JPH0719975A - Pressure sensor chip, tactile sensor and manufacture of tactile sensor - Google Patents

Pressure sensor chip, tactile sensor and manufacture of tactile sensor

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JPH0719975A
JPH0719975A JP5186791A JP18679193A JPH0719975A JP H0719975 A JPH0719975 A JP H0719975A JP 5186791 A JP5186791 A JP 5186791A JP 18679193 A JP18679193 A JP 18679193A JP H0719975 A JPH0719975 A JP H0719975A
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JP
Japan
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mesa
silicon
sensor
rectangular
layer
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Withdrawn
Application number
JP5186791A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Takanori Fujiwara
貴典 藤原
Masushirou Hisatani
益士郎 久谷
Tatsuhiro Jibiki
達弘 地引
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Original Assignee
Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
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Publication date
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Publication of JPH0719975A publication Critical patent/JPH0719975A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Abstract

PURPOSE:To provide a two-dimensional array-shaped three-axis tactile sensor excellent in quantity production property and capable of being manufactured in the lump by arranging many sensor chips on a flexible printed board. CONSTITUTION:A rectangular mesa 14 having a trapezoidal cross section is formed on the surface of an element made of silicon, detecting electrodes 20 are provided on the slope portions 16 of the rectangular mesa 14, and a piezoelectric material thin film layer 18 having a piezoelectric effect is formed on the surface of the element in contact with the electrodes 20 as a pressure sensor chip 10. One or multiple rectangular mesas having a trapezoidal cross section are formed on the surfaces of multiple elements made of silicon and arranged and connected into a matrix shape on a flexible printed board, detecting electrodes are provided on the slope portions of the rectangular mesas, impedance converting elements electrically connected to the detecting electrodes are provided, a piezoelectric material thin film layer having a piezoelectric effect is formed on the surfaces of the elements in contact with the detecting electrodes, and it is covered with a ground electrode layer, a disturbance shielding layer, and a protective layer to form a tactile sensor.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は圧力センサチップ、触覚
センサ、および触覚センサの製造方法に係り、特にロボ
ットアームに触覚を与えるための分布型触覚センサに適
用するのに好適な構造とした圧力センサチップ、触覚セ
ンサ、および触覚センサの製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a pressure sensor chip, a tactile sensor, and a method for manufacturing the tactile sensor, and more particularly, to a pressure sensor having a structure suitable for being applied to a distributed tactile sensor for giving a tactile sensation to a robot arm. The present invention relates to a sensor chip, a tactile sensor, and a method for manufacturing a tactile sensor.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来からロボットアームは視覚フィード
バックにより操作されているのが一般的であるが、視覚
センサから離れた位置で微細な操作を行おうとすると操
作者に大変な負担を与えてしまう。このため、操作性の
向上や操作者の疲労軽減の観点から、フィードバック制
御の入力装置となる視覚以外の各種センサが要求され、
特に触覚センサの実現が望まれている。
2. Description of the Related Art Conventionally, a robot arm is generally operated by visual feedback, but if a fine operation is performed at a position away from a visual sensor, the operator will be burdened with a great burden. Therefore, from the viewpoint of improving operability and reducing operator fatigue, various sensors other than visual sensors that are input devices for feedback control are required,
In particular, realization of a tactile sensor is desired.

【0003】従来、この種の触覚センサ等に用いる圧力
センサは比較的大型でかつ1軸検出型のものが大半であ
る。また、2次元アレイ化されたものも1軸検出型が多
く、3軸検出型は稀であると同時に製作工程が著しく複
雑となっている。更に、アレイ状センサには剛体的構造
を持つものが多いので、柔軟な構造をもつ分布型触覚セ
ンサは殆ど見当たらない。
Conventionally, most of the pressure sensors used for this kind of tactile sensor and the like are of a relatively large size and of a one-axis detection type. In addition, the two-dimensional array type has many one-axis detection types, and the three-axis detection type is rare, and at the same time, the manufacturing process is significantly complicated. Furthermore, since many array sensors have a rigid structure, a distributed tactile sensor having a flexible structure is hardly found.

【0004】従来、3軸触覚センサとして発表されてい
る例を図5に示す。このセンサは異方性エッチング技術
を用いて試作されたマトリックス状触覚センサであり、
半導体歪ゲージによって圧力を検出するようになってい
る。この例では、4×4個のエレメントが各1mmピッ
チでマトリックス状に配置され、センシング層の下側に
はIC回路が造り込まれて1チップ化されている。ここ
で使用される触覚センサエレメントは検出能力と配置ピ
ッチを組合わせて3軸1mmセンサと呼ばれている。図
6は当該センサの構成図であり、(1)は3軸センサの
基本部分を示し、黒色部分が外力作用部分、斜線部がセ
ンシングエレメントであり、(2)図中のa〜dの4ヵ
所に半導体歪ゲージが形成されている。(3)はセンシ
ングエレメント側、(5)はIC回路の構成された背面
側である。
FIG. 5 shows an example of a conventional three-axis tactile sensor. This sensor is a matrix tactile sensor that was prototyped using anisotropic etching technology.
Pressure is detected by a semiconductor strain gauge. In this example, 4 × 4 elements are arranged in a matrix at a pitch of 1 mm, and an IC circuit is built under the sensing layer to form one chip. The tactile sensor element used here is called a triaxial 1 mm sensor in which the detection capability and the arrangement pitch are combined. FIG. 6 is a configuration diagram of the sensor, (1) shows a basic portion of a triaxial sensor, a black portion is an external force acting portion, a shaded portion is a sensing element, and (2) 4 of a to d in FIG. Semiconductor strain gauges are formed in some places. (3) is the sensing element side, and (5) is the back side on which the IC circuit is formed.

【0005】上記のような触覚センサは、放電加工法に
よりシリコンウェハに所定のピッチで長方形の穴を開
け、その後、この穴を基準にして触覚センサの表面にダ
イヤモンド砥石によって縦と横方向に長方形断面の溝を
加工する。この溝の深さを交互に変えることによって1
6個の両端固定はりがx、y方向に交互に並んだ3軸1
mm触覚センサが形成される。そして、作成されたセン
シング部を別体のIC基板と直接ハンダ付けにより電極
接合するようにしている。
In the tactile sensor as described above, rectangular holes are punched in a silicon wafer at a predetermined pitch by an electric discharge machining method, and then the holes of the tactile sensor are rectangularly shaped in a vertical and horizontal direction by a diamond grindstone on the surface of the tactile sensor. Process the groove on the cross section. 1 by alternating the depth of this groove
3-axis 1 with 6 fixed beams on both ends alternately arranged in x and y directions
mm tactile sensor is formed. Then, the prepared sensing unit is directly soldered to a separate IC substrate to join the electrodes.

【0006】このような触覚センサでは、小型化が可能
であること、完全弾性体でヒステリシスがないこと、ま
た、強度が強く、電子(IC)回路との一体化が可能で
あると主張されている。
It has been argued that such a tactile sensor can be miniaturized, that it is a completely elastic body and has no hysteresis, and that it is strong and can be integrated with an electronic (IC) circuit. There is.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の製作工
程から明らかなように、従来型機械加工技術に依存する
ところ大であり、精密な位置決めが要求されると同時
に、微細な加工が困難である。このため、量産性が悪
く、一括製作ができず、センサとしての加工コストが著
しく高くなってしまうという欠点があった。
However, as is clear from the above-mentioned manufacturing process, it is largely dependent on the conventional machining technology, and precise positioning is required, and at the same time, fine processing is difficult. is there. For this reason, there are drawbacks that mass productivity is poor, batch manufacturing is not possible, and the processing cost as a sensor becomes extremely high.

【0008】本発明の目的は、半導体製造技術による小
型3軸圧力変換器をフレキシブルプリント基板上に多数
配設して2次元アレイ状の3軸触覚センサを構成するこ
とができ、量産性に優れ、一括製作が可能な圧力センサ
チップ、触覚センサ、および触覚センサの製造方法を提
供することにある。
An object of the present invention is to provide a large number of small 3-axis pressure transducers manufactured by semiconductor manufacturing technology on a flexible printed circuit board to form a 2-axis array 3-axis tactile sensor, which is excellent in mass productivity. The present invention provides a pressure sensor chip, a tactile sensor, and a method of manufacturing the tactile sensor that can be manufactured in a batch.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る圧力センサチップは、シリコンからな
る素子表面に形成された台形断面の矩形メサを有し、こ
の矩形メサにおける斜面部分に検出電極を設け、当該電
極に接して前記素子表面にピエゾ効果をもつ圧電材料薄
膜層を形成したものである。
In order to achieve the above object, a pressure sensor chip according to the present invention has a trapezoidal cross-section rectangular mesa formed on a surface of an element made of silicon, and a sloped portion of the rectangular mesa. Is provided with a detection electrode, and a piezoelectric material thin film layer having a piezoelectric effect is formed on the surface of the element in contact with the detection electrode.

【0010】また、本発明に係る触覚センサは、フレキ
シブルプリント基板に複数マトリックス状に配列接続さ
れたシリコンからなる素子表面に、台形断面の矩形メサ
を1乃至複数個形成し、各矩形メサにおける斜面部分に
検出電極を設けるとともに、当該検出電極に電気的接続
されるインピーダンス変換素子を設け、前記検出電極に
接して前記素子表面にピエゾ効果をもつ圧電材料薄膜層
を形成し、これを保護層によって覆ったものである。
In the tactile sensor according to the present invention, one or more rectangular mesas having a trapezoidal cross section are formed on the surface of an element made of silicon arranged and connected in a matrix on a flexible printed circuit board, and the sloped surface of each rectangular mesa is formed. A detection electrode is provided on the portion, an impedance conversion element electrically connected to the detection electrode is provided, and a piezoelectric material thin film layer having a piezoelectric effect is formed on the surface of the element in contact with the detection electrode. It is covered.

【0011】更に、本発明の触覚センサの製造方法は、
シリコン素子表面に異方性エッチングにより台形断面の
矩形メサを1乃至複数個形成し、当該メサの斜面部に少
なくともゲート電極が設定されるMOS−FETをシリ
コン素子表面に構成した後、フレキシブルプリント基板
との接続を図り、前記シリコンの裏面部分を各エレメン
ト毎に分離しつつ、前記メサ側のシリコン素子表面にピ
エゾ効果をもつ圧電材料薄膜層を形成し、この外表面に
接地電極層、外乱遮蔽層および保護層をコーティングす
るようにした。
Further, the method for manufacturing a tactile sensor of the present invention comprises:
After forming one or more rectangular mesas having a trapezoidal cross section on the surface of the silicon element by anisotropic etching and forming a MOS-FET in which at least a gate electrode is set on the slope of the mesa on the surface of the silicon element, a flexible printed circuit board is formed. , And the back surface of the silicon is separated for each element, a thin film layer of piezoelectric material having a piezoelectric effect is formed on the surface of the silicon element on the mesa side, and a ground electrode layer and a disturbance shield are formed on the outer surface. The layer and the protective layer were coated.

【0012】[0012]

【作用】上記分布型圧力センサチップの構成によれば、
メサの表面に作用する外力によって圧電材料薄膜層に発
生した電荷量がメサ斜面に設けた検出電極によって検出
される。メサは断面が台形状であり平面矩形となってい
るので、各斜面の電極にて法線および接線方向力が検出
され、直交3軸方向の作用力を検出できるのである。
According to the structure of the distributed pressure sensor chip,
The amount of electric charge generated in the piezoelectric material thin film layer by the external force acting on the surface of the mesa is detected by the detection electrode provided on the slope of the mesa. Since the mesa has a trapezoidal cross section and a rectangular shape in plan view, the normal and tangential forces are detected by the electrodes on each inclined surface, and the acting forces in the orthogonal triaxial directions can be detected.

【0013】また、上記チップをマトリックスに配置し
て複数設けてフレキシブルプリント基板に接続している
ため、センサ本体が比較的柔軟に変形でき、取り付け箇
所の形状による制約が少なくなり、各チップに作用する
印加圧力の大きさと作用方向が複数箇所で検出されるた
め、センサ本体の接触領域の印加圧力の分布を検出する
ことができ、触覚センサとして対象物の表面性状や接触
状態の把握といった認識データを必要とするロボットア
ームに適用することができる。
Further, since a plurality of the above chips are arranged in a matrix and connected to the flexible printed circuit board, the sensor main body can be relatively flexibly deformed, and the restrictions on the shape of the mounting location are lessened, and it acts on each chip. Since the magnitude of the applied pressure and the acting direction are detected at multiple locations, the distribution of the applied pressure in the contact area of the sensor body can be detected, and the recognition data for grasping the surface texture and contact state of the target object as a tactile sensor. Can be applied to a robot arm that requires.

【0014】更に、本発明の製造方法では、エッチング
処理や薄膜層のコーティング等を基本的な製造工程にも
っており、機械加工や製作工程に位置決めを要する組立
工程がないために、バッチプロセスにて作成でき、また
ハンドリングや製作が極めて容易になるので、量産性に
優れたものとなっている。
Further, in the manufacturing method of the present invention, the etching process, the coating of the thin film layer and the like are also included in the basic manufacturing process, and there is no assembly process which requires positioning in the machining process and the manufacturing process. Since it can be created and handling and manufacturing are extremely easy, it is excellent in mass productivity.

【0015】[0015]

【実施例】以下に、本発明に係る圧力センサチップ、触
覚センサ、および触覚センサの製造方法の具体的実施例
を図面を参照して詳細に説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Specific embodiments of a pressure sensor chip, a tactile sensor, and a method of manufacturing a tactile sensor according to the present invention will be described in detail below with reference to the drawings.

【0016】図1は実施例の圧力センサチップの平面図
および断面図を示している。このチップ10はシリコン
基板12の表面に台形断面の矩形メサ14を形成してい
る。これはシリコン基板12の表面に中央に正方形開口
を有するように枠形のSiO2マスクを設け、異方性エッ
チングを施すことによりマスク部分に相当する部分が台
形断面となるように矩形枠形のメサ14が構成される。
これによりメサ14の内周部四方に位置する各面が傾斜
面16となっている。
FIG. 1 shows a plan view and a sectional view of a pressure sensor chip of the embodiment. In this chip 10, a rectangular mesa 14 having a trapezoidal cross section is formed on the surface of a silicon substrate 12. This is a rectangular frame-shaped mesa in which a frame-shaped SiO2 mask is provided on the surface of the silicon substrate 12 so as to have a square opening in the center and anisotropic etching is performed so that a portion corresponding to the mask portion has a trapezoidal cross section. 14 are configured.
As a result, the surfaces located on the four sides of the inner peripheral portion of the mesa 14 are inclined surfaces 16.

【0017】このような矩形メサ14を構成したシリコ
ン基板12には、ピエゾ効果をもつ圧電材料薄膜層を積
層形成するようにしている。ピエゾ効果をもつ圧電材料
としては、実施例ではポリフッ化ビニリデン(以下PV
DFという)を用いており、この膜を加熱して真空中に
て加圧転写し、シリコン基板12のメサ14に接合させ
るようにしている。圧電材料としては圧電セラミックス
と圧電ポリマーとがあり、両者を用いることができる
が、圧電ポリマーの誘電率が小さいので、両者に同一の
応力を印加すると圧電セラミックスより約10倍大きな
電圧が発生するので、圧電ポリマーに優位性がある。ま
た、対象物と機械的に接触する触覚センサでは、柔軟な
センシング材料が望ましいので、圧電ポリマーが有利で
ある。更に、圧電ポリマーには上記PVDFに代表され
るポリマー単体のものと、圧電性能を改善する目的等の
ために圧電セラミックス粉末をPVDFやシリコーンゴ
ム中に混入した複合材料があるが、後者はセラミック粉
末がマトリックスポリマー中に均一に分散していなけれ
ば、圧電特性が場所によって不均一になり易い欠点があ
る。したがって材質の安定性の観点から前者の単体ポリ
マーが望ましい。
On the silicon substrate 12 having such a rectangular mesa 14, thin film layers of piezoelectric material having a piezo effect are laminated. As a piezoelectric material having a piezoelectric effect, polyvinylidene fluoride (hereinafter referred to as PV
DF) is used, and this film is heated, pressure-transferred in vacuum, and bonded to the mesa 14 of the silicon substrate 12. There are piezoelectric ceramics and piezoelectric polymers as piezoelectric materials, and both can be used. However, since the dielectric constant of the piezoelectric polymers is small, applying the same stress to both causes a voltage about 10 times larger than that of the piezoelectric ceramics. , Piezoelectric polymer has an advantage. In addition, in a tactile sensor that makes mechanical contact with an object, a flexible sensing material is desirable, so a piezoelectric polymer is advantageous. Further, the piezoelectric polymer includes a polymer alone represented by PVDF and a composite material in which piezoelectric ceramic powder is mixed in PVDF or silicone rubber for the purpose of improving piezoelectric performance. The latter is ceramic powder. If is not evenly dispersed in the matrix polymer, there is a drawback that the piezoelectric characteristics tend to become non-uniform depending on the location. Therefore, the former simple substance polymer is desirable from the viewpoint of the stability of the material.

【0018】ここで、シリコン基板12にメサ14が形
成され、この表面にPVDFの薄膜層18が設けられる
ため、PVDF層18を介してメサ14が対象物に接触
すると、この接触圧の大きさに応じてPVDF層18に
はピエゾ効果によって電圧を発生する。これを検出する
ために、上記メサ14の特に矩形に囲まれた内面側の四
方の傾斜面16のそれぞれに検出電極20を設けてい
る。すなわち、シリコン基板12の表面にPVDF層1
8を積層形成する前に、図2に示すようなチップベース
の状態で、予め前記各傾斜面16に検出電極20を形成
するようにしている。この検出電極20は同時にインピ
ーダンス変換素子としてのMOS−FET22のゲート
電極に接続するようにしている。MOS−FET22は
PVDF層18による感圧信号をゲート電圧信号として
検出し、検出信号を増幅させるもので、メサ14の傾斜
面16の近傍に形成されている。これは図2に示す例で
はメサ14の上端面に配置され、シリコン基板12の表
面に不純物注入等によりMOS−FET22を造り込む
ようにしている。このMOS−FET22のドレイン電
極に接続される出力電極24を、またソース電極に接続
される電源電極26を有し、これらはフレキシブルプリ
ント基板28の回路への接続端子となるようメサ14の
周囲に配置されている。MOS−FET22は各検出電
極20ごとに対応して設けられ、実施例のセンサチップ
10では4ヵ所設けている。これらMOS−FET22
とこれに接続される電極20、24、26の形成後、フ
レキシブルプリント基板28を接続し、検出信号を基板
内回路に取り込んで所定のセンシング出力するようにし
ている。
Since the mesa 14 is formed on the silicon substrate 12 and the PVDF thin film layer 18 is provided on the surface of the mesa 14, when the mesa 14 contacts the object through the PVDF layer 18, the magnitude of the contact pressure is increased. Accordingly, a voltage is generated in the PVDF layer 18 by the piezo effect. In order to detect this, a detection electrode 20 is provided on each of the four inclined surfaces 16 on the inner surface side of the mesa 14, which is particularly surrounded by a rectangle. That is, the PVDF layer 1 is formed on the surface of the silicon substrate 12.
Before stacking 8 layers, the detection electrodes 20 are formed in advance on each of the inclined surfaces 16 in a chip base state as shown in FIG. The detection electrode 20 is simultaneously connected to the gate electrode of a MOS-FET 22 as an impedance conversion element. The MOS-FET 22 detects a pressure sensitive signal from the PVDF layer 18 as a gate voltage signal and amplifies the detected signal, and is formed in the vicinity of the inclined surface 16 of the mesa 14. In the example shown in FIG. 2, this is arranged on the upper end surface of the mesa 14, and the MOS-FET 22 is formed in the surface of the silicon substrate 12 by implanting impurities or the like. An output electrode 24 connected to the drain electrode of the MOS-FET 22 and a power supply electrode 26 connected to the source electrode are provided around the mesa 14 so as to serve as connection terminals to the circuit of the flexible printed board 28. It is arranged. The MOS-FET 22 is provided corresponding to each detection electrode 20, and is provided at four places in the sensor chip 10 of the embodiment. These MOS-FET22
After forming the electrodes 20, 24 and 26 connected thereto, the flexible printed board 28 is connected so that the detection signal is taken into the circuit in the board and a predetermined sensing output is performed.

【0019】このようにメサ14のエッチング後に検出
電極20およびMOS−FET22を形成し、同時にフ
レキシブルプリント基板28への接続を行われた上で、
感圧素子であるPVDF層18が形成されるが、このP
VDF層18の表面には接地電極兼用外乱遮蔽用のアル
ミニウム層30をコーティングし、更に、最外表面部分
に耐摩耗性向上のために、シリコーンゴム層32を順次
コーティングするようにしている。
Thus, after the detection electrode 20 and the MOS-FET 22 are formed after the etching of the mesa 14 and at the same time, the flexible printed board 28 is connected,
The PVDF layer 18, which is a pressure sensitive element, is formed.
The surface of the VDF layer 18 is coated with an aluminum layer 30 that also serves as a ground electrode and serves as a disturbance shield, and further, a silicone rubber layer 32 is sequentially coated on the outermost surface portion to improve wear resistance.

【0020】このように構成された圧力センサチップ1
0によれば、保護層30、32を介して作用する外力に
よってPVDF層18には電荷が発生し、これがMOS
−FET22により電圧に変換され、発生電圧を検出す
ることによって印加圧力の大きさを検知することができ
る。印加圧力はメサ14の上面に加えられるが、検出電
極20は矩形メサ14の傾斜面に設定されており、メサ
面に対して法線方向と接線方向の力を検出でき、したが
って3軸センサとして機能する。すなわち、センサチッ
プの法線方向のみに力が作用する場合、対向するメサ傾
斜面16に設けた一対のPVDF層18に発生する電荷
から変換される電圧は等しくなり、このときの法線方向
の出力電圧Vnは、対向するPVDF層18からの出力
電圧の和の1/2となる。同様に、センサチップの接線
方向のみに力が作用する場合、対向するメサ傾斜面16
に設けた一対のPVDF層18のうち、一方は圧縮を受
け他方は引張りを受けるため、両者の出力電圧は極性が
異なり、接線方向出力は両電圧の差分をとることで求め
られる。したがって、対向するPVDF層18から得ら
れる出力電圧の平均値により法線成分の大きさが、差分
を求めることにより接線方向成分の大きさが、またその
極性を求める力の作用方向が検出できる。これにより、
印加応力の3軸方向の各成分を検出することが可能であ
る。
The pressure sensor chip 1 thus constructed
According to 0, electric charges are generated in the PVDF layer 18 by the external force acting through the protective layers 30 and 32, and this is generated by the MOS.
-The voltage is converted by the FET 22 and the magnitude of the applied pressure can be detected by detecting the generated voltage. The applied pressure is applied to the upper surface of the mesa 14, but the detection electrode 20 is set on the inclined surface of the rectangular mesa 14, and the force in the normal direction and the tangential direction to the mesa surface can be detected. Function. That is, when the force acts only in the normal direction of the sensor chip, the voltages converted from the charges generated in the pair of PVDF layers 18 provided on the facing mesa inclined surfaces 16 become equal, and the voltage in the normal direction at this time becomes equal. The output voltage Vn becomes 1/2 of the sum of the output voltages from the PVDF layers 18 facing each other. Similarly, when the force acts only in the tangential direction of the sensor chip, the opposite mesa inclined surface 16
Since one of the pair of PVDF layers 18 provided in 1 is subjected to compression and the other is subjected to tension, the output voltages of the two have different polarities, and the tangential output is obtained by taking the difference between the two voltages. Therefore, the magnitude of the normal component can be detected by the average value of the output voltages obtained from the facing PVDF layers 18, the magnitude of the tangential component can be detected by obtaining the difference, and the action direction of the force for obtaining the polarity can be detected. This allows
It is possible to detect each component of the applied stress in the three axis directions.

【0021】ここで、上記のようなセンサチップ10を
同時に複数マトリックス状に配列形成することにより圧
力分布情報を検出できるので、触覚センサ34として用
いることができる。これは図3に示すように、上記セン
サチップ10をフレキシブルプリント基板28に対して
縦横に一定間隔で配列して形成される。このような触覚
センサ34の製造プロセスを図4を参照して説明する。
Here, since the pressure distribution information can be detected by arranging the above-described sensor chips 10 in a matrix at the same time, the sensor chip 10 can be used as the tactile sensor 34. As shown in FIG. 3, the sensor chip 10 is formed by arranging the sensor chip 10 on the flexible printed board 28 vertically and horizontally at regular intervals. A manufacturing process of such a tactile sensor 34 will be described with reference to FIG.

【0022】まず、第1の工程は、図4(1)に示すよ
うに、シリコン基板12の表面に異方性エッチングによ
り所定の高さのメサ14を形成する。このメサ14のエ
ッチングのためのマスクはSiO2を用いる。メサ14は
図示の例では2×2のマトリックスに形成する。
First, in the first step, as shown in FIG. 4A, the mesa 14 having a predetermined height is formed on the surface of the silicon substrate 12 by anisotropic etching. SiO 2 is used as a mask for etching the mesa 14. The mesas 14 are formed in a 2 × 2 matrix in the illustrated example.

【0023】そして、彫り込んだシリコン基板12の表
面に、図4(2)に示しているように、第2工程とし
て、インピーダンス変換のためのMOS−FET22を
造り込む。不純物の拡散はイオン注入によればよい。こ
の例はMOS−FET22はメサ14の上面に形成して
いるが、シリコン基板12の平坦度が十分でありFET
特性が不揃いにならない場合は、電極20、24、26
以外の任意の位置に構成してもよい。このMOS−FE
T22のゲート電極とPVDF膜18の絶縁のため、レ
ジスト膜でゲート表面をコーティングする。
Then, as shown in FIG. 4B, a MOS-FET 22 for impedance conversion is formed in the engraved surface of the silicon substrate 12 as a second step. The diffusion of impurities may be performed by ion implantation. In this example, the MOS-FET 22 is formed on the upper surface of the mesa 14, but the flatness of the silicon substrate 12 is sufficient and the FET
If the characteristics do not become uneven, the electrodes 20, 24, 26
You may comprise in arbitrary positions other than. This MOS-FE
To insulate the gate electrode of T22 from the PVDF film 18, the gate surface is coated with a resist film.

【0024】第3工程はフレキシブルプリント基板28
との接合工程であり、センサチップ10の周辺の電極パ
ッド(出力電極24、電源電極26)を介して、フレキ
シブルプリント基板28と接合する(図4(3))。こ
れは基板側パッドに導電性ペーストでバンプを印刷した
後、接合箇所を位置決めして接合すればよい。このプリ
ント基板28の肉厚に合せて前記メサ14をエッチング
形成しておく。
The third step is the flexible printed circuit board 28.
This is a bonding step with the flexible printed board 28 through the electrode pads (output electrode 24, power supply electrode 26) around the sensor chip 10 (FIG. 4C). For this purpose, bumps may be printed on the board-side pads with a conductive paste, and then the joints may be positioned and joined. The mesa 14 is formed by etching according to the thickness of the printed board 28.

【0025】フレキシブルプリント基板28の接続の
後、センサチップ10を分離する第4工程となる(図4
(4))。これは前記メサ14の形成面と反対側のシリ
コン基板12の裏面を異方性エッチングで各メサ14単
位のチップ10ごとに分離するのである。これによって
複数のセンサチップ10がマトリックス状に配列してフ
レキシブルプリント基板28に搭載された状態になる。
After connecting the flexible printed circuit board 28, the fourth step of separating the sensor chip 10 is performed (FIG. 4).
(4)). This is to separate the back surface of the silicon substrate 12 opposite to the surface on which the mesas 14 are formed into each chip 10 of each mesa 14 by anisotropic etching. As a result, the plurality of sensor chips 10 are arranged in a matrix and mounted on the flexible printed board 28.

【0026】次に、感圧素子としてPVDF膜18を圧
着して積層する第5工程に移る(図4(5))。これは
シリコン基板12の表面の凹凸に沿うと同時に充分接合
するように、加熱した状態でやや軟質なシリコーンゴム
製などのパッドで加圧して、PVDF膜18にシリコン
基板12表面形状を転写する。接合界面の清浄化および
脱泡のために、真空中加圧が望ましい。ここで、シリコ
ン基板12とPVDF膜18とは直接接合することが望
ましいが、両者のみで接合できない場合には、シリコン
基板12の表面の凹凸に適合する形状のマスクを用い
て、ペースト状熱硬化樹脂をスクリーン印刷等によりシ
リコン基板12の表面に塗布する。その後、位置決めの
後にPVDF膜18とシリコン基板12とを接合するの
である。
Next, the fifth step of laminating the PVDF film 18 as a pressure sensitive element by pressure bonding is performed (FIG. 4 (5)). The surface shape of the silicon substrate 12 is transferred to the PVDF film 18 by pressing with a pad made of a slightly soft silicone rubber while being heated so that the surface of the silicon substrate 12 is bonded to the surface of the silicon substrate 12 at the same time. Pressurization in vacuum is desirable for cleaning and defoaming the bonding interface. Here, it is desirable that the silicon substrate 12 and the PVDF film 18 be directly bonded. However, if the bonding is not possible with both of them, a paste-like thermosetting is used by using a mask having a shape suitable for the unevenness of the surface of the silicon substrate 12. The resin is applied to the surface of the silicon substrate 12 by screen printing or the like. Then, after positioning, the PVDF film 18 and the silicon substrate 12 are bonded.

【0027】上記PVDF膜18の積層処理の後、これ
を保護する層を形成するが、これは図4(6)に示すよ
うに、PVDF膜18の表面全面にアルミニウム層30
をコーティングし、次いで、その外表面側に耐摩耗性向
上のためにシリコーンゴム層32をコーティングするの
である(図4(7))。前者は接地電極を兼用する外乱
遮蔽用コーティングとなる。アルミニウムコーティング
層30の反射率は、赤外線から紫外線にわたる幅広い波
長領域で高い反射率を示すので、外乱の抑制効果が大き
い。
After the PVDF film 18 is laminated, a layer for protecting it is formed. As shown in FIG. 4 (6), this is an aluminum layer 30 on the entire surface of the PVDF film 18.
Then, the outer surface side is coated with a silicone rubber layer 32 to improve wear resistance (FIG. 4 (7)). The former is a disturbance shielding coating that also serves as a ground electrode. The reflectance of the aluminum coating layer 30 exhibits a high reflectance in a wide wavelength range from infrared rays to ultraviolet rays, and thus has a great effect of suppressing disturbance.

【0028】このような方法によって製作された触覚セ
ンサ34は、シリコン異方性エッチングにより作成され
た構造体と、圧力変換要素であるPVDF膜18が組み
合わされた触覚センシングチップ10が、フレキシブル
プリント基板28上に多数配設されたマトリックス状セ
ンサであり、次のような効果が得られる。すなわち、機
能的な面では、センシングチップ上面に対して法線およ
び接線方向の力の検出が可能な3軸センサとなり、しか
も発生チャージのリークが少ないので、準静的な圧力検
出も可能となっている。また、小型化されたマトリック
ス状センサのため分解能が高く、この分解能もセンサチ
ップ10の間隔を調整することにより任意に設定でき
る。
In the tactile sensor 34 manufactured by such a method, the tactile sensing chip 10 in which the structure made by silicon anisotropic etching and the PVDF film 18 as a pressure converting element are combined is a flexible printed circuit board. A large number of matrix sensors are arranged on the 28, and the following effects can be obtained. In other words, in terms of functionality, the sensor is a triaxial sensor that can detect forces in the normal and tangential directions with respect to the upper surface of the sensing chip, and since there is little leakage of generated charge, quasi-static pressure detection is also possible. ing. Further, the miniaturized matrix sensor has a high resolution, and this resolution can also be arbitrarily set by adjusting the interval between the sensor chips 10.

【0029】更に、構造的な面では、フレキシブルプリ
ント基板28上に構成されるので、取り付け箇所の形状
による制約が少ない。しかもセンシングチップ10はシ
リコン製のため高い強度をもっており、チップ10の周
辺に電子(処理)回路を構成することができる。加え
て、製作面からは、バッチプロセスで作成でき、比較的
高密度なセンサの作成も可能であり、製作工程に位置決
めを要する組立工程がないので、ハンドリングや製作が
容易となる効果がある。
Further, in terms of structure, since it is formed on the flexible printed circuit board 28, there are few restrictions due to the shape of the mounting location. Moreover, since the sensing chip 10 is made of silicon, it has high strength, and an electronic (processing) circuit can be formed around the chip 10. In addition, in terms of manufacturing, it can be manufactured by a batch process, a sensor with a relatively high density can be manufactured, and there is no assembly process that requires positioning in the manufacturing process, so that handling and manufacturing are easy.

【0030】[0030]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
シリコンからなる素子表面に形成された台形断面の矩形
メサを有し、この矩形メサにおける斜面部分に検出電極
を設け、当該電極に接して前記素子表面にピエゾ効果を
もつ圧電材料薄膜層を形成した圧力センサチップである
ため、法線および接線方向の力の検出ができ、3軸方向
に力の検出が可能となる効果が得られる。
As described above, according to the present invention,
It has a rectangular mesa with a trapezoidal cross section formed on the surface of the element made of silicon, a detection electrode is provided on the slope of this rectangular mesa, and a piezoelectric material thin film layer having a piezo effect is formed on the surface of the element in contact with the electrode. Since it is the pressure sensor chip, it is possible to detect the force in the normal line and the tangential direction and obtain the effect that the force can be detected in the three axis directions.

【0031】また、本発明の触覚センサは、フレキシブ
ルプリント基板に複数マトリックス状に配列接続された
シリコンからなる素子表面に、台形断面の矩形メサを1
乃至複数個形成し、各矩形メサにおける斜面部分に検出
電極を設けるとともに、当該検出電極に電気的接続され
るインピーダンス変換素子を設け、前記検出電極に接し
て前記素子表面にピエゾ効果をもつ圧電材料薄膜層を形
成し、これを保護層によって覆った構造となっているの
で、取り付け箇所の制約がなく、高い分解能で検出で
き、ロボットアーム等へ取り付けて圧力分布を容易に把
握できてフィードバック制御の入力手段として極めて有
効なセンシングができる効果がある。
Further, in the tactile sensor of the present invention, a rectangular mesa having a trapezoidal cross section is formed on the surface of an element made of silicon arranged and connected in a matrix form on a flexible printed circuit board.
Or a plurality of piezoelectric materials, each of which is provided with an impedance conversion element electrically connected to the detection electrode and provided with a detection electrode on the inclined surface of each rectangular mesa, and which has a piezoelectric effect on the element surface in contact with the detection electrode. Since a thin film layer is formed and covered with a protective layer, there is no restriction on the attachment location, it can be detected with high resolution, and it can be attached to a robot arm etc. to easily grasp the pressure distribution and perform feedback control. There is an effect that extremely effective sensing can be performed as an input means.

【0032】更に、本発明の製造方法によれば、シリコ
ン素子表面に異方性エッチングにより台形断面の矩形メ
サを1乃至複数個配列形成し、当該メサの斜面部に少な
くともゲート電極が設定されるMOS−FETをシリコ
ン素子表面に構成した後、フレキシブルプリント基板と
の接続を図り、前記シリコンの裏面部分を各エレメント
毎に分離しつつ、前記メサ側のシリコン素子表面にピエ
ゾ効果をもつ圧電材料薄膜層を形成し、この外表面に接
地電極層、外乱遮蔽層および保護層をコーティングして
製造するため、位置決め要素がなく、穴開け加工がない
ため、バッチプロセスによる一括製造ができ、触覚セン
サの製造コストを大幅に低減することができるという効
果が得られる。
Further, according to the manufacturing method of the present invention, one or more rectangular mesas having a trapezoidal cross section are formed in an array on the surface of the silicon element by anisotropic etching, and at least the gate electrode is set on the slope of the mesa. After the MOS-FET is formed on the surface of the silicon element, a thin film of a piezoelectric material having a piezo effect on the surface of the silicon element on the mesa side is formed by connecting the flexible printed circuit board and separating the back surface of the silicon for each element. A layer is formed, and the outer surface is coated with a ground electrode layer, a disturbance shielding layer, and a protective layer.Therefore, there are no positioning elements and there is no drilling process, so batch manufacturing is possible, and tactile sensor The effect that the manufacturing cost can be significantly reduced is obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】実施例に係る圧力センサチップの平面図および
断面図である。
FIG. 1 is a plan view and a cross-sectional view of a pressure sensor chip according to an embodiment.

【図2】同センサチップの電極配列の説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram of an electrode array of the sensor chip.

【図3】触覚センサの平面図と側面図である。FIG. 3 is a plan view and a side view of a tactile sensor.

【図4】触覚センサの製造工程の説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram of a manufacturing process of the tactile sensor.

【図5】従来の触覚センサの説明図である。FIG. 5 is an explanatory diagram of a conventional tactile sensor.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 圧力センサチップ 12 シリコン基板 14 矩形メサ 16 傾斜面 18 PVDF膜 20 検出電極 22 MOS−FET 24 出力電極 26 電源電極 28 フレキシブルプリント基板 30 アルミニウムコーティング層 32 シリコーンゴム層 34 触覚センサ 10 Pressure Sensor Chip 12 Silicon Substrate 14 Rectangular Mesa 16 Slope 18 PVDF Film 20 Detection Electrode 22 MOS-FET 24 Output Electrode 26 Power Supply Electrode 28 Flexible Printed Board 30 Aluminum Coating Layer 32 Silicone Rubber Layer 34 Tactile Sensor

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 シリコンからなる素子表面に形成された
台形断面の矩形メサを有し、この矩形メサにおける斜面
部分に検出電極を設け、当該電極に接して前記素子表面
にピエゾ効果をもつ圧電材料薄膜層を形成したことを特
徴とする圧力センサチップ。
1. A piezoelectric material having a trapezoidal cross-section rectangular mesa formed on a surface of an element made of silicon, a detection electrode being provided on a slope portion of the rectangular mesa, and having a piezoelectric effect on the surface of the element in contact with the detection electrode. A pressure sensor chip comprising a thin film layer.
【請求項2】 フレキシブルプリント基板に複数マトリ
ックス状に配列接続されたシリコンからなる素子表面
に、台形断面の矩形メサを1乃至複数個形成し、各矩形
メサにおける斜面部分に検出電極を設けるとともに、当
該検出電極に電気的接続されるインピーダンス変換素子
を設け、前記検出電極に接して前記素子表面にピエゾ効
果をもつ圧電材料薄膜層を形成し、これを保護層によっ
て覆ったことを特徴とする触覚センサ。
2. One or a plurality of rectangular mesas having a trapezoidal cross section are formed on a surface of an element made of silicon arrayed and connected in a matrix on a flexible printed circuit board, and a detection electrode is provided on a slope portion of each rectangular mesa. A tactile sensation characterized in that an impedance conversion element electrically connected to the detection electrode is provided, a piezoelectric material thin film layer having a piezoelectric effect is formed on the surface of the element in contact with the detection electrode, and the piezoelectric material thin film layer is covered with a protective layer. Sensor.
【請求項3】 シリコン素子表面に異方性エッチングに
より台形断面の矩形メサを1乃至複数個形成し、当該メ
サの斜面部に少なくともゲート電極が設定されるMOS
−FETをシリコン素子表面に構成した後、フレキシブ
ルプリント基板との接続を図り、前記シリコンの裏面部
分を各エレメント毎に分離しつつ、前記メサ側のシリコ
ン素子表面にピエゾ効果をもつ圧電材料薄膜層を形成
し、この外表面に接地電極層、外乱遮蔽層および保護層
をコーティングすることを特徴とする触覚センサの製造
方法。
3. A MOS in which one or more rectangular mesas having a trapezoidal cross section are formed on the surface of a silicon element by anisotropic etching, and at least a gate electrode is set on a sloped portion of the mesa.
A piezoelectric material thin film layer having a piezo effect on the surface of the silicon element on the mesa side while forming the FET on the surface of the silicon element and then connecting to the flexible printed circuit board to separate the back surface portion of the silicon for each element. And forming a ground electrode layer, a disturbance shielding layer, and a protective layer on the outer surface thereof, and manufacturing the tactile sensor.
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Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6677544B2 (en) 2000-03-03 2004-01-13 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Switch panel device in a saddle type vehicle
KR100735295B1 (en) * 2005-10-28 2007-07-03 삼성전기주식회사 Fabrication method of flexible tactile sensor using polymer film
KR100809284B1 (en) * 2006-04-27 2008-03-04 전자부품연구원 A tactile sensor array and its manufacturing method
KR100809285B1 (en) * 2006-05-03 2008-03-04 전자부품연구원 A tactile sensor for multi-axis sensing and its manufacturing method
KR100811861B1 (en) * 2006-08-31 2008-03-10 한국표준과학연구원 Method for manufacturing of tactile sensor
CN102435376A (en) * 2011-10-24 2012-05-02 中北大学 Flexible three-dimensional force sensor and decoupling method and manufacturing method thereof
JP2012185153A (en) * 2011-02-15 2012-09-27 Canon Inc Piezoelectric vibration type force sensor, robot hand, and robot arm
WO2016042707A1 (en) * 2014-09-15 2016-03-24 株式会社デンソー Load sensor
KR20210014229A (en) 2019-07-25 2021-02-09 한국과학기술연구원 Shear and Normal Force Sensor and Manufacturing Method thereof
CN113483922A (en) * 2021-05-21 2021-10-08 中国科学院重庆绿色智能技术研究院 Strip-type flexible linear array pressure sensor with force-sensitive film, intelligent tool fixture and force-sensitive film preparation method
CN114544046A (en) * 2021-12-22 2022-05-27 浙江清华柔性电子技术研究院 Pressure sensor and preparation method thereof

Cited By (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6677544B2 (en) 2000-03-03 2004-01-13 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Switch panel device in a saddle type vehicle
KR100735295B1 (en) * 2005-10-28 2007-07-03 삼성전기주식회사 Fabrication method of flexible tactile sensor using polymer film
KR100809284B1 (en) * 2006-04-27 2008-03-04 전자부품연구원 A tactile sensor array and its manufacturing method
KR100809285B1 (en) * 2006-05-03 2008-03-04 전자부품연구원 A tactile sensor for multi-axis sensing and its manufacturing method
KR100811861B1 (en) * 2006-08-31 2008-03-10 한국표준과학연구원 Method for manufacturing of tactile sensor
JP2012185153A (en) * 2011-02-15 2012-09-27 Canon Inc Piezoelectric vibration type force sensor, robot hand, and robot arm
CN102435376A (en) * 2011-10-24 2012-05-02 中北大学 Flexible three-dimensional force sensor and decoupling method and manufacturing method thereof
WO2016042707A1 (en) * 2014-09-15 2016-03-24 株式会社デンソー Load sensor
JP2016061571A (en) * 2014-09-15 2016-04-25 株式会社デンソー Load sensor
KR20210014229A (en) 2019-07-25 2021-02-09 한국과학기술연구원 Shear and Normal Force Sensor and Manufacturing Method thereof
US11073434B2 (en) 2019-07-25 2021-07-27 Korea Institute Of Science And Technology Manufacturing method for shear and normal force sensor
CN113483922A (en) * 2021-05-21 2021-10-08 中国科学院重庆绿色智能技术研究院 Strip-type flexible linear array pressure sensor with force-sensitive film, intelligent tool fixture and force-sensitive film preparation method
CN114544046A (en) * 2021-12-22 2022-05-27 浙江清华柔性电子技术研究院 Pressure sensor and preparation method thereof
CN114544046B (en) * 2021-12-22 2023-12-19 浙江清华柔性电子技术研究院 Method for manufacturing pressure sensor

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