JP2004327433A

JP2004327433A - 電気スイッチングアセンブリ

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Publication number: JP2004327433A
Application number: JP2004114921A
Authority: JP
Inventors: Lewis R Dove; ルイス・アール・ドウヴ; Marvin Glenn Wong; マルヴィン・グレン・ウオン
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2003-04-25
Filing date: 2004-04-09
Publication date: 2004-11-18
Also published as: US6750413B1; GB2400982B; GB2400982A; DE10360916A1; GB0406034D0; TW200423172A

Abstract

【課題】デバイス内で必要なチャネルとキャビティを安価で形状の制御な構造とした、移動する液体金属間の接点を有する電気インパルスで動作する小型のスイッチ（ＬＩＭＭＳ）を提供する。
【解決手段】上記課題は、表面を有する第１の非導電基板と、前記第１の非導電基板の表面上に付着され、ヒータキャビティがパターン形成され、液体金属チャネル、および前記ヒータキャビティを前記液体金属チャネルに沿った位置に接続する通路が形成された、誘電材の層と、表面を有する第２の非導電基板と、前記第２の非導電基板の表面上に付着され、前記誘電材の層のパターンと一致するようにパターン形成された接着剤の層とを有し、前記第１と第２の非導電基板の表面が対向し、前記介在する誘電材の層と前記接着材の層を介して接触することを特徴とする電気スイッチングアセンブリ、により解決される。
【選択図】図５

Description

移動する液体金属間の接点を有し、電気インパルスで動作する非常に小型のスイッチの分野で最近発展があった。すなわち、これらは実際には、個別にはＳＰＳＴまたはＳＰＤＴであるが、組み合わせてＤＰＤＴなどの別のスイッチングトポロジを形成できる小型のラッチングリレーなのである。（今後本明細書ではこのようなスイッチを液体金属マイクロスイッチまたはＬＩＭＭＳと呼ぶ。この名称は慣例になってきている）。図１から図４を参照し、こういったデバイスの１つのクラスの背後にある一般的なアイディアを概略する。その後、発明者らがもっとも関心を持っているトピック、すなわち、基板上に形成されるこのようなスイッチに必要なチャネルとキャビティを形成するための改善された技術を説明する。

次に図１Ａを参照すると、ガラスなどの適切な材料のカバーブロック１内に構成される所定の要素の上の断面図を示す。カバーブロック１は中に閉鎖式チャネル７を有し、閉鎖式チャネル７の中には水銀などの導電性液体金属の２つの小さな移動可能な膨張した液滴（１２、１３）がある。チャネル７は比較的小さく、水銀の液滴に対しては毛細血管のように見えるので、水銀の挙動を決定する際に大きな役割を果たすのは表面張力である。液滴のうち１つの液滴は長く、チャネル内に伸びる２つの隣接する電気接点に渡って短絡するが、他の液滴は短く、１つの電気接点だけにしか接触しない。また、２つのキャビティ５と６があり、この中にそれぞれヒータ３と４があり、これらの各々は窒素などの適切な気体のキャプティブ雰囲気（１０、１１）によって囲まれている。キャビティ５は小さな通路８によってチャネル７に結合し、チャネルの端からチャネルの約３分の１か４分の１の長さの位置でチャネル７に開口する。同様な通路９も同様にキャビティ６をチャネルの相対する端に接続する。このアイディアは、ヒータのうち１つのヒータから上昇する温度によりそのヒータ周囲の気体が膨張し、これによって長い水銀の液滴の一部が分離して移動し、分離した部分を短い液滴に強制的に結合させるということである。これは、チャネルの別の端に来た大きな液滴に対して相補的な物理構成（または鏡像）を形成する。これはさらに、３つの電気接点のうち短絡する２つを切り替える。この変化の後、ヒータは冷却されるが、他のヒータが加熱され新しい長い液滴の一部をもう一方に戻すように駆動するまで、水銀の液滴は表面張力によってこの新しい位置にとどまる。スイッチは非常に小型であるため、こういった現象はたとえばミリ秒のオーダまたはそれ未満など、速く起きる。また同様な理由により、マイクロ波領域で十分に動作できる回路アセンブリの一部である、制御されたインピーダンス送信線構造の間でも使用することができる。

続いて図１Ｂを参照する。図１Ｂは、図１Ａの、ヒータ３と４の中間を介した断面図である。この図の中の新しい要素は下の基板２であり、これは、薄膜、または、厚膜、シリコンダイ構成要素を有するハイブリッド回路を製造するために一般に使用されるような、適切なセラミック材であってもよい。密閉接着剤の層１４がカバーブロック１を基板２に結合し、またキャビティ５と６、通路８と９、チャネル７も各々適度な気密性を有するようにする（また防水銀性も有する）。層１４は、ＣＹＴＯＰと呼ばれる材料で作成してもよい（旭硝子社の商標登録であり、デラウェア州ウィルミントンのＢｅｌｌｅｘＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ社から市販されている）。またこの図で見える新しい要素はバイア１５から１８であり、これらは気密性でありまた基板２を貫通して、ヒータ３と４の端に対する電気接続を可能にする。したがってバイア１５と１６の間に電圧を印加することによって、ヒータ３は非常に速く非常に熱くなる。これによってさらに図２に示されるように、気体１０の領域が通路８を介して広がり、長い水銀の液滴１２を強制的に分離し始める。このとき図１Ｃに示されるように、ヒータ３が加熱し始める前に、長い水銀の液滴１２は接点バイア１９と２０を物理的に埋め電気的に接続する。この時接点バイア２１は小さな水銀の液滴１３と物理的および電気的に接触しているが、液滴１２と１３の間に空隙があるため、バイア２０には電気的に接触しない。

次に図３Ａを参照し、これまで長かった水銀の液滴１２が加熱された気体１０によって２つの部分に分離したこと、また、分離した水銀の右側の部分（および主な部分）がこれまで小さかった液滴１３に結合したことを観察されたい。このため液滴１３はより大きな液滴になり、液滴１２はより小さくなっている。次に図３Ｂを参照し、ここでは接点バイア２０と２１が水銀で物理的に埋められしたがって互いに電気的に接続するようになり、接点バイア１９は電気的に分離されたことに注意されたい。

上記のＬＩＭＭＳ技術はいくつかの興味深い特性を有しており、その一部については上述した。表面張力が水銀の液滴をその場に維持するので、ＬＩＭＭＳは良好なラッチングリレーとなる。ＬＩＭＭＳはどの姿勢でも動作し、ショックに対して適切な抵抗性がある。ＬＩＭＭＳの電力消費は少なく、また小型である（幅は１０分の１インチより小さく高さはおそらく千分の２０又は千分の３０インチしかない）。ＬＩＭＭＳは優れた絶縁性を有し、適切に高速で、接点反発力は最小である。加熱され膨張した気体ではなく圧電素子がボリュームを変化させるバージョンもある。また、チャネルまたは通路内の隆起部または狭窄部など、時に有用と考えられる所定の改善もある。これらの改善に関しては、この領域で継続中の研究があるので特許文献を参照されたい。たとえば特許文献１を参照されたい。

現在発明者らが興味を持っているＬＩＭＭＳ技術の開始地点の説明を簡単にまとめるために、次に図４を参照する。図４には、図１から図３とは部分の構成はやや異なるが、動作は図１から図３に関して説明した通りである拡大図３２を示す。特に、この構成では、ヒータ（３、４）とヒータのキャビティ（５、６）は各々チャネル７の相対する側にあることに注意されたい。図４でもう１つ注意すべき新しい要素は、接点電極２２、２３、２４の存在である。これらは（好ましくは薄膜である）金属の付着物であり、バイア（それぞれ１９、２０、２１）に電気的に接続している。これらは液体金属の液滴との間に良好なオーム接触を確実に提供するだけではなく、液体金属で濡れる領域でもあり、これによって、液滴を移動させるために必要な圧力にいくらかのヒステリシスを提供する。これによって、加熱された（膨張した）動作媒体を冷却（および収縮）させることから生じる収縮により、液滴が吸い込まれて元の位置に戻ってしまうことを防ぐ。液体金属の液滴はこの図では示さない。

接点電極２２から２４を薄膜プロセスで生成する場合、これらは、誘電材の厚膜層が基板上に付着した後に作成しなければならない可能性が高い（残りの多くの図と同様に）。付着する厚膜材料が硬化するために高い焼成温度が必要である場合、この動作の順序が必要である。この温度は薄膜金属の層が耐えられる温度を容易に超えてしまう可能性がある。また、薄膜金属層が基板面から離れてチャネルの側面を登る場合、この遷移が突然起こらないほうがよいかも知れない。

ＬＩＭＭＳデバイスは、１つのカバーブロックの下でいくつかのスイッチを有する構造に組み合わせることができる。したがってＬＩＭＭＳデバイスの「平面図」はかなり単純な平面図からかなり複雑な平面図までの範囲に渡る可能性がある。製造の容易さと誤差の管理は、任意の製造技術で大量生産する際の重要な考慮点である。エッチングされたガラスまたはセラミック材の個別のカバーブロックを作成する現在知られた技術では、まずこれらを形成し、ついで配置し、接着し、最後に密封することが必要である。これは関連技術ではうまくいっているが、製造量が増加し、特にＬＩＭＭＳ自体またはＬＩＭＭＳのアセンブリ内の配置が複雑になった時には、不適切で非効率で高価なものになる。従って、ますます複雑化するＬＩＭＭＳデバイス内で必要なチャネルとキャビティを形成する、安価で制御可能で拡張性のある方法があると有利であろう。このためにはどのようにすればよいだろう。

米国特許第６，３２３，４４７号明細書

ＬＩＭＭＳデバイス内にチャネルとキャビティを効率的に製造する問題の魅力的な解決法は、基板上に付着した厚膜誘電材の層からこれらを形成し、ついで、この層をセラミックまたは可能性としてはガラスの薄いカバープレートでカバーすることである。誘電材の層は確立された厚膜技術を使用してパターン形成してもよい。これを複雑なマルチＬＩＭＭＳ構成および複雑な内部構造を有するＬＩＭＭＳについて行うことは、簡単な構成と構造について行うことと同様に、本質的に容易であり、良好な寸法管理を行うことができる。誘電層自体も基板に対して密封を有し、誘電層とカバープレートの間に必要な追加の密封の形成も容易になる。

このプランは適切な誘電材を使用することに依存する。適切な誘電層は強力で基板によく接着し、汚染物質を浸透させず、パターン形成が可能であり、場合によっては、半田付けのために金属化することができる。また、誘電体としてよく管理された適切な性質を有するべきである。選択できるとすれば、誘電率（Ｋ）は高いより低いほうがよい。ペーストとして付着し、かつ、硬化できる適切な厚膜誘電材は、Ｈｅｒａｅｕｓ社から市販されているＫＱ１５０とＫＱ１１５の厚膜誘電材と、デュポン社から発売されている４１４１Ａ／Ｄ厚膜組成を含む。

次に図５を参照すると、本発明の種々の原理に従って構成されたＬＩＭＭＳデバイスの簡単な表示２５が示されている。この図は基板２６の一部を示している。基板２６はセラミックで作成してもガラスで作成してもよく、上にＬＩＭＭＳデバイスを形成する基部としての役割を果たす。金で作成してもよい種々の金属導体２７から３１が基板２６の上面に付着するか、または、これらは、基板の表面上にもともと存在する完全な金属板をパターン状に除去して残った部分でもよい。後者の場合、導体の一部がグランド面の存在と共に形成されたコプラナの送信線になる場合には良好に共同する。水銀は、金と融合し、十分な水銀がある場合、金を溶かしてしまう。従って、金を、クロムまたはモリブデンなどの他の金属のカバーで保護することが望ましい。（アセンブリ中に水銀が汚れる可能性があるため、水銀のスラグが予想される露出したパッドだけではなく、すべての金を完全にカバーするほうが望ましい）。図の中では、導体２７と２８はそれぞれヒータ抵抗器３４と３５の駆動線である。導体２９、３０、３１は、スイッチされる信号線であり、また、制御されたインピーダンス送信線構造の一部であってもよい（図面が込み入っているので隣接するグランド面は図示しない）。図示しないが、代替例では、導体２７から３１の一部または全部が基板２６の他の面（底面）にあり、これらと基板の上側の必要な構成要素を接続するバイアを有する。

次にパターン形成された層３６に注意されたい。これは種々の導体２７から３１の上に適用され、Ｈｅｒａｅｕｓ社が市販するＫＱ１５０またはＫＱ１１５厚膜誘電材であってもよいし、または、デュポン社が市販する４１４１Ａ／Ｄ厚膜組成であってもよい。これらは、ペーストとして適用され、ついで指定された温度で指定された時間にわたって加熱すると硬化する材料である。特定の材料に依存して、これらは未分化のシートとして適用し、硬化させ、ついでパターン形成するか（たとえばレーザまたは化学エッチングによって）、または、最初に適用する時にパターン形成してもよい（スクリーニングプロセスによって）。いずれにしても、パターン形成によってヒータキャビティ４４と４５、液体金属チャネル４６、およびこれらの相互接続通路が形成される。

誘電材のパターン形成された層を印刷するために使用される従来の厚膜プロセスにより、誘電材の硬化した層の仕上げの厚さに対してかなりな制御が可能になり（たとえば１インチの千分の５から千分の１０の範囲）、十分に均一な厚さを得るのは難しいことではない。しかし、硬化しない印刷層をどれだけ薄くできるかまた厚くできるかには制限があり、また層３６の特定の全体的な深さを得るために多数の層を適用（印刷）する必要があるかも知れない。ステンレススチールの目の細かい網（スクリーン）を使用して印刷するＫＱ材の場合、印刷されたが硬化していない層の厚さは、１インチの千分の１から千分の２のオーダになる。ＫＱ材は硬化プロセスの間約３０パーセントだけ厚さが縮む。いくつかの硬化していない層を互いの上に印刷して、ついで全ワークを焼成することも可能であるし、または、適用シーケンスは印刷−焼成−印刷−焼成…であってもよく、印刷−印刷…印刷−焼成−印刷−印刷…であってもよい。硬化させるために焼成する間、硬化されない印刷された層の急な側壁と比較的鋭いエッジにそれぞれ斜面をつけ丸くする。その結果できた液体金属チャネル４６の台形の断面は、層３６の所望の厚さを決定する際に大きな影響を有する。図を簡単にするために、ヒータキャビティ４４と４５、液体金属チャネル４６、これらの相互接続通路（図５では数字をつけていないが、図１と図２では８と９として示される）はすべて、急な側壁と鋭いエッジを有するように描かれているという点で、図５に示された図はかなり簡単になっている。これによって図面の基本的な主題が容易に理解される。しかし印刷されたＫＱを使用する場合、実際は図６と図７に描かれた状況にはるかに近い。誘電材のパターン形成された層３６の傾斜した側壁５６に注意されたい。急な側壁と鋭いエッジは必ずしも悪くはなく、他の製造技術でも得られる可能性があるが、金属化された領域４１から４３を作成するために使用する方法に影響を与える可能性がある。

後のステップを準備する際に、硬化した誘電材の層３６の上面をラッピングして、滑らかにしたり厚さを削ってもよい。このようなラッピングは必要である場合もあり必要でない場合もあり、硬化した誘電材の固体層のパターン形成の前に行ってもよいし形成後に行ってもよい。

層３６を形成しパターン形成した後、金属領域４１から４３を付着させる。これらは図４の金属接点２２から２４に対応し、液体金属との電気接触を改善し、（ラッチングのために）液体金属で濡らすことのできる面を提供する役割を果たす。領域４１から４３は薄膜技術で付着させることができ、この場合、誘電層３６を硬化させるために必要な任意の高温焼成がすでに実行されていることが重要である。

場合によっては、金属のストリップ３７をＬＩＭＭＳデバイスの周囲に適用してもよい。このようなストリップ３７はカバープレート３８との密封の一部であり、半田で形成される（図６に関して論じる）。カバープレート３８は好ましくはセラミックであるが、ガラスも使用できる。カバープレートの下側にはＣＹＴＯＰなどの接着剤のパターン形成された層４０を適用する。パターンは、合わせるべき誘電層３６のパターンと一致し、点線で示される。また、チャネル４６内に形成された領域４１から４３に対応する金属化された領域５２、５３、５４も点線で示される。金属化された領域５２から５３は液体金属の種々の位置で濡らすための追加の表面を提供し、また薄膜技術で付着させることもできる。密封はまた、カバープレート３８の周辺に沿って傾斜したエッジ３９を含んでいてもよい。

図５の２５で示したＬＩＭＭＳを組み立てるために、チャネル４６は液体金属の液滴（図示せず）を受け止め、窒素などの適切な気体の雰囲気中で、カバープレート３８を誘電材のパターン形成された層３６を保持する基板２６に貼る。ついで密封を形成する。

次に図６を参照すると、図５の実施形態の側面断面図３３が示されており、同様な要素は同じ参照文字を有する。特に、この例ではセラミックで作成してもよいカバープレート３８は、金属層４７を受け止めている傾斜したエッジ３９を有することに注意されたい。また誘電材のパターン形成された層３６の周辺に沿って付着された金属の層（３７、４８）にも注意されたい。カバープレート３８を誘電材のパターン形成された層３６の上で位置合わせすると、２つの金属面４７と４８は中に半田のフィレット４９を配置できる領域を形成する。半田のフィレット４９は非常に信頼性の高い密封を形成する。

図７は図６と同様な側面断面図５５であるが、密封をガラスフリットのフィレット５０で作成する点が異なる。また、カバープレート５１もガラスで作成し（ガラスは例に過ぎず、セラミックでもよい）、傾斜したエッジがない。また、ガラスフリットはパターン形成された誘電体とセラミック、ガラスの両方にすでに接着しているため、周辺部に金属化したストリップ（４９、３７、４８）もない。

最後に、本発明の代表的な実施態様を以下に示す。
（実施態様１）
表面を有する第１の非導電基板と、前記第１の非導電基板の表面上に付着され、ヒータキャビティがパターン形成され、液体金属チャネル、および前記ヒータキャビティを前記液体金属チャネルに沿った位置に接続する通路が形成された、誘電材の層と、表面を有する第２の非導電基板と、前記第２の非導電基板の表面上に付着され、前記誘電材の層のパターンと一致するようにパターン形成された接着剤の層とを有し、前記第１と第２の非導電基板の表面が対向し、前記介在する誘電材の層と前記接着材の層を介して接触することを特徴とする電気スイッチングアセンブリ。

（実施態様２）
前記第１と第２の非導電基板のうち少なくとも１つはガラスで作成することを特徴とする、実施態様１に記載の電気スイッチングアセンブリ。

（実施態様３）
前記第１と第２の非導電基板のうち少なくとも１つはセラミックで作成することを特徴とする、実施態様１に記載の電気スイッチングアセンブリ。

（実施態様４）
前記第１の非導電基板の表面の上で前記誘電材の層の下に形成された導体をさらに有する、実施態様１から３のいずれかに記載の電気スイッチングアセンブリ。

（実施態様５）
前記第２の非導電基板の周辺部は前記誘電材の層の周辺部内にあり、前記第２の非導電基板と前記誘電材の層の周辺部に形成された密封をさらに有する、実施態様１から４にいずれかに記載の電気スイッチングアセンブリ。

（実施態様６）
前記密封は半田で作成することを特徴とする、実施態様５に記載の電気スイッチングアセンブリ。

（実施態様７）
前記密封はガラスフリットで作成することを特徴とする、実施態様５に記載の電気スイッチングアセンブリ。

（実施態様８）
前記誘電材の層は厚膜技術で形成されることを特徴とする、実施態様５から７のいずれかに記載の電気スイッチングアセンブリ。

背景技術のＳＰＤＴ液体金属マイクロスイッチ（ＬＩＭＭＳ）の断面図である。ここでは便宜のために、ヒータはチャネルの同じ側の相対する端に配置されるものとして示す。図１ＡのＳＰＤＴ液体金属マイクロスイッチ（ＬＩＭＭＳ）を１Ｂ面で切断したときの断面図である。図１ＡのＳＰＤＴ液体金属マイクロスイッチ（ＬＩＭＭＳ）を１Ｃ面で切断したときの断面図である。背景技術のＳＰＤＴ液体金属マイクロスイッチ（ＬＩＭＭＳ）の動作サイクル開始時の断面図である。図２のＳＰＤＴ液体金属マイクロスイッチ（ＬＩＭＭＳ）で、動作終了時における断面図である。図３ＡのＳＰＤＴ液体金属マイクロスイッチ（ＬＩＭＭＳ）を３Ｂ面で切断したときの断面図である。図１から３に示されたものと同様なＳＰＤＴＬＩＭＭＳの分解図であるが、ヒータはチャネルの相対する側で相対する端に配置される。本発明の実施例であり、パターン形成された厚膜誘電体の層の上に配置されたセラミックカバープレートで製造されたＬＩＭＭＳデバイスの簡単な分解図である。図５の実施形態のひとつであって、セラミックカバープレートが半田で密封された付近の簡単な断面図である。図５の実施態様のひとつであって、ガラスカバープレートがガラスフリットで密封された付近の簡単な断面図である。

符号の説明

１カバーブロック
２基板
３ヒータ
４ヒータ
５キャビティ
６キャビティ
７チャネル
８通路
９通路
１０雰囲気
１１雰囲気
１２導電性液体金属の液滴
１３導電性液体金属の液滴
１４接着剤の層
１５バイア
１６バイア
１７バイア
１８バイア
１９バイア
２０バイア
２１バイア
２２接点電極
２３接点電極
２４接点電極
２５ＬＩＭＭＳデバイス
２６基板
２７金属導体
２８金属導体
２９金属導体
３０金属導体
３１金属導体
３４ヒータ抵抗器
３５ヒータ抵抗器
３６誘電材の層
３７金属のストリップ
３８カバープレート
３９エッジ
４０接着剤の層
４１金属領域
４２金属領域
４３金属領域
４４ヒータキャビティ
４５ヒータキャビティ
４６液体金属チャネル
４７金属層
４８金属層
４９半田のフィレット
５６側壁
５０ガラスフリットのフィレット
５１カバープレート
５２金属化領域
５３金属化領域
５４金属化領域

Claims

表面を有する第１の非導電基板と、
前記第１の非導電基板の表面上に付着され、ヒータキャビティがパターン形成され、液体金属チャネル、および前記ヒータキャビティを前記液体金属チャネルに沿った位置に接続する通路が形成された、誘電材の層と、
表面を有する第２の非導電基板と、
前記第２の非導電基板の表面上に付着され、前記誘電材の層のパターンと一致するようにパターン形成された接着剤の層とを有し、
前記第１と第２の非導電基板の表面が対向し、前記介在する誘電材の層と前記接着材の層を介して接触することを特徴とする電気スイッチングアセンブリ。
前記第１と第２の非導電基板のうち少なくとも１つはガラスで作成することを特徴とする、請求項１に記載の電気スイッチングアセンブリ。
前記第１と第２の非導電基板のうち少なくとも１つはセラミックで作成することを特徴とする、請求項１に記載の電気スイッチングアセンブリ。
前記第１の非導電基板の表面の上で前記誘電材の層の下に形成された導体をさらに有する、請求項１から３のいずれかに記載の電気スイッチングアセンブリ。
前記第２の非導電基板の周辺部は前記誘電材の層の周辺部内にあり、
前記第２の非導電基板と前記誘電材の層の周辺部に形成された密封をさらに有する、請求項１から４のいずれかに記載の電気スイッチングアセンブリ。
前記密封は半田で作成することを特徴とする、請求項５に記載の電気スイッチングアセンブリ。
前記密封はガラスフリットで作成することを特徴とする、請求項５に記載の電気スイッチングアセンブリ。
前記誘電材の層は厚膜技術で形成されることを特徴とする、請求項５から７のいずれかに記載の電気スイッチングアセンブリ。