JP2017198472A - MEMS sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、近接覚計測及び触覚計測用のＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）センサに関する。 The present invention relates to a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) sensor for proximity measurement and tactile measurement.
介護支援ロボットや産業用ロボット等が外界から情報を認識するためには光や音、力などの多種多様なセンサが必要である。特にロボットハンドにより物体を把持する場合、接触・非接触の境界状態の情報取得は重要である。これまで接触時の情報取得のための触覚センサ、非接触時の情報取得のための近接覚センサがロボットハンド実装用として開発されている。さらに、これらセンサを複合化する試みも行われており、例えば、本発明者らは、近接覚計測及び触覚計測を同時に検出できる単一のＭＥＭＳセンサを開発している（特許文献１参照）。 Nursing support robots, industrial robots, and the like need various sensors such as light, sound, and force in order to recognize information from the outside world. In particular, when an object is gripped by a robot hand, it is important to acquire information on a boundary state between contact and non-contact. Tactile sensors for acquiring information at the time of contact and proximity sensors for acquiring information at the time of non-contact have been developed for mounting robot hands. Furthermore, attempts have been made to combine these sensors. For example, the present inventors have developed a single MEMS sensor that can simultaneously detect proximity measurement and tactile measurement (see Patent Document 1).
特許文献１に記載の手法によると、半導体基板を微細加工したＭＥＭＳセンサにより、物体近接による光の変化を絶縁膜で隔てられている半導体内の光導電効果による電気伝導度の変化として計測し、接触による外力を微小立体構造の変形によるひずみ抵抗変化として計測することが可能であった。しかしながら、これらをそれぞれ交流インピーダンス計測回路及び直流抵抗計測回路により計測しており、両者を測定するためには、複数の計測回路の切り替えが必要であった。 According to the technique described in Patent Document 1, a MEMS sensor obtained by finely processing a semiconductor substrate is used to measure a change in light due to the proximity of an object as a change in electrical conductivity due to a photoconductive effect in a semiconductor separated by an insulating film, It was possible to measure the external force due to contact as the strain resistance change due to the deformation of the micro three-dimensional structure. However, these are respectively measured by an AC impedance measurement circuit and a DC resistance measurement circuit, and in order to measure both, it is necessary to switch between a plurality of measurement circuits.
従って、上記のような問題に鑑みてなされた本発明の目的は、複数（直流と交流）の計測回路の切り替えを必要とせずに近接覚計測及び触覚計測を行うことができるＭＥＭＳセンサを提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention made in view of the above problems is to provide a MEMS sensor capable of performing proximity measurement and tactile measurement without requiring switching of a plurality of (DC and AC) measurement circuits. There is.
上記目的を達成するために、本発明のＭＥＭＳセンサは、近接覚計測及び触覚計測用のＭＥＭＳセンサであって、透光性弾性部材と、前記透光性弾性部材に埋め込まれた少なくとも１つの検知素子と、を有し、前記検知素子は、半導体層上に絶縁層を介して設けられた２つの端子と、前記半導体層に端部が接続され、前記透光性弾性部材に対する物体の接触に応じて変形するカンチレバーと、前記カンチレバー上に設けられ、前記２つの端子に各端部が接続されたひずみゲージと、を備え、前記半導体層と前記ひずみゲージに交流電圧又は直流電圧の一方を印加することで、近接及び接触力を検知することを特徴とする。 In order to achieve the above object, a MEMS sensor according to the present invention is a MEMS sensor for proximity measurement and tactile measurement, and includes a translucent elastic member and at least one detection embedded in the translucent elastic member. The sensing element includes two terminals provided on a semiconductor layer via an insulating layer, and an end portion connected to the semiconductor layer, so that the object contacts the translucent elastic member. A cantilever that deforms in response, and a strain gauge that is provided on the cantilever and that is connected to each of the two terminals, and one of an AC voltage and a DC voltage is applied to the semiconductor layer and the strain gauge. Thus, proximity and contact force are detected.
また、本発明のＭＥＭＳセンサは、交流電圧を印加する場合、前記半導体層と前記ひずみゲージとを含む回路の共振周波数の変化に基づき近接を検知し、前記共振周波数のピークの鋭さの変化に基づき接触力を検知し、直流電圧を印加する場合、前記半導体層の抵抗値変化に基づき近接を検知し、前記ひずみゲージの抵抗値変化に基づき接触力を検知することを特徴とする。 The MEMS sensor of the present invention detects proximity based on a change in the resonance frequency of a circuit including the semiconductor layer and the strain gauge when an AC voltage is applied, and based on a change in sharpness of the peak of the resonance frequency. When a contact force is detected and a DC voltage is applied, proximity is detected based on a change in resistance value of the semiconductor layer, and a contact force is detected based on a change in resistance value of the strain gauge.
また、本発明のＭＥＭＳセンサは、前記検知素子は、前記２つの端子間に接続された振動子をさらに備え、前記ひずみゲージと前記振動子と前記半導体層の空乏層容量とを含む発振回路を構成し、前記発振回路の共振周波数の変化に基づき近接を検知し、前記共振周波数のピークの鋭さの変化に基づき接触力を検知することを特徴とする。 In the MEMS sensor of the present invention, the sensing element further includes a vibrator connected between the two terminals, and includes an oscillation circuit including the strain gauge, the vibrator, and a depletion layer capacitance of the semiconductor layer. The proximity is detected based on a change in the resonance frequency of the oscillation circuit, and the contact force is detected based on a change in the sharpness of the peak of the resonance frequency.
また、本発明のＭＥＭＳセンサは、前記検知素子は、前記ひずみゲージと前記半導体層とにそれぞれ反対向きのダイオードを直列に接続し、前記ひずみゲージを含む直列回路と前記半導体層を含む直列回路とを互いに並列に接続した回路を構成し、前記回路に印加する電圧の正負を切り替えることで、前記半導体層の抵抗値変化の測定と前記ひずみゲージの抵抗値変化の測定とを切り替えることを特徴とする。 Further, in the MEMS sensor of the present invention, the sensing element has a diode in opposite directions connected in series to the strain gauge and the semiconductor layer, and a series circuit including the strain gauge and a series circuit including the semiconductor layer; Are connected in parallel with each other, and switching between the measurement of the resistance value change of the semiconductor layer and the measurement of the resistance value change of the strain gauge by switching between positive and negative of the voltage applied to the circuit, To do.
本発明におけるＭＥＭＳセンサによれば、複数の計測回路の切り替えを必要とせずに近接覚計測及び触覚計測を行うことができる。 According to the MEMS sensor of the present invention, proximity measurement and tactile measurement can be performed without requiring switching of a plurality of measurement circuits.
以下、本発明の実施形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
（第１の実施形態）
［センサの構造］
図１は本発明の第１の実施形態に係るＭＥＭＳセンサ１の構造を示す図である。本発明の第１の実施形態に係るＭＥＭＳセンサ１は、センサチップ２と、厚膜の透光性弾性部材層３と、透光性弾性部材４と、少なくとも１つの検知素子５と、光源６とを備える。なお、光源６は、ＭＥＭＳセンサ１から独立していてもよい。図１では検知素子５を３つ備える構造を示し、以下本実施形態では、検知素子５が３つである場合について説明する。なお検知素子５は、各々異なる方向を向いていることを特徴とする。また、検知素子５が検知対象とする物体は図１の上方から透光性弾性部材４に接触する。後述のとおり、図１乃至図４に示すＭＥＭＳセンサの全体構造は、第１の実施形態と第２の実施形態でほぼ共通である。
(First embodiment)
[Sensor structure]
FIG. 1 is a diagram showing a structure of a MEMS sensor 1 according to the first embodiment of the present invention. The MEMS sensor 1 according to the first embodiment of the present invention includes a sensor chip 2, a thick translucent elastic member layer 3, a translucent elastic member 4, at least one detection element 5, and a light source 6. With. The light source 6 may be independent from the MEMS sensor 1. FIG. 1 shows a structure including three sensing elements 5, and in the present embodiment, a case where there are three sensing elements 5 will be described below. Note that the detection elements 5 are directed in different directions. Further, the object to be detected by the detection element 5 contacts the translucent elastic member 4 from above in FIG. As will be described later, the overall structure of the MEMS sensor shown in FIGS. 1 to 4 is substantially the same in the first embodiment and the second embodiment.
センサチップ２は、サイズが５ｍｍ×５ｍｍであり、当該センサチップ２は厚膜の透光性弾性部材層３により覆われている。好適には当該透光性弾性部材層３の厚さは４０μｍである。また好適には透光性弾性部材層３は、透明のエラストマ（例えば、ポリジメチルシロキサン、ＰＤＭＳ）により構成される。 The sensor chip 2 has a size of 5 mm × 5 mm, and the sensor chip 2 is covered with a thick translucent elastic member layer 3. Preferably, the thickness of the translucent elastic member layer 3 is 40 μm. Preferably, the translucent elastic member layer 3 is made of a transparent elastomer (for example, polydimethylsiloxane, PDMS).
透光性弾性部材４は、透光性弾性部材層３上に設けられている。好適には図１に示すように透光性弾性部材４は円柱形状であり、高さ２ｍｍ以下で底面の直径が２ｍｍ以下である。好適には円の直径は１．６ｍｍであり、高さは１．５ｍｍである。また好適には透光性弾性部材４は、透明のエラストマ（ＰＤＭＳ）により構成される。なお、透光性弾性部材層３と透光性弾性部材４は、同一材料で一体的に形成されてもよい。 The translucent elastic member 4 is provided on the translucent elastic member layer 3. Preferably, as shown in FIG. 1, the translucent elastic member 4 has a cylindrical shape, and has a height of 2 mm or less and a bottom surface diameter of 2 mm or less. The diameter of the circle is preferably 1.6 mm and the height is 1.5 mm. The translucent elastic member 4 is preferably made of a transparent elastomer (PDMS). The translucent elastic member layer 3 and the translucent elastic member 4 may be integrally formed of the same material.
検知素子５は、透光性弾性部材層３及び透光性弾性部材４に埋め込まれ、検知対象とする物体の近接覚計測及び触覚計測を行う。なお、透光性弾性部材層３及び透光性弾性部材４は一体的に形成されるので、以下、単に、検知素子５は透光性弾性部材４に埋め込まれると表現する。図２は、本実施形態に係るＭＥＭＳセンサ１の写真である。 The detection element 5 is embedded in the translucent elastic member layer 3 and the translucent elastic member 4 and performs proximity measurement and tactile measurement of an object to be detected. In addition, since the translucent elastic member layer 3 and the translucent elastic member 4 are integrally formed, hereinafter, the detection element 5 is simply expressed as being embedded in the translucent elastic member 4. FIG. 2 is a photograph of the MEMS sensor 1 according to the present embodiment.
光源６は、検知素子５が検知対象とする物体に光を照射する。物体から反射する反射光の少なくとも一部が検知素子５に照射される。好適には、光源６は、発光ダイオード（ＬＥＤ）により構成される。 The light source 6 irradiates light on an object to be detected by the detection element 5. At least a part of the reflected light reflected from the object is irradiated to the detection element 5. Preferably, the light source 6 is constituted by a light emitting diode (LED).
図３に、検知素子５の構造を示す。検知素子５は、半導体基板５０と、第一絶縁層５１と、半導体層５２と、第二絶縁層５３と、端子５４Ａ及び端子５４Ｂと、カンチレバー５５と、ひずみゲージ５６と、応力層５７とを備える。検知素子５は、表面ＭＥＭＳプロセスにより作製する。 FIG. 3 shows the structure of the sensing element 5. The sensing element 5 includes a semiconductor substrate 50, a first insulating layer 51, a semiconductor layer 52, a second insulating layer 53, a terminal 54A and a terminal 54B, a cantilever 55, a strain gauge 56, and a stress layer 57. Prepare. The sensing element 5 is manufactured by a surface MEMS process.
半導体基板５０は、好適にはケイ素（Ｓｉ）により構成する。半導体基板５０上には第一絶縁層５１が設けられる。好適には第一絶縁層５１は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）により構成する。半導体層５２は第一絶縁層５１上に設けられる。好適には半導体層５２はケイ素（Ｓｉ）により構成する。なお、第１の実施形態においては、半導体層５２は接地されている。半導体層５２上には第二絶縁層５３が設けられる。好適には第二絶縁層５３は、窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）により構成する。 The semiconductor substrate 50 is preferably made of silicon (Si). A first insulating layer 51 is provided on the semiconductor substrate 50. The first insulating layer 51 is preferably composed of silicon dioxide (SiO 2 ). The semiconductor layer 52 is provided on the first insulating layer 51. The semiconductor layer 52 is preferably made of silicon (Si). In the first embodiment, the semiconductor layer 52 is grounded. A second insulating layer 53 is provided on the semiconductor layer 52. The second insulating layer 53 is preferably composed of silicon nitride (Si 3 N 4 ).
端子５４Ａ及び端子５４Ｂは、第二絶縁層５３上に設けられる。すなわち端子５４Ａ及び端子５４Ｂは、半導体層５２上に第二絶縁層５３を介して設けられる。好適には端子５４Ａ及び端子５４Ｂは、金（Ａｕ）により構成する。 The terminal 54A and the terminal 54B are provided on the second insulating layer 53. That is, the terminal 54 </ b> A and the terminal 54 </ b> B are provided on the semiconductor layer 52 via the second insulating layer 53. The terminals 54A and 54B are preferably made of gold (Au).
カンチレバー５５は、半導体層５２にその端部が接続される。ここで透光性弾性部材４に物体が接触した場合、接触力により透光性弾性部材４が変形する。そして透光性弾性部材４が変形した場合、カンチレバー５５が変形する。すなわち、カンチレバー５５は、透光性弾性部材４に対する物体の接触に応じて変形する。カンチレバー５５にはひずみゲージ５６が設けられる。ひずみゲージ５６の端部は、それぞれ端子５４Ａ及び端子５４Ｂに接続される。好適にはひずみゲージ５６は、厚さ５０ｎｍのジグザグパターンのニクロム（ＮｉＣｒ）抵抗により構成する。またカンチレバー５５には応力層５７が成膜・パターニングされ、図３に示すように応力層５７により、カンチレバー５５が、半導体基板５０に対して上方向に傾斜される。好適には応力層５７は厚さ２００ｎｍのクロム（Ｃｒ）により構成する。 The end of the cantilever 55 is connected to the semiconductor layer 52. Here, when an object contacts the translucent elastic member 4, the translucent elastic member 4 is deformed by the contact force. When the translucent elastic member 4 is deformed, the cantilever 55 is deformed. That is, the cantilever 55 is deformed according to the contact of the object with the translucent elastic member 4. The cantilever 55 is provided with a strain gauge 56. The ends of the strain gauge 56 are connected to the terminals 54A and 54B, respectively. Preferably, the strain gauge 56 is constituted by a nichrome (NiCr) resistor having a zigzag pattern having a thickness of 50 nm. Further, a stress layer 57 is formed and patterned on the cantilever 55, and the cantilever 55 is inclined upward with respect to the semiconductor substrate 50 by the stress layer 57 as shown in FIG. The stress layer 57 is preferably made of chromium (Cr) having a thickness of 200 nm.
［触覚の検知原理］
垂直圧力および剪断力（３軸力）がＭＥＭＳセンサ１の透光性弾性部材４に加わると、カンチレバー５５の変形によりひずみゲージ５６の抵抗値が変化する。すなわちひずみゲージ５６の抵抗値の変化に基づき接触力を検知することができる。ここで変形が微小である場合、抵抗変化ΔR/Rは、印加された３軸力Fi(i=x,y,z)の線形結合で表現することができる（数式（１））。
When the vertical pressure and the shearing force (triaxial force) are applied to the translucent elastic member 4 of the MEMS sensor 1, the resistance value of the strain gauge 56 changes due to the deformation of the cantilever 55. That is, the contact force can be detected based on the change in the resistance value of the strain gauge 56. Here, when the deformation is very small, the resistance change ΔR / R can be expressed by a linear combination of the applied triaxial forces F i (i = x, y, z) (Equation (1)).
図４に示すように、検知素子５は、各々異なる方向を向いている。そのため各検知素子５のカンチレバー５５も、各々異なる方向を向いている。そのため予めそれぞれの方向に対する感度kxを測定しておくことにより、各検知素子５のひずみゲージ５６の抵抗変化から３軸力の検出が可能となる。検知素子５の配置は、図４のように各検知素子５のカンチレバー５５が向かい合うようにしても、図１のように各検知素子５のカンチレバー５５が外側を向くようにしても良く、検知素子５が各々異なる方向を向いていれば良い。なお本実施形態では、検知素子５が３つの場合を説明するが、検知素子が４つ以上の場合はもちろん、仮に検知素子５が３つ未満の場合（例えば検知素子５が１つの場合）でも、所定方向の力の検出が可能となる。 As shown in FIG. 4, the detection elements 5 are directed in different directions. Therefore, the cantilevers 55 of the detection elements 5 are also directed in different directions. Therefore, by measuring the sensitivity k x in each direction in advance, the triaxial force can be detected from the resistance change of the strain gauge 56 of each sensing element 5. The detection elements 5 may be arranged such that the cantilevers 55 of the detection elements 5 face each other as shown in FIG. 4, or the cantilevers 55 of the detection elements 5 face the outside as shown in FIG. It suffices that 5 is directed in different directions. In the present embodiment, the case where there are three detection elements 5 will be described. However, not only when there are four or more detection elements, but also when there are fewer than three detection elements 5 (for example, when there is one detection element 5). The force in a predetermined direction can be detected.
［近接覚の検知原理］
図５に検知素子５の断面構造を示す。図５は、図３の検知素子５を端子５４Ａ及び端子５４Ｂを通り、半導体基板５０に対して垂直な面で切った断面図である。物体がＭＥＭＳセンサ１に近接した場合、透光性弾性部材４を透過してＭＥＭＳセンサ１が受ける光強度が変化する。そして当該光強度の変化により、半導体層５２の抵抗値及び空乏層容量が半導体の光導電効果により変化する。図５では断面図上に等価回路を示している。半導体層５２、端子５４Ａ、及び第二絶縁層５３は、キャパシタ５３１、５３２を構成する。半導体層５２の抵抗値は可変抵抗５２１に相当する。半導体層５２の空乏層容量は各々可変キャパシタ５２２、５２３に相当する。よって、光強度の変化による可変キャパシタ５２２、５２３又は可変抵抗５２１の変化を検出することにより、近接覚を検知することができる。一般に光源からの距離ｒ(ｍ)の地点における光の放射強度Ｉ(Ｗ/ｓｒ)は、数式（２）で表される。
FIG. 5 shows a cross-sectional structure of the sensing element 5. FIG. 5 is a cross-sectional view of the sensing element 5 of FIG. 3 taken along a plane that passes through the terminal 54A and the terminal 54B and is perpendicular to the semiconductor substrate 50. When an object approaches the MEMS sensor 1, the light intensity that the MEMS sensor 1 receives through the translucent elastic member 4 changes. With the change in light intensity, the resistance value and depletion layer capacitance of the semiconductor layer 52 change due to the photoconductive effect of the semiconductor. FIG. 5 shows an equivalent circuit on the cross-sectional view. The semiconductor layer 52, the terminal 54A, and the second insulating layer 53 constitute capacitors 531 and 532. The resistance value of the semiconductor layer 52 corresponds to the variable resistor 521. The depletion layer capacitance of the semiconductor layer 52 corresponds to the variable capacitors 522 and 523, respectively. Therefore, the proximity sense can be detected by detecting the change of the variable capacitors 522 and 523 or the variable resistor 521 due to the change of the light intensity. In general, the radiation intensity I (W / sr) of light at a point at a distance r (m) from the light source is expressed by Equation (2).
［触覚・近接覚の検知手法］
図５に示すように、端子５４Ａ及び端子５４Ｂにそれぞれ接続された端子Ａ及び端子Ｂの間には、直列に接続された振動子７１及びセンサ７２と、インバータ７３とが並列に接続され、これらに直列にインバータ７４が必要に応じて接続される。図５に示した検知素子５の断面図から、回路構成を抜き出したものを、図６として示す。図６に示すように、検知素子５は発振回路を構成する。ここで、半導体層５２を可変キャパシタ５２２、５２３の近傍で接地することにより、半導体層５２の抵抗値である可変抵抗５２１の影響は無視できるため、図６では可変抵抗５２１の記載を省略する。なお、ひずみゲージ５６の抵抗値を可変抵抗５６１として示す。
[Tactile and proximity detection methods]
As shown in FIG. 5, between the terminal A and the terminal B connected to the terminal 54A and the terminal 54B, the vibrator 71 and the sensor 72 connected in series and the inverter 73 are connected in parallel. An inverter 74 is connected in series with the inverter as necessary. FIG. 6 shows a circuit configuration extracted from the cross-sectional view of the sensing element 5 shown in FIG. As shown in FIG. 6, the sensing element 5 constitutes an oscillation circuit. Here, since the influence of the variable resistor 521 which is the resistance value of the semiconductor layer 52 can be ignored by grounding the semiconductor layer 52 in the vicinity of the variable capacitors 522 and 523, the description of the variable resistor 521 is omitted in FIG. Note that the resistance value of the strain gauge 56 is shown as a variable resistor 561.
振動子７１は、例えば水晶振動子であり、所定の自己共振周波数を有している。 The vibrator 71 is a crystal vibrator, for example, and has a predetermined self-resonant frequency.
センサ７２は、発振回路の共振周波数の変化と、共振周波数のピークの鋭さ（Ｑ値）とを計測するセンサである。なお、インバータ７４の出力パルスから発振回路の共振周波数とＱ値を求めても良い。 The sensor 72 is a sensor that measures the change in the resonance frequency of the oscillation circuit and the sharpness (Q value) of the peak of the resonance frequency. Note that the resonance frequency and Q value of the oscillation circuit may be obtained from the output pulse of the inverter 74.
インバータ７３は、負性抵抗アンプとして用いられる。また、インバータ７４は出力バッファとして用いられる。 The inverter 73 is used as a negative resistance amplifier. The inverter 74 is used as an output buffer.
ここで、発振回路の共振周波数は、発振回路の静電容量に依存する。上述したとおり、半導体層５２中の空乏層容量である可変キャパシタ５２２、５２３は、光強度の変化に応じて変化するが、他の容量（キャパシタ５３１、５３２及び浮遊容量等）は光強度に対してほぼ一定のため、共振周波数の変化を計測することで、可変キャパシタ５２２、５２３の変化を求めることができ、近接覚を検知することができる。なお、可変キャパシタ５２２、５２３の値を求めることなく、物体の近接による光強度の変化と共振周波数の変化の対応関係を予め求めておき、共振周波数の変化から直接、物体の近接を計測しても良い。 Here, the resonance frequency of the oscillation circuit depends on the capacitance of the oscillation circuit. As described above, the variable capacitors 522 and 523 which are depletion layer capacitances in the semiconductor layer 52 change according to the change in light intensity, but other capacitances (capacitors 531 and 532, stray capacitances, etc.) Therefore, by measuring the change in the resonance frequency, the change in the variable capacitors 522 and 523 can be obtained, and the proximity sense can be detected. In addition, without obtaining the values of the variable capacitors 522 and 523, the correspondence relationship between the change in the light intensity due to the proximity of the object and the change in the resonance frequency is obtained in advance, and the proximity of the object is measured directly from the change in the resonance frequency. Also good.
図７は、本実施形態に係るＭＥＭＳセンサ１を用いた共振周波数の光照度依存性の測定結果を示す図である。図７に示すように、共振周波数の変化を測定することで、照度の変化が検出され、近接覚を検知することができた。 FIG. 7 is a diagram illustrating a measurement result of the dependence of the resonance frequency on the light illuminance using the MEMS sensor 1 according to the present embodiment. As shown in FIG. 7, by measuring the change in resonance frequency, a change in illuminance was detected, and a proximity sense could be detected.
また、Ｑ値は、発振回路の抵抗と静電容量とに依存する。静電容量の変化は、上述したとおり、共振周波数の変化の計測によって算出される。よって、Ｑ値の変化を測定することで、ひずみゲージ５６の抵抗値である可変抵抗５６１の変化を検出することができるため、接触力を検知することができる。 The Q value depends on the resistance and capacitance of the oscillation circuit. The change in capacitance is calculated by measuring the change in resonance frequency as described above. Therefore, by measuring the change in the Q value, it is possible to detect the change in the variable resistance 561 that is the resistance value of the strain gauge 56, and thus it is possible to detect the contact force.
図８は、本実施形態に係るＭＥＭＳセンサ１を用いたＱ値の抵抗依存性の測定結果を示す図である。図８に示すように、Ｑ値の変化を測定することで、可変抵抗５６１の変化が検出され、接触力を検知することができた。 FIG. 8 is a diagram showing a measurement result of the resistance dependence of the Q value using the MEMS sensor 1 according to the present embodiment. As shown in FIG. 8, by measuring the change of the Q value, the change of the variable resistor 561 was detected, and the contact force could be detected.
このように本実施形態に係るＭＥＭＳセンサ１によれば、発振回路を構成し、半導体層とひずみゲージに交流電圧を印加することで、発振回路の共振周波数の変化に基づき近接を検知し、共振周波数のピークの鋭さ（Ｑ値）の変化に基づき接触力を検知することができる。よって、本実施形態に係るＭＥＭＳセンサ１によれば、複数の計測回路の切り替えを必要とせずに近接覚計測及び触覚計測を行うことができる。従って、計測回路の小型化が可能となる。また、計測回路の切り替えが不要なので、計測速度を向上させることができる。 As described above, according to the MEMS sensor 1 according to the present embodiment, an oscillation circuit is configured, and by applying an AC voltage to the semiconductor layer and the strain gauge, proximity is detected based on a change in the resonance frequency of the oscillation circuit, and resonance occurs. The contact force can be detected based on the change in the sharpness (Q value) of the frequency peak. Therefore, according to the MEMS sensor 1 according to the present embodiment, proximity measurement and tactile measurement can be performed without requiring switching of a plurality of measurement circuits. Therefore, the measurement circuit can be miniaturized. In addition, since the measurement circuit does not need to be switched, the measurement speed can be improved.
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係るＭＥＭＳセンサ１’は、センサチップ２と、厚膜の透光性弾性部材層３と、透光性弾性部材４と、少なくとも１つの検知素子５’と、光源６とを備える。なお、本実施形態に係るＭＥＭＳセンサ１’の検知素子５’の回路構成以外の構成は、第１の実施形態に係るＭＥＭＳセンサ１の構成と同様であるので、説明を省略する。
(Second Embodiment)
A MEMS sensor 1 ′ according to the second embodiment of the present invention includes a sensor chip 2, a thick translucent elastic member layer 3, a translucent elastic member 4, and at least one sensing element 5 ′. And a light source 6. In addition, since structures other than the circuit structure of the detection element 5 ′ of the MEMS sensor 1 ′ according to the present embodiment are the same as the structure of the MEMS sensor 1 according to the first embodiment, description thereof is omitted.
検知素子５’は、第１の実施形態に係るＭＥＭＳセンサ１’が備える検知素子５と同様に、透光性弾性部材層３及び透光性弾性部材４に埋め込まれ、検知対象とする物体の近接覚計測及び触覚計測を行う。 The detection element 5 ′ is embedded in the light-transmitting elastic member layer 3 and the light-transmitting elastic member 4 in the same manner as the detection element 5 included in the MEMS sensor 1 ′ according to the first embodiment, and is an object to be detected. Proximity measurement and tactile measurement are performed.
検知素子５’は、図３に示した検知素子５の構造と同様に、半導体基板５０と、第一絶縁層５１と、半導体層５２と、第二絶縁層５３と、端子５４Ａ及び端子５４Ｂと、カンチレバー５５と、ひずみゲージ５６と、応力層５７とを備える。検知素子５’は、表面ＭＥＭＳプロセスにより作製する。 Similar to the structure of the sensing element 5 shown in FIG. 3, the sensing element 5 ′ includes a semiconductor substrate 50, a first insulating layer 51, a semiconductor layer 52, a second insulating layer 53, a terminal 54 </ b> A and a terminal 54 </ b> B. , A cantilever 55, a strain gauge 56, and a stress layer 57. The sensing element 5 'is manufactured by a surface MEMS process.
検知素子５’は、検知素子５と同様に配置される。また、検知素子５’は、検知素子５と同様の検知原理によって、触覚及び近接覚を検知することができる。 The detection element 5 ′ is arranged in the same manner as the detection element 5. The detection element 5 ′ can detect a tactile sensation and a proximity sensation based on the same detection principle as that of the detection element 5.
［触覚・近接覚の検知手法］
図９に検知素子５’の断面構造を示す。図９は、検知素子５’を端子５４Ａ及び端子５４Ｂを通り、半導体基板５０に対して垂直な面で切った断面図である。また、図９に示した検知素子５’の断面図から、回路構成を抜き出したものを、図１０として示す。ここで図９及び図１０において、検知素子５の説明に用いた各図面における符号と同一の符号を付した構成は、検知素子５の構成と同一であるため、説明を省略する。なお、検知素子５’が構成する回路は後述するように直流回路であるため、可変キャパシタ５２２、５２３及びキャパシタ５３１、５３２の影響は無視できる。よって、図１０では可変キャパシタ５２２、５２３及びキャパシタ５３１、５３２の記載を省略する。
[Tactile and proximity detection methods]
FIG. 9 shows a cross-sectional structure of the sensing element 5 ′. FIG. 9 is a cross-sectional view of the sensing element 5 ′ taken along a plane that passes through the terminal 54 </ b> A and the terminal 54 </ b> B and is perpendicular to the semiconductor substrate 50. Moreover, what extracted the circuit structure from sectional drawing of detection element 5 'shown in FIG. 9 is shown as FIG. Here, in FIG. 9 and FIG. 10, the configuration with the same reference numerals as those in the drawings used to describe the detection element 5 is the same as the configuration of the detection element 5, and thus the description thereof is omitted. Note that the circuit formed by the detection element 5 ′ is a DC circuit as will be described later, and therefore the influence of the variable capacitors 522 and 523 and the capacitors 531 and 532 can be ignored. Therefore, the description of the variable capacitors 522 and 523 and the capacitors 531 and 532 is omitted in FIG.
図９及び図１０に示すように、検知素子５’は、ダイオード７５、可変抵抗５２１及び参照抵抗７７を含む直列回路と、ダイオード７６、可変抵抗５６１及び参照抵抗７８を含む直列回路と、参照抵抗７９及び参照抵抗８０を含む直列回路とを、端子Ｃ及び端子Ｄの間で互いに並列に接続した回路を構成する。また、端子Ｃに直流電源８１が接続され、端子Ｄが接地されて、全体として直流回路を構成する。各直列回路の抵抗間には電圧検出端子（Ｅ，Ｆ，Ｇ）が設けられる。ここで、ダイオード７５及びダイオード７６は、互いに反対向きに接続される。また、初期状態（例えば、光未照射、無接触の状態）において、可変抵抗５２１と参照抵抗７７の抵抗比、可変抵抗５６１と参照抵抗７８の抵抗比、及び、参照抵抗７９と参照抵抗８０の抵抗比を等しく設定しておくことが望ましい。この設定により、電圧印加時に各電圧検出端子の電圧が等しくなる。 As shown in FIGS. 9 and 10, the sensing element 5 ′ includes a series circuit including a diode 75, a variable resistor 521, and a reference resistor 77, a series circuit including a diode 76, a variable resistor 561, and a reference resistor 78, and a reference resistor. 79 and a series circuit including the reference resistor 80 are connected in parallel between the terminal C and the terminal D. Further, a DC power source 81 is connected to the terminal C, and the terminal D is grounded to constitute a DC circuit as a whole. Voltage detection terminals (E, F, G) are provided between the resistors of each series circuit. Here, the diode 75 and the diode 76 are connected in directions opposite to each other. In an initial state (for example, no light irradiation, no contact state), the resistance ratio between the variable resistor 521 and the reference resistor 77, the resistance ratio between the variable resistor 561 and the reference resistor 78, and the reference resistor 79 and the reference resistor 80 It is desirable to set the resistance ratio equal. With this setting, the voltage at each voltage detection terminal becomes equal when a voltage is applied.
まず、直流電源８１の出力電圧Ｖｃｃを負とする場合を考える。このとき、直列に接続されたダイオード７６、可変抵抗５６１及び参照抵抗７８には、ダイオード７６の整流作用によって電流がほとんど流れないため、端子Ｅ及び端子Ｇの間の電圧の変化を測定することで、半導体層５２の抵抗値である可変抵抗５２１の変化、すなわち近接覚を検知することができる。 First, consider a case where the output voltage Vcc of the DC power supply 81 is negative. At this time, since almost no current flows through the diode 76, the variable resistor 561, and the reference resistor 78 connected in series due to the rectifying action of the diode 76, the change in the voltage between the terminal E and the terminal G is measured. The change of the variable resistor 521 that is the resistance value of the semiconductor layer 52, that is, the proximity sense can be detected.
図１１は、Ｖｃｃ＝−８Ｖとしたときの、本実施形態に係るＭＥＭＳセンサ１’を用いた物体の近接距離に対する出力電圧の測定結果を示す図である。図１１に示すように、直流電源８１の出力電圧を負として、端子Ｅ及び端子Ｇの間の電圧の変化を測定することで、近接覚を検知することができた。なお、光源６から物体に光照射をする場合には端子Ｅ及び端子Ｇの間の電圧の変化を検出することができたが、光照射をしない場合には端子Ｅ及び端子Ｇの間の電圧の変化がほとんど検出されず、近接覚を検知することはできなかった。 FIG. 11 is a diagram showing the measurement result of the output voltage with respect to the proximity distance of the object using the MEMS sensor 1 ′ according to the present embodiment when Vcc = −8V. As shown in FIG. 11, the proximity sense could be detected by measuring the voltage change between the terminal E and the terminal G with the output voltage of the DC power supply 81 being negative. In addition, when light was irradiated to the object from the light source 6, the voltage change between the terminal E and the terminal G could be detected, but when light was not irradiated, the voltage between the terminal E and the terminal G was detected. The change of was hardly detected and the sense of proximity could not be detected.
次に、直流電源８１の出力電圧Ｖｃｃを正とする場合を考える。このとき、直列に接続されたダイオード７５、可変抵抗５２１及び参照抵抗７７には、ダイオード７６の整流作用によって電流がほとんど流れないため、端子Ｆ及び端子Ｇの間の電圧の変化を測定することで、ひずみゲージ５６の抵抗値である可変抵抗５６１の変化、すなわち接触力を検知することができる。 Next, consider a case where the output voltage Vcc of the DC power supply 81 is positive. At this time, since almost no current flows through the diode 75, the variable resistor 521, and the reference resistor 77 connected in series due to the rectification action of the diode 76, the change in the voltage between the terminal F and the terminal G is measured. The change of the variable resistance 561 which is the resistance value of the strain gauge 56, that is, the contact force can be detected.
図１２は、Ｖｃｃ＝１３Ｖとしたときの、本実施形態に係るＭＥＭＳセンサ１’を用いた接触力に対する出力電圧の測定結果を示す図である。図１２に示すように、直流電源８１の出力電圧を正として、端子Ｆ及び端子Ｇの間の電圧の変化を測定することで、接触力を検知することができた。 FIG. 12 is a diagram showing the measurement result of the output voltage with respect to the contact force using the MEMS sensor 1 ′ according to the present embodiment when Vcc = 13V. As shown in FIG. 12, the contact force could be detected by measuring the change in voltage between the terminal F and the terminal G with the output voltage of the DC power supply 81 being positive.
このように本実施形態に係るＭＥＭＳセンサ１’によれば、半導体層５２とひずみゲージ５６に直流電圧を印加することで、半導体層５２の抵抗値変化に基づき近接を検知し、ひずみゲージ５６の抵抗値変化に基づき接触力を検知することができる。よって、本実施形態に係るＭＥＭＳセンサ１’によれば、複数の計測回路の切り替えを必要とせずに近接覚計測及び触覚計測を行うことができる。従って、計測回路の小型化が可能となる。また、計測回路の切り替えが不要なので、計測速度を向上させることができる。 As described above, according to the MEMS sensor 1 ′ according to the present embodiment, by applying a DC voltage to the semiconductor layer 52 and the strain gauge 56, proximity is detected based on a change in the resistance value of the semiconductor layer 52, and the strain gauge 56. The contact force can be detected based on the resistance value change. Therefore, according to the MEMS sensor 1 ′ according to the present embodiment, proximity measurement and tactile measurement can be performed without requiring switching of a plurality of measurement circuits. Therefore, the measurement circuit can be miniaturized. In addition, since the measurement circuit does not need to be switched, the measurement speed can be improved.
また、本実施形態に係るＭＥＭＳセンサ１’によれば、回路に印加する電圧の正負を切り替えることで、半導体層５２の抵抗値変化の測定とひずみゲージ５６の抵抗値変化の測定とを切り替えることができる。 Further, according to the MEMS sensor 1 ′ according to the present embodiment, the measurement of the resistance value change of the semiconductor layer 52 and the measurement of the resistance value change of the strain gauge 56 are switched by switching between positive and negative of the voltage applied to the circuit. Can do.
以上のように、各実施形態に係るＭＥＭＳセンサによれば、半導体層５２とひずみゲージ５６に交流電圧又は直流電圧を印加することで、近接及び接触力を検知することができる。 As described above, according to the MEMS sensor according to each embodiment, proximity and contact force can be detected by applying an AC voltage or a DC voltage to the semiconductor layer 52 and the strain gauge 56.
本発明を諸図面や実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各手段、各部材に含まれる機能等は論理的に矛盾しないように再配置可能である。 Although the present invention has been described based on the drawings and examples, it should be noted that those skilled in the art can easily make various modifications and corrections based on the present disclosure. Therefore, it should be noted that these variations and modifications are included in the scope of the present invention. For example, the functions and the like included in each means and each member can be rearranged so that there is no logical contradiction.
また、各実施形態に係るＭＥＭＳセンサは、近接覚計測及び触覚計測に限らず、半導体層５２やひずみゲージ５６の抵抗値や交流インピーダンスの変化に基づいて、物体の温度計測も複合的に行える構成としてもよい。 In addition, the MEMS sensor according to each embodiment is not limited to proximity measurement and tactile measurement, and can also perform temperature measurement of an object based on changes in resistance values and AC impedance of the semiconductor layer 52 and the strain gauge 56. It is good.
１、１’ ＭＥＭＳセンサ
２ センサチップ
３ 透光性弾性部材層
４ 透光性弾性部材
５、５’ 検知素子
６ 光源
５０ 半導体基板
５１ 第一絶縁層
５２ 半導体層
５３ 第二絶縁層
５４Ａ、５４Ｂ 端子
５５ カンチレバー
５６ ひずみゲージ
５７ 応力層
７１ 振動子
７２ センサ
７３、７４ インバータ
７５、７６ ダイオード
７７、７８、７９、８０ 参照抵抗
８１ 直流電源
５２１ 可変抵抗
５２２、５２３ 可変キャパシタ
５３１、５３２ キャパシタ
５６１ 可変抵抗
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 1 'MEMS sensor 2 Sensor chip 3 Translucent elastic member layer 4 Translucent elastic member 5, 5' Detection element 6 Light source 50 Semiconductor substrate 51 First insulating layer 52 Semiconductor layer 53 Second insulating layer 54A, 54B Terminal 55 Cantilever 56 Strain gauge 57 Stress layer 71 Vibrator 72 Sensor 73, 74 Inverter 75, 76 Diode 77, 78, 79, 80 Reference resistance 81 DC power supply 521 Variable resistance 522, 523 Variable capacitor 531, 532 Capacitor 561 Variable resistance
Claims (4)
透光性弾性部材と、
前記透光性弾性部材に埋め込まれた少なくとも１つの検知素子と、
を有し、前記検知素子は、
半導体層上に絶縁層を介して設けられた２つの端子と、
前記半導体層に端部が接続され、前記透光性弾性部材に対する物体の接触に応じて変形するカンチレバーと、
前記カンチレバー上に設けられ、前記２つの端子に各端部が接続されたひずみゲージと、を備え、
前記半導体層と前記ひずみゲージに交流電圧又は直流電圧の一方を印加することで、近接及び接触力を検知する、ＭＥＭＳセンサ。 A MEMS sensor for proximity measurement and tactile measurement,
A translucent elastic member;
At least one sensing element embedded in the translucent elastic member;
And the sensing element is
Two terminals provided on the semiconductor layer via an insulating layer;
An end connected to the semiconductor layer, and a cantilever deformed in response to contact of an object with the translucent elastic member;
A strain gauge provided on the cantilever and connected at each end to the two terminals;
A MEMS sensor that detects proximity and contact force by applying one of an AC voltage or a DC voltage to the semiconductor layer and the strain gauge.
直流電圧を印加する場合、前記半導体層の抵抗値変化に基づき近接を検知し、前記ひずみゲージの抵抗値変化に基づき接触力を検知する、請求項１に記載のＭＥＭＳセンサ。 When applying an alternating voltage, the proximity is detected based on the change in the resonance frequency of the circuit including the semiconductor layer and the strain gauge, and the contact force is detected based on the change in the sharpness of the peak of the resonance frequency,
The MEMS sensor according to claim 1, wherein when a DC voltage is applied, proximity is detected based on a resistance value change of the semiconductor layer, and contact force is detected based on a resistance value change of the strain gauge.
前記２つの端子間に接続された振動子をさらに備え、
前記ひずみゲージと前記振動子と前記半導体層の空乏層容量とを含む発振回路を構成し、
前記発振回路の共振周波数の変化に基づき近接を検知し、前記共振周波数のピークの鋭さの変化に基づき接触力を検知する、請求項１又は２に記載のＭＥＭＳセンサ。 The sensing element is
A vibrator connected between the two terminals;
An oscillation circuit including the strain gauge, the vibrator, and a depletion layer capacitance of the semiconductor layer is configured,
The MEMS sensor according to claim 1, wherein proximity is detected based on a change in a resonance frequency of the oscillation circuit, and a contact force is detected based on a change in sharpness of the peak of the resonance frequency.
前記ひずみゲージと前記半導体層とにそれぞれ反対向きのダイオードを直列に接続し、前記ひずみゲージを含む直列回路と前記半導体層を含む直列回路とを互いに並列に接続した回路を構成し、
前記回路に印加する電圧の正負を切り替えることで、前記半導体層の抵抗値変化の測定と前記ひずみゲージの抵抗値変化の測定とを切り替える、請求項１又は２に記載のＭＥＭＳセンサ。 The sensing element is
A diode in the opposite direction is connected in series to the strain gauge and the semiconductor layer, and a series circuit including the strain gauge and a series circuit including the semiconductor layer are connected in parallel to each other.
The MEMS sensor according to claim 1, wherein the measurement of the change in resistance value of the semiconductor layer and the measurement of the change in resistance value of the strain gauge are switched by switching between positive and negative of the voltage applied to the circuit.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| KR20230091694A (en) * | 2021-12-16 | 2023-06-23 | 광주과학기술원 | Thermo-sensation based pressure sensor |
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