CN105008879A - 静电电容型压力传感器及输入装置 - Google Patents

Abstract

在固定电极(32)的上表面形成电介质层(33)。通过使电介质层(33)的上表面向下方凹陷，从而在电介质层(33)的上表面形成凹槽(33a)。凹槽(33a)的底面被电介质层(33)覆盖。在电介质层(33)的表面层叠上基板(35a)以覆盖凹槽(33a)。通过上基板(35a)的一部分，即位于凹槽(33a)的上方的区域，来形成呈薄膜状的导电性膜片(35)。在膜片(35)的上表面中央部设置突起(39)。

Description

静电电容型压力传感器及输入装置

技术领域

本发明涉及静电电容型压力传感器以及输入装置。具体而言，本发明涉及因压力而挠曲的膜片(diaphragm)与电介质层接触来探测压力的接触式的静电电容型压力传感器。另外，涉及利用该压力传感器的输入装置。

背景技术

在一般的静电电容型压力传感器中，导电性的膜片(可动电极)与固定电极隔着间隙进行对置，并根据因压力而挠曲的膜片与固定电极之间的静电电容的变化来检测压力。在该压力传感器是使用玻璃基板或硅基板通过MEMS(微机电***)技术制造的微器件的情况下，若对膜片施加大的压力而发生较大挠曲，则存在破坏膜片的风险。

故而，提出了如下的压力传感器：在固定电极的表面设置电介质层，因压力而挠曲的膜片与电介质层接触，基于其接触面积的变化，膜片与固定电极之间的静电电容发生变化。该压力传感器有时也称为接触式静电电容型压力传感器。

作为接触式静电电容型压力传感器，例如有记载在非专利文献1中的传感器。图1的(A)是表示非专利文献1所记载的压力传感器11的剖面图。在该压力传感器11中，在玻璃基板12的上表面形成由金属薄膜构成的固定电极13，从固定电极13之上起在玻璃基板12的上表面形成有电介质膜14。在电介质膜14的上表面，设置有电极焊盘(pad)16。在电介质膜14进行开口以形成通孔15，并将电极焊盘16通过通孔15与固定电极13连接。在电介质膜14的上表面层叠有硅基板17。在硅基板17的上表面设置凹陷部18，并在硅基板17的下表面设置凹槽19，从而在凹陷部18与凹槽19之间形成有薄膜状的膜片20。膜片20设置在与固定电极13交叠的位置。硅基板17的下表面成为掺杂了高浓度B(硼)的P⁺层21，由此对膜片20赋予了导电性并将膜片20作为可动电极。在膜片20的下表面与电介质膜14的上表面之间，通过凹槽19而产生了数μm的间隙22。

图1B是表示压力传感器11的压力与静电电容的关系(压力－电容特性)的图，记载在非专利文献1中。若对压力传感器11的膜片20施加压力，则膜片20响应于该施加压力而挠曲，在一定压力下与电介质膜14接触。在图1B的横轴上，压力为0至Pa的区间(未接触区域)是膜片20未接触电介质膜14的区域。压力为Pa至Pb的区间(开始接触区域)是从膜片20与电介质膜14接触起至以一定程度的面积与电介质膜14可靠地接触为止的区域。在压力为Pb至Pc的区间(动作区域)，随着压力的增加，膜片20与电介质膜14接触的部分的面积逐渐增加。压力为Pc至Pd的区间(饱和区域)，是膜片20的几乎整面与电介质膜14接触、且即使压力增加而接触面积也几乎不增加的区域。

根据图1B的压力－电容特性，在压力增加时，在膜片20未发生接触的未接触区域，静电电容的变化小，但一旦进入开始接触区域，则静电电容的变化率(增加速度)逐渐变大。在动作区域，虽然线性变好，但静电电容的变化率逐渐减少，若进入饱和区域，则静电电容几乎不再增加。

在该接触式的压力传感器11中，膜片20与电介质膜14之间的静电电容C能根据以下的数式1来表示。

C＝Co+ε·(S/d)…(数式1)

其中，将膜片20与电介质膜14的接触面积设为S，将电介质膜14的厚度设为d，并以ε来表征电介质膜14的介电常数。Co是未接触区域中的静电电容。在压力变大时，电介质膜14的厚度d和介电常数ε不变化，膜片20的接触面积S增大，因此根据数式1可知，此时压力传感器11的静电电容C增加。

但是，压力传感器11具有以下那样的问题。在压力传感器11中，根据对膜片20进行按压的按压体的前端形状等，膜片20与电介质膜14开始接触时的面积是不同的。其结果，压力－电容特性的上升部分(开始接触区域和动作区域当中接近Pb的区域)的特性(以下，称为上升特性。)根据按压体23的前端形状而变化。例如，如图2的(A)所示，在以前端面小的按压体23按压膜片20的情况下，膜片20与电介质膜14开始接触时的接触面积小。与此相对，如图2的(B)所示，在以前端面大的按压体23按压膜片20的情况下，即使是相同的按压力P，膜片20与电介质膜14开始接触时的接触面积也变大。其结果，压力－电容特性的上升特性根据按压体23的形状或大小而变化，存在无法确保压力传感器11的低压力区域中的测量精度这样的问题。

接着，如图2的(C)所示，膜片20在远离其中央部的位置上被按压体23按压的情况下，即使是相同的压力P，如图2的(A)所示，有时静电电容也与中央部被按压的情况不同。故而，基于膜片20被按压的位置，压力传感器11的测量值发生变化，按压位置的偏差成为压力传感器11的测量精度下降的原因。

现有技术文献

非专利文献

非专利文献1:山本敏，其他4名，“接触式电容型压力传感器”，藤仓技报，株式会社藤仓，2001年10月，第101号，p.71－74

发明内容

发明要解决的课题

本发明鉴于上述那样的技术背景而提出，其目的在于，提供能降低按压体的大小、形状或者按压位置所带来的影响从而使测量精度得以提高的接触式的静电电容型压力传感器。

用于解决课题的手段

本发明所涉及的静电电容型压力传感器具备：固定电极；电介质层，其形成于所述固定电极的上方；导电性的膜片，其隔着空隙形成于所述电介质层的上方；以及1个或多个突起，其设置于所述膜片的上表面。

本发明的静电电容型压力传感器在膜片的上表面具有突起，因此若以按压体来按压膜片，则基于突起，膜片被推压向电介质层。因此，在所施加的压力小时，与按压体的大小或形状无关，膜片随着压力以一定的形状进行变形。故而，压力传感器的上升特性的偏差变小，压力传感器的输出特性提高。另外，即使在按压体按压的位置发生了些许偏离的情况下，也基于设置于膜片的固定位置的突起，膜片被按压，因此能减小按压位置的偏离所致的输出的偏差，尤其能使上升特性得以提高。

在以保护膜来覆盖所述膜片的表面的情况下，该突起可以通过与所述保护膜相同的材料来形成。通过将保护膜与突起设为同一材料，能以1个工序来制作保护膜和突起，因此制造工序变得简单。另外，所述突起可以通过与所述膜片相同的材料来与所述膜片一体形成。在此情况下，能通过对膜片进行加工来形成突起。

本发明所涉及的静电电容型压力传感器的一实施形态中，将所述突起设置于所述膜片的上表面中央部。根据该实施形态，是将突起设置于膜片的中央部，因此基于按压力，膜片均匀地变形，从而在膜片不易发生塑性变形。

本发明所涉及的静电电容型压力传感器的另一实施形态中，所述突起的高度为所述空隙的高度以下。若将突起的高度设为空隙的高度以下，则在按压膜片时，按压体不易被突起妨碍。其结果，压力传感器的输出的线性得以提高。

本发明所涉及的静电电容型压力传感器的又一实施形态中，所述突起的宽度为所述膜片的宽度的0.2倍以下。另外，在该实施形态中，优选所述突起的宽度为所述膜片的宽度的0.15倍以下。根据该实施形态，设置有突起的压力传感器的输出特性变得良好。

本发明所涉及的静电电容型压力传感器的又一实施形态中，从与所述膜片垂直的方向观察，在相对于相互正交的2条虚拟直线分别对称的位置处设置有通气路径。根据该实施形态，在按压膜片时，在膜片产生均匀的应力，从而能防止在局所产生大的应力而在膜片发生塑性变形。另外，在该实施形态中，所述通气路径可以屈曲或弯曲。若使通气路径屈曲或弯曲，则异物难以从通气路径侵入传感器内部。

本发明所涉及的输入装置是将本发明所涉及的静电电容型压力传感器排列多个而成的。根据该输入装置，能减小按压体的大小、按压位置的偏离等影响，能精度良好地检测按压位置和按压力。

此外，本发明中的用于解决所述课题的手段具有将以上说明的构成要素进行适当组合而得到的特征，本发明能够进行基于构成要素的组合的多种变形。

附图说明

图1的(A)是表示现有例的压力传感器的概略剖面图。图1B是表示图1的(A)所示的现有例的压力传感器中的压力与静电电容的关系的图。

图2的(A)是表示被小的按压体按压的膜片与电介质层开始接触的状态的概略图。图2的(B)是表示被大的按压体按压的膜片与电介质层开始接触的状态的概略图。图2的(C)是表示在远离中央部的位置上膜片被按压的状态的概略图。

图3是表示本发明的实施方式1的压力传感器的俯视图。

图4是图3所示的压力传感器的剖面图。

图5的(A)是表示以小的按压体按压图3所示的压力传感器的膜片时的状态的概略图。图5的(B)是表示以大的按压体按压图3所示的压力传感器的膜片时的状态的概略图。

图6的(A)是表示以按压体来按压图3所示的压力传感器的膜片的中央时的状态的概略图。图6的(B)是表示以按压体来按压远离图3所示的压力传感器的膜片的中央的位置时的状态的概略图。

图7的(A)是表示施加大的载荷来按压图3所示的压力传感器的膜片时的状态的概略图。图7的(B)是表示突起的高度大于气隙的高度的情况下的比较例的概略图。

图8是表示针对突起的高度不同的多个样本(包括无突起的样本)，通过模拟来求出对突起施加的加重与静电电容的变化量的关系的结果的图。

图9是表示针对突起的直径不同的多个样本(包括无突起的样本)，通过模拟来求出对突起施加的加重与静电电容的变化量的关系的结果的图。

图10的(A)、图10的(B)以及图10的(C)均是表示通气管路的配置的图。

图11是表示本发明的实施方式1的变形例的具有不同的形状的上表面电极的压力传感器的俯视图。

图12是本发明的实施方式1的另一变形例的压力传感器的俯视图。

图13是本发明的实施方式2的输入装置的剖面图。

附图标记的说明

31 压力传感器

32 固定电极

33 电介质层

34 气隙

35 膜片

36 通气管路

37 上表面电极

39 突起

40 电极焊盘

41 保护膜

45 按压体

51 输入装置

具体实施方式

以下，参照附图来说明本发明的优选实施方式。但本发明不限于以下的实施方式，能在不脱离本发明的主旨的范围内进行各种设计变更。

(实施方式1)

参照图3以及图4来说明本发明的实施方式1的压力传感器31的构造。图3是压力传感器31的俯视图，图4是压力传感器31的剖面图。

在压力传感器31，在由低电阻硅基板、金属膜等的导电性材料构成的固定电极32之上形成有电介质层33。电介质层33由SiO₂(热氧化膜)、SiN、TEOS等电介质材料构成。在电介质层33的上表面，凹设有凹槽33a(凹部)。在电介质层33之上，形成有由低电阻硅基板等的导电性材料构成的薄膜状的上基板35a。上基板35a覆盖凹槽33a的上表面，通过凹槽33a，在上基板35a的下表面与电介质层33的凹槽底面之间形成有气隙34(空隙)。如此，通过上基板35a的在气隙34的上方水平延伸的区域，形成有感压用的膜片35。在电介质层33，为了确保气隙34与外部之间的通气性，形成有通气管路36(通气路径)。通气管路36是宽度为30μm左右的窄槽，并且屈曲或者蜿蜒以使尘土或灰尘等异物难以侵入气隙34内(参照图10)。

在上基板35a的上表面，以包围膜片35的方式，设置有金属材料的环状的上表面电极37。上基板35a的拐角部设置有电极焊盘40，上表面电极37与电极焊盘40通过布线部42连接。上表面电极37、布线部42及电极焊盘40是通过基底层Ti(厚度)/表面层Au(厚度)的两层金属薄膜同时制作的。另外，在固定电极32的下表面设置有下表面电极38。下表面电极38也是通过基底层Ti(厚度)/表面层Au(厚度)的两层金属薄膜来制作的。

上基板35a的上表面当中比上表面电极37更外侧的区域被由聚酰亚胺等的树脂或SiO₂、SiN等的绝缘膜构成的保护膜41覆盖。但是，在电极焊盘40的附近去除了保护膜41，电极焊盘40从保护膜41露出。

在膜片35的上表面中央部，设置有较小的突起39。在图示例中，突起39被描画成圆柱状，但也可以是四角柱状或不定形等任何形状。突起的尺寸例如相对于半径Ro＝500μm的膜片35，半径R是25μm，高度H是1μm(关于最佳尺寸的范围，将后述。)。突起39既可以通过与保护膜41相同的材料来与保护膜41同时制作，也可以通过与膜片35相同的材料来制作。

若如此在膜片35的上表面设置有突起39，则能与按压体的前端形状或大小无关地，根据载荷的大小，以稳定的接触面积使膜片35与电介质层33接触。图5的(A)示出以前端面较小的按压体45例如孩子的指尖等来按压膜片35的情况。图5的(B)示出以前端面较大的按压体45例如大人的指尖等来按压膜片35的情况。若在膜片35的上表面设置有突起39，则在按压体45按压膜片35时，膜片35会因突起39而被推压向电介质层33。故而，如图5的(A)以及图5的(B)所示，在膜片35开始与电介质层33接触时，与按压体45的前端形状或大小无关，以相同的接触面积与电介质层33开始接触。其结果，压力传感器31的压力－电容特性中的上升特性变得不易受按压体的尺寸影响，上升特性稳定。

另外，若在膜片35的上表面设置有突起39，则将得到如下效果。即，不管是如图6的(A)所示在按压体45按压膜片35的中央部时，还是如图6的(B)所示在对远离膜片35的中央的位置进行按压时，若对膜片35施加的载荷的大小相同，则膜片35以相同的方式与电介质层33接触。故而，即使按压膜片35的位置发生偏离，也能准确地检测压力，压力传感器31的测量精度得以提高。进而，由于膜片35被突起39加强，因此膜片35变得不易发生塑性变形。

若从膜片35与电介质层33开始接触的状态起进一步施加大的载荷，则如图7的(A)所示，膜片35被按压体45直接按压，随着载荷变大，膜片35与电介质层33的接触面积增加。因此，在动作区域，随着载荷变大，膜片35与固定电极32之间的静电电容逐渐增加，能测量大的压力。

但是，如图7的(B)所示，若突起39的高度H大于气隙34的高度G，则即使以按压体45来施加大的载荷，按压体45也会被突起39妨碍而变得不能按压膜片35。因此，优选突起39的高度等于气隙34的高度G或者小于气隙34的高度G。

图8示出在将突起直径(突起的半径R)保持为恒定的前提下使突起的高度变化，通过模拟而计算出由按压体施加的载荷F与膜片－固定电极间的静电电容的变化量ΔC的关系的结果。该模拟用到的模型是膜片的厚度为10μm，膜片的半径Ro为500μm，气隙的高度G为1μm，突起的半径R为25μm的压力传感器。在该模型中，使突起的高度H按照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)变化，来求出载荷F与输出(静电电容变化量ΔC)的关系。在图8中，针对在膜片未设置突起的模型也示出了载荷与输出的关系。

根据该模拟结果，从图8可知，在未设置突起的情况下，在载荷小的区域，输出下降，输出的线性差。在突起的高度与间隙的高度之比H/G为5.0的情况下，按压体被突起妨碍，因此若载荷变大一点，则输出和输出的增加率变小，输出的线性还是差。同样，在突起的高度与间隙的高度之比H/G为2.0的情况下，载荷被突起妨碍，输出变小。与此相对，在具有H/G为1以下的突起的模型中，将得到线性非常良好的输出。由此，期望突起被设置成满足突起的高度H与间隙的高度G之比为H/G≤1。

图9示出在将突起的高度保持为恒定的前提下使突起直径变化，通过模拟而计算出由按压体施加的载荷F与膜片－固定电极间的静电电容的变化量ΔC的关系的结果。该模拟用到的模型是膜片的厚度为10μm，膜片的半径Ro为500μm，气隙的高度G为1μm，突起的高度H为1μm的压力传感器。在该模型中，使突起直径R按照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)变化，来求出载荷F与输出(静电电容变化量ΔC)的关系。在图9中，针对在膜片未设置突起的模型也示出了载荷与输出的关系。

根据该模拟结果，同样，从图9可知，在未设置突起的情况下，在载荷小的区域，输出下降，输出的线性差。与之相对，若设置R/Ro为0.2以下的突起，则输出的线性得到很大改善。在R/Ro为0.2的情况下，在载荷大的区域，输出的增加率变小，输出也变小，而在R/Ro为0.15以下的情况下，输出的下降也小，输出的线性也良好。因此，优选突起的半径R为膜片的半径Ro的0.2倍以下(R/Ro≤0.2)，尤其优选为Ro的0.15倍以下(R/Ro≤0.15)。

接着，说明通气管路36的配置。1条通气管路36如图10的(A)所示屈曲或蜿蜒，从而尘土或灰尘等的异物难以从通气管路36侵入气隙34内。该通气管路36期望如图10的(A)所示，从与膜片35垂直的方向观察，配置在相对于相互正交的2个方向的轴对称的位置(通气管路36的形状可以不相对于所述轴对称。)。因此，通气管路36的条数设置为4的倍数。

若如图10的(B)所示，通气管路36仅相对于1个方向的轴对称，或者如图10的(C)所示，通气管路36的位置发生了偏颇，则存在如下风险：在按压膜片35时，气隙34内的压力不会均匀地从通气管路36释放，从而膜片35变形。因此，优选将通气管路36如图10的(A)所示配置于均衡的位置。

也可以不设置通气管路36。尤其是在想要可靠地防止异物侵入气隙34的情况下，期望不设置通气管路36而使气隙34成为密封构造。

上表面电极37可以不是圆环状，也可以如图11所示设置呈圆弧状的多个上表面电极37。

也可以不设置上表面电极37。这是由于，上基板35a具有导电性，因此如图12所示，仅需要在膜片35的区域外在上基板35a的至少1处设置电极焊盘40即可。

尽管在上述实施方式中是在膜片35的中央设置1个突起39，但突起39不限于1个。例如可以相接近地在膜片35的中央部设置多个突起39。

(实施方式2)

图13是表示本发明的实施方式2的板型的输入装置51、例如触摸面板的构造的剖面图。该输入装置51将上述实施方式1的多个压力传感器31(传感器部)排列成阵列状(例如，矩形状或蜂窝状)而成。并且，各压力传感器31是电独立的，能够分别独立地检测对各压力传感器31施加的压力。根据这样的输入装置51，能够像触摸面板那样检测由按压体按压的点，也能够检测各点的按压强度(压力的大小)。

Claims (10)

1.一种静电电容型压力传感器，其特征在于，具备：

固定电极；

电介质层，其形成于所述固定电极的上方；

导电性的膜片，其隔着空隙形成于所述电介质层的上方；以及

1个或多个突起，其设置于所述膜片的上表面。

2.根据权利要求1所述的静电电容型压力传感器，其特征在于，

所述突起设置于所述膜片的上表面中央部。

3.根据权利要求1所述的静电电容型压力传感器，其特征在于，

所述静电电容型压力传感器具有保护膜，该保护膜覆盖所述膜片的表面，

所述突起是通过与所述保护膜相同的材料来形成的。

4.根据权利要求1所述的静电电容型压力传感器，其特征在于，

所述突起是通过与所述膜片相同的材料而与所述膜片一体形成的。

5.根据权利要求1所述的静电电容型压力传感器，其特征在于，

所述突起的高度为所述空隙的高度以下。

6.根据权利要求1所述的静电电容型压力传感器，其特征在于，

所述突起的宽度为所述膜片的宽度的0.2倍以下。

7.根据权利要求6所述的静电电容型压力传感器，其特征在于，

所述突起的宽度为所述膜片的宽度的0.15倍以下。

8.根据权利要求1所述的静电电容型压力传感器，其特征在于，

从与所述膜片垂直的方向观察，在相对于相互正交的2条虚拟直线分别对称的位置处设置有通气路径。

9.根据权利要求8所述的静电电容型压力传感器，其特征在于，

所述通气路径屈曲或弯曲。

10.一种输入装置，其特征在于，是将权利要求1所述的静电电容型压力传感器排列多个而成的。