JP6311341B2 - Capacitance type pressure sensor and input device - Google Patents
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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。 The present invention relates to a capacitive pressure sensor and an input device. In particular, the present invention relates to a capacitive pressure sensor in a touch mode in which a diaphragm bent by pressure contacts a facing surface 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。 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 this pressure sensor is a micro device manufactured by MEMS technology using a glass substrate or a silicon substrate, if a large pressure is applied to the diaphragm, the diaphragm may be greatly bent and damaged.
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。 Therefore, a dielectric film is provided on the surface of the fixed electrode, and the diaphragm bent by pressure is brought into contact with the dielectric film so that the capacitance between the diaphragm and the fixed electrode changes due to the change in the contact area. A pressure sensor has been proposed. Such a pressure sensor may be referred to as a touch mode capacitive pressure sensor.
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。 In the capacitance type pressure sensor, it is a very important issue to stabilize the shape of the diaphragm which is the pressure receiving portion. The pressure sensor measures the change in capacitance caused by the deformation of the diaphragm due to external pressure, whereas when the diaphragm deforms unexpectedly due to causes other than external pressure, such as buckling or fatigue, The output characteristics of the pressure sensor change due to the deformation of the diaphragm. As a result, the sensitivity of the pressure sensor deteriorates or malfunction of the pressure sensor occurs. Therefore, stabilizing the shape of the diaphragm is an important issue in the pressure sensor.
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。
1A, 1B, and 1C are schematic diagrams illustrating initial deformation due to buckling or fatigue of the diaphragm. In the
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。
In the
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。
In order to solve such a problem, in the pressure sensor disclosed in
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。
However, the method using a multilayer film as in
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。 An object of the present invention is to provide a capacitive pressure sensor in which initial deformation of the diaphragm is unlikely to occur.
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し、前記圧縮応力膜は、前記固定電極基板の上面に垂直な方向から見たとき、その中心の回りで回転対称な放射状に形成されており、前記圧縮応力膜の放射状に伸びた枝は、中心側の端部の幅よりも先端側の端部の幅が狭くなっていることを特徴とする。
また、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、前記枝の幅が、前記圧縮応力膜の中心から離れるにしたがって徐々に狭くなっていることを特徴とする。
A first capacitive pressure sensor according to the present invention includes a fixed electrode substrate, a dielectric film having a recess on one of the upper surface and the lower surface, and covering the upper surface of the fixed electrode substrate, and an upper surface of the dielectric film. possess a substrate on which is provided, the upper formed by the recessed portion facing the region of the substrate, an elastically deformable diaphragm, a compression stress layer formed on at least a portion of the upper surface of the diaphragm, When the compressive stress film is viewed from a direction perpendicular to the top surface of the fixed electrode substrate, the compressive stress film is formed in a radially symmetrical manner around its center, and the radially extending branches of the compressive stress film are formed on the center side. The width of the end portion on the front end side is narrower than the width of the end portion .
An embodiment of the first capacitive pressure sensor according to the present invention is characterized in that the width of the branch is gradually narrowed away from the center of the compressive stress film.
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。さらに、本発明に係る第1の静電容量型圧力センサ及び上記実施形態では、先端側で幅の狭い回転対称な放射状の圧縮応力膜を設けているので、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とともに、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。 In the first capacitive pressure sensor according to the present invention, the compressive stress film is formed on at least a part of the upper surface of the diaphragm. Therefore, even if the diaphragm is deformed due to buckling or fatigue, the compressive stress film is used. This corrects the shape of the diaphragm. Therefore, the shape of the diaphragm can be maintained in a desired shape, and the output characteristics of the pressure sensor can be maintained. Further, since the compressive stress film is formed on the upper surface of the diaphragm, the strength of the diaphragm is increased. Furthermore, in the first capacitive pressure sensor according to the present invention and the above-described embodiment, the rotationally symmetrical radial compressive stress film having a narrow width on the tip side is provided, so that the diaphragm is deformed almost uniformly in each direction. In addition, since the area ratio of the compressive stress film gradually decreases according to the radial distance measured from the center of the diaphragm, the initial deformation of the diaphragm and the deformation when subjected to pressure become smooth.
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。 In another embodiment of the first capacitive pressure sensor according to the present invention, when viewed from a direction perpendicular to the upper surface of the fixed electrode substrate, the center of the compressive stress film overlaps the center of the diaphragm. It is characterized by being. According to such an embodiment, since the compressive stress film is formed in the middle of the diaphragm, the diaphragm is less likely to deform unevenly depending on the direction.
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。 Yet another embodiment of the first capacitive pressure sensor according to the present invention is characterized in that an area of the compressive stress film is smaller than an area of the diaphragm. In such an embodiment, since the compressive stress film is not formed on the outer peripheral portion of the diaphragm, the elastic deformation of the diaphragm due to the pressure is hardly hindered, and the sensitivity of the pressure sensor is improved.
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。 Still another embodiment of the first capacitive pressure sensor according to the present invention is such that, when viewed from a direction perpendicular to the upper surface of the fixed electrode substrate, the concave portion is circular and the compressive stress film is also circular. It is characterized by that. According to this embodiment, the diaphragm can be uniformly deformed in each direction.
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。 Yet another embodiment of the first capacitive pressure sensor according to the present invention is characterized in that the compressive stress film is formed of an elastic body. According to this embodiment, the diaphragm can be protected by the compressive stress film when the diaphragm is pushed with a pen tip or the like.
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し、前記引張応力膜は、前記固定電極基板の上面に垂直な方向から見たとき、その中心の回りで回転対称な放射状に形成されており、前記引張応力膜の放射状に伸びた枝は、中心側の端部の幅よりも先端側の端部の幅が狭くなっていることを特徴とする。 A second capacitive pressure sensor according to the present invention includes a fixed electrode substrate, a dielectric film having a recess on one of the upper surface and the lower surface, and covering the upper surface of the fixed electrode substrate, and the upper surface of the dielectric film. An upper substrate provided on the upper substrate, an elastically deformable diaphragm formed by a region of the upper substrate facing the recess, and a tensile stress film formed on at least a part of the lower surface of the diaphragm, When viewed from a direction perpendicular to the upper surface of the fixed electrode substrate, the tensile stress film is formed in a radially symmetrical manner around its center, and the radially extending branches of the tensile stress film are formed on the center side. The width of the end portion on the front end side is narrower than the width of the end portion.
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。さらに、本発明に係る第2の静電容量型圧力センサでは、先端側で幅の狭い回転対称な放射状の圧縮応力膜を設けているので、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とともに、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。 In the second capacitive pressure sensor according to the present invention, since the tensile stress film is formed on at least a part of the lower surface of the diaphragm, the tensile stress film even if the diaphragm is deformed due to buckling or fatigue. This corrects the shape of the diaphragm. Therefore, the shape of the diaphragm can be maintained in a desired shape, and the output characteristics of the pressure sensor can be maintained. Further, since the tensile stress film is formed on the lower surface of the diaphragm, the strength of the diaphragm is increased. Further, in the second capacitive pressure sensor according to the present invention, the rotationally symmetrical radial compressive stress film having a narrow width on the tip side is provided, so that the diaphragm can be deformed almost uniformly in each direction. At the same time, the area ratio of the compressive stress film gradually decreases according to the radial distance measured from the center of the diaphragm, so that the initial deformation of the diaphragm and the deformation when subjected to pressure become smooth.
本発明に係る第1、第2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。 Each of the first and second capacitive pressure sensors according to the present invention can be used for a pressure detector or an input device.
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。 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. . In particular, an embodiment similar to the first capacitive pressure sensor is possible for the second and third capacitive pressure sensors.
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)
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。
(Embodiment 1)
Hereinafter, the structure of the
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SiO2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。
In the
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。
On the upper surface of the
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。
Although not shown, the fixed
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。
A
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。
The
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。
When a load W is applied to the
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。
According to the load-capacitance characteristics of FIG. 4, the change in the capacitance C is very small in the non-contact region where the
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。
In such a
C = Co + εo · εr · (S / d) (Formula 1)
Here, Co is a capacitance in a non-contact region.
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。
In the
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。
Further, since the
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。
The
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。
The
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。
The
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。
In particular, it is desirable that the
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。
The
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、SiO2、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。
The material of the
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。
In addition, since what is provided in the upper surface of the
(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。
(Modification of Embodiment 1)
FIG. 6 is a plan view showing a modification of the first embodiment of the present invention. The
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。
FIG. 7 is a plan view showing another modification of the first embodiment of the present invention. In this modification, a radial
(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)。
(Embodiment 2)
FIG. 8A is a plan view showing a
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。
In the
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。
If the
(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。
(Embodiment 3)
FIG. 9A is a plan view showing a
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(OC2H5)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、SiO2膜となる。その結果、上基板35の下面にSiO2からなる誘電体膜33が形成される。
Si(OC2H5)4 → SiO2+副生成物
In order to apply tensile stress to the
Si (OC 2 H 5 ) 4 → SiO 2 + by-product
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SiO2膜(誘電体膜)を成膜し、RFパワーとSiO2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SiO2膜を成膜するとき、RFパワーが小さい場合には、SiO2膜には引張応力が生じる。その結果、誘電体膜33(SiO2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SiO2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。
FIG. 10A shows the results of actual measurement of the RF power and the stress generated in the SiO 2 film by changing the RF power under a certain condition to form a SiO 2 film (dielectric film) by the plasma TEOS method. . As shown in FIG. 10A, when the SiO 2 film is formed using TEOS, tensile stress is generated in the SiO 2 film when the RF power is low. As a result, the
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。 Needless to say, in the second and third embodiments, the same modifications and technical descriptions as those in the first embodiment are applied.
(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。
(Embodiment 4)
FIG. 11A is a partially exploded perspective view showing a
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。
Such a
(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。
(Embodiment 5)
FIG. 12 is a cross-sectional view showing the structure of a plate-
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
31, 51, 61
Claims (9)
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、
を有し、
前記圧縮応力膜は、前記固定電極基板の上面に垂直な方向から見たとき、その中心の回りで回転対称な放射状に形成されており、
前記圧縮応力膜の放射状に伸びた枝は、中心側の端部の幅よりも先端側の端部の幅が狭くなっていることを特徴とする静電容量型圧力センサ。 A fixed electrode substrate;
A dielectric film having a recess on one of the upper surface and the lower surface, and covering the upper surface of the fixed electrode substrate;
An upper substrate provided on the dielectric film;
An elastically deformable diaphragm formed by a region of the upper substrate facing the recess;
A compressive stress film formed on at least a part of the upper surface of the diaphragm;
Have
The compressive stress film is formed radially in a rotationally symmetrical manner when viewed from a direction perpendicular to the upper surface of the fixed electrode substrate,
The capacitance type pressure sensor according to claim 1, wherein the radially extending branches of the compressive stress film have a width at the end on the tip side that is narrower than a width at the end on the center side.
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、
を有し、
前記引張応力膜は、前記固定電極基板の上面に垂直な方向から見たとき、その中心の回りで回転対称な放射状に形成されており、
前記引張応力膜の放射状に伸びた枝は、中心側の端部の幅よりも先端側の端部の幅が狭くなっていることを特徴とする静電容量型圧力センサ。 A fixed electrode substrate;
A dielectric film having a recess on one of the upper surface and the lower surface, and covering the upper surface of the fixed electrode substrate;
An upper substrate provided on the dielectric film;
An elastically deformable diaphragm formed by a region of the upper substrate facing the recess;
A tensile stress film formed on at least a part of the lower surface of the diaphragm;
Have
The tensile stress film is formed radially in a rotationally symmetric manner around its center when viewed from a direction perpendicular to the upper surface of the fixed electrode substrate.
The capacitance-type pressure sensor according to claim 1, wherein the radially extending branches of the tensile stress film have a width at the end on the tip side that is narrower than a width at the end on the center side.
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