JP2015152450A - 静電容量型圧力センサ及び入力装置 - Google Patents

Abstract

【課題】初期変形がダイアフラムに生じにくい静電容量型圧力センサを提供する。
【解決手段】固定電極基板３２の上面は、誘電体膜３３によって覆われている。圧縮応力膜３８の上面又は下面の一方にはリセス３４（凹部）が形成されている。誘電体膜３３の上には、上基板３５が積層されている。上基板３５のうちリセス３４と対向する領域は、弾性変形可能なダイアフラム３６となっており、ダイアフラム３６の上面の少なくとも一部には、圧縮応力膜３８が形成されている。
【選択図】図２

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。特に、本発明は、圧力で撓んだダイアフラムが対向面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、本発明は、当該圧力センサを利用した入力装置に関する。

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ると、ダイアフラムが大きく撓んで破損するおそれがある。

そのため、固定電極の表面に誘電体膜を設けておき、圧力によって撓んだダイアフラムを誘電体膜に接触させ、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。

静電容量型圧力センサにおいては、受圧部であるダイアフラムの形状を安定させることが非常に重要な課題となる。圧力センサは、外部からの圧力によるダイアフラムの変形により生じる静電容量の変化を測定するものであるのに対し、ダイアフラムが外部圧力以外の原因、例えば座屈や疲労により想定外の変形をすると、ダイヤフラムの変形により圧力センサの出力特性が変化する。その結果、圧力センサの感度が悪化したり、あるいは圧力センサの動作不良が発生するので、ダイアフラムの形状を安定させるは圧力センサにおける重要な課題である。

図１（Ａ）、図１（Ｂ）及び図１（Ｃ）は、ダイアフラムの座屈や疲労による初期変形を示す概略図である。ここに示す圧力センサ１１では、固定電極基板１２の上面を誘電体膜１３で覆い、誘電体膜１３の上面にリセス１４を形成している。誘電体膜１３の上面に上基板１５を積層し、上基板１５によってリセス１４の上面開口を覆っている。上基板１５のうちリセス１４の上に位置する領域が、圧力を感知して変形するダイアフラム１６となっている。

静電容量型の圧力センサ１１では、ダイアフラム１６は平坦に形成されているか、あるいは多少上方へ凸に膨らむように形成されていることが好ましい。しかし、加圧耐久試験や長期間における使用によりダイアフラム１６が機械的に劣化すると、図１（Ａ）、図１（Ｂ）又は図１（Ｃ）に示すようにダイアフラム１６が座屈や疲労により変形することがある。図１（Ａ）は、ダイアフラム１６の中央部が下方へ膨らむように変形した１次の変形モードを示す。図１（Ｂ）は、ダイアフラム１６の一部が上方へ膨らむように変形するとともに他の一部が下方へ膨らむように変形した２次の変形モードを示す。図１（Ｃ）は、３次の変形モードを示す。ダイアフラム１６に図１（Ａ）、図１（Ｂ）又は図１（Ｃ）に示すような初期変形が生じると、ダイアフラム１６（可動電極）と固定電極基板１２との間の静電容量（初期容量）が増加したり、測定精度が悪化したりする問題が生じる。

このような課題を解決するため、特許文献１に開示された圧力センサでは、ダイアフラムを多層膜で形成し、多層膜の各層に発生する内部応力どうしを互いに相殺させ、それによってダイアフラムの初期形状を安定化している。

しかし、特許文献１のように多層膜を用いる方法では、ダイアフラムを作製する工程に時間が掛かり、圧力センサの製造コストが高くつくという問題がある。また、圧力センサの測定精度を安定させるためには、ダイアフラムの初期形状を安定化させるだけでは不十分である。すなわち、小さな面積のダイアフラムにより低圧から高圧までの広範囲の圧力に対して測定感度を得るためには、加圧耐久試験のような機械的負荷に対する耐久性も要求される。静電容量型の圧力センサにおいては、０Ｐａから数ＭＰａの圧力に対して測定感度を得ることが望まれるが、現実には、加圧耐久試験においてダイアフラムが図１のように変形し、圧力センサの出力特性が変化することがあった。この結果、従来の圧力センサでは、低圧におけるダイアフラムの変形しやすさ（高感度特性）と高圧に対する耐久性の両立が困難であった。

特開２０００−１３３８１８号公報

本発明の目的とするところは、ダイアフラムに初期変形が生じにくい静電容量型圧力センサを提供することにある。

本発明に係る第１の静電容量型圧力センサは、固定電極基板と、上面又は下面の一方に凹部を有し、前記固定電極基板の上面を覆う誘電体膜と、前記誘電体膜の上に設けた上基板と、前記上基板のうち前記凹部と対向する領域により形成された、弾性変形可能なダイアフラムと、前記ダイアフラムの上面の少なくとも一部に形成された圧縮応力膜とを有することを特徴とする。

本発明に係る第１の静電容量型圧力センサにあっては、ダイアフラムの上面の少なくとも一部に圧縮応力膜を形成しているので、ダイアフラムが座屈又は疲労によって変形しようとしても圧縮応力膜によってダイアフラムの形状が矯正される。よって、ダイアフラムの形状を望ましい形状に保つことができ圧力センサの出力特性を維持できる。また、ダイアフラムの上面に圧縮応力膜が形成されているので、ダイアフラムの強度が増す。

本発明に係る第１の静電容量型圧力センサのある実施態様は、前記固定電極基板の上面に垂直な方向から見たとき、前記圧縮応力膜の中心が、前記ダイアフラムの中心に重なっていることを特徴とする。かかる実施態様によれば、圧縮応力膜がダイアフラムの真ん中に形成されることになるので、ダイアフラムが方向によって不均一に変形しにくくなる。

本発明に係る第１の静電容量型圧力センサの別な実施態様は、前記圧縮応力膜の面積が、前記ダイアフラムの面積よりも小さいことを特徴とする。かかる実施態様では、ダイアフラムの外周部分には圧縮応力膜が形成されないので、圧力によるダイアフラムの弾性変形が妨げられにくく、圧力センサの感度が向上する。

本発明に係る第１の静電容量型圧力センサのさらに別な実施態様は、前記圧縮応力膜が、前記ダイアフラムと相似な形状を有し、前記ダイアフラムの１／２以下の縮尺となっていることを特徴とする。ダイアフラムは、その半径の１／２の領域やその幅の１／２の領域が大きく変形するので、この領域に圧縮応力膜を設ければ、面積の小さなダイアフラムによって効率的にダイアフラムの初期変形を矯正することができる。

本発明に係る第１の静電容量型圧力センサのさらに別な実施態様は、前記固定電極基板の上面に垂直な方向から見たとき、前記凹部が円形で、前記圧縮応力膜も円形であることを特徴とする。かかる実施態様によれば、ダイアフラムを各方向で均等に変形させることができる。

本発明に係る第１の静電容量型圧力センサのさらに別な実施態様は、前記固定電極基板の上面に垂直な方向から見たとき、前記圧縮応力膜が、その中心の回りに回転対称な形状を有することを特徴とする。かかる実施態様によれば、ダイアフラムを各方向でほぼ均等に変形させることができる。

本発明に係る第１の静電容量型圧力センサのさらに別な実施態様は、前記固定電極基板の上面に垂直な方向から見たとき、前記圧縮応力膜が多角形状であることを特徴とする。かかる実施態様によれば、ダイアフラムを各方向でほぼ均等に変形させることができる。

本発明に係る第１の静電容量型圧力センサのさらに別な実施態様は、前記固定電極基板の上面に垂直な方向から見たとき、前記圧縮応力膜が放射状であることを特徴とする。かかる実施態様によれば、ダイアフラムの中心から測った半径方向の距離に応じて圧縮応力膜の面積比率が次第に小さくなるので、ダイアフラムの初期変形や圧力を受けたときの変形が滑らかになる。

本発明に係る第１の静電容量型圧力センサのさらに別な実施態様は、前記圧縮応力膜は、弾性体によって形成されていることを特徴とする。かかる実施態様によれば、ダイアフラムがペン先などで押されるときに、ダイアフラムを圧縮応力膜によって保護することができる。

本発明に係る第２の静電容量型圧力センサは、固定電極基板と、上面又は下面の一方に凹部を有し、前記固定電極基板の上面を覆う誘電体膜と、前記誘電体膜の上に設けた上基板と、前記上基板のうち前記凹部と対向する領域により形成された、弾性変形可能なダイアフラムと、前記ダイアフラムの下面の少なくとも一部に形成された引張応力膜とを有することを特徴とする。

本発明に係る第２の静電容量型圧力センサにあっては、ダイアフラムの下面の少なくとも一部に引張応力膜を形成しているので、ダイアフラムが座屈又は疲労によって変形しようとしても引張応力膜によってダイアフラムの形状が矯正される。よって、ダイアフラムの形状を望ましい形状に保つことができ圧力センサの出力特性を維持できる。また、ダイアフラムの下面に引張応力膜が形成されているので、ダイアフラムの強度が増す。

本発明に係る第３の静電容量型圧力センサは、固定電極基板と、下面に凹部を有し、前記固定電極基板の上面を覆う誘電体膜と、前記誘電体膜の上に設けた上基板と、前記上基板のうち前記凹部と対向する領域により形成された、弾性変形可能なダイアフラムとを有し、前記ダイアフラムの下面に接合している前記誘電体膜の少なくとも一部が、引張応力を有していることを特徴とする。

本発明に係る第３の静電容量型圧力センサにあっては、ダイアフラムの下面に接合している誘電体膜の少なくとも一部が、引張応力を有しているので、ダイアフラムが座屈又は疲労によって変形しようとしても引張応力を有する誘電体膜によってダイアフラムの形状が矯正される。よって、ダイアフラムの形状を望ましい形状に保つことができ圧力センサの出力特性を維持できる。

本発明に係る第１−３の各静電容量型圧力センサは、圧力検出器や入力装置に用いることができる。

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。特に、第２及び第３の静電容量型圧力センサに対しても、第１の静電容量型圧力センサと同様な実施態様が可能である。

図１（Ａ）、図１（Ｂ）及び図１（Ｃ）は、静電容量型圧力センサに生じる種々のモードの座屈変形を示す概略断面図である。 図２（Ａ）は、本発明の実施形態１による静電容量型圧力センサを示す斜視図である。図２（Ｂ）は、図２（Ａ）に示す圧力センサの一部分解した斜視図である。 図３（Ａ）は、図２（Ａ）に示す圧力センサの平面図である。図３（Ｂ）は、図２（Ａ）に示す圧力センサの断面図である。 図４は、圧力センサに加えた荷重の大きさと圧力センサに発生する静電容量との関係を示す図である。 図５は、ダイアフラムが実際に変形したときの形状を示す図である。 図６は、本発明の実施形態１に係る圧力センサの変形例を示す平面図である。 図７は、本発明の実施形態１に係る圧力センサの別な変形例を示す平面図である。 図８（Ａ）は、本発明の実施形態２による静電容量型圧力センサの平面図である。図８（Ｂ）は、図８（Ａ）に示す圧力センサの断面図である。 図９（Ａ）は、本発明の実施形態３による静電容量型圧力センサの平面図である。図９（Ｂ）は、図９（Ａ）に示す圧力センサの断面図である。 図１０（Ａ）は、ＲＦパワーを変化させてプラズマＴＥＯＳ法により誘電体膜を成膜したとき、誘電体膜に生じた応力の測定値を示す図である。図１０（Ｂ）は、ＲＦパワーが小さいときの誘電体膜３３と上基板３５の状態を示す概略図である。図１０（Ｃ）は、ＲＦパワーが大きいときの誘電体膜３３と上基板３５の状態を示す概略図である。 図１１（Ａ）は、本発明の実施形態４による圧力検知器を示す一部分解した斜視図である。図１１（Ｂ）は、図１１（Ａ）に示す圧力検知器の断面図である。 図１２は、本発明の実施形態５による入力装置の概略断面図である。

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。

（実施形態１）
以下、図２−図４を参照して本発明の実施形態１による静電容量型の圧力センサ３１の構造を説明する。図２（Ａ）は圧力センサ３１の斜視図、図２（Ｂ）は圧力センサ３１の一部分解した斜視図である。図３（Ａ）は、ダイアフラム３６の平面図である。図３（Ｂ）は、ダイアフラム３６の中央を通過する断面における圧力センサ３１の概略断面図である。図４は、圧力センサの荷重−静電容量特性を示す図である。

この圧力センサ３１は、固定電極基板３２の上面を誘電体膜３３で覆っている。固定電極基板３２としては、Ｓｉ基板又はガラス基板を用いる。誘電体膜３３は、たとえばＳｉＯ_２又はＳｉＮからなる。誘電体膜３３は、その上面中央部に円板状のリセス３４（凹部）を有している。リセス３４の底面は、誘電体膜３３によって覆われている。

誘電体膜３３の上面には、導電性材料たとえば低抵抗Ｓｉからなる厚みの薄い上基板３５を積層している。上基板３５は、リセス３４の上面開口を覆っている。上基板３５のうちリセス３４の外側に位置する部分（以下、これを外周部分３７という。）は、誘電体膜３３の上面に固定されている。上基板３５のうちリセス３４の上方で浮いている円形の部分は、荷重又は圧力によって弾性変形する感圧用のダイアフラム３６（可動電極）となっている。上基板３５の上面には、ダイアフラム３６と電気的に導通した電極パッド３９ａが設けられている。電極パッド３９ａは、金属薄膜によって形成されている。

図示しないが、固定電極基板３２には、固定電極が設けられている。たとえば、固定電極基板３２がＳｉ基板である場合には、固定電極基板３２の裏面を固定電極としてもよい。また、固定電極基板３２の上面に不純物拡散層からなる固定電極を設け、上基板３５の上面に設けた電極パッド３９ｂを誘電体膜３３に設けたスルーホール４０を通じて固定電極に導通させてもよい。

ダイアフラム３６の上面中央部には、圧縮応力膜３８を設けている。圧縮応力膜３８は円形の薄膜であって、その下面全体がダイアフラム３６の上面に接合している。圧縮応力膜３８は、圧力センサ３１の外部から負荷が加わっていない状態（初期状態）でも、内部に圧縮応力が生じている。圧縮応力膜３８は、固定電極基板３２の上面に垂直な方向から見たとき、圧縮応力膜３８の中心とダイアフラム３６（あるいは、リセス３４）の中心とが一致するように配置されている。

この圧力センサ３１は、タッチモード静電容量型の圧力センサである。図４は、圧力センサ３１のダイアフラム３６に加わる荷重Ｗ[gF]と、固定電極基板３２とダイアフラム３６の間に発生する静電容量Ｃ[pF]との関係（荷重−静電容量特性）を模式的に示す図である。また、図４には、荷重−静電容量特性を示す曲線上の数点におけるダイアフラム３６の変形状態を表わしている。

圧力センサ３１のダイアフラム３６に荷重Ｗが加わると、ダイアフラム３６はその荷重Ｗに応じて撓み、ある荷重Ｗaで誘電体膜３３に接触する。図４における荷重が０からＷaまでの区間（未接触領域）は、ダイアフラム３６が誘電体膜３３に接触していない状態である。荷重がＷaからＷbまでの区間（接触開始領域）は、ダイアフラム３６が誘電体膜３３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。荷重がＷbからＷcまでの区間（動作領域）は、荷重の増加に伴ってダイアフラム３６が誘電体膜３３に接触している部分の面積が次第に増加している。荷重がＷc以上の区間（飽和領域）は、ダイアフラム３６のほぼ全面が誘電体膜３３に接触していて、荷重が増加してもほとんど接触面積が増えない領域である。

図４の荷重−容量特性によれば、ダイアフラム３６が接触していない未接触領域では静電容量Ｃの変化は非常に小さいが、接触開始領域になると次第に静電容量Ｃの変化率（増加速度）が大きくなる。動作領域では線形性は良くなるものの静電容量Ｃの変化率は次第に減少し、飽和領域になると静電容量Ｃはほとんど増加しなくなる。特に、荷重がＷdを超えると、静電容量Ｃは飽和値Ｃdとなって変化しなくなる。

このようなタッチモードの圧力センサ３１では、ダイアフラム３６と誘電体膜３３との接触面積をＳ、誘電体膜３３の厚さをｄ、誘電体膜３３の比誘電率をεr、真空中の誘電率をεoとすれば、ダイアフラム３６と誘電体膜３３の間における静電容量Ｃは、つぎの数式１で表せる。
Ｃ＝Ｃo＋εo・εr・（Ｓ／ｄ） …（数式１）
ここで、Ｃoは未接触領域での静電容量である。

また、この圧力センサ３１では、ダイアフラム３６の上面に圧縮応力膜３８を形成してあり、圧縮応力膜３８には初期状態で内部に圧縮応力が生じている。圧縮応力膜３８は、圧縮応力膜３８とダイアフラム３６の接合面においてダイアフラム３６から圧縮力を加えられていて膜方向に縮められているので、内部に圧縮応力を生じている。従って、圧縮応力膜３８は、その圧縮応力に抗して広がろうとする。反対に、ダイアフラム３６は、ダイアフラム３６と圧縮応力膜３８の接合面において圧縮応力膜３８からの反力によって膜方向に広げられるので、その反力（引張力）に抗して縮もうとする。この結果、圧縮応力膜３８は広がろうとし、ダイアフラム３６は縮もうとするので、ダイアフラム３６及び圧縮応力膜３８は、初期状態において上方で少し凸となるように湾曲している。よって、ダイアフラム３６に図１に示すような座屈や疲労による不良モードの変形が生じようとしても、ダイアフラム３６が上方へ向けて凸となるように強制的に復帰させる力が働き、ダイアフラム３６の初期状態（荷重を除いた状態）における形状を安定させることができ、圧力センサ３１の出力特性を安定させることができる。なお、加圧耐久試験などでは、変形によってダイアフラム３６に疲労が蓄積されるが、圧縮応力膜３８自体の変形が繰り返される訳ではないので、圧縮応力膜３８の圧縮応力は継続的に維持される。

また、この圧力センサ３１は、タッチモード静電容量圧力センサであるので、ダイアフラム３６に大きな圧力が加わった場合でも、ダイアフラム３６が誘電体膜３３に接触することでダイアフラム３６の破損を防ぐことができる。加えて、ダイアフラム３６に圧縮応力膜３８が形成されているので、ダイアフラム３６の機械的強度が増す。さらに、ダイアフラム３６の上面に設けられている圧縮応力膜３８が弾性体（たとえばポリイミドのような高分子材料）でできていれば、圧縮応力膜３８が緩衝材として働き、硬質の荷重付加部材（たとえば、タッチペンの先端部）によってダイアフラム３６が押さえられたときでも、ダイアフラム３６の機械的な劣化（摩耗、割れ、欠け）が生じにくくなる。

圧縮応力膜３８は、ダイアフラム３６に比べてできるだけ薄く形成しておくことが望ましい。圧縮応力膜３８を薄くすることにより、圧力センサ３１の低圧域での感度を低下させにくくなるからである。

圧縮応力膜３８は、上記のように圧縮応力膜３８の中心とダイアフラム３６の中心が一致するように形成されている。すなわち、この実施形態の場合で言えば、固定電極基板３２の上面に垂直な方向から見たとき、円板状の圧縮応力膜３８が円板状のダイアフラム３６（又はリセス３４）と同心状に配置されている。このように圧縮応力膜３８がダイアフラム３６と同心状になっていてダイアフラム３６の真ん中に位置していれば、ダイアフラム３６が方向によって不均一に変形しにくく、ダイアフラム３６の劣化も同心円状に進行する。よって、ダイアフラム３６の劣化が進行してもダイアフラム３６が等方的に変形するので、圧力センサ３１の特性変動を小さくできる。

圧縮応力膜３８がダイアフラム３６よりも大きな面積を有していて、圧縮応力膜３８が外周部分３７の上面まで張り出していても差し支えない。しかし、ダイアフラム３６の縁のリング状の部分は最も大きく変形する部分であり、このリング状の部分のバネ特性が圧力センサ３１の感度に影響するので、圧縮応力膜３８がダイアフラム３６よりも大きいと圧力センサ３１の感度が低下する。したがって、圧力センサ３１においては、圧縮応力膜３８の面積がダイアフラム３６の面積よりも小さくなっており、圧縮応力膜３８がダイアフラム３６よりも小さくなっていることが望ましい。圧縮応力膜３８をダイアフラム３６よりも小さくし、ダイアフラム３６の縁のリング状の部分に圧縮応力膜３８を設けないようにしてあれば、圧力センサ３１の感度低下を小さくできる。

特に、圧縮応力膜３８は、ダイアフラム３６と相似な形状を有していて、ダイアフラム３６の１／２以下の縮尺となっていることが望ましい。すなわち、圧縮応力膜３８の半径や幅がダイアフラム３６の半径や幅の１／２以下となっていることが望ましい。図５は、ダイアフラム３６の実際の変形を表している。図５におけるサンプルNo.１は、ダイアフラム３６が上方へ凸に変形した様子を表す。サンプルNo.２は一部が上方へ凸に変形し、他の一部が下方へ凸に変形した様子（２次の変形モード）を表す。サンプルNO.３はダイアフラム３６が下方へ凸に変形した様子（１次の変形モード）を表す。図５の各モードの変形から分かるように、ダイアフラム３６の形状の変化は、主に半径がＲ／２（ただし、Ｒはダイアフラム３６の半径である。）の領域内で顕著であるので、この範囲に圧縮応力膜３８を形成することにより、小さな圧縮応力膜３８によってダイアフラム３６の変形を効果的に矯正することができる。そして、ダイアフラム３６の圧縮応力膜３８を形成されていない領域（圧縮応力膜３８の外側の領域）が広くなるので、ダイアフラム３６が弾性変形しやすくなり、圧力センサ３１の感度に対する影響を最小限にしながらダイアフラム３６の変形を矯正することができる。

圧縮応力膜３８は、圧縮応力膜３８の成膜条件を利用して圧縮応力を持たせることができる。すなわち、圧縮応力膜３８の成膜環境と圧力センサ３１の通常の動作環境との違いを利用し、通常の動作環境下では圧縮応力膜３８内に圧縮応力が残留するようにすればよい。例えば、高温環境下でダイアフラム３６の上面に圧縮応力膜３８を成膜したとき、ダイアフラム３６にも圧縮応力膜３８にも内部応力が存在していなかったとする。圧力センサ３１を成膜装置から取り出して圧力センサ３１を常温の環境に戻したとき、圧縮応力膜３８の熱収縮率よりもダイアフラム３６の熱収縮率のほうが大きかったとする。この場合、熱収縮率の小さな圧縮応力膜３８は、ダイアフラム３６から圧縮力を受け、内部に圧縮応力が残留する。熱収縮率の大きなダイアフラム３６は圧縮応力膜３８から収縮に対する抵抗、すなわち引張力を受けるので、ダイアフラム３６には引張応力が残留する。したがって、圧縮応力膜３８は、圧縮応力に抗して外側へ広がろうとし、ダイアフラム３６は、引張応力に抗して内側へ縮まろうとするので、ダイアフラム３６及び圧縮応力膜３８は上方で凸となるように湾曲する。簡単にいえば、ダイアフラム３６が大きく縮み、圧縮応力膜３８の縮みが小さいので、ダイアフラム３６と圧縮応力膜３８は上方で凸となるように湾曲する。

圧縮応力膜３８の材料は、上基板３５に成膜可能で、かつ、圧縮応力を持たせることのできるものであればよい。例えば、ＳｉＯ_２、ＳｉＮ、ポリシリコンその他の半導体、あるいはＴｉその他の金属材料、あるいはポリイミドその他の高分子材料を用いて、圧縮応力膜３８を作製することができる。また、硬質の荷重付加部材（たとえばタッチペン）で圧縮応力膜３８が押される場合には、ポリイミドのような弾性体によって圧縮応力膜３８を形成してあれば、圧縮応力膜３８によってダイアフラム３６を保護できる。

なお、ダイアフラム３６の上面に設けるものは圧縮応力膜３８であれば効果が得られるので、圧縮応力膜３８における圧縮応力の強さは問わない。

（実施形態１の変形例）
図６は、本発明の実施形態１の変形例を示す平面図である。ダイアフラム３６に設ける圧縮応力膜３８は、この変形例のように多角形状、たとえば矩形状や六角形状であってもよい。特に、圧縮応力膜３８は、中心の回りに回転対称な正多角形状であることが望ましい。

また、図７は、本発明の実施形態１の別な変形例を示す平面図である。この変形例では、ダイアフラム３６の上面に、放射状の圧縮応力膜３８を設けている。特に、圧縮応力膜３８は、中心の回りに回転対称な放射状であることが望ましい。円板状の圧縮応力膜３８であると、圧縮応力膜３８の弾性率が大きい場合、圧縮応力膜３８が押さえられると圧縮応力膜３８の縁でダイアフラム３６が半径方向で急に曲がる恐れがある。これに対し、この変形例のように放射状の圧縮応力膜３８を形成しておけば、圧縮応力膜３８が放射状になっている部分では、ダイアフラム３６の中心から外周側に向かうに従って圧縮応力膜３８の面積比率（ダイアフラム３６の中心の回りの輪帯状の領域における圧縮応力膜３８の面積比率）が次第に小さくなる。その結果、ダイアフラム３６に加わる圧縮力を中心から外周側へ向けて滑らかに減少することになり、ダイアフラム３６が滑らかに変形し、圧力センサ３１の特性が安定する。

（実施形態２）
図８（Ａ）は、本発明の実施形態２による静電容量型の圧力センサ５１を示す平面図である。図８（Ｂ）は、圧力センサ５１の断面図である。この実施形態では、ダイアフラム３６の下面の少なくとも一部に引張応力膜５２を形成している。その他の部分については、実施形態１と同様であるので、実施形態と同じ部分には実施形態１と同じ符号を付すことによって説明を省略する（以下、同様）。

実施形態２の圧力センサ５１では、ダイアフラム３６の下面に引張応力膜５２を形成している。引張応力膜５２の内部には引張応力が残留しているので、引張応力膜５２は引張応力に抗して自ら膜方向に縮もうとし、同時にダイアフラム３６も縮めようとする。ダイアフラム３６の下面は引張応力膜５２によって縮められるので、内部には圧縮応力が生じている。従って、引張応力膜５２は膜方向に縮もうとし、ダイアフラム３６は引張応力膜５２からの縮めようとする力に抗して広がろうとする。その結果、ダイアフラム３６及び引張応力膜５２は、初期状態において上方へ凸となるように変形する。

また、ダイアフラム３６の下面に引張応力膜５２を設けるようにすれば、引張応力膜５２をリセス３４内に閉じ込められるので、引張応力膜５２が湿度やガス（特に腐食性のガス）から保護される。よって、ダイアフラム３６と引張応力膜５２の応力状態を安定させつつダイアフラム３６の座屈変形などを防ぐことができる。

（実施形態３）
図９（Ａ）は、本発明の実施形態３による静電容量型の圧力センサ６１を示す平面図である。図９（Ｂ）は、圧力センサ６１の断面図である。この実施形態では、ダイアフラム３６の下面に接合している誘電体膜３３の少なくとも一部が引張応力を有している。誘電体膜３３は、ダイアフラム３６の下面に接合している薄膜部分６２だけが引張応力を有していてもよいが、製造工程を考慮すれば誘電体膜３３の全体が引張応力を有していてもよい。このような実施形態でも、実施形態２と同じ作用により、初期状態でダイアフラム３６が上方へ凸となるように変形する。さらに、この実施形態では、圧縮応力膜３８や引張応力膜５２を設ける必要がないので、圧力センサの製造工程が簡略化され、製造コストが安価になる。

誘電体膜３３に引張応力を付与するためには、ＭＥＭＳ技術により誘電体膜３３を成膜する場合であれば、成膜温度やＲＦパワーを管理することにより誘電体膜３３の成膜後における応力状態を制御することができる。例えば、上基板３５の下面を上に向けた状態で、プラズマＴＥＯＳ法により上基板３５の下面に誘電体膜３３を形成する場合、ＲＦパワーを変化させることで誘電体膜３３内に生じる応力を制御することができる。プラズマＴＥＯＳ法では、ＣＶＤ装置によりＴＥＯＳ（テトラエチルオルソシリケイト：Ｓｉ（ＯＣ_２Ｈ_５）_４）を上基板３５の下面（上向きの面）に蒸着させる。このときＴＥＯＳは、次の化学式のように分解し、ＳｉＯ_２膜となる。その結果、上基板３５の下面にＳｉＯ_２からなる誘電体膜３３が形成される。
Ｓｉ（ＯＣ_２Ｈ_５）_４ → ＳｉＯ_２＋副生成物

図１０（Ａ）は、ある条件下でＲＦパワーを変化させてプラズマＴＥＯＳ法によりＳｉＯ_２膜（誘電体膜）を成膜し、ＲＦパワーとＳｉＯ_２膜に生じた応力を実測した結果を示す。図１０（Ａ）に示すように、ＴＥＯＳを用いてＳｉＯ_２膜を成膜するとき、ＲＦパワーが小さい場合には、ＳｉＯ_２膜には引張応力が生じる。その結果、誘電体膜３３（ＳｉＯ_２膜）を形成された上基板３５は、図１０（Ｂ）のように上基板側で凸となるように初期変形する。また、ＲＦパワーを徐々に大きくすると、それに伴ってＳｉＯ_２膜の引張応力は次第に小さくなり、内部応力ゼロの状態を超えて圧縮応力となり、圧縮応力が次第に大きくなっていく。その結果、ＲＦパワーが大きい場合には、誘電体膜３３を形成された上基板３５は、図１０（Ｃ）のように誘電体膜側で凸となるように初期変形する。従って、パワーＴＥＯＳ法によって誘電体膜３３を上基板３５に成膜するにあたり、小さなＲＦパワーで誘電体膜３３を成膜するようにすれば、引張応力を持った状態での成膜することが可能となる。

なお、実施形態２、３においても、実施形態１と同様な変形例や技術説明が適用されることはいうまでもない。

（実施形態４）
図１１（Ａ）は、本発明の実施形態４による圧力検知器７１を示す一部分解した斜視図である。図１１（Ｂ）は、圧力検知器７１の断面図である。圧力検知器７１では、本発明に係る圧力センサ７２がセラミック製の容器状をしたケーシング７３内に納められている。圧力センサ７２は、Ａｕなどのボンディング層７４によってケーシング７３の底面に固定されている。ケーシング７３には上下に貫通したスルーホール電極７５ａが設けられており、スルーホール電極７５ａの上端はボンディング層７４につながっている。ボンディング層７４が圧力センサ７２の固定電極に導通しているので、圧力センサ７２の固定電極は、スルーホール電極７５ａを通してケーシング７３の下面まで引き出されている。圧力センサ７２の固定位置の近傍において、ケーシング７３の底面には一段高くなった段部７６が設けられている。段部７６には上下に貫通したスルーホール電極７５ｂが設けられており、圧力センサ７２の電極パッド３９ａとスルーホール電極７５ｂの上面との間は、ボンディングワイヤ７７によって接続されている。従って、ダイアフラムは、スルーホール電極７５ｂを通してケーシング７３の下面まで引き出されている。ケーシング７３の上面はリッド７８によって覆われており、圧力センサ７２のダイアフラム部分はリッド７８の開口７９から露出している。

このような圧力検知器７１は、圧力センサ７２のダイアフラムに加わった荷重又は圧力を検出する用途に用いることができる。たとえば、筆圧検知用の圧力検知器７１として用いることができる。

（実施形態５）
図１２は、本発明の実施形態５によるプレート型の入力装置８１、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８１は、本発明に係る圧力センサと同様な構造を有する多数のセンサ部８２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、各センサ部８２は電気的に独立しており、各センサ部８２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８１によれば、タッチパネルのように指などで押圧された点を検出できるとともに、各点の押圧強さも検出することができる。

３１、５１、６１ 圧力センサ
３２ 固定電極基板
３３ 誘電体膜
３４ リセス
３５ 上基板
３６ ダイアフラム
３８ 圧縮応力膜
５２ 引張応力膜
６２ 薄膜部分
７１ 圧力検知器
７２ 圧力センサ

Claims (13)

1. 固定電極基板と、
   上面又は下面の一方に凹部を有し、前記固定電極基板の上面を覆う誘電体膜と、
   前記誘電体膜の上に設けた上基板と、
   前記上基板のうち前記凹部と対向する領域により形成された、弾性変形可能なダイアフラムと、
   前記ダイアフラムの上面の少なくとも一部に形成された圧縮応力膜と、
   を有することを特徴とする静電容量型圧力センサ。
2. 前記固定電極基板の上面に垂直な方向から見たとき、前記圧縮応力膜の中心が、前記ダイアフラムの中心に重なっていることを特徴とする、請求項１に記載の静電容量型圧力センサ。
3. 前記圧縮応力膜の面積が、前記ダイアフラムの面積よりも小さいことを特徴とする、請求項１に記載の静電容量型圧力センサ。
4. 前記圧縮応力膜が、前記ダイアフラムと相似な形状を有し、前記ダイアフラムの１／２以下の縮尺となっていることを特徴とする、請求項１に記載の静電容量型圧力センサ。
5. 前記固定電極基板の上面に垂直な方向から見たとき、前記凹部が円形で、前記圧縮応力膜も円形であることを特徴とする、請求項１に記載の静電容量型圧力センサ。
6. 前記固定電極基板の上面に垂直な方向から見たとき、前記圧縮応力膜が、その中心の回りに回転対称な形状を有することを特徴とする、請求項１に記載の静電容量型圧力センサ。
7. 前記固定電極基板の上面に垂直な方向から見たとき、前記圧縮応力膜が多角形状であることを特徴とする、請求項１に記載の静電容量型圧力センサ。
8. 前記固定電極基板の上面に垂直な方向から見たとき、前記圧縮応力膜が放射状であることを特徴とする、請求項１に記載の静電容量型圧力センサ。
9. 前記圧縮応力膜は、弾性体によって形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の静電容量型圧力センサ。
10. 固定電極基板と、
    上面又は下面の一方に凹部を有し、前記固定電極基板の上面を覆う誘電体膜と、
    前記誘電体膜の上に設けた上基板と、
    前記上基板のうち前記凹部と対向する領域により形成された、弾性変形可能なダイアフラムと、
    前記ダイアフラムの下面の少なくとも一部に形成された引張応力膜と、
    を有することを特徴とする静電容量型圧力センサ。
11. 固定電極基板と、
    下面に凹部を有し、前記固定電極基板の上面を覆う誘電体膜と、
    前記誘電体膜の上に設けた上基板と、
    前記上基板のうち前記凹部と対向する領域により形成された、弾性変形可能なダイアフラムとを有し、
    前記ダイアフラムの下面に接合している前記誘電体膜の少なくとも一部が、引張応力を有していることを特徴とする静電容量型圧力センサ。
12. 請求項１、１０又は１１に記載した静電容量型圧力センサをケーシングに納めた圧力検出器。
13. 請求項１、１０又は１１に記載した静電容量型圧力センサを搭載した入力装置。

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