具有永久磁鐵松弛對準要求的微磁閂鎖開關的制作方法

專利名稱：具有永久磁鐵松弛對準要求的微磁閂鎖開關的制作方法
技術領域：
本發明涉及電子開關和光開關。本發明具體涉及具有永久磁鐵松弛對準要求的微磁閂鎖開關。
背景技術：
開關通常是電路控制的二態裝置，斷開和關閉觸點以實現電路或光路中裝置的運行。例如，繼電器的典型功能是作為激勵或去激勵電裝置，光裝置或其他裝置中各個部分的開關。繼電器通常用在包括電信，射頻(RF)通信，便攜式電子器件，家用和工業用電子器件，宇航空間，和其他系統的許多應用中。最近以來，光開關(也稱之為“光中繼”或“中繼”)已用于從一條路徑轉換光信號(例如，光通信系統中的信號)到另一條路徑。
雖然早期的中繼是機械裝置或固態裝置，但是微型機電系統(MEMS)技術和微電子制造技術的最新發展已使微靜電和微磁性中繼成為現實。這種微磁性中繼通常包含激勵電樞的電磁鐵，以便接通或斷開電觸點。當去激勵電磁鐵時，彈簧或其他的機械力通常使電樞恢復到靜態位置。然而，這種中繼通常有若干顯著的缺點，它們一般僅產生單個穩定輸出(即，靜態)，且它們不能閂鎖(即，在去掉中繼電源時，不保留恒定的輸出)。此外，常規的微磁性中繼所需的彈簧隨時間而退化或破損。
1998年12月8日授權給Taylor等人的美國專利No.5,847,631(′631專利)中描述另一種微磁性中繼，全文合并在此供參考。這個專利中公開的中繼包括永久磁鐵和電磁鐵，電磁鐵產生的磁場間歇地反抗永久磁鐵產生的磁場。該中繼必須消耗電磁鐵中的功率以保持至少一種輸出狀態。此外，產生反抗磁場所需的功率是很大的，因此在宇航空間，便攜式電子器件，和要求低功耗的其他應用中很少使用這種中繼。
微磁閂鎖開關的基本單元包括永久磁鐵，基底，線圈，和至少部分是由軟磁材料制成的懸臂。在它的最佳配置中，永久磁鐵產生大致垂直于懸臂水平面的靜磁場。然而，具有典型規則形狀(圓盤，正方，等等)的永久磁鐵產生的磁力線未必垂直于平面，尤其是在磁鐵的邊緣。所以，永久磁鐵磁場的水平分量可以消除雙穩態中的一個穩態，或大大增加使懸臂從一個穩態轉換到另一個穩態所需的電流。永久磁鐵相對于懸臂的仔細對準是為了使懸臂定位在永久磁鐵磁場的正確位置(通常是在中心附近)，這就可以形成雙穩態并使轉換所需電流減至最小。然而，若對準容錯很小，則批量生產這種開關是十分困難和高成本的。
我們需要的是一種永久磁鐵松弛對準要求的雙穩閂鎖開關。這種開關還應當是可靠的，設計簡單，低成本和容易制造，以及可以在光學和/或電學環境中得到應用。

發明內容
本發明的微磁閂鎖開關可應用于多種產品，包括家用電器和工業電器，消費者電子設備，軍事硬件，醫療裝置和各種類型車輛，僅僅舉出一些寬廣分類的產品例子。本發明的微磁閂鎖開關有小型化和制造簡單的優點以及在高頻下有良好的性能，使它在諸多RF應用中有許多新型用途。
本發明的目的是一種微磁閂鎖裝置。該裝置或開關包括上面支承活動單元的基底。活動單元或懸臂有長軸和磁性材料。該裝置還有產生第一磁場的第一磁體和第二磁鐵，第一磁場在磁性材料中誘發磁化強度。磁化強度的特征是，磁化強度矢量指向沿活動單元長軸的方向，其中第一磁場大致垂直于長軸的主中央部分。該裝置還有產生第二磁場的線圈，用于在兩個穩態之間轉換活動單元，其中僅僅要求瞬間加上第二磁場以改變磁化強度矢量的方向，從而使活動單元在兩個穩態之間轉換。
在一個實施例中，第一磁鐵是基本平面和基本平行于基底的永久磁鐵。
在另一個實施例中，第一磁鐵和第二磁鐵是基本平面和基本平行于基底的永久磁鐵。在這個實施例中，活動單元和基底位于第一磁鐵與第二磁鐵之間。
在另一個實施例中，第二磁鐵是基本平面和基本平行于基底的坡莫合金層。
在另一個實施例中，坡莫合金層位于基底與活動單元之間。
在另一個實施例中，坡莫合金層位于支承活動單元的基底一側相對的基底另一側。
在另一個實施例中，活動單元位于坡莫合金層與基底之間，而永久磁鐵位于支承活動單元的基底一側相對的基底另一側。
在另一個實施例中，永久磁鐵位于支承活動單元的基底一側相對的基底另一側。
在另一個實施例中，該裝置還包括第二坡莫合金層，第二坡莫合金層位于支承活動單元的基底一側相對的基底另一側。
在另一個實施例中，活動單元位于坡莫合金層與永久磁鐵之間。
在另一個實施例中，活動單元位于基底與永久磁鐵之間。
在另一個實施例中，該裝置還包括位于永久磁鐵與活動單元之間的第二坡莫合金層。
在另一個實施例中，該裝置還包括位于永久磁鐵外側的第二坡莫合金層。
在另一個實施例中，該基底包括支承活動單元的凸起結構。
在另一個實施例中，該裝置還包括把活動單元夾在中間的一對接地面。
在另一個實施例中，坡莫合金層包括交替獨立的軟磁材料段和非磁材料段，其中交替各段沿長軸排列。
在另一個實施例中，第二坡莫合金層包括交替獨立的軟磁材料段和非磁材料段，其中交替各段沿長軸排列。
在另一個實施例中，該裝置還包括基底支承的多個活動單元。
在另一個實施例中，該裝置還包括基底支承的多個活動單元。
在另一個實施例中，該裝置還包括基底支承的多個活動單元，且其中坡莫合金層包括多個橫向分隔段，橫向分隔段中的各段是與多個活動單元中對應一個活動單元松弛對準。
在另一個實施例中，該裝置還包括基底支承的多個活動單元，且其中永久磁鐵包括多個橫向分隔段，多個橫向分隔段中每各段是與多個活動單元中對應一個活動單元對準。
在另一個實施例中，該裝置還包括基底支承的多個活動單元，且其中永久磁鐵包括多個橫向分隔第一段，多個第一段中的各段是與多個活動單元中對應一個活動單元對準，且其中永久磁鐵包括多個橫向分隔第二段，多個第二段中各段是與多個活動單元中對應一個活動單元松弛對準。
在另一個實施例中，該裝置還包括基底支承的多個活動單元。
在另一個實施例中，該裝置還包括基底支承的多個活動單元，且其中坡莫合金層包括多個橫向分隔段，多個橫向分隔段中的各段是與多個活動單元中對應一個活動單元松弛對準。
在另一個實施例中，該裝置還包括基底支承的多個活動單元，且其中永久磁鐵包括多個橫向分隔段，多個橫向分隔段中的各段是與多個活動單元中對應一個活動單元松弛對準。
在另一個實施例中，該裝置還包括基底支承的多個活動單元，且其中永久磁鐵包括多個橫向分隔第一段，多個第一段中的各段是與多個活動單元中對應一個活動單元松弛對準，且其中永久磁鐵包括多個橫向分隔第二段，多個第二段中的各段是與多個活動單元中對應一個活動單元松弛對準。
在另一個實施例中，線圈包括“S形”結構。或者，該線圈包括單個線圈線。
在另一個實施例中，磁性材料包括坡莫合金。此外，坡莫合金可以包括活動單元上的多條窄帶，且對準平行于長軸。
在另一個實施例中，第一磁鐵和第二磁鐵是位于基底上的永久磁鐵，且活動單元位于第一永久磁鐵與第二永久磁鐵之間，第一永久磁鐵和第二永久磁鐵中的每個永久磁鐵有各自平行于活動單元長軸的長軸，其中兩個穩態之間的轉換使活動單元在基本平行于基底的平面上運動。
在另一個實施例中，線圈位于基底支承的活動單元一側相對的活動單元另一側。
在另一個實施例中，該裝置還包括坡莫合金層，坡莫合金層垂直于基底并與活動單元橫向隔開。
在另一個實施例中，該裝置還包括位于坡莫合金層與基底之間的緩沖層。
在另一個實施例中，磁性材料包括上面有反射層的坡莫合金，其中該裝置在光入射到反射層時的功能是光開關，因此，活動單元在兩個穩態之間的轉換使入射光沿至少兩個不同方向中的一個方向反射。
在另一個實施例中，磁性材料包括上面有反射層的坡莫合金，且坡莫合金有位于反射層附近的窄縫，其中該裝置在光傳輸通過窄縫并入射到反射層時的功能是光開關，因此，活動單元在兩個穩態之間的轉換使入射光沿反向通過窄縫的至少兩個不同方向中的一個方向反射。
在另一個實施例中，該裝置包括有中心軸的圓柱形磁鐵，圓柱形磁鐵橫向包圍活動單元，使中心軸穿過活動單元的中央部分且垂直于基底。圓柱形磁鐵在磁性材料中產生誘發磁化強度的第一磁場，磁化強度的特征是，磁化強度矢量指向沿活動單元長軸的方向，其中第一磁場大致垂直于長軸的主中央部分。在這個實施例中，產生第二磁場的線圈使活動單元在兩個穩態之間轉換，其中僅僅要求瞬間加上第二磁場以改變磁化強度矢量的方向，從而使活動單元在兩個穩態之間轉換。
在另一個實施例中，該裝置還包括第一坡莫合金層，它位于支承活動單元的基底一側相對的基底另一側，和第二坡莫合金層，它位于基底支承的活動單元一側相對的活動單元另一側。
參照以下對本發明的詳細描述，這些和其他的目的，優點和特征是顯而易見的。


根據以下的詳細描述并結合附圖，本發明的特征和優點是顯而易見的，其中相同的附圖標記表示相同或功能類似的單元。此外，附圖標記中最左面的數字指出該附圖標記首次出現的圖號。
圖1A和1B分別是典型實施例開關的側視圖和頂視圖。
圖2說明產生雙穩態的原理。
圖3說明具有不同磁導率(m1＞＞m2)的兩種材料之間邊界處磁場(H)的邊界條件。
圖4表示按照本發明磁通量分布的計算機模擬。
圖5A-C表示從圖4磁通量中提取的水平分量(Bx)。
圖6A和6B分別表示按照本發明一個方面具有永久磁鐵松弛對準要求的微磁閂鎖開關600的頂視圖和側視圖。
圖7和8表示按照本發明另一些實施例的微磁閂鎖開關。
圖9A和9B分別表示具有本發明附加特征的微磁閂鎖開關的頂視圖和側視圖。
圖10表示按照本發明具有緩沖層的微磁閂鎖開關。
圖11表示按照本發明具有放置在薄基底之下坡莫合金的微磁閂鎖開關。
圖12和17表示按照本發明的一端固定(或彈簧板)型的微磁閂鎖開關。
圖13A和13B分別表示按照本發明具有兩個永久磁鐵的微磁閂鎖開關1300的頂視圖和側視圖。
圖13C表示按照本發明具有一個永久磁鐵和多段軟磁層形成磁偶極子的實施例。
圖13D表示按照本發明具有兩個高磁導率磁性層和兩個永久磁鐵的實施例。
圖14A-C表示按照本發明確認磁偶極子可以產生均勻磁場的模擬結果。
圖15A和15B分別表示按照本發明另一種微磁閂鎖開關1500的頂視圖和側視圖。
圖16是按照本發明不同實施例具有“S形”線圈的單刀雙擲(SPDT)微磁閂鎖開關的側視圖。
圖18A-D表示按照本發明的一個實施例，它包含適合于傳輸射頻(RF)信號的傳輸線。
圖19A-D表示按照本發明的另一個實施例，它包含適合于傳輸射頻(RF)信號的傳輸線。
圖20-29表示按照本發明微磁閂鎖開關陣列的各個實施例。
圖30A和30B分別表示按照本發明另一個實施例微磁閂鎖開關的頂視圖和側視圖，但是在懸臂作橫向運動代替上下運動的情況。
圖31表示按照本發明另一個實施例的微磁閂鎖開關。
圖32A和32B分別表示按照本發明一個實施例與其他有源/無源半導體器件和電路以及永久磁鐵集成的微磁閂鎖開關的頂視圖和側視圖。
圖33-35表示按照本發明利用CPW結構產生RF MEMS微磁閂鎖開關的另一種方法。
圖34表示按照本發明松弛圖33中CPW開關對準容錯的方法。
圖35表示按照本發明用于分開頂部導體與以下接地面的平面介電層。
圖36A和36B分別表示按照本發明光開關的頂視圖和側視圖，其中永久磁鐵是在基底的底部上。
圖37A-D表示按照本發明另一個實施例包含頂部永久磁鐵的光開關。
圖38A-B表示按照本發明另一個實施例的光開關。
具體實施例方式
引言應當理解，此處展示和描述的具體實施方案是本發明的例子，絕不是對本發明范圍的限制。的確，為了簡潔明了，此處不詳細地描述普通的電子學，制造MEMS工藝，和該系統的其他功能特征(以及該系統中各個工作部件的組成部分)。此外，為了簡潔明了，此處頻繁描述的本發明屬于電路或電子系統中使用的微機電中繼。應當理解，可以利用許多其他的制造技術以制造此處描述的中繼，且此處描述的技術可用于機械中繼，光中繼或任何其他的開關裝置。此外，這些技術適合于電路系統，光學系統，家用電器，工業電器，無線系統，空間應用，或任何其他的應用。
芯片，集成電路，單片裝置，半導體裝置和微電子裝置等術語在這個領域中往往是可互換使用的。本領域專業人員人員一般都明白，本發明可應用于所有以上的裝置。
金屬線，互連線，蹤跡，導線，導體，信號路徑和信令介質等術語是相關的。以上列出的相關術語一般是可互換的，出現的順序是從具體到一般。在這個領域中，金屬線有時稱之為蹤跡，導線，線路，互連或金屬。金屬線，一般是鋁(Al)、銅(Cu)、或Al和Cu的合金，它們是提供耦合或互連電路信號路徑的導體。在微電子裝置中可以利用金屬以外的導體。各種材料，例如，摻雜多晶硅、摻雜單晶硅(往往指的是擴散，不管這種摻雜是通過熱擴散或離子植入實現的)、鈦(Ti)、鉬(Mo)、和耐熔金屬是其他導體的例子。
觸點和通路術語都是指不同互連級下導體電路連接的結構。這些術語有時用于描述絕緣體中的開孔，其中包括未完成的結構和已完成的結構。在這個公開內容中，觸點和通路是指已完成的結構。
此處所用的垂直術語是指與基底的表面大致正交。此外，應當注意，此處所作的空間描述(例如，“以上”、“以下”、“上”、“下”、“頂部”、“底部”、等等)僅僅是為了便于說明，而實際的閂鎖中繼可以按照任何的取向或方式作空間排列。
在給Shen等人的國際專利出版物WO0157899(其標題為Electronically Switching Latching Micro-magnetic Relay And Methodof Operating Same)和WO0184211(其標題為Electronically Micro-magnetic Latching Switches And Method of Operating Same)中對上述微磁閂鎖開關有更深入的描述。這些專利出版物提供有關微磁閂鎖開關的完整背景，這些專利全文合并在此供參考。此外，WO0157899和WO0184211中公開的開關細節可用于實施以下描述的本發明各個實施例的開關。
閂鎖開關概述圖1A和1B分別表示閂鎖開關的側視圖和頂視圖。開關和裝置術語是可互換地描述本發明的結構。參照圖1A和1B，典型的閂鎖中繼100最好包括磁鐵102、基底104、遮蓋導體114的絕緣層106、觸點108、和懸臂(活動單元)112，它由支架層110定位或支承在基底之上。
磁鐵102是任何類型的磁鐵，例如，永久磁鐵、電磁鐵、或能夠產生磁場H0134的任何其他類型磁鐵，如以下更詳細描述的。作為例子而不是限制，磁鐵102可以是California州Fremont市Dexter磁技術公司制造的型號為59-P09213T001磁鐵，當然也可以利用其他類型的磁鐵。可以按照任何方式產生有任何強度的磁場，例如，約1奧斯忒至104奧斯忒或更高。磁場強度取決于保持懸臂在給定狀態下所需的力，因此，它是與實施方案有關的。在圖1所示的典型實施例中，產生的磁場H0134大致平行于Z軸，其強度約為370奧斯忒量級，雖然在其他的實施例中磁場134可以有不同的取向和強度。在各個實施例中，可以利用單個磁鐵102并結合分享共同基底104的多個中繼100。
基底104是由任何類型的基底材料制成，例如，硅、砷化鎵、玻璃、塑料、金屬或任何其他的基底材料。在各個實施例中，基底104可以涂敷絕緣材料(例如，氧化物)且整平得十分平坦。在各個實施例中，多個閂鎖中繼100可以分享單個基底104。或者，利用常規的集成電路制造技術，可以在基底104上制成其他的裝置(例如，晶體管、二極管、或其他電子器件)以及一個或多個中繼100。或者，磁鐵102可以用作基底，以下討論的附加元件可以直接制成在磁鐵102上。在這些實施例中，不需要單獨的基底104。
絕緣層106是由諸如氧化物的任何材料或諸如薄膜絕緣體的另一種絕緣體制成。在一個典型的實施例中，絕緣層是由Probimide7510材料制成。絕緣層106適合于遮蓋導體114。圖1A和1B所示的導體114是有兩個末端126和128的單個導體，并安排成線圈圖形。另一些實施例的導體114利用安排成任何合適圖形的單個或多個導電段，例如，曲折圖形，盤旋圖形，隨機圖形，或任何其他圖形。導體114是由能夠導電的任何材料制成，例如，金、銀、銅、鋁、金屬、等等。當導體114導電時，在導體114的周圍產生磁場，如以下更詳細地討論的。
懸臂(活動單元)112是能夠被磁力影響的任何電樞、延伸物、露頭或構件。在圖1A所示的實施例中，懸臂112最好包括磁性層118和導電層120。磁性層118可以由坡莫合金(例如，NiFe合金)或任何其他磁敏感材料制成。導電層120可以由金、銀、銅、鋁、金屬或任何其他的導電材料制成。在各個實施例中，懸臂112具有對應于中繼100究竟是“斷開”或“閉合”的兩種狀態，如以下更詳細地描述的。在許多實施例中，當導電層120連接支架層110到觸點108時，中繼100是“閉合”的。與此相反，當懸臂112不與觸點108有電路接觸時，中繼100是“斷開”的。因為懸臂112相對于觸點108的運動可以是實際的接觸或脫離，各個實施例中懸臂112是可彎曲的，因此，懸臂112可以彎曲到合適的程度。通過改變懸臂(或其各個部件層)的厚度，改變懸臂的圖形，或在懸臂中開孔或切口，或利用各種可彎曲材料，可以制成不同的彎曲度。
或者，懸臂112可以做成“鉸鏈”式結構(例如，以下結合圖12所描述的)。雖然懸臂112的尺寸在不同的實施方案中可以有很大的變化，適用于微磁性中繼100的典型懸臂112長度是在10-1000微米量級，厚度為1-40微米，和寬度為2-600微米。例如，按照圖1所示實施例的典型懸臂尺寸約為600微米×10微米×50微米，或1000微米×600微米×25微米，或任何其他的合適尺寸。
觸點108和支架層110可以合適地放置在絕緣層106上。在各個實施例中，支架層110支承懸臂112到絕緣層106之上以形成間隙116，間隙116可以是真空，或可以充滿空氣或其他氣體，或充滿諸如油的液體。雖然間隙116的尺寸在不同實施方案中有很大的變化，典型的間隙116可以是在1-100微米量級，例如，約20微米。當中繼100處在閉合狀態時，觸點108可以接觸到懸臂112，如以下所描述的。觸點108和支架層110可以由任何的導電材料制成，例如，金、金合金、銀、銅、鋁、金屬、等等。在各個實施例中，觸點108和支架層110是由類似導電材料制成的，且當懸臂112在支架層110與觸點108之間完成電路時，就可以認為中繼是“閉合”的。在懸臂112不導電的某些實施例中，支架層110可以由非導電材料制成，例如，Probimide材料、氧化物、或任何其他的材料。此外，在其他一些實施例中，若懸臂112不被支承在絕緣層106之上，則可以不需要支架層110。
微磁閂鎖開關工作原理當懸臂是在“下”位置時，它與底部導體電接觸，該開關是“on”(也稱之為“閉合”狀態)。當接觸端是在“上”位置時，開關是“off”(也稱之為“斷開”狀態)。這兩個穩態產生活動懸臂單元的轉換功能。在轉換之后，永久磁鐵使懸臂保持在“上”或“下”位置，從而使該裝置成為閂鎖中繼。僅在兩個穩態之間轉變的短暫時間(瞬間)內，電流傳輸通過線圈(例如，線圈被激勵)。
(i)產生雙穩態的方法參照圖2說明產生雙穩態的原理。當坡莫合金懸臂102的長度L遠遠大于它的厚度t和寬度(w，未畫出)時，沿其長軸L的方向變成磁化強度的優選方向(也稱之為“易磁化軸”)。當懸臂的主中央部分放置在均勻的永久磁鐵磁場時，扭矩作用在懸臂上。扭矩可以是順時針方向或逆時針方向，取決于懸臂相對于磁場的初始取向。當懸臂軸(ξ)與外磁場(H0)之間的夾角(α)小于90°時，扭矩是在逆時針方向；而當α大于90°時，扭矩是在順時針方向。雙向扭矩的出現是由于懸臂的雙向磁化強度(即，磁化強度矢量“m”指向一個方向或另一個方向，如圖2所示)(當α＜90°時，m的方向是從左向右；而當α＞90°時，m的方向是從右向左)。由于扭矩的作用，懸臂有對準外磁場(H0)的趨勢。然而，當機械力(例如，懸臂的彈性扭矩，物理擋塊，等等)優先取得與H0的全部重新對準時，可以得到兩個穩定位置(“上”和“下”)，它構成開關中閂鎖的基礎。
(ii)電轉換若加上第二磁場以克服H0的影響，使懸臂因H0產生沿易磁化軸的雙向磁化強度可以瞬間反向，則可以實現可轉換的閂鎖中繼。通過把平面線圈放置在懸臂之下或之上以產生所需的瞬間轉換磁場，就可以實現這個方案。選取平面線圈圖形是因為制造相對地簡單，當然也可以利用其他的結構(例如，環繞三維型)。短電流脈沖產生的磁力線(Hcoil)圍繞線圈。主要是這個磁場的ξ分量(沿懸臂的方向，見圖2)用于重新定向懸臂中的磁化強度方向(磁化強度矢量“m”)。線圈電流的方向確定產生的磁場ξ分量是正的或負的。可以使用多個線圈。在轉換之后，永久磁鐵磁場保持懸臂在這種狀態，直至發生下一個轉換事件。由于線圈產生磁場的ξ分量(Hcoil-ξ)僅需要瞬間大于永久磁鐵磁場的ξ分量[H0ξ～H0cos(α)＝H0sin(_)，α＝90°-_]，而_一般是很小的(例如，_≤5°)，因此，轉換電流和功率可以非常低，這是微中繼設計中一個重要的因素。
工作原理可以總結如下均勻磁場(實際上，磁場可以是大致均勻的)中的坡莫合金懸臂可以有順時針方向和逆時針方向扭矩，這取決于它的長軸(易磁化軸L)與磁場之間的夾角。當其他力可以平衡消失扭矩時，可以有兩個雙穩態。線圈可以產生瞬間磁場以轉換磁化強度(矢量m)沿懸臂的取向，因此使懸臂在這兩個穩態之間轉換。
磁鐵的松弛對準為了解決磁鐵松弛對準要求的問題，本發明者研制了在懸臂周圍相對大的區域中建立垂直磁場的技術。本發明是基于這樣的事實，低磁導率介質中(例如，空氣)的磁力線基本上大致垂直于非常高磁導率材料(例如，易磁化材料，如坡莫合金)的表面。當懸臂放置在這種表面附近且懸臂的水平面平行于高磁導率材料表面時，至少可以部分實現上述的目的。以下討論總的方案，隨后是本發明的典型實施例。
磁通量密度(B)和磁場(H)的邊界條件遵從以下的關系式B2*n＝B1*n， B2×n＝(μ2/μ1)B1×n或H2*n＝(μ2/μ1)H1*n，H2×n＝H1×n若μ1＞＞μ2，則H2的法向分量遠遠大于H1的法向分量，如圖3所示。在極限(μ1/μ2)→∞的情況下，磁場H2垂直于邊界面，與H1的方向無關(除了H1完全平行于界面的例外情況)。若第二介質是空氣(μ2＝1)，則B2＝μ0H2，因此，磁通線B2也垂直于該表面。這個性質用在產生垂直于微磁閂鎖開關中懸臂水平面的磁場以及永久磁鐵的松弛對準要求。
圖4A和4B表示磁通量(B)分布的計算機模擬。可以看出，若沒有高磁導率磁性層(a)，則磁通量線不太垂直于水平面，導致大的水平(x)分量。若引入其表面平行于水平面的高磁導率磁性層(b)，則磁通量線在相對大的區域中大致垂直于水平面。虛線畫出的方框區是該開關的優選位置，其懸臂水平面平行于水平軸(x)。
圖5A-C表示沿各種高度(y＝-75mm，-25mm，25mm，…)切割線提取的磁通量水平分量(Bx)。從上到下(a1-b1-c1)，右側曲線圖對應于情況(a)單個永久磁鐵，(b)有高磁導率磁性層(厚度t＝100mm)的永久磁鐵，和(c)高磁導率磁性層厚度t＝25mm。在(a1)中沒有高磁導率磁性層，我們看到Bx隨遠離中心而快速增大。在(b1)中，由于使用高磁導率磁性層，Bx小于(a1)中的Bx。較薄高磁導率磁性層(c1)的效應不如較厚高磁導率磁性層(b1)的效應。
磁場垂直于高磁導率材料邊界面的這種性質以及懸臂(軟磁鐵)放置成其水平面平行于高磁導率材料的表面，可用在許多不同的配置中以松弛永久磁鐵的對準要求。
圖6A和6B分別表示按照本發明一個方面具有永久磁鐵松弛對準要求的微磁閂鎖開關600的頂視圖和側視圖。在這個實施例中，兩個高磁導率磁性層在制作微磁閂鎖開關時有助于磁性對準。該開關包括以下的基本單元第一高磁導率磁性層602，基底604，第二高磁導率磁性層606，介電層608和610，螺旋狀線圈612，底部導體614，懸臂組件616(至少一個軟磁層618和其他的導電和/或支承抗扭彈簧620)，和有垂直磁化強度取向的頂部永久磁性層622。最好是，永久磁鐵622的表面和高磁導率磁性層602和606的表面都平行于懸臂616的水平面630，因此，永久磁鐵622產生的磁場水平分量在懸臂616附近大大減小。或者，可以利用單個軟磁層(602或606)。
圖7表示另一個實施例的微磁閂鎖開關。在這個實施例中，兩個高磁導率磁性層在制作微磁閂鎖開關時有助于磁性對準。該開關包括圖6中所示的類似基本單元。這個實施例與圖6中實施例不同的是，第二高磁導率磁性層702恰好放置在頂部永久磁鐵622以下。同樣，最好是，永久磁鐵622的表面和高磁導率磁性層602和702的表面都平行于懸臂616的水平面630，因此，永久磁鐵622產生的磁場水平分量在懸臂616附近大大減小。
圖8表示另一個實施例的微磁閂鎖開關。在這個實施例中，幾個高磁導率磁性層602，802，804和806放置在封裝中的永久磁鐵622和懸臂開關附近，這磁性層形成一個磁環路。底部高磁導率磁性層602有助于減小懸臂616附近的水平磁場分量，而磁性層802，804和806可以屏蔽外磁場和提高內部磁場強度。
以上提供的情況說明利用高磁導率磁性材料與永久磁鐵的結合，用于產生垂直于微磁閂鎖開關中懸臂水平面的磁場。基于這個原理可以設計不同的變化(多層，不同位置，等等)以實現永久磁鐵與懸臂松弛對準的目的，使該開關成為雙穩(閂鎖)和容易(低電流)從一種穩態轉換到另一種穩態。
在本發明的另一個實施例中，該開關系統包括平行的微磁懸臂、電磁鐵(S形或單線線圈)、永久磁性層和軟磁層，提供一個大致均勻磁場分布的單刀雙擲(SPDT)方案，和適合于射頻信號傳輸的傳輸線結構。
圖9A和9B分別表示具有本發明附加特征的微磁閂鎖開關的頂視圖和側視圖。開關900包括以下的基本單元軟磁材料(例如，坡莫合金)制成的懸臂和導電層、懸臂支承鉸鏈(抗扭彈簧)、作為信號線的底部觸點、“S形”平面導電線圈、基底(通常是硅，GaAs，玻璃，等等)上的坡莫合金層(或其他軟磁材料)和粘接到基底底部的底部永久磁鐵(例如，釹)。磁鐵可以放置或直接制成在基底上。磁鐵中磁化強度取向是沿+Z或-Z方向。由于軟磁材料的高磁導率性質，坡莫合金上表面附近的磁場是自對準成平行于Z軸(或大致垂直于坡莫合金層表面)。需要這種自對準磁場以保持懸臂處在on或off狀態。整個裝置安裝在具有適當密封和電觸點引線的合適封裝(未畫出)內。
為了獲得最佳的性能，懸臂中心線(可能與鉸鏈線不同)應當大致位于磁鐵的中心附近，即，離邊緣的兩個距離(w1和w2)大致相等。然而，懸臂中心線可以遠離磁鐵的中心，該裝置仍具有開關功能。通過加正或負電流脈沖到S形線圈中，該線圈產生轉換磁場，使懸臂從一種狀態轉換到另一種狀態。在這個附圖中，在懸臂以下的有效線圈圈數為5。然而，線圈圈數n可以是任何的正整數(1≤n≤∞)。當圈數n等于1時，它意味著在懸臂以下僅有單個轉換金屬線。在裝置尺寸按比例縮小時，這是非常有用的設計。此外，也可以利用多層線圈以增強轉換能力。這可以通過把相繼的線圈層加到其他線圈層上部而實現。線圈層的間隔可以是中間的絕緣體并經導電通路進行連接。
永久磁鐵磁場保持(閂鎖)懸臂到任一種狀態。當懸臂切換到右邊時，懸臂的底部導體(例如，Au)接觸到底部觸點并連接信號線1。在此情況下，信號線2是斷開的。另一方面，當懸臂切換到左邊時，信號線2接通，而信號線1是斷開的。它構成SPDT閂鎖開關。雖然在附圖中磁鐵的寬度和基底上坡莫合金層的寬度是相同的，但在實際上可以是不同的。磁鐵的寬度可以大于或小于坡莫合金層的寬度。
其他的變化是可能的，例如，在坡莫合金層(或軟磁層)與基底之間可以放置緩沖層(例如，聚酰胺類的有機材料Durimide7320，SU-8抗蝕劑等)以減輕坡莫合金層中的應力問題。圖10表示這種情況。我們發現，當坡莫合金層很厚時(即，10微米或更厚)，它意味著應力相對地高，緩沖層是十分有用的。在一些沒有緩沖層的情況下，高應力可以嚴重彎曲基底晶片或甚至使基底斷裂。
另一種變化是在封裝或組裝過程中把坡莫合金(和磁鐵)放置在薄基底以下，而不是在基底上直接地進行處理。圖11表示這種情況。
另一種變化是，懸臂可以不必是褶曲的鉸鏈型。它也可以是圖12所示的一端固定(或彈簧板)型。可能需要或不需要一個上擋塊，它與機械設計有關。當然，上述緩沖層和坡莫合金層位置的各種變化也適用于這種結構。
還有一種變化，其中坡莫合金層可以涂敷或覆蓋其他的非磁金屬(即，金、銅、鋁、銀等等)，或在面向線圈和懸臂的表面上，或在它的上表面和下表面。坡莫合金層上涂敷其他非磁金屬的原因是，若該開關是在RF中應用，則可以避免RF信號與坡莫合金層之間的相互作用。換句話說，涂敷的金屬可以屏蔽RF信號。以下描述的圖19說明這種變化。
按照本發明的另一個實施例，多個磁鐵用于松弛對準約束要求。
圖13A和13B分別表示具有兩個永久磁鐵的微磁閂鎖開關1300的頂視圖和側視圖。開關1300包括以下的基本單元(如上所述)軟磁材料(例如，坡莫合金)制成的懸臂和導電層、懸臂支承鉸鏈(抗扭彈簧)、作為信號線的底部觸點、S形平面導電線圈、基底、和構成磁偶極子的頂部和底部永久磁鐵(例如，釹)。
這兩個磁鐵的磁化強度取向是相同的(同時沿+Z方向或沿-Z方向)。整個裝置安裝在具有適當密封和電觸點引線的合適封裝(未畫出)內。這兩個磁鐵在懸臂所在區域中提供恒定的均勻磁場。若兩個磁鐵是相同的(厚度，磁化強度，等等)，則磁鐵與懸臂水平面的兩個距離(d1和d2)大致是相等的。若厚度不相同，則兩個距離(d1和d2)應當設計成大部分磁力線垂直于懸臂水平面。此外，若兩個磁鐵是相同的，則懸臂中心線(它可能與鉸鏈線不同)應當大致位于磁鐵的中心，即，與邊緣的兩個距離(w1和w2)應當大致相等。
S形線圈產生使懸臂從一種狀態轉換到另一種狀態的轉換磁場。永久磁鐵磁場保持(閂鎖)懸臂到任一種狀態。當懸臂切換到右邊時，懸臂的底部導體(例如，Au)接觸到底部觸點并連接信號線1。在此情況下，信號線2是斷開的。另一方面，當懸臂切換到左邊時，信號線2接通，而信號線1是斷開的。它構成SPDT閂鎖開關。
圖13C表示一個磁鐵與多段軟磁層構成磁偶極子的實施例，磁偶極子提供均勻和垂直的磁場以保持懸臂的狀態。還制成線圈以實現上述的轉換目的。利用優選的磁化效應，軟磁層被分成多段以增大磁場的Z分量和減小磁場的X分量。
圖13D表示具有兩個高磁導率磁性層和兩個永久磁鐵以簡化磁性對準的實施例。該開關包括以下的單元第一高磁導率磁性層602、基底604、第二高磁導率磁性層702、介電層608和610、線圈712、底部導體614、懸臂組件616(至少有一個軟磁層618)、具有相同垂直磁化強度取向的頂部永久磁性層622和底部永久磁性層1302。最好是，永久磁鐵622和1302的表面與高磁導率磁性層702和602的表面都平行于懸臂616的水平面630，因此，永久磁鐵622產生的磁場水平分量在懸臂616附近大大減小。
圖14A-C表示確認磁偶極子可以產生均勻磁場的模擬結果。這些

單個永久磁鐵(a)與永久磁偶極子(b)之間的磁場分布比較。為了便于說明，而不是限制性的，每個磁鐵(Alnico)的尺寸是寬度＝2500mm，厚度＝1500mm。偶極子結構中兩個磁鐵之間的距離是1000mm。情況(a)中磁力線(箭頭)的均勻分布區域大于情況(b)中的均勻分布區域。微磁閂鎖開關最好放置在磁偶極子的中央區域。懸臂的長軸最好垂直于磁場。本發明者在這個模擬試驗中利用Alnico作為磁性材料。其結果一般也適用于其他的永久磁鐵(例如，釹)。在圖14C中，磁場(B)沿水平線方向的水平分量(x)是從一個磁鐵的左邊到它的右邊。該水平線位于下磁鐵以上約650mm(磁偶極子中心以下100mm)。這些結果還確認，與單個磁鐵(a)情況中對應區域的磁力線比較，在磁偶極子間隙區域(b)中的磁力線更加垂直。
圖15A和15B分別表示另一個微磁閂鎖開關1500的頂視圖和側視圖。該開關包括以下的基本單元軟磁材料(例如，坡莫合金)制成的懸臂和導電層、懸臂支承鉸鏈(抗扭彈簧)、作為信號線的底部觸點、S形平面導電線圈、基底上的底部坡莫合金層(或其他的軟磁材料)、和頂部永久磁鐵(例如，釹)。底部軟磁層和頂部永久磁鐵構成磁偶極子。磁鐵的磁化強度取向是沿+Z方向或-Z方向。磁偶極子產生保持懸臂在on或off狀態所需的大致均勻磁場。
(為了清楚地說明永久磁鐵下的開關結構，在附圖中打開穿過頂部磁鐵的一個窗口。實際上，平坦的永久磁鐵是沒有這種窗口或空隙部分的均勻實體。)整個裝置安裝在具有適當密封和電觸點引線的合適封裝(未畫出)內。磁鐵和坡莫合金層與懸臂水平面的兩個距離(d1和d2)可以是相等的(d1＝d2)。它們也可以不相等d1≠d2。此外，為了提高性能，懸臂中心線(可以與鉸鏈線不同)可以大致位于磁鐵的中心附近，即，離邊緣的兩個距離(w1和w2)大致相等。然而，懸臂中心線也可以遠離磁鐵的中心，該裝置仍具有開關的功能。
通過加正或負電流脈沖到S形線圈中，該線圈產生轉換磁場，使懸臂從一種狀態轉換到另一種狀態。在該附圖中，在懸臂以下的有效線圈圈數為5。然而，線圈圈數n可以是任何的正整數(1≤n≤∞)。當圈數n等于1時，它意味著在懸臂以下僅有單個轉換金屬線。在裝置尺寸按比例縮小時，這是非常有用的設計。永久磁鐵磁場保持(閂鎖)懸臂到兩個穩態中的一個穩態。當懸臂切換到右邊時，懸臂的底部導體(例如，Au)接觸到底部觸點并連接信號線1。在此情況下，信號線2是斷開的。另一方面，當懸臂切換到左邊時，信號線2接通，而信號線1是斷開的。它構成SPDT閂鎖開關。雖然在附圖中磁鐵的寬度和基底上坡莫合金層寬度是相同的，而在實際上可以是不同的。磁鐵的寬度可以大于或小于坡莫合金層的寬度。
其他的變化是可能的，例如，一個永久磁鐵可以放置或直接制成在基底上。軟磁層和線圈可以放置在懸臂的頂部。圖16表示這種結構。
圖16是另一個實施例有S形線圈的單刀雙擲(SPDT)微磁閂鎖開關的側視圖，該開關有頂部坡莫合金層(或其他軟磁材料)和基底上的底部永久磁鐵。該開關包括以下的基本單元軟磁材料制成的懸臂和導電層、懸臂支承鉸鏈(抗扭彈簧)、作為信號線的底部觸點、S形平面導電線圈、形成磁偶極子的頂部坡莫合金層(或其他軟磁材料)和基底上的底部永久磁鐵(例如，釹)。磁鐵的磁化強度取向是沿+Z方向或-Z方向。整個裝置安裝在具有適當密封和電觸點引線的合適封裝(未畫出)內。S形線圈產生轉換磁場，使懸臂從一種穩態轉換到另一種穩態。永久磁鐵磁場保持(鎖存)懸臂到任一種穩態。
或者，圖17表示一端固定(或彈簧板)型的開關。底部觸點墊片和永久磁鐵底部表面作為轉換激勵的擋塊。
圖18A-D表示包含適用于傳輸射頻(RF)信號的傳輸線實施例。圖18A是開關1800的頂視圖。圖18B是沿懸臂長軸b-b′直線的剖面視圖。圖18C是通過懸臂抗扭彈簧沿c-c′直線的剖面視圖。圖18D是通過懸臂端部接觸區沿c-c′直線的剖面視圖。
在這個實施例中，微磁閂鎖開關包括以下的基本單元底部永久磁鐵1302、頂部永久磁鐵612、基底604、導電線1802(即，單個線圈線)、第一信號線1804、第二信號線1806、懸臂組件616(底部導電層1810、第一軟磁層1812、和第二磁性層618)、和抗扭彈簧620。兩個永久磁鐵構成磁偶極子，在懸臂616所在的區域提供恒定的均勻磁場，該區域通常是在磁偶極子的中心附近。磁通線垂直于懸臂的表面。合適的隔板和封裝支承磁鐵。懸臂616是由抗扭彈簧620從兩側支承。在它的靜狀態下，懸臂接觸到右邊(閉合信號線1806)或接觸到左邊(閉合信號線1804)。通過單個導電線1802的電流脈沖產生瞬間的磁場，它可以重新對準軟磁層681和懸臂中1812和618的磁化強度，并使懸臂在兩種狀態之間轉換。因此，該開關是閂鎖單刀雙擲開關。區域1820是導電線1802中的開孔，使信號線與導電線1802隔離。導電線1830和1832是接地線。
在這個實施例中，可以利用相同的步驟制作信號線1804和1806、接地線1831/1832、和導電線1802(作為轉換懸臂的單線線圈)以簡化制作過程。以下的通用步驟可用于制作該裝置。(1)在基底上沉積或生長介電層(任選的，取決于基底是絕緣或非絕緣的)，(2)生長導電層(1804，1806，1802，1830，1832)并制成圖形，(3)沉積犧牲層(例如，光致抗蝕劑，聚酰亞胺，等等)，然后形成各種開孔。制作這種裝置的其他方法對于本領域專業人員是顯而易見的。
圖19表示包含適用于傳輸射頻(RF)信號的另一個傳輸線實施例。圖19A是開關1900的頂視圖。圖19B是沿懸臂長軸方向b-b′直線的剖面視圖。圖19C是通過懸臂抗扭彈簧沿c-c′直線的剖面視圖。圖19D是橫跨支承梁1902沿d-d′直線的剖面視圖。
在這個實施例中，微磁閂鎖開關包括以下的基本單元底部永久磁鐵1302、頂部永久磁鐵612、基底604、導電線1802、第一信號線1804、第二信號線1806、懸臂組件616(底部導電層1810，第一軟磁層1812、和多段第二磁性層618)、抗扭彈簧620，和各種支承梁1902。兩個永久磁鐵構成磁偶極子，在懸臂616所在的區域提供恒定的均勻磁場，該區域通常是在磁偶極子的中心附近。磁通量線垂直于懸臂的表面。合適的墊塊和封裝支承這兩個磁鐵。懸臂616是由抗扭彈簧620從兩側支承。在它的靜狀態下，懸臂接觸到右邊(閉合信號線1804)或接觸到左邊(閉合信號線1806)。通過單個導電線1802的電流脈沖產生瞬間的磁場，它可以重新對準懸臂中軟磁層1812和618的磁化強度，并使懸臂在兩種狀態之間轉換。因此，該開關是閂鎖單刀雙擲開關。任選的導體接地面1910和1912可以放置在懸臂616以下和以上，它形成共面波導結構。
開關陣列通過制造互相并列的開關單元，可以構成m×n的裝置陣列(m和n是任意的正整數)。圖20-21表示這種裝置陣列。圖20是僅有一行開關的陣列頂視圖。圖21是有三行開關的陣列頂視圖。開關陣列中磁鐵的松弛對準可以遵照任何上述永久磁鐵和坡莫合金層的安排。提供的圖22-29中實施例僅僅用于說明而不是限制性的。
其他的實施例圖30A和30B分別表示另一個實施例微磁閂鎖開關的頂視圖和側視圖，但在懸臂沿橫向運動代替上下運動的情況。單刀雙擲(SPDT)微磁閂鎖開關3000包括以下的基本單元軟磁材料(例如，坡莫合金)制成的懸臂和導電層、懸臂支承鉸鏈、作為信號線的觸點、S形平面導電線圈、基底、以及構成磁偶極子的左永久磁鐵和右永久磁鐵(例如，釹)。這兩個磁鐵的磁化強度取向是相同的(同時沿+X方向或沿-X方向)。整個裝置安裝在具有適當密封和電觸點引線的合適封裝(未畫出)內。
兩個永久磁鐵在懸臂所在區域提供恒定的均勻磁場。若兩個磁鐵是相同的(厚度，磁化強度，等等)，則這兩個磁鐵與懸臂垂直面的距離大致是相等的。若厚度不相同，則兩個距離應當設計成磁力線垂直于懸臂垂直面。此外，懸臂中心應當大致位于連接兩個磁鐵中心的直線附近。
S形線圈產生轉換磁場，使懸臂從一種狀態轉換到另一種狀態。永久磁鐵磁場保持(閂鎖)到任一種狀態。當懸臂切換到右邊時，懸臂的右側導體(例如，Au)接觸到右觸點并連接信號線1。在此情況下，信號線2是斷開的。另一方面，當懸臂切換到左邊時，信號線2接通，而信號線1是斷開的。它構成SPDT閂鎖開關。可以有其他的幾種變化，例如，兩個永久磁鐵中的一個可以不必是永久磁鐵，一個永久磁鐵和一個軟磁鐵仍然構成偶極子，在偶極子的中心區域提供均勻的磁力線。
圖31表示另一個實施例的微磁閂鎖開關。在這個實施例中，圓柱形永久磁鐵3150有中心軸為A的空桶或圓管形并沿垂直方向磁化以提供靜磁場。高磁導率磁性層602和802放置在永久磁鐵3150的頂部和底部以減小懸臂616附近的水平磁場。
圖32A和32B分別表示一個實施例微磁閂鎖開關的頂視圖和側視圖，它集成其他的有源/無源半導體器件和電路以及永久磁鐵。永久磁鐵可以是現成的磁鐵(例如，釹)，或利用絲網印刷和模式處理技術的集成聚合物磁鐵。可以利用單線油開關以節省空間。因此，本發明的微磁閂鎖開關可以是與有源半導體電子和/或光器件的單片集成開關。
圖33-35表示利用CPW結構制作RF MRMS微磁閂鎖開關的另一種方法。懸臂開關位于共面波導(CPW)的一側，它是圖33中所示的地-信號-地結構。該裝置中的有源轉換元件是活動懸臂，電旁路單片CPW上的間隙使開關為ON，或斷開間隙使開關為OFF。為了保證懸臂僅與CPW的中心導體接觸，圖33中所示的觸點“凸塊”是電鍍的。圖34是保證懸臂與CPW之間實現合適觸點對準的另一種方法。CPW中的彎頭可以縮短其總的長度，并使波導中的大部分與該裝置中焊片隔離。
圖34表示一種松弛圖33中CPW開關對準容錯的方法。利用以上的CPW結構(圖33)，活動懸臂必須與中心導體的觸點凸塊精確對準，或者，懸臂可以與一條相鄰接地線短路。解決的方法是，利用平面介電材料完全覆蓋CPW，然后開孔或通路以暴露間隙中任一側的觸點(和觸點片)。電鍍諸如金的導電材料以填充通路并在基底上建立凸起的觸點“凸塊”。
圖35表示用于分開頂部導體和以下接地面(圖中未畫出)的平面介電層。CPW中的彎折可以縮短其總的長度，并使波導中的大部分與該裝置塊體中的焊片隔離。
光開關結合以上描述電中繼的機構，原理和技術也可用于制造適用于通信或其他光學系統的光開關。在各個實施例的光開關中，懸臂的磁敏部分可以粘貼到反射鏡或反射光的其他材料上。當懸臂從“斷開”狀態轉換到“閉合”狀態時，反射面曝露或遮蔽光信號，使信號被適當地反射或吸收，如以下更詳細描述的。
開關中懸臂也可以作為反射鏡。圖36A和36B分別表示光開關的頂視圖和側視圖，其永久磁鐵放置(安裝)在基底的底部上。通過電方式讀出信號線的狀態，懸臂以下的電觸點提供一種檢查懸臂狀態的便利方法。然而，這些電觸點不是必需的。被轉換的光入射到懸臂的反射面(例如，反射鏡)，并被偏轉(例如，輸出)到右側或左側，取決于開關的狀態。圖中畫出S形線圈，基于此處公開的內容，本領域專業人員知道，也可以利用其他的線圈結構。此外，可以利用上述的其他松弛對準結構以制成光開關。
例如，圖37A-D表示包含頂部永久磁鐵的另一個實施例光開關。圖37A表示永久磁鐵安裝到懸臂上方之前的光開關部分。圖37B表示永久磁鐵安裝到懸臂上方之前有窄縫的頂部永久磁鐵。圖37C是永久磁鐵安裝到懸臂頂部之后的光開關頂視圖。磁鐵的以下部分是看不見的，因為它們被頂部永久磁鐵所阻擋。圖37D是永久磁鐵安裝到懸臂頂部之后的光開關側視圖。光(例如，輸入激光束)傳輸通過磁鐵中的窄縫并到達懸臂表面，然后它被懸臂反射并最后沿相對于輸入激光方向的不同方向穿過窄縫。
圖38A-B表示包含圓柱形磁鐵的另一個例子光開關。該光開關包括以下的基本單元基底3820、導電線圈3833、介電層3834、懸臂3840(底部籽層3841，薄坡莫合金(或其他材料)層3842、軟磁層3843、和反射層3844)、抗扭彈簧3845、光纖線3861、3862、3863(有合適的末端，透鏡，等等)、和圓柱形磁鐵3850(或任何其他形狀的磁鐵，用于提供垂直于懸臂表面的均勻磁場)。選取合適的距離d1，d2，w1，w2，使懸臂3840是在磁鐵的中心或中心附近。在這種配置中，懸臂反射鏡3840有以上解釋的兩個穩定位置。通過線圈3833的電流脈沖使懸臂反射鏡3840在兩個穩態之間轉換。來自光纖3861的光信號3861入射到懸臂反射鏡3840，并反射到右側光纖3863(箭頭3813所示)或反射到左側光纖3862(箭頭3812所示)。這構成1×2光開關。該實施例容易擴展成n×2n光開關陣列。
封裝射頻應用的集成電路封裝，例如，本發明提出的微磁閂鎖開關，不是一個無足輕重的問題。可以利用各種常規的封裝技術，例如，線或帶焊接，倒裝式或晶片尺寸封裝。重要的是，外磁場和/或電場不會干擾微磁開關的閂鎖功能。因此，可以利用各種形狀和配置的金屬板或外殼以避免外場對開關運行的影響。本領域專業人員知道，可以采用各種金屬，金屬合金和能量吸收材料或薄層。基于此處公開的內容，本領域專業人員知道這種金屬板，外殼或薄層的形狀、厚度、和其他的尺寸，它們是與實施方案有關的。
微磁閂鎖開關的具體應用本發明的微磁閂鎖開關可應用于多種產品，包括家用電器和工業電器，消費者電子設備，軍事硬件，醫療裝置和各種類型車輛，僅僅舉出一些寬廣分類的產品例子。雖然以下描述的幾個實施例沒有在附圖中給予說明，但文字說明和其他方式列舉的實施例足以使專業人員制作和利用本發明。
結論雖然以上已描述本發明的各種實施例，應當明白，它們僅僅作為例子，而不是限制性的。在不偏離本發明的精神和范圍的條件下，相關領域的專業人員可以在形式上和細節上作出各種改動。借助于今后研制的相關技術范圍內的技術和術語，這種情況是特別正確的。
以上對本發明的描述是借助于結構和功能性組件，單元，或說明具體功能及其關系的模塊。為了便于描述，此處已限定這些組件的邊界。只要合適地完成特定的結構，功能及其關系，可以限定其他的結構和邊界。因此，任何這些其他的邊界都是在本發明的范圍內。本領域專業人員知道，利用已知的材料，離散的元件可以實現這些組件。因此，本發明的寬度和深度不應當受上述典型實施例的限制，而是應當按照以下的權利要求書及相關的內容給予限制。
權利要求
1.一種微磁閂鎖開關，包括基底；所述基底支承的活動單元，它有磁性材料和長軸；產生第一磁場的第一磁鐵和第二磁鐵，第一磁場在所述磁性材料中誘發磁化強度，所述磁化強度的特征是，磁化強度矢量指向沿所述活動單元所述長軸的方向，其中所述第一磁場大致垂直于所述長軸的主中央部分；和產生第二磁場的線圈，第二磁場使所述活動單元在兩個穩態之間轉換，其中僅僅要求瞬間加上所述第二磁場以改變所述磁化強度矢量的方向，從而使所述活動單元在所述兩個穩態之間轉換。
2.按照權利要求1的裝置，其中所述第一磁鐵是基本平面且基本平行于所述基底的永久磁鐵。
3.按照權利要求1的裝置，其中所述第一磁鐵和所述第二磁鐵是基本平面且基本平行于所述基底的永久磁鐵，和其中所述活動單元和所述基底位于所述第一磁鐵與所述第二磁鐵之間。
4.按照權利要求2的裝置，其中所述第二磁鐵是基本平面且基本平行于所述基底的坡莫合金層。
5.按照權利要求4的裝置，其中所述坡莫合金層位于所述基底與所述活動單元之間。
6.按照權利要求4的裝置，其中所述坡莫合金層位于支承所述活動單元的所述基底一側相對的所述基底另一側。
7.按照權利要求4的裝置，其中所述活動單元位于所述坡莫合金層與所述基底之間，而所述永久磁鐵位于支承所述活動單元的所述基底一側相對的所述基底另一側。
8.按照權利要求5的裝置，其中所述永久磁鐵位于支承所述活動單元的所述基底一側相對的所述基底另一側。
9.按照權利要求5的裝置，還包括第二坡莫合金層，所述第二坡莫合金層位于支承所述活動單元的所述基底一側相對的所述基底另一側。
10.按照權利要求5的裝置，其中所述活動單元位于所述坡莫合金層與所述永久磁鐵之間。
11.按照權利要求6的裝置，其中所述活動單元位于所述基底與所述永久磁鐵之間。
12.按照權利要求11的裝置，還包括第二坡莫合金層，所述第二坡莫合金層位于所述永久磁鐵與所述活動單元之間。
13.按照權利要求11的裝置，還包括第二坡莫合金層，所述第二坡莫合金層位于所述永久磁鐵的外側。
14.按照權利要求3的裝置，其中所述基底包括支承所述活動單元的凸起結構。
15.按照權利要求14的裝置，還包括把所述活動單元夾在中間的一對接地面。
16.按照權利要求6的裝置，其中所述坡莫合金層包括交替獨立的軟磁材料段和非磁材料段，其中所述交替各段沿所述長軸排列。
17.按照權利要求9的裝置，其中所述第二坡莫合金層包括交替獨立的軟磁材料段和非磁材料段，其中所述交替各段沿所述長軸排列。
18.按照權利要求3的裝置，還包括所述基底支承的多個活動單元。
19.按照權利要求8的裝置，還包括所述基底支承的多個活動單元。
20.按照權利要求8的裝置，還包括所述基底支承的多個活動單元，且其中所述坡莫合金層包括多個橫向分隔段，所述橫向分隔段中的各段是與所述多個活動單元中對應一個活動單元松弛對準。
21.按照權利要求8的裝置，還包括所述基底支承的多個活動單元，且其中所述永久磁鐵包括多個橫向分隔段，所述橫向分隔段中各段是與所述多個活動單元中對應一個活動單元對準。
22.按照權利要求8的裝置，還包括所述基底支承的多個活動單元，且其中所述永久磁鐵包括多個橫向分隔第一段，所述第一段中的各段是與所述多個活動單元中對應一個活動單元對準，且其中所述永久磁鐵包括多個橫向分隔第二段，所述第二段中的各段是與所述多個活動單元中對應一個活動單元松弛對準。
23.按照權利要求10的裝置，還包括所述基底支承的多個活動單元。
24.按照權利要求10的裝置，還包括所述基底支承的多個活動單元，且其中所述坡莫合金層包括多個橫向分隔段，所述橫向分隔段中的各段是與多個活動單元中對應一個活動單元松弛對準。
25.按照權利要求10的裝置，還包括所述基底支承的多個活動單元，且其中所述永久磁鐵包括多個橫向分隔段，所述橫向分隔段中的各段是與所述多個活動單元中對應一個活動單元松弛對準。
26.按照權利要求10的裝置，還包括所述基底支承的多個活動單元，且其中所述永久磁鐵包括多個橫向分隔第一段，所述第一段中的各段是與所述多個活動單元中對應一個活動單元松弛對準，且其中所述永久磁鐵包括多個橫向分隔第二段，所述第二段中的各段是與所述多個活動單元中對應一個活動單元松弛對準。
27.按照權利要求1的裝置，其中所述線圈包括“S形”結構。
28.按照權利要求1的裝置，其中所述線圈包括單個線圈線。
29.按照權利要求1的裝置，其中所述磁性材料包括坡莫合金。
30.按照權利要求29的裝置，其中所述坡莫合金包括所述活動單元上的多條窄帶，且對準平行于所述長軸。
31.按照權利要求1的裝置，其中所述第一磁鐵和第二磁鐵是位于所述基底上的永久磁鐵，而所述活動單元位于所述第一永久磁鐵與所述第二永久磁鐵之間，所述第一永久磁鐵和第二永久磁鐵中的每個永久磁鐵有各自平行于所述活動單元所述長軸的長軸，其中兩個穩態之間的所述轉換使所述活動單元在基本平行于所述基底的平面上運動。
32.按照權利要求4的裝置，其中所述線圈位于所述基底支承的所述活動單元一側相對的所述活動單元另一側。33.按照權利要求4的裝置，還包括坡莫合金層，所述坡莫合金層垂直于所述基底并與所述活動單元橫向隔開。
34.按照權利要求5的裝置，還包括位于所述坡莫合金層與所述基底之間的緩沖層。
35.按照權利要求8的裝置，其中所述磁性材料包括上面有反射層的坡莫合金，其中所述裝置在光入射到所述反射層時的功能是光開關，因此，在所述兩個穩態之間轉換所述活動單元使所述入射光沿至少兩個不同方向中的一個方向反射。
36.按照權利要求10的裝置，其中所述磁性材料包括上面有反射層的坡莫合金，且所述坡莫合金有位于所述反射層附近的窄縫，其中所述裝置在光傳輸通過所述窄縫并入射到所述反射層時的功能是光開關，因此，在所述兩個穩態之間轉換所述活動單元使所述入射光沿反向通過所述窄縫的至少兩個不同方向中的一個方向反射。
37.一種微磁閂鎖開關，包括基底；所述基底支承的活動單元，所述活動單元有磁性材料和長軸；有中心軸的圓柱形磁鐵，沿橫向包圍所述活動單元，使所述中心軸穿過所述活動單元的中央部分且垂直于所述基底，其中所述圓柱形磁鐵在所述磁性材料中產生誘發磁化強度的第一磁場，所述磁化強度的特征是，磁化強度矢量指向沿所述活動單元所述長軸的方向，其中所述第一磁場大致垂直于所述長軸的主中央部分；和產生第二磁場的線圈，使所述活動單元在兩個穩態之間轉換，其中僅僅要求瞬間加上第二磁場以改變所述磁化強度矢量的方向，從而使所述活動單元在所述兩個穩態之間轉換。
38.按照權利要求37的裝置，還包括第一坡莫合金層，所述第一坡莫合金層位于支承所述活動單元的所述基底一側相對的所述基底另一側，和第二坡莫合金層，所述第二坡莫合金層位于所述基底支承的所述活動單元一側相對的所述活動單元另一側。
全文摘要
一種微磁閂鎖開關。該裝置包括基底，上面有支承的活動單元。活動單元(懸臂)有長軸和磁性材料。該裝置還有產生第一磁場的第一磁鐵和第二磁鐵，第一磁場在磁性材料中誘發磁化強度。磁化強度的特征是，磁化強度矢量指向沿活動單元的長軸方向，其中第一磁場大致垂直于長軸的主中央部分。該裝置還有產生第二磁場的線圈，第二磁場使活動單元在兩個穩態之間轉換，其中僅僅要求瞬間加上第二磁場以改變磁化強度的矢量方向，從而使活動單元在兩個穩態之間轉換。
文檔編號H01H51/22GK1498412SQ02805185
公開日2004年5月19日 申請日期2002年1月18日 優先權日2001年1月18日
發明者申軍, 阮梅春, 查爾斯·惠勒, 惠勒, 軍 申 申請人:亞利桑那州立大學