説明

静電容量型圧力センサとその製造方法及び入力装置

【課題】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を提供する。
【解決手段】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を形成する。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、段差により隔てられており、第2接触面36は第1接触面35よりも高い位置にある。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
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。
【背景技術】
【0002】
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。
【0003】
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。
【0004】
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。
【0005】
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。
【0006】
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。
【0007】
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。
【0008】
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P(ただし、0<n<1)に比例していると考えられる。
【0009】
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。
【0010】
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。
【0011】
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。
【0012】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0013】
【特許文献1】特許第3144314号公報
【非特許文献】
【0014】
【非特許文献1】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
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0015】
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。
【課題を解決するための手段】
【0016】
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。
【0017】
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。
【0018】
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。
【0019】
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。
【0020】
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。
【0021】
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。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
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。
【0026】
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。
【0027】
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。
【0028】
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。
【0029】
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。
【図面の簡単な説明】
【0030】
【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。(B)は、(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。(B)は、(A)のX−X線に沿った概略断面図である。
【図3】(A)及び(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)−(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】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)−(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)−(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)−(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(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。(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】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】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】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】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】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。
【発明を実施するための形態】
【0031】
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。
【0032】
(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。
【0033】
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、SiO、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。
【0034】
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SiO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。
【0035】
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。
【0036】
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。
【0037】
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。
【0038】
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)
【0039】
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。
【0040】
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。
【0041】
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。
【0042】
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。
【0043】
ダイアフラム38の接触面積は、ほぼP(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。
【0044】
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。
【0045】
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。
【0046】
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。
【0047】
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。
【0048】
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SiO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。
【0049】
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SiO、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。
【0050】
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。
【0051】
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。
【0052】
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。
【0053】
(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。
【0054】
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。
【0055】
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。
【0056】
(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。
【0057】
(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。
【0058】
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。
【0059】
(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。
【0060】
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。
【0061】
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。
【0062】
(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。
【0063】
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。
【0064】
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。
【0065】
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)
【0066】
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)
【0067】
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。
【0068】
(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。
【符号の説明】
【0069】
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

【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項16】
請求項1に記載した圧力センサを搭載した入力装置。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【図9】
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【図10】
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【図11】
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【図12】
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【図13】
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【図14】
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【図15】
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【公開番号】特開2013−104797(P2013−104797A)
【公開日】平成25年5月30日(2013.5.30)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−249181(P2011−249181)
【出願日】平成23年11月14日(2011.11.14)
【出願人】(000002945)オムロン株式会社 (3,542)