DE69735210T2

DE69735210T2 - Mikrorelais und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE69735210T2
Application number: DE69735210T
Authority: DE
Inventors: Minamifudodo-cho MinorułOmron Corp.ł801 Kyoto-shi SAKATA; TakuyałOmron Corp.ł801 Minamifudodo- Kyoto-shi NAKAJIMA; Minamifudodo-cho TomonoriłOmron Corp.ł801 Kyoto-shi Seki; TeruhikołOmron Corp.ł801 Mi Kyoto-shi FUJIWARA; MasashiłOmron Corp.ł801 Minamifudodo Kyoto-shi TAKEUCHI
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1996-08-27
Filing date: 1997-08-26
Publication date: 2006-11-02
Also published as: CN1082237C; DE69737798D1; US6407482B2; EP1517344B1; DE69734537T2; EP1394826A2; US20020117937A1; KR100329246B1; WO1998009312A1; CN1233343A; DE69735210T8; EP0923099B1; CN1378224A; DE69735210D1; EP1517344A1; TW379346B; KR20000035875A; EP1394826A3; JP3590872B2; CN1222972C

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf elektronische Komponenten, wie etwa Mikrorelais, und insbesondere Mikrorelais, Matrixrelais und Mikro-Chips mit Kontakten, die durch Krümmen eines beweglichen Teils, das als monokristallines dünnes plattenförmiges Substrat aufgebaut ist, geöffnet und geschlossen werden.
STAND DER TECHNIK
Herkömmlicherweise gibt es als Relais beispielsweise ein elektromagnetisches Relais, welches einen Elektromagneten ausnutzt. Jedoch lässt sich das Relais, das mechanische Komponenten erfordert, schwer in seiner Größe reduzieren. Ferner besteht bei den beweglichen Komponenten unter den mechanischen Komponenten, die große Trägheitskräfte aufweisen, nachteiligerweise die Gefahr, dass sie die Ursache von Ermüdungsausfällen und einer fehlenden Verschleißfestigkeit werden.
Außerdem gibt es eine Halbleiterschaltvorrichtung als eine Art von kleindimensioniertem Relais, die Vorrichtung hat jedoch nachteiligerweise einen großen Widerstand beim Schließen seines Kontakts, verschlechterte Frequenzcharakteristik und schlechte Isolationseigenschaften zwischen seinem Eingang und Ausgang und zwischen seinen Anschlüssen identischer Polarität.
Im Hinblick auf die vorgenannten Probleme ist es eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Subminiatur-Mikrorelais zu schaffen, das einen kleinen Widerstand beim Schließen seines Kontakts sowie die gewünschte Schwingungsfestigkeit, Frequenzcharakteristik und Isolationseigenschaft hat.
Ein Mikrorelais gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus JP 6-33 82 44 A und US 5 479 042 bekannt.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung ist wie in Anspruch 1 definiert.
Gemäß der Erfindung ist der Beweglichkontakt schwenkbar gehaltert und dies beseitigt das einseitige Anschlagen des Beweglichkontakts gegen den Festkontakt und verbessert die Kontaktzuverlässigkeit.
Ein zweites Merkmal ist ein Mikrorelais, bei welchem ein Device-Wafer mit einem Öffnungsrandabschnitt einer kastenförmigen Basis, die aus einem Substrat-Wafer besteht, über einen Isolationsfilm verbunden ist, und das bewegliche Teil durch ein Einschneiden von einem Paar von Schlitzen in den Device-Wafer ausgebildet ist.
Gemäß dem zweiten Merkmal ist das bewegliche Teil auf dem Device-Wafer verbunden und integriert mit der kastenförmigen Basis des Substrat-Wafer ausgebildet. Diese Anordnung erlaubt es, den Herstellungsvorgang vollständig mit Halbleiterherstellungstechniken zu bewerkstelligen.
Der Substrat-Wafer und der Device-Wafer werden über den Isolationsfilm miteinander verbunden und integriert, weshalb die Wafer bei einer niedrigeren Temperatur als beim direkten Verbinden und Integrieren von Siliziumobjekten miteinander verbunden und integriert werden können. Aus diesem Grund kann ein Material mit niedrigem Schmelzpunkt für den Festkontakt und den Beweglichkontakt verwendet werden, was eine Erweiterung des Konstruktionsfreiheitsgrades erlaubt.
Ein drittes Merkmal ist ein Mikkorelais, bei welchem der Device-Wafer mit einem Anschließöffnungsabschnitt an einer Stelle gegenüber einem Anschlussfleck des Festkontakts ausgebildet ist, der in einer Bodenfläche des Substrat-Wafer vorgesehen ist.
Gemäß dem dritten Merkmal lässt sich eine Verbindung nach außen unter Verwendung des an dem Substrat-Wafer vorgesehenen Anschließöffnungsabschnitts erzielen. Dies erlaubt eine Vereinfachung der Verdrahtungsstruktur des eigentlichen Mikrorelais im Sinne einer einfachen Herstellung.
Ein viertes Merkmal ist ein Mikrorelais, bei welchem die innenseitige Fläche des Anschließöffnungsabschnitts mit einem Isolationsfilm bedeckt ist.
Gemäß dem vierten Merkmal ist die innenseitige Fläche des Anschließöffnungsabschnitts mit einem Isolationsfilm bedeckt. Auch beim Durchführen eines Drahtbondens wird der Draht nicht mit der Siliziumschicht in Berührung gebracht und daher nicht durch die Ansteuerspannungsquelle gestört.
Ein fünftes Merkmal ist ein Mikrorelais, bei welchem eine Kühlrippe an einer Oberseite des Device-Wafer ausgebildet ist.
Gemäß dem fünften Merkmal wird die vom beweglichen Teil erzeugte Wärme über die an der Oberseite des Device-Wafer ausgebildete Kühlrippe rasch nach außen abgegeben. Dies verbessert die Arbeitscharakteristik im Wiederherstellungsstadium.
Auch wenn Mikrorelais miteinander integriert sind, strahlt die Kühlrippe wirkungsvoll Wärme ab, so dass eine Fehlfunktion durch Überhitzung verhindert werden kann.
Ein sechstes Merkmal ist ein Mikrorelais, bei welchem das bewegliche Teil vorab gekrümmt und so belastet ist, dass der auf seiner einen Seite vorgesehene Beweglichkontakt mit dem Festkontakt, der dem Beweglichkontakt zugekehrt ist, in Berührung gebracht wird.
Gemäß dem sechsten Merkmal ist das dünne plattenförmige Substrat vorab so gekrümmt, dass der Beweglichkontakt mit dem Festkontakt in Berührung gebracht wird, weshalb ein selbsthaltendes Mikrorelais gewonnen werden kann, welches eine deutliche Verminderung des Stromverbrauchs erlaubt.
Ein siebtes Merkmal ist ein Mikrorelais, bei welchem ein Paar von Schwenkachsen, die koaxial so vorgesehen sind, dass sie grob von ei nem Mittelabschnitt zwischen beiden Seitenrandabschnitten des Beweglichkontakts abragen, an der Basis abgestützt wird, wobei eine Seitenhälfte des dünne plattenförmigen Substrats vorab gekrümmt und nach oben vorgespannt ist, die verbleibende Seitenhälfte vorab gekrümmt und nach unten vorgespannt ist, und die einen Seitenhälften gleichzeitig entgegengesetzt über die Bewegungsmittel verformt werden, wodurch abwechselnd zwei elektrische Kreise geschlossen und geöffnet werden.
Gemäß dem siebten Merkmal kann die eine Seitenhälfte des dünnen plattenförmigen Substrats für ein Öffnen und Schließen der Kontakte gleichzeitig entgegengesetzt gekrümmt werden, was das gleichzeitige Schließen und Öffnen einer Anzahl elektrischer Kontakte gestattet.
Ein achtes Merkmal ist ein Mikrorelais, bei welchem die Bewegungsmittel ein auf eine Oberfläche des dünnen plattenförmigen Substrats auflaminiertes piezoelektrisches Element sind.
Gemäß dem achten Merkmal wird das bewegliche Teil durch das piezoelektrische Element gekrümmt, und dies erlaubt die Gewinnung eines Mikrorelais, das den auf die Wärmeerzeugung zurückführbaren Stromverbrauch einspart und das einen guten energetischen Wirkungsgrad hat.
Ein neuntes Merkmal ist ein Mikrorelais, bei welchem die Bewegungsmittel eine auf einer Oberfläche des dünnen plattenförmigen Substrats ausgebildete Heizungsschicht sind.
Gemäß dem neunten Merkmal wird das bewegliche Teil allein durch die Heizungsschicht gekrümmt, und dies gestattet die Gewinnung eines Mikrorelais, welches eine verminderte Anzahl von Herstellungsvorgängen erfordert und hohe Produktivität hat.
Ein zehntes Merkmal ist ein Mikrorelais, bei dem die Bewegungsmittel aus einer auf der einen Oberfläche des dünnen plattenförmigen Substrats ausgebildeten Heizungsschicht und einer Bewegungsschicht, die durch Auflaminieren eines Metallmaterials auf die Heizungsschicht über einen Isolationsfilm ausgebildet ist, aufgebaut sind.
Gemäß dem zehnten Merkmal ist die Bewegungsschicht durch Auflaminieren eines Metallmaterials mit hohem Wärmeausdehnungskoeffizienten ausgebildet, und dies gestattet die Gewinnung eines Mikrorelais, das eine ausgezeichnete Ansprechcharakteristik und einen großen Kontaktdruck hat.
Ein elftes Merkmal ist ein Mikrorelais, bei welchem die Heizungsschicht der Bewegungsmittel aus einem Metallmaterial, wie etwa Platin oder Titan, oder einem Polysilizium, das auf der einen Oberfläche des dünnen plattenförmigen Substrats über einen Isolationsfilm auflaminiert ist, aufgebaut ist.
Gemäß dem elften Merkmal ist die Heizungsschicht durch Auflaminieren des Metallmaterials oder Polysiliziums auf die eine Oberfläche des dünnen plattenförmigen Substrats ausgebildet, und dies gestattet die Gewinnung einer Heizungsschicht, die hohe Maßgenauigkeit hat. Daher lässt sich ein Mikkorelais mit gleichförmiger Arbeitscharakteristik gewinnen.
Ein zwölftes Merkmal ist ein Mikrorelais, bei welchem die Bewegungsmittel ein Heizungsabschnitt sind, der aus einem verteilten Widerstand, der innerhalb des dünnen plattenförmigen Substrats ausgebildet ist, aufgebaut ist.
Gemäß dem zwölften Merkmal sind die Bewegungsmittel ein verteilter Widerstand, der innerhalb des aus einem Einkristall bestehenden plattenförmigen Substrats ausgebildet ist. Daher kann die erzeugte Wärme wirkungsvoll genutzt werden, was die Gewinnung eines Mikrorelais mit kleinem Wärmeverlust gestattet.
Ein dreizehntes Merkmal ist ein Mikrorelais, bei welchem ein Isolationsfilm auf wenigstens einer von Vorderfläche und Rückfläche des be weglichen Teils ausgebildet ist, wobei die Fläche mit dem Beweglichkontakt ausgebildet ist.
Gemäß dem dreizehnten Merkmal stellt der Isolationsfilm die Isolationseigenschaften sicher und verhindert ein Entweichen von von den Bewegungsmitteln erzeugter Wärme.
Ein vierzehntes Merkmal ist ein Mikrorelais, bei welchem Siliziumverbindungsfilme, die aus einem Siliziumoxidfilm, einem Siliziumnitridfilm und dgl. bestehen und unterschiedliche Dickenwerte haben, auf Vorder- und Rückfläche des beweglichen Teils ausgebildet sind.
Gemäß dem vierzehnten Merkmal ist der Siliziumverbindungsfilm auf Vorder- und Rückseite des beweglichen Teils ausgebildet, und dies verhindert ein Entweichen von vom beweglichen Teil erzeugter Wärme, was die Gewinnung eines Mikrorelais mit gutem thermischen Wirkungsgrad gestattet.
Ein fünfzehntes Merkmal ist ein Mikrorelais, bei welchem ein Siliziumverbindungsfilm aus einem Siliziumoxidfilm, einem Siliziumnitridfilm oder dgl. so aufgebaut ist, dass wenigstens eine Seite des beweglichen Teils eine Kompressionsspannung in der Nähe eines kritischen Werts, bei welchem das Bewegen beginnt, erhält.
Gemäß dem fünfzehnten Merkmal kann die Kompressionsspannung, bei welcher ein Bewegen beginnt, aus dem Siliziumverbindungsfilm gewonnen werden, und dies gestattet die Gewinnung eines Mikrorelais mit guter Ansprechcharakteristik.
Ein sechzehntes Merkmal ist ein Mikrorelais, bei welchem wenigstens ein adiabatischer Schlitz in der Nähe beider Endabschnitte des beweglichen Teils ausgebildet ist.
Gemäß dem sechzehnten Merkmal ist der adiabatische Schlitz in der Nähe beider Endabschnitte des beweglichen Teils ausgebildet. Daher wird der Wärmeleitungsbereich klein, so dass eine Verhinderung einer Wärmeleitung aus beiden Endabschnitten des beweglichen Teils ermög licht ist. Dadurch kann die Energie effektiv ausgenutzt werden, wodurch die Ansprechcharakteristik verbessert werden kann.
Ein siebzehntes Merkmal ist ein Mikrorelais, bei welchem der adiabatische Schlitz mit einem Polymermaterial niedriger Wärmeleitfähigkeit gefüllt ist.
Gemäß dem siebzehnten Merkmal ist der adiabatische Schlitz mit dem Polymermaterial mit niedriger Wärmeleitfähigkeit gefüllt. Mit dieser Anordnung kann die Energie wirkungsvoller ausgenutzt werden, wodurch die Ansprechcharakteristik verbessert werden kann.
Ein achtzehntes Merkmal ist ein Mikrorelais, bei welchem sich das bewegliche Teil über die Basis hinweg über einen adiabatischen Siliziumverbindungsabschnitt erstreckt, der an beiden Endabschnitten des beweglichen Teils ausgebildet ist.
Gemäß dem achtzehnten Merkmal wird Wärme nur schwer auf die Basis von den beiden Endabschnitten des beweglichen Teils aus geleitet, so dass die Energieausnutzung und die Verbesserung der Arbeitscharakteristik erzielt werden kann.
Ein neunzehntes Merkmal ist ein Mikrorelais, bei welchem ein Fußabschnitt des beweglichen Teils mit einem Radius zur Milderung von Spannungskonzentration vorgesehen ist.
Gemäß dem neunzehnten Merkmal tritt durch Vorsehen des Fußabschnitts des beweglichen Teils mit dem Radius ein Ermüdungsausfall infolge einer Spannungskonzentration nur schwer auf, so dass die Lebensdauer verlängert ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Schnittansicht, welche ein Mikrorelais gemäß einer ersten Ausführungsform (nicht beansprucht) zeigt;
2A ist eine detaillierte Draufsicht des in 1 gezeigten Mikrorelais;
2B ist eine Schnittansicht des Mikrorelais halbiert;
2C ist eine Schnittansicht längs Linie 2C-2C der 2A, einen integrierten Zustand zeigend;
3A bis 3E sind Schnittansichten, die Herstellungsvorgänge des in 1 gezeigten Beweglichkontaktblocks zeigen;
4A bis 4D sind Schnittansichten, die Herstellungsvorgänge des in 1 gezeigten Beweglichkontaktblocks zeigen;
5A bis 5D sind Schnittansichten, die Herstellungsvorgänge des in 1 gezeigten Beweglichkontaktblocks zeigen;
6A bis 6D sind Schnittansichten, die Herstellungsvorgänge des in 1 gezeigten Beweglichkontaktblocks zeigen;
7A bis 7D sind Schnittansichten, die Herstellungsvorgänge des in 1 gezeigten Beweglichkontaktblocks zeigen;
8A bis 8D sind Schnittansichten, die Herstellungsvorgänge des in 1 gezeigten Beweglichkontaktblocks zeigen;
9A bis 9C sind Schnittansichten, die Herstellungsvorgänge des in 1 gezeigten Beweglichkontaktblocks zeigen;
10A bis 10C sind Schnittansichten, die Herstellungsvorgänge des in 1 gezeigten Beweglichkontaktblocks zeigen;
11A bis 11E sind Schnittansichten, die Herstellungsvorgänge des in 1 gezeigten Beweglichkontaktblocks zeigen;
12A ist eine Draufsicht, die ein Mikrorelais gemäß einer zweiten Ausführungsform (nicht beansprucht) zeigt;
12B ist eine Schnittansicht des Mikrorelais halbiert;
12C ist eine Schnittansicht genommen längs Linie 12C-12C der 12A, einen integrierten Zustand zeigend;
13A bis 13E sind Schnittansichten, die Herstellungsvorgänge des in 12A bis 12C gezeigten Beweglichkontaktblocks zeigen;
14A bis 14D sind Schnittansichten, die Herstellungsvorgänge des in 12A bis 12C gezeigten Beweglichkontaktblocks zeigen;
15A bis 15D sind Schnittansichten, die Herstellungsvorgänge des in 12A bis 12C gezeigten Beweglichkontaktblocks zeigen;
16A bis 16D sind Schnittansichten, die Herstellungsvorgänge des in 12A bis 12C gezeigten Beweglichkontaktblocks zeigen;
17A bis 17D sind Schnittansichten, die Herstellungsvorgänge des in 12A bis 12C gezeigten Beweglichkontaktblocks zeigen;
18A bis 18D sind Schnittansichten, die Herstellungsvorgänge des in 12A bis 12C gezeigten Beweglichkontaktblocks zeigen;
19 ist eine Schnittansicht, die den Herstellungsvorgang des in 12A bis 12C gezeigten Beweglichkontaktblocks zeigen;
20A ist eine Draufsicht, die ein Mikrorelais gemäß einer dritten Ausführungsform (nicht beansprucht) zeigt;
20B ist eine Schnittansicht des Mikrorelais halbiert;
20C ist eine Schnittansicht genommen längs Linie 20C-20C der 20A, einen integrierten Zustand zeigend;
21 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Mikrorelais gemäß einer vierten Ausführungsform (nicht beansprucht) zeigt;
22 ist eine Draufsicht des in 21 gezeigten Mikrorelais;
23A bis 23J sind Schnittansichten, die die Herstellungsvorgänge des Substrat-Wafer des in 21 gezeigten Mikrorelais zeigen;
24A bis 24H sind Schnittansichten, die die Herstellungsvorgänge des Substrat-Wafer des in 21 gezeigten Mikrorelais zeigen;
25A bis 25F sind Schnittansichten, die die Herstellungsvorgänge nach Verbinden der in 23A bis 24J gezeigten Wafer zeigen;
26A bis 26F sind Schnittansichten, die die Herstellungsvorgänge nach Verbinden der 23A bis 24J gezeigten Wafer zeigen;
27 ist eine Draufsicht, die ein Mikrorelais gemäß einer fünften Ausführungsform (nicht beansprucht) zeigt;
28 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Mikrorelais gemäß einer sechsten Ausführungsform (nicht beansprucht) zeigt;
29 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht der in 28 gezeigten Rippe;
30 ist eine Draufsicht, die ein Mikrorelais gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
31 ist eine Draufsicht, die ein Mikrorelais gemäß einer achten Ausführungsform, die eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, zeigt;
32 ist eine Draufsicht, die eine Mikrorelais gemäß einer neunten Ausführungsform (nicht beansprucht) zeigt;
33 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Mikrorelais gemäß einer zehnten Ausführungsform (nicht beansprucht) zeigt;
34 ist eine Schnittansicht, die ein Mikrorelais gemäß einer elften Ausführungsform (nicht beansprucht) zeigt;
35 ist eine Schnittansicht, die ein Mikrorelais gemäß einer zwölften Ausführungsform (nicht beansprucht) zeigt;
36 ist eine Schnittansicht, die ein Mikrorelais gemäß einer dreizehnten Ausführungsform (nicht beansprucht) zeigt;
37A ist ein Graph, der die theoretische Arbeitscharakteristik eines Mikrorelais zeigt, welches ein piezoelektrisches Element ausnutzt, und insbesondere eine Beziehung zwischen einer angelegten Spannung und einer Kontaktlast zeigt;
37B ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen der angelegten Spannung und einer Versetzung zeigt;
38A ist ein Graph, der die theoretische Arbeitscharakteristik eines Mikrorelais zeigt, das gleichzeitig eine Heizungsschicht für eine Bewegungsschicht verwendet, und insbesondere eine Beziehung zwischen einem Temperaturanstieg und der Kontaktlast zeigt;
38B ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen dem Temperaturanstieg und der Versetzung zeigt;
39A ist eine Draufsicht, die das Mikrorelais einer vierzehnten Ausführungsform zeigt, die ein Matrixrelais ist;
39B ist ein Schnittansicht längs Linie 39B-39B der 39A;
40 ist eine Schnittansicht längs Linie 40-40 der 39A;
41A ist ein Matrixschaltungsdiagramm, welches die Schaltung des Matrixrelais der 39A und 39B zeigt;
41B ist ein Schaltungsdiagramm, das zur Lieferung einer besseren Ansicht der 41A umgezeichnet ist;
42A ist eine Draufsicht, die ein Matrixrelais gemäß einer fünfzehnten Ausführungsform (nicht beansprucht) zeigt;
42B ist eine Schnittansicht längs Linie 42B-42B der 42A;
43 ist eine Schnittansicht längs Linie 43-43 der 42A;
44 ist eine perspektivische Ansicht einer sechzehnten Ausführungsform, die eine Anzahl von beweglichen Teilen, parallel angeordnet zum Aufbau eines Matrixrelais, zeigt; und
45 ist ein Schaltungsdiagramm eines Matrixrelais gemäß einer siebzehnten Ausführungsform, aufgebaut aus einer Anzahl von Relaiselementen.
BESTE WEISE DER AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden als Nächstes unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen der 1 bis 45 beschrieben.
Wie in 1 gezeigt, ist ein Mikrorelais gemäß der ersten Ausführungsform aus einem Beweglichkontaktblock 10, auf dessen Oberseite beide Enden eines beweglichen Teils 20 befestigt und gehaltert sind, und einem Festkontaktblock 30, der mit diesem Beweglichkontaktblock 10 anodisch verbunden ist. Ein an der Oberseite des beweglichen Teils 20 vorgesehener Beweglichkontakt 25 liegt einem Paar von Festkontakten 38 und 39 gegenüber, die an der Deckenfläche des Festkontaktblocks 30 ausgebildet sind und dabei mit den Festkontakten in und außer Berührung kommen können.
D.h., wie in 2A bis 2C gezeigt, besteht eine den Beweglichkontaktblock 10 aufbauende Basis 11 aus einer Scheibe aus Silizium, Glas oder dgl..
Das bewegliche Teil 20 ist durch Integrieren von Bewegungsmitteln zum Krümmen des beweglichen Teils in Richtung seiner Dicke mit der Oberseite eines dünnen plattenförmigen Substrats 21 aus einem Siliziumeinkristall oder dgl. über einen Isolationsfilm vorgesehen. Diese Bewegungsmittel sind durch Laminieren einer unteren Bewegungselektrode und von oberen Elektroden 22 und 23 auf Vorder- und Rückseite eines piezoelektrischen Elements 24 aufgebaut.
Der Festkontaktblock 30 ist aus einer Scheibe 31 aus Glas, Silizium oder dgl. aufgebaut und mit Eingangs- und Ausgangs-Durchgangs löchern 32 und 35 und Bewegungsdurchgangslöchern 33 und 34 ausgebildet.
Die Eingangs- und Ausgangsdurchgangslöcher 32 und 35 sind mit den Festkontakten 38 und 39 über gedruckte Leitungen 36 und 37 verbunden, die an der Unterseite der Scheibe 31 ausgebildet sind. Die Eingangs- und Ausgangsdurchgangslöcher 32 und 35 sind ferner mit Anschlussflecken 32a (nicht gezeigt) und 35a versehen, die aus einem leitfähigen Material aufgebaut und an deren unteren Endabschnitten angeordnet sind, um die Zuverlässigkeit der Verbindung zu den gedruckten Leitungen 36 und 37 zu verbessern.
Andererseits sind die Bewegungsdurchgangslöcher 33 und 34 mit Anschlussflecken 33a und 34a versehen, die aus einem leitfähigen Material aufgebaut und an deren unteren Endabschnitten vorgesehen sind, so dass die Durchgangslöcher mit den oberen und unteren Bewegungselektroden 22 und 32 verbunden werden können.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform sind die Anschlusspunkte über die Durchgangslöcher 32 und 35 in ein und derselben Ebene ausgerichtet, was den Vorteil mit sich bringt, dass der Anschluss einfach ist.
Ein Herstellungsverfahren für das oben erwähnte Mikrorelais wird als Nächstes beschrieben.
Wie in 2A bis 2C gezeigt, sieht die vorliegende Ausführungsform das Zusammenbauverfahren einer Herstellung des Beweglichkontaktblocks 10 und des Festkontaktblocks 30 in getrennten Vorgängen und eines nachfolgenden Integrierens derselben durch anodisches Verbinden vor.
Es ist zu beachten, dass 3A bis 10C lokale Schnittansichten zeigen, die für eine leichtere Erläuterung nur die wichtigen Teile zeigen.
Zunächst wird für den Beweglichkontaktblock 10, wie in 3A bis 3E gezeigt, ein thermischer Oxidationsfilm (thermisches SiO₂), der ein Maskenmaterial für eine TMAH-(Tetramethylamoniumhydroxid-) Ätzung wird, auf Vorder- und Rückseite einer ersten Siliziumschicht 11a ausgebildet, die als Basis 11 dient und eine Dicke von 400 μm und eine 100-Kristallorientierung hat. Dann wird mit Resist beschichtet und ein Muster zur Durchführung der TMAH-Ätzung durch Photolithographie ausgebildet. Als Nächstes wird der thermische Oxidationsfilm geätzt und danach der Resist entfernt.
Als Nächstes wird, wie in 4A bis 4C gezeigt, die Siliziumscheibe 11 mit dem TMAH geätzt, um einen Hohlraum auszubilden, wonach ein Siliziumnitridfilm, der ein Maskenmaterial wird, auf Vorder- und Rückseite derselben laminiert wird. Dann werden der Siliziumnitridfilm und der thermische Oxidationsfilm durch Trockenätzung und Oxidfilmätzung von der Vorderseite entfernt.
Andererseits wird eine Hochkonzentrations-B-(Bor-) und Ge-(Germanium-)Schicht in einer Dicke von 2 μm auf der einen Fläche der Siliziumscheibe, die eine Dicke von 400 μm und die 100-Kristallorientierung hat, aufgewachsen. Ferner wird eine Normalkonzentrations-B-Schicht in einer Dicke von 20 μm auf ihrer Oberfläche epitaxial aufgewachsen, womit eine zweite Siliziumscheibe 21a zur Ausbildung des dünnen plattenförmigen Substrats 21 gewonnen wird. Die B-Schicht dieser zweiten Siliziumscheibe 21a wird dann auf der Oberseite der ersten Siliziumscheibe 11a angeordnet und mit dieser durch direktes Bonden (siehe 4D) integriert.
Dann wird, wie in 5A bis 5D gezeigt, die Oberfläche der zweiten Siliziumscheibe 21a durch TMAH geätzt, um sie dünner zu machen. Über diesen Vorgang endet die Ätzung in der Hochkonzentrations-B- und Ge-Schicht, die epitaxial gewachsen ist, womit die Normalkonzentrations-B-Schicht, die epitaxial gewachsen ist, freigelegt wird, womit das dünne plattenförmige Substrat 21 ausgebildet wird. Als Nächstes wird ein LTO-(Niedertemperaturoxid-)Film, der als Schutzfilm für die untere Elektrode 22, die später noch beschrieben wird, dient, auf der Vorderseite der freigelegten B-Schicht ausgebildet. Dann wird durch aufeinanderfolgendes Auflaminieren von Titan (Ti) und Platin (Pt) durch Sputtern die unter Elektrode 22 ausgebildet. Ferner wird ein piezoelektrischer Film (PZT) aus Bleizirkonattitanat oder dgl. durch Sputtern ausgebildet.
Nachfolgend wird, wie in 6A bis 6D gezeigt, mit einem Resist beschichtet und ein Muster des piezoelektrischen Films durch Lithographie ausgebildet. Danach wird nach einem Ätzen mit RIE (Reaktives Ionenätzen) der Resist entfernt, womit das piezoelektrische Element 24 ausgebildet wird. Nachfolgend wird ein Isolationsfilm durch SOG-(Spin On Glass-)Beschichtung ausgebildet. Der Grund, warum SOG verwendet wird, ist der, dass der piezoelektrische Film möglicherweise seine Eigenschaften ändert, wenn er erwärmt wird, und deshalb vorgesehen wird, einen Isolationsfilm ohne Erwärmen auszubilden. Dann wird mit einem Resist beschicht und ein Muster durch Photolithographie ausgebildet. Ferner wird nach Freilegen des piezoelektrischen Elements 24 durch Entfernen des Mittelabschnitts des Isolationsfilms eine Platin-(Pt-) Dünnschicht, die zu einer oberen Elektrode 23 wird, durch Sputtern abgelagert.
Nachfolgend wird, wie in 7A bis 7D gezeigt, auf der Platin-Dünnschicht mit einem Resist beschichtet und das Muster der oberen Elektroden durch Photolithographie ausgebildet. Danach wird zur Ausbildung der oberen Elektrode 23 unnötiges Platin weggeätzt und der Resist entfernt. Ferner wird mit einem Resist beschichtet und ein Muster zur Ätzung des Isolationsfilms des SOG, der zwischen der unteren Elektrode 22 und der oberen Elektrode 23 liegt, photolithographisch ausgebildet.
Nachfolgend wird, wie in 8A bis 8D gezeigt, der Isolationsfilm des SOG zur Ausbildung eines Musters des Isolationsfilms zwischen der unteren Elektrode 22 und der oberen Elektrode 23 durch Photolithographie geätzt und danach der Photoresist entfernt. Danach wird durch Sputtern oder eine Methode mit LTO ein Isolationsfilm SiO₂ zur Isolation zwischen der oberen Elektrode 23 und dem Beweglichkontakt 25, der später noch beschrieben wird, ausgebildet. Ferner werden Beweglichkontaktmaterialien Cr und Au durch Sputtern aufeinanderfolgend aufgeschichtet.
Danach wird, wie in 9A bis 9C gezeigt, mit einem Resist beschichtet und ein Muster durch Photolithographie ausgebildet. Danach wird das unnötige Beweglichkontaktmaterial durch Ätzen zur Ausbildung eines Beweglichkontakts 25 und einer Anschlussbasis 26 entfernt, wonach der Resist entfernt wird.
Ferner wird, wie in 10A bis 10C gezeigt, mit einem Resist beschichtet und ein Muster durch Photolithographie ausgebildet. Danach wird zur Freilegung des einen Endes der unteren Elektrode 22 und der oberen Elektrode 23 der Isolationsfilm entfernt, wonach der Resist entfernt wird, womit ein mit dem beweglichen Teil 20 versehender Beweglichkontaktblock 10 fertiggestellt ist.
Für den Festkontaktblock 30 werden, wie in 11A bis 11E gezeigt, die Eingangs- und Ausgangsdurchgangslöcher 32 und 35 sowie die Bewegungsdurchgangslöcher 33 und 34 durch eine Glasscheibe 31 hindurch ausgebildet. Dann werden ein Ausnehmungsabschnitt 31a zur Sicherstellung eines Arbeitsraums und ein Ausnehmungsabschnitt 31b zur Anordnung der Festkontakte 38 und 39 aufeinanderfolgend ausgebildet. Danach wird ein leitfähiges Material auf den Ausnehmungsabschnitten 31a und 31b der Glasscheibe 31 abgelagert und das unnötige leitfähige Material mit Photolithographie geätzt, womit die gedruckten Verdrahtungsleitungen 36 und 37 ausgebildet werden. Ferner werden durch Abscheiden eines leitfähigen Materials und Ätzen desselben durch Photolithographie die Festkontakte 38 und 39 sowie die Anschlussfle cken 32a (nicht gezeigt), 33a, 34a und 35a ausgebildet, womit der Festkontaktblock 30 fertiggestellt ist. Es ist zu beachten, dass der Anschlussflecken 33a eine große Filmdicke für die elektrische Verbindung zur unteren Elektrode 22 aufweist.
Schließlich ist, wie in 2A bis 2C gezeigt, mit Anordnen des Festkontaktblocks 30 auf dem Beweglichkontaktblock 10 und anodisches Bonden derselben die Montage abgeschlossen.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird der am Festkontaktblock 30 vorgesehene Anschlussflecken 35a des Durchgangsloches 35 mit der am Beweglichkontaktblock 10 vorgesehenen Anschlussbasis 26 in Druckberührung gebracht. Mit dieser Anordnung ist die Verbindung zwischen dem Durchgangsloch 35 und dem Verbindungsanschluss 35a gewährleistet, was den Vorteil mit sich bringt, dass sich die Verbindungszuverlässigkeit verbessert. Es ist zu beachten, dass das Durchgangsloch 32 einen ähnlichen Aufbau hat.
Das Arbeiten des Mikrorelais dieser ersten Ausführungsform wird nun beschrieben.
Zunächst bleibt, wenn keine Spannung an das piezoelektrische Element 24 angelegt wird, das bewegliche Teil 20 flach, und der Beweglichkontakt 25 ist von dem Paar von Festkontakten 38 und 39 getrennt.
Nachfolgend, wenn Spannung an das piezoelektrische Element 24 über die untere Elektrode 22 und die obere Elektrode 23 angelegt wird, krümmt sich das piezoelektrische Element 24 nach oben. Durch diesen Vorgang krümmt sich das bewegliche Teil 20 und drückt den Beweglichkontakt 25 nach oben, und dieser Beweglichkontakt 25 kommt mit dem Paar von Festkontakten 38 und 39 in Berührung, womit ein elektrischer Kreis geschlossen wird.
Nachfolgend, wenn die elektrische Spannung vom piezoelektrischen Element 24 weggenommen wird, kehrt das bewegliche Teil 20 durch die Federkraft des dünnen plattenförmigen Substrats 21 in seinen Ausgangszustand zurück, und der Beweglichkontakt 25 löst sich von den Festkontakten 38 und 39.
Es ist zu beachten, dass sich das piezoelektrische Element nicht auf das oben erwähnte beschränkt, und es ist auch annehmbar, ein piezoelektrisches Formgedächtniselement zu verwenden, das in Richtung der Dicke bei Anlegen der Spannung verformt wird und den verformten Zustand auch dann aufrecht erhält, wenn die Spannung weggenommen ist.
Ferner ergibt sich mit einem Aufbau zur Gewinnung einer Kompressionsspannung in der Nähe des kritischen Werts, bei welchem das Bewegen beginnt, aus einem Siliziumverbindungsfilm, wie etwa einem Siliziumoxidfilm oder eine Siliziumnitridfilm, bei obiger Ausführungsform der Vorteil, dass man eine große Versetzung mit einer kleinen Eingangsleistung erreichen kann. Es ist zu beachten, dass der Ort, an dem der Siliziumverbindungsfilm ausgebildet ist, sich nicht auf den Fall einer direkten Ausbildung auf dem dünnen plattenförmigen Substrat beschränkt, der Film kann vielmehr an einer beliebigen Stelle ausgebildet werden.
Wie in 12A bis 19 gezeigt, ist die zweite Ausführungsform so aufgebaut, dass das bewegliche Teil 20 unter Ausnutzung der Differenz zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des dünnen plattenförmigen Substrats 21 und dem Wärmeausdehnungskoeffizienten einer Bewegungsschicht 28, die auf der Oberseite durch Aufschichten eines Metallmaterials ausgebildet ist, gekrümmt wird, womit Kontakte geöffnet und geschlossen werden. Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich daher von der ersten Ausführungsform dadurch, dass die Kontakte durch Ausnützen des Krümmens in Richtung der Dicke des piezoelektrischen Elements 24 der ersten Ausführungsform geöffnet und geschlossen werden.
Es ist zu beachten, dass die zweite Ausführungsform durch anodisches Bonden des Beweglichkontaktblocks 10, dessen Enden durch das bewegliche Teil 20 gehaltert werden, mit dem Festkontaktblock 30, ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform zusammengebaut wird.
Die den Beweglichkontaktblock 10 aufbauende Basis 11 ist ähnlich wie bei der vorgenannten ersten Ausführungsform, weshalb dafür keine Beschreibung gegeben wird.
Das bewegliche Teil 20 wird durch Ausbilden einer Bewegungsschicht 28 durch Laminieren eines Metallmaterials über einen Isolationsfilm auf eine Heizungsschicht 27, die innerhalb der Oberflächenschicht eines dünnen plattenförmigen Substrats 21 ausgebildet ist, und ferner durch Ausbilden eines Beweglichkontakts 25 über einen Isolationsfilm vorgesehen. Kontaktflecken 27a und 27b werden dann an beiden Endabschnitten der Heizungsschicht 27 freigelegt.
Der Festkontaktblock 30 wird durch Ausbilden von Eingangs- und Ausgangsdurchgangslöchern 32 und 35 und Bewegungsdurchgangslöchern 33 und 34 in einer Glasscheibe 31, ähnlich wie bei der vorgenannten ersten Ausführungsform, vorgesehen. Die Eingangs- und Ausgangsdurchgangslöcher 32 und 35 werden dann mit Festkontakten 38 und 39 über gedruckte Leitungen 36 und 37 verbunden. An den unteren Endabschnitten der Durchgangslöcher 32, 33, 34 und 35 werden ferner Anschlussflecken 32a, 33a, 34a und 35a ausgebildet, welche aus einem leitfähigen Material ausgebildet sind. Es ist zu beachten, dass die Anschlussflecken 32a und 35a nicht gezeigt sind.
Als Nächstes wird ein Herstellungsverfahren für das Mikrorelais mit obigem Aufbau beschrieben.
Es ist zu beachten, dass 13A bis 19 lokale Schnittansichten zeigen, die zur einfacheren Erläuterung nur die wichtigen Teile zeigen. Ferner sind, wie in den 13A bis 14D gezeigt, die Vorgänge zur Ausbildung des dünnen plattenförmigen Substrats 21 auf der Basis 11 ähnlich denjenigen bei der ersten Ausführungsform, weshalb keine Beschreibung derselben gegeben wird.
Daher wird, wie in 15A bis 15D gezeigt, das dünne plattenförmige Substrat 21 mit einem Resist beschichtet und ein Muster eines Abschnitts, der die Heizungsschicht 27 wird, durch Photolithographie ausgebildet. Ferner werden B-(Bor-)Ionen in die Oberflächenschicht des freigelegten dünnen plattenförmigen Substrats 21 injiziert. Nachfolgend wird der Photoresist entfernt und eine Erwärmung durchgeführt, um die injizierten B-Ionen zu aktivieren und den elektrischen Widerstand zu erhöhen.
Dann wird, wie in 16A bis 16D gezeigt, ein LTO (Niedertemperaturoxidfilm) auflaminiert, um so die Heizungsschicht 27 zu isolieren. Ferner wird mit einem Resist beschichtet und ein Muster für ein Kontaktloch durch Photolithographie ausgebildet. Nachfolgend wird der unnötige Oxidfilm zur Ausbildung des Kontaktlochs der Heizungsschicht 27 entfernt, wonach der Resist entfernt wird. Nachfolgend wird eine Metalldünnschicht zur Ausbildung der Bewegungsschicht 28 und der Verbindungsabschnitte 27a und 27b auf seine Oberfläche durch Sputtern aufgeschichtet.
Ferner wird, wie in 17A bis 17D gezeigt, mit einem Resist beschichtet und ein Muster zur Ausbildung der Bewegungsschicht 28 und der Verbindungsabschnitte 27a und 27b durch Photolithographie ausgebildet. Dann wird die unnötige Metalldünnschicht durch Ätzen entfernt, um die Bewegungsschicht 28 und die Verbindungsabschnitte 27a und 27b auszubilden, und der Resist entfernt. Nachfolgend werden ein aus einem Niedertemperaturoxidfilm aufgebauter Isolationsfilm und eine Metalldünnschicht durch Sputtern aufeinanderfolgend aufgeschichtet.
Nachfolgend wird, wie in 18A bis 18D gezeigt, mit einem Photoresist beschichtet, und ein Muster für den Beweglichkontakt 25 und die Anschlussbasis 26 durch Photolithographie ausgebildet. Nach Entfernen des unnötigen Abschnitts der Metalldünnschicht durch Ätzen wird der Resist entfernt. Ferner wird mit dem Photoresist beschichtet und ein Muster eines Kontaktlochs für die Verbindung zur Heizungsschicht 27 durch Photolithographie ausgebildet. Dann wird der auf dem Kontaktloch liegende Isolationsfilm durch Musterung des Isolationsfilms entfernt, womit die Verbindungsabschnitte 27a und 27b freigelegt werden.
Dann wird durch Entfernen des Photoresists, wie in 19 gezeigt, der Beweglichkontaktblock 10, der beide Enden des beweglichen Teils 20 haltert, fertiggestellt.
Andererseits wird der Festkontaktblock 30 in nahezu gleicher Weise wie bei der vorgenannten ersten Ausführungsform ausgebildet, weshalb dafür keine Beschreibung gegeben wird.
Nachfolgend wird, wie in 12B gezeigt, durch Anordnen des Festkontaktblocks 30 auf dem Beweglichkontaktblock 10 und Verbinden und Integrieren derselben durch anodisches Bonden die Zusammenbauarbeit abgeschlossen.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform kommt der Anschlussfleck 35a, der am unteren Endabschnitt des Durchgangslochs 35 (nicht gezeigt) vorgesehen ist, mit dem Verbindungsbasisabschnitt 26, der für den Beweglichkontaktblock 10 vorgesehen ist, in Druckkontakt. Diese Anordnung gewährleistet die Verbindung des Durchgangslochs 35 mit der gedruckten Verdrahtung 37 und bietet den Vorteil, dass sich die Verbindungszuverlässigkeit verbessert. Es ist zu beachten, dass ein Durchgangsloch 33 den gleichen Aufbau hat.
Das Arbeiten dieser zweiten Ausführungsform wird nun beschrieben.
Zunächst erzeugt, wenn keine Spannung an die Heizungsschicht 27 angelegt wird, die Heizungsschicht 27 keine Wärme. Aus diesem Grund bleibt das bewegliche Teil 20 flach und der Beweglichkontakt 25 ist von dem Paar von Festkontakten 38 und 39 gelöst.
Nachfolgend, wenn eine Spannung an die Heizungsschicht 27 über die Verbindungsabschnitte 27a und 27b angelegt und diese so erwärmt wird, wird die Bewegungsschicht 28 durch die Erzeugung von Wärme durch die Heizungsschicht 27 erwärmt, so dass sie sich ausdehnt. Diese Bewegungsschicht 28 hat einen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der größer als derjenige des dünnen plattenförmigen Substrats 21 ist. Aus diesem Grund krümmt sich das bewegliche Teil 20, so dass seine Oberseite konvex wird und der Beweglichkontakt 25 mit dem Paar von Festkontakten 38 und 39 in Berührung kommt, wodurch ein elektrischer Kreis geschlossen wird.
Wenn dann die Spannung von der Heizungsschicht 27 weggenommen und damit die Erzeugung von Wärme beendet wird, zieht sich die Bewegungsschicht 28 zusammen. Durch diesen Vorgang nimmt das bewegliche Teil 20 durch die Federkraft des dünnen plattenförmigen Substrats 21 wieder seinen Ausgangszustand ein, und der Beweglichkontakt 25 löst sich von den Festkontakten 38 und 39.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist der Wärmeausdehnungskoeffizient der Bewegungsschicht 28, die sich auf der Grundlage der Wärmeerzeugung durch die Heizungsschicht 27 ausdehnt, viel größer als der Wärmeausdehnungskoeffizient des dünnen plattenförmigen Substrats 21. Aus diesem Grund hat die vorliegende Ausführungsform den Vorteil, dass die Ansprechcharakteristik gut ist und eine große Kontaktdruckkraft gewonnen werden kann.
Wie in 20A bis 20C gezeigt, ist die dritte Ausführungsform so aufgebaut, dass die Differenz zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des dünnen plattenförmigen Substrats 21 und dem Wärmeausdehnungskoeffizienten der im Inneren des Oberflächenschichtabschnitts des dünnen plattenförmigen Substrats 21 ausgebildeten Heizungs schicht 27 ausgenutzt wird. Aus diesem Grund unterscheidet sich die dritte Ausführungsform von der vorgenannten zweiten Ausführungsform dadurch, dass der Unterschied zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des dünnen plattenförmigen Substrats und dem Wärmeausdehnungskoeffizienten der aus einem Metallmaterial bestehenden Bewegungsschicht 28 in der zweiten Ausführungsform ausgenutzt wird. Es ist zu beachten, dass ein Isolationsfilm 29 zum Isolieren des Beweglichkontakts 25 von der Heizungsschicht 27 dient.
Die Herstellung der vorliegenden Ausführungsform ist nahezu gleich zu derjenigen der vorgenannten zweiten Ausführungsform, ausgenommen, dass die aus dem Metallmaterial bestehende Bewegungsschicht 28 nicht vorgesehen ist, weshalb keine Beschreibung gegeben wird.
Das Arbeiten dieser dritten Ausführungsform wird nun beschrieben.
Zunächst, wenn keine Spannung an die Heizungsschicht 27 angelegt ist, erzeugt die Heizungsschicht 27 keine Wärme. Daher bleibt das bewegliche Teil 20 flach und der Beweglichkontakt 25 ist von dem Paar von Festkontakten 38 und 39 gelöst.
Nachfolgend, wenn Spannung an die Heizungsschicht 27 über die Verbindungsabschnitte 27a und 27b angelegt wird, erzeugt die Heizungsschicht 27 Wärme. Aus diesem Grund dehnt sich die Heizungsschicht 27 selbst aus, und das dünne plattenförmige Substrat 21 dehnt sich aus, indem es durch diese Heizungsschicht 27 erwärmt wird. Die Heizungsschicht 27 hat jedoch einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als das dünne plattenförmige Substrat 21, weshalb das bewegliche Teil 20 so verformt wird, dass seine Oberseite konvex wird. Aus diesem Grund kommt der Beweglichkontakt 25 mit dem Paar von Festkontakten 38 und 39 in Berührung, wodurch ein elektrischer Kreis geschlossen wird.
Dann, wenn die elektrische Spannung von der Heizungsschicht 27 weggenommen und so die Erzeugung von Wärme durch die Heizungsschicht 27 beendet wird, zieht sich die Heizungsschicht 27 zusammen. Mit diesem Vorgang wird durch die Federkraft des dünnen plattenförmigen Substrats 21 der Ausgangszustand des beweglichen Teils 20 wieder hergestellt, und der Beweglichkontakt 25 löst sich von den Festkontakten 38 und 39.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform besteht im Gegensatz zur zweiten Ausführungsform keine Notwendigkeit für ein Vorsehen der aus dem Metallmaterial bestehenden Bewegungsschicht 28, und die Heizungsschicht 27 kann gleichzeitig auch als Bewegungsschicht verwendet werden. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass ein Mikrorelais mit einer kleineren Anzahl von Herstellungsvorgängen als bei der zweiten Ausführungsform sowie eine hohe Produktivität gewonnen werden können.
Die vorgenannte Ausführungsform ist auf der Grundlage einer Ausbildung der Heizungsschicht 27 innenseitig des Oberflächenschichtabschnitts des dünnen plattenförmigen Substrats 21 beschrieben worden, die vorliegende Erfindung beschränkt sich jedoch nicht stets darauf, vielmehr ist es akzeptabel, zur Ausbildung der Schicht ein Metallmaterial aus Platin, Titan oder dgl. oder ein Polysilizium auf der Oberseite des dünnen plattenförmigen Substrats 21 aufzuschichten.
Wie in 21 gezeigt, ist die vierte Ausführungsform so aufgebaut, dass eine aus einem Silizium-Device-Wafer 50 aufgebaute Abdeckung 51 mit dem Öffnungsrand einer aus einem Silizium-Substrat-Wafer 40 aufgebauten kastenförmigen Basis 41 verbunden und integriert ist.
Die vorgenannte kastenförmige Basis 41 wird vorgesehen, indem seitlich symmetrisch Anschlussflecken 44, gedruckte Leitungen 45 und Festkontakte 46 auf der Bodenfläche eines Ausnehmungsabschnitts 42, in welcher ein thermischer Oxidationsfilm 43 ausgebildet ist, ausgebildet werden.
Andererseits wird die Abdeckung 51, deren Vorder- und Rückseite mit Oxidfilmen 52 und 53 ausgebildet sind, durch Einschneiden eines Paares von parallelen Schlitzen 54 und 54 so bearbeitet, dass sie ein bewegliches Teil 55 hat. Dieses bewegliche Teil 55 ist mit einem Heizungsabschnitt 56 ausgebildet, der aus einem verteilten Widerstand ausgebildet ist, der eine grob bügelförmige planare Form hat. Beide Enden des Heizungsabschnitts 56 sind mit Anschlussflecken 57 und 57 verbunden, die aus dem vorgenannten Oxidfilm 52 freiliegen. Ferner ist ein Beweglichkontakt 58, der mit den Festkontakten 46 und 46 in und außer Kontakt kommt, an der Unterseite des beweglichen Teils 55 vorgesehen. Ferner ist die Abdeckung 51 mit Verbindungsöffnungsabschnitten 59 und 59 an Stellen ausgebildet, die den Anschlussflecken 44 und 44 entsprechen.
Als Nächstes wird ein Herstellungsverfahren für das Mikrorelais gemäß der vierten Ausführungsform unter Bezug auf 23A bis 26F beschrieben.
Es ist zu beachten, dass die auf der linken Seite von 23A bis 26F gezeigten Schnittansichten Schnittansichten längs der Line 23A-23A der 22 sind, während die auf der rechten Seite gezeigten Schnittansichten Schnittansichten längs Linie 23B-23B der 22 sind.
Wie in 23A bis Fig. 23J gezeigt, ist der Substrat-Wafer 40, der das kastenförmige Gehäuse 41 wird, ein Fremdstofftyp und hat eine beliebige Orientierung. Eine Ausrichtungsmarkierung 47 wird an der Unterseite dieses Substrat-Wafer 40 durch Nassätzen oder Trockenätzen ausgebildet (23C und 23D). Nachfolgend wird die Ausrichtungsmarkierung 47 in Bezug auf die Ätzmaske angeordnet und der Ausnehmungsabschnitt 42 an der Oberseite des Substrat-Wafer 40 durch Nassätzen oder Trockenätzen ausgebildet (23E und 23F).
Ferner wird der Wafer zur Ausbildung eines Oxidfilms thermisch oxidiert, wonach der thermische Oxidationsfilm, der an der außenseitigen Oberfläche und der unteren Oberfläche angeordnet ist, entfernt wird (23G und 23H). Der verbleibende Oxidfilm 43 dient zur Isolation des Festkontakts 46 und zur Erleichterung des Niedertemperaturverbindens, wie später noch beschrieben wird. Dann werden die Anschlussflecken 44, die gedruckten Leitungen 45 und die Festkontakte 46 an der Oberseite des auf der Bodenfläche des Ausnehmungsabschnitts 42 angeordneten Oxidfilms 43 ausgebildet, womit das kastenförmige Gehäuse 41 gewonnen wird (23I und 23J).
Als Verfahren zur Ausbildung des Festkontakts 46 usw. ist es auch akzeptabel, ein Rasterdruckverfahren oder ein galvanisches Verfahren, verschieden von den Halbleiterprozessen eines Sputterns, Abscheidens, usw., zu verwenden. Es ist zu beachten, dass das oben erwähnte Rasterdruckverfahren einen verhältnismäßig dicken Metallfilm (in einer Dicke von ungefähr 10 μm) ausbilden kann, wobei diese Anordnung für eine Ausbildung des Festkontakts 46 usw. vorteilhaft ist. Es ist zu beachten, dass das Rasterdruckverfahren ein Sinterverfahren einer Temperatur von ungefähr 900°C erfordert.
Als Material für den Festkontakt 46 usw. können beispielsweise eine Einzelsubstanz aus Au, Ag, Cu, Pt, Pd oder Cd sowie die Verbindung dieser Substanzen aufgezählt werden.
Andererseits wird, wie in 24A bis 24H gezeigt, ein p-SOI-Wafer als der Device-Wafer 50 für die Ausbildung des beweglichen Teils 55 verwendet. Zunächst wird durch Injizieren von Phosphorionen in eine dünne Siliziumschicht, die an der Unterseite des Device-Wafer 50 angeordnet ist, und Diffundieren der Ionen, bis sie den eingebetteten Isolationsfilm 52 erreichen, ein Heizungsabschnitt 56 ausgebildet ( 24C und 24D). Ferner wird ein thermischer Oxidationsfilm auf dem gesamten Körper des Device-Wafer 50 ausgebildet, weshalb der andere thermische Oxidationsfilm entfernt wird, während lediglich der thermische Oxidationsfilm 53 an der Unterseite belassen wird (24E und 24F). Der an der Unterseite belassene thermische Oxidationsfilm 53 dient zur Isolation des Beweglichkontakts 58 und Erleichterung des Niedertemperaturverbindens, wie später noch beschrieben wird. Dann wird ähnlich den vorgenannten Festkontakten 46 und 46 ein Beweglichkontakt 58 an der Unterseite des thermischen Oxidationsfilms 53 durch Sputtern, Abscheiden, usw. ausgebildet (24G und 24H).
Dann wird, wie in 25A und 25B gezeigt, der Device-Wafer 50 mit dem kastenförmigen Gehäuse 41 verbunden und integriert.
Herkömmlicherweise wurden die Siliziumgegenstände bei einer Grenzschichttemperatur von ungefähr 1000°C direkt miteinander verbunden und integriert. Im Gegensatz dazu werden sie gemäß der vorliegen Ausführungsform über die thermischen Oxidationsfilme 43 und 53 miteinander verbunden und integriert. Daher können sie bei einer niedrigen Temperatur von nicht mehr als 450°C miteinander verbunden und integriert werden. Aus diesem Grund können beispielsweise Au, Ag, Pt, Pd oder dgl., die einen niedrigen Schmelzpunkt haben, als Kontaktmaterial verwendet werden, was den Vorteil bietet, dass sich der Konstruktionsfreiheitsgrad erweitert.
Nachfolgend wird das an der Oberseite des Device-Wafer 50 liegende Silizium durch eine alkalische Ätzlösung aus TMAH, KOH oder dgl. entfernt. Diese alkalische Ätzlösung hat eine Oxidfilmätzgeschwindigkeit, die viel kleiner als die Siliziumätzgeschwindigkeit ist. Aus diesem Grund lässt sich ein Sandwich-Aufbau aus Oxidfilm/Silizium/Oxidfilm mit einer hohen Filmdickengenauigkeit gewinnen (25C und 25D).
Ferner wird der Abschnitt, der zum Isolationsfilm 52 gehört und die Anschlussflecken 57 und 57 bildet, entfernt, wodurch die Randabschnitte des Heizungsabschnitts 56 freigelegt werden (25E und 25F). Dann wird, wie in 26A und 26B gezeigt, Phosphor in den Randabschnitt des freigelegten Heizungsabschnitts injiziert, um einen ohmschen Kontakt zwischen dem Heizungsabschnitt 56 und den Anschlussflecken 57 zu gewinnen. Nachfolgend werden die Anschlussflecken 57 und 57 aus Al, Au oder dgl. ausgebildet (26C und 26D). Schließlich wird der Oxidfilm/Silizium/Oxidfilm teilweise entfernt und ein Paar von parallelen Schlitzen 54 und 54 ausgeschnitten, womit ein bewegliches Teil 55 ausgebildet wird (26E und 26F) und die Anschlussöffnungsabschnitte 59 und 59 ausgebildet werden (21). Die Anschlussflecken 44 und 44 können nach außen durch Drahtbonden über die Anschlussöffnungsabschnitte 59 angeschlossen werden.
Die Arbeitsweise des Mikrorelais mit oben erwähntem Aufbau wird nachstehend beschrieben.
Wenn kein Strom auf die Bewegungsverwendungs-Anschlussflecken 57 und 57 gegeben wird, erzeugt der Heizungsabschnitt 56 keine Wärme. Da das bewegliche Teil 55 gerade ist, ist der Beweglichkontakt 58 von den Festkontakten 46 und 46 gelöst.
Wenn ein Strom auf die Bewegungsverwendungs-Anschlussflecken 57 und 57 eingegeben wird, erzeugt der Heizungsabschnitt 56 Wärme, und das bewegliche Teil 55 dehnt sich durch Erwärmung aus. Durch diesen Vorgang krümmt sich das bewegliche Teil 55 und der Beweglichkontakt 58 kommt mit den Festkontakten 46 und 46 in Berührung.
Nachfolgend, wenn die vorerwähnte Stromeingabe weggenommen wird, vermindert sich die Temperatur des beweglichen Teils 55 und es zieht sich zusammen. Durch diesen Vorgang nimmt das bewegliche Teil 55 wieder seinen Ausgangszustand ein, und der Beweglichkontakt 58 löst sich von den Festkontakten 46 und 46.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist der Heizungsabschnitt 56 innerhalb des beweglichen Teils 55 ausgebildet, und Vorder- und Rückseite desselben sind ferner mit den Oxidfilmen 52 und 53 beschichtet, weshalb der Wärmeverlust klein ist. Aus diesem Grund lässt sich ein Mikrorelais mit hoher Ansprechcharakteristik und kleinem Stromverbrauch gewinnen.
Wie in 27 gezeigt, ist die fünfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung so aufgebaut, dass das bewegliche Teil 55 einen Fußabschnitt hat, der mit einem Radius 55a versehen ist. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass die mechanische Spannungskonzentration gemildert und die Dauerhaftigkeit verbessert ist.
Wie in 28 und 29 gezeigt, ist die sechste Ausführungsform so aufgebaut, dass eine Kühlrippe 51a durch Trockenätzung an der Oberseite der Abdeckung 51, ausgenommen das bewegliche Teil 55, ausgebildet ist. Diese Anordnung bietet beispielsweise den Vorteil, dass eine störende Beeinflussung durch Wärme von außen für eine Verhinderung eines Auftretens einer Änderung der Arbeitscharakteristik in einem Fall, wo mehrere Mikrorelais parallel angeordnet sind, verhindert ist.
Es ist auch annehmbar, die Kühlrippe 51a nur an der Oberseite des beweglichen Teils 55 vorzusehen oder die Kühlrippe 51a auf der gesamten Oberfläche der Abdeckung 51 vorzusehen.
Wie in 30 gezeigt, ist die siebte Ausführungsform so aufgebaut, dass ein Paar von grob bügelförmigen Schlitzen 55b und 55b, die den Beweglichkontakt 58 umgeben, für das bewegliche Teil 55 zur Ausbildung eines Paares von Gelenkabschnitten 55c und 55c vorgesehen ist, um damit den Beweglichkontakt 58 schwenkbar zu haltern.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform schwenkt der Beweglichkontakt 58 über die Gelenkabschnitte 55c und 55c, wenn der Beweglichkontakt 58 mit den Festkontakten 46 und 46 in Berührung kommt. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass ein einseitiges Auftreffen des Beweglichkontakts 58 auf die Festkontakte 46 und 46 beseitig ist, wodurch die Kontaktzuverlässigkeit verbessert wird.
Gemäß der achten Ausführungsform ist, wie in 31 gezeigt, der Basisabschnitt des beweglichen Teils 55 durch Siliziumverbindungsab schnitte 55d und 55e aus Siliziumoxid oder Siliziumnitrid unterteilt. Mit dieser Anordnung erstrecken sich gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Anschlussflecken 57 und 57 über die Oberseite des Siliziumverbindungsabschnitts 55e der vom Heizungsabschnitt 56 weit zum Heizungsabschnitt 56 hin.
Allgemein sind die Wärmeleitfähigkeiten von Silizium, Siliziumoxidfilm und Siliziumnitridfilm 1,412 W/(cmK), 0,014 W/(cmK) bzw. 0,185 W/(cmK). Die Wärmeleitfähigkeiten des Siliziumoxidfilms und des Siliziumnitridfilms sind sehr viel kleiner als die Wärmeleitfähigkeit von Silizium. Aus diesem Grund verhindern, auch wenn der Heizungsabschnitt 56 des beweglichen Teils 55 Wärme erzeugt, die Siliziumverbindungsabschnitte 55d und 55e eine der Wärmeleitung zuzuschreibende Wärmeabgabe nach außen. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass ein energiesparendes Mikrorelais mit ausgezeichneter Ansprechcharakteristik gewonnen werden kann.
Wie in 32 gezeigt, ist die neunte Ausführungsform so aufgebaut, dass die Siliziumverbindungsabschnitte 55d und 55e in der Nähe des Basisabschnitts des beweglichen Teils 55 ausgebildet sind. Im Einzelnen ist der Siliziumverbindungsabschnitt 55e, der in der Nähe des Anschlussflecken 57 liegt, diskontinuierlich.
Wie in 33 gezeigt, ist die zehnte Ausführungsform so aufgebaut, dass die nach außen freiliegende Siliziumschicht der Innenflächen der Verbindungsöffnungsabschnitte 59 und 59 mit einem Isolationsfilm 59a beschichtet ist.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ergibt sich der Vorteil, dass die mit den Signalanschlussflecken 44 und 44 verbundenen Drähte nicht mit der Siliziumschicht der Abdeckung 51 in Berührung kommen und nicht durch die Bewegungsspannungsquelle gestört werden.
Wie in 34 gezeigt, ist die elfte Ausführungsform nahezu gleich der oben erwähnten ersten Ausführungsform, wobei ein Unterschieds punkt darin besteht, dass die Beweglichkontakte 25 und 25 an Vorder- und Rückseite des beweglichen Teils 20 vorgesehen sind. Die anderen Abschnitte sind nahezu gleich der vorgenannten Ausführungsform, weshalb keine Beschreibung derselben gegeben wird.
Wie in 35 gezeigt, ist die zwölfte Ausführungsform nahezu gleich zu der oben erwähnten ersten Ausführungsform. Ein Unterschiedspunkt besteht darin, dass der Beweglichkontakt 25 mit den Festkontakten 38 und 39 durch eine Vorkrümmung des beweglichen Teils 20 zu den Festkontakten 38 und 39 hin in Berührung gebracht wird, um so ein Ruhekontakt-Mikrorelais vorzusehen.
Mit dieser Anordnung ist im wiederhergestellten Zustand der Beweglichkontakt 25 stets mit dem Paar von Festkontakten 38 und 39 in Berührung gebracht. Wenn die Bewegungsmittel wie in der vorgenannten Ausführungsform betätigt werden, wird das bewegliche Teil 20 gegen die Belastungskraft rückwärts gekrümmt und von den Festkontakten 38 und 39 gelöst. Wenn das Betätigen der Bewegungsmittel beendet wird, wird das bewegliche Teil 20 durch die Belastungskraft des beweglichen Teils 20 selbst rückgekrümmt, so dass der Ausgangszustand des Beweglichkontakts 25 wiederhergestellt wird, wobei er mit den Festkontakten 38 und 39 in Berührung gebracht wird.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird der Beweglichkontakt 25 mit den Festkontakten 38 und 39 selbst in einem unbetätigten Zustand in Berührung gesetzt, weshalb ein energiesparendes Mikrorelais mit geringem Stromverbrauch gewonnen werden kann.
Es ist auch annehmbar, den Beweglichkontakt 25 an Vorder- und Rückseite des beweglichen Teils 20 vorzusehen, wodurch mehrere elektrische Kreise abwechselnd geöffnet und geschlossen werden.
Wie in 36 gezeigt, ist die dreizehnte Ausführungsform so aufgebaut, dass die einzelnen elektrischen Kreise durch zwei Beweglich kontakte 25a und 25b, die an der Oberfläche des Basismaterials 20 vorgesehen sind, abwechselnd geöffnet und geschlossen werden.
D.h., Schwenkachsen 21b und 21b sind koaxial vorgesehen und ragen grob vom Mittelabschnitt beider Endabschnitte des dünnen plattenförmigen Substrats 21, das das beweglich Teil 20 bildet, ab, wobei die Schwenkachsen 21b und 21b mit der Basis 11 integriert sind.
Dann wird eine Seitenhälfte 20a des beweglichen Teils 20 vorab so gekrümmt und belastet, dass sie eine nach unten konvexe Form hat, während die verbleibende Seitenhälfte 20b vorab so gekrümmt und belastet wird, dass sie eine nach oben konvexe Form hat.
Vor Betätigen der Bewegungsmittel ist der Beweglichkontakt 25a daher von einem Paar von Festkontakten 38a und 39a getrennt, während der Beweglichkontakt 25b mit einem Paar von Festkontakten 38b und 39b in Berührung gesetzt wird.
Wenn die Bewegungsmittel betätigt werden, wird die eine Seitenhälfte 20a des beweglichen Teils 20 rückwärts gekrümmt, so dass sie eine nach oben konvexe Form hat, so dass der Beweglichkontakt 25a mit den Festkontakten 38a und 39a in Berührung kommt. Gleichzeitig wird die eine Seitenhälfte 20b des beweglichen Teils 20 rückwärts gekrümmt, so dass sie eine nach unten konvexe Form hat, so dass der Beweglichkontakt 25b von dem Paar von Festkontakten 38b und 39b gelöst wird.
Wenn ferner das Betätigen der Bewegungsmittel beendet wird, wird der Ausgangszustand des beweglichen Teils 20 durch seine eigene Federkraft wiederhergestellt. Durch diesen Vorgang wird der Beweglichkontakt 25a von dem Paar von Festkontakten 38a und 39a gelöst. Andererseits kommt der Beweglichkontakt 25b mit den Festkontakten 38b und 39b in Berührung.
Die beiden Beweglichkontakte 25a und 25b sind zwar bei der vorliegenden Ausführungsform an der oberen Seite des beweglichen Teils 20 angeordnet, die vorliegende Erfindung beschränkt sich jedoch nicht stets darauf. Es ist auch annehmbar, vier elektrische Kreis gleichzeitig zu schließen und zu öffnen, indem zwei Beweglichkontakte auf jeder von Vorder- und Rückseite des beweglichen Teils 20 vorgesehen werden.
Was die Bewegungsmittel der vorgenannten erste bis dreizehnte Ausführungsform anbelangt, ist es natürlich möglich, nach Bedarf entweder die Kombination aus dem normalen piezoelektrischen Element, dem piezoelektrischen Element mit Formgedächtnis, dem Einzelkörper der Heizungsschicht, der aus Heizungsschicht und Metallmaterial aufgebauten Bewegungsschicht oder dem Heizungsabschnitt, der aus einem verteilten Widerstand aufgebaut ist, auszuwählen.
Ferner besteht gemäß der vorgenannten Ausführungsformen keine Notwendigkeit, die gedruckte Verdrahtung für den Beweglichkontakt vorzusehen, und es ist lediglich erforderlich, die gedruckte Verdrahtung nur für den Festkontakt vorzusehen. Aus diesem Grund lässt sich ein Mikrorelais gewinnen, das eine kleine Anzahl von Herstellungsvorgängen und hohe Produktivität hat.
Ferner besteht gemäß der vorgenannten Ausführungsform keine Notwendigkeit, die gedruckte Verdrahtung für das bewegliche Teil vorzusehen. Auch wenn ein Werfen im beweglichen Teil auftritt, tritt keine Trennung einer gedruckten Leitung auf, was eine lange Lebensdauer gewährleistet.
Gemäß den vorgenannten Ausführungsformen wird der Kontaktaufbau zu einem so genannten Doppeltrenner, was den Vorteil mit sich bringt, dass die Isolationseigenschaft gut ist. Ferner ist es annehmbar, die Bildung einer isolierenden Substanz beim Öffnen und Schließen der Kontakte durch Betätigen des beweglichen Teils im Vakuum oder einer mit einem inerten Gas, wie etwa Neon oder Argon, gefüllten Umgebung zu verhindern.
(Erstes Beispiel)
Ein Mikrorelais, aufgebaut aus einem beweglichen Teil, das durch aufeinanderfolgendes Laminieren eines Oxidfilms mit einer Dicke von 1,4 μm, einer unteren Elektrode mit einer Dicke von 0,3 μm einem piezoelektrischen Element mit einer Dicke von 2 μm und einer oberen Elektrode mit einer Dicke von 0,3 μm auf die Oberseite des dünnen plattenförmigen Substrats mit einer Dicke von 20 μm, aufgebaut aus einem Silizium-Wafer, gewonnen wurde, womit das bewegliche Teil so aufgebaut wird, dass es eine Gesamtdicke von 24 μm, eine Spannweite von 4 mm und eine Breite von 0,8 mm hat, wurde einer Berechnung einer Kontaktlast und der Deformationsgröße in Bezug auf eine angelegte Spannung unterworfen. Die Berechnungsergebnisse sind in 37A und 37B gezeigt.
Gemäß 37A und 37B sieht man, dass ein spezifizierter Kontaktdruck und eine spezifizierte Versetzung durch bloßes Steuern der an das piezoelektrische Element angelegten Spannung gewonnen werden können.
(Zweites Beispiel)
Ein Mikrorelais, aufgebaut aus einem beweglichen Teil, das durch Ausbilden einer Heizungsschicht mit einer Tiefe von 3 μm im Oberflächenschichtabschnitt des dünnen plattenförmigen Substrats einer Dicke von 20 μm, aufgebaut aus einem Silizium-Wafer, der das bewegliche Teil bildet, Ausbilden eines insulierenden Oxidfilms mit einer Dicke von 1,1 μm auf der Oberseite dieser Heizungsschicht mit einer Gesamtdicke von 21,1 μm, einer Spannweite von 4 mm und einer Breite von 0,8 mm gewonnen wurde, wurde der Berechnung einer Kontaktlast und des Verformungsausmaßes in Bezug auf eine angelegte Spannung unterworfen. Die Berechnungsergebnisse sind in 37A und 37B gezeigt.
Gemäß 38A und 38B sieht man, dass eine spezifizierte Versetzung und ein spezifizierter Kontaktdruck durch bloßes Steuern der angelegten Spannung für eine Einstellung der Wärmeerzeugung durch die Heizungsschicht gewonnen werden können.
Die Matrixrelais der vierzehnten bis siebzehnten Ausführungsform zur Lösung der zweiten Aufgabe werden als Nächstes unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen der 39A bis 45 beschrieben.
Wie in 39A und 41B gezeigt, ist die vierzehnte Ausführungsform ein Matrixrelais, das durch aufeinanderfolgendes Aufschichten einer Beweglichteileinheit 120 und einer Abdeckung 140 auf eine Basis 110 und Verbinden und Integrieren derselben ausgebildet ist.
Die Basis 110 wird durch Anordnung von vier seichten Nuten 111, 112, 113 und 114 in einem spezifizierten Abstand auf der Oberseite einer Siliziumscheibe 110a gewonnen.
Die Beweglichteileinheit 120 wird durch paralleles Anordnen eines, zweiten, dritten und vierten beweglichen Teils 121, 122, 123 und 124 in einem isolierten Zustand, erstreckt über eine rechteckige rahmenförmige Siliziumscheibe 120a, gewonnen. Das erste, zweite, dritte und vierte bewegliche Teil 121, 122, 123 und 124 werden durch Auflaminieren eines Isolationsfilms 126 auf die Oberseite eines einkristallinen dünnen plattenförmigen Substrats 125 und weiteres aufeinanderfolgendes Aufschichten einer unteren Elektrode 127, eines piezoelektrischen Elements 128 und einer oberen Elektrode 129 ausgebildet. Im Mittelabschnitt des Isolationsfilms 126 ist ein Beweglichkontakt 130 in einem isolierten Zustand angeordnet.
Dann werden durch Aufschichten der Beweglichteileinheit 120 auf die Basis 110 und Verbinden und Integrieren derselben das erste, zweite, dritte und vierte bewegliche Teil 121, 122, 123 und 124 über den seichten Nuten 111, 112, 113 und 114 angeordnet, wobei deren beide Enden an den Öffnungsrandabschnitten der Basis 110 fixiert und gehaltert werden.
Die untere Elektrode 127, das piezoelektrische Element 128 und die obere Elektrode 129 sind in 39B so dargestellt, als ob sie durch den Beweglichkontakt 130 getrennt wären, die unteren Elektroden 127, die piezoelektrischen Elemente 128 und oberen Elektroden 129, die auf der linken und der rechten Seite liegen, sind jedoch mit ihren jeweiligen Gegenstücken elektrisch verbunden.
Die Abdeckung 140 wird ausgebildet, indem parallele tiefe Nuten 141, 142, 143 und 144, die zu den inneren Räumen werden, in einem spezifizierten Abstand an der Unterseite einer Glasscheibe 140a angeordnet werden und ein Paar von Festkontakten 145 und 146 an den Deckenflächen der tiefen Nuten 141, 142, 143 und 144 an Stellen, die den Beweglichkontakten 130 entsprechen, vorgesehen wird.
Die Festkontakte 145 sind mit den betreffenden Durchgangslöchern 161a, 162a, 163a und 164a, die in der Glasscheibe 140a vorgesehen sind, über gedruckte Leitungen (nicht gezeigt) längs der Unterseite der Glasscheibe 140a und an die Oberfläche der Abdeckung 140 geleitet, verbunden.
In gleicher Weise sind die Festkontakte 146 mit den betreffenden Durchgangslöchern 161b, 162b, 163b und 164b, die in der Glasscheibe 140a vorgesehen sind, über gedruckte Leitungen 151, 152, 153 und 154 verbunden, die längs der Unterseite der Glasscheibe 140a ausgebildet und an der Oberfläche der Abdeckung 140 elektrisch anschließbar gemacht sind.
Die Durchgangslöcher 161a und 162a werden dann mit einem ersten Anschlussfleck für den Eingang 170 über eine gedruckte Leitung 155 verbunden, während die Durchgangslöcher 163a und 164a mit einem zweiten Anschlussfleck für den Eingang 171 über eine gedruckte Verdrahtungsleitung 156 verbunden werden. Ferner werden Durchgangslö cher 161b und 163b mit einem ersten Anschlussfleck für den Ausgang 172 über eine gedruckte Leitung 157 verbunden. Die Durchgangslöcher 162b und 164b werden mit einem zweiten Anschlussfleck für den Ausgang 173 über eine gedruckte Leitung 158 verbunden.
Die vier unteren Elektroden 127 werden elektrisch mit einem gemeinsamen Durchgangsloch für die Betätigung 180, das an der Abdeckung 140 vorgesehen ist, elektrisch verbunden. Andererseits werden die vier oberen Elektroden 129 mit Durchgangslöchern für die Betätigung 181, 182, 183 und 184, die an der Abdeckung 140 vorgesehen sind, elektrisch verbunden.
Die Eingänge 1 und 2 und Ausgänge 1 und 2 in den Schaltungsdiagrammen der 41A und 41B entsprechen daher den Anschlussflecken 170 und 171 sowie den Anschlussflecken 172 und 713.
Ry1, 2, 3 und 4 in den 41A und 41B entsprechen den aus den vorgenannten ersten, zweiten, dritten und vierten beweglichen Teilen 121, 122, 123 bzw. 124 aufgebauten Relais.
Die Arbeitsweise des den obigen Aufbau aufweisenden Matrixrelais wird als Nächstes beschrieben.
Zunächst, wenn keine Spannung an die untere Elektrode 127 des ersten beweglichen Teils 121 und die obere Elektrode 129 angelegt wird, ist das piezoelektrische Element 128 nicht erregt, wobei das erste bewegliche Teil 121 eben bleibt und der Beweglichkontakt 130 von den Festkontakten 145 und 146 gelöst wird.
Wenn eine Spannung über das gemeinsame Durchgangsloch für die Bewegung 180 und das Durchgangsloch für die Bewegung 181 angelegt wird, so dass sich das piezoelektrische Element 128 nach oben krümmt, krümmt sich das erste bewegliche Teil 121 gegen die Federkraft des dünnen plattenförmigen Substrats 125 nach oben. Durch diesen Vorgang kommt der Beweglichkontakt 130 mit den Festkontakten 145 und 146 in Berührung, und die Anschlussflecken 170 und 172 set zen einander aus den Durchgangslöchern 161a und 161b über die gedruckte Leitung 155 und 157 fort.
Wenn ferner die vorgenannte Spannung weggenommen wird, nimmt das erste beweglich Teil 121 durch die Federkraft des dünnen plattenförmigen Substrats 125 wieder den Ausgangszustand ein, und der Beweglichkontakt 130 löst sich von den Festkontakten 145 und 146.
Nachfolgend, wenn eine Spannung in ähnlicher Weise über die Durchgangslöcher 180 und 182 angelegt wird, so dass sich das piezoelektrische Element 128 des zweiten beweglichen Teils 122 nach oben krümmt, krümmt sich das zweite bewegliche Teil 122 nach oben. Durch diesen Vorgang kommt der Beweglichkontakt 130 mit den Festkontakten 145 und 146 in Berührung, und die Anschlussflecken 170 und 173 setzen einander aus den Durchgangslöchern 162a und 162b über die gedruckte Leitung 155 und 158 fort.
Wenn eine Spannung über die Durchgangslöcher 180 und 183 angelegt wird, so dass sich das piezoelektrische Element 128 des dritten beweglichen Teils 123 nach oben krümmt, krümmt sich dann das dritte bewegliche Teil 123 nach oben. Durch diesen Vorgang kommt der Beweglichkontakt 130 mit den Festkontakten 145 und 146 in Berührung, und die Anschlussflecken 171 und 172 setzen einander aus den Durchgangslöchern 163a und 163b über die gedruckte Leitung 156 und 157 fort.
Wenn ferner eine Spannung über die Durchgangslöcher 180 und 184 angelegt wird, so dass sich das piezoelektrische Element 128 des vierten beweglichen Teils nach oben krümmt, krümmt sich dann das vierte bewegliche Teil 124 nach oben. Durch diesen Vorgang kommt der Beweglichkontakt 130 mit den Festkontakten 145 und 146 in Berührung, und die Anschlussflecken 171 und 172 setzen einander aus den Durchgangslöchern 164a und 164b über die gedruckte Leitung 156 und 158 fort.
Die vorgenannte vierzehnte Ausführungsform wurde auf der Grundlage der Verwendung des normalen piezoelektrischen Elements 128, das mit Wegnahme der angelegten Spannung in seinen Ausgangszustand zurückkehrt, beschrieben. Die vorliegende Erfindung beschränkt sich jedoch darauf nicht, sondern es ist annehmbar, ein piezoelektrisches Element mit Formgedächtnis zu verwenden, das den verformten Zustand auch dann beibehält, wenn keine angelegte Spannung mehr da ist, und in den Ausgangszustand zurückgeführt wird, wenn eine Spannung in umgekehrter Richtung angelegt wird, um so ein so genanntes Selbsthalte-Matrixrelais vorzusehen.
Wie in den 42A, 42B und 43 gezeigt, ist die fünfzehnte Ausführungsform nahezu gleich der vorgenannten ersten Ausführungsform, wobei ein Unterschiedspunkt darin besteht, dass eine Verformung durch Wärmeausdehnung des ersten, zweiten, dritten und vierten beweglichen Teils 121, 122, 123 und 124 ausgenutzt wird, im Gegensatz zur ersten Ausführungsform, die eine Verformung des piezoelektrischen Elements 28 ausnützt.
D.h., das erste, zweite, dritte und vierte bewegliche Teil 121, 122, 123 und 124 sind aus einer Heizungsschicht 130 aufgebaut, deren elektrischer Widerstand durch die Injektion von Bor oder dgl. in die Oberfläche des dünnen plattenförmigen Substrats 125 erhöht wird, das aus einem Einkristall und einer Bewegungsschicht 133 aufgebaut ist, die durch Auflaminieren eines Metallmaterials über einen Isolationsfilm 132 ausgebildet ist. Dann wird ein Beweglichkontakt 130 in einem isolierten Zustand im Mittelabschnitt des isolierenden Films 132 angeordnet.
Die Arbeitsweise des Matrixrelais der fünfzehnten Ausführungsform wird als Nächstes beschrieben.
Wie in 42A und 42B gezeigt, erzeugt, wenn kein Strom durch die Heizungsschicht 131 beispielsweise des dritten beweglichen Teils 123 fließt, die Heizungsschicht 131 keine Wärme, weshalb sich die Bewegungsschicht 133 nicht ausdehnt. Aus diesem Grund bleibt das erste bewegliche Teil 121 flach und der Beweglichkontakt 130 desselben ist von den Festkontakten 145 und 145 gelöst.
Wenn ein Strom durch die Heizungsschicht 131 über das gemeinsame Durchgangsloch für die Bewegung 180 und das Durchgangsloch für die Bewegung 183 fließen gelassen wird, erzeugt die Heizungsschicht 131 Wärme, wodurch das dünne plattenförmige Substrat 125 und die Bewegungsschicht 133 erwärmt werden. Der Wärmeausdehnungskoeffizient der Bewegungsschicht 133 ist jedoch viel kleiner als der Wärmeausdehnungskoeffizient des dünnen plattenförmigen Substrats 125, weshalb sich das dritte beweglich Teil 123 gegen die Federkraft des dünnen plattenförmigen Substrats 125 nach oben krümmt. Durch diesen Vorgang kommt der Beweglichkontakt 130 mit den Festkontakten 145 und 146 in Berührung. Folglich setzen die Anschlussflecken 170 und 172 einander aus den Durchgangslöchern 163a und 163b über die gedruckten Leitungen 156 und 157 fort.
Wenn ferner die vorgenannte angelegte Spannung weggenommen wird, nimmt das dritte bewegliche Teil 123 gegen die Federkraft des dünnen plattenförmigen Substrats 125 wieder seinen Ausgangszustand ein, und der Beweglichkontakt 130 löst sich von den Festkontakten 145 und 146.
Es ist zu beachten, dass die Arbeitsweisen der anderen, nämlich des ersten, zweiten und vierten beweglichen Teils 121, 122 und 124, ähnlich denjenigen der vierzehnten Ausführungsform sind, weshalb keine Beschreibung für diese erfolgt.
Jedes bewegliche Teil kann aus allein der Heizungsschicht als Betätigungsmittel ausgebildet sein. Ferner kann die Heizungsschicht durch Auflaminieren eines Metallmaterials aus Platin, Titan oder dgl. oder eines Polysiliziums auf die Oberfläche des dünnen plattenförmigen Substrats ausgebildet sein.
Die vorgenannte Ausführungsform wurde auf der Grundlage eines Matrixrelais beschrieben, bei welchem die vier beweglichen Teile parallel angeordnet sind, die vorliegende Erfindung beschränkt sich jedoch nicht darauf. Wie in 44 der sechzehnten Ausführungsform oder 45 der siebzehnten Ausführungsform gezeigt, ist es natürlich annehmbar, die vorliegende Erfindung auf ein Matrixrelais anzuwenden, bei welchem mehr als vier bewegliche Teil parallel angeordnet sind. Als Anschlussmethode für die Festkontakte gibt es in diesem Fall beispielsweise ein Verbindungsverfahren mit einer Druckverdrahtung eines Mehrschichtaufbaus, der auf der Oberfläche der Abdeckung ausgebildet ist, über in der Abdeckung vorgesehene Durchgangslöcher.

Claims

Mikrorelais, welches aufweist: ein bewegliches Teil (55), welches ein dünnes plattenförmiges Substrat (21) aus einem Monokristall, versehen mit Bewegungsmitteln, aufweist, wobei wenigstens eine Fläche des beweglichen Teils (55) mit wenigstens einem beweglichen Kontakt (58) versehen ist, wobei das bewegliche Teil (55) zwei Enden aufweist, dem wenigstens einen beweglichen Kontakt (58) zugekehrte Festkontakte (46), eine Basis (10), welche das bewegliche Teil (55) an den beiden Enden so haltert, dass das bewegliche Teil so eingerichtet ist, dass es über die Bewegungsmittel gekrümmt wird, wodurch der bewegliche Kontakt (58) in und außer Berührung mit den Festkontakten (46) gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine bewegliche Kontakt (58) durch das bewegliche Teil (55) über ein Paar von Gelenkabschnitten (55c) schwenkbar gehaltert wird.
Mikrorelais nach Anspruch 1, wobei ein Device-Wafer (50) über einen Isolationsfilm (52, 53) mit einem Öffnungsrandabschnitt einer kastenförmigen Basis (41) verbunden und integriert ist, die einen Substrat-Wafer (40) aufweist, wobei der Device-Wafer (50) ein Paar von Schlitzen (54) aufweist, die in diese zur Ausbildung des beweglichen Teils (55) eingeschnitten sind.
Mikrorelais nach Anspruch 2, wobei der Device-Wafer (50) mit einem Anschließöffnungsabschnitt (59) an einer Stelle gegenüber einem Anschlussfleck (44) des Festkontakts ausgebildet ist, der an einer Bodenfläche des Substratwafer (40) vorgesehen ist.
Mikrorelais nach Anspruch 3, wobei eine innenseitige Fläche des Anschließöffnungsabschnitts (59) mit einem Isolationsfilm (59a) abgedeckt ist.
Mikrorelais nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei eine Kühlrippe (51a) an einer Oberseite des Device-Wafer (50) ausgebildet ist.
Mikrorelais nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das bewegliche Teil (20) vorab gekrümmt und so belastet ist, dass der auf seiner einen Seite vorgesehene bewegliche Kontakt (25) mit den Festkontakten (38, 39), die dem beweglichen Kontakt zugekehrt sind, in Berührung gebracht wird.
Mikrorelais nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein Paar von Schwenkachsen (21b), die koaxial so vorgesehen sind, dass sie grob von einem Mittelabschnitt zwischen beiden Seitenrandabschnitten des Beweglichkontakts (25a, 25b) abragen, an der Basis (10) abgestützt werden, wobei eine Seitenhälfte des dünnen plattenförmigen Substrats (21) vorab gekrümmt und nach oben belastet ist, die verbleibende Seitenhälfte (20b) vorab gekrümmt und nach unten belastet ist, und die einen Seitenhälften gleichzeitig entgegengesetzt über die Be wegungsmittel verformt werden, wodurch abwechselnd zwei elektrische Kreise geschlossen und geöffnet werden.
Mikrorelais nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Bewegungsmittel ein auf eine Oberfläche des dünnen plattenförmigen Substrats (21) auflaminiertes piezoelektrisches Element (24) sind.
Mikrorelais nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Bewegungsmittel eine auf einer Oberfläche des dünnen plattenförmigen Substrats (21) ausgebildete Heizungsschicht (27) sind.
Mikrorelais nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Bewegungsmittel aus einer auf der einen Oberfläche des dünnen plattenförmigen Substrats (21) ausgebildeten Heizungsschicht (27) und einer Bewegungsschicht (28), die durch Auflaminieren eines Metalls auf die Heizungsschicht (27) über einen Isolationsfilm ausgebildet ist, aufgebaut sind.
Mikrorelais nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Heizungsschicht (27) der Bewegungsmittel aus einem Metall, wie etwa Platin oder Titan, oder einem Polysilizium, das auf der einen Oberfläche des dünnen plattenförmigen Substrats (21) über einen Isolationsfilm auflaminiert ist, aufgebaut ist.
Mikrorelais nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Bewegungsmittel ein Heizungsabschnitt (27, 56) sind, der aus einem verteilten Widerstand, der innerhalb des dünnen plattenförmigen Substrats (21) ausgebildet ist, aufgebaut ist.
Mikrorelais nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei ein Isolationsfilm (53) auf wenigstens einer von Vorderfläche und Rückfläche des beweglichen Teils (20, 51) ausgebildet ist, wobei die Fläche mit dem Beweglichkontakt (25, 58) ausgebildet ist.
Mikrorelais nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei Siliziumverbindungsfilme (25d, 25e), die aus einem Siliziumoxidfilm, einem Siliziumnitridfilm oder dgl. bestehen und unterschiedliche Dickenwerte haben, auf Vorder- und Rückfläche des beweglichen Teils (55) ausgebildet sind.
Mikrorelais nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei ein Siliziumverbindungsfilm aus einem Siliziumoxidfilm, einem Siliziumnitridfilm oder dgl. so aufgebaut ist, dass wenigstens eine Seite des beweglichen Teils (20) eine Kompressionsspannung in der Nähe eines kritischen Werts, bei welchem das Bewegen beginnt, erhält.
Mikrorelais nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei welchem wenigstens ein adiabatischer Schlitz (55d, 55e) in der Nähe beider Endabschnitte des beweglichen Teils (55) ausgebildet ist.
Mikrorelais nach Anspruch 16, wobei der adiabatische Schlitz (55d, 55e) mit einem Polymermaterial mit niedriger Wärmeleitfähigkeit gefüllt ist.
Mikrorelais nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei sich das bewegliche Teil (55) über die Basis hinweg über einen adiabatischen Siliziumverbindungsabschnitt (55d, 55e) erstreckt, der an beiden Endabschnitten des beweglichen Teils (55) ausgebildet ist.
Mikrorelais nach einem der Ansprüche 1 bis 18, wobei ein Fußabschnitt des beweglichen Teils (55) mit einem Radius (55a) zur Milderung von Spannungskonzentration vorgesehen ist.