DD248454B1 - Miniaturisiertes elektromagnetisches schaltelement - Google Patents

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Schaltelement, das bei extremer Miniaturisierung galvanische Verbindungen herstellen oder trennen kann. Der Antrieb dieses Schaltelements wird auf elektromagnetischem Weg realisiert. Die Anwendung der Erfindung ist überall dort sinnvoll, wo zur Lösung von Aufgaben der Steuerung und Regelung galvanische Trennstellen in Kombination mit mikroelektronischen Schaltungen notwendig sind.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Sogenannte mikromechanische Schaltelemente mit elektrostatischem Antrieb sind ab 1978 in der Fachliteratur beschrieben worden: K. E. Petersen, Dynamic Micromechanics in Silicon: Technics and Devices, IEEE Trans. Electron Devices, Vol. Ed-25, p.

1241,1978; K. E. Petersen, Silicon as a Mechanical Material, Proceed, of the IEEE, Vol.70, No. 5, May 1982. Über Labormuster hinausgehende kommerzielle Ausführungen derartiger Elemente ist bisher nichts bekannt geworden.

Bei den miniaturisierten Schaltelementen mit elektrostatischem Antrieb handelt es sich um Anordnungen aus freistehenden SiO2-Zungen mit elektrisch leitender Beschichtung, die sich über Gruben befinden, die durch anisotropes Ätzen von orientiertem Si bis zu einer als Ätzstopp dienenden Bordotierten Si-Schicht gebildet wurden. Als Beispiele für bekannt gewordene Schutzrechtsanmeldungen werden genannt:

GB-PS 1 541 513, GB-PS 1 584914, GB-PS 2095911 und DE-OS 3207920.

Der Schaltvorgang wird hierbei durch elektrostatische Kräfte erzeugt, die durch Anlegen einer relativ hohen Spannung von ca.

60 V zwischen Bordotierter Schicht (Festelektrode) und der metallisierten Zunge (Bewegungselektrode) hervorgerufen werden.

Die durch elektrostatische Kräfte ausgelenkte Zunge bringt dabei den mit ihr gekoppelten und von ihr elektrisch isolierten beweglichen Kontakt mit einem fest angeordneten Gegenkontakt in Berührung oder überbrückt zwei fest angeordnete Kontakte.

Es handelt sich also um zwei voneinander getrennte Kreise: Steuerkreis und zu schaltender Kreis. Als nachteilig erweist sich hierbei die hohe Erregerspannung, die wegen der geringen Abstände an der Kontaktstelle (wenige Mikrometer) hohe elektrische Feldstärken bewirkt und dadurch das Problem des Spannungsüberschlags besteht.

Für elektromagnetische Kontaktbauelemente existiert eine große Zahl von Schutzrechtsanmeldungen, z. B.

— OS-DE 2529396 (Bistabiler Schalter mit Streifenkontakten),

— OS-DE 2513235 (Kreuzschienenverteiler und mit Kreuzschienenverteilern arbeitende elektromagnetische Koordinatenwähler),

— OS-DE 2521714 (Elektromagnetischer Reeoschalter).

Allen diesen Anmeldungen ist gemeinsam, daß die geschützten Anordnungen in klassischer Technik aufgebaut sind und nicht entscheidend verkleinert werden können.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, miniaturisierte Schalt- bzw. Kontaktbauelemente (Mikrorelais), sowohl Einzel- als auch Vielfachelemente, zu schaffen, die größenmäßig mit den beschriebenen elektrostatischen Lösungen vergleichbar sind, jedoch deren Nachteile (hohe Erregerspannung und dadurch verursachte hohe elektrische Feldstärken mit Überschlagsgefahr) vermeiden und als zusätzliche Variante durch die Verwendung hartmagnetischer Materialien bistabilen Betrieb, d. h. Aufrechterhalten des jeweiligen Schaltzustandes ohne äußere Energiezufuhr realisieren und infolge des dann möglichen Impulsbetriebs die Eigenwärmung minimieren.

Wesen der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, extrem miniaturisierte, galvanisch trennende und verbindende Schaltelemente auf elektromagnetischer Basis zu realisieren, die mit Steuerströmen im Bereich von Milliampere erregt werden und Spannungen bzw. Ströme schalten, wie sie in der IC-Technik üblich sind.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Antrieb für den beweglichen Teil des Schaltelements vermittels der Kraftwirkung an Trennflächen im magnetischen Feld erfolgt. Dabei wird ein an sich bekannter magnetischer Grundkreis mit Abmessungen im Mikrometerbereich verwendet, der ökonomisch nur bei großen Stückzahlen mit den technologischen Möglichkeiten der Mikroelektronik hergestellt werden kann. Durch dieses Fertigungsprinzip ist es verhältnismäßig einfach, Schaltelemente und mikroelektronische Strukturen auf Chips der üblichen Größe zu integrieren.

Der spezielle Aufbau ist den Herstellungsbedingungen angepaßt. Ein langgestreckter U-förmiger Magnetkreis wird durch bekannte Verfahren, wie chemisches und elektromechanisches Abscheiden, Hochrate-Sputtern und Photolackieren unter Verwendung von Masken und selektives Ätzen erzeugt. Eine Besonderheit stellt die bewegliche Zunge oder Feder dar, die — einseitig freistehend — aus mindestens zwei Schichten zusammengesetzt ist, und zwar aus einem magnetisch gut leitenden Werkstoff, z. B. einer FeNi-Legierung, und zur mechanischen Verstärkung aus hochelastischem Si bzw. S1O2. Die Anordnung wird mit Hilfe eines streifenförmigen, senkrecht durch den U-Magnetkreis hindurchführenden stromdurchflossenen elektrischen Leiters erregt, dessen Herstellung im geschilderten technologischen Komplex in integrierter Form erfolgt. Als weiterer Vorteil ergibt sich damit, daß die Anordnung keine Wicklung enthält.

Durch den Einbau hartmagnetischer Schichten in den magnetischen Kreis kann eine bistabile Arbeitsweise in der Art realisiert werden, daß das Bewegungselement durch einen Erregerimpuls in den Bereich der hartmagnetischen Schicht gebracht und dort durch die permanente Kraftwirkung dieser Schicht gehalten wird. Ein gegenläufiger Impuls bewirkt eine Feldschwächung, so daß das Bewegungselement in seine Ausgangsstellung zurückkehrt. Die Rückstellbewegung kann entweder auf mechanischem Wege aufgrund von Federeigenschaften oder durch Anbringen einer weiteren magnetisch umpolaren Schicht auf dem beweglichen Element bewirkt werden.

Das Bewegungselement des magnetischen Kreises trägt weiterhin ein von ihm elektrisch isoliertes Kontaktstück, das in der ausgelenkten Position des Bewegungselementes zwei fest angeordnete Kontakte überbrückt.

Bei vielfacher Anordnung der Schaltelemente auf gemeinsamer Unterlage in geeigneter Zusammenschaltung lassen sich Mehrfachkontaktanordnungen sowie Schaltmatrizen realisieren. Des weiteren wird durch Parallelanordnung von Einzelelementen mit abgestuften Längen der beweglichen Organe unterschiedliche Ansprechempfindlichkeit erreicht. Es lassen sich auf diese Weise Schaltfrequenzen bis etwa 20 kHz realisieren.

Gegenüber bisherigen Schaltelementen wird durch die Erfindung eine neue Stufe der Miniaturisierung und damit eine hohe Materialökonomie erreicht. Weiterhin ist durch die parallele Herstellung einer größeren Schaltelementezahl mittels IC-Technologie eine wesentliche Steigerung der Arbeitsproduktivität gegeben.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. In der dazugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1: Eine Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen Bauelements Fig. 2: Vorderansicht (A)

Ein magnetischer Kreis aus einer Fe-Ni-Legierung besteht aus einem wannenförmigen Substrat 1 sowie einem dünneren beweglichen Element, das aus einer ferromagnetischen Schicht 4, und einer zur Verbesserung der Federeigenschaften dienenden dünnen hochelastischen isolierenden Schicht 5, vorzugsweise einer SiOvSchicht, besteht. Der wirksame Luftspalt befindet sich an der engsten Stelle zwischen ferromagnetischer Schicht 2 und beweglichem Element. Die ferromagnetische Schicht 2 und das bewegliche Element umschließen einen elektrischen Leiter 3. Bei einem Stromfluß durch den elektrischen Leiter 3 wird infolge der Kraftwirkung auf Trennflächen im magnetischen Feld das bewegliche Element derart ausgelenkt, daß die zwei feststehenden Kontaktstücke 8 durch das Kontaktstück 6 überbrückt werden.

Durch Anordnen eines geeigneten hartmagnetischen Elements 7 im magnetischen Kreis verbleibt das bewegliche Element nach Abschalten des Erregerstromes energielos im geschlossenen Zustand. Ein gegenläufiger Stromimpuls bewirkt ein Zurückkehren in die Ausgangslage.

Claims (4)

1. Miniaturisiertes elektromagnetisches Schaltelement mit U-förmigem Grundaufbau des Magnetkreises, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer Unterlage mindestens ein magnetischer Kreis mittels aus der IC-Technik bekannter Herstellungsverfahren schichtförmig aufgetragen ist, wobei ein Teil des magnetischen Kreises ein bewegliches Federelement ist, welches aus mindestens zwei Schichten besteht, von denen eine als ferromagnetische Schicht (4) und eine als hochelastische, isolierende Schicht (5) ausgebildet ist, und daß sich am freien Ende des beweglichen Elements ein elektrisch isolierter Kontakt (6) befindet, der zwei fest angeordnete Kontakte (8) überbrückt.

2. Schaltelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die hochelastische, isolierende Schicht (5) aus Si oder SiO₂ besteht.

3. Schaltelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den magnetischen Kreis eine dauermagnetische Schicht eingefügt ist.

4. Schaltelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bewegliche Federelemente mit unterschiedlichen Längen parallel angeordnet sind.