JP4403406B2

JP4403406B2 - 触覚センサおよびそれを用いた触覚センサユニット

Info

Publication number: JP4403406B2
Application number: JP2005013878A
Authority: JP
Inventors: マリアサナルディオカンポホセ; 春生野間; バッカロパブロ; 潔小暮; 信雄斎藤
Original assignee: ATR Advanced Telecommunications Research Institute International
Current assignee: ATR Advanced Telecommunications Research Institute International
Priority date: 2005-01-21
Filing date: 2005-01-21
Publication date: 2010-01-27
Anticipated expiration: 2025-01-21
Also published as: JP2006201061A

Description

本発明は、触覚センサおよびそれを用いた触覚センサユニットに関する。

触覚センサは、ロボットの手や、対象物の表面形状を検出するセンサとして用いられている。近年、センサに加えられた力の方向を検出する触覚センサも提案されている（たとえば特許文献１）。このセンサは、基板と、基板表面と平行になるように基板の上方に配置された支持部材と、基板上および支持部材上とに配置された２つの電極とを備える。そして、２つの電極間の静電容量に基づいてセンサに加えられた力を検出する。
特開２００４−２６４１７２号公報

しかしながら、従来のセンサは、センサが形成されている基板の表面と平行な方向の力に対する感度が十分ではなかった。また、触覚センサを覆うようにエラストマーなどの弾性体が形成されている場合、その弾性体に加わった力を感度よく検出することが容易ではなかった。

このような状況を考慮し、本発明は、従来の触覚センサとは全く異なる新規な構造を有する触覚センサ、およびそれを用いた触覚センサユニットを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の触覚センサは、基板と前記基板の上に配置された被膜とを含み、前記被膜に加えられた力を検出する触覚センサであって、前記基板の上に前記基板側から順に配置された第１および第２の層を含む積層部と、前記第１および第２の層を前記第２の層側に曲げることによって形成された起立部と、前記起立部の変形を検出するための検出手段とを含み、前記積層部および前記起立部は、それぞれ、互いに格子定数が異なる複数の層を含み、前記第１および第２の層は、前記複数の層における格子定数の差によって生じた力によって曲げられており、前記起立部と前記被膜とが接触しており、前記被膜に力が加えられることによって前記起立部が変形する。

なお、この明細書において、所定の物体の「上に積層」または「上に配置」とは、物体の上に直接積層（または配置）されている場合に加え、物体の上に他の層や空間を介して積層（または配置）されている場合を含む意味である。

また、本発明の他の触覚センサは、基板と前記基板の上に配置された被膜とを含み、前記被膜に加えられた力を検出する触覚センサであって、前記基板上に形成された起立部と、前記起立部の変形を検出するための検出手段とを含み、前記起立部と前記被膜とが接触しており、前記被膜に力が加えられることによって前記起立部が変形する。
また、本発明の触覚センサユニットは、複数の触覚センサを含む触覚センサユニットであって、その触覚センサが上記本発明の触覚センサである。

本発明によれば、被膜に加えられた力を検出できる触覚センサが得られる。この触覚センサによれば、被膜に加えられた力の大きさおよび方向を検出することが可能である。また、この触覚センサによれば、基板の表面に平行な方向に加えられた力と、基板の表面に垂直な方向に加えられた力とを検出できる。この触覚センサは、基板から立ち上がった起立部の変形を検出することによって被膜に加えられた力を検出するため、従来の触覚センサとは異なり、基板表面に平行な方向に加えられた力を高分解能で検出できる。また、ロボットハンドの先端などにこの触覚センサを用いることによって、器用に物を持ったり、握手などの動作をさせたりすることも可能である。

本発明の触覚センサを複数個組み合わせることによって、被膜に加えられた力の方向を２次元または３次元で検出できる。このような触覚センサを複数個含む本発明のセンサユニットは、任意の面積の外圧を検出することが可能である。特に、本発明の触覚センサおよびそれを用いたセンサユニットは、微小なセンサを形成できる、複数のセンサを高密度に配置できる、３次元方向の力を検出できる、といった特徴を有する。

本発明の触覚センサは、基板と基板（および積層部）の上に配置された被膜とを含み、被膜に加えられた力を検出する触覚センサであって、基板の上に基板側から順に配置された第１および第２の層を含む積層部と、第１および第２の層を第２の層側に曲げることによって形成された起立部と、起立部の変形を検出するための検出手段とを含む。積層部および起立部は、それぞれ、互いに格子定数が異なる複数の層を含む。第１および第２の層は、上記複数の層における格子定数の差によって生じた力によって曲げられている。起立部と被膜とは接触しており、被膜に力が加えられることによって起立部が変形する。

本発明の触覚センサでは、起立部の変形を検出手段で検出することによって、被膜に加えられた力を検出できる。検出手段は、基板上（積層部上）および起立部上に形成された２つの電極間の静電容量に基づいて起立部の変形を検出してもよい。なお、この場合、それぞれの電極は、複数の電極によって構成された電極群であってもよい。電極群を用いることによって、力の方向を検出することが容易になる。また、検出手段は、起立部または起立部と積層部との境界に形成されたピエゾ抵抗素子の抵抗値に基づいて起立部の変形を検出してもよい。この場合、ウィートストーンブリッジなどの公知の回路を用いて温度変化の影響を補償してもよい。また、検出手段は、その他の公知の方法、たとえば磁気を用いる方法などで起立部の変形を検出してもよい。被膜に加えられた力の大きさは、たとえば、被膜に加えられた力の大きさと検出手段で測定される測定値との関係について予め検量線を作成することによって求めることができる。

基板は、その上に形成される積層部に応じて選択される。たとえば、Ｓｉを含む半導体層で積層部が構成される場合には、Ｓｉ基板を用いることができる。また、積層部がIII−Ｖ族化合物半導体を主要な層として含む場合には、ＧａＡｓ基板などを用いることができる。

積層部は、格子定数が異なる材料からなる複数の層を含む。それらの層の格子定数の差によって層内に生じる歪み（内部応力）によって、積層部を構成する層の少なくとも一部が折り曲げられ、起立部が形成されている。格子定数が異なる複数の層は、たとえば半導体層で構成される。そのような層の組み合わせとしては、たとえば、Ｓｉ層とＳｉＧｅ層との組み合わせや、組成および／または組成比が異なるIII−Ｖ族化合物半導体などが挙げられる。III−Ｖ族化合物半導体の組み合わせとしては、たとえば、ＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ、ＧａＮ／ＩｎＧａＮが挙げられる。

格子定数が大きい層Ａと格子定数が小さい層Ｂとを隣接させると、層Ｂに曲がろうとする内部応力が発生する。また、格子定数が大きい層Ａと格子定数が小さい層Ｂとを、厚い層Ａ／層Ｂ／薄い層Ａというように積層させると、厚い層Ａが層Ｂに及ぼす応力の方が薄い層Ａが層Ｂに及ぼす応力よりも大きいため、トータルでは薄い層Ａ側に曲がろうとする応力が発生する。同様に、厚い層Ｂ／層Ａ／薄い層Ｂという積層膜では、トータルでは厚い層Ｂ側に曲がろうとする応力が発生する。このような関係を利用して、積層された複数の層を所定の方向に折り曲げることができる。

積層部の一部を基板から分離して起立部を形成するため、基板と積層部との間には、選択的に除去される層（犠牲層）が形成される。積層部がＳｉを含む半導体で形成される場合、犠牲層は、たとえばＳｉＯ₂で形成できる。また、積層部がIII−Ｖ族化合物半導体で形成される場合には、犠牲層は、たとえばＡｌ_0.5Ｇａ_0.5ＡｓとＡｌＡｓとを交互に複数層積層した膜で形成できる。

被膜は、通常、積層部および起立部を覆うように形成される。起立部と基板との間は、被膜で充填されていてもよいし、空間であってもよい。被膜は、被膜に加えられた力によって変形する材料で形成され、通常は弾性体である。被膜の材料、被膜の厚さ、素子の形状や大きさは、センサに求められる用途に応じて選択される。

本発明の触覚センサでは、検出手段は、起立部に形成されたピエゾ抵抗素子を含んでもよい。この構成では、ピエゾ抵抗素子の抵抗値をモニタすることによって起立部の変形を検出できる。

本発明の触覚センサでは、積層部と起立部との境界に位置する第１の折り曲げ部において、第１および第２の層が第２の層側に折り曲げられており、検出手段は、第１の折り曲げ部に形成されたピエゾ抵抗素子を含んでもよい。この構成では、ピエゾ抵抗素子の抵抗値をモニタすることによって起立部の変形（傾き）を検出できる。

本発明の触覚センサでは、積層部と起立部との境界に位置する第１の折り曲げ部と、起立部中の第２の折り曲げ部とにおいて、第１および第２の層が第２の層側に折り曲げられており、起立部は、第２の折り曲げ部によって基板の表面と対向するように配置された対向部を含み、検出手段は、互いに対向するように基板上（積層部上）と対向部上とに配置された第１および第２の電極を含み、第１の電極と第２の電極との間の静電容量の変化に基づいて起立部の変形が検出されてもよい。この場合、起立部は、第３の折り曲げ部において第１および第２の層を第１の層側に折り曲げることによって形成された先端部を含み、先端部が被膜と接触していてもよい。この構成では、被膜に加えられた力を先端部によって感度よく検出できる。

本発明の触覚センサでは、起立部は、起立部に接触する被膜の移動に応じて基板上（積層部上）をスライドするスライド部を含み、検出手段は、互いに対向するように基板上（積層部上）とスライド部上とに配置された第１および第２の電極を含み、第１の電極と第２の電極との間の静電容量の変化に基づいて起立部の変形が検出されてもよい。スライド部は、たとえば、積層部と起立部との境界に位置する第１の折り曲げ部と、起立部中の第２および第３の折り曲げ部とで第１および第２の層を折り曲げることによって形成できる。

本発明の触覚センサでは、被膜がエラストマーからなるものであってもよい。エラストマーの好ましい一例は、シリコーンゴムである。シリコーンゴムの硬度（ＪＩＳ−Ａ硬度）は、たとえば２０〜８０である。硬化前のシリコーンゴムの粘度は、たとえば１〜５００Ｐａ・ｓである。なお、被膜は、被膜に加えられた力に応じて変形し、その力を起立部に伝えるものであればよい。したがって、被膜は、樹脂やポリマーで形成されてもよい。

また、被膜は、多層構造を有してもよい。たとえば、基板に近いほど柔らかい材料（たとえば低密度のシリコーンゴム）で形成し、表面に近いほど硬い材料（たとえば高密度のシリコーンゴム）で形成してもよい。

本発明の触覚センサユニットは、本発明の触覚センサを複数個含む。複数のセンサは、必要に応じて所定の位置および所定の方向に配置される。たとえば、複数個の触覚センサを線状に配置してもよいし、２次元的に配置してもよい。また、複数個の触覚センサを同一の向きに配置してもよいし、向きを変えて配置してもよい。また、基板表面に水平な方向に加わる力の検出に適している触覚センサと、基板表面に垂直な方向に加わる力の検出に適している触覚センサを組み合わせてもよい。

本発明の触覚センサ（またはセンサユニット）は、外圧を認識する装置として様々な分野に適用できる。たとえば、通路や階段に埋め込んで、その上を移動する物を認識するセンサとして用いてもよい。また、物体の外形や凹凸を認識するセンサとして用いてもよい。本発明の触覚センサは、半導体プロセスを用いて微小なセンサを高密度に形成できるため、触覚センサユニットを、指紋や手相といった微小な凹凸を認識するセンサとして用いることも可能である。また、機械の操作部（たとえば自動車のステアリング）などに埋め込んで、操縦者の状態を判断するためのセンサとして用いてもよい。また、工業用ロボットのロボットハンドやヒューマノイド型ロボットの人工皮膚に用いられるセンサとして用いてもよい。また、義手や義足の触覚センサとして用いてもよい。

以下、本発明の実施形態について例を挙げて説明する。なお、以下の説明では、同様の部分に同一の符号を付して重複する説明を省略する場合がある。また、以下の図面では、理解を容易にするため、被膜などの図示を省略する場合がある。

（実施形態１）
本発明の触覚センサの一例について、その形状を模式的に示す斜視図を図１（ａ）に示し、断面図を図１（ｂ）に示す。図１の触覚センサ１００は、基板１０１と、基板１０１上に形成されたＳｉＯ₂層１２１および積層部１０２と、起立部１０３と、被膜１０４（図１（ａ）では図示せず）とを備える。

基板１０１は、シリコン基板である。積層部１０２は、基板１０１側から順に積層されたＳｉＧｅ層１２２（厚さ２０ｎｍ）およびアンドープのＳｉ層１２３（厚さ３４０ｎｍ）を含む。起立部１０３は、ＳｉＧｅ層（第１の層）１２２とＳｉ層（第２の層）１２３とをＳｉ層１２３側に折り曲げることによって形成されている。ＳｉＧｅ層１２２はＳｉ層１２３よりも格子定数が大きいため、これらの層は内部の歪みによって基板１０１から離れる方向に曲がっている。

起立部１０３は、ＳｉＧｅ層１２２およびＳｉ層１２３を曲げることによって形成されており、Ｕ字状の形状を有する。起立部１０３のＳｉ層１２３上には、ボロンドープのｐ−Ｓｉ層１２４が形成されている。Ｕ字状のｐ−Ｓｉ層１２４の両端は、それぞれ、積層部１０２上に形成された電極１２５および１２６に接続されている。ｐ−Ｓｉ層１２４は、ピエゾ抵抗素子として機能し、起立部１０３の変形によって抵抗が変化する。すなわち、ｐ−Ｓｉ層１２４は、起立部１０３の変形を検出する検出手段として機能する。

被膜１０４は、たとえばシリコーンゴムで形成される。被膜１０４は、積層部１０２および起立部１０３を覆うように、および基板１０１と起立部１０３との間を充填するように形成される。なお、基板１０１と起立部１０３との間は空洞であってもよい。

被膜１０４が押されると、被膜１０４に生じるせん断力によって起立部１０３が変形し、ｐ−Ｓｉ層１２４の抵抗値が変化する。この抵抗値は、被膜１０４が押される方向によって増加または減少する。たとえば、図１（ｂ）の方向Ａの力と方向Ｂの力とでは、ｐ−Ｓｉ層１２４が曲がる方向が異なるため、抵抗値の変化の方向（増加または減少）が反対となる。そのため、ｐ−Ｓｉ層１２４の抵抗値の変化の方向（増加または減少）と、変化の大きさとを測定することによって、被膜１０４が押す力の方向と大きさとを推定できる。

（実施形態２）
本発明の触覚センサの他の一例について、その形状を模式的に示す斜視図を図２（ａ）に示し、断面図を図２（ｂ）に示す。図２の触覚センサ２００は、基板１０１と、基板１０１上に形成されたＳｉＯ₂層２２１（厚さ４００ｎｍ）および積層部２０２と、起立部２０３と、被膜１０４（図２（ａ）では図示せず）とを備える。

積層部２０２は、基板１０１側から順に積層されたＳｉ層２２２（厚さ１００ｎｍ）、ＳｉＧｅ層２２３（厚さ３０ｎｍ、Ｇｅ量２１原子％）、Ｓｉ層２２４（厚さ２００ｎｍ）、ＳｉＧｅ層２２５（厚さ３０ｎｍ、Ｇｅ量２１原子％）、およびＳｉ層２２６（厚さ１００ｎｍ）を含む。

起立部２０３は、積層部２０２と起立部２０３との境界に位置する第１の折り曲げ部２３１においてＳｉ層（第１の層）２２２およびＳｉＧｅ層（第２の層）２２３（およびＳｉ層２２４）を、ＳｉＧｅ層２２３側に折り曲げることによって形成されている。起立部２０３は、たとえば、基板表面に対してほぼ垂直になるように形成される。第１の折り曲げ部２３１には、ピエゾ抵抗素子（ストレインゲージ）２３２が形成されている。ピエゾ抵抗素子２３２は、たとえばｐ形Ｓｉなどの公知の材料で形成できる。

被膜１０４は、起立部２０３を覆うように形成されている。被膜１０４に力が加えられると、起立部２０３が変形し、折り曲げ部２３１に形成されたピエゾ抵抗素子２３２の抵抗が変化する。この抵抗の変化から、被膜１０４に加えられた力の大きさおよび方向を検出できる。

（実施形態３）
本発明の触覚センサの他の一例について、その形状を模式的に示す斜視図を図３（ａ）に示す。図３（ａ）には、２つの触覚センサ３００が対向するように配置された例を示す。また、１つの触覚センサ３００の断面図を図３（ｂ）に示す。触覚センサ３００は、基板１０１と、基板１０１上に形成されたＳｉＯ₂層２２１および積層部２０２と、起立部３０３と、被膜１０４（図示せず）とを備える。

積層部２０２は、実施形態２で説明した積層部２０２と同じ構造を有する。Ｓｉ層（第１の層）２２２およびＳｉＧｅ層（第２の層）２２３は、積層部２０２と起立部３０３との境界に位置する第１の折り曲げ部３３１と、起立部３０３中の第２の折り曲げ部３３２において、ＳｉＧｅ層２２３側に約９０°に折り曲げられている（谷折り）。起立部３０３は、第２の折り曲げ部３３２によって基板１０１の表面と対向するように配向された対向部３０３ａを含む。

また、起立部３０３は、第３の折り曲げ部３３３においてＳｉ層２２２およびＳｉＧｅ層２２３をＳｉ層２２２側に約９０°折り曲げる（山折り）ことによって形成された先端部３０３ｂを含む。先端部３０３ｂは、基板１０１の表面に対してほぼ垂直に配置されている。なお、先端部３０３ｂは省略してもよい。

触覚センサ３００の検出手段は、互いに対向するように積層部２０２上と対向部３０３ａ上とに形成された第１および第２の電極３４１および３４２を含む。２つの電極は、導電性材料（たとえばＡｕのような金属）で形成できる。

被膜１０４は、少なくとも、起立部３０３のＳｉ層２２２の表面と接触するように配置される。被膜１０４は、積層部２０２と対向部３０３ａとの間を充填するように配置されてもよいが、両者の間は空間であってもよい。図３（ａ）のように複数の触覚センサ３００を対向するように配置し、粘度が高い被膜材料を用いることによって、積層部２０２と対向部３０３ａとの間を空間とすることが可能である。

被膜１０４に力が加えられると、起立部３０３が変形する。被膜１０４に加えられた力の方向に応じて、第２の電極３４２は、基板１０１の表面に対して平行な方向（図３（ｂ）のＡ方向）または垂直な方向（図３（ｂ）のＢ方向）に移動する。その結果、第１の電極３４１と第２の電極３４２との間の静電容量が変化する。この静電容量の変化をモニタすることによって、被膜１０４に加えられた力を検出できる。なお、第１の電極３４１と第２の電極３４２の少なくとも一方の電極を分割し、複数の短冊状の電極としてもよい（実施形態４の電極においても同様である）。短冊状の電極を図３（ｂ）のＡ方向に並べることによって、平行な方向の移動による容量の変化と、垂直な方向の移動による容量の変化とを分離しやすくなる。また、平行の方向の移動による容量の変化についても、移動の方向の判断が容易になる。

（実施形態４）
本発明の触覚センサの他の一例について、その主要部の形状を模式的に示す斜視図を図４（ａ）に示す。図４（ａ）の触覚センサ４００は、基板１０１と、基板１０１上に形成されたＳｉＯ₂層２２１および積層部２０２と、起立部４０３と、カバー４４０（図５に示す）と、被膜１０４（図示せず）とを備える。触覚センサ４００の起立部４０３の一部断面図を図４（ｂ）に示す。

積層部２０２は、実施形態２で説明した積層部２０２と同じ構造を有する。Ｓｉ層２２２およびＳｉＧｅ層２２３（およびＳｉ層２２４）の一部は、第１の折り曲げ部４３１と第２の折り曲げ部４３２とにおいて、ＳｉＧｅ層２２３側に折り曲げられている。また、Ｓｉ層２２２およびＳｉＧｅ層２２３の一部は、第３の折り曲げ部４３３においてＳｉ層２２２側に折り曲げられている。起立部４０３は、Ｓｉ層２２２およびＳｉＧｅ層２２３が折り曲げられることによって形成されたスライド部４０３ａを含む。スライド部４０３ａは、起立部４０３に接触する被膜１０４の移動に応じて積層部２０２上をスライドする。

被膜１０４は、スライド部４０３ａが基板１０１上を移動できるように、第２の折り曲げ部４３２からスライド部４０３ａにはできるだけ接触しないように形成される。そのため、図５に示すように、触覚センサ４００は、スライド部４０３ａを覆うように配置されたカバー４４０を備える。カバー４４０は、３つの折り曲げ部において、Ｓｉ層２２２およびＳｉＧｅ層２２３をＳｉＧｅ層２２３側に折り曲げることによって形成できる。被膜１０４の材料として粘度が高いものを用いることによって、スライド部４０３ａに被膜１０４が付着することを防止できる。

触覚センサ４００の検出手段は、互いに対向するように積層部２０２上とスライド部４０３ａ上に形成された第１および第２の電極４４１および４４２を含む。２つの電極は、導電性材料（たとえばＡｕのような金属）で形成できる。２つの電極が短絡しないように、電極の表面には、たとえばＳｉＯ₂からなる誘電体層４４３を形成する。

被膜１０４に力が加わると、起立部４０３が変形し、スライド部４０３ａがスライドする。その結果、第１の電極４４１と第２の電極４４２との間の静電容量が変化する。この静電容量の変化をモニタすることによって、被膜１０４に加わった力を検出できる。

（実施形態５）
本発明の触覚センサユニットの一例の上面図を図６に示す。図６の触覚センサユニット５００は、方向が９０°ずつずれるように配置された４つの触覚センサ３００と、それらの触覚センサ３００から得られる情報を処理するマイコン（マイクロコンピュータ）５０１とを備える。マイコン５０１には、電源供給ラインと、ネットワーク接続用のラインとが接続されている。触覚センサ３００はＳｉ基板上に形成されているため、マイコン５０１を同一基板上に形成することが可能である。触覚センサ３００とマイコン５０１とを結ぶ配線（図示せず）は、半導体プロセスで形成できる。

触覚センサユニット５００によれば、図６に示すように、２軸のせん断力と押圧力とを検出できる。このような触覚センサユニット５００は、単独で用いてもよいし、複数をマトリックス状に配置して用いてもよい。

触覚センサユニット５００をマトリックス状に配置した一例を図７に示す。図７の触覚センサユニット６００は、マトリックス状に配置された複数の触覚センサユニット５００を含む。各触覚センサユニット５００からの出力は、それらの情報を集約するマイコン６０１に入力される。マイコン６０１で集約された情報は、さらに上位の計算機へ出力される。触覚センサユニット６００に含まれる複数の触覚センサユニット５００は、１つの基板上に同時に形成することが可能である。

なお、図６および図７では、触覚センサ３００を用いた触覚センサユニットについて説明したが、本発明の触覚センサであれば、どのセンサを用いてもよい。触覚センサ３００の代わりに触覚センサ２００を用いた場合の２つの例の斜視図を、図８（ａ）および図８（ｂ）に模式的に示す。図８（ａ）のセンサユニットは、異なる方向に向けて配置された４つの触覚センサ２００を含む。また、図８（ｂ）のセンサユニットは、同一の方向に向けて配置された複数の触覚センサ２００を含む。

本発明の触覚センサユニットは、触覚センサを備える義手や義足、および触覚センサを備えるロボットの人工皮膚に用いることが可能である。また、触覚センサユニットは、ハンドル、階段、通路などに埋め込んで、人の動きを感知・予測する装置の一部として用いることもできる。また、触覚センサユニットは、その上に置かれた物体の形状や輪郭を認識する装置として用いることもできる。たとえば、図９（ａ）に示すように複数の触覚センサ３００が押圧を検出した場合、隣接する４つの触覚センサ３００が押圧を検出している触覚センサの出力を除去する演算を行うことによって、図９（ｂ）に示すように、物体の輪郭を認識できる。

（触覚センサの製造方法）
本発明の触覚センサは、半導体素子の製造に用いられている公知の方法を組み合わせて形成できる。以下、触覚センサ３００を例に挙げて製造方法の一例を説明する。製造工程を図１０（ａ）〜（ｆ）に示す。なお、図１０（ａ）、（ｃ）および（ｅ）は上面図であり、図１０（ｂ）、（ｄ）および（ｆ）はそれらに対応する断面図である。

まず、Ｓｉ単結晶からなる基板１０１（厚さ４００μｍ）上に、ＳｉＯ₂層２２１（厚さ４００ｎｍ）およびＳｉ層（厚さ２０ｎｍ）が形成されたＳＯＩ基板（（１００）面）を用意する。この基板上に、Ｓｉ層（厚さ８０ｎｍ）をエピタキシャル成長させて、Ｓｉ層２２２（厚さ１００ｎｍ）を形成する。次に、ＳｉＧｅ層２２３、Ｓｉ層２２４、ＳｉＧｅ層２２５、およびＳｉ層２２６を順次エピタキシャル成長させ、積層部２０２を形成する。エピタキシャル成長は、通常の条件で行うことができる。たとえば、基板温度５５０℃、成長速度６０ｎｍ／ｈの条件で行うことができる。また、Ｇｅはクヌーセンセルで供給してもよく、ＳｉはＥＢ蒸着で供給してもよい。

このようにして、図１０（ａ）および（ｂ）に示すように、基板１０１上に多層膜を形成する。次に、図１０（ｃ）および（ｄ）に示すように、多層膜の一部をエッチングして、３種類の溝１１、１２および１３を形成する。それらの溝は、フォトリソグラフィーとエッチングとを組み合わせることによって形成できる。溝１１は、第１および第２の折り曲げ部３３１および３３２（図３（ｂ）参照）に対応する位置に形成される。溝１１は、Ｓｉ層２２６とＳｉＧｅ層２２５とをエッチングすることによって形成できる。溝１２は、第３の折り曲げ部３３３（図３（ｂ）参照）に対応する位置に形成される。溝１２は、Ｓｉ層２２６、ＳｉＧｅ層２２５およびＳｉ層２２４をエッチングすることによって形成できる。溝１３は、積層部２０２を切り出して起立部３０３を形成するための溝である。溝１３は、ＳｉＯ₂層２２１に到達するように形成される。溝１３は、Ｓｉ層２２６、ＳｉＧｅ層２２５、Ｓｉ層２２４、ＳｉＧｅ層２２３およびＳｉ層２２２をエッチングすることによって形成できる。Ｓｉ層は、たとえばＮＨ₃水溶液でエッチングできる。また、ＳｉＧｅ層は、たとえばＨＦ／Ｈ₂Ｏ₂／ＣＨ₃ＣＯＯＨの混合水溶液でエッチングできる。また、溝１３を形成する場合には、Ｓｉ層およびＳｉＧｅ層をＨＦ／ＨＮＯ₃／ＣＨ₃ＣＯＯＨの混合水溶液でエッチングしてもよい。

次に、Ｓｉ層２２６上の所定の位置に、第１および第２の電極３４１および３４２を形成する。このとき、電極に接続された配線（図示せず）も形成する。これらの電極および配線は、蒸着法などの公知の方法で形成できる。

次に、起立部３０３となる部分に対応する位置に存在するＳｉＯ₂層２２１を除去する。ＳｉＯ₂層２２１の除去は、溝１３を介してウェットエッチングで行うことができる。エッチング液には、たとえばフッ酸（ＨＦ水溶液）を用いることができる。起立部３０３となる部分の下方に存在するＳｉＯ₂層２２１を除去すると、３つの折れ曲がり部で半導体層が折れ曲がる。

溝１１の部分では、ＳｉＧｅ層２２３が、それよりも格子定数が小さい２つのＳｉ層２２２（厚さ１００ｎｍ）とＳｉ層２２４（厚さ２００ｎｍ）とで挟まれている。したがって、厚いＳｉ層２２４がＳｉＧｅ２２３に及ぼす応力は、薄いＳｉ層２２２がＳｉＧｅ層２２３に及ぼす応力よりも大きく、そのために、それらの３つの層はＳｉ層２２４側に折れ曲がる。一方、溝１２の部分では、Ｓｉ層２２２およびＳｉＧｅ層２２３のみが存在するため、それら２つの層がＳｉ層２２２側に折れ曲がる。このようにして、３つの箇所で半導体層が折り曲げられ、図３に示すような起立部３０３が形成される。

次に、基板１０１および起立部３０３を覆うように被膜１０４を形成する。被膜１０４は、たとえば、被膜１０４の材料を基板１０１上に塗布したのち、その材料を硬化させることによって形成できる。被膜１０４の材料は、スピンコート法のような公知の方法で塗布できる。被膜１０４の材料の硬化の方法は、その材料に応じて選択される。このようにして触覚センサ３００が形成される。

なお、触覚センサ３００以外の他の触覚センサも、同様の方法で形成できる。触覚センサ１００、２００および４００を形成する場合の溝のパターンを、それぞれ、図１１（ａ）、（ｂ）および（ｃ）に示す。図１１（ａ）において、溝１３は、ＳｉＯ₂層まで到達する溝である。なお、図１１（ｂ）では、第１の折り曲げ部に幅が狭い２本の溝１１を形成しているが、幅が広い１本の溝１１としてもよい。

上記製造方法によれば、複数の触覚センサを同一基板上に同時に形成することが可能であり、本発明の触覚センサユニットを容易に製造できる。なお、上記製造方法は一例であり、本発明の触覚センサは他の方法で形成してもよい。たとえば、基板上の各層は、その層に応じて、蒸着法、ＣＶＤ法、その他の各種エピタキシャル法で形成できる。また、折り曲げ部に形成される溝を形成する際のエッチング法は、積層部を構成する半導体層に応じて任意の方法を適用できる。

上記実施形態では、Ｓｉ層とＳｉＧｅ層とを積層した多層膜を用いる例について説明したが、III−Ｖ族化合物半導体を用いても同様のセンサを形成できる。なお、折れ曲がり部の角度は、半導体層の厚さや組成、溝の幅によって制御できる。たとえば、Ｉｎ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ層とＧａＡｓ層とで構成された折れ曲がり部の場合、ＧａＡｓ層の曲率半径は、通常、以下の式で近似される。
Ｒ＝（ａ／Δａ）・｛（ｔ１＋ｔ２）／２｝

ここで、ａはＧａＡｓ層の格子定数であり、５．６５３３オングストロームである。また、Δａは、Ｉｎ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ層の格子定数（５．７３４３オングストローム）とＧａＡｓ層の格子定数との差である。また、ｔ１はＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ層の厚さ（単位：オングストローム）であり、ｔ２はＧａＡｓ層の厚さ（単位：オングストローム）である。

以上、本発明の実施形態について例を挙げて説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の技術的思想に基づいて他の実施形態に適用できる。

本発明の触覚センサおよびそれを用いたセンサユニットは、外圧を感知するセンサとして様々な分野に適用できる。

本発明の触覚センサの一例を模式的に示す（ａ）斜視図および（ｂ）断面図である。本発明の触覚センサの他の一例を模式的に示す（ａ）斜視図および（ｂ）断面図である。本発明の触覚センサのその他の一例を模式的に示す（ａ）斜視図および（ｂ）断面図である。本発明の触覚センサのその他の一例の一部を模式的に示す（ａ）斜視図および（ｂ）断面図である。図４の触覚センサの構造を模式的に示す斜視図である。本発明の触覚センサユニットの一例を模式的に示す上面図である。本発明の触覚センサユニットの他の一例を模式的に示す上面図である。本発明の触覚センサユニットの他の例を模式的に示す斜視図である。本発明の触覚センサユニットを用いて物体の外形を認識する方法を示す図である。本発明の触覚センサの製造方法の一例を模式的に示す断面図である。本発明の触覚センサの製造方法の他の例を模式的に示す上面図である。

符号の説明

１１、１２、１３溝
１００、２００、３００、４００触覚センサ
１０１基板
１０２、２０２積層部
１０３、２０３、３０３、４０３起立部
１０４被膜
１２１、２２１ＳｉＯ₂層
１２２、２２３、２２５ＳｉＧｅ層
１２３、２２２、２２４、２２６Ｓｉ層
１２４ｐ−Ｓｉ層（ピエゾ抵抗素子）
２３１、３３１、３３２、３３３、４３１、４３２、４３３折り曲げ部
２３２ピエゾ抵抗素子
３０３ａ対向部
３０３ｂ先端部
３４１、３４２、４４１、４４２電極（検出手段）
４０３ａスライド部
４４０カバー
４４３誘電体層
５００、６００触覚センサユニット
５０１、６０１マイコン

Claims

基板と前記基板の上に配置された被膜とを含み、前記被膜に加えられた力を検出する触覚センサであって、
前記基板の上に前記基板側から順に配置された第１および第２の層を含む積層部と、前記第１および第２の層を前記第２の層側に曲げることによって形成された起立部と、前記起立部の変形を検出するための検出手段とを含み、
前記積層部および前記起立部は、それぞれ、互いに格子定数が異なる複数の層を含み、
前記第１および第２の層は、前記複数の層における格子定数の差によって生じた力によって曲げられており、
前記起立部と前記被膜とが接触しており、
前記被膜に力が加えられることによって前記起立部が変形する触覚センサ。
前記検出手段は、前記起立部に形成されたピエゾ抵抗素子を含む請求項１に記載の触覚センサ。
前記積層部と前記起立部との境界に位置する第１の折り曲げ部において、前記第１および第２の層が前記第２の層側に折り曲げられており、
前記検出手段は、前記第１の折り曲げ部に形成されたピエゾ抵抗素子を含む請求項１に記載の触覚センサ。
前記積層部と前記起立部との境界に位置する第１の折り曲げ部と、前記起立部中の第２の折り曲げ部とにおいて、前記第１および第２の層が前記第２の層側に折り曲げられており、
前記起立部は、前記第２の折り曲げ部によって前記基板の表面と対向するように配置された対向部を含み、
前記検出手段は、互いに対向するように前記基板上と前記対向部上とに配置された第１および第２の電極を含み、
前記第１の電極と前記第２の電極との間の静電容量の変化に基づいて前記起立部の変形が検出される請求項１に記載の触覚センサ。
前記起立部は、第３の折り曲げ部において前記第１および第２の層を前記第１の層側に折り曲げることによって形成された先端部を含み、
前記先端部が前記被膜と接触している請求項４に記載の触覚センサ。
前記起立部は、前記起立部に接触する前記被膜の移動に応じて前記基板上をスライドするスライド部を含み、
前記検出手段は、互いに対向するように前記基板上と前記スライド部上とに配置された第１および第２の電極を含み、
前記第１の電極と前記第２の電極との間の静電容量の変化に基づいて前記起立部の変形が検出される請求項１に記載の触覚センサ。
前記被膜がエラストマーからなる請求項１〜６のいずれか１項に記載の触覚センサ。
基板と前記基板の上に配置された被膜とを含み、前記被膜に加えられた力を検出する触覚センサであって、
前記基板上に形成された起立部と、前記起立部の変形を検出するための検出手段とを含み、
前記起立部と前記被膜とが接触しており、
前記被膜に力が加えられることによって前記起立部が変形する触覚センサ。
前記基板上に形成された積層部を含み、
前記起立部は、前記積層部を構成する層の少なくとも一部を折り曲げることによって形成されている請求項８に記載の触覚センサ。
前記検出手段は、前記積層部と前記起立部との境界に位置する折り曲げ部に形成されたピエゾ抵抗素子である請求項９に記載の触覚センサ。
前記検出手段は、互いに対向するように前記基板上と前記起立部上とに配置された第１および第２の電極を含み、
前記第１の電極と前記第２の電極との間の静電容量の変化に基づいて前記起立部の変形が検出される請求項８に記載の触覚センサ。
複数の触覚センサを含む触覚センサユニットであって、
前記触覚センサが請求項１〜１１のいずれか１項に記載の触覚センサである触覚センサユニット。