CN105008880B - 静电电容型压力传感器及输入装置 - Google Patents

Abstract

在固定电极(32)的上表面形成电介质层(33)。通过使电介质层(33)的上表面向下方凹陷，从而在电介质层(33)的上表面形成凹槽(33a)。在电介质层(33)的上表面层叠上基板(35a)以覆盖凹槽(33a)。通过上基板(35a)的一部分，即位于凹槽(33a)的上方的区域，来形成呈薄膜状的导电性膜片(35)。在电介质层(33)的与膜片(35)对置的区域，使电介质层在以该对置区域的中央为中心的圆周上的存在比率根据与所述对置区域的中央相隔的距离而变化。

Description

静电电容型压力传感器及输入装置

技术领域

本发明涉及静电电容型压力传感器以及输入装置。具体而言，本发明涉及因压力而挠曲的膜片(diaphragm)与电介质层接触来探测压力的接触式的静电电容型压力传感器。另外，涉及利用该压力传感器的输入装置。

背景技术

在一般的静电电容型压力传感器中，导电性的膜片(可动电极)与固定电极隔着间隙进行对置，并根据因压力而挠曲的膜片与固定电极之间的静电电容的变化来检测压力。在该压力传感器是使用玻璃基板或硅基板通过MEMS(微机电系统)技术制造的微器件的情况下，若对膜片施加大的压力而发生较大挠曲，则存在破坏膜片的风险。

故而，提出了如下的压力传感器：在固定电极的表面设置电介质层，因压力而挠曲的膜片与电介质层接触，基于其接触面积的变化，膜片与固定电极之间的静电电容发生变化。该压力传感器有时也称为接触式静电电容型压力传感器。

作为接触式静电电容型压力传感器，例如有记载在非专利文献1中的传感器。图1的(A)是表示非专利文献1所记载的压力传感器11的剖面图。在该压力传感器11中，在玻璃基板12的上表面形成有由金属薄膜构成的固定电极13。固定电极13如图1的(B)所示，呈圆板状。在玻璃基板12的上表面，从固定电极13之上起形成有电介质膜14。在电介质膜14的上表面，设置有电极焊盘(pad)16。在电介质膜14进行开口以形成通孔15，并将电极焊盘16通过通孔15与固定电极13连接。在电介质膜14的上表面层叠有硅基板17。在硅基板17的上表面设置凹陷部18，并在硅基板17的下表面设置凹槽19，从而在凹陷部18与凹槽19之间形成有薄膜状的膜片20。膜片20设置在与固定电极13交叠的位置。硅基板17的下表面成为掺杂了高浓度B(硼)的P⁺层21，由此对膜片20赋予了导电性并将膜片20作为可动电极。在膜片20的下表面与电介质膜14的上表面之间，通过凹槽19而产生了数μm的间隙22。

图2是表示压力传感器11的压力与静电电容的关系(压力－电容特性)的图，记载在非专利文献1中。若对压力传感器11的膜片20施加压力，则膜片20响应于该施加压力而挠曲，在一定压力下与电介质膜14接触。在图2的横轴上，压力为0至Pa的区间(未接触区域)是膜片20未接触电介质膜14的区域。压力为Pa至Pb的区间(开始接触区域)是从膜片20与电介质膜14接触起至以一定程度的面积与电介质膜14可靠地接触为止的区域。在压力为Pb至Pc的区间(动作区域)，随着压力的增加，膜片20与电介质膜14接触的部分的面积逐渐增加。压力为Pc至Pd的区间(饱和区域)，是膜片20的几乎整面与电介质膜14接触、且即使压力增加而接触面积也几乎不增加的区域。

根据图2的压力－电容特性，在压力增加时，在膜片20未发生接触的未接触区域，静电电容的变化小，但一旦进入开始接触区域，则静电电容的变化率(增加速度)逐渐变大。在动作区域，虽然线性变好，但静电电容的变化率逐渐减少，若进入饱和区域，则静电电容几乎不再增加。

在该接触式的压力传感器11中，膜片20与电介质膜14之间的静电电容C能根据以下的数式1来表示。

C＝Co+ε·(S/d)…(数式1)

其中，将膜片20与电介质膜14的接触面积设为S，将电介质膜14的厚度设为d，并以ε来表征电介质膜14的介电常数。Co是未接触区域中的静电电容。在压力变大时，电介质膜14的厚度d和介电常数ε不变化，膜片20的接触面积S增大，因此根据数式1可知，此时压力传感器11的静电电容C增加。

但是，在该压力传感器的情况下，表示按压力与输出的关系的输出特性不能精度良好地再现表示按压压力传感器时的理想的按压感的理想曲线。图7是表征理想曲线与压力传感器的输出特性的关系的图。图7的横轴表示按压膜片的载荷(按压力)的大小。图7的纵轴表示膜片与固定电极之间的静电电容的变化率(输出比)。

图8是将图7的X区间放大后的图。在图7中，曲线α表征理想曲线，曲线β表征现有例的输出特性。若比较理想曲线α与现有例的曲线β，则两曲线在施加小的载荷时的上升区域(开始接触区域)和施加大的载荷时的饱和区域中具有几乎相等的静电电容变化率。但是，在载荷的中间域(动作区域)，现有例的静电电容变化率与理想曲线的输出特性的背离大。在该压力传感器，压力传感器检测的压力的强度与操作者的按压感之间存在不一致，不能探测操作者的按压感的变化。尤其是在将微小的压力传感器排列多个来构成触摸板的情况下，难以探测以手指来描画文字或图形时的笔压的变化。

因此，谋求具有与人按压压力传感器时的按压感相符的探测特性或输出特性的压力传感器的开发。

在专利文献1中，公开了通过在固定电极设置空隙部从而使固定电极的面积增加率根据与固定电极的中心相隔的距离而变大(因此，固定电极的存在比率也单调增加。)的压力传感器。但是，该压力传感器是以改善相对于压力的变化量的静电电容变化量的线性为目的，在专利文献1的压力传感器中不能得到与上述的理想曲线接近的特性。

现有技术文献

专利文献

专利文献1:JP特开2006－200980号公报

非专利文献

非专利文献1:山本敏，其他4名，“接触式电容型压力传感器”，藤仓技报，株式会社藤仓，2001年10月，第101号，p.71－74

发明内容

发明要解决的课题

本发明鉴于上述那样的技术背景而提出，其目的在于，提供具有与按压压力传感器时的人的按压感相符的探测特性或输出特性的压力传感器。另外，提供利用该压力传感器的输入装置。

用于解决课题的手段

本发明所涉及的静电电容型压力传感器具备：固定电极；电介质层，其形成于所述固定电极的上方；以及导电性的膜片，其隔着空隙形成于所述电介质层的上方；在所述电介质层的与所述膜片对置的对置区域，电介质层在以所述对置区域的中央为中心的圆周上的存在比率会根据与所述对置区域的中央相隔的距离而变化。在此，电介质层的存在比率是指，将以对置区域的中央为中心的轮带上的电介质层的体积除以该轮带的面积而得到的值。

根据本发明的静电电容型压力传感器，根据与对置区域的中央相隔的距离来调整电介质层在以电介质层的对置区域的中央为中心的圆周上的存在比率，从而能使输出特性趋近理想曲线。由此，能将压力传感器的探测特性或输出特性调整得与人的按压感相符。

本发明所涉及的静电电容型压力传感器的一实施形态中，电介质层在所述对置区域的中央部与外周部的中间的存在比率小于电介质层在所述对置区域的中央部的存在比率。在对置区域的整面均匀地设置有电介质的现有例的情况下，关于压力传感器的输出特性，在上升区域与饱和区域的中间域，静电电容的变化率较之于理想曲线更大。与此相对，在本实施形态中，由于使电介质层在对置区域的中央部与外周部的中间的存在比率小于电介质层在对置区域的中央部的存在比率，因此能减小中间域的输出，能使输出特性趋近理想曲线。

但是，若减小电介质层在对置区域的中央部与外周部的中间的存在比率，则输出特性的饱和区域中的输出也随之下降，存在输出较之于理想曲线更小的风险。在此情况下，若使电介质层在所述对置区域的外周部的存在比率大于电介质层在所述对置区域的中央部与外周部的中间的存在比率，则能增大输出特性的饱和区域中的值而再次趋近理想曲线。

另外，若使电介质层在所述对置区域的外周部的存在比率小于电介质层在所述对置区域的中央部的存在比率，则能防止输出特性的饱和区域中的值变得过大。

本发明所涉及的静电电容型压力传感器的另一实施形态中，在所述电介质层的所述对置区域设置开口，根据与所述对置区域的中央相隔的距离来使所述开口的比率变化，从而使电介质层的存在比率变化。根据该实施形态，例如在对置区域形成有固定厚度的电介质层后，能通过在电介质层形成开口来使电介质层的存在比率变化。在此情况下，优选所述电介质层的开口以所述对置区域的中央为中心来放射状地形成。通过放射状地形成开口，能防止电介质层或开口向特定的方向偏颇。

另外，要使电介质层的存在比率变化，可以在所述对置区域，使所述电介质层的厚度根据与所述对置区域的中央相隔的距离而变化。

本发明所涉及的静电电容型压力传感器的又一实施形态中，将所述对置区域根据与其中央相隔的距离来划分为多个区间，并在各区间将电介质层的存在比率设定为恒定。根据该实施形态，按各区间来调整电介质层的存在比率即可，因此设计变得容易。

本发明所涉及的输入装置是将本发明所涉及的静电电容型压力传感器排列多个而成的。本发明的输入装置使用了本发明所涉及的静电电容型压力传感器，因此能检测按压位置和按压力。而且，能探测用手指等描画文字或图形时的笔压的变化。

此外，本发明中的用于解决所述课题的手段具有将以上说明的构成要素进行适当组合而得到的特征，本发明能够进行基于构成要素的组合的多种变形。

附图说明

图1的(A)是表示现有例的压力传感器的概略剖面图。图1的(B)是表示在图1的(A)的压力传感器中形成于玻璃基板的上表面的固定电极的俯视图。

图2是表示图1的(A)所示的现有例的压力传感器中的压力与静电电容的关系的图。

图3的(A)是表示本发明的实施方式1的压力传感器的俯视图。图3的(B)是表示在图3的(A)所示的压力传感器中形成于固定电极的上表面的电介质层的俯视图。

图4是图3的(A)所示的压力传感器的剖面图。

图5是表示图3的(B)的电介质膜的、膜片的中心相距的半径方向的距离与电介质层的存在比率的关系的图。

图6是说明电介质层的存在比率的定义的图。

图7是表示对膜片施加的载荷(按压力)与膜片和固定电极之间的静电电容变化率的关系(输出特性)的图。

图8是将图7的X区间放大后的图。

图9是表示现有例和本发明的实施方式中与理想曲线的偏离的比例的图。

图10是表示本发明的实施方式1的压力传感器的变形例的俯视图。

图11是本发明的实施方式2的压力传感器的剖面图。

图12是本发明的实施方式3的输入装置的剖面图。

附图标记的说明

31、51 压力传感器

32 固定电极

33 电介质层

33a 凹槽

34 气隙

35 膜片

37 上表面电极

39 开口

40 电极焊盘

41 保护膜

61 输入装置

具体实施方式

以下，参照附图来说明本发明的优选实施方式。但本发明不限于以下的实施方式，能在不脱离本发明的主旨的范围内进行各种设计变更。

(实施方式1)

参照图3以及图4来说明本发明的实施方式1的压力传感器31的构造。图3的(A)是压力传感器31的俯视图。图3的(B)是从图3的(A)的压力传感器31中去除上基板35a后的状态的俯视图，表征在固定电极32的上表面形成的电介质层33。图4是压力传感器31的剖面图。

在压力传感器31，如图4所示，在由低电阻硅基板、金属膜等的导电性材料构成的固定电极32之上形成有电介质层33。电介质层33由SiO2(热氧化膜)、SiN、TEOS等电介质材料构成。在电介质层33的上表面中央部，凹设有凹槽33a(圆形的凹部)。即，在凹槽33a的外侧，电介质层33的厚度厚，在凹槽33a内，电介质层33的厚度变薄。凹槽33a内的电介质层33具有固定的厚度。

在电介质层33的上表面，形成有由低电阻硅基板等的导电性材料构成的薄膜状的上基板35a。上基板35a覆盖凹槽33a的上表面，通过凹槽33a，在上基板35a的下表面与电介质层33的凹槽底面之间形成有气隙34(空隙)。如此，通过上基板35a当中在气隙34的上方水平延伸的区域，形成有感压用的膜片35。位于凹槽33a内的底面的电介质层33成为与膜片35对置的对置区域。

在电介质层33，为了确保气隙34与外部之间的通气性，设置有通气管路36(通气路径)。通气管路36是宽度为30μm左右的窄槽，并且屈曲或者蜿蜒以使尘土或灰尘等异物难以侵入气隙34内。

如图3的(B)所示，电介质层33在凹槽33a内的对置区域从对置区域的中央(对置区域的中心)起沿半径方向被划分为多个区间(在此，设为3个区间I、II、III。)。区间I是位于对置区域的中央部的圆形的区域。在区间I的整面，形成有电介质层33。区间III是位于对置区域的外周部的环状的区域。在区间III，放射状且等间隔地设置有多个开口39。区间II是位于对置区域的中央部与外周部的中间的环状的区域。在区间II，放射状且等间隔地设置有多个开口39。在设置于电介质层33的各开口39，露出固定电极32。在图3的(B)中，带圆点的区域是形成有电介质层33的区域。图3的(B)中的空白的区域是露出固定电极32的区域。

图5是表示电介质层33在对置区域的存在比率的图。图5的横轴表示从电介质层33的对置区域(或者，膜片35)的中心起测出的半径(半径方向的距离)。其中，图5的横轴的距离是将从对置区域的中心起到外周为止的半径设为100并以其比例来表征的。图5的纵轴表征电介质层33的存在比率。以对置区域的中心C(中央)为中心的半径r的位置上的电介质层33的存在比率通过如下来定义。

V/(2πr·δr)

。在此，记号V如图6所示，在考虑以对置区域的中心C(中央)为中心的半径r、宽度δr的轮带时，表征存在于该轮带上的电介质层33的体积。2πr·δr是轮带的面积。Δr设为充分小的值。因此，存在于轮带上的电介质层33的面积越大(开口39的面积越小)，则电介质层33的存在比率越大。另外，存在于轮带上的电介质层33的厚度越大，则电介质层33的存在比率越大。其中，在图5的纵轴上，将电介质层33在区间I的存在比率设为100(％)，并以其比值来进行了显示。

区间II具有开口39，因此如图5所示，电介质层33在区间II的存在比率小于电介质层33在区间I的存在比率。由于开口39的比例在区间III小于在区间II，因此电介质层33在区间III的存在比率大于电介质层33在区间II的存在比率，且小于电介质层33在区间I的存在比率。

在上基板35a的上表面，以包围膜片35的方式，设置有金属材料的环状的上表面电极37。在上基板35a的拐角部设置有电极焊盘40。上表面电极37与电极焊盘40通过布线部42连接。上表面电极37、布线部42及电极焊盘40是通过基底层Ti(厚度)/表面层Au(厚度)的两层金属薄膜同时制作的。另外，在固定电极32的下表面设置有下表面电极38。下表面电极38也是通过基底层Ti(厚度)/表面层Au(厚度)的两层金属薄膜来制作的。

上基板35a的上表面当中比上表面电极37更外侧的区域被由聚酰亚胺等的树脂或SiO₂、SiN等的绝缘膜构成的保护膜41覆盖。但是，在电极焊盘40的附近去除了保护膜41，电极焊盘40从保护膜41露出。

图7是表示静电电容的变化率的图。在图7中，示出理想曲线(作为目标的静电电容的变化率)(α)、现有例的压力传感器中的静电电容的变化率(β)以及本发明的实施方式的压力传感器中的静电电容的变化率(γ)。图8是将图7的X区间沿横轴方向放大表示的图。

图7的纵轴所示的静电电容的变化率ΔC/Co按如下方式定义。将因载荷而挠曲的膜片与固定电极之间的静电电容设为C，并将膜片未挠曲时的膜片与固定电极之间的静电电容设为Co。静电电容的变化率ΔC/Co是静电电容的变化ΔC＝C－Co与静电电容Co之比，表征为

ΔC/Co＝(C－Co)/Co

在人按压对象物时，例如指尖感觉到的按压强度未必与载荷的大小成正比，虽然在载荷小的范围会敏感地感觉按压强度的变化，但若载荷变大，则载荷的大小的不同将不怎么感觉得到。理想曲线是将人按压压力传感器时的按压感(按压强度的感觉方式)作为压力传感器的输出进行表现而得到的。

图7的静电电容变化率几乎接近零的区域是膜片在与电介质层(电介质膜)未接触的状态下挠曲的区域(未接触区域)以及静电电容变化率急速上升的区域(开始接触区域)。在该未接触区域与开始接触区域，现有例的输出特性与理想曲线之差小。因此，在本发明的实施方式中，在相当于开始接触区域的区域(区间I)，也与现有例相同，在整面形成有电介质层。

与此相对，在膜片与电介质层接触的面积逐渐变大的区域(动作区域)，现有例的输出特性成为较之于理想曲线更大的值。因此，在本发明的实施方式中，在相当于动作区域的区域(区间II)，减小电介质层的存在比率，由此减小输出特性，趋近理想曲线。

在膜片的大部分与电介质层接触、即使载荷变大接触面积也几乎不变化的区域(饱和区域)，在现有例的输出特性中，与理想曲线的偏离也小。但是，在本发明的实施方式中，减小电介质层在区间II的存在比率来降低了输出特性的值。故而，在本发明的实施方式中，在相当于饱和区域的区域(区间III)使电介质层的存在比率较之于区间II更大，由此增大区间III中的输出特性，使得不偏离理想曲线。

其结果，根据本发明的实施方式，能得到趋近理想曲线的输出特性。图9示出现有例和本发明的实施方式中与理想曲线的偏离的比例。在此，将某载荷时的理想曲线的静电电容设为Cr，并将现有例的静电电容设为Cc时，将100×(Cc－Cr)/Cr的最大值[％]称为现有例与理想曲线的偏离的比例。同样，在将某载荷时的理想曲线的静电电容设为Cr，并将本发明的实施方式的静电电容设为Cp时，将100×(Cp－Cr)/Cr的最大值[％]称为本发明的实施方式与理想曲线的偏离的比例。从图9可知，在现有例的情况下，与理想曲线偏离的比例约为6.6％，与此相对，在本发明的实施方式中，与理想曲线偏离的比例小至2.0％。由此，根据本发明的实施方式，能将压力传感器的探测特性或输出特性调整得与人的按压感相符。

上表面电极37可以不是圆环状，可以设置呈圆弧状的多个上表面电极37(未图示)。另外，可以不设置上表面电极37。这是由于，上基板35a具有导电性，因此如图10所示，仅需要在膜片35的区域外在上基板35a的至少1处设置电极焊盘40即可。

(实施方式2)

图11是本发明的实施方式2的压力传感器51的剖面图。

在该压力传感器51中，在电介质层33不设置开口39，而是根据与对置区域的中心相距的半径(距离)来使电介质层33的厚度变化。由此，根据与对置区域的中心相距的半径来使电介质层33的存在比率变化。尤其是在图11的情况下，将对置区域划分为3个区间I、II、III，并使区间II中的电介质层33的厚度比区间I中的电介质层33的厚度薄。进而，使区间III中的电介质层33的厚度比区间II中的电介质层33的厚度厚，且比区间I中的电介质层33的厚度薄。在这样的实施方式中，也能起到与实施方式1同样的作用效果。

尽管在上述各实施方式中，将对置区域划分为3个区间来使电介质层33的图案或者电介质层33的存在比率变化，但也可以划分为4个以上的区间来使电介质层33的图案或者电介质层33的存在比率变化。

(实施方式3)

图12是表示本发明的实施方式3的板型的输入装置61、例如触摸面板的构造的剖面图。该输入装置61将上述实施方式1的多个压力传感器31(传感器部)排列成阵列状(例如，矩形状或蜂窝状)而成。各压力传感器31是电独立的，能够分别独立地检测对各压力传感器31施加的压力。根据这样的输入装置61，能够像触摸面板那样检测由按压体按压的点，也能够检测各点的按压强度(压力的大小)。

Claims (8)

1.一种静电电容型压力传感器，其特征在于，具备：

固定电极，

电介质层，其形成于所述固定电极的上方，以及

导电性的膜片，其隔着空隙形成于所述电介质层的上方；

在所述电介质层的与所述膜片对置的对置区域，电介质层在以所述对置区域的中央为中心的圆周上的存在比率会根据与所述对置区域的中央相隔的距离而变化；

电介质层在所述对置区域的中央部与外周部的中间的存在比率小于电介质层在所述对置区域的中央部的存在比率。

2.根据权利要求1所述的静电电容型压力传感器，其特征在于，

电介质层在所述对置区域的外周部的存在比率大于电介质层在所述对置区域的中央部与外周部的中间的存在比率。

3.根据权利要求2所述的静电电容型压力传感器，其特征在于，

电介质层在所述对置区域的外周部的存在比率小于电介质层在所述对置区域的中央部的存在比率。

4.根据权利要求1所述的静电电容型压力传感器，其特征在于，

在所述电介质层的所述对置区域设置开口，

根据与所述对置区域的中央相隔的距离来使所述开口的比率变化，从而使电介质层的存在比率变化。

5.根据权利要求4所述的静电电容型压力传感器，其特征在于，

以所述对置区域的中央为中心，放射状地形成所述电介质层的开口。

6.根据权利要求1所述的静电电容型压力传感器，其特征在于，

在所述对置区域，根据与所述对置区域的中央相隔的距离来使所述电介质层的厚度变化，从而使电介质层的存在比率变化。

7.根据权利要求1所述的静电电容型压力传感器，其特征在于，

根据与所述对置区域的中央相隔的距离，将所述对置区域划分为多个区间，并在各区间将电介质层的存在比率设定为恒定。

8.一种输入装置，其特征在于，是将权利要求1所述的静电电容型压力传感器排列多个而成的。