(57)【要約】【課題】高い形状再現性が確保できるＭＥＭＳ力センサを製造する。【解決手段】ＭＥＭＳ力センサの製造方法であって、半導体製の基礎部材１０６の一部表面に所定の元素を付着させ、基礎部材１０６を加熱しながら、所定の元素が付着した部分、および、その近傍を押圧部材３０１により押圧し、元素を基礎部材１０６の表層部に拡散させながら、塑性変形させる力センサの製造方法。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）としての力センサの製造方法であって、
半導体製の基礎部材の一部表面に所定の元素を付着させ、
前記基礎部材を加熱しながら、
所定の元素が付着した部分、および、その近傍を押圧部材により押圧し、
前記元素を前記基礎部材の表層部に拡散させながら、塑性変形させる
力センサの製造方法。
【請求項２】
前記基礎部材を押圧部材により押圧する前に、前記基礎部材に貫通状の中心孔を設け、
前記中心孔に球体の一部をはめ込み、
前記球体を介して前記押圧部材により前記元素が付着した部分、および、その近傍を押圧する
請求項１に記載の力センサの製造方法。
【請求項３】
前記基礎部材を押圧部材により押圧する前に、前記基礎部材の厚さ方向に貫通する孔を複数箇所に設ける
請求項１または２に記載の力センサの製造方法。
【請求項４】
ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）としての力センサであって、
半導体製の板状の基礎部材の一部が板面から突出するように湾曲する変形部と、
前記変形部の湾曲している表層の一部に素子部が設けられる検出部と
を備える力センサ。
【請求項５】
前記変形部の形状はドーム形状であり、
前記検出部は、前記変形部の頂点を中心とする円周上に並んで複数箇所に配置される
請求項４に記載の力センサ。
【請求項６】
前記変形部の頂点部分に貫通状の中心孔を備える
請求項５に記載の力センサ。
【請求項７】
前記変形部は、
隣り合う前記検出部の間に設けられる貫通状の分割孔を備える
請求項５または６に記載の力センサ。
【請求項８】
前記検出部は、
厚さ方向に貫通する貫通孔を備える
請求項４から７のいずれか１項に記載の力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加えられた力の大きさや方向などを検出する力センサの製造方法、および、力センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、折り曲げられた微小なカンチレバーに外力を検知する機能を付与し、これらカンチレバーを３軸方向にそれぞれ向けて配置することにより、３軸方向の力を検出するいわゆるＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）センサが存在している（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２１８９０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、従来の三次元構造のＭＥＭＳセンサは、外部磁場による磁気力や薄膜の残留応力などによって、カンチレバーが折り曲げられているが、これを実現するには、三次元構造の部材に各種薄膜を形成するプロセスが必要である。このため、成膜プロセスにおいて、薄膜の膜厚や残留応力の制御を高精度に実現できなければ、製造後の形状再現性を確保することができないという困難性を備えている。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、三次元構造を有するＭＥＭＳセンサでありながら高い形状再現性が確保できる力センサの製造方法、および、力センサの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明にかかる力センサの製造方法は、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）としての力センサの製造方法であって、半導体製の基礎部材の一部表面に所定の元素を付着させ、前記基礎部材を加熱しながら、所定の元素が付着した部分、および、その近傍を押圧部材により押圧し、前記元素を前記基礎部材の表層部に拡散させながら、塑性変形させることを特徴とする。
【０００７】
これによれば、平板状の基礎部材を立体的な形状に塑性変形させる高温クリープ成形工程と、変形する基礎部材の表層にセンサの機能を付与する不純物拡散工程とを同時に進行させることで、製造プロセス工程を短縮しつつ湾曲部分の表層にセンサ素子を形成することが可能となる。これにより３軸方向の力を検出可能な力センサの高い形状再現性を確保することができ、製品の検出精度の安定性や歩留まりを向上させることが可能となる。
【０００８】
また、前記基礎部材を押圧部材により押圧する前に、前記基礎部材に貫通状の中心孔を設け、前記中心孔に球体の一部をはめ込み、前記球体を介して前記押圧部材により前記元素が付着した部分、および、その近傍を押圧してもよい。
【０００９】
フォトリソグラフィなどの微細加工技術を用いて正確な位置に設けられた中心孔にはめ込まれた球体を押圧することで、基礎部材の正確な位置にドーム状に変形した部分を形成することが可能となる。従って、基礎部材における位置、および、形状の高い再現性を確保することが可能となる。
【００１０】
また、前記基礎部材を押圧部材により押圧する前に、前記基礎部材の厚さ方向に貫通する孔を中心孔とは異なる複数箇所に設けても構わない。
【００１１】
これによれば、押圧部材により押圧される際の基礎部材の応力を高めることができ、比較的容易に基礎部材を塑性変形させることが可能となる。
【００１２】
また、上記目的を達成するために、本発明にかかる力センサは、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）としての力センサであって、半導体製の板状の基礎部材の一部が板面から突出するように湾曲する変形部と、前記変形部の湾曲している表層の一部に素子部が設けられる検出部とを備えることを特徴としている。
【００１３】
これによれば、基礎部材の板面に垂直な方向を含む３軸方向の力を高い精度で検出することが可能となる。
【００１４】
また、前記変形部の形状はドーム形状であり、前記検出部は、前記変形部の頂点を中心とする円周上に並んで複数箇所に配置されてもよい。
【００１５】
これによれば、３軸方向の力をより詳細な情報として検出することが可能となる。
【００１６】
また、前記変形部の頂点部分に貫通状の中心孔を備えてもよく、前記変形部は、隣り合う前記検出部の間に設けられる貫通状の分割孔を備えてもよい。また、前記検出部は、厚さ方向に貫通する貫通孔を備えてもよい。
【００１７】
これらのように、変形部や検出部に貫通状の孔を設けることで、力センサの検出感度を調整することが可能となる。
【発明の効果】
【００１８】
三次元構造を有する力センサを高い形状再現性の下で製造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、力センサを示す斜視図である。
【図２】図２は、力センサを示す平面図である。
【図３】図３は、図２に示すＡ−Ａ線で切断した力センサの断面図である。
【図４】図４は、塑性変形前のエッチングパターンを示す平面図である。
【図５】図５は、変形部を塑性変形させる工程を示す断面図である。
【図６】図６は、力センサの変形例を示す斜視図である。
【図７】図７は、変形部を塑性変形させる工程の変形例を示す断面図である。
【図８】図８は、基礎部材に複数の変形部を設けた場合を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
次に、本発明に係る力センサの製造方法、および、力センサの実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、以下の実施の形態は、本発明に係る力センサの製造方法、および、力センサの一例を示したものに過ぎない。従って本発明は、以下の実施の形態を参考に請求の範囲の文言によって範囲が画定されるものであり、以下の実施の形態のみに限定されるものではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、本発明の課題を達成するのに必ずしも必要ではないが、より好ましい形態を構成するものとして説明される。
【００２１】
また、図面は、本発明を示すために適宜強調や省略、比率の調整を行った模式的な図となっており、実際の形状や位置関係、比率とは異なる場合がある。
【００２２】
図１は、力センサを示す斜視図である。
【００２３】
図２は、力センサを示す平面図である。
【００２４】
なお、図面において変形部１０１（検出部１０２）は、厚さを省略して示す場合がある。
【００２５】
同図に示すように、力センサ１００は、フォトリソグラフィなどの微細加工技術、および、微細塑性変形加工技術を用いて製造され、機械的構造と電気素子的構造とを併せ持ついわゆるＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）センサであって、変形部１０１と、検出部１０２とを備えている。
【００２６】
変形部１０１は、半導体であるシリコンの板状の基礎部材１０６の一部であって、微細加工技術により厚さを薄くした部分を基礎部材１０６の板面から突出するように塑性変形により湾曲させた部分である。本実施の形態の場合、変形部１０１は、全体視としてドーム状となっており、ドーム形状の頂点部分には、厚さ方向に貫通した中心孔１１１を備えている。また、変形部１０１は、中心孔１１１を中心としドーム形状に沿って放射状に配置される分割孔１１２を備えている。
【００２７】
中心孔１１１、および、分割孔１１２は、後述の隣り合う検出部１０２の間に配置され検出部１０２同士の構造的な繋がりを分割、または、一部分割するために変形部１０１に設けられた貫通状の孔である。これにより、複数の検出部１０２が相互に独立してひずみを検出することができる。
【００２８】
検出部１０２は、半導体製の変形部１０１の湾曲している表層の一部に素子部１２２が設けられた部分であり、検出部１０２の弾性変形的ひずみを素子部１２２によって電気信号に変更する部分である。
【００２９】
本実施の形態の場合、検出部１０２は、ドーム形状の変形部１０１の頂点を中心とする円周上に均等に並んで複数箇所（４箇所）に配置されている。また、検出部１０２の基端部（変形部１０１の頂点とは反対側の端部）は、検出部１０２よりも厚い保持部１６１に接続されている。つまり、検出部１０２は、保持部１６１により片持ち状態で保持されている。保持部１６１は、放射状に配置される四つの検出部１０２を外側から一体に保持する円環状の部材である。また、保持部１６１は、基礎部材１０６を微細加工により形成された変形部１０１の近傍に存在する未加工部分であり、検出部１０２と保持部１６１とは一体である。
【００３０】
素子部１２２は、検出部１０２のひずみを電気信号に変換することができる素子である。本実施の形態の場合、素子部１２２は、ピエゾ抵抗効果を発揮する部分であり、基礎部材１０６の表層に、基礎部材１０６を構成する元素とは異なる元素（不純物）をドーピングすることにより形成される。なお、素子部１２２の形成方法については後述する。
【００３１】
本実施の形態の場合、素子部１２２は、検出部１０２の幅方向の２箇所に帯状に設けられる帯状部１２３と、帯状部１２３の一端部同士を接続する架橋部１２４とを備えている。また、保持部１６１の表層には、帯状部１２３の他端部に電気的に接続され、帯状部１２３よりも幅の広い端子部１２５が設けられている。
【００３２】
端子部１２５は、素子部１２２と同様の元素がドーピングされ素子部１２２と同様に熱拡散により形成される部分であり、構造的（原子組成的）には素子部１２２と同様である。但し、検出部１０２よりも剛性の高い保持部１６１の表層に設けられているため、ピエゾ抵抗効果はほぼ発揮されず、端子部１２５は、専ら導体として機能する。
【００３３】
また本実施の形態の場合、検出部１０２は、厚さ方向に貫通する貫通孔１２１を備えている。本実施の形態の場合、貫通孔１２１は、複数箇所にマトリクス状に配置されており、検出部１０２は、網の目の形状となっている。
【００３４】
この貫通孔１２１は、製造時においては応力を集中させて検出部１０２を容易に塑性変形させるために機能し、力を検出する際には、立体的に湾曲した検出部１０２を撓みやすくして力の検出感度を向上させるために機能する。
【００３５】
本実施の形態の場合、力センサ１００は、さらに接続部１１３を備えている。接続部１１３は、隣り合う検出部１０２同士を接続し、保持部１６１に片持ち状態となっている検出部１０２の姿勢を安定させるための部分である。また、接続部１１３は、検出部１０２を独立して変形させるように、複数回湾曲した蛇行状となっている。
【００３６】
図３は、図２に示すＡ−Ａ線で切断した力センサの断面図である。
【００３７】
同図に示すように、力センサ１００は、検出部１０２の両面から挟んだ状態で配置される弾性部１０７をさらに備えている。本実施の形態の場合、弾性部１０７は、弾性を備えた樹脂で成形される部材である。弾性部１０７の形状や、弾性部１０７を構成する材料は、特に限定されるものではなく、検出する力の大きさや検出範囲によって適宜決定される。つまり、力が加えられることにより発生する検出部１０２のひずみの量が検出部１０２を挟んで配置される弾性部１０７のヤング率などにより調整される。樹脂としては具体的には、アクリル樹脂、ジメチルポリシロキサンのようなシリコン樹脂、その他エラストマーを例示することができる。
【００３８】
本実施の形態に係る力センサ１００によれば、基礎部材１０６の板面から突出する複数の検出部１０２により、加えられる力を三次元的に、特に基礎部材１０６の板面に垂直な方向の力を容易に捉えることがでる。また、各検出部１０２の素子部１２２から得られる信号を処理することにより、それぞれの検出部１０２に加えられた力の方向を三次元的に高精度に検出することができる。
【００３９】
また、検出部１０２の両面ばかりでなく検出部１０２の周囲の部分も弾性部１０７によりモールドされているため、微細加工によって小さな力でも歪むように成形された検出部１０２の感度を弾性部１０７のヤング率により調整し、例えば力の検出範囲を０．０１Ｎ〜５Ｎ等の微小な力を含むワイドレンジにすることが可能となる。
【００４０】
また、大きな外力が働いた場合でも、弾性部１０７により検出部１０２が保護されているため、検出部１０２が破壊されることを抑止できる。
【００４１】
つぎに、力センサ１００の製造方法を説明する。
【００４２】
図４は、塑性変形前のエッチングパターンを示す平面図である。
【００４３】
力センサ１００は、例えば変形部１０１全体としての大きさが５００μｍ以下の径であるため、力センサ１００の製造には微細加工技術が用いられる。
【００４４】
本実施の形態の場合、検出部１０２（変形部１０１）と保持部１６１とを１つの半導体基板から形成する。
【００４５】
半導体基板は、いわゆるＳＯＩ（Silicon on Insulator）と称される基板を用いている。これは、シリコン層２０１の表面や中間部に酸化シリコン層２０２が形成されている基板である。
【００４６】
本実施の形態では、図４の上段に示すように、例えば反応性プラズマエッチングなどのドライエッチングにより厚いシリコン層２０１を円柱状に取り除き、薄い円板状の変形部１０１を形成する。
【００４７】
つぎに、同図に示すように、表面に形成される酸化シリコン層に、素子部１２２を形成するためのパターン（破線で示す）をエッチングにより形成し、シリコン層の表面が露出した部分にシリコンとは異なる元素（例えば、リンやゲルマニウム）を充填する。
【００４８】
また、中心孔１１１、分割孔１１２、貫通孔１２１のためのレジストパターンを形成した後、例えば反応性プラズマエッチングなどにより、変形部１０１を貫通する孔を複数箇所に所定のパターンで設ける。
【００４９】
図５は、変形部を塑性変形させる工程を示す断面図である。
【００５０】
同図に示すように、中心孔１１１、分割孔１１２、貫通孔１２１が設けられた変形部１０１が下に向くように配置し、基礎部材１０６を加熱しながら、所定の元素が付着した部分、および、その近傍を押圧部材３０１により押圧し、元素を基礎部材１０６の表層部に拡散させながら、変形部１０１を塑性変形させる。これにより、立体的に湾曲した検出部１０２を形成し、その表層に素子部１２２を形成することができる。また、本実施の形態の場合は、保持部１６１の表層にも端子部１２５が形成される。
【００５１】
本実施の形態の場合、変形部１０１の中心に設けられた中心孔１１１に一部が嵌まり込む球体３０２を配置し、球体３０２を介して押圧部材３０１により元素が付着した部分の反対側の面、および、その近傍を押圧している。これにより、中心孔１１１によって球体３０２の芯出しを確実に実行され、変形部１０１において、押圧部材３０１により力が加えられる位置を正確に決定することが可能となる。また、変形部１０１は、押圧部材３０１の自重に基づき押圧されている。
【００５２】
ここで、押圧部材３０１の形状や材質は特に限定されるものではなく、また、球体３０２の材質も特に限定されるものではない。なお、高温環境下で変形部１０１を押圧し続ける押圧部材３０１の材質は金属酸化物の結晶などが好ましい。特に、基礎部材１０６に接触する球体３０２の材質は、基礎部材１０６のシリコン結晶に対し安定した材質であることが好ましい。球体３０２の材質は、例えば酸化アルミニウムを主成分とする結晶やセラミクスを例示することができる。
【００５３】
また、変形部１０１を押す力、押し続ける時間は、変形部１０１の厚みや変形部１０１を加熱する温度に依存する。一方、不純物である所定の元素の拡散工程における不純物の深さは、変形部１０１の厚み（シリコン層の厚み）と変形部を加熱する温度と時間に依存する。したがって、変形部１０１の塑性変形に必要な温度と時間、元素（不純物）を拡散させ素子部１２２を形成するための温度と時間とが一致するように前記パラメータを決定する。これらのパラメータは、ＦＥＡ解析や実験により決定することができる。
【００５４】
一例を示すと、変形部１０１の厚みが５μｍの場合、変形部１０１を１０５０℃に加熱した状態で、１８ｍＮの力で８時間押圧し続けることで、立体的に湾曲した検出部１０２を形成し、ピエゾ抵抗効果を発揮する素子部１２２を湾曲した検出部１０２の表層部に形成することができた。
【００５５】
また、変形部１０１の厚みが１０μｍの場合、変形部１０１を１０００℃に加熱した状態で、４６ｍＮの力で２時間押圧し続けた場合でも、立体的に湾曲した検出部１０２を形成し、ピエゾ抵抗効果を発揮する素子部１２２を湾曲した検出部１０２の表層部に形成することができた。
【００５６】
つぎに、保持部１６１を残すようにして基礎部材１０６の不要な部分を除去し、樹脂をモールドして弾性部１０７を形成する。また、端子部１２５にワイヤボンディングを行う事で、信号増幅器などに力センサ１００を接続するための導線を取り付ける。
【００５７】
以上により、力センサ１００が製造される。
【００５８】
上記力センサ１００の製造方法には、三次元構造の検出部１０２を実現するために、単結晶Ｓｉ薄膜の高温クリープ成形技術を採用している。これにより、製造後の力センサ１００の高い形状再現性を確保することが可能となる。さらに、精密加工技術により設けられた中心孔１１１に球体３０２をはめ込んで変形部１０１を押圧するため、さらに高い形状再現性を確保することが可能となる。
【００５９】
また、高温クリープ成形工程と素子部１２２を形成する不純物拡散工程を同時進行させることで、三次元に湾曲した検出部１０２の表層に素子部１２２を設けることができ、製造プロセス工程を短縮しつつ３軸方向の力を検知可能な力センサ１００を実現することが可能となる。
【００６０】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではない。例えば、本明細書において記載した構成要素を任意に組み合わせて、また、構成要素のいくつかを除外して実現される別の実施の形態を本発明の実施の形態としてもよい。また、上記実施の形態に対して本発明の主旨、すなわち、請求の範囲に記載される文言が示す意味を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例も本発明に含まれる。
【００６１】
例えば、図６に示すような、隣り合う検出部１０２の間に分割孔１１２がなく、中心孔１１１や貫通孔１２１がない、ドーム状の膜に複数または単数の素子部１２２が設けられるものでも構わない。
【００６２】
また、複数の検出部１０２に接続されるプローブが接合されるものでも構わない。
【００６３】
また、シリコン製の基板に基づき力センサ１００を製造する場合を説明したが、微細加工が可能な材質であれば、シリコンに限定されるものではない。
【００６４】
また、図７に示すように、複数個の球体３０２を積み重ねることにより基礎部材１０６の板面から球体３０２の一部を突出させることができる場合、押圧部材３０１の形状は突出部分を持たない平板形状であっても構わない。これによれば、押圧部材３０１に対し微細加工が不要となる。
【００６５】
また、図８に示すように、１つの基礎部材１０６に複数の変形部１０１を形成し、複数の変形部１０１に対して同時に押圧部材３０１や球体３０２を用いて押圧しても構わない。これにより、力センサ１００を効率的に製造することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明に係る力センサは、ロボットハンドの物体を把持する際の力の分布の測定、靴のソールへの埋め込みによる運動機能計測等に利用可能である。
【符号の説明】
【００６７】
１００  力センサ
１０１  変形部
１０２  検出部
１０６  基礎部材
１０７  弾性部
１１１  中心孔
１１２  分割孔
１１３  接続部
１２１  貫通孔
１２２  素子部
１２３  帯状部
１２４  架橋部
１２５  端子部
１６１  保持部
２０１  シリコン層
２０２  酸化シリコン層
３０１  押圧部材
３０２  球体
【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】
2018059852.tif 000009
【図８】
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