Fluid switch and a method of manufacturing the same

本発明は流体スイッチ及びその製造方法に関する。

液体金属マイクロスイッチ（ＬＩＭＭＳ）のような流体スイッチはスイッチング流体（例えば、水銀）を含み、スイッチング流体はスイッチング流体に加わる力に応じて少なくとも一対の導体素子を電気的に接続及び分離する働きをする。 通常、スッチング流体に加わる力は、作動流体を加熱する手段やポンプにより加圧する手段によって加えられる。

一実施形態において、スイッチは、互いに接合された第１の基板及び第２の基板を有し、その間に複数のキャビティが画定される。 複数の導電性素子が、前記キャビティのうちの少なくとも１つの近くにまで延びる。 スイッチング流体は、前記キャビティのうちの１つの中に保持され、該スイッチング流体に加わる力に応じて少なくとも一対の導電性素子を物理的にではなく電気的に接続及び分離する働きをする。 パッシベーション層は、前記導電性素子のうちの少なくとも１つを覆い、(i)該第１の導電性素子を前記キャビティのうちの少なくとも１つから分離すると共に、(ii)前記導電性素子のうちの１つと前記スイッチング流体との間に形成されるコンデンサのための誘電体として機能する。

他の実施形態として、スイッチを形成する方法は、第１の基板上に複数の導電性素子を蒸着することを含む。 次に、前記導電性素子のうちの少なくとも１つの上にパッシベーション層を蒸着し、該第１の基板を第２の基板と接合し、第１の基板と第２の基板の間に形成される１以上のキャビティの中にスイッチング流体を密閉する。 これら１以上のキャビティは、スイッチング流体を第１の状態と第２の状態の間で移動させることが可能なサイズに形成される。 パッシベーション層は、(i)導電性素子のうちの１つを前記１以上のキャビティから分離すると共に、(ii)前記導電性素子のうちの１つとスイッチング流体との間に形成されるコンデンサのための誘電体として機能する。

他の実施形態も開示する。

本発明の幾つかの例示的実施形態を図面に示す。

図１〜図３は、流体スイッチ１００の第１の実施形態を示している。 スイッチ１００は、互いに接合された第１の基板１０２及び第２の基板１０４を備え、その間に、複数のキャビティ１０６、１０８、１１０、１１２及び１１４が画定される。 図１には５つのキャビティしか描かれていないが、スイッチ１００にはそれより少ないキャビティを形成してもよいし、それより多くのキャビティを形成してもよい。 例えば、図示のキャビティは、スイッチング流体キャビティ１０８、一対の作動流体キャビティ１０６，１１０、並びに、作動流体キャビティ１０６，１１０をそれぞれ対応するスイッチング流体キャビティ１０８に接続する一対のキャビティ１１２，１１４からなる。 図２は、これらのキャビティの平面図である。

キャビティのうちの１以上にまで延びているのは、複数の導電性素子１１６、１１８、１２０である（図３に最も分かりやすく描かれている）。 図示のスイッチ１００は３つの導電性素子しか備えていないが、スイッチの他の実施形態において、導電性素子の数は異なる数（２以上）であってもよい。

キャビティのうちの１以上の中に保持されるスイッチング流体１２２は、スイッチング流体１２２に加わる力に応じて少なくとも一対の導電性素子間を接続及び分離する働きをする。 例えば、スイッチング流体１２２は、水銀、ガリウム、ナトリウム・カリウム、又はそれらの合金のような導電性液体金属からなる。 前記キャビティのうちの１以上の中に保持された作動流体１２４（例えば、不活性ガス又は液体）を使用して、スイッチング流体１２２に力を加えることができる。

図３は、導電性素子１１６〜１２０に関連するスイッチング流体１２２を示す、スイッチ１００の断面図である。

スイッチング流体１２２に加える力は、作動流体１２４の圧力変化によって発生させることができる。 すなわち、作動流体１２４における圧力変化は、スイッチング流体１２２に圧力変化を与え、それによって、スイッチング流体１２２が変形され、移動され、又は分割される。 図１において、キャビティ１０６に保持される作動流体１２４の圧力は、スイッチング流体１２２に力を加え、図示のようにスイッチング流体１２２を分割している。 この状態では、スイッチの一番右にある２つの導電性素子１１８、１２０が互いに接続されている。 キャビティ１０６に保持される作動流体１２４の圧力を解放し、キャビティ１１０に保持される作動流体１２４の圧力を増加させた場合、スイッチング流体１２２に力を加えて、スイッチング流体１２２を分離及び合併されることができ、それによって、導電性素子１１８と導電性素子１２０を互いに分離し、導電性素子１１６と導電性素子１１８を互いに結合することができる。

例えば、作動流体１２４の圧力変化は、作動流体１２４を加熱する手段（例えば、ヒーター１２８、１３０）や、圧電ポンプ手段によって達成することができる。 前者については、Kondoh他による「Electrical Contact Breaker Switch, Integrated Electrical Contact Breaker Switch, and Electrical Contact Switching Method」と題する米国特許第６，３２３，４４７号に記載されている。 この文献は、開示事項を全て参照することにより、本明細書に援用される。 後者については、Wongによる「A Piezoelectrically Actuated Liquid Metal Switch」と題する米国特許第６，７５０，５９４号に記載されている。 この文献も、その開示事項を全て参照することにより、本明細書に援用される。 上記の特許は、２つのプッシュプル作動流体キャビティによるスイッチング流体の移動を開示しているが、キャビティからスイッチング流体に対して十分に大きなプッシュプル圧力を加えることができるなら、単一のプッシュプル作動流体キャビティでも十分かもしれない。

図１〜図３に示したようなスイッチの構成及び動作に関する詳しい説明は、上で述べたKondoh他及びWongの特許に記載されている。

スイッチ１００の未開示の特徴は、パッシベーション層１２６である。 パッシベーション層１２６は、導電性素子１１６〜１２０のうちの少なくとも１つを覆い、好ましくは、導電性素子１１６〜１２０の全てを覆う。 このようにすると、パッシベーション層１２６は、導電性素子１１６〜１２０のうちの１以上をキャビティ１０８から分離すると共に、導電性素子１１６〜１２０とスイッチング流体１２２との間に形成される１以上のコンデンサのための誘電体としても機能する。

図１５において、パッシベーション層５０２は、スイッチ５００の中央の導電性素子１１８を覆っている。 このスイッチの実施形態の概略図を図６に示す。 スイッチ１００の置かれた状態に関係なく、コンデンサ６００（パッシベーション層５０２によって形成される）が、スイッチ１００を通る電気経路上に現れる。 コンデンサ６００の値は、パッシベーション層５０２の形成に使用される材料を選択することによって、又は、その厚さを調節することによって調節することができる。 多くの無線周波数（ＲＦ）スイッチング回路は直流（ＤＣ）を流す必要がないことから、コンデンサ６００はＤＣ遮断コンデンサとして使用される場合がある。

図１〜図３は、パッシベーション層１２６が導電性素子１１６〜１２０の全てを覆うように構成されるスイッチの実施形態１００を示している。 さらに、導電性素子１１６〜１２０間にもパッシベーション層１２６を蒸着し、導電性素子１１６〜１２０の上に一様で連続的な表面を形成してもよい。 このスイッチの実施形態の概略図を図４に示す。 この回路では、任意の所与の瞬間において、スイッチ１００を流れる電気経路上に、２つのコンデンサ（４００／４０２又は４０２／４０４）が現われる。 ただし、パッシベーション層１２６に使用する材料を選択することにより、又は、その厚さを調節することにより、コンデンサ４００〜４０４に、単一のコンデンサ６００（図６）と同じ機能を与えることもできる。

図３及び図５に示すパッシベーション層１２６、５０２は、スイッチング流体１２２をパッシベーション層１２６、５０２で覆われた導電性素子１１６〜１２０に物理的にではなく電気的に接続する。 パッシベーション層１２６で導電性素子１１６〜１２０の全てを覆うと、スイッチング流体１２と導電性素子１１６〜１２０との間に合金が形成されることを防止することができる。 また、導電性素子１１６〜１２０をパッシベーション層１２６で覆うと、スイッチング流体１２２や作動流体１２４への不純物混入や、キャビティ１０８に溜まる漂流ガス（例えば、酸素）によって生じる導電性素子１１６〜１２０の酸化や汚れをいずれも或る程度抑制することができる。 さらに、導電性素子１１６〜１２０を覆うことにより、導電性素子１１６〜１２０や基板１０４における不純物混入によるスイッチング流体１２２の汚れもある程度抑制することができる。

従来の流体スイッチでは、スイッチング流体１２２が導電性素子１１６〜１２０を濡らす際のスイッチング流体１２２の表面張力によってときどき吸着が起き、作動流体１２４によって加えられた力が、それに打ち勝つことができない場合があった。 これが発生すると、スイッチは適切に切り替わらなくなる。 導電性素子１１６〜１２０のうちの１以上を覆うことにより、パッシベーション層１２６、５０２は、導電性素子１１６〜１２０とスイッチング流体１２２の間に生じるこの吸着の作用を軽減することができる。 ただし、スイッチの不慮の切り換え（例えば、衝撃、落下、振動）を防止するために、一般には、或る程度の吸着が必要である。

パッシベーション層１２６、５０２が吸着を抑制しすぎる場合は、スイッチング流体で塗れる複数の表面をスイッチに設けることにより、吸着を増加させることができる。 図７は、パッシベーション層１２６の幾つかの部分を粗面処理（そめんしょり）することにより、濡らすことが可能な表面７０２、７０４、７０６が形成されたスイッチ７００を示している。 図８は、キャビティ１０８の壁に金属層を蒸着することにより、濡らすことが可能な表面８０２、８０４、８０６、８０８、８１０、８１２、８１４及び８１６が形成されたスイッチ８００を示している。 金属層は種々の場所に蒸着することができ、例えば、パッシベーション層１２６「上」や、キャビティ１０８の他の壁、その上部、下部、側部、端部などに蒸着することができる。 金属層の材料は、スイッチング流体１２２によって濡らすことが出来るものであればどのような材料であってもよい。 ただし、それらの層のうちの１つは、スイッチング流体１２２との間で合金を形成する可能性の低い（又は無い）ものであることが望ましい。 このようにすれば、濡らすことが可能な表面８０２〜８１６がスイッチング流体１２２の中に全て溶け込むことはないであろう。 例えば、濡らすことが可能な表面８０２〜８１６は、イリジウム、ロジウム、プラチナ、及び、クロムのうちの少なくとも１つを含む場合がある。

濡らすことが可能な表面７０２〜７０６又は８０２〜８１６は、導電性素子１１６〜１２０の上に、又は、それらに位置を揃えて配置することが望ましい。 このようにすれば、パッシベーション層１２６及び５０２によって形成されるコンデンサの値をより正確に調節することができ、寄生容量や他の望ましくない電気的現象を回避することができる。

例えば、パッシベーション層１２６、５０２は、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、又は、ポリシリコンから構成され、場合によっては、パッシベーション層は、異なる材料からなる複数の層から構成される。 一実施形態において、パッシベーション層は、化学気相蒸着プロセスを使用して蒸着される。

従来、スイッチのスイッチング流体キャビティの内部から外側まで延びる導体経路を備えた流体スイッチを構成することは難しかった。 その理由は、スイッチング流体１２２は普通、導電性経路１１６〜１２０を濡らし、スイッチ製造の際に、スイッチング流体１２２は基板１０２、１０４間に引き込まれることになる。 しかしながら、スイッチ１００では、スイッチング流体１２２が導電性経路１１６〜１２０には物理的に接触しない。 また、パッシベーション層１２６は、それがスッチング流体１２２によって濡れないように選択される。 このようにすれば、スイッチング流体１２２が基板１０２、１０４間に引き込まれることなく、キャビティ１０８のうちの１つの近くからスイッチ１００の１以上の外面まで延びる導電性経路１１６〜１２０を形成することができる。

導電性経路１１６〜１２０の端部に、複数のボンディングパッド１３２、１３４、１３６を形成してもよい。 実施形態によっては、ボンディングパッド１３２〜１３６、及び／又は、導電性経路１１６〜１２０は全体として、チタニウムの層から構成され、その上にプラチナの層が蒸着し、その上に金の層が蒸着される場合がある。 代替実施形態において、ボンディングパッド１３２〜１３６、及び／又は、導電性経路１１６〜１２０は、１以上の他の材料（又は、材料の組み合わせ）から形成される場合がある。

図９は、スイッチ１００を形成する方法の例を示している。 この方法は、第１の基板１０４上に複数の導電性素子１１６〜１２０を蒸着するステップ（９０２）を含む。 次に、導電性素子１１８のうちの少なくとも１つの上に、パッシベーション層２６を蒸着する。 その後、第１の基板１０２と第２の基板１０４を接合し（９０６）、第１の基板１０２と第２の基板１０４との間に形成されるキャビティ１０８の中にスイッチング流体１２２を密閉する。 キャビティは、スイッチング流体１２２を第１の状態と第２の状態の間で移動させることが可能なサイズに形成される。 パッシベーション層１２６は、（１）導電性素子１１８のうちの１つをキャビティ１０８から分離する働きをすると共に、（２）導電性素子１１８のうちの１つとスイッチング流体１２２との間に形成されるコンデンサのための誘電体としても機能する。

本発明の種々の例示的実施形態を以下に列挙する。
１． 互いに接合され、その間に複数のキャビティが画定された第１の基板及び第２の基板と、
前記キャビティのうちの少なくとも１つの近くまで延びる複数の導電性素子と、
前記キャビティの中に保持されるスイッチング流体であって、該スイッチング流体に加わる力に応じて少なくとも一対の導電性素子を物理的にではなく電気的に接続及び分離する働きをするスイッチング流体と、
前記導電性素子のうちの少なくとも１つを覆うパッシベーション層であって、前記導電性素子のうちの１つを前記キャビティのうちの少なくとも１つから分離する働きをすると共に、前記導電性素子のうちの１つと前記スイッチング流体との間に形成されるコンデンサのための誘電体でもあるパッシベーション層と からなるスイッチ。
２． 前記パッシベーション層は二酸化ケイ素からなる、１に記載のスイッチ。
３． 前記パッシベーション層は窒化ケイ素からなる、１に記載のスイッチ。
４． 前記パッシベーション層は炭化ケイ素からなる、１に記載のスイッチ。
５． 前記パッシベーション層はポリシリコンからなる、１に記載のスイッチ。
６． 前記パッシベーション層は前記導電性素子のうちの複数のものを覆い、(i)該複数の導電性素子を前記キャビティのうちの少なくとも１つから分離すると共に、(ii)前記導電性素子と前記スイッチング流体との間に形成されるコンデンサのための誘電体でもある、１に記載のスイッチ。
７． 前記パッシベーション層は前記導電性素子間に蒸着される、６に記載のスイッチ。
８． 前記パッシベーション層は前記導電性素子の上に一様で連続的な表面を形成する、６に記載のスイッチ。
９． 前記パッシベーション層は異なる材料の複数の層からなる、１に記載のスイッチ。
１０． 前記キャビティのうちの少なくとも１つの内部における前記スイッチング流体によって濡れる複数の表面を更に有する、１に記載のスイッチ。
１１． 前記スイッチング流体によって濡れる表面は、前記パッシベーション層を粗面処理した部分からなる、１０に記載のスイッチ。
１２． 前記スイッチング流体によって濡れる表面は、前記パッシベーション層の上に蒸着された金属層からなる、１０に記載のスイッチ。
１３． 前記スイッチング流体によって濡れる表面は、前記キャビティのうちのい少なくとも１つの壁に蒸着された金属層からなる、１０に記載のスイッチ。
１４． 前記スイッチング流体によって濡れる表面は、イリジウム、ロジウム、プラチナ、及び、クロムのうちの少なくとも１つを含む、１０に記載のスイッチ。
１５． 前記導電性素子は、前記キャビティのうちの１つの近くから前記スイッチの１以上の外面まで延びる導電性経路からなる、１に記載のスイッチ。
１６． 前記スイッチの外面に存在する前記導電性経路の端部に形成された複数のボンディングパッドを更に含む、１５に記載のスイッチ。
１７． 前記導電性経路は、チタン、プラチナ、及び、金の層を含む、１５に記載のスイッチ。
１８． 前記スイッチング流体は液体金属からなる、１に記載のスイッチ。
２０． スイッチを形成する方法であって、
第１の基板上に複数の導電性素子を蒸着するステップと、
前記導電性素子のうちの少なくとも１つの上にパッシベーション層を蒸着するステップと、
前記第１の基板を第２の基板に接合し、前記第１の基板と前記第２の基板との間に形成される１以上のキャビティの中にスイッチング流体を密閉するステップであって、前記１以上のキャビティは前記スイッチング流体を第１の状態と第２の状態との間で移動させることが可能なサイズに形成され、前記パッシベーション層は、(i)前記導電性素子のうちの少なくとも１つを前記１以上のキャビティから分離すると共に、(ii)前記導電性素子のうちの１つと前記スイッチング流体との間に形成されるコンデンサのための誘電体としても機能する、スイッチング流体を密閉するステップと からなる方法。
２１． 前記第１の基板を前記第２の基板に接合するステップの前に、前記パッシベーション層の上に前記スイッチング流体によって濡れる複数の表面を形成するステップを更に含む、２０に記載の方法。
２２． 前記スイッチング流体によって濡れる表面は、前記パッシベーション層の幾つかの部分を粗面処理することによって形成される、２１に記載の方法。
２３． 前記スイッチング流体によって濡れる表面は、前記パッシベーション層の上に金属層を蒸着することによって形成される、２１に記載の方法。
２４． 前記パッシベーション層は前記導電性素子のうちの複数のものの上に蒸着され、(i)前記複数の導電性素子を１以上のキャビティから分離すると共に、(ii)前記導電性素子と前記スイッチング流体との間に形成されるコンデンサのための誘電体でもある、２０に記載の方法。
２５． 前記パッシベーション層は、化学気相蒸着プロセスを使用して蒸着される、２０に記載の方法。
２６． 互いに接合され、その間に複数のキャビティが画定された第１の基板及び第２の基板と、
前記キャビティのうちの少なくとも１つの近くまで延びる複数の導電性素子と、
前記キャビティのうちの少なくとも１つの中に保持されるスイッチング流体であって、該スイッチング流体に加わる力に応じて少なくとも一対の前記導電性素子を物理的にではなく電気的に接続及び分離する働きをするスイッチング流体と、
前記導電性素子のうちの少なくとも１つを覆い、(i)前記導電性素子のうちの１つを前記キャビティのうちの少なくとも１つから分離すると共に、(ii)前記導電性素子のうちの１つと前記スイッチング流体との間に形成されるコンデンサのための誘電体を形成する手段と からなるスイッチ。

流体スイッチの第１の実施形態を示す図である。

流体スイッチの第１の実施形態を示す図である。

流体スイッチの第１の実施形態を示す図である。

図１〜図３に示したスイッチの概略図である。

図１に示したパッシベーション層の他の配置を示す図である。

図５に示したスイッチの概略図である。

スイッチのパッシベーション層の幾つかの部分を粗面処理することにより、複数の濡らすことが可能な表面が形成されたスイッチを示す図である。

スイッチのスイッチング流体のキャビティの壁に金属層を蒸着することにより複数の濡らすことが可能な表面が形成されたスイッチを示す図である。

図１に示したスイッチを形成する方法の例を示す図である。