JP4305293B2 - リレー - Google Patents
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Description
リレーの大きな課題は接点寿命である。寿命が長く信頼性の高いリレーはさまざまな分野で求められているが決定的なものがないのが実状である。一方水銀リレーは信頼性は高いが、環境汚染の問題や高コストであることから敬遠されている。水銀リレーや水銀リレーに変わる半導体リレーの先行文献としては次のようなものがある。
しかしコストは高く、廃棄する場合の環境への影響から敬遠されており本当に信頼性の必要な部分のみに限定的に用いられている。
本発明は信頼性の高い水銀リレーをマイクロマシン(microelectromechanical・systems=MEMS)技術により形成することにより高い信頼性を実現するとともに、使用する導電流体(例えば水銀、GaIn、GaInSn)の量を減らして環境への影響を少なくしたリレーを提供することを目的とする。
第1、第2基板(1,5)を貼り合わせて形成された3つの流路(6a,6b,6c)及び室(7)と、前記流路(6a)と前記室(7)を接続する絞り(8a)と、前記流路(6a)と前記流路(6b)を接続する絞り(8b)と、前記流路(6b)と前記流路(6c)を接続する絞り(8c)と、前記流路(6c)の一端に形成された絞り(8d)と、前記流路(6a,6b,6c)のそれぞれに配置された電極(2a,2b,2c)と、前記室および前記流路(6c)に封入され加熱により膨張する気体と、前記室に配置された加熱手段(4)と、前記流路(6a,6b)に封入された導電流体とからなり、前記室に封入された気体を前記加熱手段により加熱した時に、前記流路(6a,6b)に封入された導電流体が前記気体の膨張により前記流路(6b,6c)側に移動するとともに前記流路(6c)に封入された気体が前記絞り(8d)側に移動して圧縮され、前記加熱手段の加熱を中止した場合は前記流路(6b,6c)側に移動した導電流体が前記流路(6a,6b)側に移動するように構成したことを特徴とする。
第1、第2基板(1,5)を貼り合わせて三角形に形成された流路と、前記流路の一辺(底辺)の中央付近に絞り(8a)を介して形成された室7と、前記流路の底辺付近と中央付近と先端部付近に所定の距離を隔てて配置された電極(2a,2b,2c)と、前記室および流路に封入され加熱により膨張する気体と、前記室に配置された加熱手段(4)と、前記流路の底辺付近および中央付近に配置された電極(2a,2c)に接するとともに移動可能に封入された導電流体とからなり、前記室に封入された気体を前記加熱手段により加熱した時に、前記流路に封入された導電流体が前記気体の膨張により前記流路の先端付近に配置された電極(2b)側に移動して前記導電流体が前記底辺付近に配置された電極(2a)とは非接触、中央付近と先端付近に配置された電極(2b,2c)と接触状態となって前記流路に封入された気体が前記流路の先端側に移動して圧縮され、前記加熱手段の加熱を中止した場合は前記流路の先端側に移動した導電流体が底辺側に移動して前記底辺側に配置された電極(2a)と中央付近に配置された電極(2c)が接触状態となるように構成したことを特徴とする。
前記流路を含む電極の下部に絶縁層(23)を介してインピーダンスマッチングをとる為のグランド電極(24)を配置したことを特徴とする。
第1、第2基板(1,5)を貼り合わせて形成された3つの流路(6a,6b,6c)及び2つの室(7a,7b)と、前記流路(6a)と前記室(7a)を接続する絞り(8a)と、前記流路(6a)と前記流路(6b)を接続する絞り(8b)と、前記流路(6b)と前記流路(6c)を接続する絞り(8c)と、前記流路(6c)と前記室(7b)を接続する絞り(8d)と前記流路(6a,6b,6c)のそれぞれに配置された電極(2a,2b,2c)と、前記室(7a,7b)および前記流路(6c)に封入され加熱により膨張する気体と、前記室(7a,7b)のそれぞれに配置された加熱手段(4a,4b)と、前記流路(6a,6b)に封入された導電流体とからなり、前記室(7a)に封入された気体を前記加熱手段(4a)により加熱した時に、前記流路(6a,6b)に封入された導電流体が前記気体の膨張により前記流路(6b,6c)側に移動するように構成され、前記流路を含む電極の下部に絶縁層(23)を介してインピーダンスマッチングをとる為のグランド電極(24)を配置するとともにグランド電極取出し穴を設けたことを特徴とする。
前記流路及び電極を一組とし、3組を絞りを介して直列に接続して一つのリレーとし、このリレーを少なくとも2つ形成し、リレー同士を連結する絞りの部分に絶縁性液体を封入してリレー同士を隔離したことを特徴とする。
前記流路、電極および室はマイクロマシン(microelectromechanical・systems=MEMS)
技術により形成したことを特徴とする
前記導電流体は水銀、GaIn、GaInSnのいずれかを含み、前記気体は空気、窒素、アルゴン、水素、アンモニアのいずれかを含むことを特徴とする。
絶縁部材上に形成された流路と、この流路の一端若しくは両端に形成された室と、前記流路の途中に配置された複数の電極と、前記室に封入され加熱により膨張し、前記室に配置された加熱手段と、前記流路に封入された導電流体で構成したので、
1)可動部がなく接触不良もないので、高信頼性で長寿命のリレーが実現できる。
2)基板を用いて多数のリレーチップを同時に多数製造可能なため低コスト化を図ることができる。
3)流路を含む電極の下部に絶縁層を介してグランド電極を設けたので、電極パターンを工夫してインピーダンスマッチングを取ることにより高周波化をはかることができる。
請求項5の発明によれば、
流路及び電極を一組として少なくとも2個を直列に形成し、それぞれを絶縁性液体で隔離したので、一つの基板に多数のリレーを形成することができる。
流路、電極および室はマイクロマシン(microelectromechanical・systems=MEMS)
技術により形成したので、流路の容積が小さく水銀の量を少なく(例えば1×10−6g)することができる。その結果、環境への影響を少なくすることができ、蛍光灯一本分に相当する水銀(約0.1g)で10万個のリレーを作製可能である。
これらの図において、第1基板1は絶縁体からなる矩形状のガラスで形成されている。この基板1上には並列状態で所定の間隔を隔てて電極2a及び2bが形成され、電極2a,2b間には同形状の電極2cが対向した状態で形成されている。これらの電極は棒状に形成され一端に電極パッド3a,3b,3cが形成されている。基板1上には途中が櫛状(4’で示す部分)に形成されたヒータ4が形成されている。
図2(a)の初期状態において、電極2a,2cはオン、電極2c,2bはオフ状態となっている。そして、室7内のヒータ4に通電されるとヒータ4の熱により室7内の気体(空気や窒素ガスなど)11が膨張する。
その結果、図2(b)に示すように導電流体(水銀)10が矢印Aで示すように流路6c側に移動し、電極2aと電極2cはオフ状態となり、電極2cと電極2bがオン状態となる。この場合、流路6c内の気体11は絞り8d内に移動しBで示す部分の圧力が上昇する。
このような構成によれば、電極への結線状態を選択することによりノーマリーオープンおよびノーマリークローズ型のリレーを実現することができる。
その結果、図3(b)に示すように導電流体(水銀)10が矢印A方向に移動し、電極2aと電極2cはオフ状態となり、電極2cと電極2bがオン状態となる。この状態では二等辺三角形の先端(eで示す部分)の圧力が上昇する。
このような構成においても、電極への結線状態を選択することによりノーマリーオープンおよびノーマリークローズ型のリレーを実現することができる。そして、このような構成では絞りがないので初期状態への復帰がはやくなり、図1の実施例に比較して切り替え速度の速いリレーを実現することができる。
図1に示す実施例とは流路6の一端に設けた室を第1室7a,ヒータ4aとし、他端に第2室7bを設けてヒータ4bを設けた点のみが異なっている。即ちこの実施例では、定常状態では導電流体(水銀)10により接点電極2a,2cがオン、電極2bと電極2cはオフ状態となっている。
この例では絞りのない一本の流路6の両端に第1室7a及び第2室7bが気密に形成され、所定の距離を隔てて形成された電極2a,2bの先端が流路6内に封入された導電流体(水銀)10に接するように配置されている。なお、第1室7a及び第2室7bにも第4図と同様気体11が封入されている。
工程(a)において、第1基板1上にヒータ4および電極パッド3a〜3dを含む電極2a〜2dをパターニングする。
工程(b)において、ヒータおよび電極パターニング上にフォトレジスト等を塗布し、絞り8を含む流路6、室7となるスペーサパターン20を形成する。
工程(c)において、絞り8を含む流路6に導電流体10を注入する。
工程(d)において、接着材を用いて第2基板を固定する。
また、電極やヒータの材質は金、モリブデン、クロムなどがあるが、これらは封入する導電流体や気体の種類に応じて選択する。スペーサの材質としては絶縁性がありパターンが形成できればフォトレジストに限らず例えば低融点ガラスでもよい。低融点ガラスにはそれ自身に接着機能があるので接着材は不要である。さらに絶縁膜により電極との絶縁が可能なら導電性の部材でもよい。
GaInやGaInSnは空気中では表面が酸化されやすく、表面が酸化されると金属電極表面以外の部分、たとえばガラスの表面を濡らしてしまう。その場合は電流をオフできなくなってしまう。この対策のため蓋として機能する第2基板の接着工程を還元性雰囲気(たとえば水素、アンモニア)あるいは不活性ガス雰囲気(たとえば窒素、アルゴン)中で行う。その結果、流路の中にこれらのガスを封じ込めることができ導電流体の酸化を防止することができる。また、リレー全体の温度を上げて使用する場合は導電流体は半田でもよい。
前述した図1,図4に示すリレーではインピーダンスのマッチングは全く考慮されておらず、数MHzまでの動作が限界である。
図8において、図4と同一要素には同一符号を付している。電極2の下部には絶縁膜23を介してグランド電極24が形成されており、絶縁膜23の一部が除去されてグランド電極取り出し穴25が形成されている。
工程(a)において、第1基板1上の電極パッド3a〜3cを含む電極2a〜2cが形成される箇所に所定の面積のグランド電極24を形成し、そのグランド電極24を覆って絶縁膜23を形成する。
工程(b)において、絶縁膜23上にヒータ4および電極パッド3a〜3cを含む電極2a〜2cをパターニングし、絶縁膜23の一部を除去してグランド取り出し穴25を形成する。
工程(d)において、絞り8を含む流路6に導電流体10を注入する。
工程(e)において、接着材を用いて第2基板5を固定する。
また、本実施例ではヒータを用いて気体を膨張させたが、冷却手段(例えばペルチェ素子等)を用いて気体を収縮させて導電流体を移動させるようにしても良い。したがって本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形を含むものである。
2 電極
3 電極パッド
4 ヒータ
5 第2基板
6 流路
7a 第1室
7b 第2室
8 絞り
10,21 導電流体(水銀など)
11 気体(空気,窒素ガスなど)
20 スペーサパターン
21 絶縁性液体(シリコンオイルなど)
22 接着材
23 絶縁膜
24 グランド電極
25 グランド電極取出し穴
Claims (7)
- 第1、第2基板(1,5)を貼り合わせて形成された3つの流路(6a,6b,6c)及び室(7)と、前記流路(6a)と前記室(7)を接続する絞り(8a)と、前記流路(6a)と前記流路(6b)を接続する絞り(8b)と、前記流路(6b)と前記流路(6c)を接続する絞り(8c)と、前記流路(6c)の一端に形成された絞り(8d)と、前記流路(6a,6b,6c)のそれぞれに配置された電極(2a,2b,2c)と、前記室および前記流路(6c)に封入され加熱により膨張する気体と、前記室に配置された加熱手段(4)と、前記流路(6a,6b)に封入された導電流体とからなり、前記室に封入された気体を前記加熱手段により加熱した時に、前記流路(6a,6b)に封入された導電流体が前記気体の膨張により前記流路(6b,6c)側に移動するとともに前記流路(6c)に封入された気体が前記絞り(8d)側に移動して圧縮され、前記加熱手段の加熱を中止した場合は前記流路(6b,6c)側に移動した導電流体が前記流路(6a,6b)側に移動するように構成したことを特徴とするリレー。
- 第1、第2基板(1,5)を貼り合わせて三角形に形成された流路と、前記流路の一辺(底辺)の中央付近に絞り(8a)を介して形成された室(7)と、前記流路の底辺付近と中央付近と先端部付近に所定の距離を隔てて配置された電極(2a,2b,2c)と、前記室および流路に封入され加熱により膨張する気体と、前記室に配置された加熱手段(4)と、前記流路の底辺付近および中央付近に配置された電極(2a,2c)に接するとともに移動可能に封入された導電流体とからなり、前記室に封入された気体を前記加熱手段により加熱した時に、前記流路に封入された導電流体が前記気体の膨張により前記流路の先端付近に配置された電極(2b)側に移動して前記導電流体が前記底辺付近に配置された電極(2a)とは非接触、中央付近と先端付近に配置された電極(2b,2c)と接触状態となって前記流路に封入された気体が前記流路の先端側に移動して圧縮され、前記加熱手段の加熱を中止した場合は前記流路の先端側に移動した導電流体が底辺側に移動して前記底辺側に配置された電極(2a)と中央付近に配置された電極(2c)が接触状態となるように構成したことを特徴とするリレー。
- 前記流路を含む電極の下部に絶縁層(23)を介してインピーダンスマッチングをとる為のグランド電極(24)を配置したことを特徴とする請求項1又は2に記載のリレー。
- 第1、第2基板(1,5)を貼り合わせて形成された3つの流路(6a,6b,6c)及び2つの室(7a,7b)と、前記流路(6a)と前記室(7a)を接続する絞り(8a)と、前記流路(6a)と前記流路(6b)を接続する絞り(8b)と、前記流路(6b)と前記流路(6c)を接続する絞り(8c)と、前記流路(6c)と前記室(7b)を接続する絞り(8d)と前記流路(6a,6b,6c)のそれぞれに配置された電極(2a,2b,2c)と、前記室(7a,7b)および前記流路(6c)に封入され加熱により膨張する気体と、前記室(7a,7b)のそれぞれに配置された加熱手段(4a,4b)と、前記流路(6a,6b)に封入された導電流体とからなり、前記室(7a)に封入された気体を前記加熱手段(4a)により加熱した時に、前記流路(6a,6b)に封入された導電流体が前記気体の膨張により前記流路(6b,6c)側に移動するように構成され、前記流路を含む電極の下部に絶縁層(23)を介してインピーダンスマッチングをとる為のグランド電極(24)を配置するとともにグランド電極取出し穴を設けたことを特徴とするリレー。
- 前記流路及び電極を一組とし、3組を絞りを介して直列に接続して一つのリレーとし、このリレーを少なくとも2つ形成し、リレー同士を連結する絞りの部分に絶縁性液体を封入してリレー同士を隔離したことを特徴とする請求項4に記載のリレー。
- 前記流路、電極および室はマイクロマシン(microelectromechanical・systems=MEMS)
技術により形成したことを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載のリレー。 - 前記導電流体は水銀、GaIn、GaInSnのいずれかを含み、前記気体は空気、窒素、アルゴン、水素、アンモニアのいずれかを含むことを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載のリレー。
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