WO2023135753A1 - ひずみセンサ、センサユニット及びひずみセンサの製造方法 - Google Patents

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WO2023135753A1
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rigid
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flexible
strain sensor
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ヨーク フロメル
媛元 郭
剛一 大▲高▼
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国立大学法人東北大学
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/16—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. by resistance strain gauge
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/20—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress

Definitions

  • the present invention relates to a strain sensor, a sensor unit, and a method for manufacturing a strain sensor.
  • robots The introduction of robots is progressing in order to solve the problem of a decrease in the productive working population and a shortage of workers in the medical/nursing care/care field. In the future, it is desired to equip robots with high-density sensors and to give them advanced senses so that they can perform complex tasks like humans.
  • robot sensors the development of vision sensors based on LSI (Large-Scale Integrated circuit) technology is remarkable, and the development of robots with eyes that surpass humans in function/performance is progressing.
  • LSI Large-Scale Integrated circuit
  • Patent Document 1 discloses a strain gauge having a flexible substrate, a resistor made of chromium or nickel provided on the substrate, and electrodes electrically connected to the resistor. ing.
  • a signal processing circuit such as an LSI is formed on the same surface of the base material as the resistor. It is transmitted to the signal processing circuit via the signal processing circuit and processed by the signal processing circuit.
  • the base material of the strain gauge of Patent Document 1 has flexibility, so there are cases where a large amount of noise is transmitted to the signal processing circuit. Further, when a hard material is substituted for the base material of the strain gauge of Patent Document 1, the volume change of the resistor of the strain gauge against external force becomes small, resulting in poor sensing sensitivity.
  • the noise transmitted to the signal processing circuit has a large impact, especially when a bare chip is used as the signal processing circuit. Bare chips are effective for high integration, and there is a demand for strain sensors with low noise and good sensing sensitivity.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a strain sensor with low noise and good sensing sensitivity, a strain sensor unit including the strain sensor, and a method of manufacturing the strain sensor.
  • the present invention provides the following means to solve the above problems.
  • a strain sensor is a substrate having a flexible substrate and a rigid substrate overlapping one surface of the flexible substrate and having a Young's modulus larger than that of the flexible substrate.
  • a resistor in contact with the flexible substrate of the substrate; and a signal processing device in which a surface of the substrate opposite to the surface in contact with the resistor is in contact with the rigid substrate and electrically connected to the resistor.
  • the flexible substrate and the rigid substrate are organic polymers having the same composition, and the flexible substrate has a higher porosity than the rigid substrate. good too.
  • the flexible substrate and the rigid substrate may be organic polymers having different compositions.
  • the flexible substrate may be an organic polymer
  • the rigid substrate may be silicon or ceramic.
  • the Young's modulus of the flexible substrate is 5.0 ⁇ 10 6 Pa or less
  • the Young's modulus of the rigid substrate is 1.0 ⁇ 10 4 Pa or more and 1.0. ⁇ 10 12 Pa or less may be used.
  • the substrate has a network structure in which a plurality of covered wirings are woven, and each of the plurality of covered wirings includes a wiring and the rigid substrate covering the wiring. and the flexible substrate covering at least a portion of the rigid substrate, and a portion of the wiring may be electrically connected to the resistor and the signal processing circuit.
  • a sensor unit is a sensor unit comprising the strain sensor according to the aspect described above, comprising: a support having the rigid base; and a reference plane composed of the surface of the support. a continuous magnetostrictive film functioning as the resistor and having at least one first convex portion among the plurality of convex portions, the back surface of the magnetostrictive film and an insulator having the flexible substrate filled between and the reference plane.
  • At least one second protrusion among the plurality of protrusions has a space between the back surface of the magnetostrictive film and the reference surface and penetrates the magnetostrictive film. having a hole, wherein at least one third convex portion among the plurality of convex portions has a space between the back surface of the magnetostrictive film and the reference plane and does not have a hole penetrating the magnetostrictive film;
  • the height of the first convex portion in the first direction may be higher than the height of the second convex portion and the third convex portion in the first direction.
  • a method for manufacturing a strain sensor according to a third aspect of the present invention includes laminating a flexible substrate and a rigid substrate having a Young's modulus larger than that of the flexible substrate, and a substrate forming step of forming a substrate on which a flexible substrate overlaps; a resistor forming step of providing a resistor on a surface of the substrate facing the flexible substrate; and a signal processing circuit so as to be in contact with the rigid substrate at least partially. and a signal processing circuit forming step of providing a.
  • both the flexible base material and the rigid base material are organic polymers, and the rigid base material contains more water than the flexible base material. rate may be low.
  • the base forming step may be performed by thermocompression bonding.
  • the substrate forming step may be performed by hot drawing.
  • the substrate forming step includes a covering forming step of sequentially covering the wiring with the rigid base material and the flexible base material to prepare a covering; It may have a hot drawing step of hot drawing the body to produce the covered wiring and a weaving step of weaving the covered wiring.
  • the present invention can provide a strain sensor with low noise and good sensing sensitivity, a sensor unit including the strain sensor, and a method for manufacturing the strain sensor.
  • FIG. 2 is a top view schematically showing the sensor unit of FIG. 1;
  • FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing a modification of the sensor unit of FIG. 1;
  • FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing a modification of the sensor unit of FIG. 1;
  • FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing a modification of the sensor unit of FIG. 1;
  • 1 is a top view schematically showing a sensor unit provided with strain sensors according to one embodiment of the present invention;
  • FIG. 7 is a diagram schematically showing a cross section of the sensor unit of FIG. 6 taken along line DD;
  • FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing a wiring unit provided in a region of the sensor unit in FIG. 6 that overlaps with the signal conversion circuit;
  • 1 is a partial cross-sectional perspective view schematically showing a sensor unit provided with strain sensors according to an embodiment of the present invention;
  • FIG. It is a sectional view showing typically a sensor unit concerning this embodiment.
  • FIG. 5A is a diagram for explaining an example of the method for manufacturing the sensor unit according to the present embodiment, and is a diagram showing the first half of the manufacturing method.
  • FIG. 10 is a diagram for explaining an example of the method of manufacturing the sensor unit according to the present embodiment, and is a diagram showing the second half of the manufacturing method;
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a sensor unit having a strain sensor according to this embodiment
  • FIG. 2 is a schematic top view of a sensor unit having a strain sensor according to this embodiment.
  • the sensor unit has a plurality of strain sensors.
  • the strain sensor 50 according to the present embodiment includes a flexible base 11 and a rigid base 12 that overlaps one surface of the flexible base 11 and has a Young's modulus larger than that of the flexible base 11; 10, a resistor 20 in contact with the flexible base 11, and a signal processing circuit 30 in contact with the rigid base 12 and electrically connected to the resistor 20 on the surface of the base 10 opposite to the surface in contact with the resistor 20.
  • the sensor unit 100 includes, for example, multiple strain sensors 50 .
  • the arrangement of the strain sensors 50 in the sensor unit 100 is, for example, an array arrangement as shown in FIG.
  • FIG. 2 shows the sensor unit 100 including four strain sensors, the number of strain sensors 50 included in the sensor unit 100 is arbitrary.
  • Resistor 20 is in contact with flexible base 11 .
  • the resistor 20 is provided, for example, in contact with the surface of the flexible substrate 11 of the substrate 10 that is exposed to the outside. spread in the direction
  • the plan view shape of the resistor 20 is not limited to the structure shown in FIG.
  • the resistor 20 has terminal portions 21a and 21b at both ends, for example.
  • the terminal portions 21a and 21b are connected to the signal processing circuit 30 via a wiring 25 provided in the through hole H, for example.
  • the resistor 20 is a material known as a resistor for a metal strain gauge or a semiconductor strain gauge, including copper-nickel alloys and nickel-chromium alloys, and may be made of these materials.
  • the resistor 20 may include a magnetic material such as an amorphous magnetic alloy thin film exhibiting the Villari effect, and may be made of this material. Since the resistor 20 is made of the above materials, when an external force is applied to the strain sensor 50 and the resistor 20 is deformed, the impedance of the resistor 20 changes due to the Villari effect.
  • the base 10 is a laminate composed of two or more layers including a flexible base 11 and a rigid base 12 .
  • the direction (z direction) in which the flexible substrate 11 overlaps the rigid substrate 12 of the substrate 10 is called the lamination direction, and is orthogonal to the lamination direction, and the flexible substrate 11 and the rigid substrate 12 spread.
  • a direction (xy direction) may be called an in-plane direction.
  • the substrate 10 is provided with a through hole H penetrating, for example, in the stacking direction.
  • a wiring 25 for connecting the resistor 20 and the signal processing circuit 30 is provided in the through hole H, for example.
  • the flexible substrate 11 spreads, for example, in the in-plane direction.
  • the flexible substrate 11 is a substrate having a Young's modulus smaller than that of the rigid substrate 12 .
  • the Young's modulus of the flexible substrate 11 is, for example, 1.0 ⁇ 10 4 Pa or more and 1.0 ⁇ 10 7 Pa or less, and 1.0 ⁇ 10 4 Pa or more and 5.0 ⁇ 10 6 Pa or less. It is preferably 1.0 ⁇ 10 4 Pa or more and 5.0 ⁇ 10 5 Pa or less.
  • the Young's modulus of the flexible substrate 11 is preferably close to the Young 's modulus of human skin. ⁇ 10 5 Pa or less is preferable.
  • the Young's modulus can be determined by tensile property evaluation conforming to JIS-K 7161-1 and JIS Z 2241. Specifically, it can be determined based on [variation in tensile stress]/[variation in tensile strain] during the tensile test.
  • Tensile stress Tensile load/cross-sectional area of test piece
  • Tensile strain 100 x change in gauge length/gauge length
  • the flexible substrate 11 is made of a material having a small Young's modulus as described above, the volume of the resistor 20 is changed when an external force is applied to the resistor 20, as described later. can be increased, and the change in impedance of the resistor 20 can be increased.
  • the flexible substrate 11 is an organic polymer or the like, and is preferably made of these substrates.
  • organic polymers include polyvinyl chloride, polystyrene-butadiene-styrene, styrene-ethylene-butylene-styrene, cyclic olefin copolymer elastomer, silicone rubber, ethylene propylene rubber, dimethylpolysiloxane, urethane rubber, hydrogel and the like. can be used.
  • Commercially available products, for example can be used as these organic polymers.
  • product number W01POS07073 of Fuji Film Wako Pure Chemical Industries, Ltd. can be used as polystyrene-butadiene-styrene.
  • styrene-ethylene-butylene-styrene for example, product number 200565 from Sigma-Aldrich Japan can be used.
  • cyclic olefin copolymer elastomer for example, APEL manufactured by Mitsui Chemicals, Inc. can be used.
  • Silicone rubbers having various properties are available from Shin-Etsu Silicone Co., Ltd., for example, according to desired properties. Commercially available products can be similarly used for other organic polymers.
  • the glass transition temperature of the organic polymer is preferably 50° C.
  • Organic polymers often have different mechanical and thermal properties depending on the degree of polymerization.
  • the degree of polymerization of the organic polymer used in the present invention is desirably such that the Young's modulus and glass transition temperature are within the ranges disclosed herein.
  • the organic polymer material used preferably has a degree of polymerization of 200 or more.
  • the Young's modulus can be adjusted by adjusting the porosity of the organic polymer.
  • the rigidity of the flexible substrate 11 can be reduced by increasing the porosity of the flexible substrate 11 .
  • the porosity of the flexible substrate is, for example, 0.1 or more and 0.8 or less, preferably 0.5 or more.
  • the porosity (A) is defined by the weight per unit volume (W st ) of the organic polymer used for the flexible substrate and the weight per unit volume (W af ) of the organic polymer subjected to void creation treatment (described later). It is a number represented by 1-W af /W st .
  • the thickness of the flexible substrate 11 is, for example, 5 ⁇ m or more and 1000 ⁇ m or less, preferably 10 ⁇ m or more and 500 ⁇ m or less, and more preferably 20 ⁇ m or more and 100 ⁇ m or less.
  • the flexible substrate 11 may be either a film-like member or a plate-like member.
  • the rigid base 12 extends, for example, in the in-plane direction.
  • the rigid substrate 12 is a substrate having a Young's modulus larger than that of the flexible substrate 11 .
  • the Young's modulus of the rigid substrate 12 is, for example, 1.0 ⁇ 10 4 Pa or more and 1.0 ⁇ 10 12 Pa or less, preferably 1.0 ⁇ 10 6 Pa or more, and 1.0 ⁇ 10 7 Pa or more. is more preferable.
  • the rigid substrate simply means that the Young's modulus is larger than that of the flexible substrate 11, and does not necessarily mean that the rigid substrate has a specific rigidity such that the Young's modulus is equal to or higher than a predetermined value.
  • a flexible substrate means a Young's modulus smaller than that of a rigid substrate.
  • the Young's modulus of the rigid substrate 12 is, for example, 10 times or more, preferably 100 times or more, and more preferably 500 times or more, as compared to the Young's modulus of the flexible substrate 11 .
  • the rigid base 12 is made of a material having a large Young's modulus as described above, it is difficult to deform when an external force is applied to the strain sensor 50, as will be described later. Therefore, the signal processing circuit 30 provided in contact with the rigid base 12 is stabilized, and noise is generated in the signal transmitted to the signal conversion circuit 32 such as an IC chip through the resistor 20, the wiring 25, and the connection wiring 31 of the signal processing circuit 30. Mixing can be suppressed.
  • the rigid substrate 12 is, for example, organic polymer, silicon, ceramic, etc., and is preferably made of these substrates.
  • organic polymers that satisfy the above Young's modulus include polycarbonate, polymethylmethacrylate, polyimide, polyetheretherketone, polyethyleneterephthalate, and epoxy glass fiber.
  • the Young's modulus can be adjusted by adjusting the porosity of the organic polymer.
  • the Young's modulus of the rigid substrate 12 can be increased by decreasing the porosity of the rigid substrate 12 .
  • the flexible substrate 11 and the rigid substrate 12 may be organic polymers having the same composition, and the rigid substrate 12 may have a lower porosity than the flexible substrate 11 to form the substrate 10 .
  • silicon for example, a silicon wafer, a polysilicon thin film formed on a substrate, an amorphous thin film formed on a substrate, etc.
  • the ceramic for example, aluminum nitride, zirconia, or the like can be used.
  • the thickness of the rigid base 12 is, for example, 10 ⁇ m or more and 10 mm or less, 20 ⁇ m or more and 5 mm or less, and more preferably 50 ⁇ m or more and 2 mm or less.
  • the rigid substrate 12 may be either a film-like member or a plate-like member. Since the rigid base 12 has such a thickness, it is possible to stabilize the signal processing circuit 30 and suppress the generation of noise when an external force is applied to the strain sensor 50 .
  • the signal processing circuit 30 is electrically connected to the resistor 20 and measures the resistance change of the resistor 20 .
  • the signal processing circuit 30 is in contact with the rigid substrate 12 and electrically connected to the resistor 20 on the surface of the substrate 10 opposite to the surface in contact with the resistor 20 . At least a portion of the signal processing circuit 30 is in contact with the rigid base 12 .
  • all contacts between the signal processing circuit 30 and the substrate 10 are preferably rigid substrates 12 .
  • the signal processing circuit 30 has a connection wiring 31 and a signal conversion circuit 32 .
  • the connection wiring 31 is made of a highly conductive material such as aluminum, gold, or copper.
  • the connection wiring 31 connects the wiring 25, the signal conversion circuit 32, and the signal conversion circuits 32 to each other.
  • the signal conversion circuit 32 includes an IC chip such as an LSI (Large Scale Integrated Circuit).
  • the signal conversion circuit 32 has, for example, a processor such as a CPU and a memory.
  • the signal conversion circuit 32 operates as the processor executes a program.
  • the processor instructs each circuit to operate, and the memory records programs and past results.
  • All or part of the operation of these circuits may be realized using hardware such as ASIC (Application Specific Integrated Circuit), PLD (Programmable Logic Device), FPGA (Field Programmable Gate Array), etc.
  • the above program may be recorded on a computer-readable recording medium.
  • Computer-readable recording media include portable media such as flexible disks, magneto-optical disks, ROMs, CD-ROMs, semiconductor storage devices (such as SSD: Solid State Drive), hard disks and semiconductor storage built into computer systems. It is a storage device such as a device.
  • the above program may be transmitted via telecommunication lines. When the signal conversion circuit 32 is a bare chip, the effects of the present invention are more pronounced.
  • FIGS. 3 to 5 are cross-sectional views schematically showing sensor units 100A, 100B, and 100C according to modifications.
  • the sensor units 100A, 100B, 100C are equipped with strain sensors 50A, 50B, 50C, respectively.
  • the same configurations as those of the sensor unit 100 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
  • the strain sensor 50A of the sensor unit 100A differs from the strain sensor 50 in that the substrate 10A has the intermediate layer 13.
  • Intermediate layer 13 is located between flexible substrate 11 and rigid substrate 12 .
  • the thickness of the intermediate layer 13 is, for example, 10 ⁇ m or more and 100 ⁇ m or less, and may be 5 ⁇ m or more and 500 ⁇ m or less.
  • the intermediate layer 13 is considered to form part of the flexible substrate together with the flexible substrate 11. If the Young's modulus of intermediate layer 13 is greater than the Young's modulus of rigid substrate 12 , intermediate layer 13 is considered to constitute a rigid substrate together with rigid substrate 12 . If the Young's modulus of the intermediate layer 13 is greater than that of the flexible substrate 11 and smaller than that of the rigid substrate 12, the intermediate layer 13 is considered to constitute a flexible substrate together with the flexible substrate 11. may be regarded as forming a rigid base together with the rigid base 12 . The Young's modulus of the intermediate layer 13 is preferably larger than that of the flexible substrate 11 and smaller than that of the rigid substrate 12 .
  • the intermediate layer 13 is composed of a base material similar to the flexible base 11 or the rigid base 12, for example.
  • the strain sensor 50A includes the intermediate layer 13 having a Young's modulus larger than that of the flexible substrate 11 and smaller than that of the rigid substrate 12, the force applied to the rigid substrate 12 due to deformation of the flexible substrate 11 is reduced. It plays a role of buffering and is easy to suppress noise.
  • FIG. 3 shows the strain sensor 50A including only one intermediate layer 13, the strain sensor 50A is not limited to this example and may include multiple intermediate layers.
  • the strain sensor 50A includes a plurality of intermediate layers, it is preferable to include the layer with the smaller Young's modulus on the side closer to the flexible substrate 11 and the layer with the larger Young's modulus on the rigid substrate 12 side.
  • the strain sensor 50B of the sensor unit 100B differs from the strain sensor 50 in that the number of signal conversion circuits 32 is smaller than the number of resistors 20.
  • the number of the signal conversion circuits 32 is at least one. is the number of
  • the signal conversion circuit 32 does not overlap in the stacking direction with a portion to which force is applied from the outside.
  • the signal conversion circuit 32 does not overlap the resistor 20B in the stacking direction.
  • Such arrangement of the signal conversion circuit 32 can reduce the force applied to the signal conversion circuit 32, which is effective in suppressing noise and extending the life of the strain sensor.
  • the strain sensor 50C of the sensor unit 100C differs from the strain sensor 50 in that the resistor 20C is a single layer extending in the in-plane direction.
  • the strain sensor 50C makes contact with the resistor 20C at two locations, and connects the contacts and the signal processing circuit 30 to measure physical properties between the two contacts.
  • the sensor unit 100C is preferable from the standpoint of ease of manufacture because the resistor 20C can be formed on the base 10 all at once.
  • the manufacturing method of the strain sensor 50 according to the above embodiment has a base forming step, a resistor forming step, and a signal processing circuit forming step.
  • the manufacturing method of the strain sensor 50 further includes, for example, a wiring forming step of forming wirings for connecting the resistors and the signal processing circuit.
  • a flexible substrate and a rigid substrate having a higher Young's modulus than the flexible substrate are laminated to form a substrate in which the flexible substrate overlaps the rigid substrate.
  • the rigid substrate simply means a substrate having a Young's modulus higher than that of a flexible substrate, and does not mean a substrate having specific rigidity having a Young's modulus of a predetermined value or more.
  • the flexible substrate in this embodiment simply means a substrate having a Young's modulus smaller than that of the rigid substrate.
  • the flexible base material is a material that becomes the flexible base 11 .
  • the rigid substrate is a material that becomes the rigid substrate 12 .
  • a flexible substrate and a rigid substrate can be formed, for example, by heat-stretching organic polymers having the same composition but different moisture contents.
  • organic polymers to be stretched by heating for example, polystyrene-butadiene-styrene, styrene-ethylene-butylene-styrene, cyclic olefin copolymer elastomer, polycarbonate, polymethyl methacrylate, and the like can be used.
  • organic polymers having the same composition but different moisture contents % by weight
  • the flexible base material is formed as the material for forming the rigid base material.
  • the moisture content of the material forming the flexible substrate can be, for example, 30% by weight or more and 90% by weight or less, preferably 50% by weight or more and 70% by weight or less.
  • the water content of the material forming the rigid base material can be, for example, 5 wt % or more and 30 wt % or less, preferably 7 wt % or more and 15 wt % or less.
  • the difference in moisture content can be, for example, 5 or more, preferably 50 or more, in terms of % by weight.
  • the temperature for heating the organic polymer material containing moisture is optimally set for each material. This temperature is higher than the glass transition temperature, if any, as a property of the organic polymer material used.
  • the water content of the flexible base material and the rigid base material can be adjusted, for example, by performing a water content treatment step in advance.
  • the moisture contents of the flexible substrate and rigid substrate are adjusted by the treatment time in the moisture-containing treatment step.
  • the moisture content of flexible and rigid substrates is measured, for example, by the weight of the material before and after the moisture-containing treatment.
  • organic polymers with different compositions may be used as the flexible base material and the rigid base material.
  • examples of the flexible base material include polystyrene-butadiene-styrene, styrene-ethylene-butylene-styrene, cyclic olefin copolymer elastomers, and the like.
  • Organic polymers can be used, and organic polymers such as polycarbonate, polymethylmethacrylate, and the like can be used as rigid substrates.
  • the base formation step can be performed, for example, by laminating a flexible base material and a rigid base material, for example, by thermocompression bonding, hot stretching, or the like.
  • the heat treatment temperature can be arbitrarily selected according to the type of substrate.
  • the base forming step includes, for example, applying an organic polymer adjusted to a desired Young's modulus as the flexible base material to the silicon base material. It can be coated by spin coating, roll coating, or spray coating.
  • a through-hole is provided in the substrate so as to penetrate the substrate in the stacking direction, and a conductive wiring is provided in the through-hole.
  • Formation of through holes and formation of conductive wiring can be performed by known methods. Formation of the through holes can be performed, for example, by etching. Formation of the conductive wiring can be performed, for example, by patterning.
  • a resistor is provided on the surface of the substrate on the flexible substrate side.
  • the resistor can be formed, for example, by sputtering using a resistor material as a target.
  • the signal processing circuit is provided so as to be in contact with the rigid substrate at least partially.
  • the signal processing circuit formation process includes, for example, a wiring formation process and a signal conversion circuit formation process.
  • the connection wiring 31 and the signal conversion circuit 32 are formed so that the wiring 25 is connected to the signal conversion circuit 32 by patterning and mounting, for example.
  • a commercially available printed circuit board may be prepared for the signal processing circuit forming step. Thus, strain sensor 50 is manufactured.
  • each sensor of the sensor unit 100 is a sensor that utilizes the stress impedance effect (SI effect). If the resistor 20 contains a magnetic material, the sensor exhibits a stress impedance effect. A stress impedance effect occurs when a force is applied to a magnetic material. The stress impedance effect is caused by the influence of the permeability change on the impedance change due to the Villari effect and the skin effect of the conductor.
  • SI effect stress impedance effect
  • the following formula (1) is a formula showing the Villari effect.
  • the following formula (1) assumes that the vacuum permeability is ⁇ 0 , and the magnetic anisotropy constant K U , the saturation magnetization M S , the saturation magnetostriction ⁇ S , and the Young's modulus E F of the resistor 20 is stressed ( ⁇ l/l). shows the magnetic permeability ⁇ of the resistor 20 when it is distorted by .
  • the following formula (2) is a formula showing the skin effect.
  • the following equation (2) indicates the depth (skin depth) ⁇ at which the current flows when the current of frequency ⁇ is passed through a conductor of electrical resistivity ⁇ .
  • the magnetic permeability ⁇ depends on the strain ( ⁇ l/l) caused by the stress that the resistor 20 receives due to the Villari effect.
  • the skin depth ⁇ depends on the magnetic permeability ⁇ of the magnetostrictive film. As the skin depth ⁇ changes, the impedance of the conductor changes. Therefore, when the stress applied to the resistor changes, the impedance of the resistor 20 changes. Therefore, by measuring the impedance of the resistor, the magnitude of stress can be detected and used as a force sensor.
  • the resistor 20 can be easily strained, that is, the skin depth can be increased, and the sensor output can be increased.
  • FIG. 6 is a top view of the sensor unit 100D according to the second embodiment
  • FIG. 7 is an image diagram for explaining a cross section of the sensor unit 100D along the cutting line DD.
  • the sensor unit 100D includes, for example, multiple strain sensors 50D.
  • a sensor unit 100D shown in FIGS. 6 and 7 differs from the base 10 of the sensor unit 100 in the structure of the base 10D.
  • the same components as in the sensor unit 100 are denoted by the same reference numerals, and descriptions thereof are omitted.
  • the substrate 10D has a network structure in which a plurality of covered wirings 10Da and 10Db are woven.
  • the covered wiring 10Da and the covered wiring 10Db extend in directions crossing each other.
  • the covered wiring 10Da extends, for example, in the x direction
  • the covered wiring 10Db extends, for example, in the y direction.
  • the covered wirings 10Da and 10Db may be woven into a plain weave, or may be woven into a twill weave or a satin weave, for example.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view schematically showing the covered wiring 10Da (10Db) overlapping the signal conversion circuit 32. As shown in FIG. At least a part of the bottom of the covered wirings 10Da and 10Db is cut to expose the rigid substrate 12D. For example, among the covered wirings 10Da and 10Db, the rigid substrate 12D of the covered wirings located in the overlapping region overlapping the signal conversion circuit 32 is exposed by cutting or the like. Further, for example, of the surfaces of the covered wirings 10Da and 10Db, the entire surface on the side where the signal processing circuit 30 is formed may be machined, and the rigid substrate 12D may be exposed.
  • Each of the plurality of covered wirings 10Da and 10Db has a wiring 25D, a rigid base 12D covering the wiring 25D, and a flexible base 11D covering at least part of the rigid base 12D.
  • the wiring 25D, the rigid substrate 12D and the flexible substrate 11D extend, for example, in the same direction.
  • the flexible substrate 11D located in the outermost layer, or a portion of the flexible substrate 11D and the rigid substrate 12D is cut away to expose the rigid substrate 12D. are doing.
  • the exposed surfaces of the rigid substrate 12D in the covered wirings 10Da and 10Db are referred to as exposed surfaces S 12D .
  • the surface of the wiring 25D located on the opposite side of the substrate 10D on which the resistor 20 is arranged is at least covered with the rigid substrate 12D and is not exposed.
  • the ratio of the area occupied by the exposed surface S 12D to the area of the z-direction bottom surface S 10D is, for example, 50% or more, preferably 75% or more.
  • the flexible substrate 11D and the rigid substrate 12D may have the same substrate and thickness as those of the flexible substrate 11 and the rigid substrate 12, respectively.
  • the wires 25D of the covered wires 10Da and 10Db are electrically connected to the resistor 20.
  • the covering wirings 10Da and 10Db are provided with contacts 23a and 23b penetrating through the regions of the flexible substrate 11D and the rigid substrate 12D, for example, between the resistor 20 and the wiring 25 overlapping the resistor 20 in the z-direction. , the resistor 20 and the wiring 25 are electrically connected.
  • the contact 23a connects, for example, the resistor 20 and the covered wiring 10Da
  • the contact 23b connects, for example, the resistor 20 and the covered wiring 10Db.
  • the signal processing circuit 30D senses the strain in a specific resistor 20 based on signals transmitted from the covered wirings 10Da and 10Db connected to the resistor 20 in question.
  • the contacts 23a and 23b are made of a conductive material.
  • the contacts 23a and 23b are provided, for example, so as to fill trenches provided in the covered wirings 10Da and 10Db.
  • each of the plurality of wirings 25D is electrically connected to the signal processing circuit 30D by a contact.
  • FIG. 7 shows a contact 23c connecting the covered wiring 10Da and the signal processing circuit 30D.
  • the manufacturing method of the strain sensor 50D according to the above embodiment differs from the manufacturing method of the strain sensor according to the above embodiment, for example, in the base forming step. That is, the method of manufacturing the base 10D is different from the method of manufacturing the strain sensor according to the previous embodiment.
  • the substrate forming step of the strain sensor manufacturing method according to the present embodiment includes a covered wiring forming step and a weaving step.
  • the wiring 25D is sequentially covered with a rigid base material and a flexible base material, a covering body in which the wiring 25D is covered with the rigid base material and the flexible base material is produced, and the covering body is heated. It is extended to form covered wirings 10Da and 10Db.
  • the coating of the wiring 25D with the rigid base material and the coating of the wiring coated with the rigid base material with the flexible base material are performed, for example, in order.
  • a conductive wire can be used as the wiring 25D.
  • the flexible base material and the rigid base material the same base material as in the above embodiment can be used.
  • the covered wirings 10Da and 10Db are woven.
  • the covered wirings 10Da and 10Db are woven, for example, in a plain weave. That is, the covered wirings 10Da and 10Db are woven, for example, in directions crossing each other.
  • the covered wirings 10Da and 10Db are woven so as to extend in the x-direction and the y-direction, respectively, when viewed from the direction intersecting the substrate 10D.
  • the weaving process can be performed by a loom using the covered wiring 10Da as warp and the covered wiring 10Db as weft.
  • the polishing step can be performed, for example, by rotary polishing using a polishing sheet.
  • the polishing step exposes the rigid substrate 12D of the covered wirings 10Da and 10Db, which is at least a part of the substrate 10D and which is in a predetermined area.
  • the predetermined area is an area including a portion where the signal conversion circuit 32 is to be installed in a later step, and may be the entire one surface of the substrate 10D.
  • the covering wirings 10Da and 10Db may be polished so that a part of the rigid substrate 12D is exposed. That is, the area of the bottom surface S 12D of the rigid substrate 12D may be smaller than the area of the bottom surfaces S 10D of the covered wirings 10Da and 10Db.
  • a wiring forming step, a resistor forming step, and a signal processing circuit forming step are performed in the same manner as in the strain sensor manufacturing method according to the above-described embodiment.
  • a wiring forming process of the present embodiment for example, between the surface of the substrate 10D on which the resistor 20 is formed and the wiring 25D, and between the surface on which the signal conversion circuit 32 is formed and the wiring 25D. Holes are provided between and to provide conductive contacts. Via these conductive contacts, one resistor 20, one covering wiring 10Da, 10Db and the signal conversion circuit 32 are electrically connected.
  • the resistor 20 is formed by connecting to the wiring 25D through the contacts 23a and 23b, for example, using the same means as in the resistor forming step of the method for manufacturing the sensor unit according to the above-described embodiment.
  • the signal processing circuit forming step for example, the signal processing circuit 30D connected to the wiring via the contact 23c is formed using the same means as in the signal processing circuit forming step of the sensor unit manufacturing method according to the above embodiment. can be done.
  • the signal processing circuit 30D is formed in a region of the substrate 10D where the rigid substrate 12D is at least partially exposed.
  • the coated wiring forming step of the manufacturing method of the sensor unit according to the present embodiment after forming a covering in which the wiring 25D is covered with the rigid base material and the flexible base material, it is heat-stretched, and the rigid base material 12D and the flexible base material are formed.
  • the covering forming step is divided into the step of forming the rigid substrate 12D on the wiring and the step of forming the flexible substrate 11D on the wiring 25D coated with the rigid substrate 12D.
  • first covering step first, a first covering is produced by covering the wiring with a rigid base material, and then the first covering is thermally stretched to form the wiring 25D and the rigid base 12D.
  • a second covering step a second covering is produced by covering the wiring 25D and the rigid base 12D covering the wiring with a flexible base material, and then the second covering is hot stretched to cover the wiring 25D. , the rigid substrate 12D and the flexible substrate 11D in this order.
  • the covered wirings 10Da and 10Db are formed such that the wiring 25D is longer than the flexible substrate 11D and the rigid substrate 12D and is exposed on the surface. , the wiring 25D exposed through the contacts 23a and 23b may be connected to the resistor.
  • the covered wirings 10Da and 10Db including the wiring 25D are provided, so that the signal processing circuit 30D can be simplified and made compact. Therefore, when an external force is applied to the sensor unit 100D, it is possible to suppress deformation of the signal processing circuit 30D due to the force being applied to the signal processing circuit 30D, thereby further suppressing noise.
  • the sensor unit 100D can be mounted on various surfaces because the substrate 10D is composed of a plurality of covered wirings 10Da and 10Db, and has high versatility.
  • FIG. 9 is an enlarged schematic perspective view of a main part of a sensor unit 100E including the strain sensor according to the above embodiment.
  • FIG. 10 is a schematic cross-sectional view schematically showing a cross section of the sensor unit 100E.
  • illustration of the signal processing circuit 30 is omitted.
  • the signal processing circuit 30 contacts the surface of the support 12E opposite to the magnetostrictive film 20E.
  • strain sensors are provided, for example, in areas surrounded by dashed lines.
  • the same components as those of the sensor unit 100 according to the above embodiment are denoted by the same reference numerals, and descriptions thereof are omitted.
  • the sensor unit 100E has a support 12E having a rigid base, and a plurality of projections 1, 2, 3 projecting in a first direction with respect to a reference plane S formed by the surface of the support 12E. and a flexible film filled between the back surface 20Eb of the magnetostrictive film 20E and the reference surface S in at least one first convex portion 1 (1a, 1b) of the plurality of convex portions. and a signal processing circuit 30 electrically connected to the magnetostrictive film 20E.
  • the support 12E is composed of, for example, the rigid base according to the above embodiment.
  • the insulator 11E is composed of, for example, the flexible substrate according to the above embodiment.
  • the magnetostrictive film 20E in the sensor unit 100E corresponds to the resistor 20 in the sensor unit 100 according to the above embodiment.
  • the magnetostrictive film 20E includes a magnetic material such as an amorphous magnetic alloy thin film exhibiting the Villari effect.
  • the amorphous magnetic alloy thin film is, for example, a thin film of an iron-based amorphous alloy or a cobalt-based amorphous alloy exhibiting soft magnetic properties.
  • iron-based amorphous alloys are Fe--Si--B and Fe--Si--BP.
  • Cobalt-based amorphous alloys are, for example, Co--Si--B, Co--Si--BP, Fe--Co--B, and Fe--Co--BP. These magnetic materials have a high gauge factor and increase the sensitivity of the sensor unit. The gauge factor is a measure of the stress impedance effect.
  • Amorphous alloys have high tensile strength. When an amorphous alloy is used for the magnetostrictive film 20E, even if the magnetostrictive film 20E has a complicated shape such as a three-dimensional structure, it becomes difficult to break. Further, the amorphous alloy magnetostrictive film 20E can be manufactured easily by sputtering or the like.
  • the thickness T of the magnetostrictive film 20E is, for example, 0.5 ⁇ m or more and 10 ⁇ m or less.
  • the magnetostrictive film 20E is a continuous magnetostrictive film having a plurality of projections 1a, 1b, 2, 3 projecting in the first direction from the reference plane S, for example.
  • a plurality of protrusions 1a, 1b, 2, 3 protrude in the z direction with respect to the reference plane S from the continuous magnetostrictive film 20E.
  • the reference plane S is, for example, the main plane of the support 12E in the z direction.
  • the x-direction and y-direction are directions along the reference plane. If the support 12E is flat as in FIG. 1, the reference surface S is also a flat surface, but if the support is a curved three-dimensional structure, the reference surface S is bent along the support 12E.
  • the first protrusions 1a and 1b have an insulator 11E between the back surface 20Eb of the magnetostrictive film 20E and the reference plane S.
  • the length in the x direction and the length in the y direction of the first convex portion 1a are substantially equal in plan view from the z direction.
  • the first convex portion 1a has, for example, a circular planar shape.
  • the first convex portion 1b has a length in the y direction longer than a length in the x direction in plan view from the z direction.
  • the first convex portion 1b has, for example, an elliptical or oval shape in plan view.
  • the x-direction is an example of a second direction, and the y-direction is an example of a third direction.
  • the sensor unit 100 may have only the first convex portion 1a or the first convex portion 1b, but preferably has both the first convex portion 1a and the first convex portion 1b.
  • the length in the x direction and the length in the y direction of the first convex portion 1b are different.
  • the first convex portion 1b has a shape elongated in the y direction.
  • the reaction force from the insulator 11E differs depending on the direction in which the external force is applied to the first convex portion 1b.
  • the reaction force to the force applied from the x-direction is different from the reaction force to the force applied from the y-direction.
  • the first convex portion 1b can read the difference in magnitude depending on the direction of force from the outside.
  • the minimum width of the first protrusions 1a and 1b in plan view from the z direction is, for example, 1 mm or less. That is, when FIG. 2 passes through the center and the center of gravity of the first protrusions 1a and 1b in plan view from the z direction, the widths w 1a and w 1b of the first protrusions 1a and 1b are 1 mm or less. With such a width, the density of the first projections 1a and 1b in the sensor unit 100 can be equal to or higher than the density of the sensory points on human skin.
  • the height in the z-direction of the first projections 1a and 1b is preferably smaller than the minimum width in the direction perpendicular to the z-direction. That is, the height h1a of the first protrusion 1a from the reference plane S in the z direction is, for example, the width w1a or less, and the height h1b of the first protrusion 1b from the reference plane S in the z direction is For example, the width w 1b or less is preferable.
  • FIG. 2 illustrates the case where the height h1a is higher than the height h1b , the height h1b is not limited to this example, and the height h1b may be higher than the height h1a .
  • the insulator 11E corresponds to the flexible base 11.
  • the insulator 11E is made of the same material as the flexible base 11 according to the above embodiment.
  • the insulator 11E is at least partially in contact with the back surface 20Eb.
  • the insulator 11E is located between the reference surface S and the back surface 20Eb corresponding to the first protrusions 1a and 1b.
  • the insulator 11E fills the space between the reference surface S and the back surface 20Eb of the magnetostrictive film 20E corresponding to the first protrusions 1a and 1b. That is, the insulator 11E is arranged in close contact with the magnetostrictive film 20E and the support 12E.
  • the shape of the insulator 11E corresponds to, for example, the shape of the area surrounded by the reference plane S and the first protrusions 1a and 1b.
  • the first protrusions 1a and 1b are provided with an insulator 11E, and when force acts from the outside, a reaction force is generated from the insulator 11E. Stress acts on the magnetostrictive film 20E due to the reaction force from the insulator 11E, and the magnetostrictive film 20E is distorted, thereby changing the impedance of the first projections 1a and 1b. By measuring the impedance of the magnetostrictive film 20E, the first protrusions 1a and 1b function as tactile sensors that detect the applied force.
  • this tactile sensor has a configuration that protrudes in the first direction with respect to the reference plane S, an external force that is applied not only in a direction perpendicular to the reference plane S but also in an oblique direction with respect to the reference plane S is applied. External force can also be detected with high accuracy.
  • the sensor unit 100E further has a second protrusion 2 and a third protrusion 3, for example.
  • the heights h 1a and h 1b of the first projections 1 a and 1 b in the first direction are higher than the heights h 2 and h 3 of the second projections 2 and the third projections 3 in the first direction, for example.
  • the second protrusion 2 has a space R2 between the back surface 20Eb of the magnetostrictive film 20E and the reference surface S, and includes a hole H penetrating the magnetostrictive film 20E.
  • the number of holes H may be two or more.
  • the shape of the second convex portion 2 in plan view from the z direction does not matter.
  • the second convex portion 2 has, for example, a circular planar shape in the z-direction.
  • the space R2 is a space connected to the outside through the hole H, which is a through hole, and therefore stress due to external pressure does not normally act on the magnetostrictive material.
  • the pressure outside the second convex portion 2 changes due to the action of the acoustic wave, the magnetic material vibrates according to the pressure change, and the stress change acts on the second convex portion 2 .
  • the impedance of the second protrusion 2 changes due to the stress impedance effect. Therefore, the second protrusion 2 functions as an acoustic sensor (microphone) by measuring impedance.
  • the third convex portion 3 has a space R3 between the back surface 20Eb of the magnetostrictive film 20E and the reference surface S, and does not have a hole H penetrating the magnetostrictive film 20E.
  • the space R3 is sealed along the reference plane S.
  • the shape of the third convex portion 3 in a plan view from the z-direction does not matter.
  • the third convex portion 3 has, for example, a circular planar shape in the z-direction.
  • the space R3 is a closed space, and the pressure corresponding to the pressure difference between the pressure in the space R3 and the external pressure acts on the magnetic material of the third protrusion 3, the magnetic material is distorted, and the third protrusion
  • the impedance of section 3 changes. Therefore, the third convex portion 3 functions as a pressure sensor by measuring impedance.
  • the sensor unit 100E includes, for example, contacts C 1a1 and C 1a2 , contacts C 1b1 and C 1b2 , contacts C 31 and C 32 , and contacts It has C21 and C22 .
  • the support 12E is provided with, for example, conductors connecting the respective contacts with the signal processing circuit 30.
  • FIG. The sensor unit 100 connects contacts arranged at both ends of each projection to a signal processing circuit to measure the impedance of each projection.
  • FIG. 11 and 12 are diagrams for explaining the method of manufacturing the sensor unit according to this embodiment.
  • FIG. 11 shows the first half of the example of the sensor unit manufacturing method according to this embodiment
  • FIG. 12 shows the latter half of the example of the sensor unit manufacturing method according to the present embodiment.
  • first half and second half of the manufacturing method referred to here are terms used for convenience of explanation, and do not limit the invention.
  • the manufacturing method of the sensor unit 100E includes, for example, a magnetostrictive film forming step of forming the magnetostrictive film 20E in a resist layer having a plurality of concave portions, and a convex portion of the magnetostrictive film 20E having flexibility according to a desired sensor. It includes an adjustment step of filling an insulator composed of a base material or forming a through hole, and an electrical connection step of electrically connecting the support 12E and the magnetostrictive film 20E.
  • the sensor unit manufacturing method includes a first step of forming a resist layer P on a substrate Sub, and forming a plurality of concave portions having a predetermined shape in the resist layer P.
  • a second step a third step of forming the magnetostrictive film 20E on the resist layer P, a fourth step of forming the insulating material PD at a predetermined position on the magnetostrictive film 20E, and forming a hole H penetrating the magnetostrictive film 20E.
  • a resist layer P is formed on an arbitrary substrate Sub by a known method.
  • 11(a) and 11(b) show the state before the first step and the state after the first step, respectively.
  • the resist layer P is, for example, a positive photoresist layer.
  • the substrate Sub is, for example, a Si substrate with a thickness of 2 mm.
  • the thickness of the resist layer P is, for example, 1000 ⁇ m. Since the substrate Sub and the resist layer P are removed in the fifth step described later, they are not included in the final sensor unit 100E.
  • a plurality of recesses having a predetermined shape are formed in the resist layer P.
  • a positive photoresist layer is formed as the resist layer P in the first step, a predetermined positive pattern is exposed and developed.
  • a plurality of recessed patterns are formed in the photoresist layer P by grayscale lithography.
  • FIG. 11(c) shows the state after the second step.
  • the shape of the concave portion formed in the second step corresponds to the shape of the convex portion of the magnetostrictive film in the completed sensor unit.
  • the minimum width and depth of each concave shape in plan view from the z direction are designed, for example, as follows. Part corresponding to the tactile sensor: minimum width 500 ⁇ m, depth 500 ⁇ m Part corresponding to the pressure sensor: diameter 1500 ⁇ m, depth 450 ⁇ m Part corresponding to the acoustic sensor: diameter 1000 ⁇ m, depth 450 ⁇ m
  • a magnetostrictive film 20E is formed on the resist layer P.
  • the third step is performed, for example, by a sputtering method.
  • FIG. 11(d) shows the state after the third step.
  • the magnetostrictive film 20E any magnetic material exhibiting a stress impedance effect is used, preferably an amorphous magnetic alloy, and preferably a soft magnetic amorphous magnetic alloy.
  • the magnetostrictive film 20E is Fe79Si7B14 , for example.
  • the thickness of the magnetostrictive film 20E is, for example, 1 ⁇ m.
  • the magnetostrictive film 20E is formed by sputtering, for example.
  • a fourth step is performed.
  • an insulating material PD is formed in a region including at least one of the projections of the magnetostrictive film 20E.
  • the insulating material PD is formed, for example, so as to planarize the entire surface.
  • FIG. 11(e) shows the state after the fourth step.
  • PDMS polydimethylsiloxane
  • the insulating material PD may be formed entirely so that the magnetostrictive film 20E is not exposed as shown in FIG. 11(e). In such a case, unnecessary portions of the insulating material PD are removed in a later step.
  • a hole H' is formed through the magnetostrictive film 20E.
  • the insulating material PD is formed on the entire surface of the magnetostrictive film 20E so as not to expose the magnetostrictive film 20E in the fourth step, it is necessary to expose the portion where the hole H' is to be formed in the magnetostrictive film 20E in advance. . Therefore, as shown in FIG. 11(f), the insulating material PD at a predetermined position is removed before etching to form a groove PDH.
  • the hole H' is formed by etching, for example. Etching is performed, for example, by a method of irradiating an ion beam.
  • FIG. 12(a) is a diagram showing a state after the fifth step, and is a diagram following FIG. 11(f).
  • the hole H' formed in the fifth step becomes the hole H of the acoustic sensor. Therefore, when manufacturing a sensor unit that does not include an acoustic sensor, the fifth step is omitted.
  • FIG. 12(b) shows the state after the sixth step.
  • the unnecessary materials are, for example, the insulating material PD filled in the protrusions that serve as pressure sensors or acoustic sensors, and the insulating material PD present at the positions where the contacts C' are formed.
  • a spatial PDCH is formed at the position where the contact C' is formed.
  • the sixth step is performed by a known method such as plasma etching.
  • FIG. 12(c) shows how a support 12E having contacts C' on its surface is prepared.
  • FIG. 12(d) shows the state after the seventh step.
  • the contact C' is arranged between each of the plurality of protrusions.
  • FIG. 12(e) shows the state after the eighth step.
  • the eighth step uses, for example, a lift-off process technique.
  • FIG. 12(f) shows a structure obtained by inverting the structure shown in FIG. 12(e).
  • the sensor unit 100E is formed by forming the signal processing circuit 30 electrically connected to each of the contacts C'.
  • the sensor unit 100E can detect externally applied forces in various directions. Moreover, the sensor unit 100E is provided with the first convex portions 1a and 1b, the second convex portion 2, and the third convex portion 3, so that various sensations can be sensed.
  • the sensor unit according to this embodiment is not limited to the above example.
  • the surface of the support 12E is flat or curved, but in the sensor unit 100E, the support 12E may have a locally concave structure.
  • the support 12E at the position where the second convex portion 2 is provided and the position where the third convex portion 3 is provided when viewed from above in the stacking direction may have a concave structure. .

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Abstract

このひずみセンサは、可撓性基体と、前記可撓性基体の一面に重なり、前記可撓性基体よりもヤング率が大きい剛性基体と、を有する基体と、前記基体の前記可撓性基体と接する抵抗体と、前記基体の前記抵抗体が接する面と反対側の面において、前記剛性基体と接し、前記抵抗体と電気的に接続された信号処理回路と、を備える。

Description

ひずみセンサ、センサユニット及びひずみセンサの製造方法
　本発明は、ひずみセンサ、センサユニット及びひずみセンサの製造方法に関する。
　生産労働人口の減少や医療・介護／介助現場での担い手不足の問題を解決するためにロボットの導入が進んでいる。今後ロボットがヒトと同じように複雑な作業ができるようにロボットにセンサを高密度に実装して高度な感覚を持たせることが望まれている。ロボット用センサでは、ＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ－Ｓｃａｌｅ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｃｉｒ－ｃｕｉｔ；大規模集積回路）技術を基礎としたビジョンセンサの発達は目覚ましく、ヒトをしのぐ機能／性能の目を持つロボットの開発が進んでいる。
　ロボットがヒトと同様の作業をするためには、視覚以外の感覚、例えば力覚、圧覚、温覚、冷覚などのセンサをロボットが持つことが重要であり、ヒトと同様の感覚をセンシングできるセンサの搭載が望まれている。物体に作用する力や加速度、空間圧力、音響などを測定するセンサとして様々なセンサが提案されている。中でもシリコンを材料としてＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ　Ｅｌｅｃｔｒｏ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍｓ；微小電気機械システム）技術を用いた小型で高感度なセンサ（加速度センサ、圧力センサ、音響センサ）の開発が進んでいる。
　特許文献１には、可撓性を有する基材と、基材上に設けられたクロム又はニッケルからなる抵抗体と、抵抗体と電気的に接続された電極と、を有するひずみゲージが開示されている。このようなひずみゲージは、基材の面のうち、抵抗体とは同一面にＬＳＩ等の信号処理回路が形成され、ひずみゲージに加えられた外力によって変形した抵抗体の抵抗変化は、電極を介して信号処理回路に伝えられ、信号処理回路にて処理される。
特開２０２０－１８７０１１号公報
　しかしながら、特許文献１のひずみゲージの基材の一面に信号処理回路を形成する場合、基材が可撓性を有するため、信号処理回路に伝えられるノイズが多い場合があった。また、特許文献１のひずみゲージの基材を硬い材料で代用すると、ひずみゲージの抵抗体の外力に対する体積変化が小さくなり、センシング感度が悪かった。
　信号処理回路に伝えられるノイズは、特に、信号処理回路としてベアチップが用いられる場合に影響が大きい。ベアチップは、高集積化に有効であり、ノイズが少なく、センシング感度が良好なひずみセンサが求められている。
　本発明は、上記事情に鑑みてなされた発明であり、ノイズが少なく、センシング感度が良好なひずみセンサ、当該ひずみセンサを備えるひずみセンサユニット及びひずみセンサの製造方法を提供することを目的とする。
　本発明は、上記課題を解決するために以下の手段を提供する。
（１）本発明の第１の態様に係るひずみセンサは、可撓性基体と、前記可撓性基体の一面に重なり、前記可撓性基体よりもヤング率が大きい剛性基体と、を有する基体と、前記基体の前記可撓性基体と接する抵抗体と、前記基体の前記抵抗体が接する面と反対側の面において、前記剛性基体と接し、前記抵抗体と電気的に接続された信号処理回路と、を備える。
（２）上記態様に係るひずみセンサにおいて、前記可撓性基体及び前記剛性基体は、同じ組成の有機ポリマーであり、前記可撓性基体の空隙率は、前記剛性基体の空隙率よりも高くてもよい。
（３）上記態様に係るひずみセンサにおいて、前記可撓性基体及び前記剛性基体は、異なる組成の有機ポリマーであってもよい。
（４）上記態様に係るひずみセンサにおいて、前記可撓性基体は、有機ポリマーであり、前記剛性基体は、シリコン又はセラミックであってもよい。
（５）上記態様に係るひずみセンサにおいて、前記可撓性基体のヤング率は５．０×１０６Ｐａ以下であり、前記剛性基体のヤング率は、１．０×１０４Ｐａ以上１．０×１０１２Ｐａ以下であってもよい。
（６）上記態様に係るひずみセンサにおいて、前記基体は、複数の被覆配線が織り込まれた網状構造を有し、前記複数の被覆配線のそれぞれは、配線と、前記配線を被覆する前記剛性基体と、前記剛性基体の少なくとも一部を被覆する前記可撓性基体とを有し、前記配線の一部は、前記抵抗体及び前記信号処理回路と電気的に接続されていてもよい。
（７）本発明の第２の態様に係るセンサユニットは、上記態様に係るひずみセンサを備えるセンサユニットであって、前記剛性基体を有する支持体と、前記支持体の表面で構成された基準面に対して第１方向に突出する複数の凸部を有し、前記抵抗体として機能する連続した磁歪膜と、前記複数の凸部のうち少なくとも一つの第１凸部において、前記磁歪膜の裏面と前記基準面との間に充填された前記可撓性基体を有する絶縁体と、を備える。
（８）上記態様に係るセンサユニットにおいて、前記複数の凸部のうち少なくとも一つの第２凸部は、前記磁歪膜の裏面と前記基準面との間に空間を有するとともに前記磁歪膜を貫通する孔を有し、前記複数の凸部のうち少なくとも一つの第３凸部は、前記磁歪膜の裏面と前記基準面との間に空間を有するとともに前記磁歪膜を貫通する孔を有さず、
　前記第１凸部の前記第１方向の高さは、前記第２凸部および前記第３凸部の前記第１方向の高さより高くてもよい。
（９）本発明の第３の態様に係るひずみセンサの製造方法は、可撓性基材と、前記可撓性基材よりもヤング率が大きい剛性基材と、を重ね、剛性基体に可撓性基体が重なる基体を形成する基体形成工程と、前記基体の前記可撓性基体側の面に抵抗体を設ける抵抗体形成工程と、前記剛性基体と少なくとも一部で接するように信号処理回路を設ける信号処理回路形成工程と、を有する。
（１０）上記態様に係るひずみセンサの製造方法において、前記可撓性基材及び前記剛性基材は、いずれも有機ポリマーであり、前記剛性基材は、前記可撓性基材よりも水分含有率が低くてもよい。
（１１）上記態様に係るひずみセンサの製造方法において、前記基体形成工程を熱圧着で行ってもよい。
（１２）上記態様に係るひずみセンサの製造方法において、前記基体形成工程を熱延伸で行ってもよい。
（１３）上記態様に係るひずみセンサの製造方法において、前記基体形成工程は、配線を前記剛性基材と前記可撓性基材で順に被覆し被覆体を作製する被覆体形成工程と、前記被覆体を熱延伸し、被覆配線を作製する熱延伸工程と、前記被覆配線を織る織成工程と、を有していてもよい。
　本発明は、ノイズが少なく、センシング感度が良好なひずみセンサ、当該ひずみセンサを備えるセンサユニット及び当該ひずみセンサの製造方法を提供することができる。
本発明の一実施形態にかかるひずみセンサを備えるセンサユニットを模式的に示す断面図である。 図１のセンサユニットを模式的に示す上面図である。 図１のセンサユニットの変形例を模式的に示す断面図である。 図１のセンサユニットの変形例を模式的に示す断面図である。 図１のセンサユニットの変形例を模式的に示す断面図である。 本発明の一実施形態にかかるひずみセンサを備えるセンサユニットを模式的に示す上面図である。 図６のセンサユニットのＤ－Ｄ線に沿って切断した断面を模式的に示す図である。 図６のセンサユニットのうち信号変換回路と重なる領域に備えられる配線ユニットを模式的に示す断面図である。 本発明の一実施形態にかかるひずみセンサを備えるセンサユニットを模式的に示す部分断面斜視図である。 本実施形態にかかるセンサユニットを模式的に示す断面図である。 本実施形態に係るセンサユニットの製造方法の一例を説明するための図であり、製造方法の前半の過程を示す図である。 本実施形態に係るセンサユニットの製造方法の一例を説明するための図であり、製造方法の後半の過程を示す図である。
　以下、本実施形態について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
［ひずみセンサ］
　図１は、本実施形態にかかるひずみセンサを備えるセンサユニットの断面模式図であり、図２は、本実施形態に係るひずみセンサを備えるセンサユニットの上面模式図である。センサユニットは、複数のひずみセンサを備える。本実施形態にかかるひずみセンサ５０は、可撓性基体１１と、可撓性基体１１の一面に重なり、可撓性基体１１よりもヤング率が大きい剛性基体１２と、を有する基体１０と、基体１０の可撓性基体１１と接する抵抗体２０と、基体１０の抵抗体２０が接する面と反対側の面において、剛性基体１２と接し、抵抗体２０と電気的に接続された信号処理回路３０と、を備える。センサユニット１００は、例えば複数のひずみセンサ５０を備える。センサユニット１００におけるひずみセンサ５０の配置は、例えば図２に示されるようなアレイ状の配置である。図２には、４つのひずみセンサを備えるセンサユニット１００を示したが、センサユニット１００が備えるひずみセンサ５０の数は、任意の数である。
＜抵抗体＞
　抵抗体２０は、可撓性基体１１と接する。抵抗体２０は、例えば基体１０のうち、可撓性基体１１の表面のうち、外部に露出する面に接して設けられている、抵抗体２０は、例えば基体１０の積層方向と直交する面内方向に広がる。抵抗体２０の平面視形状は、図２の構造に限られず、抵抗変化を測定できるものであれば特に問わない。
　抵抗体２０は、例えば両端に端子部２１ａ、２１ｂを有する。端子部２１ａ、２１ｂは、例えば、スルーホールＨに設けられた配線２５を介して信号処理回路３０と接続している。抵抗体２０は、金属ひずみゲージ或いは半導体ひずみゲージの抵抗体として公知の材料であり、銅・ニッケル系合金や、ニッケル・クロム合金を含み、これらの材料で構成されていてもよい。また、抵抗体２０は、ビラリ効果を示すアモルファス磁性合金薄膜等の磁性材料等を含み、この材料で構成されていてもよい。抵抗体２０は、上記のような材料で構成されていることで、ひずみセンサ５０に外力が印加され、抵抗体２０が変形した際に、ビラリ効果により抵抗体２０のインピーダンスが変化する。
＜基体＞
　基体１０は、可撓性基体１１及び剛性基体１２を含む２層以上の層で構成された積層体である。本実施形態において、基体１０の剛性基体１２に対して可撓性基体１１が重なる方向（ｚ方向）を積層方向と呼称し、積層方向と直交し、可撓性基体１１及び剛性基体１２が拡がる方向（ｘｙ方向）を面内方向と呼称する場合がある。基体１０には、例えば積層方向に貫通するスルーホールＨが設けられている。スルーホールＨ内には、例えば抵抗体２０と信号処理回路３０とを接続する配線２５が設けられている。
（可撓性基体）
　可撓性基体１１は、例えば面内方向に広がる。可撓性基体１１は、剛性基体１２よりもヤング率の小さい基体である。可撓性基体１１のヤング率は、例えば１．０×１０４Ｐａ以上１．０×１０７Ｐａ以下であり、１．０×１０４Ｐａ以上５．０×１０６Ｐａ以下であることが好ましく、１．０×１０４Ｐａ以上５．０×１０５Ｐａ以下であることがより好ましい。また、ひずみセンサ５０をヒトに近づけること観点から、可撓性基体１１のヤング率は人の皮膚のヤング率に近いことが好ましく、具体的には、１．０×１０４Ｐａ以上１．０×１０５Ｐａ以下であることが好ましい。本実施形態において、ヤング率は、ＪＩＳ－Ｋ　７１６１－１、及びＪＩＳ　Ｚ　２２４１に準拠した引っ張り特性評価により求めることができる。具体的には、引っ張り試験時における、［引っ張り応力の変化量］／［引っ張りひずみの変化量］に基づき決定することができる。
　　　引っ張り応力＝引っ張り荷重／試験片断面積
　　　引っ張りひずみ＝１００×標点距離変化量／標点距離
　可撓性基体１１は、上述のような、ヤング率の小さい材料で構成されていることで、後述する通り、抵抗体２０に対して外力が加えられた際に、抵抗体２０の体積変化を大きくすることができ、抵抗体２０のインピーダンスの変化を大きくすることができる。
　可撓性基体１１は、有機ポリマー等であり、これらの基材からなることが好ましい。有機ポリマーとしては、例えば、ポリ塩化ビニル、ポリスチレン－ブタジエン－スチレン、スチレン－エチレン－ブチレン－スチレン、環状オレフィン共重合体エラストマー、シリコーンゴム、エチレンプロピレンゴム、ジメチルポリシロキサン、ウレタンゴム、ハイドロジェル等を用いることができる。これらの有機ポリマーとしては、例えば市販のものを用いることができる。例えば、ポリスチレン－ブタジエン－スチレンとしては、富士フイルム和光純薬（株）の製品番号W01POS07073を使用可能である。またスチレン－エチレン－ブチレン－スチレンとしては、例えばSigma-Aldrich Japan社の製品番号200565を使用可能である。また環状オレフィン共重合体エラストマーとしては、例えば三井化学（株）のAPELを使用可能である。また、シリコーンゴムとしては、例えば、所望の特性に応じて、様々な特性のものが信越シリコーン（株）から入手可能であり、これらの中から選択して使用可能である。その他の有機ポリマーについても同様に市販のものを使用可能である。
　有機ポリマー材料の特性として加熱していくと、ある狭い温度範囲で急激に剛性と粘性が低下する現象がみられる場合がある。このような現象をガラス転移と呼び、ガラス転移が現れる温度をガラス転移温度と呼ぶ。有機ポリマーで可撓性基体１１を形成する場合、有機ポリマーのガラス転移温度を適切に選択することが求められる。ガラス転移温度が低い場合には使用環境でヤング率が変動する場合があり好ましくない。またガラス転移温度が高い場合には後述するように熱延伸で可撓性基体を形成する場合に高温が必要になり経済的に好ましくない。本発明が開示するような可撓性基板を有機ポリマーで形成する場合にはその有機ポリマーのガラス転移温度は５０℃以上５００℃以下であることが好ましく、１００℃以上２５０℃以下であることがより好ましい。
　有機ポリマーではその重合度により材料の機械特性や熱特性が異なることが多い。本発明で用いられる有機ポリマーの重合度はヤング率やガラス転移温度が本明細書で開示された範囲であるような重合度であることが望まれている。具体的には使用する有機ポリマー材料においてその重合度は２００以上であることが好ましい。
　また可撓性基体１１として、有機ポリマーを用いる場合、有機ポリマーの空隙率を調整することで、ヤング率を調整することも可能である。例えば、可撓性基体１１の空隙率を高くすることで可撓性基体１１の剛性を小さくすることができる。可撓性基体の空隙率は、例えば０．１以上０．８以下であり、０．５以上であることが好ましい。ここでいう空隙率（Ａ）は可撓性基体に用いる有機ポリマーの単位体積あたりの重量（Ｗｓｔ）、空隙作成処理（後述）した有機ポリマーの単位体積あたり重量（Ｗａｆ）により、Ａ＝１－Ｗａｆ／Ｗｓｔ、であらわされる数字である。
　可撓性基体は、このような範囲であることで、弾性変形を維持できる強度と変形のしやすさを両立しやすい。
　可撓性基体１１の厚みは、例えば５μｍ以上１０００μｍ以下であり、１０μｍ以上５００μｍ以下であることが好ましく、２０μｍ以上１００μｍ以下であることがより好ましい。このように可撓性基体１１は、フィルム状及び板状のいずれの部材であってもよい。可撓性基体１１の厚みが２０μｍ以上であることで、ひずみセンサ５０に対して外力が与えられた際に抵抗体２０のひずみを阻害しづらい。
（剛性基体）
　剛性基体１２は、例えば面内方向に広がる。剛性基体１２は、可撓性基体１１よりもヤング率の大きい基体である。剛性基体１２のヤング率は、例えば１．０×１０４Ｐａ以上１．０×１０１２Ｐａ以下であり、１．０×１０６Ｐａ以上であることが好ましく、１．０×１０７Ｐａ以上であることがより好ましい。また、ひずみセンサ５０をヒトに近づけること観点から、剛性基体１２のヤング率を人骨のヤング率に近づけることが好ましく、具体的には、１．０×１０６Ｐａ以上３．０×１０１０Ｐａ以下にすることが好ましく、１．０×１０１０Ｐａ以下にすることがより好ましい。本実施形態において、剛性基体とは、単に可撓性基体１１よりもヤング率が大きいことを意味するものであり、必ずしもヤング率が所定値以上であるような特定の剛性を有する意味ではない。同様に、本実施形態において可撓性基体とは剛性基体よりもヤング率が小さいことを意味する。剛性基体１２のヤング率は、可撓性基体１１のヤング率と比べ、例えば１０倍以上大きく、１００倍以上大きいことが好ましく、５００倍以上大きいことがより好ましい。
　剛性基体１２は、上述のようなヤング率の大きい材料で構成されていることで、後述する通り、ひずみセンサ５０に対して外力が与えられた際に、変形しづらい。そのため、剛性基体１２と接して設けられる信号処理回路３０が安定し、抵抗体２０、配線２５及び信号処理回路３０の接続配線３１を通じてＩＣチップ等の信号変換回路３２に伝搬される信号にノイズが混じることを抑制することができる。
　剛性基体１２は、例えば、有機ポリマー、シリコン、セラミック等であり、これらの基材からなることが好ましい。上記のようなヤング率を満たす有機ポリマーとしては、例えば、ポリカーボネート、ポリメチルメタクリレート、ポリイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエチレンテレフタレート、エポキシグラスファイバ等を用いることができる。
　また、剛性基体１２として有機ポリマーを用いる場合、有機ポリマーの空隙率を調整することで、ヤング率を調整することも可能である。例えば、剛性基体１２の空隙率を小さくすることで剛性基体１２のヤング率を大きくすることができる。可撓性基体１１及び剛性基体１２が同じ組成の有機ポリマーであり、剛性基体１２の空隙率を可撓性基体１１の空隙率よりも低くすることで、基体１０を形成してもよい。
　シリコンとしては、例えば、シリコンウエハ、基板に形成したポリシリコン薄膜、基板に形成したアモルファス薄膜、等を用いることができる。セラミックとしては、例えば、窒化アルミニウム、ジルコニア、等を用いることができる。
　剛性基体１２の厚みは、例えば１０μｍ以上１０ｍｍ以下であり、２０μｍ以上５ｍｍ以下であり、５０μｍ以上２ｍｍ以下であることがより好ましい。このように剛性基体１２は、フィルム状及び板状のいずれの部材であってもよい。剛性基体１２の厚みがこのような構成であることで、ひずみセンサ５０に対して外力が与えられたときに信号処理回路３０を安定させ、ノイズが生じることを抑制できる。
＜信号処理回路＞
　信号処理回路３０は、抵抗体２０と電気的に接続され、抵抗体２０の抵抗変化を測定する。信号処理回路３０は、基体１０の抵抗体２０が接する面と反対側の面において、剛性基体１２と接し、抵抗体２０と電気的に接続されている。信号処理回路３０は、少なくとも一部において剛性基体１２と接している。基体１０のうち、信号処理回路３０と基体１０との接点は、全て剛性基体１２であることが好ましい。
　信号処理回路３０は、接続配線３１及び信号変換回路３２を有する。
　接続配線３１は、例えばアルミニウム、金、銅等の導電性の高い材料で形成されている。接続配線３１は、配線２５及び信号変換回路３２、並びに信号変換回路３２同士を接続する。
　信号変換回路３２は、例えばＬＳＩ（Large Scale Integrated Circuit）等のＩＣチップを含む。信号変換回路３２は、例えば、ＣＰＵ等のプロセッサーとメモリーとを有する。信号変換回路３２は、プロセッサーがプログラムを実行することによって、動作する。プロセッサーは、それぞれの回路に動作を指示し、メモリーはプログラムや過去の結果を記録する。
　これらの回路の動作の全て又は一部は、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）やＰＬＤ（Programmable Logic Device）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のハードウェアを用いて実現されても良い。上記のプログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録されても良い。コンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、例えばフレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ－ＲＯＭ、半導体記憶装置（例えばＳＳＤ：Solid State Drive）等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスクや半導体記憶装置等の記憶装置である。上記のプログラムは、電気通信回線を介して送信されても良い。信号変換回路３２はベアチップである場合、本発明の効果よりが顕著に表れる。
　図３～図５は、変形例に係るセンサユニット１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃを模式的に示す断面図である。センサユニット１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃは、それぞれひずみセンサ５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃを備える。図３～図５のセンサユニット１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃにおいて、センサユニット１００と同様の構成は、同様の符号を付し、説明を省略する。
　センサユニット１００Ａのひずみセンサ５０Ａは、基体１０Ａが中間層１３を有する点でひずみセンサ５０と異なる。中間層１３は、可撓性基体１１及び剛性基体１２の間に位置する。中間層１３の厚みは、例えば１０μｍ以上１００μｍ以下であり、５μｍ以上５００μｍ以下であってもよい。
　中間層１３のヤング率が可撓性基体１１のヤング率よりも小さい場合、中間層１３は可撓性基体１１とともに可撓性基体の一部を構成するとみなされる。中間層１３のヤング率が剛性基体１２のヤング率よりも大きい場合、中間層１３は剛性基体１２とともに剛性基体を構成するとみなされる。中間層１３のヤング率が可撓性基体１１のヤング率より大きく、剛性基体１２のヤング率より小さい場合、中間層１３は可撓性基体１１とともに可撓性基体を構成しているとみなしてもよく、剛性基体１２とともに剛性基体を構成しているとみなしてもよい。中間層１３のヤング率は、可撓性基体１１のヤング率より大きく、剛性基体１２のヤング率より小さいことが好ましい。中間層１３は、例えば可撓性基体１１又は剛性基体１２と同様の基材で構成されている。
　ひずみセンサ５０Ａは、可撓性基体１１のヤング率より大きく、剛性基体１２のヤング率より小さいヤング率を有する中間層１３を備える場合、可撓性基体１１の変形により剛性基体１２に加わる力を緩衝する役割を担い、ノイズを抑制しやすい。
　尚、図３には、ただ１つの中間層１３を備えるひずみセンサ５０Ａを示したが、この例に限定されず、ひずみセンサ５０Ａは、複数の中間層を備えていてもよい。ひずみセンサ５０Ａが複数の中間層を備える場合、ヤング率の小さい層を可撓性基体１１に近い側に備え、ヤング率の大きい層を剛性基体１２側に備えることが好ましい。
　センサユニット１００Ｂのひずみセンサ５０Ｂは、抵抗体２０の数に対して信号変換回路３２の数が少ない点でひずみセンサ５０と異なる。このように、ひずみセンサ５０Ｂは、配線２５及び接続配線３１を介して全ての抵抗体２０Ｂが信号変換回路３２と電気的に接続していれば、信号変換回路３２の数は、少なくとも１つの任意の数である。
　信号変換回路３２は、外部から力が与えられる部分と積層方向に重ならないことが好ましい。例えば、信号変換回路３２は、抵抗体２０Ｂと積層方向に重ならないことが好ましい。信号変換回路３２がこのような配置であると、信号変換回路３２に加わる力を低減でき、ノイズの抑制やひずみセンサの長寿命化に効果的である。
　センサユニット１００Ｃのひずみセンサ５０Ｃは、抵抗体２０Ｃが面内方向に広がるただ１つの層である点でひずみセンサ５０と異なる。ひずみセンサ５０Ｃは、抵抗体２０Ｃに対し、２か所でコンタクトをとり、当該コンタクト及び信号処理回路３０を接続すれば、２箇所のコンタクトの間の物性を測定できる。センサユニット１００Ｃは、基体１０に対し、抵抗体２０Ｃを一括成膜することができるため、製造容易性の観点で好ましい。
［ひずみセンサの製造方法］
　次に、上記実施形態に係るひずみセンサ５０を製造する方法を説明する。
　上記実施形態に係るひずみセンサ５０の製造方法は、基体形成工程と、抵抗体形成工程と、信号処理回路形成工程と、を有する。ひずみセンサ５０の製造方法は、例えば、さらに抵抗体及び信号処理回路を接続する配線を形成する配線形成工程を有する。
＜基体形成工程＞
　基体形成工程では、可撓性基材と、可撓性基材よりもヤング率が大きい剛性基材と、を重ね、剛性基体に可撓性基体が重なる基体を形成する。本実施形態において、剛性基材とは、単に可撓性基材よりもヤング率が大きい基材を意味し、所定値以上のヤング率を有するような特定の剛性の基材を意味しない。同様に、本実施形態において可撓性基材とは、単に剛性基材よりもヤング率が小さい基材を意味する。可撓性基材は、可撓性基体１１となる材料である。剛性基材は、剛性基体１２となる材料である。
　可撓性基材及び剛性基材は、例えば同じ組成で水分含有率が異なる有機ポリマーを加熱延伸することで形成可能である。加熱延伸する有機ポリマーとしては、例えば、ポリスチレン－ブタジエン－スチレン、スチレン－エチレン－ブチレン－スチレン、環状オレフィン共重合体エラストマー、ポリカーボネート、ポリメチルメタクリレート、等を用いることができる。可撓性基材及び剛性基材を加熱延伸により形成する材料として同じ組成で水分含有率（重量％）が異なる有機ポリマーを用いる場合、剛性基材を形成する材料として可撓性基材を形成する材料よりも水分含有率が低い材料を用いる。可撓性基材を形成する材料の水分含有率は、例えば３０重量％以上９０重量％以下にすることができ、５０重量％以上７０重量％以下にすることが好ましい。剛性基材を形成する材料の水分含有率は、例えば５重量％以上３０重量％以下にすることができ、７重量％以上１５重量％以下にすることが好ましい。可撓性基材及び剛性基材を同材料から形成する場合の水分含有率の差は、例えば重量％数値で５以上にすることができ、５０以上にすることが好ましい。
　水分含有率が異なる有機ポリマーを加熱延伸してすると加熱により有機ポリマー中の水分が膨張して有機ポリマー中に気泡を形成して、冷却後の有機ポリマー材料のヤング率を変化させる。このような方法により可撓性基体及び剛性基体が一括して形成される。ここで、水分を含んだ有機ポリマー材料を加熱する温度はそれぞれの材料で最適に設定される。この温度は、使用する有機ポリマー材料の特性としてガラス転移温度がある場合には、その温度より高い温度である。
　可撓性基材及び剛性基材の水分含有率は、例えば事前に水分含有処理工程を行うことにより調整することができる。可撓性基材及び剛性基材の水分含有率は、当該水分含有処理工程における処理時間により調整される。可撓性基材及び剛性基材の水分含有率は、例えば水分含有処理前後の材料の重量により測定される。
　基体形成工程では、可撓性基材及び剛性基材として異なる組成の有機ポリマーを用いてもよい。可撓性基材及び剛性基材として異なる組成の有機ポリマーを用いる場合、可撓性基材として、例えばポリスチレン－ブタジエン－スチレン、スチレン－エチレン－ブチレン－スチレン、環状オレフィン共重合体エラストマー、等の有機ポリマーを用いることができ、剛性基材として、例えばポリカーボネート、ポリメチルメタクリレート、等の有機ポリマーを用いることができる。
　基体形成工程は、例えば、可撓性基材及び剛性基材を重ね、例えば熱圧着、熱延伸等で行うことができる。熱圧着又は熱延伸をする場合、熱処理温度は、基材の種類に応じて任意に選択することができる。
　可撓性基材として有機ポリマーを用い、剛性基材としてシリコンやセラミック材料を用いる場合、基体形成工程は、例えば可撓性基材として所望のヤング率になるように調整した有機ポリマーをシリコン基体上にスピンコートやロールコートまたはスプレーコートの手法によりコーティングすることにより行うことができる。
＜配線形成工程＞
　配線形成工程では、例えば、基体に対し、基体の積層方向に貫通するスルーホールを設け、スルーホールに導電性の配線を設ける。スルーホールの形成及び導電性の配線の形成は、公知の方法で行うことができる。スルーホールの形成は、例えばエッチングにより行うことができる。導電性配線の形成は、例えばパターニングにより行うことができる。
＜抵抗体形成工程＞
　抵抗体形成工程では、基体の可撓性基体側の面に抵抗体を設ける。抵抗体は、例えばターゲットとして抵抗体の材料を用い、スパッタリングにより形成することができる。
＜信号処理回路形成工程＞
　信号処理回路形成工程では、剛性基体と少なくとも一部で接するように信号処理回路を設ける。信号処理回路形成工程は、例えば配線形成工程と、信号変換回路形成工程と、を含む。配線形成工程では、例えばパターニング及び実装により配線２５が信号変換回路３２とつながるように接続配線３１及び信号変換回路３２を形成する。尚、信号処理回路形成工程として、市販のプリント基板を準備してもよい。
　このようにして、ひずみセンサ５０は製造される。
　センサユニット１００のそれぞれのセンサがストレスインピーダンス効果（ＳＩ効果）を利用するセンサである場合を例に、センサの動作原理を説明する。抵抗体２０が磁性体を含む場合、センサはストレスインピーダンス効果を示す。ストレスインピーダンス効果は、磁性材料に力が加わると生じる。ストレスインピーダンス効果は、ビラリ効果と、導体の表皮効果によるインピーダンス変化が透磁率変化の影響を受けることで生じる。
　具体的には、センサに応力が作用すると、表面の抵抗体２０が歪む。抵抗体２０は、歪むと、ビラリ効果により、透磁率が変化する。下記（１）式は、ビラリ効果を示す式である。下記（１）式は、真空の透磁率をμ０とし、磁気異方性定数ＫＵ、飽和磁化ＭＳ、飽和磁歪λS、ヤング率ＥＦの抵抗体２０が応力により（Δｌ／ｌ）だけ歪んだときの抵抗体２０の透磁率μを示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　下記（２）式は、表皮効果を示す式である。下記（２）式は、周波数ωの電流を、電気抵抗率がρの導体に電流を流した時に電流の流れる深さ（表皮深さ）δを示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　上記（１）式より、透磁率μは、ビラリ効果により抵抗体２０が受ける応力による歪み（Δｌ／ｌ）に依存することが確認される。また上記（２）式より、表皮深さδは、磁歪膜の透磁率μに依存することが確認される。表皮深さδが変化すると、導体のインピーダンスが変化する。従って、抵抗体に加わる応力が変化すると、抵抗体２０のインピーダンスが変化する。そのため、抵抗体のインピーダンスを測定することで、応力の大きさを検出でき、力覚センサとして用いられる。
　本実施形態に係るセンサユニット１００、１００Ａ、１００Ｂ，１００Ｃのひずみセンサ５０，５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃでは、抵抗体２０をひずみ易くし、即ち表皮深さを大きくし、センサ出力を大きくすることができるとともに外力により信号処理回路３０がひずむことを抑制できる。従って、本実施形態では、ノイズが少なく、センシング感度が良好なひずみセンサを備えるセンサユニット１００、１００Ａ、１００Ｂ，１００Ｃを提供することができる。従って、本実施形態によれば、ゲージ係数の小さいトランスデューサーを用いた場合であっても、所望のセンシング感度とノイズの抑制を両立でき、製造コストを抑えやすい。
［第２実施形態］
　図６は、第２実施形態に係るセンサユニット１００Ｄの上面図であり、図７は、センサユニット１００Ｄの切断線Ｄ－Ｄ線に沿う断面を説明するためのイメージ図である。センサユニット１００Ｄは、例えば複数のひずみセンサ５０Ｄを備える。図６，７に示すセンサユニット１００Ｄは、基体１０Ｄの構成がセンサユニット１００の基体１０と異なる。センサユニット１００Ｄにおいて、センサユニット１００と同様の構成は同様の符号を付し、説明を省略する。
　センサユニット１００Ｄにおいて、基体１０Ｄは、複数の被覆配線１０Ｄａ、１０Ｄｂが織られた網状構造を有する。被覆配線１０Ｄａ及び被覆配線１０Ｄｂは、互いに交差する方向に延在する。被覆配線１０Ｄａは、例えばｘ方向に延在し、被覆配線１０Ｄｂは、例えばｙ方向に延在する。被覆配線１０Ｄａ、１０Ｄｂは、例えば平織となるように織られ、綾織、繻子織となるように織られていてもよい。
　図８は、信号変換回路３２と重なる被覆配線１０Ｄａ（１０Ｄｂ）を模式的に示す断面図である。被覆配線１０Ｄａ、１０Ｄｂのうち、底部の少なくとも一部は切削加工等により、剛性基体１２Ｄが露出している。例えば、被覆配線１０Ｄａ、１０Ｄｂのうち信号変換回路３２と重なる重畳領域に位置する被覆配線は、切削加工等により剛性基体１２Ｄが露出している。また、例えば被覆配線１０Ｄａ、１０Ｄｂの面のうち信号処理回路３０が形成される側の面の全体が切削加工等されており、剛性基体１２Ｄが露出していてもよい。複数の被覆配線１０Ｄａ、１０Ｄｂのそれぞれは、配線２５Ｄと、配線２５Ｄを被覆する剛性基体１２Ｄと、剛性基体１２Ｄの少なくとも一部を被覆する可撓性基体１１Ｄと、を有する。被覆配線１０Ｄａ、１０Ｄｂにおいて、配線２５Ｄ、剛性基体１２Ｄ及び可撓性基体１１Ｄは、例えば同一方向に延在する。被覆配線１０Ｄａ、１０Ｄｂのうち、信号変換回路３２と重なる領域は、最外層に位置する可撓性基体１１Ｄ、或いは可撓性基体１１Ｄ及び剛性基体１２Ｄの一部が切削され、剛性基体１２Ｄが露出している。被覆配線１０Ｄａ，１０Ｄｂにおいて剛性基体１２Ｄの露出している面を露出面Ｓ１２Ｄと呼称する。基体１０Ｄのうち抵抗体２０が配置される面と反対側に位置する配線２５Ｄの面は、少なくとも剛性基体１２Ｄに被覆されており、露出しない。
　重畳領域に位置する被覆配線１０Ｄａ、１０Ｄｂは、ｚ方向底面Ｓ１０Ｄの面積のうち、露出面Ｓ１２Ｄが占める面積の比率は、例えば５０％以上であり、７５％以上であることが好ましい。
　被覆配線１０Ｄａ、１０Ｄｂにおいて、可撓性基体１１Ｄ及び剛性基体１２Ｄの基材及び厚みは、それぞれ可撓性基体１１及び剛性基体１２と同様にすることができる。
　被覆配線１０Ｄａ，１０Ｄｂの配線２５Ｄは、抵抗体２０と電気的に接続する。被覆配線１０Ｄａ、１０Ｄｂは、例えば可撓性基体１１Ｄ及び剛性基体１２Ｄの領域うち、抵抗体２０及び抵抗体２０とｚ方向に重なる配線２５との間の領域を貫くコンタクト２３ａ、２３ｂが設けられることで、抵抗体２０及び配線２５が電気的に接続されている。コンタクト２３ａは、例えば抵抗体２０及び被覆配線１０Ｄａを接続し、コンタクト２３ｂは、例えば抵抗体２０及び被覆配線１０Ｄｂを接続する。信号処理回路３０Ｄは、特定の抵抗体２０と接続する被覆配線１０Ｄａ、１０Ｄｂから伝えられる信号を基に当該抵抗体２０におけるひずみをセンシングする。
　コンタクト２３ａ、２３ｂは、導電性材料で形成されている。コンタクト２３ａ、２３ｂは、例えば被覆配線１０Ｄａ，１０Ｄｂに設けられた溝を充填するように設けられている。また、複数の配線２５Ｄのそれぞれは、コンタクトにより信号処理回路３０Ｄと電気的に接続されている。図７には、被覆配線１０Ｄａ及び信号処理回路３０Ｄを接続するコンタクト２３ｃが図示されている。
　次に、上記実施形態に係るひずみセンサ５０Ｄを製造する方法の一例を説明する。
　上記実施形態に係るひずみセンサ５０Ｄの製造方法は、例えば、基体形成工程が上記実施形態に係るひずみセンサの製造方法と異なる。すなわち、基体１０Ｄを作製する方法が、先の実施形態に係るひずみセンサの製造方法と異なる。
　本実施形態に係るひずみセンサの製造方法の基体形成工程は、被覆配線形成工程と、織成工程と、を有する。
（被覆配線形成工程）
　被覆配線形成工程では、配線２５Ｄを剛性基材と可撓性基材で順に被覆し、配線２５Ｄが剛性基材及び可撓性基材で被覆された被覆体を作製し、当該被覆体を熱延伸して被覆配線１０Ｄａ、１０Ｄｂを形成する。
　配線２５Ｄに対する剛性基材の被覆及び剛性基材が被覆された配線に対する可撓性基材の被覆は、例えば順に行う。配線２５Ｄとしては、導線を用いることができる。可撓性基材及び剛性基材は、上記実施形態と同様の基材を用いることができる。
（織成工程）
　織成工程では、被覆配線１０Ｄａ、１０Ｄｂを織る。被覆配線１０Ｄａ，１０Ｄｂは、例えば平織となるように織られる。すなわち、被覆配線１０Ｄａ，１０Ｄｂは、例えば互いに交差する方向に織られる。被覆配線１０Ｄａ，１０Ｄｂは、例えば、基体１０Ｄと交差する方向から平面視して、それぞれｘ方向、ｙ方向に延在するように織られる。織成工程は、例えば被覆配線１０Ｄａを縦糸とし，被覆配線１０Ｄｂを横糸として織機により行うことができる。
（研磨工程）
　被覆配線１０Ｄａ、１０Ｄｂで構成された基体１０Ｄの一方の面は、例えば研磨される。研磨工程は、例えば、研磨シートを用いた回転研磨により行うことができる。
　研磨工程により、基体１０Ｄの少なくとも一部であり、所定の領域にある被覆配線１０Ｄａ、１０Ｄｂの剛性基体１２Ｄが露出される。当該所定の領域は、後の工程で、信号変換回路３２が設置される部分を含む領域であり、基体１０Ｄの一方の面全体であってもよい。ここで、研磨工程では、図８に模式図を示されるようにそれぞれの被覆配線１０Ｄａ，１０Ｄｂにおいて、剛性基体１２Ｄの一部が露出するように研磨すればよい。すなわち、被覆配線１０Ｄａ，１０Ｄｂの底面Ｓ１０Ｄの面積と比べ、剛性基体１２Ｄの底面Ｓ１２Ｄの面積が小さくてよい。
　その後、上記実施形態に係るひずみセンサの製造方法と同様に、例えば、配線形成工程、抵抗体形成工程、信号処理回路形成工程を行う。本実施形態の配線形成工程では、例えば、基体１０Ｄのうち、抵抗体２０が形成される側の表面と配線２５Ｄとの間、及び信号変換回路３２が形成される側の表面と配線２５Ｄとの間と、に孔を設け、導電性のコンタクトを設ける。これらの導電性のコンタクトを介して、一つの抵抗体２０、一つの被覆配線１０Ｄａ、１０Ｄｂ及び信号変換回路３２は電気的に接続される。
　抵抗体形成工程では、例えば上記実施形態に係るセンサユニットの製造方法の抵抗体形成工程と同様の手段を用いて、コンタクト２３ａ、２３ｂを介して配線２５Ｄと接続して抵抗体２０を形成する。
　信号処理回路形成工程では、例えば、上記実施形態に係るセンサユニットの製造方法の信号処理回路形成工程と同様の手段を用いて、コンタクト２３ｃを介して配線と接続する信号処理回路３０Ｄを形成することができる。信号処理回路３０Ｄは、基体１０Ｄのうち、少なくとも一部に剛性基体１２Ｄが露出している領域に形成される。
　尚、本実施形態に係るセンサユニットの製造方法の被覆配線形成工程として、配線２５Ｄを剛性基材及び可撓性基材で被覆した被覆体を形成した後に熱延伸し、剛性基体１２Ｄ及び可撓性基体１１Ｄを一括形成する構成を例示したが、本実施形態はこの例に限定されない。本実施形態に係るセンサユニットの製造方法では、被覆体形成工程を配線に剛性基体１２Ｄを形成する工程と剛性基体１２Ｄが被覆された配線２５Ｄに可撓性基体１１Ｄを形成する工程とに分割してもよい。例えば、先ず第１被覆工程として、配線に剛性基材を被覆した第１被覆体を作製し、その後、第１被覆体を熱延伸し、配線２５Ｄ及び剛性基体１２Ｄを形成する。次いで、第２被覆工程として、配線２５Ｄ及び配線を被覆する剛性基体１２Ｄに可撓性基材を被覆した第２被覆体を作製し、その後、第２被覆体を熱延伸し、配線２５Ｄに対し、剛性基体１２Ｄ及び可撓性基体１１Ｄがこの順で被覆する被覆配線１０Ｄａ、１０Ｄｂを形成してもよい。
　尚、上記実施形態に係るセンサユニットの製造方法の被覆配線形成工程において、配線２５Ｄが可撓性基体１１Ｄ及び剛性基体１２Ｄと比べ長くなり、表面に露出するように被覆配線１０Ｄａ，１０Ｄｂを形成し、コンタクト２３ａ、２３ｂを介して露出させた配線２５Ｄを抵抗体と接続してもよい。
　本実施形態に係るひずみセンサ５０Ｄを備えるセンサユニット１００Ｄでは、配線２５Ｄを含む被覆配線１０Ｄａ、１０Ｄｂを備えることで、信号処理回路３０Ｄを簡略にし、小型にすることができる。従って、センサユニット１００Ｄに外力が加えられた際に、信号処理回路３０Ｄに力が加わることによる信号処理回路３０Ｄの変形を抑制できるため、ノイズをより抑えることができる。また、センサユニット１００Ｄは、基体１０Ｄが複数の被覆配線１０Ｄａ，１０Ｄｂにより構成されているため様々な物の表面に実装可能であり、汎用性が高い。
［第３実施形態］
　図９は、上記実施形態にかかるひずみセンサを備えるセンサユニット１００Ｅの要部を拡大した斜視模式図である。図１０は、センサユニット１００Ｅの断面を模式的に示す断面模式図である。図１０においては、信号処理回路３０の図示を省略する。信号処理回路３０は、支持体１２Ｅの磁歪膜２０Ｅと反対側の面に接する。センサユニット１００Ｅにおいて、ひずみセンサは、例えば破線で囲まれた領域に設けられる。
　本実施形態に係るセンサユニット１００Ｅにおいて、上記実施形態に係るセンサユニット１００と同様の構成は同様の符号を付し、説明を省略する。
　センサユニット１００Ｅは、剛性基体を有する支持体１２Ｅと、支持体１２Ｅの表面で構成された基準面Ｓに対して第１方向に突出する複数の凸部１，２，３を有し、抵抗体として機能する連続した磁歪膜２０Ｅと、複数の凸部のうち少なくとも一つの第１凸部１（１ａ、１ｂ）において、磁歪膜２０Ｅの裏面２０Ｅｂと基準面Ｓとの間に充填された可撓性基体を有する絶縁体１１Ｅと、を備え、さらに磁歪膜２０Ｅと導通する信号処理回路３０を備える。
　図９に示すセンサユニット１００Ｅにおいて、支持体１２Ｅは、例えば上記実施形態に係る剛性基体で構成されている。また、センサユニット１００Ｅにおいて、絶縁体１１Ｅは、例えば上記実施形態に係る可撓性基体で構成されている。また、センサユニット１００Ｅにおける磁歪膜２０Ｅは、上記実施形態に係るセンサユニット１００における抵抗体２０に対応する。磁歪膜２０Ｅは、ビラリ効果を示すアモルファス磁性合金薄膜等の磁性材料を含む。アモルファス磁性合金薄膜は、例えば、軟磁性特性を示す鉄系アモルファス合金、コバルト系アモルファス合金の薄膜である。鉄系アモルファス合金は、例えば、Ｆｅ－Ｓｉ－Ｂ、Ｆｅ－Ｓｉ－Ｂ－Ｐである。コバルト系アモルファス合金は、例えば、Ｃｏ－Ｓｉ－Ｂ、Ｃｏ－Ｓｉ－Ｂ－Ｐ、Ｆｅ－Ｃｏ－Ｂ、Ｆｅ－Ｃｏ－Ｂ－Ｐである。これらの磁性材料は、ゲージ係数が高く、センサユニットの感度が高まる。ゲージ係数は、ストレスインピーダンス効果の指標である。
　アモルファス合金は、引張強度が高い。アモルファス合金を磁歪膜２０Ｅに用いると、磁歪膜２０Ｅが立体構造等の複雑な形状であっても、壊れにくくなる。また、アモルファス合金の磁歪膜２０Ｅは、スパッタなどで製造可能であるため、容易に製造できる。
　磁歪膜２０Ｅの厚さＴは、例えば０．５μｍ以上１０μｍ以下である。磁歪膜２０Ｅは、例えば基準面Ｓに対して第１方向に突出する複数の凸部１ａ、１ｂ、２、３を有する連続した磁歪膜である。図１においては、複数の凸部１ａ、１ｂ、２、３は、連続する磁歪膜２０Ｅから基準面Ｓに対してｚ方向に突出する。ここで基準面Ｓは、例えば、支持体１２Ｅのｚ方向における主面である。ｘ方向およびｙ方向は、基準面に沿った方向である。支持体１２Ｅが図１のように平坦である場合、基準面Ｓも平坦な面だが、支持体が曲げられた立体構造の場合、基準面Ｓは支持体１２Ｅに沿って曲げられている。
　第１凸部１ａ、１ｂは、磁歪膜２０Ｅの裏面２０Ｅｂと基準面Ｓとの間に絶縁体１１Ｅを有する。第１凸部１ａは、ｚ方向からの平面視でｘ方向における長さとｙ方向における長さとが略均等である。第１凸部１ａは、例えば、平面視形状が円形である。第１凸部１ｂは、ｚ方向からの平面視でｙ方向における長さがｘ方向における長さよりも長い。第１凸部１ｂは、例えば、平面視形状が楕円、オーバルである。ｘ方向は第２方向の一例であり、ｙ方向は第３方向の一例である。センサユニット１００は、第１凸部１ａ又は第１凸部１ｂのみでもよいが、第１凸部１ａと第１凸部１ｂを共に有することが好ましい。
　第１凸部１ｂは、例えば、ｘ方向の長さとｙ方向の長さとが異なる。第１凸部１ｂは、ｙ方向に長い形状をしている。このような第１凸部１ｂは、外部から力が加わる方向により絶縁体１１Ｅからの反力が異なる。例えば、ｘ方向から印加された力に対する反力と、ｙ方向から印加された力に対する反力とが異なる。その結果、第１凸部１ｂは、外部からの力の方向による大きさの違いを読み取れる。
　ｚ方向からの平面視における第１凸部１ａ、１ｂの最小幅は、例えば１ｍｍ以下である。すなわち、図２が第１凸部１ａ、１ｂのｚ方向からの平面視で中心および重心を通る場合、第１凸部１ａ、１ｂの幅ｗ１ａ、ｗ１ｂは、１ｍｍ以下である。このような幅にすることで、センサユニット１００における第１凸部１ａ、１ｂの密度をヒトの皮膚における感覚点の密度と同等またはそれ以上にすることも可能である。
　第１凸部１ａ、１ｂのｚ方向における高さは、ｚ方向に垂直な方向における最小幅よりも小さいことが好ましい。すなわち、第１凸部１ａのｚ方向における基準面Ｓからの高さｈ１ａは、例えば幅ｗ１ａ以下であり、第１凸部１ｂのｚ方向における基準面Ｓからの高さｈ１ｂは、例えば幅ｗ１ｂ以下であることが好ましい。尚、図２では高さｈ１ａが高さｈ１ｂよりも高い場合を例示したが、この例に限定されず、高さｈ１ｂが高さｈ１ａよりも高くてもよい。
　絶縁体１１Ｅは、可撓性基体１１に対応する。絶縁体１１Ｅは、上記実施形態に係る可撓性基体１１と同様の材料で構成されている。絶縁体１１Ｅは、裏面２０Ｅｂと少なくとも一部で接する。絶縁体１１Ｅは、基準面Ｓと第１凸部１ａ、１ｂに対応する裏面２０Ｅｂとの間に位置する。絶縁体１１Ｅは、基準面Ｓと第１凸部１ａ、１ｂに対応する磁歪膜２０Ｅの裏面２０Ｅｂとの間を充填している。すなわち絶縁体１１Ｅは、磁歪膜２０Ｅと支持体１２Ｅとに密着して配置される。絶縁体１１Ｅの形状は、例えば、基準面Ｓと第１凸部１ａ、１ｂとで囲まれた領域の形状に対応する。
　第１凸部１ａ、１ｂは、絶縁体１１Ｅを備えており、外部より力が作用すると絶縁体１１Ｅからの反力が生じる。絶縁体１１Ｅからの反力により磁歪膜２０Ｅに応力が作用し、磁歪膜２０Ｅが歪むことで第１凸部１ａ、１ｂのインピーダンスが変化する。磁歪膜２０Ｅのインピーダンスを測定することで、第１凸部１ａ、１ｂは作用した力を検出する触覚センサとして機能する。この触覚センサは、基準面Ｓに対して第１方向に突出する構成を有することで、基準面Ｓに対して垂直な方向から加えられる外力だけでなく、基準面Ｓに対して斜めに加えられる外力も高精度に検知することができる。
　センサユニット１００Ｅは、例えばさらに第２凸部２及び第３凸部３を有する。第１凸部１ａ、１ｂの第１方向の高さｈ１ａ、ｈ１ｂは、例えば第２凸部２および第３凸部３の第１方向の高さｈ２、ｈ３より高い。
　第２凸部２は、磁歪膜２０Ｅの裏面２０Ｅｂと基準面Ｓとの間に空間Ｒ２を有するとともに磁歪膜２０Ｅを貫通する孔Ｈを含む。孔Ｈの数は、２つ以上であってもよい。
　ｚ方向からの平面視における第２凸部２の形状は問わない。第２凸部２は、例えば、ｚ方向からの平面視形状が円形である。空間Ｒ２は貫通孔である孔Ｈにより外部とつながった空間であり、そのため、通常は外部圧力による応力は磁歪材料に作用しない。音響波の作用により第２凸部２の外部の圧力が変化すると、圧力の変化に応じて磁性材料が振動し、第２凸部２に応力変化が作用する。このとき、ストレスインピーダンス効果により、第２凸部２のインピーダンスが変化する。従って、第２凸部２はインピーダンスを測定することにより、音響センサ（マイクロフォン）として機能する。
　第３凸部３は、磁歪膜２０Ｅの裏面２０Ｅｂと基準面Ｓとの間に空間Ｒ３を有するとともに磁歪膜２０Ｅを貫通する孔Ｈを有さない。空間Ｒ３は基準面Ｓに沿って密閉されている。ｚ方向からの平面視における第３凸部３の形状は問わない。第３凸部３は、例えば、ｚ方向からの平面視形状が円形である。上述の通り空間Ｒ３は密閉空間であり、空間Ｒ３内の圧力と外部圧力との圧力差に対応する圧力が第３凸部３の磁性材料に作用し、磁性材料が歪み、第３凸部３のインピーダンスが変化する。従って、第３凸部３はインピーダンスを測定することで圧力センサとして機能する。
　センサユニット１００Ｅは、例えば、複数の凸部１ａ、１ｂ、２、３のそれぞれの所定の方向における両端にコンタクトＣ１ａ１およびＣ１ａ２、コンタクトＣ１ｂ１およびＣ１ｂ２、コンタクトＣ３１およびＣ３２、ならびにコンタクトＣ２１およびＣ２２を有する。支持体１２Ｅは、例えば上記それぞれのコンタクトを信号処理回路３０とつなぐ導体が設けられている。センサユニット１００は、それぞれの凸部の両端に配置されたコンタクトを信号処理回路と接続して、それぞれの凸部のインピーダンスを測定する。
　次に、上記実施形態に係るセンサユニット１００Ｅを製造する方法の一例を説明する。図１１および図１２は、本実施形態にかかるセンサユニットの製造方法を説明するための図である。図１１は本実施形態に係るセンサユニットの製造方法の一例の前半の過程を示し、図１２は本実施形態に係るセンサユニットの製造方法の一例の後半の過程を示す。尚、ここでいう製造方法の「前半」、「後半」とは説明の便宜上用いる用語であり、発明を限定するものではない。
　上記実施形態に係るセンサユニット１００Ｅの製造方法は、例えば複数の凹部を有するレジスト層に磁歪膜２０Ｅを形成する磁歪膜形成工程と、所望のセンサに応じて磁歪膜２０Ｅの凸部に可撓性基材で構成された絶縁体を充填する、或いは貫通孔を形成する調整工程と、支持体１２Ｅと磁歪膜２０Ｅとを電気的に接続させる電通工程と、を有する。
　より具体的な例としては、本実施形態に係るセンサユニットの製造方法は、基板Ｓｕｂ上にレジスト層Ｐを形成する第１工程と、レジスト層Ｐに所定の形状をした複数の凹部を形成する第２工程と、レジスト層Ｐに磁歪膜２０Ｅを形成する第３工程と、磁歪膜２０Ｅ上の所定の位置に絶縁材料ＰＤを形成する第４工程と、磁歪膜２０Ｅを貫通する孔Ｈを形成する第５工程と、磁歪膜２０Ｅの裏面２０Ｅｂに接する不要な材料を除去する第６工程と、コンタクトＣ´を介して支持体１２Ｅと磁歪膜２０Ｅとを電気的に接続させる第７工程と、磁歪膜２０Ｅの表面２０Ｅａの不要な材料を除去する第８工程と、を含む方法が挙げられる。
（第１工程）
　先ず、任意の基板Ｓｕｂ上に公知の方法でレジスト層Ｐを形成する。図１１（ａ）および図１１（ｂ）は、それぞれ第１工程の前の様子および第１工程の後の様子を示す。レジスト層Ｐは、例えばポジ型のフォトレジスト層である。基板Ｓｕｂは、例えば、厚さ２ｍｍのＳｉ基板である。レジスト層Ｐの厚さは、例えば、１０００μｍとした。この基板Ｓｕｂおよびレジスト層Ｐは、後述する第５工程で除去されるため最終的なセンサユニット１００Ｅには含まれない。
（第２工程）
　次いで、レジスト層Ｐに所定の形状をした複数の凹部を形成する。レジスト層Ｐとしてポジ型のフォトレジスト層を第１工程で形成した場合、所定のポジパターンを露光し現像する。例えば、グレースケールリソグラフィーにより、フォトレジスト層Ｐに複数の凹形状のパターンを形成する。図１１（ｃ）は、第２工程の後の様子を示す。
　尚、第２工程で形成する凹部の形状は、完成したセンサユニットにおける磁歪膜の凸部の形状に対応する。それぞれの凹形状のｚ方向からの平面視における最小幅および深さは、例えば以下のように設計される。
　触覚センサに対応する部分：最小幅５００μｍ、深さ５００μｍ
　圧力センサに対応する部分：直径１５００μｍ、深さ４５０μｍ
　音響センサに対応する部分：直径１０００μｍ、深さ４５０μｍ
（第３工程）
　次いで、レジスト層Ｐ上に磁歪膜２０Ｅを形成する。第３工程は、例えばスパッタ法により行う。図１１（ｄ）は、第３工程の後の様子を示す。磁歪膜２０Ｅとしては、ストレスインピーダンス効果を示す任意の磁性材料が用いられ、アモルファス磁性合金が用いられることが好ましく、軟磁性のアモルファス磁性合金が用いられることが好ましい。磁歪膜２０Ｅは例えば、Ｆｅ７９Ｓｉ７Ｂ１４である。磁歪膜２０Ｅの厚さは例えば１μｍである。磁歪膜２０Ｅの形成は、例えばスパッタ法で行う。
（第４工程）
　次いで、第４工程を行う。第４工程では、磁歪膜２０Ｅの複数の凸部の少なくとも１つを含む領域に絶縁材料ＰＤを形成する。絶縁材料ＰＤは、例えば全体を平坦化するように形成される。図１１（ｅ）は、第４工程の後の様子を示す。
　尚、触覚センサを含まないセンサユニットを製造する場合、必ずしも磁歪膜２０Ｅの凸部に絶縁材料を形成しなくてもよい。絶縁材料ＰＤとしては、ＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）等が用いられる。
　絶縁材料ＰＤは、図１１（ｅ）に示すように磁歪膜２０Ｅが露出しないように全体に形成されてもよい。このような場合、絶縁材料ＰＤの不要な箇所は後の工程で除去される。
（第５工程）
　次いで、磁歪膜２０Ｅを貫通する孔Ｈ´を形成する。
　図１１（ｅ）に示すように第４工程で磁歪膜２０Ｅが露出しないように全体に絶縁材料ＰＤを形成した場合、事前に磁歪膜２０Ｅに孔Ｈ´を形成する部分を露出させる必要がある。そのため、図１１（ｆ）に示すようにエッチングを行う前に所定の位置の絶縁材料ＰＤを除去し、溝ＰＤＨをつくる。
　孔Ｈ´は、例えばエッチングにより形成される。エッチングは、例えばイオンビームを照射する手法により行う。図１２（ａ）は、第５工程の後の様子を示す図であり、図１１（ｆ）の次の図である。尚、第５工程で形成する孔Ｈ´は、音響センサの孔Ｈとなる。そのため、音響センサを含まないセンサユニットを製造する場合、第５工程は省略される。
（第６工程）
　次いで、磁歪膜２０Ｅの裏面２０Ｅｂに接する不要な材料を除去する。図１２（ｂ）は、第６工程の後の様子を示す。不要な材料とは、例えば圧力センサ或いは音響センサとなる凸部に充填された絶縁材料ＰＤおよびコンタクトＣ´を形成する位置に存在する絶縁材料ＰＤである。コンタクトＣ´が形成される位置には空間ＰＤＣＨが形成される。第６工程は、プラズマエッチングなど公知の方法で行う。
（第７工程）
　次いで、コンタクトＣ´を介して支持体１２Ｅと磁歪膜２０Ｅとを電気的に接続させる。図１２（ｃ）は、コンタクトＣ´を表面に有する支持体１２Ｅを準備した様子を示す。図１２（ｄ）は、第７工程の後の様子を示す。尚、コンタクトＣ´は複数の凸部のそれぞれの間に配置される。
　センサユニット１０３のような局所的に支持体１２Ｅが凹んだセンサユニットを用いる場合、第７工程で局所的に凹んだ支持体を用いる。
（第８工程）
　次いで、磁歪膜２０Ｅの表面２０Ｅａ上の不要な材料を除去する。不要な材料とは、例えば表面２０Ｅａに堆積するレジスト層Ｐおよび基板Ｓｕｂである。図１２（ｅ）は、第８工程を行った後の様子を示す。第８工程は、例えばリフトオフプロセスの手法を用いる。図１２（ｆ）には、図１２（ｅ）に示される構造体を反転させた構造体を示す。
　その後、コンタクトＣ´のそれぞれと導通がとられた信号処理回路３０を形成することで、センサユニット１００Ｅが形成される。
　本実施形態に係るセンサユニット１００Ｅでは、外部から加わる様々な向きの力を検出することができる。また、センサユニット１００Ｅは、第１凸部１ａ、１ｂ、第２凸部２、第３凸部３を備えることで、様々な感覚をセンシングできる。
　尚、本実施形態に係るセンサユニットは、上記例に限定されない。例えば、上記実施形態では、支持体１２Ｅの表面が平面又は曲面である構成を例示したが、センサユニット１００Ｅにおいて、支持体１２Ｅは、局所的に凹構造であってもよい。具体的には、センサユニット１００Ｅのうち、積層方向から平面視して第２凸部２が設けられる位置及び第３凸部３が設けられる位置の支持体１２Ｅは、凹構造であってもよい。
　以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は特定の実施形態および変形例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
１０，１０Ｄ：基体
１０Ｄａ，１０Ｄｂ：被覆配線
１１，１１Ｄ：可撓性基体
１１Ｅ：絶縁体
１２，１２Ｄ：剛性基体
１２Ｅ：支持体
１３：中間層
２０，２０Ｃ，２０Ｄ：抵抗体
２０Ｅ：磁歪膜
２１ａ、２１ｂ：端子部
２３ａ、２３ｂ、２３ｃ：コンタクト
２５，２５Ｄ：配線
３０：信号処理回路
３１：接続配線
３２：信号変換回路
５０，５０Ａ，５０Ｃ：ひずみセンサ
１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄ，１００Ｅ：センサユニット

Claims (13)

  1. 　可撓性基体と、前記可撓性基体の一面に重なり、前記可撓性基体よりもヤング率が大きい剛性基体と、を有する基体と、
    　前記基体の前記可撓性基体と接する抵抗体と、
    　前記基体の前記抵抗体が接する面と反対側の面において、前記剛性基体と接し、前記抵抗体と電気的に接続された信号処理回路と、を備えるひずみセンサ。
  2. 　前記可撓性基体及び前記剛性基体は、同じ組成の有機ポリマーであり、
    　前記可撓性基体の空隙率は、前記剛性基体の空隙率よりも高い、請求項１に記載のひずみセンサ。
  3. 　前記可撓性基体及び前記剛性基体は、異なる組成の有機ポリマーである、請求項１に記載のひずみセンサ。
  4. 　前記可撓性基体は、有機ポリマーであり、
    　前記剛性基体は、シリコン又はセラミックである、請求項１に記載のひずみセンサ。
  5. 　前記可撓性基体のヤング率は、１．０×１０５Ｐａ以下であり、
    　前記剛性基体のヤング率は、１．０×１０４Ｐａ以上１．０×１０１２Ｐａ以下である、請求項１～４のいずれか一項に記載のひずみセンサ。
  6. 　前記基体は、複数の被覆配線が織り込まれた網状構造を有し、
    　前記複数の被覆配線のそれぞれは、配線と、前記配線を被覆する前記剛性基体と、前記剛性基体の少なくとも一部を被覆する前記可撓性基体とを有し、
    　前記配線の一部は、前記抵抗体及び前記信号処理回路と電気的に接続されている、請求項１～５のいずれか一項に記載のひずみセンサ。
  7. 　請求項１～６のいずれか一項に記載のひずみセンサを備えるセンサユニットであって、
    　前記剛性基体を有する支持体と、
    　前記支持体の表面で構成された基準面に対して第１方向に突出する複数の凸部を有し、前記抵抗体として機能する連続した磁歪膜と、
    　前記複数の凸部のうち少なくとも一つの第１凸部において、前記磁歪膜の裏面と前記基準面との間に充填された前記可撓性基体を有する絶縁体と、を備える、センサユニット。
  8. 　前記複数の凸部のうち少なくとも一つの第２凸部は、前記磁歪膜の裏面と前記基準面との間に空間を有するとともに前記磁歪膜を貫通する孔を有し、
    　前記複数の凸部のうち少なくとも一つの第３凸部は、前記磁歪膜の裏面と前記基準面との間に空間を有するとともに前記磁歪膜を貫通する孔を有さず、
    　前記第１凸部の前記第１方向の高さは、前記第２凸部および前記第３凸部の前記第１方向の高さより高い、請求項７に記載のセンサユニット。
  9. 　可撓性基材と、前記可撓性基材よりもヤング率が大きい剛性基材と、を重ね、剛性基体に可撓性基体が重なる基体を形成する基体形成工程と、
    　前記基体の前記可撓性基体側の面に抵抗体を設ける抵抗体形成工程と、
    　前記剛性基体と少なくとも一部で接するように信号処理回路を設ける信号処理回路形成工程と、を有するひずみセンサの製造方法。
  10. 　前記可撓性基材及び前記剛性基材は、いずれも有機ポリマーであり、
    　前記剛性基材は、前記可撓性基材よりも水分含有率が低い、請求項９に記載のひずみセンサの製造方法。
  11. 　前記基体形成工程を熱圧着で行う、請求項９または１０に記載のひずみセンサの製造方法。
  12. 　前記基体形成工程を熱延伸で行う、請求項９または１０に記載のひずみセンサの製造方法。
  13. 　前記基体形成工程は、配線を前記剛性基材と前記可撓性基材で順に被覆して被覆体を作製し、前記被覆体を熱延伸して、被覆配線を作製する熱延伸工程と、
    前記被覆配線を織る織成工程と、を有する、請求項１２に記載のひずみセンサの製造方法。
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