CN1310854A - 微型机械式静电继电器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

微型机械式继电器含有一个基本基片(81),在该支持层上一个单侧连接的带有活动触点(8)的衔铁簧舌(41)被如下构造成,在静止状态时该衔铁簧舌由支持层向外弯曲。与活动触点共同作用的固定触点(7)在被同样布置成由基本基片向外弯曲的固定触点簧舌(42)上如下摆动,两个簧舌利用其自由端彼此相对布置并且活动触点(8)重合在固定触点上。通过在两个簧舌上的触点布置尽管只有一个较小的利用静电驱动实现的衔铁行程仍可以通过持续的状态在触点上获得按比例放大的超程,由此产生一个足够的触点力。

Description

微型机械式静电继电器及其制造方法

本发明涉及了一个微型机械式静电继电器，该继电器有

-一个带有基极的基本基片，并且具有至少一个固定触点，一个衔铁簧舌，该簧舌单边连接到与基本基片相连的支持层上，该簧舌有一个被安装在基极对面的衔铁电极，静止状态时根据楔形空气隙的构造该衔铁簧舌由基本基片灵活的向外弯曲并且在其自由端有至少一个在固定触点对面的活动触点。另外本发明还涉及了一个用于制造这种继电器的方法。

这种微型机械式继电器和相应的制造方法根据DE 42 05 029 C1已经基本上被了解了。在这里重要的是，从支持层出来的衔铁簧舌是如下这样弯曲的，即衔铁电极利用对面的基极构造一个楔形空气隙，这个楔形空气隙利用加载在两个电极之间的电压根据所谓的活动楔形原则产生一个快速拉力动作。该原则的中心意思在DE 44 37 259 C1和DE 44 37 261 C1中以举例的方式给出。

对于所有这种为人所熟悉的带有微型机械结构的继电器来说由于这两个支持层而需要相对较高的制造技术费用，因为一方面带有基极和固定触点的基本基片以及另一方面带有衔铁簧舌，衔铁电极和活动触点的衔铁支持层分别被加工而且互相之间又必须被连接。除了所提到的两个支持层主功能元件外还必须有其他的涂膜和腐蚀过程，举例来说如绝缘层，引线以及这一类的。就是说两个支持层必须经过针对它们的所有必须采用的昂贵工序，在它们的主功能层可以互相面对的被连接之前。因为开关元件也应该防止环境的影响，所以在这个原则下必须有一个附加的外壳部分用做防护元件，这里就不必进一步探讨了。

如果继电器的所有功能元件可以在支持层一侧被构造，简化制造就是可以期望的。这里原则上可以考虑，带有活动触点的簧舌以及固定触点元件在一个和同一个支持层上被制造，例如在这里可以重复放置的来制造固定触点和活动触点并且在这里通过所谓的消耗层刻蚀可以构造触点间隔。基本上这种构成可以从US-4 570 139被熟悉。可是对于这种微型机械式开关来说在衔铁簧舌下面产生了一个没有详细定义的空隙，这个空隙对于静电驱动的结构是不适合的。所以对于这种开关设计成，不仅衔铁簧舌而且固定触点都被装上了磁性层并且通过在外面布置的磁场控制该开关。利用这种磁场在相对较小的触点间隔上可以产生必须的触点力，这种触点间隔是利用消耗层技术在活动触点和刚性的固定触点之间实现的。可是这必须有一个用于产生磁场的附加设备例如一个线圈，这个设备需要有比用于控制微型机械式继电器所限定的使用场合大很多的空间。

本发明的目的是，开头所说方式的微型机械继电器有益的改进，以便利用静电驱动可以产生一个较大的接触力，但是在这里继电器的功能元件可以在支持层上通过其一面的加工处理被制造。

依照本发明这个目的利用如下方式被达到，即至少一个固定触点被布置在固定触点簧舌上，这个固定触点簧舌放置在衔铁簧舌的对面就象单边被连接到支持层上并且静止状态时由基本基片灵活的向外弯曲，同时至少一个活动的触点通过这个突出被构造在衔铁簧舌的自由端并且重叠在固定触点上。

在本发明中与以前微型机械式继电器和开关的建议的区别是固定触点不再被固定的布置在基本基片上，而是象活动触点一样布置在可弯曲的簧舌上，由此获得一个另外的接触行程。该活动触点布置在衔铁簧舌上并且重叠在固定触点上。通过两个互相正对着的簧舌的预弯曲从触点闭合开始到衔铁的终端位置对于开关来说获得了一个足够的超程来产生期望的接触力。如下的效果被获得，即如果根据在基本基片上的衔铁簧舌的构造通过消耗层技术在衔铁下面可以仅仅产生一个相对较小的自由空间，穿过这个自由空间在启动时衔铁在其被延伸的位置上面向外仅产生一个小的特定的超程连到对电极上。

这种制造特别有利的就是，不仅衔铁簧舌而且固定触点簧舌都是由同一个支持层构成的并且由此在一个和同一个腐蚀过程中可以被制造。这种何其自由端点互相正对放置的簧舌能够以有利的方式按齿状交错连接，以便于向外突出的活动的触点不是仅仅被连接到其后面端子，而是至少也要被连接到衔铁簧舌上平面的一边。这种特殊的设计依赖于是否应该制造常开接点或电桥触头。

用来制做基本基片优选采用了硅，这里簧舌的支持层在各自必须的功能层和绝缘层的中间接缝下利用硅层被沉淀或粘和并且通过相应的工作过程被自由腐蚀。基本基片也能够由玻璃或陶瓷组成；这种材料最重要的是比硅的成本低。但是为了获得继电器结构所必须的光滑上表面陶瓷必须有一个附加的上表面处理。构成簧舌的支持层举例来说能够由沉积的多晶硅或带有再结晶的多晶硅组成或者利用粘和的硅晶片的自由分布掺杂的硅层而产生。这种层通过取向附生或者扩散可以在硅晶片上被制造。除了这种硅结构外也可以采用一种弹簧金属的沉积层，这种弹簧金属例如镍，镍铁合金或者含有其他掺杂物的镍。其他金属也可以被采用；重要的是，这种材料有好的弹性和小的老化。

一个有利的方法对于依照本发明的继电器的制造给出了如下的步骤：

-在一个装备了金属化层作为基极的基本基片上在绝缘层和中间空隙的中间接缝下用金属涂成了一个支持层，

-在支持层上两个簧舌被单边的连接，簧舌的自由端被构造成互相正对簧舌，

-该簧舌至少逐段地在其上表面装备了拉应力层，

-一个优选短的簧舌在其自由端装备了至少一个固定触点，

-这个优选长的簧舌装备了至少一个活动的触点，这个活动的触点在消耗层的中间接缝下被叠加在固定触点上，并且

-通过簧舌彼此分离并且与支持层分离的刻蚀可以获得从支持层向上面的簧舌弯曲。

制造方法的其他结构在权利要求14到16中被说明。

接下来本发明借助下图根据实例被详细解释。图示如下：

图1利用截面示意图给出了依照本发明的微型机械式继电器的重要功能层的结构，

图2给出了图1所描述的微型机械式继电器静止位置时的终止状态(没有机壳)，

图3给出了图2所述继电器的工作位置，

图4给出了图3所述继电器的平面图，该继电器构成了一个工作触点，

图5给出了如图4同样的前视图，只是带有构成电桥触点的构造形式，

图6给出了电桥触点布置的不同构造形式，

图7给出了相应于图1的描述，只是在衔铁簧舌局部截面上带有拉应力层，

图8给出了相应于图2的具有不同弯曲的簧舌截面的前视图

图9给出了针对图1稍微有些改变的基本基片的层结构，该层结构包括由多晶硅构成的簧舌支持层，

图10给出了相对图9有改变的层结构，该层结构带有由金属构成的簧舌支持层，

图11给出了针对图9和10有改变的层结构，该层结构带有粘和在基本基片上的用于构造簧舌支持层的失晶层，

图12给出了采用SOI晶片半成品而改变的层结构。

首先指出，所有层的示意描述仅仅概略给出了层的顺序而没有给出层的厚度比例。

在图1到3中依照本发明的机械式继电器的功能层结构是在硅基上给出的。基本基片1在这里是由硅组成的。这种基本基片同时用做基极；根据需要相应的电极层也可以通过合适的掺杂被制造。在基本基片上是例如利用氮化硅来构造的绝缘层2。在这个层上重新覆盖第一个消耗层3，这个层稍后会被腐蚀掉。这个层例如可由二氧化硅组成并且在优选方式下其厚度被设置小于0.5μm。在消耗层3上覆盖用于构造簧舌的支持层4。这个层是导电的并且举例来说可由厚度在5到10μm之间的多晶硅构成。利用这个支持层4以后可以分别腐蚀出衔铁簧舌41和固定触点簧舌42。对于层构造来说首先是通过第二消耗层5被彼此分离。在两个簧舌41和42上面布置了绝缘的拉应力层6，这个拉应力层根据它的拉应力在簧舌的分别腐蚀后使基本基片的簧舌产生向上的弯曲。这种弯曲状态在图2中被给出。

在固定触点簧舌42上通过相应的电镀方法堆积出固定触点7，同时活动触点8在衔铁簧舌41的自由端也被如此构造，在第二个消耗层的中间接缝下活动触点被重叠在固定触点7上。开关触点的高度是任意选择的，典型方式下是在2到10μm之间。根据需要厚度或者开关触点的材料成分也可以是不规则的。就象在图4中给出的，两个簧舌41和42以齿状方式交错的连接，以便于簧舌42的中间突出部分44被衔铁簧舌41两侧的突出部分43以钳形方式抓牢。根据这种方式活动触点8利用三个侧面部分被放置在衔铁簧舌上。该活动触点根据这种布置和固定触点7构成了一个简化的常闭触点。其余是明显的，即活动触点8有S形式或Z形式的横断面，这是为了保证和固定触点7重叠。中间布置的消耗层2典型情况分配的厚度d₂小于0.5μm。

利用熟知的方式来构造其余需要的层，例如固定触点7的引线71，活动触点8的引线81以及衔铁簧舌上表面起钝化作用的其他绝缘层9。

在图2中给出了在通过腐蚀掉两个消耗层3和5而露出簧舌后的完整的布置，这里在衔铁簧舌41下面有一个自由空隙31。就象所说的那样，两个簧舌41和42根据拉应力层6向上弯曲，于是就产生了带有断开触点的依照图2的布置。衔铁簧舌根据预应力弯曲一个小缝隙X1到弹簧末端。利用同样方式固定触点簧舌42根据显露的小缝隙X2向上弯曲。于是小的触点间距如下计算

X_k=X₁-X₂+d₂并且近似为

X_k=X₁-X₂。

这个小的触点间距X_k通过衔铁簧舌和固定触点簧舌的几何图形以及利用层6在簧舌上引起的拉应力而被随意设置。

继电器的闭合开关状态由图3给出。因为衔铁簧舌直接放置在对电极上，也就是说衔铁簧舌接触到了对电极或者基本基片的绝缘层2。于是衔铁簧舌向下弯曲了第一个消耗层3的厚度，也就是d₁。这里得到了一个超程

X_u=X₂-d₂+d₁，近似为

X_u=X₂。

这个超程是不依赖于触点高度的制造公差。

正如所描述的那样，图4给出了依照图1到图3的簧舌41和42的平面图。这里可以看到触点的形式和布置，也就是在簧舌42突出部分44上的固定触点7以及利用三个侧面挂接在簧舌41突出部分43上的活动触点8的形式和布置。此外以暗示方式给出了第一个消耗层3自由腐蚀的穿孔阵列10。

图5中给出了一个对于图4有所改变的带有电桥触头的结构形式。在这种情况下簧舌42利用相应的连接总线在两个外部突出部分46上设置了两个分离的固定触点7，同时簧舌41构造了一个中间突出部分47，在该突出部分上设置了活动触点8。在固定触点簧舌42中的缝隙42a主要是考虑了较高的扭转弹性，这样在不同的烧损时两个触点仍可被确保连接。这个触点在这个例子中用做电桥触头，在这里触点两侧与固定触点7重叠。

利用依照图6的结构可以得到相同的效果。这里衔铁簧舌141设置了中间突出部分147，在这个突出部分上布置了一个向两侧伸展的活动电桥触点148。这个电桥触点和两个固定触点144以及145共同工作，该固定触点位于两个分离的固定触点簧舌142和143上。这种固定触点簧舌142和143对于衔铁簧舌141是横向布置的，也就是说，其钳位线142a和143a对于衔铁簧舌的钳位线141a是垂直的。

对于优化开关特征曲线来说下面是合适的，即衔铁簧舌仅仅是局部弯曲，就象在文本DE 44 37 260 C1和DE 44 37 261 C1中详细给出的那样。在图7和8中概略的给出了制造期间以及完整状态下的布置，在这里衔铁簧舌仅仅有一部分被构造成可弯曲的。通过比较图1和图2存在如下这样很大的区别，即在图7和8中拉应力层61仅仅在衔铁簧舌41的一部分上扩展，于是衔铁簧舌的可弯曲区域62被限制在固定位置的区域上，这时簧舌末端的区域63以直线或者以较小弯曲运动。根据在图7和8中的示意在硅支持层4上有一个无固有应力的绝缘层64，该层构造了把带有引线81的负载电路与簧舌分开的电流隔离。在该层上面布置了前面所说的拉应力层61。

可以考虑用不同的为人熟知的方法来实现所描述和示意的层布置。所以图9给出了在支持层1上的一个原理性的层结构，这就是利用所谓添加技术来得到。在这个方法中活动触点或其支持层由如下材料制造得出，该材料在制造期间首先被沉淀在支持层上。在图9所给出的例子中由P-型硅制造的晶片被用做支持层。在这个晶片上首先通过n型扩散产生一个控制基极11(例如利用磷)；在电极的n型硅和支持层的p型硅之间构造一个阻挡层12。在电极上面绝缘层2和其上的消耗层3被电镀构造出。在消耗层上沉淀出厚度例如为5到10μm的支持层4。该支持层由多晶硅组成或者由带有再结晶的多晶硅组成。利用通用的掩模技术产生簧舌的结构。依照图1可以得到另外的构造。于是不同的功能层，也就是在负载电路和活动的驱动电极之间的绝缘层，也许被沉淀出附加的拉应力层和必须的负载电路导电总线。另外产生了所描述的带有在中间放置的两个消耗层以及对于导电总线可能需要的钝化绝缘层的触点。

就象开始已经提到的，可以应用其他的材料。于是在图10中概略的给出了一个层布置，这里支持层由玻璃制造。但是支持层也可以由带有绝缘层的硅支持层组成或者由带有相应上表面处理的陶瓷构成。在这种支持层上面基极11以金属层的形式被制造。在其上面放置了绝缘层2并且在绝缘层上放置了消耗层3。在这个例子中电镀涂上的金属层被用做支持层，这个金属层由镍或镍合金(例如镍铁)或者也可以由其他金属合金组成。重要的是这种金属要有较小的弹性老化。在电镀过程中通过相应的电流荷载可以产生非均质的镍层，这个镍层使一定结构的簧舌产生较迟缓的弯曲。其他的构造根据图9或图1类似的得出。

用于制造继电器功能层的一个其他可能性是所谓的失晶片技术。这种技术借助于图11做了简短的描述。在这种情况下采用了两个源支持层，这种源支持层要有上表面的涂层处理。在支持层1上，该支持层是由硅或者由玻璃重新构造，基极11首先被涂上，在这个例子中该基极沉积在腐蚀坑中。在基极上放置了绝缘层2。接着带有n型掺杂硅涂层21的第二个硅晶片20以阳极方式被粘接在已经构造的支持层1上，该硅涂层或者通过取向附生被涂上或者通过扩散被制造。然后其上表面利用电化学的腐蚀保护得到硅晶片20的反腐蚀，于是只保留了取向附生层21，这个取向附生层被用做活动簧舌的支持层。在基本基片上的失晶片接缝步骤也可以不用第一个消耗层3(见图1)来获得，如果是构造了一个自由空间31，而没有把绝缘层2固定连接到掺杂的硅层21上。

最后在这个例子中利用添加技术也可以相似的得到负载电路元件的结构，就象借助图1或者图6已经描述的那样。举例来说用于在负载电路和由簧舌41构造的驱动电极之间绝缘的绝缘层64，总的说来必须的，附加拉应力层61、负载电路导电总线71和81、固定设置的触点7、第二个消耗层5以及活动触点8被按顺序涂抹和构造。总的说来用于钝化绝缘的附加层是必须的，这个层是根据专业人员的实践经验来实现的。

用于产生依照本发明的结构其他可能性在于采用了所谓的SOI-晶片(绝缘硅片)。在图12中这种SOI晶片作为半成品被描述。并且按照图9的构造相比区别如下，在这种情况下单个的层不是后来被沉积在支持层上，而确切说是这种半成品的SOI-晶片有一个预制的层结构，这里例如由硅镍合金构成的绝缘层2，例如由二氧化硅构成的第一个消耗层3，以及作为支持层4厚度例如是5到10μm的结晶硅-取向附生层被布置在硅支持层1上。在这种半成品上负载电路元件的结构类似的利用上面描述的添加技术来获得，在这里作为功能层的绝缘层64、附加的拉应力层61、负载电路导电总线71和81、固定安装的触点7、第二个消耗层5(如果可能的话也作为导电总线的钝化绝缘)以及活动触点8被构造。

继电器的功能直接根据所描述的结构来获得。为了控制继电器通过相应的连接元件控制电压Us被加载到电极上，也就是加载在图2的基本基片1上，该基本基片同时用做基极，或者根据图9到图11的结构形式加载到与基本基片绝缘的基极上以及衔铁簧舌41上，该衔铁簧舌同时用做衔铁电极。通过静电充电衔铁簧舌41被拉动到基极上，于是触点闭合。

对于专业人员来说下面是很清楚的，即在图中描述的结构以合适的方式被装配到机壳中，以便触点可以防止外部环境的影响。下面也应被提到，即所描述的许多开关特性可以同时被布置在一个和同一个支持层上并且被布置到为多路继电器构造的共有机壳中。

Claims (17)

1．微型机械式静电继电器，具有

-带有基极(1,11)的基本基片(1)，并且具有至少一个固定触点(7)、一个衔铁簧舌(41)，其单侧连接到与基本基片(1)相连的支持层(4)上，该衔铁簧舌有一个在基极(1,11)对面布置的衔铁电极(41)，静止状态时根据楔形空气隙的构造该衔铁簧舌可灵活的从基本基片(1)向外弯曲并且在其自由端至少有一个布置在固定触点(7)对面的活动触点(8)，其特征是，

至少一个固定触点(7)被布置在固定触点簧舌(42)上，该固定触点簧舌连接到在衔铁簧舌(41)对面布置的单侧固定的支持层(4)上并且在静止状态由基本基片(1)灵活的向外弯曲，同时

至少一个活动触点(8)通过簧舌的突出部分被布置在衔铁簧舌(41)的自由端并且与固定触点(7)重合。

2．根据权利要求1的继电器，其特征是，衔铁簧舌(41)和固定触点簧舌(42)是由相同的支持层(4)构成的。

3．根据权利要求1或2的继电器，其特征是，至少一个活动的触点(8)具有近似Z形式的横断面，这里末端铁心放在衔铁簧舌(41)上并且与衔铁簧舌近似平行的末端铁心与固定触点(7)重合。

4．根据权利要求1到3之一的继电器，其特征是，衔铁簧舌(41)的自由端和固定触点簧舌(42)以齿形交错连接，这里簧舌(42,41)的每一个突出部分(44,47)都嵌入到另一个簧舌(41,42)的凹座中，并且在固定触点簧舌(42)的突出部分(44,46)上布置了至少一个固定触点(7)，同时在另外一个簧舌的凹座上扩展了至少一个活动触点(8)。

5．根据权利要求4的继电器，其特征是，在扩展状态下衔铁簧舌(41)利用其按钳形构造的末端部分(43)包住一个在固定触点簧舌(42)中间的支撑固定触点(7)的突出部分(44)，并且两侧布置的活动触点(8)在固定触点(7)上随意扩展。

6．根据权利要求4的继电器，其特征是，在扩展状态时衔铁簧舌(41)的中间突出部分(47)连接在固定触点簧舌(42)上的布置了固定触点(7)的两个突出部分(46)之间，并且活动触点(8)是被固定在中间突出部分(47)上的并且在固定触点上面向两侧自由扩展。

7．根据权利要求4的继电器，其特征是，衔铁簧舌(141)的中间突出部分(147)支撑着向两侧伸展的电桥触点(148)并且两个固定触点簧舌(142,143)分别支撑着与电桥触点(148)共同作用的固定触点(144,145)。

8．根据权利要求1到7之一的继电器，其特征是，簧舌的支持层(4)是一个沉积层，该沉积层位于基本基片(1)上一部分被腐蚀的的消耗层(3)的中间接缝下。

9．根据权利要求1到8之一的继电器，其特征是，基本基片(1)和支持层(4)是由硅组成的并且在基本基片中和在衔铁簧舌中的两个电极层是通过固有导电的或掺杂的硅来构造的。

10．根据权利要求1到9之一的继电器，其特征是，簧舌(41,42)总是在远离基本基片上的一侧上至少利用其长度的一部分来给出一个产生拉应力的层(6,61)。

11．根据权利要求1到10之一的继电器，其特征是，构造簧舌(41,42)的支持层是由沉积的多晶硅或带有再结晶的多晶硅组成的。

12．根据权利要求1到10之一的继电器，其特征是，构造簧舌(41,42)的支持层(4)是由电镀涂上的金属层，特别如镍、镍铁合金或其他镍合金来组成的。

13．根据权利要求1到9之一的继电器，其特征是，基本基片是由硅或玻璃组成的，并且构成簧舌(41,42)的弹性层(4)是通过固定在基本基片上并且自由分布的由硅晶片(20)组成的硅层(21)来构成的。

14．用于制造根据权利要求1到13之一的微型机械式静电继电器的方法，其特征在于如下步骤：

-在装备了用作基极的导电层的基本基片(1)上面在绝缘层(2)和中间空间(31)的中间接缝下涂上了一个导电的支持层(4,21)，

-在支持层(4,21)中两个簧舌由单侧固定，其自由端彼此相对布置的簧舌(41,42)构造，

-簧舌(41,42)在其上面至少一部分装备了拉应力层(6,61)，

-一个优选短的簧舌(42)在其自由端被装备了至少一个固定触点(7)，

-这个优选长的簧舌(41)装备了至少一个活动触点(8)，该活动触点在消耗层(5)的接缝下与固定触点(7)重合，并且

-通过簧舌(41,42)互相之间以及与衬底(1)之间的自由腐蚀就产生一个由衬底向上的弯曲。

15．根据权利要求14的方法，其中，在由硅组成的基本基片(1)上在第一个消耗层(3)的中间接缝下由多晶硅或带有再结晶的多晶硅组成的一个导电簧舌层(4)根据两个簧舌(41,42)的结构被沉积成，这里簧舌的轮廓和触点通过第二个消耗层(5)被彼此分离开，同时在触点电镀后两个消耗层(3,5)被腐蚀掉。

16．根据权利要求14的方法，其中，在由玻璃、陶瓷或硅构成的基本基片(1)上在第一个消耗层(3)的中间接缝下由镍或镍合金特别是由镍铁合金构成的簧舌(41,42)结构被电镀沉积而成，这里在簧舌(42)上沉积成至少一个固定触点(7)，并且在涂上第二个消耗层(5)以后在另一个簧舌(41)上沉积成一个与固定触点(7)重合的活动触点(8)，并且最后在涂完触点以后两个消耗层(3,5)被腐蚀掉。

17．根据权利要求14的方法，其中

-在由硅或玻璃组成的基本基片(1)上电极(11)以及在其上的绝缘层(2)被沉积而成，

-然后带有掺杂硅层(21)的一个硅晶片(20)，该硅层主要是一个取向附生层或扩散层，被作为簧舌层固定连接在基本基片(1)上，

-然后晶片(20)被防腐蚀处理，一直到只留下了掺杂的硅层(21)，然后利用这个硅层腐蚀出两个簧舌(41,42)的结构，

-然后在簧舌(42)之一上沉积成至少一个固定触点(7)，

-接着在另一个簧舌(41)上在消耗层(5)的中间接缝下面沉积成至少一个和固定触点(7)重合的活动触点(8)并且

-最后消耗层(5)被腐蚀掉。

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