JP2002509332A - 感熱センサによって変形可能な部材を備えたマイクロシステム - Google Patents

感熱センサによって変形可能な部材を備えたマイクロシステム

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Abstract

(57)【要約】 本発明は、特にマイクロスイッチやマイクロバルブを形成するのに好適に使用することができるマイクロシステムに関するものであって、本発明によるマイクロシステムは、基板（５０）上に形成され、バイメタル効果を示す感熱センサによって第１機能状態と第２機能状態との間のシフトを起こす。感熱センサは、基板（５０）に対して両端が取り付けられた変形可能部材（５１）を備え、この変形可能部材は、応力を有することなく基板面に対して本来的な曲げを有した状態で、基板に対して取り付けられている。本来的な曲げが、第１機能状態を決定し、第２機能状態へのシフトは、温度変化の影響により感熱センサが変形可能部材（５１）の変形を誘起することにより、変形可能部材が本来的な曲げとは逆向きに曲がることにより、引き起こされるようになっている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、感熱センサの作用によって変形可能な部材を備えたマイクロシステ
ムに関するものである。このようなマイクロシステムは、電気回路を開閉するた
めのマイクロスイッチに応用することができ、また、微小流体応用のためのマイ
クロバルブに応用することができる。
【０００２】 このようなマイクロシステムは、熱によって変形するするような梁または膜の
形態とされた部材を備えている。開状態と閉状態という２つの状態間を迅速にシ
フトさせるためには、大きな非線形特性が求められる。
【０００３】 このようなマイクロシステムは、マイクロエレクトロニクス部材の製造に適合
したものであるように構成する必要がある。
【０００４】
【従来の技術】
マイクロシステムの変形可能部材の変形をトリガーするために使用されるマイ
クロセンサは、動作原理に基づいて３つの主要なカテゴリーに分類することがで
きる。第１の感熱センサは、１つまたはいくつかの構成部材の熱膨張を使用する
ものである。第２に、互いに異なる電荷を有した２つの部材間に生成される静電
力を使用する静電センサがある。最後に、磁界によって誘起される力を使用する
磁気センサがある。
【０００５】 また、圧電材料や磁歪材料を使用するセンサもある。
【０００６】 感熱センサは、一般に大きな変形が可能であることにより、最も有効であるよ
うに思われる。これに対し、静電センサや磁気センサや圧電材料とか磁歪材料と
かを使用するセンサは、一般に、従来の微小機械加工プロセスにおいて使用する
ことが困難であり、特に、マイクロエレクトロニクスに適合した技術を使用する
プロセスにおいて使用することが困難である。加えて、感熱センサの場合には、
制御されたマイクロスイッチの使用を、熱マイクロスイッチへと一般化すること
（臨界温度に基づく状態変化）、あるいは、回路遮断器へと一般化すること（臨
界電流強度に基づく状態変化）、が容易である。
【０００７】 感熱センサを製造するための最も単純な方法は、バイメタルの使用である。こ
の技術においては、互いに異なる熱膨張係数を有した２つの材料層を使用する。
この場合、ユニット全体の温度が変化すると、バイメタルの反り（撓み）が引き
起こされる。温度上昇は、バイメタルをなす２つの層の一方内に電流を直接流す
ことによりまたはバイメタルをなす２つの層の一方上に形成された抵抗器内に電
流を直接流すことにより得られる。また、２つの層の一方がシリコン製である場
合には、例えば打込によって、温度上昇が得られる。
【０００８】 バイメタルの変形は、支持体に対する取付のタイプに依存する。図１は、フリ
ーとされたバイメタルに対しての、すなわち、両端が何に対しても取り付けられ
ていないバイメタルに対しての、熱応力の影響による変形を示している。ここで
、バイメタルは、互いに異なる熱膨張係数を有した層１と層２とから構成されて
いる。一点鎖線は、熱応力がない場合のバイメタルの平均位置を示している。理
論的には、この場合の曲率半径ρは、一様である。層２の熱膨張係数が層１の熱
膨張係数よりも大きい場合には、曲率半径ρは、負である。
【０００９】 変形可能な構造が両端において支持される場合には、形状の特殊性のために、
膨張の影響が湾曲方向に作用するような場所にバイメタルを配置することが好ま
しい。バイメタルの配置に基づいて、温度が上昇することによって、構造が一方
向にまたは他方向に曲がることとなる。
【００１０】 図２は、このタイプの第１バイメタル構造を示している。この第１バイメタル
構造は、第１層３と第２層４という２つの部材から形成されている。一点鎖線は
、熱応力がない場合のバイメタルの平均位置を示している。層４の熱膨張係数の
方が層３の熱膨張係数よりも大きいことにより、膨張の影響によるバイメタル構
造の変形は、図２に示すような向きである。
【００１１】 図３は、両端が支持されている第２バイメタル構造を示している。この第２バ
イメタル構造は、両端が支持されている第１層５と、この第１層５の中央部分上
に配置されている第２層６と、を備えている。一点鎖線は、熱応力がない場合の
バイメタルの平均位置を示している。層６の熱膨張係数の方が層５の熱膨張係数
よりも大きいことにより、膨張の影響によるこのバイメタル構造の変形は、図３
に示すような向きである。
【００１２】 変形の大きさｆは、温度に比例する。よって、変形は、周囲温度に依存する。
しかしながら、変形が周囲温度に依存しないような構造的配置とすることができ
る。
【００１３】 しかしながら、電気回路の開閉時に起こる複雑な機構（電気アーク、跳ね上が
り現象、等）のために、状態変化（開状態から閉状態へのシフト）ができるだけ
迅速であるようなシステムとしておくことが好ましい。理想は、その温度を超え
ると機械的平衡状態が変化するような臨界温度を有するようにシステムを構成す
ることである。しかしながら、これは、バイメタルでは得ることができない。
【００１４】 米国特許明細書第５ ４６３ ２３３号には、バイメタルと静電センサとを組み
合わせてなる、微小機械加工された熱スイッチが開示されている。バイメタルが
変形していないときには静電力は弱く、バイメタルは、静電力と構造の機械的復
元力との間の平衡状態にある。温度が上昇したときには、バイメタル効果は、機
械的復元力に十分に打ち勝ち得るほど静電力が大きくなるまで、センサの両電極
を互いに近接させる。これにより、構造の瞬時的シフトがトリガーされる。
【００１５】 温度変化によって変位をもたらすための他の方法は、支持された梁または膜を
加熱することである。図４は、支持された膜７を示している。この場合、一点鎖
線によって、膜７の休止状態が示されており、実線によって、膜７の変形状態が
示されている。熱膨張が構造を圧縮している。理論的には、それを超えると構造
が曲がるという臨界圧縮応力（よって、臨界温度）が存在する。IEEE review,
pages 188-192 (1994) における D.S.Popescu 氏他による“Buckled Membranes
for Microstructures” と題する文献には、圧縮状態の構造が記載されている。
熱膨張係数がαであるような材料から形成されて厚さがｈとされかつ長さがＬと
された梁の場合には、臨界圧縮応力は、次式によって与えられる。
【数１】
【００１６】 また、理論的には、構造の反りの大きさｆは、次式によって与えられる。
【数２】
【００１７】 正方形の膜の場合には、Ａは、２．２９８ｈである。この方法の欠点の１つは
、ｆの符号が確定できないことである。図４に示すように、膜７は、反対方向に
変形することができて、一点鎖線で示す位置をとることができる。式（２）は、
また、表面技術によって形成された構造においては、つまり、薄い層内において
は、大きな変形強度を得ることが困難であることを示している。
【００１８】 先のものから導かれる他の解決手段は、本来的に曲がった膜を使用することで
ある。これは、例えばシリコン酸化物膜を使用することによって得られる。この
システムは、２つの安定な状態を有している。
【数３】 ここで、Ｓは、内部応力であり、Ｓcrは、臨界曲げ応力である。一方の状態から
他方の状態へとシフトさせるためには、付加的な機械的作用が必要である。上記
のD.S.Popescu 氏他による文献においては、この付加的な機械的作用は、膜に印
加される圧力から得られる。
【００１９】 支持されているバイメタルは、Journal of the Optical Society of America,
vol. 11, pages 233-255, 1925における TIMOSHENKO 氏による“Analysis of Mi-metal Thermostats”と題する文献において研究されている。この文献は、特
に、図５に示す構造の理論的研究を与えている。変形可能な構造は、バイメタル
から構成されている梁１０であり、梁１０の両端は、２つの固定支持体１１，１
２によって保持されている。両端の保持は、並進移動に関しての自由度を禁止し
ているものの、図面に対して垂直な軸回りの回転に関しての自由度は可能として
残している。休止時には、すなわち、バイメタル効果による熱応力が起こらない
ような温度下においては、梁は、図５において実線で示すように曲率半径がρ0
であるような初期変形を示す。温度が上昇したときには、以下の効果が引き起こ
される。
【００２０】 第１の効果： 梁の長さ方向熱膨張が支持体１１，１２によって阻止されることにより、梁は
、圧縮力を受ける。
【００２１】 第２の効果： バイメタルが、温度上昇によって曲率半径が増大するように形成されているこ
とにより、図５に示すような梁の下方変形が起こる。
【００２２】 第３の効果： 上記効果を受けて、梁の長さが減少する。これにより、梁内における付加的な
内部圧縮応力が誘起される。
【００２３】 第１効果および第３効果は、構造の曲げを誘起する。これにより、ある臨界温
度を超えると、梁のシフトが起こる。そして、梁は、図５において一点鎖線で示
すような位置をとる。
【００２４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来のシステムは、 −大きな強度を有した急激な変化（シフトおよび臨界温度の概念）を形成するた
めの、温度と変形との間の非線形性、 −正に熱膨張効果だけを生成するようなセンサ、 −変形可能な膜のための堅固な支持を要するような薄膜製造技術の使用、 というような利点を有しているような熱膨張効果を使用して膜または梁を変形さ
せるためのマイクロセンサを、形成することができないような特性を示している
。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
上記欠点を克服するために、休止時において本来的に曲げられている変形可能
部材（梁または膜）を備えたマイクロシステムが提案される。この場合の初期的
な曲がりは、撓みのようなものではない。よって、変形可能部材は、構成が非平
面的である。この変形可能部材が支持されて、熱膨張に基づいて感熱センサに誘
起されたバイメタル効果や曲げ現象（撓み現象）によって、変形可能部材の変形
が引き起こされる。休止状態においては、支持は、変形可能部材に何らの力をも
及ぼさない。
【００２６】 本発明は、基板上に形成され、バイメタル効果を示す感熱センサによって第１
機能状態と第２機能状態との間のシフトを起こすマイクロシステムに関するであ
って、感熱センサが、基板に対して両端が取り付けられた変形可能部材を備え、
この変形可能部材は、応力を有することなく基板の対向面に対して本来的な曲げ
を有した状態で、基板に対して取り付けられ、この本来的な曲げが、第１機能状
態を決定し、第２機能状態へのシフトが、温度変化の影響により感熱センサが変
形可能部材の変形を誘起することにより、すなわち、温度変化の影響により感熱
センサが変形可能部材に対して圧縮力を印加することによって本来的な曲げが解
消されて変形可能部材が本来的な曲げとは逆向きに曲がることにより、引き起こ
されるようになっているマイクロシステムに関するものである。感熱センサによ
る温度制御が解除されたときには、マイクロシステムは、第１機能状態へと復帰
する。
【００２７】 第１機能状態は、変形可能部材が基板の対向面から最も遠くに位置した状態に
対応したものとすることができ、かつ、第２機能状態は、変形可能部材が基板の
対向面に対して最も近くに位置した状態に対応したものとすることができる。ま
た、これとは逆の関係とすることもできる。
【００２８】 変形可能部材の中央部は、周縁部よりも厚く形成することができる。
【００２９】 本発明は、また、上記のようなマイクロシステムを備えて構成されたマイクロ
スイッチに関するものであって、マイクロシステムには、基板の対向面上と変形
可能部材上とに、複数の電極が設けられ、これら電極は、第１機能状態および第
２機能状態の一方においては互いに導通状態とされかつ第１機能状態および第２
機能状態の他方においては互いに絶縁状態とされるようにして、設けられている
マイクロスイッチに関するものである。
【００３０】 本発明は、また、上記のようなマイクロシステムを備えて構成されたマイクロ
バルブに関するものであって、マイクロシステムには、少なくとも１つの流体連
通オリフィスが設けられ、このオリフィスは、第１機能状態および第２機能状態
の一方においては閉塞されかつ第１機能状態および第２機能状態の他方において
は開放されるようにして、設けられているマイクロバルブに関するものである。
【００３１】 本発明は、また、上記のようなマイクロシステムを製造するための方法に関す
るものであって、 −変形可能部材を構成する層を、基板の対向面の上方でアーチ形状をなしている
部分以外の部分において対向面に対して連結されているようにして対向面上に適
切な材料から成膜することによって、変形可能部材を形成し、 −変形可能部材と協働してバイメタル効果を示す感熱センサを構成する手段を、
変形可能部材に密着させるようにして、成膜によって形成する、 ような方法に関するものである。
【００３２】 有利には、基板の対向面上に犠牲材料製所定形状領域を予め成膜することによ
り、後の行程で犠牲材料製所定形状領域が除去されたときに変形可能部材の形状
が制限されるようにして、アーチ形状をなす部分を形成し、この場合、犠牲材料
製所定形状領域が除去され終わった本方法の最終時点において変形可能部材が基
板の対向面に対する応力を有することなく本来的な曲げを有しているという結果
が得られるように、犠牲材料製所定形状領域を構成する。
【００３３】 本方法の第１態様においては、 −基板の対向面上に、犠牲材料製層を成膜し、 −犠牲材料製層上に、基板および犠牲材料製層を変質させることなく除去され得
るような材料からなる所定領域を形成し、 −変形可能部材の所望アーチ形状に対応した所定形状領域を形成するように、所
定領域を部分的に除去し、 −基板の対向面上に所定形状領域の形状を複製した犠牲材料製所定形状領域だけ
が残るように、犠牲材料製層の一部と所定形状領域とをエッチングし、 −変形可能部材を構成することとなる層を成膜し、 −変形可能部材と協働して感熱センサを構成するための手段を成膜し、 −犠牲材料製所定形状領域を除去する。
【００３４】 この場合、犠牲材料製層上に感光性樹脂層を成膜しその後所定領域だけが残る
ように感光性樹脂層をエッチングすることにより、所定領域を形成することがで
きる。
【００３５】 本方法の第２態様においては、 −基板の対向面上に、変形可能部材として要望されているアーチ形状に対して実
質的に対応した階段形状を有した犠牲材料製所定形状領域を形成し、 −変形可能部材を形成するための層を成膜し、 −変形可能部材と協働して感熱センサを構成するための手段を成膜し、 −犠牲材料製所定形状領域を除去する。
【００３６】 この場合、基板の対向面上に犠牲材料製層を成膜し、その後、犠牲材料製所定
形状領域を残しておくべき変形可能部材設置場所以外の部分については基板面が
露出されるまで、犠牲材料製層を部分的にエッチングすることにより、犠牲材料
製所定形状領域が形成される。
【００３７】 本方法の第３態様においては、 −基板の対向面上に、変形可能部材が形成されるべき位置に一様厚さとされた犠
牲材料製所定形状領域を形成し、 −変形可能部材を形成するために、変形可能部材の基をなす層のうちの犠牲材料
製所定形状領域を覆っている部分が本来的に応力を有しているようにして、変形
可能部材の基をなす層を成膜し、 −上記において成膜された変形可能部材の基をなす層上に、変形可能部材と協働
して感熱センサを構成する手段を形成することとなる層を、本方法の最終時点に
おいて変形可能部材が本来的な曲げを有しているという結果が得られるような所
定温度でもって、成膜し、 −変形可能部材と協働して感熱センサを構成するための手段を形成するために、
上記において成膜された層をエッチングし、 −犠牲材料製所定形状領域を除去する。
【００３８】 この場合、基板の対向面上に犠牲材料製層を成膜し、その後、この犠牲材料製
層を部分的にエッチングすることにより、犠牲材料製所定形状領域が形成される
。
【００３９】 実施される態様にかかわらず、犠牲材料製所定形状領域の除去を可能とするた
めの開口を、変形可能部材に形成するというステップを行うことができる。
【００４０】
【発明の実施の形態】
本発明は、本発明を何ら制限することのない例示としての、添付図面を参照し
た以下の説明により、より明瞭に理解されるであろう。
【００４１】 図１〜図５は、既に説明した図であって、感熱センサの効果によって変形可能
な部材を備えたデバイスを示す図である。 図６Ａ〜図６Ｈは、本発明による、感熱センサの効果によって変形可能な部材
を備えたマイクロシステムの製造方法の第１実施形態を示す図である。 図７Ａ〜図７Ｈは、本発明による、感熱センサの効果によって変形可能な部材
を備えたマイクロシステムの製造方法の第２実施形態を示す図である。 図８Ａ〜図８Ｈは、本発明による、感熱センサの効果によって変形可能な部材
を備えたマイクロシステムの製造方法の第３実施形態を示す図である。 図９は、本発明によるマイクロスイッチを示す断面図であって、この場合、マ
イクロスイッチは、開状態である。 図１０は、本発明による他のマイクロスイッチを示す断面図であって、この場
合、マイクロスイッチは、閉状態である。 図１１は、本発明によるさらに他のマイクロスイッチを示す断面図であって、
この場合、マイクロスイッチは、開状態である。 図１２は、本発明によるマイクロバルブを示す断面図であって、この場合、マ
イクロバルブは、開状態である。
【００４２】 一般に、微小技術によって得られる構造は、プレーナ形状（平面的）を有して
いる。よって、本来的に曲がった梁または膜の製造には、特別の注意を要する。
【００４３】 以下に説明する方法においては、方法の最終時点においては除去されることと
なる犠牲層と称される層上に、変形可能な部材を成膜する。Ｓｉ3Ｎ4製とされる
変形可能部材（梁または膜）は、タングステン製犠牲層を使用して形成すること
ができる。
【００４４】 図６Ａ〜図６Ｈに示す本発明による方法の第１実施形態においては、非平面的
でありかつ力がかかっていない状態とされた変形可能部材（梁または膜）を備え
たマイクロシステムが形成される。まず最初に、例えばガラス製とされた基板２
０上に（例えばタングステン製とされた）犠牲層２１が成膜され、その後、感光
性樹脂層２２が成膜される（図６Ａ）。樹脂層２２をエッチングすることによっ
て、所望の変形可能部材によって決まる樹脂領域２３が残される（図６Ｂ）。熱
処理によって、感光性樹脂の持ち去りが引き起こされる。これにより、所望の変
形可能部材がなすべきアーチ形状に対応した（相補的な）形状の所定形状領域２
４が形成される（図６Ｃ）。
【００４５】 その後、犠牲層２１がエッチングされる。図６Ｄは、エッチングの第１ステッ
プを示している。この状況では、犠牲層２１は、樹脂の所定形状領域２４によっ
てマスクされていない領域については、厚さの一部分がエッチングによって除去
されている。図６Ｅは、例えば反応性イオンエッチングによって、樹脂の所定形
状領域２４が除去され終わった第２エッチングステップを示している。この状況
においては、犠牲層も同時にエッチングされており、図６Ｄにおける所定形状領
域２４の形状が複製されている。このようにして、犠牲材料からなる所定形状領
域２５が得られる。
【００４６】 図６Ｅに示す犠牲材料製所定形状領域２５は、使用される有機材料が変形可能
部材の各製造ステップにおいて劣化を起こすことなく耐え得るものでありまた所
定に除去できるものである限りにおいては、有機材料（例えばポリイミド）を使
用して直接的に得ることができる。
【００４７】 次に、犠牲材料製所定形状領域２５を支持している基板２０の表面が、例えば
Ｓｉ3Ｎ4やシリコンといったような材料からなる層２６によって被覆され、さら
に、例えばアルミニウムや金やニッケルといったような導電材料からなる層２７
によって被覆される（図６Ｆ参照）。これら層２６，２７は、互いに異なる熱膨
張係数を有したものである必要があり、かつ、変形可能部材を自由化するという
後段のステップにおいて互いに適合性を有したものである必要がある。
【００４８】 その後、層２７がエッチングされることにより、感熱センサをなす領域２８が
画定される（図６Ｇ参照）。
【００４９】 さらに、層２６がエッチングされる。このエッチングは、変形可能部材として
所望されている形状（梁または膜）に依存して決められる。さらに、変形可能部
材に開口を形成した後に、犠牲材料製所定形状領域２５が除去される。
【００５０】 これにより、図６Ｈに示すように、基板２０の表面に関して本来的に曲がった
変形可能部材２９を備えたマイクロシステムが得られる。
【００５１】 図７Ａ〜図７Ｄに示すような本発明による方法の第２実施形態においては、非
平面的でありかつ力がかかっていない状態とされた変形可能部材を備えたマイク
ロシステムが形成される。まず最初に、基板３０の表面上に、犠牲層３１が成膜
される（図７Ａ）。その後、犠牲層３１を複数回にわたってエッチングする。こ
の場合、階段形状とされた犠牲材料製所定形状領域３２が得られるように、各エ
ッチングステップにおいてそれぞれ適切なマスクが使用される。ここで、所定形
状領域３２の形状は、変形可能部材として要望されているアーチ形状に実質的に
対応した形状である。犠牲材料製所定形状領域３２の周囲においては、基板面が
露出されている（図７Ｂ）。その後、上記と同様に、変形可能部材および感熱セ
ンサを形成するために、層３３，３４が成膜される。
【００５２】 その後、上記と同様に、層３４をエッチングすることにより、領域３５が得ら
れる。同様に、層３３が、変形可能部材として所望されている形状に依存して、
エッチングされる。さらに、変形可能部材に開口を形成した後に、犠牲材料製所
定形状領域３２が除去される。
【００５３】 これにより、図７Ｄに示すように、基板３０の表面に関して本来的に曲がった
変形可能部材３６を備えたマイクロシステムが得られる。使用される材料は、上
記に例示した材料と同じものとすることができる。
【００５４】 図８Ａ〜図８Ｄに示すような本発明による方法の第３実施形態においては、非
平面的でありかつプレストレスが与えられた変形可能部材を備えたマイクロシス
テムが形成される。この場合には、バイメタルをなす２つの部材の形成時に温度
差が調節される。
【００５５】 まず最初に、基板４０の表面上に、犠牲層が成膜され、その後、この犠牲層を
エッチングすることによって、将来的に変形可能部材が配置されることとなると
ころに一様厚さを有した領域４１が形成される（図８Ａ参照）。その後、例えば
ＳｉＯ2 やＳｉ3Ｎ4からなる層４２が、犠牲層４１を覆うようにしてかつ基板の
露出面を覆うようにして、成膜される。これにより、層４２上には、犠牲材料製
領域４１上において直線的でありかつ自然的に応力がかかったような部分４３が
形成される（図８Ｂ参照）。次に、周囲温度よりも高温でもって、第２層４４が
成膜される。このため、方法の最終時点において、変形可能部材の本来的な曲が
りが形成される。
【００５６】 その後、上記と同様に、層４４をエッチングすることにより、領域４５が得ら
れる（図８Ｃ参照）。同様に、層４２が、変形可能部材として所望されている形
状に依存して、エッチングされる。さらに、変形可能部材に開口を形成した後に
、犠牲材料製所定形状領域４１が除去される。
【００５７】 これにより、図８Ｄに示すように、基板４０の表面に関して本来的に曲がった
変形可能部材４３を備えたマイクロシステムが得られる。層４２内におけるプレ
ストレスの値は、バイメタル構造が駆動されるときにのみ曲げがもたらされるよ
うに、調節される必要がある。
【００５８】 例えば、変形可能部材は、厚さが１μｍでありかつ長さが２００μｍであるよ
うなＳｉ3Ｎ4製の梁から形成することができる。梁の（室温における）初期曲が
りは、２μｍとすることができる。バイメタル構造の残りの部分は、アルミニウ
ムから形成することができ、１μｍという厚さとすることができる。このバイメ
タル構造は、１００〜１２０℃の間の温度変化においてシフトする。得られる曲
げの大きさは、５μｍの程度である。一方、０〜１００℃の間の温度変化におい
ては、曲げの大きさは、１μｍより小さなものである。
【００５９】 図９〜図１２は、上述の方法によって形成することができる本発明のいくつか
の応用例を示している。
【００６０】 図９は、基板５０上に形成されたマイクロスイッチを示している。バイメタル
は、例えば梁の形態とされた変形可能部材５１と、２つの領域５２と、から構成
されている。マイクロシステムの製造時に、電極５３，５４，５５が製造された
。電極５３，５４は、犠牲材料の成膜前に予め形成された。電極５５は、バイメ
タル層の成膜前に、犠牲材料上に形成された。
【００６１】 また、図１０に示すように、本来的に閉塞されているようにマイクロスイッチ
を構成することもできる。このマイクロスイッチは、基板６０上に形成された。
バイメタルは、変形可能部材６１（梁または膜）と、領域６２と、から構成され
ている。電極６３，６４は、犠牲材料の成膜前に予め形成された。電極６５は、
バイメタル層の成膜前に、犠牲材料上に形成された。
【００６２】 常態において閉状態とされるマイクロスイッチは、本発明による方法の第３実
施形態を使用し、さらに、変形可能部材６１の中央に領域６２を形成することに
より、得られる。
【００６３】 図９および図１０のバイメタルがシフトしたときに初期機能状態から他の機能
状態への移行が起こることは、明らかである。図９においては、バイメタルのシ
フトにより、開状態から閉状態への移行が起こる。これにより、電極５５が電極
５３，５４に対して当接する。図１０のマイクロシステムは、これとは逆に機能
する。
【００６４】 マイクロスイッチが閉状態とされたときに電極間において良好な電気的コンタ
クトを得るためには、図１１に示すような変更を加えることが有利である。図１
１は、電極７４，７５が形成されている基板７０上に形成された、常態において
開状態とされているマイクロスイッチを示している。変形可能部材７１は、局所
的に薄いものとされた厚い層から形成されている。すなわち、中央部分７２に形
成されている電極７３のところにおいて厚くなっていることにより、中央部分７
２が剛直なものとされている。このことは、また、電極７３によって誘起される
熱膨張の影響を制限する。
【００６５】 様々な層の成膜厚さに依存して、また、使用される方法に依存して、電極７３
と電極７４，７５との間のコンタクト領域を局在化させることも有利である。こ
れは、犠牲層を平面化させるステップによって得ることができる。あるいは、図
１１に示すように、犠牲層の光エッチングによって得られる突起（あるいは、イ
ンセット）７６を形成することによって得ることができる。
【００６６】 他の可能な改良は、複数の材料を使用することによりバイメタルの一部に図１
１において符号８０で示すような部分を形成することである。この部分８０は、
変形可能部材に隣接して形成された第１層８１を有している。この第１層８１は
、高抵抗な層であって（例えば、ＴｉＮから形成されている）、加熱部材として
機能する。第１層８１上に形成されている第２層８２は、大きな熱膨張係数を有
したものであって、熱的役割および機械的役割を果たす。第２層８２は、アルミ
ニウムから形成することができる。使用されている材料に応じて、保護材料から
なる薄い層８３によって、層８１，８２を隔離することができる。
【００６７】 図１２は、マイクロバルブを示す断面図であって、このマイクロバルブは、孔
９１が形成されている基板９０を備えて構成されている。孔９１は、基板９０の
両面間にわたって貫通している。マイクロバルブは、変形可能部材９２と１つま
たは複数の領域９３とから構成されているバイメタルを備えている。変形可能部
材は、バイメタルに誘起された温度に応じて、貫通孔９１を開閉する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 感熱センサの効果によって変形可能な部材を備えたデバイスを示
す図である。
【図２】 感熱センサの効果によって変形可能な部材を備えたデバイスを示
す図である。
【図３】 感熱センサの効果によって変形可能な部材を備えたデバイスを示
す図である。
【図４】 感熱センサの効果によって変形可能な部材を備えたデバイスを示
す図である。
【図５】 感熱センサの効果によって変形可能な部材を備えたデバイスを示
す図である。
【図６】 図６Ａ〜図６Ｈは、本発明による、感熱センサの効果によって変
形可能な部材を備えたマイクロシステムの製造方法の第１実施形態を示す図であ
る。
【図７】 図７Ａ〜図７Ｈは、本発明による、感熱センサの効果によって変
形可能な部材を備えたマイクロシステムの製造方法の第２実施形態を示す図であ
る。
【図８】 図８Ａ〜図８Ｈは、本発明による、感熱センサの効果によって変
形可能な部材を備えたマイクロシステムの製造方法の第３実施形態を示す図であ
る。
【図９】 本発明によるマイクロスイッチを示す断面図であって、この場合
、マイクロスイッチは、開状態である。
【図１０】 本発明による他のマイクロスイッチを示す断面図であって、こ
の場合、マイクロスイッチは、閉状態である。
【図１１】 本発明によるさらに他のマイクロスイッチを示す断面図であっ
て、この場合、マイクロスイッチは、開状態である。
【図１２】 本発明によるマイクロバルブを示す断面図であって、この場合
、マイクロバルブは、開状態である。
【符号の説明】
２０ 基板 ２５ 犠牲材料製所定形状領域 ２９ 変形可能部材 ３０ 基板 ３２ 犠牲材料製所定形状領域 ３５ 変形可能部材 ４０ 基板 ４１ 犠牲材料製所定形状領域 ４３ 変形可能部材 ５０ 基板 ５１ 変形可能部材 ５３ 電極 ５４ 電極 ５５ 電極 ６０ 基板 ６１ 変形可能部材 ７０ 基板 ７１ 変形可能部材 ７２ 中央部 ７６ 突起（局所的コンタクト領域） ９０ 基板 ９１ 貫通孔（オリフィス） ９２ 変形可能部材

Claims (17)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 基板（５０，６０，７０，９０）上に形成され、バイメタル
    効果を示す感熱センサによって第１機能状態と第２機能状態との間のシフトを起
    こすマイクロシステムであって、 前記感熱センサが、前記基板に対して両端が取り付けられた変形可能部材（５
    １，６１，７１，９２）を備え、 該変形可能部材は、応力を有することなく前記基板の対向面に対して本来的な
    曲げを有した状態で、前記基板に対して取り付けられ、 前記本来的な曲げが、前記第１機能状態を決定し、 前記第２機能状態へのシフトが、温度変化の影響により前記感熱センサが前記
    変形可能部材（５１，６１，７１，９２）の変形を誘起することにより、すなわ
    ち、温度変化の影響により前記感熱センサが前記変形可能部材に対して圧縮力を
    印加することによって前記本来的な曲げが解消されて前記変形可能部材が前記本
    来的な曲げとは逆向きに曲がることにより、引き起こされるようになっているこ
    とを特徴とするマイクロシステム。
  2. 【請求項２】 請求項１記載のマイクロシステムにおいて、 前記第１機能状態は、前記変形可能部材（５１）が前記基板（５０）の前記対
    向面から最も遠くに位置した状態に対応し、 前記第２機能状態は、前記変形可能部材（５１）が前記基板（５０）の前記対
    向面に対して最も近くに位置した状態に対応していることを特徴とするマイクロ
    システム。
  3. 【請求項３】 請求項１記載のマイクロシステムにおいて、 前記第１機能状態は、前記変形可能部材（６１）が前記基板（６０）の前記対
    向面に対して最も近くに位置した状態に対応し、 前記第２機能状態は、前記変形可能部材（６１）が前記基板（６０）の前記対
    向面から最も遠くに位置した状態に対応していることを特徴とするマイクロシス
    テム。
  4. 【請求項４】 請求項１〜３のいずれかに記載のマイクロシステムにおいて
    、 前記変形可能部材（７１）が、周縁部よりも厚く形成された中央部（７２）を
    有していることを特徴とするマイクロシステム。
  5. 【請求項５】 請求項１〜４のいずれかに記載のマイクロシステムにおいて
    、 前記基板（５０，６０，７０，９０）が、ガラスまたはシリコンから形成され
    ていることを特徴とするマイクロシステム。
  6. 【請求項６】 請求項１〜５のいずれかに記載のマイクロシステムにおいて
    、 前記変形可能部材（５１，６１，７１，９２）が、Ｓｉ3Ｎ4またはＳｉＯ2 か
    ら形成されていることを特徴とするマイクロシステム。
  7. 【請求項７】 請求項１〜５のいずれかに記載のマイクロシステムにおいて
    、 前記バイメタル効果を示す前記感熱センサが、Ｓｉ3Ｎ4またはＳｉＯ2 から形
    成された層と、アルミニウム層と、を備えて構成されていることを特徴とするマ
    イクロシステム。
  8. 【請求項８】 請求項１〜７のいずれかに記載されたマイクロシステムを備
    えて構成されたマイクロスイッチであって、 前記マイクロシステムには、前記基板（５０）の前記対向面上と前記変形可能
    部材（５１）上とに、複数の電極（５３，５４，５５）が設けられ、 これら電極は、前記第１機能状態および前記第２機能状態の一方においては互
    いに導通状態とされかつ前記第１機能状態および前記第２機能状態の他方におい
    ては互いに絶縁状態とされるようにして、設けられていることを特徴とするマイ
    クロスイッチ。
  9. 【請求項９】 請求項８記載のマイクロスイッチにおいて、 前記電極に、局所的コンタクト領域（７６）が形成されていることを特徴とす
    るマイクロスイッチ。
  10. 【請求項１０】 請求項１〜７のいずれかに記載されたマイクロシステムを
    備えて構成されたマイクロバルブであって、 前記マイクロシステムには、少なくとも１つの流体連通オリフィス（９１）が
    設けられ、 該オリフィスは、前記第１機能状態および前記第２機能状態の一方においては
    閉塞されかつ前記第１機能状態および前記第２機能状態の他方においては開放さ
    れるようにして、設けられていることを特徴とするマイクロバルブ。
  11. 【請求項１１】 請求項１に記載されたマイクロシステムを製造するための
    方法であって、 −前記変形可能部材を構成する層（２６，３３，４２）を、前記基板（２０，３
    ０，４０）の前記対向面の上方でアーチ形状をなしている部分以外の部分におい
    て前記対向面に対して連結されているようにして前記対向面上に適切な材料から
    成膜することによって、前記変形可能部材（２９，３５，４３）を形成し、 −前記変形可能部材（２９，３５，４３）と協働してバイメタル効果を示す前記
    感熱センサを構成する手段（２８，３５，４５）を、前記変形可能部材（２９，
    ３５，４３）に密着させるようにして、成膜によって形成する、 ことを特徴とする方法。
  12. 【請求項１２】 請求項１１記載の方法において、 前記基板（２０，３０，４０）の前記対向面上に犠牲材料製所定形状領域（２
    ５，３２，４１）を予め成膜することにより、後の行程で該犠牲材料製所定形状
    領域（２５，３２，４１）が除去されたときに前記変形可能部材の形状が制限さ
    れるようにして、アーチ形状をなす前記部分を形成し、 この場合、前記犠牲材料製所定形状領域（２５，３２，４１）が除去され終わ
    った本方法の最終時点において前記変形可能部材（２９，３５，４３）が前記基
    板（２０，３０，４０）の前記対向面に対する応力を有することなく本来的な曲
    げを有しているという結果が得られるように、前記犠牲材料製所定形状領域（２
    ５，３２，４１）を構成することを特徴とする方法。
  13. 【請求項１３】 請求項１２記載の方法において、 −前記基板（２０）の前記対向面上に、犠牲材料製層（２１）を成膜し、 −前記犠牲材料製層（２１）上に、前記基板（２０）および前記犠牲材料製層（
    ２１）を変質させることなく除去され得るような材料からなる領域（２３）を形
    成し、 −前記変形可能部材の所望アーチ形状に対応した所定形状領域（２４）を形成す
    るように、前記領域（２３）を部分的に除去し、 −前記基板の前記対向面上に前記所定形状領域（２４）の形状を複製した前記犠
    牲材料製所定形状領域（２５）だけが残るように、前記犠牲材料製層（２１）の
    一部と前記所定形状領域（２４）とをエッチングし、 −前記変形可能部材（２９）を構成することとなる層（２６）を成膜し、 −前記変形可能部材（２９）と協働して前記感熱センサを構成するための前記手
    段（２８）を成膜し、 −前記犠牲材料製所定形状領域（２５）を除去する、 ことを特徴とする方法。
  14. 【請求項１４】 請求項１３記載の方法において、 前記犠牲材料製層（２１）上に感光性樹脂層（２２）を成膜しその後前記領域
    （２３）だけが残るように前記感光性樹脂層をエッチングすることにより、前記
    領域（２３）を形成することを特徴とする方法。
  15. 【請求項１５】 請求項１２記載の方法において、 −前記基板（３０）の前記対向面上に、前記変形可能部材として要望されている
    前記アーチ形状に対して実質的に対応した階段形状を有した犠牲材料製所定形状
    領域（３２）を形成し、 −前記変形可能部材（３６）を形成するための層（３３）を成膜し、 −前記変形可能部材（３６）と協働して前記感熱センサを構成するための前記手
    段（３５）を成膜し、 −前記犠牲材料製所定形状領域（３２）を除去する、 ことを特徴とする方法。
  16. 【請求項１６】 請求項１２記載の方法において、 −前記基板（４０）の前記対向面上に、前記変形可能部材（４３）が形成される
    べき位置に一様厚さとされた犠牲材料製所定形状領域（４１）を形成し、 −前記変形可能部材（４３）を形成するために、前記層（４２）のうちの前記犠
    牲材料製所定形状領域（４１）を覆っている部分が本来的に応力を有しているよ
    うにして、前記層（４２）を成膜し、 −上記において成膜された層（４２）上に、前記変形可能部材（４３）と協働し
    て前記感熱センサを構成する前記手段を形成することとなる層（４４）を、本方
    法の最終時点において前記変形可能部材（４３）が本来的な曲げを有していると
    いう結果が得られるような所定温度でもって、成膜し、 −前記変形可能部材と協働して前記感熱センサを構成するための前記手段（４５
    ）を形成するために、上記において成膜された層（４４）をエッチングし、 −前記犠牲材料製所定形状領域（４１）を除去する、 ことを特徴とする方法。
  17. 【請求項１７】 請求項１３〜１６のいずれかに記載の方法において、 前記犠牲材料製所定形状領域（２９，３６，４３）の除去を可能とするための
    開口を、前記変形可能部材（２９，３６，４３）に形成するというステップを行
    うことを特徴とする方法。
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