JP3590872B2 - マイクロリレー - Google Patents

Description

（技術分野）
本発明はマイクロリレー、特に、単結晶の薄板状基材からなる可動片を湾曲させて接点を開閉するマイクロリレーに関する。
（背景技術）
従来、リレーとしては、例えば、電磁石を利用した電磁式リレーがある。しかし、機械的構成部品を必要とするので、小型化が困難である。さらに、機械的構成部品のうち、可動部品の慣性力が大きいため、疲労破壊が生じやすく、耐久性に乏しいという問題点がある。
一方、小型リレーの一種として、半導体スイッチング素子からなるものがあるが、接点がオンするときの抵抗が大きく、周波数特性が低いとともに、入出力間や同極端子間の絶縁性が低いという問題点がある。
（発明の開示）
（発明が解決しようとする技術的課題）
本発明は、前記問題点に鑑み、接点がオンするときの抵抗が小さく、耐振性，周波数特性，絶縁性に優れた超小型のマイクロリレーを提供することを目的とする。
（その解決方法および従来技術より有効な効果）
前述の目的を達成するため、本願発明の第１の特徴は、単結晶からなる薄板状基材に駆動手段を設け、かつ、少なくとも片面に少なくとも１個の可動接点を設けた可動片の両端をベースに支持し、前記駆動手段を介して前記可動片を湾曲させることにより、前記可動接点をこれに対向する一対の並設した固定接点に接離させて電気回路を開閉するマイクロリレーであって、前記可動接 点が前記固定接点に片当たりしたときに、片当たりがな くなるように前記可動接点が前記可動片に支持されてい ることを特徴とするマイクロリレーにある。
本発明の第１の特徴によれば、単結晶からなる薄板状基材を湾曲させることによって接点を開閉できるので、装置の小型化が容易である。さらに、薄板状基材からなる可動片の慣性力が小さいため、疲労破壊が生じにくく、耐久性に優れたマイクロリレーが得られる。
また、可動片を両端支持してあるので、外部振動等の影響を受けにくく、安定した動作特性を有するマイクロリレーが得られる。
さらに、半導体スイッチング素子よりも接点がオンするときの抵抗が極めて小さく、周波数特性が高いとともに、入出力間や同極端子間の絶縁性が高いマイクロリレーが得られる。
特に、本願発明では、可動接点をこれに対向する一対の並設した固定接点に接離させて電気回路を開閉するので、固定基板だけに配線を設ければよく、前記可動片の表裏面に信号伝達用配線を設ける必要がない。このため、信号伝達用配線の剥離による断線が生じにくく、構造が簡単で製造が容易であるとともに、前記可動片に歪みが生じにくく、接触信頼性の高いマイクロリレーが得られます。さらに、接点構造がいわゆるダブルブレイクとなるので、絶縁特性が良いマイクロリレーが得られる。
さらに、本願発明によれば、可動接点が前記固定接点 に片当たりしたときに、片当たりがなくなるように前記 可動接点が前記可動片に支持されているという独自の構 成を有している。このため、可動接点が固定接点に片当 たりしたときでも、可動接点が回動して片当たりを解消 し、固定接点に確実に接触するので、接触信頼性がより 一層向上するという効果がある。
第２の特徴は、ハンドルウエハからなる箱形ベースの開口縁部に絶縁膜を介してデバイスウエハを接合一体化し、このデバイスウエハに一対のスリットを設けて前記可動片を切り出したマイクロリレーにある。
第２の特徴によれば、ハンドルウエハの箱形ベースに接合一体化したデバイスウエハに可動片を形成してある。このため、すべての処理を半導体製造技術を利用して製造できる。
また、前記ハンドルウエハとデバイスウエハとを絶縁膜を介して接合一体化してあるので、シリコン同士を直接接合一体化する場合よりも低温で接合一体化できる。このため、固定接点，可動接点に低融点の材料を使用でき、設計の自由度が広がる。
第３の特徴は、前記デバイスウエハのうち、前記ハンドルウエハの底面に設けた前記固定接点の接続パッドと対向する位置に、接続用開口部を形成したマイクロリレーにある。
第３の特徴によれば、デバイスウエハに設けた接続用開口部を介し、ワイヤボンディングを利用して外部に接続できることになる。このため、マイクロリレー自体の配線構造が簡単になり、製造が容易になる。
第４の特徴は、前記接続用開口部の内側面を絶縁膜で被覆したマイクロリレーにある。
第４の特徴によれば、前記接続用開口部の内側面を絶縁膜で被覆してあるので、ワイヤボンディングを行っても、ワイヤがシリコン層に接触することがなく、駆動用電源に干渉されない。
第５の特徴は、前記デバイスウエハの上面に、冷却用フィンを形成したマイクロリレーにある。
第５の特徴によれば、デバイスウエハの上面に形成した冷却用フィンを介し、可動片から生じた熱が迅速に外部に放散される。このため、復帰時における動作特性が向上する。
また、マイクロリレーを集積した場合であっても、冷却用フィンが効率的に熱を放散するので、過熱による誤動作を防止できる。
第６の特徴は、前記可動片を、その片面に設けた可動接点をこれに対向する固定接点に接触するように予め湾曲させて付勢したマイクロリレーにある。
第６の特徴によれば、薄板状基材を予め湾曲させて可動接点を固定接点に接触させているので、自己保持型のマイクロリレーが得られ、消費電力を大幅に節減できる。
第７の特徴は、前記可動片の両側縁部の略中央から同一軸心上に突設した一対の回動軸を前記ベースに支持するとともに、前記薄板状基材の片側半分を上方に予め湾曲させて付勢する一方、残る片側半分を下方に予め湾曲させて付勢し、前記片側半分を前記駆動手段を介して同時に反転させることにより、２つの電気回路を交互に開閉するマイクロリレーにある。
第７の特徴によれば、薄板状基材の片側半分を同時に反転させて接点を開閉できるので、複数の電気回路を同時に開閉できる。
第８の特徴は、前記駆動手段が前記薄板状基材の片面に積層した圧電素子であるマイクロリレーにある。
第８の特徴によれば、圧電素子で可動片を湾曲させるので、発熱による電力消費を節約でき、エネルギー効率のよいマイクロリレーが得られる。
第９の特徴は、前記駆動手段が前記薄板状基材の片面に形成したヒータ層であるマイクロリレーにある。
第９の特徴によれば、ヒータ層だけで可動片を湾曲させるので、製造工程が少なく、生産性の高いマイクロリレーが得られる。
第10の特徴は、前記駆動手段が、前記薄板状基材の片面に形成したヒータ層と、このヒータ層に絶縁膜を介して金属材を積層して形成した駆動層とからなるマイクロリレーにある。
第10の特徴によれば、熱膨張率の高い金属材を積層して駆動層を形成してあるので、応答特性に優れ、大きな接点圧力を有するマイクロリレーが得られる。
第11の特徴は、前記駆動手段のヒータ層が前記薄板状基材の片面に絶縁膜を介して積層した金属材あるいはポリシリコンであるマイクロリレーにある。
第11の特徴によれば、薄板状基材の片面に金属材あるいはポリシリコンを積層してヒータ層を形成するので、寸法精度の高いヒータ層が得られる。このため、動作特性が均一なマイクロリレーが得られる。
第12の特徴は、前記駆動手段が前記薄板状基材の内部に形成した拡散抵抗からなるヒータ部であるマイクロリレーにある。
第12の特徴によれば、駆動手段が単結晶からなる薄板状基材の内部に形成した拡散抵抗である。このため、発生した熱を有効に利用でき、熱損失の少ないマイクロリレーが得られる。
第13の特徴は、前記可動片の表裏面のうち、少なくとも可動接点を設ける片面に、絶縁膜を形成したマイクロリレーにある。
第13の特徴によれば、前記絶縁膜が絶縁性を確保するとともに、駆動手段から生じた熱の漏洩を防止する。
第14の特徴は、前記可動片の表裏面に、厚さの異なるシリコン化合物膜を形成したマイクロリレーにある。
第14の特徴によれば、可動片の表裏面にシリコン化合物膜を形成してあるので、可動片から発生した熱が漏れるのを防止し、熱効率の良いマイクロリレーが得られる。
第15の特徴は、前記可動片の少なくとも片面に、駆動を開始する臨界値の圧縮応力を付与するシリコン化合物膜を形成したマイクロリレーにある。
第15の特徴によれば、駆動を開始する臨界値の圧縮応力をシリコン化合物膜から得られるので、応答特性の良いマイクロリレーが得られる。
第16の特徴は、前記可動片の両端部に少なくとも１本の断熱用スリットを形成したマイクロリレーにある。
第16の特徴によれば、可動片の両端部に断熱用スリットを形成してある。このため、熱の伝導面積が小さくなり、可動片の両端部からの熱伝導を防止できる。この結果、エネルギーを有効に利用でき、応答特性を向上させることができる。
第17の特徴は、前記断熱用スリットに、熱伝導率の低い高分子材料を充填したマイクロリレーにある。
第17の特徴によれば、前記断熱用スリットに熱伝導率の低い高分子材料を充填してある。このため、エネルギーをより一層有効に利用でき、応答特性を向上させることができる。
第18の特徴は、前記可動片の両端部に形成した断熱用シリコン化合物部を介して前記ベースに前記可動片を架け渡して支持したマイクロリレーにある。
第18の特徴によれば、可動片の両端部からベースに熱が伝わりにくくなり、エネルギーの利用および動作特性の向上を図ることができる。
第19の特徴は、前記可動片のうち、前記可動接点の周囲にスリットを設け、前記可動接点を回動可能に支持する一対のヒンジ部を同一軸心上に形成したマイクロリレーにある。
第19の特徴によれば、可動接点が回動可能に支持されるので、固定接点に対する可動接点の片当たりがなくなり、接触信頼性が向上する。
第20の特徴は、前記可動片の基部に、応力集中を緩和するアールを設けたマイクロリレーにある。
第20の特徴によれば、可動片の基部にアールを設けることにより、応力集中による疲労破壊が生じにくくなり、寿命が伸びるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
図１は、本願発明にかかるマイクロリレーの第１実施形態を示す概略断面図である。
図2Aは、図１に示したマイクロリレーの詳細な平面図、図2Bは、その分解断面図、図2Cは、接合した状態を示す図2Aの2C−2C線断面図である。
図3Aないし図3Eは、図１で示した可動接点ブロックの製造工程を示す断面図である。
図4Aないし図4Dは、図１で示した可動接点ブロックの製造工程を示す断面図である。
図5Aないし図5Dは、図１で示した可動接点ブロックの製造工程を示す断面図である。
図6Aないし図6Dは、図１に示した可動接点ブロックの製造工程を示す断面図である。
図7Aないし図7Dは、図１で示した可動接点ブロックの製造工程を示す断面図である。
図8Aないし図8Dは、図１で示した可動接点ブロックの製造工程を示す断面図である。
図9Aないし図9Cは、図１で示した可動接点ブロックの製造工程を示す断面図である。
図10Aないし図10Cは、図１で示した可動接点ブロックの製造工程を示す断面図である。
図11Aないし図11Eは、図１で示した固定接点ブロックの製造工程を示す断面図である。
図12Aは、本願発明にかかるマイクロリレーの第２実施形態を示す平面図、図12Bは、その分解断面図、図12Cは、その接合した状態を示す図12Aの12C−12C線断面図である。
図13Aないし図13Eは、図12Aないし図12Cで示した可動接点ブロックの製造工程を示す断面図である。
図14Aないし図14Dは、図12Aないし図12Cで示した可動接点ブロックの製造工程を示す断面図である。
図15Aないし図15Dは、図12Aないし図12Cで示した可動接点ブロックの製造工程を示す断面図である。
図16Aないし図16Dは、図12Aないし図12Cで示した可動接点ブロックの製造工程を示す断面図である。
図17Aないし図17Dは、図12Aないし図12Cで示した可動接点ブロックの製造工程を示す断面図である。
図18Aないし図18Dは、図12Aないし図12Cで示した可動接点ブロックの製造工程を示す断面図である。
図19は、図12Aないし図12Cで示した可動接点ブロックの製造工程を示す断面図である。
図20Aは、本願発明にかかるマイクロリレーの第３実施形態を示す平面図、図20Bは、その分解断面図、図20Cは、その接合した状態を示す図20Aの20C−20C線断面図である。
図21は、本願発明にかかるマイクロリレーの第４実施形態を示す斜視図である。
図22は、図21で示したマイクロリレーの平面図である。
図23Aないし図23Jは、図21で示したマイクロリレーのハンドルウエハの製造工程を示す断面図である。
図24Aないし図24Hは、図21で示したマイクロリレーのデバイスウエハの製造工程を示す断面図である。
図25Aないし図25Fは、図23Aないし図24Jに示したウエハを接合した後の製造工程を示す断面図である。
図26Aないし図26Fは、図23Aないし図24Jに示したウエハを接合した後の製造工程を示す断面図である。
図27は、本願発明にかかるマイクロリレーの第５実施形態を示す平面図である。
図28は、本願発明にかかるマイクロリレーの第６実施形態を示す斜視図である。
図29は、図28で示したフィンの拡大斜視図である。
図30は、本願発明にかかるマイクロリレーの第７実施形態を示す平面図である。
図31は、本願発明にかかるマイクロリレーの第８実施形態を示す平面図である。
図32は、本願発明にかかるマイクロリレーの第９実施形態を示す平面図である。
図33は、本願発明にかかるマイクロリレーの第10実施形態を示す斜視図である。
図34は、本願発明にかかるマイクロリレーの第11実施形態を示す断面図である。
図35は、本願発明にかかるマイクロリレーの第12実施形態を示す断面図である。
図36は、本願発明にかかるマイクロリレーの第13実施形態を示す断面図である。
図37Aは、圧電素子を利用したマイクロリレーの理論的動作特性、特に、印加電圧と接触荷重との関係を示を示すグラフ図であり、図37Bは、印加電圧と変位との関係を示すグラフ図である。
図38Aは、ヒータ層を駆動層に兼用したマイクロリレーの理論的動作特性、特に、温度上昇と接触荷重との関係を示すグラフ図であり、図38Bは、温度上昇と変位との関係を示すグラフ図である。
図39Aは、マトリックスリレーであるマイクロリレーの第14実施形態を示す平面図、図39Bは、図39Aの39B−39B線断面図である。
図40は、図39Aの40−40線断面図である。
図41Aは、図39Aおよび図39Bのマトリックスリレーの回路を示すマトリックスス回路図、図41Bは図41Aを見やすくするために書き換えた回路図である。
図42Aは、本願発明にかかるマトリックスリレーの第15実施形態を示す平面図、図42Bは、図42Aの42B−42B線断面図である。
図43は、図42Aの43−43線断面図である。
図44は、マトリックスリレーを構成する並設した多数の可動片を示す第16実施形態の斜視図である。
図45は、多数のリレー素子からなる第17実施形態にかかるマトリックスリレーの回路図である。
図46は、本願発明にかかる電子部品を示す第18実施形態の斜視図である。
図47は、図46に示した電子部品の横断面図である。
（発明を実施するための最良の形態）
次に、本発明にかかる実施形態を図１ないし図47の添付図面に従って説明する。
第１実施形態にかかるマイクロリレーは、図１に示すように、上面に可動片20の両端を固定支持した可動接点ブロック10と、この可動接点ブロック10に陽極接合された固定接点ブロック30とで形成されている。そして、前記可動片20の上面に設けた可動接点25は、前記固定接点ブロック30の天井面に形成した一対の固定接点38,39に接離可能に対向している。
すなわち、図2Aないし図2Cに示すように、前記可動接点ブロック10を構成するベース11は、シリコン，ガラス等のウエハからなるものである。
前記可動片20は、シリコン等の単結晶からなる薄板状基材21の上面に、絶縁膜を介し、厚さ方向に湾曲させるための駆動手段を一体に設けたものである。そして、この駆動手段は、圧電素子24の表裏面に駆動用下部電極，上部電極22,23を積層して構成されている。
前記固定接点ブロック30は、ガラス，シリコン等のウエハ31からなるもので、入出力用スルーホール32,35および駆動用スルーホール33,34が形成されている。
前記入出力用スルーホール32,35は、ウエハ31の下面に形成されたプリント配線36,37を介して固定接点38,39にそれぞれ電気接続されている。さらに、前記入出力用スルーホール32,35は、プリント配線36,37との接続信頼性を高めるため、その下端部に導電材からなる接続パッド32a（図示せず）,35aを設けてある。
一方、駆動用スルーホール33,34は、その下端部に導電材からなる接続パッド33a,34aを設けることにより、前記駆動用下部，上部電極22,23にそれぞれ接続可能としてある。
本実施形態によれば、スルーホール32ないし35を介し、接続ポイントが同一平面上に揃っているので、接続が容易なるという利点がある。
次に、前述のマイクロリレーの製造方法について説明する。
本実施形態では、図2Aないし図2Cに示すように、可動接点ブロック10と、固定接点ブロック30とを別工程で製造した後、両者を陽極接合で一体化して組み立てる方法を採用している。
なお、説明の便宜上、図3Aないし図10Cにおいては、重要な部分のみを示す部分断面図とした。
まず、可動接点ブロック10は、図3Aないし図3Eに示すように、ベース11となる厚さ400μm,結晶方位100の第１シリコンウエハ11aの表裏面に、後述するTMAH（水酸化テトラメチルアンモニウム）エッチングのマスク材となる熱酸化膜（thermal SiO₂）を形成する。そして、レジスト（resist）を塗布し、フォトリソグラフィによってTMAHエッチングするためのパターンを形成する。ついで、熱酸化膜をエッチングした後、レジストを除去する。
つぎに、図4Aないし図4Cに示すように、TMAHでシリコンウエハ11にエッチングを施してキャビティ（cavity）を形成した後、その表裏面にマスク材となるシリコン窒化膜を積層する。そして、表面側のシリコン窒化膜および熱酸化膜をドライエッチングおよび酸化膜エッチングで除去する。
一方、厚さ400μm,結晶方位100のシリコンウエハの片面に、厚さ２μｍの高濃度のＢ（ホウ素）,Ge（ゲルマニウム）層をエピタキシャル成長で形成する。さらに、その表面に20μｍの通常濃度のＢ層をエピタキシャル成長で形成し、薄板状基材21を形成するための第２シリコンウエハ21aを得た。そして、この第２シリコンウエハ21aのＢ層を前記第１シリコンウエハ11aの上面に載置し、直接接合で一体化する（図4D）。
そして、図5Aないし図5Dに示すように、第２シリコンウエハ21aの表面をTMAHでエッチングしてシンニング（thining）する。これによって、エピタキシャル成長で形成した高濃度のB,Ge層でエッチングが停止し、エピタキシャル成長で形成した通常濃度のＢ層が露出し、薄板状基材21が形成される。ついで、露出したＢ層の表面に後述する下部電極22の保護膜であるLTO（低温成長酸化膜）を形成する。そして、チタン（Ti）および白金（Pt）をスパッタリングで順次積層することにより、下部電極22を形成する。さらに、スパッタリングでチタン酸ジルコン酸鉛等の圧電薄膜（PZT）をスパッタリングで形成する。
ついで、図6Aないし図6Dに示すように、レジストを塗布し、フォトリソグラフィで圧電薄膜のパターンを形成する。そして、RIE（反応性イオンエッチング）でエッチングした後、レジストを除去することにより、圧電素子24が形成される。ついで、SOG（Spin On Glass）塗布によって絶縁膜を形成する。SOGを使用するのは、圧電薄膜は加熱されると、その特性が変化するおそれがあるので、加熱せずに絶縁膜を形成するためである。そして、レジストを塗布し、フォトリソグラフィでパターンを形成する。さらに、絶縁膜の中央部を除去して圧電素子24を露出させた後、上部電極23となる白金（Pt）薄膜をスパッタリングで蒸着する。
ついで、図7Aないし図7Dに示すように、白金薄膜にレジストを塗布し、フォトリソグラフィによって上部電極23のパターンを形成する。そして、不要な白金をエッチングして上部電極23を形成し、レジストを除去する。さらに、レジストを塗布し、フォトリソグラフィで上部電極22,下部電極23間のSOGによる絶縁膜をエッチングするためのパターンを形成する。
ついで、図8Aないし図8Dに示すように、フォトリソグラフィによってSOGによる絶縁膜をエッチングして除去し、上部電極22,下部電極23間の絶縁膜のパターンを形成した後、フォトレジストを除去する。そして、上部電極23と後述する可動接点25との間を絶縁する絶縁膜SiO₂をスパッタリングまたはLTOによる方法で形成する。さらに、可動接点材料CrおよびAuをスパッタリングで順次積層する。
そして、図9Aないし図9Cに示すように、レジストを塗布し、フォトリソグラフィによってパターンを形成する。ついで、不要な可動接点材料をエッチングすることにより、可動接点25および接続台部26を形成した後、レジストを除去する。
さらに、図10Aないし図10Cに示すように、レジストを塗布し、フォトリソグラフィによってパターンを形成する。そして、絶縁膜を除去して下部電極22,上部電極23の一端を露出させた後、レジストを除去することにより、可動片20を備えた可動接点ブロック10が完成する。
固定接点ブロック30は、図11Aないし図11Eに示すように、ガラスウエハ31に出入力用スルーホール32,35および駆動用スルーホール33,34を形成する。そして、動作空間を確保するための凹部31aおよび固定接点38,39を配置するための凹部31bを順次形成する。ついで、ガラスウエハ31の凹部31a,31bに導電材を蒸着し、フォトリソグラフィによって不要な導電材をエッチングしてプリント配線36,37を形成する。さらに、導電材を蒸着し、フォトリソグラフィでエッチングすることにより、固定接点38,39および接続パッド32a（図示せず）,33a,34a,35aを形成し、固定接点ブロック30が完成する。なお、接続パッド33aは、下部電極22に電気接続するために肉厚となっている。
最後に、図2Aないし図2Cに示すように、可動接点ブロック10に固定接点ブロック30を載置し、陽極接合することにより、組み立てが完了する。
本実施形態によれば、可動接点ブロック10に設けた接続台部26に、固定接点ブロック30に設けたスルーホール35の接続パッド35aが圧接する。このため、スルーホール35と接続パッド35aとの接続が確実となり、接触信頼性が向上するという利点がある。なお、スルーホール32も同様な構造となっている。
この第１実施形態にかかるマイクロリレーの動作について説明する。
まず、圧電素子24に電圧が印加されていない場合、可動片20は平坦なままであり、可動接点25が一対の固定接点38,39から開離している。
ついで、上部電極22,下部電極23を介して圧電素子24に電圧を印加すると、前記圧電素子24が上方に湾曲する。このため、可動片20が湾曲として可動接点25を押し上げ、この可動接点25が一対の固定接点38,39に接触して電気回路を閉成する。
そして、前記圧電素子24に対する電圧の印加を解除すると、薄板状基材21のばね力により、可動片20が元の状態復帰し、可動接点25が固定接点38,39から開離する。
なお、前記圧電素子としては、前述のものに限らず、電圧を印加すると、厚さ方向に変形し、電圧の印加を解除しても、その変形状態を維持する形状記憶圧電素子を利用してもよい。
また、前述の実施形態において、駆動を開始する臨界値近傍の圧縮応力を、シリコン酸化膜，シリコン窒化膜等のシリコン化合物膜から得られるように設計しておけば、小さな入力で大きな変位を得ることができるという利点がある。ただし、シリコン化合物膜を形成する位置は、薄板状基材の片面に直接形成する場合に限らず、任意の位置に形成してもよい。
第２実施形態は、図12Aないし図19に示すように、薄板状基材21の熱膨張率と、その上面に金属材を積層して形成される駆動層28の熱膨張率との差を利用して可動片20を湾曲させ、接点を開閉する場合である。したがって、第２実施形態は、第１実施形態が圧電素子24の厚さ方向の湾曲を利用して接点を開閉する点において第１実施形態と異なる。
ただし、第２実施形態は、前述の第１実施形態と同様、可動片20を両端支持した可動接点ブロック10と、固定接点ブロック30とを陽極接合することにより、組み立てられる。
可動接点ブロック10を構成するベース11は、前述の第１実施形態と同様であるので、説明を省略する。
可動片20は、薄板状基材21の表層部内に形成したヒータ層27に、絶縁膜を介し、金属材を積層して駆動層28を形成し、さらに、絶縁膜を介して可動接点25を形成したものである。そして、前記ヒータ層27の両端部には接続パッド27a,27bが露出している。
固定接点ブロック30は、前述の第１実施形態と同様、ガラスウエハ31に入出力用スルーホール32,35および駆動用スルーホール33,34を形成したものである。そして、前記入出力用スルーホール32,35はプリント配線36,37を介して固定接点38,39に電気接続されている。さらに、スルーホール32,33,34,35の下端部には、導電材からなる接続パッド32a,33a,34a,35aがそれぞれ形成されている。ただし、接続パッド32a,35aは図示されていない。
次に、前述の構造を有するマイクロリレーの製造方法について説明する。
なお、説明の便宜上、図13Aないし図19には、重要な部分のみを示す部分断面図とした。さらに、図13Aないし図14Dに示すように、ベース11に薄板状基材21を形成するまでの工程は、前述の第１実施形態と同様であるので、説明を省略する。
したがって、図15Aないし図15Dに示すように、薄板状基材21にレジストを塗布してフォトリソグラフィでヒータ層27となる部分のパターンを形成する。さらに、露出する薄板状基材21の表層部内にＢ（ホウ素）イオンを注入する。ついで、フォトレジストを除去した後、注入したＢイオンを電気的に活性化して電気抵抗を増大させるために加熱する。
そして、図16Aないし図16Dに示すように、ヒータ層27を絶縁するためにLTO（低温成長酸化膜）を積層する。さらに、レジストを塗布し、フォトリソグラフィによってコンタクトホールのパターンを形成する。ついで、不要な酸化膜を除去してヒータ層27のコンタクトホールを形成した後、レジストを除去する。ついで、その表面に駆動層28および接続部27a,27bを形成する金属薄膜をスパッタリングで積層する。
さらに、図17Aないし図17Dに示すように、レジストを塗布し、フォトリソグラフィで駆動層28および接続部27a,27bを形成するためのパターンを形成する。そして、不要な金属薄膜をエッチングで除去して駆動層28および接続部27a,27bを形成し、レジストを除去する。ついで、低温成長酸化膜からなる絶縁膜およびスパッタリングによる金属薄膜を順次積層する。
ついで、図18Aないし図18Dに示すように、フォトレジストを塗布し、フォトリソグラフィで可動接点25および接続台部26のパターンを形成し、金属薄膜の不要な部分をエッチングで除去した後、レジストを除去する。さらに、フォトレジストを塗布し、フォトリソグラフィでヒータ層27に接続するためのコンタクトホールのパターンを形成する。そして、絶縁膜のパターンニングにより、コンタクトホール上に位置する絶縁膜を除去し、接続部27a,27bを露出させる。
そして、図19に示すように、フォトレジストを除去することにより、可動片20を両端支持した可動接点ブロック10が完成する。
一方、固定接点ブロック30は、前述の第１実施形態とほぼ同様に処理して形成されるので、詳細な説明は省略する。
最後に、図12Bに示すように、可動接点ブロック10に固定接点ブロック30を載置し、陽極接合で接合一体化することにより、組立作業が完了する。
本実施形態によれば、可動接点ブロック10に設けた接続台部26に、図示しないスルーホール35の下端部に設けた接続パッド35aが圧接する。このため、スルーホール35とプリント配線37との接続が確実になり、接続信頼性が向上するという利点がある。なお、スルーホール33も同様な構造となっている。
この第２実施形態に動作について説明する。
まず、ヒータ層27に電圧が印加されていない場合、ヒータ層27が発熱しない。このため、可動片20は平坦なままであり、可動接点25が一対の固定接点38,39から開離している。
ついで、接続部27a,27bを介してヒータ層27に電圧を印加して加熱すると、前記ヒータ層27の発熱によって駆動層28が加熱され、膨張する。この駆動層28は薄板状基材21よりも熱膨張率が大きい。このため、可動片20は上面が凸部となるように湾曲し、可動接点25が一対の固定接点38,39に接触して電気回路を閉成する。
そして、前記ヒータ層27に対する電圧の印加を解除し、発熱を停止すると、駆動層28が収縮する。このため、薄板状基材21のばね力によって可動片20が元の状態に復帰し、可動接点25が固定接点38,39から開離する。
本実施形態によれば、ヒータ層27の発熱に基づいて膨張する駆動層28の熱膨張率は、薄板状基材21の熱膨張率よりも極めて大きい。このため、本実施形態によれば、応答特性がよく、大きな接点圧力が得られるという利点がある。
第３実施形態は、図20Aないし図20Cに示すように、薄板状基材21の熱膨張率と、前記薄板状基材21の表層部内に形成したヒータ層27の熱膨張率との差を利用する場合である。このため、第３実施形態は、第２実施形態が薄板状基材21の熱膨張率と金属材からなる駆動層28の熱膨張率との差を利用した点において前述の第２実施形態と異なる。なお、絶縁膜29は、可動接点30をヒータ層27から絶縁するためのものである。
本実施形態の製造は、金属材からなる駆動層28を設けない点を除き、前述の第２実施形態とほぼ同様であるので、説明を省略する。
この第３実施形態の動作について説明する。
まず、ヒータ層27に電圧が印加されていない場合、ヒータ層27が発熱しないので、可動片20は平坦なままであり、可動接点25が一対の固定接点38,39から開離している。
ついで、接続部27a,27bを介してヒータ層27に電圧を印加すると、前記ヒータ層27が発熱する。このため、ヒータ層27自体が膨張するとともに、このヒータ層27に加熱されて薄板状基材21が膨張する。しかし、ヒータ層27は、薄板状基材21よりも熱膨張率が大きいので、可動片20は上面が凸部となるように湾曲する。このため、可動接点25が一対の固定接点38,39に接触して電気回路を閉成する。
そして、前記ヒータ層27に対する電圧の印加を解除し、ヒータ層27の発熱を停止すると、ヒータ層27が収縮する。このため、薄板状基材21のばね力によって可動片20が元の状態に復帰し、可動接点25が固定接点38,39から開離する。
本実施形態によれば、第２実施形態のように金属材からなる駆動層28を設ける必要がなく、ヒータ層27を駆動層に兼用できる。このため、第２実施形態よりも生産工程が少なく、生産性の高いマイクロリレーが得られるという利点がある。
前述の実施形態では、ヒータ層27を薄板状基材21の表層部内に形成する場合について説明したが、必ずしもこれに限らず、薄板状基材21の表面にプラチナ，チタン等の金属材あるいはポリシリコンを積層して形成してもよい。
第４実施形態は、図21に示すように、シリコン製ハンドルウエハ40からなる箱形ベース41の開口縁部に、シリコン製デバイスウエハ50からなるカバー51を接合一体化したものである。
前記箱形ベース41は、熱酸化膜43を形成した凹所42の底面に、接続パッド44、プリント配線45および固定接点46を左右対称に形成したものである。
一方、表裏面に酸化膜52,53を形成した前記カバー51は、一対の平行なスリット54,54を形成することにより、可動片55が切り出されている。この可動片55には、平面略コ字形状の拡散抵抗からなるヒータ部56が形成されている。このヒータ部56の両端部は、前記酸化膜52から露出する接続パッド57,57に接続されている。また、前記可動片55の下面には、前記固定接点46,46に接離する可動接点58が設けられている。さらに、前記カバー51は、前記接続パッド44,44に対応する位置に接続用開口部59,59が形成されている。
次に、第４実施形態にかかるマイクロリレーの製造方法を、図23Aないし図26Fについて説明する。
なお、図23Aないし図26Fにおいて左側に示した断面図は図22の23A−23A線断面図であり、右側に示した断面図は図22の23B−23B線断面図を示す。
図23Aないし図23Jに示すように、箱形ベース41となるハンドルウエハ40は、不純物タイプで面方位が任意なものであり、このハンドルウエハ40の下面にアライメントマーク47をウェットエチングあるいはドライエッチングで形成する（図23C,23D）。ついで、前記アライメントマーク47をエッチングマスクに位置決めし、前記ハンドルウエハ40の上面に凹所42をウェットエチングあるいはドライエッチングで形成する（図23E,23F）。さらに、前記ウエハを熱酸化して酸化膜を形成した後、その外側面および下面の熱酸化膜を除去する（図23G,23H）。残存する酸化膜43は、固定接点46を絶縁するとともに、後述する低温接合を容易にするためのものである。そして、前記凹所42の底面に位置する酸化膜43の上面に接続パッド44,プリント配線45および固定接点46を形成し、箱形ベース41を得る（図23I,23J）。
前記固定接点46等の形成方法としては、スパッタリング、蒸着等の半導体プロセス処理の他、スクリーン印刷法，鍍金法も可能である。なお、前記スクリーン印刷法は比較的厚い金属膜（10μｍ前後）を形成できるので、固定接点46等の形成には有利である。ただし、スクリーン印刷法では900℃前後の焼結処理を必要とする。
また、前記固定接点46等の材料としては、例えば、Au,Ag,Cu,Pt,Pd,Cdの単体またはこれらの化合物が挙げられる。
一方、図24Aないし図24Hに示すように、可動片55を形成するため、デバイスウエハ50としてｐ型SOIウエハを使用する。まず、デバイスウエハ50の下面側の薄いシリコン層にリンイオンを打ち込み、埋設された酸化膜52に到達するまで拡散させることにより、ヒータ部56を形成する（図24C,24D）。さらに、前記ウエハ50全体に熱酸化膜を形成した後、下面の熱酸化膜53だけを残して他の熱酸化膜を除去する（図24E,24F）。下面に残存する熱酸化膜53は可動接点58を絶縁するとともに、後述する低温接合を容易にするものである。そして、前記固定接点46,46と同様に、スパッタリング，蒸着等で前記酸化膜53の下面に可動接点58を形成する（図24G,24H）。
そして、図25Aおよび図25Bに示すように、前記箱形ベース41に前記デバイスウエハ50を接合一体化する。
従来、約1000℃の接合温度でシリコン同士を直接接合一体化していたが、本実施形態では、熱酸化膜43,53を介して接合一体化するので、450℃以下の低温で接合一体化できる。このため、例えば、Au,Ag,Pt,Pd等の低融点の金属を接点材料に使用でき、設計の自由度が広がるという利点がある。
ついで、デバイスウエハ50の上面に位置するシリコンをTMAHあるいはKOH等のアルカリエッチング液で除去する。このアルカリエッチング液は酸化膜エッチレートがシリコンエッチレートよりも極端に小さい。このため、膜厚精度の高い酸化膜／シリコン／酸化膜のサンドイッチ構造が得られる（図25C,25D）。
さらに、酸化膜52のうち、接続パッド57,57を形成する部分を除去し、前記ヒータ部56の端部を露出させる（図25E,25F）。そして、図26Aおよび図26Bに示すように、ヒータ部56と接続パッド57との間におけるオーミック接触を得るため、露出させたヒータ部の端部にリンを打ち込む。ついで、Al,Au等で接続パッド57,57を形成する（図26C,26D）。最後に、前記酸化膜／シリコン／酸化膜を部分的に除去し、平行な一対のスリット54,54を形成して可動片55を切り出すとともに（図26E,26F）、接続用開口部59,59を形成する（図21）。この接続用開口部59を介して接続パッド44,44がワイヤボンディングで外部に接続可能となる。
次に、前述の構造を有するマイクロリレーの動作について説明する。
駆動用接続パッド57,57に電流を入力していない場合には、ヒータ部56が発熱せず、可動片55が真直であるので、可動接点58が固定接点46,46から開離している。
そして、前記駆動用接続パッド57,57に電流を入力すると、ヒータ部56が発熱して可動片55を加熱して膨張させる。このため、可動片55が座屈して湾曲し、可動接点58が固定接点46,46に接触する。
ついで、前述の電流の入力を除去すると、可動片55の温度が低下して収縮する。このため、可動片55が元の形状に復帰し、可動接点58が固定接点46,46から開離する。
本実施形態によれば、ヒータ部56が可動片55の内部に形成され、さらに、その表裏面が酸化膜52,53で被覆されているので、熱損失が少ない。このため、応答特性が高いとともに、消費電力の少ないマイクロリレーが得られる。
本願発明の第５実施形態は、図27に示すように、可動片55の基部にアール55aを形成した場合である。応力集中を緩和し、耐久性が向上するという利点がある。
第６実施形態は、図28および図29に示すように、可動片55を除いたカバー51の上面にドライエッチングで冷却用フィン51aを形成した場合である。例えば、多数のマイクロリレーを並設した場合に、外部からの熱の干渉を防止し、動作特性にバラツキが生じるのを防止できるという利点がある。
なお、可動片55の上面だけにフィン51aを設けてもよく、あるいは、カバー51の上面全体にフィン51aを設けてもよい。
第７実施形態は、図30に示すように、可動片55に、可動接点58を囲む一対の略コ字形のスリット55b,55bを設けることにより、一対のヒンジ部55c,55cを形成し、前記可動接点58を回動可能に支持する場合である。
本実施形態によれば、前記可動接点58が固定接点46,46に接触するときに、前記ヒンジ部55c,55cを介して可動接点58が回転する。このため、固定接点46,46に対する可動接点58の片当たりがなくなり、接触信頼性が向上するという利点がある。
第８実施形態によれば、図31に示すように、可動片55の基部をシリコン酸化物，シリコン窒化物からなるシリコン化合物部55d,55eで仕切る場合である。このため、本実施形態では、接続パッド57,57がシリコン化合物部55eの上面を乗り越えてヒータ部56まで延在している。
一般に、シリコン，シリコン酸化膜，シリコン窒化膜の熱伝導率は、それぞれ1.412W/（cmK）,0.014W/（cmK）,0.185W/（cmK）である。シリコン酸化膜，シリコン窒化膜の熱伝導率はシリコンの熱伝導率よりも極めて小さい。このため、可動片55のヒータ部56が発熱しても、前記シリコン化合物部55d,55eが外部への熱伝導による熱の拡散を防止する。この結果、応答特性に優れ、節電型のマイクロリレーが得られるという利点がある。
第９実施形態は、図32に示すように、可動片55の基部近傍にシリコン化合物部55d,55eを形成した場合である。特に、接続パッド57近傍のシリコン化合物部55eは不連続となっている。
第10実施形態は、図33に示すように、接続用開口部59,59の内側面から露出するシリコン層を絶縁膜59aでそれぞれ被覆した場合である。
本実施形態によれば、信号用接続パッド44,44にワイヤボンディングしたワイヤがカバー51のシリコン層に接触することがなく、駆動用電源に干渉されないという利点がある。
第11実施形態は、図34に示すように、前述の第１実施形態とほぼ同様であり、異なる点は、可動片20の表裏面に可動接点25,25を設けた場合である。他は前述の実施形態とほぼ同様であるので、説明を省略する。
第12実施形態は、図35に示すように、前述の第１実施形態とほぼ同様である。異なる点は、可動片20を固定接点38,39側に予め湾曲するように付勢することにより、可動接点25を固定接点38,39に接触させ、常時閉成のマイクロリレーとした点である。
このため、復帰状態で可動接点25が一対の固定接点38,39に常時接触している。そして、前述の実施形態のように駆動手段を駆動すると、付勢力に抗して可動片20が反転し、可動接点25が固定接点38,39から開離する。ついで、駆動手段の駆動を停止すると、可動片20自身の付勢力によって可動片20が反転し、可動接点25が固定接点38,39に接触して元の状態に復帰する。
本実施形態によれば、動作していない場合であっても、可動接点25が固定接点38,39に接触しているので、消費電力が少ない節電型マイクロリレーが得られる。
なお、可動接点25を可動片20の表裏面に設けることにより、複数の電気回路を交互に開閉してもよい。
第13実施形態は、図36に示すように、基材20の表面に設けた２つの可動接点25a,25bで異なる電気回路を交互に開閉する場合である。
すなわち、可動片20を構成する薄板状基材21の両側縁部の略中央部から同一軸心上に回動軸21b,21bを突設し、さらに、この回動軸21b,21bをベース11に一体化してある。
そして、可動片20の片側半分20aが下方に凸形状となるように予め湾曲させて付勢してある一方、残る片側半分20bが上方に凸形状となるように予め湾曲させて付勢してある。
したがって、駆動手段の駆動前においては可動接点25aが一対の固定接点38a,39aから開離している一方、可動接点25bが一対の固定接点38b,39bに接触している。
そして、駆動手段を駆動すると、可動片20の片側半分20aが上方に凸形となるように反転し、可動接点25aが一対の固定接点38a,39aに接触する。これと同時に、可動片20の片側半分20bが下方に凸形となるように反転し、可動接点25bが一対の固定接点38b,39bから開離する。
さらに、前記駆動手段の駆動を停止すると、可動片20が自己のばね力によって元の状態に復帰する。このため、可動接点25aが一対の固定接点38a,39aから開離する。一方、可動接点25bが一対の固定接点38b,39bに接触する。
なお、本実施形態は、可動片20の上面に２個の可動接点25a,25bを配置した場合であるが、必ずしもこれに限らない。可動片20の表裏面に２個ずつ可動接点を設けることにより、４つの電気回路を同時に開閉してもよい。
前述の第１実施形態から第13実施形態における駆動手段としては、通常の圧電素子、形状記憶圧電素子、ヒータ層単体、ヒータ層と金属材からなる駆動層との組み合わせ、あるいは、拡散抵抗からなるヒータ部のいずれかを、必要に応じて選択できることは勿論である。
また、前述の実施形態によれば、可動接点にプリント配線を施す必要がなく、固定接点のみにプリント配線を形成するだけでよい。このため、製造工数が少なく、生産性の高いマイクロリレーが得られる。
さらに、前述の実施形態によれば、可動片にプリント配線を行う必要がなく、可動片に反りが生じても、プリント配線に断線が生じないので、寿命が長い。
そして、前述の実施形態では、接点構造がいわゆるダブルブレイクとなるので、絶縁特性が良いという利点がある。
ついで、前記可動片は真空中あるいはネオン，アルゴン等の不活性ガスを充填した雰囲気中において駆動することにより、接点開閉時に生じる絶縁物の発生を防止してもよい。
（実施例１）
可動片を構成するシリコンウエハからなる厚さ20μｍの薄板状基材の上面に、厚さ1.4μｍの酸化膜、厚さ0.3μｍの下部電極、厚さ２μｍに圧電素子、および、厚さ0.3μｍの上部電極を順次積層し、全体厚さ24μｍ、スパン4mm、巾0.8mmの大きさを有する可動片からなるマイクロリレーについて、印加電圧に対する接触荷重および変位量を計算した。計算結果を図37Aおよび図37Bに示す。
図37Aおよび図37Bによれば、圧電素子に対する印加電圧を制御するだけで所定の接点圧力，変位が得られることが判る。
（実施例２）
可動片を構成するシリコンウエハからなる厚さ20μｍの薄板状基材の表層部内に深さ３μｍのヒータ層を形成し、かつ、このヒータ層の上面に厚さ1,1μｍの絶縁性酸化膜を形成し、全体厚さ21.1μｍ、スパン4mm、巾0.8mmの大きさを有する可動片からなるマイクロリレーについて、印加電圧に対する接触荷重および変位量を計算した。計算結果を図38Aおよび図38Bに示す。
図38Aおよび図38Bによれば、印加電圧を制御し、ヒータ層の発熱を調整するだけで所定の変位，接点圧力が得られることが判る。
次に、第２の目的を達成するマトリックスリレーを示す第14ないし第17実施形態を図39Aないし図45の添付図面に従って説明する。
第14実施形態は、図39Aないし図41Bに示すように、ベース110に、可動片ユニット120、および、カバー140を順次積み重ね、接合一体化したマトリックスリレーである。
前記ベース110は、シリコンウエハ110aの上面に４本の浅溝111,112,113,114を所定のピッチで並設したものである。
前記可動片ユニット120は、方形枠状シリコンウエハ120aに第1,第2,第3,第４可動片121,122,123,124を架け渡すように形成することにより、絶縁状態で並設したものである。そして、第1,第2,第3,第４可動片121,122,123,124は単結晶の薄板状基材125の上面に絶縁膜126を積層し、さらに、下部電極127、圧電素子128および上部電極129を順次積層してある。また、前記絶縁膜126の中央部には可動接点130が絶縁状態で配置されている。
そして、前記ベース110に可動片ユニット120を積み重ねて接合一体化することにより、前記第1,第2,第3,第４可動片121,122,123,124は前記浅溝111,112,113,114の上方に位置するとともに、その両端を前記ベース110の開口縁部にそれぞれ固定支持されることになる。
なお、図39Bにおいて、下部電極127、圧電素子128および上部電極129が、可動接点130で分断されているように図示されているが、左右の下部電極127、圧電素子128および上部電極129はそれぞれ電気接続されている。
前記カバー140は、ガラスウエハ140aの下面に内部空間となる深溝141,142,143,144を所定のピッチで並設し、この深溝141,142,143,144の天井面のうち、前記可動接点130に対応する位置に一対の固定接点145,146をそれぞれ設けてある。
各固定接点145は、前記ガラスウエハ140aの下面に沿って形成したプリント配線（図示せず）を介し、ガラスウエハ140aに設けたスルーホール161a,162a,163a,164aにそれぞれ接続され、カバー140の表面に引き出されている。
同様に、各固定接点146は、前記ガラスウエハ140aの下面に沿って形成したプリント配線151,152,153,154を介し、ガラスウエハ140aに設けたスルーホール161b,162b,163b,164bにそれぞれ接続され、カバー140の表面において電気接続可能となっている。
そして、前記スルーホール161a,162aはプリント配線155を介して入力用第１接続パッド170に電気接続され、前記スルーホール163a,164aはプリント配線156を介して入力用第２接続パッド171に電気接続されている。さらに、前記スルーホール161b,163bはプリント配線157を介して出力用第１接続パッド172に電気接続されている。また、前記スルーホール162b,164bはプリント配線158を介して出力用第２接続パッド173に電気接続されている。
また、４つの下部電極127は、カバー140に設けた駆動用共通スルーホール180に電気接続されている。一方、４つの上部電極129は、カバー140に設けた駆動用スルーホール181,182,183,184にそれぞれ電気接続されている。
したがって、図41A,41Bの回路図における入力1,2、および、出力1,2が、前記接続パッド170,171、および、接続パッド172,173にそれぞれ対応する。
また、図41A,41BにおけるRy1,2,3,4が、前記第1,第2,第3,第４可動片121,122,123,124からなるリレーにそれぞれ対応する。
次に、前述の構造を有するマトリックスリレーの動作について説明する。
まず、第１可動片121の下部電極127,上部電極129に電圧が印加されていない場合、圧電素子128が励起されず、第１可動片121は平坦なままであり、その可動接点130は固定接点145,146から開離している。
そして、駆動用共通スルーホール180および駆動用スルーホール181を介し、圧電素子128が上方に湾曲するように電圧を印加すると、薄板状基材125のばね力に抗して第１可動片121が上方に湾曲する。このため、可動接点130が固定接点145,146に接触し、スルーホール161a,161bからプリント配線155,157を介し、接続パッド170,172が相互に導通する。
さらに、前述の電圧の印加を解除すると、薄板状基材125のばね力によって第１可動片121が元の状態に復帰し、可動接点130が固定接点145,146から開離する。
以後、同様に、スルーホール180,182を介し、第２可動片122の圧電素子128が上方に湾曲するように電圧を印加すると、第２可動片122が上方に湾曲する。このため、可動接点130が固定接点145,146に接触し、スルーホール162a,162bからプリント配線155,158を介し、接続パッド170,173が相互に導通する。
また、スルーホール180,183を介し、第３可動片123の圧電素子128が上方に湾曲するように電圧を印加すると、第３可動片123が上方に湾曲する。このため、可動接点130が固定接点145,146に接触し、スルーホール163a,163bからプリント配線156,157を介し、接続パッド171,172が相互に導通する。
さらに、スルーホール180,184を介し、第４可動片の圧電素子128が上方に湾曲するように電圧を印加すると、第４可動片124が上方に湾曲する。このため、可動接点30が固定接点145,146に接触し、スルーホール164a,164bからプリント配線156,158を介し、接続パッド171,173が相互に導通する。
前述の第14実施形態では、印加電圧を解除すると、元の状態に復帰する通常の圧電素子128を利用する場合について説明した。しかし、必ずしもこれに限らず、印加電圧を解除しても、変形状態を維持し、逆方向に電圧を印加した場合に元の状態に復帰する形状記憶圧電素子を使用することにより、いわゆるラッチングタイプのマトリックスリレーとしてもよい。
第15実施形態は、図42A,図42Bおよび図43に示すように、前述の第１実施形態とほぼ同様であり、異なる点は、第１実施形態が圧電素子28の変形を利用する場合であるのに対し、第1,第2,第3,第４可動片121,122,123,124の熱膨張による変形を利用する点である。
すなわち、第1,第2,第3,第４可動片121,122,123,124は、単結晶からなる薄板状基材125の表面にホウ素等を打ち込んで電気抵抗を大きくしたヒータ層131と、絶縁膜132を介し、金属材を積層して形成した駆動層133とからなるものである。そして、前記絶縁膜132の中央部には、可動接点130が絶縁状態で配置されている。
次に、第15実施形態にかかるマトリックスリレーの動作について説明する。
例えば、図42Aおよび図42Bに示すように、第３可動片123のヒータ層131に電流が流れていない場合、ヒータ層131が発熱しないので、駆動層133は膨張しない。このため、第１可動片121は平坦なままであり、その可動接点130は固定接点145,146から開離している。
そして、駆動用共通スルーホール180および駆動用スルーホール183を介してヒータ層131に電流を流すと、ヒータ層131が発熱し、薄板状基材125および駆動層133を加熱する。しかし、薄板状基材125の熱膨張係数よりも駆動層133の熱膨張係数の方が極めて大きいので、薄板状基材125のばね力に抗して第３可動片123が上方に湾曲する。このため、可動接点130が固定接点145,146に接触する。この結果、スルーホール163a,163bからプリント配線156,157を介して接続パッド170,172が相互に導通する。
さらに、前述の電圧の印加を解除すると、薄板状基材125のばね力によって第３可動片123が元の状態に復帰し、可動接点130が固定接点145,146から開離する。
なお、他の第1,第2,第４可動片121,122,124の動作は、前述の第14実施形態と同様であるので、説明を省略する。
また、各可動片は駆動手段としてヒータ層だけを形成してもよい。さらに、前記ヒータ層は、薄板状基材の表面にプラチナ，チタン等の金属材あるいはポリシリコンを積層して形成してもよい。
前述の実施形態では、４つの可動片を並設したマトリックスリレーについて説明したが、必ずしもこれに限らず、図44に示す第16実施形態あるいは図45に示す第17実施形態のように、４つ以上の可動片を並設したマトリックスリレーに適用してもよいことは勿論である。この場合における各固定接点の接続方法としては、例えば、カバーに設けたスルーホールを介し、カバーの表面に多層構造のプリント配線を形成して接続する方法がある。
次に、第３の目的を達成する電子部品を示す第18実施形態を、図46および図47の添付図面に従って説明する。
本実施形態はマイクロリレーに適用した場合であり、マイクロリレーチップ210と、箱形の基台230と、ヒートシンク240とからなるものである。
前記マイクロリレーチップ210は、並設した５つの接点機構を内蔵するもので、片面に凹部212を形成したシリコン単結晶からなるベース211と、このベース211の開口縁部に両端を固定支持した可動片213と、前記ベース211に陽極接合で一体化したガラスウエハ221からなるカバー220とで構成されている。
前記可動片213は、シリコン単結晶からなる薄板状基材214の片側表層部内にホウ素等を打ち込んで電気抵抗値を大きくしたヒータ層215に、絶縁膜216を介し、金属材からなる駆動層217を積層したものである。さらに、前記絶縁膜216の中央部には、可動接点218が絶縁状態で配置されている。
カバー220は、ガラスウエハ221の片面に設けた凹部222の底面に、一対の固定接点223,224を形成したものである。
前記固定接点223,224は、図示しない入出力用スルーホールを介してガラスウエハ221の表面に引き出され、その表面に設けたプリント配線225,226を介して基台230の入出力用外部端子231,232（図46中、奥側に位置する外部端子231は図示せず）に電気接続されている。
さらに、ガラスウエハ221には、前記可動片213のヒータ層215に電気接続するスルーホール227,228が形成されている。このスルーホール227,228は後述する基台230の駆動用入力端子233,234にそれぞれ電気接続される。
次に、本実施形態にかかるマイクロリレーの組立方法について説明する。
まず、図示しないリードフレームにプレス加工を施し、入出力用外部端子231および駆動用外部端子233を交互に櫛歯状に打ち抜くとともに、入出力用外部端子232および駆動用外部端子234も同様に形成する。そして、前記外部端子231ないし234の自由端部に、マイクロチップ210の図示しない入出力用スルーホールおよび駆動用スルーホール227,228をそれぞれ位置決めし、電気接続する。
ついで、一対の金型でマイクロリレーチップ210を挾持し、ベース211の底面が露出するように基台230を一体成形する。
さらに、前記基台230の上面に形成した環状段部235に、熱伝導率の大きい銅，アルミニウム，真鍮等の板状ヒートシンク240を嵌め込んだ後、前記外部端子231ないし234をリードフレームから切り離した後、その先端部を屈曲することにより、組立作業が完了する。
前述の構成からなるマイクロリレーの動作について説明する。
駆動用外部端子233,234から可動片213のヒータ層215に電流が流れていない場合、可動片213は平坦なままであり、可動接点218は一対の固定接点223,224から開離している。
ついで、駆動用外部端子233,234を介して駆動用スルーホール227,228からヒータ層215に電流が流れると、ヒータ層215が発熱し、薄板状基材214および駆動層217が熱膨張する。そして、駆動層217の熱膨張率は薄板状基材214の熱膨張率よりも極めて大きいので、可動片213は固定接点223,224側に湾曲する。ついで、可動接点218が一対の固定接点223,224に接触して電気回路を閉成する。
そして、前述の電流を断ってヒータ層215の発熱を停止すると、薄板状基材214および駆動層217が冷えて収縮する。このため、可動片213が元の状態に復帰し、可動接点218が固定接点223,224から開離する。
前述の実施形態では、外部端子231,232,233,234と、ヒートシンク240とを部材で構成する場合について説明した。しかし、必ずしもこれに限らず、リードフレームから外部端子およびヒートシンクを同時に打ち抜いて屈曲し、外部端子とヒートシンクとの間にマイクロリレーチップを位置決めし電気接続した後、樹脂モールドしてもよい。
また、前述の実施形態ではマイクロリレーチップに適用する場合について説明した。しかし、必ずしもこれに限らず、内部構成部品が発熱する他の電子部品チップに適用してもよいことは勿論である。
（産業上の利用の可能性）
本願発明にかかるマイクロリレーは前述の実施形態に限らず、他のマイクロリレー、マトリックスリレーおよびマイクロリレーチップ等の電子部品に適用できるものである。

Claims (20)

1. 単結晶からなる薄板状基材に駆動手段を設け、かつ、少なくとも片面に少なくとも１個の可動接点を設けた可動片の両端をベースに支持し、前記駆動手段を介して前記可動片を湾曲させることにより、前記可動接点をこれに対向する一対の並設した固定接点に接離させて電気回路を開閉するマイクロリレーであって、前記 可動接点が前記固定接点に片当たりしたときに、片当た りがなくなるように前記可動接点が前記可動片に支持さ れていることを特徴とするマイクロリレー。
2. ハンドルウエハからなる箱形ベースの開口縁部に絶縁膜を介してデバイスウエハを接合一体化し、このデバイスウエハに一対のスリットを設けて前記可動片を切り出したことを特徴とする請求項１に記載のマイクロリレー。
3. 前記デバイスウエハのうち、前記ハンドルウエハの底面に設けた前記固定接点の接続パッドと対向する位置に、接続用開口部を形成したことを特徴とする請求項２に記載のマイクロリレー。
4. 前記接続用開口部の内側面を絶縁膜で被覆したことを特徴とする請求項３に記載のマイクロリレー。
5. 前記デバイスウエハの上面に、冷却用フィンを形成したことを特徴とする請求項２ないし４のいずれか１項に記載のマイクロリレー。
6. 前記可動片を、その片面に設けた可動接点をこれに対向する固定接点に接触するように予め湾曲させて付勢したことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに１項に記載のマイクロリレー。
7. 前記可動片の両側縁部の略中央から同一軸心上に突設した一対の回動軸を前記ベースに支持するとともに、前記薄板状基材の片側半分を上方に予め湾曲させて付勢する一方、残る片側半分を下方に予め湾曲させて付勢し、前記片側半分を前記駆動手段を介して同時に反転させることにより、２つの電気回路を交互に開閉することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載のマイクロリレー。
8. 前記駆動手段が、前記薄板状基材の片面に積層した圧電素子であることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載のマイクロリレー。
9. 前記駆動手段が、前記薄板状基材の片面に形成したヒータ層であることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載のマイクロリレー。
10. 前記駆動手段が、前記薄板状基材の片面に形成したヒータ層と、このヒータ層に絶縁膜を介して金属材を積層して形成した駆動層とからなることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載のマイクロリレー。
11. 前記駆動手段のヒータ層が、前記薄板状基材の片面に絶縁膜を介して積層した金属材あるいはポリシリコンであることを特徴とする請求項９または10に記載のマイクロリレー。
12. 前記駆動手段が、前記薄板状基材の内部に形成した拡散抵抗からなるヒータ部であることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載のマイクロリレー。
13. 前記可動片の表裏面のうち、少なくとも可動接点を設ける片面に、絶縁膜を形成したことを特徴とする請求項１ないし12のいずれか１項に記載のマイクロリレー。
14. 前記可動片の表裏面に、厚さの異なるシリコン化合物膜を形成したことを特徴とする請求項１ないし13のいずれか１項に記載のマイクロリレー。
15. 前記可動片の少なくとも片面に、駆動を開始する臨界値近傍の圧縮応力を付与するシリコン化合物膜を形成したことを特徴とする請求項１ないし14のいずれか１項に記載のマイクロリレー。
16. 前記可動片の両端部に少なくとも１本の断熱用スリットを形成したことを特徴とする請求１ないし15のいずれか１項に記載のマイクロリレー。
17. 前記断熱用スリットに、熱伝導率の低い高分子材料を充填したことを特徴とする請求項16に記載のマイクロリレー。
18. 前記可動片の両端部に形成した断熱用シリコン化合物部を介して前記ベースに前記可動片を架け渡したことを特徴とする請求項１ないし17のいずれか１項に記載のマイクロリレー。
19. 前記可動片のうち、前記可動接点の周囲にスリットを設け、前記可動接点を回動可能に支持する一対のヒンジ部を同一軸心上に形成したことを特徴とする請求項１ないし18のいずれか１項に記載のマイクロリレー。
20. 前記可動片の基部に、応力集中を緩和するアールを設けたことを特徴とする請求項１ないし19のいずれか１項に記載のマイクロリレー。

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