CN1119826C - 磁性微型开关及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
磁性微型开关包括两簧片(1、2)，它们各包括其重迭部分形成距离为e的空气间隙的末端部分(5、5’)，至少由磁场材料制成的簧片之一(1)具有通过支脚(9)固定于基片的端部(3)、中间部分(4)和长度为L0的末端部分(5)，所述簧片相对于第二簧片(2)是柔性的。形成具有小于末端部分(5)的总截面的柔性簧片(1)的中间部分，以便具有更小的弯曲阻力，使簧片既可以在磁场的影响下具有至少等于e的幅度的偏移而相互接触，又可以具有在无磁场时回复到断开位置的足够的回复力。
Description
技术领域
本发明涉及其结构确保在磁场的影响下将两簧片接触而闭合电路、且当去除磁场时断开所述电路的可靠性操作的簧片微型开关。
本发明也涉及通过从基片电生长(galvanic growth)而制造此微型开关的方法。
背景技术
一般地讲，本发明属人们熟知的所谓“杆式(stem)”开关领域，而广义地讲，为“簧片”开关，它可由平行于所述杆或簧片，或垂直于它们的外部磁场激励。平行场杆式开关通常被称为舌簧开关。此舌簧开关的标准设计包括：在各端部由软性可磁化的杆贯穿的圆柱形玻壳，各杆的自由端可通过其相向的初始运动、在外部磁场的影响下相互吸引而闭合电路、而当去除磁场时由杆或簧片的弹力而回复其初始的位置。此标准设计的小型化必然受限于纯技术因素，以致所获得的最小的舌簧开关仍有约7.5mm的长度和约1.5mm的直径，且有时机械稳定性令人怀疑。
在本发明的范围内，此标准设计已做了许多改进，其中，一方面是那些目的在于减小空间要求，比如允许集成进诸如钟表的微电子装置中的改进装置，另一方面是那些意在使其磁-机械性能更可靠而有效的改进装置。
就减小空间要求的解决方案而言，参考美国专利No.5,430,421将有裨益，它公开了一种通过由基片电生长、可以大量制造的尺寸很小的簧片微型开关的制造方法，通常装置具有长度约为500μm，厚度a约为100μm，宽度b和空气间隙e在几十微米左右的簧片。然而，在使用中，人们发现同一批中的某些微型开关，即在完全相同的条件下制造的微型开关，无法达到确保可靠操作的标准。由电生长形成的悬垂金属结构可以以足够的精度控制几何形状，特别是铁磁材料淀积的厚度，但无法以一定的方式预见残余应力，而人们知道这种残余应力在电生长的开始阶段更显著。如果簧片的厚度很小，去掉防蚀层后，一些微型开关仍在闭合位置，或相反，簧片的空间间隙太大无法在施加正常磁场的影响下使簧片进入闭合位置。
为克服微型开关上述磁力学上的不足，人们开始对由具有特定弹性模量的材料制成，且置于特定磁场中的簧片进行研究，研究它可以改变哪些结构参数以减小或消除残余应力，且对两簧片间的偏移和接触压力最有利。
增大簧片的厚度b，可以减小残余应力的影响，并获得更好的两簧片间的位置关系，但其刚性也由此增大。为具有必需的闭合的柔性，必需增大簧片的长度L，它不符合本发明最小化的目的。
对于置于磁场中且有很小空气间隙e的装置，偏移大致与L3/br成正比，L为簧片的长度，b是其厚度，而r为进入空气间隙e两簧片的重迭长度。在所有其他参数相等的情况下，接触压力大致与b2/r2成正比。
由增加L和/或减小b可获得更大的偏移。在增大L的情况下，微型开关的总的空间要求增加，这不符合本发明所欲达到的目的，并且具有增加空气间隙中磁场分散的负面影响。减小b一方面产生了人们不希望的过大地减小接触压力的结果，另一方面，如前所述，使簧片对残余应力更敏感。
仅减小重迭长度r可使偏移和接触压力同时增大。然而，r的值必需保持基本等于厚度b的几倍，否则磁场分散的影响就超过了获得的好处。
这样由以前的观察很清楚就该领域专业技术人员的知识，无法对通过电生成制成的微型开关的磁力学缺陷提出满意的解决方案。
发明内容
这样本发明的一个目的在于提出一种解决方案，其中，在不改变微型开关的总的空间要求、至少一簧片的原有几何形状的情况下，使所述簧片可以在不改变在其端部获得的最大的力的情况下增加柔性。
由此本发明涉及磁性微型开关，它由从基片上电生长而制成，包括两片以其各自的端部与电连接装置相连的长为L和L’，宽为a的导电簧片，且每个簧片分别包括剖面a·b和a·b’的末端部分，它们的长度r的重迭部分确定了距离为e的空气间隙，至少所述簧片之一由磁性材料制成并包括通过支脚固定于基片的端部、中间部分和长度为L0末端部分，所述簧片可以相对于第二簧片的末端部分在无磁场时的断开位置与在磁场影响下两簧片相接触的闭合位置之间活动，所述微型开关的特点在于所述柔性的簧片的中间部分的总截面比末端部分的总截面小，以便具有更小的弯曲阻力、使簧片既可以在磁场的影响下具有至少等于e的幅度的偏移而相互接触，又可以具有在无磁场时回复到断开位置的足够的回复力。
当所施磁场平行于簧片时，两簧片通过以相同磁性材料电生长而制成。
通过施加使所述中间部分达到磁性饱和的磁场，就有可能由分别增加末端部分的厚度b、b’而增大簧片间的接触压力，以获得可重复的低阻力接触，并使簧片有足够的偏移。
按照第一实施例，柔性的簧片从其于支脚的固定部分到其末端部分具有不变的厚度b，而形成两端之连接的中间部分由一个或更多细颈部分构成，以使所述中间部分的总横截面比末端部分的截面小，这样，使簧片具更大的柔性而不增加其空间要求。
那些细颈部分可在簧片中形成一个或多个开孔。在只有一个细颈部分的情况下，后者最好由在簧片边缘开两凹口而位于中间部分。细颈部分在固定于支脚的端部与末端部分之间也可有变化的截面，比如基本上形成方形或长方形连续开口，具有从固定点向支脚减小的表面。
按照第二实施例，簧片没有开口或凹口，但其中间部分的厚度比末端部分的厚度b小，以某种方式在簧片的厚度上形成凹口，所述凹口可安排在簧片的一个表面或另一表面。
如已经指示的，中间部分对微型开关的磁性能影响很小，特别是当后者放置于与簧片平行的磁场中时。换句话说，有效的区域为长度为L0的末端部分。在这种情况下，当第二簧片固定于基片时很有益处，由于其长度L’等于L0，而其厚度b’等于柔性的簧片的厚度b，尽可能地防止了磁场的分散。
当微型开关置于垂直于簧片的磁场中，且第二簧片固定于基片时，所述第二簧片的长度L’等于重迭长度r就足够了，制成它的材材为磁性或非磁性的，且其厚度b比柔性簧片的厚度b大。
在不是直接地固定于基片的情况下，第二簧片可通过另一支脚固定于所述基片。那么，此第二簧片就可以是柔性的并以前述的方法之一构造，不需与第一簧片有相同的结构。
按照本发明的微型开关也可在不改变总空间要求的情况下改变簧片的厚度b、b’和空气间隙的值e。b、b’的增加导致柔性的降低，而两簧片的相互更好的位置关系使空气间隙e减小。
附图说明
阅读参照附图对说明性的而非限定性的实施例进行的详细说明，将更加清楚本发明的其他特征及优点，附图中：
图1为有单个柔性簧片的微型开关的第一实施例的透视图，图中示了所有特征长度；
图2至图5为其中仅一个簧片为柔性簧片的另四个实施例的透视图；
图6为其中两个簧片为柔性簧片的第六实施例的透视图；
图7显示了消除防蚀(sacrificial)层之前，沿图1的VII-VII线的剖面，而
图8显示了消除防蚀(sacrificial)层之前，沿图1的VIII-VIII线的剖面。
具体实施方式
图1显示了批量生产的微型开关的第一实施例。可以见到后者包括两个由基片10支持的簧片1、2，由此，如后文将作解释的，它通过电生长而制造。
在此例中，微型开关被置于平行于簧片的磁场中。形成两簧片的材料必需为铁磁性材料，比如具有低磁滞的铁镍合金，以便在去除磁场后可以重复地断路。
两簧片的每一个包括连接于电路的装置，图中未示，以导体21和22简要表示，该专业的技术人员可很好地设计出其他连接装置，尤其是当所述微型开关要被集成进更复杂的电子装置时。两簧片具有大致相同的宽度，比如在50μm至150μm之间的100μm，和约10μm的厚度b、b’。通过支脚9固定于基片10的簧片1的总长度L，通常在300μm至900μm之间，比如说500μm。簧片1包括三个具有大致相同长度而假设有不同功能的区域。簧片的一个端部3可固定于支脚9，簧片的其余部分悬于基片10之上。标为“末端部分”的长度为L0的另一端部5，确保磁性操作。中间部分4通过使簧片1的柔性可以被调整来确保机械操作，即在给定磁场下末端5有最大偏移。为此目的，中间部分4包括由簧片1的两细颈8a和8b的边缘限定的方形开口6，两细颈8a和8b将固定于支脚9的端部3与末端部分5连接。这样，在此中间部分，总截面比末端部分5的截面ab小，它使簧片对有一定弹性模量的材料具有更大的柔性。固定于基片的第二簧片2，厚度为b’而长度为L’，不具特别的结构。然而，它的厚度最好与柔性簧片1的厚度b大致相等。两簧片以相互重迭长度r的关系定位，使其相对表面间的空气间隙在10μm至15μm之间，比如说15μm。两簧片的重迭长度r最好为簧片所选厚度b、b’的几倍，以减小磁场的分散的影响。
按照其最终的用途，微型开关可被密封在空气或受控制的保护气氛中，例如，借助于未示出的塑料外壳、固定或焊接在基片表面，或组装在适当的盒子中。
下面参考图7和图8，对通过从基片电生长制造图1所示微型开关的方法加以说明。此方法本质上包括了采用美国专利5,430,421公开的方法的至少一个步骤，更详细的说明将参阅此专利。图7显示了除去防蚀层之前，通过批量生产的微型开关中的一个微型开关的细颈部分8a的纵向截面。基片10事实上只是由绝缘材料、半导体材料或涂覆了绝缘材料的导电材材制造的晶片的一部分，它允许一批制造很多微型开关。首先通过汽相淀积淀积比如说钛或铬的粘合剂层12a和13a，然后是比如金的保护层12b和13b，以便通过已知的方法刻蚀表面而形成两条绝缘的路径12和13。随后，通过旋涂技术淀积厚的光刻胶层14、15和16，每一光刻胶层借助于掩模(未示)形成图案，以便设置可以一步步地进行电生长的开口。首先，第一层14形成有两个开口的图案，可以进行支脚9的第一层9a和簧片2的电生长。接着，使第二层15形成有一个开口的图案，可以进行电生长以获得支脚9的第二层9b。在进行光刻胶的第三层16的淀积之前，形成新的双金属化层17。使第三层16形成图案，以便留下相应于未电生长的固定于支脚9的端部3、末端部分5和细颈部分8a和8b的开口，在图8中更加清楚。在此实施例中，电生长的所有步骤可以利用同样的铁磁性材料进行，比如20-80铁镍合金。通过在簧片的相对的表面涂覆金，也就是在第一次电沉积之后、最后电沉积之前涂覆金，也有可能改善簧片受磁场作用时的电接触。然后由此获得的微型开关，在一步或更多的步骤中，经过刻蚀以消除光刻胶和中间金属化层17，分离出所述微型开关。如所指出的，所有这些操作都是对成批的微型开关进行的，在所述微型开关通过切割而分离之前，按照根据其最终用途所确定的方案，或者单独地或者分组将这些微型开关密封。
图2显示了将置于平行于簧片的磁场中、且其中只有一个柔性簧片的另一微型开关的例子。柔性簧片的中间部分4包括由三个细颈部分8a、8b和8c限定的两个长方形开口6a和6b。比较图1和图2可以见到，固定于基片的第二簧片2长度L’＝L0，两簧片有相同的厚度b＝b’，其值大于图1中所示，具有相关的较小的空气间隙e。
图3中所示微型开关将置于垂直于簧片的磁场中。如图所示，固定于基片的第二簧片2可缩小到其长度L’至少等于两簧片的重迭长度r的接触凸缘(bump)，而其厚度b’比柔性簧片的厚度b大。在此例中，有可能进行第一次生长步骤，以比如金的非磁性材料形成支脚的第一层和簧片2。中间部分包括三个大致长方形且连接的开口6a、6b和6c，形成由在簧片各边的细颈部分8a和8b限定的单一的开口，细颈部分8a和8b由三个宽度从支脚开始增加的区域s、m和l形成。
在图4中，所示微型开关将置于平行于簧片的磁场中，它在其柔性簧片的中部间分包括在簧片边缘形成凹口6d和6e的单一细颈部分8c。
在图5所示的微型开关中，通过将中间部分4的厚度b’设置为比末端部分5的厚度b小，而增加了柔性簧片相对于固定于基片10的簧片2柔性。在所示例子中，此配置相应于向基片开口的凹口6f。为了通过电生长而制造此微型开关，当然还需进行其他步骤来形成凹口6f。
图6显示将置于平行于簧片的磁场中、且其中两簧片可彼此相对活动的微型开关。第一簧片1通过支脚9固定于基片10，且在其中间部分包括开孔6。第二簧片2通过支脚11固定于基片10。在所示实例中，此第二簧片也在其中间部分包括长方形开孔7。此部分也可有簧片1的前述任何配置，或从其固定于支脚11的端部到其末端部不变的截面。为了通过电生长制造此微型开关，当然还需进行其他步骤来配置支脚11，并在通过电沉积构成和生长簧片2和支脚9的另一层之前，提供另外的金属化步骤。
在不背离本发明的范围的情况下，本专业的技术人员可想出至少一个簧片的中间部分具有更大柔性的其他配置，以获得具有改善了的磁力学特性的微型开关。
Claims (14)
1.通过从基片(10)电生长制成的磁性微型开关，它包括长度为L和L’，宽度为a，由其各自的端部(3、3’)连接于电连接装置(21、22)的两导电簧片(1、2)，并且各簧片包括截面分别为a.b和a.b’的末端部分(5、5’)，其长度r的重迭确定了距离e的空气间隙，至少所述簧片之一(1)由磁性材料制成、并包括通过支脚(9)固定于基片的一端部(3)、中间部分(4)和长度为L0的末端部分(5)，所述簧片相对于第二簧片的末端部分可以在无磁场的断开位置与在磁场的影响下两簧片相接触的闭合位置之间活动，
其特征在于所述柔性的簧片(1)的中间部分(4)的总截面比末端部分(5)的总截面小，以便具有更小的弯曲阻力，使簧片既可以在磁场的影响下具有至少等于e的幅度的偏移而相互接触，又可以具有在无磁场时回复到断开位置的足够的回复力。
2.权利要求1的微型开关，其特征在于当施加的磁场平行于所述簧片时，两簧片(1、2)由磁性材料制成。
3.权利要求1的微型开关，其特征在于所述柔性的簧片(1)有不变的厚度b，且其中间部分(4)包括位于簧片各边缘、限定凹口(6d、6e)的单一的中央细颈部分(8c)。
4.权利要求1的微型开关，其特征在于所述柔性簧片(1)有不变的厚度b，且其中间部分(4)由多个将所述末端部分(5)连接于固定在支脚(9)的端部(3)的细颈部分(8a、8b、8c)构成。
5.权利要求4的微型开关，其特征在于所述中间部分包括位于簧片的边缘、形成单一的开口(6)的两细颈部分(8a、8b)。
6.权利要求5的微型开关，其特征在于位于簧片边缘的两细颈部分(8a、8b)具有从固定于支脚的区域向末端部分逐渐减少的截面，由此形成几个连接的长形开口(6a、6b、6c)。
7.权利要求4的微型开关，其特征在于所述中间部分(4)包括三个以上的在平行于簧片长度方向延伸、形成长形开口(6a、6b)的细颈部分(8a、8b、8c)。
8.权利要求1的微型开关，其特征在于中间部分(4)的厚度比末端部分(5)的厚度b小。
9.权利要求1的微型开关，其特征在于第二簧片(2)固定于基片上，当所施加的磁场平行于簧片(1、2)的纵轴时，具有不变的截面且长度L’等于L0。
10.权利要求1的微型开关，其特征在于第二簧片(2)固定于基片上，当所施加的磁场垂直于簧片(1、2)的纵轴时，具有与r相等的长度L’。
11.权利要求1的微型开关，其特征在于两簧片(1、2)中的每一个通过支脚(9、11)固定于基片。
12.权利要求11的微型开关，其特征在于形成具有较小弯曲阻力的各簧片的中间部分。
13.权利要求1的微型开关，其特征在于当所施加的磁场平行于簧片(1、2)的纵轴时，两簧片(1、2)具有相同厚度b＝b’的末端部分。
14.制造权利要求1的微型开关的方法，其特征在于包括以下步骤：
-在基片(10)上形成两电绝缘路径(12、13)；
-形成厚的光刻胶相继的涂层(14、15、16)，使得可以按步进行电生长；
-在形成簧片的各步骤之前，在已获得的结构的整个表面进行中间金属化(17)；
-在一个或多个步骤中借助于刻蚀剂消除光刻胶和中间金属层。
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