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KR20140048996A - Capacitance type pressure sensor, method for manufacturing same, and input device - Google Patents

Capacitance type pressure sensor, method for manufacturing same, and input device Download PDF

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KR20140048996A
KR20140048996A KR1020147004331A KR20147004331A KR20140048996A KR 20140048996 A KR20140048996 A KR 20140048996A KR 1020147004331 A KR1020147004331 A KR 1020147004331A KR 20147004331 A KR20147004331 A KR 20147004331A KR 20140048996 A KR20140048996 A KR 20140048996A
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KR
South Korea
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diaphragm
pressure sensor
dielectric layer
contact
pressure
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Application number
KR1020147004331A
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KR101553786B1 (en
Inventor
카츠유키 이노우에
Original Assignee
오므론 가부시키가이샤
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Publication date
Application filed by 오므론 가부시키가이샤 filed Critical 오므론 가부시키가이샤
Publication of KR20140048996A publication Critical patent/KR20140048996A/en
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Publication of KR101553786B1 publication Critical patent/KR101553786B1/en

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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0072Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance
    • G01L9/0073Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance using a semiconductive diaphragm

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Abstract

고정 전극(32)의 윗면에 유전체층(33)을 형성하고, 유전체층(33)의 표면에 리세스(34)를 요설한다. 리세스(34)를 덮도록 하여 유전체층(33)의 표면에 상기판(37)을 적층하고, 리세스(34)의 상방에 박막형상을 한 도전성 다이어프램(38)(상기판(37)의 일부분)을 배설한다. 리세스(34) 내에서 유전체층(33)의 표면에는, 다이어프램(38)을 접촉시키기 위한 제1 접촉면(35)과 제2 접촉면(36)이 형성되어 있다. 제1 접촉면(35)과 제2 접촉면(36)은 예를 들면 수평면이고, 제1 접촉면(35)과 제2 접촉면(36)은 수직면인 단차에 의해 떨어져 있다. 제2 접촉면(36)은 제1 접촉면(35)보다도 높은 위치에 있다.The dielectric layer 33 is formed on the upper surface of the fixed electrode 32, and the recess 34 is provided on the surface of the dielectric layer 33. A conductive diaphragm 38 (part of the plate 37) having the recess 34 covered thereon and the upper plate 37 laminated on the surface of the dielectric layer 33 and having a thin film shape above the recess 34. Excrete). The first contact surface 35 and the second contact surface 36 for contacting the diaphragm 38 are formed on the surface of the dielectric layer 33 in the recess 34. The first contact surface 35 and the second contact surface 36 are horizontal planes, for example, and the first contact surface 35 and the second contact surface 36 are separated by a step which is a vertical plane. The second contact surface 36 is at a position higher than the first contact surface 35.

Description

정전용량형 압력 센서와 그 제조 방법 및 입력 장치{CAPACITANCE TYPE PRESSURE SENSOR, METHOD FOR MANUFACTURING SAME, AND INPUT DEVICE}CAPACITANCE TYPE PRESSURE SENSOR, METHOD FOR MANUFACTURING SAME, AND INPUT DEVICE}

본 발명은 정전용량형 압력 센서와 그 제조 방법 및 입력 장치에 관한 것으로, 구체적으로는 압력으로 휘어진 다이어프램이 유전체층에 접촉하여 압력을 검지하는 터치모드의 정전용량형 압력 센서와 그 제조 방법에 관한 것이다. 또한, 당해 정전용량형 압력 센서를 응용한 입력 장치에 관한 것이다.
The present invention relates to a capacitive pressure sensor, a method for manufacturing the same, and an input device, and more particularly, to a capacitive pressure sensor in a touch mode in which a diaphragm bent by pressure contacts a dielectric layer and detects pressure. . The present invention also relates to an input device using the capacitive pressure sensor.

일반적인 정전용량형 압력 센서에서는, 도전성의 다이어프램(가동 전극)과 고정 전극이 갭을 사이에 두고 대향하고 있고, 압력으로 휘어진 다이어프램과 고정 전극 사이의 정전용량의 변화로부터 압력을 검출하고 있다. 그러나, 이 압력 센서가, 실리콘 기판 등을 이용하여 MEMS 기술로 제조된 마이크로 디바이스인 경우에는, 다이어프램에 큰 압력이 가해져서 크게 휘면, 다이어프램이 파괴될 우려가 있다.In a typical capacitive pressure sensor, a conductive diaphragm (movable electrode) and a fixed electrode are opposed to each other with a gap therebetween, and pressure is detected from a change in capacitance between the diaphragm and the fixed electrode that is bent by pressure. However, in the case where the pressure sensor is a micro device manufactured by MEMS technology using a silicon substrate or the like, if the diaphragm is subjected to a large pressure and largely bent, the diaphragm may be broken.

그 때문에, 고정 전극의 표면에 유전체층을 마련해 두고, 압력에 의해 휘어진 다이어프램이 유전체층에 접촉하고, 그 접촉면적의 변화에 의해 다이어프램과 고정 전극 사이의 정전용량이 변화하도록 한 압력 센서가 제안되어 있다. 이와 같은 압력 센서는, 터치모드 (정전)용량형 압력 센서라고 불리는 일이 있다.For this reason, a pressure sensor has been proposed in which a dielectric layer is provided on the surface of a fixed electrode, and a diaphragm bent by pressure contacts the dielectric layer, and the capacitance between the diaphragm and the fixed electrode changes by a change in the contact area thereof. Such a pressure sensor may be called a touch mode (capacitive) capacitive pressure sensor.

터치모드 정전용량형 압력 센서로서는, 예를 들면 비특허 문헌 1에 기재된 것이 있다. 도 1(A)는 비특허 문헌 1에 기재된 압력 센서(11)를 도시하는 단면도이다. 이 압력 센서(11)에서는, 유리 기판(12)의 윗면에 금속 박막으로 이루어지는 고정 전극(13)을 형성하고, 고정 전극(13)의 위에서 유리 기판(12)의 윗면에 유전체막(14)을 형성하고 있다. 유전체막(14)에는 스루홀(15)을 개구하고 있고, 유전체막(14)의 윗면에 마련된 전극 패드(16)는 스루홀(15)을 통과하여 고정 전극(13)에 접속되어 있다. 유전체막(14)의 윗면에는 실리콘 기판(17)이 적층되어 있고, 실리콘 기판(17)의 윗면에 오목부(18)를 마련함과 함께 하면에 리세스(19)를 마련하고, 오목부(18)와 리세스(19)의 사이에 박막형상의 다이어프램(20)을 형성하고 있다. 다이어프램(20)은 고정 전극(13)과 겹쳐지는 위치에 마련되어 있다. 또한, 실리콘 기판(17)의 하면은 B(붕소)가 고농도로 도핑된 P+층(21)으로 되어 있고, 그에 의해 다이어프램(20)에 도전성이 부여되어서 가동 전극의 기능을 갖고 있다. 다이어프램(20)의 하면과 유전체막(14)과의 사이에는, 리세스(19)에 의해 수㎛의 갭(22)이 생겨져 있다.As a touch mode capacitive pressure sensor, there exist some which are described in the nonpatent literature 1, for example. 1: (A) is sectional drawing which shows the pressure sensor 11 of nonpatent literature 1. As shown in FIG. In this pressure sensor 11, the fixed electrode 13 which consists of a metal thin film is formed in the upper surface of the glass substrate 12, and the dielectric film 14 is formed in the upper surface of the glass substrate 12 on the fixed electrode 13. Forming. The through hole 15 is opened in the dielectric film 14, and the electrode pad 16 provided on the upper surface of the dielectric film 14 passes through the through hole 15 and is connected to the fixed electrode 13. The silicon substrate 17 is laminated on the upper surface of the dielectric film 14, the recess 18 is provided on the upper surface of the silicon substrate 17, and the recess 19 is provided on the lower surface, and the recess 18 is provided. ) And the recesses 19 are formed with a thin diaphragm 20. The diaphragm 20 is provided in the position which overlaps with the fixed electrode 13. In addition, the lower surface of the silicon substrate 17 is a P + layer 21 doped with B (boron) at a high concentration, thereby providing conductivity to the diaphragm 20 and having the function of a movable electrode. Between the lower surface of the diaphragm 20 and the dielectric film 14, a gap 22 of several μm is formed by the recess 19.

도 1(B)는, 압력 센서(11)의 압력과 정전용량과의 관계(압력-용량 특성)를 도시하는 도면으로서, 비특허 문헌 1에 기재된 것이다. 압력 센서(11)의 다이어프램(20)에 압력이 가하여지면, 다이어프램(20)은 그 인가 압력에 응하여 휘고, 어느 압력에서 유전체막(14)에 접촉한다. 도 1(B)에서의 압력이 0부터 Pa까지의 구간(미접촉 영역)은, 다이어프램(20)이 유전체막(14)에 접촉하지 않은 상태이다. 압력이 Pa로부터 Pb까지의 구간(접촉 시작 영역)은, 다이어프램(20)이 유전체막(14)에 접촉하고 나서 어느 정도의 면적으로 확실하게 접촉하기 까지의 상태를 나타내고 있다. 압력이 Pb로부터 Pc까지의 구간(동작 영역)은, 압력의 증가에 수반하여 다이어프램(20)이 유전체막(14)에 접촉하고 있는 부분의 면적이 점차로 증가하고 있다. 압력이 Pc로부터 Pd까지의 구간(포화 영역)은, 다이어프램(20)의 거의 전면(全面)이 유전체막(14)에 접촉하고 있어서, 압력이 증가하여도 거의 접촉면적이 증가하지 않는 영역이다.FIG. 1B is a diagram illustrating a relationship (pressure-capacitance characteristic) between the pressure of the pressure sensor 11 and the capacitance, and is described in Non-Patent Document 1. As shown in FIG. When pressure is applied to the diaphragm 20 of the pressure sensor 11, the diaphragm 20 bends in response to the applied pressure and contacts the dielectric film 14 at a certain pressure. In the section (non-contact area) in which the pressure in FIG. 1B is from 0 to Pa, the diaphragm 20 is not in contact with the dielectric film 14. The section in which the pressure is from Pa to Pb (contact start region) represents a state from which the diaphragm 20 contacts the dielectric film 14 and then reliably contacts with a certain area. In the section where the pressure is from Pb to Pc (operation region), the area of the portion where the diaphragm 20 is in contact with the dielectric film 14 gradually increases with increasing pressure. In the section where the pressure is from Pc to Pd (saturation region), almost the entire surface of the diaphragm 20 is in contact with the dielectric film 14, so that the contact area is hardly increased even if the pressure is increased.

도 1(B)의 압력-용량 특성에 의하면, 다이어프램(20)이 접촉하지 않은 미접촉 영역에서는 정전용량의 변화는 작지만, 접촉 시작 영역이 되면 점차로 정전용량의 변화율(증가 속도)이 커진다. 또한, 동작 영역에서는 선형성(線形性)은 좋아지지만 정전용량의 변화율은 점차로 감소하고, 포화 영역이 되면 정전용량은 거의 증가하지 않게 된다.According to the pressure-capacitance characteristic of FIG. 1B, although the change of capacitance is small in the uncontacted region where the diaphragm 20 does not contact, the rate of change of capacitance (increase rate) gradually increases when the contact start region is reached. In addition, although linearity is improved in the operating region, the rate of change in capacitance gradually decreases, and when the saturated region is reached, the capacitance hardly increases.

이와 같은 터치모드의 압력 센서(11)에서는, 다이어프램(20)과 유전체막(14)과의 접촉면적을 S, 유전체막(14)의 두께를 d, 유전체막(14)의 유전률을 ε로 하면, 다이어프램(20)과 유전체막(14)의 사이에서의 정전용량(C)은, 다음의 수식 1로 나타낼 수 있다.In the pressure sensor 11 of the touch mode, if the contact area between the diaphragm 20 and the dielectric film 14 is S, the thickness of the dielectric film 14 is d, and the dielectric constant of the dielectric film 14 is? The capacitance C between the diaphragm 20 and the dielectric film 14 can be expressed by the following formula (1).

C=Co+ε·(S/d) … (수식 1) C = Co + ε · (S / d)... (Equation 1)

여기서, Co는 미접촉 영역에서의 정전용량이다.Here, Co is the capacitance in the non-contact region.

유전체막(14)의 두께(d)나 유전률(ε)은 변화하지 않기 때문에, 수식 1에 의하면, 압력(P)이 커지면 다이어프램(20)의 접촉면적(S)이 증대하고, 그 결과 압력 센서(11)의 정전용량(C)이 증가함을 알 수 있다. 그러나, 도 1(B)에 의하면, 압력-용량 특성은 접촉 시작부터 포화 영역에 걸쳐서는 포물선형상의 곡선을 그리고 있다. 그 때문에, 접촉면적(S)(또는, 정전용량차(C-Co))은, 정성적으로 말하여 거의 Pn(단, 0<n<1)에 비례하고 있다고 생각된다.Since the thickness d and the dielectric constant ε of the dielectric film 14 do not change, according to Equation 1, as the pressure P increases, the contact area S of the diaphragm 20 increases, and as a result, the pressure sensor It can be seen that the capacitance C of (11) increases. However, according to FIG. 1 (B), the pressure-capacitance characteristic draws a parabolic curve from the start of contact to the saturation region. Therefore, it is thought that the contact area S (or capacitance difference C-Co) is qualitatively proportional to P n ( where 0 <n <1).

그런데, 압력 센서에서는 저압력 영역에서는 고감도가 요구되는데, 고압력 영역에서는 저감도라도 좋은 경우가 많이 있고, 고압력 영역에서는 저감도로 누르고, 예를 들면 그 대신에 측정 레인지를 넓게 하고자 하는 경우가 있다.By the way, in a pressure sensor, although high sensitivity is calculated | required in the low pressure area | region, although a low sensitivity may be sufficient in a high pressure area | region, there are many cases where it presses with low sensitivity in a high pressure area | region, for example, may want to widen a measuring range instead.

그러나, 비특허 문헌 1에 기재된 바와 같은 압력 센서의 구조라면, 저압력 영역에서 고감도화하면 고압력 영역에서도 측정 감도가 높아져서, 저압력 영역에서는 고감도이고 고압력 영역에서는 저감도의 압력 센서를 제조하기는 어렵다. 또한, 다이어프램의 직경이나 두께, 유전체층의 유전률이나 두께 등의 값을 최적화하여 저압력 영역에서도 고압력 영역에서도 최적의 측정 감도를 얻으려고 하여도, 설계가 곤란하다.However, in the structure of the pressure sensor as described in Non-Patent Document 1, if the sensitivity is reduced in the low pressure region, the measurement sensitivity is increased in the high pressure region, and it is difficult to manufacture a pressure sensor with high sensitivity in the low pressure region and low sensitivity in the high pressure region. . Further, even if the diaphragm diameter and thickness, the dielectric constant and thickness of the dielectric layer are optimized to obtain the optimum measurement sensitivity in the low pressure region and the high pressure region, the design is difficult.

또한, 비특허 문헌 1에 기재된 압력 센서에서는, 측정하고 있는 압력이 측정 레인지의 최대치(최대 압력)에 달한 것을 검지하는 것이 곤란하고, 이것을 검지하려고 하면 후단 회로가 필요하게 되어 있다.In addition, in the pressure sensor described in Non-Patent Document 1, it is difficult to detect that the pressure being measured has reached the maximum value (maximum pressure) of the measurement range, and a rear end circuit is required if this is to be detected.

또한, 특허 문헌 1에는, 다이어프램과 대향하는 실리콘 기판의 윗면에 계단형상의 백업부를 마련한 반도체 압력 센서가 개시되어 있다. 그러나, 특허 문헌 1에 개시된 압력 센서는, 비틀림 검출 소자(피에조 저항)에 의해 다이어프램의 휨을 검지함으로써 압력을 검출하는 것으로서, 정전용량형의 압력 센서와는 다르다. 게다가, 이 압력 센서는 백업부의 모서리부(단차벽면의 상단)에 따라 다이어프램이 변형하도록 한 것에 지나지 않고, 저압력 영역과 고압력 영역에서 감도의 높이가 다르도록 하는 것이 아니다.In addition, Patent Document 1 discloses a semiconductor pressure sensor in which a stepped backup portion is provided on an upper surface of a silicon substrate facing a diaphragm. However, the pressure sensor disclosed in Patent Document 1 detects the pressure by detecting the deflection of the diaphragm by a torsion detecting element (piezo resistor), and is different from the capacitive pressure sensor. In addition, the pressure sensor merely causes the diaphragm to deform along the edges of the backup portion (upper end of the step wall surface), and does not allow the height of the sensitivity to be different in the low pressure region and the high pressure region.

특허 문헌 1 : 일본 특허 제3144314호 공보Patent Document 1: Japanese Patent No. 3144314

비특허 문헌 1 : 야마모토 민, 외 4명, 「터치모드 용량형 압력 센서」, 후지쿠라기보, 주식회사 후지쿠라, 2001년 10월, 제101호, p. 71-74[Non-Patent Document 1] Yamamoto Min, and 4 others, "Touch Mode Capacitive Pressure Sensor," Fujikuragibo, Fujikura Co., October 2001, No. 101, p. 71-74

본 발명은, 상기한 바와 같은 기술적 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 점은, 압력의 측정 범위에 응하여 용이하게 측정 감도를 바꿀 수 있고, 또한 압력이 측정 레인지의 최대치에 달한 것을 용이하게 검지할 수 있는 터치모드의 정전용량형 압력 센서와 그 제조 방법을 제공하는 것에 있다. 또한, 당해 센서를 응용한 입력 장치에 관한 것이다.
The present invention has been made in view of the above technical problem, and an object thereof is that the measurement sensitivity can be easily changed in response to the measurement range of pressure, and the pressure easily reaches the maximum value of the measurement range. The present invention provides a capacitive pressure sensor in a touch mode that can be detected and a manufacturing method thereof. Moreover, it is related with the input device which applied the said sensor.

본 발명에 관한 제1의 정전용량형 압력 센서는, 고정 전극과, 상기 고정 전극의 상방에 형성된 유전체층과, 상기 유전체층의 상방에 공극을 사이에 두고 형성된 도전성의 다이어프램을 구비한 정전용량형의 압력 센서에 있어서, 상기 유전체층 중 상기 다이어프램에 대향하는 부분은, 상기 다이어프램을 접촉시키기 위한 복수의 접촉 영역을 가지며, 상기 유전체층의 두께를 d, 상기 유전체층의 유전률을 ε로 하였을 때, 상기 각 접촉 영역 상호의 경계에서, 그 비(ε/d)의 값이 불연속으로 변화하고 있는 것을 특징으로 하고 있다. 또한, 각 접촉 영역 상호의 경계에서, 비(ε/d)의 값이 불연속으로 변화하고 있다는 것은, 접촉 영역끼리의 경계에서, 한쪽의 접촉 영역의 당해 경계에 직근(直近)의 위치에서의 ε/d의 값과, 한쪽의 접촉 영역의 당해 경계에 직근의 위치에서의 ε/d의 값이 다른 것을 말한다.A first capacitive pressure sensor according to the present invention is a capacitive pressure comprising a fixed electrode, a dielectric layer formed above the fixed electrode, and a conductive diaphragm formed with a gap between the dielectric layer and a gap therebetween. In the sensor, a portion of the dielectric layer facing the diaphragm has a plurality of contact regions for contacting the diaphragm, and when the thickness of the dielectric layer is d and the dielectric constant of the dielectric layer is? The value of the ratio (ε / d) is discontinuously changed at the boundary of. In addition, the value of ratio (epsilon / d) is discontinuously changing in the boundary of each contact area | region, It is epsilon at the position which is perpendicular to the said boundary of one contact area | region at the boundary of contact area | region. The value of / d and the value of (epsilon) / d in the position near to the said boundary of one contact area | region are different.

본 발명의 제1의 정전용량형 압력 센서에서는, 다이어프램의 접촉면이 접촉 영역의 경계를 초과하여 유전체층에 접촉하면, 접촉면적과 정전용량과의 관계(용량 특성)가 변화하기 때문에, 측정 압력의 범위에 의해 압력-용량 특성을 변화시킬 수 있다. 예를 들면, 저압력 영역에서는 측정 감도를 높게 하고, 고압력 영역에서는 측정 감도를 낮게 할 수 있다. 또한, 측정 레인지에서의 최고 압력의 검출도 용이해진다.In the first capacitive pressure sensor of the present invention, when the contact surface of the diaphragm contacts the dielectric layer beyond the boundary of the contact region, the relationship between the contact area and the capacitance (capacitance characteristic) changes, so the range of the measured pressure It is possible to change the pressure-capacity characteristics by For example, the measurement sensitivity can be made high in the low pressure region, and the measurement sensitivity can be made low in the high pressure region. In addition, detection of the highest pressure in the measurement range also becomes easy.

본 발명의 제1의 정전용량형 압력 센서의 어느 실시 양태로서는, 상기 각 접촉 영역 상호의 경계에서, 상기 유전체층의 두께를 불연속으로 변화시키면 좋다. 이 양태로서는, 유전체층의 표면측에서 두께를 바꾸어도 좋고, 이면측에서 두께를 바꾸어도 좋다.In one embodiment of the first capacitive pressure sensor of the present invention, the thickness of the dielectric layer may be changed discontinuously at the boundary between the respective contact regions. As this aspect, thickness may be changed in the surface side of a dielectric layer, and thickness may be changed in the back surface side.

표면측에서 유전체층의 두께를 바꾸는 경우에는, 상기 각 접촉 영역 상호의 경계에서, 상기 유전체층의 표면에 계단형상의 단차를 마련하면 좋다. 특히, 상기 각 접촉 영역의 표면을, 압력이 가하여지지 않은 상태에서의 상기 다이어프램으로부터의 거리가 서로 다르도록 하면 좋다. 이 경우에는, 다이어프램이 각 접촉 영역의 경계를 초과할 때에 다이어프램의 탄성이 불연속으로 변화하기 때문에, 측정 압력의 범위에 의해 압력-용량 특성을 보다 현저하게 변화시킬 수 있다.When the thickness of the dielectric layer is changed on the surface side, a stepped step may be provided on the surface of the dielectric layer at the boundary between the respective contact regions. In particular, the surfaces of the contact areas may be different from the diaphragm in a state where no pressure is applied. In this case, since the elasticity of the diaphragm changes discontinuously when the diaphragm exceeds the boundary of each contact area, the pressure-capacitance characteristic can be changed more remarkably by the range of the measured pressure.

본 발명의 제1의 정전용량형 압력 센서의 다른 실시 양태는, 상기 다이어프램에 가하여지는 압력이 커져 가면, 상기 다이어프램은 상기 비(ε/d)의 값이 작은 접촉 영역에 순차적으로 접촉하는 것을 특징으로 하고 있다. 이러한 실시 양태에 의하면, 저압력 영역에서 측정 감도를 높게 하고, 고압력 영역에서 측정 감도를 낮게 할 수 있다.According to another embodiment of the first capacitive pressure sensor of the present invention, when the pressure applied to the diaphragm increases, the diaphragm sequentially contacts a contact region having a small value of the ratio (ε / d). I am doing it. According to this embodiment, it is possible to increase the measurement sensitivity in the low pressure region and to decrease the measurement sensitivity in the high pressure region.

특히, 상기 각 접촉 영역의 표면을, 상기 유전체층의 저면부터 측정한 높이가, 상기 다이어프램에 점차로 큰 압력이 가하여진 경우에 상기 다이어프램이 접촉하는 순번에 따라서 순차적으로 높아지도록 구성하면, 저압력 영역에서 측정 감도를 높게 하고, 고압력 영역에서 측정 감도를 낮게 할 수 있다.Particularly, when the surface of each contact region is measured such that the height measured from the bottom of the dielectric layer is sequentially increased according to the order in which the diaphragms contact when a large pressure is gradually applied to the diaphragm, The measurement sensitivity can be made high and the measurement sensitivity can be made low in the high pressure region.

또한, 이면측에서 유전체층의 두께를 바꾸는 경우에는, 상기 다이어프램에 대향하는 영역에서 상기 고정 전극의 윗면에 계단형상의 단차를 형성하여 두면 좋다. 이 경우에는, 상기 각 접촉 영역의 표면을, 전체로서 평탄하게 형성할 수도 있고, 다이어프램을 순조롭게 변형시킬 수 있다.In the case where the thickness of the dielectric layer is changed on the rear surface side, a stepped step may be formed on the upper surface of the fixed electrode in a region facing the diaphragm. In this case, the surface of each said contact area | region can also be formed flat as a whole, and a diaphragm can be deformed smoothly.

특히, 상기 접촉면의 아래에서의 유전체층의 두께가, 상기 다이어프램에 점차로 큰 압력이 가하여진 경우에 상기 다이어프램이 접촉하는 순번에 따라서 순차적으로 두꺼워지도록 구성하면, 저압력 영역에서 측정 감도를 높게 하고, 고압력 영역에서 측정 감도를 낮게 할 수 있다.In particular, when the thickness of the dielectric layer under the contact surface is configured to thicken sequentially in the order in which the diaphragm comes in contact when the diaphragm is gradually applied with high pressure, the measurement sensitivity is increased in the low pressure region, and the high pressure is applied. It is possible to lower the measurement sensitivity in the area.

상기 접촉 영역의 표면이, 모두 압력이 가하여지지 않은 상태에서의 상기 다이어프램과 평행한 평면이 되도록 하면, 유전체층의 표면의 가공이 용이해진다.When the surface of the contact area is a plane parallel to the diaphragm in a state where no pressure is applied, the surface of the dielectric layer is easily processed.

본 발명의 제1의 정전용량형 압력 센서의 또 다른 실시 양태로서는, 상기 각 접촉 영역 상호의 경계에서, 상기 유전체층의 유전률이 불연속으로 변화하고 있어도 좋다. 이 경우에도, 다이어프램의 접촉면이 접촉 영역의 경계를 초과하여 유전체층에 접촉하면, 접촉면적과 정전용량과의 관계(용량 특성)가 변화하기 때문에, 측정 압력의 범위에 의해 압력-용량 특성을 변화시킬 수 있다. 예를 들면, 저압력 영역에서는 측정 감도를 높게 하고, 고압력 영역에서는 측정 감도를 낮게 할 수 있다.As still another embodiment of the first capacitive pressure sensor of the present invention, the dielectric constant of the dielectric layer may be discontinuously changed at the boundary between the respective contact regions. Even in this case, when the contact surface of the diaphragm contacts the dielectric layer beyond the boundary of the contact region, the relationship between the contact area and the capacitance (capacitance characteristic) changes, so that the pressure-capacitance characteristic may be changed by the range of the measured pressure. Can be. For example, the measurement sensitivity can be made high in the low pressure region, and the measurement sensitivity can be made low in the high pressure region.

본 발명에 관한 제2의 정전용량형 압력 센서는, 고정 전극과, 상기 고정 전극의 상방에 형성된 유전체층과, 상기 유전체층의 상방에 공극을 사이에 두고 형성된 도전성의 다이어프램을 구비한 정전용량형의 압력 센서에 있어서, 상기 유전체층 중 상기 다이어프램에 대향하는 부분은, 상기 다이어프램을 접촉시키기 위한 복수의 접촉 영역을 가지며, 상기 각 접촉 영역 상호의 경계에서, 상기 유전체층의 표면이 계단형상의 단차를 갖고 있는 것을 특징으로 하고 있다.A second capacitive pressure sensor according to the present invention is a capacitive pressure comprising a fixed electrode, a dielectric layer formed above the fixed electrode, and a conductive diaphragm formed with a gap therebetween. In the sensor, a portion of the dielectric layer facing the diaphragm has a plurality of contact regions for contacting the diaphragm, and at the boundary between the contact regions, the surface of the dielectric layer has a stepped step. It features.

본 발명의 제2의 정전용량형 압력 센서에서는, 다이어프램이 각 접촉 영역의 경계를 초과할 때에 다이어프램의 탄성이 불연속으로 변화하기 때문에, 측정 압력의 범위에 의해 압력-용량 특성을 보다 현저하게 변화시킬 수 있다. 예를 들면, 저압력 영역에서는 측정 감도를 높게 하고, 고압력 영역에서는 측정 감도를 낮게 할 수 있다.In the second capacitive pressure sensor of the present invention, since the elasticity of the diaphragm is discontinuously changed when the diaphragm exceeds the boundary of each contact area, the pressure-capacitance characteristic can be changed more remarkably by the range of the measured pressure. Can be. For example, the measurement sensitivity can be made high in the low pressure region, and the measurement sensitivity can be made low in the high pressure region.

본 발명에 관한 정전용량형 압력 센서의 제조 방법은, 유전체층의 표면측에 단차를 부여하여 접촉 영역의 두께를 다르게 한 정전용량형 압력 센서를 제조하기 위한 방법으로서, 상기 고정 전극의 상방에 제1의 유전체막을 형성하는 공정과, 에칭에 의해 상기 제1의 유전체막을 부분적으로 제거하여, 계단형상의 테두리(緣)를 갖는 제1의 개구를 형성하는 공정과, 상기 제1의 유전체막의 위로부터 상기 고정 전극의 상방에 제2의 유전체막을 형성하는 공정과, 에칭에 의해 상기 제2의 유전체막을 부분적으로 제거하여, 계단형상의 테두리를 갖는 제2의 개구를 형성하는 공정과, 상기 제1 및 제2의 유전체막의 위로부터 상기 고정 전극의 상방에 제3의 유전체막을 형성하는 공정을 구비하고 있다. 또한, 제1의 개구는, 제1의 유전체막을 관통하고 있을 필요는 없다. 제2의 개구도, 제2의 유전체막을 관통하고 있을 필요는 없다. 또한, 상기 제2의 개구는, 상기 제1의 개구보다도 면적이 작아지도록 하여도 좋고, 커지도록 하여도 좋다.
A method for manufacturing a capacitive pressure sensor according to the present invention is a method for manufacturing a capacitive pressure sensor in which a step is provided on the surface side of a dielectric layer to vary the thickness of a contact region, the first being above the fixed electrode. A step of forming a dielectric film of the above, a step of partially removing the first dielectric film by etching to form a first opening having a stepped edge, and from above the first dielectric film Forming a second dielectric film above the fixed electrode; partially removing the second dielectric film by etching to form a second opening having a stepped edge; and the first and second A step of forming a third dielectric film above the fixed electrode from above the second dielectric film is provided. In addition, the first opening need not penetrate the first dielectric film. The second opening need not also penetrate the second dielectric film. In addition, the area of the second opening may be made smaller or larger than that of the first opening.

이러한 제조 방법에 의하면, 간단한 MEMS 공정에 의해 유전체층의 표면측에 단차를 부여하여 접촉 영역의 두께를 다르게 한 정전용량형 압력 센서를 제조할 수 있다.
According to this manufacturing method, it is possible to manufacture a capacitive pressure sensor in which the thickness of the contact region is varied by providing a step on the surface side of the dielectric layer by a simple MEMS process.

도 1(A)는 종래예에 의한 압력 센서를 도시하는 개략 단면도. 도 1(B)는, 도 1(A)에 도시하는 종래예의 압력 센서에서의 압력과 정전용량과의 관계를 도시하는 도면.
도 2(A)는 본 발명의 실시 형태 1에 관한 압력 센서의 개략 평면도. 도 2(B)는, 도 2(A)의 X-X선에 따른 개략 단면도.
도 3(A) 및 도 3(B)는 본 발명의 실시 형태 1에 관한 압력 센서의 다이어프램을 제외한 상태의 개략 평면도 및 개략 단면도.
도 4(A) 내지 도 4(D)는 다이어프램에 점차로 큰 압력이 가하여진 때의, 다이어프램의 변형 상태를 도시하는 설명도.
도 5는 본 발명의 실시예에 의한 압력 센서와 종래예의 압력 센서에서의 압력과 정전용량의 변화율과의 관계를 도시하는 도면.
도 6(A) 내지 도 6(E)는 본 발명의 실시 형태 1에 관한 압력 센서의 제조 공정을 설명하는 단면도.
도 7(A) 내지 도 7(D)는 동상(同上)의 압력 센서의 제조 공정을 설명하는 단면도로서, 도 6(E)에 계속된 공정을 도시하는 도면.
도 8(A) 내지 도 8(C)는 동상의 압력 센서의 제조 공정을 설명하는 단면도로서, 도 7(D)에 계속된 공정을 도시하는 도면.
도 9(A) 및 도 9(B)는 동상의 압력 센서의 제조 공정을 설명하는 단면도로서, 도 8(C)에 계속된 공정을 도시하는 도면.
도 10(A)는 본 발명의 실시 형태 2에 관한 압력 센서의 개략 평면도. 도 10(B)는, 당해 압력 센서에 사용되고 있는 유전체층의 개략 평면도.
도 11은 본 발명의 실시 형태 3에 관한 압력 센서의 개략 단면도.
도 12는 본 발명의 실시 형태 4에 관한 압력 센서의 개략 단면도.
도 13은 본 발명의 실시 형태 5에 관한 압력 센서의 개략 단면도.
도 14는 본 발명의 실시 형태 6에 관한 압력 센서의 개략 단면도.
도 15는 본 발명의 실시 형태 7에 관한 입력 장치의 개략 단면도.
1 (A) is a schematic sectional view showing a pressure sensor according to a conventional example. Fig. 1B is a diagram showing a relationship between pressure and capacitance in a pressure sensor of the conventional example shown in Fig. 1A.
2A is a schematic plan view of a pressure sensor according to Embodiment 1 of the present invention. (B) is a schematic sectional drawing along the XX line of FIG. 2 (A).
3 (A) and 3 (B) are a schematic plan view and a schematic sectional view of a state in which the diaphragm of the pressure sensor according to Embodiment 1 of the present invention is excluded.
4A to 4D are explanatory diagrams showing a deformed state of the diaphragm when a large pressure is gradually applied to the diaphragm.
Fig. 5 is a diagram showing the relationship between the pressure and the rate of change of capacitance in the pressure sensor according to the embodiment of the present invention and the pressure sensor of the conventional example.
6A to 6E are cross-sectional views illustrating a manufacturing process of the pressure sensor according to the first embodiment of the present invention.
7A to 7D are cross-sectional views illustrating a manufacturing process of the in-phase pressure sensor, illustrating a process following FIG. 6E.
8A to 8C are cross-sectional views illustrating the manufacturing steps of the in-phase pressure sensor, showing a process following FIG. 7D.
9 (A) and 9 (B) are cross-sectional views illustrating a manufacturing process of an in-phase pressure sensor, showing a process following FIG. 8 (C).
10A is a schematic plan view of a pressure sensor according to Embodiment 2 of the present invention. 10B is a schematic plan view of the dielectric layer used in the pressure sensor.
11 is a schematic sectional view of a pressure sensor according to Embodiment 3 of the present invention.
12 is a schematic sectional view of a pressure sensor according to Embodiment 4 of the present invention.
13 is a schematic cross-sectional view of a pressure sensor according to Embodiment 5 of the present invention.
14 is a schematic sectional view of a pressure sensor according to Embodiment 6 of the present invention.
15 is a schematic cross-sectional view of an input device according to Embodiment 7 of the present invention.

이하, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 알맞은 실시 형태를 설명한다. 단, 본 발명은 이하의 실시 형태로 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 여러가지 설계 변경할 수 있다.Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the following embodiments, and various design modifications can be made without departing from the gist of the present invention.

(실시 형태 1)(Embodiment 1)

이하, 도 2 및 도 3을 참조하고 본 발명의 실시 형태에 의한 압력 센서(11)의 구조를 설명한다. 도 2(A)는 압력 센서(11)의 개략 평면도, 도 2(B)는 도 2(A)의 X-X선 단면도이다. 또한, 도 3(A)는, 압력 센서(11)에 사용되고 있는 유전체층(33)을 도시하는 개략 평면도, 도 3(B)는, 압력 센서(11)에 사용되고 있는 고정 전극(32) 및 유전체층(33)을 도시하는 개략 단면도이다.Hereinafter, the structure of the pressure sensor 11 by embodiment of this invention is demonstrated with reference to FIG. 2 and FIG. FIG. 2 (A) is a schematic plan view of the pressure sensor 11, and FIG. 2 (B) is a sectional view taken along the line X-X of FIG. 2 (A). 3 (A) is a schematic plan view showing the dielectric layer 33 used for the pressure sensor 11, and FIG. 3 (B) shows the fixed electrode 32 and the dielectric layer (used in the pressure sensor 11). It is a schematic sectional drawing which shows 33).

이 압력 센서(11)에서는, 저저항 실리콘 기판이나 금속막 등의 도전성 재료로 이루어지는 고정 전극(32)의 위에 유전체층(33)이 형성되어 있다. 유전체층(33)은, SiO2, SiN, TEOS 등의 유전체 재료로 이루어진다. 유전체층(33)은, 그 윗면에 리세스(34)(오목부)가 요설(凹設)되어 있다. 리세스(34) 내에는, 유전체층(33)의 하면부터 측정한 높이가 다른 복수의 접촉면(접촉 영역의 표면)이 형성되어 있다. 도시례에서는, 리세스(34)의 중앙부에 원형에 마련된 저위치의 제1 접촉면(35)과, 제1 접촉면(35)의 주위에 원환형상으로 마련된 고위치의 제2 접촉면(36)이 마련되어 있다. 제1 접촉면(35)과 제2 접촉면(36) 사이의 경계는, 유전체층(33)의 하면에 수직한 수직면(이하, 단차벽면(段差璧面)이라고 한다)으로 되어 있고, 제1 접촉면(35)과 제2 접촉면(36)의 사이에서는 접촉면의 높이가 계단형상으로 변화하고 있다.In this pressure sensor 11, the dielectric layer 33 is formed on the fixed electrode 32 which consists of electroconductive materials, such as a low resistance silicon substrate and a metal film. The dielectric layer 33 is made of a dielectric material such as SiO 2 , SiN, TEOS, or the like. A recess 34 (concave portion) is provided on the upper surface of the dielectric layer 33. In the recess 34, a plurality of contact surfaces (surfaces of the contact regions) having different heights measured from the lower surface of the dielectric layer 33 are formed. In the example of illustration, the 1st contact surface 35 of the low position provided circularly in the center part of the recess 34, and the 2nd contact surface 36 of the high position provided in the annular shape around the 1st contact surface 35 are provided. have. The boundary between the first contact surface 35 and the second contact surface 36 is a vertical plane perpendicular to the lower surface of the dielectric layer 33 (hereinafter referred to as step wall surface), and the first contact surface 35 ) And the second contact surface 36, the height of the contact surface is changing in a step shape.

유전체층(33)의 윗면에는, 저저항 실리콘 기판 등의 도전성 재료로 이루어지는 박막형상의 상기판(上基板)(37)이 형성되어 있다. 상기판(37)은, 리세스(34)의 윗면을 덮고 있다. 상기판(37)의 윗면에는 금속재료에 의해 상전극(上電極) 패드(40)나 배선(41)이 마련되어 있고, 상전극 패드(40)나 배선(41)은 상기판(37)과 도통하고 있다. 또한, 상기판(37)의 윗면은 SiO2나 SiN 등의 절연막이나 폴리이미드 등의 수지로 이루어지는 보호막(39)에 의해 덮여 있다. 상전극 패드(40)는 보호막(39)으로부터 노출하고 있다. 이리하여 상기판(37) 및 보호막(39) 중, 리세스(34)의 상방에서 공중에서 수평하게 편 영역에 의해, 감압용의 다이어프램(38)이 형성되어 있다.On the upper surface of the dielectric layer 33, a thin film-like upper plate 37 made of a conductive material such as a low resistance silicon substrate is formed. The said board 37 has covered the upper surface of the recess 34. As shown in FIG. An upper electrode pad 40 or a wiring 41 is provided on the upper surface of the upper plate 37 by a metal material, and the upper electrode pad 40 or the wiring 41 is electrically connected to the upper plate 37. Doing. The upper surface of the plate 37 is covered with a protective film 39 made of an insulating film such as SiO 2 or SiN or a resin such as polyimide. The upper electrode pad 40 is exposed from the protective film 39. Thus, the diaphragm for pressure reduction is formed by the area | region which horizontally aired from the upper side of the recess 34 among the said board 37 and the protective film 39.

이 압력 센서(11)에서는, 다이어프램(38)에 압력이 가하여진다. 도 4(A) 내지 (D)는, 가압체(43)의 유연한 선단부로 다이어프램(38)을 누른 때의 양상을 도시하고 있다. 도 4(A)로부터 도 4(D)를 향하여 점차로 압력이 커지고 있다. 이 때의 정전용량의 변화는, 정성적으로 이하와 같이 된다.In this pressure sensor 11, pressure is applied to the diaphragm 38. 4A to 4D show aspects when the diaphragm 38 is pressed by the flexible tip of the pressing body 43. The pressure gradually increases from FIG. 4A toward FIG. 4D. The change in capacitance at this time is qualitatively as follows.

다이어프램(38)이 작은 압력으로 눌려져서 유전체층(33)에 접촉하지 않은 상태로부터 도 4(A)와 같이 다이어프램(38)이 유전체층(33)에 가볍게 접촉하기 전의 동안에서는, 다이어프램(38)과 고정 전극(32) 사이의 정전용량의 변화는 작고, 거의 일정하다고 생각하여도 좋다. 이 때의 정전용량(일정치)을 Co으로 나타낸다.The diaphragm 38 is fixed with the diaphragm 38 while the diaphragm 38 is pressed at a small pressure and does not contact the dielectric layer 33 before the diaphragm 38 lightly contacts the dielectric layer 33 as shown in Fig. 4A. The change in capacitance between the electrodes 32 may be considered small and almost constant. The capacitance at this time (constant) is represented by Co.

다이어프램(38)에 가하여지는 압력이 점차로 커져서 제1 접촉면(35)에 접촉하고, 도 4(B)와 같이 다이어프램(38)이 제1 접촉면(35)에 접촉하는 면적(S1)이 점차로 커지면, 그에 따라 다이어프램(38)과 고정 전극(32) 사이의 정전용량(C)은, 다음의 수식 2와 같이 변화한다.When the pressure applied to the diaphragm 38 gradually increases to contact the first contact surface 35, and as shown in FIG. 4B, the area S1 at which the diaphragm 38 contacts the first contact surface 35 gradually increases, As a result, the capacitance C between the diaphragm 38 and the fixed electrode 32 changes as shown in Equation 2 below.

C=Co+(ε/d1)S1 … (수식 2) C = Co + (? / D1) S1... (Equation 2)

또는, ΔC=(C-Co)/Co을 비정전용량이라고 정의하면,Alternatively, if ΔC = (C-Co) / Co is defined as the specific capacitance,

ΔC=(C-Co)/Co=(ε·S1)/(d1·Co) … (수식 3) ΔC = (C-Co) / Co = (ε · S1) / (d1 · Co)... (Equation 3)

이 된다. 여기서, ε는 유전체층(33)의 유전률, d1는 제1 접촉면(35)의 아래의 유전체층(33)(접촉 영역)의 두께이다.. Is the dielectric constant of the dielectric layer 33, and d1 is the thickness of the dielectric layer 33 (contact region) below the first contact surface 35. In the example of FIG.

다이어프램(38)에 가하여지는 압력이 커져서 다이어프램(38)이 단차벽면의 상단에 닿으면, 다이어프램(38)은 그곳부터 점차로 제2 접촉면(36)에 접촉을 시작한다. 도 4(C)에 도시하는 바와 같이, 다이어프램(38)이 제2 접촉면(36)의 모서리(角)(단차벽면의 상단)에 접촉한 때의 정전용량(C)은, 다이어프램(38)의 제1 접촉면(35)에의 최대 접촉면적을 S1max로 하면, 다음의 수식 4로 나타난다.When the pressure exerted on the diaphragm 38 increases and the diaphragm 38 reaches the upper end of the stepped wall surface, the diaphragm 38 gradually starts to contact the second contact surface 36 therefrom. As shown in FIG. 4C, the capacitance C when the diaphragm 38 contacts the edge (the upper end of the step wall surface) of the second contact surface 36 is determined by the diaphragm 38. When the maximum contact area with respect to the 1st contact surface 35 is set to S1max, it is represented by following formula (4).

C=Co+(ε/d1)S1max … (수식 4) C = Co + (ε / d 1) S 1 max. (Equation 4)

또는, ΔC=(C-Co)/Co=(ε·S1mac)/(d1·Co) … (수식 5)Or ΔC = (C-Co) / Co = (ε · S1mac) / (d1 · Co)... (Equation 5)

더욱 다이어프램(38)에 가하여지는 압력이 커지면, 다이어프램(38)이 제2 접촉면(36)에 접촉하는 면적이 점차로 커진다. 다이어프램(38)이 접촉면적(S2)으로 제2 접촉면(36)에 접촉할 때의 정전용량(C)은, 다음의 수식 6으로 나타난다.Further, as the pressure applied to the diaphragm 38 increases, the area where the diaphragm 38 contacts the second contact surface 36 gradually increases. The capacitance C when the diaphragm 38 contacts the second contact surface 36 with the contact area S2 is represented by the following expression (6).

C=Co+(ε/d1)S1max+(ε/d2)S2 … (수식 6) C = Co + (ε / d 1) S 1 max + (ε / d 2) S 2. (Equation 6)

또는, ΔC=(ε·S1mac)/(d1·Co)+(ε·S2)/(d2·Co) … (수식 7)Or ΔC = (εS1mac) / (d1Co) + (εS2) / (d2Co)... (Formula 7)

여기서, d2는 제2 접촉면(36)의 아래에서의 유전체층(33)(접촉 영역)의 두께이다.Here, d2 is the thickness of the dielectric layer 33 (contact area) below the second contact surface 36.

상기 수식 3에서의 접촉면적(S1)의 계수와 상기 수식 7에서의 접촉면적(S2)의 계수는 다르다. 따라서 다이어프램(38)이 제1 접촉면(35)에 접촉하고 있을 때의 압력-용량 특성의 변화의 방식과, 다이어프램(38)이 제2 접촉면(36)에 접촉하고 있을 때의 압력-용량 특성의 변화의 방식이 다름을 알 수 있다. 특히, 제1 접촉면(35)의 아래의 유전체층(33)의 두께(d1)가, 제2 접촉면(36)의 아래의 유전체층(33)의 두께(d2)보다도 얇으면, 저압력 영역에서의 측정 감도가 높아지고, 고압력 영역에서의 측정 감도가 낮아짐을 알 수 있다.The coefficient of the contact area S1 in Equation 3 is different from the coefficient of the contact area S2 in Equation 7. Therefore, the pressure-capacity characteristics change when the diaphragm 38 is in contact with the first contact surface 35 and the pressure-capacity characteristics when the diaphragm 38 is in contact with the second contact surface 36. We can see that the way of change is different. In particular, when the thickness d1 of the dielectric layer 33 below the first contact surface 35 is smaller than the thickness d2 of the dielectric layer 33 below the second contact surface 36, the measurement in the low pressure region is performed. It turns out that a sensitivity becomes high and the measurement sensitivity in a high pressure area becomes low.

또한, 다이어프램(38)의 접촉면적이 증가하면, 다이어프램(38)의 자유롭게 변형할 수 있는 영역의 면적이 작아지기 때문에, 점차로 다이어프램(38)의 탄성이 높아져 간다. 그리고, 다이어프램(38)이 제2 접촉면(36)의 모서리(단차벽면의 상단)에 당접(當接)한 때에는, 다이어프램(38)의 자유롭게 변형할 수 있는 영역의 면적이 불연속적으로 작아지기 때문에, 다이어프램(38)이 제2 접촉면(36)의 모서리에 당접하기 전후에서 다이어프램(38)의 탄성은 갑자기 높아진다. 이 결과, 다이어프램(38)이 제1 접촉면(35)에 접촉하고 있는 상태에서는 측정 감도가 높고, 다이어프램(38)이 제2 접촉면(36)에 접촉하고 있는 상태에서는 측정 감도가 낮아진다. 따라서, 실시 형태 1의 압력 센서(31)에서는, 이와 같은 현상에 의해서도 저압력 영역에서의 측정 감도가 높아지고, 고압력 영역에서의 측정 감도가 낮아진다.In addition, when the contact area of the diaphragm 38 increases, the area of the freely deformable area of the diaphragm 38 becomes small, so that the elasticity of the diaphragm 38 gradually increases. And when the diaphragm 38 abuts on the edge (the upper end of the step wall surface) of the second contact surface 36, the area of the freely deformable area of the diaphragm 38 becomes discontinuously small. The elasticity of the diaphragm 38 suddenly increases before and after the diaphragm 38 abuts the edge of the second contact surface 36. As a result, the measurement sensitivity is high when the diaphragm 38 is in contact with the first contact surface 35, and the measurement sensitivity is low when the diaphragm 38 is in contact with the second contact surface 36. Therefore, in the pressure sensor 31 of Embodiment 1, even in such a phenomenon, the measurement sensitivity in a low pressure area | region becomes high and the measurement sensitivity in a high pressure area | region becomes low.

도 5는, 본 발명의 실시 형태 1에 의한 압력 센서(실시 형태 1)에서의 압력-용량 특성과, 비특허 문헌 1에 기재된 압력 센서(종래예)의 압력-용량 특성을 비교하여 도시한 도면이다. 이러한 특성은 시뮬레이션에 의해 얻은 것이다. 도 5의 횡축은 압력(P)을 나타내고, 종축은 다이어프램(가동 전극)과 고정 전극 사이의 비정전용량(ΔC)=(C-Co)/Co을 나타내고 있다. 여기서, C는 압력이 P일 때의 정전용량이고, Co은 비접촉 영역에서의 정전용량이다.FIG. 5 shows the pressure-capacity characteristics of the pressure sensor (Embodiment 1) according to Embodiment 1 of the present invention and the pressure-capacity characteristics of the pressure sensor (conventional example) described in Non-Patent Document 1. FIG. to be. This property is obtained by simulation. 5, the horizontal axis represents pressure P, and the vertical axis represents specific capacitance ΔC = (C-Co) / Co between the diaphragm (movable electrode) and the fixed electrode. Here, C is the capacitance when the pressure is P, Co is the capacitance in the non-contact region.

다이어프램(38)의 접촉면적은, 거의(Pn)(단, 0<n<1)에 비례하기 때문에, 수식 2-4로 표현된 압력-용량 특성은 포물선형상의 곡선을 그린다. 따라서 수식 2-4와 도 5는 정합(整合)하고 있다.Since the contact area of the diaphragm 38 is almost proportional to (P n ) ( where 0 <n <1), the pressure-capacity characteristic represented by Equation 2-4 draws a parabolic curve. Therefore, Equations 2-4 and 5 are matched.

단, 종래예의 압력 센서의 압력-용량 특성은 전역(全域)에 걸쳐 포물선형상으로 매끈하게 변화함에 대해, 실시 형태 1의 압력 센서의 압력-용량 특성은, 다이어프램(38)이 제1, 제2 접촉면(35, 36) 사이의 단차벽면의 상단에 당접한 때의 압력 Pe의 전후에서 변화의 방식이 다르다.However, while the pressure-capacity characteristics of the pressure sensor of the conventional example are smoothly changed in a parabolic shape over the whole, the pressure-capacity characteristics of the pressure sensor of the first embodiment are the first and second diaphragms 38. The manner of change is different before and after the pressure Pe when abutting the upper end of the stepped wall surface between the contact surfaces 35 and 36.

즉, 종래예의 압력 센서에서는, 측정 레인지의 전체에서 측정 감도의 변화의 방식이 일정한 규칙에 따르고 있다. 그 때문에, 저압력 영역에서 소망하는 측정 감도를 얻을 수 있도록 설계하면, 그에 의해 고압력 영역에서의 측정 감도도 정하여져서, 임의로 저압력 영역에서 고감도가 되고 고압력 영역에서 저감도가 되도록 설계할 수가 없다. 마찬가지로, 압력의 측정 레인지에 있어서의 최대 압력(Pf)의 부근에서의 정전용량의 포화 상태도 임의로 설계할 수가 없다.That is, in the pressure sensor of the prior art, the method of the change of the measurement sensitivity in the whole measurement range is following the constant rule. Therefore, if it is designed so that a desired measurement sensitivity can be obtained in the low pressure region, the measurement sensitivity in the high pressure region is also determined thereby, so that it cannot be designed so as to be arbitrarily high in the low pressure region and low in the high pressure region. Similarly, the saturation state of the capacitance near the maximum pressure Pf in the pressure measurement range cannot be arbitrarily designed.

이에 대해, 본 발명의 실시 형태 1에 의한 압력 센서(11)에서는, 압력이 Pe보다도 작고 다이어프램(38)이 제1 접촉면(35)에만 접촉하고 있는 상태(저압력 영역)에서는, 측정 감도가 높아지도록 설계되어 있다. 그러나, 압력이 Pe보다도 크고 다이어프램(38)이 제2 접촉면(36)에도 접촉하고 있는 상태(고압력 영역)에서는, 제2 접촉면(36)의 아래의 유전체층(33)의 두께(d2)가 제1 접촉면(35)의 아래의 유전체층(33)의 두께(d1)보다도 크기 때문에, 측정 감도는 저압력 영역보다도 낮아진다. 따라서 실시 형태 1에 의하면, 저압력 영역에서 측정 감도가 높고, 고압력 영역에서 측정 감도가 낮은 압력 센서(11)를 제작할 수 있다. 또한, 고압력 영역에서는 측정 감도가 낮아도 좋기 때문에, 제2 접촉면(36)의 아래의 유전체층(33)의 두께(d2)나 제2 접촉면(36)의 면적을 적당하게 선택함에 의해, 측정 레인지의 최고 압력(Pf)에서 정전용량이 그 포화치에 근접하여 정전용량의 변화가 작아지도록 설계할 수 있다. 따라서, 정전용량의 변화로부터 측정하고 있는 압력(P)이 거의 최고 압력(Pf)이 된 것을 검지할 수 있다.In contrast, in the pressure sensor 11 according to the first embodiment of the present invention, in the state where the pressure is smaller than Pe and the diaphragm 38 contacts only the first contact surface 35 (low pressure region), the measurement sensitivity is high. It is designed to be. However, in a state where the pressure is larger than Pe and the diaphragm 38 is also in contact with the second contact surface 36 (high pressure region), the thickness d2 of the dielectric layer 33 below the second contact surface 36 is the first. Since it is larger than the thickness d1 of the dielectric layer 33 below the contact surface 35, the measurement sensitivity is lower than that of the low pressure region. Therefore, according to Embodiment 1, the pressure sensor 11 which has high measurement sensitivity in the low pressure area | region and low measurement sensitivity in the high pressure area | region can be manufactured. In addition, since the measurement sensitivity may be low in the high pressure region, by selecting the thickness d2 of the dielectric layer 33 below the second contact surface 36 or the area of the second contact surface 36 appropriately, the maximum of the measurement range is achieved. The capacitance can be designed so that the change in capacitance becomes small as the capacitance approaches the saturation value at the pressure Pf. Therefore, it can be detected that the pressure P measured from the change of capacitance becomes almost the maximum pressure Pf.

다음에, 상기 압력 센서(11)의 제조 공정을 설명한다. 도 6 내지 도 9는, 압력 센서(11)의 제조 공정을 구체적으로 도시한 도면이다. 또한, 도 6 내지 도 9의 제조 공정에서는, 1개의 압력 센서를 제조하는 공정을 설명하지만, 통상은, 웨이퍼상에서 복수개의 압력 센서를 한번에 제작한다.Next, the manufacturing process of the said pressure sensor 11 is demonstrated. 6 to 9 are views showing in detail the manufacturing process of the pressure sensor 11. In addition, although the manufacturing process of FIGS. 6-9 demonstrates the process of manufacturing one pressure sensor, normally, several pressure sensors are produced on a wafer at once.

압력 센서(11)는, 상기판측과 고정 전극측으로 나누어서 제조된다. 우선, 상기판측의 제조 방법을 도 6(A) 내지 (E)에 의해 설명한다. 도 6(A)는, 실리콘 기판 등으로 이루어지는 상기판(37)의 윗면 전체에, 스퍼터나 증착에 의해 Al이나 Au 등의 금속막(40a)을 성막한 상태를 도시하고 있다. 상기판(37)의 위의 금속막(40a)은 포토 리소그래피 공정에 의해 패터닝되고, 도 6(B)에 도시하는 바와 같이, 상기판(37)의 윗면에 금속막(40a)으로 이루어지는 상전극 패드(40)나 배선(41)이 형성된다. 계속해서, 상전극 패드(40)나 배선(41)의 위로부터 상기판(37)의 윗면 전체를, 도 6(C)에 도시하는 바와 같이, 스퍼터나 CVD, 코팅 등의 방법에 의해 SiO2 등의 절연막이나 폴리이미드 등의 수지 재료로 이루어지는 보호막(39)으로 덮는다. 보호막(39)은 상전극 패드(40)의 윗면에서 부분적으로 개구창(50)이 마련되고, 도 6(D)에 도시하는 바와 같이, 상전극 패드(40)는 보호막(39)으로부터 적어도 일부가 노출된다. 보호막(39)을 개구하는 방법으로서는, 반응성 가스에 의해 드라이 에칭하여도 좋고, 약액(에칭액)을 이용하여 웨트 에칭하여도 좋다. 이 후, 상기판(37)의 하면을 연삭 및 연마, 또는 에칭함에 의해, 도 6(E)와 같이 상기판(37)의 두께를 얇게 하고, 상기판(37) 및 보호막(39)으로 이루어지는 박막형상의 다이어프램(38)을 형성한다.The pressure sensor 11 is manufactured by dividing into the said board side and the fixed electrode side. First, the manufacturing method of the said board side is demonstrated by FIG. 6 (A)-(E). FIG. 6 (A) shows a state where a metal film 40a such as Al or Au is formed by sputtering or vapor deposition on the entire upper surface of the plate 37 made of a silicon substrate or the like. The metal film 40a on the plate 37 is patterned by a photolithography process, and as shown in Fig. 6B, an upper electrode made of a metal film 40a on the top surface of the plate 37. The pad 40 and the wiring 41 are formed. Subsequently, as shown in FIG. 6 (C), the entire upper surface of the plate 37 from the upper electrode pad 40 or the wiring 41 is formed by SiO 2 by a method such as sputtering, CVD, or coating. It is covered with the protective film 39 which consists of resin materials, such as insulating films, such as polyimide, and the like. The passivation layer 39 is partially provided with an opening window 50 on the upper surface of the upper electrode pad 40, and as shown in FIG. 6D, the upper electrode pad 40 is at least partially from the passivation layer 39. Is exposed. The method of opening the protective film 39 may be dry etching with a reactive gas or wet etching with a chemical liquid (etching liquid). Thereafter, by grinding, polishing or etching the lower surface of the plate 37, the thickness of the plate 37 is made thin as shown in Fig. 6E, and the plate 37 and the protective film 39 are formed. A thin film diaphragm 38 is formed.

다음에, 고정 전극측의 제조 방법을 도 7(A) 내지 (D) 및 도 8(A) 내지 (C)에 의해 설명한다. 도 7(A)는, 저저항의 실리콘 기판 등으로 이루어지는 고정 전극(32)의 윗면 전체에, 열산화나 스퍼터, CVD 등의 방법으로 SiO2, SiN, TEOS 등의 유전체 재료로 이루어지는 유전체막(33a)을 형성한 상태를 도시하고 있다. 이 유전체막(33a)의 두께는, 제1 접촉면(35)과 제2 접촉면(36) 사이의 단차와 같이 되도록 정한다. 이 유전체막(33a)은, 약액을 이용한 웨트 에칭이나 반응성 가스를 이용한 드라이 에칭에 의해 에칭되고, 도 7(B)에 도시하는 바와 같이, 중앙부에 개구(51)(제1의 개구)가 형성된다. 유전체막(33a)의 개구(51)는, 리세스(34)가 되는 영과 대충 동등한 영역에 형성된다. 또한, 도 7(C)에 도시하는 바와 같이, 유전체막(33a)의 위에서 고정 전극(32)의 윗면 전체에, 유전체막(33a)과 같은 유전체 재료를 이용하여 유전체막(33b)을 성막한다. 이 유전체막(33b)은, 약액을 이용한 웨트 에칭이나 반응성 가스를 이용한 드라이 에칭에 의해 에칭되어, 도 7(D)에 도시하는 바와 같이, 중앙부에 개구(52)(제2의 개구)가 형성된다. 유전체막(33b)의 개구(52)는, 개구(51)보다도 면적이 작고 제1 접촉면(35)과 대충 같은 영역에 형성된다. 다음에, 도 8(A)에 도시하는 바와 같이, 유전체막(33b)의 위로부터 고정 전극(32)의 윗면 전체에, 열산화나 스퍼터, CVD 등의 방법으로 유전체막(33a, 33b)과 같은 유전체 재료를 이용하여 유전체막(33c)를 형성한다. 이 결과, 유전체막(33a, 33b, 33c)에 의해 유전체층(33)이 형성된다. 또한, 이와는 다른 방법에 의해 유전체층(33)을 형성하여도 좋다. 즉, 비교적 두께가 큰 유전체층(33)을 고정 전극(32)의 윗면에 성막한 후, 유전체층(33)을 에칭하여 제1 접촉면(35)과 제2 접촉면(36)을 갖는 리세스(34)를 형성하여도 좋다.Next, the manufacturing method on the fixed electrode side will be described with reference to Figs. 7A to 8D and Figs. 8A to 8C. 7A shows a dielectric film made of a dielectric material such as SiO 2 , SiN, TEOS, etc. on the entire upper surface of a fixed electrode 32 made of a low resistance silicon substrate or the like by thermal oxidation, sputtering, CVD, or the like ( 33a) is shown. The thickness of the dielectric film 33a is determined so as to be equal to the step between the first contact surface 35 and the second contact surface 36. The dielectric film 33a is etched by wet etching using a chemical liquid or dry etching using a reactive gas, and an opening 51 (first opening) is formed in the center portion as shown in Fig. 7B. do. The opening 51 of the dielectric film 33a is formed in a region that is roughly equivalent to zero which becomes the recess 34. As shown in Fig. 7C, the dielectric film 33b is formed on the entire upper surface of the fixed electrode 32 on the dielectric film 33a by using a dielectric material such as the dielectric film 33a. . The dielectric film 33b is etched by wet etching using a chemical liquid or dry etching using a reactive gas, and an opening 52 (second opening) is formed in the center portion as shown in Fig. 7D. do. The opening 52 of the dielectric film 33b has a smaller area than the opening 51 and is formed in a region roughly the same as the first contact surface 35. Next, as shown in Fig. 8A, the dielectric films 33a and 33b are formed from the dielectric film 33b to the entire upper surface of the fixed electrode 32 by thermal oxidation, sputtering, CVD, or the like. The dielectric film 33c is formed using the same dielectric material. As a result, the dielectric layer 33 is formed by the dielectric films 33a, 33b, 33c. In addition, the dielectric layer 33 may be formed by another method. That is, after depositing a relatively large dielectric layer 33 on the upper surface of the fixed electrode 32, the dielectric layer 33 is etched to form a recess 34 having a first contact surface 35 and a second contact surface 36. May be formed.

이 후, 필요에 응하여, 고정 전극(32)의 하면을 연삭 및 연마, 또는 에칭함에 의해, 도 8(B)와 같이 고정 전극(32)의 두께를 얇게 한다. 고정 전극(32)의 하면에는, 도 8(C)에 도시하는 바와 같이 Al이나 Au 등의 금속막을 성막하고, 약액으로 웨트 에칭하거나, 반응성 가스를 이용하여 드라이 에칭하거나 하여 금속막을 패터닝하여, 하전극 패드(42)를 형성한다.Thereafter, if necessary, the bottom surface of the fixed electrode 32 is ground, polished, or etched to reduce the thickness of the fixed electrode 32 as shown in Fig. 8B. On the lower surface of the fixed electrode 32, as shown in FIG. 8C, a metal film such as Al or Au is formed, wet etched with a chemical solution, or dry etched using a reactive gas to pattern the metal film. The electrode pad 42 is formed.

이 후, 상온 접합, 퓨전 접합, 수지 접합, 공정(共晶) 접합 등의 접합 방법을 이용하여, 유전체층(33)의 위에 상기판(37)을 접합시켜서, 도 9(A)와 같은 압력 센서(31)를 얻는다. 또한, 이 후에, 도 9(B)에 도시하는 바와 같이, 고정 전극(32) 및 하전극 패드(42)의 하면 전체에 보호막(53)을 형성하고, 보호막(53)에 개구창(54)을 열어서 개구창(54)으로부터 하전극 패드(42)를 노출시켜도 좋다. 또한, 압력 센서(11)가 웨이퍼에 의해 복수개 한번에 제작되고 있는 경우에는, 이 후에 웨이퍼를 다이싱하여 개개의 압력 센서(11)로 절리(切離)한다.Subsequently, the plate 37 is bonded on the dielectric layer 33 by using a bonding method such as normal temperature bonding, fusion bonding, resin bonding, eutectic bonding, and the like, and a pressure sensor as shown in Fig. 9A. Get 31. After that, as shown in FIG. 9B, the protective film 53 is formed on the entire lower surface of the fixed electrode 32 and the lower electrode pad 42, and the opening window 54 is formed on the protective film 53. The lower electrode pad 42 may be exposed by opening the opening window 54. In addition, when the pressure sensor 11 is produced by the wafer in multiple numbers at one time, the wafer is diced after that and cut by the individual pressure sensor 11 after that.

또한, 도 7(D)의 공정에서 유전체막(33b)에 연 개구(52)는, 유전체막(33a)의 개구(51)보다도 면적이 작게 되어 있지만, 이와는 반대로, 유전체막(33b)의 개구(52)를 개구(51)보다도 크게 하여도 좋다.In addition, although the opening 52 opened in the dielectric film 33b in the process of FIG. 7D has a smaller area than the opening 51 of the dielectric film 33a, on the contrary, the opening of the dielectric film 33b is reversed. The 52 may be made larger than the opening 51.

(실시 형태 2)(Embodiment 2)

도 10(A)는, 본 발명의 실시 형태 2에 관한 압력 센서(61)의 개략 평면도이다. 도 10(B)는, 이 압력 센서(61)에 이용되고 있는 유전체층(33)의 개략 평면도이다. 이 압력 센서(61)에서는, 리세스(34), 제1 접촉면(35), 제2 접촉면(36) 및 다이어프램(38)의 모두가 장방형상으로 형성되어 있다.10A is a schematic plan view of the pressure sensor 61 according to the second embodiment of the present invention. 10B is a schematic plan view of the dielectric layer 33 used for the pressure sensor 61. In this pressure sensor 61, all of the recess 34, the 1st contact surface 35, the 2nd contact surface 36, and the diaphragm 38 are formed in rectangular shape.

이러한 실시 형태에 의하면, 다이어프램(38)이 제1 접촉면(35)이나 제2 접촉면(36)에 단변 방향으로 충분히 접촉한 후는, 제1 접촉면(35)나 제2 접촉면(36)에의 접촉면은 장변 방향으로 늘어나 가기 때문에, 실시 형태 1과 다른 압력용량 특성을 얻을 수 있다.According to this embodiment, after the diaphragm 38 fully contacts the first contact surface 35 or the second contact surface 36 in the short-side direction, the contact surface to the first contact surface 35 or the second contact surface 36 is Since it extends to a long side direction, the pressure capacity characteristic different from Embodiment 1 can be acquired.

또한, 리세스(34)나 제1 접촉면(35), 제2 접촉면(36)의 평면 형상은, 원형이나 장방형 이외에도, 정방형, 타원, 6각형, 8각형 등 다양한 형상으로 할 수 있다.Moreover, the planar shape of the recess 34, the 1st contact surface 35, and the 2nd contact surface 36 can be various shapes, such as square, an ellipse, a hexagon, and an octagon, besides circular or rectangular shape.

(실시 형태 3)(Embodiment 3)

도 11은, 본 발명의 실시 형태 3에 관한 압력 센서(62)의 개략 단면도이다. 이 압력 센서(62)에서는, 제2 접촉면(36)이 제1 접촉면(35)을 향하여 경사 하행으로 경사하고 있기 때문에, 다이어프램(38)이 제2 접촉면(36)에 접촉하기 쉬워진다.11 is a schematic cross-sectional view of the pressure sensor 62 according to Embodiment 3 of the present invention. In this pressure sensor 62, since the 2nd contact surface 36 inclines obliquely downward toward the 1st contact surface 35, the diaphragm 38 becomes easy to contact the 2nd contact surface 36. As shown in FIG.

(실시 형태 4)(Fourth Embodiment)

도 12는, 본 발명의 실시 형태 4에 관한 터치모드의 정전용량형 압력 센서(63)의 개략 단면도이다. 이 압력 센서(63)에서는, 다이어프램(38)의 중앙부에 대향하는 영역에서, 고정 전극(32)의 윗면을 돌출시켜서 볼록부(71)를 형성하고 있다. 또한, 고정 전극(32)의 윗면에 형성한 유전체층(33)에는, 다이어프램(38)과 대향하는 영역에 리세스(34)가 형성되어 있고, 리세스(34) 내에서 유전체층(33)의 윗면은 평탄하게 형성되어 있다. 따라서 리세스(34)의 중앙부에 위치하고, 또한, 볼록부(71)의 바로 위에 위치한 제1 접촉면(35)에서는, 유전체층(33)의 두께가 얇게 되어 있다. 또한, 리세스(34)의 외주부에 위치하고, 또한, 볼록부(71)보다도 낮은 고정 전극(32)의 윗면(72)에 대향하는 제2 접촉면(36)에서는, 유전체층(33)의 두께가 두껍게 되어 있다.12 is a schematic cross-sectional view of the capacitive pressure sensor 63 in the touch mode according to the fourth embodiment of the present invention. In this pressure sensor 63, the convex part 71 is formed by projecting the upper surface of the fixed electrode 32 in the area | region which opposes the center part of the diaphragm 38. As shown in FIG. Further, in the dielectric layer 33 formed on the upper surface of the fixed electrode 32, a recess 34 is formed in a region facing the diaphragm 38, and the upper surface of the dielectric layer 33 in the recess 34 is formed. Is formed flat. Therefore, the thickness of the dielectric layer 33 is thin in the first contact surface 35 located in the center portion of the recess 34 and located just above the convex portion 71. The thickness of the dielectric layer 33 is thicker on the second contact surface 36 located at the outer circumferential portion of the recess 34 and facing the upper surface 72 of the fixed electrode 32 that is lower than the convex portion 71. It is.

실시예 4의 압력 센서(63)에서는, 다이어프램(38)의 접촉면이 제1 접촉면(35)부터 제2 접촉면(36)으로 넓어지고, 다이어프램(38)의 접촉면적이 커짐에 따라, 상기 수식 2-7로 기술한 바와 같이 정전용량이 변화한다. 따라서, 제1 접촉면(35)에만 접촉하고 있을 때와, 제2 접촉면(36)에도 접촉하고 있을 때에서 정전용량의 증가의 방식이 다르다. 즉, 저압 영역에서는 측정 감도가 높고, 고압 영역에서는 측정 감도가 작아지도록 할 수 있다.In the pressure sensor 63 of the fourth embodiment, the contact surface of the diaphragm 38 is widened from the first contact surface 35 to the second contact surface 36, and as the contact area of the diaphragm 38 becomes larger, the above-described equation 2 The capacitance changes as described by -7. Therefore, the method of increasing the capacitance differs when only the first contact surface 35 is in contact with the second contact surface 36. That is, it is possible to make the measurement sensitivity high in the low pressure region and decrease the measurement sensitivity in the high pressure region.

(실시 형태 5)(Embodiment 5)

도 13은, 본 발명의 실시 형태 5에 관한 터치모드의 정전용량형 압력 센서(64)의 개략 단면도이다. 이 압력 센서(64)에서는, 고정 전극(32)의 윗면에 리세스(34)가 요설되어 있다. 리세스(34) 내에는, 고정 전극(32)의 하면부터 측정한 높이가 다른 복수의 평면이 형성되어 있다. 도시례에서는, 리세스(34)의 중앙부에 위치하는 저위치의 제1 평면(73)과, 제1 평면(73)의 주위에 위치하는 고위치의 제2 평면(74)이 마련되어 있다. 제1 평면(73)과 제2 평면(74) 사이의 경계는, 고정 전극(32)의 하면에 수직한 수직면(단차벽면)으로 되어 있고, 제1 평면(73)과 제2 평면(74)의 사이에서는 평면의 높이가 계단형상으로 변화하고 있다.13 is a schematic cross-sectional view of the capacitive pressure sensor 64 in the touch mode according to the fifth embodiment of the present invention. In this pressure sensor 64, the recess 34 is provided in the upper surface of the fixed electrode 32. As shown in FIG. In the recess 34, a plurality of planes having different heights measured from the lower surface of the fixed electrode 32 are formed. In the example of illustration, the 1st plane 73 of the low position located in the center part of the recess 34, and the 2nd plane 74 of the high position located around the 1st plane 73 are provided. The boundary between the first plane 73 and the second plane 74 is a vertical plane (step wall surface) perpendicular to the bottom surface of the fixed electrode 32, and the first plane 73 and the second plane 74. The height of the plane changes in the shape of steps between.

또한, 고정 전극(32)의 윗면에는, 균일한 두께의 유전체층(33)이 형성되어 있다. 따라서 유전체층(33)의 윗면에도 리세스(34)가 형성되고, 리세스(34) 내에는 제1 평면(73)의 위에 위치한 저위치의 제1 접촉면(35)과 제2 평면(74)의 위에 위치한 고위치의 제2 접촉면(36)이 형성되어 있다.In addition, a dielectric layer 33 having a uniform thickness is formed on the upper surface of the fixed electrode 32. Thus, a recess 34 is formed on the top surface of the dielectric layer 33, and in the recess 34, the first contact surface 35 and the second plane 74 of the lower position located above the first plane 73 are formed. A high contact second contact surface 36 is formed.

실시 형태 5의 압력 센서(64)에서는, 유전체층(33)의 두께는 균일하지만, 리세스(34) 내에서 유전체층(33)의 표면이 계단형상으로 형성되어 있다. 그 때문에, 실시 형태 1에서도 설명한 바와 같이, 다이어프램(38)이 제2 접촉면(36)의 모서리(단차벽면의 상단)에 당접한 때에는, 다이어프램(38)의 자유롭게 변형할 수 있는 영역의 면적이 불연속적으로 작아지기 때문에, 다이어프램(38)이 제2 접촉면(36)의 모서리에 당접하는 전후에서 다이어프램(38)의 탄성은 갑자기 높아진다. 이 결과, 다이어프램(38)이 제1 접촉면(35)에 접촉하고 있는 상태에서는 측정 감도가 높고, 다이어프램(38)이 제2 접촉면(36)에 접촉하고 있는 상태에서는 측정 감도가 낮아진다. 따라서, 실시 형태 1의 압력 센서(31)에서는, 이와 같은 현상에 의해서도 저압력 영역에서의 측정 감도가 높아지고, 고압력 영역에서의 측정 감도가 낮아진다.In the pressure sensor 64 of Embodiment 5, although the thickness of the dielectric layer 33 is uniform, the surface of the dielectric layer 33 is formed in the recess 34 in step shape. Therefore, as described in the first embodiment, when the diaphragm 38 abuts the edge (the upper end of the step wall surface) of the second contact surface 36, the area of the diaphragm 38 that can be freely deformed is not known. Since it is continuously smaller, the elasticity of the diaphragm 38 suddenly increases before and after the diaphragm 38 abuts the edge of the second contact surface 36. As a result, the measurement sensitivity is high when the diaphragm 38 is in contact with the first contact surface 35, and the measurement sensitivity is low when the diaphragm 38 is in contact with the second contact surface 36. Therefore, in the pressure sensor 31 of Embodiment 1, even in such a phenomenon, the measurement sensitivity in a low pressure area | region becomes high and the measurement sensitivity in a high pressure area | region becomes low.

(실시 형태 6)(Embodiment 6)

도 14는, 본 발명의 실시 형태 6에 관한 터치모드의 정전용량형 압력 센서(65)의 개략 단면도이다. 이 압력 센서(65)에서는, 고정 전극(32)의 윗면에 유전체층(75, 76)이 형성되어 있고, 유전체층(75, 76)의 윗면에 리세스(34)가 요설되어 있다. 리세스(34) 내의 저면에서는, 리세스(34)의 중앙부는 유전률이 비교적 큰 유전체층(76)으로 형성되어 있고, 리세스(34)의 외주부는 유전률이 비교적 작은 유전체층(75)으로 형성되어 있다. 그리고, 리세스(34) 내에서는, 유전체층(76)의 윗면이 제1 접촉면(35)으로 되어 있고, 유전체층(75)의 윗면이 제2 접촉면(36)으로 되어 있다. 또한, 리세스(34)의 저면에서는, 유전체층(75)의 두께와 유전체층(76)의 두께는 거의 동등하고, 제1 접촉면(35)과 제2 접촉면(36)은 같은 높이의 평탄면으로 되어 있다.14 is a schematic cross-sectional view of the capacitive pressure sensor 65 in the touch mode according to the sixth embodiment of the present invention. In this pressure sensor 65, dielectric layers 75 and 76 are formed on the upper surface of the fixed electrode 32, and recesses 34 are provided on the upper surfaces of the dielectric layers 75 and 76. As shown in FIG. At the bottom of the recess 34, the center portion of the recess 34 is formed of a dielectric layer 76 having a relatively high dielectric constant, and the outer peripheral portion of the recess 34 is formed of a dielectric layer 75 having a relatively low dielectric constant. . In the recess 34, the upper surface of the dielectric layer 76 is the first contact surface 35, and the upper surface of the dielectric layer 75 is the second contact surface 36. Further, at the bottom of the recess 34, the thickness of the dielectric layer 75 and the thickness of the dielectric layer 76 are almost equal, and the first contact surface 35 and the second contact surface 36 are flat surfaces of the same height. have.

이 압력 센서(65)에서는, 다이어프램(38)이 눌려져도 유전체층(75, 75)에 접촉할 때까지는 다이어프램(38)과 고정 전극(32) 사이의 정전용량(C)의 변화는 작고, 거의 일정하다고 생각하여도 좋다. 이 때의 정전용량(일정치)을 Co로 나타내면, 다이어프램(38)과 고정 전극(32) 사이의 비정전용량(ΔC)=(C-Co)/Co은, 이하와 같이 변화한다.In this pressure sensor 65, even if the diaphragm 38 is pressed, the change of the capacitance C between the diaphragm 38 and the fixed electrode 32 is small and almost constant until it comes in contact with the dielectric layers 75 and 75. You may think that. When the capacitance (constant value) at this time is represented by Co, the specific capacitance ΔC = (C-Co) / Co between the diaphragm 38 and the fixed electrode 32 changes as follows.

다이어프램(38)에 압력이 가해져서 제1 접촉면(35)에 접촉하고, 다이어프램(38)이 제1 접촉면(35)에 접촉하는 면적(S1)이 점차로 커질 때, 다이어프램(38)과 고정 전극(32) 사이의 비정전용량(ΔC)은, 다음의 수식 8과 같이 변화한다.When the pressure is applied to the diaphragm 38 to contact the first contact surface 35, and the area S1 in which the diaphragm 38 contacts the first contact surface 35 gradually increases, the diaphragm 38 and the fixed electrode ( The specific capacitance ΔC between 32) changes as shown in Equation 8 below.

ΔC=(ε1·S1)/(d·Co) … (수식 8) ΔC = (ε1 · S1) / (d · Co)... (Equation 8)

여기서, ε1은 유전체층(76)의 유전률, d는 리세스(34)의 저면에서의 유전체층(75, 76)의 두께이다.Where ε1 is the dielectric constant of the dielectric layer 76 and d is the thickness of the dielectric layers 75 and 76 at the bottom of the recess 34.

다이어프램(38)에 가하여지는 압력이 커져서 다이어프램(38)의 접촉면이 제1 접촉면(35)의 전체로 넓어지면, 그 때의 비정전용량(ΔC)은, 제1 접촉면(35)의 면적을 S1max로 하면, 다음의 수식 9로 나타난다.When the pressure exerted on the diaphragm 38 becomes large and the contact surface of the diaphragm 38 widens to the entirety of the first contact surface 35, the specific capacitance ΔC at that time sets the area of the first contact surface 35 to S1max. Then, it is represented by the following expression (9).

ΔC=(ε1·S1mac)/(d·Co) … (수식 9) ΔC = (ε1 · S1mac) / (d · Co). (Formula 9)

다이어프램(38)에 가하여지는 압력이 더욱 커져서 다이어프램(38)의 접촉면이 제2 접촉면(36)으로 넓어질 때, 다이어프램(38)과 제2 접촉면(36)의 접촉면적을 S2로 하고, 유전체층(75)의 유전률을 ε2로 하면, 비정전용량(ΔC)은, 다음의 수식 10으로 나타난다.When the pressure applied to the diaphragm 38 becomes greater and the contact surface of the diaphragm 38 widens to the second contact surface 36, the contact area between the diaphragm 38 and the second contact surface 36 is S2, and the dielectric layer ( When the dielectric constant of 75) is ε2, the specific capacitance ΔC is represented by the following expression (10).

ΔC=(ε1·S1mac)/(d·Co)+(ε2·S2)/(d·Co) … (수식 10) ΔC = (ε1 · S1mac) / (d · Co) + (ε2 · S2) / (d · Co)... (Formula 10)

상기 수식 8에서의 접촉면적(S1)의 계수와 상기 수식 10에서의 접촉면적(S2)의 계수는 다르다. 따라서 다이어프램(38)이 제1 접촉면(35)에 접촉하고 있을 때의 압력-용량 특성의 변화의 방식과, 다이어프램(38)이 제2 접촉면(36)에 접촉하고 있을 때의 압력-용량 특성의 변화의 방식이 다름을 알 수 있다. 특히, 제1 접촉면(35)의 아래의 유전체층(76)의 유전률(ε1)이, 제2 접촉면(36)의 아래의 유전체층(75)의 유전률(ε2)보다도 크면, 저압력 영역에서의 측정 감도가 높아지고, 고압력 영역에서의 측정 감도가 낮아진다.The coefficient of the contact area S1 in Equation 8 and the coefficient of the contact area S2 in Equation 10 are different. Therefore, the pressure-capacity characteristics change when the diaphragm 38 is in contact with the first contact surface 35 and the pressure-capacity characteristics when the diaphragm 38 is in contact with the second contact surface 36. We can see that the way of change is different. In particular, when the dielectric constant epsilon 1 of the dielectric layer 76 below the first contact surface 35 is larger than the dielectric constant epsilon 2 of the dielectric layer 75 below the second contact surface 36, the measurement sensitivity is measured in the low pressure region. Becomes high, and the measurement sensitivity in a high pressure area becomes low.

(실시 형태 7)(Seventh Embodiment)

도 15는, 본 발명의 실시 형태 7에 의한 플레이트형의 입력 장치(81), 예를 들면 터치 패널의 구조를 도시하는 단면도이다. 이 입력 장치(81)는, 본 발명에 관한 압력 센서와 같은 구조를 갖는 다수의 센서부(82)를 어레이형상(예를 들면, 사각형상이나 허니컴형상)으로 배열한 것이다. 또한, 각 센서부(82)는 전기적으로 독립하여 있고, 각 센서부(82)에 가하여진 압력을 개별적으로 독립해서 검출할 수 있다. 이와 같은 입력 장치(81)에 의하면, 터치 패널과 같이 손가락 등으로 가압된 점을 검출할 수 있음과 함께, 각 점의 가압 강도도 검출할 수 있다.
15 is a cross-sectional view showing the structure of a plate-shaped input device 81 according to the seventh embodiment of the present invention, for example, a touch panel. This input device 81 arrange | positions many sensor parts 82 which have the structure similar to the pressure sensor which concerns on this invention in array form (for example, square shape or honeycomb shape). In addition, each sensor part 82 is electrically independent, and can independently detect the pressure applied to each sensor part 82 individually. According to such an input device 81, the point pressed with a finger etc. like a touch panel can be detected, and the pressurization intensity of each point can also be detected.

31, 61 내지 65 : 압력 센서
32 : 고정 전극
33 : 유전체층
34 : 리세스
35 : 제1 접촉면(접촉면)
36 : 제2 접촉면(접촉면)
37 : 상기판
38 : 다이어프램
40 : 상전극 패드
42 : 하전극 패드
31, 61 to 65: pressure sensor
32: fixed electrode
33: dielectric layer
34: recess
35: first contact surface (contact surface)
36: second contact surface (contact surface)
37: upper plate
38: diaphragm
40: phase electrode pad
42: lower electrode pad

Claims (16)

고정 전극과,
상기 고정 전극의 상방에 형성된 유전체층과,
상기 유전체층의 상방에 공극을 사이에 두고 형성된 도전성의 다이어프램을 구비한 정전용량형의 압력 센서에 있어서,
상기 유전체층 중 상기 다이어프램에 대향하는 부분은, 상기 다이어프램을 접촉시키기 위한 복수의 접촉 영역을 가지며,
상기 유전체층의 두께를 d, 상기 유전체층의 유전률을 ε로 하였을 때, 상기 각 접촉 영역 상호의 경계에서, 그 비(ε/d)의 값이 불연속으로 변화하고 있는 것을 특징으로 하는 정전용량형 압력 센서.
A fixed electrode,
A dielectric layer formed above the fixed electrode;
In the capacitive pressure sensor having a conductive diaphragm formed with a gap between the dielectric layer,
A portion of the dielectric layer facing the diaphragm has a plurality of contact regions for contacting the diaphragm,
When the thickness of the dielectric layer is d and the dielectric constant of the dielectric layer is ε, the value of the ratio (ε / d) is discontinuously changed at the boundary between the respective contact regions. .
제 1항에 있어서,
상기 각 접촉 영역 상호의 경계에서, 상기 유전체층의 두께가 불연속으로 변화하고 있는 것을 특징으로 하는 정전용량형 압력 센서.
The method of claim 1,
Capacitive pressure sensor, characterized in that the thickness of the dielectric layer is discontinuously changed at the boundary between the contact areas.
제 2항에 있어서,
상기 각 접촉 영역 상호의 경계에서, 상기 유전체층의 표면이 계단형상의 단차를 갖고 있는 것을 특징으로 하는 정전용량형 압력 센서.
3. The method of claim 2,
Capacitive pressure sensor, characterized in that the surface of the dielectric layer has a stepped step at the boundary between each contact area.
제 3항에 있어서,
상기 각 접촉 영역의 표면은, 압력이 가하여지지 않은 상태에서의 상기 다이어프램으로부터의 거리가 서로 다른 것을 특징으로 하는 정전용량형 압력 센서.
The method of claim 3,
The surface of each contact region has a different distance from the diaphragm in a state where no pressure is applied.
제 1항에 있어서,
상기 다이어프램에 가하여지는 압력이 커져 가면, 상기 다이어프램은 상기 비(ε/d)의 값이 작은 접촉 영역에 순차적으로 접촉하는 것을 특징으로 하는 정전용량형 압력 센서.
The method of claim 1,
And when the pressure applied to the diaphragm increases, the diaphragm sequentially contacts the contact area having a small value of the ratio (ε / d).
제 3항에 있어서,
상기 각 접촉 영역의 표면은, 상기 유전체층의 저면부터 측정한 높이가, 상기 다이어프램에 점차로 큰 압력이 가하여진 경우에 상기 다이어프램이 접촉하는 순번에 따라서 순차적으로 높아지고 있는 것을 특징으로 하는 정전용량형 압력 센서.
The method of claim 3,
The surface of each contact region has a height measured from the bottom of the dielectric layer, in order to increase in order according to the order in which the diaphragm contacts when a large pressure is gradually applied to the diaphragm. .
제 2항에 있어서,
상기 각 접촉 영역의 표면은, 전체로서 평탄하게 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 정전용량형 압력 센서.
3. The method of claim 2,
The surface of each said contact area | region is formed as the whole flat, The capacitive pressure sensor characterized by the above-mentioned.
제 7항에 있어서,
상기 다이어프램에 대향하는 영역에서 상기 고정 전극의 윗면에 계단형상의 단차를 형성한 것을 특징으로 하는 정전용량형 압력 센서.
8. The method of claim 7,
A capacitive pressure sensor, characterized in that a stepped stepped step is formed on an upper surface of the fixed electrode in a region facing the diaphragm.
제 2항에 있어서,
상기 접촉면의 아래에서의 유전체층의 두께는, 상기 다이어프램에 점차로 큰 압력이 가하여진 경우에 상기 다이어프램이 접촉하는 순번에 따라서 순차적으로 두껍게 되어 있는 것을 특징으로 하는 정전용량형 압력 센서.
3. The method of claim 2,
The thickness of the dielectric layer under the contact surface is thickened sequentially in accordance with the order in which the diaphragm contacts when a large pressure is gradually applied to the diaphragm.
제 1항에 있어서,
상기 접촉 영역의 표면은, 모두 압력이 가하여지지 않은 상태에서의 상기 다이어프램과 평행한 평면인 것을 특징으로 하는 정전용량형 압력 센서.
The method of claim 1,
The surface of the contact region is a capacitive pressure sensor, characterized in that all of the surfaces in parallel with the diaphragm in the absence of pressure.
제 1항에 있어서,
상기 각 접촉 영역 상호의 경계에서, 상기 유전체층의 유전률이 불연속으로 변화하고 있는 것을 특징으로 하는 정전용량형 압력 센서.
The method of claim 1,
At the boundary between the contact areas, the dielectric constant of the dielectric layer is changed discontinuously.
고정 전극과,
상기 고정 전극의 상방에 형성된 유전체층과,
상기 유전체층의 상방에 공극을 사이에 두고 형성된 도전성의 다이어프램을 구비한 정전용량형의 압력 센서에 있어서,
상기 유전체층 중 상기 다이어프램에 대향하는 부분은, 상기 다이어프램을 접촉시키기 위한 복수의 접촉 영역을 가지며,
상기 각 접촉 영역 상호의 경계에서, 상기 유전체층의 표면이 계단형상의 단차를 갖고 있는 것을 특징으로 하는 정전용량형 압력 센서.
A fixed electrode,
A dielectric layer formed above the fixed electrode;
In the capacitive pressure sensor having a conductive diaphragm formed with a gap between the dielectric layer,
A portion of the dielectric layer facing the diaphragm has a plurality of contact regions for contacting the diaphragm,
Capacitive pressure sensor, characterized in that the surface of the dielectric layer has a stepped step at the boundary between each contact area.
제 3항에 기재된 정전용량형 압력 센서를 제조하기 위한 방법으로서,
상기 고정 전극의 상방에 제1의 유전체막을 형성하는 공정과,
에칭에 의해 상기 제1의 유전체막을 부분적으로 제거하여, 계단형상의 테두리를 갖는 제1의 개구를 형성하는 공정과,
상기 제1의 유전체막의 위로부터 상기 고정 전극의 상방에 제2의 유전체막을 형성하는 공정과,
에칭에 의해 상기 제2의 유전체막을 부분적으로 제거하여, 계단형상의 테두리를 갖는 제2의 개구를 형성하는 공정과,
상기 제1 및 제2의 유전체막의 위로부터 상기 고정 전극의 상방에 제3의 유전체막을 형성하는 공정을 구비한 것을 특징으로 하는 정전용량형 압력 센서의 제조 방법.
A method for manufacturing the capacitive pressure sensor according to claim 3,
Forming a first dielectric film above the fixed electrode;
Partially removing the first dielectric film by etching to form a first opening having a stepped edge;
Forming a second dielectric film on the first dielectric film above the fixed electrode;
Partially removing the second dielectric film by etching to form a second opening having a stepped edge;
And forming a third dielectric film above the fixed electrode from above the first and second dielectric films.
제 13항에 있어서,
상기 제2의 개구가, 상기 제1의 개구보다도 면적이 작은 것을 특징으로 하는 정전용량형 압력 센서의 제조 방법.
14. The method of claim 13,
The area of the said 2nd opening is smaller than the said 1st opening, The manufacturing method of the capacitive pressure sensor characterized by the above-mentioned.
제 13항에 있어서,
상기 제2의 개구가, 상기 제1의 개구보다도 면적이 큰 것을 특징으로 하는 정전용량형 압력 센서의 제조 방법.
14. The method of claim 13,
The area of the said 2nd opening is larger than the said 1st opening, The manufacturing method of the capacitive pressure sensor characterized by the above-mentioned.
제 1항에 기재된 압력 센서를 탑재한 것을 특징으로 하는 입력 장치.An input device comprising the pressure sensor according to claim 1.
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