(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性流体で満たされた細長の第１のチャネルと、
前記第１のチャネルの中間部分に連通した一方のチャネルと、前記導電性流体の一部を移動させるために前記第１のチャネルに連通した他方のチャネルとを有する第２のチャネルと、
前記第２のチャネルにおける前記第１のチャネルとは反対の側に接続されるチャネル内圧制御手段と、
前記第１のチャネルの両端部に露出するように配設された一対の電極部と、を備え、
前記チャネル内圧制御手段により、前記第２のチャネルにおける前記一方のチャネルの内圧を上昇させて、この一方のチャネルに収容された非導電性流体で前記第１のチャネル内の前記導電性流体の一部を前記第２のチャネルにおける前記他方のチャネル内に押し出すとともに、前記第１のチャネル内の前記導電性流体の一部を前記非導電性流体に置き換え、これによって、前記第１のチャネル内の前記導電性流体を一体形態から非一体形態に形態変形させることを特徴とする電気接点開閉装置。
【請求項２】
前記チャネル内圧制御手段がヒータを有し、該ヒータにより前記第２のチャネルの内圧を変化させることを特徴とする請求項１に記載の電気接点開閉装置。
【請求項３】
前記電極部は、タングステン、モリブデン、クロム、チタン、タンタル、鉄、コバルト、ニッケル、パラジウム、またはプラチナ、あるいはこれらの何れかを含むことを特徴とする請求項１に記載の電気接点開閉装置。
【請求項４】
前記導電性流体が、水銀、ガリウム、またはナトリウムカリウム合金のいずれかを含むことを特徴とする請求項１に記載の電気接点開閉装置。
【請求項５】
前記第１のチャネルが複数枚の基板を貼り合わせることにより形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電気接点開閉装置。
【請求項６】
前記複数枚の基板のすべてが半導体基板、セラミック基板、ガラス基板、あるいはそれらの組み合わせであることを特徴とする請求項５に記載の電気接点開閉装置。
【請求項７】
前記電気接点開閉装置は２枚の基板を貼り合わせることにより形成され、前記第１のチャネルは少なくとも該２枚の基板の一方に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電気接点開閉装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、導電性流体により固体電極間の開閉を機械的に行う、電気接点開閉装置、電気接点開閉装置集積体および電気接点開閉方法に関し、具体的には、より信頼性が高い機械接点式の超小型リレー、超小型スイッチ等の開閉装置、当該開閉装置の集積体およびその開閉方法に関する。
【０００２】
【技術背景】
従来の代表的な小型の機械接点式リレーはリードリレーである。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、不活性ガス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】
この種のリードリレーには、ドライリードリレーと、ウェットリードリレーがある。
通常、ドライリードリレーでは、各リードの先端（接点）は、銀、タングステン、ロジウム、またはこれらの何れかを含む合金からなり、その表面にはロジウム、金等のめっき処理がなされる。
ドライリードリレーでは、接点における接触抵抗が大きく、また接点における摩耗も顕著である。接点における接触抵抗が大きい場合や、接点の摩耗が顕著である場合には、信頼性が低下するので、当該接点の表面処理には、種々の工夫がなされている。
このような観点から、ウェットリードリレーでは、水銀を利用して上記した接点の信頼性を高めている。すなわわち、毛細管現象を利用して、各リードの接点表面を水銀で被覆することにより、接点における接触抵抗を低下させるとともに、接点における摩耗を低減することで、信頼性を高めている。
【０００４】
また、上記のリードリレーでは、リードの開閉動作には、屈曲に伴う機械疲労が伴うため、経年使用によりリードが正常に動作しなくなることがあり、信頼性が低下する。このような、リードの機械疲労を低減するとともに、接点における接触抵抗を下げ、かつリレー全体を小型化する技術が、特公昭３６−１８５７５号公報、特開昭４７−２１６４５号公報、特開平９−１６１６４０号公報に開示されている。
【０００５】
これら公報においては、開閉機構は、電気的絶縁性を有する密閉された細長いチャネルの内壁の所定個所に複数の電極を露出形成し、当該チャネル内に電気的導電性を有する小体積の液体を封入して短い液体柱を形成するように構成されている。２つの電極を電気的に閉じる場合には、液体柱を両電極に同時に接触する位置に移動させ、２つの電極を電気的に閉じる場合には、液体柱を両電極に同時には接触しない位置に移動させる。
【０００６】
液体柱を移動させるために、特開昭４７−２１６４５号公報では、ダイヤフラムにより、液体柱両側の気体収容部の容積を適宜変更することで液体柱両側に圧力差を生じさせており、また特公昭３６−１８５７５号公報、特開平９−１６１６４０号公報では、気体収容部にヒータを設けておき当該ヒータにより、液体柱の両側のチャネル内気体のうち少なくとも一方を加熱することで液体柱両側に圧力差を生じさせている。
【０００７】
特に、特開平９−１６１６４０号公報の技術（マイクロリレー素子）は、集積回路にも応用が可能である。また、Ｊ．シモン他による走行水銀微小滴を備えた流体充填超小型リレー（Ａ  Ｌｉｑｕｉｄ−Ｆｉｌｌｅｄ  Ｍｉｃｒｏｒｅｌａｙ  ｗｉｔｈ  ａ  Ｍｏｖｉｎｇ  Ｍｅｒｃｕｒｙ  Ｄｒｏｐ；Ｊｏｕｒｎａｌｏｆ  Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ，Ｖｏｌ．６，Ｎｏ．３，Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ  １９９７）に開示されているように、この種のリレーは、開発が進めば、さらに小型化、高速化が可能であり、また重力依存（姿勢依存）はなくなるし、水銀接点の長超寿命化、高信頼性化が可能となる他、製造に際して環境汚染を最小に止めることができる。
【０００８】
図１１は、特開平９−１６１６４０号公報に示されているラッチ型熱駆動マイクロリレー素子の平面レイアウト図である。マイクロリレー素子は、半導体基板９１の所定の領域に形成した、能動貯蔵庫９２１と、受動貯蔵庫９２２と、チャネル９３を含んで構成されている。能動貯蔵庫９２１，受動貯蔵庫９２２には、それぞれカンチレバー形状のヒータ９４１，９４２が複数設置されており、これら能動貯蔵庫１００と受動貯蔵庫１４０とはチャネル１２０により連結されている（なお、図１１では、ヒータ９４１，９４２の下側には、ヒータ支持台が設けられている）。
【０００９】
チャネル９３の中間位置には、当該チャネル９３より径小のマイクロチャネル領域９３１が形成されている。マイクロチャネル領域９３１の、能動貯蔵庫９２１側には第１チャネル領域９３２が形成され、受動貯蔵庫９２１側には第２チャネル領域９３３が形成されている。第１チャネル領域９３２は第１の狭チャネル９３４を介して、能動貯蔵庫９２１に接続され、第２チャネル領域９３３は第２の狭チャネル９３５を介して、受動貯蔵庫９２２に接続されている。第１チャネル領域９３２には第１信号電極９５１，９５２が露出して形成され、第２チャネル領域９３３には第２信号電極９５４，９５５が露出して形成されている。マイクロチャネル領域９３１、第１チャネル領域９３２、第２チャネル領域９３３からなるチャネル部分には、導電性の流体柱である液体金属９６が封入されている。
【００１０】
図１１のマイクロリレーでは、ヒータ９４１を加熱することにより能動貯蔵庫９２１の内圧を上昇させて、液体金属９６を第２チャネル領域９３３に移動させることで、第１信号電極９５１，９５２間を”開”状態、第２信号電極９５４，９５５間を”閉”状態とすることができる。また、ヒータ９４２を加熱することにより受動貯蔵庫９２２内の圧力を上昇させて、液体金属９６を第１チャネル領域９３２に移動させることで、第１信号電極９５３１，９５２間を”閉”状態、第２信号電極９５４，９５５間を”開”状態とすることができる。
【００１１】
しかし、図１１に示すような構成のマイクロリレー素子では、第１信号電極９５１，９５２、あるいは第２信号電極９５４，９５５の開閉の際に、各電極表面が粗されたり、各電極表面がチャネル９３内の気体に含まれる成分により腐食を受けることにより開閉動作が不安定となる等、信頼性が低下することが懸念される。
【００１２】
【発明の目的】
本発明は、上記の問題を解決するために提案されたものであって、電極表面の腐食がなく、信頼性が極めて高く、さらに電極部間の導電率を可変にすることができる電気接点開閉装置、電気接点開閉装置集積体および電気接点開閉方法を提供することである。
【００１３】
【発明の概要】
図１１に示すような従来のマイクロリレー素子では、導電性流体からなる”柱”を２つの電極部に同時に接触させるように移動することでリレーを”閉”状態とし、また当該”柱”を２つの電極部に同時には接触しないように移動することでリレーを開閉しており、また電気的な開閉点は、あくまでも導電性流体と、固体電極の電極部との接触点である。
【００１４】
本発明者は、このような開閉方式が、上記問題の原因となっていることを見出した。そして、種々研究を行った結果、リレーの開閉を、導電性流体の形態を変形させ、かつ導電性流体の機械的な分離または融合により行う（すなわち、電気的な開閉点を導電性流体の機械的な分離点または融合点とする）ようにすれば、電極部表面の腐食（キャビティ内の気体に含まれる成分との化学変化等）による劣化をなくすことができ、加えて電極部間電圧を可変とすることもできる、との知見を得て本発明をなすに至った。
【００１５】
本発明の電気接点開閉装置（以下、「本発明装置」と言う）は、キャビティと、少なくとも２つの固体電極と、導電性流体と、形態変形手段とを有している。
固体電極は、２つが１組となって構成され、各固体電極の電極部は、前記キャビティ内の隔離位置に露出して形成される。
導電性流体は、キャビティ内に収容され、２つの電極部を、一体形態では”閉”状態とし、非一体形態（すなわち、分離形態）では”開”状態とする。ここで、”閉”状態には、導電性流体が完全な一体形態となる場合および不完全な一体形態（以下、「半一体形態」と言う）となる場合の双方を含む。電極部間の電気導電率は、導電性流体が半一体形態となっているときは、導電性流体が完全な一体形態（以下、単に「一体形態」と言う）となっているときに比べて小さいことは言うまでもない。
【００１６】
本発明装置では、通常、キャビティは、導電性流体を満たすためのチャネルを含み、このチャネルに満たされた導電性流体が形態変形する。ここで、”形態変形”とは、導電性流体の一部が狭窄状態になること、導電性流体が２つの部分に分断されることはもちろん、導電性流体の一部が分離され、残る部分がさらに２つの部分に分断されることを含む。
また、本発明装置では、たとえば固体電極の組（電極部の組）を複数設けることもできる。この場合、当該電極部の組に対応させて、導電性流体は、キャビティの複数部位（電極部の各組に対応する位置）に設置される。各電極部は、導電性流体により、常に浸漬されているように構成することが好ましい。これにより、電極部の腐食が防止される。
【００１７】
形態変形手段は、導電性流体に上記した形態変形を生じさせる。この形態変形手段は、一体形態の導電性流体の一部を、非導電性の流体または固体で置き換えることで、当該導電性流体を一体形態から半一体形態または非一体形態に形態変形させることができる。また、形態変形手段は、この置き換わった前記非導電性の流体または固体を、導電性流体から取り除くことで、当該導電性流体を半一体形態または非一体形態から一体形態に形態変形させることができる。
形態変形手段が、導電性流体を、非導電性の固体を用いて形態変形させる場合には、形態変形手段は、アクチュエータ等の機構を含むし、また非導電性の流体（液体または気体）を用いて形態変形させる場合には、次に述べるチャネル内圧を制御する機構を含む。
【００１８】
導電性流体を、非導電性の流体を用いて形態変形させる場合、前記キャビティに、前記非導電性の流体を満たすためのチャネルを形成することができる。この場合には当該チャネルは、前記導電性流体を満たすためのチャネルに連通するように構成される。形態変形手段として、チャネル内圧制御手段を用いることができる。チャネル内圧制御手段は、非導電性の流体を満たすためのチャネル、導電性流体を満たすためのチャネルの少なくとも一方に接続される。チャネル内圧制御手段に、熱制御素子を用いる場合には、当該熱制御素子としてヒータを用いるとができるが、これには限定されずペルチェ素子等の冷熱発生手段を用いることもできる。もちろん、チャネル内圧制御手段として、圧電素子を用いたポンプ等、機械的な圧力制御手段を用いることもできる。
【００１９】
チャネル内圧制御手段は、典型的には、２つ１組からなるチャンバーを用いて構成することができる。この場合、それぞれのチャンバーは、ヒータ等の流体を制御するための手段を内蔵し、前記導電性流体を満たすためのチャネルまたは前記非導電性の流体を満たすためのチャネルに接続される。もちろん、チャネル内圧制御手段を、２つ１組からなるチャンバーを用いて構成した場合であっても、上述の流体制御手段を一方にのみ内蔵するようにもできる。
【００２０】
本発明装置では、固体電極は、タングステン、モリブデン、クロム、チタン、タンタル、鉄、コバルト、ニッケル、パラジウム、またはプラチナ、あるいはこれらの何れかを含む金属から構成できる。また、導電性流体として、水銀、ガリウム、またはナトリウムカリウム等を用いることができる。本発明装置では、気体の非導電性流体として、窒素、アルゴン、またはヘリウム等の不活性気体、あるいはこれらを混合した気体、あるいは不活性気体ではないが水素等の気体を用いることができ、またフロン、油、アルコ−ル、水等の液体を用いることができる。もちろん、どのような導電性流体や非導電性流体を採用するかは、これら流体が相互間に化学反応しないこと、これら流体がチャネル壁面と化学反応を生じないこと、導電性流体が電極と反応しないこと、非導電性流体が内圧制御手段（例えば、内圧制御手段にヒータが内蔵されている場合にはヒータ）を構成する材料と反応しないこと等を考慮なければならない。
【００２１】
本発明装置では、キャビティ（すなわち、各チャネルやチャンバー）を形作るための溝を複数の基板を貼り合わせて形成することができる。基板として半導体（たとえばシリコン）基板やセラミック（たとえばガラス）基板を用いることができる。
２枚の基板を貼り合わせる場合には、前記キャビティを形作るための溝を前記２枚の基板の一方または双方に形成することができる。
また、３枚以上の基板を貼り合わせる場合には、前記キャビティを形作るための溝を面接触した基板の一方または双方に形成し、または連通開口部を有する、内側に位置する基板の当該連通開口部により形成することができる。たとえば、３枚の第１の基板、第２の基板および第３の基板を貼り合わせる場合に、第１の基板の第２の基板側の面にヒータを形成し（ただし、溝は形成しない）、第２の基板にはチャンバーとなる連通開口を形成し、第３の基板の第２の基板側の面にはチャネルとなる溝を形成することができる（もちろん、この構成は、種々ある実施形態の１例にすぎないことは言うまでもない）。
後述する実施例では、シリコン基板とガラス基板の２枚の基板の組み合わせにより電気接点開閉装置を構成している。
【００２２】
なお、本発明装置は、半導体装置製造技術、マイクロマシン製造技術等、既存の技術を用いて製造できる。たとえば、前記チャンバーや、前記導電性流体を満たすためのチャネルおよび前記非導電性の流体を満たすためのチャネルは、上記何れかの製造技術において用いられている方法（たとえば、リソグラフ法（写真焼き付け法））により形成することができる。
上記の半導体装置製造技術、マイクロマシン製造技術等を組み合わせることにより、本発明装置を多数個集積化した、電気接点開閉装置集積体を製造することができる。
【００２３】
本発明の電気接点開閉方法（以下、「本発明方法」と言う）は、キャビティ内の隔離位置に露出して形成された２つ電極部の電気的開閉を、導電性流体により行う方法であって、前記キャビティ内において、前記導電性流体を一体形態に維持することで、当該電極部間を”閉”状態とし、前記導電性流体を半一体形態または非一体形態となるように形態変形させることで、前記２つの電極部間を”開”状態とすることを特徴とする。
【００２４】
ここで、２つの電極部間を”開”状態とするときには、一体形態の導電性流体の一部を、非導電性流体または固体で置き換えることにより、当該導電性流体を一体形態から半一体形態または非一体形態に形態変形させる。また、この”開”状態の２つの電極部間を”閉”状態とするときには、前記導電性流体から、非導電性の流体または固体を取り除くことで、当該導電性流体を半一体形態または非一体形態から一体形態に形態変形させる。この場合に、各電極部を導電性流体により、常に浸漬しておくことが好ましい。
【００２５】
本発明において、チャネル内圧制御手段が２つ１組からなるチャンバーである場合、それぞれのチャンバー同士はチャネルにより接続され、かつ各チャンバーの空間は、当該チャネル内の導電性流体により分断される。このとき、両チャンバーの空間同士は、完全に隔離されている必要はない。たとえば、両チャンバーに内圧差がある状態で、導電性流体が位置的に安定している場合において、一方のチャンバーから他方のチャンバーに非導電性流体が移動し、結果として両チャンバーに内圧差がなくなったとしても、本発明の実施には影響は生じない。
【００２６】
【実施例】
図１〜図３は、本発明装置の第１実施例の概略構成図である。図１〜図３に参照されるように、電気接点開閉装置１００は、第１チャンバー１１１、第２チャンバー１１２、導電性流体を満たすためのチャネル１２、非導電性流体を満たすためのチャネル１３１，１３２，１３３を有しており、これらが本発明におけるキャビティを構成する。
【００２７】
第１チャンバー１１１および第２チャンバー１１２は、それぞれ矩形状をなして、互いに距離を隔てて配置されており、各チャンバー１１１，１１２には、それぞれヒータ１５１，１５２が内蔵されている。第１チャンバー１１１の第２チャンバー１１２に対向する辺からは、チャネル１３１が第２チャンバー１１２に向けて形成され、第２チャンバー１１２の第１チャンバー１１１に対向する辺からは、２つのチャネル１３２，１３３が第１チャンバー１１１に向けて形成されている。第１チャンバー１１１と第２チャンバー１１２との間には、チャネル１３１，１３２，１３３に垂直に、チャネル１２（本実施例では、長さがチャネル１３２，１３３間隔よりもやや長く、幅がチャネル１３１，１３２，１３３の２倍）が形成されている。チャネル１２の両端には、電極部１６１，１６２がチャネル１２の内部に露出して形成されている。なお、第１，第２チャンバー１１１，１１２、ヒータ１５１，１５２、チャネル１３１，１３２，１３３が、本発明装置における形態変形手段を構成している。
【００２８】
本実施例では、導電性流体１７としてガリウムを用いており、同じく非導電性流体１８として窒素ガスを用いている。導電性流体１７は、チャネル１２に、その容積よりもやや多い量封入されている。非導電性流体１８は、第１，第２チャンバー１１１，１１２、およびチャネル１３，１４１，１４２に封入されている。図１〜図３では、第１チャンバー１１１側の非導電性流体１８を符号１８１で示し、第２チャンバー１１２側の非導電性流体１８を符号１８２で示してある。
【００２９】
本実施例では、導電性流体１７は、その表面張力により、チャネル１２から、チャネル１３１，１３２，１３３に大量に流入することがないように、各チャネルの断面積の大きさや形状が設計され、ヒータ１５１や１５２の加熱時における窒素ガス圧等が決定される。導電性流体１７の表面張力の大きさは、当該導電性流体１７が接触する物質との”濡れ性”に影響され、”濡れ性”が大きければ表面張力の大きさは小さくなり、”濡れ性”が小さければ表面張力の大きさは大きくなる。したがって、チャネル１３１，１３２，１３３の内壁面を導電性流体１７との”濡れ性”が小さくなるように形成しておくことで、導電性流体１７が、チャネル１２から、チャネル１３１，１３２，１３３に大量に流入しないようにできる。
【００３０】
本実施例の接点開閉装置の動作を以下に説明する。
ヒータ１５１，１５２に通電していない状態（以下、「非駆動状態」と言う）では、図１に示すように導電性流体１７がチャネル１２全体に一体形状で充填されており、電極部１６１，１６２間は”閉”状態となっている。なお図１では、一体形状の導電性流体１７の一部は、チャネル１３２，１３３側にやや溢れている。
【００３１】
ここで、ヒータ１５１に電流Ｉ１を流して当該ヒータ１５１を加熱すると、チャンバー１１１の内圧が上昇し、非導電性流体１７は、チャネル１２とチャネル１３１との交差部Ｃ１部分において導電性流体１７を押圧する。押圧が進むにしたがって、図２に示すように、導電性流体１７の一部は交差部Ｃ１において非導電性流体１８１に置き換えられ、交差部Ｃ１における導電性流体１７は狭窄する（すなわち、導電性流体１７は一体形態から半一体形態に形態変形する）。この結果、電極部１６１，１６２間は”半開”状態になる。すなわち、電極部１６１，１６２間は導電率は低くなる。ここで、電流Ｉ１を調整することで、”半開”の程度を変化させ、電極部１６１，１６２間の導電率を適宜の値に安定させることも可能である。この場合、ヒータ１５２に電流Ｉ２を流し、当該ヒータ１５２を加熱することで、上記”半開”状態を制御することもできる。
【００３２】
図２の”半開”状態から、さらに電流Ｉ１を流し続けると、図３に示すように、交差部Ｃ１における導電性流体１７は非導電性流体１８１に完全に置き換えられ、導電性流体１７は電極部１６１側と電極部１６２側とに２分される（すなわち、導電性流体１７は図２の半一体形態から非一体形態に形態変形する）。この結果、電極部１６１，１６２間は”開”状態となる。この状態で、ヒータ１５１の通電を停止すると、チャンバー１１１の内圧が低下し、交差部Ｃ１において２分されていた非一体形態の導電性流体１７は、半一体形態を経て一体形態に復帰する。すなわち、ヒータ１５１の通電を停止すると、電極部１６１，１６２間は”開”状態から、”半開”状態を経て”閉”状態に徐々に復帰する。この場合、ヒータ１５２に電流Ｉ２を流して、第２チャンバー１１２の内圧を速やかに高くすることで、導電性流体１７を非一体形態から一体形態に急速に変形させる（すなわち、電極部１６１，１６２間を”開”状態から”閉”状態に急速に変化させる）ことができる。
【００３３】
図１〜図３のいずれにおいても、電極部１６１，１６２は導電性流体１７により、常に浸漬されいるので、電極部１６１，１６２の接触面が粗されることはないし、非導電性流体１８に含まれる成分により腐食等を受けることはない。
本実施例では、非導電性流体１８が収納されるチャネル１３１と、導電性流体１７が収納されるチャネル１２１とは垂直に配置され、非導電性流体１８が、柱状の導電性流体１７を中間において”押し潰す”構成としたので、”半開”状態が可能となった。
【００３４】
図４，図５は、第１実施例の変形例を示す概略構成図である。この変形例では、本実施例ではチャネル１３２，１３３のチャネル１２側寄りに、１辺がチャネル１２の幅に等しい平面視正方形状の導電性流体溜め１４１，１４２が備えられている。導電性流体１７の量（容積）は、チャネル１２全体の容積と、２つの導電性流体溜め１４１，１４２の容積と、チャネル１２と各導電性流体溜め１４１との間のチャネル１３２の容積と、チャネル１２と各導電性流体溜め１４２との間のチャネル１３３の容積との合計よりもやや少なくなるように設定されている。ヒータ１５１，１５２のいずれにも通電しないときには、図４に示すように、導電性流体１７は一体形態となっている。ここで、ヒータ１５１に電流Ｉ１を流しチャンバー１１１の内圧を高くすると、図５に示すように、導電性流体１７は導電性流体溜め１４１，１４２に流れ込む。この状態で、ヒータ１５１の通電を停止したとする。定常状態では、チャンバー１１１の内圧は、導電性流体１７が導電性流体溜め１４１，１４２に移動した分、チャンバー１１２の内圧よりも低くなる。しかし、本変形例では、チャンバー１１１，１１２の容積は、導電性流体溜め１４１，１４２の容積に比べて十分に大きいので、チャンバー１１１とチャンバー１１２との内圧差はわずかである。導電性流体１７のチャネル１２の内壁面との接触抵抗、導電性流体溜め１４１，１４２内における導電性流体１７の表面張力等による力は、上記内圧差に打ち勝つので、導電性流体１７は図５の状態に安定する。
ヒータ１５２に電流Ｉ２を流し（ヒータ１５２を加熱して）、チャンバー２１２の内圧を、チャンバー２１１の内圧よりも、所定の値だけ高くすることで、電極部２１６，２１７間を図７の”開”状態から、図６の”閉”状態にすることができる。
【００３５】
図６および図７は、本発明装置の第２実施例の概略構成図である。
図６および図７に参照されるように、電気接点開閉装置２００は、第１チャンバー２１１、第２チャンバー２１２、導電性流体を満たすためのチャネル２２、非導電性流体を満たすためのチャネル２３１，２３２を有しており、これらが本発明におけるキャビティを構成する。第１，第２チャンバー２１１，２１２の構成、およびそれぞれのチャンバー内に設けられたヒータ２５１，２５２の構成は、第１実施例における、第１，第２チャンバーおよび各ヒータと同様である。また、キャビティ内に封入される導電性流体２７および非導電性流体２８は、第１実施例と同様、ガリウムおよび窒素ガスである。
第１チャンバー２１１の第２チャンバー２１２に対向する辺からは、チャネル２３１が第２チャンバー２１２に向けて形成されている。また、第２チャンバー２１２の第１チャンバー２１１に対向する辺からは、チャネル２３１と同軸にチャネル２３２が第１チャンバー２１１に向けて形成されている。第１チャンバー２１１と第２チャンバー２１２との間には、チャネル２３１，２３２に垂直に、チャネル２２が形成されている。すなわち、チャネル２３１，２３２からなる一直線状のチャネルとチャネル２２とが、十字形状に配置されている。なお、本実施例でも、導電性流体を満たすチャネル２２の両端には、電極部２６１，２６２がチャネル２２の内部に露出して形成されている。
【００３６】
図６，図７では、チャネル２２の幅はチャネル２３１，２３２の２倍に形成されている。チャネル２３１の、チャネル２２との交差部Ｃ２に近接した部分には、ピンからなるストッパＳ２１が形成されており、チャネル２３２の、チャネル２２との交差部Ｃ２に近接した部位には導電性流体溜め２４が形成されている。導電性流体溜め２４のチャンバー２１２寄りには、ピンからなるストッパＳ２２が形成されている。図６，図７では、チャネル２３２の、交差部Ｃ２と導電性流体溜め２４との間の部分を符号２３２１で示し、導電性流体溜め２４と第２チャンバー２１２との間の部分を符号２３２２で示してある。
【００３７】
なお、ストッパＳ２１を形成せずに（または形成するとともに）、チャネル２３１の第１チャンバー２１１側の断面積を小さく形成することができる。また、ストッパＳ２２を形成せずに（または形成するとともに）、チャネル２３２の第２チャンバー２１２側（すなわち、チャネル２３２２）の断面積を小さく形成することもできる。
導電性流体２７の量は、チャネル２２全体（Ｃ２部分を含む）の容積よりもやや多い量としてある。導電性流体２７は、チャネル２２の全体、導電性流体溜め２４およびチャネル２３２１からなる領域に封入されている。
図６，図７では、第１チャンバー２１１側の非導電性流体２８を符号２８１で、第２チャンバー２１２側の非導電性流体２８を符号２８２で示してある。
【００３８】
本実施例の接点開閉装置の動作を以下に説明する。
ヒータ２５１，２５２が非駆動状態にある場合には、図６に示すように導電性流体２７がチャネル２２全体に一体形状で充填されており、電極部２６１，２６２間は”閉”状態となっている。なお図６では、一体形状の導電性流体２７の一部は、交差部Ｃ２部分でチャネル２３側のストッパＳ２１に達するようにせり出すとともに、チャネル２３２側にもややせり出している。
【００３９】
ここで、ヒータ２５１に電流Ｉ１を流して、ヒータ２５１を加熱すると、チャンバー２１１の内圧が上昇し、非導電性流体２８１は、交差部Ｃ２部分において導電性流体２２を押圧する。この押圧により、交差部Ｃ２部分の導電性流体２２がチャネル２３２に押し出され、導電性流体溜め２４に押し入れられる。このようにして、導電性流体２７は、電極部２６１側と電極部２６２側とに２分される（すなわち、導電性流体２７は図６の一体形態から図７の非一体形態に形態変形する）。この結果、電極部２６１，２６２間は”開”状態となる。この状態で、ヒータ２５１の通電を停止する。定常状態では、チャンバー２１１の内圧は、導電性流体２７が導電性流体溜め２４に移動した分、チャンバー２１２の内圧よりも低くなる。しかし、本実施例では、チャンバー２１１，２１２の容積は、導電性流体溜め１４の容積に比べて十分に大きいので、チャンバー２１１とチャンバー２１２との内圧差はわずかである。導電性流体２７のチャネル２２の内壁面との接触抵抗、導電性流体溜め２４内における導電性流体２７の表面張力等による力は、上記内圧差に打ち勝つので、導電性流体２７は図７の状態に安定する。
【００４０】
ヒータ２５２に電流Ｉ２を流し（ヒータ２５２を加熱して）、チャンバー２１２の内圧を、チャンバー２１１の内圧よりも、所定の値だけ高くすることで、電極部２１６，２１７間を図７の”開”状態から、図６の”閉”状態にすることができる。
【００４１】
本実施例の装置では、第１，第２チャンバー２１１，２１２に設けられたチャネルはそれぞれ１本である。したがって、本実施例の装置は、第１実施例の装置よりも小型化できる。また、チャネル２２はその両端が閉じているので、相当の衝撃が加えられても導電性流体２７がチャネル２２から漏れ出る危険性はない。
【００４２】
図８および図９は、本発明装置の第３実施例の概略構成図である。
図８および図９に参照されるように、開閉接点装置３００は、第１チャンバー３１１、第２チャンバー３１２、導電性流体を満たすためのチャネル３２１，３２２、非導電性流体を満たすためのチャネル３３１，３３２，３３３を有しており、これらが本発明におけるキャビティを構成する。第１チャンバー３１１および第２チャンバー３１２の構成、およびそれぞれのチャンバー内に設けられたヒータ３５１，３５２の構成は、第１，第２実施例における、第１，第２チャンバーおよび各ヒータと同様である。また、キャビティ内に封入される導電性流体および非導電性流体は、第１，第２実施例と同様、ガリウムおよび窒素ガスである。
第１チャンバー３１１と第２チャンバー３１２との間には、第２チャンバー３１２に対向する辺（または、第２チャンバー３１２の第１チャンバー３１２に対向する辺）に垂直に、チャネル３３１，３３２，３３３が一直線状に形成されている。チャネル３３１と３３２との境界には、これらチャネルと垂直にチャネル３２１が形成され、チャネル３３２と３３３との境界には、これらチャネルと垂直にチャネル３２２が形成されている。すなわち、本実施例では、第２実施例のチャネル２２に相当するチャネルが２つ設けられた構成をなしている。
【００４３】
チャネル３２１の両端には、電極部３６１１，３６１２がチャネル３２１の内部に露出して形成され、チャネル３２２の両端には、電極部３６２１，３６２２がチャネル３２２の内部に露出して形成されている。
【００４４】
図８，図９では、チャネル３２１，３２２の幅はチャネル３３１〜３３３の２倍に形成されている。チャネル３３１の、チャネル３２１との交差部Ｃ３１に近接した部分には、ピンからなるストッパ３１が形成され、チャネル３３３の、チャネル３２２との交差部Ｃ３２に近接した部分には、ピンからなるストッパＳ３２が形成されている。
なお、ストッパＳ３１やＳ３２を形成せずに（または形成するとともに）、チャネル３３１の断面積や、チャネル３３３の断面積を小さく形成することもできる。
【００４５】
導電性流体３７の量は、チャネル３２１，３２２全体（Ｃ３１，Ｃ３２部分を含む）の容積よりもやや少なくしてある。導電性流体３７は、チャネル３２１，３２２にそれぞれ封入されている。
図８，図９では、第１チャンバー３１１側の非導電性流体３８を符号３８１で、第２チャンバー３１２側の非導電性流体３８を符号３８２で示してある。
【００４６】
本実施例の接点開閉装置の動作を以下に説明する。
ヒータ３５１，３５２が非駆動状態にある場合において、図８に示すように導電性流体３７１がチャネル３２１全体に一体形状で充填され、導電性流体３７２がチャネル３２２の交差部Ｃ３２を除く領域に非一体形状で充填されている。これにより、電極部３６１１，３６１２間は”閉”状態となり、電極部３６２１，３６２２間は”閉”状態となっている。
【００４７】
ここで、ヒータ３５１に電流Ｉ１を流して、ヒータ３５１を加熱すると、チャンバー３１１の内圧が上昇し、非導電性流体３８１は、導電性流体３７１のＣ３１部分を押圧する。この押圧により、導電性流体３７１のＣ３１部分は、チャネル３３３を介してＣ３１部分に押し出され、導電性流体３７１は、電極部３６１１側と電極部３６１２側とに２分される（すなわち、導電性流体３７１は図８の一体形態から図９の非一体形態に形態変形する）。一方、導電性流体３７１のＣ３１部分にもともと存在していた導電性流体は、ストッパＳ３２に突き当たって停止すると同時に、導電性流体３７２と融合する（すなわち、導電性流体３７２は図８の非一体形態から図９の一体形態に形態変形する）。この結果、電極部３６１１，３６１２間は”開”状態となり、電極部３６２１，３６２２間は”閉”状態となる。この状態で、ヒータ３５１への通電を停止する。定常状態では、チャンバー３１１の内圧は、導電性流体３７１の一部が導電性流体３７２側した分、チャンバー３１２の内圧よりも低くなる。しかし、本実施例では、チャンバー３１１，３１２の容積は、チャネル３３２と比べて十分に大きいので、チャンバー３１１とチャンバー３１２との内圧差はわずかである。導電性流体のチャネル３３３の内壁面との接触抵抗、導電性流体の表面張力等による力は、上記内圧差に打ち勝つので、導電性流体３７１，３７２は図９の状態に安定する。
【００４８】
ヒータ３５２に電流Ｉ２を流し（ヒータ３５２を加熱して）、チャンバー３１２の内圧を、チャンバー３１１の内圧よりも、所定の値だけ高くすることで、電極部３６１１，３６１２間を図９の”開”状態から、図８の”閉”状態にし、電極部３６２１，３６２２間を図９の”閉”状態から、図８の”開”状態にすることができる。
【００４９】
上記した第２実施例におけるチャネル２２の両端の電極部２６１，２６２近傍、および第３実施例にけるチャネル３２１，３２２の各両端の電極部３６１１，３６１２，３６２２，２６２２近傍に、導電性流体溜めを形成することができる。上記チャネルからの導電性流体の脱落の懸念があるような場合には、このような導電性流体溜めを形成することが有効である。図１０は、第２実施例において、チャネル２２の電極部２６１に、導電性流体溜め２９を形成した場合を示す図である。この導電性流体溜め２９の形成により、チャネル２２内の導電性流体２７はチャネル２２内に留められる。
【００５０】
本発明装置の具体的な製造プロセスを、以下に説明する。
ここでは、シリコン基板とガラス基板とを貼り合わせて接点開閉装置を製造する方法を説明するが、本発明装置はこの方法の他、シリコン基板等の半導体基板同士の組み合わせること、ガラス基板同士の組み合わせること等による、他の方法により製造することができる。
【００５１】
以下、第２実施例で示した電気接点開閉装置を製造する場合を例に、（１）電極部２６１，２６２、ヒータ２５１，２５２を形成する工程、（２）シリコン基板とガラス基板のいずれか、または双方に、キャビティ（２つのチャンバー２１１，２１２、各チャネル２２，２３１，２３２、導電性流体溜め２４）に相当する溝を形成する工程、（３）導電性流体２７を設置する工程、（４）非導電性流体２８を設置するとともにシリコン基板とガラス基板とを貼り合わせる工程、（５）ダイシングする工程を、説明する。
【００５２】
（１）シリコン基板として４インチのウェーハを用い、このシリコン基板に、導電層と絶縁層とを組み合わせて、電極部２６１，２６２（固体電極）、ヒータ２５１，２５２を形成する。導電層としてスパッタによるアルミニウム薄膜、絶縁層としてＣＶＤによる酸化シリコンを用いた。この回路の形成法は、半導体プロセスとして周知である。この場合、上記固体電極２６１，２６２やヒータ２５１，２５２の形成とともにに、トランジスタ等を用いたヒータ駆動回路を含む各種能動回路や、抵抗等の受動回路をシリコン基板上に形成することもできる。
【００５３】
導電性流体（ここでは、ガリウム）に接触する電極部２６１，２６２として、アルミニウムを用いた場合には、アルミニウム表面が導電性流体と反応して腐食が進みやすく、装置の長期的な信頼性を得ることができないことがある。したがって、この電極部（すなわち、固体電極のチャネル側に露出する部分）には、タングステン、モリブデン等のガリウムに反応しにくい材料からなる層を形成することが好ましい。本製造例では、固体電極のチャネル側に露出する部分に、接着層としてチタン膜を形成し、このチタン膜上にコンタクト層としてタングステン膜を形成することで、電極部２６１，２６２を形成した。
【００５４】
また、電極部２６１，２６２とガリウムとの、より低いコンタクト抵抗を得るためには、相互の接着面積を大きくすることが好ましい。第２実施例（図６，図７）では、説明の便宜上、電極部２６１，２６２は、チャネル２２の両端近傍にのみ設けて示してあるが、電極部２６１，２６２は、交差部Ｃ２の近傍まで延設することが好ましい。また、第２実施例では、電極部２６１，２６２は、チャネル２２内に突出する形状として示してあるが、電極部２６１，２６２と導電性流体との接触面積を大きくとるために、電極部２６１，２６２を、チャネル２２の内壁に面状に形成することもできる。
【００５５】
ヒータ２５１２５２はタングステン、モリブデン薄膜を用いて、電極部電極部２６１，２６２と同様にシリコン基板上に形成した。発熱効率および放熱効率を高めるために、厚みを約０．３μｍ、ライン幅を約０．１ｍｍとし、１辺が０．４ｍｍの正方形領域に、複数回折り繰り返して形成した。なお、図６，図７では、説明の便宜上、折り返しは２回として示してあるが、実際には１０回とした。
【００５６】
ヒータ２５１，２５２は、発熱効率および放熱効率をより高めるために、その下部をエッチングして、チャンバー２１１，２１２内で浮かすことが有効である。本製造例では、ヒータ２５１，２５２部分を除く領域を、酸化シリコンまたは窒化シリコンでマスクし、水酸化カリウムで上記領域内のシリコン部分を異方性エッチングし、これにより、ヒータの下部に、逆ピラミッド形状の空洞を形成することで、ヒータをチャンバー内で浮かした。なお、ヒータが形成される基板として熱伝導率が小さい材料を用いることで、ヒータ２５１，２５２をチャンバー２１１，２１２内で浮かさないようにもできる。
【００５７】
（２）キャビティ（２つのチャンバー２１１，２１２、各チャネル２２，２３１，２３２、導電性流体溜め２４）に相当する溝は、シリコン基板とガラス基板のいずれか、または双方に形成することができる。本製造例では、上記したヒータの下部に空洞を異方性エッチングにより形成する際に、チャネル２２，２３１，２３２となる溝をシリコン基板上に形成した。ここでは、チャネル２２の溝幅を０．２ｍｍ、チャネル２３１，２３２の溝幅を０．１ｍｍとした。各溝は断面が逆二等辺三角形状であり、その深さは、溝幅が０．２ｍｍの場合には約０．１４ｍｍ、溝幅が０．１ｍｍの場合には約０．０７ｍｍとなる。
【００５８】
本製造例では、チャンバー２１１，２１２用の溝をシリコン基板側とガラス基板側の各表面に対向させて形成し、両基板を貼り合わせることで、当該チャンバー２１１，２１２を形成した。シリコン基板側とガラス基板側の双方にチャンバー用の溝を形成することで、ヒータ２５１，２５２を各チャンバー２１１，２１２内の空間に浮かすことができる。
【００５９】
チャンバー用の溝は、１辺が０．５ｍｍの正方形状とし、シリコン基板側に形成する溝の深さは０．１ｍｍとし、ガラス基板側に形成する溝の深さは０．１ｍｍとした。シリコン基板側に形成する溝の深さと、ガラス基板側に形成する溝と深さとが異なると、非導電性流体がチャンバー用の溝に出入りする際に、ヒータが当該流体による応力を受けやすいので、本実施例のように、両溝の深さを同じとすることが好ましい。。なお、シリコン基板側の溝はＫＯＨ異方性エッチングにより形成し、ガラス基板側の溝はサンドブラストにより形成した。
また、導電性流体溜め２４用の溝をシリコン基板側にのみ形成した。この溝は、１辺が０．２ｍｍの正方形状とし、深さは０．１ｍｍとした。なお、本製造例では、導電性流体溜め用の溝は、当該溝をシリコン基板側のチャンバー用溝の形成と同時に形成した。
【００６０】
本製造例では、各チャネル用の溝を、シリコン基板に形成したが、ガラス基板側に形成することもできる。ガラス基板側に形成する場合、レジストパターンをガラス基板表面に形成しておき弗化水素水で化学的にエッチングする方法、またはサンドブラストで機械的に掘削する方法が採用できる。
エッチングによる場合には、正確な寸法で溝形成ができ、また溝の内壁面を滑らかにすることができる。
一方、サンドブラストによる場合には、掘削した面には微小な凹凸が形成されるが、溝形成を短時間で行うことができる。
導電性流体が設置されるチャネル、あるいは導電性流体が移動するチャネルとして、内壁面に微小な凹凸を積極的に形成する場合もあろうが、通常、これらのチャネルは、内壁面が滑らかになるように、エッチングにより形成される。なお、本製造例では、ストッパＳ２１，Ｓ２２はガラス基板側に、エッチングにより形成した。
【００６１】
（３）導電性流体２７（すなわちガリウム）をチャネル２１に相当する溝に設置する工程は、窒素雰囲気中で行う。
ガリウムを液体状態でチャネル２２に相当する溝に設置する場合には、液体精密定量吐出装置（ディスペンサ）を用いることもできるし、メタルマスク印刷法を用いることもできる。
【００６２】
液体精密定量吐出装置は、シリンジと呼ばれる注射器のような容器に液体を入れ、シリンジ内に微小な窒素を送り込んで、液体を、シリンジ外部に吐出させる装置である。この装置では、最小で１０万分の１ｃｃの流体を吐出することができ、ロボットと組み合わせることで、所定の位置に最小０．１ｍｍ幅で液体を設置することが可能である。この方法は、ガリウムを正確な量、設置できること、ロボットを用いることでさまざまな形状の溝に対して１つの装置で対応できること等の利点を有する。この装置を用いて、チャネル２２に相当する溝に、ガリウムを幅０．２ｍｍ、長さ約０．５ｍｍにわたり設置した。
【００６３】
メタルマスク印刷による方法では、所望の位置に０．１５ｍｍ幅、長さ約０．５ｍｍの穴を開けた０・２ｍｍ厚のメタルマスクを用意し、これをシリコン基板に形成したチャネル２２に相当する溝に位置合わせして、ガリウムをスキージで印刷した。一般には、ガリウムのような粘度の低い液体をこの方法を用いて印刷することは難しいが、本製造例では、印刷されるシリコン基板にすでに溝が形成されているので、ガリウムが流れて広がることがなく容易に設置することができた。メタルマスク印刷による方法は、ガリウムの設置量の正確さは、液体精密定量吐出装置を用いる方法に比べてやや劣るものの、高価な装置を必要とせずに初期投資を低く抑えることができるという利点がある。
【００６４】
なお、本製造例のように、導電性流体２７としてガリウムを用いた場合には、所定の溝に導電性流体を設置する作業は、一般には３０℃以上の雰囲気中で行うか、または液体精密定量吐出装置を用いた方法の場合には、シリンジ内のガリウムを３０℃以上に加熱しておく必要がある。導電性流体として融点が低い物質を用いる場合には当該融点に応じて上記雰囲気温度やシリンジ内の導電性流体の温度を定めることは言うまでもない。
【００６５】
ガリウムを固体状態で所定の溝に設置する場合には、ガリウムシートの打ち抜きによりその設置ができる。具体的には、すでにチャネル２２に相当する溝（幅０．２ｍｍ、長さ５．０ｍｍ）が形成されているシリコン基板上にガリウムシートを置き、当該溝と同一幅、同一長さの突起を形成した金属のジグを、前記溝に前記突起を位置合わせして、当該溝内に固体ガリウムを押し込む。ガリウムを安定した固体として扱うには、ガリウムまたは雰囲気が３０℃以下であればよく、したがってこの設置方法では、室温での作業できるという利点を有している。
【００６６】
（４）シリコン基板とガラス基板とを貼り合わせる工程は、窒素雰囲気中で行う。非導電性流体２８は窒素ガスであるので、この貼り合わせと同時に、非導電性流体２８は、キャビティ内の空間部に充填される。
シリコン基板とガラス基板の双方または一方の貼り合わせ面に紫外線硬化型の樹脂を塗布し、精密ボンディング装置を用いて、位置合わせをして加圧を行い、この後紫外線を照射して、両基板の貼り合わせを行うことができる。また、紫外線硬化型樹脂に代えて、熱硬化型の樹脂を用いて、同様の貼り合わせを行うこともできる。
【００６７】
また、チャネル２２，２３１，２３２となる溝やチャンバー２１１，２１２となる溝の縁周囲にガスケットとして作用するシリコン樹脂を塗布し、硬化させ、位置合わせする。そして、ネジなどの手段により、ガラス基板とシリコン基板とを加圧することで、両基板の貼り合わせを行うこともできる。この方法では、位置合わせの不備が生じたときに、簡単に取り外しができ、再度の位置合わせができる、という利点がある。
【００６８】
シリコン基板とガラス基板との貼り合わせをさらに強固にしたい場合には、陽極酸化接合法を用いることもできる。この方法では、シリコン基板とガラス基板とを位置合わせした後、これを４５０℃に昇温し、両基板間に５０ないし１００ボルトの直流電圧を印加することで、両基板を貼り合わせることができる。この方法は、前記した樹脂接着による場合に比べて高い密閉性を得ることができる。
【００６９】
（５）電気接点開閉置が単独である場合には、ガラス基板は、１つの接触接点装置について１つである。また、複数の開閉接点装置が１組として製造される場合（この場合には、閉接点装置間には、配線がすでになされているであろう）には、ガラス基板は、当該１組接触接点装置について１つである。ダイシングは、ガラス基板を単位に行われる。
本発明装置は、上述したように、半導体と同様のプロセスにより構成できるので、たとえば、シリコン基板として４インチのものを使用した場合には、当該シリコン基板から約３０００個以上の接点開閉装置を製造することができる。
【００７０】
【発明の効果】
本発明では、接点開閉は、導電性流体同士の分離または融合により行われる。したがって、開閉接点には、従来装置（露出した固体電極と導電性流体との接触により接点開閉を行う装置）におけるような電極表面の物理的または化学的変化（金属疲労や腐食）は生じないので、信頼性が極めて高い。また、導電性流体の形態変移の機構を工夫することで（たとえば、第１実施例参照）、電極部間の導電率を可変とすることができる。
もちろん、従来のリードリレーのような、リードを持たないので、摩擦による経時変化や、機械疲労による破壊は皆無である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例における、電極部間が”閉”状態の様子を示す図である。
【図２】本発明の第１実施例における、電極部間が”半開”状態の様子を示す図である。
【図３】本発明の第１実施例における、電極部間が”開”状態の様子を示す図である。
【図４】第１実施例の変形例における、極部間が”閉”状態の様子を示す図である。
【図５】第１実施例の変形例における、極部間が”開”状態の様子を示す図である。
【図６】本発明の第２実施例における、電極部間が”閉”状態の様子を示す図である。
【図７】本発明の第２実施例における、電極部間が”開”状態の様子を示す図である。
【図８】本発明の第３実施例における、電極部間が”閉”状態の様子を示す図である。
【図９】本発明の第３実施例における、電極部間が”開”状態の様子を示す図である。
【図１０】本発明の第２実施例における、導電性流体を満たすためのチャネルに導電性流体溜めを形成した場合を示す図である。
【図１１】従来のマイクロリレーを示す図である。
【符号の説明】
１００  電気接点開閉装置
１１１  第１チャンバー
１１２  第２チャンバー
１２，１３１，１３２，１３３  チャネル
１５１，１５２  ヒータ
１６１，１６２  電極部
１７  導電性流体
１８，１８１，１８２  非導電性流体
【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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