DD248454A1

DD248454A1 - MINIATURIZED ELECTROMAGNETIC SWITCHING ELEMENT

Info

Publication number: DD248454A1
Application number: DD28932586A
Authority: DD
Inventors: Michael Eidam; Siegfried Lusche
Original assignee: Ilmenau Tech Hochschule
Priority date: 1986-04-18
Filing date: 1986-04-18
Publication date: 1987-08-05
Also published as: DD248454B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein extrem miniaturisiertes Kontaktelement, das im Gegensatz zu bisher bekannten aehnlichen Ausfuehrungen mit einem magnetischen Kreis als Antrieb arbeitet und durch den Einsatz hartmagnetischer Elemente als bistabile Variante ausgefuehrt werden kann. In der erfindungsgemaessen Loesung wird das Schaltelement mittels magnetischer und elektrischer Schichten realisiert, die zum Teil beweglich ausgefuehrt sind. Bei kleinsten Abmessungen kann eine Vielzahl von Kontaktelementen zweckmaessig zusammengefasst werden. Es lassen sich auf diese Weise Schaltfrequenzen von 10 bis 20 kHz realisieren. Fig. 1The invention relates to an extremely miniaturized contact element, which operates in contrast to previously known similar embodiments with a magnetic circuit as a drive and can be performed by the use of hard magnetic elements as a bistable variant. In the solution according to the invention, the switching element is realized by means of magnetic and electrical layers, which are partly movable. With the smallest dimensions, a plurality of contact elements can be summarized expediently. It can be realized in this way switching frequencies of 10 to 20 kHz. Fig. 1

Description

Hierzu 1 Seite ZeichnungenFor this 1 page drawings

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein Schaltelement, das bei extremer Miniaturisierung galvanische Verbindungen herstellen oder trennen kann. Der Antrieb dieses Schaltelements wird auf elektromagnetischem Weg realisiert. Die Anwendung der Erfindung ist überall dort sinnvoll, wo zur Lösung von Aufgaben der Steuerung und Regelung galvanische Trennstellen in Kombination mit mikroelektronischen Schaltungen notwendig sind, z. B. im Bereich der elektronischen Nachrichtentechnik.The invention relates to a switching element that can produce or separate galvanic connections in extreme miniaturization. The drive of this switching element is realized by electromagnetic means. The application of the invention is useful everywhere, where the solution of tasks of control and regulation galvanic separation points in combination with microelectronic circuits are necessary, for. B. in the field of electronic communications.

Characteristic of the known technical solutions

Sogenannte mikromechanische Schaltelemente mit elektrostatischem Antrieb sind ab 1978 in der Fachliteratur beschrieben worden: K. E. Petersen, Dynamic Micromechanics on Silicon: Technics and Devices, IEEE Trans. Electron Devices, Vol.EO-25,So-called micromechanical switching elements with electrostatic drive have been described in the specialist literature since 1978: K. E. Petersen, Dynamic Micromechanics on Silicon: Technics and Devices, IEEE Trans. Electron Devices, Vol.EO-25,

p. 1 241,1978; K. E. Petersen, Silicon as a Mechanical Material, Proceed, of the IEEE, Vol.70, No. 5, May 1982. Über Labormuster hinausgehende kommerzielle Ausführungen derartiger Elemente ist bisher nichts bekannt geworden.p. 1 241, 1978; K. E. Petersen, Silicon as a Mechanical Material, Proceed, of the IEEE, Vol.70, no. 5, May 1982. There has hitherto been no disclosure of laboratory-style commercial designs of such elements.

Bei den miniaturisierten Schaltelementen mit elektrostatischem Antrieb handelt es sich um Anordnungen aus freistehenden SiO_rZungen mit elektrisch leitender Beschichtung, die sich über Gruben befinden, die durch anisotropes Ätzen von orientiertem Si bis zu einer als Ätzstopp dienenden Bor-dotierten Si-Schicht gebildet wurden. Als Beispiele für bekannt gewordene Schutzrechtsanmeldungen werden genannt:In the miniaturized switching elements electrostatic drive is orders of detached SiO _r tongues with an electrically conductive coating, located above pits that were formed by anisotropic etching of oriented Si to a serving as an etch stop boron-doped Si layer. Examples of known patent applications are:

GB-PS 1 541 513, GB-PS 1 584914, GB-PS 2095911 und DE-OS 3207920.GB-PS 1 541 513, GB-PS 1 584914, GB-PS 2095911 and DE-OS 3207920.

Der Schaltvorgang wird hierbei durch elektrostatische Kräfte erzeugt, die durch Anlegen einer relativ hohen Spannung von ca.The switching process is in this case generated by electrostatic forces, which by applying a relatively high voltage of about

60V zwischen Bor-dotierter Schicht (Festelektrode) und der metallisierten Zunge (Bewegungselektrode) hervorgerufen werden.60V between boron-doped layer (solid electrode) and the metallized tongue (movement electrode) are caused.

Die durch elektrostatische Kräfte ausgelenkte Zunge bringt dabei den mit ihr gekoppelten und von ihr elektrisch isolierten beweglichen Kontakt mit einem fest angeordneten Gegenkontakt in Berührung oder überbrückt zwei fest angeordnete Kontakte.The deflected by electrostatic forces tongue brings the coupled with her and electrically isolated from her movable contact with a fixed counter contact in contact or bridges two fixed contacts arranged.

Es handelt sich also um zwei voneinander getrennte Kreise: Steuerkreis und zu schaltender Kreis. Als nachteilig erweist sich hierbei die hohe Erregerspannung von ca. 60V.These are therefore two separate circles: control circuit and circuit to be switched. A disadvantage here proves to be the high excitation voltage of about 60V.

Object of the invention

Ziel der Erfindung ist es, Kontaktelemente mit elektromagnetischem Antrieb zu schaffen, die sich mit gebräuchlichen Technologien der IC-Fertigung realisieren und in größerer Anzahl bzw. gemeinsam mit anderen elektronischen Funktionsstrukturen auf Chips der gebräuchlichen Größe integrieren lassen, wobei der beschriebene Nachteil einer hohen Steuerspannung vermieden wird. In Erweiterung dessen soll durch geeignete Maßnahmen eine bistabile Arbeitsweise realisiert werden, um damit Impulsbetrieb mit verringerter Wärmebelastung zu ermöglichen.The aim of the invention is to provide contact elements with electromagnetic drive, which can be implemented with conventional technologies of IC manufacturing and can integrate in larger numbers or together with other electronic functional structures on chips of the usual size, the described disadvantage of a high control voltage avoided becomes. In extension of this, a bistable operation is to be realized by suitable measures in order to enable pulse operation with reduced heat load.

Essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Kontaktelemente zu realisieren, die mit Steuerströmen bei üblichen niedrigen Spannungen arbeiten und die Vorteile einer galvanischen Trennung mit hoher Schaltfrequenz und minimaler Baugröße in sich vereinigen. Damit sollen die bekannten Nachteile elektrostatisch angetriebener Elemente, die eine hohe Erregerspannung benötigen, vermieden werden. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Antrieb zur Erzeugung des Schaltvorganges durch die Kraftwirkung an Trennflächen im magnetischen Feld realisiert wird. Es handelt sich hierbei um einen magnetischen Kreis, der vorzugsweise unter Verwendung einer Fe-Ni-Legierung aufgebaut ist, mit einem Luftspalt. Ein Abschnitt dieses Kreises wird dabei durch ein auslenkbares Bewegungselement mit einem geeigneten Querschnitt und einer geeigneten Länge gebildet. Zur Verbesserung der Federeigenschaften kann dieses Element durch eine vorzugsweise aus SiO₂ bestehende Schicht geeigneter Dicke verstärkt werden. Erregt wird diese Anordnung mit Hilfe eines durch diesen Kreis hindurch geführten stromtragenden Leiters, dessen Querschnitt auf den zu führenden Strom abgestimmt ist. Durch den Einbau hartmagnetischer Schichten in diesen Kreis kann eine bistabile Arbeitsweise in der Art realisiert werden, daß das Bewegungselement durch einen Erregerimpuls in den Bereich der hartmagnetischen Schicht gebracht wird und dort durch die permanente Kraftwirkung dieser Schicht gehalten werden kann. Ein gegenläufiger Impuls bewirkt eine Feldabschwächung, so daß das Bewegungselement in seine Ausgangsstellung zurückkehrt. Die Rückstellbewegung kann entweder auf mechanischem Wege aufgrund von Federeigenschaften oder durch Anbringen einer weiteren magnetisch umpolbaren Schicht auf dem beweglichen Element bewirkt werden. Das Bewegungselement des magnetischen Kreises trägt weiterhin ein von ihm elektrisch isoliertes Kontaktstück, das in der ausgelenkten Position des Bewegungselementes zwei fest angeordnete Kontakte überbrückt.The invention has for its object to realize contact elements that work with control currents at the usual low voltages and combine the advantages of galvanic isolation with high switching frequency and minimum size in itself. This should avoid the known disadvantages of electrostatically driven elements which require a high exciter voltage. According to the invention the object is achieved in that the drive for generating the switching operation is realized by the force acting on separating surfaces in the magnetic field. This is a magnetic circuit, which is preferably constructed using an Fe-Ni alloy, with an air gap. A section of this circle is formed by a deflectable moving element with a suitable cross-section and a suitable length. To improve the spring properties, this element can be reinforced by a preferably made of SiO ₂ layer of suitable thickness. This arrangement is excited by means of a current-carrying conductor guided through this circuit, whose cross-section is matched to the current to be conducted. The incorporation of hard magnetic layers in this circle, a bistable operation can be realized in such a way that the moving element is brought by an exciter pulse in the hard magnetic layer and can be held there by the permanent force of this layer. An opposite pulse causes a field weakening, so that the moving member returns to its original position. The return movement can be effected either by mechanical means due to spring characteristics or by applying another magnetically reversible layer on the movable element. The moving element of the magnetic circuit also carries an electrically insulated contact piece, which bridges two fixedly arranged contacts in the deflected position of the movement element.

Bei vervielfachter Anordnung der Schaltelemente in geeigneter Zusammenschaltung auf gemeinsamer Unterlage lassen sich Mehrfachkontaktanordnungen sowie Schaltmatrizen realisieren. Des weiteren .kann durch Parallelanordnung von Einzelelementen mit abgestuften Längen der beweglichen Organe unterschiedliche Ansprechempfindlichkeit erreicht werden. Gegenüber bisherigen Schaltelementen wird durch die Erfindung eine völlig neue Stufe der Miniaturisierung und damit eine hohe Materialökonomie erreicht. Weiterhin ist durch die parallele Herstellung einer größeren Schaltelementezahl mittels IC-Technologie eine wesentliche Steigerung der Arbeitsproduktivität gegeben. Es lassen sich auf diese Weise Schaltfrequenzen von 10 bis 2OkHz realisieren.In the case of a multiplied arrangement of the switching elements in a suitable interconnection on a common base, multiple contact arrangements and switching matrices can be realized. Furthermore, different responsiveness can be achieved by arranging individual elements in parallel with graduated lengths of the movable members. Compared to previous switching elements, a completely new stage of miniaturization and thus a high material economy is achieved by the invention. Furthermore, by the parallel production of a larger number of switching elements by means of IC technology, a substantial increase in labor productivity is given. It can be realized in this way switching frequencies of 10 to 2OkHz.

embodiment

Die Erfindungsoll anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. In der dazugehörigen Zeichnung zeigen:The Erfindungsoll be explained in more detail using an exemplary embodiment. In the accompanying drawing show:

Fig. 1: Eine Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen Bauelements-Fig.2: Vorderansicht (A)1: a sectional view of the device according to the invention-FIG. 2: front view (A)

Ein magnetischer Kreis aus einer Fe-Ni-Legierung besteht aus einem wannenförmigen Substrat 1 sowie einem dünneren beweglichen Element 4, das zur Verbesserung der Federeigenschaften mit einer dünnen SiO₂-Schicht verstärkt wurde. Der wirksame Luftspalt befindet sich an der engsten Stelle zwischen ferromagnetischer Schicht 2 und beweglichem Element 4. Die ferromagnetische Schicht 2 und das bewegliche Element 4 umschließen einen elektrischen Leiter 3. Bei.einem Stromfluß durch den elektrischen Leiter 3 wird infolge der Kraftwirkung auf Trennflächen im magnetischen Feld das bewegliche Element 4 derart ausgelenkt, daß die zwei feststehenden Kontaktstücke 8 durch das Kontaktstück 6 überbrückt werden. Durch Anordnen eines geeigneten hartmagnetischen Elements 7 im magnetischen Kreis kann ein Rückstellen durch die permanenten Kräfte des hartm3gnfitisnhfinFlfimfintR7vfirhindfii-twRrdRn.EingfigRnläufigF!rStromimpulsbRwirktRin7iin"inkkRhrfinindifi Ansgangslaga.An Fe-Ni alloy magnetic circuit is composed of a well-shaped substrate 1 and a thinner movable member 4 which has been strengthened with a thin SiO ₂ layer to improve the spring characteristics. The effective air gap is located at the narrowest point between ferromagnetic layer 2 and movable element 4. The ferromagnetic layer 2 and the movable element 4 enclose an electrical conductor 3. Bei.einem flow through the electrical conductor 3 is due to the force on separating surfaces in the magnetic Field the movable element 4 deflected so that the two fixed contact pieces 8 are bridged by the contact piece 6. By arranging a suitable hard magnetic element 7 in the magnetic circuit a reset, by the forces of the permanent hartm3gnfitisnhfi nFlfimfintR7vfirhin DFII-twRrdRn.EingfigRnläufigF! RStromim pulsbRwirktRin7iin "inkkRhrfinindifi A n sgangsla ga.

Claims

Invention claim:

1. Miniaturized electromagnetic switching element, wherein the magnetic circuit consists of longitudinally oriented, parallel fixed and movable elements, characterized in that the magnetic circuit as a single or multiple arrangement has a layered structure, in which at least one strip-shaped electrical conductor is embedded.

2. Switching element according to item 1, characterized in that the layer structure of insulating and of magnetically and electrically conductive layers is formed in wechelnder sequence.

3. switching element according to the points 1 and 2, characterized in that the movable element (4, 5) is firmly clamped in F-orm a bending spring.

4. switching element according to the points 1 and 2, characterized in that the movable element (4, 5) is movably mounted.

5. Switching element according to points 1-4, characterized in that the movable element (4, 5) next to the soft magnetic layer (4) has an insulating layer (5), preferably of SiO ₂ , has.

6. switching element according to the points 1 to 5, characterized in that the soft magnetic layers are not flat.

7. Switching element according to the items 1-6, characterized in that at the free end of the movable element (4,5) is an electrically insulated contact (6), which can bridge two fixed contacts arranged.

8. switching element according to the points 1-7, characterized in that are realized by multiple arrangement of switching elements on a common base with any interconnection Mehrkontakteinheiten.

9. switching element according to the points 1-8, characterized in that a switching matrix is created as a new unit by multiple arrangement of switching elements in rows and columns by suitable interconnection of the individual elements.

10. switching element according to the points 1-7, characterized in that different sensitivities are realized by parallel arrangement of individual elements with different lengths of the movable members.