專利名稱：集成超小型繼電器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明通常涉及磁作動的作動器，更特別地，涉及磁作動的微型繼電器。
背景技術：
繼電器是電氣開關設備，其采用第一電流的流動控制第二電流的流動。繼電器通常包括兩個主要組件(1)基于第一電流的流動而產(chǎn)生磁場的電磁線圈；和(2)用于控制第二電流的磁作動電氣開關，其中該開關通過產(chǎn)生的磁場作動。具有電氣觸點的電磁繼電器通常包括連接和不連接所述觸點的工作間隙，和產(chǎn)生磁場的電磁線圈，其經(jīng)由磁路耦接到工作間隙上。為在線圈和工作間隙之間提供有效的耦接，可以在磁路中施用容易磁化的或“軟”的鐵磁材料。耦接的進一步改進這樣獲得，軟鐵磁路徑是緊湊的因此是短的，而具有大的橫截面積。由此通過電磁線圈產(chǎn)生的磁場而施加在繼電器觸點上的力是用于設備中的材料、線圈幾何、線圈自身匝數(shù)和第一電流幅值的函數(shù)。典型地，線圈包括大量的匝數(shù)，以使第一電流的幅值保持較小。近年來，新的微制造技術，例如微電機系統(tǒng)(MEMS)技術，已經(jīng)用于繼電器的制造。MEMS技術是基于平面處理操作，其首先發(fā)展用于集成電路工業(yè)；然而，MEMS技術提供了這樣的能力，以形成能夠相對于它們的基底運動的結構。MEMS技術使得能夠制造微繼電器，其相對于大的相對物而具有幾個優(yōu)點，例如更小的尺寸，由于采用低成本的批量制造而導致的更低的成本，和通過它們的小尺寸能夠獲得的新的設備功能性和應用。現(xiàn)有技術的微型繼電器采用基于機械作動的開關元件的開關，例如懸臂梁、雙支撐梁(也即橋)、板和膜。這些運動結構典型地包括可運動的磁性元件，其包括第一電氣觸點。磁場施用于磁性元件，其使第一電氣觸點運動到與第二電氣觸點(或觸點對)接觸或離開接觸，使得第二電流能夠或不能夠流動。垂直作動的微型繼電器包括磁性元件，其運動能夠在垂直于其下面的基底的方向上進行。通過采用傳統(tǒng)的基于MEMS的平面處理技術，可運動結構在這樣的構造中的生成相對筆直向前。然而，通過采用平面處理以使這樣的結構增加有效的具有緊湊的磁路和大的橫截面積的磁性電流是有挑戰(zhàn)性的。此外，這樣的繼電器的運行特性主要通過層的薄膜屬性確定，可運動的磁性元件通過所述層形成。然而，薄膜層的機械屬性能夠根據(jù)沉積條件而顯著地改變。這樣的改變可能導致不一致的運行特性，即使是在同樣設計的微型繼電器之間。橫向作動的微型繼電器包括磁性元件，其運動能夠沿著基本平行于其下面的基底的平面進行。磁性元件典型地通過繩索支撐在基底上面，所述繩索設計為對于平面中(也即橫向)運動是彈性的，而對于平面外(也即垂直)運動是剛性的。所述繩索和磁性元件通過照相平版限定出，并蝕刻以將它們“雕刻”為它們想要的形狀。這樣的微型繼電器避免了與垂直作動微型繼電器相關的一些問題。特別地，橫向作動的微型繼電器的運行特性(例如彈性、作動力、運行速度等)更多地依賴于其繩索的限定的結構，而不是形成它們的層的薄膜屬性。結果，運行特性基本與膜應力、厚度變化等導致的劣化作用無關。典型地，最想要的是，采用電磁線圈控制作動微型繼電器的磁場，而不管磁場是通過永久磁鐵產(chǎn)生的還是通過電磁線圈自身產(chǎn)生的。然而，由于這樣的線圈的三維特性和將其有效地磁耦接到可運動的磁性元件上的需求，電磁線圈在批量晶片級處理中的應用可能非常有挑戰(zhàn)性。這樣，不幸地，難以最好地生產(chǎn)實際集成的線圈，所述線圈能夠可靠地作動這些開關元件。 結果，現(xiàn)有技術中的微型繼電器典型地依賴于差地耦接的線圈或外部非集成的線圈，以提供磁場用于作動。然而由于差地耦接的線圈，激勵繼電器所需的最終的大的電功率是顯著的缺點。外部構造的線圈的使用不僅顯著增加了包裝成本和尺寸，而且典型地，差的組裝公差可能導致相同設計的微型繼電器的運行特性的顯著變化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供微型制造的微型繼電器，其克服了現(xiàn)有技術的一些限制和缺點。本發(fā)明的實施方式包括(I)磁作動的電氣開關，其具有運動觸點，該觸點選擇性地在平行于其基底的平面中運動；(2) —個或多個集成的平坦線圈，以產(chǎn)生作動電氣開關的磁場；(3)閉合磁路，以有效地導通通過電氣開關的磁場。平坦線圈單片地集成在包括磁路第一部分的第一基底上。電氣開關單片地集成在包括磁路的第二部分的第二基底上。第一和第二基底對齊并粘合，以完成閉合磁路，并將線圈和開關集成在微型繼電器中。完整的磁路有效地導通產(chǎn)生的通過開關的磁場，該開關減小了必須通過平坦線圈產(chǎn)生的磁場的幅度。在一些實施方式中，閉合磁路包括兩個磁芯。每個磁芯包括形成在第一和第二基底的每個中的鐵磁元件。此外，每個磁芯的部分共同地限定出電氣開關。本發(fā)明的實施方式包括多個線圈，它們設置為使得通過一個線圈產(chǎn)生的磁場通過剩余的線圈放大。結果，多個線圈共同地產(chǎn)生具有高磁場強度的磁場。在一些實施方式中，多個電磁模塊，每個包括至少一個平坦線圈，設置為使得線圈共同地產(chǎn)生磁場。每次電磁模塊還包括磁穿孔和電穿孔，以磁和電地耦接基底。本發(fā)明的實施方式包括包括用以產(chǎn)生磁場的第一線圈的第一基底，其中該線圈基本是平坦的并位于第一平面中，且其中該第一線圈和第一基底單片地集成；和包括電氣開關的第二基底，該電氣開關包括第一電氣觸點和第二電氣觸點，其中該第一電氣觸點通過磁場運動，且其中電氣開關和第二基底單片地集成，并且其中第一電氣觸點在基本平行于第一平面的第二平面中選擇性地運動。


圖I描述了根據(jù)現(xiàn)有技術的第一微型繼電器的示意圖。圖2描述了根據(jù)現(xiàn)有技術的第二微型繼電器的示意圖。圖3描述了根據(jù)本發(fā)明示例的實施方式的微型繼電器的簡化橫截面示意圖。圖4描述了用于形成根據(jù)本發(fā)明示例的實施方式的微型繼電器的方法的操作。圖5A和5B分別描述了通過電磁模塊302的線a_a的頂視圖和橫截面圖的不意圖。圖6描述了適合用于操作401的子操作，其中電磁模塊302根據(jù)本發(fā)明示例的實施方式而形成。圖7A和7B描述了分別通過作動器模塊304的線b_b的頂視圖和橫截面圖的示意·圖。圖8描述了適合用于操作402的子操作，其中作動器模塊304根據(jù)本發(fā)明示例的實施方式而形成。圖9描述了根據(jù)本發(fā)明示例的實施方式的完全組裝的繼電器300的橫截面圖。圖10描述了根據(jù)本發(fā)明示例的實施方式的磁路。圖11描述了根據(jù)本發(fā)明第一替代實施方式的微型繼電器的簡化橫截面圖的示意圖。
具體實施例方式下面的術語定義用于本說明書，包括后面的
權利要求
電氣連接定義為這樣的狀態(tài)，其中兩個或更多個點連接，從而使得它們在任何電流水平處基本處于相同的電壓水平。這可以是經(jīng)由直接物理接觸(例如與電通孔物理耦接的接觸墊等)或者通過導電介質(例如通過導線或軌跡互連的電路節(jié)點等)。電氣耦接定義為這樣的狀態(tài)，其中兩個點電氣連通。這可以是經(jīng)由直接物理接觸(例如插入在電氣插座中等)，經(jīng)由導電介質(例如通過電線或軌跡等連接的電氣設備)，或經(jīng)由中間設備等(例如通過電阻、電感等連接的電氣設備等)。圖I描述了根據(jù)現(xiàn)有技術的第一微型繼電器的示意圖。繼電器100包括磁性元件102和104，線圈108，懸臂梁110，電氣觸點116和118，和基底120。繼電器的例子，例如繼電器100通過2000年7月25日公布的Tai等的美國專利6094116公開，該專利通過參考
結合于此。磁性元件102是形成在基底120的表面上的鐵磁材料層。鐵磁材料是這樣的材料，其具有中等的或高的磁滲透性，并具有導通磁場的能力。鐵磁材料的例子包括永磁體材料，鎳、鎳-鐵合金、鐵、透磁合金、超透磁合金、Sendust 等。磁性元件104也是其形成在基底120上的鐵磁材料層，從而使得磁性元件104在區(qū)域106與磁性元件102交疊。磁性元件104采用傳統(tǒng)的平面處理操作制造，例如那些包括在MEMS制造處理中的。磁性元件104形成為具有懸臂梁110，其自由端112在區(qū)域114處懸在磁性元件102上，以形成氣隙。自由端112還懸在電氣觸點116和118上。線圈108是導電材料的平面線圈，其電氣連接到磁性元件102上。當?shù)谝浑娏髁鬟^線圈108時，其產(chǎn)生磁場。線圈108纏繞在區(qū)域106周圍，從而使得磁耦接到磁性元件102和104中。而且，磁性元件102和104和線圈108共同地限定出磁路，其通過位于區(qū)域114處的氣隙導通磁場。關于磁場，磁力在懸臂梁110上發(fā)展，其拖動自由端112垂直向下(也即在正交于線圈108和基底120的平面的方向上)并朝向磁性元件102。結果，自由端112與基底120接觸并電氣短接電氣觸點116和118，由此能夠使電流120流動。繼電器100遭受幾個缺點。首先，其依賴于這樣的事實，即平面線圈和開關元件緊緊接近地設置，且開關元件在垂直于線圈平面的方向上運動。如同Tai公開的“磁性材料
1、4的兩層在線圈3繞其纏繞的一個點5處互相重疊。這創(chuàng)作出了非常有效地產(chǎn)生磁力的平面螺線管?！眳⒁娎绲?欄第26-29行，圖I。此外，由于磁路元件102和104小的厚度，返回磁路的磁阻是高的。結果，通過線圈108產(chǎn)生的磁場和在氣隙114中導致的磁通量之間的耦接效率是低的，因此，需要來自線圈的更大的磁動力，以使氣隙中產(chǎn)生的磁通密度在返回磁路材料的飽和磁通密度附近。該磁動力可以通過增加通過線圈108的電流或通過增加線圈108中包括的匝數(shù)而增加。當采用更大的電流時，繼電器消耗多得多的能量。當采 用更多的線圈匝數(shù)時，磁路的平面布置要求返回磁路基本上變得更大。這進一步增加了磁阻，因此進一步減小了耦接效率。由于懸臂112在垂直于線圈108和基底120的平面的方向上運動，形成懸臂的層的厚度和材料屬性主要決定了懸臂的機械行為。例如，所需的驅動力、恢復力、共振頻率等基于厚度、密度、殘余應力和通過懸臂112的厚度的殘余應力梯度。在這些材料屬性中，沉積到沉積的變化是典型的。結果，懸臂112在垂直于基底120的方向上運動的事實導致i.繼電器100運行特性的變化，或者ii.在相同設計的不同繼電器之間的不一致的運行特性；或iii.重復性和可靠性問題；或iv.繼電器到繼電器之間，自由端112和每個電氣觸點116和118之間的接觸阻抗的變化；或者V. i、ii、iii 和 iv 的組合。而且，懸臂112的厚度通常限定到對于用于形成懸臂層的沉積處理固有的最大沉積厚度。用于繼電器，例如繼電器100的設計空間這樣受到限制。圖2描述了根據(jù)現(xiàn)有技術的第二微型繼電器的示意圖。繼電器200包括磁性元件202,204和206，彈簧208和220，錨210和222，電氣觸點212，繩索214，電線216和218，和基底224。繼電器的例子，例如繼電器200通過Hill等2002年4月2日公布的美國專利6366186公開，該專利通過參考結合于此。磁性元件202和204是形成在基底224的表面上的鐵磁材料層。磁性元件202和204共同地為導通外部施加的磁場限定出“磁通路”。磁性元件206是包括鐵磁材料的元件。磁性元件206通過彈簧208懸掛在基底224的上面。彈簧208是結構材料環(huán)，例如硅、多晶體等。彈簧208采用傳統(tǒng)的MEMS制造技術形成為橢圓形形狀，例如深反作用離子蝕刻(DRIE)。彈簧208通過錨210支撐在基底224上面。彈簧208基本是平坦的并位于第一平面中，其在通過基底224限定出的第二平面上面并與之基本平行。
通過其形狀，彈簧208在第一平面中是彈性的，但是阻止從第一平面中向外彎曲。磁性元件206附接到彈簧208上，從而使得其也懸掛在基底224上面。結果，磁性元件206在第一平面中的運動是可能的，而磁性元件206在第一平面之外的運動受到抑制。磁性元件202和204設置用于導通通過磁性元件206和間隙的磁場，所述間隙將三個磁性元件分開。運行中，通過運動磁性元件到與繼電器200接近，磁場得以外部地施加。彈簧220是彎曲的結構元件，其通過錨222懸掛在基底224上面，并位于第一平面中。類似于彈簧208，彈簧220在第一平面中是彈性的，而對抗從第一平面向外彎曲。電氣觸點212是導電材料，其附接到彈簧220上，從而使得電氣觸點212懸掛在基底224的上面。結果，電氣觸點212在第一平面中的運動是可以的,而電氣觸點212在第一
平面外面的運動是抑制的。繩索214剛性地耦接磁性元件206和電氣觸點212，從而使得它們在第二平面中一
起運動。如同Hill所公開的，“運行中，當磁通量沿著磁通路施加時，其用于將磁性元件與線對齊，并產(chǎn)生將磁性元件朝著所述線拖曳的力?！崩鐓⒁奌ill的第5欄第65行-第6欄第I行和圖I。因為繩索214剛性地耦接磁性元件206和電氣觸點212，磁性元件206的運動(通過繩索214)將電氣觸點212運動到與電線216和218物理接觸。該物理接觸電氣地短接電線216和218，使得電流120能夠流動。由于電氣觸點212的運動在平行于基底224的平面中，繼電器200克服了一些上面關于繼電器100所討論的缺點。特別地，繼電器200的運行特性主要通過照相平版術確定。繼電器200還遭受了幾個缺點。首先，如同Hill公開的，通過磁性元件202和204具體化的磁通路需要與外部施加的磁場對齊，以使得能夠在磁場和磁性元件202和204之間實現(xiàn)相當有效的耦合。對良好對齊的需求來自于磁性元件202和204小的橫截面，這限制了元件到施加的磁場的耦合效率。結果需要的是提供大的磁場以確保足夠的磁力在作動器處產(chǎn)生。對提供高磁場的需求依次使得難以將合適的平坦的線圈與繼電器200的結構進行集成。挑戰(zhàn)來自于這樣的事實，能夠產(chǎn)生具有足夠高質量因素的大磁場的電磁線圈將需要過多的芯片面積。值得注意的是，在Hill公開的那些實施方式中示出了線圈，該線圈描述為在繼電器的外面。而且，其設置用于提供磁場，該磁場通過磁極形成在多基底堆的頂表面和底表面上定向垂直于基底。這些磁極件將外部產(chǎn)生的磁場指向垂直于基底堆，并引起磁作動的電氣觸點元件也在垂直于每個基底的方向上運動(參見例如Hill :第8欄第59行-第9欄第5行和圖6)。這樣的實施方式當然展示了上面關于繼電器100所述的相同的缺點。相比于現(xiàn)有技術的微型繼電器，本發(fā)明提供的繼電器包括(1)至少一個用于產(chǎn)生磁場的集成的線圈；(2)磁性地耦接到線圈上的磁路，其中該磁路有效地導通產(chǎn)生的磁場通過磁作動的電氣開關；和(3)具有運動元件的電氣開關，該運動元件在平行于基底的方向上運動。結果，本發(fā)明的實施方式避免了運動元件垂直于其基底運動的開關所固有的缺點，甚至還包括適于作動開關的實用的集成平面線圈。
微制造技術的優(yōu)點導致了平面處理技術的發(fā)展，其使得能夠制造相對于它們的橫向尺寸具有顯著厚度的結構。該處理技術領域表達為“高縱橫比”處理，以指出垂直于處理基底表面可以容納的真實尺寸。高縱橫比處理例如能夠發(fā)展橫向作動的微型繼電器。而且，由于高縱橫比處理的出現(xiàn)，可運動的磁性元件現(xiàn)在可以實現(xiàn)相當于磁路長度的足夠的橫截面積，使得在磁場源和工作間隙之間能夠具有相對較低損失的耦接。垂直集成的高縱橫比設備尤其適用于涉及繼電器陣列的應用中，其中極端小型化變得更加重要。例如，繼電器在自動測試設備和通信應用中的使用尤其關系到繼電器在電路板上消耗的印跡和高度。由于基于批次或晶片的制造成本直接關系到設備面積，具有較小印跡的垂直集成的繼電器還具有成本優(yōu)勢。圖3描述了根據(jù)本發(fā)明示例的實施方式的微型繼電器的簡化的橫截面示意圖。繼電器300包括電磁模塊302、作動器模塊304、線圈306、磁芯308和310、蓋314和開關316。磁路312包括兩個磁芯一磁芯308和磁芯310。每個磁芯包括形成在每個電磁模 塊302和作動器模塊304中的鐵磁元件。這些鐵磁元件在繼電器300中配對，從而使得它們磁耦合，以形成磁芯和磁路312。而且，每個磁芯308和磁芯310的部分共同地限定出開關316。如同下面所述的，并相對于圖7A和7B，開關316包括能夠只在平行于其下面的基底的平面中運動的運動觸點。磁路采用較弱的產(chǎn)生磁場啟動作動開關。結果，集成的平面線圈要求更少的匝數(shù)，從而線圈能夠在實際量的芯片區(qū)域中形成。此外，示例的實施方式包括多個平面線圈，其一起工作以共同地產(chǎn)生磁場。平面線圈這樣設置，使得通過一個線圈產(chǎn)生的磁場通過其他線圈放大。結果，多個線圈共同地產(chǎn)生比實際中單個線圈可能產(chǎn)生的顯著更大的磁場。通過采用多個線圈，每個線圈的設計參數(shù)(例如匝數(shù)、電流承載能力等)是不嚴格的，這使得它們更容易地集成到繼電器300中。作為本發(fā)明的一個方面，線圈形成在不同于磁作動開關的基底上。一旦形成，不同的基底結合以形成完全集成的設備。在示例的實施方式中，四個線圈306形成在電磁模塊302上。線圈設置在兩個線圈對中，其中每個線圈對包圍一個磁芯。結果，通過每個線圈產(chǎn)生的磁場足以耦合到其各個磁芯內(nèi)。以類似的方式，開關316形成在分開的作動器模塊304上。為了便于它們集成在繼電器300中，每個基底的磁和電穿孔(via)設置在共同的接口中，以確?；赘浇訒r它們合適的匹配。 用于電磁模塊的磁和電穿孔的該共同的接口為本發(fā)明的實施方式提供顯著的優(yōu)點，所述優(yōu)點是關于設計、制造和總量控制的。例如，“普通的”電磁模塊可以以較低的成本大量生產(chǎn)。而且，普通的電磁模塊可以同共同接口用于作動任何作動器模塊族。共同的接口還能夠形成多個可堆疊的電磁模塊，其能夠組裝在一起以協(xié)作地提供任何實際的磁場強度幅值。結果，本發(fā)明的實施方式提供了更大的設計靈活性，并減小了制造成本。圖4描述了用于形成根據(jù)本發(fā)明示例的實施方式的微型繼電器的方法的操作。方法400開始于操作401，其中提供電磁模塊302。圖5A和5B分別描述了通過電磁模塊302的線a_a的頂視圖和橫截面圖的不意圖。電磁模塊302包括用于產(chǎn)生和放大磁場的元件，和用于有效地導通產(chǎn)生的磁場到作動器模塊的元件。電磁模塊302還包括多個接觸墊，以能夠實現(xiàn)電氣連接和基底的表面安裝。
電磁模塊302包括基底502、線圈306-1至306-4、接觸墊506、508、510和512、磁穿孔514和516、電氣穿孔518、520、522和524，護罩526和磁墊530和532。需要注意的是，清楚起見，圖5B描述了通過代表性的線圈的中心的橫截面圖，而不是通過線a-a的線圈306-1至306-4的線圈的視圖。圖6描述了適合用于操作401的的子操作，其中電磁模塊302根據(jù)本發(fā)明示例的實施方式而形成。操作401開始于子操作601，其中通過晶片電氣通孔518、520、522和524形成在基底502中。基底502是適用于支撐一個或多個導電線圈的微制造的基底。在示例的實施方式中，基底502是鋁基底；然而，本領域技術人員在閱讀本說明之后將清楚如何具體實現(xiàn)、制造和使用本發(fā)明的其他實施方式，其中基底502是任何合適的基底。為了本說明的目的，包括后面的權利要求，“基底”定義為適合用于平面處理制造操作的基底，例如那些在MEMS制造、納米技術制造或集成電路制造中典型采用的。合適的基底材料的例子包括而不限于硅、鍺、化合物半導體、絕緣層結構上的半導體、玻璃、陶瓷、鋁等，及其組合。 電氣穿孔518、520、522和524以傳統(tǒng)方式形成，其中孔形成通過基底502，然后填充以導電材料，例如金、鋁、摻雜質的多晶體和鎢。孔可以采用任何合適的制造技術形成，例如DRIE、噴砂、水鉆、激光輔助蝕刻等。在一些實施方式中，例如其中基底502是鑄造的陶瓷基底的實施方式中，孔可以在基底的形成過程中形成?？撞捎脗鹘y(tǒng)技術填充以導電材料，例如電鍍、化學蒸鍍等。在一些實施方式中，基底502包括導電材料或半導體。在這樣的實施方式中，絕緣層首先沉積在孔的側壁上，以使每個電氣穿孔與基底502電氣地隔離。本領域技術人員將清楚如何具體說明、制造和使用電氣穿孔518、520、522和524。在子操作602中，通過晶片的磁穿孔514和516形成在基底502中。磁穿孔514和516的形成類似于上述電氣穿孔的形成；然而，磁穿孔514以鐵磁材料形成，因此能夠導通在基底502的表面540和542之間的磁通量，作為磁路的一部分，如下根據(jù)圖9所述的。在子操作603在，線圈306-1至306-4、內(nèi)部線圈穿孔546和548、和互相連接528得以形成。需要注意的是，在實施方式中，其中基底502是導電或半導電基底，表面540包括電絕緣層，其上設置有線圈。每個線圈306-1至306-4 (共同地稱為線圈306)是基本平坦的導電材料的螺旋，當通過電流激活時，其產(chǎn)生磁場。每個線圈306位于基本平行于通過基底502限定出的平面534的平面中。特別地，線圈306-1至306-4共面并位于平面536中，而線圈306-2和306-3共面并位于平面538中。在一些實施方式中，每個線圈306位于不同平面中，其中這些平面的每個基本互相平行。盡管示例的實施方式包括四個線圈306，本領域技術人員在閱讀本說明后將清楚如何具體化、制造和使用本發(fā)明的其他實施方式，其包括任何實際的線圈數(shù)量，該數(shù)量小于或大于四個。當以電流激活時，每個線圈306產(chǎn)生磁場，其在一個方向上定向，該方向基于流動通過線圈的方向。在示例的實施方式中，線圈306-1和306-2固定尺寸和設置為使得它們基本同心，且通過每個產(chǎn)生的磁通量分別在平面536和538的正z方向中指向。結果，通過線圈306-1產(chǎn)生的磁場可以通過由線圈306-2產(chǎn)生的磁場放大(或反之亦然)。線圈306-3和306-4固定尺寸和設置為使得它們基本同心，且通過每個產(chǎn)生的磁通量分別在平面538和536的負z方向中指向。結果，通過線圈306-3產(chǎn)生的磁場通過由線圈306-4產(chǎn)生的磁場放大(或反之亦然)。而且，通過線圈306-3和306-4產(chǎn)生的磁場放大了通過線圈306-1和306-2通過磁路312產(chǎn)生的組合磁場，如下面關于圖9所述的。需要注意的是，流動通過線圈的電流方向和線圈的相對方位是設計選擇的事情。而且，線圈306的物理布置，例如匝數(shù)、典型地導電材料線圈軌跡的橫截面，也是設計選擇的事情，在閱讀本說明之后，本領域技術人員將清楚如何具體化、制造和使用線圈306。線圈306-1和306-4、內(nèi)部線圈穿孔546和548、和互相連接528采用一連串電解質層沉積、電解質蝕刻、金屬沉積和電鍍而形成。線圈306-1和306-4通過操作而形成在基底502的表面540上，所述操作包括(I)在表面540上沉積第一層導電材料；(2)在第一層上形成掩模層，其中該掩模層包括在線圈306-1和306-4想要形狀中的開口 ；(3)將基底沉浸在電鍍槽中，其中導電材料選擇性地沉積在掩模層的開口區(qū)域中；和(4)移除掩模層和第一層的非鍍區(qū)域。在它們形成之后，線圈306-1和306-4分別電氣連接到電穿孔518和520上，但是不互相電氣連接。需要注意的是，電鍍只表示形成線圈306的一種合適的技術，本領域技術人員在閱讀本說明之后將能夠具體化和使用任何合適的可選的技術，以形成根據(jù)本發(fā)明的線圈306。 在形成線圈306-1和306-4之后，它們通過電解質層504的沉積而封裝。電解質層504例如采用化學-機械拋光而平坦化。內(nèi)部線圈穿孔546和548通過電解質層504形成，從而使得它們分別電氣連接到線圈306-1和306-2。線圈306-2、線圈306-3和互相連接528然后形成在電解質層504上，從而使得線圈306-2和306-3電氣地連接到內(nèi)部線圈穿孔546和548上，而線圈306-2和306-3通過互相連接528而電氣連接。完成之后，電氣穿孔518、線圈306、內(nèi)部線圈穿孔546和548、互相連接528和電氣穿孔520共同地限定出連續(xù)導電路徑。在子操作604中，磁穿孔514和516垂直延伸，而護罩526采用傳統(tǒng)的照相平版術和電鍍操作而形成。當繼電器300完全組裝時，護罩526為保護繼電器300形成對偏離磁場作用的一部分屏障。線圈306-1和306-2基本同心并分別圍繞在平面536和538中的磁穿孔514。線圈306-3和306-4是同心的并分別圍繞在平面536和538中的磁穿孔516。磁穿孔514和516的垂直延伸使得它們能夠與包括在作動器模塊304中的磁穿孔物理接觸，作為磁路312的一部分，如同下面關于圖7-10所述的。在子操作605中，電穿孔522和524通過樣式的電解質504和電鍍導電材料垂直地延伸。電穿孔522和524的垂直延伸使得在它們與作動器模塊304的電穿孔708和710之間隨后能夠電接觸。在子操作606中，電鍍用于在表面542上形成導電接觸墊506、508、510和512。接觸墊形成為使得接觸墊506電氣連接到電穿孔518上，接觸墊508電氣連接到電穿孔520上，接觸墊510電氣連接到電穿孔522，和接觸墊512電氣連接到電穿孔524上。結果，電磁模塊302適合于表面安裝附接。在子操作607處，經(jīng)由電鍍在表面542上形成磁墊530和532。每個磁墊530和532包括鐵磁材料，并能夠導通磁場。子操作607完成之后，磁穿孔514物理連接到磁墊530上，而磁穿孔516物理連接到磁墊532上。需要注意的是，磁墊530和532通過銜鐵間隙gl物理分開。銜鐵間隙gl互相電氣隔離磁墊530和532，并避免在繼電器300運行過程中發(fā)展不想要的電流分路。然而銜鐵間隙gl典型地制造為盡可能地小，以確保磁墊530和532之間低的磁阻路徑。盡管在示例的實施方式中采用電鍍形成包含在電磁模塊302中的元件，本領域技術人員在閱讀本說明后將清楚如何具體化、制造和使用線圈和/或其他元件，它們采用其他平面制造技術形成，例如照相平版術、電鍍、金屬浮沉(lift-off)、基底層形成式樣(例如蝕刻、消融、噴砂等)，等等。在操作402中提供了作動器模塊304。圖7A和7B分別描述了通過作動器模塊304的線b_b的頂視圖和橫截面圖。作動器模塊304包括基底702、開關316、錨712和714、磁穿孔704和706、電穿孔708和710、密封環(huán)718和護罩716。圖8描述了適用于操作402的子操作，其中作動器模塊304根據(jù)本發(fā)明示例的實·施方式形成。操作402以子操作801開始，其中通過晶片磁穿孔704和706形成在基底502中?；?02是適合于支撐開關316的形成的基底?；?02限定出平面732?；?02類似于基底502。磁穿孔704和706是類似于磁穿孔514和516的通過晶片的磁穿孔。磁穿孔704和706物理連接并分別磁耦合到錨712和714。在子操作802中，通過晶片穿孔708和710形成在基底702中。電穿孔708和710是通過晶片電穿孔，其類似于電穿孔514、518、520和524。磁穿孔704和706和電穿孔708和710設置在與電磁模塊302的磁穿孔514和516和電穿孔522和524相同的設置中。該匹配的設置在電磁模塊302和作動器模塊304之間提供了上述的“共同接口 ”。因此，一旦基底對齊和粘合，磁穿孔704和706和磁穿孔514和516磁耦合，而磁穿孔708和710和電穿孔522和524電氣連接。在一些實施方式中，當基底302和304對齊和粘合時，磁穿孔704和706和磁穿孔514和516物理接觸。在子操作803中，電鍍再次用于形成設置在基底702的表面720上的錨712和714。每個錨712和714都是由鐵磁和導電材料組成。錨712和電穿孔708電氣連接。錨712還物理地和磁性地耦接磁穿孔704。以類似的方式，錨714和電穿孔710電氣連接，錨714和磁穿孔706磁耦接。元件724也在錨712的形成過程中形成。然而為了能夠操作繼電器，犧牲層740形成使得其插入元件724和表面720之間。本領域技術人員將認識到，犧牲層740可以包括任何材料，其能夠選擇性地從電磁模塊304移除。用作犧牲層740的材料的選擇依賴于形成錨712和714的材料。本領域技術人員在閱讀本說明后將清楚如何具體化、制造和使用犧牲層740。元件724是從錨712設置的懸臂梁。在從基底釋放元件724之后，元件724的端部730剛性地連接在錨712處。然而，元件724的端部728自由地選擇性地在平面734內(nèi)運動，該平面基本上平行于平面732。端部728包括電器觸點722。換句話說，元件724定尺寸和設置為使觸點722能夠在平面734內(nèi)運動，但是抑制觸點722在平面734外面的運動。
在一些可選的實施方式中，元件724是不同于懸臂梁的機械元件，但是觸點722仍然能夠在平面734內(nèi)運動。元件724都是由鐵磁和導電材料組成。結果(I)電穿孔708、錨712、元件724和電氣觸點722共同地限定出連續(xù)的導電路徑；和(2)磁穿孔704、錨712、元件724和電氣觸點722共同地限定出連續(xù)的鐵磁路徑。錨714包括電氣觸點726。電氣觸點722、元件724和觸點726共同地限定出磁作動開關316。最初，當開關316在其非作動狀態(tài)時，電氣觸點722和726通過工作間隙g2分開。在一些實施方式中，電氣觸點722和726的一個或兩個都包括突起，所述突起用于集中接觸力和減小它們之間的電氣接觸阻抗。在一些實施方式中，電氣觸點722和726的一個或兩個都包括低電阻材料，例如金，以減小它們之間的電氣接觸阻抗。在子操作804中，護罩716形成在表面720上。當繼電器300組裝時，護罩716類似于護罩526。護罩716定尺寸和設置用于機械地粘合蓋314。當繼電器300完全組裝時， 護罩716形成一部分屏障，以保護繼電器300免受偏離磁場的作用。在子操作805中，密封環(huán)718形成在表面736上。密封環(huán)718是薄金屬層，其在電磁模塊302和作動器模塊304的組裝過程中，為護罩526提供合適的粘合表面。在子操作806中，元件724通過選擇性地移除犧牲層740而從表面720釋放。由于元件724選擇性地在平面734中運動，其機械行為不是基于其在z方向中的尺寸，而是基于在I方向中的寬度。結果，元件724的機械行為在電鍍過程中用于限定元件的掩模層的形成過程中平版地確定。照相平版術是非常好地控制和可重復的過程。這樣，對于相同設計的所有繼電器，運行特性可以嚴格控制并保持一致。而且，平版照相術使得能夠以非常嚴格的尺寸誤差限定元件724。這使得繼電器能夠以非常小的工作間隙g2設計，因此需要低的作動尺寸。在操作403中，提供了蓋314。蓋314形成一部分護罩，以保護開關316和線圈306免受偏離磁場的影響。蓋314定尺寸和設置用于在繼電器完全組裝時機械地粘合護罩716。在操作404中，電磁模塊302、作動器模塊304和蓋314組裝以形成繼電器300。在繼電器300的組裝過程中，電磁模塊302和作動器模塊304對齊，從而使得磁穿孔514和516分別與磁穿孔704和706物理接觸。此外，基底是對齊的，從而使得電穿孔522和524分別與電穿孔708和710電氣接觸。一旦如同所需地對齊，電磁模塊302、作動器模塊304和蓋314采用傳統(tǒng)的粘合技術互相粘合。圖9描述了根據(jù)本發(fā)明示例的實施方式的完全組裝的繼電器300的橫截面圖。在繼電器300組裝之后，磁墊530、磁穿孔514和704、錨712和元件724共同地限定出磁芯308。磁芯308分別通過在平面536和538中的線圈306-1和306-2包圍。結果，通過每個線圈306-1和306-2產(chǎn)生的磁場有效地耦接到磁芯308內(nèi)。以類似的方式，磁墊532、磁穿孔516和706和錨714共同地限定出磁芯310。磁芯310分別通過在平面536和538中的線圈306-4和306-3包圍。結果，通過每個線圈306-3和306-4產(chǎn)生的磁場有效地耦合到磁芯310內(nèi)。磁芯308和310共同地限定出磁路312，其在圖10中描述。磁路312這里稱為“閉合磁路”。為了本說明的目的，包括后面的權利要求，術語“閉合磁路”定義為鐵磁材料的回路，其使得磁場回路能夠通過閉合路徑。換句話說，閉合磁路具有基本鐵磁的回路，其導通磁場回到其源頭。閉合磁路能夠包括一個或多個氣隙；然而，所述氣隙足夠小，使得它們能夠橫跨它們有效地磁耦合。磁路312導通通過線圈306通過開關316共同地產(chǎn)生的磁場，包括工作間隙g2。如上所述，并參見圖5A和5B，通過線圈306-1和306-2產(chǎn)生的磁場分別在平面536和538處在正z方向中指向，而通過線圈306-3和306-4產(chǎn)生的磁場分別在平面538和536處在負z方向上指向。這些磁場通過磁路312通常在順時針方向上被導通(如圖10所示的)。一旦繼電器300組裝好，電穿孔708、電穿孔522和接觸墊510共同地限定出終端738，其電氣連接到磁芯308。以類似的方式，電穿孔710、電穿孔524和接觸墊512共同地限定出終端740，其電氣地連接到磁芯310。需要注意，在一些實施方式中，開關316設置在作動器模塊304的表面736上。在這樣的實施方式中，無需磁穿孔704和706、電穿孔708和710和蓋314。而且，在一些實施方式中，磁穿孔514和516緊緊靠近但是不物理接觸磁穿孔704和706。在運行時，第一電流注入接觸墊506，通過電穿孔518和520和線圈306，從接觸墊 506流到接觸墊508。該第一電流激活每個線圈306。響應于第一電流的流動，線圈306-1產(chǎn)生磁場，其通過線圈306-2至306-4放大，并通過經(jīng)由電氣觸點722和726和工作間隙g2的磁路312導通。結果，元件316的自由端728吸引到電氣觸點726上，迫使電氣觸點722和726物理和電氣接觸。需要注意，元件724的機械設計和工作間隙g2的尺寸決定了作動器開關316所需的力量。通過電氣觸點726和722之間的電氣連接，接觸墊510和512之間的第二電流(通過電穿孔522、708、710和524)成為可能。在一些實施方式中，電氣觸點722和726最初物理和電氣接觸，而第一電流的流動導致電氣觸點722和726的分開，使得第二電流不能形成。圖11描述了根據(jù)本發(fā)明第一替代實施方式的微型繼電器的橫截面圖。繼電器1100包括電磁模塊1102、1104和1106、作動器模塊304和蓋314。每個電磁模塊1102、1104和1106類似于電磁基底302 ;然而，每個只包括用于產(chǎn)生磁場的兩個線圈。電磁模塊1102包括基底502-1、接觸墊506、508、510和512、線圈306-1和306-2、電穿孔522和磁穿孔514。電磁模塊1104包括基底502-2、線圈306-3和306-4、電穿孔522和磁穿孔514。在一些實施方式中，電磁模塊1104繞著X軸翻動，從而使得線圈306-3和306-4設置在基底502-2的底表面上。電磁模塊1106包括基底502-3、線圈306-5和306-6、電穿孔522和磁穿孔514。在一些實施方式中，電磁模塊1106繞著X軸翻動，從而使得線圈306-5和306-6設置在基底502-3的底表面上。電磁模塊1102、1104和1106對齊并粘合，從而使得它們的磁穿孔磁性地耦接，以形成類似于磁路312的閉合磁路。此外，線圈306經(jīng)由穿孔518和1108和互相連接528電氣地串聯(lián)連接，從而使得線圈306-3和306-4形成連續(xù)的電流路徑。盡管第一可選實施方式包括三個電磁模塊，本領域技術人員在閱讀本說明后將清楚如何具體化、制造和使用本發(fā)明可選的實施方式，其包括任何實際數(shù)量的電磁模塊。
比較于現(xiàn)有技術，對于本發(fā)明的實施方式來說，將任何數(shù)量的電磁模塊堆疊在一起的能力能夠使作動器設計具有廣泛的設計空間、較低的發(fā)明成本和減小的制造成本。需要理解的是，本發(fā)明僅僅教導了示例的實施方式的一個例子，本領域技術人員在閱讀本發(fā)明之后將容易地設計本發(fā)明的許多變化，且本發(fā)明的范圍通過下面的權利要求 而確定。
權利要求
1.裝置，包括 包括用以產(chǎn)生磁場的第一線圈的第一基底，其中該線圈基本是平坦的并位于第一平面中，且其中該第一線圈和第一基底單片地集成；和 包括電氣開關的第二基底，該電氣開關包括第一電氣觸點和第二電氣觸點，其中該第一電氣觸點通過磁場運動，且其中電氣開關和第二基底單片地集成，并且其中第一電氣觸點在基本平行于第一平面的第二平面中選擇性地運動。
2.根據(jù)權利要求I所述的裝置，其中第一基底還包括用于放大磁場的第二線圈，其中該第二線圈基本平坦并位于第一平面中，且其中第二線圈和第一基底單片地集成。
3.根據(jù)權利要求I所述的裝置，其中第一基底還包括用于放大磁場的第二線圈，其中第二線圈基本平坦并位于基本平行于第一平面的第三平面中，且其中第一線圈和第二線圈 基本同心，并且其中第二線圈和第一基底單片地集成。
4.根據(jù)權利要求I所述的裝置，其中第一基底還包括 第三電氣觸點；和 第四電氣觸點； 其中第一基底具有第一表面和第二表面，和其中第一線圈靠近第一表面并遠離第二表面，且其中第三電氣觸點和第四電氣觸點靠近第二表面并遠離第一表面；和 其中第一線圈基于在第三電氣觸點和第四電氣觸點之間流動的第一電流而產(chǎn)生磁場。
5.根據(jù)權利要求4所述的裝置，其中第一基底還包括 第五電氣觸點，其中第一電氣觸點和第五電氣觸點電氣地稱合；和 第六電氣觸點，其中第二電氣觸點和第六電氣觸點電氣耦合； 其中第五電氣觸點和第六電氣觸點靠近第二表面并遠離第一表面；和其中磁場將第一電氣觸點運動到與第二電氣觸點物理接觸，使得第五電氣觸點和第六電氣觸點之間的第二電流能夠流動。
6.權利要求5的裝置，還包括閉合磁路，以導通通過電氣開關的磁場，其中該閉合磁路包括 第一磁芯，其中該第一磁芯包括第一電氣觸點；和 第二磁芯，且其中該第二磁芯包括第二電氣觸點。
7.裝置,包括 用于產(chǎn)生磁場的第一線圈，其中該第一線圈基本平坦并位于第一平面中； 用于導通磁場的第一磁芯，其中該第一磁芯包括第一電氣終端和可運動的第一電氣觸點，且其中第一線圈包圍在第一平面中的第一磁芯； 用于放大磁場的第二線圈，其中第一線圈基本是平坦的并位于第二平面中；和用于導通磁場的第二磁芯，其中該第二磁芯包括第二電氣終端并第二電氣觸點，且其中第二線圈包圍在第二平面中的第二磁芯； 其中第一電氣觸點和第二電氣觸點共同地限定一磁作動開關，以控制在第一電氣終端和第二電氣終端之間的第一電流的流動。
8.根據(jù)權利要求7所述的裝置，其中第一平面和第二平面基本為相同平面。
9.根據(jù)權利要求7所述的裝置，其中第一線圈和第二線圈串聯(lián)地電氣連接。
10.根據(jù)權利要求7所述的裝置，其中第一電氣觸點可在基本平行于第一平面的第三平面中運動。
11.根據(jù)權利要求7所述的裝置，還包括第一基底和第二基底，其中第一基底、第一線圈和第二線圈單片地集成，且其中第二基底、第一電氣觸點和第二電氣觸點單片地集成。
12.裝置,包括 第一基底，其限定出第一平面，其中第一基底包括多個線圈以共同地產(chǎn)生磁場，且其中每個線圈基本平坦并平行于第一平面，且其中第一基底和多個線圈單片地集成，和 包括電氣開關的第二基底，該電氣開關包括第一電氣觸點和第二電氣觸點，其中第一電氣觸點定尺寸和設置用于選擇性地在基本平行于第一平面的第二平面中選擇性地運動，且其中第二基底、第一電氣觸點和第二電氣觸點單片地集成； 其中磁場在第二平面中運動第一電氣觸點，以作動電氣開關。
13.根據(jù)權利要求12所述的裝置，還包括閉合的磁路，以導通通過電氣開關的磁場，其中該閉合磁路包括 第一磁芯，其包括 (a)通過第一基底的第一穿孔，其中第一穿孔和多個線圈的第一線圈是同心的； (b)通過第二基底的第二穿孔；和 (C)包括第一元件的第一錨，該第一元件可在第二平面中運動，其中第一元件包括第一電氣觸點，且其中第二基底、第一錨和第一元件單片地集成； 其中第一穿孔、第二穿孔和第一錨的每個包括鐵磁材料；和 第二磁芯，包括 Ca)通過第一基底的第三穿孔，其中該第三穿孔和多個線圈的第二線圈是同心的； (b)通過第二基底的第四穿孔；和 (c)包括第二電氣觸點的第二錨，其中第二基底和第二錨單片地集成； 其中第三穿孔、第四穿孔和第二錨的每個包括鐵磁材料。
14.根據(jù)權利要求13的裝置，其中第一基底還包括 第三電氣觸點； 第四電氣觸點，其中第三電氣觸點、多個線圈的每個和第四電氣觸點電氣地耦接； 第五電氣觸點，其中第五電氣觸點和第一電氣觸點電氣地稱接；和 第六電氣觸點，其中第六電氣觸點和第二電氣觸點電氣地耦接； 其中第一基底包括第一表面和第二表面，且其中多個線圈的每個靠近第一表面并遠離第二表面； 其中第三電氣觸點、第四電氣觸點、第五電氣觸點和第六電氣觸點靠近第二表面并遠離第一表面；和 其中磁場電氣地耦接第一電氣觸點和第二電氣觸點，并使得第五電氣觸點和第六電氣觸點之間的電流能夠流動。
15.方法,包括 提供第一基底，其包括用于產(chǎn)生磁場的第一線圈，其中該第一線圈基本平坦并位于第一平面中； 提供包括電氣開關的第二基底，該電氣開關是磁作動的開關，其中該電氣開關包括第一電氣觸點和第二電氣觸點，且其中第一電氣觸點可在第二平面中運動；和將第一基底和第二基底設置在第一布置中，其中第二平面基本平行于第一平面；和 使得磁場和電氣開關能夠f禹合。
16.根據(jù)權利要求15所述的方法，其中磁場和電氣開關的耦合能夠通過操作實現(xiàn)，所述操作包括 提供第一磁芯，其中第一線圈包圍在第一平面中的第一磁芯；和 提供第二磁芯，其中第一磁芯和第二磁芯共同地限定出閉合磁路； 其中第一磁芯和第二磁芯定尺寸和設置用于共同地導通通過電氣開關的磁場。
17.根據(jù)權利要求16所述的方法，其中第一磁芯通過操作提供，所述操作包括 形成通過第一基底的第一穿孔； 形成通過第二基底的第二穿孔；和 在第二基底上形成第一錨，其中第一錨包括第一元件，該第一元件可在第二平面中運動，且其中第一元件包括第一電氣觸點；其中第一穿孔、第二穿孔和第一錨的每個包括鐵磁材料；和 其中第二磁芯通過操作提供，所述操作包括 形成通過第一基底的第三穿孔； 形成通過第二基底的第四穿孔；和在第二基底上形成第二錨，其中第二錨包括第二電氣觸點； 其中第三穿孔、第四穿孔和第二錨的每個包括鐵磁材料； 其中第一設置使得第一和第二穿孔之間和第三和第四穿孔之間能夠磁耦合。
18.根據(jù)權利要求17所述的方法，還包括 提供第三電氣觸點； 提供第四電氣觸點，其中第三電氣觸點、第一線圈和第四電氣觸點電氣地耦合； 提供第五電氣觸點，其與第一電氣觸點電氣地耦合；和 提供第六電氣觸點，其與第二電氣觸點電氣地耦合； 其中第一基底包括第三電氣觸點、第四電氣觸點、第五電氣觸點和第六電氣觸點，且其中第一基底包括第一表面和第二表面，且其中第一線圈靠近第一表面和遠離第二表面，且其中第三電氣觸點、第四電氣觸點、第五電氣觸點和第六電氣觸點的每個靠近第二平面和遠離第一平面。
19.根據(jù)權利要求15所述的方法，還包括提供第二線圈以放大磁場，其中第一基底包括第二線圈，且其中第二線圈基本平坦并位于第一平面中。
20.根據(jù)權利要求15所述的方法，還包括提供第二線圈以放大磁場，其中第一基底包括第二線圈，且其中第二線圈基本平坦并位于基本平行于第一平面的第三平面中，且其中第一線圈和第二線圈基本同心。
全文摘要
本發(fā)明公開了微型繼電器，其克服了現(xiàn)有技術的一些限制和缺點。該微型繼電器包括(1)第一基底，其包括一個或多個單片地集成的平坦線圈，用于產(chǎn)生磁場；和(2)第二基底，其包括磁性地作動的開關，該開關具有運動觸點，該觸點選擇性地在平行于其基底的平面中運動。第一和第二基底對齊并粘合，以共同地提供閉合磁路，該磁路有效地導通通過開關產(chǎn)生的磁場。
文檔編號H01H1/66GK102893355SQ201180024150
公開日2013年1月23日 申請日期2011年3月10日 優(yōu)先權日2010年3月16日
發(fā)明者托德·R·克里斯坦森 申請人:Ht微量分析有限公司, Coto技術有限公司