DE10131645A1

DE10131645A1 - Beschleunigungsschalter

Info

Publication number: DE10131645A1
Application number: DE10131645A
Authority: DE
Inventors: Kouichi Itoigawa; Hitoshi Muraki; Makoto Murate
Original assignee: Tokai Rika Co Ltd
Current assignee: Tokai Rika Co Ltd
Priority date: 2000-07-03
Filing date: 2001-06-29
Publication date: 2002-02-28
Also published as: US6586691B2; GB0115925D0; JP2002022765A; GB2364441A; GB2364441B; US20020000363A1

Abstract

Ein Beschleunigungsschalter, der eine verbesserte Erfassungssensibilität hat, ohne vergrößert zu werden. Der Beschleunigungsschalter (1) umfasst einen Schalterkörper (1A), eine unbewegliche Elektrode (14), welche in einem Schalterkörper angeordnet ist, und ein bewegliches Gewicht (M1, 8), welches in einem Schalterkörper angeordnet ist. Das bewegliche Gewicht wird versetzt, wenn es einer Beschleunigung ausgesetzt ist. Das bewegliche Gewicht umfasst eine bewegliche Elektrode (12), die die unbewegliche Elektrode berührt, wenn das bewegliche Gewicht versetzt wird, und ein Balkenpaar (10), welches das bewegliche Gewicht und den Schalterkörper verbindet. Die Balken unterstützen drehbar das bewegliche Gewicht und erstrecken sich in Vertiefungen (9), die in dem beweglichen Gewicht ausgebildet sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Beschleunigungsschalter, und besonders einen Beschleunigungsschalter, der eine bewegliche Elektrode umfasst, welche, sofern die Beschleunigung einen vordefinierten Wert übersteigt, mit einer unbeweglichen Elektrode Kontakt hat.

Gegenwärtig sind viele Kraftwagen mit einem Airbagsystem ausgestattet. Ein herkömmliches Airbagsystem umfasst einen Airbag, eine Zündvorrichtung und eine elektronische Steuereinheit. Die elektronische Steuereinheit beinhaltet einen Beschleunigungssensor, der eine plötzliche Veränderung in der Beschleunigung bei einem Zusammenstoß des Kraftwagens mit einem anderen Gegenstand oder Fahrzeug erkennt. Hierzu ist die Benutzung eines mechanischen Beschleunigungsschalters (d. h. Sicherheitssensor) vorgesehen worden.

Die Zeichnungsfiguren 1A bis 1C zeigen schematisch die Anordnung eines dem Stand der Technik entsprechenden Beschleunigungsschalters 51. Der Beschleunigungsschalter 51 beinhaltet einen Siliziumchip 52 und ein Trägermaterial 53, welche miteinander verbunden sind. Wie in Fig. 1B dargestellt, hat der Siliziumchip 52 eine Länge von L1 und eine Breite von W1. Weiterhin weist der Siliziumchip 52 einen Hohlraum 52a auf, in welchem ein block-ähnliches Trägheitsgewicht 54 angeordnet ist.

Ein Balken 55 ist an jedem langen Ende des Trägheitsgewichts 54 vorgesehen und dehnt sich von einer Position seitlich versetzt von der Mitte des langen Endes aus. Die Balken 55 verbinden das Trägheitsgewicht 54 und den Siliziumchip 52. Das Trägheitsgewicht 54 ist über die Balken 55 an einer Position seitlich versetzt vom Schwerpunkt des Trägheitsgewichts 54 drehbar gelagert. Auf Fig. 1B Bezug nehmend, haben die Balken 55 jeweils eine Länge von T2. Zwei bewegliche Elektroden 56 und 57 sind, wie in Fig. 1A dargestellt, an der unteren Seite des Trägheitsgewichts 54 angeordnet. Die beweglichen Elektroden 56 und 57 sind in unmittelbarer Nähe zueinander in der Mitte des den Balken 55 gegenüberliegenden Gewichtendes angeordnet.

Ein Hohlraum 53a ist an der oberen Oberfläche des Trägermaterials 53 festgelegt. Eine unbewegliche Elektrode 58 ist im Hohlraum 53a an einer den beweglichen Elektroden 56, 57 entsprechenden Stelle angeordnet. Die beweglichen Elektroden 56, 57 sind normalerweise von der unbeweglichen Elektrode 58 getrennt.

Wenn auf den Beschleunigungsschalter 51 eine Beschleunigung ausgeübt wird, dreht die Trägheitskraft das Trägheitsgewicht 54 entlang einer Achse der Balken 55 in eine abwärts gerichtete Richtung (die in Fig. 1A durch Pfeil G dargestellte Richtung). Wenn die Beschleunigung einen vordefinierten Wert erreicht oder diesen übersteigt, dreht sich das Trägheitsgewicht 54 in die durch Pfeil F in Fig. 1A dargestellte Richtung, und die beweglichen Elektroden 56, 57 berühren die unbewegliche Elektrode 58. Ist die Beschleunigung gering, so berühren die beweglichen Elektroden 56, 57 die unbewegliche Elektrode 58 nicht. Demgemäss wird der Beschleunigungsschalter 51 nur betätigt, wenn die Beschleunigung einen vordefinierten Wert erreicht oder diesen übersteigt.

Um den Beschleunigungsschalter auch bei einer relativ geringen Beschleunigung zu betätigen, können die Balken 55 dünner ausgebildet werden oder verlängert werden. Die Ausbildung dünnerer Balken 55 ist jedoch physisch begrenzt und deswegen nicht effektiv. Die Ausbildung längerer Balken 55 behindert die Miniaturisierung. Wird beispielsweise die Länge der Balken 55 auf T3 geändert (T2<T3) wie in Fig. 2 dargestellt, so wird die Breite W2 des Siliziumchips 52 um 2 × T3-2 × T2 vergrössert im Vergleich zur Breite W1 des Siliziumchips 52 (Fig. 1B). Dadurch wird der Bereich des Siliziumchips 52 grösser und somit auch der Beschleunigungsschalter 51.

AUFGABE DER ERFINDUNG

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, einen Beschleunigungsschalter mit verbesserter Erfassungssensibilität aufzuzeigen, ohne den Beschleunigungsschalter 51 zu vergrössern.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Beschleunigungsschalter gemäss der vorliegenden Erfindung einen Schalterkörper, eine in dem Schalterkörper angeordnete unbewegliche Elektrode und ein in dem Schalterkörper angeordnetes bewegliches Gewicht umfasst. Unterliegt das bewegliche Gewicht einer Beschleunigung, so wird dieses versetzt. Das bewegliche Gewicht beinhaltet eine bewegliche Elektrode, die die unbewegliche Elektrode bei Versetzung des beweglichen Gewichtes berührt, eine in einer Seite des beweglichen Gewichts ausgebildete Vertiefung, und einen Balken, der das bewegliche Gewicht und den Schalterkörper verbindet. Der Balken unterstützt drehbar das bewegliche Gewicht und dehnt sich in die Vertiefung aus.

Weitere Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungsfiguren offenbar und erläutern anhand von Beispielen die Grundbegriffe der vorliegenden Erfindung.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGSFIGUREN

Die Erfindung, zusammen mit den damit verbundenen Gegenständen und Vorteilen, kann am besten anhand der folgenden Beschreibung der zur Zeit bevorzugten Ausführungsformen und den zugehörigen Zeichnungsfiguren erläutert werden.

Fig. 1A ist ein schematischer Querschnitt eines dem Stand der Technik entsprechenden Beschleunigungsschalters;

Fig. 1B ist die schematische Unteransicht eines Siliziumchips, der die Anordnung des Beschleunigungsschalters aus Fig. 1A zeigt;

Fig. 1C ist ein schematischer Querschnitt entlang einer Linie 1C-1C aus Fig. 1B;

Fig. 2 ist die Unteransicht eines weiteren bekannten Beschleunigungsschalters;

Fig. 3A ist ein schematischer Querschnitt einer ersten bevorzugten Ausführungsform eines Beschleunigungsschalters gemäss der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3B ist die schematische Unteransicht des Beschleunigungsschalters aus Fig. 3A

Fig. 3C ist ein schematischer Querschnitt entlang einer Linie 3C-3C aus Fig. 3B;

Fig. 4A ist eine schematische Entwurfsansicht des Herstellungsvorgangs des Beschleunigungsschalters aus Fig. 3A;

Fig. 4B ist ein schematischer Querschnitt entlang einer Linie 4B-4B aus Fig. 4A;

Fig. 4C ist ein schematischer Querschnitt entlang einer Linie 4C-4C aus Fig. 4A;

Fig. 5A ist eine schematische Entwurfsansicht des Herstellungsvorgangs des Beschleunigungsschalters aus Fig. 3A;

Fig. 5B ist ein schematischer Querschnitt entlang einer Linie 5B-5B aus Fig. 5A;

Fig. 5C ist ein schematischer Querschnitt entlang einer Linie 5C-5C aus Fig. 5A;

Fig. 6A ist eine schematische Entwurfsansicht des Herstellungsvorgangs des Beschleunigungsschalters aus Fig. 3A;

Fig. 6B ist ein schematischer Querschnitt entlang einer Linie 6B-6B aus Fig. 6A;

Fig. 6C ist ein schematischer Querschnitt entlang einer Linie 6C-6C aus Fig. 6A;

Fig. 7A ist eine schematische Entwurfsansicht des Herstellungsvorgangs des Beschleunigungsschalters aus Fig. 3A;

Fig. 7B ist ein schematischer Querschnitt entlang einer Linie 7B-7B aus Fig. 7A;

Fig. 7C ist ein schematischer Querschnitt entlang einer Linie 7C-7C aus Fig. 7A;

Fig. 8 ist ein schematischer Querschnitt, in dem dargestellt wird, wie Beschleunigung auf den Beschleunigungsschalter aus Fig. 3A ausgeübt wird;

Fig. 9A ist die schematische Unteransicht eines Siliziumchips, der die Anordnung des Beschleunigungsschalters aus Fig. 3A zeigt;

Fig. 9B ist ein schematischer Querschnitt des Beschleunigungsschalters aus Fig. 3A

Fig. 10 ist die schematische Unteransicht eines Siliziumchips eines Beschleunigungsschalters gemäss einer weiteren bevorzugten Ausführungsform;

Fig. 11A ist die schematische Unteransicht eines Siliziumchips eines Beschleunigungsschalters gemäss einer weiteren bevorzugten Ausführungsform;

Fig. 11B ist die schematische Unteransicht eines Siliziumchips eines Beschleunigungsschalters gemäss einer weiteren bevorzugten Ausführungsform;

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

In den Zeichnungen werden durchgehend gleiche Bezugsziffern für gleiche Bestandteile benutzt.

Fig. 3A ist ein schematischer Querschnitt einer ersten bevorzugten Ausführungsform eines Beschleunigungsschalters 1 gemäss der vorliegenden Erfindung. Wie in Fig. 3A dargestellt, weist der Beschleunigungsschalter 1 einer Schalterkörper 1A auf, der durch Verbindung eines Siliziumchips 2 mit einem Trägermaterial 3 ausgebildet wird.

Der Siliziumchip 2 beinhaltet einen Chipkörper 4 und eine Doppelschicht- Anordnung epitaxialer Wuchsschichten 5, 6. Der Chipkörper 4 ist rechtwinklig und aus p-leitendem Einkristall-Silizium mit (110) Orientierung hergestellt. Die epitaxialen Wuchsschichten 5, 6 liegen an einer Seite des Chipkörpers 4 übereinander und sind aus n-leitendem Einkristall-Silizium hergestellt. Der Chipkörper 4 hat eine Dicke von 500 bis 600 µm. Die Dicke jeder Wuchsschicht 5, 6 beträgt ungefähr 15 µm. Dem entsprechend beträgt die Dicke beider Wuchsschichten ungefähr 30 µm. Um die Darstellung zu erleichtern, wurden die epitaxialen Wuchsschichten 5, 6 vergrössert dargestellt. Der Siliziumchip 2 hat die gleiche Länge L1 und Breite W1 wie der Siliziumchip 52 aus Fig. 1.

Ein rechteckiger Hohlraum 7 ist am unteren Ende des Chipkörpers 4, wie in Fig. 3A dargestellt, ausgebildet. Der Hohlraum 7 hat eine Tiefe von ungefähr 100 µm und ist dementsprechend tiefer als die Dicke der beiden Wuchsschichten 5, 6. Im Hohlraum 7 ist ein bewegliches Teilstück (bewegliches Gewicht) M1 untergebracht, welches ein Trägheitsgewicht 8, zwei Balken 10 und eine Vielzahl flexibler Platten 11 beinhaltet. In der bevorzugten Ausführungsform sind die Balken 10 in einem Stück mit dem Trägheitsgewicht 8 ausgebildet.

Das Trägheitsgewicht 8 ist im allgemeinen plattenförmig und hat eine Dicke von ungefähr 20 µm. Ein Paar Ausschnitt-Teilstücke (Vertiefungen) ist an den Seiten des Trägheitsgewichts 8 in einer vertikalen Richtung zur Längsrichtung des Trägheitsgewichts 8 ausgebildet. Das Paar Ausschnitt-Teilstücke arbeitet seitlich verschoben von der Mitte des Trägheitsgewichts 8, in Fig. 9A durch einen Punkt gekennzeichnet, angeordnet.

Das Trägheitsgewicht 8 hat eine Verbindungsstelle 8a, einen Gewichtskörper 8b und eine Ausgleichsvorrichtung 8c. Die Verbindungsstelle 8a erstreckt sich zwischen und vertikal zu den Balken 10. Der Gewichtskörper 8 ist mit einem Ende der Verbindungsstelle 8a verbunden. Wie in Fig. 3B dargestellt, ist die Breite Wj der Verbindungsstelle 8a der bevorzugten Ausführungsform in etwa die gleiche wie die Breite Wb der Balken 10.

Die beiden Balken 10 sind vertikal zur Längsrichtung des Siliziumchips 2 und in Richtung zu den zugehörigen Wänden des Siliziumchips 2 im Hohlraum 7 angeordnet. Die Balken 10 sind flexibel und haben eine Dicke von ungefähr 7,5 µm, was in etwa drei Achtel der Dicke des Trägheitsgewichts 8 entspricht. Des weiteren haben die Balken 10 jeder eine Länge von T1.

In der bevorzugten Ausführungsform ist die Länge T1 eines jeden Balkens 10 in etwa das 4,4-fache der Balkenlänge T2 aus dem dem Stand der Technik entsprechenden Beschleunigungsschalter 51 (Fig. 1B). Ein Ende jedes der Balken 10 ist in einem Stück mit der Seitenoberfläche der Verbindungsstelle 8a ausgebildet, das andere Ende eines jeden der Balken 10 ist mit der zugehörigen Wand des Siliziumchips 2 verbunden. Das Trägheitsgewicht 8 dreht sich über die Balken 10.

Die beiden flexiblen Platten 11 sind an dem den Aussparungs-Teilstücken gegenüberliegendem Ende einstückig mit dem Gewichtskörper 8 ausgebildet. Das heisst, die flexiblen Platten 11 sind an dem Ende des Gewichtskörpers 8b ausgebildet, welches dem Stirnende der Balken 10 gegenüberliegt. Wie in Fig. 3B dargestellt, sind die flexiblen Platten 11 bei Ansicht von oben trapezförmig und verjüngen sich zum anderen Ende. Die Dicke einer jeden flexiblen Platte 11 ist in etwa dieselbe wie die Dicke der Balken 10 und beträgt etwa 7,5 µm. Die flexiblen Platten 11 sind in der Mitte der Oberfläche des Endes des Trägheitsgewichts 8 ausgebildet. Die unteren Oberflächen der flexiblen Platten 11 sind auf gleicher Höhe mit der unteren Oberfläche des Gewichtskörpers 8b.

Die flexiblen Platten 11 sind in unmittelbarer Nähe zueinander angeordnet. Genauer ausgedrückt ist der Spalt zwischen den flexiblen Platten 11 ungefähr 10 bis 200 µm gross. Bei der bevorzugten Ausführungsform hat der Spalt eine Grösse von ungefähr 40 µm. Eine bewegliche Elektrode 12 ist am anderen Ende der unteren Seite jeder beweglichen Elektrode 12 angebracht. Die Breite jeder beweglichen Elektrode 12 entspricht der Breite des anderen Endes jeder flexiblen Platte 11. Die beweglichen Elektroden 12 sind durch Drahtleitungsmuster 12a, die entlang der flexiblen Platten 11, des Trägheitsgewichts 8 und der Balken 10 verlaufen, mit externen Bildschirmen (nicht dargestellt) verbunden.

Das Trägermaterial 3 ist rechteckig und hat die gleiche Form wie der Siliziumchip 2. Bei der bevorzugten Ausführungsform wird als isolierendes Trägermaterial 3 ein Glas-Trägermaterial benutzt. Alternativ können auch Trägermaterialien wie beispielsweise Silizium als Trägermaterial 3 verwendet werden. Im Trägermaterial 3 ist ein rechteckiger Hohlraum 13 angeordnet. Der Hohlraum kann z. B. durch Ätzen des Teilstücks des Trägermaterials 3 entsprechend dem Hohlraum 7 des Siliziumchips 2 ausgebildet werden. Das Trägermaterial 3 und der Siliziumchip 2 sind miteinander verbunden unter Benutzung einer im Stand der Technik bekannten Anodenverbindungstechnik. Das Trägermaterial 3 und der Siliziumchip 2 können auch unter Benutzung eines Klebstoffs miteinander verbunden werden. Eine unbewegliche Elektrode 14 ist an der Bodenfläche des Hohlraums 13 an einer den beweglichen Elektroden 12 angepassten Position ausgebildet. Die beweglichen Elektroden 12 berühren die unbewegliche Elektrode 14, wenn sich das Trägheitsgewicht 8 dreht und sich die flexiblen Platten 11 zu dem Trägermaterial 3 neigen. Auf diese Weise werden die beweglichen Elektroden 12 über die unbewegliche Elektrode 14 elektrisch verbunden.

Als nächstes wird beispielhaft ein Verfahren zur Herstellung des Beschleunigungsschalters 1 gemäss der bevorzugten Ausführungsform durch Oberflächen-Mikro-Materialbearbeitungs-Technik unter Bezugnahme auf die Zeichnungsfiguren 4 bis 7 beschrieben.

Das Trägermaterial 3, welches im Beschleunigungsschalter 1 verwendet wird, wird hergestellt, indem zuerst durch Ätzen eines rechteckigen Glas-Trägermaterials (z. B. Pyrex-Glas) ein Hohlraum 13 mit vordefinierter Form ausgebildet wird. Danach wird nach Maskierung des Glas-Trägermaterials ein leitendes Metall (z. B. Aluminium, Al) gesputtert, um die unbewegliche Elektrode 14 an der Bodenfläche des Hohlraums 13 auszubilden. An Stelle eines trocken filmbildenden Verfahrens kann auch ein nass filmbildendes Verfahren wie beispielsweise autokatalytische Plattierung angewendet werden.

Um den Siliziumchip 2 herzustellen, wird zuerst eine Maske (nicht dargestellt) an einer Seite des Chipkörpers 4 angebracht. Der Chipkörper 4 wird danach fotogeätzt, um so eine Öffnung in einem vorbestimmten Teilstück der Maske auszubilden. Danach wird die Oberfläche des Chipkörpers 4 einem Ionenimplantationsverfahren unterzogen, um eine vorbestimmte Konzentration p leitender Unreinheiten wie beispielsweise Bor zu implantieren. Die p-leitenden Unreinheiten werden danach thermisch diffundiert. Dadurch wird eine erste hoch konzentrierte p-leitende Siliziumschicht (untere p⁺ Siliziumimplantationsschicht) 21 (Fig. 4B) in einem vorbestimmten Teilstück des Siliziumchips 2 ausgebildet. Das Teilstück, in welchem die untere p⁺ Siliziumimplantationsschicht 21 ausgebildet ist, entspricht der Stelle, an der nachfolgend der Hohlraum 7 ausgebildet werden wird. Dampfphasenepitaxie wird ausgeführt, um die erste epitaxiale Wuchsschicht 5 auszubilden, welche aus n-leitendem Einkristall-Silizium auf der gesamten Oberfläche des Chipkörpers 4, auf welche die p⁺ Siliziumimplantationsschicht 21 aufgebracht wurde, hergestellt wird.

Daraus resultierend ist die p⁺ Siliziumimplantationsschicht 21 in die erste epitaxiale Wuchsschicht 5 implantiert (Fig. 4B). Eine Maske (nicht dargestellt) wird dann auf die erste epitaxiale Wuchsschicht 5 aufgebracht und fotogeätzt, um so eine Öffnung in einem vorbestimmten Teilstück auszubilden. In diesem Stadium wird zum Beispiel Ionenimplantation ausgeführt, um p-leitende Unreinheiten zu implantieren. Die implantierten p-leitenden Unreinheiten werden danach thermisch diffundiert. Dadurch wird eine zweite hoch konzentrierte p-leitende Siliziumschicht (obere p⁺ Siliziumimplantationsschicht) 22 in der ersten epitaxialen Wuchsschicht 5 ausgebildet. Die obere p⁺ Siliziumimplantationsschicht 22 erstreckt sich zu der unteren p⁺ Siliziumimplantationsschicht 21. Das Teilstück, in welchem die obere p⁺ Siliziumimplantationsschicht 22 ausgebildet ist, entspricht ebenfalls dem Hohlraum 7. Das während der Ausbildung der oberen p⁺ Siliziumimplantationsschicht 22 maskierte Teilstück entspricht dem Trägheitsgewicht 8.

Nachfolgend wird Dampfphasenepitaxie ausgeführt, um die zweite epitaxiale Wuchsschicht 6 auszubilden, welche aus n-leitendem Einkristall-Silizium auf der gesamten Oberfläche der ersten epitaxialen Wuchsschicht 5 hergestellt wird.

Daraus resultierend wir die obere p⁺ Siliziumimplantationsschicht 22 in die zweite epitaxiale Wuchsschicht 6 implantiert (Fig. 4B, 4C). Eine Maske (nicht dargestellt) wird dann auf die zweite epitaxiale Wuchsschicht 6 aufgebracht und fotogeätzt, um so Öffnungen an vorbestimmten Teilstücken auszubilden. P-leitende Unreinheiten werden danach implantiert und thermisch diffundiert. So wird eine dritte hoch konzentrierte p-leitende Siliziumschicht (p⁺ Silizium-Diffusionsschicht) 23 in der ersten und zweiten epitaxialen Wuchsschicht 5, 6 ausgebildet (Fig. 5B und 5C). Die p⁺ Siliziumdiffusionsschicht 23 erstreckt sich zu der oberen p⁺ Siliziumimplantationsschicht 22. Die Teilstücke, in welchen die dritte hoch konzentrierte p-leitende Siliziumschicht (p⁺ Siliziumdiffusionsschicht) 23 ausgebildet ist, entspricht dem Hohlraum 7. Die während der Ausbildung der p⁺ Siliziumdiffusionsschicht 23 maskierten Teilstücke entsprechen dem Trägheitsgewicht 8, den Balken 10 und den flexiblen Platten 11. Mit anderen Worten, die p⁺ Siliziumdiffusionsschicht 23 wird so ausgebildet, dass Raum bleibt zur Ausbildung des Trägheitsgewichts 8, der Balken 10 und der flexiblen Platten 11.

Nachdem der Herstellungsprozess der hoch konzentrierten p-leitenden Siliziumschichten abgeschlossen ist, wird der Siliziumchip in der Anwesenheit von Sauerstoff oder in einer atmosphärischen Umgebung erhitzt, um einen Oxidationsfilm (nicht dargestellt) an der oberen und unteren Oberfläche des Siliziumchips 2 auszubilden. In diesem Stadium wird Aluminium (Al) auf den Oxidationsfilm gesputtert oder aufgedampft. Danach wird Fotolithografie auf den Siliziumchip 2 ausgeführt. Dadurch werden die beweglichen Elektroden 12 und das Drahtleitungsmuster 12a auf der Oberfläche des Silikonchips 2 in Übereinstimmung mit den Positionen gebildet, an denen das Trägheitsgewicht 8 und die flexiblen Platten 11 entstehen werden.

Danach wird beispielsweise Wolfram (W) oder Molybdän (Mo) auf den Silikonchip 2 gesputtert oder aufgedampft. Danach wird der Siliziumchip 2 der Lithografie unterzogen. Dadurch wird ein Metall-Schutzfilm (nicht dargestellt) gebildet, der Öffnungen aufweist. Der Oxidationsfilm wird anschliessend durch die Öffnungen des Metall-Schutzfilms entfernt, um die Oberseite der p⁺ Siliziumdiffusionsschicht 23 aufzudecken. Wolfram oder Molybdän werden auf den Siliziumchip 2 gesputtert oder aufgedampft, da diese Metalle widerstandsfähig sind gegen Flußsäure.

Nach Beendigung des Maskierungsprozesses wird der Siliziumchip 2 einem Anodenumwandlung-Prozess ausgesetzt.

Eine hoch konzentrierte Flußsäure-Lösung, welche eine Anodenumwandlung- Säurelösung ist, wird in einen Anodenumwandlung-Behandlungsbehälter gefüllt. Gegen-Elektroden, die z. B. aus Platin hergestellt sind, und der Siliziumchip 2, der mit seiner Vorderseite den Gegenelektroden zugewandt ist, werden in die Flußsäurelösung getaucht. Die Kathode einer Gleichstromzufuhr wird mit der Unterseite des Siliziumchips 2 verbunden. Die Anode der Gleichstromzufuhr wird mit der Oberseite des Siliziumchips 2 verbunden. Auf diese Art fliesst Gleichstrom von der Unterseite zur Oberseite des Siliziumchips 2. Als Ergebnis werden die aus hoch konzentriertem p-leitendem Silizium bestehenden Schichten des Siliziumchips 2 (d. h., die p⁺ Siliziumimplantationsschichten 21, 22 und die p⁺ Siliziumdiffusionsschicht 23) porös. Deshalb sind die erste bis dritte hoch konzentrierte p-leitende Siliziumschicht zu porösen Siliziumschichten nachformiert.

Auf den Anodenumwandlung-Prozess folgend, aber noch vor dem Entfernen des Metall-Schutzfilms, wird der Siliziumschip 2 einem Alkali-Ätzverfahren unterzogen. Eine Substanz wie z. B. Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH) wird dazu als Ätzmittel benutzt. Durch das Ätzen werden die porösen Siliziumschichten gelöst. Die porösen Siliziumschichten, die einen nachformierten Bereich definieren, werden einfach durch Alkali gelöst im Vergleich zu den nicht-porösen Siliziumschichten, die einen nicht-nachformierten Bereich, definieren. Dadurch werden die porösen Siliziumschichten auf einfache Art ausgehöhlt und bilden so den Hohlraum 7. Auch das bewegliche Teilstück M1 im Hohlraum 7 (Fig. 7A-7C) wird auf diese Art gebildet. Der Siliziumchip 2 wird danach gewendet und auf das Trägermaterial 3 aufgebracht. Dadurch wird der Beschleunigungsschalter 1 aus Fig. 3 fertiggestellt.

Als nächstes soll die Wirkungsweise des Beschleunigungsschalters 1 beschrieben werden. Unter Bezugnahme auf Fig. 8, in der dargestellt wird, wie Beschleunigung auf den Beschleunigungsschalter 1a ausgeübt wird, wirkt eine Trägheitskraft auf das bewegliche Teilstück M1 in Richtung des Pfeils G. Wenn die Beschleunigung, die auf den Beschleunigungsschalter 1 ausgeübt wird, einen vordefinierten Wert erreicht oder diesen übersteigt, dreht sich das Trägheitsgewicht 8 entlang der Balken 10 wie durch Pfeil F in Fig. 8 dargestellt nach unten. Der Gewichtskörper 8b ist schwerer als die Ausgleichsvorrichtung 8c und der Gewichtskörper 8b wird nach unten gedreht.

Die Verbindungsstelle 8a ist dicker als die Balken 10 und deshalb starrer als die Balken 10. Daraus ergibt sich, dass, selbst wenn die Verbindungsstelle 8a einer Beschleunigung unterliegt, durch welche die Balken 10 einfach elastisch verformt werden, sich die Verbindungsstelle 8a nicht biegt. Dadurch werden der Gewichtskörper 8b und die Ausgleichsvorrichtung in einem Stück gedreht. Der Gewichtskörper 8b wird nach unten gedreht und die Ausgleichsvorrichtung 8c nach oben. Daraus resultierend berühren die beweglichen Elektroden 12 die unbewegliche Elektrode 14. Dadurch fliesst Elektrizität zwischen den beweglichen Elektroden 12 durch die unbewegliche Elektrode 14 und der Beschleunigungsschalter 1 wird ausgelöst.

Die Ausgleichsvorrichtung 8c verursacht eine Zeitverzögerung von dem Punkt, wenn die Trägheitskraft, die durch die Beschleunigung entsteht, auf das Trägheitsgewicht 8 wirkt, bis zu dem Punkt, an dem das Trägheitsgewicht 8 zu drehen beginnt. Durch die Ausgleichsvorrichtung 8c wird die Reaktion auf die Beschleunigung, die auf das Trägheitsgewicht 8 wirkt, verzögert. Die beweglichen Elektroden 12 berühren also die unbewegliche Elektrode 14 erst dann, wenn die Beschleunigung für einen vorbestimmten Zeitraum auf das Trägheitsgewicht 8 ausgeübt wird. Demgemäss wird der Beschleunigungsschalter 1 nicht ausgelöst, wenn nur eine vorübergehende Beschleunigung auf das Trägheitsgewicht 8 wirkt. Anders ausgedrückt wird der Beschleunigungsschalter 1 nicht ausgelöst, wenn z. B. Rauschen, welches durch Vibration verursacht wird und auf dieselbe Art wirkt wie Beschleunigung, auf das Trägheitsgewicht 8 wirkt.

Wird der Beschleunigungsschalter 1 einer geringen als der vorbestimmten Beschleunigung ausgesetzt, dreht sich das Trägheitsgewicht 8 nicht um die Balken 10. Dadurch wird, selbst wenn sich die Balken 10 bis zu einem bestimmten Grad biegen, das Trägheitsgewicht 8 nicht auf eine vorbestimmte Position bewegt, und Elektrizität fliesst nicht durch die beweglichen Elektroden 12. Anders ausgedrückt wird der Beschleunigungsschalter 1 erst dann ausgelöst, wenn die Beschleunigung den vorbestimmten Wert erreicht oder diesen übersteigt.

Die unten aufgeführten Gleichungen treffen auf den Beschleunigungsschalter 1 zu. In den Gleichungen steht δ (mm) für den Abstand zwischen den beweglichen Elektroden 12 und der unbeweglichen Elektrode 14, G (m/s²) steht für die Beschleunigung, die benötigt wird, damit die beweglichen Elektroden 12 die unbewegliche Elektrode 14 berühren (d. h., die Beschleunigung, die durch die auf das Trägheitsgewicht 8 wirkende Trägheitskraft produziert wird), und k bezeichnet den Koeffizienten der Federung der Balken 10.

δ = sin(2.m*.G/k)*(Lm/2+R)
k = (β.W.hb³.Gs.2)/Lb

In Fig. 9A und 9B wird die Länge des Gewichtskörpers durch Lm dargestellt, die Masse (kg.m) des Gewichtskörpers durch m*, und der Abstand (mm) zwischen dem Schwerpunkt und der Mitte der Verbindungsstelle 8a wird durch R gekennzeichnet. Die Länge (mm) eines jeden der Balken 10 wird mit Lb bezeichnet, die Breite (mm) eines jeden der Balken 10 mit Wb und die Dicke (mm) eines jeden der Balken 10 durch hb. Der Koeffizient der Torsion eines jeden Balken 10 wird durch β dargestellt, und die transversale Elastizität (N/m²) eines jeden der Balken 10 durch Gs.

In Übereinstimmung mit den beiden Gleichungen verändert sich die Beschleunigung G, wenn die Länge Lb eines jeden der Balken 19 (sic.) verändert wird. Genauer gesagt, die Beschleunigung G, die zur Berührung der beweglichen Elektroden 12 mit der unbeweglichen Elektrode 14 notwendig ist, vermindert sich in dem Maße, in dem die Länge Lb eines jeden der Balken 10 vergrössert wird.

Die Erfinder der vorliegenden Erfindung bestätigen, dass, wenn beispielsweise die Länge Lm des Gewichtskörpers 8b 7 mm beträgt, die Breite des Gewichtskörpers 8b 1,5 mm beträgt, die Dicke des Hauptgewichts 8b 0,015 mm beträgt, die Distanz δ zwischen den beweglichen Elektroden 12 und der unbeweglichen Elektrode 14 0,02 mm beträgt und die Länge T1 eines jeden der Balken 10 ungefähr 0,88 mm (Lb = T1 = ungefähr 0,88 mm) beträgt, die Beschleunigung G, die zur Berührung der Elektroden 12, 14 notwendig ist, ungefähr 2,5 g (m/s²) beträgt, wobei g die Schwerebeschleunigung bezeichnet.

Im Vergleich dazu bestätigen die Erfinder der vorliegenden Erfindung, dass, wenn die Balkenlänge T2 des herkömmlichen Beschleunigungsschalters 51 1/4,4 der Balkenlänge T1 und die Balkenlänge T2 (Lb) ungefähr 0,2 mm beträgt, die Beschleunigung G, die zur Berührung der Elektroden 12, 14 notwendig ist, auf ungefähr 11 g (m/s²) steigt. Dies ist ungefähr das vierfache der Beschleunigung G, die zur Berührung der Elektroden 12, 14 notwendig ist, wenn die Balkenlänge T1 ist.

Demgemäss ist die Beschleunigung G, die zur Berührung der Elektroden 12, 14 notwendig ist, umgekehrt proportional zur Balkenlänge Lb. Der gewünschte Beschleunigungs-Schwellwert wird auf einfache Art durch Veränderung der Balkenlänge Lb erreicht.

Der Beschleunigungsschalter 1 der bevorzugten Ausführungsform hat die nachfolgend beschriebenen Vorteile.

1. Ein Paar Ausschnitt-Teilstücke 9, oder Vertiefungen, die sich vertikal zu der Längsachse des Trägheitsgewichts 8 erstrecken, ist an den Seiten des Gewichts 8 ausgebildet. Jeweils einer der Balken 10 ist in einer der Ausschnitt- Teilstücke 9 ausgebildet. Dadurch wird die Balkenlänge T1 um die Länge h1 der Ausschnitt-Teilstücke 9 vergrössert, ohne den Bereich des Siliziumchips zu vergrössern. Darüber hinaus können die Balken 10 elastisch verformt werden und ermöglichen dem Trägheitsgewicht 8, bereits bei geringer Beschleunigung gedreht zu werden. Demgemäss wird die Sensibilität des Beschleunigungsschalters 1 gegenüber Beschleunigung verbessert, ohne den Schalter 1 zu vergrössern.
2. Die Balken 10 unterstützen das Trägheitsgewicht 8 an der Verbindungsstelle 8a. Dadurch wird das Trägheitsgewicht 8 auf sanfte Art gedreht.
3. Das Trägheitsgewicht 8 ist mit einer Ausgleichsvorrichtung 8c ausgestattet. Dadurch wird die Reaktion des Trägheitsgewichts 8 verzögert, wenn der Beschleunigungsschalter 1 einer Beschleunigung unterliegt. Darüber hinaus wird das Trägheitsgewicht 8 nicht bei momentaner Beschleunigung gedreht. Dadurch wird eine unbeabsichtigte Auslösung des Beschleunigungsschalters 1 vermieden, wenn dieser einer Art Beschleunigungsrauschen (z. B. plötzliche Vibration) ausgesetzt wird.
4. Wenn der Beschleunigungsschalter 1 einer Beschleunigung unterliegt, werden die Balken 10 elastisch verformt, nicht aber die Verbindungsstelle 8a. Dadurch werden die Verbindungsstelle 8a, der Gewichtskörper 8b und die Ausgleichsvorrichtung 8c einstückig gedreht, und die Ausgleichsvorrichtung 8c wird nicht auf ungewünschte Weise versetzt.

Fachleuten wird es offensichtlich sein, dass es für die vorliegende Erfindung viele Ausbildungsformen gibt, die innerhalb des Schutzbereichs derselben liegen.

Nachfolgend werden einige bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben.

Wie in Fig. 10 dargestellt, können die flexiblen Platten 11 weggelassen werden, und die beweglichen Elektroden 12 können am Gewichtskörper 8b ausgebildet werden.

Wie in Fig. 11A dargestellt, kann ein Aussparungs-Teilstück 9 an einem Ende 8d des Trägheitsgewichts 8 ausgebildet werden, und ein einfacher Balken 10 kann ausgebildet werden, der sich zwischen dem Aussparungs-Teilstück 9 erstreckt und mit dem Trägheitsgewichts 8 verbunden ist. In diesem Fall wird die Sensibilität des Beschleunigungsschalters 1 weiter verbessert, da nur ein Balken vorhanden ist. Wie in Fig. 11B dargestellt, kann ein Paar Aussparungs-Teilstücke 9 am Ende 8d des Trägheitsgewichts ausgebildet werden, welches sich in Längsrichtung des Trägheitsgewichts 8 erstreckt und durch eine vorbestimmte Distanz von einander entfernt ist, und ein Balken 10 kann zwischen jeder der Aussparungs-Teilstücke 9 und dem Hohlraum 7 ausgebildet werden. Dadurch wird die Drehbewegung des Trägheitsgewichts 8 weiter stabilisiert.

Die Balken 10 können an jeder Stelle des entsprechenden Aussparungs-Teilstücks 9 ausgebildet werden.

Die Breite Wj der Verbindungsstelle 8a kann die gleiche sein wie die Breite Wb eines jeden der Balken 10, und die Dicke der Verbindungsstelle 8a kann die gleiche sein wie die Dicke hb eines jeden der Balken 10. In diesem Fall funktioniert die Verbindungsstelle 8a auf dieselbe Art wie die Balken 10, und der Gewichtskörper 8b kann somit bei einer geringeren Beschleunigung gedreht werden.

Die Ausgleichsvorrichtung 8c kann weggelassen werden. Dadurch wird der Beschleunigungsschalter 1 kompakter.

Die Breite Wj der Verbindungsstelle 8a ist auf keinen Wertbeschränkt. Die Breite Wj sollte so sein, dass die Verbindungsstelle 8a starrer ist als die Balken 10. Die vorliegenden Beispiele und Ausführungsformen sind als beschreibend und nicht begrenzend zu verstehen, und die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Details begrenzt, sondern kann innerhalb des Schutzumfangs der Patentansprüche modifiziert werden.

Claims

1. Beschleunigungsschalter (1) mit einem Schalterkörper (1A), einer unbeweglichen Elektrode (14), angeordnet in dem Schalterkörper, und einem beweglichen Gewicht (M1, 8), angeordnet in dem Schalterkörper, welches unter Beschleunigung versetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass
eine bewegliche Elektrode (12) auf dem beweglichen Gewicht angeordnet ist, welche die unbewegliche Elektrode berührt, sobald das bewegliche Gewicht versetzt wird;
eine Vertiefung (9) in einer Seite des beweglichen Gewichts ausgebildet ist; und
ein Balken (10) das bewegliche Gewicht und den Schalterkörper verbindet, wobei der Balken das bewegliche Gewicht drehbar unterstützt und sich in die Vertiefung erstreckt.

2. Beschleunigungsschalter gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Balken einer von zwei sich gegenüber liegenden Balken ist, und die Vertiefung eine von zwei sich gegenüberliegenden Vertiefungen ist, und die Balken sich jeweils in die Vertiefungen erstrecken in Richtungen, die im wesentlichen vertikal zur Längsachse des Schalterkörpers sind, wobei das bewegliche Gewicht umfasst:
eine Verbindungsstelle (8a), die sich zwischen den beiden Balken erstreckt und diese schneidet;
einen Gewichtskörper (8b), der an dem einen Ende der Verbindungsstelle ausgebildet ist; und
eine Ausgleichsvorrichtung (8c), die am anderen Ende der Verbindungsstelle ausgebildet ist.

3. Beschleunigungsschalter gemäss Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsstelle starrer ist als jeder der Balken.

4. Beschleunigungsschalter gemäss Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegliche Gewicht im allgemeinen eben ist, und die Verbindungsstelle, der Gewichtskörper und die Ausgleichsvorrichtung im wesentlichen die gleiche Dicke haben, wie in einer vertikalen Ebene zum beweglichen Gewicht gemessen, und wobei jeder der Balken dünner ist als die Verbindungsstelle.

5. Beschleunigungsschalter gemäss irgendeinem der Ansprüche 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegliche Gewicht aus Silizium hergestellt ist.

6. Beschleunigungsschalter gemäss Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegliche Gewicht im allgemeinen eben ist, und die Verbindungsstelle, der Gewichtskörper und die Ausgleichsvorrichtung im wesentlichen die gleiche Dicke haben, wie in einer vertikalen Ebene zum beweglichen Gewicht gemessen, und wobei jeder der Balken dünner ist als die Verbindungsstelle.

7. Beschleunigungsschalter gemäss Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsstelle im wesentlichen die gleiche Steifigkeit wie jeder der Balken hat.

8. Beschleunigungsschalter gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Balken einer von zwei sich gegenüber liegenden Balken ist, und die Vertiefung eine von zwei sich gegenüberliegenden Vertiefungen ist, und die Balken sich jeweils in die Vertiefungen erstrecken in Richtungen, die im wesentlichen vertikal zur Längsachse des Schalterkörpers sind, wobei das bewegliche Gewicht umfasst:
eine Verbindungsstelle (8a), die sich zwischen den beiden Balken erstreckt und diese schneidet; und
einen Gewichtskörper (8b), der an dem einen Ende der Verbindungsstelle ausgebildet ist.

9. Beschleunigungsschalter gemäss Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegliche Gewicht aus Silizium hergestellt ist.

10. Beschleunigungsschalter gemäss Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsstelle im wesentlichen die gleiche Steifigkeit wie jeder der Balken hat.