CN102610437A - 接触器及开关 - Google Patents

Abstract

本发明关于一种可由磁场激励的接触器，其中：第一和第二带(12，14)包含沿纵向的紧密连续的用于形成若干对面向彼此的衬垫P_1i和P_2i的衬垫，以及每一带包含至少一个桥接Pt_ji，每一桥接机械地并直接地连接在相同带中的紧密连续的两个衬垫P_ji和P_j，i+1，所述桥接Pt_ji的横截面较衬垫P_ji与衬垫P_j，i+1的横截面小，所述桥接Pt_ji的最小横截面的表面积S_Ptji满足以下关系式：0＜S_Ptji＜2/3S_Zi，其中S_Zi为在一对衬垫P_1i和P_2i的接触面之间的重叠区域的表面积，j为用于识别带的指数且i为用于识别所述带的衬垫的指数。

Description

接触器及开关

技术领域

本发明关于一种可由磁场激励的接触器(contactor)以及一种包含该接触器的开关。

背景技术

可由磁场激励的接触器还被称作磁簧开关(Reed switch)。

现有技术的接触器包含沿纵向延伸的由磁性材料制成的至少一个第一带和至少一个第二带：

第一带包含具有接触面F_1i的至少一个衬垫P_1i，

第二带包含具有接触面F_2i并面向衬垫P_1i的至少一个衬垫P_2i，当接触面F_2i与接触面F_1i在接触面F_2i上的垂直于纵向的横向上的投影的交叉部分形成表面积S_zi严格大于零的重叠区域Z_i时，衬垫P_1i和衬垫P_2i面向彼此，

每对面向彼此的衬垫P_1i和P_2i中的至少一个衬垫能在磁场的效力下沿横向在以下位置间运动：

封闭位置，其中接触面F_1i和F_2i相互直接地机械接触以使电流流通，及

开放位置，其中接触面F_1i和F_2i由空气间隙而相互分离以相互电绝缘。

当至少一个衬垫处于封闭位置中时，接触器处于封闭位置中。当所有的衬垫都处于开放位置中时，接触器处于开放位置中。

发明内容

本发明旨在降低位于封闭位置中的接触器的电阻。本发明的一个目的在于一种接触器，其中：

第一带和第二带包含沿纵向的紧密连续的用于形成若干面向彼此的衬垫对P_1i和P_2i的衬垫，以及

每一带包含至少一个桥接Pt_ji，每一桥接机械地并直接地连接在相同带中的紧密连续的两个衬垫P_ji和P_j，i+1，桥接Pt_ji的横截面较衬垫P_ji与衬垫P_j，i+1的横截面小，并且桥接Pt_ji的最小横截面的表面积S_Ptji满足以下关系式：0＜S_Ptji＜2/3S_Zi，其中j为用于识别带的指数且i为用于识别所述带的衬垫的指数。

上述接触器具有在封闭位置中的电阻，该电阻比仅提供一对衬垫的相同参考接触器的在封闭位置中的电阻小。实际上，由于桥接Pt_ji的横截面小于重叠区域的表面积S_Zi(即，由于表面积S_ptji小于表面积S_Zi的三分之二)，由衬垫P_1i集中的大多数磁通量穿过重叠区域而不是桥接Pt_1i。因此，通过磁场效力用与为参考接触器所观察到的力相接近的力将每对衬垫P_1i和P_2i中的衬垫互相拉近。因此，在封闭位置中的每对衬垫P_1i和P_2i的衬垫之间的电阻R_i相当地接近于未参考接触器所观察到的电阻。但是，上述接触器具有n对衬垫P_1i和P_2i，且因此当开关位于封闭位置时有n个平行连接的电阻R_i。因此，由于平行安装的多个电阻R_i，上述接触器在封闭位置中的电阻远小于参考电阻在封闭位置中的电阻。

实际上，上述在封闭位置中的接触器的电阻接近于由n个参考接触器平行连接所获得的电阻。但是，相比于这n个平行连接的参考接触器，上述接触器具有更小的空间需求。实际上，桥接Pt_ji机械地并直接地相互连接不同的衬垫。因此，不像如果将平行连接n个参考接触器的情况，没有必要提供特定的电轨迹以建立衬垫对的平行连接。而且，降低了上述接触器的需求空间。更具体而言，衬垫对的数量n越大，在第一带和第二带之间的重叠区域就越大。因此，已估计到上述接触器的空间需求小于nS/2，其中S为参考接触器的空间需求，而n个平行连接的参考接触器的空间需求为nS。接触器的空间需求由其在平行于纵向且横向的平面上所占用的表面积来表示。

接触器的实施例可具有一个或多个如下特征：

每一重叠区域的表面积S_Zi满足以下两个关系式：0＜S_zi≤S_1i/3及0＜S_zi≤S_2i/3，其中S_ij是接触面F_ij的表面积；

每一衬垫P_ji是平行于纵向延伸的在横向上厚度为e_pji的平行六边形，并且重叠区域是在纵向上长度为x的矩形，该长度x为e_pji/2加上或减去其30％；

衬垫P_ji中的至少一个衬垫面向所述衬垫P_2i和所述衬垫P_2，i+1；

重叠区域的表面积S_Zi全部相等并且衬垫P_ij的大小也彼此全部相等；

接触器具有平面衬底，在所述平面衬底中具有被挖空的井并且带整个容纳于该井中；

每一桥接Pt_ji对应其开口指向空气间隙的凹槽的底部。

而且，这些接触器的实施例具有以下优点：

具有比衬垫的表面积S_1i或S_2i更小的重叠区域，从而在此重叠区域中集中了磁通量，因而增加了在封闭位置中的接触力并减少了在封闭位置中的电阻；

为重叠区域选择接近于厚度e_pji一半的长度x，从而在缩小接触器的空间需求的同时增大了接触力；

具有面向衬垫P_2i及衬垫P_2，j+1的衬垫P_1i，从而增加了在封闭位置中的接触器的数量，且因而降低了在封闭位置中的接触器的电阻；

制作不同的衬垫及其位置以在每对衬垫之间获得大致相等的接触力，从而在限制空间需求增长的同时，降低了位于封闭位置中的接触器的电阻；

安装带使其整个位于井中，从而有利于制作将井与外部环境绝缘的罩子。

本发明的目的还在于一种开关，其包含：

上述接触器，以及

平行于纵向的磁感应B₀的磁源(3)，在该磁源的效力下，衬垫从它们的开放位置运动到它们的封闭位置，

其中，衬垫的大小使得在当磁感应B₁不能使衬垫P_1i和衬垫P_2i饱和时，磁感应B₀的强度可使衬垫P_1i和衬垫P_2i饱和，其中磁感应B₁除了其强度等于磁感应B₀强度的80％外，磁感应B₁与磁感应B₀相同。

制作衬垫P_ji使其由磁场B₀而刚好饱和，从而最大程度的限制接触器的空间需求以及开关的空间需求。

附图说明

完全通过非详尽性的示例并参考附图部分，从以下描述中将更清楚的理解本发明，在附图部分中：

图1是一种装备有可由磁场激励的接触器的开关的示意图，

图2是图1中接触器的部分横截面的示意图，

图3是图1中接触器的带的末端构造的示意图，

图4是用于制作图1中接触器的带的末端尺寸的方法流程图，

图5是用于制造图1的接触器的方法流程图，

图6至图10是图1的接触器在不同制造状态中的垂直部分的示意图，

图11和图12是对于图1中接触器的带的末端的其它两个可能实施例的俯视示意图，

图13是用于制作图12实施例的带的末端尺寸的方法流程图，以及

图14是对于图1中接触器的带的末端的另一可能实施例的俯视示意图。

具体实施方式

在下文的描述中，将不再对本领域普通技术人员所已知的特征及功能进行详细的描述。

图1展示开关1，开关1装备如下：

可由磁场激励的微接触器2，及

可控磁场源3。

当激活磁场源3时，该磁场源产生平行于纵向X的磁场或磁场感应B₀。当没有指令时，磁场源3不产生磁场。

微接触器2是一种接触器，但尤其就制造方法而言，微接触器不同于宏观的开关。通过与制作微电子芯片相同的批量制作方法来制作微接触器。例如，微接触器可由通过光刻法及蚀刻法加工的及/或通过金属材料的外延晶体生长和沉积而形成结构的单晶硅或玻璃制成。

微接触器2制作于水平延伸，即：平行于正交方向X及Y的平面衬底4中。在以下描述中，垂直的方向，即正交于方向X和Y的方向，由Z来表示。

衬底4为坚硬的衬底。为此，其在Z方向上的厚度大于200微米且优选地大于500微米。该衬底有利地为电绝缘衬底。

例如在这里，衬底4为硅衬底，即：包含硅的质量为至少10％且通常大于50％的衬底。该衬底4为无机且非光敏性的。该衬底4具有水平面的上表面6。

微接触器2具有电极8和10，穿过微接触器2的电流流过该电极8和10。电极8和10没有任何自由度地固定于衬底4上。在这里，电极8和10为平行四边形，其上表面位于与衬底4的上表面6相同的平面中。这些电极的垂直表面延伸至衬底4中。每个电极的垂直表面在衬底4中通过例如平行于上表面的下表面连接至另一个电极。

带12和14平行于方向X分别从电极8和10处开始延伸。这些带12和14可在平行于方向X的磁场的效力下相对于彼此在以下位置间运动：

开放位置(参见图1)，其中带通过填充有介电气体的空气间隙15而相互电绝缘，以及

封闭位置，其中带直接地相互机械接触以使电流在电极8与电极10之间流通。

在这里，每个带具有平行于方向X延伸的平行四边形的形状。因此，同电极一样，每条带具有：

上表面，其位于与衬底4的上表面6相同的平面中，

垂直表面，其穿进衬底4的内部，及

下表面，其位于衬底4的表面6以下，并且例如平行于带的上表面。

每条带12和带14分别具有近端16和近端18，其分别机械并电连接至电极8和10。在这里，近端16和近端18分别没有自由度地连接至它们各自的电极。因此，这些近端16和近端18是固定不动的。

在本实施例中，带与其机械连接的电极一起形成一个相同材料的块。

每条带12和带14还分别具有远端20和远端22。这些远端20和22彼此相对且在开放位置中通过空气间隙15相互分离。相反地，这些远端在封闭位置中直接地相互接触。

这里，在本实施例中，远端20和22都是弹性的以在开放位置与封闭位置间运动。

远端20和22平行于水平面X、Y单独地移动。为此，远端20和22容纳在其中填充有介电气体例如空气等的井24中。更具体而言，远端20和22弯曲以从开放的位置到达封闭的位置。每个远端20和22在开放位置与封闭位置问的变型是全弹性的以当没有外力时其能自动地回到开放的位置。

为了是弹性的，每个远端20和22都在方向X上的长度远大于其在方向Y上的厚度。例如，每个远端20和22的长度是其厚度的5、10或50倍。在这里，每个远端20和22的厚度小于100微米且优选地小于50微米或10微米。

本示例中，远端20和22在方向Z上的高度e_c通常是在20微米到50微米的量级。

在这里，形成远端20和22以限制微接触器在封闭位置中的电阻。将参照图3对形成远端20和22的一个示例进行描述。

带12和14以及电极8和10的基本部分是由软磁性材料制成的。软磁性材料是具有低频率实部大于1000的相对磁导率的材料。这样的材料通常具有强制激励以在磁场强度低于100A.m^-1时消磁。例如，这里使用的软磁性材料是铁和镍的合金。

为了增加带的电导率，带的垂直表面和下表面都由导电涂层28所覆盖。这同样适合于电极8和10的垂直表面和下表面。例如，该涂层是由铑(Ro)、钌(Ru)或铂(Pt)制成。微接触器2还具有覆盖井24的罩子30(参见图2)。为了简化图1，该罩子未展示在图1中。

图2展示了微接触器沿着图1所示横截面I-I的垂直剖面。在图2中展示了覆盖井24的罩子30。罩子30阻止杂质进入到井24的内部，并且能防止带12和14的运动。罩子30还能防止该接触器的氧化。

当平行于方向X施加外部磁场时，该磁场由带12和14集中并引导。该磁场的场力线由图1中的箭头F来代表。这在空气间隙15中产生了易于减小该空气间隙的力。这个力使远端20和22弯曲直到它们互相接触。因此，外部磁场可以使带12、14在其开放位置与封闭位置之间移动。当外部磁场消失时，远端20、22通过弹性变形的板簧(spring leaf)回到开放位置。

图3展示了更加详细的用于形成被实施用来降低微接触器2在封闭位置中电阻的远端20和22的示意图。在这里，每个远端20和22都具有在方向X上定位在彼此旁边的多个衬垫P_ji，其中指数j识别带，且指数i识别该带的衬垫。更具体而言，在下文的描述中，指数j以值“1”表示带12并且以值“2”表示带14。

在方向X上紧密连续的两个衬垫P_ji和P_j，i+1通过桥接Pt_ji而相互机械连接。

每个衬垫P_ji具有指向空气间隙15的水平表面F_ji。在这里，每个衬垫P_1i面向另一带的衬垫P_2i。设置两个衬垫P_1i和P_2i，使得如果表面F_2i与其表面上的表面F_1i在方向Y上的投影的交叉部分形成表面积S_Zi严格大于零的重叠区域Z_i时，两个衬垫P_1i和P_2i面向彼此。在下文的描述中，两个面向彼此的衬垫P_1i和P_2i具有相同的指数i。

桥接Pt_ji的横截面的表面积S_Ptji严格小于其所连接的衬垫P_ji和P_j，i+1的交叉部分，即横截面的表面积。在这里，术语“横截面的表面积”指与由方向YZ所界定的平面相平行的桥接截面表面积或衬垫截面表面积。

在这里，在面向彼此的衬底对P_1i和P_2i的数量n等于2的特定情况中来描述远端20和22的形成。

而且，在这里，除了远端20和22指向彼此以外，远端20和22是相同的。实际上，表面F_1i指向表面F_2i。因此，在下文中仅详细的描述远端20。

衬垫P₁₁通过方向X上长度为I、方向Y上厚度为e及方向Z上高度为e_c的平行六面体臂B₁而直接连接端16。衬垫P₁₁通过桥接Pt₁₁连接衬垫P₁₂。在本特定实施例中，衬垫P₁₁和P₁₂的大小是相同的。因此，在下文中仅更详细的描述衬垫P₁₁的大小。

衬垫P₁₁是长度为βx、厚度为e_p及高度为e_c的平行六面体。因此，表面F₁₁及重叠区域Z₁为矩形。重叠区域Z₁在方向X上的长度用“x”来表示。在这里，使衬垫P₁₁的长度与重叠区域Z₁的长度x成比例。因此，衬垫P₁₁的长度在乘积中的表示形式为：常数β乘以长度x。

桥接Pt₁₁是长度为e_s、厚度为e_pt及高度为e_c的平行六面体。制定桥接Pt₁₁的大小使其横向表面积S_Pt11小于重叠区域Z₁的表面积S_z1的至少三分之二。当表面积S_Pt11小于表面积S_z1或S_z2的三分之二时，由衬垫P₁₁或P₁₂集中的大部分磁通量通过空气间隙15而不通过桥接Pt₁₁。因此这通过重叠区域提高了通过空气间隙15的磁通量的大小。目前，在面向彼此的该衬垫对之间的接触力f_contact与由通过磁通量的表面积划分的磁通量成正比。因此，最小化桥接Pt_1i的垂直截面可增加封闭位置中衬垫之间的接触力并因而降低接触器在封闭位置中的电阻。

在这里，桥接Pt₁₁的厚度e_pt至少小于衬垫P₁₁和P₁₂厚度e_p的三分之一。因此，桥接Pt₁₁还对应于位于表面F₁₁与F₁₂之间的高度为t_p的凹槽的底部。此处凹槽的宽度等于桥接Pt₁₁的长度e_s。

将注意到的是衬垫P₁₁的厚度e_p等于深度t_p与桥接Pt₁₁宽度e_pt之和。

远端20的总长度由I_p来表示。在这里，长度I_p等于2βx+e_s。

远端20和22相对于彼此在方向X上以距离g偏移以降低重叠表面积S_Zi。在本实施例中，选择距离g以满足以下两个关系：

S_Zi≤S_1i/3

S_Zi≤S_2i/3，

其中S_1i和S_2i是表面F_1i和F_2i各自的表面积。

为了简化图示，没有按比例来描绘示出远端20和22，并且也没有示出这两个关系。

优选地，表面积S_Zi小于表面积S_1i和S_2i的四分之一或八分之一。

减少的重叠面积S_Zi使磁通量集中在比表面F_ji的表面积更小的表面积上。这可增加这些衬垫之间的接触力f_contact并因而降低接触器在封闭位置中的电阻。

现将参照图4的方法来描述对远端20和22的尺寸制作(sizing)。

在这里，通过具有以下条件的多个示例来说明对远端20和22的制作：

-由磁场源3产生的以将微接触器2向其封闭位置移动的磁场B₀的强度为50mT，

-必须由微接触器2切换的电压最多为50伏，

-在封闭位置中每个衬垫对之间施加的接触力f_contact为150微牛，

-使衬垫回到其开放位置的恢复力f_rappel为每接触器20微牛，

-桥接Pt₁₁施加的以将衬垫P₁₂朝向其开放位置返回的恢复力f_amin为20微牛，

-用来制作带20和22的磁性材料的相对磁导率为1000，

-磁性材料的杨氏模量等于1.85.1011Pa，以及

-饱和磁磁性材料的极化强度J_s等于1T。

接触力f_contact为在封闭位置中由在衬垫P_2i上的衬垫P_1i所施加的力。接触力越大，接触器的电阻减少得就越多。

恢复力f_rappel为施加在每个衬垫上的恢复力，其永久性地将衬垫拉向开放位置。

极化强度J_s是当磁性材料饱和时所观察到的该磁性材料的极化率。作为第一近似值，该极化率是磁场B₀强度与消磁因子Nd之比。

在步骤27处，选择开放位置中空气间隙的距离为d。距离d必须足够大以将开放位置中的衬垫P_1i与P_2i电绝缘。因此，距离d特别依赖于开放位置中微接触器2的端8和端10之间的电压。在这里，选择大于5微米的距离d，以在即便衬垫8与10之间的电压为220伏时将衬垫P_1i电绝缘于衬垫P_2i。这个5微米的值设定在其中空气间隙15是由空气填充的特别情况中。实际上，对于如远端20和22那么小的尺寸而言，空气的击穿电场强度为量级50伏/微米。

除此之外，选择足够小的距离d以维持在带12和14的弹性变形的区域内。因此，距离d的最大限值依赖于所选择的例如杨氏模量E的磁性材料的特征。在这里，为了维持在弹性变形的区域中，选择小于15微米的距离d。

在本实施例中，确定距离d等于5微米以最小化微接触器2的空间需求。

在步骤29处，确定高度e_c。高度e_c越大，则微接触器2在封闭位置中的电阻降低越多。但是，生产的技术局限使高度e_c具有上限。因此，在这里，选择最大等于30微米且至少等于10微米的高度e_c。对于数字应用，选择等于20微米的高度e_c。

在步骤31处，计算衬垫的厚度e_p以获得等于170微牛的且在磁场B₀下将衬垫P_1i拉向衬垫P_2i的磁力f_f。该磁力f_f抵消了恢复力f_rappel和恢复力f_amin，这里恢复力f_rappel和恢复力f_amin均设定为等于20微牛。更具体而言，接触力f_contact、磁力f_f以及恢复力f_rappel通过以下关系式相互关联：f_cntact＝f_f-f_rappel。

因此，为了获得150微牛的接触力f_contact，使这里的磁力f_f等于170微牛。

为了计算厚度e_p，使用软件程序执行不同的数字仿真以实验性地建立连接磁力f_f与厚度e_p的关系式。所建立的关系如下所示：

在关系式(1)中，厚度e_p及高度e_c以单位微米表示，且磁力f_f以单位微牛表示。

关系式(1)是由以下假定而建立的：

-衬垫P_ji由磁场B₀而饱和，

-忽略桥接Pt_ij及臂B_j的出现，以及

-假定厚度e_p的范围从10微米到100微米。

而且，假定重叠区域Z_i的长度x等于厚度e_p的一半而建立关系式(1)。换言之，满足以下关系式：

(2)

x＝ep/2

通过关系式(1)，我们获得这里厚度e_p的值为40微米。

在步骤32处，通过关系式(2)来计算长度x。因此，这里长度x等于20微米。

在步骤33处，计算衬垫P_ji的长度βx。确定长度βx使得当存在磁场B₀时，每个衬垫P_ji完全的磁力饱和。在这里，计算长度βx使得每个衬垫P_ji刚好饱和。术语“刚好饱和”指每个衬垫由磁场B₀而饱和，而不是由磁场B₁而饱和，其中磁场B₁除了其强度等于磁场B₀的强度的80％及优选地等于90％之外而与磁场B₀相同。为此，使用通过电磁定律来模塑衬垫P_ji所获得的不同关系式。

更具体而言，使用以下用于连接磁性材料饱和时的极化强度J_s与磁场B₀的关系式：

在关系式(3)中，Nd是衬垫P_ji的消磁因子。该消磁因子Nd是衬垫P_ji大小的函数。使用以下用于连接消磁因子Nd与衬垫大小的关系式：

关系式(3)是在假定建立在椭圆情况下的用于关联消磁因子Nd与衬垫大小的关系式同样能用在平行六面体的情况中的条件下而获得的。

因此，为了获得常数β的值，必须确定以下等式：

该等式为常数β确定了值“7”。因此，在这里，衬垫P_ji的长度为140微米。

接着，在步骤34处，确定长度I、厚度e、宽度es以及深度t_p以获得等于20微牛的恢复力f_rappel以及等于20微牛的恢复力f_amin。为此，在这里确定能最小化微接触器2的空间需求的厚度e。例如，选择等于5微米的e。

在这个特定的情况中还确定距离g使得衬垫P_1i仅面向一个衬垫P_2i。例如，选择等于50微米的g。一旦确定了距离g，则由以下关系式确定远端20的宽度e_s和总长度I_p：

(6)	es＝g+βx-x，

(7)

1p＝2βx+es

由以下关系式确定恢复力f_amin：

Γ_amin是由桥接Pt₁₁施加在衬垫P₁₂上的机械恢复扭矩。

由以下关系式确定扭矩Γ_amin：

由以下关系式确定值S_amin本身：

由以下关系式确定系数I₃和I₄：

因此，设置在恢复力f_amin的限制使得可从前述关系式中计算出深度t_p。

令恢复力f_amin≥20微牛保证了如果在恢复力f_rappel的作用下衬垫P₁₁回到其位置，则由于为此目的的桥接Pt₁₁足够坚硬，因而衬垫P₁₂将执行与衬垫P₁₁相同的动作。

一旦计算出深度t_p，则计算出了长度I，使得根据该限制证实了恢复力f_rappel等于20微牛。恢复力f_rappel由以下关系式确定：

Γ_r是恢复力的扭矩。该扭矩等于由每个带12和14所施加的恢复扭矩Γ_meca的两倍。因此，恢复扭矩Γ_r由以下关系式确定：

(14)2Γmeca＝Γr

由以下关系式来界定单个带的扭矩Γ_meca：

(15)	Γmeca＝Sf0(1+1p)

其中f₀是带12的最大弯曲度。

在这里，通过以下关系式来估算弯曲度f₀：

由以下关系式来确定关系式(15)的因子S：

其中，系数I₁和I₂由以下关系式来确定：

已由上文界定系数I₃和I₄。基于前述关系式，可计算长度I。

在这里考虑多个数字数据，所获得的结果如下：1＝40μm，e＝5μm，t_p＝30μm，以及g＝50μm。

在步骤35处，已经证实了当存在磁场B₀时在开放位置中由磁力施加的扭矩Γ₀严格大于用于机械力的恢复扭矩Γ_r。如果这是事实，则它保证了当存在磁场B₀时微接触器2将运动到其封闭位置。由现有申请方(filing party)执行的不同数字仿真已经建立了用于估算磁力施加在开放位置中带12上的力F₀的关系式。这个关系式如下：

基于力F₀，还可降低施加在远端20上的磁力的扭矩。这个扭矩由以下关系式确定：

通过使用与关系式(1)相同的假定而建立了上述两个关系式(20)和(21)。

而且，在这两个关系式中，厚度e_p、距离d以及厚度e_c都是以单位微米表示，扭矩Γ₀以单位N.m表示，力F₀以单位微牛表示，并且厚度e_p的范围为10微米到100微米。

如果扭矩Γ₀不大于扭矩Γ_r，则执行步骤36，其中厚度e_p增加或厚度e减少。在步骤36的最后，回到步骤34以再次计算程度I及深度t_p。

如果扭矩Γ₀大于扭矩Γ_r，则在步骤37处，执行检查以查看恢复力f_amin是否真的大于或等于20微牛。如果答案是否定的，则执行其中修改距离g例如减少距离g的步骤38。在步骤38的最后，方法回到步骤34。

如果情况相反，则操作继续到其中制造了具有确定大小的微接触器2的步骤39。

除了在平面XY中的接触衬垫外，具有上述确定大小的微接触器2占据了大约650微米(＝2I+I_p+βx-x)乘以85微米(＝2e_p+d)的硅的表面积。

现将通过图5所示的方法更详细的描述用于制造微接触器2的方法的一个示例。

所描述的制造方法是一种使用微电子元件的制造方法技术的集中或批量的制造方法。因此，首先提供硅晶片(wafer)，在该晶片上将同时通过相同的操作来制造多个微接触器。为了简化以下描述，以单个微接触器的情况来单独地说明不同的制造步骤。在图3所示方法期间所获得的不同制造状态将展示于图6至图10中的垂直剖面中。

在步骤40处，将光敏树脂层41(参见图6)沉积在衬底4的上表面6上。接着，通过照射树脂而界定在衬底4中需要挖出空腔的区域。这些区域对应于电极和带的位置。在这里，这是一个经典的光刻法步骤。

在步骤42处，对上述所界定的区域实行各向异性的蚀刻以在衬底4中蚀刻空腔44和46(参见图6)，从而为带12和14以及电极8和10形成凹的模型。这里的术语“各向异性”的蚀刻指的是这样一种蚀刻，其在方向Z上的蚀刻速度大于在水平方向X和Y上蚀刻速度的至少10倍，且优选地大于水平方向X和Y上蚀刻速度的50倍或100倍。换言之，水平蚀刻速度相对于垂直方向上的蚀刻速度而言可忽略不计。这样提供的侧面(flank)较使用其它蚀刻方法形成的侧面而言更加垂直。特别地，被挖空的空腔44和46的侧面较在光敏树脂中挖空的空腔侧面或使用其它蚀刻方法而言更加垂直。例如，这里所用的方法是等离子体蚀刻或深硅化学蚀刻。

在步骤48处，去除光敏树脂层41并且将导电涂层28沉积在整个上表面上。因此，该导电涂层不仅覆盖空腔的垂直侧面还覆盖空腔的底部以及衬底的上表面6。

在步骤50处，空腔由软磁性材料52(参见图5)填充。此处的填充是由使用涂层28作为导电电极的电解沉积来完成的。因此，涂层28还实现了晶种层(seed layer)的功能。由于涂层28在衬底4的整个表面上延展，因此材料52同样沉积在衬底4的整个上表面上以及空腔44和46中。因而获得图7所示的状态。

在步骤54处，对衬底4执行机械/化学的抛光以恢复衬底4的平面上表面6。化学机械抛光(chemical mechanical planarization)还因其首字母缩写CMP而为人所知。在这里使用抛光步骤以去除位于空腔44和46外部的材料52和涂层58。在本步骤的最后，获得图8所示的状态。

在步骤56处，罩子30沉积在即将挖出井24的位置。为此，额外厚度58(参见图9)的材料沉积在已经挖出井24的区域上。能用与衬底4相同的各向同性的蚀刻剂来蚀刻用来形成该额外厚度58的材料。例如此处，该材料为硅。该额外厚度58使罩子30与远端20和22的上表面绝缘。接着，又在本步骤56中，将薄层59沉积在衬底4的整个上表面上。该薄层59由耐受各向同性蚀刻剂的材料制成。最后，在用于形成罩子30的薄层59中，为各向同性的蚀刻剂形成入口孔60。为了简化图9，仅仅显示了多个入口孔中的一个入口孔60。这些入口孔布置在已被挖空的井24的上方。

在步骤62处，直接蚀刻衬底4以形成井24。在本步骤中，蚀刻是各向同性的。各向同性的蚀刻是这样一种蚀刻步骤，其中在方向X，Y上的蚀刻速度等于在方向Z上的蚀刻速度加上或减去50％，优选地为加上或减去20％或10％。

在步骤62处，通过入口孔60使各向同性的蚀刻剂与将被蚀刻的硅直接接触。这里选择不与软磁性材料52和涂层28反应的蚀刻剂。例如，蚀刻剂可为气体二氟化氙(XeF₂)。

由于蚀刻剂是各向同性的蚀刻剂，因此能去除远端20和22的垂直表面及同时去除其底部，即远端20的下表面(参见图10)。

因此，在各向同性的蚀刻步骤的最后形成了井24。

最后，在步骤66处，如果必要则再次关闭入口孔60，分割其上已批量形成不同微芯片的晶片，以将多个微接触器机械地相互分开。

图11展示微接触器80。除了远端20由固定端82所替代以外，微接触器80与微接触器2相同。除了此处的固定端82是没有任何自由度地固定于衬底4之外，其与远端20相同。因此可省略臂B₁。

除了弯曲度f₀、扭矩Γ_meca、恢复力F_amin及扭矩Γ_amin是由以下关系式所界定之外，衬垫P₂₁和P₂₂的大小制作与参照图4所描述的相同：

(22)

f0＝d

(23)

Γmeca＝Γr

(25)	Γamin＝Samind(es+βx)

如同在以上实施例中，衬垫P₁₁和P₂₂以及桥接Pt₁₁分别与衬垫P₂₁和P₂₂以及桥接Pt₂₁相同。

图12展示了微接触器90，除了远端20由端92所替代以外，微接触器90与微接触器2相同。为了简化图12，仅仅详细示出端90和22。

除了在本实施例中选择距离g等于-x以在衬垫P₁₂和衬垫P₂₁之间形成新的重叠区域Z′₁外，端92与远端20相同。此外，选择g以使重叠区域Z′₁的大小等于区域Z₁和Z₂的大小，因而均匀地分配衬垫之间的不同接触点之间的接触力。因此，不同于前述实施例中的所获得的两个接触点，在本实施例中仅用两对衬垫就获得了三个接触点。参照图13所描述，由于制作端22和92的大小可使在每个接触点上施加的接触力等于如果只有一个接触点的情况所获得的接触力，因而接触点数量的增加可减少微接触器在封闭位置中的电阻。

除了步骤34由步骤100所替代并且省略了步骤37和38之外，如图13所示的制作微接触器90大小的方法与图4所示的方法相同。

更具体而言，在步骤100处，凹槽的宽度e_s由以下关系式所设定：

(26)

es＝βx-2x

因此，仅需确定长度I、厚度e以及深度t_p以获得恢复力f_rappel以及等于20微牛的恢复力f_amin。

如上，选择这里的厚度e以限制微接触器90的空间需求。在这里，选择e等于5微米。

使用与参照步骤34所描述的关系式相类似的以下关系式，从强加在恢复力f_amin上的限制来确定厚度t_p。

由以下关系式来确定恢复力f_amin：

Γ_amin是由桥接P₁₁施加在衬垫P₁₂上的机械恢复扭矩，其由关系式(9)确定。因此，设置在恢复力f_amin上的限制使得可从上述关系式中计算深度t_p。

接着，从施加在恢复力f_rappel上的限制来确定长度I。但是，不同于步骤34所描述的那样，这里的恢复力是由以下关系式来确定的：

如上述，恢复力Γ_r是由以下关系式来确定的：

(29)

2Γmeca＝Γr

由以下关系式来确定扭矩Γ_meca：

(30)	Γmeca＝Sf0(1+1p)

在前述关系式中，由以下关系式来确定端92的长度I_p。

(31)

1p＝2βx+es

关系式(30)中的因子S是由与参照步骤34所提供的相同关系式(17)来确定。

有上述相同的数字示例，我们获得以下值。长度I等于35微米，厚度e等于5微米以及深度t_p等于35微米。

除接触衬垫外的微接触器90的总的空间需求由以下乘积确定：从长度L_t乘以总厚度e_t。由以下关系式确定总长度L_t：

(32)	Lt＝21+1p+(β-1)x

由以下关系式确定厚度e_t：

(33)

Et＝2ep+d

因此，在这里，由带所占有的硅的表面积为570x 85平方微米。微接触器90占用比微接触器2稍小的空间，并且其在封闭位置中的电阻更小。

除了端92由固定端112所替代之外，图14所展示的微接触器110与微接触器90相同。

端112没有任何自由度的固定于衬底4上。省略臂B₁。

从参照图13所给的描述中推导出制作微接触器110的大小。但是，使用加下的关系式来取代图13中对应的关系式。

(34)

f0＝d

(35)

Γmeca＝Γr

(36)	Γmeca＝Sd(1+1p)

(38)	Γamin＝Samind(es+βx)

其它的若干实施例也是可能的。例如，没有必要制定长度x应该等于厚度e_p的一半，尽管这似乎能在一方面降低电阻与另一方面的低空间需求及精密性之间获得最佳效果。例如，作为一种变型，选择x的范围为e_p/3到e_p/1.5。优选地，选择x等于e_p/2加上或减去其30％。

用于制作带的端大小的其它方法也是可能的。特别地，可为一组大小并使用仿真软件来仿真微接触器的工作。如果施加于微接触器的仿真功能上的限制不令人满意，则修改大小并执行新的仿真。因此，通过连续的试验，将可以确定满足所强加的限制的端的大小。

在制作带的端大小的过程中，可省略施加在恢复力f_amin上的限制。

为了限定桥接P_ij的横向表面积，还可能限定该桥接在垂直方向上的高度。在一特定的情况中，仅限定桥接P_ij在垂直方向上的高度以满足关系式S_Ptij≤2/3S_Zi。

上述关于形成端的描述还能应用于其中带垂直于衬底平面运动的微接触器上。

在不同接触点上的不同接触力没有必要全部互相相等。例如，可以制作至少一个衬垫的大小，以使其产生的接触力大于其他衬垫所产生的接触力。例如，这种效果还可通过为不同的重叠区域选择不同的长度而获得。

为了使微接触器能正常工作，没有必要使每个衬垫都磁饱和。例如，仅制作一些由磁场B₀饱和的衬垫。作为一种变型，没有一个衬垫磁饱和。

这里所描述的用于微接触器的特定情况还能应用于具有宏观大小的接触器中，不通过与在微电子元件中所使用的制造方法相同的制造方法来制造具有宏观大小的这些接触器。而且，它们的大小通常更大一些。例如，带的长度经常超过1毫米或3毫米。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种可由磁场激励的接触器，所述接触器包含由磁性材料制成的沿纵向延伸的至少一条第一带及一条第二带(12，14)：

所述第一带(12)包含具有接触面F_1i的至少一个衬垫P_1i，

所述第二带包含面向所述衬垫P_1i并具有接触面F_2i的至少一个衬垫P_2i，当所述接触面F_2i与在所述接触面F_2i上的所述接触面F_1i在垂直于所述纵向的横向上的投影的交叉部分形成表面积S_zi严格大于零的重叠区域Z_i时，衬垫P_1i和衬垫P_2i面向彼此，

面向彼此的每对衬垫P_1i和P_2i中的至少一个衬垫能在磁场效力下沿所述横向在以下位置间运动：

封闭位置，其中所述接触面F_1i和所述接触面F_2i相互直接地机械接触以使电流流通，及

开放位置，其中所述接触面F_1i和所述接触面F_2i由空气间隙(15)而相互分离以相互电绝缘，

其特征在于：

所述第一带和所述第二带(12，14)包含沿所述纵向的紧密连续的用于形成若干对面向彼此的衬垫P_1i和P_2i的衬垫，以及

每一带包含至少一个桥接Pt_ji，每一桥接机械地并直接地连接在相同带中的紧密连续的两个衬垫P_ji和P_j，i+1，所述桥接Pt_ji的横截面较衬垫P_ji与衬垫P_j，i+1的横截面小，并且所述桥接Pt_ji的最小横截面的表面积S_Ptji满足以下关系式：0＜S_Ptji＜2/3S_Zi，其中j为用于识别带的指数且i为用于识别所述带的衬垫的指数。

2.如权利要求1所述的接触器，其中每一重叠区域的所述表面积S_Zi满足以下两个关系式：0＜S_zi≤S_1i/3及0＜S_zi≤S_2i/3，其中S_ij是所述接触面F_ij的表面积。

3.如权利要求1所述的接触器，其中每一衬垫P_ji是平行于所述纵向延伸的且在所述横向上厚度为e_pji的平行六边形，并且所述重叠区域是在所述纵向上长度为x的矩形，所述长度x为e_pji/2加上或减去其30％。

4.如权利要求1所述的接触器，其中所述衬垫P_ji中的至少一个衬垫面向所述衬垫P_2i和所述衬垫P_2，i+1。

5.如权利要求1所述的接触器，其中所述重叠区域的所述表面积S_Zi全部相等并且所述衬垫P_ij的大小也彼此全部相等。

6.如权利要求1所述的接触器，其中所述接触器具有平面衬底，在所述平面衬底中具有被挖空的井(24)并且所述带(12，14)整个容纳于所述井中。

7.如权利要求1所述的接触器，其中每一桥接Pt_ji对应其开口指向所述空气间隙(15)的凹槽的底部。

8.一种开关，包含：

如上述任一权利要求所述的接触器(2；80；90；110)，以及

平行于纵向的磁感应B₀的磁源(3)，在所述磁源的效力下，所述衬垫从它们的开放位置运动到它们的封闭位置，

其特征在于：所述衬垫的大小使得在当磁感应B₁不能使所述衬垫P_1i和衬垫P_2i饱和时，所述磁感应B₀的强度可使所述衬垫P_1i和衬垫P_2i饱和，其中所述磁感应B₁除了其强度等于所述磁感应B₀的强度的80％外，所述磁感应B₁与所述磁感应B₀相同。

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