JPH09161640A - ラッチ(latching)型熱駆動マイクロリレー素子 - Google Patents
ラッチ(latching)型熱駆動マイクロリレー素子Info
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Abstract
クローリレー素子を提供する。 【解決手段】 所定の体積を持ち、その内部の空気を加
熱するヒータ12が設置されている能動貯蔵庫10と、
能動貯蔵庫10と所定の間隔に離隔されてその内部にヒ
ータ42が設置されている、同一な体積を持つ受動貯蔵
庫40と、能動貯蔵庫10と受動貯蔵庫40の間の空間
に延長されて液体金属50の移動路としての役割を果す
チャンネル20と、互いに離隔されてチャンネル20の
所定の領域で各々チャンネルの内部に一端が挿入され外
部に伸びる第1信号電極30と、第1信号電極30と一
定の間隔に離隔されて同一な形状で形成された第2信号
電極32と、チャンネルの内部に実装されて第1信号電
極30と第2信号電極32の接点としての役割を果す液
体金属50と、半導体基板100の上、下側面に接合さ
れた上、下部ガラス基板120,130を含む。
Description
ing)型熱駆動マイクロリレー素子に関するもので、
より詳しくは他の電子部品との集積化が可能になるよう
に超小型化して製作の可能なラッチ型熱駆動マイクロリ
レーおよびその製造方法に関するものである。
(relay)は電子力あるいは圧力等の手段によって
二つの接点の間に伝導体を連結させ一側接点より他側接
点に電気信号を伝達する電気部品の中の一つである。
機、交通信号制御システム等広い応用分野で電流の開、
閉を担当するスイッチ素子として使用されているが、大
きさが大きくて、高価であり、リレーアレイ構成が不可
能だけでなく他の電子部品との集積化が難しいので利用
に不便があった。
いるリレーは主に駆動コイルとこの駆動コイルに印加さ
れる電圧によって発生する電子力でスイッチをオン/オ
フさせる方式が利用された。
達につれて電子部品の小型化が進むようになり、これら
の電子部品と同一な回路基板上にリレーを設置して回路
を構成しなければならない必要性が増大している。
ると同時に半導体基板上に集積させることができるマイ
クロリレーの開発が進行されてきた。
が数mm以下で小型であり、他の電子部品とともに集積
化が可能でなければならない。
工程技術を使用して微細な構造を持つ形状で製造が可能
なリレーが開発されなければならない。
ヨーロッパの特許EP−573267号は磁気(mag
netic)駆動方式を使用し、信号電極部分に金属を
使用するため接触抵抗を1Ω以下にすることができず、
リレーアレイ構造が複雑であるという短所をもってい
る。
ransducers)に発表されたジェイ.ドレイク
(J.Drake)の停電力駆動マイクロリレーは駆動
電圧が50V以上、接触抵抗2Ωで実用化に問題点をも
っている。
解決するための本発明の目的は、液体金属接点で1Ω以
下の接触抵抗を保持しながら半導体工程技術とシリコン
ウェハーの表面(surface)およびバルク マイ
クロマシニング(micromachining)を利
用した湿式食刻方法で集積化が可能な超小型のマイクロ
リレーを提供することにある。
めの本発明は、半導体基板のバルク内に所定の体積を持
ち、その内部の空気を加熱するヒータ12が設置されて
いる能動貯蔵庫と、上記の能動貯蔵庫と所定の間隔に離
隔され、その内部にヒータが設置された、同一の体積を
持つ受動貯蔵庫と、上記の能動貯蔵庫と受動貯蔵庫の間
の空間に延長され、接点金属である液体金属50の移動
路としての役割を果すチャンネルと、互いに離隔されて
上記のチャンネルの所定の領域から各々チャンネルの内
部に一端が挿入され外部へ伸びる第1信号電極と、上記
の第1信号電極と一定の間隔に離隔されて同一な形状で
形成されている第2信号電極と、上記のチャンネルの内
部に実装されて第1信号電極と第2信号電極の接点とし
ての役割を果す液体金属と、半導体基板の上、下側面に
接合されている上、下部ガラス基板とを含むことを特徴
とする。
本発明の実施の形態を詳しく説明する。
の平面構造を概略的に図示した平面図であり、図2は本
発明のラッチ型熱駆動マイクロリレー素子の平面レイア
ウトである。
よる熱駆動マイクロリレーは所定の体積を持つ能動貯蔵
庫10と、この能動貯蔵庫10と所定の間隔に離隔され
て同一な体積を持つ受動貯蔵庫40が形成されている。
能動貯蔵庫10と受動貯蔵庫40の間に所定の直径を持
つ流通路としてチャンネル20が形成されている。この
チャンネル20の中間部に上記のチャンネルより小さい
直径を持つマイクロチャンネル領域21が形成されてい
る。チャンネル20の内部に液体金属50が実装されて
いる。
レーの動作原理は、リレーの能動貯蔵庫(active
reservoir)10の圧力が上昇してチャンネ
ル内部に実装されているリレーの電極接点用で使用され
る液体金属50が受動貯蔵庫(passive res
ervoir)40側に移動し、受動貯蔵庫40の圧力
が上昇すると液体金属が能動貯蔵庫10側の元の位置に
引き返すようになる。
ャンネル領域21で液体金属50の形状は液体金属50
の表面張力とシリコンとの親和力によって決定され、こ
の液体金属を駆動するのに必要な圧力はチャンネル20
に液体金属を注入するための圧力と貯蔵庫とマイクロチ
ャンネル領域21の体積比に対する圧力の合計で表わさ
れる。
0を駆動するための圧力Pは次の数式に表現される。
0を駆動するために必要な圧力、γ1は表面張力(su
rface tension)、Dはチャンネル直径、
θcは液体金属の接触角(contact angl
e)である。
属50滴が距離xほど移動すると、能動貯蔵庫10の圧
力および体積が変動し、液体金属50が動くことが可能
な距離が制限される。
1(x=0))からPa,Va(x=x)に、受動貯蔵
庫40の圧力、体積がP0,V0(x=0)から、Pp,
Vp(x=x)に変ったと仮定し、この時の大気圧はP0
とし、体積比に対する圧力に対して数式に表現すると次
のようである。
cxに仮定した。Acはマイクロリレー素子のマイクロチ
ャンネル領域21部分の断面積である。
50を駆動するための圧力は数式(1),(6)の合計
である(7)式のP2に表われる。
とシャルル(Charles′s)の法則によりPV/
T=一定であるため、圧力変化に必要な温度差を数式で
表現すると次のようである。
ようになり、これによって液体金属50をリレー素子の
チャンネル20内で移動させ、電気的な信号を導通およ
び遮断できるリレー素子の動作特性が得られる。
素子を平面上に表した詳細図である。
クロリレー素子の詳細な構成を説明する。
導体基板100の所定の領域に一定の体積を持ち、それ
の底面にヒータ12がカンチレバー形状で設置されてい
る。このヒータ12の通過ラインの下部に一方向へ一列
に各々断続して進行するヒータ支持台14が設置されて
いる能動貯蔵庫10と、上記の能動貯蔵庫10と所定の
間隔に隔離されてヒータ42とヒータ支持台44が能動
貯蔵庫10と同一な形状で設置されている受動貯蔵庫4
0が形成されている。能動貯蔵庫10と受動貯蔵庫40
の間に流通路としてチャンネル20が形成されている。
このチャンネル20の全体構成は、次のごとくである。
すなわち、そのチャンネル20より小さい直径を持つマ
イクロチャンネル21が中間領域に形成されている。能
動貯蔵庫10とマイクロチャンネル領域21の間に第1
チャンネル領域22が設置されている。受動貯蔵庫40
とマイクロチャンネル領域21の間に第2チャンネル領
域23が形成されている。第1チャンネル領域22は、
能動貯蔵庫10側において、二つの狭いチャンネルで形
成され、この二つの狭いチャンネルが一つの狭いチャン
ネルに延長される形態で第1の狭いチャンネル領域24
と接続されている。第2チャンネル領域23は、受動貯
蔵庫40側において、二つの狭いチャンネルで形成さ
れ、この二つの狭いチャンネルが一つの狭いチャンネル
に延長される形態を持つ第2の狭いチャンネル領域25
を含んでいる。
域22で各々の内部から外部に進行する信号電極として
二つの電極に分れている第1信号電極31,32と第2
チャンネル23に第1信号電極31,32と同一な形状
を持つ二つの電極になった第2信号電極34,35が形
成されている。
金属として液体金属50が実装されている構成を持つ。
クロリレーの断面図を図示する。
イクロリレーの断面構造を説明する。
定の面積と深さを持つ能動貯蔵庫10が配置されてい
る。その内部の底面には内部の空気を加熱させるための
ヒータ12がヒータ支持台14の上を通過して設置され
ている。
れ、同一な形状を持つヒータ42とヒータ支持台44が
設置されている受動貯蔵庫40が設置されている。
図3で点線に表した部分20Lまで溝でチャンネル20
(図示せず)が形成されている。
進行方向で所定の間隔に離隔され、各々同一方向に対向
する第1信号電極31,32と第2信号電極34,35
が設置されている。
2信号電極34,35と半導体基板100の間は絶縁の
ために酸化膜112,114が形成されている。
0、受動貯蔵庫40およびチャンネル20を上部より密
閉させるための上部ガラス基板120が合着されてい
る。半導体基板100の下部面よりチャンネル20に貫
通する第1穴116と第2穴118を密閉させるための
下部ガラス基板130が設置されている。上記第1,2
穴116,118を除外した半導体基板100の下部に
は酸化膜106と窒化膜108でできた絶縁膜が形成さ
れている。
部に形成されている第1の狭いチャンネル領域24と第
2狭いチャンネル領域25はマイクロリレーの駆動時、
能動貯蔵庫10と受動貯蔵庫40から発生する圧力によ
り液体金属50が第1チャンネル領域22、マイクロチ
ャンネル領域21および第2チャンネル領域23の範囲
をはずれないようにする役割を果す。
2チャンネル領域23の間に形成されているマイクロチ
ャンネル領域21は能動貯蔵庫10と受動貯蔵庫40か
ら発生する圧力によって液体金属50が第1チャンネル
領域22と第2チャンネル領域23に移動された後、上
記のチャンネル領域を離脱しないようにする役割を果
す。
チャンネル領域22と第2チャンネル領域23より狭い
幅を持つマイクロチャンネル領域21、このマイクロチ
ャンネル領域21より狭い幅を持つ第1の狭いチャンネ
ル24と第2の狭いチャンネル25により構成されたチ
ャンネル20は、液体金属50が動いた後、逆方向に引
き返すことを防止するラッチ作用とヒータ12,42に
印加される電圧変動幅の範囲を大きくする作用を果たす
ように形成されている。
ない酸化膜を使用し、ヒータ支持台14,44の配置は
ヒータ12,42に電圧が印加されて熱膨脹が生じる場
合を考慮してカンチレバー(cantilever)形
態に製作されている。
レーの第1チャンネル領域22に注入するためのもので
あり、第2穴118は液体金属50に注入時、逆方向の
圧力発生による注入圧力の上昇を防ぐために形成されて
いる。
積比を大きくするために下部部分が広く上部に行くにつ
れて狭い直径を持つように形成されている。
庫40から発生する圧力がチャンネル20の液体金属5
0に加わる時、空気圧力の加圧方向に対して反対に作用
する圧力の効果を最小化するため、第1,2穴116,
118と貯蔵庫10,40の体積比を30:1になるよ
うに形成した。
壁部分は上部部分が広くて、下部部分が狭い傾斜型構造
に形成された。これは、ヒータ12,42によって加熱
された空気が効果的にチャンネル20に伝達できるよう
にするためである。
第2信号電極34,35はマイクロメータ単位厚さのT
iW,Au,Cu,Ni等で形成され、ヒータ12,4
2の材料としてはプラチナ(Pt)、ポリシリコン、ニ
ッケル等で製作される。
は、受動貯蔵庫40のヒータ42に電源が印加されず能
動貯蔵庫10のヒータ12に電源が印加される場合、能
動貯蔵庫10内部の空気が加熱されることによって内部
圧力が上昇する。
用される水銀、ガリウム等の液体金属50の表面張力
(surface tension)である上記の式
(1)の力(圧力)より強くなった時、上記の液体金属
50が右側に移動して第2信号電極34,35の両端に
接触することによって第2信号電極34,35が伝導
(ON)状態になる。
に電源が印加されず受動貯蔵庫40のヒータ42に電源
が印加される場合、受動貯蔵庫40の内部圧力が上昇し
て第2チャンネル領域23にある液体金属50が第1チ
ャンネル領域22に移動する。これによって第2信号電
極34,35を通じて一側に流れる電流が遮断され、第
1信号電極31,32が伝導状態になる。
貯蔵庫10と受動貯蔵庫40の各ヒータ12,42に電
源を選択的に印加できるようにすることによって各々二
つの電極で構成された第1信号電極31,32と第2信
号電極34,35で構成される電源ラインを流れる電流
をオン/オフさせることができる。
をオンさせて、他側の電源ラインはオフさせるために能
動貯蔵庫10と受動貯蔵庫40のヒータ12,42に印
加される電源は所定の時間、たとえば、液体金属50を
第1チャンネル領域10より第2チャンネル領域40
に、あるいはその反対に移動させるのに必要な時間の間
だけ印加することもできる。
の変形例を図示した平面図である。
駆動マイクロリレー素子は図2および図3に図示したリ
レー素子と狭いチャンネル領域だけが異なるだけで他の
構成部分は同一である。
実施の形態での第1の狭いチャンネル領域24と第2の
狭いチャンネル領域25が、能動貯蔵庫10と受動貯蔵
庫40から各々第1チャンネル領域22と第2チャンネ
ル領域23に延長されている第1の狭いチャンネル領域
28と第2の狭いチャンネル領域29が一つの流通路形
状に置き換わっている。
面構造を持つラッチ型マイクロリレー素子の製造工程を
図5ないし図11を参照して説明すると次のようであ
る。
あるいは〔110〕の結晶方向を持つ半導体基板100
の前面と後面に写真食刻工程時、パターンニングされて
食刻遮蔽マスクとして使用される絶縁膜で各々1000
Åの厚さを持つ酸化膜102,106と2000Åの厚
さを持つ窒化膜104,108を基板の前面と後面に次
列に形成する。
102と窒化膜106を写真食刻法で半導体基板100
上部面にマイクロリレーの配線領域を形成するための領
域が露出されるように窒化膜104と酸化膜102を除
去して配線領域形成用食刻マスクパターン(図示せず)
を形成する。
蔽膜に利用して露出された半導体基板100を異方性湿
式食刻して図5に示されたように互いに一定の間隔に隔
離されて縦方向に伸びる第1配線領域60aと第2配線
領域60bを形成する。
02を写真食刻法で再パターンニングして能動貯蔵庫領
域、チャンネル領域および受動貯蔵庫領域用の食刻マス
クパターン(図示されない)を形成した後、半導体基板
100の露出された部分を異方性湿式食刻して図5に図
示されたように互いに一定の間隔を保持し、大きい面積
を持つ能動貯蔵庫領域10aと受動貯蔵庫領域40aを
形成すると同時に二つの領域を連結させるチャンネル2
0を互いに一体形の溝で形成する。
分に狭い幅を持つマイクロチャンネル領域22aが形成
されている。能動貯蔵庫領域10aとマイクロチャンネ
ル領域21の間には上記のマイクロチャンネル領域より
狭い幅を持つ第1の狭いチャンネル領域24および第1
チャンネル領域22が形成されている。上記のマイクロ
チャンネル領域21と受動貯蔵庫領域40aの間には第
2チャンネル領域23と第2の狭いチャンネル25が形
成されている構造を持つように形成される。
化膜102と窒化膜104を次例に乾式食刻して除去し
た後、半導体基板100の全面に電極形成用食刻マスク
パターン(図示せず)を形成し、半導体基板100の露
出された部分を乾式食刻して図5と図6に図示されたよ
うに所定の間隔に隔離されて形成されている第1チャン
ネル領域22と第2チャンネル領域23の縦方向へ両側
に各々分離されている第1信号電極領域31a,32a
と第2信号電極領域34a,35aを定義する。
a,32aと第2信号電極領域34a,35aとして食
刻される厚さは能動、受動貯蔵庫領域10a,40aお
よびチャンネル領域20aの食刻深さより浅い深さを持
つように形成される。これは電極として形成される金属
がチャンネル22の中間の深さの範囲に形成されるよう
にするためである。
うに半導体基板100の内部に互いに空間的に連結され
る一定の形状を持つ溝が形成される。
導体基板100の露出された部分である第1配線領域6
0a,60bおよび第2配線領域70a,70b、能動
貯蔵庫領域10a、受動貯蔵庫領域40aおよびチャン
ネル領域20aに各々酸化膜112を形成する。
た形成方法に限定されないし、露出された半導体基板1
00を熱酸化して熱酸化膜を形成したり陽極酸化法等に
よって形成したりすることもできる。
極およびヒータ用金属と配線用金属を半導体基板100
より電気的に絶縁させるために形成される。
庫領域40aに厚いCVD酸化膜114を形成する。こ
れは後続工程で形成されるヒータを貯蔵庫領域10a,
40aの床面より浮遊させる支持台として利用するため
に形成される。
露出された基板の全面に導電性であるプラチナ(P
t)、ポリシリコンおよびニッケルを蒸着した後、これ
をパターンニングして上記の能動貯蔵庫領域10aおよ
び受動貯蔵庫領域40aにカンチレバー形を持つヒータ
12,42を形成すると同時に第1配線領域60aと第
2配線領域70aに第1配線60と第2配線70を形成
する。
領域10a,40aの床面より浮遊させるためにヒータ
12,42ラインが通過する下部の酸化膜114が縦方
向に断続されてヒータの下部に残存するように酸化膜1
14を1次湿式食刻した後、2次に乾式食刻してヒータ
支持台14,44を形成する。これはヒータ12,42
が各々能動貯蔵庫領域10aと受動貯蔵庫領域40bを
底面より浮遊させて電圧印加の時、熱効率を高めるため
である。
食刻する場合、ヒータ用金属が食刻溶液の表面張力によ
って貯蔵庫領域10a,40aの床面に接触するおそれ
があるから湿式食刻と乾式食刻を並行した。
導電性金属であるTiW,Au,CuおよびNi等の金
属を蒸着し、これをパターンニングして第1チャンネル
領域22と第2チャンネル領域23に各々隔離されて縦
方向へ外部に伸びる第1信号電極31,32と第2信号
電極34,35を同時にパターンニングする。
蔽物(図示せず)を形成した後、半導体基板100の下
側面に形成されている酸化膜106と窒化膜108をパ
ターンニングして所定の直径で上記チャンネル領域20
の中、各々第1の狭いチャンネル領域24と第2の狭い
チャンネル25に垂直で対応する領域が露出するように
食刻マスクパターン(残存する酸化膜と窒化膜)を形成
した後、半導体基板100の下側より上側に食刻して第
1の狭いチャンネル24と第2の狭いチャンネル25の
所定の領域に貫通するように異方性乾式食刻して第1穴
116と第2穴118を形成する。
114は下側面が広くて上側面に行くにつれて狭くな
り、第1狭いチャンネル24と第2狭いチャンネル25
面が狭い直径で露出されるように形成する。導電性液体
金属のチャンネル20の注入を容易にするため、このよ
うな傾斜型に形成される。
食刻マスクパターンを除去し、半導体基板100の上部
表面にガラス基板120を陽極(anodic)結合
し、半導体基板100の下側面が上側面になるように裏
返した状態で上記の第1穴116あるいは第2穴118
を通じて導電性金属として水銀あるいはガリウム等の液
体金属50を注入する。
ス基板130を紫外線接着剤で接着してマイクロリレー
素子を製造する。
ロリレー素子は、シリコンウェハーのバルク内にマイク
ロマシニング技術、電気鍍金技術および半導体工程技術
を利用してリレー素子を集積させることができるので、
既存のリレー素子より小型で製作することが可能であ
る。
互換性があるのでリレーアレイ(array)を構成で
きる長所がある。
平面概略図。
平面レイアウト図。
ッチ型熱駆動マイクロリレー素子の断面図。
変形例を表した概略的な平面図。
素子の断面図。
チャンネル形成領域、電極形成領域および配線領域に酸
化膜を形成した状態を表した平面図。
た断面図。
ータ、ヒータ支持台と信号電極を形成して液体金属を注
入した状態を概略的に表した平面図。
よび第1,2穴の形成状態を表した断面図。
と下部面にガラス基板を合着してリレー素子の製作を完
了した状態を表した断面図。
Claims (11)
- 【請求項1】 半導体基板100のバルク内に所定の体
積を持ち、その内部の空気を加熱するヒータ12が設置
されている能動貯蔵庫10と、 上記の能動貯蔵庫10と所定の間隔に離隔されてその内
部にヒータ42が設置されている、同一な体積を持つ受
動貯蔵庫40と、 上記の能動貯蔵庫10と受動貯蔵庫40の間の空間に延
長されて接点金属である液体金属50の移動路としての
役割を果すチャンネル20と、 互いに離隔されて上記のチャンネル20の所定の領域で
各々チャンネルの内部に一端が挿入されて外部に伸びる
第1信号電極31,32と、 上記の第1信号電極31,32と一定の間隔に離隔され
て同一な形状で形成されている第2信号電極34,35
と、 上記のチャンネルの内部に実装されて第1信号電極3
1,32と第2信号電極34,35の接点としての役割
を果たす液体金属50と、 半導体基板100の上、下側面に接合されている上、下
部ガラス基板120,130とを含むことを特徴とする
ラッチ型熱駆動マイクローリレー素子。 - 【請求項2】 第1項において、 上記のヒータ12,42はカンチレバー形態で形成され
たことを特徴とするラッチ型熱駆動マイクローリレー素
子。 - 【請求項3】 第2項において、 上記のヒータ12,42は、各々能動貯蔵庫10と受動
貯蔵庫40の床面に上記のヒータの進行方向に垂直方向
に断続して一列に形成されているヒータ支持台14,4
4の上に支持され、床面より浮遊されていることを特徴
とするラッチ型熱駆動マイクローリレー素子。 - 【請求項4】 第1項において、 上記の液体金属50は水銀あるいはガリウムであること
を特徴とするラッチ型熱駆動マイクローリレー素子。 - 【請求項5】 第1項において、 上記の第1信号電極31,32と第2信号電極34,3
5はTiW,Au,CuおよびNiの中、いずれ一つの
金属であることを特徴とするラッチ型熱駆動マイクロー
リレー素子。 - 【請求項6】 第1項において、 上記のヒータ12,42はプラチナ、ポリシリコンおよ
びニッケルで形成されたことを特徴とするラッチ型熱駆
動マイクローリレー素子。 - 【請求項7】 第1項において、 上記のチャンネル20は、その中間領域にチャンネルの
幅が狭いマイクロチャンネル領域21を有し、上記のマ
イクロチャンネル領域21の両端に上記のマイクロチャ
ンネル領域21より広い幅を持つ第1チャンネル領域2
2と第2チャンネル領域23を有し、上記の第1,2チ
ャンネル領域22,23と貯蔵庫10,40の間に各々
上記のマイクロチャンネル領域21より狭い幅を持つ第
1の狭いチャンネル領域24と第2の狭いチャンネル領
域25を有することを特徴とするラッチ型熱駆動マイク
ローリレー素子。 - 【請求項8】 第7項において、 上記の第1,2の狭いチャンネル24,25は、各々能
動貯蔵庫10と受動貯蔵庫40側に二つの狭いチャンネ
ルで延長される形態を持つことを特徴とするラッチ型熱
駆動マイクローリレー素子。 - 【請求項9】 第1項において、 上記半導体基板100の下側から上側に行くにつれて狭
くなり、 上部が上記能動貯蔵庫10と上記第1信号電極31,3
2間のチャンネル20の領域と、 受動貯蔵庫40と上記第2信号電極34,35間のチャ
ンネル20の領域に各々連通されるように形成されて上
記液体金属50を注入するための注入通路に使用される
第1,第2穴116,118を有して構成されることを
特徴とするラッチ型マイクロリレー素子。 - 【請求項10】 第9項において、 上記第1,2穴116,118と、能動貯蔵用10およ
び受動貯蔵庫40との体積費が30:1であることを特
徴とするラッチ型熱駆動マイクロ素子。 - 【請求項11】 第1項において、 上記の能動貯蔵庫10と受動貯蔵庫40の両端のヒータ
12,14に電源を供給する第1配線60と第2配線7
0が追加で形成されていることを特徴とするラッチ型熱
駆動マイクローリレー素子。
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