JP6127625B2

JP6127625B2 - 静電容量型圧力センサ及び入力装置

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Publication number: JP6127625B2
Application number: JP2013057273A
Authority: JP
Inventors: 井上　勝之; 勝之井上
Original assignee: Omron Corp
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2013-03-19
Filing date: 2013-03-19
Publication date: 2017-05-17
Anticipated expiration: 2033-03-19
Also published as: WO2014148248A1; CN105026904A; KR101818316B1; KR20150108882A; JP2014182031A

Description

本発明は、静電容量型圧力センサ及び入力装置に関する。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。しかし、この圧力センサが、ガラス基板やシリコン基板を用いてＭＥＭＳ技術で製造されるマイクロデバイスである場合には、ダイアフラムに大きな圧力が加わって大きく撓むと、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。

このような圧力センサの生産性を向上させるためには、固定電極１３としてシリコン基板などの半導体基板を用いることが望まれる。しかし、本発明者の実験と知見によれば、固定電極に半導体基板を用いると、空乏層の影響により圧力センサの出力低下や温度特性の劣化や周波数特性の劣化が生じることがわかった。すなわち、圧力センサの固定電極にシリコン基板などを用いた場合には、空乏層の影響で圧力センサの出力が低下し、感度が低くなることが分かった。また、一定圧力であっても温度が変化すると静電容量の値が大きく変化して出力が変動するので、正確な出力を得ようとすれば出力に温度補正を施す必要がある。また、一定圧力であっても周波数が高くなった場合にも静電容量値が低下し、高周波域における出力が低下する。

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なされたものであり、その目的とするところは、固定電極に半導体を用いたときの空乏層の影響を低減し、それによってセンサ出力の低下やセンサ出力の温度特性の劣化や周波数特性の劣化を改善することのできるタッチモード型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、半導体からなる固定電極と、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、前記ダイアフラムが圧力を受けて前記誘電体層と接触する接触面積の変化を検出してその圧力を測定する静電容量型の圧力センサにおいて、前記固定電極の少なくとも上面における不純物濃度が２.００×１０^１７ｃｍ^−３以上２.１０×１０^１９ｃｍ^−３以下である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、半導体からなる固定電極と、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、前記ダイアフラムが圧力を受けて前記誘電体層と接触する接触面積の変化を検出してその圧力を測定する静電容量型の圧力センサ、いわゆるタッチモードの静電容量型圧力センサである。
本発明では、かかるタッチモードの静電容量型圧力センサにおいて、固定電極として半導体、たとえばシリコン基板を用いるので、圧力センサの生産性が向上する。しかも、その不純物濃度を高くし、２.００×１０^１７ｃｍ^−３以上２.１０×１０^１９ｃｍ^−３以下としているので、固定電極における空乏層の影響を小さくでき、センサ出力を高めるとともに、その温度特性及び周波数特性を改善することができる。

本発明に係る静電容量型圧力センサにおいては、固定電極の上面に金属電極を設けてもよく、固定電極の下面に金属電極を設けてもよい。しかし、固定電極の上面に金属電極を設ける場合には、固定電極の上面に金属電極を配置するためのスペースが必要となり、それだけ圧力センサのサイズが大きくなる。これに対し、固定電極の下面に金属電極を設けるようにすれば、圧力センサのサイズが大きくならない。固定電極の下面に金属電極を設ける場合には、前記固定電極の厚み方向全長における不純物濃度を、２.００×１０^１７ｃｍ^−３以上２.１０×１０^１９ｃｍ^−３以下とすることが望ましい。一方、固定電極の上面に金属電極を設ける場合には、固定電極の上面付近だけで不純物濃度を２.００×１０^１７ｃｍ^−３以上２.１０×１０^１９ｃｍ^−３以下としてもよい。

さらに、前記固定電極の少なくとも上面における不純物濃度は、３.００×１０^１８ｃｍ^−３以上２.１０×１０^１９ｃｍ^−３以下であることがより望ましい。この場合には、センサ出力の周波数特性をより良好にすることができる。

また、本発明の静電容量型圧力センサの別な実施態様においては、前記ダイアフラムの不純物濃度を、２.００×１０^１７ｃｍ^−３以上２.１０×１０^１９ｃｍ^−３以下としてもよい。かかる実施態様によれば、ダイアフラムにおける空乏層の影響を小さくでき、センサ出力を高めるとともに、その温度特性及び周波数特性を改善することができる。

また、本発明の静電容量型圧力センサを複数個配列させることにより、タッチパッドなどの入力装置として用いることができる。

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との関係を示す図である。図２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３は、図２に示す圧力センサの断面図である。図４（Ａ）−図４（Ｃ）は、図２の圧力センサの製造工程の一部を示す断面図である。図５は、固定電極の不純物濃度が異なる各圧力センサにおける、それぞれのダイアフラム−固定電極間の静電容量の温度特性を示す図である。図６は、固定電極の不純物濃度が異なる各圧力センサにおける、それぞれのダイアフラム−固定電極間の静電容量の周波数特性を示す図である。図７は、本発明の実施形態２による圧力センサの断面図である。図８は、本発明の実施形態３による入力装置の断面図である。

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２及び図３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２は圧力センサ３１の平面図、図３は圧力センサ３１の断面図である。

この圧力センサ３１にあっては、シリコン基板からなる固定電極３２の上に誘電体層３３が形成されている。誘電体層３３は、ＳｉＯ_２（熱酸化膜）、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３３ａ（凹部）が凹設されている。誘電体層３３の上面には、シリコン基板からなる薄膜状の上基板３５ａが形成されている。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）が形成されている。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が形成されている。また、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）が形成されている。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させてある。

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側電極３７が設けられている。上基板３５ａのコーナー部には電極パッド４０（金属電極）が設けられており、上側電極３７と電極パッド４０は配線部４２によって接続されている。上側電極３７、配線部４２及び電極パッド４０は、下地層Ｔｉ（１０００Å）／表面層Ａｕ（３０００Å）の２層金属薄膜によって同時に作製されている。また、固定電極３２の下面には、下側電極３８（金属電極）が設けられている。下側電極３８も、下地層Ｔｉ（１０００Å）／表面層Ａｕ（３０００Å）の２層金属薄膜によって作製されている。

上基板３５ａの上面のうち上側電極３７よりも外側の領域は、ポリイミドなどの樹脂やＳｉＯ_２、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は除かれており、電極パッド４０は保護膜４１から露出している。

また、上基板３５ａの外周面は、固定電極３２及び誘電体層３３の外周面よりも内側に引っ込んでいる。これは、以下に述べるように圧力センサ３１をダイシングする際の工程によるものである。圧力センサ３１は、図４（Ａ）に示すように、上面に誘電体層３３を形成したシリコン基板４５（複数個の固定電極３２となるもの）とシリコン基板４６（複数個の上基板３５ａとなるもの）を積層一体化され、さらに上側電極３７などが設けられる。この後、図４（Ｂ）に示すように、ウェットエッチングやドライエッチングによってシリコン基板４６をエッチングし、分離された各上基板３５ａ間に溝４７を形成し、溝４７の底面に誘電体層３３を露出させる。そして、この溝４７内に沿ってダイシングブレード４８を走行させて誘電体層３３及び固定電極３２をカットし、図４（Ｃ）のように独立した複数個の圧力センサ３１を形成する。

ダイシングによって各圧力センサ３１に分離するとき、図４（Ａ）のような形態で上下のシリコン基板４６、４５を一度にカットすると、上側のシリコン基板４６（上基板３５ａ）のバリが垂れ下がったり、切屑が付着したりするおそれがある。こうして垂れ下がったバリや切屑が固定電極３２に触れるとダイアフラム３５と固定電極３２の間がショートし、製品の歩留まりが低下する。これに対し、図４（Ａ）−図４（Ｃ）のような工法であると、シリコン基板４６（上基板３５ａ）がダイシングされないので、シリコン基板４６のバリや切屑が発生しなくなり、製品歩留まりかが向上する。また、この結果、上基板３５ａの外周面が固定電極３２及び誘電体層３３の外周面よりも内側に引っ込むことになる。

つぎに、固定電極３２の不純物濃度について述べる。上記固定電極３２として用いられるシリコン基板の全体（特に、厚み方向の全体）には、あらかじめボロン（Ｂ）、リン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）等の不純物がドーピングされている。この不純物濃度は、２.００×１０^１７ｃｍ^−３以上２.１０×１０^１９ｃｍ^−３以下である。このような不純物濃度範囲の不純物が固定電極３２にドーピングされていると、ダイアフラム３５と固定電極３２の間に電圧を印加したときに固定電極３２内に生じる空乏層を小さくし、あるいは消失させることができる。その結果、圧力センサ３１のセンサ出力を大きくでき、またセンサ出力の温度特性や周波数特性を改善することができる。

上記不純物濃度の範囲はシミュレーション結果に基づくものである。図５は固定電極（シリコン基板）の不純物濃度を１.５０×１０^１６ｃｍ^−３（抵抗率１.００Ω・ｃｍ）、２.００×１０^１７ｃｍ^−３（抵抗率０.１０Ω・ｃｍ）、６.００×１０^１７ｃｍ^−３（抵抗率０.０５Ω・ｃｍ）、３.００×１０^１８ｃｍ^−３（抵抗率０.０２Ω・ｃｍ）、８.００×１０^１８ｃｍ^−３（抵抗率０.０１Ω・ｃｍ）、２.１０×１０^１９ｃｍ^−３（抵抗率０.００５Ω・ｃｍ）と変化させた６つのサンプルについて、ダイアフラムと固定電極の間の静電容量に対する温度の影響（温度特性）を調べた結果を示す。図５に示すデータは、ダイアフラム３５の全面積の７５％が誘電体層３３に接触しているとき（すなわち、圧力が一定のとき）の測定値である。図５によれば、固定電極３２の不純物濃度が１.５０×１０^１６ｃｍ^−３のサンプルでは、静電容量がかなり小さくなっている。これに対し、不純物濃度が２.００×１０^１７ｃｍ^−３から２.１０×１０^１９ｃｍ^−３の各サンプルでは、不純物濃度が１.５０×１０^１６ｃｍ^−３のサンプルに比べて大きな静電容量が得られる。

また、図５によれば、固定電極３２の不純物濃度が１.５０×１０^１６ｃｍ^−３のサンプルでは、温度が変化すると静電容量もかなり大きく変化している。これに対し、不純物濃度が２.０×１０^１７ｃｍ^−３から２.１０×１０^１９ｃｍ^−３の各サンプルではほぼフラットな温度特性を示し、温度が変化しても静電容量はほぼ一定となっている。

図６は固定電極（シリコン基板）の不純物濃度を１.５０×１０^１６ｃｍ^−３、２.００×１０^１７ｃｍ^−３、６.００×１０^１７ｃｍ^−３、３.００×１０^１８ｃｍ^−３、８.００×１０^１８ｃｍ^−３、２.１０×１０^１９ｃｍ^−３と変化させた６つのサンプルについて、ダイアフラムと固定電極の間の静電容量に対する周波数の影響（周波数特性）を調べた結果を示す。図６に示すデータは、ダイアフラム３５の全面積の７５％が誘電体層３３に接触しているとき（すなわち、圧力が一定のとき）のシミュレーション値である。また、誘電体層３３は、厚さが１００ÅのＴｈ−ＳｉＯ_２である。図６によれば、固定電極３２の不純物濃度が１.５０×１０^１６ｃｍ^−３のサンプルでは、周波数が５×１０^５Ｈｚあたりから静電容量が降下し始めている。これに対し、不純物濃度が２.００×１０^１７ｃｍ^−３から２.１０×１０^１９ｃｍ^−３の各サンプルでは、周波数が１.０×１０^６Ｈｚあたりまでフラットになっている。特に、不純物濃度が３.００×１０^１８ｃｍ^−３以上の場合には、１.０×１０^７Ｈｚあたりまで周波数特性がほぼフラットになっている。

また、図６からも、不純物濃度が２.００×１０^１７ｃｍ^−３から２.１０×１０^１９ｃｍ^−３の各サンプルでは、不純物濃度が１.５０×１０^１６ｃｍ^−３のサンプルに比べて大きな静電容量が得られることが分かる。

したがって、固定電極３２の不純物濃度を２.００×１０^１７ｃｍ^−３以上２.１０×１０^１９ｃｍ^−３以下とすれば、空乏層の影響を小さくすることができ、その結果、センサ出力を大きくすることができて圧力センサ３１の感度を向上させることができる。また、センサ出力の温度特性や周波数特性を向上させることができる。さらに、固定電極３２の不純物濃度を３.００×１０^１８ｃｍ^−３以上２.１０×１０^１９ｃｍ^−３以下とすれば、より好ましい特性を得ることができる。

実施形態１の圧力センサ３１では、固定電極３２の下面に下側電極３８（金属電極）を設けている。固定電極３２の上面に下側電極３８を設けた場合（図７の実施形態２を参照）には、固定電極３２の上面に下側電極３８を配置するためのスペースが必要となるので、固定電極３２のサイズ（横幅）が大きくなり、圧力センサが大型化する。これに対し、本実施形態のように固定電極３２の下面に下側電極３８を設ければ、比較的大きな下側電極３８を設けることが可能になるとともに、圧力センサ３１の小型化を実現することができる。

また、本実施形態及び上記シミュレーションでは、固定電極３２の全体の不純物濃度を２.００×１０^１７ｃｍ^−３以上２.１０×１０^１９ｃｍ^−３以下としているが、固定電極３２のうちダイアフラム３５（あるいは、リセス３３ａ）に対向する領域全体で、固定電極３２の厚み方向全長にわたって不純物濃度が、２.００×１０^１７ｃｍ^−３以上２.１０×１０^１９ｃｍ^−３以下となっていれば十分である。すなわち、固定電極３２の下面に下側電極３８を設けた場合に、固定電極３２の厚み方向全長に電流（電荷）を流すためには、固定電極３２の上面のみよりも固定電極３２の厚み方向全長において不純物濃度を２.００×１０^１７ｃｍ^−３以上２.１０×１０^１９ｃｍ^−３以下となるようにすれば、固定電極３２における空乏層の影響を少なくでき、固定電極３２の厚み方向の抵抗を低くすることにより、圧力センサ３１の出力を高めるとともに、その温度特性と周波数特性を改善することができる。

図５及び図６の結果は、固定電極３２とともにダイアフラム３５についても適用できる。すなわち、ダイアフラム３５の不純物濃度を２.００×１０^１７ｃｍ^−３以上２.１０×１０^１９ｃｍ^−３以下とすれば、ダイアフラム３５における空乏層の影響を小さくすることができ、センサ出力を大きくすることができる。また、センサ出力の温度特性や周波数特性を向上させることができる。

（実施形態２）
図７は本発明の実施形態２による圧力センサ５１を示す断面図である。圧力センサ５１では、固定電極３２の上面に下側電極３８を設けている。この場合には、固定電極３２の上面付近だけで不純物濃度を２.００×１０^１７ｃｍ^−３以上２.１０×１０^１９ｃｍ^−３以下としてもよい。

（実施形態３）
図８は、本発明の実施形態３によるプレート型の入力装置６１、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６１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。なお、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６１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。

３１、５１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
３７上側電極
３８下側電極
４０電極パッド
６１入力装置

Claims

半導体からなる固定電極と、
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、前記ダイアフラムが圧力を受けて前記誘電体層と接触する接触面積の変化を検出してその圧力を測定する静電容量型の圧力センサにおいて、
前記固定電極の少なくとも上面における不純物濃度が２.００×１０^１７ｃｍ^−３以上２.１０×１０^１９ｃｍ^−３以下であることを特徴とする静電容量型圧力センサ。
前記固定電極の下面に金属電極が設けられ、
前記固定電極の厚み方向全長における不純物濃度が、２.００×１０^１７ｃｍ^−３以上２.１０×１０^１９ｃｍ^−３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。
前記固定電極の上面に金属電極が設けられ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。
前記固定電極の少なくとも上面における不純物濃度が３.００×１０^１８ｃｍ^−３以上２.１０×１０^１９ｃｍ^−３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。
前記ダイアフラムの不純物濃度が、２.００×１０^１７ｃｍ^−３以上２.１０×１０^１９ｃｍ^−３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。
請求項１に記載した複数個の静電容量型圧力センサを配列させたことを特徴とする入力装置。