JP5081164B2 - 小型高伝導性熱／電気スイッチ - Google Patents

Description

発明の技術分野
本発明は、熱または電気制御用の、特に、宇宙応用での熱制御用の構造に関する。

発明の背景
多くの素子では、相当量の熱が生じ、素子用の所望の作動温度を維持するために、活発な熱制御の必要性がある。一般的な解決策は、電気機械ファンまたは通風装置を使用することによって過度の熱を移動するために大気中の空気を使用することである。これは有効であるが、時々騒々しい解決策であり、熱ラジエタに対する幾度にも渡るパッシブまたはアクティブ熱導体を介しての熱伝導が好ましい解決策である。特に、真空中で作動する宇宙応用において、宇宙への熱の直接放射が不可能なら、これは、唯一の解決策である。

例えば、高い内部電流密度を有する小さいが非常に効率的な宇宙船の開発において、熱制御は、関心事である成長分野になっている。小さな宇宙船の低熱量は、アクティブな場合、過度の熱を放射させることを必要とするが、他方、許容範囲の水準で内部温度を維持するためにパッシブの場合、宇宙船の内部は、外部ラジエタ表面から熱的に分離されなければならない。アクティブおよびパッシブモードが日食（地球影）に入った、または出た状態で同期される場合、問題はさらに悪化する。その問題を解決するために、熱流束調整能力を有するアクティブ熱制御システムを使用しなければならない。

そのような熱流束調整は、多くの設計原理に基づくことができる。液体は、源からラジエタまで熱を運ぶシステムのまわりで汲むことができる。パッシブ熱パイプ（極めて良好な熱導体）またはアクティブ熱パイプでは、熱を移動するためにチューブで液体を気相で使用する。そのような熱パイプ中の熱移動能力は、通常、熱側の温度と直接関係がある。可変アクティブ熱パイプによっては、熱移動能力は、液体の煮沸率を制御することにより制御することができる。他の代案は、機械システムであり、機械スイッチは、非常に良好な熱の導体、つまり、パッシブ熱パイプと一緒に使用される。機械スイッチは、オフモードで非常に低い熱伝導率でギャップを生成する。

熱流束調整は、すべての熱制御システムのために重要なパラメータである。特に、現代の分布機能性を有する小さな宇宙船において、機械システムは、熱スイッチが高い調整能力を有し、コンパクトで、低い量であるならば、その単純性により最も好ましい可能性がある。

高熱伝導率のために設計されたスイッチは、導電体のように当然、特に有用である可能性がある。高い電気伝導率のために最適化された場合、そのようなスイッチは、高電流電気スイッチとして使用されることができる。

しかし、一般に、先行技術による機械スイッチは、特にそれらの物理的なサイズに関して、かなり低い熱流束調整能力や電流スイッチング能力を有する。特に、宇宙船や他のシステムの他の部品が、例えば、ミクロシステム技術（ＭＳＴ）や微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）を使用して小型化されるという傾向であるので、従来の機械スイッチは、あまりに大きく非能率的になり、またそのような小型システムで容易に実行することができない。

発明の概要
先行技術は、明らかに、スイッチの物理的大きさと比較して、高スイッチング能力を有する熱制御高伝導性スイッチを提供することができない。

本発明の目的は、先行技術の欠点を克服することである。これは、請求項１で定義するような装置によって達成される。

本発明による高伝導性スイッチは、第１の壁および第２の壁を有する密封空洞を含み、ここで、少なくとも第２の壁は、膜アセンブリである。第２の壁は、受構造に対してギャップをもって配置されるようになされている。温度とともに体積を変化するようになされた熱アクチュエータ材料は、空洞の一部を満たす。導体材料は、空洞の他の部分を満たす。導体材料は、第１の壁と第２の壁との間で高伝導性トランスファ構造を付与する。熱アクチュエータ材料は、温度によって誘発された体積変化の際に、第２の壁を移動させるように配置され、その結果、受構造に対するギャップを埋めて、第１の壁から受構造に高伝導性接触をもたらすことができる。

空洞は、接合されたウェハ、好ましくはシリコンウェハ内に形成されてもよいが、金属板、セラミック、ポリマーまたはガラスは、他のウェハ材料の例である。

温度によって誘発された体積変化は、アクチュエータ材料の相変化によって、典型的に液体状態から固体状態に少なくとも部分的に引き起こされ、所定の温度または温度間隔で生じてもよい。パラフィンは、そのような特性を有する好ましいアクチュエータ材料である。

可撓性伝熱構造を付与するために、導体材料は、少なくとも、アクチュエータ材料の相変化温度で液相状態であってもよい。金属または金属合金を使用してもよく、金属または金属合金は、特有の濡れ特性を有するコーティングおよび／または少なくともウェハ上から突出するエンクロージャポストを使用することにより、空洞内の中央位置に保持されている。

高伝導性スイッチの伝導特性は、高い電気または熱伝導率を有する導体材料を選択することにより、熱または電気制御のために最適化することができる。高い電気伝導率を有する本発明によるスイッチは、ウェハ中に組み込まれた電気フィードスルーを備えていてもよい。

本発明によって、高い熱および電気伝導率に関して、改善されたオン／オフ調整を有する小型機械スイッチを提供することが可能である。

本発明によるスイッチの１つの利点は、スイッチが、熱源によって生じた熱によって自動的で可逆的に始動するように配置されることができるということである。

本発明の実施の形態は、従属クレームに定義されている。本発明の他の目的、利点および新しい特徴は、添付の図面および請求の範囲と共に検討すると、本発明の以下の詳細な説明から明らかとなる。

以下に、本発明の好ましい実施の形態を、添付図面を参照して説明する。

実施の形態の詳細な説明
本発明による高伝導性スイッチは、特に宇宙応用において、熱および電気制御、並びに異なる小型システムの実施のために新しい可能性を開く。

アクティブ熱制御システムは、図１に概略的に示されている。過度の量の熱が、任意の装置１００、つまり熱源に生じると、過熱しないようにするために、装置１００から熱をいくらか放出することが必要である。これは、熱ヒートシンク１０４に対して１つまたは２つの熱導体１０３を介してなされ、熱ヒートシンクは、ラジエタまたは潜熱蓄熱装置とすることができる。２つの熱導体１０３は、熱スイッチ１０１でエアギャップ１０２によって順に分離されている。ある所定温度で、スイッチ１０１は、熱源１００からヒートシンク１０４に高い熱流束が流れることを可能にするエアギャップ１０２を閉じる。熱スイッチ１０１の望ましい特徴は、できるだけ高温調整を有することであり、つまり、オフ状態およびオン状態における熱伝導率の比率をできるだけ高くするべきである。

本発明による高伝導性スイッチは、ＭＥＭＳ／ＭＳＴに基づき、小さな大きさおよび質量が望ましい特徴である用途のために主に意図され、オン状態で卓越した高い熱伝導率を付与する。スイッチ１０１の完全な厚みは、断面積が熱導体１０３の大きさ、つまり、数ｍｍ^２から数ｃｍ^２と一致した状態で、１ｍｍ未満とすることができる。

本発明の１つの実施の形態は、図２に示すように、ともに接合された少なくとも２つの水平ウェハ２０１、２０２を含む。密封空洞２１３は、２つのウェハ２０１、２０２間に形成され、ここで、下部ウェハ２０１は、下部の第１の壁２０３を付与し、上部ウェハ２０２は、空洞２１３の上部の第２の壁２０４を付与する。空洞２１３は、熱アクチュエータ材料２１５と伝熱構造２１６の両方で満たされ、伝熱構造２１６は、下部壁２０３と、上部壁２０４との間で中心接続をする導体材料を含む。上部壁２０４は、空洞２１３上に薄い（および波形）膜２０７および固定中心部２０６を含む膜アセンブリ２０５として形成される。伝熱構造２１６の目的は、ウェハ２０２の膜２０５の中心部２０６と、入力熱流束２２０の主要部がシステムに入るウェハ２０１の壁２０４との間で非常に良好な熱接触を確保する。横熱流束２２２もあるが、薄い（および波形）膜２０７は、質の悪い熱導体であるので、ほとんどの熱流束は、ウェハ２０１、さらに伝熱構造２１６内に入る。アクチュエータ材料２１５を始動する場合、伝熱構造２１６は、中心膜２０６と下部壁２０３との間の距離が変化するので柔軟でなければならない。所定の温度または温度間隔での相変化、例えば、固体状態から液体状態へ変化を経るアクチュエータ材料２１５を利用することが好ましい。ますます多くのアクチュエータ材料２１５が相変化を経るので、ギャップ２０９が閉じられ、受構造２１０またはピックアップ構造内での熱導体との良好な熱接触が確立されて、熱流束２２０がヒートシンク１０４の方へ流れることを可能にするまで、可撓性膜２０５の中心部２０６は上方へ移動することとなる。温度が下がっていく場合、アクチュエータ材料２１５は、結果として体積を減少しながら凝固し、ヒートシンク１０４への熱接触は遮断される。

シリコンは、ＭＳＴ／ＭＥＭＳ分野で最も一般的な材料であるので、ウェハ２０１、２０２材料は、シリコンである可能性が最も高い。しかし、それは、例えば、金属板、ミクロマシナブルガラス、ポリマー、セラミック材料とすることができる。良好な電気絶縁が主な懸案事項である電気スイッチとしての応用について、絶縁体材料が特に考えられている。電気スイッチの実施の形態は、本明細書で後に示される。ウェハを形成するための適切な方法は、エッチング、射出成形、放電加工（ＥＤＭ）、圧延、レーザアブレーション、パンチなどであるが、それらに限定されない。ウェハは、ともに接合される。ここで、接合は、使用材料に適切な方法でウェハを接合することを意味する一般的な方法で解釈されるべきである。接合としては、接着剤、溶接、ハンダ、クランプを使用する融着、陽極接合が挙げられるが、それらに限定されない。説明するように、熱アクチュエータ材料２１５は、そのような材料の魅力的特性により、相変化材料であってもよい。特に、パラフ
ィンまたはパラフィン状の材料は、スイッチをある過温度で始動しなければならない場合に使用することができる。パラフィン材料は、固体から液体への変化において１０〜２０％程度膨張し、融点温度は、マイナス数十℃〜プラス数百℃から選択することができる。パラフィンの組成およびパラフィン中の炭化水素鎖の長さに依存して、非常に限定されまたはより広い温度間隔にわたって溶融が生じる。他方、温度が下がっていく場合、スイッチを始動しなければならないなら、反対の特性を有する材料を使用することができる。水が液体から固体（水から氷）までの変化において約１０％膨張するので、水は、良好な例である。パラフィンの、アクチュエータ材料および薄い可撓性膜としての主な欠点は、パラフィンを介した熱伝導率がかなり悪く、また必ずしもではないが、薄い膜を介してもかなり悪い。液体導体材料の熱の逃げ道、つまり、伝熱構造を包含することによって、伝導性は劇的に改善される。これは、はるかに高い熱伝導率の調整をもたらす。相変化材料の代替案は、同じ相内で材料の熱膨張を使用することであり、ここで、熱アクチュエータ材料の膨張により、可撓性膜が、ある温度でギャップを埋めるように、スイッチが設計されている。

伝熱構造２１６中の導体材料は、低融点金属や金属合金であってもよい。金属または金属合金用の融点温度は、アクチュエータ材料２１５用の相変化温度より低い。伝熱構造２１６中の一方の導体材料は、オフ状態において固体であり、次いで、オン状態で溶解し、また導体材料２１６は終始液体である。

本発明の他の実施の形態を図３に示す。ミクロ加工された２つのシリコンウェハ２０１、２０２は、可撓性膜２０５で密封空洞２１３を形成してともに接合され、膜２０５は、上部ウェハ２０２内に固定中心部２０６および同心の薄い波形部２０７を含む。可撓性膜２０５の中心部２０６から突出する多くのエンクロージャポスト２０８は、低融点金属や金属合金２１６を囲むおおよそオープンケージを形成する。液体金属２１６は、２つの要因により適所に維持される。まず、ポスト２０８の内部のウェハ２０１、２０２表面は、液体金属２１６に対して良好な濡れ性を有するコーティング２０９、例えば、金属または金属合金で被覆される。次に、液体金属２１６は、アクチュエータ材料２１５と混合せず、またノンコートのウェハ材料に対して濡れるので、周囲ポスト２０８を通過しない。ウェハ２０１の断面Ａ−Ａの図を図４に付与し、８つのポスト２０８を示し、ポストは、円筒状空洞２１３内でアクチュエータ材料２１５によって囲まれるポスト２０８内で液体金属２１６を維持するために配置されている。アクチュエータ材料２１５と液体金属２１６との間の界面は、ポスト２０８間に位置し、アクチュエータ材料２１５が膨張して、空洞２１３の圧力を増加させる場合、界面境界２１７は、中心の方に押される。ポスト２０８の数は、内部直径２２３および外部直径２２４と同様に、各設計の場合のために最適化することができる。小さなスイッチについて、ポスト２０８を完全に省略することができる可能性が高い。

本発明によるスイッチが配置されて、装置１００によって生じた熱によって自動的で可逆的に始動する。１つの実施の形態では、アクチュエータ材料２１５内、またはアクチュエータ材料２１５と熱接触する電気ヒータ（図示せず）は、スイッチ機能の電気制御が熱始動前に好ましいなら、アクチュエータ材料２１５を加熱し始動するために使用することができる。

本発明の他の実施の形態では、単一の中心伝熱構造２１６は、分布された伝熱構造、つまり、より小さな直径を有する伝熱構造材料のいくつかのカラムと取り替えられ、各々は、アクチュエータ材料２１５によって囲まれる。従って、断面積はより小さくなるが、アクチュエータ材料２１５のより大部分は、伝熱材料２１６に密接に接触しているので、アクチュエータ材料２１５に対する熱分布は異なる。

２つの接合されたミクロ加工されたシリコンウェハ２０１、２０２を含む本発明の１つの実施の形態では、伝熱構造２１６は、膜２０５と完全に接触していない。包囲アクチュエータ材料２１５の薄い層は、膜２０５と伝熱構造２１６との間に存在する。エンクロージャポスト２０８は、下部ウェハ２０１から突出し、ポスト２０８によって画成された領域のウェハ２０１上のコーティング２０９は、適所で導体材料２１６を保持する。

図５ａ、５ｂ、５ｃは、３つの作動モード用スイッチの内の条件を説明する：図５ａの低温モード、図５ｂの熱接触モーメント、図５ｃの過温度モード。図５ａを参照すると、膜２０５は、低温でほぼ水平であり、受構造２１０と膜中心部２０６との間のギャップ１０２が、その最大にある。伝熱構造２１６は固体であり、界面表面２１７のわずかの凸面輪郭で膨れている。アクチュエータ材料２１５も固相である。図５ｂを参照すると、熱流束が、第１の壁２０３内の素子中に流れ込んでいる場合、以下のことが生じる。まず、ある温度でまたは限定された温度間隔内で温度が上昇する場合、伝熱材料２１６ｂは溶解する。次に、より高温度で、アクチュエータ材料２１５の相変化がスタートし、それによって、伝熱構造２１６ｂが一緒に強く押され、膜２０５は上げられ、ギャップ１０２は減少する。熱接触の瞬間に、絶縁ギャップ１０２は閉じられ、熱接触２１２が膜の固定部２０６と受構造２１０との間に形成される。この瞬間に、固体アクチュエータ材料２１５および液体アクチュエータ材料２１５ｂの固化前面２１８は、ほとんど膜２０５に達し、固体アクチュエータ材料２１５の一部のみが残る。膜２０５は、わずかにそらされる。

図５ｃを参照すると、温度が上昇し続ける場合、スイッチは、過温度モードに入っている。最後に、アクチュエータ材料２１５ｂはすべて溶解した。熱接触上の受構造２１０は、膜２０５の中心部２０６がさらに上方へ移動することを防ぐので、液体伝熱構造２１６ｂは、まだ図５ｂとほぼ同じ形状を有する。図５ｂのアクチュエータ材料２１５の残存部の相変化によって引き起こされたさらなる体積は、膜２０７の薄い部分のたわみの増加を生成する。

本発明によるスイッチの設計は、スイッチの可逆的で安定な作動を促進するためになされる。これは、熱流量が、おおよそ横に対称的な対称構造を使用することにより、および膜が元の状態に膜を戻すために作用するスプリング力を付与するということにより単純化される。後者は、相変化材料の固化時の空洞内の圧力低下およびアクチュエータ材料と導体材料との界面における面力と結合して、適切な設計で、図５ａ〜ｃに記載された条件を維持する。

１つの実施の形態では、スイッチは、通常閉じられるように、つまり、第２の壁２０４が、上記された低温モードと類似して受構造２１０に接して設計することができる。アクチュエータ材料２１５が、温度変化の際に膨張する、例えば、パラフィンが温度増加により相を変化する場合、第２の壁２０４は、受構造２１０との接触を解き、高伝導性接触が解かれ、低い伝導性を有するギャップ１０２の幅が増加する。

スイッチ装置１０１は、より大きなミクロシステムの組み込み部とすることができ、また本発明の他の実施の形態でのようにフリースタンディング素子として使用することができ、それは、図６に示されている。スイッチ１０１は、支援構造１０６に埋め込まれている。熱導体１０３も、支援構造１０６内に固定されている。小さなギャップ１０２は、熱導体１０３の１つと熱スイッチ１０１の膜２０５との間に残されている。スイッチ１０１を始動すると、ギャップ１０２は閉じられ、熱流束または電流が、入力２２０から出力２２１に流れることができる。熱スイッチ１０１を電気スイッチ１０１として使用しなければならない場合、２つの条件を満足しなければならない。支援構造１０６またはその一部は、入力導体１０３と出力導体１０３との間に電気絶縁をもたらさなければならない。スイッチ１０１の内部で、外部から空洞内部の金属伝熱構造への電気フィードスルー接触を
もたらさなければならない。

この設計の電気スイッチは、従来の電磁継電器と比較していくつかの利点を有する。トランスファ構造、油圧動作および高接触圧力の大きな断面積は、スイッチに非常に高い電流能力対大きさを付与する。スイッチを囲む体積１０７が、変圧器油などの分離液体で満たされるなら、高電圧のオンオフを切り換えることができる。

電気スイッチ機能について、外部から伝熱構造までの気密な電気接触が必要である。それは、多くの方法で解決することができ、２つの可能性を図７ａ、ｂに示す。外部金属層３０４と内部金属層３０３との間の多数のめっき穴３０１が図７ａで使用されている。内部層３０３は、伝熱構造２１６に対してハンダ界面３０２を有する。

図７ｂは、接触するより直接的方法を説明する。固体金属プラグ３０５が下部ウェハ２０１に挿入されている。高温ハンダ３０６を使用して、プラグ３０５を密封する。さらに、プラグ３０５と伝熱構造２１６との間で低温ハンダ３０２を使用する。プラグ３０５は、ねじ、ハンダ、溶接など、および任意の適切な形状などの外部導電体に対する任意の界面３０７、およびギャップに露出された表面上に良好な電気接触をもたらすための表面コーティングを有することができる。

本発明は、現在、最も実用的で好ましい実施の形態であると考えられるものに関して記載されているとともに、本発明は、開示された実施の形態に限定されず、それどころか添付の請求の範囲内で種々の修正および等価な配置を保護するよう意図されることが理解される。

一般的な機械熱制御システムの概略説明図である。 本発明によるスイッチの断面図である。 エンクロージャポストを含む本発明によるスイッチの断面図である。 スイッチ中の伝熱構造の包囲を説明する図３のスイッチの平面図である。 低温オフモードでのスイッチの断面図である。 熱接触の瞬間のスイッチの断面図である。 過温度モードでのスイッチの断面図である。 ２つの熱導体間のフリースタンディング常時オフ熱スイッチにおける本発明の実施の断面図である。 多数の貫通めっきビアホールを有する電気高出力スイッチの断面図である。 ねじ付属器を有する固体金属プラグを有する電気高出力スイッチの断面図である。

Claims (15)

1. 第１の下部壁（２０３）と第２の上部壁（２０４）とを有し、少なくとも前記第２の上部壁（２０４）は、膜アセンブリ（２０５）であり、前記第２の上部壁（２０４）は、受構造（２１０）に対してギャップ（１０２）をもって配置されるようになされた密封空洞（２１３）と、
   前記空洞（２１３）の一部を満たし、温度とともに体積を変化するようになされた熱アクチュエータ材料（２１５）と、
   前記空洞（２１３）の一部を満たし、前記第１の下部壁（２０３）と、前記第２の上部壁（２０４）との間に高伝導性接触をもたらす伝熱構造（２１６）を形成する導体材料と、を含み、
   温度によって誘発された体積変化が、前記アクチュエータ材料（２１５）の相変化によって少なくとも部分的に引き起こされ、前記相変化は、所定の温度または温度間隔で生じ、
   前記伝熱構造（２１６）の前記導体材料は、少なくとも、前記アクチュエータ材料（２１５）の相変化温度で液相状態であり、
   前記熱アクチュエータ材料（２１５）は、温度によって誘発された体積変化時に、前記第２の上部壁（２０４）を移動させ、その結果、前記受構造（２１０）に対する前記ギャップ（１０２）は埋められることが可能であることを特徴とする、高伝導性スイッチ。
2. 前記空洞（２１３）は、少なくとも２つの接合されたウェハ（２０１、２０２）のスタック内に形成されている、請求項１に記載の高伝導性スイッチ。
3. 前記ウェハ（２０１、２０２）は、半導体材料、シリコン、セラミック、金属、金属合金、ガラスまたはポリマーの１つまたは組み合わせからなる、請求項２に記載の高伝導性スイッチ。
4. 前記ウェハ（２０１、２０２）は、エッチング、射出成形、放電加工、圧延、レーザアブレーション、パンチの１つまたは組み合わせを使用して形成されている、請求項２または３に記載の高伝導性スイッチ。
5. 前記アクチュエータ材料（２１５）はパラフィンである、請求項１〜４のいずれかに記載の高伝導性スイッチ。
6. 前記伝熱構造（２１６）の前記導体材料は、金属または金属合金である、請求項１に記載の高伝導性スイッチ。
7. 前記壁（２０３、２０４）の少なくとも１つの一部を被覆するコーティング（２０９）を含み、
   前記導体材料は、前記コーティング（２０９）上で前記アクチュエータ材料（２１５）より小さなぬれ角を有する、請求項１〜６のうちのいずれかに記載の高伝導性スイッチ。
8. 前記壁（２０３、２０４）の少なくとも１つから突出するポスト（２０８）を含み、前記ポスト（２０８）は、外側では前記導体材料を前記アクチュエータ材料（２１５）で囲む、請求項１〜７のうちのいずれかに記載の高伝導性スイッチ。
9. 前記導体材料は高い熱伝導率を有する、請求項１〜８のうちのいずれかに記載の高伝導性スイッチ。
10. 前記導体材料は高い電気伝導率を有する、請求項１〜９のうちのいずれかに記載の高伝導性スイッチ。
11. 前記壁（２０３、２０４）の少なくとも１つは、高伝導性を有する、請求項９または１０に記載の高伝導性スイッチ。
12. 加熱素子が、前記空洞（２１３）に組み込まれている、請求項１に記載の高伝導性スイッチ。
13. 前記ギャップ（１０２）および前記スイッチを囲む体積（１０７）は、液体誘電体で満たされている、請求項１０または１１に記載の高伝導性スイッチ。
14. 前記アクチュエータ材料（２１５）は、温度の上昇による固体から液体への変化において膨張する、請求項１に記載の高伝導性スイッチ。
15. 前記アクチュエータ材料（２１５）は、温度の低下による液体から固体への変化において膨張する、請求項１に記載の高伝導性スイッチ。

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