KR20020018655A - Bistable micro-switch and method of manufacturing the same - Google Patents

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KR20020018655A
KR20020018655A KR1020017012183A KR20017012183A KR20020018655A KR 20020018655 A KR20020018655 A KR 20020018655A KR 1020017012183 A KR1020017012183 A KR 1020017012183A KR 20017012183 A KR20017012183 A KR 20017012183A KR 20020018655 A KR20020018655 A KR 20020018655A
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Abstract

본 발명은 형상 기억 합금을 이용한 쌍안정 스위치와, 그 제조 방법을 제공한다. 구체적으로, 쌍안정 스위치는 하나 이상의 전원을 구비한 기판과, 상기 기판에 부착되는 제1 원단부를 구비한 가요성 시트와, 상기 가요성 시트의 대향하는 제2 원단부에 형성된 브릿지 접점과, 상기 제2 원단부와 전원 사이에서 상기 가요성 시트의 제1 표면에 연결되는 하나 이상의 열 활성 소자를 포함한다. 작동중에, 상기 열 활성 소자를 통과하는 전원으로부터의 전류가 상기 가요성 시트를 간접적으로 만곡시켜 상기 기판상의 신호 접점을 지속적인 힘으로 단락시킨다.The present invention provides a bistable switch using a shape memory alloy, and a manufacturing method thereof. Specifically, the bi-stable switch includes a substrate having at least one power source, a flexible sheet having a first distal end attached to the substrate, a bridge contact formed at an opposite second distal end of the flexible sheet, One or more thermally active elements connected between the second distal end and the power source to the first surface of the flexible sheet. In operation, current from a power source passing through the thermally active element indirectly curves the flexible sheet, shorting the signal contacts on the substrate with a constant force.

Description

쌍안정 마이크로 스위치 및 그 제조 방법{BISTABLE MICRO-SWITCH AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}Bistable microswitch and its manufacturing method {BISTABLE MICRO-SWITCH AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}

최초의 전자-기계적 및 고형체 상태의 마이크로 스위치는 1940년대 후반에 개발되었다. 그 이래로, 전자 산업에서는 그러한 스위치를 생산하기 위한 제조 및 기능적 한계에 박차를 가해왔다. 특히, 현재의 전자-기계적 마이크로 스위치는 크기, 가격, 기능, 내구성 및 접속 방법에 있어서 고주파 용례에 기술적으로 부적당하였다. 또한, 고형체 상태의 스위치는 off 상태 대 on 상태의 임피던스 비율이 높은 특징을 갖고 있어, 다양한 용례의 경우 off 상태의 결합 정전 용량에서 on 상태의 "접촉" 저항값이 높아 바람직하지 못하였다. 따라서, 전자 산업에서는 보다 작고, 보다 양호한 신뢰성 및 내구성을 가지며, 기능적이고 가격이 효율적인 스위치를 제작할 수 있는 새롭고 혁신적인 방법을 현재 연구하고 있다.The first electro-mechanical and solid state micro switches were developed in the late 1940s. Since then, the electronics industry has spurred manufacturing and functional limitations to produce such switches. In particular, current electro-mechanical microswitches are technically inadequate for high frequency applications in size, price, function, durability and connection methods. In addition, the solid state switch is characterized by a high impedance ratio of the off state to the on state, and in various applications, the "contact" resistance value of the on state is not preferable because of the combined capacitance of the off state. Thus, the electronics industry is currently investigating new and innovative ways to fabricate smaller, better reliability and durability, functional and cost effective switches.

현재 및 미래의 다양한 회로 용례에 있어서는, 종래의 하이브리드 회로 기판상에 실장될 수 있고 쌍안정 성능을 가질 수 있는 저가의 극소형 스위칭 장치에 대한 요구가 존재하고 있다. 또한, 이러한 장치용 제조 방법은 박막 증착법 등의 고형체 상태 방법과 그러한 회로에 실장되는 도전성 배선, 접속 패드 및 수동 회로 소자를 형성하는 데 사용되는 패터닝 방법과 호환되어야 한다.In various circuit applications, both now and in the future, there is a need for low cost miniature switching devices that can be mounted on conventional hybrid circuit boards and have bistable performance. In addition, the manufacturing method for such a device must be compatible with solid state methods such as thin film deposition and patterning methods used to form conductive wiring, connection pads and passive circuit elements mounted in such circuits.

형상 기억 합금("SMA")은 가열될 때 "변형" 형상에서 "기억" 형상으로 소성 변형될 수 있다고 알려진 재료이다. 그후에, SMA 재료가 냉각되면, 이 재료는 변형 형상을 부분적으로 회복한 후에 변형 형상으로 완전히 회복될 수 있다. 즉, 상기 SMA 재료는 온도 변화시 오스테나이트계 상태에서 마르텐사이트계 상태로 가역적으로 변태된다.Shape memory alloys ("SMA") are materials that are known to be plastically deformed from a "deformation" shape to a "memory" shape when heated. Thereafter, when the SMA material is cooled, the material can be fully restored to the deformed shape after partially recovering the deformed shape. That is, the SMA material is reversibly transformed from an austenitic state to a martensite state upon temperature change.

연구 개발 회사들은 이 조절가능한 형상 변형 재료의 표면을 스위칭 구조에 사용할 수 있는 방법을 가볍게 다루어 보는 데에 그쳤다. 예컨대, 종래의 전자-기계적 스위치는 회전 작동기로서 SMA 와이어를 사용하고 밸브로서 SMA 시트를 사용하였다. 상기 와이어를 종축을 중심으로 꼬거나 비튼 다음 와이어의 단부를 이동하지 못하게 구속하였다. 시트 작동기는 온도로 인해 야기된 작동기의 변형이 기계 소자에 힘을 가하거나 기계 소자를 이동시키도록 하나 이상의 가동 소자에 기계적으로 연결된다.Research and development companies have only briefly discussed how the surfaces of these adjustable shape-deforming materials can be used in switching structures. For example, conventional electromechanical switches used SMA wires as rotary actuators and SMA seats as valves. The wire was twisted or twisted about its longitudinal axis and restrained from moving the end of the wire. The seat actuator is mechanically connected to one or more movable elements such that deformation of the actuator caused by temperature forces the mechanical element or moves the mechanical element.

이들 및 유사한 SMA 스위치의 구성과 제조 방법에 있어서의 문제점은 종래의 전자-기계적 스위치에 대해 전술한 것과 유사하다. 특히, 크기, 신뢰성, 내구성, 기능성 및 가격의 제약은 종래 기술의 스위치의 유용성을 제한하였다.The problems with the construction and manufacturing method of these and similar SMA switches are similar to those described above for conventional electromechanical switches. In particular, constraints in size, reliability, durability, functionality and price have limited the utility of prior art switches.

결과적으로, 형상 기억 합금을 이용하거나 이용하지 않는 종래의 스위치와 릴레이는 대개 대형이고 부피가 커서 산업 용도 또는 대량 생산에 사용하기에는 너무 다루기가 어려웠다. 따라서, 형상 기억 합금의 특징을 장점으로 하고 형상 기억합금을 이용하거나 이용하지 않는 현재의 스위칭 방법의 전술한 문제점을 제거할 수 있는 스위치 또는 릴레이를 개발하는 것이 요구된다.As a result, conventional switches and relays with or without shape memory alloys are often large and bulky, making them too difficult to use for industrial or mass production. Therefore, there is a need to develop a switch or relay that takes advantage of the features of the shape memory alloy and can eliminate the aforementioned problems of current switching methods with or without the shape memory alloy.

본 발명은 전술한 하나 이상의 문제점을 극복하거나 적어도 그 영향을 저감시킬 수 있는 것에 관한 것이다.The present invention is directed to being able to overcome or at least reduce the effects of one or more of the aforementioned problems.

본 발명은 일반적으로 마이크로 스위치에 관한 것으로, 보다 상세히는 형상 기억 합금을 이용한 마이크로 기계 가공된 쌍안정 스위치에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention generally relates to microswitches, and more particularly to micromachined bistable switches using shape memory alloys.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 쌍안정 스위치의 사시도.1 is a perspective view of a bistable switch according to an embodiment of the present invention.

도 2는 도 1의 본 발명의 쌍안정 스위치의 일반적인 외형을 도시하는 개략도.2 is a schematic diagram showing a general appearance of the bistable switch of the present invention of FIG.

도 3a와 3b 내지 5a 및 5b는 도 1의 쌍안정 스위치를 제조하는 방법을 도시하는 도면.3A and 3B to 5A and 5B illustrate a method of manufacturing the bistable switch of FIG.

도 6a 및 6b는 크림프 가공된 아암부를 포함하는 도 1의 쌍안정 스위치를 제조하는 다른 방법의 단계를 도시하는 도면.6A and 6B show steps of another method of making the bistable switch of FIG. 1 including a crimped arm portion.

도 7a 및 7b는 스위치의 제1 및 제2 위치를 예시하기 위해 장착하여 작동되는 도 6a의 쌍안정 스위치를 도시하는 도면.7A and 7B show the bistable switch of FIG. 6A mounted and actuated to illustrate the first and second positions of the switch.

도 8은 다중 브릿지 접점을 포함하는 도 1의 쌍안정 스위치의 다른 실시예를 도시하는 도면.8 illustrates another embodiment of the bistable switch of FIG. 1 including multiple bridge contacts.

도 9a 및 9b는 본 발명의 쌍안정 스위치의 또 다른 실시예를 도시하는 도면.9A and 9B illustrate another embodiment of the bistable switch of the present invention.

본 발명은 다른 형태로 다양한 변경을 따를 수 있지만, 그 특정 실시예를 도면의 예를 통해 도시하였으며 본원 명세서에서 보다 상세히 설명된다. 그러나, 특정 실시예에 대한 본원 명세서의 설명은 본 발명을 개시된 특정 형태로 제한하려는 의도는 아니며, 오히려 그 반대로 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 규정된 본 발명의 범위 및 사상에 속하는 모든 변경예, 동등물 및 대체 실시예를 포함한다는 것을 알아야 한다.While the invention is susceptible to various modifications and alternative forms, specific embodiments thereof have been shown by way of example in the drawings and are described in more detail herein. However, the description herein of specific embodiments is not intended to limit the invention to the particular forms disclosed, but on the contrary, the invention is contemplated by all modifications falling within the scope and spirit of the invention as defined by the appended claims. It should be understood that the equivalents and alternative embodiments thereof are included.

일실시예에 있어서, 본 발명은 쌍안정 스위치를 제공한다. 상기 스위치는 하나 이상의 전원을 구비한 기판과, 상기 기판에 부착되는 제1 원단부를 구비한 가요성 시트와, 상기 가요성 시트의 대향하는 제2 원단부에 형성된 브릿지 접점과, 상기 제2 원단부와 전원 사이에서 상기 가요성 시트의 제1 표면에 연결되는 하나 이상의 열 활성 소자를 포함하며, 상기 열 활성 소자를 통과하는 전원으로부터의 전류가 상기 가요성 시트를 간접적으로 만곡시켜 상기 기판상의 신호 접점을 지속적인 힘으로 단락시킨다.In one embodiment, the present invention provides a bistable switch. The switch includes a substrate having at least one power source, a flexible sheet having a first distal end attached to the substrate, a bridge contact formed on an opposite second distal end of the flexible sheet, and the second distal end. And one or more thermally active elements connected to a first surface of the flexible sheet between a power source and a power source, wherein current from the power source passing through the thermally active element indirectly curves the flexible sheet to cause signal contacts on the substrate. Short-circuit with constant force.

본 발명의 다른 실시예는 신호 라인 접점과 전원을 갖는 기판을 위한 쌍안정 스위치의 제조 방법을 제공한다. 특히, 상기 방법은 가요성 시트를 마련하는 단계와, 상기 가요성 시트의 제1 원단부와 전원 사이에 하나 이상의 열 활성 소자를 연결하는 단계와, 상기 가요성 시트의 제1 원단부에 도전성 브릿지 접점을 형성하는 단계와, 상기 가요성 시트의 대향하는 제2 원단부를 기판에 장착하는 단계를 포함하고, 상기 열 활성 소자를 통과하는 전원으로부터의 전류가 상기 가요성 시트를 간접적으로 만곡시켜 기판상의 신호 접점을 단락시킨다.Another embodiment of the present invention provides a method of manufacturing a bistable switch for a substrate having a signal line contact and a power supply. In particular, the method includes providing a flexible sheet, connecting one or more thermally active elements between a first distal end of the flexible sheet and a power source, and a conductive bridge in the first distal end of the flexible sheet. Forming a contact; and mounting an opposite second distal end of the flexible sheet to the substrate, wherein a current from a power source passing through the thermally active element indirectly curves the flexible sheet on the substrate. Short the signal contacts.

본 발명의 구성은 표준 반도체 기본 유닛, 즉 트랜지스터를 이용하는 현재의고형체 상태 방법으로 달성할 수 없는 수준을 실행하는, 비교적 간단하고 저가인 쌍안정 스위치 제조 방법을 제공한다. 이 새롭고 혁신적인 마이크로 스위치를 제조하는 마이크로 기계 가공 방법은 사용자가 매우 높은 전압, 전류 및 주파수 신호를 감당할 수 있는 시스템을 만들 수 있게 한다. 이는 마이크로 스위치가 개념적으로 마이크로 릴레이와 동등하므로 가능해 진다. 실제로, 이 마이크로 스위치는 도전성 접점을 연결하거나 단락시키도록 이동하는 기계적 마이크로 구조체이다. 또한, 이러한 구성과 방법은 표준 실리콘 처리공정에 적합하고 적당한 가격으로 장치의 대량 생산이 가능할 수 있게 한다.The configuration of the present invention provides a relatively simple and inexpensive bistable switch fabrication method that performs a level not achievable with current solid state methods using standard semiconductor base units, i.e., transistors. The micromachining method of manufacturing this new and innovative microswitch enables users to create systems that can tolerate very high voltage, current and frequency signals. This is possible because the microswitch is conceptually equivalent to a micro relay. In practice, this micro switch is a mechanical microstructure that moves to connect or short-circuit conductive contacts. In addition, this configuration and method is suitable for standard silicon processing processes and enables mass production of the device at an affordable price.

본 발명의 다른 양태 및 장점은 도면을 참조하여 다음의 상세한 설명을 읽으면 명백해질 것이다.Other aspects and advantages of the present invention will become apparent upon reading the following detailed description with reference to the drawings.

본 발명은 효율적이고 효과적이며 고신뢰성을 갖는 마이크로 스위치를 제조하기 위해 최근에 진보한 독특한 특성의 형상 기억 합금("SMA")을 채택한다. 마이크로 스위치에 SMA를 사용하면, 스위치 또는 릴레이의 성능을 수 십배 정도 증가시킬 수 있다. 특히, 이것은 형상 기억 효과의 응력 및 변형률 양쪽이 매우 클 수 있어 단위 용적당 실질적인 작업 산출량을 제공하기 때문에 달성된다. 따라서, 작동 기구로서 SMA를 이용하는 마이크로 기계 스위치는 수백 메가파스칼의 응력을 가할 수 있으며, 3퍼센트보다 큰 변형률을 허용하고, 정전 요건 또는 PZO 요건보다 매우 낮은 통상의 TTL 전압에서 작동하며, 칩상의 전기 도선에 의해 직접 여기되고, 수백만 사이클에서도 피로 없이 유지된다.The present invention adopts a unique characteristic shape memory alloy ("SMA") which has recently advanced to produce an efficient, effective and highly reliable microswitch. Using SMA in a microswitch can increase the performance of a switch or relay by a factor of several. In particular, this is achieved because both the stress and strain of the shape memory effect can be very large to provide a substantial work output per unit volume. Thus, micromechanical switches using SMA as the actuation mechanism can exert stresses of hundreds of megapascals, allow strains greater than 3 percent, operate at typical TTL voltages well below the blackout or PZO requirements, and provide on-chip electrical It is directly excited by the lead and remains fatigue-free even in millions of cycles.

형상 기억 합금은 TA이하의 온도에서 합금상에 가해지는 기계적 변형과 상관없이 TA이상의 온도에서 온도와 관련된 상 변화를 개시하는데, 이는 온도 TA내지 TH로 합금을 가열할 때 임의의 최초 형상을 회복하는 합금 능력의 특징이 될 수 있다. 작동시, SMA 재료가 온도 TA이하의 온도 TL에 있을 때, SMA는 재료가 연성이 되어 비교적 용이하게 임의의 형상으로 변형될 수 있는 특정한 결정 구조를 갖는다. SMA를 온도 TA이상의 온도 TH로 가열할 때, 결정 구조는 변형 안된 최초의 형상으로 다시 SMA를 회복시키기 위해, 즉 원래 주어진 형상을 되찾기 위해 변화하며, 이에 의해 회복 응력의 시작을 보이게 된다. 따라서, 상 변태가 일어나는 형상 기억 합금의 천이 온도 범위는 TH내지 TA사이인 것으로 규정된다. SMA는 TA내지 TH사이의 온도로 SMA를 가열할 때 변형이 완전히 복구될 수 있는 TA이하의 온도에서 최적으로 2 내지 8% 변형된다. 변형의 일예로는 4%가 바람직하다.A shape memory alloy is the first random time to heat the alloy to T A mechanical deformation and no matter T A or more to a temperature initiating the phase change associated with the temperature at which the temperature T A to T H exerted on the alloy at a temperature not higher than the It can be characterized by the ability of the alloy to recover shape. In operation, when the SMA material is at a temperature T L below the temperature T A , the SMA has a specific crystal structure that allows the material to be soft and relatively easily deformed into any shape. When heating the SMA to a temperature T H above the temperature T A , the crystal structure changes to recover the SMA back to its original undeformed shape, ie to regain the original given shape, thereby showing the onset of the recovery stress. Therefore, the transition temperature range of the shape memory alloy in which the phase transformation occurs is defined to be between T H and T A. SMA is optimally deformed from 2 to 8% at temperatures below T A where the deformation can be fully recovered when heating the SMA to a temperature between T A and T H. As an example of modification, 4% is preferred.

이러한 기억 재료는 주로 와이어, 로드 및 플레이트 형상의 벌크 형태로 생산되었다. 쉽게 입수할 수 있는 최상의 종래 형상 기억 합금으로는 니켈과 티타늄의 합금인 니티놀이 있다. 그러나, 기타 SMA로는 구리-아연-알루미늄 또는 구리-알루미늄-니켈을 포함한다. 18℃ 정도의 작은 온도 변화로도 니티놀은 그 상이 변태될 수 있으며 그 형상 변화에 대한 내성에 대해 힘이 가해질 때 매우 큰 힘을 발휘한다. 전술한 바와 같이, 형상 기억 합금을 사용하는 종래의 스위치와 릴레이는 일반적으로 상 변태 온도 범위 이하일 때 형상 기억 합금이 변형되는 원리에 따라 작동한다. 변형된 합금을 변태 온도 범위 이상으로 가열하면 변형의 일부 또는 전부가 복구되며, 이러한 합금의 움직임이 필요한 기계 요소를 이동시킨다.These memory materials were produced mainly in bulk in the form of wires, rods and plates. The best conventional shape memory alloy readily available is Nitinol, an alloy of nickel and titanium. However, other SMAs include copper-zinc-aluminum or copper-aluminum-nickel. Even at small temperature changes, such as 18 ° C, nitinol can transform its phase and exert a very large force when applied to resistance to shape change. As mentioned above, conventional switches and relays using shape memory alloys generally operate according to the principle that the shape memory alloy deforms when it is below the phase transformation temperature range. Heating the deformed alloy above the transformation temperature range restores some or all of the deformation and moves the mechanical elements that require movement of this alloy.

이제, 도면을 참조하면, 도 1은 본 발명에 따른 열작동식 쌍안정 마이크로 기계 스위치(10)를 도시한다. 스위치(10)의 작동 아암(12)은 마이크로 기계 가공되어 상부 기판면(14)에 고정된다. 기판(14)은 절연 실리콘 또는 갈륨 비화물 기판, 인쇄 회로 기판, 고밀도 알루미나(Al2O3) 또는 베릴리아(BeO) 등의 세라믹재의 평판, 또는 융합된 실리카 등의 유리질 재료를 포함한다. 그러나, 관련 분야의 숙련자라면 본 발명의 스위치가 이에 제한되지 않고, 바람직한 외팔보류의 쌍안정 스위치를 제공하도록 거의 모든 안정적인 구조에 설치될 수 있음을 알아야 한다.Referring now to the drawings, FIG. 1 shows a thermally actuated bistable micromechanical switch 10 according to the present invention. The actuating arm 12 of the switch 10 is micromachined and fixed to the upper substrate surface 14. The substrate 14 includes an insulating silicon or gallium arsenide substrate, a printed circuit board, a flat plate of ceramic material such as high density alumina (Al 2 O 3 ) or belia (BeO), or a glassy material such as fused silica. However, those skilled in the art should recognize that the switch of the present invention is not limited to this, but can be installed in almost any stable structure to provide a preferred cantilevered bistable switch.

상부면(14)은 아암(12)의 각 조절 접점과 접지 접점을 견고하게 상호접속하도록 조절 접점(16a, 16b)과 접지 접점(18)을 제공한다. 또한, 상부 기판면(14)은 아암(12)의 도전성 브릿지 접점(22)에 의해 연결되거나 단락될 수 있는 신호 접점(20a, 20b)을 제공한다. 신호 접점(20a, 20b)은, 예컨대 종래의 아날로그 데이터 또는 디지털 데이터, 또는 음성 신호를 비롯한 임의의 전기 신호를 전송하거나 지속시킬 수 있다.Top surface 14 provides control contacts 16a and 16b and ground contact 18 to firmly interconnect each control and ground contact of arm 12. The upper substrate surface 14 also provides signal contacts 20a and 20b that can be connected or shorted by the conductive bridge contacts 22 of the arm 12. Signal contacts 20a and 20b may transmit or sustain any electrical signal, including, for example, conventional analog data or digital data, or voice signals.

상부 및 하부의 도전성 배선 소자(24a, 24b)를 종래의 방법에 의해 아암(12)에 연결하고, 아암(12)의 상부와 하부의 중앙 보상의 접촉 바이어(via)와 접지 바이어 사이에 2개의 SMA 소자(26a, 26b)를 설치한다. 일실시예에 있어서, SMA 소자(26a, 26b)는 약 25 내지 125 미크론의 직경을 갖는 티타늄 니켈 합금의 와이어로 제조된다.The upper and lower conductive wiring elements 24a and 24b are connected to the arm 12 by a conventional method, and between the contact vias of the center compensation of the upper and lower portions of the arm 12 and the ground vias SMA elements 26a and 26b are provided. In one embodiment, the SMA elements 26a and 26b are made of a wire of titanium nickel alloy having a diameter of about 25 to 125 microns.

작동 중에 상기 본 발명의 스위치는 도 2에 도시된 바와 같은 기본 회로 구조를 제공한다. 특히, 릴레이(30a)가 닫히고 릴레이(30b)가 열렸을 때, 소자(16a, 24a, 26a 및 18)로 이루어진 편자 형태의 상부 도전성 배선을 통과하는 전류는 아암(12)을 상향으로 이동시킨다. 반대로, 릴레이(30a)가 열리고 릴레이(30b)가 닫혔을 때, 소자(16b, 24b, 26b 및 18)로 이루어진 편자 형태의 하부 도전성 배선을 통과하는 전류는 아암(12)을 하향으로 이동시킨다. 열적 냉각 단계 중에 존재하는 힘은 SMA 소자가 가열되는 동안 존재하는 힘보다 매우 작다. 즉, 이하에 상세히 설명될 도전 수단은 필요한 전력을 어떤 한 조절 접점(16a 또는 16b)으로부터 도전성 배선 소자(24a 또는 24b) 및 SMA 소자(26a 또는 26b)를 각각 경유하여 접지 소자(18)로 전달한다. 이하의 실시예들의 경우, SMA 소자(26a, 26b)의 직경이 약 25 내지 125 미크론이 되어 작동 중 40 내지 160 밀리암페어를 공급할 수 있는 것이 바람직하다.In operation, the switch of the present invention provides a basic circuit structure as shown in FIG. In particular, when the relay 30a is closed and the relay 30b is open, the current passing through the horseshoe-shaped upper conductive wiring of the elements 16a, 24a, 26a and 18 moves the arm 12 upward. Conversely, when the relay 30a is opened and the relay 30b is closed, the current passing through the horseshoe-shaped lower conductive wiring of the elements 16b, 24b, 26b and 18 moves the arm 12 downward. The force present during the thermal cooling step is much less than the force present while the SMA element is heating up. That is, the conductive means, which will be described in detail below, transfers the necessary power from one regulating contact 16a or 16b to the grounding element 18 via the conductive wiring element 24a or 24b and the SMA element 26a or 26b, respectively. do. In the following embodiments, it is desirable that the diameters of the SMA elements 26a and 26b be about 25 to 125 microns to supply 40 to 160 milliamps during operation.

이제, 도 3a 및 3b를 참조하면, 본 발명에 따른 쌍안정 스위치를 제작하는 제조 방법이 개시된다. 특히, 도 3a, 4a, 5a 및 6a는 스위치(10)의 하부면을 도시하고 도 3b, 4b, 5b 및 6b는 동일 도면의 측면도를 각각 도시한다.Referring now to FIGS. 3A and 3B, a manufacturing method for manufacturing a bistable switch in accordance with the present invention is disclosed. In particular, FIGS. 3A, 4A, 5A and 6A show the bottom surface of the switch 10 and FIGS. 3B, 4B, 5B and 6B show side views of the same figure, respectively.

도 3a와 3b는 패터닝된 포토레지스층(52)에 도포되는 안정화 재료(50)를 도시한다. 이 특정 실시예에 있어서, 안정화 재료(50)는 두께가 약 12 내지 50 미크론이고 폭이 약 300 내지 1,200 미크론인 압연 시트로 제조되는 베릴륨 구리 합금이다. 그러나, 원하는 탄성 또는 가요성의 특성과 두께를 제공하는 기타 재료를 사용할 수도 있다. 예컨대, 폴리수지, 플라스틱, 목재 복합 재료, 실리콘, 실리콘 수지 및 스테인레스강 합금 등의 다양한 합금 재료를 포함하는 군에서 선택되는 재료가 사용될 수 있다.3A and 3B illustrate stabilizing material 50 applied to patterned photoresist layer 52. In this particular embodiment, the stabilizing material 50 is a beryllium copper alloy made from a rolled sheet that is about 12 to 50 microns thick and about 300 to 1,200 microns wide. However, other materials may be used that provide the desired elastic or flexible properties and thicknesses. For example, a material selected from the group comprising various alloy materials such as polyresin, plastic, wood composite material, silicone, silicone resin and stainless steel alloy can be used.

바람직한 마이크로 기계 가공 방법에 있어서는, 안정화 재료(50)의 표면상에 바람직한 패턴(점선으로 표시된 패턴)을 형성하기 위해 종래의 포토리소그래피 기법을 사용한다. 특히, 패터닝된 포토레지스트(52)는 보(62a, 62b 및 62c)를 형성하기 위해 말단부(54)와 헤드부(56), 접촉 바이어(58a, 58c;contact via) 및 2개의 간극(60a, 60b)을 구비한 3개의 보 구조를 이룬다. 패턴 포토레지스트(52)에 의해 보호되지 않은 안정화 재료(50)를 종래의 에칭법으로 제거하여 도 4a에 도시된 바와 같은 원하는 3개의 보 구조체(12)를 형성한다.In a preferred micromachining method, conventional photolithography techniques are used to form a desired pattern (patterned by dashed lines) on the surface of the stabilizing material 50. In particular, the patterned photoresist 52 has a distal end 54 and a head 56, contact vias 58a, 58c and two gaps 60a, to form beams 62a, 62b and 62c. It consists of three beam structures with 60b). The stabilizing material 50, which is not protected by the pattern photoresist 52, is removed by a conventional etching method to form three desired beam structures 12 as shown in FIG. 4A.

관련 분야의 숙련자라면 원하는 패턴을 종래의 기타 방법에 의해서도 형성할 수 있다는 것을 알 것이다. 예컨대, 원하는 스위치 크기가 마이크로 기계 가공 방법을 사용하지 않아도 될 정도로 충분히 크다면, 안정화 재료(50)를 종래의 펀칭 또는 몰딩 방법에 의해 패터닝할 수 있다.Those skilled in the art will appreciate that the desired pattern can also be formed by other conventional methods. For example, if the desired switch size is large enough to avoid the use of micromachining methods, the stabilizing material 50 may be patterned by conventional punching or molding methods.

다음에, 도 4a와 4b에 도시된 바와 같이, 비도전성 절연층(64)으로 구조체(12)의 상부면과 하부면을 피복한다. 이 전기 절연체는 파라렌(paralene) 층이 바람직하다. 대체 실시예에 있어서, 절연 재료(64)는 이산화규소층, 폴리이미드층, 습식 산화물층, 질화규소층을 포함하는 군으로부터 선택될 수 있다. 이러한 대체예들은 유사한 작동 특성을 갖는 유사한 구조를 제공한다. 당분야의 숙련자라면 안정화 재료(50)가 비도전성 재료라면 절연층(64)을 생략할 수도 있다는 것을 알 것이다.Next, as shown in FIGS. 4A and 4B, the top and bottom surfaces of the structure 12 are covered with a non-conductive insulating layer 64. This electrical insulator is preferably a paralene layer. In an alternate embodiment, insulating material 64 may be selected from the group comprising silicon dioxide layers, polyimide layers, wet oxide layers, silicon nitride layers. These alternatives provide similar structures with similar operating characteristics. Those skilled in the art will appreciate that the insulating layer 64 may be omitted if the stabilizing material 50 is a non-conductive material.

피복된 구조체(12)의 각 측부상에 금 등의 도전성 재료를 증착하고 패터닝하여 원하는 편자 형태의 배선 일부를 형성할 수 있다. 구체적으로는, 피복된 구조체(12; 도 1 참조)가 조절 바이어(58a)와 상부 접촉 패드 사이에 연결된 L자형 도전성 배선(24a)을 제공한다. 또한, 동일한 도전성 재료가 접지 바이어(58c)를 형성한다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 구조체(12)의 반대측 또는 하부측에서, 피복된 구조체(12)는 조절 접점(68b)과 하부 접촉 패드(58b) 사이에 연결되는 다른 L자형 도전성 배선(24b)을 제공한다. 또한, 동일한 재료가 조절 접점(68a), 접지 접점(70) 및 브릿지 접점(22)을 형성한다. 관련 분야의 숙련자라면 도전성 배선(24a, 24b), 조절 접점(68a, 68b), 접지 접점(70), 접지 바이어 및 조절 바이어(58a, 58c), 상부 및 하부 접촉 패드(58b) 및 브릿지 접점(22)을 위한 도전성 재료가 금, 구리, 팔라듐-금 합금, 니켈, 은, 알루미늄 및 당분야에서 이용 가능한 다양한 기타 도전성 재료들로 이루어지는 군으로부터 선택될 수 있음을 알 것이다.A conductive material such as gold may be deposited and patterned on each side of the coated structure 12 to form a portion of a desired horseshoe-shaped wiring. Specifically, the coated structure 12 (see FIG. 1) provides an L-shaped conductive wiring 24a connected between the regulating via 58a and the upper contact pad. In addition, the same conductive material forms the ground via 58c. As shown in FIG. 4A, on the opposite or lower side of the structure 12, the coated structure 12 is another L-shaped conductive wire 24b connected between the regulating contact 68b and the lower contact pad 58b. To provide. In addition, the same material forms regulating contact 68a, ground contact 70 and bridge contact 22. Those skilled in the art will appreciate conductive wiring 24a, 24b, regulating contacts 68a, 68b, ground contact 70, ground via and regulating vias 58a, 58c, upper and lower contact pads 58b and bridge contacts ( It will be appreciated that the conductive material for 22) may be selected from the group consisting of gold, copper, palladium-gold alloys, nickel, silver, aluminum and various other conductive materials available in the art.

도 5a 및 5b를 참조하면, 액추에이터 소자(26a, 26b)는 각 접촉 패드와 접지 바이어(58c) 사이에서 아암(12)의 상부면 및 하부면에 견고하게 연결된다. 원한다면, 각 상부면 및 하부면에 액추에이터 소자(26a, 26b)를 결합하는 데 접착 재료를 사용할 수 있다. 상기 접착 재료는 시멘트, 에폭시, 칩상에 체결되는 탭(lock on chip tap), 땜납, 끼워넣기, 폴리이미드 및 클립 또는 클램프 등의 기계적 부착을 포함하는 군으로부터 선택될 수 있다. 이러한 연결은 각 액추에이터 소자(26a, 26b)를 중간 보(62b)의 상부면과 하부면의 중앙부 위에 위치시켜 편자 형태의 도전성 배선을 완성시킨다. 액추에이터 소자(26a, 26b)는 시트, 리본 또는 와이어 형태로 제공되는 니켈-티타늄 SMA가 바람직하다. 상기 실시예에 있어서, SMA 소자(26a,26b)의 직경은 약 25 내지 125 미크론인 것이 바람직하다.5A and 5B, actuator elements 26a and 26b are firmly connected to the top and bottom surfaces of arm 12 between each contact pad and ground via 58c. If desired, adhesive materials may be used to couple actuator elements 26a and 26b to each of the top and bottom surfaces. The adhesive material may be selected from the group comprising mechanical attachments such as cement, epoxy, lock on chip taps, solder, embedding, polyimide and clips or clamps. This connection places each actuator element 26a, 26b on the center of the upper and lower surfaces of the intermediate beam 62b to complete the horseshoe-shaped conductive wiring. The actuator elements 26a, 26b are preferably nickel-titanium SMAs provided in the form of sheets, ribbons or wires. In this embodiment, the diameters of the SMA elements 26a and 26b are preferably about 25 to 125 microns.

전술한 바와 같이, SMA 소자(26a, 26b)는 재료를 통과하는 전류가 미리 설정된 상 변태 온도에 도달한 후에 팽창하거나 또는 수축한다. 이러한 특정 실시예에 있어서, 상 변태 프로세스는 다음의 2개의 방법 중 한 방법에 의해 일어난다. 제1 상 변태법은 액추에이터 재료의 대부분의 용적을 감소시키고, 그 결과로서 형상 기억 합금의 길이가 감소하여 안정화 재료(12)를 수축시킨다. 제2 상 변태법에 있어서는, SMA를 안정화 구조체(12)에 장착하기 전 및/또는 후에, 8% 이하의 비율로 SMA를 신장시킨다. 상 변태시, SMA의 길이가 감소하고, 최초의 길이로 복귀된 후에 안정화 재료(12)의 층을 8%까지 수축시킨다. 헤드부(12a)의 배치, 접촉력, 사이클의 수 및 제조 방법에 대한 요건에 따라, 형상 기억 합금이 신장되거나 또는 신장되지 않을 수도 있다.As described above, the SMA elements 26a and 26b expand or contract after the current through the material reaches a preset phase transformation temperature. In this particular embodiment, the phase transformation process occurs by one of the following two methods. The first phase transformation reduces the bulk of the actuator material and consequently reduces the length of the shape memory alloy to shrink the stabilizing material 12. In the second phase transformation method, the SMA is stretched at a rate of 8% or less before and / or after mounting the SMA to the stabilizing structure 12. Upon phase transformation, the length of the SMA decreases and shrinks the layer of stabilizing material 12 by 8% after returning to the original length. Depending on the arrangement of the head portion 12a, the contact force, the number of cycles and the requirements for the manufacturing method, the shape memory alloy may or may not be stretched.

원하는 방법의 마지막 단계는 상기 구조체를 크림프(crimp) 가공하여 장착하는 단계를 포함한다. 크림프 가공 단계없이 상기 구조체를 원하는 기판에 장착하여 도 1에 도시된 바와 같은 외팔보 구조를 가지며 신뢰성 있게 마이크로 기계 가공된 쌍안정 스위치를 형성할 수 있다. 또한, 전력이 여기되어 원하는 SMA 소자내에 필요한 전류 및 변태를 발생하지 않으면, 스위치는 연속적으로 신호 접점을 단락시킬 수 없다. 따라서, 이 최종 압인 가공 또는 크림프 가공 단계는 전력이 끊긴 후에라도 능동 소자가 접촉 위치를 유지할 수 있게 한다. 따라서, 이러한 압인 가공 또는 크림프 가공은 SMA 소자 중 하나가 아암을 반대 위치로 이동시킬 때를 제외하고는 아암을 소정 위치에 유지하는 스냅 작동 기능을 아암에 부여한다.The final step of the desired method involves crimping and mounting the structure. The structure can be mounted on a desired substrate without crimping to form a bistable switch that has a cantilevered structure as shown in FIG. 1 and that is reliably micromachined. Also, unless power is excited to generate the necessary currents and transformations in the desired SMA element, the switch cannot continuously short the signal contacts. Thus, this final stamping or crimping step allows the active element to maintain the contact position even after power is cut off. Thus, such stamping or crimping gives the arm a snap actuation function that keeps the arm in position except when one of the SMA elements moves the arm to the opposite position.

도 6a 및 6b를 참조하면, 원하는 압인 가공된 또는 크림프 가공된 소자(80, 80b)가 도시되어 있다. 이러한 스냅 작동 구조체는 종래의 펀칭 및 염색 방법을 이용하여 형성할 수도 있다. 구체적으로는, 좌측 및 우측 보(62a, 62c)의 중앙부를 크림프 가공하여 파형 변형 또는 편자형을 형성할 수 있다. 관련 분야의 숙련자라면, 이 크림프 가공된 영역(80a, 80b)이 액추에이터 소자(26a 또는 26b)가 변형되어 아암 선단부(12a)를 상향 또는 하향으로 이동시킬 때 지속적인 힘을 생성한다는 것을 알 것이다. 또한, 크림프 가공된 영역(80a, 80b)은 스위치(10)에 연결된 전원이 끊긴 후에라도 브릿지 접점(22)을 신호 접점(20a, 20b)과 접촉하게 유지하거나 또는 신호 접점(20a, 20b)으로부터 분리되게 유지할 수 있도록 한다. 즉, 크림프(80a, 80b)를 형성함으로써, 일단 아암(12)이 상향 또는 하향으로 위치되면, 아암(12)을 각각 하향 또는 상향의 다른 위치로 만곡시키기 위해서는 전류가 적절한 SMA 소자를 통과해야 한다. 게다가, 스위치(10)는 사용자가 물리적으로 스위치를 이동시키지 않는 한 항상 상향 또는 하향으로 위치될 것이다.6A and 6B, the desired stamped or crimped elements 80 and 80b are shown. Such snap actuation structures may be formed using conventional punching and dyeing methods. Specifically, the center portion of the left and right beams 62a and 62c can be crimped to form a waveform deformation or horseshoe shape. Those skilled in the art will appreciate that these crimped areas 80a, 80b produce a constant force when the actuator element 26a or 26b is deformed to move the arm tip 12a up or down. In addition, the crimped areas 80a and 80b maintain the bridge contact 22 in contact with the signal contacts 20a and 20b or separate from the signal contacts 20a and 20b even after the power supply connected to the switch 10 is cut off. To keep it going. In other words, by forming the crimps 80a and 80b, once the arm 12 is positioned upward or downward, current must pass through the appropriate SMA element in order to bend the arm 12 into another position, either downward or upward, respectively. . In addition, the switch 10 will always be positioned up or down unless the user physically moves the switch.

도 7a 및 7b 또는 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 보 및 제3 보(62a, 62c)상에 형성된 크림프 소자의 유무에 상관없이, 결과적인 구조체는 기판(14)에 고정되어야 한다. 특히, 외팔보 스위치(10)는 종래의 부착법에 의해 기판 표면(14)에 결합된다. 특히, 전력 접점 및 접지 접점(16a, 16b 및 18)을 스위치(10)의 기판 표면(14)에 부착 및 고정하는 데 인쇄 회로 기판의 땜납 또는 압력 슬롯이 사용된다. 따라서, 액추에이터 소자(26b)가 편자 형태의 하부 도전성 배선에 의해 가열될 때, 결과적인 구조체는 하향으로 만곡되어 브릿지 접점(22)을 신호 접점(20a, 20b)과 결합시킨다. 또한, 액추에이터 재료(26a)가 편자 형태의 상부 도전성 배선에 의해 가열될 때는, 브릿지 접점(22)과 신호 접점(20a, 20b) 사이의 연결이 단락된다.As shown in FIGS. 7A and 7B or 1, with or without crimp elements formed on the first and third beams 62a, 62c, the resulting structure must be secured to the substrate 14. In particular, the cantilever switch 10 is coupled to the substrate surface 14 by conventional attachment methods. In particular, solder or pressure slots on the printed circuit board are used to attach and secure the power and ground contacts 16a, 16b and 18 to the substrate surface 14 of the switch 10. Thus, when the actuator element 26b is heated by the horseshoe-shaped lower conductive wiring, the resulting structure is bent downward to couple the bridge contact 22 with the signal contacts 20a and 20b. In addition, when the actuator material 26a is heated by the horseshoe-shaped upper conductive wiring, the connection between the bridge contact 22 and the signal contacts 20a and 20b is short-circuited.

본 발명의 다른 실시예는 다중층 기판상의 상보적인 신호 접점(20a', 20b')을 단락시키기 위해 선단부(12a)의 상부면상에 배치된 추가의 브릿지 접점(22')을 포함한다. 도 8에 도시된 바와 같은 이 실시예에 있어서, 상부 SMA 소자(26a)가 편자 형태의 상부 도전성 배선을 통과하는 전류에 의해 가열되면, 구조체가 상향으로 이동하여 상부 브릿지 접점(22')을 상부 신호 접점(20a', 20b')과 연결시킨다. 한편, 액추에이터 소자(26b)가 편자 형태의 하부 도전성 배선(24b, 26b)을 통과하는 전류에 의해 가열되면, 구조체가 하향으로 이동하여 브릿지 접점(22)을 신호 접점(20a, 20b)과 연결시킨다. 이러한 특정 실시예에 있어서, 아암(12)은 크림프 가공되지 않는다. 따라서, 브릿지 접점(22 또는 22')은 각 SMA 소자(26a 또는 26b)가 가열되어 선단부(12a)를 상향 또는 하향으로 이동시키는 동안에만 신호 접점(20a, 20b 또는 20a', 20b')을 계속 단락시킬 수 있다. 그러나, 당분야의 숙련자라면 아암(12)을 접점(20a와 20b 또는 20a'와 20b')중 하나 또는 다른 접점과 접촉상태로 유지하는 데 크림프 가공을 이용할 수 있음을 알 것이다.Another embodiment of the present invention includes an additional bridge contact 22 'disposed on the top surface of tip 12a for shorting complementary signal contacts 20a', 20b 'on a multilayer substrate. In this embodiment as shown in FIG. 8, when the upper SMA element 26a is heated by a current passing through the upper conductive wiring in the form of a horseshoe, the structure moves upwards to raise the upper bridge contact 22 '. It is connected to the signal contacts 20a 'and 20b'. On the other hand, when the actuator element 26b is heated by a current passing through the lower conductive wirings 24b and 26b in the horseshoe shape, the structure moves downward to connect the bridge contacts 22 to the signal contacts 20a and 20b. . In this particular embodiment, arm 12 is not crimped. Accordingly, bridge contact 22 or 22 'continues signal contact 20a, 20b or 20a', 20b 'only while each SMA element 26a or 26b is heated to move tip 12a up or down. You can short circuit. However, those skilled in the art will appreciate that crimping may be used to keep the arm 12 in contact with one or the other of the contacts 20a and 20b or 20a 'and 20b'.

도 9a와 9b는 상기 본 발명의 스위치의 다른 실시예를 도시한다. 이 실시예에서, 시트(50)를 패터닝한 후 에칭 가공하거나 펀칭 가공하여 도 3b를 참조하여 전술한 바와 같이 원하는 아암(12)을 형성하고, 브릿지 접점(22)을 (전술한 바와 같이) 아암 선단부(12a)상에 형성한다. 다음에, 액추에이터 소자의 중앙부를 선단부(12a)에 인접한 위치에서 아암(12)에 걸쳐 환상이 되도록 하거나 아암(12)에 부착시켜 브릿지 접점(22)으로부터 전기적으로 분리시킨다. 최종적으로, 아암(12)의 말단부(54)를 기판 표면(14)과 액추에이터 소자(60)의 단부(62a와 62b)에 부착시키고 아암(12)의 길이에 가까운 수평 대향 방향으로 연장시켜 기판 표면(14)에 인접한 전원(64)과 연결시킨다. 즉, SMA 소자(도 1 참조)를 여기시키는 데 필요한 전류를 제공하기 위해 이전에 아암(12)상에 배치된 L자형의 도전성 배선과 접점은 스위치 아암(12)의 off 위치로 이동되어 전원(64)을 제공할 수 있다.9A and 9B show another embodiment of the switch of the present invention. In this embodiment, the sheet 50 is patterned and then etched or punched to form the desired arm 12 as described above with reference to FIG. 3B and the bridge contact 22 arm (as described above). It is formed on the tip portion 12a. Next, the center portion of the actuator element is annular over the arm 12 at a position adjacent the tip portion 12a or attached to the arm 12 to be electrically separated from the bridge contact 22. Finally, the distal end 54 of the arm 12 is attached to the substrate surface 14 and the ends 62a and 62b of the actuator element 60 and extends in a horizontally opposite direction close to the length of the arm 12 so as to extend the substrate surface. It is connected to the power supply 64 adjacent to (14). That is, the L-shaped conductive wires and contacts previously disposed on the arm 12 are moved to the off position of the switch arm 12 to provide the current required to excite the SMA element (see FIG. 1) to provide power ( 64).

도 9b를 참조하면, 작동 중에, 전원(62)에 의해 SMA(60)로 공급된 전류는 SMA(60)를 수축시켜 아암(12)을 하향으로 이동시킴으로써 신호 접점(20a와 20b)을 브릿지 접점(22)과 단락시킨다. 전술한 바와 같이, 전원(62)이 여기되지 않으면, SMA(60)는 브릿지 접점(22)을 신호 접점(20a와 20b)으로부터 분리시키는 위치로 회복된다. 숙련자라면 유사한 방법으로 다른 SMA(도시 않음)가 SMA(60)에 반대측의 아암(23)에 부착되고 유사한 전원에 의해 전류가 공급될 수도 있다. 또한, 아암(12)을 크림프 가공하여 도 7a와 7b를 참조하여 전술한 바와 같이 기능하는 수단을 형성할 수 있으며, 아암(12)을 다중 평행 보를 구비하게 또는 구비하지 않게 패터닝할 수 있다. 이 특정 실시예에 있어서, 아암(12)상에 보가 존재하지 않고 추가의 SMA 소자가 아암(12)의 다른 측부에 부착되거나 권취되면 단일의 압인 가공 또는 완벽한 표면 크림프 가공이 이용될 수도 있다.Referring to FIG. 9B, during operation, the current supplied to the SMA 60 by the power source 62 causes the SMA 60 to contract and move the arm 12 downward so that the signal contacts 20a and 20b are bridge contacts. Short with (22). As described above, if the power source 62 is not excited, the SMA 60 is restored to a position for separating the bridge contact 22 from the signal contacts 20a and 20b. One skilled in the art may attach another SMA (not shown) to the arm 23 on the opposite side to the SMA 60 and supply current by a similar power source in a similar manner. In addition, the arm 12 can be crimped to form a means to function as described above with reference to FIGS. 7A and 7B, and the arm 12 can be patterned with or without multiple parallel beams. In this particular embodiment, a single press or complete surface crimping may be used if no beam is present on the arm 12 and additional SMA elements are attached or wound on the other side of the arm 12.

상기 실시예들과 관련하여, 관련 분야의 숙련자라면 아암(12)을 패터닝하여 임의의 원하는 SMA 소자(들)을 유지하는 데 필요한 만큼의 많은 보를 갖는 구조를 형성할 수 있다는 것을 알 것이다. 또한, 아암(12)을 패터닝하여 보가 없는 장방형구조만을 형성할 수 있다. 유사하게는, SMA 소자(26a와 26b)의 두께와 수를 증가시키거나 감소시켜 원하는 아암 구조체 및 가열될 때 아암 구조체를 이동시키는 데 필요한 힘을 수용할 수 있다. 또한, 가요성 아암(12)상에 형성된 크림프의 수는 결과적인 스위치의 형상과 기능의 특성에 좌우된다.In connection with the above embodiments, one skilled in the art will recognize that the arm 12 can be patterned to form a structure having as many beams as necessary to hold any desired SMA element (s). In addition, the arm 12 can be patterned to form only a rectangular structure having no beams. Similarly, the thickness and number of SMA elements 26a and 26b can be increased or decreased to accommodate the desired arm structure and the force required to move the arm structure when heated. The number of crimps formed on the flexible arm 12 also depends on the shape of the resulting switch and the nature of the function.

요약하면, 본 발명은 마이크로 스위치와 릴레이를 생산하는 비교적 간단한 저가의 방법을 제공한다. 이 새롭고 혁신적인 마이크로 스위치와 릴레이를 제조하는 마이크로 기계 가공 방법은 사용자가 매우 높은 전압, 전류 및 주파수 신호를 감당할 수 있는 시스템을 만들 수 있게 한다. 또한, 이러한 본 발명의 방법은 표준 실리콘 처리공정에 적합하고 매우 적당한 가격으로 장치의 대량 생산이 가능하도록 개념적으로 설계될 수 있다. 따라서, 본 발명의 구조체는 작동 속도를 증가시키는 독특한 성능을 가지며 종래 기술의 스위칭 기구에 비해 우세한 형상 기억 합금에 의해 여기될 수 있는 소형의 쌍안정 스냅 작용 전자-기계적 스위치를 제공한다. 또한, 마이크로 기계 가공의 발전으로 인해, 이 구조체는 약 500 내지 3,000 미크론과 비슷한 길이, 약 200 내지 1,200 미크론의 폭 및 약 25 내지 35 미크론의 두께를 갖도록 생산될 수 있으며, 이 구조체는 현재 시장에서 경쟁하는 어떠한 쌍안정 스위치보다 작다. 당업자라면 이러한 치수는 본 발명의 스위치에 있어서 원하는 크기 및 기능성을 얻기 위하여 변화될 수도 있다는 것을 알 것이다.In summary, the present invention provides a relatively simple low cost method of producing micro switches and relays. The micromachining method of manufacturing these new and innovative micro switches and relays allows users to create systems that can handle very high voltage, current and frequency signals. In addition, the method of the present invention can be conceptually designed to be suitable for standard silicon processing processes and to enable mass production of devices at very reasonable prices. Thus, the structure of the present invention provides a compact bistable snap action electromechanical switch that has the unique ability to increase operating speed and can be excited by a shape memory alloy superior to prior art switching mechanisms. In addition, due to advances in micromachining, these structures can be produced to have a length similar to about 500 to 3,000 microns, a width of about 200 to 1,200 microns and a thickness of about 25 to 35 microns, which structures are currently on the market. Smaller than any competing bistable switch. Those skilled in the art will appreciate that these dimensions may be varied to obtain the desired size and functionality for the switches of the present invention.

본원 명세서에서 청구하는 본 발명의 개념내에 속하는 구성의 다른 변경도 당업자에게 명백할 것이다. 예컨대, 본원 명세서에서 설명된 실시예들은 동일한 결과를 달성하기 위하여 SMA 소자를 가열하는 도전성 배선의 일부로서 SMA 소자(26a와 26b)를 사용하고 있다. 예컨대, SMA 소자는 개별적인 전기 도전성 소자에 결합될 수도 있고, 완전히 다른 종류의 가열 소자(예컨대, 비전기식 가열 소자)에 결합될 수도 있다.Other variations of construction that fall within the inventive concept claimed herein will be apparent to those skilled in the art. For example, the embodiments described herein use SMA elements 26a and 26b as part of the conductive wiring that heats the SMA elements to achieve the same results. For example, the SMA element may be coupled to a separate electrically conductive element, or may be coupled to a completely different type of heating element (eg, non-electric heating element).

본 발명의 실시예들을 전술하였다. 명확성을 기하기 위하여, 실제 실시에 있어서의 모든 특징을 본 명세서에서 설명하지는 않았다. 물론, 어떠한 실제 실시예의 개발에 있어서, 각 실시에 따라 변화하는 시스템 및 사업에 관련된 제약들에 대한 적합성과 같은 개발자의 특정 목적을 달성하도록 수많은 실시-특정한 결정이 이루어져야 한다는 것을 알 것이다. 더욱이, 그러한 개발 노력이 복잡하고 시간이 소요된다고 할지라도, 이 개시물이 득이 되는 당업자에게는 일상적인 일이라는 것을 알 것이다.Embodiments of the present invention have been described above. In the interest of clarity, not all features of an actual implementation are described in this specification. Of course, it will be appreciated that in the development of any practical embodiment, numerous implementation-specific decisions must be made to achieve the developer's specific goals, such as suitability for constraints related to systems and projects that vary with each implementation. Moreover, although such development efforts may be complex and time consuming, it will be appreciated that this disclosure is routine to the skilled person.

Claims (32)

가요성 시트를 마련하는 단계와,Preparing a flexible sheet, 상기 시트를 패터닝하여, 선단부 영역, 말단부 영역, 전면 및 배면을 구비하는 보 구조체를 형성하는 패터닝 단계와,Patterning the sheet to form a beam structure having a leading end region, a distal end region, a front surface and a back surface; 상기 가요성 시트의 말단부 영역에 인접한 제1 조절 접점을 형성하는 단계와,Forming a first control contact adjacent the distal region of the flexible sheet; 액추에이터 소자를 상기 보의 전면에 연결하는 연결 단계와,A connecting step of connecting an actuator element to the front of the beam; 상기 조절 접점과 상기 가요성 시트의 선단부 영역에 인접한 액추에이터 소자의 제1 단부 사이에 도전성 배선을 형성하는 단계와,Forming a conductive wiring between the regulating contact and the first end of the actuator element adjacent the tip region of the flexible sheet; 상기 가요성 시트의 말단부 영역에 인접한 액추에이터 소자의 제2 단부에 제2 조절 접점을 형성하는 단계와,Forming a second regulating contact at a second end of an actuator element adjacent the distal region of the flexible sheet, 가요성 시트의 선단부 영역의 원단부에 브릿지 접점을 형성하는 단계와,Forming a bridge contact at the distal end of the leading end region of the flexible sheet, 상기 가요성 시트의 말단부의 일부를 기판에 장착하여 상기 제1 조절 접점과 제2 조절 접점을 상기 기판의 전원에 연결하는 장착 단계A mounting step of attaching a portion of the distal end of the flexible sheet to a substrate to connect the first and second regulating contacts to a power source of the substrate; 를 포함하며, 상기 브릿지 접점은 하나 이상의 신호 접점에 인접하게 공간을 두고 배치되는 것인 쌍안정 스위치의 제조 방법.And the bridge contact is disposed with a space adjacent to at least one signal contact. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 신호 접점에 대해 브릿지 접점의 위치를 유지하기 위해 브릿지 접점이 정적으로 편향될 수 있도록 상기 보 구조체를 크림프가공하는 단계를 더 포함하는 것인 쌍안정 스위치의 제조 방법.The method of claim 1, further comprising crimping the beam structure such that the bridge contact can be statically deflected to maintain the position of the bridge contact relative to the one or more signal contacts. . 제1항에 있어서, 상기 연결 단계는 상기 제1 조절 접점과 제2 조절 접점 사이에 상기 액추에이터 소자의 제1 단부와 제2 단부를 접착하는 단계를 더 포함하는 것인 쌍안정 스위치의 제조 방법.The method of claim 1, wherein the connecting step further comprises adhering a first end and a second end of the actuator element between the first control contact and the second control contact. 제1항에 있어서, 상기 패터닝 단계 후에 상기 가요성 시트상에 절연층을 도포하는 단계를 더 포함하는 것인 쌍안정 스위치의 제조 방법.The method of claim 1, further comprising applying an insulating layer on the flexible sheet after the patterning step. 제4항에 있어서, 상기 절연층은 폴리이미드, 이산화규소, 질화규소, 습식 산화물 및 파라렌(paralene)을 포함하는 군으로부터 선택되는 것인 쌍안정 스위치의 제조 방법.The method of claim 4, wherein the insulating layer is selected from the group consisting of polyimide, silicon dioxide, silicon nitride, wet oxide, and paralene. 제1항에 있어서, 상기 가요성 시트는 폴리수지, 플라스틱, 목재 복합 재료, 실리콘, 실리콘 수지, 스테인레스강 및 베릴륨 구리를 포함하는 군으로부터 선택되는 것인 쌍안정 스위치의 제조 방법.The method of claim 1, wherein the flexible sheet is selected from the group comprising polyresin, plastic, wood composites, silicone, silicone resin, stainless steel, and beryllium copper. 제1항에 있어서, 상기 패터닝 단계는,The method of claim 1, wherein the patterning step, 상기 시트에 포토리소그래픽 마스크를 부가하는 단계와,Adding a photolithographic mask to the sheet; 상기 마스크가 가해진 시트를 에칭 가공하여 상기 다중 평행 보 구조체를 형성하는 단계Etching the masked sheet to form the multi-parallel beam structure 를 더 포함하는 것인 쌍안정 스위치의 제조 방법.Method for producing a bistable switch that further comprises. 제7항에 있어서, 상기 에칭 가공 단계는 상기 가요성 시트를 에칭 가공하여 상기 조절 접점과 접지 접점의 중앙부 내에 바이어(via)를 형성하는 단계를 더 포함하는 것인 쌍안정 스위치의 제조 방법.8. The method of claim 7, wherein the etching processing step further comprises etching the flexible sheet to form a via in a center portion of the control contact and the ground contact. 제1항에 있어서, 상기 패터닝 단계는 상기 가요성 시트를 펀칭 또는 몰딩 가공하여 상기 다중 평행 보 구조체를 형성하는 단계를 더 포함하는 것인 쌍안정 스위치의 제조 방법.The method of claim 1, wherein the patterning step further comprises punching or molding the flexible sheet to form the multi-parallel beam structure. 제1항에 있어서, 상기 연결 단계는 상기 액추에이터 소자와 시트 사이에 접착 재료를 증착시키는 단계를 더 포함하는 것인 쌍안정 스위치의 제조 방법.The method of claim 1, wherein said connecting step further comprises depositing an adhesive material between said actuator element and a sheet. 제10항에 있어서, 상기 접착 재료는 폴리이미드, 칩 상에 체결되는 탭, 시멘트, 땜납, 에폭시 및 기계적 부착을 포함하는 군으로부터 선택되는 것인 쌍안정 스위치의 제조 방법.The method of claim 10, wherein the adhesive material is selected from the group comprising polyimide, tabs fastened on the chip, cement, solder, epoxy, and mechanical attachment. 제1항에 있어서, 상기 액추에이터 재료는 형상 기억 합금인 것인 쌍안정 스위치의 제조 방법.The method of claim 1, wherein the actuator material is a shape memory alloy. 제12항에 있어서, 상기 형상 기억 합금은 니켈-티타늄, 구리-아연-알루미늄 및 구리-알루미늄-니켈을 포함하는 군으로부터 선택되는 것인 쌍안정 스위치의 제조 방법.The method of claim 12, wherein the shape memory alloy is selected from the group comprising nickel-titanium, copper-zinc-aluminum, and copper-aluminum-nickel. 제1항에 있어서, 상기 도전성 배선, 브릿지 접점 및 조절 접점은 금, 구리, 팔라듐-금 합금, 니켈, 은 및 알루미늄을 포함하는 군으로부터 선택된 재료로 형성되는 것인 쌍안정 스위치의 제조 방법.The method of claim 1, wherein the conductive wiring, the bridge contact, and the control contact are formed of a material selected from the group consisting of gold, copper, palladium-gold alloy, nickel, silver, and aluminum. 제12항에 있어서, 상기 형상 기억 합금은 약 25 내지 125 미크론 사이의 직경을 갖는 와이어인 것인 쌍안정 스위치의 제조 방법.13. The method of claim 12, wherein the shape memory alloy is a wire having a diameter between about 25 and 125 microns. 제1항에 있어서, 상기 장착 단계는 외팔보 쌍안정 스위치 구조체를 형성하는 것인 쌍안정 스위치의 제조 방법.The method of claim 1, wherein the mounting step forms a cantilever bistable switch structure. 제1항에 있어서, 상기 보 구조체의 배면상에 추가의 조절 접점을 형성하는 단계와,The method of claim 1, further comprising: forming additional control contacts on the back side of the beam structure; 상기 보의 배면에 제2 액추에이터 소자를 연결하는 단계와,Coupling a second actuator element to the back of the beam; 상기 보 구조체 배면상의 추가의 조절 접점과 제2 액추에이터 소자 사이에 도전성 배선을 형성하는 단계Forming a conductive line between the additional control contact on the back of the complement and the second actuator element 를 더 포함하는 것인 쌍안정 스위치의 제조 방법.Method for producing a bistable switch that further comprises. 제17항에 있어서, 상기 패터닝된 가요성 시트의 반대면상의 대응 조절 접점을 전기적으로 연결시키는 하나 이상의 바이어를 형성하는 단계를 더 포함하는 것인 쌍안정 스위치의 제조 방법.18. The method of claim 17, further comprising forming one or more vias that electrically connect corresponding control contacts on opposite sides of the patterned flexible sheet. 제1항에 있어서, 상기 기판은 절연 실리콘 또는 갈륨 비화물 기판, 인쇄 회로 기판, 고밀도 알루미나(Al2O3) 또는 베릴리아(BeO) 등의 세라믹재의 평판, 또는 융합된 실리카 등의 유리질 재료를 포함하는 군으로부터 선택된 구조체를 포함하는 것인 쌍안정 스위치의 제조 방법.The substrate of claim 1, wherein the substrate is made of an insulating silicon or gallium arsenide substrate, a printed circuit board, a plate of a ceramic material such as high density alumina (Al 2 O 3 ), beryl, or glass material such as fused silica. A method for producing a bistable switch comprising a structure selected from the group comprising. 단일 접점과 전원을 구비한 기판을 위한 쌍안정 스위치의 제조 방법으로서,A method of manufacturing a bistable switch for a substrate having a single contact and a power source, 가요성 시트를 마련하는 단계와,Preparing a flexible sheet, 상기 가요성 시트의 제1 원단부와 전원 사이에 하나 이상의 열 활성 소자를 연결하는 단계와,Connecting one or more thermally active elements between the first distal end of the flexible sheet and a power source; 상기 가요성 시트의 제1 원단부에 도전성 브릿지 접점을 형성하는 단계와,Forming a conductive bridge contact on the first distal end of the flexible sheet; 상기 가요성 시트의 대향하는 제2 원단부를 기판에 장착하는 단계Mounting opposite second distal portions of the flexible sheet to a substrate 를 포함하고, 상기 열 활성 소자를 통과하는 전원으로부터의 전류가 상기 가요성 시트를 간접적으로 만곡시켜 기판상의 신호 접점을 단락시키는 것인 쌍안정 스위치의 제조 방법.Wherein the current from the power source passing through the thermally active element indirectly curves the flexible sheet to short-circuit the signal contacts on the substrate. 제20항에 있어서, 상기 가요성 시트를 마련하는 단계는 상기 브릿지 접점과 제2 원단부에 의해 에워싸이는 상기 가요성 시트내에 3개 이상의 평행 보를 형성하는 단계를 더 포함하는 것인 쌍안정 스위치의 제조 방법.21. The bistable switch of claim 20, wherein providing the flexible sheet further comprises forming three or more parallel beams in the flexible sheet surrounded by the bridge contact and the second distal end. Method of preparation. 제21항에 있어서, 상기 가요성 시트를 크림프 가공하여 상기 브릿지 접점과 전원 사이에 제1 및 제2 간격을 형성하는 단계를 더 포함하는 것인 쌍안정 스위치의 제조 방법.22. The method of claim 21, further comprising the step of crimping said flexible sheet to form first and second gaps between said bridge contacts and a power source. 제21항에 있어서, 상기 하나 이상의 열 활성 소자를 연결하기 위해 상기 브릿지 접점에 인접하게 측방향으로 이격된 가요성 시트상에 접촉 패드를 형성하는 단계를 더 포함하는 것인 쌍안정 스위치의 제조 방법.22. The method of claim 21, further comprising forming contact pads on the flexible sheet laterally spaced adjacent said bridge contacts for connecting said one or more thermally active elements. . 하나 이상의 전원을 구비한 기판과,A substrate having at least one power source, 상기 기판에 부착되는 제1 원단부를 구비한 가요성 시트와,A flexible sheet having a first distal end attached to the substrate; 상기 가요성 시트의 대향하는 제2 원단부에 형성된 브릿지 접점과,A bridge contact formed on the second distal end portion of the flexible sheet, 상기 제2 원단부와 전원 사이에서 상기 가요성 시트의 제1 표면에 연결되는 하나 이상의 열 활성 소자One or more thermally active elements connected between the second distal end and the power source to the first surface of the flexible sheet 를 구비하며, 상기 열 활성 소자를 통과하는 전원으로부터의 전류가 상기 가요성 시트를 간접적으로 만곡시켜 상기 기판상의 신호 접점을 지속적인 힘으로 단락시키는 것인 쌍안정 스위치.And a current from a power source passing through the thermally active element indirectly curves the flexible sheet to short-circuit the signal contacts on the substrate with a constant force. 제24항에 있어서, 상기 전원은 약 40 내지 160 밀리암페어의 전류를 공급하는 것인 쌍안정 스위치.25. The bistable switch of claim 24, wherein said power source supplies a current of about 40 to 160 milliamps. 제24항에 있어서, 상기 가요성 시트의 중앙 영역에 배치된 크림프를 더 포함하는 것인 쌍안정 스위치.25. The bistable switch of claim 24, further comprising a crimp disposed in the central region of said flexible sheet. 제26항에 있어서, 상기 크림프는 상기 전원으로부터의 교류가 끊긴 후에라도 상기 지속적인 힘이 유지될 수 있게 하는 것인 쌍안정 스위치.27. The bistable switch of claim 26 wherein said crimp enables said sustained force to be maintained even after alternating current from said power source is interrupted. 제24항에 있어서, 상기 가요성 시트의 두께는 약 12 내지 50 미크론인 것인 쌍안정 스위치.The bistable switch of claim 24, wherein the thickness of the flexible sheet is about 12 to 50 microns. 제24항에 있어서, 상기 제2 원단부와 제2 전원 사이에서 상기 가요성 시트의 대향하는 제2 표면에 연결되는 제2 열 활성 소자를 더 구비하며,25. The device of claim 24, further comprising a second thermally active element connected between the second distal end and the second power source to an opposite second surface of the flexible sheet, 상기 열 활성 소자를 통과하는 전원으로부터의 전류가 상기 가요성 시트를 간접적으로 만곡시켜 상기 기판상의 신호 접점을 지속적인 힘으로 단락시키는 것인 쌍안정 스위치.And a current from a power source passing through the thermally active element indirectly curves the flexible sheet to short-circuit the signal contacts on the substrate with a constant force. 제24항에 있어서, 상기 가요성 시트의 중앙 영역에 배치된 크림프를 더 포함하는 것인 쌍안정 스위치.25. The bistable switch of claim 24, further comprising a crimp disposed in the central region of said flexible sheet. 제30항에 있어서, 상기 크림프는 상기 전원으로부터의 교류가 끊긴 후에라도 즉 상기 제2 열 활성 소자가 여기될 때까지 상기 지속적인 힘이 유지될 수 있게 하는 것인 쌍안정 스위치.31. The bistable switch of claim 30 wherein said crimp enables said sustained force to be maintained even after alternating current from said power source is lost, i.e., until said second thermally active element is excited. 가요성 시트를 마련하는 단계와,Preparing a flexible sheet, 상기 시트의 제1 원단부에 인접한 하나 이상의 조절 접점을 형성하는 단계와,Forming one or more regulating contacts adjacent the first distal portion of the sheet; 상기 시트의 대향하는 제2 원단부에 인접한 브릿지 접점을 형성하는 단계와,Forming bridge contacts adjacent opposite second distal portions of the sheet; 상기 제2 원단부에 인접하게 측방향으로 이격된 고정 접점을 형성하는 단계와,Forming fixed contacts spaced laterally adjacent to the second distal end portion; 상기 하나 이상의 조절 접점과 상기 고정 소자 사이에 액추에이터 재료를 연결하는 단계와,Coupling an actuator material between said at least one regulating contact and said fixed element; 전원과 신호 접점을 구비한 기판에 상기 제1 원단부를 장착하는 단계Mounting the first distal end on a substrate having a power supply and a signal contact; 를 포함하며, 상기 브리지 접점은 상기 신호 접점에 인접하게 측방향으로 이격되는 것인 쌍안정 스위치의 제조 방법.And a bridge contact spaced laterally adjacent said signal contact.
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