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    • 专利摘要:
    提供一種觸碰模式之電容性壓力感測器，該電容性壓力感測器能夠根據一壓力之一量測範圍容易地改變量測敏感度，且易於感測出該壓力已達到該量測範圍的最大值。將一介電層33形成於一固定電極32之一上部表面上，且將一凹座34形成於該介電層33的一表面上。將一上部基板37層鋪於該介電層33之該表面上，以便覆蓋該凹座34，使得一類薄膜導電膜片38配置於該凹座上方。在該凹座34內部，將允許該膜片38觸碰之一第一接觸表面35及一第二接觸表面36形成於該介電層33的該表面上。該第一接觸表面35及該第二接觸表面36藉由一台階分離，且該第二接觸表面36係在一高於該第一接觸表面35的位置處。
    公开号:TW201319537A
    申请号:TW101139188
    申请日:2012-10-24
    公开日:2013-05-16
    发明作者:Katsuyuki Inoue
    申请人:Omron Tateisi Electronics Co；
    IPC主号:G01L9-00
    专利说明:
    電容性壓力感測器及其製造方法以及輸入裝置
    本發明係關於一種電容性壓力感測器及該電容性壓力感測器的製造方法以及一種輸入裝置，且特定而言係關於一種由於壓力而彎曲之膜片觸碰介電層以感測壓力之觸碰模式的電容性壓力感測器及該電容性壓力感測器的製造方法。此外，本發明係關於一種應用了該電容性壓力感測器的輸入裝置。
    在一般電容性壓力感測器中，導電膜片(可移動電極)與固定電極在其間有間隙的情況下彼此對置，藉由由壓力彎曲之膜片與固定電極之間的電容改變來偵測壓力。然而，在此壓力感測器為使用矽基板及其類似者藉由MEMS技術製造的微器件之狀況下，大壓力被施加至膜片，使得膜片被大大彎曲，此情形引起膜片損毀的可能性。
    因此，提議一種壓力感測器，在該壓力感測器中，介電層設在固定電極之表面上，且由於壓力而彎曲之膜片觸碰介電層，且藉由接觸面積之改變來改變膜片與固定電極之間的電容。上述壓力感測器可被稱作觸碰模式電容性壓力感測器。
    作為觸碰模式電容性壓力感測器，存在(例如)在非專利文獻1中進行描述的壓力感測器。圖1(A)為繪示非專利文獻1中所描述之壓力感測器11的橫剖面圖。在此壓力感測器11中，由金屬薄膜製成之固定電極13形成於玻璃基板12的上部表面上，且介電膜14自固定電極13之上部側形成於玻璃基板12的上部表面上。在介電膜14中開出通孔15，使得設在介電膜14之上部表面上的電極墊16經由通孔15連接至固定電極13。矽基板17層鋪於介電層14之上部表面上，且下陷18設在矽基板17之上部表面上，凹座19設在矽基板17之下部表面中，且類薄膜膜片20形成於下陷18與凹座19之間。膜片20設在與固定電極13重疊的位置處。矽基板17之下部表面為藉由以高濃度來摻雜B(硼)而獲得的P+層21，此情形使得膜片20為導電的，藉此提供可移動電極之功能。若干μm之間隙22由膜片20之下部表面與介電層14之間的凹座19產生。
    圖1B為繪示壓力與已在非專利文獻1中描述的壓力感測器11之電容之間的關係(壓力-電容特性)之視圖。當將壓力施加至壓力感測器11之膜片20時，膜片20根據所施加壓力而彎曲，且以特定位準之壓力觸碰介電膜14。圖1B中之壓力為0至Pa的區段(非接觸區域)為膜片20尚未觸碰介電膜14的狀態。在壓力為Pa至Pb之區段(接觸開始區域)中，指示自膜片20開始觸碰介電膜14之時間點至膜片20以特定位準之面積確實地觸碰之時間點的狀態。在壓力為Pb至Pc之區段(操作區域)中，隨著壓力增加，膜片20觸碰介電膜14之部分的面積逐漸增加。壓力為Pc至Pd之區段(飽和區域)為幾乎整個膜片20觸碰介電膜14的區域，且即使壓力增加，接觸面積仍幾乎不增加。
    根據圖1B中之壓力-電容特性，在膜片20尚未觸碰之非接觸區域中，電容改變為小的，但電容改變速率(增加速率)在接觸開始區域中逐漸變得較大。此外，在操作區域中，線性得到改良，電容改變速率逐漸減小，直至在飽和區域中，電容幾乎不增加。
    在觸碰模式之上述壓力感測器11中，若膜片20與介電膜14之間的接觸面積為S，介電膜14之厚度為d，且介電膜14之介電常數為ε，則膜片20與介電膜14之間的電容C由以下數學表達式1來表達。
    C=Co+ε．(S/d) (1)
    其中Co為非接觸區域中的電容。
    由於介電膜14之厚度d及介電常數ε並不改變，因此根據表達式1，可理解，隨著壓力P變得較大，膜片20之接觸面積S增加，且結果壓力感測器11之電容C增加。然而，根據圖1B，壓力-電容特性繪製了自接觸開始至飽和區域之抛物線曲線。因此認為，接觸面積S(或電容差C-Co)定性地幾乎與Pn(0<n<1)成比例。
    關於壓力感測器，存在儘管在低壓力區域中要求高敏感度但在高壓力區域中低敏感度即可滿足需要的許多狀況，且存在需要在高壓力區域中使敏感度保持為低的且例如替代地將量測範圍設定得較寬廣的狀況。
    然而，在非專利文獻1中所描述之壓力感測器的結構中，當在低壓力區域中增加敏感度時，量測敏感度在高壓力區域中亦變高，此情形使得難以製造在低壓力區域中具有高敏感度且在高壓力區域中具有低敏感度的壓力感測器。即使試圖最佳化膜片之直徑及厚度以及介電層之介電常數及厚度的值及其類似者以在低壓力區域及高壓力區域中皆獲得最佳量測敏感度，設計仍為困難的。
    此外，關於在非專利文獻1中描述之壓力感測器，難以感測出所量測壓力已達到量測範圍之最大值(最大壓力)，且若試圖感測此最大值，則需要後續電路。
    在專利文獻1中，半導體壓力感測器在矽基板之與膜片對置的上部表面上具備類階梯備援部分。然而，在專利文獻1中揭示之壓力感測器藉由用應變偵測元件感測膜片之彎曲(壓電電阻)來偵測壓力，其不同於電容性壓力感測器。此外，在此壓力感測器中，膜片僅沿備援部分之角落部分(台階壁表面之上部末端)變形，且敏感度位準在低壓力區域與高壓力區域之間沒有不同。 [先前技術文獻] [專利文獻]
    [專利文獻1]日本專利公開案第3144314號 [非專利文獻]
    [非專利文獻1]Satoshi YAMAMOTO及其他四個人之「Touch-Mode Capacitive Pressure Sensor」，Fujikura有限公司之Fujikura技術評論，第101號，2001年10月，第71至74頁。
    考慮到上述技術問題而設計本發明，且本發明之一目標為提供一種觸碰模式之電容性壓力感測器，該電容性壓力感測器能夠根據一壓力之一量測範圍容易地改變量測敏感度，且易於感測出該壓力已達到該量測範圍的一最大值；及該電容性壓力感測器的一種製造方法。此外，本發明之一目標為提供一種應用了該感測器的輸入裝置。
    一種根據本發明之第一電容性壓力感測器包括：一固定電極；一形成於該固定電極上方之介電層；及一導電膜片，其形成於該介電層上方，其間有一間隙，其中該介電層的與該膜片對置之一部分具有複數個接觸區以允許該膜片觸碰，且當該介電層之一厚度為d，且該介電層之一介電常數為ε時，在該等各別接觸區之間的一邊界中，該介電層之一比率ε/d的值不連續地改變。在該等各別接觸區之間的該邊界中，該介電層之該比率ε/d的該值不連續地改變指示：在該等接觸區之間的邊界中，在最接近該等接觸區中之一者的邊界之一位置處的該ε/d值與在最接近另一接觸區之邊界之一位置處的該ε/d值為不同的。
    在本發明之該第一電容性壓力感測器中，當該膜片之一接觸表面觸碰該介電層超出該等接觸區之邊界時，一接觸面積與一電容之間的關係(電容特性)改變，且因此視該量測壓力之範圍而定，壓力-電容特性可被改變。舉例而言，可使得量測敏感度在一低壓力區域中較高，且可使得該量測敏感度在一高壓力區域中較低。此外，使得偵測該量測範圍中之最大壓力更容易。
    作為本發明之該第一電容性壓力感測器的一態樣，在該等各別接觸區之間的該邊界中，該介電層之該厚度可不連續地改變。作為此態樣，該介電層之該厚度可在一前表面側上改變，或可在一後表面側上改變。
    在該介電層之該厚度在該前表面側上改變之狀況下，在該等各別接觸區之間的該邊界中，一類階梯台階可設在該介電層之一表面上。特定而言，該等各別接觸區之表面在未施加壓力之狀態下可在距該膜片之一距離方面彼此不同。在此狀況下，當該膜片超出該等各別接觸區之間的該邊界時，該膜片之彈性不連續地改變，且因此視量測壓力之範圍而定，可使得壓力-電容特性更顯著地改變。
    作為本發明之第一電容性壓力感測器的另一態樣，隨著施加至膜片之壓力變得更大，該膜片順序地觸碰具有較小之比率ε/d值的接觸區。根據該上述態樣，可使得量測敏感度在低壓力區域中較高，且可使得量測敏感度在高壓力區域中較低。
    特定而言，藉由各別接觸區之該等表面按隨著施加至該膜片之壓力逐漸變大而接觸該膜片的次序順序地變高(自介電層之底面起量測之高度)之構造，可使得量測敏感度在低壓力區域中較高，且可使得量測敏感度在高壓力區域中較低。
    此外，在該介電層之該厚度在後表面側上改變之狀況下，在與該膜片對置之一區中，一類階梯台階可形成於該固定電極的一上部表面上。在此狀況下，該等接觸區之表面亦可總體上形成為平坦的，且該膜片可被平滑地變形。
    特定而言，藉由該介電層在一接觸表面下之厚度按隨著施加至該膜片之壓力逐漸變大而接觸該膜片的次序順序地變大的構造，可使得該量測敏感度在該低壓力區域中較高，且可使得該量測敏感度在該高壓力區域中較低。
    當該等接觸區之表面在未施加壓力之狀態下為平行於該膜片的平坦表面時，處理該介電層之該表面變得更容易。
    作為本發明之該第一電容性壓力感測器的再一態樣，在該等各別接觸區之間的該邊界中，該介電層之該介電常數可不連續地改變。亦在此狀況下，當該膜片之該接觸表面觸碰該介電層超出該等接觸區之該邊界時，該接觸面積與該電容之間的該等關係(電容特性)改變，且因此視該量測壓力之該範圍而定，壓力-電容特性可被改變。舉例而言，可使得該量測敏感度在該低壓力區域中較高，且可使得該量測敏感度在該高壓力區域中較低。
    一種根據本發明之第二電容性壓力感測器包括：一固定電極；一形成於該固定電極上方之介電層；及一導電膜片，其形成於該介電層上方，其間有一間隙，其中該介電層的與該膜片對置之一部分具有複數個接觸區以允許該膜片觸碰，且在該等各別接觸區之間的一邊界中，該介電層之一表面具有一類階梯台階。
    在本發明之該第二電容性壓力感測器中，當該膜片超出該等各別接觸區之間的該邊界時，該膜片之彈性不連續地改變，且因此視量測壓力之範圍而定，可使得壓力-電容特性更顯著地改變。舉例而言，可使得該量測敏感度在該低壓力區域中較高，且可使得該量測敏感度在該高壓力區域中較低。
    一種根據本發明之用於製造電容性壓力感測器的方法為一種用於製造一在一介電層之一前表面側上提供一台階以使得接觸區之一厚度不同的電容性壓力感測器之方法，該方法包括如下步驟：在該固定電極上方形成一第一介電膜；藉由蝕刻來部分移除該第一介電膜以形成一具有一類階梯邊緣的第一開口；自該第一介電膜之一上部側在該固定電極上方形成一第二介電膜；藉由蝕刻部分移除該第二介電膜以形成一具有一類階梯邊緣的第二開口；及自該第一介電膜及該第二介電膜之一上部側在該固定電極上方形成一第三介電膜。該第一開口不需要穿透該第一介電膜。該第二開口也不需要穿透該第二介電膜。此外，可使得該第二開口在面積上小於或大於該第一開口。
    根據該上述製造方法，可製造該電容性壓力感測器，在該電容性壓力感測器中，藉由一簡單MEMS製程在該介電層之該前表面側上提供該台階，以使得該等接觸區之該厚度不同。
    下文中，參看隨附圖式，將描述本發明之較佳具體例。然而，本發明並不限於以下具體例，而是可在不偏離本發明之要旨的範圍內進行設計上的各種修改。 (具體例1)
    下文中，參看圖2及圖3，將描述根據本發明之具體例之壓力感測器11的結構。圖2(A)為壓力感測器11之示意性平面圖，圖2(B)為沿圖2(A)中之X-X線的橫剖面圖。圖3(A)為繪示用於壓力感測器11中之介電層33的示意性平面圖，且圖3(B)為繪示用於壓力感測器11中之固定電極32及介電層33的示意性橫剖面圖。
    在此壓力感測器11中，介電層33形成於由諸如低電阻矽基板、金屬膜及其類似者之導電材料製成的固定電極32上。介電層33由諸如SiO2、SiN、TEOS及其類似者的介電材料製成。在介電層33中，凹座34(下陷部分)設在介電層33的上部表面中。在凹座34內部，形成在自介電層33之下部表面起量測之高度方面不同的複數個接觸表面(接觸區之表面)。在說明性實施例中，提供如下兩者：圓形地設在凹座34之中心部分中之在較低位置處的第一接觸表面35，及在第一接觸表面35周圍環狀地設置之在較高位置處的第二接觸表面36。第一接觸表面35與第二接觸表面36之間的邊界為垂直於介電層33之下部表面的垂直表面(下文中稱為台階壁表面)，且接觸表面之高度類似於階梯而在第一接觸表面35與第二接觸表面36之間改變。
    在介電層33之上部表面上，形成由諸如低電阻矽基板及其類似者之導電材料製成的類薄膜上部基板37。上部基板37覆蓋凹座34之上部表面。在上部基板37之上部表面上，藉由金屬材料來提供上部電極墊40及佈線41，且將上部電極墊40及佈線41導通至上部基板37。此外，上部基板37之上部表面由保護性膜39覆蓋，該保護性膜39由SiO2、SiN或其類似者之絕緣膜或諸如聚醯亞胺及其類似者之樹脂製成。上部電極墊40暴露而不被保護性膜39覆蓋。以此方式，藉由在上部基板37及保護性膜39中的在凹座34上方在空中水平地延伸之區形成用於壓力感測之膜片38。
    在此壓力感測器11中，將壓力施加至膜片38。圖4(A)至圖4(D)繪示膜片38如何由按壓本體43之柔軟最前部分按壓。壓力自圖4(A)至圖4(D)逐漸變大。定性地，此時之電容改變為如下。
    在自膜片38由小壓力按壓且並不觸碰介電層33之狀態直至膜片38如圖4(A)中所繪示稍微觸碰介電層33的時段中，可認為，膜片38與固定電極32之間的電容改變為小的且幾乎恆定。此時之電容(恆定值)由Co來表示。
    當施加至膜片38之壓力逐漸變大且膜片觸碰第一接觸表面35，使得膜片38觸碰第一接觸表面35之面積S1如圖4B中所繪示逐漸變大時，在此情形下，膜片38與固定電極32之間的電容C如以下數學表達式2所表達地改變。
    C=Co+(ε/d1)S1 (2)
    或若將△C=(C-Co)/Co定義為比電容，則獲得以下表達式；△C=(C-Co)/Co=(ε．S1)/(d1．Co) (3)
    其中ε為介電層33之介電常數，且d1為介電層33(接觸區)在第一接觸表面35下的厚度。
    當施加至膜片38之壓力變大，使得膜片38緊靠台階壁表面的上部末端時，膜片38自該上部末端開始與第二接觸表面36觸碰。如圖4C中所描述，若膜片38與第一接觸表面35之最大接觸面積為S1max，則當膜片38觸碰第二接觸表面36之角落(台階壁表面之上部末端)時的電容C由以下數學表達式4來表達。
    C=Co+(ε/d1)S1max (4)
    或△C=(C-Co)/Co=(ε．S1max)/(d1．Co) (5)
    當施加至膜片38之壓力變得更大時，膜片38觸碰第二接觸表面36的面積逐漸變大。當膜片38以接觸面積S2觸碰第二接觸表面36時的電容C由以下數學表達式6來表達。
    C=Co+(ε/d1)S1max+(ε/d2)S2 (6)
    或△C=(ε．S1max)/(d1．Co)+(ε．S2)/(d2．Co) (7)
    其中d2為介電層33(接觸區)在第二接觸表面36下的厚度。
    上述數學表達式3中之接觸面積S1的係數及上述數學表達式7中之接觸面積S2的係數為不同的。因而，可理解，在膜片38與第一接觸表面35觸碰時壓力-電容特性之改變方式與在膜片38與第二接觸表面36觸碰時壓力-電容特性之改變方式為不同的。特定而言，可理解，當介電層33在第一接觸表面35下之厚度d1小於介電層33在第二接觸表面36下的厚度d2時，在低壓力區域中之量測敏感度變得較高，且在高壓力區域中之量測敏感度變得較低。
    此外，當膜片38之接觸面積增加時，膜片38之可自由變形之區的面積變得較小，且因此膜片38之彈性逐漸變高。當膜片38緊靠第二接觸表面36之角落(台階壁表面之上部末端)時，膜片38之可自由變形之區的面積不連續地變小，使得膜片38之彈性在膜片38觸碰第二接觸表面36之角落之前及之後快速變高。結果，量測敏感度在膜片38觸碰第一接觸表面35之狀態下變高，且量測敏感度在膜片38觸碰第二接觸表面36之狀態下變低。因此，在具體例1之壓力感測器31中，量測敏感度在低壓力區域中變高，且在高壓力區域中之量測敏感度又由於此現象變低。
    圖5比較地繪示根據本發明之具體例1(具體例1)之壓力感測器中的壓力-電容特性，及非專利文獻1中描述之壓力-電容特性(習知實施例)。此等特性藉由模擬來獲得。圖5之水平軸線指示壓力P，且垂直軸線指示膜片(可移動電極)與固定電極之間的比電容△C=(C-Co)/Co。此處，C係壓力為P時的電容，且Co為非接觸區域中的電容。
    由於膜片38之接觸面積幾乎與Pn(0<n<1)成比例，因此由數學表達式2至4表達之壓力-電容特性繪製抛物線曲線。因而，數學表達式2至4與圖5匹配。
    然而，習知實施例之壓力感測器的壓力-電容特性在整個區域中以抛物線形式平滑地改變，而在具體例1之壓力感測器的壓力-電容特性中，在膜片38緊靠第一接觸表面35與第二接觸表面36之間的台階壁表面之上部末端時的壓力Pe之前及之後，改變方式不同。
    亦即，在習知實施例之壓力感測器中，量測敏感度之改變方式在整個量測範圍內遵守特定規則。因此，當進行設計以便在低壓力區域中獲得所要量測敏感度時，基於此情形亦決定了高壓力區域中的量測敏感度，且因此，不可進行設計以便任意地獲得低壓力區域中之高敏感度及高壓力區域中的低敏感度。類似地，不可任意地設計在壓力之量測範圍中之最大壓力Pf附近的電容的飽和位準。
    相反，在根據本發明之具體例1之壓力感測器11中，在壓力小於Pe且膜片38僅觸碰第一接觸表面35之狀態下(低壓力區域)，設計量測敏感度以便係高的。然而，在壓力大於Pe且膜片38亦觸碰第二接觸表面36之狀態下(高壓力區域)，量測敏感度低於低壓力區域中的量測敏感度，此係因為介電層33在第二接觸表面36下之厚度d2大於介電層33在第一接觸表面35下的厚度d1。因而，根據具體例1，可製造低壓力區域中之量測敏感度為高的且高壓力區域中之量測敏感度為低的壓力感測器11。此外，由於量測敏感度在高壓力區域中可為低的，因此可進行設計，使得介電層33在第二接觸表面36下之厚度d2及第二接觸表面36之面積經適當選擇，藉此隨著電容變得更接近量測範圍中之最大壓力Pf處之飽和值，電容改變變得較小。因此，可感測到，根據電容改變量測得之壓力P已幾乎達到最大壓力Pf。
    接著，將描述上述壓力感測器11之製造程序。圖6至圖9為具體地繪示壓力感測器11之製造程序的視圖。雖然在圖6至圖9中之製造程序中，將描述用於製造一個壓力感測器的程序，但通常在晶圓上同時製造複數個壓力感測器。
    藉由將壓力感測器11分成上部基板側及固定電極側來製造壓力感測器11。首先，將參看圖6(A)至圖6(E)來描述上部基板側的製造方法。圖6(A)繪示藉由濺鍍或蒸氣沈積而將Al、Au或其類似者之金屬膜40a形成於由矽基板或其類似者製成之上部基板37的整個上部表面上的狀態。藉由光微影程序來圖案化上部基板37上之金屬膜40a，且如圖6B中所繪示，將由金屬膜40a製成之上部電極墊40及佈線41形成於上部基板37的上部表面上。隨後，如圖6(C)中所繪示，藉由濺鍍、CVD、塗佈或其類似者之方法藉由保護性膜39來覆蓋上部基板37的整個上部表面，該保護性膜39由SiO2或其類似者之絕緣膜或諸如聚醯亞胺及其類似者的樹脂材料製成。保護性膜39在上部電極墊40之部分上部表面上具備開放窗50，且如圖6(D)中所繪示，上部電極墊40中之每一者的至少部分暴露而不被保護性膜39覆蓋。作為用於對保護性膜39開口的方法，可藉由反應性氣體來應用乾式蝕刻，或可使用化學物質(蝕刻溶液)而應用濕式蝕刻。其後，上部基板37之下部表面經研磨並拋光或經蝕刻，藉由以上操作，使得上部基板37之厚度如圖6(E)中所繪示變薄以形成由上部基板37及保護性膜39製成的類薄膜膜片38。
    接著，將參看圖7(A)至圖7(D)及圖8(A)至圖8(C)來描述固定電極側的製造方法。圖7(A)繪示如下狀態：藉由諸如熱氧化、濺鍍、CVD及其類似者的方法使由諸如SiO2、SiN、TEOS及其類似者之介電材料製成的介電膜33a形成於由低電阻矽基板或其類似者製成之固定電極32的整個上部表面上。此介電膜33a之厚度經設定，以便等於第一接觸表面與第二接觸表面36之間的台階。藉由使用化學物質之濕式蝕刻或使用反應性氣體的乾式蝕刻來蝕刻此介電膜33a，且如圖7B中所繪示，將開口51(第一開口)形成於中心部分中。介電膜33a之開口51形成於一區中，該區幾乎等於將係凹座34之區。此外，如圖7(C)中所繪示，自介電膜33a之上部側，使用與介電膜33a相同之介電材料使介電膜33b形成於固定電極32的整個上部表面上。藉由使用化學物質之濕式蝕刻或使用反應性氣體的乾式蝕刻來蝕刻此介電膜33b，且如圖7(D)中所繪示，將開口52(第二開口)形成於中心部分中。介電膜33b之開口52在面積上小於開口51，且形成於幾乎等於第一接觸表面35之區中。接著，如圖8(A)中所繪示，藉由諸如熱氧化、濺鍍、CVD及其類似者的方法，使用與介電膜33a、33b相同之介電材料，自介電膜33b的上部側使介電膜33c形成於固定電極32的整個上部表面上。結果，介電層33由介電膜33a、33b、33c形成。介電層33可藉由不同於前述方法的方法形成。亦即，在將具有相對大厚度之介電層33形成於固定電極32之上部表面上之後，可蝕刻介電層33以形成具有第一接觸表面35及第二接觸表面36的凹座34。
    其後，按需要，固定電極32之下部表面經研磨並拋光或經蝕刻，藉此使得固定電極32之厚度為小的，如圖8B中所繪示。在固定電極32之下部表面上，如圖8(C)中所繪示，形成Al、Au或其類似者的金屬膜，且應用藉由化學物質之濕式蝕刻或使用反應性氣體的乾式蝕刻以使金屬膜圖案化並形成下部電極墊42。
    其後，使用諸如常溫結合、熔融結合、樹脂結合、共晶結合或其類似者的結合方法將上部基板37結合至介電層33，以獲得如圖9(A)中所繪示之壓力感測器31。其後，如圖9B中所繪示，可將保護性膜53形成於固定電極32之整個下部表面及下部電極墊42上，且可將開放窗54設在保護性膜53中以自開放窗54暴露下部電極墊42。此外，當藉由晶圓同時製造複數個壓力感測器11時，將此晶圓單一化成個別壓力感測器11。
    雖然在圖7(D)之程序中設在介電膜33b中的開口52在面積上小於介電膜33a的開口51，但可使得介電膜33b之開口52大於開口51。 (具體例2)
    圖10(A)為根據本發明之具體例2之壓力感測器61的示意性平面圖。圖10B為用於壓力感測器61中之介電層33的示意性平面圖。在此壓力感測器61中，凹座34、第一接觸表面35、第二接觸表面36及膜片38各自以矩形形成。
    根據上述具體例，在膜片38在短邊方向上充分觸碰第一接觸表面35及第二接觸表面36之後，與第一接觸表面35及第二接觸表面36之接觸表面在長邊方向上延伸，且因此可獲得不同於具體例1之壓力-電容特性的壓力-電容特性。
    凹座34、第一接觸表面35及第二接觸表面36的平面形狀可為不同於圓形及矩形的各種形狀，諸如正方形、橢圓形、六邊形、八邊形及其類似者。 (具體例3)
    圖11為根據本發明之具體例3之壓力感測器62的示意性橫剖面圖。在此壓力感測器62中，由於第二接觸表面36斜下地傾斜至第一接觸表面35，因此此情形使得膜片38更易於觸碰第二接觸表面36。 (具體例4)
    圖12為根據本發明之具體例4的觸碰模式之電容性壓力感測器63的示意性橫剖面圖。在此壓力感測器63中，在與膜片38之中心部分對置的區中，固定電極32之上部表面突出以形成突出部分71。在形成於固定電極32之上部表面上的介電層33中，凹座34形成於與膜片38對置的區中，且介電層33之上部表面在凹座34內部形成為平坦的。因而，在位於凹座34之中心部分中且位於突出部分71正上方的第一接觸表面35中，介電層33之厚度為較小的。此外，在位於凹座34之外部圓周部分中且與固定電極32之低於突出部分71的上部表面72對置之第二接觸表面36中，介電層33之厚度為較大的。
    在具體例4之壓力感測器63中，膜片38之接觸表面自第一接觸表面35擴展至第二接觸表面36，且隨著膜片38之接觸面積變大，電容如上述數學表達式2至7中所描述而改變。因此，電容增加之方式在膜片38僅觸碰第一接觸表面35時與膜片38亦觸碰第二接觸表面36時之間不同。亦即，在低壓力區域中，量測敏感度可為高的，且在高壓力區域中，量測敏感度可為低的。 (具體例5)
    圖13為根據本發明之具體例5的觸碰模式之電容性壓力感測器64的示意性橫剖面圖。在此壓力感測器64中，凹座34設在固定電極32的上部表面中。在凹座34內部，形成複數個平坦表面，該等表面在自固定電極32之下部表面起量測的高度方面不同。在說明性實施例中，提供位於凹座34之中心部分中之在較低位置處的第一平坦表面73，及位於平坦表面73周圍之在較高位置處的第二平坦表面74。第一平坦表面73與第二平坦表面74之間的邊界為垂直於固定電極32之下部表面的垂直表面(台階壁表面)，且平坦表面之高度類似於階梯而在第一平坦表面73與第二平坦表面74之間改變。
    此外，在固定電極32之上部表面上，形成具有均一厚度的介電層33。因而，亦在介電層33之上部表面上形成凹座34，且在凹座34內部，形成位於第一平坦表面73上方之在較低位置處的第一接觸表面35及位於第二平坦表面74上方之在較高位置處的第二接觸表面36。
    在具體例5之壓力感測器64中，雖然介電層33之厚度為均一的，但介電層33之表面在凹座34內部形成為類階梯的。因此，如具體例1中所描述，當膜片38緊靠第二接觸表面36之角落(台階壁表面之上部末端)時，膜片38之可自由變形之區的面積不連續地變小，使得膜片38之彈性在膜片38觸碰第二接觸表面36之角落之前及之後快速變高。結果，量測敏感度在膜片38觸碰第一接觸表面35之狀態下為高的，且量測敏感度在膜片38觸碰第二接觸表面36之狀態下變低。因此，在具體例5之壓力感測器64中，量測敏感度在低壓力區域中變高，且在高壓力區域中之量測敏感度亦由於此現象變低。 (具體例6)
    圖14為根據本發明之具體例6的觸碰模式之電容性壓力感測器65的示意性橫剖面圖。在此壓力感測器65中，介電層75、76形成於固定電極32之上部表面上，且凹座34設在介電層75、76的上部表面中。在凹座34內部之底面中，將具有相對大介電常數之介電層76形成於凹座34的中心部分中，且將具有相對小介電常數之介電層75形成於凹座34的外部圓周部分中。在凹座34內部，介電層76之上部表面為第一接觸表面35，且介電層75之上部表面為第二接觸表面36。此外，在凹座34之底面中，介電層75之厚度及介電層76之厚度幾乎相等，且第一接觸表面35及第二接觸表面36形成在同一高度的平坦表面。
    在此壓力感測器65中，可認為，即使在按壓膜片38時，膜片38與固定電極32之間的電容C之改變仍為小的，且電容C幾乎恆定，直至膜片38觸碰介電層75、76。若此時之電容(恆定值)由Co來表達，則膜片38與固定電極32之間的比電容△C=(C-Co)/Co做如下改變。
    當將壓力施加至膜片38，使得膜片38觸碰第一接觸表面35，且膜片38觸碰第一接觸表面35之面積S1逐漸變大時，膜片38與固定電極32之間的比電容△C如以下數學表達式8所表達地改變。
    △C=(ε1．S1)/(d．Co) (8)
    其中ε1為介電層76之介電常數，且d為在凹座34之底面中介電層75、76的厚度。
    當施加至膜片38之壓力變得更大，使得膜片38之接觸表面在整個第一接觸表面35上擴展時，若第一接觸表面35之面積為S1max，則此時之比電容△C由以下數學表達式9來表達。
    △C=(ε1．S1max)/(d．Co) (9)
    當施加至膜片38之壓力變得更大，使得膜片38之接觸表面在整個第二接觸表面36上擴展時，若膜片38與第二接觸表面36之間的接觸面積為S2且介電層75之介電常數為ε2，則比電容△C由以下數學表達式10來表達。
    △C=(ε1．S1max)/(d．Co)+(ε2．S2)/(d．Co) (10)
    上述數學表達式8中之接觸面積S1的係數及上述數學表達式10中之接觸面積S2的係數為不同的。因而，可理解，在膜片38觸碰第一接觸表面35時壓力-電容特性之改變方式與在膜片38觸碰第二接觸表面36時壓力-電容特性之改變方式為不同的。特定而言，可理解，當在第一接觸表面35下之介電層76的介電常數ε1大於在第二接觸表面36下之介電層75的介電常數ε2時，在低壓力區域中之量測敏感度變得較高，且在高壓力區域中之量測敏感度變得較低。 (具體例7)
    圖15為繪示根據本發明之具體例7之平面型輸入裝置81(例如，觸控面板)之結構的橫剖面圖。在此輸入裝置81中，各自具有類似於根據本發明之壓力感測器之結構的結構之數個感測器單元82以陣列形狀(例如，以矩形形狀或以蜂巢形狀)配置。每一感測器單元82為電獨立的，且可獨立地偵測施加至每一感測器單元82的壓力。根據上述輸入裝置81，可如在觸控面板中一般偵測由手指或其類似者按壓之點，且亦可偵測在每一點處的按壓力量。
    11‧‧‧壓力感測器
    12‧‧‧玻璃基板
    13‧‧‧固定電極
    14‧‧‧介電膜
    15‧‧‧通孔
    16‧‧‧電極墊
    17‧‧‧矽基板
    18‧‧‧下陷
    19‧‧‧凹座
    20‧‧‧膜片
    21‧‧‧P+層
    22‧‧‧間隙
    31‧‧‧壓力感測器
    32‧‧‧固定電極
    33‧‧‧介電層/介電膜
    33a‧‧‧介電膜
    33b‧‧‧介電膜
    33c‧‧‧介電膜
    34‧‧‧凹座/下陷部分
    35‧‧‧第一接觸表面
    36‧‧‧第二接觸表面
    37‧‧‧類薄膜上部基板
    38‧‧‧膜片
    39‧‧‧保護性膜
    40‧‧‧上部電極墊
    40a‧‧‧金屬膜
    41‧‧‧佈線
    42‧‧‧下部電極墊
    43‧‧‧按壓本體
    50‧‧‧開放窗
    51‧‧‧開口
    52‧‧‧開口
    53‧‧‧保護性膜
    54‧‧‧開放窗
    61‧‧‧壓力感測器
    62‧‧‧壓力感測器
    63‧‧‧電容性壓力感測器
    64‧‧‧電容性壓力感測器
    65‧‧‧電容性壓力感測器
    71‧‧‧突出部分
    72‧‧‧上部表面
    73‧‧‧第一平坦表面
    74‧‧‧第二平坦表面
    75‧‧‧介電層
    76‧‧‧介電層
    81‧‧‧平面型輸入裝置
    82‧‧‧感測器單元
    d1‧‧‧在第一接觸表面下的介電層厚度
    d2‧‧‧在第二接觸表面下的介電層厚度
    圖1(A)為繪示根據習知實施例之壓力感測器的示意性橫剖面圖。圖1(B)為繪示壓力與在圖1(A)中繪示之習知實施例之壓力感測器中的電容之間的關係之視圖。
    圖2(A)為根據本發明之具體例1之壓力感測器的示意性平面圖。圖2(B)為沿圖2(A)中之X-X線的示意性橫剖面圖。
    圖3(A)及圖3(B)分別為根據本發明之具體例1之壓力感測器的膜片被移除之狀態的示意性平面圖及示意性橫剖面圖。
    圖4(A)至圖4(D)為繪示膜片隨著愈來愈大的壓力被施加至膜片而如何變形的解釋視圖。
    圖5為繪示壓力與根據本發明之具體例的壓力感測器及習知實施例之壓力感測器中之每一者的電容之改變速率之間的關係之視圖。
    圖6(A)至圖6(E)為描述根據本發明之具體例1的壓力感測器之製造程序的橫剖面圖。
    圖7(A)至圖7(D)為描述同一壓力感測器之製造程序並繪示圖6(E)之後的程序之橫剖面圖。
    圖8(A)至圖8(C)為描述同一壓力感測器之製造程序並繪示圖7(D)之後的程序之橫剖面圖。
    圖9(A)及圖9(B)為描述同一壓力感測器之製造程序並繪示圖8(C)之後的程序之橫剖面圖。
    圖10(A)為根據本發明之具體例2之壓力感測器的示意性平面圖。圖10(B)為用於相關壓力感測器中之介電層的示意性平面圖。
    圖11為根據本發明之具體例3之壓力感測器的示意性橫剖面圖。
    圖12為根據本發明之具體例4之壓力感測器的示意性橫剖面圖。
    圖13為根據本發明之具體例5之壓力感測器的示意性橫剖面圖。
    圖14為根據本發明之具體例6之壓力感測器的示意性橫剖面圖。
    圖15為根據本發明之具體例7之輸入裝置的示意性橫剖面圖。
    31‧‧‧壓力感測器
    32‧‧‧固定電極
    33‧‧‧介電層/介電膜
    34‧‧‧凹座/下陷部分
    35‧‧‧第一接觸表面
    36‧‧‧第二接觸表面
    37‧‧‧類薄膜上部基板
    38‧‧‧膜片
    39‧‧‧保護性膜
    40‧‧‧上部電極墊
    41‧‧‧佈線
    42‧‧‧下部電極墊
    权利要求:
    Claims (16)
    [1] 一種電容性壓力感測器，其包含：一固定電極；一形成於該固定電極上方之介電層；及一導電膜片，其形成於該介電層上方，其間有一間隙，其中該介電層的與該膜片對置之一部分具有複數個接觸區以允許該膜片觸碰，且當該介電層之一厚度為d，且該介電層之一介電常數為ε時，在該等各別接觸區之間的一邊界中，該介電層之一比率ε/d的一值不連續地改變。
    [2] 如申請專利範圍第1項之電容性壓力感測器，其中在該等各別接觸區之間的該邊界中，該介電層之該厚度不連續地改變。
    [3] 如申請專利範圍第2項之電容性壓力感測器，其中在該等各別接觸區之間的該邊界中，該介電層之一表面具有一類階梯台階。
    [4] 如申請專利範圍第3項之電容性壓力感測器，其中該等各別接觸區之表面在一未施加壓力之狀態下在距該膜片之一距離方面彼此不同。
    [5] 如申請專利範圍第1項之電容性壓力感測器，其中隨著一施加至該膜片之壓力變得較大，該膜片順序地觸碰具有該比率ε/d之較小值的該接觸區。
    [6] 如申請專利範圍第3項之電容性壓力感測器，其中在自該介電層之底面起量測的高度方面，使得該等各別接觸區之表面按隨著一施加至該膜片之壓力逐漸變大而與該膜片接觸的一次序順序地變高。
    [7] 如申請專利範圍第2項之電容性壓力感測器，其中該等接觸區之表面被總體上形成為平坦的。
    [8] 如申請專利範圍第7項之電容性壓力感測器，其中在與該膜片對置之一區中，一類階梯台階形成於該固定電極之一上部表面上。
    [9] 如申請專利範圍第2項之電容性壓力感測器，其中該介電層在一接觸表面下之該厚度按隨著一施加至該膜片之壓力逐漸變大而與該膜片接觸的一次序順序地變大。
    [10] 如申請專利範圍第1項之電容性壓力感測器，其中該等接觸區之表面在一未施加壓力之狀態下為平行於該膜片的平坦表面。
    [11] 如申請專利範圍第1項之電容性壓力感測器，其中在該等各別接觸區之間的該邊界中，該介電層之該介電常數不連續地改變。
    [12] 一種電容性壓力感測器，其包含：一固定電極；一形成於該固定電極上方之介電層；及一導電膜片，其形成於該介電層上方，其間有一間隙，其中該介電層的與該膜片對置之一部分具有複數個接觸區以允許該膜片觸碰，且在該等各別接觸區之間的一邊界中，該介電層之一表面具有一類階梯台階。
    [13] 一種用於製造如申請專利範圍第3項之電容性壓力感測器的方法，其包含以下步驟：在固定電極上方形成一第一介電膜；藉由蝕刻來部分移除該第一介電膜以形成一具有一類階梯邊緣的第一開口；自該第一介電膜之一上部側在該固定電極上方形成一第二介電膜；藉由蝕刻部分移除該第二介電膜以形成一具有一類階梯邊緣的第二開口；及自該第一介電膜及該第二介電膜之一上部側在該固定電極上方形成一第三介電膜。
    [14] 如申請專利範圍第13項之用於製造電容性壓力感測器的方法，其中該第二開口在面積上小於該第一開口。
    [15] 如申請專利範圍第13項之用於製造電容性壓力感測器的方法，其中該第二開口在面積上大於該第一開口。
    [16] 一種安裝有如申請專利範圍第1項之壓力感測器的輸入裝置。
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    TWI529379B|2016-04-11|
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    JP2005233877A|2004-02-23|2005-09-02|Alps Electric Co Ltd|圧力センサ|
    JP2005321257A|2004-05-07|2005-11-17|Alps Electric Co Ltd|静電容量型圧力センサ|
    JP4020318B2|2004-05-19|2007-12-12|株式会社山武|容量式圧力センサ|
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