JP2006014838A - Electrostatic capacity sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、被測定物の微細な凹凸などを測定するための静電容量センサ、および、タッチパッド等に用いて好適な技術に関する。 The present invention relates to a technique suitable for use in a capacitance sensor, a touch pad, and the like for measuring fine irregularities of a measurement object.
検出面に押し付けられた被測定物の表面の微細な凹凸を検出するセンサとしては、アレイ状に配置した電極と被検出物との静電容量の変化を測定するものとして例えば特許文献1が知られている。
また指等の接触位置を静電容量の変化から測定するタッチパッドとしては、行配線と列配線を絶縁体を介して交差させ、交差部の静電容量が被検出物により変化するものとして例えば特許文献2が知られている。
In addition, as a touch pad for measuring the contact position of a finger or the like from the change in capacitance, it is assumed that the row wiring and the column wiring intersect with each other through an insulator, and the capacitance at the intersection changes depending on the object to be detected. Patent document 2 is known.
しかし、特許文献1に記載される技術では検出電極を選択するのにトランジスタが必要になる。例えば、指紋のように微細な形状を検出する場合、100μm以下のピッチでかつ検出範囲全体に連続して、検出電極・スイッチング用トランジスタを配設する必要があり、半導体基板にこれらを集積化することが必須となる。従って広い面積の検出器を構成しようとした場合コストが上昇してしまうという問題があった。
また、特許文献2の技術では、検出感度をある程度確保するためには配線交差部の容量を大きくする必要がある。この際、容量を大きくするために配線幅を大きくすることが必要なため、配線ピッチを小さくできない。その結果、この技術では指紋のような微細構造を高感度で検出するセンサ構造が実現できないという問題があった。
また、容量変化を検出する際に、初期の容量に対してその変化量が小さすぎると容量変化を検出することができないため、より検出のしやすい静電検出センサを得たいという要求があった。
However, the technique described in Patent Document 1 requires a transistor to select a detection electrode. For example, when detecting a fine shape such as a fingerprint, it is necessary to dispose detection electrodes and switching transistors continuously at the pitch of 100 μm or less and throughout the entire detection range, and these are integrated on a semiconductor substrate. It is essential. Therefore, there is a problem that the cost increases when a detector having a large area is constructed.
Moreover, in the technique of Patent Document 2, it is necessary to increase the capacitance at the wiring intersection in order to ensure a certain degree of detection sensitivity. At this time, since it is necessary to increase the wiring width in order to increase the capacitance, the wiring pitch cannot be reduced. As a result, this technique has a problem that a sensor structure for detecting a fine structure such as a fingerprint with high sensitivity cannot be realized.
In addition, when detecting a change in capacitance, if the amount of change is too small with respect to the initial capacitance, the change in capacitance cannot be detected, so there has been a demand for an electrostatic detection sensor that is easier to detect. .
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、その目的は、低コストで検出感度を向上できる静電容量センサを提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a capacitance sensor that can improve detection sensitivity at low cost.
本発明の静電容量センサは、絶縁基板上に複数の導体が並列して第1方向に延びる行配線と、複数の導体が並列し、前記第1方向と交差する第2方向に延びる列配線とを有し、前記行配線と前記列配線とで形成される静電容量の変化に基づいて被検出導体の接近を検出する静電容量センサであって、
前記行配線に接続された検出行配線と、
前記検出行配線上に第1の誘電体層を挟んで設けられ、該第1の誘電体層に積層されて前記列配線に接続された検出列配線と、
前記検出列配線上を被覆する第2の誘電体層と、が設けられ、
前記第1の誘電体層の比誘電率よりも前記第2の誘電体層の比誘電率のほうが大きく設定されてなることにより上記課題を解決した。
本発明において、前記行配線および前記列配線においてそれぞれ隣り合う配線間距離で規定される検出領域が設けられ、
前記検出領域には、前記行配線に接続された検出行配線と、前記列配線に接続された検出列配線とが設けられ、前記検出行配線と前記検出列配線とが平面視して互いにその隙間を埋めるようにくし歯状に形成されることがより好ましい。
本発明は、前記検出行配線と前記検出列配線とは、平面視して互いにその隙間を埋めるようにL字型状に形成されることが可能である。
また、本発明において、前記検出行配線と前記検出列配線とは、平面視して互いにその隙間を埋めるように渦巻き状に形成される手段を採用することもできる。
また、前記検出行配線と前記検出列配線とは、平面視して互いにその隙間を埋めるように四分円型状に形成されることができる。
本発明においては、前記第1の誘電体層の比誘電率ε1と前記第2の誘電体層の比誘電率ε2との比が、
3 ≦ ε2/ε1 ≦ 3500
とされてなることが望ましい。
さらに、前記第1の誘電体層が、SiO2,Si3N4,MgO,Al2O3,アクリル樹脂,ポリイミド,エポキシ樹脂から少なくとも一つが選択されてなり、
前記第2の誘電体層が、Ta2O5,ZrO2,HfO2,La2O3,Pr2O3,TiO2,CaTiO3,SrTiO3,BaTiO3から少なくとも一つが選択されてなることが可能である。
The capacitance sensor of the present invention includes a row wiring extending in a first direction with a plurality of conductors arranged in parallel on an insulating substrate, and a column wiring extending in a second direction intersecting the first direction with the plurality of conductors arranged in parallel. A capacitance sensor that detects the approach of a detected conductor based on a change in capacitance formed by the row wiring and the column wiring,
A detection row wiring connected to the row wiring;
A detection column wiring provided on the detection row wiring with a first dielectric layer interposed therebetween, laminated on the first dielectric layer and connected to the column wiring;
A second dielectric layer covering the detection column wiring is provided,
The above problem has been solved by setting the relative dielectric constant of the second dielectric layer to be larger than that of the first dielectric layer.
In the present invention, a detection region defined by a distance between adjacent wirings in the row wiring and the column wiring is provided,
In the detection region, a detection row wiring connected to the row wiring and a detection column wiring connected to the column wiring are provided, and the detection row wiring and the detection column wiring are mutually viewed in plan view. More preferably, it is formed in a comb shape so as to fill the gap.
In the present invention, the detection row wiring and the detection column wiring can be formed in an L shape so as to fill a gap between them in a plan view.
In the present invention, the detection row wirings and the detection column wirings may adopt a spiral shape so as to fill the gaps in plan view.
Further, the detection row wiring and the detection column wiring may be formed in a quadrant shape so as to fill a gap between each other in plan view.
In the present invention, the ratio between the relative dielectric constant ε1 of the first dielectric layer and the relative dielectric constant ε2 of the second dielectric layer is
3 ≦ ε2 / ε1 ≦ 3500
It is desirable that
Further, the first dielectric layer is selected from at least one of SiO 2 , Si 3 N 4 , MgO, Al 2 O 3 , acrylic resin, polyimide, and epoxy resin,
The second dielectric layer is made of at least one selected from Ta 2 O 5 , ZrO 2 , HfO 2 , La 2 O 3 , Pr 2 O 3 , TiO 2 , CaTiO 3 , SrTiO 3 , and BaTiO 3. Is possible.
本発明の静電容量センサは、前記検出行配線上を被覆する第1の誘電体層の比誘電率よりも、前記検出列配線上を被覆する第2の誘電体層の比誘電率のほうが大きく設定されてなることにより、主に被検出物が静電容量センサの表面に位置しない初期状態において容量を形成する際に、検出行配線と検出列配線との間に位置する第1の誘電体層の比誘電率よりも、検出列配線と被検出物との間で容量を形成して初期容量に対して変化する容量となる検出列配線と被検出物との間に位置することになる第2の誘電体層の比誘電率を高くすることで、初期容量に対して、変化する容量の大きさを大きくして、容量変化率を大きくし、検出精度または感度を向上することが可能となる。 In the capacitance sensor of the present invention, the relative dielectric constant of the second dielectric layer covering the detection column wiring is higher than the relative dielectric constant of the first dielectric layer covering the detection row wiring. The first dielectric layer positioned between the detection row wiring and the detection column wiring when the capacitance is formed in an initial state where the detection target is not positioned on the surface of the capacitance sensor. The capacitance is formed between the detection column wiring and the detected object rather than the relative dielectric constant of the body layer, and the capacitance is changed between the initial capacitance and the detection column wiring and the detected object. By increasing the relative dielectric constant of the second dielectric layer, it is possible to increase the size of the capacitance that changes relative to the initial capacitance, increase the capacitance change rate, and improve detection accuracy or sensitivity. It becomes possible.
本発明において、隣り合う前記行配線どうし、および、隣り合う前記列配線どうしで囲まれた検出領域に、この検出領域を埋め尽くすように検出行配線と検出列配線とが設けられることにより、検出行配線と検出列配線とで形成される静電容量が指等の被検出物(被検出導体)の接触によって変化する量を増大することが可能となる。これにより、各検出セルにおける感度を向上することができ、トランジスタを形成することなく検出する際の分解能を向上することが可能となる。
ここで、「配線間距離で規定される」とは、周囲を行配線と列配線とで囲まれた範囲、または、この配線で囲まれた範囲と同等の面積を有する範囲を意味し、一つの組みとなる行配線と列配線により動作する検出セルに対応した範囲とすることができる。また、「検出領域を埋め尽くすように」とは、後述するように、検出配線対向長が増大するように配置されることを意味する。
なお、本発明の静電容量センサは電極(配線)間距離が変化する必要がないので、ガラス基板等に形成することが可能である。
In the present invention, the detection row wiring and the detection column wiring are provided in the detection area surrounded by the adjacent row wirings and the adjacent column wirings so as to fill the detection area, thereby detecting It is possible to increase the amount by which the electrostatic capacitance formed by the row wiring and the detection column wiring changes due to the contact of a detected object (detected conductor) such as a finger. Thereby, the sensitivity in each detection cell can be improved, and the resolution at the time of detection without forming a transistor can be improved.
Here, “defined by the distance between wirings” means a range surrounded by row wiring and column wiring, or a range having an area equivalent to the range surrounded by this wiring. A range corresponding to a detection cell that operates by a set of row wiring and column wiring can be used. Further, “so as to fill the detection area” means that the detection wiring facing length is increased as will be described later.
Note that the capacitance sensor of the present invention does not need to change the distance between electrodes (wirings), and can be formed on a glass substrate or the like.
本発明は、検出行配線と検出列配線とは、検出領域を埋め尽くす際に、これらの配線間で形成される静電容量を大きくするように前記検出配線間の検出配線対向長(対向長)が増大するように配置されることにより、静電容量の変化分を大きくして検出感度を向上することができる。
ここで、「検出配線対向長(対向長)」は、検出行配線と検出列配線とが互いに対向して静電容量を形成する部分において、各検出配線が互いに対向する方向と交差する方向におけるそれぞれの検出配線の長さ寸法を意味しており、本来、物理量としての静電容量を形成するパラメータは極板面積であるが、後述するように、平面視してくし歯状、渦巻き状、L字型状、四分円型状等として積層された検出配線どうしの間で静電容量を形成する際の面積であることから、実際の設計パラメータとしては長さとして認識できるので、この対向長を増大するようにそれぞれの検出配線を配置したものである。この場合、静電容量を形成する検出配線(電極)どうしは、それぞれ異なる層に積層されたものである。
According to the present invention, when the detection row wiring and the detection column wiring fill the detection area, the detection wiring facing length (facing length) between the detection wirings is increased so as to increase the capacitance formed between these wirings. ) Increases so that the change in capacitance can be increased and the detection sensitivity can be improved.
Here, the “detection wiring opposing length (opposite length)” is a direction in which each detection wiring intersects with each other in a portion where the detection row wiring and the detection column wiring face each other to form a capacitance. It means the length dimension of each detection wiring, and the parameter that originally forms the capacitance as a physical quantity is the electrode plate area. Since this is the area for forming the capacitance between the detection wirings stacked in an L-shape, quadrant shape, etc., the actual design parameter can be recognized as the length. Each detection wiring is arranged to increase the length. In this case, the detection wirings (electrodes) forming the electrostatic capacitance are laminated in different layers.
また、本発明において、検出行配線と検出列配線とは、検出領域を埋め尽くす際に、これらの配線間で形成される静電容量を大きくするように前記静電容量を形成する検出配線対向間距離(対向間距離)が減少されるように位置されることにより、静電容量の変化分を大きくして検出感度を向上することができる。
ここで、「検出配線対向間距離(対向間距離)」は、前述の「検出配線対向長(対向長)」に交差する方向における検出行配線と検出列配線との間の距離を意味し、この場合、静電容量を形成する検出配線(電極)どうしは、それぞれ異なる層に積層されたものである。また、検出行配線と検出列配線とが異なる層に形成されている場合、実際の検出に関わる検出配線(検出行配線および検出列配線)どうしは平面視して重ならない構成とされることが好ましい。これは、検出行配線と検出列配線とが特許文献2の交差部のように重なってしまうと、重なった部分の静電容量は被検出物(被検出導体)の接触・離間によって変化しないため、静電容量の変化分が小さく検出感度が低下するためである。
Further, in the present invention, the detection row wiring and the detection column wiring are opposed to the detection wiring which forms the capacitance so as to increase the capacitance formed between these wirings when filling the detection region. By being positioned so that the inter-distance (inter-opposite distance) is decreased, it is possible to increase the change in capacitance and improve detection sensitivity.
Here, the “distance between opposing detection wirings (distance between opposing wirings)” means the distance between the detection row wirings and the detection column wirings in a direction intersecting the aforementioned “detection wiring opposing length (opposite length)”. In this case, the detection wirings (electrodes) forming the electrostatic capacitance are laminated in different layers. In addition, when the detection row wiring and the detection column wiring are formed in different layers, the detection wiring (detection row wiring and detection column wiring) related to actual detection may be configured not to overlap each other in plan view. preferable. This is because if the detection row wiring and the detection column wiring overlap each other like an intersection in Patent Document 2, the capacitance of the overlapping portion does not change due to contact / separation of the detection target (detected conductor). This is because the change in capacitance is small and the detection sensitivity is lowered.
本発明における検出領域を埋める検出配線の平面パターンが、図2,図12〜図15に示すようにくし歯状、渦巻き状、L字型状、四分円型状等が可能であり、これらにより、「対向長」を増大しかつ、「対向間距離」を減少して、検出配線間で形成される静電容量の変動を大きくすることが可能となる。この場合、静電容量を形成する検出配線(電極)どうしは、それぞれ異なる層に積層された構造に適応することができる。 As shown in FIGS. 2 and 12 to 15, the planar pattern of the detection wiring that fills the detection region in the present invention can be comb-like, spiral, L-shaped, quadrant, etc. As a result, it is possible to increase the variation in the capacitance formed between the detection wirings by increasing the “opposing length” and decreasing the “distance between the opposing”. In this case, the detection wirings (electrodes) forming the capacitance can be adapted to a structure in which they are stacked in different layers.
また、前記検出列配線が、前記第1の誘電体層に積層されてなることで、検出時に検出列配線と被検出物との距離を小さくし、被検出物と検出列配線との間で形成される容量を大きくして、検出両々における変化率を大きくすることが可能となる。 In addition, the detection column wiring is laminated on the first dielectric layer, thereby reducing the distance between the detection column wiring and the detection object at the time of detection, and between the detection object and the detection column wiring. It is possible to increase the capacity to be formed and increase the rate of change in both detections.
本発明においては、前記第1の誘電体層の比誘電率ε1と前記第2の誘電体層の比誘電率ε2との比が、3 ≦ ε2/ε1 ≦ 3500 とされてなることにより、第1の誘電体層を挟んで形成される初期容量に対して第2の誘電体層を挟んで形成される検出時の容量を充分検出可能なほど大きくすることができ、検出時における容量変化率を増大することができる。 In the present invention, the ratio between the relative dielectric constant ε1 of the first dielectric layer and the relative dielectric constant ε2 of the second dielectric layer is 3 ≦ ε2 / ε1 ≦ 3500. The capacitance at the time of detection formed by sandwiching the second dielectric layer relative to the initial capacitance formed by sandwiching the one dielectric layer can be made large enough to be detected, and the capacitance change rate at the time of detection Can be increased.
さらに、前記第1の誘電体層が、SiO2,Si3N4,MgO,Al2O3,アクリル樹脂,ポリイミド,エポキシ樹脂等比誘電率が10程度以下のものから少なくとも一つが選択されてなり、前記第2の誘電体層が、Ta2O5,ZrO2,HfO2,La2O3,Pr2O3,TiO2,CaTiO3,SrTiO3,BaTiO3等比誘電率が10〜100より大きいものから少なくとも一つが選択されてなることにより、上記の3 ≦ ε2/ε1 ≦ 3500という比を実現することが可能となる。 Further, at least one of the first dielectric layers is selected from SiO 2 , Si 3 N 4 , MgO, Al 2 O 3 , acrylic resin, polyimide, epoxy resin and the like having a relative dielectric constant of about 10 or less. The second dielectric layer has Ta 2 O 5 , ZrO 2 , HfO 2 , La 2 O 3 , Pr 2 O 3 , TiO 2 , CaTiO 3 , SrTiO 3 , BaTiO 3, etc. By selecting at least one of those greater than 100, the above ratio of 3 ≦ ε2 / ε1 ≦ 3500 can be realized.
本発明によれば、前記検出行配線上を被覆する第1の誘電体層の比誘電率よりも、前記検出列配線上を被覆する第2の誘電体層の比誘電率のほうが大きく設定されてなることにより、主に被検出物が静電容量センサの表面に位置しない初期状態において容量を形成する際に、検出行配線と検出列配線との間に位置する第1の誘電体層の比誘電率よりも、検出列配線と被検出物との間で容量を形成して初期容量に対して変化する容量となる検出列配線と被検出物との間に位置することになる第2の誘電体層の比誘電率を高くすることで、初期容量に対して、変化する容量の大きさを大きくして、容量変化率を大きくし、検出精度または感度を向上するという効果を奏することができる。 According to the present invention, the relative dielectric constant of the second dielectric layer covering the detection column wiring is set larger than the relative dielectric constant of the first dielectric layer covering the detection row wiring. As a result, the first dielectric layer positioned between the detection row wiring and the detection column wiring is mainly formed when the capacitance is formed in the initial state where the detection target is not positioned on the surface of the capacitance sensor. A capacitance is formed between the detection column wiring and the object to be detected rather than the relative dielectric constant, and is located between the detection column wiring and the detection object that has a capacitance that changes with respect to the initial capacitance. By increasing the relative dielectric constant of the dielectric layer, the magnitude of the changing capacitance is increased with respect to the initial capacitance, and the capacitance change rate is increased, thereby improving the detection accuracy or sensitivity. Can do.
以下、本発明に係る静電容量センサの一実施形態を、図面に基づいて説明する。
図1は、本実施形態における静電容量センサの等価回路を示す説明図であり、図2は本発明の静電容量センサの要部拡大平面図であり、図3は本発明の静電容量センサの要部拡大断面図である。図において、符号10は静電容量センサである。
Hereinafter, an embodiment of a capacitance sensor according to the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is an explanatory view showing an equivalent circuit of a capacitance sensor in the present embodiment, FIG. 2 is an enlarged plan view of a main part of the capacitance sensor of the present invention, and FIG. 3 is a capacitance of the present invention. It is a principal part expanded sectional view of a sensor. In the figure,
本実施形態における静電センサ10は、指紋センサをして適応されるもので、ガラス基板13上に、第1方向X平行として多数配列された行配線14と、この行配線14を覆う絶縁膜15と、絶縁膜15上に、第1方向Xと交わる第2方向Y平行として多数配列された列配線17と、この行配線17を覆う絶縁膜16とを有する。これら行配線14と列配線17とで囲まれた領域が検出領域30とされている。
The
行配線14は、例えば0.1μm厚のITO膜から構成され、厚さ0.7mmのガラス基板13上に30〜100μmピッチ、例えば50μmピッチで200本形成される。絶縁膜15は、Si3 N4 等のSiNx を積層したものであればよい。それぞれの行配線14は、静電容量を検出する容量検出回路22に接続されている。
列配線17は、例えば0.1μm厚のlTO膜から構成され、絶縁膜15上に30〜100μmピッチ、例えば50μmピッチで200本形成される。それぞれの列配線17は、列選択回路23に接続されている。こうした列選択回路23は、静電容量の測定時に選択された列配線17以外を全てグランド側に接続する。
The row wirings 14 are made of, for example, an ITO film having a thickness of 0.1 μm, and 200 lines are formed on a
The
検出領域30には、この検出領域30を埋め尽くすように検出行配線34と検出列配線37とが設けられる。この検出行配線34は行配線14と同じ高さに設けられ、また検出列配線37は列配線17と同じ高さに設けられる。ここで、高さとは、ガラス基板13上で同じ層内にあることを意味しており、検出行配線34は行配線14とが絶縁膜(第1の誘電体層)15内に設けられ、また検出列配線37は列配線17とが絶縁膜(第2の誘電体層)16内に設けられること意味する。
In the
この検出行配線34と検出列配線37とは、検出領域30を埋め尽くす際に、これらの配線14,17間で形成される静電容量を大きくするように検出配線34,37間の対向長が増大するように配置されるとともに、静電容量を形成する対向間距離が減少されるように位置される。具体的には、検出領域30を埋める検出配線34,37の平面パターンが、図2に示すように、くし歯状とされることができる。このように検出配線34,37を平面視して互いにその隙間を埋めるようにくし歯状に形成することで、検出配線34,37間の「対向長」を増大しかつ、「対向間距離」を減少して、検出配線34,37間で形成される静電容量の変動を大きくすることが可能となる。
The
絶縁膜(第1の誘電体層)15は、検出行配線34上を被覆するように設けられ、絶縁膜15上には検出列配線37が設けら、この検出列配線14を被覆するように絶縁膜(第2の誘電体層)16が設けられる。
この下側の絶縁膜15の比誘電率ε1よりも、上側の絶縁膜16の比誘電率ε2のほうが大きく設定され、具体的には、絶縁膜15の比誘電率ε1と絶縁膜16の比誘電率ε2との比が、
3 ≦ ε2/ε1 ≦ 3500
の範囲になるように設定される。
The insulating film (first dielectric layer) 15 is provided so as to cover the
The relative dielectric constant ε2 of the upper insulating
3 ≦ ε2 / ε1 ≦ 3500
It is set to be in the range.
さらに詳細には、絶縁層15が、比誘電率10程度以下のものからなるとともに、絶縁層16が、比誘電率10〜100より大きいものからなることができる。
絶縁層15が、SiO2,Si3N4,MgO,Al2O3,アクリル樹脂,ポリイミド,エポキシ樹脂等から選択された少なくとも一つからなることが好ましく、より好ましくはSiO2,Si3N4からなることができる。
絶縁層16が、Ta2O5,ZrO2,HfO2,La2O3,Pr2O3,TiO2,CaTiO3,SrTiO3,BaTiO3等から選択された少なくとも一つからなることが好ましく、より好ましくは、TiO2,からなることができる。
More specifically, the insulating
The insulating
The insulating
このような静電容量センサ10表面に被検出導体Fとしての指等を接触させた場合、指紋の凹部に対応するピクセルにおいては、図4に示すように、検出行電極34と検出列電極37とで形成される静電容量は被検出導体Fの接触していない初期容量値からあまり変化しない。これに対し、指紋の凸部に対応するピクセルにおいては、図5に示すように、検出列電極37から検出行電極34に向かっていた電気力線Dのうち一部の電気力線dが指(被検出導体)Fに向かい、結果として検出配線34,37間で形成される静電容量は被検出導体Fの接触していない初期容量値に比べて小さくなる。
When a finger or the like as the conductor to be detected F is brought into contact with the surface of the
本実施形態の静電容量センサ10は、上述したような構成によって、図1に示す等価回路に示すように、行配線14と列配線17とが交差している交差部21に対応した検出領域30における静電容量の変化を容量検出回路22で検出することができる。こうして、絶縁膜16の表面に微細な凹凸面が押し付けられた際に発生する、多数の検出領域30の静電容量の変化を検出することによって、被測定物Fの凹凸面の形状を信号データとして出力することが可能になる。
The
ここで、比検出導体(被検出物)Fがセンサ表面に接触しない初期状態の容量(初期容量)は検出行配線34と検出列配線37との間で形成されるとともに、比検出導体Fがセンサ表面に接触した状態の変化容量(容量変化分)が、検出列配線37と被検出導体Fとの間で形成されている。したがって、初期容量は検出行配線34と検出列配線37との間に位置する絶縁膜15の比誘電率ε1に依存するとともに、変化容量は検出列配線37と比検出導体Fとの間に位置する絶縁膜16の比誘電率ε2に依存することになる。
本実施形態においては、絶縁膜15の比誘電率ε1よりも絶縁膜16の比誘電率ε2を大きく設定することにより、初期容量に対して変化容量を大きくして、容量変化率を大きくし、検出精度または感度を向上することが可能となる。
Here, a capacitance (initial capacitance) in an initial state in which the ratio detection conductor (detected object) F does not contact the sensor surface is formed between the
In this embodiment, by setting the relative dielectric constant ε2 of the insulating
容量検出回路22は、例えば、図6に示すような回路が用いられ、測定時には列選択回路23で選択されている列配線17以外は全てグランド側に接続されるとともに、同一の行配線14上の測定対象外の静電容量は全て寄生容量として測定系に並列に入力されるが、寄生容量の反対側の電極がグランド側に接続されていることにより、キャンセルすることが可能になっている。こうした構成によって、微細な凹凸面の検出、即ち微小な静電容量の変化を精度良く検出することが可能になる。その結果半導体基板等高価な材料を使うことなく低コスト化を実現でき、またドットピッチを小さくした場合でも、各ドットの初期静電容量、静電容量の変化量を大きくしてセンサの感度を向上することができる。
For example, a circuit as shown in FIG. 6 is used as the
このように、絶縁膜15と絶縁膜16との比誘電率を異ならせたのは、例えば、図6において、出力側電圧Voutは、入力側電圧Vinに対して、
Vout=(ΔCx/Cf)Vin (1)
となっており、この状態で、出力信号処理可能とするために、
Vout≧100mV (2)
であることが好ましく、このとき、入力電圧Vinと初期容量Cfとが
Vin=3.3V
Cf=1pF (3)
であるとすると、容量変化は、
ΔCx=30fF (4)
となる。ここで、初期容量Cfを100fF以下に抑えるとき、式(4)とするためには、変化量が30%以上必要である。従って、この条件を満たすためには、
ε2/ε1≧3 (5)
とすることが必要である。
これにより、絶縁膜(第1の誘電体層)15を挟んで形成される初期容量に対して絶縁膜(第2の誘電体層)16を挟んで形成される検出時の容量を充分検出可能なほど大きくすることができ、検出時における容量変化率を増大することができる。
Thus, was varied the relative dielectric constant of the insulating
V out = (ΔCx / Cf) V in (1)
In order to enable output signal processing in this state,
V out ≧ 100 mV (2)
Is preferably, this time, the input voltage V in and the initial capacitance Cf and the V in = 3.3V
Cf = 1pF (3)
The capacity change is
ΔCx = 30 fF (4)
It becomes. Here, when the initial capacitance Cf is suppressed to 100 fF or less, the amount of change needs to be 30% or more in order to obtain Equation (4). Therefore, to satisfy this condition,
ε2 / ε1 ≧ 3 (5)
Is necessary.
Thereby, it is possible to sufficiently detect the capacitance at the time of detection formed with the insulating film (second dielectric layer) 16 sandwiched between the initial capacity formed with the insulating film (first dielectric layer) 15 interposed therebetween. It is possible to increase the capacity change rate at the time of detection.
このような静電容量センサ10は用途を限定するものではないが、静電容量センサ10を例えば指紋センサに適用した例として、図7に示すように、例えば携帯電話26の持ち主認証システムなどに適用することができる。近年は携帯電話26などで決済などを行うことが考えられているが、携帯電話26に静電容量センサ10を形成することによって、静電容量センサ10に押し付けられた指紋を正確に検出して、予め登録された指紋データと照合することで持ち主を正しく認証することができる。なお、図7においては、携帯電話26の液晶等の表示画面26aに形成した例を図示している。この場合、配線14,17および検出配線34,37を透明電極で形成して静電容量センサ(指紋センサ)10を光透過型とすることにより、表示画面26a以外の部分に指紋センサ10を配置する必要がなく小型化を図ることができる。
Such a
以下、本発明に係る静電容量センサの第2実施形態を図面に基づいて説明する。
図8は本実施形態の静電容量センサの要部拡大平面図であり、図9は本実施形態の静電容量センサの要部拡大断面図である。
Hereinafter, a second embodiment of a capacitance sensor according to the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 8 is an enlarged plan view of the main part of the capacitance sensor of the present embodiment, and FIG. 9 is an enlarged cross-sectional view of the main part of the capacitance sensor of the present embodiment.
本実施形態の静電容量センサ10が、前述した実施形態と異なるのは、センサ表面10aに接続されたアース配線Aが設けられた点である。
即ち、図8,図9に示すように、アース配線Aは、行配線14、検出行配線34と同じ高さ位置に設けられたアース配線33と、列配線17、検出列配線37と同じ高さ位置に設けられたアース配線35と、センサ表面10aに設けられたアース配線36とを有する。アース配線33は行配線14と平行に設けられて、アース電位とされている。アース配線35,36はそれぞれガラス基板13側のアース配線33,35と電気的に接続されるようにスルーホールにより接続されている。
The
That is, as shown in FIGS. 8 and 9, the ground wiring A has the same height as the
本実施形態によれば、アース配線Aが設けられたことによりセンサ表面10aに接触した被検出導体Fとアース配線Aとを同電位(アース電位)とすることができ、被検出導体Fの電位を強制的にアース電位として、検出配線34,37間の静電容量変化を大きくするとともに被検出導体Fからの電気的ノイズを低減し、安定な測定を可能とすることができる。
According to the present embodiment, since the ground wiring A is provided, the detected conductor F in contact with the
以下、本発明に係る静電容量センサの第3実施形態を図面に基づいて説明する。
図10は本実施形態の静電容量センサの模式平面図である。
Hereinafter, a third embodiment of a capacitance sensor according to the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 10 is a schematic plan view of the capacitance sensor of this embodiment.
本実施形態においては、上述した各実施形態と異なるところは、検出領域30が連続して設けられた精細部Sと、検出領域30が不連続に設けられた非精細部Tとを有し、精細部Sが作動状態を切替可能とされてなる点である。
本実施形態の静電容量センサ10では、図10において、精細部Sは中央付近とされ、検出領域30が密に連続して設けられている。また、非精細部Tは精細部Sの周囲に位置して、検出領域30が粗になるように設けられている。
また、精細部Sでは、配線14,17間隔が50μmピッチ、256本ずつ設けられ、非精細部Tでは、配線14,17間隔は3.2mmで、精細部S周囲の左右上下にそれぞれ6本ずつ設けられる。
In the present embodiment, the difference from each of the embodiments described above is that there are a fine portion S in which the
In the
Further, in the fine portion S, the spacing between the
この実施形態では、検出領域30の連続する精細部Sにおいて、全ての検出領域30を作動させる全域動作状態(認証状態)と、検出領域30が不連続に配置される非精細部Tにおける検出領域30の密度(配置間隔)に等しい検出領域30のみを作動状態としてそれ以外の検出領域30を非作動状態とする部分動作状態(座標入力状態)と、を切替可能とされる。具体的には、非精細部Tはポインティングデバイスとしてのタッチパッドとして使用され、その一部を指紋センサとして検出可能な精細部Sとするものである。
In this embodiment, in the fine part S where the
このような静電容量センサ10では、図示しない切替回路部によって精細部Sの動作を指紋センサとタッチパッドとの動作切替をおこなう。具体的には、非精細部Tの出力はセンサ表面での指(被検出導体)の動きを検出するものとされ、精細部Sは、この動きを検出する座標入力状態の場合には、非精細部Tと同程度の密度とされる検出領域30からの信号のみを出力するように設定され、また、指紋認識をおこなうパターン認識状態(認証状態)においては、精細部Sの全ての検出領域30からの信号を出力するように設定される。
In such a
また、この精細部Sの動作状態切替は図11に示すようにおこなわれる。
まず、S1で示すように、ノートパソコン等において、起動時または待機画面を解除しようとした場合には、S2に示すように、切替回路部によって精細部Sの動作モードが指紋センサ(認証状態)に設定される。次に、S3で示すように、画面にはLOGIN画面を表示するとともに、指紋認証かキーボード等によるパスワードの入力を選択する選択画面を表示する。ここで、S4においてキーボード等による入力を選択した場合には、S5のように動作モードをタッチパッド(座標入力状態)として、パスワードの入力を待つ。また、S4において指紋認証を選択した場合には、S6に示すように精細部Sにおいて認証動作にはいり、当人の指紋であることが確認された場合には、S7に示すように、精細部Sの動作モードをタッチパッド(座標入力状態)に切り替え、S8に示すようにLOGINを完了し通常作業可能な状態とする。
Further, the operation state switching of the fine part S is performed as shown in FIG.
First, as shown in S1, in a notebook personal computer or the like, when starting or canceling the standby screen, as shown in S2, the operation mode of the fine unit S is changed to the fingerprint sensor (authentication state) by the switching circuit unit. Set to Next, as shown in S3, a LOGIN screen is displayed on the screen, and a selection screen for selecting password authentication by fingerprint authentication or a keyboard is displayed. Here, when the input by the keyboard or the like is selected in S4, the operation mode is set to the touch pad (coordinate input state) as in S5, and the password input is waited. If fingerprint authentication is selected in S4, the authentication operation is entered in the fine part S as shown in S6. If it is confirmed that the fingerprint is the person's fingerprint, the fine part is shown in S7. The operation mode of S is switched to the touch pad (coordinate input state), and as shown in S8, LOGIN is completed and a normal operation is possible.
本実施形態においては、タッチパッドTの一部分に精細部Sを設けてこの精細部Sを指紋センサとすることが可能となる。これにより、指紋センサとタッチパッドを一体に形成することが可能であるとともに、指紋センサとしての高精細検出および、タッチパッドとしての高速スキャン検出を同時に可能とすることができる。 In the present embodiment, it is possible to provide a fine portion S on a part of the touch pad T and use the fine portion S as a fingerprint sensor. Accordingly, the fingerprint sensor and the touch pad can be formed integrally, and high-definition detection as the fingerprint sensor and high-speed scan detection as the touch pad can be simultaneously performed.
なお、上述の実施形態において、検出電極34,37の検出領域30における配置パターンはくし歯状だけでなく、図12に示す渦巻き状、図13に示すL字型状、図14に示す四分円型状等が可能である。また、くし歯としても、行配線14と列配線17によって囲まれた範囲を検出領域とするのではなく、図15に示すように、行配線14を跨いだ領域を検出領域30とすることも可能である。
いずれにしても、検出配線34,37の「対向長」を増大しかつ、「対向間距離」を減少して、検出配線間で形成される静電容量の変動を大きくすることが可能であれば、どのようなパターンでもかまわない。
In the above-described embodiment, the arrangement pattern of the
In any case, it is possible to increase the “opposite length” of the
さらに、本発明の静電容量センサは指紋センサ以外にも、図16に示すように、印章読み取り装置等として適応することが可能である。すなわち、被検出導体(指)Fのかわりに、非導電性の被検出物(印鑑)F2の形状を検出する際であっても、上記の各実施形態における静電容量センサ10の表面に接触するように導電膜F0を有する導電性フィルムF1または、図示しないが、導電性ゴム等可撓性を揺する導電膜を別途配置し、このフィルムの上から印鑑を載置することで、形状(印章)読み取りをおこなうことが可能となる。
Furthermore, the electrostatic capacity sensor of the present invention can be applied as a seal reading device or the like as shown in FIG. 16 in addition to the fingerprint sensor. That is, instead of the detected conductor (finger) F, even when detecting the shape of the non-conductive detected object (seal) F2, the surface of the
本発明の実施例を説明する。
上述の第1実施形態と等しい構造を有する静電容量センサにおける検出領域に対する静電容量の変化率を計算した。以下に検出配線の諸元の値を記す。
Examples of the present invention will be described.
The change rate of the capacitance with respect to the detection region in the capacitance sensor having the same structure as that of the first embodiment was calculated. The values of the specifications of the detection wiring are shown below.
a)ギャップおよび水の影響
検出配線幅寸法:3μm
検出配線長さ:42μm
下側絶縁層(第1の誘電体層):SiNx
下側絶縁層(第1の誘電体層)膜厚:300nm
下側絶縁層(第1の誘電体層)比誘電率ε1:7
上側絶縁層(第2の誘電体層):任意
上側絶縁層(第2の誘電体層)膜厚:400nm
上側絶縁層(第2の誘電体層)比誘電率ε2:1〜100
検出領域:50μm角
検出配線:ITO
検出配線膜厚:100nm
検出配線幅:3μm
ガラス基板の比誘電率εG=4
水の比誘電率:80
a) Influence of gap and water Detection wiring width dimension: 3 μm
Detection wiring length: 42 μm
Lower insulating layer (first dielectric layer): SiN x
Lower insulating layer (first dielectric layer) film thickness: 300 nm
Lower insulating layer (first dielectric layer) relative dielectric constant ε1: 7
Upper insulating layer (second dielectric layer): optional Upper insulating layer (second dielectric layer) film thickness: 400 nm
Upper insulating layer (second dielectric layer) relative dielectric constant ε2: 1 to 100
Detection area: 50 μm square Detection wiring: ITO
Detection wiring film thickness: 100 nm
Detection wiring width: 3μm
Specific permittivity of glass substrate εG = 4
Water relative dielectric constant: 80
上記のような検出領域において、図3に示すような下側絶縁膜15の比誘電率ε1を固定し、上側絶縁膜16の比誘電率ε2を変化させてその静電容量の変化率を計算した。その結果および、表面に水のついた状態における変化率を表1に示す。
表1の結果から、本発明においては容量変化率を30%以上にするためには、下側絶縁膜15の比誘電率ε1と上側絶縁膜ε2との比が
3≦ε2/ε1
とされてなることが好ましい。
From the results shown in Table 1, in order to increase the capacitance change rate to 30% or more in the present invention, the ratio of the relative dielectric constant ε1 of the lower insulating
It is preferable that
b)次に、上下絶縁膜の膜厚変化に対する容量変化率を計算した。
検出配線幅寸法:3μm
検出配線長さ:42μm
下側絶縁層(第1の誘電体層):TiO2およびSiNx
下側絶縁層(第1の誘電体層)膜厚:300nm
下側絶縁層(第1の誘電体層)比誘電率ε1:7
上側絶縁層(第2の誘電体層):TiO2
上側絶縁層(第2の誘電体層)膜厚:400nm
上側絶縁層(第2の誘電体層)比誘電率ε2:65
検出領域:50μm角
検出配線:ITO
検出配線膜厚:100nm
検出配線幅:3μm
ガラス基板の比誘電率εG=4
水の比誘電率:80
b) Next, the capacitance change rate with respect to the change in the thickness of the upper and lower insulating films was calculated.
Detection wiring width dimension: 3μm
Detection wiring length: 42 μm
Lower insulating layer (first dielectric layer): TiO 2 and SiN x
Lower insulating layer (first dielectric layer) film thickness: 300 nm
Lower insulating layer (first dielectric layer) relative dielectric constant ε1: 7
Upper insulating layer (second dielectric layer): TiO 2
Upper insulating layer (second dielectric layer) film thickness: 400 nm
Upper insulating layer (second dielectric layer) relative dielectric constant ε2: 65
Detection area: 50 μm square Detection wiring: ITO
Detection wiring film thickness: 100 nm
Detection wiring width: 3μm
Specific permittivity of glass substrate εG = 4
Water relative dielectric constant: 80
その結果を表2、表3に示す。
表2の結果から、上下絶縁膜に同一の誘電体を用いた場合でも、高い比誘電率の誘電体を用いることにより、容量変化を大きくすることができ、ギャップGを広げることによって容量変化率を上げることができる。しかし、実際には検出回路(増幅回路)の性能、周囲のノイズの影響により寄生容量を小さくし容積変化率を大きくすることが好ましい。また、ギャップGを広げることによって容積変化率を大きくすることができるが、そのことによってセンサ表面に水がついた際の影響が大きくなるため、ギャップGはなるべく小さく抑えられることが好ましい。ここで、センサ表面に水のついた状態とは、初期状態における上側絶縁膜の膜厚が増大した状態であると考えられる。そこで、表3の結果で示されるように、下側絶縁膜の比誘電率ε1よりも上側絶縁膜の比誘電率ε2を大きくすることにより、上下絶縁膜に同一の誘電体を用いた場合よりも寄生容量を小さく容量変化を大きくすることができ、ギャップGを小さく抑えることができる。このように、上下絶縁膜の誘電体(比誘電率)の選択やギャップGを制御することによって、容量変化・変化率を使用目的によって適した値に制御することができる。 From the results in Table 2, even when the same dielectric is used for the upper and lower insulating films, the capacitance change can be increased by using a dielectric having a high relative dielectric constant, and the capacitance change rate can be increased by widening the gap G. Can be raised. However, in practice, it is preferable to reduce the parasitic capacitance and increase the volume change rate due to the performance of the detection circuit (amplifier circuit) and the influence of ambient noise. In addition, the volume change rate can be increased by widening the gap G. However, since the influence of water on the sensor surface increases, it is preferable that the gap G is kept as small as possible. Here, the state in which the sensor surface has water is considered to be a state in which the film thickness of the upper insulating film in the initial state is increased. Therefore, as shown in the results of Table 3, the relative dielectric constant ε2 of the upper insulating film is made larger than the relative dielectric constant ε1 of the lower insulating film, so that the same dielectric is used for the upper and lower insulating films. In addition, the parasitic capacitance can be reduced, the capacitance change can be increased, and the gap G can be reduced. Thus, by selecting the dielectric (relative permittivity) of the upper and lower insulating films and controlling the gap G, the capacitance change / change rate can be controlled to a value suitable for the intended use.
c)次に、上下絶縁膜の膜厚変化に対する容量変化率を計算した。
検出配線幅寸法:3μm
検出配線長さ:42μm
下側絶縁層(第1の誘電体層):SiNx
下側絶縁層(第1の誘電体層)膜厚:300nm
下側絶縁層(第1の誘電体層)比誘電率ε1:7
上側絶縁層(第2の誘電体層):TiO2
上側絶縁層(第2の誘電体層)膜厚:400nm
上側絶縁層(第2の誘電体層)比誘電率ε2:65
検出領域:50μm角
検出配線:ITO
検出配線膜厚:100nm
検出配線幅:3μm
ガラス基板の比誘電率εG=4
水の比誘電率:80
c) Next, the capacity change rate with respect to the film thickness change of the upper and lower insulating films was calculated.
Detection wiring width dimension: 3μm
Detection wiring length: 42 μm
Lower insulating layer (first dielectric layer): SiN x
Lower insulating layer (first dielectric layer) film thickness: 300 nm
Lower insulating layer (first dielectric layer) relative dielectric constant ε1: 7
Upper insulating layer (second dielectric layer): TiO 2
Upper insulating layer (second dielectric layer) film thickness: 400 nm
Upper insulating layer (second dielectric layer) relative dielectric constant ε2: 65
Detection area: 50 μm square Detection wiring: ITO
Detection wiring film thickness: 100 nm
Detection wiring width: 3μm
Specific permittivity of glass substrate εG = 4
Water relative dielectric constant: 80
その結果を表4〜表10に示す。
上記の結果、および、絶縁耐力の好ましい値が10kV/mmであることから、下側絶縁膜(第1の誘電体層)は絶縁耐力を充分に満たす厚さとすることが好ましく、0.1μm〜3μm程度であることが好ましい。
また、上側絶縁膜(第2の誘電体膜)は、膜厚が厚くなると容量変化量、変化率が低下することから、パッシベーション膜として機能する厚さ、0.1μm〜3μm程度であることが好ましい。
From the above results and the preferable value of dielectric strength is 10 kV / mm, it is preferable that the lower insulating film (first dielectric layer) has a thickness sufficiently satisfying the dielectric strength. It is preferably about 3 μm.
The upper insulating film (second dielectric film) has a thickness that functions as a passivation film and is about 0.1 μm to 3 μm because the capacitance change amount and the rate of change decrease as the film thickness increases. preferable.
なお、特許文献2記載のタッチパッドにおいても、本発明における検出配線材質・膜厚等、本発明の内容を適応することができる。 It should be noted that the contents of the present invention such as the detection wiring material and film thickness according to the present invention can also be applied to the touchpad described in Patent Document 2.
10…静電容量センサ、14…行配線(配線)、15…第1の誘電体層(絶縁膜)、16…第2の誘電体層(絶縁膜)、17…列配線(配線)、30…検出領域、34…検出行配線(検出配線)、37…検出列配線(検出配線)、S…精細部、T…非精細部、F…被検出導体
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記行配線に接続された検出行配線と、
前記検出行配線上に第1の誘電体層を挟んで設けられ、該第1の誘電体層に積層されて前記列配線に接続された検出列配線と、
前記検出列配線上を被覆する第2の誘電体層と、が設けられ、
前記第1の誘電体層の比誘電率よりも前記第2の誘電体層の比誘電率のほうが大きく設定されてなることを特徴とする静電容量センサ。 A row wiring having a plurality of conductors arranged in parallel on the insulating substrate and extending in the first direction, and a plurality of conductors arranged in parallel and a column wiring extending in the second direction intersecting the first direction, A capacitance sensor that detects the approach of a detected conductor based on a change in capacitance formed by the column wiring,
A detection row wiring connected to the row wiring;
A detection column wiring provided on the detection row wiring with a first dielectric layer interposed therebetween, laminated on the first dielectric layer and connected to the column wiring;
A second dielectric layer covering the detection column wiring is provided,
A capacitance sensor, wherein a relative dielectric constant of the second dielectric layer is set larger than a relative dielectric constant of the first dielectric layer.
前記検出領域には、前記行配線に接続された検出行配線と、前記列配線に接続された検出列配線とが設けられ、前記検出行配線と前記検出列配線とが平面視して互いにその隙間を埋めるようにくし歯状に形成されることを特徴とする請求項1記載の静電容量センサ。 A detection region defined by a distance between adjacent wirings in the row wiring and the column wiring is provided,
In the detection region, a detection row wiring connected to the row wiring and a detection column wiring connected to the column wiring are provided, and the detection row wiring and the detection column wiring are mutually viewed in plan view. 2. The capacitance sensor according to claim 1, wherein the capacitance sensor is formed in a comb-tooth shape so as to fill the gap.
3 ≦ ε2/ε1 ≦ 3500
とされてなることを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の静電容量センサ。 The ratio of the dielectric constant ε1 of the first dielectric layer to the dielectric constant ε2 of the second dielectric layer is:
3 ≦ ε2 / ε1 ≦ 3500
The capacitance sensor according to any one of claims 1 to 5, wherein the capacitance sensor is configured as follows.
前記第2の誘電体層が、Ta2O5,ZrO2,HfO2,La2O3,Pr2O3,TiO2,CaTiO3,SrTiO3,BaTiO3から選択される少なくとも一つからなることを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の静電容量センサ。
The first dielectric layer is made of at least one selected from SiO 2 , Si 3 N 4 , MgO, Al 2 O 3 , acrylic resin, polyimide, and epoxy resin,
The second dielectric layer is made of at least one selected from Ta 2 O 5 , ZrO 2 , HfO 2 , La 2 O 3 , Pr 2 O 3 , TiO 2 , CaTiO 3 , SrTiO 3 , and BaTiO 3. The capacitance sensor according to claim 1, wherein
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