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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Diese
Erfindung bezieht sich auf mikroelektromechanische Systeme (MEMS)
und insbesondere auf die magnetische Betätigung von einem MEMS-Mikrorelais
unter Verwendung von einrastbaren magnetischen Materialien.
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BESCHREIBUNG
DES STANDES DER TECHNIK
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Magnetische
Kräfte
können
verwendet werden, um mechanische Bewegung („Betätigung") von magnetischen Materialien zu bewirken.
Elektrischer Strom, der durch einen Leiter fließt (z.B. einen Draht), bewirkt
ein magnetisches Feld um den Leiter auf Grund des Faraday'schen Induktionsgesetzes
(z.B. ein Elektromagnet), und dieser Mechanismus wird verwendet,
um mechanische Bewegung in vielen Anwendungen zu bewirken. Einige
Anwendungsbeispiele von elektromagnetischer Betätigung weisen mechanische Relais,
für Brandmeldeanlagen
verwendete Klingeln, und Magnetschwebebahnen auf.
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Mechanische
Relais bestehen allgemein aus einer beweglichen mechanischen Elektrode,
die durch magnetische Kraft in Kontakt mit einer feststehenden Elektrode
gezogen wird. In der allgemeinsten Ausführung, wird ein magnetisches
Material an einer beweglichen Elektrode befestigt, und ein Elektromagnet
wird dem magnetischen Material gegenüber auf einer feststehenden
Elektrode oder anderen feststehenden Fläche angeordnet. Die Betätigung des
Elektromagneten erzeugt einen Magnetfeldgradienten, der mit dem
magnetischen Feld des magnetischen Materials, das an der beweglichen
Elektrode befestigt ist, reagiert und dadurch ein Ziehen oder Schieben
(d. h. ein Anziehen oder Abstoßen)
der beweglichen Elektrode hin zu oder weg von der feststehenden
Elektrode in einem normal offenen oder beziehungsweise normal geschlossenen
Schaltzustand des Relais verursacht.
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Gleichartige
mechanische magnetische Schaltvorrichtungen wurden verwendet zur
Betätigung
von MEMS-Relais.
In diesen Anwendungen, zieht ein durch eine Betätigungsspule fließender Strom
die bewegliche mikrobearbeitete Elektrode hin zu einer feststehenden
Elektrode. Obwohl eine solche mechanische Betätigungsvorrichtung große Betätigungskräfte liefern
kann, erfordert der Strom, der erforderlich ist zum Beibehalten
der Schaltung im An-Zustand, die unerwünschte Dissipation von einer großen Leistungsmenge
(z.B. Hunderte von Milliwatt) im Steuerkreis des Relais. Eine solche
hohe Leistungsdissipation beschrankt die Integration von MEMS-Relais
in CMOS-Schaltungen, wo die somit dissipierte Leistungsmenge einen
Wirkungsengpass zur Folge hat, und ebenfalls eine Integration mit
hoher Packungsdichte solcher Relais verhindert.
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Ein
solcher magnetischer Betätiger
ist z.B. bekannt von Dokument DE-A-198 13 128. Die Wirkung von Relais
mit niedriger Leistungsdissipation wird wichtig, wenn die Relaisdichte
zunimmt. Insbesondere bei MEMS-basierten Relais, ist die Leistungsdissipation
ein wichtiges Problem, da die Leistungsumschlagkapazität der Substrate
beschränkt ist.
Thermische Betätiger
des bisherigen Stands der Technik dissipieren zu viel Leistung (typischerweise einige
Hundert Milliwatt) weil die bewirkte Temperaturänderung beibehalten werden
muss, um den Schaltzustand zu sichern. In ähnlicher Weise, dissipieren
magnetische Betätiger
des bisherigen Stands der Technik, die magnetische Felder von einer
Stromquelle verwenden, ebenfalls eine große Leistungsmenge (typischerweise
einige Hundert Milliwatt) weil das angewendete magnetische Feld
beibehalten werden muss, um den Schaltzustand zu sichern. In Anwendungen,
wo nicht-flüchtiges
Schalten notwendig ist, gibt es gegenwärtig keine Lösung für dieses Leistungsdissipiationsproblem
für die
Anwendung von MEMS-Mikro relais.
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Elektrostatische
Betätiger
verwenden eine angewendete Spannung durch einen Parallelplattenkondensator,
um eine anziehende Kraft zwischen den beiden Platten zu bewirken
und müssen
als solche nicht so viel Leistung dissipieren wie thermische und
magnetische Betätiger,
um einen geschalteten Zustand beizubehalten, obwohl die Betätigungsspannung
beibehalten werden muss. Da kein Stromfluss zwischen einem Paar
von Kondensatorplatten besteht, dissipiert diese mechanische Betätigungsvorrichtung
keine Leistung, um den Betätigungsstatus (d.
h. den geschalteten Status in einem MEMS-Relais) beizubehalten.
Dieses Betätigungssystem
hat indes zwei Nachteile. Der erste ist, dass, obwohl keine Leistung
dissipiert werden muss, um den geschalteten Status beizubehalten,
die Potentialdifferenz zwischen den beiden Kondensatorplatten beibehalten
werden muss. Folglich geht der Betätigungsstatus bei einem Spannungsausfall
verloren. Der zweite Nachteil ist, dass die Kraft, die durch den
elektrostatischen Betätiger
bereitgestellt werden kann, auf einige Mikronewton beschränkt ist,
wodurch die Anwendung eines solchen Betätigers beschränkt wird.
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KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Weichmagnetische
Materialien zeigen typischerweise eine sich kontinuierlich verstärkende magnetische
Induktion (Magnetisierung), wenn die Magnitude des angewendeten
magnetischen Felds verstärkt
wird. Umgekehrt verlieren sie den größten Teil ihrer Magnetisierung,
wenn das angewendete Feld entfernt wird. Es gibt indes bestimmte
Arten von magnetischen Materialien, die leicht mit relativ niedrigen magnetischen
Feldern magnetisiert werden können, wie
es bei weichmagnetischen Materialien der Fall ist, die jedoch ihre
Magnetisierung beim Entfernen des externen magnetischen Felds beibehalten,
wie es bei permanent- (oder hart-) magnetischen Materialien der
Fall ist. Ein mit Rechteckschleife einrastbares magnetisches Material
mit geringer Koerzitivkraft zeigt Eigenschaften, die eine Änderung
der Richtung der Magnetisierung (d. h. Polarisation) in dem Material
durch Anwendung einer kleinen externen Magnetisierung darauf ermöglichen.
Der Wert (oder die Richtung) der Magnetisierung (d. h. Polarisation)
des einrastbaren magnetischen Materials bleibt konstant auch beim
Entfernen des externen magnetischen Felds, das verwendet wird, um
seine Richtung zu ändern
(siehe die Artikel von S. Jin, et al., in High Frequency Properties
of Fe-Cr-Ta-N Soft Magnetic Materials, veröffentlicht in Applied Physics
Leiters Vol.70, Seite 3161, 1997, und High-Remanance Square-Loop
Fe-Ni and Fe-Mn Magnetic Alloys, in IEEE Transactions on Magnetics,
Vol. MAG-16, Seite 1062, 1980, die hierin ausdrücklich durch Bezugnahme aufgenommen
sind). Die einrastbare Beschaffenheit der Materialmagnetisierung
stellt eine ideale mechanische Vorrichtung für die magnetische Betätigung bereit,
wo die Richtung der Magnetisierung selektiv umgekehrt werden kann
durch das Wirken eines Elektromagneten, ohne dass zusätzliche
Leistung zum Beibehalten der Magnetisierungsrichtung (Polarisation)
erforderlich ist, nachdem sie geändert wurde.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform dieser
Erfindung, weist die Betätigungsvorrichtung eine
bewegliche Elektrode auf, die einen ersten elektrischen Kontakt
hat und eine feststehende Elektrode, die einen zweiten elektrischen
Kontakt hat. Ein mit Rechteckschleife einrastbares magnetisches
Material wird auf einer der beweglichen und feststehenden Elektroden
angeordnet und hat eine Magnetisierungsrichtung, die als Reaktion
geändert
werden kann, wenn es einem externen Magnetfeld ausgesetzt ist. Mindestens
ein Stromleiter wird in einem Abstand in Bezug auf das einrastbare
magnetische Material angeordnet, derart, dass ein externes magnetisches
Feld, das durch den durch diesen mindestens einen Stromleiter fließenden Strom
erzeugt wird, die Fähigkeit
besitzt, eine Änderung
der Magnetisierungsrichtung des einrastbaren magnetischen Materials
in die entgegengesetzte (oder umgekehrte) Polarität zu verursachen.
Nachdem die Magnetisierungsrichtung umgekehrt wurde, kann der durch
den mindestens einen Leiter angewendete Strom unterbrochen werden.
Ein zweites magnetisches Material wird dem einrastbaren magnetischen
Material gegenüberliegend
und auf der gleichen Ebene wie der zweite elektrische Kontakt angeordnet.
Das zweite magnetische Material wird dann selektiv durch das einrastbare
magnetische Material angezogen oder abgestoßen als Reaktion auf die Magnetisierungsrichtung
des einrastbaren magnetischen Materials. Auf diese Weise, können der
erste und zweite elektrische Kontakt selektiv verbunden oder getrennt
werden durch Ändern
der Magnetisierungsrichtung des einrastbaren magnetischen Materials
unter Verwendung des durch den mindestens einen Leiter erzeugten
externen magnetischen Felds.
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Andere
Aufgaben und Merkmale dieser Erfindung werden ersichtlich werden
aus der folgenden detaillierten Beschreibung, betrachtet in Verbindung mit
den begleitenden Zeichnungen. Es sollte indes verstanden werden,
dass die Zeichnungen nur zu Zwecken der Veranschaulichung und nicht
als eine Definition der Beschränkungen
der Erfindung bestimmt sind, für
die auf die angefügten
Ansprüche Bezug
genommen werden sollte.
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Andere
Aufgaben und Merkmale dieser Erfindung werden ersichtlich werden
aus der folgenden detaillierten Beschreibung, betrachtet in Verbindung mit
den begleitenden Zeichnungen. Es sollte indes verstanden werden,
dass die Zeichnungen nur zu Zwecken der Veranschaulichung und nicht
als eine Definition der Beschränkungen
der Erfindung bestimmt sind, für
die auf die angefügten
Ansprüche Bezug
genommen werden sollte. Es sollte des Weiteren verstanden werden,
dass die Zeichnungen nicht unbedingt maßstabsgetreu gezeichnet sind
und dass, sofern nicht anders angegeben, durch diese lediglich beabsichtigt
wird, die darin beschriebenen Strukturen und Verfahren konzeptuell
zu veranschaulichen.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Es
zeigen, wobei gleiche Referenznummern in sämtlichen Ansichten gleichartige
Elemente anzeigen:
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1a ist
eine schematische Ansicht stromführender
Leiter gemäß einer
Ausführungsform
dieser Erfindung;
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1b ist
eine Ansicht eines Querschnitts der stromführenden Leiter von 1b;
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2 ist
eine graphische Darstellung der Magnetisierung von mit Rechteckschleifen
einrastbaren magnetischen Materialien als eine Funktion eines angewendeten
magnetischen Felds;
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3 ist
ein schematisches Diagramm eines magnetisch betätigten MEMS-Mikrorelais gemäß einer
Ausführungsform
dieser Erfindung;
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4 ist
ein schematisches Diagramm eines magnetisch betätigten MEMS-Mikrorelais gemäß einer
anderen Ausführungsform
dieser Erfindung; und
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5 ist
ein schematisches Diagramm eines magnetisch betätigten MEMS-Mikrorelais gemäß nochmals
einer anderen Ausführungsform
dieser Erfindung.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER GEGENWÄRTIG
BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die
mechanische Betätigungsvorrichtung gemäß dieser
Erfindung stellt ein geeignetes Mittel bereit zum Erreichen sowohl
von anziehenden als auch von abstoßenden Kräften in einer MEMS-Vorrichtung
während
sie im Wesentlichen den Bedarf an einer Leistungsdissipation zum
Beibehalten des geschalteten Zustands beseitigt. Die Richtung der
Betätigungskraft
(d. h. anziehende gegen abstoßende) kann
leicht umgekehrt werden, durch Ändern
der Richtung des Stromflusses durch einen Satz von Steuerleitern.
Im Prinzip, muss der Steuerstrom nur während einer Zeitdauer geliefert
werden, in der die Richtung der Magnetisierung (d. h. Polarisation)
des magnetischen Materials umgekehrt und eingerastet wird, und der
Bedarf an Leistungsdissipation wird folglich beseitigt wenn der
Betätigungsstatus
einfach beibehalten wird. Einige Beispiele für Anwendungen für eine solche
mechanische Betätigung
mit niedriger bis keiner Leistungsdissipation weisen, ohne Beschränkung, mechanische
Relais und reflektierende Lichtschalter auf.
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Während ein
elektrisch erzeugtes Magnetfeld in der Regel hergestellt wird unter
der Verwendung von Solenoidspulen, ist eine solche Solenoidstruktur
unhandlich und in kleinen Vorrichtungen mit flacher Geometrie schwer
herzustellen. Für
Mikrovorrichtungen wie MEMS, ist eine dünne und kompakte Ausführung der
felderzeugenden Bestandteile wesentlich. Diese Erfindung verwendet
folglich eine neue Konzeption von in dünnen Schichten verarbeiteten,
parallelen Leitermontagen in denen das durch einzelne Leiter erzeugte
magnetische Feld lokal kombiniert oder kompensiert wird, zum Herstellen
eines gesamten in-plane linearen magnetischen Felds, das geeignet
ist zur Betätigung
von einrastbaren magnetischen Materialien, die in erfinderische
Vorrichtungsstrukturen eingebaut sind. 1a und 1b sind
bildliche Darstellungen einer Ausführungsform einer schaltbaren
Struktur eines Satzes von stromführenden
Leitern 10 zur Verwendung beim Bereitstellen des magnetischen
Feldes H, das benötigt
wird zur Änderung
der Richtung der Magnetisierung in dem weichmagnetischen Material.
In dieser Ausführungsform
kann jeder Leiter 10 eine Breite in einem Bereich von ungefähr 0.1 μm bis 10
mm und eine Dicke in einem Bereich von ungefähr 0.1 mm bis 100 μm haben.
Das Leitermaterial kann gewählt
werden aus gut bekannten Materialien mit hoher Leitfähigkeit und
Legierungen wie basierend auf Cu, Al, Au, Ag, Pt, Rh, Pd, Ru, oder
von supraleitenden Materialien wie Y-Ba-Cu-O und anderen Materialien.
Die Anzahl von Leitern 10, die einen Satz bilden, kann
in einem Bereich von 1 bis 106 liegen, allgemein
zum Abdecken der Größe der Vorrichtung,
die betätigt
wird. Wenn die Anzahl von Leitern größer ist als eins, kann die
Lücke zwischen
benachbarten Leitern in einem Bereich von ungefähr 0.1 μm bis 1 mm liegen, zum Erreichen
der richtigen magnetischen Feldverteilung für die Betätigung. Die Flussrichtung des
Stroms I durch jeden der Leiter an irgendeinem bestimmten Zeitpunkt
ist der gleiche, um ein fast gleich bleibendes magnetisches Feld
in der Nähe
des Satzes von Leitern zu bilden.
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Wenn
ein Strom I durch den Satz von Leitern in der Richtung der am Beispiel
von 1a gezeigten Pfeile passiert, kann die Flächenstromdichte
K berechnet werden aus dem Nettostrom I, der durch jeden einzelnen
Leiter geliefert wird, als: K = nI,wo n
die Anzahl von Leitern pro Längeneinheit
ist. Bei der Höhe
h über
den Leitern (wo h viel kleiner ist als die seitliche Breite der
Leiter), ist das durch den fließenden
Strom bewirkte magnetische Feld parallel zur Ebene des Stromflusses
und senkrecht zur Flussrichtung wie in 1b gezeigt.
Die Magnitude des magnetischen Felds H ist gegeben durch H = μ0K/2, wo μ die magnetische Permeabilität eines
Vakuums ist. Diese Feldstärke
ist unabhängig
von der Höhe
h so lange h sehr klein ist verglichen mit der seitlichen Breite
der Leiter. Wenn, zum Beispiel, der Querschnitt von jedem stromführenden
Leiter 1 μm × 1 μm ist und
die Trennung zwischen benachbarten Leitern 1 μm ist, ist n = 0.5/μm und H ungefähr 250A/m
(3.14 Oersteds) pro mA Strom in jedem Draht. Die magnetische Flussdichte
B die in 1b bildlich dargestellt wird,
kann abgeleitet werden von der Intensität des magnetischen Felds H
durch die Vektorrelation B = μH,
wo μ die
Permeabilitätskonstante
des magnetischen Mediums ist.
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2 ist
eine graphische bildliche Darstellung der Magnetisierung (magnetische
Intensität)
M von einem mit Rechteckschleife einrastbaren magnetischen Material
als eine Funktion des angewendeten magnetischen Felds H. Die Magnetisierung
des Materials ist gesättigt
bei Ms, welche in einem Bereich liegt zwischen
ungefähr
10–5 bis
1 T (0.1 bis 10000 Gauß),
wenn das externe magnetische Feld eine kritische Feldstärke Hc erreicht,
die in einem Bereich liegt zwischen ungefähr 8 und 8×105 A/m
(0.1 bis 10000 Oersteds), ebenfalls bekannt als das Koerzitivfeld
des Materials. Sogar wenn das externe Feld entfernt wird, bleibt
die Magnetisierung nahe bei Ms. Wenn die Richtung des externen magnetischen Felds
H sich umkehrt und die Magnitude die Koerzitivfeldstärke -H erreicht, ändert sich
die Richtung der Magnetisierung und die Magnetisierung sättigt sich bei
-Ms. Beim Entfernen des externen magnetischen Felds, bleibt die
Magnetisierung bei -Ms. Ebenso, wenn die Richtung des externen magnetischen
Felds sich umkehrt und die Magnitude die Koerzitivfeldstärke Hc erreicht,
kehrt sich die Richtung der Magnetisierung um zurück zu +Ms.
Die Koerzitivfeldstärke
Hc und die gesättigte
Magnetisierung Ms des magnetischen Materials kann selektiv konstruiert
werden, durch Zuschneiden des Materials und der Geometrie auf die
magnetische dünne
Schicht. Das Koerzitivfeld sollte innerhalb des Bereichs liegen,
den die stromführenden
Leiter bereitstellen können,
und die gesättigte
Magnetisierung sollte ausreichend groß sein, um genügend magnetische
Kraft für
die Betätigung zu
liefern.
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Mit
einer solchen einrastbaren magnetischen dünnen Schicht, die oben auf
den stromführenden Leitern
angeordnet ist, kann die Orientierung des externen magnetischen
Felds der dünnen
Schicht magnetischen Materials auf Grund des in den Leitern fließenden Stroms,
ohne Weiteres umgekehrt werden, durch Ändern der Richtung des Stromflusses.
Wenn diese Struktur (die die stromführenden Leiter und das dünnschichtige
weichmagnetische Material aufweist) in der Nähe eines anderen magnetischen
Materials angeordnet wird, kann die magnetische Kraft zwischen den
beiden magnetischen Materialien geschaltet werden von anziehend
zu abstoßend
als eine Funktion der Magnetisierungsrichtung (d. h. Polarisation)
des dünnschichtigen
magnetischen Materials, und diese Kraft kann verwendet werden zum Betätigen kleiner
mechanischer Strukturen, die MEMS-Vorrichtungen aufweisen.
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Die
Koerzitivkraft (Hc) oder das schaltende Feld der einrastbaren magnetischen
Schichten in den erfinderischen Vorrichtungen sollten innerhalb des
gewünschten
Bereichs liegen. Eine zu hohe Koerzitivkraft würde es sehr schwierig machen,
mit erwünschten
niedrigen Werten angewendeten Stroms zu schalten, und eine zu niedrige
Koerzitivkraft stellt eine Gefahr einer versehentlichen magnetischen Schaltung
und MEMS-Betätigung
durch verstreute magnetische Felder dar. Der erwünschte Wert für H liegt
in dem Bereich von 160–16000
A/m (2–200
Oe), und vorzugsweise 400–4000
A/m, (5–50
Oe). Eine hohe magnetische Sättigung
im einrastbaren magnetischen Material ist erwünscht, typischerweise in dem Bereich
von 0.1–2.4
T (1000–24000
Gauß),
und vorzugsweise 0.4-2.4
T (4000–24000
Gauß).
Eine hohe Rechteckigkeit der M-H Schleife des einrastbaren magnetischen
Materials ist wesentlich für
das effiziente Wirken des erfinderischen einrastbaren MEMS. Die
erwünschte
Rechteckigkeit, was das Verhältnis der
remanenten Magnetisierung zu Sättigung (Mr/Ms)
betrifft, ist wünschenswert
mindestens 0.8, vorzugsweise 0.9, und, sogar noch mehr zu bevorzugen,
mindestens 0.95.
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Das
einrastbare magnetische Material ist vorzugsweise in einer dünnschichtigen
Form direkt auf der MEMS-Struktur
beschichtet. Die Anwendung einer Vorgehensweise ohne dünne Schicht
ist indes nicht ausgeschlossen, z. B. kann das magnetische Material
befestigt werden durch Verwendung von Mikrodruck-Technologie oder
Verwendung von vorgefertigten und vorab in der Größe angepassten
sehr dünnen
Magnetbogenmaterialien in Verbindung mit haftenden Trägerbändern. Das
Beschichten der magnetischen Dünnschichten
kann ausgeführt
werden durch physikalisches Aufdampfen wie Sputtern, Evaporation,
durch chemisches Aufdampfen, oder durch elektrochemisches Beschichten
wie Elektroplattieren oder stromlose Beschichtung. Die einrastbaren
magnetischen Schichten können
gewählt
werden aus Fe-Ta-N, Fe-Cr-Ta-N, Fe-Zr-N, Co-Fe, Ni-Fe, FeCr-Co,
und vielen anderen Fe-, Co-, oder Ni-basierten ferromagnetischen
Schichten. Die gewünschten Eigenschaften
der hohen Rechteckigkeit der Schleife und die einrastbaren Eigenschaften
können
den dünnschichtigen
magnetischen Materialien verliehen werden durch Einführen von
magnetischer Anisotropie, z.B. durch Verwendung von Schrägeinfallbeschichtung,
Magnetfeldbeschichtung, Hinzufügen von
Austauschanisotropie, oder durch Wärmebehandlung nach der Beschichtung
in einem magnetischen Feld. Die gewünschte Dicke der einrastbaren magnetischen
Schicht in der erfinderischen MEMS-Struktur ist typischerweise in dem Bereich zwischen
0.1–200
Mikrometern, und vorzugsweise 1–50
Mikrometern. Die Form der magnetischen Schicht kann quadratisch,
rechteckig, oval oder von irgendeiner unregelmäßigen Struktur sein.
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Die
beiden magnetischen Materialien auf den gegenüberliegenden Seiten der MEMS-Relaisstruktur
können
beide einrastbar sein. Alternative erfinderische Konstruktionen
weisen den Fall eines von zwei magnetischen Materialien auf, die
weichmagnetisch (nicht einrastbar) oder permanent magnetisch (nicht
schaltbar mit dem maximalen in der MEMS-Vorrichtung verfügbaren Schaltfeld)
sind, so lange die gegenüberliegende
Seite des Relais die einrastbare magnetische Schicht aufweist. Die
einrastbaren, nicht flüchtigen
Eigenschaften der Relaiswirkung bleiben gleich obwohl die spezifischen
Elemente der magnetischen Betätigung
für eine
optimale Leistung möglicherweise
verändert
werden müssen.
Nicht einrastbare, weichmagnetische dünnschichtige Materialien können aus
einer Anzahl von Materialien mit niedriger Koerzitivkraft gewählt werden
(z.B., <400 A/m
(5 Oe)) und niedrigem M-H Schleifen-Rechteckigkeits-Verhältnis (z.B., 8000 A/m (100
Oe)) wie basierend auf Sm-Co, Nd-Fe-B, Fe-Al-Ni-Co (bekannt als
Alnico), Fe-Cr-Co, Co-Fe-V (Vicalloy), Cu-Ni-Fe (Cunife).
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3, 4 und 5 stellen
alternative Ausführungsformen
von Anwendungen der erfinderischen mechanischen Betätigungsvorrichtung
in einem MEMS-Mikrorelais bildlich dar. Wie in der Fachwelt bekannt,
ist die MEMS-Mikrorelaisstruktur gebildet durch einen beweglichen
mechanischen Ausleger 12, der eine Dicke hat in einem Bereich
von ungefähr
0.05 bis 100 Mikrometern, Längen
in einem Bereich von ungefähr
1 bis 10000 Mikrometern, Breiten in einen Bereich von 0.1 bis 10000
Mikrometern, und einer beweglichen metallischen Elektrode 20,
die getragen wird am freien Ende und eine Größe hat in einem Bereich von
ungefähr
0.1 bis 5000 Mikrometern auf einer Seite. Die Betätigung des
mechanischen Auslegers 12 verursacht eine Bewegung desselben
nach oben oder unten wie gewünscht.
Wenn der Ausleger 12 sich nach oben bewegt, stellt die
bewegliche metallische Elektrode 20 einen elektrischen Kontakt
her mit einem oder mehreren fest stehenden metallischen Kontakten 18,
die eine Größe haben
in einem Bereich von ungefähr
0.1 bis 5000 Mikrometern, die allgemein angepasst ist an diejenige
der beweglichen Elektrode 20, um dadurch eine elektrische Verbindung
dazwischen herzustellen. Die elektrische Verbindung wird unterbrochen
wenn der mechanische Ausleger 12 verschoben wird oder sich
nach unten bewegt, um eine Größenlücke oder
einen Abstand in einem Bereich von 0.05 bis 200 Mikrometern zwischen
den metallischen Elektroden 18 und 20 zu erzeugen.
Die Kontaktgeometrie kann abgeändert werden,
um auf die einzelne Anwendung angepasst zu werden, derart, dass,
zum Beispiel, die bewegliche metallische Elektrode 20 auf
der unteren Seite des Auslegers 12 liegt und die feststehende
metallische Elektrode 18 auf dem Substrat 26 unterhalb
des Auslegers 12 (5) liegt.
In dieser Änderung,
muss der Ausleger 12 bei der Betätigung abwärts verschoben werden, um die
Verbindung herzustellen, und aufwärts, um sie zu unterbrechen;
in beiden Fällen, sollte
die mechanische Betätigungsvorrichtung
es dem Ausleger 12 ermöglichen,
sowohl nach oben als auch nach unten bewegt zu werden.
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In
der Ausführungsform
von 3, werden die stromführenden Leiter 10 hergestellt
zur Anordnung unterhalb des mechanischen Auslegers 12,
und können
direkt auf dem Substrat 26 angeordnet oder getragen werden.
Das einrastbare magnetische Material 14 wird auf dem Ausleger 12 getragen
zusammen mit einer beweglichen Elektrode oder Kontakt 20.
Das zweite magnetische Material 16 eines hohen Koerzitivfelds
wird über
dem einrastbaren magnetischen Material 14 angeordnet und
an einem anderen Substrat 28 oder einer anderen feststehenden
Fläche,
zum Beispiel unter Verwendung von Flip-Chip-Bonding, zum Haften
gebracht. Ein Durchschnittsfachmann wird dennoch erkennen, dass
andere geeignete bekannte Bonding-Techniken ebenfalls verwendet
werden können,
ohne dabei vom Sinn und Umfang der Erfindung abzuweichen. Die Lücke G zwischen
den beiden magnetischen Materialien 14, 16 kann
in einem Bereich zwischen ungefähr
0.05 bis 500 Mikrometern. liegen. Folglich, wenn die Magnetisierungsrichtung
des weichmagnetischen Materials 14 auf dem Ausleger 12 geschaltet
wird durch Änderung
der Flussrichtung des Stroms I in den darunter liegenden Leitern 10, üben die
beiden magnetischen Materialien entweder gegenseitig anziehende oder
abstoßende
Kräfte
aus, mit dem Ergebnis der entsprechenden Aufwärts- oder Abwärtsverschiebunger.
und Bewegung des mechanischen Auslegers 12. Die Aufwärtsbewegung
des Auslegers 12 bewirkt, dass die bewegliche Elektrode 20 mit
der feststehenden Elektrode 18 in Kontakt kommt und dadurch
einen geschalteten Zustand der MEMS-Vorrichtung betätigt. Die
entsprechende Abwärtsbewegung
des Auslegers 12 bewirkt die Trennung der Elektroden 20 und 18 voneinander.
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4 ist
eine bildliche Darstellung einer alternativen Ausführungsform
der Erfindung, in der die stromführenden
Leiter 10 und das weichmagnetische dünnschichtige Material 24 auf
dem gleichen Substrat angeordnet sind wie die feststehende Elektrode 18,
und das zweite magnetische Material 22 mit einem hohen
Koerzitivfeld ist auf dem mechanischen Ausleger 12 angeordnet.
Die mechanische Betätigungsvorrichtung
ist dennoch identisch mit der in 3 gezeigten
Ausführungsform,
trotz der unterschiedlichen entsprechenden Anordnungen der beiden
magnetischen Materialien 22 und 24.
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5 ist
eine bildliche Darstellung einer anderen alternativen Anwendungsform
der mechanischen Betätigungsvorrichtung
der Erfindung, in der das Flip-Chip-Bonding-Substrat
entfernt wird durch eine neue Anordnung der Elektroden und magnetischen
Schichten. In dieser kompakteren Bauweise, wird die bewegliche Elektrode 20 auf
der unteren Fläche
des mechanischen Auslegers 12 angeordnet und das weich-einrastbare magnetische
Material 34 wird auf einer oberen Fläche des Auslegers 12 angeordnet.
Die feststehende Elektrode 18, das zweite magnetische Material 32 und
die Leiter 10 werden alle getragen auf der Fläche des
Substrats 26 unterhalb des mechanischen Auslegers 12.
Die mechanische Betätigungsvorrichtung
ist auf jeden Fall die gleiche wie diejenige, die in der Ausführungsform
von 3 beschrieben wurde, außer dass es die Abwärtsverschiebung
oder Bewegung des Auslegers 12 ist, die die Elektroden 18 und 20 in
physischen und elektrischen Kontakt bringt.
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Während grundlegend
neue Eigenschaften der Erfindung gezeigt und beschrieben und dargelegt wurden,
so wie sie auf bevorzugte Ausführungsformen
davon angewendet werden, wird verstanden werden, dass verschiedenartige
Auslassungen und Ersetzungen und Änderungen in der Form und den Details
der veranschaulichten Vorrichtungen und in deren Wirken von den
Fachleuten vorgenommen werden können,
ohne vom Sinn und Umfang der Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel
wird ausdrücklich
beabsichtigt, dass alle Kombinationen von diesen Elementen und/oder
Verfahrensschritten, die im Wesentlichen die gleiche Funktion auf
im Wesentlichen die gleiche Art ausführen, um die gleichen Ergebnisse
zu erreichen, innerhalb des Umfangs der Erfindung liegen. Es wird
deshalb beabsichtigt, diese nur durch den Umfang der hierzu angefügten Ansprüche zu beschränken.
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Folglich
wird, während
grundlegend neue Eigenschaften der Erfindung gezeigt und beschrieben und
dargelegt wurden, so wie sie auf bevorzugte Ausführungsformen davon angewendet
werden, wird verstanden werden, dass verschiedenartige Auslassungen
und Ersetzungen und Änderungen
in der Form und den Details der veranschaulichten Vorrichtungen
und in deren Wirken von den Fachleuten vorgenommen werden können, ohne
vom Sinn und Umfang der Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel wird ausdrücklich beabsichtigt,
dass alle Kombinationen von diesen Elementen und/oder Verfahrensschritten, die
im Wesentlichen die gleiche Funktion auf im Wesentlichen die gleiche
Art ausführen,
um die gleichen Ergebnisse zu erreichen, innerhalb des Umfangs der Erfindung
liegen. Außerdem
sollte erkannt werden, dass Strukturen und/oder Elemente und/oder
Verfahrensschritte, die in Verbindung mit irgendeiner offenbarten
Form oder Ausführungsform
der Erfindung gezeigt und/oder beschrieben wurden, in irgendeiner anderen
offenbarten oder beschriebenen oder empfohlenen Form oder Ausführungsform
als eine allgemeine Sache einer Auswahl der Bauart eingebaut werden
kann. Es wird deshalb beabsichtigt, diese nur durch den Umfang der
hierzu angefügten
Ansprüche zu
beschränken.