[發明專利]靜電電容型壓力傳感器及輸入裝置

在審

• 申請號: 201380074229.3
• 申請日: 2013-12-05
• 公開（公告）號: CN105008880A
• 公開（公告）日: 2015-10-28
• 發明（設計）人: 井上勝之;奧野敏明;古村由幸
• 申請（專利權）人: 歐姆龍株式會社
• 主分類號: G01L1/14
• 分類號: G01L1/14;G01L5/00;G06F3/044;H01L29/84
• 代理公司: 隆天知識產權代理有限公司 72003
• 代理人: 金相允;向勇

技術領域

本發明涉及靜電電容型壓力傳感器以及輸入裝置。具體而言，本發明涉及因壓力而撓曲的膜片(diaphragm)與電介質層接觸來探測壓力的接觸式的靜電電容型壓力傳感器。另外，涉及利用該壓力傳感器的輸入裝置。

背景技術

在一般的靜電電容型壓力傳感器中，導電性的膜片(可動電極)與固定電極隔著間隙進行對置，并根據因壓力而撓曲的膜片與固定電極之間的靜電電容的變化來檢測壓力。在該壓力傳感器是使用玻璃基板或硅基板通過MEMS(微機電系統)技術制造的微器件的情況下，若對膜片施加大的壓力而發生較大撓曲，則存在破壞膜片的風險。

故而，提出了如下的壓力傳感器：在固定電極的表面設置電介質層，因壓力而撓曲的膜片與電介質層接觸，基于其接觸面積的變化，膜片與固定電極之間的靜電電容發生變化。該壓力傳感器有時也稱為接觸式靜電電容型壓力傳感器。

作為接觸式靜電電容型壓力傳感器，例如有記載在非專利文獻1中的傳感器。圖1的(A)是表示非專利文獻1所記載的壓力傳感器11的剖面圖。在該壓力傳感器11中，在玻璃基板12的上表面形成有由金屬薄膜構成的固定電極13。固定電極13如圖1的(B)所示，呈圓板狀。在玻璃基板12的上表面，從固定電極13之上起形成有電介質膜14。在電介質膜14的上表面，設置有電極焊盤(pad)16。在電介質膜14進行開口以形成通孔15，并將電極焊盤16通過通孔15與固定電極13連接。在電介質膜14的上表面層疊有硅基板17。在硅基板17的上表面設置凹陷部18，并在硅基板17的下表面設置凹槽19，從而在凹陷部18與凹槽19之間形成有薄膜狀的膜片20。膜片20設置在與固定電極13交疊的位置。硅基板17的下表面成為摻雜了高濃度B(硼)的P⁺層21，由此對膜片20賦予了導電性并將膜片20作為可動電極。在膜片20的下表面與電介質膜14的上表面之間，通過凹槽19而產生了數μm的間隙22。

圖2是表示壓力傳感器11的壓力與靜電電容的關系(壓力－電容特性)的圖，記載在非專利文獻1中。若對壓力傳感器11的膜片20施加壓力，則膜片20響應于該施加壓力而撓曲，在一定壓力下與電介質膜14接觸。在圖2的橫軸上，壓力為0至Pa的區間(未接觸區域)是膜片20未接觸電介質膜14的區域。壓力為Pa至Pb的區間(開始接觸區域)是從膜片20與電介質膜14接觸起至以一定程度的面積與電介質膜14可靠地接觸為止的區域。在壓力為Pb至Pc的區間(動作區域)，隨著壓力的增加，膜片20與電介質膜14接觸的部分的面積逐漸增加。壓力為Pc至Pd的區間(飽和區域)，是膜片20的幾乎整面與電介質膜14接觸、且即使壓力增加而接觸面積也幾乎不增加的區域。

根據圖2的壓力－電容特性，在壓力增加時，在膜片20未發生接觸的未接觸區域，靜電電容的變化小，但一旦進入開始接觸區域，則靜電電容的變化率(增加速度)逐漸變大。在動作區域，雖然線性變好，但靜電電容的變化率逐漸減少，若進入飽和區域，則靜電電容幾乎不再增加。

在該接觸式的壓力傳感器11中，膜片20與電介質膜14之間的靜電電容C能根據以下的數式1來表示。

C＝Co+ε·(S/d)…(數式1)

其中，將膜片20與電介質膜14的接觸面積設為S，將電介質膜14的厚度設為d，并以ε來表征電介質膜14的介電常數。Co是未接觸區域中的靜電電容。在壓力變大時，電介質膜14的厚度d和介電常數ε不變化，膜片20的接觸面積S增大，因此根據數式1可知，此時壓力傳感器11的靜電電容C增加。

但是，在該壓力傳感器的情況下，表示按壓力與輸出的關系的輸出特性不能精度良好地再現表示按壓壓力傳感器時的理想的按壓感的理想曲線。圖7是表征理想曲線與壓力傳感器的輸出特性的關系的圖。圖7的橫軸表示按壓膜片的載荷(按壓力)的大小。圖7的縱軸表示膜片與固定電極之間的靜電電容的變化率(輸出比)。

圖8是將圖7的X區間放大后的圖。在圖7中，曲線α表征理想曲線，曲線β表征現有例的輸出特性。若比較理想曲線α與現有例的曲線β，則兩曲線在施加小的載荷時的上升區域(開始接觸區域)和施加大的載荷時的飽和區域中具有幾乎相等的靜電電容變化率。但是，在載荷的中間域(動作區域)，現有例的靜電電容變化率與理想曲線的輸出特性的背離大。在該壓力傳感器，壓力傳感器檢測的壓力的強度與操作者的按壓感之間存在不一致，不能探測操作者的按壓感的變化。尤其是在將微小的壓力傳感器排列多個來構成觸摸板的情況下，難以探測以手指來描畫文字或圖形時的筆壓的變化。