JP2014013735A

JP2014013735A - 圧力スイッチ

Info

Publication number: JP2014013735A
Application number: JP2012151505A
Authority: JP
Inventors: Masaru Tomimatsu; 大富松
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2012-07-05
Filing date: 2012-07-05
Publication date: 2014-01-23

Abstract

【課題】スイッチ機能の長期安定性を確保するとともに、微小な圧力変動においても精度の良いスイッチ機能を有する圧力スイッチを提供すること。
【解決手段】圧力スイッチであって、圧力変動を検出する圧力センサと、前期圧力センサからの出力が所定の条件を満たした場合に、スイッチをオンする制御部と、を備え、前記圧力センサは圧力基準室と前記圧力基準室の内部と外部の圧力を平衡状態にするための開口部と前記開口部に前記圧力基準室内部と外部の圧力差に応じて変形する片持ち梁とを備え、前記片持ち梁上に圧電体が形成されていることを特徴とするセンサを有する圧力スイッチを提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、カンチレバー構造を有し、かつ圧力基準室を持ち、空気圧の変動を感知する圧力スイッチに関する。

従来、圧力スイッチとして、例えば、シリコン基板とシリコン基板の一部をエッチングして薄膜化したダイヤフラムと、シリコン基板とガラス基板で形成された圧力基準室と、圧力基準室内に形成されたガラス側電極と、ダイヤフラムの一部に形成された接点電極と、を具備した圧力スイッチが知られている。（特許文献１参照）
この圧力スイッチによれば、ダイヤフラムに圧力が印加されるとダイヤフラムがたわみ、印加圧力が一定値に達すると、圧力基準室内の２つの電極が接触する。この２つの電極の導通を検出することによって、一定圧力に対するスイッチの機能を得ることが可能となる。

特開平６−１０３８６６号公報

しかし、この種の接点式の圧力スイッチでは、２つの電極が接触を繰り返すため、摩耗を完全になくすことは不可能であるため、長期間の使用においては電極の摩耗により、スイッチとしての機能が失われることがある。また、メンブレンの構造は外周が固定されているため、圧力に対する変形量が小さく微小な圧力変化でスイッチをオンすることは困難である。

本発明は、このような事情に考慮してなされたもので、その目的は、スイッチ機能の長期安定性を確保するとともに、微小な圧力変動においても精度の良いスイッチ機能を有する圧力スイッチを提供することである。

本発明は、前記課題を解決するために以下の手段を提供する。
本発明に係る圧力スイッチは、圧力変動を検出する圧力センサと、前記圧力センサからの出力により所定圧力を判定する制御部と、を備え、前記圧力センサは、圧力基準室と、前記圧力基準室の内部と外部の圧力を平衡状態にするための開口部と、前記開口部に形成され前記圧力基準室内部と外部の圧力差に応じて変形するように前記圧力基準室の筐体に支持される片持ち梁とを備え、前記片持ち梁には圧電体が形成されていることを特徴とする。

本発明に係る圧力スイッチにおいて、前記片持ち梁の略全面に圧電体が形成されていることを特徴とする。

本発明に係る圧力スイッチにおいて、前記圧力センサは、前記片持ち梁の前記圧力基準室の筐体に支持される支持部から前記片持ち梁の全長の半分以下にのみ圧電体が形成されていることを特徴とする。

本発明に係る圧力スイッチにおいて、前記片持ち梁の前記支持部付近が前記片持ち梁の他端に比べ細くなっていることを特徴とする。

本発明に係る圧力スイッチにおいて、前記圧力基準室は、開口部以外が熱絶縁されていることを特徴とする。

本発明による圧力スイッチによれば、微小な圧力変動に対しても好感度な圧力スイッチを実現することができる。

本発明の第１実施形態に係る圧力スイッチの構成を示す概略ブロック図である。本発明の第１実施形態に係る圧力センサの構造を示す平面図である。本発明の第１実施形態に係る圧力センサの構造を示す断面図である。本発明の第２実施形態に係る圧力センサの構造を示す平面図である。本発明の第２実施形態に係る圧力センサの構造を示す断面図である。本発明の第３実施形態に係る圧力センサの構造を示す平面図である。本発明の第３実施形態に係る圧力センサの構造を示す断面図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態に係る圧力スイッチの構成を示す概略ブロック図である。
本実施形態に係る圧力スイッチ１０００は、圧力センサ１００と、制御回路１０１と、電源１０２とを備えている。

圧力センサ１００は、検出結果に応じた電圧を割り込み信号として常に制御回路１０１へ送信し、制御回路１０１に入力される割り込み信号のレベルが所定の閾値を超えたときに実際に制御回路１０１に割り込みが為される。

ここで、本実施形態では、圧力センサ１００として、圧力を検出するために、圧電体を用いているために電力を必要としない。このため、圧力センサ１０１は電源１０２に接続されていない。

制御回路１００は、例えば、電界効果トランジスタのような素子で形成され、圧力センサ１００から出力された電圧がゲート電圧を超えた場合に電源から電界効果トランジスタに電流が流れる。

図２、図３に示すように本実施形態の圧力センサ１００は、例えば、シリコン支持層１１、シリコン酸化膜１２、およびシリコン活性層１３を張り合わせたＳＯＩ基板１４を利用して形成された、センサフレーム１０と、片持ち梁１５と、片持ち梁上に形成された圧電体３０と、例えば樹脂を用いて形成されたキャビティ５０を備えている。

上記センサフレーム１０と、片持ち梁１５は例えば、ＳＯＩ基板１４によって一体に形成され、片持ち梁１５の周囲は片持ち梁１５の支持部１５ａを除き、開口部２０が開いている。センサフレーム１０とキャビティ５０により形成される空間は、圧力基準室６０として機能し、センサフレーム１０とキャビティ５０とにより圧力基準室の筐体が形成され、開口部２０を通して圧力基準室６０内部と外部との空気の流入および流出が行われる。

本実施形態においては、外部と圧力基準室６０内部との微小な圧力差を検出するために、片持ち梁１５と周りのセンサフレーム１０との間の開口部２０が数マイクロメートルとなっている。かかる微細な構造を作製するため、ＭＥＭＳプロセスによりシリコン基板上に圧電体をつけて加工している。このような構造により、微小な圧力差によっても、圧電体３０が撓むことができるので、例えば１キロパスカル以下、数パスカルの圧力変化を検出できる感度を確保することができる。

また、本実施形態においては、圧電体３０を備える片持ち梁１５が、圧力を検出する部分としてだけでなく、圧力基準室６０の蓋の役割を兼ねることができる。よって、圧力基準室を別途形成する必要がなくなるので、複雑な形状を回避でき、より小型で廉価な圧力センサを提供できるようになる。

また、本実施形態においては、圧電体３０を備える片持ち梁１５が、圧力基準室６０と外部空間とを、開口部２０を除いて、分離する構造を兼ねている。さらには、片持ち梁１５の支持部１５ａが、かかる圧力基準室６０を構成する筐体と一体的に形成されている。よって、圧力基準室６０と外部空間との差圧を、複雑な形状を採用することなく簡易な構造で、発生することができるようになる。したがって、圧電体３０を備える片持ち梁１５の部位前後において差圧が発生しやすくなり、より感度よく圧力変化を検出できるようになる。

上記片持ち梁１５はシリコン活性層１３により、センサフレーム１０の長手方向に沿って形成され、開口部２０を略閉塞している。これにより、片持ち梁１５は支持部１５ａを基点として圧力基準室６０の内部と外部の圧力差によって変形する。

更に、片持ち梁１５の上部には、絶縁層７０と、下部電極８０と、圧電体３０と、上部電極９０と、が形成されている。片持ち梁１５が圧力差により変形すると圧電体３０も変形し、圧電体３０の表面に電荷が発生し、下部電極８０と上部電極９０の間に電圧が生じるこれを図示しない配線により、割り込み信号として制御回路へ送ることにより、圧力スイッチとして機能する。

上記絶縁層７０は、例えば、シリコン酸化膜から形成されている。下部電極８０と圧電体３０は、例えば、チタンと白金の積層膜、チタン酸ジルコン酸鉛の組み合わせ、モリブデン、窒化アルミニウム、または白金、窒化アルミニウムの組み合わせで形成される。上部電極９０は、金、チタンと白金の積層膜、モリブデン、アルミニウムなどの金属で形成される。但し、絶縁層７０、下部電極８０、圧電体３０、上部電極９０の材料は、上記材料に限定されるものではない。

上記キャビティ５０は、樹脂を用いて圧力基準室６０の内部と外部の圧力差で変形しない厚さで形成されている。また、輻射で圧力基準室６０内部の温度が急激に変化しないよう圧力基準室６０の内面または外面が金属で覆われていてもよい。

圧電体３０は、薄い板状に形成されており、外部の圧力変化に応答しやすい構造となっている。圧電体は、その厚みが大きくなると静電容量が小さくなるが、そこから得られる電圧は大きくなる。一方、厚みが大きくなると外部の圧力変化への追従性が損なわれやすい。本実施形態においては、圧電体３０の歪むことで得られる電圧を確保しつつ、外部圧力変化への追従性を損なわない圧電体構造となっている。

たとえば、圧電体に電圧を印加することで基準となる周波数で振動させ、当該圧電体にかかる外部圧力の変化を当該周波数の変化で測定する圧力センサの場合には、圧力変化に対する感度を確保するため当該基準周波数を高く設定する必要がある。この場合、圧電体の厚みをある程度大きくする必要が生じる。また、屈曲振動を利用する圧力センサの場合に基準周波数を高く設定する場合にも、圧電体の厚みをある程度大きく確保しなければならない。いずれの場合もある程度の圧電体の厚みが必要になり、微小な圧力変化に応答した歪みを得ることは困難となる。また、厚み滑り振動を利用する圧力センサの場合には、基準周波数を高く設定するためには、圧電体の厚みをある程度小さくする必要があるが、圧電体単体を薄く均一の厚さにすることは困難である。

本実施形態においては、このような基準周波数を設定するための給電用の電極や、回路を不要とできるので、消費電力を低減できるとともに、薄型化が可能となる。よって、外部圧力変化に対する感度をより一層確保することができるようになる。

（第２の実施形態）
以下、本発明に係る第２の実施形態の圧力スイッチについて説明する。第１の実施形態と同一箇所については、同一符号を付して詳細な説明は省略する。

図４、図５に示すように本実施形態の圧力センサ１００は、例えば、シリコン支持層１１、シリコン酸化膜１２、およびシリコン活性層１３を張り合わせたＳＯＩ基板１４を利用して形成された、センサフレーム１０と、片持ち梁１５と、片持ち梁上に形成された圧電体３０と、例えば樹脂を用いて形成されたキャビティ５０を備えている。

片持ち梁１５の上部には、絶縁層７０と、下部電極８０と、圧電体３０と、上部電極９０とが形成されている。片持ち梁１５が圧力差により変形すると圧電体３０も変形し、圧電体３０の表面に電荷が発生し、下部電極８０と上部電極９０の間に電圧が生じるこれを図示しない配線により、割り込み信号として制御回路へ送ることにより、圧力スイッチとして機能する。

圧電体３０は片持ち梁１５を略覆うように形成され、上部電極９０は支持部１５ａ近傍にのみ形成されている。

これにより、上部電極９０と下部電極８０間の静電容量を小さくすることができ、圧電体３０の表面に発生する電荷量はそのままに、圧力センサ１００から取り出される電圧を大きくすることができる。このとき、片持ち梁１５の圧力を受ける面積は第１の実施形態と同程度となるので、かかる感圧面積を確保しつつ、得られる電圧を確保できるようになる。

片持ち梁１５に比べ、十分に圧電体３０の厚さが薄く、柔らかく、圧電体３０を支持部１５ａ近傍にのみに形成しても、片持ち梁１５の変形が圧電体３０が形成された部分で最も大きくなる場合には、圧電体３０を支持部近傍のみに形成しても良い。

（第３の実施形態）
以下、本発明に係る第２の実施形態の圧力スイッチについて説明する。第１の実施形態と同一箇所については、同一符号を付して詳細な説明は省略する。

図６、図７に示すように本実施形態の圧力センサ１００は、例えば、シリコン支持層１１、シリコン酸化膜１２、およびシリコン活性層１３を張り合わせたＳＯＩ基板１４を利用して形成された、センサフレーム１０と、片持ち梁１５と、片持ち梁上に形成された圧電体３０と、例えば樹脂を用いて形成されたキャビティ５０を備えている。

片持ち梁１５は支持部１５ａ近傍でその他の部分に比べ細くなっている。一方、片持ち梁１５の先端は太くなっている。これにより、片持ち梁１５は支持部１５ａ近傍で変形しやすく、かつ、圧力差を受ける面積も十分に確保される。これにより、微小な圧力差でも、大きな電圧を発生することが可能となる。

以上、本発明の実施の形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はその実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。

１０…センサフレーム
１１…シリコン支持層
１２…シリコン酸化膜
１３…シリコン活性層
１５…片持ち梁
１５ａ…支持部
１０…キャビティ
２０…開口部
３０…圧電体
５０…キャビティ
６０…圧力基準室
７０…絶縁層
８０…下部電極
９０…上部電極
１００…圧力センサ
１０１…制御回路
１０２…電源
１０００…圧力スイッチ

Claims

圧力変動を検出する圧力センサと、前記圧力センサからの出力により所定圧力を判定する制御部と、を備え、
前記圧力センサは、圧力基準室と、前記圧力基準室の内部と外部の圧力を平衡状態にするための開口部と、前記開口部に形成され前記圧力基準室内部と外部の圧力差に応じて変形するように前記圧力基準室の筐体に支持される片持ち梁とを備え、
前記片持ち梁には圧電体が形成されていることを特徴とする圧力スイッチ。
請求項１に記載の圧力スイッチにおいて、
前記片持ち梁の略全面に圧電体が形成されていることを特徴とする圧力スイッチ。
請求項１に記載の圧力スイッチにおいて、
前記圧力センサは、前記片持ち梁の前記圧力基準室の筐体に支持される支持部から前記片持ち梁の全長の半分以下にのみ圧電体が形成されていることを特徴とする圧力スイッチ。
請求項１から３のいずれか１項に記載の圧力スイッチにおいて、
前記片持ち梁の前記支持部付近が前記片持ち梁の他端に比べ細くなっていることを特徴とする圧力スイッチ。
請求項１から４のいずれか１項に記載の圧力スイッチにおいて、
前記圧力基準室は、開口部以外が熱絶縁されていることを特徴とする圧力スイッチ。