专利名称：加速度开关的制作方法
技术领域：
本发明涉及加速度开关。
背景技术：
如日本意匠登录1310053所示的在质量体内部具 有对置电极的、无方向性的加速度开关，能够作为常断(normally off )且无方向性的开关来使用，另外还具有因为可使用半导体制造技术以单晶硅为基体来制作故还能够缩小形状等各种各样的优点。如果此加速度开关用于省电用、例如仅具有小容量的电池这样的便携式设备，则能够在未探测到人的振动时即未使用时断开系统，而在探测到振动时即使用时自动接通系统，以便不会无益地使用电池。在这样感知基于加速度的振动以进行系统的接通、断开的情况下，希望在无论怎样的振动方向上均可感知，所以无方向性就变得有利。因此，如日本意匠登录1310053所示，希望用多个梁来支撑重锤(质量体)以使得重锤的振动不会因加速度而偏移。这样的开关被搭载于便携式设备，另外为了此便携式设备进一步小型化，这样的开关的尺寸更小就有利。进而，作为其制造方法一般是采用半导体加工来制造，所以尺寸更小从成本方面看也有利。现有技术文献
专利文献I :日本意匠登录第1310053号公报。但是，在感知振动或加速度以进行系统接通、断开的情况下，振动或加速度的强度因不同应用而各种各样。例如，在如计步器这样的设备中最多在设备上仅发生2G以下的加速度，所以作为使其启动的加速度开关就需要对I. 5G左右的加速度进行反应的开关。另夕卜，在个人计算机用的鼠标中，因需要对手的较弱活动进行反应故需要对O. 5G左右进行反应的开关。针对这样的各式各样加速度的要求，加速度传感器进行了应对。从而,为了始终检测加速度也就要求始终驱动加速度传感器。但是，加速度传感器的消耗电流大，从而在电池驱动的便携式设备中存在其寿命会变得非常短这一缺点。
发明内容
因此，本发明的目的就是提供具有单一的加速度阈值、低消耗电流且偏差小的加速度开关。本发明的加速度开关，具有在内侧具有空间的质量体和被配置成支撑上述质量体且包围质量体的圆弧状的梁，并在质量体的空间具有对置电极，其中，通过改变质量体的体积来进行加速度灵敏度的调整。据此，能够例如以O. 2G步长(step)准备多个具有单一的加速度灵敏度的阈值的加速度开关，对用户提供多种类灵敏度的加速度开关。改变质量体的体积的方法具体而言就是改变质量体的XY面内的表面积。另外,其他的具体方法还有通过蚀刻来削除质量体的一部分。
另外，通过改变圆弧状的梁的尺寸或者质量体与对置电极的间隔，能够例如从O. IG到2G以O. 2G步长准备多个具有单一的加速度灵敏度的阈值的加速度开关，对用户提供多种类灵敏度的加速度开关。根据本发明，能够提供具有单一的加速度灵敏度的阈值、低消耗电流且偏差小的加速度开关。
图I是本发明实施例中加速度开关200的截面 图2是说明本发明的加速度开关200的俯视 图3是为了说明该加速度开关200的构成而沿图2的A-A’面切断的截面图； 图4是说明该加速度开关200的动作的 图5是参考文献的实施方式图。附图标记说明
100加速度开关；101加速度开关100的周边部；102加速度开关100的梁部分；103加速度开关100的梁部分；104加速度开关100的梁部分；105加速度开关100的梁部分；106 加速度开关100的重锤部分(质量体)；107 加速度开关100的对置电极；200 加速度开关；201 加速度开关200的周边部；202 加速度开关200的梁部分；203加速度开关200的重锤部分(质量体);204加速度开关200的对置电极；205加速度开关200的第一基板；206加速度开关200的第三基板；207加速度开关200的贯通电极；208加速度开关200的贯通电极；209 SOI晶片的有源层。
具体实施例方式以下参照附图，就用于实施本发明的一个方式进行说明。首先，就日本意匠文献中的加速度开关的构成和动作进行说明。图5是说明在日本意匠登录1310053号中可观察到的在质量体内部的空间具有对置电极的、无方向性加速度开关100的构成的从上表面侧观察到的图。101是加速度开关100的周边部(外框)，102到105是支撑重锤106的梁。107是对置电极。但是，因梁多达四根较为复杂，故取代图5而使用梁为一根的情况下的图2来进行详细的说明。图2是如上述那样梁为一根的情况下的加速度开关200的从上表面侧观察到的图。但实际上在其上方存在作为盖的层(第一基板)以及在其下方存在支承层(第三基板)。图3是沿图2所示的A-A’面切断的截面图，图2中省略的层也包含在内。另外，图2相当于沿图3的B-B’面切断的图。如图2 图3所示，加速度开关200从上方起层叠采用玻璃等绝缘材料的第一基板(盖层)205、采用单晶硅等的第二基板201 (202、203、204也包含在内)以及采用玻璃等绝缘材料的第三基板(支承层)206而构成。第二基板的单晶硅为了取得电导通而使用例如低电阻硅。另外，贯通电极207以及208通过埋入金等金属而形成，并成为用于将加速度开关与外部连结起来的接点。另外，第一基板和第三基板通过阳极接合等方法与第二基板接
口 ο这里当如图4所示沿箭头方向施加加速度则开关整体沿箭头方向运动，由于用梁支撑的质量体不运动，所以处于质量体内部空间的对置电极204与质量体203相接触。此夕卜，在图4中为了易于理解而省略质量体周边的梁及周边部。据此，电导通从对置电极204起通过质量体203、梁202、基板周边部201、贯通电极207与外部接点相连。另外对置电极204通过另一贯通电极208与外部接点相连。据此，如果将此加速度开关作为电子器件的开关来使用，则仅在探测到振动时才使加速度传感器等电子器件启动，而在未探测到振动时则使电子器件处于断开状态，从而能够限制电池的无益使用等。通过模拟，如果将硅单晶用作构造体的材料、计算在重锤的Z轴方向以及X-Y平面方向同时施加了 IG的加速度时的位移，则可得到如下结果。在Z轴以及X轴方向施加了 IG的加速度的结果如下。梁的厚度为20微米时的重锤的位移。(单位微米)
X方向的最大位移23. 67 ；
Y方向的最大位移3.42 ;
梁的厚度为40微米时的重锤的位移。(单位微米)
X方向的最大位移12. 17 ；
Y方向的最大位移1. 87。另外，同样地在Z轴以及Y轴方向施加了 IG的加速度的结果如下。梁的厚度为20微米时的重锤的位移。(单位微米)
Y方向的最大位移23. 70 ；
X方向的最大位移0. 65 ；
梁的厚度为40微米时的重锤的位移。(单位微米)
Y方向的最大位移12. 09 ；
X方向的最大位移0. 34。根据上述结果，
I)在X轴方向施加加速度时的X轴方向的最大位移与在Y轴方向施加加速度时的Y轴方向的最大位移之差为O. 12%左右，在X、Y方向上显示出大致相等的位移。2)在X轴方向施加加速度时，作为倾斜向Y方向位移的量为X方向的最大位移的14%左右以及15%左右。3)在Y轴方向施加加速度时，作为倾斜向X方向位移的量为Y方向的最大位移的2. 7%左右以及2. 8%左右。根据上述I)到3)可知X方向和Y方向的灵敏度大致相等，且在分别施加了加速度的方向上重锤顺从地位移,在倾斜方向上则不怎么位移。从而,作为通过振动来感知例如人的活动以进行便携式电子器件的接通(0N)、断开(OFF)这样的用法，可以说具有充分地各向同性的灵敏度，不用担心由于偏颇的灵敏度而使灵敏度取决于加速度的方向而较低或者不具有灵敏度等。因此，作为加速度开关能够足以使用。此外，本加速度开关特征在于具有单一的加速度灵敏度。从而，通过将灵敏度不同的制品按系列产品化，用户能够获得所需要的灵敏度的加速度开关。例如，考虑将此加速度开关用于计步器的情况。在人站立的动作时I. 5G左右的加速度作用于垂直方向，所以将加速度灵敏度I. 5G的加速度开关安装于计步器。据此，在人站立的瞬间，本加速度开关接通，能够检测出站立状态。只要用某种手段检测出此加速度开关接通的状态，并根据此信号使加速度传感器启动，就能够在其后开始步数的计数。据此，在人未进行步行动作时使加速度传感器停止，能够防止电池消耗以能够实现长寿命的计步器。另外，最近在市场上出现个人计算机的无线鼠标，但电池消耗快而需要频繁更换。为了防止这一点，已经出现内置加速度传感器、在移动鼠标时使鼠标的电源接通以开始动作的无线鼠标。但是，加速度传感器价格高，且因始终动作而流过消耗电流，所以现状是未能充分满足用户的要求。如果取代加速度传感器将本加速度开关用于鼠标，则能够满足用户的要求。实际上，为了检测出人移动鼠标的动作，只要将O. 5G左右的加速度开关安装于鼠标即可。只要通过使用鼠标时的加速度使本加速度开关接通，并仅通过此检测信号来开始无线回路的动作，就能够削减非使用时的消耗电流。为了响应以上那样的用户要求，只要例如从O. IG到2G以O. 2G步长准备好灵敏度不同的产品，就能够容易地获得具有所需要的加速度灵敏度的阈值的元件，而不用制作自 己特意将加速度传感器调整成所需要的加速度灵敏度的电路。为了实现这一点，需要改变开关元件内的尺寸参数。因而，考察尺寸参数如何影响到加速度灵敏度。作为对此加速度灵敏度带来影响的元件参数，有电极间隔、梁的尺寸以及重锤的重量。下面，就电极间隔、梁的尺寸以及重锤的重量与灵敏度的关系分别进行说明。首先，说明电极间隔与灵敏度的关系。开关的灵敏度被重锤的位移量和电极间隔的距离所左右。在本开关中，中心电极与重锤内侧的距离成为电极间隔。例如IG的加速度施加于开关，重锤位移10 μ m时，如果电极间隔为10 μ m则两电极相接触，因开关成为接通状态故能够感知 目号。此时可以说开关具有IG的灵敏度。如果此时电极间隔为5 μ m则以一半的位移量、即一半的加速度O. 5G而两电极相接触，所以可以说具有O. 5G的灵敏度。这样电极间隔与灵敏度处于正比例关系。电极间隔的蚀刻需要进行尺寸小、高精度的蚀刻。一般而言在硅的MEMS加工中采用干蚀刻的一种的博施过程(Bosch Process)，但是有限制。这是因为侧面蚀刻及扇贝现象(scalloping)等现象而在尺寸精度上受到影响。其结果，在电极间隔上发生偏差。电极间隔的偏差如上述那样成为灵敏度的偏差。人们认为，为了避免这一影响最低也要3 μ m左右，若考虑制造的再现性及精度则5 ΙΟμπι左右为现实的电极间隔。这里，可知若想改变本开关的灵敏度，只要改变此电极间隔即可。若设电极间隔10 μ m,加工尺寸因侧面蚀刻及扇贝现象等现象而在每个产品产生O. 5 μ m的偏差，则对于IG灵敏度产生5%的偏差。在设此电极间隔为5μπι时，O. 5μπι加工尺寸的偏差对于O. 5G成为10%的灵敏度偏差。即通过改变电极间隔来改变开关的灵敏度的方法是可行的。但是，有可能成为对于目标值的灵敏度而偏差量不同的产品。接着就梁的尺寸与灵敏度进行说明。在本开关的构造中，灵敏度与梁部分的弹簧常数成反比。弹簧常数k用式(I)来表不。式I
,IEwfij
k = — -(I)
3 Ij这里，E :杨氏模量； w :梁的厚度； t :梁的宽度；
L :梁的长度；
SP，根据式(I)可断定如下事实。I.梁的厚度与灵敏度成一次比例。如果梁变厚则弹簧常数也变大，灵敏度也变差。2.梁的宽度与灵敏度成三次比例。若梁的宽度变大则弹簧常数也变大，灵敏度也变差。
根据以上，若改变梁的宽度就能够最大地改变灵敏度。从而，通过对每个开关改变此梁的宽度，就可以使开关的加速度灵敏度不同的制品产品化。但是，这若反过来说则梁宽度的偏差量会使灵敏度偏差很大。如前所述，若梁的宽度因侧面蚀刻及扇贝现象等现象而不同则加工精度产生偏差。其结果，灵敏度也以三次方产生偏差。另外，若例如使用SOI晶片则能够将此有源层原封不动用作梁的厚度，所以梁的厚度在尺寸上没有大的制约，另外还能够保持尺寸的精度。据此，如果使用有源层厚度不一样的晶片，并对每个开关改变梁的厚度，就可以使开关的加速度灵敏度不同的制品产品化。但是，每当制作灵敏度不同的制品就需要获得改变了 SOI晶片的有源层209的厚度的硅晶片。接着，就重锤的重量与灵敏度进行说明。决定重锤的重量的是质量体203的体积，这就是硅晶片的厚度与图4所示的质量体203的XY面内的表面积之积。首先，由于硅晶片的厚度原封不动地作为重锤的厚度，所以硅自身也较厚的话位移量较多而成为高灵敏度。但是这里存在干蚀刻处理的制约。在硅的蚀刻中应用干蚀刻的一种的博施过程能够高速地蚀刻较厚的硅。但是在太厚的情况下即便使用博施过程，硅蚀刻的处理时间也过长，成本上升，另外重锤的尺寸、形状的控制会变得困难。从而优选使用350 μ m左右。接着，如下确定质量体203的XY面内的表面积。开关周边部必须作为阳极接合等接合用的区域来确保。此区域越宽广则阳极接合越稳定地达成。若将接合粘贴处设为Imm见方的20%左右、即将单侧100 μ m、芯片两侧共200 μ m左右的区域确保为芯片外周部，则质量体203的外周直径尺寸就大概为800 μ m左右。这里，重锤的重量与加速度灵敏度成反比例。即，若重锤较重则加速度灵敏度较好。即，如果改变质量体203的XY面内的表面积或者硅晶片的厚度，就能够改变加速度灵敏度。但是，每当制作灵敏度不同的制品就需要获得改变了硅的厚度的晶片。另一方面，改变XY面内的表面积的方法是有效的。这是因为虽然决定表面积的加工采用博施过程的干蚀刻，但即便其XY面内的表面积变化而在蚀刻条件上也没有变化。从而，即便表面积变化但因侧面蚀刻及扇贝现象等现象而产生的偏差也是恒定的。而且，如前所述，即便对每个产品产生O. 5 μ m加工尺寸的偏差，对于质量体203的外周半径的影响也很少。例如若是半径400 μ m的质量体则是O. 25%的灵敏度偏差。另外若是半径200μπι的质量体则仅仅是O. 5%的灵敏度偏差，即便使半径减少到一半而灵敏度降低到1/4，其偏差也收敛于O. 25%以内。即灵敏度2G的制品和O. 5G的制品以O. 25%以内的偏差而收敛。而且，如图I所示通过蚀刻质量体203的内侧切削部分D也能够取得同样以上的效果。即由于加速度灵敏度与质量体203的重量成反比例，所以能够蚀刻内侧部分D来改变质量体203的重量以改变灵敏度。具体而言，若加大内侧切削部分D则质量体203的重量变轻，所以加速度灵敏度变差。这一蚀刻能够在蚀刻形成质量体203时同时进行，所以还存在没有工序增加以及生产率恶化这一优点。另外，此方法与上述改变质量体203的表面积的方法相比较，质量体203的外周半径不变化，所以还存在能够进一步抑制灵敏度偏差这一优点。另外，虽然作为切削部分以质量体203的内侧部分进行了说明，但无论是外侧部分还是蚀刻外侧与内侧的中间部分，其效果没有变化。此外，虽然在本发明中为了说明而记述为从O. IG到2G以O. 2G的步长准备多个，
但这一数值范围并不受限定。根据以上，通过本发明能够容易地提供具有单一的加速度灵敏度的阈值、低消耗 电流且偏差小的多种类的加速度开关。
权利要求
1.一种加速度开关，具有在内侧具有空间的质量体和被配置成支撑所述质量体且包围所述质量体的圆弧状的梁，并在所述质量体的所述空间具有对置电极，所述加速度开关的特征在于,通过改变所述质量体的体积来实现多种类的加速度灵敏度的阈值。
2.如权利要求I所述的加速度开关，其特征在于，通过改变所述质量体的表面积来进行加速度灵敏度的调整。
3.如权利要求I所述的加速度开关，其特征在于，通过削除所述质量体的一部分来进行加速度灵敏度的调整。
4.一种加速度开关，具有在内侧具有空间的质量体和被配置成支撑所述质量体且包围所述质量体的圆弧状的梁，并在所述质量体的所述空间具有对置电极，所述加速度开关的特征在于，通过改变所述质量体的体积、或者所述圆弧状的梁的尺寸、或者所述质量体与所述对置电极的间隔，从而具有单一的加速度灵敏度的阈值且实现多种类的加速度灵敏度的阈值。
5.一种加速度开关，具有在内侧具有空间的质量体和被配置成支撑所述质量体且包围所述质量体的圆弧状的梁，并在所述质量体的所述空间具有对置电极，所述加速度开关的特征在于，通过改变质量体的体积、或者所述圆弧状的梁的尺寸、或者所述质量体与所述对置电极的间隔，从而具有单一的加速度灵敏度的阈值，当施加超过该阈值的加速度时，通过所述质量体与所述对置电极相接触，来开始电子设备的动作。
全文摘要
本发明提供的加速度开关，具有在内侧具有空间的质量体和被配置成支撑上述质量体且包围质量体的圆弧状的梁，并在质量体的空间具有对置电极，通过改变质量体的体积来进行加速度灵敏度的调整。据此，能够例如以0.2G步长准备多个具有单一的加速度灵敏度的阈值的加速度开关，对用户提供多种类灵敏度的加速度开关。从而，解决加速度传感器的消耗电流大、在电池驱动的便携式设备中其寿命非常短这一课题。
文档编号H01H35/14GK102810430SQ20121017495
公开日2012年12月5日 申请日期2012年5月31日 优先权日2011年6月1日
发明者下田贞之 申请人:精工电子有限公司