專利名稱：雙穩(wěn)態(tài)微動(dòng)開關(guān)及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及一種微動(dòng)開關(guān)，更具體地說，涉及一種使用一種形狀記憶合金的微加工雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)。
最初的機(jī)電和固態(tài)微動(dòng)開關(guān)開發(fā)于20世紀(jì)40年代后期。從那時(shí)起，電子工業(yè)已經(jīng)沖擊到用來生產(chǎn)這樣的開關(guān)的制造和功能極限。特別是，當(dāng)前機(jī)電微動(dòng)開關(guān)在尺寸、成本、功能、耐久性、及對(duì)于高頻用途的連接技術(shù)方面呈現(xiàn)出技術(shù)不足。同樣，固態(tài)開關(guān)呈現(xiàn)出一種特別高的斷狀態(tài)對(duì)通狀態(tài)阻抗比，并且對(duì)于多種用途，在斷狀態(tài)耦合電容中呈現(xiàn)出不希望高的通狀態(tài)“接觸”電阻值。因此，電子工業(yè)當(dāng)前正在尋找制造能更小、更可靠、耐久、功能多、及成本有效的開關(guān)的新的和革新的方法。
在各種當(dāng)今和預(yù)測的電路用途中，存在對(duì)低成本、微型開關(guān)器件的需要，這些開關(guān)器件構(gòu)造在常規(guī)混合電路基片或板上，并且具有雙穩(wěn)態(tài)能力。另外，用于這些器件的制造過程應(yīng)該與常規(guī)固態(tài)技術(shù)兼容，如用來形成導(dǎo)電路徑、接觸墊及包括在這種電路中的無源電路元件的薄膜沉積和圖案形成過程。
一種形狀記憶合金(“SMA”)是一種能夠在加熱時(shí)從一種“變形”形狀至一種“記憶”形狀經(jīng)歷塑性變形的已知材料。如果然后允許SMA材料冷卻，則它部分返回其變形形狀，并且能完全返回變形形狀。換句話說，SMA材料隨溫度變化經(jīng)歷從奧氏體狀態(tài)至馬氏體狀態(tài)的可逆變換。
研究和開發(fā)公司僅觸及在開關(guān)結(jié)構(gòu)中如何能使用這種可控制形狀變形材料的表面。例如，常規(guī)機(jī)電開關(guān)已經(jīng)把SMA導(dǎo)線用作旋轉(zhuǎn)致動(dòng)器和把SMA片彎曲成一個(gè)閥。把導(dǎo)線繞其縱向軸扭轉(zhuǎn)或扭曲，并且然后限制導(dǎo)線的端部以防運(yùn)動(dòng)。片狀致動(dòng)器機(jī)械耦合到一個(gè)或多個(gè)可運(yùn)動(dòng)元件上，從而致動(dòng)器的溫度誘導(dǎo)變形施加一個(gè)力，或者產(chǎn)生機(jī)械元件的運(yùn)動(dòng)。
與這些和類似SMA開關(guān)配置和制造技術(shù)有關(guān)的問題與對(duì)于常規(guī)機(jī)電開關(guān)在以上描述的那些類似。特別是，尺寸、可靠性、耐久性、功能性、及成本的約束限制先有技術(shù)SMA開關(guān)的用途。
在閉合時(shí)，使用或不使用形狀記憶合金的常規(guī)開關(guān)和繼電器通常較大、苯重、或者太易壞，不能用于工業(yè)目的或批量生產(chǎn)。因此，便利的是開發(fā)一種開關(guān)或繼電器，這種開關(guān)或繼電器能從形狀記憶合金的特性得益，并且能消除當(dāng)前開關(guān)技術(shù)的以上列出問題，這些技術(shù)可以使用或不使用形狀記憶合金。
本發(fā)明的目的在于，克服或至少減小上述問題的一個(gè)或多個(gè)的影響。
在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提供一種雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)。該開關(guān)包括如下元件一個(gè)基片，帶有至少一個(gè)電源；一個(gè)可彎曲片，帶有一個(gè)固定到基片上的第一遠(yuǎn)端；一個(gè)橋觸點(diǎn)，形成在可彎曲片的一個(gè)第二和相對(duì)遠(yuǎn)端處；及至少一個(gè)熱致動(dòng)元件，連接到可彎曲片的一個(gè)第一表面上并且在第二遠(yuǎn)端與電源之間，其中從電源通過熱致動(dòng)元件的電流間接彎曲可彎曲片，并且借助于一個(gè)可持續(xù)力短路在基片上的信號(hào)觸點(diǎn)。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例提供一個(gè)用來制造用于帶有信號(hào)線觸點(diǎn)和一個(gè)電源的基片的雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)的過程。具體地說，該過程包括提供一個(gè)可彎曲片；把至少一個(gè)熱致動(dòng)元件連接在可彎曲片的一個(gè)第一遠(yuǎn)端與電源之間；在可彎曲片的第一遠(yuǎn)端處形成一個(gè)導(dǎo)電橋觸點(diǎn)；及把可彎曲片的一個(gè)第二和相對(duì)遠(yuǎn)端安裝到基片上，其中從電源通過熱致動(dòng)元件的電流間接彎曲可彎曲片，并且短路在基片上的信號(hào)觸點(diǎn)。
本發(fā)明性結(jié)構(gòu)提供一種生產(chǎn)雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)的較簡單和便宜方法，該開關(guān)具有借助于使用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體基礎(chǔ)單元-晶體管的當(dāng)前固態(tài)方法不能獲得的性能值。這種構(gòu)造微動(dòng)開關(guān)的新的和革新微加工方法使用戶能夠建造能攜帶非常高電壓、電流和頻率信號(hào)的系統(tǒng)。這成為可能的，因?yàn)槲?dòng)開關(guān)在概念上等效于一個(gè)微型繼電器。事實(shí)上，這種微動(dòng)開關(guān)是一種運(yùn)動(dòng)以連接或脫開導(dǎo)電觸點(diǎn)的機(jī)械微型結(jié)構(gòu)。另外，這種結(jié)構(gòu)和方法與標(biāo)準(zhǔn)硅處理兼容，允許在合理成本下的批量生產(chǎn)。
在閱讀如下詳細(xì)描述和參照附圖時(shí)，本發(fā)明的其他方面和優(yōu)點(diǎn)將成為顯然的，在附圖中

圖1表明按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的一種雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)的立體圖；圖2表明圖1的發(fā)明性雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)的總示意布局；圖3A和3B-5A和5B表明一個(gè)用來制造圖1的雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)的過程；圖6A和6B表明一個(gè)用來制造圖1的雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)的以包括一個(gè)彎皺的臂部分；圖7A和7B表示安裝和致動(dòng)的圖6A的雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)以表明一個(gè)第一和一個(gè)第二開關(guān)位置；圖8表明包括多個(gè)橋觸點(diǎn)的圖1的雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)的一個(gè)可選擇實(shí)施例；及圖9A和9B表明發(fā)明性雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)的又一個(gè)實(shí)施例。
盡管本發(fā)明適合于可選擇形式的各種修改，但其具體實(shí)施例通過圖中的例子已經(jīng)表示，并且在這里詳細(xì)地描述。然而，應(yīng)該理解，這里具體實(shí)施例的描述不打算把本發(fā)明限制為公開的具體形式，而是相反，打算覆蓋落在如由附屬權(quán)利要求書定義的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的所有改進(jìn)、等效物、及選擇例。
本發(fā)明借助于微加工的最近進(jìn)步利用形狀記憶合金的性質(zhì)，開發(fā)一種高效率、有效和高度可靠的微動(dòng)開關(guān)。在微動(dòng)開關(guān)中的SMA的使用把開關(guān)或繼電器的性能增大幾個(gè)數(shù)量級(jí)。具體地說，實(shí)現(xiàn)這點(diǎn)，因?yàn)樾螤钣洃浶?yīng)的應(yīng)力和應(yīng)變都能非常大，提供每單位體積的顯著功輸出。因此，把SMA用作致動(dòng)機(jī)構(gòu)的微動(dòng)機(jī)械開關(guān)能施加幾百兆帕斯卡的應(yīng)力；容許大于百分之三的應(yīng)變；工作在比靜電或PZO要求低得多的普通TTL電壓下；用芯片上的電氣引線直接供電；及經(jīng)得住幾百萬次循環(huán)而不疲勞。
形狀記憶合金經(jīng)受在高于TA的溫度下開始的溫度相關(guān)相變，其特征在于把合金加熱到高于溫度TA和低于TH時(shí)合金恢復(fù)任何初始形狀的能力，而與在低于TA的溫度下施加在合金上的機(jī)械變形無關(guān)。在操作中，當(dāng)SMA材料在低于溫度TA的溫度TL下時(shí)，SMA擁有一種特定晶體結(jié)構(gòu)，由此材料是韌性的，并且可以較容易地變形成任意形狀。在把SMA加熱到商于溫度TA的溫度TH時(shí)，晶體結(jié)構(gòu)變化以便把SMA復(fù)原到初始未變形形狀，恢復(fù)原始給與的形狀，由此表現(xiàn)恢復(fù)應(yīng)力的開始。因此，其上相轉(zhuǎn)換出現(xiàn)的形狀記憶合金的轉(zhuǎn)變溫度范圍定義成在TH與TA之間。SMA最優(yōu)地在低于TA的溫度下在2與8％之間變形，該變形在把SMA加熱到在TA與TH之間時(shí)能完全恢復(fù)。一種最佳變形是4％。
這些記憶材料已經(jīng)主要以絲、棒、和板的形狀的體積形式生產(chǎn)。最常規(guī)和容易得到的形狀記憶合金是Nitinol(鎳鈦金屬互化物)-一種鎳和鈦的合金。然而，其他的SMA包括銅鋅鋁、或銅鋁鎳。對(duì)于小至18℃的溫度變化，Nitinol能通過其相變，并且在施加抵抗對(duì)改變其形狀的阻力時(shí)施加一個(gè)非常大的力。如早先討論的那樣，使用形狀記憶合金的常規(guī)開關(guān)和繼電器一般基于變形形狀記憶合金的形狀的原理操作，同時(shí)它在相變濕度范圍以下。把變形合金加熱到其轉(zhuǎn)變濕度范圍以上恢復(fù)變形的全部或部分，并且合金的運(yùn)動(dòng)移動(dòng)必要的機(jī)械元件。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)到附圖，圖1表明一種按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的熱致動(dòng)雙穩(wěn)態(tài)微動(dòng)機(jī)械開關(guān)10。開關(guān)10的致動(dòng)臂12被微加工，并且固定到一個(gè)上基片表面14上。基片14能包括一個(gè)絕緣硅或砷化鎵基片、一塊印刷電路板、一塊諸如高密度氧化鋁(Al2O3)或氧化鈹(BeO)之類的陶瓷材料的平板、或一種諸如熔化氧化硅之類的玻璃材料。然而，熟悉本專業(yè)的普通技術(shù)人員應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，本發(fā)明的開關(guān)不如此限制，并因此能安裝到幾乎任何穩(wěn)定結(jié)構(gòu)上以提供希望的懸臂式雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)。
上表面14提供控制觸點(diǎn)16a、16b和地觸點(diǎn)18，以可靠地互連到臂12的相應(yīng)控制和地觸點(diǎn)上。另外，上基片表面14提供由臂12的導(dǎo)電橋觸點(diǎn)22橋接或短路的信號(hào)觸點(diǎn)20a和20b。信號(hào)觸點(diǎn)20a和20b可以傳輸或支持任何電氣信號(hào)，包括例如常規(guī)模擬或數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)、或聲音信號(hào)。
頂部和底部導(dǎo)電路徑元件24a和24b由常規(guī)技術(shù)聯(lián)接到臂12上，并且兩個(gè)SMA元件26a和26b安裝在臂12的頂部和底部中心梁上的觸點(diǎn)與地通孔之間。在一個(gè)實(shí)施例中，SMA元件26a和26b由具有在約25與125微米之間的直徑的鈦鎳合金絲制成。
在操作期間，以上發(fā)明性開關(guān)提供圖2中表明的基本電路結(jié)構(gòu)。具體地說，當(dāng)繼電器30a閉合而繼電器30b斷開時(shí)，通過由元件16a、24a、26a、和18組成的頂部導(dǎo)電馬蹄型路徑的電流，將向上運(yùn)動(dòng)臂12。相反，當(dāng)繼電器30a斷開而繼電器30b閉合時(shí)，通過由元件16b、24b、26b、和18組成的底部導(dǎo)電馬蹄型路徑的電流，將向下運(yùn)動(dòng)臂12。在熱冷卻階段期間存在的力遠(yuǎn)小于在加熱SMA元件時(shí)存在的力。換句話說，下面要詳細(xì)描述的導(dǎo)電裝置把必需的電力從任一個(gè)控制觸點(diǎn)16a或16b經(jīng)導(dǎo)電路徑元件24a或和24b和SMA元件26a或26b分別傳遞到地觸點(diǎn)元件18。對(duì)于下面的實(shí)施例，SMA元件26a或26b最好具有在約25與125微米之間的直徑，并且在操作期間能供有40至160毫安。
下面參照?qǐng)D3A-3B至6A-6B，根據(jù)本發(fā)明用來構(gòu)造雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)的制造過程如下。具體地說，圖3A、4A、5A及6A表明開關(guān)10的底部表面，而圖3B、4B、5B及6B表明相同圖的側(cè)視圖。
圖3A和3B表明一種涂有一個(gè)形成圖案光致抗蝕劑層52的穩(wěn)定材料50。在該具體實(shí)施例中，穩(wěn)定材料50是以軋制板材制造的鈹銅合金，具有在約12至50微米之間的厚度和在約300至1,200微米之間的寬度。然而，可以使用提供希望彈性或可彎曲性質(zhì)和厚度的其他材料。例如，可以使用從包括聚合樹脂、塑料、木復(fù)合材料、硅、硅樹脂、及諸如不銹鋼合金之類的各種合金材料的組中選擇的材料。
在一種最佳微加工過程中，一種常規(guī)光刻技術(shù)用來定義穩(wěn)定材料50的表面上的希望圖案(由虛線表示的圖案)。具體地說，形成圖案的光致抗蝕劑52定義一種三梁結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)具有一個(gè)尾部54和一個(gè)首部56、觸點(diǎn)通孔58a和58c、及定義梁62a、62b、和62c的兩個(gè)縫隙60a和60b。一種常規(guī)刻蝕技術(shù)除去由圖案光致抗蝕劑52未保護(hù)的穩(wěn)定材料50，以形成圖4A中表明的三梁結(jié)構(gòu)12。
熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，希望圖案能由其他常規(guī)方法形成。例如，如果希望開關(guān)尺寸大得足以避免微加工技術(shù)，則穩(wěn)定材料50能通過一個(gè)常規(guī)沖壓或模壓過程形成圖案。
其次，如在圖4A和4B中表明的那樣，一個(gè)非導(dǎo)電絕緣層64涂覆在結(jié)構(gòu)12的頂部和底部表面上。該電氣絕緣體最好是一個(gè)paralene層。在可選擇實(shí)施例中，絕緣材料64能從包括二氧化硅、聚酰亞胺、濕氧化物、及四氮化三硅層的組中選擇。這些可選擇物將提供具有類似操作特性的類似結(jié)構(gòu)。熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，如果穩(wěn)定材料50是非導(dǎo)電材料，則可以消除絕緣層64。
在涂覆結(jié)構(gòu)12的每一側(cè)上，沉積一種諸如金之類的導(dǎo)電材料，并且形成圖案以創(chuàng)建希望馬蹄型路徑的一部分。更具體地說，涂覆結(jié)構(gòu)12的頂部表面(見圖1)提供一條聯(lián)接在控制通孔58a與頂部接觸墊之間的L形導(dǎo)電路徑24a。另外，相同的導(dǎo)電材料形成地通孔58c。在結(jié)構(gòu)12的相對(duì)或底部側(cè)上，如圖4A中表明的那樣，涂覆結(jié)構(gòu)12提供另一條聯(lián)接在控制觸點(diǎn)68b與底部接觸墊58b之間的L形導(dǎo)電路徑24b。另外，相同的材料形成控制觸點(diǎn)68a、地觸點(diǎn)70及橋觸點(diǎn)22。熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，用于導(dǎo)電路徑24a和24b、控制觸點(diǎn)68a和68b、地觸點(diǎn)70、地和控制通孔58a和58c、頂部和底部接觸墊58b、及橋觸點(diǎn)22的導(dǎo)電材料，可以從金、銅、鈀金合金、鎳、銀、鋁、及現(xiàn)有技術(shù)可得到的多種其他導(dǎo)電材料的組中選擇。
參照?qǐng)D5A和5B，一個(gè)致動(dòng)器元件26a和26b可靠地聯(lián)接到在每個(gè)接觸墊與地通孔58c之間的臂12的頂部和底部表面上。如果希望，一種粘合劑材料(未表示)能用來把致動(dòng)器元件26a和26b聯(lián)接到相應(yīng)頂部和底部臂表面上。粘合劑材料能從包括膠結(jié)材料、環(huán)氧樹脂、鎖定芯片帶(lock-on-chip tape)、焊料、嵌入材料、聚酰亞胺、及諸如扣或夾之類的機(jī)械固定物的組中選擇。這種連接把每個(gè)致動(dòng)器元件26a和26b定位在中間梁62B的頂部和底部表面的一個(gè)中央部分上以完成導(dǎo)電馬蹄型路徑。致動(dòng)器元件26a和26b最好是以片、帶、或絲形式提供的鎳鈦SMA。對(duì)于以上實(shí)施例，SMA元件26a和26b最好具有在約25與125微米之間的直徑。
如早先公開的那樣，SMA元件26A和26B在通過材料的電流達(dá)到一個(gè)預(yù)建立的相變溫度之后延伸或接觸。對(duì)于該具體實(shí)施例，相變過程典型地將通過兩種方法之一出現(xiàn)。一種第一相變技術(shù)減小致動(dòng)材料的總體積，并且作為結(jié)果，形狀記憶合金的長度減小，接觸穩(wěn)定材料12。在一種第二相變技術(shù)中，SMA在它安裝到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)12上之前和/或之后伸展不超過8％的百分比。在相變時(shí)，SMA的長度減小，在接觸穩(wěn)定材料12層之前返回其原始長度，甚至更多，高達(dá)8％。依據(jù)對(duì)首部12a的位移、接觸力、數(shù)量循環(huán)、及制造過程的要求，形狀記憶合金可以伸展或不伸展。
希望過程的最后步驟包括彎皺和安裝以上結(jié)構(gòu)。沒有彎皺步驟，把以上結(jié)構(gòu)能安裝到一個(gè)希望基片上，以形成具有圖1中表明的一種懸臂結(jié)構(gòu)的可靠微加工雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)。同樣，開關(guān)不能連續(xù)地短路信號(hào)觸點(diǎn)，除非電力是活性的以在希望SMA元件內(nèi)產(chǎn)生必須的電流和轉(zhuǎn)變。因此，該最后壓花或彎皺步驟將允許活動(dòng)器件保持一個(gè)接觸位置，即使在斷電之后也是如此。這種壓花或超皺因此向臂提供一種咬住作用功能，這把臂保持在一個(gè)給定位置，除非當(dāng)SMA元件之一把臂彈回相反位置。
參照?qǐng)D6A和6B，表明希望的壓花或彎皺元件80A和80B。使用常規(guī)沖壓或染色方法可以形成這種咬住作用結(jié)構(gòu)。更具體地說，把左和右梁62A和62C的中央部分彎皺以形成波浪型變形或蹄形。對(duì)于熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員，當(dāng)致動(dòng)器元件26a和26b轉(zhuǎn)變以向上或向下運(yùn)動(dòng)臂末端12a時(shí)，這種彎皺區(qū)域80A和80B將產(chǎn)生一個(gè)持續(xù)力。同樣，即使斷電聯(lián)接到開關(guān)10上的源之后，彎皺區(qū)域80A和80B也允許橋觸點(diǎn)22保持與信號(hào)觸點(diǎn)20a和20b接觸或分離。換句話說，通過形成彎皺80A和80B，一旦把臂12向上或向下定位，電流就必須通過適當(dāng)?shù)腟MA元件以分別向下或向上把臂12彎曲到另一個(gè)位置。否則，開關(guān)10總是向上或向下定位，除非它實(shí)際上由用戶運(yùn)動(dòng)。
有或沒有形成在第一和第三梁62A和62C上的彎皺元件，生成的結(jié)構(gòu)都必須固定到基片14上，如圖7A和7B或圖1中表明的那樣。具體地說，懸臂開關(guān)10通過常規(guī)粘合方法聯(lián)接到基片表面14上。具體地說，印刷電路板的焊料或壓力槽用來把電力和地觸點(diǎn)16a、16b、和18附著或固定到開關(guān)10的基片表面14上。因此，當(dāng)致動(dòng)元件26b由底部馬蹄型導(dǎo)電路徑加熱時(shí)，生成的結(jié)構(gòu)將向下彎曲以把橋觸點(diǎn)22與信號(hào)觸點(diǎn)20a和20b相聯(lián)接。同樣，當(dāng)致動(dòng)元件26A由頂部馬蹄型導(dǎo)電路徑加熱時(shí)，將斷開橋觸點(diǎn)22與信號(hào)觸點(diǎn)20a和20b之間的連接。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例包括把一個(gè)輔助觸點(diǎn)22′放置在末端12a的頂部表面上，以便短路在一個(gè)多層基片上的輔助信號(hào)觸點(diǎn)20a′、20b′。對(duì)于圖8中表明的該例子，如果頂部SMA元件26a由通過頂部馬蹄型導(dǎo)電路徑的電流加熱，則結(jié)構(gòu)將向上運(yùn)動(dòng)，以把頂部橋觸點(diǎn)22′與頂部信號(hào)觸點(diǎn)20a′、20b′相聯(lián)接。另一方面，如果致動(dòng)器元件26B由通過底部馬蹄型導(dǎo)電路徑24b和26b的電流加熱，則結(jié)構(gòu)將向下運(yùn)動(dòng)，以把橋觸點(diǎn)22與信號(hào)觸點(diǎn)20a和20b相聯(lián)接。對(duì)于該具體實(shí)施例，臂12不彎皺。因此，在加熱相應(yīng)SMA 26a或26b以向上或向下運(yùn)動(dòng)末端12a的同時(shí)，橋觸點(diǎn)22或22′僅能夠連續(xù)地短路信號(hào)觸點(diǎn)20a、20b或20a′、20b′。然而，熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，彎皺能用來保持臂12與觸點(diǎn)20a和20b或20a′和20b′的一個(gè)或其他相接觸。
圖9A和9B表明以上發(fā)明性開關(guān)的另一個(gè)實(shí)施例。在該實(shí)施例中，片50形成圖案并且刻蝕或沖壓以形成希望臂12，如參照?qǐng)D3B在以上描述的那樣，并且橋觸點(diǎn)22形成(如以上描述的那樣)在臂末端12a上。其次，致動(dòng)器元件60的中央部分連成回路或固定到臂12上在與末端12a相鄰的一個(gè)位置處，并且與橋觸點(diǎn)22電氣分離。最后，臂12的尾部54固定到基片表面14上，并且致動(dòng)器元件60的端部62a和62b在與臂12的長度相鄰的水平相對(duì)方向上延伸，以與同基片表面14相鄰的一個(gè)電源64相連接。換句話說，以前布置在臂12上以提供必需的電路以致動(dòng)SMA元件的導(dǎo)電L形路徑和觸點(diǎn)(見圖1)，已經(jīng)運(yùn)動(dòng)到離開開關(guān)臂12的一個(gè)位置，以提供電源64。
現(xiàn)在參照?qǐng)D9B，在操作期間，由源62供給到SMA 60的電流接觸SMA 60，以向下運(yùn)動(dòng)臂12和把信號(hào)觸點(diǎn)20a和20b與橋觸點(diǎn)22短路。如在以上公開中描述的那樣，對(duì)于斷電的電源62，SMA 60將返回一個(gè)把橋觸點(diǎn)22與信號(hào)觸點(diǎn)20a和20b分離的位置。熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，另一個(gè)SMA(未表示)可以以類似方式固定到臂12上，但在對(duì)于SMA 60的相反側(cè)上，并且由一個(gè)類似電源供給電流。同樣，能彎皺臂12以形成一個(gè)如參照?qǐng)D7A和7B在以上描述的那樣起作用的器件，并且臂12能形成帶有或不帶有多重平行梁的圖案。對(duì)于該具體實(shí)施例，如果在臂12上沒有梁并且一個(gè)附加SMA元件固定到臂12的另一側(cè)或繞其纏繞，則可以使用單壓花或完整表面彎皺。
關(guān)于以上實(shí)施例，熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，臂12能形成圖案，以形成一種帶有必須保持任何希望SMA元件的多梁結(jié)構(gòu)。同樣，臂12能形成圖案，以僅形成不帶有梁的矩形結(jié)構(gòu)。對(duì)于類似的提示，SMA元件26a和26b的厚度和數(shù)量能增大或減小，以容納希望的臂結(jié)構(gòu)和在加熱時(shí)運(yùn)動(dòng)其所必需的力。另外，在可彎曲臂12上形成的彎皺的數(shù)量將取決于生成開關(guān)的形狀和功能特性。
總之，本發(fā)明提供一種生產(chǎn)微動(dòng)開關(guān)和繼電器的較簡單和便宜方法。這種構(gòu)造微動(dòng)開關(guān)和繼電器的新的和革新微加工方法使用戶能夠建立能傳輸非常高的電壓、電流、頻率信號(hào)的系統(tǒng)。另外，該發(fā)明性過程在概念上能設(shè)計(jì)成與標(biāo)準(zhǔn)硅處理兼容，并且允許器件以非常合理的成本批量生產(chǎn)。因此，該發(fā)明性結(jié)構(gòu)提供一種小型雙穩(wěn)態(tài)咬住動(dòng)作機(jī)電開關(guān)，該開關(guān)能由擁有用于增大速度致動(dòng)和相對(duì)于任何先有技術(shù)開關(guān)機(jī)構(gòu)的力的獨(dú)特能力的形狀記憶合金致動(dòng)。此外，因?yàn)槲⒓庸さ倪M(jìn)步，該結(jié)構(gòu)能生產(chǎn)成具有類似于在500-3,000微米之間的長度、在約200-1,200之間的寬度和在約25-36微米之間的厚度，這小于在今天市場上的任何競爭雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)。熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，這些尺寸可以變化，以得到用于發(fā)明性開關(guān)的希望尺寸和功能特性。
仍進(jìn)入這里要求的發(fā)明性概念的范圍內(nèi)的其他設(shè)計(jì)變更對(duì)于熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員將是顯然的。例如，這里描述的說明性實(shí)施例把SMA元件26a和26b用作用來加熱SMA元件的導(dǎo)電路徑部分以實(shí)現(xiàn)相同的目的。例如，SMA元件能聯(lián)接到分離的導(dǎo)電元件上，或者他們能聯(lián)接到完全不同種類的加熱元件上(例如非電氣的)。
以上描述了本發(fā)明的說明性實(shí)施例。為了清晰起見，在說明書中沒有描述實(shí)際實(shí)施的所有特征。當(dāng)然要理解，在任何這樣的實(shí)際實(shí)施例的發(fā)展中，必須進(jìn)行多種實(shí)施專門決定以實(shí)現(xiàn)開發(fā)者的特定目的，如服從系統(tǒng)有關(guān)的和商務(wù)有關(guān)的約束，這些約束隨實(shí)施而變。況且，要認(rèn)識(shí)到，盡管這樣一種開發(fā)努力可能是復(fù)雜和費(fèi)時(shí)的，但對(duì)于得到本公開益處的熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員不過是一項(xiàng)例行任務(wù)。
權(quán)利要求
1.一種用來制造一種雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)的過程，包括提供一個(gè)可彎曲片；把所述片形成圖案，以定義一種具有一個(gè)末端區(qū)域和一個(gè)尾部區(qū)域及一個(gè)前側(cè)和一個(gè)后側(cè)的梁結(jié)構(gòu)；形成一個(gè)與所述可彎曲片尾部區(qū)域相鄰的第一控制觸點(diǎn)；把一個(gè)致動(dòng)器元件聯(lián)接到所述梁的所述前側(cè)；在所述控制觸點(diǎn)與同所述可彎曲片的所述末端區(qū)域相鄰的所述致動(dòng)器元件的一個(gè)第一端之間形成一條導(dǎo)電路徑；在與所述可彎曲片尾部區(qū)域相鄰的所述致動(dòng)器元件的一個(gè)第二端處形成一個(gè)第二控制觸點(diǎn)；在所述可彎曲片末端區(qū)域的第一遠(yuǎn)端處形成一個(gè)橋觸點(diǎn)；及把所述可彎曲片尾部區(qū)域的一部分安裝到一個(gè)基片上以把所述第一和第二控制觸點(diǎn)聯(lián)接到所述基片的一個(gè)電源上，所述橋觸點(diǎn)與至少一個(gè)信號(hào)觸點(diǎn)相鄰和與其隔開。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的過程，進(jìn)一步包括彎皺所述梁結(jié)構(gòu)，以使所述橋觸點(diǎn)靜態(tài)偏置，以相對(duì)于所述至少一個(gè)信號(hào)觸點(diǎn)保持其位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的過程，其中聯(lián)接進(jìn)一步包括把所述致動(dòng)器元件第一和第二端粘結(jié)在所述第一與第二控制觸點(diǎn)之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的過程，進(jìn)一步包括在所述形成圖案步驟之后把一個(gè)絕緣層涂敷在所述可彎曲片上。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的過程，其中所述絕緣層從由聚酰亞胺、二氧化硅、四氮化三硅、濕氧化物及paralene組成的組中選擇。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的過程，其中所述可彎曲片從包括聚合樹脂、塑料、木復(fù)合材料、硅、硅樹脂、不銹鋼、及鈹銅的組中選擇。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的過程，其中形成圖案進(jìn)一步包括把一個(gè)光刻掩模施加到所述片上；及刻蝕所述掩模片以定義所述多重平行梁結(jié)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的過程，其中刻蝕進(jìn)一步包括刻蝕所述可彎曲片，以在所述控制和地觸點(diǎn)的一個(gè)中央部分內(nèi)定義通孔。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的過程，其中形成圖案進(jìn)一步包括沖壓或模壓所述可彎曲片以定義所述多重平行梁結(jié)構(gòu)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的過程，其中聯(lián)接進(jìn)一步包括把一種粘合材料沉積在所述致動(dòng)器元件與所述片之間。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的過程，其中所述粘合材料從由聚酰亞胺、鎖定芯片帶(lock-on-chip tape)、膠結(jié)材料、焊料、環(huán)氧樹脂及機(jī)械附著物組成的組中選擇。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的過程，其中所述致動(dòng)器材料是一種形狀記憶合金。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的過程，其中所述形狀記憶合金從鎳鈦、銅鋅鋁、及銅鋁鎳組成的組中選擇。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的過程，其中所述導(dǎo)電路徑、橋觸點(diǎn)、及控制觸點(diǎn)由一種從由金、銅、鈀金合金、鎳、銀、及鋁組成的組中選擇的材料制成。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的過程，其中所述形狀記憶合金是一根具有在約25至125微米之間直徑的金屬絲。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的過程，其中安裝定義一種懸臂梁雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)結(jié)構(gòu)。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的過程，進(jìn)一步包括在所述梁結(jié)構(gòu)的所述后側(cè)上形成輔助控制觸點(diǎn)；把一個(gè)第二致動(dòng)元件聯(lián)接到所述梁的所述后側(cè)上；及在所述梁結(jié)構(gòu)的所述后側(cè)上在所述輔助控制觸點(diǎn)與所述第二致動(dòng)器之間形成導(dǎo)電路徑。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的過程，進(jìn)一步包括形成至少一個(gè)通孔，該通孔電氣連接在所述可彎曲圖案片的相對(duì)側(cè)上的對(duì)應(yīng)控制觸點(diǎn)。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的過程，其中基片進(jìn)一步包括從由一個(gè)絕緣硅或砷化鎵基片、一塊印刷電路板、一塊諸如高密度氧化鋁(Al2O3)或氧化鈹(BeO)之類的陶瓷材料的平板、或一種諸如熔化氧化硅之類的玻璃材料組成的組中選擇的一種結(jié)構(gòu)。
20.一種用來制造用于帶有信號(hào)觸點(diǎn)和一個(gè)電源的基片的雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)的過程，包括提供一個(gè)可彎曲片；把至少一個(gè)熱致動(dòng)元件連接在所述可彎曲片的一個(gè)第一遠(yuǎn)端與電源之間；在所述可彎曲片的所述第一遠(yuǎn)端處形成一個(gè)導(dǎo)電橋觸點(diǎn)；及把所述可彎曲片的一個(gè)第二和相對(duì)遠(yuǎn)端安裝到基片上，其中從電源通過所述熱致動(dòng)元件的電流間接彎曲所述可彎曲片，并且短路在基片上的信號(hào)觸點(diǎn)。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的過程，其中提供可彎曲片進(jìn)一步包括在由所述橋觸點(diǎn)和所述第二遠(yuǎn)端包含的所述可彎曲片內(nèi)形成至少三根平行梁。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的過程，進(jìn)一步包括彎皺所述可彎曲片以在所述橋觸點(diǎn)與電源之間定義一個(gè)第一和第二距離。
23.根據(jù)權(quán)利要求21所述的過程，進(jìn)一步包括在與用來連接所述至少一個(gè)熱致動(dòng)元件的所述橋觸點(diǎn)相鄰或與其橫向隔開的所述可彎曲片上形成一個(gè)接觸墊，所述接觸墊與所述至少三根平行梁的中央梁相鄰。
24.一種雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)，包括一個(gè)基片，帶有至少一個(gè)電源；一個(gè)可彎曲片，帶有一個(gè)固定到所述基片上的第一遠(yuǎn)端；一個(gè)橋觸點(diǎn)，形成在所述可彎曲片的一個(gè)第二和相對(duì)遠(yuǎn)端處；及至少一個(gè)熱致動(dòng)元件，連接到所述可彎曲片的一個(gè)第一表面上并且在所述第二遠(yuǎn)端與所述電源之間，其中從電源通過所述熱致動(dòng)元件的電流間接彎曲所述可彎曲片，并且借助于一個(gè)可持續(xù)力短路在所述基片上的所述信號(hào)觸點(diǎn)。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)，其中所述電源供給一個(gè)在約40與160毫安之間的電流。
26.根據(jù)權(quán)利要求24所述的雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)，進(jìn)一步包括定位在所述可彎曲片的一個(gè)中央?yún)^(qū)域處的一個(gè)彎皺。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)，其中即使斷電所述電源之后所述彎皺也允許保持所述可持續(xù)力。
28.根據(jù)權(quán)利要求24所述的雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)，其中所述可彎曲片的厚度在約12與50微米之間。
29.根據(jù)權(quán)利要求24所述的雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)，進(jìn)一步包括一個(gè)連接到所述可彎曲片的一個(gè)第二和相對(duì)表面上并且在所述第二遠(yuǎn)端與一個(gè)第二電源之間的第二熱致動(dòng)元件，其中從電源通過所述熱致動(dòng)元件的電流間接彎曲所述可彎曲片，并且借助于一個(gè)可持續(xù)力短路在所述基片上的所述信號(hào)觸點(diǎn)。
30.根據(jù)權(quán)利要求24所述的雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)，進(jìn)一步包括定位在所述可彎曲片的一個(gè)中央?yún)^(qū)域處的一個(gè)彎皺。
31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)，即使斷電所述電源之后所述彎皺也允許保持所述可持續(xù)力，或者直到致動(dòng)所述第二熱致動(dòng)元件。
32.一種用來制造一種雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)的過程，包括提供一個(gè)可彎曲片；形成與所述片的一個(gè)第一遠(yuǎn)端部分相鄰的至少一個(gè)控制觸點(diǎn)；形成與所述片的一個(gè)第二和相對(duì)遠(yuǎn)端部分相鄰的一個(gè)橋觸點(diǎn)；形成與所述第二遠(yuǎn)端部分相鄰和橫向隔開的一個(gè)固定觸點(diǎn)；把一種致動(dòng)器材料聯(lián)接在所述至少一個(gè)控制觸點(diǎn)與所述固定元件之間；及把所述第一遠(yuǎn)端部分安裝到帶有一個(gè)電源和信號(hào)觸點(diǎn)的一個(gè)基片上，其中所述橋觸點(diǎn)與所述信號(hào)觸點(diǎn)相鄰和橫向隔開。
全文摘要
本發(fā)明提供一種使用一種形狀記憶合金的雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)、和一種用來制造它的方法。更具體地說,該雙穩(wěn)態(tài)開關(guān)包括:一個(gè)基片,帶有至少一個(gè)電源;一個(gè)可彎曲片,帶有一個(gè)固定到基片上的第一遠(yuǎn)端;一個(gè)橋觸點(diǎn),形成在可彎曲片的一個(gè)第二和相對(duì)遠(yuǎn)端處;及至少一個(gè)熱致動(dòng)元件,連接到可彎曲片的一個(gè)第一表面上并且在第二遠(yuǎn)端與電源之間。在操作期間,從電源通過熱致動(dòng)元件的電流間接彎曲可彎曲片,并且借助于一個(gè)可持續(xù)力短路在基片上的信號(hào)觸點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01H61/01GK1348597SQ99816529
公開日2002年5月8日 申請(qǐng)日期1999年3月26日 優(yōu)先權(quán)日1999年3月26日
發(fā)明者R·舍洪·明納斯 申請(qǐng)人:R·舍洪·明納斯