KR102241746B1 - Tactile sensor and Forcep sensor based crystal silicon nano membrane - Google Patents

Tactile sensor and Forcep sensor based crystal silicon nano membrane Download PDF

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KR102241746B1
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김종호
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장진석
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Abstract

The present invention relates to a tactile sensor based on a single-crystal silicon nanomembrane, a force sensing forceps device for robot-assisted minimally invasive surgery (RMIS) using a tactile sensor, and a manufacturing method thereof. More specifically, the present invention relates to a manufacturing method which comprises: a step of transcribing a single-crystal silicon layer on a polyimide (PI) film; a step of etching the silicon layer, generating a plurality of sensor units, and manufacturing an electrode wire through a metalizing process; a step of coating the PI film with the sensor unit and the electrode wire with PDMS, and manufacturing a tactile sensor; a step of coating a bump mold with PDMS, hardening the same, and manufacturing a bump; a step of bonding the bump to the tactile sensor; a step of attaching a transformation layer to each of one side on an inner surface of a pair of end effectors of an RMIS robot; and a step of bonding the tactile sensor engaged with the bump to each of the transformation layers. The present invention aims to provide a tactile sensor based on a single-crystal silicon nanomembrane, force sensing forceps device for RMIS using the tactile sensor, and a manufacturing method thereof, which are able to measure the tactile information obtained from the end effectors.

Description

단결정 실리콘 나노 멤브레인 기반 촉각센서, 및 그 촉각센서를 이용한 RMIS용 포셉센서 디바이스 및 그 제조방법{Tactile sensor and Forcep sensor based crystal silicon nano membrane}A tactile sensor based on a single crystal silicon nanomembrane, and a forcep sensor device for RMIS using the tactile sensor, and a manufacturing method thereof {Tactile sensor and Forcep sensor based crystal silicon nano membrane}

본 발명은 단결정 실리콘 나노 멤브레인 기반 촉각센서, 및 그 촉각센서를 이용한 RMIS용 포셉센서 디바이스 및 그 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 햅틱 피드백(Haptic feedback(Force feedback + Tactile feedback))을 필요로 하는 응용기술인 RMIS(Robot assisted Minimally Invasive Surgery)에 적용할 수 있는 촉각센서에 대한 것이다 The present invention relates to a single crystal silicon nano-membrane-based tactile sensor, a forceps sensor device for RMIS using the tactile sensor, and a method of manufacturing the same. More specifically, it is about a tactile sensor that can be applied to RMIS (Robot assisted Minimally Invasive Surgery), an application technology that requires haptic feedback (Force feedback + Tactile feedback).

최근 다양한 수술들이 로봇을 이용하여 행해지고 있으며, 이러한 수술방식을 RMIS(Robot-assisted Minimally Invasive Surgery)라고 한다. Recently, various surgeries have been performed using robots, and this surgical method is called RMIS (Robot-assisted Minimally Invasive Surgery).

RMIS는 기존에 알려진 MIS와 유사한 수술방식으로써, 수술도구를 다루는 주체가 누구인지에 대한 차이가 있다. MIS의 경우에는 수술도구를 외과의가 직접 다루지만, RMIS의 경우에는 외과의가 아닌 외과의의 조종을 받는 로봇이 수술도구를 다룬다. RMIS is a surgical method similar to previously known MIS, and there is a difference in who handles surgical instruments. In the case of MIS, surgical instruments are directly handled by the surgeon, but in the case of RMIS, the surgical instruments are handled by a robot controlled by a surgeon, not a surgeon.

RMIS에 대한 외과수술의 비중이 높이지는 이유는 RMIS가 기존의 MIS의 장점들(예를 들어, small incisions, less bleeding, faster recovery time and reduced scarring)을 가지고 있으면서도 MIS의 한계점들(예를 들어, fulcrum effect, limitation on degree of freedom for hand, loss of intuitiveness etc.)을 극복한 수술방식이기 때문이다. The reason for the increasing proportion of surgical procedures to RMIS is that RMIS has the advantages of existing MIS (e.g., small incisions, less bleeding, faster recovery time and reduced scarring), but the limitations of MIS (e.g., This is because it is a surgical method that overcomes the fulcrum effect, limitation on degree of freedom for hand, loss of intuitiveness, etc.).

하지만 여전히 한계점들(예를 들어, large space, longer operating time and lack of haptic feedback)은 남아있다. However, limitations still remain (eg, large space, longer operating time and lack of haptic feedback).

특히 lack of haptic feedback은 해결해야될 이슈이다. 햅틱 피드백(Tactile feedback + Kinesthetic feedback)은 외과의가 수술을 하면서 장기를 다룰 때 외과의가 느끼는 촉감이다. In particular, lack of haptic feedback is an issue to be resolved. Haptic feedback (Tactile feedback + kinesthetic feedback) is the sense of touch the surgeon feels when handling organs while performing surgery.

특히 장기를 다루는 부위인 엔드 이펙터(End-effector)로부터 얻어지는 촉각정보(tacile information(3-축 힘 감지, 힘 분포)가 외과의에게 전달되지 못하여, 장기를 다룰 때 과도하게 힘이 가해져서 내상 및 외상을 초래하고, 봉합(suturing)을 하는 경우에는 실이 끊어져서 수술이 지연되는 경우가 발생한다. In particular, tacile information (3-axis force detection, force distribution) obtained from the end-effector, which is a part that deals with organs, could not be transmitted to the surgeon, so excessive force was applied when handling organs, resulting in internal injuries and trauma. In the case of suturing, the thread is broken and the operation is delayed.

이러한 이유로 종종 수술 후 환자에게 합병증을 유발한다. 그러므로 외과의에게 햅틱 피드백을 전달하기 위해서, 장기와 수술도구 간(tool-tissue interaction)에 발생되는 햅틱 정보을 측정하기 위한 촉각 센서가 필요하다.For this reason, it often causes complications in patients after surgery. Therefore, in order to deliver haptic feedback to the surgeon, a tactile sensor is required to measure haptic information generated between an organ and a surgical tool (tool-tissue interaction).

대한민국 공개특허 제2012-0030174호Republic of Korea Patent Publication No. 2012-0030174 대한민국 등록특허 제1169943호Korean Registered Patent No. 1169943 대한민국 등록특허 제1785751호Korean Registered Patent No.1785751

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 실시예에 따르면, RMIS에서 로봇이 수술도구를 이용하여 장기를 다룰 때, 장기와 직접적으로 접촉하는 부위인 엔드 이펙터로부터 얻어지는 촉각정보(3-축 힘 감지, 힘 분포)를 측정할 수 있는 단결정 실리콘 나노멤브레인 기반의 촉각센서 및 디바이스 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. Therefore, the present invention was conceived to solve the conventional problems as described above, and according to an embodiment of the present invention, when a robot handles an organ using a surgical tool in RMIS, an end effector that is a part that directly contacts the organ An object of the present invention is to provide a tactile sensor and a device manufacturing method based on a single crystal silicon nanomembrane capable of measuring tactile information (3-axis force detection, force distribution) obtained from the device.

본 발명의 실시예에 따르면, 궁극적으로는 얻어진 촉각정보를 로봇을 다루는 외과의에게 전달하여 기존의 문제가 되었던 Limitation of haptic feedback을 해결하기 위한 것을 목적으로 한다. According to an embodiment of the present invention, an object of the present invention is to ultimately deliver the obtained tactile information to a surgeon who handles a robot to solve the limitation of haptic feedback, which has been a problem.

한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.On the other hand, the technical problems to be achieved in the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems that are not mentioned are clearly to those of ordinary skill in the technical field to which the present invention belongs from the following description. It will be understandable.

본 발명의 제1목적은, 촉각센서의 제조방법에 있어서, 단결정 실리콘층을 고분자 필름층 상에 전사시키는 단계; 상기 실리콘층을 에칭하여 복수의 센서부를 생성하고, 금속증착 공정을 통해 전극배선을 제작하는 단계; 및 상기 센서부와 상기 전극배선이 형성된 고분자 필름층에 보호층을 코팅하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 나노 멤브레인 기반 촉각센서의 제조방법으로서 달성될 수 있다. A first object of the present invention is a method of manufacturing a tactile sensor, comprising: transferring a single crystal silicon layer onto a polymer film layer; Etching the silicon layer to generate a plurality of sensor units, and fabricating electrode wiring through a metal deposition process; And coating a protective layer on the polymer film layer on which the sensor unit and the electrode wiring are formed.

그리고 상기 전사시키는 단계는, 어레이 패턴을 갖는 단결정 실리콘층을 폴리디메틸실록산(PDMS) 매개체의 면적만큼 실리콘 웨이퍼에서 이탈시키고, 상기 고분자 필름층으로 상기 단결정 실리콘층을 전사시키는 것을 특징으로 할 수 있다. The transferring step may be characterized in that the single crystal silicon layer having the array pattern is separated from the silicon wafer by the area of the polydimethylsiloxane (PDMS) medium, and the single crystal silicon layer is transferred to the polymer film layer.

또한, 상기 센서부는 3축 센서로서 서로 특정간격 이격된 4개로 구성되며 상기 전극배선은 상기 센서부를 전기적으로 연결하는 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, the sensor unit may be a three-axis sensor, consisting of four separated by a specific distance from each other, and the electrode wiring may be characterized in that the electric connection of the sensor unit.

그리고 상기 코팅하는 단계는 PDMS를 이용하여 보호층을 형성하는 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, the coating may be characterized in that the protective layer is formed using PDMS.

또한, 상기 고분자 필름층은 폴리이미드(PI) 필름으로 구성되며, 상기 전극배선은 금 또는 크롬으로 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, the polymer film layer may be made of a polyimide (PI) film, and the electrode wiring may be made of gold or chromium.

본 발명의 제2목적은 앞서 언급한 제 1목적에 따른 제조방법에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 나노 멤브레인 기반 촉각센서로서 달성될 수 있다. The second object of the present invention can be achieved as a tactile sensor based on a single crystal silicon nanomembrane, characterized in that it is manufactured by the manufacturing method according to the aforementioned first object.

본 발명의 제3목적은 RMIS 로봇의 한 쌍의 엔드 이펙터의 내면 일측 각각에 앞서 언급한 제2목적에 따른 촉각센서가 부착되는 것을 특징으로 하는 촉각센서를 이용한 RMIS용 포셉센서 디바이스로서 달성될 수 있다. The third object of the present invention can be achieved as a forceps sensor device for RMIS using a tactile sensor, characterized in that a tactile sensor according to the aforementioned second purpose is attached to each of the inner surfaces of a pair of end effectors of the RMIS robot. have.

본 발명의 제4목적은 촉각센서를 이용한 RMIS용 포셉센서 디바이스의 제조방법에 있어서, 단결정 실리콘층을 폴리이미드(PI) 필름 상에 전사시키는 단계; 상기 실리콘층을 에칭하여 복수의 센서부를 생성하고, 금속 증착 공정을 통해 전극배선을 제작하는 단계; 상기 센서부와 상기 전극배선이 형성된 상기 PI필름에 PDMS를 코팅하여 촉각센서를 제작하는 단계; 범프 몰드에 PDMS 용액을 코팅하고 경화시켜 범프를 제작하는 단계; 상기 범프와 상기 촉각센서를 접착시키는 단계; RMIS 로봇의 한 쌍의 엔드 이펙터의 내면 일측 각각에 변형층을 부착시키는 단계; 및 상기 변형층 각각에 범프가 결합된 촉각센서를 접착시켜 포셉센서를 제작하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 촉각센서를 이용한 RMIS용 포셉센서 디바이스의 제조방법으로서 달성될 수 있다. A fourth object of the present invention is a method of manufacturing a forceps sensor device for RMIS using a tactile sensor, comprising: transferring a single crystal silicon layer onto a polyimide (PI) film; Etching the silicon layer to generate a plurality of sensor units, and fabricating electrode wiring through a metal deposition process; Manufacturing a tactile sensor by coating PDMS on the PI film on which the sensor unit and the electrode wiring are formed; Coating and curing the PDMS solution on the bump mold to produce a bump; Bonding the bump and the tactile sensor; Attaching a deformation layer to each of the inner surfaces of the pair of end effectors of the RMIS robot; And manufacturing a forceps sensor by adhering a tactile sensor to which bumps are bonded to each of the deformable layers. It can be achieved as a method of manufacturing a forceps sensor device for RMIS using a tactile sensor comprising a.

그리고 상기 PDMS 용액은 PDMS:경화용제가 5 : 0.5~1.5 비율로 혼합된 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, the PDMS solution may be characterized in that the PDMS: curing solvent is mixed in a ratio of 5: 0.5 to 1.5.

또한 상기 범프와 상기 촉각센서를 플라즈마 공정을 통해 접착시키는 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, it may be characterized in that the bump and the tactile sensor are bonded through a plasma process.

그리고 엔드 이펙터는 서로 대향되는 제1엔드 이펙터와 제2엔드 이펙터를 포함하며, 상기 포셉센서는 상기 제1엔드 이펙터의 내면과, 제2엔드 이펙터의 내면에 서로 다른 위치에 부착되는 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, the end effector includes a first end effector and a second end effector facing each other, and the forceps sensor is attached at different positions on the inner surface of the first end effector and the inner surface of the second end effector. I can.

본 발명의 실시예에 따르면, 제작된 단결정 실리콘 나노 멤브레인 기반 촉각 센서는 로봇이 구동되면서 발생되는 EMI(Electromagnetic interference)에 대해 다른 구동방식(정전용량 방식, 압전방식)의 센서들 보다 상대적으로 덜 민감한 구동방식인 스트레인 게이지 방식을 이용하여 제작되었기에 로봇을 이용한 응용기술인인 RMIS에 적합한 장점을 갖는다. According to an embodiment of the present invention, the fabricated single crystal silicon nanomembrane-based tactile sensor is relatively less sensitive to electromagnetic interference (EMI) generated while the robot is driven than other driving methods (capacitive type, piezoelectric type) sensors. Since it was manufactured using the strain gauge method, which is a driving method, it has the advantage of being suitable for RMIS, an application engineer using a robot.

그리고 본 발명의 실시예에 따르면, RMIS에 사용되는 센서의 특성은 사람의 생명과 직결되기 때문에 높은 민감도와 안정성을 가진 단결정 실리콘(single-crystalline silicon)을 이용하여 낮은 이력오차와 반복오차를 가질 수 있는 효과를 갖는다. In addition, according to an embodiment of the present invention, since the characteristics of the sensor used in RMIS are directly related to human life, single-crystalline silicon having high sensitivity and stability can be used to have low hysteresis and repetition errors. Has an effect.

그리고 본 발명의 실시예에 따르면, RMIS에서 필요로 하는 촉각센서의 특성들과 관련되어, 힘 분포를 감지하기 위해 2 개의 1 Cell 센서를 엔드 이펙터의 각기 다른 위치에 놓이도록 부착하였고, 제작된 촉각센서가 장기와 직접적으로 접촉을 하는 부위인 엔드 이펙터에 놓이도록 설계함으로써 직접 접촉이 가능하며, 또한, 인체에 무해한 PDMS(Polydimethylsiloxane)를 이용한 인공구조물 범프(Bump)를 사용하여 3-축 힘을 보다 정확하게 감지할 수 있는 효과를 갖는다. And according to the embodiment of the present invention, in relation to the characteristics of the tactile sensor required by RMIS, two 1 Cell sensors were attached to be placed at different positions of the end effector in order to detect the force distribution, and the manufactured tactile sense Direct contact is possible by designing the sensor to be placed on the end effector, which is a part that directly contacts the organ. In addition, 3-axis force is more enhanced by using an artificial structure bump using PDMS (Polydimethylsiloxane), which is harmless to the human body. It has an effect that can be accurately detected.

한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.On the other hand, the effects obtainable in the present invention are not limited to the above-mentioned effects, and other effects not mentioned will be clearly understood by those of ordinary skill in the art from the following description. I will be able to.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 일실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 단결정 실리콘 나노 멤브레인 기반 촉각센서를 이용한 RMIS용 포셉센서 디바이스의 제조방법의 흐름도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 단결정 실리콘 나노 멤브레인 기반 촉각센서의 제조방법 흐름을 나타낸 구성도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 센서부의 평면도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 범프 제조과정을 나타낸 구성도,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 단결정 실리콘 나노 멤브레인 기반 촉각센서를 이용한 RMIS용 포셉센서 디바이스의 분해 사시도,
도 6은 RMIS에서 로봇의 엔드 이펙터의 측면도,
도 7a는 본 발명의 실시예에 따라 제작된 촉각센서를 이용한 RMIS용 포셉센서 디바이스의 사진,
도 7b는 도 7a의 A 부분의 확대도,
도 8a는 본 발명의 실시예에 따른 단결정 실리콘 나노 멤브레인 기반 촉각센서를 이용한 RMIS용 포셉센서 디바이스의 전방 측 사시도,
도 8b는 본 발명의 실시예에 따른 단결정 실리콘 나노 멤브레인 기반 촉각센서를 이용한 RMIS용 포셉센서 디바이스의 후방 측 사시도,
도 9a는 본 발명의 실시예에 따라 제작된 촉각센서를 이용한 RMIS용 포셉센서 디바이스에서 측정되는 인가된 힘에 대한 출력값 그래프,
도 9b는 본 발명의 실시예에 따라 제작된 촉각센서를 이용한 RMIS용 포셉센서 디바이스에서 반복 측정되는 출력값 그래프,
도 10은 본 발명의 실시예에 따라 X방향으로 힘을 인가한 경우, X방향, Y방향 출력값에 대한 그래프를 도시한 것이다.
The following drawings attached to the present specification illustrate a preferred embodiment of the present invention, and serve to further understand the technical idea of the present invention together with the detailed description of the present invention. It is limited and should not be interpreted.
1 is a flowchart of a method of manufacturing a forceps sensor device for RMIS using a single crystal silicon nanomembrane-based tactile sensor according to an embodiment of the present invention;
2 is a block diagram showing a flow of a method of manufacturing a tactile sensor based on a single crystal silicon nanomembrane according to an embodiment of the present invention;
3 is a plan view of a sensor unit according to an embodiment of the present invention,
4 is a block diagram showing a bump manufacturing process according to an embodiment of the present invention;
5 is an exploded perspective view of a forceps sensor device for RMIS using a single crystal silicon nanomembrane-based tactile sensor according to an embodiment of the present invention,
6 is a side view of the end effector of the robot in RMIS,
7A is a photograph of a forceps sensor device for RMIS using a tactile sensor manufactured according to an embodiment of the present invention,
7B is an enlarged view of part A of FIG. 7A;
8A is a front perspective view of a forceps sensor device for RMIS using a single crystal silicon nanomembrane-based tactile sensor according to an embodiment of the present invention,
8B is a rear perspective view of a forceps sensor device for RMIS using a single crystal silicon nanomembrane-based tactile sensor according to an embodiment of the present invention,
9A is a graph of an output value of an applied force measured in a forceps sensor device for RMIS using a tactile sensor manufactured according to an embodiment of the present invention;
9B is a graph of an output value repeatedly measured in a forceps sensor device for RMIS using a tactile sensor manufactured according to an embodiment of the present invention;
10 is a graph showing output values in the X and Y directions when a force is applied in the X direction according to an embodiment of the present invention.

이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.The above objects, other objects, features, and advantages of the present invention will be easily understood through the following preferred embodiments related to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided so that the disclosed content may be thorough and complete, and the spirit of the present invention may be sufficiently conveyed to those skilled in the art.

본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.In the present specification, when a component is referred to as being on another component, it means that it may be formed directly on the other component or that a third component may be interposed therebetween. In addition, in the drawings, the thickness of the components is exaggerated for effective description of the technical content.

본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.Embodiments described herein will be described with reference to cross-sectional views and/or plan views, which are ideal exemplary views of the present invention. In the drawings, thicknesses of films and regions are exaggerated for effective description of technical content. Therefore, the shape of the exemplary diagram may be modified by manufacturing technology and/or tolerance. Accordingly, embodiments of the present invention are not limited to the specific form shown, but also include a change in form generated according to the manufacturing process. For example, the area shown at a right angle may be rounded or may have a shape having a predetermined curvature. Accordingly, regions illustrated in the drawings have properties, and the shapes of regions illustrated in the drawings are for exemplifying a specific shape of the region of the device and are not intended to limit the scope of the invention. In various embodiments of the present specification, terms such as first and second are used to describe various elements, but these elements should not be limited by these terms. These terms are only used to distinguish one element from another element. The embodiments described and illustrated herein also include complementary embodiments thereof.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.The terms used in the present specification are for describing exemplary embodiments and are not intended to limit the present invention. In this specification, the singular form also includes the plural form unless specifically stated in the phrase. As used in the specification, "comprises" and/or "comprising" does not exclude the presence or addition of one or more other components.

아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.In describing the specific embodiments below, a number of specific contents have been prepared to explain the invention in more detail and to aid understanding. However, a reader who has knowledge in this field enough to understand the present invention can recognize that it can be used without these various specific contents. In some cases, it is mentioned in advance that parts that are commonly known in describing the invention and are not largely related to the invention are not described in order to prevent confusion without any reason in describing the invention.

이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 본 발명의 실시예에 따른 단결정 실리콘 나노 멤브레인 기반 촉각센서를 이용한 RMIS용 포셉센서 디바이스(100)의 구성 및 제조방법에 대해 설명하도록 한다. 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 단결정 실리콘 나노 멤브레인 기반 촉각센서를 이용한 RMIS용 포셉센서 디바이스(100)의 제조방법의 흐름도를 도시한 것이다. Hereinafter, a configuration and manufacturing method of the forceps sensor device 100 for RMIS using a single crystal silicon nanomembrane-based tactile sensor according to an embodiment of the present invention according to an embodiment of the present invention will be described. 1 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a forceps sensor device 100 for RMIS using a single crystal silicon nanomembrane-based tactile sensor according to an embodiment of the present invention.

먼저, RMIS용 포셉센서 디바이스(100)를 위해 제작되어지는 촉각센서(10)의 구성과 그 제조방법에 대해 설명하도록 한다. First, the configuration of the tactile sensor 10 manufactured for the forceps sensor device 100 for RMIS and a manufacturing method thereof will be described.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 단결정 실리콘 나노 멤브레인 기반 촉각센서(10)의 제조방법 흐름을 나타낸 구성도를 도시한 것이다. 2 is a block diagram showing a flow of a method of manufacturing a tactile sensor 10 based on a single crystal silicon nanomembrane according to an embodiment of the present invention.

도 2에 도시된 바와 같이, 센서부(13)인 스트레인 게이지를 형성하게 될 어레이 패턴을 갖는 단결정 실리콘층(12)을 고분자 필름층(11) 상에 전사시키게 된다. 단결정 실리콘층(12)을 건식 전사(dry transfer)방식을 통해 고분자 필름층(11) 상에 전사하게 된다(S1). As shown in FIG. 2, a single crystal silicon layer 12 having an array pattern to form a strain gauge, which is a sensor unit 13, is transferred onto the polymer film layer 11. The single crystal silicon layer 12 is transferred onto the polymer film layer 11 through a dry transfer method (S1).

구체적으로, 도 2의 좌측 1번째에 도시된 바와 같이, 어레이 패턴을 갖는 단결정 실리콘층(12)을 폴리디메틸실록산(PDMS) 매개체(PDMS stamp)의 면적만큼 실리콘 웨이퍼에서 이탈시키고, 좌측 2번째 도시된 바와 같이, 고분자 필름층(11)으로 단결정 실리콘층(12)을 전사시키게 된다. 이때, 캐리어 웨이퍼에 희생층을 사이에 두고 적층되어 있는 고분자 필름층(11)으로 어레이 패턴을 갖는 단결정 실리콘층(12)이 전사되어 적층된다. 여기서, 고분자 필름층(11)은 폴리이미드(PI) 박막층으로 형성된 것이며, 희생층은 폴리메틸 크릴레이트(PMMA, 아크릴수지)가 코팅되어 있다. 또한 어레이 패턴을 갖는 단결정 실리콘 층은 구체적 실시예에서 약 100nm의 두께를 가진다. Specifically, as shown in the first left side of FIG. 2, the single crystal silicon layer 12 having an array pattern is separated from the silicon wafer by the area of the polydimethylsiloxane (PDMS) medium (PDMS stamp), and the second left side is shown. As described above, the single crystal silicon layer 12 is transferred to the polymer film layer 11. At this time, the single crystal silicon layer 12 having an array pattern is transferred to and laminated to the polymer film layer 11 stacked on the carrier wafer with the sacrificial layer therebetween. Here, the polymer film layer 11 is formed of a polyimide (PI) thin film layer, and the sacrificial layer is coated with polymethyl acrylate (PMMA, acrylic resin). Also, the single crystal silicon layer having the array pattern has a thickness of about 100 nm in a specific embodiment.

그리고 PI 필름층(11)에 전사된 실리콘층(12)을 식각, 에칭하여 도 2의 좌측 3번째 도시된 바와 같이, 4개의 센서부를 형성하게 된다(S3). 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 센서부(13)의 평면도를 도시한 것이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 센서부(13)는 ∩자 형태로 구성되며 3축 스트레인 게이지로 구성됨을 알 수 있다. Then, the silicon layer 12 transferred to the PI film layer 11 is etched and etched to form four sensor units as shown in the third left side of FIG. 2 (S3). 3 shows a plan view of the sensor unit 13 according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 4, it can be seen that the sensor unit 13 is configured in a ∩ shape and is configured as a 3-axis strain gauge.

그리고 금속화 공정(Metallization)을 통해 도 2의 좌측 3번째 도시된 바와 같이, 센서부(13) 들을 전기적으로 연결하기 위한 전극배선(20)을 제작한다(S4). 즉, 금 또는 크롬을 금속증각하여 전극배선(20)을 형성시키게 된다. Then, as shown in the third left of FIG. 2 through a metallization process (Metallization), an electrode wiring 20 for electrically connecting the sensor units 13 is manufactured (S4). That is, the electrode wiring 20 is formed by metal evaporation of gold or chromium.

그리고 마지막으로 센서부(13)와 상기 전극배선(20)이 형성된 고분자 필름층(11)에 보호층(30)을 코팅하여 촉각센서(10)를 제작하게 된다(S4). 이러한 보호층(30)은 폴리디메틸실록산(이하 PDMS) 보호층(30)으로 구성될 수 있다. 본 발명의 실시예에서 제작된 촉각센서(10)는 약 25㎛정도의 두께를 갖는다. And finally, by coating the protective layer 30 on the polymer film layer 11 on which the sensor unit 13 and the electrode wiring 20 are formed, the tactile sensor 10 is manufactured (S4). This protective layer 30 may be composed of a polydimethylsiloxane (hereinafter, PDMS) protective layer 30. The tactile sensor 10 manufactured in the embodiment of the present invention has a thickness of about 25 μm.

이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 촉각센서를 이용한 RMIS용 포셉센서 디바이스(100)의 구성 및 제조방법에 대해 설명하도록 한다. Hereinafter, a configuration and manufacturing method of the forceps sensor device 100 for RMIS using a tactile sensor according to an embodiment of the present invention will be described.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 범프(40) 제조과정을 나타낸 구성도를 도시한 것이다. 그리고 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 단결정 실리콘 나노 멤브레인 기반 촉각센서를 이용한 RMIS용 포셉센서 디바이스(100)의 분해 사시도를 도시한 것이다. 그리고 도 6은 RMIS용 로봇의 엔드 이펙터(2)의 측면도를 도시한 것이다. 4 is a block diagram showing the manufacturing process of the bump 40 according to an embodiment of the present invention. And Figure 5 is an exploded perspective view of the forceps sensor device 100 for RMIS using a single crystal silicon nano-membrane-based tactile sensor according to an embodiment of the present invention. And Figure 6 shows a side view of the end effector 2 of the robot for RMIS.

먼저 촉각센서를 이용한 RMIS용 포셉센서 디바이스(100)를 제조하기 위해서 범프(40)를 제작하게 된다(S5). 범프(40)는 도 4에 도시된 바와 같이, 범프 몰드(41)에 5:1(base:curing agent)의 PDMS를 스핀 코팅한 후, 오븐 큐어링(70℃, 2hr)하여 범프(40)를 제작하게 됨을 알 수 있다. 본 발명의 실시예에 의해 제작되는 범프(40)는 약 500㎛정도의 두께를 갖는다. First, in order to manufacture the forceps sensor device 100 for RMIS using a tactile sensor, a bump 40 is manufactured (S5). As shown in FIG. 4, the bump 40 was spin-coated with PDMS of 5:1 (base: curing agent) on the bump mold 41, followed by oven curing (70° C., 2 hours) to bump 40 You can see that it will be produced. The bump 40 manufactured according to the embodiment of the present invention has a thickness of about 500 μm.

그리고 이러한 범프(40)에 제작된 촉각센서(10)를 접착시키게 된다(S6). 본 발명의 실시예에서는 촉각센서(10)와 제작된 펌프를 플라즈마 공정을 통해 접착시키게 된다. Then, the tactile sensor 10 manufactured on the bump 40 is adhered (S6). In an embodiment of the present invention, the tactile sensor 10 and the manufactured pump are bonded through a plasma process.

그리고 5:1(base:curing agent)의 PDMS를 이용하여 변형층(50)을 제작한다. 본 발명의 실시예에 따라 제작되는 변형층(50)은 약 500㎛정도의 두께를 갖는다. 이러한 변형층(50)을 RMIS용 로봇(1)의 엔드 이펙터(2)의 내면에 부착하고(S7), 부착된 변형층(50)에 범프(40)가 결합된 촉각센서(10)를 결합시키게 된다(S8). Then, the strained layer 50 is fabricated using PDMS of 5:1 (base:curing agent). The strained layer 50 manufactured according to the embodiment of the present invention has a thickness of about 500 μm. This deformation layer 50 is attached to the inner surface of the end effector 2 of the RMIS robot (1) (S7), and the tactile sensor 10 to which the bump 40 is coupled to the attached deformation layer 50 is combined. (S8).

도 7a는 본 발명의 실시예에 따라 제작된 촉각센서를 이용한 RMIS용 포셉센서 디바이스(100)의 사진을 도시한 것이고, 도 7b는 도 7a의 A 부분의 확대도를 도시한 것이다. 7A is a photograph of a forceps sensor device 100 for RMIS using a tactile sensor manufactured according to an embodiment of the present invention, and FIG. 7B is an enlarged view of part A of FIG. 7A.

그리고 도 8a는 본 발명의 실시예에 따른 단결정 실리콘 나노 멤브레인 기반 촉각센서를 이용한 RMIS용 포셉센서 디바이스(100)가 부착된 엔드 이펙터(2)의 전방 측 사시도를 도시한 것이고, 도 8b는 본 발명의 실시예에 따른 단결정 실리콘 나노 멤브레인 기반 촉각센서를 이용한 RMIS용 포셉센서 디바이스(100)가 부착된 엔드 이펙터(2)의 후방 측 사시도를 도시한 것이다. And Figure 8a is a front side perspective view of the end effector 2 to which the forceps sensor device 100 for RMIS using a single crystal silicon nanomembrane-based tactile sensor according to an embodiment of the present invention is attached, and Figure 8b is the present invention. It is a rear perspective view of the end effector 2 to which the forceps sensor device 100 for RMIS using a single crystal silicon nanomembrane-based tactile sensor according to an embodiment of is attached.

엔드 이펙터(2)는 도 6, 도 8a 및 도 8b에 도시된 바와 같이, 연결판(4)에 의해 RMIS 로봇(1)에 결합되며, 암부(3)의 끝단에 서로 대향되는 2개의 엔드이펙터(2-1, 2-2), 즉 제1엔드 이펙터(2-1)와 제2엔드 이펙터(2-2_를 포함하여 구성되며, 본 발명의 실시예에 따른 RMIS용 포셉센서 디바이스(100)는 도 8a에 도시된 바와 같이, 제1엔드 이펙터(2-1)의 내면과 제2엔드 이펙터(2-2)의 내면 각각에 부착되게 된다. 이때, 제1엔드 이펙터(2-1)의 내면에 부착되는 포셉센서 디바이스(100)와 제2엔드 이펙터(2-2)의 내면에 부착되는 포셉센서 디바이스(100)는 서로 다른 위치에 놓이도록 부착되며 장기와 직접적으로 접촉하는 위치에 놓이게 되어 3-축 힘과 힘 분포를 보다 정확하게 감지할 수 있게 된다. 또한, 인체에 무해한 PDMS(Polydimethylsiloxane)를 이용한 인공구조물 범프(40)(Bump)를 사용하여 3-축 힘을 보다 정확하게 감지할 수 있게 된다. The end effector 2 is coupled to the RMIS robot 1 by a connection plate 4, as shown in FIGS. 6, 8A and 8B, and two end effectors facing each other at the ends of the arm 3 (2-1, 2-2), that is, a first end effector (2-1) and a second end effector (2-2_) are included, and the forceps sensor device 100 for RMIS according to an embodiment of the present invention. ) Is attached to each of the inner surface of the first end effector 2-1 and the inner surface of the second end effector 2-2, as shown in Fig. 8A. The forceps sensor device 100 attached to the inner surface of the and the forceps sensor device 100 attached to the inner surface of the second end effector 2-2 are attached to be placed in different positions and placed in direct contact with the organ. As a result, the 3-axis force and force distribution can be more accurately detected, and the 3-axis force can be more accurately detected by using the artificial structure bump 40 using polydimethylsiloxane (PDMS), which is harmless to the human body. There will be.

그리고 암부(3)와 연결판(4)에는 도 8b에 도시된 바와 같이, 복수의 FPCB(5)가 구비되며 FPCB(5) 상에 형성된 관통홀(6)을 통해 전선이 연결되어 질 수 있음을 알 수 있다. In addition, the arm 3 and the connection plate 4 are provided with a plurality of FPCBs 5 as shown in FIG. 8B, and wires may be connected through the through holes 6 formed on the FPCB 5 Can be seen.

도 9a는 본 발명의 실시예에 따라 제작된 촉각센서를 이용한 RMIS용 포셉센서 디바이스(100)에서 측정되는 인가된 힘에 대한 출력값 그래프를 도시한 것이다. 도 9a에 도시된 바와 같이, 엔드 이펙터(2)에 부착된 포셉센서 디바이스(100)에 동일한 힘을 5회 반복하여 인가한 경우 동일한 출력값을 얻게 되어 높은 정확도를 확보하고 있음을 알 수 있다. 9A is a graph showing an output value graph of an applied force measured by the forceps sensor device 100 for RMIS using a tactile sensor manufactured according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 9A, when the same force is repeatedly applied 5 times to the forceps sensor device 100 attached to the end effector 2, the same output value is obtained, thereby ensuring high accuracy.

도 9b는 본 발명의 실시예에 따라 제작된 촉각센서를 이용한 RMIS용 포셉센서 디바이스(100)에서 반복 측정되는 출력값 그래프를 도시한 것이다. 도 9b에 도시된 바와 같이, 다양한 힘에 대해 1000회 반복 측정한 결과, 반복오차가 매우 낮음을 알 수 있다. 9B shows a graph of output values repeatedly measured in the forceps sensor device 100 for RMIS using a tactile sensor manufactured according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 9B, as a result of repeated measurements of 1000 times for various forces, it can be seen that the repetition error is very low.

도 10은 본 발명의 실시예에 따라 X방향으로 힘을 인가한 경우, X방향, Y방향 출력값에 대한 그래프를 도시한 것이다. 도 10에 도시된 바와 같이, X방향으로 힘을 가하는 경우 Y방향 출력은 나타나지 않아 힘 분포 측정에 매우 높은 정확도를 보이고 있음을 알 수 있다. 10 is a graph showing output values in the X and Y directions when a force is applied in the X direction according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 10, when a force is applied in the X direction, the output in the Y direction does not appear, indicating very high accuracy in the measurement of the force distribution.

또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.In addition, the above-described apparatus and method are not limitedly applicable to the configuration and method of the above-described embodiments, but all or part of each of the embodiments may be selectively combined so that various modifications may be made to the above-described embodiments. It can also be configured.

1:RMIS 로봇
2:엔드 이펙터
2-1:제1엔드 이펙터
2-2:제2엔드 이펙터
3:암부
4:연결판
5:FPCB
6.FPCB 관통홀
10:촉각센서
11:고분자필름층
12:단결정 실리콘층
13:센서부
20:전극배선
30:보호층
40:범프
41:범프몰드
50:변형층
100:촉각센서를 이용한 RMIS용 포셉센서 디바이스
1:RMIS robot
2: end effector
2-1: first end effector
2-2: 2nd end effector
3: dark part
4: connection plate
5:FPCB
6.FPCB through hole
10: tactile sensor
11: Polymer film layer
12: single crystal silicon layer
13: sensor part
20: electrode wiring
30: protective layer
40: bump
41: bump mold
50: deformation layer
100: Forceps sensor device for RMIS using a tactile sensor

Claims (11)

촉각센서를 이용한 RMIS용 포셉센서 디바이스의 제조방법에 있어서,
단결정 실리콘층을 고분자 필름층 상에 전사시키는 단계;
상기 실리콘층을 에칭하여 복수의 센서부를 생성하고, 금속 증착 공정을 통해 전극배선을 제작하는 단계;
상기 센서부와 상기 전극배선이 형성된 상기 고분자 필름층에 PDMS를 코팅하여 보호층을 형성시켜 촉각센서를 제작하는 단계;
범프 몰드에 PDMS 용액을 코팅하고 경화시켜 범프를 제작하는 단계;
상기 범프와 상기 촉각센서를 접착시키는 단계;
RMIS 로봇의 한 쌍의 엔드 이펙터의 내면 일측 각각에 PDMS로 구성되는 변형층을 부착시키는 단계; 및
상기 변형층 각각에 범프가 결합된 촉각센서를 접착시켜 포셉센서를 제작하는 단계;를 포함하고,
상기 전사시키는 단계는, 어레이 패턴을 갖는 단결정 실리콘층을 폴리디메틸실록산(PDMS) 매개체의 면적만큼 실리콘 웨이퍼에서 이탈시키고, 상기 고분자 필름층으로 상기 단결정 실리콘층을 전사시키며,
상기 센서부는 3축 센서로서 서로 특정간격 이격된 4개로 구성되며 상기 전극배선은 상기 센서부를 전기적으로 연결하고,
상기 범프와 상기 촉각센서를 플라즈마 공정을 통해 접착시키는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 나노 멤브레인 기반 촉각센서를 이용한 RMIS용 포셉센서 디바이스의 제조방법.
In the method of manufacturing a forceps sensor device for RMIS using a tactile sensor,
Transferring the single crystal silicon layer onto the polymer film layer;
Etching the silicon layer to generate a plurality of sensor units, and fabricating electrode wiring through a metal deposition process;
Manufacturing a tactile sensor by coating PDMS on the polymer film layer on which the sensor unit and the electrode wiring are formed to form a protective layer;
Coating and curing the PDMS solution on the bump mold to produce a bump;
Bonding the bump and the tactile sensor;
Attaching a deformation layer composed of PDMS to each of the inner surfaces of the pair of end effectors of the RMIS robot; And
Including, the step of producing a forceps sensor by bonding a tactile sensor to which a bump is coupled to each of the deformable layers,
In the transferring step, the single crystal silicon layer having the array pattern is separated from the silicon wafer by the area of the polydimethylsiloxane (PDMS) medium, and the single crystal silicon layer is transferred to the polymer film layer,
The sensor unit is a three-axis sensor and consists of four spaced apart from each other by a specific distance, and the electrode wiring electrically connects the sensor unit,
A method of manufacturing a forceps sensor device for RMIS using a single crystal silicon nanomembrane-based tactile sensor, characterized in that the bump and the tactile sensor are adhered through a plasma process.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 제 1항에 있어서,
상기 고분자 필름층은 폴리이미드(PI) 필름으로 구성되며,
상기 전극배선은 금 또는 크롬으로 구성되는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 나노 멤브레인 기반 촉각센서를 이용한 RMIS용 포셉센서 디바이스의 제조방법.
The method of claim 1,
The polymer film layer is composed of a polyimide (PI) film,
The method of manufacturing a forceps sensor device for RMIS using a single crystal silicon nanomembrane-based tactile sensor, wherein the electrode wiring is made of gold or chromium.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 제 1항에 있어서,
상기 PDMS 용액은 PDMS:경화용제가 5 : 0.5~1.5 비율로 혼합된 것을 특징으로 하는 촉각센서를 이용한 RMIS용 포셉센서 디바이스의 제조방법.
The method of claim 1,
The PDMS solution is a method of manufacturing a forceps sensor device for RMIS using a tactile sensor, characterized in that the PDMS: curing solvent is mixed in a ratio of 5: 0.5 to 1.5.
제 1항에 있어서,
상기 엔드 이펙터는 서로 대향되는 제1엔드 이펙터와 제2엔드 이펙터를 포함하며, 상기 포셉센서는 상기 제1엔드 이펙터의 내면과, 제2엔드 이펙터의 내면에 서로 다른 위치에 부착되는 것을 특징으로 하는 촉각센서를 이용한 RMIS용 포셉센서 디바이스의 제조방법.
The method of claim 1,
The end effector includes a first end effector and a second end effector opposite to each other, and the forceps sensor is attached at different positions on the inner surface of the first end effector and the inner surface of the second end effector. A method of manufacturing a forceps sensor device for RMIS using a tactile sensor.
제1항, 제5항, 제9항, 제10항 중 어느 한 항에 따른 제조방법에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 촉각센서를 이용한 RMIS용 포셉센서 디바이스. A forceps sensor device for RMIS using a tactile sensor, characterized in that manufactured by the manufacturing method according to any one of claims 1, 5, 9, and 10.
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