JP2001176365A

JP2001176365A - 圧力スイッチ

Info

Publication number: JP2001176365A
Application number: JP35593799A
Authority: JP
Inventors: Eiji Yoshikawa; 英治吉川; Masahiro Tsugai; 政広番; Tatsu Araki; 達荒木
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1999-12-15
Filing date: 1999-12-15
Publication date: 2001-06-29
Also published as: US6194678B1; DE10036438A1

Abstract

(57)【要約】【課題】内部に設けた密閉空間の気密性が長期に亙っ
て保持され、圧力スイッチが閉じる際、チャタリングが
発生しにくく、応答速度が速く、動作圧力が小さい半導
体圧力スイッチを提供する。【解決手段】ダイアフラムを有する上部基板に、第１
の導電層と、これと離間して包囲する第２の導電層と、
第１および第２導電層上に形成された一対の第１のコン
タクト領域とを設け、対向する下部基板に凹部とその内
部に第２のコンタクト領域とを設け、第１コンタクト領
域が凹部内に形成された構成を有する圧力スイッチであ
って、ダイヤフラムに外部から力が加えられると、圧力
スイッチが導通する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、一部がダイヤフラ
ムによって形成されている密閉空間を用いて、外部から
の力を検出する圧力スイッチに関する。

【０００２】

【従来の技術】これまで、自動車や産業用機械の分野に
おいて、半導体基板の一部を薄層化したダイヤフラムを
用いた圧力スイッチがいくつか提案されている。これら
従来技術の一例として、特開平６−２６７３８１号公報
で開示された圧力スイッチを、図１６ないし１８を参照
しながら説明する。

【０００３】図１６に示す従来技術による圧力スイッチ
１００は、概略、Ｐ形単結晶シリコン基板１１０とガラ
ス基板１３０とから構成されている。シリコン基板１１
０は、その一方の面（上面）の中央部に凹部１１１、他
方の面（下面）に対向する窪み１１２が形成され、これ
ら凹部１１１と窪み１１２の間に薄肉（厚さ：数十ミク
ロンメートル）のダイヤフラム１１３が形成されてい
る。シリコン基板１１０の上面には凹部１１１の両側に
互いに絶縁されたＰ⁺拡散膜１１４、１１５が形成され
ており、シリコン基板１１０の端部に外部の電極端子用
アルミパッド１１６、１１７が被膜されている。さら
に、アルミ薄膜などによる配線１１８が拡散膜１１６
（左側）、凹部１１１の側壁部、および底部上に形成さ
れている。

【０００４】一方、ガラス基板１３０は、この凹部１１
１をカバーするようにシリコン基板１１０と接合するこ
とにより、凹部１１１とガラス基板１３０の間に密閉空
間（圧力基準室）１１９を形成しようとしている。この
ガラス基板１３０の拡散膜１１５（右側）に対向する面
に、同様のアルミ薄膜などによる配線１３１が被膜され
ている。配線１１８、１３１は、密閉空間１１４内にお
いて互いに対向しており、その先端部にはチタンなどの
接点用金属薄膜１２０、１３２が形成されている。この
ダイヤフラム１１３は、外部から力が加わると、ガラス
基板１３０側に湾曲して、先端部の金属薄膜１２０、１
３２が接触し、電極端子用アルミパッド１１６、１１７
が、Ｐ⁺拡散膜１１４、１１５、配線１１８、１３１を
介して導通する。こうして圧力スイッチ１００は、ダイ
ヤフラムの変形（湾曲）に基づいて開閉する。

【０００５】さらにこの圧力スイッチ１００によれば、
Ｐ⁺拡散膜１１４、１１５に、配線１１８、１３１の厚
みを相殺するような段差１２１、１３３が事前に設けて
あって、シリコン基板１１０およびガラス基板１３０の
接合面を平坦にするよう工夫されている。一般に、信頼
性の高い圧力センサを得るためには、シリコン基板１１
０およびガラス基板１３０とを気密性高く接合して、長
期間に亙って、密閉空間１１９の気密性を高く保持しな
ければならない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、実際の製造
工程においては、配線１１８、１３１の厚みと段差１２
１、１３３が同程度となるよう精度よく制御することは
極めて困難である。特に、大量生産する場合に、高い歩
留まりが期待できない。

【０００７】図１７に詳細に示すシリコン基板１１０に
おいて、拡散膜１１４、１１５は、拡散膜が形成されな
い領域１２２を介して離間して形成されている。拡散膜
をシリコン基板に形成した場合、一般に、拡散膜表面は
拡散膜が形成されない表面から１μｍ程度隆起して、段
差が生じる。つまり上記の構成において、シリコン基板
１１０およびガラス基板１３０の接合面を平坦にするた
めには、配線１１８、１３１の厚みによる段差だけでな
く、拡散膜１１４、１１５の厚みによる段差についても
配慮する必要がある。したがって、実際に生産された上
記構成の圧力スイッチは図１８に示すようになり、拡散
されない領域１２２においてガラス基板１３０はシリコ
ン基板１１０から離間した状態で接合することになる。
これは密閉空間１１９の気密性を著しく阻害し、圧力ス
イッチ１００としての信頼性が損われるという問題を引
き起こす。

【０００８】また図１８に詳細に示すように、配線１１
８、１３１の先端部にチタンなどの接点用金属薄膜１２
０、１３２を形成すると、先端部において、配線１１
８、１３１および金属薄膜１２０、１３２による凹凸部
を生じる。一般に、圧力スイッチを閉じた際の接点間抵
抗を小さくし、接点間のノイズ振動であるチャタリング
を抑え、さらに圧力スイッチが閉じる圧力にばらつきを
抑えるといった良好な圧力スイッチ特性を得るために
は、できるだけ金属薄膜の接触面積を大きくする必要が
ある。したがって、これら凹凸部が互いに補完し合うよ
うな形状で形成する必要がある。しかし、実際の工程に
おいて、そのように金属薄膜１２０、１３２の凹凸形成
を制御することは、ほとんど不可能である。

【０００９】さらに、配線１１８（左側）は拡散膜１１
６（左側）、凹部１１１の側壁部、および底部上に形成
されており、底部および側壁部の間、側壁部およびシリ
コン基板表面の間の折れ曲がった部分で断線しやすいと
いう問題がある。

【００１０】そこで本発明は、このような課題を解決し
ようとしてなされたもので、その目的は、密閉空間の気
密性が長期に亙って保持される高信頼性の圧力スイッチ
を提供することにある。本発明のさらなる目的は、圧力
スイッチが閉じる際に、チャタリングが少なく、応答速
度が速く、スイッチ開閉に要する外力を最小限に抑えた
圧力スイッチを提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の本発明
によれば、外部からの力により容易に変形し得るダイヤ
フラムを有する第１の基板と、第２の基板とを重ね合わ
せて、これら第１と第２の基板の間に密閉空間を形成
し、密閉空間内に配置された接点機構をダイヤフラムの
変形に基づいて開閉する圧力スイッチにおいて、第１基
板の第２基板に対向する面に、密閉空間に位置する第１
の接点と該第１の接点と電気的に絶縁された第２の接点
とを設け、第２基板の第１基板に対向する面に、第１の
接点と第２の接点に対向し、ダイヤフラムの変形に基づ
いて第１の接点と第２の接点とを導通する第３の接点を
設け、第１と第２の基板との間には、密閉空間の外側で
環状に連続し、密閉空間を大気から遮断する気密部を設
けた構成にしたので、長期に亙って密閉空間の気密性を
保持できる圧力スイッチを提供することができる。これ
により、長期に亙って接点が劣化しにくい信頼の高い圧
力スイッチとすることができる。

【００１２】請求項２に記載の本発明によれば、第１基
板の第２基板に対向する面に、第１の導電層と、この第
１の導電層の周囲を離間して連続する第２の導電層を設
け、第１と第２の接点を各々第１と第２の導電層の上に
設け、気密部が第２の導電層である構成にしたので、導
電層および接点の厚みによる段差を生じることなく、長
期間に亙って密閉空間の気密性を保持できる圧力スイッ
チを提供することができる。

【００１３】請求項３に記載の本発明によれば、第１の
基板が半導体、第２の基板がガラスからなる構成とした
ので、大量生産が容易で安価な圧力スイッチを提供する
ことができる。

【００１４】請求項４に記載の本発明によれば、第１の
基板と、外部からの力により容易に変形し得るダイヤフ
ラムを有する第２の基板とを重ね合わせて、これら第１
と第２の基板の間に密閉空間を形成し、密閉空間内に配
置された接点機構をダイヤフラムの変形に基づいて開閉
する圧力スイッチにおいて、第１基板の第２基板に対向
する面に、密閉空間に位置する第１の接点と該第１の接
点と電気的に絶縁された第２の接点とを設け、第２基板
の第１基板に対向する面に、第１の接点と第２の接点に
対向し、ダイヤフラムの変形に基づいて第１の接点と第
２の接点とを導通する第３の接点を設け、第１と第２の
基板との間には、密閉空間の外側で環状に連続し、密閉
空間を大気から遮断する気密部を設けた構成としたの
で、長期に亙って密閉空間の気密性を保持できる圧力ス
イッチを提供することができる。これにより、長期に亙
って接点が劣化しにくい信頼の高い圧力スイッチとする
ことができる。

【００１５】請求項５に記載の本発明によれば、第２基
板の第１基板に対向する面に、第１の導電層と、この第
１の導電層と電気的に絶縁した第２の導電層を密閉空間
内に設け、第２と第３の接点を第１と第２の導電層に設
けた構成にしたので、導電層と接点が密閉空間内にあっ
て、第１および第２基板の接合面が気密部として機能
し、これにより長期に亙って密閉空間の気密性を保持で
きる圧力スイッチを提供することができる。

【００１６】請求項６に記載の本発明によれば、第１と
第２の基板が半導体からなる構成としたので、大量生産
が容易で安価な圧力スイッチを提供することができる。

【００１７】請求項７に記載の本発明によれば、気密部
がアルカリガラス膜である構成としたので、長期に亙っ
て密閉空間の気密性を保持できる圧力スイッチを提供す
ることができる。

【００１８】請求項８に記載の本発明によれば、第１の
基板が半導体、第２の基板がガラスからなる構成とした
ので、大量生産が容易で安価な圧力スイッチを提供する
ことができる。

【００１９】請求項９に記載の本発明によれば、外部か
らの力により容易に変形し得るダイヤフラムを有する第
１の基板と、第２の基板と、第３の基板とを順に重ね合
わせて、これら第１、第２、および第３の基板の間に密
閉空間を形成し、密閉空間内に配置された接点機構をダ
イヤフラムの変形に基づいて開閉する圧力スイッチにお
いて、第１基板の第２基板に対向する面に、密閉空間に
位置する第１の接点を設け、第２基板の第１基板に対向
する面に、第１の接点に対向し、ダイヤフラムの変形に
基づいて、第１の接点を介して導通する第２と第３の接
点を設け、第１と第３の基板との間には、密閉空間の外
側で環状に連続し、密閉空間を大気から遮断する気密部
を設けた構成としたので、長期に亙って密閉空間の気密
性を保持できる圧力スイッチを提供することができる。
これにより、長期に亙って接点が劣化しにくい信頼の高
い圧力スイッチとすることができる。

【００２０】請求項１０に記載の本発明によれば、第２
の基板が、互いに離間して形成された第１の配線部、第
２の配線部、および気密部からなり、第２と第３の接点
を第１と第２の配線部に設けた構成としたので、大量生
産が容易で安価な圧力スイッチを提供することができ
る。

【００２１】請求項１１に記載の本発明によれば、第１
と第２の基板が半導体、第３の基板がガラスからなる構
成としたので、大量生産が容易で安価な圧力スイッチを
提供することができる。

【００２２】請求項１２に記載の本発明によれば、第
１、第２、および第３の接点に隣接するダイヤフラムの
部分の剛性を高める手段を設けた構成としたので、ダイ
ヤフラムの変形に基づいて開閉する際に、接点を平坦に
維持することができ、これにより良好な圧力スイッチ特
性を実現することができる。

【００２３】請求項１３に記載の本発明によれば、ダイ
ヤフラムが円形である構成としたので、ダイヤフラムの
位置による負荷のばらつきを抑制し、開閉に要する力を
最小化することができる。

【００２４】請求項１４に記載の本発明によれば、密閉
空間が不活性ガスで充たされる構成としたので、接点間
の放電、または接点の酸化を防止することができる。

【００２５】請求項１５に記載の本発明によれば、第１
と第２の導電層に電気的に導通する端子手段を設けた構
成としたので、この圧力スイッチを外部回路に電気的に
接続することができる。

【００２６】請求項１６に記載の本発明によれば、第１
と第２の配線部に電気的に導通する端子手段を設けた構
成としたので、この圧力スイッチを外部回路に電気的に
接続することができる。

【００２７】請求項１７に記載の本発明によれば、第
１、第２、および第３の接点が実質的に平坦である構成
としたので、チャタリングの少ない良好な圧力スイッチ
特性を実現することができる。

【００２８】請求項１８に記載の本発明によれば、第
１、第２、および第３の接点が、金からなる構成とした
ので、接点が酸化しにくく、長期信頼性の高い圧力スイ
ッチを得ることができる。

【００２９】請求項１９に記載の本発明によれば、第１
の基板が高抵抗である構成としたので、第１の基板を介
して第２と第３接点が導通しないようにすることができ
る。

【００３０】請求項２０に記載の本発明によれば、第１
基板の第２基板に対向する面に、絶縁層を設けた構成と
したので、第１の基板を介して第２と第３接点が導通し
ないようにすることができる。

【００３１】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して本発明
に係る圧力スイッチの実施の形態を説明する。各実施の
形態の説明において、理解を容易にするために方向を表
す用語（例えば、「上部」、「下部」、「右側」、「左
側」等）を適宜用いるが、これは説明のためのものであ
って、これらの用語は本発明を限定するものでない。

【００３２】実施の形態１．図１と図２は、実施の形態
１に係る圧力スイッチ１を示す。特に、図１から明らか
なように、圧力スイッチ１は、概略、上部基板１０と、
この上部基板１０の下に配置された下部基板２０とから
なる。上部基板１０は、絶縁材料又は高抵抗の半導体材
料からなる所定の厚さ（例えば、２５０ないし４００μ
ｍ）の薄板である。下部基板２０も同様に、絶縁材料又
は高抵抗の半導体材料からなる所定の厚さ（例えば、２
５０ないし４００μｍ）の薄板である。上部基板１０を
構成する材料としてはシリコンが好適に用いられ、下部
基板２０を構成する材料としてはガラスが用いられる。
しかし、本発明の圧力スイッチは、これらの材料によっ
て限定されるものでない。

【００３３】上部基板１０はその上面に窪み１１が加工
されており、これにより窪み１１の底部を構成する部分
に薄肉のダイヤフラム１２が形成されている。窪み１１
を形成する技術は、特定の技術に限るものでないが、上
部基板１０が単結晶シリコンからなる場合にはエッチン
グが一般に利用できる。また、必要であれば、エッチン
グの前に、上部基板１０を所定の厚さに加工してもよ
い。ダイヤフラム１２の厚さは、外部から加えられる力
によって、厚さ方向（図面の上下方向）に比較的容易に
変形し得る厚さとする必要があり、例えば数十μｍとす
るのが好ましい。

【００３４】図２に詳細に示すように、上部基板１０の
下面には第１の導電層１３と第２の導電層１４が形成さ
れており、第１の導電層１３はダイヤフラム１２の外側
で無端状（環状）に連続し、その内側に第２の導電層１
４が位置している。また、ダイヤフラム１２の下面にお
いて、第１の導電層１３は、図面上左側から右側に向か
って突出し、他方、第２の導電層１４は、図面上右側か
ら左側に向かって突出し、これらの突出部がダイヤフラ
ム１２のほぼ中央部で所定の間隔をあけて対向してい
る。

【００３５】第１と第２の導電層１３、１４を形成する
方法は、例えば、上部基板１０がＮ型シリコン基板から
なる場合、例えばボロンなどの不純物を該シリコン基板
に注入または拡散してＰ⁺拡散層（高濃度不純物層）を
形成する方法が好適に利用できる。また、ダイヤフラム
１２に含まれる第１と第２の導電層１３、１４の一部分
にはそれぞれ、電気抵抗が小さく比較的柔らかい金属
（例えば、金）が被覆され、可動接点（可動コンタクト
領域）１５、１６が形成されている。金を被覆する面積
は、これら可動接点１５、１６と後述する固定接点との
接触面積を十分に大きくして接点間の電気抵抗を小さく
するために、できるだけ広くするのが好ましい。

【００３６】第１と第２の導電層１３、１４にはまた、
ダイヤフラム１２の外側の領域の一部分に金を被覆して
第１と第２の電極端子１７、１８が形成されている。

【００３７】下部基板２０の上面には、ダイヤフラム１
２に対向する領域に、周知のエッチング技術により、所
定の深さ（例えば、約５〜１０μｍ）の凹部２１が形成
されている。また、凹部２１の中央部には、周知の薄膜
形成技術により、導電性の金属（例えば、金）の固定接
点（固定コンタクト領域）２２が形成されている。他
方、下部基板２０には、上部基板１０に形成された第１
と第２の電極端子１７、１８に対向する領域に貫通穴２
３、２４が形成されている。

【００３８】以上のようにして形成された上部基板１０
と下部基板２０は、下部基板２０の凹部２１をダイヤフ
ラム１２に対向し、また、貫通穴２３、２４を第１と第
２の電極端子１７、１８にそれぞれ対向し、適当な接着
技術（例えば、陽極接合）を用いて接着され、これによ
り、ダイヤフラム１２の下には凹部２１に対応した密閉
空間２５が形成される。密閉空間２５において、可動接
点１５、１６は所定の間隔をあけて固定接点２２に対向
し、これら接点１５、１６、２２により、接点機構が構
成される。また、貫通穴２３、２４を介して第１と第２
の電極端子１７、１８が露出している。

【００３９】ところで、図１に示すように、シリコン基
板に不純物を拡散して得られた導電層１３、１４は、シ
リコン基板の表面から盛り上がっている。したがって、
上部基板１０の下面に下部基板２０を接着すると、導電
層１３、１４の盛り上がり量（高さ）だけ、上部基板１
０と下部基板２０との間に隙間を生じる。しかし、上述
のように、第１の導電層１３は、第２の導電層１４を囲
んで環状に連続している。そのため、密閉空間２５の周
囲で、この環状に連続した第１の導電層１３が下部基板
２０に連続的に接触し、密閉空間２５を完全に大気から
隔離してその機密性を完全なものとしている。

【００４０】このように構成された圧力スイッチ１の第
１と第２の電極端子１７、１８がそれぞれ、開閉すべき
回路に接続される。この状態で、外部から力（例えば、
機械的な力又は流体圧力）がダイヤフラム１２に作用
し、図３に示すように、該ダイヤフラム１２を下部基板
２０に向けて変形（湾曲）すると、可動接点１５、１６
が固定接点２２に接触し、第１と第２の電極端子１７、
１８が、第１と第２の導電層１３、１４、可動接点１
５、１６、および固定接点２２を介して導通する。逆
に、外部の力が解放されると、ダイヤフラム１２がそれ
自身の弾性復帰力によって図１の状態に復帰し、可動接
点１３、１４が固定接点２２から離間する。

【００４１】実施の形態２．図４と図５は、実施の形態
２に係る圧力スイッチ２を示す。特に、図４から明らか
なように、圧力スイッチ２は、概略、上部基板３０と、
この上部基板３０の下に配置された下部基板４０とから
なる。上部基板３０は、絶縁材料又は高抵抗の半導体材
料からなる所定の厚さ（例えば、２５０ないし４００μ
ｍ）の薄板である。下部基板４０も同様に、絶縁材料又
は高抵抗の半導体材料からなる所定の厚さ（例えば、２
５０ないし４００μｍ）の薄板である。上部基板３０お
よび下部基板４０を構成する材料としてはシリコンが好
適に用いられるが、本発明の圧力スイッチは、これらの
材料によって限定されるものでない。

【００４２】上部基板３０の上面には窪み３１が加工さ
れており、その下面にはこれに対向する凹部３３が加工
され、これらの間に薄肉のダイヤフラム３２が形成され
ている。窪み３１および凹部３３を形成する技術は、特
定の技術に限るものでないが、上部基板３０が単結晶シ
リコンからなる場合には、エッチングが一般に利用でき
る。また必要であれば、上面をエッチングする前に研磨
するなどして上部基板３０を所定の厚さに加工してもよ
い。ダイヤフラム３２の厚さは、外部から加えられる力
によって、厚さ方向（図面の上下方向）に比較的容易に
変形し得る厚さとする必要があり、例えば数十μｍとす
るのが好ましい。また凹部３３の深さは例えば、約５〜
１０μｍとするのが好ましい。さらに、凹部３３の中央
部には、周知の薄膜形成技術により、導電性の金属（例
えば、金）の可動接点（可動コンタクト領域）３４が形
成されている。

【００４３】図５に詳細に示すように、下部基板４０の
上面には第１の導電層４１と第２の導電層４２が上部基
板３０の凹部３３に対向する領域内部に離間して形成さ
れている。第１と第２の導電層４１、４２は、実施の形
態１と同様の手法で形成することができる。また導電層
４１、４２上には、同様に、導電性の金属（例えば、
金）の固定接点（固定コンタクト領域）４３、４４が上
部基板３０の可動接点３４に対向する位置に被膜されて
いる。また、接点機構を構成する可動接点３４と固定接
点４３、４４の被覆面積をできるだけ広くして、接触面
積を大きくし、接点間の電気抵抗を小さくすることが好
ましい。

【００４４】下部基板４０の下面には、周知のエッチン
グ技術により、上述の第１と第２の導電層４１、４２の
一部を露出させる開口部４３、４４が形成されている。
導電層４１、４２の各露出部分には、例えば金などを被
膜して第１と第２の電極端子４５、４６が形成されてい
る。

【００４５】以上のようにして形成された上部基板４０
と下部基板５０は、下部基板５０の固定接点４５、４６
が上部基板３０の可動接点３４に対向して、適当な接着
技術（例えば、ニッケルシリサイド接合）を用いて接着
される。ニッケルシリサイド接合は、例えば、シリコン
からなる上部基板３０のダイヤフラム３２の外周部にＴ
ｉ（チタン）を下地にＮｉ（ニッケル）を被膜した後、
シリコンからなる下部基板４０と接触させて４００℃程
度に加熱することにより行われる。このとき、上部基板
３０上のＮｉと下側基板４０上のＳｉとにより接合膜４
８（共晶）が形成されることにより、上部基板３０およ
び下部基板４０が接合される。

【００４６】こうして、上部基板３０の凹部３３と該凹
部３３に対向する下部基板４０の上面とにより密閉空間
４７が形成される。この密閉空間４７において、可動接
点３４が所定の間隔をあけて固定接点４３、４４に対向
し、これら接点３４、４３、４４により、接点機構が構
成される。また、開口部４３、４４を介して第１と第２
の電極端子４５、４６が露出している。

【００４７】上述のように、導電層４１、４２とその上
部に被膜した固定接点４３、４４は、各々厚み（高さ）
を有するが、密閉空間４７内に収容されているので、上
部基板３０と下部基板４０間の接合面で段差を生じるこ
とがない。つまり上部基板３０と下部基板４０間の接合
面、および接合膜４８は、密閉空間４７の周囲を環状に
連続している。したがって、密閉空間４７を完全に大気
から隔離してその機密性を完全なものとしている。

【００４８】このように構成された圧力スイッチ２は、
第１と第２の電極端子４５、４６がそれぞれ、開閉すべ
き回路に接続される。この状態で、外部から力（例え
ば、機械的な力又は流体圧力）がダイヤフラム３２に作
用すると、該ダイヤフラム３２を下部基板３２に向けて
変形（湾曲）し、可動接点３４が固定接点４３、４４に
接触し、第１と第２の電極端子４５、４６が、第１と第
２の導電層４１、４２、可動接点４３、４４、および固
定接点３４を介して導通する。逆に、外部の力が解放さ
れると、ダイヤフラム３２がそれ自身の弾性復帰力によ
って図４の状態に復帰し、可動接点３４が固定接点４
３、４４から離間する。

【００４９】なお、上部基板３０を構成する材料とし
て、択一的に、低抵抗シリコン基板を用いてもよい。た
だし図６に示すように、上部基板３０の接合面に絶縁膜
３５を被膜して固定接点４３、４４が上部基板４０を介
して導通しないようにしなければならない。

【００５０】実施の形態３．図７は、実施の形態３に係
る圧力スイッチ３を示す。図７から明らかなように、圧
力スイッチ３は、概略、上部基板５０と、この上部基板
５０の下に配置された下部基板６０とからなる。上部基
板５０は、絶縁材料又は高抵抗の半導体材料からなる所
定の厚さ（例えば、２５０ないし４００μｍ）の薄板で
ある。下部基板６０も同様に、絶縁材料又は高抵抗の半
導体材料からなる所定の厚さ（例えば、２５０ないし４
００μｍ）の薄板である。上部基板５０および下部基板
６０を構成する材料としてはシリコンが好適に用いら
れ。しかし、本発明の圧力スイッチ３は、これらの材料
によって限定されるものでない。

【００５１】上部基板５０の上面には窪み５１が加工さ
れており、その下面にはこれに対向する凹部５３が加工
され、これらの間に薄肉のダイヤフラム５２が形成され
ている。窪み５１および凹部５３を形成する技術は、特
定の技術に限るものでないが、上部基板５０が単結晶シ
リコンからなる場合には、エッチングが一般に利用でき
る。また必要であれば、上面をエッチングする前に研磨
するなどして上部基板５０を所定の厚さに加工してもよ
い。ダイヤフラム５２の厚さは、外部から加えられる力
によって、厚さ方向（図面の上下方向）に比較的容易に
変形し得る厚さとする必要があり、例えば数十μｍとす
るのが好ましい。また凹部５３の深さは例えば、約５〜
１０μｍとするのが好ましい。さらに、凹部５３の中央
部には、周知の薄膜形成技術により、導電性の金属（例
えば、金）の可動接点（可動コンタクト領域）５４が形
成されている。

【００５２】図７に示すように、下部基板６０の上面に
おいて、第１の固定接点６１が左側端部付近から凹部５
３の中央部まで延び、第２の固定接点６２が右側端部付
近から凹部５３の中央部まで延び、互いに対向してい
る。また、接点機構を構成する上部基板５０の可動接点
５４と下部基板６０の固定接点６１、６２とは、対向す
る位置に被覆されており、その被覆面積をできるだけ広
くして、接触面積を大きくし、接点間の電気抵抗を小さ
くすることが好ましい。

【００５３】また下部基板６０には、周知のエッチング
技術により、上述の固定接点６１、６２の一部を露出さ
せる貫通穴６３、６４が形成されている。

【００５４】さらに、下部基板６０の上面には、固定接
点６１、６２を包囲して連続する接合膜６５が被膜され
る。この接合膜６５は、例えば、カリウムおよびナトリ
ウムなどのアルカリイオンを含むアルカリガラス膜であ
ってもよく、例えばパイレックスガラスの電子ビーム蒸
着またはスパッタリングによる方法、およびスピンオン
グラス法などの手法を用いて被膜することができる。こ
のとき接合膜６５は、少なくとも固定接点６１、６２よ
りも厚く被膜する必要がある。

【００５５】こうして形成された接合膜６５と上部基板
５０が、適当な接着技術（例えば、陽極接合）を用いて
接着され、これにより、上部基板５０の凹部５３、下部
基板６０の上面および接合膜６５により密閉空間６６が
形成される。この密閉空間６６において、可動接点５４
が所定の間隔をあけて固定接点６１、６２に対向し、接
点機構を構成する。

【００５６】上述のように、固定接点６１、６２は厚み
（高さ）を有するが、より厚い接合膜６５によってその
周囲が包囲されているので、上部基板５０と接合膜６５
間の接着面で段差を生じることがない。したがって、密
閉空間６６を完全に大気から隔離してその機密性を完全
なものとすることができる。

【００５７】このように構成された圧力スイッチ３は、
固定接点６１、６２が貫通穴６３、６４を介してそれぞ
れ、開閉すべき回路に接続される。この状態で、外部か
ら力（例えば、機械的な力又は流体圧力）がダイヤフラ
ム５２に作用すると、該ダイヤフラム５２を下部基板６
０に向けて変形（湾曲）し、可動接点６１、６２が固定
接点５４を介して導通する。逆に、外部の力が解放され
ると、ダイヤフラム５２がそれ自身の弾性復帰力によっ
て復帰し、可動接点５４が固定接点６１、６２から離間
する。

【００５８】なお、上部基板５０を構成する材料とし
て、択一的に、低抵抗シリコンを用いてもよい。ただし
図７に示すように、上部基板５０の下面に絶縁膜５５を
被膜して固定接点６１、６２が上部基板５０を介して導
通しないようにしなければならない。

【００５９】実施の形態４．図８と図９は、実施の形態
４に係る圧力スイッチ４を示す。特に、図８から明らか
なように、圧力スイッチ４は、概略、上部基板７０と、
中間基板８０と、下部基板９０とからなり、中間基板８
０は上部基板７０と下部基板９０の中間に配置されてい
る。上部基板７０は、絶縁材料又は高抵抗の半導体材料
からなる所定の厚さ（例えば、２５０ないし４００μ
ｍ）の薄板である。中間基板８０は、低抵抗の半導体材
料からなる所定の厚さ（例えば、２５０ないし４００μ
ｍ）を有する。下部基板９０も同様に、絶縁材料又は高
抵抗の半導体材料からなる所定の厚さ（例えば、２５０
ないし４００μｍ）の薄板である。上部基板７０および
中間基板８０を構成する材料としてはシリコンが好適に
用いられ、下部基板９０を構成する材料としてはガラス
が用いられる。しかし、本発明の圧力スイッチ４は、こ
れらの材料によって限定されるものでない。

【００６０】図８に詳細に示すように、上部基板７０の
下面に所定の深さ（例えば、約５〜１０μｍ）の凹部７
２を形成することにより、これに対応する領域に薄肉の
ダイヤフラム７１を形成する。形成する技術は、特定の
技術に限るものでないが、上部基板７０が単結晶シリコ
ンからなる場合には、エッチングが一般に利用できる。
ダイヤフラム７１の厚さは、外部から加えられる力によ
って、厚さ方向（図面の上下方向）に比較的容易に変形
し得る厚さとする必要があり、例えば数十μｍとするの
が好ましい。また、凹部７２の中央部には、周知の薄膜
形成技術により、導電性の金属（例えば、金）の可動接
点（可動コンタクト領域）７３が形成されている。

【００６１】中間基板８０の上面には、導電性の金属
（例えば、金）からなる第１の固定接点８１と第２の固
定接点８２が、可動接点７３に対向する位置に被膜され
ている。また、接点機構を構成する可動接点７３と固定
接点８１、８２の被覆面積をできるだけ広くして、接触
面積を大きくし、接点間の電気抵抗を小さくすることが
好ましい。

【００６２】また図９に示すように、中間基板８０は、
第１の固定接点８１が被膜される第１の配線部８０ａ
と、第２の固定接点８２が被膜される第２の配線部８０
ｂと、これら配線部８０ａ、８０ｂの周囲を離間して連
続する周辺部８０ｃとからなる。すなわち、配線部８０
ａ、８０ｂと周辺部８０ｃは、配線部８０ａ、８０ｂと
周辺部８０ｃとの間を分断する空間８３を介して、互い
に電気的に絶縁されている。この分断空間８３を形成す
る手法として、中間基板８０がシリコンからなる場合、
例えば、中間基板８０を上部基板７０に接合した後に、
ディープドライエッチングにより中間基板８０を配線部
８０ａ、８０ｂと周辺部８０ｃに分断する方法が好適に
利用できる。さらに配線部８０ａ、８０ｂの下面には、
導電性の金属（例えば、金）からなる第１と第２の電極
端子８４、８５が被膜されている。

【００６３】図８を再び参照すると、下部基板９０に
は、中間基板８０の下面に形成された第１と第２の電極
端子８４、８５に対向する領域に貫通穴９１、９２が形
成されている。

【００６４】以上のようにして形成された上部基板７
０、中間基板８０、および下部基板９０は、可動接点７
３を固定接点８１、８２に所定の距離をあけて対向し、
また、貫通穴９１、９２を第１と第２の電極端子８４、
８５にそれぞれ対向し、適当な接着技術（例えば、陽極
接合）を用いて接着され、これにより、ダイヤフラム７
３の下には凹部７３に対応した密閉空間７４が形成さ
れ、密閉空間７４において、可動接点７３と固定接点８
１、８２が対向し、接点機構を構成する。また、貫通穴
９１、９２を介して第１と第２の電極端子８４、８５が
露出している。

【００６５】ところで、密閉空間７４は、配線部８０
ａ、８０ｂと周辺部８０ｃとの間の分断空間８３と連通
している。しかし、この分断空間８３は、上部基板７０
の下面、下部基板９０の上面、および周辺部８０ｃによ
り完全に包囲されている。そのため、密閉空間７４を完
全に大気から隔離してその機密性を確保することができ
る。

【００６６】このように構成された圧力スイッチ４は、
第１と第２の電極端子８４、８５がそれぞれ、開閉すべ
き回路に接続される。この状態で、外部から力（例え
ば、機械的な力又は流体圧力）がダイヤフラム７１に作
用し、該ダイヤフラム７１を中間基板８０に向けて変形
（湾曲）すると、固定接点７３が可動接点８１、８２に
接触し、第１と第２の電極端子８４、８５が、第１と第
２の配線層８０ａ、８０ｂ、可動接点８１、８２、およ
び固定接点７３を介して導通する。逆に、外部の力が解
放されると、ダイヤフラム７１がそれ自身の弾性復帰力
によって図８の状態に復帰し、可動接点７３が固定接点
８１、８２から離間する。

【００６７】なお、上部基板７１を構成する材料として
低抵抗シリコンを使用することもできる。ただし図８に
示すように、上部基板７１の下面に絶縁膜７５を被膜し
て固定接点８１、８２が上部基板７０を介して導通しな
いようにする必要がある。

【００６８】なお、これまで説明したすべての実施の形
態における密閉空間に、窒素またはヘリウムなどの不活
性ガスを封入することが好ましい。択一的に、密閉空間
を真空状態にしておいてもよい。これにより、金等によ
り形成された接点の開閉に伴う、接点の劣化および接点
間の放電を防止することができる。

【００６９】変形例１．本発明に係る第１ないし第４の
実施の形態による圧力スイッチのダイヤフラムを改良し
た第１の変形例を、図１０ないし１２を参照しながら説
明する。なお、図１０ないし１２は、本発明に係る第１
の実施の形態による圧力スイッチ１の変形例を示してい
るが、他の実施の形態の圧力スイッチに対しても同様に
適用されることは明らかである。

【００７０】上述のように、本発明の第１の実施の形態
による圧力スイッチ１は、外部からの力が加えられ、ダ
イヤフラム１２が変形（湾曲）して、可動接点１５、１
６が固定接点２２に接触することにより導通する。圧力
スイッチが導通する時、ダイヤフラム１２の中央部付近
が通常、最も大きく変形する。この導通状態を微視的に
見ると、図１０（ａ）のようになり、可動接点１５、１
６の表面全体で固定接点２２と接触しにくいため、接点
間のノイズ振動であるチャタリングが生じやすい。また
一定の力を加え続けた場合でも、図１１の破線で模式的
に示したように、可動接点１５、１６が固定接点２２に
接触し始めてから（ｔ＝Ｔ₀）、可動接点１５、１６の
表面全体で固定接点２２と接触するまで（ｔ＝Ｔ₁）あ
る程度の時間を要する。これは圧力スイッチとしての応
答が遅いことを意味し、好ましくない。

【００７１】そこで、図１２で示したように、可動接点
１５、１６が設けられたダイヤフラム１２の中央部に突
起部１９を設けることにより、突起部１９におけるダイ
ヤフラム１２の剛性を高くして、変形（湾曲）しにくく
する。この場合の導通状態を同様に微視的に見ると、可
動接点１５、１６が図１０（ｂ）のように平坦に維持さ
れ、可動接点１５、１６の表面全体で固定接点２２と接
触させることができ、これにより、可動接点１５、１６
間の接点間抵抗を図１２の実線で示すように瞬時に下げ
ることができる。こうして、チャタリングの少ない応答
速度の速い半導体圧力スイッチを得ることができる。

【００７２】図１２では、突起部１９が直方体または円
錐形状を有する場合を説明したが、図１３のように、例
えば円柱形など、ダイヤフラムに剛性を与える任意の形
状を有する突起部１９を用いることができる。

【００７３】さらに、変形例１について、この突起部１
９を実施例１のダイヤフラム１２の上面に形成した場合
を図１２を用いて説明したが、例えば、図１４に示すよ
うに実施の形態２のダイヤフラム３２の下面、すなわち
密閉空間４７の内側に形成してもよく、同様にダイヤフ
ラムの剛性を高くすることができる。

【００７４】変形例２．本発明に係る第１ないし第４の
実施の形態による圧力スイッチのダイヤフラムを改良し
た第２の変形例を、図１５を参照しながら説明する。な
お、図１５は、第１の実施の形態による圧力スイッチ１
の変形例を示しているが、他の実施の態様の圧力スイッ
チに対しても同様に適用されることは明らかである。

【００７５】上述の通り、本発明の第１の実施の形態に
よる圧力スイッチ１は、外部からの力が加えられ、ダイ
ヤフラム１２が変形（湾曲）して、可動接点１５、１６
が固定接点２２に接触することにより導通する。図１の
ようにダイヤフラム１２が正方形形状を有する場合、ダ
イヤフラム１２の中央部から端部までの長さは、その方
向に依存する。そのため、ダイヤフラム１２の位置によ
って生じる張力（負荷）が不均一となり、長期信頼性の
上で好ましくない。

【００７６】そこで、図１５に詳細に示すように、ダイ
ヤフラム１２を正方形ではなく円形形状にすることによ
り、ダイヤフラム１２内の位置による張力（負荷）のば
らつきを平均化することができ、これにより、破損しに
くい長期信頼性の高い圧力スイッチを実現することがで
きる。さらに好適にも、円形ダイヤフラムを用いた圧力
スイッチ１２を導通させるのに必要な力を、同じ面積を
有する方形ダイヤフラムを用いた圧力スイッチに比べて
最小限に抑えることができる。より小さい力で圧力スイ
ッチ動作させたい場合に、この円形ダイヤフラムが好適
である。

【００７７】

【発明の効果】請求項１ないし１１に記載の本発明によ
れば、密閉空間の気密性が長期間に亙って保持される、
信頼性が高く、小型で、安価で、大量生産が可能な圧力
スイッチを実現することができる。

【００７８】請求項１２に記載の本発明によれば、圧力
スイッチを開閉する際に、チャタリングの少ない、応答
速度の速い圧力スイッチを得ることができる。

【００７９】請求項１３に記載の本発明によれば、より
頑健で信頼性の高い、開閉に必要な力を最小限に抑える
圧力スイッチを実現することができる。

【００８０】請求項１４に記載の本発明によれば、金属
接点の劣化および密閉空間における放電を抑制すること
ができる。

【００８１】請求項１５、１６に記載の本発明によれ
ば、この圧力スイッチを外部回路に電気的に接続するこ
とができる。

【００８２】請求項１７に記載の本発明によれば、チャ
タリングの少ない良好な圧力スイッチ特性を実現するこ
とができる。

【００８３】請求項１８に記載の本発明によれば、接点
が劣化しにくく、長期信頼性の高い圧力スイッチを得る
ことができる。

【００８４】請求項１９、２０に記載の本発明によれ
ば、第１の基板を介して第２と第３接点が導通しないよ
うにすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る第１の実施の形態による圧力ス
イッチの断面図である。

【図２】図１のII−II線から見た上部基板を示す図で
ある。

【図３】本発明に係る第１の実施の形態による圧力ス
イッチが導通する際の動作を示す図である。。

【図４】本発明に係る実施の形態２による圧力スイッ
チの断面図である。

【図５】図４のＶ−Ｖ線から見た下部基板を示す図で
ある。

【図６】図６に示す圧力スイッチ２に絶縁膜を設けた
圧力スイッチを示す図である。

【図７】本発明に係る第３の実施の形態による圧力ス
イッチの断面図である。

【図８】本発明に係る第４の実施の形態による圧力ス
イッチの断面図である。

【図９】図８のIX−IX線から見た第２シリコン基板を
示す図である。

【図１０】本発明に係る第１の実施の形態による圧力
スイッチ、およびその変形例１による圧力スイッチが導
通する際の可動接点の接触状態を微視的に示す図であ
る。

【図１１】本発明に係る第１の実施の形態による圧力
スイッチ、およびその変形例１による圧力スイッチが導
通する際の可動接点間の接触抵抗の時間的推移を示す図
である。

【図１２】本発明に係る第１の実施の形態による圧力
スイッチの変形例１による圧力スイッチを示す図であ
る。

【図１３】本発明に係る第１の実施の形態による圧力
スイッチの変形例１による別の圧力スイッチを示す図で
ある。

【図１４】本発明に係る第１の実施の形態による圧力
スイッチの変形例１によるさらに別の圧力スイッチを示
す図である。

【図１５】本発明に係る第１の実施の形態による圧力
スイッチの変形例２による圧力スイッチを示す図であ
る。

【図１６】従来技術による圧力スイッチの断面図であ
る。

【図１７】図１６のXVII−XVII線から見たシリコン基
板を示す図である。

【図１８】従来技術による圧力スイッチの断面図であ
る。

【符号の説明】

１２３４圧力スイッチ、１０３０５０
７０１１０上部基板（シリコン）、２０４０
６０８０９０１３０下部基板（シリコンまたは
ガラス）、１１３２５２７１１１１ダイヤ
フラム、１３１４４１４２導電層、１５１６３４５４
７３可動接点、２２４３４４５３５４
８１８２固定接点、２１３３５３７２凹
部、２３２４６３６４８４８５貫通穴、
４３４４開口部、１７１８４５４６８
４８５１１６１１７電極端子、２５４７６
６７４１１９密閉空間、３５５５７５絶
縁膜、６６接合膜（ガラス）。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者荒木達東京都千代田区丸の内二丁目２番３号三菱電機株式会社内Ｆターム(参考） 2F055 AA40 BB20 CC02 DD04 DD07 EE35 FF11 GG11 5G056 DA01 DA02 DB01 DE03 DE33 5J050 AA14 AA37 AA47 AA49 CC09 FF35

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】外部からの力により容易に変形し得るダ
イヤフラムを有する第１の基板と、第２の基板とを重ね
合わせて、これら第１と第２の基板の間に密閉空間を形
成し、上記密閉空間内に配置された接点機構を上記ダイ
ヤフラムの変形に基づいて開閉する圧力スイッチにおい
て、上記第１基板の上記第２基板に対向する面に、上記密閉
空間に位置する第１の接点と該第１の接点と電気的に絶
縁された第２の接点とを設け、上記第２基板の上記第１基板に対向する面に、上記第１
の接点と第２の接点に対向し、上記ダイヤフラムの変形
に基づいて上記第１の接点と第２の接点とを導通する第
３の接点を設け、上記第１と第２の基板との間には、上記密閉空間の外側
で環状に連続し、上記密閉空間を大気から遮断する気密
部を設けたことを特徴とする圧力スイッチ。
【請求項２】上記第１基板の上記第２基板に対向する
面に、第１の導電層と、この第１の導電層の周囲を離間
して連続する第２の導電層を設け、上記第１と第２の接点を各々上記第１と第２の導電層の
上に設け、上記気密部が上記第２の導電層であることを特徴とする
請求項１の圧力スイッチ。
【請求項３】上記第１の基板が半導体、上記第２の基
板がガラスからなることを特徴とする請求項２の圧力ス
イッチ。
【請求項４】第１の基板と、外部からの力により容易
に変形し得るダイヤフラムを有する第２の基板とを重ね
合わせて、これら第１と第２の基板の間に密閉空間を形
成し、上記密閉空間内に配置された接点機構を上記ダイ
ヤフラムの変形に基づいて開閉する圧力スイッチにおい
て、上記第１基板の上記第２基板に対向する面に、上記密閉
空間に位置する第１の接点と該第１の接点と電気的に絶
縁された第２の接点とを設け、上記第２基板の上記第１基板に対向する面に、上記第１
の接点と第２の接点に対向し、上記ダイヤフラムの変形
に基づいて上記第１の接点と第２の接点とを導通する第
３の接点を設け、上記第１と第２の基板との間には、上記密閉空間の外側
で環状に連続し、上記密閉空間を大気から遮断する気密
部を設けたことを特徴とする圧力スイッチ。
【請求項５】上記第２基板の上記第１基板に対向する
面に、第１の導電層と、この第１の導電層と電気的に絶
縁した第２の導電層を上記密閉空間内に設け、上記第２と第３の接点を第１と第２の導電層に設けたこ
とを特徴とする請求項４の圧力スイッチ。
【請求項６】上記第１と第２の基板が半導体からなる
ことを特徴とする請求項５の圧力スイッチ。
【請求項７】上記気密部がアルカリガラス膜であるこ
とを特徴とする請求項４の圧力スイッチ。
【請求項８】上記第１の基板が半導体、上記第２の基
板がガラスからなることを特徴とする請求項７の圧力ス
イッチ。
【請求項９】外部からの力により容易に変形し得るダ
イヤフラムを有する第１の基板と、第２の基板と、第３
の基板とを順に重ね合わせて、これら第１、第２、およ
び第３の基板の間に密閉空間を形成し、上記密閉空間内
に配置された接点機構を上記ダイヤフラムの変形に基づ
いて開閉する圧力スイッチにおいて、上記第１基板の上記第２基板に対向する面に、上記密閉
空間に位置する第１の接点を設け、上記第２基板の上記第１基板に対向する面に、上記第１
の接点に対向し、上記ダイヤフラムの変形に基づいて、
上記第１の接点を介して導通する第２と第３の接点を設
け、上記第１と第３の基板との間には、上記密閉空間の外側
で環状に連続し、上記密閉空間を大気から遮断する気密
部を設けたことを特徴とする圧力スイッチ。
【請求項１０】上記第２の基板が、互いに離間して形
成された第１の配線部、第２の配線部、および上記気密
部からなり、上記第２と第３の接点を上記第１と第２の配線部に設け
たことを特徴とする請求項９の圧力スイッチ。
【請求項１１】上記第１と第２の基板が半導体、上記
第３の基板がガラスからなることを特徴とする請求項１
０の圧力スイッチ。
【請求項１２】上記第１、第２、および第３の接点に
隣接するダイヤフラムの部分の剛性を高める手段を設け
たことを特徴とする請求項１、４、または９のいずれか
の圧力スイッチ。
【請求項１３】上記ダイヤフラムが円形であることを
特徴とする請求項１、４、または９のいずれかの圧力ス
イッチ。
【請求項１４】上記密閉空間が不活性ガスで充たされ
ることを特徴とする請求項１、４、または９のいずれか
の圧力スイッチ。
【請求項１５】上記第１と第２の導電層に電気的に導
通する端子手段を設けたことを特徴とする請求項２また
は５の圧力スイッチ。
【請求項１６】上記第１と第２の配線部に電気的に導
通する端子手段を設けたことを特徴とする請求項１０の
圧力スイッチ。
【請求項１７】上記第１、第２、および第３の接点が
実質的に平坦であることを特徴とする請求項１、４、ま
たは９の圧力スイッチ。
【請求項１８】上記第１、第２、および第３の接点
が、金からなることを特徴とする請求項１、４、または
９の圧力スイッチ。
【請求項１９】上記第１の基板が高抵抗であることを
特徴とする請求項６、８、または１１のいずれかの圧力
スイッチ。
【請求項２０】上記第１基板の上記第２基板に対向す
る面に、絶縁層を設けたことを特徴とする請求項６、
８、または１１のいずれかの圧力スイッチ。