JP2002219696A - 半導体マイクロアクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】可動子を変位させて当接面に当接させる際に可
動子における当接面に接触する面と当接面とを平行にで
き且つ低消費電力化が可能な半導体マイクロアクチュエ
ータを提供する。 【解決手段】ベース１０に形成した弁口１１を開閉する
弁体としてのシリコンよりなる可動子２を備え、可動子
２を変位させることで弁口１１を開閉する。弁口１１の
周部において可動子２との対向面には弁座１２が形成さ
れ、弁座１２の先端面１２ａは、支持部１の厚み方向に
おける可動子２の移動範囲を規制する当接面となる。可
動子２は、ベース１０に接合された半導体よりなる支持
部１に対して腕片３と連結片５とからなる可撓部材を介
して結合される。腕片３には可動子２が当接面に当たる
ときに当接面に対する可動子２の傾きをなくすように弾
性変形する変形部４ｂが設けられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、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】従来から、半導体製造プロセスによって
製造される極小型の半導体マイクロアクチュエータが各
種提案されている。この種の半導体マイクロアクチュエ
ータは、一般に半導体からなる枠状の支持基板の内側に
可動子を配置し、支持基板の厚み方向に可撓性を有する
可撓部材を介して支持基板と可動子とを連結した構造を
有している。したがって、可撓部材を支持基板の厚み方
向に撓ませることによって可動子を支持基板の厚み方向
に変位させることができる。可撓部材を撓ませる構成と
しては、例えば、熱膨張係数の異なる複数の撓み層を積
み重ねてバイメタルを形成し、このバイメタルを直熱式
（バイメタル自身にヒータを持つ形式）または傍熱式
（バイメタルとは別にヒータを持つ形式）で加熱する構
成が一般的である。

【０００３】この種の半導体マイクロアクチュエータと
しては、例えば図４および図５に示すように、周縁が矩
形状に形成されている可動子２の４辺に可撓部材として
の腕片３を連結し、腕片３を介して可動子２をシリコン
よりなる枠状の支持部１に連結した構成のものが考えら
れている。腕片３は、可動子２と支持部１との間にシリ
コンよりなる撓み層６と金属膜からなる撓み層７とを積
層して形成したバイメタルを備える可撓部８を有し、可
撓部８における撓み層６にはバイメタルを加熱するヒー
タとしての加熱部（図示せず）が拡散抵抗により形成さ
れている。また、腕片３において支持部１側の端部には
可撓部８と支持部１との間の熱絶縁をする熱絶縁性材料
よりなる熱絶縁部４が設けられている。なお、上述の拡
散抵抗よりなる加熱部は支持部１に形成された配線（図
示せず）を介して支持部１に設けられたパッド（図示せ
ず）に接続されている。

【０００４】ところで、図４および図５に示した半導体
マイクロアクチュエータは、マイクロバルブやマイクロ
リレーなどに用いられている。図４および図５に示した
半導体マイクロアクチュエータを用いたマイクロバルブ
の一例を図６に示す。図６に示すマイクロバルブは、シ
リコン基板よりなるベース１０に形成した弁口１１を開
閉する弁体として上記可動子２を利用するものであり、
可動子２を弁口１１の開口面に直交する方向に移動させ
ることで弁口１１を開閉する。可動子２は四角錐台状に
形成されており、弁口１１との対向面は平面になってい
る。ここに、可動子２の平面形状は長方形状になってい
る。また、弁口１１の周部において可動子２との対向面
には他の部位よりも突出する弁座１２が形成され、弁座
１２の先端面は可動子２が密着して弁口１１を確実に閉
止できるように平面状に仕上げられている。しかして、
弁口１１は矩形状に開口してある。なお、弁座１２の先
端面は、支持部１の厚み方向における可動子２の移動範
囲を規制する当接面となっている。

【０００５】図６に示したマイクロバルブでは、腕片３
が伸縮することによって可動子２が支持部１の厚み方向
に変位する際に、各腕片３の伸縮量が等しければ可動子
２を平行に移動させることができ、弁座１２の先端面に
可動子２の一面（図６における下面）を隙間なく密着さ
せることができる。

【０００６】また、上述の半導体マイクロアクチュエー
タを用いたマイクロリレーでは、例えば、可動子２の一
面（図４における下面）に可動接点が設けられ、可動子
２の変位により上記可動接点が接離する固定接点を設け
たベースを支持部１と接合して構成したものが提案され
ている。なお、このマイクロリレーでは、固定接点にお
ける可動接点との対向面が、支持部１の厚み方向におけ
る可動子２の移動範囲を規制する当接面となっている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述の半導
体マイクロアクチュエータでは、可動子２を中心として
４方向に可撓部材たる腕片３が形成されており、多数の
方向から可動子２が拘束されているから、腕片３にかか
る内部応力が比較的大きくなり、４本の腕片の各バイメ
タルを加熱する必要があることと併せて、可動子２を変
位させるために比較的大きなエネルギを要することにな
る。

【０００８】また、消費電力を低減するために支持部１
と可動子２とを連結する腕片３を１本だけにして可動子
２を片持ちで支持することも考えられるが、可動子２が
平行に変位しないので、上記当接面と可動子２の下面と
が傾いてしまい、マイクロバルブに用いた場合にあって
は弁口１１を閉止できない、マイクロリレーに用いた場
合にあっては所望の接点圧が得られないとともに摩耗故
障が起こりやすいという問題があった。

【０００９】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、可動子を変位させて当接面に当接さ
せる際に可動子における当接面に接触する面と当接面と
を平行にでき且つ低消費電力化が可能な半導体マイクロ
アクチュエータを提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、上記
目的を達成するために、半導体よりなる矩形枠状の支持
部と、支持部の内側に配置され支持部の厚み方向に変位
可能であって当接面によって移動範囲が規制される半導
体よりなる可動子と、前記支持部と前記可動子とを連結
するように前記支持部の１辺から延長され熱膨張係数の
異なる複数の撓み層が重ねられた可撓部を有する可撓部
材と、可撓部材に設けられ可動子が当接面に当たるとき
に当接面に対する可動子の傾きをなくすように弾性変形
する変形部とを備えてなることを特徴とするものであ
り、前記支持部の１辺から延長され熱膨張係数の異なる
複数の撓み層が重ねられた可撓部を有する可撓部材によ
り支持部の１辺と可動子とが連結され、可撓部材には可
動子が当接面に当たるときに当接面に対する可動子の傾
きをなくすように弾性変形する変形部が設けられている
ので、可撓部の熱的膨張収縮により可動子が前記厚み方
向に変位し、可動子が当接面に当たった後は当接面に対
する傾きをなくすように変形部が弾性変形するから、可
動子における当接面に接触する面と当接面とを平行にで
き、しかも、従来構成のように４方向から可動子を拘束
している場合に比べて可撓部材に発生する内部応力を小
さくすることができ、低エネルギで可動子を変位させる
ことが可能になり、供給エネルギに対する可動子の変位
量を従来構成よりも大きくすることが可能になるので、
低消費電力化を図ることができる。

【００１１】請求項２の発明は、請求項１の発明におい
て、前記可動子の周縁が前記支持部の各辺に平行な矩形
状であって、前記可撓部材を２つ備え、前記各可撓部材
は、一端部が前記支持部の前記１辺に連結され前記可動
子と前記支持部との対向する２辺に平行な方向に延長さ
れて他端部が前記可動子と前記支持部との間に位置する
腕片と、前記可動子と前記支持部との対向する２辺に直
交する方向において腕片の前記他端部と可動子とを連結
する連結片とを有し、前記各連結片は、前記可動子を挟
んで同一直線上に配置されているので、従来構成に比べ
て可撓部材の長さを長くすることができるとともに可撓
部材に発生する内部応力が小さくなり撓みやすくなるか
ら、供給エネルギに対する可動子の変位量をより大きく
することが可能になり、低消費電力化を図ることができ
る。

【００１２】請求項３の発明は、請求項１または請求項
２の発明において、前記変形部は、ポリイミド樹脂より
なるので、半導体製造プロセスとの整合性が良く、半導
体製造プロセスでの製造が容易になる。また、ポリイミ
ド樹脂は、前記半導体に比べて熱絶縁性が高いから、前
記変形部によって前記可撓部と前記可動子との間を熱絶
縁することができ、比較的小さな熱エネルギで前記可撓
部材を撓ませることができ、供給エネルギに対する前記
可動子の変位量を大きくすることができるから、より一
層の低消費電力化を図ることができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下に示す実施の形態では半導体
マイクロアクチュエータを用いたマイクロバルブを例示
するが、半導体マイクロアクチュエータの用途はマイク
ロバルブに限定されるものではなく、マイクロリレーな
どに用いることも可能である。

【００１４】本実施形態の半導体マイクロアクチュエー
タは図１ないし図３に示すように構成されており、シリ
コン基板よりなるベース１０に形成した弁口１１を開閉
する弁体としてのシリコンよりなる可動子２を備え、可
動子２を弁口１１の開口面に直交する方向に移動させる
ことで弁口１１を開閉する。可動子２は四角錐台状に形
成されており、弁口１１との対向面は平面になってい
る。ここに、可動子２の平面形状は矩形状になる。弁口
１１の周部において可動子２との対向面には他の部位よ
りも突出する弁座１２が形成され、弁座１２の先端面１
２ａは可動子２が密着して弁口１１を確実に閉止できる
ように平面状に仕上げられている。しかして、本実施形
態では弁口１１は矩形状に開口する。また、弁座１２の
先端面１２ａは、支持部１の厚み方向における可動子２
の移動範囲を規制する当接面となっている。

【００１５】可動子２は、ベース１０に重ねて接合され
た半導体（例えば、シリコン）よりなる支持部１に対し
て腕片３と連結片５とからなる可撓部材を介して結合さ
れている。つまり、支持部１と可動子２とは可撓部材に
より連結されている。支持部１は矩形枠状に形成されて
おり、可動子２は支持部１の内側に配置される。また、
支持部１と可動子２とを連結する可撓部材は本実施形態
では２本設けられており、腕片３は、一端部が支持部１
の１辺に連結され可動子２と支持部１との対向する２辺
に平行な方向に延長されて他端部が可動子２と支持部１
との間に位置し、連結片５は、可動子２と支持部１との
対向する２辺に直交する方向において可動子２を挟んで
同一直線上に形成されている。要するに、可動子２の両
側に連結片５が連結されている。ここにおいて、支持部
１および可動子２および腕片３および連結片５は半導体
基板（例えば、シリコン基板）に一体に形成されてい
る。なお、ベース１０と支持部１とは陽極接合や金共晶
接合などにより接合することで結合すればよい。

【００１６】腕片３は、支持部１と連結片５との間に半
導体（例えば、シリコン）よりなる撓み層６と金属膜
（例えば、アルミニウム、ニッケルなど）からなる撓み
層７とを積層して形成したバイメタルを備える可撓部８
を有し、可撓部８における撓み層６にはバイメタルを加
熱するヒータとしての加熱部（図示せず）が拡散抵抗に
より形成されている。つまり、可撓部８は直熱型のバイ
メタルとして機能する。ここに、撓み層７の構成材料の
撓み層６への拡散を防止したり、撓み層６と撓み層７と
の結合力を高めたり、加熱部と撓み層７とを電気的に絶
縁したりするために撓み層６と撓み層７との間に薄い絶
縁膜（例えば、シリコン窒化膜、シリコン酸化膜など）
を介在させるのが望ましい。なお、上述の加熱部は支持
部１の主表面（図１（ｂ）の上面）側に設けられたパッ
ド４２に配線４３を介して接続されている。したがっ
て、腕片３が伸縮することによって可動子２が支持部１
の厚み方向に変位する。

【００１７】ところで、腕片３において支持部１側の端
部には可撓部８と支持部１との間の熱絶縁をする熱絶縁
性材料（例えば、感光性のポリイミド樹脂）よりなる熱
絶縁部４ａを設けてある。図示していないが腕片３は熱
絶縁部４ａが形成された部位において幅方向の端部にシ
リコンよりなる部分を設けてある。ここに、熱絶縁部４
ａが形成された部位において幅方向に設けられたシリコ
ンよりなる部分は上述の配線４３と加熱部との電気的接
続に用いることができる。

【００１８】また、腕片３において連結片５側の適宜部
位には、可動子が当接面に当たるときに当接面に対する
可動子の傾きをなくすように弾性変形する変形部４ｂを
設けている。ここにおいて、変形部４ｂを感光性のポリ
イミド樹脂により形成すれば、半導体製造プロセスとの
整合性が良く、半導体製造プロセスでの製造が容易にな
り、しかも、変形部４ｂを熱絶縁部４ａと同時に形成す
ることができる。また、ポリイミド樹脂は、上記半導体
（例えば、シリコン）に比べて熱絶縁性が高いから、変
形部４ｂによって可撓部８と可動子２との間を熱絶縁す
ることができ、比較的小さな熱エネルギで可撓部材を撓
ませることができ、供給エネルギに対する可動子２の変
位量を大きくすることができるから、低消費電力化を図
ることができる。

【００１９】腕片３を上述の構造としたことによって、
加熱部に通電すれば、撓み層６と撓み層７との熱膨張率
の差によって可撓部８が熱的膨張収縮により腕片３の撓
み量を変化させることになる。一般に、金属はシリコン
よりも熱膨張係数が大きいから、本実施形態のように撓
み層６に対してベース１０とは反対面側に撓み層７を形
成している場合には、常温では可動子２が弁口１１から
離れるように寸法を設定しておくことによって、撓み層
６への通電時に可動子２を弁口１１に近づけて弁口１１
を閉じることが可能になる。つまり、本実施形態は常開
型のマイクロバルブを構成している。

【００２０】さらに、腕片３の可撓部８の支持部１側に
は熱絶縁性材料よりなる熱絶縁部４ａが形成され可動子
２側には変形部４ｂが形成されているから、上述のよう
に変形部４ｂを熱絶縁部４ａと同じ材料により形成する
ことで、撓み層６および撓み層７よりなるバイメタルと
支持部１および可動子２とは熱絶縁をされていることに
なり、撓み層６で発生した熱を支持部１や可動子２に逃
がさず、ほとんどの熱を腕片３を撓ませるために利用す
ることができる。その結果、加熱部への通電量に対する
腕片３の撓み量を大きくとることができる。換言すれ
ば、低電力で可動子２を所望の変位量だけ変位させるこ
とができ、結果的に可動子２を所望量だけ変位させるこ
とができる。

【００２１】ところで、上述したように、可動子２は腕
片３と連結片５とからなる２本の可撓部材を介して支持
部１に支持されており、平行配置される２本の腕片３の
一端部は支持部１の１辺に連結され腕片３の他端部と可
動子２とを連結する連結片５は腕片３に直交する１直線
上に配置されているいる。したがって、従来のように４
方向から拘束している場合に比べて、支持部１および可
動子２の大きさを変えることなしに、腕片３の長さを長
くすることができるとともに腕片３に発生する内部応力
が小さくなり撓みやすくなるから、低エネルギで可動子
２を変位させることができ、結果的に供給エネルギに対
する可動子２の変位量を従来構成よりも大きくすること
が可能になる。つまり、従来構成よりも低消費電力化を
図ることが可能となる。

【００２２】また、熱膨張係数の異なる撓み層６，７が
重ねられた可撓部８を有し支持部１の１辺から延長され
た腕片３と、腕片３の他端部と可動子２とを連結する連
結片５とにより支持部１の１辺と可動子２とが連結され
ており、腕片３には可動子２が当接面に当たるときに当
接面に対する可動子２の傾きをなくすように弾性変形す
る変形部４ｂが設けられているので、図３（ａ）に示す
ように可動子２と弁座１２とが離間した状態で、上記加
熱部に通電すると腕片３の熱的膨張収縮により腕片３が
撓んで可動子２が図３（ａ）における下方向へ変位して
図３（ｂ）に示すように可動子２が弁座１２の先端面１
２ａに当たる。ただし、この状態では、可動子２は図３
（ｂ）における右側が下がっており、可動子２と弁座１
２の先端面１２ａとが平行になっていない。可動子２が
弁座１２の先端面１２ａに当接した後さらに図３（ｂ）
における下方向へ変位しようとすると、可動子２と先端
面１２ａとの傾きをなくすように変形部４ｂが弾性変形
するから、図３（ｃ）に示すように可動子２と弁座１２
の先端面１２ａとを密着させることができる。すなわ
ち、可動子２における先端面１２ａに接触する面と先端
面１２ａとを平行にでき、弁口１１を確実に閉止するこ
とができる。

【００２３】なお、本実施形態では、腕片３の延長方向
における長さを１７００μｍ、延長方向に直交する幅方
向の幅を６００μｍとしてあるが、これらの寸法は特に
限定するものではない。また、上述の例ではベース１０
をシリコン基板としているが、ガラス基板を用いてもよ
い。

【００２４】

【発明の効果】請求項１の発明は、半導体よりなる矩形
枠状の支持部と、支持部の内側に配置され支持部の厚み
方向に変位可能であって当接面によって移動範囲が規制
される半導体よりなる可動子と、前記支持部と前記可動
子とを連結するように前記支持部の１辺から延長され熱
膨張係数の異なる複数の撓み層が重ねられた可撓部を有
する可撓部材と、可撓部材に設けられ可動子が当接面に
当たるときに当接面に対する可動子の傾きをなくすよう
に弾性変形する変形部とを備えてなるものであり、前記
支持部の１辺から延長され熱膨張係数の異なる複数の撓
み層が重ねられた可撓部を有する可撓部材により支持部
の１辺と可動子とが連結され、可撓部材には可動子が当
接面に当たるときに当接面に対する可動子の傾きをなく
すように弾性変形する変形部が設けられているので、可
撓部の熱的膨張収縮により可動子が前記厚み方向に変位
し、可動子が当接面に当たった後は当接面に対する傾き
をなくすように変形部が弾性変形するから、可動子にお
ける当接面に接触する面と当接面とを平行にでき、しか
も、従来構成のように４方向から可動子を拘束している
場合に比べて可撓部材に発生する内部応力を小さくする
ことができ、低エネルギで可動子を変位させることが可
能になり、供給エネルギに対する可動子の変位量を従来
構成よりも大きくすることが可能になるので、低消費電
力化を図ることができるという効果がある。

【００２５】請求項２の発明は、請求項１の発明におい
て、前記可動子の周縁が前記支持部の各辺に平行な矩形
状であって、前記可撓部材を２つ備え、前記各可撓部材
は、一端部が前記支持部の前記１辺に連結され前記可動
子と前記支持部との対向する２辺に平行な方向に延長さ
れて他端部が前記可動子と前記支持部との間に位置する
腕片と、前記可動子と前記支持部との対向する２辺に直
交する方向において腕片の前記他端部と可動子とを連結
する連結片とを有し、前記各連結片は、前記可動子を挟
んで同一直線上に配置されているので、従来構成に比べ
て可撓部材の長さを長くすることができるとともに可撓
部材に発生する内部応力が小さくなり撓みやすくなるか
ら、供給エネルギに対する可動子の変位量をより大きく
することが可能になり、低消費電力化を図ることができ
るという効果がある。

【００２６】請求項３の発明は、請求項１または請求項
２の発明において、前記変形部は、ポリイミド樹脂より
なるので、半導体製造プロセスとの整合性が良く、半導
体製造プロセスでの製造が容易になる。また、ポリイミ
ド樹脂は、前記半導体に比べて熱絶縁性が高いから、前
記変形部によって前記可撓部と前記可動子との間を熱絶
縁することができ、比較的小さな熱エネルギで前記可撓
部材を撓ませることができ、供給エネルギに対する前記
可動子の変位量を大きくすることができるから、より一
層の低消費電力化を図ることができるという効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）
は（ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。

【図２】同上に用いる半導体マイクロアクチュエータの
一部破断した概略斜視図である。

【図３】同上の動作説明図である。

【図４】従来例を示し、一部破断した概略斜視図であ
る。

【図５】同上の概略平面図である。

【図６】同上を用いたマイクロバルブを示し、一部破断
した概略斜視図である。

【符号の説明】

１ 支持部 ２ 可動子 ３ 腕片 ４ａ 熱絶縁部 ４ｂ 変形部 ５ 連結片 ６ 撓み層 ７ 撓み層 ８ 可撓部 １０ ベース １１ 弁口 １２ 弁座 １２ａ 先端面

───────────────────────────────────────────────────── 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 將有 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） 3H062 AA04 BB04 BB30 BB33 CC04 FF21 FF41 GG04 HH01

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体よりなる矩形枠状の支持部と、支
   持部の内側に配置され支持部の厚み方向に変位可能であ
   って当接面によって移動範囲が規制される半導体よりな
   る可動子と、前記支持部と前記可動子とを連結するよう
   に前記支持部の１辺から延長され熱膨張係数の異なる複
   数の撓み層が重ねられた可撓部を有する可撓部材と、可
   撓部材に設けられ可動子が当接面に当たるときに当接面
   に対する可動子の傾きをなくすように弾性変形する変形
   部とを備えてなることを特徴とする半導体マイクロアク
   チュエータ。
2. 【請求項２】 前記可動子の周縁が前記支持部の各辺に
   平行な矩形状であって、前記可撓部材を２つ備え、前記
   各可撓部材は、一端部が前記支持部の前記１辺に連結さ
   れ前記可動子と前記支持部との対向する２辺に平行な方
   向に延長されて他端部が前記可動子と前記支持部との間
   に位置する腕片と、前記可動子と前記支持部との対向す
   る２辺に直交する方向において腕片の前記他端部と可動
   子とを連結する連結片とを有し、前記各連結片は、前記
   可動子を挟んで同一直線上に配置されてなることを特徴
   とする請求項１記載の半導体マイクロアクチュエータ。
3. 【請求項３】 前記変形部は、ポリイミド樹脂よりなる
   ことを特徴とする請求項１または請求項２記載の半導体
   マイクロアクチュエータ。