WO2014136337A1 - 静電容量型圧力センサ及び入力装置 - Google Patents

静電容量型圧力センサ及び入力装置 Download PDF

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pressure sensor
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capacitance
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井上　勝之
敏明 奥野
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オムロン株式会社
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    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/03—Arrangements for converting the position or the displacement of a member into a coded form
    • G06F3/041—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means
    • G06F3/044—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means by capacitive means
    • G06F3/0447—Position sensing using the local deformation of sensor cells

Definitions

  • the present invention relates to a capacitive pressure sensor and an input device. Specifically, the present invention relates to a touch-mode capacitive pressure sensor in which a diaphragm bent by pressure contacts a dielectric layer to detect pressure. The present invention also relates to an input device using the 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 bent by pressure and the fixed electrode.
  • the pressure is detected from.
  • this pressure sensor is a micro device manufactured by MEMS technology using a glass substrate or a silicon substrate, the diaphragm may be destroyed if a large pressure is applied to the diaphragm and it bends greatly.
  • a pressure sensor has been proposed. This pressure sensor is sometimes called a touch mode 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.
  • An electrode pad 16 is provided on the upper surface of the dielectric film 14.
  • a through hole 15 is opened in the dielectric film 14, and an electrode pad 16 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 of the silicon substrate 17.
  • a thin film diaphragm 20 is formed between the recess 18 and the recess 19.
  • 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 doped with B (boron) at a high concentration, thereby imparting conductivity to the diaphragm 20 and using the diaphragm 20 as a movable electrode.
  • a gap 22 of several ⁇ m is formed by the recess 19 between the lower surface of the diaphragm 20 and the upper surface of 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 where pressure is from 0 to Pa is a region where the diaphragm 20 is not in contact with the dielectric film 14.
  • the section from the pressure Pa to Pb contact start region is a region from when the diaphragm 20 contacts the dielectric film 14 until it reliably contacts with a certain area.
  • 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 capacitance C between the diaphragm 20 and the dielectric film 14 can be expressed by the following formula 1.
  • C Co + ⁇ ⁇ (S / d) (Formula 1)
  • S the contact area between the diaphragm 20 and the dielectric film 14
  • d the thickness of the dielectric film 14
  • ⁇ the dielectric constant of the dielectric film 14
  • Co is a capacitance in a non-contact region.
  • the pressure sensor 11 has the following problems.
  • the area when the diaphragm 20 starts to contact the dielectric film 14 varies depending on the tip shape of the pressing body that presses the diaphragm 20.
  • the characteristic (hereinafter referred to as the rising characteristic) in the rising portion of the pressure-capacitance characteristic (the area close to Pb among the contact start area and the operation area) varies depending on the tip shape of the pressing body 23.
  • the contact area when the diaphragm 20 starts to contact the dielectric film 14 is small.
  • FIG. 2A when the diaphragm 20 is pressed by the pressing body 23 having a small tip surface
  • the present invention has been made in view of the technical background as described above, and its object is to reduce the influence of the size or shape of the pressing body or the pressing position, and to improve the measurement accuracy. It is an object of the present invention to provide a capacitive pressure sensor in a touch mode that can be used.
  • a capacitive pressure sensor includes a fixed electrode, a dielectric layer formed above the fixed electrode, and a conductive diaphragm formed above the dielectric layer with a gap therebetween, One or a plurality of protrusions provided on the upper surface of the diaphragm are provided.
  • the capacitive pressure sensor of the present invention has a protrusion on the upper surface of the diaphragm, when the diaphragm is pressed with a pressing body, the diaphragm is pressed against the dielectric layer through the protrusion. Therefore, when the applied pressure is small, the diaphragm deforms in a certain shape according to the pressure regardless of the size and shape of the pressing body. Therefore, the variation in the rising characteristics of the pressure sensor is reduced, and the output characteristics of the pressure sensor are improved.
  • the diaphragm can be pressed via the protrusions provided at a fixed position on the diaphragm, so that variations in output due to the shift of the pressed position can be reduced, and in particular, the rise characteristics are improved. Can be made.
  • the protrusion may be formed of the same material as the protective film when the surface of the diaphragm is covered with a protective film. By using the same material for the protective film and the protrusions, the protective film and the protrusions can be manufactured in one step, thereby simplifying the manufacturing process.
  • the protrusion may be formed integrally with the diaphragm by the same material as the diaphragm. In this case, the projection can be formed by processing into a diaphragm.
  • An embodiment of the capacitive pressure sensor according to the present invention is characterized in that the protrusion is provided at the center of the upper surface of the diaphragm. According to this embodiment, since the projection is provided at the center of the diaphragm, the diaphragm is uniformly deformed by the pressing force, and the diaphragm is less likely to be plastically deformed.
  • Another embodiment of the capacitive pressure sensor according to the present invention is characterized in that the height of the protrusion is equal to or less than the height of the gap. If the height of the protrusion is equal to or less than the height of the gap, the pressing body is not easily blocked by the protrusion when the diaphragm is pressed. As a result, the linearity of the output of the pressure sensor is improved.
  • Still another embodiment of the capacitive pressure sensor according to the present invention is characterized in that the width of the protrusion is not more than 0.2 times the width of the diaphragm. In this embodiment, it is more preferable that the width of the protrusion is not more than 0.15 times the width of the diaphragm. According to this embodiment, the output characteristics of the pressure sensor provided with the protrusions are improved.
  • Still another embodiment of the capacitive pressure sensor according to the present invention is such that the air passages are provided at positions symmetrical with respect to two virtual straight lines orthogonal to each other when viewed from the direction perpendicular to the diaphragm. It is a feature. According to such an embodiment, when the diaphragm is pressed, uniform stress is generated in the diaphragm, and it is possible to prevent the diaphragm from being plastically deformed due to local large stress.
  • the air passage may be bent or curved. If the air passage is bent or curved, it is difficult for foreign matter to enter the sensor from the air passage.
  • the input device is characterized in that a plurality of capacitive pressure sensors according to the present invention are arranged. According to such an input device, the influence of the size of the pressing body and the displacement of the pressing position is reduced, and the pressing position and the pressing force can be accurately detected.
  • 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. .
  • 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 diagram showing a state in which the diaphragm pressed by the small pressing body starts to contact the dielectric layer.
  • FIG. 2B is a schematic diagram illustrating a state in which the diaphragm pressed by the large pressing body starts to contact the dielectric layer.
  • FIG. 2C is a schematic diagram showing a state in which the diaphragm is pressed at a position deviated from the central portion.
  • FIG. 3 is a plan view showing the pressure sensor according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the pressure sensor shown in FIG.
  • FIG. 5A is a schematic diagram showing a state when the diaphragm of the pressure sensor shown in FIG. 3 is pressed with a small pressing body.
  • FIG. 5B is a schematic diagram illustrating a state when the diaphragm of the pressure sensor illustrated in FIG. 3 is pressed with a large pressing body.
  • FIG. 6A is a schematic diagram illustrating a state when the center of the diaphragm of the pressure sensor illustrated in FIG. 3 is pressed by a pressing body.
  • FIG. 6B is a schematic view showing a state when a position deviated from the center of the diaphragm of the pressure sensor shown in FIG. 3 is pressed by a pressing body.
  • FIG. 5A is a schematic diagram showing a state when the diaphragm of the pressure sensor shown in FIG. 3 is pressed with a small pressing body.
  • FIG. 5B is a schematic diagram illustrating a state when
  • FIG. 7A is a schematic diagram showing a state when a large load is applied and the diaphragm of the pressure sensor shown in FIG. 3 is pressed.
  • FIG. 7B is a schematic diagram of a comparative example showing a case where the height of the protrusion is larger than the height of the air gap.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating a result of obtaining a relationship between a weight applied to the protrusion and an amount of change in capacitance for a plurality of samples (including those having no protrusion) having different protrusion heights.
  • FIG. 9 is a diagram showing a result of obtaining a relationship between the weight applied to the protrusion and the amount of change in the electrostatic capacitance for a plurality of samples having different protrusion diameters (including those having no protrusion) by simulation.
  • FIG. 10A, FIG. 10B, and FIG. 10C are all diagrams showing the arrangement of vent lines.
  • FIG. 11 is a plan view showing a pressure sensor having top electrodes of different shapes according to a modification of the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a plan view of a pressure sensor according to another modification of the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view of an input device according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 3 is a plan view of the pressure sensor 31
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the pressure sensor 31.
  • 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 (thermal oxide film), SiN, or TEOS.
  • a recess 33a (concave portion) is provided on the top surface of the dielectric layer 33.
  • a thin film upper substrate 35a made of a conductive material such as a low resistance silicon substrate is formed on the dielectric layer 33.
  • the upper substrate 35a covers the upper surface of the recess 33a, and an air gap 34 (air gap) is formed between the lower surface of the upper substrate 35a and the recess bottom surface of the dielectric layer 33 by the recess 33a.
  • a pressure-sensitive diaphragm 35 is formed by a region of the upper substrate 35a that is horizontally stretched above the air gap 34.
  • a vent line 36 air passage is formed to ensure air permeability between the air gap 34 and the outside.
  • the vent line 36 is a narrow groove having a width of about 30 ⁇ m, and is bent or meandering so that foreign matters such as dust and dirt do not easily enter the air gap 34 (see FIG. 10).
  • An annular upper electrode 37 made of a metal material is provided on the upper surface of the upper substrate 35a so as to surround the diaphragm 35. Electrode pads 40 are provided at the corners of the upper substrate 35 a, and the upper surface electrodes 37 and the electrode pads 40 are connected by wiring portions 42.
  • the upper surface electrode 37, the wiring portion 42, and the electrode pad 40 are simultaneously formed by a two-layer metal thin film of a base layer Ti (thickness 1000 mm) / surface layer Au (thickness 3000 mm).
  • a lower surface electrode 38 is provided on the lower surface of the fixed electrode 32.
  • the bottom electrode 38 is also made of a two-layered metal thin film of base layer Ti (thickness 1000 mm) / surface layer Au (thickness 3000 mm).
  • a region outside the upper surface electrode 37 on the upper surface of the upper substrate 35a is covered with a protective film 41 made of a resin such as polyimide or an insulating film such as SiO 2 or SiN.
  • the protective film 41 is excluded in the vicinity of the electrode pad 40, and the electrode pad 40 is exposed from the protective film 41.
  • a relatively small protrusion 39 is provided at the center of the upper surface of the diaphragm 35.
  • the protrusion 39 is drawn in a cylindrical shape, but it may have any shape such as a quadrangular prism shape or an indefinite shape.
  • the protrusion 39 may be made of the same material as the protective film 41 at the same time as the protective film 41, or may be made of the same material as the diaphragm 35.
  • FIG. 5A shows a case where the diaphragm 35 is pressed by a relatively small pressing body 45 on the tip surface, for example, a fingertip of a child.
  • FIG. 5B shows a case where the diaphragm 35 is pressed by a relatively large pressing body 45 having a distal end surface, such as an adult fingertip.
  • the diaphragm 35 When the protrusion 39 is provided on the upper surface of the diaphragm 35, when the diaphragm 35 is pressed by the pressing body 45, the diaphragm 35 is pressed against the dielectric layer 33 by the protrusion 39. Therefore, as shown in FIGS. 5 (A) and 5 (B), when the diaphragm 35 starts to contact the dielectric layer 33, the dielectric has the same contact area regardless of the tip shape or size of the pressing body 45. Contact with the body layer 33 is started. As a result, the rising characteristic in the pressure-capacitance characteristic of the pressure sensor 31 is less affected by the size of the pressing body, and the rising characteristic is stabilized.
  • the protrusion 39 is provided on the upper surface of the diaphragm 35, the following effects can be obtained. That is, even when the central portion of the diaphragm 35 is pushed by the pressing body 45 as shown in FIG. 6A, or when the position deviated from the center of the diaphragm 35 is pushed as shown in FIG. If the magnitude of the applied load is the same, the diaphragm 35 contacts the dielectric layer 33 in the same manner. Therefore, even if the position where the diaphragm 35 is pressed is shifted, the pressure can be accurately detected, and the measurement accuracy of the pressure sensor 31 is improved. Further, since the diaphragm 35 is reinforced by the protrusions 39, the diaphragm 35 is hardly plastically deformed.
  • the height H of the protrusion 39 is larger than the height G of the air gap 34 as shown in FIG. 7B, even if a large load is applied by the pressing body 45, the pressing body 45 is blocked by the protrusion 39. Cannot press the diaphragm 35. Therefore, it is preferable that the height of the protrusion 39 is equal to or smaller than the height G of the air gap 34.
  • FIG. 8 shows the relationship between the load F applied by the pressing body and the amount of change ⁇ C in the capacitance between the diaphragm and the fixed electrode while changing the height of the protrusion while keeping the protrusion diameter (protrusion radius R) constant.
  • the result calculated by simulation is shown.
  • the model used for this simulation is a pressure sensor having a diaphragm thickness of 10 ⁇ m, a diaphragm radius Ro of 500 ⁇ m, an air gap height G of 1 ⁇ m, and a protrusion radius R of 25 ⁇ m.
  • FIG. 8 shows the relationship between the load and the output for a model in which no protrusion is provided on the diaphragm.
  • FIG. 9 shows the result of calculating the relationship between the load F applied by the pressing body and the change amount ⁇ C of the capacitance between the diaphragm and the fixed electrode by simulation while changing the protrusion diameter while keeping the height of the protrusion constant.
  • the model used for this simulation is a pressure sensor having a diaphragm thickness of 10 ⁇ m, a diaphragm radius Ro of 500 ⁇ m, an air gap height G of 1 ⁇ m, and a protrusion height H of 1 ⁇ m.
  • the relationship between the load and the output is also shown for a model in which no protrusion is provided on the diaphragm.
  • the radius R of the protrusion is preferably 0.2 times or less (R / Ro ⁇ 0.2) of the radius Ro of the diaphragm, and particularly 0.15 times or less (R / Ro ⁇ 0.15) of Ro. It is preferable that
  • vent line 36 is bent or meandering as shown in FIG. 10A, so that foreign matters such as dust and dirt are less likely to enter the air gap 34 from the vent line 36.
  • FIG. 10A it is desirable that the vent line 36 is disposed at a symmetrical position with respect to two axes perpendicular to each other when viewed from the direction perpendicular to the diaphragm 35 (the shape of the vent line 36). May not be symmetric about the axis). Therefore, the vent line 36 is provided by a multiple of four.
  • vent line 36 When the vent line 36 is symmetrical only with respect to an axis in one direction as shown in FIG. 10B or the position of the vent line 36 is biased as shown in FIG. 10C, the diaphragm 35 is pressed. There is a possibility that the pressure in the air gap 34 does not escape from the vent line 36 evenly and the diaphragm 35 is deformed. Therefore, it is preferable to arrange the vent line 36 at an equal position as shown in FIG.
  • the vent line 36 may not be provided.
  • the air gap 34 has a sealing structure without providing the vent line 36.
  • the upper surface electrode 37 does not need to be annular, and a plurality of upper surface electrodes 37 having an arc shape may be provided as shown in FIG.
  • the upper surface electrode 37 may not be provided. This is because the upper substrate 35a has conductivity, and therefore, as shown in FIG. 12, it is only necessary to provide the electrode pad 40 at least at one location on the upper substrate 35a outside the area of the diaphragm 35.
  • one projection 39 is provided at the center of the diaphragm 35, but the number of projections 39 is not limited to one.
  • a plurality of protrusions 39 may be provided in the central portion of the diaphragm 35 so as to be close to each other.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view showing the structure of a plate-type input device 51, for example, a touch panel, according to Embodiment 2 of the present invention.
  • the input device 51 has a large number of pressure sensors 31 (sensor units) according to the first embodiment arranged in an array (for example, a rectangular shape or a honeycomb shape).
  • Each pressure sensor 31 is electrically independent, and the pressure applied to each pressure sensor 31 can be detected independently. According to such an input device 51, it is possible to detect a point pressed by a pressing body like a touch panel, and it is also possible to detect a pressing strength (a magnitude of pressure) of each point.

Abstract

　固定電極３２の上面に誘電体層３３を形成する。誘電体層３３の上面を下方へ向けて窪ませることにより、誘電体層３３の上面にリセス３３ａを形成する。リセス３３ａの底面は、誘電体層３３により覆われている。リセス３３ａを覆うようにして誘電体層３３の表面に上基板３５ａを積層する。上基板３５ａの一部、すなわちリセス３３ａの上方に位置する領域により、薄膜状をした導電性ダイアフラム３５を形成する。ダイアフラム３５の上面中央部には、突起３９を設ける。

Description

静電容量型圧力センサ及び入力装置
　本発明は、静電容量型圧力センサ及び入力装置に関する。具体的には、本発明は、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に関する。また、当該圧力センサを利用した入力装置に関する。
　一般的な静電容量型圧力センサでは、導電性のダイアフラム（可動電極）と固定電極がギャップを隔てて対向しており、圧力で撓んだダイアフラムと固定電極との間の静電容量の変化から圧力を検出している。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って大きく撓むと、ダイアフラムが破壊するおそれがある。
　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の上面には、電極パッド１６を設けている。誘電体膜１４にはスルーホール１５を開口してあり、スルーホール１５を通して固定電極１３に電極パッド１６を接続している。誘電体膜１４の上面にシリコン基板１７を積層している。シリコン基板１７の上面に窪み１８を設けるとともに、シリコン基板１７の下面にリセス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ている。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に導電性を付与していてダイアフラム２０を可動電極としている。ダイアフラム２０の下面と誘電体膜１４の上面の間には、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）の横軸において圧力が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に接触していない領域である。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領域である。圧力がＰｂからＰｃまでの区間（動作領域）では、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、圧力が増加するとき、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。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）
ただし、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で表している。Ｃoは未接触領域での静電容量である。圧力が大きくなるとき、誘電体膜１４の厚さｄと誘電率εは変化せず、ダイアフラム２０の接触面積Ｓが増大するので、数式１によれば、このとき圧力センサ１１の静電容量Ｃが増加することが分かる。
　しかし、圧力センサ１１は、以下のような問題を有している。圧力センサ１１では、ダイアフラム２０を押さえる押圧体の先端形状などによってダイアフラム２０が誘電体膜１４に接触開始するときの面積が異なる。その結果、圧力－容量特性の立ち上がり部分（接触開始領域と動作領域のうちＰｂに近い領域）における特性（以下、立ち上がり特性という。）が押圧体２３の先端形状によって変化する。たとえば、図２（Ａ）に示すように、先端面の小さな押圧体２３でダイアフラム２０を押圧した場合には、ダイアフラム２０が誘電体膜１４に接触開始するときの接触面積が小さい。これに対し、図２（Ｂ）に示すように、先端面の大きな押圧体２３でダイアフラム２０を押圧した場合には、同じ押圧力Ｐであっても、ダイアフラム２０が誘電体膜１４に接触開始するときの接触面積が大きくなる。この結果、圧力－容量特性の立ち上がり特性が押圧体２３の形状や大きさによって変化し、圧力センサ１１の低圧力領域における測定精度が得られないという問題がある。
　つぎに、図２（Ｃ）に示すように、ダイアフラム２０がその中央部から外れた位置で押圧体２３により押圧された場合には、同じ圧力Ｐであっても図２（Ａ）のように中央部を押された場合と静電容量が異なることがある。そのため、ダイアフラム２０の押される位置によって圧力センサ１１の測定値が変化し、押圧位置のばらつきが圧力センサ１１の測定精度低下の原因となる。
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背景に鑑みててなされたものであり、その目的とするところは、押圧体の大きさ又は形状あるいは押圧位置による影響を低減し、測定精度を向上させることができるタッチモードの静電容量型圧力センサを提供することにある。
　本発明に係る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、前記ダイアフラムの上面に設けた、１個又は複数個の突起とを備えたことを特徴としている。
　本発明の静電容量型圧力センサは、ダイアフラムの上面に突起を有しているので、押圧体でダイアフラムを押すと突起を介してダイアフラムが誘電体層に押し付けられる。したがって、印加される圧力が小さいときには、押圧体の大きさや形状によらずダイアフラムは圧力に応じて一定の形状で変形する。そのため、圧力センサの立ち上がり特性のバラツキが小さくなり、圧力センサの出力特性が向上する。また、押圧体で押さえる位置が多少ずれている場合でも、ダイアフラムの一定位置に設けられた突起を介してダイアフラムが押さえられるので、押圧位置のずれによる出力のばらつきを小さくでき、特に立ち上がり特性を向上させることができる。
　この突起は、前記ダイアフラムの表面を保護膜で覆っている場合には、前記保護膜と同一材料によって形成してもよい。保護膜と突起を同一材料とすることにより、保護膜と突起を１工程で作製することが可能になるので、製造工程が簡略になる。また、前記突起は、前記ダイアフラムと同一材料によって前記ダイアフラムと一体に形成していてもよい。この場合は、ダイアフラムに加工することによって突起を形成することができる。
　本発明に係る静電容量型圧力センサのある実施態様は、前記突起を、前記ダイアフラムの上面中央部に設けたことを特徴としている。かかる実施態様によれば、突起をダイアフラムの中央部に設けているので、押圧力によってダイアフラムが均等に変形し、ダイアフラムに塑性変形が生じにくくなる。
　本発明に係る静電容量型圧力センサの別な実施態様は、前記突起の高さが、前記空隙の高さ以下であることを特徴としている。突起の高さを空隙の高さ以下としてあれば、ダイアフラムを押さえたときに押圧体が突起によって妨げられにくくなる。その結果、圧力センサの出力の線形性が向上する。
　本発明に係る静電容量型圧力センサのさらに別な実施態様は、前記突起の幅が、前記ダイアフラムの幅の０.２倍以下であることを特徴としている。また、かかる実施態様においては、前記突起の幅が、前記ダイアフラムの幅の０.１５倍以下であることがより望ましい。かかる実施態様によれば、突起を設けた圧力センサの出力特性が良好になる。
　本発明に係る静電容量型圧力センサのさらに別な実施態様は、前記ダイアフラムに垂直な方向から見て、互いに直交する２本の仮想の直線に関してそれぞれ対称な位置に通気路を設けたことを特徴としている。かかる実施態様によれば、ダイアフラムが押さえられたときにダイアフラムに均等な応力が発生し、局所的に大きな応力が発生してダイアフラムに塑性変形が生じるのを防ぐことができる。また、かかる実施態様においては、前記通気路が、屈曲又は湾曲していてもよい。通気路を屈曲又は湾曲させておけば、通気路からセンサ内部に異物が侵入しにくくなる。
　本発明に係る入力装置は、本発明に係る静電容量型圧力センサを複数個配列させたことを特徴としている。かかる入力装置によれば、押圧体の大きさや押圧位置のずれなどの影響を小さくし、押圧位置や押圧力を精度よく検出可能になる。
　なお、本発明における前記課題を解決するための手段は、以上説明した構成要素を適宜組み合せた特徴を有するものであり、本発明はかかる構成要素の組合せによる多くのバリエーションを可能とするものである。
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の関係を示す図である。 図２（Ａ）は、小さな押圧体で押されたダイアフラムが誘電体層に接触開始した状態を示す概略図である。図２（Ｂ）は、大きな押圧体で押されたダイアフラムが誘電体層に接触開始した状態を示す概略図である。図２（Ｃ）は、中央部から外れた位置でダイアフラムが押圧された状態を示す概略図である。 図３は、本発明の実施形態１による圧力センサを示す平面図である。 図４は、図３に示す圧力センサの断面図である。 図５（Ａ）は、図３に示す圧力センサのダイアフラムを小さな押圧体で押さえたときの状態を示す概略図である。図５（Ｂ）は、図３に示す圧力センサのダイアフラムを大きな押圧体で押さえたときの状態を示す概略図である。 図６（Ａ）は、図３に示す圧力センサのダイアフラムの中央を押圧体で押さえたときの状態を示す概略図である。図６（Ｂ）は、図３に示す圧力センサのダイアフラムの中央から外れた位置を押圧体で押さえたときの状態を示す概略図である。 図７（Ａ）は、大きな荷重を加えて図３に示す圧力センサのダイアフラムを押さえたときの状態を示す概略図である。図７（Ｂ）は、突起の高さがエアギャップの高さよりも大きな場合を示す比較例の概略図である。 図８は、突起の高さの異なる複数のサンプル（突起なしのものを含む）について突起に加えた加重と静電容量の変化量との関係をシミュレーションにより求めた結果を示す図である。 図９は、突起径の異なる複数のサンプル（突起なしのものを含む）について突起に加えた加重と静電容量の変化量との関係をシミュレーションにより求めた結果を示す図である。 図１０（Ａ）、図１０（Ｂ）及び図１０（Ｃ）は、いずれもベントラインの配置を示す図である。 図１１は、本発明の実施形態１の変形例による、異なる形状の上面電極を有する圧力センサを示す平面図である。 図１２は、本発明の実施形態１の別な変形例による圧力センサの平面図である。 図１３は、本発明の実施形態２による入力装置の断面図である。
　３１　　　圧力センサ
　３２　　　固定電極
　３３　　　誘電体層
　３４　　　エアギャップ
　３５　　　ダイアフラム
　３６　　　ベントライン
　３７　　　上面電極
　３９　　　突起
　４０　　　電極パッド
　４１　　　保護膜
　４５　　　押圧体
　５１　　　入力装置
　以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明する。但し、本発明は以下の実施形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々設計変更することができる。
（実施形態１）
　図３及び図４を参照して本発明の実施形態１による圧力センサ３１の構造を説明する。図３は圧力センサ３１の平面図、図４は圧力センサ３１の断面図である。
　圧力センサ３１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を形成している。誘電体層３３は、ＳｉＯ２（熱酸化膜）、ＳｉＮ、ＴＥＯＳなどの誘電体材料からなる。誘電体層３３の上面には、リセス３３ａ（凹部）を凹設している。誘電体層３３の上には、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３５ａを形成している。上基板３５ａは、リセス３３ａの上面を覆っており、リセス３３ａによって上基板３５ａの下面と誘電体層３３のリセス底面との間にエアギャップ３４（空隙）を形成している。こうして上基板３５ａの、エアギャップ３４の上方で水平に張られた領域により、感圧用のダイアフラム３５を形成している。誘電体層３３には、エアギャップ３４と外部との間の通気性を確保するためにベントライン３６（通気路）を形成している。ベントライン３６は、幅が３０μｍ程度の細い溝であって、塵や埃などの異物がエアギャップ３４内に侵入しにくいように屈曲または蛇行している（図１０参照）。
　上基板３５ａの上面には、ダイアフラム３５を囲むようにして、金属材料による環状の上面電極３７を設けている。上基板３５ａのコーナー部には電極パッド４０を設けてあり、上面電極３７と電極パッド４０は配線部４２によって接続されている。上面電極３７、配線部４２及び電極パッド４０は、下地層Ｔｉ（厚み１０００Å）／表面層Ａｕ（厚み３０００Å）の２層金属薄膜によって同時に作製している。また、固定電極３２の下面には、下面電極３８を設けている。下面電極３８も、下地層Ｔｉ（厚み１０００Å）／表面層Ａｕ（厚み３０００Å）の２層金属薄膜によって作製している。
　上基板３５ａの上面のうち上面電極３７よりも外側の領域は、ポリイミドなどの樹脂やＳｉＯ２、ＳｉＮなどの絶縁膜からなる保護膜４１によって覆われている。ただし、電極パッド４０の付近では保護膜４１を除いてあり、電極パッド４０は保護膜４１から露出している。
　ダイアフラム３５の上面中央部には、比較的小さな突起３９を設けている。図示例では、突起３９は円柱状に描かれているが、四角柱状や不定形など如何なる形状であっても差し支えない。突起のサイズは、たとえば半径Ｒo＝５００μｍのダイアフラム３５に対して、半径Ｒが２５μｍ、高さＨが１μｍである（最適なサイズの範囲については後述する。）。突起３９は、保護膜４１と同一材料によって保護膜４１と同時に作製してもよく、あるいはダイアフラム３５と同一材料によって作製してもよい。
　このようにしてダイアフラム３５の上面に突起３９を設けていると、押圧体の先端形状又は大きさにかかわらず、荷重の大きさに応じて安定した接触面積で、ダイアフラム３５を誘電体層３３に接触させることができる。図５（Ａ）は、先端面の比較的小さな押圧体４５、たとえば子供の指先などでダイアフラム３５を押さえた場合を示す。図５（Ｂ）は、先端面の比較的大きな押圧体４５、たとえば大人の指先などでダイアフラム３５を押さえた場合を示す。ダイアフラム３５の上面に突起３９を設けていると、押圧体４５によってダイアフラム３５を押さえたとき、ダイアフラム３５は突起３９によって誘電体層３３に押し付けられる。そのため、図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に示すように、ダイアフラム３５が誘電体層３３に接触を開始するときには、押圧体４５の先端形状又は大きさにかかわりなく、同じ接触面積で誘電体層３３に接触を開始する。その結果、圧力センサ３１の圧力－容量特性における立ち上がり特性が押圧体のサイズに影響されにくくなり、立ち上がり特性が安定する。
　また、ダイアフラム３５の上面に突起３９を設けていると、つぎのような効果が得られる。すなわち、図６（Ａ）のようにダイアフラム３５の中央部を押圧体４５で押しているときも、図６（Ｂ）のようにダイアフラム３５の中央から外れた位置を押しているときも、ダイアフラム３５に加わる荷重の大きさが同じであれば、ダイアフラム３５は誘電体層３３に同じように接触する。そのため、ダイアフラム３５を押さえる位置がずれていても圧力を正確に検出できるようになり、圧力センサ３１の測定精度が向上する。さらに、ダイアフラム３５が突起３９で補強されるので、ダイアフラム３５が塑性変形しにくくなる。
　ダイアフラム３５が誘電体層３３に接触開始した状態からさらに大きな荷重が加わると、図７（Ａ）に示すように、ダイアフラム３５が押圧体４５によって直接押圧され、荷重が大きくなるに従ってダイアフラム３５と誘電体層３３の接触面積が増加する。よって、動作領域においては、荷重が大きくなるに従ってダイアフラム３５と固定電極３２の間の静電容量が次第に増加し、大きな圧力を測定することができる。
　しかし、図７（Ｂ）のように突起３９の高さＨが、エアギャップ３４の高さＧよりも大きくなると、押圧体４５で大きな荷重を加えても、突起３９に妨げられて押圧体４５がダイアフラム３５を押せなくなる。よって、突起３９の高さはエアギャップ３４の高さＧと等しいか、あるいはそれよりも小さいことが好ましい。
　図８は、突起径（突起の半径Ｒ）を一定に保ったままで突起の高さを変化させ、押圧体によって加える荷重Ｆとダイアフラム－固定電極間の静電容量の変化量ΔＣとの関係をシミュレーションにより計算した結果を示す。このシミュレーションに用いたモデルは、ダイアフラムの厚さが１０μｍ、ダイアフラムの半径Ｒoが５００μｍ、エアギャップの高さＧが１μｍ、突起の半径Ｒが２５μｍの圧力センサである。このモデルにおいて、突起の高さＨを０.５０μｍ（Ｈ／Ｇ＝０.５０）、０.７５μｍ（Ｈ／Ｇ＝０.７５）、１.０μｍ（Ｈ／Ｇ＝１.０）、２.０μｍ（Ｈ／Ｇ＝２.０）、５.０μｍ（Ｈ／Ｇ＝５.０）と変化させて荷重Ｆと出力（静電容量変化量ΔＣ）との関係を求めた。図８には、ダイアフラムに突起を設けていないモデルについても荷重と出力との関係を示した。
　このシミュレーション結果によれば、図８から分かるように、突起を設けていない場合には、荷重の小さな領域で出力が低下し、出力の線形性が悪い。ギャップの高さに対する突起の高さの比Ｈ／Ｇが５.０の場合には、押圧体が突起によって妨げられるので、荷重が少し大きくなると出力と出力の増加率が小さくなり、やはり出力の線形性が悪い。同様に、ギャップの高さに対する突起の高さの比Ｈ／Ｇが２.０の場合には、突起で荷重が妨げられるので、出力が小さくなる。これに対し、Ｈ／Ｇが１以下の突起を有するモデルでは、かなり線形性の良好な出力が得られる。よって、突起は、ギャップの高さＧに対する突起の高さＨの比が、Ｈ／Ｇ≦１となるようにすることが望ましい。
　図９は、突起の高さを一定に保ったままで突起径を変化させ、押圧体によって加える荷重Ｆとダイアフラム－固定電極間の静電容量の変化量ΔＣとの関係をシミュレーションにより計算した結果を示す。このシミュレーションに用いたモデルは、ダイアフラムの厚さが１０μｍ、ダイアフラムの半径Ｒoが５００μｍ、エアギャップの高さＧが１μｍ、突起の高さＨが１μｍの圧力センサである。このモデルにおいて、突起径Ｒを２５μｍ（Ｒ／Ｒo＝０.０５）、３２.５μｍ（Ｒ／Ｒo＝０.０６５）、３７.５μｍ（Ｒ／Ｒo＝０.０７５）、５０μｍ（Ｒ／Ｒo＝０.１）、７５μｍ（Ｒ／Ｒo＝０.１５）、１００μｍ（Ｒ／Ｒo＝０.２）と変化させて荷重Ｆと出力（静電容量変化量ΔＣ）との関係を求めた。図９においては、ダイアフラムに突起を設けていないモデルについても荷重と出力との関係を示した。
　このシミュレーション結果でも、図９から分かるように、突起を設けていない場合には、荷重の小さな領域で出力が低下し、出力の線形性が悪い。これらに対し、Ｒ／Ｒoが０.２以下の突起を設ければ、出力の線形性がかなり改善される。Ｒ／Ｒoが０.２の場合には、荷重の大きな領域で出力の増加率が小さくなり、出力も小さくなっているが、Ｒ／Ｒoが０.１５以下では、出力の低下も小さく、出力の線形性も良好である。よって、突起の半径Ｒは、ダイアフラムの半径Ｒoの０.２倍以下（Ｒ／Ｒo≦０.２）であることが好ましく、特にＲoの０.１５倍以下（Ｒ／Ｒo≦０.１５）であることが好ましい。
　つぎに、ベントライン３６の配置について説明する。１本のベントライン３６は、図１０（Ａ）に示すように屈曲または蛇行しており、ベントライン３６からエアギャップ３４内に塵や埃などの異物が侵入しにくくなっている。このベントライン３６は、図１０（Ａ）のように、ダイアフラム３５に垂直な方向から見て、互いに直交する２方向の軸に関して対称な位置に配置されていることが望ましい（ベントライン３６の形状は前記軸に関して対称でなくてもよい。）。したがって、ベントライン３６は４の倍数本だけ設けられている。
　図１０（Ｂ）のようにベントライン３６が１方向の軸に関してのみ対称であったり、図１０（Ｃ）のようにベントライン３６の位置が偏っていたりすると、ダイアフラム３５が押圧されたときにエアギャップ３４内の圧力が均等にベントライン３６から逃げず、ダイアフラム３５が変形する恐れがある。したがって、ベントライン３６は図１０（Ａ）のように均等な位置に配置することが好ましい。
　ベントライン３６は設けなくてもよい。特に、エアギャップ３４への異物の侵入を確実に防ぎたい場合には、ベントライン３６を設けずにエアギャップ３４を封止構造とすることが望ましい。
　上面電極３７は円環状でなくてもよく、図１１に示すように円弧状をした複数個の上面電極３７が設けられていてもよい。
　上面電極３７は設けなくてもよい。上基板３５ａが導電性を有しているので、図１２に示すように、ダイアフラム３５の領域外において上基板３５ａの少なくとも１箇所に電極パッド４０を設けるだけでもよいからである。
　上記実施形態においては、ダイアフラム３５の中央に１個の突起３９を設けたが、突起３９は１個に限らない。たとえば近接させてダイアフラム３５の中央部に複数個の突起３９を設けてもよい。
（実施形態２）
　図１３は、本発明の実施形態２によるプレート型の入力装置５１、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５１は、上記実施形態１にかかる多数の圧力センサ３１（センサ部）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。各圧力センサ３１は電気的に独立しており、各圧力センサ３１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５１によれば、タッチパネルのように押圧体で押圧された点を検出できるとともに、各点の押圧強さ（圧力の大きさ）も検出することができる。

Claims (10)

  1. 　固定電極と、
    　前記固定電極の上方に形成した誘電体層と、
    　前記誘電体層の上方に空隙を隔てて形成した導電性のダイアフラムと、
    　前記ダイアフラムの上面に設けた、１個又は複数個の突起と、
    を備えたことを特徴とする静電容量型圧力センサ。
  2. 　前記突起を、前記ダイアフラムの上面中央部に設けたことを特徴とする、請求項１に記載の静電容量型圧力センサ。
  3. 　前記ダイアフラムの表面を覆う保護膜を有し、
    　前記突起を、前記保護膜と同一材料によって形成したことを特徴とする、請求項１に記載の静電容量型圧力センサ。
  4. 　前記突起を、前記ダイアフラムと同一材料によって前記ダイアフラムと一体に形成したことを特徴とする、請求項１に記載の静電容量型圧力センサ。
  5. 　前記突起の高さが、前記空隙の高さ以下であることを特徴とする、請求項１に記載の静電容量型圧力センサ。
  6. 　前記突起の幅は、前記ダイアフラムの幅の０.２倍以下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。
  7. 　前記突起の幅は、前記ダイアフラムの幅の０.１５倍以下であることを特徴とする、請求項６に記載の静電容量型圧力センサ。
  8. 　前記ダイアフラムに垂直な方向から見て、互いに直交する２本の仮想の直線に関してそれぞれ対称な位置に通気路を設けたことを特徴とする、請求項１に記載の静電容量型圧力センサ。
  9. 　前記通気路が、屈曲又は湾曲していることを特徴とする、請求項８に記載の静電容量型圧力センサ。
  10. 　請求項１に記載した静電容量型圧力センサを複数個配列させたことを特徴とする入力装置。
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