專利名稱：電接觸裝置和制造該裝置的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于例如生產(chǎn)開關(guān)或繼電器的可機(jī)械操作電接觸裝置。本發(fā)明還涉及一種制造這種電接觸裝置的方法。
背景技術(shù)：
用于例如開關(guān)和繼電器的可機(jī)械操作的接觸裝置設(shè)計(jì)成通過使兩個(gè)觸頭相互接觸或使它們分開來關(guān)閉或打開電路。由于可以通過使該接觸裝置進(jìn)入開路位置來完全斷開電路的電流通路，所以在各種用途中使用了裝有這種接觸裝置的開關(guān)或繼電器，其中成對(duì)的觸頭相互間隔開，并且空氣(絕緣體)介入在其間。這些可靠的開關(guān)裝置應(yīng)用在例如信息設(shè)備、工業(yè)機(jī)器、汽車和家用電器中。
圖19和20顯示出上述可機(jī)械操作類型的傳統(tǒng)電接觸裝置X5。接觸裝置X5由可動(dòng)單元(第一接觸器)71和固定單元(第二接觸器)72構(gòu)成。
可動(dòng)單元71包括導(dǎo)電刀73、設(shè)置在導(dǎo)電刀73的一個(gè)端部處的觸頭74以及固定在該刀片73上的插座75。這種布置有時(shí)被稱為“單觸頭結(jié)構(gòu)”，其中在一個(gè)導(dǎo)電刀(73)上設(shè)有單個(gè)觸頭(74)。雖然觸頭74由導(dǎo)電材料形成，但是插座75由絕緣材料(例如樹脂)形成。導(dǎo)電刀73在另一個(gè)端部處與由編織的銅線制成的引線76電氣且機(jī)械連接。引線76與沒有示出的外部電路連接。銷77延伸穿過插座75，從而使得可動(dòng)單元71可以繞著銷77的軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。銷77固定在沒有示出的外殼上。通過設(shè)有例如螺線管的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(未示出)來進(jìn)行可動(dòng)單元71的樞轉(zhuǎn)。
固定單元72包括由導(dǎo)電刀78和導(dǎo)電材料制成的觸頭79。該刀片78與未示出的外部電路連接。觸頭79位于樞轉(zhuǎn)單元71的觸頭73的軌跡上。
通過上述布置，使可動(dòng)單元71朝著固定單元72轉(zhuǎn)動(dòng)，并且將預(yù)定的電壓施加在電接觸裝置X5上。然后，如圖20所示，當(dāng)觸頭74和79相互接觸時(shí)，電流例如從導(dǎo)電刀78通過觸頭79、74和刀73流向引線76。當(dāng)使可動(dòng)單元71沿著與固定單元72分離的方向樞轉(zhuǎn)時(shí)，如圖19所示觸頭74和79分開，由此電流停止。
如在接觸裝置的技術(shù)領(lǐng)域中所知的一樣，當(dāng)流經(jīng)閉合觸頭的電流大于預(yù)定閾值(“最小放電電流”)時(shí)，或者當(dāng)在閉合觸頭之間的電壓差大于預(yù)定閾值(“最小放電電壓”)時(shí)，這些觸頭在相互分開時(shí)將出現(xiàn)電弧放電。
具體地說，假設(shè)大于預(yù)定閾值的電流流經(jīng)這些閉合觸頭。在這些觸頭正在分開時(shí)，在它們之間的接觸區(qū)域減小，由此流經(jīng)這些觸頭的電流將聚集。因此，在這些觸頭處產(chǎn)生出熱量，并且這些觸頭的表面開始熔化。雖然在這些觸頭之間的間隔較小，但是在這些觸頭之間形成由熔融觸頭材料制成的電橋，由此保持這些觸頭相互電接觸。該電橋產(chǎn)生出金屬蒸汽，并且電弧放電通過該蒸汽出現(xiàn)。然后，該電弧放電使得周圍空氣發(fā)光。另外，當(dāng)這些觸頭間隔開足夠距離時(shí)，該電弧放電將停止。
圖21為顯示出電弧放電的出現(xiàn)可能性如何取決于流經(jīng)成對(duì)觸頭的電流的曲線圖。對(duì)于該曲線圖，首先在預(yù)定的擠壓力(10mN、100mN和200mN)下使由金制成的觸頭保持相互壓力接觸。在將36V恒壓施加在這些觸頭之間期間，使這些觸頭相互分開。繪制出電弧放電的出現(xiàn)可能性。在將36V恒壓電源與這些觸頭連接的情況中，通過改變與這些觸頭串聯(lián)連接的電阻器的電阻來調(diào)節(jié)所提供的電壓源。這些成對(duì)觸頭的主要接觸面積不會(huì)大于幾十個(gè)μm2。曲線圖的橫坐標(biāo)表示流經(jīng)這些閉合觸頭的電流，而縱坐標(biāo)表示電弧放電的出現(xiàn)可能性。在任何一個(gè)擠壓力的作用下，電弧放電的出現(xiàn)可能性在通過電流不小于0.6A時(shí)變成基本上為100％。另一方面，在通過電流不大于0.1A時(shí)出現(xiàn)可能性變成基本上為0％。在下面非專利文獻(xiàn)中可以找到與該曲線圖相關(guān)的更詳細(xì)信息。
Yu Yonezawa和noboru Wakatsuki，“Japanese Journal ofApplied Physics”，The Japan Society of Applied Physics，July2002，Vol.41，Part 1，No.7A，第4760-4765頁(yè)。
圖21的曲線圖顯示出引起電弧放電所需要的最小放電電流(最小電弧電流)Imin為0.1-0.6A。已知的是，該最小放電電流取決于材料種類。同樣，可以確定引起電弧放電的最小放電電壓(最小電弧電壓)。根據(jù)報(bào)告，由金制成的觸頭的最小放電電流Imin為0.38A，并且最小放電電壓Vmin為15V。應(yīng)該注意的是，實(shí)際測(cè)量出的Imin或Vmin不總是恒定的并且會(huì)由于來自在成對(duì)觸頭之間空間中的電場(chǎng)或者來自觸頭的表面條件的影響而變化。
當(dāng)電接觸裝置X5閉合時(shí)，負(fù)載(未示出，被提供電流的外部電路)所需要的所有電流通過觸頭74和79。因此，當(dāng)提供給負(fù)載的電流大于最小放電電流時(shí)，在觸頭分開時(shí)在這些觸頭74和79之間會(huì)出現(xiàn)電弧放電。一般來說，負(fù)載所需要的電流往往大于接觸裝置X5的最小放電電流。
電弧放電的產(chǎn)生和斷開導(dǎo)致觸頭74、79材料的熔融、蒸發(fā)和重新固化。因此，觸頭材料將熔融或變形，并且觸頭74和79之間的接觸電阻會(huì)變化。因此，隨著這些觸頭74和79之間的電弧放電出現(xiàn)更加頻繁，接觸裝置X5的可靠性削弱，并且產(chǎn)品的壽命將縮短。具體地說，這種可靠性消弱和產(chǎn)品壽命縮短在該接觸裝置X5用于接通或斷開高電流時(shí)變得更加嚴(yán)重。
在傳統(tǒng)的接觸裝置X5中，這些觸頭74、79包括由銅制成的低電阻基底部件以及形成在該基底部件上的低電阻和防腐金屬涂層(例如，Au、Ag、Pd或Pt)。但是，這些低電阻金屬具有相對(duì)較低的熔點(diǎn)。因此，它們會(huì)在由電弧放電導(dǎo)致的熱量作用下熔化，由此出現(xiàn)燒蝕和變形。在這方面，可以使用在由電弧放電產(chǎn)生出的熱量作用下更不容易熔化的金屬制成。但是，這些金屬具有相對(duì)較高的電阻。因此，采用高熔點(diǎn)金屬來生產(chǎn)其中必須實(shí)現(xiàn)低接觸電阻的傳統(tǒng)接觸裝置X5的觸頭是不切實(shí)際的。
為了防止電弧放電，可以在接觸裝置X5上設(shè)置一消火花器。一消火花器可以包括與這些觸頭74、79并聯(lián)的變阻器或二極管。但是，該方法需要在接觸裝置X5設(shè)置額外的元件。因此，考慮到裝置尺寸和生產(chǎn)成本使用消火花器是不優(yōu)選的。
在傳統(tǒng)的接觸裝置X5中，在使可動(dòng)單元71樞轉(zhuǎn)以便電連接時(shí)，由于一些外界因素例如介入在觸頭74和79之間的灰塵而不能實(shí)現(xiàn)正確的閉合狀態(tài)。為了避免這種麻煩，接觸裝置X5可以采用如圖22所示的可動(dòng)單元71′來代替單接觸可動(dòng)單元71。包括雙結(jié)構(gòu)導(dǎo)電刀73′、設(shè)置在刀片73′的一個(gè)端部上的兩個(gè)觸頭74′和裝配在該刀片73′上的插座75的可動(dòng)單元71具有所謂的“雙觸頭結(jié)構(gòu)”，由此單個(gè)導(dǎo)電刀73′設(shè)有兩個(gè)觸頭74′。導(dǎo)電刀73′與引線76機(jī)械且電氣連接。與可動(dòng)單元71一樣，使可動(dòng)單元71′繞著固定在外殼(未示出)上的銷77轉(zhuǎn)動(dòng)。
例如在下面的專利文獻(xiàn)1和2中披露了包括這種雙觸頭可動(dòng)單元的電接觸裝置。
日本專利特許公開H05-54786[專利文獻(xiàn)2]日本專利特許公開H10-12117在具有雙觸頭可動(dòng)單元71′的接觸裝置X5中，雜質(zhì)可能介入在雙觸頭74′中的一個(gè)和下觸頭79之間，但是如果該雜質(zhì)不是太大的話另一個(gè)雙觸頭仍然可以與觸頭導(dǎo)電。因此，實(shí)現(xiàn)了所要求的閉合回路狀態(tài)。但是，如在采用了單觸頭可動(dòng)單元71的情況中一樣，在設(shè)有雙觸頭可動(dòng)單元71′的接觸裝置中也會(huì)出現(xiàn)電弧放電。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是在上述情況下提出的。因此，本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種電接觸裝置，由此可以完全防止在這些觸頭處出現(xiàn)電弧放電。本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種制造這種有用的接觸裝置的方法。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種電接觸裝置，它包括多個(gè)相互并聯(lián)的電流通路；以及多個(gè)電觸點(diǎn)，每個(gè)位置具有可機(jī)械打開和閉合的第一觸頭和第二觸頭。每條電流通路設(shè)有所述觸點(diǎn)中的相應(yīng)一個(gè)，同時(shí)其電特征可以調(diào)節(jié)為防止在觸點(diǎn)處出現(xiàn)電弧放電。
優(yōu)選的是，本發(fā)明的裝置還包括分別與所述觸點(diǎn)串聯(lián)的多個(gè)電阻器(即，一個(gè)電阻器與觸點(diǎn)的相應(yīng)一個(gè)連接)。對(duì)于每條電流通路而言，通過使電阻器的電阻大于觸點(diǎn)的接觸電阻來進(jìn)行電特性的調(diào)節(jié)。
在圖1中顯示出與上面布置相對(duì)應(yīng)的電路。觸點(diǎn)(或開關(guān))Si(i＝1、2、...、N)由一對(duì)觸頭C1和C2構(gòu)成，并且與電阻器Rbi串聯(lián)連接。如在該圖所示，各條電流通路中的任何一條包括有一個(gè)觸點(diǎn)和一個(gè)電阻器。這些單獨(dú)的電流通路在端子E1和E2之間相互并聯(lián)連接。每個(gè)觸頭Si具有小于電阻器Rbi的電阻的接觸電阻(Rci)(Rci＜Rbi)。
通過圖1的電路，每條單獨(dú)的電流通路允許等于所施加的電壓除以(Rci+Rbi)所得到的電流通過。因此，在Rci保持恒定的情況下，可以通過增加Rbi來使流經(jīng)每條電流通路的電流變小。根據(jù)本發(fā)明，將Rbi設(shè)定成一個(gè)足夠大的數(shù)值，從而使流過的電流小于為觸點(diǎn)所確定的最小放電電流。因此，防止了在觸點(diǎn)處出現(xiàn)電弧放電。為了使開關(guān)特性穩(wěn)定，理想的是，Rci和Rbi對(duì)于所有電流通路而言應(yīng)該相同。
很容易看出，由于單獨(dú)電流通路的數(shù)量增加了，有更大的電流流過接觸裝置。
優(yōu)選的是，本發(fā)明的接觸裝置還可以包括一基底，它具有第一表面和與所述第一表面相對(duì)的第二表面；多個(gè)凸起，每個(gè)凸起設(shè)置在所述基底的第一表面上并且具有一頂點(diǎn)；以及一扁平電極，它面對(duì)著基底的第一表面，并且所述凸起將與之接觸。上述第一觸頭對(duì)應(yīng)于這些凸起的頂點(diǎn)，并且第二觸頭對(duì)應(yīng)于扁平電極與凸起接觸的部分。這些電阻器不必是單獨(dú)的裝置，而是可以是構(gòu)建在所述基底和凸起中的電阻區(qū)域。
優(yōu)選的是，該基底和這些凸起由相同的材料襯底一體形成(例如，硅襯底)。通過顯微機(jī)加工技術(shù)，可以在基底上集中形成大量凸起(100-100000個(gè)或更多)。觸點(diǎn)的接觸電阻的可能范圍例如可以為1-100mΩ。
優(yōu)選的是，本發(fā)明的裝置還可以包括形成在基底的第二表面上并且與電阻器連接的公共電極。優(yōu)選的是，該基底可以設(shè)有多個(gè)柔性結(jié)構(gòu)，每個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)置在觸點(diǎn)的相應(yīng)一個(gè)處以便吸收作用在第一觸頭和第二觸頭之間的擠壓力。具體地說，每個(gè)柔性結(jié)構(gòu)可以包括具有固定端部的橫梁。在每根橫梁上設(shè)有這些凸起中的相應(yīng)一個(gè)?；蛘?，每個(gè)柔性結(jié)構(gòu)可以包括設(shè)有這些凸起中的相應(yīng)一個(gè)的懸臂梁。
假設(shè)施加在接觸裝置上的最大電壓為Vmax并且每個(gè)觸點(diǎn)的最小放電電流為Imin，則每個(gè)電阻器的電阻可以大于Vmax/Imin，從而每條電流通路允許小于最小放電電流的電流通過。
假設(shè)施加在接觸裝置上的最大電壓為Vmax，用于每個(gè)觸點(diǎn)的最小放電電流為Imin，并且接觸裝置的總電阻為Rs，則在本發(fā)明接觸裝置中的電流通路數(shù)量可以大于Vmax/(Rs×Imin)。
上述公式按照下面的方式獲得。
假設(shè)相互并聯(lián)的各條電流通路的數(shù)目為N(＞3)，則每個(gè)觸點(diǎn)具有相同的接觸電阻Rc，并且與這些觸頭中的相應(yīng)一個(gè)串聯(lián)連接的每個(gè)電阻器具有相同的電阻Rb。在該情況中，接觸裝置整體的總電阻Rs由下式表示Rs＝(Rc+Rb)/N(1)一般來說，Rc大約為1-100mΩ。因此，當(dāng)Rb足夠大(Rb＞＞Rc)時(shí)，從等式(1)中可以獲得下面的等式。
Rs＝Rb/N (2)理想的是，所有觸點(diǎn)在接觸裝置采取開路位置時(shí)應(yīng)該同時(shí)打開。但是實(shí)際上這些觸點(diǎn)在不同時(shí)刻打開，由此，在開路操作的恰好最后階段處，這些觸點(diǎn)中只有一個(gè)在所有其它觸點(diǎn)已經(jīng)打開之后才打開。在這個(gè)最后階段中，流經(jīng)剩余一個(gè)觸點(diǎn)的電流將最大。為了完全防止出現(xiàn)電弧放電，這個(gè)最大電流應(yīng)該小于最小放電電流。
現(xiàn)在參照?qǐng)D2，該圖顯示出在使用本發(fā)明接觸裝置中實(shí)際設(shè)定的電路圖。如所示一樣，電源(DC或AC)提供電壓Vin。在電源輸入側(cè)上的阻抗為Rin，而在負(fù)載側(cè)上的阻抗為Rout。一般來說，超過10Ω的Rin和Rout比接觸裝置的電阻Rs大得多。當(dāng)所有觸點(diǎn)閉合時(shí)，下面的電流I流經(jīng)該裝置。
I＝Vin/(Rin+Rout+Rb/N)(3)由于設(shè)有N個(gè)觸點(diǎn)，所以流經(jīng)每條單獨(dú)電流通路(因此每個(gè)觸點(diǎn))的電流Io由下面的等式表示Io＝I/N＝Vin/(N×(Rin+Rout)+Rb)(4)當(dāng)接觸裝置從完全閉合狀態(tài)(所有觸點(diǎn)都關(guān)閉)切換至完全打開狀態(tài)(所有觸點(diǎn)都打開)時(shí)，N個(gè)觸點(diǎn)相互獨(dú)立地打開。在切換過程中的給定時(shí)刻，N個(gè)位置中的n個(gè)觸點(diǎn)(1＜n＜N)打開，而(N-n)位置閉合。在該狀態(tài)中，流經(jīng)(N-n)個(gè)閉合位置中的每一個(gè)的電流In由下面的等式表示In＝Vin/((N-n)×(Rin+Rout+Rb/(N-n)))＝Vin((N-n)(Rin+Rout)+Rb) (5)比較等式(4)和(5)可清楚地看出Io小于In(Io＜In)。In隨著打開的觸點(diǎn)的數(shù)量增加而增加，直到它在n＝N-1時(shí)獲得最大數(shù)值，即這些觸頭中只是最后一個(gè)保持閉合。最大電流IN-1由下面的等式表示IN-1＝Vin/(Rin+Rout+Rb) (6)當(dāng)施加在圖2的電路上的最大電壓為Vmax(這對(duì)應(yīng)于在例如繼電器目錄中的接觸電壓的許可最大數(shù)值)，并且最小放電電流為Imin(由用于制造觸點(diǎn)的材料確定)，為了防止電弧放電應(yīng)該滿足下面的不等式IN-1＝Vmax/(Rin+Rout+Rb)＜Imin(7)
等式(6)給出了下面的不等式(8)。另外，考慮到Rin和Rout是存在于接觸裝置外面的因素，所以該不等式(9)表示了用于防止電弧放電的充分條件。
IN-1＝Vmax/(Rin+Rout+Rb)＜Vmax/Rb (8)Vmax/Rb＜Imin (9)當(dāng)滿足不等式(9)時(shí)，不用考慮數(shù)值Rin和Rout就能可以防止電弧放電。
從不等式(9)中可以獲得下面的不等式。
Rb＞Vmax/Imin(10)由于Rb＝N×Rs(參見等式(2))，所以下面的不等式成立。
N＞Vmax(Rs×Imin)(11)這顯示出為了實(shí)現(xiàn)所要求的防止電弧放電應(yīng)該設(shè)置多少個(gè)觸點(diǎn)。
在傳統(tǒng)的接觸裝置中，在觸點(diǎn)處的成對(duì)觸頭必須相互分開相當(dāng)大的距離以便斷開在這兩個(gè)觸頭之間出現(xiàn)的電弧放電。根據(jù)本發(fā)明，可以通過根據(jù)不等式(10)和(11)來設(shè)計(jì)接觸裝置來實(shí)現(xiàn)完全防止電弧放電。通過這個(gè)優(yōu)選特征，在成對(duì)觸頭之間的間隔距離對(duì)于本發(fā)明的裝置而言可以明顯比傳統(tǒng)裝置更小。另外，由于只有少量電流流經(jīng)每條電流通路，所以可以防止由于通過電流集中而產(chǎn)生的熱量而在這些觸頭之間形成電橋。
通過降低每個(gè)觸點(diǎn)的電流，可以降低在打開和關(guān)閉這些觸點(diǎn)中所產(chǎn)生的感應(yīng)電壓dI/dt。這有助于降低由觸點(diǎn)產(chǎn)生的電磁噪音，并且還有助于防止由于感應(yīng)電壓而出現(xiàn)的二次電弧放電。
根據(jù)本發(fā)明，可以通過調(diào)節(jié)觸點(diǎn)的接觸電阻來對(duì)每條電路通路進(jìn)行電特性的調(diào)節(jié)，從而接觸電阻變得足夠高以防止在每條電流通路中出現(xiàn)放電電流。
上面的布置由在圖3所示的電路圖表示。由兩個(gè)觸頭C1和C2構(gòu)成的每個(gè)開關(guān)Si具有一高接觸電阻，它不允許放電電流通過。放電電流是一種非常強(qiáng)的電流，它足以在成對(duì)觸頭之間產(chǎn)生電弧放電。優(yōu)選的是，使所有各個(gè)觸點(diǎn)的接觸電阻相同以使得能夠進(jìn)行穩(wěn)定的開關(guān)操作。
通過上述布置，不必提供與觸點(diǎn)連接的單獨(dú)電阻器。
優(yōu)選的是，每個(gè)觸頭具有大于Vmax/Imin的接觸電阻，其中Vmax為施加在接觸裝置上的最大電壓，Imin為每個(gè)觸點(diǎn)的最小放電電流。
參照?qǐng)D4，該圖為用于使用圖3的接觸裝置的實(shí)際電路，假設(shè)所有觸點(diǎn)具有相同的接觸電阻Rc。然后，整個(gè)電路的總電阻Rs為Rs＝Rc/N(12)考慮輸入阻抗Rin和輸出阻抗Rout，流經(jīng)接觸裝置的電流I由下面的等式表示Iv＝Vin/(Rin+Rout+Rc/N)(13)按照與從等式(3)獲得不等式(9)相同的方式，從上面的等式(13)獲得下面的不等式(14)。
Vmax/Rc＜Imin(14)當(dāng)滿足這個(gè)不等式時(shí)，與阻抗Rin和Rout無關(guān)，可以有效地防止電弧放電。
上述不等式(14)給出了另一個(gè)不等式Rc＞Vmax/Imin(15)另外，從等式(12)和不等式(15)可以獲得下面的不等式。
N＞Vmax/(Rs×Imin)(16)該公式顯示出為了獲得所要求的對(duì)電弧放電的防止，在圖3或4的電路中應(yīng)該設(shè)置多少個(gè)觸點(diǎn)。
根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的是，第一觸頭和第二觸頭中的至少一個(gè)可以由金屬、氧化物和氮化物中的至少一種形成，這三種物質(zhì)中的每一種包括選自鉭、鎢、碳和鉬中的一種。另外，第一觸頭和第二觸頭中的至少一個(gè)優(yōu)選由熔點(diǎn)不低于3000℃的材料形成。
在傳統(tǒng)的接觸裝置中，觸點(diǎn)的成對(duì)觸頭由高導(dǎo)電金屬例如Cu、Au、Ag、Pd和Pt制成，因?yàn)橄嘈诺徒佑|電阻對(duì)于觸點(diǎn)是必要的。根據(jù)本發(fā)明，可以使用具有高電阻和高熔點(diǎn)的金屬作為制造觸點(diǎn)的成對(duì)觸頭的材料。這種金屬對(duì)于防止形成這些觸頭的材料的燒蝕和變形是有利的。
優(yōu)選的是，本發(fā)明的接觸裝置還可以包括用于防止基底和扁平電極相互靠近超過許可最小距離的止動(dòng)件。
優(yōu)選的是，該基底和凸起可以由硅材料形成，該材料至少部分摻雜有雜質(zhì)以便在基底和凸起中提供電阻器。這些雜質(zhì)可以為P、As或B。摻雜可以增加或降低所選區(qū)域的電阻。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種制造包括一固定部分、從固定部分延伸出的橫梁和設(shè)在該橫梁上的凸起的電接觸裝置的方法。該方法包括預(yù)備步驟，用于制作包括第一層、第二層和設(shè)在第一層和第二層之間的中間層的多層材料襯底；第一蝕刻步驟，用于使用第一掩模圖案對(duì)第一層進(jìn)行蝕刻以在第一層中形成凸起；第二蝕刻步驟，用于對(duì)第一層進(jìn)行蝕刻直到部分暴露出中間層并且在第一層中形成橫梁，該第二蝕刻步驟是使用覆蓋該凸起的第二掩模圖案來進(jìn)行的；以及第三蝕刻步驟，用于通過將一部分中間層蝕刻掉來在第二層和橫梁之間形成間隔。
優(yōu)選的是，本發(fā)明的方法還可以包括以下步驟在第三蝕刻步驟之后從第一層的一側(cè)在材料襯底上形成一導(dǎo)電層；在固定部分上形成第三掩模圖案以覆蓋所述導(dǎo)電層；并且通過使用第三掩模作為掩模對(duì)導(dǎo)電層進(jìn)行蝕刻來在固定部分上形成布線圖案。
優(yōu)選的是，本發(fā)明的方法還可以包括在第一蝕刻步驟之后并且在第二蝕刻步驟之前進(jìn)行的兩個(gè)附加步驟。具體地說，其中一個(gè)附加步驟為從第一層的一側(cè)在材料襯底上形成導(dǎo)電層的步驟，而另一個(gè)附加步驟是用于從第一層除去所述第一掩模圖案的步驟。
優(yōu)選的是，在第一蝕刻步驟中的蝕刻可以是各向同性蝕刻。
優(yōu)選的是，第一層和第二層可以由硅材料形成，而中間層可以由氧化硅形成。硅材料可以是單晶硅、多晶硅或摻雜有雜質(zhì)的這些材料中的一種。這種硅材料在蝕刻特性方面與氧化硅不同。因此，通過上述多層布置，可以防止中間層在第一蝕刻步驟被過多地蝕刻，并且還可以防止第二層在第二蝕刻期間被過多地蝕刻掉。
從在下面參照附圖給出的詳細(xì)說明中將了解本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)。


圖1為根據(jù)本發(fā)明的電接觸裝置的電路圖；圖2為一電路圖，示意性地顯示出其中使用了圖1的接觸裝置的實(shí)際狀況；圖3為根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)電接觸裝置的電路圖；圖4為一電路圖，示意性地顯示出其中使用了圖3的接觸裝置的實(shí)際狀況；圖5顯示出有本發(fā)明的接觸裝置采取的打開位置；圖6為一側(cè)視圖，顯示出采取閉合位置的圖5的接觸裝置；圖7A-7D顯示出制造在圖5和6所示的接觸裝置的第一接觸件的過程；圖8為一局部立體圖，顯示出根據(jù)本發(fā)明的不同類型的接觸裝置；圖9A-9E顯示出制造在圖8所示的接觸裝置的第一接觸件的過程；圖10為一剖面?zhèn)纫晥D，顯示出根據(jù)本發(fā)明的另一種類型的接觸裝置；圖11為一平面圖，顯示出圖10的接觸裝置的第一接觸件；圖12A-12L顯示出制造圖10的接觸裝置的第一接觸件的過程；圖13為一剖面?zhèn)纫晥D，顯示出圖10的接觸裝置的改進(jìn)形式；圖14為一平面圖，顯示出圖13的接觸裝置的第一接觸件；圖15A-15G顯示出制造圖13的接觸裝置的第一接觸件的過程；圖16為一剖面?zhèn)纫晥D，顯示出根據(jù)本發(fā)明的另一種類型接觸裝置；
圖17為一平面圖，顯示出圖16的接觸裝置的第一接觸件；圖18為一剖面?zhèn)纫晥D，顯示出設(shè)在本發(fā)明的接觸裝置中的止動(dòng)件的功能；圖19為一立體圖，顯示出處于打開位置中的傳統(tǒng)接觸裝置；圖20為一立體圖，顯示出處于閉合位置中的傳統(tǒng)裝置；圖21為一曲線圖，用于說明電弧放電的出現(xiàn)可能性對(duì)流經(jīng)成對(duì)觸頭的電流的依賴性；并且圖22為一立體圖，顯示出具有雙觸頭結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)接觸裝置的另一種類型。
具體實(shí)施例方式
下面將參照附圖對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案進(jìn)行說明。
圖5和6顯示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方案的電接觸裝置X1。該接觸裝置X1包括第一接觸件10和第二接觸件20。第一接觸件10具有一基底11、多個(gè)凸起12和一扁平電極13?；?1由合適的導(dǎo)電材料例如硅制成。所有凸起12設(shè)在基底11的一個(gè)側(cè)面上，每個(gè)凸起位于預(yù)定的位置處。凸起12的數(shù)量可以為100-100000。每個(gè)凸起12為具有圓形或多邊形底部的錐體形式。這些凸起12與基底11形成為一體并且由與基底11相同的材料制成。每個(gè)凸起12必要時(shí)可以摻雜有雜質(zhì)，并且位于凸起12下面的一部分基底11還沿著基底的厚度方向摻雜。因此，基底11和相應(yīng)的凸起12在內(nèi)部形成有具有預(yù)定電阻的電阻區(qū)域(電阻器)。所使用的雜質(zhì)例如可以是磷(P)、砷(As)或硼(B)。凸起12從基底11的上表面開始測(cè)量的高度可以為1-300μm。與主體的底部相關(guān)的尺寸(即，圓形底部的直徑；多邊形底部側(cè)邊的長(zhǎng)度)可以為1-300μm。優(yōu)選的是，這些凸起的高度通常等于與錐體底部相關(guān)的尺寸。每個(gè)凸起12的表面可以涂覆有具有高熔點(diǎn)和高沸點(diǎn)的金屬。這種金屬可以是鎢(W)或鉬(Wo)。
第二接觸件20包括一襯底21和一扁平公共電極22。該襯底21由例如硅制成。公共電極22優(yōu)選由具有高熔點(diǎn)和高沸點(diǎn)的金屬例如鎢或鉬制成。但是，如果采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄔO(shè)置第一接觸件10以防止電弧放電，則該公共電極22可以由低電阻金屬制成，該材料選自銅(Cu)、金(Au)、銀(Ag)和鉑(Pt)?；蛘?，該公共電極22可以由包括這些低電阻金屬中的一種(或多種)的合金制成。根據(jù)本發(fā)明，第二接觸件20可以不包括襯底21。在該情況中，第二接觸件20整體是由上述低電阻金屬中的一種形成。
第一接觸件10和第二接觸件20可以相對(duì)彼此移動(dòng)，從而它們可以采取在圖5所示的分開位置(打開位置)和在圖6所示的觸點(diǎn)(閉合位置)。在觸點(diǎn)中，所有凸起12保持與公共電極22直接接觸。在所示的實(shí)施例中，通過使第一接觸件10朝著或遠(yuǎn)離保持固定的第二接觸件運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)第一和第二接觸件10、20的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。但是，根據(jù)本發(fā)明，可以通過使第二接觸件20相對(duì)于保持固定的第一接觸件10運(yùn)動(dòng)，或者通過使第一和第二接觸件10和20都運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)這個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)。對(duì)于驅(qū)動(dòng)第一接觸件10和/或第二接觸件20的裝置而言，可以使用利用了電磁鐵的促動(dòng)器。一般來說，繼電器結(jié)合了這種促動(dòng)器作為用于可動(dòng)元件的驅(qū)動(dòng)裝置。
在具有上述布置的接觸裝置X1中，構(gòu)建有在圖1所示的電路。具體地說，第一接觸器10的凸起12的頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)于在圖1的電路圖中的第一觸點(diǎn)C1，而公共電極22與凸起12接合的部分對(duì)應(yīng)于在電路圖中的第二觸點(diǎn)C2。扁平電極13對(duì)應(yīng)于端子E1。從凸起12的頂點(diǎn)延伸至扁平電極13的硅區(qū)域?qū)?yīng)于電阻器Rbi(i＝1、2、…、N)。在電學(xué)上電極22還對(duì)應(yīng)于端子E2。可以通過調(diào)節(jié)基底11的厚度或凸起12的尺寸和結(jié)構(gòu)來將每個(gè)電阻器Rbi的電阻設(shè)定為所要求的數(shù)值。該電阻還取決于形成基底11和凸起12的材料或者取決于摻雜的條件。在所示的實(shí)施方案中，基底11和凸起12由硅材料形成。對(duì)每個(gè)電阻器Rbi進(jìn)行電阻調(diào)節(jié)，從而該電阻處于10-100kΩ的范圍內(nèi)。在接觸裝置X1中，使各個(gè)電阻器Rbi的設(shè)定值和觸點(diǎn)數(shù)目N的設(shè)定值滿足不等式(10)和(11)。在不等式(10)和(11)中的最小放電電流Imin定義為電弧放電出現(xiàn)可能性為50％(或更低)的電流。應(yīng)該注意的是，最小放電電流Imin可以根據(jù)接觸裝置X1的用途來改變。與最小放電電流的設(shè)定值相關(guān)的這種情況對(duì)于隨后的實(shí)施方案也一樣。
接觸裝置X1的功能如下。當(dāng)由沒有示出的促動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的第一接觸件10進(jìn)入到在圖6所示的觸點(diǎn)時(shí)，每個(gè)凸起22保持與公共電極22直接接觸，由此使所有電觸點(diǎn)閉合。在該階段處，一旦在扁平電極13和公共電極22之間施加電壓，電流將流過該接觸裝置X1。然后，當(dāng)促動(dòng)第一促動(dòng)器10以采取在圖5所示的分開位置時(shí)，凸起12與公共電極22間隔開，由此所有電觸點(diǎn)打開。因此，流經(jīng)接觸裝置X1的電流中斷。
當(dāng)?shù)谝唤佑|件10與第二接觸件20分開時(shí)，在這些電觸點(diǎn)處將不出現(xiàn)任何電弧放電或者只有可接受的少量電弧放電。這是因?yàn)榻佑|裝置X1具有在圖1所示的電路結(jié)構(gòu)，并且使電阻器Rbi的設(shè)定值和觸點(diǎn)的數(shù)目N滿足了不等式(10)和(11)。完全防止或者非完全但是實(shí)際上可接受地防止電弧放電有助于避免形成裝置X1的觸點(diǎn)的材料燒蝕和變形。因此，本發(fā)明的裝置X1經(jīng)久耐用并且可以應(yīng)用在其中需要高度可靠的開關(guān)操作的用途中。
圖7顯示出制造第一接觸件10的過程。所示的過程是通過利用顯微機(jī)械加工技術(shù)制造上述第一接觸件10的一個(gè)實(shí)施例。圖7為一局部剖視圖，顯示出在制造中的第一接觸件10。
在用于制造第一接觸件10的第一步驟，如圖7A所示，在硅襯底S1上制作出形成凸起的光致抗蝕圖案14。具體地說，通過旋涂液態(tài)光致抗蝕劑材料來在硅襯底S1上形成光致抗蝕層，然后通過曝光和顯影來制作所要求的光致抗蝕劑圖案14。該光致抗蝕圖案14根據(jù)所要制作的凸起的結(jié)構(gòu)包括有圓形或方形掩模。至于光致抗蝕劑材料，例如可以使用AZP4210(可以從Clariant Japan買到)或者AZ1500(可以從Clariant Japan買到)。隨后所述的光致抗蝕劑圖案也可以按照相同的方式即通過形成光致抗蝕劑層、曝光和顯影來制成。
然后，通過使用光致抗蝕劑圖案14作為掩模，對(duì)硅襯底S1進(jìn)行各向同性蝕刻直到獲得所要求的蝕刻深度。該蝕刻可以是反應(yīng)離子蝕刻(RIE)。因此，如圖7B所示，形成基底11和多個(gè)與該基底一體的凸起12。為了說明清楚，用實(shí)線描繪在基底11和凸起12之間的邊界。對(duì)隨后實(shí)施例中在基底和凸起之間的邊界也作此處理。然后，如圖7C所示，從硅襯底S1中除去光致抗蝕劑圖案14。對(duì)于脫模劑而言，可以使用AZ脫模劑700(可以從Clariant Japan買到)?？梢允褂孟嗤拿撃﹣碓陔S后實(shí)施例中進(jìn)行光致抗蝕圖案的除去。
然后，如圖7D所示，在硅襯底S1的與凸起形成表面相對(duì)的下表面上形成扁平電極13。該扁平電極13可以通過汽相沉積合適金屬來制作或者通過將金屬板或者金屬薄箔連接在襯底上來形成。
通過上面的工藝，獲得第一接觸件10，該接觸件包括基底11和一體的凸起12。根據(jù)本發(fā)明，第一接觸件10可以具有不同的結(jié)構(gòu)。例如，接觸件10可以包括由低電阻金屬制成的基底11和由高熔點(diǎn)高電阻金屬制成的單獨(dú)制作的凸起12，這些凸起12固定在基底11上。在該情況中，基底11優(yōu)選為一銅板，而凸起12優(yōu)選由鎢或鉬制成。
通過汽相沉積適當(dāng)金屬來在基底21上形成扁平公共電極22來制作出第二接觸件。或者，可以通過將作為公共電極22的金屬板或金屬薄箔連接在基底21上來制作出第二接觸件20。
圖8為一立體圖，顯示出根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施方案的一部分電接觸裝置X2。該接觸裝置X2包括第一接觸件30和第二接觸件20。第一接觸件30包括一基底31、多個(gè)凸起32和一電極33。由例如硅材料制成的基底31具有與基底形成為一體的多個(gè)橫梁31a。這些凸起32以二維陣列的方式設(shè)置在基底31的一個(gè)側(cè)面上。每個(gè)凸起32設(shè)在橫梁31a的相應(yīng)一個(gè)上。在所示的實(shí)施例中，每個(gè)凸起32通常為與基底31形成為一體的圓錐體。這些凸起32由與基底31相同的材料形成。每個(gè)凸起32的表面可以涂覆有具有高熔點(diǎn)和高沸點(diǎn)的金屬。這種金屬例如為鎢或鉬。所形成的凸起32的數(shù)目及其尺寸與上述第一實(shí)施方案的凸起12相同。第二實(shí)施方案的第二接觸件20與第一實(shí)施方案的第二接觸件相同。
第一接觸件30和第二接觸件20可以彼此相對(duì)運(yùn)動(dòng)，并且它們可以選擇性地采取分開位置(參見圖8)和其中所有凸起32保持與公共電極22直接接觸的觸點(diǎn)。可以通過使第一接觸件30相對(duì)于保持不動(dòng)的第二接觸件20運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)第一和第二接觸件30、20的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。或者，可以采取如參照第一實(shí)施方案所述的另一個(gè)相對(duì)驅(qū)動(dòng)模式。用于第一接觸件的驅(qū)動(dòng)裝置可以與參照第一實(shí)施方案所述的相同。
還有在接觸裝置X2中，構(gòu)建有在圖1所示的電路。具體地說，第一接觸件30的凸起32的頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)于在圖1中的第一觸點(diǎn)C1，而與凸起32保持接合的部分公共電極22對(duì)應(yīng)于第二觸點(diǎn)C2。該電極33對(duì)應(yīng)于端子E1。從凸起32的頂點(diǎn)延伸至電極33的硅區(qū)域?qū)?yīng)于電阻器Rbi(i＝1、2、...、N)。在電學(xué)上，公共電極22還對(duì)應(yīng)于端子E2。如上面結(jié)合第一實(shí)施方案所述一樣，可以通過調(diào)節(jié)基底31的厚度或凸起32的尺寸和結(jié)構(gòu)來將每個(gè)電阻器Rbi的電阻設(shè)定為所要求的數(shù)值。該電阻還取決于形成基底31和32的材料，或者取決于摻雜的狀況。另外，在接觸裝置X2中，使相應(yīng)電阻器Rbi的設(shè)定值和觸點(diǎn)數(shù)目N的設(shè)定值滿足不等式(10)和(11)。
接觸裝置X2的功能如下。當(dāng)促動(dòng)第一接觸件30采取觸點(diǎn)時(shí)，所有凸起32都保持與公共電極22直接接觸，由此關(guān)閉所有觸點(diǎn)。在這個(gè)階段，用基本上相同的擠壓力使相應(yīng)凸起32壓靠在公共電極22上。這個(gè)特性歸功于橫梁31a的存在。具體地說，即使第一接觸件30和第二接觸件20稍微歪斜地取向(即不能平行布置)，這些橫梁31a也能下垂以吸收作用在保持相互接觸的凸起32和公共電極22之間的擠壓力。因此，在這些凸起和電極之間的擠壓力被調(diào)整到同一水平，由此獲得正確的接觸條件。在這種接觸條件中，一旦在電極33和公共電極22之間施加了電壓，電流將通過該接觸裝置X2。然后，當(dāng)促動(dòng)第一接觸件30采取在圖8所示的分開位置時(shí)，相應(yīng)的凸起32與公共電極22間隔開，由此使所有觸點(diǎn)打開。因此，流經(jīng)單元X2的電流斷開。
當(dāng)?shù)谝唤佑|件30與第二接觸件20分開時(shí)，在電觸點(diǎn)處將不出現(xiàn)任何電弧放電或者只有可接受的少量電弧放電。這是因?yàn)榻佑|裝置X2具有在圖1所示的電路結(jié)構(gòu)，并且使電阻器Rbi和觸點(diǎn)數(shù)目N的設(shè)定值滿足不等式(10)和(11)。完全或可接受地防止電弧放電有助于防止形成裝置X2的觸點(diǎn)的材料燒蝕和變形。因此，本發(fā)明的裝置X2經(jīng)久耐用，并且可以用在需要高度可靠開關(guān)操作的用途中。
圖9顯示出制造第一接觸件30的過程。所示的過程是用于通過利用顯微機(jī)械加工技術(shù)來制造第一接觸件30的一個(gè)實(shí)施例。圖9為局部剖視圖，顯示出在制造中的第一接觸件30。該剖面是沿著圖8中的IX-IX線取出的。
為了制造第一接觸件30，首先通過參照第一實(shí)施方案的圖7A-7C所述的相同步驟制備出如圖9A所示的硅襯底S2。該襯底S2包括一基底31和多個(gè)與基底形成為一體的凸起32。
然后，如圖9B所示，在襯底S2的與凸起形成表面相對(duì)的下表面上形成一電極33。具體地說，該電極33可以通過汽相沉積適當(dāng)金屬在襯底S1的下表面上形成金屬層然后使金屬層形成為規(guī)定形態(tài)來制作出。
然后，如圖9C所示，在硅襯底S2上形成用于形成橫梁的光致抗蝕劑圖案34。形成有多個(gè)開口的該光致抗蝕劑圖案34覆蓋將要被加工成橫梁31a和與這些橫梁成一體的框架部件的部分。
然后，如圖9D所示，采用光致抗蝕劑圖案34作為掩模來在硅襯底S2上進(jìn)行各向異性蝕刻。各向異性蝕刻例如可以是Deep-RIE(深RIE)。根據(jù)Deep-RIE技術(shù)或者博氏(Bosch)工藝，交替進(jìn)行蝕刻和側(cè)壁保護(hù)。例如，使用SF6氣體進(jìn)行蝕刻8秒，而使用C4F8氣體進(jìn)行側(cè)壁保護(hù)6.5秒。施加在晶片上的偏壓為23W。這些條件對(duì)于在隨后實(shí)施方案中進(jìn)行的Deep-RIE而言也是一樣。
然后，如圖9E所示，從硅襯底S2中除去光致抗蝕劑圖案34。因此，獲得第一接觸件30，該接觸件包括一結(jié)合了橫梁的基底31和與基底形成為一體的凸起32。
圖10為一剖視圖，顯示出根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施方案的電接觸裝置X3。該裝置X3包括第一接觸件40和第二接觸件20。第一接觸件40包括一基底41、凸起42和一電極43。應(yīng)該注意的是，在圖10中電極43看起來具有多個(gè)單獨(dú)部件，但是如從圖11中所看到的一樣實(shí)際上該電極43是單個(gè)連續(xù)元件。
基底41包括一后部41a、一框架部分41b、共同固定部分41c和橫梁部分41d。如將在后面所述一樣，這些元件通過顯微機(jī)械加工技術(shù)用共同的板材一體形成。在所示的實(shí)施例中，框架部分41b沿著矩形后部41a的四個(gè)側(cè)邊連續(xù)延伸(參見圖11)。
如圖11所示，共同固定部分41c在后部41a上相互平行地布置。每個(gè)固定部分41c在其兩個(gè)端部處與框架部分41b連接成一體。從圖10和11中可以看出，每個(gè)橫梁41d按照該橫梁41d用作懸臂梁的方式從共同固定部分41c中的相應(yīng)一個(gè)橫向伸出。參照?qǐng)D11，在位于兩個(gè)緊密相鄰的共同固定部分41c之間的區(qū)域中，預(yù)定數(shù)量的橫梁41d從其中一個(gè)相鄰固定部分41c朝著另一個(gè)平行延伸。
如圖11所示，這些凸起42以二維陣列的方式布置。在所示的實(shí)施例中，每個(gè)凸起42大體上為在橫梁41d的相應(yīng)一個(gè)上的圓錐體。為了提供規(guī)定的電流通路以便使每個(gè)凸起的頂點(diǎn)與電極43電連接，共同固定部分41c的上部、橫梁41d和凸起42可以由相同的導(dǎo)電材料形成。該電極43由金屬(例如Au或Al)制成，該金屬具有比固定部分41c的上部、橫梁41d和凸起42更低的電阻。該電極43形成在框架部分41b和共同固定部分41c上以具有規(guī)定的圖案。每個(gè)凸起42的表面涂有具有高熔點(diǎn)和高沸點(diǎn)的金屬。這種金屬例如為鎢或鉬。所形成的凸起42的數(shù)目和尺寸可以與上述第一實(shí)施方案的凸起12相同。
第一接觸件40和第二接觸件20可彼此相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而它們選擇性地采取在圖10所示的分開位置(打開位置)和其中所有凸起42保持與公共電極22直接接觸的觸點(diǎn)(閉合位置)?？梢酝ㄟ^使第一接觸件40朝著和遠(yuǎn)離保持固定的第二接觸件20運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)第一和第二接觸件10、20的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。但是，可以按照如結(jié)合第一實(shí)施方案所述一樣的其它方式來實(shí)現(xiàn)該相對(duì)運(yùn)動(dòng)。用于第一接觸件40的促動(dòng)器可以與結(jié)合第一實(shí)施方案所述的促動(dòng)器相同。
同樣，在接觸裝置X3中，構(gòu)建有在圖1所示的電路。具體地說，第一接觸件40的凸起42的頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)于在圖1中的第一觸點(diǎn)C1，而與凸起42保持結(jié)合的部分公共電極22對(duì)應(yīng)于第二觸點(diǎn)C2。電極43對(duì)應(yīng)于端子E1。從凸起42的頂點(diǎn)、橫梁41d延伸出并且進(jìn)一步延伸至電極43的硅區(qū)域?qū)?yīng)于電阻器Rbi(i＝1、2、...、N)。在電學(xué)上，公共電極22還對(duì)應(yīng)于端子E2?？梢酝ㄟ^改變從凸起42的頂點(diǎn)、橫梁41d延伸至電極43的區(qū)域的材料或者改變摻雜條件和程度或者調(diào)節(jié)橫梁41d或凸起42的尺寸和結(jié)構(gòu)來將每個(gè)電阻器Rbi的電阻設(shè)定為所要求的數(shù)值。另外，在接觸裝置X3中，使相應(yīng)電阻器Rbi的設(shè)定值和觸點(diǎn)數(shù)目N的設(shè)定值滿足不等式(10)和(11)。
接觸裝置X3的功能如下。當(dāng)促動(dòng)第一接觸件40采取觸點(diǎn)時(shí)，所有凸起42保持與公共電極22直接接觸，由此關(guān)閉所有觸點(diǎn)。在該階段，用基本上相同的擠壓力使相應(yīng)凸起42擠壓在公共電極22上。該特征歸功于橫梁41d的存在。具體地說，即使在第一接觸件40和第二接觸件20稍微歪斜地取向(即沒有平行布置)，這些橫梁41d也能夠下垂以吸收作用在保持接觸的凸起42和公共電極22之間的額外擠壓力。由于橫梁41d具有懸臂梁結(jié)構(gòu)，所以它們比第二實(shí)施方案的橫梁31a更加柔性。因此，在凸起和電極之間的擠壓力被調(diào)整到同一水平，由此獲得正確的接觸條件。在這樣一種接觸條件中，一旦在電極43和公共電極22之間施加了電壓，則電流將流過該接觸裝置X3。然后，當(dāng)促動(dòng)第一接觸件40采取在圖10所示的分開位置時(shí)，使相應(yīng)凸起42與公共電極22分開，由此使所有觸點(diǎn)打開。因此，流經(jīng)裝置X3的電流中斷。
當(dāng)?shù)谝唤佑|件40與第二接觸件20分開時(shí)，在電觸點(diǎn)處不會(huì)出現(xiàn)任何電弧放電或者只有可接受的少量電弧放電。這是因?yàn)榻佑|裝置X3具有在圖1所示的電路結(jié)構(gòu)，并且使電阻器Rbi和觸點(diǎn)數(shù)目N的設(shè)定值滿足不等式(10)和(11)。完全或可接受地防止電弧放電有助于防止形成裝置X3的觸點(diǎn)的材料燒蝕和變形。因此，本發(fā)明的裝置X3經(jīng)久耐用并且可以用在需要高度可靠的開關(guān)操作的用途中。
圖12顯示出制造該裝置X3的第一接觸件40的過程。該過程為用于通過顯微機(jī)械加工技術(shù)制造第一接觸件40的一個(gè)實(shí)施例。圖12為局部剖視圖，顯示出在制造中的第一接觸件40。
為了制造第一接觸件40，首先制作出在圖12A所示的襯底S3。作襯底S3(為絕緣體上硅(SoI)基底)具有一種多層結(jié)構(gòu)，它包括第一層51、第二層52和設(shè)置在第一和第二層之間的中間層53。在所示的實(shí)施例中，第一層51可以具有20μm的厚度，第二層52具有200μm的厚度，并且中間層53可以具有20μm的厚度。第一層51和第二層52由必要時(shí)摻雜有n型雜質(zhì)例如磷和砷的硅材料制成，以便提供導(dǎo)電性。為了相同的目的，例如可以使用硼，它用作p型雜質(zhì)。摻雜還可以同時(shí)使用n型雜質(zhì)和p型雜質(zhì)，從而硅材料的摻雜部分具有比剩余部分更大的電阻。在所示的實(shí)施例中，中間層53由絕緣物質(zhì)例如氧化硅或氮化硅形成。在中間層53由絕緣材料制成的情況下，形成在襯底S3上的橫梁41d和凸起42與后部41a適當(dāng)絕緣。但是，根據(jù)本發(fā)明，中間層53可以由導(dǎo)電材料形成。在該情況中，電極43可以設(shè)在后部41a上而不是設(shè)在框架部分41b和共同固定部分41c上。
然后，如圖12B所示，在第一層51上形成光致抗蝕劑圖案54。該光致抗蝕劑圖案54包括與所要形成的凸起的結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的圓形掩模。優(yōu)選的是，每個(gè)圓形掩模的直徑大約為凸起42的高度的兩倍。
然后，通過將光致抗蝕劑圖案用作掩模，在第一層51上進(jìn)行各向同性蝕刻直到獲得所要求的蝕刻深度。該蝕刻可以是反應(yīng)離子蝕刻。因此，如圖12C所示，形成有多個(gè)凸起42。之后，如圖12D所示，從第一層51除去光致抗蝕劑圖案54。
然后，如圖12E所示，在第一層51上形成光致抗蝕劑圖案55。該光致抗蝕劑圖案55包圍著這些凸起42，同時(shí)也覆蓋著要被加工成上述框架部分41b、共同固定部分41c和橫梁41d的部分。
然后，如圖12F所示，通過將光致抗蝕圖案55用作掩模，在第一層51上進(jìn)行各向異性蝕刻直到暴露出中間層53。如上所述，各向異性蝕刻例如可以是Deep-RIE(深RIE)。
然后，如圖12G所示，通過濕法蝕刻除去位于橫梁41d下面的部分中間層53。當(dāng)中間層53由氧化硅制成時(shí)，適當(dāng)?shù)奈g刻劑例如為氟酸。由于該蝕刻，賦予了框架部分41b、共同固定部分41 c和橫梁41d所要求的輪廓結(jié)構(gòu)。然后，如圖12H所示，從襯底S3除去光致抗蝕劑圖案55。
然后，如圖12I所示，例如通過汽相沉積在襯底S3的上側(cè)(形成凸起側(cè))上形成金屬層56。對(duì)于材料金屬而言，可以使用金、銅或鋁，每種材料其電阻明顯低于硅。然后，如圖12J所示，在框架部分41b和共同固定部分41c上形成用于制作電極的光致抗蝕劑圖案57。然后，通過使用光致抗蝕劑圖案57作為掩模，在金屬層56上進(jìn)行濕法蝕刻以提供如圖12K所示的導(dǎo)電圖案或電極43。蝕刻劑不應(yīng)該過度蝕刻掉硅材料或者蝕刻除了金屬層56的暴露部分之外的其它材料。最后，如圖12L所示，從襯底S3中除去光致抗蝕劑圖案57，從而形成接觸裝置X3的第一接觸件40。
圖13為一局部剖視圖，顯示出一種電接觸裝置X3′，即上述接觸裝置X3的改進(jìn)。該接觸裝置X3′包括第一接觸件40′和第二接觸件20。第一接觸件40′與裝置X3的第一接觸件40的不同之處在于，電極43′具有與在圖11所示的電極43′不同的圖案。如圖14所示，電極43′形成在框架部分41b、共同固定部分41c上并且進(jìn)一步形成在橫梁41d上。該第一接觸件40′的其它特征與裝置X3的第一接觸件40相同。因此，接觸裝置X3′按照與接觸裝置X3相同或基本相同的方式作用。
在該接觸裝置X3′中，電阻器Rbi(參見圖1)的長(zhǎng)度比在接觸裝置X3中更短。具體地說，從每個(gè)凸起42的頂點(diǎn)延伸至電極43′的導(dǎo)電材料區(qū)域(即，電阻器Rbi)在長(zhǎng)度上小于在接觸裝置X3中從凸起42的頂點(diǎn)延伸至電極43的導(dǎo)電材料區(qū)域。裝置X3′的這種布置對(duì)于使電阻器Rbi的電阻更低是有利的。
圖15顯示出制造接觸裝置X3′的第一接觸件的過程。該過程是用于通過顯微機(jī)械加工技術(shù)制造第一接觸件40′的一個(gè)實(shí)施例。圖15為局部剖視圖，顯示出在制造中的第一接觸件40′。
為了制造第一接觸件40′，首先通過與參照?qǐng)D12A-12C所述一樣的步驟制作出在圖15A所示的襯底S3。圖15A的該襯底S3具有與用于制造接觸裝置X3的第一接觸件40的襯底S3相同的結(jié)構(gòu)。如從圖15A中可以看出，所示的襯底S3形成有多個(gè)凸起43，光致抗蝕劑圖案54留在其上沒有被除去。
然后，如圖15B所示，通過例如汽相沉積在襯底S3的上側(cè)(形成凸起側(cè))上形成金屬層。所使用的金屬可以為金、銅或鋁，每種金屬具有比硅適當(dāng)更低的電阻。然后，如圖15C所示，從襯底S3中除去光致抗蝕劑圖案54。這時(shí)，也除去了在光致抗蝕劑圖案54上的金屬層58。然后，如圖15D所示，在第一層51上形成光致抗蝕劑圖案59。將覆蓋著凸起42和金屬層58的光致抗蝕劑圖案59鋪設(shè)成遮蓋著將要被加工成框架部分41b、共同固定部分41c和橫梁41d的部分。
然后，如圖15E所示，進(jìn)行濕法蝕刻以除去沒有被光致抗蝕劑圖案59覆蓋的部分金屬層58。所使用的蝕刻劑不應(yīng)該過度蝕刻掉硅材料或者除了金屬層58的暴露部分之外的其它材料。然后，通過與參照?qǐng)D12F-12G所述相同的步驟將襯底S3加工成具有在圖15F所示的結(jié)構(gòu)。在圖15F所示的階段，襯底S3具有共同固定部分41c、橫梁41d和框架部分41b所需要的完全結(jié)構(gòu)。最后，如圖15G所示，從襯底S3中除去光致抗蝕劑圖案59以便形成接觸裝置X3′的第一接觸件40′。
圖16為一局部剖視圖，顯示出根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施方案的電接觸裝置X4。該接觸裝置X4包括第一接觸件60和第二接觸件20。第一接觸件60包括一基底61、多個(gè)凸起62和一電極63。
基底61包括一后部61a、一框架部分61b、多個(gè)共同固定部分61c和多個(gè)橫梁61d。如在上述第三實(shí)施方案的后部41a、框架部分41b、共同固定部分41c和橫梁41d的情況中一樣，相互成一體的這些元件是通過顯微機(jī)械加工技術(shù)用相同材料形成的。
如圖17所示，共同固定部分61c相互平行地布置在后部61a上。每個(gè)橫梁61d從共同固定部分61c的相應(yīng)一個(gè)橫向延伸出，從而它用作一懸臂梁。在位于兩個(gè)緊密相鄰的共同固定部分61c之間的區(qū)域中，預(yù)定數(shù)量的橫梁41d從相鄰固定部分41c中的第一個(gè)朝著另一個(gè)(第二固定部分)平行延伸，并且相同數(shù)量的橫梁41d從第二固定部分向第一固定部分平行延伸。
還參照?qǐng)D17，凸起62以二維陣列的方式布置。在所示的實(shí)施例中，每個(gè)凸起大體上為位于橫梁61d中的相應(yīng)一個(gè)上的圓錐體。使固定部分61c、橫梁61和凸起62具有導(dǎo)電性，所有這些元件由相同的導(dǎo)電材料形成。具有預(yù)定圖案的電極63形成在框架部分61b和共同固定部分61c上，并且由其電阻小于凸起62、橫梁61d和固定部分61c的上部的金屬制成。代替在圖17所示的圖案，電極63可以具有類似于上述電極43′的圖案，其中電極還延伸到橫梁61d上。每個(gè)凸起62的表面可以涂有具有高熔點(diǎn)和高沸點(diǎn)的金屬。關(guān)于凸起62的數(shù)目和尺寸的條件可以與第一實(shí)施方案的凸起12相同。
第一接觸件60和第二接觸件20可以相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而它們可以選擇性地采取在圖16所示的分開位置和其中所有凸起62都保持與公共電極22直接接觸的觸點(diǎn)。在所示的實(shí)施例中，通過使第一接觸件60相對(duì)于保持固定的第二接觸件20運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)第一和第二接觸件60、20的相對(duì)運(yùn)動(dòng)?；蛘?，可以采用如在第一實(shí)施方案中所述一樣的其它相對(duì)運(yùn)動(dòng)模式。用于第一接觸件60的驅(qū)動(dòng)裝置可以與在第一實(shí)施方案中所述的相同。
同樣，在該接觸裝置X4中，構(gòu)建有在圖1所示的電路。具體地說，第一接觸件60的凸起62的頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)于在圖1中的第一觸點(diǎn)C1，而與凸起62保持接合的部分公共電極22對(duì)應(yīng)于第二觸點(diǎn)C2。電極63對(duì)應(yīng)于端子E1。從凸起62的頂點(diǎn)通過橫梁61d延伸至電極63的硅區(qū)域?qū)?yīng)于電阻器Rbi(i＝1、2、...、N)。在電學(xué)上，公共電極22還對(duì)應(yīng)于端子E2。使各個(gè)電阻器Rbi的設(shè)定值和觸點(diǎn)數(shù)目N的設(shè)定值滿足不等式(10)和(11)。
在開關(guān)操作中，具有支撐著觸點(diǎn)(即凸起62)的懸臂梁61d的接觸裝置X4按照與接觸裝置X3相同的方式作用，從而享有與裝置X3相同的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)。
在接觸裝置X4中，每個(gè)共同固定部分61在其兩側(cè)上支撐著兩組橫梁61d，它們從固定部分相對(duì)地延伸出，每個(gè)橫梁設(shè)有一凸起62。通過這種雙橫向布置，接觸裝置X4設(shè)有比接觸裝置X3更少的固定部分61c，而且仍然可以安裝相同數(shù)量的凸起62(觸點(diǎn))。因此，該接觸裝置X4更適用于獲得比接觸裝置X3更高密度的觸點(diǎn)。另外，由于橫梁61d相對(duì)于共同固定部分61c對(duì)稱布置，所以在接觸裝置X4采取觸點(diǎn)(接通位置)時(shí)大體上對(duì)稱的應(yīng)力將從其兩側(cè)作用在固定部分61c上。這意味著防止了裝置X4的每個(gè)固定部分61c受到不平衡的應(yīng)力載荷。因此，固定部分61c更不容易隨著時(shí)間退化，由此維持了接觸裝置X4的開關(guān)可靠性。
可以通過如參照用于制造接觸裝置X3的第一接觸件40的圖12A-12L所述一樣的步驟來制造裝置X4的第一接觸件60。但是，當(dāng)?shù)谝唤佑|件60具有延伸到橫梁61d上的電極63時(shí)，則可以通過如參照用于制造接觸裝置X3′的第一接觸件40′的圖15A-12G所述一樣的步驟來制造該接觸件。
根據(jù)本發(fā)明，上述接觸裝置X1-X4和X3′還可以包括位于第一和第二接觸件之間的止動(dòng)件，用于防止這兩個(gè)接觸件靠得太近。圖18示意性地顯示出設(shè)在第三實(shí)施方案的接觸裝置X3上的這樣一種止動(dòng)件。
在圖18中，接觸裝置X3處于觸點(diǎn)，并且止動(dòng)件64設(shè)在第一接觸件40和第二接觸件20之間。止動(dòng)件64由絕緣材料形成并且固定在第一接觸件40上。或者，止動(dòng)件64可以固定在第二接觸件20上。如此調(diào)節(jié)止動(dòng)件64的厚度，從而在裝置X3采取觸點(diǎn)時(shí)凸起42以適當(dāng)?shù)臄D壓力與扁平電極22接觸。通過設(shè)在裝置X3上的止動(dòng)件64，可以防止橫梁在太大應(yīng)力下斷裂。因此，在各個(gè)觸點(diǎn)處的擠壓力被均衡，由此使開關(guān)特性穩(wěn)定。另外，止動(dòng)件64防止橫梁41d與后部41a接觸。由于止動(dòng)件64由絕緣材料制成，所以確保了第一接觸件40和第二接觸件20相互電隔離。
根據(jù)本發(fā)明，可以將在圖3所示的電路代替在圖1所示的電路構(gòu)建在接觸裝置X1-X4和X3′中。在這種情況中，形成基底和凸起的硅材料摻雜有雜質(zhì)，從而該材料變得導(dǎo)電。這樣，在每個(gè)觸點(diǎn)處的電阻器Rbi可以具有基本上為零的電阻。同時(shí)，第一觸點(diǎn)(即，各個(gè)凸起的頂點(diǎn))和第二觸點(diǎn)(即，整個(gè)公共電極22或其與這些凸起接觸的部分)由高電阻金屬制成，從而在閉合觸點(diǎn)處的接觸電阻變得足夠高以防止放電電流出現(xiàn)在觸點(diǎn)處。通過這種布置可以完全防止或者沒有完全但是實(shí)際上在適當(dāng)程度上防止在觸點(diǎn)處出現(xiàn)電弧放電。因此，可以降低或消除形成觸點(diǎn)的材料的燒蝕和變形，由此，結(jié)合有在圖3所示的電路的接觸裝置使得能夠進(jìn)行高度可靠的開關(guān)操作，并且經(jīng)久耐用。
雖然這樣對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了說明，但是顯而易見的是，本發(fā)明可以按照許多方式變化。這些變型不應(yīng)該被認(rèn)為是脫離本發(fā)明的精神和范圍，并且對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員顯而易見的所有這些變型都打算包含在下面權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種電接觸裝置，它包括多條相互并聯(lián)的電流通路；以及多個(gè)電觸點(diǎn)，每個(gè)觸點(diǎn)具有可機(jī)械打開和閉合的第一觸頭和第二觸頭；其中每條電流通路設(shè)有所述觸點(diǎn)中的相應(yīng)一個(gè)，所述每條電流通路的電特性被調(diào)節(jié)為防止在觸點(diǎn)出現(xiàn)電弧放電。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，還包括分別與觸點(diǎn)串聯(lián)的多個(gè)電阻器，其中對(duì)于每條電流通路而言，通過使電阻器的電阻大于觸點(diǎn)的接觸電阻來進(jìn)行電特性的調(diào)節(jié)。
3.如權(quán)利要求2所述的裝置，還包括一基底，它具有第一表面和與所述第一表面相對(duì)的第二表面；多個(gè)凸起，每個(gè)凸起設(shè)置在基底的第一表面上并且具有一頂點(diǎn)；以及一扁平電極，它面對(duì)著基底的第一表面，并且所述凸起與之接觸；其中上述第一觸頭對(duì)應(yīng)于這些凸起的頂點(diǎn)，并且第二觸頭對(duì)應(yīng)于扁平電極的與凸起頂點(diǎn)接觸的部分，并且其中所述電阻器構(gòu)建在所述基底和凸起中。
4.如權(quán)利要求3所述的裝置，其中所述基底和所述凸起由相同的材料基底一體形成。
5.如權(quán)利要求3所述的裝置，還包括形成在基底的第二表面上并且與電阻器連接的公共電極。
6.如權(quán)利要求3所述的裝置，其中所述基底設(shè)有多個(gè)柔性結(jié)構(gòu)，每個(gè)柔性結(jié)構(gòu)設(shè)置在觸點(diǎn)的相應(yīng)一個(gè)處以便吸收作用在第一觸頭和第二觸頭之間的接觸壓力。
7.如權(quán)利要求6所述的裝置，其中每個(gè)柔性結(jié)構(gòu)包括具有固定端部的橫梁，并且設(shè)有所述凸起中的相應(yīng)一個(gè)。
8.如權(quán)利要求6所述的裝置，其中每個(gè)柔性結(jié)構(gòu)包括一懸臂梁，并且設(shè)有所述凸起中的相應(yīng)一個(gè)。
9.如權(quán)利要求2所述的裝置，其中施加在該接觸裝置上的最大電壓為Vmax，每個(gè)觸點(diǎn)的最小放電電流為Imin，其中每個(gè)電阻器的電阻大于Vmax/Imin。
10.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中施加在該接觸裝置上的最大電壓為Vmax，每個(gè)觸點(diǎn)的最小放電電流為Imin，接觸裝置的總電阻為Rs，其中所述電流通路的數(shù)量大于Vmax/(Rs×Imin)。
11.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中通過調(diào)節(jié)所述觸點(diǎn)的接觸電阻來對(duì)每條電路通路進(jìn)行電特性的調(diào)節(jié)，從而放電電流不會(huì)流過所述每條電流通路。
12.如權(quán)利要求11所述的裝置，其中施加在該接觸裝置上的最大電壓為Vmax，每個(gè)觸點(diǎn)的最小放電電流為Imin，其中每個(gè)觸點(diǎn)的接觸電阻大于Vmax/Imin。
13.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述第一觸頭和第二觸頭中的至少一個(gè)由金屬、氧化物和氮化物中的一種形成，這三種物質(zhì)中的每一種包括選自鉭、鎢、碳和鉬中的一種金屬元素。
14.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述第一觸頭和第二觸頭中的至少一個(gè)由熔點(diǎn)不低于3000℃的材料形成。
15.如權(quán)利要求3所述的裝置，還包括用于防止基底和扁平電極相互靠近超過許可最小距離的止動(dòng)件。
16.如權(quán)利要求3所述的裝置，其中所述基底和凸起由硅材料形成，該材料至少部分摻雜有雜質(zhì)以便在所述基底和凸起中提供電阻器。
17.一種制造電接觸裝置的方法，該裝置包括一固定部分、從固定部分延伸出的橫梁和設(shè)在該橫梁上的凸起，該方法包括預(yù)備步驟，用于制作包括第一層、第二層和設(shè)在第一層和第二層之間的中間層的多層材料基底；第一蝕刻步驟，用于使用第一掩模圖案對(duì)第一層進(jìn)行蝕刻以在第一層中形成凸起；第二蝕刻步驟，用于使第一層進(jìn)行蝕刻直到中間層部分暴露出并且在第一層中形成橫梁，該第二蝕刻步驟使用覆蓋該凸起的第二掩模圖案來進(jìn)行；以及第三蝕刻步驟，用于通過將一部分中間層蝕刻掉來在第二層和橫梁之間形成間隔。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，還包括以下步驟在所述第三蝕刻步驟之后從第一層的一側(cè)在材料基底上形成一導(dǎo)電層；在固定部分上形成第三掩模圖案以覆蓋所述導(dǎo)電層；并且通過使用第三掩模圖案作為掩模對(duì)導(dǎo)電層進(jìn)行蝕刻來在固定部分上形成布線圖案。
19.如權(quán)利要求17所述的方法，還包括在第一蝕刻步驟之后并且在第二蝕刻步驟之前進(jìn)行的兩個(gè)附加步驟，其中一個(gè)附加步驟為從第一層的一側(cè)在材料基底上形成導(dǎo)電層的步驟，而另一個(gè)附加步驟是用于從第一層除去所述第一掩模圖案的步驟。
20.如權(quán)利要求17所述的方法，其中在所述第一蝕刻步驟中的蝕刻是各向同性蝕刻。
21.如權(quán)利要求17所述的方法，其中所述第一層和的二層由硅材料形成，而所述中間層由氧化硅形成。
全文摘要
一種電接觸裝置，它包括多條相互并聯(lián)的電流通路以及多個(gè)電觸點(diǎn)，每個(gè)電觸點(diǎn)具有可機(jī)械打開和關(guān)閉的第一觸頭和第二觸頭。每條電流通路設(shè)有所述觸頭中的相應(yīng)一個(gè)。為了防止在這些觸頭處出現(xiàn)電弧放電，每條電流通路的電特性可以進(jìn)行調(diào)節(jié)以便不允許最小放電電流通過。
文檔編號(hào)H01H9/40GK1510705SQ20031012231
公開日2004年7月7日 申請(qǐng)日期2003年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月18日
發(fā)明者若月昇, 米澤遊, 佐藤良夫, 中谷忠司, 宮下勉, 司, 夫, 若月 申請(qǐng)人:富士通株式會(huì)社