KR20110031150A - 집적 리드 스위치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 리드 스위치에 관한 것으로, 보다 구체적으로 초소형 리드 스위치 및 이러한 초소형 리드 스위치를 제조하는데 이용되는 배치 미세 제작 기술에 관한 것이다. 본 발명은 종래의 리드 스위치보다 더 효율적으로 제조될 수 있으며 보다 일관된 작동 파라미터를 갖는 소형의 리드 스위치를 제공할 수 있다. 본 발명은 미세제조 기술을 이용하여 소형의 리드 스위치를 제조하는 방법을 제공할 수도 있다. 본 발명은 리드 스위치의 단일체 구성을 가능하게 하여 리소그래피-기반의 제조를 이용할 수 있다. 마이크로 리소그래피는 패턴이 전기기계 소자에 대하여 적합한 재료로 이동되는 경우에 반복가능하며 일관된 전기기계 작동을 위해 제공될 수 있는 소자의 큰 배열 위에 타이트한 오차를 갖는 마이크로미터 치수를 반복적으로 형성할 수 있다. 예를 들어, 리드 스위치에서의 2개의 리드 또는 리드와 고정 접촉부 사이의 갭의 타이트한 치수 제어는 리스 스위치 간의 일관된 성능을 제공할 수 있다. 따라서, 본 발명은 리드 스위치 감도의 특성 또는 리드 스위치를 폐쇄하는데 필요한 "암페어-횟수"를 고려하여, 최적의 리드 스위치 감도에서 확산에 상응하는 감소를 갖게 타이트하게 제어될 수 있다.

Description

집적 리드 스위치{INTEGRATED REED SWITCH}

본 발명은 리드 스위치에 관한 것으로, 보다 구체적으로 초소형 리드 스위치 및 이러한 초소형 리드 스위치를 제조하는데 이용되는 배치(batch) 미세 제작 기술에 관한 것이다.

본 출원은 2008년 3월 20일자에 출원된 미국 가출원 제61/038,340호의 우선권 주장으로서, 상기 가출원은 본 명세서에 참조로서 통합된다.

건식 리드 스위치는 통상적으로 작은 갭에 의해 분리되며 밀폐형 유리 인클로저에 의해 지지되는 두개의 포개진 연강자성의 도전성 캔틸레버(리드)로 구성된다. 두개의 대립되는 캔틸레버는 자기장을 적용하면 서로 끌어 당겨져서 상기 리드 사이에 전기적 접촉이 이루어진다. 자기장이 없어지면 상기 캔틸레버는 원래의 분리된 절연 상태로 된다. 기본적인 "단극(single-pole), 단투(single-throw)" 상시 개방형 스위치의 수많은 전기기계 변화 및 전기 변화도 이용된다.

다양한 건식 및 습식 리드 스위치 디자인은, 예를 들어 미국 특허 제7,321,282호, "MEM's 리드 스위치 어레이(MEM's reed switch array)"; 제7,227,436호, "모듈식 리드 스위치 어셈블리 및 그 제조방법(Modular reed switch assembly and method for making)"; 제5,883,556호, "리드 스위치(Reed switch)"; 제5,847,632호, "리드 스위치(Reed switch)"; 제4,837,537호, "리드 스위치 소자(Reed switch device)"; 제4,329,670호, "수은 리드 스위치(Mercury reed switch)"; 및 제4,039,985호 "자기 리드 스위치(Magnetic reed switch)"에 제안되어 있다.

그러나, 종래의 리드 스위치 디자인은 생산하는데 비용이 많이 들 수 있으며 동일한 디자인의 스위치에서도 작동 파라미터의 범위가 넓게 나타날 수 있다. 또한, 이러한 리드 스위치는 적용된 자기장과 외부의 전기적 접촉의 상대적인 방향을 특정하도록 대체로 강요된다. 예를 들어, 종래 유리로 인캡슐레이트된 리드 스위치는 리드를 실린더 형상의 유리 앰풀(glass ampule)로부터 축방향으로 연장하도록 제조되고 상기 리드의 축을 따라 지향되는 외부적으로 적용된 자기장에 대부분 민감하다.

미세제조된 리드 스위치는, 예를 들어 미국 특허 제5,430,421호, 제5,605,614호, 및 제6,040,748호에 제안되어 있다. 이들 리드 스위치는, 예를 들어 일정한 성능을 실현하는데 어려움이 있는 재료를 응력 구배(stress gradients)시키는 것에 의해, 제조 및 패키지에 있어서 어려움이 제기될 수 있는 증착 면에 대해 수직한 빔 운동(beam motion)에 대체로 의존된다. 이러한 디자인도 빔 강도(beam stiffness)와 관련된 문제를 겪을 수 있다(즉, 상기 빔은 원하는 벤딩 방향으로 예측가능한 강도 및 다른 방향으로 고강도를 갖는 것이 대체로 바람직하다). 또한, 이러한 디자인은 전형적으로 빔의 앵커 스팟(anchor spot)이 작아서, (특히, 소형의 스위치에 대해서) 적용된 자기장에 대해 낮은 감도 및 허용될 수 없는 성능을 초래한다. 또한, 이러한 디자인은 전형적으로 표면 실장 전기 어셈블리에서 사용하는데 까다로울 수 있는 동일 평면상의 외부 전기 접속부를 갖는다.

본 발명에서 제안된 집적 리드 스위치는 그 감도 축이 더 임의의 방향성을 가질 수 있으며 상기 리드 스위치 구조 및 그 아래에 직접적으로 수직하게 될 수 있는 전기 리드를 갖도록 구성될 수 있다.

본 발명의 실시예들은 소형의 리드 스위치에 종래의 리드 스위치보다 더 효율적으로 제조될 수 있는 보다 일관된 작동 파라미터를 제공할 수 있다. 본 발명은 미세제조 기술을 이용하여 소형의 리드 스위치를 제조하는 방법을 제공할 수도 있다.

본 발명은 리드 스위치의 단일체 구성을 가능하게 하여 리소그래피-기반의 제조를 이용할 수 있다. 배치 리소그래피-기반의 미세제조(batch lithographic-based fabrication)는 높은 제조 체적을 제공할 수 있고 고양된 치수 제어를 용이하게 하여 반복적으로 향상시킬 수 있다. 마이크로 리소그래피는 패턴이 전기기계 소자에 대하여 적합한 재료로 변경되는 경우에 반복가능하며 일관된 전기기계 작동을 위해 제공될 수 있는 소자의 큰 배열에 대하여 타이트한 오차를 갖는 마이크로미터 치수를 반복적으로 형성할 수 있다. 예를 들어, 리드 스위치에서의 두개의 리드 또는 리드와 고정 접촉부 사이의 갭의 타이트한 치수 제어는 리스 스위치 간의 일관된 성능을 제공할 수 있다.

따라서, 본 발명은 일반적으로 간주되는 리드 스위치 표준 감도 또는 리드 스위치를 폐쇄하는데 요구되는 "암페어-횟수(Ampere-turens)"가 리드 스위치 생산 수율에 따라 상응하는 민감도 감소의 증가를 엄격하게 제어할 수 있다. 미세제조 소자의 비용이 소자가 점유하는 기판 면적에 일반적으로 비례하기 때문에, 본 발명은 미세제조 리드 스위치를 소형 기판 공간(small substrate footprints)에 제공할 수 있다.

리드 블레이드의 기계적 강도는 벤딩 방향으로 두께의 세제곱(큐브)에 비례하고, 벤딩 방향에 수직한 폭이나 치수는 리드 블레이드의 선형 충격 강도만을 갖기 때문에 리드 스위치 미세제조에 대한 중요한 관점은 블레이드 두께의 오차이다. 리드 스위치의 마이크로 리소그래피에 대한 하나의 접근방법은 미세제조 기판의 평면에 대하여 운동의 방향이 수직하도록(직교하도록) 블레이드를 패턴화하는 것이다.

이러한 접근방법에서, 빔의 두께와 상응하는 두께 오차는 블레이드 재료 증착률의 제어에 의해 영향을 받고, 블레이드의 운동에 수직한 치수를 갖는 블레이드 폭은 리소그래피적으로 결정된다. 그러므로, 도 20에 나타낸 바와 같은 박막 표면 미세제조 기술은 기판으로부터 기판까지와 기판 영역을 가로질러 상당히 변할 수 있는 증착율에 의해 통상적으로 영향을 받는 빔의 평면 두께에 따라 좌우되는 클로저(closure)에 대하여 자기 감도를 갖는다. 리드 스위치의 마이크로 리소그래피에 대한 다른 접근방법은 블레이드의 운동 방향이 제조 기판에 대하여 평행하게 생성되도록 두께가 리소그래피적으로 결정되게 리드 블레이드를 구성하는 것이다. 전형적인 리드 스위치 구조에 대하여, 상기 리드 폭은 10s의 마이크로미터의 두께를 갖는 밀리미터에 대하여 100s의 마이크로미터일 수 있고, 기판에 대하여 평행한 운동을 갖는 리드 스위치의 구성은 도 21에 나타낸 바와 같은 "고세장비(high aspect-ratio)"를 갖는 구조일 수 있다. 고세장비 자기 리드 캔틸레버의 기판에 평행한 벤딩 강도는 기판의 평면에 평행한 방향으로 운동을 제공하기 위한 기판에 수직한 강도보다 더 작다. 고세장비 구조를 정확히 패터닝할 수 있는 미세제조 공정은 전기성형을 갖는 X-레이 기반의 두꺼운 자외선 마이크로 리소그래피 및 딥 실리콘 화학 에칭을 포함한다. 임의의 경우, 이러한 접근방법에 의해, 리드 스위치 블레이드는 제조될 수 있어서 그 두께는 전체의 폭을 따라 정확히 형성될 수 있고, 이에 의하여 스위치 클로저의 자기 감도를 타이트하게 제어하도록 제공되는 미세제조 기판을 가로지르는 반복가능하며 정확한 순응성을 갖는 캔틸레버를 생산할 수 있다. 종래 유리로 인캡슐된 리드 스위치는 불량한 두께 제어를 초래하여 자기 감도의 변화가 많은 상대적으로 부정확한 스탬핑 공정으로 생산되었다.

리드 스위치 소형화는 여러 물리적 스케일링 제약을 포함한다. 우수한 리드 스위치 성능은, 예를 들어 충분히 높은 접촉 전기기계력을 차례로 필요로 할 수 있는 전기 클로저 동안에 낮으면서 반복가능한 접촉 저항성을 요구할 수 있다. 그러나, 리드 스위치가 소형화되고 총 패키지 체적이 감소함에 따라, 접촉력은 일정한 여기장(constant excitation field)에 겹쳐진 접촉 영역과 함께 감소한다. 또한, 외부 자기장에 리드 스위치를 결합하는 것은 스케일을 감소시킬 수 있다.

기능적 소자, 경제성, 및 제조는 제조 기판의 평면에서 외부로 상당히 연장되는(100s의 마이크로미터) 지지 구조를 형성할 수 있는 간략히 전술한 상기 평면 제조와 같은 미세제조 리드 스위치에 대해 억제된다. 이러한 타입의 공정은 "고세장비" 공정으로 나타낼 수 있고, 소자 피처의 공정 면 외부의 두께는 대응하는 측벽 또는 평면 치수보다 더 커질 수 있다. 이는 (기판 위보다 높은) 리드 블레이드의 폭이 수백 마이크로미터로 이루어질 수 있기 때문에 상기 기판의 평면에 따르는 방향으로 제조되면 리드 스위치의 체적 스케일링의 손상(detriment) 중 일부를 오프셋한다. 동시에, 상기 리드 스위치의 겹쳐진 영역을 수용하는데 필요한 기판 영역의 양은 작게 남겨지고 증가된 블레이드 폭에 의해 영향을 받지 않고, 이에 따라 블레이드는 겹쳐진다.

본 발명에 따른 리드 스위치는 다른 리드 스위치에 비해 상대적으로 감소된 크기로 감도를 유지하도록 제공될 수 있다. 리드 스위치의 감도는 활성을 위해 필요한 자기장의 양에 관련된다. 리드 스위치의 크기가 감소됨에 따라, 리드 스위치 갭에 자기장을 결합시키는 능력은 감소된다. 초소형 스케일에서 리드 스위치의 감도를 유지하기 위해서, 본 발명의 예시적인 실시예는 일부를 부분적으로 둘러싸는 리드 캔틸레버로부터 외부로 연장되는 강자성 재료의 패턴화된 베이스를 포함한다.

또한, 소형화된 리드 릴레이에 대하여 낮은 접촉 저항성을 유지하기 위한 유지력은 스케일 상관성을 포함할 수도 있다. 본 발명의 예시적인 실시예는 정지 접촉 특성을 갖는 단일 캔틸레버를 포함할 수 있다. 제한된 최대 소자의 체적에 대하여, 단일 캔틸레버의 이용은 외부적으로 적용된 자기장에 대하여 강화된 결합을 위해 더욱 강자성 재료를 허용할 수 있다. 주어진 스위치 갭에 대하여, 고정 접촉부와 접촉하는 단일 캔틸레버와 접촉을 형성하기 위하여 갭의 반을 각각 편향시키는 두개의 캔틸레버 사이의 반응차는 다음과 같이 설명될 수 있다. 클램핑-자유 캔틸레버의 길이(clamped-free catilever of length) l, 두께 h, 폭 b, 영 계수 E, 및 팁 단부에서의 힘 P에 대하여, 상기 팁 편향(굴절; deflection))은

이고, 여기서 관성 모멘트 I는

이다. 갭 g을 갖는 두개의 캔틸레버 리드와, 길이 l = lm/2에 대하여, 편향 δ=g/2은 각각의 캔틸레버에 대해 필요하고, 이러한 편향을 생성하는데 필요한 대응하는 힘은

이다. 갭을 갖는 하나의 캔틸레버와, g 및 l=lm에 대하여, 편향 δ=g이 필요하고, 이러한 편향을 생성하는데 필요한 대응하는 힘은

이거나, 또는 두개의 캔틸레버를 위해 주어진 갭 거리보다 단일 캔틸레버를 편향시키는데 4배가 덜 든다. 따라서, 전기 접촉부로부터 리드 캔틸레버를 신뢰가능하게 해제하고 충격 및 진동에 대한 충분한 저항성을 제공하기 위하여 충분한 리드 스프링 강도가 존재하면, 단일 캔틸레버 스위치는 이중 캔틸레버 스위치만큼 주어진 리드 갭에 대한 접촉력을 감소시키지 않을 것이다.

또한, 본 발명은 베이스나 기계적 앵커 근처의 리드에서 국부적으로 감소된 단면을 제공함으로써 리드 스위치에서 리드 캔틸레버의 순응성을 감소시키는 다른 수단을 제공할 수 있다. 이는 블레이드의 자기 저항 및 접촉 갭에 자기장을 결합시키는 능력을 증가시키는 경우에도, 일부의 적용에 있어서 이는 리드 스위치 감도를 향상시키는데 균형을 유지할 수 있다. 협소된 패턴과 같은 마이크로 리소그래피 패터닝을 이용하면 서브-마이크로미터 오차를 갖는 거의 임의의 방식으로 구성될 수 있고, 이에 따라 25-100 마이크로미터의 전형적인 블레이드 두께를 위해 정확하면서 반복가능한 적절한 블레이드 강도를 제공할 수 있다.

본 발명은 종래의 리드 스위치보다 더 효율적으로 제조될 수 있으며 보다 일관된 작동 파라미터를 갖는 소형의 리드 스위치를 제공할 수 있다. 본 발명은 미세제조 기술을 이용하여 소형의 리드 스위치를 제조하는 방법을 제공할 수도 있다.

본 발명의 하나 이상의 실시예를 상세하게 나타내기 위하여 여기에 통합된 첨부된 도면 및 설명은 본 발명의 원리를 설명하는데 제공된다. 첨부된 도면은 본 발명의 하나 이상의 예시적인 실시예를 설명하는 목적으로만 이용되고 본 발명을 제한하는 구성으로 이용되는 것은 아니다.
도 1은 예시적인 집적된 단극-단투("SPST" 또는 "유형 A") 리드 집적 리드 스위치를 나타낸 분해도이다.
도 2는 예시적인 밀봉, 패키지 및 단일화된 리드 스위치를 나타낸 도면이다.
도 3은 예시적인 집적 리드 스위치의 기판 및 기판 바이어스를 상측에서 본 도면이다.
도 4는 전기 접속부를 갖는 예시적인 집적 리드 스위치를 하측에서 본 도면이다.
도 5는 접합 링을 갖는 예시적인 집적 리드 스위치 기판을 상측에서 본 도면이다.
도 6은 리드를 갖는 예시적인 집적 리드 스위치를 상측에서 본 도면이다.
도 7은 연장된 베이스 앵커를 갖는 예시적인 유형 A의 집적 리드 스위치를 나타낸 분해사시도이다.
도 8은 단일 캔틸레버 및 확대된 비대칭 베이스 앵커를 갖는 예시적인 유형 A의 집적 리드 스위치를 나타낸 분해사시도이다.
도 9는 단일 캔틸레버 및 확대된 대칭 베이스 앵커를 갖는 예시적인 유형 A의 집적 리드 스위치를 나타낸 분해사시도이다.
도 10은 단일 캔틸레버 및 부분적으로 인클로즈된 접촉부를 갖는 예시적인 유형 A의 집적 리드 스위치를 나타낸 분해사시도이다.
도 11은 대각선으로 지향된 단일 캔틸레버를 갖는 예시적인 유형 A의 집적 리드 스위치를 나타낸 분해사시도이다.
도 12는 국부적으로 협소한 단면적을 갖는 단일 캔틸레버를 갖는 예시적인 유형 A의 집적 리드 스위치를 나타낸 분해사시도이다.
도 13은 예시적인 집적 리드 스위치의 구성을 위해 이용되는 바이어스를 갖는 기판을 상측에서 본 도면이다.
도 14는 예시적인 리드 스위치용 전기 패드 연결부를 하측에서 본 도면이다.
도 15는 금속 전기 패턴 및 접합 링을 갖는 예시적인 바이어스를 갖는 기판을 나타낸 사시도이다.
도 16은 예시적인 강자성재 접합 스텝을 나타낸 사시도이다.
도 17은 리드 구성요소의 접합 후에 제조 동안의 예시적인 집적 리드 스위치를 나타낸 사시도이다.
도 18은 예시적인 캡 접합 스텝을 나타낸 사시도이다.
도 19는 캡이 접합된 후의 예시적인 집적 리드 스위치를 나타낸 사시도이다.
도 20은 제조 기판에 수직한 접촉 운동을 갖는 평면 박막 미세제조 스위치를 나타낸 사시도이다.
도 21은 제조 기판에 평행한 접촉 운동을 갖는 고세장비로 생성된 미세제조 스위치를 나타낸 사시도이다.
도 22는 전방측 기판 전기 접촉부를 갖는 미세제조된 고세장비 리드 스위치를 나타낸 분해도이다.
도 23은 상측 전기 접촉 구성을 갖는 집적 리드 스위치의 단면도이다.
도 24는 캡 및 측벽을 갖는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 사시도이다.
도 25는 캡 및 측벽을 갖는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 사시도이다.

예시적인 리드 스위치의 실시예

본 발명에 따른 미세제조 리드 스위치의 예시적인 실시예는 전기 바이어스나 피드스루우(feedthrough)가 제공된 절연 기판, 리드 스위치 메커니즘, 리드 스위치의 긴밀한 밀폐를 제공하기 위한 커버, 및 상기 리드 스위치에 전기 접속을 제공하기 위한 도전 패드(electrically conducting pad)를 포함할 수 있다. 본 도면은 웨이퍼의 다이스부 또는 단일 스위치 소자에 관련된 다이만을 포함하는 예시적인 단일 스위치만을 대체로 나타낸다. 제조에 있어서, 이러한 여러 스위치(또는 다른 소자)는 단일 기판상에 제조될 수 있다.

도 1은 예시적인 단극(single pole)-단투(single throw)("SPST" 또는 "유형 A(form A)") 집적 리드 스위치를 나타낸 분해도이다. 도 2는 밀봉, 패키지 및 단일화된 도 1의 예시적인 스위치를 나타낸 도면이다. 기판(100)은 도 3의 예시적인 스위치에서 나타낸 바와 같은 전기 바이어스(electrical vias)(106, 108)를 갖는다. 상기 기판은, 예를 들면 유리, 알루미나, 및 실리콘 코팅된 SiO₂ 유전체와 같은 다양한 임의의 절연재를 포함할 수 있다. 바이어스(106, 108)는 금, 구리, 은, 또는 니켈 같은 전기 전도재를 포함할 수 있고 기판에 밀폐되게 부착될 수 있다. 도 4는 도 3에 도시한 것과 같은 기판을 하측에서 본 도면으로서, 상기 기판은 기판의 하면에 금 패턴과 같은 도전재(electrically conductive material)를 포함하는 전기 패드(112, 114)를 갖는다. 전기 패드(112, 114)는 솔더링이나 적절한 전기 고정물을 통해 외부 전기 회로망에 접속될 수 있다.

도 6은 도 1의 예시적인 집적 리드 스위치의 전기기계부를 상측에서 본 도면이다. 상기 전기기계부는 스페이스 피처(spacing feature)(116, 118)에 부착되는 지지부나 앵커(124, 126)를 갖는 강자성 블레이드(120, 122)를 포함한다. 상기 강자성 블레이드는 금, 은, 루테늄, 로듐, 및 백금을 포함하는 적절한 접촉 야금으로 코팅될 수 있는 연강자성재(예를 들면, 다양한 퍼멀로이와 같은 큰 투과성을 갖는 강자성재)로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 블레이드는 증착면에 대해 수직한 블레이드 두께가 평면의 두께보다 더 큰 것을 의미하는 "고세장비(high aspect ratio)"로 나타낸 것을 가진다. 고세장비는 여러 이점을 제공할 수 있다. 예를 들어, 증착면의 두께와 액츄에이션은 공정시에 타이트한 제어와 예측가능한 강도로 처리할 수 있는 피처 폭 및 액츄에이션 힘 요건으로 제어될 수 있다. 다른 예로서, 수직 스트레인 구배는 종종 여러 증착 재료와 함께 발생한다. 이러한 스트레인 구배는 증착면에 수직한 컬링(curling)과 같은 블레이드의 왜곡을 초래할 수 있다. 이러한 왜곡은 본 발명에서 제공된 증착면에 수직한 상대적으로 큰 두께에 의해 제공된 보다 큰 강도에 의해 부분적으로 저항될 수 있고, 예시적인 실시예에서 상기 블레이드 강도는 평면에서보다 평면 외에서 50배 더 클 수 있다. 증착면에 수직한 액츄에이션을 갖는 이전의 디자인은 상기 스트레인 구배에 의해 야기되는 왜곡으로 인하여 실현불가능할 수 있다.

도 5는 스페이스 피처(116, 118)를 갖는 기판(100)을 나타낸 도면이다. 상기 스페이스 피처는 기판으로부터 강자성 블레이드의 분리를 제공할 수 있고, 이에 의하여 캔틸레버 블레이드를 만들 수 있으며 상기 블레이드의 방해없는 운동을 하게 할 수 있다. 또한, 밀봉 링(110)은 커버 측벽(102) 및 캡(104) 구성요소를 위해 접합면을 제공할 수 있는 이러한 층에 포함될 수 있다.

작동에 있어서, 본 발명에 따른 리드 스위치는 외부 자기장의 적용을 통해 작동될 수 있다. 이러한 자기장은, 예를 들면 영구자석이나 전자기 코일에 의해 생성될 수 있다. 자기장의 적용 하에서, 상기 연강자성 리드는 리드 스위치 블레이드의 겹쳐진 팁에 가해지는 인압(attracting pressure)을 발생시키는 리드 갭에 자기장을 결합한다. 몇가지 예시적인 실시예의 경우, 상기 리드 갭은 가동 리드 캔틸레버 및 고정 접촉부를 포함할 수도 있다. 상기 자기장이 충분히 강하면, 상기 리드는 이들이 터치될 때까지 편향할 것이고, 이에 의하여 전기 접촉은 블레이드를 코팅하는 접촉 야금을 통해 이루어진다.

종래의 리드 스위치는 전형적으로 튜브의 단부로부터 연장되는 전기 리드를 갖는 밀폐형 실린더 유리 튜브 인클로저로 제조된다. 종래의 구성에서, 상기 리드 스위치는 실린더의 축을 따라 가장 민감하고, 이에 따라 리드 스위치의 실린더의 축을 따라 지향되는 극을 갖는 영구자석이나 동축에 위치된 전자석에 의해 대부분 작동되게 처리된다. 본 발명에 따른 집적 리드 스위치의 예시적인 실시예는 거의 임의의 위치에서 리드 스위치의 아래에서 직접적으로 연장되는 전기 리드를 가질 수 있다. 따라서, 가장 민감한 스위치 축의 방향은 전기 접속의 위치에 대하여 조정될 수 있다. 또한, 본 발명은 상기 연강자성 베이스의 고세장비 및 위치를 맞추는 것이 가능하고, 이에 따라 가장 높은 리드 스위치 감도의 방향은 패키지 방향에 대하여 조정될 수 있다. 또한, 더 많은 방향으로 더 균일하고 거의 동일한 감도를 갖는 리드 스위치가 본 발명에 의해 제공될 수 있다.

도 7은 캡(202) 및 벽(204)을 밀봉시키기 위한 링(206)을 갖는 기판(200)에 장착되는 연장된 베이스 앵커(208, 210)를 갖는 예시적인 유형 A의 집적 리드 스위치를 나타낸 분해사시도이다. 도 7의 예시적인 실시예는 리드 캔틸레버(212, 214)의 부분과 겹쳐지는 큰 리드 앵커 영역을 제공한다. 부가적인 재료는 리드 접촉 갭(220)에 외부 자기장의 강화된 결합을 제공한다. 예를 들어, 본 실시예 및 다른 예시적인 실시예에서 나타낸 바와 같은 "연장된 베이스 앵커"는 외부적으로 적용된 자기장에 대해 강화된 결합을 제공하기 위하여 캔틸레버 빔(들)과 접촉되게 및 상기 캔틸레버 빔에 인접하게 패턴되는 연강자성재의 상당한 체적을 제공할 수 있다. 이와 같은 강화된 결합이 없는 미세제조 스위치는 적용된 자기장에 대해 낮은 감도를 가질 수 있고, 이러한 스위치를 작동시키는데 필요한 강한 자기장이 여러 응용분야에서 실현불가능한 스위치를 만들 수 있다. 이러한 고려사항은 임의의 크기의 스위치에서 중요할 수 있지만, 스케일링도 감도에 영향을 주기 때문에 미세제조 스위치에서 특히 중요하게 관찰된다.

도 8은 단일 캔틸레버(300) 및 확대된 비대칭 베이스 앵커(300, 302)를 갖는 예시적인 유형 A의 집적 리드 스위치를 나타낸 분해사시도이다. 도 8의 예시적인 실시예는 하나의 캔틸레버(304) 및 대향하는 정지 접촉부(302)를 포함한다. 상기 예시적인 실시예는 고정 접촉부(302)와 가동 캔틸레버 빔(304)에 의해 정의되는 갭(306)을 제공한다. 예시적인 실시예에서, 상기 캔틸레버 베이스(300) 또는 앵커 영역이 대응하는 고정 접촉 베이스 영역(302)보다 더 크게 도시되어 있다. 또한, 양 베이스 영역은 앵커 영역(400, 402)이 거의 같은 치수를 갖는 도 9의 예시적인 실시예에서 나타낸 바와 같은 영역과 같을 수 있다. 이러한 구성은 도 8의 예시적인 실시예보다 외부적으로 적용된 자기장에 대하여 상이한 자기 결합을 제공한다. 따라서, 상이한 베이스 및 블레이드 구조를 제공함으로써, 본 발명은 상이한 리드 스위치 감도를 제공할 수 있다. 적용된 자기장 방향을 갖는 리드 스위치 감도의 변화도 이러한 방식으로 맞춰질 수 있다.

도 10은 단일 캔틸레버 및 부분적으로 인클로즈된 접촉부를 갖는 예시적인 유형 A의 집적 리드 스위치를 나타낸 분해사시도이다. 도 10의 예시적인 실시예는 도 7의 예시적인 실시예와 관련해서 설명된 것이 도 10에서 설명된 것과 같은 연장된 앵커(500)를 포함한다. 정지 접촉부(502)는 접촉 영역이 연강자성재에 의해 부분적으로 둘러쌓이도록 제공된다.

도 11은 대각선으로 지향된 단일 캔틸레버를 갖는 예시적인 유형 A의 집적 리드 스위치를 나타낸 분해사시도이다. 도 11의 예시적인 실시예는 앵커(600)와 고정 접촉부(602) 및 패키지에 대하여 각을 갖는 캔틸레버를 제공한다.

도 12는 국부적으로 협소된 단면적을 갖는 단일 캔틸레버를 갖는 예시적인 유형 A의 집적 리드 스위치를 나타낸 분해사시도이다. 도 12의 예시적인 실시예는 앵커(700)와 고정 접촉부(702)를 제공한다. 캔틸레버(706)는 감소된 단면적(704)을 갖는 부분을 포함한다. 상기 협소된 단면적은 국소적인 굽힘 힌지를 효과적으로 제공할 수 있고, 상기 캔틸레버(706)는 굽힘 힌지에 대하여 갭(708)을 폐쇄하며 베이스(702)에 형성된 고정 접촉부와 접촉하도록 구부러질 수 있다.

예시적인 제조방법

본 발명에 따른 집적 리드 스위치의 제조에 대한 설명은 적절한 기판을 준비함으로써 시작할 수 있다. 알루미나, 유리, 유리-세라믹 합성물 및 산화 실리콘과 같은 다양한 절연 기판이 이용될 수 있다. 상기 리드 스위치에 전기 연결을 하는 것은 홀에 형성된 바이어스에 의해 제공될 수 있고, 상기 홀은 일부의 적용에 대하여 0.002"에서 0.040"의 직경을 갖는 크기의 범위일 수 있다. 이러한 홀은 레이저나 워터 제트 드릴링을 이용하여 공정될 수 있다. 상기 홀에는 다수의 접근방법(approach)에 의해 도전재가 제공될 수 있다. 접근방법의 선택은 의도된 적용에 대하여 리드 스위치의 수명에 용인될 수 있는 밀폐 정도에 영향을 줄 수 있다. 예시된 바와 같이, 상기 홀에는 공정의 세라믹 슬러리 타입에서 전기 도금과 조합된 박막 물리적 기상 증착을 이용하거나 또는 가압, 소결 및 가연성 메탈 파우더나 도전성 플러그 페이스트를 이용함으로써 도전재가 제공될 수 있다. 예시적으로, 적절한 도전재는 금, 은, 및 구리를 포함한다. 상기 홀의 공정 및 도전재의 제공 후, 도 13에 나타낸 바와 같은 기판은 절연 기판이나 웨이퍼(800)에 도전 플러그나 바이어스(802, 804)를 제공한다. 관통-기판 바이어스의 이용은 표면 실장 전자 패키지 및 어셈블리의 호환성에 있어서 중요할 수 있다. 예를 들어, 외부 전기 접속을 위해 관통-기판 바이어스를 갖는 본 발명에 따른 리드 스위치는 최소의 "풋프린트(footprint)"(회로보드에서 스페이스)가 필요할 수 있고, 표면 실장 및 볼 그리드 인쇄회로기술에 대하여 적절할 수 있다.

또한, 절연 바이어스는 다수층 금속 및 내부층 유전체 공정을 이용하여 기판 표면에 제공될 수 있다. 도 22에 예시적인 구현이 도시되어 있다. 집적 고세장비 미세제조 자기 리드 스위치의 특정 실시예에 포함된 것은 강자성 구성요소(923, 924, 926)를 갖는 절연 기판(920) 및 캡(921)과 측벽(922)으로 이루어진 커버이다. 전방측 전기 접속은 금속화를 제공하며 리드 스위치에 대하여 전기 접속을 갖는 접합 패드(928)를 제공하는 층 및 상기 금속화 층과 도전 캡 밀봉 링(932) 사이의 유전체(930) 분리에 의하여 구현된다. 따라서, 이러한 방식으로, 전기 접속은 기판의 전방측에서 스위치의 내부 밀폐 캐비티를 이룬다. 이때, 상기 전방측 금속화 층은 다수의 소자를 함께 접속시키거나 또는 다른 전기나 전기기계 구성요소를 접속시키는데 이용될 수 있다.

제조 순서의 다른 스텝은 도 14에 나타낸 바와 같은 기판의 후방측에 전기 패드(806, 808)를 만들 수 있다. 이는 외부 전기 접속 수단을 제공하기 위하여, 예를 들면 금이나 주석의 표준화된 금속 패터닝을 이용하여 달성될 수 있다. 최종적인 리드 스위치의 적용에서 솔더링되거나 접합될 수 있는 상기 패드는 리드 스위치 패키지의 외부로부터 상기 바이어스의 도전재로 전기 인터페이스를 제공할 수 있다.

도 15에 나타낸 보완적인 금속 패턴은 도면부호 812, 814와 같은 구조를 통해 리드 스위치 베이스에 전기 접속을 제공하는 기판 전방측에 생성될 수 있다. 상기 전방측 접속의 구조는 특정 리드 스위치 디자인의 앵커 및 접촉부에 대해 적절하도록 구성될 수 있다. 상기 전방측 금속 패턴도 커버 밀봉용 베이스를 제공하기 위하여 접합 링(810)을 포함한다. 이러한 전방측 층은 금을 포함하는 다양한 도전재로 구성될 수 있고, 이에 의하여 금 확산 접합이 강자성 구성요소를 부착시키고 커버를 밀폐되게 밀봉시키는데 이용될 수 있다. 양 후방측 및 전방측 금속화 패턴은 스퍼터링이나 리프트-오프 리소그래피 기술을 갖는 금속의 증발 건조를 포함하는 다양한 평면 공정 금속화 기술로 제조되거나 또는 관통-포토레지스트(through-photoresist) 전기 도금에 의하여 제조될 수 있다.

도 16은 예시적인 강자성재의 접합 스텝을 나타낸 사시도이다. 도 17은 리드 구성요소의 접합 후에 제조 동안의 예시적인 집적 리드 스위치를 나타낸 사시도이다. 패턴된 강자성 구성요소(820, 822, 824)는 메인 기판(800)에 접합된다. 상기 패턴된 강자성 구성요소(820, 822, 824)는 강자성 구성요소를 제조하고 접합 동안에 이들을 유지하는데 이용되는 (미도시된)제2기판이 장착될 수 있다. 접합 후, 상기 제2기판은, 예시된 바와 같이 강자성 부분과 제2기판 사이에 남겨진 희생 층의 선택적 화학 에칭에 의해 또는 제2기판의 벌크 용해에 의해 제거될 수 있다. 상기 접합은, 예를 들면 금속 확산 접합(고상 용접), 순간적인 액상 접합(transient liquid phase bonding), 브레이징, 또는 솔더 리플로우에 의해 달성될 수 있다. 스페이스 패턴(826, 828)도 강자성 영역 내에 위치되는 접합층을 제공하기 위하여 강자성 구성요소(822, 824)가 제공될 수 있다. 이러한 스페이스 층은 접촉 영역(824)을 갖는 전기 접속을 만들기 위하여 자기장에 반응해서 이동하도록 강자성 블레이드용의 부가적인 간극을 제공할 수 있다. 부가적으로, 상기 블레이드(820)와 고정 접촉부(824)에는 메인 기판(800)에 접합 및 이동하기에 앞서 전형적으로 적절한 전기 접촉 층이 제공될 수 있다. 로듐(Rh) 및 루테늄(Ru)와 같은 적절한 접촉 금속은 메인 기판(800)으로 이동하는 동안에 강자성 구조의 완화를 방지할 수 있는 구조들 사이에서 접촉 금속의 전기 도금을 막기 위하여 추가의 유전체 자기 층을 갖는 강자성 베이스 층에 전기 도금될 수 있다. 부가적으로, 상기 강자성 층 구조의 아래에서 희생 층을 약간 언더컷팅함으로써, 접촉 금속은 증발 건조나 스퍼터링 같은 여러 물리적 기상 증착법에 의해 증착될 수 있다. 이러한 스텝은 도 17에 나타낸 예시적인 제조에서 이용될 수 있고, 또한 다른 실시예를 포함해서 대응하는 구성요소의 형상 변형에 이용될 수 있으나, 그 밖에 설명된 예시적인 실시예를 제한하지 않는다.

밀폐형 밀봉 스위치를 만들기 위하여, 소자를 둘러싸는 적절한 밀폐형 재료로 제조된 캡이 요구된다. 강자성 층의 접합과 유사한 방법으로, 커버(842)와 측벽(840)을 포함하는 캡이 금속 확산 접합에 의해 접합 링(810)에 접합될 수 있어서, 도 18에 나타낸 바와 같은 리드 스위치 주위에 밀폐형 밀봉 캐비티를 생성한다. 초기에 커버를 지지했던 기판을 제거한 후의 결과가 도 19에 도시되어 있다. 상기 캡의 재료는 연강자성 리드 스위치 구성요소에 외부 자기장을 결합하도록 비자기 재료로 이루어질 수 있다. 또한, 유리는 캡의 재료로 이용될 수 있고, 유리나 실리콘 같은 반도체로 이루어질 수 있는 대응하는 적절한 접합 링 재료에 양극적 방법으로 접합되거나 융합될 수 있다.

측벽과 캡을 갖는 예시적인 실시예

도 24 및 도 25는 측벽(1001)과 캡(1000)을 갖는 리드 스위치의 예시적인 실시예를 나타낸 사시도이다. 본 명세서에서 설명된 다른 예시적인 실시예는 두개의 층을 갖는 캡을 포함하고, 상기 두개의 층은 평면 층과 측벽 층이며, 상기 측벽 층은 리드 스위치와 실장되고 스위치 구성 위의 평면 층 내에 위치된다. 도 24 및 도 25의 예시적인 실시예에서, 측벽 층(1001)은 스위치 제조공정의 부분으로 형성된다. 이때, 상기 캡은 층(1002), 예를 들면 비교적 얇은 스페이스 패턴(1003)의 이용을 통해 스위치의 부분으로서 이전에 생성된 측벽(1001)이 장착되는 유전체나 금속 재료의 층을 포함한다. 이러한 접근방법은 웨이퍼 레벨 접합 기판 샌드위치를 제공하고, 상기 캡은 웨이퍼 레벨 접합 기판 샌드위치에 대해 단일화 및 (리소그래피 대신에) 웨이퍼 다이싱 동안에 생성될 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

Claims (20)

1. a. 실질적으로 비도전성 재료를 포함하며, 리드 스위치의 외부에서 전기 회로망과 전기 통신하게 위치되는 제1 및 제2 전기 접촉부를 갖는 실질적인 평면 기판; 및
   b. 하나 이상의 리드를 포함하고, 상기 각 리드는 그 길에 대하여 실질적으로 직교하며 기판의 평면에 대하여 직교하지 않는 방향으로 구부러질 수 있는 연장된 구성을 포함하고, 상기 기판을 갖는 일 단부에 장착되며, 상기 각 리드는 전기 접촉부들의 적어도 하나와 전기 통신하도록 장착되고, 적합한 자기장이 적용된 경우에 상기 리드 또는 리드들이 편향되어 두개의 전기 접촉부가 서로 전기 통신하게 위치되는 리드 스위치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 리드가 작동하는데 자유롭도록 기판이 장착된 캡을 더 포함하여, 상기 캡과 기판은 함께 상기 리드나 리드들의 작동 영역으로 공기와 같은 이물질이 들어가는 것을 실질적으로 방지하는 리드 스위치.
3. 제1항에 있어서,
   a. 상기 기판이 장착되며 제1전기 접촉부와 전기 통신하는 제1앵커;
   b. 상기 제1앵커와 전기 통신하고, 상기 기판의 평면과 실질적으로 평행한 방향으로 구부러지고, 상기 제1앵커로부터 분리된 길이 부분을 따르지만 상기 제1앵커에 근접하게 장착되는 제1리드;
   c. 상기 기판이 장착되며 제2전기 접촉부와 전기 통신하는 제2앵커; 및
   d. 상기 제2앵커와 전기 통신하고, 상기 기판의 평면과 실질적으로 평행한 방향으로 구부러지고, 상기 제2앵커로부터 분리된 길이 부분을 따르지만 상기 제2앵커에 근접하게 장착되는 제2리드를 포함하고,
   e. 상기 리드 스위치가 제1자기 조건에 영향을 받는 경우에 상기 제1 및 제2리드는 전기 통신하지 않고, 상기 리드 스위치가 제2자기 조건에 영향을 받는 경우에 상기 제1 및 제2리드는 전기 통신하는 리드 스위치.
4. 제3항에 있어서,
   상기 제1앵커가 제1리드를 부분적으로 둘러싸도록 상기 제1리드에 제1앵커가 장착되는 리드 스위치.
5. 제3항에 있어서,
   상기 리드가 작동하는데 자유롭도록 기판이 장착된 캡을 더 포함하여, 상기 캡과 기판은 함께 상기 리드의 작동 영역으로 공기와 같은 이물질이 들어가는 것을 실질적으로 방지하는 리드 스위치.
6. 제1항에 있어서,
   a. 상기 기판이 장착되며 제1전기 접촉부와 전기 통신하는 제1앵커;
   b. 상기 기판의 평면과 실질적으로 평행한 방향으로 구부러질 수 있고, 상기 제1앵커와 전기 통신하고, 상기 제1앵커로부터 분리된 길이 부분을 따르지만 상기 제1앵커에 근접하게 장착되는 제1리드; 및
   c. 상기 기판이 장착되며 제2전기 접촉부와 전기 통신하는 고정 접촉부재를 포함하고,
   d. 상기 리드 스위치가 제1자기 조건에 영향을 받는 경우에 상기 제1리드 및 고정 접촉부는 전기 통신하지 않고, 상기 리드 스위치가 제2자기 조건에 영향을 받는 경우에 상기 제1리드 및 고정 접촉부는 전기 통신하는 리드 스위치.
7. 제6항에 있어서,
   상기 제1앵커가 제1리드를 부분적으로 둘러싸도록 상기 제1리드에 제1앵커가 장착되는 리드 스위치.
8. 제6항에 있어서,
   상기 고정 접촉부는 고정 접촉부가 제1리드의 단부를 부분적으로 둘러싸도록 이루어진 형상인 리드 스위치.
9. 제6항에 있어서,
   상기 제1리드에 상기 제1앵커의 제1측이 장착되고, 상기 제1앵커와 고정 접촉부가 제1축을 형성하고 상기 제1리드가 제1축을 가로질러 고정 접촉부를 향해 제1앵커로부터 연장되도록 상기 제1리드, 제1앵커, 및 고정 접촉부에는 기판이 장착되는 리드 스위치.
10. 제1항에 있어서,
    적어도 하나의 리드는 구부러진 방향으로 형성된 단면을 갖고, 상기 단면은 리드의 길이를 따른 영역에서 감소된 부분을 갖는 리드 스위치.
11. 제1항에 있어서,
    배치 리소그래피-기반의 미세제조 방법으로 제조된 리드 스위치.
12. 제1항에 있어서,
    적어도 하나의 리드는 기판의 평면에 직교한 두께보다 작은 기판의 평면에 평행한 두께를 갖는 리드 스위치.
13. 제1항에 있어서,
    적어도 하나의 리드는 기판의 평면에 직교한 1/2두께보다 작은 기판의 평면에 평행한 두께를 갖는 리드 스위치.
14. a. 제1 및 제2전기 접촉부를 갖는 제1기판을 제공하고;
    b. 제2기판에 리드 스위치 구성을 형성하고;
    c. 상기 리드 스위치 구성 중 소정 구성이 제1 및 제2전기 접촉부와 전기 통신하도록 상기 리드 스위치 구성에 제1기판을 접합하고;
    d. 상기 리드 스위치 구성으로부터 제2기판을 제거하고;
    e. 상기 리드 스위치 구성이 캡과 제1기판에 의해 정의된 체적 내에 있으며 상기 제1 및 제2전기 접촉부가 체적의 외부로 연장되도록 상기 제1기판에 캡을 장착하는 것을 포함하는 리드 스위치의 제조방법.
15. 제14항에 있어서,
    상기 제1기판을 제공하는 것은, 평면 기판을 실질적으로 제공하고, 기판을 관통하는 두개의 홀을 형성하며, 상기 홀의 길이를 연장하는 도전성 재료를 공급하는 것을 포함하는 리드 스위치의 제조방법.
16. 제15항에 있어서,
    상기 제1홀의 도전성 재료와 전기 통신하는 제1기판의 표면에 도전성 재료를 증착하는 것을 더 포함하는 리드 스위치의 제조방법.
17. a. 절연 기판;
    b. 기판의 표면이 장착되고 상기 기판의 도전성 바이어스에 전기 접속되는 제1 및 제2강자성 베이스; 및
    c. 베이스를 갖는 제1단부가 장착되고 기판의 표면에 수직하지 않은 경로를 따라 이동가능한 제2단부가 장착되는 적어도 하나의 캔틸레버 구성을 포함하고,
    d. 상기 캔틸레버 구성의 운동이 전기 통신하는 제1 및 제2베이스를 위치시키도록 상기 캔틸레버 구성은 외부적으로 적용된 자기장에 반응하여 움직이는 스위치.
18. 제17항에 있어서,
    상기 캔틸레버 구성은 외부적으로 적용된 자기장이 없는 경우에 제1 및 제2베이스를 전기 통신하도록 위치시키지 않는 스위치.
19. 제18항에 있어서,
    상기 캔틸레버 구성은 베이스의 부분을 따라 통과하는 경로를 따르는 베이스를 갖는 장착 위치로부터 연장되는 스위치.
20. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2전기 접촉부는 기판의 제1측에서 외부 전기 회로망과 전기 접속을 위해 제공되고, 상기 리드는 상기 제1측과 대향하는 기판의 제2측에 기판이 장착되는 스위치.

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