen, or argon can be used as the gas. Nitrogen and argon can be preferably used as a material to be enclosed in the elastic layer 20 in order to prevent oxidation of the material. Examples of the liquid include water, silicon oil, and ionic liquid. Silicon oil or ionic liquid has a low vapor pressure, and is kept as a liquid without being evaporated even in a vacuum. Therefore, it is compatible with a semiconductor process often performed in a vacuum atmosphere. Therefore, it can be preferably used for the elastic layer 20 as a material sealed in the elastic layer 20.

弾性層20の層の厚さが、後述する第1歪検出膜30の長さの5%以上、20%以下であると好ましい。弾性層20の層の厚さが第1歪検出膜30の長さの5%以上であると、第1歪検出膜30に圧力がかかった際に、フレキシブル基板10の方向へ歪む範囲が大きくなる。よって、より良好な感度で圧力を検出することができる。また、弾性層20の層の厚さが第1歪検出膜30の長さの20%以下であると、フレキシブル基板の歪み量と第1歪検出膜30の歪みとが、実用上十分な程度に同等であるとみなすことができる。このため、歪み量の補正を精度よく行うことができる。よって、より良好な感度で圧力を検出することができる。   The thickness of the elastic layer 20 is preferably 5% or more and 20% or less of the length of the first strain detection film 30 described later. When the thickness of the elastic layer 20 is 5% or more of the length of the first strain detection film 30, there is a large range of strain in the direction of the flexible substrate 10 when pressure is applied to the first strain detection film 30. Become. Therefore, the pressure can be detected with better sensitivity. Further, if the thickness of the elastic layer 20 is 20% or less of the length of the first strain detection film 30, the amount of strain of the flexible substrate and the strain of the first strain detection film 30 are practically sufficient. Can be regarded as equivalent. For this reason, the distortion amount can be corrected with high accuracy. Therefore, the pressure can be detected with better sensitivity.

歪検出膜とは、内部に発生した歪みにより、電気的な性質が変化する材料からなる膜を指す。これにより、圧力やせん断力などの外部から加えられた力を電気的な信号として検出することができる。   The strain detection film refers to a film made of a material whose electrical properties change due to internal strain. Thereby, externally applied forces such as pressure and shear force can be detected as electrical signals.

例えば、ピエゾ抵抗特性を有する材料を、ピエゾ抵抗膜として、第1歪検出膜30及び第2歪検出膜40に用いることができる。歪みにより変化した抵抗値を測定することにより、外部から加えられた力を検出することができる。ピエゾ抵抗特性を有する公知の材料を歪検出膜に用いることができる。シリコンからなるピエゾ抵抗膜は静的な歪みに対して感度が高いため、好ましく用いることができる。シリコンピエゾ抵抗素子としては、例えばp型シリコンにP(リン)またはAs(ヒ素)をイオン注入したものを好ましく用いることができる。銅やニッケル系合金などを用いた歪みゲージではゲージ率が2程度であるのに比べ、50〜100程度の非常に高いゲージ率が得られるため好ましい。また例えば、圧電性を有する材料を、圧電膜として、第1歪検出膜30及び第2歪検出膜40に用いることができる。これにより動的な歪みを好適に測定することができる。また、歪みにより生じた起電力を測定することにより、外部から加えられた力を検出することができる。圧電性を有する公知の材料を歪検出膜に用いることができる。例えば、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)、AlN(窒化アルミニウム)を好適に用いることができる。   For example, a material having piezoresistance characteristics can be used for the first strain detection film 30 and the second strain detection film 40 as a piezoresistance film. By measuring the resistance value changed by the strain, the force applied from the outside can be detected. A known material having a piezoresistance characteristic can be used for the strain detection film. A piezoresistive film made of silicon is preferably used because of its high sensitivity to static strain. As the silicon piezoresistive element, for example, an element obtained by ion-implanting P (phosphorus) or As (arsenic) into p-type silicon can be preferably used. A strain gauge using copper or a nickel-based alloy is preferable because a very high gauge ratio of about 50 to 100 is obtained compared to a gauge ratio of about 2. For example, a material having piezoelectricity can be used for the first strain detection film 30 and the second strain detection film 40 as a piezoelectric film. Thereby, dynamic distortion can be measured suitably. Moreover, the force applied from the outside can be detected by measuring the electromotive force generated by the distortion. A known material having piezoelectricity can be used for the strain detection film. For example, PZT (lead zirconate titanate) and AlN (aluminum nitride) can be suitably used.

第1歪検出膜は、膜厚が50μm以下であると好ましい。膜厚が50μmより大きいと、歪み検出膜が曲げにより破断するおそれが生じる。   The first strain detection film preferably has a thickness of 50 μm or less. If the film thickness is larger than 50 μm, the strain detection film may be broken by bending.

弾性層20の上に、第1歪検出膜30が配置されている。これにより、センサ表面に圧力が印可された場合、弾性層20と保護膜50とのヤング率の違いによって、これらの間に配置された第1歪検出膜30がフレキシブル基板10の方向へ、凸形状に変形する(図2(b))。これにより第1歪検出膜30に歪み(長さの変化)が生じる。第1歪検出膜30は、内部に生じた歪みを、電気的な性質の変化として変換する。例えば、第1歪検出膜30がピエゾ抵抗膜である場合は、歪みは抵抗変化に変換される。また例えば、第1歪検出膜30が圧電膜の場合は、歪みは起電力に変換される。これらを計測(測定)することで、圧力センサ100の表面に加えられた圧力を検出(測定)することができる。   A first strain detection film 30 is disposed on the elastic layer 20. As a result, when pressure is applied to the sensor surface, the first strain detection film 30 disposed between the elastic layer 20 and the protective film 50 protrudes toward the flexible substrate 10 due to the difference in Young's modulus between the elastic layer 20 and the protective film 50. It is deformed into a shape (FIG. 2B). As a result, distortion (change in length) occurs in the first strain detection film 30. The first strain detection film 30 converts the strain generated inside as a change in electrical properties. For example, when the first strain detection film 30 is a piezoresistive film, the strain is converted into a resistance change. For example, when the first strain detection film 30 is a piezoelectric film, the strain is converted into an electromotive force. By measuring (measuring) these, the pressure applied to the surface of the pressure sensor 100 can be detected (measured).

第2歪検出膜40は、フレキシブル基板10上に配置される。これにより第2歪検出膜40(歪みセンサ)は、圧力センサ100に生じた曲げ由来の歪みを、圧力由来の歪みと峻別して、検出することができる。また、第2歪検出膜40(歪みセンサ)は、圧力センサ100に生じた曲げ由来の歪みを用いて、第1歪検出膜30が検出した圧力を補正することができる。これにより、圧力センサ100はより良い精度で圧力を検出することができる。   The second strain detection film 40 is disposed on the flexible substrate 10. Thus, the second strain detection film 40 (strain sensor) can detect the strain derived from the bending generated in the pressure sensor 100 by distinguishing it from the strain derived from the pressure. Further, the second strain detection film 40 (strain sensor) can correct the pressure detected by the first strain detection film 30 by using the strain derived from bending generated in the pressure sensor 100. Thereby, the pressure sensor 100 can detect the pressure with better accuracy.

第2歪検出膜40(歪みセンサ)を、例えば、弾性層20と離すようにして配置することができる(図1(a))。これにより、フレキシブル基板10と第1歪検出膜30との間の距離を、フレキシブル基板10と弾性層20との間に第2歪検出膜40を配置する場合よりも、小さくすることができる。よって、フレキシブル基板10が曲げによって歪んだ際に生じる、第1歪検出膜30の歪み量とフレキシブル基板10の歪み量とがより近いものとなる。このため、圧力センサ100に生じた曲げ由来の歪みを、歪みセンサによって圧力由来の歪みから補正する場合において、圧力の検出精度の悪化を防ぐことができる。   For example, the second strain detection film 40 (strain sensor) can be disposed so as to be separated from the elastic layer 20 (FIG. 1A). As a result, the distance between the flexible substrate 10 and the first strain detection film 30 can be made smaller than when the second strain detection film 40 is disposed between the flexible substrate 10 and the elastic layer 20. Therefore, the strain amount of the first strain detection film 30 and the strain amount of the flexible substrate 10 that are generated when the flexible substrate 10 is distorted by bending become closer. For this reason, when the distortion derived from the bending which arose in the pressure sensor 100 is correct | amended from the distortion derived from a pressure with a distortion sensor, the deterioration of the detection accuracy of a pressure can be prevented.

また例えば、フレキシブル基板10と弾性層20との間に、第2歪検出膜40を配置することもできる(図1(b))。これにより、フレキシブル基板10上に、第1歪検出膜30と、第2歪検出膜40とを重ね合わすことができる。よって、単位面積当たりの第1歪検出膜30および第2歪検出膜40の数を大きくすることができる。従って、圧力を検出する範囲を細密化することができる。   For example, the 2nd distortion detection film | membrane 40 can also be arrange | positioned between the flexible substrate 10 and the elastic layer 20 (FIG.1 (b)). Thereby, the first strain detection film 30 and the second strain detection film 40 can be superimposed on the flexible substrate 10. Therefore, the number of the first strain detection films 30 and the second strain detection films 40 per unit area can be increased. Therefore, the range in which the pressure is detected can be refined.

図3に圧力を検出することができる箇所を示した、圧力センサ100の断面概略図を示す。なお図3は圧力センサ100の要部を示す。(a)は保護層50に圧力が加えられた場合を示す。(b)はフレキシブル基板10に圧力が加えられた場合を示す。例えば、外部から保護層50に加えられた圧力を好適に検出することができる(図3(a))。また例えば、外部からフレキシブル基板10に加えられた圧力も好適に検出することができる(図3(b))。   FIG. 3 shows a schematic cross-sectional view of the pressure sensor 100, showing the locations where pressure can be detected. FIG. 3 shows a main part of the pressure sensor 100. (A) shows the case where a pressure is applied to the protective layer 50. (B) shows the case where pressure is applied to the flexible substrate 10. For example, the pressure applied to the protective layer 50 from the outside can be suitably detected (FIG. 3A). For example, the pressure applied to the flexible substrate 10 from the outside can also be detected suitably (FIG. 3B).

フレキシブルな部材を曲げるように力を加えた場合、圧縮応力が生じる箇所と、引張応力が生じる箇所と、および圧縮応力と引張応力が釣り合うことで歪みが生じない箇所(中立軸)とが存在する。圧力センサ100の中立軸が、圧力センサ100が備える素子や配線を通過するように配置することが好ましい。例えば、圧力センサ100の中立軸が第1歪検出膜30を通過するようにして、第1歪検出膜30を配置することができる。これにより、第1歪検出膜30に発生する応力を減少することができる(図4)。よって、第1歪検出膜30に破断やクラックが生じることを抑制することができる。ここでは、第1歪検出膜30を例として挙げたが、その他の素子、電極、配線等を、圧力センサ100の中立軸に配置することもできる。   When a force is applied to bend a flexible member, there are locations where compressive stress is generated, locations where tensile stress is generated, and locations where a strain does not occur due to the balance between compressive stress and tensile stress (neutral axis). . It is preferable that the neutral shaft of the pressure sensor 100 is disposed so as to pass through elements and wirings included in the pressure sensor 100. For example, the first strain detection film 30 can be arranged such that the neutral axis of the pressure sensor 100 passes through the first strain detection film 30. Thereby, the stress which generate | occur | produces in the 1st distortion detection film | membrane 30 can be reduced (FIG. 4). Therefore, it is possible to prevent the first strain detection film 30 from being broken or cracked. Here, the first strain detection film 30 has been described as an example, but other elements, electrodes, wirings, and the like may be disposed on the neutral axis of the pressure sensor 100.

圧力センサ100に、複数個の第1歪検出膜30を好ましく備えることができる。圧力センサに第1歪検出膜30が配置される範囲を拡大することができ、圧力を検出する範囲を広げることが出来る。また、配置される第1歪検出膜30の数を、圧力センサの単位面積に対して大きくすることにより、圧力を検出する範囲を細密化することができる。
また、第1歪検出膜30の方位を様々にとって配置することができる。例えば、図5に示すように、長方形を有する第1歪検出膜30について、その長辺方向を垂直に交差するように、複数個配置してもよい。
The pressure sensor 100 can be preferably provided with a plurality of first strain detection films 30. The range in which the first strain detection film 30 is disposed in the pressure sensor can be expanded, and the range in which pressure is detected can be expanded. Further, by increasing the number of first strain detection films 30 to be arranged with respect to the unit area of the pressure sensor, it is possible to refine the pressure detection range.
Further, the orientation of the first strain detection film 30 can be arranged in various ways. For example, as shown in FIG. 5, a plurality of first strain detection films 30 having a rectangular shape may be arranged so that the long side direction intersects perpendicularly.

図6(a)〜(c)は、弾性層20とは離すようにして、歪みセンサを配置した圧力センサ100が、曲面に固定された場合に、圧力に応答する模様を示した断面概略図である。第1歪検出膜30から得られた歪みに対して、第2歪検出膜40から得られた曲げ由来の歪みを補償することにより、圧力センサ100に加えられた圧力の検出精度を上げることができる。   6A to 6C are schematic cross-sectional views showing patterns that respond to pressure when the pressure sensor 100 in which the strain sensor is arranged is fixed to a curved surface so as to be separated from the elastic layer 20. It is. Compensating the bending-derived strain obtained from the second strain detection film 40 with respect to the strain obtained from the first strain detection film 30, thereby increasing the detection accuracy of the pressure applied to the pressure sensor 100. it can.

第2歪検出膜40の膜厚は50μm以下であると、好ましい。膜厚が50μmより大きいと、歪み検出膜が曲げにより破断するおそれが生じる。   The thickness of the second strain detection film 40 is preferably 50 μm or less. If the film thickness is larger than 50 μm, the strain detection film may be broken by bending.

保護層50には、フレキシブル性(可撓性)を有する材料を好ましく用いることができる。例えば、プラスチック基板、紙、布などをその範疇に含む。フレキシブル基板10の材料には、プラスチックとして、例えば、極性基のついたポリノルボルネン、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエーテルスルホン(PES)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリカーボネート(PC)、ナイロン、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリスルホン(PSF)、ポリエーテルイミド(PEI)、ポリアリレート(PAR)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)、ポリイミドなどを用いることができる。保護層50には、公知のフレキシブル性(可撓性)を有する材料を用いることができる。
保護層50の材料のヤング率が、弾性層20の材料よりも高いことが好ましい。また、保護層50と弾性層20との間の硬軟(ヤング率)の差が大きいほど、第1歪み検出膜の圧力に対する歪み量が大きくなるため、圧力センサの感度が高くすることができる。
A material having flexibility (flexibility) can be preferably used for the protective layer 50. For example, a plastic substrate, paper, cloth, etc. are included in the category. Examples of the material of the flexible substrate 10 include plastics such as polynorbornene having a polar group, polyethylene terephthalate (PET), polyethersulfone (PES), polyethylene naphthalate (PEN), polycarbonate (PC), nylon, and polyether. Ether ketone (PEEK), polysulfone (PSF), polyetherimide (PEI), polyarylate (PAR), polybutylene terephthalate (PBT), polyimide, and the like can be used. For the protective layer 50, a known material having flexibility (flexibility) can be used.
It is preferable that the Young's modulus of the material of the protective layer 50 is higher than the material of the elastic layer 20. In addition, the greater the difference in hardness (Young's modulus) between the protective layer 50 and the elastic layer 20, the greater the amount of strain with respect to the pressure of the first strain detection film, so that the sensitivity of the pressure sensor can be increased.

保護層50の厚さは、第1歪検出膜30の長さの10倍以下であると好ましい。厚さが第1歪検出膜30の膜厚の10倍以下であると、圧力センサ100に印加された圧力の分散を抑制し、第1歪検出膜30に圧力を十分に伝えることができる。このため、歪の検出精度が向上できる。   The thickness of the protective layer 50 is preferably 10 times or less the length of the first strain detection film 30. When the thickness is 10 times or less the film thickness of the first strain detection film 30, dispersion of the pressure applied to the pressure sensor 100 can be suppressed and the pressure can be sufficiently transmitted to the first strain detection film 30. For this reason, the accuracy of distortion detection can be improved.

保護層50をフレキシブル基板の片側の面に設けることができる(図1)。また、フレキシブル基板の両面に設けることもできる。   The protective layer 50 can be provided on one side of the flexible substrate (FIG. 1). It can also be provided on both sides of the flexible substrate.

複数個の第1電極Ea1が、1個の第1歪検出膜30に電気的に接続するように形成されている。これにより、第1歪検出膜30を回路に組み込むことができる。また、複数個の第1電極Ea1の各々を、外部の信号処理装置に電気的に接続することができる。これにより、外部の信号処理装置にて、第1歪検出膜30から発生した信号を処理することができる。
第1電極Ea1は導電性を有する材料からなるものであればよい。公知の導電性を有する材料を用いることができる。また、第1電極Ea1を作製する方法も公知の方法を用いることができる。例えばストレッチャブル導電性接着剤を塗布することで作製することができる。また、銀ペーストをスクリーン印刷する方法を用いて作製することもできる。
A plurality of first electrodes Ea1 are formed so as to be electrically connected to one first strain detection film 30. Thereby, the first strain detection film 30 can be incorporated in the circuit. In addition, each of the plurality of first electrodes Ea1 can be electrically connected to an external signal processing device. Thereby, the signal generated from the first strain detection film 30 can be processed by an external signal processing device.
The first electrode Ea1 only needs to be made of a conductive material. A known conductive material can be used. Also, a known method can be used as a method for producing the first electrode Ea1. For example, it can be produced by applying a stretchable conductive adhesive. Moreover, it can also produce using the method of screen-printing a silver paste.

複数個の第2電極Eb1が、1個の第2歪検出膜40に電気的に接続するように形成されている。これにより、第2歪検出膜40を回路に組み込むことが出来る。また、複数個の第2電極Eb1の各々を、外部の信号処理装置に電気的に接続することができる。これにより、外部の信号処理装置にて、第2歪検出膜40から発生した信号を処理することができる。   A plurality of second electrodes Eb1 are formed so as to be electrically connected to one second strain detection film 40. Thereby, the second strain detection film 40 can be incorporated in the circuit. In addition, each of the plurality of second electrodes Eb1 can be electrically connected to an external signal processing device. Thereby, the signal generated from the second strain detection film 40 can be processed by an external signal processing device.

1個の第2歪検出膜40当たり、第2電極Eb1が2個接触している場合、歪みセンサ40は、各々の第2電極Eb1を結ぶ方向(歪み検出方位)に発生した、曲げ由来の歪みを検出する。このため、歪みセンサ40は、圧力センサ内の様々な方位に、複数の歪みセンサ40が配置されることが好ましい。図7は、複数の歪みセンサ40が配置された圧力センサ100の一例を示す図である。例えば、図7(a)に示すように、歪み検出方位が互いに直交するように、複数の歪みセンサ40(歪みセンサ群)を配置することができる。この場合、図7(a)の上下方向および左右方向に発生した歪みを検出することができる。また、例えば、複数の歪みセンサ群を、各々が備える歪みセンサが上下に重なるようにして配置することができる。図7(b)に、第1歪センサ群の上に第2歪センサ群を、各々が備える歪みセンサの歪み検出方位を一致させて、重ね合わせた場合の模式図を示した。複数の歪みセンサ群の各々が備える、歪み検出方位を、例えば、直交、平行、45°方向とすることが出来る。また必要に応じて、任意に歪み検出方位を調整することができる。さらに、例えば、図7(a)に示した歪みセンサ群と、図7(b)に示した複数重ね合わせた歪みセンサ群を組み合わせることができる(図7(c))。図7(c)に示した歪みセンサ群は、図7(a)に示した複数の歪みセンサと、歪みセンサ40が有する歪み検出方向が互い直交し、かつ上下に重なるように配置した歪みセンサ群とを、互いの歪み検出方向(図7(a)の上下方向および左右方向)が45度回転方向に位置するように、重ね合わせたものである。このような歪センサ群は、曲げ方向に加えて、ねじり方向の歪みを測定することができる。加えて、例えば、図7(c)に示した歪みセンサ群と、第1歪検出膜30を組み合わせることもできる(図7(d))。これにより、圧力センサ100は、曲げ方向及びねじれ方向の歪みを補償することができ、より精度よく圧力を検出することができる。図7(d)には、複数の第1歪検出膜30の方位が互いに直交した場合を示したが、必要に応じて任意に方位を調整することができる。例えば、互いに直交、平行および45°に回転した方向とすることができる。   When two second electrodes Eb1 are in contact with one second strain detection film 40, the strain sensor 40 is derived from the bending generated in the direction (strain detection azimuth) connecting the second electrodes Eb1. Detect distortion. For this reason, as for the strain sensor 40, it is preferable that the some strain sensor 40 is arrange | positioned in the various directions in a pressure sensor. FIG. 7 is a diagram illustrating an example of the pressure sensor 100 in which a plurality of strain sensors 40 are arranged. For example, as shown in FIG. 7A, a plurality of strain sensors 40 (a strain sensor group) can be arranged so that strain detection directions are orthogonal to each other. In this case, the distortion generated in the vertical direction and the horizontal direction in FIG. 7A can be detected. In addition, for example, a plurality of strain sensor groups can be arranged such that the strain sensors included in each group overlap each other. FIG. 7B is a schematic diagram when the second strain sensor group is superimposed on the first strain sensor group with the strain detection orientations of the strain sensors included in the second strain sensor group overlapping each other. The strain detection azimuths included in each of the plurality of strain sensor groups can be, for example, orthogonal, parallel, and 45 ° directions. Further, the strain detection azimuth can be arbitrarily adjusted as necessary. Furthermore, for example, the strain sensor group shown in FIG. 7A can be combined with a plurality of superimposed strain sensor groups shown in FIG. 7B (FIG. 7C). The strain sensor group shown in FIG. 7C includes a plurality of strain sensors shown in FIG. 7A and strain sensors arranged so that strain detection directions of the strain sensor 40 are orthogonal to each other and overlap each other. The groups are overlapped so that the mutual strain detection directions (vertical direction and horizontal direction in FIG. 7A) are positioned in the 45-degree rotation direction. Such a strain sensor group can measure strain in the torsional direction in addition to the bending direction. In addition, for example, the strain sensor group shown in FIG. 7C and the first strain detection film 30 can be combined (FIG. 7D). Thereby, the pressure sensor 100 can compensate the distortion of a bending direction and a twist direction, and can detect a pressure more accurately. FIG. 7D shows a case where the orientations of the plurality of first strain detection films 30 are orthogonal to each other, but the orientations can be arbitrarily adjusted as necessary. For example, the directions may be orthogonal to each other, parallel, and rotated by 45 °.

(第2実施形態)
図8〜10を参照して、第2実施形態の圧力センサについて説明する。図8(a)は、本実施形態の圧力センサについて断面概略図を示したものである。図8(b)は本実施形態の圧力センサが備えるせん断力検出部について、上面からの平面模式図を示したものである。
第2実施形態の圧力センサ101は、フレキシブル基板11と、弾性層21と、第1歪検出膜31と、第2歪検出膜41と、保護層51と、第2歪検出膜支持層61と、第1電極Ea2と、第2電極Eb2とを備える。
フレキシブル基板11と第1歪検出膜31との間に、弾性層21が設けられている。また、弾性層21、第1歪検出膜31、およびフレキシブル基板11により形成される空隙を、保護層51が充填するようにして、第1歪検出膜31の一方の側を支持する第1歪検出膜支持層51aが設けられている。
フレキシブル基板11と第2歪検出膜41との間に、第2歪検出膜支持層61が設けられている。
第1電極Ea2は第1歪検出膜31に、電気的に接続されている。また、第2電極Eb2は第2歪検出膜41に、電気的に接続されている。
(Second Embodiment)
A pressure sensor according to the second embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 8A shows a schematic cross-sectional view of the pressure sensor of the present embodiment. FIG. 8B is a schematic plan view from the upper surface of the shearing force detection unit provided in the pressure sensor of the present embodiment.
The pressure sensor 101 of the second embodiment includes a flexible substrate 11, an elastic layer 21, a first strain detection film 31, a second strain detection film 41, a protective layer 51, and a second strain detection film support layer 61. The first electrode Ea2 and the second electrode Eb2.
An elastic layer 21 is provided between the flexible substrate 11 and the first strain detection film 31. Further, the first strain that supports one side of the first strain detection film 31 so that the protective layer 51 fills the void formed by the elastic layer 21, the first strain detection film 31, and the flexible substrate 11. A detection film support layer 51a is provided.
A second strain detection film support layer 61 is provided between the flexible substrate 11 and the second strain detection film 41.
The first electrode Ea2 is electrically connected to the first strain detection film 31. The second electrode Eb2 is electrically connected to the second strain detection film 41.

フレキシブル基板11と第1歪検出膜31との間に、弾性層21および第1歪検出膜支持層51aの双方を設けることができる。この構成により、第1歪検出膜31が弾性層21および第1歪検出膜支持層51aに支持されることができる。弾性層21と第1歪検出膜支持層51aとの間に硬軟(ヤング率)の差を設けることにより、第1歪検出膜31を好適に片持ち梁として用いることができる。この構造を有することにより、第1歪検出膜31は、圧力センサ101に印加された圧力を検出することができる。
第1歪検出膜31は、硬軟(ヤング率)が異なる弾性層21と第1歪検出膜支持層51aとによって支持されている。このため、圧力によって、軟らかい層によって支持された第1歪検出膜31の部位が、フレキシブル基板11の方向へ近づくようにして、第1歪検出膜31はたわむ。図9(a)は、弾性層21が第1歪検出膜支持層51aよりも軟らかい(ヤング率が低い)例として示している。このようにして、第1歪検出膜31は片持ち梁として機能し、片持ち梁の根元に相当する部位に歪みが生じる。この歪みを電気的な信号として検出することにより、圧力に由来した歪みを検出することができる。第1歪検出膜31の内部に生じた歪みを、電気的な性質の変化として計測(測定)することで、圧力センサ101の表面に加えられた圧力を検出(測定)することができる。
Both the elastic layer 21 and the first strain detection film support layer 51 a can be provided between the flexible substrate 11 and the first strain detection film 31. With this configuration, the first strain detection film 31 can be supported by the elastic layer 21 and the first strain detection film support layer 51a. By providing a difference in hardness (Young's modulus) between the elastic layer 21 and the first strain detection film support layer 51a, the first strain detection film 31 can be suitably used as a cantilever. By having this structure, the first strain detection film 31 can detect the pressure applied to the pressure sensor 101.
The first strain detection film 31 is supported by an elastic layer 21 having different hardness (Young's modulus) and a first strain detection film support layer 51a. Therefore, the first strain detection film 31 is bent by the pressure so that the portion of the first strain detection film 31 supported by the soft layer approaches the direction of the flexible substrate 11. FIG. 9A shows an example in which the elastic layer 21 is softer (lower Young's modulus) than the first strain detection film support layer 51a. In this way, the first strain detection film 31 functions as a cantilever, and a strain is generated at a portion corresponding to the root of the cantilever. By detecting this strain as an electrical signal, it is possible to detect a strain due to pressure. By measuring (measuring) the strain generated in the first strain detection film 31 as a change in electrical properties, the pressure applied to the surface of the pressure sensor 101 can be detected (measured).

第2歪検出膜支持層61はその表面の一部に突起部61aを有しており、突起部61aが第2歪検出膜41の下面に接触している。第2歪検出膜41の端部41Aは、突起部61aを支点として起き上がった片持ち梁構造を有している。また、複数の第2電極Eb2は互いの間に、第2歪検出膜の端部41Aが組み込まれた回路を構成する様に設けられている。例えば、複数の第2電極Eb2の間に絶縁層を設けることにより、このような回路を構成できる(図8(b))。これにより、第2歪検出膜41は圧力センサ101に印可されたせん断力を検出することができる。以上の構成を有することによって、第2歪検出膜41および突起部61aは、圧力センサ101のせん断力検出部として機能する。   The second strain detection film support layer 61 has a protrusion 61 a on a part of its surface, and the protrusion 61 a is in contact with the lower surface of the second strain detection film 41. The end 41A of the second strain detection film 41 has a cantilever structure that rises with the protrusion 61a as a fulcrum. The plurality of second electrodes Eb2 are provided so as to constitute a circuit in which the end portion 41A of the second strain detection film is incorporated between them. For example, such a circuit can be configured by providing an insulating layer between the plurality of second electrodes Eb2 (FIG. 8B). Thereby, the second strain detection film 41 can detect the shear force applied to the pressure sensor 101. By having the above configuration, the second strain detection film 41 and the protrusion 61a function as a shear force detection unit of the pressure sensor 101.

図9(a)に示すように、圧力センサ101に紙面上から下方に圧力が印可されると弾性層21が圧縮されて変形する。上述したように、第1歪検出膜31は、片持ち梁として機能し、その先端が下方に曲がりその根元に歪みが生じる。この歪みを電気的な信号として検出することにより、圧力に由来した歪みを検出することができる。また、第1歪検出膜31が発した電気的な信号を、例えば信号処理装置にて処理することにより、圧力を検出することができる。一方、第2歪検出膜41の全体が下方に移動するので、その内部に歪みが発生するのが抑えられる。このため、第2歪検出膜41は、圧力センサ101に圧力が印加された場合には、実用上十分な程度に応答しない。   As shown in FIG. 9A, when pressure is applied to the pressure sensor 101 downward from the top of the paper, the elastic layer 21 is compressed and deformed. As described above, the first strain detection film 31 functions as a cantilever, and its tip bends downward to cause distortion at the base. By detecting this strain as an electrical signal, it is possible to detect a strain due to pressure. Further, the pressure can be detected by processing the electrical signal generated by the first strain detection film 31 with, for example, a signal processing device. On the other hand, since the entire second strain detection film 41 moves downward, it is possible to suppress the occurrence of strain in the inside. For this reason, the second strain detection film 41 does not respond to a practically sufficient level when pressure is applied to the pressure sensor 101.

図9(b)に示すように、圧力センサ101に紙面左方向から右方向にせん断力が印可された場合、第1歪検出膜31は、全体が水平方向に移動するので、その内部に局所的な歪みが発生するのが抑えられる。このため、第1歪検出膜31は、圧力センサ101にせん断力が印加された場合には、実用上十分な程度に応答しない。
一方、第2歪検出膜41は、印可されたせん断力によって、その起き上がった先端部が紙面右方向に移動するように変形し、先端部に近づくほど、水平方向の移動量が大きい。このため、第2歪検出膜41は、先端部に作用した力が突起部61aを支点を介して根元付近の部位に作用し歪みが生じる。この歪みを電気的な信号として検出することにより、外部から加えられたせん断力に由来した歪みを検出することができる。また、第2歪検出膜41が発した電気的な信号を、例えば信号処理装置にて処理することにより、せん断力を検出することができる。
As shown in FIG. 9B, when a shearing force is applied to the pressure sensor 101 from the left to the right in the drawing, the entire first strain detection film 31 moves in the horizontal direction. Generation of general distortion can be suppressed. For this reason, the first strain detection film 31 does not respond to a practically sufficient degree when a shearing force is applied to the pressure sensor 101.
On the other hand, the second strain detection film 41 is deformed by the applied shear force so that the raised tip portion moves in the right direction on the paper surface, and the amount of movement in the horizontal direction increases as it approaches the tip portion. For this reason, in the second strain detection film 41, the force acting on the tip portion acts on the portion near the root through the protrusion 61a via the fulcrum, and distortion occurs. By detecting this strain as an electrical signal, it is possible to detect a strain derived from a shearing force applied from the outside. In addition, the shearing force can be detected by processing the electrical signal generated by the second strain detection film 41 with, for example, a signal processing device.

第2歪検出膜支持層61には、フレキシブル性(可撓性)を有する公知の材料を好ましく用いることができる。例えば、弾性層21と同じ材料を好適に用いることができる(図10(a))。また例えば、保護層51と同じ材料を好適に用いることができる(図10(b))。さらに例えば、突起部11aを設けたフレキシブル基板11を、突起部61aを有する第2歪検出膜支持層61として用いることもできる(図10(c))。   A known material having flexibility (flexibility) can be preferably used for the second strain detection film support layer 61. For example, the same material as the elastic layer 21 can be suitably used (FIG. 10A). For example, the same material as the protective layer 51 can be used suitably (FIG.10 (b)). Further, for example, the flexible substrate 11 provided with the protrusion 11a can be used as the second strain detection film support layer 61 having the protrusion 61a (FIG. 10C).

(実施例1)
図11に示すフローによりフレキシブル圧力センサを作製した。作製中、及び作製したフレキシブル圧力センサを撮影した写真を図12〜17に示す。図11(a)に示したポリイミド板に銅電極(図11中、Ec)が形成されたフレキシブル基板の上(図11)に、図11(b)に示すように厚さ0.3mmのシリコーンゴムによる弾性層を作製した(図13)。次いで、図11(c)に示すように弾性層をメスで切り出し、銅電極を露出させた。次いで、図11(d)に示すように弾性層の上に、シリコンピエゾ抵抗素子を転写した(図14)。なお、シリコンピエゾ抵抗素子には、幅が1mm、奥行きが5mm、厚さ5μmの極薄シリコンピエゾ抵抗素子(図18)を用いた。次いで、弾性層の一部をメスで切り落とし、フレキシブル基板の一部を露出させた。次いで、歪み補償のための歪みセンサとして、極薄シリコンピエゾ抵抗素子を、露出したフレキシブル基板に直接転写した(図15)。次いで、図11(e)に示すように、導電性接着剤(セメダイン株式会社製、低温硬化型フレキシブル導電性接着剤[SX―ECA48]120%)を用いてフレキシブル基板上の電極とシリコンピエゾ抵抗素子を結線した。次いで、図11(f)に示すように、フレキシブル基板の面上に、0.3mmのシリコーンゴムによる保護層を形成した(図16)。以上のフローにより、柔軟な素材のみで構成されたシリコンの高感度を持つ圧力センサを作製した。作製した圧力センサは、厚さが0.7mm程度と非常に薄いものであった。さらに、フレキシブルな材料のみで構成されているため、図17に示すように、指で曲げても配線やセンサ素子は破断・断線等が起こらなかった。
Example 1
A flexible pressure sensor was produced according to the flow shown in FIG. The photograph which image | photographed the produced flexible pressure sensor is shown in FIGS. On a flexible substrate (FIG. 11) on which a copper electrode (Ec in FIG. 11) is formed on the polyimide plate shown in FIG. 11 (a), silicone having a thickness of 0.3 mm as shown in FIG. 11 (b). An elastic layer made of rubber was produced (FIG. 13). Next, as shown in FIG. 11 (c), the elastic layer was cut out with a scalpel to expose the copper electrode. Next, as shown in FIG. 11D, a silicon piezoresistive element was transferred onto the elastic layer (FIG. 14). As the silicon piezoresistive element, an ultrathin silicon piezoresistive element (FIG. 18) having a width of 1 mm, a depth of 5 mm, and a thickness of 5 μm was used. Next, a part of the elastic layer was cut off with a scalpel to expose a part of the flexible substrate. Next, an ultrathin silicon piezoresistive element was directly transferred to the exposed flexible substrate as a strain sensor for strain compensation (FIG. 15). Next, as shown in FIG. 11 (e), an electrode on a flexible substrate and a silicon piezoresistor are formed using a conductive adhesive (Cemedine Co., Ltd., low temperature curable flexible conductive adhesive [SX-ECA48] 120%). The elements were connected. Next, as shown in FIG. 11 (f), a protective layer of 0.3 mm silicone rubber was formed on the surface of the flexible substrate (FIG. 16). With the above flow, a pressure sensor with high sensitivity of silicon composed only of a flexible material was produced. The manufactured pressure sensor was very thin with a thickness of about 0.7 mm. Further, since it is composed only of a flexible material, as shown in FIG. 17, the wiring and the sensor element did not break or break even when bent with a finger.

作製した圧力センサを平面及び曲面上に固定し、圧力負荷試験を行うことで、圧力に対する抵抗変化率を計測した。なお、曲面として、直径5.5cmのアクリルパイプの周壁を用いた。図19に抵抗変化率を平面及び曲面上の各々で計測した、圧力に対する抵抗変化率を示した。平面上に固定した場合(図19中、「平面上固定時」)、及び曲面に固定した場合(図19中、「曲面上固定時」)の双方で、印可した圧力に対して線形に、抵抗変化率は応答を示した。さらに、平面でも曲面でも、圧力に対して同じ感度を示していることが計測により確認された。また、曲面に固定した圧力センサは、平面に固定したセンサに比べて、センサが歪曲して生じた歪みの分だけ抵抗変化率が大きくなっていることが分かった。これにより、圧力センサに近接する位置に製作した歪みセンサの応答を用いて、歪み補償を行うことで、曲面上に固定した場合においても、センサにかかる圧力を正しく計測することができることを確認した。   The manufactured pressure sensor was fixed on a flat surface and a curved surface, and a resistance change rate with respect to pressure was measured by performing a pressure load test. In addition, the surrounding wall of the acrylic pipe of diameter 5.5cm was used as a curved surface. FIG. 19 shows the resistance change rate with respect to the pressure, which was measured on the flat surface and the curved surface, respectively. When fixed on a plane (in FIG. 19, “when fixed on a plane”) and when fixed on a curved surface (in FIG. 19, “when fixed on a curved surface”), linearly with respect to the applied pressure, The resistance change rate showed a response. Furthermore, it was confirmed by measurement that the same sensitivity to pressure was exhibited on both flat and curved surfaces. Further, it was found that the resistance change rate of the pressure sensor fixed to the curved surface is larger than the sensor fixed to the flat surface by the amount of distortion caused by the distortion of the sensor. As a result, it was confirmed that the pressure applied to the sensor can be correctly measured even when fixed on a curved surface by performing distortion compensation using the response of the strain sensor manufactured at a position close to the pressure sensor. .

また、平面上に固定した圧力センサを用いて、センサを指で押した際の圧力センサおよび歪みセンサの応答を計測した。また、直径5.5cmのアクリルパイプの周壁(曲面)上に固定した圧力センサを用いて、センサを指で押した際の圧力センサおよび歪みセンサの応答を計測した。センサ表面を指で複数回押した際の圧力センサおよび歪みセンサの出力を、平面上に固定した場合を図20に、曲面上に固定した場合を図21に示す。どちらの場合も、圧力センサは指の接触に応じた出力を示した。また、曲面上に固定した場合、歪みセンサは定常的に出力した。これは、曲面に追従する様に曲げられることによって生じた歪みによるものである。これにより、平面上に固定した場合、および曲面上に固定した場合の双方に共通して、歪みセンサが圧力に対して不感であることが確認された。以上から、作製した圧力センサは、平面上に固定した場合、および曲面上に固定した場合のどちらでも加えられた圧力を確実に検出できることを確認した。   Moreover, the response of the pressure sensor and the strain sensor when the sensor was pressed with a finger was measured using a pressure sensor fixed on a plane. In addition, using a pressure sensor fixed on a peripheral wall (curved surface) of an acrylic pipe having a diameter of 5.5 cm, responses of the pressure sensor and the strain sensor when the sensor was pressed with a finger were measured. FIG. 20 shows a case where the output of the pressure sensor and the strain sensor when the sensor surface is pressed a plurality of times with a finger is fixed on a plane, and FIG. 21 shows a case where the output is fixed on a curved surface. In both cases, the pressure sensor showed an output in response to finger contact. Moreover, when it fixed on the curved surface, the distortion sensor output steadily. This is due to distortion caused by bending to follow the curved surface. Thereby, it was confirmed that the strain sensor is insensitive to the pressure in common in both the case of fixing on a flat surface and the case of fixing on a curved surface. From the above, it was confirmed that the produced pressure sensor can reliably detect the applied pressure both when fixed on a flat surface and when fixed on a curved surface.

本発明の圧力センサは、フレキシブルであるため、曲面上に固定することができ、さらに、高い感度で圧力を測定することができる。   Since the pressure sensor of the present invention is flexible, it can be fixed on a curved surface, and can measure pressure with high sensitivity.

100、101、100A:圧力センサ
10、11、10A:フレキシブル基板
11a:突起部
20、21、20A:弾性層
30、31、30A:第1歪検出膜
40、41、40A:第2歪検出膜
50、51、50A:保護層
51a:第1歪検出膜支持層
61a:第2歪検出膜支持層
Ea1、Ea2、EaA:第1電極
Eb1、Eb2、EbA:第2電極
Ec:銅電極

100, 101, 100A: pressure sensors 10, 11, 10A: flexible substrate 11a: protrusions 20, 21, 20A: elastic layers 30, 31, 30A: first strain detection films 40, 41, 40A: second strain detection films 50, 51, 50A: protective layer 51a: first strain detection film support layer 61a: second strain detection film support layer Ea1, Ea2, EaA: first electrode Eb1, Eb2, EbA: second electrode Ec: copper electrode

Claims (11)

フレキシブル基板と、
前記フレキシブル基板上に形成された弾性層と、
前記弾性層上に形成された第1歪検出膜と、を備える圧力センサ。
A flexible substrate;
An elastic layer formed on the flexible substrate;
And a first strain detection film formed on the elastic layer.
前記弾性層は、弾性材料からなる層または気体あるいは液体が封入された層である、請求項1に記載の圧力センサ。   The pressure sensor according to claim 1, wherein the elastic layer is a layer made of an elastic material or a layer in which a gas or a liquid is sealed. 前記フレキシブル基板上に、第2歪検出膜を有する歪みセンサをさらに備える請求項1または2に記載の圧力センサ。   The pressure sensor according to claim 1, further comprising a strain sensor having a second strain detection film on the flexible substrate. 前記第2歪検出膜は、前記フレキシブル基板と前記弾性層との間に配置される、請求項3に記載の圧力センサ。   The pressure sensor according to claim 3, wherein the second strain detection film is disposed between the flexible substrate and the elastic layer. 前記第2歪検出膜は、前記弾性層および前記第1歪検出膜の積層体に隣接して配置される、請求項3に記載の圧力センサ。   The pressure sensor according to claim 3, wherein the second strain detection film is disposed adjacent to a laminate of the elastic layer and the first strain detection film. 前記フレキシブル基板と前記第2歪検出膜との間に支持層をさらに備え、
前記支持層が、その表面の一部に前記第2歪検出膜の下面の一部に接触する突起部を有し、該第2歪検出膜が当該圧力センサに印可されたせん断力を検出可能である、請求項5に記載の圧力センサ。
Further comprising a support layer between the flexible substrate and the second strain detection film,
The support layer has a protrusion that contacts a part of the lower surface of the second strain detection film on a part of the surface thereof, and the second strain detection film can detect a shear force applied to the pressure sensor. The pressure sensor according to claim 5, wherein
複数の前記歪みセンサからなる第1歪みセンサ群を備え、
前記第1歪みセンサ群の前記複数の歪みセンサは、各々が有する歪み検出方位が、互いに直交するように配置される、請求項3〜6のいずれか一項に記載の圧力センサ。
A first strain sensor group comprising a plurality of strain sensors;
The pressure sensor according to any one of claims 3 to 6, wherein the plurality of strain sensors of the first strain sensor group are arranged so that strain detection orientations of the plurality of strain sensors are orthogonal to each other.
前記第1歪みセンサ群と、複数の前記歪みセンサからなる第2歪みセンサ群とを備え、
前記第1歪みセンサ群の歪みセンサに、前記第2歪みセンサ群の歪みセンサが重なるようにして配置される、請求項7に記載の圧力センサ。
The first strain sensor group, and a second strain sensor group comprising a plurality of the strain sensors,
The pressure sensor according to claim 7, wherein the strain sensors of the second strain sensor group are arranged so as to overlap the strain sensors of the first strain sensor group.
前記第1歪みセンサ群の歪みセンサが有する歪み検出方位と、前記第2歪みセンサ群の歪みセンサが有する歪み検出方位とが、互いに45°をなす方向に配置される、請求項8に記載の圧力センサ。   The strain detection azimuth possessed by the strain sensors of the first strain sensor group and the strain detection azimuth possessed by the strain sensors of the second strain sensor group are arranged in a direction forming 45 ° with each other. Pressure sensor. 複数の前記第1歪検出膜を備え、
前記第1歪検出膜が有する検出方位が互いに直交するように配置される、請求項1〜9のいずれか一項に記載の圧力センサ。
A plurality of the first strain detection films;
The pressure sensor as described in any one of Claims 1-9 arrange | positioned so that the detection direction which the said 1st strain detection film | membrane has may mutually orthogonally cross.
前記弾性層の一側に、前記弾性層とヤング率の異なる、前記第1歪検出膜を支持する他の支持層をさらに備え、該第1歪検出膜が片持ち梁構造を有する、請求項1〜10のいずれか一項に記載の圧力センサ。   The elastic layer further comprises another support layer supporting the first strain detection film having a different Young's modulus from the elastic layer, and the first strain detection film has a cantilever structure. The pressure sensor as described in any one of 1-10.
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