JP4042244B2 - 半導体マイクロアクチュエータ及び半導体マイクロバルブ及び半導体マイクロリレー - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、少なくとも２つの部材の熱膨張係数の差を利用して可動エレメントの変位を得る半導体マイクロアクチュエータ及び半導体マイクロバルブ及び半導体マイクロリレーに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
異なった熱膨張係数を有する少なくとも２つの材料を組み合わせ（バイメタル構造）、その部分を加熱し熱膨張係数の差を利用して変位を得る半導体マイクロアクチュエータについては、特表平４−５０６３９２号「半導体マイクロアクチュエータ」、特開平５−１８７５７４号「超小型バルブ」等がある。
【０００３】
特表平４−５０６３９２号に記載されている半導体マイクロアクチュエータは、図１３の上面図、図１４の断面図に示すとおりであり、シリコンのダイアフラム１００の一部にアルミニウム薄膜１０４が形成されたバイメタル構造になっている。シリコンからなるダイアフラム１００中に形成されたヒータ１０１に電流を流すと発熱し、ダイアフラム１００の温度が上昇する。ここで、シリコンとアルミニウムは熱膨張係数が大きく異なるため、熱応力が発生しダイアフラム１００を撓ませ、可動部１０５の変位を生じる機構となっている。また、効率的な変位を得るために、ダイアフラム１００の周辺とシリコン枠１０２の間に二酸化ケイ素薄膜のヒンジ１０３を設け、ダイアフラム１００で発生した熱がシリコン枠１０２に逃げることを防ぐ構造となっている。
【０００４】
しかし、このような構造をもつ半導体マイクロアクチュエータにおいては以下のような問題点がある。まず、二酸化ケイ素薄膜のヒンジ構造の熱絶縁効果について考察する。一般に、高温部分から低温部分へ逃げる熱Ｑは
Ｑ（Ｗ）＝−λ（ｔ２−ｔ１）／δ・Ａ （式Ｚ）
となる。
【０００５】
ここで、Ｑ；熱流（熱移動の速さ）
ｔ２−ｔ１；温度差（℃）
δ；熱源からの距離（ｃｍ）
Ａ；熱流の向きに垂直な断面（ｃｍ２）
λ；熱伝導率（Ｊ／ｃｍ・ｓ・℃）
で与えられる。
【０００６】
そこで、この関係式を用いてダイアフラム１００からシリコン枠１０２へ逃げる熱量を計算する。ダイアフラム１００とシリコン枠１０２の温度差を１５０℃、ヒンジ１０３の横幅を３０μｍ、ダイアフラム１００の直径を２．５ｍｍ、ヒンジ１０３の厚みを２μｍ（「Electrically‐Activated，Micromachined Diaphram Valves」 Technical Digest IEEE Solid−State Sensor and Actuator Workshop，pp65−69，June1990より推定）とすると、熱流の向きに垂直な断面Ａ１は、
Ａ１＝２．５ｍｍ×π×２μｍ＝０．２５ｃｍ×π×２×１０−４ｃｍ＝１．５７×１０−４ｃｍ２
となり、二酸化ケイ素の熱伝導率λ＝０．０８４（Ｗ／ｃｍ℃）であるから、逃げる熱Ｑ１は、
Ｑ１＝０．０８４（Ｗ／ｃｍ℃）×１５０℃／（３０×１０−４ｃｍ）×１．５７×１０−４ｃｍ２＝０．６６Ｗ＝６６０ｍＷ
となる。
【０００７】
次に二酸化ケイ素のヒンジ構造を設けなかった場合を計算する。シリコンのダイアフラム１００の厚みを１０μｍとし、熱流の向きに垂直な断面Ａ２を計算すると、
Ａ２＝２．５ｍｍ×π×１０μｍ＝０．２５ｃｍ×π×１０×１０−４ｃｍ＝７．８５×１０−４ｃｍ２
となり、シリコンの熱伝導率λ＝１．４８（Ｗ／ｃｍ℃）であるから、逃げる熱Ｑ２は、
Ｑ２＝１．４８（Ｗ／ｃｍ℃）×１５０℃／（３０×１０−４ｃｍ）×７．８５×１０−４ｃｍ２＝５８Ｗ
となる。そこで、二酸化ケイ素薄膜のヒンジ１０３を設けることにより約９０倍の熱絶縁効果が得られたことになる。このように特表平４−５０６３９２号に記載されている半導体マイクロアクチュエータは、従来の構造のものよりも熱効率の良い構造となっている。しかし、現状の使用用途を考えた場合には熱損失の更なる低減が望まれている。具体的には、この熱の逃げ（熱損失）はダイアフラム１００を所定の温度（例えば１５０℃）に維持するために常時供給される電力（消費電力）と考えられる。
【０００８】
そこで、特表平４−５０６３９２号に記載されている半導体マイクロアクチュエータの消費電力は数百ｍＷ（計算では６６０ｍＷ）と推定できるわけであるが、小型・携帯等の電池駆動用途の場合を考えた場合には百ｍＷ以下であることが望ましい。
【０００９】
また、特表平４−５０６３９２号記載の半導体マイクロアクチュエータは、二酸化ケイ素薄膜がヒンジ１０３の部分は、厚さ２μｍと厚くなっている。このヒンジ１０３の二酸化ケイ素薄膜の厚みを決める要因については、明細書中に明確に記載されていない。しかし、特表平４−５０６３９２号記載の半導体マイクロアクチュエータがマイクロバルブ等に使用された場合には、可動エレメントに加えられた圧力がこのヒンジ１０３に集中することが予想され、この圧力に対し破壊しない程度の膜厚が必要となる。ところが、ヒンジ１０３の膜厚を増すと上記熱の逃げの計算式より熱絶縁効果が低下する。そこで、ある程度の強度をもち、かつ熱絶縁効果を有する二酸化ケイ素薄膜の膜厚として２μｍが決定されたものと推定できる。
【００１０】
次に、ヒンジ１０３の二酸化ケイ素薄膜を厚くする必要性について考察する。特表平４−５０６３９２号公報記載の半導体マイクロアクチュエータは、明細書にも記載のごとくシリコンからなるダイアフラム１００とアルミニウム薄膜１０４により構成されたバイメタルにより可動する構造となっているが、ダイアフラム１００とアルミニウム薄膜１０４の間には電気的絶縁を得るために二酸化ケイ素薄膜１０６が挿入されている。
【００１１】
半導体製造プロセスでは、この二酸化ケイ素薄膜１０６とヒンジ１０３の二酸化ケイ素薄膜は同時に形成され、これらの膜厚は同じであることが望ましい。しかし、ダイアフラム１００とアルミニウム薄膜１０４の間に挿入された二酸化ケイ素薄膜１０６の膜厚が２μｍと厚くなった場合には、駆動源となるバイメタル特性を劣化させることが予想できる。文献（「Electrically‐Activated，Micromachined Diaphram Valves」 Technical Digest IEEE Solid−State Sensor and Actuator Workshop，pp65−69，June1990）に記載されている実施例においてはアルミニウム薄膜１０４の膜厚５〜６μｍとなっている。そこで膜厚２μｍの二酸化ケイ素薄膜１０６がダイアフラム１００とアルミニウム薄膜１０４の間に挿入されれば、加熱時のダイアフラム１００の撓みを阻害する要因となることは容易に推定できる。
【００１２】
また半導体製造プロセスでは、二酸化ケイ素の薄膜は通常１０００℃程度の高温で形成されるため、シリコンと二酸化ケイ素の熱膨張係数を考慮するとシリコンのダイアフラム１００−二酸化ケイ素薄膜１０６間でかなりの内部応力が発生するものと考えられる。この内部応力は二酸化ケイ素薄膜１０６の厚みが増すにつれ大きくなり、バイメタル特性を低下させる要因となるのである。以上のような点から考えて、ダイアフラム１００−アルミニウム薄膜１０４間の二酸化ケイ素薄膜１０６はできるだけ薄く（２００Å）、またヒンジ１０３の二酸化ケイ素の膜はある程度厚く（２μｍ）しなければならない。しかし、このような二酸化ケイ素の薄膜構造を形成するためには、非常に複雑な半導体製造プロセスが必要となり、特表平４−５０６３９２号の明細書においては製造方法については言及されていない。
【００１３】
またこの改善策としてUS.Pat.5,271,597に他のヒンジ構造が開示されている。これは上記のような二酸化ケイ素の薄膜構造ではなく、ヒンジ部分の二酸化ケイ素とダイアフラム−アルミニウム薄膜間の二酸化ケイ素薄膜は同一膜厚となっている。この方法はヒンジ部分の二酸化ケイ素薄膜を薄くし、このために生じるヒンジ部の強度低下を補うために、ヒンジ以外にダイアフラムとシリコン枠の結合をダイアフラムの一部のシリコンを用いており、半導体マイクロアクチュエータの消費電力を小さくする構造になっていない。
【００１４】
このように本発明に係わる半導体マイクロアクチュエータにおける熱絶縁構造においては、まだ多くの問題点が残されている。
【００１５】
また、特開平５−１８７５７４号に記載されている超小型バルブも異なった熱膨張係数を有する少なくとも２つの材料を組み合わせ、その部分を加熱し熱膨張係数の差を利用して変位を得る半導体マイクロアクチュエータが使用されている。このマイクロアクチュエータの熱絶縁構造はトーション・バー式サスペンションを設けることにより行われている。この構造は、熱流に垂直な断面の減少と熱流が通過する経路長の増加の双方により、シリコン枠への熱損失を最小化するものとなっている。しかし、このトーション・バー式サスペンション構造がシリコンにより形成されているため、熱の逃げの計算において考察したように、熱絶縁効果が十分に得られないと考えられる。
【００１６】
これは、文献「SILICONMICROVALVES FOR GAS FLOW CONTROL」The 8th International Conference on Solid-State Sensor andActuators,Stockholm,Sweden,1995,p276-279に記載されているマイクロバルブ性能比較表より推定できる。この文献には、特表平４−５０６３９２号に開示の「半導体マイクロアクチュエータ」に係わるマイクロバルブと、特開平５−１８７５７４号に開示の「超小型バルブ」に係わるバイクロバルブの比較がなされており、後者は前者に比べて耐圧が６倍、流量範囲が１０倍であるが、消費電力は約２倍、熱抵抗で約１／３となっている。
【００１７】
このように特開平５−１８７５７４号に記載されている超小型バルブは、シリコンにより形成されたトーション・バー式サスペンション構造により大きな力を発生できるマイクロアクチュエータとなっているが、消費電力については、小型・携帯用のニーズに応えるものではない。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は熱絶縁効率が高く、かつ製造プロセスが簡単で、小型・低消費電力で駆動可能な半導体マイクロアクチュエータ及び半導体マイクロバルブ及び半導体マイクロリレーを提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために請求項１の発明は、半導体基板と、外部要因により変位する可動エレメントと、前記可動エレメントの熱膨張係数と異なる熱膨張係数を有するとともに、前記半導体基板と可動エレメントに接合されて前記可動エレメントを前記半導体基板から懸垂するための懸垂手段とから成り、前記半導体基板と前記可動エレメントとの間は、前記懸垂手段を介してのみ両者が橋渡しされるように隔離され、前記懸垂手段は、前記半導体基板と前記可動エレメント間の熱絶縁機能を有し、前記可動エレメントの一部と前記懸垂手段の一部が重なり合うように接触し、前記可動エレメントの一部が温度変化したときに、前記懸垂手段との熱膨張差により前記可動エレメントが変位することを特徴とする。
【００２０】
また、請求項２の発明は、請求項１に記載の半導体マイクロアクチュエータにおいて、前記可動エレメントの前記半導体基板に対する変位が非回転的変位であることを特徴とする。
【００２１】
また、請求項３の発明は、請求項１に記載の半導体マイクロアクチュエータにおいて、前記可動エレメントの前記半導体基板に対する変位が回転的変位であることを特徴とする。
【００２２】
また、請求項４の発明は、請求項１又は２に記載の半導体マイクロアクチュエータにおいて、前記可動エレメントの一部と懸垂手段の一部が重なり合うように接触している部分が、十字形状の脚部を構成する梁の一部であることを特徴とする。
【００２３】
また、請求項５の発明は、請求項１又は３に記載の半導体マイクロアクチュエータにおいて、前記可動エレメントの一部と懸垂手段の一部が重なり合うように接触している部分が、卍字形状の脚部を構成する梁の一部であることを特徴とする。
【００２４】
また、請求項６の発明は、請求項１又は３に記載の半導体マイクロアクチュエータにおいて、前記可動エレメントの一部と懸垂手段の一部が重なり合うように接触している部分が、前記半導体基板の一部を固定端とする片持梁の一部であることを特徴とする。
【００２５】
また、請求項７の発明は、請求項４から６のいずれかに記載の半導体マイクロアクチュエータにおいて、前記可動エレメントの梁の一部は、前記梁を加熱するための加熱手段を含むことを特徴とする。
【００２６】
また、請求項８の発明は、請求項１から７のいずれかに記載の半導体マイクロアクチュエータにおいて、前記可動エレメントがシリコンで構成され、前記懸垂手段を構成する材料の熱膨張係数が略１．０×１０−５／℃以上の特性を有することを特徴とする。
【００２７】
また、請求項９の発明は、請求項１から８のいずれかに記載の半導体マイクロアクチュエータにおいて、前記懸垂手段を構成する材料の熱伝導率が略０．４Ｗ／ｍ℃以下の特性を有することを特徴とする。
【００２８】
また、請求項１０の発明は、請求項９に記載の半導体マイクロアクチュエータにおいて、前記懸垂手段を構成する材料がフッ素化樹脂であることを特徴とする。
【００２９】
また、請求項１１の発明は、請求項９に記載の半導体マイクロアクチュエータにおいて、前記懸垂手段を構成する材料がポリイミドであることを特徴とする。
【００３０】
また、請求項１２の発明は、半導体基板と、外部要因により変位する可動エレメントと、前記可動エレメントの熱膨張係数と異なる熱膨張係数を有するとともに、前記半導体基板と可動エレメントに接合されて前記可動エレメントを前記半導体基板から懸垂するための懸垂手段と、前記可動エレメントの変位に応じてそこに流れる流体の制御が成される流路を有する流体制御エレメントとからなり、前記半導体基板と前記可動エレメントとの間は、前記懸垂手段を介してのみ両者が橋渡しされるように隔離され、前記懸垂手段は、前記半導体基板と前記可動エレメント間の熱絶縁機能を有し、前記可動エレメントの一部と前記懸垂手段の一部が重なり合うように接触し、前記可動エレメントの一部が温度変化したときに、前記懸垂手段との熱膨張差により前記可動エレメントが変位し、前記流路を流れる流体の制御が成されることを特徴とする。
【００３１】
また、請求項１３の発明は、請求項１２に記載の半導体マイクロバルブにおいて、前記可動エレメントの一部と懸垂手段の一部が重なり合うように接触している部分が、十字形状の脚部を構成する梁の一部であることを特徴とする。
【００３２】
また、請求項１４の発明は、請求項１２に記載の半導体マイクロバルブにおいて、前記可動エレメントの一部と懸垂手段の一部が重なり合うように接触している部分が、卍字形状の脚部を構成する梁の一部であることを特徴とする。
【００３３】
また、請求項１５の発明は、半導体基板と、接点が設けられ外部要因により変位する可動エレメントと、前記可動エレメントの熱膨張係数と異なる熱膨張係数を有するとともに、前記半導体基板と可動エレメントに接合されて前記可動エレメントを前記半導体基板から懸垂するための懸垂手段と、前記可動エレメントの接点に対応する部分にその接点と接触可能なそれぞれ離間した接点を有する固定エレメントとから成り、前記可動エレメントの一部と前記懸垂手段の一部が重なり合うように接触し、前記半導体基板と前記可動エレメントとの間は、前記懸垂手段を介してのみ両者が橋渡しされるように隔離され、前記懸垂手段は、前記半導体基板と前記可動エレメント間の熱絶縁機能を有し、前記可動エレメントの一部と前記懸垂手段の一部が重なり合うように接触し、前記可動エレメントの一部が温度変化したときに、前記懸垂手段との熱膨張差により前記可動エレメントが変位し、前記固定エレメントの離間した接点の開閉が行われることを特徴とする。
【００３４】
また、請求項１６の発明は、請求項１５に記載の半導体マイクロリレーにおいて、前記可動エレメントの一部と懸垂手段の一部が重なり合うように接触している部分が、前記半導体基板の一部を固定端とする片持梁の一部であることを特徴とする。
【００３５】
この発明は、ポリイミドまたはフッ素化樹脂などの樹脂材料が、高い熱絶縁性（二酸化ケイ素の約８０倍）を有し、さらに液状で加工し易くスピンコートなどの半導体製造工程により所望の厚さ（数μｍ〜数十μｍ）の膜厚を容易に得ることができ、さらにシリコンに対して大きな熱膨張係数をもつという優れた特徴に着目してなされたものである。詳細には半導体基板、外部要因により変位する可動エレメントと、この半導体基板と可動エレメントに接合されていて、可動エレメントの熱膨張係数と異なる熱膨張係数をもち、可動エレメントを半導体基板から懸垂する懸垂手段から構成されていて、少なくとも可動エレメントの一部と懸垂手段の一部が重なりあうようになっている。
【００３６】
さらに、この懸垂手段は熱絶縁機能を持つようになっている。ここで、可動エレメントの一部が加熱されることにより、可動エレメントと懸垂手段との熱膨張係数の差により可動エレメントと懸垂手段の重なりある部分において熱応力が発生し、半導体マイクロアクチュエータに変位を発生させる駆動源となる。また、懸垂手段は可動エレメントと半導体基板とを接合する役割を果たしているのであるが、熱絶縁効果を有しているため、可動エレメントで発生した熱が半導体基板へ逃げるのを防ぎ、効率のよい半導体マイクロアクチュエータを実現できる。
【００３７】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
本発明の実施形態１を説明する。図１は本発明の半導体マイクロアクチュエータの構造を示す斜視図であり、図２（ａ）（ｂ）はそれぞれ断面図、上面図である。本実施形態の半導体マイクロアクチュエータ７は、図示したように、シリコン等により成る中空で略四角形状の枠体となる半導体基板３と、その内方に懸垂手段４を介して４箇所にて接合され、半導体基板３から懸垂されるシリコン等からなる可動エレメント１により構成される。
【００３８】
この可動エレメント１は、上面が四角形状に開口し下方に向かうにつれて幅が狭くなるように、中空の四角錐台形状に形成された中央のボス２をその上面の開口部４辺のそれぞれより外方に延びる片状の梁６で支える構造となっており、４つの各梁６のそれぞれがボス２を挟んで略十字形状となっているその脚部を構成している。そして、この梁６の上部に重なり合うように接触し形成されたポリイミド、フッ素化樹脂等からなる懸垂手段４が半導体基板３の表面と接合されて、半導体基板３と可動エレメント１が接合される。また、梁６には梁６を加熱するための拡散抵抗などからなる加熱手段５が設けられている。
【００３９】
本実施形態においては、懸垂手段４の材料としてポリイミド（商品名「フォトニース」、以下ポリイミドという）を用いた場合について述べるが、材料はこれに限定されるものではなく、熱絶縁機能を有し、可動エレメント１を構成する材料、例えばシリコンの熱膨張係数と異なる熱膨張係数を持つものであればよい。ここで、両者の熱膨張係数の差が大きいことが望ましい。また、熱伝導率が０．４Ｗ／ｍ℃以下の材料を懸垂手段として用いることにより、二酸化ケイ素以上の熱絶縁効果を得ることができる。上記ポリイミドは、熱伝導率１．１７×１０−３（Ｗ／ｃｍ℃）で二酸化ケイ素の約１／８０であり、熱膨張係数は（（２．２３×１０−５／Ｋ））でシリコンの約５倍の特性をもち、上記懸垂手段４に必要な特性を満たす材料である。
【００４０】
ところで、上記加熱手段５により可動エレメント１の梁６が加熱されると、ポリイミドからなる懸垂手段４とシリコンからなる可動エレメント１の梁６の接触部分の温度が上昇する。ここで、この接触部分の温度変化について考察する。図３は接触部分の構成モデルを示した斜視図であり、具体的な各部の寸法は可動エレメント１と懸垂手段４の重なり部分を６００μｍ（幅）×８００μｍ（長）とし、可動エレメント１の接触部分の厚さを１０μｍ、懸垂手段４の厚みを２０μｍとする。
【００４１】
まず、図３に示す接触部分にエネルギーが加えられたときの温度上昇について考える。シリコンからなる可動エレメント１を１℃上昇させるのに必要な熱量を求める。図３における接触部分の可動エレメント１の体積は、
１０μｍ×８００μｍ×６００μｍ＝４．８×１０−６ｃｍ３
となる。シリコンの密度は２．３３ｇ／ｃｍ３、原子量は２８．１、熱容量は２０．０Ｊ／ｍｏｌであるから
モル数＝（重さ）／（原子量）＝（体積×密度）／（原子量）＝（４．８×１０−６×２．３３）／２８．１＝３．６×１０−７（ｍｏｌ）
となる。したがって、接触部分の可動エレメント１の温度を１℃上昇させるのに必要な熱量は、
熱量（Ｊ）＝熱容量（Ｊ／ｍｏｌ）×モル数＝２０×３．６×１０−７＝７．２×１０−６（Ｊ）
となる。
【００４２】
同様にして接触部分の懸垂手段４の温度を１℃上昇させるのに必要な熱量を求める。図３における懸垂手段４の体積は、
２０μｍ×８００μｍ×６００μｍ＝９．６×１０−６ｃｍ３
となり、ポリイミドの密度は１．３９ｇ／ｃｍ３であるから、懸垂手段４の重さは、
重さ＝密度×体積＝１．３９×９．６×１０−６＝１．３３×１０−５（ｇ）
となる。ポリイミドの比熱は１．１３Ｊ／ｇ℃であるから、図３における懸垂手段４の温度を１℃上昇させるのに必要な熱量は熱量（Ｊ／℃）＝比熱（Ｊ／ｇ℃）×重さ（ｇ）＝１．１３×１．３３×１０−５＝１．５０×１０−５（Ｊ／℃）
となる。電池駆動などを考慮して、加熱のための入力電力（消費電力）を１０ｍＷとすると、
１０ｍＷ＝１０ｍＪ／秒
であるから、図３に示す接触部分の温度上昇ΔＴは、
ΔＴ＝（入力電力）／（シリコンの熱量＋ポリイミドの熱量）＝１０×１０−３（Ｊ／秒）／（７．２×１０−６（Ｊ／℃）＋１．５×１０−５（Ｊ／℃））＝４５０（℃／秒）
となる。すなわち、熱損失を考慮しなければ１０ｍＷの入力電力に対し、図３に示した可動エレメント１と懸垂手段４の接触部分は４５０℃程度に加熱される。しかし、実際は懸垂手段４を通して半導体基板３への逃げ、大気中への熱放射等により２００℃程度までしか温度は上昇しないと考えられる。そこで、以後接触部分の温度上昇ΔＴ＝２００℃として考察していく。
【００４３】
次に、この接触部分の変位について考える。シリコンとポリイミドの熱膨張係数が異なるため温度上昇があると、図３に示す接触部分は変位し、この変位は一般に次式（チモチェンコの式）で与えられる。
【００４４】
【式１】
【００４５】
ここで、ρは曲率、ｗは変位、Ｅｐｈはポリイミドのヤング率（４．９０×１０９Ｎ／ｍ２）、ＥＳｉはシリコンのヤング率（１．９０×１０１１Ｎ／ｍ２）、αｐｈはポリイミドの線膨張係数（２．３０×１０−５／Ｋ）、αＳｉはシリコンの線膨張係数（４．１５×１０−６／Ｋ）、ｔｐｈはポリイミドの厚み（２０μｍ）、ｔＳｉはシリコンの厚み（１０μｍ）となる。
【００４６】
上記の値をチモチェンコの式に代入し曲率ρを算出すると、
【００４７】
【式２】
【００４８】
となる。またこのとき、可動エレメント１をシリコンで形成し、懸垂手段４を熱膨張係数が１．０×１０−５／℃以上のものを用いればその変位は１０μｍ程度の大きな変位を得ることができる。
【００４９】
図１で示したように可動エレメント１の梁６の一端が懸垂手段４によって半導体基板３に接合され固定されているので、この変位は可動エレメント１のボス２を下方向へ押し下げる変位となる。これは、半導体基板３に対して非回転的変位であり、変位の制御精度がよくなる。
【００５０】
図４は図３で示した接触部分のポリイミドの厚みを２０μｍの場合のシリコンの厚みを変化させた場合の接触部分の変位、すなわち撓み量の変化を示しており、図５はシリコンの厚みを１０μｍ、１２μｍとした場合の、ポリイミドの厚さの変化に対する接触部分の撓み量の変化を示している。図５に示すようにポリイミドの厚みはシリコンの厚みにより最大変位を発生させる厚みが変化するが、概ね２０μｍ以上の変位は実現可能である。
【００５１】
次に半導体マイクロアクチュエータ７の熱絶縁効果について説明する。図６は、図１，図２で示した可動エレメント１の梁６と半導体基板３が懸垂手段４よって接合された部分を拡大した断面図である。ここで、従来例で示した二酸化ケイ素薄膜のヒンジ構造の場合と比較するために、懸垂手段４を構成するポリイミドの接合された部分の長さを３０μｍ、接合部のポリイミドの厚みを２０μｍとして、シリコンからなる可動エレメント１の梁６から懸垂手段４を通して半導体基板３へ逃げる熱Ｑ３を計算する。
【００５２】
熱Ｑ３（Ｗ）は従来例で示した（式Ｚ）に従い、熱流の向きに垂直な断面Ａ３は、
Ａ３＝（ポリイミドの厚み）×（ポリイミドの奥行きの幅）＝２０μｍ×６００μｍ＝１．２×１０−４ｃｍ
となり、懸垂手段４を構成するポリイミドの熱伝導率λは１．１７×１０−３（Ｗ／ｃｍ℃）、熱源からの距離、すなわち梁６と半導体基板３の距離δは３０μｍであるから、２００℃に加熱された可動エレメント１の梁６から半導体基板３へ逃げる熱Ｑ３は、
Ｑ３＝１．１７×１０−３（Ｗ／ｃｍ℃）×（２００℃／（３０×１０−４ｃｍ））×１．２×１０−４（ｃｍ２）＝９．３×１０−３（Ｗ）＝９．３（ｍＷ）
となる。図１、図２に示すように、半導体アクチュエータ７は４本の梁６から構成されているので、逃げる熱量は全体で３７．２ｍＷとなる。これは、入力電力３７．２ｍＷを投入することにより、梁６の温度を２００℃に絶えず維持できることを示しており、従来例と比較すると、消費電力を約１／１８に低減できるものである。
【００５３】
上記のように図１、図２で示した半導体マイクロアクチュエータにおいては、可動エレメント１を半導体基板３から懸垂させる懸垂手段４が可動エレメント１の梁６と重なり合うように接触し、そして懸垂手段４の熱膨張係数が可動エレメント１の梁６の熱膨張係数と異なり、梁６の温度が変化したときに梁６と懸垂手段４の熱膨張係数の差により梁６が撓み、可動エレメント１が変位するように構成するため、可動エレメント１を変位させるために、可動エレメント１と熱膨張係数の異なる手段を新たに設ける必要がなく、構造が簡単になり、製造プロセスも簡単になる。また、上記した懸垂手段にポリイミド、フッ素化樹脂などの熱絶縁性の高いものを使用するため、半導体基板３と可動エレメント１間の熱絶縁効果が優れており、小型・低消費電力で半導体マイクロアクチュエータ７の駆動が可能となる。また、梁６には拡散抵抗などからなる加熱手段５が設けられており、半導体マイクロアクチュエータ７を小型化できる。
【００５４】
（実施形態２）
次に、図７、図８を用いて半導体マイクロアクチュエータの他の実施形態を説明する。図７は半導体マイクロアクチュエータの一部破断した斜視図であり、図８は上面図である。図示したように、本実施形態の半導体マイクロアクチュエータ１０は、シリコンなどにより成る中空で略四角形状の枠体となる半導体基板１３とその内方に懸垂手段１４を介して、４箇所にて接合され、半導体基板１３から懸垂されるシリコン等からなる可動エレメント１１により構成される。
【００５５】
この可動エレメント１１は、上面が四角形状に開口し下方に向かうにつれて幅が狭くなるように中空の四角錐台形状に形成された中央のボス１２をその上面の開口部４辺のそれぞれより外方に延びる略Ｌ字片状の４本の梁１６で支える構造となっており、４つの各梁１６のそれぞれがボス１２を挟んで略卍形状となっているその脚部を構成している。そして、この梁１６のそれぞれの上部に重なり合うように接触し形成されたポリイミド、フッ素化樹脂等からなる懸垂手段１４が半導体基板１３の表面と接合されて、半導体基板１３と可動エレメント１１が接合される。
【００５６】
また、図示されていないが、可動エレメント１１の各梁１６には拡散抵抗などからなる加熱手段が形成されている。この加熱手段に電流が流れ可動エレメント１１の梁１６が加熱されると、梁１６と懸垂手段１４の熱膨張係数の差により梁１６が撓み、可動エレメント１１のボス１２が変位する。この場合、可動エレメント１１の変位は半導体基板３に対し平面方向への回転を含んでいる。本実施形態では、各梁１６が図１、図２で示した十字形状の脚部を構成するものと異なり卍形状の脚部を構成するものであるため、梁１６の長さをより長くとることができる。梁の長さを長くすると加熱したときの梁の撓みが大きくなり、可動エレメント１１の変位を大きくすることができる。
【００５７】
本実施形態においても、懸垂手段１４の材料としてフッ素化樹脂、ポリイミドを挙げているが、図１、図２の実施例と同様に、材料はこれに限定されるものではない。また本実施形態の半導体マイクロアクチュエータ１０においても、図１，図２で示した半導体マイクロアクチュエータ１と同様、構造が簡単になり、製造プロセスが簡単になるとともに、小型・低消費電力で駆動可能となる。
【００５８】
（実施形態３）
次に、図９を用いて半導体マイクロアクチュエータの更に他の実施形態を説明する。図９は本発明の実施形態３に対応する半導体マイクロアクチュエータの構造を示す一部破断した斜視図を示している。この半導体マイクロアクチュエータ２０はシリコン等からなる半導体基板２３と、その端部下面が半導体基板２３の表面部と接合された懸垂手段２４に接合されて半導体基板２３から懸垂するシリコン等からなる可動エレメント２１により構成される。
【００５９】
この可動エレメント２１は、一端に下方に突出形成される中空状のボス２２を有し、このボス２２に連接して形成される四角片状の梁２６の上面に上記懸垂手段２４が重なり合うように接触して接合されている。梁２６は半導体基板２３の一部を固定端とする片持梁となっている。また、梁２６には拡散抵抗などにより成る加熱手段２５が形成されている。尚、半導体基板２３の表面には、加熱手段２５の電極パッド２７が設けられている。また、この懸垂手段２４は、フッ素化樹脂、ポリイミド等により構成されるが、上述した実施形態同様これに限定されるものではない。
【００６０】
この加熱手段２５に電流が流れ、可動エレメント２１の梁２６が加熱されると、梁２６と懸垂手段２４の熱膨張係数の差により梁２６が撓み、可動エレメント２１が変位する。片持梁形状であるため、この場合の変位は半導体基板２３に対し垂直方向の回転を含み大きな変位となる。
【００６１】
また、本実施形態の半導体マイクロアクチュエータ２０においても、上述した実施例と同様、構造が簡単になり、製造プロセスが簡単になるとともに、小型・低消費電力で駆動可能となる。
【００６２】
（実施形態４）
次に、本発明に係わる半導体マイクロバルブの実施形態を説明する。図１０は、本発明の実施形態４に対応する半導体マイクロバルブの構造を示す一部破断した斜視図である。この半導体マイクロバルブ３０は、流体制御エレメントである弁座３１とその上部に陽極接合、金共晶接合などにより接合されている弁体３２とにより構成されている。この弁体３２は図１、図２で示した半導体マイクロアクチュエータ７と同じ構成をしており、同じものには同じ符号を付しその説明を省略する。
【００６３】
弁座３１はその表面上に、弁体３２のボス２と対応する位置に、流体の流路に相当する孔部であるオリフィス３５が設けられており、そのオリフィス３５を取り囲むように、その周囲部より突出し上面が略平面状の台部３６が形成される。
【００６４】
このとき上記した加熱手段５に電流が流れ可動エレメント１の梁６が撓み、可動エレメント１が変位する。この可動エレメント１の変位により弁体３２のボス２の下面部と弁座３１の台部３６との隙間の間隔が変化し、オリフィス３５を流れる流体の流量が制御される。
【００６５】
本実施形態の半導体マイクロバルブ３０は、図１、図２で説明した半導体マイクロアクチュエータを用いたものであり、構造が簡単になり、製造プロセスが簡単になるとともに、小型・低消費電力で駆動可能となるという同様の効果を有している。また、図１、図２の実施形態と同様に可動エレメント１の各梁６はボス２を挟んで十字形状となる脚部を構成しているため、可動エレメントの変位の制御精度が良くなり、流体の制御精度がよくなる。
【００６６】
（実施形態５）
次に、本発明に係わる半導体マイクロバルブの他の実施形態を説明する。図１１は本発明の実施形態５に対応する半導体マイクロバルブの構造を示す一部破断した斜視図である。半導体マイクロバルブ４０は、流体制御エレメントである弁座４１とその上部に陽極接合、金共晶接合などにより接合されている弁体４２とにより構成されている。この弁体４２は図７、図８で示した半導体マイクロアクチュエータ１０と同じ構成をしており、同じものには同じ符号を付しその説明を省略する。
【００６７】
弁座４１はその表面上に、弁体４２のボス１２と対応する位置に、流体の流路に相当する孔部であるオリフィス４５が設けられており、そのオリフィス４５を取り囲むように、その周囲部より突出し上面が略平面状の台部４６が形成される。
【００６８】
ここで、梁１６に形成された図示せぬ加熱手段に電流が流れ可動エレメント１１の梁１６が撓み、可動エレメント１１が変位する。この可動エレメント１１の変位により弁体４２のボス１２の下面部と弁座４１の台部４６との隙間の間隔が変化し、オリフィス４５を流れる流体の流量が制御される。
【００６９】
本実施形態の半導体マイクロバルブ４０は、図７、図８で説明した半導体マイクロアクチュエータを用いたものであり、構造が簡単になり、製造プロセスが簡単になるとともに、小型・低消費電力で駆動可能となるという同様の効果を有している。また、図７、図８の実施形態と同様に可動エレメント１１の各梁１６はボス１２を挟んで卍字形状となる脚部を構成しているため、可動エレメント１１の変位が大きくなり、流体の流量制御範囲が広くなる。
【００７０】
（実施形態６）
次に本発明に係わる半導体マイクロリレーの実施形態を説明する。図１２は本発明の実施形態６に対応する半導体マイクロリレーの構造を示す一部破断した斜視図である。半導体マイクロリレー５０は、表面に固定接点５６，５７が設けられた固定エレメントである固定片５１と、その上部に陽極接合、金共晶接合などにより接合された可動片５２とにより構成される。この可動片５２は図９で示した半導体マイクロアクチュエータ２０と同様の構成をしており、同じものには同じ符号を付しその説明を省略する。可動片５２のボス２２の下面には可動接点５５が設けられており、固定片５１上の固定接点５６，５７は可動接点５５と接触可能で対応する位置に分離されて設けられている。
【００７１】
ここで、加熱手段２５に電流が流れ可動エレメント２１の梁２６が加熱されると、梁２６と懸垂手段２４との熱膨張係数の差により梁２６が撓み、可動エレメント２１が変位する。この変位により可動エレメント２１の下面に設けられた可動接点５５と固定接点５６，５７が接触し、各接点が閉じられるよう半導体マイクロリレー５０が動作する。
【００７２】
本実施形態の半導体マイクロリレー５０は、図９で説明した半導体マイクロアクチュエータを用いたものであり、構造が簡単になり、製造プロセスが簡単になるとともに、小型・低消費電力で駆動可能となるという同様の効果を有している。また、図９の実施例と同様に梁２６は半導体基板２３を固定端とした片持梁であり、大きな力の変位が得られ、リレーの接点圧力が大きくなる。
【００７３】
【発明の効果】
本発明の請求項１記載の半導体マイクロアクチュエータにおいては、半導体基板と、外部要因により変位する可動エレメントと、前記可動エレメントの熱膨張係数と異なる熱膨張係数を有するとともに、前記半導体基板と可動エレメントに接合されて前記可動エレメントを前記半導体基板から懸垂するための懸垂手段とから成り、前記半導体基板と前記可動エレメントとの間は、前記懸垂手段を介してのみ両者が橋渡しされるように隔離され、前記懸垂手段は、前記半導体基板と前記可動エレメント間の熱絶縁機能を有し、前記可動エレメントの一部と前記懸垂手段の一部が重なり合うように接触し、前記可動エレメントの一部が温度変化したときに、前記懸垂手段との熱膨張差により前記可動エレメントが変位するため、前記半導体基板から可動エレメントを懸垂する懸垂手段が前記可動エレメントを変位させる機能を有しており、可動エレメントを変位させるための可動エレメントと熱膨張係数と異なる部材を新たに設ける必要がなく、構造が簡単で製造プロセスが簡単な半導体マイクロアクチュエータを提供できる。また、懸垂手段が熱絶縁機能を有するので、熱効率がよく小型・低消費電力で駆動できる半導体マイクロアクチュエータを提供できる。
【００７４】
また、請求項２の発明は、請求項１に記載の半導体マイクロアクチュエータにおいて、前記可動エレメントの前記半導体基板に対する変位が非回転的変位であるため、可動エレメントの変位の制御精度のよい半導体マイクロアクチュエータを提供できる。
【００７５】
また、請求項３の発明は、請求項１に記載の半導体マイクロアクチュエータにおいて、前記可動エレメントの前記半導体基板に対する変位が回転的変位であるため、可動エレメントの大きな変位が得られる半導体マイクロアクチュエータを提供できる。
【００７６】
また、請求項４の発明は、請求項１又は２に記載の半導体マイクロアクチュエータにおいて、前記可動エレメントの一部と懸垂手段の一部が重なり合うように接触している部分が、十字形状の脚部を構成する梁の一部であるため、可動エレメントの半導体基板に対する変位を非回転にして、可動エレメントの変位の制御精度のよい半導体マイクロアクチュエータを提供できる。
【００７７】
また、請求項５の発明は、請求項１又は３に記載の半導体マイクロアクチュエータにおいて、前記可動エレメントの一部と懸垂手段の一部が重なり合うように接触している部分が、卍字形状の脚部を構成する梁の一部であるため、可動エレメントの大きな変位が得られる半導体マイクロアクチュエータを提供できる。
【００７８】
また、請求項６の発明は、請求項１又は３に記載の半導体マイクロアクチュエータにおいて、前記可動エレメントの一部と懸垂手段の一部が重なり合うように接触している部分が、前記半導体基板の一部を固定端とする片持梁の一部であるため、大きな力が得られる半導体マイクロアクチュエータを提供できる。
【００７９】
また、請求項７の発明は、請求項４から６のいずれかに記載の半導体マイクロアクチュエータにおいて、前記可動エレメントの梁の一部は、前記梁を加熱するための加熱手段を含むため、小型の半導体マイクロアクチュエータを提供できる。
【００８０】
また、請求項８の発明は、請求項１から７のいずれかに記載の半導体マイクロアクチュエータにおいて、前記可動エレメントがシリコンで構成され、前記懸垂手段を構成する材料の熱膨張係数が略１．０×１０−５／℃以上の特性を有するため、大きな変位が得られる半導体マイクロアクチュエータを提供できる。
【００８１】
また、請求項９の発明は、請求項１から８のいずれかに記載の半導体マイクロアクチュエータにおいて、前記懸垂手段を構成する材料の熱伝導率が略０．４Ｗ／ｍ℃以下の特性を有するため、二酸化ケイ素薄膜以上の熱絶縁効果を得ることができる。
【００８２】
また、請求項１０の発明は、請求項９に記載の半導体マイクロアクチュエータにおいて、前記懸垂手段を構成する材料がフッ素化樹脂であるため、フォトリソ工程及びエッチング工程などの半導体プロセスを使って微細加工が可能で製造プロセスが簡単であり、また大きな変位と熱絶縁効果が得られ、小型・低消費電力で駆動可能な半導体マイクロアクチュエータを提供できる。
【００８３】
また、請求項１１の発明は、請求項９に記載の半導体マイクロアクチュエータにおいて、前記懸垂手段を構成する材料がポリイミドであるため、フォトリソ工程及びエッチング工程などの半導体プロセスを使って微細加工が可能で製造プロセスが簡単であり、また大きな変位と熱絶縁効果が得られ、小型・低消費電力で駆動可能な半導体マイクロアクチュエータを提供できる。
【００８４】
また、請求項１２の発明は、半導体基板と、外部要因により変位する可動エレメントと、前記可動エレメントの熱膨張係数と異なる熱膨張係数を有するとともに、前記半導体基板と可動エレメントに接合されて前記可動エレメントを前記半導体基板から懸垂するための懸垂手段と、前記可動エレメントの変位に応じてそこに流れる流体の制御が成される流路を有する流体制御エレメントとからなり、前記半導体基板と前記可動エレメントとの間は、前記懸垂手段を介してのみ両者が橋渡しされるように隔離され、前記懸垂手段は、前記半導体基板と前記可動エレメント間の熱絶縁機能を有し、前記可動エレメントの一部と前記懸垂手段の一部が重なり合うように接触し、前記可動エレメントの一部が温度変化したときに、前記懸垂手段との熱膨張差により前記可動エレメントが変位し、前記流路を流れる流体の制御が成されるため、構造の簡単で製造プロセスが簡単な半導体マイクロバルブを提供できる。
【００８５】
また、請求項１３の発明は、請求項１２に記載の半導体マイクロバルブにおいて、前記可動エレメントの一部と懸垂手段の一部が重なり合うように接触している部分が、十字形状の脚部を構成する梁の一部であるため、可動エレメントの半導体基板に対する変位を非回転にして、流体の制御精度のよい半導体マイクロバルブを提供できる。
【００８６】
また、請求項１４の発明は、請求項１２に記載の半導体マイクロバルブにおいて、前記可動エレメントの一部と懸垂手段の一部が重なり合うように接触している部分が、卍字形状の脚部を構成する梁の一部であるため、流体の流量制御範囲の広い半導体マイクロバルブを提供できる。
【００８７】
また、請求項１５の発明は、半導体基板と、接点が設けられ外部要因により変位する可動エレメントと、前記可動エレメントの熱膨張係数と異なる熱膨張係数を有するとともに、前記半導体基板と可動エレメントに接合されて前記可動エレメントを前記半導体基板から懸垂するための懸垂手段と、前記可動エレメントの接点に対応する部分にその接点と接触可能なそれぞれ離間した接点を有する固定エレメントとから成り、前記半導体基板と前記可動エレメントとの間は、前記懸垂手段を介してのみ両者が橋渡しされるように隔離され、前記懸垂手段は、前記半導体基板と前記可動エレメント間の熱絶縁機能を有し、前記可動エレメントの一部と前記懸垂手段の一部が重なり合うように接触し、前記可動エレメントの一部が温度変化したときに、前記懸垂手段との熱膨張差により前記可動エレメントが変位し、前記固定エレメントの離間した接点の開閉が行われるため、構造の簡単で製造プロセスの簡単な半導体マイクロリレーを提供できる。
【００８８】
また、請求項１６の発明は、請求項１５に記載の半導体マイクロリレーにおいて、前記可動エレメントの一部と懸垂手段の一部が重なり合うように接触している部分が、前記半導体基板の一部を固定端とする片持梁の一部であるため、接点圧力の大きい半導体マイクロリレーを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１に対応する半導体マイクロアクチュエータの構造を示す一部破断の斜視図である。
【図２】本発明の実施形態１に対応する半導体マイクロアクチュエータの構造を示す（ａ）は断面図（ｂ）は上面図である。
【図３】本発明の半導体マイクロアクチュエータの作用を説明するために用いる懸垂手段と可動エレメントが接触した部分の構成モデルの斜視図である。
【図４】図３で示した構成モデルのシリコンの厚みの変化に対する撓み量の関係を示した特性図である。
【図５】図３で示した構成モデルのポリイミドの厚みの変化に対する撓み量の関係を示した特性図である。
【図６】図１、図２で示した半導体基板と可動エレメントが懸垂手段を介して接合された部分の構造を示す拡大図である。
【図７】本発明の実施形態２に対応する半導体マイクロアクチュエータの構造を示す一部破断の斜視図である。
【図８】本発明の実施形態２に対応する半導体マイクロアクチュエータの構造を示す上面図である。
【図９】本発明の実施形態３に対応する半導体マイクロアクチュエータの構造を示す一部破断の斜視図である。
【図１０】本発明の実施形態４に対応する半導体マイクロバルブの構造を示す一部破断の斜視図である。
【図１１】本発明の実施形態５に対応する半導体マイクロバルブの構造を示す一部破断の斜視図である。
【図１２】本発明の実施形態６に対応する半導体マイクロリレーの構造を示す一部破断の斜視図である。
【図１３】従来の半導体マイクロアクチュエータの構造を示す上面図である。
【図１４】従来の半導体マイクロアクチュエータの一部の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 可動エレメント
２ ボス
３ 半導体基板
４ 懸垂手段
５ 加熱手段
６ 梁
７ 半導体マイクロアクチュエータ
【発明の属する技術分野】
本発明は、少なくとも２つの部材の熱膨張係数の差を利用して可動エレメントの変位を得る半導体マイクロアクチュエータ及び半導体マイクロバルブ及び半導体マイクロリレーに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
異なった熱膨張係数を有する少なくとも２つの材料を組み合わせ（バイメタル構造）、その部分を加熱し熱膨張係数の差を利用して変位を得る半導体マイクロアクチュエータについては、特表平４−５０６３９２号「半導体マイクロアクチュエータ」、特開平５−１８７５７４号「超小型バルブ」等がある。
【０００３】
特表平４−５０６３９２号に記載されている半導体マイクロアクチュエータは、図１３の上面図、図１４の断面図に示すとおりであり、シリコンのダイアフラム１００の一部にアルミニウム薄膜１０４が形成されたバイメタル構造になっている。シリコンからなるダイアフラム１００中に形成されたヒータ１０１に電流を流すと発熱し、ダイアフラム１００の温度が上昇する。ここで、シリコンとアルミニウムは熱膨張係数が大きく異なるため、熱応力が発生しダイアフラム１００を撓ませ、可動部１０５の変位を生じる機構となっている。また、効率的な変位を得るために、ダイアフラム１００の周辺とシリコン枠１０２の間に二酸化ケイ素薄膜のヒンジ１０３を設け、ダイアフラム１００で発生した熱がシリコン枠１０２に逃げることを防ぐ構造となっている。
【０００４】
しかし、このような構造をもつ半導体マイクロアクチュエータにおいては以下のような問題点がある。まず、二酸化ケイ素薄膜のヒンジ構造の熱絶縁効果について考察する。一般に、高温部分から低温部分へ逃げる熱Ｑは
Ｑ（Ｗ）＝−λ（ｔ２−ｔ１）／δ・Ａ （式Ｚ）
となる。
【０００５】
ここで、Ｑ；熱流（熱移動の速さ）
ｔ２−ｔ１；温度差（℃）
δ；熱源からの距離（ｃｍ）
Ａ；熱流の向きに垂直な断面（ｃｍ２）
λ；熱伝導率（Ｊ／ｃｍ・ｓ・℃）
で与えられる。
【０００６】
そこで、この関係式を用いてダイアフラム１００からシリコン枠１０２へ逃げる熱量を計算する。ダイアフラム１００とシリコン枠１０２の温度差を１５０℃、ヒンジ１０３の横幅を３０μｍ、ダイアフラム１００の直径を２．５ｍｍ、ヒンジ１０３の厚みを２μｍ（「Electrically‐Activated，Micromachined Diaphram Valves」 Technical Digest IEEE Solid−State Sensor and Actuator Workshop，pp65−69，June1990より推定）とすると、熱流の向きに垂直な断面Ａ１は、
Ａ１＝２．５ｍｍ×π×２μｍ＝０．２５ｃｍ×π×２×１０−４ｃｍ＝１．５７×１０−４ｃｍ２
となり、二酸化ケイ素の熱伝導率λ＝０．０８４（Ｗ／ｃｍ℃）であるから、逃げる熱Ｑ１は、
Ｑ１＝０．０８４（Ｗ／ｃｍ℃）×１５０℃／（３０×１０−４ｃｍ）×１．５７×１０−４ｃｍ２＝０．６６Ｗ＝６６０ｍＷ
となる。
【０００７】
次に二酸化ケイ素のヒンジ構造を設けなかった場合を計算する。シリコンのダイアフラム１００の厚みを１０μｍとし、熱流の向きに垂直な断面Ａ２を計算すると、
Ａ２＝２．５ｍｍ×π×１０μｍ＝０．２５ｃｍ×π×１０×１０−４ｃｍ＝７．８５×１０−４ｃｍ２
となり、シリコンの熱伝導率λ＝１．４８（Ｗ／ｃｍ℃）であるから、逃げる熱Ｑ２は、
Ｑ２＝１．４８（Ｗ／ｃｍ℃）×１５０℃／（３０×１０−４ｃｍ）×７．８５×１０−４ｃｍ２＝５８Ｗ
となる。そこで、二酸化ケイ素薄膜のヒンジ１０３を設けることにより約９０倍の熱絶縁効果が得られたことになる。このように特表平４−５０６３９２号に記載されている半導体マイクロアクチュエータは、従来の構造のものよりも熱効率の良い構造となっている。しかし、現状の使用用途を考えた場合には熱損失の更なる低減が望まれている。具体的には、この熱の逃げ（熱損失）はダイアフラム１００を所定の温度（例えば１５０℃）に維持するために常時供給される電力（消費電力）と考えられる。
【０００８】
そこで、特表平４−５０６３９２号に記載されている半導体マイクロアクチュエータの消費電力は数百ｍＷ（計算では６６０ｍＷ）と推定できるわけであるが、小型・携帯等の電池駆動用途の場合を考えた場合には百ｍＷ以下であることが望ましい。
【０００９】
また、特表平４−５０６３９２号記載の半導体マイクロアクチュエータは、二酸化ケイ素薄膜がヒンジ１０３の部分は、厚さ２μｍと厚くなっている。このヒンジ１０３の二酸化ケイ素薄膜の厚みを決める要因については、明細書中に明確に記載されていない。しかし、特表平４−５０６３９２号記載の半導体マイクロアクチュエータがマイクロバルブ等に使用された場合には、可動エレメントに加えられた圧力がこのヒンジ１０３に集中することが予想され、この圧力に対し破壊しない程度の膜厚が必要となる。ところが、ヒンジ１０３の膜厚を増すと上記熱の逃げの計算式より熱絶縁効果が低下する。そこで、ある程度の強度をもち、かつ熱絶縁効果を有する二酸化ケイ素薄膜の膜厚として２μｍが決定されたものと推定できる。
【００１０】
次に、ヒンジ１０３の二酸化ケイ素薄膜を厚くする必要性について考察する。特表平４−５０６３９２号公報記載の半導体マイクロアクチュエータは、明細書にも記載のごとくシリコンからなるダイアフラム１００とアルミニウム薄膜１０４により構成されたバイメタルにより可動する構造となっているが、ダイアフラム１００とアルミニウム薄膜１０４の間には電気的絶縁を得るために二酸化ケイ素薄膜１０６が挿入されている。
【００１１】
半導体製造プロセスでは、この二酸化ケイ素薄膜１０６とヒンジ１０３の二酸化ケイ素薄膜は同時に形成され、これらの膜厚は同じであることが望ましい。しかし、ダイアフラム１００とアルミニウム薄膜１０４の間に挿入された二酸化ケイ素薄膜１０６の膜厚が２μｍと厚くなった場合には、駆動源となるバイメタル特性を劣化させることが予想できる。文献（「Electrically‐Activated，Micromachined Diaphram Valves」 Technical Digest IEEE Solid−State Sensor and Actuator Workshop，pp65−69，June1990）に記載されている実施例においてはアルミニウム薄膜１０４の膜厚５〜６μｍとなっている。そこで膜厚２μｍの二酸化ケイ素薄膜１０６がダイアフラム１００とアルミニウム薄膜１０４の間に挿入されれば、加熱時のダイアフラム１００の撓みを阻害する要因となることは容易に推定できる。
【００１２】
また半導体製造プロセスでは、二酸化ケイ素の薄膜は通常１０００℃程度の高温で形成されるため、シリコンと二酸化ケイ素の熱膨張係数を考慮するとシリコンのダイアフラム１００−二酸化ケイ素薄膜１０６間でかなりの内部応力が発生するものと考えられる。この内部応力は二酸化ケイ素薄膜１０６の厚みが増すにつれ大きくなり、バイメタル特性を低下させる要因となるのである。以上のような点から考えて、ダイアフラム１００−アルミニウム薄膜１０４間の二酸化ケイ素薄膜１０６はできるだけ薄く（２００Å）、またヒンジ１０３の二酸化ケイ素の膜はある程度厚く（２μｍ）しなければならない。しかし、このような二酸化ケイ素の薄膜構造を形成するためには、非常に複雑な半導体製造プロセスが必要となり、特表平４−５０６３９２号の明細書においては製造方法については言及されていない。
【００１３】
またこの改善策としてUS.Pat.5,271,597に他のヒンジ構造が開示されている。これは上記のような二酸化ケイ素の薄膜構造ではなく、ヒンジ部分の二酸化ケイ素とダイアフラム−アルミニウム薄膜間の二酸化ケイ素薄膜は同一膜厚となっている。この方法はヒンジ部分の二酸化ケイ素薄膜を薄くし、このために生じるヒンジ部の強度低下を補うために、ヒンジ以外にダイアフラムとシリコン枠の結合をダイアフラムの一部のシリコンを用いており、半導体マイクロアクチュエータの消費電力を小さくする構造になっていない。
【００１４】
このように本発明に係わる半導体マイクロアクチュエータにおける熱絶縁構造においては、まだ多くの問題点が残されている。
【００１５】
また、特開平５−１８７５７４号に記載されている超小型バルブも異なった熱膨張係数を有する少なくとも２つの材料を組み合わせ、その部分を加熱し熱膨張係数の差を利用して変位を得る半導体マイクロアクチュエータが使用されている。このマイクロアクチュエータの熱絶縁構造はトーション・バー式サスペンションを設けることにより行われている。この構造は、熱流に垂直な断面の減少と熱流が通過する経路長の増加の双方により、シリコン枠への熱損失を最小化するものとなっている。しかし、このトーション・バー式サスペンション構造がシリコンにより形成されているため、熱の逃げの計算において考察したように、熱絶縁効果が十分に得られないと考えられる。
【００１６】
これは、文献「SILICONMICROVALVES FOR GAS FLOW CONTROL」The 8th International Conference on Solid-State Sensor andActuators,Stockholm,Sweden,1995,p276-279に記載されているマイクロバルブ性能比較表より推定できる。この文献には、特表平４−５０６３９２号に開示の「半導体マイクロアクチュエータ」に係わるマイクロバルブと、特開平５−１８７５７４号に開示の「超小型バルブ」に係わるバイクロバルブの比較がなされており、後者は前者に比べて耐圧が６倍、流量範囲が１０倍であるが、消費電力は約２倍、熱抵抗で約１／３となっている。
【００１７】
このように特開平５−１８７５７４号に記載されている超小型バルブは、シリコンにより形成されたトーション・バー式サスペンション構造により大きな力を発生できるマイクロアクチュエータとなっているが、消費電力については、小型・携帯用のニーズに応えるものではない。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は熱絶縁効率が高く、かつ製造プロセスが簡単で、小型・低消費電力で駆動可能な半導体マイクロアクチュエータ及び半導体マイクロバルブ及び半導体マイクロリレーを提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために請求項１の発明は、半導体基板と、外部要因により変位する可動エレメントと、前記可動エレメントの熱膨張係数と異なる熱膨張係数を有するとともに、前記半導体基板と可動エレメントに接合されて前記可動エレメントを前記半導体基板から懸垂するための懸垂手段とから成り、前記半導体基板と前記可動エレメントとの間は、前記懸垂手段を介してのみ両者が橋渡しされるように隔離され、前記懸垂手段は、前記半導体基板と前記可動エレメント間の熱絶縁機能を有し、前記可動エレメントの一部と前記懸垂手段の一部が重なり合うように接触し、前記可動エレメントの一部が温度変化したときに、前記懸垂手段との熱膨張差により前記可動エレメントが変位することを特徴とする。
【００２０】
また、請求項２の発明は、請求項１に記載の半導体マイクロアクチュエータにおいて、前記可動エレメントの前記半導体基板に対する変位が非回転的変位であることを特徴とする。
【００２１】
また、請求項３の発明は、請求項１に記載の半導体マイクロアクチュエータにおいて、前記可動エレメントの前記半導体基板に対する変位が回転的変位であることを特徴とする。
【００２２】
また、請求項４の発明は、請求項１又は２に記載の半導体マイクロアクチュエータにおいて、前記可動エレメントの一部と懸垂手段の一部が重なり合うように接触している部分が、十字形状の脚部を構成する梁の一部であることを特徴とする。
【００２３】
また、請求項５の発明は、請求項１又は３に記載の半導体マイクロアクチュエータにおいて、前記可動エレメントの一部と懸垂手段の一部が重なり合うように接触している部分が、卍字形状の脚部を構成する梁の一部であることを特徴とする。
【００２４】
また、請求項６の発明は、請求項１又は３に記載の半導体マイクロアクチュエータにおいて、前記可動エレメントの一部と懸垂手段の一部が重なり合うように接触している部分が、前記半導体基板の一部を固定端とする片持梁の一部であることを特徴とする。
【００２５】
また、請求項７の発明は、請求項４から６のいずれかに記載の半導体マイクロアクチュエータにおいて、前記可動エレメントの梁の一部は、前記梁を加熱するための加熱手段を含むことを特徴とする。
【００２６】
また、請求項８の発明は、請求項１から７のいずれかに記載の半導体マイクロアクチュエータにおいて、前記可動エレメントがシリコンで構成され、前記懸垂手段を構成する材料の熱膨張係数が略１．０×１０−５／℃以上の特性を有することを特徴とする。
【００２７】
また、請求項９の発明は、請求項１から８のいずれかに記載の半導体マイクロアクチュエータにおいて、前記懸垂手段を構成する材料の熱伝導率が略０．４Ｗ／ｍ℃以下の特性を有することを特徴とする。
【００２８】
また、請求項１０の発明は、請求項９に記載の半導体マイクロアクチュエータにおいて、前記懸垂手段を構成する材料がフッ素化樹脂であることを特徴とする。
【００２９】
また、請求項１１の発明は、請求項９に記載の半導体マイクロアクチュエータにおいて、前記懸垂手段を構成する材料がポリイミドであることを特徴とする。
【００３０】
また、請求項１２の発明は、半導体基板と、外部要因により変位する可動エレメントと、前記可動エレメントの熱膨張係数と異なる熱膨張係数を有するとともに、前記半導体基板と可動エレメントに接合されて前記可動エレメントを前記半導体基板から懸垂するための懸垂手段と、前記可動エレメントの変位に応じてそこに流れる流体の制御が成される流路を有する流体制御エレメントとからなり、前記半導体基板と前記可動エレメントとの間は、前記懸垂手段を介してのみ両者が橋渡しされるように隔離され、前記懸垂手段は、前記半導体基板と前記可動エレメント間の熱絶縁機能を有し、前記可動エレメントの一部と前記懸垂手段の一部が重なり合うように接触し、前記可動エレメントの一部が温度変化したときに、前記懸垂手段との熱膨張差により前記可動エレメントが変位し、前記流路を流れる流体の制御が成されることを特徴とする。
【００３１】
また、請求項１３の発明は、請求項１２に記載の半導体マイクロバルブにおいて、前記可動エレメントの一部と懸垂手段の一部が重なり合うように接触している部分が、十字形状の脚部を構成する梁の一部であることを特徴とする。
【００３２】
また、請求項１４の発明は、請求項１２に記載の半導体マイクロバルブにおいて、前記可動エレメントの一部と懸垂手段の一部が重なり合うように接触している部分が、卍字形状の脚部を構成する梁の一部であることを特徴とする。
【００３３】
また、請求項１５の発明は、半導体基板と、接点が設けられ外部要因により変位する可動エレメントと、前記可動エレメントの熱膨張係数と異なる熱膨張係数を有するとともに、前記半導体基板と可動エレメントに接合されて前記可動エレメントを前記半導体基板から懸垂するための懸垂手段と、前記可動エレメントの接点に対応する部分にその接点と接触可能なそれぞれ離間した接点を有する固定エレメントとから成り、前記可動エレメントの一部と前記懸垂手段の一部が重なり合うように接触し、前記半導体基板と前記可動エレメントとの間は、前記懸垂手段を介してのみ両者が橋渡しされるように隔離され、前記懸垂手段は、前記半導体基板と前記可動エレメント間の熱絶縁機能を有し、前記可動エレメントの一部と前記懸垂手段の一部が重なり合うように接触し、前記可動エレメントの一部が温度変化したときに、前記懸垂手段との熱膨張差により前記可動エレメントが変位し、前記固定エレメントの離間した接点の開閉が行われることを特徴とする。
【００３４】
また、請求項１６の発明は、請求項１５に記載の半導体マイクロリレーにおいて、前記可動エレメントの一部と懸垂手段の一部が重なり合うように接触している部分が、前記半導体基板の一部を固定端とする片持梁の一部であることを特徴とする。
【００３５】
この発明は、ポリイミドまたはフッ素化樹脂などの樹脂材料が、高い熱絶縁性（二酸化ケイ素の約８０倍）を有し、さらに液状で加工し易くスピンコートなどの半導体製造工程により所望の厚さ（数μｍ〜数十μｍ）の膜厚を容易に得ることができ、さらにシリコンに対して大きな熱膨張係数をもつという優れた特徴に着目してなされたものである。詳細には半導体基板、外部要因により変位する可動エレメントと、この半導体基板と可動エレメントに接合されていて、可動エレメントの熱膨張係数と異なる熱膨張係数をもち、可動エレメントを半導体基板から懸垂する懸垂手段から構成されていて、少なくとも可動エレメントの一部と懸垂手段の一部が重なりあうようになっている。
【００３６】
さらに、この懸垂手段は熱絶縁機能を持つようになっている。ここで、可動エレメントの一部が加熱されることにより、可動エレメントと懸垂手段との熱膨張係数の差により可動エレメントと懸垂手段の重なりある部分において熱応力が発生し、半導体マイクロアクチュエータに変位を発生させる駆動源となる。また、懸垂手段は可動エレメントと半導体基板とを接合する役割を果たしているのであるが、熱絶縁効果を有しているため、可動エレメントで発生した熱が半導体基板へ逃げるのを防ぎ、効率のよい半導体マイクロアクチュエータを実現できる。
【００３７】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
本発明の実施形態１を説明する。図１は本発明の半導体マイクロアクチュエータの構造を示す斜視図であり、図２（ａ）（ｂ）はそれぞれ断面図、上面図である。本実施形態の半導体マイクロアクチュエータ７は、図示したように、シリコン等により成る中空で略四角形状の枠体となる半導体基板３と、その内方に懸垂手段４を介して４箇所にて接合され、半導体基板３から懸垂されるシリコン等からなる可動エレメント１により構成される。
【００３８】
この可動エレメント１は、上面が四角形状に開口し下方に向かうにつれて幅が狭くなるように、中空の四角錐台形状に形成された中央のボス２をその上面の開口部４辺のそれぞれより外方に延びる片状の梁６で支える構造となっており、４つの各梁６のそれぞれがボス２を挟んで略十字形状となっているその脚部を構成している。そして、この梁６の上部に重なり合うように接触し形成されたポリイミド、フッ素化樹脂等からなる懸垂手段４が半導体基板３の表面と接合されて、半導体基板３と可動エレメント１が接合される。また、梁６には梁６を加熱するための拡散抵抗などからなる加熱手段５が設けられている。
【００３９】
本実施形態においては、懸垂手段４の材料としてポリイミド（商品名「フォトニース」、以下ポリイミドという）を用いた場合について述べるが、材料はこれに限定されるものではなく、熱絶縁機能を有し、可動エレメント１を構成する材料、例えばシリコンの熱膨張係数と異なる熱膨張係数を持つものであればよい。ここで、両者の熱膨張係数の差が大きいことが望ましい。また、熱伝導率が０．４Ｗ／ｍ℃以下の材料を懸垂手段として用いることにより、二酸化ケイ素以上の熱絶縁効果を得ることができる。上記ポリイミドは、熱伝導率１．１７×１０−３（Ｗ／ｃｍ℃）で二酸化ケイ素の約１／８０であり、熱膨張係数は（（２．２３×１０−５／Ｋ））でシリコンの約５倍の特性をもち、上記懸垂手段４に必要な特性を満たす材料である。
【００４０】
ところで、上記加熱手段５により可動エレメント１の梁６が加熱されると、ポリイミドからなる懸垂手段４とシリコンからなる可動エレメント１の梁６の接触部分の温度が上昇する。ここで、この接触部分の温度変化について考察する。図３は接触部分の構成モデルを示した斜視図であり、具体的な各部の寸法は可動エレメント１と懸垂手段４の重なり部分を６００μｍ（幅）×８００μｍ（長）とし、可動エレメント１の接触部分の厚さを１０μｍ、懸垂手段４の厚みを２０μｍとする。
【００４１】
まず、図３に示す接触部分にエネルギーが加えられたときの温度上昇について考える。シリコンからなる可動エレメント１を１℃上昇させるのに必要な熱量を求める。図３における接触部分の可動エレメント１の体積は、
１０μｍ×８００μｍ×６００μｍ＝４．８×１０−６ｃｍ３
となる。シリコンの密度は２．３３ｇ／ｃｍ３、原子量は２８．１、熱容量は２０．０Ｊ／ｍｏｌであるから
モル数＝（重さ）／（原子量）＝（体積×密度）／（原子量）＝（４．８×１０−６×２．３３）／２８．１＝３．６×１０−７（ｍｏｌ）
となる。したがって、接触部分の可動エレメント１の温度を１℃上昇させるのに必要な熱量は、
熱量（Ｊ）＝熱容量（Ｊ／ｍｏｌ）×モル数＝２０×３．６×１０−７＝７．２×１０−６（Ｊ）
となる。
【００４２】
同様にして接触部分の懸垂手段４の温度を１℃上昇させるのに必要な熱量を求める。図３における懸垂手段４の体積は、
２０μｍ×８００μｍ×６００μｍ＝９．６×１０−６ｃｍ３
となり、ポリイミドの密度は１．３９ｇ／ｃｍ３であるから、懸垂手段４の重さは、
重さ＝密度×体積＝１．３９×９．６×１０−６＝１．３３×１０−５（ｇ）
となる。ポリイミドの比熱は１．１３Ｊ／ｇ℃であるから、図３における懸垂手段４の温度を１℃上昇させるのに必要な熱量は熱量（Ｊ／℃）＝比熱（Ｊ／ｇ℃）×重さ（ｇ）＝１．１３×１．３３×１０−５＝１．５０×１０−５（Ｊ／℃）
となる。電池駆動などを考慮して、加熱のための入力電力（消費電力）を１０ｍＷとすると、
１０ｍＷ＝１０ｍＪ／秒
であるから、図３に示す接触部分の温度上昇ΔＴは、
ΔＴ＝（入力電力）／（シリコンの熱量＋ポリイミドの熱量）＝１０×１０−３（Ｊ／秒）／（７．２×１０−６（Ｊ／℃）＋１．５×１０−５（Ｊ／℃））＝４５０（℃／秒）
となる。すなわち、熱損失を考慮しなければ１０ｍＷの入力電力に対し、図３に示した可動エレメント１と懸垂手段４の接触部分は４５０℃程度に加熱される。しかし、実際は懸垂手段４を通して半導体基板３への逃げ、大気中への熱放射等により２００℃程度までしか温度は上昇しないと考えられる。そこで、以後接触部分の温度上昇ΔＴ＝２００℃として考察していく。
【００４３】
次に、この接触部分の変位について考える。シリコンとポリイミドの熱膨張係数が異なるため温度上昇があると、図３に示す接触部分は変位し、この変位は一般に次式（チモチェンコの式）で与えられる。
【００４４】
【式１】
ここで、ρは曲率、ｗは変位、Ｅｐｈはポリイミドのヤング率（４．９０×１０９Ｎ／ｍ２）、ＥＳｉはシリコンのヤング率（１．９０×１０１１Ｎ／ｍ２）、αｐｈはポリイミドの線膨張係数（２．３０×１０−５／Ｋ）、αＳｉはシリコンの線膨張係数（４．１５×１０−６／Ｋ）、ｔｐｈはポリイミドの厚み（２０μｍ）、ｔＳｉはシリコンの厚み（１０μｍ）となる。
【００４６】
上記の値をチモチェンコの式に代入し曲率ρを算出すると、
【００４７】
【式２】
となる。またこのとき、可動エレメント１をシリコンで形成し、懸垂手段４を熱膨張係数が１．０×１０−５／℃以上のものを用いればその変位は１０μｍ程度の大きな変位を得ることができる。
【００４９】
図１で示したように可動エレメント１の梁６の一端が懸垂手段４によって半導体基板３に接合され固定されているので、この変位は可動エレメント１のボス２を下方向へ押し下げる変位となる。これは、半導体基板３に対して非回転的変位であり、変位の制御精度がよくなる。
【００５０】
図４は図３で示した接触部分のポリイミドの厚みを２０μｍの場合のシリコンの厚みを変化させた場合の接触部分の変位、すなわち撓み量の変化を示しており、図５はシリコンの厚みを１０μｍ、１２μｍとした場合の、ポリイミドの厚さの変化に対する接触部分の撓み量の変化を示している。図５に示すようにポリイミドの厚みはシリコンの厚みにより最大変位を発生させる厚みが変化するが、概ね２０μｍ以上の変位は実現可能である。
【００５１】
次に半導体マイクロアクチュエータ７の熱絶縁効果について説明する。図６は、図１，図２で示した可動エレメント１の梁６と半導体基板３が懸垂手段４よって接合された部分を拡大した断面図である。ここで、従来例で示した二酸化ケイ素薄膜のヒンジ構造の場合と比較するために、懸垂手段４を構成するポリイミドの接合された部分の長さを３０μｍ、接合部のポリイミドの厚みを２０μｍとして、シリコンからなる可動エレメント１の梁６から懸垂手段４を通して半導体基板３へ逃げる熱Ｑ３を計算する。
【００５２】
熱Ｑ３（Ｗ）は従来例で示した（式Ｚ）に従い、熱流の向きに垂直な断面Ａ３は、
Ａ３＝（ポリイミドの厚み）×（ポリイミドの奥行きの幅）＝２０μｍ×６００μｍ＝１．２×１０−４ｃｍ
となり、懸垂手段４を構成するポリイミドの熱伝導率λは１．１７×１０−３（Ｗ／ｃｍ℃）、熱源からの距離、すなわち梁６と半導体基板３の距離δは３０μｍであるから、２００℃に加熱された可動エレメント１の梁６から半導体基板３へ逃げる熱Ｑ３は、
Ｑ３＝１．１７×１０−３（Ｗ／ｃｍ℃）×（２００℃／（３０×１０−４ｃｍ））×１．２×１０−４（ｃｍ２）＝９．３×１０−３（Ｗ）＝９．３（ｍＷ）
となる。図１、図２に示すように、半導体アクチュエータ７は４本の梁６から構成されているので、逃げる熱量は全体で３７．２ｍＷとなる。これは、入力電力３７．２ｍＷを投入することにより、梁６の温度を２００℃に絶えず維持できることを示しており、従来例と比較すると、消費電力を約１／１８に低減できるものである。
【００５３】
上記のように図１、図２で示した半導体マイクロアクチュエータにおいては、可動エレメント１を半導体基板３から懸垂させる懸垂手段４が可動エレメント１の梁６と重なり合うように接触し、そして懸垂手段４の熱膨張係数が可動エレメント１の梁６の熱膨張係数と異なり、梁６の温度が変化したときに梁６と懸垂手段４の熱膨張係数の差により梁６が撓み、可動エレメント１が変位するように構成するため、可動エレメント１を変位させるために、可動エレメント１と熱膨張係数の異なる手段を新たに設ける必要がなく、構造が簡単になり、製造プロセスも簡単になる。また、上記した懸垂手段にポリイミド、フッ素化樹脂などの熱絶縁性の高いものを使用するため、半導体基板３と可動エレメント１間の熱絶縁効果が優れており、小型・低消費電力で半導体マイクロアクチュエータ７の駆動が可能となる。また、梁６には拡散抵抗などからなる加熱手段５が設けられており、半導体マイクロアクチュエータ７を小型化できる。
【００５４】
（実施形態２）
次に、図７、図８を用いて半導体マイクロアクチュエータの他の実施形態を説明する。図７は半導体マイクロアクチュエータの一部破断した斜視図であり、図８は上面図である。図示したように、本実施形態の半導体マイクロアクチュエータ１０は、シリコンなどにより成る中空で略四角形状の枠体となる半導体基板１３とその内方に懸垂手段１４を介して、４箇所にて接合され、半導体基板１３から懸垂されるシリコン等からなる可動エレメント１１により構成される。
【００５５】
この可動エレメント１１は、上面が四角形状に開口し下方に向かうにつれて幅が狭くなるように中空の四角錐台形状に形成された中央のボス１２をその上面の開口部４辺のそれぞれより外方に延びる略Ｌ字片状の４本の梁１６で支える構造となっており、４つの各梁１６のそれぞれがボス１２を挟んで略卍形状となっているその脚部を構成している。そして、この梁１６のそれぞれの上部に重なり合うように接触し形成されたポリイミド、フッ素化樹脂等からなる懸垂手段１４が半導体基板１３の表面と接合されて、半導体基板１３と可動エレメント１１が接合される。
【００５６】
また、図示されていないが、可動エレメント１１の各梁１６には拡散抵抗などからなる加熱手段が形成されている。この加熱手段に電流が流れ可動エレメント１１の梁１６が加熱されると、梁１６と懸垂手段１４の熱膨張係数の差により梁１６が撓み、可動エレメント１１のボス１２が変位する。この場合、可動エレメント１１の変位は半導体基板３に対し平面方向への回転を含んでいる。本実施形態では、各梁１６が図１、図２で示した十字形状の脚部を構成するものと異なり卍形状の脚部を構成するものであるため、梁１６の長さをより長くとることができる。梁の長さを長くすると加熱したときの梁の撓みが大きくなり、可動エレメント１１の変位を大きくすることができる。
【００５７】
本実施形態においても、懸垂手段１４の材料としてフッ素化樹脂、ポリイミドを挙げているが、図１、図２の実施例と同様に、材料はこれに限定されるものではない。また本実施形態の半導体マイクロアクチュエータ１０においても、図１，図２で示した半導体マイクロアクチュエータ１と同様、構造が簡単になり、製造プロセスが簡単になるとともに、小型・低消費電力で駆動可能となる。
【００５８】
（実施形態３）
次に、図９を用いて半導体マイクロアクチュエータの更に他の実施形態を説明する。図９は本発明の実施形態３に対応する半導体マイクロアクチュエータの構造を示す一部破断した斜視図を示している。この半導体マイクロアクチュエータ２０はシリコン等からなる半導体基板２３と、その端部下面が半導体基板２３の表面部と接合された懸垂手段２４に接合されて半導体基板２３から懸垂するシリコン等からなる可動エレメント２１により構成される。
【００５９】
この可動エレメント２１は、一端に下方に突出形成される中空状のボス２２を有し、このボス２２に連接して形成される四角片状の梁２６の上面に上記懸垂手段２４が重なり合うように接触して接合されている。梁２６は半導体基板２３の一部を固定端とする片持梁となっている。また、梁２６には拡散抵抗などにより成る加熱手段２５が形成されている。尚、半導体基板２３の表面には、加熱手段２５の電極パッド２７が設けられている。また、この懸垂手段２４は、フッ素化樹脂、ポリイミド等により構成されるが、上述した実施形態同様これに限定されるものではない。
【００６０】
この加熱手段２５に電流が流れ、可動エレメント２１の梁２６が加熱されると、梁２６と懸垂手段２４の熱膨張係数の差により梁２６が撓み、可動エレメント２１が変位する。片持梁形状であるため、この場合の変位は半導体基板２３に対し垂直方向の回転を含み大きな変位となる。
【００６１】
また、本実施形態の半導体マイクロアクチュエータ２０においても、上述した実施例と同様、構造が簡単になり、製造プロセスが簡単になるとともに、小型・低消費電力で駆動可能となる。
【００６２】
（実施形態４）
次に、本発明に係わる半導体マイクロバルブの実施形態を説明する。図１０は、本発明の実施形態４に対応する半導体マイクロバルブの構造を示す一部破断した斜視図である。この半導体マイクロバルブ３０は、流体制御エレメントである弁座３１とその上部に陽極接合、金共晶接合などにより接合されている弁体３２とにより構成されている。この弁体３２は図１、図２で示した半導体マイクロアクチュエータ７と同じ構成をしており、同じものには同じ符号を付しその説明を省略する。
【００６３】
弁座３１はその表面上に、弁体３２のボス２と対応する位置に、流体の流路に相当する孔部であるオリフィス３５が設けられており、そのオリフィス３５を取り囲むように、その周囲部より突出し上面が略平面状の台部３６が形成される。
【００６４】
このとき上記した加熱手段５に電流が流れ可動エレメント１の梁６が撓み、可動エレメント１が変位する。この可動エレメント１の変位により弁体３２のボス２の下面部と弁座３１の台部３６との隙間の間隔が変化し、オリフィス３５を流れる流体の流量が制御される。
【００６５】
本実施形態の半導体マイクロバルブ３０は、図１、図２で説明した半導体マイクロアクチュエータを用いたものであり、構造が簡単になり、製造プロセスが簡単になるとともに、小型・低消費電力で駆動可能となるという同様の効果を有している。また、図１、図２の実施形態と同様に可動エレメント１の各梁６はボス２を挟んで十字形状となる脚部を構成しているため、可動エレメントの変位の制御精度が良くなり、流体の制御精度がよくなる。
【００６６】
（実施形態５）
次に、本発明に係わる半導体マイクロバルブの他の実施形態を説明する。図１１は本発明の実施形態５に対応する半導体マイクロバルブの構造を示す一部破断した斜視図である。半導体マイクロバルブ４０は、流体制御エレメントである弁座４１とその上部に陽極接合、金共晶接合などにより接合されている弁体４２とにより構成されている。この弁体４２は図７、図８で示した半導体マイクロアクチュエータ１０と同じ構成をしており、同じものには同じ符号を付しその説明を省略する。
【００６７】
弁座４１はその表面上に、弁体４２のボス１２と対応する位置に、流体の流路に相当する孔部であるオリフィス４５が設けられており、そのオリフィス４５を取り囲むように、その周囲部より突出し上面が略平面状の台部４６が形成される。
【００６８】
ここで、梁１６に形成された図示せぬ加熱手段に電流が流れ可動エレメント１１の梁１６が撓み、可動エレメント１１が変位する。この可動エレメント１１の変位により弁体４２のボス１２の下面部と弁座４１の台部４６との隙間の間隔が変化し、オリフィス４５を流れる流体の流量が制御される。
【００６９】
本実施形態の半導体マイクロバルブ４０は、図７、図８で説明した半導体マイクロアクチュエータを用いたものであり、構造が簡単になり、製造プロセスが簡単になるとともに、小型・低消費電力で駆動可能となるという同様の効果を有している。また、図７、図８の実施形態と同様に可動エレメント１１の各梁１６はボス１２を挟んで卍字形状となる脚部を構成しているため、可動エレメント１１の変位が大きくなり、流体の流量制御範囲が広くなる。
【００７０】
（実施形態６）
次に本発明に係わる半導体マイクロリレーの実施形態を説明する。図１２は本発明の実施形態６に対応する半導体マイクロリレーの構造を示す一部破断した斜視図である。半導体マイクロリレー５０は、表面に固定接点５６，５７が設けられた固定エレメントである固定片５１と、その上部に陽極接合、金共晶接合などにより接合された可動片５２とにより構成される。この可動片５２は図９で示した半導体マイクロアクチュエータ２０と同様の構成をしており、同じものには同じ符号を付しその説明を省略する。可動片５２のボス２２の下面には可動接点５５が設けられており、固定片５１上の固定接点５６，５７は可動接点５５と接触可能で対応する位置に分離されて設けられている。
【００７１】
ここで、加熱手段２５に電流が流れ可動エレメント２１の梁２６が加熱されると、梁２６と懸垂手段２４との熱膨張係数の差により梁２６が撓み、可動エレメント２１が変位する。この変位により可動エレメント２１の下面に設けられた可動接点５５と固定接点５６，５７が接触し、各接点が閉じられるよう半導体マイクロリレー５０が動作する。
【００７２】
本実施形態の半導体マイクロリレー５０は、図９で説明した半導体マイクロアクチュエータを用いたものであり、構造が簡単になり、製造プロセスが簡単になるとともに、小型・低消費電力で駆動可能となるという同様の効果を有している。また、図９の実施例と同様に梁２６は半導体基板２３を固定端とした片持梁であり、大きな力の変位が得られ、リレーの接点圧力が大きくなる。
【００７３】
【発明の効果】
本発明の請求項１記載の半導体マイクロアクチュエータにおいては、半導体基板と、外部要因により変位する可動エレメントと、前記可動エレメントの熱膨張係数と異なる熱膨張係数を有するとともに、前記半導体基板と可動エレメントに接合されて前記可動エレメントを前記半導体基板から懸垂するための懸垂手段とから成り、前記半導体基板と前記可動エレメントとの間は、前記懸垂手段を介してのみ両者が橋渡しされるように隔離され、前記懸垂手段は、前記半導体基板と前記可動エレメント間の熱絶縁機能を有し、前記可動エレメントの一部と前記懸垂手段の一部が重なり合うように接触し、前記可動エレメントの一部が温度変化したときに、前記懸垂手段との熱膨張差により前記可動エレメントが変位するため、前記半導体基板から可動エレメントを懸垂する懸垂手段が前記可動エレメントを変位させる機能を有しており、可動エレメントを変位させるための可動エレメントと熱膨張係数と異なる部材を新たに設ける必要がなく、構造が簡単で製造プロセスが簡単な半導体マイクロアクチュエータを提供できる。また、懸垂手段が熱絶縁機能を有するので、熱効率がよく小型・低消費電力で駆動できる半導体マイクロアクチュエータを提供できる。
【００７４】
また、請求項２の発明は、請求項１に記載の半導体マイクロアクチュエータにおいて、前記可動エレメントの前記半導体基板に対する変位が非回転的変位であるため、可動エレメントの変位の制御精度のよい半導体マイクロアクチュエータを提供できる。
【００７５】
また、請求項３の発明は、請求項１に記載の半導体マイクロアクチュエータにおいて、前記可動エレメントの前記半導体基板に対する変位が回転的変位であるため、可動エレメントの大きな変位が得られる半導体マイクロアクチュエータを提供できる。
【００７６】
また、請求項４の発明は、請求項１又は２に記載の半導体マイクロアクチュエータにおいて、前記可動エレメントの一部と懸垂手段の一部が重なり合うように接触している部分が、十字形状の脚部を構成する梁の一部であるため、可動エレメントの半導体基板に対する変位を非回転にして、可動エレメントの変位の制御精度のよい半導体マイクロアクチュエータを提供できる。
【００７７】
また、請求項５の発明は、請求項１又は３に記載の半導体マイクロアクチュエータにおいて、前記可動エレメントの一部と懸垂手段の一部が重なり合うように接触している部分が、卍字形状の脚部を構成する梁の一部であるため、可動エレメントの大きな変位が得られる半導体マイクロアクチュエータを提供できる。
【００７８】
また、請求項６の発明は、請求項１又は３に記載の半導体マイクロアクチュエータにおいて、前記可動エレメントの一部と懸垂手段の一部が重なり合うように接触している部分が、前記半導体基板の一部を固定端とする片持梁の一部であるため、大きな力が得られる半導体マイクロアクチュエータを提供できる。
【００７９】
また、請求項７の発明は、請求項４から６のいずれかに記載の半導体マイクロアクチュエータにおいて、前記可動エレメントの梁の一部は、前記梁を加熱するための加熱手段を含むため、小型の半導体マイクロアクチュエータを提供できる。
【００８０】
また、請求項８の発明は、請求項１から７のいずれかに記載の半導体マイクロアクチュエータにおいて、前記可動エレメントがシリコンで構成され、前記懸垂手段を構成する材料の熱膨張係数が略１．０×１０−５／℃以上の特性を有するため、大きな変位が得られる半導体マイクロアクチュエータを提供できる。
【００８１】
また、請求項９の発明は、請求項１から８のいずれかに記載の半導体マイクロアクチュエータにおいて、前記懸垂手段を構成する材料の熱伝導率が略０．４Ｗ／ｍ℃以下の特性を有するため、二酸化ケイ素薄膜以上の熱絶縁効果を得ることができる。
【００８２】
また、請求項１０の発明は、請求項９に記載の半導体マイクロアクチュエータにおいて、前記懸垂手段を構成する材料がフッ素化樹脂であるため、フォトリソ工程及びエッチング工程などの半導体プロセスを使って微細加工が可能で製造プロセスが簡単であり、また大きな変位と熱絶縁効果が得られ、小型・低消費電力で駆動可能な半導体マイクロアクチュエータを提供できる。
【００８３】
また、請求項１１の発明は、請求項９に記載の半導体マイクロアクチュエータにおいて、前記懸垂手段を構成する材料がポリイミドであるため、フォトリソ工程及びエッチング工程などの半導体プロセスを使って微細加工が可能で製造プロセスが簡単であり、また大きな変位と熱絶縁効果が得られ、小型・低消費電力で駆動可能な半導体マイクロアクチュエータを提供できる。
【００８４】
また、請求項１２の発明は、半導体基板と、外部要因により変位する可動エレメントと、前記可動エレメントの熱膨張係数と異なる熱膨張係数を有するとともに、前記半導体基板と可動エレメントに接合されて前記可動エレメントを前記半導体基板から懸垂するための懸垂手段と、前記可動エレメントの変位に応じてそこに流れる流体の制御が成される流路を有する流体制御エレメントとからなり、前記半導体基板と前記可動エレメントとの間は、前記懸垂手段を介してのみ両者が橋渡しされるように隔離され、前記懸垂手段は、前記半導体基板と前記可動エレメント間の熱絶縁機能を有し、前記可動エレメントの一部と前記懸垂手段の一部が重なり合うように接触し、前記可動エレメントの一部が温度変化したときに、前記懸垂手段との熱膨張差により前記可動エレメントが変位し、前記流路を流れる流体の制御が成されるため、構造の簡単で製造プロセスが簡単な半導体マイクロバルブを提供できる。
【００８５】
また、請求項１３の発明は、請求項１２に記載の半導体マイクロバルブにおいて、前記可動エレメントの一部と懸垂手段の一部が重なり合うように接触している部分が、十字形状の脚部を構成する梁の一部であるため、可動エレメントの半導体基板に対する変位を非回転にして、流体の制御精度のよい半導体マイクロバルブを提供できる。
【００８６】
また、請求項１４の発明は、請求項１２に記載の半導体マイクロバルブにおいて、前記可動エレメントの一部と懸垂手段の一部が重なり合うように接触している部分が、卍字形状の脚部を構成する梁の一部であるため、流体の流量制御範囲の広い半導体マイクロバルブを提供できる。
【００８７】
また、請求項１５の発明は、半導体基板と、接点が設けられ外部要因により変位する可動エレメントと、前記可動エレメントの熱膨張係数と異なる熱膨張係数を有するとともに、前記半導体基板と可動エレメントに接合されて前記可動エレメントを前記半導体基板から懸垂するための懸垂手段と、前記可動エレメントの接点に対応する部分にその接点と接触可能なそれぞれ離間した接点を有する固定エレメントとから成り、前記半導体基板と前記可動エレメントとの間は、前記懸垂手段を介してのみ両者が橋渡しされるように隔離され、前記懸垂手段は、前記半導体基板と前記可動エレメント間の熱絶縁機能を有し、前記可動エレメントの一部と前記懸垂手段の一部が重なり合うように接触し、前記可動エレメントの一部が温度変化したときに、前記懸垂手段との熱膨張差により前記可動エレメントが変位し、前記固定エレメントの離間した接点の開閉が行われるため、構造の簡単で製造プロセスの簡単な半導体マイクロリレーを提供できる。
【００８８】
また、請求項１６の発明は、請求項１５に記載の半導体マイクロリレーにおいて、前記可動エレメントの一部と懸垂手段の一部が重なり合うように接触している部分が、前記半導体基板の一部を固定端とする片持梁の一部であるため、接点圧力の大きい半導体マイクロリレーを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１に対応する半導体マイクロアクチュエータの構造を示す一部破断の斜視図である。
【図２】本発明の実施形態１に対応する半導体マイクロアクチュエータの構造を示す（ａ）は断面図（ｂ）は上面図である。
【図３】本発明の半導体マイクロアクチュエータの作用を説明するために用いる懸垂手段と可動エレメントが接触した部分の構成モデルの斜視図である。
【図４】図３で示した構成モデルのシリコンの厚みの変化に対する撓み量の関係を示した特性図である。
【図５】図３で示した構成モデルのポリイミドの厚みの変化に対する撓み量の関係を示した特性図である。
【図６】図１、図２で示した半導体基板と可動エレメントが懸垂手段を介して接合された部分の構造を示す拡大図である。
【図７】本発明の実施形態２に対応する半導体マイクロアクチュエータの構造を示す一部破断の斜視図である。
【図８】本発明の実施形態２に対応する半導体マイクロアクチュエータの構造を示す上面図である。
【図９】本発明の実施形態３に対応する半導体マイクロアクチュエータの構造を示す一部破断の斜視図である。
【図１０】本発明の実施形態４に対応する半導体マイクロバルブの構造を示す一部破断の斜視図である。
【図１１】本発明の実施形態５に対応する半導体マイクロバルブの構造を示す一部破断の斜視図である。
【図１２】本発明の実施形態６に対応する半導体マイクロリレーの構造を示す一部破断の斜視図である。
【図１３】従来の半導体マイクロアクチュエータの構造を示す上面図である。
【図１４】従来の半導体マイクロアクチュエータの一部の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 可動エレメント
２ ボス
３ 半導体基板
４ 懸垂手段
５ 加熱手段
６ 梁
７ 半導体マイクロアクチュエータ
Claims (16)
- 半導体基板と、外部要因により変位する可動エレメントと、前記可動エレメントの熱膨張係数と異なる熱膨張係数を有するとともに、前記半導体基板と可動エレメントに接合されて前記可動エレメントを前記半導体基板から懸垂するための懸垂手段とから成り、前記半導体基板と前記可動エレメントとの間は、前記懸垂手段を介してのみ両者が橋渡しされるように隔離され、前記懸垂手段は、前記半導体基板と前記可動エレメント間の熱絶縁機能を有し、前記可動エレメントの一部と前記懸垂手段の一部が重なり合うように接触し、前記可動エレメントの一部が温度変化したときに、前記懸垂手段との熱膨張差により前記可動エレメントが変位することを特徴とする半導体マイクロアクチュエータ。
- 前記可動エレメントの前記半導体基板に対する変位が非回転的変位であることを特徴とする請求項１に記載の半導体マイクロアクチュエータ。
- 前記可動エレメントの前記半導体基板に対する変位が回転的変位であることを特徴とする請求項１に記載の半導体マイクロアクチュエータ。
- 前記可動エレメントの一部と懸垂手段の一部が重なり合うように接触している部分が、十字形状の脚部を構成する梁の一部であることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体マイクロアクチュエータ。
- 前記可動エレメントの一部と懸垂手段の一部が重なり合うように接触している部分が、卍字形状の脚部を構成する梁の一部であることを特徴とする請求項１又は３に記載の半導体マイクロアクチュエータ。
- 前記可動エレメントの一部と懸垂手段の一部が重なり合うように接触している部分が、前記半導体基板の一部を固定端とする片持梁の一部であることを特徴とする請求項１又は３に記載の半導体マイクロアクチュエータ。
- 前記可動エレメントの梁の一部は、前記梁を加熱するための加熱手段を含むことを特徴とする請求項４から６のいずれかに記載の半導体マイクロアクチュエータ。
- 前記可動エレメントがシリコンで構成され、前記懸垂手段を構成する材料の熱膨張係数が略１．０×１０−５／℃以上の特性を有することを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の半導体マイクロアクチュエータ。
- 前記懸垂手段を構成する材料の熱伝導率が略０．４Ｗ／ｍ℃以下の特性を有することを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の半導体マイクロアクチュエータ。
- 前記懸垂手段を構成する材料がフッ素化樹脂であることを特徴とする請求項９に記載の半導体マイクロアクチュエータ。
- 前記懸垂手段を構成する材料がポリイミドであることを特徴とする請求項９に記載の半導体マイクロアクチュエータ。
- 半導体基板と、外部要因により変位する可動エレメントと、前記可動エレメントの熱膨張係数と異なる熱膨張係数を有するとともに、前記半導体基板と可動エレメントに接合されて前記可動エレメントを前記半導体基板から懸垂するための懸垂手段と、前記可動エレメントの変位に応じてそこに流れる流体の制御が成される流路を有する流体制御エレメントとからなり、前記半導体基板と前記可動エレメントとの間は、前記懸垂手段を介してのみ両者が橋渡しされるように隔離され、前記懸垂手段は、前記半導体基板と前記可動エレメント間の熱絶縁機能を有し、前記可動エレメントの一部と前記懸垂手段の一部が重なり合うように接触し、前記可動エレメントの一部が温度変化したときに、前記懸垂手段との熱膨張差により前記可動エレメントが変位し、前記流路を流れる流体の制御が成されることを特徴とする半導体マイクロバルブ。
- 前記可動エレメントの一部と懸垂手段の一部が重なり合うように接触している部分が、十字形状の脚部を構成する梁の一部であることを特徴とする請求項１２に記載の半導体マイクロバルブ。
- 前記可動エレメントの一部と懸垂手段の一部が重なり合うように接触している部分が、卍字形状の脚部を構成する梁の一部であることを特徴とする請求項１２に記載の半導体マイクロバルブ。
- 半導体基板と、接点が設けられ外部要因により変位する可動エレメントと、前記可動エレメントの熱膨張係数と異なる熱膨張係数を有するとともに、前記半導体基板と可動エレメントに接合されて前記可動エレメントを前記半導体基板から懸垂するための懸垂手段と、前記可動エレメントの接点に対応する部分にその接点と接触可能なそれぞれ離間した接点を有する固定エレメントとから成り、前記半導体基板と前記可動エレメントとの間は、前記懸垂手段を介してのみ両者が橋渡しされるように隔離され、前記懸垂手段は、前記半導体基板と前記可動エレメント間の熱絶縁機能を有し、前記可動エレメントの一部と前記懸垂手段の一部が重なり合うように接触し、前記可動エレメントの一部が温度変化したときに、前記懸垂手段との熱膨張差により前記可動エレメントが変位し、前記固定エレメントの離間した接点の開閉が行われることを特徴とする半導体マイクロリレー。
- 前記可動エレメントの一部と懸垂手段の一部が重なり合うように接触している部分が、前記半導体基板の一部を固定端とする片持梁の一部であることを特徴とする請求項１５に記載の半導体マイクロリレー。
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