專利名稱：三維結構體及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及使用MEMS (Micro Electro Mechanical Systems)技術或 NEMS (Nano Electro Mechanical Systems)技術三維形成的結構體及其制造方法，尤其是涉及向彈性 體內配置具有可動結構的微小三維結構體要素的元件和使用該元件構成的三維結構體、以 及它們的制造方法。
背景技術：
在機器人技術的研究、開發(fā)中，利用機械手如何可靠地控制對象物成為一個重要 的課題。具體而言，若著眼于通過機械手抓取對象物的動作，則為了可靠地控制機械手，不 僅需要檢測抓取對象物的握力，而且還要檢測通過該抓取動作而在手的表面產生的剪切應 力。這是因為，利用該剪切應力檢測在對象物和手表面之間產生的摩擦力，由此，有利于進 行最適當的摩擦力控制以實現對象物的可靠的控制。近些年，正開發(fā)以檢測該剪切應力為目的的觸覺傳感器(例如，參照專利文獻1)。 對于這種目前的觸覺傳感器的一例，使用圖8所示的示意立體圖進行以下說明。如圖8所示，在觸覺傳感器501中，用數百nm左右的薄膜形成的多個壓電電阻懸 臂502 (在其鉸鏈部具備壓電電阻體的懸臂)相互獨立地配置于膜狀彈性體503內。在該懸臂502中，其一端作為固定部而形成，其另一端作為僅在形成懸臂502的薄 膜的厚度方向上能夠變形的可動部而形成。各個懸臂502通過未圖示的端子部及配線與未 圖示的控制裝置電連接。例如，當向膜狀彈性體503表面施加剪切力或壓力時，膜狀彈性體 503內部產生的剪切應力或壓縮應力使懸臂502的可動部進行動作產生變形，由此，能夠檢 測該剪切力或壓力。另外，為了檢測作用于膜狀彈性體503的各種方向的剪切應力或壓縮 應力，各個懸臂502以可動部的變形方向不同的方式，例如以在圖示X軸方向、Y軸方向及Z 軸方向的各個方向上其變形方向的方式，配置于膜狀彈性體503內。通過這樣構成觸覺傳感器501，膜狀彈性體503與對象物等接觸，由此， 能夠利用各個懸臂502檢測在膜狀彈性體503內產生的各個方向的剪切應力或壓 縮應力。另外，這種膜狀彈性體503由通過施加外力而容易彈性變形的材料、例如 PDMS(Polydimethylsiloxane) ？ 。下面，對具有上述結構的觸覺傳感器501的制造方法進行說明。如圖9的示意說明圖所示，例如，將形成有2個懸臂502的SOI晶片510在由PDMS 形成的襯墊516支承的狀態(tài)下配置于容器517內。之后，如圖9所示，向容器517內注入流 動狀態(tài)的彈性體PDMS519。該PDMS519的注入以至少各個懸臂502及向SOI晶片510固定 的懸臂502的固定部分浸漬并埋設于所注入的PDMS519內的方式進行。然后，在注入到容器517內的PDMS519固化后，例如利用O2等離子蝕刻法進行附 著于SOI晶片510的表面的強度增強部件即聚對二甲苯層518的部分的除去，所述SOI晶 片510處于從PDMS519露出的狀態(tài)。接著，從容器517的上表面開始實施蝕刻處理，由此，除去處于從PDMS519露出的
4狀態(tài)的SOI晶片510的犧牲層即Si511及SiO2層512。其結果如圖10所示，除去各個懸臂 502向SOI晶片510固定的固定部分，成為在PDMS519的表面形成各個凹部520的狀態(tài)。因 此，通過除去固定有各個懸臂2的犧牲層，在PDMS519內，各個懸臂502成為相互獨立配置 的狀態(tài)。之后，如圖11所示，向形成于PDMS519表面的各個凹部520內注入流動狀態(tài)的 PDMS519，進行PDMS519的補充。該補充后，使注入的PDMS519固化，由此形成由PDMS形成 的膜狀彈性體503，完成觸覺傳感器501。專利文獻1 日本特開2007-218906號公報。在具有這種結構的觸覺傳感器501中，由于采用了在PDMS519內配置在SOI晶片 510上形成的懸臂502后，除去向SOI晶片510固定的固定部分即犧牲層的制造方法，因此， SOI晶片510中的各個懸臂502的形成位置直接成為觸覺傳感器501中的各個懸臂502的 形成位置。因此，例如，存在難以在大面積的片狀的膜狀彈性體503內形成使用的觸覺傳感 器501的問題。另外，由于SOI晶片510的懸臂502的形成位置有限定，因此，也難以以所 希望的間距將懸臂502配置于膜狀彈性體503內。S卩，觸覺傳感器501的大小及懸臂502 的配置間隔受到制約，存在不能制造與其用途對應的規(guī)格的觸覺傳感器501的問題。假如，例如在切斷形成有多個懸臂502的SOI晶片510，使各個懸臂502分別單片 化時，認為可能在微小的結構體即懸臂502上產生破損等而使其操作困難。

發(fā)明內容
因此，本發(fā)明是為解決上述問題而開發(fā)的，其目的在于提供一種三維結構體構成 用元件及三維結構體、以及它們的制造方法，所述三維結構體構成用元件將具有使用MEMS 技術或NEMS技術形成的可動結構的微小三維結構體要素向膜狀彈性體內配置，其中，通過 在所希望的位置配置微小三維結構體要素而能夠對應于各種規(guī)格，并且，能夠使其制造中 的操作性良好。為實現上述目的，本發(fā)明以如下的方式構成。根據發(fā)明的第一方面，提供一種三維結構體構成用元件，其具備具有可動結構的微小三維結構體要素、固定所述微小三維結構體要素的基板部件、在其內部配置有所述微小三維結構體要素的彈性體，所述基板部件包括具有凹狀或凸狀形狀的卡合部，在與所述卡合部卡合的狀態(tài) 下，將所述彈性體固定于所述基板部件。根據本發(fā)明的第二方面，提供第一方面所述的三維結構體構成用元件，其中，在所 述基板部件的固定所述微小三維結構體要素的固定位置的周圍，作為所述卡合部形成有多 個卡合用孔部，在所述多個卡合用孔部內填充有所述彈性體。根據本發(fā)明的第三方面，提供第一方面或第二方面所述的三維結構體構成用元 件，其中，所述可動結構實質上為能夠在一個方向上變形的結構，能夠變形的方向互不相同 的多個所述微小三維結構體要素在固定于一個所述基板部件的狀態(tài)下，配置于一個所述彈 性體的內部。根據本發(fā)明的第四方面，提供第三方面所述的三維結構體構成用元件，其中，所述基板部件具有在各個所述微小三維結構體要素之間進行電信號的傳送的公用的電路部。根據本發(fā)明的第五發(fā)明，提供一種三維結構體，其具備第一方面 第四方面任一 項所述的多個三維結構體構成用元件，在使所述基板部件相互離開的狀態(tài)下，在其內部配 置有所述多個三維結構體構成用元件的膜狀彈性體。根據本發(fā)明的第六方面，提供第五方面所述的三維結構體，其中，形成所述彈性體 的樹脂與形成所述膜狀彈性體的樹脂相比，在熔融狀態(tài)下具有更高的流動性。根據本發(fā)明的第七方面，提供第五方面或第六方面所述的三維結構體，其中，還具 備安裝有所述多個三維結構體構成用元件的撓性基板，所述撓性基板配置于所述膜狀彈性 體的內部。根據本發(fā)明的第八方面，提供一種三維結構體構成用元件的制造方法，其中，在彈 性體的內部配置固定于基板部件上并具有可動結構的多個微小三維結構體要素，在使形成 于所述基板部件并具有凹狀或凸狀形狀的卡合部和所述彈性體相卡合的同時，在所述基板 部件上固定所述彈性體，之后，切斷所述基板部件和所述彈性體并分割所述多個微小三維結構體要素，從 而在被分割的所述基板部件上固定一個或多個所述微小三維結構體要素，并形成配置于被 分割的所述彈性體內的多個三維結構體構成用元件。根據本發(fā)明的第九方面，提供第八方面所述的三維結構體構成用元件的制造方 法，其中，在所述基板部件的固定所述微小三維結構體要素的固定位置的周圍，作為所述卡 合部形成多個卡合用孔部，之后，向所述基板部件上供給流動狀態(tài)的樹脂材料以覆蓋所述微小三維結構體要素，并 且，向所述多個卡合用孔部內填充所述樹脂材料，之后，通過使所述樹脂材料固化，將由所述樹脂材料形成的所述彈性體固定在所述基板 部件上。根據本發(fā)明的第十方面，提供三維結構體的制造方法，將利用第八方面或第九方 面的制造方法制造的多個所述三維結構體構成用元件在使所述基板部件相互離開的狀態(tài) 下配置于膜狀彈性體的內部，從而形成三維結構體。根據本發(fā)明的第十一方面，提供第十方面所述的三維結構體的制造方法，其中，形 成所述彈性體的樹脂與形成所述膜狀彈性體的樹脂相比，在熔融狀態(tài)下具有更高的流動 性。根據本發(fā)明，將具有彈性體的多個三維結構體構成用元件在使基板部件相互離開 的狀態(tài)下配置于膜狀彈性體內而構成三維結構體，所述彈性體固定于基板部件，并以覆蓋 固定于基板部件的微小三維結構體要素的方式將其配置于內部。因此，能夠提供一種下述 三維結構體，其在膜狀彈性體內能夠將多個三維結構體構成用元件配置為所希望的配置間 隔及位置，從而能夠應對各種規(guī)格。另外，根據本發(fā)明的三維結構體構成用元件的制造方法，在由彈性體覆蓋形成于 基板部件上的多個微小三維結構體要素之后，通過切斷基板部件和彈性體而分割一個或多 個微小三維結構體要素，從而能夠形成多個三維結構體構成用元件。在進行該切斷處理時， 各個微小三維結構體要素由于被彈性體覆蓋保護，因此，能夠防止微小三維結構體要素的 損傷，并且，能夠使分割而形成的三維結構體構成用元件的操作性良好。
另外，通過使設置于基板部件的卡合部和彈性體進行卡合，進行彈性體向基板部 件的固定，由此，能夠提高該固定的強度。因此，在三維結構體構成用元件中，能夠提高微小 三維結構體要素的可動結構和彈性體的一體性，從而能夠增強可動結構的動作和彈性體的 變形的關聯性。


從與附圖中優(yōu)選的實施方式有關的如下的記載中可以明白本發(fā)明的上述方式和 特征。在這些附圖中，圖1是本發(fā)明一實施方式的傳感器元件的示意立體圖；圖2是說明圖1的傳感器元件的外力檢測功能的示意說明圖；圖3是使用傳感器元件構成的觸覺傳感器的示意立體圖；圖4是圖3的觸覺傳感器的示意剖面圖；圖5A是傳感器元件的制造方法的示意圖，是形成了基板部件的狀態(tài)的圖；圖5B是傳感器元件的制造方法的示意圖，是在基板部件上形成有卡合用孔部的 狀態(tài)的圖；圖5C是傳感器元件的制造方法的示意圖，是形成有懸臂的狀態(tài)的圖；圖5D是傳感器元件的制造方法的示意圖，是配置有彈性體的狀態(tài)的圖；圖5E是傳感器元件的制造方法的示意圖，是分割了傳感器元件的狀態(tài)的圖；圖6A是表示傳感器元件的制造方法的另外的示意圖，是形成有懸臂的狀態(tài)的圖；圖6B是表示傳感器元件的制造方法的另外的示意圖，是正在供給彈性體的狀態(tài) 的圖；圖6C是表示傳感器元件的制造方法的另外的示意圖，是配置有彈性體的狀態(tài)的 圖；圖6D是表示傳感器元件的制造方法的另外的示意圖，是正在進行切割處理的狀 態(tài)的圖；圖7是傳感器元件所具備的懸臂的示意俯視圖；圖8是現有的觸覺傳感器的示意立體圖；圖9是現有的觸覺傳感器的制造方法的示意說明圖；圖10是現有的觸覺傳感器的制造方法的示意說明圖；圖11是現有的觸覺傳感器的制造方法的示意說明圖。
具體實施例方式下面，根據附圖詳細地說明本發(fā)明的實施方式。圖1中示出表示三維結構體構成用元件之一例即傳感器元件1的示意性結構的示 意立體圖，所述三維結構體構成用元件是為了構成本發(fā)明一實施方式的三維結構體之一例 即觸覺傳感器(或觸覺傳感器結構體)而使用。如圖1所示，本實施方式的傳感器元件1具備具有可動結構的微小三維結構體要 素之一例的多個懸臂2、固定多個懸臂2的基板部件4、以覆蓋各個懸臂2的整體的方式固 定于基板部件4上的彈性體3。
如傳感器元件1的示意說明圖即圖2所示，各個懸臂2以例如數百nm左右的厚度 形成薄膜狀，將其一端(固定端)作為固定部2b固定于基板部件4，將其另一端(自由端) 作為可動部2a，以可動結構、即懸臂梁結構形成。懸臂2以其厚度尺寸相對于寬度方向充分 薄的方式形成，使可動部2a相對于固定部2b能夠在厚度方向上變形。另外，各個懸臂2設 置有作為連接部的一例的鉸鏈部2c，該鉸鏈部2c連接可動部2a和固定部2b，利用其變形 使可動部2a進行動作，在該鉸鏈部2c上設置有用于電檢測可動部2a的動作角度的壓電電 阻部。另外，如圖1所示，在傳感器元件1上具備其可動部2a的變形方向不同的3種懸 臂2，例如，具備將圖示X軸方向設定為其變形方向的X軸方向用懸臂2X、將圖示Y軸方向 設定為其變形方向的Y軸方向用懸臂2Y、將圖示Z軸方向設定為其變形方向的Z軸方向用 懸臂2Z。另外，在圖1中，X軸方向和Y軸方向為沿基板部件4的表面相互正交的方向，與 X軸方向及Y軸方向正交的方向為Z軸方向。另外，彈性體3由具有柔軟性的彈性材料形成，通過施加外力等，該彈性體3彈性 變形，該彈性變形使懸臂2的可動部2a進行動作(變形)，作為這種彈性材料，例如可使用 透明或被著色的PDMS(P0Iydimethylsil0xane)。另外，彈性體3也具有保護功能，以使各 個懸臂2不與外部物體等直接接觸而受損，其厚度尺寸優(yōu)選形成為覆蓋各個懸臂2整體，例 如300μπι Imm以下左右，該厚度尺寸能夠有效地實現后述懸臂2的應力檢測功能，并能 夠兼顧柔軟性和強度。另外，如圖1所示，在基板部件4的各個懸臂2的形成位置處按照懸臂2形成有貫 通開口部5，在該貫通開口部5的緣部固定有懸臂2的固定部2b。貫通開口部5大小形成 為各個貫通開口部5的緣部與懸臂2的可動部2a不干涉。另外，雖然在圖1中未圖示，但是，在各個懸臂2的固定部2b設置有端子部，在這 些端子部分別設置有配線6，能夠電檢測各個懸臂2的可動部2a的動作角度。另外，在傳 感器元件1上設置有在各個懸臂2之間通過配線6進行電信號的傳送的電路部(控制電路 等，未圖示)。另外，在基板部件4的圖示Y軸方向的兩端部設置有連接各個配線6的電極端子 7。在基板部件4的上表面，以使各個電極端子7露出并完全覆蓋各個貫通開口部5及懸臂 2整體的方式配置有彈性體3。在圖1中，雖然電極端子7在基板部件4的上表面露出，但 電極端子7也可以在基板部件4的背面露出。該情況下，通過貫通基板部件4的導電體等， 電極端子7與配線6電連接。另外，如圖1所示，在各個貫通開口部5的周圍的基板部件4的上表面形成有卡合 部之一例的多個卡合用孔部8。在該卡合用孔部8內填充有彈性體3，通過各個卡合用孔部 8與填充于其內側的彈性體3的卡合，形成彈性體3和基板部件4被牢固卡合的固定狀態(tài)。 為了向這種卡合用孔部8內可靠地填充彈性體3，作為彈性體3，優(yōu)選使用例如能夠容易進 入納米級的結構體(孔部等)內的具有高流動性(固化前的溶融狀態(tài))的材料。作為這種材 料，可以使用例如在納米級結構體的裝模、轉印等中利用的DowGorning社制的Sylgardl84 之類的制品。在具有上述結構的傳感器元件1中，在對彈性體3施加外力的作用下，通過使具有 可動部2a的懸臂2的可動部2a動作變形而能夠檢測其內部產生的剪切應力或壓縮應力，其中，該應力的產生方向為可動部2a的變形方向。圖1的X軸方向用懸臂2X和Y軸方向 用懸臂2Y作為檢測沿膜狀彈性體3的表面方向產生的力(剪切力)的剪切力傳感器發(fā)揮 功能，Z軸方向用懸臂2Z作為檢測膜狀彈性體3的Z軸方向的力即壓縮應力的壓力傳感器 發(fā)揮功能。另外，Z軸方向用懸臂2Z既可以如圖1所示，與懸臂2X及2Y同樣地形成為懸 臂梁形狀，也可以代替這種情況，形成為其兩端固定于基板部件4那種的雙支承梁形狀。在此，對利用這種懸臂2檢測應力的原理，利用圖2所示的傳感器元件1的示意說 明圖進行說明。如圖2所示，在傳感器元件1中，當作用沿彈性體3的表面的外力時，在彈性體3 的水平方向產生剪切應力τ，彈性體3彈性變形而在水平方向上產生剪切應變Y。配置于 彈性體3內的懸臂2的可動部2a與彈性體3 —體變形，其結果是，在變形方向(例如，圖示 X軸方向)上變形剪切應變Y，即形成彈性變形。另一方面，在懸臂2的鉸鏈部2c上設置有壓電電阻部。該壓電電阻部具有根據可 動部2a的變形量而改變其電阻值的功能，并且，預先測定這種變形量和電阻值的相關性， 作為相關性數據輸入并保持于與電極端子7連接的未圖示的控制裝置等中。因此，通過檢 測壓電電阻部的電阻變化，能夠利用外力作用檢測在彈性體3中產生的剪切應力τ，其中， 所述壓電電阻部的電阻基于懸臂2的變形量而變化，懸臂2通過利用上述剪切應力τ在彈 性體3上產生的剪切應變γ而變形。根據檢測這種可動部2a的變形量的應力檢測原理， 優(yōu)選將檢測沿彈性體3的表面的方向的力的X軸方向用懸臂2X及Y軸方向用懸臂2Y的可 動部的立起角度設定為90度，并優(yōu)選將檢測壓力的Z軸方向用懸臂2Z的可動部的立起角 度設定為0度。下面，利用圖3的示意圖對使用具有上述結構的多個傳感器元件1的觸覺傳感器 10的結構進行說明。如圖3所示，觸覺傳感器10具備在規(guī)定位置安裝有多個傳感器元件1的撓性基 板11、以覆蓋這些傳感器元件1及撓性基板11整體的方式配置于其內部的膜狀彈性體12。 撓性基板11具有高柔軟性，并形成有在所安裝的各個傳感器元件之間進行信號傳送的配 線13。另外，該配線13經由導電體的電線與在傳感器元件1的基板部件4的上表面露出的 電極端子7連接，或者與在傳感器元件1的基板部件4的背面露出的電極端子7直接連接。 另外，各個傳感器元件1以相互不接觸的方式相互離開地安裝在規(guī)定位置，例如，以基板部 件4相互離開地安裝于規(guī)定位置。膜狀彈性體12由具有高柔軟性的彈性材料形成，作為這 種彈性材料可以使用例如PDMS。本實施方式的觸覺傳感器10通過具有上述構成，如圖4的示意圖所示，觸覺傳感 器10具有高柔軟性，能夠將其配置于具有各種形狀的表面例如曲面上，從而能夠檢測施加 于膜狀彈性體12的外力(剪切力或壓力)。下面，參照如下

具有上述功能的傳感器元件1的制造方法。在說明該制 造方法時，圖5A 圖5E示出表示傳感器元件1的制造方法的順序的示意斷面圖，圖6A 圖6D示出表示各個工序的傳感器元件1的狀態(tài)的示意立體圖。首先，如圖5A所示，使用例如由300μπι厚的Si下層21、400nm厚的SiO2層22 及290nm厚的Si上層23構成的SOI晶片20，使用例如急速熱擴散法，將Si上層23的上 IOOnm的部分形成壓電電阻層(部)24，之后，在壓電電阻層24上利用濺射等形成厚度分別為IOnm和150nm的Au/Ni層25。該SOI晶片20最終成為基板部件4。接著，在該SOI晶片20中，在懸臂2的形成位置的周圍從Au/Ni層25側形成多個 卡合用孔部8。具體而言，在Au/Ni層25上形成了構圖為規(guī)定形狀的掩模層(未圖示)，之 后蝕刻Au/Ni層25，進而經由DRIE (De印Reactive Ion Etching)對壓電電阻層24及Si 上層23進行蝕刻。之后，使用HFQiydrogen fluoride)溶液對SiO2層22進行蝕刻，再經 由DRIE對Si下層21進行蝕刻。通過該蝕刻處理，如圖5B所示，在SOI晶片20上形成多 個卡合用孔部8。另外，卡合用孔部8優(yōu)選之后在形成有懸臂2的位置的周圍附近形成，在 與配線6等其它的構成部不干涉的位置，以例如40 μ m左右的深度形成。另外，在蝕刻處理 結束后，除去掩模層。在形成有這種多個卡合用孔部8的Au/Ni層25上形成掩模層(未圖示)，之后，構 圖為規(guī)定的形狀，使用該掩模層，對Au/Ni層25、壓電電阻層24及Si上層23進行蝕刻。之 后，為了形成懸臂2的壓電電阻部，通過蝕刻除去掩模層，該掩模層以覆蓋與連接懸臂2的 固定部2b和可動部2a的部分即鉸鏈部相當的部分的方式配置。之后，從SOI晶片20的背 面?zhèn)乳_始，對Si下層21通過DRIE進行蝕刻，進而，使用HF氣體蝕刻Si02層，由此，將懸臂 2的可動部2a、即用于成為自由端的結構部形成為從Si下層21及SiO2層開放的狀態(tài)(即， 形成貫通開口部5)。在此，完成作為懸臂2的基本結構。之后，通過對SOI晶片20施加例如磁場等而沿垂直方向使X軸方向用及Y軸方向 用的懸臂2X、2Y的可動部2a立起并實施規(guī)定處理，由此，使可動部2a保持立起的狀態(tài)(起 立姿勢狀態(tài))。而Z軸方向用的懸臂2Z的可動部2a不立起，成為保持其水平方向的姿勢的 狀態(tài)。其結果是，如圖5C及圖6A所示，以SOI晶片20為基底形成固定于基板部件4的多 個懸臂2。另外，在圖5C中，作為懸臂2，僅圖示有例如X軸方向用懸臂2X和Z軸方向用懸 臂2Z兩個懸臂。在此，圖7示出這種懸臂2的示意俯視圖。在圖7中，表示成為起立姿勢之前的狀 態(tài)的懸臂2。如圖7所示，懸臂2的大小例如形成為，其可動部2a的寬度尺寸dl為80 μ m、 可動部2a的長度尺寸d2為200 μ m、可動部2a和固定部2b之間的鉸鏈部2c的長度尺寸d3 為100 μ m、各個鉸鏈部2c的寬度尺寸為25 μ m,懸臂2的整體長度尺寸為300 μ m。另外， 壓電電阻層24的厚度尺寸為lOOnm。另外，如圖7所示，在懸臂2的固定部2b形成有用于 與外部之間進行電信號的傳送的端子部9。另外，可動部2a和固定部2b之間的鉸鏈部2c 設置有俯視圖示的中空部分。這樣，鉸鏈部2c以設置中空部分的方式被分割成兩個結構 體，由此，在各個壓電電阻層的輸出期間抵消對于各個結構體賦予的傾斜等輸出，由此能夠 正確地檢測懸臂2的一個方向的變形量。另外，這種鉸鏈部2c的上述結構體的寬度尺寸形 成為例如25μπι。另外，在本發(fā)明中，所謂微小三維結構體要素的「微小」例如表示數百ym 以下的大小，舉例而言，表示下述三維結構體要素的大小即使在形成為100 μ m Imm左右 的厚度的彈性體3內配置多個三維結構體要素(即，懸臂2)，對膜狀彈性體12所具有的柔 軟性也不會產生實質性影響。另外，這種懸臂2優(yōu)選根據彈性體3的厚度尺寸形成為對其 柔軟性不產生實質性影響的在數百μm以下較小的尺寸。接著，如圖6B所示，在這種SOI晶片20上以覆蓋形成的各個懸臂2的方式形成彈 性體3。具體而言，向SOI晶片20的形成有懸臂2側的表面注入并供給流動狀態(tài)(或溶融 狀態(tài))的彈性體(例如上述的納米結構體用的PDMS)3。這種彈性體3的供給以至少全部的懸臂2浸漬且埋設于彈性體3內的方式進行。另外，由于該彈性體3具有高流動性，因此成 為在各貫通開口部5及卡合用孔部8內也注入并填充有彈性體3的狀態(tài)。之后，使所供給 的流動狀態(tài)的彈性體3固化，如圖5D及圖6C所示，成為在彈性體3的內側配置有各個懸臂 2的狀態(tài)。另外，在該狀態(tài)下，由于在各個卡合用孔部8內也進入了彈性體3并固化，因此， 在彈性體3和基板部件4的表面相互卡合的狀態(tài)下被牢固固定。另外，彈性體3作為其厚 度尺寸，例如形成為500 μ m。在上述狀態(tài)下，如圖6C所示，多個傳感器元件1成為基板部件4及彈性體3 —體連 結而相連的狀態(tài)。之后，如圖6D所示，使用切斷工具的一例即切塊機29切斷彈性體3及基 板部件4。其結果是，如圖5E所示，各個傳感器元件1相互分離而形成多個傳感器元件1。 另外，在該傳感器元件1分離、即切割處理的前后，部分除去配置于傳感器元件1的電極端 子7上的彈性體3，進行露出電極端子7的處理。例如圖1所示，這樣形成的傳感器元件1 具備X軸方向用懸臂2X、Y軸方向用懸臂2Υ、Ζ軸方向用懸臂2Ζ，例如形成X軸方向為2mm、 Y軸方向為2mm左右的大小。之后，如圖3所示，在撓性基板11上的規(guī)定安裝位置安裝各個傳感器元件1。再后 來，通過將安裝有多個傳感器元件1的撓性基板11浸漬于流動狀態(tài)的PDMS內等而配置于 膜狀彈性體12內。在流動狀態(tài)的PDMS進行固化后，完成圖3所示的觸覺傳感器10。優(yōu)選在觸覺傳感器10的厚度方向上以各個懸臂2的鉸鏈部2c位于膜狀彈性體12 的中位線上的方式來配置各個傳感器元件1。通過采用這種配置，即使在膜狀彈性體12彎 曲的情況下，在中立線上也難以產生伸縮，因此能夠防止伴隨膜狀彈性體12的彎曲而造成 的懸臂2的破損。另外，代替通過供給流動狀態(tài)的PDMS來形成膜狀彈性體12的情況，也可以用2張 膜狀的PDMS夾著撓性基板11，通過一體接合兩張膜等來進行膜狀彈性體12的形成。另外，代替將各個傳感器元件1和撓性基板11同時配置于膜狀彈性體12內部的 情況，也可以采用僅各個傳感器元件1配置于膜狀彈性體12的內部，以撓性基板11與膜狀 彈性體12連接的方式配置撓性基板11的結構。在采用這種結構的情況下，也可以采用通 過在撓性基板11的安裝有傳感器元件1的表面例如轉印PDMS而將各個傳感器元件1配置 于膜狀彈性體12內的方法。另外，這種微小三維結構體要素即懸臂2是具有下述結構的結構體要素，其具有 至少其一部分可動的可動結構，并在向彈性體內配置的狀態(tài)下，通過外力的作用等能夠與 配置于其周圍的彈性體一起動作。但是，這種微小三維結構體要素埋設于彈性體內而形成 的三維結構體構成用元件(傳感器元件1)，在不僅限于檢測可動部(可動結構)的變形的 傳感器等用途而使用的情況下，例如，在不隨著集成電路或光傳感器等的可動部的變形的 用途中使用的情況下，各個微小三維結構體要素也可以是沒有可動結構的情況，能夠應用 本發(fā)明的制造方法來制造三維結構體構成用元件。另外，微小三維結構體要素優(yōu)選具有基于通過對三維結構體的外力作用在彈性體 上產生的彈性變形(例如剪切變形)而檢測其可動結構的動作(變形)的外力檢測功能。 或者，也可以是通過使其可動結構進行動作(變形)而對配置于其周圍的彈性體傳遞外力， 具有使該彈性體進行彈性變形的外力傳遞功能的情況。這種外力檢測功能，例如以懸臂為 例，以觸覺傳感器的功能為代表，并且，外力傳遞功能是通過使懸臂作為促動器動作而使彈性體發(fā)生部分彈性變形的功能。這樣，微小三維結構體要素只要具有外力檢測功能及外力 傳遞功能，就能夠以埋入彈性體內的狀態(tài)分別且可靠地發(fā)揮上述功能。懸臂的壓電電阻層 (部)是具有這種功能的外力檢測部。另外，也可以使懸臂作為外力傳遞部發(fā)揮功能。要使 懸臂作為外力傳遞部發(fā)揮功能，則通過另外設置使可動部動作的機構例如壓電元件，或使 用磁各向異性施加磁場使可動部進行動作能夠實現。另外，通過在懸臂上兼具備外力檢測 功能和外力傳遞功能，也可以利用外力檢測功能接受外力的檢測，利用外力傳遞功能進行 信息傳遞。另外，三維結構體構成用元件及三維結構體除了如上述用作傳感器及促動器之 外，也可適用于集成電路、顯示器(有機EL)等。另外，這種觸覺傳感器除了作為機器人的 皮膚感覺傳感器的用途以外，也可以適用于作為使膜狀彈性體接觸大面積(尤其是具有曲 面形狀)的物體表面而測定物體表面的形狀的計測器用探針、計算機輸入用的定點裝置、 圖形輸入板、以及虛擬現實實現用的輸入及輸出裝置的用途。另外，三維結構體也可以作為 使具有可動結構的微小三維結構體要素作為檢測溫度及加速度的結構體要素發(fā)揮功能的 溫度傳感器及加速度傳感器而構成。另外，通過使具有溫度檢測功能的微小三維結構體要 素和具有其它功能的微小三維結構體要素混合配置于彈性體內并一體構成傳感器，能夠構 成溫度補償傳感器。根據上述實施方式，能夠獲得以下的各種效果。首先，使用由固定于基板部件4上的懸臂2和以覆蓋該懸臂2的方式固定于基板 部件4的彈性體3構成的多個傳感器元件1，通過在膜狀彈性體12的內部以相互離開的狀 態(tài)配置各個傳感器元件1，能夠構成觸覺傳感器10。因此，在膜狀彈性體12內，能夠將多個 傳感器元件1配置為所希望的配置間隔及位置，能夠提供應對于各種用途及規(guī)格的觸覺傳 感器10。尤其是，由于這種懸臂形成于SOI晶片上，因此，在現有技術中，在將形成于SOI晶 片上的多個懸臂直接配置于彈性體內的方法中，各個懸臂的配置間隔及位置被限定于SOI 晶片上的形成位置，故存在懸臂2的配置自由度低的問題。但是，如本實施方式所示，通過 將形成于SOI晶片20上的多個懸臂2分割為1個或多個組，能夠將分割的各個組的懸臂2 以所希望的配置間隔及位置配置于膜狀彈性體12內。因此，例如，也可以形成具有大面積 片狀的形態(tài)的觸覺傳感器10。另外，在要變更懸臂2的配置間隔的情況下，不伴隨來自蝕刻 程序中使用的掩模設計的設計變更，僅通過變更傳感器元件1的配置間隔就能夠應對，因 此，能夠提高懸臂2的配置自由度。另外，在本實施方式中，采用在由彈性體3覆蓋形成于SOI晶片20上的各個懸臂 2的狀態(tài)下，切斷SOI晶片20及彈性體3，從而分割成各個傳感器元件1的方法。通過采用 這種方法，由于在分割后的傳感器元件1中也是由彈性體3保護各個懸臂2的狀態(tài)，因此， 能夠使傳感器元件1的操作性良好。尤其是，雖然這種懸臂2本身為通過MEMS或NEMS技 術形成的微小結構體要素，具有比較容易損傷的特征，但是，由于是在如上述由彈性體3保 護的狀態(tài)下進行用于分割的切割(夕'^ > ^ )處理，因此，在分割處理時能夠可靠地保護 懸臂2。再之后，在各個傳感器元件1中也繼續(xù)由彈性體3保護懸臂2的狀態(tài)，因此，能夠可 靠地保護懸臂2。另外，在傳感器元件1中，在基板部件4表面的各個懸臂2的形成位置的周圍，形成多個卡合用孔部8，在該卡合用孔部8的內部填充有彈性體3，由此，能夠提高向基板部件 4固定彈性體3的固定強度。通過如上述提高固定強度，能夠提高傳感器元件1的耐久性。 另外，通過在具有可動部2a的懸臂2的周圍設置這種卡合用孔部8，能夠提高懸臂2和其周 圍附近的彈性體3的一體性，并能夠增強可動部2a的動作和彈性體3的變形的關聯性。另外，在觸覺傳感器10中，通過采用使用膜狀彈性體12和傳感器元件1的彈性體 3這兩個彈性體的結構，例如可以根據其目的或功能而使各個彈性體的種類不同。例如，作 為彈性體3，通過使用流動性比膜狀彈性體12更高的彈性材料，能夠使彈性體3進入形成于 基板部件4上的具有微小形狀的各種結構部(懸臂2及卡合用孔部8)的細部，從而能夠使 彈性體3可靠地與各個結構部的表面相接。另一方面，作為膜狀彈性體12，可以使用與觸 覺傳感器10的用途及規(guī)格對應的規(guī)格的彈性材料。從而，通過如上述分開使用彈性體的種 類，能夠在可靠地發(fā)揮作為傳感器元件1的功能的同時，提供可與各種規(guī)格及用途對應的 觸覺傳感器10。另外，膜狀彈性體12和彈性體3也可以使用相同種類的彈性材料。另外，能夠根據觸覺傳感器10的用途及規(guī)格來設定傳感器元件1的彈性體3的厚 度。例如，通過加厚設定彈性體3的厚度，即使在施加同樣大小的力(剪切力及壓力)的情 況下，彈性體3的變位量也會變大，因此，能夠與相接于觸覺傳感器10的對象物柔性接觸。 另外，由于所施加的力分散，因此，能夠防止懸臂2等破損。另外，具有彈性體3的厚度越厚， 應力檢測的頻率特性越低的傾向。因此，優(yōu)選根據所要求的觸覺傳感器10的規(guī)格來設定傳 感器元件1的彈性體3的厚度。另外，在實施傳感器元件1的制造工序后，制造觸覺傳感器10之前，可以對傳感器 元件1單體進行品質檢查。通過進行這種品質檢查，能夠排除不良傳感器元件1來制造觸 覺傳感器10，從而能夠提高所制造的觸覺傳感器10的品質。另外，在上述的說明中，以在傳感器元件1內配置有可檢測X軸方向用懸臂2X、Y 軸方向用懸臂2Y及Z軸方向用懸臂2Z的三個方向的不同應力的懸臂2的結構為例進行了 說明，但是，本實施方式不僅限于這種情況。代替這種情況，例如，也可以是僅一個懸臂2配 備于傳感器元件1內的情況，另外，也可以是具備多個可檢測同一方向的應力的懸臂2的情 況。但是，通過采用傳感器元件1具備可檢測X軸、Y軸及Z軸這樣三個不同方向應力 的懸臂2的結構，能夠以一個傳感器元件1、即在同樣的位置檢測不同的三個方向的應力。 另外，在傳感器元件1所具備的電路部中，通過使上述三個懸臂2的共同的電路、例如溫度 補償、放大等控制電路公用，能夠制造成按照每一個傳感器元件1進行調整的規(guī)格，從而能 夠提高傳感器元件1的可靠性。另外，通過進行這種電路部的公用化，能夠實現傳感器元件 1電力條件的公用化，并能夠實現電路結構的小型化。另外，在上述說明中，對卡合用孔部8作為未貫通基板部件4的孔部而形成的情況 進行了說明，但是，也可以作為貫通孔形成這種卡合用孔部8。在作為貫通孔形成的情況下， 能夠提高彈性體3向卡合用孔部8內填充的填充性。另一方面，在作為未貫通的孔部而形 成的情況下，通過使用流動性高的彈性材料將殘留于孔部內的気泡進行真空脫泡，能夠提 高其填充性。另外，這種卡合用孔部8優(yōu)選以增大基板部件4的與彈性體3的接觸表面積的方 式形成，優(yōu)選以更深的深度尺寸形成多個小孔徑的卡合用孔部8。另外，從增大接觸表面積的觀點來看，孔部8的內表面優(yōu)選以凹凸多的表面形成。但是，考慮到彈性體3的流動性等 規(guī)格，希望從進行可靠的填充的觀點出發(fā)來決定其孔徑、深度尺寸及內表面的形狀等。另 外，卡合用孔部8的數量及規(guī)格優(yōu)選以不損害基板部件4的強度的方式來確定。另外，在上述說明中，作為卡合部的一例對卡合用孔部8進行了說明，但是，該孔 部8的孔形狀除了圓形之外，還可以采用楕圓形、矩形、多邊形等各種形狀。另外，作為卡合 部，也可以在基板部件4的表面形成凹狀或凸狀形狀的結構部。另外，在上述說明中，將使用切塊機29作為用于切斷并分割各個傳感器元件1的 裝置進行切割處理的情況作為一例進行了說明，但代替使用這種切斷工具的情況，也可以 使用蝕刻處理等進行分割處理。需要說明的是，通過適當組合上述各個實施方式中的任意的實施方式，能夠起到 各自所具有的效果。本發(fā)明參照附圖對與優(yōu)選實施方式有關的內容進行了充分的描述，對于對該技術 熟練的人們而言知曉各種變形及修改。這種變形及修改只要不脫離附屬的權利要求所限定 的本發(fā)明范圍，就應該理解為包括在其中。2008年3月13日申請的日本國專利申請No. 2008-64359號的說明書、附圖及權利 要求書的公開內容作為整體被參照并錄入本說明書中。
1權利要求
一種三維結構體構成用元件，其具備具有可動結構的微小三維結構體要素、固定所述微小三維結構體要素的基板部件、在其內部配置有所述微小三維結構體要素的彈性體，所述基板部件包括具有凹狀或凸狀形狀的卡合部，在與所述卡合部卡合的狀態(tài)下，將所述彈性體固定于所述基板部件。
2.如權利要求1所述的三維結構體構成用元件，其中，在所述基板部件的固定所述微小三維結構體要素的固定位置的周圍，作為所述卡合部 形成有多個卡合用孔部，在所述多個卡合用孔部內填充有所述彈性體。
3.如權利要求1或2所述的三維結構體構成用元件，其中， 所述可動結構實質上為能夠在一個方向上變形的結構，能夠變形的方向互不相同的多個所述微小三維結構體要素在固定于一個所述基板部 件的狀態(tài)下，配置于一個所述彈性體的內部。
4.如權利要求3所述的三維結構體構成用元件，其中，所述基板部件具有在各個所述微小三維結構體要素之間進行電信號的傳送的公用的 電路部。
5.—種三維結構體，其具備權利要求1 4中任一項所述的多個三維結構體構成用元件， 在使所述基板部件相互離開的狀態(tài)下，在其內部配置有所述多個三維結構體構成用元 件的膜狀彈性體。
6.如權利要求5所述的三維結構體，其中，形成所述彈性體的樹脂與形成所述膜狀彈性體的樹脂相比，在熔融狀態(tài)下具有更高的 流動性。
7.如權利要求5或6所述的三維結構體，其中，還具備安裝有所述多個三維結構體構成用元件的撓性基板， 所述撓性基板配置于所述膜狀彈性體的內部。
8.—種三維結構體構成用元件的制造方法，其中，在彈性體的內部配置固定于基板部件上并具有可動結構的多個微小三維結構體要素， 在使形成于所述基板部件并具有凹狀或凸狀形狀的卡合部和所述彈性體相卡合的同時，在 所述基板部件上固定所述彈性體，之后，切斷所述基板部件和所述彈性體并分割所述多個微小三維結構體要素，從而在 被分割的所述基板部件上固定一個或多個所述微小三維結構體要素，并形成配置于被分割 的所述彈性體內的多個三維結構體構成用元件。
9.如權利要求8所述的三維結構體構成用元件的制造方法，其中，在所述基板部件的固定所述微小三維結構體要素的固定位置的周圍，作為所述卡合部 形成多個卡合用孔部，之后，向所述基板部件上供給流動狀態(tài)的樹脂材料以覆蓋所述微小三維結構體要素，并且， 向所述多個卡合用孔部內填充所述樹脂材料，之后，通過使所述樹脂材料固化，將由所述樹脂材料形成的所述彈性體固定在所述基板部件上。
10.一種三維結構體的制造方法，將利用權利要求8或9的制造方法制造的多個所述三 維結構體構成用元件在使所述基板部件相互離開的狀態(tài)下配置于膜狀彈性體的內部，從而 形成三維結構體。
11.如權利要求10所述的三維結構體的制造方法，其中，形成所述彈性體的樹脂與形成所述膜狀彈性體的樹脂相比，在熔融狀態(tài)下具有更高的 流動性。
全文摘要
本發(fā)明提供一種三維結構體及其制造方法，將具有彈性體的多個三維結構體構成用元件在使基板部件相互離開的狀態(tài)下配置于膜狀彈性體內而構成三維結構體，由此，在膜狀彈性體內，能夠將多個三維結構體構成用元件配置為所希望的配置間隔或位置，從而能夠與各種規(guī)格相對應。所述彈性體固定于基板部件，并以覆蓋固定于基板部件的微小三維結構體要素的方式將其配置于內部。
文檔編號B81B3/00GK101960275SQ20098010724
公開日2011年1月26日 申請日期2009年3月13日 優(yōu)先權日2008年3月13日
發(fā)明者下山勛, 中井亮仁, 中村徹, 小林昌市, 巖瀨英治, 松本潔, 田中悠輔, 蜂谷修二, 阮平謙 申請人:國立大學法人東京大學;松下電器產業(yè)株式會社