JP2001150394A

JP2001150394A - 半導体マイクロアクチュエータ

Info

Publication number: JP2001150394A
Application number: JP33506399A
Authority: JP
Inventors: Keiko Fujii; 圭子藤井; Hironori Katayama; 弘典片山; Kimiaki Saito; 公昭齊藤; Kenji Toyoda; 憲治豊田; Shigeaki Tomonari; 恵昭友成; Hiroshi Kawada; 裕志河田; Hitoshi Yoshida; 仁吉田; Masaari Kamakura; 將有鎌倉; Kazuji Yoshida; 和司吉田
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1999-11-25
Filing date: 1999-11-25
Publication date: 2001-06-05

Abstract

(57)【要約】【課題】可動部位（可動エレメント）の変位を大きく
できるようにする。【解決手段】温度変化に応じて変位する４つの可撓領
域２、これら可撓領域２の各上面上に形成された薄膜
４、および各可撓領域２の変位に応じて上下方向に移動
する可動エレメント５Ａを有して成る可動部位８と、こ
の可動部位８の各可撓領域２側を支持する半導体基板３
とを備える半導体マイクロアクチュエータ１Ａに対し
て、各可撓領域２と半導体基板３との間に熱絶縁領域７
を設け、可動エレメント５Ａ側に熱絶縁部５１Ａを設け
た。つまり、可動エレメント５Ａ全体を熱絶縁部５１Ａ
として形成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、温度変化に応じて
変位する少なくとも１つの可撓領域およびこの可撓領域
の一の面上に形成された薄膜を有して成る可動部位と、
この可動部位の可撓領域側を支持する半導体基板とを備
えて成る半導体マイクロアクチュエータに関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】半導体基板と、半導体基板から切り離さ
れ温度変化により変位する可撓領域と、両者の間に設け
られた熱絶縁領域から構成される熱絶縁構造体を用いた
ものとして、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がある。この半導体マイクロアクチ
ュエータについては、特表平４−５０６３９２号公報に
記載の「半導体マイクロアクチュエータ」、特開平５−
１８７５７４号公報に記載の「超小型バルブ」等があ
る。

【０００３】特表平４−５０６３９２号公報に記載の半
導体マイクロアクチュエータは、図１０の上面図、図１
１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１
０３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Ｘ）となる。

【０００５】ここで、Ｑは熱流（熱移動の速さ）、ｔ₂
−ｔ₁は温度差（℃）、δは熱源からの距離（ｃｍ）、
Ａは熱流の向きに垂直な断面（ｃｍ²）、およびλは熱
伝導率（Ｊ／ｃｍ・ｓ・℃）である。

【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１５
０℃、ヒンジ１０３の横幅を３０μｍ、ダイアフラム１
００の直径を２．５ｍｍ、ヒンジ１０３の厚みを２μｍ
（「Electrically‐Activated，Micromachined Diaphr
am Valves」 Technical Digest IEEE Solid−Stat
e Sensor and Actuator Workshop，pp65−69，June
1990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。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号公報に記載
の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。

【０００７】そこで、特表平４−５０６３９２号公報に
記載の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。

【０００８】また、特表平４−５０６３９２号公報に記
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、同上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。

【０００９】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４−５０６３
９２号公報に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。

【００１０】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１
０４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（「Electric
ally‐Activated，Micromachined Diaphram Valves」
Technical Digest IEEE Solid−State Sensor a
nd Actuator Workshop，pp65−69，June1990）に記載
されている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１
００の撓みを阻害する要因となることは容易に推定でき
る。

【００１１】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１０
６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（２×１０^-8ｍ（２００
Å））、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。

【００１２】またこの改善策として米国特許Ｎｏ．5,27
1,597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。

【００１３】このように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。

【００１４】また、特開平５−１８７５７４号公報に記
載の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。

【００１５】これは、文献「SILICON MICROVALVES FOR
GAS FLOW CONTROL」The 8th International Conference
on Solid-State Sensor and Actuators,Stockholm,Swe
den,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４−５
０６３９２号公報に記載の「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５−１８７５
７４号公報に記載の「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。

【００１６】このように特開平５−１８７５７４号公報
に記載の超小型バルブは、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。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】このような事由を考慮
し、熱絶縁効率が高く、かつ製造プロセスが簡単な半導
体マイクロアクチュエータが本出願人により別途提案さ
れている（特願平１１−３０４７２９号参照）。この半
導体マイクロアクチュエータは、ポリイミドまたはフッ
素化樹脂等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）の薄膜を容易に得ることができるという特徴に
着目しなされたものである。以下、この半導体マイクロ
アクチュエータについて説明する。

【００１８】図１２は上記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、図１３（ａ）は断面
図、図１３（ｂ）は上面図である。

【００１９】図示したように、半導体マイクロアクチュ
エータ１は、シリコン等からなる中空で略四角形状の枠
体となる半導体基板３と、その内方にそれぞれ熱絶縁領
域７を介して４点で接合される半導体基板３より切り離
された可動部位８により構成される。この可動部位８
は、上面が四角形状に開口し下方に向かうにつれて幅が
狭くなる中空の四角錐台形状に形成された中央の可動エ
レメント５をその上面の開口部４辺のそれぞれより外方
に延びる四角片状の可撓領域２で支える構造となってお
り、可撓領域２は可動エレメント５を挟んで略十字形状
となっている。

【００２０】半導体基板３と可撓領域２との間の熱絶縁
領域７には、可撓領域２とほぼ同じ厚さでフッ素化樹
脂、ポリイミド等の熱絶縁材料が充填されている。ま
た、可撓領域２上の表面には不純物拡散抵抗等よりなる
可撓領域２を加熱するための加熱手段６が設けられてお
り、この可撓領域２はその上にアルミニウム薄膜または
ニッケル薄膜などの、可撓領域２を構成するシリコンと
熱膨張係数の異なる薄膜４が設けられている。ここで、
半導体基板３と可撓領域２とその間の熱絶縁領域７とで
熱絶縁構造体が構成される。

【００２１】ここでこ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、具体的例として図１４の断面
図に示すように熱絶縁領域７の横方向の長さを３０μ
ｍ、厚さを２０μｍとし、その構成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）
を使用した場合について考察する。また図１２に示した
可撓領域２の長さ（半導体基板３から可動エレメント５
への方向の長さ）を８００μｍ、可撓領域２の幅（熱絶
縁領域７と平行方向）を６００μｍとする。

【００２２】可撓領域２から熱絶縁領域７を通して半導
体基板３へ逃げる熱Ｑ３を計算すると、従来例で示した
式Ｘに従う。ここで、逃げる熱Ｑ３の熱流の向きに垂直
な断面Ａ３はＡ３＝（ポリイミドの厚み）×（可撓領域の幅）＝２０μｍ×６００μｍ＝１．２×１０^-4ｃｍとなる。また、ポリイミドの熱伝導率は１．１７×１０
^-3（Ｗ／ｃｍ℃）であり、熱源から距離δ、すなわち可
撓領域２と半導体基板３の距離は３０μｍであるから、
１５０℃に加熱された可撓領域２から半導体基板３へ逃
げる熱Ｑ３はＱ３＝１．１７×１０^-3（Ｗ／ｃｍ・℃）×（１５０℃
／（３０×１０^-4ｃｍ））×１．２×１０^-4（ｃｍ²）
＝４．２×１０^-3（Ｗ）＝４．２（ｍＷ）となる。上記したように可動部位８は４つの可撓領域を
有しているため、全体として１６．８ｍＷの熱量とな
る。これは、加熱手段６に入力電力１６．８ｍＷを投入
することにより可撓領域２の温度を１５０℃に維持でき
ることを示しており、従来例の６６０ｍＷに比べて、消
費電力を１／４０に低減できる。

【００２３】次に、ポリイミドで構成された熱絶縁領域
７の強度について考察する。図１５（ａ）に示す両端固
定の両持梁構造のモデルを考える。図１５（ａ）に示す
ように梁の中心に荷重Ｗが下から加えられた場合には、
梁のせん断力、モーメント力はそれぞれ図１５（ｂ）
（ｃ）に示すようになる。熱絶縁領域７は、図１５
（ａ）においては、両端の固定端２５，２６と梁２７の
間に位置する。そこで、例えば荷重Ｗが１ｇ、梁２７の
中央に加わった場合（マイクロバルブの場合にオリフィ
ス５００μｍに４６．７ｋＰａの圧力がかかった場合に
相当する）における梁２７にかかる力を求める。

【００２４】梁にかかるせん断力ＦはＦ＝Ｗ／２＝１．０×１０^-3（ｋｇｆ）／２＝０．５×１０^-3（ｋｇｆ）＝４．９×１０^-3（Ｎ）となり、梁にかかる最大せん断応力Ｆｍａｘは、Ｆｍａｘ＝Ｆ／Ｓ（Ｓは梁の断面積）となる。ここで、梁の幅ｂ＝６００μｍ、梁の厚みｈ＝
２０μｍとすると断面積ＳはＳ＝ｂｈ＝６００×１０^-4×２０×１０^-4 ＝１．２×１０^-4ｃｍ² となる。よって、梁２７にかかる最大せん断応力Ｆｍａ
ｘは、Ｆｍａｘ＝０．５０×１０^-3（ｋｇｆ）／１．２×１０^-4（ｃｍ²）＝４．１６（ｋｇｆ／ｃｍ²）＝４．１６×０．０９８（ＭＰａ）＝０．４１（ＭＰａ）となる。次に、梁にかかる最大応力σｍａｘを求める。
最大応力σｍａｘは、 σｍａｘ＝Ｍｍａｘ／Ｚで表される。このとき、Ｍｍａｘは最大モーメントであ
り、Ｚは断面係数である。最大モーメントＭｍａｘは図
１５（ｃ）に示したとおり、Ｍｍａｘ＝ＷＬ／８（Ｌは
梁の長さ８００μｍ）であり、よって、最大モーメント
Ｍｍａｘは、Ｍｍａｘ＝ＷＬ／８＝１．０×１０^-3（ｋｇｆ）×８００×１０^-4（ｃｍ）／８＝１．０×１０^-5（ｋｇｆ・ｃｍ）＝９．８×１０^-5（Ｎ・ｃｍ）となる。また、断面係数ＺはＺ＝ｂｈ²／６＝１／６×６００×１０^-4×（２０×１０^-4）² ＝４．０×１０^-8（ｃｍ³）となる。そこで、モーメントによる最大応力σｍａｘは σｍａｘ＝Ｍｍａｘ／Ｚ＝１．０×１０^-5（ｋｇｆ・ｃｍ）／４．０×１０^-8（ｃｍ³）＝２５０（ｋｇｆ／ｃｍ²）＝２４．５（ＭＰａ）となる。ここで、梁の寸法を上述したように、幅６００
μｍ、長さ８００μｍとして求めた。

【００２５】ポリイミドの破壊強度は３０ＭＰａ程度で
あるため、上記した熱絶縁領域７で１ｇ程度の荷重に耐
えうる半導体マイクロアクチュエータを実現できる。ま
たこの熱絶縁領域７の強度については、強度を上げるこ
とが可能である。また、ここで記載していないが、フッ
素化樹脂においても同様の効果が期待できる。

【００２６】ここで、図１４で示した熱絶縁領域７の形
成方法例を図１６を用いて説明する。まず、図１６
（ａ）に示すように半導体基板１７の表面の熱絶縁領域
に対応する部分をＫＯＨなどによりエッチングして溝１
５を形成する。その後、図１６（ｂ）に示すように、ポ
リイミド薄膜１６をコータ等により回転塗布し、溝１５
を埋め尽くすように形成する。次に、図１６（ｃ）に示
すように半導体のフォトリソ工程などにより溝１５を埋
め尽くした部分のポリイミド薄膜１６を残し、その他の
部分を除去するようにパターニングし、４００℃程度に
加熱してポリイミド中に含まれる有機溶剤などを蒸発さ
せ固化させる。次に、図１６（ｄ）に示すように半導体
基板１７の裏面よりＫＯＨなどによりエッチングを行
う。このとき、２８は枠部となる半導体基板、２９は可
撓領域を示している。このような工程を経て図１４に示
す熱絶縁領域７が形成される。

【００２７】以上のように、熱絶縁領域７は、ポリイミ
ド、フッ素化樹脂等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）の薄膜を容易に得ることができるとい
う性質をうまく利用して、可撓領域２と半導体基板３の
間の熱絶縁領域７の可撓領域２の厚み内に形成されるの
で、従来例に比べて熱絶縁効果が優れ、かつ強度をもつ
熱絶縁構造体を半導体製造工程を用い容易に実現でき
る。また、上記したように熱絶縁領域７を可撓領域２と
ほぼ同じ厚さにすることで、半導体基板３と可撓領域２
との接合を確実にし、その接合部分の強度を強くでき
る。

【００２８】ここで、半導体マイクロアクチュエータ１
の動作を説明する。加熱手段６に電力が加えられると可
撓領域２の温度が上昇する。可撓領域２の上部には可撓
領域２と異なる熱膨張係数を持つ薄膜４が形成されてい
るため、両者の熱膨張差による熱応力が発生する。例え
ば、薄膜４としてアルミニウム、ニッケル等の金属薄膜
が形成させている場合には、可撓領域２を構成するシリ
コンよりも熱膨張係数が大きいため、可撓領域２は図中
下方向へ曲げられる。可動エレメント５は可撓領域２に
連接されているため、可撓領域２の熱応力を受けて、半
導体基板３に対して下方向に変位する。

【００２９】半導体マイクロアクチュエータ１において
は、中央の可動エレメント５とその周囲の４つの可撓領
域２とで十字形状の梁を構成しており、可動エレメント
５の変位は半導体基板３に対して非回転的な変位とな
り、変位の制御精度が良く大きな力を発生することがで
きる。また、上記の構成により製造プロセスが簡単であ
り、また熱絶縁性が高く小型・低消費電力で駆動可能で
ある。また、可撓領域２には可撓領域２を加熱するため
の拡散抵抗等からなる加熱手段６が設けられているので
半導体マイクロアクチュエータ１を小型化できる。

【００３０】次に、上記した半導体基板３と可撓領域２
と熱絶縁領域７とにより構成される熱絶縁構造体の他の
例を説明する。本例の熱絶縁構造体は図１７（ａ）、図
１７（ｂ）に示すように、半導体基板３と、可撓領域２
との間の厚み内に、可撓領域２の厚さとほぼ同じ厚さの
熱絶縁領域１０が形成される点は図１４と同じである
が、この熱絶縁領域１０は上部にフッ素化樹脂あるいは
ポリイミドなどの熱絶縁材料からなる熱絶縁材料領域１
１と、下部に二酸化ケイ素などの熱絶縁領域１１を構成
する材料よりも硬い薄膜で構成された補強領域１２より
構成されている。尚、図１７（ａ）は断面図、図１７
（ｂ）は上面図であり、図１８は図１７（ｂ）のＹ−
Ｙ’断面図である。

【００３１】熱絶縁領域１０の具体的な寸法としては図
１８に示したように、全体の厚さが２０μｍであり、熱
絶縁材料領域１１は１９μｍ、補強領域１２は１μｍの
厚さである。そして、図１７（ａ）に示すように熱絶縁
領域１０の横方向、すなわち半導体基板３から可撓領域
２の方向の長さが３０μｍ、そしてＹ−Ｙ’方向、すな
わち奥行き方向の長さが６００μｍである。ここで、熱
絶縁材料領域１１を構成する材料としてポリイミドを用
い、補強領域１２を構成する材料として二酸化ケイ素を
使用した場合の熱絶縁領域１０の強度を上記した図１４
における熱絶縁領域７の強度計算と同様な条件で行う。

【００３２】熱絶縁領域１０の各構成材料のヤング率を
Ｅi、各領域の図１８で示した断面の断面積をＡiとする
と、底面から中立軸までの距離をηａは次式で与えられ
る。

【００３３】

【数１】

【００３４】補強領域１２を構成する二酸化ケイ素につ
いて各値を求めると次のようになる。

【００３５】

【数２】

【００３６】また、熱絶縁材料領域１１を構成するポリ
イミドについて各値を求めると次のようになる。

【００３７】

【数３】

【００３８】ここで、上記値を用いて中立軸までの距離
ηａを求めると次のようになる。

【００３９】

【数４】

【００４０】次に、二酸化ケイ素、ポリイミドの中立軸
に関する２次モーメントＩs、Ｉfを求めると次のように
なる。

【００４１】

【数５】

【００４２】ここで、ηｉ＝η−ηａ、すなわちηｉは
中立軸からの距離を示している。図１５で説明したよう
に両端が固定された梁の中央に１ｇの荷重が加えられた
場合、梁にかかる最大モーメントＭｍａｘは、Ｍｍａｘ＝１．００×１０^-5（ｋｇｆ・ｃｍ）＝９．８×１．００×１０^-5×１０^-2（Ｎ・ｍ）となる。二酸化ケイ素の最大曲げ応力σｓｍａｘを計算
すると、次のようになる。

【００４３】

【数６】

【００４４】ここで、Ｉiは上記各２次モーメントＩs，
Ｉfを示している。また、ポリイミドの最大曲げ応力σ
ｆｍａｘを計算すると次のようになる。

【００４５】

【数７】

【００４６】よって、ポリイミドにより構成された熱絶
縁材料領域１１にかかる応力は図１４で示した例に比べ
約１／２となる。これは見かけ上、強度が２倍になった
ことと等価である。図１７では、補強領域１２を熱絶縁
材料領域１１の下部に設けているが、上部であっても同
等の効果が得られる。また、上下両側に設けた場合は下
部、上部それぞれに設けた場合の２倍の効果が得られ
る。

【００４７】このように、図１７で示した熱絶縁領域１
０の形成方法例を図１９を用いて説明する。まず、図１
９（ａ）に示すように半導体基板１８の表面の熱絶縁領
域に対応する部分をＫＯＨなどによりエッチングし、溝
１９を形成する。その後、図１９（ｂ）に示すように熱
酸化などにより半導体基板１８の表面に二酸化ケイ素薄
膜２１を形成する。二酸化ケイ素薄膜２１はエッチング
などにより溝１９の表面部分以外は除去される。

【００４８】次に、図１９（ｃ）に示すように、ポリイ
ミド薄膜２２をコータなどにより回転塗布し、溝１９を
埋め尽くすように形成する。さらに、図１９（ｄ）に示
すように、半導体のフォトリソ工程などにより溝１９を
埋め尽くした部分のポリイミド薄膜２２を残し、その他
の部分を除去するようにパターニングし、４００℃程度
に加熱してポリイミド中に含まれる有機溶剤などを蒸発
させ固化させる。次に、図１９（ｅ）に示すように、半
導体基板１８に裏面よりＫＯＨなどによりエッチングを
行う。このとき、２３は半導体基板、２４は可撓領域で
ある。このような工程を経て、図１７に示す熱絶縁領域
１０が形成される。

【００４９】次に、熱絶縁構造体の更に他の例を説明す
る。本例は図２０（ａ）、図２０（ｂ）に示すように、
半導体基板３から切り離された可撓領域２と半導体基板
３との間の厚み内に可撓領域２とほぼ同じ厚さの熱絶縁
領域２０が形成されている。本例では図２０（ｂ）の上
面図に示されるとおり、半導体基板３と可撓領域２のそ
れぞれが、可撓領域２のＢ−Ｂ’方向の外側では可撓領
域２が突出し、内側では半導体基板３が突出するように
３本の櫛刃を有する櫛刃状に形成され、それぞれの間に
熱絶縁領域２０が設けられている。図２０（ｂ）のＢ−
Ｂ’断面図である図２１に示されるように、Ｂ−Ｂ’方
向に可撓領域２、半導体基板３、熱絶縁領域２０が混在
した構成となる。ここで、熱絶縁領域２０はフッ素化樹
脂、ポリイミドなどにより構成される。

【００５０】この熱絶縁領域２０の強度を計算するため
に、具体例として図２０（ａ）（ｂ）に示すように熱絶
縁領域２０の厚さを２０μｍ、Ｂ−Ｂ’方向と垂直方向
の幅を３０μｍとする。また図２１に示すように、上記
した可撓領域２と半導体基板３からなる各櫛刃のＢ−
Ｂ’方向の幅を１８０μｍ、熱絶縁領域２０のＢ−Ｂ’
方向の幅を３０μｍとする。また、熱絶縁領域２０の材
料をポリイミドとし、半導体基板３、可撓領域２がシリ
コンにより構成されるものとする。尚、比較のため図１
４の強度計算と同様の条件で熱絶縁領域２０の強度を計
算する。

【００５１】図２１のようなシリコンとポリイミドから
なる組み合わせ構造の場合、シリコンのヤング率を
Ｅ_si、ポリイミドのヤング率をＥ_Ph、シリコン部の断面
２次モーメントをＩ_Si、ポリイミド部の断面２次モーメ
ントをＩ_Ph、シリコン部にかかるモーメントＭ_Si、ポリ
イミド部にかかるモーメントをＭ_Phとすると、以下の関
係式に従う。

【００５２】

【数８】

【００５３】そこで、シリコン部のモーメントＭ_Siとポ
リイミド部のモーメントをＭ_Phは、

【００５４】

【数９】

【００５５】で表される。そこで、熱絶縁構造体にかか
るモーメントＭ_maxは、

【００５６】

【数１０】

【００５７】となる。

【００５８】また、ポリイミド部のモーメントＭ_Phは、

【００５９】

【数１１】

【００６０】となる。同様にしてシリコン部のモーメン
トＭ_Siは次のようになる。

【００６１】

【数１２】

【００６２】ここで、シリコン部、ポリイミド部に関す
る各値を計算する。シリコンのヤング率Ｅ_Si＝０．１９
×１０¹²（Ｎ／ｍ²）＝１．９×１０¹²（ｄｙｎｅ／ｃ
ｍ²）であり、

【００６３】

【数１３】

【００６４】よって、Ｅ_Si・Ｉ_Si＝１．９３×１０
⁶（ｋｇｆ／ｃｍ²）×３．６×１０^-11（ｃｍ⁴）＝６．
９４×１０^-5（ｋｇｆ・ｃｍ²）＝６．８×１０^-4Ｎ・
ｃｍ²である。ポリイミドのヤング率Ｅ_Phは５００ＭＰ
ａであり、

【００６５】

【数１４】

【００６６】よって、Ｅ_Ph・Ｉ_Ph＝５．１０×１０
³（ｋｇｆ／ｃｍ²）×４×１０^-12（ｃｍ⁴）＝２．０４
×１０^-8（ｋｇｆ・ｃｍ²）＝２．００×１０^-7（Ｎ・
ｃｍ²）である。

【００６７】ここで、ポリイミド部にかかるモーメント
ＭPhは次のようになる。

【００６８】

【数１５】

【００６９】ここで、Ｍ_Ph＝２．９３×１０^-9（ｋｇｆ
・ｃｍ）＝２．８７×１０^-8（Ｎ・ｃｍ）である。

【００７０】同様にしてシリコン部にかかるモーメント
Ｍ_Siは次のようになる。

【００７１】

【数１６】

【００７２】ここで、Ｍ_Si＝９．９９×１０^-6（ｋｇｆ
・ｃｍ）＝９．７９×１０^-5（Ｎ・ｃｍ）である。

【００７３】そこで、ポリイミド部にかかる最大応力σ
_Phは次のようになる。

【００７４】

【数１７】

【００７５】ここで、Ｚａは断面係数である。また、シ
リコン部にかかる最大応力σSiを求めると次のようにな
る。

【００７６】

【数１８】

【００７７】ここで、Ｚｂは断面係数である。

【００７８】よって、ポリイミドで構成された熱絶縁領
域にかかる応力は図１４で示した例に比べて約１／３０
０となる。これは見かけ上、強度が３００倍になったこ
とと等価である。図２０においては、半導体基板３と可
撓領域２により３本の櫛刃状である場合について記載し
ているが、これに限定されるものではなく、少なくとも
２本以上の櫛刃状の構造にすることにより同様の効果が
得られる。

【００７９】尚、図１２〜図１４に示した半導体マイク
ロアクチュエータでは、可撓領域２と可動エレメント５
が一体化されて可動エレメント５が可撓領域２に連接す
るよう構成されているが、図２２に示すように、可動エ
レメント５ａが可撓領域２ａから切り離されており、可
動エレメント５ａと可撓領域２ａとの間にポリイミド等
の樹脂が充填された熱絶縁領域７ｂが形成される構成で
あってもよい。半導体基板３ａと可撓領域２ａとの間に
熱絶縁領域７ａが形成されている点は図１２〜図１４と
同じである。

【００８０】半導体基板３ａのほうが可動エレメント５
ａより熱容量が大きく、可撓領域２ａを半導体基板３ａ
より切り離して、その間に熱絶縁領域７ａを設ける構造
であっても、拡散抵抗６ａからの熱の逃げを抑制する効
果があるが、可撓領域２ａより可動エレメント５ａを切
り離して熱絶縁領域７ｂを設ける構造とすることで更に
熱絶縁性が高まり、加熱手段なる拡散抵抗６ａにより効
果的に可撓領域２ａと薄膜４ａを加熱することができ
る。よって、消費電力の低減が図れる。

【００８１】図２２を説明する。半導体基板３ａ、可撓
領域２ａ、可動エレメント５ａの各上面には保護薄膜９
ｂが設けられており、その一部の上面に保護薄膜９ａが
設けられている。可撓領域２ａの表面には可撓領域２ａ
を加熱するための加熱手段（ヒータ）なる拡散抵抗６ａ
が設けられており、この拡散抵抗６ａに一端が接続さ
れ、可撓領域２ａ上部の保護薄膜９ａ上、熱絶縁領域７
ａの下部面を介して、半導体基板３ａ上部の保護薄膜９
ａ上に設けられた例えば電極パッド（図示せず）に接続
されるアルミ配線１３ａが形成されている。

【００８２】また、可撓領域２ａ上部の保護薄膜９ａの
上面に可撓領域２ａを構成するシリコンとは熱膨張係数
の異なる薄膜４ａが設けられており、アルミ配線１３ａ
を介して拡散抵抗６ａに電力が加えられると、拡散抵抗
６ａの温度が上昇し、可撓領域２のシリコンと薄膜４ａ
の熱膨張差により熱応力が発生して可撓領域２ａが変位
し、可動エレメント５ａが変位する。

【００８３】図２３はアルミ配線１３ａの形成状態を模
式的に示したものであり、可撓領域２ａの上部から熱絶
縁領域７ａの側部、可撓領域２ａの厚み方向の一端面で
ある下面部７Ｐ、側部を介して半導体基板３ａの上部に
わたって形成されている。尚、図２３では保護薄膜の図
示は省略している。

【００８４】図２２のように構成される半導体マイクロ
アクチュエータの製造工程を図２４、図２５を用いて説
明する。

【００８５】まず、単結晶シリコン基板８０の両面に熱
酸化等によりシリコン酸化膜８０ａを形成し、所定形状
にパターニングされたフォトレジストをマスクとして、
単結晶シリコン基板８０の裏面に設けられたシリコン酸
化膜８０ａのエッチングを行うことにより開口部８０ｂ
を形成し、プラズマアッシング等によりそのフォトレジ
ストを除去する。形成された開口部８０ｂを水酸化カリ
ウム水溶液（以後、ＫＯＨ水溶液と呼ぶ）等によりエッ
チングすることでギャップ８０ｃを形成する（図２４
（ａ））。このとき、ＫＯＨ水溶液の他にＴＭＡＨ（テ
トラメチル水酸化アンモニウム溶液）、ヒトラジン水溶
液などを用いてもよい。以降に述べるＫＯＨ水溶液につ
いても同様である。

【００８６】次に、上記シリコン酸化膜８０ａを全面除
去した後、ボロン等をデポジション、熱拡散を行い、単
結晶シリコン基板８０の表面にヒータとなる拡散抵抗６
ａを形成する。続いて、この単結晶シリコン基板８０の
両面上に熱酸化等によりシリコン酸化膜８１ｂを形成
し、各シリコン酸化膜８１ｂの上部に減圧ＣＶＤにより
シリコン窒化膜８１ａを形成する（図２４（ｂ））。

【００８７】そして、所定形状にパターニングされたフ
ォトレジストをマスクとして、シリコン酸化膜８１ｂ及
びシリコン窒化膜８１ａのエッチングを行うことにより
開口部８２を形成し、プラズマアッシング等によりフォ
トレジストを除去する（図２４（ｃ））。

【００８８】次に、単結晶シリコン基板８０の開口部８
２をＫＯＨ水溶液等によりエッチングすることで可動エ
レメント５ａと可撓領域２ａを形成する。このとき、所
望の可動エレメント５ａの厚さ、及び可撓領域２ａの厚
さを得るために、単結晶シリコン基板８０の各面からの
エッチング開始に時間差を設けてもよい。その後、単結
晶シリコン基板８０のエッチングにより、熱絶縁領域７
ａ，７ｂを形成するための溝８３ａ，８３ｂを形成す
る。この溝８３ａ，８３ｂは、後工程でポリイミド等の
有機材料を埋め込むための溝であり、その底厚が１０μ
ｍ程度の厚みとなるようにエッチングを行う（図２４
（ｄ））。

【００８９】続いて、可動エレメント５ａ、可撓領域２
ａを形成するためにエッチングされた基板表面を酸化し
て、基板にメッキするときの保護膜８４を形成する（図
２４（ｅ））。

【００９０】そして、単結晶シリコン基板８０の上面に
アルミニウムをスパッタリング又はＥＢ蒸着により形成
して、拡散抵抗６ａに接続される電気配線なるアルミ配
線１３ａを形成する（図２５（ａ））。

【００９１】次に、上記溝８３ａ，８３ｂにポリイミド
等の有機物８５を埋め込む（図２５（ｂ））。このよう
にして有機物８５の下部面にアルミ配線１３ａが形成さ
れた構造となる。またここで、ポリイミド等の有機物８
５は半導体リソグラフィ工程を用いて所定の部分のみに
形成する。

【００９２】そして次に、所定形状の金属パターンをメ
ッキなどで可撓領域２ａ上部のシリコン窒化膜８１ａ
（図２２の保護薄膜９ａ）上に形成して薄膜４ａとする
（図２５（ｃ））。これにより可撓領域２ａと薄膜４ａ
で、半導体マイクロアクチュエータの駆動源であるバイ
メタル構造となる。

【００９３】次に、可撓領域２ａの裏面からＲＩＥ等で
エッチングして、可撓領域２ａを単結晶シリコン基板８
０の周辺部（図２２での半導体基板３）及び可動エレメ
ント５ａと分離させる（図２５（ｄ））。これにより、
可動エレメント５ａ、可撓領域２ａ、半導体基板３ａは
各々が熱絶縁され、各々の間に熱絶縁領域７ａ，７ｂが
設けられる構成となっている。

【００９４】このように半導体マイクロアクチュエータ
８７が製造され、この半導体マイクロアクチュエータ８
７と所定の型に形成されたガラス基板８８とを陽極接合
等により接合して図２６に示すような半導体マイクロア
クチュエータを用いた半導体マイクロバルブが製造され
る。これは、その後可撓領域２ａ以外のダイヤフラム部
がＲＩＥ等によりエッチングされる。（図示せず）図２２におけるアルミ配線１３ａは、図２３に示すよう
に熱絶縁領域７ａの下部面に設けられているが、図２７
に示すようにアルミ配線１３ｂが熱絶縁領域７ａの上面
と下面の略中間、すなわち熱絶縁領域７ａの内部に設け
られるようにしてもよい。

【００９５】このようにアルミ配線１３ｂを形成するに
は、図２４（ｅ）に示す保護膜８４の形成工程の後、図
２４（ｄ）の工程で形成された上記溝８３ａに、図２５
（ｂ）に示すポリイミド等の有機物８５を埋め込む工程
により略中央部までポリイミドを埋め込み、図２５
（ａ）に示すアルミ配線の形成工程を行い、再度図２５
（ｂ）に示す埋め込み工程により溝８３ａを埋めるよう
にすればよい。他の工程は図２４、図２５で示した通り
のためその説明を省略する。

【００９６】このようにアルミ配線１３ｂが熱絶縁領域
７ａの内部に形成されているため、後工程のエッチング
工程等でのアルミの保護効果があり、信頼性の高い配線
構造が実現できる。

【００９７】また、上記配線構造において、図２８に示
すようにアルミ配線１３ｃが熱絶縁領域７ａの上面に設
けられるようにしてもよい。

【００９８】このようにアルミ配線１３ｃを形成するに
は、図２４（ｅ）に示す保護膜８４の形成工程の後、図
２４（ｄ）の工程で形成された上記溝８３ａに、図２５
（ｂ）に示すポリイミド等の有機物８５を埋め込む工程
によりポリイミドを埋め込み、その後図２５（ａ）に示
すアルミ配線の形成工程にてポリイミドの上面にアルミ
配線を形成すればよい。他の工程は図２４、図２５で示
した通りのためその説明を省略する。

【００９９】このようにアルミ配線１３ｃが熱絶縁領域
７ａの上面部に形成されているため、すなわち可撓領域
２ａ、熱絶縁領域７ａ、半導体基板３ａが面一である側
の面上に形成されているので、アルミ配線が熱絶縁領域
７ａの内部あるいは下面部に設けられる場合に比べて、
アルミ配線の段差が小さくなり、アルミ配線の断線防止
効果がある。

【０１００】次に、図２９の斜視図を用いて他の半導体
マイクロアクチュエータについて説明する。この半導体
マイクロアクチュエータ４１は、シリコン等からなる枠
体となる半導体基板４３と、その内方に熱絶縁領域４７
を介して接合される半導体基板４３より切り離された可
動部位４８により構成される。この可動部位４８は、一
端に下方に突出形成される中空状の可動エレメント４５
と、この可動エレメント４５に連接して形成される四角
片状の可撓領域４２とにより構成されている。

【０１０１】半導体基板４３と、可動エレメント４５の
ない側の可撓領域４２の端部との間の厚み内に、可撓領
域４２の厚みと同じ厚さの熱絶縁領域４７が設けられて
いる。可撓領域４２は、半導体基板４３を固定端とする
片持梁構造となっている。この熱絶縁領域４７はフッ素
化樹脂、ポリイミド等により構成されている。また、可
撓領域４２の表面には不純物拡散抵抗等によりなる加熱
手段４６が設けられ、可撓領域４２の上部にはアルミニ
ウム薄膜またはニッケル薄膜などのシリコンと熱膨張係
数の異なる薄膜４４が形成されている。また、半導体基
板４３の表面には加熱手段４６の電極パッド４９があ
る。ここで、半導体基板４３と可撓領域４２と熱絶縁領
域４７により熱絶縁構造体が構成されている。

【０１０２】このように構成された半導体マイクロアク
チュエータ４１の動作を説明する。加熱手段４６に電力
が加えられると、可撓領域４２の温度が上昇する。可撓
領域４２の上部には可撓領域４２と異なる熱膨張係数を
もつ薄膜４４が形成されているためその熱膨張係数差に
より、可撓領域４２に熱応力が発生する。例えば、薄膜
４４がアルミニウム、ニッケル等の金属薄膜である場合
は、可撓領域４２を構成するシリコンよりも熱膨張係数
が大きいため可撓領域４２は図中下方向に曲げられる。

【０１０３】そこで、可撓領域４２と連接した可動エレ
メント４５は、可撓領域４２の熱応力を受け、半導体基
板４３に対し下方向に変位する。この場合の変位は半導
体基板４３に対し、垂直方向の回転を含む。このように
可撓領域４２を片持梁構造にすることにより、可撓領域
４２の自由度を大きくとれ、加熱時の可撓領域４２の撓
みが大きくなり、可動エレメント４５の変位を大きく
し、大きな力が得られる。ここで、熱絶縁構造体は図１
４、図１７、図２０で示したものいずれを用いてもよ
く、上記した熱絶縁構造体の効果と同様の効果を有する
半導体マイクロアクチュエータが得られる。

【０１０４】本発明は、このようにして得られる高い熱
絶縁効率および簡易な製造プロセスに加えて、可動部位
の可動エレメントの変位を大きくし得る半導体マイクロ
アクチュエータを提供することを目的とする。

【０１０５】

【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記載の発明の半導体マイクロアクチュエー
タは、温度変化に応じて変位する少なくとも１つの可撓
領域、この可撓領域の一の面上に形成された薄膜、およ
び前記可撓領域の変位に応じて移動する可動エレメント
を有して成る可動部位と、この可動部位の可撓領域側を
支持する半導体基板とを備え、前記可撓領域と前記半導
体基板との間に熱絶縁領域が設けられ、前記可動エレメ
ント側に熱絶縁部が設けられて成るのである。

【０１０６】この構成では、薄膜が一の面上に形成され
た可撓領域が熱絶縁領域と熱絶縁部とに挟まれることに
なるので、あるいは、薄膜が一の面上に形成された可撓
領域側から可動エレメント側に逃げてくる熱が少なくな
るので、薄膜の可撓領域との接合面温度が上昇しやすく
なる。これにより、可動部位の可動エレメントの変位を
大きくすることが可能になる。

【０１０７】なお、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、前記熱絶縁部は前記薄膜が形成さ
れていない前記可動エレメント側全体に設けられている
構成でもよい（請求項２）。この構成では、薄膜が一の
面上に形成された可撓領域が熱絶縁領域と熱絶縁部とに
挟まれることになるので、薄膜の可撓領域との接合面温
度が上昇しやすくなる。これにより、可動部位の可動エ
レメントの変位を大きくすることが可能になる。

【０１０８】また、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、前記熱絶縁部は少なくとも１本の
帯状に形成されている構成でもよい（請求項３）。この
構成では、薄膜が一の面上に形成された可撓領域が熱絶
縁領域と熱絶縁部とに挟まれることになるので、あるい
は、薄膜が一の面上に形成された可撓領域側から可動エ
レメント側に逃げてくる熱が少なくなるので、薄膜の可
撓領域との接合面温度が上昇しやすくなる。これによ
り、可動部位の可動エレメントの変位を大きくすること
が可能になる。

【０１０９】また、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、前記可動エレメントは一方に開口
する箱状に形成され、前記熱絶縁部は前記可動エレメン
トにおける開口縁部および各コーナー部を除く領域に形
成されている構成でもよい（請求項４）。この構成で
は、薄膜が一の面上に形成された可撓領域側から可動エ
レメント側に逃げてくる熱が少なくなるので、薄膜の可
撓領域との接合面温度が上昇しやすくなる。これによ
り、可動部位の可動エレメントの変位を大きくすること
が可能になる。

【０１１０】また、請求項１〜４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、前記熱絶縁部の
構成材料がポリイミドであれば（請求項５）、加工が容
易になる。

【０１１１】さらに、請求項１〜４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、前記熱絶縁部
の構成材料はフッ素化樹脂であれば（請求項６）、加工
が容易になる。

【０１１２】

【発明の実施の形態】図１は本発明の第１実施形態に係
る半導体マイクロアクチュエータの断面斜視図である。
ただし、図１は図１２に対応する断面等の構造を示す。

【０１１３】図１に示す半導体マイクロアクチュエータ
１Ａは、温度変化に応じて変位する４つの可撓領域２、
これら可撓領域２の各上面上に形成された薄膜４、およ
び各可撓領域２の変位に応じて上下方向に移動する可動
エレメント５Ａを有して成る可動部位８と、この可動部
位８の各可撓領域２側を支持する半導体基板３とを備
え、各可撓領域２と半導体基板３との間に熱絶縁領域７
が設けられ、可動エレメント５Ａ側に熱絶縁部５１Ａが
設けられて成る。ただし、その他の具体構造について
は、上述した特願平１１−３０４７２９号に記載の半導
体マイクロアクチュエータと同様の構造が各種使用形態
に応じて採用されるのは言うまでもない。

【０１１４】ここで、可動エレメント５Ａは、上方に四
角形状の開口部を有し側面が下方に向けてテーパー状に
狭くなる断面構造の箱状に形成されている点で、図１２
の可動エレメント５と類似し、当該可動エレメント５Ａ
全体が熱絶縁部５１Ａとして形成される点で、図１２の
可動エレメント５と相違する。このように、可動エレメ
ント５Ａ全体を熱絶縁部５１Ａとして構成すれば、薄膜
４が上面に積層された各可撓領域２が熱絶縁領域７と熱
絶縁部５１Ａとに挟まれることになるので、加熱手段６
による各薄膜４の可撓領域２との接合面温度が一層上昇
する。これにより、可動エレメント５Ａの上下方向の変
位が一層大きくなる。

【０１１５】図２は可動エレメントを熱絶縁部として構
成した場合とそうでない場合とで生じる薄膜の最高温度
の差を示す図である。ただし、図２は有限要素法を用い
たシミュレーション結果である。図２では、可動エレメ
ントを熱絶縁部として構成した場合の薄膜（図１の薄膜
４）の最高温度ＴＡはそうでない場合の薄膜（図１２の
薄膜４）の最高温度ＴＢよりも高くなっている。

【０１１６】以上により、可動エレメント５Ａの変位お
よび可動エレメント５Ａから受ける力の幅が広がるの
で、可動エレメント５Ａのより大きな変位または可動エ
レメント５Ａからのより大きな力を必要とする様々な要
求に応えることができるようになる。また、各薄膜４の
可撓領域２との接合面に対する温度上昇に消費される電
力を低減することができる。さらに、熱絶縁部５１Ａの
形状が単純で加工が容易である。

【０１１７】なお、第１実施形態では、図１２に示した
半導体マイクロアクチュエータ１に対して、全体が熱絶
縁部として形成される可動エレメントを適用したが、こ
れに限らず、図２９に示した半導体マイクロアクチュエ
ータ４１に対して、全体が熱絶縁部として形成される可
動エレメントを適用してもよい。この構成例を図３に示
す。この図の半導体マイクロアクチュエータ４１Ａは、
温度変化に応じて変位する可撓領域４２、この可撓領域
４２の上面上に形成された薄膜４４、および可撓領域４
２の変位に応じてほぼ上下方向に移動する可動エレメン
ト４５Ａを有して成る可動部位４８と、この可動部位４
８の可撓領域４２側を支持する半導体基板４３とを備
え、可撓領域４２と半導体基板４３との間に熱絶縁領域
４７が設けられ、可動エレメント４５Ａ側に熱絶縁部４
５１Ａが設けられて成る。つまり、図３に示すように、
可動エレメント４５Ａ全体を熱絶縁部４５１Ａとして形
成すれば、上記同様、可動エレメント４５Ａの上下変位
を大きくすることができる。

【０１１８】また、第１実施形態では、可動エレメント
の全体を熱絶縁部として形成する構成になっているが、
可動エレメントの一部を熱絶縁部として形成する構成で
もよい。この構成例を図４に示す。この図の半導体マイ
クロアクチュエータ１Ｂは、温度変化に応じて変位する
４つの可撓領域２、これら可撓領域２の各上面上に形成
された薄膜４、および各可撓領域２の変位に応じて上下
方向に移動する可動エレメント５Ｂを有して成る可動部
位８と、この可動部位８の各可撓領域２側を支持する半
導体基板３とを備え、各可撓領域２と半導体基板３との
間に熱絶縁領域７が設けられ、可動エレメント５Ｂ側に
熱絶縁部５１Ｂが設けられて成る。つまり、図４に示す
ように、可動エレメント５Ｂの開口縁部より下側を熱絶
縁部５１Ｂとして形成すれば、上記とほぼ同様、可動エ
レメント５Ｂの上下変位を大きくすることができる。

【０１１９】図５は本発明の第２実施形態に係る半導体
マイクロアクチュエータの断面斜視図である。ただし、
図５は図１２に対応する断面等の構造を示す。

【０１２０】図５に示す半導体マイクロアクチュエータ
１Ｃは、温度変化に応じて変位する４つの可撓領域２、
これら可撓領域２の各上面上に形成された薄膜４、およ
び各可撓領域２の変位に応じて上下方向に移動する可動
エレメント５Ｃを有して成る可動部位８と、この可動部
位８の各可撓領域２側を支持する半導体基板３とを備
え、各可撓領域２と半導体基板３との間に熱絶縁領域７
が設けられ、可動エレメント５Ｃ側に熱絶縁部５１Ｃが
設けられて成る。

【０１２１】ここで、可動エレメント５Ｃは、上方に四
角形状の開口部を有し側面が下方に向けてテーパー状に
狭くなる断面構造の箱状に形成されている点で、図１２
の可動エレメント５と類似し、側面上方および中寄りに
２本の熱絶縁部５１Ｃが周設されている点で、図１２の
可動エレメント５と相違する。このように、可動エレメ
ント５Ｃの側面上方および中寄りにそれぞれ熱絶縁部５
１Ｃを周設すれば、薄膜４が上面に積層された各可撓領
域２が熱絶縁領域７と熱絶縁部５１Ｃとに挟まれること
になるので、加熱手段６による各薄膜４の可撓領域２と
の接合面温度が一層上昇する。

【０１２２】これにより、可動エレメント５Ｃの上下方
向の変位が一層大きくなり、可動エレメント５Ｃの変位
および可動エレメント５Ｃから受ける力の幅が広がるの
で、可動エレメント５Ｃのより大きな変位または可動エ
レメント５Ｃからのより大きな力を必要とする様々な要
求に応えることができるようになる。また、各薄膜４の
可撓領域２との接合面に対する温度上昇に消費される電
力を低減することができる。さらに、各薄膜４の可撓領
域２との接合面温度のばらつきを低減する効果がある。

【０１２３】なお、第２実施形態では、可動エレメント
の側面に複数本の帯状の熱絶縁部を周設する構成になっ
ているが、この構成に限らず、可動エレメントの側面に
１本の帯状の熱絶縁部を周設する構成でもよい。この構
成例を図６に示す。この図の半導体マイクロアクチュエ
ータ１Ｄは、温度変化に応じて変位する４つの可撓領域
２、これら可撓領域２の各上面上に形成された薄膜４、
および各可撓領域２の変位に応じて上下方向に移動する
可動エレメント５Ｄを有して成る可動部位８と、この可
動部位８の各可撓領域２側を支持する半導体基板３とを
備え、各可撓領域２と半導体基板３との間に熱絶縁領域
７が設けられ、可動エレメント５Ｄ側に熱絶縁部５１Ｄ
が設けられて成る。つまり、図６に示すように、可動エ
レメント５Ｄの側面中寄りに１本の熱絶縁部５１Ｄを周
設すれば、上記とほぼ同様、可動エレメント５Ｄの上下
変位を大きくすることができる。

【０１２４】また、第２実施形態では、図１２に示した
半導体マイクロアクチュエータ１に対して、熱絶縁部が
側面に周設される可動エレメントを適用したが、図２９
に示した半導体マイクロアクチュエータ４１に対して、
熱絶縁部が側面に周設される可動エレメントを適用して
もよい。この構成例を図７に示す。この図の半導体マイ
クロアクチュエータ４１Ｂは、温度変化に応じて変位す
る可撓領域４２、この可撓領域４２の上面上に形成され
た薄膜４４、および可撓領域４２の変位に応じてほぼ上
下方向に移動する可動エレメント４５Ｂを有して成る可
動部位４８と、この可動部位４８の可撓領域４２側を支
持する半導体基板４３とを備え、可撓領域４２と半導体
基板４３との間に熱絶縁領域４７が設けられ、可動エレ
メント４５Ｂ側に熱絶縁部４５１Ｂが設けられて成る。
つまり、図７に示すように、可動エレメント４５Ｂの側
面上方に１本の熱絶縁部４５１Ｂを周設すれば、上記と
ほぼ同様、可動エレメント４５Ｂの上下変位を大きくす
ることができる。

【０１２５】図８は本発明の第３実施形態に係る半導体
マイクロアクチュエータの断面斜視図である。ただし、
図８は図１２に対応する断面等の構造を示す。

【０１２６】図８に示す半導体マイクロアクチュエータ
１Ｅは、温度変化に応じて変位する４つの可撓領域２、
これら可撓領域２の各上面上に形成された薄膜４、およ
び各可撓領域２の変位に応じて上下方向に移動する可動
エレメント５Ｅを有して成る可動部位８と、この可動部
位８の各可撓領域２側を支持する半導体基板３とを備
え、各可撓領域２と半導体基板３との間に熱絶縁領域７
が設けられ、可動エレメント５Ｅ側に熱絶縁部５１Ｅが
設けられて成る。

【０１２７】ここで、可動エレメント５Ｅは、上方に四
角形状の開口部を有し側面が下方に向けてテーパー状に
狭くなる断面構造の箱状に形成されている点で、図１２
の可動エレメント５と類似し、当該可動エレメント５Ｅ
における開口縁部および各コーナー部を除く領域に（別
言すると可動エレメント５Ｅの各壁面中央部に）熱絶縁
部５１Ｅが形成されている点で、図１２の可動エレメン
ト５と相違する。このように、可動エレメント５Ｅにお
ける開口縁部および各コーナー部を除く領域に熱絶縁部
５１Ｅを形成すれば、薄膜４が上面に積層された各可撓
領域２側から可動エレメント５Ｅ側に逃げてくる熱が少
なくなるから、加熱手段６による各薄膜４の可撓領域２
との接合面温度が一層上昇する。

【０１２８】これにより、可動エレメント５Ｅの上下方
向の変位が一層大きくなり、可動エレメント５Ｅの変位
および可動エレメント５Ｅから受ける力の幅が広がるの
で、可動エレメント５Ｅのより大きな変位または可動エ
レメント５Ｅからのより大きな力を必要とする様々な要
求に応えることができるようになる。また、各薄膜４の
可撓領域２との接合面に対する温度上昇に消費される電
力を低減することができる。さらに、可動エレメント５
Ｅが移動することで接する箇所に高い圧力が要求される
場合に有効である。

【０１２９】なお、第３実施形態では、図１２に示した
半導体マイクロアクチュエータ１に対して、可動エレメ
ントにおける開口縁部および各コーナー部を除く領域に
形成される熱絶縁部を適用したが、図２９に示した半導
体マイクロアクチュエータ４１に対して、可動エレメン
トにおける開口縁部および各コーナー部を除く領域に形
成される熱絶縁部を適用してもよい。この構成例を図９
に示す。この図の半導体マイクロアクチュエータ４１Ｃ
は、温度変化に応じて変位する可撓領域４２、この可撓
領域４２の上面上に形成された薄膜４４、および可撓領
域４２の変位に応じてほぼ上下方向に移動する可動エレ
メント４５Ｃを有して成る可動部位４８と、この可動部
位４８の可撓領域４２側を支持する半導体基板４３とを
備え、可撓領域４２と半導体基板４３との間に熱絶縁領
域４７が設けられ、可動エレメント４５Ｃ側に熱絶縁部
４５１Ｃが設けられて成る。つまり、図９に示すよう
に、可動エレメント４５Ｃにおける開口縁部および各コ
ーナー部を除く領域に熱絶縁部４５１Ｃを形成すれば、
上記同様、可動エレメント４５Ｃの上下変位を大きくす
ることができる。

【０１３０】また、上記各実施形態において、熱絶縁部
の構成材料としてポリイミドまたはフッ素化樹脂などを
使用すれば、加工が容易になる。

【０１３１】

【発明の効果】以上のことから明らかなように、請求項
１記載の発明によれば、温度変化に応じて変位する少な
くとも１つの可撓領域、この可撓領域の一の面上に形成
された薄膜、および前記可撓領域の変位に応じて移動す
る可動エレメントを有して成る可動部位と、この可動部
位の可撓領域側を支持する半導体基板とを備え、前記可
撓領域と前記半導体基板との間に熱絶縁領域が設けら
れ、前記可動エレメント側に熱絶縁部が設けられて成る
ので、可動部位の可動エレメントの変位を大きくするこ
とが可能になる。

【０１３２】請求項２記載の発明によれば、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、前記熱絶
縁部は前記薄膜が形成されていない前記可動エレメント
側全体に設けられているので、可動部位の可動エレメン
トの変位を大きくすることが可能になる。

【０１３３】請求項３記載の発明によれば、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、前記熱絶
縁部は少なくとも１本の帯状に形成されているので、可
動部位の可動エレメントの変位を大きくすることが可能
になる。

【０１３４】請求項４記載の発明によれば、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、前記可動
エレメントは一方に開口する箱状に形成され、前記熱絶
縁部は前記可動エレメントにおける開口縁部および各コ
ーナー部を除く領域に形成されているので、可動部位の
可動エレメントの変位を大きくすることができる。

【０１３５】請求項５記載の発明によれば、請求項１〜
４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、前記熱絶縁部の構成材料がポリイミドであるの
で加工が容易になる。

【０１３６】請求項６記載の発明によれば、請求項１〜
４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、前記熱絶縁部の構成材料はフッ素化樹脂である
ので加工が容易になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態に係る半導体マイクロア
クチュエータの断面斜視図である。

【図２】可動エレメントを熱絶縁部として構成した場合
とそうでない場合とで生じる薄膜の最高温度の差を示す
図である。

【図３】図１の熱絶縁部の構造を適用した別の半導体マ
イクロアクチュエータの断面斜視図である。

【図４】図１の熱絶縁部の別構造例を示す図である。

【図５】本発明の第２実施形態に係る半導体マイクロア
クチュエータの断面斜視図である。

【図６】図５の熱絶縁部の別構造例を示す図である。

【図７】図５の熱絶縁部に類似の構造を適用した別の半
導体マイクロアクチュエータの断面斜視図である。

【図８】本発明の第３実施形態に係る半導体マイクロア
クチュエータの断面斜視図である。

【図９】図８の熱絶縁部の構造を適用した別の半導体マ
イクロアクチュエータの断面斜視図である。

【図１０】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１１】従来の半導体マイクロアクチュエータの構造
を示す断面図である。

【図１２】特願平１１−３０４７２９号に記載の半導体
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１３】（ａ）および（ｂ）はそれぞれ図１２の半導
体マイクロアクチュエータの断面図および上面図であ
る。

【図１４】図１２、図１３に示す熱絶縁構造体の構造を
示す断面図である。

【図１５】図１２、図１３に示した熱絶縁構造体の強度
を求めるために用いる構造モデルを示すものであって、
（ａ）は模式図、（ｂ）はせん断力の分布図、（ｃ）は
モーメントの分布図である。

【図１６】（ａ）から（ｄ）はいずれも図１２、図１３
に示した熱絶縁構造体の製造工程を示す断面図である。

【図１７】特願平１１−３０４７２９号に記載の他の熱
絶縁構造体の構造を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は上
面図である。

【図１８】図１７（ｂ）に示す熱絶縁構造体のＹ−Ｙ’
で切断した断面図である。

【図１９】（ａ）から（ｅ）はいずれも図１７に示した
熱絶縁構造体の製造工程を示す断面図である。

【図２０】特願平１１−３０４７２９号に記載のさらに
他の熱絶縁構造体の構造を示すものであって、（ａ）は
断面図、（ｂ）は上面図である。

【図２１】図２０（ｂ）に示す熱絶縁構造体のＢ−Ｂ’
で切断した断面図である。

【図２２】特願平１１−３０４７２９号に記載の半導体
マイクロアクチュエータの他の構造を示す断面図であ
る。

【図２３】同上の半導体マイクロアクチュエータにおけ
るアルミ配線の構造を示す断面図である。

【図２４】同上の半導体マイクロアクチュエータの製造
方法を示す図であって、（ａ）から（ｅ）はいずれも断
面図である。

【図２５】同上の半導体マイクロアクチュエータの製造
方法を示す図であって、（ａ）から（ｄ）はいずれも断
面図である。

【図２６】同上の半導体マイクロアクチュエータを用い
た半導体マイクロバルブの構造を示す断面図である。

【図２７】特願平１１−３０４７２９号に記載の半導体
マイクロアクチュエータにおけるアルミ配線の他の構造
を示す断面図である。

【図２８】特願平１１−３０４７２９号に記載の半導体
マイクロアクチュエータにおけるアルミ配線の更に他の
構造を示す断面図である。

【図２９】特願平１１−３０４７２９号に記載の半導体
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。

【符号の説明】

１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ半導体マイクロアクチ
ュエータ２可撓領域３半導体基板４薄膜５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄ，５Ｅ可動エレメント５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃ，５１Ｄ，５１Ｅ熱絶縁部７熱絶縁領域８可動部位４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ半導体マイクロアクチュエー
タ４２可撓領域４３半導体基板４４薄膜４５Ａ，４５Ｂ，４５Ｃ可動エレメント４５１Ａ，４５１Ｂ，４５１Ｃ熱絶縁部４７熱絶縁領域４８可動部位

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者齊藤公昭大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株式会社内 (72)発明者豊田憲治大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株式会社内 (72)発明者友成恵昭大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株式会社内 (72)発明者河田裕志大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株式会社内 (72)発明者吉田仁大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株式会社内 (72)発明者鎌倉將有大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株式会社内 (72)発明者吉田和司大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】温度変化に応じて変位する少なくとも１
つの可撓領域、この可撓領域の一の面上に形成された薄
膜、および前記可撓領域の変位に応じて移動する可動エ
レメントを有して成る可動部位と、この可動部位の可撓
領域側を支持する半導体基板とを備え、前記可撓領域と
前記半導体基板との間に熱絶縁領域が設けられ、前記可
動エレメント側に熱絶縁部が設けられて成る半導体マイ
クロアクチュエータ。
【請求項２】前記熱絶縁部は前記薄膜が形成されてい
ない前記可動エレメント側全体に設けられている請求項
１記載の半導体マイクロアクチュエータ。
【請求項３】前記熱絶縁部は少なくとも１本の帯状に
形成されている請求項１記載の半導体マイクロアクチュ
エータ。
【請求項４】前記可動エレメントは一方に開口する箱
状に形成され、前記熱絶縁部は前記可動エレメントにお
ける開口縁部および各コーナー部を除く領域に形成され
ている請求項１記載の半導体マイクロアクチュエータ。
【請求項５】前記熱絶縁部の構成材料はポリイミドで
ある請求項１〜４のいずれかに記載の半導体マイクロア
クチュエータ。
【請求項６】前記熱絶縁部の構成材料はフッ素化樹脂
である請求項１〜４のいずれかに記載の半導体マイクロ
アクチュエータ。