静電容量センサ
【課題】 容量変化率を大きくして、検出精度または感度の向上を図る。
【解決手段】 静電容量センサ１０であって、行配線１４に接続された検出行配線３４と、 列配線１７に接続された検出列配線３７と、検出行配線３４上を被覆する第１の誘電体層１５と、検出列配線３７上を被覆する第２の誘電体層１６と、が設けられ、第１の誘電体層１５の比誘電率よりも第２の誘電体層１６の比誘電率のほうが大きく設定されてなる。
【解決手段】 静電容量センサ１０であって、行配線１４に接続された検出行配線３４と、 列配線１７に接続された検出列配線３７と、検出行配線３４上を被覆する第１の誘電体層１５と、検出列配線３７上を被覆する第２の誘電体層１６と、が設けられ、第１の誘電体層１５の比誘電率よりも第２の誘電体層１６の比誘電率のほうが大きく設定されてなる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定物の微細な凹凸などを測定するための静電容量センサ、および、タッチパッド等に用いて好適な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
検出面に押し付けられた被測定物の表面の微細な凹凸を検出するセンサとしては、アレイ状に配置した電極と被検出物との静電容量の変化を測定するものとして例えば特許文献１が知られている。
また指等の接触位置を静電容量の変化から測定するタッチパッドとしては、行配線と列配線を絶縁体を介して交差させ、交差部の静電容量が被検出物により変化するものとして例えば特許文献２が知られている。
【特許文献１】特開２０００−２１３９０８号公報
【特許文献２】特表平０９−５１１０８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、特許文献１に記載される技術では検出電極を選択するのにトランジスタが必要になる。例えば、指紋のように微細な形状を検出する場合、１００μｍ以下のピッチでかつ検出範囲全体に連続して、検出電極・スイッチング用トランジスタを配設する必要があり、半導体基板にこれらを集積化することが必須となる。従って広い面積の検出器を構成しようとした場合コストが上昇してしまうという問題があった。
また、特許文献２の技術では、検出感度をある程度確保するためには配線交差部の容量を大きくする必要がある。この際、容量を大きくするために配線幅を大きくすることが必要なため、配線ピッチを小さくできない。その結果、この技術では指紋のような微細構造を高感度で検出するセンサ構造が実現できないという問題があった。
また、容量変化を検出する際に、初期の容量に対してその変化量が小さすぎると容量変化を検出することができないため、より検出のしやすい静電検出センサを得たいという要求があった。
【０００４】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、その目的は、低コストで検出感度を向上できる静電容量センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の静電容量センサは、絶縁基板上に複数の導体が並列して第１方向に延びる行配線と、複数の導体が並列し、前記第１方向と交差する第２方向に延びる列配線とを有し、前記行配線と前記列配線とで形成される静電容量の変化に基づいて被検出導体の接近を検出する静電容量センサであって、
前記行配線に接続された検出行配線と、
前記検出行配線上に第１の誘電体層を挟んで設けられ、該第１の誘電体層に積層されて前記列配線に接続された検出列配線と、
前記検出列配線上を被覆する第２の誘電体層と、が設けられ、
前記第１の誘電体層の比誘電率よりも前記第２の誘電体層の比誘電率のほうが大きく設定されてなることにより上記課題を解決した。
本発明において、前記行配線および前記列配線においてそれぞれ隣り合う配線間距離で規定される検出領域が設けられ、
前記検出領域には、前記行配線に接続された検出行配線と、前記列配線に接続された検出列配線とが設けられ、前記検出行配線と前記検出列配線とが平面視して互いにその隙間を埋めるようにくし歯状に形成されることがより好ましい。
本発明は、前記検出行配線と前記検出列配線とは、平面視して互いにその隙間を埋めるようにＬ字型状に形成されることが可能である。
また、本発明において、前記検出行配線と前記検出列配線とは、平面視して互いにその隙間を埋めるように渦巻き状に形成される手段を採用することもできる。
また、前記検出行配線と前記検出列配線とは、平面視して互いにその隙間を埋めるように四分円型状に形成されることができる。
本発明においては、前記第１の誘電体層の比誘電率ε１と前記第２の誘電体層の比誘電率ε２との比が、
３ ≦ ε２／ε１ ≦ ３５００
とされてなることが望ましい。
さらに、前記第１の誘電体層が、ＳｉＯ２，Ｓｉ３Ｎ４，ＭｇＯ，Ａｌ２Ｏ３，アクリル樹脂，ポリイミド，エポキシ樹脂から少なくとも一つが選択されてなり、
前記第２の誘電体層が、Ｔａ２Ｏ５，ＺｒＯ２，ＨｆＯ２，Ｌａ２Ｏ３，Ｐｒ２Ｏ３，ＴｉＯ２，ＣａＴｉＯ３，ＳｒＴｉＯ３，ＢａＴｉＯ３から少なくとも一つが選択されてなることが可能である。
【０００６】
本発明の静電容量センサは、前記検出行配線上を被覆する第１の誘電体層の比誘電率よりも、前記検出列配線上を被覆する第２の誘電体層の比誘電率のほうが大きく設定されてなることにより、主に被検出物が静電容量センサの表面に位置しない初期状態において容量を形成する際に、検出行配線と検出列配線との間に位置する第１の誘電体層の比誘電率よりも、検出列配線と被検出物との間で容量を形成して初期容量に対して変化する容量となる検出列配線と被検出物との間に位置することになる第２の誘電体層の比誘電率を高くすることで、初期容量に対して、変化する容量の大きさを大きくして、容量変化率を大きくし、検出精度または感度を向上することが可能となる。
【０００７】
本発明において、隣り合う前記行配線どうし、および、隣り合う前記列配線どうしで囲まれた検出領域に、この検出領域を埋め尽くすように検出行配線と検出列配線とが設けられることにより、検出行配線と検出列配線とで形成される静電容量が指等の被検出物（被検出導体）の接触によって変化する量を増大することが可能となる。これにより、各検出セルにおける感度を向上することができ、トランジスタを形成することなく検出する際の分解能を向上することが可能となる。
ここで、「配線間距離で規定される」とは、周囲を行配線と列配線とで囲まれた範囲、または、この配線で囲まれた範囲と同等の面積を有する範囲を意味し、一つの組みとなる行配線と列配線により動作する検出セルに対応した範囲とすることができる。また、「検出領域を埋め尽くすように」とは、後述するように、検出配線対向長が増大するように配置されることを意味する。
なお、本発明の静電容量センサは電極（配線）間距離が変化する必要がないので、ガラス基板等に形成することが可能である。
【０００８】
本発明は、検出行配線と検出列配線とは、検出領域を埋め尽くす際に、これらの配線間で形成される静電容量を大きくするように前記検出配線間の検出配線対向長（対向長）が増大するように配置されることにより、静電容量の変化分を大きくして検出感度を向上することができる。
ここで、「検出配線対向長（対向長）」は、検出行配線と検出列配線とが互いに対向して静電容量を形成する部分において、各検出配線が互いに対向する方向と交差する方向におけるそれぞれの検出配線の長さ寸法を意味しており、本来、物理量としての静電容量を形成するパラメータは極板面積であるが、後述するように、平面視してくし歯状、渦巻き状、Ｌ字型状、四分円型状等として積層された検出配線どうしの間で静電容量を形成する際の面積であることから、実際の設計パラメータとしては長さとして認識できるので、この対向長を増大するようにそれぞれの検出配線を配置したものである。この場合、静電容量を形成する検出配線（電極）どうしは、それぞれ異なる層に積層されたものである。
【０００９】
また、本発明において、検出行配線と検出列配線とは、検出領域を埋め尽くす際に、これらの配線間で形成される静電容量を大きくするように前記静電容量を形成する検出配線対向間距離（対向間距離）が減少されるように位置されることにより、静電容量の変化分を大きくして検出感度を向上することができる。
ここで、「検出配線対向間距離（対向間距離）」は、前述の「検出配線対向長（対向長）」に交差する方向における検出行配線と検出列配線との間の距離を意味し、この場合、静電容量を形成する検出配線（電極）どうしは、それぞれ異なる層に積層されたものである。また、検出行配線と検出列配線とが異なる層に形成されている場合、実際の検出に関わる検出配線（検出行配線および検出列配線）どうしは平面視して重ならない構成とされることが好ましい。これは、検出行配線と検出列配線とが特許文献２の交差部のように重なってしまうと、重なった部分の静電容量は被検出物（被検出導体）の接触・離間によって変化しないため、静電容量の変化分が小さく検出感度が低下するためである。
【００１０】
本発明における検出領域を埋める検出配線の平面パターンが、図２，図１２〜図１５に示すようにくし歯状、渦巻き状、Ｌ字型状、四分円型状等が可能であり、これらにより、「対向長」を増大しかつ、「対向間距離」を減少して、検出配線間で形成される静電容量の変動を大きくすることが可能となる。この場合、静電容量を形成する検出配線（電極）どうしは、それぞれ異なる層に積層された構造に適応することができる。
【００１１】
また、前記検出列配線が、前記第１の誘電体層に積層されてなることで、検出時に検出列配線と被検出物との距離を小さくし、被検出物と検出列配線との間で形成される容量を大きくして、検出両々における変化率を大きくすることが可能となる。
【００１２】
本発明においては、前記第１の誘電体層の比誘電率ε１と前記第２の誘電体層の比誘電率ε２との比が、３ ≦ ε２／ε１ ≦ ３５００ とされてなることにより、第１の誘電体層を挟んで形成される初期容量に対して第２の誘電体層を挟んで形成される検出時の容量を充分検出可能なほど大きくすることができ、検出時における容量変化率を増大することができる。
【００１３】
さらに、前記第１の誘電体層が、ＳｉＯ２，Ｓｉ３Ｎ４，ＭｇＯ，Ａｌ２Ｏ３，アクリル樹脂，ポリイミド，エポキシ樹脂等比誘電率が１０程度以下のものから少なくとも一つが選択されてなり、前記第２の誘電体層が、Ｔａ２Ｏ５，ＺｒＯ２，ＨｆＯ２，Ｌａ２Ｏ３，Ｐｒ２Ｏ３，ＴｉＯ２，ＣａＴｉＯ３，ＳｒＴｉＯ３，ＢａＴｉＯ３等比誘電率が１０〜１００より大きいものから少なくとも一つが選択されてなることにより、上記の３ ≦ ε２／ε１ ≦ ３５００という比を実現することが可能となる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、前記検出行配線上を被覆する第１の誘電体層の比誘電率よりも、前記検出列配線上を被覆する第２の誘電体層の比誘電率のほうが大きく設定されてなることにより、主に被検出物が静電容量センサの表面に位置しない初期状態において容量を形成する際に、検出行配線と検出列配線との間に位置する第１の誘電体層の比誘電率よりも、検出列配線と被検出物との間で容量を形成して初期容量に対して変化する容量となる検出列配線と被検出物との間に位置することになる第２の誘電体層の比誘電率を高くすることで、初期容量に対して、変化する容量の大きさを大きくして、容量変化率を大きくし、検出精度または感度を向上するという効果を奏することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明に係る静電容量センサの一実施形態を、図面に基づいて説明する。
図１は、本実施形態における静電容量センサの等価回路を示す説明図であり、図２は本発明の静電容量センサの要部拡大平面図であり、図３は本発明の静電容量センサの要部拡大断面図である。図において、符号１０は静電容量センサである。
【００１６】
本実施形態における静電センサ１０は、指紋センサをして適応されるもので、ガラス基板１３上に、第１方向Ｘ平行として多数配列された行配線１４と、この行配線１４を覆う絶縁膜１５と、絶縁膜１５上に、第１方向Ｘと交わる第２方向Ｙ平行として多数配列された列配線１７と、この行配線１７を覆う絶縁膜１６とを有する。これら行配線１４と列配線１７とで囲まれた領域が検出領域３０とされている。
【００１７】
行配線１４は、例えば０．１μｍ厚のＩＴＯ膜から構成され、厚さ０．７ｍｍのガラス基板１３上に３０〜１００μｍピッチ、例えば５０μｍピッチで２００本形成される。絶縁膜１５は、Ｓｉ３ Ｎ４ 等のＳｉＮｘ を積層したものであればよい。それぞれの行配線１４は、静電容量を検出する容量検出回路２２に接続されている。
列配線１７は、例えば０．１μｍ厚のｌＴＯ膜から構成され、絶縁膜１５上に３０〜１００μｍピッチ、例えば５０μｍピッチで２００本形成される。それぞれの列配線１７は、列選択回路２３に接続されている。こうした列選択回路２３は、静電容量の測定時に選択された列配線１７以外を全てグランド側に接続する。
【００１８】
検出領域３０には、この検出領域３０を埋め尽くすように検出行配線３４と検出列配線３７とが設けられる。この検出行配線３４は行配線１４と同じ高さに設けられ、また検出列配線３７は列配線１７と同じ高さに設けられる。ここで、高さとは、ガラス基板１３上で同じ層内にあることを意味しており、検出行配線３４は行配線１４とが絶縁膜（第１の誘電体層）１５内に設けられ、また検出列配線３７は列配線１７とが絶縁膜（第２の誘電体層）１６内に設けられること意味する。
【００１９】
この検出行配線３４と検出列配線３７とは、検出領域３０を埋め尽くす際に、これらの配線１４，１７間で形成される静電容量を大きくするように検出配線３４，３７間の対向長が増大するように配置されるとともに、静電容量を形成する対向間距離が減少されるように位置される。具体的には、検出領域３０を埋める検出配線３４，３７の平面パターンが、図２に示すように、くし歯状とされることができる。このように検出配線３４，３７を平面視して互いにその隙間を埋めるようにくし歯状に形成することで、検出配線３４，３７間の「対向長」を増大しかつ、「対向間距離」を減少して、検出配線３４，３７間で形成される静電容量の変動を大きくすることが可能となる。
【００２０】
絶縁膜（第１の誘電体層）１５は、検出行配線３４上を被覆するように設けられ、絶縁膜１５上には検出列配線３７が設けら、この検出列配線１４を被覆するように絶縁膜（第２の誘電体層）１６が設けられる。
この下側の絶縁膜１５の比誘電率ε１よりも、上側の絶縁膜１６の比誘電率ε２のほうが大きく設定され、具体的には、絶縁膜１５の比誘電率ε１と絶縁膜１６の比誘電率ε２との比が、
３ ≦ ε２／ε１ ≦ ３５００
の範囲になるように設定される。
【００２１】
さらに詳細には、絶縁層１５が、比誘電率１０程度以下のものからなるとともに、絶縁層１６が、比誘電率１０〜１００より大きいものからなることができる。
絶縁層１５が、ＳｉＯ２，Ｓｉ３Ｎ４，ＭｇＯ，Ａｌ２Ｏ３，アクリル樹脂，ポリイミド，エポキシ樹脂等から選択された少なくとも一つからなることが好ましく、より好ましくはＳｉＯ２，Ｓｉ３Ｎ４からなることができる。
絶縁層１６が、Ｔａ２Ｏ５，ＺｒＯ２，ＨｆＯ２，Ｌａ２Ｏ３，Ｐｒ２Ｏ３，ＴｉＯ２，ＣａＴｉＯ３，ＳｒＴｉＯ３，ＢａＴｉＯ３等から選択された少なくとも一つからなることが好ましく、より好ましくは、ＴｉＯ２，からなることができる。
【００２２】
このような静電容量センサ１０表面に被検出導体Ｆとしての指等を接触させた場合、指紋の凹部に対応するピクセルにおいては、図４に示すように、検出行電極３４と検出列電極３７とで形成される静電容量は被検出導体Ｆの接触していない初期容量値からあまり変化しない。これに対し、指紋の凸部に対応するピクセルにおいては、図５に示すように、検出列電極３７から検出行電極３４に向かっていた電気力線Ｄのうち一部の電気力線ｄが指（被検出導体）Ｆに向かい、結果として検出配線３４，３７間で形成される静電容量は被検出導体Ｆの接触していない初期容量値に比べて小さくなる。
【００２３】
本実施形態の静電容量センサ１０は、上述したような構成によって、図１に示す等価回路に示すように、行配線１４と列配線１７とが交差している交差部２１に対応した検出領域３０における静電容量の変化を容量検出回路２２で検出することができる。こうして、絶縁膜１６の表面に微細な凹凸面が押し付けられた際に発生する、多数の検出領域３０の静電容量の変化を検出することによって、被測定物Ｆの凹凸面の形状を信号データとして出力することが可能になる。
【００２４】
ここで、比検出導体（被検出物）Ｆがセンサ表面に接触しない初期状態の容量（初期容量）は検出行配線３４と検出列配線３７との間で形成されるとともに、比検出導体Ｆがセンサ表面に接触した状態の変化容量（容量変化分）が、検出列配線３７と被検出導体Ｆとの間で形成されている。したがって、初期容量は検出行配線３４と検出列配線３７との間に位置する絶縁膜１５の比誘電率ε１に依存するとともに、変化容量は検出列配線３７と比検出導体Ｆとの間に位置する絶縁膜１６の比誘電率ε２に依存することになる。
本実施形態においては、絶縁膜１５の比誘電率ε１よりも絶縁膜１６の比誘電率ε２を大きく設定することにより、初期容量に対して変化容量を大きくして、容量変化率を大きくし、検出精度または感度を向上することが可能となる。
【００２５】
容量検出回路２２は、例えば、図６に示すような回路が用いられ、測定時には列選択回路２３で選択されている列配線１７以外は全てグランド側に接続されるとともに、同一の行配線１４上の測定対象外の静電容量は全て寄生容量として測定系に並列に入力されるが、寄生容量の反対側の電極がグランド側に接続されていることにより、キャンセルすることが可能になっている。こうした構成によって、微細な凹凸面の検出、即ち微小な静電容量の変化を精度良く検出することが可能になる。その結果半導体基板等高価な材料を使うことなく低コスト化を実現でき、またドットピッチを小さくした場合でも、各ドットの初期静電容量、静電容量の変化量を大きくしてセンサの感度を向上することができる。
【００２６】
このように、絶縁膜１５と絶縁膜１６との比誘電率を異ならせたのは、例えば、図６において、出力側電圧Ｖｏｕｔは、入力側電圧Ｖｉｎに対して、
Ｖｏｕｔ＝（ΔＣｘ／Ｃｆ）Ｖｉｎ （１）
となっており、この状態で、出力信号処理可能とするために、
Ｖｏｕｔ≧１００ｍＶ （２）
であることが好ましく、このとき、入力電圧Ｖｉｎと初期容量Ｃｆとが
Ｖｉｎ＝３．３Ｖ
Ｃｆ＝１ｐＦ （３）
であるとすると、容量変化は、
ΔＣｘ＝３０ｆＦ （４）
となる。ここで、初期容量Ｃｆを１００ｆＦ以下に抑えるとき、式（４）とするためには、変化量が３０％以上必要である。従って、この条件を満たすためには、
ε２／ε１≧３ （５）
とすることが必要である。
これにより、絶縁膜（第１の誘電体層）１５を挟んで形成される初期容量に対して絶縁膜（第２の誘電体層）１６を挟んで形成される検出時の容量を充分検出可能なほど大きくすることができ、検出時における容量変化率を増大することができる。
【００２７】
このような静電容量センサ１０は用途を限定するものではないが、静電容量センサ１０を例えば指紋センサに適用した例として、図７に示すように、例えば携帯電話２６の持ち主認証システムなどに適用することができる。近年は携帯電話２６などで決済などを行うことが考えられているが、携帯電話２６に静電容量センサ１０を形成することによって、静電容量センサ１０に押し付けられた指紋を正確に検出して、予め登録された指紋データと照合することで持ち主を正しく認証することができる。なお、図７においては、携帯電話２６の液晶等の表示画面２６ａに形成した例を図示している。この場合、配線１４，１７および検出配線３４，３７を透明電極で形成して静電容量センサ（指紋センサ）１０を光透過型とすることにより、表示画面２６ａ以外の部分に指紋センサ１０を配置する必要がなく小型化を図ることができる。
【００２８】
以下、本発明に係る静電容量センサの第２実施形態を図面に基づいて説明する。
図８は本実施形態の静電容量センサの要部拡大平面図であり、図９は本実施形態の静電容量センサの要部拡大断面図である。
【００２９】
本実施形態の静電容量センサ１０が、前述した実施形態と異なるのは、センサ表面１０ａに接続されたアース配線Ａが設けられた点である。
即ち、図８，図９に示すように、アース配線Ａは、行配線１４、検出行配線３４と同じ高さ位置に設けられたアース配線３３と、列配線１７、検出列配線３７と同じ高さ位置に設けられたアース配線３５と、センサ表面１０ａに設けられたアース配線３６とを有する。アース配線３３は行配線１４と平行に設けられて、アース電位とされている。アース配線３５，３６はそれぞれガラス基板１３側のアース配線３３，３５と電気的に接続されるようにスルーホールにより接続されている。
【００３０】
本実施形態によれば、アース配線Ａが設けられたことによりセンサ表面１０ａに接触した被検出導体Ｆとアース配線Ａとを同電位（アース電位）とすることができ、被検出導体Ｆの電位を強制的にアース電位として、検出配線３４，３７間の静電容量変化を大きくするとともに被検出導体Ｆからの電気的ノイズを低減し、安定な測定を可能とすることができる。
【００３１】
以下、本発明に係る静電容量センサの第３実施形態を図面に基づいて説明する。
図１０は本実施形態の静電容量センサの模式平面図である。
【００３２】
本実施形態においては、上述した各実施形態と異なるところは、検出領域３０が連続して設けられた精細部Ｓと、検出領域３０が不連続に設けられた非精細部Ｔとを有し、精細部Ｓが作動状態を切替可能とされてなる点である。
本実施形態の静電容量センサ１０では、図１０において、精細部Ｓは中央付近とされ、検出領域３０が密に連続して設けられている。また、非精細部Ｔは精細部Ｓの周囲に位置して、検出領域３０が粗になるように設けられている。
また、精細部Ｓでは、配線１４，１７間隔が５０μｍピッチ、２５６本ずつ設けられ、非精細部Ｔでは、配線１４，１７間隔は３．２ｍｍで、精細部Ｓ周囲の左右上下にそれぞれ６本ずつ設けられる。
【００３３】
この実施形態では、検出領域３０の連続する精細部Ｓにおいて、全ての検出領域３０を作動させる全域動作状態（認証状態）と、検出領域３０が不連続に配置される非精細部Ｔにおける検出領域３０の密度（配置間隔）に等しい検出領域３０のみを作動状態としてそれ以外の検出領域３０を非作動状態とする部分動作状態（座標入力状態）と、を切替可能とされる。具体的には、非精細部Ｔはポインティングデバイスとしてのタッチパッドとして使用され、その一部を指紋センサとして検出可能な精細部Ｓとするものである。
【００３４】
このような静電容量センサ１０では、図示しない切替回路部によって精細部Ｓの動作を指紋センサとタッチパッドとの動作切替をおこなう。具体的には、非精細部Ｔの出力はセンサ表面での指（被検出導体）の動きを検出するものとされ、精細部Ｓは、この動きを検出する座標入力状態の場合には、非精細部Ｔと同程度の密度とされる検出領域３０からの信号のみを出力するように設定され、また、指紋認識をおこなうパターン認識状態（認証状態）においては、精細部Ｓの全ての検出領域３０からの信号を出力するように設定される。
【００３５】
また、この精細部Ｓの動作状態切替は図１１に示すようにおこなわれる。
まず、Ｓ１で示すように、ノートパソコン等において、起動時または待機画面を解除しようとした場合には、Ｓ２に示すように、切替回路部によって精細部Ｓの動作モードが指紋センサ（認証状態）に設定される。次に、Ｓ３で示すように、画面にはＬＯＧＩＮ画面を表示するとともに、指紋認証かキーボード等によるパスワードの入力を選択する選択画面を表示する。ここで、Ｓ４においてキーボード等による入力を選択した場合には、Ｓ５のように動作モードをタッチパッド（座標入力状態）として、パスワードの入力を待つ。また、Ｓ４において指紋認証を選択した場合には、Ｓ６に示すように精細部Ｓにおいて認証動作にはいり、当人の指紋であることが確認された場合には、Ｓ７に示すように、精細部Ｓの動作モードをタッチパッド（座標入力状態）に切り替え、Ｓ８に示すようにＬＯＧＩＮを完了し通常作業可能な状態とする。
【００３６】
本実施形態においては、タッチパッドＴの一部分に精細部Ｓを設けてこの精細部Ｓを指紋センサとすることが可能となる。これにより、指紋センサとタッチパッドを一体に形成することが可能であるとともに、指紋センサとしての高精細検出および、タッチパッドとしての高速スキャン検出を同時に可能とすることができる。
【００３７】
なお、上述の実施形態において、検出電極３４，３７の検出領域３０における配置パターンはくし歯状だけでなく、図１２に示す渦巻き状、図１３に示すＬ字型状、図１４に示す四分円型状等が可能である。また、くし歯としても、行配線１４と列配線１７によって囲まれた範囲を検出領域とするのではなく、図１５に示すように、行配線１４を跨いだ領域を検出領域３０とすることも可能である。
いずれにしても、検出配線３４，３７の「対向長」を増大しかつ、「対向間距離」を減少して、検出配線間で形成される静電容量の変動を大きくすることが可能であれば、どのようなパターンでもかまわない。
【００３８】
さらに、本発明の静電容量センサは指紋センサ以外にも、図１６に示すように、印章読み取り装置等として適応することが可能である。すなわち、被検出導体（指）Ｆのかわりに、非導電性の被検出物（印鑑）Ｆ２の形状を検出する際であっても、上記の各実施形態における静電容量センサ１０の表面に接触するように導電膜Ｆ０を有する導電性フィルムＦ１または、図示しないが、導電性ゴム等可撓性を揺する導電膜を別途配置し、このフィルムの上から印鑑を載置することで、形状（印章）読み取りをおこなうことが可能となる。
【実施例】
【００３９】
本発明の実施例を説明する。
上述の第１実施形態と等しい構造を有する静電容量センサにおける検出領域に対する静電容量の変化率を計算した。以下に検出配線の諸元の値を記す。
【００４０】
ａ）ギャップおよび水の影響
検出配線幅寸法：３μｍ
検出配線長さ：４２μｍ
下側絶縁層（第１の誘電体層）：ＳｉＮｘ
下側絶縁層（第１の誘電体層）膜厚：３００ｎｍ
下側絶縁層（第１の誘電体層）比誘電率ε１：７
上側絶縁層（第２の誘電体層）：任意
上側絶縁層（第２の誘電体層）膜厚：４００ｎｍ
上側絶縁層（第２の誘電体層）比誘電率ε２：１〜１００
検出領域：５０μｍ角
検出配線：ＩＴＯ
検出配線膜厚：１００ｎｍ
検出配線幅：３μｍ
ガラス基板の比誘電率εＧ＝４
水の比誘電率：８０
【００４１】
上記のような検出領域において、図３に示すような下側絶縁膜１５の比誘電率ε１を固定し、上側絶縁膜１６の比誘電率ε２を変化させてその静電容量の変化率を計算した。その結果および、表面に水のついた状態における変化率を表１に示す。
【表１】
【００４２】
表１の結果から、本発明においては容量変化率を３０％以上にするためには、下側絶縁膜１５の比誘電率ε１と上側絶縁膜ε２との比が
３≦ε２／ε１
とされてなることが好ましい。
【００４３】
ｂ）次に、上下絶縁膜の膜厚変化に対する容量変化率を計算した。
検出配線幅寸法：３μｍ
検出配線長さ：４２μｍ
下側絶縁層（第１の誘電体層）：ＴｉＯ２およびＳｉＮｘ
下側絶縁層（第１の誘電体層）膜厚：３００ｎｍ
下側絶縁層（第１の誘電体層）比誘電率ε１：７
上側絶縁層（第２の誘電体層）：ＴｉＯ２
上側絶縁層（第２の誘電体層）膜厚：４００ｎｍ
上側絶縁層（第２の誘電体層）比誘電率ε２：６５
検出領域：５０μｍ角
検出配線：ＩＴＯ
検出配線膜厚：１００ｎｍ
検出配線幅：３μｍ
ガラス基板の比誘電率εＧ＝４
水の比誘電率：８０
【００４４】
その結果を表２、表３に示す。
【表２】
【表３】
【００４５】
表２の結果から、上下絶縁膜に同一の誘電体を用いた場合でも、高い比誘電率の誘電体を用いることにより、容量変化を大きくすることができ、ギャップＧを広げることによって容量変化率を上げることができる。しかし、実際には検出回路（増幅回路）の性能、周囲のノイズの影響により寄生容量を小さくし容積変化率を大きくすることが好ましい。また、ギャップＧを広げることによって容積変化率を大きくすることができるが、そのことによってセンサ表面に水がついた際の影響が大きくなるため、ギャップＧはなるべく小さく抑えられることが好ましい。ここで、センサ表面に水のついた状態とは、初期状態における上側絶縁膜の膜厚が増大した状態であると考えられる。そこで、表３の結果で示されるように、下側絶縁膜の比誘電率ε１よりも上側絶縁膜の比誘電率ε２を大きくすることにより、上下絶縁膜に同一の誘電体を用いた場合よりも寄生容量を小さく容量変化を大きくすることができ、ギャップＧを小さく抑えることができる。このように、上下絶縁膜の誘電体（比誘電率）の選択やギャップＧを制御することによって、容量変化・変化率を使用目的によって適した値に制御することができる。
【００４６】
ｃ）次に、上下絶縁膜の膜厚変化に対する容量変化率を計算した。
検出配線幅寸法：３μｍ
検出配線長さ：４２μｍ
下側絶縁層（第１の誘電体層）：ＳｉＮｘ
下側絶縁層（第１の誘電体層）膜厚：３００ｎｍ
下側絶縁層（第１の誘電体層）比誘電率ε１：７
上側絶縁層（第２の誘電体層）：ＴｉＯ２
上側絶縁層（第２の誘電体層）膜厚：４００ｎｍ
上側絶縁層（第２の誘電体層）比誘電率ε２：６５
検出領域：５０μｍ角
検出配線：ＩＴＯ
検出配線膜厚：１００ｎｍ
検出配線幅：３μｍ
ガラス基板の比誘電率εＧ＝４
水の比誘電率：８０
【００４７】
その結果を表４〜表１０に示す。
【表４】
【表５】
【表６】
【表７】
【表８】
【表９】
【表１０】
【００４８】
上記の結果、および、絶縁耐力の好ましい値が１０ｋＶ／ｍｍであることから、下側絶縁膜（第１の誘電体層）は絶縁耐力を充分に満たす厚さとすることが好ましく、０．１μｍ〜３μｍ程度であることが好ましい。
また、上側絶縁膜（第２の誘電体膜）は、膜厚が厚くなると容量変化量、変化率が低下することから、パッシベーション膜として機能する厚さ、０．１μｍ〜３μｍ程度であることが好ましい。
【００４９】
なお、特許文献２記載のタッチパッドにおいても、本発明における検出配線材質・膜厚等、本発明の内容を適応することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明に係る静電容量センサの等価回路を示す説明図である。
【図２】本発明に係る静電容量センサの第１実施形態における要部拡大平面図である。
【図３】本発明の静電容量センサの第１実施形態における要部拡大断面図である。
【図４】本発明の静電容量センサの第１実施形態における動作を示す説明断面図である。
【図５】本発明の静電容量センサの第１実施形態における動作を示す説明断面図である。
【図６】容量検出回路の一例を示す等価回路図である。
【図７】本発明の静電容量センサを備えた携帯電話を示す外観斜視図である。
【図８】本発明に係る静電容量センサの第２実施形態における要部拡大平面図である。
【図９】本発明の静電容量センサの第２実施形態における要部拡大断面図である。
【図１０】本発明に係る静電容量センサの第３実施形態における模式平面図である。
【図１１】本発明に係る静電容量センサの第３実施形態における動作を示すフローチャートである。
【図１２】本発明に係る静電容量センサの平面パターンを示す模式図である。
【図１３】本発明に係る静電容量センサの平面パターンを示す模式図である。
【図１４】本発明に係る静電容量センサの平面パターンを示す模式図である。
【図１５】本発明に係る静電容量センサの平面パターンを示す模式図である。
【図１６】本発明に係る静電容量センサの他の実施形態を示す模式断面図である。
【符号の説明】
【００５１】
１０…静電容量センサ、１４…行配線（配線）、１５…第１の誘電体層（絶縁膜）、１６…第２の誘電体層（絶縁膜）、１７…列配線（配線）、３０…検出領域、３４…検出行配線（検出配線）、３７…検出列配線（検出配線）、Ｓ…精細部、Ｔ…非精細部、Ｆ…被検出導体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定物の微細な凹凸などを測定するための静電容量センサ、および、タッチパッド等に用いて好適な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
検出面に押し付けられた被測定物の表面の微細な凹凸を検出するセンサとしては、アレイ状に配置した電極と被検出物との静電容量の変化を測定するものとして例えば特許文献１が知られている。
また指等の接触位置を静電容量の変化から測定するタッチパッドとしては、行配線と列配線を絶縁体を介して交差させ、交差部の静電容量が被検出物により変化するものとして例えば特許文献２が知られている。
【特許文献１】特開２０００−２１３９０８号公報
【特許文献２】特表平０９−５１１０８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、特許文献１に記載される技術では検出電極を選択するのにトランジスタが必要になる。例えば、指紋のように微細な形状を検出する場合、１００μｍ以下のピッチでかつ検出範囲全体に連続して、検出電極・スイッチング用トランジスタを配設する必要があり、半導体基板にこれらを集積化することが必須となる。従って広い面積の検出器を構成しようとした場合コストが上昇してしまうという問題があった。
また、特許文献２の技術では、検出感度をある程度確保するためには配線交差部の容量を大きくする必要がある。この際、容量を大きくするために配線幅を大きくすることが必要なため、配線ピッチを小さくできない。その結果、この技術では指紋のような微細構造を高感度で検出するセンサ構造が実現できないという問題があった。
また、容量変化を検出する際に、初期の容量に対してその変化量が小さすぎると容量変化を検出することができないため、より検出のしやすい静電検出センサを得たいという要求があった。
【０００４】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、その目的は、低コストで検出感度を向上できる静電容量センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の静電容量センサは、絶縁基板上に複数の導体が並列して第１方向に延びる行配線と、複数の導体が並列し、前記第１方向と交差する第２方向に延びる列配線とを有し、前記行配線と前記列配線とで形成される静電容量の変化に基づいて被検出導体の接近を検出する静電容量センサであって、
前記行配線に接続された検出行配線と、
前記検出行配線上に第１の誘電体層を挟んで設けられ、該第１の誘電体層に積層されて前記列配線に接続された検出列配線と、
前記検出列配線上を被覆する第２の誘電体層と、が設けられ、
前記第１の誘電体層の比誘電率よりも前記第２の誘電体層の比誘電率のほうが大きく設定されてなることにより上記課題を解決した。
本発明において、前記行配線および前記列配線においてそれぞれ隣り合う配線間距離で規定される検出領域が設けられ、
前記検出領域には、前記行配線に接続された検出行配線と、前記列配線に接続された検出列配線とが設けられ、前記検出行配線と前記検出列配線とが平面視して互いにその隙間を埋めるようにくし歯状に形成されることがより好ましい。
本発明は、前記検出行配線と前記検出列配線とは、平面視して互いにその隙間を埋めるようにＬ字型状に形成されることが可能である。
また、本発明において、前記検出行配線と前記検出列配線とは、平面視して互いにその隙間を埋めるように渦巻き状に形成される手段を採用することもできる。
また、前記検出行配線と前記検出列配線とは、平面視して互いにその隙間を埋めるように四分円型状に形成されることができる。
本発明においては、前記第１の誘電体層の比誘電率ε１と前記第２の誘電体層の比誘電率ε２との比が、
３ ≦ ε２／ε１ ≦ ３５００
とされてなることが望ましい。
さらに、前記第１の誘電体層が、ＳｉＯ２，Ｓｉ３Ｎ４，ＭｇＯ，Ａｌ２Ｏ３，アクリル樹脂，ポリイミド，エポキシ樹脂から少なくとも一つが選択されてなり、
前記第２の誘電体層が、Ｔａ２Ｏ５，ＺｒＯ２，ＨｆＯ２，Ｌａ２Ｏ３，Ｐｒ２Ｏ３，ＴｉＯ２，ＣａＴｉＯ３，ＳｒＴｉＯ３，ＢａＴｉＯ３から少なくとも一つが選択されてなることが可能である。
【０００６】
本発明の静電容量センサは、前記検出行配線上を被覆する第１の誘電体層の比誘電率よりも、前記検出列配線上を被覆する第２の誘電体層の比誘電率のほうが大きく設定されてなることにより、主に被検出物が静電容量センサの表面に位置しない初期状態において容量を形成する際に、検出行配線と検出列配線との間に位置する第１の誘電体層の比誘電率よりも、検出列配線と被検出物との間で容量を形成して初期容量に対して変化する容量となる検出列配線と被検出物との間に位置することになる第２の誘電体層の比誘電率を高くすることで、初期容量に対して、変化する容量の大きさを大きくして、容量変化率を大きくし、検出精度または感度を向上することが可能となる。
【０００７】
本発明において、隣り合う前記行配線どうし、および、隣り合う前記列配線どうしで囲まれた検出領域に、この検出領域を埋め尽くすように検出行配線と検出列配線とが設けられることにより、検出行配線と検出列配線とで形成される静電容量が指等の被検出物（被検出導体）の接触によって変化する量を増大することが可能となる。これにより、各検出セルにおける感度を向上することができ、トランジスタを形成することなく検出する際の分解能を向上することが可能となる。
ここで、「配線間距離で規定される」とは、周囲を行配線と列配線とで囲まれた範囲、または、この配線で囲まれた範囲と同等の面積を有する範囲を意味し、一つの組みとなる行配線と列配線により動作する検出セルに対応した範囲とすることができる。また、「検出領域を埋め尽くすように」とは、後述するように、検出配線対向長が増大するように配置されることを意味する。
なお、本発明の静電容量センサは電極（配線）間距離が変化する必要がないので、ガラス基板等に形成することが可能である。
【０００８】
本発明は、検出行配線と検出列配線とは、検出領域を埋め尽くす際に、これらの配線間で形成される静電容量を大きくするように前記検出配線間の検出配線対向長（対向長）が増大するように配置されることにより、静電容量の変化分を大きくして検出感度を向上することができる。
ここで、「検出配線対向長（対向長）」は、検出行配線と検出列配線とが互いに対向して静電容量を形成する部分において、各検出配線が互いに対向する方向と交差する方向におけるそれぞれの検出配線の長さ寸法を意味しており、本来、物理量としての静電容量を形成するパラメータは極板面積であるが、後述するように、平面視してくし歯状、渦巻き状、Ｌ字型状、四分円型状等として積層された検出配線どうしの間で静電容量を形成する際の面積であることから、実際の設計パラメータとしては長さとして認識できるので、この対向長を増大するようにそれぞれの検出配線を配置したものである。この場合、静電容量を形成する検出配線（電極）どうしは、それぞれ異なる層に積層されたものである。
【０００９】
また、本発明において、検出行配線と検出列配線とは、検出領域を埋め尽くす際に、これらの配線間で形成される静電容量を大きくするように前記静電容量を形成する検出配線対向間距離（対向間距離）が減少されるように位置されることにより、静電容量の変化分を大きくして検出感度を向上することができる。
ここで、「検出配線対向間距離（対向間距離）」は、前述の「検出配線対向長（対向長）」に交差する方向における検出行配線と検出列配線との間の距離を意味し、この場合、静電容量を形成する検出配線（電極）どうしは、それぞれ異なる層に積層されたものである。また、検出行配線と検出列配線とが異なる層に形成されている場合、実際の検出に関わる検出配線（検出行配線および検出列配線）どうしは平面視して重ならない構成とされることが好ましい。これは、検出行配線と検出列配線とが特許文献２の交差部のように重なってしまうと、重なった部分の静電容量は被検出物（被検出導体）の接触・離間によって変化しないため、静電容量の変化分が小さく検出感度が低下するためである。
【００１０】
本発明における検出領域を埋める検出配線の平面パターンが、図２，図１２〜図１５に示すようにくし歯状、渦巻き状、Ｌ字型状、四分円型状等が可能であり、これらにより、「対向長」を増大しかつ、「対向間距離」を減少して、検出配線間で形成される静電容量の変動を大きくすることが可能となる。この場合、静電容量を形成する検出配線（電極）どうしは、それぞれ異なる層に積層された構造に適応することができる。
【００１１】
また、前記検出列配線が、前記第１の誘電体層に積層されてなることで、検出時に検出列配線と被検出物との距離を小さくし、被検出物と検出列配線との間で形成される容量を大きくして、検出両々における変化率を大きくすることが可能となる。
【００１２】
本発明においては、前記第１の誘電体層の比誘電率ε１と前記第２の誘電体層の比誘電率ε２との比が、３ ≦ ε２／ε１ ≦ ３５００ とされてなることにより、第１の誘電体層を挟んで形成される初期容量に対して第２の誘電体層を挟んで形成される検出時の容量を充分検出可能なほど大きくすることができ、検出時における容量変化率を増大することができる。
【００１３】
さらに、前記第１の誘電体層が、ＳｉＯ２，Ｓｉ３Ｎ４，ＭｇＯ，Ａｌ２Ｏ３，アクリル樹脂，ポリイミド，エポキシ樹脂等比誘電率が１０程度以下のものから少なくとも一つが選択されてなり、前記第２の誘電体層が、Ｔａ２Ｏ５，ＺｒＯ２，ＨｆＯ２，Ｌａ２Ｏ３，Ｐｒ２Ｏ３，ＴｉＯ２，ＣａＴｉＯ３，ＳｒＴｉＯ３，ＢａＴｉＯ３等比誘電率が１０〜１００より大きいものから少なくとも一つが選択されてなることにより、上記の３ ≦ ε２／ε１ ≦ ３５００という比を実現することが可能となる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、前記検出行配線上を被覆する第１の誘電体層の比誘電率よりも、前記検出列配線上を被覆する第２の誘電体層の比誘電率のほうが大きく設定されてなることにより、主に被検出物が静電容量センサの表面に位置しない初期状態において容量を形成する際に、検出行配線と検出列配線との間に位置する第１の誘電体層の比誘電率よりも、検出列配線と被検出物との間で容量を形成して初期容量に対して変化する容量となる検出列配線と被検出物との間に位置することになる第２の誘電体層の比誘電率を高くすることで、初期容量に対して、変化する容量の大きさを大きくして、容量変化率を大きくし、検出精度または感度を向上するという効果を奏することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明に係る静電容量センサの一実施形態を、図面に基づいて説明する。
図１は、本実施形態における静電容量センサの等価回路を示す説明図であり、図２は本発明の静電容量センサの要部拡大平面図であり、図３は本発明の静電容量センサの要部拡大断面図である。図において、符号１０は静電容量センサである。
【００１６】
本実施形態における静電センサ１０は、指紋センサをして適応されるもので、ガラス基板１３上に、第１方向Ｘ平行として多数配列された行配線１４と、この行配線１４を覆う絶縁膜１５と、絶縁膜１５上に、第１方向Ｘと交わる第２方向Ｙ平行として多数配列された列配線１７と、この行配線１７を覆う絶縁膜１６とを有する。これら行配線１４と列配線１７とで囲まれた領域が検出領域３０とされている。
【００１７】
行配線１４は、例えば０．１μｍ厚のＩＴＯ膜から構成され、厚さ０．７ｍｍのガラス基板１３上に３０〜１００μｍピッチ、例えば５０μｍピッチで２００本形成される。絶縁膜１５は、Ｓｉ３ Ｎ４ 等のＳｉＮｘ を積層したものであればよい。それぞれの行配線１４は、静電容量を検出する容量検出回路２２に接続されている。
列配線１７は、例えば０．１μｍ厚のｌＴＯ膜から構成され、絶縁膜１５上に３０〜１００μｍピッチ、例えば５０μｍピッチで２００本形成される。それぞれの列配線１７は、列選択回路２３に接続されている。こうした列選択回路２３は、静電容量の測定時に選択された列配線１７以外を全てグランド側に接続する。
【００１８】
検出領域３０には、この検出領域３０を埋め尽くすように検出行配線３４と検出列配線３７とが設けられる。この検出行配線３４は行配線１４と同じ高さに設けられ、また検出列配線３７は列配線１７と同じ高さに設けられる。ここで、高さとは、ガラス基板１３上で同じ層内にあることを意味しており、検出行配線３４は行配線１４とが絶縁膜（第１の誘電体層）１５内に設けられ、また検出列配線３７は列配線１７とが絶縁膜（第２の誘電体層）１６内に設けられること意味する。
【００１９】
この検出行配線３４と検出列配線３７とは、検出領域３０を埋め尽くす際に、これらの配線１４，１７間で形成される静電容量を大きくするように検出配線３４，３７間の対向長が増大するように配置されるとともに、静電容量を形成する対向間距離が減少されるように位置される。具体的には、検出領域３０を埋める検出配線３４，３７の平面パターンが、図２に示すように、くし歯状とされることができる。このように検出配線３４，３７を平面視して互いにその隙間を埋めるようにくし歯状に形成することで、検出配線３４，３７間の「対向長」を増大しかつ、「対向間距離」を減少して、検出配線３４，３７間で形成される静電容量の変動を大きくすることが可能となる。
【００２０】
絶縁膜（第１の誘電体層）１５は、検出行配線３４上を被覆するように設けられ、絶縁膜１５上には検出列配線３７が設けら、この検出列配線１４を被覆するように絶縁膜（第２の誘電体層）１６が設けられる。
この下側の絶縁膜１５の比誘電率ε１よりも、上側の絶縁膜１６の比誘電率ε２のほうが大きく設定され、具体的には、絶縁膜１５の比誘電率ε１と絶縁膜１６の比誘電率ε２との比が、
３ ≦ ε２／ε１ ≦ ３５００
の範囲になるように設定される。
【００２１】
さらに詳細には、絶縁層１５が、比誘電率１０程度以下のものからなるとともに、絶縁層１６が、比誘電率１０〜１００より大きいものからなることができる。
絶縁層１５が、ＳｉＯ２，Ｓｉ３Ｎ４，ＭｇＯ，Ａｌ２Ｏ３，アクリル樹脂，ポリイミド，エポキシ樹脂等から選択された少なくとも一つからなることが好ましく、より好ましくはＳｉＯ２，Ｓｉ３Ｎ４からなることができる。
絶縁層１６が、Ｔａ２Ｏ５，ＺｒＯ２，ＨｆＯ２，Ｌａ２Ｏ３，Ｐｒ２Ｏ３，ＴｉＯ２，ＣａＴｉＯ３，ＳｒＴｉＯ３，ＢａＴｉＯ３等から選択された少なくとも一つからなることが好ましく、より好ましくは、ＴｉＯ２，からなることができる。
【００２２】
このような静電容量センサ１０表面に被検出導体Ｆとしての指等を接触させた場合、指紋の凹部に対応するピクセルにおいては、図４に示すように、検出行電極３４と検出列電極３７とで形成される静電容量は被検出導体Ｆの接触していない初期容量値からあまり変化しない。これに対し、指紋の凸部に対応するピクセルにおいては、図５に示すように、検出列電極３７から検出行電極３４に向かっていた電気力線Ｄのうち一部の電気力線ｄが指（被検出導体）Ｆに向かい、結果として検出配線３４，３７間で形成される静電容量は被検出導体Ｆの接触していない初期容量値に比べて小さくなる。
【００２３】
本実施形態の静電容量センサ１０は、上述したような構成によって、図１に示す等価回路に示すように、行配線１４と列配線１７とが交差している交差部２１に対応した検出領域３０における静電容量の変化を容量検出回路２２で検出することができる。こうして、絶縁膜１６の表面に微細な凹凸面が押し付けられた際に発生する、多数の検出領域３０の静電容量の変化を検出することによって、被測定物Ｆの凹凸面の形状を信号データとして出力することが可能になる。
【００２４】
ここで、比検出導体（被検出物）Ｆがセンサ表面に接触しない初期状態の容量（初期容量）は検出行配線３４と検出列配線３７との間で形成されるとともに、比検出導体Ｆがセンサ表面に接触した状態の変化容量（容量変化分）が、検出列配線３７と被検出導体Ｆとの間で形成されている。したがって、初期容量は検出行配線３４と検出列配線３７との間に位置する絶縁膜１５の比誘電率ε１に依存するとともに、変化容量は検出列配線３７と比検出導体Ｆとの間に位置する絶縁膜１６の比誘電率ε２に依存することになる。
本実施形態においては、絶縁膜１５の比誘電率ε１よりも絶縁膜１６の比誘電率ε２を大きく設定することにより、初期容量に対して変化容量を大きくして、容量変化率を大きくし、検出精度または感度を向上することが可能となる。
【００２５】
容量検出回路２２は、例えば、図６に示すような回路が用いられ、測定時には列選択回路２３で選択されている列配線１７以外は全てグランド側に接続されるとともに、同一の行配線１４上の測定対象外の静電容量は全て寄生容量として測定系に並列に入力されるが、寄生容量の反対側の電極がグランド側に接続されていることにより、キャンセルすることが可能になっている。こうした構成によって、微細な凹凸面の検出、即ち微小な静電容量の変化を精度良く検出することが可能になる。その結果半導体基板等高価な材料を使うことなく低コスト化を実現でき、またドットピッチを小さくした場合でも、各ドットの初期静電容量、静電容量の変化量を大きくしてセンサの感度を向上することができる。
【００２６】
このように、絶縁膜１５と絶縁膜１６との比誘電率を異ならせたのは、例えば、図６において、出力側電圧Ｖｏｕｔは、入力側電圧Ｖｉｎに対して、
Ｖｏｕｔ＝（ΔＣｘ／Ｃｆ）Ｖｉｎ （１）
となっており、この状態で、出力信号処理可能とするために、
Ｖｏｕｔ≧１００ｍＶ （２）
であることが好ましく、このとき、入力電圧Ｖｉｎと初期容量Ｃｆとが
Ｖｉｎ＝３．３Ｖ
Ｃｆ＝１ｐＦ （３）
であるとすると、容量変化は、
ΔＣｘ＝３０ｆＦ （４）
となる。ここで、初期容量Ｃｆを１００ｆＦ以下に抑えるとき、式（４）とするためには、変化量が３０％以上必要である。従って、この条件を満たすためには、
ε２／ε１≧３ （５）
とすることが必要である。
これにより、絶縁膜（第１の誘電体層）１５を挟んで形成される初期容量に対して絶縁膜（第２の誘電体層）１６を挟んで形成される検出時の容量を充分検出可能なほど大きくすることができ、検出時における容量変化率を増大することができる。
【００２７】
このような静電容量センサ１０は用途を限定するものではないが、静電容量センサ１０を例えば指紋センサに適用した例として、図７に示すように、例えば携帯電話２６の持ち主認証システムなどに適用することができる。近年は携帯電話２６などで決済などを行うことが考えられているが、携帯電話２６に静電容量センサ１０を形成することによって、静電容量センサ１０に押し付けられた指紋を正確に検出して、予め登録された指紋データと照合することで持ち主を正しく認証することができる。なお、図７においては、携帯電話２６の液晶等の表示画面２６ａに形成した例を図示している。この場合、配線１４，１７および検出配線３４，３７を透明電極で形成して静電容量センサ（指紋センサ）１０を光透過型とすることにより、表示画面２６ａ以外の部分に指紋センサ１０を配置する必要がなく小型化を図ることができる。
【００２８】
以下、本発明に係る静電容量センサの第２実施形態を図面に基づいて説明する。
図８は本実施形態の静電容量センサの要部拡大平面図であり、図９は本実施形態の静電容量センサの要部拡大断面図である。
【００２９】
本実施形態の静電容量センサ１０が、前述した実施形態と異なるのは、センサ表面１０ａに接続されたアース配線Ａが設けられた点である。
即ち、図８，図９に示すように、アース配線Ａは、行配線１４、検出行配線３４と同じ高さ位置に設けられたアース配線３３と、列配線１７、検出列配線３７と同じ高さ位置に設けられたアース配線３５と、センサ表面１０ａに設けられたアース配線３６とを有する。アース配線３３は行配線１４と平行に設けられて、アース電位とされている。アース配線３５，３６はそれぞれガラス基板１３側のアース配線３３，３５と電気的に接続されるようにスルーホールにより接続されている。
【００３０】
本実施形態によれば、アース配線Ａが設けられたことによりセンサ表面１０ａに接触した被検出導体Ｆとアース配線Ａとを同電位（アース電位）とすることができ、被検出導体Ｆの電位を強制的にアース電位として、検出配線３４，３７間の静電容量変化を大きくするとともに被検出導体Ｆからの電気的ノイズを低減し、安定な測定を可能とすることができる。
【００３１】
以下、本発明に係る静電容量センサの第３実施形態を図面に基づいて説明する。
図１０は本実施形態の静電容量センサの模式平面図である。
【００３２】
本実施形態においては、上述した各実施形態と異なるところは、検出領域３０が連続して設けられた精細部Ｓと、検出領域３０が不連続に設けられた非精細部Ｔとを有し、精細部Ｓが作動状態を切替可能とされてなる点である。
本実施形態の静電容量センサ１０では、図１０において、精細部Ｓは中央付近とされ、検出領域３０が密に連続して設けられている。また、非精細部Ｔは精細部Ｓの周囲に位置して、検出領域３０が粗になるように設けられている。
また、精細部Ｓでは、配線１４，１７間隔が５０μｍピッチ、２５６本ずつ設けられ、非精細部Ｔでは、配線１４，１７間隔は３．２ｍｍで、精細部Ｓ周囲の左右上下にそれぞれ６本ずつ設けられる。
【００３３】
この実施形態では、検出領域３０の連続する精細部Ｓにおいて、全ての検出領域３０を作動させる全域動作状態（認証状態）と、検出領域３０が不連続に配置される非精細部Ｔにおける検出領域３０の密度（配置間隔）に等しい検出領域３０のみを作動状態としてそれ以外の検出領域３０を非作動状態とする部分動作状態（座標入力状態）と、を切替可能とされる。具体的には、非精細部Ｔはポインティングデバイスとしてのタッチパッドとして使用され、その一部を指紋センサとして検出可能な精細部Ｓとするものである。
【００３４】
このような静電容量センサ１０では、図示しない切替回路部によって精細部Ｓの動作を指紋センサとタッチパッドとの動作切替をおこなう。具体的には、非精細部Ｔの出力はセンサ表面での指（被検出導体）の動きを検出するものとされ、精細部Ｓは、この動きを検出する座標入力状態の場合には、非精細部Ｔと同程度の密度とされる検出領域３０からの信号のみを出力するように設定され、また、指紋認識をおこなうパターン認識状態（認証状態）においては、精細部Ｓの全ての検出領域３０からの信号を出力するように設定される。
【００３５】
また、この精細部Ｓの動作状態切替は図１１に示すようにおこなわれる。
まず、Ｓ１で示すように、ノートパソコン等において、起動時または待機画面を解除しようとした場合には、Ｓ２に示すように、切替回路部によって精細部Ｓの動作モードが指紋センサ（認証状態）に設定される。次に、Ｓ３で示すように、画面にはＬＯＧＩＮ画面を表示するとともに、指紋認証かキーボード等によるパスワードの入力を選択する選択画面を表示する。ここで、Ｓ４においてキーボード等による入力を選択した場合には、Ｓ５のように動作モードをタッチパッド（座標入力状態）として、パスワードの入力を待つ。また、Ｓ４において指紋認証を選択した場合には、Ｓ６に示すように精細部Ｓにおいて認証動作にはいり、当人の指紋であることが確認された場合には、Ｓ７に示すように、精細部Ｓの動作モードをタッチパッド（座標入力状態）に切り替え、Ｓ８に示すようにＬＯＧＩＮを完了し通常作業可能な状態とする。
【００３６】
本実施形態においては、タッチパッドＴの一部分に精細部Ｓを設けてこの精細部Ｓを指紋センサとすることが可能となる。これにより、指紋センサとタッチパッドを一体に形成することが可能であるとともに、指紋センサとしての高精細検出および、タッチパッドとしての高速スキャン検出を同時に可能とすることができる。
【００３７】
なお、上述の実施形態において、検出電極３４，３７の検出領域３０における配置パターンはくし歯状だけでなく、図１２に示す渦巻き状、図１３に示すＬ字型状、図１４に示す四分円型状等が可能である。また、くし歯としても、行配線１４と列配線１７によって囲まれた範囲を検出領域とするのではなく、図１５に示すように、行配線１４を跨いだ領域を検出領域３０とすることも可能である。
いずれにしても、検出配線３４，３７の「対向長」を増大しかつ、「対向間距離」を減少して、検出配線間で形成される静電容量の変動を大きくすることが可能であれば、どのようなパターンでもかまわない。
【００３８】
さらに、本発明の静電容量センサは指紋センサ以外にも、図１６に示すように、印章読み取り装置等として適応することが可能である。すなわち、被検出導体（指）Ｆのかわりに、非導電性の被検出物（印鑑）Ｆ２の形状を検出する際であっても、上記の各実施形態における静電容量センサ１０の表面に接触するように導電膜Ｆ０を有する導電性フィルムＦ１または、図示しないが、導電性ゴム等可撓性を揺する導電膜を別途配置し、このフィルムの上から印鑑を載置することで、形状（印章）読み取りをおこなうことが可能となる。
【実施例】
【００３９】
本発明の実施例を説明する。
上述の第１実施形態と等しい構造を有する静電容量センサにおける検出領域に対する静電容量の変化率を計算した。以下に検出配線の諸元の値を記す。
【００４０】
ａ）ギャップおよび水の影響
検出配線幅寸法：３μｍ
検出配線長さ：４２μｍ
下側絶縁層（第１の誘電体層）：ＳｉＮｘ
下側絶縁層（第１の誘電体層）膜厚：３００ｎｍ
下側絶縁層（第１の誘電体層）比誘電率ε１：７
上側絶縁層（第２の誘電体層）：任意
上側絶縁層（第２の誘電体層）膜厚：４００ｎｍ
上側絶縁層（第２の誘電体層）比誘電率ε２：１〜１００
検出領域：５０μｍ角
検出配線：ＩＴＯ
検出配線膜厚：１００ｎｍ
検出配線幅：３μｍ
ガラス基板の比誘電率εＧ＝４
水の比誘電率：８０
【００４１】
上記のような検出領域において、図３に示すような下側絶縁膜１５の比誘電率ε１を固定し、上側絶縁膜１６の比誘電率ε２を変化させてその静電容量の変化率を計算した。その結果および、表面に水のついた状態における変化率を表１に示す。
【表１】
【００４２】
表１の結果から、本発明においては容量変化率を３０％以上にするためには、下側絶縁膜１５の比誘電率ε１と上側絶縁膜ε２との比が
３≦ε２／ε１
とされてなることが好ましい。
【００４３】
ｂ）次に、上下絶縁膜の膜厚変化に対する容量変化率を計算した。
検出配線幅寸法：３μｍ
検出配線長さ：４２μｍ
下側絶縁層（第１の誘電体層）：ＴｉＯ２およびＳｉＮｘ
下側絶縁層（第１の誘電体層）膜厚：３００ｎｍ
下側絶縁層（第１の誘電体層）比誘電率ε１：７
上側絶縁層（第２の誘電体層）：ＴｉＯ２
上側絶縁層（第２の誘電体層）膜厚：４００ｎｍ
上側絶縁層（第２の誘電体層）比誘電率ε２：６５
検出領域：５０μｍ角
検出配線：ＩＴＯ
検出配線膜厚：１００ｎｍ
検出配線幅：３μｍ
ガラス基板の比誘電率εＧ＝４
水の比誘電率：８０
【００４４】
その結果を表２、表３に示す。
【表２】
【表３】
【００４５】
表２の結果から、上下絶縁膜に同一の誘電体を用いた場合でも、高い比誘電率の誘電体を用いることにより、容量変化を大きくすることができ、ギャップＧを広げることによって容量変化率を上げることができる。しかし、実際には検出回路（増幅回路）の性能、周囲のノイズの影響により寄生容量を小さくし容積変化率を大きくすることが好ましい。また、ギャップＧを広げることによって容積変化率を大きくすることができるが、そのことによってセンサ表面に水がついた際の影響が大きくなるため、ギャップＧはなるべく小さく抑えられることが好ましい。ここで、センサ表面に水のついた状態とは、初期状態における上側絶縁膜の膜厚が増大した状態であると考えられる。そこで、表３の結果で示されるように、下側絶縁膜の比誘電率ε１よりも上側絶縁膜の比誘電率ε２を大きくすることにより、上下絶縁膜に同一の誘電体を用いた場合よりも寄生容量を小さく容量変化を大きくすることができ、ギャップＧを小さく抑えることができる。このように、上下絶縁膜の誘電体（比誘電率）の選択やギャップＧを制御することによって、容量変化・変化率を使用目的によって適した値に制御することができる。
【００４６】
ｃ）次に、上下絶縁膜の膜厚変化に対する容量変化率を計算した。
検出配線幅寸法：３μｍ
検出配線長さ：４２μｍ
下側絶縁層（第１の誘電体層）：ＳｉＮｘ
下側絶縁層（第１の誘電体層）膜厚：３００ｎｍ
下側絶縁層（第１の誘電体層）比誘電率ε１：７
上側絶縁層（第２の誘電体層）：ＴｉＯ２
上側絶縁層（第２の誘電体層）膜厚：４００ｎｍ
上側絶縁層（第２の誘電体層）比誘電率ε２：６５
検出領域：５０μｍ角
検出配線：ＩＴＯ
検出配線膜厚：１００ｎｍ
検出配線幅：３μｍ
ガラス基板の比誘電率εＧ＝４
水の比誘電率：８０
【００４７】
その結果を表４〜表１０に示す。
【表４】
【表５】
【表６】
【表７】
【表８】
【表９】
【表１０】
【００４８】
上記の結果、および、絶縁耐力の好ましい値が１０ｋＶ／ｍｍであることから、下側絶縁膜（第１の誘電体層）は絶縁耐力を充分に満たす厚さとすることが好ましく、０．１μｍ〜３μｍ程度であることが好ましい。
また、上側絶縁膜（第２の誘電体膜）は、膜厚が厚くなると容量変化量、変化率が低下することから、パッシベーション膜として機能する厚さ、０．１μｍ〜３μｍ程度であることが好ましい。
【００４９】
なお、特許文献２記載のタッチパッドにおいても、本発明における検出配線材質・膜厚等、本発明の内容を適応することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明に係る静電容量センサの等価回路を示す説明図である。
【図２】本発明に係る静電容量センサの第１実施形態における要部拡大平面図である。
【図３】本発明の静電容量センサの第１実施形態における要部拡大断面図である。
【図４】本発明の静電容量センサの第１実施形態における動作を示す説明断面図である。
【図５】本発明の静電容量センサの第１実施形態における動作を示す説明断面図である。
【図６】容量検出回路の一例を示す等価回路図である。
【図７】本発明の静電容量センサを備えた携帯電話を示す外観斜視図である。
【図８】本発明に係る静電容量センサの第２実施形態における要部拡大平面図である。
【図９】本発明の静電容量センサの第２実施形態における要部拡大断面図である。
【図１０】本発明に係る静電容量センサの第３実施形態における模式平面図である。
【図１１】本発明に係る静電容量センサの第３実施形態における動作を示すフローチャートである。
【図１２】本発明に係る静電容量センサの平面パターンを示す模式図である。
【図１３】本発明に係る静電容量センサの平面パターンを示す模式図である。
【図１４】本発明に係る静電容量センサの平面パターンを示す模式図である。
【図１５】本発明に係る静電容量センサの平面パターンを示す模式図である。
【図１６】本発明に係る静電容量センサの他の実施形態を示す模式断面図である。
【符号の説明】
【００５１】
１０…静電容量センサ、１４…行配線（配線）、１５…第１の誘電体層（絶縁膜）、１６…第２の誘電体層（絶縁膜）、１７…列配線（配線）、３０…検出領域、３４…検出行配線（検出配線）、３７…検出列配線（検出配線）、Ｓ…精細部、Ｔ…非精細部、Ｆ…被検出導体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板上に複数の導体が並列して第１方向に延びる行配線と、複数の導体が並列し、前記第１方向と交差する第２方向に延びる列配線とを有し、前記行配線と前記列配線とで形成される静電容量の変化に基づいて被検出導体の接近を検出する静電容量センサであって、
前記行配線に接続された検出行配線と、
前記検出行配線上に第１の誘電体層を挟んで設けられ、該第１の誘電体層に積層されて前記列配線に接続された検出列配線と、
前記検出列配線上を被覆する第２の誘電体層と、が設けられ、
前記第１の誘電体層の比誘電率よりも前記第２の誘電体層の比誘電率のほうが大きく設定されてなることを特徴とする静電容量センサ。
【請求項２】
前記行配線および前記列配線においてそれぞれ隣り合う配線間距離で規定される検出領域が設けられ、
前記検出領域には、前記行配線に接続された検出行配線と、前記列配線に接続された検出列配線とが設けられ、前記検出行配線と前記検出列配線とが平面視して互いにその隙間を埋めるようにくし歯状に形成されることを特徴とする請求項１記載の静電容量センサ。
【請求項３】
前記検出行配線と前記検出列配線とは、平面視して互いにその隙間を埋めるようにＬ字型状に形成されることを特徴とする請求項１記載の静電容量センサ。
【請求項４】
前記検出行配線と前記検出列配線とは、平面視して互いにその隙間を埋めるように渦巻き状に形成されることを特徴とする請求項１記載の静電容量センサ。
【請求項５】
前記検出行配線と前記検出列配線とは、平面視して互いにその隙間を埋めるように四分円型状に形成されることを特徴とする請求項１記載の静電容量センサ。
【請求項６】
前記第１の誘電体層の比誘電率ε１と前記第２の誘電体層の比誘電率ε２との比が、
３ ≦ ε２／ε１ ≦ ３５００
とされてなることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の静電容量センサ。
【請求項７】
前記第１の誘電体層が、ＳｉＯ２，Ｓｉ３Ｎ４，ＭｇＯ，Ａｌ２Ｏ３，アクリル樹脂，ポリイミド，エポキシ樹脂から選択される少なくとも一つからなり、
前記第２の誘電体層が、Ｔａ２Ｏ５，ＺｒＯ２，ＨｆＯ２，Ｌａ２Ｏ３，Ｐｒ２Ｏ３，ＴｉＯ２，ＣａＴｉＯ３，ＳｒＴｉＯ３，ＢａＴｉＯ３から選択される少なくとも一つからなることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の静電容量センサ。
【請求項１】
絶縁基板上に複数の導体が並列して第１方向に延びる行配線と、複数の導体が並列し、前記第１方向と交差する第２方向に延びる列配線とを有し、前記行配線と前記列配線とで形成される静電容量の変化に基づいて被検出導体の接近を検出する静電容量センサであって、
前記行配線に接続された検出行配線と、
前記検出行配線上に第１の誘電体層を挟んで設けられ、該第１の誘電体層に積層されて前記列配線に接続された検出列配線と、
前記検出列配線上を被覆する第２の誘電体層と、が設けられ、
前記第１の誘電体層の比誘電率よりも前記第２の誘電体層の比誘電率のほうが大きく設定されてなることを特徴とする静電容量センサ。
【請求項２】
前記行配線および前記列配線においてそれぞれ隣り合う配線間距離で規定される検出領域が設けられ、
前記検出領域には、前記行配線に接続された検出行配線と、前記列配線に接続された検出列配線とが設けられ、前記検出行配線と前記検出列配線とが平面視して互いにその隙間を埋めるようにくし歯状に形成されることを特徴とする請求項１記載の静電容量センサ。
【請求項３】
前記検出行配線と前記検出列配線とは、平面視して互いにその隙間を埋めるようにＬ字型状に形成されることを特徴とする請求項１記載の静電容量センサ。
【請求項４】
前記検出行配線と前記検出列配線とは、平面視して互いにその隙間を埋めるように渦巻き状に形成されることを特徴とする請求項１記載の静電容量センサ。
【請求項５】
前記検出行配線と前記検出列配線とは、平面視して互いにその隙間を埋めるように四分円型状に形成されることを特徴とする請求項１記載の静電容量センサ。
【請求項６】
前記第１の誘電体層の比誘電率ε１と前記第２の誘電体層の比誘電率ε２との比が、
３ ≦ ε２／ε１ ≦ ３５００
とされてなることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の静電容量センサ。
【請求項７】
前記第１の誘電体層が、ＳｉＯ２，Ｓｉ３Ｎ４，ＭｇＯ，Ａｌ２Ｏ３，アクリル樹脂，ポリイミド，エポキシ樹脂から選択される少なくとも一つからなり、
前記第２の誘電体層が、Ｔａ２Ｏ５，ＺｒＯ２，ＨｆＯ２，Ｌａ２Ｏ３，Ｐｒ２Ｏ３，ＴｉＯ２，ＣａＴｉＯ３，ＳｒＴｉＯ３，ＢａＴｉＯ３から選択される少なくとも一つからなることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の静電容量センサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２００６−１４８３８（Ｐ２００６−１４８３８Ａ）
【公開日】平成１８年１月１９日（２００６．１．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−１９４０９５（Ｐ２００４−１９４０９５）
【出願日】平成１６年６月３０日（２００４．６．３０）
【出願人】（００００１００９８）アルプス電気株式会社 (4,263)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１月１９日（２００６．１．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年６月３０日（２００４．６．３０）
【出願人】（００００１００９８）アルプス電気株式会社 (4,263)
【Ｆターム（参考）】
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