(57)【要約】【課題】半導体集積回路を一体集積化した感圧素子の寸法をより小さくすることができ、空間分解能を高めることができる感圧センサ装置および感圧センサ装置の製造方法を提供する。【解決手段】フレキシブル配線基板１１と、それぞれ半導体集積回路２１が一体的に集積化された複数の感圧素子１２とを有している。各感圧素子１２は、フレキシブル配線基板１１の一方の表面１１ｂ側に取り付けられて、フレキシブル配線基板１１の配線に電気的に接続されている。各感圧素子１２の取付位置に対応するフレキシブル配線基板１１の他方の表面１１ｃに加えられた圧力を、フレキシブル配線基板１１を介して対応する感圧素子１２により検出可能に構成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
フレキシブル配線基板と、
それぞれ半導体集積回路が一体的に集積化され、前記フレキシブル配線基板の一方の表面側に取り付けられて、前記フレキシブル配線基板の配線に電気的に接続された複数の感圧素子とを有し、
各感圧素子の取付位置に対応する前記フレキシブル配線基板の他方の表面に加えられた圧力を、前記フレキシブル配線基板を介して対応する感圧素子により検出可能に構成されていることを
特徴とする感圧センサ装置。
【請求項２】
各感圧素子は、それぞれ半導体集積回路が一体的に集積化された平行平板型の静電容量型センサから成ることを特徴とする請求項１記載の感圧センサ装置。
【請求項３】
前記半導体集積回路は、各感圧素子の感圧部から出力されたデータを圧縮処理可能に構成されていることを特徴とする請求項１または２記載の感圧センサ装置。
【請求項４】
前記フレキシブル配線基板は、少なくとも２つの層に配線を有する多層基板から成ることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の感圧センサ装置。
【請求項５】
各感圧素子の取付位置に対応する前記フレキシブル配線基板の他方の表面にそれぞれ設けられた複数の突起を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の感圧センサ装置。
【請求項６】
それぞれ各感圧素子の感圧部に接触し、前記フレキシブル配線基板を貫通して前記フレキシブル配線基板の他方の表面側に突出するよう設けられた複数の突起を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の感圧センサ装置。
【請求項７】
各突起に圧力が加えられたときの各突起の変位量と対応する感圧素子の感圧部の変位量との比が、０．２乃至５であることを特徴とする請求項５または６記載の感圧センサ装置。
【請求項８】
各突起はドーム状を成していることを特徴とする請求項５乃至７のいずれか１項に記載の感圧センサ装置。
【請求項９】
各感圧素子の感圧部と前記フレキシブル配線基板の一方の表面との間に、前記フレキシブル配線基板の他方の表面に加えられた圧力による前記フレキシブル配線基板の変位を、各感圧素子の感圧部に伝達可能に設けられた伝達部材を有することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の感圧センサ装置。
【請求項１０】
各感圧素子の感圧部以外の部分と前記フレキシブル配線基板の一方の表面との隙間に、ヤング率が１００ＭＰａ以下の樹脂製の充填材を有することを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の感圧センサ装置。
【請求項１１】
それぞれ半導体集積回路が一体的に集積化された複数の感圧素子を、フレキシブル配線基板の一方の表面側に、前記フレキシブル配線基板の配線に電気的に接続するよう取り付けるとともに、それぞれの取付位置に対応する前記フレキシブル配線基板の他方の表面に加えられた圧力を、前記フレキシブル配線基板を介して検出可能に取り付けることを特徴とする感圧センサ装置の製造方法。
【請求項１２】
各感圧素子を、金属を中間体とする接合法により、前記フレキシブル配線基板の配線に電気的に接続するよう取り付けることを特徴とする請求項１１記載の感圧センサ装置の製造方法。
【請求項１３】
各感圧素子を、熱圧着接合法またはＴＬＰ接合法を利用して、前記フレキシブル配線基板の配線に電気的に接続することを特徴とする請求項１２記載の感圧センサ装置の製造方法。
【請求項１４】
各感圧素子を前記フレキシブル配線基板に取り付けたとき、前記フレキシブル配線基板の一方の表面に接触して、前記フレキシブル配線基板の他方の表面に加えられた圧力による前記フレキシブル配線基板の変位を、各感圧素子の感圧部に伝達可能に、あらかじめ各感圧素子の感圧部に伝達部材を取り付けておくことを特徴とする請求項１１乃至１３のいずれか１項に記載の感圧センサ装置の製造方法。
【請求項１５】
各感圧素子を前記フレキシブル配線基板に取り付けた後、各感圧素子の感圧部以外の部分と前記フレキシブル配線基板の一方の表面との隙間に、ヤング率が１００ＭＰａ以下の樹脂製の充填材を充填することを特徴とする請求項１１乃至１４のいずれか１項に記載の感圧センサ装置の製造方法。
【請求項１６】
各感圧素子を前記フレキシブル配線基板に取り付けたとき、各感圧素子と前記フレキシブル配線基板の一方の表面との間の空間を、各感圧素子の感圧部を含む第１の空間とそれ以外の第２の空間とに仕切る仕切枠を、あらかじめ各感圧素子に取り付けておき、
各感圧素子を前記フレキシブル配線基板に取り付けた後、前記第２の空間に前記充填材を充填することを
特徴とする請求項１５記載の感圧センサ装置の製造方法。
【請求項１７】
各感圧素子を前記フレキシブル配線基板にフリップチップ実装することを特徴とする請求項１１乃至１６のいずれか１項に記載の感圧センサ装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、感圧センサ装置および感圧センサ装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
介護ロボットや看護ロボットなど、ヒトとの共存が求められる生活支援ロボットの体表面には、操作性、安全確保、およびコミュニケーションのために、リアルタイムでセンシングが可能な高感度触覚センサを高密度で実装する必要がある。また、義手や義足がヒトと同等の触覚を持つためには、同様に高感度、高密度、高時間応答の触覚センサネットワークが必要である。更には、次世代スマートフォンのヒューマンインターフェス、あるいは少量多品種に対応する超精密組立作業を行うロボットアームにも、同等の高機能触覚センサネットワークが要求される。【０００３】
従来、ロボットの胴体、腕、手、指、あるいは義手や義足など複雑な形状をした対象に、高密度で触覚センサを実装するための技術として、曲面に巻きつけることができる柔らかいフレキシブル基板上に複数の感圧素子を実装し、その上を弾性シート部材で覆ったもの（例えば、特許文献１参照）や、２枚の可撓性シート部材の間に複数のひずみゲージを挟み、一方のシート部材から他方のシート部材に向かって複数の突起が形成されたシート積層体から成るもの（例えば、特許文献２参照）が提案されている。しかし、このような、フレキシブル基板上に圧力に応じて出力が変化する感圧素子を２次元配置した触覚センサアレイから、制御部がホストとなって触覚情報を逐次取り出す方式は、センサ数の増加に伴ってサンプリング間隔が長くなり、応答速度が低下してしまうという問題があった。【０００４】
そこで、この問題を解決するために、柔らかい高分子フィルム上に格子状に配置した圧力センサと、それぞれのセンサに対応する柔らかい有機ＴＦＴ駆動回路とから成るアクティブマトリックス方式の触覚センサアレイが提案され、２次元触覚計測の高速化が図られている（例えば、非特許文献１参照）。しかし、有機ＴＦＴにはＡＤ変換を行うための演算性能が無いため、十分な高速化が達成できていない。【０００５】
また、フレキシブル配線基板に圧電式の圧力感知センサとＡ／Ｄ変換器とが搭載され、双方がフレキシブル配線基板を介して配線接続される方式も提案されている（例えば、特許文献３参照）。しかし、感圧センサとＡ／Ｄ変換器が物理的に離れていることに起因する配線経由のノイズが避けられないことや、両者を結ぶ配線本数の制限からデータ処理の高速化に限界があることから、数１００個以上のセンサの実装とリアルタイム（時定数〜ミリ秒）の時間分解能とが両立するセンサネットワークの構築は困難であった。更に、センサとＡ／Ｄ変換器とを同時に実装するため、スペースが消費されてロボットへの高密度実装を行うことも困難であった。【０００６】
そこで、センサ数と時間分解能とのトレードオフの関係を打開するために、触覚センサと高性能データ処理用の高性能半導体集積回路（ＬＳＩ）とを一体集積化して、閾値を超える触覚を得た時のみ信号を送る機能（イベントドリブン）や、順応に応じてデータを間引きする動作など、ヒトの触覚を模擬することでデータ量を大幅に圧縮し、非同期バス通信により省配線通信を実現する触覚センサネットワークシステムが提案されている（例えば、特許文献４参照）。このシステムでは、感圧センサに半導体集積回路を一体集積化することにより、触覚信号を減衰なく圧縮処理することができ、また感圧センサと半導体集積回路とを別々に配線した場合の問題である配線経由のノイズを最小限に抑制することができる。さらに、ミリ秒以下の時間分解能を持つ数１００個以上のセンサをロボットに実装することができるとともに、センサネットワークの小型化および高密度実装も容易に達成することができる。【０００７】
半導体集積回路を一体集積化した感圧センサをフレキシブル配線基板に電気的に接続する方法として、従来、半導体集積回路を一体集積化した容量型感圧センサの感圧部（圧力に応じて変位し、その変位量を電気的信号に変換する部位）で取得した圧力アナログ信号を、感圧部の直下の半導体集積回路に伝送してデジタル変換および圧縮処理を行い、圧縮信号を半導体集積回路に設けたＶ字溝の側面配線を介して半導体集積回路の裏面に転送し、半導体集積回路の裏面と電気的に接続されたフレキシブル配線基板に信号を出力する方法（例えば、特許文献５参照）や、半導体集積回路を薄膜加工して感圧部を兼ねる構成にし、感圧部で取得した圧力アナログ信号を直接デジタル変換および圧縮処理し、半導体集積回路と接合したＬＴＣＣ（低温焼成積層セラミック）基板の基板貫通配線を介してフレキシブル配線基板に配線を取り出す方法（例えば、特許文献６参照）が提案されている。【０００８】
これらの方法のうち貫通配線を利用するものは、例えば、図７に示すように、半導体集積回路５１を一体集積化した容量型感圧センサ５２が、その感圧部５３を外側に向けてフレキシブル配線基板５４の表面に実装されており、感圧部５３で取得した信号を感圧部５３とは反対側の面に伝えるよう設けられた貫通配線５５と、その貫通配線５５をフレキシブル配線基板５４に電気的に接続するよう設けられた接合バンプ５６とを有する構成を成している。なお、感圧部５３は、めっきリングバンプ５７により半導体集積回路５１と電気的に接続されている。ここで、フレキシブル配線基板とは、３次元形状を有するロボットに実装するために、基体が可撓性を有すると同時に、電気的配線である金属薄膜も折れ曲がり構造（ミアンダ構造）などの可撓性を有する構成の基板である（以下同じ）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００７−１０３８３号公報
【特許文献２】特開２０１６−１５１５３１号公報
【特許文献３】特開２０１３−１７８２４１号公報
【特許文献４】特開２０１２−８１５５４号公報
【特許文献５】特開２０１３−２１１３６５号公報
【特許文献６】特開２０１５−８７１３１号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】T. Sekitani et al., “Stretchable, Large-area Organic Electronics”, Adv. Mater., 2010, vol.22, p.2228-2246
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、特許文献５や６に記載の、半導体集積回路を一体集積化した感圧素子とフレキシブル配線基板との電気的接続方法やそれを実現する構造では、半導体集積回路に側面配線を設けたり、半導体集積回路と接合したＬＴＣＣ基板に貫通配線を設けたりするためのスペースが必要であり、半導体集積回路を一体集積化した感圧素子の寸法を小さくするのに限界があるという課題があった。また、これにより、感圧素子の集積度にも限界が生じるため、空間分解能を高めるのが困難であるという課題もあった。【００１２】
本発明は、このような課題に着目してなされたもので、半導体集積回路を一体集積化した感圧素子の寸法をより小さくすることができ、空間分解能を高めることができる感圧センサ装置および感圧センサ装置の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するために、本発明に係る感圧センサ装置は、フレキシブル配線基板と、それぞれ半導体集積回路が一体的に集積化され、前記フレキシブル配線基板の一方の表面側に取り付けられて、前記フレキシブル配線基板の配線に電気的に接続された複数の感圧素子とを有し、各感圧素子の取付位置に対応する前記フレキシブル配線基板の他方の表面に加えられた圧力を、前記フレキシブル配線基板を介して対応する感圧素子により検出可能に構成されていることを特徴とする。【００１４】
本発明に係る感圧センサ装置は、フレキシブル配線基板の他方の表面に加えられた圧力を、フレキシブル配線基板を介して、フレキシブル配線基板の一方の表面側に取り付けられた各感圧素子で検出するため、各感圧素子のフレキシブル配線基板側で検出した信号を、各感圧素子のフレキシブル配線基板とは反対側の面まで伝えることなく、フレキシブル配線基板の配線に伝えることができる。このため、図７に示す貫通配線５５や側面配線が不要であり、貫通配線や側面配線のためのスペースを無くして、半導体集積回路を一体集積化した感圧素子の寸法をより小さくすることができる。また、これにより、感圧素子をより密に実装することができ、空間分解能を高めることができる。【００１５】
本発明に係る感圧センサ装置は、加えられる圧力に対して各感圧素子がフレキシブル配線基板で覆われているため、過大な応力が加えられても、各感圧素子の損傷を防ぐことができる。【００１６】
本発明に係る感圧センサ装置は、フレキシブル配線基板を介しての圧力の検出精度を高めるために、各感圧素子の感圧部をフレキシブル配線基板に向けた状態で、各感圧素子がフレキシブル配線基板に取り付けられていることが好ましい。また、各感圧素子は、それぞれ半導体集積回路が一体的に集積化された平行平板型の静電容量型センサから成ることが好ましいが、ピエゾ抵抗を用いた歪ゲージ型など他の感圧センサから成っていてもよい。平行平板型の容量型センサから成る場合、各感圧素子の感圧部がダイアフラムから成り、ダイアフラムがフレキシブル配線基板の一方の表面に対向するよう取り付けられていることが好ましい。このような配置では、感圧センサ装置に与えられた圧力は主に感圧部の変位に作用する一方で、感圧素子の基板剛性が高いために、感圧センサ装置の取り付け支持部からの反力による感圧部変位は比較的に少ない。【００１７】
本発明に係る感圧センサ装置で、フレキシブル配線基板は、従来の要求項目である曲面への実装のための基体および配線の可撓性や繰り返し収縮時の耐久性だけではなく、他方の表面に受けた圧力を一方の表面側に伝えるときの圧力損失を最小にするための力学的物性も必要となる。すなわち、例えば、接触圧Ｐに応じた各感圧素子の感圧部の変位量をａとしたとき、フレキシブル配線基板の基体の厚さをｌ、ヤング率をＥｆとすると、フレキシブル配線基板の基体に同じ接触圧Ｐが印加された場合のフレキシブル配線基板の変位量ｂは、フックの法則から、
ｂ＝Ｐ×ｌ／Ｅｆ                                        （１）
となる。【００１８】
ｂがａより十分に大きい場合、接触圧の大部分はフレキシブル配線基板の基体のひずみに消費されるため、感圧部の変位量は制限され、感度は悪くなる。したがって、感圧素子の感圧部の変位量ａは、フレキシブル配線基板の基体の変位量ｂの５０％以上となることが好ましく、２倍以上であることが特に好ましい。【００１９】
感圧部が円盤状のダイアフラム構造である場合、その変位量ａは、
ａ＝３（１−νｄ２）Ｐｔ４／８Ｅｄｈ３                      （２）
となる。ここで、ｔ、ｈはそれぞれダイアフラムの半径および厚さ、Ｅｄ、νｄはそれぞれダイアフラムを構成する材料のヤング率およびポワソン比である。したがって、フレキシブル配線基板の基体のヤング率Ｅｆは、
Ｅｆ＞１６Ｅｄｈ３ｌ／｛３（１−νｄ２）ｔ４｝                （３）
であることが好ましい。【００２０】
一方、フレキシブル配線基板の基体が固すぎると、印加された接触圧の大部分はフレキシブル配線基板の撓みに消費されるため、やはり感圧部の変位量は制限され、感度は悪くなる。感圧部が円盤状のダイアフラム構造であり、フレキシブル配線基板の基体が固く、ひずみが無視でき、感圧部に沿って撓む場合、その変位量ｂは、
ｂ＝３（１−νｆ２）Ｐｔ４／８Ｅｆｌ３                      （４）
となる。ここで、νｆはフレキシブル配線基板の基体のポワソン比である。したがって、フレキシブル配線基板の基体のヤング率Ｅは、
Ｅｆ＜２Ｅｄ（１−νｆ２）ｈ３／｛（１−νｄ２）ｌ３｝          （５）
であることが好ましい。【００２１】
ダイアフラムがシリコン製で、半径ｔが２００μｍ、厚さｈが１０μｍ、ヤング率Ｅｄが１３０ＧＰａ、ポワソン比νｄが０．１８であり、フレキシブル配線基板の基体の厚さｌが２５μｍ、ポワソン比νｆが０．２とすると、フレキシブル配線基板の基体のヤング率Ｅｆは１０ＭＰａから１６ＧＰａの範囲に限定される。この場合、フレキシブル配線基板の基体として、ヤング率が約５ＧＰａのポリイミドフィルムや、ヤング率が約１ＧＰａのＰＥＴフィルムは使用できるが、金属フィルムは固すぎ、シリコン樹脂フィルムは柔らかすぎる。耐熱性と強度とを考慮すると、上記の条件の場合、本発明に係る感圧センサ装置のフレキシブル配線基板の基体としてポリイミドが特に適している。【００２２】
このように、本発明に係る感圧センサ装置は、フレキシブル配線基板のヤング率と厚さとを最適化して、外部からの圧力に対する各感圧素子の感圧部の変位量とフレキシブル配線基板の変位量とをできるだけ近づけることにより、外部からの圧力がフレキシブル配線基板を通過したときの圧力損失を小さくして感圧部に伝えることができる。【００２３】
本発明に係る感圧センサ装置で、前記半導体集積回路は、各感圧素子の感圧部から出力されたデータを圧縮処理可能に構成されていることが好ましい。この場合、時間分解能を高めることができ、感圧素子の数が増えても高速応答が可能となる。これにより、時間分解能が高い状態で、各感圧素子を高密度で実装することができる。また、圧縮処理により、各感圧素子の感圧部から出力されたデータを、減衰させることなく利用することができる。半導体集積回路は、例えば、閾値を超える触覚を得た時のみ信号を送る機能（イベントドリブン）や、データの間引きなどにより、データを圧縮処理可能であることが好ましい。【００２４】
本発明に係る感圧センサ装置で、フレキシブル配線基板は、単層（片面）配線でも良いが、配線設計の自由度が増すために、両面配線や、少なくとも２つの層に配線を有する多層基板であることが好ましい。なお、多層基板は、ビルドアップ基板技術を用いて製造することができる。【００２５】
本発明に係る感圧センサ装置は、加えられた圧力を効率よく検出し、さらに各感圧素子の破損を防止するために、各感圧素子の取付位置に対応する前記フレキシブル配線基板の他方の表面にそれぞれ設けられた複数の突起を有していてもよい。各突起は、柔らかすぎると、加えられた圧力が減衰して感圧部まで伝わらず、硬すぎても、加えられた圧力が感圧部の周囲にかかり感圧部に伝わらないため、適切な硬さと形状（構造や厚さ）を有する必要がある。効率よく圧力を伝えるために、各突起に圧力が加えられたときの各突起の変位量と対応する感圧素子の感圧部の変位量との比が、０．２乃至５、好ましくは０．５乃至２であることが好ましい。また、各突起は、円筒状、円錐台状、ドーム状など、いかなる形状であってもよいが、圧力の応答範囲が広くなるためドーム状であることが特に好ましい。なお、各突起の寸法が各感圧素子の感圧部の寸法よりも小さい場合には、各突起を金属などの硬い材料で構成しても、感圧部の変形を確保することができる。【００２６】
本発明に係る感圧センサ装置は、それぞれ各感圧素子の感圧部に接触し、フレキシブル配線基板を貫通してフレキシブル配線基板の他方の表面側に突出するよう設けられた複数の突起を有していてもよい。この場合にも、各突起に加えられた圧力を効率よく感圧部まで伝達し、検出することができる。【００２７】
本発明に係る感圧センサ装置は、各感圧素子の感圧部と前記フレキシブル配線基板の一方の表面との間に、前記フレキシブル配線基板の他方の表面に加えられた圧力による前記フレキシブル配線基板の変位を、各感圧素子の感圧部に伝達可能に設けられた伝達部材を有することが好ましい。この場合、伝達部材により、フレキシブル配線基板と各感圧素子の感圧部との間の圧力損失を抑制することができる。【００２８】
本発明に係る感圧センサ装置は、各感圧素子の感圧部以外の部分と前記フレキシブル配線基板の一方の表面との隙間に、ヤング率が１００ＭＰａ以下、好ましくは１０ＭＰａ以下の樹脂製の充填材を有していてもよい。この場合、充填材により、フレキシブル配線基板と各感圧素子との間の接着力を向上させるとともに、異物の混入を防止することができ、信頼性を確保することができる。充填材のヤング率が１００ＭＰａまたは１０ＭＰａ以下と小さいため、フレキシブル配線基板に加えられた圧力を感圧部に適切に伝えることができる。【００２９】
本発明に係る感圧センサ装置は、フレキシブル配線基板や各感圧素子が傷つくのを防ぐために、フレキシブル配線基板の他方の表面が、樹脂製の保護シートで覆われていてもよい。保護シートは、シリコン樹脂などヤング率が低い材料から成ることが好ましい。また、突起を有する場合には、保護シートの突起の上部を覆う部分が相対的に薄く形成されていることが好ましい。これにより、保護シートを介して加えられる圧力が、突起に選択的にかかるため、適切な圧力検出を行うことができる。【００３０】
本発明に係る感圧センサ装置の製造方法は、それぞれ半導体集積回路が一体的に集積化された複数の感圧素子を、フレキシブル配線基板の一方の表面側に、前記フレキシブル配線基板の配線に電気的に接続するよう取り付けるとともに、それぞれの取付位置に対応する前記フレキシブル配線基板の他方の表面に加えられた圧力を、前記フレキシブル配線基板を介して検出可能に取り付けることを特徴とする。【００３１】
本発明に係る感圧センサ装置の製造方法は、本発明に係る感圧センサ装置を好適に製造することができる。本発明に係る感圧センサ装置の製造方法は、半導体集積回路（ＬＳＩ）を一体集積化した各感圧素子に貫通配線や側面配線を設ける必要がないため、貫通配線や側面配線のためのスペースが無い、より小さい寸法の各感圧素子を用いることができる。このため、感圧素子をより密に実装することができ、空間分解能が高い感圧センサ装置を製造することができる。【００３２】
本発明に係る感圧センサ装置の製造方法は、各感圧素子を、金属を中間体とする接合法により、前記フレキシブル配線基板の配線に電気的に接続するよう取り付けることが好ましい。この場合、電気的接続を行いながら、フレキシブル配線基板の基体に熱損傷を与えない比較的低い温度で強固に接合することができる。接合法としては、金や銅などの比較的柔らかい金属を加熱下で圧着する熱圧着接合法や、スズと銅など、低融点金属と高融点金属とを低融点金属の融点以下で接合した後、高融点の金属間化合物を形成して強固な接合を行うＴＬＰ接合法（Transient liquid phase bonding)、低融点金属を接合材料として用いるハンダ接合法、金とスズあるいはゲルマニウムとアルミなどが形成する共晶を利用する共晶接合法などを適応することができる。【００３３】
なお、各感圧素子の接合面に段差があるときには、接合される金属が融解するハンダ接合法やＴＬＰ接合法を用いることが好ましい。この場合、融解金属で段差を平坦化することができる。また、熱圧着接合法を用いる場合でも、めっき法で高いバンプを形成した後、ダイアモンドバイトなどで表面を切削して平坦化する、あるいは化学機械研磨（ＣＭＰ）法で表面を平坦化することにより、接合面に段差があっても強固な封止接合を行うことができる。【００３４】
本発明に係る感圧センサ装置の製造方法は、各感圧素子を前記フレキシブル配線基板に取り付けたとき、前記フレキシブル配線基板の一方の表面に接触して、前記フレキシブル配線基板の他方の表面に加えられた圧力による前記フレキシブル配線基板の変位を、各感圧素子の感圧部に伝達可能に、あらかじめ各感圧素子の感圧部に伝達部材を取り付けておくことが好ましい。この場合、伝達部材により、フレキシブル配線基板と各感圧素子の感圧部との間の圧力損失を抑制することができる。【００３５】
本発明に係る感圧センサ装置の製造方法は、各感圧素子を前記フレキシブル配線基板に取り付けた後、各感圧素子の感圧部以外の部分と前記フレキシブル配線基板の一方の表面との隙間に、ヤング率が１００ＭＰａ以下、好ましくは１０ＭＰａ以下の樹脂製の充填材（アンダーフィル樹脂）を充填してもよい。この場合、充填材により、フレキシブル配線基板と各感圧素子との間の接着力を向上させるとともに、異物の混入を防止することができ、信頼性を確保することができる。充填材のヤング率が１００ＭＰａまたは１０ＭＰａ以下と小さいため、フレキシブル配線基板に加えられた圧力を感圧部に適切に伝えることができる。【００３６】
また、この場合、充填材に気泡が混入し、感圧部の近傍に気泡が残ると、加えられた圧力を正確に検出することができない。そこで、充填材が感圧部の近傍に浸透するのを防止するよう、本発明に係る感圧センサ装置の製造方法は、各感圧素子を前記フレキシブル配線基板に取り付けたとき、各感圧素子と前記フレキシブル配線基板の一方の表面との間の空間を、各感圧素子の感圧部を含む第１の空間とそれ以外の第２の空間とに仕切る仕切枠を、あらかじめ各感圧素子に取り付けておき、各感圧素子を前記フレキシブル配線基板に取り付けた後、前記第２の空間に前記充填材を充填することが好ましい。【００３７】
本発明に係る感圧センサ装置の製造方法は、各感圧素子を前記フレキシブル配線基板にフリップチップ実装することが好ましい。この場合、市販のフリップチップボンダーを用いて、各感圧素子を容易に実装することができる。
【発明の効果】
【００３８】
本発明によれば、半導体集積回路を一体集積化した感圧素子の寸法をより小さくすることができ、空間分解能を高めることができる感圧センサ装置および感圧センサ装置の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施の形態の感圧センサ装置を示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態の感圧センサ装置の、突起を有する変形例を示す断面図である。
【図３】本発明の実施の形態の感圧センサ装置の、芯材およびカバー材から成る突起を有する変形例を示す断面図である。
【図４】本発明の実施の形態の感圧センサ装置の、（ａ）突起および充填材を有する変形例、（ｂ）さらに仕切枠を有する変形例を示す断面図である。
【図５】本発明の実施の形態の感圧センサ装置の製造方法を示す、（ａ）〜（ｈ）断面図、（ｉ）  （ｂ）の工程での平面図である。
【図６】図５に示す本発明の実施の形態の感圧センサ装置の製造方法から、さらに突起を形成する工程を示す断面図である。
【図７】従来の、半導体集積回路を一体集積化した容量型感圧センサを、貫通配線を利用してフレキシブル配線基板に電気的に接続する方法を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態について説明する。
図１乃至図６は、本発明の実施の形態の感圧センサ装置および感圧センサ装置の製造方法を示している。
図１に示すように、感圧センサ装置１０は、フレキシブル配線基板１１と複数の感圧素子１２と伝達部材１３とを有している。
【００４１】
フレキシブル配線基板１１は、基体がポリイミドフィルムから成り、表面に金層による配線１１ａが形成されている。フレキシブル配線基板１１は、基体が可撓性を有すると同時に、配線１１ａを成す金層も可撓性を有している。
【００４２】
各感圧素子１２は、それぞれ半導体集積回路（ＬＳＩ）２１が一体的に集積化されており、半導体集積回路２１の表面に設けられた電極２１ａと、ダイアフラムから成る感圧部２２とにより構成された平行平板型の容量型センサから成っている。半導体集積回路２１は、各感圧素子１２の感圧部２２から出力されたデータを圧縮処理可能に構成されている。半導体集積回路２１は、めっきバンプ２３により感圧部２２の周縁部に電気的に接続されている。半導体集積回路２１は、例えば、閾値を超える触覚を得た時のみ信号を送る機能（イベントドリブン）や、データの間引きなどにより、データを圧縮処理可能になっている。
【００４３】
また、各感圧素子１２は、めっきバンプ２３の内側で感圧部２２をリング状に取り囲み、半導体集積回路２１と感圧部２２とを機械的および電気的に接続するよう設けられたリングバンプ２４を有している。リングバンプ２４は、半導体集積回路２１とともに、感圧部２２を気密的に取り囲んでいる。各感圧素子１２は、感圧部２２のダイアフラムの変形による静電容量の変化を、リングバンプ２４を経由して半導体集積回路２１に伝えるよう構成されている。
【００４４】
また、各感圧素子１２は、感圧部２２とめっきバンプ２３との接続位置に、感圧部２２を貫通する埋込電極２６と、感圧部２２と埋込電極２６との間に設けられたシリコン酸化膜２７とを有している。埋込電極２６は、めっきバンプ２３に電気的に接続されている。シリコン酸化膜２７は、感圧部２２と埋込電極２６とを電気的に絶縁するよう設けられている。
【００４５】
各感圧素子１２は、感圧部２２のダイアフラムがフレキシブル配線基板１１の一方の表面１１ｂに対向するよう、感圧部２２をフレキシブル配線基板１１に向けた状態で、フレキシブル配線基板１１の一方の表面１１ｂの側に取り付けられている。各感圧素子１２は、埋込電極２６の位置で、金属接合配線の接合バンプ２５により、フレキシブル配線基板１１に取り付けられている。各感圧素子１２は、めっきバンプ２３、埋込電極２６および接合バンプ２５により、半導体集積回路２１がフレキシブル配線基板１１の配線１１ａに電気的に接続されている。なお、めっきバンプ２３および接合バンプ２５は感圧部２２の表面に設けられたシリコン製の酸化膜（図示せず）により、感圧部２２とは電気的に絶縁されている。各感圧素子１２は、平行平板型の静電容量型センサに限らず、ピエゾ抵抗を用いた歪ゲージ型など他の感圧センサから成っていてもよい。
【００４６】
伝達部材１３は、金から成り、各感圧素子１２の感圧部２２とフレキシブル配線基板１１の一方の表面１１ｂとの間に、それぞれに接触するよう設けられている。感圧センサ装置１０は、各感圧素子１２の取付位置に対応するフレキシブル配線基板１１の他方の表面１１ｃに加えられた圧力を、フレキシブル配線基板１１から伝達部材１３を介して、対応する感圧素子１２により検出可能に構成されている。感圧センサ装置１０は、他方の表面１１ｃに加えられた圧力によるフレキシブル配線基板１１の基体の変位量に対して、感圧素子１２の感圧部２２の変位量が、例えば５０％程度以上となるよう構成されている。
【００４７】
次に、作用について説明する。
感圧センサ装置１０は、フレキシブル配線基板１１の他方の表面１１ｃに加えられた圧力を、フレキシブル配線基板１１および伝達部材１３を介して、フレキシブル配線基板１１の一方の表面１１ｂの側に取り付けられた各感圧素子１２で検出するため、各感圧素子１２のフレキシブル配線基板１１の側で検出した信号を、各感圧素子１２のフレキシブル配線基板１１とは反対側の面まで伝えることなく、フレキシブル配線基板１１の配線１１ａに伝えることができる。すなわち、感圧センサ装置１０は、圧力が加えられる側から、フレキシブル配線基板１１、感圧部２２、半導体集積回路２１の順に積層配置されており、感圧部２２から出力されるデータを、リングバンプ２４を介して半導体集積回路２１に伝え、半導体集積回路２１により圧縮処理されたデータを、めっきバンプ２３、埋込電極２６、接合バンプ２５、フレキシブル配線基板１１の順に伝えることができる。
【００４８】
これに対し、図７に示すような貫通配線を有する従来のものでは、圧力が加えられる側から、感圧部５３、半導体集積回路５１、フレキシブル配線基板５４の順に積層配置されており、感圧部５３から出力されるデータを、めっきリングバンプ５７を介して半導体集積回路５１に伝え、半導体集積回路５１により圧縮処理されたデータを、貫通電極５５、接合バンプ５６、フレキシブル配線基板５４の順に伝えるようになっている。このように、従来のものでは、厚い半導体集積回路基板に、アスペクト比の高い貫通電極を設けるための設置スペースが必要であるのに対し、感圧センサ装置１０は、薄い感圧部２２に短い埋込電極２６を形成すればよく、長い貫通配線や側面配線が不要であり、貫通配線や側面配線のための特段のスペースが不要で、半導体集積回路２１を一体集積化した感圧素子１２の寸法をより小さくすることができる。また、これにより、感圧素子１２をより密に実装することができ、空間分解能を高めることができる。
【００４９】
感圧センサ装置１０は、加えられる圧力に対して各感圧素子１２がフレキシブル配線基板１１で覆われているため、過大な応力が加えられても、各感圧素子１２の損傷を防ぐことができる。また、感圧センサ装置１０は、他方の表面１１ｃに加えられた圧力によるフレキシブル配線基板１１の基体の変位量に対して、感圧素子１２の感圧部２２の変位量が５０％程度以上となるよう構成されており、外部からの圧力がフレキシブル配線基板１１および伝達部材１３を通過したときの圧力損失を小さくして感圧部２２に伝えることができる。
【００５０】
感圧センサ装置１０は、各感圧素子１２の感圧部２２から出力されたデータを半導体集積回路２１で圧縮処理するため、時間分解能を高めることができ、感圧素子１２の数が増えても高速応答が可能となる。これにより、時間分解能が高い状態で、各感圧素子１２を高密度で実装することができる。また、圧縮処理により、各感圧素子１２の感圧部２２から出力されたデータを、減衰させることなく利用することができる。
【００５１】
また、感圧センサ装置１０は、感圧部２２がリングバンプ２４および半導体集積回路２１により気密的に取り囲まれているため、湿度や汚染物による感圧部２２の性能劣化を抑制することができる。なお、フレキシブル配線基板１１は、単層（片面）配線でも良いが、配線設計の自由度が増すよう、両面配線や、少なくとも２つの層に配線１１ａを有する多層基板であってもよい。
【００５２】
また、図２に示すように、感圧センサ装置１０は、各感圧素子１２の取付位置に対応するフレキシブル配線基板１１の他方の表面１１ｃにそれぞれ設けられた、ドーム状の複数の突起１４を有していてもよい。この場合、各突起１４により、加えられた圧力を効率よく検出することができ、各感圧素子１２の破損を防止することもできる。各突起１４は、効率よく圧力を伝えるよう、各突起１４に圧力が加えられたときの各突起１４の変位量と、対応する感圧素子１２の感圧部２２の変位量との比が、０．２乃至５、特に０．５乃至２であることが好ましい。また、各突起１４は、ドーム状に限らず、円筒状や円錐台状など、いかなる形状であってもよい。
【００５３】
また、図３に示すように、感圧センサ装置１０は、伝達部材１３を有さず、それぞれ各感圧素子１２の感圧部２２に接触し、フレキシブル配線基板１１を貫通してフレキシブル配線基板１１の他方の表面１１ｃの側に突出するよう設けられた複数の突起１５を有していてもよい。この場合、各突起１５は、圧力の伝達効率を高めるために、内部に設けられて感圧部２２に接触した硬性の芯材１５ａと、その周りをドーム状に覆う軟質のカバー材１５ｂとをから成っていることが好ましい。カバー材１５ｂは、図３に示すように、フレキシブル配線基板１１の貫通孔の内径よりも小さい外径を有していてもよく、その貫通孔の内径と同じ外径を有していてもよい。この場合にも、各突起１５に加えられた圧力を効率よく感圧部２２まで伝達し、検出することができる。
【００５４】
また、図４（ａ）に示すように、感圧センサ装置１０は、各感圧素子１２とフレキシブル配線基板１１の一方の表面１１ｂとの隙間に、ヤング率が１００ＭＰａ以下、好ましくは１０ＭＰａ以下の樹脂製の充填材１６を有していてもよい。この場合、充填材１６により、フレキシブル配線基板１１と各感圧素子１２との間の接着力を向上させるとともに、異物の混入を防止することができ、信頼性を確保することができる。充填材１６のヤング率が１００ＭＰａまたは１０ＭＰａ以下と小さいため、フレキシブル配線基板１１に加えられた圧力を感圧部２２に適切に伝えることができる。
【００５５】
また、図４（ｂ）に示すように、各感圧素子１２とフレキシブル配線基板１１の一方の表面１１ｂとの間の空間に、各感圧素子１２の感圧部２２を取り囲む仕切枠１７を設け、仕切枠１７の外側の空間に充填材１６を充填していてもよい。この場合、仕切枠１７により、充填材１６が感圧部２２の近傍に浸透するのを防ぐことができる。これにより、感圧部２２の近傍の充填材１６に気泡が混入して、感圧部２２に加えられた圧力を正確に検出できなくなるのを防止することができる。
【００５６】
感圧センサ装置１０は、本発明の実施の形態の感圧センサ装置の製造方法により、以下のようにして製造される。すなわち、図５に示す一例では、本発明の実施の形態の感圧センサ装置の製造方法は、まず、感圧素子１２を製造するために、半導体集積回路（ＬＳＩ）２１の表面の、感圧素子１２の感圧部２２に対応する位置および各配線パッド上に、スパッタ法で電極２１ａおよび電極２１ｂの形成を行う（図５（ａ）参照）。ここで、半導体集積回路２１は、例えば、特許文献４に記載のような、閾値検知、順応動作などヒトの触覚を模擬するデータ圧縮機構を盛り込んだ８インチサイズのものから成っている。次に、金めっき法で、電極２１ｂの位置に、電気接続のためのめっきバンプ２３、および、感圧部２２を物理的に固定しかつ気密封止するためのリングバンプ２４を形成する。各バンプの形成後、サーフェスプレナー（株式会社ディスコ製、「DAS8920」）を用いて、めっきバンプ２３およびリングバンプ２４の高さが均一（例えば、3μm）になるように、平坦化する（図５（ｂ）、（ｉ）参照）。
【００５７】
半導体集積回路２１とは別に、SOI基板（例えば、８インチサイズで、デバイス層 10μm、BOX層 1μm、ハンドル層 400μm）３１に、スパッタ法およびエッチング法により、半導体集積回路２１のめっきバンプ２３のパターンに対応する、金接合バンプパターン（例えば、厚さ 300nm）を形成する。そのSOI基板３１と半導体集積回路２１とをバンプパターンが対応するよう位置合わせした後、熱圧着接合法（例えば、250℃、10000Ｎ）により接合して一体化する（図５（ｃ）参照）。SOI基板３１のハンドル層およびBOX層をドライエッチング法で完全に除去し、感圧部２２として円盤状シリコン製ダイアフラム（例えば、厚さ 10μm、直径 400μm）を形成する（図５（ｄ）参照）。こうして、半導体集積回路２１が一体的に集積化された感圧素子１２を製造することができる。
【００５８】
次に、ドライエッチング法により、ダイアフラムのめっきバンプ２３に対応する位置に、電極取り出しのための孔３２を形成し（図５（ｅ）参照）、プラズマCVD法により、その孔３２の側面をシリコン酸化膜２７で被覆する（図５（ｆ）参照）。なお、この孔３２は、図７に示すような従来の半導体集積回路基板に設ける貫通配線用の孔（例えば、直径 100μm、深さ 300μm）とは異なり、サイズもアスペクト比も小さく（例えば、直径 10μm、深さ 20μm）、特段のスペースを確保する必要がなく、容易に形成することができる。次に、その孔３２を通ってダイアフラムの上方に伸びる金の埋込電極２６および接合バンプ２５を、めっき法を用いて一括で形成し、サーフェスプレナーを用いてダイアフラム上のバンプ高さが均一（例えば、3μm）になるように平坦化する（図５（ｇ）参照）。同時に、ダイアフラムの中心部の直上にも、ダイアフラムの直径よりやや小さい金の伝達部材１３を設け、その高さが均一（例えば、3μm）になるように平坦化する（図５（ｇ）参照）。
【００５９】
こうして感圧素子１２に伝達部材１３と接合バンプ２５とが取り付けられたものを、ダイシングにより小片化した後、フレキシブル配線基板１１にフリップチップボンダーを用いて接合する。フレキシブル配線基板１１は、ポリイミドフィルム（例えば、厚さ25μm）を基板として、その表面の接合部のみに金層から成る配線（例えば、厚さ300nm）１１ａがスパッタ成膜されており、その配線１１ａと接合バンプ２５とを電気的に接続する（図５（ｈ）参照）。こうして、感圧センサ装置１０を製造することができる。
【００６０】
このように、本発明の実施の形態の感圧センサ装置の製造方法は、金属を中間体とする接合法により、各感圧素子１２をフレキシブル配線基板１１の配線１１ａに電気的に接続するため、電気的接続を行いながら、フレキシブル配線基板１１の基体に熱損傷を与えない比較的低い温度で強固に接合することができる。熱圧着接合に用いる金属として、金以外に銅や銀などであってもよい。接合法は、熱圧着接合法に限らずＴＬＰ接合法やハンダ接合法、共晶接合法などであってもよい。また、本発明の実施の形態の感圧センサ装置の製造方法は、半導体集積回路２１の上に金属接合パッドを用いて配線を行うため、貫通配線と比較して多数の信号配線取り出すことができ、さらなる高速通信が可能になる。
【実施例１】
【００６１】
従来の貫通電極が形成された、半導体集積回路が一体的に集積化された容量型圧力センサ素子の寸法は、2.0 mm角が最小であったのに対して、貫通電極を必要としない本発明の実施の形態の感圧センサ装置１０の各感圧素子１２は、同等の回路とデザインルールで作製しても、1.0 mm角の寸法で製造することができ、面積を１／４に縮小することができた。このため、従来よりも高密度の実装が可能である。【００６２】
また、本発明の実施の形態の感圧センサ装置の製造方法により製造された感圧センサ装置１０は、フレキシブル配線基板１１の感圧位置に圧力を印加したとき、0.01 Nから0.5 Nまでの力をデジタルデータとして検出することができた。また、閾値検知、順応動作の機能も検証した。また、この感圧センサ装置１０をロボットの体表面に巻きつけ、シリコン樹脂接着により実装を行った結果、隙間なく貼り付けることができた。ロボットに実装後も、同様に外部からの印加力すなわち触覚を検知することができた。
【実施例２】
【００６３】
図５に従って感圧センサ装置１０を製造後、図６に示すように、各感圧素子１２の取付位置に対応するフレキシブル配線基板１１の他方の表面１１ｃに、ディスペンサを用いて、直径800μmの半球状のポリウレタン（ヤング率１GPa）製のドーム状の突起１４を形成した。この突起１４に対して1 Nの力を与えたとき、突起１４の変形量は 800 nm、シリコンダイアフラムの変形量は 1200 mmであり、その比率は 1.5 であった。【００６４】
また、感圧センサ装置１０の突起１４に圧力を印加したとき、0.01 Nから2 Nまでの力をデジタルデータとして検出することができた。また、閾値検知、順応動作の機能も検証した。感圧部２２への印加圧力が10 Nまでは、感圧部２２の破損は認められなかったが、それ以上の力を与えると感圧部２２の破損を示唆する不可逆的なデータ出力異常が認められた。
【実施例３】
【００６５】
図５に従って感圧センサ装置１０を製造後、図４（ｂ）に示すように、各感圧素子１２の感圧部２２以外の部分とフレキシブル配線基板１１の一方の表面１１ｂとの隙間に、充填材１６としてシリコン樹脂を充填した。このとき、ダイアフラム構造の感圧部２２と配線パッドとの間に、ダイアフラムを取り囲むリング形状の金属パッド（仕切枠１７）を設け、その金属パッドの外側に充填材１６を充填することにより、ダイアフラム近傍に充填材１６が充填されないようにした。また、図６と同様にして、各感圧素子１２の取付位置に対応するフレキシブル配線基板１１の他方の表面１１ｃに、直径800μmの半球状のポリウレタン（ヤング率１GPa）製のドーム状の突起１４を形成した。【００６６】
この突起１４に圧力を印加したとき、0.01 Nから2 Nまでの力をデジタルデータとして検出することができた。また、閾値検知、順応動作の機能も検証した。感圧部２２への印加圧力が15 Nまでは、感圧部２２の破損は認められなかったが、それ以上の力を与えると感圧部２２の破損を示唆する不可逆的なデータ出力異常が認められた。【００６７】
この充填材１６および突起１４を有する感圧センサ装置１０をロボットの体表面に巻きつけ、シリコン樹脂接着により実装を行った結果、隙間なく貼り付けることができた。ロボットに実装後も、外部からの印加力すなわち触覚を検知することができた。特に、関節部など屈曲を繰り返す部位において、充填材１６のないものでは、3000回の屈曲でデータ異常が認められたのに対して、充填材１６を有するものでは、50000回以上の屈曲を行ってもデータ異常は認められなかった。
【実施例４】
【００６８】
図５（ａ）〜（ｆ）に従って直径400μｍのダイアフラムを形成後、図３に示すように、伝達部材１３の代わりに、めっき法により、直径200μm、高さ100μｍの円柱形状の銅製のピラーを形成した。さらに、フレキシブル配線基板１１に直径300μmの貫通孔を形成し、その貫通孔を銅製のピラーが貫くようにして、感圧素子１２をフレキシブル配線基板１１に接合した。その後、そのピラーを芯材１５ａとし、直径800μmの半球状のポリウレタン製のドーム状のカバー材１５ｂで芯材１５ａを覆い、突起１５を形成した。【００６９】
この突起１５に圧力を印加したとき、0.01 Nから2 Nまでの力をデジタルデータとして検出することができた。また、閾値検知、順応動作の機能も検証した。感圧部２２への印加圧力が20 Nまでは、感圧部２２の破損は認められなかったが、それ以上の力を与えると感圧部２２の破損を示唆する不可逆的なデータ出力異常が認められた。【００７０】
［比較例１］
突起１４の材料をシリコン樹脂（ヤング率 2 MPa）にした以外は、実施例２と同様の感圧センサ装置を製造した。その突起１４に圧力を印加したとき、0.2 Nから2 Nまでの力をデジタルデータとして検出したが、0.2 N以下の弱い力は全く検出することができなかった。0.1 Nの力を印加した際の突起１４の変形量が 80μmであったのに対して、シリコンダイアフラムの変形量は 0.004μmであり、静電容量の検出限界以下であった。【００７１】
［比較例２］
突起１４の材料をはんだ（ヤング率 80 GPa）にした以外は、実施例２と同様の感圧センサ装置を製造した。その突起１４に圧力を印加したとき、10 N以下の力は全く検出することができなかった。10 Nの力を印加したときの突起１４の変形量は、有限要素法シミュレーションでの見積もりで 0.1 nmになるのに対して、シリコンダイアフラムの変形量は、静電容量の検出限界である 5 nmであった。【００７２】
［比較例３］
充填材１６がエポキシ樹脂である以外は、実施例３と同様の感圧センサ装置を製造した。感圧センサ装置の突起１４に圧力を印加したところ、0.2 N以下の力を検知することができなかった。
【符号の説明】
【００７３】
１０  感圧センサ装置
１１  フレキシブル配線基板
１１ａ  配線
１１ｂ  一方の表面
１１ｃ  他方の表面
１２  感圧素子
２１  半導体集積回路
２１ａ，２１ｂ  電極
２２  感圧部
２３  めっきバンプ
２４  リングバンプ
２５  接合バンプ
２６  埋込電極
２７  シリコン酸化膜
１３  伝達部材
１４  突起
１５  突起
１５ａ  芯材
１５ｂ  カバー材
１６  充填材
１７  仕切枠
３１  SOI基板
３２  孔
【図１】
2018163623.tif 000003
【図２】
2018163623.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2018163623.tif 000008
【図７】
2018163623.tif 000009
【国際調査報告】
2018163623.tif 000010
2018163623.tif 000011
2018163623.tif 000012
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