JP4210296B2 - 力覚センサの製造方法 - Google Patents
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Description
多軸力覚センサは、例えば、加えられた外力による微小な歪み(圧縮、引張り)で抵抗値が変化する歪み抵抗素子(ピエゾ抵抗素子)の性質を利用したものが知られている(例えば、特許文献1,2)。
具体的には、力覚センサ用チップは、加えられた外力が伝達される作用部の周囲に歪み抵抗素子を適宜配置して、外力による歪み抵抗素子の抵抗値の変化を電気信号として検出することで、外力の大きさや方向を検知する。一方、加えられた外力をそのまま歪み抵抗素子に伝達すると、外力が大きすぎる場合には力覚センサ用チップの破損を招くおそれがある。このため、多様な外力に適切に対応するために、減衰装置を設けて、加えられた外力を適切な大きさに減衰して力覚センサ用チップに伝達している。
陽極接合では、前記のようにガラス板に負の電圧をかけ、相手側に正の電圧をかけて行なわれる。
なお、このような現象は、力覚センサ用チップ200とガラス板100とを接合してから、ガラス板100と減衰装置300とを接合する場合においても同様である。
さらに、バルクのガラス板を所定の形状にするため、切削加工等の機械加工を行なうとマイクロクラック(観察できない程度の微小なひび割れ)が発生する。このマイクロクラックは、ガラス板の耐荷重性を低下させるため、耐久性や信頼性に不安が残るという問題もあった。
そして、本発明は、第2に、バルクのガラス板を用いて陽極接合した場合に生じる上述の不具合を抑制した力覚センサおよびその製造方法を提供することを課題とする。
また、ガラス薄膜を成膜することで、バルクのガラス板よりも、はるかに薄くガラス層を形成することができる。このため、外力によるガラス層のたわみを最小限に低減することができるので、ガラス層のたわみを無視することも可能となり、力覚センサの設計自由度が向上する。
さらに、バルクのガラスを準備する必要がなく、切削加工等の機械加工を行なう必要がないので、部品点数を削減してコストを低減するとともに、マイクロクラックの発生を防止して、耐荷重性および耐久性、信頼性を向上させることができる。
このように、0.05〜20μm程度のガラス薄膜を成膜することで、陽極接合に必要な膜厚を確保するとともに、力覚センサ用チップと減衰装置との間に介在してリーク等の電気的な障害、および熱膨張係数の相違に基づく接合部の剥がれ等に起因する不具合を防止することができる。
本発明に係る力覚センサおよびその製造方法は、第2に、バルクのガラス板を用いて陽極接合した場合に生じる上述の不具合を抑制することができる。
なお、図面上において、説明の便宜上、歪みの程度、接合部の様子等は誇張して表わす場合がある。
ここで、本発明に係る力覚センサ1は、外力Fを6軸成分について力およびモーメントを検出できる6軸の力覚センサ1を例として説明する。具体的には、力の成分は、直交するX軸、Y軸、Z軸方向について、それぞれFx,Fy,Fzとする。そして、モーメントの成分は、X軸、Y軸、Z軸の回りについて、それぞれMx,My,Mzとする。
なお、本実施形態においては、6軸の力覚センサ1を例として説明するが、本発明は特に力覚センサの検出軸数や外力の大きさ等に制限されるものではない。
減衰装置3は、外観が偏平な円盤状の形状に構成され、外力Fが入力される入力部30と、入力部30に加えられた外力Fを減衰して力覚センサ用チップ2の作用部21に伝達する伝達部31と、力覚センサ用チップ2を固定する固定部32と、固定部32と入力部30とを連結している円板部34と、を備えている。そして、円板部34には、平面視で円弧状の長穴形状に形成された緩衝穴33が設けられている。
このように、緩衝穴33の数や形状を適宜調整して減衰装置3を製造することで、力覚センサ用チップ2のチップ耐力を超える大きさの外力Fが印加された場合であっても、適宜減衰された力が力覚センサ用チップ2に印加されてバランス良く高精度に外力Fの検出ができるようになる。
接合部11は力覚センサ用チップ2の作用部21と減衰装置3の伝達部31との接合部であり、接合部12は力覚センサ用チップ2の支持部22と減衰装置3における固定部32との接合部である。
力覚センサ1の製造工程には、力覚センサ用チップ2を製作する工程と、減衰装置3を製作する工程と、力覚センサ用チップ2と減衰装置3を陽極接合する工程と、が含まれている。
力覚センサ用チップ2を製作する工程は、半導体基板(ウェハ)上に活性層を形成して各抵抗素子(歪み抵抗素子S、温度補償用抵抗素子24等)を配置する工程と(図3参照)、コンタクトホール(不図示)を形成する工程と、種々の配線28や各電極の領域25,26(図3参照)および貫通孔A〜D,K〜N(図5参照)を形成する工程と、ウェハから半導体チップを切り出す工程と、を含んでいる。
半導体基板上に各抵抗素子を形成する工程では、半導体基板(ウェハ)に、歪み抵抗素子S、温度補償用抵抗素子24、およびモニタ用抵抗素子24a(図3参照)を所定の位置に形成する。例えば、n型(100)シリコンである半導体基板に、フォトリソグラフィーにより形成した抵抗素子を形成するためのレジストパターンをマスクとして、P型不純物であるボロンをイオン注入する。
その後、レジストパターンを除去して、p−CVD(プラズマ化学的気相成長法)により、酸化シリコン膜を層間絶縁膜として成長させる。そして、半導体基板を加熱して注入したボロンの活性化処理を行ない、活性層を形成する。
その後、ダイシングして、ウェハから力覚センサ用チップ2を切り出す。
蒸着法は、例えば、図4(a)に示すように、減圧下でガラス材料GをヒータTで融点ぐらいまで加熱してガラス材料Gを蒸発させ、ガラス薄膜10を固定部32および伝達部31の下面に凝縮して行なう。
さらに、バルクのガラスを準備する必要がなく、切削加工等の機械加工を行なう必要がないので、部品点数を削減してコストを低減するとともに、マイクロクラックの発生を防止して、耐荷重性および耐久性、信頼性を向上させることができる。
力覚センサ用チップ2において、作用部21は、力覚センサ用チップ2の中央に設けられ、減衰装置3の伝達部31がガラス薄膜10を介して接合されている(図1(b)を併せて参照)。
支持部22は、力覚センサ用チップ2の周縁部に位置し、連結部23に形成された直線状の貫通孔A〜Dのさらに外側の部分であって、その全部または一部が減衰装置3の固定部32とガラス薄膜10を介して接合されている(図1(b)参照)。
歪み抵抗素子Sは、作用部21から等しい距離に設けられた橋梁部23a2,23b2,23c2,23d2にそれぞれ3個ずつグループ化して4箇所に配置されている。具体的には,X軸方向の橋梁部23b2,23d2には、それぞれ歪み抵抗素子Sxa1〜Sxa3,Sxb1〜Sxb3が作用部21を挟んで対象となる位置に配置されている。また、Y軸方向の橋梁部23a2,23c2には、それぞれ歪み抵抗素子Sya1〜Sya3,Syb1〜Syb3が作用部21を挟んで対象となる位置に配置されている。
そして、各歪み抵抗素子Sxa1〜Sxa3,Sxb1〜Sxb3,Sya1〜Sya3,Syb1〜Syb3は、その長手方向が作用部21に向かう方向(それぞれX軸方向またはY軸方向)に沿って配列されている。
具体的には、貫通孔Kは、歪み抵抗素子Sxb1〜Sxb3と歪み抵抗素子Sya1〜Sya3との間に形成されている。貫通孔Lは、歪み抵抗素子Sya1〜Sya3と歪み抵抗素子Sxa1〜Sxa3との間に形成されている。貫通孔Mは、歪み抵抗素子Sxa1〜Sxa3と歪み抵抗素子Syb1〜Syb3との間に形成されている。そして、貫通孔Nは、歪み抵抗素子Syb1〜Syb3と歪み抵抗素子Sxb1〜Sxb3との間に形成されている。一方、直線状の貫通孔A,B,C,Dは、貫通孔K,L,M,Nの外側に形成されている。このような貫通孔A〜D,K〜Nによって、印加された外力F(図1参照)に応じた歪みが、歪み抵抗素子Sの配置位置において最も顕著に発生し、かつ、温度補償用抵抗素子24,24aの配置位置においては生じないようになっている。
これに対して、橋梁部23a2〜23d2、特に、歪み抵抗素子Sの配置位置や支持部22と弾性部23a1〜23d1との接続部においては、引張力や圧縮力が所定の方向に作用する。
温度補償用抵抗素子24は、温度補償対象である歪み抵抗素子Sと温度条件が同じであって、印加される外力Fによる歪みの影響を受けない場所に配置されている。すなわち、温度補償用抵抗素子24のそれぞれは、対応する歪み抵抗素子Sの近傍であって、自由端となっている貫通孔K,L,M,Nの内側周縁部の近くに配置されている。
具体的には、温度補償用抵抗素子24と歪み抵抗素子Sとでブリッジ回路を構成し、歪み抵抗素子Sの温度変化および外力F(図1)による抵抗値の変化と、温度補償用抵抗素子24の抵抗値の変化とを比較することで、歪み抵抗素子Sにおける外力Fによる抵抗値の変化のみを取り出して検出している。
なお、モニタ用抵抗素子24a(歪み抵抗素子)は、応力が生じていないときのゼロ出力状態が常に確認できるように設けられている。
具体的には、ハーフブリッジ回路HBは、歪み抵抗素子Sと温度補償用抵抗素子24の一端側(本図上の下側)が相互に連結されて、GND電極パッド(図3参照)を介してGNDアース電位に接続されている。そして、歪み抵抗素子Sと温度補償用抵抗素子24の他端側(本図上の上側)は、それぞれ信号電極パッド25,25に接続されている。
具体的には、フルブリッジ回路は、図6(b)に示すように、歪み抵抗素子Sおよび温度補償用抵抗素子24の他端側(本図上の上側)に接続された信号電極パッド25,25にそれぞれ外付け抵抗R1,R2の一端側を接続して、外付け抵抗R1,R2の他端側は相互に連結して電源電圧VEに接続されて構成されている。
このようなフルブリッジ回路を構成して、歪み抵抗素子S側の信号電極パッド25と、温度補償用抵抗素子24側の信号電極パッド25との間の出力信号を検出することで、歪み抵抗素子Sの抵抗値の変化から温度変化による抵抗値の変化をキャンセルして、歪み抵抗素子Sにおける外力F(図1参照)による抵抗値の変化のみを取り出して検出している。
本発明の実施形態に係る力覚センサ1に種々の軸成分を含んだ外力Fが入力されると、予め設計された割合で外力Fが減衰されて減衰後の力が力覚センサ用チップ2に伝達される。種々の軸成分の外力Fが入力された場合の減衰装置3の挙動について、図7を参照しながら説明する。図7は外力が加えられた場合の減衰装置の挙動を示す斜視図である。
例えば、図7(a)に示すように、X軸方向の外力Fxが入力部30に入力された場合には、入力部30が極めて微小ながらX軸方向に移動する。同様にして、Z軸方向の外力Fzが入力された場合には、図7(b)に示すように、入力部30がZ軸方向に移動する。そして、Y軸回りのモーメントMyが入力された場合には、入力部30がY軸回りに回転し、Z軸回りのモーメントMzが入力された場合には入力部30がZ軸回りに回転する。なお、他の軸成分についても同様であるので、その説明は省略する。
図8(a)に示すように、外力Fxの印加により作用部21がX方向に移動しようとし、これに伴って橋梁部23a2,23c2においてたわみが顕著に生じる。このとき、図8(b)に示すように、たわみの外側の歪み抵抗素子Sya1,Syb3には引張力が作用し、抵抗値が増加する。一方、たわみの内側の歪み抵抗素子Sya3,Syb1には圧縮力が作用し、抵抗値が減少する。歪み抵抗素子Sxa1〜Sxa3,Sxb1〜Sxb3は、外力Fxの影響を受けない。
図9(b)に示すように、外力Fzの印加により作用部21がZ方向に移動しようとし、これに伴って橋梁部23a2,23b2,23c2,23d2においてたわみが顕著に生じる。このとき、各歪み抵抗素子Sxa1〜Sxa3,Sxb1〜Sxb3,Sya1〜Sya3,Syb1〜Syb3は、半導体基板20の表面(上層部)に形成されているから、すべての歪み抵抗素子Sxa1〜Sxa3,Sxb1〜Sxb3,Sya1〜Sya3,Syb1〜Syb3に引張力が作用し、抵抗値が増加する。
図10(b)に示すように、外力Myの印加によりX軸方向の橋梁部23b2,23d2には、それぞれモーメントMyによるたわみが生じ、歪み抵抗素子Sxa1〜Sxa3には圧縮力が作用し、抵抗値が減少する。一方、歪み抵抗素子Sxb1〜Sxb3には引張力が作用し、抵抗値が増加する。ただし、Y軸方向の橋梁部23a2,23c2では、ほとんど引張力も圧縮力も作用せず、抵抗値は変化しない。
図11(b)に示すように、外力Mzの印加により各橋梁部23a2,23b2,23c2,23d2には、それぞれモーメントMzによるたわみが生じ、たわみの外側に配置された歪み抵抗素子Sya3,Sxa3,Syb3,Sxb3には引張力が作用し、抵抗値が増加する。一方、たわみの内側に配置された歪み抵抗素子Sya1,Sxa1,Syb1,Sxb1には圧縮力が作用し、抵抗値が減少する。ただし、たわみの中心に位置する歪み抵抗素子Sxa2,Sxb2,Sya2,Syb2には、ほとんど引張力も圧縮力も作用しないため、抵抗値は変化しない。
この抵抗変化率に基づいて、6軸の力覚センサ1から最終的に出力される信号は、各単一の成分(Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mz)に対応する演算抵抗変化率Sig1〜Sig6である。
Sig1=((R′Sya1−R′Sya3)+(R′Syb3−R′Syb1))/4
Sig2=((R′Sxa3−R′Sxa1)+(R′Sxb1−R′Sxb3))/4
Sig3=(R′Sxa2+R′Sya2+R′Sxb2+R′Sy2)/4
Sig4=(R′Sya2−R′Syb2)/2
Sig5=(R′Sba2−R′Sxa2)/2
Sig6=((R′Sxa3−R′Sxa1)+(R′Sya3−R′Sya1)
+(R′Sxb3−R′Sxb1)+(R′Syb3−R′Syb1))/8
ここで、抵抗変化率は、例えば、R′Sya1のように表すが、これはSya1の抵抗変化率を示すものである。なお、R′Sxa1〜R′Sxa3,R′Sxb1〜R′Sxb3,R′Sya1〜R′Sya3,R′Syb1〜Syb3は、各歪み抵抗素子の温度補償後の抵抗変化率を表す。
軸モーメントについても同様に、Mxを力覚センサ用チップ2に印加すると、Sig4は、MxとFyとの一次式として表される。また、Myを力覚センサ用チップ2に印加すると、Sig5は、MyとFxとの一次式として表される。Sig6は、Mzの一次式で表すことができる(他の軸成分を無視できる程度まで抑えることが可能)。
なお、この点についての詳細は、本出願人による先の出願に係る特開2003−207405号公報(図13)を参照されたい。
以下の説明において、前記した実施形態に係る力覚センサ1と同一の構成については、同一の符号を付して、その説明を省略する。
このように、減衰装置が力覚センサ用チップを保持する形態は多様であるが、本発明を実施する上では同様に適用することができる。
具体的には、力覚センサ用チップ2側に負電圧をかけ、減衰装置3側に正電圧をかけて、力覚センサ用チップ2に成膜されたガラス薄膜と減衰装置3とを陽極接合により接合する。
なお、力覚センサ用チップ2側にガラス薄膜を形成する場合においても、減衰装置3に形成する場合と同様に、蒸着法やスパッタリング法、その他の薄膜形成手法により、適宜ガラス薄膜を成膜することができる。
また、本実施形態においては、力覚センサ用チップ2を略正方形としているが、これに限定されるものではなく、矩形としてもよいし、円形としてもよい。また、減衰装置3も立方体や直方体の形状とすることもできる。本発明は、力覚センサ用チップ2の形状や減衰装置3の形状、およびこれらの組合せに関して、多様な形態を採用することができる。
2,2′ 力覚センサ用チップ
3,3′ 減衰装置
10 ガラス薄膜
11,12 接合部
21 作用部
22 支持部
23 連結部
30 入力部
31 伝達部
32 固定部
33 緩衝溝
Sxa1〜Sxa3 歪み抵抗素子
Sxb1〜Sxb3 歪み抵抗素子
Sya1〜Sya3 歪み抵抗素子
Syb1〜Syb3 歪み抵抗素子
Claims (5)
- 伝達された外力を歪み抵抗素子で検出する半導体基板からなる力覚センサ用チップと、この力覚センサ用チップを固定するとともに前記外力を減衰して前記力覚センサ用チップに伝達する金属からなる減衰装置と、を備え、
前記力覚センサ用チップと前記減衰装置とが接合部においてガラス層を介して接合された力覚センサの製造方法であって、
前記減衰装置の前記接合部を含む領域に、前記ガラス層として蒸着法またはスパッタリング法によりガラス薄膜を成膜する工程と、
前記力覚センサ用チップと前記減衰装置とを前記接合部で密着させた状態で前記力覚センサ用チップに正電圧を印加し、前記減衰装置に負電圧を印加して、前記ガラス薄膜と前記力覚センサ用チップとを陽極接合する工程と、
を含むことを特徴とする力覚センサの製造方法。 - 伝達された外力を歪み抵抗素子で検出する半導体基板からなる力覚センサ用チップと、この力覚センサ用チップを固定するとともに前記外力を減衰して前記力覚センサ用チップに伝達する金属からなる減衰装置と、を備え、
前記力覚センサ用チップと前記減衰装置とが接合部においてガラス層を介して接合された力覚センサの製造方法であって、
前記力覚センサ用チップの前記接合部を含む領域に、前記ガラス層として蒸着法またはスパッタリング法によりガラス薄膜を成膜する工程と、
前記力覚センサ用チップと前記減衰装置とを前記接合部で密着させた状態で力覚センサ用チップ側に負電圧を印加し、前記減衰装置側に正電圧を印加して、前記ガラス薄膜と前記力覚センサ用チップとを陽極接合により接合する工程と、
を含むことを特徴とする力覚センサの製造方法。 - 伝達された外力を歪み抵抗素子で検出する半導体基板からなる力覚センサ用チップと、この力覚センサ用チップを固定するとともに前記外力を減衰して前記力覚センサ用チップに伝達する金属からなる減衰装置と、を備え、
前記力覚センサ用チップと前記減衰装置とが接合部においてガラス層を介して接合された力覚センサの製造方法であって、
半導体基板上の所定の位置に歪み抵抗素子、配線、電極および貫通孔を形成する工程と、
前記半導体基板上において前記接合部を含む領域に、前記ガラス層として蒸着法またはスパッタリング法によりガラス薄膜を成膜する工程と、
ダイシングによって前記半導体基板から前記力覚センサ用チップを切り出す工程と、
前記力覚センサ用チップと前記減衰装置とを前記接合部で密着させた状態で力覚センサ用チップ側に負電圧を印加し、前記減衰装置側に正電圧を印加して、前記ガラス薄膜と前記力覚センサ用チップとを陽極接合により接合する工程と、
を含むことを特徴とする力覚センサの製造方法。 - 前記ガラス薄膜を成膜する工程は、0.05〜20μmの範囲の予め設定した厚みに成膜することを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の力覚センサの製造方法。
- 前記力覚センサ用チップは、前記外力が伝達される作用部と、この作用部に隣接する所定の位置に前記歪み抵抗素子が配置された連結部と、前記作用部および前記連結部を支持する支持部と、を有し、
前記減衰装置は、前記外力が入力される入力部と、前記力覚センサ用チップを固定する固定部と、前記作用部に前記外力を減衰して伝達する伝達部と、を有し、
前記接合部は、前記作用部と前記伝達部、および、前記支持部と前記固定部との間に設けられ、
前記連結部には、前記歪み抵抗素子に対して前記外力による引張力や圧縮力が所定の方向に作用するようにスリット状の貫通孔が形成されていることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の力覚センサの製造方法。
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