WO2011108559A1 - 加速度スイッチ及び電子デバイス - Google Patents

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WO2011108559A1
WO2011108559A1 PCT/JP2011/054682 JP2011054682W WO2011108559A1 WO 2011108559 A1 WO2011108559 A1 WO 2011108559A1 JP 2011054682 W JP2011054682 W JP 2011054682W WO 2011108559 A1 WO2011108559 A1 WO 2011108559A1
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WO
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acceleration switch
mass body
acceleration
weight
electrode
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PCT/JP2011/054682
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English (en)
French (fr)
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下田　貞之
和男 戸田
Original Assignee
セイコーインスツル株式会社
日本Mems株式会社
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Publication date
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H35/00—Switches operated by change of a physical condition
    • H01H35/14—Switches operated by change of acceleration, e.g. by shock or vibration, inertia switch
    • H01H35/141—Details
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01H35/14—Switches operated by change of acceleration, e.g. by shock or vibration, inertia switch

Definitions

  • the present invention relates to an acceleration switch and an electronic device including the acceleration switch.
  • FIG. 19 is a top view of a conventional acceleration switch.
  • This acceleration switch 100 includes a peripheral portion 101, four beams 102 to 105, a mass body (weight) 106, and a counter electrode 107. It is comprised so that it may support with four beams which fixed the one end of the periphery to the peripheral part. Further, according to the acceleration applied to the acceleration switch, the mass body and the counter electrode arranged inside the mass body come into contact with each other, so that an external device connected to the acceleration switch detects vibration.
  • This acceleration switch can be used as a normally-off and omnidirectional switch, and can be manufactured on the basis of a silicon single crystal by using semiconductor manufacturing technology, so that it can be relatively small and mass-produced. There are various merits such as points.
  • this accelerometer switch is installed in a portable device that can contain only a small-capacity battery, for example, if it does not detect human vibrations, that is, when the device is not used, it stops operating and vibrates.
  • an electronic device electronic device that does not use a useless battery can be realized by automatically starting the operation.
  • an acceleration switch that senses vibration due to applied acceleration and turns the device on and off preferably senses the direction of any vibration and may therefore be omnidirectional. It will be advantageous. For this reason, as shown in Patent Document 1, the weight is supported by a plurality of beams so that vibration of the weight (mass body) is not biased by acceleration.
  • Acceleration switches mounted on such portable devices are highly demanded for miniaturization, so it is advantageous that the outer dimensions of the acceleration switch are smaller.
  • the number of beams supporting the weight is increased as in the conventional acceleration switch, the movement of the weight due to acceleration, that is, the amount of displacement becomes smaller, and as a result, the sensitivity of the acceleration switch decreases. Further, if the number of beams is increased, a large area for arranging the beams is required, which is disadvantageous for downsizing the acceleration switch. Further, since the weight is reduced when the acceleration switch is downsized, in order to secure high sensitivity, it is necessary to make the shape of the beam more flexible and secure a larger displacement amount of the weight.
  • the acceleration switch needs to ensure the shock resistance that can withstand the impact when dropped, and also has the dimensions and shape of the beam that can withstand the impact from the outside.
  • the acceleration switch must operate reliably upon receiving a predetermined vibration, and the device including the acceleration switch needs to be activated.
  • the present invention has been made in consideration of such circumstances, and its object is to provide an acceleration switch that is small, highly sensitive, ensures shock resistance, and operates reliably upon receiving predetermined vibrations.
  • An electronic device including an acceleration switch is realized.
  • An acceleration switch is disposed so as to support a mass body having a space inside, bend due to an inertial force applied to the mass body when receiving the acceleration, and surround the mass body.
  • An arc-shaped beam a support portion that supports the beam and is fixed, and is arranged around the mass body, and contacts the mass body when subjected to acceleration in the space of the mass body.
  • the counter electrode to be detected is provided, the beam supporting the mass body is one, and the distance between the inner surface of the mass body and the outer surface of the counter electrode is 1 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less. It is characterized by.
  • the electrode interval is formed under the condition of 1 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less, and the accuracy of sensitivity required for the acceleration switch is ensured. Moreover, even if the size is reduced, the area occupied by the beam is smaller than that of a plurality of switches because of a single beam, so the volume of the mass body can be secured and the length of the beam can be secured. Thus, it is possible to realize an acceleration switch that ensures a large amount of displacement of the mass body and has sufficient sensitivity.
  • the thickness h of the beam and the width w of the beam include a beam set based on the following equation.
  • ⁇ is the displacement amount of the mass body
  • E is the Young's modulus of the material
  • the displacement amount ⁇ satisfies the condition of 1 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less corresponding to the electrode interval.
  • the displacement amount of the mass body can be set to a predetermined value by changing the ratio of the beam thickness and the beam width. Can be realized.
  • the acceleration switch includes a beam in which the width w of the beam and the thickness h of the beam are set based on the following equations.
  • ⁇ is the displacement of the mass body
  • ⁇ is the density of the mass body material
  • R is the radius of the beam
  • r 1 is the radius outside the mass body
  • r 2 is the radius of the space inside the mass body
  • H is the thickness of the mass body.
  • E is the Young's modulus of the beam material
  • ⁇ is the Poisson's ratio of the beam material
  • the displacement ⁇ satisfies the conditions of 1 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less corresponding to the electrode interval.
  • the beam width w and beam thickness h can be set to the optimum conditions while maximizing the space of the mass body.
  • an acceleration switch that operates reliably with a predetermined vibration can be realized.
  • the beam has a width of 4 ⁇ m or more and 60 ⁇ m or less.
  • acceleration switch even if the acceleration switch is downsized, the accuracy of the beam width is ensured, the space of the mass body is secured to the maximum, and the acceleration switch that operates reliably with predetermined vibration is realized. Can do.
  • the beam has a thickness of 5 ⁇ m or more and 500 ⁇ m or less and a thickness of the mass body or less.
  • this acceleration switch it is possible to ensure the impact resistance necessary to withstand the impact applied to the beam when dropped, and to realize an acceleration switch that operates reliably with specified vibration even if the acceleration switch is downsized. Can do.
  • the external dimensions of the acceleration switch main body including the support, the mass body, the beam, and the counter electrode are 0.5 mm or more and 3 mm or less.
  • the acceleration switch whose outer dimensions including the support portion, the mass body, the beam, and the counter electrode are 0.5 mm or more and 3 mm or less, the flexibility of setting the beam width and beam thickness Even if the acceleration switch is downsized, the sensitivity of the acceleration switch can be set widely.
  • the external dimensions of the acceleration switch main body including the support portion, the mass body, the beam, and the counter electrode are 0.5 mm or more and 1.5 mm or less, and the width of the beam is 4 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less,
  • the beam has a thickness of 5 ⁇ m or more and 500 ⁇ m or less and a thickness of the mass body or less.
  • An acceleration switch having an outer dimension of 0.5 mm or more and 1.5 mm or less of the acceleration switch body including the support, the mass body, the beam, and the counter electrode is smaller than an acceleration switch having an outer dimension of about 2 mm. Therefore, the production cost per acceleration switch can be suppressed. Moreover, since the space for mounting the acceleration switch can be made smaller, it can be mounted on a smaller electronic device.
  • a distance between one end of the beam on the mass body side and the other end of the beam on the support portion side is greater than a maximum distance between the counter electrode and the inner surface of the mass body;
  • the distance between the mass body and the other end of the beam on the support portion side is larger than the maximum distance between the counter electrode and the inner surface of the mass body, and (3) the distance between the one end of the beam on the mass body side and the support portion. Is larger than the maximum distance between the counter electrode and the inner surface of the mass body.
  • the acceleration switch in the acceleration switch, the distance between the inner surface of the mass body and the side surface of the counter electrode, that is, the electrode interval, (1) The end, (2) the mass body and the other end of the beam on the support part side, and (3) increasing the distance between the end of the beam on the mass body side and the support part before the weight and the counter electrode come into contact with each other. Because the phenomenon that the mass body and the beam or the support part and the beam or beams contact each other can be avoided, it is possible to reliably detect the vibration with the acceleration switch even when a certain level of vibration is applied in the horizontal direction. .
  • the first substrate, the mass body, the counter electrode, the beam, the second substrate including the support portion, and a third substrate are stacked, and the first substrate is A first through electrode and a second through electrode, which have a contact point connected to an external circuit and serve as a contact point connected to the support portion or the counter electrode, and the first substrate and the third substrate are: It is joined to the support part and the counter electrode included in the second substrate.
  • the mass body, the beam, and the counter electrode can be protected from the external environment by joining the first substrate and the third substrate so as to sandwich the second substrate. Furthermore, since the connection with the external electronic device can be ensured through the first and second through electrodes penetrating the first substrate, the vibration is transmitted through the mounting of the acceleration switch and the substrate to be mounted. It is possible to easily realize electrical connection with the electronic device to be detected.
  • the counter electrode includes a plurality of electrode portions.
  • this acceleration switch it is possible to detect not only the vibration above a certain level but also the direction in which the acceleration is applied by detecting the presence or absence of contact between the plurality of electrode portions and the mass body with an external circuit. Thus, it is possible to detect the moving direction of the acceleration switch and the inclination direction with respect to the acceleration switch.
  • the electronic device further includes a circuit that includes the acceleration switch, detects a detection signal output from the acceleration switch, and performs a predetermined operation according to the detection signal.
  • the electronic device by mounting the acceleration switch that is small, highly sensitive, and normally off, when the vibration is not detected, that is, when the device is not used, the device is stopped and the vibration is
  • the electronic device can be controlled to operate automatically only when the device is detected, that is, when the device is in use. Therefore, the electronic device can be reduced in size and power consumption at a low cost. Become.
  • an electronic device including an acceleration switch and an acceleration switch that ensures a required impact resistance, is small and has high sensitivity, and operates reliably with a predetermined vibration.
  • FIG. 2 is a longitudinal sectional view of an acceleration switch along the AA ′ plane in FIG. 1. It is a top view of the cap layer (first substrate) of the acceleration switch according to the present invention. It is explanatory drawing which shows operation
  • FIG. 1 It is a longitudinal cross-sectional view of the acceleration switch which performs the 2nd and 3rd simulation. It is explanatory drawing which shows the cross-sectional structure of the acceleration switch which used the SOI wafer as a 2nd board
  • FIG. 16 is a longitudinal sectional view of the acceleration switch along the CC ′ plane of the acceleration switch of FIG. 15. It is explanatory drawing which shows operation
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of an acceleration switch 10 according to the present invention. Note that above and below this cross section, there is a first substrate that serves as a cap layer and a third substrate that serves as a support layer.
  • FIG. 2 is a longitudinal sectional view taken along the plane AA ′ shown in FIG. 1, and also includes a cap layer and a support layer. 1 corresponds to a cross section taken along the plane BB ′ of FIG.
  • FIG. 3 is a top view of the upper cap layer omitted in FIG. Further, as in FIG. 1, a longitudinal sectional view taken along the plane AA ′ of FIG. 3 is also shown in FIG.
  • the acceleration switch 10 includes, from above, a first substrate 15 using an insulating material such as glass, a second substrate 11 using single crystal silicon, and a first substrate using an insulating material such as glass.
  • the three substrates 16 are configured to be stacked on each other.
  • the second substrate 11 has a support portion 11a, a beam 12, a weight (mass body) 13, and a counter electrode 14 formed by silicon etching.
  • One end of the beam 12 is fixed to the support portion 11 a arranged around the second substrate 11, and the other end is fixed to the weight 13.
  • One end of the beam 12 on the support portion 11a side is a connection portion 12a, and the other end on the beam weight 13 side is a connection portion 12b.
  • the weight 13 has a space formed on the inner side, is disposed on the inner side of the beam 12, and is supported by the beam.
  • the counter electrode 14 is disposed in a space formed inside the weight 13.
  • the acceleration switch 10 is subjected to a certain level of vibration in the horizontal direction, the counter electrode 14 contacts the weight and moves the weight within a certain range. regulate.
  • the single crystal silicon of the second substrate 11 uses low-resistance silicon or the like in order to establish electrical continuity from the beam 12 to the counter electrode 14 via the weight 13.
  • the through electrodes 17 and 18 are formed so as to penetrate the first substrate 15 by embedding a conductor such as gold, and one end thereof is electrically connected to the support portion 11 a that supports the beam 12 and the counter electrode 14. Then, the other end is electrically connected to an external circuit.
  • the first substrate 15 and the third substrate 16 are bonded to the second substrate 11 by a method such as anodic bonding.
  • the operation of the acceleration switch according to the present invention will be described based on the explanatory diagram of FIG. In FIG. 4, in order to make the movement of the weight 13 easy to understand, the beam around the weight and its peripheral portion are omitted.
  • the entire acceleration switch excluding the weight moves in the direction of the arrow.
  • the counter electrode 14 and the weight 13 arranged in the space inside the weight come into contact with each other. Thereby, electrical conduction between the weight 13 and the counter electrode 14 is ensured, and as shown in FIGS. 1 and 2, the beam 12, the support portion 11a, and the through electrode 17 are always electrically connected. Only when acceleration of a certain value or more is applied to the acceleration switch 10, the weight 13 and the counter electrode 14 are in contact with each other, and the through electrode 17 and the through electrode 18 are electrically connected.
  • the displacement of the weight is placed in the gap between the weight and the support portion 11a.
  • the beam 12 is formed as long as possible for the purpose of securing the amount, the connection portion 12a between the beam and the support portion and the connection portion 12b between the beam and the weight are necessarily close to each other.
  • the connection portion 12a and the connection portion 12b are too close, the connection portion 12a and the connection portion 12b contact each other before the weight 13 and the counter electrode 14 contact each other, thereby causing a certain level of vibration in the horizontal direction.
  • the acceleration switch according to the present invention the distance (distance) between the one end 12a of the beam support portion and the other end of the weight (mass body) is secured more than the distance (distance) between the inner surface of the weight and the counter electrode 14. By doing so, the weight and the counter electrode are reliably brought into contact with each other with a certain vibration or more.
  • the acceleration switch according to the present invention secures the distance (distance) between the one end of the beam on the support portion side and the weight outer surface of the beam more than the distance between the inner surface of the weight (mass body) and the counter electrode. The weight and the counter electrode are reliably brought into contact with each other at a predetermined vibration or higher.
  • the acceleration switch according to the present invention secures a distance between one end on the beam support portion side and the other end on the beam weight (mass body) side more than the distance between the inner surface of the weight and the counter electrode. The weight and the counter electrode are reliably in contact with each other at a predetermined vibration or more.
  • an electronic device that can detect vibration by using the acceleration switch according to the present invention as a start switch of the electronic device will be described.
  • This electronic device is connected to the acceleration switch described so far, and detects the change in the open / close state of the acceleration switch as a detection signal via the through electrodes 17 and 18 of the acceleration switch. I do. In other words, it activates itself when vibration is detected, and stops itself (off) or keeps it in a dormant state when it detects no vibration, or shifts from a start (on) state to a stop or dormant state. Since the use of the battery is restricted, the electronic device can be reduced in size and power consumption at a low cost. [Sensitivity of single-beam acceleration switch-first simulation]
  • an acceleration switch having a space at the center of the weight and having a counter electrode inside the space, in order to make the sensitivity in the plane direction uniform, it is possible to reduce the bias by supporting the weight with a plurality of beams. Therefore, it is suitable for an omnidirectional acceleration switch.
  • the number of beams increases, the amount of displacement of the weight decreases, and the sensitivity decreases. Therefore, the deviation of the amount of displacement of the weight is verified in the plane direction of the acceleration switch in which the weight is supported by one beam, and the possibility of use in the case of one beam is examined. Even if the weight is supported by one beam, if the displacement is not biased, it is basically more sensitive than the case where it is supported by two or more beams, and the space occupied by the beam can be reduced. This is advantageous for realizing a miniaturized switch.
  • a first simulation is performed based on the acceleration switch model shown in FIGS. 5 to 7 to verify the sensitivity isotropic property of the single beam acceleration switch.
  • single crystal silicon is used as the material of the structure, and an acceleration of 1 G is applied to the ⁇ Z axis direction corresponding to gravity and the XY plane direction corresponding to applied vibration.
  • the first simulation for calculating the displacement amount of the weight is performed, and the presence or absence of variation in the displacement amount of the acceleration switch that supports the weight with one beam, that is, the sensitivity isotropic property is verified. This corresponds to a state in which the acceleration switch is placed horizontally and acceleration is applied in the plane direction.
  • FIG. 5 is a top view of the acceleration switch 20, and a model is created on the XY plane with the intersection of the X axis and the Y axis as (0, 0).
  • 6 is a longitudinal sectional view on the X-axis of FIG.
  • FIG. 5 models not only the whole acceleration switch like the acceleration switch shown in FIGS. 1 to 3, but only the structure part including the movable part necessary for the simulation.
  • the maximum displacement amount of the weight 23 is calculated under two kinds of conditions of the beam thickness of 20 and 40 ⁇ m. This simulation is performed using a coventor.
  • the outer edge of the weight 23 is formed by combining two semicircular arcs.
  • the left half of the arc outside the weight is modeled under the condition of the radius (b1) outside the weight below, and the right half of the arc outside the weight is modeled as the arc connecting the ends of the left half arc with the coordinates shown in FIG. Yes.
  • the space inside the weight is a right-left symmetrical circle and is modeled under the condition of the weight inner radius (a1).
  • the inner diameter (c1) of the support portion 21a corresponding to the outer frame of the left half of the arc, the radius (d1) inside the beam, and the radius (e1) outside the beam are modeled under the following conditions.
  • the beam width (f1), the beam-to-weight outer side and the beam-to-support spacing (g1) (g2), the beam thickness (h1), and the weight thickness (i1) are modeled under the following conditions. .
  • the thickness of the structure including the thickness (i1) of the weight is equal to the left and right.
  • Conditions for the first simulation model (unit: ⁇ m)
  • Inner diameter of outer frame (c1): 635 Radius inside the beam (d1): 605 Radius of outer shape of beam (e1): 615
  • the coordinates of the intersections of the outer edges of the left and right weights, the inner edges of the support portions corresponding to the beams and the outer frame, and the X axis and the Y axis are shown as follows. These are the coordinates of the intersections of the outer edges of the left and right weights shown in FIG. 7, the inner edges of the beams and the outer frame, and the X and Y axes.
  • the physical property values of single crystal silicon which is the material of the first substrate used in the first simulation, are as follows. Young's modulus E: 165 GPa Poisson's ratio ⁇ : 0.30 Density ⁇ : 2500 Kg / m 3
  • a first simulation result obtained by adding 1 G acceleration in the Z-axis direction and the Y-axis direction with the shape shown in FIG. 5 is as follows.
  • X and Y axis coaxial sensitivity difference between the maximum displacement amount in the X axis direction when acceleration is applied in the X axis direction and the maximum displacement amount in the Y axis direction when acceleration is applied in the Y axis direction Is about 0.12%, indicating almost the same amount of displacement in the X and Y directions.
  • X-axis other-axis sensitivity When acceleration is applied in the X-axis direction, the amount of displacement in the Y-direction as the inclination (the other-axis displacement amount) is about 14% of the maximum displacement amount in the X-direction (the beam thickness is 20%) and about 15% (when the beam thickness is 40 ⁇ m).
  • the acceleration switch supports the weight with a single arc-shaped beam, it is coaxial in the X direction and Y direction, which is the sensitivity in the acceleration application direction. It is clear that the sensitivity is almost the same, and the other-axis sensitivity, which is the sensitivity in the in-plane vertical direction with respect to the acceleration application direction, is much less than the coaxial sensitivity, which is the sensitivity in the acceleration application direction.
  • the acceleration switch shown in FIG. 5 has a single-beam and one-turn configuration of the beam that supports the weight, even in an acceleration switch that has two or three turns of the beam configuration that supports the weight, Obviously, it has isotropic sensitivity. In addition, it is possible to adopt a beam configuration of less than one turn as long as the isotropic sensitivity is not impaired. [Acceleration switch beam condition-second simulation]
  • the best beam conditions are analyzed in an acceleration switch with a single beam configuration. Specifically, based on the second simulation model, each condition of an acceleration switch having an outer dimension of 2 mm (square) is set, various beam width and beam thickness conditions are varied, and the displacement amount of the weight under various conditions is set. By obtaining the best beam conditions, the best beam conditions of the acceleration switch are defined.
  • FIG. 8 is a top view of the acceleration switch 30 serving as a model of the second simulation
  • FIG. 9 is a longitudinal sectional view of the acceleration switch of FIG.
  • the acceleration switch 30 includes a support portion 31a, a beam 32, a weight (mass body) 33, and a counter electrode 34, which are formed by etching a silicon substrate. Further, the electrode interval between the inner surface of the weight 33 and the outer surface of the counter electrode 34 is set to 35.
  • the weight 33 can be easily manufactured if the thickness of the silicon substrate is used as it is. The thicker the silicon substrate itself, the larger the displacement amount of the weight, and the sensitivity of the acceleration switch can be increased.
  • the thickness of the silicon substrate is desirably 500 ⁇ m or less. In this simulation, the thickness of the silicon substrate is set to 350 ⁇ m.
  • the support portion 31a of the acceleration switch is also a bonding area that is required when used for anodic bonding or the like.
  • As a condition for this area in the case of an acceleration switch having an outer dimension of 2 mm, it is necessary to secure a bonding margin of about 20%, that is, about 200 ⁇ m on one side and a total area of about 400 ⁇ m on both sides of the chip. Therefore, the diameter dimension including the outer periphery of the weight and the beam arranged around the weight is about 1600 ⁇ m. Further, when the beam width is about 5 to 10 ⁇ m, it is necessary to secure a gap between the beam and the weight and between the beam and the support portion, so that the dimension outside the weight is about 1550 ⁇ m. In this simulation, the diameter of the weight is set to 1550 ⁇ m.
  • This acceleration switch is presumed to be used in a portable device power saving application worn by humans.
  • the system is turned on, and when vibration is not detected, That is, since it is assumed that the device stops using the device when the human is at rest or resting, the required sensitivity is about 1G or less, or 1G or less.
  • a beam shape condition required when acceleration 1G is applied to the acceleration switch is calculated.
  • the acceleration switch may be installed upright without being installed horizontally. In this case, since gravity 1G is added as an offset in the vertical direction, a switch of 2G sensitivity is required to obtain 1G sensitivity.
  • the sensitivity of the acceleration switch is proportional to the amount of displacement of the weight, and inversely proportional to the electrode interval, which is the distance between the weight inner surface and the counter electrode side surface. If the displacement of the weight is 10 ⁇ m when acceleration of 1 G is applied to the acceleration switch, the distance between the electrodes is set to 10 ⁇ m so that the counter electrode and the weight are in contact and electrically connected, and finally the acceleration switch The electronic device connected to is detected as a detection signal. This acceleration switch with an electrode interval of 10 ⁇ m becomes an acceleration switch with a sensitivity of 1 G.
  • the electrode interval is an important factor that determines sensitivity, and is set according to the assumed applied acceleration when designing the acceleration switch. For example, the sensitivity of the acceleration switch can be increased by setting the electrode interval shorter.
  • the beam dimensions are limited in terms of manufacturing, and are subject to silicon etching process restrictions as well as electrode spacing. Similar to the above-described conditions for creating the gaps between the electrodes, when using the Bosch process, the thickness of the silicon substrate: 350 ⁇ m can be set to a beam width of about 1 ⁇ m. Due to restrictions such as reproducibility and accuracy in manufacturing, a beam width of about 4 ⁇ m is a practical minimum value.
  • the beam thickness as shown in the explanatory diagram of the acceleration switch 40 shown in FIG. 10, if an SOI wafer including the SOI layer 49 is used as the second substrate 41, the thickness of the active layer is used as it is. Therefore, restrictions on the dimensions that can be manufactured due to the reproducibility and accuracy of manufacturing are reduced, and a certain dimensional accuracy can be ensured. However, considering the shock resistance when the acceleration switch is dropped, it is necessary to avoid making the beam thickness extremely thin. Therefore, about 5 ⁇ m is a practical minimum value of the beam thickness.
  • the displacement amount of the weight is the displacement amount ⁇ in the x direction when 1G acceleration is applied to the acceleration switch in the x direction, and is calculated based on the following equation (1).
  • the condition of the expression (1) is based on the conditions of the first simulation for conditions such as the physical properties of silicon, which is a material of the beam and weight, and for the other conditions, the weight of the acceleration switch of 2 mm described above and Set based on each condition such as beam shape and electrode spacing.
  • the beam width w and the displacement amount of the weight effective as the acceleration switch are satisfied.
  • the condition of the beam thickness h was obtained.
  • the second simulation result is shown in the graph of FIG. 11 and the table of FIG.
  • ⁇ is the weight displacement
  • ⁇ is the density of the weight material
  • ⁇ is the circumference
  • r 1 is the outer radius of the weight
  • r 2 is the radius of the inner space of the weight
  • H is the thickness of the weight
  • a is the applied acceleration
  • R is the radius of the beam
  • E is the Young's modulus of the beam material
  • ⁇ is the Poisson's ratio of the beam material.
  • the equation (1) of the displacement amount ⁇ is used as an approximate expression, and the material, weight and beam of the second substrate
  • the equation (2) of the displacement amount ⁇ excluding the constant that does not vary depending on the shape is taken as the proportional equation.
  • the graph of FIG. 11 shows the beam thickness (horizontal axis) when each condition of the acceleration switch having an outer dimension of 2 mm is set and 1 G (9.8 N) is added as the acceleration a in the plane direction (x direction) of FIG. And the beam width (line type) and the displacement of the weight (vertical axis).
  • the table of FIG. 12 shows the displacement amount of the weight according to various beam thickness and beam width conditions, and the shaded portion shows the condition where the weight contacts the counter electrode under the condition of the electrode interval of 1 ⁇ m.
  • the condition of the electrode spacing of 1 ⁇ m corresponds to the lower limit value of the electrode spacing that can be produced by the silicon etching process.
  • the lower limit value of the electrode interval that can be produced by the silicon etching process is 1 ⁇ m
  • the lower limit value of the electrode interval is defined as 1 ⁇ m.
  • the electrode spacing is too wide, in addition to securing the gap between the weight and the counter electrode, it is also necessary to secure the gap between the weight and the beam and between the beam and the support portion. 20 ⁇ m.
  • the range of this electrode interval that is, 1 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less is defined as the first condition of the acceleration switch.
  • the beam width has a lower limit value that can be produced by the silicon etching process, and the value is 4 ⁇ m. Therefore, when the lower limit value of the beam width is defined as the second condition of the acceleration switch, it becomes 4 ⁇ m.
  • the lower limit value of the beam thickness for ensuring the impact resistance in the vertical direction is defined as the third condition of the acceleration switch, it is 5 ⁇ m.
  • the beam width and the beam thickness satisfying the condition are shown in FIG. It is the beam width and beam thickness corresponding to the shaded portion of the table. Therefore, if the fourth condition of the acceleration switch is defined including the second condition and the third condition of the acceleration switch described above, specifically, the beam width is 4 ⁇ m or more and 60 ⁇ m or less, the beam thickness is 5 ⁇ m or more, and The range is 500 ⁇ m or less.
  • the upper limit value of the beam thickness is defined by the above-described condition of the desirable silicon substrate thickness: 500 ⁇ m or less.
  • the upper limit value of the actual beam thickness is defined to be equal to or less than the thickness of the weight.
  • the more preferable upper limit of the beam width is 20 ⁇ m or less.
  • FIGS. 8 and 9 a third simulation is performed with the structure shown in FIGS. 8 and 9, assuming a smaller acceleration switch, and the best beam condition is analyzed. Specifically, by setting the conditions of an acceleration switch with an outer dimension of 1 mm (square), varying the various beam width and beam thickness conditions, and obtaining the displacement of the weight under various conditions, the best beam conditions To determine the best beam conditions for the accelerometer switch.
  • the displacement amount ⁇ of the weight in the x direction when 1 G acceleration in the X direction is applied to the acceleration switch having an outer dimension of 1 mm is calculated based on the above equation (1).
  • the condition of the expression (1) in this third simulation is based on the conditions of the first simulation for the conditions such as the physical properties of silicon, which is the material of the beam and the weight, and the outer shape shown below for the other conditions. Based on the conditions of an acceleration switch with a dimension of 1 mm.
  • the beam width w satisfying the displacement amount of the weight effective as the acceleration switch is obtained by performing the third simulation based on the above equation (1) under various conditions using the conditions of the acceleration switch having the outer dimension of 1 mm.
  • the condition of the beam thickness h was obtained.
  • the results of the third simulation are shown in the graph of FIG. 13 and the table of FIG.
  • the graph of FIG. 13 sets the conditions of an acceleration switch having an outer dimension of 1 mm, and the beam thickness (horizontal axis) and beam width when 1 G is added as acceleration a to the plane direction (X direction) of FIG. (Line type) and weight displacement (vertical axis) are shown. Further, the table of FIG. 14 shows the displacement amount of the weight under various beam thickness and beam width conditions, and the shaded portion shows the condition where the weight contacts the counter electrode under the condition of the electrode interval of 1 ⁇ m. Note that the condition of the electrode spacing of 1 ⁇ m corresponds to the lower limit value of the electrode spacing that can be produced by the silicon etching process.
  • the beam width is defined as 4 ⁇ m, which is the lower limit value of the beam width that can be produced by the silicon etching process, as the second condition of the acceleration switch.
  • the beam thickness 5 ⁇ m, which is the lower limit value of the beam thickness necessary to ensure the impact resistance at the time of dropping, is defined as the third condition of the acceleration switch.
  • the beam width and the beam thickness satisfying the condition are shown in FIG. It is the beam width and beam thickness corresponding to the shaded portion of the table. Therefore, when the fifth condition of the acceleration switch is defined including the second condition and the third condition of the acceleration switch described above, specifically, the beam width is in the range of 4 ⁇ m or more and 20 ⁇ m or less, and the beam thickness is The range is 5 ⁇ m or more and 500 ⁇ m or less.
  • the upper limit value of the beam thickness is defined by the above-described condition of the desirable silicon substrate thickness: 500 ⁇ m or less. Further, in order to secure the displacement amount of the weight, it is more advantageous to make the beam thickness thinner than the thickness of the weight. Therefore, the upper limit value of the actual beam thickness is defined to be equal to or less than the thickness of the weight.
  • FIG. 15 is a cross-sectional view of an acceleration switch 50 that is divided into a plurality of electrodes and detects vibrations in a plurality of directions. Note that a first substrate 55 serving as a cap layer and a third substrate 56 serving as a support layer exist above and below the cross section.
  • FIG. 16 is a longitudinal sectional view of the acceleration switch shown in FIG. 15 taken along the plane AA ′. FIG. 16 includes the first substrate 55 and the third substrate 56. 15 corresponds to a cross-sectional view taken along the plane BB ′ of FIG. Comparing the acceleration switch 50 and the acceleration switch 10 shown in FIG.
  • the support portion 51a, the beam 52, and the weight (mass body) 53 have the same configuration, but the weight is adjusted in accordance with the vibration detection direction of the acceleration switch.
  • a counter electrode group 54 composed of a plurality of electrode portions 54a and 54b arranged along the inner surface of each of the second through electrode groups 58a and 58b of the second through electrode group 58 corresponding to the second through electrode.
  • the operation of the acceleration switch 50 will be described based on the explanatory diagram of FIG. First, when acceleration in the arrow direction Px1 is applied to the acceleration switch, the entire acceleration switch excluding the weight moves in the arrow direction Px1. On the other hand, since the weight supported by the beam does not move because acceleration is not directly applied, the weight 53 comes into contact with the electrode portion 54a disposed in the space inside the weight. Thereby, electrical conduction between the weight 53 and the electrode portion 54a is ensured, and the first through electrode 57 and the first through electrode portion 58a are electrically connected as shown in FIGS. On the other hand, since the weight 53 and the electrode part 54b do not contact, the 1st penetration electrode and the penetration electrode part 58b are not electrically connected.
  • the first through electrode 57 of the acceleration switch 50 and the through electrode portions 58a and 58b of the second through electrode group 58 are connected to an external circuit, and the first through electrode 57, the through electrode portion 58a, or the first
  • the vibration direction can be detected, and the vibration direction and inclination direction with respect to the acceleration switch can be detected. It becomes possible to do.
  • the vibration direction is detected by providing the necessary number of electrode parts that are in contact with the inner surface of the weight, divided in the radial direction, and arranged in the circumferential direction. can do.
  • the electrode portions 64a to 64d arranged in the circumferential direction along the inner side surface of the weight according to the vibration detection direction.
  • the counter electrode group 64 provided may be replaced with the counter electrode 14 of the acceleration switch 10 and further replaced with a first substrate (not shown) including a second through electrode group connected to each electrode surface.
  • the technical scope of the present invention does not limit the above-described embodiment, and variations can be made without departing from the spirit of the present invention.
  • the technical scope of the present invention does not limit the external dimensions of the acceleration switch to 2 mm square and 1 mm square, nor does it limit the sensitivity of the acceleration switch to 1 G.
  • Various changes can be made according to the size of the switch and the sensitivity assumed when designing the acceleration switch.

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Abstract

　この加速度スイッチは、内側に空間を備える質量体と、前記質量体を支え、前記質量体を取り囲むように配置される円弧状の梁と、前記梁を固定した状態で前記質量体の周囲に配置される支持部と、前記質量体の内側の空間内に質量体との接触を検出する対向電極とを備え、前記質量体を支える梁は１本であり、前記質量体の内側面と対向電極の外側面の距離、つまり電極間隔は１μｍ以上、かつ２０μｍ以下である。

Description

加速度スイッチ及び電子デバイス
　本発明は、加速度スイッチ及び加速度スイッチを含む電子デバイスに関する。
　従来からある加速度スイッチとして、質量体内部に対向電極を持ち、質量体を複数の梁で支持する無指向性の加速度スイッチについて、図１９に基づき説明する。図１９は従来の加速度スイッチの上面図であり、この加速度スイッチ１００は、周辺部１０１と、４本の梁１０２～１０５と、質量体（重り）１０６と、対向電極１０７からなり、この質量体の一端を周辺部に固定した、４本の梁で支えるように構成されている。また、加速度スイッチに印加される加速度に応じて、質量体とこの質量体内部に配置されている対向電極が接触することにより、この加速度スイッチに接続した外部装置が、振動を検出する。なお、こ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、半導体製造技術を使用することにより、シリコン単結晶をベースに作製可能なため、比較的小型かつ大量生産可能な点などの様々なメリットがある。
　そこで、この加速度スイッチを省電力用に、たとえば少容量のバッテリーしか内蔵できないようなポータブル機器に搭載すれば、人間の振動を検出しない時、すなわち、機器を使用しない時は動作を停止し、振動を検出した時、すなわち、機器を使用する時には、自動的に動作を開始して、無駄なバッテリーを使用しない電子デバイス（電子機器）を実現することができる。
　一方、印加される加速度による振動を感知して、機器のオン、オフを行うような加速度スイッチは、どのような振動の方向にも均等に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、特許文献１に示されるように、加速度により重り（質量体）の振動が偏らないように、複数の梁で重りを支えている。
　このようなポータブル機器に搭載する加速度スイッチは小型化への要求が高いため、加速度スイッチの外形寸法は、より小さい方が有利となる。また、コストダウンへの要求も高く、半導体製造技術を使用し、加速度スイッチの外形寸法をより小さくして、一枚のウェハに多数の加速度スイッチを作製することがより有利となる。
意匠登録第１３１００５３号公報
　しかしながら、従来からある加速度スイッチのように重りを支える梁の数を多くすると、加速度による重りの動き、つまり変位量はより小さくなり、結果として加速度スイッチの感度が低下する。また、梁の数を多くすると、梁を配置するための面積も多く必要となり、加速度スイッチの小型化には不利となる。また、加速度スイッチを小型化すると重りも小さくなるため、高い感度を確保するためには、梁の形状をより柔軟にして、重りの変位量をより大きく確保する必要がある。
　一方、加速度スイッチは、落下時の衝撃に耐えうる耐衝撃性を確保する必要もあり、外部からの衝撃に耐える梁の寸法及び形状も備える必要がある。
　また、加速度スイッチは、所定の振動を受けて確実にスイッチが動作し、この加速度スイッチを含む機器を起動させる必要がある。
　本発明は、このような事情を考慮してなされたものであって、その目的は、小型、高感度で、耐衝撃性を確保するとともに、所定の振動を受けて確実に動作する加速度スイッチ及び加速度スイッチを含む電子デバイスを実現することである。
　本発明に係る加速度スイッチは、内側に空間を備える質量体と、前記質量体を支え、加速度を受けたときに前記質量体にかかる慣性力により撓み、かつ前記質量体を取り囲むように配置される円弧状の梁と、前記梁を支持し、固定した状態で前記質量体の周囲に配置される支持部と、前記質量体の空間内に、加速度を受けたときに前記質量体との接触を検出する対向電極とを備え、前記質量体を支える梁は１本であり、前記質量体の内側面と前記対向電極の外側面との距離となる電極間隔は１μｍ以上、かつ２０μｍ以下であることを特徴とする。
　本発明に係る加速度スイッチによれば、電極間隔を１μｍ以上、かつ２０μｍ以下の条件で形成し、加速度スイッチに必要な感度の精度を確保する。また、小型化したとしても、梁が１本のため梁の数が複数のスイッチに比較して梁の占める領域が小さくなるため、質量体の体積を確保でき、かつ梁の長さも確保できるので、質量体の変位量を大きく確保し、かつ、十分な感度を有する加速度スイッチを実現することができる。
　また、前記加速度スイッチにおいて、前記梁の厚さｈと前記梁の幅ｗは次式に基づき設定した梁を含むことを特徴とする。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 　δは質量体の変位量であり、Ｅは材料のヤング率であり、変位量δは電極間隔に相当する１μｍ以上かつ２０μｍ以下の条件を満たすものである。
　この加速度スイッチによれば、梁の厚さと梁の幅の比率を変更することにより、質量体の変位量を所定の値に設定することができるため、所定の振動で確実に動作する加速度スイッチを実現することができる。
　また、前記加速度スイッチにおいて、前記梁の幅ｗと前記梁の厚さｈを次式に基づき設定した梁を含むことを特徴とする。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 　δを質量体の変位量、σを質量体材料の密度、Ｒを梁の半径、ｒ1を質量体の外側の半径、ｒ2を質量体の内側の空間の半径、Ｈを質量体の厚さ、ａを印加する加速度である。Ｅを梁材料のヤング率であり、νは梁材料のポアソン比であり、変位量δは電極間隔に相当する１μｍ以上、かつ２０μｍ以下の条件を満たすものとする。
　この加速度スイッチによれば、加速度スイッチを小型化したとしても、質量体のスペースを最大限確保しつつ、梁の幅ｗと梁の厚さｈを最適条件に設定できるため、耐衝撃性を備え、かつ所定の振動で確実に動作する加速度スイッチを実現することができる。
　また、前記加速度スイッチにおいて、前記梁の幅は４μｍ以上、かつ６０μｍ以下であることを特徴とする。
　この加速度スイッチによれば、加速度スイッチを小型化したとしても、梁の幅の精度を確保し、質量体のスペースを最大限確保するとともに、所定の振動で確実に動作する加速度スイッチを実現することができる。
　また、前記加速度スイッチにおいて、前記梁の厚さは５μｍ以上、５００μｍ以下で、かつ質量体の厚さ以下あることを特徴とする。
　この加速度スイッチによれば、落下時に梁に加わる衝撃に耐えるために必要な耐衝撃性を確保するとともに、加速度スイッチを小型化したとしても、所定の振動で確実に動作する加速度スイッチを実現することができる。
　また、支持部と質量体と梁と対向電極を含む加速度スイッチ本体部の外形寸法が、０．５ｍｍ以上、かつ３ｍｍ以下であることを特徴とする。
　この支持部と質量体と梁と対向電極を含む加速度スイッチ本体部の外形寸法が、０．５ｍｍ以上、かつ３ｍｍ以下の加速度スイッチによれば、梁の幅および梁の厚さを設定する自由度が高く、加速度スイッチを小型化したとしても、加速度スイッチの感度を幅広く設定することが可能となる。
　また、支持部と質量体と梁と対向電極を含む加速度スイッチ本体部の外形寸法が０．５ｍｍ以上、かつ１．５ｍｍ以下であり、前記梁の幅が４μｍ以上、かつ２０μｍ以下であって、前記梁の厚さが５μｍ以上、かつ５００μｍ以下で、かつ質量体の厚さ以下であることを特徴とする。
　この支持部と質量体と梁と対向電極を含む加速度スイッチ本体部の外形寸法が０．５ｍｍ以上、かつ１．５ｍｍ以下の加速度スイッチは、外形寸法２ｍｍ程度の加速度スイッチと比較して、より小型であるため、加速度スイッチ１個当たりの生産コストを抑えることが可能となる。また、加速度スイッチを実装するためのスペースをより小さくできるため、より小型の電子デバイスに搭載することができる。
　また、前記加速度スイッチにおいて、（１）梁の質量体側の一端と梁の支持部側の他端との距離が、前記対向電極と前記質量体の内面との最大距離より大きく、（２）前記質量体と前記梁の支持部側の他端との距離が、前記対向電極と前記質量体の内面との最大距離より大きく、（３）前記梁の質量体側の一端と前記支持部との距離が、前記対向電極と前記質量体の内面との最大距離より大きいことを特徴とする。
　本発明に係る加速度スイッチによれば、前記加速度スイッチにおいて、質量体の内側面と対向電極の側面の間隔、つまり電極間隔より、（１）梁の質量体側の一端と梁の支持部側の他端、（２）質量体と前記梁の支持部側の他端、（３）前記梁の質量体側の一端と前記支持部の間隔を大きくすることにより、重りと対向電極が接触するより先に、質量体と梁もしくは支持部と梁もしくは梁同士が接触する現象を避けることができるため、水平方向に一定以上の振動が加わった場合でも確実に加速度スイッチで振動を検出することが可能となる。
　さらに、前記加速度スイッチにおいて、第１基板と、前記質量体と前記対向電極と前記梁と前記支持部を含む第２基板と、第３基板とが積層される構成であり、前記第１基板は、外部回路と接続する接点を有し、前記支持部または前記対向電極と接続する接点とする第１の貫通電極と第２の貫通電極とを含み、前記第１基板と前記第３基板は、前記第２基板に含まれる前記支持部及び前記対向電極とに接合されていることを特徴とする
　この加速度スイッチによれば、第２基板を挟み込むように第１基板及び第３基板を接合することにより、質量体、梁、対向電極を外部環境から保護することができる。さらに、第１基板を貫通する、第１及び第２の貫通電極を介して、外部の電子デバイスとの接続を確保することができるため、加速度スイッチの実装と、実装する基板を介して振動を検出する電子デバイスとの電気的接続とを容易に実現することが可能となる。
　また、前記加速度スイッチにおいて、前記対向電極は、複数の電極部を含むことを特徴とする。
　この加速度スイッチによれば、複数の電極部と質量体との接触の有無を外部回路で検出することにより、一定以上の振動検出のみならず、その加速度が印加する方向を検出することができるため、加速度スイッチの移動方向や加速度スイッチに対する傾き方向を検出することが可能となる。
　また、本発明に係る電子デバイスにおいて、前記加速度スイッチを含み、前記加速度スイッチから出力される検出信号を検出し、前記検出信号に応じた所定の動作を行う回路と、を電子デバイスに備えることを特徴とする。
　この電子デバイスによれば、小型かつ高感度で、ノーマリーオフの前記加速度スイッチを搭載することにより、振動を検出しない時、すなわち、機器を使用していない時は機器を停止しておき、振動を検出した時、すなわち、機器を使用している時のみ、自動的に電子デバイスを動作させるように制御できるため、電子デバイスの小型化と低消費電力化を低コストで実現することが可能となる。
　本発明によれば、必要な耐衝撃性を確保するとともに、小型かつ高感度で、所定の振動で確実に動作する加速度スイッチ及び加速度スイッチを含む電子デバイスを実現することができる。
本発明に係る加速度スイッチの構成を示す断面図である。 図１のＡ－Ａ´面に沿った加速度スイッチの縦断面図である。 本発明に係る加速度スイッチのキャップ層（第１基板）の上面図である。 本発明に係る加速度スイッチの動作を示す説明図である。 第１のシミュレーションを行う加速度スイッチの上面図である。 図５の加速度スイッチのＸ軸上の縦断面図である。 図５の加速度スイッチのＸ軸及びＹ軸と構造体の交点を示す図である。 第２，３のシミュレーションを行う加速度スイッチの上面図である。 第２，３のシミュレーションを行う加速度スイッチの縦断面図である。 ＳＯＩウェハを第２基板として使用した加速度スイッチの断面構成を示す説明図である。 外形寸法２ｍｍの加速度スイッチに対する第２のシミュレーション結果を示すグラフである。 外形寸法２ｍｍの加速度スイッチに対する第２のシミュレーション結果を示す表である。 外形寸法１ｍｍの加速度スイッチに対する第３のシミュレーション結果を示すグラフである。 外形寸法１ｍｍの加速度スイッチに対する第３のシミュレーション結果を示す表である。 ｘ方向の振動方向を検出する加速度スイッチの断面図である。 図１５の加速度スイッチのＣ－Ｃ´面に沿った加速度スイッチの縦断面図である。 図１５に示す加速度スイッチの動作を示す説明図である。 ｘ，ｙ方向の振動方向を検出する加速度スイッチの断面図である。 従来の加速度スイッチの構成を示す上面図である。
［加速度スイッチの構成と動作］
　以下、本発明を実施するための実施形態について図面を参照して説明する。
　図１は、本発明に係る、加速度スイッチ１０の断面図である。なお、この断面の上下には、キャップ層となる第１基板、支持層となる第３基板が存在する。図２は、図１で示すＡ－Ａ´面で切った縦断面図であり、キャップ層と支持層も含む。また、図１は図２のＢ－Ｂ´面で切った断面に相当する。図３は図１で省略した上部のキャップ層の上面図である。さらに、図１同様に図３のＡ－Ａ´面で切った縦断面図も図２となる。
　図１～３に示すように、加速度スイッチ１０は、上から、ガラスなどの絶縁材料を用いる第１基板１５と、単結晶シリコンなどを用いる第２基板１１と、ガラスなどの絶縁材料を用いる第３基板１６により、互いに積層されるように構成されている。第２基板１１は、シリコンエッチングにより、支持部１１ａ、梁１２、重り（質量体）１３、対向電極１４が形成されている。梁１２は、一端を第２基板１１の周辺に配置される支持部１１ａに固定され、他端を重り１３に固定する。なお、梁１２の支持部１１ａ側の一端を接続部１２ａとし、梁の重り１３側の他端を接続部１２ｂとする。重り１３は、内側に空間が形成されており、梁１２の内側に配置され、その梁によって支持されている。対向電極１４は、重り１３の内側に形成された空間に配置され、加速度スイッチ１０に、水平方向への一定以上の振動が加わった場合、重りに接触して、重りの移動を一定範囲内に規制する。なお、第２基板１１の単結晶シリコンは、梁１２から重り１３を介して対向電極１４への電気的な導通を取るため、低抵抗シリコン等を使用する。また、貫通電極１７，１８は、金などの導体を埋め込むことにより第１基板１５を貫通するように形成され、それぞれ、一端を梁１２を支持する支持部１１ａ及び対向電極１４と電気的に接続し、他端を外部回路と電気的に接続する。なお、第１基板１５と第３基板１６は、陽極接合などの方法により、第２基板１１と接合されている。
　次に、本発明に係る加速度スイッチの動作について、図４の説明図に基づき説明する。なお、図４では、重り１３の動きをわかりやすくするため、重り周辺の梁やその周辺部は省略する。
　まず、加速度スイッチに矢印方向に加速度が加わると、重りを除く加速度スイッチ全体は矢印方向に運動する。一方、梁で支えられた重りは、直接加速度が加わらず運動しないため、重り内部の空間に配置されている対向電極１４と重り１３が接触する。これにより、重り１３と対向電極１４との電気的導通が確保され、図１，２で示すように、梁１２、支持部１１ａ、貫通電極１７とは常時、電気的に接続されているため、一定値以上の加速度が加速度スイッチ１０に加わる場合に限り、重り１３と対向電極１４が接触し、貫通電極１７と貫通電極１８は電気的に接続する。
　また、図１に示す重り１３を一本の梁で支え、重りの外周を実質的に取り囲むように梁１２を形成した加速度スイッチ１０においては、重りと支持部１１ａとの隙間に、重りの変位量を確保する目的で梁１２をできるだけ長く形成すると、必然的に梁と支持部との接続部１２ａと、梁と重りとの接続部１２ｂが接近する構成となる。一方、接続部１２ａと接続部１２ｂが接近しすぎると、重り１３と対向電極１４が接触するより先に接続部１２ａと接続部１２ｂが接触することにより、水平方向に一定以上の振動が加わった場合でも加速度スイッチで振動を検出しない現象が発生する。そこで、本発明に係る加速度スイッチは、梁の支持部との一端１２ａと重り（質量体）の他端との間隔（距離）を、重りの内面と対向電極１４との間隔（距離）以上確保することにより、一定の振動以上で重りと対向電極を確実に接触するように構成している。
　また、梁１２の支持部との接続部１２ａと重り１３との隙間が狭すぎる場合にも、重りと対向電極が接触するより先に接続部１２ａと重り１３が接触することにより、水平方向に一定以上の振動が加わった場合でも加速度スイッチで振動を検出できない現象が発生する。そこで、本発明に係る加速度スイッチは、梁の支持部側の一端と、梁の重り外側面との間隔（距離）を、重り（質量体）の内面と対向電極との間隔以上確保することにより、所定の振動以上で重りと対向電極を確実に接触するように構成している。
　さらに、梁１２の重り１３との接続部１２ｂと、支持部１１ａ内側面との隙間が狭すぎる場合にも、重り１３と対向電極１４が接触するより先に接続部１２ｂと支持部１１ａが接触することにより、水平方向に一定以上の振動が加わった場合でも加速度スイッチで振動を検出できない現象が発生する。そこで、本発明に係る加速度スイッチは、梁の支持部側の一端と、梁の重り（質量体）側の他端との距離を、重りの内面と対向電極との間隔以上確保することにより、所定の振動以上で重りと対向電極を確実に接触するように構成している。
　次に、本発明の他の実施形態として、本発明に係る加速度スイッチを、電子デバイスの起動用スイッチとして使用することにより、振動を検出することが可能となる電子デバイスについて説明する。この電子デバイスは、これまで説明した加速度スイッチと接続され、加速度スイッチの貫通電極１７，１８を介して、加速度スイッチの開閉状態変化を検出信号として検出することにより、この電子デバイスは、所定の動作を行う。つまり、振動を検出したときに自らを起動し、振動を検出しないときに自らを停止（オフ）もしくは休止状態に維持、もしくは起動（オン）状態から停止もしくは休止状態に移行することにより、無駄なバッテリーの使用を制限するため、電子デバイスの小型化と低消費電力化を低コストで実現することができる。
［１本梁の加速度スイッチの感度等方性－第１のシミュレーション］
　なお、重り中心に空間を形成し、その空間内部に対向電極を持つ加速度スイッチにおいて、平面方向の感度を均一にするためには、複数の梁で重りを支える方が偏りは少なくすることができるため、無指向性の加速度スイッチには適している。
　しかし、この場合、梁の本数が多くなるために、重りの変位量は小さくなって、感度が低下する。そこで、重りを梁１本で支えた加速度スイッチの平面方向について、重りの変位量の偏りを検証し、１本梁の場合の使用の可否を検討する。１本梁で重りを支えた場合でも変位量の偏りがなければ、２本以上の梁で支持した場合と比較して、基本的に高感度であり、梁の占めるスペースも少なくできるため、加速度スイッチの小型化を実現するためには、有利となる。
　そこで、図５～７に示す加速度スイッチのモデルに基づき第１のシミュレーションを行い、１本梁の加速度スイッチの感度等方性について、検証する。具体的には、単結晶シリコンを構造体の材料として用い、重力に相当する－Ｚ軸方向と、及び印加する振動に相当するＸ－Ｙ平面方向に対して、それぞれ加速度１Ｇを印加する条件で、重りの変位量を計算する第１のシミュレーションを行い、重りを１本梁で支える加速度スイッチの変位量のバラツキの有無、つまり感度等方性について検証する。これは加速度スイッチを水平に置き、さらに平面方向に加速度を加えた状態に相当する。
　まず、第１のシミュレーションを行う加速度スイッチの形状と条件について、以下のように設定する。この第１のシミュレーションに用いた加速度スイッチ２０のモデルを図５に示す。図５は加速度スイッチ２０の上面図であり、Ｘ－Ｙ平面上にＸ軸、Ｙ軸の交点を（０、０）として、モデルを作成した。図６は図５のＸ軸上の縦断面図である。ここでは重り２３の変位量に注目したため、重り内側に配置される対向電極を省略している。また、図５は図１～３で示した加速度スイッチのように加速度スイッチの全体ではなく、シミュレーションに必要な可動部分を含む構造体部分のみ、モデル化している。この第１のシミュレーションでは、梁厚を２０及び４０μｍの２種類の条件で、重り２３の最大変位量について計算する。このシミュレーションは、コベンターを使用して計算を行っている。
　なお、図５，６で示す加速度スイッチは、重り２３の外縁は２つの半円弧を合成した形としている。重り外側の円弧の左半分は下記の重り外側の半径（ｂ１）の条件でモデル化し、重り外側の円弧の右半分は左半分の円弧の端を繋ぐ円弧として図７に示す座標でモデル化している。ただし、重り内側の空間は左右対称の真円とし、重り内側の半径（ａ１）の条件でモデル化している。円弧の左半分の外枠にあたる支持部２１ａの内径（ｃ１）、梁の内側の半径（ｄ１）、梁の外側の半径（ｅ１）は下記の条件でモデル化している。また、梁幅（ｆ１）、梁と重り外側および梁と支持部との間隔（ｇ１）（ｇ２）、梁厚（ｈ１）、重りの厚さ（ｉ１）は、下記の条件でモデル化している。なお、重りの厚さ（ｉ１）を含めた構造体の厚みは左右均等である。
　第１のシミュレーションモデルの条件　（単位はμｍ）
　重り内側の半径（ａ１）：　              １００
　重り外側の半径（ｂ１）：　              ５８５
　外枠の内径（ｃ１）：　                  ６３５
　梁の内側の半径（ｄ１）：　              ６０５
　梁の外形の半径（ｅ１）：　              ６１５
　梁幅（ｆ１）：　                        　１０
　梁と重り外側との間隔（ｇ１）：　        　２０
　梁と支持部との間隔（ｇ２）：　          　２０
　梁厚（ｈ１）：　                        　２０　及び　４０
　重りの厚さ（ｉ１）：　                  ３５０
　また、円弧の条件を示すため、左右の重りの外縁、梁、外枠にあたる支持部の内縁と、Ｘ軸及びＹ軸との交点の座標を下記の通り示す。これらは、図７に示す左右の重りの外縁、梁、外枠の内縁とＸ軸及びＹ軸との各交点の座標である。（単位はμｍ）
　Ｘ軸との交点       ｘ１：（６３５，０）
　                   ｘ２：（６１５，０）
　                   ｘ３：（６０５，０）
　                   ｘ４：（５８５，０）
　                   ｘ５：（－５７０，０）
　                   ｘ６：（－５９０，０）
　                   ｘ７：（―６００，０）
　                   ｘ８：（－６２０，０）
　Ｙ軸との交点       ｙ１：（０，６３５）
　                   ｙ２：（０，６１５）
　                   ｙ３：（０，６０５）
　                   ｙ４：（０，５８５）
　                   ｙ５：（０，５７５）
　                   ｙ６：（０，５５５）
　                   ｙ７：（０，－５８５）
　                   ｙ８：（０，－６０５）
　                   ｙ９：（０，－６１５）
　                   ｙ１０：（０，－６３５）
　なお、第１のシミュレーションに使用する第１基板の材料である単結晶シリコンの物性値は下記のとおりである。
　ヤング率Ｅ　　：　１６５ＧＰａ
　ポアソン比ν　：　０．３０
　密度σ　　　　：　２５００Ｋｇ／ｍ3
　図５～７に示す加速度スイッチの形状に基づき、重力に相当するＺ軸方向と振動に相当するＸ軸方向に１Ｇの加速度を加速度スイッチに加えた場合の第１のシミュレーションの計算結果は下記の通りである。
（１ａ）梁厚が２０μｍの場合の重りの変位量
　Ｘ方向の最大値：２３．６７μｍ
　Ｙ方向の最大値：　３．４２μｍ
（１ｂ）梁厚が４０μｍの場合の重りの変位量
　Ｘ方向の最大値：１２．１７μｍ
　Ｙ方向の最大値：　１．８７μｍ
　また同様に図５に示す形状でＺ軸方向とＹ軸方向に１Ｇの加速度を加えた第１のシミュレーション結果は下記の通りである。
（２ａ）梁厚が２０μｍの場合の重りの変位量
　Ｙ方向の最大値：２３．７０μｍ
　Ｘ方向の最大値：　０．６５μｍ
（２ｂ）梁厚が４０μｍの場合の重りの変位量
　Ｙ方向の最大値：１２．０９μｍ
　Ｘ方向の最大値：　０．３４μｍ
　この第１のシミュレーション結果より、次の３点の特性を得た。
　（１）Ｘ，Ｙ軸の同軸感度：Ｘ軸方向に加速度を加えた場合のＸ軸方向の最大変位量と　、Ｙ軸方向に加速度を加えた場合のＹ軸方向の最大変位量との差は０．１２％程度であ　り、Ｘ、Ｙ方向にほぼ同等の変位量を示す。
　（２）Ｘ軸の他軸感度：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（他軸変位量）は、Ｘ方向の最大変位量の１４％程度（梁厚が２０μｍの場合）、及　び１５％程度（梁厚が４０μｍの場合）である。
　（３）Ｙ軸の他軸感度：Ｙ軸方向に加速度を加えた場合、傾きとしてＸ方向へ変位する　量（他軸変位量）は、Ｙ方向の最大変位量の２．７％程度（梁厚が２０μｍの場合）、　及び２．８％程度（梁厚が４０μｍの場合）である。
　第１のシミュレーションで得られた（１）～（３）の特性により、加速度スイッチが円弧状の１本梁で重りを支持する構成でも、加速度印加方向の感度であるＸ方向とＹ方向の同軸感度はほぼ同等であり、加速度印加方向とは面内垂直方向の感度である他軸感度は加速度印加方向の感度である同軸感度よりはるかに少ないことが明らかである。したがって、例えば、人間の動きを振動で感知してポータブル機器のオン／オフ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、加速度が加えられた方向によって、感度が低くなったり、加えられた方向に対して面内垂直方向の感度が高くなるという現象は発生しない。したがって、加速度スイッチにおいて、１本梁で重りを支持する構成でも、十分に等方的な感度を確保できることが明らかである。なお、図５に示す加速度スイッチは、重りを支える梁の構成を一本梁、かつ一巻きとしているが、重りを支える梁の構成を二巻き、三巻き等の多重巻きとした加速度スイッチでも、等方的な感度を有することは明らかである。また、等方的な感度を損なわない程度であれば、一巻き未満の梁の構成とすることも可能である。
［加速度スイッチの梁の条件－第２のシミュレーション］
　この第２のシミュレーションでは、１本梁の構成を備える加速度スイッチにおいて、最良な梁の条件について分析する。具体的には、第２のシミュレーションモデルに基づき、外形寸法２ｍｍ（角）の加速度スイッチの各条件を設定し、種々の梁幅及び梁厚条件を可変させ、種々の条件における重りの変位量を得ることにより、最良な梁の条件を分析し、加速度スイッチの最良な梁の条件を規定する。
　まず、第２のシミュレーションを行う加速度スイッチ３０に関する各条件について、図８，９に基づき説明する。図８は、第２のシミュレーションのモデルとなる加速度スイッチ３０の上面図であり、図９は、図９の加速度スイッチの縦断面図である。この加速度スイッチ３０は、シリコン基板をエッチング処理して形成された、支持部３１ａ、梁３２、重り（質量体）３３、対向電極３４で構成される。　また、重り３３の内側面と対向電極３４の外側面との電極間隔を３５とする。重り３３は、シリコン基板の厚みをそのまま重りの厚みとすると作製が容易であり、またシリコン基板自体も厚い方が重りの変位量が多くなり、加速度スイッチの感度を高めることができる。一方、シリコン基板を厚くすると、ドライエッチング処理の制約で、加速度スイッチの各部を形成するエッチング処理時間が長くなる問題がある。このシリコン基板のエッチングには、ドライエッチングの一種であるボッシュプロセスを適用することにより、厚いシリコン基板でも短時間にエッチング処理を終了させることが可能である。しかし、シリコン基板が厚すぎる場合は、ボッシュプロセスを適用してもシリコンエッチングの処理時間が長くなるため、製造コストが上昇するとともに、エッチング可能なアスペクト比の限界から、重りの寸法、形状の制御が困難となる。したがって、シリコン基板の厚みは５００μｍ以下であることが望ましい。今回のシミュレーションでは、シリコン基板の厚みを３５０μｍに設定する。
　また、加速度スイッチの支持部３１ａは、陽極接合等に使用する際に必要となる接合用の領域でもある。この領域の条件として、外形寸法２ｍｍの加速度スイッチの場合は、接合用ののりしろを２０％程度、すなわち片側２００μｍ程度で、チップ両サイドを合計すると４００μｍ程度の領域を確保する必要がある。したがって、重り及び重りの周囲に配置される梁の外周を含めた直径寸法は１６００μｍ程度となる。また、梁幅を５～１０μｍ程度とすると、梁と重り、及び梁と支持部との隙間も確保する必要があるため、重り外側の寸法は１５５０μｍ程度となる。今回のシミュレーションでは、重りの直径寸法を１５５０μｍに設定する。
　なお、この加速度スイッチは人間が身につける、ポータブル機器の電力セーブ用のアプリケーションで使用することを前提とし、人間の動きによる加速度ないしは振動を検出した時にシステムをオンし、振動を検出しない時、すなわち、人間が静止もしくは休息している時には機器の使用を止めるような機器を想定しているので、必要とされる感度は、加速度１Ｇ前後、もしくは１Ｇ以下である。今回のシミュレーションでは、加速度１Ｇを加速度スイッチに印加した場合に必要な梁の形状の条件を算出する。また、加速度スイッチの使用方法として、加速度スイッチを水平に設置せずに立てて設置する場合もある。この場合は、垂直方向に重力１Ｇがオフセットとして加わるため１Ｇの感度を得るためには２Ｇの感度のスイッチが必要となる。
　次に、第２のシミュレーションを行う加速度スイッチの感度と電極間隔について、説明する。加速度スイッチの感度は、重りの変位量に比例し、重り内側面と対向電極側面との距離である電極間隔に反比例する。仮に加速度スイッチに１Ｇの加速度が加わったときに重りの変位量が１０μｍの場合、電極間隔を１０μｍに設定することにより、対向電極と重りが接触して電気的に接続し、最終的に加速度スイッチに接続された電子デバイスが検出信号として検出する。この電極間隔１０μｍの加速度スイッチが、感度１Ｇの加速度スイッチとなる。また、電極間隔を５μｍに設定することにより、重りは半分の変位量、すなわち半分の加速度の０．５Ｇでスイッチが入る。すなわち、この電極間隔５μｍの加速度スイッチが、感度０．５Ｇの加速度スイッチとなる。このように、電極間隔は感度を決める重要な要素であり、加速度スイッチを設計する際に、想定する印加加速度に応じて、設定する。例えば、電極間隔をより短く設定することにより、加速度スイッチの感度を高めることができる。
　しかしながら、電極間隔に関しては、製造面の制約がある。加速度スイッチの電極間の隙間を形成するためのシリコンエッチングプロセスとして、ボッシュプロセスを適用すると、電極間隔の精度で感度が大きく変化するため、より高精度なエッチングを行う必要がある。電極間隔をより狭く形成する場合、サイドエッチングやスキャロッピングなどの現象が、電極間隔の寸法精度に影響し、感度に影響するようになる。したがって、加速度スイッチの製造時の再現性や精度を考慮すると、電極間隔１μｍ程度が現実的な最小値となる。反対に、電極間隔をより広く形成すると、確実に、重りが対向電極に先に接触するためには、重りと梁及び梁と支持部との間隔をより広く確保する必要があり、この間隔が大きいと外形寸法が小さくならずコスト的に不利となる。このため、小型の加速度スイッチにおいては、電極間隔２０μｍが現実的な最大値となる。
　また、梁の寸法に関しても、製造面の制約があり、電極間隔と同様にシリコンエッチングプロセスの制約を受ける。前記の電極間隔である隙間の作製条件と同様に、ボッシュプロセスを使用する場合、シリコン基板の厚さ：３５０μｍの条件で、梁幅１μｍ程度に設定することも可能であるが、この梁に関しても、製造上の再現性や精度等の制約により、梁幅４μｍ程度が現実的な最小値となる。
　なお、梁厚に関しては、図１０に示す加速度スイッチ４０の説明図で示すように、ＳＯＩ層４９を含むＳＯＩウェハを第２基板４１として使用すれば、この活性層の厚みをそのまま梁４２の厚みとして作製できるため、製造の再現性や精度等による作製可能な寸法の制約が少なくなるとともに、一定の寸法精度も確保することもできる。ただし、加速度スイッチの落下時を想定した場合の耐衝撃性を考慮すると、梁厚を極端に薄く作製することは避ける必要があるため、５μｍ程度が現実的な梁厚の最小値となる。
　次に、図８の上面図，図９の縦断面図に示す構造を持つ外形寸法２ｍｍの加速度スイッチを想定した、下記条件に基づく第２のシミュレーションを行い、最良な梁の条件について分析する。なお、重りの変位量はｘ方向に１Ｇの加速度を加速度スイッチに印加した時
のｘ方向の変位量δであり、下記の式（１）に基づき算出する。また、式（１）の条件は
、梁及び重りの材料であるシリコンの物性等の条件については前記第１のシミュレーションの条件に基づき、その他の条件については、上述した２ｍｍの加速度スイッチの重り及び梁形状、電極間隔等の各条件に基づき設定する。
　外形寸法２ｍｍの加速度スイッチの各条件　　（単位：μｍ）
　重り内の半径（ｒ1）：　                        １５５
　重り外形の半径（ｒ2）：                        ７６０
　梁幅（ｗ）　：                                 可変
　電極間隔（３５）：　　　　　                   限定せず
　梁厚（ｈ）：　　                               可変
　重りの厚さ（Ｈ）：　　　　　　　　　　         ３５０
　この外形寸法２ｍｍの加速度スイッチの条件を使用し、下記の式（１）に基づく第２のシミュレーションを種々の条件下で行うことにより、加速度スイッチとして有効な重りの変位量を満たす梁幅ｗ及び梁厚ｈの条件を求めた。この第２のシミュレーション結果を図１１のグラフ及び図１２の表に示す。
　なお、下記の式（１）では、δを重りの変位量、σを重り材料の密度、πを円周率、ｒ1を重りの外側の半径、ｒ2を重りの内側空間の半径、Ｈを重りの厚さ、ａを印加される加速度、Ｒを梁の半径、Ｅを梁材料のヤング率、νを梁材料のポアソン比とした。ただし、実際の重りの変位量は、実際の第２基板の材料によるヤング率のバラツキの影響を含むため、変位量δの式（１）を近似式とし、第２基板の材料及び重り及び梁の形状によって変動しない定数を除いた変位量δの式（２）を比例式とする。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
 　なお、梁幅及び梁厚を調整して、電極間隔に合わせて重りの変位量を設定する場合、変位量δと梁厚ｈ及び梁幅ｗについては、式（２）を更に簡略化した式（３）の比例式が成立する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　図１１のグラフは、外形寸法２ｍｍの加速度スイッチの各条件を設定し、図９の平面方向（ｘ方向）に、加速度ａとして１Ｇ（９．８Ｎ）を加えた場合の梁厚（横軸）及び梁幅
（線種）と重りの変位量（縦軸）を示す。また、図１２の表は、種々の梁厚及び梁幅条件による重りの変位量を示し、斜線部分は、電極間隔１μｍの条件で、重りが対向電極に接触する条件を示す。なお電極間隔１μｍの条件はシリコンエッチングプロセスで作製可能な電極間隔の下限値に対応する。
　次に、上述した電極間隔及び梁幅、梁厚条件と、第２のシミュレーション結果から、外形寸法２ｍｍの加速度スイッチに必要な条件について分析する。
　最初に、シリコンエッチングプロセスで作製可能な電極間隔の下限値が１μｍであるため、電極間隔の下限値を規定すると１μｍとなる。また、電極間隔が広すぎる場合、重りと対向電極間の隙間の確保に加えて、重りと梁及び梁と支持部との隙間も確保する必要があることから、電極間隔の上限値を規定すると２０μｍとなる。この電極間隔の範囲、すなわち１μｍ以上、かつ２０μｍ以下を加速度スイッチの第１条件として規定する。
　また、梁幅についても、シリコンエッチングプロセスで作製可能な下限値があり、その値は４μｍである。したがって、梁幅の下限値を加速度スイッチの第２条件として規定すると、４μｍとなる。
　また、梁厚についても、落下時の耐衝撃性を確保するための下限値が存在する。梁幅を大きく形成すると、重りの変位量を確保するために、梁厚を小さく形成する必要があるが、梁厚を小さく形成しすぎると、特に、図９に示す垂直方向（ｚ方向）に加わる加速度への耐衝撃性を確保できない。そこで、その垂直方向の耐衝撃性を確保するための梁厚の下限値を加速度スイッチの第３条件として規定すると、５μｍとなる。
　さらに、外形寸法２ｍｍの加速度スイッチにおいて、感度１Ｇ以上の加速度スイッチを実現するためには、重りの変位量を１μｍ以上確保する必要があり、その条件を満たす梁幅及び梁厚は、図１２の表の斜線部分に対応する梁幅及び梁厚である。そこで、上述の加速度スイッチの第２条件と第３条件を含めて、加速度スイッチの第４条件として規定すると、具体的には、梁幅は４μｍ以上、かつ６０μｍ以下、梁厚は５μｍ以上、かつ５００μｍ以下の範囲となる。この梁厚の上限値は、上述した望ましいシリコン基板の厚み：５００μｍ以下の条件により規定した。また、重りの変位量を確保するためには、重りの厚さより、梁厚を薄くする方が有利であるため、実際の梁厚の上限値は、重りの厚さ以下で規定する。なお、電極間隔の上限値を２０μｍに規定したとしても、電極間隔より梁幅を大きく形成した場合、その分、梁のスペースを確保する必要があるため、外形寸法２ｍｍの加速度スイッチを実現する条件として、より好ましい梁幅の上限値は２０μｍ以下である。
［加速度スイッチの梁の条件－第３のシミュレーション］
　次に、図８，９に示す構造を持ち、より小型の加速度スイッチを想定した、第３のシミュレーションを行い、最良の梁の条件について、分析する。具体的には、外形寸法１ｍｍ（角）の加速度スイッチの条件を設定し、種々の梁幅及び梁厚条件を可変させ、種々の条件における重りの変位量を得ることにより、最良な梁の条件を分析し、加速度スイッチの最良な梁の条件を規定する。
　まず、図８に示す加速度スイッチにおいて、Ｘ方向に１Ｇの加速度を外形寸法１ｍｍの加速度スイッチに印加した時の、ｘ方向の重りの変位量δを上述の式（１）に基づき算出する。なお、この第３のシミュレーションにおける式（１）の条件は、梁及び重りの材料であるシリコンの物性等の条件については前記第１のシミュレーションの条件に基づき、その他の条件については下記に示す外形寸法１ｍｍの加速度スイッチの各条件に基づく。
　外形寸法１ｍｍ（角）の加速度スイッチの各条件　　（単位：μｍ）
　重り内の半径（ｒ2）：　                        ７７．５
　重り外形の半径（ｒ1）：　　　　　　　　        ３８０
　梁幅（ｗ）：              　　　　             可変
　電極間隔（３５）：　　　                       限定せず
　梁厚（ｈ）：　　                               可変
　重りの厚さ（Ｈ）：　　　　　　　　　　         ３５０
　この外形寸法１ｍｍの加速度スイッチの各条件を使用し、上述の式（１）の基づく第３のシミュレーションを種々の条件下で行うことにより、加速度スイッチとして有効な重りの変位量を満たす梁幅ｗ及び梁厚ｈの条件を求めた。この第３のシミュレーション結果を図１３のグラフ及び図１４の表に示す。
　図１３のグラフは、外形寸法１ｍｍの加速度スイッチの各条件を設定し、図９の平面方向（Ｘ方向）に対して、加速度ａとして１Ｇを加えた場合の梁厚（横軸）及び梁幅（線種）と重りの変位量（縦軸）を示す。また、図１４の表は、種々の梁厚及び梁幅条件による重りの変位量を示し、斜線部分は、電極間隔１μｍの条件で重りが対向電極に接触する条件を示す。なお、電極間隔１μｍの条件は、シリコンエッチングプロセスで作製可能な電極間隔の下限値に対応する。
　次に、上述した電極間隔、梁幅及び梁厚条件と、第３のシミュレーション結果から、外形寸法１ｍｍの加速度スイッチに必要な条件について分析する。
　上述したように、シリコンエッチングプロセスで作製可能な電極間隔の下限値が１μｍであるため、電極間隔の下限値を規定すると、１μｍとなる。また、電極間隔が広すぎる場合、重りと対向電極間の隙間のみならず、重りと梁及び梁と支持部との隙間も確保する必要があることから、電極間隔の上限値を規定すると２０μｍとなる。この電極間隔について、１μｍ以上、かつ２０μｍ以下の範囲を加速度スイッチの第１条件として規定する。
　また、上述したように、梁幅について、シリコンエッチングプロセスで作製可能な梁幅の下限値である４μｍを加速度スイッチの第２条件として規定する。
　また、上述したように、梁厚について、落下時の耐衝撃性を確保するために必要な梁厚の下限値である５μｍを加速度スイッチの第３条件として規定する。
　さらに、外形寸法１ｍｍの加速度スイッチにおいて、感度１Ｇ以上の加速度スイッチを実現するためには、重りの変位量を１μｍ以上確保する必要があり、その条件を満たす梁幅及び梁厚は、図１４の表の斜線部分に対応する梁幅及び梁厚である。そこで、上述の加速度スイッチの第２条件と第３条件を含めて、加速度スイッチの第５条件として規定すると、具体的には、梁幅は４μｍ以上、かつ２０μｍ以下の範囲であり、梁厚は５μｍ以上、かつ５００μｍ以下の範囲となる。この梁厚の上限値は、上述した望ましいシリコン基板の厚み：５００μｍ以下の条件により規定した。また、重りの変位量を確保するためには、重りの厚さより、梁厚を薄くする方が有利であるため、実際の梁厚の上限値は、重りの厚さ以下で規定する。
　この本発明の他の実施形態について、図１５～１７に基づき説明する。図１５は、複数の電極に分割し、複数方向の振動を検出するようにした加速度スイッチ５０の断面図である。なお、この断面の上下には、キャップ層となる第１基板５５、支持層となる第３基板５６が存在する。図１６は、図１５で示す加速度スイッチをＡ－Ａ´面で切った縦断面図であり、図１６では第１基板５５と第３基板５６も含む。また、図１５は、図１６のＢ－Ｂ´面で切った断面図に相当する。この加速度スイッチ５０と図１で示した加速度スイッチ１０を比較すると、支持部５１ａ、梁５２、重り（質量体）５３については、同様の構成であるが、加速度スイッチの振動検出方向に合わせ、重りの内側面に沿って配列された複数の電極部５４ａ，５４ｂからなる対向電極群５４を含み、それぞれに第２の貫通電極に対応する第２の貫通電極群５８の貫通電極部５８ａ，５８ｂを含み、対向電極群５４と貫通電極群を含む第１基板５５を有する点が異なる。
　次に、加速度スイッチ５０の動作について、図１７の説明図に基づき説明する。まず、加速度スイッチに矢印方向Ｐｘ１の加速度が加わると、重りを除く加速度スイッチ全体は矢印方向Ｐｘ１に運動する。一方、梁で支えられた重りは、直接加速度が加わらず運動しないため、重り内部の空間に配置されている電極部５４ａと重り５３が接触する。これにより、重り５３と電極部５４ａとの電気的導通が確保され、図１５及び図１６で示すように、第１の貫通電極５７と第１の貫通電極部５８ａは電気的に接続する。一方、重り５３と電極部５４ｂが接触しないため、第１の貫通電極と貫通電極部５８ｂは電気的に接続しない。
　また、図１７に示す加速度スイッチに矢印方向Ｐｘ１とは逆方向となる、矢印方向Ｐｘ２に加速度が加わると、重り５３を除く加速度スイッチ全体は矢印方向Ｐｘ２に運動することにより、電極部５４ｂと重り５３が接触する。これにより、重り５３と電極部５４ｂとの電気的導通が確保され、貫通電極５７と貫通電極部５８ｂは電気的に接続する。一方、重り５３と電極部５４ａが接触しないため、第１の貫通電極５７と貫通電極部５８ａは電気的に接続しない。
　したがって、加速度スイッチ５０の第１の貫通電極５７及び第２の貫通電極群５８の貫通電極部５８ａ，５８ｂを外部回路に接続し、第１の貫通電極５７、貫通電極部５８ａ、または第１の貫通電極５７、貫通電極部５８ｂ間の導通を外部回路にて検出することにより、一定値以上の振動検出のみならず、振動方向を検出することができ、加速度スイッチに対する振動方向や傾き方向を検出することが可能となる。
　さらに、細かく振動方向を検出する場合には、重りの内側面と接触し、径方向に分割され、周方向に配列された複数の電極部を必要な数だけ備えることで、その振動方向を検出することができる。例えば、四方向の加速度の方向を検出する場合、図１８の加速度スイッチ６０に示すように、振動検出方向に応じて、重りの内側面に沿って周方向に配列された電極部６４ａ～６４ｄを備える対向電極群６４を、加速度スイッチ１０の対向電極１４と置き換え、さらに、各々の電極面と接続する第２の貫通電極群を含む第１基板（図示しない）と置き換える構成にするとよい。
　なお、本発明の技術範囲は前記実施の形態を限定するものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲でバリエーションを持たせることが可能である。特に、本発明の技術範囲は加速度スイッチの外形寸法を２ｍｍ角及び１ｍｍ角に限定したり、加速度スイッチの感度を１Ｇに限定したりするものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、加速度スイッチのサイズ、及び加速度スイッチを設計する際に想定する感度等に応じて種々の変更を加えることも可能である。
　１０，２０，３０，４０，５０，６０　加速度スイッチ
　１１，２１，３１，４１，５１　第２基板
　１２，２２，３２，４２，５２　梁
　１３，２３，３３，５３　重り
　１４，３４　対向電極
　１５，５５　第１基板
　１６，５６　第３基板
　１７，５７　第２の貫通電極（支持部側）
　１８，５８　第２の貫通電極（対向電極側）
　１００　従来の加速度スイッチ

Claims (13)

  1. 　内側に空間を備える質量体と、
    　前記質量体を支え、加速度を受けたときに前記質量体にかかる慣性力により撓み、かつ前記質量体を取り囲むように配置される円弧状の梁と、
    　前記梁を支持し、固定した状態で前記質量体の周囲に配置される支持部と、
    　前記空間内に、加速度を受けたときに前記質量体との接触を検出する対向電極とを備え、
    　前記質量体を支える梁は１本であり、
    　前記質量体の内側面と前記対向電極の外側面との距離となる電極間隔は１μｍ以上、かつ２０μｍ以下であることを特徴とする加速度スイッチ。
  2. 　前記梁の厚さｈと前記梁の幅ｗは、次式に基づき設定した梁を含むことを特徴とする請求項１に記載の加速度スイッチ。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
     　δは質量体の変位量であり、Ｅは材料のヤング率であり、変位量δは電極間隔に相当する１μｍ以上かつ２０μｍ以下の条件を満たすものである。
  3. 　前記梁の厚さｈと前記梁の幅ｗは、次式に基づき設定した梁を含むことを特徴とする請求項１に記載の加速度スイッチ。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
     　δは質量体の変位量であり、σは質量体材料の密度であり、ｒ1は質量体の外側の半径であり、ｒ2は質量体の内側の空間の半径であり、Ｈは質量体の厚さであり、ａは印加する加速度である。Ｒは梁の半径であり、Ｅは材料のヤング率であり、νは梁材料のポアソン比であり、変位量δは電極間隔に相当する１μｍ以上かつ２０μｍ以下の条件を満たすものである。
  4. 　請求項１記載の加速度スイッチにおいて、前記梁の幅は４μｍ以上、かつ６０μｍ以下であることを特徴とする加速度スイッチ。
  5. 　請求項１記載の加速度スイッチにおいて、前記梁の厚さは５μｍ以上、５００μｍ以下で、かつ質量体の厚さ以下であることを特徴とする加速度スイッチ。
  6. 　支持部と質量体と梁と前記対向電極を含む加速度スイッチ本体部の外形寸法が、０．５ｍｍ以上、かつ３ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の加速度スイッチ。
  7. 　支持部と質量体と梁と対向電極を含む加速度スイッチ本体部の外形寸法が０．５ｍｍ以上、かつ１．５ｍｍ以下であり、前記梁の幅が４μｍ以上、かつ２０μｍ以下であって、前記梁の厚さが５μｍ以上、かつ５００μｍ以下で、かつ質量体の厚さ以下であることを特徴とする請求項１に記載の加速度スイッチ。
  8. 　前記梁の質量体側の一端と前記梁の支持部側の他端との距離が、前記対向電極と前記質量体の内面との最大距離より大きいことを特徴とする請求項１～７のいずれか１項に記載の加速度スイッチ。
  9. 　前記梁の質量体側の一端と前記支持部との距離が、前記対向電極と前記質量体の内面との最大距離より大きいことを特徴とする請求項１～７のいずれか１項に記載の加速度スイッチ。
  10. 　前記質量体と前記梁の支持部側の他端との距離が、前記対向電極と前記質量体の内面との最大距離より大きいことを特徴とする請求項１～７のいずれか１項に記載の加速度スイッチ。
  11. 　前記加速度スイッチは、第１基板と、前記質量体と前記対向電極と前記梁と前記支持部を含む第２基板と、第３基板とが積層される構成であり、
    　前記第１基板は、外部回路と接続する接点を有し、前記支持部または前記対向電極と接続する接点とする第１の貫通電極と第２の貫通電極とを含み、
    　前記第１基板と前記第３基板は、前記第２基板に含まれる前記支持部及び前記対向電極とに接合されていることを特徴とする、請求項１～１０のいずれか１項に記載の加速度スイッチ。
  12. 　前記対向電極は、複数の電極部を含むことを特徴とする、請求項１～１１のいずれか１項に記載の加速度スイッチ。
  13. 　請求項１～１２のいずれか１項に記載の加速度スイッチと、前記加速度スイッチから出力される検出信号を検出し、前記検出信号に応じた所定の動作を行う回路と、を備えることを特徴とする電子デバイス。
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