JP2023126033A

JP2023126033A - Ｍｅｍｓセンサ

Info

Publication number: JP2023126033A
Application number: JP2022030470A
Authority: JP
Inventors: 雅之寒川; Masayuki Samukawa; 春生野間; Haruo Noma
Original assignee: Niigata University NUC; Ritsumeikan Trust
Current assignee: Niigata University NUC; Ritsumeikan Trust
Priority date: 2022-02-28
Filing date: 2022-02-28
Publication date: 2023-09-07

Abstract

【課題】ＭＥＭＳセンサの感度を向上させる。【解決手段】少なくとも１つのひずみ検知素子３１と、各ひずみ検知素子上に設けられた一対のひずみゲージ３１７Ｌ、３１７Ｒと、を備えるＭＥＭＳセンサ１であって、一対のひずみゲージ３１７Ｌ、３１７Ｒは、各ひずみ検知素子の応力集中部３１２のみに並べて設けられていることを特徴とする。【選択図】図３

Description

本開示は、ＭＥＭＳセンサに関する。

近年、産業分野及び医療分野等において、産業用ロボット、仮想現実の普及、遠隔医療の発達等が進んでおり、ＭＥＭＳセンサを利用した触覚センシング技術が注目を集めている。かかるＭＥＭＳセンサとしてはさまざまな技術が提案されているが(例えば特許文献１～３、非特許文献１)、標準的な技術は未確立である。

特開２００８－１２８９４０号公報特開２００６－２０８２４８号公報特開２００６－２０１０６１号公報河内彪博他：「MEMS触覚センサの温度変化による出力信号のドリフト特性の考察」、電気学会センサ・マイクロマシン部門総合研究会、MSS-20-26、2020年7月

ＭＥＭＳセンサにおけるマイクロカンチレバー構造等のひずみ検知素子に対する外力印加による変形の検出にはひずみゲージが用いられている。ひずみゲージは、ひずみ検知素子の変形を、かかる変形に伴う電気抵抗の変化に基づき検出する。ここでひずみ検知素子の変形は微小であるため感度を向上させるには工夫が必要である。特にひずみ検知素子の変形が微小であることから出力の増幅が必要になり、出力増幅過程において出力信号にノイズが混入してしまう恐れがあった。このように従来のＭＥＭＳセンサには感度の点で課題があった。

かかる事情に鑑みてなされた本開示の目的は、ＭＥＭＳセンサの感度を向上することにある。

本開示の一実施形態に係るＭＥＭＳセンサは、
少なくとも１つのひずみ検知素子と、
各ひずみ検知素子上に設けられた一対のひずみゲージと、
を備えるＭＥＭＳセンサであって、
前記一対のひずみゲージは、各ひずみ検知素子の応力集中部のみに並べて設けられていることを特徴とする。

また本開示の一実施形態に係るＭＥＭＳセンサは、
各ひずみ検知素子がカンチレバー構造であることを特徴とする。

また本開示の一実施形態に係るＭＥＭＳセンサは、
前記応力集中部が前記カンチレバー構造の固定端近傍であることを特徴とする。

また本開示の一実施形態に係るＭＥＭＳセンサは、
前記一対のひずみゲージが、前記固定端近傍において前記カンチレバー構造の短手方向に並べて設けられていることを特徴とする。

また本開示の一実施形態に係るＭＥＭＳセンサは、
前記一対のひずみゲージに接続され、複数の参照用抵抗を備えたホイートストンブリッジ回路を備え、
前記複数の参照用抵抗が前記ひずみゲージの近傍に設けられることを特徴とする。

また本開示の一実施形態に係るＭＥＭＳセンサは、
前記ひずみゲージと前記参照用抵抗とが、同一の材料からなることを特徴とする。

また本開示の一実施形態に係るＭＥＭＳセンサは、
前記材料がNiCrであることを特徴とする。

また本開示の一実施形態に係るＭＥＭＳセンサは、
前記ひずみ検知素子の個数が２であることを特徴とする。

本開示の一実施形態によれば、ＭＥＭＳセンサの感度を向上させることが可能となる。

本開示の一実施形態に係るＭＥＭＳセンサの概略構成を示す図である。比較例に係るＭＥＭＳセンサの概略構成を示す図である。本開示の一実施形態に係るマイクロカンチレバーの概略構成を示す図である。本開示の一実施形態に係るマイクロカンチレバーの作成手順を示す図である。本開示の一実施形態に係るＭＥＭＳセンサによる外力の検出原理を示す図である。比較例に係るＭＥＭＳセンサの回路構成の概略図である。本開示の一実施形態に係るＭＥＭＳセンサの回路構成の概略図である。本開示の一実施形態に係る参照用抵抗の配置を示す図である。垂直及び水平荷重の印加試験の概要を示す図である。本開示の一実施形態に係るＭＥＭＳセンサと、比較例に係るＭＥＭＳセンサとに垂直方向の荷重を印加した場合のひずみゲージの抵抗変化率を示す図である。本開示の一実施形態に係るＭＥＭＳセンサと、比較例に係るＭＥＭＳセンサとにマイクロカンチレバーの長手方向の荷重を印加した場合のひずみゲージの抵抗変化率を示す図である。本開示の一実施形態に係るＭＥＭＳセンサと、比較例に係るＭＥＭＳセンサとにマイクロカンチレバーの短手方向の荷重を印加した場合のひずみゲージの抵抗変化率を示す図である。本開示の一実施形態に係るＭＥＭＳセンサに水平方向の荷重を３６０°変化させて印加した場合のひずみゲージの抵抗変化率を示す図である。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。各図において、同一符号は、同一または同等の構成要素を示す。本実施形態のＭＥＭＳセンサは、一例として触覚計測用のセンサ（触覚センサ）である場合について説明する。各図中、同一又は相当する部分には、同一符号を付している。本実施形態の説明において、同一又は相当する部分については、説明を適宜省略又は簡略化する。

図１を参照して、本実施形態に係るＭＥＭＳセンサ１の構成を説明する。ＭＥＭＳセンサ１はSi基板上に微小構造のひずみ検知素子を有する。またＭＥＭＳセンサ１は、その全体がエラストマ（例えばPoly-dimethyl-siloxane（ＰＤＭＳ））でカバーされた突起構造を有する。エラストマの頂部に外力が作用するとエラストマ全体が変形し、その変形に引っ張られて同時にひずみ検知素子が変形する。このひずみ検知素子の変形に伴う抵抗変化を計測して、計算機内部で外力を算出する。図１（ａ）は、本実施形態に係るＭＥＭＳセンサ１の斜視図である。図１（ｂ）は、本実施形態に係るＭＥＭＳセンサ１の写真である。本実施形態に係るＭＥＭＳセンサ１は、弾性樹脂２により封止されたセンサチップ３と、接触部４とを備える。

図１に示す通り、センサチップ３は弾性樹脂２により封止されることにより保護されている。弾性樹脂２は例えばエラストマ（例えばPoly-dimethyl-siloxane（ＰＤＭＳ））である。以下本実施形態では、弾性樹脂２がＰＤＭＳであるとして説明する。

センサチップ３は、プリント基板５上に設けられている。センサチップ３はひずみ検知素子３１～３３を含む。本実施形態においてひずみ検知素子３１～３３は、ひずみゲージの搭載されたカンチレバー構造を有する。換言すると本実施形態においてひずみ検知素子３１～３３は、ひずみゲージの搭載された３つのマイクロカンチレバー（微小カンチレバー）３１～３３である。以下、ひずみ検知素子３１～３３をそれぞれマイクロカンチレバー３１～３３ともいう。マイクロカンチレバー３１～３３は、力の大きさ及び方向を検出するために傾斜構造をしている。センサチップ３のサイズは５mm角の正方形である。マイクロカンチレバー３１～３３は、センサチップ３のチップ中央から直径１mmの円内に，先端が120度回転した方向を向くように配置されている。なお本実施の形態では、ＭＥＭＳセンサ１がマイクロカンチレバーを３個備える例を説明するが、これに限られない。ＭＥＭＳセンサ１が備えるマイクロカンチレバーの個数は２個であってもよい。つまり、ＭＥＭＳセンサ１が備えるマイクロカンチレバーは、マイクロカンチレバー３１及びマイクロカンチレバー３２のみであってもよい。この場合、マイクロカンチレバー３１及びマイクロカンチレバー３２は、センサチップ３のチップ中央から直径１mmの円内に，先端が120度～180度回転した方向を向くように配置されている。

接触部４は対象物と接触する部位である。接触部４の形状及び材質は、対象物の性質及び用途に応じて適宜定められる。対象物の性質は、対象物の硬度、柔軟性、脆性、耐久性、耐摩耗性等を含む。例えば対象物が柔軟であるかどうか、対象物が壊れやすいか否かに応じて、接触部４の硬度、及び対象物との接触面積が適宜調整され得る。例えば接触部４の形状は半球形、円柱形、楕円柱形、角柱形、三角錐形等である。接触部４の形状はこれに限られず、突起状の形状であれば任意の形状を採用可能である。接触部４の材質は、例えばＰＤＭＳ、アクリル等である。接触部４の材質はこれに限られず、任意の材料を採用可能である。接触部４は、対象物との接触個所を限定し、またセンサチップ３への荷重を中心方向に集中させる役割を果たす。

接触部４は、センサチップ３に取り外し可能に固定されてもよい。本開示において取り外し可能とは、剥離可能であること、脱着可能であること等を含む。例えば接触部４はセンサチップ３に、再剥離が可能な粘着性接着剤により取り外し可能（剥離可能）に固定される。粘着性接着剤として、例えばセメダイン株式会社の液状粘着剤BBXを用いることができる。このように接触部４はセンサチップ３から取り外し可能であるため、本実施形態にかかるＭＥＭＳセンサ１は、様々な用途及び対象物に合わせた形状又は材質の接触部４を適宜交換して用いることができる。

次に、マイクロカンチレバーの概略構成を示す。まず比較のために比較例に係るＭＥＭＳセンサ１０１及びマイクロカンチレバー４１の概略構成を図２に示す。図２（ａ）に示すように、比較例に係るＭＥＭＳセンサ１０１は、ＭＥＭＳセンサ１と同様に、弾性樹脂１０２により封止されたセンサチップ１０３と、接触部１０４とを備える。センサチップ１０３はひずみ検知素子４１～４３を含む。比較例においてセンサチップ１０３に含まれるひずみ検知素子４１～４３は、ひずみゲージの搭載された３つのマイクロカンチレバー４１～４３である。図２（ｂ）に示すように、比較例に係るマイクロカンチレバー４１は、自由端４１１と、固定端４１２と、ひずみゲージ４１７とを含む。ここで図２に示すように、ひずみゲージ４１７は、マイクロカンチレバー４１の全面にわたって配置されている。具体的にはひずみゲージ４１７は、マイクロカンチレバー４１の全面にわたってミアンダ状に配置されている。換言するとひずみゲージ４１７は、マイクロカンチレバー４１の自由端３１１から固定端３１２にわたって設けられている。

続いて図３を参照して本実施形態に係るマイクロカンチレバー３１の概略構成を示す。マイクロカンチレバー３１は、自由端３１１と、固定端３１２と、一対のひずみゲージ３１７Ｌ、３１７Ｒとを含む。ここで図２に示すように、一対のひずみゲージ３１７Ｌ、３１７Ｒは、ひずみ検知素子（マイクロカンチレバー３１）の固定端３１２において、ひずみ検知素子の短手方向に沿って並べて設けられている。換言すると、一対のひずみゲージ３１７Ｌ、３１７Ｒは、ひずみ検知素子の応力集中部のみに並べて設けられている。マイクロカンチレバー３２及び３３の構成はマイクロカンチレバー３１と同様である。すなわち、一対のひずみゲージ３２７Ｌ、３２７Ｒは、ひずみ検知素子（マイクロカンチレバー３２）の固定端において、ひずみ検知素子の短手方向に沿って並べて設けられている。また一対のひずみゲージ３３７Ｌ、３３７Ｒは、ひずみ検知素子（マイクロカンチレバー３３）の固定端において、ひずみ検知素子の短手方向に沿って並べて設けられている。

図４を参照して、本実施形態に係るマイクロカンチレバー３１の作成手順を示す。マイクロカンチレバー３２及び３３の作成手順はマイクロカンチレバー３１と同一であるため説明は省略する。マイクロカンチレバー３１の作製には、支持基板３１３、BOX層３１４、及び活性層３１５の３層構造からなるSilicon on Insulator(SOI)ウェハが使用される。ここで支持基板３１３はSiからなる。BOX層３１４はSiO₂からなる。活性層３１５はSiからなる。作製の前準備としてSOIウェハには予めアセトン超音波洗浄および希フッ酸による自然酸化膜除去の成膜前処理が行われる。

まずSOIウェハ上に絶縁層３１６としてSi₃N₄をLPCVD法により、ひずみゲージ３１７R及びひずみゲージ３１７LとしてNiCr、及び配線部３１８としてAuがスパッタリング法によりそれぞれ成膜され、フォトリソグラフィ法とエッチングによってパターニングされる。続いてカンチレバー構造を傾斜させるための膜３１９としてCrが電子ビーム蒸着法により成膜され、リフトオフ法によってパターニングされる。その後、選択的にエッチングをすることで中空構造を作製する方法（以下、犠牲層エッチングともいう。）を用いて、BOX層３１４を犠牲層としカンチレバー構造が形成される。

フォトリソグラフィ法によるパターニング後において、活性層３１５をエッチングしカンチレバー構造が残される。ここで犠牲層エッチングを均一かつ効率的に行うため、マイクロカンチレバー３１にはBOX層３１４が露出した孔が複数配置される。続いてマイクロカンチレバー３１となる活性層３１５を支持基板３１３から離すため、バッファードフッ酸(Buffered Hydrogen Fluoride, BHF)を用いてBOX層３１４が選択的にエッチングされる。バッファードフッ酸として例えばステラケミファ株式会社のNH₄F濃度20%の製品を用いることができる。ここで活性層３１５が基板から離れ中空構造となる際に、膜３１９（Cr）と活性層３１５（Si）の線膨張係数の差による引張応力によってマイクロカンチレバー３１は自律的に傾斜構造となる。犠牲層エッチング後はセンサチップ３を純水で洗浄し、また純水の表面直力によってマイクロカンチレバーが支持基板３１３に張り付くスティッキングを防ぐためエタノール置換を行う。その後、真空乾燥を行いセンサチップ３が完成する。

作製されたセンサチップ３はプリント基板５上にエポキシ接着剤を用いて接着される。エポキシ接着剤として、例えばエスコ株式会社の超速エポキシ接着剤を用いることができる。またセンサチップ３は配線接続部によりプリント基板５と電気的に接続される。配線接続部は例えば金細線(Φ25 _μm)により構成され、センサチップ３とプリント基板５とはワイヤボンディングにより接続される。

図５は、ＭＥＭＳセンサ１による外力の検出原理を示す概略図である。図４に示されるように、外力が接触部４に加えられると、マイクロカンチレバー３１～３３が変形する。接触部４に当該外力が加わると、接触部４の変形に伴いマイクロカンチレバー３１～３３のたわみ量が変化する。ここでマイクロカンチレバー３１～３３上のひずみゲージ３１７L、３１７Rの電気抵抗の変化を測定することによって、加えられた力の大きさを推定できる。マイクロカンチレバー３１～３３は傾斜構造をしており、それぞれ異なる角度で配置されている。例えば、図５（ａ）に示すように接触部４に垂直力（垂直荷重）が印加された場合、ＰＤＭＳは非圧縮性のため水平方向に逃げるように移動し水平方向に膨張する。つまりこの場合、全てのマイクロカンチレバー３１～３３のたわみ量が増加し、ひずみゲージ３１７Ｌ、３１７Ｒの電気抵抗は一様に減少する。他方で、図４（ｂ）に示すように、せん断力（せん断荷重）が印加された場合、せん断荷重の方向によってマイクロカンチレバー３１～３３はそれぞれ異なる動きを示す。またひずみゲージ３１７Ｌ、３１７Ｒの電気抵抗も同様に異なる応答を示す。従って、あらかじめ各マイクロカンチレバー３１～３３の荷重に対する感度特性を測定しておくことにより、印加された力の大きさ及び方向を推定できる。

次にＭＥＭＳセンサ１の回路構成について説明する。まず図６に、比較例に係るＭＥＭＳセンサ１０１のマイクロカンチレバー４１に係る回路構成を示す。カンチレバー４２及び４３に係る回路構成はマイクロカンチレバー４１に係る回路構成と同様であるため説明は省略する。マイクロカンチレバー４１に係る回路構成はホイートストンブリッジ回路であり、ひずみゲージ４１７がホイートストンブリッジ回路の一辺に設けられる。また参照用抵抗４１８～４２０がホイートストンブリッジ回路の残りの三辺に設けられる。ひずみゲージの抵抗変化率（dR／R）に対するひずみ出力（Ｖ）はR>>dRの場合に以下の近似式（１）により表される。

ここでEは電源電圧である。なお一般にマイクロカンチレバー４１の構成においてR>>dRとみなすことができる。

図７は、本実施形態に係るＭＥＭＳセンサ１のマイクロカンチレバー３１に係る回路構成の概略図である。マイクロカンチレバー３２及び３２に係る回路構成はマイクロカンチレバー３１に係る回路構成と同様であるため説明は省略する。図７に示すように、ＭＥＭＳセンサ１のマイクロカンチレバー３１に係る回路構成としては、ホイートストンブリッジ回路の対辺２ゲージ法を用いる。つまりかかる回路構成は、ホイートストンブリッジ回路の二辺にひずみゲージ３１７Ｌ、３１７Ｒが設けられ、ホイートストンブリッジ回路の他の２辺に参照用抵抗５１１、５１２が設けられる回路構成を有する。かかる回路構成においてひずみゲージの抵抗変化率（dR／R）に対するひずみ出力（Ｖ）はR>>dRの場合に以下の近似式（２）により表される。

ここでEは電源電圧である。なおマイクロカンチレバー３１の構成においてもdRはRと比較して十分に小さく、R>>dRとみなすことができる。

つまり、本実施形態に係るＭＥＭＳセンサ１の回路構成は比較例に係るＭＥＭＳセンサ１０１の回路構成と比較して、ひずみ出力が２倍になる。換言すると本実施形態に係るＭＥＭＳセンサ１は比較例に係るＭＥＭＳセンサ１０１と比較して、回路構成に基づき２倍の出力を得られ、これにより本実施形態に係るＭＥＭＳセンサ１はセンサ感度の向上を図ることができる。

ここで一般に電気抵抗は温度に依存するため、環境温度の変化及び接触物との温度差により、出力にはドリフトが生じる。これを低減するためにひずみゲージを有する回路ではホイートストンブリッジ回路による自己温度補償が一般に用いられているが、回路を構成する各抵抗の温度及び温度係数の相違によって温度補償が十分に行えない。

かかる温度補償に係る課題を解決するために、本開示の一実施形態に係る参照用抵抗５１１、５１２は、ひずみゲージ３１７Ｌ、３１７Ｒの近傍に設けられる。図８は、本開示の一実施形態に係る参照用抵抗５１１、５１２のチップ３上における配置を示す図である。図８に示すように、参照用抵抗５１１、５１２は、ひずみゲージ３１７Ｌ、３１７Ｒの近傍に設けられている。具体的には例えば参照用抵抗５１１、５１２は、ひずみゲージ３１７Ｌ、３１７Ｒから所定範囲内のセンサチップ３上に設けられる。より具体的には図８では参照用抵抗５１１、５１２は、ひずみゲージ３１７Ｌ、３１７Ｒの両脇に設けられている。このように参照用抵抗５１１、５１２が、ひずみゲージ３１７Ｌ、３１７Ｒの近傍に設けられることにより、ひずみゲージ３１７Ｌ、３１７Ｒと参照用抵抗５１１、５１２との温度差を低減することができ、温度による抵抗変化の影響を低減することができる。なお図８に示すように、マイクロカンチレバー３２に係る回路における参照用抵抗５１３、５１４も、マイクロカンチレバー３２上のひずみゲージ３２７Ｌ、３２７Ｒの近傍に設けられる。同様にマイクロカンチレバー３３に係る回路における参照用抵抗５１５、５１６も、マイクロカンチレバー３３上のひずみゲージ３３７Ｌ、３３７Ｒの近傍に設けられる。

また本開示の一実施形態に係る参照用抵抗５１１、５１２は、ひずみゲージ３１７Ｌ、３１７Ｒと同一の材料からなる。かかる材料は例えばNiCrである。参照用抵抗５１１、５１２が、ひずみゲージ３１７Ｌ、３１７Ｒと同一の材料である場合、温度特性の差による影響を低減できる。このように参照用抵抗５１１、５１２の材料をひずみゲージ３１７Ｌ、３１７Ｒと同一にすることにより、ひずみ出力Ｖの温度依存性を低減することができ、センサ感度を向上させることができる。

図９から図１３を参照して、本実施形態に係るＭＥＭＳセンサ１に対する荷重の印加試験の概要を説明する。本試験では、本実施形態に係るＭＥＭＳセンサ１及び比較例に係るＭＥＭＳセンサ１０１のそれぞれについて各方向の力に対するひずみゲージの応答を評価するために、ＭＥＭＳセンサ１及びＭＥＭＳセンサ１０１に垂直荷重及び水平荷重（せん断荷重）を印加し、そのときの各ひずみゲージの抵抗変化率を測定した。

図９は、本実施形態に係るＭＥＭＳセンサ１の垂直及び水平荷重の印加試験の概要を示す図である。図９（ａ）（ｂ）に示すように、本実施形態に係るＭＥＭＳセンサ１は３軸ステージに配置され、治具６によりそれぞれ垂直荷重又は水平荷重が印加される。各ひずみゲージの抵抗変化率は、デジタルマルチメータ８により計測される。比較例に係るＭＥＭＳセンサ１０１の垂直及び水平荷重の印加試験の手法も同一である。

図１０は、本実施形態に係るＭＥＭＳセンサ１と、比較例に係るＭＥＭＳセンサ１０１とに垂直方向の荷重を印加した場合のひずみゲージの抵抗変化率を示す図である。なお図１０～図１３において、本実施形態に係るＭＥＭＳセンサ１のひずみゲージ３１７Ｌ及びひずみゲージ３１７Ｒに係る抵抗変化率は“ひずみゲージＬ”及び“ひずみゲージＲ”として示されている。他方でＭＥＭＳセンサ１０１のひずみゲージ４１７に係る抵抗変化率は“比較例”として示されている。図１０に示すように、ひずみゲージ３１７Ｌ及びひずみゲージ３１７Ｒに係る抵抗変化率の傾きは、ひずみゲージ４１７に係る抵抗変化率の傾きより約５～６倍大きい。換言するとひずみゲージ３１７Ｌ及びひずみゲージ３１７Ｒの方がひずみゲージ４１７よりも感度が約５～６倍高い。これは、ひずみゲージ３１７Ｌ及びひずみゲージ３１７Ｒが、比較例のひずみゲージ４１７と比較して、応力集中する固定端３１２近傍に配置されていることに起因する。つまり本実施形態に係るＭＥＭＳセンサ１では、一対のひずみゲージ３１７Ｌ、３１７Ｒが、マイクロカンチレバー３１の応力集中部のみに並べて設けられているため、センサの感度を高めることができている。

図１１は、本実施形態に係るＭＥＭＳセンサ１と、比較例に係るＭＥＭＳセンサ１０１とに水平方向の荷重を印加した場合のひずみゲージの抵抗変化率を示す図である。図１１における水平方向の荷重は、マイクロカンチレバー３１とマイクロカンチレバー４１のそれぞれの長手方向（各マイクロカンチレバーの固定端から自由端へ向かう方向）の荷重である。図１１に示すように、ひずみゲージ３１７Ｌ及びひずみゲージ３１７Ｒに係る抵抗変化率の傾きは、ひずみゲージ４１７に係る抵抗変化率の傾きよりも大きい。換言するとひずみゲージ３１７Ｌ及びひずみゲージ３１７Ｒの方がひずみゲージ４１７よりも感度が高い。これは、ひずみゲージ３１７Ｌ及びひずみゲージ３１７Ｒが、比較例のひずみゲージ４１７と比較して、応力集中する固定端３１２近傍に配置されていることに起因する。つまり本実施形態に係るＭＥＭＳセンサ１では、一対のひずみゲージ３１７Ｌ、３１７Ｒが、マイクロカンチレバー３１の応力集中部のみに並べて設けられているため、センサの感度を高めることができている。

図１２は、本実施形態に係るＭＥＭＳセンサ１と、比較例に係るＭＥＭＳセンサ１０１とに水平方向の荷重を印加した場合のひずみゲージの抵抗変化率を示す図である。図１２における水平方向の荷重は、本実施形態に係るＭＥＭＳセンサ１と、比較例に係るＭＥＭＳセンサ１０１とにマイクロカンチレバーの短手方向（長手方向と垂直の方向）の荷重である。かかる荷重の方向はマイクロカンチレバーのねじり方向であるため、図１２に示すように、ひずみゲージ３１７Ｌ及びひずみゲージ３１７Ｒに係る抵抗変化率は正負が逆である。したがって、ＭＥＭＳセンサ１のひずみゲージ３１７Ｌ及びひずみゲージ３１７Ｒの出力を合計することで、マイクロカンチレバー３１のねじれ方向の変形の影響を相殺することができる。つまり本実施形態に係るＭＥＭＳセンサ１では、一対のひずみゲージ３１７Ｌ、３１７Ｒが、マイクロカンチレバー３１の固定端近傍において短手方向に並べて設けられているため、ねじれ方向の変形の影響を相殺することもでき、これによりセンサの感度を高めることもできる。

図１３は、本実施形態に係るＭＥＭＳセンサ１の抵抗変化率の角度依存性を示す図である。具体的には図１３は、水平方向の荷重を３６０度変更して印加した場合のひずみゲージ３１７Ｌ、３１７Ｒの抵抗変化率を示している。ここで図１３におけるθは、水平方向の荷重の角度を示しており、θ＝０°のとき、荷重の方向が図１２と同一方向（マイクロカンチレバー３１の短手方向）であり、時計回りを正としている。すなわち例えばθ＝９０°のときに、荷重の方向が図１１と同一の方向（マイクロカンチレバー３１の長手方向）になるようにθは定められている。図１３に示すように、水平方向の荷重の角度に応じて、ひずみゲージ３１７Ｌ、３１７Ｒが異なる角度依存性を示している。当該角度依存性を利用することにより、本実施形態に係るＭＥＭＳセンサ１は、印加される水平方向の荷重を高い感度で検知することができる。換言するとＭＥＭＳセンサ１が備えるマイクロカンチレバーの個数が２個であっても、水平方向の荷重を高精度で検知することができる。

以上に説明したように、本実施形態に係るＭＥＭＳセンサ１は、ひずみゲージ３１７Ｌ、３１７Ｒが、マイクロカンチレバー３１の応力集中部のみに並べて設けられているため、比較例のＭＥＭＳセンサ１０１よりもセンサの感度が高い。また、本実施形態に係るＭＥＭＳセンサ１によれば、ねじれの影響を低減できるため、各検知素子の出力からx,y,z軸の力に変換する際の校正行列の誤差を小さくでき、より正確なベクトル力の計測が可能となる。

さらに本実施形態に係るＭＥＭＳセンサ１は、ホイートストンブリッジ回路の対辺２ゲージ法が用いられることからひずみ出力を比較例よりも２倍にすることができるため、これによってもセンサの感度を高めることができる。またひずみ出力が増加するため、本実施形態に係るＭＥＭＳセンサ１はセンサ出力の増幅量を抑えることができ、出力増幅における機械的及び電気的なノイズの影響も抑えることができる。

また本実施形態によれば、ホイートストンブリッジ回路の参照用抵抗５１１、５１２が、ひずみゲージ３１７Ｌ、３１７Ｒの近傍に設けられる。これにより、外部温度及び参照用抵抗５１１、５１２における自己加熱によるドリフトを抑えることができ、高温又は低温環境での計測、又は温度差の大きいものへの接触時の計測の際にも高感度を維持することができる。例えば人の手に設置して物体の把持状況を計測する場合、これまでは体温の影響を低減するため温度が安定するまで待機する必要があった。しかし本実施形態に係るＭＥＭＳセンサ１によれば、温度が安定するまで待機する必要がなく、即時に計測を開始できるようになる。

なお、本実施形態では、ホイートストンブリッジ回路の参照用抵抗５１１～５１６が、それぞれ対応する一対のひずみゲージ（３１７Ｌ、３１７Ｒ、３２７Ｌ、３２７Ｒ、３３７Ｌ、３３７Ｒ）の近傍に設けられる例を示したが、参照用抵抗５１１～５１６は、それぞれ対応する一対のひずみゲージが設けられた検知素子上に設けられてもよい。つまり例えば参照用抵抗５１１、５１２は、マイクロカンチレバー３１上に設けられてもよい。具体的には例えば参照用抵抗５１１、５１２は、マイクロカンチレバー３１のひずみゲージ３１７Ｌ、３１７Ｒが設けられた裏面に設けられてもよい。また参照用抵抗５１１、５１２は、マイクロカンチレバー３１のひずみゲージ３１７Ｌ、３１７Ｒが設けられた裏面の固定端に設けられてもよい。

なお、本実施形態ではＭＥＭＳセンサ１が触覚センサである場合について説明したがこれに限られない。ＭＥＭＳセンサ１は触覚センサ以外であってもよく、例えば圧力センサ、流量センサ等のセンサであってもよい。あるいはＭＥＭＳセンサ１は、近接覚センサであってもよい。

また本実施形態ではセンサチップ３がマイクロカンチレバー３１～３３を含む例を説明したがこれに限られない。センサチップ３は、マイクロカンチレバーに加えて、或いはマイクロカンチレバーの代わりに任意のひずみ検知素子を含んでもよい。かかるひずみ検知素子は、例えば両端固定梁であってもよい。またひずみ検知素子が矩形である場合において、四辺を固定した梁であってもよく、また四辺の一部を固定した梁であってもよい。いずれの場合においても、ひずみゲージは、ひずみ検知素子の応力集中部のみに設けられる。

本開示を諸図面及び実施形態に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形及び修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形及び修正は本開示の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各手段、各部材に含まれる機能等は論理的に矛盾しないように再配置可能である。

１、１０１ＭＥＭＳセンサ
２、１０２弾性樹脂
３、１０３センサチップ
３１、３２、３３、４１、４２、４３マイクロカンチレバー
３１１
３１３支持基板
３１４ＢＯＸ層
３１５活性層
３１６絶縁層
３１７Ｒ、３１７Ｌ、３２７Ｒ、３２７Ｌ、３３７Ｒ、３３７Ｌ、４１７ひずみゲージ
３１８配線部
３１９膜
４１８、４１９、４２０、５１１、５１２、５１３、５１４、５１５、５１６参照用抵抗
４、１０４接触部
５プリント基板
６治具
７３軸ステージ
８デジタルマルチメータ

Claims

少なくとも１つのひずみ検知素子と、
各ひずみ検知素子上に設けられた一対のひずみゲージと、
を備えるＭＥＭＳセンサであって、
前記一対のひずみゲージは、各ひずみ検知素子の応力集中部のみに並べて設けられていることを特徴とするＭＥＭＳセンサ。
請求項１に記載のＭＥＭＳセンサであって、
各ひずみ検知素子はカンチレバー構造であることを特徴とする、ＭＥＭＳセンサ。
請求項２に記載のＭＥＭＳセンサであって、
前記応力集中部は前記カンチレバー構造の固定端近傍であることを特徴とする、ＭＥＭＳセンサ。
請求項３に記載のＭＥＭＳセンサであって、
前記一対のひずみゲージは、前記固定端近傍において前記カンチレバー構造の短手方向に並べて設けられていることを特徴とする、ＭＥＭＳセンサ。
請求項１乃至４のいずれか一項に記載のＭＥＭＳセンサであって、
前記一対のひずみゲージに接続され、複数の参照用抵抗を備えたホイートストンブリッジ回路を備え、
前記複数の参照用抵抗は前記ひずみゲージの近傍に設けられることを特徴とする、ＭＥＭＳセンサ。
請求項５に記載のＭＥＭＳセンサであって、
前記ひずみゲージと前記参照用抵抗とは、同一の材料からなることを特徴とするＭＥＭＳセンサ。
請求項６に記載のＭＥＭＳセンサであって、
前記材料はNiCrであることを特徴とするＭＥＭＳセンサ。
請求項１乃至７のいずれか一項に記載のＭＥＭＳセンサであって、
前記ひずみ検知素子の個数は２であることを特徴とする、ＭＥＭＳセンサ。