WO2013073506A1 - 静電容量型圧力センサとその製造方法及び入力装置 - Google Patents

静電容量型圧力センサとその製造方法及び入力装置 Download PDF

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WO2013073506A1
WO2013073506A1 PCT/JP2012/079314 JP2012079314W WO2013073506A1 WO 2013073506 A1 WO2013073506 A1 WO 2013073506A1 JP 2012079314 W JP2012079314 W JP 2012079314W WO 2013073506 A1 WO2013073506 A1 WO 2013073506A1
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pressure sensor
diaphragm
dielectric layer
contact
pressure
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PCT/JP2012/079314
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French (fr)
Inventor
井上　勝之
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オムロン株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0072—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance
    • G01L9/0073—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance using a semiconductive diaphragm

Definitions

  • the present invention relates to a capacitive pressure sensor, a manufacturing method thereof, and an input device, and more specifically, a touch mode capacitive pressure sensor in which a diaphragm bent by pressure contacts a dielectric layer to detect pressure. It relates to the manufacturing method. The present invention also relates to an input device to which the capacitance type pressure sensor is applied.
  • 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.
  • this pressure sensor is a micro device manufactured by MEMS technology using a silicon substrate or the like, if the diaphragm is greatly bent due to a large pressure applied thereto, the diaphragm may be destroyed.
  • a pressure sensor has been proposed. Such a pressure sensor is sometimes referred to as a touch mode (electrostatic) capacitive pressure sensor.
  • FIG. 1A is a cross-sectional view showing a pressure sensor 11 described in Non-Patent Document 1.
  • a fixed electrode 13 made of a metal thin film is formed on the upper surface of a glass substrate 12, and 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. is 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 ⁇ m is generated by the recess 19 between the lower surface of the diaphragm 20 and the dielectric film 14.
  • FIG. 1B 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.
  • 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 from 0 to Pa in FIG. 1B 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.
  • 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.
  • the change in capacitance is small in the non-contact region where the diaphragm 20 is not in contact, but gradually the change rate (increase rate) of the capacitance in the contact start region. Becomes larger. 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.
  • the diaphragm 20 and the dielectric film 14 can be expressed by the following formula 1.
  • C Co + ⁇ ⁇ (S / d) (Formula 1)
  • Co is a capacitance in a non-contact region.
  • Non-Patent Document 1 when the sensitivity is increased in the low pressure region, the measurement sensitivity increases even in the high pressure region. In the low pressure region, the sensitivity is high and in the high pressure region. It is difficult to manufacture a low sensitivity pressure sensor. Further, it is difficult to design even if it is attempted to obtain optimum measurement sensitivity in a low pressure region or a high pressure region by optimizing values such as the diameter and thickness of the diaphragm and the dielectric constant and thickness of the dielectric layer.
  • Patent Document 1 discloses a semiconductor pressure sensor in which a stepped backup portion is provided on the upper surface of a silicon substrate facing the diaphragm.
  • the pressure sensor disclosed in Patent Document 1 detects pressure by detecting the deflection of a diaphragm by a strain detection element (piezoresistor), and is different from a capacitive pressure sensor.
  • this pressure sensor is only one in which the diaphragm is deformed along the corner (upper end of the stepped wall surface) of the backup unit, and the sensitivity is different between the low pressure region and the high pressure region. is not.
  • the present invention has been made in view of the technical problems as described above.
  • the object of the present invention is to easily change the measurement sensitivity in accordance with the measurement range of the pressure, and the pressure is within the measurement range. It is an object of the present invention to provide a touch-mode capacitive pressure sensor that can easily detect that the maximum value of the above has been reached, and a method of manufacturing the same. Furthermore, the present invention relates to an input device to which the sensor is applied.
  • a first capacitive pressure sensor includes a fixed electrode, a dielectric layer formed above the fixed electrode, and a conductive layer formed above the dielectric layer with a gap therebetween.
  • the capacitance-type pressure sensor including a diaphragm
  • a portion of the dielectric layer facing the diaphragm has a plurality of contact regions for contacting the diaphragm, and the thickness of the dielectric layer Is d, and the dielectric constant of the dielectric layer is ⁇
  • the value of the ratio ⁇ / d changes discontinuously at the boundary between the contact regions.
  • the value of the ratio ⁇ / d discontinuously changes at the boundary between the contact areas.
  • the boundary between the contact areas means that the ratio of ⁇ / d at the position closest to the boundary of one of the contact areas. This means that the value and the value of ⁇ / d at the position closest to the boundary of one contact area are different.
  • the relationship (capacitance characteristics) between the contact area and the capacitance is Since it changes, the pressure-capacitance characteristic can be changed according to the range of the measured pressure. For example, the measurement sensitivity can be increased in the low pressure region, and the measurement sensitivity can be decreased in the high pressure region. Furthermore, it is easy to detect the maximum pressure in the measurement range.
  • the thickness of the dielectric layer may be changed discontinuously at the boundary between the contact regions.
  • the thickness may be changed on the front surface side of the dielectric layer, or the thickness may be changed on the back surface side.
  • a stepped step may be provided on the surface of the dielectric layer at the boundary between the contact regions.
  • the distance from the diaphragm in the state where no pressure is applied may be different between the surfaces of the contact regions.
  • the pressure-capacitance characteristic can be changed more significantly depending on the range of the measured pressure.
  • the diaphragm sequentially contacts a contact region having a small value of the ratio ⁇ / d. It is a feature. According to this embodiment, the measurement sensitivity can be increased in the low pressure region, and the measurement sensitivity can be decreased in the high pressure region.
  • each contact region is configured such that the height measured from the bottom surface of the dielectric layer is sequentially increased according to the order in which the diaphragms contact when a gradually greater pressure is applied to the diaphragms, Measurement sensitivity can be increased in the low pressure region, and measurement sensitivity can be decreased in the high pressure region.
  • a stepped step may be formed on the upper surface of the fixed electrode in a region facing the diaphragm.
  • the surface of each contact region can be formed flat as a whole, and the diaphragm can be smoothly deformed.
  • the measurement sensitivity can be improved in a low pressure region.
  • the measurement sensitivity can be lowered by increasing the pressure in the high pressure region.
  • the surface of the contact area is a plane parallel to the diaphragm in a state where no pressure is applied, the surface of the dielectric layer can be easily processed.
  • the dielectric constant of the dielectric layer may be discontinuously changed at the boundary between the contact regions. Also in this case, when the contact surface of the diaphragm exceeds the boundary of the contact region and contacts the dielectric layer, the relationship between the contact area and the capacitance (capacitance characteristics) changes, so the pressure-capacitance depends on the range of the measurement pressure. Characteristics can be changed. For example, the measurement sensitivity can be increased in the low pressure region, and the measurement sensitivity can be decreased in the high pressure region.
  • a second capacitive pressure sensor includes a fixed electrode, a dielectric layer formed above the fixed electrode, and a conductive layer formed above the dielectric layer with a gap therebetween.
  • a capacitive pressure sensor including a diaphragm a portion of the dielectric layer facing the diaphragm has a plurality of contact regions for contacting the diaphragm, and a boundary between the contact regions.
  • the surface of the dielectric layer has a stepped step.
  • the pressure-capacitance characteristic is further improved depending on the range of the measured pressure. It can be changed significantly. For example, the measurement sensitivity can be increased in the low pressure region, and the measurement sensitivity can be decreased in the high pressure region.
  • a method of manufacturing a capacitive pressure sensor is a method for manufacturing a capacitive pressure sensor in which a step is provided on the surface side of a dielectric layer and the thickness of a contact region is varied.
  • the first opening does not need to penetrate the first dielectric film.
  • the second opening does not need to penetrate the second dielectric film.
  • the second opening may have a smaller area or a larger area than the first opening.
  • FIG. 1A is a schematic cross-sectional view showing a pressure sensor according to a conventional example.
  • FIG. 1B is a diagram showing the relationship between pressure and capacitance in the conventional pressure sensor shown in FIG.
  • FIG. 2A is a schematic plan view of the pressure sensor according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2B is a schematic cross-sectional view along the line XX in FIG.
  • FIG. 3A and FIG. 3B are a schematic plan view and a schematic cross-sectional view of the pressure sensor according to Embodiment 1 of the present invention with the diaphragm removed.
  • 4 (A) to 4 (D) are explanatory views showing how the diaphragm is deformed when a gradually increasing pressure is applied to the diaphragm.
  • FIG. 1A is a schematic cross-sectional view showing a pressure sensor according to a conventional example.
  • FIG. 1B is a diagram showing the relationship between pressure and capacitance in the conventional pressure sensor shown in FIG.
  • FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the pressure and the rate of change in capacitance in the pressure sensor according to the embodiment of the present invention and the pressure sensor of the conventional example.
  • 6 (A) to 6 (E) are cross-sectional views illustrating the manufacturing process of the pressure sensor according to the first embodiment of the present invention.
  • FIGS. 7A to 7D are cross-sectional views for explaining the manufacturing process of the pressure sensor, showing the process following FIG. 6E.
  • FIGS. 8A to 8C are cross-sectional views for explaining the manufacturing process of the pressure sensor, showing the process following FIG. 7D.
  • FIG. 9A and FIG. 9B are cross-sectional views illustrating the manufacturing process of the above-described pressure sensor, showing the process following FIG. 8C.
  • FIG. 10A is a schematic plan view of a pressure sensor according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 10B is a schematic plan view of a dielectric layer used in the pressure sensor.
  • FIG. 11 is a schematic cross-sectional view of a pressure sensor according to Embodiment 3 of the present invention.
  • FIG. 12 is a schematic cross-sectional view of a pressure sensor according to Embodiment 4 of the present invention.
  • FIG. 13 is a schematic cross-sectional view of a pressure sensor according to Embodiment 5 of the present invention.
  • FIG. 14 is a schematic cross-sectional view of a pressure sensor according to Embodiment 6 of the present invention.
  • FIG. 15 is a schematic cross-sectional view of an input device according to Embodiment 7 of the present invention.
  • FIGS. 2 and 3 are schematic plan views of the pressure sensor 11, and FIG. 2B is a cross-sectional view taken along the line XX of FIG. 2A.
  • 3A is a schematic plan view showing the dielectric layer 33 used in the pressure sensor 11, and FIG. 3B is a diagram illustrating the fixed electrode 32 and the dielectric layer 33 used in the pressure sensor 11. It is a schematic sectional drawing which shows.
  • a dielectric layer 33 is 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 , SiN, TEOS.
  • the dielectric layer 33 has a recess 34 (concave portion) formed on the upper surface thereof.
  • a plurality of contact surfaces (surfaces of contact regions) having different heights measured from the lower surface of the dielectric layer 33 are formed.
  • a low-position first contact surface 35 provided in a circle at the center of the recess 34 and a high-position second contact surface 36 provided in an annular shape around the first contact surface 35 are provided. ing.
  • the boundary between the first contact surface 35 and the second contact surface 36 is a vertical surface (hereinafter referred to as a stepped wall surface) perpendicular to the lower surface of the dielectric layer 33, and the first contact surface 35 and the second contact surface. Between the surfaces 36, the height of the contact surface changes stepwise.
  • a thin film upper substrate 37 made of a conductive material such as a low resistance silicon substrate is formed on the upper surface of the dielectric layer 33.
  • the upper substrate 37 covers the upper surface of the recess 34.
  • An upper electrode pad 40 and a wiring 41 are provided on the upper surface of the upper substrate 37 with a metal material, and the upper electrode pad 40 and the wiring 41 are electrically connected to the upper substrate 37.
  • the upper surface of the upper substrate 37 is covered with a protective film 39 made of an insulating film such as SiO 2 or SiN or a resin such as polyimide.
  • the upper electrode pad 40 is exposed from the protective film 39.
  • a pressure-sensitive diaphragm 38 is formed by a region of the upper substrate 37 and the protective film 39 that is horizontally stretched in the air above the recess 34.
  • the diaphragm 38 and the fixed electrode It can be considered that the change in capacitance between 32 is small and almost constant.
  • the capacitance (constant value) at this time is represented by Co.
  • Equation 6 Co + ( ⁇ / d1) S1max + ( ⁇ / d2) S2 (Formula 6)
  • ⁇ C ( ⁇ ⁇ S1mac) / (d1 ⁇ Co) + ( ⁇ ⁇ S2) / (d2 ⁇ Co) ...
  • d2 is the thickness of the dielectric layer 33 (contact region) under the second contact surface.
  • the coefficient of the contact area S1 in the formula 3 is different from the coefficient of the contact area S2 in the formula 7. Therefore, how the pressure-capacitance characteristic changes when the diaphragm 38 is in contact with the first contact surface 35 and how the pressure-capacitance characteristic changes when the diaphragm 38 is in contact with the second contact surface 36. Is different. In particular, when the thickness d1 of the dielectric layer 33 below the first contact surface 35 is smaller than the thickness d2 of the dielectric layer 33 below the second contact surface 36, the measurement sensitivity in the low pressure region increases. It can be seen that the measurement sensitivity in the high pressure region is low.
  • the measurement sensitivity in the low pressure region is high and the measurement sensitivity in the high pressure region is low due to such a phenomenon.
  • FIG. 5 shows a comparison between the pressure-capacitance characteristics of the pressure sensor (Embodiment 1) according to Embodiment 1 of the present invention and the pressure-capacitance characteristics of the pressure sensor (conventional example) described in Non-Patent Document 1. It is a figure. These characteristics were obtained by simulation.
  • C is a capacitance when the pressure is P
  • Co is a capacitance in a non-contact region.
  • Equation 2-4 Since the contact area of the diaphragm 38 is substantially proportional to P n (where 0 ⁇ n ⁇ 1), the pressure-capacitance characteristic expressed by Equation 2-4 draws a parabolic curve. Therefore, Formula 2-4 and FIG. 5 are consistent.
  • the pressure-capacitance characteristic of the pressure sensor of the conventional example changes smoothly in a parabolic shape over the entire area
  • the pressure-capacitance characteristic of the pressure sensor of the first embodiment is such that the diaphragm 38 has the first and second contact surfaces 35. , 36 is different in the manner of change before and after the pressure Pe when contacting the upper end of the step wall surface.
  • the method of changing the measurement sensitivity in the entire measurement range follows a certain rule. For this reason, if the design is made so that the desired measurement sensitivity can be obtained in the low pressure region, the measurement sensitivity in the high pressure region is determined accordingly, and it is arbitrarily designed to be high sensitivity in the low pressure region and low sensitivity in the high pressure region. I can't do it. Similarly, it is not possible to arbitrarily design the degree of saturation of capacitance in the vicinity of the maximum pressure Pf in the pressure measurement range.
  • the measurement sensitivity is high when the pressure is lower than Pe and the diaphragm 38 is in contact with only the first contact surface 35 (low pressure region).
  • the thickness d2 of the dielectric layer 33 below the second contact surface 36 is the first. Since it is larger than the thickness d1 of the dielectric layer 33 under the contact surface 35, the measurement sensitivity is lower than in the low pressure region. Therefore, according to the first embodiment, the pressure sensor 11 having high measurement sensitivity in the low pressure region and low measurement sensitivity in the high pressure region can be manufactured.
  • the measurement sensitivity may be low in the high pressure region, the thickness of the dielectric layer 33 below the second contact surface 36 and the area of the second contact surface 36 are appropriately selected, so that the measurement range.
  • the maximum pressure Pf can be designed such that the capacitance approaches the saturation value and the change in capacitance becomes small. Therefore, it can be detected that the pressure P being measured is almost the maximum pressure Pf from the change in capacitance.
  • 6 to 9 are diagrams specifically showing the manufacturing process of the pressure sensor 11. 6 to 9, the process of manufacturing one pressure sensor will be described. Usually, a plurality of pressure sensors are manufactured on the wafer at one time.
  • FIG. 6A shows a state in which a metal film 40a such as Al or Au is formed on the entire upper surface of an upper substrate 37 made of a silicon substrate or the like by sputtering or vapor deposition.
  • the metal film 40a on the upper substrate 37 is patterned by a photolithography process, and as shown in FIG. 6B, the upper electrode pad 40 and the wiring 41 made of the metal film 40a are formed on the upper surface of the upper substrate 37.
  • FIG. 6B shows a photolithography process
  • the entire upper surface of the upper substrate 37 from above the upper electrode pad 40 and the wiring 41 is formed by an insulating film such as SiO 2 or a resin such as polyimide by a method such as sputtering, CVD, or coating.
  • a protective film 39 made of a material is covered.
  • the protective film 39 is partially provided with an opening window 50 on the upper surface of the upper electrode pad 40, and at least a part of the upper electrode pad 40 is exposed from the protective film 39 as shown in FIG.
  • dry etching may be performed with a reactive gas, or wet etching may be performed using a chemical solution (etching solution).
  • the lower surface of the upper substrate 37 is ground and polished or etched to reduce the thickness of the upper substrate 37 as shown in FIG. 6E, and a thin film diaphragm comprising the upper substrate 37 and the protective film 39. 38 is formed.
  • FIG. 7A shows a dielectric film 33a made of a dielectric material such as SiO 2 , SiN, or TEOS on the entire upper surface of the fixed electrode 32 made of a low-resistance silicon substrate or the like by a method such as thermal oxidation, sputtering, or CVD. Represents the state of forming.
  • the thickness of the dielectric film 33 a is determined so as to be equal to the step between the first contact surface 35 and the second contact surface 36.
  • the dielectric film 33a is etched by wet etching using a chemical solution or dry etching using a reactive gas, and an opening 51 (first opening) is formed in the center as shown in FIG. 7B.
  • the opening 51 of the dielectric film 33 a is formed in a region substantially equal to the region that becomes the recess 34.
  • a dielectric film 33b is formed on the entire top surface of the fixed electrode 32 from the top of the dielectric film 33a using the same dielectric material as the dielectric film 33a.
  • the dielectric film 33b is etched by wet etching using a chemical solution or dry etching using a reactive gas, and an opening 52 (second opening) is formed at the center as shown in FIG. 7D.
  • the opening 52 of the dielectric film 33 b is formed in a region having a smaller area than the opening 51 and substantially equal to the first contact surface 35.
  • the same dielectric material as that of the dielectric films 33a and 33b is applied to the entire upper surface of the fixed electrode 32 from above the dielectric film 33b by a method such as thermal oxidation, sputtering, or CVD.
  • the dielectric film 33c is formed by using this.
  • the dielectric layer 33 is formed by the dielectric films 33a, 33b, and 33c.
  • the dielectric layer 33 may be formed by a different method. That is, after forming a relatively thick dielectric layer 33 on the upper surface of the fixed electrode 32, the dielectric layer 33 is etched to form a recess 34 having a first contact surface 35 and a second contact surface 36. May be.
  • the lower surface of the fixed electrode 32 is ground and polished or etched as necessary to reduce the thickness of the fixed electrode 32 as shown in FIG. 8B.
  • a metal film such as Al or Au is formed on the lower surface of the fixed electrode 32, and wet etching with a chemical solution or dry etching using a reactive gas is performed. Then, the lower electrode pad 42 is formed.
  • the upper substrate 37 is bonded onto the dielectric layer 33 by using a bonding method such as room temperature bonding, fusion bonding, resin bonding, or eutectic bonding, and the pressure sensor 31 as shown in FIG. 9A is obtained.
  • a bonding method such as room temperature bonding, fusion bonding, resin bonding, or eutectic bonding
  • the pressure sensor 31 as shown in FIG. 9A is obtained.
  • FIG. 9B a protective film 53 is formed on the entire lower surface of the fixed electrode 32 and the lower electrode pad 42, an opening window 54 is opened in the protective film 53, and the lower electrode is opened from the opening window 54.
  • the pad 42 may be exposed.
  • the wafer is diced and separated into individual pressure sensors 11 thereafter.
  • the opening 52 formed in the dielectric film 33b in the step of FIG. 7D has a smaller area than the opening 51 of the dielectric film 33a, but on the contrary, the opening of the dielectric film 33b. 52 may be larger than the opening 51.
  • FIG. 10A is a schematic plan view of a pressure sensor 61 according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 10B is a schematic plan view of the dielectric layer 33 used in the pressure sensor 61.
  • the pressure sensor 61 all of the recess 34, the first contact surface 35, the second contact surface 36, and the diaphragm 38 are formed in a rectangular shape.
  • the contact surface to the first contact surface 35 and the second contact surface 36 is long. Since it extends in the side direction, a pressure-capacitance characteristic different from that of the first embodiment can be obtained.
  • planar shapes of the recess 34, the first contact surface 35, and the second contact surface 36 can be various shapes such as a square, an ellipse, a hexagon, and an octagon other than a circle and a rectangle.
  • FIG. 11 is a schematic cross-sectional view of a pressure sensor 62 according to Embodiment 3 of the present invention.
  • the pressure sensor 62 since the second contact surface 36 is inclined obliquely downward toward the first contact surface 35, the diaphragm 38 can easily come into contact with the second contact surface 36.
  • FIG. 12 is a schematic cross-sectional view of the capacitive pressure sensor 63 in the touch mode according to the fourth embodiment of the present invention.
  • a convex portion 71 is formed by projecting the upper surface of the fixed electrode 32 in a region facing the central portion of the diaphragm 38.
  • the dielectric layer 33 formed on the upper surface of the fixed electrode 32 has a recess 34 formed in a region facing the diaphragm 38, and the upper surface of the dielectric layer 33 is formed flat in the recess 34. Therefore, the thickness of the dielectric layer 33 is thin on the first contact surface 35 located at the center of the recess 34 and directly above the protrusion 71.
  • the dielectric layer 33 is thick on the second contact surface 36 located on the outer peripheral portion of the recess 34 and facing the upper surface 72 of the fixed electrode 32 lower than the convex portion 71.
  • the contact surface of the diaphragm 38 spreads from the first contact surface 35 to the second contact surface 36, and the contact area of the diaphragm 38 is increased.
  • the capacitance changes as follows. Therefore, the way in which the capacitance increases is different between when only in contact with the first contact surface 35 and when in contact with the second contact surface 36. That is, the measurement sensitivity is high in the low pressure region, and the measurement sensitivity is low in the high pressure region.
  • FIG. 13 is a schematic cross-sectional view of the capacitive pressure sensor 64 in the touch mode according to the fifth embodiment of the present invention.
  • a recess 34 is recessed on the upper surface of the fixed electrode 32.
  • a plurality of planes having different heights measured from the lower surface of the fixed electrode 32 are formed.
  • a low first plane 73 located in the center of the recess 34 and a high second plane 74 located around the first plane 73 are provided.
  • the boundary between the first plane 73 and the second plane 74 is a vertical plane (step wall surface) perpendicular to the lower surface of the fixed electrode 32, and the plane height is between the first plane 73 and the second plane 74. Changes in a staircase pattern.
  • a dielectric layer 33 having a uniform thickness is formed on the upper surface of the fixed electrode 32. Accordingly, a recess 34 is also formed on the upper surface of the dielectric layer 33, and a low position first contact surface 35 located on the first plane 73 and a high position located on the second plane 74 in the recess 34.
  • the second contact surface 36 is formed.
  • the thickness of the dielectric layer 33 is uniform, but the surface of the dielectric layer 33 is formed stepwise in the recess 34. Therefore, as described in the first embodiment, when the diaphragm 38 comes into contact with the corner of the second contact surface 36 (the upper end of the stepped wall surface), the area of the freely deformable region of the diaphragm 38 is discontinuously small. Therefore, the elasticity of the diaphragm 38 suddenly increases before and after the diaphragm 38 abuts against the corner of the second contact surface 36.
  • the measurement sensitivity is high when the diaphragm 38 is in contact with the first contact surface 35, and the measurement sensitivity is low when the diaphragm 38 is in contact with the second contact surface 36. Therefore, in the pressure sensor 31 of the first embodiment, the measurement sensitivity in the low pressure region is high and the measurement sensitivity in the high pressure region is low due to such a phenomenon.
  • FIG. 14 is a schematic cross-sectional view of the capacitive pressure sensor 65 in the touch mode according to the sixth embodiment of the present invention.
  • dielectric layers 75 and 76 are formed on the upper surface of the fixed electrode 32, and the recess 34 is recessed on the upper surfaces of the dielectric layers 75 and 76.
  • the central portion of the recess 34 is formed of a dielectric layer 76 having a relatively large dielectric constant
  • the outer peripheral portion of the recess 34 is formed of a dielectric layer 75 having a relatively low dielectric constant. Yes.
  • the upper surface of the dielectric layer 76 is the first contact surface 35, and the upper surface of the dielectric layer 75 is the second contact surface 36. Further, on the bottom surface of the recess 34, the thickness of the dielectric layer 75 and the thickness of the dielectric layer 76 are substantially equal, and the first contact surface 35 and the second contact surface 36 are flat surfaces having the same height.
  • Equation 8 ( ⁇ 1 ⁇ S1) / (d ⁇ Co) (Equation 8)
  • ⁇ 1 is the dielectric constant of the dielectric layer 76
  • d is the thickness of the dielectric layers 75 and 76 on the bottom surface of the recess 34.
  • Equation 9 ( ⁇ 1 ⁇ S1mac) / (d ⁇ Co) (Equation 9)
  • the coefficient of the contact area S1 in the equation 8 is different from the coefficient of the contact area S2 in the equation 10. Therefore, how the pressure-capacitance characteristic changes when the diaphragm 38 is in contact with the first contact surface 35 and how the pressure-capacitance characteristic changes when the diaphragm 38 is in contact with the second contact surface 36. Is different. In particular, when the dielectric constant ⁇ 1 of the dielectric layer 76 under the first contact surface 35 is larger than the dielectric constant ⁇ 2 of the dielectric layer 75 under the second contact surface 36, the measurement sensitivity in the low pressure region increases. The measurement sensitivity in the high pressure region becomes low.
  • FIG. 15 is a cross-sectional view showing the structure of a plate-type input device 81 according to Embodiment 7 of the present invention, for example, a touch panel.
  • This input device 81 has a large number of sensor portions 82 having the same structure as the pressure sensor according to the present invention arranged in an array (for example, a rectangular shape or a honeycomb shape).
  • each sensor unit 82 is electrically independent, and the pressure applied to each sensor unit 82 can be detected independently. According to such an input device 81, a point pressed with a finger or the like as in a touch panel can be detected, and the pressing strength of each point can also be detected.

Abstract

　固定電極３２の上面に誘電体層３３を形成し、誘電体層３３の表面にリセス３４を凹設する。リセス３４を覆うようにして誘電体層３３の表面に上基板３７を積層し、リセス３４の上方に薄膜状をした導電性ダイアフラム３８（上基板３７の一部分）を配設する。リセス３４内において誘電体層３３の表面には、ダイアフラム３８を接触させるための第１接触面３５と第２接触面３６が形成されている。第１接触面３５と第２接触面３６はたとえば水平面であって、第１接触面３５と第２接触面３６は垂直面である段差により隔てられている。第２接触面３６は第１接触面３５よりも高い位置にある。

Description

静電容量型圧力センサとその製造方法及び入力装置
　本発明は静電容量型圧力センサとその製造方法及び入力装置に関し、具体的に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とその製造方法に関する。また、当該静電容量型圧力センサを応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、シリコン基板などを用いて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。
　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。
　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、固定電極１３の上からガラス基板１２の上面に誘電体膜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。
　図１（Ｂ）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１（Ｂ）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。
　図１（Ｂ）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。
　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。しかし、図１（Ｂ）によれば、圧力－容量特性は接触開始から飽和領域にかけては放物線状の曲線を描いている。そのため、接触面積Ｓ（あるいは、静電容量差Ｃ－Ｃo）は、定性的にいって、ほぼＰｎ（ただし、０＜ｎ＜１）に比例していると考えられる。
　ところで、圧力センサにおいては、低圧力領域においては高感度が要求されるが、高圧力領域においては低感度でもよい場合が多々あり、高圧力領域においては低感度に押さえ、例えばその代わりに測定レンジを広くしたい場合がある。
　しかし、非特許文献１に記載されたような圧力センサの構造であると、低圧力領域で高感度化すると高圧力領域でも測定感度が高くなり、低圧力領域においては高感度で高圧力領域においては低感度の圧力センサを製造することは難しい。また、ダイアフラムの直径や厚さ、誘電体層の誘電率や厚さなどの値を最適化して低圧力領域でも高圧力領域でも最適な測定感度を得ようとしても、設計が困難である。
　さらに、非特許文献１に記載された圧力センサでは、測定している圧力が測定レンジの最大値（最大圧力）に達したことを検知することが困難であり、これを検知しようとすると後段回路が必要となっていた。
　なお、特許文献１には、ダイアフラムと対向するシリコン基板の上面に階段状のバックアップ部を設けた半導体圧力センサが開示されている。しかし、特許文献１に開示された圧力センサは、歪み検出素子（ピエゾ抵抗）によってダイアフラムの撓みを検知することで圧力を検出するものであって、静電容量型の圧力センサとは異なっている。しかも、この圧力センサはバックアップ部の角部（段差壁面の上端）に沿ってダイアフラムが変形するようにしたものに過ぎず、低圧力領域と高圧力領域で感度の高さが異なるようにするものではない。
特許第３１４４３１４号公報
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.７１－７４
　本発明は、上記のような技術的課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、圧力の測定範囲に応じて容易に測定感度を変えることができ、また圧力が測定レンジの最大値に達したことを容易に検知することのできるタッチモードの静電容量型圧力センサとその製造方法を提供することにある。さらに、当該センサを応用した入力装置に関する。
　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において、前記誘電体層のうち前記ダイアフラムに対向する部分は、前記ダイアフラムを接触させるための複数の接触領域を有し、前記誘電体層の厚さをｄ、前記誘電体層の誘電率をεとしたとき、前記各接触領域相互の境界において、その比ε／ｄの値が不連続に変化していることを特徴としている。なお、各接触領域相互の境界において、比ε／ｄの値が不連続に変化しているとは、接触領域どうしの境界において、一方の接触領域の当該境界に直近の位置におけるε／ｄの値と、一方の接触領域の当該境界に直近の位置におけるε／ｄの値とが異なることをいう。
　本発明の第１の静電容量型圧力センサにあっては、ダイアフラムの接触面が接触領域の境界を超えて誘電体層に接触すると、接触面積と静電容量との関係（容量特性）が変化するので、測定圧力の範囲によって圧力－容量特性を変化させることができる。たとえば、低圧力領域では測定感度を高くし、高圧力領域では測定感度を低くしたりできる。さらに、測定レンジにおける最高圧力の検出も容易になる。
　本発明の第１の静電容量型圧力センサのある実施態様としては、前記各接触領域相互の境界において、前記誘電体層の厚さをが不連続に変化させればよい。この態様としては、誘電体層の表面側で厚さを変えてもよく、裏面側で厚さを変えてもよい。
　表面側で誘電体層の厚さを変える場合には、前記各接触領域相互の境界において、前記誘電体層の表面に階段状の段差を設ければよい。特に、前記各接触領域の表面を、圧力が加わっていない状態における前記ダイアフラムからの距離が互いに異なるようにすればよい。この場合には、ダイアフラムが各接触領域の境界を超えるときにダイアフラムの弾性が不連続に変化するので、測定圧力の範囲によって圧力－容量特性をより顕著に変化させることができる。
　本発明の第１の静電容量型圧力センサの異なる実施態様は、前記ダイアフラムに加わる圧力が大きくなっていくと、前記ダイアフラムは前記比ε／ｄの値が小さい接触領域に順次接触することを特徴としている。かかる実施態様によれば、低圧力領域で測定感度を高くし、高圧力領域で測定感度を低くできる。
　特に、前記各接触領域の表面を、前記誘電体層の底面から測った高さが、前記ダイアフラムに次第に大きな圧力が加わった場合に前記ダイアフラムが接触する順番に従って順次高くなるように構成すれば、低圧力領域で測定感度を高くし、高圧力領域で測定感度を低くできる。
　また、裏面側で誘電体層の厚さを変える場合には、前記ダイアフラムに対向する領域において前記固定電極の上面に階段状の段差を形成しておけばよい。この場合には、前記各接触領域の表面を、全体として平坦に形成することもでき、ダイアフラムがスムーズに変形させることができる。
　特に、前記接触面の下における誘電体層の厚さが、前記ダイアフラムに次第に大きな圧力が加わった場合に前記ダイアフラムが接触する順番に従って順次厚くなるように構成すれば、低圧力領域で測定感度を高くし、高圧力領域で測定感度を低くできる。
　前記接触領域の表面が、いずれも圧力が加わっていない状態における前記ダイアフラムと平行な平面となるようにすれば、誘電体層の表面の加工が容易になる。
　本発明の第１の静電容量型圧力センサのさらに異なる実施態様としては、前記各接触領域相互の境界において、前記誘電体層の誘電率が不連続に変化していてもよい。この場合にも、ダイアフラムの接触面が接触領域の境界を超えて誘電体層に接触すると、接触面積と静電容量との関係（容量特性）が変化するので、測定圧力の範囲によって圧力－容量特性を変化させることができる。たとえば、低圧力領域では測定感度を高くし、高圧力領域では測定感度を低くしたりできる。
　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において、前記誘電体層のうち前記ダイアフラムに対向する部分は、前記ダイアフラムを接触させるための複数の接触領域を有し、前記各接触領域相互の境界において、前記誘電体層の表面が階段状の段差を有していることを特徴としている。
　本発明の第２の静電容量型圧力センサにあっては、ダイアフラムが各接触領域の境界を超えるときにダイアフラムの弾性が不連続に変化するので、測定圧力の範囲によって圧力－容量特性をより顕著に変化させることができる。たとえば、低圧力領域では測定感度を高くし、高圧力領域では測定感度を低くしたりできる。
　本発明に係る静電容量型圧力センサの製造方法は、誘電体層の表面側に段差を付与して接触領域の厚みを異ならせた静電容量型圧力センサを製造するための方法であって、前記固定電極の上方に第１の誘電体膜を形成する工程と、エッチングにより前記第１の誘電体膜を部分的に除去し、階段状の縁を有する第１の開口を形成する工程と、前記第１の誘電体膜の上から前記固定電極の上方に第２の誘電体膜を形成する工程と、エッチングにより前記第２の誘電体膜を部分的に除去し、階段状の縁を有する第２の開口を形成する工程と、前記第１及び第２の誘電体膜の上から前記固定電極の上方に第３の誘電体膜を形成する工程とを備えている。なお、第１の開口は、第１の誘電体膜を貫通している必要はない。第２の開口も、第２の誘電体膜を貫通している必要はない。また、前記第２の開口は、前記第１の開口よりも面積が小さくなるようにしてもよく、大きくなるようにしてもよい。
　かかる製造方法によれば、簡単なＭＥＭＳ工程によって誘電体層の表面側に段差を付与して接触領域の厚みを異ならせた静電容量型圧力センサを製造することができる。
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）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。 図２（Ａ）は、本発明の実施形態１に係る圧力センサの概略平面図である。図２（Ｂ）は、図２（Ａ）のＸ－Ｘ線に沿った概略断面図である。 図３（Ａ）及び図３（Ｂ）は、本発明の実施形態１に係る圧力センサのダイアフラムを除いた状態の概略平面図及び概略断面図である。 図４（Ａ）－図４（Ｄ）は、ダイアフラムに次第に大きな圧力が加わったときの、ダイアフラムの変形具合を示す説明図である。 図５は、本発明の実施例による圧力センサと従来例の圧力センサにおける圧力と静電容量の変化率との関係を示す図である。 図６（Ａ）－図６（Ｅ）は、本発明の実施形態１に係る圧力センサの製造工程を説明する断面図である。 図７（Ａ）－図７（Ｄ）は、同上の圧力センサの製造工程を説明する断面図であって、図６（Ｅ）に続く工程を示す。 図８（Ａ）－図８（Ｃ）は、同上の圧力センサの製造工程を説明する断面図であって、図７（Ｄ）に続く工程を示す。 図９（Ａ）及び図９（Ｂ）は、同上の圧力センサの製造工程を説明する断面図であって、図８（Ｃ）に続く工程を示す。 図１０（Ａ）は、本発明の実施形態２に係る圧力センサの概略平面図である。図１０（Ｂ）は、当該圧力センサに用いられている誘電体層の概略平面図である。 図１１は、本発明の実施形態３に係る圧力センサの概略断面図である。 図１２は、本発明の実施形態４に係る圧力センサの概略断面図である。 図１３は、本発明の実施形態５に係る圧力センサの概略断面図である。 図１４は、本発明の実施形態６に係る圧力センサの概略断面図である。 図１５は、本発明の実施形態７に係る入力装置の概略断面図である。
　３１、６１－６５　　　圧力センサ
　３２　　　固定電極
　３３　　　誘電体層
　３４　　　リセス
　３５　　　第１接触面（接触面）
　３６　　　第２接触面（接触面）
　３７　　　上基板
　３８　　　ダイアフラム
　４０　　　上電極パッド
　４２　　　下電極パッド
　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。ただし、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及び図３を参照して本発明の実施形態による圧力センサ１１の構造を説明する。図２（Ａ）は圧力センサ１１の概略平面図、図２（Ｂ）は図２（Ａ）のＸ－Ｘ線断面図である。また、図３（Ａ）は、圧力センサ１１に用いられている誘電体層３３を示す概略平面図、図３（Ｂ）は、圧力センサ１１に用いられている固定電極３２及び誘電体層３３を示す概略断面図である。
　この圧力センサ１１にあっては、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、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、ＴＥＯＳ等の誘電体材料からなる。誘電体層３３は、その上面にリセス３４（凹部）が凹設されている。リセス３４内には、誘電体層３３の下面から測った高さが異なる複数の接触面（接触領域の表面）が形成されている。図示例では、リセス３４の中央部に円形に設けられた低位置の第１接触面３５と、第１接触面３５の周囲に円環状に設けられた高位置の第２接触面３６が設けられている。第１接触面３５と第２接触面３６の間の境界は、誘電体層３３の下面に垂直な垂直面（以下、段差壁面という。）となっていて、第１接触面３５と第２接触面３６の間では接触面の高さが階段状に変化している。
　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３７が形成されている。上基板３７は、リセス３４の上面を覆っている。上基板３７の上面には金属材料によって上電極パッド４０や配線４１が設けられており、上電極パッド４０や配線４１は上基板３７と導通している。さらに、上基板３７の上面はＳｉＯ２やＳｉＮなどの絶縁膜やポリイミドなどの樹脂からなる保護膜３９によって覆われている。上電極パッド４０は保護膜３９から露出している。こうして上基板３７及び保護膜３９のうち、リセス３４の上方で宙空において水平に張られた領域により、感圧用のダイアフラム３８が形成されている。
　この圧力センサ１１では、ダイアフラム３８に圧力が加わる。図４（Ａ）―（Ｄ）は、押圧体４３の柔軟な先端部でダイアフラム３８を押さえたときの様子を表している。図４（Ａ）から図４（Ｄ）に向けて次第に圧力が大きくなっている。このときの静電容量の変化は、定性的には、以下のようになる。
　ダイアフラム３８が小さな圧力で押さえられていて誘電体層３３に接触していない状態から図４（Ａ）のようにダイアフラム３８が誘電体層３３に軽く接触するまえの間では、ダイアフラム３８と固定電極３２の間の静電容量の変化は小さく、ほぼ一定であると考えてよい。このときの静電容量（一定値）をＣoで表す。
　ダイアフラム３８に加わる圧力が次第に大きくなって第１接触面３５に接触し、図４（Ｂ）のようにダイアフラム３８が第１接触面３５に接触する面積Ｓ１が次第に大きくなると、それに伴ってダイアフラム３８と固定電極３２との間の静電容量Ｃは、つぎの数式２のように変化する。
　　　Ｃ＝Ｃo＋（ε／ｄ１）Ｓ１　　　…（数式２）
又は、ΔＣ＝（Ｃ－Ｃo）／Ｃoを比静電容量と定義すれば、
　　　ΔＣ＝（Ｃ－Ｃo）／Ｃo＝（ε・Ｓ１）／（ｄ１・Ｃo）　　　…（数式３）
となる。ここで、εは誘電体層３３の誘電率、ｄ１は第１接触面３５の下の誘電体層３３（接触領域）の厚さである。
　ダイアフラム３８に加わる圧力が大きくなってダイアフラム３８が段差壁面の上端に当たると、ダイアフラム３８はそこから次第に第２接触面３６に接触を始める。図４（Ｃ）に示すように、ダイアフラム３８が第２接触面３６の角（段差壁面の上端）に接触したときの静電容量Ｃは、ダイアフラム３８の第１接触面３５への最大接触面積をＳ１maxとすれば、つぎの数式４で表される。
　　　Ｃ＝Ｃo＋（ε／ｄ１）Ｓ１max　　　…（数式４）
又は、ΔＣ＝（Ｃ－Ｃo）／Ｃo＝（ε・Ｓ１mac）／（ｄ１・Ｃo）　　　…（数式５）
　さらにダイアフラム３８に加わる圧力が大きくなると、ダイアフラム３８が第２接触面３６に接触する面積が次第に大きくなる。ダイアフラム３８が接触面積Ｓ２で第２接触面３６に接触するときの静電容量Ｃは、つぎの数式６で表される。
　　　Ｃ＝Ｃo＋（ε／ｄ１）Ｓ１max＋（ε／ｄ２）Ｓ２　　　…（数式６）
又は、ΔＣ＝（ε・Ｓ１mac）／（ｄ１・Ｃo）＋（ε・Ｓ２）／（ｄ２・Ｃo）
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　…（数式７）
ここで、ｄ２は第２接触面３６の下における誘電体層３３（接触領域）の厚さである。
　上記数式３における接触面積Ｓ１の係数と上記数式７における接触面積Ｓ２の係数は異なっている。したがって、ダイアフラム３８が第１接触面３５に接触しているときの圧力－容量特性の変化の仕方と、ダイアフラム３８が第２接触面３６に接触しているときの圧力－容量特性の変化の仕方とが異なることがわかる。特に、第１接触面３５の下の誘電体層３３の厚さｄ１が、第２接触面３６の下の誘電体層３３の厚さｄ２よりも薄いと、低圧力領域における測定感度が高くなり、高圧力領域における測定感度が低くなることがわかる。
　また、ダイアフラム３８の接触面積が増加すると、ダイアフラム３８の自由に変形できる領域の面積が小さくなるので、次第にダイアフラム３８の弾性が高くなっていく。そして、ダイアフラム３８が第２接触面３６の角（段差壁面の上端）に当接した時には、ダイアフラム３８の自由に変形できる領域の面積が不連続的に小さくなるので、ダイアフラム３８が第２接触面３６の角に当接する前後においてダイアフラム３８の弾性は急に高くなる。この結果、ダイアフラム３８が第１接触面３５に接触している状態においては測定感度が高く、ダイアフラム３８が第２接触面３６に接触している状態においては測定感度が低くなる。よって、実施形態１の圧力センサ３１においては、このような現象によっても低圧力領域における測定感度が高くなり、高圧力領域における測定感度が低くなる。
　図５は、本発明の実施形態１による圧力センサ（実施形態１）における圧力－容量特性と、非特許文献１に記載された圧力センサ（従来例）の圧力－容量特性とを比較して示した図である。これらの特性はシミュレーションにより得たものである。図５の横軸は圧力Ｐを表し、縦軸はダイアフラム（可動電極）と固定電極との間の比静電容量ΔＣ＝（Ｃ－Ｃo）／Ｃoを表している。ここで、Ｃは圧力がＰのときの静電容量であり、Ｃoは非接触領域における静電容量である。
　ダイアフラム３８の接触面積は、ほぼＰｎ（ただし、０＜ｎ＜１）に比例するので、数式２－４で表現される圧力－容量特性は放物線状の曲線を描く。したがって、数式２－４と図５とは整合している。
　ただし、従来例の圧力センサの圧力－容量特性は全域にわたって放物線状になめらかに変化するのに対し、実施形態１の圧力センサの圧力－容量特性は、ダイアフラム３８が第１、第２接触面３５、３６間の段差壁面の上端に当接したときの圧力Ｐｅの前後で変化の仕方が異なる。
　すなわち、従来例の圧力センサでは、測定レンジの全体で測定感度の変化の仕方が一定の規則に従っている。そのため、低圧力領域で所望の測定感度が得られるように設計すると、それによって高圧力領域での測定感度も決まり、任意に低圧力領域で高感度となり高圧力領域で低感度となるように設計することはできない。同様に、圧力の測定レンジにおける最大圧力Ｐｆの近傍における静電容量の飽和具合も任意に設計することはできない。
　これに対し、本発明の実施形態１による圧力センサ１１では、圧力がＰｅよりも小さくてダイアフラム３８が第１接触面３５にのみ接触している状態（低圧力領域）では、測定感度が高くなるように設計されている。しかし、圧力がＰｅよりも大きくてダイアフラム３８が第２接触面３６にも接触している状態（高圧力領域）では、第２接触面３６の下の誘電体層３３の厚さｄ２が第１接触面３５の下の誘電体層３３の厚さｄ１よりも大きいために、測定感度は低圧力領域よりも低くなる。したがって、実施形態１によれば、低圧力領域で測定感度が高く、高圧力領域で測定感度の低い圧力センサ１１を製作することができる。また、高圧力領域では測定感度が低くてもよいので、第２接触面３６の下の誘電体層３３の厚さｄ２や第２接触面３６の面積を適当に選択することにより、測定レンジの最高圧力Ｐｆで静電容量がその飽和値に近づいて静電容量の変化が小さくなるように設計できる。よって、静電容量の変化から測定している圧力Ｐがほぼ最高圧力Ｐｆになったことを検知することができる。
　つぎに、上記圧力センサ１１の製造工程を説明する。図６－図９は、圧力センサ１１の製造工程を具体的に表した図である。なお、図６－図９の製造工程においては、１個の圧力センサを製造する工程を説明するが、通常は、ウエハ上において複数個の圧力センサを一度に製作する。
　圧力センサ１１は、上基板側と固定電極側とに分けて製造される。まず、上基板側の製造方法を図６（Ａ）－（Ｅ）により説明する。図６（Ａ）は、シリコン基板等からなる上基板３７の上面全体に、スパッタや蒸着によってＡｌやＡｕなどの金属膜４０ａを成膜した状態を表している。上基板３７の上の金属膜４０ａはフォトリソグラフィ工程によってパターニングされ、図６（Ｂ）に示すように、上基板３７の上面に金属膜４０ａからなる上電極パッド４０や配線４１が形成される。ついで、上電極パッド４０や配線４１の上から上基板３７の上面全体を、図６（Ｃ）に示すように、スパッタやＣＶＤ、コーティングなどの方法によってＳｉＯ２などの絶縁膜やポリイミドなどの樹脂材料からなる保護膜３９で覆う。保護膜３９は上電極パッド４０の上面で部分的に開口窓５０を設けられ、図６（Ｄ）に示すように、上電極パッド４０は保護膜３９から少なくとも一部が露出させられる。保護膜３９を開口する方法としては、反応性ガスによってドライエッチングしてもよく、薬液（エッチング液）を用いてウェットエッチングしてもよい。この後、上基板３７の下面を研削及び研磨、あるいはエッチングすることにより、図６（Ｅ）のように上基板３７の厚さを薄くし、上基板３７及び保護膜３９からなる薄膜状のダイアフラム３８を形成する。
　つぎに、固定電極側の製造方法を図７（Ａ）－（Ｄ）及び図８（Ａ）－（Ｃ）により説明する。図７（Ａ）は、低抵抗のシリコン基板等からなる固定電極３２の上面全体に、熱酸化やスパッタ、ＣＶＤなどの方法でＳｉＯ２、ＳｉＮ、ＴＥＯＳ等の誘電体材料からなる誘電体膜３３ａを形成した状態を表している。この誘電体膜３３ａの厚さは、第１接触面３５と第２接触面３６との間の段差に等しくなるように定める。この誘電体膜３３ａは、薬液を用いたウェットエッチングや反応性ガスを用いたドライエッチングによってエッチングされ、図７（Ｂ）に示すように、中央部に開口５１（第１の開口）を形成される。誘電体膜３３ａの開口５１は、リセス３４となる領域とほぼ等しい領域に形成される。さらに、図７（Ｃ）に示すように、誘電体膜３３ａの上から固定電極３２の上面全体に、誘電体膜３３ａと同じ誘電体材料を用いて誘電体膜３３ｂを成膜する。この誘電体膜３３ｂは、薬液を用いたウェットエッチングや反応性ガスを用いたドライエッチングによってエッチングされ、図７（Ｄ）に示すように、中央部に開口５２（第２の開口）を形成される。誘電体膜３３ｂの開口５２は、開口５１よりも面積が小さくて第１接触面３５とほぼ等しい領域に形成される。つぎに、図８（Ａ）に示すように、誘電体膜３３ｂの上から固定電極３２の上面全体に、熱酸化やスパッタ、ＣＶＤなどの方法で誘電体膜３３ａ、３３ｂと同じ誘電体材料を用いて誘電体膜３３ｃを形成する。この結果、誘電体膜３３ａ、３３ｂ、３３ｃによって誘電体層３３が形成される。なお、これとは異なる方法によって誘電体層３３を形成してもよい。すなわち、比較的厚さの大きな誘電体層３３を固定電極３２の上面に成膜した後、誘電体層３３をエッチングして第１接触面３５と第２接触面３６を有するリセス３４を形成してもよい。
　この後、必要に応じて、固定電極３２の下面を研削及び研磨、あるいはエッチングすることにより、図８（Ｂ）のように固定電極３２の厚さを薄くする。固定電極３２の下面には、図８（Ｃ）に示すようにＡｌやＡｕなどの金属膜を成膜し、薬液でウェットエッチングしたり、反応性ガスを用いてドライエッチングしたりして金属膜をパターニングし、下電極パッド４２を形成する。
　この後、常温接合、フュージョン接合、樹脂接合、共晶接合などの接合方法を用いて、誘電体層３３の上に上基板３７を接合させ、図９（Ａ）のような圧力センサ３１を得る。なお、この後に、図９（Ｂ）に示すように、固定電極３２及び下電極パッド４２の下面全体に保護膜５３を形成し、保護膜５３に開口窓５４をあけて開口窓５４から下電極パッド４２を露出させてもよい。また、圧力センサ１１がウエハによって複数個一度に作製されている場合には、この後でウエハをダイシングして個々の圧力センサ１１に切り離す。
　なお、図７（Ｄ）の工程において誘電体膜３３ｂにあけた開口５２は、誘電体膜３３ａの開口５１よりも面積が小さくなっていたが、これとは反対に、誘電体膜３３ｂの開口５２を開口５１よりも大きくしてもよい。
（実施形態２）
　図１０（Ａ）は、本発明の実施形態２に係る圧力センサ６１の概略平面図である。図１０（Ｂ）は、この圧力センサ６１に用いられている誘電体層３３の概略平面図である。この圧力センサ６１では、リセス３４、第１接触面３５、第２接触面３６及びダイアフラム３８のいずれもが長方形状に形成されている。
　かかる実施形態によれば、ダイアフラム３８が第１接触面３５や第２接触面３６に短辺方向で十分に接触した後は、第１接触面３５や第２接触面３６への接触面は長辺方向へ伸びていくので、実施形態１と異なる圧力―容量特性を得ることができる。
　なお、リセス３４や第１接触面３５、第２接触面３６の平面形状は、円形や長方形以外にも、正方形、楕円、六角形、八角形など様々な形状にすることができる。
（実施形態３）
　図１１は、本発明の実施形態３に係る圧力センサ６２の概略断面図である。この圧力センサ６２では、第２接触面３６が第１接触面３５へ向けて斜め下りに傾斜しているので、ダイアフラム３８が第２接触面３６に接触しやすくなる。
（実施形態４）
　図１２は、本発明の実施形態４に係るタッチモードの静電容量型圧力センサ６３の概略断面図である。この圧力センサ６３では、ダイアフラム３８の中央部に対向する領域において、固定電極３２の上面を突出させて凸部７１を形成している。また、固定電極３２の上面に形成した誘電体層３３には、ダイアフラム３８と対向する領域にリセス３４が形成されており、リセス３４内において誘電体層３３の上面は平坦に形成されている。したがって、リセス３４の中央部に位置し、かつ、凸部７１の直上に位置する第１接触面３５では、誘電体層３３の厚みが薄くなっている。また、リセス３４の外周部に位置し、かつ、凸部７１よりも低い固定電極３２の上面７２に対向する第２接触面３６では、誘電体層３３の厚みが厚くなっている。
　実施例４の圧力センサ６３では、ダイアフラム３８の接触面が第１接触面３５から第２接触面３６へ広がっていき、ダイアフラム３８の接触面積が大きくなるにしたがって、上記数式２－７で記述したように静電容量が変化する。よって、第１接触面３５にのみ接触しているときと、第２接触面３６にも接触しているときとで静電容量の増加の仕方が異なる。すなわち、低圧領域では測定感度が高く、高圧領域では測定感度が小さくなるようにできる。
（実施形態５）
　図１３は、本発明の実施形態５に係るタッチモードの静電容量型圧力センサ６４の概略断面図である。この圧力センサ６４では、固定電極３２の上面にリセス３４が凹設されている。リセス３４内には、固定電極３２の下面から測った高さが異なる複数の平面が形成されている。図示例では、リセス３４の中央部に位置する低位置の第１平面７３と、第１平面７３の周囲に位置する高位置の第２平面７４が設けられている。第１平面７３と第２平面７４の間の境界は、固定電極３２の下面に垂直な垂直面（段差壁面）となっていて、第１平面７３と第２平面７４の間では平面の高さが階段状に変化している。
　さらに、固定電極３２の上面には、均一な厚みの誘電体層３３が形成されている。したがって、誘電体層３３の上面にもリセス３４が形成され、リセス３４内には第１平面７３の上に位置する低位置の第１接触面３５と第２平面７４の上に位置する高位置の第２接触面３６とが形成されている。
　実施形態５の圧力センサ６４では、誘電体層３３の厚みは均一であるが、リセス３４内において誘電体層３３の表面が階段状に形成されている。そのため、実施形態１においても説明したように、ダイアフラム３８が第２接触面３６の角（段差壁面の上端）に当接した時には、ダイアフラム３８の自由に変形できる領域の面積が不連続的に小さくなるので、ダイアフラム３８が第２接触面３６の角に当接する前後においてダイアフラム３８の弾性は急に高くなる。この結果、ダイアフラム３８が第１接触面３５に接触している状態においては測定感度が高く、ダイアフラム３８が第２接触面３６に接触している状態においては測定感度が低くなる。よって、実施形態１の圧力センサ３１においては、このような現象によっても低圧力領域における測定感度が高くなり、高圧力領域における測定感度が低くなる。
（実施形態６）
　図１４は、本発明の実施形態６に係るタッチモードの静電容量型圧力センサ６５の概略断面図である。この圧力センサ６５にあっては、固定電極３２の上面に誘電体層７５、７６が形成されており、誘電体層７５、７６の上面にリセス３４が凹設されている。リセス３４内の底面においては、リセス３４の中央部は誘電率が比較的大きな誘電体層７６で形成されており、リセス３４の外周部は誘電率が比較的小さな誘電体層７５で形成されている。そして、リセス３４内では、誘電体層７６の上面が第１接触面３５となっており、誘電体層７５の上面が第２接触面３６となっている。また、リセス３４の底面においては、誘電体層７５の厚さと誘電体層７６の厚さはほぼ等しく、第１接触面３５と第２接触面３６は同じ高さの平坦面となっている。
　この圧力センサ６５では、ダイアフラム３８が押さえられても誘電体層７５、７５に接触するまではダイアフラム３８と固定電極３２の間の静電容量Ｃの変化は小さく、ほぼ一定であると考えてよい。このときの静電容量（一定値）をＣoで表すと、ダイアフラム３８と固定電極３２との間の比静電容量ΔＣ＝（Ｃ－Ｃo）／Ｃoは、以下のように変化する。
　ダイアフラム３８に圧力が加わって第１接触面３５に接触し、ダイアフラム３８が第１接触面３５に接触する面積Ｓ１が次第に大きくなるとき、ダイアフラム３８と固定電極３２との間の比静電容量ΔＣは、つぎの数式８のように変化する。
　　　ΔＣ＝（ε１・Ｓ１）／（ｄ・Ｃo）　　　…（数式８）
ここで、ε１は誘電体層７６の誘電率、ｄはリセス３４の底面における誘電体層７５、７６の厚さである。
　ダイアフラム３８に加わる圧力が大きくなってダイアフラム３８の接触面が第１接触面３５の全体に広がると、そのときの比静電容量ΔＣは、第１接触面３５の面積をＳ１maxとすれば、つぎの数式９で表される。
　　　ΔＣ＝（ε１・Ｓ１mac）／（ｄ・Ｃo）　　　…（数式９）
　ダイアフラム３８に加わる圧力がさらに大きくなってダイアフラム３８の接触面が第２接触面３６に広がるとき、ダイアフラム３８と第２接触面３６の接触面積をＳ２とし、誘電体層７５の誘電率をε２とすると、比静電容量ΔＣは、つぎの数式１０で表される。
　　　ΔＣ＝（ε１・Ｓ１mac）／（ｄ・Ｃo）＋（ε２・Ｓ２）／（ｄ・Ｃo）
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　…（数式１０）
　上記数式８における接触面積Ｓ１の係数と上記数式１０における接触面積Ｓ２の係数は異なっている。したがって、ダイアフラム３８が第１接触面３５に接触しているときの圧力－容量特性の変化の仕方と、ダイアフラム３８が第２接触面３６に接触しているときの圧力－容量特性の変化の仕方とが異なることがわかる。特に、第１接触面３５の下の誘電体層７６の誘電率ε１が、第２接触面３６の下の誘電体層７５の誘電率ε２よりも大きいと、低圧力領域における測定感度が高くなり、高圧力領域における測定感度が低くなる。
（実施形態７）
　図１５は、本発明の実施形態７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、本発明にかか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。

Claims (16)

  1. 　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において、
    　前記誘電体層のうち前記ダイアフラムに対向する部分は、前記ダイアフラムを接触させるための複数の接触領域を有し、
    　前記誘電体層の厚さをｄ、前記誘電体層の誘電率をεとしたとき、前記各接触領域相互の境界において、その比ε／ｄの値が不連続に変化していることを特徴とする静電容量型圧力センサ。
  2. 　前記各接触領域相互の境界において、前記誘電体層の厚さが不連続に変化し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. 　前記各接触領域相互の境界において、前記誘電体層の表面が階段状の段差を有していることを特徴とする、請求項２に記載の静電容量型圧力センサ。
  4. 　前記各接触領域の表面は、圧力が加わっていない状態における前記ダイアフラムからの距離が互いに異なることを特徴とする、請求項３に記載の静電容量型圧力センサ。
  5. 　前記ダイアフラムに加わる圧力が大きくなっていくと、前記ダイアフラムは前記比ε／ｄの値が小さい接触領域に順次接触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。
  6. 　前記各接触領域の表面は、前記誘電体層の底面から測った高さが、前記ダイアフラムに次第に大きな圧力が加わった場合に前記ダイアフラムが接触する順番に従って順次高くなっていることを特徴とする、請求項３に記載の静電容量型圧力センサ。
  7. 　前記各接触領域の表面は、全体として平坦に形成されていることを特徴とする、請求項２に記載の静電容量型圧力センサ。
  8. 　前記ダイアフラムに対向する領域において前記固定電極の上面に階段状の段差を形成したことを特徴とする、請求項７に記載の静電容量型圧力センサ。
  9. 　前記接触面の下における誘電体層の厚さは、前記ダイアフラムに次第に大きな圧力が加わった場合に前記ダイアフラムが接触する順番に従って順次厚くなっていることを特徴とする、請求項２に記載の静電容量型圧力センサ。
  10. 　前記接触領域の表面は、いずれも圧力が加わっていない状態における前記ダイアフラムと平行な平面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。
  11. 　前記各接触領域相互の境界において、前記誘電体層の誘電率が不連続に変化し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。
  12. 　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において、
    　前記誘電体層のうち前記ダイアフラムに対向する部分は、前記ダイアフラムを接触させるための複数の接触領域を有し、
    　前記各接触領域相互の境界において、前記誘電体層の表面が階段状の段差を有していることを特徴とする静電容量型圧力センサ。
  13. 　請求項３に記載した静電容量型圧力センサを製造するための方法であって、
    　前記固定電極の上方に第１の誘電体膜を形成する工程と、
    　エッチングにより前記第１の誘電体膜を部分的に除去し、階段状の縁を有する第１の開口を形成する工程と、
    　前記第１の誘電体膜の上から前記固定電極の上方に第２の誘電体膜を形成する工程と、
    　エッチングにより前記第２の誘電体膜を部分的に除去し、階段状の縁を有する第２の開口を形成する工程と、
    　前記第１及び第２の誘電体膜の上から前記固定電極の上方に第３の誘電体膜を形成する工程と、
    を備えた静電容量型圧力センサの製造方法。
  14. 　前記第２の開口が、前記第１の開口よりも面積が小さいことを特徴とする、請求項１３に記載の静電容量型圧力センサの製造方法。
  15. 　前記第２の開口が、前記第１の開口よりも面積が大きいことを特徴とする、請求項１３に記載の静電容量型圧力センサの製造方法。
  16. 　請求項１に記載した圧力センサを搭載した入力装置。
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