JP4880167B2 - マイクロアクチュエータ装置 - Google Patents
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Description
マイクロアクチュエータ装置
発明の分野
本発明は、第1サーモメカニカルマイクロアクチュエータと第2サーモメカニカルマイクロアクチュエータとを有する基板を含むマイクロアクチュエータ装置に関するものであって、該第1サーモメカニカルマイクロアクチュエータは、熱刺激に応じて、基板表面に実質的に平行に伸びる。このマイクロアクチュエータ装置は、特に、マイクロリレーのようなアプリケーションに非常に適している。
【0002】
マイクロリレーは、従来の電気機械式リレーに益々取って代わりつつある。これらは、より低コストで、所要のスペースが小さく、更に、そのサイズによってスイッチング間隔がより短くなるよう製造されうるからである。現在、これらのマイクロリレーは、静電効果の原理で動作するマイクロアクチュエータに基づいて通常は実現されている。しかしながら、これらの静電マイクロリレーは、マイクロアクチュエータの比較的短い位置決め距離(positioning travel)と小さい活性化力(activation force)において優れているが、一方では、マイクロリレーの破壊強度の点に問題が生じ、他方では、接触部の増加した磨耗によって引き起こされる問題をもたらす。
【0003】
それに対して、マイクロシステム技術の他の分野で用いられるサーモメカニカルマイクロアクチュエータは、主に、適量の消費電力を持つと同時に、比較的高い活性化力及び長い位置決め距離を生じることによって特徴づけられる。これらは、主に、活性化力や位置決め距離の可能な最高値が決定的であるマイクロアクチュエータ部材の設計用のマイクロシステム技術で用いられる。マイクロバルブにおける応用がその一例である。サーマルマイクロアクチュエータの動作に数100mWの範囲の電力レベルが必要とされる場合、一般的に、サーマル駆動システムは、これまでのところ個々のアクチュエータ部材の構造に対して主として問題となってきた。
【0004】
サーマルマイクロアクチュエータは、熱刺激によって得られるその伸びた状態(ON状態)を維持するための供給エネルギによって継続的に加熱されなければならないという事実は、しかし、特有の欠点であると分かった。このため、サーマルマイクロアクチュエータは、従来では使われていないか、または、マイクロリレーや他のアプリケーションの多くで例外的に用いられているに過ぎない。
従来技術
US Patent 59,090,78 は、請求項1(Patent Claim 1)の導入項に係るサーモメカニカルマイクロアクチュエータを含むマイクロアクチュエータ装置の一例を開示している。ここでは、並んで配置された個々の部材または複数の棒状部材が、マイクロアクチュエータとして用いられている。これらの部材は、両端の基板上の基板表面に平行にして留められ、選択的な方向における基板表面に平行にバイアスされる。棒状部材が加熱されたとき、これらの部材は、選択的な方向での伸びが基板表面に平行になるように、留められた状態で伸びる。この伸びる動作は、例えば、基板のバルブ開口部の開閉に用いられてもよい。
【0005】
しかしながら、従来技術文献のサーモメカニカルマイクロアクチュエータは。長時間に渡って、別々のスイッチング状態が保持されなければならないマイクロリレーにおいて、前述の欠点が生じることなしには用いられない。
【0006】
"Sensors and Actuators" A75(1999, pp.86-92) において J.-Y.Lee et al. によって開示された "A characterization of thermal parameters of thermally driven polysilicon micro bridge actuators using electrical impedance analysis" におけるサーモメカニカルマイクロアクチュエータは、同様の欠点を示している。そのリレーでは、ブリッジ状の構造を持つポリシリコン膜が、電気接点を接続するために、基板表面に直交な方向に加熱することによって伸ばされる。しかしながら、この接続を維持するためには、永続的なエネルギ供給が必要とされる。
【0007】
従来技術文献 WO 99/16096 は、同じ構造を有し、棒状部材によって、基板上の各々の2つの端部に留められた複数のサーモメカニカルアクチュエータで構成されるマイクロリレーを開示している。棒状部材の加熱によって、基板表面に平行に、2つのアクチュエータの伸びが引き起こされる。機械的な施錠装置、すなわち、第2アクチュエータへの側面接続によって、動力源が断たれた状態で、定められた位置にアクチュエータうちの一つを保持することができる。ロック動作は、この第2のアクチュエータの動作によって、再び終了されうる。
【0008】
この従来技術を根幹として、本発明の課題は、電力消費なしに各々のスイッチング状態を維持することができ、高い活性化力及び長い位置決め距離を有し、少なくとも2つのスイッチング状態の間で切り換え可能なもう1つのマイクロアクチュエータ装置を提供する点にある。
発明の簡単な説明
この問題点は、請求項1に係るマイクロアクチュエータ装置を用いて解決される。このマイクロアクチュエータ装置の好適な実施の形態は、従属項の内容である。
【0009】
本マイクロアクチュエータ装置は、少なくとも2つのサーモメカニカルマイクロアクチュエータを有する基板で構成される。第1サーモメカニカルマイクロアクチュエータは、従来技術で知られる方法で基板に配置され、熱刺激に応じて、基板の表面に実質的に平行に伸びる。即ち、基板の表面に実質的に平行にその位置決め動作を実行する。本発明によれば、これに対して、第2サーモメカニカルマイクロアクチュエータは、基板の表面に実質的に垂直な方向に、熱刺激に応じて、伸びるように構成される。これは、基板表面に実質的に垂直な方向にその位置決め動作を実行することを意味する。一方、第2サーモメカニカルマイクロアクチュエータは、熱刺激に応じて、第1サーモメカニカルマイクロアクチュエータの一つの部分が(伸びた状態で)、第2サーモメカニカルマイクロアクチュエータの一つの部分の下に達するように配置される。第2サーモメカニカルマイクロアクチュエータが、基板表面に実質的に垂直な方向にその位置決め動作を実行する場合、それによって第1サーモメカニカルマイクロアクチュエータの一つの部分は伸びた状態で、第2サーモメカニカルマイクロアクチュエータの一つの部分と基板表面との間に位置付けられる。その結果、第1サーモメカニカルマイクロアクチュエータのこの部分は、後者がスイッチオフされたときに、第2サーモメカニカルマイクロアクチュエータによってはめ込まれる。
【0010】
2つのサーモメカニカルマイクロアクチュエータのこの配置によって、電力を消費することなく、第1のサーモメカニカルマイクロアクチュエータのスイッチング状態(ON状態)を維持することが可能となる。この状態が、中間状態(OFF状態)からON状態に変化するときに、最初は両方のサーモメカニカルマイクロアクチュエータが活性化され、即ち、熱的に刺激される。その結果、第1サーモメカニカルマイクロアクチュエータの第1の部分が第2サーモメカニカルマイクロアクチュエータの第2の部分の下に移動する。次に、第2サーモメカニカルマイクロアクチュエータの動力源が断たれると、それによって第1サーモメカニカルマイクロアクチュエータの第1の部分を締め付ける。後者が続いて動力源が断たれると、熱供給の割り込みによって同様に、伸びた位置のままとなる。動力源が断たれた第2サーモメカニカルマイクロアクチュエータによって作り出される締め付け効果によって、この位置に保持されるからである。この固定位置は、一方では、2つのマイクロアクチュエータの間の摩擦によって、他方では、第2サーモメカニカルマイクロアクチュエータがその中間位置を確保するのに用いる高い復元力によって、可能となる。このようにして、第1サーモメカニカルマイクロアクチュエータが伸びた状態は、これ以上エネルギを供給することなく、即ち、動力源が断たれた状態で維持される。この固定位置からの解除は、単に、第2サーモメカニカルマイクロアクチュエータへのエネルギ供給を減らし、固定位置を解除し、第1サーモメカニカルマイクロアクチュエータをエネルギ供給がなしでも均等なままである中間位置(オフ状態)に戻す。
【0011】
本発明のマイクロアクチュエータ装置のこの特性、即ち、2つのスイッチング状態がサーモメカニカルマイクロアクチュエータによるエネルギ供給なしに維持されうる特性のために、これまでは適されなかった分野でもサーモメカニカルマイクロアクチュエータの高い活性化力及び長い位置決め距離を利用する可能性が広がる。本マイクロアクチュエータ装置は、特に、マイクロリレーへの適用に非常に適するが、マイクロバルブにおけるような他のアプリケーションにももちろん用いられうる。特に、マイクロリレーに適用する場合、本マイクロアクチュエータ装置の使用は、短絡される接触部上での比較的長い位置決め距離と比較的高い押圧力との組み合わせを可能にする。第1サーモメカニカルマイクロアクチュエータ(以下「側方アクチュエータ」とも称する)は、50〜80μmの位置決め距離又は間隔を提供するように設計されうる。これらの長い位置決め距離によって、一方では、リレーの絶縁耐力が増加し、他方では、個々のライン間のクロストークが減少するように、リレーにおける電気的な接触部分が互いの大きな間隔を提供できる。更に、伸びた位置で側方アクチュエータを保持する第2サーモメカニカルマイクロアクチュエータ(以下「Zアクチュエータ」とも称する)は、その戻る動作の間に、10mN〜50mNまで及びそれ以上の範囲で、押圧力を作り出す。従って、側方アクチュエータは、Zアクチュエータが、マイクロリレーの場合に配置される、これから閉じられる接触部上の基板表面に対する高い押圧力を用いて側方アクチュエータを押すときに、リレー接触を閉じるためにZアクチュエータがこの高い押圧力を与える間、長い距離を確保する。
【0012】
個々のスイッチング状態がエネルギ供給なしで維持される間は、短いスイッチング段階中にだけ、マイクロリレーのスイッチングに対して約200〜300mWの電力が必要とされる。基板上の2つのマイクロアクチュエータに対して必要なスペースは、一般的に、約2mm×1mmに相当する。従って、この面積は、静電気的な動作の原理に対応して、マイクロリレーに必要とされる面積に相当する。達成可能なスイッチング力及び達成可能なスイッチング距離という点から見ると、本マイクロアクチュエータ装置は、その結果、これまでずっと知られていたどのようなマイクロリレーの概念よりも明らかに優れている。
【0013】
しかしながら、本発明に係るマイクロアクチュエータ装置もまた、実際のところ、一方では、エネルギ供給なしに少なくとも2つのスイッチング状態が保持される必要があり、他方では、高い活性化力及び長い位置決め距離が必要とされる他のアプリケーションに対しても適している。
【0014】
本発明に係るマイクロアクチュエータ装置のもう1つの利点は、この構成を用いると、2つだけでなく、更に多くのスイッチング状態を実現し、エネルギ供給なしにそれらの状態を維持することができるという点にある。これは、単に異なる強さの熱刺激によって生じる伸びの違いに伴って、側方アクチュエータがZアクチュエータの下に達することを要するだけである。これは、例えば、伸長方向に沿って伸びる側方アクチュエータ上の対応する長さのアームによって実現されてもよい。このようにして、側方アクチュエータは、どんなものであっても、伸長されたどの位置でも、Zアクチュエータによって保持されうる。この構成によって、本発明に係るマイクロアクチュエータ装置を備えるマイクロリレーにおける複数のスイッチング接続が提供される。
【0015】
本マイクロアクチュエータ装置のもう一つの好適な実施の形態は、固定位置が決められたときに、2つのマイクロアクチュエータが互いに接続されるという条件によって特徴づけられる。これは、2つのアクチュエータ間で摩擦が働かない、非常に信頼性の高い固定位置を確保する。このフック動作(hooking action)は、固定位置に重ね合わされる側方アクチュエータとZアクチュエータとの2つの部分が、例えば、2つの部分のうちの1つが凹部を提供し、その中に2つの部分のもう一方の凸部がかみ合うという形で、互いにはめ込まれるという条件で実現されうる。他の幾何学的な配置もまた、当然に考えられる。これは、対応するフッキングまたは対応するもの同士の噛み合いとなる。そのような構成は、多くの技術分野で当業者によく知られている。複数のスイッチング位置が維持される場合には、異なる固定位置が、2つの部分が互いに噛み合う部分の適当な幾何学的構成によって定められうる。
【0016】
サーモメカニカルマイクロアクチュエータの製造及びその異なる位置的な配置は、当業者には一般的によく使われている。本マイクロアクチュエータ装置においても、棒状部材は、例えば、US Patent 5,909,078 で知られているように、個々のマイクロアクチュエータの基本部材として用いられるのが好ましい。この棒状部材は、基板の両側に留められたままの形で基板からエッチングされるのが好ましい。第2サーモメカニカルマイクロアクチュエータ、すなわちZアクチュエータは、ブリッジの形で基板に接続されたような部材によって同様に構成される。
【0017】
2つの部材の熱刺激は、最も異なる方法で、実行されうる。熱刺激の例としては、例えば、放射、基板上への加熱部材の配置、アクチュエータ部材に電流を流すことによる直接加熱、アクチュエータ部材上に熱伝導層を付着すること等が当業者に知られている。最後に候補に記載したものは、例えば、棒状部材上のポリシリコン層のように適当な熱伝導層を用いることによって、本マイクロアクチュエータ装置に好適に使用される。
【0018】
マイクロアクチュエータ装置は、側方アクチュエータやZアクチュエータに制限されない。基板上の適当に配置されたこの種のアクチュエータをも用いることができる。更に、例えば、本明細書のはじめに示した US Patent で知られる方法で、異なる側方アクチュエータの機械的な結合を同様に提供することができる。
【0019】
マイクロリレーとして応用すると、スイッチされる(すなわち電気的につなげられる)電気的経路または接触部分は、基板上に適用される。これらの接触部分の間の不連続点をつなぐために、電気をよく通す材料の適当な接触ブリッジが、側方アクチュエータの裏面上に備えられる。アクチュエータ自体または棒状アクチュエータ部材は、それぞれ他の材料で構成されてもよい。アクチュエータ自体または棒状アクチュエータ部材は、それぞれ他の材料で構成されてもよい。しかしながら、好適には、棒状部材に対する材料としてはニッケルが用いられるのが好ましい。なぜならば、ニッケルは、適当なサーモメカニカル特性を示し、かつ、微細構造技術(micro structuring technology)の周知の手段を用いた、所要の大きさを有する部材を構成するのに適しているからである。この場合、熱伝導層に加えて導電性の接触ブリッジも、更に、中間層を介してニッケルから絶縁されている。
【0020】
このようなサーモメカニカルマイクロアクチュエータを基板上に製造する方法は、いつでも技術文献から導き出されうる。一般的に、ここでは、フォトリソグラフィプロセス、ガルヴァーニの成膜、エッチングプロセスの組み合わせが含まれる。
【0021】
本マイクロアクチュエータ装置は、図面と共に構成される以下の実施形態の詳細な説明によって再び示されるが、全体的な発明の概念を制限するものではない。
発明の実現方法
図1は、第1の実施の形態に係るマイクロアクチュエータ装置の3次元図である。このマイクロアクチュエータ装置は、その上に、Zアクチュエータ4に加えて側方アクチュエータ3も配置された半導体基板である基板1を含む。側方アクチュエータ3は、基板1上の片側面上にそれぞれ固定された4つの棒状部材7を有する。板状のアーム9は、u−アクチュエータ4への方向を意味する伸長方向に沿って伸びる、これらの棒状部材上に取り付けられる。側方アクチュエータ3は、図中に伸びた状態で明示されている。中間位置(neutral position)では、側方アクチュエータ3は、その下をエッチングすることによって棒状部材7が作られるときに、製造プロセス中に形成される基板表面中の大まかに示されたくぼみ11の上に位置する。棒状部材7は、対応するコネクタパッド12を介して電流が供給される熱伝導層(不図示)を有する。ここでは、棒状部材は、おおよそ長さ1mm、幅5〜10μm、及び高さ15〜20μmの標準的な範囲の大きさを示す。
【0022】
Zアクチュエータ4は、基板1上の両側に留められた棒状部材8を同様にして備える。このZアクチュエータ4は、ブリッジアクチュエータの形で設計される。この場合も、棒状部材は、ここでは図示されていないが、コネクタパッド12を介して電流が供給される適当な熱伝導層を備える。板状のアーム10は、また、側方アクチュエータ3の方向に沿って伸びるZアクチュエータ4上に備えられる。アーム9、10は共に、図2の拡大部分に示されるように、適当な設計によって作り出されるホック動作(hooking action)によって互いにはめ込まれる。
【0023】
中間位置では、側方アクチュエータの棒状部材7は、くぼみ11の上に配置され、Zアクチュエータ4の棒状部材8は、基板1上に置かれる。まず、両方のアクチュエータがマイクロリレーのオン状態へ移行するために動作する。その結果、側方アクチュエータ3は、その板状アーム9をZアクチュエータ4の下に移す。次に、Zアクチュエータは、まず、動力源が断たれ、アーム10と共にアーム9の上に下がる。側方アクチュエータ3の動力源が断たれた後、適当なホック状構造がこの接触の解除を防ぐ。オフ状態へ移行すると、両方のアクチュエータは同様に最初にエネルギが与えられる。しかし、このステップでは、側方アクチュエータ3は、Zアクチュエータの前に動力源が断たれる。従って、この例ではニッケル小板(nickel platelet)の形で作られている板状アーム9は、接触が解除されるように、Zアクチュエータ4の下から引っ込められる。図1は、ON状態でのマイクロアクチュエータ装置を示す図である。2つのアクチュエータ3、4のアーム9、10に加えて棒状部材7、8も、この例ではニッケルで作られている。棒状部材の下部で伸びている熱伝導体は、絶縁層によって、この金属構造から分離される。
【0024】
図2は、マイクロリレーのような用途に対する本発明に係るマイクロアクチュエータ装置のもう一つの例を示す図である。この図においても、各々の棒状部材7、8及びアーム9、10を有する2つのマイクロアクチュエータ3、4に加えて基板1も示されている。更に、基板1上に4つの導電経路13が配置されている。これらは全てギャップによって切断されている(これは、拡大図によって分かる)。開いている接触部分を閉じるための接触ブリッジ14は、側方アクチュエータ3のアーム9の下側に備えられる。これらの接触ブリッジ14は、アクチュエータの材料から絶縁される金などの電気をよく通す材料で作られてもよい。よって、リレーでは、より低い供給抵抗値が実現される。図に示すように、本マイクロリレーは、まさに同時に複数の接触部分又はライン13を閉じる役目も果たしうる。2つ以上のスイッチング状態を実現することも、このリレー構造を用いて実現されうる。例えば、あるラインから別のラインへの切り替えは、問題なく実行されうる。
【0025】
図は、マイクロリレーのON状態を示すものであって、拡大図に示されるように、そこでは、4つのラインの接触部分が異なった方法で閉じられる。ライン13上を接触ブリッジ14が強く押しつける力によって、接触部の耐用年数が長くなる。この強く押しつける力は、側方アクチュエータ3上を押しつけるZアクチュエータ4が戻る動作によって生じる。拡大図は、また、Zアクチュエータ4のアーム10と側方アクチュエータ3のアーム9との間でホックが可能な構成を図示したものである。
【0026】
マイクロアクチュエータの構造に対しては、ニッケルなどの適当な金属を用いるのが好ましい。このように、リレーのスイッチング間隔がおおよそ10ms〜100msの間で変化するように、所要な強度レベルだけでなく、棒状部材の十分な熱伝導を得ることもできる。しかし、棒状部材の非常に優れた熱伝導性のために、熱伝導体として直接用いるのは、この場合は、除外される。このために、好適には、熱伝導層がアクチュエータ部材に適切に用いられる。この熱伝導層は当然にサーモメカニカルマイクロアクチュエータから適切に絶縁されなければならない。
【図面の簡単な説明】
【図1】 図1は、本発明のマイクロアクチュエータ装置の一例を示す3次元図である。
【図2】 図2は、マイクロリレーとして適用された本発明のマイクロアクチュエータ装置のもう1つの例を示す図である。
【符号の説明】
1 基板
2 基板表面
3 側方アクチュエータ
4 Zマイクロアクチュエータ
5 第1部分(9)
6 第2部分(10)
7 棒状部材
8 棒状部材
9 板状アーム
10 板状アーム
11 凹部
12 コネクタパッド
13 導電経路
14 接触ブリッジ
Claims (11)
- 基板(1)を有し、該基板上に、第1サーモメカニカルマイクロアクチュエータ(3)と、第2サーモメカニカルマイクロアクチュエータ(4)とが配置され、前記第1サーモメカニカルマイクロアクチュエータ(3)を用いて、熱刺激に応じて、前記基板(1)の表面(2)に平行な方向に伸びるマイクロアクチュエータ装置であって、
前記第2サーモメカニカルマイクロアクチュエータ(4)は、熱刺激が与えられると、前記基板(1)の表面(2)に垂直な方向に伸び、かつ、伸びた状態で、前記第1サーモメカニカルマイクロアクチュエータ(3)の第1部分(5)が前記第2サーモメカニカルマイクロアクチュエータ(4)の第2部分(6)の下に達するように、前記第1サーモメカニカルマイクロアクチュエータ(3)に関連して構成及び配置され、
前記第2サーモメカニカルマイクロアクチュエータ(4)の動力源が断たれたときに前記第1部分(5)が前記第2部分(6)によって締め付けられ、且つ、前記第1サーモメカニカルマイクロアクチュエータ(3)の動力源が前記第2サーモメカニカルマイクロアクチュエータ(4)の動力源に続いて断たれると、前記第1サーモメカニカルマイクロアクチュエータ(3)が締め付け効果によって伸びた位置のままとなるように、前記第1サーモメカニカルマイクロアクチュエータ(3)及び前記第2サーモメカニカルマイクロアクチュエータ(4)は設計されることを特徴とするマイクロアクチュエータ装置。 - 前記第1サーモメカニカルマイクロアクチュエータ(3)及び前記第2サーモメカニカルマイクロアクチュエータ(4)の少なくとも一方は、前記基板(1)上の両側に取り付けられた1つ又は複数の棒状部材を備えることを特徴とする請求項1に記載のマイクロアクチュエータ装置。
- 前記1つ又は複数の棒状部材は、熱伝導層を備えることを特徴とする請求項2に記載のマイクロアクチュエータ装置。
- 前記1つ又は複数の棒状部材は、導電性材料を含むことを特徴とする請求項2又は請求項3に記載のマイクロアクチュエータ装置。
- 前記第1サーモメカニカルマイクロアクチュエータ(3)の前記第1部分(5)は、前記第1サーモメカニカルマイクロアクチュエータ(3)の伸長方向に沿って伸びる板状アームとして設計されることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載のマイクロアクチュエータ装置。
- 前記板状アームは、前記第1サーモメカニカルマイクロアクチュエータ(3)の伸びの違いに応じて、前記第2サーモメカニカルマイクロアクチュエータ(4)の前記第2部分(6)の下に達するような長さを、前記第1サーモメカニカルマイクロアクチュエータ(3)の伸長方向に有することを特徴とする請求項5に記載のマイクロアクチュエータ装置。
- 前記第2サーモメカニカルマイクロアクチュエータ(4)の前記第2部分(6)は、前記第1サーモメカニカルマイクロアクチュエータ(3)の伸長方向とは反対方向に伸びる板状アームとして設計されることを特徴とする請求項1乃至請求項6のいずれか1項に記載のマイクロアクチュエータ装置。
- 前記第1部分(5)及び前記第2部分(6)は、前記第1サーモメカニカルマイクロアクチュエータ(3)が伸びた状態の間に、前記第2サーモメカニカルマイクロアクチュエータ(4)の熱刺激が終了すると、互いにはめ込まれるように設計されることを特徴とする請求項1乃至請求項7のいずれか1項に記載のマイクロアクチュエータ装置。
- 前記第1部分(5)は凹部を有し、該凹部の中へ前記第2部分(6)上の凸部がはまるか、またその逆に、該凸部へ該凹部がはまることを特徴とする請求項8に記載のマイクロアクチュエータ装置。
- 1つ又は複数の伝導経路(13)及び1つ又は複数の不連続点を有する接触部分のいずれか一方が前記基板(1)上に備えられており、前記第1サーモメカニカルマイクロアクチュエータ(3)の伸びによって前記1つ又は複数の不連続点が埋められることを特徴とする請求項1乃至請求項9のいずれか1項に記載のマイクロアクチュエータ装置。
- 前記第1サーモメカニカルマイクロアクチュエータ(3)は、前記1つ又は複数の不連続点を埋めるための1つ又は複数の導電性接触ブリッジ(14)を提供することを特徴とする請求項10に記載のマイクロアクチュエータ装置。
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