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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Relais. Spezieller betrifft die vorliegende
Erfindung magnetische Mikroverriegelungsrelais mit niedrigem Energieverbrauch
sowie Verfahren für
die Herstellung und den Betrieb magnetischer Mikrorelais.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Relais
stellen typischerweise elektrische gesteuert Einrichtungen mit zwei
Zuständen
dar, die elektrische Kontakte öffnen
und schließen,
um den Betrieb von Einrichtungen in einer elektrischen Schaltung
zu bewirken. Anders ausgedrückt,
arbeiten Relais typischerweise als Schalter, welche Abschnitte einer
elektrischen, optischen oder anderen Einrichtung aktivieren oder
deaktivieren. Relais werden üblicherweise
in zahlreichen Anwendungen eingesetzt, einschließlich Telekommunikation, Funkfrequenzkommunikation
(RF-Kommunikation), tragbare Elektronikgeräte, Unterhaltungselektronik
und industrielle Elektronik, Luft- und Raumfahrt, und andere Systeme.
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Obwohl
die ersten Relais mechanische oder Festkörpereinrichtungen waren, haben
kürzliche
Entwicklungen der Technologien mikroelektrischer mechanischer Systeme
(MEMS) und der Mikroelektronikherstellung mikroelektrostatische
und mikro-magnetische Relais ermöglicht.
Derartige magnetische Mikrorelais weisen typischerweise einen Elektromagneten
auf, die einen Anker mit Energie versorgen, um einen elektrischen
Kontakt herzustellen oder zu unterbrechen. Wenn der Magnet nicht
mit Energie versorgt wird, stellt eine Feder oder eine andere mechanische
Kraft typischerweise den Anker auf eine Ruhelage zurück. Derartige
Relais weisen typischerweise eine Anzahl deutlicher Nachteile auf,
da sie üblicherweise
nur eine einzelne stabile Ausgangsgröße aufweisen (also den Ruhezustand),
und sich nicht verriegeln (also keine konstante Ausgangsgröße aufrechterhalten,
wenn die Energieversorgung von dem Relais getrennt wird). Darüber hinaus
kann die Feder, die bei herkömmlichen
magnetischen Mikrorelais erforderlich ist, im Verlauf der Zeit ihre
Eigenschaften verschlechtern oder brechen.
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Ein
anderes magnetisches Mikrorelais ist im US-Patent Nr. 5,847,631
beschrieben, das am 08. Dezember 1998 an Taylor et al erteilt wurde.
Das in diesem Dokument geschilderte Relais weist einen Permanentmagneten
und einen Elektromagneten zur Erzeugung eines Magnetfeldes auf,
das intermittierend dem von dem Permanentmagneten erzeugten Feld
entgegenwirkt. Obwohl dieses Relais angeblich bistabil ist, benötigt das
Relais Energieverbrauch in dem Elektromagneten, um zumindest einen
seiner Ausgangszustände
aufrecht zu er halten. Weiterhin ist die zur Erzeugung des entgegengesetzten
Feldes erforderliche Leistung signifikant, so dass das Relais ungeeignet
zum Einsatz in der Raumfahrt, bei tragbaren Elektronikgeräten, und
anderen Anwendungen wird, die einen geringen Energieverbrauch benötigen.
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Daher
ist ein bistabiles, verriegelndes Relais erwünscht, das keine Energie zum
Halten der Zustände
benötigt.
Ein derartiges Relais sollte weiterhin verlässlich sein, eine einfache
Konstruktion aufweisen, kostengünstig,
und einfach herzustellen sein.
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Das
Dokument EP-A-1093141, veröffentlicht am
18.04.2001, beschreibt ein verriegelndes MEMS-Mikrorelais, welches
magnetische Stellglieder verwendet. Das Dokument US-A-5475353 beschreibt
eine magnetische Mikroverriegelungseinrichtung gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruches 1.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß verschiedenen
Ausführungsformen der
Erfindung ist ein Relais geeignet so ausgebildet, dass es einen
offenen Zustand und einen geschlossenen Zustand aufweist. Das Relais
wird dadurch betätigt,
dass ein Ausleger vorgesehen wird, der auf Magnetfelder reagiert,
so dass der Ausleger einen ersten Zustand entsprechend dem offenen
Zustand des Relais und einen zweiten Zustand entsprechend dem geschlossenen
Zustand des Relais aufweist. Ein erstes Magnetfeld kann dazu vorgesehen
sein, ein magnetisches Drehmoment in dem Ausleger zu induzieren,
und der Ausleger kann zwischen dem ersten Zustand und dem zweiten
Zustand durch ein zweites Magnetfeld umgeschaltet werden, das beispielsweise
von einem Leiter erzeugt werden kann, der auf einem Substrat zusammen
mit dem Relais vorgesehen ist.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGSFIGUREN
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Die
voranstehenden und weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden
nachstehend in der folgenden, detaillierten Beschreibung beispielhafter
Ausführungsformen
erläutert,
die zusammen mit den beigefügten
Zeichnungsfiguren gelesen werden sollen, in welche gleiche Bezugszeichen
zur Bezeichnung gleicher oder ähnlicher
Teile in den verschiedenen Ansichten verwendet werden, und
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1A eine
Seitenansicht einer beispielhaften Ausführungsform eines Verriegelungsrelais
ist;
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1B eine
Aufsicht einer beispielhaften Ausführungsform eines Verriegelungsrelais
ist;
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2A–H Seitenansichten
sind, die ein beispielhaftes Verfahren zur Herstellung eines Verriegelungsrelais
zeigen;
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3A eine
Seitenansicht einer zweiten beispielhaften Ausführungsform eines Verriegelungsrelais
ist;
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3B eine
Aufsicht auf eine zweite beispielhafte Ausführungsform eines Verriegelungsrelais
ist;
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3C eine
Perspektivansicht eines beispielhaften Auslegers ist, der zum Einsatz
bei der zweiten beispielhaften Ausführungsform eines Verriegelungsrelais
geeignet ist;
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4A eine
Seitenansicht einer dritten beispielhaften Ausführungsform eines Verriegelungsrelais
ist;
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4B eine
Aufsicht auf eine dritte beispielhafte Ausführungsform eines Verriegelungsrelais
ist;
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4C und 4D Perspektivansichten beispielhafter
Ausleger sind, die zum Einsatz bei der dritten beispielhaften Ausführungsform
eines Verriegelungsrelais geeignet sind; und
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5 eine
Seitenansicht einer vierten beispielhaften Ausführungsform eines Verriegelungsrelais
ist.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Zum
Zwecke der Kürze
kann es sein, dass herkömmliche
Elektronik, Herstellung, MEMS-Technologie und andere funktionelle
Aspekte der Systeme (und Bauteile der einzelnen Betriebsbauteile
der Systeme) hier nicht im einzelnen beschrieben werden. Weiterhin
wird zum Zwecke der Kürze
die Erfindung häufig
hier so beschrieben, dass sie ein mikroelektronisch bearbeitetes
Relais zum Einsatz bei elektrischen oder elektronischen Systemen
betrifft. Es wird darauf hingewiesen, dass zahlreiche andere Herstellungsverfahren
dazu verwendet werden könnten,
die hier beschriebenen Relais zu erzeugen, und dass die hier beschriebenen
Vorgehensweisen bei mechanischen Relais, optischen Relais oder jeder anderen
Schalteinrichtung eingesetzt werden können. Weiterhin sind die Vorgehensweisen
geeignet zum Einsatz bei elektrischen Systemen, optischen Systemen,
der Unterhaltungselektronik, der Industrieelektronik, bei drahtlosen
Systemen, bei Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, oder anderen
Anwendungen. Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass die Beschreibungen
räumlicher
Verhältnisse hier
nur zum Zwecke der Erläuterung
erfolgen, und dass Verriegelungsrelais in der Praxis räumlich in
jeder Orientierung oder Art und Weise angeordnet sein können. Auch
Arrays aus diesen Relais können
dadurch ausgebildet werden, dass sie auf geeignete Arten und Weisen
und mit geeigneten Einrichtungen verbunden werden.
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Ein Verriegelungsrelais
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Die 1A und 1B sind
eine Seitenansicht bzw. Aufsicht eines Verriegelungsrelais. Wie aus
den 1A und 1B hervorgeht,
weist ein beispielhaftes Verriegelungsrelais 100 einen
Magneten 102 auf, ein Substrat 104, eine Isolierschicht 106, die
einen Leiter 114 aufnimmt, einen Kontakt 108, und
einen Ausleger 112, der oberhalb des Substrats durch eine
Stegschicht 110 angeordnet ist.
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Der
Magnet 102 ist jede Art eines Magneten, beispielsweise
ein Permanentmagnet, ein Elektromagnet, oder jede andere Art eines
Magneten, der ein Magnetfeld H0 134 erzeugen
kann, wie dies nachstehend genauer erläutert wird. Bei einer beispielhaften
Ausführungsform
ist der Magnet 102 ein Magnet des Modells 59-P09213T001,
erhältlich
von der Dexter Magnetic Technologies Corporation in Fremont, Kalifornien,
obwohl selbstverständlich
auch andere Arten von Magneten verwendet werden könnten. Das Magnetfeld 134 kann
auf jede Art und Weise erzeugt werden, so von etwa 80 Ampere-Windungen/Meter (A/m)
bis 800 kA/m (ein Oersted bis 104 Oersted).
Bei der in 1 gezeigten, beispielhaften
Ausführungsform
kann das Magnetfeld H0 134 annähernd parallel zur
Z-Achse erzeugt werden, und mit einer Stärke in der Größenordnung
von etwa 29,6 kA/m (370 Oersted), obwohl andere Ausführungsformen
andere Orientierungen und Stärken
des Magnetfeldes 134 einsetzen. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann
ein einzelner Magnet 102 zusammen mit einer Anzahl an Relais 100 eingesetzt
werden, die sich ein gemeinsames Substrat 104 teilen.
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Das
Substrat 104 ist aus jeder Art von Substratmaterial hergestellt,
beispielsweise Silizium, Galliumarsenid, Glas, Kunststoff, Metall
oder jedem anderen Substratmaterial. Bei verschiedenen Ausführungsformen
kann das Substrat 104 mit einem Isoliermaterial (beispielsweise
einem Oxid) beschichtet sein, und eingeebnet oder auf andere Art
und Weise flach ausgebildet sein. Bei verschiedenen Ausführungsformen
kann sich eine Anzahl an verriegelnden Relais 100 ein einzelnes
Substrat 104 teilen. Alternativ können andere Einrichtungen (beispielsweise Transistoren,
Dioden, oder andere elektronische Einrichtungen) auf dem Substrat 104 zusammen
mit einem oder mehreren Relais 100 vorgesehen sein, unter
Verwendung beispielsweise herkömmlicher
Herstellungsverfahren für
integrierte Schaltungen. Alternativ kann der Magnet 102 als
ein Substrat verwendet werden, und können dann die zusätzlichen
Bauteile, die nachstehend erläutert
werden, direkt auf dem Magneten 102 ausgebildet werden.
Bei derartigen Ausführungsformen
kann ein getrenntes Substrat 104 nicht erforderlich sein.
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Die
Isolierschicht 106 wird aus jedem Material wie beispielsweise
Oxid oder einem anderen Isolator hergestellt. Bei einer beispielhaften
Ausführungsform
besteht die Isolierschicht aus dem Material Probimid 7510.
Die Isolierschicht 106 nimmt in geeigneter Weise den Leiter 114 auf.
Der Leiter 114 ist in den 1A und 1B als
einzelner Leiter dargestellt, der zwei Enden 126 und 128 aufweist,
die in einem Spulenmuster angeordnet sind. Alternative Ausführungsformen
des Leiters 114 verwenden einzelne oder mehrere leitende
Segmente, die in irgendeinem geeigneten Muster angeordnet sind,
beispielsweise einem Mäandermuster,
einem Serpentinenmuster, einem statistischen Muster, oder in jedem
anderen Muster. Der Leiter 114 ist aus jedem Material hergestellt,
welches elektrischen Strom leiten kann, beispielsweise Gold, Silber,
Kupfer, Aluminium, Metall oder dergleichen. Wenn der Leiter 114 elektrischen Strom
leitet, wird ein Magnetfeld um den Leiter 114 herum erzeugt, wie
dies nachstehend genauer erläutert
wird.
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Der
Ausleger 112 ist jeder Anker, Fortsatz, Kragarm oder jedes
Teil, der bzw. das durch eine magnetische Kraft beeinflusst werden
kann. Bei der in 1A gezeigten Ausführungsform
weist der Ausleger 112 eine magnetische Schicht 118 und
eine leitende Schicht 120 auf. Die magnetische Schicht 118 kann
aus Permalloy (beispielsweise einer NiFe-Legierung) oder jedem anderen,
magnetisch empfindlichen Material bestehen. Die leitende Schicht 120 kann
aus Gold, Silber, Kupfer, Aluminium, Metall oder jedem anderen leitenden
Material hergestellt sein. Bei verschiedenen Ausführungsformen
weist der Ausleger 112 zwei Zustände auf, die dem entsprechen,
ob das Relais 100 "offen" oder "geschlossen" ist, wie dies nachstehend
genauer erläutert
wird. Bei vielen Ausführungsformen
wird das Relais 100 als "geschlossen" bezeichnet, wenn eine leitende Schicht 120 die
Stegschicht 110 mit dem Kontakt 108 verbindet.
Im Gegensatz hierzu kann das Relais als "offen" bezeichnet werden, wenn der Ausleger 112 nicht
in elektrischem Kontakt mit dem Kontakt 108 steht. Da sich
der Ausleger 112 körperlich
in Kontakt und außer
Kontakt mit bzw. von dem Kontakt 108 bewegen kann, ist
bei verschiedenen Ausführungsformen
des Auslegers 112 dieser flexibel, so dass sich der Ausleger 112 geeignet
biegen kann. Flexibilität kann
dadurch erzeugt werden, dass die Dicke des Auslegers (oder seiner
verschiedenen Schichtbestandteile) variiert wird, durch Musterbildung
oder Herstellung von Löchern
oder Schlitten in dem Ausleger auf andere Art und Weise, oder durch
Verwendung immer flexiblerer Materialien. Alternativ kann der Ausleger 112 als
eine "scharnierartig
angelenkte" Anordnung
ausgebildet werden, beispielsweise jene, die nachstehend im Zusammenhang
mit 3 beschrieben wird.
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Obwohl
sich selbstverständlich
die Abmessungen des Auslegers 112 dramatisch ändern können, von
Implementierung zu Implementierung, kann ein beispielhafter Ausleger 112,
der zum Einsatz in einem magnetischen Mikrorelais 100 geeignet
ist, eine Länge
in der Größenordnung
von 10–1000
Mikrometer aufweisen, eine Dicke von 1–40 Mikrometer, und eine Breite
von 2–600
Mikrometer. So kann beispielsweise ein beispielhafter Ausleger gemäß der in 1 gezeigten Ausführungsform Abmessungen von
etwa 600 Mikrometer × 10
Mikrometer aufweisen, oder von 1000 Mikrometer × 600 Mikrometer × 25 Mikrometer,
oder irgendwelche anderen, geeigneten Abmessungen.
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Der
Kontakt 108 und die Stegschicht 110 werden in
geeigneter Art und Weise auf der Isolierschicht 106 aufgebracht.
Bei verschiedenen Ausführungsformen
lagert die Stegschicht 110 den Ausleger 112 oberhalb
der Isolierschicht 106, wobei ein Spalt 116 geschaffen
wird, der sich unter Vakuum befinden kann, oder mit Luft oder einem
anderen Gas oder einer Flüssigkeit
wie beispielsweise Öl
gefüllt
werden kann. Obwohl sich die Größe des Spaltes 116 stark bei
unterschiedlichen Implementierungen ändert, kann ein beispielhafter
Spalt 116 in der Größenordnung
von 1–100
Mikrometer liegen, beispielsweise etwa 20 Mikrometer. Der Kontakt 108 kann
den Ausleger 112 empfangen, wenn sich das Relais 100 im geschlossenen
Zustand befindet, wie nachstehend geschildert. Der Kontakt 108 und
die Stegschicht 110 können
aus jedem leitenden Material hergestellt sein, beispielsweise Gold,
eine Goldlegierung, Silber, Kupfer, Aluminium, Metall oder dergleichen.
Bei verschiedenen Ausführungsformen
werden der Kontakt 108 und die Stegschicht 110 aus
gleichen leitenden Materialien hergestellt, und wird das Relais
als "geschlossen" angesehen, wenn
der Ausleger 112 eine Schaltung zwischen der Stegschicht 110 und
dem Kontakt 108 schließt.
Andere Ausführungsformen verwenden
unterschiedliche Ausbildungen des Kontakts 108 und der
Stegschicht 110, beispielsweise jene, die nachstehend im
Zusammenhang mit den 3 und 4 erläutert
werden. Bei bestimmten Ausführungsformen,
bei welchen der Ausleger 112 keinen elektrischen Strom
leitet, kann die Stegschicht 110 aus einem nicht leitenden
Material hergestellt sein, beispielsweise aus Probimid-Material,
Oxid, oder jedem anderen Material. Alternativ kann bei alternativen
Ausführungsformen
die Stegschicht 110 nicht erforderlich sein, falls der
Ausleger 112 auf andere Art und Weise oberhalb der Isolierschicht 106 gelagert
wird.
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Arbeitsprinzip
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Bei
einem breiten Aspekt der Erfindung erzeugt der Magnet 102 ein
Magnetfeld H0 134, das eine Magnetisierung
(m) im Ausleger 112 induziert.
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Die
Magnetisierung erzeugt auf geeignete Art und Weise ein Drehmoment,
das auf den Ausleger 112 einwirkt, und den Ausleger 112 zum
Kontakt 108 oder weg vom Kontakt 108 zwingt, abhängig von der
Richtung der Magnetisierung, wodurch das Relais 100 in
einen offenen oder geschlossenen Zustand versetzt wird. Die Richtung
der Magnetisierung im Ausleger 112 kann durch ein zweites
Magnetfeld eingestellt werden, das vom Leiter 114 in geeigneter Art
und Weise erzeugt wird, wie dies nachstehend genauer erläutert wird.
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Wie
ebenfalls aus den 1A und 1B hervorgeht,
kann das Magnetfeld H0 134 durch
den Magneten 102 hauptsächlich
in Richtung parallel zur Z-Achse angelegt werden, so dass das Feld
senkrecht zur primären
Abmessung (beispielsweise der Länge)
des Auslegers 112 verläuft.
Das Magnetfeld 134 induziert in geeigneter Weise eine Magnetisierung
im Ausleger 112, der aus weich magnetischem Material bestehen
kann. Infolge der Geometrie des Auslegers 112 richtet sich
die Magnetisierung im Ausleger 112 geeignet entlang der
Längsachse
des Auslegers aus, welche die Länge
des Auslegers 112 (parallel zur X-Achse) in 1 ist.
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Die
Orientierung der Magnetisierung im Ausleger 112 hängt geeignet
von dem Winkel (Alpha) zwischen dem angelegten Magnetfeld 134 und
der Längsachse
des Auslegers 112 ab. Im Einzelnen zeigt, wenn der Winkel
(Alpha) kleiner ist als 90 Grad, das magnetische Moment (m) im Ausleger 112 vom Ende 130 des
Auslegers 112 zum Ende 132. Die Wechselwirkung
zwischen dem magnetischen Moment und dem Magnetfeld H0 134 erzeugt
daher ein Drehmoment in Gegenuhrzeigerrichtung um das Ende 130 des
Auslegers 112, welches das Ende 132 nach oben
bewegt, in geeigneter Art und Weise, wodurch die Schaltung zwischen
der Stegschicht 110 und dem Kontakt 108 unterbrochen
wird. Im Gegensatz hierzu zeigt, wenn der Winkel (Alpha) größer ist als
90 Grad, das magnetische Moment (m) im Ausleger 112 vom
Ende 132 zum Ende 130, wodurch ein Drehmoment
in Uhrzeigerrichtung um das Ende 130 erzeugt wird. Das
Drehmoment im Uhrzeigersinn bewegt das Ende 132 nach unten,
um die Schaltung zwischen der Stegschicht 110 und dem Kontakt 108 zu
schließen.
Da sich die Magnetisierung (m) des Auslegers 112 nicht ändert, es
sei denn, es änderte sich
der Winkel (Alpha) zwischen der Längsachse des Auslegers 112 und
dem angelegten Magnetfeld 134, bleibt das angelegte Drehmoment
bestehen, bis eine externe Störung
einwirkt. Das elastische Drehmoment des Auslegers oder ein Anschlag
(beispielsweise der Kontakt) gleicht das angelegte magnetische Drehmoment
aus, und daher weist das Relais 100 zwei stabile Zustände entsprechend
der Aufwärts-
bzw. der Abwärtsposition
des Auslegers 112 auf (und daher entsprechend dem offenen
bzw. geschlossenen Zustand des Relais 100).
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Das
Schalten wird durch jedes geeignete Schaltverfahren erzielt. Bei
einer beispielhaften Ausführungsform
wird das Schalten dadurch erreicht, dass ein zweites Magnetfeld
erzeugt wird, das eine Komponente entlang der Längsachse des Auslegers 112 aufweist,
und das stark genug ist, um die Magnetisierung (m) des Auslegers 112 zu
beeinflussen. Bei der in 1 gezeigten
Ausführungsform
ist die relevante Komponente des zweiten Magnetfeldes die Komponente
des Feldes entlang der X-Achse. Da die Stärke des zweiten Magnetfeldes
entlang der Längsachse
des Auslegers 112 hauptsächlich von Interesse ist, ist
die Gesamtstärke
des zweiten Magnetfeldes typischerweise signifikant niedriger als
die Stärke
des Magnetfeldes 134 (obwohl selbstverständlich Felder
jeder Stärke
in verschiedenen Ausführungsformen
eingesetzt werden könnten).
Ein beispielhaftes, zweites Magnetfeld kann in der Größenordnung von
1,6 kA/m (20 Oersted) liegen, obwohl selbstverständlich stärkere oder schwächere Felder
bei anderen Ausführungsformen
eingesetzt werden könnten.
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Das
zweite Magnetfeld kann beispielsweise durch einen Magneten erzeugt
werden, beispielsweise einen elektronisch gesteuerten Elektromagneten. Alternativ
kann das zweite Magnetfeld durch Hindurchleiten eines Stroms durch
den Leiter 114 erzeugt werden. Wenn Strom durch den Leiter 114 hindurchgeht,
wird ein Magnetfeld entsprechend einer "Dreifingerregel" erzeugt. So erzeugt beispielsweise ein
Strom, der vom Punkt 126 zum Punkt 128 auf dem
Leiter 114 (1B) fließt, typischerweise ein Magnetfeld "in" das Zentrum der
dargestellten Spule, entsprechend den Feldpfeilen 122 in 1A.
Im Gegensatz hierzu erzeugt ein vom Punkt 128 zum Punkt 126 in 1 fließender Strom ein Magnetfeld,
welches "aus" dem Zentrum der
dargestellten Spule fließt,
entsprechend den gestrichelten Feldpfeilen 124 in 1A.
Das Magnetfeld kann eine Schleife um den Leiter 114 bilden,
auf eine Art und Weise, die ebenfalls in 1A gezeigt
ist, so dass eine horizontale (X) Komponente des Magnetfeldes auf
den Ausleger 112 einwirkt.
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Durch Ändern der
Richtung des Stroms oder Stromimpulses, der im Leiter 114 fließt, kann
dann die Richtung des zweiten Magnetfeldes je nach Wunsch geändert werden.
Durch Ändern
der Richtung des zweiten Magnetfeldes kann die Magnetisierung des
Auslegers 112 beeinflusst werden, und kann das Relais 100 geeignet
offen oder geschlossen geschaltet werden. Liegt beispielsweise das zweite
Magnetfeld in Richtung der Feldpfeile 122, so zeigt die
Magnetisierung des Auslegers 112 zum Ende 130 hin.
Diese Magnetisierung erzeugt ein Drehmoment im Uhrzeigersinn um
das Ende 130, welches den Ausleger 112 in einen
Zustand "abwärts" versetzt, der geeignet
das Relais 100 schließt. Im
Gegensatz hierzu zeigt, wenn das zweite Magnetfeld in Richtung der
gestrichelten Feldpfeile 124 liegt, die Magnetisierung
des Auslegers 112 zum Ende 132 hin, und wird ein Drehmoment
im Gegenuhrzeigersinn erzeugt, welches den Ausleger 112 in
einen Zustand "aufwärts" versetzt, der geeignet
das Relais 100 öffnet.
Der Zustand "aufwärts" oder "abwärts" des Auslegers 112 (und
daher der Zustand "offen" oder "geschlossen" des Relais 100)
kann daher durch Steuern des Stroms eingestellt werden, der durch
den Leiter 114 fließt.
Da die Magnetisierung des Auslegers 112 ohne äußere Störungen konstant bleibt,
kann das zweite Magnetfeld in Form von "Impulsen" oder auf andere Art und Weise intermittierend
angelegt werden, wie dies erforderlich ist, um das Relais zu schalten.
Wenn das Relais keine Änderung
des Zustands erfordert, kann die Energieversorgung für den Leiter 114 abgeschaltet
werden, wodurch ein bistabiles, verriegelndes Relais 100 geschaffen
wird, ohne Energieverbrauch in Ruhezuständen. Ein derartiges Relais
ist gut geeignet für
Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, bei tragbaren Elektronikgeräten, und
dergleichen.
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Herstellung eines verriegelnden
Relais
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2 enthält
eine Anzahl an Seitenansichten, die ein beispielhaftes Verfahren
zur Herstellung eines verriegelnden Relais 100 zeigen.
Es wird darauf hingewiesen, dass der hier geschilderte Prozess nur
als ein Beispiel für
eines der zahlreichen Verfahren dient, die zur Herstellung eines
verriegelnden Relais 100 eingesetzt werden könnten.
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Ein
beispielhafter Herstellungsprozess beginnt geeignet durch Bereitstellung
eines Substrats 102, welches eine wahlweise Isolierschicht
benötigen
kann. Wie voranstehend erwähnt,
kann jedes Substratmaterial dazu verwendet werden, ein verriegelndes
Relais 100 zu erzeugen, so dass die Isolierschicht beispielsweise
dann nicht erforderlich ist, wenn ein isolierendes Substrat verwendet
wird. Bei Ausführungsformen,
welche eine Isolierschicht enthalten, kann die Schicht eine Schicht
aus Siliziumdioxid (SiO2) oder einem anderen
Isoliermaterial sein, die eine Dicke in der Größenordnung von 100 nm (1000
Angström)
aufweist. Wiederum können
das als Isoliermaterial ausgewählte
Material und die Dicke der Schicht in Abhängigkeit von der speziellen
Implementierung verschieden sein.
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Wie
in 1A gezeigt, wird der Leiter 114 in geeigneter
Art und Weise auf dem Substrat 104 ausgebildet. Der Leiter 114 kann
durch jedes Verfahren wie Ablagerung (beispielsweise Elektronenstrahlablagerung),
Ver dampfung, Plattieren mit und ohne Strom, oder dergleichen hergestellt
werden. Bei verschiedenen Ausführungsformen
wird der Leiter 114 mit einem Spulenmuster ausgebildet, ähnlich jenem, das
in 1 gezeigt ist. Alternativ wird
der Leiter 114 mit einem Muster in Form einer Linie, einer
Serpentine, eines Kreises, eines Mäanders, oder in Form eines
statistischen Musters hergestellt. Eine Isolierschicht 106 kann
durch Schleudern oder auf andere Art und Weise auf das Substrat 104 und
den Leiter 114 aufgebracht werden, wie in 2B gezeigt.
Die Isolierschicht 106 kann als eine Schicht aus Photoresist,
Siliziumdioxid, Materialprobimid-7510, oder jedem anderen Isoliermaterial
aufgebracht werden, welches die oberen Einrichtungen elektrisch
isolieren kann. Bei verschiedenen Ausführungsformen wird die Oberfläche des
Isoliermaterials durch jedes Verfahren eingeebnet, beispielsweise
chemisch-mechanisches Einebnen (CMP).
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Kontaktanschlussflächen 108 und 110 können auf
der Isolierschicht 106 durch jedes Verfahren wie Photolithografie, Ätzen oder
dergleichen ausgebildet werden (2C). Die
Anschlussflächen 108 und 100 können dadurch
ausgebildet werden, dass eine oder mehrere Schichten aus leitfähigem Material
auf der Isolierschicht 106 abgelagert werden, und dann
die Anschlussflächen
beispielsweise durch Nassätzen
mit einem Muster versehen werden. Bei einer beispielhaften Ausführungsform
weisen die Anschlussflächen 108 und 110 geeignet
eine erste Schicht aus Chrom (zur Verbesserung der Haftung an der
Isolierschicht 106) und eine zweite Schicht aus Gold, Silber,
Kupfer, Aluminium, oder einem anderen leitenden Material auf. Zusätzliche
Metallschichten können
den Kontakten hinzugefügt
werden, durch Plattierungsverfahren mit und ohne Strom, um die Verlässlichkeit
der Kontakte zu verbessern, und den Widerstand zu verringern.
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Wie
in 2D gezeigt, können
die Kontaktanschlussflächen 108 und 110 geeignet
mit einer Schicht aus Photoresist, Aluminium, Kupfer, oder einem
anderen Material zur Ausbildung einer Opferschicht 202 abgedeckt
werden. Eine Öffnung 106 in der
Opferschicht 202 über
den Ausleger-Basisbereichen
kann durch Photolithografie, Ätzen
oder einen anderen Prozess festgelegt werden. Der Ausleger 106 kann
durch Ablagern, Sputtern, oder Anordnen auf andere Art und Weise
einer oder mehrerer Schichten eines Materials oben auf der Opferschicht 202,
die sich über
die Öffnung 206 erstrecken,
wie in 2E gezeigt, hergestellt werden.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform
kann eine Basisschicht 204 aus Chrom oder einem anderen
Material auf der Opferschicht 202 zur Verbesserung der
Haftung angeordnet werden, und können
eine oder mehrere leitfähige
Schichten 120 e benfalls ausgebildet werden. Die Schichten 204 und 120 können beispielsweise durch
Ablagerung, an welche sich chemisches oder mechanisches Ätzen anschließt, ausgebildet
werden. Die Schicht 120 kann dadurch verdickt werden, dass
eine andere Leiterschicht (beispielsweise aus Gold, einer Goldlegierung,
usw.) durch Plattierungsverfahren mit oder ohne Strom hinzugefügt wird.
Der Ausleger 112 wird weiterhin dadurch ausgebildet, dass
durch Plattieren mit Strom oder Anbringen auf andere Art und Weise
eine Schicht 118 aus Permalloy (beispielsweise NiFe-Permalloy)
oben auf der leitenden Schicht 120 ausgebildet wird, wie
in 2F gezeigt. Die Dicke der Permalloy-Schicht 118 kann dadurch
gesteuert werden, dass der Strom und die Zeit beim Plattieren mit
Strom geändert
werden. Plattieren mit Strom bei 0,02 Ampere pro Quadratzentimeter
für einen
Zeitraum von 60 Minuten, zum Beispiel, kann zu einer beispielhaften
Permalloy-Schichtdicke von etwa 20 Mikrometer führen. Bei verschiedenen Ausführungsformen
kann eine zusätzliche
Permalloy-Schicht 306 (gezeigt in 3) durch
Plattieren unter Strom auf der Oberseite des Auslegers 112 ausgebildet
werden, um das Reaktionsvermögen
des Auslegers 112 gegenüber
Magnetfeldern zu erhöhen.
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Wie
aus 2G hervorgeht, kann die Opferschicht 206 entfernt
werden, beispielsweise durch nasses oder trockenes Ätzen (beispielsweise
Sauerstoffplasma), um den Spalt 116 zwischen dem Ausleger 112 und
der Isolierschicht 106 zu erzeugen. Bei verschiedenen Ausführungsformen
wird die Haftschicht 204 geeignet durch mikromechanisches Ätzen oder
eine andere Vorgehensweise entfernt, um das Relais 100 (2H)
auszubilden. Das Relais 100 kann dann geschnitten werden,
mit dem Magneten 102 (gezeigt in 1)
versehen werden, oder je nach Erfordernis auf andere Art und Weise
bearbeitet werden. Es wird darauf hingewiesen, dass der Permanentmagnet 102 auch
direkt auf dem Substrat hergestellt werden kann, oben auf dem Ausleger,
oder dass die Spule und der Ausleger direkt auf einem Permanentmagnetsubstrat
hergestellt werden können.
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Alternative
Ausführungsformen
verriegelnder Relais
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Die 3 und 4 zeigen
alternative Ausführungsformen
von Verriegelungsrelais 100. Die 3A und 3B zeigen
eine Seitenansicht bzw. Aufsicht einer alternativen Ausführungsform
eines verriegelnden Relais, das einen um ein Scharnier drehbaren
Ausleger 112 aufweist. Die Perspektive der 3A und 3B ist
um 90 Grad in der X-Y-Ebene gegenüber der in den 1A und 1B gezeigten
Perspektive gedreht, um die Einzelheiten des um ein Scharnier drehbaren
Auslegers besser zu zeigen. Wie in den 3A und 3B gezeigt,
weist ein um ein Scharnier drehbarer Ausleger 112 geeignet einen
Strang oder mehrere Stränge 302 und 304 auf,
die ein magnetisch empfindliches Teil 306 oberhalb der
Isolierschicht 106 lagern. Das Teil 306 kann relativ
dick (in der Größenordnung
von etwa 50 Mikrometer) im Vergleich zu den Strängen 302 und 304 sein,
die aus leitendem Material bestehen können. Wie bei den Relais 100,
die voranstehend im Zusammenhang mit 1 erläutert wurden, können Relais 100 mit
um ein Scharnier drehbaren Auslegern auf Magnetfelder reagieren,
beispielsweise jene, die durch den Magneten 104 und den
Leiter 114 erzeugt werden. Bei verschiedenen Ausführungsformen
steht ein Strang, oder stehen beide Stränge 302 und 304,
in elektrischer Verbindung mit der Kontaktanschlussfläche 108,
wenn sich das Relais in einem "geschlossenen" Zustand befindet. Selbstverständlich kann
jede Anzahl an Strängen verwendet
werden. So kann beispielsweise ein einzelner Strang so hergestellt
werden, dass er das Gesamtgewicht des Teils 306 lagert.
Darüber
hinaus können
die Stränge
an jedem Punkt auf dem Teil 306 angeordnet sein. Obwohl 3 die Stränge 302 und 304 in
der Nähe
des Zentrums des Teils 306 zeigt, können die Stränge in der
Nähe des
Endes des Teils 306 zum Kontakt 108 hin angeordnet
sein, um das Drehmoment zu erhöhen,
das von dem Magneten 102 erzeugt wird, zum Beispiel.
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3C ist
eine Perspektivansicht eines beispielhaften Auslegers 112,
der zur Verwendung bei den in den 3A und 3B gezeigten
Ausführungsformen
geeignet ist. Der Ausleger 112 weist geeignet das Teil 306 auf,
das mit der leitenden Schicht 120 verbunden ist. Löcher 310 und/oder 312 können in
der leitenden Schicht 120 vorgesehen sein, um die Flexibilität des Auslegers 112 zu
verbessern, und wahlweise können
Kontakthöcker 308 auf
der Oberfläche
der leitenden Schicht 120 so vorgesehen sein, dass sie
in Kontakt mit dem Kontakt 108 gelangen. Die Stränge 302 und 304 (in 3C nicht
gezeigt) können
auf dem Ausleger 112 je nach Erfordernis an jedem Ort (beispielsweise
im Zentrum der leitenden Schicht 120 oder an beiden Enden
der leitenden Schicht 120) befestigt oder auf andere Art
und Weise hergestellt sein. Alternativ können die Stränge aus nicht
leitenden Materialien bestehen, und kann der Ausleger 112 einen
leitenden Weg zwischen zwei getrennten Leitern zur Verfügung stellen,
die gleichzeitig von dem Ausleger im geschlossenen Zustand berührt werden,
wie dies nachstehend erläutert
wird.
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Die 4A und 4B sind
eine Seitenansicht bzw. Aufsicht einer alternativen Ausführungsform
eines verriegelnden Relais 100. Wie dort gezeigt, können verschiedene
Ausführungsformen
des Auslegers 112 nicht direkt elektrischen Strom von der Stegschicht 110 zum
Kontakt 108 leiten. Bei der artigen Ausführungsformen kann ein leitendes
Element 402 am Ausleger 112 angebracht sein, um
auf geeignete Weise einen elektrischen Kontakt zwischen Kontakten 108 und 408 bereitzustellen,
wenn sich das Relais 100 im "geschlossenen" Zustand befindet. Die 4C und 4D sind
Perspektivansichten alternativer, beispielhafter Ausführungsformen
des Auslegers 112. Bei derartigen Ausführungsformen kann der Ausleger 112 einen
magnetisch empfindlichen Abschnitt 118 getrennt von einem
leitenden Abschnitt 402 durch eine Isolierschicht 410 aufweisen, die
beispielsweise ein dielektrischer Isolator sein kann. Wahlweise
Kontakthöcker 308 können ebenfalls,
wie dargestellt, auf dem leitenden Abschnitt 402 vorgesehen
sein. Wenn sich der Ausleger 112 in einem Zustand entsprechend
dem "geschlossenen" Zustand des Relais 100 befindet,
kann Strom dem Weg folgen, der durch Pfeile 412 dargestellt
ist, zwischen den Kontaktanschlussflächen 108 und 408,
in geeigneter Art und Weise.
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5 ist
eine Seitenansicht einer alternativen, beispielhaften Ausführungsform
des Relais 100. Wie in 5 gezeigt,
kann ein Relais 100 einen Magneten 102, ein Substrat 104 und
einen Ausleger 112 wie voranstehend geschildert aufweisen
(beispielsweise im Zusammenhang mit 1).
Anstelle des Leiters 114 (oder zusätzlich zu diesem), der auf
dem Substrat 104 vorgesehen ist, kann jedoch, wie gezeigt,
der Leiter 114 auf einem zweiten Substrat 504 ausgebildet
werden. Das zweite Substrat 504 kann jede Art von Substrat
sein, beispielsweise Kunststoff, Glas, Silizium, oder dergleichen.
Wie bei den voranstehend geschilderten Ausführungsformen kann der Leiter 114 je
nach Erfordernis mit einer Isolierschicht 506 beschichtet
sein. Zur Erzeugung eines Relais 100 können die verschiedenen Bauteile
auf Substraten 104 und 504 ausgebildet werden,
und können dann
in geeigneter Art und Weise die Substrate ausgerichtet und positioniert
werden. Die beiden Substrate 104 und 504 (und
die verschiedenen, darauf vorgesehenen Bauteile) können voneinander
durch Abstandsstücke
wie beispielsweise Abstandsstücke 510 und 512 in 5 getrennt
sein, die aus jedem Material hergestellt sein können.
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Wie
ebenfalls aus 5 hervorgeht, kann der Kontakt 108 auf
der Isolierschicht 106 vorgesehen sein, wie voranstehend
geschildert. Alternativ kann der Kontakt 508 auf dem zweiten
Substrat 504 vorgesehen sein, wie in 5 gezeigt
(selbstverständlich
kann der Ausleger 112 so hergestellt sein, dass ein leitender
Abschnitt des Auslegers 112 in Kontakt mit dem Kontakt 508 gelangt).
Bei anderen Ausführungsformen
können
sowohl Kontakte 108 als auch 508 vorgesehen sein,
so dass sich das Relais 100 in einem ers ten Zustand befindet,
wenn der Ausleger 112 in Kontakt mit dem Kontakt 108 steht,
in einem zweiten Zustand, wenn der Ausleger 112 in Kontakt
mit dem Kontakt 508 steht, und/oder einem dritten Zustand,
wenn der Ausleger 112 weder mit dem Kontakt 108 noch
mit dem Kontakt 508 in Kontakt steht. Selbstverständlich kann
das allgemeine Layout des Relais 100, dargestellt in 5,
mit jedem der Verfahren und der Layouts kombiniert werden, die voranstehend
beschrieben wurden, um neue Ausführungsform
des Relais 100 zu schaffen.
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Es
wird darauf hingewiesen, dass zahlreiche andere Ausführungsformen
hergestellt werden können,
ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. So kann beispielsweise
dadurch ein Umschaltrelais geschaffen werden, das ein zusätzlicher
Kontakt 108 vorgesehen wird, der in Kontakt mit dem Ausleger 112 gelangt,
wenn sich der Ausleger in seinem geöffneten Zustand befindet. Entsprechend
können
verschiedene Topografien und Geometrien des Relais 100 dadurch
erzeugt werden, dass das Layout der verschiedenen Bauteile variiert
wird (beispielsweise der Anschlussflächen 108 und 110 und
des Auslegers 112).
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Der
Umfang der Erfindung soll durch die beigefügten Patentansprüche anstatt
durch die voranstehend gegebenen Beispiele bestimmt werden.