JP5897822B2 - 加速度スイッチ - Google Patents

Description

本発明は、加速度スイッチに関する。

意匠登録１３１００５３に示されるような質量体内部に対向電極を持つ、無指向性の加速度スイッチは、ノーマリーオフかつ無指向性のスイッチとして使用でき、また半導体製造の技術を使用し単結晶Siをベースに作成可能なため形状も小さくできるなどさまざまなメリットがある。

この加速度スイッチは省電力用に、たとえば少容量のバッテリーしか持たないようなポータブルな機器に用いれば、人間の振動を検知しない時、すなわち使用しない時はシステムをオフにしておき、振動を検知したとき、すなわち使用する時は、自動的にシステムをオンして、無駄なバッテリーを使用しないようにすることなどができる。

このように加速度による振動を感知して、システムのオン、オフを行うような場合は、どのような振動の方向にも感知することが望ましいため、無指向性であることが有利となる。このため意匠登録１３１００５３に示されるように、加速度により錘(質量体)の振動が偏らないように、複数の梁で錘を支えることが望ましい。

このようなスイッチはポータブルな機器に搭載され、またそのポータブルな機器がより小型化されるため、このようなスイッチの寸法はより小さい方が有利となる。さらにその製造方法として半導体プロセスを用いて製造されることが一般的なため、寸法がより小さい方がコストの面からも有利となる。

意匠登録第１３１００５３号公報

しかしながら、振動や加速度を感知して、システムのオン、オフを行うような場合は、振動や加速度の強度はアプリケーションによって様々である。例えば、歩数計の様な機器ではせいぜい２Ｇ以下の加速度しか機器に発生しないために、起動をかける加速度スイッチとしては１．５Ｇ程度の加速度に反応するスイッチが必要になる。また、パソコン用のマウスでは、手の弱い動きに反応する必要があるため０．５Ｇ程度に反応するスイッチが必要である。

このような様々な加速度の要求に対して、加速度センサが対応してきた。したがって、常時加速度を検出するために加速度センサも常時駆動が求められていた。しかし、加速度センサの消費電流は大きく、電池駆動のポータブル機器ではその寿命が極めて短くなってしまうという欠点がある。

そこで、本発明の目的は、単一の加速度閾値を持ち、低消費電流でかつばらつきの小さい加速度スイッチを供給することである。

本発明は、内側に空間を持つ質量体と、前記質量体を支え、かつ質量体を取り囲むように配置される、円弧状の梁と、質量体の空間に対向電極を持つ加速度スイッチにおいて、質量体の体積を変えることで、加速度感度の調整をする。これにより、単一の加速度感度の閾値を持った加速度スイッチを、例えば０．２Ｇステップで複数用意し、多種類感度の加速度スイッチをユーザに供給することができる。
質量体の体積を変える方法は、具体的には質量体のＸＹ面内の表面積を変えることである。また、他の具体的方法は質量体の一部をエッチングにより削除することである。
または円弧状の梁の寸法、または質量体と対向電極との間隔を変えることで、単一の加速度感度の閾値を持った加速度スイッチを、例えば０．１Ｇから２Ｇまで０．２Ｇステップで複数用意し、多種類感度の加速度スイッチをユーザに供給することができる。

本発明によれば、単一の加速度感度の閾値を持ち、低消費電流でかつばらつきの小さい加速度スイッチを供給することができる。

本発明の実施例で加速度スイッチ２００の断面図である。 本発明の加速度スイッチ２００を説明する上面図である。 同加速度スイッチ２００の構成を説明するため図２のＡ−Ａ´面で切った断面図である。 同加速度スイッチ２００の動作を説明する図である。 参考文献の実施形態図である。

以下、本発明を実施するための一形態について図面を参照して説明する。

まず意匠文献にある加速度スイッチの構成と動作について説明する。
図５は意匠登録１３１００５３号に見られる質量体内部の空間に対向電極を持つ、無指向性加速度スイッチ１００の構成を説明する、上面側から見た図である。１０１は加速度スイッチ１００の周辺部（外枠）、１０２から１０５は錘１０６を支える梁。１０７は対向電極である。しかし梁が４本と多く複雑なため、詳細の説明は図５に代わって梁が１本の場合の図２を用いて行う。

図２は上述したように梁１本の場合の加速度スイッチ２００の上面側から見た図である。ただし実際にはこの上にキャップとなる層(第１基板)、およびこの下には支持層(第３基板)が存在する。図３は図２で示すＡ−Ａ´面で切った断面図であり、図２で省略されている層も含む。また図２は図３のＢ−Ｂ´面で切った図に相当する。

図２〜図３に示すように、加速度スイッチ２００は、上から、ガラスなどの絶縁材料を用いる第１基板(キャップ層)２０５、単結晶シリコンなどを用いる第２基板２０１(２０２、２０３、２０４も含む)、およびガラスなどの絶縁材料を用いる第３基板(支持層)２０６が積層されて構成される。第２基板の単結晶シリコンは電気的な導通を取るためたとえば低抵抗シリコンが使用される。また貫通電極２０７および２０８は金などの金属を埋め込むことにより形成され、加速度スイッチを外部と結びつけるための接点となる。また第１基板と第３基板は陽極接合などの方法により第２基板と接合される。

ここで図４に示すように矢印方向に加速度が加わるとスイッチ全体は矢印方向に運動し、梁で支えられた質量体は運動しないため、質量体内部の空間にある対向電極２０４と質量体２０３が接触する。なお図４ではわかりやすくするため、質量周辺の梁や周辺部は省略されている。これにより電気的導通が対向電極２０４から質量体２０３、梁２０２、基板周辺部２０１、貫通電極２０７を通り外部接点とつながる。また対向電極２０４はもう一つの貫通電極２０８を通じて外部接点とつながる。

これによりこの加速度スイッチを電子デバイスのスイッチとして使用すれば、振動を検知したときのみ加速度センサ等の電子デバイスを起動させ、振動を検知しないときは電子デバイスをオフの状態にすることにより、無駄なバッテリーの使用を制限することなどができる。

シミュレーションにより、Ｓｉ単結晶を構造体の材料として用い、１Ｇの加速度を錘のＺ軸方向およびＸ−Ｙ平面方向に同時に加えたときの変位を計算すると以下の結果が得られた。

梁の厚さが２０マイクロメーターの場合の錘の変位。（単位はマイクロメーター）
Ｘ方向の最大変位：２３．６７
Ｙ方向の最大変位： ３．４２
梁の厚さが４０マイクロメーターの場合の錘の変位。（単位はマイクロメーター）
Ｘ方向の最大変位：１２．１７
Ｙ方向の最大変位： １．８７

また同様にＺ軸およびＹ軸方向に１Ｇの加速度を加えた結果は下記の通りである。
梁の厚さが２０マイクロメーターの場合の錘の変位。（単位はマイクロメーター）
Ｙ方向の最大変位：２３．７０
Ｘ方向の最大変位： ０．６５
梁の厚さが４０マイクロメーターの場合の錘の変位。（単位はマイクロメーター）
Ｙ方向の最大変位：１２．０９
Ｘ方向の最大変位： ０．３４

上記結果より
１）Ｘ軸方向に加速度を加えた場合のＸ軸方向の最大変位とＹ軸方向に加速度を加えた 場合のＹ軸方向の最大変位との差は０．１２％程度であり、Ｘ、Ｙ方向にほぼ同等
の変位を示す。
２）Ｘ軸方向に加速度を加えた場合、傾きとしてＹ方向へ変位する量は、Ｘ方向の最大 変位の１４％程度、および１５％程度である。
３）Ｙ軸方向に加速度を加えた場合、傾きとしてＸ方向へ変異する量は、Ｙ方向の最大 変位の２．７％程度、および２．８％程度であった。

上記１）から３）によりＸ方向とＹ方向の感度はほぼ同等であり、かつそれぞれ加速度が加えられた方向に錘が素直に変位し、傾いた方向に変位することもあまりない。したがって、たとえば人間の動きを振動で感知してポータブルな電子デバイスのＯＮ，ＯＦＦを行うような使い方としては十分に等方的な感度を持ち、偏った感度のために加速度の方向によっては感度が低いとか、感度を持たないなどの懸念はないといえる。その為、加速度スイッチとして、十分使用できる。

ところで、本加速度スイッチは単一の加速度感度を有していることが特徴である。したがって感度違い品をシリーズで製品化することにより、ユーザは必要な感度の加速度スイッチを入手することができる。

例えば、この加速度スイッチを歩数計に使用した場合を考える。人間が立つ動作時には１．５Ｇ程度の加速度が垂直方向にかかるため、加速度感度１．５Ｇの加速度スイッチを歩数計に実装しておく。それにより、人間が立つた瞬間、本加速度スイッチがＯＮし立った状態を検出できる。この加速度スイッチＯＮの状態を何らかの手段で検出し、その信号によって加速度センサを起動すれば、それ以降、歩数のカウントを開始することができる。これにより、人間が歩行動作をしていない時には加速度センサを休止して、電池の消耗を防ぐことができ長寿命の歩数計が実現できる。

また、最近、パソコンの無線マウスが市場にでてきているが、電池の消耗が早く頻繁に交換の必要がある。これを防止するために加速度センサを内蔵して、マウスを動かした時にマウスの電源がＯＮして動作を開始するものがでてきた。しかし、加速度センサは高価であり、かつ常時動作で消費電流が流れているため、十分にユーザの要求を満たしていないのが現状である。本加速度スイッチを加速度センサの代わりにマウスに使用すれば、このユーザの要求を満足させることができる。実際には、人間がマウスを動かす動作を検出するために、0.5G程度の加速度スイッチをマウスに実装しておけばよい。マウスが使われる時の加速度で本加速度スイッチがＯＮし、その検出信号でのみ無線回路の動作を開始させれば、非使用時の消費電流をカットすることが出来る。

以上のようなユーザの要求に応える為には、例えば０．１Ｇから２Ｇまで０．２Ｇステップで感度の違う製品を用意しておけば、加速度センサをわざわざ自分で、必要な加速度感度に調整する回路を作ることなく、必要な加速度感度の閾値を持った素子をたやすく入手することができる。 これを実現するためには、スイッチ素子内の寸法パラメータを変える必要がある。そこで、寸法パラメータが加速度感度にどのように影響するのかを考察する。

この加速度感度に影響を及ぼす素子のパラメータとして、電極間隔、梁の寸法および錘の重さがある。以下、電極間隔、梁の寸法および錘の重さと感度の関係についてそれぞれ説明する。

まず、電極間隔と感度の関係を説明する。スイッチの感度は錘の変移量と電極間隔の距離によって左右される。本スイッチでは中心電極と錘内側との距離が電極間隔となる。たとえばスイッチに１Ｇの加速度が加わり、錘が１０μｍ変移した時には、電極間隔が１０μｍであるならば両電極が接触してスイッチがON状態になるので信号を感知できる。この時スイッチは１Ｇの感度を持つと言える。もしこのとき電極間隔が５μｍであれば半分の変移量、すなわち半分の加速度の０．５Ｇで両電極が接触するので、０．５Ｇの感度を持つと言える。このように電極間隔と感度は正比例の関係にある。

この電極間隔のエッチングは寸法も小さく、高精度なエッチングを行う必要がある。一般にシリコンのMEMSの加工ではドライエッチングの一種のボッシュプロセスを用いるが、制約がある。それはサイドエッチングやスキャロッピングなどの現象の為、寸法精度に影響を受ける。その結果、電極間隔にばらつきが生じることである。電極間隔のばらつきは上述したように、感度のばらつきとなる。この影響を避けるためには最低でも３μｍ程度、製造の再現性や精度を考慮すると５〜１０μｍ程度が現実的な電極間隔と考えられる。

ここで、本スイッチの感度を変えたければ、この電極間隔を変えればよいことが分かる。電極間隔１０μｍにして、サイドエッチングやスキャロッピングなどの現象で０．５μｍ、加工寸法が製品毎にばらつくとすると、１Ｇに対して５％感度がばらついてしまう。この電極間隔を５μｍにした時には、０．５μｍ加工寸法のばらつきが０．５Ｇに対して１０％、感度のばらつきになる。すなわち電極間隔を変えることによってスイッチの感度を変える方法は可能である。しかし、狙い値の感度に対してばらつき量が異なる製品になることがありえる。

次に梁の寸法と感度について説明する。
本スイッチの構造では、感度は梁の部分のバネ定数に反比例している。バネ定数ｋは、式（１）で示される。

ここで、Ｅ：ヤング率
ｗ：梁の厚さ
ｔ：梁の幅
Ｌ：梁の長さ
すなわち、式（１）より次の事が言える。
１．梁の厚さと感度は１次比例する。梁が厚ければバネ定数も大きくなり、感度も悪く なる。
２．梁の幅と感度は３次比例する。梁の幅が大きくなるとバネ定数も大きくなり、感度 も悪くなる。

以上より梁の幅を変えると、最も大きく感度を変えることができる。したがって、この梁の幅をスイッチ毎に変えることによって、スイッチの加速度感度違い品を製品化することは可能である。しかし、これは逆に言うと梁の幅のばらつき量が大きく感度をばらつかせてしまうことになる。前述したようにサイドエッチングやスキャロッピングなどの現象により、梁の幅が違うと加工精度はばらつく。その結果、３乗で感度もばらついてしまうことになる。

また梁の厚さは、たとえばＳＯＩウェハを使用すればこの活性層をそのまま梁の厚みとして用いることができるため、寸法に大きな制約はなくなりまた寸法の精度も保つことができる。これによって、活性層の厚みが異なるウェハを用いて、梁の厚さをスイッチ毎に変えれば、スイッチの加速度感度違い品を製品化することは可能である。しかし、感度違い品を作るたびにＳＯＩウェハの活性層２０９の厚みを変えたシリコンウェハを入手することが必要である。

次に錘の重さと感度について説明する。
錘の重さを決めているのは質量体２０３の体積であるが、これはシリコンウェハの厚みと図４に示されている質量体２０３のＸＹ面内の表面積の積である。
まず、シリコンウェハの厚みはそのまま錘の厚みとなるため、シリコン自体も厚い方が変移量が多くなり高感度となる。しかしここでドライエッチング処理の制約がある。このシリコンのエッチングにはドライエッチングの一種のボッシュプロセスが適用されて厚いシリコンを高速にエッチングすることが可能である。しかしあまりにも厚い場合はボッシュプロセスを用いてもシリコンエッチングの処理時間が長すぎて、コストアップになり、また錘の寸法、形状の制御が困難となる。したがって３５０μｍ程度を使用することが望ましい。

次に質量体２０３のＸＹ面内の表面積であるが以下のように決まる。スイッチ周辺部は陽極接合などの接合用の領域として確保されなければならない。この領域は広いほど陽極接合は安定して達成される。接合糊しろを、１ｍｍ角の２０％程度すなわち片側１００μｍ、チップ両サイドで２００μｍ程度の領域をチップ外周部に確保すると、質量体２０３の外周直径寸法はおよそ８００μｍ程度となる。

ここで、錘の重さと加速度感度は反比例する。すなわち、錘が重いと加速度感度は良くなる。すなわち、質量体２０３のＸＹ面内の表面積を変えるか、シリコンウェハの厚みを変えれば、加速度感度を変えることが出来る。しかし、感度違い品を作るたびにシリコンの厚みを変えたウェハを入手する必要がある。

一方、ＸＹ面内の表面積を変える方法は、有効である。なぜなら、表面積を決める加工はボッシュプロセスのドライエッチングを用いるが、そのＸＹ面内の表面積が変わってもエッチング条件に変わりはない。したがって、サイドエッチングやスキャロッピングなどの現象により生じるばらつきは表面積が変わっても一定である。しかも、前述のように０．５μｍ加工寸法が製品毎にばらつくとしても、質量体２０３の外周の半径に対する影響は少ない。 例えば半径が４００μｍの質量体だったら０．２５％の感度ばらつきにしかならない。また半径２００μｍの質量体だったら０．５％の感度ばらつきであり、半径を半分にして感度を１／４に落としても、そのばらつきは０．２５％以内に収まる。すなわち感度２Ｇ品と０．５Ｇ品では０．２５％以内のばらつきで収まることになる。

更に、図１に示すように質量体２０３の内側切削部分Ｄをエッチングすることによっても、同様以上の効果を得ることが出来る。すなわち加速度感度は質量体２０３の重さに反比例するので、内側部分Ｄをエッチングして質量体２０３の重さを変え、感度を変えることができる。具体的には内側切削部分Ａを大きくすると、質量体２０３の重さは軽くなるので、加速度感度は悪くなる。このエッチングは質量体２０３をエッチング形成する時に同時に行うことができるので、工程増およびスルーレートの悪化はないという利点もある。またこの方法は、前記質量体２０３の表面積を変える方法に比較して、質量体２０３の外周の半径は変えない為、感度ばらつきを更に抑えることができるという利点もある。また、切削部分として質量体２０３の内側部分で説明したが、外側部分でも、また外側と内側の中間部分をエッチングしても、その効果は変わらない。

なお、本発明では説明の為に、０．１Ｇから２Ｇまで０．２Ｇステップで複数用意すると記述したが、この数値範囲は限定されるものではない。

以上により、本発明により単一の加速度感度の閾値を持ち、低消費電流でかつばらつきの小さい多種類の加速度スイッチを容易に供給することができる。

１００ 加速度スイッチ
１０１ 加速度スイッチ１００の周辺部
１０２ 加速度スイッチ１００の梁部分
１０３ 加速度スイッチ１００の梁部分
１０４ 加速度スイッチ１００の梁部分
１０５ 加速度スイッチ１００の梁部分
１０６ 加速度スイッチ１００の錘部分（質量体）
１０７ 加速度スイッチ１００の対向電極
２００ 加速度スイッチ
２０１ 加速度スイッチ２００の周辺部
２０２ 加速度スイッチ２００の梁部分
２０３ 加速度スイッチ２００の錘部分（質量体）
２０４ 加速度スイッチ２００の対向電極
２０５ 加速度スイッチ２００の第１基板
２０６ 加速度スイッチ２００の第３基盤
２０７ 加速度スイッチ２００の貫通電極
２０８ 加速度スイッチ２００の貫通電極
２０９ ＳＯＩウエハの活性層

Claims (3)

1. 内側に空間を持つ質量体と、
   前記質量体を支え、かつ前記質量体を取り囲むように配置された、ＳＯＩウエハの活性層からなる円弧状の梁と、
   前記質量体の前記空間内に配置された対向電極と、
   前記質量体の前記対向電極に向き合う内側部分に設けられた第１切削部と前記第１切削部よりも深く切削された第２切削部とからなる内側切削部分と、
   を有し、
   前記内側切削部分の大きさに応じた加速度感度の閾値を有している加速度スイッチ。
2. 内側に空間を持つ質量体と、
   前記質量体を支え、かつ前記質量体を取り囲むように配置された、ＳＯＩウエハの活性層からなる円弧状の梁と、
   前記質量体の前記空間内に配置された対向電極と、
   前記質量体の前記対向電極に向き合う内側部分に設けられた第１切削部と前記第１切削部よりも深く切削された第２切削部とからなる内側切削部分と、
   前記質量体の前記対向電極とは反対側の外側部分に設けられた外側切削部分と、
   を有し、
   前記外側切削部分の大きさに応じた加速度感度の閾値を有している加速度スイッチ。
3. 内側に空間を持つ質量体と、
   前記質量体を支え、かつ前記質量体を取り囲むように配置された、ＳＯＩウエハの活性層からなる円弧状の梁と、
   前記質量体の前記空間内に配置された対向電極と、
   前記質量体の前記対向電極に向き合う内側部分に設けられた第１切削部と前記第１切削部よりも深く切削された第２切削部とからなる内側切削部分と、
   を備え、
   前記質量体は面積を有する水平な上面と一様な厚みを有し、前記上面の面積に応じた加速度感度の閾値を有している加速度スイッチ。

Images