DD248454B1

DD248454B1 - MINIATURIZED ELECTROMAGNETIC SWITCHING ELEMENT

Info

Publication number: DD248454B1
Application number: DD28932586A
Authority: DD
Inventors: Michael Eidam; Siegfried Lusche
Original assignee: Ilmenau Tech Hochschule
Priority date: 1986-04-18
Filing date: 1986-04-18
Publication date: 1988-11-02
Also published as: DD248454A1

Description

Hierzu 1 Seite ZeichnungenFor this 1 page drawings

Field of application of the invention

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.The invention relates to a switching element that can produce or separate galvanic connections in extreme miniaturization. The drive of this switching element is realized by electromagnetic means. The application of the invention makes sense wherever galvanic separation points in combination with microelectronic circuits are necessary for the solution of tasks of control and regulation.

Characteristic of the known technical solutions

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.So-called micromechanical switching elements with electrostatic drive have been described in the specialist literature since 1978: 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.1241.1978; K. E. Petersen, Silicon as a Mechanical Material, Proceed, of the IEEE, Vol.70, no. 5, May 1982. There has hitherto been no disclosure of laboratory-style commercial designs of such elements.

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:The miniaturized electrostatic drive switching elements are assemblies of freestanding SiO2 tabs with electrically conductive coatings located above pits formed by anisotropic etching of oriented Si to a boron-doped Si layer serving as an etch stop. Examples of known patent applications are:

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

Der Schaltvorgang wird hierbei durch elektrostatische Kräfte erzeugt, die durch Anlegen einer relativ hohen Spannung von ca.The switching process is in this case generated by electrostatic forces, which by applying a relatively high voltage of about

60 V zwischen Bordotierter Schicht (Festelektrode) und der metallisierten Zunge (Bewegungselektrode) hervorgerufen werden.60 V between Bordotierter layer (solid electrode) and the metallized tongue (movement electrode) are caused.

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.The deflected by electrostatic forces tongue brings the coupled with her and electrically isolated from her movable contact with a fixed counter contact in contact or bridges two fixed contacts arranged.

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.These are therefore two separate circles: control circuit and circuit to be switched. A disadvantage here proves to be the high excitation voltage, which causes high electric field strengths because of the small distances at the contact point (a few microns) and thus there is the problem of voltage flashover.

Für elektromagnetische Kontaktbauelemente existiert eine große Zahl von Schutzrechtsanmeldungen, z. B.For electromagnetic contact devices exists a large number of patent applications, z. B.

— OS-DE 2529396 (Bistabiler Schalter mit Streifenkontakten),- OS-DE 2529396 (bistable switch with strip contacts),

— OS-DE 2513235 (Kreuzschienenverteiler und mit Kreuzschienenverteilern arbeitende elektromagnetische Koordinatenwähler),- OS-DE 2513235 (crossbar distributors and electromagnetic coordinate selectors operating with crossbar distributors),

— OS-DE 2521714 (Elektromagnetischer Reeoschalter).- OS-DE 2521714 (electromagnetic Reeoschalter).

Allen diesen Anmeldungen ist gemeinsam, daß die geschützten Anordnungen in klassischer Technik aufgebaut sind und nicht entscheidend verkleinert werden können.All these applications have in common that the protected arrangements are constructed in the classical technique and can not be significantly reduced in size.

Object of the invention

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.The aim of the invention is to provide miniaturized switching or contact devices (micro-relays), both single and multiple elements, which are comparable in size with the described electrostatic solutions, but their disadvantages (high excitation voltage and thereby caused high electric field strengths with risk of rollover ) and as an additional variant by the use of hard magnetic materials bistable operation, d. H. Maintain the respective switching state without external power supply and minimize self-heating due to the then possible pulse operation.

Essence of the invention

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.The invention has for its object to realize extremely miniaturized, electrically isolating and connecting switching elements based on electromagnetic, which are excited with control currents in the range of milliamps and switch voltages or currents, as are common in IC technology.

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.According to the invention the object is achieved in that the drive for the movable part of the switching element by means of the force on separation surfaces in the magnetic field. In this case, a known per se magnetic base circle with dimensions in the micrometer range is used, which can be economically produced only in large quantities with the technological possibilities of microelectronics. By this manufacturing principle, it is relatively easy to integrate switching elements and microelectronic structures on chips of the usual size.

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.The special structure is adapted to the manufacturing conditions. An elongated U-shaped magnetic circuit is produced by known techniques such as chemical and electromechanical deposition, high rate sputtering and photoresisting using masks and selective etching. A special feature is the movable tongue or spring, which - is one-sided freestanding - composed of at least two layers, and that of a magnetically highly conductive material, eg. As a FeNi alloy, and mechanical reinforcement of highly elastic Si or S1O2. The arrangement is excited by means of a strip-shaped, vertically passing through the U-magnetic circuit current-carrying electrical conductor whose production takes place in the described technological complex in an integrated form. A further advantage results from the fact that the arrangement contains no winding.

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.By incorporating hard magnetic layers in the magnetic circuit, a bistable operation can be realized in such a way that the moving element is brought by an excitation pulse in the region of the hard magnetic layer and held there by the permanent force effect of this layer. An opposite pulse causes a field weakening, so that the moving element returns to its initial position. The return movement can be effected either by mechanical means due to spring properties or by attaching a further magnetically umpolaren layer on the movable member.

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.The moving element of the magnetic circuit also carries an electrically insulated contact piece, which bridges two fixedly arranged contacts in the deflected position of the movement element.

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.With multiple arrangement of the switching elements on a common surface in a suitable interconnection can be realized multiple contact arrangements and switching matrices. Furthermore, by parallel arrangement of individual elements with graduated lengths of the movable members different responsiveness is achieved. It can be realized in this way switching frequencies up to about 20 kHz.

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.Compared to previous switching elements, a new level of miniaturization and thus a high material economy is achieved by the invention. Furthermore, by the parallel production of a larger number of switching elements by means of IC technology, a substantial increase in labor productivity is given.

embodiment

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. In der dazugehörigen Zeichnung zeigen:The invention will be explained in more detail with reference to an embodiment. In the accompanying drawing show:

Fig. 1: Eine Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen Bauelements Fig. 2: Vorderansicht (A)1: a sectional view of the device according to the invention FIG. 2: front view (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.An Fe-Ni alloy magnetic circuit is composed of a well-shaped substrate 1 and a thinner movable member made of a ferromagnetic layer 4 and a thin highly elastic insulating layer 5, preferably a SiO 2 layer, for improving spring properties. The effective air gap is at the narrowest point between the ferromagnetic layer 2 and the movable element. The ferromagnetic layer 2 and the movable element enclose an electrical conductor 3. When a current flows through the electrical conductor 3, the movable element is deflected due to the force acting on separating surfaces in the magnetic field such that the two fixed contact pieces 8 are bridged by the contact piece 6.

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.By arranging a suitable hard magnetic element 7 in the magnetic circuit, the movable element remains energetically in the closed state after switching off the exciting current. An opposite current pulse causes a return to the starting position.

Claims

1. miniature electromagnetic switching element with U-shaped basic structure of the magnetic circuit, characterized in that on a pad at least one magnetic circuit by means of IC technology known manufacturing method is applied in layers, wherein a part of the magnetic circuit is a movable spring element, which consists of at least two layers, one of which is formed as a ferromagnetic layer (4) and a highly elastic, insulating layer (5), and that at the free end of the movable member is an electrically insulated contact (6) having two fixed contacts ( 8) bridged.

2. Switching element according to claim 1, characterized in that the highly elastic, insulating layer (5) consists of Si or SiO ₂ .

3. Switching element according to claim 1, characterized in that in the magnetic circuit a permanent magnetic layer is inserted.

4. Switching element according to one of claims 1 to 3, characterized in that movable spring elements are arranged with different lengths in parallel.