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
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Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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]
(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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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除去する。
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除去する。
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。
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。
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。
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。
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。
以上により、圧力センサ1の製造は終了する。
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、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。
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。
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。
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。
(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。
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。
(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。
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。
以上により、触覚センサ201の製造は終了する。
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。
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。
Claims (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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。
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