JPH06283083A - マイクロアクチュエータおよびマイクロリレー - Google Patents

マイクロアクチュエータおよびマイクロリレー

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JPH06283083A
JPH06283083A JP7196493A JP7196493A JPH06283083A JP H06283083 A JPH06283083 A JP H06283083A JP 7196493 A JP7196493 A JP 7196493A JP 7196493 A JP7196493 A JP 7196493A JP H06283083 A JPH06283083 A JP H06283083A
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JP
Japan
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linear expansion
expansion coefficient
microactuator
metal film
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Withdrawn
Application number
JP7196493A
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English (en)
Inventor
Susumu Hirata
進 平田
Yorishige Ishii
頼成 石井
Tetsuya Inui
哲也 乾
Zenjiro Yamashita
善二郎 山下
Kenji Ota
賢司 太田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sharp Corp
Original Assignee
Sharp Corp
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01HELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H1/00Contacts
    • H01H1/0036Switches making use of microelectromechanical systems [MEMS]
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01HELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H37/00Thermally-actuated switches
    • H01H2037/008Micromechanical switches operated thermally

Landscapes

  • Micromachines (AREA)
  • Thermally Actuated Switches (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 使用温度範囲が広いマイクロアクチュエータ
およびマイクロリレーを得る。 【構成】 線膨脹係数の大きい金属膜130および線膨
脹係数の少ない金属膜120を積層してなるバイメタル
110の、線膨脹係数の小さい金属膜120側に熱伝導
率の小さい材料膜150を介して線膨脹係数の大きい温
度補償用金属膜140を積層する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、マイクロマシンの一種
であるマイクロアクチュエータおよびこれを用いたマイ
クロリレーに関するものである。
【0002】
【従来の技術】図21は従来のマイクロアクチュエータ
の一例の斜視図であり、図21はそれを利用したマイク
ロリレーの一例の斜視図である。
【0003】図21において、面方位(110)のシリ
コン基板500を異方性エッチングにより深溝加工し、
多数のシリコンのフィン510,510…を作り、フィ
ン510の側面に電解法により金属520を電鋳し、フ
ィン510とともにバイメタル530を形成している。
【0004】図22に示すマイクロリレーは、前述のマ
イクロアクチュエータの対向するフィンの間に、固定側
のフィン510に固定接点540およびバイメタル側の
フィン510に可動接点550を設けて作成している。
【0005】動作原理は、バイメタル530側に設けた
駆動電極560a,560b間に電流を流すと、抵抗加
熱によるジュール熱が発生し、バイメタル530が加熱
される。このとき、フィン510の材料のシリコンの線
膨脹係数(λSi)と、金属520(たとえばZn)の線
膨脹係数(λZn)が異なり、λSi<λZnであるので、バ
イメタル530は→の方向に運動し、固定接点540と
可動接点550が接触し電流が流れる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述の
バイメタルを駆動源にしたマイクロアクチュエータおよ
びマイクロリレーには以下のような問題点がある。
【0007】すなわち、環境温度の変化によりバイメタ
ルが変位するため、マイクロアクチュエータおよびマイ
クロリレーが誤動作し、広範囲の温度では使用できなか
った。
【0008】本発明は、上記事情に鑑みて創案されたも
ので、使用温度範囲が広く組立プロセスが不要で素子の
小型化および多極化が可能な、マイクロアクチュエータ
およびマイクロリレーを提供することを目的としてい
る。、
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明によるマイクロア
クチュエータは、線膨脹係数の異なる金属膜を積層して
なるバイメタルの線膨脹係数の小さい金属膜側に、熱伝
導率の小さい材料膜を介して線膨脹係数の大きい金属膜
を積層している。
【0010】
【作用】バイメタルの一方の線膨脹係数の小さい金属膜
は、両側を線膨脹係数の大きい金属膜で挟まれているか
ら、環境温度による変位は補償される。そして、線膨脹
係数の小さい金属側に熱伝導率の小さい材料膜を介して
積層された線膨脹係数の大きい金属膜は、バイメタルが
加熱されても膨脹することなくバイメタルの動作を妨げ
ない。
【0011】
【実施例】図1は本発明の一実施例にかかるマイクロリ
レーの斜視図であり、図2は図1のX−X′断面図であ
り、図3は図1のY−Y′断面図である。図4(a),
(b)〜図20(a),(b)は、マイクロアクチュエ
ータおよびマイクロリレーの製造工程を示す説明図であ
って、それぞれ(a)は平面図、(b)は中央部の断面
図である。
【0012】図1〜図3の構造をわかりやすくするた
め、最初にマイクロアクチュエータおよびマイクロリレ
ーの製造工程を、図4(a),(b)〜図20(a),
(b)について説明する。
【0013】まず、図4(a),(b)は、シリコン基
板100の表裏両面に熱酸化膜101を形成し、表面に
フォトレジストを塗布し、形成すべき枠部の形状に対応
したパターニングを行ない、CHF3 にて熱酸化膜10
1のエッチングを行なった状態である。
【0014】次に、図5(a),(b)に示すように、
前記の状態のシリコン基板100を水酸化カリウム溶液
に浸すと、熱酸化膜101のない部分がエッチングされ
ることによって、シリコン基板100の周辺に枠部32
0が形成される。
【0015】次に、図6(a),(b)に示すように、
固定接点用Auを蒸着しフォトレジストを塗布し、形成
すべき固定接点の形状に対応したパターニングを行な
い、イオンミリングにて上記蒸着膜のエッチングを行な
い、固定接点210が形成される。
【0016】次に、図7(a),(b)に示すように、
ポリイミド340を前記枠部320と同じ高さになるよ
うに塗布し、枠部の表面のポリイミドはイオンミリング
によりエッチングする。このポリイミド層および後の工
程で塗布されるポリイミド層フォトフォトレジスト層
は、最終的にエッチングにより除去されるので犠牲層と
言われる。
【0017】次に、図8(a),(b)に示すように、
可動接点用Auを蒸着し、フォトレジストを塗布し、形
成すべき可動接点の形状に対応したパターニングを行な
い、イオンミリングにて上記蒸着膜のエッチングを行な
い、可動接点220および枠部351が形成される。
【0018】次に、図9(a),(b)に示すように、
フォトレジスト360を塗布し、形成すべき可動部およ
び枠部の形状に対応したパターニングを行なう。
【0019】次に、図10(a),(b)に示すよう
に、前記可動接点220および枠部351を用いて電解
メッキ法により、後述のバイメタル用の線膨脹係数の大
きい金属膜130と同じ材質の温度補償用金属膜140
(たとえばZn)および枠部371を形成する。電解メ
ッキにはたとえば硫酸Zn浴によるZnメッキを用いる
ことができる。
【0020】次に、図11(a),(b)に示すよう
に、たとえば、SiO2 のような熱伝導率の小さい材料
膜150をスパッタ法により表面に成膜し、フォトレジ
ストを塗布し、形成すべきスリット状パターンの可動部
380,枠部381およびスリット382の形状に対応
したパターニングを行ない、イオンミリングによりエッ
チングを行なう。このスリットの空所は、後で形成され
るバイメタルの熱伝導を防ぐためである。
【0021】次に、図12(a),(b)に示すよう
に、ポリイミド390を前記熱伝導率の小さい材料膜1
50と同じ高さになるようにスリット382に塗布し、
前記熱伝導率の小さい材料膜150と枠部の表面のポリ
イミドはイオンミリングによりエッチングする。
【0022】次に、図13(a),(b)に示すよう
に、バイメタル用金属の電解メッキに用いるNi電極を
スパッタ法で成膜し、フォトレジストを塗布し、形成す
べき可動部に対応するNi電極400および枠部に対応
するNi電極401の形状に対応したパターニングを行
ない、イオンミリングにて上記スパッタ膜のエッチング
を行なう。
【0023】次に、図14(a),(b)に示すよう
に、フォトレジスト410を塗布し形成すべき可動部お
よび枠部の形状に対応したパターニングを行なう。
【0024】次に、図15(a),(b)に示すよう
に、前記Ni電極400および401を用いて、電解メ
ッキ法によりバイメタルの線膨脹係数の小さい金属膜1
20および枠部421(たとえばNi)を形成する。電
解メッキにはたとえばスルファミン酸Ni浴によるNi
メッキを用いることができる。
【0025】次に、図16(a),(b)に示すよう
に、前記Ni電極400および401を用いて、電解メ
ッキ法によりバイメタルの線膨脹係数の大きい、たとえ
ばZnによる金属膜130および枠部431を形成す
る。電解メッキにはたとえば硫酸Zn浴によるZnメッ
キを用いることができる。
【0026】次に、図17(a),(b)に示すよう
に、たとえばSiO2 のような絶縁膜180をスパッタ
法により成膜し、フォトレジストを塗布し、形成すべき
可動部440および枠部441の形状に対応したパター
ニングを行なう。
【0027】次に、図18(a),(b)に示すように
ヒータ170およびヒータ用電極160として、たとえ
ばNiをスパッタ法で成膜し、フォトレジストを塗布
し、形成すべき形状に対応したパターニングを行ない、
イオンミリングにて上記スパッタ膜のエッチングを行な
う。
【0028】次に、図19(a),(b)に示すよう
に、SiO2 による絶縁膜181をスパッタ法により成
膜し、フォトレジストを塗布し、イオンミリングにより
ヒータ用電極160および可動部と枠部470の分離領
域のエッチングを行なう。
【0029】最後に、図20(a),(b)に示すよう
に、素子全体をアルカリ溶液(たとえばNaOH)に浸
し、可動部と枠部の分離領域にあるフォトレジスト41
0,ポリイミド390および固定接点210と可動接点
220の分離領域にあるポリイミド340をエッチング
し、可動部と枠部および固定接点210と可動接点22
0を分離する。これでマイクロアクチュエータあるいは
マイクロリレーが完成する。図13で成膜したNi電極
は、図15で形成される金属膜120と同じ材質である
から、図20および図1〜図3では表示を省略してあ
る。
【0030】このようにして完成したマイクロアクチュ
エータ、あるいはマイクロリレーの動作についてそれぞ
れ図1〜図3を参照して説明する。
【0031】まず、環境温度が変化した場合のバイメタ
ルの動きを考える。温度25℃の常温で変位0の平行位
置にあるバイメタルが、温度75℃になった場合、線膨
脹係数の小さい金属膜120,線膨脹係数の大きい金属
膜130,金属膜130と同じ材質の温度補償用金属膜
140,金属膜120と金属膜140の間の熱伝導率の
小さい材料膜150は、すべて温度75℃になる。した
がって、その上方へ変位する力と下方へ変位する力がつ
り合って、変位は0となり、マイクロアクチュエータお
よびマイクロリレーは誤動作しない。次に、環境温度に
あるマイクロアクチュエータの駆動電極160,160
間に電流を流すと、ヒータ170の抵抗加熱によるジュ
ール熱が発生し、バイメタル110は加熱されるが、温
度補償用金属膜140は、金属膜120と熱伝導率の小
さい材料膜150で隔てられているので、環境温度のま
まである。このとき、線膨脹係数の小さい金属膜120
(たとえばNi)の線膨脹係数(λNi)と、線膨脹係数
の大きい金属膜130(たとえば、Zn)の線膨脹係数
(λZn)が異なり、λSi<λZnであるので、バイメタル
110は↓の方向に運動する。
【0032】このマイクロアクチュエータの固定部に電
流開閉用の固定接点210、および可動部に可動接点2
20を設けると、アクチュエータの運動により、固定接
点210および可動接点220の非接触,接触により電
流の開閉が行なわれる。このときのアクチュエータの駆
動力と変位は、有限要素法による応力解析により求める
ことができる。たとえばバイメタルの、長さL=1.5
mm、高さH=0.1mm、幅W=1.5mm、温度上昇T=
100deg 、とした場合、駆動力F=4.7g,変位D
=11μmが得られる。
【0033】
【発明の効果】本発明によるマイクロアクチュエータ
は、熱膨脹の差を利用したバイメタルを駆動源にしてお
り、線膨脹係数の異なる金属膜を積層してなるバイメタ
ルの、線膨脹係数の小さい金属膜側に熱伝導率の小さい
材料膜を介して線膨脹係数の大きい金属膜を積層した、
サンドイッチ構造のバイメタルを形成することにより、
使用温度範囲が広く組立プロセスが不要で、素子の小型
化および多極化が可能な、マイクロアクチュエータが得
られる。また、このマイクロアクチュエータに、電流開
閉用の固定接点および可動接点を設けることにより、使
用温度範囲が広く、小型で集積化したマイクロリレーを
提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の斜視図である。
【図2】図1のX−X′断面図である。
【図3】図1のY−Y′断面図である。
【図4】(a)および(b)は、それぞれ、図1の構造
を得るための一工程の平面図および断面図である。
【図5】(a)および(b)は、それぞれ、図1の構造
を得るための一工程の平面図および断面図である。
【図6】(a)および(b)は、それぞれ、図1の構造
を得るための一工程の平面図および断面図である。
【図7】(a)および(b)は、それぞれ、図1の構造
を得るための一工程の平面図および断面図である。
【図8】(a)および(b)は、それぞれ、図1の構造
を得るための一工程の平面図および断面図である。
【図9】(a)および(b)は、それぞれ、図1の構造
を得るための一工程の平面図および断面図である。
【図10】(a)および(b)は、それぞれ、図1の構
造を得るための一工程の平面図および断面図である。
【図11】(a)および(b)は、それぞれ、図1の構
造を得るための一工程の平面図および断面図である。
【図12】(a)および(b)は、それぞれ、図1の構
造を得るための一工程の平面図および断面図である。
【図13】(a)および(b)は、それぞれ、図1の構
造を得るための一工程の平面図および断面図である。
【図14】(a)および(b)は、それぞれ、図1の構
造を得るための一工程の平面図および断面図である。
【図15】(a)および(b)は、それぞれ、図1の構
造を得るための一工程の平面図および断面図である。
【図16】(a)および(b)は、それぞれ、図1の構
造を得るための一工程の平面図および断面図である。
【図17】(a)および(b)は、それぞれ、図1の構
造を得るための一工程の平面図および断面図である。
【図18】(a)および(b)は、それぞれ、図1の構
造を得るための一工程の平面図および断面図である。
【図19】(a)および(b)は、それぞれ、図1の構
造を得るための一工程の平面図および断面図である。
【図20】(a)および(b)は、それぞれ、図1の構
造を得るための一工程の平面図および断面図である。
【図21】従来のマイクロアクチュエータの一例の斜視
図である。
【図22】従来のマイクロリレーの一例の斜視図であ
る。
【符号の説明】
100 シリコン基板 101 熱酸化膜 110 バイメタル 120 線膨脹係数の小さい金属膜 130 線膨脹係数の大きい金属膜 140 温度補償用金属膜 150 熱伝導率の小さい材料膜 160 駆動電極 170 ヒータ 180,181 絶縁膜 190 枠部 210 固定接点 220 可動接点
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山下 善二郎 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 (72)発明者 太田 賢司 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基板と基板に対向する可動部とよりな
    り、 可動部は、線膨脹係数の大きい金属膜と線膨脹係数の小
    さい金属膜よりなるバイメタルと、線膨脹係数の小さい
    金属膜の側に熱伝導率の小さい材料膜を介して積層され
    た線膨脹係数の大きい温度補償用金属膜を有することを
    特徴とするマイクロアクチュエータ。
  2. 【請求項2】 熱伝導率の小さい材料膜に空所を設けた
    ことを特徴とする請求項1記載のマイクロアクチュエー
    タ。
  3. 【請求項3】 基板に固定接点を設け、これに対向する
    可動部に可動接点を設けたことを特徴とする請求項1記
    載のマイクロアクチュエータを用いたマイクロリレー。
JP7196493A 1993-03-30 1993-03-30 マイクロアクチュエータおよびマイクロリレー Withdrawn JPH06283083A (ja)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
NL2000209C2 (nl) * 2006-09-04 2008-03-05 Univ Delft Tech Thermische actuator.
JP2012509775A (ja) * 2008-11-26 2012-04-26 フリースケール セミコンダクター インコーポレイテッド 電気機械トランスデューサデバイスおよびその製造方法
JP2012510138A (ja) * 2008-11-26 2012-04-26 フリースケール セミコンダクター インコーポレイテッド 電気機械トランスデューサデバイスおよびその製造方法

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