(57)【要約】本発明は、１つのマイクロ機械加工されたスイッチング装置の開発にあたって複数のマルチモルフ・アクチュエータ・エレメントと複数の静電状態保持メカニズムとの機能的組合せを取り入れた１つの新しい種類のリレーである。複数のエレメントのこの組合せは、高い信頼性及び低い電力消費を有するマイクロ・ファブリケーションされた複数のリレーにおいてゼロ電力静電容量ラッチングの利点と複数の高力マルチモルフ・アクチュエータの利益とを提供する。前記リレー発明の動作は前記装置のために幾つかの安定状態、すなわち、電力を使用しない１つの受動的状態、前記マルチモルフ・アクチュエータを或る程度の電力で駆動する１つのアクティブ状態、及び、本質的に電力を要することなくスイッチ・レートを静電的に保持する１つの被ラッチ状態とに配慮している。本発明に含まれる複数のマルチモルフ・アクチュエータは圧電マルチモルフ作動メカニズム、サーマル・マルチモルフ作動メカニズム及びバックリング・マルチモルフ作動メカニズムを含む。これらの装置は、複数のアクチュエータ・アーマチュアの１つ以上のセットをカンチレバー構成又は固定ビーム構成で使用し、状態保持のために静電ラッチ電極の１つ以上のセットを使用する。
2005536014.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ・ファブリケーションされた１つのリレーであって、
１つの基板と、
前記基板に取り付けられた１つのベースと、
１つの第１負荷信号ラインと１つの第２負荷信号ラインとを含む複数の負荷信号ラインと、
１つの第１駆動信号ラインと、１つの第２駆動信号ラインと、１つの第１ラッチ信号ラインと、１つの第２ラッチ信号ラインとを含む複数の制御信号ラインと、
１つの複合アーマチュア構造と
を備え、前記複合アーマチュア構造が、
１つのラッチ・アーマチュア構造であって、
前記ベースに取り付けられた１つのアンカー領域と、
１つのラッチ偏向領域であって、
前記アンカー領域に取り付けられた１つの第１領域と、
１つの受動的位置及び１つの被ラッチ位置の間を移動し得る１つの第２領域と
を備え、
１つの刺激に応答してサイズを１つの第１量だけ変化させる１つの第１材料と
前記刺激によってサイズを１つの第２量だけ変化させる１つの第２材料と
を更に備え、前記第１及び第２の量は等しくなくて、前記刺激に応答して前記ラッチ偏向領域に１つの偏向力を加え、前記偏向力は前記第２領域を前記受動的位置から前記被ラッチ位置の方へ移動させるのに役立つラッチ偏向領域と
を備えるラッチ・アーマチュア構造と
前記ラッチ偏向領域の前記第２領域の１つの下側面の一部分上に位置して前記第１ラッチ信号ラインに電気的に接続される第１ラッチ電極と、
概して前記第１ラッチ電極の下の前記基板上に形成されて前記第２ラッチ信号ラインに電気的に接続される第２ラッチ電極と、
１つのラッチ電極絶縁体であって、前記第１電極絶縁体が、前記偏向領域の前記第２領域が前記被ラッチ位置にあるときに前記第１ラッチ電極と前記第２ラッチ電極との電気的接触を妨げる電極絶縁体と、
前記第１駆動信号ラインに電気的に接続された１つの第１駆動電極と前記第２駆動信号ラインに電気的に接続された１つの第２駆動電極とを含む、前記ラッチ偏向領域に前記刺激を加えるための１つの手段と、
１つの負荷アーマチュア構造と
を備え、前記負荷アーマチュア構造が、
前記ベースに取り付けられた１つのアンカー領域と
前記負荷アーマチュア構造を前記ラッチ・アーマチュア構造に結合させる１つの結合領域と
前記アンカー領域に取り付けられた１つの第１領域と、１つの開成位置と１つの閉成位置との間を移動し得る１つの第２領域とを含む１つの接点偏向領域であって、前記閉成位置が、前記ラッチ偏向領域の前記第２領域が前記被ラッチ位置にあるときに確立される接点偏向領域と
前記接点偏向領域の前記第２領域の１つの下側面の一部分上に形成された１つの第１接点電極であって、前記第１負荷信号ラインに電気的に接続される第１接点電極と、
１つの第２接点電極であって、前記第２負荷信号ラインに電気的に接続されて前記して前記第１接点電極の下の前記基板上に位置し、前記第１接点電極と前記第２接点電極とは、前記接点偏向領域が前記閉成位置にあるときに１つの接触力を持って電気的に接触させられ、前記接点偏向領域は前記ラッチ変更領域と関連して動く、第２接点電極と
を備える、リレー。
【請求項２】
前記第１材料が１つの第１熱膨張係数を有し、
前記第２材料が１つの第２熱膨張係数を有し、
前記第１駆動電極と前記第２駆動電極との間に流れる１つの電流が、１つの熱的刺激を提供することによって前記ラッチ・アーマチュア構造の前記ラッチ偏向領域内に前記偏向力を発生させる、請求項１に記載のマイクロ・ファブリケーションされたリレー。
【請求項３】
前記電流が１つの抵抗性加熱エレメントを通って流れ、前記抵抗性加熱エレメントが前記ラッチ・アーマチュア構造の前記ラッチ偏向領域に組み込まれている、請求項２に記載のマイクロ・ファブリケーションされたリレー。
【請求項４】
前記抵抗性加熱エレメントが前記第１材料の１つの層に組み込まれている、請求項３に記載のマイクロ・ファブリケーションされたリレー。
【請求項５】
前記抵抗性加熱エレメントが前記第１材料の１つの層と前記第２材料の１つの層との間に組み込まれている、請求項３に記載のマイクロ・ファブリケーションされたリレー。
【請求項６】
前記ラッチ電極絶縁体が前記第１ラッチ電極上に形成されている、請求項１に記載のマイクロ・ファブリケーションされたリレー。
【請求項７】
前記ラッチ電極絶縁体が前記第２ラッチ電極上に形成されている、請求項１に記載のマイクロ・ファブリケーションされたリレー。
【請求項８】
前記第１材料の１つの層が１つの第１レベルの圧電応答を有し、
前記第２材料の１つの層が１つの第２レベルの圧電応答を有し、
前記第１駆動電極と前記第２駆動電極との間に加えられた１つの電圧が、１つの圧電刺激を提供することによって前記ラッチ・アーマチュア構造の前記ラッチ偏向領域内に前記偏向力を発生させる、
請求項１に記載のマイクロ・ファブリケーションされたリレー。
【請求項９】
前記第１材料又は前記第２材料のうちの一方が本質的にゼロである１つのレベルの圧電応答を有する、請求項８に記載のマイクロ・ファブリケーションされたリレー。
【請求項１０】
前記ラッチ偏向領域が１つの第３材料の１つの層を更に含み、
前記第３材料が１つの第３レベルの圧電応答を有し、前記第３レベルの圧電応答はゼロに等しくなく、
前記第１駆動電極と前記第２駆動電極の間に加えられる前記電圧が前記第３材料の前記層を横断して加えられ、
前記第３材料の前記層の前記圧電応答が前記ラッチ・アーマチュア構造の前記ラッチ偏向領域内に発生する前記偏向力に寄与する、
請求項８に記載のマイクロ・ファブリケーションされたリレー。
【請求項１１】
前記第１材料の１つの層が１つの第１初期レベルの内部応力を有し、
前記第２材料の１つの層が１つの第２初期レベルの内部応力を有し、
前記第１及び第２の初期レベルの内部応力のうちの少なくとも一方が圧縮性であり、
１つの機械的偏向刺激を前記ラッチ・アーマチュア構造に加えると、前記機械的偏向刺激の方向の前記ラッチ・アーマチュア構造の１つのバックリングがもたらされ、前記バックリングは、前記圧縮性初期レベル内部応力の一部分を解放することによって前記ラッチ偏向領域の前記第２領域を前記被ラッチ位置へ動かす、請求項１に記載のマイクロ・ファブリケーションされたリレー。
【請求項１２】
１つの外部機械手段が前記機械的偏向刺激を前記ラッチ・アーマチュア構造に加える、請求項１１に記載のマイクロ・ファブリケーションされたリレー。
【請求項１３】
前記刺激に対する前記ラッチ偏向領域の応答は前記機械的偏向刺激を前記ラッチ・アーマチュア構造に加える、請求項１１に記載のマイクロ・ファブリケーションされたリレー。
【請求項１４】
前記刺激が１つの熱的刺激である、請求項１３に記載のマイクロ・ファブリケーションされたリレー。
【請求項１５】
前記刺激が１つの圧電刺激である、請求項１３に記載のマイクロ・ファブリケーションされたリレー。
【請求項１６】
前記機械的偏向刺激の少なくとも一部分が１つの形状記憶効果により加えられ、
前記第１材料の１つの層が膨張のための１つの第１レベルの形状記憶効果を有し、
前記第２材料の１つの層が１つの第２レベルの形状記憶効果を有する、
請求項１１に記載のマイクロ・ファブリケーションされたリレー。
【請求項１７】
マイクロ・ファブリケーションされたリレーであって、
１つの基板と、
１つの第１ベースと１つの第２ベースと、
１つの第１負荷信号ラインと１つの第２負荷信号ラインとを含む複数の負荷信号ラインと、
１つの第１駆動信号ラインと、１つの第２駆動信号ラインと、１つの第１ラッチ信号ラインと１つの第２ラッチ信号ラインとを含む複数の制御信号ラインと、
１つの複合アーマチュア構造と
を備え、前記複合アーマチュア構造が、
１つのラッチ・アーマチュア構造であって、
前記第１ベースに取り付けられた１つの第１アンカー領域と、
前記第２ベースに取り付けられた１つの第２アンカー領域と、
１つのラッチ偏向領域であって、
前記第１アンカー領域に取り付けられた１つの第１領域と、
前記第２アンカー領域に取り付けられた１つの第２領域と、
１つの受動的位置と１つの被ラッチ位置との間を移動し得る１つの第３領域と
を備え、
１つの刺激に応答してサイズを１つの第１量だけ変化させる１つの第１材料と、
前記刺激によってサイズを１つの第２量だけ変化させる１つの第２材料と
を更に備え、前記第１及び第２の量は等しくなくて、前記刺激に応答して前記ラッチ偏向領域に１つの偏向力を加え、前記偏向力は前記第２領域を前記受動的位置から前記被ラッチ位置の方へ動かすのに役立つ、ラッチ偏向領域と
を備えるラッチ・アーマチュア構造と、
前記ラッチ偏向領域の前記第１領域の１つの下側面の一部分上に位置して前記第１ラッチ信号ラインに電気的に接続される１つの第１ラッチ電極と、
前記ラッチ偏向領域の前記第２領域の１つの下側面の一部分上に位置して前記第１ラッチ信号ラインに電気的に接続される１つの第２ラッチ電極と、
概して前記第１ラッチ電極の下の前記基板上に形成されて前記第２ラッチ信号ラインに電気的に接続される１つの第３ラッチ電極と、
概して前記第２ラッチ電極の下の前記基板上に形成されて前記第２ラッチ信号ラインに電気的に接続される１つの第４ラッチ電極と、
１つの第１ラッチ電極絶縁体であって、前記第１電極絶縁体が、前記偏向領域の前記第３領域が前記被ラッチ位置にあるときに前記第１ラッチ電極と前記第３ラッチ電極との電気的接触を妨げる第１ラッチ電極絶縁体と、
１つの第２ラッチ電極絶縁体であって、前記第２電極絶縁体が、前記偏向領域の前記第３領域が前記被ラッチ位置にあるときに前記第２ラッチ電極と前記第４ラッチ電極との電気的接触を妨げる第２ラッチ電極絶縁体と、
前記第１駆動信号ラインに電気的に接続された１つの第１駆動電極と前記第２駆動信号ラインに電気的に接続された１つの第２駆動電極とを含む、前記ラッチ偏向領域に前記刺激を加えるための１つの手段と、
１つの負荷アーマチュア構造と
を備え、前記の負荷アーマチュア構造が、
１つの第３ベースに取り付けられた１つのアンカー領域と、
前記負荷アーマチュア構造を前記ラッチ・アーマチュア構造に結合させる１つの結合領域と、
前記第３アンカー領域に取り付けられた１つの第１領域と、１つの開成位置及び１つの閉成位置の間を移動し得る１つの第２領域とを含む１つの接点偏向領域であって、前記閉成位置は、前記ラッチ偏向領域の前記第３領域が前記被ラッチ位置にあるときに確立される接点偏向領域と、
前記接点偏向領域の前記第２領域の１つの下側面の一部分上に形成された１つの第１接点電極であって、前記第１負荷信号ラインに電気的に接続される第１接点電極と、
１つの第２接点電極であって、前記第２負荷信号ラインに電気的に接続されて前記して前記第１接点電極の下の前記基板上に位置し、前記第１接点電極と前記第２接点電極とは、前記接点偏向領域が前記閉成位置にあるときに１つの接触力を持って電気的に接触させられ、前記接点偏向領域は前記ラッチ偏向領域と関連して動く第２接点電極と
を備える、リレー。
【請求項１８】
前記第１接点電極が前記ラッチ偏向領域の前記第３領域の１つの下側面上に形成され、前記接点電極が前記第１ラッチ電極と前記第２ラッチ電極との間に位置する、請求項１７に記載のマイクロ・ファブリケーションされたリレー。
【請求項１９】
前記ラッチ偏向領域が、
１つの第２刺激に応答してサイズを１つの第３量だけ変化させる１つの第３材料と、
前記第２刺激によってサイズを１つの第４量だけ変化させる１つの第４材料であって、前記第３及び第４の量は等しくなくて、前記第２刺激に応答して前記ラッチ偏向領域に１つの偏向力を加え、前記偏向力は前記第２領域を前記被ラッチ位置から前記受動的位置の方へ動かすのに役立つ第４材料と、
前記ラッチ偏向領域において前記第３材料及び前記第４材料に前記第２刺激を加えるための１つの手段と
を備え、
前記手段が、１つの第３駆動信号ラインに電気的に接続された１つの第３駆動電極と、前記第４駆動信号ラインに電気的に接続された１つの第４駆動電極と
を備える、請求項１７に記載のマイクロ・ファブリケーションされたリレー。
【請求項２０】
請求項１に従って構成された１つのマイクロ・ファブリケーションされたリレーを動作させる方法であって、
前記ラッチ・アーマチュア構造の前記第２領域が前記受動的位置にあって前記負荷アーマチュア構造の前記第２領域が前記開成位置にある１つの受動的状態を確立する段階と、
１つの刺激を前記ラッチ・アーマチュア構造に加えることによって１つの第１アクティブ状態を確立する段階であって、前記１電圧が前記第１駆動電極と前記第２駆動電極との間に加えられ、前記電圧は、前記ラッチ・アーマチュア構造の前記偏向領域に１つの偏向力を加えるのに十分な大きさ及び持続時間を有し、前記偏向力は前記第１ラッチ電極を前記第２ラッチ電極の近傍へ動かして前記被ラッチ位置を確立するのに十分であり、前記偏向力は、前記結合領域を通して前記接点偏向領域構造に伝えられて前記第１接点電極を前記第２接点電極と電気的に接触させ、これにより前記第１負荷信号ラインと前記第２負荷信号ラインとの電気的接触を確立する段階と、
１つの第１被ラッチ状態を確立する段階であって、１つの第２電圧が前記第１ラッチ電極と前記第２ラッチ電極との間に加えられ、前記第２電圧は前記第１ラッチ電極と前記第２ラッチ電極との１つの静電付着を誘起し、前記静電付着は、前記第１電圧を加え続けることなく前記被ラッチ位置を維持するのに十分な強度を有し、前記第１電圧はほぼゼロまで減少される段階と、
前記第２電圧を１つの期間にわたって維持する段階と、
前記第２電圧をほぼゼロにセットし、これによって前記マイクロ・ファブリケーションされたリレーが前記受動的状態に復帰することを可能にする段階と
を備える、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この装置を記述した１つの仮特許出願（ｐｒｏｖｉｓｉｏｎａｌ  ｕｔｉｌｉｔｙ  ｐａｔｅｎｔ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ）は６０／２４３，７８６であって、２０００年１０月２７日に出願され、本出願と同じ題名を有する。１つの関連する装置を記述した１つの第２の出願は６０／２４３，７８８であって、これも２０００年１０月２７日に出願され、「マルチモルフ・アクチュエータと静電ラッチメカニズムとを有するマイクロ・ファブリケーションされた双投リレー」と題されている。これらの仮特許は、各々、本発明の複数の側面に関連していて、参照により本書に取り入れられる。本発明につながる調査及び発展のいずれも米連邦政府によって後援されなかった。
【０００２】
本発明は、複数のスイッチング装置の一般的分野に関し、特にマイクロ・ファブリケーションされた複数のリレーの分野に関する。
【背景技術】
【０００３】
マイクロ・ファブリケーションスイッチング装置の元の概念が１９７９年にピーターセン（ＰＥＴＥＲＳＥＮ）によって作られて以来、低電力で高周波数の複数のアプリケーションのためのいろいろなスイッチ及びリレーを開発しようとする多くの試みがなされた。この努力の目標は、小型の、バッチ製造された、写真製版的に画定された複数の可動構造を１つの機械装置の一部分として用いることによってスイッチング技術の費用有効性及び性能を高めることである。
【０００４】
マイクロ・ファブリケーションされた電気機械システム（ＭＥＭＳ）は、複数の長い寿命、低コスト、小サイズ、及び在来の手段により製造された複数のスイッチング装置より速い速度を約束し、複数の固体装置より高い性能を提供する。多くのアプリケーションにおいて、特に高性能機械装置、自動化試験装置、レーダー、及び複数の通信システムにおけるアプリケーションにおいて、一定の品質を有する複数のスイッチング装置が必要とされ或いは好ましい。複数の具体的な値はアプリケーションごとにまちまちであって、本発明の詳細な説明においては適切な場合には具体的な値が与えられる。１）複数の制御信号を複数の負荷信号から絶縁させるスイッチ機能ではなくてリレー、２）複数のリレー電極の間の複数の低抵抗オーム接触、３）リレー開成／閉成状態をトグルするための低電力使用、４）１つの特定のリレー開成／閉成状態を維持するためのゼロ電力又は非常に低い電力、５）高精度、低コスト製造、６）複数のリレー接点の高速で強力な機械的閉成、７）複数のリレー接点の高速で強力な機械的開成、８）容易に達成される複数の制御信号及び動作必要条件。
【０００５】
これらの利点の幾つかを得るために多くのスイッチング装置開発努力がなされたが、いずれも、全てを達成することはできなかった。従来技術の複数のスイッチング装置デザインの大部分は、いろいろな装置の２つの主要なカテゴリー、すなわち、複数の静電作動メカニズムを使用するもの、及び、複数のバイモルフ作動メカニズムを使用するもの、に関して論じることができる。各々のタイプの作動メカニズムが複数の固有の特性と利点とを有し、また従来技術の複数のデザインが上に列挙した望ましい品質の全てを得ることを妨げる物理的な限界を有する。
【０００６】
静電的に作動される複数の装置は、１つの電圧がかけられる２つ（又はより多くの）バイアス電極を使用する。向かい合う複数の電極の複数の表面に複数の反対の電荷が生じ、静電気力が生じる。もし複数の電極が互いのほうへ偏向することができれば、作動が可能となる。１つの静電作動装置のスイッチ又は複数のリレー接点電極はこれらの移動バイアス電極に機械的に結合され、複数の接点電極は、電圧がかけられ、また電圧が除去されるとかみ合い或いは分離する。
【０００７】
静電作動は、上記動作特性の幾つかを本質的に支援し、その結果として、複数のスイッチ及びリレーのために最も広く試されたＭＥＭＳ作動メカニズムである。複数の静電アクチュエータは複数のオーム接触リレー及びスイッチを可能にするけれども、複数の低抵抗を達成するのは難しい。これらは、複数の状態をトグルするために実際上ゼロの電力を必要とし、複数の状態を維持するために実際上ゼロの電力を必要とする。設計者は、精密で低コストの複数の静電アクチュエータを開発するために複数のマイクロ・ファブリケーション手法を使用することができる。これらのアクチュエータは複数の高速を提供することができるけれども、大きな閉成力を達成するのは難しく、大きな開成力を容易に生じさせることはできない。これらのアクチュエータは、現代の複数の集積回路では普通の複数の低駆動電圧（１０Ｖより低い）で設計するのは難しいが、複数の駆動電流は通常は無視できる（１μＡ未満）。
【０００８】
文献は、電力使用量の非常に少ない低力作動を証明する複数のＭＥＭＳスイッチ及びリレーの多数の例を含んでいる。ルーら（Ｌｏｏ、  ｅｔ  ａｌ．）の特許文献１は、材料の応力補償のために絶縁体−金属−絶縁体スタックを使用する１つの双接点カンチレバーＭＥＭＳリレーの１つの代表的な例を記述している。ヤオら（Ｙａｏ、  ｅｔ  ａｌ．）の特許文献２の１つのリレー、及びバック（Ｂｕｃｋ）の特許文献３の１つのスイッチなどの、他の複数のカンチレバーＭＥＭＳ装置は、性能を高めるために種々の接点金属を使用する。ジェイムスら（Ｊａｍｅｓ，  ｅｔ  ａｌ．）の特許文献４は、製造を改善するために複数のバンプを取り入れた複数の双接点リレーを有する。ザブラッキー（Ｚａｖｒａｃｋｙ）の特許文献５は、複数の固体金属スイッチに関する自分の初期研究の後に、バイアスをかけるための複数の別々の固定された電極を用いる１つの新規な作動用エレメントを付け加えている。文献は、ミラノビら（Ｍｉｌａｎｏｖｉ，  ｅｔ  ａｌ．）によるスイッチング装置研究を含んでおり、この場合には、高周波信号スイッチングを改善するために複数の装置が１つの基板から他の基板へ移される。
【０００９】
通常はサイズ、速度、及び信頼性を犠牲にして装置のサイズ及び力を大きくすることによって、複数の大信号負荷での性能を向上させるために幾つかの注目に値する試みがなされている。１つの代表的な例は、前記の複数の努力の成果より１桁大きく且つもっと強力な１つの銅の装置を有するリー（Ｌｅｅ）の特許文献６のものである。コムラら（Ｋｏｍｕｒａ  ｅｔ  ａｌ．）及びハーら（Ｈａｈ  ｅｔ  ａｌ．）も、複数の適度の信号負荷のためのミリメートル・サイズの複数の２接点静電ＭＥＭＳリレーを開発している。グッドウィン−ジョハンソン（Ｇｏｏｄｗｉｎ−Ｊｏｈａｎｓｓｏｎ）の特許文献７の１つの装置は、装置が開閉するときの複数の電極の接触抵抗を変えることによってホットスイッチ状況でのアーク発生を減少させる。
【００１０】
幾つかの静電ＭＥＭＳスイッチング装置は、装置サイズ、接触力、及び、しばしば、製造上の複数の不便を犠牲にして複数の駆動電圧要件を下げるように設計されている。シェンら（Ｓｈｅｎ  ｅｔ  ａｌ．）及びパンチェコ（Ｐａｎｃｈｅｃｏ）は、バイアス電極サイズとアーマチュアの柔軟性とを増大させることによって複数の電圧要件を減少させている。イチヤら（Ｉｃｈｉｙａ  ｅｔ  ａｌ．）の特許文献８は、駆動電圧を下げるために複数の階段状で且つ傾斜した基板バイアス電極の新規な使用方法を取り入れている。
【００１１】
幾つかの静電ＭＥＭＳ装置は、複数のＭＥＭＳ装置で普通に見られる偏向した複数のばねの受動的復元力より大きな速度及び力で装置を開成させる複数のバイアス電極の複数のセットを持つように設計されている。ハーら（Ｈａｈ，  ｅｔ  ａｌ．）は、１つの代表的な例であって、複数のリレーを開成するために複数のトーションばね復元力を複数の対向バイアス電極と組み合わせている。カサノら（Ｋａｓａｎｏ  ｅｔ  ａｌ．）の特許文献９は、複数の総電圧要件を減少させるために、複数の駆動開成電極付きの１つの双接点ＭＥＭＳリレーと新規な複数の埋め込み型エレクトレットとを記述している。
【００１２】
複数のバイモルフ・アクチュエータは、複数の静電アクチュエータとは異なって、複数の制御信号をアクチュエータ自体の中で機械的変形に変換する。複数のバイモルフ（或いは、もっと一般的には、マルチモルフ）アクチュエータは、１つの特定の刺激に対する種々の物理的応答を示す複数の層から成っている。例えば、１つのサーマル・バイモルフは１つの高い熱膨張係数（１０ｐｐｍ／℃より上）を有する１つの第１の層と１つの低い熱膨張係数（５ｐｐｍ／℃より下）を有する１つの第２の層とを持つことができる。このバイモルフが１つの温度上昇にさらされると、第１の層の相対的膨張は第２の層との密着により抑制され、前記アクチュエータは応答してカールする。複数の装置がこのカールを用いて仕事を行い、複数のバイモルフにより作られる複数の力は複数の静電アクチュエータにより達成し得る力より遥かに大きくなりえる。
【００１３】
バイモルフ作動は、上記の複数の動作特性を本質的に支援し、その結果として、複数のスイッチ及びリレーのために２番目に広く試されているＭＥＭＳ作動メカニズムである。それらは、複数のオーム接触装置で使用され得るものであり、複数のバイモルフ・アクチュエータで作られる複数の大きな力は複数の低い接触抵抗をもたらす。それらは、低力で作動して複数の状態をトグルさせるように設計され得るけれども、一定の複数のタイプのバイモルフだけが低力状態ラッチングに対処し得る。複数のバイモルフ・アクチュエータに複数の高い速度と高い閉成力とを提供させることができ、また、同様に高い複数の開成力と速度とを提供するように設計することができる。或る複数のタイプのバイモルフ・アクチュエータは、複数の低駆動電圧及び低駆動電流でも設計されえる。
【００１４】
複数のバイモルフ作動メカニズムを有する大抵のスイッチング装置は、電力消費量を低く保つために複数の圧電バイモルフ・アクチュエータを選択し、その様な装置は通常は前に列挙された望ましい複数の特性のうちの多くを示す。しかし、複数の圧電材料に関連する製造上の複数の難点があるために、複数の圧電バイモルフ・アクチュエータを研究した複数のＭＥＭＳ成果は僅かである。更に、ヒステリシス及び劣化を防止するために、複数の圧電バイモルフを作動させるには通常は複数の複雑な高電圧波形が必要である。ファラル（Ｆａｒｒａｌｌ）の特許文献１０は、複数の金属−圧電−金属３層アクチュエータの複数のアレイを特徴とする１つのスイッチング装置を記述している。コーンランプ（Ｋｏｒｎｒｕｍｐｆ）の特許文献１１は、変動する複数の信号負荷を扱うために１つの中央アンカー領域から伸びる一連の圧電バイモルフ・アクチュエータを開発した。コーンランプ（Ｋｏｒｎｒｕｍｐｆ）の特許文献１２は、圧電バイモルフ自体の中の残留分極を変化させることによって複数の状態をラッチし、制御可能なゼロ電力受動ラッチングを可能にする１つの圧電リレーを設計した。タナカ（Ｔａｎａｋａ）の特許文献１３は、大きな閉成力と移動距離とを生じさせる複数の対向するカンチレバー圧電バイモルフから成る１つの装置を開発した。これらの装置の全ては、在来の手段により製造され、全ての或いは多くの在来の圧電材料制約を持っていた。
【００１５】
大抵のマイクロ・ファブリケーションされたバイモルフ・アクチュエータは、製造及び駆動信号生成が容易であるので複数のサーマル・バイモルフを使用している。その様な複数の装置は、通常、１つの活動状態を保つために電力を絶えず使用することを必要とし、また、熱輸送現象に基づく複数の速度制約を持っていることが良くある。フィールドら（Ｆｉｅｌｄ  ｅｔ  ａｌ．）の特許文献１４は、複数の新規な接点構造を有する複数の積み重ねられた基盤を有する１つの汎用サーマル・バイモルフ・リレーを開示している。ノーリング（Ｎｏｒｌｉｎｇ）の特許文献１５は、複数の接点電極と温度感知のための１つの静電バイアス電極とを有する１つの温度感知リレーを有し、これは現代の複数のサーミスタと全く同等の装置である。カー（Ｃａｒｒ）の特許文献１６は、大きなサイズ、速度、及び電力使用量を犠牲にして受動的機械的ラッチングを可能にした対向する複数のバイモルフの巧みに処理された複数のセットを含む１つのリレーを開発している。
【００１６】
ゲバッターら（Ｇｅｖａｔｔｅｒ，  ｅｔ  ａｌ．）の特許文献１７及びシュラークら（Ｓｃｈｌａａｋ，  ｅｔ  ａｌ．）の特許文献１８及び特許文献１９による複数のＭＥＭＳリレーは、バイモルフ及び静電作動の両方を特徴としており、１つのバイモルフ・アクチュエータはデバイスの閉成動作を助けるために統合された複数の静電バイアス電極を有する。このようなデバイスの利点は、複雑さが増大し且つ適切なリレー機能のために両方の駆動メカニズムを同時に駆動する必要があるという犠牲を払って閉成力を高めて且つ駆動電圧を下げたことである。
【特許文献１】米国特許第６０４６６５９号明細書
【特許文献２】米国特許第５５７８９７６号明細書
【特許文献３】米国特許第５２５８５９１号明細書
【特許文献４】米国特許第５４７９０４２号明細書
【特許文献５】米国特許第５６３８９４６号明細書
【特許文献６】米国特許第６０５４６５９号明細書
【特許文献７】米国特許第６０５７５２０号明細書
【特許文献８】米国特許第５５４４００１号明細書
【特許文献９】米国特許第５２７８３６８号明細書
【特許文献１０】米国特許第４６２０１２３号明細書
【特許文献１１】米国特許第４８１９１２６号明細書
【特許文献１２】米国特許第４９１６３４９号明細書
【特許文献１３】米国特許第４４０３１６６号明細書
【特許文献１４】米国特許第５４６７０６８号明細書
【特許文献１５】米国特許第５４６３２３３号明細書
【特許文献１６】米国特許第５７９６１５２号明細書
【特許文献１７】米国特許第５７９６１５２号明細書
【特許文献１８】米国特許第５６２９５６５号明細書
【特許文献１９】米国特許第５６７３７８５号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
長い間感じられてきた証明された必要性と、上述されたものを含む多数の研究者及びグループによる活発で広範な努力とにも関わらず、得られた複数の装置は、いずれも、計測器、レーダー、及び複数の通信システムのための高性能信号スイッチングのために望ましい複数の属性の全てを実現していない。本書に記載されている発明は、関連する不利な点や制約を殆ど持たずにこれらの特性の各々を達成する初めての装置である。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
マイクロ機械加工された複数のスイッチ及びリレーの分野には、複数のマルチモルフ・アクチュエータ・エレメント或いは静電アクチュエータ・エレメントを取り入れた多くの装置がある。複数のマルチモルフ・アクチュエータは、主として、任意の与えられた駆動電力、電圧、或いは電流について複数の大きな力を発生させる能力を持つ故に使用される。複数の静電アクチュエータは、非常に低い複数の電力で作動して複数のスイッチ又はリレーを１つの開成位置又は閉成位置に保持する能力を持つ故に使用される。低電力を使用しながら確実な接触を得るために大きな複数の力を組み入れる複数の装置を開発するという１つの希望が業界にあったが、従来の努力はいずれも成功しなかった。本発明は、この目標を達成する初めての試みであって、高力マルチモルフ作動と複数のゼロ電力静電ラッチング・メカニズムとの両方を組み入れることによってこの目標を達成する。
【００１９】
本発明の動作は、装置について複数の異なる安定状態に配慮している。第１の状態は１つの受動的状態であり、これは制御信号が装置に加えられていないときのリレーの自然状態である。１つのアクティブ状態が望まれるときには、１つの駆動制御信号がリレー・アクチュエータに加えられ、装置の複数の機械的制約がリレー・アーマチュアの更なる偏向を防止する。いったん変更されたならば、その状態を、不定期間であり得る期間にわたって１つのラッチ状態に保つことが望ましいので、複数の容量性エレメントに１つのラッチ制御信号が加えられてこれらのエレメントを引き付けて複数の静電力でこれらを結合させておく。このとき、複数の制御信号をアクチュエータから取り除くことが可能であり、リレーはラッチされた状態にとどまる。ラッチ制御信号を除去することによりリレーを受動的状態に戻すことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
用語の定義：複数のマイクロ・ファブリケーションされた装置に不慣れな複数の読者にとっては用語及び複数の単位を概説することが有益である。複数の図面の記述と、以下の本発明についての詳細な記述とは、複数の図面の番号が付けられた複数のエレメントが本文に出現する際に前記エレメントを記述する精密な複数の用語を含む。この特許出願の複数の目的のために、夫々の用語は、容認されているリレー産業用語の使用法に従う１つの指定されたターミノロジーであると考えられる。ミリ（ｍ）は、１つの千分の一（１／１，０００）についての標準的ＳＩ接頭辞である。マイクロ（μ）は、１つの百万分の一（１／１，０００，０００）についての標準的ＳＩ接頭辞である。ナノ（ｎ）は、１つの十億分の一（１／１，０００，０００，０００）についての標準的ＳＩ接頭辞である。ニュートン（Ｎ）は、１キログラム−メートル−毎秒−毎秒に等しい力の１つの標準的ＳＩ単位である。ミクロン（μｍ）又はマイクロメートルは、１つの一千分の一ミリメートルに等しい１つの長さの単位である。マイクロ・ファブリケーションは、集積回路開発者の業界により一般化された複数の写真平版技術を通して描かれた複数のコンポーネントを画定する１つの制作方法として定義される。マイクロ機械加工は、写真平版により画定された１つのマイクロ・ファブリケーションされたエレメントを描く行為として定義され、複数の酸又は塩基を用いる１つのエッチング・プロセスによってしばしば実行される。１つの作動は、１つのリレー又はその他のスイッチング装置を開成し或いは閉成する行為であるとして定義される。１つのアクチュエータは、作動の原因となるエネルギー変換メカニズムとして定義される。１つのアーマチュアは、１つのリレー又はその他のスイッチング装置を開成し又は閉成するために１つのアクチュエータにより偏向され又は動かされる任意のエレメントとして定義される。１つのマルチモルフは、１つの刺激にさらされたときにサイズを変化させる複数の層の１つの組合せから成る１つのアクチュエータとして定義され、その複数のサイズ変化は２つ以上の異なる層についてまちまちである。１つのバイモルフは、正確に２つの層を有する１つのマルチモルフとして定義される。１つのマルチモルフ層は１つのマルチモルフのいずれか１つの層として定義され、その各々の層は前記マルチモルフについて定義された駆動刺激に対して敏感であったり敏感でなかったりする。１つの圧電マルチモルフは電圧刺激に対して敏感な１つのマルチモルフ・アクチュエータとして定義され、１つ以上の層がゼロでない圧電気係数を有する。１つのサーマル・マルチモルフは熱又は冷刺激に対して敏感な１つのマルチモルフ・アクチュエータとして定義され、１つ以上の層がゼロでない熱膨張係数を有する。１つのバックリング・マルチモルフは偏向刺激に対して敏感な１つのマルチモルフ・アクチュエータとして定義され、１つ以上の層がバックリング現象に応じた複数のレベルのゼロでない応力を有する。１つの固定されたベースは、機械的支持を提供する１つの堅い一体的リレー領域として定義される。１つのベース基板は、１つの固定されたベースの一部分を形成する１つのマイクロ・ファブリケーシ��ン基板として定義される。１つの負荷信号は１つのリレー又はその他のスイッチング装置によってスイッチングされるべき信号として定義される。１つの負荷信号ラインは、スイッチングされるべき負荷信号のための１つのポート（入力又は出力）として定義される。１つのアーマチュア接点エレメントは、１つの負荷信号が１つの入力から１つの出力負荷信号ラインへ進むための１つの伝導路を形成し且つ／又は切断するために他の複数の接点エレメントと物理的に係合し且つ／又は乖離する１つのアーマチュア上に位置する１つのエレメントとして定義される。１つの接点アーマチュアは、取り付けられた複数のアーマチュア接点エレメントを有する１つのアーマチュアとして定義される。１つのベース基板接点エレメントは、１つの信号が１つの入力から１つの出力負荷信号ラインへ進むための１つの伝導路を形成し且つ／又は切断するために他の複数の接点エレメントと物理的に係合し且つ／又は乖離する１つのベース基板上に位置する１つのエレメントとして定義される。１つの駆動信号は、１つのリレー又はスイッチの作動を開始する１つの信号として定義される。１つの駆動信号ラインは、１つの駆動信号が向けられる１つのラインとして定義される。複数の電気駆動信号のために少なくとも２つの駆動信号ラインが、１つは前記信号のために、もう１つは基準のために、必要である。１つのラッチ信号は、１つのリレー又はスイッチを１つの開成状態又は閉成状態に保持する１つの信号として定義される。１つのラッチ信号ラインは、１つのラッチ信号が向けられる１つのラインとして定義される。複数の電気的ラッチ信号のために少なくとも２つのラッチ信号ラインが、１つは前記信号のために、もう１つは基準のために、必要である。１つのアーマチュア電極はアーマチュアに付けられた１つの伝導性領域として定義され、これに複数のラッチ信号又はその複数の基準が向けられる。１つのベース基板電極はベース基板に付けられた１つの伝導性領域として定義され、これに複数のラッチ信号又はその複数の基準が向けられる。１つのラッチ電極絶縁体は、アーマチュア電極とベース基板電極との電気的接触が生じるのを防止する１つの絶縁領域として定義される。
【００２１】
本発明は、複数のリレー産業の標準より概して小さい複数のスイッチング速度及び信号負荷を包含する。例えばμＡとｍＡとの１つの機能上の区別は在来の複数のリレーについての負荷信号強度に関しては行われていないが、これらの異なる負荷信号についてはマイクロ・ファブリケーションされた複数のリレーの性能及び設計上の複数の差異は重要である。この特許の複数の目的のために、下記の複数の速度及び信号負荷が定義されて、これらの分類がリレー産業基準で定義されている分類とは異なることを記しておく。複数の非常に速いスイッチング時間は１００ナノ秒未満として定義される。複数の速いスイッチング時間は１００ナノ秒から１マイクロ秒までとして定義される。複数の中位のスイッチング時間は１マイクロ秒から１００マイクロ秒までとして定義される。複数の遅いスイッチング時間は、１００マイクロ秒から１０ミリ秒までとして定義される。複数の非常に遅いスイッチング時間は、１０ミリ秒より大きいとして定義される。複数の非常に低い信号負荷は１０μＡより少ないＤＣ電流又は１００μＷより少ないＲＦ電力として定義される。複数の低い信号負荷は１０μＡから１０ｍＡまで又は１００μＷから１００ｍＷまでとして定義される。複数の中位の信号負荷は１０ｍＡから５００ｍＡまで又は１００ｍＷから５Ｗまでとして定義される。複数の高い信号負荷は５００ｍＡから５Ａまで又は５Ｗから５０Ｗまでとして定義される。複数の非常に高い信号負荷は５Ａより大きいＤＣ電流又は５０Ｗより大きいＲＦ電力として定義される。
【００２２】
全ての添付されている図面は、図１，６及び１１以外は、横断面を示す。機能的クロスハッチング、複数の簡明な黒い縁、及び全てのエレメントの数えを通して材料の複数の指定が行われている。白の又は太いクロスハッチングで示されている全てのエレメントは電気絶縁性の１つの材料を表す。１つの細い離間しているクロスハッチが付けられているパターンで示されている複数のエレメントは複数の電気伝導体である複数の材料を表す。全てのエレメントについての複数のクロスハッチ付きパターンは、明瞭性及び連続性を目的として図１，６及び１１の平面図に示されている。記載されている複数の絶縁体及び／又は導体を半導体のドーピング・レベルに依存して製造するために複数の代替実施形態において複数の半導体材料を使用することができる。
【００２３】
図１は本発明の一実施形態の１つの平面図であって、明瞭性を目的として複数の横断線及び眺望を有し、また破線の輪郭で示された上面の下に埋められて良い多数のエレメントを有する。図１と並んで示されている２つの横断面図は図２Ａ及び３Ａであって、これらは夫々１つの負荷アーマチュア及びアクチュエータ・アーマチュアの図である。図４は、１つのマルチモルフ・アクチュエータの領域における複数のアーマチュアの１つの横断面構成図であって、複数の電気接続部間の関係を示す。図５Ａおよび５Ｂは、開成リレー状態（図５Ａ）及びクローズされたリレー状態（図５Ｂ）にあるラッチング及び接点メカニズムを有するリレー領域の複数の横断面を示す。１つの接点アーマチュアの曲げ機能は、リレーが完全にクローズしてラッチされた状態を示す図５Ｂにおいて示されている。
【００２４】
図２Ａ、２Ｂ及び２Ｃは、装置の３つの動作状態における負荷アーマチュアの横断面図を示している。図２Ａは、リレーが受動的状態にあるときの負荷アーマチュアである。図２Ｂは、１つのリレーが１つのアクティブ状態に追い込まれたときにアーマチュアに誘起される曲率を示す。図２Ｃは、ラッチされた状態にあるときのリレーに誘起される１つの曲率を示す。
【００２５】
図３Ａ、３Ｂ及び３Ｃは、装置の同じ３つの動作状態にある１つの圧電マルチモルフ・アクチュエータ・アーマチュアの横断面を示す。図３Ａは、リレーが受動的状態にあるときのアクチュエータ・アーマチュアである。図３Ｂは、１つのリレーが１つのアクティブ態に追い込まれたときにアクチュエータ・アーマチュアに誘起される曲率を示す。アーマチュア電極接触が図３Ｃで見られ、この図はリレーがラッチされた状態のときにアクチュエータ・アーマチュアに誘起される１つの可能な曲率を示す。
【００２６】
図６から図１０までは１つの代替実施形態を示す。図６は、１つの主アクチュエータとして１つのサーマル・マルチモルフを使用する１つの実施形態の１つの機能平面図である。図６と並んで示されている２つの横断面図は図７Ａ及び８Ａであり、これらは、夫々、１つの負荷アーマチュアとサーマル・マルチモルフ・アクチュエータ・アーマチュアとの横断面図である。図９は１つのマルチモルフ・アクチュエータの領域における複数のアーマチュアの１つの横断面構成図である。前の実施形態についての図５Ａ及び５Ｂと同様に、図１０Ａ及び１０Ｂは、ラッチング及び接点メカニズムが開成リレー状態およびクローズされたリレー状態にあるリレー領域の横断面を示す。
【００２７】
図７Ａ、７Ｂ及び７Ｃは、装置の３つの動作状態における負荷アーマチュアの横断面図である。図７Ａは、リレーが受動的状態にあるときの負荷アーマチュアである。図７Ｂは１つのリレーが１つのアクティブ状態に追い込まれたときにアーマチュアに誘起される曲率を示す。図７Ｃは、ラッチダウンされた状態においてリレーに誘起される１つのリレー曲率を示す。
【００２８】
図８Ａ、８Ｂ及び８Ｃは、装置の同じ３つの動作状態における１つのサーマル・マルチモルフ・アクチュエータ・アーマチュアの横断面図である。図８Ａは、リレーが受動的状態にあるときのアクチュエータ・アーマチュアである。図８Ｂは、リレーがアクティブ状態に追い込まれたときのアクチュエータ・アーマチュアを示す。図８Ｃにおいてアーマチュア電極接触が見られ、この図はラッチされたリレー状態にあるときのアクチュエータ・アーマチュアに誘起される１つの取り得る曲率を示す。
【００２９】
リレーの発明の１つの他の実施形態では、リレーを、図１１に示されているように、複数のアクチュエータ・アーマチュア構造で構成することができる。このリレーは、アクチュエータ・アーマチュアが負荷アーマチュアに対して垂直になっている状態で示されている。いろいろな数のアクチュエータ・アーマチュア或いは負荷アーマチュアを有するこの様な複数の構成は、主として、当前記技術分野の熟練設計者の決定による。図１２は、この実施形態の負荷アーマチュアの１つの横断面構成を示す。図１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ及び１３Ｄは、本実施形態の４つの動作状態におけるリレーのアクチュエータ・アーマチュアの横断面構成図である。各々の図は、装置を閉成する動作を行わせる複数のサーマル・アクチュエータ・アーマチュアと、装置を開成する動作を行わせるサーマル・アクチュエータ・アーマチュアと、複数の接点電極を囲む接点アーマチュア領域とを示す。図１３Ａは、リレーが受動的状態にあるときのアクチュエータ・アーマチュアを示す。図１３Ｂは、リレーがアクティブ状態に追い込まれたときにアクチュエータ・アーマチュアに誘起される曲率を示す。図１３Ｃは、ラッチされた状態にあるときの複数のアクチュエータ・アーマチュアを示す。図１３Ｄは、１つのアーマチュアが１つの駆動開成状態にある際の複数のアクチュエータ・アーマチュアを示す。
【００３０】
本発明は、１つのマイクロ機械加工されたスイッチング装置の発達において複数のマルチモルフ・アクチュエータと複数の静電状態保持メカニズムとの機能的組合せを取り入れた１つの新種のリレーである。複数のエレメントのこの組合せは、複数の高力マルチモルフ・アクチュエータの利点を、マイクロ・ファブリケーションされた複数のリレーにおける高度に確実な、低電力消費量でのゼロ電力静電容量ラッチングの利点とともに提供する。以下の説明は、始めに複数のアクチュエータ技術のこの機能的組合せを論じ、次に本発明の幾つかの具体的実施形態について詳しく論じる。
【００３１】
１つのリレーは、制御信号路が負荷信号路から絶縁されているという特徴が付け加えられている１つのスイッチング装置である。この様な１つの装置は、１つの鋭敏な負荷信号（１つのデータストリーム又は試験装置信号など）の完全性を劣化させる可能性のある複数の変動或いは不規則性を有する可能性のある複数の制御信号から干渉を受けずに、変化する或いは鋭敏な複数の信号のスイッチングを可能にする。これは、また、負荷信号が何らかの形で危険であり得るような複数のアプリケーションにおいて制御電子装置を保護する。１つの高電圧又は高電流負荷信号は、もし複数の制御信号路との相互作用が可能にされれば、複数の制御電子装置に過負荷をかける可能性がある。ＲＦ電力は容量性結合又は誘導性結合の故に完全には抑制され得ないので、複数の無線周波数装置は制御電子装置を複数の信号負荷から高度に絶縁させることを必要とすることが良くある。大抵のリレーは、負荷信号回路が１）開成しているか或いは２）閉成しているかを定める２つの安定動作状態を有する。この様な１つの装置は直流電流、低周波数、及び無線周波数アプリケーションにおける多様なアプリケーションにおいて１つの大切なコンポーネントを形成し、複数のリレーのマイクロ・ファブリケーションバージョンを作ろうとする多くの努力が産業上の利益を証明している。
【００３２】
複数のマルチモルフ作動メカニズムは、中位の電力要件（連続動作で数十μＷから数十ｍＷまで）で中位の距離（数十μｍからｍｍまでのアーマチュア偏向）にわたって高速（マイクロ秒からミリ秒までの作動時間）で同等に高い力（ｍＮからＮまでの接触力）を作る能力を持っているために数十年前から複数のスイッチング装置の特徴をなしていた。この発明において複数の電気的負荷信号接触を作ったり切断したりするためにマルチモルフ・アクチュエータ技術が用いられて中位の複数の接触力を発生させる。しかし、複数のマルチモルフ・アクチュエータ技術は、背景の節で論じられた複数の重大な欠点のうちの幾つかを有する可能性がある。或る複数の技術は例えば一定の電力が持続することを必要とするが、他の或る技術は、長い期間（数秒から数年）にわたって１つのアクチュエータ駆動信号又はリレー状態が保たれれば弱化、信頼性欠如或いは破損を生じる。
【００３３】
これらの望ましくない属性を回避するために、本発明は、リレー状態を保持する低電力、非破壊性選択肢を提供するために１つの副次的なメカニズムをマルチモルフ・アクチュエータと結合させる。静電作動は、その低電力消費量（ｎＷからμＷまで）及び速い閉成時間（１００ナノ秒から１００マイクロ秒まで）のために、マイクロ・ファブリケーションアクチュエータ業界において長い間１つの中核技術であった。しかし、これらの装置について典型的な複数の力（１μＮから０．５ｍＮまで）及び複数のアクチュエータ移動距離（１から１０μｍまで）は非常に限られていて、従って大抵の静電リレー努力は、リレー挿入ロス、信頼性（両方とも接触力に関連する）、絶縁、及びスタンドオフ電圧（両方ともギャップ分離に関連する）に関して苦しんでいる。
【００３４】
本発明は、２つの作動技術を組み合わせて各々の利点を利用するので、従来の複数のマイクロ・ファブリケーション・リレーより優れている。本発明では、静電アクチュエータは装置を１つの状態に保つために使われ、この状態を達成するために必要な仕事の大半は同等に強力なマルチモルフ・アクチュエータによって実行される。この様な組合せでは、各アクチュエータの複数の利点が実現され、それぞれの欠点は無くされる。
【００３５】
本発明は、１０μｍと１０ｍｍとの間の全幅及び全長の総平面寸法を有する複数のマイクロ・ファブリケーションされたリレーを論じる。１つの特定のデザインのために選択される平面寸法は、主として、必要とされる速度と、スイッチングされるべき信号負荷の電力レベルとに依存し、複数の範囲は前もって定められる。速い又は非常に速いスイッチングを必要とする複数の装置は与えられた複数のサイズ範囲の下端で設計され、高い又は非常に高い複数の信号負荷を扱う複数の装置は、推奨される複数の範囲の上端付近の複数のサイズを有するであろう。
【００３６】
本発明に従う、低から中位の信号負荷及び中位から速いスイッチング速度で使用されるように意図されている１つの装置は７５μｍから１．５ｍｍの間の複数の平面寸法を持ちえると期待される。この様な複数の寸法は中距離無線通信装置、送信フェーズドアレー・アンテナ電子装置、或いは一般的電気通信スイッチング・アプリケーションに適するであろう。複数の多目的産業用リレーや高電力ＲＦシステムなどの、高い又は非常に高い信号負荷スイッチングが必要で複数の低速度が許容される複数のアプリケーションでは本発明による複数の装置の総平面寸法は０．５から１０ｍｍであり得ることが考えられる。複数の短距離無線通信装置、アンテナ受信電子装置、或いはある種の自動試験装置などの複数の高速を必要とする軽い又は非常に軽い信号負荷を有する複数のアプリケーションは１０から１５０μｍの間の複数の平面寸法を有する本発明に従う複数の装置を要求するであろうということも考えられる。総平面リレー長さ及び幅のこれらの範囲の各々は、本発明の応用に関して程よいと考えてよいであろう。更に、同じ装置について相反する速いスイッチング速度及び高い信号負荷という必要条件を要求する複数のアプリケーションは装置が提案された複数の範囲内の何処かにある複数の平面寸法で設計されることを必要とするであろうということも分かる。
【００３７】
詳細な説明の全体にわたって、１つの特定の信号負荷或いはスイッチング速度を定める複数のアプリケーションのためにいろいろなエレメントについて複数の可能な材料及びサイズが提案されている。本発明についてもくろまれた１つのアプリケーションのために材料及びジオメトリーの選択の１つの具体例を調べるのが教訓的であろう。１つの第１の実施形態が本発明の応用に当たって可能な１つのデザインを表すように、程よい複数のスイッチング速度に配慮した複数の低信号負荷を有する１つのアプリケーションを考察する。この実施形態は図１−５に示されている。
【００３８】
図１は本発明の１つの一般的クラスの１つの機能平面構成図であり、ここでは１つのカンチレバー負荷アーマチュアと１つのカンチレバー・アクチュエータ・アーマチュアとが１つの共通端部において固定され、反対側端部において自由に偏向し得るようになっており、これらの自由端部は１つの接点アーマチュアによって互いに機械的に結合される。装置に埋め込まれても良い複数の電気接続部及び電極などの複数のエレメントが描かれているので、図１は１つの真の平面構成図ではない。全ての固定されたエレメントが透明な材料から作られて、複数の導体が装置を通る視線を妨げるならば、図１により与えられる眺めは正確であろう。複数のエレメントは平面図においても一貫したクロスハッチングで示され、複数の表面下のエレメントは実線の輪郭ではなくて破線の輪郭で示されている。
【００３９】
図１と並んで示されている２つの横断面図は図２Ａ及び３Ａであり、これらは負荷アーマチュア及びアクチュエータ・アーマチュアを夫々示している。図４は、１つのマルチモルフ・アクチュエータの一般的領域における複数のアーマチュアの１つの横断面構成図であって、複数の電気接続部及び絶縁体を示す。図５Ａ及び５Ｂは夫々、開成リレー状態およびクローズされたリレー状態にあるラッチング及び接点メカニズムを有する前記領域の複数の横断面を示す。１つの接点アーマチュアの屈曲が図５Ｂに示されており、これらは完全に閉成し、かつラッチされた状態にあるリレーを描いている。
【００４０】
本リレー発明の１つの側面は、複数のアーマチュアの機能性であり、各々が１つの負荷信号及び／又は１つの制御信号の伝送を行うか否かである。前記平面図及び側視横断面図を調べて、論じられている各エレメントの位置及び機能に注意するのが教訓的であろう。１つの固定されたベース（１０１）は、堅くて一体的な１つの領域であって、一緒に固定されて機械的強度を提供する１つの数の半導体、金属、又は誘電性のエレメントから成っていて良い。固定されたベースの全体的サイズは、付けられているリレーの最大サイズとその負荷信号処理能力とを定めるのに役立ち得る。１つのベース基板（１０２）は１つの固定されたベースの一部を備え、これらは、ガラス、ポリイミド又はその他のポリマー、アルミナ、石英、ガリウム砒素、或いはシリコンなどの１つ以上のマイクロ・ファブリケーション可能な誘電体又は半導体材料から成っていて良い。この実施形態におけるベース基板は厚さが２５０μｍで各平面次元に少なくとも１ｍｍである磨かれた石英であって、自動化製造、包装、及びシステム挿入を容易にするのに十分な大きさのマイクロ・ファブリケーション品質の材料の１つの堅いベースに配慮している。
【００４１】
この固定されたベースに、装置によってスイッチングされるべき信号の入力及び出力の電気路を表す１つの第１負荷信号ライン（１０３）および１つの第２負荷信号ライン（１０４）が付けられている。固定されたベースに、１つの第１駆動信号ライン（１０５）及び１つの第２駆動信号ライン（１０６）、装置を作動させる１つの駆動信号が与えられる複数のリード線も付けられている。本発明に従う多くの装置において複数の駆動信号ラインは電気路であろうということが目論まれている。固定されたベースに１つの第１ラッチ信号ライン（１０７）および１つの第２ラッチ信号ライン（１０８）が取り付けられ、これらは、装置の状態をラッチするための複数のラッチ信号を与えられる複数のリード線である。本発明において使用されるラッチング・メカニズムは複数の容量性電極の静電引力であるので、このラッチ信号は第１ラッチ信号ラインと第２ラッチ信号ラインとの間の電位差であり、従って電気路である。
【００４２】
図１−５により示されている実施形態では、複数の負荷信号ラインは、０．４μｍの厚さの１つのニッケル付着めっき層を有する、低リレー電気抵抗のための４μｍの厚さのめっきされた金合金から作られる。この様な１つのメタライゼーションは軽い負荷信号から中位の負荷信号までのために複数の低ロス・ラインを可能にするために十分な厚さで且つ十分に低い抵抗率であり、ニッケルは、金の電気的性能を著しく妨げない１つのめっき層を提供する。この実施形態の複数の制御信号ライン及びラッチ信号ラインは、金メッキされていない０．４μｍのニッケル材料から製造され得る。複数の制御信号ライン及びラッチ信号ラインでは負荷電力は伝導されないので、金の低い低効率は不要であるかも知れず、これを省くことによって複数の低製造コストを実現することができる。ワイヤ・ボンディング或いはフリップチップ取り付けなどの複数の装置包装プロセスのために金は重要であるかも知れず、その様な場合には金めっきを用いることができる。
【００４３】
この発明の１つのアプリケーションでは、任意の電気路、ライン、又は電極エレメントに用いることのできる一組の材料は、導体とも称される一組の伝導性材料である。本発明に従う複数のリレー・エレメントを製造するために使われる複数の導体は、高度にドーピングされた半導体のそれと同等の、０．２オーム・センチメートル以下の抵抗率を有するものとして定義される１つの低抵抗率を有する複数の材料から選択されて良い。本発明に従う或る装置では、使用され得る複数の材料は、金、銅、銀、プラチナ、ニッケル、及びアルミニウムなどの複数の金属を含む。本発明に従う他の複数の装置では、使用され得る複数の材料は、ドーピングされたシリコン、ガリウム砒素、シリコンゲルマニウム、リン化インジウムなどの半導体を含む。１つの全体としての低い低効率を有する任意の合金又は複数の金属又は半導体の組合せを使用し得ることも目論まれている。
【００４４】
本発明に従う複数の装置では複数の電気路のための材料の複数の厚さは、アプリケーションと、利用し得る複数の製造技術とに応じて０．１から１００μｍにわたって良いと考えられる。本発明に従う１つの装置における１電気路又はラインの厚さは、電気的要件及び製造要件が異なるために、同じ装置の第２の電気路又はラインの厚さと著しく異なっても良いということも更に考えられる。一般に、どのような経路の電気抵抗もその抵抗率、その厚さ、その幅、及びその全長に関連していることが当業者に認められている。その結果として、特に高い及び非常に高い電力の複数の信号負荷について経路抵抗を減少させるように複数の材料及びジオメトリーを選択することによって電力を節約することができる。１つの高い抵抗率及び小さな幅及び厚さを有する複数の材料を使用すれば、リレー・エレメントのジュール加熱という結果をもたらし、また装置内での信号ロスが大きくなり得る。
【００４５】
所望の複数の材料厚さと複数のアプリケーションとの関係を作ることができる。提供される複数の範囲は、複数の電気路が前述のように複数の伝導性材料から作られるということを仮定している。１つの経路の材料厚さは、本発明に従い、複数の低信号負荷及び複数の速いスイッチング時間で用いられるように意図されている１つの装置については０．１及び３μｍの間にわたり得ると考えられる。この様な経路は、同じ幅及び材料のもっと厚い複数の経路より軽く、薄く、そしてもっと高い抵抗を有し、低い又は非常に低い複数の負荷信号電力をスイッチングする複数のアプリケーションにおいて有益であると考えられる。中位の複数の信号負荷及びスイッチング時間を有する複数のアプリケーションに関しては、電気路の材料厚さは前記経路の抵抗率及び幅に依存して０．５と１５μｍとの間にわたり得ると考えられる。高負荷信号スイッチングを必要とする複数のアプリケーションでは、１つの経路の材料厚さは４と１００μｍの間にわたり得ると考えられる。この様な１つの経路は、同じ幅及び材料のもっと薄い複数の経路より質量が大きくて抵抗が低いであろう。
【００４６】
本発明の或る複数の装置では、複数のアーマチュア自体の物理的ジオメトリー、複数の材料特性、及び複数の電気的特性を考慮するべきである。図１−５に示されている実施形態では、１つのアクチュエータ・アーマチュア（１０９）が図１及び３Ａの固定されたベースの１つの領域から吊るされている。このアクチュエータ・アーマチュアは、１つの領域が固定され（１１０）１つの領域が自由に偏向し得る（１１１）１つのカンチレバーの形を成している。本発明に従う或る複数の装置では、シリコン、二酸化珪素、シリコンニトリド、ガリウム砒素、石英、ポリイミド或いはその他のポリマー、或いは１つの金属などのマイクロ・ファブリケーション可能な複数の材料の１つ以上の層から複数のアーマチュアが構成されるということが目論まれている。ここで論じられている実施形態のアクチュエータ・アーマチュアは、化学蒸着又はスピンオン・ガラス法（ｓｐｉｎ−ｏｎ  ｇｌａｓｓ  ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ）によるマイクロ・ファブリケーションを容易にするために選択されて１つの絶縁性の堅いアーマチュア構造を提供する８μｍの厚さの二酸化珪素の１つの層を含む。
【００４７】
１つのカンチレバー・ビームの垂直スチフネスは厚さに関して１つの３次に、長さに関しては１つの逆３次に関連し、ビームの幅に関してほぼ線形であることが認められている。その結果として、設計に関して、基板に垂直な１つの垂直方向に偏向すると期待される１つのビームについては厚さと長さとは幅より重要である。この様なアーマチュアの全体としての厚さは、アプリケーション、長さ、及び製作に用いられる製造技術に依存して０．２μｍから１ｍｍにわたるであろうと考えられる。本発明に従う１つの装置において１つのアーマチュアは５μｍと５ｍｍとの間の１つの長さを持ち得ると期待するのは合理的である。現在論じられている実施形態のアクチュエータ・アーマチュアは幅が４０μｍで長さが１８０μｍであって、線抵抗（ｌｉｎｅ  ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）を減少させるのに十分な幅と前記アーマチュアを柔軟にするのに十分な長さとを提供する。
【００４８】
信号負荷が非常に低いか或いは低くてスイッチング速度が非常に速いか或いは速いように設計された本発明に従う１つの装置では、アーマチュアの厚さは０．２から４μｍまで、長さは５と５０μｍとの間にわたり得ると考えられる。信号負荷が低いか或いは中位でスイッチング速度が速いか或いは中くらいであるように設計された１つの装置では、１つのアーマチュアの厚さは１から４０μｍまで、長さは２５と５００μｍとの間にわたり得ると考えられる。中位か或いは高い複数の信号負荷と中位か或いは低いスイッチング速度とを必要とする１つのアプリケーションでは、１つのアーマチュアの厚さは１０から４００μｍまで、長さは１００μｍと２ｍｍとの間にわたり得ると考えられる。信号負荷が高いか或いは非常に高くてスイッチング速度が遅いか或いは非常に遅いように設計される１つの装置では、アーマチュアは厚さが２００μｍから１ｍｍの間で長さが１と５ｍｍの間であって良いと考えられる。
【００４９】
論じられているアーマチュアのサイズの複数の範囲は、固体矩形デザインの複数のアーマチュア及びその他のエレメントだけに当てはまるのではなくて１つ以上の寸法が１つの線形又は非線形の関数によって変化する複数のアーマチュア或いはその他のエレメントにも当てはまるということが目論まれている。その様な１つのアーマチュアの一例は、１つの幅から自由端部の１つのより小さい幅まで細くなる１つの負荷アーマチュアであろう。この様な１つの構造は、複数の入力反射を減少させて１つの矩形負荷信号アーマチュアより高い１つの性能を提供するので、複数のＲＦアプリケーションにおいて有益であろう。
【００５０】
図３Ａは、１つの受動的状態にある１つのマルチモルフ・アクチュエータ・アーマチュアの１つの側面構成図である。１つのマルチモルフは異なる特性を有する材料の２つ以上の層から成る１つのエレメントである。示されているバイモルフはその様な層を正確に２つ有する１つのマルチモルフである。１つのマルチモルフ・アクチュエータの複数の材料層は、１つの刺激にさらされたときに夫々異なる量だけ変化する。１つの圧電マルチモルフ・アクチュエータ又はサーマル・マルチモルフ・アクチュエータの場合、前記刺激は、夫々、加えられる電圧又は熱である。１つのバックリング・アクチュエータの場合には、前記刺激は、バックリング感度の方向における１つの機械的変形であって、これはバックリング・エレメントにその結果として生じる物理的挙動により拡大される。各々の場合に、複数の層は１つ以上の面に沿って堅く結合されるので、複数の材料の異なる膨張によってマルチモルフは最大の膨張を有する１つの又は複数の層から反れる方向に曲がろうとする。図１及び３Ａに示されているマルチモルフ・アクチュエータは２つの材料（１１３）及び（１１４）を含む。前記マルチモルフの２つの材料の各々は、与えられた１つの刺激により、異なる量だけ変化する。現在論じられている実施形態では、マルチモルフは１つの圧電バイモルフであって、それらの材料は異なる圧電係数を有する。この実施形態においては、材料（１１３）が２つの材料のうちの最高の圧電係数を有し、エレメント（１１４）は圧電気に関して中性の材料を代表すると目論まれている。この実施形態の圧電アクチュエータは、１つの厚さ６μｍの二酸化ケイ素層上の１つの厚さ１２μｍの鉛ジルコネート・チタネート（ｌｅａｄ  ｚｉｒｃｏｎａｔｅ  ｔｉｔａｎａｔｅ（ＰＺＴ））セラミック層から形成され、量は、容易に達成し得る作動電圧で前記アクチュエータ・アーマチュアを力強くカールさせるのに十分である。
【００５１】
本発明に従う複数の装置により使用される複数の圧電マルチモルフ・アクチュエータは、バリウムチタナイト（ＢＡＴｉ０３）、バリウムチタネート（ＢａＴｉ０）、鉛ニオベート（ＰｂＮｂＯ３）、鉛チタネート（ＰｂＴｉＯ）、鉛ジルコネート（ＰｂＺｒＯ３）、鉛ジルコネートチタネート（”ＰＺＴ”又はＰｂＺｒｘＴｉｙＯ３）などの１つのセラミックから、或いは石英（ＳｉＯ２）、リチウムサルフェート（Ｌｉ２ＳＯ４）、リチウムニオベート（ＬｉＮｂＯ３）、又は酸化亜鉛（ＺｎＯ）などの圧電的に活性の単結晶から作られる圧電的に活性の複数の材料を含み得ることが目論まれている。
【００５２】
本発明に従う複数の装置に使用される複数の圧電マルチモルフ・アクチュエータは、二酸化珪素（ＳｉＯ２）、石英、シリコンニトリド（ＳｉｘＮｙ）、又はドーピングされていないシリコンなどの１つの絶縁性材料から作られた１つ以上のマルチモルフ層を含み得ることも同様に目論まれている。現在論じられている実施形態は、例えば、１つの前記の二酸化珪素アーマチュア層をエレメント（１１４）として使用する。
【００５３】
逆に、本発明に従う複数の装置により使用される複数の圧電マルチモルフ・アクチュエータは、他の複数のマルチモルフ層のそれとは異なる１つの感度を有する圧電的に活性の複数の材料を使用し得るということが目論まれている。本発明の他の複数の装置では、一方又は両方のエレメント（１１３）及び（１１４）がゼロ又は非ゼロの複数の圧電係数を有する複数の材料の複数の層から構成され得るということが目論まれている。
【００５４】
エレメント（１１３）及び（１１４）の複数の材料厚さは、アプリケーション、材料、他の複数のアクチュエータ寸法、及び、製造に使用される製作技術に依存して０．５μｍから１ｍｍまでの範囲にわたって良いということが企図されている。低い或いは非常に低い信号負荷と高い或いは非常に高い複数のスイッチング速度とを必要とする複数のアプリケーションのための本発明に従う複数の装置では、エレメント（１１３）及び（１１４）の厚さは０．５から６μｍにわたり得ると考えられる。複数の中位のマルチモルフ・アクチュエータ厚さ及び付随する複数の能力を必要とする１つのアプリケーションではエレメント（１１３）及び（１１４）の厚さは４から８０μｍにわたり得るということが目論まれている。低い或いは非常に低い複数のスイッチング速度に配慮し、高い或いは非常に高い複数の信号負荷のために高い複数の力を必要とする本発明の或る複数の実施形態は、エレメント（１１３）及び（１１４）の厚さが５０μｍから１ｍｍにわたる複数のアクチュエータを必要とし得るということも更に目論まれている。
【００５５】
複数の圧電マルチモルフ・アクチュエータを使用する本発明に従う複数の装置では、作動のために必要とされる駆動信号は、圧電材料の厚さ又は幅を横断する１つの電圧差であろう。図１及び３Ａは、１つの圧電バイモルフの複数の駆動信号ラインのための１つの可能な構成を示している。ここで議論される図示された実施形態において、複数の駆動信号ラインは、ベース基板の平らな表面の上に突出している固定されたベースの１つの領域の上に作られている。本発明に従う他の複数の装置では複数の駆動信号ラインをベース基板の１つの電気的に絶縁されている領域の直ぐ上に作り得るということが目論まれている。図３Ａは、夫々圧電材料（１１３）の上面及び底面への駆動信号接続部（１４０）及び（１４１）を描いている。これらの駆動信号接続部（１４０）及び（１４１）は、夫々、第２及び第１駆動信号ラインに付けられている。上側の第１駆動信号接続部（１４０）は第２駆動信号路から圧電バイモルフ材料へ伸びていることが図１で容易に見ることができる。第１駆動信号路からの下側の第２駆動信号接続部（１４１）は圧電材料の下で見えなくなっている。
【００５６】
１つのアーマチュア電極（１１５）がアクチュエータ・アーマチュアの自由端に取り付けられて名目上基板表面と相対しており、この電極は１つの伝導性第１ラッチ信号路（１１６）によって第１ラッチ信号ライン１０７に電気的に付けられている。アーマチュア・ラッチダウン電極の下でベース基板に付けられているのは１つのベース基板電極（１１７）であり、これは１つの伝導性第２ラッチ信号路（１１８）によって第２ラッチ信号ライン（１０８）に電気的に付けられている。ラッチ信号は１つの電位差なので、アーマチュア電極、ベース基板電極及び第１及び第２ラッチ信号線に至るこれらの複数の導電経路は、電気路である。他の複数の電気路の場合と同じく、アーマチュア電極及びベース基板電極を作るために複数の導体を使用し得ることを目論むことができる。同様に、本発明に従う複数の装置の複数のアーマチュア電極及びベース基板電極の複数の材料厚さは、前記のようにアプリケーション及び材料に依存して０．１と１００μｍの間にわたり得るということが考えられる。
【００５７】
アーマチュア電極及びベース基板電極の平面の面積は２５μｍ２と２５ｍｍ２との間にあると期待される。本発明に従う或る複数の装置については、アーマチュア電極の平面面積は、アクチュエータ電極が位置するマルチモルフ・アクチュエータの平面サイズの少なくとも半分であろうということが目論まれている。本発明に従う或る複数の装置における複数の電極の領域形状は正方形、矩形、円形、或いは複数の平面幾何学図形の何らかの組合せであることが目論まれている。
【００５８】
非常に速い複数のスイッチング速度で非常に低い複数の信号負荷を処理する装置などの、非常に小さい総寸法を有する複数の装置では、アーマチュア・ラッチ電極及びベース基板電極は各々平面領域が２５と５００μｍ２の間であろう。速い複数のスイッチング速度で複数の低い信号負荷を処理する装置などの、総寸法が小さい複数の装置では、アーマチュア・ラッチ電極及びベース基板電極の平面領域は各々３００と５０，０００μｍ２との間であろう。更に、中位のサイズを有する本発明の他の複数の装置では、アーマチュア・ラッチ電極及びベース基板電極の平面領域は各々３０，０００μｍ２と２ｍｍ２との間であるということも目論まれている。１つの特定の装置がおよそ１ｍＮ以上の静電ラッチ信号生成に大きな複数の領域を必要とするならば、アーマチュア・ラッチ電極及びベース基板電極の平面面積はそれぞれ１から２５ｍｍ２までにわたり得ることが目論まれる。
【００５９】
現在論じられている実施形態の金負荷信号ラインなどの複数の低抵抗伝送ラインは１つの静電容量電極のためには一般的には不要である。複数の容量性電極間の１つの電圧を生じさせ或いは消散させるために大したＤＣ電流は必要でない。不要な場所にある厚い金属を無くすることによってリレーの全体としてのサイズ及び重量を減少させてスイッチング速度を高めることができる。現在論じられている実施形態については複数のラッチ電極の各々の矩形面積は１０，０００μｍ２であり、これらの電極はラッチ信号ライン及び制御信号ラインと同じく０．４μｍの厚さのニッケルから作られる。このニッケルは複数の金負荷信号ラインのためのめっき平面として使われるものと同じであって、このことは製造を簡単化する。
【００６０】
本発明の現在論じられている実施形態では、アーマチュアが偏向させられるときにアーマチュア電極とベース基板電極との間に電気的接触が生じるのを防止するために１つのラッチ電極絶縁体（１１９）を使用し得るということが目論まれている。ラッチ信号は１つの差動電圧であるので、この様な電気的接触はこの信号の短絡という結果をもたらす可能性があり、それは１つの潜在的に破壊的な事象である。ラッチ電極絶縁体は絶縁性材料から作られ、ここで１つの絶縁性材料は１０オーム・センチメートル以上の１つの抵抗率を有する１つの材料として定義される。本実施形態の電極絶縁体は、複数の高品質で薄いシリコンニトリド・フィルムを利用し得るので、厚さが０．１μｍのシリコンニトリドの１つの層から成る。
【００６１】
本発明に従う複数の装置では、１つのラッチ電極絶縁体のために使用しえる複数の絶縁材料は、ドーピングされていないシリコン、シリコンニトリド、二酸化珪素、石英、或いはポリイミド或いはその他の絶縁性ポリマーなどの複数の絶縁性マイクロ・ファブリケーション材料を含み得るということが目論まれている。１つのラッチ電極絶縁体のために使用される材料は本発明に従う１つの装置に使用される他の複数の材料層と比べて薄くて、０．０５から２μｍの範囲の厚さを持ちえるということが目論まれている。非常に低いか或いは中位の複数のアクチュエータ・サイズを有する或る複数の装置における１つのラッチ電極絶縁体の材料厚さは０．０５と０．４μｍとの間にわたり得るということが目論まれている。この様な１つの範囲は、複数の絶縁材料の複数の薄い層が利用可能であって電界強度による誘電体の破壊を防止するのに十分な品質である１つのアプリケーションにおいて求められるであろう。中位から非常に大きい複数のアクチュエータ・サイズを有し、複数の高品質の絶縁材料の複数の薄い層を利用できない或る複数の装置では、１つのラッチ電極絶縁体の厚さは０．３と２μｍとの間にあり得るということが目論まれている。
【００６２】
本発明の現在論じられている実施形態では、ラッチ電極絶縁体はベース基板電極の上面取り付けられると目論まれている。本発明に従う他の１つの装置では、ラッチ電極絶縁体をアーマチュア電極の下面に取り付けることができるということが認められている。他の複数の装置では、ラッチ電極絶縁体を複数の電極の間に吊るして、リレー構造の複数の端に何らかの方法で機械的に取り付けることができると考えられる。複数の電極及び絶縁体は１つの膜のような１つの連続的フィルムでなくても良くて、これらがもし固定されているベースに最終的に機械的に結合されるのであれば、種々の装置において１つの穴、ライン、又はグリッド・パターンをなしても良いと考えられる。
【００６３】
図１−５に示されている実施形態は、そのデザインにおいて１つの第２の主要なアーマチュアを特徴としており、それは図１及び２Ａの固定されたベースの１つの領域から吊るされている１つの負荷アーマチュア（１５９）である。アクチュエータ・アーマチュアと同様に、この負荷アーマチュアは、１つの領域が固定され（１６０）て１つの領域が自由に偏向する（１６１）１つのカンチレバーの形を成している。本発明に従う或る複数の装置では、シリコン、二酸化珪素、シリコンニトリド、ガリウム砒素、石英、ポリイミド或いはその他のポリマー、又は複数の金属などのマイクロ・ファブリケーション可能な複数の材料の複数の層で複数のアーマチュアを構成し得ると目論まれている。論じられている実施形態のアクチュエータ・アーマチュアは、マイクロ・ファブリケーション技術と矛盾しない１つの絶縁性の堅いアーマチュア構造を提供するように選択された８μｍの厚さの二酸化珪素の１つの層を組み入れている。
【００６４】
アクチュエータ信号アーマチュアのカンチレバー・ビームの場合と同様に、基板の平面に垂直な１つの垂直方向に偏向すると期待される１つのビームについては１つのマルチモルフ・アクチュエータ・アーマチュアの厚さと長さとは幅よりも設計上重要である。論じられている実施形態の負荷アーマチュアは長さが１８０μｍで幅が２５μｍである。
【００６５】
名目上ベース基板と相対する１つの場所で図２Ａのアーマチュアに１つのアーマチュア接点エレメント（１２０）が取り付けられており、これは１つのアーマチュア接点エレメント経路（１２１）によって第１負荷信号ラインに電気的に接続されている。本発明に従う或る複数の装置では、アーマチュア接点エレメント、伝導路、及び第１負荷信号ラインは、製造を容易にするように同様の複数の材料及び厚さである。本発明に従う他の複数の装置では、接点自体の複数の機械的特性及び電気的特性を改善するためにアーマチュア接点エレメントは伝導路及び第１負荷信号ラインとは異なる１つの材料及び厚さから成るということが目論まれている。或る複数の装置では、性能の改善或いは製造を容易にすることに関連する複数の理由から、アーマチュア接点エレメント、伝導路、及び第１負荷信号ラインは異なるいろいろな材料及び厚さで構成されるということが目論まれている。議論された実施形態における第１アーマチュア接点エレメント経路は厚さが５μｍの１つの金合金から作られる。
【００６６】
本発明に従う複数の装置におけるアーマチュア接点エレメントのサイズは、総面積が０．５μｍ２及び１ｍｍ２の間であろう。具体的な領域形状は、１つの正方形、円、楕円、或いは何らかの非標準的幾何図形であると目論まれている。非常に低いか或いは低い複数の信号負荷の複数のアプリケーションで使用され得る本発明に従う複数の装置では、アーマチュア接点エレメントの面積は０．２５と３０μｍ２との間であろう。低いか或いは中位の複数の信号負荷により適している複数の装置では、アーマチュア接点エレメントの面積は２０と３，０００μｍ２との間であろう。高いか或いは非常に高い複数の信号負荷の処理に適する複数の装置ではアーマチュア接点エレメントの総面積は２，０００μｍ２と１ｍｍ２との間であろうと更に目論まれている。
【００６７】
接点エレメントの性能要件は、本発明に従う１つの装置で使用される他の電気路材料のそれより優れた機械的磨耗特性を提供するために種々の材料層の使用を必要とすることがあろう。１つの装置では、その様な種々の層は、名目上の接点エレメント表面の下或いは上のニッケル、タングステン、レニウム、ロジウム或いはルテニウムなどの複数の堅い金属の複数の層を含み得るということが目論まれている。これらの金属及び他の複数の低抵抗率金属の複数の合金又は層化組合せを用いてアーマチュア接点エレメントを作ることができるということが更に目論まれている。本発明に従う複数の装置では、アーマチュア接点エレメントに用いられる各材料はアプリケーションに適する１つの厚さを持つであろうと期待され、それは０．１から１００μｍにわたりそうである。１つの与えられたアプリケーション及び実施形態についてエレメントの深さ及び形状の違いに配慮して、アーマチュア接点エレメントの厚さはその平面領域にわたって変化し得るということが目論まれている。
【００６８】
非常に低い或いは低い複数の信号負荷アプリケーションに適する本発明に従う複数の装置におけるアーマチュア接点エレメントの材料厚さは０．１と２μｍとの間にわたり得るということが目論まれている。その様な接点エレメントは、同じ材料及び平面幾何学的形状のより厚い複数の経路より軽くて薄く、より高い抵抗を有するであろう。低い或いは中位の複数の信号負荷に適する１つの装置では、エレメントの材料厚さは０．５と１０μｍとの間にわたって良い。同じ材料の他の可能なマイクロ・ファブリケーションされた複数のエレメント及び経路と比べて、このようなエレメントは中位の質量及び抵抗を有するであろうと目論まれている。高いか或いは非常に高い複数の負荷信号電力をスイッチングすることのできる他の複数の装置では、経路の材料厚さは５と１００μｍの間にわたることができる。このようなエレメントは、同じ材料のより薄い複数のエレメントと経路とに比べて高い質量及び低い抵抗を有するであろうということが目論まれている。図１−５に示されている実施形態では、接点エレメントは信号ラインに使われる同じ金合金で作られ、信頼性の高い接触性能のために１つの硬くて耐摩耗性接点領域を提供するべく１つの湾曲した０．５μｍのレニウムのオーバープレートが付け加えられる。
【００６９】
接点エレメント、経路、及び信号ラインのジオメトリーに関する複数の詳細は、図１及び２に示されている特定の相対的配置には限定されないと認められる。本発明に従う或る複数の装置では、伝導路は頂部に固定されるのではなくてアーマチュアの底部に取り付けられるかアーマチュアの中心を横切っても良いということが目論まれている。従って、その様な複数の相対的配置が図６−１０及び図１１−１３に示されている第２実施形態及び第３実施形態に存在する。或る複数の装置では、伝導路は図１Ａの描写とは異なってアーマチュアの材料の大半を表すことができ、このことは導体がアーマチュアを含む複数の他の材料より重要ではないことを示唆する。逆に、他の複数の装置では、アーマチュア導体の機械的特性はアーマチュア構造の機械的特性の全てを支配しない。或る複数の伝導性材料が長期にわたる不快な機械的劣化にさらされるということが認められるので、その様な１つのデザインが望ましいであろう。同様に、アーマチュア接点エレメントのジオメトリーは、平らな幾何学的形状には限定されなくて、湾曲した、或いは階段状の、或いは表面に凹凸のある形状を含んでも良いということが目論まれている。
【００７０】
図２Ａに示されている第１アーマチュア接点エレメントと向かい合う１つのベース基板接点エレメント（１２２）があり、これは幾つかの伝導路（１２３）によって第２負荷信号ラインに電気的に接続されている。ベース基板接点エレメント、第２の負荷信号ライン、及び伝導路のジオメトリー、複数の材料及び厚さは、装置の可能性に関して図１−５に示されている実施形態についてアーマチュア接点エレメント、第１信号ライン及び伝導路の場合と同様に考察されるべきである。
【００７１】
図１に存在するけれども図２Ａ或いは３Ａの横断面図では見えない数個のエレメントは、リレーの接点アーマチュア（１２４）を画定するエレメントである。接点アーマチュアは、１つの主アーマチュア或いはアーマチュア電極に堅く結合（１２５）された１つの領域から自由に偏向（１２６）し得る１つの領域へ伸びている。この堅い結合と自由領域との機能上の価値は、図５Ａ及び５Ｂの横断面構成図についての議論において現れる。接点アーマチュアは所定の１つの絶縁材料から作られて良いと目論まれている。本発明に従う或る複数の装置では、接点アーマチュアは負荷アーマチュア又はアクチュエータ・アーマチュアの複数の不活性エレメントと同じ材料であって良いということが認められている。その様な１つの装置では、接点アーマチュアはこれらのエレメントと一体をなして堅く結合されているということが目論まれている。
【００７２】
本発明に従う複数の装置では、接点アーマチュアのために使われる複数の絶縁材料はシリコン、シリコンニトリド、二酸化珪素、石英、或いはポリイミド或いはその他の絶縁性ポリマーなどの複数のマイクロ・ファブリケーション材料を含み得るということが目論まれている。１つの接点アーマチュアのために使われる材料は、材料、アーマチュアのジオメトリー、及びリレーのアプリケーションに依存して厚さが０．３μｍから１ｍｍまでにわたって良いと目論まれている。非常に低い或いは低い信号負荷のために設計された複数の装置では、１つの接点アーマチュアの材料厚さは０．３と８μｍとの間にわたって良いと目論まれている。低い或いは中位の信号負荷の複数のアプリケーションのために設計された複数の装置では、材料厚さは４と８０μｍとの間にわたり得ると目論まれている。中くらい或いは高い複数の信号負荷のためのものなどの、堅くて厚い複数の接点アーマチュアを必要とする複数のアプリケーションに用いられるべき複数の装置においては、材料の厚さは５０と３００μｍとの間にわたり得る。複数の大きな平面寸法を有し、高い或いは非常に高い複数の信号負荷の複数のアプリケーション向けに設計された他の複数の装置では、材料の厚さは２００μｍと１ｍｍとの間にわたり得る。
【００７３】
接点アーマチュアの複数の平面寸法の大きさは、負荷信号アーマチュア及びマルチモルフ・アクチュエータ・アーマチュアの大きさと同等以下であると目論まれている。その様な複数の平面寸法は、アプリケーション、材料厚さ、及びラッチされた状態のリレーに必要とされる接触力に依存して幅及び長さの各々に関して２μｍと５ｍｍとの間にわたると目論まれている。非常に低い或いは低い複数の信号負荷が複数の速いスイッチング速度でスイッチングされなければならない本発明に従う複数の装置では、複数の平面寸法は２と２０μｍとの間にわたり得る。低い或いは中位の複数の信号負荷がスイッチングされる複数の装置では、複数の平面寸法は１０と２００μｍとの間にわたり得ると目論まれている。中位或いは高い複数の信号負荷を複数の低速でスイッチングさせる複数のアプリケーションのための他の複数の装置では複数の平面寸法は１００μｍと１ｍｍとの間にわたり得ると考えられる。高い或いは非常に高い複数の信号負荷を遅い或いは非常に遅い複数の速度でスイッチングするより大きな複数の装置では、複数の平面寸法は０．５と５ｍｍとの間にわたり得る。負荷信号アーマチュアの場合と同じく、この様な複数の範囲は、頑丈な矩形デザインの複数のエレメントだけではなくて、１つ以上の寸法が線形又は非線形の関数によって変化する複数のエレメントにも当てはまると目論まれている。
【００７４】
図１−５に示されている実施形態の接点アーマチュアは幅が１００μｍの二酸化珪素ビームであって、その長さは１００μｍで厚さは６μｍである。この様な１つの装置は、中位の速度で中位の電力処理能力のために必要とされる動作性能を提供することができて、圧電マルチモルフ作動及び静電ラッチング・メカニズムを前記複数の接点自体で必要とされる力を備える。
【００７５】
図４は、図１に示されている装置の１つの横断面構成図であって、マルチモルフ・アクチュエータを組み込んだリレーの部分を示している。ベース基板（１０２）及び固定されたベースの一部分がこの図に存在し、図２Ａ及び３Ａの複数のアーマチュアはベース基板の上面の上に吊るされている。本発明の現在論じられている実施形態では、図４のマルチモルフは１つの圧電マルチモルフ・アクチュエータであると考えることができる。前記アクチュエータは、夫々上面及び底面への上側第１駆動信号接続（１４０）及び下側第２駆動信号接続（１４１）の複数の電気接続部を有する１つの頂部圧電材料（１１３）を含む。
【００７６】
現在論じられている実施形態では、下側材料（１１４）は圧電的に中性であって良い。この下側材料（１１４）の底面にはアーマチュア電極の電気接続部（１１６）が取り付けられている。本発明に従う他の複数の装置ではアーマチュア電極は下側材料の中央又は頂部に取り付けられ得ると認められている。第１アーマチュア接点エレメントの電気接続部（１２１）が第２アーマチュア接点エレメントの電気接続部（１３８）と同じく図４に示され、図示された実施形態において負荷アーマチュアの上部の平面上に示される。複数の電気接続部の各々は、種々の装置において所望の任意のジオメトリーで任意の絶縁された表面上にあって良いと認められている。複数の電気路及びマルチモルフ・アクチュエータの複数の材料、厚さ、及び組成も同様に、先の実施形態のために論じられたように本発明の範囲内で自由に変更可能である。
【００７７】
図５Ａ及び５Ｂは図１−５に示されているリレー実施形態の横断面構成図を示しており、これらの横断面図は主アーマチュア・システムの自由領域で描かれている。この領域は、リレーが閉成した状態にあるときに電気を伝導する複数の接点エレメントを組み込んであるので、リレー設計の重要箇所であり得ると当業者により認められている。ベース基板（１０２）（固定されたベースの一部）が図５Ａに示され、接点アーマチュア（１２４）がベース基板の上側の表面上に張架される。接点アーマチュアは、アーマチュア・ラッチダウン電極（１１５）の箇所で主アーマチュアに取り付けられており（１２５）、１つの自由端（１２６）を有し、ここにアーマチュア接触エレメント（１２０）が位置する。アーマチュア電極の反対側に、ベース基板電極（１１７）および取り付けられてラッチ電極絶縁体（１１９）がある。ベース基板接点エレメント（１２２）はベース基板の上面上にあってアーマチュア接点エレメントと相対しており、アーマチュア接点エレメントの電気接続部（１２３）はアーマチュアの中心に伸び込んでいる。
【００７８】
接点アーマチュアの曲げ機能が図５Ｂに示されており、これは、リレーが１つの受動的状態ではなくて閉成した状態及びラッチされた状態にあることを除いて図５Ａと同じ横断面を描いており、これらの状態についてすぐ次に詳しく論じる。接点アーマチュアは、一般的にアーマチュア接点エレメントとベース又はカバー基板接点エレメントとの間の接触力の一部を形成する１つの曲げばね力を発生させる。複数のラッチ電極（及び電極絶縁体）間の初期ギャップは、複数の接点エレメント間の元のギャップ間隔より大きく、この差は、リレーが閉成されたときに接点アーマチュアばねが偏向しなければならない量である。本発明に従う或る複数の装置では、接点アーマチュアばね力は複数の接点エレメント間の総接触力であると目論まれている。本発明に従う他の複数の装置では接点アーマチュアは複数の接点エレメント間の総接触力の一部分だけを生じさせると更に目論まれている。更に他の複数の装置では、接点アーマチュアは複数の接点エレメント間の総接触力をごく僅かしか提供しないか或いは全く提供しなくて良いと考えられる。
【００７９】
図２Ａ、３Ａ及び５Ａに示されているリレーの第１安定動作状態は受動的状態として定義され、これは制御信号が装置に加えられていないときのリレーの状態である。これは１つの自然状態であると考えられ、装置の安定性は、１つの与えられたリレーの機械的ジオメトリーと複数の構成詳細とにより定まる。図２Ａ、３Ａ及び５Ａは、現在論じられている実施形態を含む本発明に従って設計された或る複数の装置のこのような状態の複数のアーマチュアの代表的な複数の例を提供する。これらの例では、複数のリレー接点エレメントはかみ合っておらず、マルチモルフ・アクチュエータは名目上中立の１つの応力平衡状態にあり、複数のラッチ電極が分離している。本発明に従う他の複数の装置では、受動的状態のときにマルチモルフ・アクチュエータ・アーマチュア或いは負荷信号アーマチュアは名目上平らになっていなくて上方にカールしていても良いと目論まれている。更に他の複数の装置では、受動的状態のときにマルチモルフ・アクチュエータ・アーマチュア或いは負荷信号アーマチュアは名目上平らになっていなくて下方にカールしていても良いと考えられる。
【００８０】
受動的状態とは違う１つのリレー状態が望まれたならば、１つの駆動制御信号をリレー・アクチュエータに加えることができる。その様な１つの処置の複数の結果の１例は第１アクティブ状態として定義される１つの安定状態であり、この状態では装置の複数の機械的制約が複数のリレー・アーマチュアのそれ以上の偏向を防止する。本発明の或る複数の装置では、第１アクティブ状態は図２Ｂ及び３Ｂの図により表されて良くて、図３Ｂのマルチモルフ・アクチュエータは駆動制御信号により１つの下方にカールしている。アクチュエータ・アーマチュアに誘起された下向き湾曲の一部又は全部が負荷信号アーマチュアに結合されて、これを、アクチュエータ接点エレメント及びベース接点エレメントと係合するポイントまで曲げ得るように、この実施形態では図２Ａ及び３Ａの複数のアーマチュアは機械的に結合されていると考えられる。アーマチュア・ラッチダウン電極の、ベース基板電極のラッチダウン電極絶縁体との密接な接触は、第１アクティブ状態の定義には不要であると認められる。この様な密接な接触は可能であり得て、本発明の図３Ｂの実施形態において例示されている。更に、この様な密接な接触は本発明の１つの異なる実施形態においては生じなくても良いと考えられる。
【００８１】
リレーの動作状態が受動的状態の接点開成から第１アクティブ状態の接点閉成に変化したならば、多くのアプリケーションにおいては、１つの不定期間であり得る期間にわたって接点を閉成した状態に保つのが望ましいかも知れないと認められている。第１のラッチされた状態として定義される１つの付加的なリレー状態は、容量性エレメントに１つのラッチ制御信号を加えてこれらを引き付けて複数の静電力で結合させておくことによって開始される。本発明に従う多くの装置において、この様な１つの処置は、アーマチュア電極が平らになって、閉成した接点が保持されるという結果をもたらすと考えられる。図３Ｃに示されている実施形態はこの様な１つの状態を反映し、ここではアーマチュア電極の平坦化は負荷信号アーマチュアの１つの平坦化に反映されている。
【００８２】
第１のラッチされた状態はアクチュエータからの駆動ダウン制御信号の除去に備え得、リレーは第１のラッチされた状態にとどまる。現在論じられている実施形態を含む或る複数の装置では、ラッチ制御信号を後に除去することによってリレーを受動的状態に戻すことができると考えられる。或る複数の装置では、複数のアーマチュア自体に内在する複数の復元力によって受動的状態への復帰が行われる。他の複数の装置では、１つのマルチモルフ・アクチュエータからの強制的な助力が受動的状態へのリレーの復帰に役立つであろうと考えられる。
【００８３】
本発明における幾つかの装置において、図３Ａ、３Ｂおよび３Ｃに示した圧電によって駆動されるアーマチュアは、圧電的に０でない１つの係数を有する２つ以上のマルチモルフ材料で構成されて良い。そのような装置において、複数の０で無い係数の材料のそれぞれは、前述された複数の圧電セラミックまたは複数の結晶の１つ以上の材料から形成される１つの層であって良い。このようなマルチモルフ・アクチュエーターにおいて、下方の圧電材料は収縮し、上方の圧電材料は膨張し得る。このようなマルチモルフは、１つの固定されたアクチュエータ・アーマチュアの全ての厚さが定められた場合、１つの特定の装置設計に対して二倍の力を生成する事が出来る。
【００８４】
図３Ｂに示唆されるような閉じる力だけでなく開く力を同様に生成するために、１つ以上の圧電層を備えたマルチモルフ・アクチュエーターが使用されても良い事が認識される。本発明における幾つかの装置において、閉じるための駆動信号を反転してその逆数を印加する事によって、マルチモルフの開くための力を得る事が出来ると考えられる。制御信号の極性に基づいて一方の方角へアクチュエーターを駆動する能力が、圧電気のマルチモルフの１つの利点であることが一般に認識される。この利点が、本発明における圧電マルチモルフ装置に存在する事が注目されよう。
【００８５】
図１−５は、単接点アーマチュアを駆動する単一の圧電バイモルフ・アクチュエーターの構造を特色とする実施形態に必要な構造用部材を描いている。本発明は、静電ラッチ・メカニズムを有するマルチモルフ・アクチュエーターによって駆動される任意のリレーの機能的なコンセプトを考慮するように意図されるという事が熟考される。マルチモルフが異なるアクチュエーター材料の組合せで構成されるか、リレーが多接点アーマチュアか、アクチュエーター・アーマチュアか、その双方で構成される更なる実施形態は、本発明の範囲内である。図６−１０は図１−５の物と機能的に等価な第２実施形態における複数のアーマチュアおよびその操作を示す。図６は平面図であり、図７−１０は、第１実施形態と等価な様態による詳細な横断面図である。この第２実施形態の参照番号は、１００からではなくて２００から開始され、明瞭性を保つために、下二桁は第１実施形態と機能的に同様なものを参照している。
【００８６】
図６は、図１のリレーと同様に２つの主アーマチュア構造から成る１つのリレーの１つの機能平面構成図である。図６の複数のエレメントは図１のそれと同様であると考えられるが、複数のアクチュエータ・コンポーネントと、この実施形態の同等の複数のエレメントについてのジオメトリー及び材料の選択に関して複数の違いがある。図１の埋められている複数のエレメントの図解の場合と同じく、明瞭を期して、上からは普通は見えない複数のエレメントの外形が複数の破線で示されている。複数の信号ライン及び経路の具体的なジオメトリー及び位置は設計者の決定に委ねられて、例示を目的として、提供される複数の実施形態において描かれている。前記のように、電気路の複数の材料、厚さ、及び組成は本発明の範囲内で自由に変更可能であると考えられる。
【００８７】
固定されたベース（２０１）、ベース基板（２０２）、第１（２０３）および第２（２０４）負荷信号ライン、第１（２０５）および第２（２０６）駆動信号ライン、及び第１（２０７）および第２（２０８）ラッチ信号線のエレメントは図１の場合と同じく明白である。アクチュエータ・アーマチュア（２０９）が示されており、一端は固定され（２１０）、一端（２１１）はベース基板に垂直な方向に偏向することができる。負荷アーマチュア（２５９）も同様に一端（２６０）が固定され、一端（２６１）が偏向するように示されている。１つのアクチュエーター・ラッチ電極（２１５）が、ラッチ信号制御ラインへの必要なアクチュエーター・ラッチ電極路（２１６）と同様に見て取れる。現在論じられている実施形態では、アクチュエータ・ラッチ電極路はアーマチュアからベース基板へ１つの金属アンカー領域によって向けられており、これは或る複数の装置では１つのはんだ隆起部又はその他の伝導性の機械的で且つ電気的な接続部であって良いということに注意しなければならない。第２ラッチ制御信号ラインへの基板ラッチ電極（２１７）およびその経路（２１８）が、図６および８Ａにおいて同様に見る事が出来る。図８Ａは、本実施形態が基板ラッチ電極の上のラッチ電極絶縁物（２１９）を備える事を例証する。アクチュエータ接点エレメント（２２０）と第１負荷信号ラインへのアクチュエータ接点エレメント経路（２２１）とが存在し、同じく基板接点エレメント（２２２）から第２負荷信号ラインへの電気接続部（２２３）も存在する。この実施形態ではアクチュエータ接点エレメント経路は、ラッチ電極経路について論じたものと同様に１つの金属アンカー領域によってアーマチュアからベース基板へ作られている。負荷アーマチュア（２２４）は、一端（２２６）において複数のラッチ電極に取り付けられ、アーマチュア接点エレメントの領域においては自由に偏向することができる（２２５）。
【００８８】
この実施形態のための具体的な材料及びジオメトリーは、複数の速いスイッチング速度で非常に低い負荷信号電力を処理し得る１つの装置を設計するために選択されている。負荷アーマチュアは、平面の幅及び長さが夫々１５μｍ及び７５μｍであり、２μｍの厚さのシリコンニトリドから作られる。負荷信号路及び接点エレメントは、２μｍのスパッタリングされた金で構成される。アーマチュアの固定された複数の端部に取り付けられている固定されたベースの部分は１つのシリコン・ハンドル・ウェハーの１つのセクションであり、これは１つの金−白金及びはんだ接続部を通して１つのセラミック・ベース基板に接着されている。ベース基板上の複数の導体は全て２μｍの厚さの金である。ラッチ電極絶縁体は０．２μｍのシリコンニトリドである。
【００８９】
図３Ａに示されているアクチュエータは１つの圧電バイモルフであるが、この実施形態のための主アクチュエータはサーマル・マルチモルフである。ラッチ・アーマチュアのサーマル・マルチモルフは２つの主バイモルフ・エレメント、すなわち１つの上側サーマル・マルチモルフ層（２２７）及び１つの下側サーマル・マルチモルフ層（２２８）、から構成される。本実施形態において、上側サーマル・マルチモルフ層は１つの大きな熱膨張係数を有するように設計される。複数の大きな熱膨張係数を必要とするサーマル・マルチモルフ層のために複数の金属である複数の材料を使用することは、サーマル・マルチモルフ構造の技術分野の当業者にとっては典型的なことである。小さな熱膨張係数を必要とする複数のサーマル・マルチモルフ層のために複数の絶縁体である複数の材料を使用することは典型的なことであるということも更に認められている。現在論じられている実施形態のマルチモルフは、ラッチ・アーマチュアの上側マルチモルフ層のための１つの２μｍの厚さのパラジウムと、負荷アーマチュアの下側マルチモルフ層のための１つの２μｍの厚さのシリコンニトリドとを特徴とする。
【００９０】
本発明に従う或る複数の装置では層（２２７）のために１つの金属を使用することができ、層（２２８）のために１つの絶縁体を使用することができると目論まれている。或る複数の装置では、複数のサーマル・マルチモルフ材料のために使用し得る複数の材料は、金、銅、銀、白金、ニッケル及びアルミニウムなどの複数の金属を含む。或る複数の装置では、どの層にも使用し得る複数の材料は、シリコン、ガリウム砒素、シリコンゲルマニウム、及びリン化インジウムなどの複数の半導体を含む。本発明に従う複数の装置においては任意の合金、或いは複数の金属又は半導体の層化組合せを使用し得るとも目論まれている。複数のサーマル・マルチモルフ材料のために使用し得る複数の材料はシリコン、シリコンニトリド、二酸化珪素、石英、或いはポリイミド又はその他の絶縁性ポリマーなどの複数の絶縁体を含むと更に目論まれている。特定の複数の特性を１つのアクチュエータに組み込むために、複数の層（２２７）および（２２８）を複数の層の１つのスタックで構成し得るということも認識されている。
【００９１】
複数のサーマル・マルチモルフ・アクチュエータ層の複数の厚さは材料、複数の製造プロセス、アプリケーション、及び他の複数のエレメントのジオメトリーに依存して０．１から５００μｍまでにわたり得ると目論まれている。非常に低い或いは低い複数の信号負荷を高い或いは非常に高い複数のスイッチング速度でスイッチングすることのできる本発明に従う或る複数の装置では、複数の層（２２７）および（２２８）の厚さは０．１から３μｍまでにわたり得ると考えられる。高い或いは中位の複数のスイッチング速度で低い或いは中位の複数の信号負荷を必要とする１つのアプリケーションでは、複数の層（２２７）および（２２８）の厚さは２から３０μｍまでにわたり得ると目論まれている。中位或いは遅い複数のスイッチング速度で中位或いは重い複数の信号負荷を必要とする複数のアプリケーションで必要とされ、２０と２００μｍとの間の厚さの複数の層（２２７）および（２２８）を使用し得るような複数の厚いマルチモルフ・アクチュエータを或る複数の装置は必要とすると更に目論まれている。遅い或いは非常に遅い複数の速度でスイッチングする高い或いは非常に高い複数の信号負荷の複数のアプリケーション、複数の層（２２７）および（２２８）の厚さは１５０と５００μｍの間にわたり得ると目論まれている。複数の材料（２２７）および（２２８）の複数の厚さ或いは複数の厚さ範囲は異なる複数の層について同様でなくても良いと認められている。
【００９２】
図８は１つの第１加熱エレメント（２２９）の横断面の１つの構成図である。或る複数の装置ではその様な１つのエレメントは１つの絶縁層の表面上の１つの経路中の１つの少量の抵抗性導体であってよいと目論まれている。現在論じられている実施形態では、加熱エレメントは１つの０．３μｍの厚さのニッケル−クロム合金から作られる。本発明に従う或る複数の装置では１つの加熱エレメントは０．００１と１０オーム−ｃｍとの間の１つの抵抗率を有する１つの材料から作られ得ると目論まれている。或る複数の装置では、１つの加熱エレメントは１つの金属又は半導体材料から構成され得る。１つの装置における１つの抵抗性加熱エレメントの厚さは０．０５と１０μｍとの間にわたり得ると考えられる。抵抗性材料が０．１オーム−ｃｍ未満の１つの抵抗率を持ち得る或る複数の装置では厚さは０．０５と２μｍとの間の厚さであると目論まれている。０．１オーム−ｃｍより大きい１つの抵抗率を有する１つの抵抗性材料を含む或る複数の装置では厚さは０．５と１０μｍとの間の厚さであり得ると更に目論まれている。
【００９３】
図８Ａに１つの加熱エレメント絶縁体（２３０）が示されており、これは、現在論じられている実施形態では、加熱エレメントを１つの伝導性マルチモルフ層から電気的に絶縁させている。上側サーマル・マルチモルフ層（２２７）が本発明に従う１つの装置で１つの金属から構成されたならば、１つの絶縁層が加熱エレメント（２２９）を層（２２７）から絶縁させて前記加熱エレメントが適切に動作することを可能にするであろうと認められている。現在論じられている実施形態は、上側サーマル・マルチモルフ層（２２７）は伝導性であり、したがって加熱エレメントから絶縁されることによって利益を得ると考えている。描かれている実施形態は、下側マルチモルフ層（２２８）は絶縁性であり、従って加熱エレメントの適切な動作を妨げることなく加熱エレメントに隣接し得るとも考えている。
【００９４】
１つの加熱エレメント絶縁体は、ラッチ電極絶縁体について前に定義されたように１つの絶縁材料から作られるであろう。本発明に従う或る複数の装置では、加熱エレメント絶縁体を作るために使用され得る可能な複数の材料はシリコンニトリド、二酸化珪素、石英、或いはポリイミド或いはその他の絶縁性ポリマーを含むと目論まれている。１つの加熱エレメント絶縁体のために使用される材料は、１つの特定の装置の製作に使用される他の或る複数の材料層と比べて薄くて、０．０５から３μｍの１つの範囲を有すると目論まれている。１つの装置における１つの絶縁エレメントの材料厚さは０．０５と０．５μｍとの間にわたり得ると目論まれている。その様な１つの範囲は、複数の絶縁材料の複数の薄い層が利用可能であって電界強度による誘電体の１つの破壊を防止するのに十分な品質を有する１つのアプリケーションに望ましいであろう。本実施形態の加熱エレメント絶縁体は、０．１μｍの高品質シリコンニトリドである。複数の高品質絶縁材料の複数の薄い層を利用し得ない他の複数の装置では、１つのラッチ電極絶縁体の材料厚さは０．３と３μｍとの間にわたり得ると目論まれている。
【００９５】
図９は、図６に示されている装置の１つの横断面構成図であって、リレーの、マルチモルフ・アクチュエータが組み込まれている部分を示す。固定されたベースの一部分であるベース基板（２０２）がこの図に存在し、図７Ａ及び８Ａの複数のアーマチュアはベース基板の上面の上に吊るされている。本発明の現在論じられている実施形態では、図８のマルチモルフは、１つのサーマル・マルチモルフ。アクチュエータである。アクチュエータは１つの頂部サーマル・マルチモルフ層（２２７）を含み、第１駆動信号接続（２４０）及び第２駆動信号接続（２４１）の複数の加熱エレメント電気接続部が示されており、各々第１加熱エレメント自体の一部を形成して加熱エレメント絶縁体（２２９）により囲まれている。下側サーマル・マルチモルフ層（２４１）はアクチュエータ・アーマチュア（２０９）と同じ材料であり、アクチュエータ・ラッチ電極路（２１６）がこのアーマチュアの底面に示されている。負荷信号路（２２１）が同様に負荷アーマチュアの底面に示されている。複数の駆動信号路は加熱エレメントの０．３μｍニッケル−クロム合金から製作され、ラッチ信号路は１つの０．２μｍニッケル層から製作され、負荷信号路は１つの２μｍのスパッタリングされた金層から製作される。
【００９６】
図１０Ａおよび１０Ｂは、主アーマチュア・システムの自由領域から得られた横断面図を示す。この領域には、リレーが閉じた状態にあるときに電気伝導を行う複数の接点エレメントが組み込まれている。ベース基板（２０２）（固定のベースの一部）が図１０Ａに示され、コンタクト・アーマチュア（２２４）がベース基板の上面の表面上に張架される。コンタクト・アーマチュアは、アーマチュア電極（２１５）の位置において主アーマチュアへ固定され  （２２５）、アーマチュア接触エレメント（２２０）が位置する位置に１つの自由端（２２６）を有する。アーマチュア電極と相対して、ベース基板電極（２１７）と、取り付けられたラッチ電極絶縁体（２１９）とがある。ベース基板接点エレメント（２２２）はベース基板の上面上に位置して、アーマチュア接点エレメントと相対している。接点アーマチュアの曲げ機能は図１０Ｂに示されており、これらはリレーが１つの受動的状態ではなくて閉じた状態及びラッチされた状態にあることを除いて図１０Ａと同じ横断面を描いており、これらの状態は図５Ａおよび５Ｂの詳細な説明において論じられている。
【００９７】
図１１は１つの第３実施形態を描いた１つの機能平面構成図であり、ここでリレーは、前記の複数の第１実施形態の場合の２つではなくて３つの主アーマチュアから構成されている。図１１のリレーは、複数のアクチュエータ・アーマチュアが負荷信号アーマチュアに対して垂直であるように設計されている。１つの特定の装置デザインにおいて、平行又は垂直の複数のアクチュエータ・アーマチュアのための構成、及び各アーマチュアの具体的な数は、種々の材料、ジオメトリー、及びアプリケーションについて当業者の決定に委ねられる１つの特徴であると認識されている。図１２は、１つの受動的な開いた状態にある負荷アーマチュアの１つの横断面構成図である。図１３Ａ〜１３Ｄは、前記実施形態のバイモルフ・アクチュエータ及び接点アーマチュアの横断面を描いている。明瞭を期して、この第３実施形態のエレメント番号は３００から始まっており、後の２つの数字は第１及び第２の実施形態からの複数の機能的同等物を指している。
【００９８】
図１１の複数のエレメントは図１及び６のものと同様であると考えられるけれども、複数のアクチュエータ・コンポーネントと、この実施形態における複数の同等エレメントについてのジオメトリー及び材料選択肢に複数の違いが存在する。図１及び６の埋められている複数のエレメントの図解の場合と同じく、明瞭を期して、普通は上からは見えない複数のエレメントの外形が複数の破線で示されている。複数の信号ライン及び経路の具体的なジオメトリー及び位置は、設計者の決定に委ねられていて、ここで提供される複数の実施形態では例示を目的として表されている。前述したように複数の電気路の厚さ及び組成は本発明の範囲内で自由に変更できる。
【００９９】
固定されたベース（３０１）、ベース基板（３０２）、第１（３０３）および第２（３０４）の負荷信号ライン、第１（３０５）および第２（３０６）の駆動信号ライン、および第１（３０７）および第２（３０８）のラッチ信号ラインの複数のエレメントが示されている。クロージング・アクチュエータ・アーマチュア（３０９）が示されており、その一端は固定され（３１０）、一端（３１１）はベース基板に垂直な方向に偏向することができる。負荷アーマチュア（３５９）は閉成アクチュエータ・アーマチュアに垂直に示されており、その一端は固定され（３６０）、一端（３６１）は前記基板に垂直に偏向することができる。オープニング・アクチュエータ・アーマチュア（３８９）はクロージング・アクチュエータ・アーマチュアに相対して見えており、１つの固定された端（３９０）と自由端（３９１）とを鏡面的に有する。
【０１００】
図示されている実施形態のための複数のアーマチュアは、遅い複数のスイッチング速度で１つの大きな負荷信号を伝えるように設計されている。複数のアーマチュアのための主材料は１２μｍの厚さの１つの単結晶シリコン層である。負荷アーマチュアは、幅が２００μｍで長さが８００μｍである。複数のアクチュエータ・アーマチュアは幅が２５０μｍで長さが６５０μｍである。複数の負荷信号ライン及び経路は、厚さが８μｍの１つの厚い銅合金から製作される。制御信号及びラッチ信号の複数のライン及び経路は厚さ２μｍのスパッタリングされたニッケル−クロム合金から製作される。
【０１０１】
アクチュエーター・アーマチュアをクローズするための１つのアクチュエーター・ラッチ電極（３１５）が示され、アクチュエーター・アーマチュアをオープンするための１つの第２ラッチ電極（３６５）が示される。ラッチ信号制御ライン（３０７）、（３５７）への必要なラッチ電極パス（３１６）および（３６６）が、それぞれ図１３Ａにおいて明瞭に示される。第２−ラッチ制御信号ラインへのクロージング・アクチュエーター・アーマチュア基板ラッチ電極（３１７）の基板ラッチ電極パス（３１８）が示されて良い。同様の方法で、オープニング・アクチュエーター・アーマチュア基板ラッチ電極（３６７）の基板ラッチ電極パス（３７８）が、図１１に示される。第１の負荷信号ラインへのアクチュエーター・コンタクト部材（３２０）およびロード信号経路（３２１）が、図１１および１２に示される。基板コンタクト部材（３２２）から第２のロード信号線までの基板コンタクト部材パス（３２３）が、図１２において明白に示される。
【０１０２】
図１１に描かれているリレーは二重アクチュエータ・デザインであるので、多数の接点アーマチュアが存在する。クロージング・アクチュエータ接点アーマチュア（３２４）は、一端（３２６）において複数のラッチ電極に取り付けられ、複数のアーマチュア接点エレメントの領域では偏向することができる（３２５）。オープニング・アクチュエータ接点アーマチュア（３７４）は、一端（３２６）において複数のラッチ電極に取り付けられ、複数のアーマチュア接点エレメントの領域では偏向することができる（３２５）。クロージング・アクチュエータは、前の実施形態の、図１３Ａで最も明瞭に示されているサーマル・マルチモルフと同様の材料及びジオメトリー考慮事項を有する１つの上側サーマル・バイモルフ層（３２７）及び１つの下側サーマル・バイモルフ層（３２８）から構成されている。オープニング・アクチュエータは、公称アーマチュア層（３７８）の下の１つの膨張性サーマル・バイモルフ層（３７７）から構成されている。
【０１０３】
１つの抵抗性のクロージング加熱エレメント（３２９）は、１つの電流から成る１つの制御信号で閉成バイモルフ・アクチュエータを加熱する１つの方法を提供する。前述された抵抗性のエレメント（２２９）の場合と同様に、この様なエレメントは１つの絶縁層（３３０）の表面上の１つの抵抗性の曲がりくねった経路であって良い。この様なエレメントのための複数の材料及び厚さは、前の実施形態について論じられたものと同様であろうと更に考えられる。１つのオープニング加熱エレメント（３７９）は、同様の１つの態様でオープニング・バイモルフ・アクチュエータを加熱する１つの方法を提供する。このエレメントは、１つの加熱エレメント絶縁体（３８０）によって電気的に絶縁されている。２つのサーマル・バイモルフ・アクチュエータの固定されたビームは１つのカンチレバー構成と比べて窮屈な１つの運動範囲をもたらすことが認められている。
【０１０４】
図１３Ａは図１１に描かれているサーマル・バイモルフ・アクチュエータ・リレー実施形態の１つの横断面構成図であって、複数のエレメントは図１１及び１２のとおりであって、作動信号やラッチ信号は加えられていなくて１つの中立の状態である。現在論じられている実施形態では２つのマルチモルフ・アクチュエータは複数の反対方向に作動すると認められる。この実施形態では、クロージング・アクチュエータは１つのクロージング制御信号が加えられたときにアーマチュア接点エレメントを１つの下向き方向に偏向させ、オープニング・アクチュエータは１つのオープニング制御信号が加えられたときにベース基板に垂直な１つの上向き方向に偏向する。
【０１０５】
図６−１０に例示されている実施形態の複数のリレー状態は、図１−５の第１実施形態のそれと同一であった。
前の実施形態の場合と同様に、図１３Ｂは安定な第１アクティブ状態にある１つの装置の１つの横断面構成図であり、ここでは装置の複数の機械的制約が更なるアーマチュア偏向を妨げる。
図１３Ｂの閉成アクチュエータは駆動制御信号に起因する１つの下向き方向にカールしているが、固定されたビームの状態と複数の接点アーマチュアの曲げ力とによって厳しく抑えられている。アクチュエータ・アーマチュアに誘起された下向き湾曲の一部又は全部が負荷信号アーマチュアに結合されて、これをアクチュエータ接点エレメント及びベース接点エレメントと係合するポイントへ偏向させ得るように、この実施形態では図１２及び１３の複数のアーマチュアは機械的に結合されていると考えられる。図示されているが、アーマチュア電極の、ベース基板電極のラッチ電極絶縁体との接触は不要であると認められる。
【０１０６】
この実施形態についての第１のラッチされた状態は、１つのラッチ制御信号を複数のラッチ電極の両方の対に加えてこれらを引き付けて複数の静電力でこれらを結合させておくことによって開始される。本発明に従う多くの装置においては、この様な作用の結果としてアーマチュア電極が平らになり、閉成された接点が保たれると考えられる。図１３Ｃに図解されている実施形態は、この様な１つの状態を反映している。第１のラッチされた状態はアクチュエータからの駆動制御信号の除去に配慮しており、リレーは第１のラッチされた状態にとどまる。
【０１０７】
或る複数の装置では、ラッチ制御信号を後に除去することによって、複数のアーマチュア自体に内在する複数の復元力によりリレーを受動的状態に戻すことができると考えられる。現在論じられている実施形態を含む他の或る複数の装置では、オープニング・アクチュエータからの強制的な助力はリレーを受動的状態に復帰させるのに役立ち得るであろう。図１３Ｄはこの新しい安定状態（第２アクティブ状態）を図示し、駆動オープン信号が複数のオープニング信号線に印加され、また、ラッチ信号あるいは他の制御信号は存在しない。オープニング・アクチュエーターのサーマル・マルチモルフは、起動された際に上向きの方角へカールするように設計され、この上向きのカールは図１３Ｄに示されるが、これはアクチュエーター・アーマチュアの固定ばり条件によって厳しく抑制される。
【０１０８】
複数の本実施形態に対する種々の変更、調整は当業者にとっては明白であるということが理解されるべきである。本発明の範囲を変更せずに、本発明に付随する複数の利点を減少させずに前記のような複数の変更、調整を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０９】
【図１】本発明の一実施形態の１つの機能平面図である。
【図１Ａ】１つの代表的実施形態の複数のアクチュエータ・エレメントを露出させるためにカバーが取り外されている１つの平面図である。
【図１Ｂ】１つの代表的実施形態の複数のアクチュエータ・エレメントを露出させるためにカバーが取り外されている１つの平面図である。
【図１Ｃ】１つの代表的実施形態の複数のアクチュエータ・エレメントを露出させるためにカバーが取り外されている１つの平面図である。
【図１Ｄ】１つの代表的実施形態の複数のアクチュエータ・エレメントを露出させるためにカバーが取り外されている１つの平面図である。
【図１Ｅ】１つの代表的実施形態の複数のアクチュエータ・エレメントを露出させるためにカバーが取り外されている１つの平面図である。
【図２Ａ】リレーが受動的状態にあるときの負荷アーマチュアである。
【図２Ｂ】１つのリレーが１つのアクティブ状態に追い込まれたときにアーマチュアに誘起される曲率を示す。
【図２Ｃ】ラッチされた状態にあるときのリレーに誘起される１つの曲率を示す。
【図３Ａ】リレーが受動的状態にあるときのアクチュエータ・アーマチュアである。
【図３Ｂ】１つのリレーが１つのアクティブダウン状態に追い込まれたときにアクチュエータ・アーマチュアに誘起される曲率を示す。
【図３Ｃ】アーマチュア電極接触の、リレーがラッチダウンされた状態のときにアクチュエータ・アーマチュアに誘起される１つの可能な曲率を示す。
【図３Ｄ】１つのリレーが１つのアクティブアップ状態に追い込まれたときにアクチュエータ・アーマチュアに誘起された曲率を示す。
【図３Ｅ】アーマチュア電極接触の、リレーがラッチアップされた状態にあるときにアクチュエータ・アーマチュアに誘起される１つの可能な曲率を示す。
【図４】１つのマルチモルフ・アクチュエータの領域における複数のアーマチュアの１つの横断面構成図であって、複数の電気接続部間の関係を示す。
【図５Ａ】開成リレー状態にあるラッチング及び接点メカニズムを有するリレー領域の横断面を示す
【図５Ｂ】クローズされたリレー状態にあるラッチング及び接点メカニズムを有するリレー領域の横断面を示す。
【図６】１つの主アクチュエータとして１つのサーマル・マルチモルフを使用する１つの実施形態の１つの機能平面図である。
【図７Ａ】リレーが受動的状態にあるときの負荷アーマチュアである。
【図７Ｂ】１つのリレーが１つのアクティブ状態に追い込まれたときにアーマチュアに誘起される曲率を示す。
【図７Ｃ】ラッチされた状態においてリレーに誘起される１つのリレー曲率を示す。
【図８Ａ】リレーが受動的状態にあるときのアクチュエータ・アーマチュアである。
【図８Ｂ】リレーがアクティブ状態に追い込まれたときのアクチュエータ・アーマチュアを示す。
【図８Ｃ】アーマチュア電極接触における、ラッチされたリレー状態にあるときのアクチュエータ・アーマチュアに誘起される１つの曲率を示す。
【図９】１つのマルチモルフ・アクチュエータの領域における複数のアーマチュアの１つの横断面構成図である。
【図１０Ａ】ラッチング及び接点メカニズムが開成リレー状態にあるリレー領域の横断面を示す。
【図１０Ｂ】クロージングされたリレー状態にあるリレー領域の横断面を示す。
【図１０Ｃ】オープニングされたリレー状態にあるリレー領域の横断面を示す。
【図１１】複数のアクチュエータ・アーマチュア構造で構成する第３実施形態における１つのリレーを示す。
【図１２】本実施形態の負荷アーマチュアの１つの横断面構成を示す。
【図１３Ａ】リレーが受動的状態にあるときのアクチュエータ・アーマチュアを示す。
【図１３Ｂ】リレーがアクティブダウン状態に追い込まれたときにアクチュエータ・アーマチュアに誘起される曲率を示す。
【図１３Ｃ】ラッチダウンされた状態にあるときの複数のアクチュエータ・アーマチュアを示す。
【図１３Ｄ】１つのアーマチュアが１つの駆動開成状態にある際の複数のアクチュエータ・アーマチュアを示す。
【図１】
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【図４】
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【図６】
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【図９】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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