(57)【要約】【課題】  マイクロマシン技術を用いて高信頼性で低コスト化を図った長寿命のリレーを実現する。【解決手段】  絶縁部材上に形成された流路と、この流路の一端に形成された室と、前記流路の途中に配置された複数の電極と、前記室に封入され加熱により膨張し、冷却により収縮する気体と、前記室に配置された加熱又は冷却手段と、前記流路に封入された導電流体で構成されている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁部材上に形成された流路と、この流路の一端に形成された室と、前記流路の途中に配置された複数の電極と、前記室に封入され加熱により膨張し、冷却により収縮する気体と、前記室に配置された加熱又は冷却手段と、前記流路に封入された導電流体で構成されたことを特徴とするリレー。
【請求項２】
前記流路は三角形状に形成され、前記室と絞りを介して連通していることを特徴とする
請求項１記載のリレー。
【請求項３】
絶縁部材上に形成された流路と、この流路に所定の間隔を隔てて配置された複数の電極と、前記流路の両端に前記流路に連通して配置された第１、第２の室と、この第１、第２の室に封入された気体および加熱又は冷却手段と、前記流路に封入された導電流体で構成されたことを特徴とするリレー。
【請求項４】
前記複数の電極は一端が前記流路に封入された導電流体に接して配置され、前記電極の一端は加熱又は冷却手段のオンオフに基づく前記気体の膨張又は収縮により前記流路内を移動する導電流体に対して接触又は非接触となるように構成されたことを特徴とする請求項１乃至３に記載のリレー。
【請求項５】
前記流路に配置された電極は少なくとも２個を一組として絶縁性液体で隔離したことを特徴とする請求項１又は３又は４に記載のリレー。
【請求項６】
前記電極が導電流体に接する部分の流路は容積の大きな流路とされ、他の部分の流路は容積が小さく絞りとして機能するように構成したことを特徴とする請求項１又は３乃至５に記載のリレー。
【請求項７】
前記流路を含む電極の下部に絶縁膜を介してグランド電極を設けたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のリレー。
【請求項８】
前記流路、電極および室はマイクロマシン（microelectromechanical・systems＝MEMS）
技術により形成したことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載のリレー。
【請求項９】
前記導電流体は水銀、ＧａＩｎ、ＧａＩｎＳｎのいずれかを含み、前記気体は空気、窒素、アルゴン、水素、アンモニアのいずれかを含むことを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載のリレー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導電流体（例えば水銀、ＧａＩｎ、ＧａＩｎＳｎ）を用いたリレーに関し、高信頼性と低コスト化をはかったリレーに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来よりリレーとして、金属接点を有するメカリレー、水銀リレー、リードリレーなどの有接点式リレーが用いられている。
リレーの大きな課題は接点寿命である。寿命が長く信頼性の高いリレーはさまざまな分野で求められているが決定的なものがないのが実状である。一方水銀リレーは信頼性は高いが、環境汚染の問題や高コストであることから敬遠されている。水銀リレーや水銀リレーに変わる半導体リレーの先行文献としては次のようなものがある。
【０００３】
【特許文献１】特開平９−  ６１２７５号公報
【特許文献２】特開平１１−７４５３９号公報  上記特許文献１に記載された技術は水銀リレー内に封入された水素ガスの圧力低下を検出する装置に関するものであり、特許文献２に記載された技術は接点導通／遮断時のオン抵抗と接点遮断／導通時の容量との積が低い半導体リレーに関するもので、低圧領域において低出力端子間容量で低オン抵抗を実現して、高周波信号での用途展開を可能としたものである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一般的な水銀リレーは接点をガラス封着した容器の中に入れ、容器の中に入れた水銀により、接点が常に濡れているものであり、これにより接点の信頼性をあげている。
しかしコストは高く、廃棄する場合の環境への影響から敬遠されており本当に信頼性の必要な部分のみに限定的に用いられている。
本発明は信頼性の高い水銀リレーをマイクロマシン（microelectromechanical・systems＝MEMS）技術により形成することにより高い信頼性を実現するとともに、使用する導電流体（例えば水銀、ＧａＩｎ、ＧａＩｎＳｎ）の量を減らして環境への影響を少なくしたリレーを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載のリレーの発明は、
絶縁部材上に形成された流路と、この流路の一端に形成された室と、前記流路の途中に配置された複数の電極と、前記室に封入され加熱により膨張し、冷却により収縮する気体と、前記室に配置された加熱又は冷却手段と、前記流路に封入された導電流体で構成されたことを特徴とする。
【０００６】
請求項２記載の発明は、請求項１記載のリレーにおいて、
前記流路は三角形状に形成され、前記室と絞りを介して連通していることを特徴とする
【０００７】
請求項３記載のリレーの発明は、
絶縁部材上に形成された流路と、この流路に所定の間隔を隔てて配置された複数の電極と、前記流路の両端に前記流路に連通して配置された第１、第２の室と、この第１、第２の室に封入された気体および加熱又は冷却手段と、前記流路に封入された導電流体で構成されたことを特徴とする。
【０００８】
請求項４記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載のリレーにおいて、
前記複数の電極は一端が前記流路に封入された導電流体に接して配置され、前記電極の一端は加熱又は冷却手段のオンオフに基づく前記気体の膨張又は収縮により前記流路内を移動する導電流体に対して接触又は非接触となるように構成されたことを特徴とする。
【０００９】
請求項５記載の発明は、請求項１又は３又は４に記載のリレーにおいて、
前記流路に配置された電極は少なくとも２個を一組として絶縁性液体で隔離したことを特徴とする。
【００１０】
請求項６記載の発明は、請求項１又は３乃至５に記載のリレーにおいて、
前記電極が導電流体に接する部分の流路は容積の大きな流路とされ、他の部分の流路は容積が小さく絞りとして機能するように構成したことを特徴とする。
【００１１】
請求項７記載の発明は、請求項１乃至６のいずれかに記載のリレーにおいて、
前記流路を含む電極の下部に絶縁膜を介してグランド電極を設けたことを特徴とする。
【００１２】
請求項８記載の発明は、請求項１乃至７のいずれかに記載のリレーにおいて、
前記流路、電極および室はマイクロマシン（microelectromechanical・systems＝MEMS）
技術により形成したことを特徴とする。
【００１３】
請求項９記載の発明は、請求項１乃至８のいずれかに記載のリレーにおいて、
前記導電流体は水銀、ＧａＩｎ、ＧａＩｎＳｎのいずれかを含み、前記気体は空気、窒素、アルゴン、水素、アンモニアのいずれかを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したことから明らかなように請求項１乃至４の発明のによれば次のような効果がある。
絶縁部材上に形成された流路と、この流路の一端若しくは両端に形成された室と、前記流路の途中に配置された複数の電極と、前記室に封入され加熱により膨張し、冷却により収縮する気体と、前記室に配置された加熱又は冷却手段と、前記流路に封入された導電流体で構成したので、
１）  可動部がなく接触不良もないので、高信頼性で長寿命のリレーが実現できる。
２）  基板を用いて多数のリレーチップを同時に多数製造可能なため低コスト化を図ることができる。
請求項５の発明によれば、
前記流路に配置された電極は少なくとも２個を一組として絶縁性液体で隔離したので、一つの基板に多数のリレーを形成することができる。
【００１５】
請求項６の発明によれば、
電極が導電流体に接する部分の流路は容積の大きな流路とし、他の部分の流路は容積が小さく絞りとして機能するように構成したので、接触不良のないリレーを形成することができる。
【００１６】
請求項７の発明によれば、
前記流路を含む電極の下部に絶縁膜を介してグランド電極を設けたので、電極パターンを工夫してインピーダンスマッチングを取ることにより高周波化をはかることができる。
【００１７】
請求項８、９の発明によれば、
流路、電極および室はマイクロマシン（microelectromechanical・systems＝MEMS）
技術により形成したので、流路の容積が小さく水銀の量を少なく（例えば１×１０−６ｇ）することができる。その結果、環境への影響を少なくすることができ、蛍光灯一本分に相当する水銀（約０．１ｇ）で１０万個のリレーを作製可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１（ａ，ｂ）は、本発明の実施形態の一例を示す要部構成説明図で、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は断面図である。
これらの図において、第１基板１は絶縁体からなる矩形状のガラスで形成されている。この基板１上には並列状態で所定の間隔を隔てて電極２ａ及び２ｂが形成され、電極２ａ，２ｂ間には同形状の電極２ｃが対向した状態で形成されている。これらの電極は棒状に形成され一端に電極パッド３ａ，３ｂ，３ｃが形成されている。基板１上には途中が櫛状（４’で示す部分）に形成されたヒータ４が形成されている。
【００１９】
第２基板５は第１基板１と同様に矩形状に形成されたガラスであり、第１基板１の電極２やヒータ４が形成された面に接着などにより固定される。この第２基板５の固定面には流路６が形成されるとともにこの流路の一端には流路６に連通して室７が形成されている。また流路６には所定の間隔で絞り８ａ〜８ｄが形成されており、この実施例では流路６を３つの室６ａ，６ｂ，６ｃに仕切った状態となるように形成されている。
【００２０】
図１のリレーでは、第１基板１と第２基板５の電極２及びヒータ４を形成した側と第２基板５の流路６および室７を形成した側を合わせて気密に対向させた状態を示すもので、接着剤などにより接着したものである。
【００２１】
なお、この例では第２基板５は第１基板１に対して小さく形成されており、これらを接着した状態で第１基板１に形成した電極のパッド部分（３ａ，３ｂ，３ｃ）およびヒータ４の両端のパッド部分がはみ出す程度に形成されている。
【００２２】
そして、この例では電極２ａの先端は仕切られた流路６ａに、電極２ｂの先端は仕切られた流路６ｃに配置され、電極２ｃの先端は仕切られた流路６ｂに電極２ａ，２ｂに対向するように配置されている。ヒータ４の櫛状部分４’は室７に密封された状態で接着されている。
【００２３】
そして、流路６には導電流体１０として例えば水銀が封入され、室７内には例えば空気や窒素ガスなどの気体１１が封入されている。なお、定常状態では水銀１０は流路６ａと６ｂ内に位置し、水銀の表面張力と絞り８ａ，８ｃにより図示の位置で安定している。この状態では接点電極２ａ，２ｃが導通状態となっている。
【００２４】
図２（ａ，ｂ，ｃ）は上述の構成における動作の説明図である。
図２（ａ）の初期状態において、電極２ａ，２ｃはオン、電極２ｃ，２ｂはオフ状態となっている。そして、室７内のヒータ４に通電されるとヒータ４の熱により室７内の気体（空気や窒素ガスなど）１１が膨張する。
その結果、図２（ｂ）に示すように導電流体(水銀)１０が矢印Ａで示すように流路６ｃ側に移動し、電極２ａと電極２ｃはオフ状態となり、電極２ｃと電極２ｂがオン状態となる。この場合、流路６ｃ内の気体１１は絞り８ｄ内に移動しＢで示す部分の圧力が上昇する。
【００２５】
次に室７内のヒータ４への通電をオフとすると、膨張していた気体１１が収縮するとともに絞り８内の圧力により図２（ｃ）に示すように導電流体(水銀)１０が流路６ａ，６ｂ側に押し戻されて初期状態に戻る。
このような構成によれば、電極への結線状態を選択することによりノーマリーオープンおよびノーマリークローズ型のリレーを実現することができる。
【００２６】
図３（ａ，ｂ，ｃ）はノーマリーオープンおよびノーマリークローズ型リレーの他の実施例を示すものである。なお、流路以外は図２に示す実施例と同様なので同一要素には同一符号を付して重複する説明は省略する。この例においては、流路を構成する一辺が他の辺より短い二等辺三角形状に形成し、短い辺の略中央部と室７を絞り８ａにより接続している。
【００２７】
図３（ａ）の初期状態において、電極２ａ，２ｃはオン、電極２ｃ，２ｂはオフ状態となっている。そして、室７内のヒータ４に通電されるとヒータ４の熱により室７内の気体（空気や窒素ガスなど）１１が膨張する。
その結果、図３（ｂ）に示すように導電流体(水銀)１０が矢印Ａ方向に移動し、電極２ａと電極２ｃはオフ状態となり、電極２ｃと電極２ｂがオン状態となる。この状態では二等辺三角形の先端（ｅで示す部分）の圧力が上昇する。
【００２８】
次に室７内のヒータ４への通電をオフとすると、膨張していた気体１１が収縮するとともに流路６内の圧力が定常圧力となり、導電流体(水銀)１０の表面張力により図２（ｃ）に示すように導電流体１０が流路６ａ，６ｂ側に押し戻されて初期状態に戻る。
このような構成においても、電極への結線状態を選択することによりノーマリーオープンおよびノーマリークローズ型のリレーを実現することができる。そして、このような構成では絞りがないので初期状態への復帰がはやくなり、図１の実施例に比較して切り替え速度の速いリレーを実現することができる。
【００２９】
図４（ａ，ｂ）は他の実施例を示すもので、図４（ａ）は平面図、図４（ｂ）は断面図である。
図１に示す実施例とは流路６の一端に設けた室を第１室７ａ，ヒータ４ａとし、他端に第２室７ｂを設けてヒータ４ｂを設けた点のみが異なっている。即ちこの実施例では、定常状態では導電流体（水銀）１０により接点電極２ａ，２ｃがオン、電極２ｂと電極２ｃはオフ状態となっている。
【００３０】
次に第１室７ａに配置されたヒータ４ａに通電するとヒータの熱により第１室７ａ内の気体が膨張する。その結果、導電流体１０が第２室７ｂ側に移動して電極２ｂと電極２ｃはオン、電極２ａと電極２ｃはオフ状態となる。
【００３１】
なお、第１基板１の電極２ａ〜２ｃ、ヒータ４ａ，４ｂおよび第２基板５の流路６（ａ，ｂ，ｃ）や室７ａ，７ｂはマイクロマシン技術を用いたフォトリソグラフィやエッチングにより形成されるものであり、上述のリレーは２〜３ｍｍ角で実現できる。
【００３２】
図５（ａ，ｂ）は本発明の更に他の実施例を示すもので、図５（ａ）は平面図、図５（ｂ）は断面図である。図４に示す実施例とは流路の形状と電極の数のみが異なっている。
この例では絞りのない一本の流路６の両端に第１室７ａ及び第２室７ｂが気密に形成され、所定の距離を隔てて形成された電極２ａ，２ｂの先端が流路６内に封入された導電流体(水銀)１０に接するように配置されている。なお、第１室７ａ及び第２室７ｂにも第４図と同様気体１１が封入されている。
【００３３】
上述の構成において、リレーは定常状態では電極２ａ，２ｂの先端は流路６内に封入された導電流体１０に接して導通状態（図示省略）となっている。そして例えば第２室７ｂ内のヒータ４ｂに通電されて気体１１が膨張すると導電流体１０は第１室７ａ側に移動する。その結果、電極２ａ，２ｂはオフの状態となる。
【００３４】
同様に第１室７ａ内のヒータ４ａに通電されて気体が膨張すると導電流体１０は第２室７ｂ側に移動する。その結果、接点電極２ａ，２ｂはオフの状態からオンとなる。なお、この例の場合も第１基板１の電極２ａ，２ｂ、ヒータ４ａ，４ｂおよび第２基板５の流路６や第１，第２室４ａ，４ｂはマイクロマシン技術を用いたフォトリソグラフィやエッチングにより形成されるものとする。
【００３５】
なお、上述の例では一つの基板に一つのリレーを形成した場合について説明したが、マイクロマシン技術により一つの基板に多数のリレーを同時に形成することができ低コスト化を実現することができる。
【００３６】
図６（ａ，ｂ）は一つの基板に連動する２つのリレーを形成した一例を示すもので、図６（ａ）は平面図、図６（ｂ）は断面図である。この例では図４に示す流路を延長して流路６ｄ，６ｅ，６ｆおよび絞り８ｅ，８ｆ，８ｇを形成し、その端部に設けた第２室７ｂにヒータ４ｂを配置している。そしてここでは２つのリレーを連結する絞り８ｄの部分に絶縁性液体（例えばシリコンオイル）２１を封入して独立したリレーを構成している。
【００３７】
図６において、定常状態では電極２ａ，２ｃ及び２ｄ，２ｆがオン状態となっている。そして、第１室７ａ内のヒータ４ａに通電すると気体１１が膨張し絞り８ｄに封入された絶縁性液体２１を挟む導電流体１０がヒータ４ｂ側に移動し、電極２ｂと２ｃ，電極２ｅと２ｆがオンとなり、電極２ａと２ｃおよび電極２ｄと２ｆはオフとなる。
【００３８】
次にヒータ４ａへの通電をオフとし、第２室７ｂ内のヒータ４ｂに通電すると室７ｂ内の気体１１が膨張し絞り８ｄに封入された絶縁性液体２１を挟む導電流体がヒータ４ａ側に移動し、電極２ａと２ｃ，電極２ｄと２ｆがオンとなり、電極２ｂと２ｃおよび電極２ｅと２ｆがオフとなる。
【００３９】
図７（ａ〜ｄ）は図４に示すリレーの製作工程の一例を示す平面図および断面図である。工程に従って説明する。
工程（ａ）において、第１基板１上にヒータ４および電極パッド３ａ〜３ｄを含む電極２ａ〜２ｄをパターニングする。
工程（ｂ）において、ヒータおよび電極パターニング上にフォトレジスト等を塗布し、絞り８を含む流路６、室７となるスペーサパターン２０を形成する。
工程（ｃ）において、絞り８を含む流路６に導電流体１０を注入する。
工程（ｄ）において、接着材を用いて第２基板を固定する。
【００４０】
なお、第１，第２基板の材質は絶縁体であるガラスが望ましいが、絶縁膜を用いて基板から絶縁すれば導電性基板でもよい。
また、電極やヒータの材質は金、モリブデン、クロムなどがあるが、これらは封入する導電流体や気体の種類に応じて選択する。スペーサの材質としては絶縁性がありパターンが形成できればフォトレジストに限らず例えば低融点ガラスでもよい。低融点ガラスにはそれ自身に接着機能があるので接着材は不要である。さらに絶縁膜により電極との絶縁が可能なら導電性の部材でもよい。
【００４１】
導電流体は水銀が代表的であるが、GaIn、GaInSnなどの液体金属も考えられる。
GaInやGaInSnは空気中では表面が酸化されやすく、表面が酸化されると金属電極表面以外の部分、たとえばガラスの表面を濡らしてしまう。その場合は電流をオフできなくなってしまう。この対策のため蓋として機能する第２基板の接着工程を還元性雰囲気（たとえば水素、アンモニア）あるいは不活性ガス雰囲気（たとえば窒素、アルゴン）中で行う。その結果、流路の中にこれらのガスを封じ込めることができ導電流体の酸化を防止することができる。また、リレー全体の温度を上げて使用する場合は導電流体は半田でもよい。
【００４２】
ところで、一般的なリレーには「高周波リレー」という分類が存在し、４０ＧＨＺ程度まで使えるものがある。（ＯＮ／ＯＦＦの速度ではなく、ＯＮ／ＯＦＦされる信号の周波数）高周波で動作させるためにはインピーダンスマッチングが重要で、マッチングがとれていないとそこで反射して減衰してしまう。
前述した図１，図４に示すリレーではインピーダンスのマッチングは全く考慮されておらず、数ＭＨｚまでの動作が限界である。
【００４３】
図８（ａ，ｂ）は図４に示すリレーにインピーダンスのマッチングを考慮して高周波動作を可能にしたものであり、図８（ａ）は平面図、図８（ｂ）は断面図である。
図８において、図４と同一要素には同一符号を付している。電極２の下部には絶縁膜２３を介してグランド電極２４が形成されており、絶縁膜２３の一部が除去されてグランド電極取り出し穴２５が形成されている。
【００４４】
このような構成によれば、電極（２ａ，２ｂ，２ｃ）とグランド電極２４間の静電容量および電極リードのインダクタンスにより特性インピーダンスが決まり、信号がリレーに入るまでの配線のインピーダンス及び信号がリレーを出てからの配線のインピーダンスをすべて一致（たとえば５０Ω）させれば高周波特性を改善することができる。
【００４５】
図９（ａ）〜（ｅ）は図８に示すリレーの製作工程を示す平面図及び断面図である。工程にしたがって説明する。
工程（ａ）において、第１基板１上の電極パッド３a〜３ｃを含む電極２ａ〜２ｃが形成される箇所に所定の面積のグランド電極２４を形成し、そのグランド電極２４を覆って絶縁膜２３を形成する。
工程（ｂ）において、絶縁膜２３上にヒータ４および電極パッド３ａ〜３ｃを含む電極２ａ〜２ｃをパターニングし、絶縁膜２３の一部を除去してグランド取り出し穴２５を形成する。
【００４６】
工程（ｃ）において、ヒータおよび電極パターニング上にフォトレジスト等を塗布し、絞り８を含む流路６、室７となるスペーサパターン２０を形成する。
工程（ｄ）において、絞り８を含む流路６に導電流体１０を注入する。
工程（ｅ）において、接着材を用いて第２基板５を固定する。
【００４７】
上述のリレーではマイクロマシン技術を用いて作製するので小型化が可能であり、流路の容積も小さくなり、封入する水銀も例えば１×１０−６ｇ程度にすることができる（蛍光灯一本分に相当する水銀（約０．１ｇ）で１０万個のリレーを作製可能である）ので環境への影響を少なくすることができる。
【００４８】
なお、以上の説明は、本発明の説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。例えば実施例では導電流体を水銀としたが、同様の機能を有するものであれば他の導電流体（例えばＧａＩｎ、ＧａＩｎＳｎ）でもよく、気体も空気や窒素以外のもの（例えば水素やアルゴン、アンモニアなど）でも良い。また、流路の形状、電極の形状、ヒータや室の形状も図示のものに限定するものではない。
【００４９】
また、基板はガラスとしたが絶縁性がありフォトリソグラフィやエッチングが可能であれば他の部材（例えばシリコン基板の表面に酸化膜や窒化膜を形成したもの）でも良く、形状も矩形に限るものではない。
また、本実施例ではヒータを用いて気体を膨張させたが、冷却手段（例えばペルチェ素子等）を用いて気体を収縮させて導電流体を移動させるようにしても良い。したがって本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形を含むものである。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の実施形態の一例を示すリレーの要部構成説明図である。
【図２】図１のリレーの動作を説明するための動作説明図である。
【図３】他の実施例を示す要部構成説明図である。
【図４】他の実施例を示す図である。
【図５】他の実施例を示す図である。
【図６】他の実施例を示す図である。
【図７】図４のリレーの製作工程の要部を示す図である。
【図８】他の実施例を示す図である。
【図９】図８のリレーの製作工程の要部を示す図である。
【符号の説明】
【００５１】
１    第１基板
２    電極
３    電極パッド
４    ヒータ
５    第２基板
６    流路
７ａ  第１室
７ｂ  第２室
８    絞り
１０，２１  導電流体（水銀など）
１１  気体（空気，窒素ガスなど）
２０  スペーサパターン
２１  絶縁性液体(シリコンオイルなど)
２２  接着材
２３  絶縁膜
２４  グランド電極
２５  グランド電極取出し穴
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2005142142.tif 000009
【図８】
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【図９】
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