(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に形成した絶縁膜の上部に設けた導電体膜、圧電体膜、導電体膜の多層構造からなる垂直方向の圧力を検出する圧力検出部と、前記半導体基板上に形成した絶縁膜の上部に設けた導電体膜及び圧電体膜と該圧電体膜に形成した２個所以上の凹部に設けられた導電体膜とからなる水平方向の圧力を検出する圧力検出部を有し、且つ前記半導体基板上に設けられた信号増幅器並びに信号演算器を備えていることを特徴とする触覚センサ。
【請求項２】
前記垂直方向の圧力を検出する圧力検出部を構成する圧電体膜と水平方向の圧力を検出する圧力検出部を構成する圧電体膜が、不連続に構成されていることを特徴とする請求項１記載の触覚センサ。
【請求項３】
前記垂直方向の圧力を検出する圧力検出部を構成する圧電体膜と水平方向の圧力を検出する圧力検出部を構成する圧電体膜が、不連続で且つ異なる材質で構成されていることを特徴とする請求項１記載の触覚センサ。
【請求項４】
前記垂直方向の圧力を検出する圧力検出部及び水平方向の圧力を検出する圧力検出部を、一次元又は二次元状に配列したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の触覚センサ。
【請求項５】
前記半導体基板上に形成した垂直方向及び水平方向の圧力を検出する圧力検出部、信号増幅器並びに信号演算器の上部にポリイミド絶縁膜を形成し、前記圧力検出部下の半導体基板を除去して薄膜化したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の触覚センサ。
【請求項６】
前記半導体基板上に温度を検出するセンサを備えていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の触覚センサ。
【請求項７】
前記圧電体膜は、Ｐｂ（ＴｉX Ｚｒ1-X ）Ｏ3 （式中のＸは組成比を表し、0.2 〜1.0 の範囲）の化学組成により規定されるチタン酸ジルコン酸鉛組成を有するもので構成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の触覚センサ。
【請求項８】
前記圧電体膜は、ＰｂY Ｓｒ1-Y （ＴｉX Ｚｒ1-X ）Ｏ3 （式中のＸは組成比を表し、0.2 〜1.0 の範囲、Ｙは組成比を表し、0.85〜1.0 の範囲）の化学組成により規定される圧電体で構成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の触覚センサ。
【請求項９】
前記温度検出センサは、ＢａY Ｓｒ1-Y （ＴｉX Ｚｒ1-X ）Ｏ3 （式中のＸは組成比を表し、0.2 〜1.0 の範囲、Ｙは組成比を表し、0.85〜1.0 の範囲）の化学組成により規定される半導体で構成されていることを特徴とする請求項６記載の触覚センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、医療分野におけるクローズドサージェリー等低侵襲手術やバイオ分野における細胞操作等において、触覚情報を得ることを目的としたマニピュレータ等の対象物と接触する部分に配置される触覚センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、内視鏡や顕微鏡などは、観察するための器具としての機能よりも、観察を行いながら観察対象を操作するといった機能を重視するようになってきている。その現れとして、最近胆嚢摘出手術に硬性鏡が使用されたり、顕微鏡下でのマイクロマニピュレーションによる試料の操作といったことが行われるようになってきており、視覚情報と同時に触覚情報が必要となる。また、医療、人間工学分野における圧力分布観測の必要性が高まり、高性能な触覚圧力分布センサが期待されている。
【０００３】
従来の触覚センサは、導電性ゴムを用いた触覚センサに代表される。この触覚センサは、マトリックス状に配置された導電性ゴムの両端に電圧を加え、外力が加わるとその部分の導電性ゴムが変形しゴムの抵抗値が変化するため、その変化を電流変化として検出することで、触覚の縦方向の弾性係数を検出している。また、物質の硬さ特性の測定方法及び装置としては、対象物の硬さ、柔らかさを求める方法が、例えば特開平３−８１６４１号に開示されている。この方法は、図12に示すような電極101 ，102 をもつ３端子電極構造の薄膜振動子103 を金属板104 に取り付けてなる圧電振動子105 を、図13に示すように、増幅回路、周波数測定器、電圧測定器よりなる計測部で構成される自励振回路に組み込み、対象物との接触有無の時の固有振動数を圧電振動子に取り付けた振動検出用素子により求め、両者の差から対象物の硬さを検出する方法である。また、シリコンのＩＣ化技術を利用した半導体センサとして、半導体基板上に薄肉のダイアフラムを作成し、圧力の変化をダイアフラムの容量変化として検出する方法がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の触覚センサは、触覚を構成する要素の一部である対象物表面と、垂直方向（縦方向）の弾性特性のみ検出するセンサであり、垂直方向以外の圧力検出を行う観点からの考慮がなされていなかった。また、対象物との接触部において、振動ピックアップ用センサを取り付けており、小型化していないため、高密度化や、温度、湿度等の情報を同時に入手するような複合センサへの応用といった観点についても、考慮がなされていなかった。
【０００５】
本発明は、従来の触覚センサにおける上記問題点を解決するためになされたもので、３軸方向からの圧力変化の検出が可能で、且つ複合、小型、集積化に好適な、また信号処理機能を有する高性能の触覚センサを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するため、請求項１記載の発明は、半導体基板上に形成した絶縁膜の上部に設けた導電体膜、圧電体膜、導電体膜の多層構造からなる垂直方向の圧力を検出する圧力検出部と、前記半導体基板上に形成した絶縁膜の上部に設けた導電体膜及び圧電体膜と該圧電体膜に形成した２個所以上の凹部に設けられた導電体膜とからなる水平方向の圧力を検出する圧力検出部を有し、且つ前記半導体基板上に信号増幅器並びに信号演算器を設けて触覚センサを構成するものである。このように構成することにより、垂直方向（Ｚ方向）及び水平方向（Ｘ，Ｙ方向）の圧力の検出ができ、信号処理機能をもつ小型の触覚センサを実現することができる。
【０００７】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の触覚センサにおいて、前記垂直方向の圧力を検出する圧力検出部を構成する圧電体膜と水平方向の圧力を検出する圧力検出部を構成する圧電体膜を、不連続に構成するものである。これにより、垂直方向の圧力を検出する圧力検出部と水平方向の圧力を検出する圧力検出部が独立して構成され、各検出部の相互干渉のない触覚センサを実現することができる。
【０００８】
請求項３記載の発明は、請求項１記載の触覚センサにおいて、前記垂直方向の圧力を検出する圧力検出部を構成する圧電体膜と水平方向の圧力を検出する圧力検出部を構成する圧電体膜を、不連続に且つ異なる材質で構成するものである。これにより、請求項２記載の発明と同様に、相互干渉のない垂直方向圧力検出部と水平方向圧力検出部を備えた触覚センサを実現することができると共に、更に各検出部を構成する圧電体膜に異なる圧電定数をもたせることができ、各方向における圧力に対する感度特性を異ならせた触覚センサを実現することができる。
【０００９】
請求項４記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の触覚センサにおいて、前記垂直方向の圧力を検出する圧力検出部及び水平方向の圧力を検出する圧力検出部を、一次元又は二次元状に配列するものである。これにより、複数の垂直方向圧力検出部及び水平方向圧力検出部から情報が得られるため、圧力分布や摩擦力分布等の触覚情報の検出が容易に得られる。
【００１０】
請求項５記載の発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の触覚センサにおいて、前記半導体基板上に形成した垂直方向及び水平方向の圧力を検出する圧力検出部、信号増幅器並びに信号演算器の上部にポリイミド絶縁膜を形成し、前記圧力検出部下の半導体基板を除去して薄膜化するものである。これにより、触覚センサを構成する圧電体膜を含む圧力検出部が、フレキシブルな部材であるポリイミドにより支持されるので、柔軟性をもち、曲面等への実装が可能となる。
【００１１】
請求項６記載の発明は、請求項１〜５のいずれか１項に記載の触覚センサにおいて、半導体基板上に温度を検出するセンサを備えるものである。これにより、触覚センサ周辺の温度変化を検出することができるので、対象物と触覚センサが接触する前に、センサ近傍の温度変化により対象物に近接しているかどうかが判断でき、接触した後も対象物からの温度変化を検出することができる。
【００１２】
請求項７記載の発明は、請求項１〜６のいずれか１項に記載の触覚センサにおいて、前記圧電体膜を、Ｐｂ（ＴｉX Ｚｒ1-X ）Ｏ3 （式中のＸは組成比を表し、0.2 〜1.0 の範囲）の化学組成により規定されるチタン酸ジルコン酸鉛組成を有するもので構成するものであり、また請求項８記載の発明は、請求項１〜６のいずれか１項に記載の触覚センサにおいて、前記圧電体膜はＰｂY Ｓｒ1-Y （ＴｉX Ｚｒ1-X ）Ｏ3 （式中のＸは組成比を表し、0.2 〜1.0 の範囲、Ｙは組成比を表し、0.85〜1.0 の範囲）の化学組成により規定される圧電体で構成するものである。これにより、良好な特性の圧力検出部を備えた触覚センサを提供することができる。
【００１３】
請求項９記載の発明は、請求項６記載の触覚センサにおいて、前記温度検出センサを、ＢａY Ｓｒ1-Y （ＴｉX Ｚｒ1-X ）Ｏ3 （式中のＸは組成比を表し、0.2 〜1.0 の範囲、Ｙは組成比を表し、0.85〜1.0 の範囲）の化学組成により規定される半導体で構成するものである。これにより、良好な特性の温度検出センサを備えた触覚センサを提供することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次に、実施の形態について説明する。まず、本発明の理解を容易にするために、圧電セラミックを用いた圧力検出回路について、簡単に説明する。図14は、圧力検出の基本回路を示す図であり、圧電セラミックＰ0 ，コンデンサＣ0 ，電界効果トランジスタＦＥＴにより圧力検出部111 が構成されている。電界効果トランジスタＦＥＴをオフにして圧電セラミックＰ0 に分極軸方向の荷重Ｆ（Ｋgf）を印加すると、圧電効果により圧電セラミックＰ0 の表面に電荷Ｑ0 （クーロン）が発生する。発生電荷Ｑ0 は圧電方程式より、圧電定数ｄ33（Ｃ／Ｎ）を用いて次式（１）で与えられる。
Ｑ0 ＝9.8 ｄ33Ｆ  ・・・・・・・（１）
発生電荷Ｑ0 は並列に接続されたコンデンサＣ0 にも蓄積される。コンデンサＣ0 は圧電セラミックＰ0 に比べ容量が十分大きく絶縁抵抗が高いものであり、コンデンサＣ0 の付加により電荷のリークを防止しつつ、発生電荷を適当な値に調整することが可能となっている。
【００１５】
次に、荷重印加のまま電界効果トランジスタＦＥＴをオンにすると、電荷Ｑ0 は抵抗ＲS を通じて放電する。このとき放電電流ＩS ，抵抗ＲS に発生する電圧をＶS とすると、放電した電荷Ｑ1 は次式（２）で与えられる。
Ｑ1 ＝∫ＩS ・ｄｔ＝∫１／ＲS ・ＶS ・ｄｔ  ・・・・・・・・（２）
発生電荷Ｑ0 と放電電荷Ｑ1 は等しいので、上記２つの式より、荷重Ｆは次式（３）で表される。
Ｆ＝∫１／（9.8 ｄ33ＲS ）・ＶS ・ｄｔ  ・・・・・・・・・・（３）
この積分は、図14の演算増幅器112 とコンデンサＣ1 と抵抗Ｒ1 ，Ｒ2 からなる積分回路113 で実現される。
【００１６】
次に、本発明の第１の実施の形態について説明する。この実施の形態は、図１に示すように、半導体基板１上にSiＯ2 からなる絶縁膜２を形成し、該絶縁膜２の上部に底部導電体膜３，圧電体膜４，上部導電体膜５の多層構造からなる垂直方向の圧力を検出する圧力検出部１Ａを形成する。ここで、圧力検出部１Ａは圧電体膜４が圧電定数ｄ33（Ｃ／Ｎ）を有するため、上部導電体膜５に対して垂直方向の圧力Ｆ（Ｋgf）が加えられると、電荷ＱV が、ＱV ＝9.8 ｄ33Ｆの関係により発生されることによって、垂直方向の圧力を電荷に変換することができる。
【００１７】
また前記圧電体膜４には凹部を２個所形成し、その凹部に上部導電体膜６，７を配置し、水平方向の圧力を検出する圧力検出部１Ｂを形成する。ここで、圧力検出部１Ｂは圧電体膜４が圧電定数ｄ11（Ｃ／Ｎ）を有するため、導電体膜６に対して水平方向の圧力Ｆ（Ｋgf）が加えられると、導電体膜６と導電体膜７の間に歪みが生じ、この歪みに対応した電荷Ｑh が、Ｑh ＝9.8 ｄ11Ｆの関係により発生されることにより、水平方向の圧力を電荷に変換することができる。なお、この際、導電体膜７が導電体膜６と同様の形状であると、水平方向の力が両導電体膜に同等に加えられるため、両導電体膜間に歪みを生じさせず、圧力検出ができなくなる。そのため、本実施の形態では、例えば、導電体膜７は圧電体膜４の中に埋め込まれており、水平方向の検出すべき圧力が導電体膜６のみに加えられる構造とし、圧力検出が行えるように構成されている。そして、導電体膜５，６を除いた表面には層間絶縁膜８が形成されている。
【００１８】
なお、上記圧電体膜４は、Ｐｂ（ＴｉX Ｚｒ1-X ）Ｏ3 （式中のＸは組成比を表し、0.2 〜1.0 の範囲）の化学組成により規定されるチタン酸ジルコン酸鉛組成を有する材料か、あるいはＰｂY Ｓｒ1-Y （ＴｉX Ｚｒ1-X ）Ｏ3 （式中のＸは組成比を表し、0.2 〜1.0 の範囲、Ｙは組成比を表し、0.85〜1.0 の範囲）の化学組成により規定される材料で作成する。
【００１９】
更に、半導体基板１上には、圧力検出部１Ａ，１Ｂからの電気信号（電荷ＱV ，Ｑh ）を増幅するために、ＭＯＳ型トランジスタ９に代表される複数のＭＯＳ型トランジスタからなる増幅回路が形成されている。図１において、10はＰウエル領域、11はｎ+ 型ソース・ドレイン領域、12はゲート電極を示している。また、半導体基板１には、増幅回路及び出力信号の演算処理を行う演算処理回路（図示せず）もシリコンプロセス技術により形成されている。なお、これらの増幅回路及び演算処理回路を構成するＭＯＳ型トランジスタ等は配線部を除いて、前記各圧力検出部を形成する前に予め形成しておき、前記各圧力検出部を形成したのち、増幅回路及び演算処理回路を構成するＭＯＳ型トランジスタ等と前記各圧力検出部との間の配線を行って、触覚センサを完成するようにしている。また、前記各圧力検出部において、必要に応じて圧電体膜は分極処理等を行い圧電定数の制御をしてもよい。
【００２０】
図２は、本実施の形態に関する概略的な電気的等価回路である。図２において、21，22は水平方向の圧力検出部で、23は垂直方向の圧力検出部であり、それぞれ図１の圧力検出部１Ｂ，１Ａが対応している。各圧力検出部21，22，23からの出力信号は、ＭＯＳトランジスタで等しく構成された増幅回路24により、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の圧力データとして出力され、またＭＯＳトランジスタで構成された演算処理回路25に入力されて、必要に応じて触覚情報（ベクトル情報など）に変換されて出力するようになっている。
【００２１】
次に、図１に示した第１の実施の形態に係る触覚センサの製造方法の実施例について説明する。半導体基板１にはｐ型Ｓｉ基板を用い、該Ｓｉ基板上を熱酸化し、絶縁膜２としてSiＯ2 を2000オングストローム（200 nm）成膜する。次に、スパッタ法により、2000オングストロームの膜厚でSiＯ2 絶縁膜２上に白金を成膜して、低部導電体膜３を形成する。このあと、基板は酸素雰囲気で700 ℃30分間のプリベーク処理をする。次に、前記低部導電体膜３上に、ゾルーゲル法により圧電体膜４を成膜する。圧電体材料は、酢酸鉛とチタンイソプロポキシド，ジルコニウムイソプロポキシドを、目標のＰＺＴ組成に対応して２−メトキシエタノールに溶解して、ゾルーゲル前駆体溶液を調整する。目標膜組成は、Ｐｂ（Ｚｒ0.4 Ｔｉ0.6 ）Ｏ3 とする。そして、前記前駆体溶液に水と酢酸を所定量加えて溶液の加水分解を行い、加水分解後の溶液を、▲１▼1500rpm ，30秒のスピンコート、▲２▼ホットプレートにて乾燥，180 ℃，５分、▲３▼ＲＴＰベーク，酸素雰囲気，昇温速度125 ℃／秒，650 ℃，30秒間、の手順で形成する。なお、5000オングストロームの膜厚とするために、▲１▼〜▲３▼の工程を５回繰り返す。次に、電気炉内アニール（酸素雰囲気11／分，700 ℃，30分）を行い、圧電体膜を成膜する。
【００２２】
次に、イオンミリングにより、圧電体膜４に凹部を形成する。この際、ミリングによる加工の深さは4000オングストロームとする。次に、スパッタ法により、10000 オングストロームの膜厚で圧電体膜４上に白金を成膜し、酸素雰囲気で700 ℃，30分間のプリベーク処理を行う。次いで、イオンミリングにより上部導電体膜５，６を形成する。更にイオンミリングにより、水平圧力検出部用導電体膜７を形成する。
【００２３】
次に、層間絶縁膜８を成膜する。この成膜には、ＳＯＧを▲１▼スピンコートにて塗布し、以下の条件で乾燥する。▲２▼ホットプレートにて、100 ℃５分，200 ℃５分，280 ℃５分，を順次ベーキングした後、所望の厚みになるまで、▲１▼，▲２▼の工程を繰り返す。その後、電気炉内アニール（酸素雰囲気11／分，400 ℃，30分）を行い、炉内温度を10℃／分昇温し、更に、電気炉内アニール（酸素雰囲気11／分，600 ℃，30分）を行い、炉内温度を10℃／分昇温し、更に、電気炉内アニール（酸素雰囲気11／分，600 ℃，30分）を行う。
【００２４】
層間絶縁膜８の成膜後、ＲＩＥにて加工し、上部導電体膜５，６上の層間絶縁膜８を取り除いて各圧力検出部１Ａ，１Ｂを形成する。そして、これらの各圧力検出部１Ａ，１Ｂを形成する前にＣＭＯＳプロセスで予め形成していた、配線部を除くＭＯＳトランジスタ９を含む増幅回路及び演算処理回路と、前記各圧力検出部１Ａ，１Ｂとの間の配線を行って、触覚センサを完成させる。
【００２５】
次に、第２の実施の形態を図３に基づいて説明する。なお図３において、図１に示した第１の実施の形態と同一又は対応する構成要素には同一符号を付して示し、ＭＯＳトランジスタ部分は図示を省略している。この実施の形態は、図１に示した第１の実施の形態と異なり、垂直方向の圧力を検出する圧力検出部１Ａ及び水平方向の圧力を検出する圧力検出部１Ｂを構成する圧電体膜４ａ，４ｂを不連続な膜で構成するものである。このように構成することにより、水平方向及び垂直方向の各々の圧力検出部１Ａ，１Ｂにおいて、圧電体膜が連続であることによるクロストークを排除することが可能となる。更に、圧電体膜４ａと４ｂを異なる材料を用いて作成することにより、圧電定数を各々の圧力検出部に応じて変えることも可能となる。
【００２６】
次に、上記第２の実施の形態の製造方法の実施例について説明する。半導体基板１はｐ型Ｓｉ基板を用い、該Ｓｉ基板上を熱酸化し、絶縁膜２としてSiＯ2 を2000オングストローム（200 nm）成膜する。次に、スパッタ法により、2000オングストロームの膜厚でSiＯ2 絶縁膜２上に白金を成膜して、低部導電体膜３を形成する。このあと、基板は酸素雰囲気で700 ℃30分間のプリベーク処理をする。次に、前記低部導電体膜３上に、ゾルーゲル法により圧電体膜４ａ，４ｂを形成する圧電体膜を成膜する。圧電体材料は、酢酸鉛とチタンイソプロポキシド，ジルコニウムイソプロポキシドを、目標のＰＺＴ組成に対応して２−メトキシエタノールに溶解して、ゾルーゲル前駆体溶液を調整する。目標膜組成は、Ｐｂ（Ｚｒ0.4 Ｔｉ0.6 ）Ｏ3 とする。そして、前記前駆体溶液に水と酢酸を所定量加えて溶液の加水分解を行い、加水分解後の溶液を、▲１▼1500rpm ，30秒のスピンコート、▲２▼ホットプレートにて乾燥、180 ℃，５分、▲３▼ＲＴＰベーク，酸素雰囲気，昇温速度125 ℃／秒，650 ℃，30秒間、の手順で形成する。なお、5000オングストロームの膜厚とするために、▲１▼〜▲３▼の工程を５回繰り返す。次に、電気炉内アニール（酸素雰囲気11／分，700 ℃，30分）を行い、圧電体膜を成膜する。
【００２７】
次に、イオンミリングにより、圧電体膜４ｂの形成側に凹部を形成する。この際、ミリングによる加工の深さは4000オングストロームとする。次に、スパッタ法により、10000 オングストロームの膜厚で圧電体膜４ａ，４ｂを形成する圧電体膜上に白金を成膜し、酸素雰囲気で700 ℃，30分間のプリベーク処理を行う。次いで、イオンミリングにより上部導電体膜５，６を形成する。更にイオンミリングにより、水平圧力検出部用導電体膜７を形成する。そして、更にイオンミリングにより、圧電体膜４ａ，４ｂ及び低部導電体膜３を加工し、垂直圧力検出部１Ａと水平圧力検出部１Ｂを形成する。
【００２８】
次に、層間絶縁膜８を成膜する。この成膜には、ＳＯＧを▲１▼スピンコートにて塗布し、以下の条件で乾燥する。▲２▼ホットプレートにて、100 ℃５分，200 ℃５分，280 ℃５分，を順次ベーキングした後、所望の厚みになるまで、▲１▼，▲２▼の工程を繰り返す。その後、電気炉内アニール（酸素雰囲気11／分，400 ℃，30分）を行い、炉内温度を10℃／分昇温し、更に、電気炉内アニール（酸素雰囲気11／分，600 ℃，30分）を行い、炉内温度を10℃／分昇温し、更に、電気炉内アニール（酸素雰囲気11／分，600 ℃，30分）を行う。
【００２９】
層間絶縁膜８の成膜後、ＲＩＥにて加工し、上部導電体膜５，６上の層間絶縁膜８を取り除いて各圧力検出部１Ａ，１Ｂを形成する。そして、これらの各圧力検出部１Ａ，１Ｂを形成する前にＣＭＯＳプロセスで予め形成していた、配線部を除くＭＯＳトランジスタ９を含む増幅回路及び演算処理回路と、前記各圧力検出部１Ａ，１Ｂとの間の配線を行って、触覚センサを完成させる。
【００３０】
次に、上記第２の実施の形態の製造方法の他の実施例について説明する。半導体基板１としてはｐ型Ｓｉ基板を用い、該Ｓｉ基板上を熱酸化し、絶縁膜２としてSiＯ2 を2000オングストローム成膜する。次に、スパッタ法により、2000オングストロームの膜厚でSiＯ2 絶縁膜２上に白金を成膜して、低部導電体膜３を形成する。このあと、基板は酸素雰囲気で700 ℃30分間のプリベーク処理をする。次に、前記低部導電体膜３上に、ＭＯＤ法により圧電体膜４ａを成膜する。圧電体材料は、酢酸鉛とチタンイソプロポキシド，ジルコニウムイソプロポキシドを、目標のＰＺＴ組成に対応して２−メトキシエタノールに溶解させ、２−エチルヘキサン酸と反応させたＭＯＤ溶液を調整する。目標膜組成は、Ｐｂ（Ｚｒ0.55Ｔｉ0.45）Ｏ3 とする。そして、前記ＭＯＤ溶液に、２−エチルヘキサン酸ストロンチウムを所定量加えて、目標膜組成Ｐｂ0.9 Ｓｒ0.1 （Ｔｉ0.55Ｚｒ0.45）Ｏ3 の溶液を作成する。この溶液を、▲１▼2500rpm ，30秒のスピンコート、▲２▼ホットプレートにて乾燥、100 ℃，３分、150 ℃，３分、250 ℃，５分、▲３▼ＲＴＰベーク，酸素雰囲気，昇温速度125 ℃／秒，800 ℃，30秒間、の手順で形成する。なお5000オングストロームの膜厚とするために、▲１▼〜▲３▼の工程を５回繰り返す。次に、電気炉内アニール（酸素雰囲気21／分，700 ℃，30分）を行い、圧電体膜を成膜する。
【００３１】
次に、スパッタ法により、10000 オングストロームの膜厚で圧電体膜４ａ上に白金を成膜し、酸素雰囲気で700 ℃30分間のプリベーク処理を行う。次いで、イオンミリングにより上部導電体膜５を形成する。更にイオンミリングにより、圧電体膜４ａ及び底部導電体膜３を加工し、垂直方向圧力検出部１Ａを作成する。
【００３２】
次に水平方向圧力検出部１Ｂに用いる圧電体膜４Ｂをゾルゲル法にて成膜する。圧電体材料は、酢酸鉛とチタンイソプロポキシド，ジルコニウムイソプロポキシドを、目標のＰＺＴ組成に対応して２−メトキシエタノールに溶解して、ゾルーゲル前駆体溶液を調整する。目標膜組成は、Ｐｂ（Ｚｒ0.4 Ｔｉ0.6 ）Ｏ3 とする。次いで、前記前駆体溶液に水と酢酸を所定量加えて溶液の加水分解を行い、加水分解後の溶液を、▲１▼1500rpm ，30秒のスピンコート、▲２▼ホットプレートにて乾燥、180 ℃，５分、▲３▼ＲＴＰベーク，酸素雰囲気，昇温速度125 ℃／秒，650 ℃，30秒間、の手順で形成する。なお5000オングストロームの膜厚とするために、▲１▼〜▲３▼の工程を５回繰り返す。次に、電気炉内アニール（酸素雰囲気11／分，700 ℃，30分）を行い、圧電体膜４ｂを成膜する。次に、スパッタ法により、10000 オングストロームの膜厚で圧電体膜４ｂ上に白金を成膜し、酸素雰囲気で700 ℃30分間のプリベーク処理を行う。次いで、イオンミリングにより上部導電体膜６を形成し、更にイオンミリングにより水平圧力検出部用上部導電体膜７を形成する。更にイオンミリングにより、圧電体膜４ｂ及び底部導電体膜３を加工し、水平方向圧力検出部１Ｂを作成する。この後、同様にして、予め同一基板上に形成されているＭＯＳ型トランジスタからなる増幅回路と演算処理回路と前記各圧力検出部との間の配線を形成して、触覚センサを完成する。
【００３３】
次に、第３の実施の形態を図４に基づいて説明する。この実施の形態は、垂直方向の圧力を検出する圧力検出部１Ａと水平方向の圧力を検出する圧力検出部１Ｂ，１Ｃを備えた触覚センサである。水平方向の圧力を検出すための圧力検出部１Ｂと１Ｃは、互いに180 度異なる方向からの圧力を検出するように配置されている。つまり、圧力検出部１Ｂは図面上において左から右方向への圧力検出をし、圧力検出部１Ｃは図面上において右から左方向への圧力を検出する。各圧力検出部の検出原理については、前述の図１に示した第１の実施の形態の触覚センサと同様である。なお、各々の圧力検出部からの出力は、同一基板上に設けた電荷増幅器により増幅された後、演算器により方向と大きさの情報として出力されるようになっている。
【００３４】
次に、第３の実施の形態の変形例を図５の（Ａ），（Ｂ）に基づいて説明する。この変形例は、図４に示した第３の実施の形態における垂直方向圧力検出部１Ａと水平方向圧力検出部１Ｂ，１Ｃを構成する圧電体膜４ａ，４ｂ，４ｃを、図５の（Ａ），（Ｂ）の上面図及び断面図に示すように、不連続な膜で構成したもので、これにより垂直方向及び水平方向の各圧力検出部１Ａ，１Ｂ，１Ｃにおいて圧電体膜が連続であることによるクロストークを排除することが可能となる。この場合も、圧電体膜４ａ，４ｂ，４ｃとして異なる材料を用いて作成することにより、圧電定数を各圧力検出部に応じて変えることも可能となる。
【００３５】
次に、第４の実施の形態を、図６の（Ａ）の上面図及びそのＸ−Ｘ′線、Ｙ−Ｙ′線に沿った断面を示す図６の（Ｂ），（Ｃ）に基づいて説明する。この実施の形態では垂直方向の圧力を検出するための圧力検出部１Ａと、水平方向の圧力を検出するための圧力検出部１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅを備えた触覚センサである。水平方向の圧力を検出すための圧力検出部１Ｂと１Ｃは、互いに180 度異なる方向からの圧力を検出するように配置されており、また水平方向の圧力を検出すための圧力検出部１Ｄと１Ｅは、互いに180 度異なる方向からの圧力を検出するように配置されている。そして、更に水平圧力検出部１Ｂ，１Ｃと水平圧力検出部１Ｄ，１Ｅとは、互いに90度異なる方向、すなわちＸ軸方向及びＹ軸方向の圧力を検出するように配置されている。
【００３６】
そして、増幅回路により増幅された後、演算処理回路により方向と大きさの情報として出力されるようになっている。図７は図６に示した第４の実施の形態の概略的な等価回路を示す図である。各圧力検出部１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅからの出力信号は、それぞれ増幅回路31を介して演算処理回路32に入力され、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向及びベクトル情報として出力する、三次元情報を扱うことの可能な触覚センサを実現することができる。
【００３７】
次に、第５の実施の形態を図８に基づいて説明する。本実施の形態では、図６に示した第４の実施の形態に示した垂直及び水平方向の圧力を検出する５個の圧力検出部を基本単位として、この基本単位をｍ×ｎのマトリックス状に配置して、触覚センサアレイ41を構成する。そして、触覚センサアレイ41の各基本単位は、同一基板上に形成されたアドレスコントローラ42により制御されるＸデコーダ43及びＹデコーダ44により選択され、その出力信号は増幅回路及び演算処理回路45により処理されて、方向と大きさの情報として出力される。そして、その出力情報は圧力分布情報及び圧力の方向の分布情報としてメモリ回路46内に随時格納される。このように構成することにより、広範囲にわたる三次元の触覚情報を扱うことを可能とする触覚センサを実現することができる。
【００３８】
次に、第６の実施の形態を図９に基づいて説明する。この実施の形態は、図１に示した第１の実施の形態と同様に、半導体基板１上にSiＯ2 絶縁膜２を形成して、その上部に底部導電体膜３，圧電体膜４，上部導電体膜５の多層構造からなる圧力検出部51を構成する。次いで、圧力検出部51を除いたSiＯ2 絶縁膜２を形成した半導体基板１上にポリイミド膜52をスピンオンにより形成し、圧力検出部51の形成されている部分の半導体基板１及びSiＯ2 絶縁膜２を、エッチングにより除去し、薄膜多層構造で形成された圧力検出部51が、柔軟性をもつポリイミド膜52で支持された触覚センサを構成する。なお、上記圧電体膜４は、Ｐｂ（ＴｉX Ｚｒ1-X ）Ｏ3 （式中のＸは組成比を表し、0.2 〜1.0 の範囲）の化学組成により規定されるチタン酸ジルコン酸鉛組成を有する材料か、あるいはＰｂY Ｓｒ1-Y （ＴｉX Ｚｒ1-X ）Ｏ3 （式中のＸは組成比を表し、0.2 〜1.0 の範囲、Ｙは組成比を表し、0.85〜1.0 の範囲）の化学組成により規定される材料で作成する。
【００３９】
このように構成した触覚センサにおいては、圧力検出部の支持体が柔軟性をもつ材料で形成されているので、触覚センサを実装する際に、実装される部位が曲面形状であっても、その形状に沿って実装させることが可能となる。
【００４０】
次に、第７の実施の形態について説明する。この実施の形態は、第１の実施の形態と同様に、半導体基板上に絶縁膜を形成して、その上部に底部導電体膜、圧電体膜、上部導電体膜の多層構造からなる圧力検出部を形成すると同時に、図10に示すように、半導体基板１上に形成したSiＯ2 絶縁膜２上に、下部電極61及び上部電極62で半導体膜63を挟み込むように構成した温度センサ64を形成するものである。なお、上記圧電体膜は、Ｐｂ（ＴｉX Ｚｒ1-X ）Ｏ3 （式中のＸは組成比を表し、0.2 〜1.0 の範囲）の化学組成により規定されるチタン酸ジルコン酸鉛組成を有する材料か、あるいはＰｂY Ｓｒ1-Y （ＴｉX Ｚｒ1-X ）Ｏ3 （式中のＸは組成比を表し、0.2 〜1.0 の範囲、Ｙは組成比を表し、0.85〜1.0 の範囲）の化学組成により規定される材料で作成する。また、上記温度センサを構成する半導体膜としては、ＢｂY Ｓｒ1-Y （ＴｉX Ｚｒ1-X ）Ｏ3 （式中のＸは組成比を表し、0.2 〜1.0 の範囲、Ｙは組成比を表し、0.85〜1.0 の範囲）の化学組成により規定される半導体を用いて作成する。
【００４１】
このように温度センサを備えた触覚センサにおいては、同一基板上に形成した演算処理部において圧力検出信号が検出されているときは勿論、検出されていない場合は温度センサの出力の変化を微分演算し、触覚センサが対象物に対して近接しているか否かを判断する機能をもたせることができる。
【００４２】
次に、この実施の形態の温度センサ部の製造方法の実施例について説明する。この温度センサは、半導体基板１としてｐ型Ｓｉ基板を用い、該基板１上を熱酸化し、SiＯ2 絶縁膜２を2000オングストローム成膜する。次に、スパッタ法により、2000オングストロームの膜厚でSiＯ2 絶縁膜２上に白金を成膜し、下部電極61を形成する。このあと、基板は酸素雰囲気で700 ℃30分間のプリベーク処理を行う。次に、前記下部電極61上に、ＭＯＤ法にて半導体膜63を成膜する。半導体材料としては、酢酸バリウムとチタンイソプロポキシドを目標の組成に対応して２−メトキシエタノールに溶解させ、２−エチルヘキサン酸と反応させたＭＯＤ溶液を調整し、該ＭＯＤ溶液に２−エチルヘキサン酸を所定量加えて、目標膜組成Ｂａ0.8 Ｓｒ0.2 ＴｉＯ3 の溶液を作成する。この溶液を、▲１▼2500rpm ，30秒のスピンコート、▲２▼ホットプレートにて乾燥、100 ℃，３分、150 ℃，３分、250 ℃，３分、▲３▼ＲＴＰベーク，酸素雰囲気，昇温速度125 ℃／秒，800 ℃，30秒間、の手順で半導体膜53を形成する。なお、3000オングストロームの膜厚とするために、▲１▼〜▲３▼の工程を３回繰り返す。次に、電気炉内アニール（酸素雰囲気21／分，700 ℃，30分）を行い、半導体膜63を成膜する。次にイオンミリングで半導体膜53に2000オングストロームの凹部を形成する。次に、スパッタ法により、2000オングストロームの膜厚で半導体膜63上に上部電極用の白金を成膜し、酸素雰囲気で700 ℃30分間のプリベーク処理を行う。次いで、イオンミリングにより上部電極62を形成する。このようにして製造した温度センサは、図11に示すような温度特性を示す。
【００４３】
【発明の効果】
以上実施の形態に基づいて説明したように、請求項１記載の発明によれば、垂直方向及び水平方向の圧力の検出ができ、信号処理をもつ小型の触覚センサを実現することができる。請求項２記載の発明によれば、垂直方向圧力検出部と水平方向圧力検出部の相互干渉の生じない触覚センサを実現することができる。請求項３記載の発明によれば、相互干渉が生ぜず、且つ圧電定数の異なる垂直方向圧力検出部と水平方向圧力検出部とを備えた触覚センサを実現することができる。請求項４記載の発明によれば、圧力分布や摩擦力分布等の触覚情報の検出を容易に行うことが可能となる。請求項５記載の発明によれば、柔軟性をもち曲面等への実装が可能な触覚センサが得られる。請求項６記載の発明によれば、周辺の温度変化を検出することができる触覚センサを実現することができる。請求項７及び８記載の発明によれば、良好な特性の圧力検出部を備えた触覚センサを提供することができ、また請求項９記載の発明によれば、良好な特性の温度検出センサを備えた触覚センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る触覚センサの第１の実施の形態を示す断面図である。
【図２】図１に示した第１の実施の形態の概略等価回路を示す図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態を一部省略して示す断面図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態を一部省略して示す断面図である。
【図５】図４に示した第３の実施の形態の変形例の一部省略して示す上面図及び断面図である。
【図６】本発明の第４の実施の形態の一部省略して示す上面図及び断面図である。
【図７】図６に示した第４の実施の形態の概略等価回路を示す図である。
【図８】本発明の第５の実施の形態を示すブロック構成図である。
【図９】本発明の第６の実施の形態の一部省略して示す断面図である。
【図１０】本発明の第７の実施の形態の一部省略して示す断面図である。
【図１１】図10に示す第７の実施の形態における温度センサの温度特性を示す図である。
【図１２】従来の圧力センサ感圧部の基本構造を示す断面図である。
【図１３】図12に示した圧力センサを用いて対象物の硬さを検出するために用いる単電源自励振回路を示す図である。
【図１４】一般的な圧電セラミックを用いた圧力検出回路を示す回路構成図である。
【符号の説明】
１  半導体基板
２  絶縁膜
３  底部導電体膜
４  圧電体膜
５，６，７  上部導電体膜
８  層間絶縁膜
９  ＭＯＳ型トランジスタ
10  Ｐ型ウエル領域
11  ｎ+ 型ソース・ドレイン領域
12  ゲート電極
１Ａ  垂直方向圧力検出部
１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ  水平方向圧力検出部
21，22，23  圧力検出部
24  増幅回路
25  演算処理回路
31  増幅回路
32  演算処理回路
41  触覚センサアレイ
42  アドレスコントローラ
43  Ｘデコーダ
44  Ｙデコーダ
45  増幅・演算処理回路
46  メモリ回路
51  圧力検出部
52  ポリイミド膜
61  下部電極
62  上部電極
63  半導体膜
64  温度センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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