专利名称：具有永久磁铁松弛对准要求的微磁闩锁开关的制作方法
技术领域：
本发明涉及电子开关和光开关。本发明具体涉及具有永久磁铁松弛对准要求的微磁闩锁开关。
背景技术：
开关通常是电路控制的二态装置，断开和关闭触点以实现电路或光路中装置的运行。例如，继电器的典型功能是作为激励或去激励电装置，光装置或其他装置中各个部分的开关。继电器通常用在包括电信，射频(RF)通信，便携式电子器件，家用和工业用电子器件，宇航空间，和其他系统的许多应用中。最近以来，光开关(也称之为“光中继”或“中继”)已用于从一条路径转换光信号(例如，光通信系统中的信号)到另一条路径。
虽然早期的中继是机械装置或固态装置，但是微型机电系统(MEMS)技术和微电子制造技术的最新发展已使微静电和微磁性中继成为现实。这种微磁性中继通常包含激励电枢的电磁铁，以便接通或断开电触点。当去激励电磁铁时，弹簧或其他的机械力通常使电枢恢复到静态位置。然而，这种中继通常有若干显著的缺点，它们一般仅产生单个稳定输出(即，静态)，且它们不能闩锁(即，在去掉中继电源时，不保留恒定的输出)。此外，常规的微磁性中继所需的弹簧随时间而退化或破损。
1998年12月8日授权给Taylor等人的美国专利No.5,847,631(′631专利)中描述另一种微磁性中继，全文合并在此供参考。这个专利中公开的中继包括永久磁铁和电磁铁，电磁铁产生的磁场间歇地反抗永久磁铁产生的磁场。该中继必须消耗电磁铁中的功率以保持至少一种输出状态。此外，产生反抗磁场所需的功率是很大的，因此在宇航空间，便携式电子器件，和要求低功耗的其他应用中很少使用这种中继。
微磁闩锁开关的基本单元包括永久磁铁，基底，线圈，和至少部分是由软磁材料制成的悬臂。在它的最佳配置中，永久磁铁产生大致垂直于悬臂水平面的静磁场。然而，具有典型规则形状(圆盘，正方，等等)的永久磁铁产生的磁力线未必垂直于平面，尤其是在磁铁的边缘。所以，永久磁铁磁场的水平分量可以消除双稳态中的一个稳态，或大大增加使悬臂从一个稳态转换到另一个稳态所需的电流。永久磁铁相对于悬臂的仔细对准是为了使悬臂定位在永久磁铁磁场的正确位置(通常是在中心附近)，这就可以形成双稳态并使转换所需电流减至最小。然而，若对准容错很小，则批量生产这种开关是十分困难和高成本的。
我们需要的是一种永久磁铁松弛对准要求的双稳闩锁开关。这种开关还应当是可靠的，设计简单，低成本和容易制造，以及可以在光学和/或电学环境中得到应用。
发明内容
本发明的微磁闩锁开关可应用于多种产品，包括家用电器和工业电器，消费者电子设备，军事硬件，医疗装置和各种类型车辆，仅仅举出一些宽广分类的产品例子。本发明的微磁闩锁开关有小型化和制造简单的优点以及在高频下有良好的性能，使它在诸多RF应用中有许多新型用途。
本发明的目的是一种微磁闩锁装置。该装置或开关包括上面支承活动单元的基底。活动单元或悬臂有长轴和磁性材料。该装置还有产生第一磁场的第一磁体和第二磁铁，第一磁场在磁性材料中诱发磁化强度。磁化强度的特征是，磁化强度矢量指向沿活动单元长轴的方向，其中第一磁场大致垂直于长轴的主中央部分。该装置还有产生第二磁场的线圈，用于在两个稳态之间转换活动单元，其中仅仅要求瞬间加上第二磁场以改变磁化强度矢量的方向，从而使活动单元在两个稳态之间转换。
在一个实施例中，第一磁铁是基本平面和基本平行于基底的永久磁铁。
在另一个实施例中，第一磁铁和第二磁铁是基本平面和基本平行于基底的永久磁铁。在这个实施例中，活动单元和基底位于第一磁铁与第二磁铁之间。
在另一个实施例中，第二磁铁是基本平面和基本平行于基底的坡莫合金层。
在另一个实施例中，坡莫合金层位于基底与活动单元之间。
在另一个实施例中，坡莫合金层位于支承活动单元的基底一侧相对的基底另一侧。
在另一个实施例中，活动单元位于坡莫合金层与基底之间，而永久磁铁位于支承活动单元的基底一侧相对的基底另一侧。
在另一个实施例中，永久磁铁位于支承活动单元的基底一侧相对的基底另一侧。
在另一个实施例中，该装置还包括第二坡莫合金层，第二坡莫合金层位于支承活动单元的基底一侧相对的基底另一侧。
在另一个实施例中，活动单元位于坡莫合金层与永久磁铁之间。
在另一个实施例中，活动单元位于基底与永久磁铁之间。
在另一个实施例中，该装置还包括位于永久磁铁与活动单元之间的第二坡莫合金层。
在另一个实施例中，该装置还包括位于永久磁铁外侧的第二坡莫合金层。
在另一个实施例中，该基底包括支承活动单元的凸起结构。
在另一个实施例中，该装置还包括把活动单元夹在中间的一对接地面。
在另一个实施例中，坡莫合金层包括交替独立的软磁材料段和非磁材料段，其中交替各段沿长轴排列。
在另一个实施例中，第二坡莫合金层包括交替独立的软磁材料段和非磁材料段，其中交替各段沿长轴排列。
在另一个实施例中，该装置还包括基底支承的多个活动单元。
在另一个实施例中，该装置还包括基底支承的多个活动单元。
在另一个实施例中，该装置还包括基底支承的多个活动单元，且其中坡莫合金层包括多个横向分隔段，横向分隔段中的各段是与多个活动单元中对应一个活动单元松弛对准。
在另一个实施例中，该装置还包括基底支承的多个活动单元，且其中永久磁铁包括多个横向分隔段，多个横向分隔段中每各段是与多个活动单元中对应一个活动单元对准。
在另一个实施例中，该装置还包括基底支承的多个活动单元，且其中永久磁铁包括多个横向分隔第一段，多个第一段中的各段是与多个活动单元中对应一个活动单元对准，且其中永久磁铁包括多个横向分隔第二段，多个第二段中各段是与多个活动单元中对应一个活动单元松弛对准。
在另一个实施例中，该装置还包括基底支承的多个活动单元。
在另一个实施例中，该装置还包括基底支承的多个活动单元，且其中坡莫合金层包括多个横向分隔段，多个横向分隔段中的各段是与多个活动单元中对应一个活动单元松弛对准。
在另一个实施例中，该装置还包括基底支承的多个活动单元，且其中永久磁铁包括多个横向分隔段，多个横向分隔段中的各段是与多个活动单元中对应一个活动单元松弛对准。
在另一个实施例中，该装置还包括基底支承的多个活动单元，且其中永久磁铁包括多个横向分隔第一段，多个第一段中的各段是与多个活动单元中对应一个活动单元松弛对准，且其中永久磁铁包括多个横向分隔第二段，多个第二段中的各段是与多个活动单元中对应一个活动单元松弛对准。
在另一个实施例中，线圈包括“S形”结构。或者，该线圈包括单个线圈线。
在另一个实施例中，磁性材料包括坡莫合金。此外，坡莫合金可以包括活动单元上的多条窄带，且对准平行于长轴。
在另一个实施例中，第一磁铁和第二磁铁是位于基底上的永久磁铁，且活动单元位于第一永久磁铁与第二永久磁铁之间，第一永久磁铁和第二永久磁铁中的每个永久磁铁有各自平行于活动单元长轴的长轴，其中两个稳态之间的转换使活动单元在基本平行于基底的平面上运动。
在另一个实施例中，线圈位于基底支承的活动单元一侧相对的活动单元另一侧。
在另一个实施例中，该装置还包括坡莫合金层，坡莫合金层垂直于基底并与活动单元横向隔开。
在另一个实施例中，该装置还包括位于坡莫合金层与基底之间的缓冲层。
在另一个实施例中，磁性材料包括上面有反射层的坡莫合金，其中该装置在光入射到反射层时的功能是光开关，因此，活动单元在两个稳态之间的转换使入射光沿至少两个不同方向中的一个方向反射。
在另一个实施例中，磁性材料包括上面有反射层的坡莫合金，且坡莫合金有位于反射层附近的窄缝，其中该装置在光传输通过窄缝并入射到反射层时的功能是光开关，因此，活动单元在两个稳态之间的转换使入射光沿反向通过窄缝的至少两个不同方向中的一个方向反射。
在另一个实施例中，该装置包括有中心轴的圆柱形磁铁，圆柱形磁铁横向包围活动单元，使中心轴穿过活动单元的中央部分且垂直于基底。圆柱形磁铁在磁性材料中产生诱发磁化强度的第一磁场，磁化强度的特征是，磁化强度矢量指向沿活动单元长轴的方向，其中第一磁场大致垂直于长轴的主中央部分。在这个实施例中，产生第二磁场的线圈使活动单元在两个稳态之间转换，其中仅仅要求瞬间加上第二磁场以改变磁化强度矢量的方向，从而使活动单元在两个稳态之间转换。
在另一个实施例中，该装置还包括第一坡莫合金层，它位于支承活动单元的基底一侧相对的基底另一侧，和第二坡莫合金层，它位于基底支承的活动单元一侧相对的活动单元另一侧。
参照以下对本发明的详细描述，这些和其他的目的，优点和特征是显而易见的。
根据以下的详细描述并结合附图，本发明的特征和优点是显而易见的，其中相同的附图标记表示相同或功能类似的单元。此外，附图标记中最左面的数字指出该附图标记首次出现的图号。
图1A和1B分别是典型实施例开关的侧视图和顶视图。
图2说明产生双稳态的原理。
图3说明具有不同磁导率(m1＞＞m2)的两种材料之间边界处磁场(H)的边界条件。
图4表示按照本发明磁通量分布的计算机模拟。
图5A-C表示从图4磁通量中提取的水平分量(Bx)。
图6A和6B分别表示按照本发明一个方面具有永久磁铁松弛对准要求的微磁闩锁开关600的顶视图和侧视图。
图7和8表示按照本发明另一些实施例的微磁闩锁开关。
图9A和9B分别表示具有本发明附加特征的微磁闩锁开关的顶视图和侧视图。
图10表示按照本发明具有缓冲层的微磁闩锁开关。
图11表示按照本发明具有放置在薄基底之下坡莫合金的微磁闩锁开关。
图12和17表示按照本发明的一端固定(或弹簧板)型的微磁闩锁开关。
图13A和13B分别表示按照本发明具有两个永久磁铁的微磁闩锁开关1300的顶视图和侧视图。
图13C表示按照本发明具有一个永久磁铁和多段软磁层形成磁偶极子的实施例。
图13D表示按照本发明具有两个高磁导率磁性层和两个永久磁铁的实施例。
图14A-C表示按照本发明确认磁偶极子可以产生均匀磁场的模拟结果。
图15A和15B分别表示按照本发明另一种微磁闩锁开关1500的顶视图和侧视图。
图16是按照本发明不同实施例具有“S形”线圈的单刀双掷(SPDT)微磁闩锁开关的侧视图。
图18A-D表示按照本发明的一个实施例，它包含适合于传输射频(RF)信号的传输线。
图19A-D表示按照本发明的另一个实施例，它包含适合于传输射频(RF)信号的传输线。
图20-29表示按照本发明微磁闩锁开关阵列的各个实施例。
图30A和30B分别表示按照本发明另一个实施例微磁闩锁开关的顶视图和侧视图，但是在悬臂作横向运动代替上下运动的情况。
图31表示按照本发明另一个实施例的微磁闩锁开关。
图32A和32B分别表示按照本发明一个实施例与其他有源/无源半导体器件和电路以及永久磁铁集成的微磁闩锁开关的顶视图和侧视图。
图33-35表示按照本发明利用CPW结构产生RF MEMS微磁闩锁开关的另一种方法。
图34表示按照本发明松弛图33中CPW开关对准容错的方法。
图35表示按照本发明用于分开顶部导体与以下接地面的平面介电层。
图36A和36B分别表示按照本发明光开关的顶视图和侧视图，其中永久磁铁是在基底的底部上。
图37A-D表示按照本发明另一个实施例包含顶部永久磁铁的光开关。
图38A-B表示按照本发明另一个实施例的光开关。
具体实施例方式
引言应当理解，此处展示和描述的具体实施方案是本发明的例子，绝不是对本发明范围的限制。的确，为了简洁明了，此处不详细地描述普通的电子学，制造MEMS工艺，和该系统的其他功能特征(以及该系统中各个工作部件的组成部分)。此外，为了简洁明了，此处频繁描述的本发明属于电路或电子系统中使用的微机电中继。应当理解，可以利用许多其他的制造技术以制造此处描述的中继，且此处描述的技术可用于机械中继，光中继或任何其他的开关装置。此外，这些技术适合于电路系统，光学系统，家用电器，工业电器，无线系统，空间应用，或任何其他的应用。
芯片，集成电路，单片装置，半导体装置和微电子装置等术语在这个领域中往往是可互换使用的。本领域专业人员人员一般都明白，本发明可应用于所有以上的装置。
金属线，互连线，踪迹，导线，导体，信号路径和信令介质等术语是相关的。以上列出的相关术语一般是可互换的，出现的顺序是从具体到一般。在这个领域中，金属线有时称之为踪迹，导线，线路，互连或金属。金属线，一般是铝(Al)、铜(Cu)、或Al和Cu的合金，它们是提供耦合或互连电路信号路径的导体。在微电子装置中可以利用金属以外的导体。各种材料，例如，掺杂多晶硅、掺杂单晶硅(往往指的是扩散，不管这种掺杂是通过热扩散或离子植入实现的)、钛(Ti)、钼(Mo)、和耐熔金属是其他导体的例子。
触点和通路术语都是指不同互连级下导体电路连接的结构。这些术语有时用于描述绝缘体中的开孔，其中包括未完成的结构和已完成的结构。在这个公开内容中，触点和通路是指已完成的结构。
此处所用的垂直术语是指与基底的表面大致正交。此外，应当注意，此处所作的空间描述(例如，“以上”、“以下”、“上”、“下”、“顶部”、“底部”、等等)仅仅是为了便于说明，而实际的闩锁中继可以按照任何的取向或方式作空间排列。
在给Shen等人的国际专利出版物WO0157899(其标题为Electronically Switching Latching Micro-magnetic Relay And Methodof Operating Same)和WO0184211(其标题为Electronically Micro-magnetic Latching Switches And Method of Operating Same)中对上述微磁闩锁开关有更深入的描述。这些专利出版物提供有关微磁闩锁开关的完整背景，这些专利全文合并在此供参考。此外，WO0157899和WO0184211中公开的开关细节可用于实施以下描述的本发明各个实施例的开关。
闩锁开关概述图1A和1B分别表示闩锁开关的侧视图和顶视图。开关和装置术语是可互换地描述本发明的结构。参照图1A和1B，典型的闩锁中继100最好包括磁铁102、基底104、遮盖导体114的绝缘层106、触点108、和悬臂(活动单元)112，它由支架层110定位或支承在基底之上。
磁铁102是任何类型的磁铁，例如，永久磁铁、电磁铁、或能够产生磁场H0134的任何其他类型磁铁，如以下更详细描述的。作为例子而不是限制，磁铁102可以是California州Fremont市Dexter磁技术公司制造的型号为59-P09213T001磁铁，当然也可以利用其他类型的磁铁。可以按照任何方式产生有任何强度的磁场，例如，约1奥斯忒至104奥斯忒或更高。磁场强度取决于保持悬臂在给定状态下所需的力，因此，它是与实施方案有关的。在图1所示的典型实施例中，产生的磁场H0134大致平行于Z轴，其强度约为370奥斯忒量级，虽然在其他的实施例中磁场134可以有不同的取向和强度。在各个实施例中，可以利用单个磁铁102并结合分享共同基底104的多个中继100。
基底104是由任何类型的基底材料制成，例如，硅、砷化镓、玻璃、塑料、金属或任何其他的基底材料。在各个实施例中，基底104可以涂敷绝缘材料(例如，氧化物)且整平得十分平坦。在各个实施例中，多个闩锁中继100可以分享单个基底104。或者，利用常规的集成电路制造技术，可以在基底104上制成其他的装置(例如，晶体管、二极管、或其他电子器件)以及一个或多个中继100。或者，磁铁102可以用作基底，以下讨论的附加元件可以直接制成在磁铁102上。在这些实施例中，不需要单独的基底104。
绝缘层106是由诸如氧化物的任何材料或诸如薄膜绝缘体的另一种绝缘体制成。在一个典型的实施例中，绝缘层是由Probimide7510材料制成。绝缘层106适合于遮盖导体114。图1A和1B所示的导体114是有两个末端126和128的单个导体，并安排成线圈图形。另一些实施例的导体114利用安排成任何合适图形的单个或多个导电段，例如，曲折图形，盘旋图形，随机图形，或任何其他图形。导体114是由能够导电的任何材料制成，例如，金、银、铜、铝、金属、等等。当导体114导电时，在导体114的周围产生磁场，如以下更详细地讨论的。
悬臂(活动单元)112是能够被磁力影响的任何电枢、延伸物、露头或构件。在图1A所示的实施例中，悬臂112最好包括磁性层118和导电层120。磁性层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。导电层120可以由金、银、铜、铝、金属或任何其他的导电材料制成。在各个实施例中，悬臂112具有对应于中继100究竟是“断开”或“闭合”的两种状态，如以下更详细地描述的。在许多实施例中，当导电层120连接支架层110到触点108时，中继100是“闭合”的。与此相反，当悬臂112不与触点108有电路接触时，中继100是“断开”的。因为悬臂112相对于触点108的运动可以是实际的接触或脱离，各个实施例中悬臂112是可弯曲的，因此，悬臂112可以弯曲到合适的程度。通过改变悬臂(或其各个部件层)的厚度，改变悬臂的图形，或在悬臂中开孔或切口，或利用各种可弯曲材料，可以制成不同的弯曲度。
或者，悬臂112可以做成“铰链”式结构(例如，以下结合图12所描述的)。虽然悬臂112的尺寸在不同的实施方案中可以有很大的变化，适用于微磁性中继100的典型悬臂112长度是在10-1000微米量级，厚度为1-40微米，和宽度为2-600微米。例如，按照图1所示实施例的典型悬臂尺寸约为600微米×10微米×50微米，或1000微米×600微米×25微米，或任何其他的合适尺寸。
触点108和支架层110可以合适地放置在绝缘层106上。在各个实施例中，支架层110支承悬臂112到绝缘层106之上以形成间隙116，间隙116可以是真空，或可以充满空气或其他气体，或充满诸如油的液体。虽然间隙116的尺寸在不同实施方案中有很大的变化，典型的间隙116可以是在1-100微米量级，例如，约20微米。当中继100处在闭合状态时，触点108可以接触到悬臂112，如以下所描述的。触点108和支架层110可以由任何的导电材料制成，例如，金、金合金、银、铜、铝、金属、等等。在各个实施例中，触点108和支架层110是由类似导电材料制成的，且当悬臂112在支架层110与触点108之间完成电路时，就可以认为中继是“闭合”的。在悬臂112不导电的某些实施例中，支架层110可以由非导电材料制成，例如，Probimide材料、氧化物、或任何其他的材料。此外，在其他一些实施例中，若悬臂112不被支承在绝缘层106之上，则可以不需要支架层110。
微磁闩锁开关工作原理当悬臂是在“下”位置时，它与底部导体电接触，该开关是“on”(也称之为“闭合”状态)。当接触端是在“上”位置时，开关是“off”(也称之为“断开”状态)。这两个稳态产生活动悬臂单元的转换功能。在转换之后，永久磁铁使悬臂保持在“上”或“下”位置，从而使该装置成为闩锁中继。仅在两个稳态之间转变的短暂时间(瞬间)内，电流传输通过线圈(例如，线圈被激励)。
(i)产生双稳态的方法参照图2说明产生双稳态的原理。当坡莫合金悬臂102的长度L远远大于它的厚度t和宽度(w，未画出)时，沿其长轴L的方向变成磁化强度的优选方向(也称之为“易磁化轴”)。当悬臂的主中央部分放置在均匀的永久磁铁磁场时，扭矩作用在悬臂上。扭矩可以是顺时针方向或逆时针方向，取决于悬臂相对于磁场的初始取向。当悬臂轴(ξ)与外磁场(H0)之间的夹角(α)小于90°时，扭矩是在逆时针方向；而当α大于90°时，扭矩是在顺时针方向。双向扭矩的出现是由于悬臂的双向磁化强度(即，磁化强度矢量“m”指向一个方向或另一个方向，如图2所示)(当α＜90°时，m的方向是从左向右；而当α＞90°时，m的方向是从右向左)。由于扭矩的作用，悬臂有对准外磁场(H0)的趋势。然而，当机械力(例如，悬臂的弹性扭矩，物理挡块，等等)优先取得与H0的全部重新对准时，可以得到两个稳定位置(“上”和“下”)，它构成开关中闩锁的基础。
(ii)电转换若加上第二磁场以克服H0的影响，使悬臂因H0产生沿易磁化轴的双向磁化强度可以瞬间反向，则可以实现可转换的闩锁中继。通过把平面线圈放置在悬臂之下或之上以产生所需的瞬间转换磁场，就可以实现这个方案。选取平面线圈图形是因为制造相对地简单，当然也可以利用其他的结构(例如，环绕三维型)。短电流脉冲产生的磁力线(Hcoil)围绕线圈。主要是这个磁场的ξ分量(沿悬臂的方向，见图2)用于重新定向悬臂中的磁化强度方向(磁化强度矢量“m”)。线圈电流的方向确定产生的磁场ξ分量是正的或负的。可以使用多个线圈。在转换之后，永久磁铁磁场保持悬臂在这种状态，直至发生下一个转换事件。由于线圈产生磁场的ξ分量(Hcoil-ξ)仅需要瞬间大于永久磁铁磁场的ξ分量[H0ξ～H0cos(α)＝H0sin(_)，α＝90°-_]，而_一般是很小的(例如，_≤5°)，因此，转换电流和功率可以非常低，这是微中继设计中一个重要的因素。
工作原理可以总结如下均匀磁场(实际上，磁场可以是大致均匀的)中的坡莫合金悬臂可以有顺时针方向和逆时针方向扭矩，这取决于它的长轴(易磁化轴L)与磁场之间的夹角。当其他力可以平衡消失扭矩时，可以有两个双稳态。线圈可以产生瞬间磁场以转换磁化强度(矢量m)沿悬臂的取向，因此使悬臂在这两个稳态之间转换。
磁铁的松弛对准为了解决磁铁松弛对准要求的问题，本发明者研制了在悬臂周围相对大的区域中建立垂直磁场的技术。本发明是基于这样的事实，低磁导率介质中(例如，空气)的磁力线基本上大致垂直于非常高磁导率材料(例如，易磁化材料，如坡莫合金)的表面。当悬臂放置在这种表面附近且悬臂的水平面平行于高磁导率材料表面时，至少可以部分实现上述的目的。以下讨论总的方案，随后是本发明的典型实施例。
磁通量密度(B)和磁场(H)的边界条件遵从以下的关系式B2*n＝B1*n， B2×n＝(μ2/μ1)B1×n或H2*n＝(μ2/μ1)H1*n，H2×n＝H1×n若μ1＞＞μ2，则H2的法向分量远远大于H1的法向分量，如图3所示。在极限(μ1/μ2)→∞的情况下，磁场H2垂直于边界面，与H1的方向无关(除了H1完全平行于界面的例外情况)。若第二介质是空气(μ2＝1)，则B2＝μ0H2，因此，磁通线B2也垂直于该表面。这个性质用在产生垂直于微磁闩锁开关中悬臂水平面的磁场以及永久磁铁的松弛对准要求。
图4A和4B表示磁通量(B)分布的计算机模拟。可以看出，若没有高磁导率磁性层(a)，则磁通量线不太垂直于水平面，导致大的水平(x)分量。若引入其表面平行于水平面的高磁导率磁性层(b)，则磁通量线在相对大的区域中大致垂直于水平面。虚线画出的方框区是该开关的优选位置，其悬臂水平面平行于水平轴(x)。
图5A-C表示沿各种高度(y＝-75mm，-25mm，25mm，…)切割线提取的磁通量水平分量(Bx)。从上到下(a1-b1-c1)，右侧曲线图对应于情况(a)单个永久磁铁，(b)有高磁导率磁性层(厚度t＝100mm)的永久磁铁，和(c)高磁导率磁性层厚度t＝25mm。在(a1)中没有高磁导率磁性层，我们看到Bx随远离中心而快速增大。在(b1)中，由于使用高磁导率磁性层，Bx小于(a1)中的Bx。较薄高磁导率磁性层(c1)的效应不如较厚高磁导率磁性层(b1)的效应。
磁场垂直于高磁导率材料边界面的这种性质以及悬臂(软磁铁)放置成其水平面平行于高磁导率材料的表面，可用在许多不同的配置中以松弛永久磁铁的对准要求。
图6A和6B分别表示按照本发明一个方面具有永久磁铁松弛对准要求的微磁闩锁开关600的顶视图和侧视图。在这个实施例中，两个高磁导率磁性层在制作微磁闩锁开关时有助于磁性对准。该开关包括以下的基本单元第一高磁导率磁性层602，基底604，第二高磁导率磁性层606，介电层608和610，螺旋状线圈612，底部导体614，悬臂组件616(至少一个软磁层618和其他的导电和/或支承抗扭弹簧620)，和有垂直磁化强度取向的顶部永久磁性层622。最好是，永久磁铁622的表面和高磁导率磁性层602和606的表面都平行于悬臂616的水平面630，因此，永久磁铁622产生的磁场水平分量在悬臂616附近大大减小。或者，可以利用单个软磁层(602或606)。
图7表示另一个实施例的微磁闩锁开关。在这个实施例中，两个高磁导率磁性层在制作微磁闩锁开关时有助于磁性对准。该开关包括图6中所示的类似基本单元。这个实施例与图6中实施例不同的是，第二高磁导率磁性层702恰好放置在顶部永久磁铁622以下。同样，最好是，永久磁铁622的表面和高磁导率磁性层602和702的表面都平行于悬臂616的水平面630，因此，永久磁铁622产生的磁场水平分量在悬臂616附近大大减小。
图8表示另一个实施例的微磁闩锁开关。在这个实施例中，几个高磁导率磁性层602，802，804和806放置在封装中的永久磁铁622和悬臂开关附近，这磁性层形成一个磁环路。底部高磁导率磁性层602有助于减小悬臂616附近的水平磁场分量，而磁性层802，804和806可以屏蔽外磁场和提高内部磁场强度。
以上提供的情况说明利用高磁导率磁性材料与永久磁铁的结合，用于产生垂直于微磁闩锁开关中悬臂水平面的磁场。基于这个原理可以设计不同的变化(多层，不同位置，等等)以实现永久磁铁与悬臂松弛对准的目的，使该开关成为双稳(闩锁)和容易(低电流)从一种稳态转换到另一种稳态。
在本发明的另一个实施例中，该开关系统包括平行的微磁悬臂、电磁铁(S形或单线线圈)、永久磁性层和软磁层，提供一个大致均匀磁场分布的单刀双掷(SPDT)方案，和适合于射频信号传输的传输线结构。
图9A和9B分别表示具有本发明附加特征的微磁闩锁开关的顶视图和侧视图。开关900包括以下的基本单元软磁材料(例如，坡莫合金)制成的悬臂和导电层、悬臂支承铰链(抗扭弹簧)、作为信号线的底部触点、“S形”平面导电线圈、基底(通常是硅，GaAs，玻璃，等等)上的坡莫合金层(或其他软磁材料)和粘接到基底底部的底部永久磁铁(例如，钕)。磁铁可以放置或直接制成在基底上。磁铁中磁化强度取向是沿+Z或-Z方向。由于软磁材料的高磁导率性质，坡莫合金上表面附近的磁场是自对准成平行于Z轴(或大致垂直于坡莫合金层表面)。需要这种自对准磁场以保持悬臂处在on或off状态。整个装置安装在具有适当密封和电触点引线的合适封装(未画出)内。
为了获得最佳的性能，悬臂中心线(可能与铰链线不同)应当大致位于磁铁的中心附近，即，离边缘的两个距离(w1和w2)大致相等。然而，悬臂中心线可以远离磁铁的中心，该装置仍具有开关功能。通过加正或负电流脉冲到S形线圈中，该线圈产生转换磁场，使悬臂从一种状态转换到另一种状态。在这个附图中，在悬臂以下的有效线圈圈数为5。然而，线圈圈数n可以是任何的正整数(1≤n≤∞)。当圈数n等于1时，它意味着在悬臂以下仅有单个转换金属线。在装置尺寸按比例缩小时，这是非常有用的设计。此外，也可以利用多层线圈以增强转换能力。这可以通过把相继的线圈层加到其他线圈层上部而实现。线圈层的间隔可以是中间的绝缘体并经导电通路进行连接。
永久磁铁磁场保持(闩锁)悬臂到任一种状态。当悬臂切换到右边时，悬臂的底部导体(例如，Au)接触到底部触点并连接信号线1。在此情况下，信号线2是断开的。另一方面，当悬臂切换到左边时，信号线2接通，而信号线1是断开的。它构成SPDT闩锁开关。虽然在附图中磁铁的宽度和基底上坡莫合金层的宽度是相同的，但在实际上可以是不同的。磁铁的宽度可以大于或小于坡莫合金层的宽度。
其他的变化是可能的，例如，在坡莫合金层(或软磁层)与基底之间可以放置缓冲层(例如，聚酰胺类的有机材料Durimide7320，SU-8抗蚀剂等)以减轻坡莫合金层中的应力问题。图10表示这种情况。我们发现，当坡莫合金层很厚时(即，10微米或更厚)，它意味着应力相对地高，缓冲层是十分有用的。在一些没有缓冲层的情况下，高应力可以严重弯曲基底晶片或甚至使基底断裂。
另一种变化是在封装或组装过程中把坡莫合金(和磁铁)放置在薄基底以下，而不是在基底上直接地进行处理。图11表示这种情况。
另一种变化是，悬臂可以不必是褶曲的铰链型。它也可以是图12所示的一端固定(或弹簧板)型。可能需要或不需要一个上挡块，它与机械设计有关。当然，上述缓冲层和坡莫合金层位置的各种变化也适用于这种结构。
还有一种变化，其中坡莫合金层可以涂敷或覆盖其他的非磁金属(即，金、铜、铝、银等等)，或在面向线圈和悬臂的表面上，或在它的上表面和下表面。坡莫合金层上涂敷其他非磁金属的原因是，若该开关是在RF中应用，则可以避免RF信号与坡莫合金层之间的相互作用。换句话说，涂敷的金属可以屏蔽RF信号。以下描述的图19说明这种变化。
按照本发明的另一个实施例，多个磁铁用于松弛对准约束要求。
图13A和13B分别表示具有两个永久磁铁的微磁闩锁开关1300的顶视图和侧视图。开关1300包括以下的基本单元(如上所述)软磁材料(例如，坡莫合金)制成的悬臂和导电层、悬臂支承铰链(抗扭弹簧)、作为信号线的底部触点、S形平面导电线圈、基底、和构成磁偶极子的顶部和底部永久磁铁(例如，钕)。
这两个磁铁的磁化强度取向是相同的(同时沿+Z方向或沿-Z方向)。整个装置安装在具有适当密封和电触点引线的合适封装(未画出)内。这两个磁铁在悬臂所在区域中提供恒定的均匀磁场。若两个磁铁是相同的(厚度，磁化强度，等等)，则磁铁与悬臂水平面的两个距离(d1和d2)大致是相等的。若厚度不相同，则两个距离(d1和d2)应当设计成大部分磁力线垂直于悬臂水平面。此外，若两个磁铁是相同的，则悬臂中心线(它可能与铰链线不同)应当大致位于磁铁的中心，即，与边缘的两个距离(w1和w2)应当大致相等。
S形线圈产生使悬臂从一种状态转换到另一种状态的转换磁场。永久磁铁磁场保持(闩锁)悬臂到任一种状态。当悬臂切换到右边时，悬臂的底部导体(例如，Au)接触到底部触点并连接信号线1。在此情况下，信号线2是断开的。另一方面，当悬臂切换到左边时，信号线2接通，而信号线1是断开的。它构成SPDT闩锁开关。
图13C表示一个磁铁与多段软磁层构成磁偶极子的实施例，磁偶极子提供均匀和垂直的磁场以保持悬臂的状态。还制成线圈以实现上述的转换目的。利用优选的磁化效应，软磁层被分成多段以增大磁场的Z分量和减小磁场的X分量。
图13D表示具有两个高磁导率磁性层和两个永久磁铁以简化磁性对准的实施例。该开关包括以下的单元第一高磁导率磁性层602、基底604、第二高磁导率磁性层702、介电层608和610、线圈712、底部导体614、悬臂组件616(至少有一个软磁层618)、具有相同垂直磁化强度取向的顶部永久磁性层622和底部永久磁性层1302。最好是，永久磁铁622和1302的表面与高磁导率磁性层702和602的表面都平行于悬臂616的水平面630，因此，永久磁铁622产生的磁场水平分量在悬臂616附近大大减小。
图14A-C表示确认磁偶极子可以产生均匀磁场的模拟结果。这些
单个永久磁铁(a)与永久磁偶极子(b)之间的磁场分布比较。为了便于说明，而不是限制性的，每个磁铁(Alnico)的尺寸是宽度＝2500mm，厚度＝1500mm。偶极子结构中两个磁铁之间的距离是1000mm。情况(a)中磁力线(箭头)的均匀分布区域大于情况(b)中的均匀分布区域。微磁闩锁开关最好放置在磁偶极子的中央区域。悬臂的长轴最好垂直于磁场。本发明者在这个模拟试验中利用Alnico作为磁性材料。其结果一般也适用于其他的永久磁铁(例如，钕)。在图14C中，磁场(B)沿水平线方向的水平分量(x)是从一个磁铁的左边到它的右边。该水平线位于下磁铁以上约650mm(磁偶极子中心以下100mm)。这些结果还确认，与单个磁铁(a)情况中对应区域的磁力线比较，在磁偶极子间隙区域(b)中的磁力线更加垂直。
图15A和15B分别表示另一个微磁闩锁开关1500的顶视图和侧视图。该开关包括以下的基本单元软磁材料(例如，坡莫合金)制成的悬臂和导电层、悬臂支承铰链(抗扭弹簧)、作为信号线的底部触点、S形平面导电线圈、基底上的底部坡莫合金层(或其他的软磁材料)、和顶部永久磁铁(例如，钕)。底部软磁层和顶部永久磁铁构成磁偶极子。磁铁的磁化强度取向是沿+Z方向或-Z方向。磁偶极子产生保持悬臂在on或off状态所需的大致均匀磁场。
(为了清楚地说明永久磁铁下的开关结构，在附图中打开穿过顶部磁铁的一个窗口。实际上，平坦的永久磁铁是没有这种窗口或空隙部分的均匀实体。)整个装置安装在具有适当密封和电触点引线的合适封装(未画出)内。磁铁和坡莫合金层与悬臂水平面的两个距离(d1和d2)可以是相等的(d1＝d2)。它们也可以不相等d1≠d2。此外，为了提高性能，悬臂中心线(可以与铰链线不同)可以大致位于磁铁的中心附近，即，离边缘的两个距离(w1和w2)大致相等。然而，悬臂中心线也可以远离磁铁的中心，该装置仍具有开关的功能。
通过加正或负电流脉冲到S形线圈中，该线圈产生转换磁场，使悬臂从一种状态转换到另一种状态。在该附图中，在悬臂以下的有效线圈圈数为5。然而，线圈圈数n可以是任何的正整数(1≤n≤∞)。当圈数n等于1时，它意味着在悬臂以下仅有单个转换金属线。在装置尺寸按比例缩小时，这是非常有用的设计。永久磁铁磁场保持(闩锁)悬臂到两个稳态中的一个稳态。当悬臂切换到右边时，悬臂的底部导体(例如，Au)接触到底部触点并连接信号线1。在此情况下，信号线2是断开的。另一方面，当悬臂切换到左边时，信号线2接通，而信号线1是断开的。它构成SPDT闩锁开关。虽然在附图中磁铁的宽度和基底上坡莫合金层宽度是相同的，而在实际上可以是不同的。磁铁的宽度可以大于或小于坡莫合金层的宽度。
其他的变化是可能的，例如，一个永久磁铁可以放置或直接制成在基底上。软磁层和线圈可以放置在悬臂的顶部。图16表示这种结构。
图16是另一个实施例有S形线圈的单刀双掷(SPDT)微磁闩锁开关的侧视图，该开关有顶部坡莫合金层(或其他软磁材料)和基底上的底部永久磁铁。该开关包括以下的基本单元软磁材料制成的悬臂和导电层、悬臂支承铰链(抗扭弹簧)、作为信号线的底部触点、S形平面导电线圈、形成磁偶极子的顶部坡莫合金层(或其他软磁材料)和基底上的底部永久磁铁(例如，钕)。磁铁的磁化强度取向是沿+Z方向或-Z方向。整个装置安装在具有适当密封和电触点引线的合适封装(未画出)内。S形线圈产生转换磁场，使悬臂从一种稳态转换到另一种稳态。永久磁铁磁场保持(锁存)悬臂到任一种稳态。
或者，图17表示一端固定(或弹簧板)型的开关。底部触点垫片和永久磁铁底部表面作为转换激励的挡块。
图18A-D表示包含适用于传输射频(RF)信号的传输线实施例。图18A是开关1800的顶视图。图18B是沿悬臂长轴b-b′直线的剖面视图。图18C是通过悬臂抗扭弹簧沿c-c′直线的剖面视图。图18D是通过悬臂端部接触区沿c-c′直线的剖面视图。
在这个实施例中，微磁闩锁开关包括以下的基本单元底部永久磁铁1302、顶部永久磁铁612、基底604、导电线1802(即，单个线圈线)、第一信号线1804、第二信号线1806、悬臂组件616(底部导电层1810、第一软磁层1812、和第二磁性层618)、和抗扭弹簧620。两个永久磁铁构成磁偶极子，在悬臂616所在的区域提供恒定的均匀磁场，该区域通常是在磁偶极子的中心附近。磁通线垂直于悬臂的表面。合适的隔板和封装支承磁铁。悬臂616是由抗扭弹簧620从两侧支承。在它的静状态下，悬臂接触到右边(闭合信号线1806)或接触到左边(闭合信号线1804)。通过单个导电线1802的电流脉冲产生瞬间的磁场，它可以重新对准软磁层681和悬臂中1812和618的磁化强度，并使悬臂在两种状态之间转换。因此，该开关是闩锁单刀双掷开关。区域1820是导电线1802中的开孔，使信号线与导电线1802隔离。导电线1830和1832是接地线。
在这个实施例中，可以利用相同的步骤制作信号线1804和1806、接地线1831/1832、和导电线1802(作为转换悬臂的单线线圈)以简化制作过程。以下的通用步骤可用于制作该装置。(1)在基底上沉积或生长介电层(任选的，取决于基底是绝缘或非绝缘的)，(2)生长导电层(1804，1806，1802，1830，1832)并制成图形，(3)沉积牺牲层(例如，光致抗蚀剂，聚酰亚胺，等等)，然后形成各种开孔。制作这种装置的其他方法对于本领域专业人员是显而易见的。
图19表示包含适用于传输射频(RF)信号的另一个传输线实施例。图19A是开关1900的顶视图。图19B是沿悬臂长轴方向b-b′直线的剖面视图。图19C是通过悬臂抗扭弹簧沿c-c′直线的剖面视图。图19D是横跨支承梁1902沿d-d′直线的剖面视图。
在这个实施例中，微磁闩锁开关包括以下的基本单元底部永久磁铁1302、顶部永久磁铁612、基底604、导电线1802、第一信号线1804、第二信号线1806、悬臂组件616(底部导电层1810，第一软磁层1812、和多段第二磁性层618)、抗扭弹簧620，和各种支承梁1902。两个永久磁铁构成磁偶极子，在悬臂616所在的区域提供恒定的均匀磁场，该区域通常是在磁偶极子的中心附近。磁通量线垂直于悬臂的表面。合适的垫块和封装支承这两个磁铁。悬臂616是由抗扭弹簧620从两侧支承。在它的静状态下，悬臂接触到右边(闭合信号线1804)或接触到左边(闭合信号线1806)。通过单个导电线1802的电流脉冲产生瞬间的磁场，它可以重新对准悬臂中软磁层1812和618的磁化强度，并使悬臂在两种状态之间转换。因此，该开关是闩锁单刀双掷开关。任选的导体接地面1910和1912可以放置在悬臂616以下和以上，它形成共面波导结构。
开关阵列通过制造互相并列的开关单元，可以构成m×n的装置阵列(m和n是任意的正整数)。图20-21表示这种装置阵列。图20是仅有一行开关的阵列顶视图。图21是有三行开关的阵列顶视图。开关阵列中磁铁的松弛对准可以遵照任何上述永久磁铁和坡莫合金层的安排。提供的图22-29中实施例仅仅用于说明而不是限制性的。
其他的实施例图30A和30B分别表示另一个实施例微磁闩锁开关的顶视图和侧视图，但在悬臂沿横向运动代替上下运动的情况。单刀双掷(SPDT)微磁闩锁开关3000包括以下的基本单元软磁材料(例如，坡莫合金)制成的悬臂和导电层、悬臂支承铰链、作为信号线的触点、S形平面导电线圈、基底、以及构成磁偶极子的左永久磁铁和右永久磁铁(例如，钕)。这两个磁铁的磁化强度取向是相同的(同时沿+X方向或沿-X方向)。整个装置安装在具有适当密封和电触点引线的合适封装(未画出)内。
两个永久磁铁在悬臂所在区域提供恒定的均匀磁场。若两个磁铁是相同的(厚度，磁化强度，等等)，则这两个磁铁与悬臂垂直面的距离大致是相等的。若厚度不相同，则两个距离应当设计成磁力线垂直于悬臂垂直面。此外，悬臂中心应当大致位于连接两个磁铁中心的直线附近。
S形线圈产生转换磁场，使悬臂从一种状态转换到另一种状态。永久磁铁磁场保持(闩锁)到任一种状态。当悬臂切换到右边时，悬臂的右侧导体(例如，Au)接触到右触点并连接信号线1。在此情况下，信号线2是断开的。另一方面，当悬臂切换到左边时，信号线2接通，而信号线1是断开的。它构成SPDT闩锁开关。可以有其他的几种变化，例如，两个永久磁铁中的一个可以不必是永久磁铁，一个永久磁铁和一个软磁铁仍然构成偶极子，在偶极子的中心区域提供均匀的磁力线。
图31表示另一个实施例的微磁闩锁开关。在这个实施例中，圆柱形永久磁铁3150有中心轴为A的空桶或圆管形并沿垂直方向磁化以提供静磁场。高磁导率磁性层602和802放置在永久磁铁3150的顶部和底部以减小悬臂616附近的水平磁场。
图32A和32B分别表示一个实施例微磁闩锁开关的顶视图和侧视图，它集成其他的有源/无源半导体器件和电路以及永久磁铁。永久磁铁可以是现成的磁铁(例如，钕)，或利用丝网印刷和模式处理技术的集成聚合物磁铁。可以利用单线油开关以节省空间。因此，本发明的微磁闩锁开关可以是与有源半导体电子和/或光器件的单片集成开关。
图33-35表示利用CPW结构制作RF MRMS微磁闩锁开关的另一种方法。悬臂开关位于共面波导(CPW)的一侧，它是图33中所示的地-信号-地结构。该装置中的有源转换元件是活动悬臂，电旁路单片CPW上的间隙使开关为ON，或断开间隙使开关为OFF。为了保证悬臂仅与CPW的中心导体接触，图33中所示的触点“凸块”是电镀的。图34是保证悬臂与CPW之间实现合适触点对准的另一种方法。CPW中的弯头可以缩短其总的长度，并使波导中的大部分与该装置中焊片隔离。
图34表示一种松弛图33中CPW开关对准容错的方法。利用以上的CPW结构(图33)，活动悬臂必须与中心导体的触点凸块精确对准，或者，悬臂可以与一条相邻接地线短路。解决的方法是，利用平面介电材料完全覆盖CPW，然后开孔或通路以暴露间隙中任一侧的触点(和触点片)。电镀诸如金的导电材料以填充通路并在基底上建立凸起的触点“凸块”。
图35表示用于分开顶部导体和以下接地面(图中未画出)的平面介电层。CPW中的弯折可以缩短其总的长度，并使波导中的大部分与该装置块体中的焊片隔离。
光开关结合以上描述电中继的机构，原理和技术也可用于制造适用于通信或其他光学系统的光开关。在各个实施例的光开关中，悬臂的磁敏部分可以粘贴到反射镜或反射光的其他材料上。当悬臂从“断开”状态转换到“闭合”状态时，反射面曝露或遮蔽光信号，使信号被适当地反射或吸收，如以下更详细描述的。
开关中悬臂也可以作为反射镜。图36A和36B分别表示光开关的顶视图和侧视图，其永久磁铁放置(安装)在基底的底部上。通过电方式读出信号线的状态，悬臂以下的电触点提供一种检查悬臂状态的便利方法。然而，这些电触点不是必需的。被转换的光入射到悬臂的反射面(例如，反射镜)，并被偏转(例如，输出)到右侧或左侧，取决于开关的状态。图中画出S形线圈，基于此处公开的内容，本领域专业人员知道，也可以利用其他的线圈结构。此外，可以利用上述的其他松弛对准结构以制成光开关。
例如，图37A-D表示包含顶部永久磁铁的另一个实施例光开关。图37A表示永久磁铁安装到悬臂上方之前的光开关部分。图37B表示永久磁铁安装到悬臂上方之前有窄缝的顶部永久磁铁。图37C是永久磁铁安装到悬臂顶部之后的光开关顶视图。磁铁的以下部分是看不见的，因为它们被顶部永久磁铁所阻挡。图37D是永久磁铁安装到悬臂顶部之后的光开关侧视图。光(例如，输入激光束)传输通过磁铁中的窄缝并到达悬臂表面，然后它被悬臂反射并最后沿相对于输入激光方向的不同方向穿过窄缝。
图38A-B表示包含圆柱形磁铁的另一个例子光开关。该光开关包括以下的基本单元基底3820、导电线圈3833、介电层3834、悬臂3840(底部籽层3841，薄坡莫合金(或其他材料)层3842、软磁层3843、和反射层3844)、抗扭弹簧3845、光纤线3861、3862、3863(有合适的末端，透镜，等等)、和圆柱形磁铁3850(或任何其他形状的磁铁，用于提供垂直于悬臂表面的均匀磁场)。选取合适的距离d1，d2，w1，w2，使悬臂3840是在磁铁的中心或中心附近。在这种配置中，悬臂反射镜3840有以上解释的两个稳定位置。通过线圈3833的电流脉冲使悬臂反射镜3840在两个稳态之间转换。来自光纤3861的光信号3861入射到悬臂反射镜3840，并反射到右侧光纤3863(箭头3813所示)或反射到左侧光纤3862(箭头3812所示)。这构成1×2光开关。该实施例容易扩展成n×2n光开关阵列。
封装射频应用的集成电路封装，例如，本发明提出的微磁闩锁开关，不是一个无足轻重的问题。可以利用各种常规的封装技术，例如，线或带焊接，倒装式或晶片尺寸封装。重要的是，外磁场和/或电场不会干扰微磁开关的闩锁功能。因此，可以利用各种形状和配置的金属板或外壳以避免外场对开关运行的影响。本领域专业人员知道，可以采用各种金属，金属合金和能量吸收材料或薄层。基于此处公开的内容，本领域专业人员知道这种金属板，外壳或薄层的形状、厚度、和其他的尺寸，它们是与实施方案有关的。
微磁闩锁开关的具体应用本发明的微磁闩锁开关可应用于多种产品，包括家用电器和工业电器，消费者电子设备，军事硬件，医疗装置和各种类型车辆，仅仅举出一些宽广分类的产品例子。虽然以下描述的几个实施例没有在附图中给予说明，但文字说明和其他方式列举的实施例足以使专业人员制作和利用本发明。
结论虽然以上已描述本发明的各种实施例，应当明白，它们仅仅作为例子，而不是限制性的。在不偏离本发明的精神和范围的条件下，相关领域的专业人员可以在形式上和细节上作出各种改动。借助于今后研制的相关技术范围内的技术和术语，这种情况是特别正确的。
以上对本发明的描述是借助于结构和功能性组件，单元，或说明具体功能及其关系的模块。为了便于描述，此处已限定这些组件的边界。只要合适地完成特定的结构，功能及其关系，可以限定其他的结构和边界。因此，任何这些其他的边界都是在本发明的范围内。本领域专业人员知道，利用已知的材料，离散的元件可以实现这些组件。因此，本发明的宽度和深度不应当受上述典型实施例的限制，而是应当按照以下的权利要求书及相关的内容给予限制。
权利要求
1.一种微磁闩锁开关，包括基底；所述基底支承的活动单元，它有磁性材料和长轴；产生第一磁场的第一磁铁和第二磁铁，第一磁场在所述磁性材料中诱发磁化强度，所述磁化强度的特征是，磁化强度矢量指向沿所述活动单元所述长轴的方向，其中所述第一磁场大致垂直于所述长轴的主中央部分；和产生第二磁场的线圈，第二磁场使所述活动单元在两个稳态之间转换，其中仅仅要求瞬间加上所述第二磁场以改变所述磁化强度矢量的方向，从而使所述活动单元在所述两个稳态之间转换。
2.按照权利要求1的装置，其中所述第一磁铁是基本平面且基本平行于所述基底的永久磁铁。
3.按照权利要求1的装置，其中所述第一磁铁和所述第二磁铁是基本平面且基本平行于所述基底的永久磁铁，和其中所述活动单元和所述基底位于所述第一磁铁与所述第二磁铁之间。
4.按照权利要求2的装置，其中所述第二磁铁是基本平面且基本平行于所述基底的坡莫合金层。
5.按照权利要求4的装置，其中所述坡莫合金层位于所述基底与所述活动单元之间。
6.按照权利要求4的装置，其中所述坡莫合金层位于支承所述活动单元的所述基底一侧相对的所述基底另一侧。
7.按照权利要求4的装置，其中所述活动单元位于所述坡莫合金层与所述基底之间，而所述永久磁铁位于支承所述活动单元的所述基底一侧相对的所述基底另一侧。
8.按照权利要求5的装置，其中所述永久磁铁位于支承所述活动单元的所述基底一侧相对的所述基底另一侧。
9.按照权利要求5的装置，还包括第二坡莫合金层，所述第二坡莫合金层位于支承所述活动单元的所述基底一侧相对的所述基底另一侧。
10.按照权利要求5的装置，其中所述活动单元位于所述坡莫合金层与所述永久磁铁之间。
11.按照权利要求6的装置，其中所述活动单元位于所述基底与所述永久磁铁之间。
12.按照权利要求11的装置，还包括第二坡莫合金层，所述第二坡莫合金层位于所述永久磁铁与所述活动单元之间。
13.按照权利要求11的装置，还包括第二坡莫合金层，所述第二坡莫合金层位于所述永久磁铁的外侧。
14.按照权利要求3的装置，其中所述基底包括支承所述活动单元的凸起结构。
15.按照权利要求14的装置，还包括把所述活动单元夹在中间的一对接地面。
16.按照权利要求6的装置，其中所述坡莫合金层包括交替独立的软磁材料段和非磁材料段，其中所述交替各段沿所述长轴排列。
17.按照权利要求9的装置，其中所述第二坡莫合金层包括交替独立的软磁材料段和非磁材料段，其中所述交替各段沿所述长轴排列。
18.按照权利要求3的装置，还包括所述基底支承的多个活动单元。
19.按照权利要求8的装置，还包括所述基底支承的多个活动单元。
20.按照权利要求8的装置，还包括所述基底支承的多个活动单元，且其中所述坡莫合金层包括多个横向分隔段，所述横向分隔段中的各段是与所述多个活动单元中对应一个活动单元松弛对准。
21.按照权利要求8的装置，还包括所述基底支承的多个活动单元，且其中所述永久磁铁包括多个横向分隔段，所述横向分隔段中各段是与所述多个活动单元中对应一个活动单元对准。
22.按照权利要求8的装置，还包括所述基底支承的多个活动单元，且其中所述永久磁铁包括多个横向分隔第一段，所述第一段中的各段是与所述多个活动单元中对应一个活动单元对准，且其中所述永久磁铁包括多个横向分隔第二段，所述第二段中的各段是与所述多个活动单元中对应一个活动单元松弛对准。
23.按照权利要求10的装置，还包括所述基底支承的多个活动单元。
24.按照权利要求10的装置，还包括所述基底支承的多个活动单元，且其中所述坡莫合金层包括多个横向分隔段，所述横向分隔段中的各段是与多个活动单元中对应一个活动单元松弛对准。
25.按照权利要求10的装置，还包括所述基底支承的多个活动单元，且其中所述永久磁铁包括多个横向分隔段，所述横向分隔段中的各段是与所述多个活动单元中对应一个活动单元松弛对准。
26.按照权利要求10的装置，还包括所述基底支承的多个活动单元，且其中所述永久磁铁包括多个横向分隔第一段，所述第一段中的各段是与所述多个活动单元中对应一个活动单元松弛对准，且其中所述永久磁铁包括多个横向分隔第二段，所述第二段中的各段是与所述多个活动单元中对应一个活动单元松弛对准。
27.按照权利要求1的装置，其中所述线圈包括“S形”结构。
28.按照权利要求1的装置，其中所述线圈包括单个线圈线。
29.按照权利要求1的装置，其中所述磁性材料包括坡莫合金。
30.按照权利要求29的装置，其中所述坡莫合金包括所述活动单元上的多条窄带，且对准平行于所述长轴。
31.按照权利要求1的装置，其中所述第一磁铁和第二磁铁是位于所述基底上的永久磁铁，而所述活动单元位于所述第一永久磁铁与所述第二永久磁铁之间，所述第一永久磁铁和第二永久磁铁中的每个永久磁铁有各自平行于所述活动单元所述长轴的长轴，其中两个稳态之间的所述转换使所述活动单元在基本平行于所述基底的平面上运动。
32.按照权利要求4的装置，其中所述线圈位于所述基底支承的所述活动单元一侧相对的所述活动单元另一侧。33.按照权利要求4的装置，还包括坡莫合金层，所述坡莫合金层垂直于所述基底并与所述活动单元横向隔开。
34.按照权利要求5的装置，还包括位于所述坡莫合金层与所述基底之间的缓冲层。
35.按照权利要求8的装置，其中所述磁性材料包括上面有反射层的坡莫合金，其中所述装置在光入射到所述反射层时的功能是光开关，因此，在所述两个稳态之间转换所述活动单元使所述入射光沿至少两个不同方向中的一个方向反射。
36.按照权利要求10的装置，其中所述磁性材料包括上面有反射层的坡莫合金，且所述坡莫合金有位于所述反射层附近的窄缝，其中所述装置在光传输通过所述窄缝并入射到所述反射层时的功能是光开关，因此，在所述两个稳态之间转换所述活动单元使所述入射光沿反向通过所述窄缝的至少两个不同方向中的一个方向反射。
37.一种微磁闩锁开关，包括基底；所述基底支承的活动单元，所述活动单元有磁性材料和长轴；有中心轴的圆柱形磁铁，沿横向包围所述活动单元，使所述中心轴穿过所述活动单元的中央部分且垂直于所述基底，其中所述圆柱形磁铁在所述磁性材料中产生诱发磁化强度的第一磁场，所述磁化强度的特征是，磁化强度矢量指向沿所述活动单元所述长轴的方向，其中所述第一磁场大致垂直于所述长轴的主中央部分；和产生第二磁场的线圈，使所述活动单元在两个稳态之间转换，其中仅仅要求瞬间加上第二磁场以改变所述磁化强度矢量的方向，从而使所述活动单元在所述两个稳态之间转换。
38.按照权利要求37的装置，还包括第一坡莫合金层，所述第一坡莫合金层位于支承所述活动单元的所述基底一侧相对的所述基底另一侧，和第二坡莫合金层，所述第二坡莫合金层位于所述基底支承的所述活动单元一侧相对的所述活动单元另一侧。
全文摘要
一种微磁闩锁开关。该装置包括基底，上面有支承的活动单元。活动单元(悬臂)有长轴和磁性材料。该装置还有产生第一磁场的第一磁铁和第二磁铁，第一磁场在磁性材料中诱发磁化强度。磁化强度的特征是，磁化强度矢量指向沿活动单元的长轴方向，其中第一磁场大致垂直于长轴的主中央部分。该装置还有产生第二磁场的线圈，第二磁场使活动单元在两个稳态之间转换，其中仅仅要求瞬间加上第二磁场以改变磁化强度的矢量方向，从而使活动单元在两个稳态之间转换。
文档编号H01H51/22GK1498412SQ02805185
公开日2004年5月19日 申请日期2002年1月18日 优先权日2001年1月18日
发明者申军, 阮梅春, 查尔斯·惠勒, 惠勒, 军 申 申请人:亚利桑那州立大学