JPH06338245A - マイクロリレー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 大きな接点荷重を得ることができ、電気的信
頼性の高いマイクロリレーを提供する。 【構成】 マイクロリレー１００は、可動部基体２０と
固定部基体３０とを有している。可動部基体３０は、基
板２１とその表面上に形成された固定接点層２３とを有
している。可動部基体２０は、基板１５と、基板１５の
表面上でその両端部が移動可能なように支持された可動
部材と、可動部材の略中間位置に形成された可動接点層
３ａとを有している。可動部材２０ａは、第１と第２の
金属膜１ａと１ｂを含んでいる。また第２の金属膜１ｂ
は、第２の金属膜１ａよりも高い熱膨張係数を有する材
料よりなっている。この可動部２０ａは、基板１５と基
板２１との間の所定の空間内で変形可能であり、その変
形により可動接点層３ａが固定接点層２３に接して押圧
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、マイクロリレーに関
し、特に、微小な機械的動作により接点間の開閉動作が
行なわれるマイクロリレーに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、半導体の分野ではドライエッ
チング、フォトリソグラフィー、ＰＶＤ、ＣＶＤなどの
手法を用いて微小な電子回路を高密度に構成し、集積化
する技術が開発されてきた。これらはいわゆる電子回路
を構成するものであるが、最近、これらの技術を応用し
て微小な機械要素を構成し、従来にない微小機械システ
ムを作成しようとする試みがなされ始めている。

【０００３】一般的には、半導体リソグラフィーの手法
を用いて、静電式のマイクロモータ、リンク機構、アク
チュエータ、あるいはシリコン（Ｓｉ）の異方性エッチ
ングを用いた弾性構造体などが開発されている。

【０００４】これらの応用としては、特開平４−２６９
４１６号公報、あるいは文献“Ａｎ Ｅｌｅｃｔｒｏ
ｓｔａｔｉｃ Ｍｉｃｒｏａｃｔｕａｔｏｒ Ｆｏｒ
Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｒｅｌａｙ”
（ＩＥＥＥ Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａ
ｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ １９８９ ｐｐ．１４９
−１５１）に記載されるようなマイクロリレーがある。

【０００５】上記文献等に示されたマイクロリレーは、
静電吸引力を微小な機械要素の駆動力に用いている。以
下、上記の文献などに示されたマイクロリレーを従来の
マイクロリレーとして説明する。

【０００６】図３３は、従来のマイクロリレーの構成を
概略的に示す分解斜視図である。また図３４は、従来の
マイクロリレーを構成する固定部基体の平面図（ａ）と
可動部基体の底面図（ｂ）である。図３３と図３４を参
照して、従来のマイクロリレーは、固定部基体５１０
と、可動部基体５２０とを有している。

【０００７】固定部基体５１０は、基板５０１と、固定
接点層５０３ａ、５０３ｂ、５０５ａ、５０５ｂと、電
極層５０７、５０９とを有している。基板５０１の一方
端部側の表面上には固定接点層５０３ａと５０３ｂが、
また基板５０１の他方端部側の表面上には固定接点層５
０５ａと５０５ｂが各々形成されている。また基板５０
１の中央付近であって、一方端部側には電極５０７が、
他方端部側には電極５０９が各々形成されている。

【０００８】可動部基体５２０は、可動片５１１と、枢
支部５１５と、枠体部５１７とを有している。これら可
動片５１１と枢支部５１５と枠体部５１７とは一体形状
を有している。すなわち、可動片５１１は、その側面中
央部の枢支部５１５を介在して枠体部５１７に一体的に
結合されている。可動片５１１は、枢支部５１５を挟ん
で前片部５１１ａと後片部５１１ｂとからなっている。
この前片部５１１ａの下面には可動接点層５１３ａが、
後片部５１１ｂの下面には固定接点層５１３ｂが各々形
成されている。

【０００９】この固定部基体５１０と可動部基体５２０
とは、固定接点層５０３ａ、５０３ｂ、５０５ａ、５０
５ｂと可動接点層５１３ａ、５１３ｂとが所定の間隔を
介して対向するように配置されている。

【００１０】次に、この従来のマイクロリレーの動作に
ついて説明する。図３５は、従来のマイクロリレーの動
作を説明するためのマイクロリレーの概略側面図であ
る。図３３と図３５（ａ）を参照して、まず電極５０７
もしくは５０９のいずれかに電圧が印加される。この
際、可動片５１１はＧＮＤ（接地）状態とされる。この
電極への電圧の印加により、電極と可動片５１１との間
に静電吸引力が生じる。この吸引力により、可動片５１
１が枢支部５１５を支点としてシーソー状に変位する。

【００１１】図３３と図３５（ｂ）を参照して、この変
位により、たとえば可動接点層５１３ａが対向する固定
接点層５０３ａと５０３ｂとに接触し、両固定接点層５
０３ａと５０３ｂとの間が閉成される。すなわち、両固
定接点層５０３ａと５０３ｂとの間は閉成状態となる。

【００１２】上記の電極への電圧の印加を断つと、可動
片５１１は枢支部５１５の捩じれ復元力で現状（図３５
（ａ））に復帰し、両固定接点層５０３ａと５０３ｂと
の間が解放される。すなわち、両固定接点層５０３ａと
５０３ｂとの間は開成状態となる。

【００１３】以上のように、静電吸引力を駆動源に用い
た従来のマイクロリレーは、静電力を発生させるための
電極５０７と５０９を構成するだけでよいため、構造は
非常に簡単であるという利点を有する。しかし、静電吸
引力は、原理的にその発生力が小さい。このため、この
駆動方式はリレーのように導通をとるためにある程度の
接点荷重が要求されるものには不適である。以下、その
ことについて詳細に説明する。

【００１４】一般に、静電吸引力を表わす式は、以下の
ように示される。

【００１５】

【数１】 上記の式より静電吸引力Ｆを大きくするためには、電極
面積Ｓを大きくするか、もしくは電極に印加する電圧Ｖ
を大きくするかのいずれかである。しかしながら電極面
積Ｓを大きくした場合、マイクロリレー自体の寸法が大
きくなるため、高集積化に対応することができなくな
る。

【００１６】また電極に印加する電圧Ｖには、駆動電圧
として１００〜数１００Ｖが必要である。この駆動電圧
値は、電子回路の電源に比較して格段に大きい。このよ
うに電極に印加する電圧Ｖが大きくなると、基板上に形
成された素子間に高い耐圧が要求されることとなる。こ
の高い耐圧を満足するためには、各素子間における高い
電気的分離の能力が要求される。すなわち、各素子間お
よび各配線間の分離領域を大きく確保する必要が生じ、
それゆえ高集積化に対応することができなくなる。

【００１７】このような観点から電極面積Ｓと電極に印
加する電圧Ｖとを大きくすることは困難である。したが
って、静電吸引力を駆動源として用いる従来のマイクロ
リレーにおいては、大きい吸引力を得ることができな
い。

【００１８】静電吸引力を利用する方式に代わる駆動方
式として、熱膨張係数の異なる少なくとも２層を貼合せ
た構造が注目される。すなわち、熱膨張係数の異なる２
層を貼合わせた構造を加熱することにより、貼合わせら
れた２層に変形力を与え、この変形力により機械要素の
駆動力を得る方式が注目される。

【００１９】この熱膨張係数の異なる少なくとも２層を
貼合せた構造を駆動源に用いたものは、文献“電気的
に作動するノーマルクローズダイアフラムバルブ”（セ
ンサー技術１９９２年７月号、Ｖｏｌ．１２，Ｎｏ．８
９，ｐｐ．６６−７１）、あるいは文献“Ｄｅｓｉｇ
ｎ Ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｏｆ ＳｙｓｔｅｍｓＷ
ｉｔｈ Ｍｉｃｒｏａｃｔｕａｔｏｒ Ａｒｒａｙ”
（ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｗｏｒｋｓ
ｈｏｐ Ｏｎ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｍｏｔｉｏｎ Ｃｏ
ｎｔｒｏｌ，Ｙｏｋｏｈａｍａ Ｊａｐａｎ．Ｍａｒｃ
ｈ，１９９０ｐｐ．２１９−２２４）に示されている。

【００２０】特に、文献には、図３６に示すような熱
膨張係数の異なる少なくとも２層の貼合わせ構造が適用
された片持支持梁（カンチレバー）が示されている。す
なわち、図３６に示すように、片持支持梁６０１は、第
１の層６０１ａと第２の層６０１ｂとの積層構造を有し
ている。この第１の層６０１ａと第２の層６０１ｂと
は、異なる熱膨張係数を有している。

【００２１】なお図３６は、文献に示された片持支持
梁の構成を概略的に示す斜視図である。

【００２２】

【発明が解決しようとする課題】上記のような静電吸引
力を駆動源とする従来のマイクロリレーでは、上述の種
々の制約により大きな吸引力を得ることができない。こ
のため、可動接点層５１３ａ，５１３ｂを固定接点層５
０３ａ、５０３ｂ、５０５ａ、５０５ｂに押付ける力、
いわゆる接点荷重を大きくすることができない。接点荷
重が小さいと、外部からの振動などにより接点間の接触
状態を維持できない場合が生じ、マイクロリレーの電気
的信頼性が低下する。

【００２３】一方、熱膨張係数の異なる少なくとも２層
を貼合わせた構造では、熱膨張係数の差を利用すること
により、かかる構造に変形力が与えられる。このため、
この駆動方式においては、互いに貼合わせられる２層の
各熱膨脹係数を適宜、選択することにより、この変形力
を大きく設定することができる。このため、熱膨張係数
の差を利用する駆動方式では、静電気力を利用する駆動
方式に比較して大きな駆動力を得ることができる。

【００２４】しかしながら、文献では、熱膨張係数の
異なる少なくとも２層を貼合わせた構造が片持支持梁に
用いられている。この片持支持梁は、その構造上、大き
い力を発生しがたい。それゆえ、この片持支持梁をマイ
クロリレーの接点間の開成・閉成を行なわしめる可動部
に適用した場合、１〜２ｍｍの微小寸法では接点間で大
きな接点荷重を得ることができない。この接点荷重が小
さいと、上述と同様、マイクロリレーの電気的信頼性が
低下する。

【００２５】本発明は、上記のような問題点を解決する
ためになされたもので、大きな接点荷重を得ることがで
きる電気的信頼性の高いマイクロリレーを提供すること
を目的とする。

【００２６】

【課題を解決するための手段】本発明のマイクロリレー
は、微小な機械的動作により接点間の開閉動作が行なわ
れるマイクロリレーであって、第１の基板と、第２の基
板と、固定接点層と、可動部材と、可動接点層と、加熱
手段とを備えている。第１の基板は第１の表面を有して
いる。第２の基板は、第１の表面と所定の空間を介在し
て対面する第２の表面を有している。固定接点層は第２
の表面上に形成されている。可動部材は第１と第２の表
面の間の所定の空間内に配置されている。また可動部材
は長手方向に延びる部分を有する第１の層と第２の層と
を含み、その長手方向の両端部は第１の表面上で自由に
移動可能なように支持されている。第１の層は第１の表
面上に載置され、かつ第１の熱膨脹係数を有する材料よ
りなっている。第２の層は第１の層の上に形成され、第
１の熱膨張係数より大きい第２の熱膨張係数を有する材
料よりなり、かつ第２の表面に対向する第３の表面を有
している。可動接点層は第３の表面の長手方向の略中間
位置に固定接点層と対向するように形成されている。加
熱手段は可動部材を加熱するためのものである。

【００２７】

【作用】本発明のマイクロリレーでは、第１と第２の表
面の間の所定の空間内に配置された可動部材は、長手方
向に延びる第１と第２の層とを含んでいる。この第２の
層は、第１の層より熱膨張係数が高い材料よりなってい
る。このため、加熱手段によって可動部材を加熱する
と、第２の層の熱膨張量は第１の層の熱膨張量より大き
くなる。よって、可動部材はこの熱膨張量の差によりそ
の長手方向に反ることになる。すなわち、可動部材の長
手方向の略中間位置が、長手方向の両端部に比較して第
２の表面側へ変位した状態となる。このように可動部材
の長手方向の両端部が第１の表面上で支持された状態
で、その長手方向の略中間位置が第２の表面側へ変位す
る様子は両端支持梁の挙動と見なすことができる。

【００２８】可動部材が第１と第２の表面の間の所定の
空間内で所定量以上反ると、可動部材の長手方向の略中
間位置が第２の表面を、かつ長手方向の両端部が第１の
表面を各々押圧するようになる。これにより、可動部材
の長手方向の略中間位置に形成された可動接点層は、第
２の表面に形成された固定接点層に接して押圧するよう
になる。

【００２９】上述したように可動部材は両端支持梁の挙
動を示す。この両端支持梁は片持支持梁に比較して、そ
の構造上、大きな力を発生しやすい。このため、この両
端支持梁の挙動により固定接点層に押付けられる可動接
点層の押付力、すなわち接点荷重は、片持支持梁に比較
して大きくなる。よって、接点間の大きな接点荷重を確
保することができ、電気的信頼性の高いマイクロリレー
を得ることが可能となる。

【００３０】

【実施例】以下、本発明の第１の実施例におけるマイク
ロリレーについて図を用いて説明する。

【００３１】図１は、本発明の第１の実施例におけるマ
イクロリレーの構成を概略的に示す斜視図である。また
図２は、図１の矢印ＩＩ方向から見た矢視図である。さ
らに図３と図４は、図１に示すマイクロリレーの固定部
基体と可動部基体の構成を示す斜視図である。なお、図
３に示す固定部基体は、説明の便宜上、表裏逆に示して
ある。

【００３２】主に図１と図２を参照して、本発明の第１
の実施例におけるマイクロリレー１００は、可動部基体
２０と、固定部基体３０とを有している。

【００３３】主に図４を参照して、可動部基体２０は、
基板１５と、可動部２０ａと、梁部２０ｂと、枠部２０
ｃとを有している。シリコンよりなる基板１５の表面上
に可動部２０ａ、梁部２０ｂおよび枠部２０ｃが形成さ
れている。枠部２０ｃは、略コ字形状を有し、かつ基板
１５上に固定して形成されている。梁部２０ｂは、枠部
２０ｃの矢印Ａ方向に沿って延びる部分の略中間位置か
ら矢印Ｂ方向に沿って延びている。この梁部２０ｂは、
その一方端部が枠部２０ｃに支持された片持梁の構造を
有している。すなわち、梁部２０ｂは基板１５に固定さ
れておらず、載置されているだけである。この梁部２０
ｂの他方端部に可動部２０ａが矢印Ａ方向に沿って延び
るように形成されている。この可動部２０ａも基板１５
に固定されておらず、載置されているだけである。

【００３４】これら可動部２０ａと梁部２０ｂと枠部２
０ｃとは一体形状をなしており、その下層から順に、金
属膜７、メッキ下地膜９、第１の金属膜１ａ、第２の金
属膜１ｂ、絶縁膜１１、ヒータ回路５、および絶縁膜１
３の積層構造により形成されている。なお、枠部２０ｃ
の矢印Ｂ方向に延びる両端部には、絶縁膜１３の表面上
に導電層３ｂが形成されている。また、梁部２０ｂの表
面上には導電層３ａが形成されている。この導電層３ａ
は、可動部２０ａの矢印Ａ方向の略中間位置まで延び、
この部分において可動接点層となる。さらに、枠部２０
ｃの矢印Ａ方向に沿って延びる部分には、開口１３ａが
設けられており、その開口１３ａの底部からヒータ回路
５の一部表面が露出している。

【００３５】このヒータ回路５は、たとえば図５に示す
ような形状に形成されている。図５は、可動部基体２０
から導電層３ａ、３ｂと絶縁層１３を取除いた状態の平
面図である。図５を参照して、ヒータ回路５は、枠部２
０ｃから梁部２０ｂを経て可動部２０ａの全面上に延び
るように形成されている。また、ヒータ回路５は、可動
部２０ａの表面上においては、その線幅が他の部分に比
較して細く形成されており、抵抗体（ヒータ）として機
能するように構成されている。すなわち、線幅が細い部
分においては、電気抵抗が高くなるため、通電時にその
部分において大きな発熱量が得られる。

【００３６】主に図３を参照して、固定部基体３０は、
基板２１と、固定接点層２３とを有している。基板２１
の下面には、凹部２１ａが設けられている。また基板２
１の下面上には、平面的にみて略コの字形状を有する固
定接点層２３が形成されている。この固定接点層２３の
矢印Ｂ方向に沿って延びる部分は、基板２１の両端突部
２１ｂに沿って形成されている。また固定接点層２３の
矢印Ａ方向に沿って延びる部分は、凹部２１ａの形状に
沿って延びている。

【００３７】主に図１と図２を参照して、マイクロリレ
ー１００は、上述した可動部基体２０と固定部基体３０
を貼合わせることにより構成されている。すなわち、固
定接点層２３の矢印Ｂ方向に延びる部分が導電層３ｂと
接するように、かつ固定接点層２３の矢印Ａ方向に延び
る部分と可動部２０ａとが対面するように可動部基体２
０と固定部基体３０とは貼合わせられる。

【００３８】この状態において、可動部２０ａは基板１
５と基板２１との間に形成される所定の空間内に配置さ
れる。また可動部２０ａを構成する第１の金属膜１ａと
第２の金属膜１ｂとによりバイメタル１が構成されてい
る。第２の金属膜１ｂは、第１の金属膜１ａの線（熱）
膨脹係数よりも高い線（熱）膨脹係数を有する金属から
なっている。この可動部２０ａの矢印Ａ方向の両下端部
は基板１５上で自由に動くようになっており、固定され
ていない。

【００３９】次に、本発明の第１の実施例におけるマイ
クロリレーの各部の製造方法について説明する。

【００４０】図６〜図２３は、本発明の第１の実施例に
おけるマイクロリレーの可動部基体の製造方法を工程順
に示す概略斜視図である。

【００４１】まず図６を参照して、基板１５の表面全面
に犠牲層３１が形成される。この犠牲層の材料としては
ＳＯＧ（Ｓｐｉｎ Ｏｎ Ｇｌａｓｓ）、ポリイミドな
どが他の材料に対して選択性があり望ましい。

【００４２】次に図７を参照して、犠牲層３１の表面全
面にフォトレジスト６１が塗布され、所望の形状にパタ
ーニングされる。このフォトレジストパターン６１をマ
スクとして犠牲層３１にエッチングが施される。このエ
ッチングにより犠牲層３１が所望の形状にパターニング
される。この後、フォトレジストパターン６１が除去さ
れる。

【００４３】図８を参照して、基板１５の表面全面に基
板１５との密着性を高めるための金属膜７が、たとえば
Ｎｂ（ニオブ）、Ｃｒ（クロム）などにより形成され
る。この金属膜７の表面全面に蒸着法またはスパッタ法
により、バイメタルを構成する金属メッキ用の種となる
メッキ下地膜９が形成される。

【００４４】図９を参照して、部分メッキ用の厚膜フォ
トレジストパターン６３がメッキ下地膜９の表面上に所
望の形状で形成される。このフォトレジスト６３はポジ
型もしくはネガ型のいずれでもよいが、数十μｍの厚膜
タイプは市販されていないため、市販品の最も厚いもの
（たとえばヘキスト社のＡＺ４０００シリーズ）を複数
回塗り重ねることにより使用される。

【００４５】図１０を参照して、電気メッキによりメッ
キ下地膜９のフォトレジストパターン６３から露出する
表面上に所定の膜厚で第１の金属膜１ａが形成される。
この第１の金属膜１ａは、たとえばＮｉ（ニッケル）、
Ｎｉ−Ｆｅ（ニッケル−鉄）合金などにより形成され
る。

【００４６】図１１を参照して、図９において説明した
と同様の方法により、厚膜フォトレジスト６３と同一形
状にパターニングされた厚膜フォトレジストパターン６
５が形成される。

【００４７】図１２を参照して、厚膜フォトレジストパ
ターン６５から露出する第１の金属膜１ａの表面上に電
気メッキにより第２の金属膜１ｂが所定の膜厚で形成さ
れる。この第２の金属膜は、たとえばＺｎ（亜鉛）、Ｃ
ｕ−Ｚｎ（銅−亜鉛）合金などにより形成される。ま
た、第２の金属膜１ｂは、第１の金属膜１ａの熱膨張係
数よりも高い熱膨張係数を有する材料より形成される。
この第１と第２の金属膜１ａ，１ｂによりバイメタルが
形成される。

【００４８】図１３を参照して、絶縁膜１１が、基板１
５の表面全面にスパッタ法によって形成される。

【００４９】図１４を参照して、絶縁膜１１の表面全面
にヒータ層がスパッタ法で形成される。この後、フォト
リソグラフィー、エッチング方法でパターニングが施さ
れ、所望の形状にヒータパターン５が形成される。

【００５０】図１５を参照して、ヒータパターン５を被
覆するように絶縁膜１１の表面全面には絶縁膜１３がス
パッタ法により形成される。

【００５１】図１６を参照して、絶縁膜１３の表面全面
に導電層３がスパッタ法もしくは蒸着法により形成され
る。

【００５２】図１７を参照して、導電層３の表面上に所
望の形状を有するフォトレジストパターン６７が形成さ
れる。このフォトレジストパターン６７をマスクとして
導電層３にエッチングが施される。これにより、パター
ニングされた導電層３ａ、３ｂが形成される。この後、
フォトレジストパターン６７が除去される。

【００５３】図１８を参照して所望の形状を有するフォ
トレジストパターン６９が絶縁膜１３の表面上に形成さ
れる。このフォトレジストパターン６９をマスクとし
て、ホールパターン６９ａから露出する絶縁膜１３にエ
ッチングが施される。このエッチングにより、ホールパ
ターン６９ａから露出する絶縁膜１３の部分にヒータの
電源供給用のパッドの窓１３ａが形成される。このヒー
タの電源供給用のパッドの窓１３ａからは、ヒータパタ
ーンの一部表面が露出する。この後、フォトレジストパ
ターン６９が除去される。

【００５４】図１９を参照して、可動部、梁部および枠
部となる部分と平面的に同じ形状を有するフォトレジス
トパターン７１が絶縁膜１３の表面上に形成される。こ
のフォトレジストパターン７１をマスクとして不要な部
分の絶縁膜１３と１１が順次エッチング除去される。こ
のエッチングにより、厚膜フォトレジストパターン６５
の表面が露出する。この後、フォトレジストパターン７
１が除去される。

【００５５】図２０を参照して、部分メッキ用の厚膜フ
ォトレジストパターン６５と６３が順次除去される。

【００５６】図２１を参照して、この厚膜フォトレジス
トパターンの除去により、メッキ下地膜９の一部表面が
露出する。このメッキ下地膜９と金属膜７の不要な部分
が順次エッチングにより除去される。

【００５７】図２２を参照して、このエッチングによ
り、基板１５および犠牲層３１の一部表面が露出する。

【００５８】図２３を参照して、犠牲層３１のすべてが
除去される。上記の製造工程より可動部基体２０が製造
される。

【００５９】次に、固定部基体３０の製造方法について
説明する。図２４〜図２７は、本発明の第１の実施例に
おけるマイクロリレーの固定部基体の製造方法を工程順
に示す概略斜視図である。

【００６０】まず図２４を参照して、基板２１の表面上
にテーパ角を有するフォトレジストパターン７３が形成
される。

【００６１】図２５を参照して、このテーパ角を有する
フォトレジストパターン７３をマスクとして基板２１に
ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）
によりエッチングが施される。このエッチングによりシ
リコン基板２１に凹部２１ａが形成される。この後、フ
ォトレジストパターン７３が除去される。

【００６２】図２６を参照して、基板２１の表面全面
に、スパッタ法もしくは蒸着法により固定接点層２３が
形成される。この固定接点層２３の表面上にフォトリソ
グラフィーにて所望の形状を有するフォトレジストパタ
ーン７５が形成される。このフォトレジストパターン７
５をマスクとしてエッチングを施すことにより、固定接
点層２３が所望の形状にパターニングされる。この後、
フォトレジストパターン７５が除去されて図２７に示す
状態となる。

【００６３】上記の製造工程より、固定部基体３０が形
成される。図２８は、上記の工程により製造された可動
部基体の概略平面図（ａ）と、固定部基体の概略底面図
（ｂ）である。図２８を参照して、上記の工程により製
造された可動部基体２０と固定部基体３０とは各々、端
面Ｃ−Ｃと端面Ｄ−Ｄとが同一平面をなすように貼合わ
せられる。これにより、本発明の第１の実施例における
マイクロリレーが完成する。

【００６４】次に、本発明の第１の実施例におけるマイ
クロリレーの動作について説明する。

【００６５】まず図１と図２を参照して、ヒータ回路５
に電流を流さない状態では、可動部２０ａのバイメタル
１に反りが生じないよう設定されている。よって、可動
接点層３ａと固定接点層２１ａとの間の所定の間隔が維
持される。すなわち、可動接点層３ａと固定接点層２１
ａとは開成状態が維持される。

【００６６】この状態から、ヒータ回路５に電流を流す
と、ヒータ回路５は可動部２０ａ部分において発熱す
る。この発熱により、可動部２０ａのバイメタル１のみ
が加熱され、可動部２０ａに図２９に示すように反りが
生じる。

【００６７】図２９は、本発明の第１の実施例における
マイクロリレーの接点間が閉成された状態を示す図１の
矢印ＩＩ方向から見た矢視図に対応する図である。図２
９を参照して、バイメタル１は、第１の金属膜１ａと第
２の金属膜１ｂとからなる。第２の金属膜１ｂは、上述
したように第１の金属膜１ａよりも高い熱膨張係数を有
する材料よりなっている。それゆえ、可動部２０ａのバ
イメタル１がヒータ回路により熱せられた場合、第２の
金属膜１ｂは第１の金属膜１ａより膨脹する量が大き
い。このため、可動部２０ａは、矢印Ａ方向の略中間位
置が矢印Ａ方向の両端部に比較して基板２１側へ変位し
た状態となる。

【００６８】このように可動部２０ａの両端部が基板１
５の表面上で支持された状態で、その矢印Ａ方向の略中
間位置が変位する様子は両端支持梁の挙動と見なせる。

【００６９】この可動部２０ａが、基板１５と基板２１
との間の空間内で所定量以上反ると可動部２０ａの略中
間位置が基板２１を、かつ両端部が基板１５を各々押圧
するようになる。これにより、可動部２０ａの上面であ
って略中間位置に形成された可動接点層３ａは、基板２
１の下面に形成された固定接点層２３に接して押圧する
ようになる。このようにして、マイクロリレー１００の
可動接点層３ａと固定接点層２３との間が閉成状態とな
る。

【００７０】上述したようにマイクロリレー１００の開
閉動作時において、可動部２０ａは両端支持梁の挙動を
示す。この両端支持梁は片持支持梁に比較して構造上大
きな力を発生しやすい。以下、そのことについて詳細に
説明する。

【００７１】図３０は、片持支持梁の撓みと接点荷重の
関係を説明するための図である。図３０を参照して、マ
イクロリレーの接点間の開閉動作を行なわしめる可動部
に、片持支持梁８１が用いられ、その自由端側に接点８
１ａが形成されているとする。また、このマイクロリレ
ーは、片持支持梁８１に変形力が加えられていない状態
ａ₁ では接点間が開成状態、また所定量の変形量が加え
られた状態ｂ₁ では接点間が閉成状態となるように設定
されているとする。

【００７２】この場合において、単に状態ｂ₁ に変形す
るだけの変形力を梁８１に加えただけでは、接点同士が
単に接するだけで接点荷重は得られない。接点間で接点
荷重を得るには、状態ｂ₁ 以上に変形するだけの変形力
を梁８１に与える必要がある。すなわち、梁８１を、状
態ｂ₁ 以上に変形させた状態ｃ₁ にするだけの変形力を
与える必要がある。

【００７３】このように状態ｃ₁ に変形させるだけの変
形力を梁８１に加えた場合、状態ｂ ₁ で閉成される接点
間で得られる接点荷重は以下の式で表わされる。

【００７４】

【数２】 上記式においてＦは接点荷重、Ｅはヤング率、Ｉ_Z は
断面２次モーメント、λは状態ｂ₁ と状態ｃ₁ との間の
撓み量、ｌは梁８１の長さである。

【００７５】図３１は、両端支持梁における撓み量と接
点荷重の関係を説明するための図である。図３１を参照
して、マイクロリレーの接点間の開閉動作を行なわしめ
る可動部に両端支持梁８３が用いられ、その長手方向の
略中間位置に接点８３ａが形成されているとする。ま
た、このマイクロリレーは、両端支持梁８３に変形力が
加えられてない状態ａ₂ では接点が開成状態、また所定
量の変形力が加えられた状態ｂ₂ では接点間が閉成状態
となるように設定されているとする。

【００７６】この場合においても上述と同様、接点間で
接点荷重を得るには、梁８３を状態ｂ₂ 以上に変形させ
た状態ｃ₂ にするだけの変形力を梁８１に加える必要が
ある。

【００７７】このように状態ｃ₂ に変形させるだけの変
形力を梁８３に加えた場合、状態ｂ ₂ で閉成される接点
間で得られる接点荷重は以下の式で表わされる。

【００７８】

【数３】 上記式において用いられている符号は、上記式の符
号と各々対応する。

【００７９】この上記、式より明らかなように、片
持支持梁８１と両端支持梁８３とに同一材質、同一形状
のものを用いた場合には、片持支持梁構造に比較して両
端支持梁構造では、１６倍の接点荷重が得られることに
なる。よって、両端支持梁構造では、片持支持梁構造に
比較して、その構造上、格段に大きい接点荷重が得られ
る。

【００８０】図２９に示す本発明の第１の実施例におけ
るマイクロリレー１００では、両端支持梁の挙動により
可動接点層３ａと固定接点層２３とが閉成される。それ
ゆえ、この接点間において格段に大きい接点荷重を得る
ことができる。従って、電気的信頼性の高いマイクロリ
レーを得ることができる。

【００８１】次に、本発明の第２の実施例におけるマイ
クロリレーについて説明する。図３２は、本発明の第２
の実施例におけるマイクロリレーの構成を概略的に示す
図１の矢印ＩＩ方向からの矢視図に対応する図である。
図３２を参照して、上記の第１の実施例においては、バ
イメタルを駆動源とする可動部を１つ設けた構成であっ
たが、本実施例のマイクロリレー２００は、バイメタル
を駆動源とする可動部１２０ａ、１４０ａを２つ有して
いる。すなわち、第１の基板１１５と第２の基板１３５
との間の空間には、互いに対向するようにバイメタルを
有する２つの可動部１２０ａと１４０ａとが配置されて
いる。

【００８２】第１の可動部１２０ａは、バイメタル１０
１と、絶縁膜１１１と、ヒータ回路（図示せず）と、絶
縁膜１１３と、第１の可動接点層１０３ａとを有してい
る。バイメタル１０１は、互いに熱膨張係数の異なる材
料からなる金属膜１０１ａと１０１ｂとにより形成され
ている。金属膜１０１ｂは、金属膜１０１ａの熱膨張係
数よりも高い熱膨張係数を有する材料から形成されてい
る。またバイメタル１０１の表面上には絶縁膜１１１を
介在してヒータ回路が形成されている。またこのヒータ
回路上には、絶縁膜１１１を介在して第１の可動接点層
１０３ａが形成されている。この第１の可動接点層１０
３ａは第１の可動部１２０ａの長手方向に延びる略中間
位置に形成されている。

【００８３】第２の可動部１４０ａは、バイメタル１２
１と、絶縁膜１３１と、ヒータ回路（図示せず）と、絶
縁膜１３３と、第２の可動接点層１２３ａとを有してい
る。バイメタル１２１は、互いに熱膨張係数の異なる材
料からなる金属膜１２１ａと１２１ｂとにより形成され
ている。金属膜１２１ｂは、金属膜１２１ａの熱膨脹係
数よりも高い熱膨張係数を有する材料から形成されてい
る。このバイメタル１２１の表面上には、絶縁膜１３１
を介在してヒータ回路が形成されている。またヒータ回
路上には、絶縁膜１３３を介在して第２の可動接点層１
２３ａが形成されている。この第２の可動接点層１２３
ａは、第２の可動部１４０ａの長手方向の略中間位置に
形成されており、かつ第１の可動接点層１０３ａと対面
するように形成されている。

【００８４】また基板１１５の両端部表面上には、金属
膜１０１ａ、１０１ｂと、絶縁膜１１１、１１３と、導
電膜１０３ｂとが順次積層して形成されている。また基
板１３５の両端部表面上には、金属膜１２１ａ、１２１
ｂと、絶縁膜１３１、１３３と、導電膜１２３ｂとが順
次積層して形成されている。この第１の可動部基体１２
０と第２の可動部基体１４０とが、両端部においてスペ
シーサ１５０を介在して互いに可動部１２０ａと１４０
ａとが対向するように配置されている。

【００８５】なお、第１と第２の可動部基体１２０と１
４０は、第１の実施例におけるマイクロリレーの可動部
基体２０とほぼ同様の構成を有するため、それ以外の構
成については説明を省略する。

【００８６】第２の実施例におけるマイクロリレーの動
作については、ヒータ回路に電流が流されていない状態
では、第１の可動接点層１０３ａと第２の可動接点層１
２３ａとは接触しておらず開成状態にある。

【００８７】ヒータ回路に電流を流すことにより、第１
と第２の可動部１２０ａ、１４０ａのみが加熱され、こ
れにより第１と第２の可動部１２０ａ、１４０ａに反り
が生じる。すなわち、第１の可動部１２０ａは、その長
手方向の略中間位置が上方へ変位するように反る。ま
た、第２の可動部１４０ａは、その長手方向の略中間位
置が下方に変位するように反る。この第１と第２の可動
部１２０ａ、１４０ａの反りにより、対面する第１と第
２の可動接点層１０３ａ、１２３ａが接触する。これに
より、マイクロリレー２００における接点間が閉成状態
となる。

【００８８】上記の動作から明らかなように、第１と第
２の可動部１２０ａと１４０ａは、いずれも両端支持梁
の挙動を示す。このため、互いに両端支持梁の挙動を示
す可動部１２０ａ、１４０ａの変位により接合される可
動接点層１０３ａ、１２３ａ間では大きな接点荷重を得
ることができる。したがって、外部からの振動などによ
り第１と第２の可動接点層１０３ａ、１２３ａ間の接触
状態は容易には解除されず、ゆえに電気的信頼性に高い
マイクロリレーを得ることができる。

【００８９】また、２つの両端支持梁の働きにより、第
１と第２の可動接点層１０３ａ，１２３ａが互いに押圧
しあうため、より大きな接点間の接点荷重をうることが
できる。

【００９０】上記の第１と第２の実施例においては、バ
イメタル１、１０１、１２１にヤング率の高い金属メッ
キにより形成される金属膜１ａ、１ｂ、１０１ａ、１０
ｂ、１２１ａ、１２１ｂが用いられている。このため、
第１と第２の実施例におけるマイクロリレーでは、以下
に述べる利点を有する。

【００９１】上記の文献では、熱膨脹係数の異なる２
層の貼合わせ構造の一方に単結晶Ｓｉ（シリコン）基板
が用いられている。このため、発生力や設計の自由度に
制約が大きく、この基板を含む２層の張合わせ構造では
マイクロリレーへの応用は難しい。たとえば熱膨脹係数
の異なる層の貼合わせ構造を形成する場合、３層以上の
構成にして温度補償構造へ発展させたり、異種の材料を
用いた組合せにして異なる特性を得たりすることが困難
となる。また、マイクロリレーとして用いた時、接点の
構成や縮小化、集積化に支障をきたす。さらに、基板を
含む２層の貼合わせ構造では構造上、その膜厚を厚くす
ることができず、発生する駆動力にも限りがある。

【００９２】また上記文献では、熱膨脹係数の異なる
２層の貼合わせ構造の一方にポリイミドなどの有機膜が
用いられている。このポリイミドなどの有機膜は一般に
ヤング率が低い材料である。それゆえ、この有機膜を含
む貼合わせ構造では、大きな駆動力を発生させることが
できない。

【００９３】このように、文献とに示された熱膨脹
係数の異なる少なくとも２層の貼合わせ構造は、リレー
のように大きな接点荷重を必要とされるものには不適で
ある。

【００９４】これに対して、本発明のバイメタルは、ヤ
ング率の高い金属メッキにより形成された金属膜により
構成されている。このため容易にバイメタルの駆動力の
向上を図ることができ、設計の自由度も大きくなる。ま
た、第１と第２の実施例におけるバイメタルをマイクロ
リレーに用いた場合、接点の構成に支障をきたすことも
なく、かつ縮小化や集積化に適している。

【００９５】また、第１と第２の実施例におけるマイク
ロリレーは、半導体リソグラフィー技術で作成されるた
め生産性は極めて高い。

【００９６】なお、本発明のマイクロリレーの構成は、
第１と第２の実施例に示したものに限られず、バイメタ
ルを駆動源とした両端支持梁により接点間の開閉動作を
行なわしめる構成を有するものであればいかなるものに
も適用可能である。

【００９７】

【発明の効果】本発明のマイクロリレーでは、第１と第
２の表面の間の所定の空間内に配置された可動部材は、
長手方向に延びる第１と第２の層とを含んでいる。この
第２の層は、第１の層より熱膨張係数が高い材料よりな
っている。この可動部材を加熱手段により加熱すること
によって、可動部材に反りが生じ、両端支持梁の挙動に
より可動接点層と固定接点層とが閉成される。

【００９８】この両端支持梁は、片持支持梁に比較し
て、構造上大きな力を発生しやすい。このため、この両
端支持梁の挙動により、固定接点層に押付けられる可動
接点層の押付力、すなわち接点荷重は片持支持梁に比較
して大きくなる。したがって、接点間での大きな接点荷
重を確保することができ、電気的信頼性の高いマイクロ
リレーを得ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例におけるマイクロリレー
の構成を概略的に示す斜視図である。

【図２】図１の矢印ＩＩ方向から見た矢視図である。

【図３】本発明の第１の実施例におけるマイクロリレー
を構成する固定部基体の構成を概略的に示す斜視図であ
る。

【図４】本発明の第１の実施例におけるマイクロリレー
を構成する可動部基体の構成を概略的に示す斜視図であ
る。

【図５】本発明の第１におけるマイクロリレーの可動部
基体に形成されるヒータ回路の構成を概略的に示す平面
図である。

【図６】本発明の第１の実施例におけるマイクロリレー
の可動部基体の製造方法の第１工程を示す概略斜視図で
ある。

【図７】本発明の第１の実施例におけるマイクロリレー
の可動部基体の製造方法の第２工程を示す概略斜視図で
ある。

【図８】本発明の第１の実施例におけるマイクロリレー
の可動部基体の製造方法の第３工程を示す概略斜視図で
ある。

【図９】本発明の第１の実施例におけるマイクロリレー
の可動部基体の製造方法の第４工程を示す概略斜視図で
ある。

【図１０】本発明の第１の実施例におけるマイクロリレ
ーの可動部基体の製造方法の第５工程を示す概略斜視図
である。

【図１１】本発明の第１の実施例におけるマイクロリレ
ーの可動部基体の製造方法の第６工程を示す概略斜視図
である。

【図１２】本発明の第１の実施例におけるマイクロリレ
ーの可動部基体の製造方法の第７工程を示す概略斜視図
である。

【図１３】本発明の第１の実施例におけるマイクロリレ
ーの可動部基体の製造方法の第８工程を示す概略斜視図
である。

【図１４】本発明の第１の実施例におけるマイクロリレ
ーの可動部基体の製造方法の第９工程を示す概略斜視図
である。

【図１５】本発明の第１の実施例におけるマイクロリレ
ーの可動部基体の製造方法の第１０工程を示す概略斜視
図である。

【図１６】本発明の第１の実施例におけるマイクロリレ
ーの可動部基体の製造方法の第１１工程を示す概略斜視
図である。

【図１７】本発明の第１の実施例におけるマイクロリレ
ーの可動部基体の製造方法の第１２工程を示す概略斜視
図である。

【図１８】本発明の第１の実施例におけるマイクロリレ
ーの可動部基体の製造方法の第１３工程を示す概略斜視
図である。

【図１９】本発明の第１の実施例におけるマイクロリレ
ーの可動部基体の製造方法の第１４工程を示す概略斜視
図である。

【図２０】本発明の第１の実施例におけるマイクロリレ
ーの可動部基体の製造方法の第１５工程を示す概略斜視
図である。

【図２１】本発明の第１の実施例におけるマイクロリレ
ーの可動部基体の製造方法の第１６工程を示す概略斜視
図である。

【図２２】本発明の第１の実施例におけるマイクロリレ
ーの可動部基体の製造方法の第１７工程を示す概略斜視
図である。

【図２３】本発明の第１の実施例におけるマイクロリレ
ーの可動部基体の製造方法の第１８工程を示す概略斜視
図である。

【図２４】本発明の第１の実施例におけるマイクロリレ
ーの固定部基体の製造方法の第１工程を示す概略斜視図
である。

【図２５】本発明の第１の実施例におけるマイクロリレ
ーの固定部基体の製造方法の第２工程を示す概略斜視図
である。

【図２６】本発明の第１の実施例におけるマイクロリレ
ーの固定部基体の製造方法の第３工程を示す概略斜視図
である。

【図２７】本発明の第１の実施例におけるマイクロリレ
ーの固定部基体の製造方法の第４工程を示す概略斜視図
である。

【図２８】本発明の第１の実施例におけるマイクロリレ
ーの可動部基体と固定部基体の貼合わせを説明するため
の図である。

【図２９】本発明の第１の実施例におけるマイクロリレ
ーの接点間が閉成状態にある様子を示す図１のＩＩ方向
から見た矢視図に対応する図である。

【図３０】片持支持梁の撓みと接点荷重の関係を説明す
るための図である。

【図３１】両端支持梁の撓みと接点荷重の関係を説明す
るための図である。

【図３２】本発明の第２の実施例におけるマイクロリレ
ーの接点間が閉成状態にある様子を示す図１のＩＩ方向
から見た矢視図に対応する図である。

【図３３】従来のマイクロリレーの構成を概略的に示す
分解斜視図である。

【図３４】従来のマイクロリレーの固定部基体と可動部
基体の構成を概略的に示す平面図である。

【図３５】従来のマイクロリレーの動作を説明するため
の図である。

【図３６】文献に示された片持支持梁の構成を概略的
に示す斜視図である。

【符号の説明】 １ バイメタル １ａ 第１の金属膜 １ｂ 第２の金属膜 ３ａ 可動接点層 ５ ヒータ回路 １５ 基板 ２０ 可動部基体 ２０ａ 可動部 ２１ 基板 ２３ 固定接点層 ３０ 固定部基体

───────────────────────────────────────────────────── 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 乾 哲也 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 (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 微小な機械的動作により接点間の開閉動
   作が行なわれるマイクロリレーであって、 第１の表面を有する第１の基板と、 前記第１の表面と所定の空間を介在して対面する第２の
   表面を有する第２の基板と、 第２の表面上に形成された固定接点層と、 前記第１と第２の表面の間の前記所定の空間内に配置さ
   れた可動部材とを備え、 前記可動部材は、長手方向に延びる部分を有する第１の
   層と第２の層とを含み、その長手方向の両端部は前記第
   １の表面上で自由に移動可能なように支持されており、 前記第１の層は、前記第１の表面上に載置され、かつ第
   １の熱膨脹係数を有する材料よりなっており、 前記第２の層は、前記第１の層の上に形成され、前記第
   １の熱膨張係数より大きい第２の熱膨張係数を有する材
   料よりなり、かつ前記第２の表面に対向する第３の表面
   を有し、さらに、 前記第３の表面の前記長手方向の略中間位置に前記固定
   接点層と対向するように形成された可動接点層と、 前記可動部材を加熱するための加熱手段とを備えた、マ
   イクロリレー。