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JPH0562827B2 - - Google Patents
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JPH0562827B2 - - Google Patents

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Publication number
JPH0562827B2
JPH0562827B2 JP60048837A JP4883785A JPH0562827B2 JP H0562827 B2 JPH0562827 B2 JP H0562827B2 JP 60048837 A JP60048837 A JP 60048837A JP 4883785 A JP4883785 A JP 4883785A JP H0562827 B2 JPH0562827 B2 JP H0562827B2
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JP
Japan
Prior art keywords
silicon substrate
view
tactile sensor
sectional
pedestal
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
JP60048837A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPS61208273A (en
Inventor
Kohei Higuchi
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NEC Corp
Original Assignee
Nippon Electric Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nippon Electric Co Ltd filed Critical Nippon Electric Co Ltd
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Granted legal-status Critical Current

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    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10DINORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D48/00Individual devices not covered by groups H10D1/00 - H10D44/00
    • H10D48/50Devices controlled by mechanical forces, e.g. pressure

Landscapes

  • Pressure Sensors (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は触覚センサに関し、特に半導体で作ら
れロボツトの手などに使用される触覚センサに関
する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to a tactile sensor, and more particularly to a tactile sensor made of semiconductor and used in a robot's hand or the like.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

近年、安価で高性能なマイクロコンピユータが
普及し、それらを用いることにより様々な産業分
野で自動化あるいはロボツト化が進められつつあ
る。しかし、現在実用化されているロボツトは、
ある定まつた形、定まつた大きさあるいは定まつ
た重さの物体を持ち上げたり、運んだり、あるい
は加工、組立等の作業を一定のプログラムによつ
てしか行うことができない。
In recent years, inexpensive and high-performance microcomputers have become widespread, and by using them, automation or robotization is progressing in various industrial fields. However, the robots currently in practical use are
It is only possible to lift or carry an object of a certain shape, size, or weight, or to process or assemble an object according to a certain program.

一方、消費者層の多様化により、多品種少量生
産の傾向が強くなり、FMS(Flexible
Manufacturing System)と呼ばれる自動化技術
の開発が叫ばれている。この様な自動化の流れに
於ては人間の感覚器官に代る様々なセンサをロボ
ツトあるいは自動機械に装備し、制御するための
情報をセンサから取入れる必要がある。そのよう
なセンサの中でもロボツトの指あるいは手に装備
され、対象物に直接触れることにより、対象物の
形状を認識したり、あるいはその圧覚から、対象
物の硬さを判断したり、また細かい部品の組立作
業の際の対象物からの力を測定したりするための
触覚センサの必要性が認識されている。
On the other hand, due to the diversification of consumer groups, there is a strong trend towards high-mix, low-volume production, and FMS (Flexible
The development of automation technology called "Manufacturing System" is being called for. In this trend of automation, it is necessary to equip robots or automatic machines with various sensors that replace human sense organs, and to take in information for control from the sensors. Among such sensors, sensors are equipped on the fingers or hands of robots, and can recognize the shape of an object by directly touching it, or judge the hardness of the object from the sense of pressure, or detect small parts. There is a recognized need for tactile sensors to measure forces from objects during assembly operations.

〔発明が解決しようとする問題点〕[Problem that the invention seeks to solve]

従来報告されている触覚センサとしては、感圧
導電性ゴムを用いたもの、マイクロスイツチを用
いたもの、あるいはカーボンフアイバを用いたも
の等様々である(自動化技術第14巻第6号37頁〜
42頁及び61頁〜70頁)。これらの触覚センサは大
きすぎたり、あるいは直線性や再現性が悪かつた
り、あるいはオン−オフ情報しか検出できないと
いう欠点がある。また圧覚分布を測定したりする
場合、単一の圧覚センサをアレイ状に並べる必要
があるが、信号処理のための配線が極めて多くな
り、かつロボツトの指や手の可動部にとりつけら
れた場合、信頼性に劣る。
Various tactile sensors have been reported so far, including those using pressure-sensitive conductive rubber, those using microswitches, and those using carbon fiber (Automatic Technology Vol. 14, No. 6, p. 37 -
42 and 61-70). These tactile sensors have the disadvantage that they are too large, have poor linearity or repeatability, or can only detect on-off information. In addition, when measuring pressure distribution, it is necessary to arrange single pressure sensors in an array, but this requires an extremely large number of wires for signal processing, and when attached to the movable parts of the robot's fingers and hands. , less reliable.

また、ピエゾ抵抗効果を用いた半導体圧力セン
サのダイヤフラム部を直接あるいは間接的に押す
という方法も考えられる。半導体圧力センサを用
いる方法は、感度や直線性に優れ、かつ信号処理
部も集積化可能なため、優れた方法であるが、ダ
イヤフラムの膜厚を一定に制御することが困難で
あることから、アレイ化した場合にバラつきが大
きくなる。一方、それを避けるために膜厚を厚く
すると感度が非常に悪くなるという欠点がある。
Another possible method is to directly or indirectly press the diaphragm portion of a semiconductor pressure sensor using the piezoresistive effect. The method of using a semiconductor pressure sensor is an excellent method because it has excellent sensitivity and linearity, and the signal processing section can be integrated, but it is difficult to control the thickness of the diaphragm at a constant level. When arrayed, the variation becomes larger. On the other hand, if the film thickness is increased to avoid this, there is a drawback that the sensitivity becomes extremely poor.

また、半導体触覚センサを実装する場合、チツ
プと外部回路を結ぶためのボンデイングワイアを
うまく引出す必要もある。触覚センサの場合、素
子表面に外部の対象物が触れるため、ボンデイン
グワイアを切つてしまつたりするようなことも考
えられる。従つて、そのような事故が起きないよ
うな対策も必要である。
Furthermore, when implementing a semiconductor tactile sensor, it is also necessary to draw out bonding wires to connect the chip and external circuits. In the case of a tactile sensor, since an external object touches the element surface, it is possible that the bonding wire may be cut. Therefore, it is necessary to take measures to prevent such accidents from occurring.

本発明の目的は以上のような欠点を排した触覚
センサを提供することにある。
An object of the present invention is to provide a tactile sensor that eliminates the above-mentioned drawbacks.

〔問題点を解決するための手段〕[Means for solving problems]

本発明の特徴は、シリコン基板に形成された第
1および第2の貫通孔間のシリコン基板の部分か
ら成る両端支持の梁と、前記梁の両端を支持する
シリコン基板の部分から成る支持部と、前記梁の
前記両端近傍にそれぞれ形成された拡散層抵抗
と、前記梁に形成された拡散層抵抗と共にブリツ
ジ回路を構成する前記支持部の前記両端近傍にそ
れぞれ形成された拡散層抵抗と、前記シリコン基
板の部分から成る梁に形成された第3の貫通孔
と、前記第3の貫通孔上に設置された丸い球とを
含んで半導体圧力センサを構成した触覚センサに
ある。
The present invention is characterized by: a beam supported at both ends consisting of a portion of the silicon substrate between first and second through holes formed in the silicon substrate; and a support portion consisting of a portion of the silicon substrate supporting both ends of the beam. , a diffusion layer resistor formed near the both ends of the beam, and a diffusion layer resistance formed near the both ends of the support part forming a bridge circuit together with the diffusion layer resistance formed on the beam; A tactile sensor constitutes a semiconductor pressure sensor including a third through hole formed in a beam made of a portion of a silicon substrate, and a round ball placed on the third through hole.

〔実施例〕〔Example〕

次に、本発明の実施例について図面を用いて説
明する。
Next, embodiments of the present invention will be described using the drawings.

第1図a〜eは本発明の第1の実施例の製造方
法を説明するための平面図及び断面図であつて、
第1図aは途中工程における触覚センサの平面
図、第1図bはそのA−A′断面図、第1図cは
梁形成後の触覚センサの断面図、第1図dは最終
工程後の触覚センサの平面図、第1図eはそのB
−B′断面図である。
1A to 1E are a plan view and a cross-sectional view for explaining the manufacturing method of the first embodiment of the present invention,
Figure 1a is a plan view of the tactile sensor in an intermediate process, Figure 1b is a sectional view taken along line A-A', Figure 1c is a sectional view of the tactile sensor after beam formation, and Figure 1d is after the final process. The top view of the tactile sensor in Figure 1e is its B.
-B' sectional view.

まず、第1図a,bに示すように、結晶面11
0のn型シリコン基板10にホウ素を拡散して幅
10μm、長さ100μmの拡散層抵抗11,12,1
3,14を形成し、ブリツジ回路用の抵抗とす
る。そして、表面を酸化膜15で覆い、酸化膜1
5を選択除去して間隔をおいた平行な二つの窓1
6,16′とその間に四角形の窓17をあける。
窓16,16′は幅500μm、長さ1.5mm、窓17は
一辺が350μmの寸法にする。
First, as shown in FIGS. 1a and 1b, the crystal plane 11
By diffusing boron into the n-type silicon substrate 10 of
Diffusion layer resistance 11, 12, 1 with a length of 10 μm and a length of 100 μm
3 and 14 are formed to serve as resistors for a bridge circuit. Then, the surface is covered with an oxide film 15, and the oxide film 1
Two parallel windows 1 separated by selectively removing 5
6, 16' and a rectangular window 17 is opened therebetween.
The windows 16 and 16' have a width of 500 μm and a length of 1.5 mm, and the window 17 has a side of 350 μm.

次に、第1図cに示すように、酸化膜15をマ
スクにしてシリコン基板10を90℃のヒドラジン
液でエツチングして底面まで突抜ける貫通孔1
8,18′及び19をあける。
Next, as shown in FIG. 1c, using the oxide film 15 as a mask, the silicon substrate 10 is etched with a 90° C. hydrazine solution to form a through hole 1 that penetrates to the bottom surface.
Open 8, 18' and 19.

本実施例においては、(110)面方位のシリコン
基板10を異方性エツチング液であるヒドラジン
でエツチングしているので、貫通孔18,18′,
19のパターン精度は酸化膜15のマスク、即ち
窓16,16′,17の精度で決まり、かつ垂直
にエツチング除去される。これにより両端支持の
梁20が形成される。
In this embodiment, since the silicon substrate 10 with the (110) plane orientation is etched with hydrazine, which is an anisotropic etching solution, the through holes 18, 18',
The pattern accuracy of the oxide film 19 is determined by the accuracy of the mask of the oxide film 15, that is, the windows 16, 16', 17, and is vertically etched away. As a result, a beam 20 supported at both ends is formed.

次に、第1図d,eに示すように、アルミニウ
ム配線21を形成し、表面を保護酸化膜15′で
覆う。アルミニウム配線21は、四つの抵抗11
〜14を直列にかつ環状に接続していて、四つの
抵抗はブリツジ回路となつている。そして一組の
対角点を入力端子、他の組の対角点を出力端子と
している。
Next, as shown in FIGS. 1d and 1e, aluminum wiring 21 is formed and its surface is covered with a protective oxide film 15'. The aluminum wiring 21 has four resistors 11
14 are connected in series and in a ring, and the four resistors form a bridge circuit. One set of diagonal points are used as input terminals, and the other set of diagonal points are used as output terminals.

次に、本発明の最も重要な部分である丸い球を
貫通孔19に設置する。丸い球として直径0.5mm
のサフアイア球22を用い、このサフアイア球2
2を貫通孔19に載せ、ポツテイング法により全
面をシリコンゴム23で覆う。
Next, a round ball, which is the most important part of the invention, is installed in the through hole 19. 0.5mm diameter as a round sphere
Using the saphire sphere 22, this saphire sphere 2
2 is placed on the through hole 19, and the entire surface is covered with silicone rubber 23 by a potting method.

第2図a,bは第1図d,eに示す触覚センサ
を搭載する台座の第1の例の平面図及びC−C′断
面図である。
FIGS. 2a and 2b are a plan view and a sectional view taken along the line C-C' of the first example of the pedestal on which the tactile sensor shown in FIGS. 1d and 1e is mounted.

台座25は中央に開孔26を有し、この開孔2
6に第1図d,eに示す触覚センサの貫通孔1
8,18′と梁20とが位置するように台座の表
面に触覚センサが貼付けられる。
The pedestal 25 has an opening 26 in the center, and this opening 2
6 is the through hole 1 of the tactile sensor shown in Fig. 1 d and e.
A tactile sensor is attached to the surface of the pedestal so that 8, 18' and the beam 20 are located.

第3図は本第1の実施例の印加荷重と電気的出
力との関係を示す特性図である。
FIG. 3 is a characteristic diagram showing the relationship between applied load and electrical output in the first embodiment.

横軸は梁20に印加される荷重、縦軸はブリツ
ジの両端における出力電圧を示す。荷重と出力電
圧Vとは非常に良好な線型関係にあり、再現性も
良好である。
The horizontal axis shows the load applied to the beam 20, and the vertical axis shows the output voltage at both ends of the bridge. There is a very good linear relationship between the load and the output voltage V, and the reproducibility is also good.

第4図a,bは第1図d,eに示す触覚センサ
を搭載する台座の第2の例の平面図及びD−
D′断面図である。
Figures 4a and 4b are plan views of the second example of the pedestal on which the tactile sensor shown in Figures 1d and e are mounted, and D-
It is a sectional view D′.

台座40は凹部41を有し、この凹部41に、
第1図d,eに示す触覚センサの貫通孔18,1
8′及び梁20が位置するように、貼付けられる。
この台座40は、凹部41に底面があるから、梁
20に許容値以上の荷重がかかつても梁20の中
央部が凹部41の底に接触して止まるので梁の撓
みは一定量以上にならず梁の破壊を防ぐことがで
きる。
The pedestal 40 has a recess 41, and in this recess 41,
Through holes 18, 1 of the tactile sensor shown in FIGS. 1d and 1e.
8' and the beam 20 are attached.
Since this pedestal 40 has a bottom surface in the recess 41, even if a load exceeding the allowable value is applied to the beam 20, the center part of the beam 20 will come into contact with the bottom of the recess 41 and stop, so that the beam will not deflect more than a certain amount. This can prevent damage to the beams.

第5図は本発明の第2の実施例の断面図であ
る。
FIG. 5 is a sectional view of a second embodiment of the invention.

この実施例は、梁20の裏面を少しエツチング
してシリコン基板10の裏面51よりも梁20の
裏面52の方が少し高くなるようにする。この形
状にすると平板の台座が使用でき、また許容値以
上の力が加わつても梁20が平板の台座に接して
止まるから梁20の破壊を防ぐことができるとい
う二つの効果が得られる。
In this embodiment, the back surface of the beam 20 is slightly etched so that the back surface 52 of the beam 20 is slightly higher than the back surface 51 of the silicon substrate 10. With this shape, a flat plate pedestal can be used, and even if a force exceeding an allowable value is applied, the beam 20 stops in contact with the flat plate pedestal, so the beam 20 can be prevented from being destroyed.

上記二つの実施例では、梁の寸法を500μm幅、
1.5mm長とし、この梁の上に幅10μm、長さ100μm
の拡散層抵抗を作製したが、この寸法に限定され
ない。また、突起物としてサフアイア球を用いた
が、材料及び形成方法についてもこれに限定され
ない。
In the above two examples, the dimensions of the beam are 500μm wide,
The length is 1.5mm, and the width is 10μm and the length is 100μm on top of this beam.
Although a diffusion layer resistor of 200 mm was fabricated, the dimensions are not limited to this. Further, although sapphire spheres were used as the protrusions, the material and forming method are not limited thereto either.

〔考案の効果〕[Effect of idea]

以上詳細に説明したように、本発明は、梁の中
央部に設けた球に集中荷重するように、かつ球が
基板面よりも高くなる構成にしたので、対象物が
触れてもボンデイング線が切れる事故もなく、従
来と比べて製造工程が非常に簡略化され、しかも
精度が良く、故障の少ない触覚センサを得ること
ができるという効果を有する。
As explained in detail above, the present invention is configured so that the load is concentrated on the ball provided at the center of the beam, and the ball is higher than the substrate surface, so even if an object touches it, the bonding line remains intact. This has the effect that there is no breakage accident, the manufacturing process is greatly simplified compared to the conventional method, and a tactile sensor with good precision and less failure can be obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図a〜eは本発明の第1の実施例の製造方
法を説明するための平面図及び断面図であつて、
第1図aは途中工程における触覚センサの平面
図、第1図bはそのA−A′断面図、第1図cは
梁形成後の触覚センサの断面図、第1図dは最終
工程後の触覚センサの平面図、第1図eはそのB
−B′断面図、第2図a,bは第1図c,dに示
す触覚センサを搭載する台座の第1の例の平面図
及び断面図、第3図は第1の実施例の印加荷重と
電気的出力との関係を示す特性図、第4図a,b
は第1図c,dに示す触覚センサを搭載する台座
の第2の例の平面図及び断面図、第5図は本発明
の第2の実施例の断面図である。 10……シリコン基板、11,12,13,1
4……拡散層抵抗、15……酸化膜、15′……
保護酸化膜、16,16′,17……窓、18,
18′,19……貫通孔,21……アルミニウム
配線、22……サフアイア球、23……シリコン
ゴム、25……台座、26……開孔、40……台
座、41……凹部、51……基板の裏面、52…
…梁の裏面。
1A to 1E are a plan view and a cross-sectional view for explaining the manufacturing method of the first embodiment of the present invention,
Figure 1a is a plan view of the tactile sensor in an intermediate process, Figure 1b is a sectional view taken along line A-A', Figure 1c is a sectional view of the tactile sensor after beam formation, and Figure 1d is after the final process. The top view of the tactile sensor in Figure 1e is its B.
-B' sectional view, Figures 2a and b are a plan view and sectional view of the first example of the pedestal on which the tactile sensor shown in Figures 1c and d are mounted, and Figure 3 is the application of the first embodiment. Characteristic diagram showing the relationship between load and electrical output, Figure 4 a, b
1c and d are a plan view and a sectional view of a second example of the pedestal on which the tactile sensor is mounted, and FIG. 5 is a sectional view of the second embodiment of the present invention. 10... Silicon substrate, 11, 12, 13, 1
4... Diffusion layer resistance, 15... Oxide film, 15'...
Protective oxide film, 16, 16', 17...window, 18,
18', 19...through hole, 21...aluminum wiring, 22...sapphire bulb, 23...silicon rubber, 25...pedestal, 26...opening, 40...pedestal, 41...recess, 51... ...Back side of the board, 52...
...The back side of the beam.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 シリコン基板に形成された第1および第2の
貫通孔間のシリコン基板の部分から成る両端支持
の梁と、前記梁の両端を支持するシリコン基板の
部分から成る支持部と、前記梁の前記両端近傍に
それぞれ形成された拡散層抵抗と、前記梁に形成
された拡散層抵抗と共にブリツジ回路を構成する
前記支持部の前記両端近傍にそれぞれ形成された
拡散層抵抗と、前記シリコン基板の部分から成る
梁に形成された第3の貫通孔と、前記第3の貫通
孔上に設置された丸い球とを含んで半導体圧力セ
ンサを構成したことを特徴とする触覚センサ。
1 a beam supported at both ends consisting of a portion of the silicon substrate between the first and second through holes formed in the silicon substrate; a support portion consisting of a portion of the silicon substrate supporting both ends of the beam; Diffused layer resistors formed near both ends of the supporting portion, which constitute a bridge circuit together with the diffused layer resistors formed on the beam, and a portion of the silicon substrate What is claimed is: 1. A tactile sensor comprising a semiconductor pressure sensor including a third through hole formed in a beam, and a round ball placed on the third through hole.
JP60048837A 1985-03-12 1985-03-12 tactile sensor Granted JPS61208273A (en)

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