JP2019090731A - 静電容量式圧力センサ - Google Patents
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Abstract
Description
センサが知られている。静電容量式圧力センサは、可動電極を有するフレキシブル基板と、固定電極を有する硬質基板とを備えている。可動電極と固定電極との間には、ギャップに応じた静電容量が発生する。静電容量式圧力センサに圧力が印加されることにより、フレキシブル基板が撓み、可動電極と固定電極との間のギャップが変化することで、静電容量の変化を検出する。静電容量の変化に応じた圧力が検出される。静電容量式半導体物理量センサが提案されている(特許文献1参照)。
グ率と同一であり又はフレキシブル基板のヤング率よりも小さくてもよく、フレキシブル基板のヤング率が、硬質基板のヤング率よりも小さくてもよい。これにより、静電容量式圧力センサに圧力が印加された際におけるフレキシブル基板の変形が阻害されず、静電容量式圧力センサに印加された圧力を高い精度で測定することができる。
図1は実施形態に係る圧力センサの一例を示す図である。図1は圧力センサ100の断面図の一例である。圧力センサ100は、静電容量式圧力センサの一例である。圧力センサ100は、シート基板11および可動電極12を含み、可撓性を有する可動部10と、基板部21、固定電極22および固定基板側メッキ部24を含み、可動部10との間に中空部13を介して可動部10に対向配置された固定基板部20とを備える。固定電極22は、可動電極12に対向して配置されている。可動部10は、フレキシブル基板の一例である。可動電極12は、第1の電極の一例である。固定基板部20は、硬質基板の一例である。固定電極22は、第2の電極の一例である。また、圧力センサ100は、可動部10と固定基板部20との間であって、中空部13を囲むように設けられた固定基板側メッキ部24を備える。更に、圧力センサ100は、固定基板側メッキ部24の周囲であって、可動部10と固定基板部20との間に設けられた補強樹脂30を備える。補強樹脂30は、可動部10と固定基板部20とを接着するが、可動部10の変形を阻害しない部材であり、可動部10および固定基板部20よりも剛性が小さい。固定基板側メッキ部24は、可動部10と固定基板部20とを接合する。固定基板側メッキ部24は、接合部の一例である。圧力センサ100は、中空部13において、可動電極12が固定電極22に対して撓むことで生じる静電容量の変化を検出することにより、可動電極12における固定電極22との対向面に向けて印加される圧力を測定する。
図2および図3は実施形態に係る圧力センサの一例を示す図である。図2は圧力センサ100を平面視した図の一例であり、図3は図2のA−A線における断面図の一例である。図2では、平面視においては目視できない固定基板側メッキ部24、第1中空部18、第2中空部19、固定電極22および基板部21が点線で示されている。図2では、3つの圧力センサ100(100a、100b、100c)が例示されるとともに、コネクタ200および静電容量測定回路300も例示される。3つの圧力センサ100a、100b、100cは、シート基板11を共有する。図3を参照すると理解できるように、圧力センサ100は、可動電極12を含み可撓性を有する可動部10と固定電極22を含む固定基板部20とを備える。圧力センサ100は、可動部10の可動電極12と固定基板部20の固定電極22とが対向するように、可動部10と固定基板部20とを接合して形成される。可動電極12は、第1可動電極121および第1可動電極121と離間して設けられる第2可動電極122を含む。第1可動電極121と固定電極22との間には、第1中空部18が形成される。第1中空部18が形成されることで、シート基板11上の第1可動電極121に相当する領域に圧力が印加されたときに、可動部10は固定基板部20に向けて変形可能となる。また、第2可動電極122と固定電極22との間には、第2中空部19が形成される。図2では、第1中空部18および第2中空部19の断面形状は略円形に形成されているが、第1中空部18および第2中空部19の断面形状が略円形に限定されるわけではない。第1中空部18および第2中空部19の断面形状は、略多角形に形成されていてもよく、例えば、略四角形、略六角形、略八角形等であってもよい。以下、本明細書において、図2における第2中空部19から第1中空部18に向かう方向を右、その逆方向を左とする。また、図2において、圧力センサ100aから圧力センサ100cに向かう方向を後ろ、その逆方向を前とする。さらに、図3における可動部10から固定基板部20に向かう方向を下、その逆方向を上とする。
第1中空部18の一部を形成する箇所が設けられる。また、平面視において第2可動電極122と固定電極22とが重なる領域の一部には上述した第2中空部19を形成するための箇所が設けられる。絶縁部23において、第1中空部18の一部および第2中空部19を形成するための箇所は、絶縁部23の可動部10側の面から固定電極22側の面まで達する貫通孔として形成される。第1中空部18を平面視したときの直径は、例えば、0.6mmから1.2mmである。圧力センサ100を平面視した場合において、第2中空部19の面積は、第1中空部18の面積よりも小さい。すなわち、第2中空部19を平面視したときの直径は、第1中空部18を平面視したときの直径よりも小さい。圧力が印加されていないときにおける第1中空部18の第1可動電極121と固定電極22との間の距離dは、例えば、1μmである。絶縁部23の上側の面の一部の他、第2中空部19の内側面および底部には、固定基板側メッキ部24が設けられる。固定基板側メッキ部24は、第3メッキ部241と第4メッキ部242を含む。第3メッキ部241は、絶縁部23の上側の面において、第1中空部18の一部を形成する貫通孔の縁近傍の領域に当該領域を囲むようにして設けられる。このようにして第3メッキ部241に囲まれた部分と絶縁部23に設けられた貫通孔によって形成される空間が第1中空部である。第4メッキ部242は、絶縁部23の上側の面において、第2中空部19を形成するための貫通孔の縁近傍の領域に、当該領域を囲むようにして設けられるとともに、該貫通孔の内側面、及び該貫通孔の底部に該当する固定電極22の上面にも設けられる。即ち、第4メッキ部242は、絶縁部23の上側の面から第2可動電極122に向けて突出して形成される部分と、貫通孔の内部を覆う部分とから形成され、これらに囲まれた空間が第2中空部19となる。なお、固定基板側メッキ部24は、例えば、金メッキによって形成される。可動部側メッキ部14と固定基板側メッキ部24とが接合されることで可動部10と固定基板部20とが一体となり、圧力センサ100が形成される。また、第2メッキ部142と第4メッキ部242とが接合されることで、第2可動電極122と固定電極22とが電気的に接続される。
各々には、圧力センサ100a、100b、100cの静電容量の変動に伴う信号が信号線15を介して入力される。マルチプレクサ301、301の各々は、圧力センサ100a、100b、100cから入力された信号のうち選択されたひとつを出力する。図4において、マルチプレクサ301、301が出力する信号の選択に用いられる選択信号の図示は省略されている。コンバータ302は、マルチプレクサ301、301の各々から出力された信号はコンバータ302に入力される。コンバータ302は、例えば、マルチプレクサ301、301から入力される信号値と圧力との対応関係を記憶している。コンバータ302が管理する対応関係は、例えば、入力される信号値と圧力との対応を示すテーブルであってもよいし、入力される信号値から圧力を算出する数式であってもよい。コンバータ302は、例えば、当該対応関係にしたがって、マルチプレクサ301、301から入力された信号値を圧力を示す信号値に変換し、圧力を示す信号値を出力する。
設けられる第1可動電極121と第2可動電極122とのいずれもがシート基板11に設けられている。そのため、第1可動電極121の上方から力が印加されると、第1可動電極121が固定電極22側に撓むとともに、第2可動電極122も固定電極22側に歪む。圧力の高精度な検出のためには、第1可動電極121は、前後方向および左右方向において偏りなく固定電極22に対して撓むことが好ましい。しかしながら、第2可動電極122が固定電極22側に歪んでしまうと、第1可動電極121は当該撓みの影響を受け、固定電極22に対して偏りなく撓むことが困難となる。そこで、実施形態に係る圧力センサ100では、第4メッキ部242を平面視したときの断面形状を略円形または略多角形に形成している。このことにより、固定電極22と第2可動電極122とを一本の配線で接続する構成に比べて、圧力が印加された際の第2可動電極122部分における歪みが抑制される。これによって、第1可動電極121が固定電極22に対して撓む際に、前後方向および左右方向に偏りが生じることが抑制される。さらに、一本の配線で第2可動電極122を支える場合よりも、断面形状が略円形または略多角形に形成された第4メッキ部242は安定して第2可動電極122を支えることができる。
20の一部、第3メッキ部241の一部および第4メッキ部242の一部を覆ってもよい。複数の補強樹脂30が、可動部10の一部、固定基板部20の一部、第3メッキ部241の一部および第4メッキ部242の一部を覆ってもよい。単一の補強樹脂30が、可動部10の一部、固定基板部20の一部、第3メッキ部241の一部および第4メッキ部242の一部を覆ってもよい。複数の補強樹脂30が、可動部10の一部、固定基板部20の一部、第3メッキ部241の一部および第4メッキ部242の一部を覆ってもよい。
定基板部20の厚み(T3)は、T1≦T2<T3の順であってもよい。これにより、圧力センサ100に圧力が印加された際における可動部10の変形が阻害されず、圧力センサ100に印加された圧力を高い精度で測定することができる。
図10Aから図10Iは、圧力センサ100の製造工程の一例を示す図である。以下、図10Aから図10Iを参照して、圧力センサ100の製造工程の一例について説明する。
図10Aから図10Eは固定基板部20の製造工程の一例を示す。図10Aでは、基板部21の可動部10に対向する面上に固定電極22が形成される。続いて、図10Bでは、固定電極22を覆うように絶縁膜231が形成される。さらに、図10Bでは、絶縁膜231の可動部10に対向する面上にレジスト膜51が形成される。図10Cでは、レジスト膜51に対して所望のパターンが形成されたフォトマスクを用いてフォトレジストを行うことで、絶縁膜231上に所定パターンのレジスト膜51が形成される。図10Dでは、エッチング処理が行われ、さらにレジスト膜51が除去されることで、絶縁部23が形成される。図10Eでは、絶縁部23の可動部10に対向する面上に固定基板側メッキ部24が形成される。図10Eに例示される工程では、固定基板側メッキ部24を形成しない領域にメッキレジストが行われた上でメッキ処理を行うことで、所望の領域に固定基板側メッキ部24が形成される。なお、固定基板側メッキ部24の形成はスパッタリングにより形成してもよい。即ち、スパッタ装置にて絶縁部23の可動部10に対向する面上にメッキ層を成膜した後で、レジストを塗布してエッチングすることによって固定基板側メッキ部24のパターンを形成するのであってもよい。
図10Fおよび図10Gは可動部10の製造工程の一例を示す。図10Fでは、可撓性を有するシート基板11の固定基板部20に対向する面上に可動電極12が形成される。さらに、可動電極12の固定基板部20に対向する面に対してメッキ処理が行われることで、可動部側メッキ部14が形成される。図10Gでは、可動部側メッキ部14の固定基板部20に対向する面上において、第1可動電極121および第2可動電極122に相当する領域に対してエッチングレジストが行われた上でエッチングが行われることで、第1可動電極121および第2可動電極122が形成される。
図10Hおよび図10Iは、固定基板部20と可動部10とを接合する工程の一例を示す。図10Hでは、可動部10と固定基板部20とが接合される。接合方法には特に限定は無い。可動部10と固定基板部20とは、例えば、常温接合によって接合されてもよい。常温接合では、例えば、可動部10の可動部側メッキ部14の固定基板部20に対向する面と固定基板部20の固定基板側メッキ部24の可動部10に対向する面に対して、当該面を平滑にする処理と、当該面から不純物を除去して清浄にする処理が行われる。これらの処理が施された可動部側メッキ部14と固定基板側メッキ部24とが接触すると、可動部側メッキ部14と固定基板側メッキ部24との間で働く分子間力によって、可動部10と固定基板部20とが接合される。図10Iでは、図10Aから図10Hまでの工程によって製造された圧力センサ100をシート基板11を共有する形で3つ並べた様子を例示する。圧力センサ100は、図10Iに例示するように、シート基板11を共有して複数の圧力センサ100を並べることで、圧力検出の対象とする面積を広げることが可能である。
部側メッキ部14を成膜するのであってもよい。
図10Jは、補強樹脂30の形成工程の一例を示す。図10Jでは、補強樹脂30が、第1中空部18および第2中空部19の周囲であって、可動部10と固定基板部20との間に形成される。図10Jに例示される工程では、補強樹脂30が、可動部10の下面の一部および固定基板部20の側面に形成される。ディスペンサによって補強樹脂30を可動部10および固定基板部20に塗布してもよい。シート状の補強樹脂30を可動部10および固定基板部20に貼り付けてもよい。
10・・・可動部
11・・・シート基板
12・・・可動電極
13・・・中空部
121・・・第1可動電極
122・・・第2可動電極
14・・・可動部側メッキ部
141・・・第1メッキ部
142・・・第2メッキ部
15・・・信号線
16、16a、16b・・・GND線
18・・・第1中空部
19・・・第2中空部
20・・・固定基板部
21・・・基板部
22・・・固定電極
23・・・絶縁部
24・・・固定基板側メッキ部
241・・・第3メッキ部
242・・・第4メッキ部
30・・・補強樹脂
51・・・レジスト膜
200・・・コネクタ
231・・・絶縁膜
300・・・静電容量測定回路
301・・・マルチプレクサ
302・・・コンバータ
Claims (5)
- 第1の電極を含み、可撓性を有するフレキシブル基板と、
前記第1の電極に対向して配置される第2の電極を含み、前記フレキシブル基板との間に中空部を介して前記フレキブル基板に対向配置された硬質基板と、
前記フレキシブル基板と前記硬質基板との間であって、前記中空部を囲むように設けられ、前記フレキシブル基板と前記硬質基板とを接合する接合部と、
前記接合部の周囲であって、前記フレキシブル基板と前記硬質基板との間に設けられた補強樹脂と、
を備え、
前記中空部において、前記第1の電極が前記第2の電極に対して撓むことで生じる静電容量の変化を検出することにより、前記第1の電極における前記第2の電極との対向面に向けて印加される圧力を測定する、静電容量式圧力センサであって、
前記補強樹脂が、前記フレキシブル基板の一部、前記硬質基板の一部および前記接合部の一部を覆っている、
静電容量式圧力センサ。 - 前記補強樹脂のヤング率が、前記フレキシブル基板のヤング率と同一であり又は前記フレキシブル基板のヤング率よりも小さく、
前記フレキシブル基板のヤング率が、前記硬質基板のヤング率よりも小さい、
請求項1に記載の静電容量式圧力センサ。 - 前記補強樹脂の厚みが、前記フレキシブル基板の厚みと同一であり又は前記フレキシブル基板の厚みよりも小さく、
前記フレキシブル基板の厚みが、前記硬質基板の厚みよりも小さい、
請求項1又は2に記載の静電容量式圧力センサ。 - 前記補強樹脂が、前記硬質基板における前記フレキシブル基板との対向面の一部と、前記硬質基板の側面の少なくとも一部と、前記硬質基板における前記フレキシブル基板との対向面の反対面の少なくとも一部とを覆っている、
請求項1から3の何れか一項に記載の静電容量式圧力センサ。 - 前記フレキシブル基板は前記第1の電極を複数含んでおり、
複数の前記第1の電極に対応する複数の前記第2の電極、複数の前記硬質基板、複数の前記接合部および複数の前記補強樹脂を備える、
請求項1から4の何れか一項に記載の静電容量式圧力センサ。
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