JP4403616B2 - 半導体圧力スイッチ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体微細加工技術により形成された受圧部を圧力に応じて変形させ、受圧部上に形成された電極を接触／非接触させて、圧力変動を感知する半導体圧力スイッチに関する。
特に、僅かな圧力でも確実にスイッチ動作を行わせると共にチャタリングが低減された半導体圧力スイッチに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、半導体微細加工技術を用いて製造された半導体圧力スイッチがある。その概略構成を図１１に示す。図は、構成断面図である。従来の半導体圧力スイッチは、圧力の受圧部３1 、支持基板３2 、上面電極３4 、下面電極３5 から構成されている。この圧力の受圧部３１は、例えばシリコン等の半導体基板をエッチング加工して作製され、その厚さは数μｍ〜数十μｍ又はそれ以上である。よって、僅かな外力で湾曲等の変形が生ずる。又、この半導体圧力スイッチは中空構造となっており、上面電極３4 と下面電極３5 は所定の離間距離を有して対向して形成されている。
【０００３】
この半導体圧力スイッチが加圧されると、先ず受圧部３１が湾曲し、上面電極３4 と下面電極３5 の上記所定の離間距離が小さくなる。設定圧力以上に加圧されると、上面電極３4 と下面電極３5 が接触し電気的に接続される。これにより、所定圧力を超えたか否かが感知される。従来の半導体圧力スイッチは、このように構成されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例では、スイッチ動作する所定圧力付近では機械振動等により受圧部３１が振動し、上面電極３4 と下面電極３5 とは接触と非接触を繰り返す、所謂チャタリング動作が発生するという問題があった。その結果、所定圧力付近では安定動作を保証することができなかった。
又、上記受圧部の微小振動を低減させるには、受圧部の厚さを厚くすることが考えられる。しかしながら、受圧部の厚さを厚くすると、圧力の感受率が低減し高感度に圧力を検出することができないという問題があった。
【０００５】
本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、その目的は内部に変位拡大機構を備え、僅かな圧力でも検出する精度の高い半導体圧力スイッチを提供することである。
又、複数の支柱でその変位拡大機構部を支え、その剛性を高めて機械振動の影響を受けない安定性に優れた半導体圧力スイッチとすることである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために請求項１の半導体圧力スイッチは、対向して形成された板状の第１受圧部と第２受圧部を有し、圧力に応じて少なくとも１方の受圧部を変形させ、その変形によって受圧部に形成された電極を接触／非接触させる半導体圧力スイッチであって、その第１受圧部と第２受圧部の少なくとも一方には、電極を拡大変位させる変位拡大機構部を有し、変位拡大機構部は、第１受圧部上に形成された押圧用の突起部と、第２受圧部に形成された両持ち梁と、該両持ち梁に連結されて異なる２方向に延出され、両持ち梁を支点として変位可能とするアーム部と、一方のアーム部先端に形成された電極と、他方のアーム部に形成され、突起部からの押圧を受ける被押圧部とからなる微小梃子であるすることを特徴とする。
【０００７】
【０００８】
又、請求項２の半導体圧力スイッチは、その微小梃子が両持ち梁のねじれ変形及び／又は撓み変形によって動作することを特徴とする。
【０００９】
又、請求項３の半導体圧力スイッチは、変位拡大機構部が突起部と被押圧部を共通と した複数の微小梃子から構成され、その複数の微小梃子は被押圧部で互いに連結されていることを特徴とする。
【００１０】
【作用及び効果】
請求項１の半導体圧力スイッチによれば、第１受圧部と第２受圧部の少なくとも一方には電極を拡大変位させる変位拡大機構部を有する。
変位拡大機構部の原理は、例えば梃子の原理であり、圧力により生じた受圧部の変位に基づいて電極の変位を拡大する。例えば、その拡大率を１０倍とすれば、受圧部の変位に対して１０倍の変位が電極に与えられる。
即ち、従来の１／１０の圧力でも同等の変位をさせ、それを検出することができる。よって、圧力の検出精度を高めることができる。
【００１１】
又、逆に言えば、圧力の感度を従来と同等レベルにするならば、その受圧部の厚さを厚くすることができる。これは、温度変化等、機械振動等の外乱ノイズが作用しても、従来の圧力スイッチよりその影響が低減されることを意味する。受圧部を厚くすれば、特にチャタリングの原因となる振動の高周波成分が低減される。これにより、外乱ノイズによるチャタリング動作が従来より低減される。よって、従来より検出圧力付近のスイッチ動作のオン・オフを確実にすることができる。
【００１２】
又、本発明の半導体圧力スイッチは、その変位拡大機構部が微小梃子であり、第１受圧部上に形成された押圧用の突起部と、第２受圧部に形成された両持ち梁と、その両持ち梁に連結されて異なる２方向に延出され、その両持ち梁を支点として変位可能とするアーム部と、一方のアーム部先端に形成された電極と、他方のアーム部に形成され突起部からの押圧を受ける被押圧部を有している。
【００１３】
受圧時には、例えば半導体圧力スイッチの内外で圧力差が生じ、その圧力により第１受圧部が内側に湾曲する。そして、第１受圧部上に形成された突起部が他方のアーム部に形成された被押圧部を押圧する。上記構成は、両持ち梁を支点とする梃子であるので、アーム部の被押圧部が押圧されると、それに連結した両持ち梁が変形する。即ち、両持ち梁を支点として梃子の原理によって、一方のアーム部先端がより大きく変位する。そのアーム部先端には、電極が形成されているので電極はより大きく変位せられて、第１受圧部上に形成された電極と接触する。これにより、スイッチはオンに判定される。即ち、所定以上の圧力が感知される。
尚、この微小梃子は、両持ち梁の変形とその梁を支える支持部の変形によってアーム部先端が変位する梃子の意味である。
【００１４】
このように、変位拡大機構部は半導体微細加工技術によって作製された微小梃子からなる。従って、支点である両持ち梁から電極までの距離と、支点から作用点（被押圧部）までの距離の比、即ち左右のアーム長さの比を調整すれば、任意にその拡大率を調整することができる。即ち、上記比を調整すれば、様々な感受率を有する半導体圧力スイッチを実現することができる。
【００１５】
又、請求項２の半導体圧力スイッチによれば、微小梃子は両持ち梁のねじれ変形及び／又は撓み変形によって動作する。
例えば、微小梃子のアーム部が両持ち梁に連結して梁の長さ方向に対して直角方向に延出する様に形成されれば、受圧時にはその両持ち梁はねじりモーメントが働きねじれ変形する。この変形により微小梃子が動作し請求項２が実現される。この構成によれば、微小梃子のアーム部の自由度はネジリ方向のみである。自由度１であるので、外乱を受けにくい半導体圧力スイッチとなる。
【００１６】
又、例えばアーム部が両持ち梁の梁の長さ方向に対して平行方向に延出する様に形成されれば、受圧時にはその両持ち梁は撓み変形する。これにより本発明の動作が行われる。撓み変形であるので、より大きく微小梃子のアームを変位させることができる。よって、より感受率の高い半導体圧力スイッチを作製することができる。
又、他に、例えば複数の交差する梁で両持ち梁を構成した場合、その個々の梁には撓み変形とねじり変形が生じる。このような構成にすれば、剛性と感受率が調整でき、様々な要求（外乱に対する頑強性と感度）に応える半導体圧力スイッチが作製できる。
【００１７】
又、請求項１おけるアーム部は一方のアーム部と他方のアーム部を１組として、少なくもと１組のアーム部を有するものである。これに対して、請求項３の半導体圧力スイッチは、このアーム部を２組設けたことをが特徴である。即ち、変位拡大機構部は、突起部と被押圧部を共通とした複数の微小梃子から構成される。そして、その微小梃子は被押圧部で互いに連結されている。即ち、電極を有する２組のアーム部は、その共通の被押圧部により１本のアーム部として連結されている。そして、その連結された１本のアーム部は被押圧部を介して２本の両持ち梁、即ち２本の両持ち梁を固定する４個の固定部によって固定されている。従って、外部からの機械振動に強い高剛性となる。よって、よりチャタリングが低減される半導体圧力スイッチとなる。
又、電極は１本となったアーム部の両端、即ち、２組のアーム部のそれぞれの先端に形成されている。即ち電極は複数である。よって、チャタリング状態で他方の電極でオフであっても、他方の電極がオンであれば、スイッチ全体としてはオンとなる。これによっても、チャタリングが低減される。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、本発明は下記実施例に限定されるものではない。
（第１実施例）
図１、図２に本発明の半導体圧力スイッチを示す。図１は、構成俯瞰図であり図２は構成断面図である。本発明の半導体圧力スイッチは、第１受圧部である上面受圧部１１、上面受圧部１１上に形成された上面電極１６、第２受圧部である下面受圧部１２、下面受圧部１２側の電極２５の変位を拡大させる変位拡大機構部２０、上面受圧部１１を支持する支持部１４から構成される。
この上面受圧部１１と下面受圧部１２は例えばシリコン基板であり、上記変位拡大機構部２０は半導体プロセス技術であるマイクロマシニング技術によって作製される。
【００１９】
図３に変位拡大機構部２０の詳細を示す。図３（ａ）がその上面図、図３（ｂ）が正面図である。図２、図３を用いてその構成と機能を説明する。
変位拡大機構部２０は、両持ち梁を固定する固定部２３、両端が固定された両持ち梁２２、２個の両持ち梁２２の長さ方向に対して直角方向に延出され両方の両持ち梁２２に連結されて形成されたアーム部２４、アーム部２４の先端に形成された電極２５、上面受圧部１１の中央に設けられ上面受圧部１１の変形を伝達する突起部１５（図２）の押圧を受ける被押圧部２１から構成される。
尚、アーム部２４には、突起部１５の押圧による変形を大きくするためのスリット２６が形成されている。又、上記変位拡大機構部２０は上面受圧部１１と下面受圧部１２によって密閉され、その内部の圧力は所定値に設定されている。
【００２０】
次にその動作について説明する。図４は圧力が印加されてアーム部２４が変形されている様子を示しており、図５は、受圧時の変位拡大機構部の動作を示した詳細図である。本実施例の半導体圧力スイッチに圧力を付加すると、上面受圧部１１又は下面受圧１２が変形する。同時に、弾性を有する支持部１４が上下方向に変形する（図４）。詳細には、これらの変形は印加した圧力の大きさに応じたものとなり、上面受圧部１１に設けられた突起部１５は、図５に示すように、アーム部２４の被押圧部２１を下方に押し下げる。
これにより、被押圧部２１は印加圧力に応じて下側に例えば変形前の基準点に対してＸ₁ だけ変位する。この場合、アーム部２４には幅方向にスリット２６が設けられているので、受圧時にはそのスリット部２６において屈曲する。従って、この個所を梃子の原理における作用点と見ることができる。
【００２１】
この時、上記アーム部２４には作用点で下方に作用する力が働くが、両方の両持ち梁２２は固定部２３に強固に固定されているので、アーム部２４は殆ど下方には平行移動しない。従って、アーム部２４の先端部に形成された電極２５も殆ど下方には移動しない。
逆に、両持ち梁２２の幅を十分薄くして、ねじれ剛性を小さくすれば、両持ち梁２２にはねじれ変形が生じる。これは、両持ち梁２２を支点とした微小梃子を意味する。従って、挺子の原理に基づき、アーム部２４の先端は、大きく上方に変位させることになる。即ち、アーム部２４の先端の電極２5 が大きく上方に変位せられる（図５）。
これにより、電極２5 と上面電極１６が接触してスイッチオンとなる（図４）。
【００２２】
この上方方への変位量をＸ₂ とすると、上記被押圧部２１の変位量Ｘ₁ と電極２５の変位量Ｘ₂ の関係は次式で表せる。
【数１】
Ｘ₂ ＝ｋ・Ｘ₁ （１）
但し、ｋ＝Ｌ₂ ／Ｌ₁ （Ｌ₁ ：スリット２６と支点間の距離、Ｌ₂ ：電極２5 と支点間の距離）である。
【００２３】
これは、受圧部１１の変形が小さい場合でも、上記Ｌ₁ 、Ｌ₂ を調整すれば本発明による変位拡大機構２０により、電極２５は大きく拡大変位されて所定以上の圧力が感知されることを意味する。即ち、従来より小さな圧力でも確実に感知し、明確にオン・オフ作動する半導体圧力スイッチが実現できる。
【００２４】
又、電極２５を有するアーム部２４は２本の両持ち梁２２を固定する４個の固定部２３によって固定されている。従って、アーム部２４は外部からの機械振動に強い高剛性となる。よって、外部からの機械振動があっても、チャタリングが発生しにくい半導体圧力スイッチとなる。
【００２５】
（第2 実施例）
第１実施例では、両持ち梁２２のねじり変形によって微小梃子を構成した。第２実施例の特徴は、そのねじり変形に代えて撓み変形を採用して微小梃子を構成したことである。そのため本実施例では、変位拡大機構部２０の両持ち梁２２に代えて両持ち梁４２を採用している。図６に本実施例の変位拡大機構部を示す。図６（ａ）がその上面図、図６（ｂ）が正面図である。
両持ち梁４２をアーム部２４の長さ方向に平行に形成したことが特徴である。この構造により、受圧時には撓み変形が顕著となる。尚、第１実施例と同一の機能を有する部分には同一の符合が記してある。
【００２６】
被押圧部２１が圧力を受けると、図７に示すように下方に押し下げられ、例えば印加圧力に応じて変形前を基準点としてＸ₁ だけ下方に変位する。この場合は、図７に示すようにアーム部２４にその幅方向にスリット２６を設けられているので、受圧時にはそのスリット部２６において屈曲する。よって、この個所が梃子の原理における作用点となる。
この時、両持ち梁４２の厚さを十分薄くすれば、両持ち梁４２には上下方向の撓み変形が顕著となる。これにより、アーム部２４の先端は挺子の原理に基づき、両持ち梁４２とアーム部２４の連結部４２ａを支点として、大きく上方に変位される。即ち、電極２５が大きく上方に変位され、スイッチがオンされる。本実施例の微小梃子はこのように動作する。
この場合、同じモーメントに対しては、撓み変形量はねじり変形量より大きい。よって、変位拡大機構部の拡大率はより大きくなり、より感受率の高い半導体圧力スイッチを実現することができる。
【００２７】
（第3 実施例）
第２実施例では、両持ち梁４２の撓み変形によって動作する微小梃子を構成した。第３実施例の特徴は、その撓み変形とねじり変形の合成した微小梃子を採用したことである。また、固定部を２個所とし、その固定部周囲にアーム部を配置したことである。そのため本実施例では、変位拡大機構部の両持ち梁４２に代えて、両持ち梁６２を採用している。図８に本実施例の変位拡大機構部を示す。図８（ａ）がその上面図、図８（ｂ）が正面図である。尚、第１、第２実施例と同一の機能を有する部分には、同一の符合が付されている。
【００２８】
これは、２個の固定部２３を両端とした両持ち梁６２の中央に被押圧部２１が配置された構成である。又、両持ち梁６２は図示するように、互いに例えば９０度の角度で連結した梁で構成されている。
受圧時には、図９に示すように被押圧部２１は下方に押し下げられ、例えば印加圧力に応じて変形前を基準点としてＸ₁ だけ下方に変位する。この場合は、被押圧部２１と両持ち梁６２が直接連結されているので、その連結個所が梃子の原理における作用点となる。
【００２９】
そして、両持ち梁６２を構成する梁は上記の様に構成されているので、その作用点に圧力が印加されれば、それらの梁には撓み変形とねじり変形の両方が生じる。即ち、両持ち梁６２と被押圧部２１の連結部６２ａを支点とした梃子の原理が働く。これにより、アーム部２４の先端、即ち電極２５が大きく上方に変位せられる。これにより、第１、第２実施例と同様の微小梃子が実現される。
このような構成にして、両持ち梁６２の互いの梁が交差する角度を調整すれば、剛性と感受率が調整できる。よって、様々な要求に応える半導体圧力スイッチが実現できる。
【００３０】
（変形例）
以上、本発明を表わす一実施例を示したが、他に様々な変形例が考えられる。例えば、図６に示す第２実施例において、図１０（ａ）に示すように、アーム部２４を両側の先端方向で３個の長さの異なる枝２４１、２４２、２４３に分岐させて、各枝に電極２５１、２５２、２５３を設けても良い。この場合には、被押圧部２１の押圧力に対して、枝が長くなる程、変位が大きくなるので、より小さい圧力で電極はオンとなる。よって、この場合には、３つの圧力レベルを検出できる圧力スイッチとなる。
【００３１】
又、図１０（ｂ）に示すように、２個の固定部２３で両持ち梁７２を両端を支持し、その両持ち梁７２の中央部に被押圧部２１を設けたものである。そして、アーム部２４は両側の先端方向に、その固定部２３を挟んで長さの異なる２つの枝２４１、２４２に分岐されている。この構成では、２つの固定部２３、両持ち梁７２、被押圧部２１が直線上に配置されているので、安定した変位が得られる。この構成も異なる２つの圧力レベルを検出できる圧力スイッチとなる。
【００３２】
又、図３の第１実施例の構造のアーム部２４を２本、直角に、交差させて、その交差部を被押圧部２１としたものである。即ち、直交する２本のアーム部２４１、２４２を設けて、中央の交差部を被押圧部２１としている。それぞれのアーム部２４１、２４２の支持の方法は、図３の第１実施例と同一である。但し、直交する２方向の変位拡大率は異なるように設計されており、この場合にも異なる２つの圧力レベルを検出することが可能となる。
【００３３】
その他、第１実施例〜第３実施例の変位拡大機構部においては、共通の突起部１５と被押圧部２１を用いて２個の微小梃子を配置したが何れか一方としてもよい。１つの微小梃子を用いても同様な効果をあげることができる。
【００３４】
又、第１実施例では、上面電極１６はアーム部先端に形成された電極と対向する様に個別に配置されたが、例えば上面受圧部に連続してリング状に形成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例に係る半導体圧力スイッチの構成俯瞰図。
【図２】本発明の第１実施例に係る半導体圧力スイッチの構成断面図。
【図３】本発明の第１実施例に係る変位拡大機構部の詳細構成図。
【図４】本発明の第１実施例に係る半導体圧力スイッチの動作説明図。
【図５】本発明の第１実施例に係る変位拡大機構部の拡大動作説明図。
【図６】本発明の第２実施例に係る変位拡大機構部の構成図。
【図７】本発明の第２実施例に係る変位拡大機構部の拡大動作説明図。
【図８】本発明の第３実施例に係る変位拡大機構部の構成図。
【図９】本発明の第３実施例に係る変位拡大機構部の拡大動作説明図。
【図１０】本発明の変形例に係る変位拡大機構部の構成図。
【図１１】従来の半導体圧力スイッチの構成断面図。
【符号の説明】
１１ 上面受圧部
１２ 下面受圧部
１４ 支持部
１５ 突起部
１６ 上面電極
２０ 変位拡大機構部
２１ 被押圧部
２２ 両持ち梁
２３ 固定部
２４ アーム部
２５ 電極
２６ スリット
４２ 両持ち梁
４２ａ 連結部下面受圧部１２
６２ 両持ち梁
６２ａ 連結部

Claims (3)

1. 対向して形成された板状の第１受圧部と第２受圧部からなり、圧力に応じて少なくとも１方の受圧部を変形させ、該変形によって両受圧部に形成された電極を接触／非接触させる半導体圧力スイッチにおいて、
   前記第１受圧部と前記第２受圧部の少なくとも一方には、受圧部の変形に伴って前記電極を拡大変位させる変位拡大機構部を有し、
   前記変位拡大機構部は、前記第１受圧部上に形成された押圧用の突起部と、前記第２受圧部に形成された両持ち梁と、該両持ち梁に連結されて異なる２方向に延出され、前記両持ち梁を支点として変位可能とするアーム部と、一方のアーム部先端に形成された電極と、他方のアーム部に形成され、前記突起部からの押圧を受ける被押圧部とからなる微小梃子である
   ことを特徴とする半導体圧力スイッチ。
2. 前記微小梃子は、前記両持ち梁のねじれ変形及び／又は撓み変形によって動作することを特徴とする請求項１に記載の半導体圧力スイッチ。
3. 前記変位拡大機構部は、前記突起部と前記被押圧部を共通とした複数の前記微小梃子から構成され、前記複数の微小梃子は前記被押圧部で互いに連結されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体圧力スイッチ。

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