JP6160917B2 - MEMS sensor - Google Patents
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Description
本発明は、近接覚計測及び触覚計測用のＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）センサに関する。 The present invention relates to a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) sensor for proximity measurement and tactile measurement.
介護支援ロボットや産業用ロボット等が外界から情報を認識するためには光や音、力などの多種多様なセンサが必要である。特にロボットハンドにより物体を把持する場合、接触・非接触の境界状態の情報取得は重要である。これまで接触時の情報取得のための触覚センサ、非接触時の情報取得のための近接覚センサがロボットハンド実装用として開発されている（例えば非特許文献１、２等）。物体の近接を検知する手法としては、光や超音波の反射を用いる方法等、様々な手法が用いられている。また、物体の接触力を計測する触覚センサとして抵抗や静電容量の変化を検出する方式等が提案されている。しかし、これらは近接検知用と触覚検知用とにそれぞれ異なる種類の複数の素子を組み合わせる必要があり、小型化や高密度な実装には不利であった。そこで触覚と近接覚の２つのセンサをハイブリッド化することにより、センサアレイの省配線化を実現した研究が報告されている（例えば非特許文献３、４等）。 Nursing support robots, industrial robots, and the like need various sensors such as light, sound, and force in order to recognize information from the outside world. In particular, when an object is gripped by a robot hand, it is important to acquire information on a boundary state between contact and non-contact. So far, touch sensors for acquiring information at the time of contact and proximity sensors for acquiring information at the time of non-contact have been developed for mounting robot hands (for example, Non-Patent Documents 1 and 2). As a method for detecting the proximity of an object, various methods such as a method using reflection of light or ultrasonic waves are used. Further, as a tactile sensor for measuring the contact force of an object, a method for detecting a change in resistance or capacitance has been proposed. However, it is necessary to combine a plurality of different types of elements for proximity detection and tactile detection, which is disadvantageous for miniaturization and high-density mounting. In view of this, research has been reported in which the wiring of the sensor array is reduced by hybridizing two sensors of tactile sense and proximity sense (for example, Non-Patent Documents 3 and 4).
しかしながら当該センサは、２つのセンサを単に組み合わせたものであるため、近接覚計測と触覚計測のそれぞれの素子が17mm離れてしまっている。そして素子同士の距離が大きいため、近接覚と触覚を誤検知する可能性がある。また２つのセンサを組み合わせるため、センサ全体のサイズが大型化してしまい、小型化や高密度実装には不利であった。 However, since the sensor is simply a combination of two sensors, the elements for proximity measurement and tactile measurement are 17 mm apart. And since the distance between elements is large, there is a possibility of false detection of proximity and touch. Further, since the two sensors are combined, the size of the entire sensor is increased, which is disadvantageous for downsizing and high-density mounting.
従って、上記のような問題点に鑑みてなされた本発明の目的は、近接覚計測及び触覚計測を単一のＭＥＭＳセンサで検出する技術を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention made in view of the above problems is to provide a technique for detecting proximity measurement and tactile measurement with a single MEMS sensor.
上記課題を解決するために本発明に係るＭＥＭＳセンサは、
近接覚計測及び触覚計測用のＭＥＭＳセンサであって、
透光性弾性部材と、
前記透光性弾性部材に埋め込まれた少なくとも１つの検知素子と、
を有し、前記検知素子は、
半導体層上に絶縁層を介して設けられた２つの端子と、
前記半導体層に端部が接続され、前記透光性弾性部材に対する物体の接触に応じて変形するカンチレバーと、
前記カンチレバー上に設けられ、前記２つの端子に各端部が接続されたひずみゲージと、を備え、前記２つの端子間の直流抵抗の変化に基づき接触力を検知し、前記２つの端子間の交流インピーダンスの変化に基づき近接を検知することを特徴とする。
In order to solve the above problems, the MEMS sensor according to the present invention is:
A MEMS sensor for proximity measurement and tactile measurement,
A translucent elastic member;
At least one sensing element embedded in the translucent elastic member;
And the sensing element is
Two terminals provided on the semiconductor layer via an insulating layer;
An end connected to the semiconductor layer, and a cantilever deformed in response to contact of an object with the translucent elastic member;
A strain gauge provided on the cantilever and connected at each end to the two terminals, detecting a contact force based on a change in DC resistance between the two terminals, and Proximity is detected based on a change in AC impedance.
また、本発明に係るＭＥＭＳセンサは、
前記検知素子を３つ有し、
前記３つの検知素子は各々異なる方向を向いていることを特徴とする。
The MEMS sensor according to the present invention is
Having three sensing elements,
The three sensing elements are each directed in different directions.
また、本発明に係るＭＥＭＳセンサは、
前記透光性弾性部材は、高さ２ｍｍ以下で底面の直径が２ｍｍ以下の円柱形状であることを特徴とする。
The MEMS sensor according to the present invention is
The translucent elastic member has a cylindrical shape with a height of 2 mm or less and a bottom diameter of 2 mm or less.
また、本発明に係るＭＥＭＳセンサは、
前記交流インピーダンスを１ＭＨｚ以上の周波数で測定することを特徴とする。
The MEMS sensor according to the present invention is
The AC impedance is measured at a frequency of 1 MHz or more.
本発明におけるＭＥＭＳセンサによれば、近接覚計測及び触覚計測を単一のセンサで検出することができる。 According to the MEMS sensor of the present invention, proximity measurement and tactile measurement can be detected by a single sensor.
以下、本発明の実施の形態について説明する。 Embodiments of the present invention will be described below.
（センサの構造）
図１は本発明の一実施形態に係るＭＥＭＳセンサの構造を示す図である。本発明の一実施形態に係るＭＥＭＳセンサ１は、センサチップ２と、厚膜の透光性弾性部材層３と、透光性弾性部材４と、少なくとも１つの検知素子５とを備える。図１では検知素子５を３つ備える構造を示しており、以下本実施の形態では、検知素子５が３つである場合について説明する。なお検知素子５は、各々異なる方向を向いていることを特徴とする。
(Sensor structure)
FIG. 1 is a diagram showing the structure of a MEMS sensor according to an embodiment of the present invention. A MEMS sensor 1 according to an embodiment of the present invention includes a sensor chip 2, a thick translucent elastic member layer 3, a translucent elastic member 4, and at least one sensing element 5. FIG. 1 shows a structure including three sensing elements 5, and in the present embodiment, a case where there are three sensing elements 5 will be described below. Note that the detection elements 5 are directed in different directions.
センサチップ２は、サイズが５×５ｍｍ２であり、当該センサチップ２は厚膜の透光性弾性部材層３により覆われている。好適には当該透光性弾性部材層３の厚さは４０μｍである。また好適には透光性弾性部材層３は、透明のエラストマ（例えば、ポリジメチルシロキサン、ＰＤＭＳ）により構成する。 The sensor chip 2 has a size of 5 × 5 mm 2 , and the sensor chip 2 is covered with a thick translucent elastic member layer 3. Preferably, the thickness of the translucent elastic member layer 3 is 40 μm. Preferably, the translucent elastic member layer 3 is made of a transparent elastomer (for example, polydimethylsiloxane, PDMS).
透光性弾性部材４は透光性弾性部材層３上に設けられている。好適には図１に示すように透光性弾性部材４は円柱形状であり、高さ２ｍｍ以下で底面の直径が２ｍｍ以下である。好適には円の直径は１．６ｍｍであり、高さは１．５ｍｍである。また好適には透光性弾性部材４は、透明のエラストマ（ＰＤＭＳ）により構成する。なお、透光性弾性部材層３と透光性弾性部材４は、同一材料で一体的に形成されて良い。 The translucent elastic member 4 is provided on the translucent elastic member layer 3. Preferably, as shown in FIG. 1, the translucent elastic member 4 has a cylindrical shape, and has a height of 2 mm or less and a bottom surface diameter of 2 mm or less. The diameter of the circle is preferably 1.6 mm and the height is 1.5 mm. Preferably, the translucent elastic member 4 is made of a transparent elastomer (PDMS). The translucent elastic member layer 3 and the translucent elastic member 4 may be integrally formed of the same material.
検知素子５は透光性弾性部材層３及び透光性弾性部材４に埋め込まれ、当該検知素子５により近接覚計測及び触覚計測を行う。なお、透光性弾性部材層３及び透光性弾性部材４は一体的に形成されるので、以下、単に、透光性弾性部材４に埋め込まれると表現する。図２は、本発明の一実施形態に係るＭＥＭＳセンサの写真である。 The sensing element 5 is embedded in the translucent elastic member layer 3 and the translucent elastic member 4, and proximity sensing and tactile sensing are performed by the sensing element 5. In addition, since the translucent elastic member layer 3 and the translucent elastic member 4 are integrally formed, hereinafter, it is simply expressed as being embedded in the translucent elastic member 4. FIG. 2 is a photograph of a MEMS sensor according to an embodiment of the present invention.
図３に、検知素子５の構造を示す。検知素子５は、半導体基板５０と、第一絶縁層５１と、半導体層５２と、第二絶縁層５３と、端子５４Ａ及び端子５４Ｂと、カンチレバー５５と、ひずみゲージ５６と、応力層５７とを備える。検知素子５は、表面ＭＥＭＳプロセスにより作製する。 FIG. 3 shows the structure of the sensing element 5. The sensing element 5 includes a semiconductor substrate 50, a first insulating layer 51, a semiconductor layer 52, a second insulating layer 53, a terminal 54A and a terminal 54B, a cantilever 55, a strain gauge 56, and a stress layer 57. Prepare. The sensing element 5 is manufactured by a surface MEMS process.
半導体基板５０は、好適にはケイ素（Ｓｉ）により構成する。半導体基板５０上には第一絶縁層５１が設けられる。好適には第一絶縁層５１は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）により構成する。半導体層５２は第一絶縁層５１上に設けられる。好適には半導体層５２はケイ素（Ｓｉ）により構成する。半導体層５２上には第二絶縁層５３が設けられる。好適には第二絶縁層５３は、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）により構成する。端子５４Ａ及び端子５４Ｂは、第二絶縁層５３上に設けられる。すなわち端子５４Ａ及び端子５４Ｂは、半導体層５２上に第二絶縁層５３を介して設けられる。好適には端子５４Ａ及び端子５４Ｂは、金（Ａｕ）により構成する。 The semiconductor substrate 50 is preferably made of silicon (Si). A first insulating layer 51 is provided on the semiconductor substrate 50. The first insulating layer 51 is preferably composed of silicon dioxide (SiO 2 ). The semiconductor layer 52 is provided on the first insulating layer 51. The semiconductor layer 52 is preferably made of silicon (Si). A second insulating layer 53 is provided on the semiconductor layer 52. The second insulating layer 53 is preferably composed of silicon nitride (Si 3 N 4 ). The terminal 54A and the terminal 54B are provided on the second insulating layer 53. That is, the terminal 54 </ b> A and the terminal 54 </ b> B are provided on the semiconductor layer 52 via the second insulating layer 53. The terminals 54A and 54B are preferably made of gold (Au).
カンチレバー５５は、半導体層５２にその端部が接続される。ここで透光性弾性部材４に物体が接触した場合、接触力により透光性弾性部材４が変形する。そして透光性弾性部材４が変形した場合、カンチレバー５５が変形する。すなわち、カンチレバー５５は、透光性弾性部材４に対する物体の接触に応じて変形する。カンチレバー５５にはひずみゲージ５６が設けられる。ひずみゲージ５６の端部は、それぞれ端子５４Ａ及び端子５４Ｂに接続される。好適にはひずみゲージ５６は、厚さ５０ｎｍのジグザグパターンのニクロム（ＮｉＣｒ）抵抗により構成する。またカンチレバー５５には応力層５７が成膜・パターニングされ、図３に示すように応力層５７により、カンチレバー５５が、半導体基板５０に対して上方向に傾斜される。好適には応力層５７は厚さ２００ｎｍのクロム（Ｃｒ）により構成する。 The end of the cantilever 55 is connected to the semiconductor layer 52. Here, when an object contacts the translucent elastic member 4, the translucent elastic member 4 is deformed by the contact force. When the translucent elastic member 4 is deformed, the cantilever 55 is deformed. That is, the cantilever 55 is deformed according to the contact of the object with the translucent elastic member 4. The cantilever 55 is provided with a strain gauge 56. The ends of the strain gauge 56 are connected to the terminals 54A and 54B, respectively. Preferably, the strain gauge 56 is constituted by a nichrome (NiCr) resistor having a zigzag pattern having a thickness of 50 nm. Further, a stress layer 57 is formed and patterned on the cantilever 55, and the cantilever 55 is inclined upward with respect to the semiconductor substrate 50 by the stress layer 57 as shown in FIG. The stress layer 57 is preferably made of chromium (Cr) having a thickness of 200 nm.
（触覚の検知原理）
垂直圧力および剪断力（３軸力）がＭＥＭＳセンサ１の透光性弾性部材４に加わると、カンチレバー５５の変形によりひずみゲージ５６の抵抗値が変化する。すなわち端子５４Ａ及び端子５４Ｂ間の直流抵抗の変化に基づき接触力を検知することができる。ここで変形が微小である場合、抵抗変化ΔR/Rは、印加された３軸力Fi(i=x,y,z)の線形結合で表現することができる（数式（１））。
When the vertical pressure and the shearing force (triaxial force) are applied to the translucent elastic member 4 of the MEMS sensor 1, the resistance value of the strain gauge 56 changes due to the deformation of the cantilever 55. That is, the contact force can be detected based on the change in DC resistance between the terminal 54A and the terminal 54B. Here, when the deformation is very small, the resistance change ΔR / R can be expressed by a linear combination of the applied triaxial forces F i (i = x, y, z) (Equation (1)).
図１に示すように、検知素子５は、各々異なる方向を向いている。そのため各検知素子５のカンチレバー５５も、各々異なる方向を向いている。そのため予めそれぞれの方向に対する感度kxを測定しておくことにより、各検知素子５のひずみゲージ５６の抵抗変化から３軸力の検出が可能となる。なお本実施の形態では、検知素子５が３つの場合を説明するが、仮に検知素子５が３つ未満の場合（例えば検知素子５が１つの場合）でも、所定方向の力の検出が可能となる。 As shown in FIG. 1, the detection elements 5 are directed in different directions. Therefore, the cantilevers 55 of the detection elements 5 are also directed in different directions. Therefore, by measuring the sensitivity k x in each direction in advance, the triaxial force can be detected from the resistance change of the strain gauge 56 of each sensing element 5. In the present embodiment, the case where there are three sensing elements 5 will be described. However, even if the number of sensing elements 5 is less than three (for example, when there is one sensing element 5), a force in a predetermined direction can be detected. Become.
（近接覚の検知原理）
図４に検知素子５の断面構造を示す。図４は、図３の検知素子５を端子５４Ａ及び端子５４Ｂを通り、半導体基板５０に対して垂直な面で切った断面図である。物体がＭＥＭＳセンサ１に近接した場合、透光性弾性部材４を透過してＭＥＭＳセンサ１が受ける光強度が変化する。そして当該光強度の変化により、半導体層５２の抵抗値及び空乏層容量が半導体の光導電効果により変化する。図４では断面図上に等価回路を示している。半導体層５２、端子５４Ａ、及び第二絶縁層５３は、キャパシタ５３１、５３２を構成する。半導体層５２の抵抗値は可変抵抗５２１に相当する。半導体層５２の空乏層容量は各々可変キャパシタ５２２、５２３に相当する。そして光強度の変化による端子５４Ａ及び端子５４Ｂ間の交流インピーダンス変化を検出することにより、近接覚を検知する。一般に光源からの距離ｒ(ｍ)の地点における光の放射強度Ｉ(Ｗ/ｓｒ)は、数式（２）で表される。
FIG. 4 shows a cross-sectional structure of the sensing element 5. 4 is a cross-sectional view of the sensing element 5 of FIG. 3 taken along a plane that passes through the terminals 54A and 54B and is perpendicular to the semiconductor substrate 50. FIG. When an object approaches the MEMS sensor 1, the light intensity that the MEMS sensor 1 receives through the translucent elastic member 4 changes. With the change in light intensity, the resistance value and depletion layer capacitance of the semiconductor layer 52 change due to the photoconductive effect of the semiconductor. FIG. 4 shows an equivalent circuit on the cross-sectional view. The semiconductor layer 52, the terminal 54A, and the second insulating layer 53 constitute capacitors 531 and 532. The resistance value of the semiconductor layer 52 corresponds to the variable resistor 521. The depletion layer capacitance of the semiconductor layer 52 corresponds to the variable capacitors 522 and 523, respectively. Then, the proximity sense is detected by detecting an AC impedance change between the terminal 54A and the terminal 54B due to a change in light intensity. In general, the radiation intensity I (W / sr) of light at a point at a distance r (m) from the light source is expressed by Equation (2).
（触覚・近接覚情報の分離に係る原理）
図５に端子５４Ａ（端子Ａ）及び端子５４Ｂ（端子Ｂ）間の等価回路を示す。図５に示すように、ＡＢ間の等価回路は、直流特性を与えるひずみゲージ５６による可変抵抗５６１と、交流特性を与える半導体層５２の空乏層容量（可変キャパシタ５２２及び可変キャパシタ５２３）および可変抵抗５２１と、第二絶縁層５３に対応するキャパシタ５３１、５３２を含む回路の並列回路で表現される。
(Principle related to separation of tactile and proximity information)
FIG. 5 shows an equivalent circuit between the terminal 54A (terminal A) and the terminal 54B (terminal B). As shown in FIG. 5, an equivalent circuit between AB includes a variable resistor 561 by a strain gauge 56 that provides DC characteristics, a depletion layer capacitance (variable capacitor 522 and variable capacitor 523) and a variable resistor of a semiconductor layer 52 that provides AC characteristics. 521 and a parallel circuit of a circuit including capacitors 531 and 532 corresponding to the second insulating layer 53.
近接覚計測及び触覚計測用のハイブリッド計測においては、第二絶縁層５３（キャパシタ５３１、５３２）が交流・直流のフィルタの役割を果たし、触覚計測と近接覚計測を切り替える。触覚計測の直流抵抗測定時には、第二絶縁層５３が絶縁層として振る舞うため、ひずみゲージ５６の抵抗変化のみを検出可能となる。一方、近接覚計測の交流インピーダンス測定時には、第二絶縁層５３がキャパシタとして振る舞う。端子ＡＢ間の交流インピーダンスは、ひずみゲージ５６の抵抗変化と、半導体層５２の特性変化の両方の影響を受けるが、前者は後者と比較して充分小さい変化である。よって、交流インピーダンスから触覚情報と独立して近接覚情報を検出可能である。 In hybrid measurement for proximity measurement and tactile measurement, the second insulating layer 53 (capacitors 531 and 532) serves as an AC / DC filter, and switches between tactile measurement and proximity measurement. Since the second insulating layer 53 behaves as an insulating layer at the time of DC resistance measurement for tactile measurement, only the resistance change of the strain gauge 56 can be detected. On the other hand, the second insulating layer 53 behaves as a capacitor when measuring the AC impedance for proximity measurement. The AC impedance between the terminals AB is affected by both the resistance change of the strain gauge 56 and the characteristic change of the semiconductor layer 52, but the former is a sufficiently small change compared to the latter. Therefore, proximity information can be detected independently of tactile information from AC impedance.
（等価回路の妥当性評価）
図５で示した等価回路の妥当性を評価するため、端子ＡＢ間の交流インピーダンスの周波数依存性を測定した。ＬＣＲメータ（日置電機;３５３２−５０）を用いて測定した交流インピーダンスの周波数特性を図６（ａ）に示す。ここで、Sensor No.とはセンサチップ上の検知素子５の識別番号である。ZおよびZoは、それぞれ測定周波数における複素インピーダンス、および５０Ｈｚにおけるインピーダンス絶対値である。
(Validity evaluation of equivalent circuit)
In order to evaluate the validity of the equivalent circuit shown in FIG. 5, the frequency dependence of the AC impedance between the terminals AB was measured. FIG. 6A shows the frequency characteristics of the AC impedance measured using an LCR meter (Hioki Electric; 3532-50). Here, Sensor No. is an identification number of the detection element 5 on the sensor chip. Z and Z o are the complex impedance at the measurement frequency and the absolute impedance value at 50 Hz, respectively.
１０ｋＨｚ程度までの低周波数領域においてはインピーダンス絶対値は７ｋΩ程度であり、これはひずみゲージ５６の抵抗値と一致する。１０ｋＨｚ以上の高周波数領域ではインピーダンス絶対値は低下する。これは、第二絶縁層５３のリアクタンスが小さくなり、半導体層５２がひずみゲージ５６に対して並列に接続された回路となったためと考えられる。また、複素インピーダンスをベクトル表示したＣｏｌｅ-Ｃｏｌｅプロットを図６（ｂ）に示す。ベクトル軌跡は下半円に近く、また、インピーダンスに共振点が見られない。したがって、図５に示した等価回路は概ね妥当であるといえる。 In the low frequency region up to about 10 kHz, the impedance absolute value is about 7 kΩ, which matches the resistance value of the strain gauge 56. The impedance absolute value decreases in a high frequency region of 10 kHz or higher. This is probably because the reactance of the second insulating layer 53 is reduced, and the semiconductor layer 52 is connected in parallel to the strain gauge 56. In addition, FIG. 6B shows a Cole-Cole plot in which the complex impedance is displayed as a vector. The vector locus is close to the lower half circle, and no resonance point is seen in the impedance. Therefore, it can be said that the equivalent circuit shown in FIG.
（触覚・近接覚計測に係るセンサ出力の評価（実験例１））
本実施の形態に係るＭＥＭＳセンサ１に関し、物体との接触および非接触時それぞれの場合におけるセンサ出力を評価した。図７（ａ）に実験例１の測定系を示す。当該測定系は暗室内に配置される。図７（ａ）に示すように、ＭＥＭＳセンサ１の傍に投光用のチップＬＥＤ６（エレキット;ＬＫ−１ＷＨ−６）を配置し、これと離れた位置に物体７（白色ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）板２０×２０ｍｍ2）を、一点鎖線８で繋いだ位置が鉛直方向に重なるように配置した。物体７上には操作用の押圧子７１を設けた。
(Evaluation of sensor output for tactile and proximity measurement (Experimental example 1))
Regarding the MEMS sensor 1 according to the present embodiment, the sensor output in each case of contact with and non-contact with an object was evaluated. FIG. 7A shows the measurement system of Experimental Example 1. The measurement system is arranged in a dark room. As shown to Fig.7 (a), chip | tip LED6 (ELEKIT; LK-1WH-6) for light projection is arrange | positioned near the MEMS sensor 1, and the object 7 (white polytetrafluoroethylene ( PTFE) plates 20 × 20 mm 2 ) were arranged so that the positions connected by the alternate long and short dash line 8 overlapped in the vertical direction. An operation pressing member 71 is provided on the object 7.
このように構成した測定系において、物体７とＭＥＭＳセンサ１の透光性弾性部材４間の距離を変化させ、デジタルマルチメータ（アドバンテスト;Ｒ６５８１）を用いて直流抵抗を測定し、またＬＣＲメータを用いて交流インピーダンスをそれぞれ測定した。図７（ｂ）に、接触時・非接触時それぞれの場合の、透光性弾性部材４と物体間の距離に対する直流抵抗及び交流インピーダンス（０．５〜２ＭＨｚ）の変化を測定した結果を示す。なお距離０ｍｍにおける直流抵抗及びインピーダンスを基準とした。 In the measurement system configured as described above, the distance between the object 7 and the translucent elastic member 4 of the MEMS sensor 1 is changed, the DC resistance is measured using a digital multimeter (Advantest; R6581), and the LCR meter is Each was measured for AC impedance. FIG. 7B shows the results of measuring changes in DC resistance and AC impedance (0.5 to 2 MHz) with respect to the distance between the translucent elastic member 4 and the object in each case of contact and non-contact. . The standard was DC resistance and impedance at a distance of 0 mm.
図７（ｂ）に示すように、ＭＥＭＳセンサ１と物体７間の距離が０ｍｍより大きい領域、すなわち非接触時は、カンチレバー５５が変形しないため直流抵抗がほとんど変化しない。そのため交流インピーダンスのみが、数式(２)に対応した非線形な変化を示す。 As shown in FIG. 7B, in a region where the distance between the MEMS sensor 1 and the object 7 is larger than 0 mm, that is, in a non-contact state, the direct current resistance hardly changes because the cantilever 55 is not deformed. Therefore, only the AC impedance shows a non-linear change corresponding to Equation (2).
一方、ＭＥＭＳセンサ１と物体７間の距離が０ｍｍ未満の領域、すなわち接触後はカンチレバー５５の変形により直流抵抗が数式(１)に対応した線形に近い変化を示す。接触後の距離の変位は微小であるため交流インピーダンスの変化は小さい。なお横軸の距離が負の領域は、物体７がＭＥＭＳセンサ１に押し込まれていることを示している。 On the other hand, the region where the distance between the MEMS sensor 1 and the object 7 is less than 0 mm, that is, after contact, the cantilever 55 is deformed so that the direct current resistance changes almost linearly corresponding to Equation (1). Since the displacement of the distance after the contact is very small, the change in the AC impedance is small. The region where the distance on the horizontal axis is negative indicates that the object 7 is pushed into the MEMS sensor 1.
以上の結果から、本手法により、物体接触後の触覚情報と接触前の物体近接時の距離情報を単一のＭＥＭＳセンサ１で検出可能であることが示された。 From the above results, it was shown that the tactile information after the object contact and the distance information at the time of the object proximity before the contact can be detected by the single MEMS sensor 1 by this method.
なお測定した周波数範囲において、周波数が高いほど近接覚計測の感度が高い結果となっている。これは、高周波数になると第二絶縁層５３のリアクタンスが小さくなり、半導体層５２の特性変化が見えやすくなることに起因すると考えられる。好適には本実施形態に係るＭＥＭＳセンサ１では、１ＭＨｚ以上の周波数で交流インピーダンスを測定することが好ましいといえる。 In the measured frequency range, the higher the frequency, the higher the sensitivity of proximity measurement. This is considered to be caused by the fact that the reactance of the second insulating layer 53 is reduced at a high frequency, and the characteristic change of the semiconductor layer 52 is easily visible. Preferably, it can be said that the MEMS sensor 1 according to the present embodiment preferably measures AC impedance at a frequency of 1 MHz or higher.
（近接覚計測に係る評価（実験例２））
実験例１ではＭＥＭＳセンサ１に対して垂直な方向の特性を評価した。実験例２ではＭＥＭＳセンサ１に対して水平方向の特性を評価するために、物体表面付近でＭＥＭＳセンサ１を水平スキャンすることによる物体形状の検出を試みた。
(Evaluation related to proximity measurement (Experimental example 2))
In Experimental Example 1, characteristics in a direction perpendicular to the MEMS sensor 1 were evaluated. In Experimental Example 2, in order to evaluate the characteristics in the horizontal direction with respect to the MEMS sensor 1, an attempt was made to detect the object shape by horizontally scanning the MEMS sensor 1 in the vicinity of the object surface.
実験例２では、図７に示した測定系においてＰＴＦＥ板を取り外し、図８(a)に示す同心円筒形状の物体９を、空洞部分の片面を白色の厚紙により覆ったのち、その反対の面がＭＥＭＳセンサ１と向かい合うように取り付けた。ＭＥＭＳセンサ１の透光性弾性部材４と物体の底面間の距離を１ｃｍに固定し、図７(a)に示すx及びy方向にＭＥＭＳセンサ１とＬＥＤ６を動かし、２．５ｍｍ間隔で二次元スキャンした。 In Experimental Example 2, the PTFE plate was removed from the measurement system shown in FIG. 7, and the concentric cylindrical object 9 shown in FIG. 8 (a) was covered with white cardboard on one side of the hollow portion, and the opposite side. Was attached to face the MEMS sensor 1. The distance between the translucent elastic member 4 of the MEMS sensor 1 and the bottom surface of the object is fixed to 1 cm, the MEMS sensor 1 and the LED 6 are moved in the x and y directions shown in FIG. Scanned.
図８（ｂ）に、センサが各座標に位置するときの交流インピーダンス（１ＭＨｚ）を測定した結果を示す。なお、原点における交流インピーダンスを基準としている。図８(ｃ)は、図８(ｂ)においてy座標が３７．５ｍｍの部分を抽出したものである。図８中の破線は、透光性弾性部材４の中心部分が物体の縁の直下に位置する座標を示しており、同心円筒形状に対応していることがわかる。 FIG. 8B shows the result of measuring the AC impedance (1 MHz) when the sensor is located at each coordinate. The AC impedance at the origin is used as a reference. FIG. 8C shows an extracted portion where the y-coordinate is 37.5 mm in FIG. 8B. The broken lines in FIG. 8 indicate coordinates at which the central portion of the translucent elastic member 4 is located immediately below the edge of the object, and it can be seen that this corresponds to a concentric cylindrical shape.
このように本実施の形態に係るＭＥＭＳセンサ１によれば、直流抵抗の測定により触覚情報を、交流インピーダンスの測定により近接覚情報をそれぞれ別個に検出できるため、近接覚計測及び触覚計測を単一のセンサで検出することができる。 As described above, according to the MEMS sensor 1 according to the present embodiment, tactile information can be separately detected by measuring DC resistance, and proximity information can be separately detected by measuring AC impedance. It is possible to detect with this sensor.
また本実施の形態に係るＭＥＭＳセンサ１によれば、検知素子５を各々異なる方向を向いているように設けているため、各検知素子５のひずみゲージ５６の抵抗変化から３軸力の検出が可能となる。 Further, according to the MEMS sensor 1 according to the present embodiment, since the sensing elements 5 are provided so as to face different directions, the detection of the triaxial force can be performed from the resistance change of the strain gauge 56 of each sensing element 5. It becomes possible.
また本実施の形態に係るＭＥＭＳセンサ１は、透光性弾性部材４が高さ２ｍｍ以下で底面の直径が２ｍｍ以下の円柱形状としている。そのため３軸力の検出を精度よく行うことを可能とし、またセンサのサイズが極めて小さいため、近接覚と触覚を誤検知する可能性を低減することができる。 In the MEMS sensor 1 according to the present embodiment, the translucent elastic member 4 has a cylindrical shape with a height of 2 mm or less and a bottom diameter of 2 mm or less. Therefore, it is possible to detect the triaxial force with high accuracy, and since the size of the sensor is extremely small, it is possible to reduce the possibility of erroneous detection of proximity and touch.
また本実施の形態に係るＭＥＭＳセンサ１は、１ＭＨｚ以上の周波数で交流インピーダンスを測定することで、近接覚に係る交流インピーダンス変化量を十分確保し、近接覚の精度を向上させることができる。 In addition, the MEMS sensor 1 according to the present embodiment can measure the AC impedance at a frequency of 1 MHz or more, thereby ensuring a sufficient amount of AC impedance change related to the proximity sense and improving the accuracy of the proximity sense.
本発明を諸図面や実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各手段、各部材に含まれる機能等は論理的に矛盾しないように再配置可能である。 Although the present invention has been described based on the drawings and examples, it should be noted that those skilled in the art can easily make various modifications and corrections based on the present disclosure. Therefore, it should be noted that these variations and modifications are included in the scope of the present invention. For example, the functions and the like included in each means and each member can be rearranged so that there is no logical contradiction.
１ ＭＥＭＳセンサ
２ センサチップ
３ 透光性弾性部材層
４ 透光性弾性部材
５ 検知素子
６ ＬＥＤ
７、９ 物体
８ 一点鎖線
５０ 半導体基板
５１ 第一絶縁層
５２ 半導体層
５３ 第二絶縁層
５４Ａ、５４Ｂ 端子
５５ カンチレバー
５６ ひずみゲージ
５７ 応力層
７１ 押圧子
５２１ 可変抵抗
５２２、５２３ 可変キャパシタ
５３１、５３２ キャパシタ
５６１ 可変抵抗
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 MEMS sensor 2 Sensor chip 3 Translucent elastic member layer 4 Translucent elastic member 5 Sensing element 6 LED
7, 9 Object 8 Dotted line 50 Semiconductor substrate 51 First insulating layer 52 Semiconductor layer 53 Second insulating layer 54A, 54B Terminal 55 Cantilever 56 Strain gauge 57 Stress layer 71 Presser 521 Variable resistance 522, 523 Variable capacitor 531, 532 Capacitor 561 Variable resistance
Claims (4)
透光性弾性部材と、
前記透光性弾性部材に埋め込まれた少なくとも１つの検知素子と、
を有し、前記検知素子は、
半導体層上に絶縁層を介して設けられた２つの端子と、
前記半導体層に端部が接続され、前記透光性弾性部材に対する物体の接触に応じて変形するカンチレバーと、
前記カンチレバー上に設けられ、前記２つの端子に各端部が接続されたひずみゲージと、を備え、前記２つの端子間の直流抵抗の変化に基づき接触力を検知し、前記２つの端子間の交流インピーダンスの変化に基づき近接を検知することを特徴とするＭＥＭＳセンサ。 A MEMS sensor for proximity measurement and tactile measurement,
A translucent elastic member;
At least one sensing element embedded in the translucent elastic member;
And the sensing element is
Two terminals provided on the semiconductor layer via an insulating layer;
An end connected to the semiconductor layer, and a cantilever deformed in response to contact of an object with the translucent elastic member;
A strain gauge provided on the cantilever and connected at each end to the two terminals, detecting a contact force based on a change in DC resistance between the two terminals, and A MEMS sensor that detects proximity based on a change in AC impedance.
前記３つの検知素子は各々異なる方向を向いていることを特徴とする、請求項１に記載のＭＥＭＳセンサ。 Having three sensing elements,
The MEMS sensor according to claim 1, wherein each of the three sensing elements faces a different direction.
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