KR101724982B1

KR101724982B1 - 정전용량형 압력 센서 및 입력 장치

Info

Publication number: KR101724982B1
Application number: KR1020157022548A
Authority: KR
Inventors: 카츠유키 이노우에; 토시아키 오쿠노
Original assignee: 오므론 가부시키가이샤
Priority date: 2013-03-08
Filing date: 2013-12-05
Publication date: 2017-04-07
Also published as: CN105008879A; JP2014173993A; CN105008879B; JP5974938B2; WO2014136337A1; KR20150108409A

Abstract

고정전극(32)의 상면에 유전체층(33)을 형성한다. 유전체층(33)의 상면을 하방을 향하여 패여지게 함에 의해, 유전체층(33)의 상면에 리세스(33a)를 형성한다. 리세스(33a)의 저면은, 유전체층(33)에 의해 덮여 있다. 리세스(33a)를 덮도록 하여 유전체층(33)의 표면에 상기판(35a)을 적층한다. 상기판(35a)의 일부, 즉 리세스(33a)의 상방에 위치하는 영역에 의해, 박막형상을 한 도전성 다이어프램(35)을 형성한다. 다이어프램(35)의 상면 중앙부에는, 돌기(39)를 마련한다.

Description

정전용량형 압력 센서 및 입력 장치{CAPACITANCE TYPE PRESSURE SENSOR AND INPUT APPARATUS}

본 발명은, 정전용량형 압력(壓力) 센서 및 입력(入力) 장치에 관한 것이다. 구체적으로는, 본 발명은, 압력으로 휘어진 다이어프램이 유전체층에 접촉하여 압력을 검지하는 터치모드의 정전용량형 압력 센서에 관한 것이다. 또한, 당해 압력 센서를 이용한 입력 장치에 관한 것이다.

일반적인 정전용량형 압력 센서에서는, 도전성의 다이어프램(가동전극)과 고정전극이 갭을 사이에 두고 대향하여 있고, 압력으로 휘어진 다이어프램과 고정전극 사이의 정전용량의 변화로부터 압력을 검출하고 있다. 이 압력 센서가, 글라스 기판이나 실리콘 기판을 이용하여 MEMS 기술로 제조되는 마이크로 디바이스인 경우에는, 다이어프램에 큰 압력이 가하여져서 크게 휘면, 다이어프램이 파괴될 우려가 있다.

그 때문에, 고정전극의 표면에 유전체층을 마련하여 두고, 압력에 의해 휘어진 다이어프램이 유전체층에 접촉하고, 그 접촉 면적의 변화에 의해 다이어프램과 고정전극 사이의 정전용량이 변화하도록 한 압력 센서가 제안되어 있다. 이 압력 센서는, 터치모드 정전용량형 압력 센서라고 불리는 것이 있다.

터치모드 정전용량형 압력 센서로서는, 예를 들면 비특허 문헌 1에 기재된 것이 있다. 도 1(A)는 비특허 문헌 1에 기재된 압력 센서(11)를 도시하는 단면도이다. 이 압력 센서(11)에서는, 글라스 기판(12)의 상면에 금속 박막으로 이루어지는 고정전극(13)을 형성하고, 고정전극(13)의 위에서 글라스 기판(12)의 상면에 유전체막(14)을 형성하고 있다. 유전체막(14)의 상면에는, 전극 패드(16)를 마련하고 있다. 유전체막(14)에는 스루홀(15)을 개구하고 있고, 스루홀(15)을 통하여 고정전극(13)에 전극 패드(16)를 접속하고 있다. 유전체막(14)의 상면에 실리콘 기판(17)을 적층하고 있다. 실리콘 기판(17)의 상면에 패임부(18)를 마련함과 함께, 실리콘 기판(17)의 하면에 리세스(19)를 마련하고, 패임부(18)와 리세스(19)의 사이에 박막형상의 다이어프램(20)을 형성하고 있다. 다이어프램(20)은, 고정전극(13)과 맞겹치는 위치에 마련하고 있다. 실리콘 기판(17)의 하면은, B(붕소)가 고농도로 도핑된 P⁺층(21)이 되어 있고, 그에 의해 다이어프램(20)에 도전성을 부여하여서 다이어프램(20)을 가동전극으로 하고 있다. 다이어프램(20)의 하면과 유전체막(14)의 상면의 사이에는, 리세스(19)에 의해 수㎜의 갭(22)이 생겨져 있다.

도 1(B)는, 압력 센서(11)의 압력과 정전용량과의 관계(압력-용량 특성)를 도시하는 도면으로, 비특허 문헌 1에 기재된 것이다. 압력 센서(11)의 다이어프램(20)에 압력이 가하여지면, 다이어프램(20)은 그 인가 압력에 응하여 휘고, 어느 압력에서 유전체막(14)에 접촉한다. 도 1(B)의 횡축에서 압력이 0부터 Pa까지의 구간(미접촉 영역)은, 다이어프램(20)이 유전체막(14)에 접촉하지 않은 영역이다. 압력이 Pa부터 Pb까지의 구간(접촉 시작 영역)은, 다이어프램(20)이 유전체막(14)에 접촉하여 나서 어느 정도의 면적으로 확실하게 접촉할 때까지의 영역이다. 압력이 Pb부터 Pc까지의 구간(동작 영역)에서는, 압력의 증가에 수반하여 다이어프램(20)이 유전체막(14)에 접촉하고 있는 부분의 면적이, 점차로 증가하고 있다. 압력이 Pc부터 Pd까지의 구간(포화 영역)은, 다이어프램(20)의 거의 전면이 유전체막(14)에 접촉하여 있고, 압력이 증가하여도 거의 접촉 면적이 증가하지 않는 영역이다.

도 1(B)의 압력-용량 특성에 의하면, 압력이 증가할 때, 다이어프램(20)이 접촉하지 않은 미접촉 영역에서는 정전용량의 변화는 작지만, 접촉 시작 영역이 되면 점차로 정전용량의 변화율(증가 속도)이 커진다. 동작 영역에서는 선형성(線形性)은 좋아지지만 정전용량의 변화율은 점차로 감소하고, 포화 영역이 되면 정전용량은 거의 증가하지 않게 된다.

이 터치모드의 압력 센서(11)에서는, 다이어프램(20)과 유전체막(14)의 사이에서의 정전용량(C)은, 다음 수식 1로 표시할 수 있다.

C=Co+ε·(S/d) … (수식 1)

단, 다이어프램(20)과 유전체막(14)과의 접촉 면적을 S, 유전체막(14)의 두께를 d, 유전체막(14)의 유전율을 ε로 나타내고 있다. Co은 미접촉 영역에서의 정전용량이다. 압력이 커질 때, 유전체막(14)의 두께(d)와 유전율(ε)은 변화하지 않고, 다이어프램(20)의 접촉 면적(S)가 증대하기 때문에, 수식 1에 의하면, 이 때 압력 센서(11)의 정전용량(C)이 증가함을 알 수 있다..

그러나, 압력 센서(11)는, 이하와 같은 문제를 갖고 있다. 압력 센서(11)에서는, 다이어프램(20)을 누르는 가압체(押壓體)의 선단(先端) 형상 등에 의해 다이어프램(20)이 유전체막(14)에 접촉 시작할 때의 면적이 다르다. 그 결과, 압력-용량 특성의 시작(立ち上がり) 부분(접촉 시작 영역과 동작 영역 중 Pb에 가까운 영역)에 있어서 특성(이하, 시작(立ち上がり)특성이라고 한다)이 가압체(23)의 선단 형상에 따라 변화한다. 예를 들면, 도 2(A)에 도시하는 바와 같이, 선단면이 작은 가압체(23)로 다이어프램(20)을 가압한 경우에는, 다이어프램(20)이 유전체막(14)에 접촉 시작할 때의 접촉 면적이 작다. 이에 대해, 도 2(B)에 도시하는 바와 같이, 선단면이 큰 가압체(23)로 다이어프램(20)을 가압한 경우에는, 같은 가압력(P)이라도, 다이어프램(20)이 유전체막(14)에 접촉 시작할 때의 접촉 면적이 커진다. 이 결과, 압력-용량 특성의 시작특성이 가압체(23)의 형상이나 크기에 의해 변화하고, 압력 센서(11)의 저압력(低壓力) 영역에서의 측정 정밀도를 얻을 수가 없다는 문제가 있다.

다음에, 도 2(C)에 도시하는 바와 같이, 다이어프램(20)이 그 중앙부에서 벗어난 위치에서 가압체(23)에 의해 가압된 경우에는, 같은 압력(P)이라도 도 2(A)와 같이 중앙부가 눌러진 경우와 정전용량이 다른 일이 있다. 그 때문에, 다이어프램(20)의 눌러지는 위치에 따라 압력 센서(11)의 측정치가 변화하여, 가압 위치의 편차가 압력 센서(11)의 측정 정밀도 저하의 원인이 된다.

비특허 문헌 1 : 야마모토사토시, 외 4명, 「터치모드 용량형 압력 센서」, 후지쿠라기보, 주식회사 후지쿠라, 2001년 10월, 제101호, p. 71-74

본 발명은, 상기한 바와 같은 기술적 배경을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 바는, 가압체의 크기 또는 형상 또는 가압 위치에 의한 영향을 저감하고, 측정 정밀도를 향상시킬 수 있는 터치모드의 정전용량형 압력 센서를 제공하는 것에 있다.

본 발명에 관한 정전용량형 압력 센서는, 고정전극과, 상기 고정전극의 상방에 형성된 유전체층과, 상기 유전체층의 상방에 공극을 사이에 두고 형성된 도전성의 다이어프램과, 상기 다이어프램의 상면에 마련한, 1개 또는 복수개의 돌기를 구비한 것을 특징으로 하고 있다.

본 발명의 정전용량형 압력 센서는, 다이어프램의 상면에 돌기를 갖고 있기 때문에, 가압체로 다이어프램을 누르면 돌기를 통하여 다이어프램이 유전체층에 꽉 눌린다. 따라서 인가되는 압력이 작은 때에는, 가압체의 크기나 형상에 의하지 않고 다이어프램은 압력에 응하여 일정한 형상으로 변형한다. 그 때문에, 압력 센서의 시작특성의 편차가 작아지고, 압력 센서의 출력 특성이 향상한다. 또한, 가압체로 누르는 위치가 다소 어긋나 있는 경우에도, 다이어프램의 일정 위치에 마련된 돌기를 통하여 다이어프램이 눌려지기 때문에, 가압 위치의 어긋남에 의한 출력의 편차를 작게 할 수 있고, 특히 시작특성을 향상시킬 수 있다.

이 돌기는, 상기 다이어프램의 표면을 보호막으로 덮고 있는 경우에는, 상기 보호막과 동일 재료에 의해 형성하여도 좋다. 보호막과 돌기를 동일 재료로 함에 의해, 보호막과 돌기를 1공정으로 제작하는 것이 가능해지기 때문에, 제조 공정이 간략하게 된다. 또한, 상기 돌기는, 상기 다이어프램과 동일 재료에 의해 상기 다이어프램과 일체로 형성하고 있어도 좋다. 이 경우는, 다이어프램에 가공함에 의해 돌기를 형성할 수 있다.

본 발명에 관한 정전용량형 압력 센서의 어느 실시 양태는, 상기 돌기를, 상기 다이어프램의 상면 중앙부에 마련한 것을 특징으로 하고 있다. 이러한 실시 양태에 의하면, 돌기를 다이어프램의 중앙부에 마련하고 있기 때문에, 가압력에 의해 다이어프램이 균등하게 변형하고, 다이어프램에 소성(塑性) 변형이 생기기 어려워진다.

본 발명에 관한 정전용량형 압력 센서의 다른 실시 양태는, 상기 돌기의 높이가, 상기 공극의 높이 이하인 것을 특징으로 하고 있다. 돌기의 높이를 공극의 높이 이하로 하고 있으면, 다이어프램을 눌렀을 때에 가압체가 돌기에 의해 방해되기 어려워진다. 그 결과, 압력 센서의 출력의 선형성이 향상한다.

본 발명에 관한 정전용량형 압력 센서의 또 다른 실시 양태는, 상기 돌기의 폭이, 상기 다이어프램의 폭의 0.2배 이하인 것을 특징으로 하고 있다. 또한, 이러한 실시 양태에서는, 상기 돌기의 폭이, 상기 다이어프램의 폭의 0.15배 이하인 것이 보다 바람직하다. 이러한 실시 양태에 의하면, 돌기를 마련한 압력 센서의 출력 특성이 양호하게 된다.

본 발명에 관한 정전용량형 압력 센서의 또 다른 실시 양태는, 상기 다이어프램에 수직한 방향에서 보아, 서로 직교하는 2개의 가상의 직선에 관해 각각 대칭의 위치에 통기로(通氣路)를 마련한 것을 특징으로 하고 있다. 이러한 실시 양태에 의하면, 다이어프램이 눌러진 때에 다이어프램에 균등한 응력이 발생하고, 국소적으로 큰 응력이 발생하고 다이어프램에 소성 변형이 생기는 것을 막을 수 있다. 또한, 이러한 실시 양태에서는, 상기 통기로가, 굴곡 또는 만곡하고 있어도 좋다. 통기로를 굴곡 또는 만곡시켜 두면, 통기로로부터 센서 내부에 이물이 침입하기 어려워진다.

본 발명에 관한 입력 장치는, 본 발명에 관한 정전용량형 압력 센서를 복수개 배열시킨 것을 특징으로 하고 있다. 이러한 입력 장치에 의하면, 가압체의 크기나 가압 위치의 어긋남 등의 영향을 작게 하고, 가압 위치나 가압력을 정밀도 좋게 검출 가능해진다.

또한, 본 발명에서의 상기 과제를 해결하기 위한 수단은, 이상 설명한 구성 요소를 적절히 조합한 특징을 갖는 것이고, 본 발명은 이러한 구성 요소의 조합에 의한 많은 베리에이션을 가능하게 하는 것이다.

도 1(A)는, 종래례에 의한 압력 센서를 도시하는 개략 단면도. 도 1(B)는, 도 1(A)에 도시하는 종래례의 압력 센서에서의 압력과 정전용량의 관계를 도시하는 도면.
도 2(A)는, 작은 가압체로 눌러진 다이어프램이 유전체층에 접촉 시작한 상태를 도시하는 개략도. 도 2(B)는, 큰 가압체로 눌러진 다이어프램이 유전체층에 접촉 시작한 상태를 도시하는 개략도. 도 2(C)는, 중앙부에서 벗어난 위치에서 다이어프램이 가압된 상태를 도시하는 개략도.
도 3은, 본 발명의 실시 양태 1에 의한 압력 센서를 도시하는 평면도.
도 4는, 도 3에 도시하는 압력 센서의 단면도.
도 5(A)는, 도 3에 도시하는 압력 센서의 다이어프램을 작은 가압체로 눌렀을 때의 상태를 도시하는 개략도. 도 5(B)는, 도 3에 도시하는 압력 센서의 다이어프램을 큰 가압체로 눌렀을 때의 상태를 도시하는 개략도.
도 6(A)는, 도 3에 도시하는 압력 센서의 다이어프램의 중앙을 가압체로 눌렀을 때의 상태를 도시하는 개략도. 도 6(B)는, 도 3에 도시하는 압력 센서의 다이어프램의 중앙에서 벗어난 위치를 가압체로 눌렀을 때의 상태를 도시하는 개략도.
도 7(A)는, 큰 하중을 가하여 도 3에 도시하는 압력 센서의 다이어프램을 눌렀을 때의 상태를 도시하는 개략도. 도 7(B)는, 돌기의 높이가 에어 갭의 높이보다도 큰 경우를 도시하는 비교례의 개략도.
도 8은, 돌기의 높이가 다른 복수의 샘플(돌기 없는 것을 포함한다)에 관해 돌기에 가한 가중(加重)과 정전용량의 변화량과의 관계를 시뮬레이션에 의해 구한 결과를 도시하는 도면.
도 9는, 돌기경이 다른 복수의 샘플(돌기 없는 것을 포함한다)에 관해 돌기에 가한 가중과 정전용량의 변화량과의 관계를 시뮬레이션에 의해 구한 결과를 도시하는 도면.
도 10(A), 도 10(B) 및 도 10(C)는, 모두 벤트 라인의 배치를 도시하는 도면.
도 11은, 본 발명의 실시 양태 1의 변형례에 의한, 다른 형상의 상면 전극을 갖는 압력 센서를 도시하는 평면도.
도 12는, 본 발명의 실시 양태 1의 다른 변형례에 의한 압력 센서의 평면도.
도 13은, 본 발명의 실시 양태 2에 의한 입력 장치의 단면도.

이하, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 알맞는 실시 형태를 설명한다. 단, 본 발명은 이하의 실시 형태로 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 여러가지 설계 변경할 수 있다.

(실시 형태 1)

도 3 및 도 4를 참조하여 본 발명의 실시 형태 1에 의한 압력 센서(31)의 구조를 설명한다. 도 3은 압력 센서(31)의 평면도, 도 4는 압력 센서(31)의 단면도이다.

압력 센서(31)에서는, 저저항 실리콘 기판이나 금속막 등의 도전성 재료로 이루어지는 고정전극(32)의 위에 유전체층(33)을 형성하고 있다. 유전체층(33)은, SiO₂(열산화막), SiN, TEOS 등의 유전체 재료로 이루어진다. 유전체층(33)의 상면에는, 리세스(33a)(오목부)를 요설(凹設)하고 있다. 유전체층(33)의 위에는, 저저항 실리콘 기판 등의 도전성 재료로 이루어지는, 박막형상의 상기판(上基板)(35a)을 형성하고 있다. 상기판(35a)은, 리세스(33a)의 상면을 덮고 있고, 리세스(33a)에 의해 상기판(35a)의 하면과 유전체층(33)의 리세스 저면과의 사이에 에어 갭(34)(공극)을 형성하고 있다. 이리하여 상기판(35a)의, 에어 갭(34)의 상방에서 수평으로 펴진 영역에 의해, 감압용의 다이어프램(35)을 형성하고 있다. 유전체층(33)에는, 에어 갭(34)과 외부와의 사이의 통기성을 확보하기 위해 벤트 라인(36)(통기로)을 형성하고 있다. 벤트 라인(36)은, 폭이 30㎜ 정도의 가는 홈이고, 티끌이나 먼지 등의 이물이 에어 갭(34) 내에 침입하기 어렵도록 굴곡 또는 사행(蛇行)하고 있다(도 10 참조).

상기판(35a)의 상면에는, 다이어프램(35)을 둘러싸도록 하여, 금속재료에 의한 환상(環狀)의 상면 전극(37)을 마련하고 있다. 상기판(35a)의 코너부에는 전극 패드(40)를 마련하고 있고, 상면 전극(37)과 전극 패드(40)는 배선부(42)에 의해 접속되어 있다. 상면 전극(37), 배선부(42) 및 전극 패드(40)는, 하지층 Ti(두께 1000Å)/표면층 Au(두께 3000Å)의 2층 금속 박막에 의해 동시에 제작하고 있다. 또한, 고정전극(32)의 하면에는, 하면 전극(38)을 마련하고 있다. 하면 전극(38)도, 하지층 Ti(두께 1000Å)/표면층 Au(두께 3000Å)의 2층 금속 박막에 의해 제작하고 있다.

상기판(35a)의 상면 중 상면 전극(37)보다도 외측의 영역은, 폴리이미드 등의 수지나 SiO₂, SiN 등의 절연막으로 이루어지는 보호막(41)에 의해 덮여 있다. 단, 전극 패드(40)의 부근에서는 보호막(41)을 제외하고 있고, 전극 패드(40)는 보호막(41)으로부터 노출하고 있다.

다이어프램(35)의 상면 중앙부에는, 비교적 작은 돌기(39)를 마련하고 있다. 도시례에서는, 돌기(39)는 원주형상으로 그려져 있지만, 사각주형상이나 부정형 등 어떤 형상이라도 무방하다. 돌기의 사이즈는, 예를 들면 반경(Ro)=500㎜의 다이어프램(35)에 대해, 반경(R)이 25㎜, 높이(H)가 1㎜이다(최적 사이즈의 범위에 관해서는 후술한다.). 돌기(39)는, 보호막(41)과 동일 재료에 의해 보호막(41)과 동시에 제작하여도 좋고, 또는 다이어프램(35)과 동일 재료에 의해 제작하여도 좋다.

이와 같이 하여 다이어프램(35)의 상면에 돌기(39)를 마련하고 있으면, 가압체의 선단 형상 또는 크기에 관계없이, 하중의 크기에 응하여 안정된 접촉 면적으로, 다이어프램(35)을 유전체층(33)에 접촉시킬 수 있다. 도 5(A)는, 선단면이 비교적 작은 가압체(45), 예를 들면 아동의 손가락 끝 등으로 다이어프램(35)을 누른 경우를 도시한다. 도 5(B)는, 선단면이 비교적 큰 가압체(45), 예를 들면 어른의 손가락 끝 등으로 다이어프램(35)을 누른 경우를 도시한다. 다이어프램(35)의 상면에 돌기(39)를 마련하고 있으면, 가압체(45)에 의해 다이어프램(35)을 눌렀을 때, 다이어프램(35)은 돌기(39)에 의해 유전체층(33)에 꽉 눌린다. 그 때문에, 도 5(A) 및 도 5(B)에 도시하는 바와 같이, 다이어프램(35)이 유전체층(33)에 접촉을 시작할 때에는, 가압체(45)의 선단 형상 또는 크기에 관계없이, 같은 접촉 면적으로 유전체층(33)에 접촉을 시작한다. 그 결과, 압력 센서(31)의 압력-용량 특성에서의 시작특성이 가압체의 사이즈에 영향받기 어려워지고, 시작특성이 안정된다.

또한, 다이어프램(35)의 상면에 돌기(39)를 마련하고 있으면, 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다. 즉, 도 6(A)와 같이 다이어프램(35)의 중앙부를 가압체(45)로 누르고 있을 때도, 도 6(B)와 같이 다이어프램(35)의 중앙에서 벗어난 위치를 누르고 있을 때도, 다이어프램(35)에 가하여지는 하중의 크기가 같으면, 다이어프램(35)은 유전체층(33)에 똑같이 접촉한다. 그 때문에, 다이어프램(35)을 누르는 위치가 빗나가 있어도 압력을 정확하게 검출할 수 있게 되고, 압력 센서(31)의 측정 정밀도가 향상한다. 또한, 다이어프램(35)이 돌기(39)로 보강되기 때문에, 다이어프램(35)이 소성 변형하기 어렵게 된다.

다이어프램(35)이 유전체층(33)에 접촉 시작한 상태로부터 더욱 큰 하중이 가하여지면, 도 7(A)에 도시하는 바와 같이, 다이어프램(35)이 가압체(45)에 의해 직접 가압되고, 하중이 커짐에 따라 다이어프램(35)과 유전체층(33)의 접촉 면적이 증가한다. 따라서, 동작 영역에서는, 하중이 커짐에 따라 다이어프램(35)과 고정전극(32)의 사이의 정전용량이 점차로 증가하고, 큰 압력을 측정할 수 있다.

그러나, 도 7(B)와 같이 돌기(39)의 높이(H)가, 에어 갭(34)의 높이(G)보다도 커지면, 가압체(45)로 큰 하중을 가하여도, 돌기(39)에 방해되어 가압체(45)가 다이어프램(35)을 누를 수 없게 된다. 따라서, 돌기(39)의 높이는 에어 갭(34)의 높이(G)와 같든지, 또는 그보다 작은 것이 바람직하다.

도 8은, 돌기경(突起徑)(돌기의 반경(R))을 일정하게 유지한 채로 돌기의 높이를 변화시켜서, 가압체에 의해 가하는 하중(F)과 다이어프램-고정전극 사이의 정전용량의 변화량(ΔC)과의 관계를 시뮬레이션에 의해 계산한 결과를 도시한다. 이 시뮬레이션에 이용한 모델은, 다이어프램의 두께가 10㎜, 다이어프램의 반경(Ro)이 500㎜, 에어 갭의 높이(G)가 1㎜, 돌기의 반경(R)이 25㎜의 압력 센서이다. 이 모델에서, 돌기의 높이(H)를 0.50㎜(H/G=0.50), 0.75㎜(H/G=0.75), 1.0㎜(H/G=1.0), 2.0㎜(H/G=2.0), 5.0㎜(H/G=5.0)로 변화시켜서 하중(F)과 출력(정전용량 변화량(ΔC))과의 관계를 구하였다. 도 8에는, 다이어프램에 돌기를 마련하지 않은 모델에 대해서도 하중과 출력과의 관계를 도시하였다.

이 시뮬레이션 결과에 의하면, 도 8로부터 알 수 있는 바와 같이, 돌기를 마련하지 않은 경우에는, 하중의 작은 영역에서 출력이 저하되고, 출력의 선형성이 나쁘다. 갭의 높이에 대한 돌기의 높이의 비(H/G)가 5.0인 경우에는, 가압체가 돌기에 의해 방해되기 때문에, 하중이 조금 커지면 출력과 출력의 증가율이 작아지고, 역시 출력의 선형성이 나쁘다. 마찬가지로, 갭의 높이에 대한 돌기의 높이의 비(H/G)가 2.0인 경우에는, 돌기로 하중이 방해되기 때문에, 출력이 작아진다. 이에 대해, H/G가 1 이하의 돌기를 갖는 모델에서는, 상당히 선형성이 양호한 출력을 얻을 수 있다. 따라서, 돌기는, 갭의 높이(G)에 대한 돌기의 높이(H)의 비가, H/G≤1이 되도록 하는 것이 바람직하다.

도 9는, 돌기의 높이를 일정하게 유지한 채로 돌기경을 변화시켜서, 가압체에 의해 가하는 하중(F)과 다이어프램-고정전극 사이의 정전용량의 변화량(ΔC)과의 관계를 시뮬레이션에 의해 계산한 결과를 도시한다. 이 시뮬레이션에 이용한 모델은, 다이어프램의 두께가 10㎜, 다이어프램의 반경(Ro)이 500㎜, 에어 갭의 높이(G)가 1㎜, 돌기의 높이(H)가 1㎜의 압력 센서이다. 이 모델에서, 돌기경(R)을 25㎜(R/Ro=0.05), 32.5㎜(R/Ro=0.065), 37.5㎜(R/Ro=0.075), 50㎜(R/Ro=0.1), 75㎜(R/Ro=0.15), 100㎜(R/Ro=0.2)로 변화시켜서 하중(F)과 출력(정전용량 변화량(ΔC))과의 관계를 구하였다. 도 9에서는, 다이어프램에 돌기를 마련하지 않은 모델에 대해서도 하중과 출력과의 관계를 도시하였다.

이 시뮬레이션 결과에서도, 도 9로 부터 알 수 있는 바와 같이, 돌기를 마련하지 않은 경우에는, 하중의 작은 영역에서 출력이 저하되고, 출력의 선형성이 나쁘다. 이들에 대해, R/Ro가 0.2 이하의 돌기를 마련하면, 출력의 선형성이 상당히 개선된다. R/Ro가 0.2인 경우에는, 하중의 큰 영역에서 출력의 증가율이 작아지고, 출력도 작아져 있지만, R/Ro가 0.15 이하에서는, 출력의 저하도 작고, 출력의 선형성도 양호하다. 따라서, 돌기의 반경(R)은, 다이어프램의 반경(Ro)의 0.2배 이하(R/Ro≤0.2)인 것이 바람직하고, 특히 Ro의 0.15배 이하(R/Ro≤0.15)인 것이 바람직하다.

다음에, 벤트 라인(36)의 배치에 관해 설명한다. 1개의 벤트 라인(36)은, 도 10(A)에 도시하는 바와 같이 굴곡 또는 사행하고 있고, 벤트 라인(36)으로부터 에어 갭(34) 내에 티끌이나 먼지 등의 이물이 침입하기 어렵게 되어 있다. 이 벤트 라인(36)은, 도 10(A)와 같이, 다이어프램(35)에 수직한 방향에서 보아, 서로 직교한 2방향의 축에 관해 대칭의 위치에 배치되어 있는 것이 바람직하다(벤트 라인(36)의 형상은 상기 축에 관해 대칭이 아니라도 좋다.). 따라서 벤트 라인(36)은 4의 배수개만큼 마련되어 있다.

도 10(B)와 같이 벤트 라인(36)이 1방향의 축에 관해서만 대칭이거나, 도 10(C)와 같이 벤트 라인(36)의 위치가 치우쳐 있거나 하면, 다이어프램(35)이 가압된 때에 에어 갭(34) 내의 압력이 균등하게 벤트 라인(36)으로부터 도피되지 않아, 다이어프램(35)이 변형할 우려가 있다. 따라서 벤트 라인(36)은 도 10(A)와 같이 균등한 위치에 배치하는 것이 바람직하다.

벤트 라인(36)은 마련하지 않아도 좋다. 특히, 에어 갭(34)에의 이물의 침입을 확실하게 막고 싶은 경우에는, 벤트 라인(36)을 마련하지 않고 에어 갭(34)을 밀봉 구조로 하는 것이 바람직하다.

상면 전극(37)은 원환형상이 아니라도 좋고, 도 11에 도시하는 바와 같이 원호형상을 한 복수개의 상면 전극(37)이 마련되어 있어도 좋다.

상면 전극(37)은 마련하지 않아도 좋다. 상기판(35a)이 도전성을 갖고 있기 때문에, 도 12에 도시하는 바와 같이, 다이어프램(35)의 영역 외에서 상기판(35a)의 적어도 1개소에 전극 패드(40)를 마련한 것만으로도 좋기 때문이다.

상기 실시 형태에서는, 다이어프램(35)의 중앙에 1개의 돌기(39)를 마련하였지만, 돌기(39)는 1개에 한하지 않는다. 예를 들면 근접시켜서 다이어프램(35)의 중앙부에 복수개의 돌기(39)를 마련하여도 좋다.

(실시 형태 2)

도 13은, 본 발명의 실시 형태 2에 의한 플레이트 형의 입력 장치(51), 예를 들면 터치 패널의 구조를 도시하는 단면도이다. 이 입력 장치(51)는, 상기 실시 형태 1에 관한 다수의 압력 센서(31)(센서부)를 어레이형상(예를 들면, 사각형상이나 허니컴형상)으로 배열한 것이다. 각 압력 센서(31)는 전기적으로 독립하여 있고, 각 압력 센서(31)에 가하여진 압력을 개별적으로 독립하여 검출할 수 있다. 이와 같은 입력 장치(51)에 의하면, 터치 패널과 같이 가압체로 가압된 점을 검출할 수 있음과 함께, 각 점의 가압 강도(압력의 크기)도 검출할 수 있다.

31 : 압력 센서
32 : 고정전극
33 : 유전체층
34 : 에어 갭
35 : 다이어프램
36 : 벤트 라인
37 : 상면 전극
39 : 돌기
40 : 전극 패드
41 : 보호막
45 : 가압체
51 : 입력 장치

Claims

고정전극과,
상기 고정전극의 상방에 형성한 유전체층과,
상기 유전체층의 상방에 공극을 사이에 두고 형성한 도전성의 다이어프램과,
상기 다이어프램의 상면에, 높이가 상기 공극의 높이 이하인 1개 또는 복수개의 돌기를 구비한 것을 특징으로 하는 정전용량형 압력 센서.
제1항에 있어서,
상기 돌기를, 상기 다이어프램의 상면 중앙부에 마련한 것을 특징으로 하는 정전용량형 압력 센서.
제1항에 있어서,
상기 다이어프램의 표면을 덮는 보호막을 가지며,
상기 돌기를, 상기 보호막과 동일 재료에 의해 형성한 것을 특징으로 하는 정전용량형 압력 센서.
제1항에 있어서,
상기 돌기를, 상기 다이어프램과 동일 재료에 의해 상기 다이어프램과 일체로 형성한 것을 특징으로 하는 정전용량형 압력 센서.
제1항에 있어서,
상기 돌기의 폭은, 상기 다이어프램의 폭의 0.05배 이상 0.2배 이하인 것을 특징으로 하는 정전용량형 압력 센서.
제5항에 있어서,
상기 돌기의 폭은, 상기 다이어프램의 폭의 0.05배 이상 0.15배 이하인 것을 특징으로 하는 정전용량형 압력 센서.
제1항에 있어서,
상기 다이어프램에 수직한 방향에서 보아, 서로 직교하는 2개의 가상의 직선에 관해 각각 대칭의 위치에 통기로를 마련한 것을 특징으로 하는 정전용량형 압력 센서.
제7항에 있어서,
상기 통기로가, 굴곡 또는 만곡하고 있는 것을 특징으로 하는 정전용량형 압력 센서.
제1항에 기재한 정전용량형 압력 센서를 복수개 배열시킨 것을 특징으로 하는 입력 장치.
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