JP2008262863A - Ｍｅｍｓスイッチおよびこれを備えた集積回路 - Google Patents

Abstract

【課題】小型が図れ、大容量の電流をオン／オフ可能な磁気駆動によるＭＥＭＳスイッチ及びこれを備えた集積回路を提供する。
【解決手段】シリコン基板１にＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術により支持部２が立設され、支持部２の先端面には、シリコン基板１の表面に平行させて板状の磁性体３が設けられている。磁性体３の一端の内側には第１の接点４が設けられ、これに対向させてシリコン基板１上には第２の接点６が設けられている。シリコン基板１側から磁性体３に磁力が付与されると、吸引されて撓み、第１の接点４が第２の接点６に接触し、スイッチオンになり、磁力が消滅すると磁性体３は待機位置に復帰する。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気の有無により開閉するＭＥＭＳスイッチおよびこれを備えた集積回路に関する。

一対の接点を機械的に接触させてオン／オフ動作をさせるスイッチは、その殆どは手動により動作させるものであるが、電気信号により動作させるスイッチもある。

例えば、特許文献１に示すものがあり、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System：微小電気機械システム）により基板に一直線に形成された溝の一方に２本の固定光ファイバを配設すると共に、先端が固定光ファイバに対面し且つ揺動するようにして可動光ファイバを上記溝に配設し、この自由端に板ばねを介在させ、この板ばねを電磁石により駆動することにより可動光ファイバを変位させてスイッチングを行う光スイッチが開示されている。

また、磁気センサ、例えばＭＲ素子と永久磁石を組み合わせてスイッチ信号を発生させ、このスイッチ信号により半導体スイッチング素子を動作させる半導体スイッチも知られている。
特開２００４−９４０８８号公報

しかし、従来の光スイッチによると、特許文献１の構成の場合、電流のオン／オフに適用しようとすると、構成が複雑になると共に、大型化する。また、スイッチにＭＲ（magnetoresistive effect）素子を用いた場合、半導体スイッチング素子との組み合わせが必須になり、単独でスイッチを構成することはできない。

従って、本発明の目的は、小型が図れ、大容量の電流をオン／オフ可能な磁気駆動によるＭＥＭＳスイッチ及びこれを備えた集積回路を提供することにある。

［１］本発明の第１の態様によれば、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）により設けられた突起状の支持部を有するシリコン基板と、前記シリコン基板の表面に平行させて前記支持部に設けられた板状の磁性体と、前記磁性体の先端の内側に設けられた第１の接点と、前記第１の接点に対向して前記シリコン基板の表面に設けられた第２の接点と、を備えたことを特徴とするＭＥＭＳスイッチを提供する。

［２］本発明の第２の態様によれば、前記［１］に記載のＭＥＭＳスイッチと、前記ＭＥＭＳスイッチに併設された磁気センサと、前記ＭＥＭＳスイッチおよび前記磁気センサを一体に封止したパッケージと、を備えたことを特徴とする集積回路を提供する。

［３］前記磁気センサは、巨大磁気抵抗効果素子、磁気抵抗効果素子またはホール素子を用いることができる。

本発明の実施の態様によれば、小型が図れ、大容量の電流をオン／オフ可能なＭＥＭＳスイッチおよびこれを備えた集積回路を得ることができる。

［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るＭＥＭＳスイッチを示す正面断面図である。

（ＭＥＭＳスイッチの構成）
ＭＥＭＳスイッチ１００は、シリコン基板１と、シリコン基板１上にＭＥＭＳ技術により設けられた支持部２と、支持部２の上端に取り付けられた磁性体３と、磁性体３の先端の内側に設けられた第１の接点４と、一端に接点４が接続されると共に他端がシリコン基板１上に布線された配線パターン５と、接点４に対向させてシリコン基板１上に設けられた第２の接点６と、シリコン基板１上に設けられた配線パターン７Ａ，７Ｂと、配線パターン５と配線パターン７Ｂを接続するワイヤ１４と、可動部及び第１，第２の接点４，６の周囲に空間を持たせて封止されたパッケージ２０を備えて構成されている。

支持部２は、例えば、シリコン基板１をエッチングして構成され、或いは、金型を用いて素材を加熱して凹凸を形成するホットエンボス（hot embossing）加工等により構成されている。

磁性体３は、例えば、Ｆｅ、Ｆｅ合金等の磁性金属を堆積、蒸着等により所定の厚みにして構成されており、例えば、常温接合、接着等により支持部２の上端に固定されている。

第１及び第２の接点４，６は、例えば、数アンペアを流しても溶断しない大きさ及び厚みになるように、蒸着等により設けられている。

配線パターン５，７Ａ，７Ｂは、例えば、蒸着、エッチング等により設けられ、例えば、数アンペアを流しても溶断しないパターン幅及び厚みに設定されている。

配線パターン７Ａ，７Ｂは、スイッチのオン／オフ出力端子になる。したがって、配線パターン７Ａ，７Ｂには、外部と接続するためのリード線、ピン等が接続される。

ワイヤ１４は、金線等によるボンディングワイヤである。

パッケージ２０は、耐熱性及び耐湿性を有する樹脂材であり、樹脂成形により設けられている。

次に、ＭＥＭＳスイッチ１００の動作について説明する。

（ＭＥＭＳスイッチの動作）
図２は、ＭＥＭＳスイッチ１００の装着例を示す斜視図である。図１及び図２に示すように、ＭＥＭＳスイッチ１００は、プランジャ１１の端部に装着されたマグネット１０の移動路に沿って配設されている。

図２に示すように、プランジャ１１は、円筒形状のホルダ１２及びガイド１３によってガイドされながら、図１の矢印Ａ，Ｂの方向に往復動することができる。

ホルダ１２は、図１に示したＭＥＭＳスイッチ１００が外周面に装着されており、このＭＥＭＳスイッチ１００の配線パターン７Ａ，７Ｂには、他端が図示しないブレーキランプ回路等に接続された一対のリード線８の一端が接続されている。

プランジャ１１は、その一端が、例えば、自動車のブレーキのリンクに結合されており、ドライバが図示しないブレーキペダルを踏んだとき、図１及び図２に示すＡ方向へ移動し、ブレーキペダルから足を離したときにＢ方向へ移動する。

プランジャ１１の移動に伴って、プランジャ１１の他端のマグネット１０がＢ位置からＡ位置へ移動すると、マグネット１０が磁性体３に接近するにつれて、磁性体３に対する磁気吸引力が徐々に強くなり、磁性体３はシリコン基板１側へ撓むようになる。

磁性体３に対する磁気吸引力が或るレベル以上になると、第１の接点４と第２の接点６が接触し、スイッチオンの状態になる。この結果、電流は、配線パターン７Ｂ、配線パターン５、第１の接点４、第２の接点６及び配線パターン７Ａの経路を経て流れる。

次に、プランジャ１１の移動に伴ってマグネット１０がＡ位置からＢ位置へ移動すると、磁性体３に対する磁気吸引力が徐々に低下し、磁性体３は徐々に水平状態に戻され、その過程で第１の接点４と第２の接点６との接触が解放され、スイッチオフになる。

（ＭＥＭＳスイッチの製造方法）
図３は、ＭＥＭＳスイッチの製造方法を示す工程図である。以下に、図３を参照してＭＥＭＳスイッチの製造方法について説明する。図１においては、１つのスイッチ分の構成を示しているが、実際にはシリコンウェハ等に多数個を同時に作製し、最後にダイシングして個別化する。

まず、図３の（ａ）に示すシリコン基板１に対して、同図（ｂ）に示すように、ＤＲＩＥ（Deep Reactive Ion Etching）により支持部２以外の部分を除去する。

次に、図３の（ｃ）に示すように、シリコン基板１の表面の配線パターン７Ａ，７Ｂを設ける部分以外の部分にレジスト９を塗布する。次に、レジスト９を塗布していない部分に、例えば、電子ビーム蒸着によりＡｕ膜による配線パターン７Ａ，７Ｂを形成する。

次に、図３の（ｄ）に示すように、第２の接点６以外の部分にレジストを設けた後、配線パターン７Ａの所定部分に電子ビーム蒸着によりＡｕ膜による第２の接点６を形成する。レジストは、この工程後に除去する。

次に、図３の（ｅ）に示すように、他の工程において、第１の接点４及び配線パターン５を有する磁性体３を製作する。この磁性体３の端部を支持部２の上端面に接合し、配線パターン５と配線パターン７Ｂとをワイヤ１４によりワイヤボンディングすることにより、ＭＥＭＳスイッチ１００が完成する。

最後に、第１の接点４が自由に揺動でき、かつ第１の接点４と第２の接点６とで機械的なオン／オフ動作が可能な内部空間を確保して、シリコン基板１の周囲をパッケージ２０により封止する。

（第１の実施の形態の効果）
第１の実施の形態によれば、下記の効果を奏する。
（１）ＭＥＭＳ技術を用いたことにより、小型化を図りながら、スイッチオンにより大電流を流すことができる。
（２）主要部のシリコン基板１及び支持部２をＭＥＭＳ技術を用いて製作するため、量産性及び信頼性を高めることができる。

［第２の実施の形態］
図４は、本発明の第２の実施の形態に係る集積回路を示す正面断面図である。

（集積回路の構成）
本実施の形態は、第１の実施の形態において、共通のシリコン基板１上にＭＥＭＳスイッチ１００と共に磁気センサ２１を実装し、これらを樹脂モールドによるパッケージ２０で封止して集積回路２００を構成したものである。

なお、ＭＥＭＳスイッチ１００は、微小サイズであるため、実際には磁気センサ２１に比較して同サイズにはならないが、図４においては、構成の把握が容易になるように拡大して示している。

磁気センサ２１は、例えば、ＧＭＲ（giant magnetoresistive effect：巨大磁気抵抗効果）素子、ＭＲ素子（magnetoresistive effect：磁気抵抗効果素子）またはホール素子を磁気検出素子に用いて構成されている。これらの中で、ＧＭＲ素子は、最も検出感度が高いので、高感度な磁気センサ２１を構成することができる。

磁気センサ２１は、シリコン基板１上にＭＥＭＳスイッチ１００を設けた後、所定の位置にハンダ等により実装される。

シリコン基板１は、ＭＥＭＳスイッチ１００と磁気センサ２１を搭載可能な面積を有すると共に、ＭＥＭＳスイッチ１００及び磁気センサ２１の配線パターンや端子に接続される配線パターン（図示せず）を備えている。

更に、シリコン基板１は、シリコン基板１の配線パターン５，７Ａ，７Ｂ、及び磁気センサ２１の端子に接続される複数のアウターリード２２を有している。アウターリード２２は、スルーホール２３を介して配線パターン７に接続されている。なお、配線パターン７Ｂ及び磁気センサ２１の端子に接続されるアウターリードは、図示を省略している。

（集積回路の動作）
次に、集積回路２００の動作について説明する。集積回路２００は、図２に示したように、ホルダ１２に取り付けられている。

図１において、プランジャ１１の移動に伴ってマグネット１０がＢ位置からＡ位置へ移動すると、マグネット１０の磁性体３及び磁気センサ２１に対する磁気力が徐々に強くなり、磁性体３はシリコン基板１側へ撓むと共に磁気センサ２１からは磁気力に応じた検出信号が出力される。

磁性体３に対する磁気吸引力が或るレベル以上になると、第１の接点４と第２の接点６が接触し、スイッチオンになる。この結果、電流は、配線パターン７Ｂ、配線パターン５、第１の接点４、第２の接点６及び配線パターン７Ａの経路を経て流れる。

また、磁気センサ２１の検出出力に対し、磁気センサ２１に接続された図示しない信号処理回路は、予め設定した閾値を超えた時に駆動信号を発生し、半導体スイッチング素子やリレーからなるスイッチ素子を動作させる。

次に、プランジャ１１の移動に伴ってマグネット１０がＡ位置からＢ位置へ移動すると、磁性体３に対する磁気吸引力が徐々に低下し、磁性体３は徐々に水平状態に戻され、その過程で第１の接点４と第２の接点６との接触が解放し、スイッチオフになる。

また、マグネット１０がＢ位置からＡ位置へ移動すると、磁気センサ２１に磁気力が徐々に低下し、検出出力は徐々に低下する。検出出力が閾値以下になると、信号処理回路からは出力信号が無くなり、スイッチ素子がオフになる。

（第２の実施の形態の効果）
第２の実施の形態によれば、下記の効果を奏する。
（１）ＭＥＭＳスイッチ１００と共に磁気センサ２１を動作させてスイッチ素子を駆動するようにしたため、確実に負荷をオン／オフすることができ、信頼性及び安全性を向上させることができる。
（２）ＭＥＭＳスイッチ１００においては、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

［他の実施の形態］
なお、本発明は、上記各実施の形態に限定されず、本発明の技術思想を逸脱あるいは変更しない範囲内で種々な変形が可能である。

本発明の第１の実施の形態に係るＭＥＭＳスイッチを示す正面断面図である。 ＭＥＭＳスイッチの装着例を示す斜視図である。 ＭＥＭＳスイッチの製造方法を示す工程図である。 本発明の第２の実施の形態に係る集積回路を示す正面断面図である。

符号の説明

１ シリコン基板
２ 支持部
３ 磁性体
４ 第１の接点
５ 配線パターン
６ 第２の接点
７Ａ，７Ｂ 配線パターン
８ リード線
９ レジスト
１０ マグネット
１１ プランジャ
１２ ホルダ
１３ ガイド
１４ ワイヤ
２０ パッケージ
２１ 磁気センサ
２２ アウターリード
２３ スルーホール
１００ ＭＥＭＳスイッチ
２００ 集積回路

Claims (3)

1. ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）により設けられた突起状の支持部を有するシリコン基板と、
   前記シリコン基板の表面に平行させて前記支持部に設けられた板状の磁性体と、
   前記磁性体の先端の内側に設けられた第１の接点と、
   前記第１の接点に対向して前記シリコン基板の表面に設けられた第２の接点と、
   を備えたことを特徴とするＭＥＭＳスイッチ。
2. 請求項１に記載のＭＥＭＳスイッチと、
   前記ＭＥＭＳスイッチに併設された磁気センサと、
   前記ＭＥＭＳスイッチおよび前記磁気センサを一体に封止したパッケージと、
   を備えたことを特徴とする集積回路。
3. 前記磁気センサは、巨大磁気抵抗効果素子、磁気抵抗効果素子またはホール素子であることを特徴とする請求項２に記載の集積回路。

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