JP2002166400A - Semiconductor microactuator - Google Patents
Semiconductor microactuatorInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、少なくとも２つの
部材の熱膨張係数の差を利用して可動エレメントの変位
を得る半導体マイクロアクチュエータに関するものであ
る。[0001] 1. Field of the Invention [0002] The present invention relates to a semiconductor microactuator for obtaining a displacement of a movable element by utilizing a difference between thermal expansion coefficients of at least two members.
【０００２】[0002]
【従来の技術】従来の半導体マイクロアクチュエータと
して、例えば特開２０００−２４６６７６号公報には、
シリコンなどからなる略矩形状の枠体である半導体基板
と、この半導体基板と接合され外部要因により変位する
可動エレメントと、これら半導体基板と可動エレメント
の橋渡しをする可撓部によって構成されたものが開示さ
れ、前記可撓部は、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たバイメタル構造で形成さ
れており、この可撓部を加熱することで、金属の熱膨張
係数の異なりから、伸び率の少ない金属を内側にして湾
曲する。そして、この可撓部が撓むことによって可動エ
レメントが変位する構造になっている。2. Description of the Related Art For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-246676 discloses a conventional semiconductor microactuator.
A semiconductor substrate which is a substantially rectangular frame body made of silicon or the like, a movable element which is bonded to the semiconductor substrate and is displaced by an external factor, and a flexible portion which bridges the semiconductor substrate and the movable element. The flexible part is disclosed, and is formed of a bimetal structure in which at least two materials having different thermal expansion coefficients are combined. By heating the flexible part, a difference in the coefficient of thermal expansion of the metal is obtained. It bends with a low elongation metal inside. Then, the movable element is displaced by bending the flexible portion.
【０００３】[0003]
【発明が解決しようとする課題】ところが、上記従来の
半導体マイクロアクチュエータでは、常温からの温度上
昇による可動エレメントの変位は一方向だけであり、加
熱後、変位した状態で変位と同方向に何らかの力（圧力
等）が働けば、温度を常温に戻しても復元力だけでは変
位が元に戻らないことがある。However, in the above-described conventional semiconductor microactuator, the displacement of the movable element due to a temperature rise from room temperature is only in one direction, and after heating, some force is applied in the same direction as the displacement in the displaced state. When pressure (such as pressure) acts, the displacement may not return to the original state only by the restoring force even if the temperature is returned to the normal temperature.
【０００４】本発明は、上記事由に鑑みて為されたもの
であり、その目的は、変位させた可動エレメントを強制
的に元の位置に戻すことができる半導体マイクロアクチ
ュエータを提供することである。[0004] The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a semiconductor microactuator capable of forcibly returning a displaced movable element to an original position.
【０００５】[0005]
【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記載の半導体マイクロアクチュエータは、
半導体基板と、外部要因により変位する可動エレメント
と、前記半導体基板と前記可動エレメントを接合し温度
変化により撓んで前記可動エレメントを前記半導体基板
の基板面に対して鉛直方向に変位させる第１可撓部と、
前記半導体基板と前記可動エレメントを接合し温度変化
により撓んで前記可動エレメントを前記第１可撓部とは
反対方向に変位させる第２可撓部とを備えたことを特徴
とするものである。According to a first aspect of the present invention, there is provided a semiconductor microactuator comprising:
A semiconductor substrate, a movable element that is displaced by an external factor, and a first flexible member that joins the semiconductor substrate and the movable element and is bent by a temperature change to displace the movable element in a direction perpendicular to the substrate surface of the semiconductor substrate. Department and
A second flexible portion that joins the semiconductor substrate and the movable element and bends by a temperature change to displace the movable element in a direction opposite to the first flexible portion.
【０００６】この半導体マイクロアクチュエータによる
と、例えば、第１可撓部を加熱して撓みを利用して前記
可動エレメントを前記基板面に対して鉛直方向の一方向
に変位させ、第１可撓部の加熱をやめて温度を常温に戻
すときに、第２可撓部を加熱して撓みを利用することに
より、変位させた前記可動エレメントを強制的に元の位
置に戻すことができる。According to this semiconductor microactuator, for example, the movable element is displaced in one direction perpendicular to the substrate surface by utilizing the bending by heating the first flexible portion, and When the heating is stopped and the temperature is returned to the normal temperature, the displaced movable element can be forcibly returned to the original position by heating the second flexible portion and utilizing the deflection.
【０００７】また、請求項２記載の半導体マイクロアク
チュエータは、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、前記半導体基板は枠体であり、この半
導体基板の枠内において、前記可動エレメントは前記半
導体基板の対向する両辺から向かい合うように前記第１
可撓部および前記第2可撓部のそれぞれによって十字型
に両持支持されており、前記第１可撓部は前記半導体基
板と剛性が大きい接合部を介して連結されるとともに、
前記可動エレメントとは剛性が小さい接合部を介して連
結され、且つ、前記第２可撓部は前記半導体基板と剛性
が小さい接合部を介して連結されるとともに、前記可動
エレメントとは剛性が大きい接合部を介して連結されて
おり、前記第１可撓部および前記第２可撓部とも撓みの
方向性が同じであることを特徴とするものである。According to a second aspect of the present invention, in the semiconductor microactuator according to the first aspect, the semiconductor substrate is a frame, and in the frame of the semiconductor substrate, the movable element is mounted on the semiconductor substrate. The first so as to face each other from opposite sides
Each of the flexible portion and the second flexible portion is supported at both sides in a cross shape, and the first flexible portion is connected to the semiconductor substrate via a joint having high rigidity,
The movable element is connected to the semiconductor substrate via a joint having low rigidity, and the second flexible portion is connected to the semiconductor substrate via a joint having low rigidity, and has high rigidity with the movable element. The first flexible portion and the second flexible portion are connected to each other via a joint, and have the same bending direction.
【０００８】この半導体マイクロアクチュエータによる
と、前記第１可撓部を加熱し温度変化させると、ある一
定の方向に湾曲しようとする。このとき、前記第１可撓
部においては、前記半導体基板側の接合部の剛性が大き
く固定されるので、前記可動エレメント側の接合部が折
れ曲がるような形で前記第１可撓部が湾曲することにな
る。このようにして、前記可動エレメントを変位させ
る。次に、前記第２可撓部を加熱し温度変化させると、
前記第２可撓部は前記第１可撓部と同じ方向に湾曲しよ
うとする。このとき、前記第２可撓部においては、前記
可動エレメント側の接合部の剛性が大きく固定されるの
で、前記半導体基板側の接合部が折れ曲がるような形に
なり、前記可動エレメントを第１可撓部とは逆方向に変
位させる。従って、変位させた前記可動エレメントを強
制的に元の位置に戻すことができる。According to this semiconductor microactuator, when the first flexible portion is heated to change the temperature, it tends to bend in a certain direction. At this time, in the first flexible portion, since the rigidity of the bonding portion on the semiconductor substrate side is largely fixed, the first flexible portion is bent in such a manner that the bonding portion on the movable element side is bent. Will be. Thus, the movable element is displaced. Next, when the second flexible portion is heated to change the temperature,
The second flexible portion tends to bend in the same direction as the first flexible portion. At this time, in the second flexible portion, the rigidity of the joint on the movable element side is largely fixed, so that the joint on the semiconductor substrate side is bent. It is displaced in a direction opposite to the bending portion. Therefore, the displaced movable element can be forcibly returned to the original position.
【０００９】[0009]
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態につい
て、図に基づいて説明する。図１は、本発明の実施形態
に係る半導体マイクロアクチュエータの構造を示す斜視
断面図であり、図２は、本発明の実施形態に係る半導体
マイクロアクチュエータの構造を示す表面図であり、図
３は、本発明の実施形態に係る半導体マイクロアクチュ
エータの動作構造を示す断面図である。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a perspective sectional view showing a structure of a semiconductor microactuator according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a surface view showing a structure of a semiconductor microactuator according to an embodiment of the present invention, and FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view showing an operation structure of the semiconductor microactuator according to the embodiment of the present invention.
【００１０】この半導体マイクロアクチュエータは、図
１に示すように、シリコン等からなる略矩形状の枠体で
ある半導体基板１と、この半導体基板１の内側に梁４を
介して接合される可動エレメント２を備えている。この
可動エレメント２は、シリコンで形成されており、表面
が四角形状に開口し、下方に向かうにつれて幅が狭くな
っている中空の四角錐台形状に形成されている。また、
梁４は、シリコンからなる四角片状で形成されており、
可動エレメント２の表面外周部四辺のそれぞれより外方
に延びて半導体基板１と四箇所で接合され、可動エレメ
ント２を支える構造となっている。As shown in FIG. 1, the semiconductor microactuator includes a semiconductor substrate 1 which is a substantially rectangular frame made of silicon or the like, and a movable element which is joined to the inside of the semiconductor substrate 1 via a beam 4. 2 is provided. The movable element 2 is formed of silicon, and is formed in a hollow truncated pyramid shape whose surface is opened in a square shape and whose width becomes narrower downward. Also,
The beam 4 is formed in a square piece shape made of silicon,
The outer surface of the movable element 2 extends outwardly from each of the four sides and is joined to the semiconductor substrate 1 at four locations to support the movable element 2.
【００１１】さらに、この半導体マイクロアクチュエー
タは、梁４の表面に薄膜５が設けられている。この薄膜
５は、梁４を構成する材料（本実施形態の場合はシリコ
ン）の熱膨張係数と異なる熱膨張係数を持つものであれ
ばよく、アルミニウムやニッケル等が用いられる。ま
た、この薄膜５と熱膨張係数の異なるシリコンからなる
梁４とによって、バイメタル構造を形成してなる可撓部
３を備えている。この可撓部３は、可動エレメント２を
挟んで略十字形状になっており、説明の便宜上、図２に
おいて、可動エレメント２を挟んで半導体基板１の対向
する両辺から横方向に接合されている可撓部３を第１可
撓部３１、可動エレメント２を挟んで半導体基板の対向
する両辺から縦方向に接合されている可撓部３を第２可
撓部３２とする。なお、第１可撓部３１および第２可撓
部３２ともに同様のバイメタル構造となっており、撓み
の方向性が同じになっている。また、梁４には、梁４を
加熱するための加熱手段として拡散抵抗等を備えた電熱
回路６が設けられている。この電熱回路６は、第１可撓
部３１および第２可撓部３２を別々に加熱することがで
きる。Further, in this semiconductor microactuator, a thin film 5 is provided on the surface of the beam 4. The thin film 5 may have a coefficient of thermal expansion different from the coefficient of thermal expansion of the material forming the beam 4 (in the case of the present embodiment, silicon), such as aluminum or nickel. Further, a flexible portion 3 having a bimetal structure formed by the thin film 5 and the beam 4 made of silicon having a different thermal expansion coefficient is provided. The flexible portion 3 has a substantially cross shape with the movable element 2 interposed therebetween. For convenience of explanation, in FIG. 2, the flexible portion 3 is joined laterally from both sides of the semiconductor substrate 1 with the movable element 2 interposed therebetween. The flexible portion 3 is referred to as a first flexible portion 31, and the flexible portion 3 vertically joined from both sides of the semiconductor substrate with the movable element 2 interposed therebetween is referred to as a second flexible portion 32. The first flexible portion 31 and the second flexible portion 32 have the same bimetal structure, and have the same direction of bending. Further, the beam 4 is provided with an electric heating circuit 6 provided with a diffusion resistance or the like as a heating means for heating the beam 4. The electric heating circuit 6 can heat the first flexible portion 31 and the second flexible portion 32 separately.
【００１２】また、この半導体マイクロアクチュエータ
は、半導体基板１および可動エレメント２と可撓部３と
を接合する部分に、ポリイミドからなる熱絶縁機能を有
する接合部７を備えている。この接合部７は、一つの梁
４に半導体基板１側と可動エレメント２側の二箇所に設
けられている。半導体基板１の横方向において、第１可
撓部３１と半導体基板１の対向する両辺との接合部７１
の剛性が大きく、第１可撓部３１と可動エレメント２の
対向する両辺との接合部７２の剛性が小さくなってい
る。また、半導体基板１の縦方向において、第２可撓部
３２と半導体基板１の対向する両辺との接合部７３の剛
性が小さく、第２可撓部３２と可動エレメント２の対向
する両辺との接合部７４の剛性が大きくなっている。接
合部７に剛性差をつける手段として、例えば、ポリイミ
ドの厚みを変える方法がある。ここでは、接合部７１の
ポリイミドの厚みを４０μｍとし、接合部７２のポリイ
ミドの厚みを２０μｍとし、接合部７３のポリイミドの
厚みを２０μｍとし、接合部７４のポリイミドの厚みを
４０μｍとしている。なお、ここでの厚みとは、半導体
基板１および可動エレメント２と梁４を接合するために
ポリイミドを充填している部分の厚みである。また、接
合部７に剛性差をつける別の手段として、剛性の異なる
材料で接合部７を形成してもよい。The semiconductor microactuator has a bonding portion 7 made of polyimide and having a heat insulating function at a portion where the semiconductor substrate 1 and the movable element 2 are bonded to the flexible portion 3. The joints 7 are provided on one beam 4 at two positions on the semiconductor substrate 1 side and the movable element 2 side. In the lateral direction of the semiconductor substrate 1, a joint portion 71 between the first flexible portion 31 and opposing sides of the semiconductor substrate 1.
The rigidity of the joint portion 72 between the first flexible portion 31 and the opposing sides of the movable element 2 is small. Further, in the longitudinal direction of the semiconductor substrate 1, the rigidity of the joining portion 73 between the second flexible portion 32 and the opposite sides of the semiconductor substrate 1 is small, and the rigidity of the joint portion 73 between the second flexible portion 32 and the opposite sides of the movable element 2 is small. The rigidity of the joint 74 is increased. As a means for providing a difference in rigidity to the joint portion 7, for example, there is a method of changing the thickness of the polyimide. Here, the thickness of the polyimide at the joint 71 is 40 μm, the thickness of the polyimide at the joint 72 is 20 μm, the thickness of the polyimide at the joint 73 is 20 μm, and the thickness of the polyimide at the joint 74 is 40 μm. Here, the thickness is a thickness of a portion filled with polyimide for joining the semiconductor substrate 1 and the movable element 2 to the beam 4. Further, as another means for providing a difference in rigidity to the joint 7, the joint 7 may be formed of materials having different rigidities.
【００１３】次に、この半導体マイクロアクチュエータ
の動作について、主に図３を参照して説明する。この半
導体マイクロアクチュエータは、第１可撓部３１を構成
する梁４を加熱し温度変化させると、シリコンからなる
梁４とアルミニウムやニッケル等からなる薄膜５との熱
膨張係数の違いから、第１可撓部３１は、伸び率の少な
いシリコンからなる梁４を内側にして湾曲しようとす
る。このとき、第１可撓部３１において、半導体基板１
側の接合部７１は、剛性が大きいことに起因して固定さ
れ、剛性が小さい可動エレメント２側の接合部７２が折
れ曲がるような形で、第１可撓部３１が湾曲することに
なる。従って、可動エレメント２は、半導体基板１の基
板面に対して鉛直方向下向きに変位するのである。次
に、第１可撓部３１の加熱をやめて温度を常温に戻し、
可動エレメント２の変位を元の位置に戻すときには、第
２可撓部３２を構成する梁４を加熱し温度変化させる。
第２可撓部３２は、第１可撓部３１と同様のバイメタル
構造であることから、第１可撓部３１と同じ方向に湾曲
しようとする。このとき、第２可撓部３２において、可
動エレメント２側の接合部７４は、剛性が大きいことに
起因して固定され、剛性が小さい半導体基板１側の接合
部７３が折れ曲がるような形になり、可動エレメント２
を持ち上げるようにして第２可撓部３２が湾曲すること
になる。従って、可動エレメント２は、半導体基板１の
基板面に対して鉛直方向上向きに変位するのである。こ
のようにして、変位させた可動エレメント２を強制的に
元の位置に戻すことができる。Next, the operation of the semiconductor microactuator will be described mainly with reference to FIG. When the semiconductor microactuator heats and changes the temperature of the beam 4 constituting the first flexible portion 31, the first microparticulate actuator has a first thermal expansion coefficient due to the difference in thermal expansion coefficient between the beam 4 made of silicon and the thin film 5 made of aluminum or nickel. The flexible portion 31 tends to bend with the beam 4 made of silicon having a low elongation rate being inside. At this time, in the first flexible portion 31, the semiconductor substrate 1
The joint portion 71 on the side is fixed due to high rigidity, and the first flexible portion 31 is curved in such a manner that the joint portion 72 on the movable element 2 side with low rigidity is bent. Therefore, the movable element 2 is displaced vertically downward with respect to the substrate surface of the semiconductor substrate 1. Next, the heating of the first flexible portion 31 is stopped to return the temperature to normal temperature,
When returning the displacement of the movable element 2 to the original position, the beam 4 constituting the second flexible portion 32 is heated to change the temperature.
Since the second flexible portion 32 has the same bimetal structure as the first flexible portion 31, it tends to bend in the same direction as the first flexible portion 31. At this time, in the second flexible portion 32, the joining portion 74 on the movable element 2 side is fixed due to high rigidity, and the joining portion 73 on the semiconductor substrate 1 side with low rigidity is bent. , Movable element 2
, The second flexible portion 32 bends. Therefore, the movable element 2 is displaced vertically upward with respect to the substrate surface of the semiconductor substrate 1. Thus, the displaced movable element 2 can be forcibly returned to the original position.
【００１４】なお、本発明の半導体マイクロアクチュエ
ータは、半導体マイクロバルブや半導体マイクロリレー
にも応用できるものである。The semiconductor microactuator of the present invention can be applied to a semiconductor microvalve or a semiconductor microrelay.
【００１５】[0015]
【発明の効果】以上、説明したように、本発明の半導体
マイクロアクチュエータによれば、可動エレメントを半
導体基板面に対して鉛直反対方向に変位させる第1可撓
部および第2可撓部を備えているので、温度を常温に戻
しても復元力だけでは変位が元に戻らない場合等におい
ても、変位させた可動エレメントを強制的に元の位置に
戻すことができる。As described above, according to the semiconductor microactuator of the present invention, the first and second flexible portions for displacing the movable element in the direction perpendicular to the semiconductor substrate surface are provided. Therefore, even when the displacement cannot be returned to the original position only by the restoring force even when the temperature is returned to the normal temperature, the displaced movable element can be forcibly returned to the original position.
【図１】本発明の実施形態に係る半導体マイクロアクチ
ュエータの構造を示す斜視断面図である。FIG. 1 is a perspective sectional view showing a structure of a semiconductor microactuator according to an embodiment of the present invention.
【図２】本発明の実施形態に係る半導体マイクロアクチ
ュエータの構造を示す表面図である。FIG. 2 is a front view showing the structure of the semiconductor microactuator according to the embodiment of the present invention.
【図３】本発明の実施形態に係る半導体マイクロアクチ
ュエータの動作構造を示す断面図である。FIG. 3 is a sectional view showing an operation structure of the semiconductor microactuator according to the embodiment of the present invention.
１ 半導体基板 ２ 可動エレメント ３ 可撓部 ３１ 第１可撓部 ３２ 第２可撓部 ７ 接合部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semiconductor substrate 2 Movable element 3 Flexible part 31 First flexible part 32 Second flexible part 7 Joint part
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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 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 鎌倉 将有 大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株 式会社内 Ｆターム(参考） 5G041 AA03 BB11 CA01 CA13 CC05 CD01 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Inventor Hiroshi Kawada 1048 Kadoma Kadoma, Osaka Prefecture Matsushita Electric Works Co., Ltd. 72) Inventor Kimiaki Saito 1048 Kadoma, Kadoma, Osaka Prefecture Inside Matsushita Electric Works Co., Ltd. CA01 CA13 CC05 CD01
Claims (2)
可動エレメントと、前記半導体基板と前記可動エレメン
トを接合し温度変化により撓んで前記可動エレメントを
前記半導体基板の基板面に対して鉛直方向に変位させる
第１可撓部と、前記半導体基板と前記可動エレメントを
接合し温度変化により撓んで前記可動エレメントを前記
第１可撓部とは反対方向に変位させる第２可撓部とを備
えたことを特徴とする半導体マイクロアクチュエータ。1. A semiconductor device, a movable element displaced by an external factor, and a semiconductor element joined to the movable element, which is bent by a temperature change to displace the movable element in a direction perpendicular to a substrate surface of the semiconductor substrate. A first flexible portion that joins the semiconductor substrate and the movable element, and a second flexible portion that bends due to a temperature change to displace the movable element in a direction opposite to the first flexible portion. A semiconductor microactuator characterized by the following.
体基板の枠内において、前記可動エレメントは前記半導
体基板の対向する両辺から向かい合うように前記第１可
撓部および前記第2可撓部のそれぞれによって十字型に
両持支持されており、 前記第１可撓部は前記半導体基板と剛性が大きい接合部
を介して連結されるとともに、前記可動エレメントとは
剛性が小さい接合部を介して連結され、 且つ、前記第２可撓部は前記半導体基板と剛性が小さい
接合部を介して連結されるとともに、前記可動エレメン
トとは剛性が大きい接合部を介して連結されており、 前記第１可撓部および前記第２可撓部とも撓みの方向性
が同じであることを特徴とする請求項１記載の半導体マ
イクロアクチュエータ。2. The semiconductor substrate is a frame, and in the frame of the semiconductor substrate, the movable element faces the first flexible portion and the second flexible portion so as to face from both sides of the semiconductor substrate. The first flexible portion is connected to the semiconductor substrate via a joint having high rigidity, and is connected to the semiconductor element via a joint having low rigidity. The second flexible portion is connected to the semiconductor substrate via a joint having low rigidity, and is connected to the movable element via a joint having high rigidity. 2. The semiconductor microactuator according to claim 1, wherein the direction of bending of the flexible portion is the same as that of the second flexible portion.
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