JP2005536013A - Microfabricated double throw relay with multimorph actuator and electrostatic latch mechanism - Google Patents

Microfabricated double throw relay with multimorph actuator and electrostatic latch mechanism Download PDF

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ダニエル ジェイ ハイマン
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ピーター ディ ボグダノフ
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Abstract

本発明は、1つのマイクロ機械加工されたスイッチング装置の開発にあたって複数のマルチモルフ・アクチュエータ・エレメントと複数の静電状態保持メカニズムとの機能的組み合わせを取り入れた1つの新しい種類のリレーである。複数のエレメントのこの組み合わせは、高い信頼性及び低い電力消費を有するマイクロ製作された複数のリレーにおいてゼロ電力静電容量ラッチングの利点と複数の高力マルチモルフ・アクチュエータの利益とを提供する。該リレー発明の動作は該装置のために幾つかの安定状態、すなわち、電力を使用しない1つの受動的状態、該マルチモルフ・アクチュエータを或る程度の電力で駆動する1つのアクティブ状態、及び、本質的に電力を要することなくスイッチ・レートを静電的に保持する1つの被ラッチ状態とに配慮している。本発明に含まれる複数のマルチモルフ・アクチュエータは圧電マルチモルフ作動メカニズム、サーマル・マルチモルフ作動メカニズム及びバックリング・マルチモルフ作動メカニズムを含む。これらの装置は、複数のアクチュエータ・アーマチュアの1つ以上のセットをカンチレバー構成又は固定ビーム構成で使用し、状態保持のために静電ラッチ電極の1つ以上のセットを使用する。The present invention is a new type of relay that incorporates a functional combination of multiple multimorph actuator elements and multiple electrostatic state retention mechanisms in the development of a single micromachined switching device. This combination of elements provides the advantages of zero power capacitance latching and the benefits of multiple high strength multimorph actuators in microfabricated relays with high reliability and low power consumption. The operation of the relay invention consists of several stable states for the device: one passive state that does not use power, one active state that drives the multimorph actuator with some power, and the nature One latched state that electrostatically holds the switch rate without requiring additional power is considered. The plurality of multimorph actuators included in the present invention includes a piezoelectric multimorph actuation mechanism, a thermal multimorph actuation mechanism, and a buckling multimorph actuation mechanism. These devices use one or more sets of actuator armatures in a cantilever or fixed beam configuration and use one or more sets of electrostatic latch electrodes for state keeping.

Description

この装置を記述した1つの仮特許出願(provisional utility patent application)は60/243,788であって、2000年10月27日に出願され、本出願と同じ題名を有する。
1つの関連する装置を記述した1つの第2の出願は60/243,786であって、これも2000年10月27日に出願され、「マルチモルフ・アクチュエータと静電ラッチメカニズムとを有するマイクロ・ファブリケーションされたリレー」と題されている。これらの仮特許は、各々、本発明の複数の側面に関連していて、参照により本書に取り入れられる。
本発明につながる調査及び発展のいずれも米連邦政府によって後援されなかった。
One provisional patent application describing this device is 60 / 243,788, filed Oct. 27, 2000 and has the same title as this application.
One second application describing one related device is 60 / 243,786, also filed on Oct. 27, 2000, “Micro-machines with multimorph actuators and electrostatic latch mechanisms. Entitled "Fabricated Relays". Each of these provisional patents is related to multiple aspects of the present invention and is incorporated herein by reference.
None of the research and development that led to the present invention was sponsored by the US federal government.

本発明は、複数のスイッチング装置の一般的分野に関し、特にマイクロ・ファブリケーションされた複数のリレーの分野に関する。   The present invention relates to the general field of switching devices, and in particular to the field of microfabricated relays.

マイクロ・ファブリケーションスイッチング装置の元の概念が1979年にピーターセン(PETERSEN)によって作られて以来、低電力で高周波数の複数のアプリケーションのためのいろいろなスイッチ及びリレーを開発しようとする多くの試みがなされた。この努力の目標は、小型の、バッチ製造された、写真製版的に画定された複数の可動構造を1つの機械装置の一部分として用いることによってスイッチング技術の費用有効性及び性能を高めることである。   Since the original concept of microfabrication switching devices was created by Petersen in 1979, many attempts to develop various switches and relays for multiple applications at low power and high frequency It has been made. The goal of this effort is to increase the cost effectiveness and performance of switching technology by using small, batch manufactured, photolithographically defined moving structures as part of a single machine.

マイクロ・ファブリケーションされた電気機械システム(MEMS)は、複数の長い寿命、低コスト、小サイズ、及び在来の手段により製造された複数のスイッチング装置より速い速度を約束し、複数の固体装置より高い性能を提供する。多くのアプリケーションにおいて、特に高性能機械装置、自動化試験装置、レーダー、及び複数の通信システムにおけるアプリケーションにおいて、一定の品質を有する複数のスイッチング装置が必要とされ或いは好ましい。複数の具体的な値はアプリケーションごとにまちまちであって、本発明の詳細な説明においては適切な場合には具体的な値が与えられる。1)複数の制御信号を複数の負荷信号から絶縁させるスイッチ機能ではなくてリレー、2)複数のリレー電極の間の複数の低抵抗オーム接触、3)リレー開成/閉成状態をトグルするための低電力使用、4)1つの特定のリレー開成/閉成状態を維持するためのゼロ電力又は非常に低い電力、5)高精度、低コスト製造、6)複数のリレー接点の高速で強力な機械的閉成、7)複数のリレー接点の高速で強力な機械的開成、8)容易に達成される複数の制御信号及び動作必要条件。   Microfabricated electromechanical systems (MEMS) promise multiple long life, low cost, small size, and faster speed than multiple switching devices manufactured by conventional means, more than multiple solid state devices Provide high performance. In many applications, especially in high performance mechanical equipment, automated test equipment, radar, and applications in multiple communication systems, multiple switching devices with a certain quality are required or preferred. A plurality of specific values vary for each application, and specific values are given where appropriate in the detailed description of the invention. 1) Relay rather than a switch function that insulates multiple control signals from multiple load signals, 2) Multiple low resistance ohmic contacts between multiple relay electrodes, 3) Toggle relay open / closed state Low power usage, 4) Zero power or very low power to maintain one specific relay open / closed state, 5) High precision, low cost manufacturing, 6) High speed and powerful machine with multiple relay contacts 7) Fast and powerful mechanical opening of multiple relay contacts, 8) Multiple control signals and operating requirements that are easily achieved.

これらの利点の幾つかを得るために多くのスイッチング装置開発努力がなされたが、いずれも、全てを達成することはできなかった。従来技術の複数のスイッチング装置デザインの大部分は、いろいろな装置の2つの主要なカテゴリー、すなわち、複数の静電作動メカニズムを使用するもの、及び、複数のバイモルフ作動メカニズムを使用するもの、に関して論じることができる。各々のタイプの作動メカニズムが複数の固有の特性と利点とを有し、また従来技術の複数のデザインが上に列挙した望ましい品質の全てを得ることを妨げる物理的な限界を有する。これらの装置及びメカニズムを後に説明するが、従来の複数のマイクロ・ファブリケーションされたリレー装置の大多数は単投作動を特徴とする。単投作動は、作動されたときに単一の電気接点が開閉されることを指し、双投作動は、作動されたときに1つの電気接点が切断され第2の接点が閉じられることを指す。   Many switching device development efforts have been made to obtain some of these advantages, but none have achieved all. Most of the prior art multiple switching device designs discuss two major categories of devices: those that use multiple electrostatic actuation mechanisms and those that use multiple bimorph actuation mechanisms. be able to. Each type of actuation mechanism has a number of unique characteristics and advantages, and physical limitations that prevent prior art designs from obtaining all of the desirable qualities listed above. Although these devices and mechanisms will be described later, the majority of conventional microfabricated relay devices feature single throw operation. Single throw operation refers to opening and closing a single electrical contact when actuated, and double throw operation refers to disconnecting one electrical contact and closing a second contact when actuated. .

静電的に作動される複数の装置は、1つの電圧がかけられる2つ(又はより多くの)バイアス電極を使用する。向かい合う複数の電極の複数の表面に複数の反対の電荷が生じ、静電気力が生じる。もし複数の電極が互いのほうへ偏向することができれば、作動が可能となる。1つの静電作動装置のスイッチ又は複数のリレー接点電極はこれらの移動バイアス電極に機械的に結合され、複数の接点電極は、電圧がかけられ、また電圧が除去されるとかみ合い或いは分離する。   Devices that are electrostatically actuated use two (or more) bias electrodes to which a voltage is applied. A plurality of opposite charges are generated on a plurality of surfaces of a plurality of electrodes facing each other, and an electrostatic force is generated. If a plurality of electrodes can be deflected towards each other, operation is possible. A switch or relay contact electrode of one electrostatic actuator is mechanically coupled to these moving bias electrodes, and the contact electrodes engage or separate when a voltage is applied and when the voltage is removed.

静電作動は、上記動作特性の幾つかを本質的に支援し、その結果として、複数のスイッチ及びリレーのために最も広く試されたMEMS作動メカニズムである。複数の静電アクチュエータは複数のオーム接触リレー及びスイッチを可能にするけれども、複数の低抵抗を達成するのは難しい。これらは、複数の状態をトグルするために実際上ゼロの電力を必要とし、複数の状態を維持するために実際上ゼロの電力を必要とする。設計者は、精密で低コストの複数の静電アクチュエータを開発するために複数のマイクロ・ファブリケーション手法を使用することができる。これらのアクチュエータは複数の高速を提供することができるけれども、大きな閉成力を達成するのは難しく、大きな開成力を容易に生じさせることはできない。これらのアクチュエータは、現代の複数の集積回路では普通の複数の低駆動電圧(10Vより低い)で設計するのは難しいが、複数の駆動電流は通常は無視できる(1μA未満)。   Electrostatic actuation inherently supports some of the above operating characteristics and as a result is the most widely tried MEMS actuation mechanism for multiple switches and relays. Although multiple electrostatic actuators allow multiple ohmic contact relays and switches, it is difficult to achieve multiple low resistances. These require practically zero power to toggle between multiple states, and virtually zero power to maintain multiple states. Designers can use multiple microfabrication techniques to develop multiple electrostatic actuators that are precise and low cost. Although these actuators can provide multiple high speeds, it is difficult to achieve a large closing force and a large opening force cannot be easily generated. These actuators are difficult to design with low drive voltages (less than 10V) that are common in modern integrated circuits, but drive currents are usually negligible (less than 1 μA).

文献は、電力使用量の非常に少ない低力作動を証明する複数のMEMSスイッチ及びリレーの多数の例を含んでいる。ルーら(Loo、 et al.)の特許文献1は、応力補償のために絶縁体−金属−絶縁体スタックを使用する1つの単投双接点カンチレバーMEMSリレーの1つの代表的な例を記述している。ヤオら(Yao、 et al.)の特許文献2の1つのリレー、及びバック(Buck)の特許文献3の1つのスイッチなどの、他の複数のカンチレバーMEMS装置は、性能を高めるために種々の接点金属を使用する。ジェイムスら(James, et al.)の特許文献4は、製造を改善するために複数のバンプを取り入れた複数の双接点リレーを有する。ザブラッキー(Zavracky)の特許文献5は、複数の固体金属スイッチに関する自分の初期研究の後に、バイアスをかけるための複数の別々の固定された電極を用いる1つの新規な作動用エレメントを付け加えている。文献は、ミラノビら(Milanovi, et al.)によるスイッチング装置研究を含んでおり、この場合には、高周波信号スイッチングを改善するために複数の装置が1つの基板から他の基板へ移される。   The literature includes numerous examples of multiple MEMS switches and relays that demonstrate low power operation with very low power usage. U.S. Patent No. 6,099,056 (Loo et al.) Describes one representative example of a single throw, double contact cantilever MEMS relay that uses an insulator-metal-insulator stack for stress compensation. ing. Several other cantilever MEMS devices, such as one relay in Yao et al., US Pat. Use contact metal. James, et al., US Pat. No. 5,637,097 has a plurality of double contact relays that incorporate a plurality of bumps to improve manufacturing. Zavracky, U.S. Pat. No. 6,057,096, after his initial work on multiple solid metal switches, adds one novel actuating element that uses multiple separate fixed electrodes for biasing. . The literature includes switching device research by Milanobi et al., Where multiple devices are transferred from one substrate to another to improve high frequency signal switching.

通常はサイズ、速度、及び信頼性を犠牲にして装置のサイズ及び力を大きくすることによって、複数の大信号負荷での性能を向上させるために幾つかの注目に値する試みがなされている。1つの代表的な例は、前記の複数の努力の成果より1桁大きく且つもっと強力な1つの銅の装置を有するリー(Lee)の特許文献6号のものである。コムラら(Komura et al.)及びサトーら(Sato et al.)も、複数の適度の信号負荷のためのミリメートル・サイズの複数の2接点静電MEMSリレーを開発している。グッドウィン−ジョハンソン(Goodwin−Johansson)の特許文献7の1つの装置は、装置が開閉するときの複数の電極の接触抵抗を変えることによってホットスイッチ状況でのアーク発生を減少させる。   Several noteworthy attempts have been made to improve performance at multiple large signal loads, usually by increasing the size and power of the device at the expense of size, speed, and reliability. One representative example is that of Lee, US Pat. No. 6,057,031, which has a single copper device that is an order of magnitude larger and more powerful than the results of the aforementioned efforts. Komura et al. And Sato et al. Have also developed millimeter-sized multiple two-contact electrostatic MEMS relays for multiple moderate signal loads. One device of Goodwin-Johansson in US Pat. No. 6,057,096 reduces arcing in a hot switch situation by changing the contact resistance of multiple electrodes as the device opens and closes.

幾つかの静電MEMSスイッチング装置は、装置サイズ、接触力、及び、しばしば、製造上の複数の不便を犠牲にして複数の駆動電圧要件を下げるように設計されている。シェンら(Shen et al.)及びパンチェコ(Pancheco)は、バイアス電極サイズとアーマチュアの柔軟性とを増大させることによって複数の電圧要件を減少させている。イチヤら(Ichiya et al.)の特許文献8は、駆動電圧を下げるために複数の階段状で且つ傾斜した基板バイアス電極の新規な使用方法を取り入れている。   Some electrostatic MEMS switching devices are designed to lower drive voltage requirements at the expense of device size, contact force, and often manufacturing inconveniences. Shen et al. And Pancheco have reduced multiple voltage requirements by increasing bias electrode size and armature flexibility. Ichiya et al., US Pat. No. 6,057,057, incorporates a novel method of using a plurality of stepped and tilted substrate bias electrodes to reduce the drive voltage.

幾つかの静電MEMS装置は、複数のMEMS装置で普通に見られる偏向した複数のばねの受動的復元力より大きな速度及び力で装置を開成させる複数のバイアス電極の複数のセットを持つように設計されている。ハーら(Hah, et al.)は、1つの代表的な例であって、複数のリレーを開成するために複数のトーションばね復元力を複数の対向バイアス電極と組み合わせている。カサノら(Kasano et al.)の特許文献9は、複数の総電圧要件を減少させるために、複数の駆動開成電極付きの1つの双接点MEMSリレーと新規な複数の埋め込み型エレクトレットとを記述している。   Some electrostatic MEMS devices have multiple sets of bias electrodes that open the device at a speed and force greater than the passive restoring force of deflected springs commonly found in multiple MEMS devices. Designed. Hah et al. Is one representative example, combining multiple torsion spring restoring forces with multiple opposing bias electrodes to open multiple relays. Kasano et al., U.S. Pat. No. 5,697,057, describes a single double contact MEMS relay with multiple drive open electrodes and multiple new embedded electrets to reduce multiple total voltage requirements. ing.

複数のバイモルフ・アクチュエータは、複数の静電アクチュエータとは異なって、複数の制御信号をアクチュエータ自体の中で機械的変形に変換する。複数のバイモルフ(或いは、もっと一般的には、マルチモルフ)アクチュエータは、1つの特定の刺激に対する種々の物理的応答を示す複数の層から成っている。例えば、1つのサーマル・バイモルフは1つの高い熱膨張係数(10ppm/℃より上)を有する1つの第1の層と1つの低い熱膨張係数(5ppm/℃より下)を有する1つの第2の層とを持つことができる。このバイモルフが1つの温度上昇にさらされると、第1の層の相対的膨張は第2の層との密着により抑制され、該アクチュエータは応答してカールする。複数の装置がこのカールを用いて仕事を行い、複数のバイモルフにより作られる複数の力は複数の静電アクチュエータにより達成し得る力より遥かに大きくなりえる。   Multiple bimorph actuators, unlike multiple electrostatic actuators, convert multiple control signals into mechanical deformations within the actuator itself. Multiple bimorph (or more generally multimorph) actuators consist of multiple layers that exhibit different physical responses to a particular stimulus. For example, one thermal bimorph has one first layer with one high coefficient of thermal expansion (above 10 ppm / ° C) and one second layer with one low coefficient of thermal expansion (below 5 ppm / ° C). You can have with layers. When this bimorph is subjected to one temperature increase, the relative expansion of the first layer is suppressed by adhesion with the second layer, and the actuator curls in response. Multiple devices work with this curl, and the forces created by multiple bimorphs can be much greater than the forces that can be achieved by multiple electrostatic actuators.

バイモルフ作動は、上記の複数の動作特性を本質的に支援し、その結果として、複数のスイッチ及びリレーのために2番目に広く試されているMEMS作動メカニズムである。それらは、複数のオーム接触装置で使用され得るものであり、複数のバイモルフ・アクチュエータで作られる複数の大きな力は複数の低い接触抵抗をもたらす。それらは、低力で作動して複数の状態をトグルさせるように設計され得るけれども、一定の複数のタイプのバイモルフだけが低力状態ラッチングに対処し得る。複数のバイモルフ・アクチュエータに複数の高い速度と高い閉成力とを提供させることができ、また、同様に高い複数の開成力と速度とを提供するように設計することができる。或る複数のタイプのバイモルフ・アクチュエータは、複数の低駆動電圧及び低駆動電流でも設計されえる。   Bimorph actuation essentially supports the multiple operating characteristics described above, and as a result is the second most widely tried MEMS actuation mechanism for switches and relays. They can be used in multiple ohmic contact devices, and multiple large forces created by multiple bimorph actuators result in multiple low contact resistances. Although they can be designed to operate at low force and toggle multiple states, only certain types of bimorphs can handle low force state latching. Multiple bimorph actuators can be provided with multiple high speeds and high closing forces, and can be designed to provide high multiple opening forces and speeds as well. Certain types of bimorph actuators can be designed with multiple low drive voltages and low drive currents.

複数のバイモルフ作動メカニズムを有する大抵のスイッチング装置は、電力消費量を低く保つために複数の圧電バイモルフ・アクチュエータを選択し、その様な装置は通常は前に列挙された望ましい複数の特性のうちの多くを示す。しかし、複数の圧電材料に関連する製造上の複数の難点があるために、複数の圧電バイモルフ・アクチュエータを研究した複数のMEMS成果は僅かである。更に、ヒステリシス及び劣化を防止するために、複数の圧電バイモルフを作動させるには通常は複数の複雑な高電圧波形が必要である。ファラル(Farrall)の特許文献10は、複数の金属−圧電−金属3層アクチュエータの複数のアレイを特徴とする1つのスイッチング装置を記述している。コーンランプ(Kornrumpf)の特許文献11は、変動する複数の信号負荷を扱うために1つの中央アンカー領域から伸びる一連の圧電バイモルフ・アクチュエータを開発した。コーンランプ(Kornrumpf)の特許文献12は、圧電バイモルフ自体の中の残留分極を変化させることによって複数の状態をラッチし、制御可能なゼロ電力受動ラッチングを可能にする1つの圧電リレーを設計した。タナカ(Tanaka)の特許文献13は、大きな閉成力と移動距離とを生じさせる複数の対向するカンチレバー圧電バイモルフから成る1つの装置を開発した。これらの装置の全ては、在来の手段により製造され、全ての或いは多くの在来の圧電材料制約を持っていた。   Most switching devices with multiple bimorph actuation mechanisms select multiple piezoelectric bimorph actuators to keep power consumption low, and such devices are usually among the desirable properties listed above. Show a lot. However, due to the manufacturing difficulties associated with multiple piezoelectric materials, there are only a few MEMS results that have studied multiple piezoelectric bimorph actuators. In addition, in order to prevent hysteresis and degradation, operating multiple piezoelectric bimorphs typically requires multiple complex high voltage waveforms. Farall, U.S. Pat. No. 6,057,831, describes a switching device featuring multiple arrays of multiple metal-piezoelectric-metal trilayer actuators. Kornrumpf, US Pat. No. 6,057,832, developed a series of piezoelectric bimorph actuators that extend from one central anchor region to handle varying signal loads. Kornrumpf, US Pat. No. 6,057,038 designed one piezoelectric relay that latches multiple states by changing the remanent polarization in the piezoelectric bimorph itself, allowing for controllable zero power passive latching. Tanaka, U.S. Pat. No. 6,037,059, developed one device consisting of a plurality of opposing cantilever piezoelectric bimorphs that produce a large closing force and travel distance. All of these devices were manufactured by conventional means and had all or many conventional piezoelectric material constraints.

大抵のマイクロ・ファブリケーションされたバイモルフ・アクチュエータは、製造及び駆動信号生成が容易であるので複数のサーマル・バイモルフを使用している。その様な複数の装置は、通常、1つの活動状態を保つために電力を絶えず使用することを必要とし、また、熱輸送現象に基づく複数の速度制約を持っていることが良くある。フィールドら(Field et al.)の特許文献14は、複数の新規な接点構造を有する複数の積み重ねられた基盤を有する1つの汎用サーマル・バイモルフ・リレーを開示している。ノーリング(Norling)の特許文献15は、複数の接点電極と温度感知のための1つの静電バイアス電極とを有する1つの温度感知リレーを有し、これは現代の複数のサーミスタと全く同等の装置である。カー(Carr)の特許文献16は、大きなサイズ、速度、及び電力使用量を犠牲にして受動的機械的ラッチングを可能にした対向する複数のバイモルフの巧みに処理された複数のセットを含む1つのリレーを開発している。   Most microfabricated bimorph actuators use multiple thermal bimorphs because they are easy to manufacture and generate drive signals. Such devices typically require constant use of power to maintain a single active state and often have multiple speed constraints based on heat transport phenomena. Field et al., US Pat. No. 5,637,086 discloses a general purpose thermal bimorph relay having a plurality of stacked substrates with a plurality of novel contact structures. Norling, US Pat. No. 6,099,075, has a single temperature sensing relay having a plurality of contact electrodes and a single electrostatic bias electrode for temperature sensing, which is exactly equivalent to a modern thermistor. Device. Carr, U.S. Pat. No. 6,057,836, includes one crafted set of opposing bimorphs that allow passive mechanical latching at the expense of large size, speed, and power usage. Developing relays.

ゲバッターら(Gevatter, et al.)の特許文献17及びシュラークら(Schlaak, et al.)の特許文献18及び特許文献19による複数のMEMSリレーは、バイモルフ及び静電作動の両方を特徴としており、1つのバイモルフ・アクチュエータは閉成動作を助けるために統合された複数の静電電極を有する。
利点は、複雑さが増大し且つ適切なリレー機能のために両方のアクチュエータを同時に駆動する必要があるという犠牲を払って閉成力を高めて且つ駆動電圧を下げたことである。
米国特許第6046659号明細書 米国特許第5578976号明細書 米国特許第5258591号明細書 米国特許第5479042号明細書 米国特許第5638946号明細書 米国特許第6054659号明細書 米国特許第6057520号明細書 米国特許第5544001号明細書 米国特許第5278368号明細書 米国特許第4620123号明細書 米国特許第4819126号明細書 米国特許第4916349号明細書 米国特許第4403166号明細書 米国特許第5467068号明細書 米国特許第5463233号明細書 米国特許第5796152号明細書 米国特許第5796152号明細書 米国特許第5629565号明細書 米国特許第5673785号明細書
A plurality of MEMS relays according to Gevater et al., US Pat. No. 6,057,049 and Schlaak, et al., US Pat. One bimorph actuator has a plurality of electrostatic electrodes integrated to assist in the closing operation.
The advantage is increased closing force and lower drive voltage at the expense of increased complexity and the need to drive both actuators simultaneously for proper relay function.
US Pat. No. 6,046,659 US Pat. No. 5,578,976 US Pat. No. 5,258,591 US Pat. No. 5,479,042 US Pat. No. 5,638,946 US Pat. No. 6,054,659 US Pat. No. 6,057,520 US Pat. No. 5,544,001 US Pat. No. 5,278,368 US Pat. No. 4,620,123 U.S. Pat. No. 4,819,126 U.S. Pat. No. 4,916,349 U.S. Pat. No. 4,403,166 US Pat. No. 5,467,068 US Pat. No. 5,463,233 US Pat. No. 5,796,152 US Pat. No. 5,796,152 US Pat. No. 5,629,565 US Pat. No. 5,673,785

長い間感じられてきた証明された必要性と、上記を含む多数の研究者及びグループによる活発で広範な努力とにも関わらず、得られた複数の装置は、いずれも、計測器、レーダー、及び複数の通信システムのための高性能信号スイッチングのために望ましい複数の属性の全てを実現していない。本書に記載されている発明は、1つの双投スイッチ構成において不利な点や制約を殆ど持たずにこれらの特性の各々を達成する初めての装置である。   Despite the proven need that has been felt for a long time and the active and extensive efforts of many researchers and groups, including the above, the resulting devices are all instruments, radars, And not all of the attributes desired for high performance signal switching for multiple communication systems. The invention described in this document is the first device that achieves each of these characteristics with few disadvantages and limitations in a single double throw switch configuration.

マイクロ機械加工された複数のスイッチ及びリレーの分野には、複数のマルチモルフ・アクチュエータ・エレメント或いは静電アクチュエータ・エレメントを取り入れた多くの装置がある。複数のマルチモルフ・アクチュエータは、主として、任意の与えられた駆動電力、電圧、或いは電流について複数の大きな力を発生させる能力を持つ故に使用される。複数の静電アクチュエータは、非常に低い複数の電力で作動して複数のスイッチ又はリレーを1つの開成位置又は閉成位置に保持する能力を持つ故に使用される。低電力を使用しながら確実な接触を得るために大きな複数の力を組み入れる複数の装置を開発するという1つの希望が業界にあったが、従来の努力はいずれも成功しなかった。本発明は、この目標を達成する初めての試みであって、高力マルチモルフ作動と複数のゼロ電力静電ラッチング・メカニズムとの両方を組み入れることによってこの目標を達成する。   In the field of micromachined switches and relays, there are many devices that incorporate multiple multimorph actuator elements or electrostatic actuator elements. Multiple multimorph actuators are primarily used because of their ability to generate multiple large forces for any given drive power, voltage, or current. Multiple electrostatic actuators are used because they have the ability to operate at very low multiple powers to hold multiple switches or relays in one open or closed position. Although there was one desire in the industry to develop multiple devices that incorporate large forces to achieve reliable contact while using low power, none of the previous efforts were successful. The present invention is the first attempt to achieve this goal and achieves this goal by incorporating both high strength multimorph actuation and multiple zero power electrostatic latching mechanisms.

本発明の動作は、装置について複数の異なる安定状態に配慮している。第1の状態は1つの受動的状態であり、これは制御信号が装置に加えられていないときのリレーの自然状態である。1つのアクティブ状態が望まれるときには、1つの駆動制御信号がリレー・アクチュエータに加えられ、装置の複数の機械的制約がリレー・アーマチュアの更なる偏向を防止する。いったん変更されたならば、その状態を、不定期間であり得る期間にわたって1つのラッチ状態に保つことが望ましいので、複数の容量性エレメントに1つのラッチ制御信号が加えられてこれらのエレメントを引き付けて複数の静電力でこれらを結合させておく。このとき、複数の制御信号をアクチュエータから取り除くことが可能であり、リレーはラッチされた状態にとどまる。ラッチ制御信号を除去することによりリレーを受動的状態に戻すことができる。双投構成は1つの第2アクティブ状態に配慮しており、この状態では1つの第2閉成位置にあるリレーで1つの第2電気的接触が行われる。第2の閉成位置のために低電力ラッチング能力を提供するために、1つの関連する第2ラッチ状態も組み入れられる。   The operation of the present invention takes into account a number of different stable states for the device. The first state is one passive state, which is the natural state of the relay when no control signal is applied to the device. When one active state is desired, one drive control signal is applied to the relay actuator, and multiple mechanical constraints of the device prevent further deflection of the relay armature. Once changed, it is desirable to keep the state in one latch state for a period that may be indefinite, so a single latch control signal is applied to the capacitive elements to attract these elements. These are combined with a plurality of electrostatic forces. At this time, a plurality of control signals can be removed from the actuator, and the relay remains latched. The relay can be returned to a passive state by removing the latch control signal. The double throw configuration allows for one second active state in which one second electrical contact is made with a relay in one second closed position. One associated second latch state is also incorporated to provide a low power latching capability for the second closed position.

用語の定義:複数のマイクロ・ファブリケーションされた装置に不慣れな複数の読者にとっては用語及び複数の単位を概説することが有益である。複数の図面の記述と、以下の本発明についての詳細な記述とは、複数の図面の番号が付けられた複数のエレメントが本文に出現する際に該エレメントを記述する精密な複数の用語を含む。この特許出願の複数の目的のために、夫々の用語は、容認されているリレー産業用語の使用法に従う1つの指定されたターミノロジーであると考えられる。ミリ(m)は、1つの千分の一(1/1,000)についての標準的SI接頭辞である。マイクロ(μ)は、1つの百万分の一(1/1,000,000)についての標準的SI接頭辞である。ナノ(n)は、1つの十億分の一(1/1,000,000,000)についての標準的SI接頭辞である。ニュートン(N)は、1キログラム−メートル−毎秒−毎秒に等しい力の1つの標準的SI単位である。ミクロン(μm)又はマイクロメートルは、1つの一千分の一ミリメートルに等しい1つの長さの単位である。マイクロ・ファブリケーションは、集積回路開発者の業界により一般化された複数の写真平版技術を通して描かれた複数のコンポーネントを画定する1つの制作方法として定義される。マイクロ機械加工は、写真平版により画定された1つのマイクロ・ファブリケーションされたエレメントを描く行為として定義され、複数の酸又は塩基を用いる1つのエッチング・プロセスによってしばしば実行される。1つの作動は、1つのリレー又はその他のスイッチング装置を開成し或いは閉成する行為であるとして定義される。1つのアクチュエータは、作動の原因となるエネルギー変換メカニズムとして定義される。1つのアーマチュアは、1つのリレー又はその他のスイッチング装置を開成し又は閉成するために1つのアクチュエータにより偏向され又は動かされる任意のエレメントとして定義される。1つのマルチモルフは、1つの刺激にさらされたときにサイズを変化させる複数の層の1つの組み合わせから成る1つのアクチュエータとして定義され、その複数のサイズ変化は2つ以上の異なる層についてまちまちである。1つのバイモルフは、正確に2つの層を有する1つのマルチモルフとして定義される。1つのマルチモルフ層は1つのマルチモルフのいずれか1つの層として定義され、その各々の層は該マルチモルフについて定義された駆動刺激に対して敏感であったり敏感でなかったりする。1つの圧電マルチモルフは電圧刺激に対して敏感な1つのマルチモルフ・アクチュエータとして定義され、1つ以上の層がゼロでない圧電気係数を有する。1つのサーマル・マルチモルフは熱又は冷刺激に対して敏感な1つのマルチモルフ・アクチュエータとして定義され、1つ以上の層がゼロでない熱膨張係数を有する。1つのバックリング・マルチモルフは偏向刺激に対して敏感な1つのマルチモルフ・アクチュエータとして定義され、1つ以上の層がバックリング現象に応じた複数のレベルのゼロでない応力を有する。1つの固定されたベースは、機械的支持を提供する1つの堅い一体的リレー領域として定義される。1つのベース基板は、1つの固定されたベースの一部分を形成する1つのマイクロ・ファブリケーション基板として定義される。1つの負荷信号は1つのリレー又はその他のスイッチング装置によってスイッチングされるべき信号として定義される。1つの負荷信号ラインは、スイッチングされるべき負荷信号のための1つのポート(入力又は出力)として定義される。1つのアーマチュア接点エレメントは、1つの負荷信号が1つの入力から1つの出力負荷信号ラインへ進むための1つの伝導路を形成し且つ/又は切断するために他の複数の接点エレメントと物理的に係合し且つ/又は乖離する1つのアーマチュア上に位置する1つのエレメントとして定義される。1つの接点アーマチュアは、取り付けられた複数のアーマチュア接点エレメントを有する1つのアーマチュアとして定義される。1つのベース基板接点エレメントは、1つの信号が1つの入力から1つの出力負荷信号ラインへ進むための1つの伝導路を形成し且つ/又は切断するために他の複数の接点エレメントと物理的に係合し且つ/又は乖離する1つのベース基板上に位置する1つのエレメントとして定義される。1つの駆動信号は、1つのリレー又はスイッチの作動を開始する1つの信号として定義される。1つの駆動信号ラインは、1つの駆動信号が向けられる1つのラインとして定義される。複数の電気駆動信号のために少なくとも2つの駆動信号ラインが、1つは該信号のために、もう1つは基準のために、必要である。1つのラッチ信号は、1つのリレー又はスイッチを1つの開成状態又は閉成状態に保持する1つの信号として定義される。1つのラッチ信号ラインは、1つのラッチ信号が向けられる1つのラインとして定義される。複数の電気的ラッチ信号のために少なくとも2つのラッチ信号ラインが、1つは該信号のために、もう1つは基準のために、必要である。1つのアーマチュア電極はアーマチュアに付けられた1つの伝導性領域として定義され、これに複数のラッチ信号又はその複数の基準が向けられる。1つのベース基板電極はベース基板に付けられた1つの伝導性領域として定義され、これに複数のラッチ信号又はその複数の基準が向けられる。1つのラッチ電極絶縁体は、アーマチュア電極とベース基板電極との電気的接触が生じるのを防止する1つの絶縁領域として定義される。   Definition of terms: For readers unfamiliar with multiple microfabricated devices, it is useful to outline terms and multiple units. The description of the drawings and the following detailed description of the invention include precise terms that describe the elements as they appear in the text, as they appear in the text. . For the purposes of this patent application, each term is considered to be one designated terminology that follows the accepted usage of the relay industry terminology. Millimeter (m) is the standard SI prefix for one thousandth (1 / 1,000). Micro (μ) is the standard SI prefix for one millionth (1 / 1,000,000). Nano (n) is the standard SI prefix for one billionth (1 / 1,000,000,000). Newton (N) is one standard SI unit of force equal to 1 kilogram-meter-seconds-seconds. A micron (μm) or micrometer is a unit of length equal to one thousandth of a millimeter. Microfabrication is defined as a production method that defines a plurality of components drawn through a plurality of photolithographic techniques generalized by the industry of integrated circuit developers. Micromachining is defined as the act of drawing one microfabricated element defined by photolithography and is often performed by one etching process using multiple acids or bases. An operation is defined as the act of opening or closing a relay or other switching device. One actuator is defined as the energy conversion mechanism that causes actuation. An armature is defined as any element that is deflected or moved by a single actuator to open or close a relay or other switching device. A multimorph is defined as an actuator consisting of a combination of layers that change size when exposed to a stimulus, the size changes varying for two or more different layers . A bimorph is defined as a multimorph with exactly two layers. A multimorph layer is defined as any one layer of a multimorph, each of which may or may not be sensitive to the driving stimulus defined for the multimorph. A piezoelectric multimorph is defined as a multimorph actuator that is sensitive to voltage stimuli, and one or more layers have a non-zero piezoelectric coefficient. A thermal multimorph is defined as a multimorph actuator that is sensitive to thermal or cold stimuli, and one or more layers have a non-zero coefficient of thermal expansion. A buckling multimorph is defined as a multimorph actuator that is sensitive to deflection stimuli, and one or more layers have multiple levels of non-zero stress in response to the buckling phenomenon. One fixed base is defined as one rigid integral relay area that provides mechanical support. One base substrate is defined as one microfabrication substrate that forms part of one fixed base. A load signal is defined as a signal to be switched by a relay or other switching device. One load signal line is defined as one port (input or output) for the load signal to be switched. One armature contact element physically connects with other contact elements to form and / or disconnect one conduction path for one load signal to travel from one input to one output load signal line. Defined as one element located on one armature that engages and / or disengages. A contact armature is defined as an armature having a plurality of attached armature contact elements. One base substrate contact element is physically connected to other contact elements to form and / or disconnect one conduction path for one signal to travel from one input to one output load signal line. Defined as one element located on one base substrate that engages and / or dissociates. One drive signal is defined as one signal that initiates the operation of one relay or switch. One drive signal line is defined as one line to which one drive signal is directed. At least two drive signal lines are required for a plurality of electrical drive signals, one for the signal and one for the reference. One latch signal is defined as one signal that holds one relay or switch in one open or closed state. One latch signal line is defined as one line to which one latch signal is directed. At least two latch signal lines are required for multiple electrical latch signals, one for the signal and one for the reference. An armature electrode is defined as a conductive region attached to the armature, to which a plurality of latch signals or a plurality of references thereof are directed. A base substrate electrode is defined as a conductive region attached to the base substrate, to which a plurality of latch signals or a plurality of references are directed. One latch electrode insulator is defined as one insulating region that prevents electrical contact between the armature electrode and the base substrate electrode.

本発明は、複数のリレー産業の標準より概して小さい複数のスイッチング速度及び信号負荷を包含する。例えばμAとmAとの1つの機能上の区別は在来の複数のリレーについての負荷信号強度に関しては行われていないが、これらの異なる負荷信号についてはマイクロ・ファブリケーションされた複数のリレーの性能及び設計上の複数の差異は重要である。この特許の複数の目的のために、下記の複数の速度及び信号負荷が定義されて、これらの分類がリレー産業基準で定義されている分類とは異なることを記しておく。複数の非常に速いスイッチング時間は100ナノ秒未満として定義される。複数の速いスイッチング時間は100ナノ秒から1マイクロ秒までとして定義される。複数の中位のスイッチング時間は1マイクロ秒から100マイクロ秒までとして定義される。複数の遅いスイッチング時間は、100マイクロ秒から10ミリ秒までとして定義される。複数の非常に遅いスイッチング時間は、10ミリ秒より大きいとして定義される。複数の非常に低い信号負荷は10μAより少ないDC電流又は100μWより少ないRF電力として定義される。複数の低い信号負荷は10μAから10mAまで又は100μWから100mWまでとして定義される。複数の中位の信号負荷は10mAから500mAまで又は100mWから5Wまでとして定義される。複数の高い信号負荷は500mAから5Aまで又は5Wから50Wまでとして定義される。複数の非常に高い信号負荷は5Aより大きいDC電流又は50Wより大きいRF電力として定義される。   The present invention encompasses multiple switching speeds and signal loads that are generally smaller than the standards of multiple relay industries. For example, one functional distinction between μA and mA is not made with respect to load signal strength for conventional relays, but for these different load signals the performance of microfabricated relays And several design differences are important. For the purposes of this patent, it should be noted that the following speed and signal loads are defined and that these classifications are different from those defined in the relay industry standards. Multiple very fast switching times are defined as less than 100 nanoseconds. Multiple fast switching times are defined as 100 nanoseconds to 1 microsecond. Multiple intermediate switching times are defined as from 1 microsecond to 100 microseconds. Multiple slow switching times are defined as from 100 microseconds to 10 milliseconds. Multiple very slow switching times are defined as greater than 10 milliseconds. Multiple very low signal loads are defined as less than 10 μA DC current or less than 100 μW RF power. Multiple low signal loads are defined as 10 μA to 10 mA or 100 μW to 100 mW. Multiple medium signal loads are defined as 10 mA to 500 mA or 100 mW to 5 W. Multiple high signal loads are defined as 500 mA to 5 A or 5 W to 50 W. Multiple very high signal loads are defined as DC current greater than 5A or RF power greater than 50W.

全ての添付されている図面は、図1,6及び11以外は、横断面を示す。機能的クロスハッチング、複数の簡明な黒い縁、及び全てのエレメントの数えを通して材料の複数の指定が行われている。白の又は太いクロスハッチングで示されている全てのエレメントは電気絶縁性の1つの材料を表す。1つの細い接近して離間しているクロスハッチが付けられているパターンで示されている複数のエレメントは複数の電気伝導体である複数の材料を表す。全てのエレメントについての複数のクロスハッチ付きパターンは、明瞭性及び連続性を目的として図1,6及び11の平面図に示されている。記載されている複数の絶縁体及び/又は導体を半導体のドーピング・レベルに依存して製造するために複数の代替実施形態において複数の半導体材料を使用することができる。   All the attached drawings show cross sections, except for FIGS. Multiple designations of materials are made through functional cross-hatching, multiple simple black edges, and counting of all elements. All elements shown with white or thick cross-hatching represent one material that is electrically insulating. The elements shown in a thin closely spaced pattern of cross hatches represent a plurality of materials that are a plurality of electrical conductors. Multiple cross-hatched patterns for all elements are shown in the plan views of FIGS. 1, 6 and 11 for purposes of clarity and continuity. Multiple semiconductor materials can be used in multiple alternative embodiments to produce the multiple insulators and / or conductors described depending on the doping level of the semiconductor.

図1は本発明の一実施形態の1つの機能平面図であって、明瞭性を目的として複数の横断線及び眺望を有し、また破線の輪郭で示された上面の下に埋められて良い多数のエレメントを有する。図1は、1つの代表的実施形態の複数のアクチュエータ・エレメントを露出させるためにカバーが取り外されている1つの平面図である。図1と並んで示されている2つの横断面図は図2A及び3Aであって、これらは夫々1つの負荷アーマチュア及びアクチュエータ・アーマチュアの図である。図4は、1つのマルチモルフ・アクチュエータの領域における複数のアーマチュアの1つの横断面構成図であって、複数の電気接続部間の関係を示す。図5A、5B、及び5Cは、開成リレー状態(図5A)、クローズダウンされたリレー状態(図5B)及びクローズアップされたリレー状態(図5C)にあるラッチング及び接点メカニズムを有するリレー領域の複数の横断面を示す。1つの接点アーマチュアの曲げ機能は、リレーを完全にラッチされた複数の状態で描いている図5B及び5Cにおいて示されている。   FIG. 1 is a functional plan view of one embodiment of the present invention having a plurality of transverse lines and views for the sake of clarity, and may be buried below the top surface indicated by the dashed outline. It has many elements. FIG. 1 is a plan view with a cover removed to expose multiple actuator elements of one exemplary embodiment. The two cross-sectional views shown alongside FIG. 1 are FIGS. 2A and 3A, which are views of one load armature and actuator armature, respectively. FIG. 4 is a cross-sectional block diagram of one of the plurality of armatures in the region of one multimorph actuator, showing the relationship between the plurality of electrical connections. 5A, 5B, and 5C illustrate a plurality of relay regions having latching and contact mechanisms in an open relay state (FIG. 5A), a closed-down relay state (FIG. 5B), and a closed-up relay state (FIG. 5C). The cross section of is shown. The bending function of one contact armature is shown in FIGS. 5B and 5C, depicting the relay in multiple fully latched states.

図2A、2B、2C、2D及び2Eは、装置の5つの動作状態における負荷アーマチュアの横断面図を示している。図2Aは、リレーが受動的状態にあるときの負荷アーマチュアである。図2Bは、1つのリレーが1つのアクティブダウン状態に追い込まれたときに負荷アーマチュアに誘起される曲率を示す。図2Cは、ラッチダウンされた状態にあるときのリレーの負荷アーマチュアに誘起される1つの曲率を示す。図2Dは、1つのリレーがアクティブアップ状態に追い込まれたときの負荷アーマチュアの曲率を示す。図2Eはラッチアップ状態にあるときのリレー負荷アーマチュアに誘起される1つの曲率を示す。   2A, 2B, 2C, 2D and 2E show cross-sectional views of the load armature in the five operating states of the device. FIG. 2A is a load armature when the relay is in a passive state. FIG. 2B shows the curvature induced in the load armature when one relay is driven into one active down state. FIG. 2C shows one curvature induced in the relay's load armature when in the latched-down state. FIG. 2D shows the curvature of the load armature when one relay is driven into an active up state. FIG. 2E shows one curvature induced in the relay load armature when in the latch-up state.

図3A、3B、3C、3D、及び3Eは、装置の同じ5つの動作状態にある1つの圧電マルチモルフ・アクチュエータ・アーマチュアの横断面を示す。図3Aは、リレーが受動的状態にあるときのアクチュエータ・アーマチュアである。図3Bは、1つのリレーが1つのアクティブダウン状態に追い込まれたときにアクチュエータ・アーマチュアに誘起される曲率を示す。アーマチュア電極接触が図3Cで見られ、この図はリレーがラッチダウンされた状態のときにアクチュエータ・アーマチュアに誘起される1つの可能な曲率を示す。図3Dは、1つのリレーが1つのアクティブアップ状態に追い込まれたときにアクチュエータ・アーマチュアに誘起された曲率を示す。アーマチュア電極接触が再び図3Eに示されており、この図はリレーがラッチアップされた状態にあるときにアクチュエータ・アーマチュアに誘起される1つの可能な曲率を示す。   3A, 3B, 3C, 3D, and 3E show cross sections of one piezoelectric multimorph actuator armature in the same five operating states of the device. FIG. 3A is the actuator armature when the relay is in a passive state. FIG. 3B shows the curvature induced in the actuator armature when one relay is driven into one active down state. Armature electrode contact is seen in FIG. 3C, which shows one possible curvature induced in the actuator armature when the relay is latched down. FIG. 3D shows the curvature induced in the actuator armature when one relay is driven into one active up state. Armature electrode contact is again shown in FIG. 3E, which shows one possible curvature induced in the actuator armature when the relay is in a latched up state.

図6から10Cまでは1つの代替実施形態を示す。図6は、1つの主アクチュエータとして1つのサーマル・マルチモルフを使用する1つの実施形態の1つの機能平面図である。図6と並んで示されている2つの横断面図は図7A及び8Aであり、これらは、夫々、1つの負荷アーマチュアとサーマル・マルチモルフ・アクチュエータ・アーマチュアとの横断面図である。図9は1つのマルチモルフ・アクチュエータの領域における複数のアーマチュアの1つの横断面構成図である。前の実施形態についての図5A、5B、及び5Cと同様に、図10A、10B及び10Cは、ラッチング及び接点メカニズムが開成リレー状態、クローズダウンされたリレー状態、及びクローズアップされたリレー状態にあるリレー領域の横断面を示す。   Figures 6 to 10C illustrate one alternative embodiment. FIG. 6 is a functional plan view of one embodiment using one thermal multimorph as one main actuator. The two cross-sectional views shown alongside FIG. 6 are FIGS. 7A and 8A, which are cross-sectional views of one load armature and a thermal multimorph actuator armature, respectively. FIG. 9 is a cross-sectional configuration diagram of one of a plurality of armatures in the region of one multimorph actuator. Similar to FIGS. 5A, 5B, and 5C for the previous embodiment, FIGS. 10A, 10B, and 10C show that the latching and contact mechanisms are in the open relay state, the closed-down relay state, and the closed-up relay state. A cross section of the relay region is shown.

図7A、7B、7C、7D及び7Eは、装置の5つの動作状態における負荷アーマチュアの横断面図である。図7Aは、リレーが受動的状態にあるときの負荷アーマチュアである。図7Bは1つのリレーが1つのアクティブダウン状態に追い込まれたときに負荷アーマチュアに誘起される曲率を示す。図7Cは、ラッチダウンされた状態において負荷アーマチュアに誘起される1つのリレー曲率を示す。図7Dは、1つのリレーが1つのアクティブアップ状態に追い込まれたときに負荷アーマチュアに誘起される曲率を示す。図7Eは、ラッチアップされた状態にあるときにリレー負荷アーマチュアに誘起される1つの曲率を示す。   7A, 7B, 7C, 7D and 7E are cross-sectional views of the load armature in the five operating states of the device. FIG. 7A is a load armature when the relay is in a passive state. FIG. 7B shows the curvature induced in the load armature when one relay is driven into one active down state. FIG. 7C shows one relay curvature induced in the load armature in the latched down state. FIG. 7D shows the curvature induced in the load armature when one relay is driven into one active up state. FIG. 7E shows one curvature induced in the relay load armature when in the latched up state.

図8A、8B、8C、8D及び8Eは、装置の同じ5つの動作状態における1つのサーマル・マルチモルフ・アクチュエータ・アーマチュアの横断面図である。図8Aは、リレーが受動的状態にあるときのアクチュエータ・アーマチュアである。図8Bは、リレーがアクティブダウン状態に追い込まれたときのアクチュエータ・アーマチュアを示す。図8Cにおいてアーマチュア電極接触が見られ、この図はラッチダウンされたリレー状態にあるときのアクチュエータ・アーマチュアに誘起される1つの曲率を示す。図8Dは、リレーが1つのアクティブアップ状態に追い込まれたときのアクチュエータ・アーマチュアを示す。図8Eにおいてアーマチュア電極接触が見られ、この図はラッチアップされたリレー状態にあるときにアクチュエータ・アーマチュアに誘起される1つの可能な曲率を示す。   8A, 8B, 8C, 8D and 8E are cross-sectional views of one thermal multimorph actuator armature in the same five operating states of the device. FIG. 8A is the actuator armature when the relay is in a passive state. FIG. 8B shows the actuator armature when the relay is driven into an active down state. An armature electrode contact is seen in FIG. 8C, which shows one curvature induced in the actuator armature when in the latched-down relay state. FIG. 8D shows the actuator armature when the relay is driven into one active up state. An armature electrode contact is seen in FIG. 8E, which shows one possible curvature induced in the actuator armature when in the latched-up relay state.

リレーの発明の1つの第3実施形態では、リレーを、図11に示されているように、複数のアクチュエータ・アーマチュア構造で構成することができる。このリレーは、アクチュエータ・アーマチュアが負荷アーマチュアに対して垂直になっている状態で示されている。いろいろな数のアクチュエータ・アーマチュア或いは負荷アーマチュアを有するこの様な複数の構成は、主として、当該技術分野の熟練設計者の決定による。図12は、この実施形態の負荷アーマチュアの1つの横断面構成を示す。図13A、13B及び13Cは、この第3実施形態の5つの動作状態のうちの3つにおけるリレーのアクチュエータ・アーマチュアの横断面構成図である。各々の図は、装置を閉成する動作を行わせる複数のサーマル・アクチュエータ・アーマチュアと、装置を開成する動作を行わせるサーマル・アクチュエータ・アーマチュアと、複数の接点電極を囲む接点アーマチュア領域とを示す。図13Aは、リレーが受動的状態にあるときのアクチュエータ・アーマチュアを示す。図13Bは、リレーがアクティブダウン状態に追い込まれたときにアクチュエータ・アーマチュアに誘起される曲率を示す。図13Cは、ラッチダウンされた状態にあるときの複数のアクチュエータ・アーマチュアを示す。アクティブアップ状態及びラッチアップされた状態における複数のアクチュエータ・アーマチュアの図は、簡潔さを保つために示されていない。   In one third embodiment of the invention of the relay, the relay can be composed of a plurality of actuator armature structures, as shown in FIG. This relay is shown with the actuator armature perpendicular to the load armature. Such multiple configurations having various numbers of actuator armatures or load armatures are primarily determined by a skilled designer in the art. FIG. 12 shows one cross-sectional configuration of the load armature of this embodiment. 13A, 13B, and 13C are cross-sectional configuration diagrams of the actuator armature of the relay in three of the five operating states of the third embodiment. Each figure shows a plurality of thermal actuator armatures that act to close the device, a thermal actuator armature that acts to open the device, and a contact armature region surrounding the contact electrodes . FIG. 13A shows the actuator armature when the relay is in a passive state. FIG. 13B shows the curvature induced in the actuator armature when the relay is driven into the active down state. FIG. 13C shows multiple actuator armatures when in the latched down state. Multiple actuator armature views in the active up and latched up states are not shown for the sake of brevity.

本発明は、1つのマイクロ機械加工された双投スイッチング装置の発達において複数のマルチモルフ・アクチュエータと複数の静電状態保持メカニズムとの機能的組み合わせを取り入れた1つの新種のリレーである。複数のエレメントのこの組み合わせは、複数の高力マルチモルフ・アクチュエータの利点を、マイクロ・ファブリケーションされた複数のリレーにおける高度に確実な、低電力消費量でのゼロ電力静電容量ラッチングの利点とともに提供する。以下の説明は、始めに複数のアクチュエータ技術のこの機能的組み合わせを論じ、次に本発明の幾つかの具体的装置実施形態について詳しく論じる。   The present invention is a new type of relay that incorporates the functional combination of multiple multimorph actuators and multiple electrostatic state retention mechanisms in the development of a single micromachined double throw switching device. This combination of multiple elements provides the benefits of multiple high-strength multimorph actuators with the advantages of highly reliable, zero-power capacitive latching at low power consumption in multiple microfabricated relays To do. The following discussion first discusses this functional combination of multiple actuator technologies, and then discusses in detail some specific device embodiments of the present invention.

1つのリレーは、制御信号路が負荷信号路から絶縁されているという特徴が付け加えられている1つのスイッチング装置である。この様な1つの装置は、1つの鋭敏な負荷信号(1つのデータストリーム又は試験装置信号など)の完全性を劣化させる可能性のある複数の変動或いは不規則性を有する可能性のある複数の制御信号から干渉を受けずに、変化する或いは鋭敏な複数の信号のスイッチングを可能にする。これは、また、負荷信号が何らかの形で危険であり得るような複数のアプリケーションにおいて制御電子装置を保護する。1つの高電圧又は高電流負荷信号は、もし複数の制御信号路との相互作用が可能にされれば、複数の制御電子装置に過負荷をかける可能性がある。RF電力は容量性結合又は誘導性結合の故に完全には抑制され得ないので、複数の無線周波数装置は制御電子装置を複数の信号負荷から高度に絶縁させることを必要とすることが良くある。大抵の単投リレーは、負荷信号回路が1)開成しているか或いは2)閉成しているかを定める2つの安定動作状態を有する。この様な1つの装置は直流電流、低周波数、及び無線周波数アプリケーションにおける多様なアプリケーションにおいて1つの大切なコンポーネントを形成し、複数のリレーのマイクロ・ファブリケーションバージョンを作ろうとする多くの努力が産業上の利益を証明している。   One relay is one switching device to which the feature that the control signal path is insulated from the load signal path is added. One such device can have multiple variations or irregularities that can degrade the integrity of one sensitive load signal (such as a single data stream or test device signal). It enables switching of multiple signals that change or are sensitive without interference from the control signal. This also protects the control electronics in multiple applications where the load signal can be dangerous in some way. A single high voltage or high current load signal can overload multiple control electronics if interaction with multiple control signal paths is enabled. Because RF power cannot be completely suppressed due to capacitive or inductive coupling, multiple radio frequency devices often require the control electronics to be highly isolated from multiple signal loads. Most single throw relays have two stable operating states that determine whether the load signal circuit is 1) open or 2) closed. One such device forms an important component in a variety of applications in DC, low frequency, and radio frequency applications, and many efforts to create a micro-fabrication version of multiple relays are industrially Prove the benefits of.

複数のマルチモルフ作動メカニズムは、中位の電力要件(連続動作で数十μWから数十mWまで)で中位の距離(数十μmからmmまでのアーマチュア偏向)にわたって高速(マイクロ秒からミリ秒までの作動時間)で同等に高い力(mNからNまでの接触力)を作る能力を持っているために数十年前から複数のスイッチング装置の特徴をなしていた。この発明において複数の電気的負荷信号接触を作ったり切断したりするためにマルチモルフ・アクチュエータ技術が用いられて中位の複数の接触力を発生させる。しかし、複数のマルチモルフ・アクチュエータ技術は、背景の節で論じられた複数の重大な欠点のうちの幾つかを有する可能性がある。或る複数の技術は例えば一定の電力が持続することを必要とするが、他の或る技術は、長い期間(数秒から数年)にわたって1つのアクチュエータ駆動信号又はリレー状態が保たれれば弱化、信頼性欠如或いは破損を生じる。   Multiple multimorph actuation mechanisms are fast (microseconds to milliseconds) over medium distances (from tens of microwatts to tens of milliwatts in continuous operation) and moderate distances (armature deflection from tens of micrometers to mm) Have been capable of producing equally high forces (contact force from mN to N) with a plurality of switching devices for decades. In the present invention, multimorph actuator technology is used to create and disconnect multiple electrical load signal contacts to generate a plurality of intermediate contact forces. However, multiple multimorph actuator technology may have some of the significant drawbacks discussed in the background section. Some technologies, for example, require that constant power persist, while some other technologies are weakened if a single actuator drive signal or relay state is maintained over a long period (seconds to years). Cause unreliability or damage.

これらの望ましくない属性を回避するために、本発明は、リレー状態を保持する低電力、非破壊性選択肢を提供するために1つの副次的なメカニズムをマルチモルフ・アクチュエータと結合させる。静電作動は、その低電力消費量(nWからμWまで)及び速い閉成時間(100ナノ秒から100マイクロ秒まで)の利益を捜し求めているマイクロ・ファブリケーションアクチュエータ業界において長い間1つの中核技術であった。しかし、これらの装置について典型的な複数の力(1μNから0.5mNまで)及び複数のアクチュエータ移動距離(1から10μmまで)は非常に限られていて、従って大抵の静電リレー努力は、リレー挿入ロス、信頼性(両方とも接触力に関連する)、絶縁、及びスタンドオフ電圧(両方ともギャップ分離に関連する)に関して苦しんでいる。   In order to avoid these undesirable attributes, the present invention combines one secondary mechanism with a multimorph actuator to provide a low power, non-destructive option to maintain relay state. Electrostatic actuation has long been one core technology in the microfabrication actuator industry seeking the benefits of its low power consumption (from nW to μW) and fast closure time (from 100 nanoseconds to 100 microseconds). Met. However, typical forces (from 1 μN to 0.5 mN) and actuator travel distances (from 1 to 10 μm) for these devices are very limited, so most electrostatic relay efforts are It suffers from insertion loss, reliability (both related to contact force), insulation, and standoff voltage (both related to gap separation).

本発明は、2つの作動技術を組み合わせて各々の利点を利用するので、従来の複数のマイクロ・ファブリケーション・リレーより優れている。本発明では、静電アクチュエータは装置の各々の閉成状態に保つために使われ、この状態を達成するために必要な仕事の大半は同等に強力なマルチモルフ・アクチュエータによって実行される。この様な組み合わせでは、各アクチュエータの複数の利点が実現され、これらの欠点は無くされる。   The present invention is superior to conventional microfabrication relays because it combines the benefits of each of the two actuation techniques. In the present invention, electrostatic actuators are used to keep each device closed, and most of the work required to achieve this state is performed by equally powerful multimorph actuators. In such a combination, the advantages of each actuator are realized and these disadvantages are eliminated.

本発明は、10μmと10mmとの間の全幅及び全長の総平面寸法を有する複数のマイクロ・ファブリケーションされたリレーを論じる。1つの特定のデザインのために選択される平面寸法は、主として、必要とされる速度と、スイッチングされるべき信号負荷の電力レベルとに依存し、複数の範囲は前もって定められる。速い又は非常に速いスイッチングを必要とする複数の装置は与えられた複数のサイズ範囲の下端で設計され、高い又は非常に高い複数の信号負荷を扱う複数の装置は、推奨される複数の範囲の上端付近の複数のサイズを有するであろう。   The present invention discusses a plurality of microfabricated relays having a total width dimension between 10 μm and 10 mm and a total planar dimension of the total length. The planar dimensions selected for one particular design mainly depend on the required speed and the power level of the signal load to be switched, with multiple ranges being predetermined. Devices that require fast or very fast switching are designed at the lower end of a given size range, devices that handle high or very high signal loads are It will have multiple sizes near the top edge.

本発明に従う、低から中位の信号負荷及び中位から速いスイッチング速度で使用されるように意図されている1つの装置は75μmから1.5mmの間の複数の平面寸法を持ちえると期待される。この様な複数の寸法は中距離無線通信装置、送信フェーズドアレー・アンテナ電子装置、或いは一般的電気通信スイッチング・アプリケーションに適するであろう。複数の多目的産業用リレーや高電力RFシステムなどの、高い又は非常に高い信号負荷スイッチングが必要で複数の低速度が許容される複数のアプリケーションでは本発明による複数の装置の総平面寸法は0.5から10mmであり得ることが考えられる。複数の短距離無線通信装置、アンテナ受信電子装置、或いはある種の自動試験装置などの複数の高速を必要とする軽い又は非常に軽い信号負荷を有する複数のアプリケーションは10から150μmの間の複数の平面寸法を有する本発明に従う複数の装置を要求するであろうということも考えられる。総平面リレー長さ及び幅のこれらの範囲の各々は、本発明の応用に関して程よいと考えてよいであろう。更に、同じ装置について相反する速いスイッチング速度及び高い信号負荷という必要条件を要求する複数のアプリケーションは装置が提案された複数の範囲内の何処かにある複数の平面寸法で設計されることを必要とするであろうということも分かる。   One device intended to be used at low to medium signal loads and medium to fast switching speeds according to the present invention is expected to have multiple planar dimensions between 75 μm and 1.5 mm. The Such multiple dimensions may be suitable for medium range wireless communication devices, transmit phased array antenna electronics, or general telecommunications switching applications. In applications where high or very high signal load switching is required and multiple low speeds are allowed, such as multiple multipurpose industrial relays and high power RF systems, the total planar dimensions of the devices according to the present invention are 0. It is contemplated that it can be 5 to 10 mm. Multiple applications with light or very light signal loads that require multiple high speeds, such as multiple short-range wireless communication devices, antenna receiving electronics, or some sort of automated test equipment It is also conceivable that a plurality of devices according to the invention having a planar dimension will be required. Each of these ranges of total planar relay lengths and widths may be considered reasonable for the application of the present invention. In addition, multiple applications that require conflicting fast switching speeds and high signal loading requirements for the same device require that the device be designed with multiple planar dimensions somewhere within the proposed ranges. You can see that you will.

詳細な説明の全体にわたって、1つの特定の信号負荷或いはスイッチング速度を定める複数のアプリケーションのためにいろいろなエレメントについて複数の可能な材料及びサイズが提案されている。本発明についてもくろまれた1つのアプリケーションのために材料及びジオメトリーの選択の1つの具体例を調べるのが教訓的であろう。1つの第1の実施形態が本発明の応用に当たって可能な1つのデザインを表すように、程よい複数のスイッチング速度に配慮した複数の低信号負荷を有する1つのアプリケーションを考察する。この実施形態は図1−5に示されている。   Throughout the detailed description, multiple possible materials and sizes for various elements have been proposed for multiple applications that define one specific signal load or switching speed. It would be instructive to examine one specific example of material and geometry selection for one application envisaged for the present invention. Consider an application with multiple low signal loads that allow for moderate switching speeds, so that one first embodiment represents one possible design for the application of the present invention. This embodiment is illustrated in FIGS. 1-5.

図1は本発明の1つの一般的クラスの1つの機能平面構成図であり、ここでは1つのカンチレバー負荷アーマチュアと1つのカンチレバー・ラッチ・アーマチュアとが1つの共通端部において固定され、反対側端部において自由に偏向し得るようになっており、これらの自由端部は1つの接点アーマチュアによって互いに機械的に結合される。装置に埋め込まれても良い複数の電気接続部及び電極などの複数のエレメントが描かれているので、図1は1つの真の平面構成図ではない。上のカバープレートが取り除かれ、全ての固定されたエレメントが透明な材料から作られて、複数の導体が装置を通る視線を妨げるならば、図1により与えられる眺めは正確であろう。複数のエレメントは平面図においても一貫したクロスハッチングで示され、複数の表面下のエレメントは実線の輪郭ではなくて破線の輪郭で示されている。   FIG. 1 is a functional plan view of one general class of the present invention, where one cantilever load armature and one cantilever latch armature are fixed at one common end and the opposite end The free ends can be deflected freely at the part, and these free ends are mechanically coupled to each other by a single contact armature. FIG. 1 is not a single true plan view, as multiple elements, such as multiple electrical connections and electrodes, that may be embedded in the device are depicted. If the top cover plate is removed and all fixed elements are made of a transparent material and multiple conductors obstruct line of sight through the device, the view provided by FIG. 1 will be accurate. The elements are shown with consistent cross-hatching in the plan view, and the subsurface elements are shown with dashed outlines rather than solid outlines.

図1と並んで示されている2つの横断面図は図2A及び3Aであり、これらは負荷アーマチュア及びラッチ・アーマチュアを夫々示している。図4は、1つのマルチモルフ・アクチュエータの一般的領域における複数のアーマチュアの1つの横断面構成図であって、複数の電気接続部及び絶縁体を示す。図5A、5B、及び5Cは、夫々、開成リレー状態、クローズダウンされたリレー状態及びクローズアップされたリレー状態にあるラッチング及び接点メカニズムを有する該領域の複数の横断面を示す。1つの接点アーマチュアの屈曲が図5B及び5Cに示されており、これらは完全に閉成した状態及びラッチされた状態にあるリレーを描いている。   The two cross-sectional views shown alongside FIG. 1 are FIGS. 2A and 3A, which show the load armature and the latch armature, respectively. FIG. 4 is a cross-sectional block diagram of one of a plurality of armatures in the general region of one multimorph actuator, showing a plurality of electrical connections and insulators. FIGS. 5A, 5B, and 5C show multiple cross sections of the region with latching and contact mechanisms in an open relay state, a closed-down relay state, and a closed-up relay state, respectively. One contact armature bend is shown in FIGS. 5B and 5C, which depict the relay in a fully closed and latched state.

本リレー発明の1つの側面は、複数のアーマチュアの機能性であり、各々が複数の負荷信号及び/又は制御信号の伝送を行うか否かである。該平面図及び側視横断面図を調べて、論じられている各エレメントの位置及び機能に注意するのが教訓的であろう。1つの固定されたベース(101)は、堅くて一体的な1つの領域であって、一緒に固定されて機械的強度を提供する1つの数の半導体、金属、又は誘電性のエレメントから成っていて良い。固定されたベースの全体的サイズは、付けられているリレーの最大サイズとその負荷信号処理能力とを定めるのに役立ち得る。1つの固定されたベースは、1つのベース基板(102)と1つのカバー基板(134)とを更に含み、これらは、ガラス、ポリイミド又はその他のポリマー、アルミナ、石英、ガリウム砒素、或いはシリコンなどの1つ以上のマイクロ・ファブリケーション可能な誘電体又は半導体材料から成っていて良い。この実施形態における好ましいベース基板は厚さが少なくとも250μmで各平面次元に少なくとも1mm延在する磨かれた石英であって、自動化製造、包装、及びシステム挿入を容易にするのに十分な大きさのマイクロ・ファブリケーション品質の材料の1つの堅いベースに配慮している。この固定されたベースに、装置によってスイッチングされるべき信号の複数の入力及び複数の出力の電気路を表す1つの第1負荷信号ライン(103)、1つの第2負荷信号ライン(104)、1つの第3負荷信号ライン(135)、及び1つの第4負荷信号ライン(136)が付けられている。固定されたベースに、1つの第1駆動信号ライン(105)及び1つの第2駆動信号ライン(106)、装置を作動させる1つの駆動信号が与えられる複数のリード線も付けられている。本発明に従う多くの装置において複数の駆動信号ラインは電気路であろうということが目論まれている。固定されたベースに、1つの第1ラッチ信号ライン(107)、1つの第2ラッチ信号ライン(108)、及び1つの第3ラッチ信号ライン(141)、1つの閉成状態をラッチするために複数のラッチ信号が与えられる複数のリード線も更に付けられている。本発明において使用されるラッチング・メカニズムは複数の容量性電極の静電引力であるので、ラッチ信号ラインは電気路である。   One aspect of the relay invention is the functionality of a plurality of armatures, each with or without transmission of a plurality of load signals and / or control signals. It will be instructive to examine the plan view and side view cross section to note the position and function of each element discussed. One fixed base (101) is a single, rigid and integral region, consisting of a number of semiconductor, metal, or dielectric elements that are fixed together to provide mechanical strength. Good. The overall size of the fixed base can help define the maximum size of the attached relay and its load signal processing capability. One fixed base further includes a base substrate (102) and a cover substrate (134), such as glass, polyimide or other polymer, alumina, quartz, gallium arsenide, or silicon. It may consist of one or more microfabricable dielectric or semiconductor materials. The preferred base substrate in this embodiment is polished quartz that is at least 250 μm thick and extends at least 1 mm in each planar dimension, and is large enough to facilitate automated manufacturing, packaging, and system insertion. Consider a solid base of microfabrication quality materials. On this fixed base, one first load signal line (103), one second load signal line (104), 1 One third load signal line (135) and one fourth load signal line (136) are provided. Also attached to the fixed base are one first drive signal line (105) and one second drive signal line (106), and a plurality of leads to which one drive signal for operating the device is applied. It is contemplated that in many devices according to the present invention, the plurality of drive signal lines will be electrical paths. To latch one first latch signal line (107), one second latch signal line (108), and one third latch signal line (141), one closed state on a fixed base A plurality of lead wires to which a plurality of latch signals are applied are further provided. Since the latching mechanism used in the present invention is the electrostatic attraction of a plurality of capacitive electrodes, the latch signal line is an electrical path.

図1−5により示されている実施形態では、複数の負荷信号ラインは、0.4μmの厚さの1つのニッケル付着めっき層を有する、低リレー電気抵抗のための4μmの厚さのめっきされた金合金から作られる。この様な1つのメタライゼーションは軽い負荷信号から中位の負荷信号までのために複数の低ロス・ラインを可能にするために十分な厚さで且つ十分に低い抵抗率であり、ニッケルは、金の電気的性能を著しく妨げない1つのめっき層を提供する。この実施形態の複数の制御信号ライン及びラッチ信号ラインは、金メッキされていない0.4μmのニッケル材料から製造され得る。複数の制御信号ライン及びラッチ信号ラインでは負荷電力は伝導されないので、金の低い低効率は不要であるかも知れず、これを省くことによって複数の低製造コストを実現することができる。ワイヤ・ボンディング或いはフリップチップ取り付けなどの複数の装置包装プロセスのために金は重要であるかも知れず、その様な場合には金めっきを用いることができる。   In the embodiment illustrated by FIGS. 1-5, the plurality of load signal lines are plated with a thickness of 4 μm for low relay electrical resistance with one nickel deposited plating layer having a thickness of 0.4 μm. Made from gold alloy. One such metallization is thick enough and low enough to allow multiple low loss lines for light to medium load signals, and nickel is One plating layer is provided that does not significantly interfere with the electrical performance of the gold. The plurality of control signal lines and latch signal lines of this embodiment may be manufactured from a 0.4 μm nickel material that is not gold plated. Since the load power is not conducted in the plurality of control signal lines and the latch signal lines, the low efficiency of gold may not be necessary, and a plurality of low manufacturing costs can be realized by omitting this. Gold may be important for multiple device packaging processes such as wire bonding or flip chip attachment, in which case gold plating can be used.

この発明の1つのアプリケーションでは、任意の電気路、ライン、又は電極エレメントに用いることのできる一組の材料は、導体とも称される一組の伝導性材料である。本発明に従う複数のリレー・エレメントを製造するために使われる複数の導体は、高度にドーピングされた半導体のそれと同等の、0.2オーム・センチメートル以下の抵抗率を有するものとして定義される1つの低抵抗率を有する複数の材料から選択されて良い。本発明に従う或る装置では、使用され得る複数の材料は、金、銅、銀、プラチナ、ニッケル、及びアルミニウムなどの複数の金属を含む。本発明に従う他の複数の装置では、使用され得る複数の材料は、ドーピングされたシリコン、ガリウム砒素、シリコンゲルマニウム、リン化インジウムなどの半導体を含む。1つの全体としての低い低効率を有する任意の合金又は複数の金属又は半導体の組み合わせを使用し得ることも目論まれている。   In one application of the invention, the set of materials that can be used for any electrical path, line, or electrode element is a set of conductive materials, also referred to as conductors. The conductors used to fabricate the relay elements according to the invention are defined as having a resistivity of 0.2 ohm centimeter or less, equivalent to that of highly doped semiconductors. A plurality of materials having one low resistivity may be selected. In some devices according to the present invention, the plurality of materials that can be used include a plurality of metals such as gold, copper, silver, platinum, nickel, and aluminum. In other devices according to the present invention, the materials that can be used include semiconductors such as doped silicon, gallium arsenide, silicon germanium, indium phosphide. It is also contemplated that any alloy or combination of metals or semiconductors that have a low overall low efficiency may be used.

本発明に従う複数の装置では複数の電気路のための材料の複数の厚さは、アプリケーションと、利用し得る複数の製造技術とに応じて0.1から100μmにわたって良いと考えられる。本発明に従う1つの装置における1電気路又はラインの厚さは、電気的要件及び製造要件が異なるために、同じ装置の第2の電気路又はラインの厚さと著しく異なっても良いということも更に考えられる。一般に、どのような経路の電気抵抗もその抵抗率、その厚さ、その幅、及びその全長に関連していることが当業者に認められている。その結果として、特に高い及び非常に高い電力の複数の信号負荷について経路抵抗を減少させるように複数の材料及びジオメトリーを選択することによって電力を節約することができる。1つの高い抵抗率及び小さな幅及び厚さを有する複数の材料を使用すれば、リレー・エレメントのジュール加熱という結果をもたらし、また装置内での信号ロスが大きくなり得る。   In multiple devices according to the present invention, multiple thicknesses of material for multiple electrical paths may range from 0.1 to 100 μm depending on the application and the multiple manufacturing techniques available. It is further noted that the thickness of one electrical path or line in one device according to the present invention may differ significantly from the thickness of a second electrical path or line in the same device due to different electrical and manufacturing requirements. Conceivable. It is generally recognized by those skilled in the art that the electrical resistance of any path is related to its resistivity, its thickness, its width, and its overall length. As a result, power can be saved by selecting multiple materials and geometries to reduce path resistance, especially for high and very high power multiple signal loads. Using multiple materials with one high resistivity and small width and thickness can result in joule heating of the relay element and can increase signal loss within the device.

所望の複数の材料厚さと複数のアプリケーションとの関係を作ることができる。提供される複数の範囲は、複数の電気路が前述のように複数の伝導性材料から作られるということを仮定している。1つの経路の材料厚さは、本発明に従い、複数の低信号負荷及び複数の速いスイッチング時間で用いられるように意図されている1つの装置については0.1及び3μmの間にわたり得ると考えられる。この様な経路は、同じ幅及び材料のもっと厚い複数の経路より軽く、薄く、そしてもっと高い抵抗を有し、低い又は非常に低い複数の負荷信号電力をスイッチングする複数のアプリケーションにおいて有益であると考えられる。中位の複数の信号負荷及びスイッチング時間を有する複数のアプリケーションに関しては、電気路の材料厚さは該経路の抵抗率及び幅に依存して0.5と15μmとの間にわたり得ると考えられる。高負荷信号スイッチングを必要とする複数のアプリケーションでは、1つの経路の材料厚さは4と100μmの間にわたり得ると考えられる。この様な1つの経路は、同じ幅及び材料のもっと薄い複数の経路より質量が大きくて抵抗が低いであろう。   Relationships between desired multiple material thicknesses and multiple applications can be created. The ranges provided assume that the electrical paths are made from a plurality of conductive materials as described above. It is believed that the material thickness of one path can range between 0.1 and 3 μm for one device intended to be used with multiple low signal loads and multiple fast switching times in accordance with the present invention. . Such paths are lighter, thinner and have higher resistance than thicker paths of the same width and material, and are useful in applications that switch low or very low load signal powers. Conceivable. For applications with moderate signal loads and switching times, it is believed that the electrical path material thickness can range between 0.5 and 15 μm depending on the resistivity and width of the path. In applications that require high load signal switching, it is believed that the material thickness of one path can range between 4 and 100 μm. One such path would have greater mass and lower resistance than multiple thinner paths of the same width and material.

本発明の或る複数の装置では、複数のアーマチュア自体の物理的ジオメトリー、複数の材料特性、及び複数の電気的特性を考慮するべきである。図1−5に示されている実施形態では、1つのラッチ・アーマチュア(109)が図1及び3Aの固定されたベースの1つの領域から吊るされている。このアクチュエータ・アーマチュアは、1つの領域が固定され(110)1つの領域が自由に偏向し得る(111)1つのカンチレバーの形を成している。本発明に従う或る複数の装置では、シリコン、二酸化珪素、シリコンニトリド、ガリウム砒素、石英、ポリイミド或いはその他のポリマー、或いは1つの金属などのマイクロ・ファブリケーション可能な複数の材料の1つ以上の層から複数のアーマチュアが構成されるということが目論まれている。ここで論じられている実施形態のアクチュエータ・アーマチュアは、化学蒸着又はスピンオン・ガラス法(spin−on glass techniques)によるマイクロ・ファブリケーションを容易にするために選択されて1つの絶縁性の堅いアーマチュア構造を提供する8μmの厚さの二酸化珪素の1つの層を含む。   In some devices of the present invention, the physical geometry, material properties, and electrical properties of the armatures themselves should be considered. In the embodiment shown in FIGS. 1-5, one latch armature (109) is suspended from one region of the fixed base of FIGS. 1 and 3A. This actuator armature is in the form of one cantilever, one area being fixed (110) and one area being freely deflectable (111). In some devices according to the present invention, one or more of a plurality of microfabricable materials such as silicon, silicon dioxide, silicon nitride, gallium arsenide, quartz, polyimide or other polymers, or a metal. The aim is to have multiple armatures composed of layers. The actuator armature of the embodiments discussed herein is selected to facilitate microfabrication by chemical vapor deposition or spin-on glass techniques, and is a single insulating rigid armature structure. One layer of silicon dioxide with a thickness of 8 μm.

1つのカンチレバー・ビームの垂直スチフネスは厚さに関して1つの3次に、長さに関しては1つの逆3次に関連し、ビームの幅に関してほぼ線形であることが認められている。その結果として、設計に関して、基板に垂直な1つの垂直方向に偏向すると期待される1つのビームについては厚さと長さとは幅より重要である。この様なアーマチュアの全体としての厚さは、アプリケーション、長さ、及び製作に用いられる製造技術に依存して0.2μmから1mmにわたるであろうと考えられる。本発明に従う1つの装置において1つのアーマチュアは5μmと5mmとの間の1つの長さを持ち得ると期待するのは合理的である。現在論じられている実施形態のアクチュエータ・アーマチュアは幅が40μmで長さが180μmであって、線抵抗(line resistance)を減少させるのに十分な幅と該アーマチュアを柔軟にするのに十分な長さとを提供する。   It has been observed that the vertical stiffness of one cantilever beam is related to one third order with respect to thickness, one inverse third with respect to length, and is approximately linear with respect to the width of the beam. Consequently, in terms of design, thickness and length are more important than width for one beam that is expected to deflect in one vertical direction perpendicular to the substrate. It is believed that the overall thickness of such an armature will range from 0.2 μm to 1 mm, depending on the application, length, and manufacturing technique used in the fabrication. It is reasonable to expect that one armature in a device according to the invention may have a length between 5 μm and 5 mm. The actuator armature of the presently discussed embodiment is 40 μm wide and 180 μm long and is wide enough to reduce line resistance and long enough to make the armature flexible. And provide.

信号負荷が非常に低いか或いは低くてスイッチング速度が非常に速いか或いは速いように設計された本発明に従う1つの装置では、アーマチュアの厚さは0.2から4μmまで、長さは5と50μmとの間にわたり得ると考えられる。信号負荷が低いか或いは中位でスイッチング速度が速いか或いは中くらいであるように設計された1つの装置では、1つのアーマチュアの厚さは1から40μmまで、長さは25と500μmとの間にわたり得ると考えられる。中位か或いは高い複数の信号負荷と中位か或いは低いスイッチング速度とを必要とする1つのアプリケーションでは、1つのアーマチュアの厚さは10から400μmまで、長さは100μmと2mmとの間にわたり得ると考えられる。信号負荷が高いか或いは非常に高くてスイッチング速度が遅いか或いは非常に遅いように設計される1つの装置では、アーマチュアは厚さが200μmから1mmの間で長さが1と5mmの間であって良いと考えられる。   In one device according to the present invention designed to have very low or low signal load and very fast or fast switching speed, the armature thickness is 0.2 to 4 μm and the length is 5 and 50 μm It is thought that it can get between. In one device designed to have low or medium signal load and fast or medium switching speed, the thickness of one armature is between 1 and 40 μm and the length is between 25 and 500 μm It is thought that it can span. In one application that requires medium or high signal loads and moderate or low switching speeds, the thickness of one armature can range from 10 to 400 μm and the length can be between 100 and 2 mm. it is conceivable that. In one device designed to have a high or very high signal load and a slow or very slow switching speed, the armature is between 200 μm and 1 mm in thickness and between 1 and 5 mm in length. It is considered good.

論じられているアーマチュアのサイズの複数の範囲は、固体矩形デザインの複数のアーマチュア及びその他のエレメントだけに当てはまるのではなくて1つ以上の寸法が1つの線形又は非線形の関数によって変化する複数のアーマチュア或いはその他のエレメントにも当てはまるということが目論まれている。その様な1つのアーマチュアの一例は、1つの幅から自由端部の1つのより小さい幅まで細くなる1つの負荷アーマチュアであろう。この様な1つの構造は、複数の入力反射を減少させて1つの矩形負荷信号アーマチュアより高い1つの性能を提供するので、複数のRFアプリケーションにおいて有益であろう。   The ranges of armature sizes discussed are not only applicable to armatures and other elements of a solid rectangular design, but to armatures in which one or more dimensions vary with a single linear or non-linear function Or it is intended to apply to other elements. An example of one such armature would be one load armature that narrows from one width to one smaller width at the free end. One such structure would be beneficial in multiple RF applications as it reduces multiple input reflections and provides a performance that is higher than a single rectangular load signal armature.

図3Aは、1つの受動的状態にある1つのマルチモルフ・アクチュエータ及び静電ラッチ・アーマチュアの1つの側面構成図である。1つのマルチモルフは異なる特性を有する材料の2つ以上の層から成る1つのエレメントである。示されているバイモルフはその様な層を正確に2つ有する1つのマルチモルフである。1つのマルチモルフ・アクチュエータの複数の材料層は、1つの刺激にさらされたときに夫々異なる量だけ変化する。1つの圧電マルチモルフ・アクチュエータ又はサーマル・マルチモルフ・アクチュエータの場合、該刺激は、夫々、加えられる電圧又は熱である。1つのバックリング・アクチュエータの場合には、該刺激は、バックリング感度の方向における1つの機械的変形であって、これはバックリング・エレメントにその結果として生じる不安定な物理的挙動により拡大される。各々の場合に、複数の層は1つ以上の面に沿って堅く結合されるので、複数の材料の異なる膨張によってマルチモルフは最大の膨張を有する1つの又は複数の層から反れる方向に曲がろうとする。図1及び3Aに示されているマルチモルフ・アクチュエータは2つの材料(113)及び(114)を含む。該マルチモルフの2つの材料の各々は、与えられた1つの刺激により、異なる量だけ変化する。現在論じられている実施形態では、マルチモルフは1つの圧電バイモルフであって、それらの材料は異なる圧電係数を有する。この実施形態においては、材料(113)が2つの材料のうちの最高の圧電係数を有し、エレメント(114)は圧電気に関して中性の材料を代表すると目論まれている。この実施形態の圧電アクチュエータは、1つの厚さ6μmの二酸化ケイ素層上の1つの厚さ12μmの鉛ジルコネート・チタネート(lead zirconate titanate(PZT))セラミック層から形成され、量は、容易に達成し得る作動電圧で該アクチュエータ・アーマチュアを力強くカールさせるのに十分である。   FIG. 3A is a side block diagram of one multimorph actuator and electrostatic latch armature in one passive state. A multimorph is an element consisting of two or more layers of materials having different properties. The bimorph shown is a multimorph with exactly two such layers. The multiple material layers of one multimorph actuator each change by a different amount when exposed to a single stimulus. In the case of a single piezoelectric multimorph actuator or a thermal multimorph actuator, the stimulus is an applied voltage or heat, respectively. In the case of a single buckling actuator, the stimulus is a mechanical deformation in the direction of buckling sensitivity, which is magnified by the resulting unstable physical behavior of the buckling element. The In each case, the layers are tightly bonded along one or more planes, so that different expansions of the materials cause the multimorph to bend away from the layer or layers having the greatest expansion. I will try. The multimorph actuator shown in FIGS. 1 and 3A includes two materials (113) and (114). Each of the two materials of the multimorph changes by a different amount with a single stimulus applied. In the presently discussed embodiment, a multimorph is a piezoelectric bimorph whose materials have different piezoelectric coefficients. In this embodiment, it is contemplated that material (113) has the highest piezoelectric coefficient of the two materials and element (114) represents a neutral material with respect to piezoelectricity. The piezoelectric actuator of this embodiment is formed from one 12 μm thick lead zirconate titanate (PZT) ceramic layer on one 6 μm thick silicon dioxide layer and the quantity is easily achieved. The resulting actuation voltage is sufficient to force the actuator armature to curl.

本発明に従う複数の装置により使用される複数の圧電マルチモルフ・アクチュエータは、バリウムチタナイト(BATi0)、バリウムチタネート(BaTi0)、鉛ニオベート(PbNbO)、鉛チタネート(PbTiO)、鉛ジルコネート(PbZrO)、鉛ジルコネートチタネート(”PZT”又はPbZrTi)などの1つのセラミックから、或いは石英(SiO)、リチウムサルフェート(LiSO)、リチウムニオベート(LiNbO)、又は酸化亜鉛(ZnO)などの圧電的に活性の単結晶から作られる圧電的に活性の複数の材料を含み得ることが目論まれている。 A plurality of piezoelectric multimorph actuators used by a plurality of devices according to the present invention are barium titanite (BATi0 3), barium titanate (BaTi0), lead niobate (PbNbO 3), lead titanate (PbTiO), lead zirconate (PbZrO 3 ), Lead zirconate titanate (“PZT” or PbZr x Ti y O 3 ), or from one ceramic, or quartz (SiO 2 ), lithium sulfate (Li 2 SO 4 ), lithium niobate (LiNbO 3 ), or It is contemplated that it may include multiple piezoelectrically active materials made from piezoelectrically active single crystals such as zinc oxide (ZnO).

本発明に従う複数の装置に使用される複数の圧電マルチモルフ・アクチュエータは、二酸化珪素(SiO)、石英、シリコンニトリド(Si)、又はドーピングされていないシリコンなどの1つの絶縁性材料から作られた1つ以上のマルチモルフ層を含み得ることも同様に目論まれている。現在論じられている実施形態は、例えば、1つの前記の二酸化珪素アーマチュア層をエレメント(114)として使用する。 A plurality of piezoelectric multimorph actuators used in a plurality of devices in accordance with the present invention are one insulating material such as silicon dioxide (SiO 2 ), quartz, silicon nitride (Si x N y ), or undoped silicon. It is similarly contemplated that one or more multimorph layers made from may be included. The presently discussed embodiment uses, for example, one such silicon dioxide armature layer as element (114).

逆に、本発明に従う複数の装置により使用される複数の圧電マルチモルフ・アクチュエータは、他の複数のマルチモルフ層のそれとは異なる1つの感度を有する圧電的に活性の複数の材料を使用し得るということが目論まれている。本発明の他の複数の装置では、一方又は両方のエレメント(113)及び(114)がゼロ又は非ゼロの複数の圧電係数を有する複数の材料の複数の層から構成され得るということが目論まれている。   Conversely, multiple piezoelectric multimorph actuators used by multiple devices in accordance with the present invention may use multiple piezoelectrically active materials having a sensitivity that is different from that of other multiple multimorph layers. Is being planned. In other devices of the present invention, it is contemplated that one or both elements (113) and (114) may be composed of multiple layers of multiple materials having zero or non-zero multiple piezoelectric coefficients. It is rare.

エレメント(113)及び(114)の複数の材料厚さは、アプリケーション、材料、他の複数のアクチュエータ寸法、及び、製造に使用される製作技術に依存して0.5μmから1mmまでの範囲にわたって良いということが企図されている。低い或いは非常に低い信号負荷と高い或いは非常に高い複数のスイッチング速度とを必要とする複数のアプリケーションのための本発明に従う複数の装置では、エレメント(113)及び(114)の厚さは0.5から6μmにわたり得ると考えられる。複数の中位のマルチモルフ・アクチュエータ厚さ及び付随する複数の能力を必要とする1つのアプリケーションではエレメント(113)及び(114)の厚さは4から80μmにわたり得るということが目論まれている。
低い或いは非常に低い複数のスイッチング速度に配慮し、高い或いは非常に高い複数の信号負荷のために高い複数の力を必要とする本発明の或る複数の実施形態は、エレメント(113)及び(114)の厚さが50μmから1mmにわたる複数のアクチュエータを必要とし得るということも更に目論まれている。複数の圧電マルチモルフ・アクチュエータを使用する本発明に従う複数の装置では、作動のために必要とされる駆動信号は、圧電材料の厚さ又は幅を横断する1つの電圧差であろう。図1及び3Aは、1つの圧電バイモルフの複数の駆動信号ラインのための1つの可能な構成を示している。図示されている実施形態では、複数の駆動信号ラインは、ベース基板の平らな表面の上に突出している固定されたベースの1つの領域の上に作られている。本発明に従う他の複数の装置では複数の駆動信号ラインをベース基板の1つの電気的に絶縁されている領域の直ぐ上に作り得るということが目論まれている。図3Aは、夫々圧電材料(113)の上面及び底面への駆動信号接続部(170)及び(171)を描いている。これらの駆動信号接続部(170)及び(171)は、夫々、第2(106)及び第1(105)駆動信号ラインに付けられている。上側の第1駆動信号接続部(170)は第2駆動信号路から圧電バイモルフ材料へ伸びていることが図1で容易に見ることができる。第1駆動信号路からの下側の第2駆動信号接続部(171)は圧電材料の下で見えなくなっている。
The multiple material thicknesses of elements (113) and (114) may range from 0.5 μm to 1 mm depending on the application, material, other multiple actuator dimensions, and the fabrication technique used in manufacturing. It is intended. In devices according to the present invention for applications requiring low or very low signal loads and high or very high switching speeds, the thickness of elements (113) and (114) is 0. It is believed that it can range from 5 to 6 μm. It is contemplated that the thickness of elements (113) and (114) can range from 4 to 80 μm in one application that requires multiple medium multimorph actuator thicknesses and the accompanying multiple capabilities.
In consideration of low or very low switching speeds, certain embodiments of the present invention that require high forces for high or very high signal loads include elements (113) and ( It is further contemplated that 114) may require multiple actuators ranging in thickness from 50 μm to 1 mm. In devices according to the present invention using multiple piezoelectric multimorph actuators, the drive signal required for operation will be a single voltage difference across the thickness or width of the piezoelectric material. 1 and 3A show one possible configuration for a plurality of drive signal lines of one piezoelectric bimorph. In the illustrated embodiment, the plurality of drive signal lines are made on one region of the fixed base that protrudes above the flat surface of the base substrate. It is contemplated that in other devices according to the present invention, a plurality of drive signal lines may be created immediately above one electrically isolated region of the base substrate. FIG. 3A depicts drive signal connections (170) and (171) to the top and bottom surfaces of the piezoelectric material (113), respectively. These drive signal connections (170) and (171) are attached to the second (106) and first (105) drive signal lines, respectively. It can be easily seen in FIG. 1 that the upper first drive signal connection (170) extends from the second drive signal path to the piezoelectric bimorph material. The lower second drive signal connection (171) from the first drive signal path is not visible under the piezoelectric material.

1つのアーマチュア・ラッチダウン電極(115)がアクチュエータ・アーマチュアの自由端に取り付けられて名目上基板表面と相対しており、この電極は1つの伝導性第1ラッチ信号路(116)によって第1ラッチ信号ライン107に電気的に付けられている。アーマチュア・ラッチダウン電極の下でベース基板に付けられているのは1つのベース・ラッチダウン電極(117)であり、これは1つの伝導性第2ラッチ信号路(118)によって第2ラッチ信号ライン(108)に電気的に付けられている。同様にアクチュエータ・アーマチュアの自由端に付けられて名目上カバー基板と相対しているのは1つのアーマチュア・ラッチアップ電極(142)であり、これはアーマチュア・ラッチダウン電極を経由して1つの伝導性第1ラッチ信号路(143)により第1ラッチ信号ラインに電気的に付けられている。アーマチュア・ラッチアップ電極の上でカバー基板に付けられているのは1つのカバー・ラッチアップ電極(144)であり、これは1つの伝導性第2ラッチ信号路(145)によって第3ラッチ信号ライン(141)に電気的に付けられている。   One armature latchdown electrode (115) is attached to the free end of the actuator armature and is nominally opposed to the substrate surface, and this electrode is first latched by one conductive first latch signal path (116). It is electrically attached to the signal line 107. Attached to the base substrate under the armature latchdown electrode is a base latchdown electrode (117), which is connected to the second latch signal line by one conductive second latch signal path (118). (108) is electrically attached. Similarly, attached to the free end of the actuator armature and nominally opposed to the cover substrate is a single armature latch-up electrode (142), which is a single conductive via the armature latch-down electrode. The first latch signal line (143) is electrically attached to the first latch signal line. Attached to the cover substrate over the armature latchup electrode is a cover latchup electrode (144), which is connected to the third latch signal line by one conductive second latch signal path (145). (141) is electrically attached.

ラッチダウン信号及びラッチアップ信号は複数の電圧差であるので、アーマチュア・ラッチダウン電極、ベース・ラッチダウン電極、アーマチュア・ラッチアップ電極、カバー・ラッチアップ電極、及び、第1、第2及び第3のラッチ信号ラインへの全ての伝導路は複数の電気路である。他の複数の電気路の場合と同じく、アーマチュア電極及びベース基板電極を作るために複数の導体を使用し得ることを目論むことができる。同様に、本発明に従う複数の装置の複数のアーマチュア電極及びベース基板電極の複数の材料厚さは、前記のようにアプリケーション及び材料に依存して0.1と100μmの間にわたり得るということが考えられる。各ラッチ電極の平面の面積は25μmと25mm2との間にあると期待される。本発明に従う或る複数の装置については、各アーマチュア電極の平面面積は、アクチュエータ電極が位置するマルチモルフ・アクチュエータの平面サイズの少なくとも半分であろうということが目論まれている。本発明に従う或る複数の装置における複数の電極の領域形状は正方形、矩形、円形、或いは複数の平面幾何学図形の何らかの組み合わせであることが目論まれている。   Since the latch-down signal and the latch-up signal are a plurality of voltage differences, the armature latch-down electrode, the base latch-down electrode, the armature latch-up electrode, the cover latch-up electrode, and the first, second and third All the conductive paths to the latch signal line are a plurality of electrical paths. As with other electrical paths, it can be envisioned that multiple conductors can be used to make the armature electrode and the base substrate electrode. Similarly, it is believed that the multiple material thicknesses of multiple armature electrodes and base substrate electrodes of multiple devices according to the present invention can range between 0.1 and 100 μm depending on the application and material as described above. It is done. The area of the plane of each latch electrode is expected to be between 25 μm and 25 mm 2. For some devices according to the present invention, it is contemplated that the planar area of each armature electrode will be at least half the planar size of the multimorph actuator in which the actuator electrode is located. It is contemplated that the area shape of the plurality of electrodes in a plurality of devices according to the present invention is a square, rectangle, circle, or some combination of a plurality of planar geometric figures.

非常に速い複数のスイッチング速度で非常に低い複数の信号負荷を処理する装置などの、非常に小さい総寸法を有する複数の装置では、複数のアーマチュア・ラッチ電極、カバー・ラッチアップ電極、及びベース・ラッチダウン電極は各々平面領域が25と500μm2の間であろう。速い複数のスイッチング速度で複数の低い信号負荷を処理する装置などの、総寸法が小さい複数の装置では、複数のラッチ電極の平面領域は各々300と50,000μm2との間であろう。更に、中位のサイズを有する本発明の他の複数の装置では、複数のラッチ電極の平面領域は各々30,000μm2と2mm2との間であるということも目論まれている。1つの特定の装置がおよそ1mN以上の静電ラッチ信号生成に大きな複数の領域を必要とするならば、各ラッチ電極の面積は1から25mm2までにわたり得ることが目論まれる。   In devices with very small overall dimensions, such as devices that handle very low signal loads at very fast switching speeds, multiple armature latch electrodes, cover latch-up electrodes, and bases Each latch-down electrode will have a planar area between 25 and 500 μm 2. In devices with small overall dimensions, such as devices that handle multiple low signal loads at high switching speeds, the planar area of the multiple latch electrodes will be between 300 and 50,000 μm 2 each. It is further contemplated that in other devices of the present invention having a medium size, the planar area of the plurality of latch electrodes is between 30,000 μm 2 and 2 mm 2, respectively. It is envisioned that the area of each latch electrode can range from 1 to 25 mm 2 if one particular device requires large areas for electrostatic latch signal generation of approximately 1 mN or more.

現在論じられている実施形態の金負荷信号ラインなどの複数の低抵抗伝送ラインは1つの静電容量電極のためには一般的には不要である。複数の容量性電極間の1つの電圧を生じさせ或いは消散させるために大したDC電流は必要でない。不要な場所にある厚い金属を無くすることによってリレーの全体としてのサイズ及び重量を減少させてスイッチング速度を高めることができる。現在論じられている実施形態については複数のラッチ電極の各々の矩形面積は10,000μm2であり、これらの電極はラッチ信号ライン及び制御信号ラインと同じく0.4μmの厚さのニッケルから作られる。このニッケルは複数の金負荷信号ラインのためのめっき平面として好ましく使われるものと同じであって、このことは製造を簡単化する。   Multiple low resistance transmission lines, such as the gold load signal lines of the presently discussed embodiments, are generally not required for a single capacitive electrode. A large DC current is not required to create or dissipate a voltage across multiple capacitive electrodes. By eliminating the thick metal in unnecessary locations, the overall size and weight of the relay can be reduced to increase the switching speed. For the presently discussed embodiment, the rectangular area of each of the plurality of latch electrodes is 10,000 μm 2, which are made of 0.4 μm thick nickel as well as the latch and control signal lines. This nickel is the same as that preferably used as the plating plane for multiple gold load signal lines, which simplifies manufacturing.

本発明の現在論じられている実施形態では、アーマチュアが夫々ラッチダウン状態又はラッチアップ状態へ偏向させられるときに複数のラッチ電極間に電気的接触が生じるのを防止するために1つのラッチダウン電極絶縁体(119)と1つのラッチアップ電極絶縁体(146)とを使用し得るということが目論まれている。ラッチ信号は1つの差動電圧であるので、この様な電気的接触はこの信号の短絡という結果をもたらす可能性があり、それは1つの潜在的に破壊的な事象である。複数のラッチ電極絶縁体は複数の絶縁性材料から作られ、ここで1つの絶縁性材料は10オーム・センチメートル以上の1つの抵抗率を有する1つの材料として定義される。本実施形態の複数の電極絶縁体は、複数の高品質で薄いシリコンニトリド・フィルムを利用し得るので、厚さが0.1μmのシリコンニトリドの1つの層から成る。   In the presently discussed embodiment of the present invention, one latch-down electrode is used to prevent electrical contact between the plurality of latch electrodes when the armature is deflected to the latch-down or latch-up state, respectively. It is contemplated that an insulator (119) and one latch-up electrode insulator (146) may be used. Since the latch signal is a differential voltage, such an electrical contact can result in a short circuit of this signal, which is one potentially destructive event. The plurality of latch electrode insulators are made from a plurality of insulating materials, where one insulating material is defined as one material having a resistivity of 10 ohm centimeters or more. The plurality of electrode insulators of this embodiment consist of a single layer of silicon nitride having a thickness of 0.1 μm because a plurality of high quality thin silicon nitride films can be utilized.

本発明に従う複数の装置では、1つのラッチ電極絶縁体のために使用しえる複数の絶縁材料は、ドーピングされていないシリコン、シリコンニトリド、二酸化珪素、石英、或いはポリイミド或いはその他の絶縁性ポリマーなどの複数の絶縁性マイクロ・ファブリケーション材料を含み得るということが目論まれている。1つのラッチ電極絶縁体のために使用される材料は本発明に従う1つの装置に使用される他の複数の材料層と比べて薄くて、0.05から2μmの範囲の厚さを持ちえるということが目論まれている。非常に低いか或いは中位の複数のアクチュエータ・サイズを有する或る複数の装置における1つのラッチ電極絶縁体の材料厚さは0.05と0.4μmとの間にわたり得るということが目論まれている。この様な1つの範囲は、複数の絶縁材料の複数の薄い層が利用可能であって電界強度による誘電体の破壊を防止するのに十分な品質である1つのアプリケーションにおいて求められるであろう。中位から非常に大きい複数のアクチュエータ・サイズを有し、複数の高品質の絶縁材料の複数の薄い層を利用できない或る複数の装置では、1つのラッチ電極絶縁体の厚さは0.3と2μmとの間にあり得るということが目論まれている。   In devices according to the present invention, the insulating materials that can be used for a single latch electrode insulator are undoped silicon, silicon nitride, silicon dioxide, quartz, polyimide, or other insulating polymers, etc. It is contemplated that a plurality of insulating microfabrication materials may be included. The material used for one latch electrode insulator is thinner than other material layers used in one device according to the present invention and can have a thickness in the range of 0.05 to 2 μm. That is being planned. It is envisaged that the material thickness of one latch electrode insulator in some devices with very low or medium actuator sizes can range between 0.05 and 0.4 μm. ing. One such range would be required in one application where multiple thin layers of multiple insulating materials are available and are of sufficient quality to prevent dielectric breakdown due to field strength. In some devices that have medium to very large actuator sizes and cannot utilize multiple thin layers of high quality insulating material, the thickness of one latch electrode insulator is 0.3. And 2 μm can be expected.

本発明の現在論じられている実施形態では、ラッチダウン電極絶縁体はベース・ラッチダウン電極の上面に取り付けられると目論まれ、ラッチアップ電極絶縁体はカバー・ラッチアップ電極の底面に取り付けられると目論まれている。本発明に従う他の1つの装置では、ラッチダウン電極絶縁体をアーマチュア・ラッチダウン電極の下面に取り付けることができ、ラッチアップ電極絶縁体をアーマチュア・ラッチアップ電極の上面に取り付けることができるということが認められている。他の複数の装置では、複数のラッチ電極絶縁体をラッチダウン電極対又はラッチアップ電極対の間に吊るしてリレー構造の複数の端に何らかの方法で機械的に取り付けることができると考えられる。複数の電極及び絶縁体は1つの膜のような1つの連続的フィルムでなくても良くて、これらがもし固定されているベースに機械的に結合されるのであれば、種々の装置において1つの穴、ライン、又はグリッド・パターンをなしても良いと考えられる。   In the presently discussed embodiment of the present invention, it is contemplated that the latch-down electrode insulator is attached to the top surface of the base latch-down electrode, and the latch-up electrode insulator is attached to the bottom surface of the cover latch-up electrode. It is being planned. In another apparatus according to the present invention, the latchdown electrode insulator can be attached to the lower surface of the armature latchdown electrode, and the latchup electrode insulator can be attached to the upper surface of the armature latchup electrode. It recognized. In other devices, it is contemplated that a plurality of latch electrode insulators can be mechanically attached in some way to a plurality of ends of the relay structure by suspending between a latchdown electrode pair or a latchup electrode pair. The plurality of electrodes and insulators need not be a single continuous film, such as a membrane, and if they are mechanically coupled to a fixed base, a single device in various devices. It is contemplated that holes, lines, or grid patterns may be made.

図1−5に示されている実施形態は、そのデザインにおいて1つの第2の主要なアーマチュアを特徴としており、それは図1及び2Aの固定されたベースの1つの領域から吊るされている1つの負荷アーマチュア(159)である。ラッチ・アーマチュアと同様に、この負荷アーマチュアは、1つの領域が固定され(160)て1つの領域が自由に偏向する(161)1つのカンチレバーの形を成している。本発明に従う或る複数の装置では、シリコン、二酸化珪素、シリコンニトリド、ガリウム砒素、石英、ポリイミド或いはその他のポリマー、又は複数の金属などのマイクロ・ファブリケーション可能な複数の材料の複数の層で複数のアーマチュアを構成し得ると目論まれている。論じられている実施形態のアクチュエータ・アーマチュアは、マイクロ・ファブリケーション技術と矛盾しない1つの絶縁性の堅いアーマチュア構造を提供するように選択された8μmの厚さの二酸化珪素の1つの層を組み入れている。   The embodiment shown in FIGS. 1-5 features one second primary armature in its design, which is suspended from one region of the fixed base of FIGS. 1 and 2A. Load armature (159). Similar to the latch armature, this load armature is in the form of a cantilever with one area fixed (160) and one area deflected freely (161). In some devices according to the present invention, multiple layers of microfabricable materials such as silicon, silicon dioxide, silicon nitride, gallium arsenide, quartz, polyimide or other polymers, or metals are used. It is intended that multiple armatures can be constructed. The actuator armature of the discussed embodiment incorporates a layer of 8 μm thick silicon dioxide selected to provide a single insulating rigid armature structure consistent with microfabrication technology. Yes.

アクチュエータ信号アーマチュアのカンチレバー・ビームの場合と同様に、基板の平面に垂直な1つの垂直方向に偏向すると期待される1つのビームについては1つのマルチモルフ・アクチュエータ・アーマチュアの厚さと長さとは幅よりも設計上重要である。論じられている実施形態の負荷アーマチュアは長さが180μmで幅が25μmである。   As with the cantilever beam of the actuator signal armature, the thickness and length of one multimorph actuator armature is less than the width for one beam expected to deflect in one vertical direction perpendicular to the plane of the substrate. Important in design. The load armature of the discussed embodiment has a length of 180 μm and a width of 25 μm.

名目上ベース基板と相対する1つの場所で図2Aのアーマチュアに1つの第1アーマチュア接点エレメント(120)が取り付けられており、これは1つの第1アーマチュア接点エレメント経路(121)によって第1負荷信号ラインに電気的に接続されている。カバー基板と名目上相対する1つの場所で1つの第2アーマチュア接点エレメント(137)が取り付けられており、これは1つの第2アーマチュア接点エレメント経路(138)によって第4負荷信号ラインに電気的に接続されている。本発明に従う或る複数の装置では、複数のアーマチュア接点エレメント、伝導路、及び負荷信号ラインの材料は製造を容易にするように同様の複数の材料及び厚さである。本発明に従う他の複数の装置では、接点自体の複数の機械的特性及び電気的特性を改善するために複数のアーマチュア接点エレメントは複数の伝導路及び負荷信号ラインとは異なる1つの材料及び厚さから成るということが目論まれている。或る複数の装置では、性能の改善或いは製造を容易にすることに関連する複数の理由から、複数のアーマチュア接点エレメント、伝導路、及び負荷信号ラインは異なるいろいろな材料及び厚さで構成されるということが目論まれている。1つの好ましい実施形態における第1アーマチュア接点エレメント経路及び第2アーマチュア接点エレメント経路は厚さが4μmの1つの金合金から作られる。   A first armature contact element (120) is attached to the armature of FIG. 2A nominally at one location relative to the base substrate, which is connected to the first load signal by one first armature contact element path (121). It is electrically connected to the line. A second armature contact element (137) is mounted at one location nominally opposite the cover substrate, which is electrically connected to the fourth load signal line by one second armature contact element path (138). It is connected. In some devices in accordance with the present invention, the materials for the armature contact elements, conductive paths, and load signal lines are similar materials and thicknesses to facilitate manufacturing. In other devices according to the present invention, the armature contact elements are different from the plurality of conductive paths and load signal lines in order to improve the mechanical and electrical properties of the contacts themselves. It is planned to consist of In some devices, armature contact elements, conduction paths, and load signal lines are constructed of different materials and thicknesses for reasons related to improving performance or facilitating manufacturing. That is being planned. The first armature contact element path and the second armature contact element path in one preferred embodiment are made from one gold alloy with a thickness of 4 μm.

本発明に従う複数の装置における複数のアーマチュア接点エレメントのサイズは、総面積が0.5μm2及び1mm2の間であろう。具体的な領域形状は、1つの正方形、円、楕円、或いは何らかの非標準的幾何図形であると目論まれている。非常に低いか或いは低い複数の信号負荷の複数のアプリケーションで使用され得る本発明に従う複数の装置では、複数のアーマチュア接点エレメントの面積は0.25と30μm2との間であろう。低いか或いは中位の複数の信号負荷により適している複数の装置では、複数のアーマチュア接点エレメントの面積は20と3,000μm2との間であろう。高いか或いは非常に高い複数の信号負荷の処理に適する複数の装置では複数のアーマチュア接点エレメントの総面積は2,000μm2と1mm2との間であろうと更に目論まれている。   The size of the plurality of armature contact elements in the plurality of devices according to the invention will have a total area between 0.5 μm 2 and 1 mm 2. The specific area shape is intended to be a square, circle, ellipse, or some non-standard geometric figure. In devices according to the present invention that can be used in applications with very low or low signal loads, the area of the armature contact elements will be between 0.25 and 30 μm 2. In devices that are more suitable for low or medium signal loads, the area of the armature contact elements will be between 20 and 3000 μm 2. In devices suitable for handling high or very high signal loads, it is further contemplated that the total area of the armature contact elements would be between 2,000 μm 2 and 1 mm 2.

接点エレメントの性能要件は、本発明に従う1つの装置で使用される他の電気路材料のそれより優れた機械的磨耗特性を提供するために種々の材料層の使用を必要とすることがあろう。1つの装置では、その様な種々の層は、名目上の接点エレメント表面の下或いは上のニッケル、タングステン、レニウム、ロジウム或いはルテニウムなどの複数の堅い金属の複数の層を含み得るということが目論まれている。これらの金属及び他の複数の低抵抗率金属の複数の合金又は層化組み合わせを用いて複数のアーマチュア接点エレメントを作ることができるということが更に目論まれている。本発明に従う複数の装置では、複数のアーマチュア接点エレメントに用いられる各材料はアプリケーションに適する1つの厚さを持つであろうと期待され、それは0.1から100μmにわたりそうである。1つの与えられたアプリケーション及び実施形態についてエレメントの深さ及び形状の違いに配慮して、複数のアーマチュア接点エレメントの厚さはその平面領域にわたって変化し得るということが目論まれている。   The performance requirements of the contact element may require the use of various material layers to provide mechanical wear characteristics superior to that of other electrical path materials used in one device according to the present invention. . In one device, such various layers may include multiple layers of hard metals such as nickel, tungsten, rhenium, rhodium or ruthenium below or above the nominal contact element surface. It has been argued. It is further contemplated that multiple armature contact elements can be made using multiple alloys or layered combinations of these metals and other low resistivity metals. In multiple devices according to the present invention, it is expected that each material used for multiple armature contact elements will have one thickness suitable for the application, which ranges from 0.1 to 100 μm. It is contemplated that the thickness of multiple armature contact elements can vary over its planar area, taking into account differences in element depth and shape for a given application and embodiment.

非常に低い或いは低い複数の信号負荷アプリケーションに適する本発明に従う複数の装置におけるアーマチュア接点エレメントの材料厚さは0.1と2μmとの間にわたり得るということが目論まれている。その様な複数の接点エレメントは、同じ材料及び平面幾何学的形状のより厚い複数の経路より軽くて薄く、より高い抵抗を有するであろう。低い或いは中位の複数の信号負荷に適する1つの装置では、複数の接点エレメントの材料厚さは0.5と10μmとの間にわたって良くて、同じ材料の他の可能な複数のエレメント及び経路と比べて中位の質量及び抵抗を有するであろうと目論まれている。高いか或いは非常に高い複数の負荷信号電力をスイッチングすることのできる他の複数の装置では、1つの接点エレメントの材料厚さは5と100μmの間にわたることができて、同じ材料のより薄い複数のエレメントと比べて高い質量及び低い抵抗を有するであろうということが目論まれている。図1−5に示されている実施形態では、複数の接点エレメントは信号ラインに使われる同じ金合金で作られ、接点を信頼しえるものとするために1つの耐摩耗性接点領域を提供するために1つの湾曲した0.5μmのレニウムのオーバープレートが付け加えられる。   It is contemplated that the material thickness of the armature contact element in devices according to the present invention suitable for very low or low signal load applications can range between 0.1 and 2 μm. Such contact elements would be lighter and thinner and have higher resistance than thicker paths of the same material and planar geometry. In one device suitable for low or medium signal loads, the material thickness of the contact elements can range between 0.5 and 10 μm, and other possible elements and paths of the same material It is envisioned that it will have a moderate mass and resistance. In other devices capable of switching multiple load signal powers that are high or very high, the material thickness of one contact element can range between 5 and 100 μm, with a plurality of thinner materials of the same material It is envisioned that it will have a high mass and low resistance compared to the elements of In the embodiment shown in FIGS. 1-5, the multiple contact elements are made of the same gold alloy used for the signal lines and provide a single wear resistant contact area to make the contacts reliable. For this purpose, a curved 0.5 μm rhenium overplate is added.

複数の接点エレメント、経路、及び信号ラインのジオメトリーは図1及び2に示されている特定の相対的配置には限定されないと認められる。本発明に従う或る複数の装置では、伝導路はアーマチュアの中心を横切るのではなくてアーマチュアの頂部或いは底部に取り付けられても良いということが目論まれている。従って、その様な複数の相対的配置が図6−10及び図11−13に示されている第2実施形態及び第3実施形態に存在する。或る複数の装置では、複数の伝導路は図1Aの描写とは異なってアーマチュアの材料の大半を表すことができ、このことは導体が他の複数のアーマチュア材料より重要ではないことを示唆する。逆に、他の複数の装置では、アーマチュア導体の機械的特性はアーマチュア構造の機械的特性を支配しないであろう。或る複数の伝導性材料が長期にわたる不快な機械的劣化にさらされるということが認められるので、その様な1つのデザインが望ましいであろう。同様に、複数のアーマチュア接点エレメントは、平らな幾何学的形状には限定されなくて、湾曲した、或いは階段状の、或いは表面に凹凸のある形状を含んでも良いということが目論まれている。   It will be appreciated that the geometry of the plurality of contact elements, paths, and signal lines is not limited to the specific relative arrangement shown in FIGS. In some devices according to the present invention, it is contemplated that the conduction path may be attached to the top or bottom of the armature rather than traversing the center of the armature. Accordingly, a plurality of such relative arrangements exist in the second and third embodiments shown in FIGS. 6-10 and 11-13. In some devices, the multiple conduction paths can represent the majority of the armature material, unlike the depiction of FIG. 1A, suggesting that the conductor is less important than the other armature materials. . Conversely, in other devices, the mechanical properties of the armature conductor will not dominate the mechanical properties of the armature structure. One such design would be desirable because it is recognized that certain conductive materials are subject to prolonged unpleasant mechanical degradation. Similarly, it is contemplated that the plurality of armature contact elements are not limited to flat geometric shapes, but may include curved, stepped, or irregular shapes on the surface. .

図2Aに示されている第1アーマチュア接点エレメントと向かい合う1つのベース基板接点エレメント(122)があり、これは1つの伝導路(123)によって第2負荷信号ラインに電気的に接続されている。第2アーマチュア接点エレメントと相対して1つのカバー基板接点エレメント(139)があり、これは伝導路(140)によって第3負荷信号ラインに電気的に接続されている。ベース基板接点エレメント、カバー基板接点エレメント、第1及び第3の負荷信号ライン、及び複数の伝導路のジオメトリー、複数の材料及び厚さは、装置の可能性に関して図1−5に示されている実施形態について複数のアーマチュア接点エレメント、第1及び第4の負荷信号ライン及び複数の伝導路の場合と同様に考察されるべきである。   There is one base substrate contact element (122) facing the first armature contact element shown in FIG. 2A, which is electrically connected to the second load signal line by one conductive path (123). There is one cover substrate contact element (139) opposite the second armature contact element, which is electrically connected to the third load signal line by a conductive path (140). The base substrate contact element, the cover substrate contact element, the first and third load signal lines, and the plurality of conductive path geometries, materials and thicknesses are shown in FIGS. The embodiment should be considered in the same way as for multiple armature contact elements, first and fourth load signal lines and multiple conductive paths.

図1に存在するけれども図2A或いは3Aの横断面図では見えない数個のエレメントは、リレーの接点アーマチュア(124)を画定するエレメントである。接点アーマチュアは、1つの主アーマチュア或いはアーマチュア電極に堅く結合(125)された1つの領域から自由に偏向(126)し得る1つの領域へ伸びている。この堅い結合と自由領域との機能上の価値は、図5A、5B及び5Cの横断面構成図についての議論において現れる。接点アーマチュアは所定の1つの絶縁材料から作られて良いと目論まれている。本発明に従う或る複数の装置では、接点アーマチュアは負荷アーマチュア又はアクチュエータ・アーマチュアの複数の不活性エレメントと同じ材料であって良いということが認められている。その様な1つの装置では、接点アーマチュアはこれらのエレメントと一体をなして堅く結合されているということが目論まれている。   Several elements present in FIG. 1 but not visible in the cross-sectional view of FIG. 2A or 3A are elements that define the contact armature (124) of the relay. The contact armature extends from one region rigidly coupled (125) to one main armature or armature electrode to one region that can be freely deflected (126). The functional value of this tight coupling and free region appears in the discussion of the cross-sectional configuration diagrams of FIGS. 5A, 5B and 5C. It is contemplated that the contact armature may be made from a predetermined single insulating material. In some devices according to the present invention, it is recognized that the contact armature may be the same material as the inert elements of the load armature or actuator armature. In one such device, it is contemplated that the contact armature is tightly coupled together with these elements.

本発明に従う複数の装置では、接点アーマチュアのために使われる複数の絶縁材料はシリコン、シリコンニトリド、二酸化珪素、石英、或いはポリイミド或いはその他の絶縁性ポリマーなどの複数のマイクロ・ファブリケーション材料を含み得るということが目論まれている。1つの接点アーマチュアのために使われる材料は、材料、アーマチュアのジオメトリー、及びリレーのアプリケーションに依存して厚さが0.3μmから1mmまでにわたって良いと目論まれている。非常に低い或いは低い信号負荷のために設計された複数の装置では、1つの接点アーマチュアの材料厚さは0.3と8μmとの間にわたって良いと目論まれている。低い或いは中位の信号負荷の複数のアプリケーションのために設計された複数の装置では、材料厚さは4と80μmとの間にわたり得ると目論まれている。中くらい或いは高い複数の信号負荷のためのものなどの、堅くて厚い複数の接点アーマチュアを必要とする複数のアプリケーションに用いられるべき複数の装置においては、材料の厚さは50と300μmとの間にわたり得る。複数の大きな平面寸法を有し、高い或いは非常に高い複数の信号負荷の複数のアプリケーション向けに設計された他の複数の装置では、材料の厚さは200μmと1mmとの間にわたり得る。   In devices according to the present invention, the insulating materials used for the contact armature include silicon, silicon nitride, silicon dioxide, quartz, or multiple microfabrication materials such as polyimide or other insulating polymers. The aim is to get. It is contemplated that the material used for a single contact armature may range from 0.3 μm to 1 mm in thickness depending on the material, the armature geometry, and the relay application. In devices designed for very low or low signal loads, it is contemplated that the material thickness of a single contact armature may range between 0.3 and 8 μm. In devices designed for low or medium signal load applications, it is contemplated that the material thickness can range between 4 and 80 μm. In devices that should be used in applications that require a hard and thick contact armature, such as for medium or high signal loads, the material thickness is between 50 and 300 μm. It can span. In other devices having multiple large planar dimensions and designed for high or very high multiple signal load applications, the material thickness can range between 200 μm and 1 mm.

接点アーマチュアの複数の平面寸法の大きさは、負荷信号アーマチュア及びマルチモルフ・アクチュエータ・アーマチュアの大きさと同等以下であると目論まれている。その様な複数の平面寸法は、アプリケーション、材料厚さ、及びラッチされた状態のリレーに必要とされる接触力に依存して幅及び長さの各々に関して2μmと5mmとの間にわたると目論まれている。非常に低い或いは低い複数の信号負荷が複数の速いスイッチング速度でスイッチングされなければならない本発明に従う複数の装置では、複数の平面寸法は2と20μmとの間にわたり得る。低い或いは中位の複数の信号負荷がスイッチングされる複数の装置では、複数の平面寸法は10と200μmとの間にわたり得ると目論まれている。中位或いは高い複数の信号負荷を複数の低速でスイッチングさせる複数のアプリケーションのための他の複数の装置では複数の平面寸法は100μmと1mmとの間にわたり得ると考えられる。高い或いは非常に高い複数の信号負荷を遅い或いは非常に遅い複数の速度でスイッチングするより大きな複数の装置では、複数の平面寸法は0.5と5mmとの間にわたり得る。負荷信号アーマチュアの場合と同じく、この様な複数の範囲は、頑丈な矩形デザインの複数のエレメントだけではなくて、1つ以上の寸法が線形又は非線形の関数によって変化する複数のエレメントにも当てはまると目論まれている。   It is contemplated that the size of the plurality of planar dimensions of the contact armature is less than or equal to the size of the load signal armature and the multimorph actuator armature. The number of such planar dimensions ranges between 2 μm and 5 mm for each of width and length depending on the application, material thickness, and contact force required for the latched relay. It is rare. In devices according to the present invention in which very low or low signal loads must be switched at multiple fast switching speeds, the planar dimensions can range between 2 and 20 μm. In devices where low or medium signal loads are switched, it is contemplated that the planar dimensions can range between 10 and 200 μm. In other devices for multiple applications that switch medium or high multiple signal loads at multiple low speeds, it is believed that the planar dimensions may range between 100 μm and 1 mm. For larger devices that switch high or very high signal loads at slow or very slow speeds, the planar dimensions can range between 0.5 and 5 mm. As in the case of load signal armatures, these ranges apply not only to elements of a rugged rectangular design, but also to elements whose one or more dimensions vary by a linear or non-linear function. It is being planned.

図1−5に示されている実施形態の接点アーマチュアは幅が100μmの二酸化珪素ビームであって、その長さは100μmで厚さは6μmである。この様な1つの装置は、中位の速度で中位の電力処理能力のために必要とされる動作性能を提供することができて、圧電マルチモルフ作動及び静電ラッチング・メカニズムを該複数の接点自体で必要とされる力に機械的に結合させる。   The contact armature of the embodiment shown in FIGS. 1-5 is a 100 μm wide silicon dioxide beam, which is 100 μm long and 6 μm thick. One such device can provide the operational performance required for moderate power handling capability at moderate speeds, and the piezoelectric multimorph actuation and electrostatic latching mechanism can be connected to the multiple contacts. Mechanically coupled to the force required by itself.

図4は、図1に示されている装置の1つの横断面構成図であって、マルチモルフ・アクチュエータを組み込んだリレーの部分を示している。ベース基板(102)及びカバー基板(134)、固定されたベースの複数の部分がこの図に存在し、図2A及び3Aの複数のアーマチュアはこれらの基板の間に吊るされている。本発明の現在論じられている実施形態では、図4のマルチモルフは1つの圧電マルチモルフ・アクチュエータであると考えることができる。該アクチュエータは、夫々上面及び底面への上側第1駆動信号接続(170)及び下側第2駆動信号接続(171)の複数の電気接続部を有する1つの頂部圧電材料(113)を含む。   FIG. 4 is a cross-sectional block diagram of one of the devices shown in FIG. 1, showing the portion of the relay incorporating the multimorph actuator. A base substrate (102) and a cover substrate (134), a plurality of portions of a fixed base are present in this view, and the armatures of FIGS. 2A and 3A are suspended between these substrates. In the presently discussed embodiment of the present invention, the multimorph of FIG. 4 can be considered a single piezoelectric multimorph actuator. The actuator includes a top piezoelectric material (113) having a plurality of electrical connections of an upper first drive signal connection (170) and a lower second drive signal connection (171) to the top and bottom surfaces, respectively.

現在論じられている実施形態では、下側材料(114)は圧電的に中性であって良い。この下側材料(114)の底面にはアーマチュア電極の電気接続部(116)が取り付けられている。本発明に従う他の複数の装置ではアーマチュア電極は下側材料の中央又は頂部に取り付けられ得ると認められている。第1アーマチュア接点エレメントの電気接続部(121)が第2アーマチュア接点エレメントの電気接続部(138)と同じく図4に示されている。複数の電気接続部の各々は、種々の装置において所望の任意のジオメトリーで任意の絶縁された表面上にあって良いと認められている。複数の電気路及びマルチモルフ・アクチュエータの複数の材料、厚さ、及び組成も同様に、図1、2A及び3Aの詳しい記述で論じられたように本発明の範囲内で自由に変更可能である。   In the presently discussed embodiment, the lower material (114) may be piezoelectrically neutral. An electrical connection (116) of the armature electrode is attached to the bottom surface of the lower material (114). It is recognized that in other devices according to the present invention, the armature electrode can be attached to the center or top of the lower material. The electrical connection (121) of the first armature contact element is shown in FIG. 4 as is the electrical connection (138) of the second armature contact element. It is recognized that each of the plurality of electrical connections can be on any insulated surface with any desired geometry in various devices. The materials, thicknesses and compositions of the electrical paths and multimorph actuators can likewise be freely varied within the scope of the present invention as discussed in the detailed description of FIGS. 1, 2A and 3A.

図5A、5B及び5Cは図1−5に示されているリレー実施形態の横断面構成図を示しており、これらの横断面図は主アーマチュア・システムの自由領域で描かれている。この領域は、リレーが閉成した状態にあるときに電気を伝導する複数の接点エレメントを組み込んであるので、リレー設計の重要箇所であり得ると当業者により認められている。ベース基板(102)及びカバー基板(134)、固定されたベースの複数の部分が示されており、接点アーマチュア(124)は名目上これらの基板の間に吊るされている。接点アーマチュアは、アーマチュア・ラッチダウン電極(115)及びアーマチュア・ラッチアップ電極(142)の箇所でラッチ・アーマチュアに取り付けられている(125)。接点アーマチュアは1つの自由端(126)を有し、ここに第1アーマチュア接点エレメント(120)と第2アーマチュア接点(137)とが位置している。ベース基板電極(117)及びカバー基板電極(144)は、夫々、アーマチュアのラッチダウン電極及びラッチアップ電極と相対している。ベース基板電極及びカバー基板電極は、取り付けられたラッチダウン(119)電極絶縁体及びラッチアップ(146)電極絶縁体とともに示されている。ベース基板接点エレメント(122)はベース基板の上面上にあって第1アーマチュア接点エレメントと相対しており、第1アーマチュア接点エレメントの電気接続部(123)はアーマチュアの中心に伸び込んでいる。カバー基板接点エレメント(139)はカバー基板の底面上にあって第2アーマチュア接点エレメントと相対しており、第2アーマチュア接点エレメントの電気接続部(138)もアーマチュアに伸び込んでいる。接点アーマチュアの曲げ機能が図5B及び5Cに示されており、これは、リレーが1つの受動的状態ではなくて閉成した状態及びラッチされた状態にあることを除いて図5Aと同じ横断面を描いており、これらの状態についてすぐ次に詳しく論じる。接点アーマチュアは、一般的に複数のアーマチュア接点エレメントとベース又はカバー基板接点エレメントとの間の接触力の一部を形成する1つの曲げばね力を発生させる。図5Bは、リレーがラッチダウンされた状態にあるときの接点アーマチュアにおける曲げを示し、図5Cはラッチアップされた状態のリレーを示す。複数のラッチ電極(及び電極絶縁体)間の初期ギャップは、複数の接点エレメント間の元のギャップ間隔より大きく、この差は、リレーが閉成されたときに接点アーマチュアばねが偏向しなければならない量である。本発明に従う或る複数の装置では、接点アーマチュアばね力は複数の接点エレメント間の総接触力であると目論まれている。本発明に従う他の複数の装置では接点アーマチュアは複数の接点エレメント間の総接触力の一部分だけを生じさせると更に目論まれている。更に他の複数の装置では、接点アーマチュアは複数の接点エレメント間の総接触力をごく僅かしか提供しないか或いは全く提供しなくて良いと考えられる。   FIGS. 5A, 5B and 5C show cross-sectional block diagrams of the relay embodiment shown in FIGS. 1-5, which are drawn in the free region of the main armature system. It is recognized by those skilled in the art that this region can be an important part of relay design because it incorporates multiple contact elements that conduct electricity when the relay is in a closed state. A base substrate (102) and a cover substrate (134), a plurality of parts of a fixed base are shown, and a contact armature (124) is nominally suspended between these substrates. A contact armature is attached (125) to the latch armature at the armature latchdown electrode (115) and the armature latchup electrode (142). The contact armature has one free end (126) in which the first armature contact element (120) and the second armature contact (137) are located. The base substrate electrode (117) and the cover substrate electrode (144) are opposed to the armature latch-down electrode and latch-up electrode, respectively. The base substrate electrode and the cover substrate electrode are shown with attached latch down (119) and latch up (146) electrode insulators. The base substrate contact element (122) is on the top surface of the base substrate and is opposed to the first armature contact element, and the electrical connection (123) of the first armature contact element extends to the center of the armature. The cover substrate contact element (139) is on the bottom surface of the cover substrate and is opposed to the second armature contact element, and the electrical connection (138) of the second armature contact element extends into the armature. The bending function of the contact armature is shown in FIGS. 5B and 5C, which is the same cross-section as in FIG. 5A except that the relay is in a closed and latched state rather than in one passive state. These conditions are discussed in more detail next. Contact armatures typically generate a single bending spring force that forms part of the contact force between a plurality of armature contact elements and a base or cover substrate contact element. FIG. 5B shows bending in the contact armature when the relay is in the latched down state, and FIG. 5C shows the relay in the latched up state. The initial gap between the plurality of latch electrodes (and electrode insulators) is greater than the original gap spacing between the plurality of contact elements, and this difference must be deflected by the contact armature spring when the relay is closed. It is a quantity. In some devices according to the invention, the contact armature spring force is intended to be the total contact force between the contact elements. In other devices according to the present invention, it is further contemplated that the contact armature produces only a portion of the total contact force between the contact elements. In still other devices, the contact armature may provide very little or no total contact force between the contact elements.

図2A、3A及び5Aに示されているリレーの第1安定動作状態は受動的状態として定義され、これは制御信号が装置に加えられていないときのリレーの状態である。これは1つの自然状態であると考えられ、装置の安定性は、1つの与えられたリレーの機械的ジオメトリーと複数の構成詳細とにより定まる。図2A、3A及び5Aは、現在論じられている実施形態を含む本発明に従って設計された或る複数の装置について1つの受動的状態にある負荷アーマチュア、ラッチ・アーマチュア、及び接点アーマチュアの代表的な複数の例を(夫々)提供する。これらの例では、複数のリレー接点エレメントはかみ合っておらず、マルチモルフ・アクチュエータは名目上中立の1つの応力平衡状態にあり、全てのラッチ電極が分離している。本発明に従う他の複数の装置では、受動的状態のときにマルチモルフ・アクチュエータ・アーマチュア或いは負荷信号アーマチュアは名目上平らになっていなくて上方にカールしていても良いと目論まれている。更に他の複数の装置では、受動的状態のときにマルチモルフ・アクチュエータ・アーマチュア或いは負荷信号アーマチュアは名目上平らになっていなくて下方にカールしていても良いと考えられる。   The first stable operating state of the relay shown in FIGS. 2A, 3A and 5A is defined as a passive state, which is the state of the relay when no control signal is applied to the device. This is considered to be a natural state and the stability of the device is determined by the mechanical geometry of a given relay and a number of configuration details. 2A, 3A, and 5A are representative of a load armature, a latch armature, and a contact armature in a passive state for a plurality of devices designed according to the present invention, including the presently discussed embodiments. Several examples are provided (each). In these examples, the relay contact elements are not engaged, the multimorph actuator is in a nominally neutral stress balance, and all latch electrodes are separated. In other devices according to the present invention, it is contemplated that the multimorph actuator armature or load signal armature may not be nominally flat but may curl upward when in a passive state. In still other devices, it is contemplated that when in the passive state, the multimorph actuator armature or load signal armature may not be nominally flat but curled downward.

受動的状態とは違う1つのリレー状態が望まれたならば、1つの駆動ダウン制御信号をリレー・アクチュエータに加えることができる。その様な1つの処置の複数の結果の1例は第1アクティブ状態として定義される1つの安定状態であり、この状態では装置の複数の機械的制約が複数のリレー・アーマチュアのそれ以上の偏向を防止する。本発明の或る複数の装置では、第1アクティブ状態は図2B及び3Bの図により表されて良くて、図3Bのマルチモルフ・アクチュエータは駆動制御信号により1つの下方にカールしている。ラッチ・アーマチュアに誘起された下向き湾曲の一部又は全部が負荷信号アーマチュアに結合されて、これを、第1アクチュエータ接点エレメント及びベース基板接点エレメントと係合するポイントまで曲げ得るように、この実施形態では図2B及び3Bの複数のアーマチュアは機械的に結合されていると考えられる。アーマチュア・ラッチダウン電極の、ベース基板電極のラッチダウン電極絶縁体との密接な接触は、第1アクティブ状態の定義には不要であると認められる。この様な接触は、可能であり得て、図3Bの実施形態において例示されており、更に、この様な接触は本発明の1つの異なる実施形態においては生じなくても良いと考えられる。   If one relay state different from the passive state is desired, one drive down control signal can be applied to the relay actuator. One example of the multiple results of one such procedure is a single stable state defined as a first active state in which multiple mechanical constraints of the device result in further deflection of multiple relay armatures. To prevent. In some devices of the present invention, the first active state may be represented by the diagrams of FIGS. 2B and 3B, where the multimorph actuator of FIG. 3B is curled down one by a drive control signal. This embodiment so that some or all of the downward curvature induced in the latch armature can be coupled to the load signal armature and bent to a point where it engages the first actuator contact element and the base substrate contact element. The plurality of armatures of FIGS. 2B and 3B are considered to be mechanically coupled. It is recognized that intimate contact of the armature latchdown electrode with the latchdown electrode insulator of the base substrate electrode is not necessary for the definition of the first active state. Such contact may be possible and is illustrated in the embodiment of FIG. 3B, and it is further contemplated that such contact may not occur in one different embodiment of the present invention.

リレーの動作状態が受動的状態の接点開成から第1アクティブ状態の接点閉成に変化したならば、多くのアプリケーションにおいては、1つの不定期間であり得る期間にわたって接点を閉成した状態に保つのが望ましいかも知れないと認められている。第1のラッチされた状態として定義される1つの付加的なリレー状態は、アーマチュア・ラッチダウン電極とベース基板電極との複数の容量性エレメント間に1つのラッチダウン制御信号を加えてこれらを引き付けて複数の静電力で結合させておくことによって開始される。本発明に従う多くの装置において、この様な1つの処置は、アーマチュア電極が平らになって、閉成した接点が保持されるという結果をもたらすと考えられる。図3Cに示されている実施形態はこの様な1つの状態を反映し、ここではアーマチュア電極の平坦化は負荷信号アーマチュアの1つの平坦化に反映されている。   If the operating state of the relay changes from passive contact opening to the first active contact closing, in many applications, the contact is kept closed for a period that may be an indefinite period. It is recognized that may be desirable. One additional relay state, defined as the first latched state, adds one latchdown control signal between the capacitive elements of the armature latchdown electrode and the base substrate electrode to attract them. Starting with a plurality of electrostatic forces. In many devices in accordance with the present invention, one such treatment is believed to result in the armature electrode being flattened and the closed contact maintained. The embodiment shown in FIG. 3C reflects one such situation, where the planarization of the armature electrode is reflected in one planarization of the load signal armature.

第1のラッチされた状態はアクチュエータからの駆動ダウン制御信号の除去に備えており、リレーは第1のラッチされた状態にとどまる。現在論じられている実施形態を含む或る複数の装置では、ラッチ制御信号を後に除去することによってリレーを受動的状態に戻すことができると考えられる。或る複数の装置では、複数のアーマチュア自体に内在する複数の復元力によって受動的状態への復帰が行われる。他の複数の装置では、1つの駆動アップ制御信号を使用することによる1つのマルチモルフ・アクチュエータからの強制的な助力が受動的状態へのリレーの復帰に役立つであろうと考えられる。   The first latched state provides for removal of the drive down control signal from the actuator and the relay remains in the first latched state. In some devices, including the presently discussed embodiments, it is believed that the relay can be returned to a passive state by later removing the latch control signal. In a plurality of devices, the return to the passive state is performed by a plurality of restoring forces inherent in the plurality of armatures themselves. In other devices, it is believed that forced help from one multimorph actuator by using one drive up control signal will help the relay return to the passive state.

該実施形態についての第1アクティブ状態及び第1のラッチされた状態は、該装置の1つの閉じた電気接点経路を描く。本発明は1つの双投装置のためのものであって、付加的な複数のリレー状態は1つの第2の閉じた電気経路に備えている。第2電気経路を閉じるために1つの駆動アップ制御信号をリレー・アクチュエータに加えることができる。その様な1つの処理の複数の結果は、第2アクティブ状態として定義される1つの安定状態であり、ここで装置の複数の機械的制約が複数のリレー・アーマチュアのそれ以上の偏向を防止する。本発明に従う或る複数の装置では、図2D及び3Dの図によって第2アクティブ状態を表すことができて、図3Dのマルチモルフ・アクチュエータは駆動アップ制御信号に応答して1つの上向き方向にカールしている。ラッチ・アーマチュアに誘起された下方への湾曲は、負荷信号アーマチュアに機械的に結合されて、これを第2アクチュエータ接点エレメント及びカバー基板接点エレメントとの係合のポイントへ偏向させると仮定されている。第1アクティブ状態の場合と同じく、アーマチュア・ラッチアップ電極とベース基板電極のラッチアップ電極絶縁体との密接な接触は第2アクティブ状態の定義には不要であると認められるけれども、その様な接触は可能であって図3Dの本発明の実施形態に示されている。   The first active state and the first latched state for the embodiment depict one closed electrical contact path for the device. The present invention is for one double throw device, with additional multiple relay states provided in one second closed electrical path. One drive up control signal can be applied to the relay actuator to close the second electrical path. The result of such one process is a stable state defined as a second active state, where the mechanical constraints of the device prevent further deflection of the relay armatures. . In some devices in accordance with the present invention, the second active state can be represented by the diagrams of FIGS. 2D and 3D, where the multimorph actuator of FIG. 3D curls in one upward direction in response to the drive up control signal. ing. The downward curvature induced in the latch armature is assumed to be mechanically coupled to the load signal armature and deflect it to a point of engagement with the second actuator contact element and the cover substrate contact element. . As in the case of the first active state, intimate contact between the armature latchup electrode and the latch-up electrode insulator of the base substrate electrode is deemed unnecessary for the definition of the second active state, but such contact. Is possible and is shown in the embodiment of the invention of FIG. 3D.

第2のラッチされた状態として定義される1つの付加的なリレー状態は、1つのラッチアップ制御信号をアーマチュア・ラッチアップ電極及びカバー基板電極の複数の容量性エレメントに加えてこれらを引き付けて複数の静電力でこれらを結合させておくことによって開始される。本発明に従う多くの装置において、その様な処置はアーマチュア電極が平らになって閉じた接点が保持されるという結果をもたらすと考えられる。図3Eに示されている実施形態はその様な1つの状態を反映しており、ここでアーマチュア電極の平坦化は負荷信号アーマチュアの平坦化に反映されている。   One additional relay state, defined as the second latched state, applies a single latch-up control signal to the armature latch-up electrode and the plurality of capacitive elements of the cover substrate electrode to attract them. Start by combining them with the electrostatic force of. In many devices according to the present invention, such a procedure is believed to result in the armature electrode being flattened to maintain a closed contact. The embodiment shown in FIG. 3E reflects one such situation, where the planarization of the armature electrode is reflected in the planarization of the load signal armature.

第2のラッチされた状態はアクチュエータからの駆動アップ制御信号の除去に備えており、リレーは第2のラッチされた状態にとどまる。現在論じられている実施形態を含む或る複数の装置では、ラッチ制御信号を後に除去することによってリレーを受動的状態に戻すことができる。或る複数の装置では、受動的状態への復帰は、複数のアーマチュア自体に内在する複数の復元力によって行われる。他の複数の装置では、1つの駆動ダウン制御信号を使用することによる1つのマルチモルフ・アクチュエータからの強制的助力が受動的状態へのリレーの復帰に役立つと考えられる。   The second latched state provides for removal of the drive up control signal from the actuator, and the relay remains in the second latched state. In some devices, including the presently discussed embodiments, the relay can be returned to a passive state by later removing the latch control signal. In some devices, the return to the passive state is performed by the multiple restoring forces inherent in the multiple armatures themselves. In other devices, it is believed that forced help from one multimorph actuator by using one drive down control signal will help the relay return to the passive state.

本発明に従う或る複数の装置では、図1−5に示されている実施形態の圧電的に作動されるアーマチュアは、1つの非ゼロ圧電係数を有する2つ以上のマルチモルフ材料から構成され得る。その様な1つの装置では、複数の非ゼロ係数材料の各々は前記の複数の圧電セラミック又は結晶の1つ以上の材料から作られる1つの層であり得る。その様な1つのマルチモルフ・アクチュエータでは、上側圧電材料は下側が収縮するときに膨張することができる。その様な1つのマルチモルフは、1つの固定された総アクチュエータ・アーマチュア厚さが与えたれたときに1つの特定の装置デザインで得られる力の2倍を生じさせることができる。   In some devices according to the present invention, the piezoelectrically actuated armature of the embodiment shown in FIGS. 1-5 may be composed of two or more multimorph materials having a single non-zero piezoelectric coefficient. In one such device, each of the plurality of non-zero coefficient materials may be a layer made from one or more materials of the plurality of piezoelectric ceramics or crystals. In one such multimorph actuator, the upper piezoelectric material can expand when the lower side contracts. One such multimorph can produce twice the force that can be obtained with one particular device design given a fixed total actuator armature thickness.

1つ以上の圧電層を有する複数のマルチモルフ・アクチュエータを用いて、図3Bで示唆されている複数の閉成力だけではなくて複数の開成力も生じさせることができることが認められている。本発明に従う或る複数の装置では、1つの第1のラッチ(ダウン)された状態にあるマルチモルフの複数の開成力を、駆動ダウン制御信号を逆転させてその逆を1つの駆動(アップ)制御信号として加えることによって、達成し得ると考えられる。制御信号の極性に基づいて1つのアクチュエータをいずれの方向にも駆動する能力は圧電マルチモルフの1つの利点であると一般的に認められている。この利点は、本発明に従う複数の圧電マルチモルフ装置にも存在する。   It has been observed that multiple multimorph actuators having one or more piezoelectric layers can be used to generate multiple opening forces as well as the multiple closing forces suggested in FIG. 3B. In some devices according to the present invention, a plurality of opening forces of a multimorph in a first latched (down) state, a drive down control signal is reversed and the reverse is a drive (up) control. It can be achieved by adding it as a signal. The ability to drive one actuator in either direction based on the polarity of the control signal is generally accepted as one advantage of piezoelectric multimorphs. This advantage also exists in a plurality of piezoelectric multimorph devices according to the present invention.

図1−5は、1つの接点アーマチュアを駆動する1つの圧電バイモルフ・アクチュエータ構造を特徴とする1つの実施形態に必要な複数の構造エレメントを描いている。本発明は、複数の静電ラッチング・メカニズムを有する1つのマルチモルフ・アクチュエータにより駆動される任意のリレーの機能的概念を考慮するように意図されていると目論まれている。マルチモルフが1つの異なるアクチュエータ材料組み合わせから構成され、或いは1つのリレーが複数の接点アーマチュア、アクチュエータ・アーマチュア、或いはその両方から構成されている付加的な複数の実施形態は本発明の範囲内にある。図6−10は、図1−5に示されている第1実施形態のそれと機能上同等の1つの動作を有する1つの第2実施形態を示す。1つの平面図が図6で提供され、図7−10は同様に複数の横断面を詳細に示す。この第2実施形態についての複数のエレメント番号は100の代わりに200から始まっており、後の2つの数字は、明瞭を期して第1実施形態からの機能上同等のものを指している。   Figures 1-5 depict the structural elements required for one embodiment featuring one piezoelectric bimorph actuator structure that drives one contact armature. It is contemplated that the present invention is intended to take into account the functional concept of any relay driven by one multimorph actuator having multiple electrostatic latching mechanisms. Additional embodiments in which the multimorph is constructed from one different actuator material combination or a relay is constructed from multiple contact armatures, actuator armatures, or both are within the scope of the present invention. 6-10 shows one second embodiment having one operation that is functionally equivalent to that of the first embodiment shown in FIGS. 1-5. One plan view is provided in FIG. 6, and FIGS. 7-10 also illustrate a plurality of cross sections in detail. The plurality of element numbers for this second embodiment starts with 200 instead of 100, and the latter two numbers refer to functional equivalents from the first embodiment for clarity.

図6は、図1のリレーと同様に2つの主アーマチュア構造から成る1つのリレーの1つの機能平面構成図である。図6の複数のエレメントは図1のそれと同様であると考えられるが、複数のアクチュエータ・コンポーネントと、この実施形態の同等の複数のエレメントについてのジオメトリー及び材料の選択に関して複数の違いがある。図1の埋められている複数のエレメントの図解の場合と同じく、明瞭を期して、カバー基板は取り除かれ、上からは普通は見えない複数のエレメントの外形が複数の破線で示されている。複数の信号ライン及び経路の具体的なジオメトリー及び位置は設計者の決定に委ねられて、例示を目的として、提供される複数の実施形態において描かれている。前記のように、電気路の複数の材料、厚さ、及び組成は本発明の範囲内で自由に変更可能であると考えられる。   FIG. 6 is a functional plan configuration diagram of one relay having two main armature structures like the relay of FIG. Although the elements of FIG. 6 are believed to be similar to that of FIG. 1, there are differences with respect to the geometry and material selection for the actuator components and equivalent elements of this embodiment. As in the case of the illustrated embedded elements of FIG. 1, for the sake of clarity, the cover substrate has been removed, and the outlines of the elements that are not normally visible from above are indicated by broken lines. The specific geometry and location of the signal lines and paths is left to the designer's decision and is depicted in the provided embodiments for illustrative purposes. As mentioned above, it is contemplated that the material, thickness, and composition of the electrical path can be freely changed within the scope of the present invention.

固定されたベース(201)、ベース基板(202)、カバー基板(234)、第1負荷信号ライン(203)、第2負荷信号ライン(204)、第3負荷信号ライン(235)、第1駆動信号ライン(205)、第2駆動信号ライン(206)、第3駆動信号ライン(255)及び第4駆動信号ライン(256)、第1ラッチ信号ライン(207)、第2ラッチ信号ライン(208)、第3ラッチ信号ライン(241)及び第4ラッチ信号ライン(285)のエレメントは図1の場合と同じく明白である。ラッチ・アーマチュア(209)が示されており、一端は固定され(210)、一端(211)はベース基板に垂直な方向に偏向することができる。負荷アーマチュア(259)も同様に一端(260)が固定され、一端(261)が偏向するように示されている。1つのアクチュエータ・ラッチダウン電極(215)及びアクチュエータ・ラッチアップ電極(242)が見られ、夫々第1及び第4のラッチ信号制御ラインへの所要のアクチュエータ・ラッチダウン電極路(216)及びアクチュエータ・ラッチアップ電極路(242)も見られる。現在論じられている実施形態では、アクチュエータ・ラッチ電極路はアーマチュアからベース基板へ1つの金属アンカー領域によって向けられており、これは或る複数の装置では1つのはんだ隆起部又はその他の伝導性の機械的で且つ電気的な接続部であって良いということに注意しなければならない。基板ラッチ電極(217)、カバー・ラッチ電極(244)、及び、これらから夫々第2及び第3のラッチ制御信号ラインへの経路(218)及び(245)も同じく図6及び8Aにおいて見ることができる。図8Aは、この実施形態が夫々基板ラッチ電極及びカバー・ラッチ電極を覆うラッチダウン電極絶縁体(219)及びラッチアップ電極絶縁体(246)を有することを示している。   Fixed base (201), base substrate (202), cover substrate (234), first load signal line (203), second load signal line (204), third load signal line (235), first drive The signal line 205, the second drive signal line 206, the third drive signal line 255, the fourth drive signal line 256, the first latch signal line 207, and the second latch signal line 208. The elements of the third latch signal line (241) and the fourth latch signal line (285) are clear as in FIG. A latch armature (209) is shown, with one end fixed (210) and one end (211) deflectable in a direction perpendicular to the base substrate. The load armature (259) is similarly shown with one end (260) fixed and one end (261) deflected. One actuator latch-down electrode (215) and actuator latch-up electrode (242) can be seen, and the required actuator latch-down electrode path (216) and the actuator latch to the first and fourth latch signal control lines, respectively. A latch-up electrode path (242) can also be seen. In the presently discussed embodiment, the actuator latch electrode path is directed from the armature to the base substrate by a single metal anchor region, which in some devices is a solder bump or other conductive feature. Note that it can be a mechanical and electrical connection. A substrate latch electrode (217), a cover latch electrode (244), and paths (218) and (245) from these to the second and third latch control signal lines, respectively, can also be seen in FIGS. 6 and 8A. it can. FIG. 8A shows that this embodiment has a latch-down electrode insulator (219) and a latch-up electrode insulator (246) covering the substrate latch electrode and the cover / latch electrode, respectively.

第1アクチュエータ接点エレメント(220)と第1負荷信号ラインへの第1アクチュエータ接点エレメント経路(221)とが存在し、同じく基板接点エレメント(222)から第2負荷信号ラインへの電気接続部(223)も存在する。この実施形態では第1アクチュエータ接点エレメント経路は、ラッチ電極経路について論じたものと同様に1つの金属アンカー領域によってアーマチュアからベース基板へ作られている。第2アクチュエータ接点エレメント(237)と第1負荷信号ラインへの第2アクチュエータ接点エレメント経路(238)が存在し、同じく基板接点エレメント(239)から第3負荷信号ライン(235)への電気接続部(240)も存在する。この実施形態では第2アクチュエータ接点エレメント経路は、第2アクチュエータ接点エレメントから第1アクチュエータ接点エレメントへの、両方のアクチュエータ接点エレメントを電気的に結合させるブァイアから構成されている。負荷アーマチュア(224)は、一端(226)において複数のラッチ電極に取り付けられ、アーマチュア接点エレメントの領域においては自由に偏向することができる(225)。   There is a first actuator contact element (220) and a first actuator contact element path (221) to the first load signal line, also an electrical connection (223) from the substrate contact element (222) to the second load signal line. ) Is also present. In this embodiment, the first actuator contact element path is made from the armature to the base substrate by one metal anchor region, similar to that discussed for the latch electrode path. There is a second actuator contact element (237) and a second actuator contact element path (238) to the first load signal line, also an electrical connection from the substrate contact element (239) to the third load signal line (235). (240) also exists. In this embodiment, the second actuator contact element path comprises a via that electrically couples both actuator contact elements from the second actuator contact element to the first actuator contact element. The load armature (224) is attached to the plurality of latch electrodes at one end (226) and can be freely deflected (225) in the region of the armature contact element.

この実施形態のための具体的な材料及びジオメトリーは、複数の速いスイッチング速度で非常に低い負荷信号電力を処理し得る1つの装置を設計するために選択されている。負荷アーマチュアは、平面の幅及び長さが夫々15μm及び75μmであり、2μmの厚さのシリコンニトリドから作られる。負荷信号路及び複数の接点エレメントは、2μmのスパッタリングされた金で構成される。アーマチュアの固定された複数の端部に取り付けられている固定されたベースの部分は1つのシリコン・ハンドル・ウェハーの1つのセクションであり、これは1つの金−白金及びはんだ接続部を通して1つのセラミック・ベース基板に接着されている。ベース基板上の複数の導体は全て2μmの厚さの金である。ラッチ電極絶縁体は0.2μmのシリコンニトリドである。   The specific materials and geometry for this embodiment have been selected to design one device that can handle very low load signal power at multiple fast switching speeds. The load armature is made of silicon nitride with a thickness of 2 μm with a planar width and length of 15 μm and 75 μm, respectively. The load signal path and the plurality of contact elements are composed of 2 μm sputtered gold. The fixed base portion attached to the fixed ends of the armature is a section of a silicon handle wafer, which is a ceramic through a gold-platinum and solder connection. -Bonded to the base substrate. The plurality of conductors on the base substrate are all gold having a thickness of 2 μm. The latch electrode insulator is 0.2 μm silicon nitride.

図3Aに示されているアクチュエータは1つの圧電バイモルフであるが、この実施形態のための複数の主アクチュエータは複数のサーマル・マルチモルフである。ラッチ・アーマチュアのサーマル・マルチモルフは2つの主バイモルフ・エレメント、すなわち1つの上側サーマル・マルチモルフ層(227)及び1つの下側サーマル・マルチモルフ層(228)、から構成される。この実施形態のこのアクチュエータでは、上側サーマル・マルチモルフ層は1つの大きな熱膨張係数を有するように設計される。負荷アーマチュアのサーマル・マルチモルフは2つの主バイモルフ・エレメント、すなわち1つの上側サーマル・マルチモルフ層(278)と1つの下側サーマル・マルチモルフ層(280)と、から構成されており、このアクチュエータの下側層は1つの大きな熱膨張係数を有するように設計される。ラッチ・アーマチュアのアクチュエータはリレーを下へカールさせ、負荷アーマチュアのアクチュエータはリレーを上へカールさせる。   Although the actuator shown in FIG. 3A is a piezoelectric bimorph, the multiple main actuators for this embodiment are multiple thermal multimorphs. The latch armature thermal multimorph is composed of two main bimorph elements, one upper thermal multimorph layer (227) and one lower thermal multimorph layer (228). In this actuator of this embodiment, the upper thermal multimorph layer is designed to have one large coefficient of thermal expansion. The load armature's thermal multimorph consists of two main bimorph elements, one upper thermal multimorph layer (278) and one lower thermal multimorph layer (280). The layer is designed to have one large coefficient of thermal expansion. The latch armature actuator curls the relay down and the load armature actuator curls the relay up.

複数の大きな熱膨張係数を必要とする複数のサーマル・マルチモルフ層のために複数の金属である複数の材料を使用することは、サーマル・マルチモルフ構造の技術分野の当業者にとっては典型的なことである。小さな熱膨張係数を必要とする複数のサーマル・マルチモルフ層のために複数の絶縁体である複数の材料を使用することは典型的なことであるということも更に認められている。現在論じられている実施形態の複数のマルチモルフは、ラッチ・アーマチュアの上側マルチモルフ層(227)のための1つの2μmの厚さのパラジウムと、負荷アーマチュアの下側マルチモルフ層(280)のための1つの2μmの厚さの金と、対向する複数の層(228)及び(278)のための1つの2μmの厚さのシリコンニトリドとを特徴とする。   The use of multiple metals, multiple materials, for multiple thermal multimorph layers that require multiple large coefficients of thermal expansion is typical for those skilled in the art of thermal multimorph structures. is there. It is further recognized that it is typical to use multiple insulators for multiple thermal multimorph layers that require a small coefficient of thermal expansion. The plurality of multimorphs of the presently discussed embodiment includes one 2 μm thick palladium for the upper multimorph layer (227) of the latch armature and one for the lower multimorph layer (280) of the load armature. Features two 2 μm thick gold and one 2 μm thick silicon nitride for opposing layers (228) and (278).

本発明に従う或る複数の装置では複数の層(227)及び(280)のために複数の金属を使用することができ、複数の層(228)及び(278)のために複数の絶縁体を使用することができると目論まれている。或る複数の装置では、複数のサーマル・マルチモルフ材料のために使用し得る複数の材料は、金、銅、銀、白金、ニッケル及びアルミニウムなどの複数の金属を含む。或る複数の装置では、どの層にも使用し得る複数の材料は、シリコン、ガリウム砒素、シリコンゲルマニウム、及びリン化インジウムなどの複数の半導体を含む。本発明に従う複数の装置においては任意の合金、或いは複数の金属又は半導体の層化組み合わせを使用し得るとも目論まれている。複数のサーマル・マルチモルフ材料のために使用し得る複数の材料はシリコン、シリコンニトリド、二酸化珪素、石英、或いはポリイミド又はその他の絶縁性ポリマーなどの複数の絶縁体を含むと更に目論まれている。特定の複数の特性を1つのアクチュエータに組み込むために各マルチモルフ層を複数の層の1つのスタックで構成し得るということも認識されている。   In some devices according to the present invention, multiple metals can be used for multiple layers (227) and (280), and multiple insulators can be used for multiple layers (228) and (278). It is intended to be used. In some devices, the plurality of materials that can be used for the plurality of thermal multimorph materials include a plurality of metals such as gold, copper, silver, platinum, nickel, and aluminum. In some devices, the materials that can be used for any layer include semiconductors such as silicon, gallium arsenide, silicon germanium, and indium phosphide. It is also contemplated that any alloy or layering combination of metals or semiconductors may be used in devices according to the present invention. It is further contemplated that multiple materials that can be used for multiple thermal multimorph materials include multiple insulators such as silicon, silicon nitride, silicon dioxide, quartz, or polyimide or other insulating polymers. . It has also been recognized that each multimorph layer can be composed of one stack of multiple layers to incorporate a particular plurality of properties into one actuator.

複数のサーマル・マルチモルフ・アクチュエータ層の複数の厚さは材料、複数の製造プロセス、アプリケーション、及び他の複数のエレメントのジオメトリーに依存して0.1から500μmまでにわたり得ると目論まれている。非常に低い或いは低い複数の信号負荷を高い或いは非常に高い複数のスイッチング速度でスイッチングすることのできる本発明に従う或る複数の装置では、複数のマルチモルフ層の厚さは0.1から3μmまでにわたり得ると考えられる。高い或いは中位の複数のスイッチング速度で低い或いは中位の複数の信号負荷を必要とする1つのアプリケーションでは、複数のマルチモルフ層の厚さは2から30μmまでにわたり得ると目論まれている。中位或いは遅い複数のスイッチング速度で中位或いは重い複数の信号負荷を必要とする複数のアプリケーションで必要とされ、20と200μmとの間の厚さの複数のマルチモルフ層を使用し得るような複数の厚いマルチモルフ・アクチュエータを或る複数の装置は必要とすると更に目論まれている。遅い或いは非常に遅い複数の速度でスイッチングする高い或いは非常に高い複数の信号負荷の複数のアプリケーション、複数のマルチモルフ層の厚さは150と500μmの間にわたり得ると目論まれている。複数のマルチモルフ層の複数の厚さ或いは複数の厚さ範囲は異なる複数の層について同様でなくても良いと認められている。   It is contemplated that multiple thicknesses of multiple thermal multimorph actuator layers can range from 0.1 to 500 μm depending on the material, multiple manufacturing processes, applications, and other elemental geometries. In some devices according to the invention capable of switching very low or low signal loads at high or very high switching speeds, the thickness of the multimorph layers ranges from 0.1 to 3 μm. It is thought to get. In one application that requires low or medium multiple signal loads at high or medium multiple switching speeds, it is contemplated that the thickness of multiple multimorph layers can range from 2 to 30 μm. Multiples required in multiple applications that require medium or heavy multiple signal loads at moderate or slow multiple switching speeds and can use multiple multimorph layers between 20 and 200 μm thick It is further contemplated that some devices may require thicker multimorph actuators. It is contemplated that the thickness of multi-morph layers can range between 150 and 500 μm, with multiple applications of high or very high signal loads switching at slow or very slow speeds. It has been recognized that the thicknesses or thickness ranges of the multi-morph layers need not be the same for different layers.

図8Aは1つの第1加熱エレメント(229)の横断面の1つの構成図を含み、図7Aは1つの第2加熱エレメント(279)を含む。或る複数の装置ではその様な1つのエレメントは1つの絶縁層の表面上の1つの経路中の1つの少量の抵抗性導体であってよいと目論まれている。現在論じられている実施形態では、加熱エレメントは1つの0.3μmの厚さのニッケル−クロム合金から作られる。本発明に従う或る複数の装置では1つの加熱エレメントは0.001と10オーム−cmとの間の1つの抵抗率を有する1つの材料から作られ得ると目論まれている。或る複数の装置では、1つの加熱エレメントは1つの金属又は半導体材料から構成され得る。1つの装置における1つの抵抗性加熱エレメントの厚さは0.05と10μmとの間にわたり得ると考えられる。抵抗性材料が0.1オーム−cm未満の1つの抵抗率を持ち得る或る複数の装置では厚さは0.05と2μmとの間の厚さであると目論まれている。0.1オーム−cmより大きい1つの抵抗率を有する1つの抵抗性材料を含む或る複数の装置では厚さは0.5と10μmとの間の厚さであり得ると更に目論まれている。   FIG. 8A includes one block diagram of a cross section of one first heating element (229), and FIG. 7A includes one second heating element (279). In some devices, it is contemplated that one such element may be a small amount of resistive conductor in one path on the surface of one insulating layer. In the presently discussed embodiment, the heating element is made from a single 0.3 μm thick nickel-chromium alloy. In some devices according to the present invention, it is contemplated that one heating element may be made from one material having one resistivity between 0.001 and 10 ohm-cm. In some devices, one heating element can be composed of one metal or semiconductor material. It is believed that the thickness of one resistive heating element in one device can range between 0.05 and 10 μm. In some devices where the resistive material can have a resistivity of less than 0.1 ohm-cm, the thickness is contemplated to be between 0.05 and 2 μm thick. It is further contemplated that in some devices that include a resistive material having a resistivity greater than 0.1 ohm-cm, the thickness may be between 0.5 and 10 μm. Yes.

図8Aに1つの加熱エレメント絶縁体(230)が示されており、これは、現在論じられている実施形態では、加熱エレメントを1つの伝導性マルチモルフ層から電気的に絶縁させている。上側サーマル・マルチモルフ層(227)が本発明に従う1つの装置で1つの金属から構成されたならば、1つの絶縁層が加熱エレメント(229)を層(227)から絶縁させて該加熱エレメントが適切に動作することを可能にするであろうと認められている。現在論じられている実施形態は、上側サーマル・マルチモルフ層(227)は伝導性であり、したがって加熱エレメントから絶縁されることによって利益を得ると考えている。描かれている実施形態は、下側マルチモルフ層(228)は絶縁性であり、従って加熱エレメントの適切な動作を妨げることなく加熱エレメントに隣接し得るとも考えている。同様に、現在論じられている実施形態では、負荷アーマチュアのマルチモルフ層(278)は絶縁性であり、従って第2加熱エレメント(279)に隣接することができる。   A heating element insulator (230) is shown in FIG. 8A, which, in the presently discussed embodiment, electrically isolates the heating element from one conductive multimorph layer. If the upper thermal multimorph layer (227) is composed of one metal in one device according to the present invention, one insulating layer insulates the heating element (229) from the layer (227) and the heating element is suitable. It is recognized that it will be possible to work. The currently discussed embodiment considers that the upper thermal multimorph layer (227) is conductive and thus benefits from being insulated from the heating element. The depicted embodiment also contemplates that the lower multimorph layer (228) is insulative and thus can be adjacent to the heating element without interfering with proper operation of the heating element. Similarly, in the presently discussed embodiment, the load armature's multimorph layer (278) is insulative and can therefore be adjacent to the second heating element (279).

1つの加熱エレメント絶縁体は、ラッチ電極絶縁体について前に定義されたように1つの絶縁材料から作られるであろう。本発明に従う或る複数の装置では、加熱エレメント絶縁体を作るために使用され得る可能な複数の材料はシリコンニトリド、二酸化珪素、石英、或いはポリイミド或いはその他の絶縁性ポリマーを含むと目論まれている。1つの加熱エレメント絶縁体のために使用される材料は、1つの特定の装置の製作に使用される他の或る複数の材料層と比べて薄くて、0.05から3μmの1つの範囲を有すると目論まれている。1つの装置における1つの絶縁エレメントの材料厚さは0.05と0.5μmとの間にわたり得ると目論まれている。その様な1つの範囲は、複数の絶縁材料の複数の薄い層が利用可能であって電界強度による誘電体の1つの破壊を防止するのに十分な品質を有する1つのアプリケーションに望ましいであろう。本実施形態の加熱エレメント絶縁体は、0.1μmの高品質シリコンニトリドである。複数の高品質絶縁材料の複数の薄い層を利用し得ない他の複数の装置では、1つのラッチ電極絶縁体の材料厚さは0.3と3μmとの間にわたり得ると目論まれている。   One heating element insulator will be made from one insulating material as previously defined for the latch electrode insulator. In some devices according to the present invention, it is contemplated that possible materials that can be used to make the heating element insulator include silicon nitride, silicon dioxide, quartz, or polyimide or other insulating polymers. ing. The material used for one heating element insulator is thin compared to some other material layers used in the fabrication of one particular device, and ranges from 0.05 to 3 μm. It is planned to have. It is contemplated that the material thickness of one insulating element in one device can range between 0.05 and 0.5 μm. One such range would be desirable for one application where multiple thin layers of multiple insulating materials are available and are of sufficient quality to prevent one breakdown of the dielectric due to field strength. . The heating element insulator of this embodiment is a high quality silicon nitride of 0.1 μm. In other devices where multiple thin layers of high quality insulating material cannot be utilized, it is contemplated that the material thickness of one latch electrode insulator can range between 0.3 and 3 μm. .

図9は、図6に示されている装置の1つの横断面構成図であって、リレーの、マルチモルフ・アクチュエータが組み込まれている部分を示す。固定されたベースの一部分であるベース基板(202)とカバー基板(234)とがこの図に存在し、図7A及び8Aの複数のアーマチュアはこれらの基板の間に吊るされている。本発明の現在論じられている実施形態では、複数のアクチュエータは複数のサーマル・マルチモルフである。ラッチ・アーマチュアのアクチュエータは1つの頂部サーマル・マルチモルフ層(227)を含み、第1駆動信号接続(270)及び第2駆動信号接続(271)の複数の加熱エレメント電気接続部が示されており、各々第1加熱エレメント自体の一部を形成して加熱エレメント絶縁体(230)により囲まれている。下側サーマル・マルチモルフ層(241)はアクチュエータ・アーマチュア(209)と同じ材料であり、アクチュエータ・ラッチ電極路(216)がこのアーマチュアの底面に示されている。負荷信号路(221)が同様に負荷アーマチュアの底面に示されていて、下側サーマル・マルチモルフ層として作用する。負荷アーマチュアのアクチュエータは図示されている第3駆動信号接続(255)及び第4駆動信号接続(256)の加熱エレメント電気接続部を組み入れており、各々加熱エレメント自体の一部を形成している。複数の駆動信号路は加熱エレメントの0.3μmニッケル−クロム合金から製作され、ラッチ信号路は1つの0.2μmニッケル層から製作され、負荷信号路は1つの2μmのスパッタリングされた金層から製作される。   FIG. 9 is a cross-sectional block diagram of one of the devices shown in FIG. 6, showing the portion of the relay that incorporates the multimorph actuator. A base substrate (202) and a cover substrate (234) that are part of a fixed base are present in this view, and the armatures of FIGS. 7A and 8A are suspended between these substrates. In the presently discussed embodiment of the present invention, the plurality of actuators are a plurality of thermal multimorphs. The latch armature actuator includes a single top thermal multimorph layer (227), showing a plurality of heating element electrical connections for a first drive signal connection (270) and a second drive signal connection (271); Each forms part of the first heating element itself and is surrounded by a heating element insulator (230). The lower thermal multimorph layer (241) is the same material as the actuator armature (209), and the actuator latch electrode path (216) is shown on the bottom of the armature. A load signal path (221) is also shown on the bottom surface of the load armature and acts as a lower thermal multimorph layer. The actuator of the load armature incorporates the heating element electrical connections of the third drive signal connection (255) and the fourth drive signal connection (256) shown, each forming part of the heating element itself. Multiple drive signal paths are fabricated from 0.3 μm nickel-chromium alloy of heating elements, latch signal paths are fabricated from one 0.2 μm nickel layer, and load signal paths are fabricated from one 2 μm sputtered gold layer. Is done.

図10A、10B及び10Cはラッチ・アーマチュア及び負荷アーマチュアの自由領域から取られたリレーの横断面図を示す。この領域には、リレーが閉じた状態にあるときに電気伝導を行う複数の接点エレメントが組み込まれている。固定されたベースの複数の部分であるベース基板(202)とカバー基板(234)とが存在し、接点アーマチュア(224)はこれらの基板の間に吊るされている。接点アーマチュアは、アーマチュア・ラッチダウン電極(215)及びラッチアップ電極(242)の場所でラッチ・アーマチュアに取り付けられており(225)、1つの自由端(226)を有し、ここに第1アーマチュア接点エレメント(220)及び第2アーマチュア接点エレメント(237)が位置している。アーマチュア・ラッチダウン電極と相対して、ベース基板電極(217)と、取り付けられたラッチダウン電極絶縁体(219)とがある。アーマチュア・ラッチアップ電極と相対して、カバー基板電極(244)と、取り付けられたラッチアップ電極絶縁体(246)とがある。ベース基板接点エレメント(222)はベース基板の上面上に位置して、第1アーマチュア接点エレメントと相対している。カバー基板接点エレメント(239)は、カバー基板の底面上に位置し、第2アーマチュア接点エレメントと相対している。接点アーマチュアの曲げ機能は図10B及び10Cに示されており、これらはリレーが1つの受動的状態ではなくて閉じた状態及びラッチされた状態にあることを除いて図10Aと同じ横断面を描いており、これらの状態は図5A、5B及び5Cの詳細な説明において論じられている。   10A, 10B and 10C show cross-sectional views of the relay taken from the free region of the latch armature and load armature. In this region are incorporated a plurality of contact elements that conduct electricity when the relay is in the closed state. There are a base substrate (202) and a cover substrate (234) which are a plurality of parts of the fixed base, and a contact armature (224) is suspended between these substrates. The contact armature is attached to the latch armature (225) at the location of the armature latchdown electrode (215) and latchup electrode (242) and has one free end (226), where the first armature A contact element (220) and a second armature contact element (237) are located. Opposed to the armature latchdown electrode is a base substrate electrode (217) and an attached latchdown electrode insulator (219). Opposed to the armature latchup electrode is a cover substrate electrode (244) and an attached latchup electrode insulator (246). The base substrate contact element (222) is located on the upper surface of the base substrate and is opposed to the first armature contact element. The cover substrate contact element (239) is located on the bottom surface of the cover substrate and is opposed to the second armature contact element. The bending function of the contact armature is illustrated in FIGS. 10B and 10C, which depict the same cross section as FIG. 10A, except that the relay is in a closed and latched state rather than in one passive state. These conditions are discussed in the detailed description of FIGS. 5A, 5B and 5C.

図11は1つの第3実施形態を描いた1つの機能平面構成図であり、ここでリレーは、前記の複数の第1実施形態の場合の2つではなくて3つの主アーマチュアから構成されている。図8のリレーは、複数のアクチュエータ・アーマチュアが負荷信号アーマチュアに対して垂直であるように設計されている。1つの特定の装置デザインにおいて、平行又は垂直の複数のアクチュエータ・アーマチュアのための構成、及び各アーマチュアの具体的な数は、種々の材料、ジオメトリー、及びアプリケーションについて当業者の決定に委ねられる1つの特徴であると認識されている。図12は、1つの受動的な開いた状態にある図11に示されているリレー実施形態の負荷アーマチュアの1つの横断面構成図である。図13A、13B及び13Cは、該実施形態の複数のマルチモルフ・アクチュエータ及び接点アーマチュアの複数の横断面を描いている。明瞭を期して、この第3実施形態のエレメント番号は300から始まっており、後の2つの数字は第1及び第2の実施形態からの複数の機能的同等物を指している。   FIG. 11 is a functional plane configuration diagram illustrating one third embodiment, in which the relay is configured by three main armatures instead of two in the case of the plurality of first embodiments. Yes. The relay of FIG. 8 is designed such that the plurality of actuator armatures are perpendicular to the load signal armature. In one particular device design, the configuration for multiple parallel or vertical actuator armatures, and the specific number of each armature, is left to the one of ordinary skill in the art for various materials, geometries, and applications. It is recognized as a feature. 12 is a cross-sectional block diagram of one of the relay embodiment load armatures shown in FIG. 11 in one passive open state. 13A, 13B, and 13C depict multiple cross-sections of the multi-morph actuator and contact armature of the embodiment. For clarity, the element number for this third embodiment begins with 300, and the latter two numbers refer to a plurality of functional equivalents from the first and second embodiments.

図11の複数のエレメントは図1及び6のものと同様であると考えられるけれども、複数のアクチュエータ・コンポーネントと、この実施形態における複数の同等エレメントについてのジオメトリー及び材料選択肢に複数の違いが存在する。図1及び6の埋められている複数のエレメントの図解の場合と同じく、カバー基板が取り除かれていて、明瞭を期して、普通は上からは見えない複数のエレメントの外形が複数の破線で示されている。

複数の信号ライン及び経路の具体的なジオメトリー及び位置は、設計者の決定に委ねられていて、ここで提供される複数の実施形態では例示を目的として表されている。前述したように複数の電気路の厚さ及び組成は本発明の範囲内で自由に変更できる。
Although the elements of FIG. 11 are believed to be similar to those of FIGS. 1 and 6, there are differences in the geometry and material options for the actuator components and the equivalent elements in this embodiment. . As in the case of the illustrated multiple elements of FIGS. 1 and 6, the cover substrate has been removed, and for the sake of clarity, the outlines of the elements that are not normally visible from the top are shown by multiple dashed lines. Has been.

The specific geometry and location of the signal lines and paths is left to the designer's decision and is presented for illustrative purposes in the embodiments provided herein. As described above, the thickness and composition of the plurality of electric paths can be freely changed within the scope of the present invention.

固定されたベース(301)、ベース基板(302)、カバー基板(334)、第1(303)、第2(304)及び第3(335)の負荷信号ライン、第1(305)、第2(306)、第3(355)及び第4(356)の駆動信号ライン、並びに第1(307)、第2(308)、第3(357)、第4(358)、第5(241)、及び第6(291)のラッチ信号ラインの複数のエレメントが示されている。クローズダウン・アクチュエータ・アーマチュア(309)が示されており、その一端は固定され(310)、一端(311)はベース基板に垂直な方向に偏向することができる。負荷アーマチュア(359)は閉成アクチュエータ・アーマチュアに垂直に示されており、その一端は固定され(360)、一端(361)は該基板に垂直に偏向することができる。クローズアップ・アクチュエータ・アーマチュア(389)はクローズダウン・アクチュエータ・アーマチュアに相対して見えており、1つの固定された端(390)と自由端(391)とを反映的に有する。   Fixed base (301), base substrate (302), cover substrate (334), first (303), second (304) and third (335) load signal lines, first (305), second (306), third (355) and fourth (356) drive signal lines, and first (307), second (308), third (357), fourth (358), fifth (241) , And a plurality of elements of a sixth (291) latch signal line are shown. A close-down actuator armature (309) is shown, one end of which is fixed (310) and one end (311) can be deflected in a direction perpendicular to the base substrate. A load armature (359) is shown perpendicular to the closed actuator armature, one end of which is fixed (360) and one end (361) can be deflected perpendicular to the substrate. The close-up actuator armature (389) is seen relative to the close-down actuator armature and reflects one fixed end (390) and a free end (391).

図示されている実施形態のための複数のアーマチュアは、遅い複数のスイッチング速度で1つの大きな負荷信号を伝えるように設計されている。複数のアーマチュアのための主材料は12μmの厚さの1つの単結晶シリコン層である。負荷アーマチュアは、幅が200μmで長さが800μmである。複数のアクチュエータ・アーマチュアは幅が250μmで長さが650μmである。複数の負荷信号ライン及び経路は、厚さが8μmの1つの厚い銅合金から製作される。制御信号及びラッチ信号の複数のライン及び経路は厚さ2μmのスパッタリングされたニッケル−クロム合金から製作される。   The multiple armatures for the illustrated embodiment are designed to carry a single large load signal at multiple slow switching speeds. The main material for the armatures is a single crystal silicon layer with a thickness of 12 μm. The load armature has a width of 200 μm and a length of 800 μm. The plurality of actuator armatures have a width of 250 μm and a length of 650 μm. The plurality of load signal lines and paths are fabricated from one thick copper alloy with a thickness of 8 μm. The control signal and latch signal lines and paths are fabricated from a sputtered nickel-chromium alloy having a thickness of 2 μm.

2つのアクチュエータ・ラッチダウン電極(315)及び(365)が見られ、一方はクローズダウン・アクチュエータ・アーマチュアの底面に、1つの第2のものはクローズアップ・アクチュエータ・アーマチュアの下に、夫々見られる。夫々第1(307)及び第3(357)のラッチ信号制御ラインへの所要のラッチ電極路(316)及び(366)が明瞭に見られる。夫々第2及び第4のラッチ制御信号ラインへの基板ラッチダウン電極(317)及び(367)の基板ラッチダウン電極路(318)及び(378)を図11において見ることができる。第1アクチュエータ接点エレメント(320)と、第1負荷信号ラインへの負荷信号路(321)とを図12において明瞭に見ることができる。第2アクチュエータ接点エレメント(337)と、第1アクチュエータ接点エレメントを経由する第1負荷信号ラインへの負荷信号路(338)も図12に示されている。基板接点エレメント(322)から第2負荷信号ラインへの基板接点エレメント経路(323)が存在し、同じくカバー接点エレメント(339)から第3負荷信号ライン(235)へのカバー接点エレメント経路(340)も存在する。   Two actuator latchdown electrodes (315) and (365) are seen, one on the bottom of the close-down actuator armature and one second on the bottom of the close-up actuator armature, respectively. . The required latch electrode paths (316) and (366) to the first (307) and third (357) latch signal control lines, respectively, are clearly visible. The substrate latchdown electrode paths (318) and (378) of the substrate latchdown electrodes (317) and (367) to the second and fourth latch control signal lines, respectively, can be seen in FIG. The first actuator contact element (320) and the load signal path (321) to the first load signal line can be clearly seen in FIG. A load signal path (338) to the first load signal line via the second actuator contact element (337) and the first actuator contact element is also shown in FIG. There is a board contact element path (323) from the board contact element (322) to the second load signal line, and similarly a cover contact element path (340) from the cover contact element (339) to the third load signal line (235). Is also present.

図11から13までに描かれているリレーは二重アクチュエータ・デザインであるので、多数の接点アーマチュアが存在する。クローズダウン・アクチュエータ接点アーマチュア(324)は、一端(326)において複数のラッチ電極に取り付けられ、複数のアーマチュア接点エレメントの領域では偏向することができる(325)。クローズアップ・アクチュエータ接点アーマチュア(374)は、一端(326)において複数のラッチ電極に取り付けられ、複数のアーマチュア接点エレメントの領域では偏向することができる(325)。クローズダウン・アクチュエータは、前の実施形態の、図13Aで明瞭に示されているサーマル・マルチモルフと同様の材料及びジオメトリー考慮事項を有する1つの膨張性上側サーマル・バイモルフ層(327)及び1つの下側サーマル・バイモルフ層(328)から構成されている。駆動アップ・アクチュエータは、1つの上側サーマル・バイモルフ層(378)の下の1つの膨張性下側サーマル・バイモルフ層(377)から構成されている。複数の層(328)及び(378)は、図11から13までに描かれている実施形態について同じ公称アーマチュア材料層から構成されている。   Since the relay depicted in FIGS. 11-13 is a dual actuator design, there are multiple contact armatures. A close-down actuator contact armature (324) is attached to the plurality of latch electrodes at one end (326) and can be deflected (325) in the region of the plurality of armature contact elements. A close-up actuator contact armature (374) is attached to the plurality of latch electrodes at one end (326) and can be deflected (325) in the region of the plurality of armature contact elements. The close-down actuator consists of one inflatable upper thermal bimorph layer (327) and one lower layer with material and geometry considerations similar to the thermal multimorph clearly shown in FIG. 13A of the previous embodiment. It is composed of a side thermal bimorph layer (328). The drive up actuator is composed of one inflatable lower thermal bimorph layer (377) under one upper thermal bimorph layer (378). The plurality of layers (328) and (378) are composed of the same nominal armature material layer for the embodiment depicted in FIGS.

1つの抵抗性第1加熱エレメント(329)は、1つの電流から成る1つの制御信号で閉成バイモルフ・アクチュエータを加熱する1つの方法を提供する。図6から10までの実施形態について前に論じられた第1加熱エレメント(229)の場合と同様に、この様なエレメントは1つの第1加熱エレメント絶縁体(330)の表面上の1つの抵抗性の曲がりくねった経路であって良い。この様なエレメントのための複数の材料及び厚さは、前の実施形態について論じられたものと同様であろうと更に考えられる。1つの第2加熱エレメント(379)は、前の実施形態の第2加熱エレメントについて記載された態様と同様の1つの態様で駆動アップ・バイモルフ・アクチュエータを加熱する1つの方法を提供する。このエレメントは、1つの第2加熱エレメント絶縁体(380)によって電気的に絶縁されている。
2つのサーマル・バイモルフ・アクチュエータの固定されたビームは1つのカンチレバー構成と比べて窮屈な1つの運動範囲をもたらすことが認められている。
One resistive first heating element (329) provides a way to heat the closed bimorph actuator with one control signal consisting of one current. As with the first heating element (229) previously discussed for the embodiments of FIGS. 6-10, such an element has one resistance on the surface of one first heating element insulator (330). It may be a winding path of sex. It is further contemplated that the materials and thicknesses for such elements would be similar to those discussed for previous embodiments. One second heating element (379) provides one way to heat the drive up bimorph actuator in one manner similar to that described for the second heating element of the previous embodiment. This element is electrically insulated by one second heating element insulator (380).
It has been observed that the fixed beams of the two thermal bimorph actuators provide a tight range of motion compared to a single cantilever configuration.

図13Aは図11に描かれているサーマル・バイモルフ・アクチュエータ・リレー実施形態の1つの横断面構成図であって、複数のエレメントは図11及び12のとおりであって、作動信号やラッチ信号は加えられていなくて1つの中立の状態である。現在論じられている実施形態では2つのマルチモルフ・アクチュエータは複数の反対方向に作動すると認められる。この実施形態では、クローズダウン・アクチュエータは1つのクローズダウン制御信号が加えられたときにアーマチュア接点エレメントを1つの下向き方向に偏向させ、クローズアップ・アクチュエータは1つのクローズアップ制御信号が加えられたときにベース基板に垂直な1つの上向き方向に偏向する。   FIG. 13A is a cross-sectional block diagram of one embodiment of the thermal bimorph actuator relay embodiment depicted in FIG. 11, wherein the elements are as in FIGS. 11 and 12, and the actuation and latch signals are One neutral state that has not been added. In the presently discussed embodiment, it is recognized that the two multimorph actuators operate in a plurality of opposite directions. In this embodiment, the close-down actuator deflects the armature contact element in one downward direction when a close-down control signal is applied, and the close-up actuator is applied when a close-up control signal is applied. And deflected in one upward direction perpendicular to the base substrate.

図6−10に例示されている実施形態の複数のリレー状態は、図1−5の第1実施形態のそれと同一であった。前の実施形態の場合と同様に、図13Bは安定な第1アクティブ状態にある1つの装置の1つの横断面構成図であり、ここでは装置の複数の機械的制約が更なるアーマチュア偏向を妨げる。図13Bの閉成アクチュエータはクローズダウン制御信号から1つの下向き方向にカールしているが、固定されたビームの状態と複数の接点アーマチュアの曲げ力とによって厳しく抑えられている。アクチュエータ・アーマチュアに誘起された下向き湾曲の一部又は全部が負荷信号アーマチュアに結合されて、これをアクチュエータ接点エレメント及びベース接点エレメントと係合するポイントへ偏向させ得るように、この実施形態では図2A及び3Aの複数のアーマチュアは機械的に結合されていると考えられる。第1アーマチュア電極の、ベース基板電極のラッチダウン電極絶縁体との接触は不要であると認められるが、その様な接触が図13Bにおいて図解されている。   The plurality of relay states of the embodiment illustrated in FIGS. 6-10 were the same as that of the first embodiment of FIGS. 1-5. As in the previous embodiment, FIG. 13B is a cross-sectional block diagram of one device in a stable first active state, where multiple mechanical constraints of the device prevent further armature deflection. . The closed actuator of FIG. 13B curls in one downward direction from the close-down control signal, but is severely constrained by the state of the fixed beam and the bending force of the multiple contact armatures. In this embodiment, a portion or all of the downward curve induced in the actuator armature can be coupled to the load signal armature and deflected to a point that engages the actuator contact element and the base contact element in FIG. And 3A armatures are considered to be mechanically coupled. Although it is recognized that contact of the first armature electrode with the latched-down electrode insulator of the base substrate electrode is not required, such contact is illustrated in FIG. 13B.

この実施形態についての第1のラッチされた状態は、1つのラッチ制御信号を複数のラッチ電極の両方の対に加えてこれらを引き付けて複数の静電力でこれらを結合させておくことによって開始される。本発明に従う多くの装置においては、この様な作用の結果としてアーマチュア電極が平らになり、閉成された接点が保たれると考えられる。図13Cに図解されている実施形態は、この様な1つの状態を反映している。第1のラッチされた状態はアクチュエータからの駆動制御信号の除去に配慮しており、リレーは第1のラッチされた状態にとどまる。   The first latched state for this embodiment is initiated by applying one latch control signal to both pairs of latch electrodes and attracting them to couple them with multiple electrostatic forces. The In many devices according to the present invention, it is believed that as a result of this action, the armature electrode is flattened and a closed contact is maintained. The embodiment illustrated in FIG. 13C reflects one such situation. The first latched state allows for the removal of the drive control signal from the actuator and the relay remains in the first latched state.

或る複数の装置では、ラッチ制御信号を後に除去することによって、複数のアーマチュア自体に内在する複数の復元力によりリレーを受動的状態に戻すことができると考えられる。現在論じられている実施形態を含む他の或る複数の装置では、クローズアップ・アクチュエータからの強制的な助力はリレーを受動的状態に復帰させるのに役立ち得ると考えられる。第2のアクティブ状態及び第2のラッチされた状態は、簡潔を期して、図解されていない。これらの状態は、図6から10までに図解されている前の実施形態について記載された態様と同様の態様で達成され得る。   In some devices, it may be possible to return the relay to a passive state by later removing the latch control signal due to the restoring forces inherent in the armatures themselves. In some other devices, including the presently discussed embodiments, it is believed that forced help from a close-up actuator can help return the relay to a passive state. The second active state and the second latched state are not illustrated for the sake of brevity. These states may be achieved in a manner similar to that described for the previous embodiment illustrated in FIGS.

複数の本実施形態に対する種々の変更、調整は当業者にとっては明白であるということが理解されるべきである。本発明の範囲を変更せずに、本発明に付随する複数の利点を減少させずに前記のような複数の変更、調整を行うことができる。   It should be understood that various changes and adjustments to the present embodiments will be apparent to those skilled in the art. Multiple changes and adjustments as described above can be made without changing the scope of the invention and without diminishing the advantages associated with the invention.

本発明の一実施形態の1つの機能平面図である。It is one functional top view of one embodiment of the present invention. 1つの代表的実施形態の複数のアクチュエータ・エレメントを露出させるためにカバーが取り外されている1つの平面図である。FIG. 6 is a plan view with a cover removed to expose multiple actuator elements of one exemplary embodiment. 1つの代表的実施形態の複数のアクチュエータ・エレメントを露出させるためにカバーが取り外されている1つの平面図である。FIG. 6 is a plan view with a cover removed to expose multiple actuator elements of one exemplary embodiment. 1つの代表的実施形態の複数のアクチュエータ・エレメントを露出させるためにカバーが取り外されている1つの平面図である。FIG. 6 is a plan view with a cover removed to expose multiple actuator elements of one exemplary embodiment. 1つの代表的実施形態の複数のアクチュエータ・エレメントを露出させるためにカバーが取り外されている1つの平面図である。FIG. 6 is a plan view with a cover removed to expose multiple actuator elements of one exemplary embodiment. 1つの代表的実施形態の複数のアクチュエータ・エレメントを露出させるためにカバーが取り外されている1つの平面図である。FIG. 6 is a plan view with a cover removed to expose multiple actuator elements of one exemplary embodiment. リレーが受動的状態にあるときの負荷アーマチュアである。A load armature when the relay is in a passive state. 1つのリレーが1つのアクティブダウン状態に追い込まれたときに負荷アーマチュアに誘起される曲率を示す。Fig. 4 shows the curvature induced in the load armature when one relay is driven into one active down state. ラッチダウンされた状態にあるときのリレーの負荷アーマチュアに誘起される1つの曲率を示す。Fig. 4 shows one curvature induced in a relay load armature when in a latched down state. 1つのリレーがアクティブアップ状態に追い込まれたときの負荷アーマチュアの曲率を示す。The curvature of the load armature when one relay is driven into the active up state. ラッチアップ状態にあるときのリレー負荷アーマチュアに誘起される1つの曲率を示す。Fig. 4 shows one curvature induced in a relay load armature when in a latch-up state. リレーが受動的状態にあるときのアクチュエータ・アーマチュアである。Actuator armature when the relay is in a passive state. 1つのリレーが1つのアクティブダウン状態に追い込まれたときにアクチュエータ・アーマチュアに誘起される曲率を示す。Fig. 4 shows the curvature induced in the actuator armature when one relay is driven into one active down state. アーマチュア電極接触の、リレーがラッチダウンされた状態のときにアクチュエータ・アーマチュアに誘起される1つの可能な曲率を示す。Fig. 5 illustrates one possible curvature of the armature electrode contact that is induced in the actuator armature when the relay is latched down. 1つのリレーが1つのアクティブアップ状態に追い込まれたときにアクチュエータ・アーマチュアに誘起された曲率を示す。Fig. 4 shows the curvature induced in the actuator armature when one relay is driven into one active up state. アーマチュア電極接触の、リレーがラッチアップされた状態にあるときにアクチュエータ・アーマチュアに誘起される1つの可能な曲率を示す。Fig. 5 illustrates one possible curvature of the armature electrode contact that is induced in the actuator armature when the relay is in the latched up state. 1つのマルチモルフ・アクチュエータの領域における複数のアーマチュアの1つの横断面構成図であって、複数の電気接続部間の関係を示す。1 is a cross-sectional block diagram of one of a plurality of armatures in the region of one multimorph actuator, showing the relationship between a plurality of electrical connections. FIG. 開成リレー状態にあるラッチング及び接点メカニズムを有するリレー領域の横断面を示すFig. 5 shows a cross section of a relay area with latching and contact mechanism in open relay クローズダウンされたリレー状態にあるラッチング及び接点メカニズムを有するリレー領域の横断面を示す。Fig. 5 shows a cross section of a relay region with latching and contact mechanisms in a closed-down relay state. クローズアップされたリレー状態にあるラッチング及び接点メカニズムを有するリレー領域の横断面を示す。Fig. 4 shows a cross section of a relay region with latching and contact mechanisms in a closed-up relay state. 1つの主アクチュエータとして1つのサーマル・マルチモルフを使用する1つの実施形態の1つの機能平面図である。FIG. 2 is a functional plan view of one embodiment using one thermal multimorph as one main actuator. リレーが受動的状態にあるときの負荷アーマチュアである。A load armature when the relay is in a passive state. 1つのリレーが1つのアクティブダウン状態に追い込まれたときに負荷アーマチュアに誘起される曲率を示す。Fig. 4 shows the curvature induced in the load armature when one relay is driven into one active down state. ラッチダウンされた状態において負荷アーマチュアに誘起される1つのリレー曲率を示す。Fig. 4 shows one relay curvature induced in a load armature in the latched down state. 1つのリレーが1つのアクティブアップ状態に追い込まれたときに負荷アーマチュアに誘起される曲率を示す。Fig. 4 shows the curvature induced in the load armature when one relay is driven into one active up state. ラッチアップされた状態にあるときにリレー負荷アーマチュアに誘起される1つの曲率を示す。Fig. 4 illustrates one curvature induced in a relay load armature when in a latched up state. リレーが受動的状態にあるときのアクチュエータ・アーマチュアである。Actuator armature when the relay is in a passive state. リレーがアクティブダウン状態に追い込まれたときのアクチュエータ・アーマチュアを示す。The actuator armature is shown when the relay is driven into the active down state. アーマチュア電極接触における、ラッチダウンされたリレー状態にあるときのアクチュエータ・アーマチュアに誘起される1つの曲率を示す。Fig. 6 shows one curvature induced in an actuator armature when in a latched-down relay state in armature electrode contact. リレーが1つのアクティブアップ状態に追い込まれたときのアクチュエータ・アーマチュアを示す。Fig. 5 shows the actuator armature when the relay is driven into one active up state. アーマチュア電極接触における、ラッチアップされたリレー状態にあるときにアクチュエータ・アーマチュアに誘起される1つの可能な曲率を示す。Fig. 6 illustrates one possible curvature induced in an actuator armature when in a latched-up relay state in armature electrode contact. 1つのマルチモルフ・アクチュエータの領域における複数のアーマチュアの1つの横断面構成図である。FIG. 3 is a cross-sectional configuration diagram of one of a plurality of armatures in a region of one multimorph actuator. ラッチング及び接点メカニズムが開成リレー状態にあるリレー領域の横断面を示す。Fig. 5 shows a cross section of a relay region where the latching and contact mechanism is in the open relay state. クローズダウンされたリレー状態にあるリレー領域の横断面を示す。2 shows a cross section of a relay region in a closed-down relay state. クローズアップされたリレー状態にあるリレー領域の横断面を示す。2 shows a cross section of a relay region in a closed-up relay state. 複数のアクチュエータ・アーマチュア構造で構成する第3実施形態における1つのリレーを示す。One relay in 3rd Embodiment comprised by a some actuator armature structure is shown. 本実施形態の負荷アーマチュアの1つの横断面構成を示す。1 shows one cross-sectional configuration of a load armature of the present embodiment. リレーが受動的状態にあるときのアクチュエータ・アーマチュアを示す。The actuator armature is shown when the relay is in a passive state. リレーがアクティブダウン状態に追い込まれたときにアクチュエータ・アーマチュアに誘起される曲率を示す。Fig. 4 shows the curvature induced in the actuator armature when the relay is driven into the active down state. ラッチダウンされた状態にあるときの複数のアクチュエータ・アーマチュアを示す。Fig. 5 illustrates a plurality of actuator armatures when in a latched down state.

Claims (20)

マイクロ・ファブリケーションされた1つのリレーであって、
1つの基板と、
前記基板の上に位置する1つのカバーと、
前記基板に取り付けられた1つのベースと、
1つの第1負荷信号ライン、1つの第2負荷信号ライン、及び1つの第3負荷信号ラインを含む複数の負荷信号ラインと、
1つの第1駆動信号ラインと、1つの第2駆動信号ラインと、1つの第1ラッチ信号ラインと、1つの第2ラッチ信号ラインとを含む複数の制御信号ラインと、
1つのラッチ・アーマチュア構造を含む1つの複合アーマチュア構造と
を備え、
前記複合アーマチュア構造が
1つのラッチ・アーマチュア構造であって、
前記ベースに取り付けられた1つのアンカー領域と、
前記アンカー領域に取り付けられた1つの第1領域と1つの受動的位置と1つの下側被ラッチ位置と1つの上側被ラッチ位置との間で移動可能な1つの第2領域とを含む1つのラッチ偏向領域と
を備え、前記ラッチ偏向領域が、
1つの第1刺激に応答して1つの第1量だけサイズを変化させるとともに1つの第2刺激に応答して1つの第3量だけサイズを変化させる1つの第1材料と、
前記第1刺激により1つの第2量だけサイズを変化させるとともに前記第2刺激に応答して1つの第4量だけサイズを変化させる1つの第2材料と
を更に備え、
前記第1量および前記第2量は等しくなくて前記第1刺激に応答して前記ラッチ偏向領域に1つの第1偏向力を加え、前記第1偏向力は前記第2領域を前記受動的位置から前記下側被ラッチ位置の方へ移動させるのに役立ち、
前記第3量及び前記第4量は等しくなくて、前記第2刺激に応答して1つの第2偏向力を前記ラッチ偏向領域に加え、前記第2偏向力は前記第2領域を前記受動的位置から前記上側被ラッチ位置の方へ移動させるのに役立つ
ラッチ・アーマチュア構造と、
前記ラッチ偏向領域の前記第2領域の1つの下側面の1つの部分上に位置して前記第1ラッチ信号ラインに電気的に接続される第1ラッチ電極と、
前記第1ラッチ電極の下で前記基板上に形成されて前記第2ラッチ信号ラインに電気的に接続される第2ラッチ電極と、
前記偏向領域の前記第2領域が前記下側被ラッチ位置にあるときに前記第1ラッチ電極と前記第2ラッチ電極との電気的接触を妨げる第1ラッチ電極絶縁体と、
前記ラッチ偏向領域の前記第2領域の1つの上面の1つの部分上に位置して前記第1ラッチ信号ラインに電気的に接続される第3ラッチ電極と、
概して前記第3ラッチ電極の上で前記カバーの1つの下側面上に形成されて前記第3ラッチ信号ラインに電気的に接続される第4ラッチ電極と、
1つの第2ラッチ電極絶縁体であって、前記偏向領域の前記第2領域が前記上側被ラッチ位置にあるときに前記第3ラッチ電極と前記第4ラッチ電極との電気的接触を妨げる第2ラッチ電極絶縁体と、
前記第1刺激又は前記第2刺激を前記ラッチ偏向領域に選択的に加えるための1つの手段と、
1つの負荷アーマチュア構造と
を備え、
前記負荷アーマチュア構造が、
前記ベースに取り付けられた1つのアンカー領域と、
前記負荷アーマチュア構造を前記ラッチ・アーマチュア構造に結合させる1つの結合領域と、
前記アンカー領域に取り付けられた1つの第1領域と、1つの開成位置と1つの下側閉成位置と1つの上側閉成位置との間を移動し得る1つの第2領域とを含む1つの接点偏向領域であって、前記下側閉成位置は前記ラッチ偏向領域の前記第2領域が前記下側被ラッチ位置にあるときに確立され、前記上側閉成位置は前記ラッチ偏向領域の前記第2領域が前記上側被ラッチ位置にあるときに確立される接点偏向領域と、
前記接点偏向領域の前記第2領域の1つの下側面の1つの部分上に形成された1つの第1接点電極と、
前記第1接点電極の下の前記基板上に形成された1つの第2接点電極であって、前記接点偏向領域が前記下側閉成位置にあるときに前記第1接点電極と前記第2接点電極とは電気的に接触させられ、前記接点偏向領域は前記ラッチ偏向領域と関連して動く第2接点電極と、
前記接点偏向領域の前記第2領域の1つの上側面の1つの部分上に形成された1つの第3接点電極と、
前記第3接点電極の上の前記カバーの1つの下側面上に形成された1つの第4接点電極であって、前記第3接点電極と前記第4接点電極とは前記接点偏向領域が前記上側閉成位置にあるときに1つの第2接触力で電気的に接触させられ、前記接点偏向領域は前記ラッチ偏向領域と関連して動く第4接点電極と
を備える
マイクロ・ファブリケーションされたリレー。
A micro-fabricated relay,
One substrate,
A cover located on the substrate;
A base attached to the substrate;
A plurality of load signal lines including one first load signal line, one second load signal line, and one third load signal line;
A plurality of control signal lines including one first drive signal line, one second drive signal line, one first latch signal line, and one second latch signal line;
With one composite armature structure including one latch armature structure,
The composite armature structure is a single latch armature structure,
One anchor region attached to the base;
One including one first region attached to the anchor region, one passive position, one lower latched position, and one second region movable between one upper latched position And a latch deflection region, wherein the latch deflection region is
One first material that changes size by one first amount in response to one first stimulus and changes size by one third amount in response to one second stimulus;
A second material that changes size by one second amount in response to the first stimulus and changes size by one fourth amount in response to the second stimulus; and
The first amount and the second amount are not equal and apply a first deflection force to the latch deflection region in response to the first stimulus, the first deflection force causing the second region to move to the passive position. To move from the lower latched position to
The third amount and the fourth amount are not equal, and in response to the second stimulus, one second deflection force is applied to the latch deflection region, and the second deflection force causes the second region to be passively applied A latch armature structure that helps to move from position to the upper latched position;
A first latch electrode located on a portion of one lower surface of the second region of the latch deflection region and electrically connected to the first latch signal line;
A second latch electrode formed on the substrate under the first latch electrode and electrically connected to the second latch signal line;
A first latch electrode insulator that prevents electrical contact between the first latch electrode and the second latch electrode when the second region of the deflection region is in the lower latched position;
A third latch electrode located on a portion of one upper surface of the second region of the latch deflection region and electrically connected to the first latch signal line;
A fourth latch electrode formed on the lower surface of one of the covers generally over the third latch electrode and electrically connected to the third latch signal line;
A second latch electrode insulator that prevents electrical contact between the third latch electrode and the fourth latch electrode when the second region of the deflection region is at the upper latched position; A latch electrode insulator;
One means for selectively applying the first stimulus or the second stimulus to the latch deflection region;
With one load armature structure,
The load armature structure is
One anchor region attached to the base;
A coupling region coupling the load armature structure to the latch armature structure;
One including a first region attached to the anchor region and a second region movable between an open position, a lower closed position and an upper closed position; A contact deflection area, wherein the lower closed position is established when the second area of the latch deflection area is at the lower latched position, and the upper closed position is the first position of the latch deflection area. A contact deflection area established when two areas are in the upper latched position;
One first contact electrode formed on a portion of one lower surface of the second region of the contact deflection region;
One second contact electrode formed on the substrate under the first contact electrode, wherein the first contact electrode and the second contact when the contact deflection region is in the lower closed position A second contact electrode that is in electrical contact with the electrode, and wherein the contact deflection region moves relative to the latch deflection region;
A third contact electrode formed on a portion of one upper side surface of the second region of the contact deflection region;
One fourth contact electrode formed on one lower surface of the cover above the third contact electrode, wherein the third contact electrode and the fourth contact electrode have the contact deflection region on the upper side. A microfabricated relay comprising: a fourth contact electrode that is electrically contacted with one second contact force when in the closed position, and wherein the contact deflection region moves relative to the latch deflection region.
前記第1材料が1つの第1熱膨張係数を有し、
前記第2材料が1つの第2熱膨張係数を有し、
前記第1駆動電極と前記第2駆動電極との間を流れる1つの第1電流が、1つの熱的第1刺激を提供し、これによって前記ラッチ・アーマチュア構造の前記ラッチ偏向領域内に前記第1偏向力を発生させ、
前記第1駆動電極と前記第2駆動電極との間を流れる1つの第2電流が、1つの熱的第2刺激を提供し、これによって前記ラッチ・アーマチュア構造の前記ラッチ偏向領域内に前記第2偏向力を発生させる、
請求項1に記載のマイクロ・ファブリケーションされたリレー。
The first material has one first coefficient of thermal expansion;
The second material has one second coefficient of thermal expansion;
A first current flowing between the first drive electrode and the second drive electrode provides a thermal first stimulus, thereby causing the first current in the latch deflection region of the latch armature structure. Generate one deflection force,
A second current flowing between the first drive electrode and the second drive electrode provides a thermal second stimulus, thereby causing the first current in the latch deflection region of the latch armature structure. 2 Generate a deflection force,
The microfabricated relay according to claim 1.
前記第1電流が1つの抵抗性加熱エレメントを通って流れ、前記抵抗性加熱エレメントが前記ラッチ・アーマチュア構造の前記ラッチ偏向領域に組み込まれ、前記第2電流が前記抵抗性加熱エレメントを通って流れる、請求項2に記載のマイクロ・ファブリケーションされたリレー。   The first current flows through one resistive heating element, the resistive heating element is incorporated into the latch deflection region of the latch armature structure, and the second current flows through the resistive heating element. A microfabricated relay according to claim 2. 前記抵抗性加熱エレメントが前記第1材料の1つの層に組み込まれている、請求項3に記載のマイクロ・ファブリケーションされたリレー。   4. The microfabricated relay of claim 3, wherein the resistive heating element is incorporated in one layer of the first material. 前記抵抗性加熱エレメントが前記第1材料の1つの層と前記第2材料の1つの層との間に形成される、請求項3に記載のマイクロ・ファブリケーションされたリレー。   4. The microfabricated relay of claim 3, wherein the resistive heating element is formed between one layer of the first material and one layer of the second material. 前記第1ラッチ電極絶縁体が前記第1ラッチ電極上に形成され、前記第2ラッチ絶縁体が前記第3ラッチ電極上に形成される、請求項1に記載のマイクロ・ファブリケーションされたリレー。   The microfabricated relay of claim 1, wherein the first latch electrode insulator is formed on the first latch electrode and the second latch insulator is formed on the third latch electrode. 前記第1ラッチ電極絶縁体が前記第2ラッチ電極上に形成され、前記第2ラッチ絶縁体が前記第4ラッチ電極上に形成される、請求項1に記載のマイクロ・ファブリケーションされたリレー。   The microfabricated relay of claim 1, wherein the first latch electrode insulator is formed on the second latch electrode and the second latch insulator is formed on the fourth latch electrode. 前記第1材料の1つの層が1つの第1レベルの圧電応答を有し、
前記第2材料の1つの層は1つの第2レベルの圧電応答を有し、
前記第1駆動電極と前記第2駆動電極との間に加えられた1つの第1電圧が、1つの圧電第1刺激を提供し、これによって前記ラッチ・アーマチュア構造の前記ラッチ偏向領域内に前記第1偏向力を発生させ、
前記第1駆動電極と前記第2駆動電極との間に加えられた1つの第2電圧が、1つの圧電第2刺激を提供し、これによって前記ラッチ・アーマチュア構造の前記ラッチ偏向領域内に前記第2偏向力を発生させる、
請求項1に記載のマイクロ・ファブリケーションされたリレー。
One layer of the first material has one first level piezoelectric response;
One layer of the second material has one second level piezoelectric response;
A first voltage applied between the first drive electrode and the second drive electrode provides a piezoelectric first stimulus, thereby causing the latch armature structure to include the first deflection voltage in the latch deflection region. Generating a first deflection force,
One second voltage applied between the first drive electrode and the second drive electrode provides one piezoelectric second stimulus, thereby causing the latch armature structure to have the latch deflection region in the latch deflection region. Generating a second deflection force,
The microfabricated relay according to claim 1.
前記第1材料又は前記第2材料の一方が本質的にゼロである1つのレベルの圧電応答を有する、請求項8に記載のマイクロ・ファブリケーションされたリレー。   9. The microfabricated relay of claim 8 having a level of piezoelectric response where one of the first material or the second material is essentially zero. 前記ラッチ偏向領域が1つの第3材料の1つの層を更に含み、
前記第3材料が1つの第3レベルの圧電応答を有し、前記第3レベルの圧電応答はゼロに等しくなく、
前記第1駆動電極と前記第2駆動電極との間に加えられる前記第1電圧が前記第3材料の前記層を横断して加えられ、
前記第3材料の前記層の前記圧電応答が、前記ラッチ・アーマチュア構造の前記ラッチ偏向領域内に発生される前記第1偏向力に寄与し、
前記第1駆動電極と前記第2駆動電極との間に加えられる前記第2電圧が、前記第3材料の前記層を横断して加えられ、
前記第3材料の前記層の前記圧電応答が、前記ラッチ・アーマチュア構造の前記ラッチ偏向領域内に発生される前記第2偏向力に寄与する、
請求項8に記載のマイクロ・ファブリケーションされたリレー。
The latch deflection region further comprises a layer of a third material;
The third material has one third level piezoelectric response, and the third level piezoelectric response is not equal to zero;
The first voltage applied between the first drive electrode and the second drive electrode is applied across the layer of the third material;
The piezoelectric response of the layer of the third material contributes to the first deflection force generated in the latch deflection region of the latch armature structure;
The second voltage applied between the first drive electrode and the second drive electrode is applied across the layer of the third material;
The piezoelectric response of the layer of the third material contributes to the second deflection force generated in the latch deflection region of the latch armature structure;
9. A microfabricated relay according to claim 8.
前記第1材料の1つの層が1つの第1初期レベルの内部応力を有し、
前記第2材料の1つの層が1つの第2初期レベルの内部応力を有し、
前記第1及び第2の初期レベルの内部応力が圧縮性であり、
1つの第1の機械的偏向刺激を前記ラッチ・アーマチュア構造に加えると前記第1の機械的偏向刺激の方向の前記ラッチ・アーマチュア構造の1つのバックリングがもたらされ、このバックリングが、前記圧縮性初期レベルの内部応力の一部分を解放し、これによって前記ラッチ偏向領域の前記第2領域を前記下側被ラッチ位置へ動かし、
1つの第2の機械的偏向刺激を前記ラッチ・アーマチュア構造に加えると前記第2の機械的偏向刺激の方向の前記ラッチ・アーマチュア構造の1つのバックリングがもたらされ、このバックリングが、前記圧縮性初期レベルの内部応力の一部分を解放し、これによって前記ラッチ偏向領域の前記第2領域を前記上側被ラッチ位置へ動かす、
請求項1に記載のマイクロ・ファブリケーションされたリレー。
A layer of the first material has a first initial level of internal stress;
One layer of the second material has one second initial level of internal stress;
The first and second initial levels of internal stress are compressible;
Applying one first mechanical deflection stimulus to the latch armature structure results in one buckling of the latch armature structure in the direction of the first mechanical deflection stimulus. Releasing a portion of the internal compressive level of initial stress thereby moving the second region of the latch deflection region to the lower latched position;
Applying one second mechanical deflection stimulus to the latch armature structure results in one buckling of the latch armature structure in the direction of the second mechanical deflection stimulus. Releasing a portion of the internal compressive level of internal stress thereby moving the second region of the latch deflection region to the upper latched position;
The microfabricated relay according to claim 1.
1つの外部の機械的手段が前記第1の機械的偏向刺激を前記ラッチ・アーマチュア構造に加え、1つの外部の機械的手段が前記第2の機械的偏向刺激を前記ラッチ・アーマチュア構造に加える、請求項11に記載のマイクロ・ファブリケーションされたリレー。   One external mechanical means applies the first mechanical deflection stimulus to the latch armature structure and one external mechanical means applies the second mechanical deflection stimulus to the latch armature structure; The microfabricated relay of claim 11. 前記第1刺激に対する前記ラッチ偏向領域の応答が前記第1の機械的偏向刺激を前記ラッチ・アーマチュア構造に加え、前記第2刺激に対する前記ラッチ偏向領域の応答が前記第2の機械的偏向刺激を前記ラッチ・アーマチュア構造に加える、請求項11に記載のマイクロ・ファブリケーションされたリレー。   A response of the latch deflection region to the first stimulus adds the first mechanical deflection stimulus to the latch armature structure, and a response of the latch deflection region to the second stimulus causes the second mechanical deflection stimulus. 12. The microfabricated relay of claim 11 in addition to the latch armature structure. 前記第1刺激が1つの熱的刺激及び1つの圧電刺激のうちの一方であり、
前記第2刺激が1つの熱的刺激と1つの圧電刺激とのうちの一方である、
請求項13に記載のマイクロ・ファブリケーションされたリレー。
The first stimulus is one of a thermal stimulus and a piezoelectric stimulus;
The second stimulus is one of a thermal stimulus and a piezoelectric stimulus;
14. A microfabricated relay according to claim 13.
前記第1の機械的偏向刺激の少なくとも一部分が1つの形状記憶効果により加えられ、
前記第1材料の1つの層が膨張のための1つの第1レベルの形状記憶効果を有し、
前記第2材料の1つの層が1つの第2レベルの形状記憶効果を有し、前記第2の機械的偏向刺激の少なくとも一部分が1つの形状記憶効果により加えられ、
前記第1材料の1つの層が膨張のための1つの第1レベルの形状記憶効果を有し、
前記第2材料の1つの層は1つの第2レベルの形状記憶効果を有する、
請求項11に記載のマイクロ・ファブリケーションされたリレー。
At least a portion of the first mechanical deflection stimulus is applied by one shape memory effect;
One layer of the first material has one first level shape memory effect for expansion;
One layer of the second material has one second level shape memory effect, and at least a portion of the second mechanical deflection stimulus is applied by one shape memory effect;
One layer of the first material has one first level shape memory effect for expansion;
One layer of the second material has one second level shape memory effect;
The microfabricated relay of claim 11.
マイクロ・ファブリケーションされたリレーであって、
1つの基板と、
前記基板の上に位置する1つのカバーと、
1つの第1ベースと1つの第2ベースと、
1つの第1負荷信号ライン、1つの第2負荷信号ライン、及び1つの第3負荷信号ラインを含む複数の負荷信号ラインと、
1つの第1駆動信号ライン、1つの第2駆動信号ライン、1つの第1ラッチ信号ライン、及び1つの第2ラッチ信号ラインを含む複数の制御信号ラインと、
1つの複合アーマチュア構造と
を備え、前記複合アーマチュア構造が、
1つのラッチ・アーマチュア構造であって
前記第1ベースに取り付けられた1つの第アンカー領域と、
前記第2ベースに取り付けられた1つの第2アンカー領域と、
1つのラッチ偏向領域とであって、
前記第1アンカー領域に取り付けられた1つの第1領域と、
前記第2アンカー領域に取り付けられた1つの第2領域と、
1つの受動的位置及び1つの下側被ラッチ位置及び1つの上側被ラッチ位置の間を移動し得る1つの第3領域であって、
前記ラッチ偏向領域が、
1つの第1刺激に応答して1つの第1量だけサイズを変化させるとともに1つの第2刺激に応答して1つの第3量だけサイズを変化させる1つの第1材料と、
前記第1刺激により1つの第2量だけサイズを変化させるとともに前記第2刺激に応答して1つの第4量だけサイズを変化させる1つの第2材料であって、前記第1及び第2の量は等しくなくて、前記第1刺激に応答して1つの第1偏向力を前記ラッチ偏向領域に加え、前記第1偏向力は前記第2領域を前記受動的位置から前記下側被ラッチ位置へ動かすのに役立ち、前記第3及び第4の量は等しくなくて、前記第2刺激に応答して1つの第2偏向力を前記ラッチ偏向領域に加え、前記第2偏向力は前記第2領域を前記受動的位置から前記上側被ラッチ位置へ動かすのに役立つ第2材料と、
を備える第3領域と
を備えるラッチ偏向領域と
を備えるラッチ・アーマチュア構造と、
前記ラッチ偏向領域の前記第1領域の1つの下側面の一部分上に位置する第1ラッチ電極と、
前記ラッチ偏向領域の前記第2領域の1つの下側面の一部分上に位置する第2ラッチ電極と、
前記第1ラッチ電極の下の前記基板上に形成される第3ラッチ電極と、
前記第2ラッチ電極の下の前記基板上に形成される第4ラッチ電極と、
前記偏向領域の前記第3領域が前記被ラッチ位置にあるときに前記第1ラッチ電極と前記第3ラッチ電極との電気的接触を妨げる第1ラッチ電極絶縁体と、
前記偏向領域の前記第3領域が前記被ラッチ位置にあるときに前記第2ラッチ電極と前記第4ラッチ電極との電気的接触を妨げる第2ラッチ電極絶縁体と、
前記第1刺激を前記ラッチ偏向領域に選択的に加えるための1つの手段と、
前記ラッチ偏向領域の前記第1領域の1つの上側面の一部分上に位置する第5ラッチ電極と、
前記ラッチ偏向領域の前記第2領域の1つの上側面の一部分上に位置する第6ラッチ電極と、
概して前記第5ラッチ電極の上の前記カバーの1つの下側面の1つの第1部分上に形成されている第7ラッチ電極と、
概して前記第6ラッチ電極の上の前記カバーの前記下側面の1つの第2部分上に形成されている第8ラッチ電極と、
前記偏向領域の前記第3領域が前記上側被ラッチ位置にあるときに前記第5ラッチ電極と前記第7ラッチ電極との電気的接触を妨げる第3ラッチ電極絶縁体と、
前記偏向領域の前記第3領域が前記上側被ラッチ位置にあるときに前記第6ラッチ電極と前記第8ラッチ電極との電気的接触を妨げる第4ラッチ電極絶縁体と、
前記第2刺激を前記ラッチ偏向領域に選択的に加えるための1つの手段と、
1つの負荷アーマチュア構造と
を備え、前記負荷アーマチュア構造が、
1つの第3ベースに取り付けられた1つのアンカー領域と、
前記負荷アーマチュア構造を前記ラッチ・アーマチュア構造に結合させる1つの結合領域と、
前記第3アンカー領域に取り付けられた1つの第1領域と、1つの開成位置及び1つの下側閉成位置及び1つの上側閉成位置の間を動くことのできる1つの第2領域とを含む1つの接点偏向領域であって、前記下側閉成位置は前記ラッチ偏向領域の前記第3領域が前記下側被ラッチ位置にあるときに確立され、前記上側閉成位置は前記ラッチ偏向領域の前記第3領域が前記上側被ラッチ位置にあるときに確立される接点偏向領域と、
前記接点偏向領域の前記第2領域の1つの下側面の一部分上に形成された1つの第1接点電極と、
概して前記第1接点電極の下の前記基板上に形成された1つの第2接点電極であって、前記第1接点電極と前記第2接点電極とは前記接点偏向領域が前記下側閉成位置にあるときに1つの第1接触力で電気的に接触させられ、前記接点偏向領域は前記ラッチ偏向領域と関連して動く第2接点電極と、
前記接点偏向領域の前記第2領域の1つの上側面の一部分上に形成された1つの第3接点電極と、
概して前記第3接点電極の上の前記カバーの前記下側面の1つの第3部分上に形成された1つの第4接点電極であって、前記第3接点電極と前記第4接点電極とは、前記接点偏向領域が前記上側閉成位置にあるときに1つの第2接触力で電気的に接触させられ、前記接点偏向領域は前記ラッチ偏向領域と関連して動く第4接点電極と
を備える、
マイクロ・ファブリケーションされたリレー。
A microfabricated relay,
One substrate,
A cover located on the substrate;
One first base and one second base;
A plurality of load signal lines including one first load signal line, one second load signal line, and one third load signal line;
A plurality of control signal lines including one first drive signal line, one second drive signal line, one first latch signal line, and one second latch signal line;
A composite armature structure, wherein the composite armature structure comprises:
A latch armature structure, and a first anchor region attached to the first base;
One second anchor region attached to the second base;
One latch deflection region,
A first region attached to the first anchor region;
One second region attached to the second anchor region;
A third region capable of moving between one passive position and one lower latched position and one upper latched position,
The latch deflection area is
One first material that changes size by one first amount in response to one first stimulus and changes size by one third amount in response to one second stimulus;
A second material that changes size by one second amount in response to the first stimulus and changes size by one fourth amount in response to the second stimulus, wherein the first and second materials The amounts are not equal and in response to the first stimulus, a first deflection force is applied to the latch deflection region, the first deflection force moving the second region from the passive position to the lower latched position. The third and fourth quantities are unequal, and a second deflection force is applied to the latch deflection region in response to the second stimulus, the second deflection force being the second deflection force. A second material that serves to move a region from the passive position to the upper latched position;
A latch armature structure comprising: a third region comprising: a latch deflection region comprising:
A first latch electrode located on a portion of one lower surface of the first region of the latch deflection region;
A second latch electrode located on a portion of one lower surface of the second region of the latch deflection region;
A third latch electrode formed on the substrate under the first latch electrode;
A fourth latch electrode formed on the substrate below the second latch electrode;
A first latch electrode insulator that prevents electrical contact between the first latch electrode and the third latch electrode when the third region of the deflection region is in the latched position;
A second latch electrode insulator that prevents electrical contact between the second latch electrode and the fourth latch electrode when the third region of the deflection region is in the latched position;
One means for selectively applying the first stimulus to the latch deflection region;
A fifth latch electrode located on a portion of one upper side of the first region of the latch deflection region;
A sixth latch electrode located on a portion of one upper side of the second region of the latch deflection region;
A seventh latch electrode generally formed on a first portion of one lower surface of the cover above the fifth latch electrode;
An eighth latch electrode generally formed on a second portion of one of the lower sides of the cover above the sixth latch electrode;
A third latch electrode insulator that prevents electrical contact between the fifth latch electrode and the seventh latch electrode when the third region of the deflection region is in the upper latched position;
A fourth latch electrode insulator that prevents electrical contact between the sixth latch electrode and the eighth latch electrode when the third region of the deflection region is in the upper latched position;
One means for selectively applying the second stimulus to the latch deflection region;
A load armature structure, wherein the load armature structure comprises:
One anchor region attached to one third base;
A coupling region coupling the load armature structure to the latch armature structure;
One first region attached to the third anchor region, and one second region movable between one open position and one lower closed position and one upper closed position One contact deflection region, wherein the lower closed position is established when the third region of the latch deflection region is in the lower latched position, and the upper closed position is defined in the latch deflection region. A contact deflection area established when the third area is in the upper latched position;
One first contact electrode formed on a portion of one lower surface of the second region of the contact deflection region;
In general, a second contact electrode formed on the substrate under the first contact electrode, wherein the first contact electrode and the second contact electrode are such that the contact deflection region is in the lower closed position. A second contact electrode that is electrically contacted with a first contact force, the contact deflection region moving relative to the latch deflection region;
One third contact electrode formed on a portion of one upper side surface of the second region of the contact deflection region;
A fourth contact electrode generally formed on a third portion of the lower surface of the cover above the third contact electrode, wherein the third contact electrode and the fourth contact electrode are: A fourth contact electrode that is electrically contacted with one second contact force when the contact deflection region is in the upper closed position, the contact deflection region moving relative to the latch deflection region;
Microfabricated relay.
前記第1接点電極が前記ラッチ偏向領域の前記第3領域の1つの下側面上に形成され、前記第1接点電極が前記第1ラッチ電極と前記第2ラッチ電極との間に位置し、
前記第3接点電極が前記ラッチ偏向領域の前記第3領域の1つの上側面上に形成され、前記第3接点電極は前記第5ラッチ電極と前記第6ラッチ電極との間に位置する、請求項16に記載のマイクロ・ファブリケーションされたリレー。
The first contact electrode is formed on one lower surface of the third region of the latch deflection region, and the first contact electrode is located between the first latch electrode and the second latch electrode;
The third contact electrode is formed on an upper surface of one of the third regions of the latch deflection region, and the third contact electrode is located between the fifth latch electrode and the sixth latch electrode. Item 17. The microfabricated relay according to item 16.
前記ラッチ偏向領域が、
1つの第3刺激に応答してサイズを1つの第3量だけ変化させる1つの第3材料と、
前記第3刺激によりサイズを1つの第4量だけ変化させる1つの第4材料であって、前記第3及び第4の量は等しくなくて、前記第3刺激に応答して前記ラッチ偏向領域に対して1つの第3偏向力を加え、前記第3偏向力は前記第2領域を前記下側被ラッチ位置から前記受動的位置へ動かすのに役立つ第4材料と、
前記ラッチ偏向領域において前記第3刺激を前記第3材料及び前記第4材料に加えるための1つの手段と
を更に備える、請求項16に記載のマイクロ・ファブリケーションされたリレー。
The latch deflection area is
One third material that changes size by one third amount in response to one third stimulus;
A fourth material that changes size by a fourth amount in response to the third stimulus, wherein the third and fourth amounts are not equal and are applied to the latch deflection region in response to the third stimulus; A fourth material that serves to move one second deflection force against the second region from the lower latched position to the passive position;
17. The microfabricated relay of claim 16, further comprising one means for applying the third stimulus to the third material and the fourth material in the latch deflection region.
請求項1に従って構成された1つのマイクロ・ファブリケーションされたリレーを動作させる方法であって、
前記ラッチ・アーマチュア構造の前記第2領域が前記受動的位置にあって前記負荷アーマチュア構造の前記第2領域が前記開成位置にある1つの受動的状態を確立する段階と、
1つの第1刺激を前記ラッチ・アーマチュア構造に加えることによって1つの第1アクティブ状態を確立する段階であって、
前記第1刺激が、1つの第1偏向力を前記ラッチ・アーマチュア構造の前記偏向領域に加えるのに十分な大きさ及び持続時間を有し、
前記第1偏向力が、前記第1ラッチ電極を前記第2ラッチ電極の近傍へ動かして前記下側被ラッチ位置を確立するのに十分であり、
前記第1偏向力が、前記結合領域を通して前記接点偏向領域構造に伝えられて前記第1接点電極を動かして前記第2接点電極と電気的に接触させる
第1アクティブ状態を確立する段階と、
1つの第1電圧が前記第1ラッチ電極と前記第2ラッチ電極との間に加えられる1つの下側被ラッチ状態を確立する段階であって、
前記第1電圧が前記第1ラッチ電極と前記第2ラッチ電極との1つの第1静電付着を誘起し、
前記第1静電付着が、前記第1刺激を加え続けることなく前記下側被ラッチ位置を維持するのに十分な強度を有する
下側被ラッチ状態を確立する段階と、
前記下側被ラッチ状態を1つの第1所望期間にわたって維持するために前記第1電圧を維持する段階と、
前記第1電圧を除去することによって前記マイクロ・ファブリケーションされたリレーを前記受動的状態に復帰させる段階と、
1つの第2刺激を前記ラッチ・アーマチュア構造に加えることによって1つの第2アクティブ状態を確立する段階であって、
前記第2刺激が前記ラッチ・アーマチュア構造の前記偏向領域に1つの第2偏向力を加えるのに十分な大きさ及び持続時間を有し、
前記第2偏向力が、前記第3ラッチ電極を前記第4ラッチ電極の近傍へ動かして前記上側被ラッチ位置を確立するの十分であり、
前記第2偏向力が前記結合領域を通して前記接点偏向領域構造に伝えられて前記第3接点電極を動かして前記第4接点電極と電気的に接触させる
第2アクティブ状態を確立する段階と、
1つの第2電圧が前記第3ラッチ電極と前記第4ラッチ電極との間に加えられる1つの上側被ラッチ状態を確立する段階であって、前記第2電圧が前記第3ラッチ電極と前記第4ラッチ電極との1つの第2静電付着を誘起し、前記第2静電付着は、前記第2刺激を加え続けることなく前記上側被ラッチ位置を維持するのに十分な強度を有する上側被ラッチ状態を確立する段階と、
前記第2刺激を除去する段階と、
前記下側被ラッチ状態を1つの第2所望期間にわたって維持するために前記第2電圧を維持する段階と、
前記第2電圧を除去することによって前記マイクロ・ファブリケーションされたリレーを前記受動的状態に復帰させる段階と
を備える、方法。
A method of operating one microfabricated relay configured according to claim 1 comprising:
Establishing a passive state in which the second region of the latch armature structure is in the passive position and the second region of the load armature structure is in the open position;
Establishing a first active state by applying a first stimulus to the latch armature structure;
The first stimulus has a magnitude and duration sufficient to apply one first deflection force to the deflection region of the latch armature structure;
The first deflection force is sufficient to move the first latch electrode to the vicinity of the second latch electrode to establish the lower latched position;
Establishing a first active state in which the first deflection force is transmitted through the coupling region to the contact deflection region structure to move the first contact electrode into electrical contact with the second contact electrode;
Establishing a lower latched state in which a first voltage is applied between the first latch electrode and the second latch electrode;
The first voltage induces a first electrostatic adhesion of the first latch electrode and the second latch electrode;
Establishing a lower latched state wherein the first electrostatic attachment has sufficient strength to maintain the lower latched position without continuing to apply the first stimulus;
Maintaining the first voltage to maintain the lower latched state for one first desired period;
Returning the microfabricated relay to the passive state by removing the first voltage;
Establishing a second active state by applying a second stimulus to the latch armature structure, comprising:
The second stimulus has a magnitude and duration sufficient to apply one second deflection force to the deflection region of the latch armature structure;
The second deflection force is sufficient to move the third latch electrode to the vicinity of the fourth latch electrode to establish the upper latched position;
Establishing a second active state in which the second deflection force is transmitted through the coupling region to the contact deflection region structure to move the third contact electrode into electrical contact with the fourth contact electrode;
Establishing an upper latched state in which a second voltage is applied between the third latch electrode and the fourth latch electrode, wherein the second voltage is applied to the third latch electrode and the third latch electrode; 4 induces a second electrostatic attachment with the latch electrode, the second electrostatic attachment having an intensity sufficient to maintain the upper latched position without continuing to apply the second stimulus. Establishing a latch state;
Removing the second stimulus;
Maintaining the second voltage to maintain the lower latched state for one second desired period;
Returning the microfabricated relay to the passive state by removing the second voltage.
請求項16に従って構成された1つのマイクロ・ファブリケーションされたリレーを動作させる方法であって、
前記ラッチ・アーマチュア構造の前記第2領域が前記受動的位置にあって前記負荷アーマチュア構造の前記第2領域が前記開成位置にある1つの受動的状態を確立する段階と、
1つの第1刺激を前記ラッチ・アーマチュア構造に加えることによって1つの第1アクティブ状態を確立する段階であって、
前記第1刺激は前記ラッチ・アーマチュア構造の前記偏向領域に1つの第1偏向力を加えるのに十分な大きさ及び持続時間を有し、
前記第1偏向力が、前記第1ラッチ電極を前記第2ラッチ電極の近傍へ動かすとともに前記第3ラッチ電極を前記第4ラッチ電極の近傍へ動かして前記下側被ラッチ位置を確立するのに十分であり、
前記第1偏向力が、前記結合領域を通して前記接点偏向領域構造に伝えられて前記第1接点電極を動かして前記第2接点電極と電気的に接触させる
第1アクティブ状態を確立する段階と、
1つの下側被ラッチ状態を確立する段階であって、1つの第1電圧が前記第1ラッチ電極と前記第2ラッチ電極との間に加えられ、前記第1電圧は前記第1ラッチ電極と前記第2ラッチ電極との1つの第1静電付着を誘起し、1つの第2電圧が前記第3ラッチ電極と前記第4ラッチ電極との間に加えられ、前記第2電圧は前記第3ラッチ電極と前記第4ラッチ電極との1つの第2静電付着を誘起し、前記第1及び第2の静電付着は前記第1刺激を加え続けることなく前記下側被ラッチ位置を維持するのに十分な強度を有する下側被ラッチ状態を確立する段階と、
前記第1刺激を除去する段階と、
1つの第1所望期間にわたって前記下側被ラッチ状態を維持するために前記第1電圧と前記第2電圧とを維持する段階と、
前記第1及び第2の電圧を除去することによって前記マイクロ・ファブリケーションされたリレーを前記受動的状態に復帰させる段階と、
1つの第2刺激を前記ラッチ・アーマチュア構造に加えることによって1つの第2アクティブ状態を確立する段階であって、
前記第2刺激は前記ラッチ・アーマチュア構造の前記偏向領域に1つの第2偏向力を加えるのに十分な大きさ及び持続時間を有し、
前記第2偏向力が、前記第5ラッチ電極を前記第7ラッチ電極の近傍へ動かし且つ前記第6ラッチ電極を前記第8ラッチ電極の近傍へ動かして前記上側被ラッチ位置を確立するのに十分であり、
前記第2偏向力が、前記結合領域を通して前記接点偏向領域構造に伝えられて前記第3接点電極を動かして前記第4接点電極と電気的に接触させる
第2アクティブ状態を確立する段階と、
1つの上側被ラッチ状態を確立する段階であって、1つの第3電圧が前記第5ラッチ電極と前記第7ラッチ電極との間に加えられ、前記第3電圧は,前記第5ラッチ電極と前記第7ラッチ電極との1つの第3静電付着を誘起し、前記方法は前記第6ラッチ電極と前記第8ラッチ電極との間に1つの第4電圧を加える段階を含み、前記第4電圧は前記第6ラッチ電極と前記第8ラッチ電極との1つの第4静電付着を誘起し、前記第3及び第4の静電付着は前記第2刺激を加え続けることなく前記上側被ラッチ位置を維持するのに十分な強度を有する上側被ラッチ状態を確立する段階と、
前記方法が前記第2刺激を除去する段階と、
1つの第2所望期間にわたって前記下側被ラッチ状態を維持するために前記第3電圧及び第4電圧を維持する段階と、
前記第3及び第4の電圧を除去することによって前記マイクロ・ファブリケーションされたリレーを前記受動的状態に復帰させる段階と
を備える、方法。
A method of operating one microfabricated relay configured according to claim 16, comprising:
Establishing a passive state in which the second region of the latch armature structure is in the passive position and the second region of the load armature structure is in the open position;
Establishing a first active state by applying a first stimulus to the latch armature structure;
The first stimulus has a magnitude and duration sufficient to apply a first deflection force to the deflection region of the latch armature structure;
The first deflection force moves the first latch electrode to the vicinity of the second latch electrode and moves the third latch electrode to the vicinity of the fourth latch electrode to establish the lower latched position. Enough,
Establishing a first active state in which the first deflection force is transmitted through the coupling region to the contact deflection region structure to move the first contact electrode into electrical contact with the second contact electrode;
Establishing a lower latched state, wherein a first voltage is applied between the first latch electrode and the second latch electrode, the first voltage being applied to the first latch electrode; Inducing a first electrostatic adhesion with the second latch electrode, a second voltage is applied between the third latch electrode and the fourth latch electrode, and the second voltage is applied to the third latch electrode. One second electroadhesion of the latch electrode and the fourth latch electrode is induced, and the first and second electroadhesions maintain the lower latched position without continuing to apply the first stimulus. Establishing a lower latched state with sufficient strength to:
Removing the first stimulus;
Maintaining the first voltage and the second voltage to maintain the lower latched state for one first desired period;
Returning the microfabricated relay to the passive state by removing the first and second voltages;
Establishing a second active state by applying a second stimulus to the latch armature structure, comprising:
The second stimulus has a magnitude and duration sufficient to apply one second deflection force to the deflection region of the latch armature structure;
The second deflection force is sufficient to move the fifth latch electrode to the vicinity of the seventh latch electrode and move the sixth latch electrode to the vicinity of the eighth latch electrode to establish the upper latched position. And
Establishing a second active state in which the second deflection force is transmitted through the coupling region to the contact deflection region structure to move the third contact electrode into electrical contact with the fourth contact electrode;
Establishing an upper latched state, wherein a third voltage is applied between the fifth latch electrode and the seventh latch electrode, the third voltage being applied to the fifth latch electrode; Inducing a third electroadhesion with the seventh latch electrode, the method comprising applying a fourth voltage between the sixth latch electrode and the eighth latch electrode; The voltage induces one fourth electroadhesion of the sixth latch electrode and the eighth latch electrode, and the third and fourth electroadhesions do not continue to apply the second stimulus and the upper latched Establishing an upper latched state having sufficient strength to maintain position;
The method removing the second stimulus;
Maintaining the third voltage and the fourth voltage to maintain the lower latched state for one second desired period;
Returning the microfabricated relay to the passive state by removing the third and fourth voltages.
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