(57)【要約】【課題】高速、低消費電力、高信頼性の液体金属マイクロスイッチに必要な液体分離装置を提供する。【解決手段】上記課題は、前記ヒータが、前記液体金属マイクロスイッチが製造される構造の空洞の内側に配置されており、主通路に空洞を接続するように前記構造の内側に設けられた補助通路であって、前記補助通路が横断面積を有し、前記補助通路と前記主通路との間の境界における前記横断面積の値が、前記補助通路と前記空洞との間の境界における前記横断面積の値より小さく、ガスが前記空洞及び前記補助通路に充満し、前記ガスが前記主通路内に達することができる補助通路を有することを特徴とする、液体金属マイクロスイッチにおいて液体を分離する装置により解決される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体金属マイクロスイッチ（１０５）の中の液体（１３０）を分離する装置（３３０）において、
前記ヒータ（１００）が、前記液体金属マイクロスイッチ（１０５）が製造される構造の空洞（１１５）の内側に配置されており、
主通路（１２０）に空洞（１１５）を接続するように前記構造の内側に設けられた補助通路（１２５）であって、前記補助通路（１２５）が横断面積（３００）を有し、前記補助通路（１２５）と前記主通路（１２０）との間の境界における前記横断面積（３００）の値が、前記補助通路（１２５）と前記空洞（１１５）との間の境界における前記横断面積（３００）の値より小さく、ガス（１３５）が前記空洞（１１５）及び前記補助通路（１２５）に充満し、前記ガス（１３５）が前記主通路（１２０）内に達することができる補助通路（１２５）を有することを特徴とする、液体金属マイクロスイッチ（１０５）において液体（１３０）を分離する装置（３３０）。
【請求項２】
前記ヒータ（１００）がモノリシックヒータ（１００）であることを特徴とする請求項１に記載の装置（３３０）。
【請求項３】
前記装置（３３０）が、厚膜マイクロ回路（１１０）の一部であることを特徴とする請求項１に記載の装置（３３０）。
【請求項４】
前記補助通路（１２５）と前記空洞（１１５）との間の前記境界における前記横断面積（３００）が、第１の値（３０１）を有し、
前記補助通路（１２５）と前記主通路（１２０）との間の前記境界における前記横断面積（３００）が、第２の値（３０２）を有し、
前記補助通路（１２５）の前記横断面積（３００）が、前記補助通路（１２５）及び前記空洞（１１５）の間の前記境界と、前記補助通路（１２５）及び前記空洞（１１５）の間の前記境界及び前記補助通路（１２５）及び前記主通路（１２０）の間の前記境界の間の所定のされた位置（３１０）との間において、前記第１の値（３０１）に維持されており、かつ、
前記補助通路（１２５）の前記横断面積（３００）が、前記所定の位置（３１０）から、前記補助通路（１２５）と前記主通路（１２０）との間の前記境界まで、前記第２の値（３０２）に維持されることを特徴とする、請求項１に記載の装置（３３０）。
【請求項５】
前記横断面積（３００）が、前記補助通路（１２５）と前記空洞（１１５）との間の前記境界における前記横断面積から、前記補助通路（１２５）と前記主通路（１２０）との間の前記境界における前記横断面積まで、直線的に減少することを特徴とする、請求項１に記載の装置（３３０）。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的にマイクロ波回路の分野に関し、かつさらに特定すれば、集積厚膜無線周波及びマイクロ波マイクロ回路モジュールに関し、かつなおさらに特定すれば、このようなモジュールにおけるマイクロスイッチ及びヒータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
あらゆる構造タイプの電子回路は、典型的にスイッチ及びリレーの必要性を有する。典型的なコンパクトな機械的な接触タイプのリレーは、リードリレーである。リードリレーは、リードスイッチを含み、このリードスイッチ内において、小型ガラス容器の内側に不活性ガスとともに、磁気合金からなる２つのリードが収容されている。電磁駆動のためのコイルは、リードスイッチの回りに巻かれており、かつ２つのリードは、ガラス容器内において接触又は非接触のいずれかとして設置される。
【０００３】
リードリレーは、乾式リードリレー及び湿式リードリレーを含む。通常は乾式リードリレーを用い、リードの端部（接点）は、銀、タングステン、ロジウム、又はこれらのいずれかを含む合金からなり、かつ接点の表面は、ロジウム、金等によってめっきされている。乾式リードリレーの接点において接触抵抗は高く、かつ接点にかなりの磨耗も存在する。接点において接触抵抗が高い場合、又は接点にかなりの磨耗が存在する場合、信頼性は低下するので、これらの接点の表面を処理するために種々の試みが行なわれてきた。
【０００４】
接点の信頼性は、湿式リードリレーにより水銀を利用することによって高めることかできる。とくに水銀によってリードの接点表面を覆うことによって、接点における接触抵抗は低下し、かつ接点の磨耗は減少し、その結果、信頼性が改善される。加えてリードのスイッチ動作は、曲げのために機械的な疲労を伴うので、リードは、数年の利用の後に、誤動作を開始することがある。
【０００５】
さらに新しいタイプのスイッチ機構は、電気的に絶縁する細長いシールされた通路の内壁に沿って特定の位置に複数の電極が露出するように構成されている。この通路は、短い液体柱を形成するように小さな容積の電気的に導通する液体によって満たされている。２つの電極を電気的に閉じるようにするとき、液体柱は、同時に両方の電極に接触する位置に動かされる。２つの電極を開くようにするとき、液体柱は、同時に両方の電極に接触しない位置に動かされる。
【０００６】
液体柱を動かすために、特許文献１は、液体柱にわたって圧力差を発生することを開示している。圧力差は、ダイヤフラムによるように、液体柱のいずれかの側に配置されたガス区画の容積を変化することによって発生される。
【０００７】
別の発展において、特許文献２及び特許文献３は、ガス区画にヒータを設けることによって、液体柱にわたって圧力差を発生することを開示している。ヒータは、液体柱の一方の側に配置されたガス区画におけるガスを加熱する。特許文献３（マイクロリレー要素に関する）に開示された技術は、集積回路にも適用することができる。その他の態様は、非特許文献１においてＪ．サイモン他によって議論されている。開示は、“Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｃｏｎｔａｃｔ　Ｂｒｅａｋｅｒ　Ｓｗｉｔｃｈ，Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｃｏｎｔａｃｔ　Ｂｒｅａｋｅｒ　Ｓｗｉｔｃｈ　，ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｃｏｎｔａｃｔ　Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　Ｍｅｔｈｏｄ”と題する特許文献４においてヨウ．コンドー他によっても行なわれている。
【０００８】
【特許文献１】
特開昭４７−２１６４５号公報
【特許文献２】
特公昭３６−１８５７５号公報
【特許文献３】
特開平９−１６１６４０号公報
【特許文献４】
米国特許第６，３２３，４４７号明細書
【非特許文献１】
Ｊ．Ｓｉｍｏｎ他著、論文“Ａ　Ｌｉｑｕｉｄ−Ｆｉｌｌｅｄ　Ｍｉｃｒｏｒｅｌａｙ　ｗｉｔｈ　ａ　Ｍｏｖｉｎｇ　Ｍｅｒｃｕｒｙ　Ｄｒｏｐ”、「Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍｓ」、第６巻、第３号、１９９７年９月
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
動作の速度、スイッチのための電力需要、及びスイッチの信頼性は、このようなスイッチにとってすべて重要な問題である。繰返しスイッチサイクルは、結果として短絡を引起こすことがわかった。これらの短絡に対する起こり得る原因は、スイッチの材料が高い温度に繰返しさらされるため、材料に微細割れが形成されることによって引起こされる水銀による材料表面のぬれの増加にある。したがってスイッチの速度を増加しながら、液体金属を囲む材料の壁に消散する熱の量を減少する技術を提供することが有利である。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
液体金属マイクロスイッチは、内側にヒータ及び補助通路を有する。ヒータは、空洞の内側に配置されている。内側の補助通路は、空洞と主通路に接続する。補助通路は所定の横断面積を有する。補助通路と主通路との間の境界における横断面積の値は、補助通路と空洞との間の境界における横断面積の値より小さい。ガスは、空洞及び補助通路に充満し、かつ主通路内に達する。
【００１１】
本発明の応用態様及び利点は、添付図面及び詳細な説明から明らかになるであろう。
【００１２】
添付の図面は、本発明をより詳しく理解するための視覚的な表示を提供し、かつ、本発明及びその固有の利点を当業者の理解を促進するために利用することができる。これらの図面において、同様な参照符号は、対応する要素を表す。
【００１３】
【発明の実施の形態】
例示のために図面に示すように、本特許明細書は、マイクロ回路におけるヒータ駆動される液体金属マイクロスイッチにおけるガス流を提供するための技術に関する。マイクロスイッチの通路内における液体金属を動かすガス流を提供することによって、通路内における熱消散を低減し、微細割れ及び通路表面ぬれの減少させて、スイッチの寿命を増加する。
【００１４】
以下の詳細な説明及び図面のいくつかの図において、同様な要素は、同様な参照符号によって識別されている。
【００１５】
図１Ａは、マイクロ回路１１０におけるヒータ１００と液体金属マイクロスイッチ１０５の平面図の図面である。図１Ａのマイクロ回路１１０は、さらに一般的に電子回路１１０と称する。回路１１０は、典型的に薄膜堆積技術及び／又は厚膜遮蔽技術を利用した構造に基づいて製造されており、これらの技術は、単層又は多層いずれかのセラミック回路基板を含む。ヒータ１００は、例えば通常のシリコン集積回路方法を利用して製造されるモノリシックヒータ１００である。薄膜堆積技術及び／又は厚膜遮蔽技術を利用した構造は、図面において特別に指摘しないが、当業者にとって明らかなように、基板、及び例えば蓋１４５のようななんらかのカプセル封入品を含む。図１Ａにおける電子回路１１０に示す唯一の部品は、液体金属マイクロスイッチ１０５であるが、一方回路１１０の一部としてその他の部品を製造することができることは、当業者にとって明らかであろう。図１Ａにおいて液体金属マイクロスイッチ１０５は、分離した空洞１１５内に配置された２つのヒータ１００を含む。空洞１１５は、それぞれ分離した補助通路１２５を介して主通路１２０に接続されている。主通路１２０は、典型的には水銀１３０である液体金属１３０によって部分的に満たされている。空洞１１５、補助通路１２５、及び液体金属１３０によって満たされていない主通路１２０のその部分は、例えば窒素１３５のような不活性ガスによって満たされている。図１Ａに示すスイッチ状態において、水銀１３０は、等しくない容積の２つのポケット内に分割されている。図１Ａにおける左側の容積は右側の容積より大きいことに注意されたい。液体金属マイクロスイッチ１０５の動作は、次の節において説明する。
【００１６】
図１Ｂは、図１Ａの断面Ａ−Ａにおけるヒータ１００起動される液体金属マイクロスイッチ１０５の側面図の図面である。断面Ａ−Ａは、ヒータ１００を通る平面に沿ってとられている。図１Ｂにおいて、ヒータ１００は、マイクロ回路１１０を製造した基板１４０に取付けられている。対になった表面１５０においてシールされた蓋１４５は、液体金属マイクロスイッチ１０５を覆っている。電気的な接触は、それぞれのヒータ１００への第１及び第２のヒータ接点１０１、１０２を介して、ヒータ１００に行なわれる。前記のように、左側のヒータ１００を通る電流は、左側の空洞１１５におけるガス１３５を膨張させる。この膨張は、ガスの一部が左側の補助通路１２５を介して主通路１２０に入るまで、継続している。
【００１７】
図１Ｃは、図１Ａの断面Ｂ−Ｂにおけるヒータ１００起動される液体金属マイクロスイッチ１０５の側面図の図面である。断面Ｂ−Ｂは、主通路１２０を通る平面に沿ってとられている。右側におけるものよりも大きな容積を有する図１Ｃの左側における液体金属１３０は、液体金属マイクロスイッチ１０５の第１及び第２のマイクロスイッチ接点１０６、１０７を互いに電気的に短絡しているが、一方図１Ｃの右側における液体金属１３０の容積は一層小さく、図１Ｃの右側における第３のマイクロスイッチ接点１０８も、開いた回路を形成している。
【００１８】
図２Ａは、マイクロ回路１１０におけるヒータ１００起動される液体金属マイクロスイッチ１０５の平面図の別の図面である。図２Ａは、左側ヒータ１００が起動された直後における液体金属マイクロスイッチ１０５の状態を示している。この状態において、左側の空洞１１５におけるガス１３５は、主通路１２０と左側補助通路１２５との間の境界面において、主通路１２０の左側における液体金属１３０の一部を主通路１２０の右側に向かって強制し始めるためにちょうど十分であるように加熱されている。
【００１９】
図２Ｂは、マイクロ回路１１０におけるヒータ１００起動される液体金属マイクロスイッチ１０５の平面図のさらに別の図面である。図２Ｂは、左側ヒータ１００がさらに完全に起動された後における液体金属マイクロスイッチ１０５の状態を示している。この状態において、左側の空洞１１５におけるガス１３５は、初めに主通路１２０の左側にあった液体金属１３０の一部を主通路１２０の右側に強制するために十分に加熱されている。
【００２０】
図２Ｃは、図２Ｂの断面Ｃ−Ｃにおけるヒータ１００起動される液体金属マイクロスイッチ１０５の側面図である。断面Ｃ−Ｃは、主通路１２０を通る平面に沿ってとられている。この時、図２Ｃの右側における液体金属１３０は、液体金属マイクロスイッチ１０５の第２及び第３のマイクロスイッチ接点１０７、１０８を電気的に短絡するが、一方図２Ｃの左側における第１のマイクロスイッチ接点１０６は、この時、開いた回路を形成している。
【００２１】
図３は、ヒータ１００起動される液体金属マイクロスイッチ１０５の一部の平面図の図面である。ガス１３５を分離するための装置３３０は、ヒータ１００及び補助通路１２５を含む。図３において、例えばモノリシック集積回路１００であることができるヒータ１００は、空洞１１５内に配置されている。空洞１１５は、補助通路１２５を介して主通路１２０に接続されている。主通路１２０は、典型的には水銀１３０である液体金属１３０によって部分的に満たされている。補助通路１２５は、補助通路１２５内に双頭矢印によって図３に示された横断面積３００を有する。補助通路１２５と空洞１１５との間の境界面における横断面積３００は、第１の値３０１を有し、かつ補助通路１２５と主通路１２０との間の境界面における横断面積３００は、第２の値３０２を有する。図３において、第１の値３０１と第２の値３０２は等しい。このようにヒータが疑似平衡状態に達したとき、補助通路１２５と主通路１２０との境界面において補助通路１２５から出るガスの速度は、補助通路１２５と空洞１１５との間の境界面において補助通路１２５内に入るガス１３５の速度に等しい。ガス１３５の流れ３０５の方向は、図３における矢印の方向によって示されている。
【００２２】
図４は、別の実施態様であるヒータ１００によって駆動される液体金属マイクロスイッチ１０５の一部の平面図である。ガス１３５を分離するための装置３３０は、例えばモノリシック集積回路１００であることができるヒータ１００、及び補助通路１２５を含んでいる。図４において、ヒータ１００は空洞１１５内に配置されている。空洞１１５は、補助通路１２５を介して主通路１２０に接続されている。主通路１２０は、典型的には水銀１３０である液体金属１３０によって部分的に満たされている。補助通路１２５は、補助通路１２５内に双頭矢印によって図４に示された横断面積３００を有する。補助通路１２５と空洞１１５との間の境界面における横断面積３００は、再び第１の値３０１を有し、かつ補助通路１２５と主通路１２０との間の境界面における横断面積３００は、第２の値３０２を有する。図４において、第１の値３０１は、第２の値３０２より大きい。さらに図４において、横断面積３００の値は、補助通路１２５と空洞１１５との間の境界面における第１の値３０１から補助通路１２５と主通路１２０との間の境界面における第２の値３０２まで、直線的に減少する。このようにヒータが疑似平衡状態に達したとき、補助通路１２５と主通路１２０との境界面において補助通路１２５から出るガスの速度は、補助通路１２５と空洞１１５との間の境界面において補助通路１２５内に入るガス１３５の速度より速い。ガス１３５の流れ３０５の方向は、図４における矢印の方向によって示されている。
【００２３】
図５は、さらに別の実施態様に基づくヒータ１００によって駆動される液体金属マイクロスイッチ１０５の一部の平面図である。ガス１３５を分離するための装置３３０は、例えばモノリシック集積回路１００であるヒータ１００、及び補助通路１２５を含んでいる。図５において、ヒータ１００は空洞１１５内に配置されている。空洞１１５は、補助通路１２５を介して主通路１２０に接続されている。主通路１２０は、典型的には水銀１３０である液体金属１３０によって部分的に満たされている。補助通路１２５は、補助通路１２５内に双頭矢印によって図５に示された横断面積３００を有する。補助通路１２５と空洞１１５との間の境界面における横断面積３００は、第１の値３０１を有し、かつ補助通路１２５と主通路１２０との間の境界面における横断面積３００は、第２の値３０２を有する。図５において、第１の値３０１は、第２の値３０２より大きい。さらに図５において、補助通路１２５及び空洞１１５の間の境界面と補助通路１２５及び主通路１２０の間の境界面との間に、位置３１０が配置されている。補助通路１２５の横断面積３００の値は、補助通路１２５と空洞１１５との間の境界面から位置３１０まで第１の値３０１に維持されている。補助通路１２５の横断面積３００の値は、位置３１０から補助通路１２５と主通路１２０との間の境界面まで第２の値３０２に維持されている。このようにヒータが疑似平衡状態に達したとき、補助通路１２５と主通路１２０との境界面において補助通路１２５から出るガスの速度は、補助通路１２５と空洞１１５との間の境界面において補助通路１２５内に入るガス１３５の速度より速い。ガス１３５の流れ３０５の方向は、図５における矢印の方向によって示されている。図５の補助通路１２５の幾何学的構造は、図４のものより容易にかつわずかな費用で製造される。
【００２４】
マイクロ回路１１０における空洞１１５から主通路１２０にガス１３５を伝達するための補助通路１２５に関する本実施形態が従来技術に比べた利点は、補助通路１２５から出てかつ主通路１２０に入る際のガス１３５の速度が速くなる点にある。この速度の増加の結果、液体金属１３０の一層急速な分離が生じ、かつ主通路１２０の壁に対する応力が小さくなるとともに主通路１２０内に生じる熱が小さくなる。この時、主通路１２０の表面のぬれの増加する速度が、図３のものより低いので、液体金属マクロスイッチ１０５の寿命は増加する。
【００２５】
本発明をその有利な実施例に関連して詳細に説明したが、一方記載した実施態様は、例として提供されており、かつ限定として提供されたものではない。記載した実施態様の形及び細部に種々の変更を行なうことができ、その結果、添付の特許請求の範囲の権利範囲内に含まれる均等な実施形態が生じることは、当業者にとって明らかであろう。
【００２６】
最後に、本発明の代表的な実施態様をまとめて示す。
（実施態様１）
液体金属マイクロスイッチ（１０５）の中の液体（１３０）を分離する装置（３３０）において、
前記ヒータ（１００）が、前記液体金属マイクロスイッチ（１０５）が製造される構造の空洞（１１５）の内側に配置されており、
主通路（１２０）に空洞（１１５）を接続するように前記構造の内側に設けられた補助通路（１２５）であって、前記補助通路（１２５）が横断面積（３００）を有し、前記補助通路（１２５）と前記主通路（１２０）との間の境界における前記横断面積（３００）の値が、前記補助通路（１２５）と前記空洞（１１５）との間の境界における前記横断面積（３００）の値より小さく、ガス（１３５）が前記空洞（１１５）及び前記補助通路（１２５）に充満し、前記ガス（１３５）が前記主通路（１２０）内に達することができる補助通路（１２５）を有することを特徴とする、液体金属マイクロスイッチ（１０５）において液体（１３０）を分離する装置（３３０）。
【００２７】
（実施態様２）
前記ヒータ（１００）がモノリシックヒータ（１００）であることを特徴とする実施態様１に記載の装置（３３０）。
【００２８】
（実施態様３）
前記装置（３３０）が、厚膜マイクロ回路（１１０）の一部であることを特徴とする実施態様１に記載の装置（３３０）。
【００２９】
（実施態様４）
前記補助通路（１２５）と前記空洞（１１５）との間の前記境界における前記横断面積（３００）が、第１の値（３０１）を有し、
前記補助通路（１２５）と前記主通路（１２０）との間の前記境界における前記横断面積（３００）が、第２の値（３０２）を有し、
前記補助通路（１２５）の前記横断面積（３００）が、前記補助通路（１２５）及び前記空洞（１１５）の間の前記境界と、前記補助通路（１２５）及び前記空洞（１１５）の間の前記境界及び前記補助通路（１２５）及び前記主通路（１２０）の間の前記境界の間の所定のされた位置（３１０）との間において、前記第１の値（３０１）に維持されており、かつ、
前記補助通路（１２５）の前記横断面積（３００）が、前記所定の位置（３１０）から、前記補助通路（１２５）と前記主通路（１２０）との間の前記境界まで、前記第２の値（３０２）に維持されることを特徴とする、実施態様１に記載の装置（３３０）。
【００３０】
（実施態様５）
前記横断面積（３００）が、前記補助通路（１２５）と前記空洞（１１５）との間の前記境界における前記横断面積から、前記補助通路（１２５）と前記主通路（１２０）との間の前記境界における前記横断面積まで、直線的に減少することを特徴とする、実施態様１に記載の装置（３３０）。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】マイクロ回路におけるヒータ起動される液体金属マイクロスイッチの平面図である。
【図１Ｂ】図１Ａの断面Ａ−Ａにおけるヒータ駆動される液体金属マイクロスイッチの側面図である。
【図１Ｃ】図１Ａの断面Ｂ−Ｂにおけるヒータ駆動される液体金属マイクロスイッチの側面図である。
【図２Ａ】マイクロ回路におけるヒータ駆動される液体金属マイクロスイッチの別の平面図である。
【図２Ｂ】マイクロ回路におけるヒータ駆動される液体金属マイクロスイッチのさらに別の平面図である。
【図２Ｃ】図２Ｂの断面Ｃ−Ｃにおけるヒータ駆動される液体金属マイクロスイッチの側面図である。
【図３】ヒータ駆動される液体金属マイクロスイッチの一部の平面図である。
【図４】別の実施形態におけるヒータ駆動される液体金属マイクロスイッチの一部の平面図である。
【図５】さらに別の実施形態におけるヒータ駆動される液体金属マイクロスイッチの一部の平面図である。
【符号の説明】
１００　ヒータ
１０５　マイクロスイッチ
１１０　マイクロ回路
１１５　空洞
１２０　主通路
１２５　補助通路
１３０　液体
１３５　ガス
３００　横断面積
３０１　第１の値
３０２　第２の値
３１０　位置
３３０　装置
【図１Ａ】
2004055549.tif 000003
【図１Ｂ】
2004055549.tif 000004
【図１Ｃ】
2004055549.tif 000005
【図２Ａ】
2004055549.tif 000006
【図２Ｂ】
2004055549.tif 000007
【図２Ｃ】
2004055549.tif 000008
【図３】
2004055549.tif 000009
【図４】
2004055549.tif 000010
【図５】
2004055549.tif 000011