電容式壓力傳感器和其制造方法及輸入裝置制造方法
【專利摘要】一種電容式壓力傳感器，在固定電極（32）的上面形成電介質(zhì)層（33），在電介質(zhì)層（33）的表面凹設(shè)有凹部（34）。以覆蓋凹部（34）的方式在電介質(zhì)層（33）的表面上層疊上基板（37），在凹部（34）的上方配設(shè)薄膜狀的導(dǎo)電性膜片（38）（上基板37的一部分）。在凹部（34）內(nèi)，在電介質(zhì)層（33）的表面上形成有用于與膜片（38）接觸的第一接觸面（35）和第二接觸面（36）。第一接觸面（35）和第二接觸面（36）例如為水平面，第一接觸面（35）和第二接觸面（36）通過垂直面即臺階來隔開。第二接觸面（36）位于比第一接觸面（35）高的位置。
【專利說明】電容式壓力傳感器和其制造方法及輸入裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電容式壓力傳感器和其制造方法及輸入裝置，具體而言，涉及通過因壓力而撓曲的膜片與電介質(zhì)層接觸來探測壓力的觸摸模式的電容式壓力傳感器和其制造方法。另外，涉及應(yīng)用了該電容式壓力傳感器的輸入裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]在通常的電容式壓力傳感器中，導(dǎo)電性的膜片(可動電極)和固定電極隔開間隙而相對，根據(jù)因壓力而撓曲的膜片和固定電極之間的電容變化，來檢測壓力。但是，在該壓力傳感器是利用硅基板等且通過MEMS技術(shù)進(jìn)行制造的微型器件的情況下，當(dāng)對膜片施加較大的壓力而膜片較大地?fù)锨鷷r(shí)，膜片有可能被損壞。
[0003]因此，提案有如下的壓力傳感器，S卩，在固定電極的表面設(shè)有電介質(zhì)層，因壓力而撓曲的膜片與電介質(zhì)層接觸，通過其接觸面積的變化，膜片和固定電極之間的電容發(fā)生變化。這種壓力傳感器往往被稱為觸摸模式(靜電)電容式壓力傳感器。
[0004]作為觸摸模式的電容式壓力傳感器，例如，有非專利文獻(xiàn)I記載的電容式壓力傳感器。圖1 (A)是表示非專利文獻(xiàn)I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的上面形成有由金屬薄膜構(gòu)成的固定電極13，從固定電極13上起，在玻璃基板12的上面形成有電介質(zhì)膜14。在電介質(zhì)膜14上開設(shè)有通孔15,設(shè)置于電介質(zhì)膜14的上面的電極焊盤16穿過通孔15而與固定電極13連接。在電介質(zhì)膜14的上面層疊有硅基板17，在硅基板17的上面設(shè)有凹處18，并且在下面設(shè)有凹部19，在凹處18和凹部19之間形成有薄膜狀的膜片20。膜片20設(shè)置在與固定電極13重合的位置。另外，硅基板17的下面成為高濃度地?fù)诫s有B (硼)的P +層21，由此，膜片20被賦予導(dǎo)電性而具有可動電極的功能。在膜片20的下面和電介質(zhì)膜14之間，因凹部19而產(chǎn)生了數(shù)μ m的間隙22。
[0005]圖1 (B)是表示壓力傳感器11的壓力和電容之間的關(guān)系(壓力一電容特性)的圖，是非專利文獻(xiàn)I記載的圖。當(dāng)對壓力傳感器11的膜片20施加壓力時(shí)，膜片20根據(jù)該施加壓力而產(chǎn)生撓曲，且以某壓力與電介質(zhì)膜14接觸。圖1 (B)的壓力從O到Pa的區(qū)間(未接觸區(qū)域)是膜片20不與電介質(zhì)膜14接觸的狀態(tài)。壓力從Pa到Pb的區(qū)間(開始接觸區(qū)域)表示的是從膜片20與電介質(zhì)膜14接觸至以某種程度的面積可靠地接觸的狀態(tài)。壓力從Pb到Pc的區(qū)間(動作區(qū)域)是隨著壓力的增加而膜片20與電介質(zhì)膜14接觸的部分的面積逐漸增加的區(qū)域。壓力從Pc到Pd的區(qū)間(飽和區(qū)域)是膜片20的大致整個(gè)面都與電介質(zhì)膜14接觸并且即使壓力增加而接觸面積也幾乎不增大的區(qū)域。
[0006]根據(jù)圖1 (B)的壓力一電容特性，在膜片20未接觸的未接觸區(qū)域內(nèi)，電容的變化較小，但當(dāng)達(dá)到開始接觸區(qū)域時(shí)，電容的變化率(增加速度)就逐漸增大。進(jìn)而，在動作區(qū)域內(nèi)，雖然線性良好，但電容的變化率逐漸減小，當(dāng)達(dá)到飽和區(qū)域時(shí)，電容幾乎不增加。
[0007]在這種觸摸模式的壓力傳感器11中，如果設(shè)膜片20和電介質(zhì)膜14的接觸面積為S，設(shè)電介質(zhì)膜14的厚度為d，設(shè)電介質(zhì)膜14的介電常數(shù)為ε，則膜片20和電介質(zhì)膜14之間的電容用下面的式I來表示。[0008]C = Co + ε.(S / d)(式 I)
[0009]在此，Co是未接觸區(qū)域的電容。
[0010]由于電介質(zhì)膜14的厚度d及介電常數(shù)ε不變化，因此根據(jù)式I可知，當(dāng)壓力P增大時(shí)，膜片20的接觸面積S就增大，其結(jié)果是，壓力傳感器11的電容C增加。但是，根據(jù)圖1(B)，壓力一電容特性從開始接觸到飽和區(qū)域描繪的都是拋物線狀的曲線。因此，接觸面積S (或者，電容差C— Co)被認(rèn)為，就定性而言，大致與Pn (其中，O <η < I)成正比。
[0011]可是，在壓力傳感器中，在大部分情況下，在低壓力區(qū)域內(nèi)要求高靈敏度，但也可以在高壓力區(qū)域內(nèi)為低靈敏度，有時(shí)在高壓力區(qū)域內(nèi)控制為低靈敏度，例如，取而代之地，希望擴(kuò)大量程。
[0012]但是，當(dāng)采用的是如非專利文獻(xiàn)I記載的壓力傳感器的構(gòu)造時(shí)，當(dāng)在低壓力區(qū)域內(nèi)進(jìn)行高靈敏度化時(shí)，即使在高壓力區(qū)域內(nèi)，測量靈敏度也升高，難以制造在低壓力區(qū)域內(nèi)為高靈敏度且在高壓力區(qū)域內(nèi)為低靈敏度的壓力傳感器。另外，即使將膜片的直徑及厚度、電介質(zhì)層的介電常數(shù)及厚度等值優(yōu)化而能在低壓力區(qū)域內(nèi)和在高壓力區(qū)域內(nèi)得到最佳的測量靈敏度，但也難以進(jìn)行設(shè)計(jì)。
[0013]而且，在非專利文獻(xiàn)I記載的壓力傳感器中，難以探測測量的壓力是否達(dá)到了量程的最大值(最大壓力)，當(dāng)要探測該值時(shí)，就需要后續(xù)電路。
[0014]此外，專利文獻(xiàn)I公開的是在與膜片相對的硅基板的上面設(shè)有階梯狀備份部的半導(dǎo)體壓力傳感器。但是，專利文獻(xiàn)I公開的壓力傳感器是通過利用變形檢測元件(壓電電阻)探測膜片的撓曲來檢測壓力的壓力傳感器，與電容式的壓力傳感器不同。并且，該壓力傳感器只不過是膜片沿著備份部的角部(臺階壁面的上端)而變形的壓力傳感器，并不是靈敏度的高度在低壓力區(qū)域和高壓力區(qū)域都不同的壓力傳感器。
[0015]專利文獻(xiàn)1:專利第3144314號公報(bào)
[0016]非專利文獻(xiàn)1:山本敏、外4名、“觸摸模式電容式壓力傳感器”、藤倉技術(shù)報(bào)告、株式會社藤倉、2001年10月、第101號、p.71 — 74

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017]本發(fā)明是鑒于如上所述的技術(shù)課題而完成的，其目的在于，提供一種能夠容易地根據(jù)壓力的測量范圍來改變測量靈敏度，還能夠容易地探測壓力是否達(dá)到了量程的最大值的觸摸模式的電容式壓力傳感器和其制造方法。進(jìn)而，涉及應(yīng)用該傳感器的輸入裝置。
[0018]本發(fā)明的第一電容式壓力傳感器具備:固定電極；形成于所述固定電極的上方的電介質(zhì)層；在所述電介質(zhì)層的上方隔著間隙形成的導(dǎo)電性的膜片，其特征在于，所述電介質(zhì)層中的與所述膜片相對的部分具有用于與所述膜片接觸的多個(gè)接觸區(qū)域，當(dāng)將所述電介質(zhì)層的厚度設(shè)為d，將所述電介質(zhì)層的介電常數(shù)設(shè)為ε時(shí)，在所述各接觸區(qū)域相互的邊界，其比ε / d的值不連續(xù)地變化。此外，在各接觸區(qū)域相互的邊界，比ε / d的值不連續(xù)地變化是指，在接觸區(qū)域彼此的邊界，一方的接觸區(qū)域的最接近該邊界的位置的ε / d的值和另一方的接觸區(qū)域的最接近該邊界的位置的ε / d的值不同。
[0019]在本發(fā)明的第一電容式壓力傳感器中，由于當(dāng)膜片的接觸面超過接觸區(qū)域的邊界而與電介質(zhì)層接觸時(shí)，接觸面積和電容的關(guān)系(電容特性)就發(fā)生變化，因此，根據(jù)測量壓力的范圍，能夠使壓力一電容特性發(fā)生變化。例如，既能夠在低壓力區(qū)域內(nèi)提高測量靈敏度，又能夠在高壓力區(qū)域內(nèi)降低測量靈敏度。進(jìn)而，也容易進(jìn)行量程的最高壓力的檢測。
[0020]作為本發(fā)明的第一電容式壓力傳感器的某實(shí)施方式，只要在所述各接觸區(qū)域相互的邊界使所述電介質(zhì)層的厚度不連續(xù)地變化即可。作為該方式，既可以在電介質(zhì)層的表面?zhèn)雀淖兒穸?，也可以在背面?zhèn)雀淖兒穸取?br> [0021]在表面?zhèn)雀淖冸娊橘|(zhì)層的厚度的情況下，只要在所述各接觸區(qū)域相互的邊界且在所述電介質(zhì)層的表面上設(shè)置階梯狀臺階即可。特別是，只要使所述各接觸區(qū)域的表面距未施加壓力的狀態(tài)下的所述膜片的距離相互相同即可。在這種情況下，當(dāng)膜片超過各接觸區(qū)域的邊界時(shí)，膜片的彈性就會不連續(xù)地變化，因此，根據(jù)測量壓力的范圍，能夠使壓力一電容特性發(fā)生更顯著地變化。
[0022]本發(fā)明的第一電容式壓力傳感器的不同的實(shí)施方式的特征為，當(dāng)施加于所述膜片的壓力增大時(shí)，所述膜片依次與所述比ε / d的值小的接觸區(qū)域接觸。根據(jù)這種實(shí)施方式，在低壓力區(qū)域內(nèi)能夠提高測量靈敏度，在高壓力區(qū)域內(nèi)能夠降低測量靈敏度。
[0023]特別是，如果所述各接觸區(qū)域的表面以在對所述膜片施加有逐漸增大的壓力的情況下，從所述電介質(zhì)層的底面起測得的高度按照所述膜片接觸的順序依次升高的方式構(gòu)成，則在低壓力區(qū)域內(nèi)能夠提高測量靈敏度，在高壓力區(qū)域內(nèi)能夠降低測量靈敏度。
[0024]另外，在背面?zhèn)雀淖冸娊橘|(zhì)層的厚度的情況下，只要在與所述膜片相對的區(qū)域內(nèi)且在所述固定電極的上面形成階梯狀臺階即可。在這種情況下，所述各接觸區(qū)域的表面作為整體也可形成為平坦，膜片能夠平穩(wěn)地變形。
[0025]特別是，如果所述接觸面下的電介質(zhì)層的厚度以在對所述膜片施加有逐漸增大的壓力的情況下，按照所述膜片接觸的順序依次變厚的方式構(gòu)成，則在低壓力區(qū)域內(nèi)能夠提高測量靈敏度，在高壓力區(qū)域內(nèi)能夠降低測量靈敏度。
[0026]如果所述接觸區(qū)域的表面都為與未施加壓力的狀態(tài)的所述膜片平行的平面，則電介質(zhì)層的表面的加工就會變得容易。
[0027]作為本發(fā)明的第一電容式壓力傳感器的進(jìn)一步不同的實(shí)施方式，在所述各接觸區(qū)域相互的邊界，所述電介質(zhì)層的介電常數(shù)也可以不連續(xù)地變化。在這種情況下也如此，當(dāng)膜片的接觸面超過接觸區(qū)域的邊界而與電介質(zhì)層接觸時(shí)，接觸面積和電容之間的關(guān)系(電容特性)就發(fā)生變化，因此，根據(jù)測量壓力的范圍，能夠使壓力一電容特性發(fā)生變化。例如，既能夠在低壓力區(qū)域內(nèi)提高測量靈敏度，又能夠在高壓力區(qū)域內(nèi)降低測量靈敏度。
[0028]本發(fā)明的第二電容式壓力傳感器具備:固定電極；形成于所述固定電極的上方的電介質(zhì)層；在所述電介質(zhì)層的上方隔著間隙形成的導(dǎo)電性的膜片，其特征在于，所述電介質(zhì)層中的與所述膜片相對的部分具有用于與所述膜片接觸的多個(gè)接觸區(qū)域，在所述各接觸區(qū)域相互的邊界，所述電介質(zhì)層的表面具有階梯狀的臺階。
[0029]在本發(fā)明的第二電容式壓力傳感器中，當(dāng)膜片超過各接觸區(qū)域的邊界時(shí)，膜片的彈性就不連續(xù)地變化，因此，根據(jù)測量壓力的范圍，能夠使壓力一電容特性更顯著地發(fā)生變化。例如，既能夠在低壓力區(qū)域內(nèi)提高測量靈敏度，又能夠在高壓力區(qū)域內(nèi)降低測量靈敏度。
[0030]本發(fā)明的電容式壓力傳感器的制造方法用于制造對電介質(zhì)層的表面?zhèn)荣x予臺階而使接觸區(qū)域的厚度不同的電容式壓力傳感器，該制造方法具備如下工序:在所述固定電極的上方形成第一電介質(zhì)膜；通過蝕刻而部分地去除所述第一電介質(zhì)膜而形成具有階梯狀邊緣的第一開口 ；從所述第一電介質(zhì)膜上起在所述固定電極的上方形成第二電介質(zhì)膜；通過蝕刻而部分地去除所述第二電介質(zhì)膜而形成具有階梯狀邊緣的第二開口 ；從所述第一電介質(zhì)膜及所述第二電介質(zhì)膜上起在所述固定電極的上方形成第三電介質(zhì)膜。此外，第一開口不需要貫通第一電介質(zhì)膜。第二開口也不需要貫通第二電介質(zhì)膜。另外，所述第二開口的面積既可以比所述第一開口小，也可以比所述第一開口大。
[0031]根據(jù)這種制造方法，能夠制造通過簡單的MEMS工序?qū)﹄娊橘|(zhì)層的表面?zhèn)荣x予臺階而使接觸區(qū)域的厚度不同的電容式壓力傳感器。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0032]圖1 (A)是表示現(xiàn)有例的壓力傳感器的概要剖面圖；圖1 (B)是表示圖1 (A)所示的現(xiàn)有例的壓力傳感器的壓力和電容之間的關(guān)系的圖；
[0033]圖2 (A)是本發(fā)明實(shí)施方式I的壓力傳感器的概要平面圖；圖2 (B)是沿著圖2(A)的X — X線的概要剖面圖；
[0034]圖3 (A)及圖3 (B)是本發(fā)明實(shí)施方式I的壓力傳感器的除膜片以外的狀態(tài)的概要平面圖及概要剖面圖；
[0035]圖4 (A)—圖4 (D)是表示對膜片施加有逐漸增大的壓力時(shí)的膜片的變形度的說明圖；
[0036]圖5是表示本發(fā)明實(shí)施例的壓力傳感器和現(xiàn)有例的壓力傳感器的壓力和電容的變化率之間的關(guān)系的圖；
[0037]圖6 (A)—圖6 (E)是對本發(fā)明實(shí)施方式I的壓力傳感器的制造工序進(jìn)行說明的剖面圖；
[0038]圖7 (A) —圖7 (D)是對同上的壓力傳感器的制造工序進(jìn)行說明的剖面圖，表示的是接著圖6 (E)的工序；
[0039]圖8 (A) —圖8 (C)是對同上的壓力傳感器的制造工序進(jìn)行說明的剖面圖，表示的是接著圖7 (D)的工序；
[0040]圖9 (A)及圖9 (B)是對同上的壓力傳感器的制造工序進(jìn)行說明的剖面圖，表示的是接著圖8 (C)的工序；
[0041]圖10 (A)是本發(fā)明實(shí)施方式2的壓力傳感器的概要平面圖；圖10 (B)是該壓力傳感器所使用的電介質(zhì)層的概要平面圖；
[0042]圖11是本發(fā)明實(shí)施方式3的壓力傳感器的概要剖面圖；
[0043]圖12是本發(fā)明實(shí)施方式4的壓力傳感器的概要剖面圖；
[0044]圖13是本發(fā)明實(shí)施方式5的壓力傳感器的概要剖面圖；
[0045]圖14是本發(fā)明實(shí)施方式6的壓力傳感器的概要剖面圖；
[0046]圖15是本發(fā)明實(shí)施方式7的輸入裝置的概要剖面圖。
[0047]符號說明
[0048]31、61 — 65壓力傳感器
[0049]32固定電極
[0050]33電介質(zhì)層
[0051]34 凹部[0052]35第一接觸面(接觸面)
[0053]36第二接觸面(接觸面)
[0054]37上基板
[0055]38膜片
[0056]40上電極焊盤
[0057]42下電極焊盤
【具體實(shí)施方式】
[0058]下面，參照附圖對本發(fā)明的最佳實(shí)施方式進(jìn)行說明。但是，本發(fā)明不局限于下面的實(shí)施方式，在不脫離本發(fā)明主旨的范圍內(nèi)，可進(jìn)行各種設(shè)計(jì)變更。
[0059](實(shí)施方式I)
[0060]下面，參照圖2及圖3對本發(fā)明的實(shí)施方式的壓力傳感器11的構(gòu)造進(jìn)行說明。圖
2(A)是壓力傳感器11的概要平面圖，圖2 (B)是圖2 (A)的X — X線剖面圖。另外，圖3(A)是表示壓力傳感器11所使用的電介質(zhì)層33的概要平面圖，圖3 (B)是壓力傳感器11所使用的固定電極32及電介質(zhì)層33的概要剖面圖。
[0061]在該壓力傳感器11 中，在由低電阻硅基板及金屬膜等導(dǎo)電性材料構(gòu)成的固定電極32上形成有電介質(zhì)層33。電介質(zhì)層33由Si02、SiN、TEOS等電介質(zhì)材料構(gòu)成。電介質(zhì)層33在其上面凹設(shè)有凹部34 (凹部)。在凹部34內(nèi)形成有從電介質(zhì)層33的下面測得的高度不同的多個(gè)接觸面(接觸區(qū)域的表面)。在圖示例子中，設(shè)有圓形地設(shè)置于凹部34的中央部的低位置的第一接觸面35和圓環(huán)狀地設(shè)置于第一接觸面35的周圍的高位置的第二接觸面36。第一接觸面35和第二接觸面36之間的邊界成為與電介質(zhì)層33的下面垂直的垂直面(下稱臺階壁面)，在第一接觸面35和第二接觸面36之間，接觸面的高度臺階狀地變化。
[0062]在電介質(zhì)層33的上面形成有由低電阻硅基板等導(dǎo)電性材料構(gòu)成的薄膜狀的上基板37。上基板37覆蓋凹部34的上面。在上基板37的上面，通過金屬材料而設(shè)有上電極焊盤40及配線41，上電極焊盤40及配線41與上基板37導(dǎo)通。進(jìn)而，上基板37的上面通過SiO2或SiN等絕緣膜或由聚酰亞胺等樹脂構(gòu)成的保護(hù)膜39來覆蓋。上電極焊盤40從保護(hù)膜39露出。這樣，通過上基板37及保護(hù)膜39中的在凹部34的上方且在中空上水平展開的區(qū)域，形成有壓敏用的膜片38。
[0063]在該壓力傳感器11中，對膜片38施加壓力。圖4 (A) —(D)表示的是用按壓體43的柔軟的前端部按壓了膜片38時(shí)的情形。從圖4 (A)向圖4 (D)壓力逐漸增大。此時(shí)的電容的變化定性地如下所述。
[0064]在從膜片38被以較小的壓力按壓而不與電介質(zhì)層33接觸的狀態(tài)到如圖4 (A)所示膜片38與電介質(zhì)層33輕輕接觸之前的期間，可以認(rèn)為膜片38和固定電極32之間的電容的變化小，且大致恒定。此時(shí)的電容(恒定值)用Co表示。
[0065]當(dāng)施加于膜片38的壓力逐漸增大而與第一接觸面35接觸，且如圖4 (B)所示膜片38與第一接觸面35接觸的面積SI逐漸增大時(shí)，膜片38和固定電極32之間的電容C就隨之如下面的式2那樣進(jìn)行變化。
[0066]C = Co + ( ε /dl)Sl (式 2)
[0067]或者，如果將AC=(C — Co) / Co定義為比電容時(shí)，則成為[0068]AC = (C - Co) / Co = ( ε.SI) / (dl.Co)(式 3)。
[0069]在此，ε是電介質(zhì)層33的介電常數(shù)，dl是第一接觸面35下的電介質(zhì)層33 (接觸區(qū)域)的厚度。
[0070]當(dāng)施加于膜片38的壓力增大而膜片38碰觸到臺階壁面的上端時(shí)，膜片38就從那里開始逐漸與第二接觸面36接觸。如圖4 (C)所示，如果設(shè)膜片38的向第一接觸面35的最大接觸面積為Slmax，則膜片38與第二接觸面36的角(臺階壁面的上端)接觸時(shí)的電容C就用下面的式4進(jìn)行表示。
[0071]C = Co + ( ε / dl) Slmax (式 4)
[0072]或者，AC=(C— Co) / Co = ( ε.S Imac) / (dl.Co)(式 5)
[0073]當(dāng)施加于膜片38的壓力進(jìn)一步增大時(shí)，膜片38與第二接觸面36接觸的面積就逐漸增大。膜片38以接觸面積S2而與第二接觸面36接觸時(shí)的電容C用下面的式6進(jìn)行表
/Jn ο
[0074]C = Co + ( ε / dl) Slmax + ( ε / d2) S2 (式 6)
[0075]或者，ΔC = ( ε.SImac) / (dl.Co) + ( ε.S2) / (d2.Co)(式 7)
[0076]在此，d2是第二接觸面36下的電介質(zhì)層33 (接觸區(qū)域)的厚度。
[0077]上述式3的接觸面積SI的系數(shù)和上述式7的接觸面積S2的系數(shù)不同。因此，可知膜片38與第一接觸面35接觸時(shí)的壓力一電容特性的變化方式和膜片38與第二接觸面36接觸時(shí)的壓力一電容特性的變化方式不同。特別是，可知當(dāng)?shù)谝唤佑|面35下的電介質(zhì)層33的厚度dl比第二接觸面36下的電介質(zhì)層33的厚度d2薄時(shí)，低壓力區(qū)域的測量靈敏度就升高，高壓力區(qū)域的測量靈敏度就降低。
[0078]另外，當(dāng)膜片38的接觸面積增加時(shí)，膜片38的可自由變形的區(qū)域的面積就變小，因此，膜片38的彈性就逐漸升高。而且，在膜片38與第二接觸面36的角(臺階壁面的上端)抵接時(shí)，膜片38的可自由變形的區(qū)域的面積就會不連續(xù)地變小，因此，在膜片38與第二接觸面36的角抵接的前后，膜片38的彈性會急劇升高。該結(jié)果是，在膜片38與第一接觸面35接觸的狀態(tài)下，測量靈敏度升高，在膜片38與第二接觸面36接觸的狀態(tài)下，測量靈敏度降低。因此，在實(shí)施方式I的壓力傳感器31中，即使通過這種現(xiàn)象，低壓力區(qū)域的測量靈敏度也升高，高壓力區(qū)域的測量靈敏度也降低。
[0079]圖5是將本發(fā)明實(shí)施方式I的壓力傳感器(實(shí)施方式I)的壓力一電容特性和非專利文獻(xiàn)I記載的壓力傳感器(現(xiàn)有例)的壓力一電容特性進(jìn)行比較而表示的圖。這些特性是通過模擬而得到的。圖5的橫軸表示的是壓力P，縱軸表示的是膜片(可動電極)和固定電極之間的比電容AC =(C — Co) / Co。在此，C是壓力為P時(shí)的電容，Co是非接觸區(qū)域的電容。
[0080]膜片38的接觸面積大致與Pn (其中，O < η < I)成正比，因此，式2 — 4所表達(dá)的壓力一電容特性描繪的是拋物線狀的曲線。因此，式2 — 4和圖5相匹配。
[0081]但是，現(xiàn)有例的壓力傳感器的壓力一電容特性遍及整個(gè)區(qū)域而拋物線狀地平滑地變化，與此相對，實(shí)施方式I的壓力傳感器的壓力一電容特性的變化方式在膜片38與第一、第二接觸面35、36間的臺階壁面的上端抵接時(shí)的壓力Pe的前后而不同。
[0082]S卩，在現(xiàn)有例的壓力傳感器中，在量程的整體，測量靈敏度的變化方式都按照恒定的規(guī)律進(jìn)行變化。因此，當(dāng)以在低壓力區(qū)域可得到所斯望的測量靈敏度的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，高壓力區(qū)域的測量靈敏度也由此而確定，不能任意地以在低壓力區(qū)域成為高靈敏度且在高壓力區(qū)域成為低靈敏度的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。同樣地，壓力的量程的最大壓力Pf附近的電容的飽和度也不能任意地進(jìn)行設(shè)計(jì)。
[0083]與此相對，在本發(fā)明實(shí)施方式I的壓力傳感器11中，在壓力小于Pe而膜片38僅與第一接觸面35接觸的狀態(tài)(低壓力區(qū)域)下，以測量靈敏度升高的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。但是，在壓力大于Pe而膜片38也與第二接觸面36接觸的狀態(tài)(高壓力區(qū)域)下，由于第二接觸面36下的電介質(zhì)層33的厚度d2比第一接觸面35下的電介質(zhì)層33的厚度dl大，所以測量靈敏度比低壓力區(qū)域低。因此，根據(jù)實(shí)施方式1，能夠制作在低壓力區(qū)域內(nèi)測量靈敏度高且在高壓力區(qū)域內(nèi)測量靈敏度低的壓力傳感器11。另外，由于在高壓力區(qū)域內(nèi)測量靈敏度也可以低，因此，通過適當(dāng)選擇第二接觸面36下的電介質(zhì)層33的厚度d2及第二接觸面36的面積，能夠以在量程的最高壓力Pf下電容接近其飽和值而電容的變化減小的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。因而，能夠?qū)碾娙莸淖兓M(jìn)行測量的壓力P大致變成了最高壓力Pf的情況進(jìn)行探測。
[0084]接著，對上述壓力傳感器11的制造工序進(jìn)行說明。圖6 —圖9是具體地表示壓力傳感器11的制造工序的圖。此外，在圖6 —圖9的制造工序中，對制造一個(gè)壓力傳感器的工序進(jìn)行說明，但通常是在晶片上一次制作多個(gè)壓力傳感器。
[0085]壓力傳感器11分為上基板側(cè)和固定電極側(cè)進(jìn)行制造。首先，通過圖6 (A) - (E)對上基板側(cè)的制造方法進(jìn)行說明。圖6 (A)表示的是在由硅基板等構(gòu)成的上基板37的上面整個(gè)面上通過濺射或蒸鍍而形成有Al或Au等金屬膜40a的狀態(tài)。上基板37上的金屬膜40a通過光刻工序而形成圖案，如圖6 (B)所示，在上基板37的上面形成由金屬膜40a構(gòu)成的上電極焊盤40及配線41。接下來，如圖6 (C)所示，通過濺射或CVD、涂布等方法，用SiO2等絕緣膜或由聚酰亞胺樹脂材料構(gòu)成的保護(hù)膜39，從上電極焊盤40及配線41上覆蓋上基板37的上面整個(gè)面。保護(hù)膜39在上電極焊盤40的上面，部分地設(shè)置開口窗50，如圖6 (D)所示，上電極焊盤40的至少一部分從保護(hù)膜39露出。作為將保護(hù)膜39開口的方法，既可以通過反應(yīng)性氣體進(jìn)行干式蝕刻，也可以使用藥液(蝕刻液)進(jìn)行濕式蝕刻。此后，如圖6 (E)所示，通過對上基板37的下面進(jìn)行磨削及研磨或者蝕刻，來減薄上基板37的厚度，形成由上基板37及保護(hù)膜39構(gòu)成的薄膜狀的膜片38。
[0086]接著，通過圖7 (A) —(D)及圖8 (A) —(C)對固定電極側(cè)的制造方法進(jìn)行說明。圖7 (A)表示的是在由低電阻的硅基板等構(gòu)成的固定電極32的上面整個(gè)面上通過熱氧化或?yàn)R射、CVD等方法而形成有由Si02、SiN、TEOS等電介質(zhì)材料構(gòu)成的電介質(zhì)膜33a的狀態(tài)。該電介質(zhì)膜33a的厚度規(guī)定為與第一接觸面35和第二接觸面36之間的臺階相等。該電介質(zhì)膜33a通過使用藥液的濕式蝕刻或使用反應(yīng)性氣體的干式蝕刻進(jìn)行蝕刻，如圖7 (B)所示，在中央部形成開口 51 (第一開口)。電介質(zhì)膜33a的開口 51形成于與成為凹部34的區(qū)域大致相等的區(qū)域。進(jìn)而，如圖7 (C)所示，從電介質(zhì)膜33a上開始，在固定電極32的上面整個(gè)面上，使用與電介質(zhì)膜33a相同的電介質(zhì)材料,形成電介質(zhì)膜33b。該電介質(zhì)膜33b通過使用藥液的濕式蝕刻或使用反應(yīng)性氣體的干式蝕刻進(jìn)行蝕刻，如圖7 (D)所示，在中央部形成開口 52 (第二開口)。電介質(zhì)膜33b的開口 52形成于面積小于開口 51并與第一接觸面35大致相等的區(qū)域。接著，如圖8 (A)所示，從電介質(zhì)膜33b上開始，在固定電極32的上面整個(gè)面上，通過熱氧化或?yàn)R射、CVD等方法，利用與電介質(zhì)膜33a、33b相同的電介質(zhì)材料，形成電介質(zhì)膜33c。該結(jié)果是,通過電介質(zhì)膜33a、33b、33c形成電介質(zhì)層33。此外，也可以通過與之不同的方法來形成電介質(zhì)層33。即，也可以在將厚度較大的電介質(zhì)層33形成于固定電極32的上面之后，對電介質(zhì)層33進(jìn)行蝕刻而形成具有第一接觸面35和第二接觸面36的凹部34。
[0087]此后，根據(jù)需要，通過對固定電極32的下面進(jìn)行磨削及研磨、或者蝕刻，如圖8(B)所示，將固定電極32的厚度減薄。如圖8 (C)所示，在固定電極32的下面，形成Al或Au等金屬膜，用藥液進(jìn)行濕式蝕刻，或者利用反應(yīng)性氣體進(jìn)行干式蝕刻，將金屬膜形成圖案，形成下電極焊盤42。
[0088]此后，通過常溫接合、熔融接合、樹脂接合、共晶接合等接合方法，使上基板37接合在電介質(zhì)層33上，得到如圖9 (A)那樣的壓力傳感器31。此外，之后，如圖9 (B)所示，也可以在固定電極32及下電極焊盤42的下面整個(gè)面上形成保護(hù)膜53，且在保護(hù)膜53上開出開口窗54而使下電極焊盤42從開口窗54露出。另外，在通過晶片而一次制作多個(gè)壓力傳感器11的情況下，這之后將晶片切斷，切成一個(gè)一個(gè)的壓力傳感器11。
[0089]此外，在圖7 (D)的工序中，開在電介質(zhì)膜33b上的開口 52的面積比電介質(zhì)膜33a的開口 51小，但也可以與此相反，使電介質(zhì)膜33b的開口 52大于開口 51。
[0090](實(shí)施方式2)
[0091]圖10 (A)是本發(fā)明實(shí)施方式2的壓力傳感器61的概要平面圖。圖10 (B)是該壓力傳感器61所使用的電介質(zhì)層33的概要平面圖。在該壓力傳感器61中，凹部34、第一接觸面35、第二接觸面36及膜片38都形成為長方形狀。
[0092]根據(jù)這種實(shí)施方式，當(dāng)膜片38在短邊方向上與第一接觸面35及第二接觸面36充分接觸之后，向第一接觸面35及第二接觸面36的接觸面向長邊方向延伸，因此，能夠得到不同于實(shí)施方式I的壓力一電容特性。
[0093]此外，凹部34及第一接觸面35、第二接觸面36的平面形狀除制成圓形或長方形以夕卜，也可制成正方形、橢圓、六邊形、八邊形等各種各樣的形狀。
[0094](實(shí)施方式3)
[0095]圖11是本發(fā)明實(shí)施方式3的壓力傳感器62的概要剖面圖。在該壓力傳感器62中，由于第二接觸面36朝向第一接觸面35向斜下方傾斜，因此，膜片38易與第二接觸面36接觸。
[0096](實(shí)施方式4)
[0097]圖12是本發(fā)明實(shí)施方式4的觸摸模式的電容式壓力傳感器63的概要剖面圖。在該壓力傳感器63中，在與膜片38的中央部相對的區(qū)域內(nèi)，使固定電極32的上面突出而形成有凸部71。另外，在形成于固定電極32的上面的電介質(zhì)層33上，且在與膜片38相對的區(qū)域內(nèi)，形成有凹部34，在凹部34內(nèi)，電介質(zhì)層33的上面形成為平坦。因此，在位于凹部34的中央部且位于凸部71的正上方的第一接觸面35中，電介質(zhì)層33的厚度變薄。另外，在位于凹部34的外周部且低于凸部71的與固定電極32的上面72相對的第二接觸面36中，電介質(zhì)層33的厚度變厚。
[0098]在實(shí)施例4的壓力傳感器63中，膜片38的接觸面從第一接觸面35向第二接觸面36擴(kuò)展，如上述式2 — 7所示，電容隨著膜片38的接觸面積增大而變化。因而，在僅與第一接觸面35接觸時(shí)和也與第二接觸面36接觸時(shí)，電容的增加方式不同。即，可形成為在低壓區(qū)域內(nèi)測量靈敏度升高，且在高壓區(qū)域內(nèi)測量靈敏度減小。[0099](實(shí)施方式5)
[0100]圖13是本發(fā)明實(shí)施方式5的觸摸模式的電容式壓力傳感器64的概要剖面圖。在該壓力傳感器64中，在固定電極32的上面凹設(shè)有凹部34。在凹部34內(nèi)形成有從固定電極32的下面測得的高度不同的多個(gè)平面。在圖示例子中，設(shè)有位于凹部34的中央部的低位置的第一平面73和位于第一平面73的周圍的高位置的第二平面74。第一平面73和第二平面74之間的邊界成為與固定電極32的下面垂直的垂直面(臺階壁面)，在第一平面73和第二平面74之間，平面的高度階梯狀地變化。
[0101]進(jìn)而，在固定電極32的上面形成有均勻厚度的電介質(zhì)層33。因此，在電介質(zhì)層33的上面也形成有凹部34，在凹部34內(nèi)形成有位于第一平面73上的低位置的第一接觸面35和位于第二平面74上的高位置的第二接觸面36。
[0102]在實(shí)施方式5的壓力傳感器64中，電介質(zhì)層33的厚度均勻，但在凹部34內(nèi)，階梯狀地形成有電介質(zhì)層33的表面。因此，如實(shí)施方式I所述，在膜片38已與第二接觸面36的角(臺階壁面的上端)抵接時(shí)，膜片38的可自由變形的區(qū)域的面積會不連續(xù)地減小，因此，在膜片38與第二接觸面36的角抵接的前后，膜片38的彈性會急劇地升高。該結(jié)果是，在膜片38與第一接觸面35接觸的狀態(tài)下，測量靈敏度升高，在膜片38與第二接觸面36接觸的狀態(tài)下，測量靈敏度降低。因而，在實(shí)施方式I的壓力傳感器31中，通過這種現(xiàn)象，低壓力區(qū)域的測量靈敏度也升高，高壓力區(qū)域的測量靈敏度也降低。
[0103](實(shí)施方式6)
[0104]圖14是本發(fā)明實(shí)施方式6的觸摸模式的電容式壓力傳感器65的概要剖面圖。在該壓力傳感器65中，在固定電極32的上面形成有電介質(zhì)層75、76，在電介質(zhì)層75、76的上面凹設(shè)有凹部34。在凹部34內(nèi)的底面中，凹部34的中央部由介電常數(shù)較大的電介質(zhì)層76形成，凹部34的外周部由介電常數(shù)較小的電介質(zhì)層75形成。而且，在凹部34內(nèi)，電介質(zhì)層76的上面成為第一接觸面35，電介質(zhì)層75的上面成為第二接觸面36。另外，在凹部34的底面中，電介質(zhì)層75的厚度和電介質(zhì)層76的厚度大致相等，第一接觸面35和第二接觸面36成為相同高度的平坦面。
[0105]在該壓力傳感器65中，即使膜片38被按壓直至與電介質(zhì)層75、75接觸，膜片38和固定電極32之間的電容C的變化也小，可以認(rèn)為是大致恒定。當(dāng)用Co表示此時(shí)的電容(恒定值)時(shí)，膜片38和固定電極32之間的比電容AC=(C — Co) / Co就如下那樣變化。
[0106]在對膜片38施加壓力而與第一接觸面35接觸且膜片38與第一接觸面35接觸的面積SI逐漸增大時(shí)，膜片38和固定電極32之間的比電容Λ C如下面的式8那樣進(jìn)行變化。
[0107]Δ C = ( ε I.SI) / (d.Co)(式 8)
[0108]在此，ε I是電介質(zhì)層76的介電常數(shù)，d是凹部34的底面的電介質(zhì)層75、76的厚度。
[0109]在施加于膜片38的壓力增大而膜片38的接觸面向第一接觸面35的整個(gè)面擴(kuò)展時(shí),如果設(shè)第一接觸面35的面積為Slmax，則此時(shí)的比電容Λ C用下面的式9來表示。
[0110]Δ C = ( ε I.Slmac) / (d.Co)(式 9)
[0111]在施加于膜片38的壓力進(jìn)一步增大而膜片38的接觸面向第二接觸面36擴(kuò)展時(shí)，當(dāng)設(shè)膜片38和第二接觸面36的接觸面積為S2，且設(shè)電介質(zhì)層75的介電常數(shù)為ε 2時(shí)，t匕電容Δ C用下面的式10來表不。[0112]AC = ( ε I.Slmac) / (d.Co)十(ε 2.S2) / (d.Co)(式 10)
[0113]上述式8的接觸面積SI的系數(shù)和上述式10的接觸面積S2的系數(shù)不同。因此，可知膜片38與第一接觸面35接觸時(shí)的壓力一電容特性的變化方式和膜片38與第二接觸面36接觸時(shí)的壓力一電容特性的變化方式不同。特別是，當(dāng)?shù)谝唤佑|面35下的電介質(zhì)層76的介電常數(shù)ε I比第二接觸面36下的電介質(zhì)層75的介電常數(shù)ε 2大時(shí)，低壓力區(qū)域的測量靈敏度就升高，高壓力區(qū)域的測量靈敏度就降低。
[0114](實(shí)施方式7)
[0115]圖15是表示本發(fā)明實(shí)施方式7的平板式的輸入裝置81例如觸摸面板的構(gòu)造的剖面圖。該輸入裝置81是將具有與本發(fā)明的壓力傳感器同樣的構(gòu)造的多個(gè)傳感部82排列成陣列狀(例如，矩形狀或蜂窩狀)而成的裝置。此外，各傳感部82分別電氣獨(dú)立，能夠分別獨(dú)立地檢測施加于各傳感部82的壓力。根據(jù)這種輸入裝置81，能夠檢測如觸摸面板那樣用手指等進(jìn)行按壓的點(diǎn)，并且也能夠檢測各點(diǎn)的按壓強(qiáng)度。
【權(quán)利要求】
1.一種電容式壓力傳感器,具備: 固定電極； 形成于所述固定電極的上方的電介質(zhì)層； 在所述電介質(zhì)層的上方隔著間隙形成的導(dǎo)電性的膜片，其特征在于， 所述電介質(zhì)層中的與所述膜片相對的部分具有用于與所述膜片接觸的多個(gè)接觸區(qū)域，當(dāng)將所述電介質(zhì)層的厚度設(shè)為d，將所述電介質(zhì)層的介電常數(shù)設(shè)為ε時(shí)，在所述各接觸區(qū)域相互的邊界，其比ε / d的值不連續(xù)地變化。
2.如權(quán)利要求1所述的電容式壓力傳感器，其特征在于， 在所述各接觸區(qū)域相互的邊界，所述電介質(zhì)層的厚度不連續(xù)地變化。
3.如權(quán)利要求2所述的電容式壓力傳感器，其特征在于， 在所述各接觸區(qū)域相互的邊界，所述電介質(zhì)層的表面具有階梯狀的臺階。
4.如權(quán)利要求3所述的電容式壓力傳感器，其特征在于， 所述各接觸區(qū)域的表面在未施加壓力的狀態(tài)下，其距所述膜片的距離相互不同。
5.如權(quán)利要求1所述的電容式壓力傳感器，其特征在于， 當(dāng)施加于所述膜片的壓力增大時(shí)，所述膜片依次與所述比ε / d的值小的接觸區(qū)域接觸。
6.如權(quán)利要求3所述的電容式壓力傳感器，其特征在于， 在對所述膜片施加有逐漸增大的壓力的情況下，所述各接觸區(qū)域的表面在從所述電介質(zhì)層的底面起測得的高度按照所述膜片接觸的順序依次升高。
7.如權(quán)利要求2所述的電容式壓力傳感器，其特征在于， 所述各個(gè)接觸區(qū)域的表面為平坦的面。
8.如權(quán)利要求7所述的電容式壓力傳感器，其特征在于， 在與所述膜片相對的區(qū)域，在所述固定電極的上面形成有階梯狀的臺階。
9.如權(quán)利要求2所述的電容式壓力傳感器，其特征在于， 在對所述膜片施加有逐漸增大的壓力的情況下，所述接觸面下的電介質(zhì)層的厚度按照所述膜片接觸的順序依次變厚。
10.如權(quán)利要求1所述的電容式壓力傳感器，其特征在于， 所述接觸區(qū)域的表面在未施加壓力的狀態(tài)下，其為與所述膜片平行的平面。
11.如權(quán)利要求1所述的電容式壓力傳感器，其特征在于， 在所述各接觸區(qū)域相互的邊界，所述電介質(zhì)層的介電常數(shù)不連續(xù)地變化。
12.—種電容式壓力傳感器,其具備: 固定電極； 形成于所述固定電極的上方的電介質(zhì)層； 在所述電介質(zhì)層的上方隔著間隙形成的導(dǎo)電性的膜片，其特征在于， 所述電介質(zhì)層中的與所述膜片相對的部分具有用于與所述膜片接觸的多個(gè)接觸區(qū)域， 在所述各接觸區(qū)域相互的邊界，所述電介質(zhì)層的表面具有階梯狀的臺階。
13.一種電容式壓力傳感器的制造方法，其用于制造權(quán)利要求3所述的電容式壓力傳感器，具備如下的工序: 在所述固定電極的上方形成第一電介質(zhì)膜；通過蝕刻而部分地去除所述第一電介質(zhì)膜而形成具有階梯狀邊緣的第一開口； 從所述第一電介質(zhì)膜上起在所述固定電極的上方形成第二電介質(zhì)膜； 通過蝕刻而部分地去除所述第二電介質(zhì)膜而形成具有階梯狀邊緣的第二開口； 從所述第一電介質(zhì)膜及所述第二電介質(zhì)膜上起在所述固定電極的上方形成第三電介質(zhì)膜。
14.如權(quán)利要求13所述的電容式壓力傳感器的制造方法，其特征在于， 所述第二開口的面積比所述第一開口小。
15.如權(quán)利要求13所述的電容式壓力傳感器的制造方法，其特征在于， 所述第二 開口的面積比所述第一開口大。
16.—種輸入裝置,其搭載有權(quán)利要求1所述的壓力傳感器。
【文檔編號】G01L1/14GK103765179SQ201280041882
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2012年11月12日 優(yōu)先權(quán)日:2011年11月14日
【發(fā)明者】井上勝之 申請人:歐姆龍株式會社