JP7842400B2 - 力覚センサの製造方法 - Google Patents

Description

本開示は、力覚センサの製造方法に関する。

特許文献１は、金属アレイと金属薄膜とのギャップを外力によって変化させることができるエアギャップ構造を有する変位センサの製造方法を開示する。この製造方法は、第一基板に金属アレイを形成する工程と、第二基板に金属薄膜とスペーサ部材とを形成する工程と、第一基板と第二基板とを重ね合わせ、ポリイミドテープによって第一基板と第二基板とを固定する工程とを含む。

特開２０２０－９４９７３号公報

ところで、力覚センサは複数の方向から荷重が加えられることが想定される。特許文献１に記載の製造方法のようなポリイミドテープによる固定は、試作に用いられる簡易な方法であり、固定が不十分になるおそれがある。このため、使用に応じて初期状態（無加重時）の第一基板と第二基板との間隔が変化する場合がある。本開示は、無加重時の第一基板と第二基板との間隔が一定となるように第一基板と第二基板との間の位置関係を保持できる力覚センサの製造方法を提供する。

本開示の一側面に係る力覚センサの製造方法は、以下の（１）～（５）の工程を備える。
（１）電磁波を透過する材料で構成され、周期的なパターンで配列された金属アレイを表面に有する第一基板と、電磁波を反射する金属層を表面に有する第二基板とを準備する工程。
（２）第一基板の表面において金属アレイの周囲にスペーサ部材を形成する工程。
（３）第一基板の表面においてスペーサ部材の周囲にスペーサ部材よりも薄い第一金属層を形成する工程。
（４）第二基板において第一金属層と対応する領域にスペーサ部材より薄い第二金属層を形成する工程。
（５）第一金属層と第二金属層とを融着し、第一基板の表面に形成されたスペーサ部材を第二基板の表面に突き当てた状態で第一基板と第二基板とを固定する工程。

この力覚センサの製造方法では、第一基板の第一金属層と第二基板の第二金属層とが融着され、第一基板のスペーサ部材が第二基板の表面に突き当てられた状態で第一基板と第二基板とが固定される。第一金属層と第二金属層とが融着されることで、第一基板と第二基板とはポリイミドテープによる固定よりも確実に固定される。そして、第一基板のスペーサ部材が第二基板の表面に突き当てられることで、第一金属層と第二金属層との厚さが融着によって変動した場合であっても第一基板と第二基板との間隔が一定に保持される。よって、この力覚センサの製造方法は、無加重時の第一基板と第二基板との間隔が一定となるように第一基板と第二基板との間の位置関係を保持できる。

本開示の他の側面に係る力覚センサの製造方法は、以下の（１）～（５）の工程を備える。
（１）電磁波を透過する材料で構成され、周期的なパターンで配列された金属アレイを表面に有する第一基板と、電磁波を反射する金属層を表面に有する第二基板とを準備する工程。
（２）第二基板の表面において金属層の周囲にスペーサ部材を形成する工程。
（３）第二基板の表面においてスペーサ部材の周囲にスペーサ部材よりも薄い第一金属層を形成する工程。
（４）第一基板において第一金属層と対応する領域にスペーサ部材より薄い第二金属層を形成する工程。
（５）第一金属層と第二金属層とを融着し、第二基板の表面に形成されたスペーサ部材を第一基板の表面に突き当てた状態で固定する工程。

この力覚センサの製造方法では、第一基板の第一金属層と第二基板の第二金属層とが融着され、第二基板のスペーサ部材が第一基板の表面に突き当てられた状態で第一基板と第二基板とが固定される。第一金属層と第二金属層とが融着されることで、第一基板と第二基板とはポリイミドテープによる固定よりも確実に固定される。そして、第二基板のスペーサ部材が第一基板の表面に突き当てられることで、第一金属層と第二金属層との厚さが融着によって変動した場合であっても第一基板と第二基板との間隔が一定に保持される。よって、この力覚センサの製造方法は、無加重時の第一基板と第二基板との間隔が一定となるように第一基板と第二基板との間の位置関係を保持できる。

本開示のさらに他の側面に係る力覚センサの製造方法は、以下の（１）～（５）の工程を備える。
（１）電磁波を透過する材料で構成され、周期的なパターンで配列された金属アレイを表面に有する第一基板と、電磁波を反射する金属層を表面に有する第二基板とを準備する工程。
（２）第一基板の表面において金属アレイの周囲に第一スペーサ部材を形成する工程。
（３）第一基板の表面において第一スペーサ部材の周囲に第一金属層を形成する工程。
（４）第二基板の表面において金属層の周囲かつ第一スペーサ部材と対応する領域に第二スペーサ部材を形成する工程。
（５）第二基板の表面において第二スペーサ部材の周囲かつ第一金属層と対応する領域に第二金属層を形成する工程。
（６）第一金属層と第二金属層とを融着し、第一基板の表面に形成された第一スペーサ部材を第二基板の表面に形成された第二スペーサ部材に突き当てた状態で第一基板と第二基板とを固定する工程。

この力覚センサの製造方法では、第一基板の第一金属層と第二基板の第二金属層とが融着され、第一基板の第一スペーサ部材が第二基板の第二スペーサ部材に突き当てられた状態で第一基板と第二基板とが固定される。第一金属層と第二金属層とが融着されることで、第一基板と第二基板とはポリイミドテープによる固定よりも確実に固定される。そして、第一基板の第一スペーサ部材が第二基板の第二スペーサ部材に突き当てられることで、第一金属層と第二金属層との厚さが融着によって変動した場合であっても第一基板と第二基板との間隔が一定に保持される。よって、この力覚センサの製造方法は、無加重時の第一基板と第二基板との間隔が一定となるように第一基板と第二基板との間の位置関係を保持できる。

一実施形態においては、第一金属層と第二金属層とは同一材料からなってもよい。この場合、第一金属層と第二金属層とが同一材料からなるため、第一金属層と第二金属層とは強固に融着される。よって、この力覚センサの製造方法は、第一基板と第二基板とをより確実に固定できる。

本開示によれば、無加重時の第一基板と第二基板との間隔が一定となるように第一基板と第二基板との間の位置関係を保持できる力覚センサを製造できる。

力覚センサの一例を示す断面図である。 図１のＩＩ－ＩＩ線に沿った断面図である。 一実施形態に係る製造方法の一例を示すフローチャートである。 一実施形態に係る製造方法の工程を説明する断面図である。 一実施形態に係る製造方法の工程を説明する断面図である。

以下、図面を参照して、本開示の実施形態について説明する。なお、以下の説明において、同一または相当要素には同一符号を付し、重複する説明は繰り返さない。図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。

［力覚センサ］
本実施形態に係る製造方法により製造される力覚センサは、電磁波を用いた力覚センサである。電磁波は、可視光、赤外光、テラヘルツ波、又はマイクロ波である。力覚センサは、金属アレイと金属層との間にギャップが形成されたエアギャップ構造を有する。エアギャップ構造には、電磁波が入射され反射波が測定される。入射波及び反射波に基づいて共振波長が得られる。共振波長はギャップの大きさに応じて変化する。ギャップは外力によって変化する。つまり、電磁波を用いた力覚センサは、共振波長の変化に基づいて外力を測定するセンサである。

図１は、一実施形態に係る力覚センサの一例を示す断面図である。図２は、図１のＩＩ－ＩＩ線に沿った断面図である。図１に示されるように、力覚センサ１は、下基板１０（第一基板の一例）及び上基板２０（第二基板の一例）を備える。下基板１０は、光（電磁波の一例）を透過する材料で構成される。下基板１０は、一例としてガラス基板である。下基板１０は、周期的なパターンで配列された金属アレイ１１を上面（表面の一例）に有する。金属アレイ１１は、一例としてロッドアレイ又はドットアレイである。金属アレイ１１は、一辺が３５０ｎｍの略正方形状のアレイが４００ｎｍ間隔で周期的に配置されたパターンによって構成されてもよい。金属アレイ１１の材料は、一例としてＡｕ（金）又はＡｌ（アルミニウム）である。上基板２０は、光を透過する材料で構成される必要はなく、ガラス基板でもよいし、シリコン基板などでもよい。上基板２０は、光を反射する金属層２１を下面（表面の一例）に有する。金属層２１の材料は、一例としてＡｕ又はＡｌである。下基板１０及び上基板２０は、アルカリ成分を含まない無アルカリガラス又は石英から形成されていてもよい。

図１及び図２に示されるように、下基板１０及び上基板２０は、金属アレイ１１及び金属層２１の周囲に設けられたスペーサ部材３０、第一金属層３１及び第二金属層３２によって、間隔を空けて互いに固定される。これにより、金属アレイ１１と金属層２１との間にギャップが形成される。スペーサ部材３０は、酸化し難く、かつ、高融点の金属で形成される。スペーサ部材３０は、一例としてＭｏ（モリブデン）／Ａｌ／Ｍｏの三層構造からなる。スペーサ部材３０は、Ａｌ、Ｍｏ、Ａｇ（銀）、Ｔｉ（チタニウム）、又はＣｒ（クロム）の単層であってもよい。

下基板１０及び金属アレイ１１を透過した光の一部は、金属層２１によって反射されると共に、金属アレイ１１と金属層２１との間で共振することで吸収される。吸収される光の波長は、金属アレイ１１と金属層２１との間の間隔によって変化する。力覚センサ１は、外部からの荷重に応じて下基板１０に対する上基板２０の姿勢が変更されるように構成される。よって、力覚センサ１に加えられる荷重は、力覚センサ１が吸収する光の波長の変化によって示される。

［力覚センサの製造方法］
図３は、一実施形態に係る製造方法の一例を示すフローチャートである。製造方法Ｍ１では、最初に、金属アレイ１１を有する下基板１０及び金属層２１を有する上基板２０が準備される（ステップＳ１０）。

次に、下基板１０の上面にスペーサ部材３０が形成される（ステップＳ２０）。図４は、一実施形態に係る製造方法の工程を説明する断面図である。図４に示されるように、下基板１０の上面において金属アレイ１１の周囲にスペーサ部材３０が形成される。スペーサ部材３０は、金属アレイ１１が形成された領域を囲むように設けられ、金属アレイ１１と離間する（図２参照）。スペーサ部材３０は、金属アレイ１１よりも厚く形成される。一例として、金属アレイ１１の厚さは２５ｎｍであり、スペーサ部材３０の厚さは３０ｎｍである。スペーサ部材３０は、スパッタリングによって成膜された後に、フォトリソグラフィによって形成される。スペーサ部材３０は、熱蒸着法または電子ビーム蒸着法によって成膜されてもよい。

次に、下基板１０の上面に第一金属層３１が形成される（ステップＳ３０）。図４に示されるように、下基板１０の上面においてスペーサ部材３０の周囲に第一金属層３１が形成される。第一金属層３１は、スペーサ部材３０を囲むように設けられ、スペーサ部材３０と離間する（図２参照）。第一金属層３１は、スペーサ部材３０よりも薄く形成される。第一金属層３１の厚さは、後述する第二金属層３２の厚さとの合計がスペーサ部材３０の厚さと略同一となるように設定される。略同一とは、数ｎｍの誤差を許容するという意味である。スペーサ部材３０の厚さが３０ｎｍである場合、第一金属層３１は、例えば１ｎｍ～２９ｎｍの範囲で任意に設定される。一例として、第一金属層３１は、スペーサ部材３０の厚さの半分の１５ｎｍに設定される。第一金属層３１は、スパッタリングによって成膜された後に、フォトリソグラフィによって形成される。第一金属層３１は、熱蒸着法または電子ビーム蒸着法によって成膜されてもよい。

次に、上基板２０の下面に第二金属層３２が形成される（ステップＳ４０）。図５は、一実施形態に係る製造方法の工程を説明する断面図である。図５に示されるように、上基板２０の下面において第一金属層３１と対応する領域に、金属層２１の周囲を囲むように第二金属層３２が形成される。第二金属層３２は、金属層２１が形成された領域を囲むように設けられ、金属層２１と離間する。第二金属層３２は、スペーサ部材３０よりも薄く形成される。第二金属層３２の厚さは、上述した第一金属層３１の厚さとの合計がスペーサ部材３０の厚さと略同一となるように設定される。第一金属層３１がスペーサ部材３０の厚さの半分の１５ｎｍに設定された場合、第二金属層３２は、１５ｎｍに設定される。第二金属層３２は、スパッタリングによって成膜された後に、フォトリソグラフィによって形成される。第二金属層３２は、熱蒸着法または電子ビーム蒸着法によって成膜されてもよい。

次に、下基板１０の第一金属層３１と上基板２０の第二金属層３２とが融着される（ステップＳ５０）。最初に、下基板１０の上面と上基板２０の下面とが向かい合うように配置され、重ねられる。これにより、下基板１０の第一金属層３１と上基板２０の第二金属層３２とが接触するとともに、下基板１０のスペーサ部材３０の先端が上基板２０の下面に突き当てられる。スペーサ部材３０によって、下基板１０と上基板２０とは、スペーサ部材３０の厚さの間隔が保持される。この状態で、第一金属層３１と第二金属層３２とが融着される。第一金属層３１及び第二金属層３２は、例えばレーザ溶接によって融着される。第一金属層３１及び第二金属層３２は、常温接合又は直接接合によって融着されてもよい。以上のように、力覚センサ１が製造される。なお、製造方法Ｍ１は、ステップＳ５０の工程よりも前に、金属アレイ１１を洗浄する洗浄工程を含んでもよい。

［実施形態のまとめ］
本開示に係る力覚センサ１の製造方法Ｍ１では、下基板１０の第一金属層３１と上基板２０の第二金属層３２とが融着され、下基板１０のスペーサ部材３０が上基板２０の下面に突き当てられた状態で下基板１０と上基板２０とが固定される。第一金属層３１と第二金属層３２とが融着されることで、下基板１０と上基板２０とはポリイミドテープによる固定よりも確実に固定される。そして、下基板１０のスペーサ部材３０が上基板の下面に突き当てられることで、第一金属層３１と第二金属層３２との厚さが融着によって変動した場合であっても下基板１０と上基板２０との間隔が一定に保持される。よって、製造方法Ｍ１は、無加重時の下基板１０と上基板２０との間隔が一定となるように下基板１０と上基板２０との間の位置関係を保持できる。

また、力覚センサ１においては、第一金属層３１と第二金属層３２とが同一材料からなるため、互いに強固に融着できる。よって、製造方法Ｍ１は、下基板１０と上基板２０とをより確実に固定できる。

以上、種々の例示的実施形態について説明してきたが、上記実施形態に限定されることなく、様々な省略、置換、及び変更がなされてもよい。

［変形例１］
上述した実施形態においては、下基板１０の上面にスペーサ部材３０が形成されたが、スペーサ部材３０は、上基板２０の下面に形成されてもよい。この場合、図３のステップＳ２０においては、上基板２０の下面において金属層２１の周囲にスペーサ部材３０が形成される。そして、ステップＳ５０において、上基板２０のスペーサ部材３０の下端が下基板１０の上面に突き当てられる。その他の製造方法の工程は同一である。

［変形例２］
上述した実施形態においては、下基板１０の上面にスペーサ部材３０が形成されたが、スペーサ部材３０は、上基板２０の下面にも形成されてもよい。つまり、下基板１０の上面に第一スペーサ部材が形成され、上基板２０の下面に第二スペーサ部材が形成される。この場合、図３のステップＳ２０においては、下基板１０の下面において金属アレイ１１の周囲に第一スペーサ部材が形成される。上基板２０の上面において金属層２１の周囲に第二スペーサ部材が形成される。そして、ステップＳ５０において、上基板２０の第二スペーサ部材の下端が下基板１０の第一スペーサ部材の上端に突き当てられる。その他の製造方法の工程は同一である。

変形例１及び２のように製造した場合であっても、無加重時の下基板１０と上基板２０との間隔が一定となるように下基板１０と上基板２０との間の位置関係を保持できる力覚センサ１を製造できる。

力覚センサ１は、圧力センサ、フォースゲージ、接触センサなどに用いられてもよい。上記実施形態においては、スペーサ部材３０は金属アレイ１１が形成された領域を連続的に囲むように設けられ、第一金属層３１はスペーサ部材３０を連続的に囲むように設けられ、第二金属層３２は金属層２１が形成された領域を連続的に囲むように設けられるが、連続的であることに限定されず、不連続であってもよい。

力覚センサ１は、金属アレイ１１の表面を覆う保護層を備えてもよい。保護層を備えることで、力覚センサ１の製造工程において、上述した洗浄工程を省略することができる。保護層は、例えば、石英から形成される。保護層は、損傷又は酸化などから金属アレイ１１を保護する。保護層は、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）から形成されていてもよい。この場合、保護層は、金属層２１と金属アレイ１１との間のギャップに充填されていてもよい。ポリジメチルシロキサンから形成された保護層は、外力によって変化する。

スペーサ部材３０の厚さは、１９０ｎｍであってもよい。金属層２１の厚さは、１００ｎｍであってもよい。金属アレイ１１の厚さは、３０ｎｍであってもよい。石英から形成された保護層の厚さは、３５ｎｍであってもよい。金属層２１と保護層との間のギャップは３０ｎｍであってもよい。金属層２１と金属アレイ１１との間の距離は６５ｎｍであってもよい。

１…力覚センサ、１０…下基板（第一基板の一例）、１１…金属アレイ、２０…上基板（第二基板の一例）、２１…金属層、３０…スペーサ部材、３１…第一金属層、３２…第二金属層。

Claims (4)

1. 電磁波を透過する材料で構成され、周期的なパターンで配列された金属アレイを表面に有する第一基板と、電磁波を反射する金属層を表面に有する第二基板とを準備する工程と、
   前記第一基板の表面において前記金属アレイが形成された領域を囲むように、金属からなるスペーサ部材を形成する工程と、
   前記第一基板の表面において前記スペーサ部材を囲むように、前記スペーサ部材よりも薄い第一金属層を形成する工程と、
   前記第二基板において前記第一金属層と対応する領域に前記スペーサ部材より薄い第二金属層を形成する工程と、
   前記第一金属層と前記第二金属層とを融着し、前記第一基板の表面に形成された前記スペーサ部材を前記第二基板の表面に突き当てた状態で前記第一基板と前記第二基板とを固定する工程と、
   を含む、力覚センサの製造方法。
2. 電磁波を透過する材料で構成され、周期的なパターンで配列された金属アレイを表面に有する第一基板と、電磁波を反射する金属層を表面に有する第二基板とを準備する工程と、
   前記第二基板の表面において前記金属層を囲むように、金属からなるスペーサ部材を形成する工程と、
   前記第二基板の表面において前記スペーサ部材を囲むように、前記スペーサ部材よりも薄い第一金属層を形成する工程と、
   前記第一基板において前記第一金属層と対応する領域に前記スペーサ部材より薄い第二金属層を形成する工程と、
   前記第一金属層と前記第二金属層とを融着し、前記第二基板の表面に形成された前記スペーサ部材を前記第一基板の表面に突き当てた状態で固定する工程と、
   を含む、力覚センサの製造方法。
3. 電磁波を透過する材料で構成され、周期的なパターンで配列された金属アレイを表面に有する第一基板と、電磁波を反射する金属層を表面に有する第二基板とを準備する工程と、
   前記第一基板の表面において前記金属アレイを囲むように、金属からなる第一スペーサ部材を形成する工程と、
   前記第一基板の表面において前記第一スペーサ部材を囲むように、第一金属層を形成する工程と、
   前記第二基板の表面において前記金属層を囲むように、前記第一スペーサ部材と対応する領域に金属からなる第二スペーサ部材を形成する工程と、
   前記第二基板の表面において前記第二スペーサ部材を囲むように、前記第一金属層と対応する領域に第二金属層を形成する工程と、
   前記第一金属層と前記第二金属層とを融着し、前記第一基板の表面に形成された前記第一スペーサ部材を前記第二基板の表面に形成された前記第二スペーサ部材に突き当てた状態で前記第一基板と前記第二基板とを固定する工程と、
   を含む、力覚センサの製造方法。
4. 前記第一金属層と前記第二金属層とは同一材料からなる、請求項１～３の何れか一項に記載の力覚センサの製造方法。