JP4032638B2 - 半導体マイクロアクチュエータ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、少なくとも２つの部材の熱膨張係数の差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、例えば特開２０００−２４６６７６号公報には、シリコンなどからなる略矩形状の枠体である半導体基板と、この半導体基板と接合され外部要因により変位する可動エレメントと、これら半導体基板と可動エレメントの橋渡しをする可撓部によって構成されたものが開示され、前記可撓部は、異なった熱膨張係数を有する少なくとも２つの材料を組み合わせたバイメタル構造で形成されており、この可撓部を加熱することで、金属の熱膨張係数の異なりから、伸び率の少ない金属を内側にして湾曲する。そして、この可撓部が撓むことによって可動エレメントが変位する構造になっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記従来の半導体マイクロアクチュエータでは、常温からの温度上昇による可動エレメントの変位は一方向だけであり、加熱後、変位した状態で変位と同方向に何らかの力（圧力等）が働けば、温度を常温に戻しても復元力だけでは変位が元に戻らないことがある。
【０００４】
本発明は、上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、変位させた可動エレメントを強制的に元の位置に戻すことができる半導体マイクロアクチュエータを提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１記載の半導体マイクロアクチュエータは、半導体基板と、外部要因により変位する可動エレメントと、前記半導体基板と前記可動エレメントを接合し温度変化により撓んで前記可動エレメントを前記半導体基板の基板面に対して鉛直方向に変位させる第１可撓部と、前記半導体基板と前記可動エレメントを接合し温度変化により撓んで前記可動エレメントを前記第１可撓部とは反対方向に変位させる第２可撓部とを備えたことを特徴とするものである。
【０００６】
この半導体マイクロアクチュエータによると、例えば、第１可撓部を加熱して撓みを利用して前記可動エレメントを前記基板面に対して鉛直方向の一方向に変位させ、第１可撓部の加熱をやめて温度を常温に戻すときに、第２可撓部を加熱して撓みを利用することにより、変位させた前記可動エレメントを強制的に元の位置に戻すことができる。
【０００７】
また、請求項２記載の半導体マイクロアクチュエータは、請求項１記載の半導体マイクロアクチュエータにおいて、前記半導体基板は枠体であり、この半導体基板の枠内において、前記可動エレメントは前記半導体基板の対向する両辺から向かい合うように前記第１可撓部および前記第2可撓部のそれぞれによって十字型に両持支持されており、前記第１可撓部は前記半導体基板と剛性が大きい接合部を介して連結されるとともに、前記可動エレメントとは剛性が小さい接合部を介して連結され、且つ、前記第２可撓部は前記半導体基板と剛性が小さい接合部を介して連結されるとともに、前記可動エレメントとは剛性が大きい接合部を介して連結されており、前記第１可撓部および前記第２可撓部とも撓みの方向性が同じであることを特徴とするものである。
【０００８】
この半導体マイクロアクチュエータによると、前記第１可撓部を加熱し温度変化させると、ある一定の方向に湾曲しようとする。このとき、前記第１可撓部においては、前記半導体基板側の接合部の剛性が大きく固定されるので、前記可動エレメント側の接合部が折れ曲がるような形で前記第１可撓部が湾曲することになる。このようにして、前記可動エレメントを変位させる。次に、前記第２可撓部を加熱し温度変化させると、前記第２可撓部は前記第１可撓部と同じ方向に湾曲しようとする。このとき、前記第２可撓部においては、前記可動エレメント側の接合部の剛性が大きく固定されるので、前記半導体基板側の接合部が折れ曲がるような形になり、前記可動エレメントを第１可撓部とは逆方向に変位させる。従って、変位させた前記可動エレメントを強制的に元の位置に戻すことができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、図に基づいて説明する。図１は、本発明の実施形態に係る半導体マイクロアクチュエータの構造を示す斜視断面図であり、図２は、本発明の実施形態に係る半導体マイクロアクチュエータの構造を示す表面図であり、図３は、本発明の実施形態に係る半導体マイクロアクチュエータの動作構造を示す断面図である。
【００１０】
この半導体マイクロアクチュエータは、図１に示すように、シリコン等からなる略矩形状の枠体である半導体基板１と、この半導体基板１の内側に梁４を介して接合される可動エレメント２を備えている。この可動エレメント２は、シリコンで形成されており、表面が四角形状に開口し、下方に向かうにつれて幅が狭くなっている中空の四角錐台形状に形成されている。また、梁４は、シリコンからなる四角片状で形成されており、可動エレメント２の表面外周部四辺のそれぞれより外方に延びて半導体基板１と四箇所で接合され、可動エレメント２を支える構造となっている。
【００１１】
さらに、この半導体マイクロアクチュエータは、梁４の表面に薄膜５が設けられている。この薄膜５は、梁４を構成する材料（本実施形態の場合はシリコン）の熱膨張係数と異なる熱膨張係数を持つものであればよく、アルミニウムやニッケル等が用いられる。また、この薄膜５と熱膨張係数の異なるシリコンからなる梁４とによって、バイメタル構造を形成してなる可撓部３を備えている。この可撓部３は、可動エレメント２を挟んで略十字形状になっており、説明の便宜上、図２において、可動エレメント２を挟んで半導体基板１の対向する両辺から横方向に接合されている可撓部３を第１可撓部３１、可動エレメント２を挟んで半導体基板の対向する両辺から縦方向に接合されている可撓部３を第２可撓部３２とする。なお、第１可撓部３１および第２可撓部３２ともに同様のバイメタル構造となっており、撓みの方向性が同じになっている。また、梁４には、梁４を加熱するための加熱手段として拡散抵抗等を備えた電熱回路６が設けられている。この電熱回路６は、第１可撓部３１および第２可撓部３２を別々に加熱することができる。
【００１２】
また、この半導体マイクロアクチュエータは、半導体基板１および可動エレメント２と可撓部３とを接合する部分に、ポリイミドからなる熱絶縁機能を有する接合部７を備えている。この接合部７は、一つの梁４に半導体基板１側と可動エレメント２側の二箇所に設けられている。半導体基板１の横方向において、第１可撓部３１と半導体基板１の対向する両辺との接合部７１の剛性が大きく、第１可撓部３１と可動エレメント２の対向する両辺との接合部７２の剛性が小さくなっている。また、半導体基板１の縦方向において、第２可撓部３２と半導体基板１の対向する両辺との接合部７３の剛性が小さく、第２可撓部３２と可動エレメント２の対向する両辺との接合部７４の剛性が大きくなっている。接合部７に剛性差をつける手段として、例えば、ポリイミドの厚みを変える方法がある。ここでは、接合部７１のポリイミドの厚みを４０μｍとし、接合部７２のポリイミドの厚みを２０μｍとし、接合部７３のポリイミドの厚みを２０μｍとし、接合部７４のポリイミドの厚みを４０μｍとしている。なお、ここでの厚みとは、半導体基板１および可動エレメント２と梁４を接合するためにポリイミドを充填している部分の厚みである。また、接合部７に剛性差をつける別の手段として、剛性の異なる材料で接合部７を形成してもよい。
【００１３】
次に、この半導体マイクロアクチュエータの動作について、主に図３を参照して説明する。この半導体マイクロアクチュエータは、第１可撓部３１を構成する梁４を加熱し温度変化させると、シリコンからなる梁４とアルミニウムやニッケル等からなる薄膜５との熱膨張係数の違いから、第１可撓部３１は、伸び率の少ないシリコンからなる梁４を内側にして湾曲しようとする。このとき、第１可撓部３１において、半導体基板１側の接合部７１は、剛性が大きいことに起因して固定され、剛性が小さい可動エレメント２側の接合部７２が折れ曲がるような形で、第１可撓部３１が湾曲することになる。従って、可動エレメント２は、半導体基板１の基板面に対して鉛直方向下向きに変位するのである。次に、第１可撓部３１の加熱をやめて温度を常温に戻し、可動エレメント２の変位を元の位置に戻すときには、第２可撓部３２を構成する梁４を加熱し温度変化させる。第２可撓部３２は、第１可撓部３１と同様のバイメタル構造であることから、第１可撓部３１と同じ方向に湾曲しようとする。このとき、第２可撓部３２において、可動エレメント２側の接合部７４は、剛性が大きいことに起因して固定され、剛性が小さい半導体基板１側の接合部７３が折れ曲がるような形になり、可動エレメント２を持ち上げるようにして第２可撓部３２が湾曲することになる。従って、可動エレメント２は、半導体基板１の基板面に対して鉛直方向上向きに変位するのである。このようにして、変位させた可動エレメント２を強制的に元の位置に戻すことができる。
【００１４】
なお、本発明の半導体マイクロアクチュエータは、半導体マイクロバルブや半導体マイクロリレーにも応用できるものである。
【００１５】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明の半導体マイクロアクチュエータによれば、可動エレメントを半導体基板面に対して鉛直反対方向に変位させる第1可撓部および第2可撓部を備えているので、温度を常温に戻しても復元力だけでは変位が元に戻らない場合等においても、変位させた可動エレメントを強制的に元の位置に戻すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る半導体マイクロアクチュエータの構造を示す斜視断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る半導体マイクロアクチュエータの構造を示す表面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る半導体マイクロアクチュエータの動作構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 半導体基板
２ 可動エレメント
３ 可撓部
３１ 第１可撓部
３２ 第２可撓部
７ 接合部
【発明の属する技術分野】
本発明は、少なくとも２つの部材の熱膨張係数の差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、例えば特開２０００−２４６６７６号公報には、シリコンなどからなる略矩形状の枠体である半導体基板と、この半導体基板と接合され外部要因により変位する可動エレメントと、これら半導体基板と可動エレメントの橋渡しをする可撓部によって構成されたものが開示され、前記可撓部は、異なった熱膨張係数を有する少なくとも２つの材料を組み合わせたバイメタル構造で形成されており、この可撓部を加熱することで、金属の熱膨張係数の異なりから、伸び率の少ない金属を内側にして湾曲する。そして、この可撓部が撓むことによって可動エレメントが変位する構造になっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記従来の半導体マイクロアクチュエータでは、常温からの温度上昇による可動エレメントの変位は一方向だけであり、加熱後、変位した状態で変位と同方向に何らかの力（圧力等）が働けば、温度を常温に戻しても復元力だけでは変位が元に戻らないことがある。
【０００４】
本発明は、上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、変位させた可動エレメントを強制的に元の位置に戻すことができる半導体マイクロアクチュエータを提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１記載の半導体マイクロアクチュエータは、半導体基板と、外部要因により変位する可動エレメントと、前記半導体基板と前記可動エレメントを接合し温度変化により撓んで前記可動エレメントを前記半導体基板の基板面に対して鉛直方向に変位させる第１可撓部と、前記半導体基板と前記可動エレメントを接合し温度変化により撓んで前記可動エレメントを前記第１可撓部とは反対方向に変位させる第２可撓部とを備えたことを特徴とするものである。
【０００６】
この半導体マイクロアクチュエータによると、例えば、第１可撓部を加熱して撓みを利用して前記可動エレメントを前記基板面に対して鉛直方向の一方向に変位させ、第１可撓部の加熱をやめて温度を常温に戻すときに、第２可撓部を加熱して撓みを利用することにより、変位させた前記可動エレメントを強制的に元の位置に戻すことができる。
【０００７】
また、請求項２記載の半導体マイクロアクチュエータは、請求項１記載の半導体マイクロアクチュエータにおいて、前記半導体基板は枠体であり、この半導体基板の枠内において、前記可動エレメントは前記半導体基板の対向する両辺から向かい合うように前記第１可撓部および前記第2可撓部のそれぞれによって十字型に両持支持されており、前記第１可撓部は前記半導体基板と剛性が大きい接合部を介して連結されるとともに、前記可動エレメントとは剛性が小さい接合部を介して連結され、且つ、前記第２可撓部は前記半導体基板と剛性が小さい接合部を介して連結されるとともに、前記可動エレメントとは剛性が大きい接合部を介して連結されており、前記第１可撓部および前記第２可撓部とも撓みの方向性が同じであることを特徴とするものである。
【０００８】
この半導体マイクロアクチュエータによると、前記第１可撓部を加熱し温度変化させると、ある一定の方向に湾曲しようとする。このとき、前記第１可撓部においては、前記半導体基板側の接合部の剛性が大きく固定されるので、前記可動エレメント側の接合部が折れ曲がるような形で前記第１可撓部が湾曲することになる。このようにして、前記可動エレメントを変位させる。次に、前記第２可撓部を加熱し温度変化させると、前記第２可撓部は前記第１可撓部と同じ方向に湾曲しようとする。このとき、前記第２可撓部においては、前記可動エレメント側の接合部の剛性が大きく固定されるので、前記半導体基板側の接合部が折れ曲がるような形になり、前記可動エレメントを第１可撓部とは逆方向に変位させる。従って、変位させた前記可動エレメントを強制的に元の位置に戻すことができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、図に基づいて説明する。図１は、本発明の実施形態に係る半導体マイクロアクチュエータの構造を示す斜視断面図であり、図２は、本発明の実施形態に係る半導体マイクロアクチュエータの構造を示す表面図であり、図３は、本発明の実施形態に係る半導体マイクロアクチュエータの動作構造を示す断面図である。
【００１０】
この半導体マイクロアクチュエータは、図１に示すように、シリコン等からなる略矩形状の枠体である半導体基板１と、この半導体基板１の内側に梁４を介して接合される可動エレメント２を備えている。この可動エレメント２は、シリコンで形成されており、表面が四角形状に開口し、下方に向かうにつれて幅が狭くなっている中空の四角錐台形状に形成されている。また、梁４は、シリコンからなる四角片状で形成されており、可動エレメント２の表面外周部四辺のそれぞれより外方に延びて半導体基板１と四箇所で接合され、可動エレメント２を支える構造となっている。
【００１１】
さらに、この半導体マイクロアクチュエータは、梁４の表面に薄膜５が設けられている。この薄膜５は、梁４を構成する材料（本実施形態の場合はシリコン）の熱膨張係数と異なる熱膨張係数を持つものであればよく、アルミニウムやニッケル等が用いられる。また、この薄膜５と熱膨張係数の異なるシリコンからなる梁４とによって、バイメタル構造を形成してなる可撓部３を備えている。この可撓部３は、可動エレメント２を挟んで略十字形状になっており、説明の便宜上、図２において、可動エレメント２を挟んで半導体基板１の対向する両辺から横方向に接合されている可撓部３を第１可撓部３１、可動エレメント２を挟んで半導体基板の対向する両辺から縦方向に接合されている可撓部３を第２可撓部３２とする。なお、第１可撓部３１および第２可撓部３２ともに同様のバイメタル構造となっており、撓みの方向性が同じになっている。また、梁４には、梁４を加熱するための加熱手段として拡散抵抗等を備えた電熱回路６が設けられている。この電熱回路６は、第１可撓部３１および第２可撓部３２を別々に加熱することができる。
【００１２】
また、この半導体マイクロアクチュエータは、半導体基板１および可動エレメント２と可撓部３とを接合する部分に、ポリイミドからなる熱絶縁機能を有する接合部７を備えている。この接合部７は、一つの梁４に半導体基板１側と可動エレメント２側の二箇所に設けられている。半導体基板１の横方向において、第１可撓部３１と半導体基板１の対向する両辺との接合部７１の剛性が大きく、第１可撓部３１と可動エレメント２の対向する両辺との接合部７２の剛性が小さくなっている。また、半導体基板１の縦方向において、第２可撓部３２と半導体基板１の対向する両辺との接合部７３の剛性が小さく、第２可撓部３２と可動エレメント２の対向する両辺との接合部７４の剛性が大きくなっている。接合部７に剛性差をつける手段として、例えば、ポリイミドの厚みを変える方法がある。ここでは、接合部７１のポリイミドの厚みを４０μｍとし、接合部７２のポリイミドの厚みを２０μｍとし、接合部７３のポリイミドの厚みを２０μｍとし、接合部７４のポリイミドの厚みを４０μｍとしている。なお、ここでの厚みとは、半導体基板１および可動エレメント２と梁４を接合するためにポリイミドを充填している部分の厚みである。また、接合部７に剛性差をつける別の手段として、剛性の異なる材料で接合部７を形成してもよい。
【００１３】
次に、この半導体マイクロアクチュエータの動作について、主に図３を参照して説明する。この半導体マイクロアクチュエータは、第１可撓部３１を構成する梁４を加熱し温度変化させると、シリコンからなる梁４とアルミニウムやニッケル等からなる薄膜５との熱膨張係数の違いから、第１可撓部３１は、伸び率の少ないシリコンからなる梁４を内側にして湾曲しようとする。このとき、第１可撓部３１において、半導体基板１側の接合部７１は、剛性が大きいことに起因して固定され、剛性が小さい可動エレメント２側の接合部７２が折れ曲がるような形で、第１可撓部３１が湾曲することになる。従って、可動エレメント２は、半導体基板１の基板面に対して鉛直方向下向きに変位するのである。次に、第１可撓部３１の加熱をやめて温度を常温に戻し、可動エレメント２の変位を元の位置に戻すときには、第２可撓部３２を構成する梁４を加熱し温度変化させる。第２可撓部３２は、第１可撓部３１と同様のバイメタル構造であることから、第１可撓部３１と同じ方向に湾曲しようとする。このとき、第２可撓部３２において、可動エレメント２側の接合部７４は、剛性が大きいことに起因して固定され、剛性が小さい半導体基板１側の接合部７３が折れ曲がるような形になり、可動エレメント２を持ち上げるようにして第２可撓部３２が湾曲することになる。従って、可動エレメント２は、半導体基板１の基板面に対して鉛直方向上向きに変位するのである。このようにして、変位させた可動エレメント２を強制的に元の位置に戻すことができる。
【００１４】
なお、本発明の半導体マイクロアクチュエータは、半導体マイクロバルブや半導体マイクロリレーにも応用できるものである。
【００１５】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明の半導体マイクロアクチュエータによれば、可動エレメントを半導体基板面に対して鉛直反対方向に変位させる第1可撓部および第2可撓部を備えているので、温度を常温に戻しても復元力だけでは変位が元に戻らない場合等においても、変位させた可動エレメントを強制的に元の位置に戻すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る半導体マイクロアクチュエータの構造を示す斜視断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る半導体マイクロアクチュエータの構造を示す表面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る半導体マイクロアクチュエータの動作構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 半導体基板
２ 可動エレメント
３ 可撓部
３１ 第１可撓部
３２ 第２可撓部
７ 接合部
Claims (2)
- 半導体基板と、外部要因により変位する可動エレメントと、前記半導体基板と前記可動エレメントを接合し温度変化により撓んで前記可動エレメントを前記半導体基板の基板面に対して鉛直方向に変位させる第１可撓部と、前記半導体基板と前記可動エレメントを接合し温度変化により撓んで前記可動エレメントを前記第１可撓部とは反対方向に変位させる第２可撓部とを備えたことを特徴とする半導体マイクロアクチュエータ。
- 前記半導体基板は枠体であり、この半導体基板の枠内において、前記可動エレメントは前記半導体基板の対向する両辺から向かい合うように前記第１可撓部および前記第2可撓部のそれぞれによって十字型に両持支持されており、
前記第１可撓部は前記半導体基板と剛性が大きい接合部を介して連結されるとともに、前記可動エレメントとは剛性が小さい接合部を介して連結され、
且つ、前記第２可撓部は前記半導体基板と剛性が小さい接合部を介して連結されるとともに、前記可動エレメントとは剛性が大きい接合部を介して連結されており、
前記第１可撓部および前記第２可撓部とも撓みの方向性が同じであることを特徴とする請求項１記載の半導体マイクロアクチュエータ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000363646A JP4032638B2 (ja) | 2000-11-29 | 2000-11-29 | 半導体マイクロアクチュエータ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000363646A JP4032638B2 (ja) | 2000-11-29 | 2000-11-29 | 半導体マイクロアクチュエータ |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002166400A JP2002166400A (ja) | 2002-06-11 |
| JP4032638B2 true JP4032638B2 (ja) | 2008-01-16 |
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000363646A Expired - Fee Related JP4032638B2 (ja) | 2000-11-29 | 2000-11-29 | 半導体マイクロアクチュエータ |
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2000
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| JP2002166400A (ja) | 2002-06-11 |
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