JP6424405B2 - 圧力センサ、触覚センサ、及び圧力センサの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、圧力センサ、触覚センサ、及び圧力センサの製造方法に関するものである。

近年、カンチレバーに感圧素子を設け、圧力変動に応じたカンチレバーの撓み量を検出する圧力センサが知られている。例えば、特許文献１に記載の感圧センサ（圧力センサ）は、基板上に配置された片持梁状の揺動部（カンチレバー）と、揺動部の表面に形成された感圧素子と、感圧素子に接続された電極と、を有する。揺動部は、露出した絶縁膜及び絶縁膜上の表面膜を有し、絶縁膜の残留応力により基板上に斜設されている。
特許文献１に記載の感圧センサによれば、基板表面に対して平行方向及び垂直方向の２方向に作用する力を略均等に検出することができるとされている。

特開２００８−４９４３８号公報

しかしながら、上述の圧力センサにおいては、２方向に作用する力を１つの感圧素子により検出するため、それぞれの方向に作用する力を分離することができない。このため、複数方向に作用する力をそれぞれ分離して検出するためには、検出する方向に応じて複数のカンチレバーを設ける必要がある。したがって、従来技術の圧力センサにあっては、複数方向の圧力検出を可能とする際に大型化するという課題がある。

そこで本発明は、複数方向の圧力検出が可能な、小型の圧力センサ、触覚センサ、及び圧力センサの製造方法を提供するものである。

本発明の圧力センサは、平板状の第１レバー部と、前記第１レバー部の面方向と異なる方向に曲がる第２レバー部と、が連接されたカンチレバーと、前記第１レバー部に設けられた第１感圧素子と、前記第２レバー部に設けられた第２感圧素子と、前記第１感圧素子の圧力変化量、及び前記第２感圧素子の圧力変化量をそれぞれ検出する検出部と、を備える、ことを特徴とする。
本発明によれば、圧力センサは、第１レバー部及び第２レバー部に作用する圧力変化を、第１感圧素子及び第２感圧素子により各別に検出することができる。ここで、圧力センサは、第１レバー部と第２レバー部とが異なる方向に延在しているため、複数のカンチレバーを備えていなくても、１つのカンチレバーに２方向の圧力を作用させることができる。したがって、複数方向の圧力検出が可能な、小型の圧力センサが得られる。

上記の圧力センサにおいて、前記第２感圧素子は、圧電素子である、ことを特徴とする。
本発明によれば、圧力センサは、第２感圧素子に電圧を印加することで第２感圧素子を伸縮させることができる。これにより第２感圧素子は、第２レバー部を任意の角度に曲げることができる。
また、一般に圧力センサは、感圧素子としてピエゾ抵抗を用いる場合、圧力変化を検出するために感圧素子に電流を流し続けるため、消費電力が大きくなる傾向にある。これに対して、本発明の圧力センサは、第２感圧素子である圧電素子が圧力変化に反応して電荷または電位差を発生させるため、第２感圧素子に電流を流し続ける必要がない。このため、本発明の圧力センサは、ピエゾ抵抗を用いる従来の圧力センサと比較して、消費電力を低減できる。

上記の圧力センサにおいて、前記第２感圧素子に電圧を印加して、前記第２レバー部の姿勢を制御する姿勢制御部を備える、ことを特徴とする。
本発明によれば、圧力センサは、第２レバー部の湾曲する角度を適宜変化させることができる。これにより、検出対象の圧力の方向が変化した場合であっても、圧力の方向の変化に対応して、第２レバー部の角度を適宜変化させるとともに、正確に圧力を検出することができる圧力センサが得られる。

上記の圧力センサにおいて、前記第１感圧素子は、圧電素子である、ことを特徴とする。
本発明によれば、圧力センサは、第１感圧素子にピエゾ抵抗を用いる場合に比べて、消費電力を低減することができる。

上記の圧力センサにおいて、前記第２レバー部は、少なくとも一部が前記第１レバー部の前記面方向と直交するように湾曲している、ことを特徴とする。
本発明によれば、圧力センサは、直交する２方向の圧力をより高感度に検出することができる。

上記の圧力センサにおいて、前記カンチレバーは、ケイ素を含む材料により形成されている、ことを特徴とする。
本発明によれば、圧力センサを従来のＭＥＭＳ製造工程で製造することができる。したがって圧力センサを高精度且つ低コストに製造できる。

上記の圧力センサにおいて、前記カンチレバーを複数有する、ことを特徴とする。
本発明によれば、各カンチレバーが２方向の圧力を受けることができるため、圧力センサが複数のカンチレバーを有することで、３方向以上の圧力を受けることが可能となる。したがって、３方向以上の圧力を検出可能な圧力センサが得られる。

本発明の触覚センサは、上記の圧力センサと、前記圧力センサを封止する封止部と、 を備えることを特徴とする。
本発明によれば、検出部は、封止部の表面から封止部を介して圧力センサのカンチレバーに作用する力を検出することができる。これにより、触覚センサは、カンチレバーが露出した圧力センサと比較して、外力に対する強度が向上する。したがって、高強度を有し、複数方向の圧力検出が可能な触覚センサが得られる。

本発明の圧力センサの製造方法は、平板状の第１レバー部と、前記第１レバー部の面方向と異なる方向に曲がる第２レバー部と、が連接されたカンチレバーを備えた圧力センサの製造方法であって、前記第１レバー部に対応する位置に第１感圧素子を形成する第１感圧素子形成工程と、前記第２レバー部に対応する位置に第２感圧素子としての圧電素子を形成する第２感圧素子形成工程と、前記第２感圧素子に電圧を印加して、前記第２レバー部を前記第１レバー部の面方向と異なる方向に曲げる曲げ工程と、を備える、ことを特徴とする。
本発明によれば、曲げ工程により第２感圧素子に電圧を印加して第２レバー部を第１レバー部の面方向と異なる方向に曲げることができる。したがって、複雑な製造方法を用いることなく、複数方向の圧力検出が可能な、小型の圧力センサを簡単かつ低コストに製造できる。

本発明の圧力センサによれば、第１レバー部及び第２レバー部に作用する圧力変化を、第１感圧素子及び第２感圧素子により各別に検出することができる。ここで、圧力センサは、第１レバー部と第２レバー部とが異なる方向に延在しているため、複数のカンチレバーを備えていなくても、１つのカンチレバーに２方向の圧力を作用させることができる。したがって、複数方向の圧力検出が可能な、小型の圧力センサが得られる。

本発明の圧力センサの製造方法によれば、曲げ工程により第２感圧素子に電圧を印加して第２レバー部を第１レバー部の面方向と異なる方向に曲げることができる。したがって、複雑な製造方法を用いることなく、複数方向の圧力検出が可能な、小型の圧力センサを簡単かつ低コストに製造できる。

第１実施形態における圧力センサの斜視図である。 第１実施形態における圧力センサの説明図であり、カンチレバーを平板状に延ばした状態における平面図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線における断面図である。 図２のＩＶ−ＩＶ線における断面図である。 第１実施形態における圧力センサの製造方法を示すフローチャートである。 第１実施形態における圧力センサの製造方法を示す工程図である。 第１実施形態における圧力センサの製造方法を示す工程図である。 第１実施形態における圧力センサの製造方法を示す工程図である。 第１実施形態における圧力センサの製造方法を示す工程図である。 第１実施形態における圧力センサの製造方法を示す工程図である。 第１実施形態における圧力センサの製造方法を示す工程図である。 第１実施形態における圧力センサの製造方法を示す工程図である。 第１実施形態における圧力センサの製造方法を示す工程図である。 第１実施形態における圧力センサの製造方法を示す工程図である。 第１実施形態における圧力センサの製造方法を示す工程図である。 第１実施形態における圧力センサの製造方法を示す工程図である。 第１実施形態における圧力センサの製造方法を示す工程図である。 第１実施形態における圧力センサの変形例を示す斜視図である。 第２実施形態における圧力センサの斜視図である。 第３実施形態における触覚センサの斜視図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
［第１実施形態］
（圧力センサ）
図１は、第１実施形態における圧力センサの斜視図である。
図１に示すように、圧力センサ１は、圧力変動を検出するセンサであって、例えばＳＯＩ基板２を利用して形成される。ＳＯＩ基板２は、シリコン支持層２ａ上に、シリコン酸化膜層２ｂ及びシリコン活性層２ｃがこの順に形成された基板である。なお、以下の説明では、ＳＯＩ基板２における各層の積層方向を上下方向と定義し、シリコン活性層２ｃ側を上方とし、シリコン支持層２ａ側を下方とする。

圧力センサ１は、基台部５と、第１レバー部１１と第２レバー部１３とが連接されたカンチレバー１０と、第１レバー部１１に設けられた第１感圧素子２０と、第２レバー部１３に設けられた第２感圧素子３０と、第１感圧素子２０の圧力変化量、及び第２感圧素子３０の圧力変化量をそれぞれ検出する検出部４０と、第２感圧素子３０に電圧を印加する姿勢制御部５０と、を備える。

基台部５は、ＳＯＩ基板２のシリコン支持層２ａ、シリコン酸化膜層２ｂ及びシリコン活性層２ｃにより形成された矩形枠状の部材である。基台部５には、上下方向から見てシリコン支持層２ａとシリコン酸化膜層２ｂとが同面積となるように形成され、シリコン酸化膜層２ｂ上には、シリコン活性層２ｃがパターニングされている。ただし、基台部５はこの形状にこだわらず、図１８に示すように、カンチレバー１０の変形を阻害しなければ、直方体状など、他の形状であってもよい。

カンチレバー１０は、ＳＯＩ基板２のシリコン活性層２ｃにより形成されたＬ字状の板状部材である。カンチレバー１０は、基台部５の上端から基台部５の貫通部分に向かって延出する平板状の第１レバー部１１と、第１レバー部１１の面方向と異なる方向に曲がる第２レバー部１３と、が連接されている。以下、第１レバー部１１が延在する方向を第１方向といい、第１レバー部１１の表面上で第１方向と直交する方向を第２方向という。

第１レバー部１１は、第１方向を長手方向とする平面視矩形状に形成されている。第１レバー部１１は、第１方向の一端縁において基台部５に接続し、基台部５におけるシリコン活性層２ｃと一体的に形成されている。
第２レバー部１３は、上下方向に沿って延在する平板部１４と、平板部１４と第１レバー部１１とを接続する湾曲部１５と、を有する。平板部１４は、第１方向視矩形状に形成されている。湾曲部１５は、第１レバー部１１の第１方向における他端縁１１ａから第１方向に沿って延出しつつ、上方に向かって湾曲している。湾曲部１５は、第１レバー部１１の第１方向における他端縁１１ａと平板部１４の下端縁１４ａとを滑らかに接続している。第２レバー部１３は、第２方向において第１レバー部１１と同じ幅に形成されている。

図２は、第１実施形態における圧力センサの説明図であり、カンチレバーを平板状に延ばした状態における平面図である。図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線における断面図である。なお、図３における仮想線（２点鎖線）は、図１の状態におけるカンチレバー１０の形状を示している。なお、図２〜３においては、検出部４０及び姿勢制御部５０の図示を省略する。
図１〜３に示すように、第１レバー部１１には、第１感圧素子２０が設けられている。図２に示すように、第１感圧素子２０は、第１方向を長手方向とする矩形状に形成されている。第１感圧素子２０は、基台部５及びカンチレバー１０の第２方向略中央において、基台部５の第１方向略中央から、第１レバー部１１の第１方向略中央に亘って配置されている。第１感圧素子２０の第２方向の幅は、カンチレバー１０の第２方向の幅の例えば４分の１程度に設定されている。

図３に示すように、第１感圧素子２０は、圧電体により形成された第１薄膜圧電体２１と、第１薄膜圧電体２１の下層に配置された第１電極２２と、第１薄膜圧電体２１の上層に配置された第２電極２３と、により形成された圧電素子である。第１薄膜圧電体２１は、例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等の圧電体材料により形成されている。

第１電極２２は、チタンとプラチナとが積層された金属膜により形成されている。第１電極２２には、取出し配線２４が一体形成されて接続している。取出し配線２４は、第１電極２２における第１方向両端部のうち基台部５上の端部から、基台部５の上面におけるカンチレバー１０が配置されている側の反対側の端縁５ａまで第１方向に沿って延びている。なお、取出し配線２４は、必ずしも端縁５ａまで延設されていなくとも良い。
この取出し配線２４の上面には、第１接続電極２６ａが形成されている。第１接続電極２６ａは、例えば金や金合金等により形成された金属膜であり、第１感圧素子２０と検出部４０との接続に用いられる。

第２電極２３は、第１電極２２と同様に、チタンとプラチナとが積層された金属膜により形成されている。第２電極２３のうち基台部５上に位置する部分の上面には、第２接続電極２６ｂが形成されている。第２接続電極２６ｂは、第１接続電極２６ａと同様に、例えば金や金合金等により形成された金属膜であり、第１感圧素子２０と検出部４０との接続に用いられる。
このように、各接続電極２６ａ，２６ｂを基台部５の上方に形成することで、後述するリード線が各接続電極２６ａ，２６ｂに接続された状態において、カンチレバー１０にリード線を介して外力が作用することを抑制できる。

これら第１感圧素子２０及び取出し配線２４と、シリコン活性層２ｃと、の間には、第１絶縁膜２７が形成されている。第１絶縁膜２７は、絶縁性を備え、例えばシリコン酸化膜等により形成されている。第１絶縁膜２７は、平面視において第１感圧素子２０及び取出し配線２４と重なるように配置されている。

このように、カンチレバー１０の固定端側（基台部５側）に第１感圧素子２０を形成することで、第１感圧素子２０には、カンチレバー１０が上下方向に撓んだ際に応力が作用する。このため、カンチレバー１０に上下方向の力が作用すると、第１レバー部１１が撓み、圧電素子である第１感圧素子２０に応力が作用して電荷または電位差が発生する。

図４は、図２のＩＶ−ＩＶ線における断面図である。
図１〜４に示すように、第２レバー部１３の湾曲部１５上には、第２感圧素子３０が設けられている。図２に示すように、第２感圧素子３０は、第１方向を長手方向とする矩形状に形成されている。第２感圧素子３０は、湾曲部１５の第２方向略中央において、湾曲部１５と第１レバー部１１との接続部（第１レバー部１１の他端縁１１ａ）から、湾曲部１５と平板部１４との接続部（平板部１４の下端縁１４ａ）に亘って配置されている。第２感圧素子３０の第２方向の幅は、第１感圧素子２０の第２方向の幅と同程度に設定されている。

図３及び図４に示すように、第２感圧素子３０は、圧電体により形成された第２薄膜圧電体３１と、第２薄膜圧電体３１の下層に配置された第３電極３２と、第２薄膜圧電体３１の上層に配置された第４電極３３と、により形成された圧電素子である。第２薄膜圧電体３１は、第１薄膜圧電体２１と同様に、例えばＰＺＴ等の圧電体材料により形成されている。

第３電極３２は、第１電極２２と同様に、チタンとプラチナとが積層された金属膜により形成されている。第３電極３２には、第１引き出し配線３４が一体形成されて接続している。図２に示すように、第１引き出し配線３４は、第３電極３２から第２方向に沿って延び、さらに第１感圧素子２０に対して間隙を設けた状態で、基台部５の端縁５ａまで第１方向に沿って延びている。
第１引き出し配線３４のうち基台部５上に配置された部分の上面には、第３接続電極３６ａが形成されている。第３接続電極３６ａは、第１接続電極２６ａと同様に、例えば金や金合金等により形成された金属膜であり、第２感圧素子３０と検出部４０及び姿勢制御部５０との接続に用いられる。

第４電極３３は、第１電極２２と同様に、チタンとプラチナとが積層された金属膜により形成されている。この第４電極３３には、第２引き出し配線３５が一体形成されて接続している（図４参照）。第２引き出し配線３５は、第４電極３３から第２方向に沿って第１引き出し配線３４とは反対側に延び、さらに第１感圧素子２０に対して間隙を設けた状態で、基台部５の端縁５ａまで第１方向に沿って延びている。
第２引き出し配線３５のうち基台部５上に配置された部分の上面には、第４接続電極３６ｂが形成されている。第４接続電極３６ｂは、第１接続電極２６ａと同様に、例えば金や金合金等により形成された金属膜であり、第２感圧素子３０と検出部４０及び姿勢制御部５０との接続に用いられる。
このように、各接続電極３６ａ，３６ｂを基台部５の上方に形成することで、各接続電極２６ａ，２６ｂと同様に、リード線が各接続電極３６ａ，３６ｂに接続された状態において、カンチレバー１０にリード線を介して外力が作用することを抑制できる。

図１および図４に示すように、これら第２感圧素子３０、第１引き出し配線３４及び第２引き出し配線３５と、シリコン活性層２ｃと、の間には、第２絶縁膜３７が形成されている。第２絶縁膜３７は、第１絶縁膜２７と同様に、絶縁性を備え、例えばシリコン酸化膜等により形成されている。第２絶縁膜３７は、平面視において第２感圧素子３０、第１引き出し配線３４及び第２引き出し配線３５と重なるように配置されている。
この第２絶縁膜３７及び上述の第１絶縁膜２７により、互いに絶縁された各電極に電圧を印加した際に、基台部５におけるシリコン活性層２ｃ、及びシリコン活性層２ｃにより形成されたカンチレバー１０を介して電流がリークすることを防止している。

このように、第２レバー部１３の固定端側（第１レバー部１１側）に第２感圧素子３０を形成することで、第２感圧素子３０には、平板部１４が第１方向に撓んだ際に応力が作用する。このため、カンチレバー１０に対して第１方向の力が作用すると、平板部１４が第１方向に撓み、圧電素子である第２感圧素子３０に応力が作用して電荷または電位差が発生する。

図１に示すように、各接続電極２６ａ，２６ｂ，３６ａ，３６ｂには、リード線が例えばワイヤボンディング等により接続されている。そして、第１感圧素子２０は、リード線を介して検出部４０に接続されている。また、第２感圧素子３０は、リード線を介して検出部４０及び姿勢制御部５０に接続されている。
検出部４０は、例えば電荷電圧変換型の検出回路、または電圧増幅型の検出回路を備えている。検出回路は、第１感圧素子２０において圧力変化が生じて電荷または電位差が発生すると、その大きさに応じて出力電圧を出力する。また、検出回路は、第２感圧素子３０において圧力変化が生じて電荷または電位差が発生すると、その大きさに応じて出力電圧を出力する。検出部４０は、上記検出回路から出力された出力電圧から、第１感圧素子２０及び第２感圧素子３０の圧力変化量をそれぞれ検出する。

姿勢制御部５０は、第１引き出し配線３４及び第２引き出し配線３５を介して第２感圧素子３０に電圧を印加する。圧電素子である第２感圧素子３０は、姿勢制御部５０により印加された電圧の大きさに応じて伸縮する。このため、カンチレバー１０は、上面に第２感圧素子３０が配置された湾曲部１５において反るように湾曲する。

（圧力センサの製造方法）
次に、図５〜１７に基づいて、本実施形態の圧力センサ１の製造方法について説明する。なお、以下の説明における各構成部品の符号については、図１〜４を参照されたい。
図５は、第１実施形態における圧力センサの製造方法を示すフローチャートである。図６〜１７は、第１実施形態における圧力センサの製造方法を示す工程図であり、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に相当する部分における断面図である。

図５に示すように、本実施形態の圧力センサ１の製造方法は、平板状の第１レバー部１１と、第１レバー部１１の面方向と異なる方向に曲がる第２レバー部１３と、が連接されたカンチレバー１０を備えた圧力センサ１の製造方法であって、カンチレバー１０が形成される部分に第１感圧素子２０及び第２感圧素子３０を形成する感圧素子形成工程Ｓ１０と、カンチレバー１０を形成するカンチレバー形成工程Ｓ２０と、第２感圧素子３０に電圧を印加して、第２レバー部１３を第１レバー部１１の面方向と異なる方向に湾曲させる湾曲工程Ｓ３０（請求項の「曲げ工程」に相当）と、を備える。

（感圧素子形成工程）
まず、感圧素子形成工程Ｓ１０を行う。感圧素子形成工程Ｓ１０は、第１レバー部１１に対応する位置に第１感圧素子２０としての圧電素子を形成する第１感圧素子形成工程Ｓ１１と、第２レバー部１３に対応する位置に第２感圧素子３０としての圧電素子を形成する第２感圧素子形成工程Ｓ１２と、を有する。本実施形態では、感圧素子形成工程Ｓ１０において、第１感圧素子形成工程Ｓ１１と第２感圧素子形成工程Ｓ１２とを同時に行う。

最初に、図６に示すように、圧力センサ１の母材となるＳＯＩ基板２を準備する。ＳＯＩ基板２は、シリコン支持層２ａ上に、シリコン酸化膜層２ｂ及びシリコン活性層２ｃがこの順に形成されている。

次に、図７に示すように、第１電極２２、取出し配線２４、第３電極３２及び第１引き出し配線３４を形成する。
具体的には、まず、ＳＯＩ基板２のシリコン活性層２ｃに対して熱酸化処理を行い、シリコン活性層２ｃの表面にシリコン熱酸化層２ｄを形成する。シリコン熱酸化層２ｄは、後述する工程において第１絶縁膜２７及び第２絶縁膜３７を形成する際に利用する。
次いで、シリコン熱酸化層２ｄの表面上に、例えばスパッタリング法や蒸着法等によりチタンとプラチナとが積層された第１金属層６１を形成する。

次に、第１金属層６１の表面上に第１のフォトレジスト膜を形成する。
続いて、第１のフォトマスクを用いて第１のフォトレジスト膜を露光する。第１のフォトマスクは、第１電極２２、取出し配線２４、第３電極３２及び第１引き出し配線３４に対応する遮光パターンを有する。
その後、第１のフォトレジスト膜を現像することで、第１のフォトレジスト膜に、第１電極２２、取出し配線２４、第３電極３２及び第１引き出し配線３４に対応する第１のエッチングマスクが形成される。
次いで、第１のエッチングマスクを介して、第１金属層６１をエッチングする。これにより、シリコン熱酸化層２ｄの表面上には、第１電極２２、取出し配線２４、第３電極３２及び第１引き出し配線３４が形成される。
次いで、第１のエッチングマスクを除去する。

次に、図８に示すように、第１薄膜圧電体２１及び第２薄膜圧電体３１を形成する。
具体的には、まず、シリコン熱酸化層２ｄ、第１電極２２、取出し配線２４、第３電極３２及び第１引き出し配線３４の表面上に、ＰＺＴにより形成された圧電体層６２を形成する。圧電体層６２は、例えばゾルゲル法等により形成される。
次いで、圧電体層６２の表面上に第２のフォトレジスト膜を形成する。
続いて、第２のフォトマスクを用いて第２のフォトレジスト膜を露光する。第２のフォトマスクは、取出し配線２４、第１引き出し配線３４、第１薄膜圧電体２１及び第２薄膜圧電体３１に対応する遮光パターンを有する。
その後、第２のフォトレジスト膜を現像し、第２のエッチングマスクを形成する。

次いで、第２のエッチングマスクを介して、圧電体層６２をエッチングする。これにより、第１電極２２の表面上に第１薄膜圧電体２１が形成され、第３電極３２の表面上に第２薄膜圧電体３１が形成される。さらに、取出し配線２４及び第１引き出し配線３４の表面上には、後述する第２金属層６３のエッチング時のエッチングストッパ部６２ａが形成される。
次いで、第２のエッチングマスクを除去する。

次に、図９に示すように、第２電極２３、第４電極３３及び第２引き出し配線３５を形成する。
具体的には、まず、シリコン熱酸化層２ｄ、第１薄膜圧電体２１、第２薄膜圧電体３１及びエッチングストッパ部６２ａの表面上に、第１金属層６１と同様の第２金属層６３を形成する。
次いで、第２金属層６３の表面上に第３のフォトレジスト膜を形成する。
続いて、第３のフォトマスクを用いて第３のフォトレジスト膜を露光する。第３のフォトマスクは、第２電極２３、第４電極３３及び第２引き出し配線３５に対応する遮光パターンを有する。
その後、第３のフォトレジスト膜を現像し、第２電極２３、第４電極３３及び第２引き出し配線３５に対応する第３のエッチングマスクを形成する。

次いで、第３のエッチングマスクを介して、第２金属層６３をエッチングする。これにより、第１薄膜圧電体２１、第２薄膜圧電体３１及びシリコン熱酸化層２ｄの表面上には、第２電極２３、第４電極３３及び第２引き出し配線３５が形成される。このとき、取出し配線２４及び第１引き出し配線３４の表面上には、エッチングストッパ部６２ａが形成されているため、取出し配線２４及び第１引き出し配線３４が第２金属層６３のエッチングによりエッチングされることを防止している。
次いで、第３のエッチングマスクを除去する。

次に、図１０に示すように、エッチングストッパ部６２ａを除去する。この際、第２電極２３及び第４電極３３をマスクとして圧電体層６２をエッチングすることで、エッチングストッパ部６２ａを除去することができる。
次に、図１１に示すように、シリコン熱酸化層２ｄをパターニングする。ここでは、第２電極２３、取出し配線２４、第４電極３３、第１引き出し配線３４及び第２引き出し配線３５をマスクとしてシリコン熱酸化層２ｄをエッチングすることで、平面視において露出したシリコン熱酸化層２ｄが除去される。これにより、第１絶縁膜２７及び第２絶縁膜３７が形成される。

次に、図１２に示すように、各接続電極２６ａ，２６ｂ，３６ａ，３６ｂを形成する。
具体的には、まず、シリコン活性層２ｃ、第２電極２３、取出し配線２４、第４電極３３、第１引き出し配線３４及び第２引き出し配線３５の表面上に、第３金属層６４を形成する。第３金属層６４は、例えば金や金合金等により形成された金属膜である。第３金属層６４は、例えばスパッタリング法や蒸着法等により形成される。

次いで、第３金属層６４の表面上に第４のフォトレジスト膜を形成する。
続いて、第４のフォトマスクを用いて第４のフォトレジスト膜を露光する。第４のフォトマスクは、各接続電極２６ａ，２６ｂ，３６ａ，３６ｂに対応する遮光パターンを有する。
その後、第４のフォトレジスト膜を現像し、各接続電極２６ａ，２６ｂ，３６ａ，３６ｂに対応する第４のエッチングマスクを形成する。
次いで、第４のエッチングマスクを介して、第３金属層６４をエッチングする。これにより、各接続電極２６ａ，２６ｂ，３６ａ，３６ｂが形成される。
次いで、第４のエッチングマスクを除去する。なお、図７〜図１２で説明した感圧素子形成工程Ｓ１０では、第１金属層６１、圧電体層６２それぞれを個別に成膜、加工する方法を例示したが、例えば、第１金属層６１と圧電体層６２を連続で成膜し、その後フォトレジスト膜を用いたパターニングで、圧電体層６２、第１金属層６１の順に形成してもよい。

（カンチレバー形成工程）
次に、カンチレバー形成工程Ｓ２０を行う。
最初に、図１３に示すように、ＳＯＩ基板２のシリコン活性層２ｃをパターニングする。
具体的には、まず、第１感圧素子２０及び第２感圧素子３０が形成されたＳＯＩ基板２の上面に、第５のフォトレジスト膜を形成する。
続いて、第５のフォトマスクを用いて第５のフォトレジスト膜を露光する。第５のフォトマスクは、カンチレバー１０に対応する遮光パターンを有する。
その後、第５のフォトレジスト膜を現像し、カンチレバー１０に対応する第５のエッチングマスクを形成する。
次いで、第５のエッチングマスクを介して、ＳＯＩ基板２のシリコン活性層２ｃをエッチングする。これにより、ＳＯＩ基板２のシリコン活性層２ｃは、シリコン酸化膜層２ｂ上においてカンチレバー１０の形状にパターニングされる。
次いで、第５のエッチングマスクを除去する。

次に、図１４及び図１５に示すように、基台部５を形成する。
具体的には、まず図１４に示すように、第１感圧素子２０及び第２感圧素子３０が形成されたＳＯＩ基板２の上面に、第６のフォトレジスト膜６５を形成する。
次いで、ＳＯＩ基板２の下面に第７のフォトレジスト膜を形成する。続いて、第６のフォトマスクを用いて第７のフォトレジスト膜を露光する。第６のフォトマスクは、基台部５に対応する遮光パターンを有する。
その後、第７のフォトレジスト膜を現像し、基台部５に対応する第６のエッチングマスクを形成する。

次いで、図１５に示すように、第６のエッチングマスクを介して、ＳＯＩ基板２のシリコン支持層２ａ及びシリコン酸化膜層２ｂを順にエッチングする。これにより、ＳＯＩ基板２のシリコン支持層２ａ及びシリコン酸化膜層２ｂが基台部５の形状にパターニングされるとともに、基台部５において片持ち支持されたカンチレバー１０が形成される。このとき、カンチレバー１０の上面には、第６のフォトレジスト膜６５が形成されているため、第１感圧素子２０及び第２感圧素子３０が、ＳＯＩ基板２のシリコン支持層２ａ及びシリコン酸化膜層２ｂのエッチング時にダメージを受けることを防止できる。次いで、第６のエッチングマスクを除去する。

次に、図１６に示すように、第６のフォトレジスト膜６５を除去する。これにより、基台部５においてのみ支持された平板状のカンチレバー１０が形成される。

（湾曲工程）
次に、湾曲工程Ｓ３０を行う。湾曲工程Ｓ３０では、第２感圧素子３０に電圧を印加し、第２レバー部１３を第１レバー部１１の面方向と異なる方向に湾曲させる。
具体的には、まず、検出部４０と各接続電極２６ａ，２６ｂ，３６ａ，３６ｂとを、リード線を介して接続させる。また、姿勢制御部５０と各接続電極３６ａ，３６ｂとを、リード線を介して接続する。

その後、図１７に示すように、姿勢制御部５０により第２感圧素子３０に対して所定電圧を印加し、第２感圧素子３０を第１方向に縮むように変形させる。このとき、平板状のカンチレバー１０の上面に形成された第２感圧素子３０が縮む一方で、平板状のカンチレバー１０は伸縮していないため、カンチレバー１０は第２感圧素子３０が形成されている面側（上側）に向かって反るように湾曲する。これにより、平板状のカンチレバー１０は、第２感圧素子３０が形成された領域において湾曲して湾曲部１５となり、その湾曲部１５よりも自由端側（上側）が平板部１４となる。
以上により、圧力センサ１の製造は終了する。

このように、本実施形態の圧力センサ１は、平板状の第１レバー部１１と、第１レバー部１１の面方向と異なる方向（上下方向）に曲がる第２レバー部１３と、が連接されたカンチレバー１０と、第１レバー部１１に設けられた第１感圧素子２０と、第２レバー部１３に設けられた第２感圧素子３０と、第１感圧素子２０の圧力変化量、及び第２感圧素子３０の圧力変化量をそれぞれ検出する検出部４０と、を備えている。
この構成によれば、圧力センサ１は、第１レバー部１１及び第２レバー部１３に作用する圧力変化を、第１感圧素子２０及び第２感圧素子３０により各別に検出することができる。ここで、圧力センサ１は、第１レバー部１１と第２レバー部１３が異なる方向に延在しているため、複数のカンチレバーを備えていなくても、１つのカンチレバー１０に２方向の圧力を作用させることができる。したがって、複数方向の圧力検出が可能な、小型の圧力センサ１が得られる。

また、第２感圧素子３０が圧電素子であるため、第２感圧素子３０に電圧を印加することで第２感圧素子３０を伸縮させることができる。これにより第２感圧素子３０は、第２レバー部１３を任意の角度に湾曲させることができる。
また、一般に圧力センサは、感圧素子としてピエゾ抵抗を用いる場合、圧力変化を検出するために感圧素子に電流を流し続けるため、消費電力が大きくなる傾向にある。これに対して圧力センサ１は、第２感圧素子３０である圧電素子が圧力変化に反応して電荷または電位差を発生させるため、第２感圧素子３０に電流を流し続ける必要がない。このため、圧力センサ１は、ピエゾ抵抗を用いる従来の圧力センサと比較して、消費電力を低減できる。

また、圧力センサ１は、第２感圧素子３０に電圧を印加して、第２レバー部１３の姿勢を制御する姿勢制御部５０を備えているため、第２レバー部１３の湾曲する角度を適宜変化させることができる。これにより、検出対象の圧力の方向が変化した場合であっても、圧力の方向の変化に対応して、第２レバー部１３（平板部１４）の角度を適宜変化させるとともに、正確に圧力を検出することができる圧力センサ１が得られる。

また、第１感圧素子２０が圧電素子であるため、圧力センサ１は、第１感圧素子２０にピエゾ抵抗を用いる場合に比べて、消費電力を低減することができる。
さらに、本実施形態のように、第１感圧素子２０と第２感圧素子３０とが共に圧電素子である場合には、検出部４０における第１感圧素子２０用の検出回路と第２感圧素子３０用の検出回路を同様に形成することができる。また、第１感圧素子２０と第２感圧素子３０とが共に圧電素子である場合には、第１感圧素子２０と第２感圧素子３０とを同じ製造工程にて形成することができる。したがって、圧力センサ１を低コストで製造できる。

また、第２レバー部１３は、第１レバー部１１の面方向（第１方向及び第２方向を含む方向）と直交するように湾曲しているため、圧力センサ１は、直交する２方向の圧力をより高感度に検出することができる。

また、カンチレバー１０がシリコン材（シリコン活性層２ｃ）により形成されているため、圧力センサ１を従来のＭＥＭＳ製造工程で製造することができる。したがって圧力センサ１を高精度且つ低コストに製造できる。
なお、カンチレバー１０の形成材料はシリコン材に限らず、例えば窒化ケイ素や二酸化ケイ素等のケイ素を含む材料であれば、上記作用効果が得られる。

また、本実施形態の圧力センサ１の製造方法は、第１レバー部１１に第１感圧素子２０を形成する第１感圧素子形成工程Ｓ１１と、第２レバー部１３に第２感圧素子３０を形成するＳ１２と、第２感圧素子３０に電圧を印加して、第２レバー部１３を第１レバー部１１の面方向と異なる方向に湾曲させる湾曲工程Ｓ３０と、を備える。
この方法によれば、湾曲工程Ｓ３０により第２感圧素子３０に電圧を印加して、第２レバー部１３を第１レバー部１１の面方向と異なる方向に湾曲させることができる。したがって、複雑な製造方法を用いることなく、複数方向の圧力検出が可能な、小型の圧力センサを簡単かつ低コストに製造できる。

［第２実施形態］
（圧力センサ）
次に、第２実施形態の圧力センサ１０１について説明する。
図１９は、第２実施形態における圧力センサの斜視図である。なお、図１９においては、検出部４０及び姿勢制御部５０の図示を省略する。
図１に示す第１実施形態では、１つの基台部５が１つのカンチレバー１０を備えていたが、図１９に示す第２実施形態では、１つの基台部１０５が２つのカンチレバー１０を備えている点で異なっている。なお、図１に示す第１実施形態と同様の構成については、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

図１９に示すように、圧力センサ１０１は、矩形枠状の基台部１０５を備えている。基台部１０５は、ＳＯＩ基板２により形成されている。
基台部１０５の上面には、貫通部分に突出するように一対のカンチレバー１０が設けられている。一対のカンチレバー１０は、基台部１０５の隣り合う枠上にそれぞれ配置され、第１レバー部１１の延出方向が互いに直交している。

このように、本実施形態の圧力センサ１０１は、カンチレバー１０を一対有する。
この構成によれば、各カンチレバー１０が２方向の圧力を受けることができるため、圧力センサ１０１が一対のカンチレバー１０を有することで、３方向以上の圧力を受けることが可能となる。特に本実施形態のように、各第２レバー部１３の平板部１４の面方向が各第１レバー部１１の面方向に直交し、且つ各平板部１４の面方向が互いに直交するように配置することで、一対のカンチレバー１０で直交する３方向全ての圧力を検出することが可能となる。

なお、本実施形態では、圧力センサ１０１は、一対のカンチレバー１０を有していたが、３個以上のカンチレバー１０を有する構成であってもよい。圧力センサが３個以上のカンチレバー１０を有することで、より多方向の圧力変化を細かく検出することが可能となる。

［第３実施形態］
（触覚センサ）
次に、第３実施形態の触覚センサ２０１について説明する。
図２０は、第３実施形態における触覚センサの斜視図である。なお、図２０では、わかりやすくするために、封止部７を仮想線（２点鎖線）で示している。

図２０に示すように、触覚センサ２０１は、圧力センサ１と、圧力センサ１の基台部５及びカンチレバー１０を封止する封止部７と、を備える。封止部７は、弾性を有し、例えば柔軟なシリコーン樹脂等が最適である。このとき、カンチレバー１０は、湾曲部１５において第２レバー部１３が湾曲した状態で、封止部７に封止されている。

（触覚センサの製造方法）
次に、第３実施形態の触覚センサ２０１の製造方法について説明する。
第３実施形態の触覚センサ２０１の製造方法は、図６〜１７に示す第１実施形態の圧力センサ１の製造方法における湾曲工程Ｓ３０の後工程として、封止工程を有する。

封止工程では、姿勢制御部５０により第２感圧素子３０に電圧が印加されて湾曲部１５において湾曲したカンチレバー１０（図１７参照）を、液状の封止部７の中に埋設する。次いで、封止部７を硬化させることで、封止部７に弾性を発現させるとともに、湾曲部１５において湾曲したカンチレバー１０の湾曲状態を封止部７により維持させる。その後、姿勢制御部５０と第２感圧素子３０との電気的な接続を解除する。
以上により、触覚センサ２０１の製造は終了する。

このように、本実施形態の触覚センサ２０１は、圧力センサ１と、圧力センサ１を封止する封止部７を備えている。
この構成によれば、検出部４０は、封止部７の表面から封止部７を介して圧力センサ１のカンチレバー１０に作用する力を検出することができる。これにより、触覚センサ２０１は、カンチレバー１０が露出した圧力センサ１と比較して、外力に対する強度が向上する。したがって、高強度を有し、複数方向の圧力検出が可能な触覚センサ２０１が得られる。

なお、本発明は、図面を参照して説明した上述の実施形態に限定されるものではなく、その技術的範囲において様々な変形例が考えられる。
例えば、上記実施形態においては、第１感圧素子２０の第１薄膜圧電体２１、及び第２感圧素子３０の第２薄膜圧電体３１は、ＰＺＴにより形成されているが、これに限定されるものではない。第１薄膜圧電体及び第２薄膜圧電体は、圧電体材料であればよく、例えばＡｌＮ（窒化アルミニウム）等でもよい。また、第１薄膜圧電体及び第２薄膜圧電体は、例えばピエゾ抵抗であってもよく、この場合においても、第１レバー部１１及び第２レバー部１３の撓みを各別に検出することができる。

また、上記実施形態においては、第２レバー部１３の平板部１４は、その面方向が第１レバー部１１の面方向に対して直交するように形成されていたが、これに限定されるものではない。第２レバー部の平板部は、その面方向が第１レバー部の面方向に対して交差する構成であれば、圧力センサは２方向の圧力変化を検出することができる。

また、上記実施形態の圧力センサ１の製造方法においては、第１感圧素子形成工程Ｓ１１と第２感圧素子形成工程Ｓ１２とを同時に行ったが、これに限定されず、各工程Ｓ１１，Ｓ１２を各別に行ってもよい。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能である。

１，１０１…圧力センサ ７…封止部 １０…カンチレバー １１…第１レバー部 １３…第２レバー部 ２０…第１感圧素子 ３０…第２感圧素子 ４０…検出部 ５０…姿勢制御部 ２０１…触覚センサ

Claims (12)

1. 平板状の第１レバー部と、前記第１レバー部の面方向と異なる方向に曲がる第２レバー部と、が連接されたカンチレバーと、
   前記第１レバー部に設けられた第１感圧素子と、
   前記第２レバー部に設けられた第２感圧素子と、
   前記第１感圧素子の圧力変化量、及び前記第２感圧素子の圧力変化量をそれぞれ検出する検出部と、を備え、
   前記第２感圧素子は、圧電素子であり、
   前記第２感圧素子に電圧を印加して、前記第２レバー部の姿勢を制御する姿勢制御部を備える、
   ことを特徴とする圧力センサ。
2. 前記第１感圧素子は、圧電素子である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
3. 前記第２レバー部は、少なくとも一部が前記第１レバー部の前記面方向と直交するように湾曲している、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の圧力センサ。
4. 前記カンチレバーは、ケイ素を含む材料により形成されている、
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の圧力センサ。
5. 前記カンチレバーを複数有する、
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の圧力センサ。
6. 平板状の第１レバー部と、前記第１レバー部の面方向と異なる方向に曲がる第２レバー部と、が連接されたカンチレバーと、
   前記第１レバー部に設けられた第１感圧素子と、
   前記第２レバー部に設けられた第２感圧素子と、
   前記第１感圧素子の圧力変化量、及び前記第２感圧素子の圧力変化量をそれぞれ検出する検出部と、
   を備える圧力センサと、
   前記圧力センサを封止し、前記カンチレバーの湾曲状態を維持させる封止部と、
   を備えることを特徴とする触覚センサ。
7. 前記第２感圧素子は、圧電素子である、
   ことを特徴とする請求項６に記載の触覚センサ。
8. 前記第１感圧素子は、圧電素子である、
   ことを特徴とする請求項６または７のいずれか１項に記載の触覚センサ。
9. 前記第２レバー部は、少なくとも一部が前記第１レバー部の前記面方向と直交するように湾曲している、
   ことを特徴とする請求項６から８のいずれか１項に記載の触覚センサ。
10. 前記カンチレバーは、ケイ素を含む材料により形成されている、
    ことを特徴とする請求項６から９のいずれか１項に記載の触覚センサ。
11. 前記カンチレバーを複数有する、
    ことを特徴とする請求項６から１０のいずれか１項に記載の触覚センサ。
12. 平板状の第１レバー部と、前記第１レバー部の面方向と異なる方向に曲がる第２レバー部と、が連接されたカンチレバーを備えた圧力センサの製造方法であって、
    前記第１レバー部に対応する位置に第１感圧素子を形成する第１感圧素子形成工程と、
    前記第２レバー部に対応する位置に第２感圧素子としての圧電素子を形成する第２感圧素子形成工程と、
    前記第２感圧素子に電圧を印加して、前記第２レバー部を前記第１レバー部の面方向と異なる方向に曲げ、前記カンチレバーの湾曲状態を維持させる曲げ工程と、を備える、
    ことを特徴とする圧力センサの製造方法。

Images