(57)【要約】【課題】小型にして開閉動作が速く、その動作の安定性を保証することのでき、製造が容易な電気接点開閉装置を提供すること。【解決手段】上記課題は、密封空間内で気体を加熱するためのヒータ１８を備えた第１の基板１０と、電気パスを構成する複数の電極１８４、１８５、１８６、及びヒータに電気的に接続される回路配線が形成される第２の基板１２０の間に、少なくとも一部が移動可能な導電性流体１０６とヒータ及び回路配線間を電気的に接続する相互接続手段１４４を収容する第３の基板１３２を配置し、加熱によって気体の体積を膨張させ前記導電性流体を移動させることで電気パスを変更する電気接点開閉装置により解決される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体と第１の導電性流体とが密封された密封空間内で、加熱によって前記気体の体積を膨張させ前記第１の導電性流体を移動させることで電気パスを変更することのできる導電性流体を用いた電気接点開閉装置において、
前記気体を加熱するためのヒータを備えた第１の基板と、
前記第１の導電性流体と協働して電気信号を伝送する前記電気パスを構成する複数の電極、及び前記ヒータに電気的に接続される回路配線が形成される第２の基板と、
前記第１及び第２の基板間に位置し、前記第１の導電性流体を少なくとも一部が移動可能に収容すると共に、前記ヒータ及び前記回路配線間を電気的に接続する第２の導電性流体を固定位置に収容する第３の基板とを有することを特徴とする電気接点開閉装置。
【請求項２】
前記第２の導電性流体は、前記第１の導電性流体と同じ材料から成ることを特徴とする、請求項１の電気接点開閉装置。
【請求項３】
前記第１及び第２の導電性流体は、液体金属であることを特徴とする、請求項１または請求項２の電気接点装置。
【請求項４】
前記第１の基板は、前記第３の基板上であって前記第１の導電性流体の収容部から離間した位置に複数設けられ、それぞれが、単一の前記ヒータを含んで成ることを特徴とする、請求項１から請求項３記載の電気接点開閉装置。
【請求項５】
前記第１の基板は、単一の基体に複数個の前記ヒータを所定位置に備えることを特徴とする、請求項１から請求項３記載の電気接点開閉装置。
【請求項６】
前記第３の基板は、ガラス基板又はセラミック基板とされることを特徴とする、請求項１から請求項５記載の電気接点開閉装置。
【請求項７】
気体と第１の導電性流体とが密封された密封空間内で、加熱によって前記気体の体積を膨張させ前記第１の導電性流体を移動させることで電気パスを変更することのできる導電性流体を用いた電気接点開閉装置を製造する方法において、
前記気体を加熱するためのヒータを備えた第１の基板を形成する工程と、
電気信号を伝送する前記電気パスを形成する複数の電極、及び前記ヒータに接続される回路配線を含む第２の基板を形成する工程と、
所定の位置に厚さ方向に延びるようにして、前記第１の導電性流体を収容するための第１の収容室、及び前記ヒータと前記回路配線との相互接続に使用される第２の導電性流体を収容するための第２の収容室を含む第３の基板を形成する工程と、
該第３の基板を前記第１及び第２の基板の一方に重ねて固定する工程と、
前記第１及び第２の導電性流体が前記第１及び第２の収容室のそれぞれに入るように前記第１及び第２の基板の他方を前記第３の基板に固定し、前記第１及び第２の導電性流体を密封して収容する工程とを含むことを特徴とする電気接点開閉装置の製造方法。
【請求項８】
前記第１、第２、及び第３の基板の相互接続は、面接合によって行なわれることを特徴とする、請求項７の電気接点開閉装置の製造方法。
【請求項９】
前記第３の基板を形成する工程は、前記第１及び第２の収容室を形成するのと同じ方法により、前記ヒータによって加熱される気体を収容する気体加熱室を形成する工程を含むことを特徴とする、請求項７または請求項８の電気接点開閉装置の製造方法。
【請求項１０】
前記第１の基板を形成する工程は、前記ヒータを単一にして形成し、且つ
前記第１の基板と前記第３の基板との相互の固定は、前記第１の基板を前記第１の収容室から離間させて行われることを特徴とする、請求項７から請求項９の電気接点開閉装置の製造方法。
【請求項１１】
前記第１の基板を形成する工程は、前記ヒータが複数形成されるシリコン層をガラス基板に固定する工程を含むことを特徴とする、請求項７から請求項９の電気接点開閉装置の製造方法。
【請求項１２】
前記第１、第２及び第３の基板は、複数の電気接点開閉装置を含むようにして相互に重ね合わせて固定され、その後に接合された基板を切断して各装置に分離する工程を更に含むことを特徴とする、請求項７から請求項１１記載の電気接点開閉装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気接点開閉装置の構造及びその製造方法に関し、特に高周波信号の伝送が可能である導電性流体を用いた電気接点開閉装置及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の代表的な小型の機械接点式リレーとして、リードリレーが挙げられる。リードリレーは、磁性合金からなる２枚のリードを微小なガラス容器内部に、不活性気体と共に封じ込めたリードスイッチを備えている。リードスイッチの周囲には、電磁駆動用のコイルが巻回され、２枚のリードは、ガラス容器内で、接触または非接触となるように配置されている。通常、この種のリードリレーは、非駆動状態では、コイルには電流が流されず、各リードの先端同士は排斥し合って非接触となり、駆動状態では、コイルに電流が流され、各リードの先端同士は吸引し合って接触する。
【０００３】
しかし、リードリレーは、寸法が大きいため、それが組み込まれる装置内で大きな体積を必要とするという問題がある。また、特に高周波信号を伝送する場合に十分な性能を持たせるための設計が困難であるという問題もある。さらに、リードが屈曲に伴う機械疲労を生じ、経年の使用により正常に動作しなくなることがあり、またロジウム、金等でめっき処理された銀、タングステン、ロジウム等からなる接点が磨耗を生じるため、寿命が比較的短く動作の信頼性が低いという問題も有する。もっともリードリレーのうちで、ウェットリレーと呼ばれる、接点表面が水銀で被覆された型のものは接点の問題については改善されているが、機械疲労の問題は残ったままである。
【０００４】
これらの問題を解決する技術の一例として、後に示す特許文献１及び２に記載される水銀等の液体金属を利用した電気接点開閉装置が知られている。これらの技術によれば、電気接点開閉装置は更に小型化され、高周波信号に対応できる。また、特許文献１に示された構成によれば、各電極表面がチャネル内の気体に含まれる成分等により腐食を受け動作信頼性が低下することが懸念されるものの、特許文献２に示された構成によれば、水銀接点を利用することにより、長寿命化、高信頼性化が可能となる。更に、両者ともに、重力依存（姿勢依存）性が無い状態で液体金属を利用できるという利点を有する。
【０００５】
上述した電気開閉装置は、典型的には２枚の基板を接合して得られる。例えば、特許文献１に記載される如き電気接点開閉装置では、基板としてガラスやシリコンなどの半導体が提案され、また、特許文献２に記載される如き電気接点開閉装置では、基板としてガラス、シリコンなどの半導体、セラミックを利用することが指摘されている。
【０００６】
このような電気接点開閉装置において、基板としてシリコンもしくはガラスが用いられた場合にはエッチングなどの方法を利用してヒータをサスペンド(浮遊)状態にすることが可能である。サスペンドヒータとは、ヒータとなる材料層の下部、もしくはヒータ材料を支える薄い構造体層の下部が空洞状態にある形状を意味し、ヒータの平面的な形状としては特許文献１に記載されたラダー(複数の橋のような)形状、あるいは網目形状、ハニカム形状、また、平面的にはパターンを有しないメンブレン形状も含まれる。このようなサスペンドヒータの利点はガスを加熱する効率が高く、ヒータで発生した熱のほとんどがガスを加熱することに費やされることである。なぜならば、サスペンド構造のためにヒータ面がガスに接触する表面積が大きく、且つ基板に伝導する経路であるところの構造体が基板に接触する部分が狭く薄いため、ガスに効率良く熱を伝えることができる一方で、基板への熱伝導はある程度抑えることができるからである。
【０００７】
【特許文献１】
特開平９−１６１６４０号公報（第４−７頁、第３図、第１１図）
【特許文献２】
特開２０００−１９５３８９号公報（第９−１１頁、第１−９図）
【０００８】
【発明の解決すべき課題】
サスペンドヒータを工業的に実現するもっとも好適な方法は、基板にシリコンを用いて、その表面に薄膜ヒータを形成し、異方性エッチングによりヒータ床面部分をエッチングしてヒータ構造をサスペンド状態にするものである。ガラスを用いても可能であるが、ガラスの場合には等方性エッチングとなるので、床面の空洞部分の形状制御が難しいという欠点がある。その他、工業的に床面エッチングが可能な材料、例えば水晶やGaAsでも同様のことが可能である。しかし、これらの材料については、現在のところ残念ながらフィルドビアやビアホールを含む多層基板技術が工業的に利用可能ではなく、表面配線のみの回路形成となってしまう。従って、これらの基板を用いた電気接点開閉装置によれば高周波特性には限界があり、また、フィルドビアを作成して、低い接続抵抗を実現するのは困難である。
【０００９】
一方で、基板としてセラミックを用いた場合には、工業用に広く用いられているセラミック多層基板の技術を用いることによって、接点電極をフィルドビア構造にすることが可能であり、
この結果、低い接続抵抗と好適な高周波特性を実現することができる。しかし、セラミック上にサスペンドヒータを作成することは工業的には困難であり、セラミック上に直接薄膜ヒータなどを形成することになる。この場合にはヒータによる熱は、そのかなりの部分が直接基板に伝導してしまい、ガスを加熱する効率は低くなる。結果として低パワーで速いスイッチング駆動が可能な電気接点開閉装置を実現するのは困難である。
【００１０】
そこで本発明は、閉時の接続抵抗が低く、且つ高周波信号についての減衰が小さく、更に、開閉に必要なパワーが少なくて済み、開閉の速度が速い小型の電気接点開閉装置を提供することを第１の目的とする。
【００１１】
更に、本発明は、製造容易で且つ量産に適した構成にして上述の第１の目的を達成することのできる電気接点開閉装置を提供することを第２の目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上述した本発明の課題は、気体加熱用のヒータを備えた第１の基板と、電気信号のパスを構成する複数の電極と、ヒータへ電源供給するための回路配線とを含む第２の基板と、両基板の間に配置され、一部が移動可能とされる第1の導電性流体と、ヒータ及び回路配線間を電気接続する第２の導電性流体とを収容する第３の基板とを含む電気接点開閉装置により解決される。
【００１３】
本発明の電気接点開閉装置は、ヒータにより気体を加熱させ、加熱膨張に伴う圧力により導電性流体の一部を移動させ、電気パスを変更させるものである。上述の構成によれば、小型ながら、効果的な熱的分離が行われ、ヒータにおいて変換された熱エネルギーを効率良く利用することができ、従って、小さなパワーで高速開閉が可能な電気接点開閉装置を提供することができる。また、信号伝送のための電気パスは、ヒータを構成する基板とは異なる基板上に、比較的小さな制限により適当なパターンによって形成することができるので、例えば、パターンを含む基板をセラミックやガラスなどの誘電体損が少ない材料にし、且つ当該基板上又は基板内に必要な接地面を構成することによって高周波信号の伝送に適した電気接点開閉装置を実現することができる。また、スイッチング及びヒータへの電気接続には、導電性流体を使用しており、製造容易であり、量産にも適する。
【００１４】
また、上述した課題は、本発明による電気接点開閉装置の製造方法により解決される。この方法によれば、第３の基板を第１及び第２の基板の一方に重ね、第１及び第２の導電性流体収容室内に導電性流体が入るように、第１及び第２の基板の他方を第３の基板に固定することにより導電性流体を密封する。これにより、電気パスの変更のために使用される第１の導電性流体は、その一部が変形・移動可能となるように第１の収容室内に配置され、ヒータと電源用の回路配線との間の接続に使用される第２の導電性流体は、安定した接続を維持するよう固定位置に置かれることとなる。
【００１５】
従って、密封構造が容易に実現され、製造上のメリットとなる。第１及び第２の導電性流体は、同じ材料でも良いし、異なる材料でも良い。第１の基板、第３の基板の形状・寸法は、そのヒータによって発生する熱エネルギーの効率的な利用のため、或いは高周波信号伝送の要請のために、適当な材料を選択することができ、よって高性能の電気接点開閉装置を実現できる。加えて、複数の装置を含むように第１、第２、及び第３の基板を相互に接合して固定した後に、ダイシング等の手法により各装置に分離することもできるので、量産にも適している。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照して本発明の好適実施形態となる電気接点開閉装置について詳細に説明する。
【００１７】
図１及び図２は、本発明の第１の好適実施形態となる電気接点開閉装置の全体の構成を示す図である。図２は平面図を示し、図１には図２中の線Ａ−Ａ及び線Ｂ−Ｂに沿う位置の断面を便宜上合成して示す。図２は、第３の基板１３２からそれを透かして第２の基板１２０の表面を見たものであり、破線によって貫通孔および通路の形状を示している。更に、図３は、サスペンドヒータ１８とシリコン基板１１の詳細な構成を示す図で、（ａ）が平面図、（ｂ）が（ａ）中の線Ｃ−Ｃに沿う位置の断面図、（ｃ）が（ａ）中の線Ｄ−Ｄに沿う位置の断面図である。
【００１８】
図１及び図２に示されるように、本好適実施形態となる電気接点開閉装置（以下では単に装置ともいう。）１５０は、２枚の第１の基板１０、第２の基板１２０、第３の基板１３２、及び第４の基板１３１で構成される。以下に、各基板に関連する構成について製造方法を含めて順に説明する。
【００１９】
図３によれば、第1の基板１０は、密封された気体を加熱するためのサスペンドヒータ１８、ヒータの電極パッド１９（図示しない）ならびに、サスペンドヒータ１８とヒータの電極パッド１９を支持するシリコン基板等からなる基体１１より成る。
【００２０】
第１の基板１０の基体１１の一面、即ち第３の基板に接着される側の面上には、サスペンドヒータ１８を構成すべく櫛形パターンの抵抗層が形成される。基板１１の基体は、シリコン以外の材料でも良いが、特にヒータをサスペンド構造にしない場合には、ガラス等の比較的熱伝導率の小さな材料から形成され得る。本実施形態では、図３に示すサスペンド構造を実現するべく、エッチング等の公知の方法によって、シリコン基板１１上に凹部１２、及びその上に被着されるようにパターン化されたサスペンドヒータ１８が形成される。基体１１の形状・寸法は、スイッチ動作時間、即ちヒータ加熱によってスイッチを動作させるための時間、及びその後にヒータが冷却されるまでの時間の双方を最適化するようにして決定される。抵抗層の下部はキャビティ構造になっており、従って、ヒータの櫛形パターンはサスペンド(浮遊)状態とされる。抵抗層には、シリコン材料を用いることもできるし、Pt、Ni、Crなどの金属膜が含まれていてもよい。後者の場合には金属膜を導電性流体の蒸気と反応しない材料、例えばSiO2、SiN等でコーティングし、雰囲気と金属が直接接触しないようにする必要がある。
【００２１】
第２の基板１２０はセラミック多層基板からなり、一面に設けられた電極１８１、１８２、１８３と、サスペンドヒータ１８への電源供給用の電極パット１９４と、反対面に設けられた外部接続用パット１９６、１９８と、基板を貫通するように形成され、フィルドビア１８４、１８５、１８６双方の面に設けられた電極同士を電気的に接続するフィルドビア１８４、１８５、１８６、１９５を有する。即ち、フィルドビアの両端に電極１８１、１８２、１８３、外部接続用パット１９６（図中には１つのみ示す）が電気的に接続され、高周波信号を伝送する電気パスが形成される。  同様に、サスペンドヒータ１８の電源供給用にフィルドビア１９５を形成し、その両端に電極パット１９４と外部接続用パット１９８が形成される。図１、図２に示されるように、チャネル１６１に沿って形成される電極１８１、１８２、１８３は、チャネル１６１の幅よりも広幅に形成される。
【００２２】
また、図示されるように、第３の基板１３２に接する側の、第２の基板１２０の面には、２つの第１の基板１０それぞれに対応する第３の貫通孔１４２、１４３とチャネル１６１との連通する通路を構成するための溝１２８、１２９が形成される。本実施形態では、溝１２８、１２９は、エキシマレーザにより形成される。溝の製造は、一般にグリーンシートによる多層基板技術、もしくはレーザによる加工技術が用いることができる。グリーンシートによる方法は、セラミック多層基板の作製工程の中で同時に行うことが可能であり、一度に大量に作成するのに有利であるが、パターンの微細化に限界がある。これに対し、レーザによる方法は、工程が増えるが、微細化の点では有利である。レーザによる方法としては、ＹＡＧレーザによって直接ビーム描画する方法やエキシマレーザによりマスクを用いてパターンを焼き付ける方法が挙げられる。ＹＡＧレーザはマスクを必要としないが、深さのコントロールが難しく、大量生産には不利な面がある。一方、エキシマレーザはこれに比較すると、深さのコントロールが容易で、マスクを用いれば大量生産にも対応可能である。生産量やパターンによってこれらの方法から最適なものを選択して用いることが可能である。
【００２３】
溝１２８、１２９は、導電性流体１０６が入り込まない程度に十分狭幅にして形成され、チャネル１６１を交差するように延びる。尚、図示していないが、セラミック多層基板である第２の基板１２０の表面層、裏面層あるいは内層に適当な接地面を形成することによって、信号のインピーダンスマッチングを行っており、これによって高周波信号を少ない減衰で導通させることができる。
【００２４】
本実施形態では、第３の基板１３２はガラス基板とされる。図２の概略平面図ならびに図１の断面図から理解されるように、第３の基板１３２は、第２の基板１２０の電極１８１、１８２、１８３に対応する位置に、導電性流体１０６である水銀を収容する細長形状の第１の貫通孔にてなるチャネル１６１、第１の基板１１０の電極パッド１９と第２の基板１２０の電極パッド１９４との間の電気的な相互接続に利用される第２の貫通孔１４１、及び第１の基板１０上のサスペンドヒータ１８に対向する位置に第３の貫通孔にてなる気体加熱室（第３の貫通孔）１４２を有する。各貫通穴はサンドブラストによって形成され、好ましくは一括して行われる。また、第３の基板１３２は、第１の基板１０を支持することにも使用される。
【００２５】
図１に示されるように、第２の貫通孔１４１内には、水銀で構成された相互接続手段１４４が配置される。相互接続手段１４４は、第１の基板１０に形成される電極パッド１９と、第２の基板１２０の一面に設けられる電極パッド１９４とを電気的に相互接続し、第２の基板１２０よりヒータ電力を供給することを可能にするものである。本実施形態のように、相互接続手段１４４を構成する導電性流体はチャネル１６１内に位置する導電性流体１０６と同じ材料するのが製造上好適であるが、ＧａやＧａＩｎ合金などの他の液体金属も利用可能である。このように、スイッチングに関わる電気的な経路はフィルドビアとバルクの導電性流体によって形成されているため、閉時の接続抵抗を低くすることができる。
【００２６】
また、第３の貫通孔１４２は、サスペンドヒータ１８に対応する位置に重なるように形成される。これにより、第３の貫通穴１４２、１４３と第１の基板１０におけるサスペンドヒータ１８が形成された凹部１２は、互いに協働してヒータキャビティが形成される。
【００２７】
第４の基板１３１は、第３の基板１３２に固着されて第２の基板１２０と協働してチャネル１６１を封止するとともに、第３の基板１３２との間にサスペンドヒータ１８を備える第１の基板１０を収容し、外部環境から保護している。尚、本実施形態では第４の基板１３１、第３の基板１３２はガラス基板を使用しているが、誘電体損失が小さく導電性流体１０６に濡れない他の材料、たとえばセラミック等で構成しても良い。
【００２８】
第４の基板には、第２の基板の電極１８１、１８２、１８３と対向するようにしてパッド１８１’、１８２’、１８３’を設けた。このような構成により、断面が略台形又は矩形とされるチャネル１６１の内表面に沿って導電性流体１０６が十分な濡れ性をもって広がり、ヒータを動作させたときに熱によって生じる気体の膨張力を効率良く導電性流体１０６に伝え、導電性流体１０６の変形又は移動の確実性を高め、スイッチング動作の信頼性を向上させることができる。
【００２９】
次に、装置１５０の動作を説明する。外部接続用パット１９８にヒータ加熱用電流を供給すると、電流はフィルドビア１９５、電極パット１９４、相互接続部材１４４、電極パット１９を介してサスペンドヒータ１８に供給され、気体加熱室１４３を加熱する。このとき、サスペンドヒータ１８と基板１１の間の凹部１２も、気体の加熱室となり、サスペンドヒータ１８の空隙を通して第３の基板１３２内の気体加熱室１４３に連通して加熱室が形成される。この加熱室は、溝１２８およびチャネル１６１とあいまって密封空間を形成している。加熱室での膨張した気体の圧力は、溝１２８を介し、チャネル１６１との交差部分で導電性流体１０６を分離する。この分離により電極１８１と電極１８２が非導通状態となる。一方、気体圧力により移動した導電性流体１０６はチャネル１６１内を電極１８６方向に移動する。この結果、電極１８２と電極１８３は導通状態になる。
【００３０】
同様に、元の状態に復帰するためには、気体加熱室１４２に対応するサスペンドヒータ１８を加熱して溝１２９よりチャネル１６１に気体圧力を付与することにより、電極１８１と電極１８２が導通状態に、電極１８２と電極１８３が非導通状態とすることができる。このように加熱室での気体膨張で発生した圧力が、溝１２８または１２９を介し、チャネル１６１との交差部分で導電性流体１０６を分離、移動、合体させることで隣接した一対の電極間を電気的に導通しつつ、他の一つの電極を分離する。即ち、細長形状のチャネル１６１に収容された導電性流体１０６の移動により、中央の電極１８２と他の電極１８１、１８３とが開閉されることで電極１８２を極とした１極双投型の開閉装置が実現されるのである。
【００３１】
更に、第４の基板１３１は、ガラス基板をサンドブラスト加工することにより第1の基板１０の収容部１５２を形成し、第２の基板の電極１８１、１８２、１８３と対向する位置に電極パッド１８１’、１８２’、１８３’を設ける。
【００３２】
次に、上述のようにして、用意された各基板は相互に再接合されて固定される。第１の工程では、第３の基板１３２のチャネル（第１の貫通孔）１６１と第２の基板１２０の電極１８１、１８２、１８３の位置が合うように、また第３の基板１３２の第２の貫通孔１４１と第２の基板１２０の電極パット１９４の位置が合うように、第３の基板１３２と第２の基板１２０を面接合する。そして、最後に第２の基板１２０とチャネル１６１により形成される第１の収容室と、第２の基板１２０と第２の貫通孔１４１によって形成される第２の収容室にそれぞれ導電性流体１０６である水銀が入るようにサスペンドヒータ１８と気体加熱室１４２、電極パット１９と第２の貫通孔１４１の位置が合うように第１の基板１０を第３の基板１３２に面接合し、第４の基板１３１によりチャネル１６１を封止する。
【００３３】
なお、本実施形態では第３の基板１３２を第２の基板１２０に先に固定して装置を作成したが、第１の基板１０と第３の基板１３２を先に固定してその後に第２の基板１２０を固定して密封構造を形成してもよい。この場合には、導電性流体１０６の注入は、第１の基板１１０を固定した第３の基板１３２側に行ってもよいし、第２の基板１２０側に行ってもよい。
【００３４】
本実施形態では、第１の基板１０、第２の基板１２０、第３の基板１３２、及び第４の基板１３１のサイズは、それぞれ、１．５×１．５ ×０．２ mm、５×４×０．４mm、５×４×０．１mm、及び５×４×１mmである。また、電極パッド１９４は０．２mm角とし、第１の基板１０に形成される電極パッド１９を０．１８mm角とした。また、第２の貫通孔１４１は略台形断面を持つ底面０．２２mm、上面０．２０mmのものを用いた。このように、第２の貫通孔１４１の外形寸法を第1の基板１０上の電極パッド１９のそれより大きくすることにより、導電性流体の許容量に冗長性を持たせることが好ましい。第２の貫通孔１４１はサンドブラスト法を用いているために略台形断面となったが、レーザ加工法を用いれば底面、上面ともほぼ０．２２mm角とすることもできる。その場合には第２の基板上の電極パッド１９４と第１の基板１０に形成される電極パッド１９をともに０．２０mm角としてもよい。また、貫通孔と電極パッドは必ずしも四角形である必要はなく、長方形、円形でもよい。
【００３５】
本実施形態によれば、第１の基板１０は、プレーナ型にして直接的に第３の基板１３２に接着されるため、接着自体で気体加熱室１４２の封止を同時に得ることができ、接着用の樹脂以外の特段の封止樹脂工程は必要とされないことから製造工程が簡便になり、更にヒータ１８のキャビティ体積をより正確に設計できる。
【００３６】
また、上述したように第４の基板１３１の表面に電極パッド１８１’、１８２’、１８３’を設けることにより、スイッチング動作の信頼性を向上させることができ、また、スイッチングに関わる電気的な経路はフィルドビアと導電性流体によって形成されているため、閉時の接続抵抗を低くすることができる。
【００３７】
更に、第２の基板に誘電体損の少ないセラミック基板やガラス基板を用い、セラミックやガラスに対して誘電体損の大きなシリコン基板１１をチャネル１６１上と異なる位置に配置することにより、サスペンドヒータの特徴である高速スイッチング特性を維持しつつ優れた高周波特性を実現している。
【００３８】
図４、図５及び図６は、本発明による第２の好適実施形態を説明するためのそれぞれ断面図及び平面図である。図５には図４における第１の基板２１０と第３の基板２３２との接合面G―Gから第３の基板側２３２の平面図を示し、図６には第１の基板２１０側の平面図を示す。なお、図４には図５、６中の線A−Aに沿う位置、及び線Ｂ−Ｂに沿う位置の断面を便宜上合成して示す。
【００３９】
第２の実施形態である装置２５０は、複数のサスペンドヒータ１８を一体的に内包した第１の基板２１０、チャネルとなる長細の貫通孔２６１と気体の加熱室となる貫通孔２４２、２４３と、サスペンドヒータ１８への電力供給パスとなる貫通孔２４１とを備えたガラスにてなる第３の基板２３２、高周波信号を少ない減衰で通過させるセラミックにてなる第２の基板２２０で構成される。なお、第２の基板２２０材料はガラスセラミックでもよい。
【００４０】
図４に示すように第１の基板２１０は、工業的にサスペンドヒータを作り易い単結晶シリコン層２１１と絶縁性基板２１２の張り合わせで構成され、その単結晶シリコン層２１１の一部にサスペンドヒータ１８、気体の加熱室２０およびサスペンドヒータ１８に電力を供給する電極パッド１９を有する。絶縁性基板２１２には単結晶シリコン層２１１と接合容易なパイレックス（Ｒ）ガラス基板を採用した。サスペンドヒータ１８の他端には電極パッド１９と同形状の電極パッド３１９がある。シリコン層２１１の表面には、第１の実施形態と同様に、電極パッド２８１’、２８２’、２８３’が設けられる。また当該サスペンドヒータ１８は図４に示すように、第１の基板３１０上の２個所に同様な形状で配置される。
【００４１】
シリコン単結晶層２１１は、ヒータ１８を第１の基板２１０より浮遊した状態で支持される構造を実現するために用いる。しかし、一般にシリコンは誘電体損失が大きく、電極２８１、２８２、２８３および導電性流体２０６とで形成される電気パスと、第２の基板２２０の裏面にあるグランド金属間に存在する電気力線の多くが当該シリコン層２１１を貫く状態で用いると、電気パスの高周波特性が劣化する。より具体的には、シリコン層２１１が電極２８１、２８２、２８３および導電性流体２０６とで形成される電気パスの幅より大きな幅でグランド面３０と対向し、かつシリコン層２１１の厚みが大きい状態で用いると、電気パスの高周波特性が劣化する。このため本実施形態では、誘電体損失が小さいガラス層２１２と張り合わせることで、シリコン単結晶層の厚みを５０μｍ、抵抗率を１０００Ωcmとし、かつ、電気パスを取り囲むように、シリコン単結晶層を溝２０１で示すように取り除き、高周波特性の劣化を防いでいる。良好な高周波特性を得るためには、シリコンの単結晶層の厚みを５０μｍから１００μｍ程度とし、シリコンの単結晶層の抵抗率は１０００Ωcm以上が望ましい。また、溝２０１でシリコンの単結晶層を取り除く領域幅は、高周波信号のインピーダンス整合をとるために第２の基板２２０の厚み程度が好ましいため、本実施形態では１００μｍとした。また、シリコン単結晶層２１１の表面は直流絶縁性を得るため熱酸化絶縁層２７０で覆われている。
【００４２】
第２の基板２２０上の電極２８１、２８２、２８３はフィルドビア２８４、２８５、２８６によって、また、ヒータ電力供給用の電極パッド２９４はフィルドビア２９５によって、第２の基板２２０の裏面にある外部接続用パッドに取り出される。本実施形態では第２の基板２２０の厚みは１００μｍとしたが、適度な強度を保ちつつ装置の小型化を図る観点から、１００から４００μｍ程度が望ましい。また、図示しないが、第１の実施形態と同様に、第２の基板の外面、又は多層基板としたときの内層には、インピーダンス整合のための接地層が形成され得る。
【００４３】
図４の加熱室２４２は第２の基板２２０内にある溝２２８によってチャネル２６１とそれぞれ連通され、第１の実施形態と同様に、加熱室での気体膨張で発生した圧力が、溝２２８を介し、チャネル２６１との交差部分で導電性流体２０６を分離、移動、合体させることで隣接した電極間の開閉を行う。
【００４４】
第３の基板２３２は第１の実施形態と同様に、導電性流体２０６を収容する細長形状の貫通孔にてなるチャネル２６１、第１の基板２１０と第２の基板２２０との間の電気的な相互接続に利用される第２の貫通孔２４１、ならびに、第１の基板２１０上のサスペンドヒータ１８に対向する位置に第３の貫通孔にてなる気体加熱室２４２を有する。
【００４５】
また、第２の貫通孔２４１内には、第１の実施形態と同様に、水銀で構成された相互接続手段２４４が配置される。相互接続手段２４４は、弾性を有し、第１の基板２１０に形成される電極パッド１９と、第２の基板２２０の一面に設けられる電極パッド２９４とを電気的に相互接続し、第２の基板２２０よりヒータ電力を供給することを可能にする。
【００４６】
以上のように、第２の実施形態は、第１の実施形態の構成を変形したものであり、スイッチング動作の原理は第１の実施例と変わらないため、スイッチング動作の説明は省略する。
【００４７】
次に、装置２５０の製造方法について詳細に説明する。
まず第1の基板２１０は、熱酸化絶縁層２７０で被覆した単結晶シリコン２１１上にサスペンドヒータ１８を形成した後に、異方性エッチングにより気体加熱室２０と溝２０１を同時形成し、絶縁性基板であるガラス基板２１２に固定する。
【００４８】
また、第２の基板２２０には、チャネル２４３、２４２に連通するように設けられる溝２２８、２２９や電気パスを形成するためのフィルドビア２８４、２８５、２８６、電極２８１、２８２、２８３等を設ける。更に第３の基板２３２には、チャネル２６１、第２の貫通孔２４１、ならびに気体加熱室２４２を設ける。第２の基板２２０と第３の基板２３２の製造方法は第１の実施形態において説明したものと同様であるので、説明を省略する。
【００４９】
その後、第３の基板２３２のチャネル（第１の貫通孔）２６１と第２の基板２２０の電極２８１、２８２、２８３の位置が合うように、また第３の基板２３２の第２の貫通孔２４１と第２の基板２２０の電極パット２９４の位置が合うように、第３の基板２３２と第２の基板２２０を面接合する。次に、第２の基板２２０とチャネル２６１により形成される第１の収容室と、第２の基板２２０と第２の貫通孔２４１によって形成される第２の収容室にそれぞれ導電性流体２０６である水銀が入るようにサスペンドヒータ１８と気体加熱室２４２、電極パット１９と第２の貫通孔２４１の位置が合うように第１の基板２１０を第３の基板２３２に面接合し、導電性流体２０６を密封する。
【００５０】
なお、本実施形態では第３の基板２３２を第２の基板２２０に先に固定して装置を作成したが、第１の基板２１０と第３の基板２３２を先に固定してその後に第２の基板２２０を固定して密封構造を形成してもよい。この場合には、導電性流体２０６の注入は、第１の基板２１０を固定した第３の基板２３２側に行ってもよいし、第２の基板２２０側に行ってもよい。
【００５１】
第２の実施形態のような構成を採用することにより、第１の基板２１０に複数のサスペンドヒータ１８が内包され、第１の基板２１０と第３の基板２３２との接合が同サイズの基板同士でなされることにより、大判のウェーハ状態で一括して第１、第３、第２の基板を接合しその後、切断分離することで各個を得るという大量生産に適した方法で製造でき、コストを抑えた生産が可能となる。
【００５２】
また、電気パスを通る電気信号の電気力線が主にセラミックである第２の基板２２０を貫き、第１の基板２１０のシリコン層２１１に加わらない構造とすることで、高速スイッチング可能なシリコン基板上のサスペンドヒータ１８を使いながらも、優れた高周波特性を実現している。
【００５３】
なお、本実施形態においても第１の実施形態と同様に、第１の基板２１０のシリコン層２１１の表面に電極パッド２８１’、２８２’、２８３’を設けることにより、スイッチング動作の信頼性を向上させることができる。なぜならば、断面が略台形又は矩形とされるチャネル２６１の内表面に沿って導電性流体が十分な濡れ性をもって広がって、ヒータを動作させたときに熱によって生じる気体の膨張力を効率良く導電性流体２０６に伝えることにより、導電性流体２０６の変形又は移動の確実性を高めるからである。また、スイッチングに関わる電気的な経路はフィルドビアとバルクの導電性流体によって形成されているため、閉時の接続抵抗を低くすることができる。
【００５４】
加えて、第１及び第２の実施形態の両方において、第１、第２、及び第３の基板の接合による固定は、各基板に多数の電気開閉装置を設けておき、接合後にそれらを分離するようにしても良い。このようにすることによって、製造工程の一部を共通化することができ、量産に適する。分離はダイシング等の手法により、基板を切断することによって行われ得る。第１の実施形態の場合には、第４の基板１３１を接合した後に行うのが好ましい。
【００５５】
以上のように、本発明の好適実施形態となる電気接点開閉装置について詳細に説明したが、これはあくまでも例示的なものであり、当業者によって更に様々な変形・変更が可能である。
【００５６】
最後に、本発明の特徴は以下のとおりである。
即ち、気体と第１の導電性流体とが密封された密封空間内で、加熱によって前記気体の体積を膨張させ前記第１の導電性流体を移動させることで電気パスを変更することのできる導電性流体を用いた電気接点開閉装置において、前記気体を加熱するためのヒータを備えた第１の基板と、前記第１の導電性流体と協働して電気信号を伝送する前記電気パスを構成する複数の電極、及び前記ヒータに電気的に接続される回路配線が形成される第２の基板と、前記第１及び第２の基板間に位置し、前記第１の導電性流体を少なくとも一部が移動可能に収容すると共に、前記ヒータ及び前記回路配線間を電気的に接続する第２の導電性流体を固定位置に収容する第３の基板とを有することを特徴とする電気接点開閉装置である。
【００５７】
ここで、前記第１及び第２の導電性流体は、前記第１の導電性流体と同じ材料としても良い。
【００５８】
また、前記第１及び第２の導電性流体は、液体金属であっても良い。
【００５９】
また、前記第１の基板は、第３の基板上であって前記第１の導電性流体の収容部から離間した位置に複数設けられ、それぞれが、単一の前記ヒータを含んでも良い。
【００６０】
また、前記第１の基板は、単一の基体に複数個の前記ヒータを所定位置に備えても良い。
【００６１】
また、前記第３の基板は、ガラス基板又はセラミック基板としても良い。
【００６２】
更に、本発明は以下の特徴も有する。
即ち、気体と第１の導電性流体とが密封された密封空間内で、加熱によって前記気体の体積を膨張させ前記第１の導電性流体を移動させることで電気パスを変更することのできる導電性流体を用いた電気接点開閉装置を製造する方法において、前記気体を加熱するためのヒータを備えた第１の基板を形成する工程と、電気信号を伝送する前記電気パスを形成する複数の電極、及び前記ヒータに接続される回路配線を含む第２の基板を形成する工程と、所定の位置に厚さ方向に延びるようにして、前記第１の導電性流体を収容するための第１の収容室、及び前記ヒータと前記回路配線との相互接続に使用される第２の導電性流体を収容するための第２の収容室を含む第３の基板を形成する工程と、該第３の基板を前記第１及び第２の基板の一方に重ねて固定する工程と、前記第１及び第２の導電性流体が前記第１及び第２の収容室のそれぞれに入るように前記第１及び第２の基板の他方を前記第３の基板に固定し、前記第１及び第２の導電性流体を密封して収容する工程とを含むことを特徴とする電気接点開閉装置の製造方法である。
【００６３】
ここで、前記第１、第２、及び第３の基板の相互接続は、面接合によって行なっても良い。
【００６４】
また、前記第３の基板を形成する工程は、前記第１及び第２の収容室を形成するのと同じ方法により、前記ヒータによって加熱される気体を収容する気体加熱室を形成する工程を含んでも良い。
【００６５】
また、前記第１の基板を形成する工程は、前記ヒータを単一にして形成し、且つ前記第１の基板と前記第３の基板との相互の固定は、前記第１の基板を前記第１の収容室から離間させて行われても良い。
【００６６】
また、前記第１の基板を形成する工程は、前記ヒータが複数形成されるシリコン層をガラス基板に固定する工程を含んでも良い。
【００６７】
また、前記第１、第２及び第３の基板は、複数の電気接点開閉装置を含むようにして相互に重ね合わせて固定され、その後に接合された基板を切断して各装置に分離する工程を更に含んでも良い。
【００６８】
【発明の効果】
本発明の電気接点開閉装置は、ヒータを備えた第１の基板と、電気信号のための電気パスが構成される第２の基板と、電気的なスイッチング及び電気的相互接続に使用される導電性流体を収容する第３の基板とを別個に用意し、これらを組み合わせた構成を有するので、小型ながら、スイッチングのためのエネルギーの損失を少なくすることができ、小さなパワーで駆動可能であり、比較的速い開閉速度が実現される。特に、各基板を異なる材料の基体から構成することにより、ヒータでのエネルギー伝達の効率が高く、或いは高周波信号伝送に適した構成を実現できる。更に、導電性流体を利用しているため閉時の接続抵抗は十分小さくすることができるとともに、製造が容易で大量生産にも適している。
【００６９】
また、本発明の電気接点開閉装置では、電気パスの一部を成す第１の導電性流体と、ヒータのための電気接続に使用される第２の導電性流体（液体金属等）を共通にすることもでき、製造容易である比較的単純な構成を実現できる。第１及び第２の導電性流体は共通の基板内に収容されるので、単一の基板の加工プロセスにより収容空間を同時に形成できることも製造上の利点となる。
【００７０】
また、本発明の電気接点開閉装置では、誘電体損の大きなシリコン基板を高周波信号経路近傍に全く配置しないか、又は最小の寸法にして配置するよう構成できるので、高周波信号の減衰が少ない電気接点開閉装置を提供することができる。
【００７１】
更に、本発明の電気接点開閉装置の製造方法によれば、電気パスの構成のため、及びヒータの電気接続のために導電性流体を用いており、製造工程中の一つの工程で導電性流体（液体金属等）を注入するのみで、両目的が実現されるので、高性能の電気接点開閉装置を比較的容易に製造可能であり、量産にも適している。特に、一連の製造工程は、第１、第２、及び第３の基板を別個に用意して、これらを面接合により張り合わせることによって実現されるので、比較的容易に小型の密封構造を実現できる。
【００７２】
また、本発明の電気接点開閉装置の製造方法によれば、高周波信号伝送の際に誘電体損を生じる材料を含む第１の基板を高周波の電気パスから離間する位置に配置する構成、又は誘電体損を最小にすることができるよう誘電体損を発生する材料の厚さを最小にする構成も容易に実現でき、高性能の電気接点開閉装置を実現できる。
【００７３】
また、本発明の電気接点開閉装置の製造方法は、複数の装置を共通の製造工程で製造して、その後それらを分離することにより電気接点開閉装置を形成することもできるので、量産性に優れている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の好適実施形態を示す。図２中の線A―A及び線Ｂ−Ｂに沿う位置での断面図を合成して示す図。
【図２】本発明の第１の好適実施形態となる電気接点開閉装置で、第１の基板と第３の基板の接合面を平面図で示したものである。
【図３】本発明の第１の好適実施形態となるサスペンドヒータの平面図ならびに断面図を示したものである。（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）中の線Ｃ−Ｃに沿う位置の断面図、（ｃ）は（ａ）中の線Ｄ−Ｄに沿う位置の断面図である。
【図４】本発明の第２の好適実施形態となる電気接点開閉装置を示す、図５中の線Ａ−Ａ及び線Ｂ−Ｂに沿う位置の断面図を合成して示す図。
【図５】本発明の第２の好適実施形態において第１の基板３１０と第３の基板３２２との接合面から第３の基板側を見た平面図を示したものである。
【図６】本発明の第２の好適実施形態において第１の基板３１０と第３の基板３２２との接合面から第１の基板３１０側を見た平面図を示したものである。
【符号の説明】
１５０；２５０    電気接点開閉装置
１０；２１０    第１の基板
１２０；２２０    第２の基板
１３２；２３２    第３の基板
１３１  第４の基板
１８    サスペンドヒータ
１６１；２６１    チャネル（第１の貫通孔）
１４１；２４１    第２の貫通孔
１４２；２４２    気体加熱室（第３の貫通孔）
１８１、１８２、１８３；２８１、２８２、２８３    電極
【図１】
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【図２】
2004199887.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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