触覚センサユニット
【課題】小型の触覚センサユニット１を提供する
【解決手段】触覚センサユニット１は、変形を検出するピエゾ抵抗層１１Ｗが形成されたカンチレバー１２を有する半導体基板１１とカンチレバー１２を内部に埋め込んだ弾性体１３とピエゾ抵抗層１１Ｗと接続されたバンプ１４とを有するセンサチップ１０と、接続パッド２２と接続された配線層２１とを有する配線板２０と、を具備し、バンプ１４と接続パッド２２とを介して、センサチップ１０が配線板２０にフリップチップ実装されている。
【解決手段】触覚センサユニット１は、変形を検出するピエゾ抵抗層１１Ｗが形成されたカンチレバー１２を有する半導体基板１１とカンチレバー１２を内部に埋め込んだ弾性体１３とピエゾ抵抗層１１Ｗと接続されたバンプ１４とを有するセンサチップ１０と、接続パッド２２と接続された配線層２１とを有する配線板２０と、を具備し、バンプ１４と接続パッド２２とを介して、センサチップ１０が配線板２０にフリップチップ実装されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象物との接触状態を摩擦力によるせん断応力から計測する触覚センサユニットに関し、特にカンチレバーが封入された弾性体の変形にもとづき接触状態を計測する触覚センサユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
ロボットハンドによって物体を確実に把持するためには、把持力だけでなく、物体との接触状態を計測することが必要である。特に、把持した物体が落下するのを防ぐためには、接触面に生じる摩擦力によるせん断応力を計測することが必要である。
【０００３】
特開２００７−２１８９０６公報には、せん断応力を検知するセンサチップが開示されている。なお、開示されているセンサチップは、変形方向が異なる複数のカンチレバーを有するが、以下では１個のカンチレバーを有するセンサチップ１１０を例に説明する。また、特開２００７−２１８９０６公報には、センサチップしか開示されていないが、図１に示すように、センサチップ１１０が配線板１２０に実装された構造体を触覚センサユニット１０１として説明する。
【０００４】
なお図は、いずれも模式図であり、説明を容易にするために部分的に拡大していたり、全ての構成要素を表示していなかったり、内部にあり外部からは不可視の構成要素を図示していたりする。またＺ軸方向の寸法を高さ、または厚さということがある。例えば、図１において弾性体１１３の中に埋め込まれたカンチレバー１１２等は外部からは不可視であるが表示している。
【０００５】
センサチップ１１０は、弾性体１１３の中に埋め込まれたカンチレバー１１２を有する半導体基板１１１からなる。カンチレバー１１２には変形に応じて電気抵抗が変化するピエゾ抵抗層１１２Ｙが形成されている。カンチレバー１１２はＸ軸方向に変形するが、Ｙ軸方向およびＺ軸方向には変形しにくいため、ピエゾ抵抗層１１２Ｙは弾性体１１３のＸ軸方向の変形により抵抗が変化する。
【０００６】
ピエゾ抵抗層１１２Ｙの抵抗変化を外部の測定器（不図示）で検出するためには、センサチップ１１０を配線板１２０に実装し、センサユニット１０１とする必要がある。このため、センサチップ１１０のピエゾ抵抗層１１２Ｙと接続された接続パッド１１４と、配線板１２０の接続パッド１２２とが、ワイヤボンディング法によりワイヤ１３１により接続されている。ここでワイヤ１３１の高さ（Ｚ軸方向寸法）は、３００〜５００μｍである。さらに、ワイヤボンディングのためには、接続パッド１１４および接続パッド１２２は１００μｍ角程度の面積が必要である。
【０００７】
このため、触覚センサユニット１０１では、たとえカンチレバー構造を微小化したとしても、厚さ（高さ寸法）はワイヤ１３１の高さ以下にはできない。また触覚センサユニット１０１の面積（縦寸法×横寸法）も大きい。すなわち、触覚センサユニット１０１は小型化に限界があった。特に、カンチレバーを複数個有するセンサチップ１１０を実装した触覚センサユニットは、１ミリメートル以上の三次元寸法となるため、微小部品の組み立てに使用するロボットハンドに用いることは容易ではないことがあった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【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】
【０００９】
本発明は、小型の触覚センサユニット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】
【００１０】
本発明の一形態の触覚センサユニットは、変形を検出するピエゾ抵抗層が形成されたカンチレバーを有する半導体基板と、前記カンチレバーを内部に埋め込んだ弾性体と、前記ピエゾ抵抗層と接続された接続用電極と、を有するセンサチップと接続パッドと、前記接続パッドと接続された配線層と、を有する配線板と、を具備し、前記接続用電極と前記接続パッドとを介して、前記センサチップが前記配線板にフリップチップ実装されている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、小型の触覚センサユニットを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】公知のセンサチップを説明するための斜視透視図である。
【図２】第１実施形態の触覚センサユニットを説明するための斜視透視図である。
【図３】第１実施形態の触覚センサユニットを説明するための分解図である。
【図４】第１実施形態の触覚センサユニットのカンチレバー説明するための断面図である。
【図５】第１実施形態の触覚センサユニットを説明するための上面図である。
【図６】第１実施形態の触覚センサユニットを説明するための断面図である。
【図７】第２実施形態の触覚センサユニットを説明するための断面図である。
【図８】第３実施形態の触覚センサユニットを説明するための断面図である。
【図９】第４実施形態の触覚センサユニットのセンサチップを説明するための斜視透視図である。
【図１０】第５実施形態の触覚センサユニットを説明するための分解図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
＜第１実施形態＞
以下、図２〜図６を用いて、本発明の第１実施形態の触覚センサユニット（以下、「センサユニット」ともいう）１について説明する。
【００１４】
図２および図３に示すように、本実施形態のセンサユニット１では、半導体基板１１と弾性体１３とを有するセンサチップ１０の半導体基板１１は、配線板２０にフリップチップ実装されている。すなわち、センサチップ１０の接続用電極であるバンプ１４と、配線板２０の接続パッド２２とが、直接接合されている。すなわち、フリップチップ実装では、ワイヤボンディング実装と異なり、ワイヤ等の接続線は使用されていない。
【００１５】
センサユニット１の半導体基板１１は、Ｘ軸方向の変形を検出可能な２個のカンチレバー１２を有する。すなわち、カンチレバー１２は半導体基板１１の主面に対して略垂直に立ち上げられた状態で弾性体１３の中に封入されている。
【００１６】
そして、図３に示すように、配線板２０には弾性体１３を挿通可能な貫通部２３が形成されており、配線板２０の板厚Ｔ２０よりも弾性体１３の膜厚Ｔ１３が厚い。また、貫通部２３のＸ軸方向寸法Ｌ２０およびＹ軸方向寸法Ｗ２０は、弾性体１３のＸ軸方向寸法Ｌ１３およびＹ軸方向寸法Ｗ１３よりも大きい。このため、図２に示すように、貫通部２３を挿通した弾性体１３の表面が、配線板２０の表面から突出している。
【００１７】
センサユニット１では、弾性体１３の表面と対象物との接触による摩擦力が、弾性体１３内にせん断応力を発生し、このせん断応力がカンチレバー１２を変形させる。そしてカンチレバー１２の変形を検出することで、せん断応力を検出する。
【００１８】
図４に示すように、半導体基板１１は、シリコン基板１１Ｚ（厚さ３００μｍ）上に酸化シリコン層１１Ｙ（厚さ４００ｎｍ）とシリコン層１１Ｘ（厚さ２９０ｎｍ）とを有するＳＯＩ（Silicon on Insulator）ウエハから作製されている。なお、図４は模式図であるため、例えばシリコン基板１１Ｚの厚さは、他の層に比べて薄く表示している。
【００１９】
カンチレバー１２は、感応部１２Ｘと、ヒンジ部１２Ｙと、固定部１２Ｚと、から構成されている。カンチレバー１２は、例えば全体の長さ寸法が４５０μｍ、全体の幅寸法が１５０μｍであり、感応部１２Ｘにおける幅寸法が１１０μｍ、ヒンジ部１２Ｙの長さ寸法が１５０μｍに形成されている。
【００２０】
そして、ヒンジ部１２Ｙの厚さは感応部１２Ｘの幅の１００分の１未満であり、１μｍ以下である。このため、他の方向と比較して、厚み方向に顕著に変形する。厚さが１μｍ以下と極薄く作成されたヒンジ部１２Ｙは弾性変形する領域が広く、破損することなく大きく変形することができる。すなわちカンチレバー１２は、シリコン基板１１Ｚではなく膜厚が薄いシリコン層１１Ｘを基体としているためにＸ方向の外力により容易に変形する。
【００２１】
すなわち、カンチレバー１２にはＸ方向の変形を検出するピエゾ抵抗層１１Ｗが形成されており、固定部１２Ｚおよび感応部１２Ｘには、ピエゾ抵抗層１４Ｗよりも抵抗の低い導電膜１４Ｃが形成されている。
【００２２】
このため、ヒンジ部１２Ｙのピエゾ抵抗層１１Ｗの抵抗変化が、導電膜１４Ｃの延設部に配設した接続用電極であるバンプ１４を介して検出可能である。すなわちバンプ１４は配線板２０の接続パッド２２と接続され、接続パッド２２は配線層２１と接続されており、配線層２１の延設部に測定器（不図示）を接続することで、ピエゾ抵抗層１１Ｗの抵抗変化が測定される。
【００２３】
ピエゾ抵抗層１１Ｗの電気抵抗は、ヒンジ部１２Ｙの変形量に応じて変化する。変形量と抵抗値との関係は予め測定されて、測定器に相関性データとして入力保持されている。変形量は、外力作用により弾性体１３に生じるせん断応力τにより弾性体１３に生じたせん断歪みγにもとづく。このため、ピエゾ抵抗層１１Ｗの抵抗変化を検出することで、せん断応力τを検出することができる。
【００２４】
配線板２０は、例えばポリイミドを基体とする厚さ（Ｚ方向寸法）３０μｍのフレキシブル配線板であり、配線層２１の長さ、言い換えれば、配線板２０のＹ方向寸法は、例えば、ロボットハンドの長さ等の仕様に応じて決定される。
【００２５】
なお、図４においてはピエゾ抵抗層１１Ｗに接続パッド１４Ｐを配設し、接続パッド１４Ｐの上に凸形状のバンプ１４を配設した例を示しているが、接続パッド１４Ｐは無くともよいし、接続パッド１４Ｐの膜厚が厚い場合には接続パッド１４Ｐを接続用電極として用いてもよい。
【００２６】
図５に示すように、センサユニット１ではセンサチップ１０が配線板２０にフリップチップ実装されているために、接続のために必要な面積、すなわち配線板２０の接続パッド２２の大きさは５０μｍ角程度であり、ワイヤボンディング法を用いた接合に必要な大きさよりも、小さい。このため、センサユニット１は、縦横（ＸＹ）方向のサイズが小さい。
【００２７】
さらに図３および図６（図５のＶＩ−ＶＩ線／模式断面図）に示すように、センサユニット１では、厚さ（Ｚ）方向の大きさは、センサチップ１０の厚さ（Ｔ１３＋Ｔ１１）である。すなわち、配線板２０の厚さＴ２０はセンサユニット１の厚さに影響を及ぼさない。さらに、フリップチップ実装を用いているため、ワイヤの高さの影響も受けない。
【００２８】
センサユニット１は、ワイヤボンディング実装ではないためワイヤ１３１の高さによる制限がなく、所定の厚さの半導体基板１１を用いた場合には、カンチレバーの寸法、すなわち弾性体１３の厚さＴ１３でセンサユニット１の厚さが決まる。例えば半導体基板１１の厚さＴ１１が３００μｍの場合に、弾性体１３の厚さＴ１３を１００μｍにすれば、センサユニット１は厚さ４００μｍにまで薄くできる。弾性体の厚さＴ１３を１００μｍにするためには、カンチレバー１２の立ち上げ高さを８０μｍ程度にすればよい。
【００２９】
なお、半導体基板１１の厚さＴ１１は、エッチング等により５０μｍ程度まで薄く加工することが可能であり、センサユニット１は、高さを、さらに小さくすることもできる。
【００３０】
以上の説明のように、センサユニット１は、小型である。このため精密部品の組み立て等に使われる微小なロボットハンドへの搭載は、従来の触覚センサユニットでは不可能であったが、センサユニット１では可能である。
【００３１】
さらに図２に示すように、配線板２０の貫通部２３に挿通された弾性体１３の最大変形量は、貫通部２３との隙間の大きさ、例えばＸ方向の変形に対しては、（Ｌ２０−Ｌ１３）であり、Ｙ方向の変形に対しては、（Ｗ２０−Ｗ１３）であり、これより大きく変形することはない。すなわち、貫通部２３は弾性体１３の過度の変形を防止する安全機能を有している。
【００３２】
このためセンサユニット１は想定外の強い外力が加わっても、弾性体１３が過度に変形することがないために、弾性体１３等が破損するおそれがない。
【００３３】
なお、隙間の大きさは仕様に応じて設計されるが、貫通部２３の厚さ（Ｚ軸方向）方向で変化していてもよい。例えば、隙間の大きさを、弾性体１３の変形状態と同じように、下面側（半導体基板１１側）は小さく、上面側は大きくすることにより、弾性体１３が大きく変形しても、面状態で貫通部２３と接触するため破損しにくい。
【００３４】
次に、センサユニット１の製造方法について説明する。
最初に、所定のＳＯＩウエハ（シリコン層１１Ｘの厚さ２９０ｎｍ）の表面の自然酸化膜を除去した後に、ｎ型不純物試薬が表面に塗布される。赤外線ランプ加熱装置または熱酸化炉を用いて熱拡散することで、ピエゾ抵抗層１１Ｗが形成される。１００ｎｍのピエゾ抵抗層１１Ｗのシート抵抗は例えば、２００Ω／ｓｑである。
【００３５】
次に、ピエゾ抵抗層１１Ｗの上に、導電膜１４Ｃとして、Ａｕ下地膜（５０ｎｍ）／Ｎｉ磁性体膜（１５０ｎｍ）が蒸着法またはスパッタ法等により成膜される。導電膜１４Ｃとしては、例えば、Ｃｒ／Ｎｉ膜、Ｔｉ／Ｆｅ膜等であってもよい。
【００３６】
次に、導電膜１４ＣおよびＳｉ層１１Ｘが、カンチレバー１２形状にパターニング後にエッチングされる。なお、半導体基板１１は少なくとも１個のカンチレバーを有していればよい。さらに、カンチレバー１２の固定部１２Ｚおよびヒンジ部１２ＹからＮｉ膜が除去され、さらに、ヒンジ部１２ＹからＡｕ膜が除去される。
【００３７】
次に、固定部１２ＺのＡｕ層上に接続パッド１４Ｐが形成され、接続パッド１４Ｐの上に接続用電極であるバンプ１４が形成される。バンプ１４は、確実にフリップチップ実装するための凸状電極であり、例えば高さ５０μｍの金バンプである。
【００３８】
そして、カンチレバー１２の直下を含む所定範囲のＳｉ基板１１ＺがDeep−ＲＩＥによってエッチングされ、さらにＳｉＯ２層１１ＹがHF蒸気によって除去される。
【００３９】
次に、カンチレバー１２の感応部１２ＸのＮｉ磁性体膜に外部から基板面に垂直方向の磁界を印加することで、ヒンジ部１２Ｙが略直角に折れ曲がり、感応部１２Ｘが半導体基板１１の主面に対して直立した状態となる。磁界を印加した状態で、カンチレバー１２の表面に姿勢保持および強度補強部材として例えばパリレン層（不図示）がＣＶＤ法により成膜される。
【００４０】
そして、カンチレバー１２を内部に含む所定の形状（ＸＹＺ寸法）の容器内に、例えばＰＤＭＳ（Polydimethylsiloxane）が流し込まれ、硬化処理が行われることで、カンチレバー１２を内部に埋め込んだ弾性体１３が作成される。弾性体１３としては各種の樹脂材料を用いることができるが、シリコーン系樹脂が好ましい。なお弾性体１３は透明である必要はない。
【００４１】
ここで、弾性体１３の厚さＴ１２は、配線板２０の厚さＴ２０よりも、例えば５０〜２００μｍ厚くなるように設定される。
【００４２】
センサチップ１０の製造においては、最初にＳＯＩウエハを個片化して１個ずつ製造することもできるし、ウエハレベルで多数のセンサチップ１０を一括製造し、切断して個々のセンサチップ１０を得ることもできる
【００４３】
配線板２０は、フレキシブル銅張積層板の銅膜をパターニングすることにより、接続パッド２２と配線層２１とが形成される。この場合には、配線層２１の一端部が接続パッド２２である。
【００４４】
さらに配線板２０は、弾性体１３を挿通するための貫通部２３がエッチング、サンドブラスト、または機械的加工法等により形成される。貫通部２３の大きさは弾性体１３の大きさをもとに設定される。
【００４５】
そして、配線板２０の貫通部２３にセンサチップ１０が挿通された状態で、例えば超音波接合により、フリップチップ実装される。実装後に配線板２０とセンサチップ１０の間にアンダーフィル材を充填して接合信頼性を向上してもよい。
【００４６】
以上の説明のように、小型の触覚センサユニット１は、フリップチップ実装を用いているために、製造が容易であり、生産性が高い。
【００４７】
＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態の触覚センサユニット１Ａについて説明する。触覚センサユニット１Ａは触覚センサユニット１と類似しているため同じ構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。
【００４８】
図７に示すように触覚センサユニット１Ａのセンサチップ１０Ａには、半導体基板１１Ａの第１の主面１６と第２の主面１７とを貫通する貫通配線部１５が形成されている。ここで、第１の主面１６は弾性体１３が形成された面であり、第２の主面１７は第１の主面１６と対向する面である。
【００４９】
そして、ピエゾ抵抗層１１Ｗが貫通配線部１５を介して第２の主面１７に形成された接続用電極であるバンプ１４Ａと接続されている。
【００５０】
そして、バンプ１４Ａと接続パッド２２Ａとを介して、センサチップ１０Ａが配線板２０Ａに実装されている。
【００５１】
貫通配線部１５の作製では、最初に、例えば、異方性エッチングまたはサンドブラスト等の公知の手法を用いて貫通孔が形成される。なお、貫通孔はテーパー形状であってもよい。その後、貫通孔表面を絶縁膜（不図示）で被覆した後、例えば、めっき法による金配線または導電性ペーストの充填により貫通孔を導体配線とする。
【００５２】
本実施形態の触覚センサユニット１Ａは、触覚センサユニット１と同様の効果を有し、さらにカンチレバー形成面（第１の主面１６）とは反対の第２の主面１７に、接続用電極であるバンプ１４Ａを形成するため、実施形態１よりも大きな接続用電極を用いてもセンサ寸法が大きくなることがない。
【００５３】
ただし、触覚センサユニット１Ａでは高さ寸法（Ｚ軸寸法）が、センサチップ１０Ａの厚さ（Ｔ１３＋Ｔ１１）と、配線板２０Ａの厚さＴ２０Ａと、接合部（バンプ１４Ａ／接続パッド２２Ａ）の厚さＴ１４との合計となるため、センサチップ１０よりも厚くなる。しかし、接合部の厚さＴ１４は５０μｍ程度であり、ワイヤ配線に必要な厚さと比べると小さい。このため、触覚センサユニット１Ａはワイヤ配線を有する従来の触覚センサユニットよりも小型である。
【００５４】
＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態の触覚センサユニット１Ｂについて説明する。触覚センサユニット１Ｂは触覚センサユニット１と類似しているため同じ構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。
【００５５】
図８に示すように、触覚センサユニット１Ｂは、カンチレバー１２を内部に埋め込んだ第１の弾性体１３を覆う第２の弾性体３０を有する。触覚センサユニット１Ｂでは、表面をさらに第２の弾性体により封入することにより、信頼性の向上に加えて、センサ特性の最適化を図ることができる。
【００５６】
第２の弾性体３０は、触覚センサユニット１Ｂを、センサユニットの底面を除いて封入している。第２の弾性体３０により全体を封止することにより、センサチップと基板の配線部分の外部との電気的絶縁ができる。さらに、センサチップの接合の物理的強度を高めることができ、使用時のセンサチップ脱落を防ぎ、信頼性を向上させることができる。
【００５７】
ここで、例えば、第２の弾性体３０には、第１の弾性体１３と異なる材料、特に、第１の弾性体１３よりも弾性率の大きい材料、言い換えれば硬い材料を用いることができる。例えば、第１の弾性体１３として厚さを３００μｍのＰＤＭＳ（製品名：SIM-260，硬度（デュロメータタイプA：60））を用い、第２の弾性体３０として厚さを１００μｍシリコーンゴム（製品名：KE-1204，硬度（デュロメータタイプA：70））を用いる。
【００５８】
触覚センサユニット１Ｂに外力が加わった場合、カンチレバー１２の変形量は、第２の弾性体３０により抑制されるために、触覚センサユニット１Ｂよりも小さい。すなわち、触覚センサユニット１Ｂは触覚センサユニット１よりも、より大きな外力まで測定可能である。
【００５９】
逆に、第２の弾性体３０に第１の弾性体１３よりも弾性率の小さい材料、言い換えれば低硬度材料を用いることで、より感度を高くしてもよい。すなわち、第２の弾性体３０を変えることにより、同じ寸法設計のセンサチップを用いても外力に対する感度（弾性体変形量）が異なるため、計測できる外力の範囲が異なる触覚センサユニットが作製できるため、触覚センサユニットの使用用途を広げることができる。
【００６０】
なお、触覚センサユニット１Ｂの大きさは、触覚センサユニット１よりも第２の弾性体３０の分だけ大きいが、従来の触覚センサユニットと比べると小型である。より小型化するために、第２の弾性体３０の厚さを、１００μｍ未満としてもよい。
【００６１】
さらに、第２の弾性体を金属膜等の導電弾性体で構成することにより、静電気による吸着を防止することができる。すなわち、極めて微細な部品を取り扱う場合、絶縁体である第１の弾性体１３が帯電すると、ハンドリングが困難になる。しかし、導電体を表面に配設した触覚センサユニット１Ｂでは帯電しにくいため微細な部品の取り扱いが容易である。
【００６２】
第２の弾性体として導電体を用いた場合には、さらに第２の弾性体の上を含むセンサユニット全体を非導電性の第３の弾性体で封止してもよい。
【００６３】
以上の説明のように、非導電性の第２の弾性体３０によりセンサユニット全体を封止することにより信頼性を向上させることができるが、第２の弾性体３０により少なくとも第１の弾性体１３の上面を覆うことで計測できる外力の範囲が異なる触覚センサユニットが作製できる。
【００６４】
＜変形例＞
次に本発明の変形例の触覚センサユニット１Ｃ、１Ｄについて説明する。
図９に示すように触覚センサユニット１Ｃのセンサチップ１０Ｃは、変形方向が互いに直交する３個のカンチレバー１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃを有する半導体基板１１Ｃと、３個のカンチレバー１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃを内部に埋め込んだ弾性体１３Ｃと、を具備する。すなわち、カンチレバー１２ＡはＸ軸方向を変形方向とし、カンチレバー１２ＢはＹ軸方向を変形方向とし、カンチレバー１２ＣはＺ軸方向を変形方向としている。
【００６５】
このため、カンチレバー１２Ａとカンチレバー１２Ｂとは弾性体１３の表面沿いの方向に生じる力を検出するセンサとして機能し、カンチレバー１２Ｃは、弾性体１３のＺ軸方向の力、すなわち圧力を検出するセンサとして機能する。
【００６６】
なお、触覚センサユニット１Ｃでは、製造時に、カンチレバー１２Ｃの磁性体膜を除去しておくことで、磁界印加時にカンチレバー１２Ｃが直立した状態となることを防止することができる。
【００６７】
触覚センサユニット１Ｃは、触覚センサユニット１等が有する効果を有し、さらに３方向の外力を計測することができる。
【００６８】
図１０に示すように触覚センサユニット１Ｄは、それぞれの変形方向が互いに直交する３個のカンチレバー１２Ａ、１２Ｂ、１３Ｃからなるカンチレバー群を６個有する半導体基板１１Ｄと、それぞれがカンチレバー群を内部に埋め込んだ６個の弾性体１３Ｄ１〜１３Ｄ６と、を有するセンサチップ１０Ｄと、貫通部２３Ｄ１〜２３Ｄ６が形成され、角部が丸められた配線板２０Ｄと、を具備する。
【００６９】
触覚センサユニット１Ｄは、触覚センサユニット１等が有する効果を有し、さらに広い面積にかかる力を１つのユニットで検出可能である。さらに角が丸い配線板２０Ｄを有する触覚センサユニット１Ｄは、先端部のサイズを縮小することができる。
【００７０】
本発明は、上述した実施形態等に限定されるものではなく、本発明の要旨を変えない範囲において、実施形態等の組み合わせ、種々の変更、改変等ができる。
【符号の説明】
【００７１】
１、１Ａ〜１Ｄ…触覚センサユニット、１０、１０Ａ、１０Ｃ、１０Ｄ…センサチップ、１１、１１Ａ、１１Ｃ、１１Ｄ…半導体基板、１１Ｗ…ピエゾ抵抗層、１１Ｘ…シリコン層、１１Ｙ…酸化シリコン層、１１Ｚ…シリコン基板、１２、１２Ａ〜１２Ｃ…カンチレバー、１２Ｘ…感応部、１２Ｙ…ヒンジ部、１２Ｚ…固定部、１３…弾性体、１３Ｃ…弾性体、１４…バンプ、１４Ａ…バンプ、１４Ｃ…導電膜、１４Ｐ…接続パッド、１４Ｗ…ピエゾ抵抗層、１５…貫通配線部、１６…第１の主面、１７…第２の主面、２０、２０Ａ、２０Ｄ…配線板、２１…配線層、２２、２２Ａ…接続パッド、２３…貫通部、３０…弾性体、１０１…触覚センサユニット、１１０…センサチップ、１１１…半導体基板、１１２…カンチレバー、１１２Ｙ…ピエゾ抵抗層、１１３…弾性体、１１４…接続パッド、１２０…配線板、１２２…接続パッド、１３１…ワイヤ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象物との接触状態を摩擦力によるせん断応力から計測する触覚センサユニットに関し、特にカンチレバーが封入された弾性体の変形にもとづき接触状態を計測する触覚センサユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
ロボットハンドによって物体を確実に把持するためには、把持力だけでなく、物体との接触状態を計測することが必要である。特に、把持した物体が落下するのを防ぐためには、接触面に生じる摩擦力によるせん断応力を計測することが必要である。
【０００３】
特開２００７−２１８９０６公報には、せん断応力を検知するセンサチップが開示されている。なお、開示されているセンサチップは、変形方向が異なる複数のカンチレバーを有するが、以下では１個のカンチレバーを有するセンサチップ１１０を例に説明する。また、特開２００７−２１８９０６公報には、センサチップしか開示されていないが、図１に示すように、センサチップ１１０が配線板１２０に実装された構造体を触覚センサユニット１０１として説明する。
【０００４】
なお図は、いずれも模式図であり、説明を容易にするために部分的に拡大していたり、全ての構成要素を表示していなかったり、内部にあり外部からは不可視の構成要素を図示していたりする。またＺ軸方向の寸法を高さ、または厚さということがある。例えば、図１において弾性体１１３の中に埋め込まれたカンチレバー１１２等は外部からは不可視であるが表示している。
【０００５】
センサチップ１１０は、弾性体１１３の中に埋め込まれたカンチレバー１１２を有する半導体基板１１１からなる。カンチレバー１１２には変形に応じて電気抵抗が変化するピエゾ抵抗層１１２Ｙが形成されている。カンチレバー１１２はＸ軸方向に変形するが、Ｙ軸方向およびＺ軸方向には変形しにくいため、ピエゾ抵抗層１１２Ｙは弾性体１１３のＸ軸方向の変形により抵抗が変化する。
【０００６】
ピエゾ抵抗層１１２Ｙの抵抗変化を外部の測定器（不図示）で検出するためには、センサチップ１１０を配線板１２０に実装し、センサユニット１０１とする必要がある。このため、センサチップ１１０のピエゾ抵抗層１１２Ｙと接続された接続パッド１１４と、配線板１２０の接続パッド１２２とが、ワイヤボンディング法によりワイヤ１３１により接続されている。ここでワイヤ１３１の高さ（Ｚ軸方向寸法）は、３００〜５００μｍである。さらに、ワイヤボンディングのためには、接続パッド１１４および接続パッド１２２は１００μｍ角程度の面積が必要である。
【０００７】
このため、触覚センサユニット１０１では、たとえカンチレバー構造を微小化したとしても、厚さ（高さ寸法）はワイヤ１３１の高さ以下にはできない。また触覚センサユニット１０１の面積（縦寸法×横寸法）も大きい。すなわち、触覚センサユニット１０１は小型化に限界があった。特に、カンチレバーを複数個有するセンサチップ１１０を実装した触覚センサユニットは、１ミリメートル以上の三次元寸法となるため、微小部品の組み立てに使用するロボットハンドに用いることは容易ではないことがあった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【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】
【０００９】
本発明は、小型の触覚センサユニット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】
【００１０】
本発明の一形態の触覚センサユニットは、変形を検出するピエゾ抵抗層が形成されたカンチレバーを有する半導体基板と、前記カンチレバーを内部に埋め込んだ弾性体と、前記ピエゾ抵抗層と接続された接続用電極と、を有するセンサチップと接続パッドと、前記接続パッドと接続された配線層と、を有する配線板と、を具備し、前記接続用電極と前記接続パッドとを介して、前記センサチップが前記配線板にフリップチップ実装されている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、小型の触覚センサユニットを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】公知のセンサチップを説明するための斜視透視図である。
【図２】第１実施形態の触覚センサユニットを説明するための斜視透視図である。
【図３】第１実施形態の触覚センサユニットを説明するための分解図である。
【図４】第１実施形態の触覚センサユニットのカンチレバー説明するための断面図である。
【図５】第１実施形態の触覚センサユニットを説明するための上面図である。
【図６】第１実施形態の触覚センサユニットを説明するための断面図である。
【図７】第２実施形態の触覚センサユニットを説明するための断面図である。
【図８】第３実施形態の触覚センサユニットを説明するための断面図である。
【図９】第４実施形態の触覚センサユニットのセンサチップを説明するための斜視透視図である。
【図１０】第５実施形態の触覚センサユニットを説明するための分解図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
＜第１実施形態＞
以下、図２〜図６を用いて、本発明の第１実施形態の触覚センサユニット（以下、「センサユニット」ともいう）１について説明する。
【００１４】
図２および図３に示すように、本実施形態のセンサユニット１では、半導体基板１１と弾性体１３とを有するセンサチップ１０の半導体基板１１は、配線板２０にフリップチップ実装されている。すなわち、センサチップ１０の接続用電極であるバンプ１４と、配線板２０の接続パッド２２とが、直接接合されている。すなわち、フリップチップ実装では、ワイヤボンディング実装と異なり、ワイヤ等の接続線は使用されていない。
【００１５】
センサユニット１の半導体基板１１は、Ｘ軸方向の変形を検出可能な２個のカンチレバー１２を有する。すなわち、カンチレバー１２は半導体基板１１の主面に対して略垂直に立ち上げられた状態で弾性体１３の中に封入されている。
【００１６】
そして、図３に示すように、配線板２０には弾性体１３を挿通可能な貫通部２３が形成されており、配線板２０の板厚Ｔ２０よりも弾性体１３の膜厚Ｔ１３が厚い。また、貫通部２３のＸ軸方向寸法Ｌ２０およびＹ軸方向寸法Ｗ２０は、弾性体１３のＸ軸方向寸法Ｌ１３およびＹ軸方向寸法Ｗ１３よりも大きい。このため、図２に示すように、貫通部２３を挿通した弾性体１３の表面が、配線板２０の表面から突出している。
【００１７】
センサユニット１では、弾性体１３の表面と対象物との接触による摩擦力が、弾性体１３内にせん断応力を発生し、このせん断応力がカンチレバー１２を変形させる。そしてカンチレバー１２の変形を検出することで、せん断応力を検出する。
【００１８】
図４に示すように、半導体基板１１は、シリコン基板１１Ｚ（厚さ３００μｍ）上に酸化シリコン層１１Ｙ（厚さ４００ｎｍ）とシリコン層１１Ｘ（厚さ２９０ｎｍ）とを有するＳＯＩ（Silicon on Insulator）ウエハから作製されている。なお、図４は模式図であるため、例えばシリコン基板１１Ｚの厚さは、他の層に比べて薄く表示している。
【００１９】
カンチレバー１２は、感応部１２Ｘと、ヒンジ部１２Ｙと、固定部１２Ｚと、から構成されている。カンチレバー１２は、例えば全体の長さ寸法が４５０μｍ、全体の幅寸法が１５０μｍであり、感応部１２Ｘにおける幅寸法が１１０μｍ、ヒンジ部１２Ｙの長さ寸法が１５０μｍに形成されている。
【００２０】
そして、ヒンジ部１２Ｙの厚さは感応部１２Ｘの幅の１００分の１未満であり、１μｍ以下である。このため、他の方向と比較して、厚み方向に顕著に変形する。厚さが１μｍ以下と極薄く作成されたヒンジ部１２Ｙは弾性変形する領域が広く、破損することなく大きく変形することができる。すなわちカンチレバー１２は、シリコン基板１１Ｚではなく膜厚が薄いシリコン層１１Ｘを基体としているためにＸ方向の外力により容易に変形する。
【００２１】
すなわち、カンチレバー１２にはＸ方向の変形を検出するピエゾ抵抗層１１Ｗが形成されており、固定部１２Ｚおよび感応部１２Ｘには、ピエゾ抵抗層１４Ｗよりも抵抗の低い導電膜１４Ｃが形成されている。
【００２２】
このため、ヒンジ部１２Ｙのピエゾ抵抗層１１Ｗの抵抗変化が、導電膜１４Ｃの延設部に配設した接続用電極であるバンプ１４を介して検出可能である。すなわちバンプ１４は配線板２０の接続パッド２２と接続され、接続パッド２２は配線層２１と接続されており、配線層２１の延設部に測定器（不図示）を接続することで、ピエゾ抵抗層１１Ｗの抵抗変化が測定される。
【００２３】
ピエゾ抵抗層１１Ｗの電気抵抗は、ヒンジ部１２Ｙの変形量に応じて変化する。変形量と抵抗値との関係は予め測定されて、測定器に相関性データとして入力保持されている。変形量は、外力作用により弾性体１３に生じるせん断応力τにより弾性体１３に生じたせん断歪みγにもとづく。このため、ピエゾ抵抗層１１Ｗの抵抗変化を検出することで、せん断応力τを検出することができる。
【００２４】
配線板２０は、例えばポリイミドを基体とする厚さ（Ｚ方向寸法）３０μｍのフレキシブル配線板であり、配線層２１の長さ、言い換えれば、配線板２０のＹ方向寸法は、例えば、ロボットハンドの長さ等の仕様に応じて決定される。
【００２５】
なお、図４においてはピエゾ抵抗層１１Ｗに接続パッド１４Ｐを配設し、接続パッド１４Ｐの上に凸形状のバンプ１４を配設した例を示しているが、接続パッド１４Ｐは無くともよいし、接続パッド１４Ｐの膜厚が厚い場合には接続パッド１４Ｐを接続用電極として用いてもよい。
【００２６】
図５に示すように、センサユニット１ではセンサチップ１０が配線板２０にフリップチップ実装されているために、接続のために必要な面積、すなわち配線板２０の接続パッド２２の大きさは５０μｍ角程度であり、ワイヤボンディング法を用いた接合に必要な大きさよりも、小さい。このため、センサユニット１は、縦横（ＸＹ）方向のサイズが小さい。
【００２７】
さらに図３および図６（図５のＶＩ−ＶＩ線／模式断面図）に示すように、センサユニット１では、厚さ（Ｚ）方向の大きさは、センサチップ１０の厚さ（Ｔ１３＋Ｔ１１）である。すなわち、配線板２０の厚さＴ２０はセンサユニット１の厚さに影響を及ぼさない。さらに、フリップチップ実装を用いているため、ワイヤの高さの影響も受けない。
【００２８】
センサユニット１は、ワイヤボンディング実装ではないためワイヤ１３１の高さによる制限がなく、所定の厚さの半導体基板１１を用いた場合には、カンチレバーの寸法、すなわち弾性体１３の厚さＴ１３でセンサユニット１の厚さが決まる。例えば半導体基板１１の厚さＴ１１が３００μｍの場合に、弾性体１３の厚さＴ１３を１００μｍにすれば、センサユニット１は厚さ４００μｍにまで薄くできる。弾性体の厚さＴ１３を１００μｍにするためには、カンチレバー１２の立ち上げ高さを８０μｍ程度にすればよい。
【００２９】
なお、半導体基板１１の厚さＴ１１は、エッチング等により５０μｍ程度まで薄く加工することが可能であり、センサユニット１は、高さを、さらに小さくすることもできる。
【００３０】
以上の説明のように、センサユニット１は、小型である。このため精密部品の組み立て等に使われる微小なロボットハンドへの搭載は、従来の触覚センサユニットでは不可能であったが、センサユニット１では可能である。
【００３１】
さらに図２に示すように、配線板２０の貫通部２３に挿通された弾性体１３の最大変形量は、貫通部２３との隙間の大きさ、例えばＸ方向の変形に対しては、（Ｌ２０−Ｌ１３）であり、Ｙ方向の変形に対しては、（Ｗ２０−Ｗ１３）であり、これより大きく変形することはない。すなわち、貫通部２３は弾性体１３の過度の変形を防止する安全機能を有している。
【００３２】
このためセンサユニット１は想定外の強い外力が加わっても、弾性体１３が過度に変形することがないために、弾性体１３等が破損するおそれがない。
【００３３】
なお、隙間の大きさは仕様に応じて設計されるが、貫通部２３の厚さ（Ｚ軸方向）方向で変化していてもよい。例えば、隙間の大きさを、弾性体１３の変形状態と同じように、下面側（半導体基板１１側）は小さく、上面側は大きくすることにより、弾性体１３が大きく変形しても、面状態で貫通部２３と接触するため破損しにくい。
【００３４】
次に、センサユニット１の製造方法について説明する。
最初に、所定のＳＯＩウエハ（シリコン層１１Ｘの厚さ２９０ｎｍ）の表面の自然酸化膜を除去した後に、ｎ型不純物試薬が表面に塗布される。赤外線ランプ加熱装置または熱酸化炉を用いて熱拡散することで、ピエゾ抵抗層１１Ｗが形成される。１００ｎｍのピエゾ抵抗層１１Ｗのシート抵抗は例えば、２００Ω／ｓｑである。
【００３５】
次に、ピエゾ抵抗層１１Ｗの上に、導電膜１４Ｃとして、Ａｕ下地膜（５０ｎｍ）／Ｎｉ磁性体膜（１５０ｎｍ）が蒸着法またはスパッタ法等により成膜される。導電膜１４Ｃとしては、例えば、Ｃｒ／Ｎｉ膜、Ｔｉ／Ｆｅ膜等であってもよい。
【００３６】
次に、導電膜１４ＣおよびＳｉ層１１Ｘが、カンチレバー１２形状にパターニング後にエッチングされる。なお、半導体基板１１は少なくとも１個のカンチレバーを有していればよい。さらに、カンチレバー１２の固定部１２Ｚおよびヒンジ部１２ＹからＮｉ膜が除去され、さらに、ヒンジ部１２ＹからＡｕ膜が除去される。
【００３７】
次に、固定部１２ＺのＡｕ層上に接続パッド１４Ｐが形成され、接続パッド１４Ｐの上に接続用電極であるバンプ１４が形成される。バンプ１４は、確実にフリップチップ実装するための凸状電極であり、例えば高さ５０μｍの金バンプである。
【００３８】
そして、カンチレバー１２の直下を含む所定範囲のＳｉ基板１１ＺがDeep−ＲＩＥによってエッチングされ、さらにＳｉＯ２層１１ＹがHF蒸気によって除去される。
【００３９】
次に、カンチレバー１２の感応部１２ＸのＮｉ磁性体膜に外部から基板面に垂直方向の磁界を印加することで、ヒンジ部１２Ｙが略直角に折れ曲がり、感応部１２Ｘが半導体基板１１の主面に対して直立した状態となる。磁界を印加した状態で、カンチレバー１２の表面に姿勢保持および強度補強部材として例えばパリレン層（不図示）がＣＶＤ法により成膜される。
【００４０】
そして、カンチレバー１２を内部に含む所定の形状（ＸＹＺ寸法）の容器内に、例えばＰＤＭＳ（Polydimethylsiloxane）が流し込まれ、硬化処理が行われることで、カンチレバー１２を内部に埋め込んだ弾性体１３が作成される。弾性体１３としては各種の樹脂材料を用いることができるが、シリコーン系樹脂が好ましい。なお弾性体１３は透明である必要はない。
【００４１】
ここで、弾性体１３の厚さＴ１２は、配線板２０の厚さＴ２０よりも、例えば５０〜２００μｍ厚くなるように設定される。
【００４２】
センサチップ１０の製造においては、最初にＳＯＩウエハを個片化して１個ずつ製造することもできるし、ウエハレベルで多数のセンサチップ１０を一括製造し、切断して個々のセンサチップ１０を得ることもできる
【００４３】
配線板２０は、フレキシブル銅張積層板の銅膜をパターニングすることにより、接続パッド２２と配線層２１とが形成される。この場合には、配線層２１の一端部が接続パッド２２である。
【００４４】
さらに配線板２０は、弾性体１３を挿通するための貫通部２３がエッチング、サンドブラスト、または機械的加工法等により形成される。貫通部２３の大きさは弾性体１３の大きさをもとに設定される。
【００４５】
そして、配線板２０の貫通部２３にセンサチップ１０が挿通された状態で、例えば超音波接合により、フリップチップ実装される。実装後に配線板２０とセンサチップ１０の間にアンダーフィル材を充填して接合信頼性を向上してもよい。
【００４６】
以上の説明のように、小型の触覚センサユニット１は、フリップチップ実装を用いているために、製造が容易であり、生産性が高い。
【００４７】
＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態の触覚センサユニット１Ａについて説明する。触覚センサユニット１Ａは触覚センサユニット１と類似しているため同じ構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。
【００４８】
図７に示すように触覚センサユニット１Ａのセンサチップ１０Ａには、半導体基板１１Ａの第１の主面１６と第２の主面１７とを貫通する貫通配線部１５が形成されている。ここで、第１の主面１６は弾性体１３が形成された面であり、第２の主面１７は第１の主面１６と対向する面である。
【００４９】
そして、ピエゾ抵抗層１１Ｗが貫通配線部１５を介して第２の主面１７に形成された接続用電極であるバンプ１４Ａと接続されている。
【００５０】
そして、バンプ１４Ａと接続パッド２２Ａとを介して、センサチップ１０Ａが配線板２０Ａに実装されている。
【００５１】
貫通配線部１５の作製では、最初に、例えば、異方性エッチングまたはサンドブラスト等の公知の手法を用いて貫通孔が形成される。なお、貫通孔はテーパー形状であってもよい。その後、貫通孔表面を絶縁膜（不図示）で被覆した後、例えば、めっき法による金配線または導電性ペーストの充填により貫通孔を導体配線とする。
【００５２】
本実施形態の触覚センサユニット１Ａは、触覚センサユニット１と同様の効果を有し、さらにカンチレバー形成面（第１の主面１６）とは反対の第２の主面１７に、接続用電極であるバンプ１４Ａを形成するため、実施形態１よりも大きな接続用電極を用いてもセンサ寸法が大きくなることがない。
【００５３】
ただし、触覚センサユニット１Ａでは高さ寸法（Ｚ軸寸法）が、センサチップ１０Ａの厚さ（Ｔ１３＋Ｔ１１）と、配線板２０Ａの厚さＴ２０Ａと、接合部（バンプ１４Ａ／接続パッド２２Ａ）の厚さＴ１４との合計となるため、センサチップ１０よりも厚くなる。しかし、接合部の厚さＴ１４は５０μｍ程度であり、ワイヤ配線に必要な厚さと比べると小さい。このため、触覚センサユニット１Ａはワイヤ配線を有する従来の触覚センサユニットよりも小型である。
【００５４】
＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態の触覚センサユニット１Ｂについて説明する。触覚センサユニット１Ｂは触覚センサユニット１と類似しているため同じ構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。
【００５５】
図８に示すように、触覚センサユニット１Ｂは、カンチレバー１２を内部に埋め込んだ第１の弾性体１３を覆う第２の弾性体３０を有する。触覚センサユニット１Ｂでは、表面をさらに第２の弾性体により封入することにより、信頼性の向上に加えて、センサ特性の最適化を図ることができる。
【００５６】
第２の弾性体３０は、触覚センサユニット１Ｂを、センサユニットの底面を除いて封入している。第２の弾性体３０により全体を封止することにより、センサチップと基板の配線部分の外部との電気的絶縁ができる。さらに、センサチップの接合の物理的強度を高めることができ、使用時のセンサチップ脱落を防ぎ、信頼性を向上させることができる。
【００５７】
ここで、例えば、第２の弾性体３０には、第１の弾性体１３と異なる材料、特に、第１の弾性体１３よりも弾性率の大きい材料、言い換えれば硬い材料を用いることができる。例えば、第１の弾性体１３として厚さを３００μｍのＰＤＭＳ（製品名：SIM-260，硬度（デュロメータタイプA：60））を用い、第２の弾性体３０として厚さを１００μｍシリコーンゴム（製品名：KE-1204，硬度（デュロメータタイプA：70））を用いる。
【００５８】
触覚センサユニット１Ｂに外力が加わった場合、カンチレバー１２の変形量は、第２の弾性体３０により抑制されるために、触覚センサユニット１Ｂよりも小さい。すなわち、触覚センサユニット１Ｂは触覚センサユニット１よりも、より大きな外力まで測定可能である。
【００５９】
逆に、第２の弾性体３０に第１の弾性体１３よりも弾性率の小さい材料、言い換えれば低硬度材料を用いることで、より感度を高くしてもよい。すなわち、第２の弾性体３０を変えることにより、同じ寸法設計のセンサチップを用いても外力に対する感度（弾性体変形量）が異なるため、計測できる外力の範囲が異なる触覚センサユニットが作製できるため、触覚センサユニットの使用用途を広げることができる。
【００６０】
なお、触覚センサユニット１Ｂの大きさは、触覚センサユニット１よりも第２の弾性体３０の分だけ大きいが、従来の触覚センサユニットと比べると小型である。より小型化するために、第２の弾性体３０の厚さを、１００μｍ未満としてもよい。
【００６１】
さらに、第２の弾性体を金属膜等の導電弾性体で構成することにより、静電気による吸着を防止することができる。すなわち、極めて微細な部品を取り扱う場合、絶縁体である第１の弾性体１３が帯電すると、ハンドリングが困難になる。しかし、導電体を表面に配設した触覚センサユニット１Ｂでは帯電しにくいため微細な部品の取り扱いが容易である。
【００６２】
第２の弾性体として導電体を用いた場合には、さらに第２の弾性体の上を含むセンサユニット全体を非導電性の第３の弾性体で封止してもよい。
【００６３】
以上の説明のように、非導電性の第２の弾性体３０によりセンサユニット全体を封止することにより信頼性を向上させることができるが、第２の弾性体３０により少なくとも第１の弾性体１３の上面を覆うことで計測できる外力の範囲が異なる触覚センサユニットが作製できる。
【００６４】
＜変形例＞
次に本発明の変形例の触覚センサユニット１Ｃ、１Ｄについて説明する。
図９に示すように触覚センサユニット１Ｃのセンサチップ１０Ｃは、変形方向が互いに直交する３個のカンチレバー１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃを有する半導体基板１１Ｃと、３個のカンチレバー１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃを内部に埋め込んだ弾性体１３Ｃと、を具備する。すなわち、カンチレバー１２ＡはＸ軸方向を変形方向とし、カンチレバー１２ＢはＹ軸方向を変形方向とし、カンチレバー１２ＣはＺ軸方向を変形方向としている。
【００６５】
このため、カンチレバー１２Ａとカンチレバー１２Ｂとは弾性体１３の表面沿いの方向に生じる力を検出するセンサとして機能し、カンチレバー１２Ｃは、弾性体１３のＺ軸方向の力、すなわち圧力を検出するセンサとして機能する。
【００６６】
なお、触覚センサユニット１Ｃでは、製造時に、カンチレバー１２Ｃの磁性体膜を除去しておくことで、磁界印加時にカンチレバー１２Ｃが直立した状態となることを防止することができる。
【００６７】
触覚センサユニット１Ｃは、触覚センサユニット１等が有する効果を有し、さらに３方向の外力を計測することができる。
【００６８】
図１０に示すように触覚センサユニット１Ｄは、それぞれの変形方向が互いに直交する３個のカンチレバー１２Ａ、１２Ｂ、１３Ｃからなるカンチレバー群を６個有する半導体基板１１Ｄと、それぞれがカンチレバー群を内部に埋め込んだ６個の弾性体１３Ｄ１〜１３Ｄ６と、を有するセンサチップ１０Ｄと、貫通部２３Ｄ１〜２３Ｄ６が形成され、角部が丸められた配線板２０Ｄと、を具備する。
【００６９】
触覚センサユニット１Ｄは、触覚センサユニット１等が有する効果を有し、さらに広い面積にかかる力を１つのユニットで検出可能である。さらに角が丸い配線板２０Ｄを有する触覚センサユニット１Ｄは、先端部のサイズを縮小することができる。
【００７０】
本発明は、上述した実施形態等に限定されるものではなく、本発明の要旨を変えない範囲において、実施形態等の組み合わせ、種々の変更、改変等ができる。
【符号の説明】
【００７１】
１、１Ａ〜１Ｄ…触覚センサユニット、１０、１０Ａ、１０Ｃ、１０Ｄ…センサチップ、１１、１１Ａ、１１Ｃ、１１Ｄ…半導体基板、１１Ｗ…ピエゾ抵抗層、１１Ｘ…シリコン層、１１Ｙ…酸化シリコン層、１１Ｚ…シリコン基板、１２、１２Ａ〜１２Ｃ…カンチレバー、１２Ｘ…感応部、１２Ｙ…ヒンジ部、１２Ｚ…固定部、１３…弾性体、１３Ｃ…弾性体、１４…バンプ、１４Ａ…バンプ、１４Ｃ…導電膜、１４Ｐ…接続パッド、１４Ｗ…ピエゾ抵抗層、１５…貫通配線部、１６…第１の主面、１７…第２の主面、２０、２０Ａ、２０Ｄ…配線板、２１…配線層、２２、２２Ａ…接続パッド、２３…貫通部、３０…弾性体、１０１…触覚センサユニット、１１０…センサチップ、１１１…半導体基板、１１２…カンチレバー、１１２Ｙ…ピエゾ抵抗層、１１３…弾性体、１１４…接続パッド、１２０…配線板、１２２…接続パッド、１３１…ワイヤ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
変形を検出するピエゾ抵抗層が形成されたカンチレバーを有する半導体基板と、前記カンチレバーを内部に埋め込んだ弾性体と、前記ピエゾ抵抗層と接続された接続用電極と、を有するセンサチップと
接続パッド、および、前記接続パッドと接続された配線層、を有する配線板と、を具備し、
前記接続用電極と前記接続パッドとを介して、前記センサチップが前記配線板にフリップチップ実装されていることを特徴とする触覚センサユニット。
【請求項２】
前記配線板に前記センサチップの前記弾性体を挿通可能な貫通部が形成されており、
前記貫通部に挿通された、前記配線板の板厚よりも厚さが厚い前記弾性体の表面が、前記配線板の表面から突出していることを特徴とする請求項１に記載の触覚センサユニット。
【請求項３】
前記半導体基板に、前記弾性体が形成された第１の主面と、前記第１の主面と対向する第２の主面と、を貫通する貫通配線部が形成されており、前記ピエゾ抵抗層が前記貫通配線部を介して前記第２の主面に形成された前記接続用電極と接続されていることを特徴とする請求項１に記載の触覚センサユニット。
【請求項４】
前記カンチレバーが、前記半導体基板（の第１の主面）に対して直立していることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の触覚センサユニット。
【請求項５】
前記半導体基板が、変形方向が互いに直交する複数のカンチレバーを有することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の触覚センサユニット。
【請求項６】
前記弾性体である第１の弾性体を覆う第２の弾性体を有することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の触覚センサユニット。
【請求項７】
前記第１の弾性体の弾性率と前記第２の弾性体の弾性率とが異なることを特徴とする請求項６に記載の触覚センサユニット。
【請求項８】
前記第１の弾性体が、前記第２の弾性体よりも弾性率が小さいことを特徴とする請求項６に記載の触覚センサユニット。
【請求項１】
変形を検出するピエゾ抵抗層が形成されたカンチレバーを有する半導体基板と、前記カンチレバーを内部に埋め込んだ弾性体と、前記ピエゾ抵抗層と接続された接続用電極と、を有するセンサチップと
接続パッド、および、前記接続パッドと接続された配線層、を有する配線板と、を具備し、
前記接続用電極と前記接続パッドとを介して、前記センサチップが前記配線板にフリップチップ実装されていることを特徴とする触覚センサユニット。
【請求項２】
前記配線板に前記センサチップの前記弾性体を挿通可能な貫通部が形成されており、
前記貫通部に挿通された、前記配線板の板厚よりも厚さが厚い前記弾性体の表面が、前記配線板の表面から突出していることを特徴とする請求項１に記載の触覚センサユニット。
【請求項３】
前記半導体基板に、前記弾性体が形成された第１の主面と、前記第１の主面と対向する第２の主面と、を貫通する貫通配線部が形成されており、前記ピエゾ抵抗層が前記貫通配線部を介して前記第２の主面に形成された前記接続用電極と接続されていることを特徴とする請求項１に記載の触覚センサユニット。
【請求項４】
前記カンチレバーが、前記半導体基板（の第１の主面）に対して直立していることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の触覚センサユニット。
【請求項５】
前記半導体基板が、変形方向が互いに直交する複数のカンチレバーを有することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の触覚センサユニット。
【請求項６】
前記弾性体である第１の弾性体を覆う第２の弾性体を有することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の触覚センサユニット。
【請求項７】
前記第１の弾性体の弾性率と前記第２の弾性体の弾性率とが異なることを特徴とする請求項６に記載の触覚センサユニット。
【請求項８】
前記第１の弾性体が、前記第２の弾性体よりも弾性率が小さいことを特徴とする請求項６に記載の触覚センサユニット。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−８８０８４（Ｐ２０１２−８８０８４Ａ）
【公開日】平成２４年５月１０日（２０１２．５．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２３２９４９（Ｐ２０１０−２３２９４９）
【出願日】平成２２年１０月１５日（２０１０．１０．１５）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【出願人】（５０４１３７９１２）国立大学法人 東京大学 (1,942)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年５月１０日（２０１２．５．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月１５日（２０１０．１０．１５）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【出願人】（５０４１３７９１２）国立大学法人 東京大学 (1,942)
【Ｆターム（参考）】
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