JP2004319476A - ポリマー・スイッチおよびポリマー・スイッチの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ポリマー層を導入して高精度かつエネルギー効率の高い液体金属スイッチを提供する。
【解決手段】ポリマー・スイッチは、スイッチ基板（１２０）と、チャネル支持板（１０２）と、前記チャネル支持板（１０２）と前記スイッチ基板（１２０）との間に固定されたポリマー層（１０４）と、前記ポリマー層（１０４）内に形成されたスイッチング・チャネル（１０６）と、第１及び第２の電気コネクタ（５１０、１３２）と、前記スイッチング・チャネル（１０６）内に備えられ、前記第１及び第２の電気コネクタ（５１０、１３２）間で電気回路を形成または切断する液体金属スイッチとを具備する。
【選択図】図２

Description

本発明は光学スイッチング用の超小型電気機械システム（ＭＥＭＳ）に関するものであり、より具体的にはポリマー液体金属スイッチ（以下「ポリマー・スイッチ」とも称する。）に関する。

気体の加熱を利用して気圧変化を作ることにより、チャネル内に閉じ込めた液体金属の液滴間に（電気コンタクトを開くように）ギャップを作り、また、これらの液滴を（電気コンタクトを閉じるように）移動させてコンタクト間を濡らすことによりスイッチを作動させる液体金属スイッチはこれまでにも考案されている。チャネル構造を製造する為に用いられる現在の方法は、サンドブラスト法を使用してチャネルを形成することから、その分解能及び精度に限界があった。加えて、現在、ヒーター抵抗器はセラミック基板上に形成されている為、熱がセラミック基板へと失われ、エネルギー効率が悪いものである。
特開２０００−１８５３８９号公報

したがって、本発明の目的は、ポリマー層を導入して高精度かつエネルギー効率の高い液体金属スイッチを提供することにある。

本発明は、スイッチング・チャネルがポリマー層内に形成されたポリマー・スイッチに関する。チャネルの形成は、レーザーアブレーション或いはフォトイメージング等のマイクロマシン技術により形成することが出来る。液体金属スイッチは、スイッチング・チャネル内に含まれている。この液体金属スイッチは、液体金属塊を用いて電気コンタクトを形成したり、これを切断したりすることにより作動する。スイッチング・チャネル内のコンタクト・パッドは液体金属に対する濡れ性を持っており、スイッチのラッチング機構を提供するものである。スイッチはマイクロマシン加工により小型に製作することが可能である。

新規性を持つと考えられる本発明の特徴は、具体的に請求項に記載した。しかしながら本発明自体は、添付図を参照しつつ特定の実施例を説明する以下の本発明の詳細な説明を読むことにより、その目的及び利点と共に構成及び作動方法を最も良く理解することが出来る。

本発明は多くの異なる形態の実施例に適用することが可能であるが、本願においては図に示した１つ以上の特定の実施例に沿って説明する。しかしながら、本開示はあくまでも本発明の原理の一例にしか過ぎず、本発明を図示及び説明する特定の実施例に制約する意図はない。以下の説明においては、同じ参照数字、符号が複数の図にわたり、同一、同様又は対応する部分を示す為に用いられている。

本発明の一側面は、ポリイミド又はその他のポリマー・フィルム即ちポリマー層のレーザーアブレーションといった、液体金属スイッチにおけるチャネル構造製作におけるマイクロマシン加工技術の利用方法である。この方法は、サンドブラスト法によるものよりも良好な許容差及び分解能を提供するものである。一実施例においては、チャネル層はカプトン（Ｋａｐｔｏｎ；商標）（ポリイミドのシート形態のもの）又は他の好適なポリマー・フィルムにレーザーアブレーション法により必要なチャネル造作を形成することで作られる。その後チャネル層は、サイトップ（Ｃｙｔｏｐ；商標）又はカプトンＫＪ（ＫＪ；商標；接着特性を持つ熱可塑性ポリイミド）のような好適な接着剤を用いてスイッチ基板へと接着される。カプトンは水蒸気に対する透湿性を持っている。完成した組み立て部品から水蒸気を排除しておく必要がある場合、組み立て部品を気密封止パッケージングするか、或いは不浸水性の支持板に重ねてはんだによりスイッチ基板へと封止することにより「自己パッケージング」させることが出来る。この支持板は、例えば、金属、ガラス、シリコン或いはセラミックとすることが出来る。

更なる実施例においては、支持板に好適な液体ポリマー（スピンオン・ポリイミド等）を塗布して硬化させ、その後レーザーアブレーションにより所望のチャネル構造を作ることによりポリマー・チャネル層を製作することが出来る。代わりに、材料がフォトイメージング可能なものである場合、材料を硬化させる前に必要なフィーチャを露光及び現像することによりチャネル構造を作ることが出来る。完成したチャネル層はスピンコート又はスプレイコート法により形成された後に例えばフォトイメージング又はレーザーアブレーションされた接着剤の層を含むものであっても良い。サイトップは前者の方法により、ＫＪは後者の方法により処理することが出来る。

また、抵抗器から基板への熱の損失は出来る限り避けることが望ましい。これは、抵抗器を設ける前に、スイッチ基板の表面にポケットを設け、これらをポリイミド等の低熱伝導性ポリマーで満たすことにより可能となる。抵抗器への駆動信号は、例えばスイッチ基板を貫通するバイア又はスイッチ基板上面又は中を通るトレースにより伝えることが出来る。

更に他の実施例においては、スイッチ基板に低熱伝導率と高温耐性を持つポリイミド等のポリマーを用いることにより抵抗器から基板への熱の損失を小さくすることが出来る。抵抗器は、所望によりポリイミド上へと直接的に、或いは中間層上に設けることが出来る。ヒーター領域の下及び近傍のポリイミドを薄くすることにより、ヒーター領域の熱伝導率及び熱容量を小さくすることが出来る。しかしながらこの手法においては、気密性が求められる場合に別個のパッケージを必要とするという欠点がある。

図１は自己パッケージングされた本発明の一実施例に基づくポリマー液体金属スイッチの断面図である。図１に示したスイッチは最終組み立て工程前の、２つの部品として描かれている。上部部品は、ポリマー層１０４を覆うチャネル支持板１０２を含んでいる。チャネル支持板１０２は例えばセラミック又はシリコンから作ることが出来る。ポリマーは、例えば不活性プラスチックで高温耐性を持つポリイミドとすることが出来る。スイッチング・チャネル１０６はポリマー層内に形成される。接着剤の層１１２はポリマー層１０４の下側を覆っている。接着剤は、例えばサイトップ又はＫＪとすることが出来る。接着剤は代わりに下部部品のスイッチ基板１２０の上面に塗布しても良い。一実施例においては、接着剤層は約７μｍ厚である。上部はんだリング１１４はチャネル支持板１０２の下面外周及びポリマー層１０４の側面に取り付けられる。上部はんだリングは溶融はんだに対する濡れ性を持っている。

図１に示したスイッチの下部部品は、透明スイッチ基板１２０を含んでいる。基板は例えばセラミックから作ることが出来る。下部はんだリング１２６はスイッチ基板１２０の内面側の外周に設けられている。下部はんだリングは溶融はんだ１２８に対する濡れ性を持つ。符号１３０に示したような濡れ性コンタクト・パッドもまた、スイッチ基板１２０の内面上に形成されており、上下２つの部品が組み立てられた場合にスイッチの上部部品内にあるチャネル１０６と位置が合うことになる。濡れ性コンタクト・パッド１３０は水銀等の液体金属に対する濡れ性を持っているが、この液体金属はスイッチ内のラッチング機構を提供する為に用いられるものである。本実施例においては、このコンタクト・パッドは約８００ｎｍ厚である。コンタクト・パッド１３０は、スイッチ基板１２０内のバイアを通じてスイッチ基板の下側にあるはんだパッド１３２と接続している。更に他の実施例においては、コンタクト・パッドはスイッチ基板の上面上に設けられたトレースを通じて回路基板の端部へと接続している。オプションとして、符号１１６で示したような追加コンタクト・パッドをチャネル支持板１０２へと設けることが出来る。電気配線３０６及び３２２はヒーターへと結合しているが、ヒーターについては後に説明する。

図２は、組み立てられたスイッチの断面図である。接着剤層１１２はポリマー層１０４をスイッチ基板１２０へと接着しており、スイッチ内に空洞１０６が作られている。濡れ性を持つコンタクト・パッド１３０は空洞１０６の一方の側に配置されている。はんだ１２８は表面張力により引っ張られて上部はんだリング１１４と下部はんだリング１２６間のギャップを埋めている。これによりスイッチ内部に高い信頼性を持つ気密封止が提供されることになる。充分なはんだが設けられている限りにおいては、濡れ性を持つはんだリングにより、封止が確実に完全なものとなるのである。

図３は本発明のポリマー・スイッチの他の断面図である。上部部品内のポリマー層１０４はヒーター空洞３０２を含んでいる。抵抗器等のヒーター３０４はスイッチ基板１２０の内側面上に配置されており、このヒーター空洞３０２と整列している。２つの部品が組み立てられた場合、ヒーターはヒーター空洞の内部に配置される。電気配線３０６及び３０８はヒーターへの電気接続を提供する。動作中は、電圧がヒーターに印加され、ヒーター空洞内にある気体が加熱され、これにより気体の圧力及び体積が増大する。絶縁層３１０及び３１２は、電気配線３０６及び３０８とはんだリング１２６間の電気的絶縁性を提供している。これらの層は、例えばスピンオン・ガラス、或いはＳｉＮｘ又はＳｉＯ２のような薄膜パッシベーション層とすることが出来る。これらの層は、はんだリング間のはんだ接合形成を妨げないように充分薄くすることが望ましい。ポリマー層３１４（ポリイミド層等）はヒーター３０４をスイッチ基板１２０から分離しており、基板への熱の損失を低減している。

図４はチャネル支持板１０２の下面を示す図である。上部はんだリング１１４はチャネル支持板１０２の内側表面の外周に設けられている。チャネル４０２はポリマー層１０４内にある。この図においては、接着剤１１２は図示していない。チャネル内にあるのは、ヒーター空洞３０２及び４０４と、スイッチング・チャネル１０６である。スイッチング・チャネル１０６内には、３つのコンタクト・パッド４０６、１１６及び４０８がある。コンタクト・パッドの表面は液体金属に対する濡れ性を持つ。オプションとして、スイッチ基板１２０上のコンタクト・パッドへと電気接続を作るかわりに、１つ以上のこれらのコンタクト・パッドへと電気接続を作ることも出来る。１−１断面は、図１における上部部品の断面である。３−３断面は、９０°回転させて図３の上部部品として示した。５−５断面は、９０°回転させて図５の上部部品として示した。

図５は、組み立てられたポリマー・スイッチを、図４にいて５−５切断した断面図である。スイッチング・チャネル１０６内には、上部コンタクト・パッド４０６、１１６及び４０８と対応する下部コンタクト・パッド５０２、１３０及び５０４がある。上部及び下部コンタクト・パッドはコンタクト・リングを形成するように結合させることが出来る。スイッチング・チャネル内に更にあるのは、２つの液体金属塊５０６及び５０８として示した液体金属塊である。液体金属塊は液体金属の表面張力によってコンタクト・パッドと接触して支持されている。濡れ性のコンタクト・パッド及び液体金属の表面張力により、スイッチのラッチング機構が提供されている。図５に示したように液体金属が分布している場合、コンタクト・パッド１３０及び５０４間には電気接続が作られているが、一方でコンタクト・パッド１３０及び５０２間には接続がない。ヒーター（図３における３０４）に電圧が印加されると、ヒーター空洞（図３における３０２）内の気圧が上昇する。ヒーター空洞はスイッチング・チャネル１０６と結合している為、図５におけるスイッチング・チャネルの右端における気圧もまた上昇することになる。上昇した気圧は表面張力を上回り、コンタクト・パッド４０８及び５０４間、及びコンタクト・パッド１１６及び１３０間の液体金属結合を壊す。液体金属の一部はスイッチング・チャネル１０６に沿って移動し、液体金属塊５０８と合体する。このように、コンタクト・パッド１３０及び５０４間（又は１１６及び４０８間）の電気接続は切断される一方で、コンタクト・パッド１３０及び５０２間（又は１１６及び４０６間）に接続が形成されることになる。この結果得られたスイッチ状態を図６に示す。電圧がヒーター空洞４０４（図４）内の対応するヒーターに印加された場合、スイッチ状態は逆転することになる。

図７はスイッチの下部部分の内側表面（例えばスイッチ基板１２０の上面）を示すものである。下部はんだリング１２６はスイッチ基板１２０の外周を覆っている。はんだ自体は図示していない。ヒーター３０４は、スイッチが組み立てられるとヒーター空洞３０２（図３及び図４に図示）と整列するように基板上に配置されている。ヒーター７０２は、スイッチが組み立てられるとヒーター空洞４０４（図４に図示）と整列するように基板上に配置されている。電気接続３０６及び３０８はヒーター３０４から基板端部まで延びており、これによりヒーターへ電圧を印加することが出来る。かわりに、ヒーター接続はスイッチ基板内のバイアを通じたものであっても良い。絶縁層３１０及び３１２はヒーター接続をはんだリング１２６から絶縁する。ポリマー層３１４はヒーター３０４をスイッチ基板１２０から分離するものである。対応する接続（３２０及び３２２）及び絶縁層が、第２のヒーター７０２を基板端部まで接続する為に用いられる。コンタクト・パッド５０２、１３０及び５０４は、スイッチング・チャネル内の液体金属に濡れる表面を持っている。線１−１に沿う断面は、図１における下部部品として示した部分である。線３−３に沿う断面は、９０°回転させて図３の下部部品として示した。線５−５に沿う断面は、９０°回転させて図５の下部部品として示した。

図８は、スイッチ基板１２０の外部表面を示す図である。はんだパッド又は電気コネクタ５１０、１３２及び５１２は、回路基板内のバイアを通じて信号をスイッチへと接続することが出来る。他の実施例においては、チャネル支持板の外部表面上にこの電気コネクタが１つ以上設けられる。更に他の実施例においては、コネクタはスイッチの端部に設けられ、回路基板内に設けられた導電路を通じてコンタクト・パッドへと結合される。

図９は本発明のポリマー・スイッチの他の断面図を示す。ポリマー層１０４はヒーター空洞３０２を含んでいる。抵抗器等のヒーター３０４はスイッチ基板１２０の内側表面にあるヒーター空洞３０２内に配置される。相転移液体６００はヒーターと濡れ接触している。電気配線３０６及び３０８はヒーターへの電気接続を提供する。作動においては、電圧がヒーターへと印加され、相転移液体６００が液体状態から気体状態へと変化する。これに付随する体積増加により気圧が上昇し、上述したようにスイッチが起動することになる。ヒーターが冷めると、相転移液体６００はヒーター３０４の表面上へと凝縮する。第２のヒーター空洞（図４の３０４）内には対応する相転移液体が含まれている。この相転移液体は、例えば不活性無機質液体、或いは液体金属とすることが出来る。

本発明を特定の実施例に沿って説明してきたが、上述の説明に照らして多数の代替、変更、入れ替え及び改変が可能であることは、当業者であれば明らかである。従って、本発明はそのような代替、変更、入れ替え及び改変形態を全て請求項の範囲に入るものとして包含することを意図したものである。なお、本発明の実施態様の一部を下記して本発明の実施の参考に供する。なお、本発明の理解を容易にするために実施例での参照番号を付記した。

（実施態様１）：スイッチ基板（１２０）と、チャネル支持板（１０２）と、前記チャネル支持板（１０２）と前記スイッチ基板（１２０）との間に固定されたポリマー層（１０４）と、前記ポリマー層（１０４）内に形成されたスイッチング・チャネル（１０６）と、第１及び第２の電気コネクタ（５１０、１３２）と、前記スイッチング・チャネル（１０６）内に備えられ、前記第１及び第２の電気コネクタ（５１０、１３２）間で電気回路を形成または切断する液体金属スイッチとを具備したポリマー・スイッチ。

（実施態様２）：前記チャネル支持板と前記スイッチ基板との間に更に気密封止を具備し、前記気密封止（１２８）、前記チャネル支持板（１０２）及び前記スイッチ基板（１２０）が前記ポリマー層（１０４）を包囲していることを特徴とし、前記気密封止が、前記チャネル支持板（１０２）の内側表面外周に取り付けられ、前記ポリマー層（１０４）を取り囲む、溶融はんだに濡れる第１のはんだリング（１１４）と、前記スイッチ基板（１２０）の内側表面外周に取り付けられた、溶融はんだに濡れる第２のはんだリング（１２６）と、前記第１、第２のはんだリングを接続するはんだ接合（１２８）とを有することを特徴とする実施態様１に記載のポリマー・スイッチ。

（実施態様３）：前記液体金属スイッチが、（１）前記スイッチング・チャネル（１０６）内に位置し、前記第１の電気コネクタ（５１０）へと電気的に接続し、液体金属に濡れる表面を持つ第１の外部コンタクト・パッド（５０２）と、（２）前記スイッチング・チャネル（１０６）内に位置し、液体金属に濡れる表面を持つ第２の外部コンタクト・パッド（５０４）と、（３）前記第１、第２の外部コンタクト・パッド（５０２、５０４）の間の前記スイッチング・チャネル（１０６）内に位置し、前記第２の電気コネクタ（１３２）へ電気的に接続し、液体金属に濡れる表面を持つ中間コンタクト・パッド（１３０）と、（４）前記スイッチング・チャネル（１０６）内に備えられ、前記第１の外部コンタクト・パッド（５０２）と濡れ接触する第１の液体金属塊（５０８）と、（５）前記スイッチング・チャネル（１０６）内に備えられ、前記第２の外部コンタクト・パッド（５０４）と濡れ接触する第２の液体金属塊（５０６）と、（６）前記スイッチング・チャネル（１０６）内に備えられ、前記中間コンタクト・パッド（１３０）と濡れ接触する第３の液体金属塊とを具備し、（７）前記第３の液体金属塊が、前記第１、第２の液体金属塊（５０８、５０６）のいずれか一方に合体するように構成されていることを特徴とする実施態様１に記載のポリマー・スイッチ。

（実施態様４）：前記液体金属スイッチが、（１）前記ポリマー層（１０４）内に形成され、前記スイッチング・チャネル（１０６）に結合する第１のヒーター空洞（３０２）と、（２）前記ポリマー層（１０４）内に形成され、前記スイッチング・チャネル（１０６）に結合する第２のヒーター空洞（４０４）と、（３）前記第１のヒーター空洞（３０２）内に配置され、前記第１の空洞内の流体を加熱するように適合した第１のヒーター（３０４）と、前記第２のヒーター空洞（４０４）内に配置され、前記第２の空洞内の流体を加熱するように適合した第２のヒーター（７０２）とを更に具備し、前記第１のヒーター（３０４）の作動により、前記第３の液体金属塊が第１の液体金属塊（５０８）と合体し、前記第２のヒーター（７０２）の作動により、前記第３の液体金属塊が第２の液体金属塊（５０６）と合体することを特徴とする実施態様３に記載のポリマー・スイッチ。

（実施態様５）：前記第１、第２のヒーター（３０４、７０２）の少なくとも一方が、低熱伝導率を持つパッド（３１４）により前記スイッチ基板から分離されていることを特徴とする実施態様４に記載のポリマー・スイッチ。

（実施態様６）：前記第１、第２の外部コンタクト・パッド（５０２、５０４）及び前記中間コンタクト・パッド（１３０）のうちの少なくとも１つが、一方が前記チャネル支持板（１０２）の内側表面に固定され、他方が前記スイッチ基板（１２０）の内側表面に固定された一対のコンタクト・パッド（５０２及び４０６、５０４及び４０８、或いは１３０及び１１６）、或いは前記スイッチング・チャネル（１０６）の壁に取り付けられたコンタクト・リングのいずれかを具備したものであることを特徴とする実施態様３に記載のポリマー・スイッチ。

（実施態様７）：前記第２の外部コンタクト・パッド（５０４）に結合する第３の電気コネクタ（５１２）を更に具備し、前記液体金属スイッチが、更に前記第２、第３の電気コネクタ（１３２、５１２）間の電気回路を形成又は切断するように作動するものであることを特徴とする実施態様３に記載のポリマー・スイッチ。

（実施態様８）：ポリマー・スイッチの製造方法であって、（イ）スイッチ基板（１２０）上に複数の電気コンタクト・パッド（５０２、１３０、５０４）を形成するステップと、（ロ）前記スイッチ基板（１２０）上にヒーター（３０４）を形成するステップと、（ハ）ポリマー層（１０４）内に、スイッチング・チャネル（１０６）及び前記スイッチング・チャネル（１０６）に結合するヒーター空洞（３０２）を有するチャネル構造（４０２）を形成するステップと、（ニ）前記コンタクト・パッド（５０２、１３０、５０４）の少なくとも１つの上に液体金属塊（５０６、５０８）を配置するステップと、（ホ）前記ヒーター（３０４）が前記ヒーター空洞（３０２）内に入り、前記複数のコンタクト・パッド（５０２、１３０、５０４）が前記スイッチング・チャネル（１０６）内に入るように、前記スイッチ基板（１２０）を前記ポリマー層（１０４）へと取り付けるステップとを有するポリマー・スイッチの製造方法。

（実施態様９）：前記ポリマー層（１０４）内の前記チャネル構造（４０２）が、マイクロマシン加工により形成されることを特徴とする実施態様８に記載のポリマー・スイッチの製造方法。

（実施態様１０）：（ヘ）溶融はんだに対する濡れ性を持つ第１のはんだリング（１１４）を前記チャネル支持板（１０２）の内側表面の外周へと取り付けるステップと、（ト）溶融はんだに濡れる第２のはんだリング（１２６）をスイッチ基板（１２０）の内側表面の外周へと取り付けるステップと、（チ）前記第１のはんだリング（１１４）を前記第２のはんだリング（１２６）へはんだ付けし、前記ポリマー層（１０４）の周囲に封止（１２８）を形成するステップを更に有する実施態様８に記載のポリマー・スイッチの製造方法。

本発明の特定の実施例に基づく、ポリマー自己パッケージ型液体金属スイッチの断面図であり、図４、図７の線１−１に対応する断面図である。 本発明の特定の実施例に基づくスイッチの組み立て後の図１に対応する断面図である。 本発明の特定の実施例に基づくポリマー液体金属スイッチの他の断面図であり、図４、図７の線１−１に対応する断面図である。 本発明の特定の実施例に基づくチャネル支持板の内側表面の図である。 第１のスイッチ状態にある組み立て後のポリマー・スイッチの断面図であり、図４、図７の線１−１に対応する断面図である。 第２のスイッチ状態にある組み立て後のポリマー・スイッチの断面図であり、図６と、図４、図７の線１−１に対応する断面図である。 本発明の特定の実施例に基づくスイッチ基板の内側表面の図である。 本発明の特定の実施例に基づくスイッチ基板の図７に対応する外部表面の図である。 本発明の特定の実施例に基づく、相転移液体を利用したポリマー液体金属スイッチの断面図である。

符号の説明

１０２ チャネル支持板
１０４ ポリマー層
１０６ スイッチング・チャネル
１１４ 第１のはんだリング
１２６ 第２のはんだリング
１２８ 気密封止（はんだ接合部）
１３０ 中間コンタクト・パッド
１３２ 第２の電気コネクタ
３０２ 第１のヒーター空洞
３０４ 第１のヒーター
３１４ 低熱伝導率を持つパッド、ポリマー層
４０２ チャネル構造
４０４ 第２のヒーター空洞
５０２ 第１の外部コンタクト・パッド
５０４ 第２の外部コンタクト・パッド
５０６ 第２の液体金属塊
５０８ 第１の液体金属塊
５１０ 第１の電気コネクタ
５１２ 第３の電気コネクタ
７０２ 第２のヒーター

Claims (1)

1. スイッチ基板と、
   チャネル支持板と、
   前記チャネル支持板と前記スイッチ基板との間に固定されたポリマー層と、
   前記ポリマー層内に形成されたスイッチング・チャネルと、
   第１、第２の電気コネクタと、
   前記スイッチング・チャネル内に備えられ、前記第１、第２の電気コネクタ間の電気回路を形成、或いは切断する液体金属スイッチと、
   を具備したポリマー・スイッチ。

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