JP6580977B2

JP6580977B2 - センサ素子

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Publication number: JP6580977B2
Application number: JP2015247747A
Authority: JP
Inventors: 英章浅尾
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2015-12-18
Filing date: 2015-12-18
Publication date: 2019-09-25
Anticipated expiration: 2035-12-18
Also published as: JP2017111096A

Description

本発明は、対象物に接触させることによって物理量を検知するセンサ素子に関する。

近年、ＭＥＭＳ技術を用いたセンサが開発されている。このようなセンサは、外部から与えられる物理量に応じて可動する可動部を有している。そして、この可動部の動きを、静電容量の変化やピエゾ抵抗素子の抵抗変化等によって電気信号として検出することができる。

このようなＭＥＭＳ技術を用いたセンサは、例えば特許文献１のように触覚センサに応用されている。触覚センサは、対象物に接触させて用いられる。そして、対象物の表面状態に応じて可動部が動き、その動きに応じた電気信号を検出することによって対象物の表面状態に関する情報を得ることができる。

国際公開第２０１１／０４５９２９号

触覚センサとしてのセンサ素子は、センサが検知する情報を人の触覚が検知している情報により近づけるため、さらなる高性能化が期待されている。本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、高性能なセンサ素子を提供することを目的とする。

一形態に係るセンサ素子は、可動部と、平面視して前記可動部を取り囲む孔部を有する支持部と、前記可動部と前記支持部とを接続する可撓性を有する接続部と、前記可動部の変位量または前記接続部の変形量を検出可能な第１検出部と、前記支持部上に位置する、
前記支持部よりも温度拡散係数の低い第１皮膜と、前記第１皮膜上に位置する、温度を検出可能な第２検出部とを備え、前記第２検出部は、抵抗部およびヒーター部を具備する熱浸透率センサであり、前記第１皮膜の厚みをｄとし、前記第１皮膜の温度拡散係数をａとしたときに、ｄ ^２／４ａ≧０．１を満たす。

本発明によれば、センサ素子を高性能化することができる。

第１実施形態のセンサ素子の斜視図である。第１実施形態のセンサ素子の上面図である。第１実施形態のセンサ素子のＩ−Ｉ線での断面図である。第１実施形態のセンサ素子のII−II線より下側の部位の平面図である。第１実施形態のセンサ素子に保護膜を付加した状態を示す断面図である。第１実施形態のセンサ素子の使用状態を示す断面図である。第２実施形態のセンサ素子の斜視図である。第２実施形態のセンサ素子の断面図である。第３実施形態のセンサ素子の断面図である。

本発明の各種実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図１〜図
９には、右手系のＸＹＺ座標系を付しており、以下では、便宜上、Ｚ軸方向を上下方向として説明をするが、上下方向が必ずしも鉛直方向に限定されない。また、鉛直方向における上下が逆であってもよい。

図１は、本発明の第１実施形態のセンサ素子１００の斜視図である。図２は、センサ素子１００の上面図である。図３は、図２のＩ−Ｉ線におけるセンサ素子１００の断面図である。また、図４は、図３のII−II線よりも下側の部位における平面図である。

センサ素子１００は、支持部１と、可動部２と、接続部３と、第１検出部４と、第１皮膜５と、第２検出部６とを具備している。そして、センサ素子１００を対象物に接触させたときに、対象物の表面状態に起因した物理量がセンサ素子１００に加わると、その物理量に応じて可動部２が動くことで接続部３が撓むようになっている。そして、可動部２の変位量または接続部３の変形量に応じた電気信号を検出部４により検出し、不図示の電気配線によりその電気信号を取出し演算することによりセンサ素子１００に加わった物理量を検出することができる。なお、対象物の表面状態に起因した物理量とは、触覚に寄与する物理量のことであり、対象物の表面形状、対象物の表面の柔らかさ、または対象物の表面の粘着性等を起因として生じる力（例えば、接触圧力や摩擦力）がある。

可動部２は、例えば平面視形状が、円形状、楕円形状または多角形状等の柱状体である。なお、平面視形状とは、＋Ｚ側から−Ｚ方向に見たときの形状のことであり、以下においても平面視形状はこの方向に見たときの形状をいう。可動部２の平面視形状における最大長さは、例えば０．０５〜０．７ｍｍに設定される。また、可動部２の厚みは、例えば０．２〜０．７ｍｍに設定される。

支持部１は、平面視して可動部２を取り囲む孔部１ａを有する部材であり、例えば板状体である。孔部１ａは、支持部１の上側主面から下側主面にかけて貫通した貫通孔であってもよい。あるいは、孔部１ａは、支持部１の上側主面が窪んだ凹部であってもよい。孔部１ａの平面視形状は、円形状、楕円形状または多角形状等である。孔部１ａの平面視形状における最大長さは、例えば０．１〜２ｍｍに設定される。

支持部１の孔部の平面視形状は、円形状、楕円形状または多角形状等である。支持部１を平面視したときに、孔部１ａの内側面は、可動部２と間隔をあけて可動部２を取り囲んでいる。孔部１ａの内側面と可動部２との間隔は、例えば０．０１〜０．９ｍｍに設定される。

接続部３は、図４に示すように、支持部１と可動部２とを接続している。つまり、接続部３は、一方端が支持部１の孔部１ａの内側面に連結され、他方端が可動部２の側面に連結されている。本実施形態におけるセンサ素子１００では、４本の接続部３が設けられており、４本の接続部３のうち２本はＸ軸方向に伸びて可動部２を間に挟んだ状態で同一直線状に配され、他の２本はＹ軸方向に伸びて可動部２を間に挟んだ状態で同一直線状に配されている。なお、接続部３は、このような４本に限らず、２本、３本または５本以上でもよい。また、接続部３は、上記のように、複数のものが互いに間隔をあけて並んだものに限らず、可撓性を十分発現できれば、孔部１ａをすべて塞ぐものであってもよい。また、可動部２と接続部３とは同じ厚みであってもよい。

接続部３は可撓性を有し、センサ素子１００に物理量が加わると可動部３が動き、可動部２の動きに伴って接続部３が撓むようになっている。接続部３は、長手方向の長さ（孔部１ａの内側面側の端部から可動部２側の端部に向かう方向の長さ）が、例えば０．０５〜０．８ｍｍに設定される。また、接続部３の幅（平面視において上記長手方向と直交する方向の長さ）は、例えば０．０４〜０．２ｍｍに設定される。また、接続部３の厚みは
、例えば５〜１００μｍに設定される。このように接続部３を薄くすることによって可撓性が発現される。

支持部１、可動部２および接続部３は、精度よく微細加工を行なうことが可能という観点からは、無機物を主とした材料が用いられてもよい。無機物を主とした材料とは、無機物を７０ｍｏｌ％以上含む材料であり、単結晶体、多結晶体、非晶質体および焼結体のいずれであってもよい。支持部１、可動部２および接続部３は、例えば、半導体基板を従来周知の半導体微細加工技術、例えばフォトリソグラフィ法またはディープドライエッチング等を用いて加工することにより作製することができる。なお、上記半導体基板としては、シリコン（Ｓｉ）基板またはＳＯＩ基板（Ｓｉからなる層とＳｉＯ_２からなる層との積層基板）等を用いることができる。

第１検出部４は、可動部２の変位量または接続部３の変形量を検出可能な素子である。可動部２の変位量とは、センサ素子１００に物理量が加わっていない状態の可動部２の位置を基準として、センサ素子１００に物理量が加わった際の可動部２の位置の変化量のことである。また、接続部３の変形量とは、センサ素子１００に物理量が加わっていない状態を基準として、センサ素子１００に物理量が加わった際の接続部３の変形量のことである。

第１検出部４は、ピエゾ抵抗素子または容量素子等が挙げられる。本実施形態では、図３および図４に示すように、ピエゾ抵抗素子から成る第１検出部Ｒａｘ１〜Ｒａｘ４，Ｒａｙ１〜Ｒａｙ４，Ｒａｚ１〜Ｒａｚ４が接続部３に設けられている（以下、これらの第１検出部をまとめて称するときは適宜、符号４で表す）。第１検出部Ｒａｘ１〜Ｒａｘ４，Ｒａｙ１〜Ｒａｙ４，Ｒａｚ１〜Ｒａｚ４は、可動部２の３軸方向（図３および図４に示した３次元直交座標系におけるＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向）の動きを検出できるように接続部３の所定の位置に形成された上、ブリッジ回路を構成するように結線されている。

このような第１検出部Ｒａｘ１〜Ｒａｘ４，Ｒａｙ１〜Ｒａｙ４，Ｒａｚ１〜Ｒａｚ４は、例えば、シリコン（Ｓｉ）から成る接続部１３の表面にボロン（Ｂ）またはヒ素（Ａｓ）等の不純物元素を、イオン注入法等によって打ち込むことにより抵抗体膜を形成した後、抵抗体膜をエッチングなどにより所定の形状にパターニングすることにより形成することができる。このような抵抗体膜としては、例えば不純物濃度が、１×１０^１７〜１×１０^２０ａｔｍｓ／ｃｍ^３、深さが約０．１〜５μｍとすることができる。これによりピエゾ抵抗素子からなる第１検出部４を形成することができる。

第1検出部４がピエゾ抵抗素子の場合には、接続部３の撓みに起因する変形に応じて抵
抗値が変化し、この抵抗値の変化に基づく出力電圧の変化が電気信号として取り出される。そして、この電気信号を外部のＩＣ（integrated circuit）で演算処理することによって可動部２に加わった力の方向および大きさが検知される。

また、第１検出部４は、ピエゾ抵抗素子に限られず、静電容量型の検出素子であってもよい。静電容量型の検出素子からなる第１検出部４としては、例えば、可動部２あるいは接続部３に一方電極を形成し、この一方電極と間隔をあけて対向する他方電極を配置したものが用いられる。

また、支持部１の表面には、第１電極１０が位置していてもよい。第１電極１０は、第１検出部４で検出した電気信号を外部へ取り出すための電極である。第１電極１０は、第１配線導体（図示せず）を介して第１検出部４と電気的に接続されている。第１電極１０は、図１、図２および図４では支持部１の上面に位置しているが、これに限定されず、支
持部１の側面に位置していてもよく、下面に位置していてもよい。また、第１配線導体は、支持部１の表面または内部に位置している。また、第１配線導体は、接続部２の表面または内部に位置していてもよい。

また、支持部１の表面の他の部位には、第２電極１１および第２配線導体９が位置している。第２電極１１は、第２配線導体９を介して第２検出部６と電気的に接続されており、第２検出部６を外部回路に電気的に接続するためのものである。センサ素子１００では、第２検出部６が、抵抗部６ａおよびヒーター部６ｂを具備する熱浸透率センサである例を示している。この場合、第２配線導体９は、抵抗部６ａに電気的に接続された第２配線導体９ａと、ヒーター部６ｂに電気的に接続された第２配線導体９ｂとを具備している。また、第２電極１１は、第２配線導体９ａを介して抵抗部６ａに電気的に接続された第２電極１１ａと、第２配線導体９ｂを介してヒーター部６ｂに電気的に接続された第２電極１１ｂとを具備している。

これらの第１配線導体、第２配線導体９、第１電極１０および第２電極１１は、例えば、アルミニウムおよびアルミニウム合金等の種々の導電材料が用いられ得る。第１配線導体、第２配線導体９、第１電極１０および第２電極１１は、このような材料をスパッタリング等によって成膜した後、エッチング等でパターニングすることによって所定の形状に形成される。

第１皮膜５は、支持部１上に位置しており、支持部１よりも温度拡散係数が低い皮膜である。第１皮膜５の厚みは、例えば１０〜５００μｍ程度である。そして、この第１皮膜５の上には、温度を検出可能な第２検出部６が位置している。このような構成によって、センサ素子１００は、対象物に接触したときに、第１検出部４で対象物の表面状態を精度よく検出することができるとともに、第２検出部６で対象物の表面温度を精度よく測定することができる。その結果、センサが検知する情報が人の触覚が検知する情報により近づいた、高性能なセンサ素子１００となる。なお、第１皮膜５を用いずに、第２検出部６を支持部１上に直接位置させることも考えられるが、この場合、対象物の表面から熱が支持部１内に拡散しやすく、対象物の表面の温度を精度よく測定するのが困難となる。特に、支持部１の微細構造の精度を高めるため、支持部１として無機材料を採用した場合、対象物の表面から熱が支持部１内に拡散する傾向が高くなる。そこで、センサ素子１００のように、支持部１よりも温度拡散係数が低い第１皮膜５を用い、この第１皮膜５の上に第２検出部６を位置させることによって、対象物の表面からセンサ素子１００への熱拡散を低減することができ、対象物の表面の温度を精度よく測定することが可能となる。

第１皮膜５の温度拡散係数は、支持部１の温度拡散係数の０．００１〜０．１倍としてもよい。このような構成とすれば、支持部１の材料選択において、温度測定に適した材料かどうかを考慮する必要はなく、微細な構造を精度よく作製することが可能かどうかを考慮すればよいため、材料の選択範囲が広がる。

第１皮膜５としては、エポキシ系樹脂、ポリイミド系樹脂またはポリフェニレンエーテル系樹脂等の樹脂を母材として含むものを用いてもよい。このような材料であれば、熱の拡散をより低減できる。特に、支持部１は無機物を主とした材料が用いられ、第１皮膜５は樹脂を母材とした材料が用いられる場合、微細構造の精度と、温度測定の精度とをともにより高めることができる。

第１皮膜５は、第１検出部４と接触してもよいが、接触しないようにしてもよい。第１皮膜５が第１検出部４と接触しないようにした場合、第１検出部４の変形の自由度が高くなり、検出精度を高くすることができる。

第２検出部６は、温度を検出可能な素子であり、例えば温度に依存して電気抵抗値が変化する抵抗部であってもよい。このような第２検出部６としては、白金等の金属でもよく、サーミスタ等の半導体でもよく、特に限定されない。

また、温度測定の精度を高めるという観点からは、第２検出部６は、図１〜図３に示すように、抵抗部６ａとヒーター部６ｂとを具備する熱浸透率センサであってもよい。抵抗部６ａとしては、白金等の金属でもよく、サーミスタ等の半導体でもよく、特に限定されない。ヒーター部６ｂとしては、ニッケルまたは白金等の金属でもよく、特に限定されない。

第２検出部６は、例えば、第１皮膜５内に位置する貫通導体８を介して第２配線導体９に電気的に接続されている。第２検出部６が、図１〜図３に示すような熱浸透率センサである場合、例えば、抵抗部６ａは貫通導体８ａおよび第２配線導体９ａを介して第２電極１１ａに電気的に接続されており、ヒーター部６ｂは貫通導体８ｂおよび第２配線導体９ｂを介して第２電極１１ｂに電気的に接続されている。このような構成とすることで、外部回路から第２電極１１ｂを介してヒーター部６ｂを制御するとともに、抵抗部６ａで検出した電気信号を第２電極１１ａを介して外部回路へ送ることで、温度測定を行なうことができる。

第２検出部６が熱浸透率センサである場合、第２検出部６でさらに精度よく熱浸透率測定を行なうという観点からは、第１皮膜５の厚みをｄ（ｍ）および第１皮膜５の温度拡散係数をａ（ｍ^２ｓ^−１）としたときに、ｄ^２／４ａ≧０．１としてもよい。これは、対象物の熱が第１皮膜５の厚み方向に拡散したときに、熱が温度拡散係数の大きい支持部１に達するまでに温度測定が十分に行なわれるようにするための条件である。以下にこの関係式について説明する。第１皮膜５の厚みｄ（ｍ）の距離を熱が拡散するときの時間をｔ（ｓ）としたときに、厚みｄと時間ｔとの関係は、２（ａｔ）^１／２＝ｄで表され、この式を変形するとｄ^２／４ａ＝ｔとなる。そして、この時間ｔは０．１秒以上であれば、温度測定を十分に行なうことができるため、第１皮膜５の厚みｄがｄ^２／４ａ≧０．１を満たすようにすれば、支持部１への熱拡散が少ない状態で熱浸透率測定を行なうことができる。

また、第２検出部６が熱浸透率センサである場合、第２検出部６でさらに精度よく熱浸透率測定を行なうという観点からは、抵抗部６ａから最短の第１皮膜５の側面までの距離をＬ（ｍ）、および第１皮膜５の温度拡散係数をａ（ｍ^２ｓ^−１）としたときに、Ｌ^２／４ａ≧０．１としてもよい。これは、対象物の熱が第１皮膜５の上面に沿って拡散したときに、熱が温度拡散係数の異なる気体（第１皮膜５の側面に接する気体）に達するまでに温度測定が十分に行なわれるようにするための条件である。以下にこの関係式について説明する。抵抗部６ａから第１皮膜５の側面までの距離Ｌ（ｍ）を熱が拡散するときの時間をｔ（ｓ）としたときに、距離Ｌと時間ｔとの関係は、２（ａｔ）^１／２＝Ｌで表され、この式を変形するとＬ^２／４ａ＝ｔとなる。そして、この時間ｔは０．１秒以上であれば、温度測定を十分に行なうことができるため、距離ＬがＬ^２／４ａ≧０．１を満たすようにすれば、第１皮膜５の側面から気体中への熱拡散が少ない状態で熱浸透率測定を行なうことができる。

また、センサ素子１００は、第１皮膜５の上に保護膜１３を有していてもよい。このような保護膜１３を有する場合、センサ素子１００を汚れや水分等から保護することができる。また、対象物の表面との摩擦力または密着力等を考慮して材料を選択することによって、触覚の感度を向上することも可能となる。保護膜１３としては、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）系樹脂またはポリイミド系樹脂等の各種樹脂が用いられる。

また、第１皮膜５は、複数層の積層体であってもよい。第１皮膜５が複数層の積層体である場合、各層がそれぞれ支持部１よりも温度拡散係数が低い皮膜であればよい。図５における例では、第１皮膜５は、下層５ａと上層５ｂとの２層の積層体である。そして、図５においては、接続部３の動きを良好に維持するため、下層５ａが接続部３上に非形成部を有している。一方、上層５ｂは下層５ａの非形成部の上方にまで張り出している。このような構成であれば、保護層１３を上層５ｂで支持することによって保護層１３が弛むのを低減できるとともに、接続部３の動きを良好に維持することができる。

センサ素子１００は、図６に示すように、対象物５０に上面を接触させて使用される。そして、センサ素子１００を対象物５０の表面に沿って移動させ、この際の可動部２の動きおよび第２検出部の温度測定から、対象物５０の表面の触覚を精度よく検出することができる。

対象物の表面状態の情報を可動部２に良好に伝えるようにするという観点からは、図３および図５に示すように、可動部２上に第２皮膜７を有していてもよい。第２皮膜７は、第１皮膜５との間に間隔をあけており、この間隔を有することによって、可動部２の動きを良好に維持することができる。また、第２皮膜７の上に、さらに第３皮膜１２を有していてもよい。第３皮膜１２を有することによって、可動部２の上方に位置する部位が、第１皮膜１の上面よりも上側に突出する形状となるため、対象物の表面からの上方を可動部２にさらに良好に伝えることが可能となる。

このような第２皮膜７は、第１皮膜５と同様の材料が用いられてもよく、異なる材料であってもよい。第１皮膜５と第２皮膜７とが同じ材料からなる場合、第１皮膜５と第２皮膜７とを同じ工程で形成することができ、加工工程が簡略化できる。また、対象物の表面状態の情報を可動部２へ、より精度よく伝えるという観点からは、第２皮膜７として、ヤング率が２ＧＰａ以上の材料が用いられてもよい。

第２皮膜７は、複数層の積層体であってもよい。図３および図５における例では、第２皮膜７は、下層７ａと上層７ｂとの２層の積層体である。そして、図５においては、上層７ｂは下層７ａよりも接続部３の上方にまで張り出している。このような構成であれば、保護層１３を上層７ｂで支持することによって保護層１３が弛むのを低減できるとともに、接続部３の動きを良好に維持することができる。

本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良などが可能である。例えば、以下に示すような各種変形例を用いてもよい。

＜変形例１＞
図７は、変形例としての第２実施形態のセンサ素子２００の斜視図であり、図８は、センサ素子２００の断面図である。なお、図８の断面図は図３のセンサ素子１００の断面と同じ断面を示している。図７および図８において、センサ素子１００と同じ構成のものには同じ符号を付しており、詳細な説明は省略する。

センサ素子２００において、第１皮膜５は溝部２０を有している。溝部２０は可動部２および接続部３を有する領域と第２検出部６との間に位置している。このような溝部２０を有することによって、可動部２や接続部３の動きによる応力が第２検出部６に伝わるのを低減でき、第２検出部６の精度を高く維持することができる。また、第２検出部６がヒーター部６ｂを有する熱浸透率センサである場合、ヒーター部６ｂからの熱が第１検出部４に伝わるのを低減でき、第１検出部４の精度を高く維持することもできる。

溝部２０は第１皮膜２０を貫通していてもよく、貫通していなくてもよい。センサの精度をより高めるという観点からは、溝部２０の深さは第１皮膜５の厚みの半分以上であってもよい。

＜変形例２＞
図９は、変形例としての第３実施形態のセンサ素子３００の断面図である。なお、図９の断面図は図３のセンサ素子１００の断面と同じ断面を示している。図９において、センサ素子１００と同じ構成のものには同じ符号を付しており、詳細な説明は省略する。

センサ素子３００において、接続部３３が支持部１の下面寄りに位置している点でセンサ素子１００と異なっている。このような構成であってもセンサ素子１００と同様、高性能化することができる。さらに、接続部３３が支持部１の下面寄りに位置していることから、可動部２または接続部３３の動きをより大きくすることができ、感度を高めることができる。

１：基板
２：可動部
３、３３：接続部
４：第１検出部
５：第１皮膜
６：第２検出部
７：第２皮膜
１００、２００、３００：センサ素子

Claims

可動部と、
平面視して前記可動部を取り囲む孔部を有する支持部と、
前記可動部と前記支持部とを接続する可撓性を有する接続部と、
前記可動部の変位量または前記接続部の変形量を検出可能な第１検出部と、
前記支持部上に位置する、前記支持部よりも温度拡散係数の低い第１皮膜と、
前記第１皮膜上に位置する、温度を検出可能な第２検出部と
を備え、
前記第２検出部は、抵抗部およびヒーター部を具備する熱浸透率センサであり、前記第１皮膜の厚みをｄとし、前記第１皮膜の温度拡散係数をａとしたときに、
ｄ ^２／４ａ≧０．１を満たす
センサ素子。
前記抵抗部から最短の前記第１皮膜の側面までの距離をＬとし、前記第１皮膜の温度拡散係数をaとしたときに、Ｌ^２／４ａ≧０．１を満たす、請求項１に記載のセンサ素子。
前記第１皮膜は樹脂を母材として含む、請求項１または２に記載のセンサ素子。
前記支持部は無機物を主として含む、請求項１乃至３のいずれかに記載のセンサ素子。
前記第１皮膜と間隔をあけて前記可動部上に位置している第２皮膜をさらに具備している、請求項１乃至４のいずれかに記載のセンサ素子。
前記第１皮膜と前記第２皮膜とは同じ材料からなる、請求項５に記載のセンサ素子。