[发明专利]静电电容型压力传感器及输入装置

说明书

技术领域

本发明涉及静电电容型压力传感器以及输入装置。具体而言，本发明涉及因压力而挠曲的膜片(diaphragm)与电介质层接触来探测压力的接触式的静电电容型压力传感器。另外，涉及利用该压力传感器的输入装置。

背景技术

在一般的静电电容型压力传感器中，导电性的膜片(可动电极)与固定电极隔着间隙进行对置，并根据因压力而挠曲的膜片与固定电极之间的静电电容的变化来检测压力。在该压力传感器是使用玻璃基板或硅基板通过MEMS(微机电系统)技术制造的微器件的情况下，若对膜片施加大的压力而发生较大挠曲，则存在破坏膜片的风险。

故而，提出了如下的压力传感器：在固定电极的表面设置电介质层，因压力而挠曲的膜片与电介质层接触，基于其接触面积的变化，膜片与固定电极之间的静电电容发生变化。该压力传感器有时也称为接触式静电电容型压力传感器。

作为接触式静电电容型压力传感器，例如有记载在非专利文献1中的传感器。图1的(A)是表示非专利文献1所记载的压力传感器11的剖面图。在该压力传感器11中，在玻璃基板12的上表面形成有由金属薄膜构成的固定电极13。固定电极13如图1的(B)所示，呈圆板状。在玻璃基板12的上表面，从固定电极13之上起形成有电介质膜14。在电介质膜14的上表面，设置有电极焊盘(pad)16。在电介质膜14进行开口以形成通孔15，并将电极焊盘16通过通孔15与固定电极13连接。在电介质膜14的上表面层叠有硅基板17。在硅基板17的上表面设置凹陷部18，并在硅基板17的下表面设置凹槽19，从而在凹陷部18与凹槽19之间形成有薄膜状的膜片20。膜片20设置在与固定电极13交叠的位置。硅基板17的下表面成为掺杂了高浓度B(硼)的P⁺层21，由此对膜片20赋予了导电性并将膜片20作为可动电极。在膜片20的下表面与电介质膜14的上表面之间，通过凹槽19而产生了数μm的间隙22。

图2是表示压力传感器11的压力与静电电容的关系(压力－电容特性)的图，记载在非专利文献1中。若对压力传感器11的膜片20施加压力，则膜片20响应于该施加压力而挠曲，在一定压力下与电介质膜14接触。在图2的横轴上，压力为0至Pa的区间(未接触区域)是膜片20未接触电介质膜14的区域。压力为Pa至Pb的区间(开始接触区域)是从膜片20与电介质膜14接触起至以一定程度的面积与电介质膜14可靠地接触为止的区域。在压力为Pb至Pc的区间(动作区域)，随着压力的增加，膜片20与电介质膜14接触的部分的面积逐渐增加。压力为Pc至Pd的区间(饱和区域)，是膜片20的几乎整面与电介质膜14接触、且即使压力增加而接触面积也几乎不增加的区域。

根据图2的压力－电容特性，在压力增加时，在膜片20未发生接触的未接触区域，静电电容的变化小，但一旦进入开始接触区域，则静电电容的变化率(增加速度)逐渐变大。在动作区域，虽然线性变好，但静电电容的变化率逐渐减少，若进入饱和区域，则静电电容几乎不再增加。

在该接触式的压力传感器11中，膜片20与电介质膜14之间的静电电容C能根据以下的数式1来表示。

C＝Co+ε·(S/d)…(数式1)

其中，将膜片20与电介质膜14的接触面积设为S，将电介质膜14的厚度设为d，并以ε来表征电介质膜14的介电常数。Co是未接触区域中的静电电容。在压力变大时，电介质膜14的厚度d和介电常数ε不变化，膜片20的接触面积S增大，因此根据数式1可知，此时压力传感器11的静电电容C增加。

但是，在该压力传感器的情况下，表示按压力与输出的关系的输出特性不能精度良好地再现表示按压压力传感器时的理想的按压感的理想曲线。图7是表征理想曲线与压力传感器的输出特性的关系的图。图7的横轴表示按压膜片的载荷(按压力)的大小。图7的纵轴表示膜片与固定电极之间的静电电容的变化率(输出比)。

图8是将图7的X区间放大后的图。在图7中，曲线α表征理想曲线，曲线β表征现有例的输出特性。若比较理想曲线α与现有例的曲线β，则两曲线在施加小的载荷时的上升区域(开始接触区域)和施加大的载荷时的饱和区域中具有几乎相等的静电电容变化率。但是，在载荷的中间域(动作区域)，现有例的静电电容变化率与理想曲线的输出特性的背离大。在该压力传感器，压力传感器检测的压力的强度与操作者的按压感之间存在不一致，不能探测操作者的按压感的变化。尤其是在将微小的压力传感器排列多个来构成触摸板的情况下，难以探测以手指来描画文字或图形时的笔压的变化。