정전용량형 압력 센서 및 입력 장치

정전용량형 압력 센서 및 입력 장치{CAPACITIVE PRESSURE SENSOR AND INPUT DEVICE}

본 발명은, 정전용량형 압력 센서 및 입력 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은, 압력으로 휘어진 다이어프램이 대향면에 접촉하여 압력을 검지하는 터치 모드의 정전용량형 압력 센서에 관한 것이다. 또한, 본 발명은, 당해 압력 센서를 이용한 입력 장치에 관한 것이다.

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, 유리 기판이나 실리콘 기판을 이용하여 MEMS 기술로 제조되는 마이크로 디바이스인 경우에는, 다이어프램에 큰 압력이 가하여지면, 다이어프램이 크게 휘어서 파손될 우려가 있다.

그 때문에, 고정 전극의 표면에 유전체막을 마련하여 두고, 압력에 의해 휘어진 다이어프램을 유전체막에 접촉시키고, 그 접촉 면적의 변화에 의해 다이어프램과 고정 전극 사이의 정전용량이 변화하도록 한 압력 센서가 제안되어 있다. 이와 같은 압력 센서는, 터치 모드 정전용량형 압력 센서라고 불리는 일이 있다.

정전용량형 압력 센서에서는, 수압부(受壓部)인 다이어프램의 형상을 안정시키는 것이 매우 중요한 과제로 된다. 압력 센서는, 외부로부터의 압력에 의한 다이어프램의 변형에 의해 생기는 정전용량의 변화를 측정하는 것임에 대해, 다이어프램이 외부 압력 이외의 원인, 예를 들면 좌굴(座屈)이나 피로에 의하여 상정(想定) 외의 변형을 하면, 다이어프램의 변형에 의해 압력 센서의 출력 특성이 변화한다. 그 결과, 압력 센서의 감도가 악화하거나, 또는 압력 센서의 동작 불량이 발생하기 때문에, 다이어프램의 형상을 안정시키는 것은 압력 센서에 있어서의 중요한 과제이다.

도 1(A), 도 1(B) 및 도 1(C)는, 다이어프램의 좌굴이나 피로에 의한 초기 변형을 도시하는 개략도이다. 여기에 도시하는 압력 센서(11)에서는, 고정 전극 기판(12)의 상면을 유전체막(13)으로 덮고, 유전체막(13)의 상면에 리세스(14)를 형성하고 있다. 유전체막(13)의 상면에 상기판(15)을 적층하고, 상기판(15)에 의해 리세스(14)의 상면 개구를 덮고 있다. 상기판(15) 중 리세스(14)의 위에 위치하는 영역이, 압력을 감지하여 변형하는 다이어프램(16)으로 되어 있다.

정전용량형의 압력 센서(11)에서는, 다이어프램(16)은 평탄하게 형성되어 있든지, 또는 다소 상방으로 볼록하게 부풀도록 형성되어 있는 것이 바람직하다. 그러나, 가압 내구(耐久) 시험이나 장기간에 있어서의 사용에 의해 다이어프램(16)이 기계적으로 열화되면, 도 1(A), 도 1(B) 또는 도 1(C)에 도시하는 바와 같이 다이어프램(16)이 좌굴이나 피로에 의해 변형하는 일이 있다. 도 1(A)는, 다이어프램(16)의 중앙부가 하방으로 부풀도록 변형한 1차의 변형 모드를 도시한다. 도 1(B)는, 다이어프램(16)의 일부가 상방으로 부풀도록 변형함과 함께 다른 일부가 하방으로 부풀도록 변형한 2차의 변형 모드를 도시한다. 도 1(C)는, 3차의 변형 모드를 도시한다. 다이어프램(16)에 도 1(A), 도 1(B) 또는 도 1(C)에 도시한 바와 같은 초기 변형이 생기면, 다이어프램(16)(가동 전극)과 고정 전극 기판(12) 사이의 정전용량(초기 용량)이 증가하거나, 측정 정밀도가 악화하거나 하는 문제가 생긴다.

이와 같은 과제를 해결하기 위해, 특허 문헌 1에 개시된 압력 센서에서는, 다이어프램을 다층막으로 형성하고, 다층막의 각 층에 발생한 내부 응력끼리를 서로 상쇄시키고, 그에 의해 다이어프램의 초기 형상을 안정화하고 있다.

그러나, 특허 문헌 1과 같이 다층막을 이용하는 방법에서는, 다이어프램을 제작하는 공정에 시간이 걸리고, 압력 센서의 제조 생산 원가가 높게 든다는 문제가 있다. 또한, 압력 센서의 측정 정밀도를 안정시키기 위해서는, 다이어프램의 초기 형상을 안정화시키는 것만으로는 불충분하다. 즉, 작은 면적의 다이어프램에 의해 저압부터 고압까지의 광범위한 압력에 대해 측정 감도를 얻기 위해서는, 가압 내구 시험과 같은 기계적 부하에 대한 내구성도 요구된다. 정전용량형의 압력 센서에서는, 0㎩로부터 수㎫의 압력에 대해 측정 감도를 얻는 것이 바람직하지만, 현실에서는, 가압 내구 시험에서 다이어프램이 도 1과 같이 변형하여, 압력 센서의 출력 특성이 변화하는 일이 있다. 이 결과, 종래의 압력 센서에서는, 저압에서의 다이어프램이 변형하기 쉬움(고감도 특성)과 고압에 대한 내구성의 양립이 곤란하였다.

본 발명의 목적으로 하는 바는, 다이어프램에 초기 변형이 생기기 어려운 정전용량형 압력 센서를 제공하는 것에 있다.

본 발명에 관한 제1의 정전용량형 압력 센서는, 고정 전극 기판과, 상면 또는 하면의 일방에 오목부를 가지며, 상기 고정 전극 기판의 상면을 덮는 유전체막과, 상기 유전체막의 위에 마련한 상기판(上基板)과, 상기 상기판 중 상기 오목부와 대향하는 영역에 의해 형성된, 탄성변형 가능한 다이어프램과, 상기 다이어프램의 상면의 적어도 일부에 형성된 압축응력막(壓縮應力膜)을 갖는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 관한 제1의 정전용량형 압력 센서에서는, 다이어프램의 상면의 적어도 일부에 압축응력막을 형성하고 있기 때문에, 다이어프램이 좌굴 또는 피로에 의해 변형하려고 하여도 압축응력막에 의해 다이어프램의 형상이 교정된다. 따라서, 다이어프램의 형상을 바람직한 형상으로 유지할 수 있고 압력 센서의 출력 특성을 유지할 수 있다. 또한, 다이어프램의 상면에 압축응력막이 형성되어 있기 때문에, 다이어프램의 강도가 증가한다.

본 발명에 관한 제1의 정전용량형 압력 센서의 어느 실시 양태는, 상기 고정 전극 기판의 상면에 수직한 방향에서 볼 때, 상기 압축응력막의 중심이, 상기 다이어프램의 중심에 겹쳐져 있는 것을 특징으로 한다. 이러한 실시 양태에 의하면, 압축응력막이 다이어프램의 한가운데에 형성되는 것으로 되기 때문에, 다이어프램이 방향에 따라 불균일하게 변형하기 어렵게 된다.

본 발명에 관한 제1의 정전용량형 압력 센서의 다른 실시 양태는, 상기 압축응력막의 면적이, 상기 다이어프램의 면적보다도 작은 것을 특징으로 한다. 이러한 실시 양태에서는, 다이어프램의 외주부분에는 압축응력막이 형성되지 않기 때문에, 압력에 의한 다이어프램의 탄성변형이 방해되기 어렵고, 압력 센서의 감도가 향상한다.

본 발명에 관한 제1의 정전용량형 압력 센서의 또 다른 실시 양태는, 상기 압축응력막이, 상기 다이어프램과 상사(相似)한 형상을 가지며, 상기 다이어프램의 1/2 이하의 축척(縮尺)으로 되어 있는 것을 특징으로 한다. 다이어프램은, 그 반경의 1/2의 영역이나 그 폭의 1/2의 영역이 크게 변형하기 때문에, 이 영역에 압축응력막을 마련하면, 면적의 작은 다이어프램에 의해 효율적으로 다이어프램의 초기 변형을 교정할 수 있다.

본 발명에 관한 제1의 정전용량형 압력 센서의 또 다른 실시 양태는, 상기 고정 전극 기판의 상면에 수직한 방향에서 볼 때, 상기 오목부가 원형이고, 상기 압축응력막도 원형인 것을 특징으로 한다. 이러한 실시 양태에 의하면, 다이어프램을 각 방향에서 균등하게 변형시킬 수 있다.

본 발명에 관한 제1의 정전용량형 압력 센서의 또 다른 실시 양태는, 상기 고정 전극 기판의 상면에 수직한 방향에서 볼 때, 상기 압축응력막이, 그 중심의 주변에 회전 대칭의 형상을 갖는 것을 특징으로 한다. 이러한 실시 양태에 의하면, 다이어프램을 각 방향에서 거의 균등하게 변형시킬 수 있다.

본 발명에 관한 제1의 정전용량형 압력 센서의 또 다른 실시 양태는, 상기 고정 전극 기판의 상면에 수직한 방향에서 볼 때, 상기 압축응력막이 다각형상인 것을 특징으로 한다. 이러한 실시 양태에 의하면, 다이어프램을 각 방향에서 거의 균등하게 변형시킬 수 있다.

본 발명에 관한 제1의 정전용량형 압력 센서의 또 다른 실시 양태는, 상기 고정 전극 기판의 상면에 수직한 방향에서 볼 때, 상기 압축응력막이 방사형상인 것을 특징으로 한다. 이러한 실시 양태에 의하면, 다이어프램의 중심으로부터 측정한 반경 방향의 거리에 응하여 압축응력막의 면적 비율이 점차로 작아지기 때문에, 다이어프램의 초기 변형이나 압력을 받은 때의 변형이 매끈하게 된다.

본 발명에 관한 제1의 정전용량형 압력 센서의 또 다른 실시 양태는, 상기 압축응력막은, 탄성체에 의해 형성되어 있는 것을 특징으로 한다. 이러한 실시 양태에 의하면, 다이어프램이 펜촉 등으로 눌러지는 때에, 다이어프램을 압축응력막에 의해 보호할 수 있다.

본 발명에 관한 제2의 정전용량형 압력 센서는, 고정 전극 기판과, 상면 또는 하면의 일방에 오목부를 가지며, 상기 고정 전극 기판의 상면을 덮는 유전체막과, 상기 유전체막의 위에 마련한 상기판과, 상기 상기판 중 상기 오목부와 대향하는 영역에 의해 형성된, 탄성변형 가능한 다이어프램과, 상기 다이어프램의 하면의 적어도 일부에 형성된 인장응력막(引張應力膜)을 갖는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 관한 제2의 정전용량형 압력 센서에서는, 다이어프램의 하면의 적어도 일부에 인장응력막을 형성하고 있기 때문에, 다이어프램이 좌굴 또는 피로에 의해 변형하려고 하여도 인장응력막에 의해 다이어프램의 형상이 교정된다. 따라서, 다이어프램의 형상을 바람직한 형상으로 유지할 수 있고 압력 센서의 출력 특성을 유지할 수 있다. 또한, 다이어프램의 하면에 인장응력막이 형성되어 있기 때문에, 다이어프램의 강도가 증가한다.

본 발명에 관한 제3의 정전용량형 압력 센서는, 고정 전극 기판과, 하면에 오목부를 가지며, 상기 고정 전극 기판의 상면을 덮는 유전체막과, 상기 유전체막의 위에 마련한 상기판과, 상기 상기판 중 상기 오목부와 대향하는 영역에 의해 형성된, 탄성변형 가능한 다이어프램을 가지며, 상기 다이어프램의 하면에 접합하고 있는 상기 유전체막의 적어도 일부가, 인장응력을 갖고 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 관한 제3의 정전용량형 압력 센서에서는, 다이어프램의 하면에 접합하고 있는 유전체막의 적어도 일부가, 인장응력을 갖고 있기 때문에, 다이어프램이 좌굴 또는 피로에 의해 변형하려고 하여도 인장응력을 갖는 유전체막에 의해 다이어프램의 형상이 교정된다. 따라서, 다이어프램의 형상을 바람직한 형상으로 유지할 수 있고 압력 센서의 출력 특성을 유지할 수 있다.

본 발명에 관한 제1 내지 제3의 각 정전용량형 압력 센서는, 압력 검출기나 입력 장치에 이용할 수 있다.

또한, 본 발명에서의 상기 과제를 해결하기 위한 수단은, 이상 설명한 구성 요소를 적절히 조합한 특징을 갖는 것이고, 본 발명은 이러한 구성 요소의 조합에 의한 많은 변화를 가능하게 하는 것이다. 특히, 제2 및 제3의 정전용량형 압력 센서에 대해서도, 제1의 정전용량형 압력 센서와 같은 실시 형태가 가능하다.

도 1(A), 도 1(B) 및 도 1(C)는, 정전용량형 압력 센서에 생기는 여러 가지의 모드의 좌굴 변형을 도시하는 개략 단면도.
도 2(A)는, 본 발명의 실시 형태 1에 의한 정전용량형 압력 센서를 도시하는 사시도. 도 2(B)는, 도 2(A)에 도시하는 압력 센서의 일부 분해한 사시도.
도 3(A)는, 도 2(A)에 도시하는 압력 센서의 평면도. 도 3(B)는, 도 2(A)에 도시하는 압력 센서의 단면도.
도 4는, 압력 센서에 가한 하중의 크기와 압력 센서에 발생하는 정전용량과의 관계를 도시하는 도면.
도 5는, 다이어프램이 실제로 변형한 때의 형상을 도시하는 도면.
도 6은, 본 발명의 실시 형태 1에 관한 압력 센서의 변형례를 도시하는 평면도.
도 7은, 본 발명의 실시 형태 1에 관한 압력 센서의 다른 변형례를 도시하는 평면도.
도 8(A)는, 본 발명의 실시 형태 2에 의한 정전용량형 압력 센서의 평면도. 도 8(B)는, 도 8(A)에 도시하는 압력 센서의 단면도.
도 9(A)는, 본 발명의 실시 형태 3에 의한 정전용량형 압력 센서의 평면도. 도 9(B)는, 도 9(A)에 도시하는 압력 센서의 단면도.
도 10(A)는, RF 파워를 변화시켜서 플라즈마 TEOS법에 의해 유전체막을 성막한 때, 유전체막에 생긴 응력의 측정치를 도시하는 도면. 도 10(B)는, RF 파워가 작은 때의 유전체막(33)과 상기판(35)의 상태를 도시하는 개략도. 도 10(C)는, RF 파워가 큰 때의 유전체막(33)과 상기판(35)의 상태를 도시하는 개략도.
도 11(A)는, 본 발명의 실시 형태 4에 의한 압력 검지기를 도시하는 일부 분해한 사시도. 도 11(B)는, 도 11(A)에 도시하는 압력 검지기의 단면도.
도 12는, 본 발명의 실시 형태 5에 의한 입력 장치의 개략 단면도.

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 여러 가지 설계 변경할 수 있다.

(실시 형태 1)

이하, 도 2 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 실시 형태 1에 의한 정전용량형의 압력 센서(31)의 구조를 설명한다. 도 2(A)는 압력 센서(31)의 사시도, 도 2(B)는 압력 센서(31)의 일부 분해한 사시도이다. 도 3(A)는, 다이어프램(36)의 평면도이다. 도 3(B)는, 다이어프램(36)의 중앙을 통과하는 단면에서의 압력 센서(31)의 개략 단면도이다. 도 4는, 압력 센서의 하중-정전용량 특성을 도시하는 도면이다.

이 압력 센서(31)는, 고정 전극 기판(32)의 상면을 유전체막(33)으로 덮고 있다. 고정 전극 기판(32)으로서는, Si 기판 또는 유리 기판을 이용한다. 유전체막(33)은, 예를 들면 SiO ₂ 또는 SiN으로 이루어진다. 유전체막(33)은, 그 상면 중앙부에 원판형상의 리세스(34)(오목부)를 갖고 있다. 리세스(34)의 저면은, 유전체막(33)에 의해 덮여 있다.

유전체막(33)의 상면에는, 도전성 재료 예를 들면 저저항 Si로 이루어지는 두께가 얇은 상기판(35)을 적층하고 있다. 상기판(35)은, 리세스(34)의 상면 개구를 덮고 있다. 상기판(35) 중 리세스(34)의 외측에 위치하는 부분(이하, 이것을 외주부분(37)이라고 한다.)은, 유전체막(33)의 상면에 고정되어 있다. 상기판(35) 중 리세스(34)의 상방에서 들떠 있는 원형의 부분은, 하중 또는 압력에 의해 탄성변형하는 감압용의 다이어프램(36)(가동 전극)으로 되어 있다. 상기판(35)의 상면에는, 다이어프램(36)과 전기적으로 도통한 전극 패드(39a)가 마련되어 있다. 전극 패드(39a)는, 금속 박막에 의해 형성되어 있다.

도시하지 않지만, 고정 전극 기판(32)에는, 고정 전극이 마련되어 있다. 예를 들면, 고정 전극 기판(32)이 Si 기판인 경우에는, 고정 전극 기판(32)의 이면을 고정 전극으로 하여도 좋다. 또한, 고정 전극 기판(32)의 상면에 불순물 확산층으로 이루어지는 고정 전극을 마련하고, 상기판(35)의 상면에 마련한 전극 패드(39b)를 유전체막(33)에 마련한 스루홀(40)을 통하여 고정 전극에 도통시켜도 좋다.

다이어프램(36)의 상면 중앙부에는, 압축응력막(38)을 마련하고 있다. 압축응력막(38)은 원형의 박막이고, 그 하면 전체가 다이어프램(36)의 상면에 접합하여 있다. 압축응력막(38)은, 압력 센서(31)의 외부로부터 부하가 가하여지지 않는 상태(초기 상태)에서도, 내부에 압축응력이 생기고 있다. 압축응력막(38)은, 고정 전극 기판(32)의 상면에 수직한 방향에서 볼 때, 압축응력막(38)의 중심과 다이어프램(36)(또는, 리세스(34))의 중심이 일치하도록 배치되어 있다.

이 압력 센서(31)는, 터치 모드 정전용량형의 압력 센서이다. 도 4는, 압력 센서(31)의 다이어프램(36)에 가하여지는 하중(W)[gF]과, 고정 전극 기판(32)과 다이어프램(36)의 사이에 발생한 정전용량(C)[pF]과의 관계(하중-정전용량 특성)를 모식적으로 도시하는 도면이다. 또한, 도 4에는, 하중-정전용량 특성을 나타내는 곡선상의 몇 점에서의 다이어프램(36)의 변형 상태를 나타내고 있다.

압력 센서(31)의 다이어프램(36)에 하중(W)이 가하여지면, 다이어프램(36)은 그 하중(W)에 응하여 휘고, 어느 하중(Wa)에서 유전체막(33)에 접촉한다. 도 4에서의 하중이 0부터 Wa까지의 구간(미접촉 영역)은, 다이어프램(36)이 유전체막(33)에 접촉하지 않은 상태이다. 하중이 Wa부터 Wb까지의 구간(접촉 시작 영역)은, 다이어프램(36)이 유전체막(33)에 접촉하고 나서 어느 정도의 면적으로 확실하게 접촉할 때까지의 상태를 나타내고 있다. 하중이 Wb부터 WC까지의 구간(동작 영역)은, 하중의 증가에 수반하여 다이어프램(36)이 유전체막(33)에 접촉하고 있는 부분의 면적이 점차로 증가하고 있다. 하중이 WC 이상의 구간(포화 영역)은, 다이어프램(36)의 거의 전면이 유전체막(33)에 접촉하고 있고, 하중이 증가하여도 거의 접촉 면적이 증가하지 않는 영역이다.

도 4의 하중-용량 특성에 의하면, 다이어프램(36)이 접촉하지 않은 미접촉 영역에서는 정전용량(C)의 변화는 매우 작지만, 접촉 시작 영역이 되면 점차로 정전용량(C)의 변화율(증가 속도)이 커진다. 동작 영역에서는 선형성은 좋아지지만 정전용량(C)의 변화율은 점차로 감소하고, 포화 영역이 되면 정전용량(C)은 거의 증가하지 않게 된다. 특히, 하중이 Wd를 초과하면, 정전용량(C)은 포화치(Cd)가 되어 변화하지 않게 된다.

이와 같은 터치 모드의 압력 센서(31)에서는, 다이어프램(36)과 유전체막(33)과의 접촉 면적을 S, 유전체막(33)의 두께를 d, 유전체막(33)의 비유전율을 εr, 진공중의 유전율을 εo로 하면, 다이어프램(36)과 유전체막(33)의 사이에서의 정전용량(C)은, 다음의 수식 1로 표시할 수 있다.

C=Co+εo·εr·(S/d) … (수식 1)

여기서, Co는 미접촉 영역에서의 정전용량이다.

또한, 이 압력 센서(31)에서는, 다이어프램(36)의 상면에 압축응력막(38)을 형성하고 있고, 압축응력막(38)에는 초기 상태에서 내부에 압축응력이 생기고 있다. 압축응력막(38)은, 압축응력막(38)과 다이어프램(36)의 접합면에서 다이어프램(36)으로부터 압축력이 가하여져서 막 방향으로 수축되어 있기 때문에, 내부에 압축응력이 생기고 있다. 따라서, 압축응력막(38)은, 그 압축응력에 대항하여 넓어지려고 한다. 반대로, 다이어프램(36)은, 다이어프램(36)과 압축응력막(38)의 접합면에서 압축응력막(38)으로부터의 반력에 의해 막 방향으로 넓어지기 때문에, 그 반력(인장력)에 대항하여 줄어들려고 한다. 이 결과, 압축응력막(38)은 넓어지려고 하고, 다이어프램(36)은 줄어들려고 하기 때문에, 다이어프램(36) 및 압축응력막(38)은, 초기 상태에어서 상방으로 조금 볼록하게 되도록 만곡하고 있다. 따라서, 다이어프램(36)에 도 1에 도시한 바와 같은 좌굴이나 피로에 의한 불량 모드의 변형이 생기려고 하여도, 다이어프램(36)이 상방을 향하여 볼록하게 되도록 강제적으로 복귀시키는 힘이 작용하여, 다이어프램(36)의 초기 상태(하중을 제외한 상태)에서의 형상을 안정시킬 수 있고, 압력 센서(31)의 출력 특성을 안정시킬 수 있다. 또한, 가압 내구 시험 등에서는, 변형에 의해 다이어프램(36)에 피로가 축적되는데, 압축응력막(38) 자체의 변형이 반복되는 것은 아니기 때문에, 압축응력막(38)의 압축응력은 계속적으로 유지된다.

또한, 이 압력 센서(31)는, 터치 모드 정전용량 압력 센서이기 때문에, 다이어프램(36)에 큰 압력이 가하여진 경우에도, 다이어프램(36)이 유전체막(33)에 접촉함으로써 다이어프램(36)의 파손을 막을 수 있다. 더하여, 다이어프램(36)에 압축응력막(38)이 형성되어 있기 때문에, 다이어프램(36)의 기계적 강도가 증가한다. 또한, 다이어프램(36)의 상면에 마련되어 있는 압축응력막(38)이 탄성체(예를 들면 폴리이미드와 같은 고분자 재료)로 만들어져 있으면, 압축응력막(38)이 완충재로서 작용하여, 경질의 하중 부가 부재(예를 들면, 터치 펜의 선단부)에 의해 다이어프램(36)이 눌려진 때라도, 다이어프램(36)의 기계적인 열화(마모, 갈라짐, 일그러짐)가 생기기 어려워진다.

압축응력막(38)은, 다이어프램(36)에 비하여 가능한 한 얇게 형성하여 두는 것이 바람직하다. 압축응력막(38)을 얇게 함에 의해, 압력 센서(31)의 저압역(低壓域)에서의 감도를 저하시키기 어려워지기 때문이다.

압축응력막(38)은, 상기한 바와 같이 압축응력막(38)의 중심과 다이어프램(36)의 중심이 일치하도록 형성되어 있다. 즉, 이 실시 형태의 경우로 말하면, 고정 전극 기판(32)의 상면에 수직한 방향에서 볼 때, 원판형상의 압축응력막(38)이 원판형상의 다이어프램(36)(또는 리세스(34))와 동심형상으로 배치되어 있다. 이와 같이 압축응력막(38)이 다이어프램(36)과 동심형상으로 되어 있고 다이어프램(36)의 한가운데에 위치하고 있으면, 다이어프램(36)이 방향에 따라 불균일하게 변형하기 어렵고, 다이어프램(36)의 열화도 동심원형상으로 진행한다. 따라서, 다이어프램(36)의 열화가 진행하여도 다이어프램(36)이 등방적으로 변형하기 때문에, 압력 센서(31)의 특성 변동을 작게 할 수 있다.

압축응력막(38)이 다이어프램(36)보다도 큰 면적을 갖고 있고, 압축응력막(38)이 외주부분(37)의 상면까지 비어져 나와 있어도 무방하다. 그러나, 다이어프램(36)의 가장자리의 링형상의 부분은 가장 크게 변형하는 부분이고, 이 링형상의 부분의 스프링 특성이 압력 센서(31)의 감도에 영향을 주기 때문에, 압축응력막(38)이 다이어프램(36)보다도 크면 압력 센서(31)의 감도가 저하된다. 따라서 압력 센서(31)에서는, 압축응력막(38)의 면적이 다이어프램(36)의 면적보다도 작게 되어 있고, 압축응력막(38)이 다이어프램(36)보다도 작게 되어 있는 것이 바람직하다. 압축응력막(38)을 다이어프램(36)보다도 작게 하고, 다이어프램(36)의 가장자리의 링형상의 부분에 압축응력막(38)을 마련하지 않도록 하여 두면, 압력 센서(31)의 감도 저하를 작게 할 수 있다.

특히, 압축응력막(38)은, 다이어프램(36)과 상사한 형상을 갖고 있고, 다이어프램(36)의 1/2 이하의 축척으로 되어 있는 것이 바람직하다. 즉, 압축응력막(38)의 반경이나 폭이 다이어프램(36)의 반경이나 폭의 1/2 이하로 되어 있는 것이 바람직하다. 도 5는, 다이어프램(36)의 실제의 변형을 도시하고 있다. 도 5에서의 샘플 No. 1은, 다이어프램(36)이 상방으로 볼록하게 변형한 양상을 나타낸다. 샘플 No. 2는 일부가 상방으로 볼록하게 변형하고, 다른 일부가 하방으로 볼록하게 변형한 양상(2차의 변형 모드)을 나타낸다. 샘플 NO. 3은 다이어프램(36)이 하방으로 볼록하게 변형한 양상(1차의 변형 모드)을 나타낸다. 도 5의 각 모드의 변형으로부터 알 수 있는 바와 같이, 다이어프램(36)의 형상의 변화는, 주로 반경이 R/2(단, R은 다이어프램(36)의 반경이다.)의 영역 내에서 현저하기 때문에, 이 범위에 압축응력막(38)을 형성함에 의해, 작은 압축응력막(38)에 의해 다이어프램(36)의 변형을 효과적으로 교정할 수 있다. 그리고, 다이어프램(36)의 압축응력막(38)이 형성되지 않은 영역(압축응력막(38)의 외측의 영역)이 넓게 되기 때문에, 다이어프램(36)이 탄성변형하기 쉬워지고, 압력 센서(31)의 감도에 대한 영향을 최소한으로 하면서 다이어프램(36)의 변형을 교정할 수 있다.

압축응력막(38)은, 압축응력막(38)의 성막 조건을 이용하여 압축응력을 갖게 할 수 있다. 즉, 압축응력막(38)의 성막 환경과 압력 센서(31)의 통상의 동작 환경과의 차이를 이용하여, 통상의 동작 환경하에서는 압축응력막(38) 내에 압축응력이 잔류하도록 하면 좋다. 예를 들면, 고온 환경하에서 다이어프램(36)의 상면에 압축응력막(38)을 성막한 때, 다이어프램(36)에도 압축응력막(38)에도 내부 응력이 존재하지 않았다고 한다. 압력 센서(31)를 성막 장치로부터 취출하고 압력 센서(31)를 상온의 환경으로 되돌린 때, 압축응력막(38)의 열수축율보다도 다이어프램(36)의 열수축율 쪽이 컸다고 한다. 이 경우, 열수축율의 작은 압축응력막(38)은, 다이어프램(36)으로부터 압축력을 받고, 내부에 압축응력이 잔류한다. 열수축율의 큰 다이어프램(36)은 압축응력막(38)으로부터 수축에 대한 저항, 즉 인장력을 받기 때문에, 다이어프램(36)에는 인장응력이 잔류한다. 따라서 압축응력막(38)은, 압축응력에 대항하여 외측에 넓어지려고 하고, 다이어프램(36)은, 인장응력에 대항하여 내측에 줄어들려고 하기 때문에, 다이어프램(36) 및 압축응력막(38)은 상방으로 볼록하게 되도록 만곡한다. 간단히 말하면, 다이어프램(36)이 크게 줄고, 압축응력막(38)이 줄어짐이 작기 때문에, 다이어프램(36)과 압축응력막(38)은 상방으로 볼록하게 되도록 만곡한다.

압축응력막(38)의 재료는, 상기판(35)에 성막 가능하고, 또한, 압축응력을 갖게 하는 것이 가능한 것이면 좋다. 예를 들면, SiO ₂ , SiN, 폴리실리콘 그 밖의 반도체, 또는 Ti 그 밖의 금속재료, 또는 폴리이미드 그 밖의 고분자 재료를 이용하여, 압축응력막(38)을 제작할 수 있다. 또한, 경질의 하중 부가 부재(예를 들면 터치 펜)로 압축응력막(38)이 눌러지는 경우에는, 폴리이미드와 같은 탄성체에 의해 압축응력막(38)을 형성하고 있으면, 압축응력막(38)에 의해 다이어프램(36)을 보호할 수 있다.

또한, 다이어프램(36)의 상면에 마련하는 것은 압축응력막(38)이라면 효과를 얻을 수 있기 때문에, 압축응력막(38)에서의 압축응력의 강함은 묻지 않는다.

(실시 형태 1의 변형례)

도 6은, 본 발명의 실시 형태 1의 변형례를 도시하는 평면도이다. 다이어프램(36)에 마련한 압축응력막(38)은, 이 변형례와 같이 다각형상, 예를 들면 사각형상이나 육각형상이라도 좋다. 특히, 압축응력막(38)은, 중심의 주변에 회전 대칭의 정다각형상인 것이 바람직하다.

또한, 도 7은, 본 발명의 실시 형태 1의 다른 변형례를 도시하는 평면도이다. 이 변형례에서는, 다이어프램(36)의 상면에, 방사형상의 압축응력막(38)을 마련하고 있다. 특히, 압축응력막(38)은, 중심의 주변에 회전 대칭의 방사형상인 것이 바람직하다. 원판형상의 압축응력막(38)이면, 압축응력막(38)의 탄성률이 큰 경우, 압축응력막(38)이 눌려지면 압축응력막(38)의 가장자리에서 다이어프램(36)이 반경 방향으로 급하게 구부러질 우려가 있다. 이에 대해, 이 변형례와 같이 방사형상의 압축응력막(38)을 형성하여 두면, 압축응력막(38)이 방사형상이 되어 있는 부분에서는, 다이어프램(36)의 중심으로부터 외주측을 향함에 따라 압축응력막(38)의 면적 비율(다이어프램(36)의 중심의 주변의 윤대(輪帶)형상의 영역에서의 압축응력막(38)의 면적 비율)이 점차로 작아진다. 그 결과, 다이어프램(36)에 가하여지는 압축력을 중심으로부터 외주측을 향하여 매끈하게 감소하는 것으로 되어, 다이어프램(36)이 매끈하게 변형하고, 압력 센서(31)의 특성이 안정된다.

(실시 형태 2)

도 8(A)는, 본 발명의 실시 형태 2에 의한 정전용량형의 압력 센서(51)를 도시하는 평면도이다. 도 8(B)는, 압력 센서(51)의 단면도이다. 이 실시 형태에서는, 다이어프램(36)의 하면의 적어도 일부에 인장응력막(52)을 형성하고 있다. 그 밖의 부분에 관해서는, 실시 형태 1과 마찬가지이기 때문에, 실시 형태와 같은 부분에는 실시 형태 1과 같은 부호를 붙임에 의해 설명을 생략한다(이하, 마찬가지).

실시 형태 2의 압력 센서(51)에서는, 다이어프램(36)의 하면에 인장응력막(52)을 형성하고 있다. 인장응력막(52)의 내부에는 인장응력이 잔류하고 있기 때문에, 인장응력막(52)은 인장응력에 대항하여 스스로 막 방향으로 줄어들려고 하고, 동시에 다이어프램(36)도 줄어들려고 한다. 다이어프램(36)의 하면은 인장응력막(52)에 의해 줄어들기 때문에, 내부에는 압축응력이 생기고 있다. 따라서, 인장응력막(52)은 막 방향으로 줄어들려고 하고, 다이어프램(36)은 인장응력막(52)으로부터의 줄어들려고 하는 힘에 대항하여 넓어지려고 한다. 그 결과, 다이어프램(36) 및 인장응력막(52)은, 초기 상태에서 상방으로 볼록이 되도록 변형한다.

또한, 다이어프램(36)의 하면에 인장응력막(52)을 마련하도록 하면, 인장응력막(52)을 리세스(34) 내에 갇히기 때문에, 인장응력막(52)이 습도나 가스(특히 부식성의 가스)로부터 보호된다. 따라서, 다이어프램(36)과 인장응력막(52)의 응력 상태를 안정시키면서 다이어프램(36)의 좌굴 변형 등을 막을 수 있다.

(실시 형태 3)

도 9(A)는, 본 발명의 실시 형태 3에 의한 정전용량형의 압력 센서(61)를 도시하는 평면도이다. 도 9(B)는, 압력 센서(61)의 단면도이다. 이 실시 형태에서는, 다이어프램(36)의 하면에 접합하여 있는 유전체막(33)의 적어도 일부가 인장응력을 갖고 있다. 유전체막(33)은, 다이어프램(36)의 하면에 접합하여 있는 박막부분(62)만이 인장응력을 갖고 있어도 좋지만, 제조 공정을 고려하면 유전체막(33)의 전체가 인장응력을 갖고 있어도 좋다. 이와 같은 실시 형태에서도, 실시 형태 2와 같은 작용에 의해, 초기 상태에서 다이어프램(36)이 상방으로 볼록하게 되도록 변형한다. 또한, 이 실시 형태에서는, 압축응력막(38)이나 인장응력막(52)을 마련할 필요가 없기 때문에, 압력 센서의 제조 공정이 간략화되고, 제조 비용이 염가로 된다.

유전체막(33)에 인장응력을 부여하기 위해서는, MEMS 기술에 의해 유전체막(33)을 성막하는 경우이라면, 성막 온도나 RF 파워를 관리함에 의해 유전체막(33)의 성막 후에 있어서의 응력 상태를 제어할 수 있다. 예를 들면, 상기판(35)의 하면을 위로 향한 상태에서, 플라즈마 TEOS법에 의해 상기판(35)의 하면에 유전체막(33)을 형성하는 경우, RF 파워를 변화시킴으로써 유전체막(33) 내에 생기는 응력을 제어할 수 있다. 플라즈마 TEOS법에서는, CVD 장치에 의해 TEOS(테트라에틸올소실리케이트 : Si(OC ₂ H ₅ ) ₄ )를 상기판(35)의 하면(상향의 면)에 증착시킨다. 이때 TEOS는, 다음 화학식과 같이 분해하고, SiO ₂ 막이 된다. 그 결과, 상기판(35)의 하면에 SiO ₂ 로 이루어지는 유전체막(33)이 형성된다.

Si(OC ₂ H ₅ ) ₄ → SiO ₂ +부생성물

도 10(A)는, 어느 조건하에서 RF 파워를 변화시켜서 플라즈마 TEOS법에 의해 SiO ₂ 막(유전체막)을 성막하고, RF 파워와 SiO ₂ 막에 생긴 응력을 실측한 결과를 도시한다. 도 10(A)에 도시하는 바와 같이, TEOS를 이용하여 SiO ₂ 막을 성막할 때, RF 파워가 작은 경우에는, SiO ₂ 막에는 인장응력이 생긴다. 그 결과, 유전체막(33)(SiO ₂ 막)이 형성된 상기판(35)은, 도 10(B)와 같이 상기판측으로 볼록하게 되도록 초기 변형한다. 또한, RF 파워를 서서히 크게 하면, 그에 따라 SiO ₂ 막의 인장응력은 점차로 작아지고, 내부 응력 제로의 상태를 넘어서 압축응력이 되고, 압축응력이 점차로 커져 간다. 그 결과, RF 파워가 큰 경우에는, 유전체막(33)이 형성된 상기판(35)은, 도 10(C)와 같이 유전체막측으로 볼록하게 되도록 초기 변형한다. 따라서, 파워 TEOS법에 의해 유전체막(33)을 상기판(35)에 성막함에 있어서, 작은 RF 파워로 유전체막(33)을 성막하도록 하면, 인장응력을 갖는 상태로의 성막하는 것이 가능해진다.

또한, 실시 형태 2, 3에서도, 실시 형태 1과 같은 변형례나 기술 설명이 적용되는 것은 말할 것도 없다.

(실시 형태 4)

도 11(A)는, 본 발명의 실시 형태 4에 의한 압력 검지기(71)를 도시하는 일부 분해한 사시도이다. 도 11(B)는, 압력 검지기(71)의 단면도이다. 압력 검지기(71)에서는, 본 발명에 관한 압력 센서(72)가 세라믹제의 용기형상을 한 케이싱(73) 내에 수납되어 있다. 압력 센서(72)는, Au 등의 본딩층(74)에 의해 케이싱(73)의 저면에 고정되어 있다. 케이싱(73)에는 상하로 관통한 스루홀 전극(75a)이 마련되어 있고, 스루홀 전극(75a)의 상단은 본딩층(74)에 연결되어 있다. 본딩층(74)이 압력 센서(72)의 고정 전극에 도통하고 있기 때문에, 압력 센서(72)의 고정 전극은, 스루홀 전극(75a)을 통하여 케이싱(73)의 하면까지 인출되어 있다. 압력 센서(72)의 고정 위치의 부근에서, 케이싱(73)의 저면에는 1단계 높아진 단부(段部)(76)가 마련되어 있다. 단부(76)에는 상하로 관통한 스루홀 전극(75b)이 마련되어 있고, 압력 센서(72)의 전극 패드(39a)와 스루홀 전극(75b)의 상면과의 사이는, 본딩 와이어(77)에 의해 접속되고 있다. 따라서, 다이어프램은, 스루홀 전극(75b)을 통하여 케이싱(73)의 하면까지 인출되어 있다. 케이싱(73)의 상면은 리드(78)에 의해 덮여 있고, 압력 센서(72)의 다이어프램 부분은 리드(78)의 개구(79)로부터 노출하고 있다.

이와 같은 압력 검지기(71)는, 압력 센서(72)의 다이어프램에 가하여진 하중 또는 압력을 검출하는 용도에 이용할 수 있다. 예를 들면, 필압(筆壓) 검지용의 압력 검지기(71)로서 이용할 수 있다.

(실시 형태 5)

도 12는, 본 발명의 실시 형태 5에 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 독립하여 검출할 수 있다. 이와 같은 입력 장치(81)에 의하면, 터치 패널과 같이 손가락 등으로 가압된 점(点)을 검출할 수 있음과 함께, 각 점의 가압 강도도 검출할 수 있다.

31, 51, 61 : 압력 센서
32 : 고정 전극 기판
33 : 유전체막
34 : 리세스
35 : 상기판
36 : 다이어프램
38 : 압축응력막
52 : 인장응력막
62 : 박막부분
71 : 압력 검지기
72 : 압력 센서