JP2003311694A - 半導体マイクロアクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱絶縁性と支持強度を損なうことなく大きな
アクチュエータ力を実現できる半導体マイクロアクチュ
エータを提供すること。 【解決手段】 半導体基板に形成したフレーム１と、フ
レーム１より内方に突設して温度変化により変位する可
撓領域２１と、可撓領域２１の一端に連設してフレーム
１の開口面と直交する方向に相対的に変位する可動エレ
メント２２と、少なくとも可撓領域２１とフレーム１と
の間に設けられて可撓領域２１からの熱伝導を抑制する
熱絶縁領域３と、を備えた半導体マイクロアクチュエー
タ。熱絶縁領域３を可撓領域２１の可撓方向に向かって
線膨張係数が小さくなるように形成した半導体マイクロ
アクチュエータ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、温度変化による可
撓部の撓み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。

【０００２】

【従来の技術】従来の半導体マイクロアクチュエータと
して特開２０００−３１７８９７に示されているものを
図５に示す。このものは、フレーム１０１と、熱絶縁領
域１０２と、可動部位１０３とを主要構成要素としてお
り、このうち、可動部位１０３は可撓領域１０４と可動
エレメント１０５とから構成されている。

【０００３】フレーム１０１は、シリコン（Ｓｉ）等の
半導体基板からなり、略四角形状の枠体をなしている。
また、その表面には後述する加熱手段１０４ｃに電力を
供給するための電極１０１ａが形成されている。

【０００４】可撓領域１０４は、平面視において略四角
形状をした平板をなしており、例えば、シリコンからな
る梁１０４ａと、アルミニウム（Ａｌ）からなる薄膜１
０４ｂにより構成されている。このうち、梁１０４ａの
表面には、例えば、不純物拡散抵抗等からなる加熱手段
１０４ｃが設けられている。また、薄膜１０４ｂは梁１
０４ａと略同等の大きさで形成されており、梁１０４ａ
と薄膜１０４ｂとでバイメタル構造を構成している。

【０００５】可動エレメント１０５は、断面視において
下側（図５の下方）に狭小する薄肉の斜状面を有したシ
リコンからなる箱体をなしており、梁１０４ａの他端に
連設されている。

【０００６】熱絶縁領域１０２は、例えば、ポリイミド
樹脂からなり、断面視において略四角形状をした棒体で
ある。その長さは、梁１０４ａの幅（梁１０４ａの突出
方向と直交する方向）と略同等であり、その厚さは、梁
１０４ａの厚さより大きく形成されている。また、この
ものは、フレーム１０１と梁１０４ａとの間に介在して
フレーム１０１と梁１０４ａとに固着されている。

【０００７】このように構成された半導体マイクロバル
ブによれば、電極１０１ａを介して加熱手段１０４ｃに
電力を供給すると、加熱手段１０４ｃは発熱して梁１０
４ａの温度が上昇する。このとき、薄膜１０４ｂは梁１
０４ａより熱膨張係数が大きいため、相対的に梁１０４
ａより大きく伸長する。したがって、梁１０４ａは下方
向（図５の下側）に撓むことになり、結果的に可動エレ
メント１０５を下方向に変位させることができるのであ
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】このような半導体マイ
クロアクチュエータにおいて、大きなアクチュエータ力
を得ようとする場合、加熱手段１０４ｃによる発熱を効
率よく可動部位１０３の変位に利用する必要がある。そ
のためには、熱絶縁領域１０２の幅（可動部位１０３の
突出方向）を広くして熱絶縁性を向上させることが重要
となる。ところが、その幅を広くすると可動部位１０３
を支持する支持強度が低下してしまい、逆に大きなアク
チュエータ力を得ることが困難になる。

【０００９】本発明は、上記の点に鑑みてなしたもので
あり、その目的とするところは、熱絶縁性と支持強度を
損なうことなく大きなアクチュエータ力を実現できる半
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】上記目的を達成するため
に、請求項１に係る発明の半導体マイクロアクチュエー
タは、半導体基板に形成したフレームと、フレームより
内方に突設して温度変化により変位する可撓領域と、可
撓領域の一端に連設してフレームの開口面と直交する方
向に相対的に変位する可動エレメントと、少なくとも可
撓領域とフレームとの間に設けられて可撓領域からの熱
伝導を抑制する熱絶縁領域と、を備えた半導体マイクロ
アクチュエータにおいて、前記熱絶縁領域を可撓領域の
可撓方向に向かって線膨張係数が小さくなるように形成
したことを特徴としている。

【００１１】請求項２に係る発明の半導体マイクロアク
チュエータは、請求項１記載の構成において、前記熱絶
縁領域は、複数の層構造をなすこととしている。

【００１２】請求項３に係る発明の半導体マイクロアク
チュエータは、請求項１又は２記載の構成において、前
記熱絶縁領域は、可撓領域の突出方向において可撓領域
の可撓方向に向かって狭小する形状を有する構造体であ
ることとしている。

【００１３】請求項４に係る発明の半導体マイクロアク
チュエータは、請求項１乃至３いずれかに記載の構成に
おいて、前記熱絶縁領域は、可撓領域の表面と接触する
庇部を有していることとしている。

【００１４】請求項５に係る発明の半導体マイクロアク
チュエータは、請求項１乃至４いずれかに記載の構成に
おいて、前記熱絶縁領域は、平面視において波形状を有
する構造体であることとしている。

【００１５】請求項６に係る発明の半導体マイクロアク
チュエータは、請求項１乃至５いずれかに記載の構成に
おいて、前記熱絶縁領域とフレーム及び可撓領域との間
に線膨張係数の最も小さい領域を介在させたこととして
いる。

【００１６】請求項７に係る発明の半導体マイクロアク
チュエータは、請求項１乃至６いずれかに記載の構成に
おいて、前記熱絶縁領域の可撓領域の突出方向に平行な
部位の長さは、可撓領域の突出方向の長さの１％から
８．５％であることとしている。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づき説明する。

【００１８】［第１の実施形態］図１は、本実施形態に
係る半導体マイクロアクチュエータを示すものであり、
（ａ）は中央で切断したときの断面斜視図、（ｂ）及び
（ｃ）は熱絶縁領域の拡大図である。また、図２は、熱
絶縁領域の可撓領域に対する長さの割合とアクチュエー
タ力との関係を示す特性図である。

【００１９】この半導体マイクロアクチュエータは、フ
レーム１と、可動部位２と、熱絶縁領域３とを主要構成
要素としており、このうち、可動部位２は、可撓領域２
１と、可動エレメント２２とから構成されている。

【００２０】フレーム１は、後述する可動部位２が温度
変化により揺動する際の支持部となるものである。この
ものは、例えば、シリコンからなる半導体基板にて形成
されており、その形状は平面視において略四角形状をな
すとともに断面視において内方の一面に斜状面を有する
枠体である。また、このものには、後述する加熱手段２
１ｃに電力を供給するための、例えば、アルミニウムか
らなる電極１１と配線１２が形成されている。

【００２１】可撓領域２１は、温度変化によりフレーム
１の平面方向と直交する方向に揺動して後述する可動エ
レメント２２を変位させるものである。この可撓領域２
１は、梁２１ａと薄膜２１ｂとから形成されてバイメタ
ル構造をなしている。このうち、梁２１ａは、例えば、
シリコンからなる半導体基板にて形成されており、その
形状は、平面視において略四角形状で且つ薄肉状の平板
である。この梁２１ａは、後述する熱絶縁領域３を介し
てフレーム１の所定の一辺の中央付近から内方に向かっ
て突設されている。また、梁２１ａの表面（図１（ａ）
の上方）には不純物を拡散することにより形成した拡散
抵抗による加熱手段２１ｃが埋設されている。一方、薄
膜２１ｂは、梁２１ａより熱膨張係数の大きい、例え
ば、ニッケル（Ｎｉ）からなる金属にて形成されてお
り、その形状は、平面視において略四角形状をなす平板
である。また、このものは、梁２１ａの表面上に設けら
れており、梁２１ａを略同等の大きさである。

【００２２】可動エレメント２２は、可撓領域２１の揺
動に連動して変位し、例えば、マイクロバルブにおける
弁体のように対応する部位に作用して種々機能を奏する
部位である。このものは、例えば、シリコンからなる半
導体基板により形成されており、その形状は断面視にお
いて下側（図１（ａ）の下方）に狭小する逆台形をなす
塊状体である。また、可動エレメント２２は、梁２１ａ
に連設してフレーム１と同一平面上の中央付近に位置し
ている。

【００２３】熱絶縁領域３は、フレーム１と梁２１ａと
の間に設けられて加熱手段２１ｃにて発生した熱がフレ
ーム１に伝導することを抑制するためのものである。そ
の形状は、断面視において下側（図１（ｂ）の下方）に
狭小する台形状をした棒体である。その長さは、梁２１
ａの幅（梁２１ａの突出方向と直交する方向）と略同等
であり、その幅は、梁２１ａの長さ（梁２１ａの突出方
向と平行な方向）の７％程度に形成されている。この数
字は、本願発明者らが実験及び考察を繰り返したことに
より得られたものであり、熱絶縁領域３の可撓領域２１
に対する長さの割合とアクチュエータ力との関係を表し
た特性図を図２に示す。この特性図では熱絶縁領域３の
長さの割合が可撓領域２１の長さの７％程度でアクチュ
エータ力が最大になり、７％近傍に至るまではほぼ直線
的にアクチュエータ力は上昇するが、７％を越えると急
激に低下する。なお、このときの可撓領域２１の長さ
は、２．３ｍｍ、２．５ｍｍ，２．７ｍｍの３種であ
る。また、熱絶縁領域３は、異なる線膨張係数を持つ二
種類の熱絶縁材料で構成された層構造をしており、その
上層部３１は、例えば、ポリテトラフルオロエチレンか
らなり、下層部３２は、例えば、ポリイミドから形成さ
れている。また、上層部３１の線膨張係数は下層部３２
の線膨張係数より大きくなるように形成されている。ま
た、上層部３１と下層部３２の厚みは略同等に形成され
ており、それぞれは梁２１ａの表面から突出している。
さらに、上層部３１の突出している部位には梁２１ａの
表面と平行に設けられてそれと固着する庇部３３，３３
が設けられている。

【００２４】また、この熱絶縁領域３は、図１（ｃ）に
示すように断面視において梁２１ａの内部に段差を持つ
層構造に形成することも可能である。その他の構造及び
構成は図１（ｂ）に示したものと変わらない。

【００２５】その動作は、電極１１に電圧を印加して加
熱手段２１ｃに電力を供給すると、加熱手段２１ｃは抵
抗体であるため発熱を開始する。その熱は、梁２１ａと
薄膜２１ｂの両者を加熱し、互いの線膨張係数の差によ
り、すなわち、梁２１ａの線膨張係数が薄膜２１ｂの線
膨張係数より小さいことにより、薄膜２１ｂの熱膨張量
が梁２１ａの熱膨張量を上回って、結果的に可撓領域２
１は下方向（図１（ａ）の下側）に撓むことになる。

【００２６】ところで、加熱手段２１ｃにて発熱した熱
は、熱絶縁領域３も同時に加熱することになり、したが
って、熱絶縁領域３も可撓領域２１と同様に熱膨張す
る。本実施形態で形成された熱絶縁領域３は、その上層
部３１の線膨張係数が下層部３２の線膨張係数より大き
いため、上層部３１の熱膨張量は下層部３２の熱膨張量
を上回り、結果的に熱絶縁領域３も下方向に撓むことで
可動部位２の変位を従来のものと比較してより大きくす
ることが可能となるのである。

【００２７】したがって、以上説明した半導体アクチュ
エータによると、熱絶縁領域３を可撓領域２１の可撓方
向に向かって線膨張係数が小さくなるような二層構造に
したので、熱絶縁領域３も加熱手段２１ｃによる熱で可
撓領域２１と同方向に撓むようになり、従来のものと比
較して可動部位２の変位量を大きくすることが可能とな
る。また、熱絶縁領域３を可撓領域２１の突出方向と平
行な断面において可撓領域２１の可撓方向に向かって狭
小する断面を有する構造体としているので、熱絶縁領域
３とフレーム１及び可撓領域２１との接合面積が大きく
なり、固着強度を大きくすることができる。また、熱絶
縁領域３に可撓領域２１の表面と固着する庇部３３，３
３を有しているので、熱絶縁領域３上面の面積が大きく
なった分だけその熱膨張量をより多くすることができ、
さらに可動部位２の変位量を大きくすることが可能とな
る。また、熱絶縁領域３の可撓領域２１の突出方向に平
行な部位の長さは、可撓領域２１の突出方向の長さの７
％としているので、可動部位２の支持強度を低下させる
ことなく撓み量を大きくすることができる。

【００２８】［第２の実施形態］図３は、本実施形態に
係る半導体マイクロアクチュエータの熱絶縁領域を示す
ものであり、（ａ）はその平面図、（ｂ）はその断面図
である。

【００２９】この実施形態の半導体マイクロアクチュエ
ータは、熱絶縁領域４が第１の実施形態と異なるもので
あり、他の構成要素は第１の実施形態のものと実質的に
同一であるので説明を省略する。また、同一部材におい
ては第１の実施形態と同一の番号を付す。

【００３０】熱絶縁領域４は、第１の実施形態とその機
能を同じにするものである。その形状は、断面視におい
て下側（図１（ｂ）の下方）に狭小する台形状をなし、
平面視において矩形波状をなす折れ曲がり棒体である。
その長さは、梁２１ａの幅（梁２１ａの突出方向と直交
する方向）と略同等であり、その幅は、梁２１ａの長さ
（梁２１ａの突出方向と平行な方向）の７％程度に形成
されている。以下、第１の実施形態と同様に、このもの
は、異なる線膨張係数を持つ二種類の熱絶縁材料で構成
された層構造をしており、その上層部４１は、例えば、
ポリテトラフルオロエチレンからなり、下層部４２は、
例えば、ポリイミドから形成されている。また、上層部
４１の線膨張係数は下層部４２の線膨張係数より大きく
なるように形成されている。また、上層部４１と下層部
４２の厚みは略同等になるように形成されており、それ
ぞれは梁２１ａの表面から突出している。さらに、上層
部４１の突出している部位には梁２１ａの表面と平行に
設けられてそれと固着する庇部４３が設けられている。

【００３１】また、この熱絶縁領域４は、図１（ｃ）に
示すように断面視において梁２１ａの内部に段差を持つ
層構造に形成することも可能である。

【００３２】また、その動作についても第１の実施形態
と同様である。

【００３３】したがって、以上説明した半導体アクチュ
エータによると、第１の実施形態で説明した効果に加
え、熱絶縁領域４を平面視において矩形波状を有する棒
体に形成しているので、熱絶縁領域４とフレーム１及び
可撓領域２１との接合面積をより大きくすることがで
き、さらに固着強度を大きくすることができる。

【００３４】［第３の実施形態］図４は、本実施形態に
係る半導体マイクロアクチュエータの熱絶縁領域を示す
断面図である。

【００３５】この実施形態の半導体マイクロアクチュエ
ータは、熱絶縁領域５が第１の実施形態及び第２の実施
形態と異なるものであり、他の構成要素は第１の実施形
態及び第２の実施形態のものと実質的に同一であるので
説明を省略する。また、同一部材においては第１の実施
形態と同一の番号を付す。

【００３６】熱絶縁領域５は、第１の実施形態とその機
能を同じにするものである。その形状は、断面視におい
て略四角形状をなす棒体であり、上辺を略四角形と同じ
にして下方向へ狭小する台形状の部位と、その台形状の
部位を構成する上層部５１と下層部５２の斜面に固着し
てフレーム１及び梁２１ａとの間に介在する低膨張部５
４とから構成されている。その長さは、梁２１ａの幅
（梁２１ａの突出方向と直交する方向）と略同等であ
り、その幅は、梁２１ａの長さ（梁２１ａの突出方向と
平行な方向）の７％程度に形成されている。また、上層
部５１及び下層部５２は、異なる線膨張係数を持つ二種
類の熱絶縁材料で構成された層構造をしており、その上
層部５１は、例えば、ポリテトラフルオロエチレンから
なり、下層部５２は、例えば、ポリイミドから形成され
ている。また、上層部５１の線膨張係数は下層部５２の
線膨張係数より大きくなるように形成されている。ま
た、上層部５１と下層部５２の厚みは略同等になるよう
に形成されており、それぞれは梁２１ａの表面から突出
している。また、上層部５１の突出している部位には梁
２１ａの表面と平行に設けられてそれと固着する庇部５
３，５３が設けられている。そして、低膨張部５４は、
下層部５２よりも小さい線膨張係数をもつ材料（例え
ば、下層部５２と同じポリイミドを主成分とするもの）
にて形成されている。

【００３７】また、この熱絶縁領域５は、図１（ｃ）に
示すように断面視において梁２１ａの内部に段差を持つ
層構造に形成することも可能である。この場合、低膨張
部５４は下層部５２とフレーム１及び梁２１ａとの間に
介在している。

【００３８】また、その動作についても第１の実施形態
と同様である。

【００３９】したがって、以上説明した半導体アクチュ
エータによると、第１の実施形態で説明した効果に加
え、前記熱絶縁領域とフレーム及び可撓領域との間に線
膨張係数の最も小さい低膨張部５４を介在させているの
で、熱絶縁領域５とフレーム１及び可撓領域２１との接
合面においても線膨張差が発生することになり、可動部
位２の変位量をさらに大きくすることができる。

【００４０】これまで、３つの実施形態について説明し
たが、熱絶縁領域３，４，５は、フレーム１と梁２１ａ
との間にのみ設けられるものではなく、例えば、梁２１
ａと可動エレメント２２との間にも設けてもよい。これ
により、加熱手段２１ｃにて発熱した熱が可動エレメン
ト２２方向へ伝導することを抑制することができ、熱効
率が向上して可動部位２の変位を省電力で行うことがで
きる。また、熱絶縁領域３を構成する層は２層に限定さ
れるものではなく、より複数の層にて形成しても同様の
効果が得られる。

【００４１】

【発明の効果】請求項１に係る発明の半導体マイクロア
クチュエータは、少なくとも可撓領域とフレームとの間
に設けられて可撓領域からの熱伝導を抑制する熱絶縁領
域を可撓領域の可撓方向に向かって線膨張係数が小さく
なるように形成しているので、熱絶縁領域の上部と下部
とで熱膨張量に差が生じてそれ自体も撓むようになり、
結果的に大きなアクチュエータ力を得ることができる。

【００４２】請求項２に係る発明の半導体マイクロアク
チュエータは、請求項１の効果に加えて、熱絶縁領域を
複数の層構造をなすように形成しているので、可撓領域
の可撓方向に向かって線膨張係数が小さくなる構造を簡
単に実現できる。

【００４３】請求項３に係る発明の半導体マイクロアク
チュエータは、請求項１又は２の効果に加えて、熱絶縁
領域を可撓領域の突出方向と平行な断面において可撓領
域の可撓方向に向かって狭小する形状をしているので、
熱絶縁領域とフレーム及び可撓領域との接合面積が大き
くなり、固着強度を大きくすることができる。

【００４４】請求項４に係る発明の半導体マイクロアク
チュエータは、請求項１乃至３いずれかに記載の効果に
加えて熱絶縁領域は、可撓領域の表面と接触する庇部を
有しているので、熱絶縁領域上面の面積が大きくなった
分だけ熱膨張量をより多くすることができ、さらに可動
部位２の変位量を大きくすることができる。

【００４５】請求項５に係る発明の半導体マイクロアク
チュエータは、請求項１乃至４いずれかに記載の効果に
加えて、熱絶縁領域は、平面視において波形状を有する
構造体であるので、熱絶縁領域とフレーム及び可撓領域
との接合面積をより大きくすることができ、さらに固着
強度を大きくすることができる。

【００４６】請求項６に係る発明の半導体マイクロアク
チュエータは、請求項１乃至５いずれかに記載の効果に
加えて、熱絶縁領域とフレーム及び可撓領域との間に線
膨張係数の最も小さい領域を介在させているので、熱絶
縁領域とフレーム及び可撓領域との接合面においても線
膨張差が発生することになり、可動部位の変位量をさら
に大きくすることができる。

【００４７】請求項７に係る発明の半導体マイクロアク
チュエータは、請求項１乃至６いずれかに記載の効果に
加えて、熱絶縁領域の可撓領域の突出方向に平行な部位
の長さは、可撓領域の突出方向の長さの１％から８．５
％としているので、可動部位の支持強度を低下させるこ
となく撓み量を大きくすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 第１の実施形態に係る半導体マイクロアクチ
ュエータを示すものであり、（ａ）は中央で切断したと
きの断面斜視図、（ｂ）及び（ｃ）は熱絶縁領域の拡大
図である。

【図２】 熱絶縁領域の梁に対する長さの割合とアクチ
ュエータ力との関係を示す特性図である。

【図３】 第２の実施形態に係る半導体マイクロアクチ
ュエータの熱絶縁領域を示すものであり、（ａ）はその
平面図、（ｂ）はその断面図である。

【図４】 第３の実施形態に係る半導体マイクロアクチ
ュエータの熱絶縁領域を示す断面図である。

【図５】 従来の半導体マイクロアクチュエータを示す
断面斜視図である。

【符号の説明】

１ フレーム ２１ 可撓領域 ２２ 可動エレメント ３ 熱絶縁領域 ３３ 庇部 ４ 熱絶縁領域 ４３ 庇部 ５ 熱絶縁領域 ５３ 庇部 ５４ 低膨張部

───────────────────────────────────────────────────── 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 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 (72)発明者 川人 圭子 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

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板に形成したフレームと、フレ
   ームより内方に突設して温度変化により変位する可撓領
   域と、可撓領域の一端に連設してフレームの開口面と直
   交する方向に相対的に変位する可動エレメントと、少な
   くとも可撓領域とフレームとの間に設けられて可撓領域
   からの熱伝導を抑制する熱絶縁領域と、を備えた半導体
   マイクロアクチュエータにおいて、 前記熱絶縁領域を可撓領域の可撓方向に向かって線膨張
   係数が小さくなるように形成した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】 前記熱絶縁領域は、複数の層構造をなす
   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】 前記熱絶縁領域は、可撓領域の突出方向
   と平行な断面において可撓領域の可撓方向に向かって狭
   小する形状を有する構造体である請求項１又は２記載の
   半導体マイクロアクチュエータ。
4. 【請求項４】 前記熱絶縁領域は、可撓領域の表面と固
   着する庇部を有している請求項１乃至３いずれかに記載
   の半導体マイクロアクチュエータ。
5. 【請求項５】 前記熱絶縁領域は、平面視において波形
   状を有する構造体である請求項１乃至４いずれかに記載
   の半導体マイクロアクチュエータ。
6. 【請求項６】 前記熱絶縁領域とフレーム及び可撓領域
   との間に線膨張係数の最も小さい領域を介在させた請求
   項１乃至５いずれかに記載の半導体マイクロアクチュエ
   ータ。
7. 【請求項７】 前記熱絶縁領域の可撓領域の突出方向に
   平行な部位の長さは、可撓領域の突出方向の長さの１％
   から８．５％である請求項１乃至６いずれかに記載の半
   導体マイクロアクチュエータ。