[发明专利]静电容量型压力传感器、压力检测器及输入装置

说明书

技术领域

本发明涉及静电容量型压力传感器、压力检测器及输入装置。具体而言，本发明涉及通过压力挠曲的隔膜与电介体层接触而检测压力的触摸模式的静电容量型压力传感器。另外，本发明涉及利用该压力传感器的压力检测器及输入装置。

背景技术

在一般的静电容量型压力传感器中，导电性的隔膜(可动电极)和固定电极隔开间隙相对设置，根据通过压力挠曲的隔膜和固定电极之间的静电容量的变化检测压力。但是，在该压力传感器是使用玻璃基板及硅基板，通过MEMS技术制造的微器件的情况下，如果在隔膜上施加大的压力，则隔膜会产生大挠曲而破损。

因此，提案有在固定电极的表面设置电介体层，通过压力挠曲的隔膜与电介体层接触，根据其接触面积的变化，隔膜和固定电极之间的静电容量产生变化的压力传感器。这种压力传感器有时称为触摸模式静电容量型压力传感器。

作为触摸模式静电容量型压力传感器，例如具非专利文献1记载的方式。图1是表示非专利文献1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的上面形成由金属薄膜构成的固定电极13，从固定电极13之上至玻璃基板12的上面形成电介体膜14。在电介体膜14上开设有通孔15，设置于电介体膜14的上面的电极焊盘16通过通孔15与固定电极13连接。硅基板17层叠于电介体膜14的上面，在硅基板17的上面设有凹陷18，并且在下面设有凹槽19，在凹陷18和凹槽19之间形成有薄膜状的隔膜20。隔膜20设置于与固定电极13相互重叠的位置。另外，硅基板17的下面为以高浓度掺杂有B(硼)的P⁺层21。隔膜20通过P⁺层21赋予导电性，作为可动电极发挥功能。在隔膜20的下面和电介体膜14之间，因凹槽19而产生数μm的间隙22。

图2是示意地表示施加于压力传感器11的隔膜20的负荷W[gF]、和在固定电极13和隔膜20之间产生的静电容量C[pF]的关系(负荷－电容特性)的图。另外，图2表示通过负荷附加部件23按压压力传感器11的情况，各图表现表示负荷－电容特性的曲线上的各点的隔膜20的变形状况。

如果在压力传感器11的隔膜20上施加负荷W，则隔膜20与该负荷W对应地挠曲，以某负荷Wa与电介体膜14接触。图2的负荷从0至Wa的区间(未接触区域)为隔膜20未与电介体膜14接触的状态。负荷从Wa至Wb的区间(接触开始区域)表示隔膜20与电介体膜14接触之后至可靠地以某程度的面积接触的状态。负荷从Wb至Wc的区间(动作区域)随着负荷的增加，隔膜20与电介体膜14接触的部分的面积逐渐增加。负荷为Wc以上的区间(饱和区域)是隔膜20的大致全面与电介体膜14接触，即使负荷增加，接触面积也几乎不增加的区域。

根据图2的负荷－电容特性，在隔膜20未接触的未接触区域，静电容量C的变化非常小，但如果变为接触开始区域，则静电容量C的变化率(增加速度)逐渐增大。在动作区域，虽然线性变好，但静电容量C的变化率逐渐减小，如果变为饱和区域，则静电容量C几乎没有增加。特别是，负荷超过Wd时，静电容量C为饱和值Cd无变化。

这种触摸模式的压力传感器11中，如果将隔膜20和电介体膜14的接触面积设为S，将电介体膜14的厚度设为d，将电介体膜14的相对介电常数设为εr，真空中的介电常数设为εo，则隔膜20和电介体膜14之间的静电容量C用接下来的数学式1表示。

C＝Co+εo·εr·(S/d)    (数学式1)

在此，Co是未接触区域的静电容量。

电介体膜14的厚度d及相对介电常数εr无变化，因此，根据数学式1，如果负荷W增大，则隔膜20的接触面积S增大，其结果可知，压力传感器11的静电容量C增加。该结果是，图2的负荷－电容特性若除去未接触区域，表示对数的变化。

然而，对于人的感觉(五感)，公知的是韦伯－费希纳定律(Weber－Fechner law)。韦伯－费希纳定律是关于感觉的精神物理学的基本定律，人可以察觉的最小的刺激差异△R与成为基准的刺激的强度R成比例。即，该定律如接下来的数学式2表示。

△R/R＝const.    (数学式2)

韦伯－费希纳定律作为数学式2的微分方程式的解，同样用接下来的数学式3表示。

E＝K·logR    (数学式3)

在此，K为常数。数学式3解释为在刺激量的强度R变化时，与此对应的感觉量E通过刺激的强度R的对数函数表示这种意思。即，心理的感觉量E不与刺激的强度R而与该对数(logR)成比例地感觉。