JP2014174060A - Capacitance type pressure sensor and input device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a pressure sensor having detection characteristics or output characteristics fitted to pressing feeling of a person when the person presses the pressure sensor.SOLUTION: A dielectric layer 33 is formed on the upper surface of a fixed electrode 32. A recess 33a is formed on the surface of the dielectric layer 33. An upper substrate 35a is laminated on the surface of the dielectric layer 33 so as to cover the recess 33a. A thin film type conductive diaphragm 35 is arranged above the recess 33a. In an area of the dielectric layer 33 opposing the diaphragm 35, the abundance ratio of the dielectric layer on a circumference centering around the center of the opposing area is varied according to the distance from the center of the opposing area.

Description

本発明は、静電容量型圧力センサ及び入力装置に関する。具体的には、本発明は、圧力で撓んだダイアフラムが誘電体層に接触して圧力を検知するタッチモードの静電容量型圧力センサに関する。また、当該圧力センサを利用した入力装置に関する。   The present invention relates to a capacitive pressure sensor and an input device. Specifically, the present invention relates to a touch-mode capacitive pressure sensor in which a diaphragm bent by pressure contacts a dielectric layer to detect pressure. The present invention also relates to an input device using the pressure sensor.

一般的な静電容量型圧力センサでは、導電性のダイアフラム(可動電極)と固定電極がギャップを隔てて対向しており、圧力で撓んだダイアフラムと固定電極との間の静電容量の変化から圧力を検出している。しかし、この圧力センサが、ガラス基板やシリコン基板を用いてMEMS技術で製造されるマイクロデバイスである場合には、ダイアフラムに大きな圧力が加わって大きく撓むと、ダイアフラムが破壊されるおそれがある。   In a general capacitive pressure sensor, a conductive diaphragm (movable electrode) and a fixed electrode are opposed to each other with a gap therebetween, and a change in capacitance between the diaphragm deflected by pressure and the fixed electrode. The pressure is detected from. However, when the pressure sensor is a micro device manufactured by MEMS technology using a glass substrate or a silicon substrate, the diaphragm may be destroyed if the diaphragm is greatly bent by applying a large pressure to the diaphragm.

そのため、固定電極の表面に誘電体層を設けておき、圧力によって撓んだダイアフラムが誘電体層に接触し、その接触面積の変化によってダイアフラムと固定電極との間の静電容量が変化するようにした圧力センサが提案されている。このような圧力センサは、タッチモード静電容量型圧力センサと呼ばれることがある。   For this reason, a dielectric layer is provided on the surface of the fixed electrode so that the diaphragm bent by pressure comes into contact with the dielectric layer, and the capacitance between the diaphragm and the fixed electrode changes as the contact area changes. A pressure sensor has been proposed. Such a pressure sensor may be referred to as a touch mode capacitive pressure sensor.

タッチモード静電容量型圧力センサとしては、たとえば非特許文献1に記載されたものがある。図1(A)は非特許文献1に記載された圧力センサ11を示す断面図である。この圧力センサ11では、ガラス基板12の上面に金属薄膜からなる固定電極13を形成している。固定電極は、図1(B)に示すように、円板状となっている。さらに、ガラス基板12の上面には、固定電極13の上から誘電体膜14を形成している。誘電体膜14にはスルーホール15を開口してあり、誘電体膜14の上面に設けられた電極パッド16はスルーホール15を通って固定電極13に接続されている。誘電体膜14の上面にはシリコン基板17が積層されており、シリコン基板17の上面に窪み18を設けるとともに下面にリセス19を設け、窪み18とリセス19の間に薄膜状のダイアフラム20を形成している。ダイアフラム20は固定電極13と重なり合う位置に設けられている。また、シリコン基板17の下面はB(ホウ素)が高濃度にドーピングされたP層21となっており、それによってダイアフラム20が導電性を付与されていて可動電極の機能を有している。ダイアフラム20の下面と誘電体膜14との間には、リセス19によって数μmのギャップ22が生じている。 An example of the touch mode capacitive pressure sensor is described in Non-Patent Document 1. FIG. 1A is a cross-sectional view showing a pressure sensor 11 described in Non-Patent Document 1. FIG. In this pressure sensor 11, a fixed electrode 13 made of a metal thin film is formed on the upper surface of a glass substrate 12. The fixed electrode has a disc shape as shown in FIG. Further, a dielectric film 14 is formed on the upper surface of the glass substrate 12 from above the fixed electrode 13. A through hole 15 is opened in the dielectric film 14, and an electrode pad 16 provided on the upper surface of the dielectric film 14 is connected to the fixed electrode 13 through the through hole 15. A silicon substrate 17 is laminated on the upper surface of the dielectric film 14. A recess 18 is provided on the upper surface of the silicon substrate 17 and a recess 19 is provided on the lower surface. A thin film diaphragm 20 is formed between the recess 18 and the recess 19. doing. The diaphragm 20 is provided at a position overlapping the fixed electrode 13. The lower surface of the silicon substrate 17 is a P + layer 21 in which B (boron) is doped at a high concentration, whereby the diaphragm 20 is given conductivity and has a function of a movable electrode. A gap 22 of several μm is generated by the recess 19 between the lower surface of the diaphragm 20 and the dielectric film 14.

図2は、圧力センサ11の圧力と静電容量との関係(圧力−容量特性)を示す図であって、非特許文献1に記載されたものである。圧力センサ11のダイアフラム20に圧力が加わると、ダイアフラム20はその印加圧力に応じて撓み、ある圧力で誘電体膜14に接触する。図2における圧力が0からPaまでの区間(未接触領域)は、ダイアフラム20が誘電体膜14に接触していない状態である。圧力がPaからPbまでの区間(接触開始領域)は、ダイアフラム20が誘電体膜14に接触してからある程度の面積で確実に接触するまでの状態を表している。圧力がPbからPcまでの区間(動作領域)は、圧力の増加に伴ってダイアフラム20が誘電体膜14に接触している部分の面積が次第に増加している。圧力がPcからPdまでの区間(飽和領域)は、ダイアフラム20のほぼ全面が誘電体膜14に接触していて、圧力が増加してもほとんど接触面積が増えない領域である。   FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the pressure of the pressure sensor 11 and the capacitance (pressure-capacitance characteristics), and is described in Non-Patent Document 1. When pressure is applied to the diaphragm 20 of the pressure sensor 11, the diaphragm 20 bends according to the applied pressure and contacts the dielectric film 14 at a certain pressure. A section (non-contact area) where the pressure is 0 to Pa in FIG. 2 is a state where the diaphragm 20 is not in contact with the dielectric film 14. A section (contact start region) from pressure Pa to Pb represents a state from when the diaphragm 20 contacts the dielectric film 14 until it reliably contacts with a certain area. In the section (operation region) where the pressure is from Pb to Pc, the area of the portion where the diaphragm 20 is in contact with the dielectric film 14 gradually increases as the pressure increases. The section (saturation region) where the pressure is from Pc to Pd is a region where almost the entire surface of the diaphragm 20 is in contact with the dielectric film 14 and the contact area hardly increases even when the pressure increases.

図2の圧力−容量特性によれば、ダイアフラム20が接触していない未接触領域では静電容量の変化は小さいが、接触開始領域になると次第に静電容量の変化率(増加速度)が大きくなる。さらに、動作領域では線形性は良くなるものの静電容量の変化率は次第に減少し、飽和領域になると静電容量はほとんど増加しなくなる。   According to the pressure-capacitance characteristics of FIG. 2, the change in the capacitance is small in the non-contact region where the diaphragm 20 is not in contact, but the change rate (increase rate) of the capacitance gradually increases in the contact start region. . Furthermore, although the linearity is improved in the operation region, the change rate of the capacitance gradually decreases, and the capacitance hardly increases in the saturation region.

このようなタッチモードの圧力センサ11では、ダイアフラム20と誘電体膜14との接触面積をS、誘電体膜14の厚さをd、誘電体膜14の誘電率をεとすれば、ダイアフラム20と誘電体膜14の間における静電容量Cは、つぎの数式1で表せる。
C=Co+ε・(S/d) …(数式1)
ここで、Coは未接触領域での静電容量である。誘電体膜14の厚さdや誘電率εは変化しないので、数式1によれば、圧力Pが大きくなるとダイアフラム20の接触面積Sが増大し、その結果圧力センサ11の静電容量Cが増加することが分かる。
In the pressure sensor 11 in such a touch mode, if the contact area between the diaphragm 20 and the dielectric film 14 is S, the thickness of the dielectric film 14 is d, and the dielectric constant of the dielectric film 14 is ε, the diaphragm 20 And the dielectric film 14 can be expressed by the following formula 1.
C = Co + ε · (S / d) (Formula 1)
Here, Co is a capacitance in a non-contact region. Since the thickness d and dielectric constant ε of the dielectric film 14 do not change, according to Equation 1, when the pressure P increases, the contact area S of the diaphragm 20 increases, and as a result, the capacitance C of the pressure sensor 11 increases. I understand that

しかし、このような圧力センサの場合には、押圧力と出力との関係を示す出力特性が、圧力センサを押圧するときの理想的な押圧感を示す理想曲線を精度よく再現できなかった。すなわち、図7は、横軸にダイアフラムを押す荷重(押圧力)の大きさをとり、縦軸にダイアフラムと固定電極の間の静電容量の変化率(出力比)をとって、理想曲線と圧力センサの出力特性との関係を表した図である。また、図8は、図7のX区間を拡大した図である。図7において曲線αは理想曲線を表しており、曲線βは従来例の出力特性を表している。理想曲線αと従来例の曲線βを比較すると、両曲線は小さな荷重が加わっているときの立ち上がり領域(接触開始領域)と大きな荷重が加わっているときの飽和領域ではほぼ等しい静電容量変化率を有している。しかし、荷重の中間域(動作領域)では、従来例の静電容量変化率と理想曲線との出力特性の乖離が大きくなっている。このような圧力センサでは、圧力センサで検出している圧力の強さと操作者の押圧感との間に齟齬があり、操作者の押圧感の変化まで検知することはできない。特に、微小な圧力センサを多数配列してタッチパッドを構成する場合には、指で文字や図形を描かれたときの筆圧の変化を検知することは困難である。   However, in the case of such a pressure sensor, the output characteristic indicating the relationship between the pressing force and the output could not accurately reproduce an ideal curve indicating an ideal pressing feeling when pressing the pressure sensor. That is, in FIG. 7, the horizontal axis represents the magnitude of the load (pressing force) that pushes the diaphragm, and the vertical axis represents the rate of change in capacitance (output ratio) between the diaphragm and the fixed electrode. It is a figure showing the relationship with the output characteristic of a pressure sensor. FIG. 8 is an enlarged view of the X section of FIG. In FIG. 7, a curve α represents an ideal curve, and a curve β represents output characteristics of a conventional example. Comparing the ideal curve α with the conventional curve β, both curves have almost the same capacitance change rate in the rising region (contact start region) when a small load is applied and in the saturation region when a large load is applied. have. However, in the middle region (operation region) of the load, the difference in output characteristics between the capacitance change rate of the conventional example and the ideal curve is large. In such a pressure sensor, there is a flaw between the strength of the pressure detected by the pressure sensor and the operator's pressing feeling, and it is impossible to detect a change in the pressing feeling of the operator. In particular, when a touch pad is configured by arranging a large number of minute pressure sensors, it is difficult to detect a change in writing pressure when a character or a figure is drawn with a finger.

したがって、人が圧力センサを押圧するときの押圧感にフィットした検知特性又は出力特性を有する圧力センサが求められている。   Therefore, a pressure sensor having a detection characteristic or an output characteristic that fits a feeling of pressing when a person presses the pressure sensor is required.

なお、特許文献1には、固定電極に空隙部を設けることによって、固定電極の中心からの距離に応じて固定電極の面積増加率が大きくなる(したがって、固定電極の存在比率も単調に増加している。)ようにした圧力センサが開示されている。しかし、この圧力センサは、圧力の変化量に対する静電容量変化量の線形性を改善することを目的としたものであり、特許文献1の圧力センサでは上記のような理想曲線に近い特性を得ることはできない。   In Patent Document 1, by providing a gap in the fixed electrode, the area increase rate of the fixed electrode increases according to the distance from the center of the fixed electrode (therefore, the existence ratio of the fixed electrode also increases monotonously. A pressure sensor is disclosed. However, this pressure sensor is intended to improve the linearity of the amount of change in capacitance with respect to the amount of change in pressure, and the pressure sensor of Patent Document 1 obtains characteristics close to the ideal curve as described above. It is not possible.

特開2006−200980号公報JP 2006-200980 A

山本敏、外4名、「タッチモード容量型圧力センサ」、フジクラ技報、株式会社フジクラ、2001年10月、第101号、p.71−74Satoshi Yamamoto, 4 others, “Touch Mode Capacitive Pressure Sensor”, Fujikura Technical Report, Fujikura Co., Ltd., October 2001, No. 101, p.71-74

本発明は、上記のような技術的背景に鑑みててなされたものであり、その目的とするところは、圧力センサを押圧するときの人の押圧感にフィットした検知特性又は出力特性を有する圧力センサを提供することにある。また、当該圧力センサを用いた入力装置を提供することにある。   The present invention has been made in view of the technical background as described above, and an object of the present invention is to provide a pressure having a detection characteristic or an output characteristic that fits a person's pressing feeling when pressing the pressure sensor. It is to provide a sensor. Moreover, it is providing the input device using the said pressure sensor.

本発明に係る静電容量型圧力センサは、固定電極と、前記固定電極の上方に形成された誘電体層と、前記誘電体層の上方に空隙を隔てて形成された導電性のダイアフラムとを備えた静電容量型の圧力センサであって、前記誘電体層の、前記ダイアフラムと対向する対向領域において、前記対向領域の中央を中心とする円周上における誘電体層の存在比率を、前記対向領域の中央からの距離に応じて変化させたことを特徴としている。ここで、誘電体層の存在比率とは、対向領域の中央を中心とする輪帯上にある誘電体層の体積を当該輪帯の面積で割った値である。   A capacitance type pressure sensor according to the present invention includes a fixed electrode, a dielectric layer formed above the fixed electrode, and a conductive diaphragm formed above the dielectric layer with a gap therebetween. A capacitance type pressure sensor provided, wherein in the facing region of the dielectric layer facing the diaphragm, the abundance ratio of the dielectric layer on the circumference centered on the center of the facing region is It is characterized in that it is changed according to the distance from the center of the facing area. Here, the abundance ratio of the dielectric layer is a value obtained by dividing the volume of the dielectric layer on the annular zone around the center of the opposing region by the area of the annular zone.

本発明の静電容量型圧力センサによれば、誘電体層の対向領域の中央を中心とする円周上における誘電体層の存在比率を、対向領域の中央からの距離に応じて調整することにより、出力特性を理想曲線に近づけることができる。よって、圧力センサの検知特性又は出力特性を人の押圧感にフィットするように調整することができる。   According to the capacitive pressure sensor of the present invention, the abundance ratio of the dielectric layer on the circumference centered on the center of the opposing region of the dielectric layer is adjusted according to the distance from the center of the opposing region. As a result, the output characteristic can be brought close to an ideal curve. Therefore, it is possible to adjust the detection characteristic or output characteristic of the pressure sensor so as to fit the human pressing feeling.

本発明に係る静電容量型圧力センサのある実施態様は、前記対向領域の中央部と外周部との中間における誘電体層の存在比率が、前記対向領域の中央部における誘電体層の存在比率よりも小さいことを特徴としている。対向領域の全面に均一に誘電体を設けている従来例の場合には、圧力センサの出力特性は立ち上がり領域と飽和領域との中間域では静電容量の変化率が理想曲線よりも大きくなる。これに対し、この実施態様では、対向領域の中央部と外周部との中間における誘電体層の存在比率を対向領域の中央部における誘電体層の存在比率よりも小さくしているので、中間域の出力を小さくすることができ、出力特性を理想曲線に近づけることができる。   In an embodiment of the capacitive pressure sensor according to the present invention, the abundance ratio of the dielectric layer in the middle between the central portion and the outer peripheral portion of the facing region is the abundance ratio of the dielectric layer in the central portion of the facing region. It is characterized by being smaller than. In the case of the conventional example in which the dielectric is uniformly provided on the entire surface of the opposing region, the change rate of the electrostatic capacitance is larger than the ideal curve in the intermediate region between the rising region and the saturated region. On the other hand, in this embodiment, the abundance ratio of the dielectric layer in the middle between the central portion and the outer peripheral portion of the opposing region is smaller than the abundance ratio of the dielectric layer in the central portion of the opposing region. Output can be reduced, and the output characteristics can be made closer to an ideal curve.

しかし、対向領域の中央部と外周部との中間における誘電体層の存在比率を小さくすると、それに伴って出力特性の飽和領域における出力も下がってしまい、理想曲線よりも出力が小さくなるおそれがある。その場合には、前記対向領域の外周部における誘電体層の存在比率が、前記対向領域の中央部と外周部との中間における誘電体層の存在比率よりも大きくすれば、出力特性の飽和領域における値を大きくして再び理想曲線に近づけることができる。   However, if the ratio of the dielectric layer existing between the central portion and the outer peripheral portion of the opposing region is reduced, the output in the saturation region of the output characteristics also decreases accordingly, and the output may be smaller than the ideal curve. . In that case, if the abundance ratio of the dielectric layer in the outer peripheral portion of the opposing region is larger than the abundance ratio of the dielectric layer in the middle between the central portion and the outer peripheral portion of the opposing region, the saturation region of the output characteristics The value at can be increased to approach the ideal curve again.

また、前記対向領域の外周部における誘電体層の存在比率が、前記対向領域の中央部における誘電体層の存在比率よりも小さくなるようにしておけば、出力特性の飽和領域における値が大きくなりすぎるのを防ぐことができる。   Also, if the abundance ratio of the dielectric layer in the outer peripheral portion of the opposing region is made smaller than the abundance ratio of the dielectric layer in the central portion of the opposing region, the value in the saturation region of the output characteristics will increase. It can be prevented from being too much.

本発明に係る静電容量型圧力センサの別な実施態様は、前記対向領域において前記誘電体層に開口を設け、前記対向領域の中央からの距離に応じて前記開口の比率を変化させることによって誘電体層の存在比率を変化させたことを特徴としている。かかる実施態様によれば、たとえば対向領域に一定厚みの誘電体層を形成した後に、誘電体層に開口をあけることにより誘電体層の存在比率を変化させることができる。この場合、前記誘電体層の開口は、前記対向領域の中央を中心として放射状に形成することが好ましい。開口を放射状に形成することにより、誘電体層又は開口が特定の方向に偏るのを防ぐことができる。   In another embodiment of the capacitive pressure sensor according to the present invention, an opening is provided in the dielectric layer in the facing region, and the ratio of the opening is changed according to the distance from the center of the facing region. It is characterized in that the abundance ratio of the dielectric layer is changed. According to this embodiment, for example, after the dielectric layer having a constant thickness is formed in the facing region, the abundance ratio of the dielectric layer can be changed by opening the dielectric layer. In this case, it is preferable that the openings of the dielectric layer are formed radially from the center of the facing region. By forming the openings radially, it is possible to prevent the dielectric layer or the openings from being biased in a specific direction.

また、誘電体層の存在比率を変化させるには、前記対向領域において、前記対向領域の中央からの距離に応じて前記誘電体層の厚みを変化させてもよい。   Further, in order to change the abundance ratio of the dielectric layer, the thickness of the dielectric layer may be changed in the opposing region according to the distance from the center of the opposing region.

本発明に係る静電容量型圧力センサのさらに別な実施態様は、前記対向領域をその中央からの距離に応じて複数の区間に区分し、各区間において誘電体層の存在比率が一定となるようにしたことを特徴としている。かかる実施態様によれば、各区間ごとに誘電体層の存在比率を調整すればよいので、設計が容易になる。   In still another embodiment of the capacitive pressure sensor according to the present invention, the facing region is divided into a plurality of sections according to the distance from the center, and the abundance ratio of the dielectric layer is constant in each section. It is characterized by doing so. According to such an embodiment, design can be facilitated because the abundance ratio of the dielectric layer may be adjusted for each section.

本発明に係る入力装置は、本発明に係る複数個の静電容量型圧力センサを配列させたことを特徴としている。本発明の入力装置は、本発明に係る静電容量型圧力センサを用いているので、押圧位置と押圧力を検出することができる。しかも、指などで文字や図形を描かれたときの筆圧の変化を検知することも可能になる。   The input device according to the present invention is characterized in that a plurality of capacitive pressure sensors according to the present invention are arranged. Since the input device of the present invention uses the capacitive pressure sensor according to the present invention, it is possible to detect the pressing position and the pressing force. Moreover, it is possible to detect a change in writing pressure when a character or figure is drawn with a finger or the like.

なお、本発明における前記課題を解決するための手段は、以上説明した構成要素を適宜組み合せた特徴を有するものであり、本発明はかかる構成要素の組合せによる多くのバリエーションを可能とするものである。   The means for solving the above-described problems in the present invention has a feature in which the above-described constituent elements are appropriately combined, and the present invention enables many variations by combining such constituent elements. .

図1(A)は、従来例による圧力センサを示す概略断面図である。図1(B)は、図1(A)の圧力センサにおいて、ガラス基板の上面に形成された固定電極を示す平面図である。FIG. 1A is a schematic cross-sectional view showing a pressure sensor according to a conventional example. FIG. 1B is a plan view showing a fixed electrode formed on the upper surface of the glass substrate in the pressure sensor of FIG. 図2は、図1(A)に示す従来例の圧力センサにおける圧力と静電容量との関係を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing the relationship between pressure and capacitance in the conventional pressure sensor shown in FIG. 図3(A)は、本発明の実施形態1による圧力センサを示す平面図である。図3(B)は、図3(A)に示す圧力センサの、固定電極の上面に形成された誘電体層を示す平面図である。FIG. 3A is a plan view showing the pressure sensor according to the first embodiment of the present invention. FIG. 3B is a plan view showing a dielectric layer formed on the upper surface of the fixed electrode of the pressure sensor shown in FIG. 図4は、図3(A)に示す圧力センサの断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view of the pressure sensor shown in FIG. 図5は、図3(B)の誘電体膜における、ダイアフラムの中心から図った半径方向の距離と、誘電体層の存在比率との関係を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the radial distance from the center of the diaphragm and the abundance ratio of the dielectric layer in the dielectric film of FIG. 図6は、誘電体層の存在比率の定義を説明する図である。FIG. 6 is a diagram for explaining the definition of the abundance ratio of the dielectric layer. 図7は、ダイアフラムに加える荷重(押圧力)と、ダイアフラムと固定電極の間の静電容量変化率との関係(出力特性)を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing the relationship (output characteristics) between the load (pressing force) applied to the diaphragm and the capacitance change rate between the diaphragm and the fixed electrode. 図8は、図7のX区間を拡大した図である。FIG. 8 is an enlarged view of the X section of FIG. 図9は、従来例と本発明の実施形態における理想曲線からのずれの割合を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing the ratio of deviation from the ideal curve in the conventional example and the embodiment of the present invention. 図10は、本発明に係る圧力センサの変形例を示す平面図である。FIG. 10 is a plan view showing a modification of the pressure sensor according to the present invention. 本発明の実施形態2による圧力センサの断面図である。It is sectional drawing of the pressure sensor by Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施形態3による入力装置の断面図である。It is sectional drawing of the input device by Embodiment 3 of this invention.

以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明する。但し、本発明は以下の実施形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々設計変更することができる。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the following embodiments, and various design changes can be made without departing from the gist of the present invention.

(実施形態1)
図3及び図4を参照して本発明の実施形態1による圧力センサ31の構造を説明する。図3(A)は圧力センサ31の平面図である。図3(B)は、図3(A)の圧力センサ31から上基板35aを除いた状態の平面図であって、固定電極32の上面に形成された誘電体層33を表している。図4は、圧力センサ31の断面図である。
(Embodiment 1)
The structure of the pressure sensor 31 according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 3 and 4. FIG. 3A is a plan view of the pressure sensor 31. 3B is a plan view of the pressure sensor 31 of FIG. 3A with the upper substrate 35a removed, and shows the dielectric layer 33 formed on the upper surface of the fixed electrode 32. FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view of the pressure sensor 31.

この圧力センサ31は、図4に示すように、低抵抗シリコン基板や金属膜などの導電性材料からなる固定電極32の上に誘電体層33が形成されている。誘電体層33は、SiO(熱酸化膜)、SiN、TEOS等の誘電体材料からなる。誘電体層33は、その上面中央部にリセス33a(円形の凹部)が凹設されている。すなわち、リセス33aの外側では誘電体層33の厚みが厚く、リセス33a内においては誘電体層33の厚みが薄くなっている。また、リセス33a内の誘電体層33は一定の厚みを有している。 As shown in FIG. 4, the pressure sensor 31 has a dielectric layer 33 formed on a fixed electrode 32 made of a conductive material such as a low-resistance silicon substrate or a metal film. The dielectric layer 33 is made of a dielectric material such as SiO 2 (thermal oxide film), SiN, or TEOS. The dielectric layer 33 has a recess 33a (circular recess) formed in the center of the upper surface thereof. That is, the thickness of the dielectric layer 33 is thick outside the recess 33a, and the thickness of the dielectric layer 33 is thin inside the recess 33a. The dielectric layer 33 in the recess 33a has a certain thickness.

誘電体層33の上面には、低抵抗シリコン基板などの導電性材料からなる薄膜状の上基板35aが形成されている。上基板35aは、リセス33aの上面を覆っており、リセス33aによって上基板35aの下面と誘電体層33のリセス底面との間にエアギャップ34(空隙)が形成されている。こうして上基板35aのうち、エアギャップ34の上方で水平に張られた領域により、感圧用のダイアフラム35が形成されている。また、リセス33a内の底面に位置する誘電体層33が、ダイアフラム35と対向する対向領域となっている。   On the upper surface of the dielectric layer 33, a thin film upper substrate 35a made of a conductive material such as a low resistance silicon substrate is formed. The upper substrate 35a covers the upper surface of the recess 33a, and an air gap 34 (air gap) is formed between the lower surface of the upper substrate 35a and the recess bottom surface of the dielectric layer 33 by the recess 33a. Thus, a pressure-sensitive diaphragm 35 is formed by a region of the upper substrate 35a that is horizontally stretched above the air gap 34. In addition, the dielectric layer 33 located on the bottom surface in the recess 33 a is a facing region facing the diaphragm 35.

また、誘電体層33には、エアギャップ34と外部との間の通気性を確保するためにベントライン36(通気路)が形成されている。ベントライン36は、幅が30μm程度の細い溝であって、塵や埃などの異物がエアギャップ34内に侵入しにくいように屈曲または蛇行させてある。   In addition, a vent line 36 (air passage) is formed in the dielectric layer 33 in order to ensure air permeability between the air gap 34 and the outside. The vent line 36 is a narrow groove having a width of about 30 μm, and is bent or meandered so that foreign matters such as dust and dirt do not easily enter the air gap 34.

図3(B)に示すように、リセス33a内の対向領域においては、誘電体層33は対向領域の中央(対向領域の中心)から半径方向に沿って複数の区間(ここでは、3つの区間I、II、IIIとする。)に区分されている。対向領域の中央部に位置する区間Iでは、円形の領域の全面に誘電体層33が形成されている。対向領域の外周部に位置する区間IIIでは、環状の領域複数の開口39が放射状に、かつ、等間隔に設けられている。対向領域の中央部と外周部との中間に位置する区間IIでも、環状の領域に複数の開口39が放射状に、かつ、等間隔に設けられている。誘電体層33に設けた各開口39からは、固定電極32が露出している。なお、図3(B)において、ドット柄を付した領域は誘電体層33の形成された領域であり、白地の領域が固定電極32の露出した領域である。   As shown in FIG. 3B, in the facing region in the recess 33a, the dielectric layer 33 has a plurality of sections (here, three sections) along the radial direction from the center of the facing area (the center of the facing area). I, II and III). In the section I located at the central portion of the opposing region, the dielectric layer 33 is formed on the entire surface of the circular region. In the section III located at the outer peripheral portion of the opposing region, a plurality of annular regions 39 are provided radially and at equal intervals. Even in the section II located in the middle between the central portion and the outer peripheral portion of the facing region, a plurality of openings 39 are provided in the annular region radially and at equal intervals. The fixed electrode 32 is exposed from each opening 39 provided in the dielectric layer 33. In FIG. 3B, a region with a dot pattern is a region where the dielectric layer 33 is formed, and a white region is a region where the fixed electrode 32 is exposed.

図5は、対向領域における誘電体層33の存在比率を示す図である。図5の横軸は、誘電体層33の対向領域(あるいは、ダイアフラム35)の中心からの半径(半径方向の距離)を示す。ただし、図5の横軸の距離は、対向領域の中心から外周までの半径を100として、その割合で表している。また、図5の縦軸は、誘電体層33の存在比率を表している。誘電体層33の存在比率とは、図6に示すように、対向領域の中心C(中央)を中心とする半径r、幅δrの輪帯を考え、その輪帯上に存在する誘電体層33の体積をVとすれば、半径rの位置における誘電体層33の存在比率は、
V/(2πr・δr)
で定義される。ここで、2πr・δrは輪帯の面積である。また、δrは十分に小さな値とする。したがって、輪帯上に存在する誘電体層33の面積が大きいほど(開口39の面積が小さいほど)誘電体層33の存在比率が大きくなる。また、輪帯上に存在する誘電体層33の厚みが大きいほど誘電体層33の存在比率が大きくなる。ただし、図5の縦軸では、区間Iにおける誘電体層33の存在比率を100(%)として、その比で表示している。
FIG. 5 is a diagram showing the abundance ratio of the dielectric layer 33 in the facing region. The horizontal axis in FIG. 5 indicates the radius (distance in the radial direction) from the center of the opposing region (or diaphragm 35) of the dielectric layer 33. However, the distance on the horizontal axis in FIG. 5 is expressed as a ratio with the radius from the center to the outer periphery of the opposing region as 100. The vertical axis in FIG. 5 represents the abundance ratio of the dielectric layer 33. As shown in FIG. 6, the abundance ratio of the dielectric layer 33 is a dielectric layer existing on the ring zone with a radius r and a width δr centered on the center C (center) of the opposing region. If the volume of 33 is V, the abundance ratio of the dielectric layer 33 at the position of the radius r is
V / (2πr · δr)
Defined by Here, 2πr · δr is the area of the annular zone. Also, δr is set to a sufficiently small value. Therefore, the larger the area of the dielectric layer 33 existing on the annular zone (the smaller the area of the opening 39), the greater the abundance ratio of the dielectric layer 33. Further, as the thickness of the dielectric layer 33 existing on the annular zone is larger, the abundance ratio of the dielectric layer 33 is increased. However, the vertical axis in FIG. 5 represents the ratio of the dielectric layer 33 in the section I as 100 (%), and the ratio is displayed.

区間IIには開口39が設けられているので、図5に示されているように、区間IIにおける誘電体層33の存在比率は、区間Iにおける誘電体層33の存在比率よりも小さくなっている。また、区間IIIでは区間IIよりも開口39の割合が少なくなっており、区間IIIにおける誘電体層33の存在比率は、区間IIにおける誘電体層33の存在比率よりも大きく、かつ、区間Iにおける誘電体層33の存在比率よりも小さくなっている。   Since the opening 39 is provided in the section II, the existence ratio of the dielectric layer 33 in the section II is smaller than the existence ratio of the dielectric layer 33 in the section I as shown in FIG. Yes. Further, the ratio of the opening 39 is smaller in the section III than in the section II, the existence ratio of the dielectric layer 33 in the section III is larger than the existence ratio of the dielectric layer 33 in the section II, and in the section I. It is smaller than the abundance ratio of the dielectric layer 33.

上基板35aの上面には、ダイアフラム35を囲むようにして、金属材料による環状の上面電極37が設けられている。上基板35aのコーナー部には電極パッド40が設けられており、上面電極37と電極パッド40は配線部42によって接続されている。上面電極37、配線部42及び電極パッド40は、下地層Ti(1000Å)/表面層Au(3000Å)の2層金属薄膜によって同時に作製されている。また、固定電極32の下面には、下面電極38が設けられている。下面電極38も、下地層Ti(1000Å)/表面層Au(3000Å)の2層金属薄膜によって作製されている。   An annular upper electrode 37 made of a metal material is provided on the upper surface of the upper substrate 35 a so as to surround the diaphragm 35. Electrode pads 40 are provided at the corners of the upper substrate 35 a, and the upper surface electrode 37 and the electrode pads 40 are connected by a wiring part 42. The upper surface electrode 37, the wiring portion 42, and the electrode pad 40 are simultaneously formed by a two-layer metal thin film of base layer Ti (1000 Å) / surface layer Au (3000 Å). A lower electrode 38 is provided on the lower surface of the fixed electrode 32. The lower surface electrode 38 is also made of a two-layer metal thin film of underlying layer Ti (1000 Å) / surface layer Au (3000 Å).

上基板35aの上面のうち上面電極37よりも外側の領域は、ポリイミドなどの樹脂やSiO、SiNなどの絶縁膜からなる保護膜41によって覆われている。ただし、電極パッド40の付近では保護膜41は除かれており、電極パッド40は保護膜41から露出している。 A region outside the upper surface electrode 37 on the upper surface of the upper substrate 35a is covered with a protective film 41 made of a resin such as polyimide or an insulating film such as SiO 2 or SiN. However, the protective film 41 is removed in the vicinity of the electrode pad 40, and the electrode pad 40 is exposed from the protective film 41.

図7は、理想曲線と、従来例の圧力センサにおける静電容量の変化率と、本発明の実施態による圧力センサにおける静電容量の変化率とを示す。また、図8は、図7のX区間を横軸方向に拡大して示した図である。ここで、静電容量の変化率ΔC/Coとは、荷重によって撓んだダイアフラムと固定電極の間の静電容量をCとすれば、ダイアフラムが撓んでいないときのダイアフラムと固定電極の間の静電容量Coに対する、静電容量の変化ΔC=C−Coの比である。人が対象物を押さえるときには、たとえば指先に感じる押圧強さは必ずしも荷重の大きさに比例するものではなく、荷重が小さい範囲では押圧強さの変化を敏感に感じるが、荷重が大きくなると荷重の大きさの違いはあまり感じなくなる。理想曲線とは、人が圧力センサを押圧するときの押圧感(押圧強さの感じ方)を圧力センサの出力として表現したものである。   FIG. 7 shows an ideal curve, the rate of change of capacitance in the pressure sensor of the conventional example, and the rate of change of capacitance in the pressure sensor according to the embodiment of the present invention. FIG. 8 is an enlarged view of the X section of FIG. 7 in the horizontal axis direction. Here, the capacitance change rate ΔC / Co is defined as C between the diaphragm and the fixed electrode when the diaphragm is not bent. The ratio of the change in capacitance ΔC = C−Co to the capacitance Co. When a person presses an object, for example, the pressure strength felt at the fingertip is not necessarily proportional to the magnitude of the load. I don't feel the difference in size. The ideal curve represents a feeling of pressing when the person presses the pressure sensor (how to feel the pressing strength) as an output of the pressure sensor.

図7の静電容量変化率がほぼゼロに近い領域は、ダイアフラムが誘電体層(誘電体膜)に接触しない状態で撓んでいる領域(未接触領域)であり、静電容量変化率が急速に立ち上がっている領域(接触開始領域)である。この未接触領域と接触開始領域では、従来例の出力特性と理想曲線との差は小さい。したがって、本発明の実施形態においても、未接触領域と接触開始領域に相当する領域(区間I)では、従来例と同じく全面に誘電体層を形成している。   The region where the capacitance change rate in FIG. 7 is nearly zero is a region where the diaphragm is bent without contacting the dielectric layer (dielectric film) (non-contact region), and the capacitance change rate is rapid. This is a region (contact start region) that stands up in the area. In the non-contact area and the contact start area, the difference between the output characteristics of the conventional example and the ideal curve is small. Therefore, also in the embodiment of the present invention, in the region corresponding to the non-contact region and the contact start region (section I), the dielectric layer is formed on the entire surface as in the conventional example.

これに対し、ダイアフラムが誘電体層に接触する面積が次第に大きくなってゆく領域(動作領域)では、従来例の出力特性は理想曲線よりも大きな値となっている。したがって、本発明の実施形態では、動作領域に相当する領域(区間II)において誘電体層の存在比率を小さくし、それによって出力特性を小さくし、理想曲線に近づけている。   On the other hand, in the region (operation region) where the area where the diaphragm contacts the dielectric layer is gradually increased, the output characteristic of the conventional example has a value larger than the ideal curve. Therefore, in the embodiment of the present invention, the existence ratio of the dielectric layer is reduced in the region corresponding to the operation region (section II), thereby reducing the output characteristics and approaching the ideal curve.

また、ダイアフラムの大部分が誘電体層に接触してしまい、荷重が大きくなっても接触面積がほとんど変化しなくなった領域(飽和領域)では、従来例の出力特性でも理想曲線からのずれは小さくなっている。しかし、本発明の実施形態では、区間IIにおける誘電体層の存在比率を小さくして出力特性の値を下げているので、飽和領域に相当する領域(区間III)においては誘電体層の存在比率を区間IIよりも大きくし、それによって区間IIIにおける出力特性を大きくし、理想曲線から離れないようにしている。   Also, in the region where the contact area hardly changes even when the load increases (saturation region) because most of the diaphragm comes into contact with the dielectric layer, the deviation from the ideal curve is small even in the output characteristics of the conventional example. It has become. However, in the embodiment of the present invention, since the ratio of the dielectric layer in the section II is decreased to reduce the value of the output characteristics, the ratio of the dielectric layer is present in the region corresponding to the saturation region (section III). Is made larger than section II, thereby increasing the output characteristics in section III so as not to deviate from the ideal curve.

この結果、本発明の実施形態によれば、理想曲線に近い出力特性を得ることが可能になる。図9は、従来例と本発明の実施形態における理想曲線からのずれの割合を示す。ここで、ある荷重のときの理想曲線における静電容量をCr、従来例の静電容量をCcとするとき、100×(Cc−Cr)/Crの最大値[%]を従来例の理想曲線からのずれの割合という。また、ある荷重のときの理想曲線における静電容量をCr、本発明の実施形態の静電容量をCpとするとき、100×(Cp−Cr)/Crの最大値[%]を本発明の実施形態の理想曲線からのずれの割合という。図9から分かるように、従来例の場合には理想曲線からのずれの割合は約6.6%であるのに対し、本発明の実施形態では理想曲線からのずれの割合は2.0%に小さくなっている。よって、本発明の実施形態によれば、圧力センサの検知特性又は出力特性を人の押圧感にフィットするように調整することができる。   As a result, according to the embodiment of the present invention, output characteristics close to an ideal curve can be obtained. FIG. 9 shows the ratio of deviation from the ideal curve in the conventional example and the embodiment of the present invention. Here, when the electrostatic capacity in the ideal curve at a certain load is Cr and the electrostatic capacity in the conventional example is Cc, the maximum value [%] of 100 × (Cc-Cr) / Cr is the ideal curve in the conventional example. It is called the ratio of deviation. Further, when the electrostatic capacity in an ideal curve at a certain load is Cr and the electrostatic capacity of the embodiment of the present invention is Cp, the maximum value [%] of 100 × (Cp−Cr) / Cr is set to 100%. It is called the ratio of deviation from the ideal curve of the embodiment. As can be seen from FIG. 9, in the case of the conventional example, the rate of deviation from the ideal curve is about 6.6%, whereas in the embodiment of the present invention, the rate of deviation from the ideal curve is 2.0%. It is getting smaller. Therefore, according to the embodiment of the present invention, the detection characteristic or the output characteristic of the pressure sensor can be adjusted to fit a human pressing feeling.

なお、上面電極37は円環状でなくてもよく、円弧状をした複数個の上面電極37が設けられていてもよい(図示せず)。また、上面電極37は設けなくてもよい。上基板35aが導電性を有しているので、図10に示すように、ダイアフラム35の領域外において上基板35aの少なくとも1箇所に電極パッド40を設けるだけでもよいからである。   In addition, the upper surface electrode 37 does not need to be annular, and a plurality of arc-shaped upper surface electrodes 37 may be provided (not shown). Further, the upper surface electrode 37 may not be provided. This is because the upper substrate 35a has conductivity, and therefore it is only necessary to provide the electrode pad 40 at least at one location on the upper substrate 35a outside the area of the diaphragm 35 as shown in FIG.

(実施形態2)
図11は、本発明の実施形態2による圧力センサ51の断面図である。この圧力センサ51では、誘電体層33に開口39を設けるのでなく、対向領域の中心からの半径(距離)に応じて誘電体層33の厚みを変化させており、それによって対向領域の中心からの半径に応じて誘電体層33の存在比率を変化させている。とくに、図11の場合では、対向領域を3つの区間I、II、IIIに区分し、区間IIにおける誘電体層33の厚みを区間Iにおける誘電体層33の厚みよりも薄くしている。さらに、区間IIIにおける誘電体層33の厚みを、区間IIにおける誘電体層33の厚みよりも厚く、かつ、区間Iにおける誘電体層33の厚みよりも薄くしている。このような実施形態でも、実施形態1と同様な作用効果を奏することができる。
(Embodiment 2)
FIG. 11 is a cross-sectional view of a pressure sensor 51 according to Embodiment 2 of the present invention. In this pressure sensor 51, the opening 39 is not provided in the dielectric layer 33, but the thickness of the dielectric layer 33 is changed according to the radius (distance) from the center of the opposing region, and thereby the center of the opposing region is changed. The abundance ratio of the dielectric layer 33 is changed according to the radius. In particular, in the case of FIG. 11, the facing region is divided into three sections I, II, and III, and the thickness of the dielectric layer 33 in the section II is made thinner than the thickness of the dielectric layer 33 in the section I. Further, the thickness of the dielectric layer 33 in the section III is larger than the thickness of the dielectric layer 33 in the section II and is smaller than the thickness of the dielectric layer 33 in the section I. Even in such an embodiment, the same effects as those of the first embodiment can be achieved.

なお、上記各実施形態においては、対向領域を3つの区間に区分して誘電体層33のパターン、あるいは誘電体層33の存在比率を変化させていたが、4つ以上の区間に区分して誘電体層33のパターン、あるいは誘電体層33の存在比率を変化させてもよい。 In each of the above embodiments, the opposing region is divided into three sections to change the pattern of the dielectric layer 33 or the existence ratio of the dielectric layer 33. However, the counter area is divided into four or more sections. The pattern of the dielectric layer 33 or the existence ratio of the dielectric layer 33 may be changed.

(実施形態3)
図12は、本発明の実施形態3によるプレート型の入力装置61、たとえばタッチパネルの構造を示す断面図である。この入力装置61は、上記実施形態1に係る多数の圧力センサ31(センサ部)をアレイ状(例えば、矩形状やハニカム状)に配列したものである。なお、各圧力センサ31は電気的に独立しており、各圧力センサ31に加わった圧力を個々に独立して検出することができる。このような入力装置61によれば、タッチパネルのように押圧体で押圧された点を検出できるとともに、各点の押圧強さ(圧力の大きさ)も検出することができる。
(Embodiment 3)
FIG. 12 is a cross-sectional view showing the structure of a plate-type input device 61, for example, a touch panel, according to Embodiment 3 of the present invention. The input device 61 includes a large number of pressure sensors 31 (sensor units) according to the first embodiment arranged in an array (for example, a rectangular shape or a honeycomb shape). Each pressure sensor 31 is electrically independent, and the pressure applied to each pressure sensor 31 can be detected independently. According to such an input device 61, it is possible to detect a point pressed by a pressing body like a touch panel, and it is also possible to detect a pressing strength (a magnitude of pressure) at each point.

31、51 圧力センサ
32 固定電極
33 誘電体層
33a リセス
34 エアギャップ
35 ダイアフラム
37 上面電極
39 開口
40 電極パッド
41 保護膜
61 入力装置
31, 51 Pressure sensor 32 Fixed electrode 33 Dielectric layer 33a Recess 34 Air gap 35 Diaphragm 37 Upper surface electrode 39 Opening 40 Electrode pad 41 Protective film 61 Input device

Claims (9)

固定電極と、
前記固定電極の上方に形成された誘電体層と、
前記誘電体層の上方に空隙を隔てて形成された導電性のダイアフラムとを備えた静電容量型の圧力センサであって、
前記誘電体層の、前記ダイアフラムと対向する対向領域において、前記対向領域の中央を中心とする円周上における誘電体層の存在比率を、前記対向領域の中央からの距離に応じて変化させたことを特徴とする圧力センサ。
A fixed electrode;
A dielectric layer formed above the fixed electrode;
A capacitive pressure sensor comprising a conductive diaphragm formed above the dielectric layer with a gap therebetween,
In the facing region of the dielectric layer facing the diaphragm, the abundance ratio of the dielectric layer on the circumference centered on the center of the facing region was changed according to the distance from the center of the facing region. A pressure sensor characterized by that.
前記対向領域の中央部と外周部との中間における誘電体層の存在比率が、前記対向領域の中央部における誘電体層の存在比率よりも小さいことを特徴とする、請求項1に記載の圧力センサ。   2. The pressure according to claim 1, wherein an abundance ratio of the dielectric layer between the central portion and the outer peripheral portion of the opposing region is smaller than an abundance ratio of the dielectric layer in the central portion of the opposing region. Sensor. 前記対向領域の外周部における誘電体層の存在比率が、前記対向領域の中央部と外周部との中間における誘電体層の存在比率よりも大きいことを特徴とする、請求項2に記載の圧力センサ。   3. The pressure according to claim 2, wherein an abundance ratio of the dielectric layer in an outer peripheral portion of the facing region is larger than an abundance ratio of the dielectric layer in the middle between the central portion and the outer peripheral portion of the facing region. Sensor. 前記対向領域の外周部における誘電体層の存在比率が、前記対向領域の中央部における誘電体層の存在比率よりも小さいことを特徴とする、請求項3に記載の圧力センサ。   The pressure sensor according to claim 3, wherein an abundance ratio of the dielectric layer in an outer peripheral portion of the facing area is smaller than an abundance ratio of the dielectric layer in a central portion of the facing area. 前記対向領域において前記誘電体層に開口を設け、前記対向領域の中央からの距離に応じて前記開口の比率を変化させることによって誘電体層の存在比率を変化させたことを特徴とする、請求項1に記載の圧力センサ。   An opening ratio is provided in the dielectric layer in the counter area, and the ratio of the opening is changed in accordance with the distance from the center of the counter area, thereby changing the existence ratio of the dielectric layer. Item 2. The pressure sensor according to Item 1. 前記誘電体層の開口は、前記対向領域の中央を中心として放射状に形成されていることを特徴とする、請求項5に記載の圧力センサ。   The pressure sensor according to claim 5, wherein the openings of the dielectric layer are formed radially with the center of the facing region as a center. 前記対向領域において、前記対向領域の中央からの距離に応じて前記誘電体層の厚みを変化させることによって誘電体層の存在比率を変化させたことを特徴とする、請求項1に記載の圧力センサ。   2. The pressure according to claim 1, wherein the abundance ratio of the dielectric layer is changed by changing a thickness of the dielectric layer according to a distance from a center of the opposing region in the opposing region. Sensor. 前記対向領域をその中央からの距離に応じて複数の区間に区分し、各区間において誘電体層の存在比率が一定となるようにしたことを特徴とする、請求項1に記載の圧力センサ。   2. The pressure sensor according to claim 1, wherein the facing region is divided into a plurality of sections according to a distance from a center thereof, and the existence ratio of the dielectric layer is constant in each section. 請求項1に記載した複数個の静電容量型圧力センサを配列させたことを特徴とする入力装置。   An input device comprising a plurality of capacitive pressure sensors according to claim 1 arranged.
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