DE60212857T2

DE60212857T2 - Thermischer schnappschalter

Info

Publication number: DE60212857T2
Application number: DE60212857T
Authority: DE
Inventors: George Bellevue DAVIS; Stephen North Bend BECKA
Original assignee: Honeywell International Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 2001-08-20
Filing date: 2002-08-20
Publication date: 2006-12-28
Anticipated expiration: 2022-08-21
Also published as: US20030034870A1; EP1419511B1; KR100929601B1; US6768412B2; DE60212857D1; CN1568529A; KR20040032950A; CN100470697C; WO2003017301A1; EP1419511A1; JP2005500655A

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft thermische Messgeräte und Verfahren mit Schnappwirkung und insbesondere thermische Messgeräte mit Schnappwirkung, die als mikrobearbeitete elektromechanische Strukturen (MEMS) geformt sind.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Es sind in der Technik verschiedene Temperatursensoren bekannt. Solche Sensoren werden in verschiedenen Mess- und Steuerungsanwendungen verwendet. Zum Beispiel werden in verschiedenen Anwendungen Thermoelemente, thermische Widerstandselemente (RTDs) und Thermistoren zum Messen von Temperaturen verwendet. Solche Sensoren liefern ein analoges elektrisches Signal, wie beispielsweise eine Spannung oder einen Widerstand, das sich in Abhängigkeit von der Temperatur verändert. Es sind ebenfalls monolithische Temperatursensoren bekannt. Zum Beispiel kann ein diodengeschalteter bipolarer Transistor zum Temperaturerfassen verwendet werden. Im Einzelnen kann ein standardmäßiger bipolarer Transistor so konfiguriert sein, dass der Basis- und der Emitteranschluss miteinander kurzgeschlossen sind. Bei einer solchen Konfiguration bildet die Basis-Kollektor-Verbindung eine Diode. Wenn Elektroenergie angelegt wird, verändert sich der Spannungsabfall über die Basis-Kollektor-Verbindung verhältnismäßig linear in Abhängigkeit von der Temperatur. Folglich ist bekannt geworden, dass solche diodengeschalteten bipolaren Transistoren in verschiedene integrierte Schaltungen zum Temperaturerfassen eingebaut worden sind.
Obwohl die oben beschriebenen Geräte verwendbar sind, um verhältnismäßig genaue Temperaturmessungen zu liefern, werden sie allgemein nicht in Steuerungsanwendungen zum Steuern von elektrischen Anlagen verwendet. Bei solchen Steuerungsanwendungen werden verschiedene Arten von Präzisionsthermostaten verwendet. Der thermische Schalter ist eine Form eines Präzisionsthermostaten, der in Steuerungsanwendungen zum An- oder Ausschalten von Heizern, Gebläsen und anderen elektrischen Anlagen bei spezifischen Temperaturen verwendet wird. Solche Temperaturschalter bestehen typischerweise aus einem Sensorelement, das eine Auslenkung in Abhängigkeit von der Temperatur bereitstellt, und einem Paar elektrischer Kontakte. Das Sensorelement ist typischerweise wechselseitig mit dem Paar elektrischer Kontakte verriegelt, um die elektrischen Kontakte bei vorher festgelegten Temperatursollwerten entweder herzustellen oder zu unterbrechen. Die Temperatursollwerte werden durch das besondere eingesetzte Sensorelement definiert.
Es sind verschiedene Arten von Sensorelementen bekannt, die eine Auslenkung in Abhängigkeit von der Temperatur liefern. Zum Beispiel ist bekannt, dass Quecksilberkolben, Magneten und Bimetallelemente in solchen Temperaturschaltern verwendet werden.
Thermische Quecksilbersensoren haben einen quecksilbergefüllten Kolben und eine daran befestigte Glaskapillarröhre, die als Ausdehnungskammer wirkt. Zwei elektrische Leiter sind mit einem vorher festgelegten Abstand voneinander innerhalb der Kapillare angeordnet.
Die elektrischen Leiter wirken als offener Kontakt. Wenn die Temperatur ansteigt, dehnt sich das Quecksilber in der Kapillarröhre aus, bis die elektrischen Leiter dadurch kurzgeschlossen werden, dass das Quecksilber eine durchgehende elektrische Bahn bildet. Die Temperatur, bei der das Quecksilber die elektrischen Leiter kurzschließt, hängt von dem Trennungsabstand der Leiter ab.
Es ist ebenfalls bekannt geworden, dass magnetische Zungenschalter in verschiedenen thermischen Schaltern als Temperatursensoren verwendet werden. Solche Zungenschalter haben allgemein ein Paar ringförmiger Magneten, die durch einen Ferritkragen und ein Paar von Zungenkontakten getrennt sind. Bei einer kritischen Temperatur, die als Curie-Punkt bekannt ist, wechselt der Ferritkragen von einem Zustand niedriger Reluktanz zu hoher Reluktanz, um zu ermöglichen, dass sich die Zungenkontakte öffnen.
Thermische Schalter mit Quecksilberkolben und magnetischen Zungen haben bekannte Probleme, die mit ihnen verbunden sind. Im Einzelnen ist allgemein bekannt, dass viele solcher Schalter äußere Kräfte, wie beispielsweise Vibrations- und Beschleunigungskräfte, nicht tolerieren. Demzufolge sind solche thermischen Schalter allgemein nicht zur Verwendung in verschiedenen Anwendungen, zum Beispiel in einem Flugzeug, geeignet.
Thermische Bimetallschaltelemente bestehen typischerweise aus zwei Streifen von Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungsgeschwindigkeiten, die zu einem scheibenförmigen Bimetallelement verschmolzen werden. Die genaue physikalische Formgebung des Scheibenelements und die ungleiche Ausdehnung der zwei Materialien bewirken, dass das Element seine Form bei einem vorher festgelegten Temperatursollwert schnell ändert. Das Bimetallscheibenelement ist mechanisch wechselseitig mit einem Paar elektrischer Kontakte verriegelt derart, dass die schnelle Veränderung der Form verwendet werden kann, um einen oder beide der elektrischen Kontakte zu verschieben, um einen elektrischen Stromkreis entweder herzustellen oder zu unterbrechen.
Das entscheidende Bimetallscheibenelement ist schwierig mit hohem Ausstoß mit vorhersagbaren thermischen Schaltkenngrößen zu fertigen. Diese Unvorhersagbarkeit führt zu der Notwendigkeit eines kostspieligen, ausgedehnten Prüfens, um den Sollwert und die Hysterese-Schaltkenngrößen jedes einzelnen Scheibenelements zu bestimmen. Weil die Bimetallscheibenelemente durch Beanspruchen eines verformbaren oder dehnbaren Materials über dessen Elastizitätsgrenze hinaus gefertigt werden, was das Material dauerhaft verformt, entspannt sich das Material langsam zu seinem Vorbeanspruchungszustand hin, wenn die Beanspruchung weggenommen wird, was das Temperaturansprechverhalten verändert. Folglich kann sich mit der Zeit eine Drift oder „Wanderung" der Temperatur-Schaltkenngrößen ergeben. Die Märkte für thermische Schalter der nächsten Generation werden Erzeugnisse mit gesteigerter Zuverlässigkeit und Stabilität erfordern.
Ferner ist das Bimetallscheibenelement von Natur aus verhältnismäßig groß. Daher sind diese thermischen Schalter verhältnismäßig groß und sind nicht zu Verwendung in verschiedenen Anwendungen geeignet, bei denen der Raum ziemlich begrenzt ist. Thermische Schal ter der nächsten Generation werden eine Verringerung der Größe gegenüber dem aktuellen Stand der Technik erfordern.
Darüber hinaus werden thermische Schalter, die durch die oben erörterten Sensorelemente betätigt werden, normalerweise aus diskreten Bauteilen zusammengebaut. Daher steigern die Montagekosten solcher Temperaturschalter die Gesamtfertigungskosten.
Ein anderes Problem bei solchen thermischen Schaltern betrifft das Eichen. Im Einzelnen können solche bekannten thermischen Schalter allgemein nicht durch den Endbenutzer geeicht werden. Folglich müssen solche bekannten Temperaturschalter entfernt und ersetzt werden, falls die Eichung driftet, was die Kosten für den Endbenutzer stark steigert.
In der Vergangenheit sind monolithische mikrobearbeitete thermische Schalter entwickelt worden, welche die Notwendigkeit erübrigen, diskrete Bauteile zusammenzubauen. Diese monolithischen mikrobearbeiteten Strukturen ermöglichen ebenfalls, dass der thermische Schalter in einem verhältnismäßig kleinen Gehäuse angeordnet wird. Ein Beispiel ist ein thermischer Schalter, der in dem im Miteigentum befindlichen US-Patent 5 463 233, unter dem Titel „Micromachined Thermal Switch", erteilt an Brian Norling am 31 Oktober 1995, beschrieben wird, das hierin als Referenz einbezogen wird, worin ein thermischer Schalter ein Bimetall-Freiträgerelement einschließt, das wirksam an ein Paar elektrischer Kontakte gekoppelt ist. Eine Vorspannkraft, wie beispielsweise eine elektrostatische Kraft, wird auf den Schalter ausgeübt, um eine Schnappwirkung der elektrischen Kontakte sowohl in der Öffnungs- als auch in der Schließrichtung zu gewährleisten, was ermöglicht, dass der Temperatursollwert durch Verändern der die elektrostatische Kraft vorspannenden Spannung eingestellt wird.
Obwohl viele dieser bekannten thermischen Schalter in aktuellen Anwendungen nützlich und wirksam sind, werden Anwendungen der nächsten Generation Erzeugnisse verringerter Größe mit gegenüber den Möglichkeiten des aktuellen Standes der Technik gesteigerter Zuverlässigkeit und Stabilität erfordern.
US-A-5065978 offenbart ein Ventil zum Regeln von Fluids. EP-A-0709911 offenbart verschiedene mikromechanische Schalter. FR-A-2772512 offenbart einen thermischen Schalter nach dem Stand der Technik, der ein Element hat, das durch das Einwirken eines wärmebetätigten Geräts verformt werden kann.
Die vorliegende Erfindung stellt ein kleines und kostengünstiges thermisches Messgerät mit Schnappwirkung bereit, das, im Gegensatz zu den Geräten und Verfahren des Standes der Technik, durch Bereitstellen eines thermischen Schalterstellglieds, das aus nicht verformbaren Materialien gefertigt ist, seinen ursprünglichen Sollwert über eine lange Betriebsdauer und große Temperaturauslenkungen beibehalten kann.
Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung stellt einen vereinfachten mikrobearbeiteten thermischen Schalter mit Schnappwirkung bereit, der jede Erfordernis einer elektrischen Vorspannung zum Verhindern von Lichtbogenbildung beseitigt. Die Vorrichtung der Erfindung ist ein aus nicht verformbaren Materialien, wie beispielsweise Silizium, Glas, Siliziumoxid, Wolfram und anderen geeigneten Materialien, unter Verwendung von MEMS-Techniken gefertigter thermischer Schalter, der das oben beschriebene thermische Bimetall-Scheibenstellglied ersetzt. Die Verwendung von nicht verformbaren Materialien löst die Probleme der Wanderung über die Lebensdauer, während die Verwendung von MEMS-gefertigten Sensoren den Fragen von Größe und Kosten begegnet. Der sich ergebende thermische Schalter ist alternativ konfiguriert, um ein Festkörperrelais oder einen Transistor anzusteuern.
Nach der vorliegenden Erfindung wird ein thermischer Schalter bereitgestellt, der Folgendes umfasst: eine Auflageplatte, die mit einem elektrischen Kontakt geformt ist, und ein bistabiles Element, das aus miteinander verbundenen ersten und zweiten Materiallagen geformt ist, die unterschiedliche erste und zweite Wärmeausdehnungsgeschwindigkeiten haben, wobei die erste Lage einen verhältnismäßig beweglichen bogenförmigen Abschnitt mit einem elektrisch leitfähigen Abschnitt hat und durch einen verhältnismäßig ebenen Abschnitt begrenzt wird, wobei der elektrisch leitfähige Abschnitt des bistabilen Elements mit dem elektrischen Kontakt der Auflageplatte ausgerichtet ist,
wobei der verhältnismäßig bewegliche Abschnitt des bistabilen Elements ferner bei Anwendung in einem stabilen Verhältnis mit der Auflageplatte angeordnet ist, wobei der elektrisch leitfähige Abschnitt mit Zwischenraum zu dem elektrischen Kontakt der Auflageplatte angeordnet ist, und einem anderen stabilen Verhältnis, wobei der elektrisch leitende Abschnitt eine elektrische Verbindung mit dem elektrischen Kontakt herstellt,
dadurch gekennzeichnet, dass: die Auflageplatte ferner mit einer aufrechten Hochfläche geformt ist, der verhältnismäßig ebene Abschnitt des bistabilen Elements mit der Hochfläche der Auflageplatte verbunden ist und die Materialien der ersten und der zweiten Lage im Wesentlichen nicht verformbar sind.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorstehenden Aspekte und viele der damit verbundenen Vorzüge dieser Erfindung werden leichter zu erkennen sein, wenn dieselbe besser zu verstehen ist unter Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung, in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, in denen:
1 eine Illustration der bimodalen thermischen Betätigungsvorrichtung der Erfindung ist, umgesetzt als mehrschichtiges thermisches Stellglied, konfiguriert in einem ersten Stabilitätszustand,
2 eine Illustration der bimodalen thermischen Betätigungsvorrichtung der Erfindung ist, umgesetzt als das in 1 gezeigte mehrschichtige thermische Stellglied und konfiguriert in einem zweiten Stabilitätszustand, der umgekehrt zu dem ersten Zustand ist,
3 ein schematisches Diagramm eines bipolaren Transistors zur Verwendung mit dem thermischen Schalter der Erfindung illustriert,
4 ein schematisches Diagramm eines Feldeffekttransistors (FET) zur Verwendung mit dem thermischen Schalter der Erfindung illustriert,
5A bis 5D ein bekanntes Dissolved-Wafer-Verfahren (DWP) zum Fertigen von MEMS-Geräten unter Verwendung herkömmlicher Halbleiterfertigungstechniken illustrieren,
6A bis 6F ein anderes bekanntes Dissolved-Wafer-Verfahren (DWP) zum Fertigen von MEMS-Geräten unter Verwendung herkömmlicher Halbleiterfertigungstechniken illustrieren,
7 den thermischen Schalter der Erfindung, gefertigt als MEMS-Gerät unter Verwendung einer bekannten DWP-Technik, illustriert,
8 das Kombinieren der bimodalen thermischen Betätigungsvorrichtung der Erfindung, umgesetzt als das in 1 gezeigte mehrschichtige thermische Stellglied, mit der mikrobearbeiteten Auflageplatte der Erfindung illustriert,
9 den thermischen MEMS-Schalter der Erfindung illustriert, umgesetzt als ein thermischer Doppelkontaktschalter, der einen gegabelten Mittelkontakt hat, und mit der bimodalen thermischen Betätigungsvorrichtung der Erfindung, konfiguriert in einem ersten Stabilitätszustand,
10 den thermischen MEMS-Schalter der Erfindung illustriert, der umgesetzt ist wie in 9 und die bimodale thermische Betätigungsvorrichtung der Erfindung hat, konfiguriert in einem zweiten Stabilitätszustand, der umgekehrt zu dem ersten Zustand ist, und
11 den thermischen MEMS-Schalter der Erfindung illustriert, alternativ umgesetzt als ein thermischer Einzelkontaktschalter, der eine freitragende bimodale thermische Betätigungsvorrichtung hat.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
In den Figuren zeigen gleiche Zahlen gleiche Elemente an.
Die vorliegende Erfindung ist eine Vorrichtung und ein Verfahren für ein kleines und kostengünstiges thermisches Messgerät mit Schnappwirkung, das ein bimodales thermisches Stellglied in Kombination mit einer Auflageplatte, die mit einer oder mehreren aufrechten Hochfläche(n) und einem elektrischen Kontakt geformt ist, hat, wobei das bimodale thermische Stellglied mit der einen oder den mehreren aufrechten Hochfläche(n) der Auflageplatte verbunden ist mit einem elektrisch leitfähigen Abschnitt, der mit dem elektrischen Kontakt der Auflageplatte ausgerichtet ist derart, dass der elektrisch leitfähige Abschnitt, in Abhängigkeit von der erfassten Temperatur, entweder mit Zwischenraum zu dem elektrischen Kontakt der Auflageplatte angeordnet ist oder eine elektrische Verbindung mit dem elektrischen Kontakt herstellt.
Das bimodale thermische Stellglied ist ein bistabiles Element, das eine Stellglied-Basisstruktur, die aus einem ersten, wesentlich nicht verformbaren Material geformt ist, das einen ersten thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat, geformt ist und einen verhältnismäßig beweglichen Abschnitt und einen wesentlich stabilen, sich von demselben erstreckenden, Befestigungsabschnitt hat, eine in gleicher Richtung wirkende ther mische Treiberstruktur, die aus einem zweiten, wesentlich nicht verformbaren Material geformt ist, das einen zweiten thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat, geformt ist, der sich von dem ersten thermischen Ausdehnungskoeffizienten unterscheidet, wobei die thermische Treiberstruktur mit wenigstens einem Abschnitt des beweglichen Abschnitt der Stellglied-Basisstruktur verbunden ist, und den elektrisch leitfähigen Abschnitt hat, der an dem beweglichen Abschnitt der Stellglied-Basisstruktur geformt ist.
Die Figuren illustrieren die thermische Betätigungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung, umgesetzt als eine bimodale thermische Betätigungsvorrichtung mit Schnappwirkung zum Ansteuern eines thermischen mikrobearbeiteten elektromechanischen Sensors (MEMS) 10.
1 und 2 illustrieren die bimodale thermische Betätigungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung, umgesetzt als ein bimodales thermisches Stellglied 12, das aus einer Kombination von Materialien geformt ist, die unterschiedliches thermisches Ansprechverhalten haben. Jedes der Bauteile des bimodalen thermischen Stellglieds 12 ist aus einem starken und wesentlich nicht verformbaren Material geformt, das aus einer Familie von Materialien ausgewählt ist, die eine hohe Zug- oder spezifische Festigkeit und einen hohen Scherelastizitätsmodul, ebenfalls als Gleitmodul bekannt, haben. Mit anderen Worten, die zum Formen der Bestandteile des thermischen Stellglieds 12 eingesetzten Materialien zeigen unter hohen Spannungsbelastungen eine sehr kleine plastische Verformung und kehren zu einem Vorspannungszustand oder einer Vorspannungsform zurück, wenn die verformende Spannung losgelassen oder weggenommen wird. Im Gegensatz dazu ist bekannt, dass herkömmliche thermische Bimetallstellglieder Gebrauch von verformbaren Materialien machen, die unter Spannung eine verhältnismäßig große plastische Verformung oder Dehnung erfahren und daher eine gewisse Verformung beibehalten, nachdem die verformende Spannung losgelassen wird, und daher mit der Zeit und dem Gebrauch einer fortgesetzten Relaxation ausgesetzt sind. Die zur Verwendung beim Formen des bimodalen thermischen Stellglieds 12 der Erfindung geeigneten Materialien sind daher nicht verformbare Materialien, zum Beispiel Silizium, Glas, Siliziumoxid, Wolfram und andere Materialien, die einen ausreichend hohen Scherelastizitätsmodul haben.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung schließt die bimodale thermische Betätigungsvorrichtung oder das thermische Stellglied 12 der Erfindung eine dünne, gebogene oder geformte Stellglied-Basisstruktur 14 in Kombination mit einer in der gleichen Richtung wirkenden thermischen Treiberstruktur 16 und einem elektrischen Leiterabschnitt 18 ein. Das Material der Basisstruktur 14 ist aus der oben erörterten Familie starker und wesentlich nicht verformbarer Materialien ausgewählt, die eine erste oder Basis-Wärmeausdehnungsgeschwindigkeit haben. Zum Beispiel ist das Basismaterial epitaktisches Silizium oder ein anderes geeignetes nicht verformbares Material, das unter Verwendung bekannter Mikrostrukturtechniken konfiguriert werden kann. Unter Verwendung einer von einer Zahl von unten erörterten Bearbeitungstechniken ist die gebogene oder geformte Basisstruktur 14 zum Beispiel ein dünner Riegel, eine Tafel, eine Scheibe oder eine andere geeignete Form, die anfangs zu einem mittigen beweglichen bogenförmigen Stellgliedabschnitt 20 geformt wird, der an seiner Außen- oder Umfangskante durch einen verhältnismäßig ebenen Befestigungsflansch 22 begrenzt wird und eine innere oder konkave Fläche 24 hat, die mit einem Zwischenraum weg von der Ebene P des Randabschnitts 22 angeordnet ist.
Die in der gleichen Richtung wirkende Treiberstruktur 16 ist ein Abschnitt aus einem thermischen Treibermaterial, das sich in inniger Berührung mit der inneren oder konkaven Fläche 24 des gewölbten oder gekrümmten Stellgliedabschnitts 20 der Basisstruktur 14 befindet. Zum Beispiel ist das thermische Treibermaterial in einer dünnen Lage an einem Umfangsabschnitt des Innenabschnitts des Bogens 20 angrenzend an den Befestigungsflansch 22 an der Außenkante der Basisstruktur 14 aufgebracht oder auf andere Weise verbunden oder geklebt. Das thermische Treibermaterial ist ein anderes Material, aus der Familie starker und wesentlich nicht verformbarer Materialien ausgewählt, die, wie oben erörtert, einen hohen Scherelastizitätsmodul haben und geeignet sind zur Verwendung beim Formen der Basisstruktur 14. Ferner unterscheidet sich das Treibermaterial von dem besonderen, beim Formen der Basisstruktur 14 verwendeten, Material und hat einen zweiten oder Basis-Wärmeausdehnungskoeffizienten, der zu einer Treiber-Wärmeausdehnungsgeschwindigkeit führt, die sich von der Basis-Wärmeausdehnungsgeschwindigkeit unterscheidet. Wenn zum Beispiel die Basisstruktur 14 aus Silizium geformt ist, ist die Treiberstruktur 16 aus Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Wolfram oder einem anderen geeigneten Material geformt, das aus der oben erörterten Familie von starken wesentlich nicht verformbaren Materialien ausgewählt ist und einen anderen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat als Silizium.
Nach der in 1 und 2 illustrierten Ausführungsform der Erfindung ist der bewegliche gewölbte oder gekrümmte Stellgliedabschnitt 20 der Basisstruktur 14 an seinem äußeren Randabschnitt 22, der zum Beispiel die beiden Enden einer riegelförmigen Basisstruktur oder ein umlaufender Reifenabschnitt einer scheibenförmigen Basisstruktur ist, eingespannt. Während einer Veränderung der Umgebungstemperatur des bimodalen thermischen Stellglieds 12 verbinden sich die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungseigenschaften der verschiedenen Materialien von Basis und Treiber mit den Einspannkräften am Randabschnitt 22, um Beanspruchungen zu erzeugen, welche die Basisstruktur 14 zwingen, von einem ersten Stabilitätszustand, wie in 1 illustriert, zu einem zweiten Stabilitätszustand, der umgekehrt zu dem ersten Stabilitätszustand ist, wie in 2 illustriert, zu wechseln. Die so durch die unterschiedlichen Ausdehnungs- und Einspannkräfte erzeugten Beanspruchungen bewirken, dass der bewegliche mittige Bogenabschnitt 20 seine Form verändert, d.h., sich abflacht. Wenn die Umgebungstemperatur ansteigt, steigt die durch den Unterschied der Wärmeausdehnung zwischen dem Basis- und dem Treibermaterial ausgeübte Beanspruchung an, bis bei einer vorher festgelegten Sollwert-Betriebstemperatur die Beanspruchung so groß ist, dass der Bogenabschnitt 20 der Basisstruktur 14, wie in 2 gezeigt, am Randabschnitt 22 vorbei zu einer „umgekehrt" gewölbten oder gekrümmten Form „durchschnappt". Der mittige Stellgliedabschnitt 20 des bimodalen thermischen Stellglieds 12 ist folglich in Abhängigkeit von der erfassten Temperatur verhältnismäßig beweglich in Bezug auf den wesentlich stabilen Befestigungsflansch 22 längs seines Randes.
Das thermische Stellglied 12 ist alternativ für einen Betrieb bei einer Sollwert-Betriebstemperatur konfi guriert, die entweder oberhalb oder unterhalb der Raumumgebungstemperatur liegt. Vorausgesetzt, das thermische Stellglied 12 ist für den Betrieb bei einer Sollwerttemperatur oberhalb der Umgebungstemperatur vorgesehen, dann ist die Stellglied-Basisstruktur 14 der Abschnitt mit der niedrigen Ausdehnungsgeschwindigkeit und ist aus einem Material geformt, das einen niedrigeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat, und die thermische Treiberstruktur 16 ist der Abschnitt mit der hohen Ausdehnungsgeschwindigkeit und ist aus einem Material geformt, das einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat, der höher ist als derjenige der Basisstruktur 14. Falls das thermische Stellglied 12 andererseits für den Betrieb bei einer Sollwerttemperatur unterhalb der Raumumgebungstemperatur vorgesehen ist, dann ist das thermische Stellglied 12 im Gegensatz mit einer Basisstruktur 14 geformt, die aus dem Material mit der höheren Ausdehnungsgeschwindigkeit geformt und der Abschnitt mit der hohen Ausdehnung ist, während die Treiberstruktur 16 der Abschnitt mit der niedrigen Ausdehnungsgeschwindigkeit ist und aus einem Material geformt ist, das einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat, der niedriger ist als derjenige der Basisstruktur 14. Nur zum Zweck der Erläuterung wird das thermische Stellglied 12 hierin beschrieben als vorgesehen für den Betrieb bei einer Sollwerttemperatur oberhalb der Raumumgebungstemperatur. Dementsprechend ist das thermische Stellglied 12 bei einer Temperatur unterhalb der oberen Sollwerttemperatur, wie in 1 gezeigt, konfiguriert mit dem mittigen gewölbten Abschnitt 20 in einem nach oben konkaven Zustand und mit der Fläche 24, die eine innere konkave Fläche ist. Wie oben erörtert, wird die in 1 illustrierte nach oben konkave Konfiguration zu erläuternden Zwecken als der erste Stabilitätszustand betrachtet.
Wenn die Temperatur des thermischen Stellglieds 12 so erhöht wird, dass sie sich dessen oberer Sollwert-Betriebstemperatur nähert, beginnt sich das Treibermaterial mit hoher Ausdehnungsgeschwindigkeit der Treiberstruktur 16 zu dehnen, während das Basismaterial mit niedrigerer Ausdehnungsgeschwindigkeit der Basisstruktur 14 verhältnismäßig stabil bleibt. Wenn sich das Treibermaterial mit hoher Ausdehnungsgeschwindigkeit ausdehnt oder wächst, wird es durch das sich verhältnismäßig langsamer verändernde Basismaterial mit niedrigerer Ausdehnungsgeschwindigkeit und den am Umfang 22 ausgeübten Zwang zurückgehalten. Sowohl der Abschnitt mit höherer als auch der mit niedrigerer Ausdehnungsgeschwindigkeit 16, 14 des thermischen Stellglieds 12 werden durch die thermisch induzierten Beanspruchungen und den durch den äußeren Befestigungsabschnitt 22 aufrechterhaltenen Zwang beansprucht und verformt.
Wenn die Temperatur des thermischen Stellglieds 12 dessen obere Sollwert-Betriebstemperatur erreicht, bewegt sich der mittige bewegliche gewölbte oder gekrümmte Abschnitt 20 der Basisstruktur 14 mit einer Schnappwirkung durch den eingespannten äußeren Befestigungsabschnitt 22 nach unten zu dem zweiten Stabilitätszustand, in dem die innere konkave Fläche 24 des mittigen beweglichen Abschnitts 20 zu einer äußeren konvexen Fläche 24 umgekehrt ist, die, wie in 2 illustriert, mit einem Zwischenraum weg von der Ebene P auf der entgegengesetzten Seite des Randflanschs 22 angeordnet ist.
Wenn die Temperatur des thermischen Stellglieds 12 von der hohen Temperatur zu einer unteren vorher festgelegten Sollwert-Betriebstemperatur hin verringert wird, schwindet oder schrumpft das Treibermaterial der Treiberstruktur 16, das den verhältnismäßig größeren thermischen Koeffizienten hat, ebenfalls schneller als das Basismaterial der Basisstruktur 14, das den verhältnismäßig kleineren thermischen Koeffizienten hat.
Wenn das Treibermaterial mit der hohen Ausdehnungsgeschwindigkeit schwindet, wird es durch das sich verhältnismäßig langsamer verändernde Basismaterial mit niedrigerer Ausdehnungsgeschwindigkeit zurückgehalten. Sowohl der Abschnitt mit höherer als auch der mit niedrigerer Ausdehnungsgeschwindigkeit 16, 14 des thermischen Stellglieds 12 werden durch die thermisch induzierten Beanspruchungen und den durch den äußeren Befestigungsabschnitt 22 aufrechterhaltenen Zwang beansprucht und verformt. Wenn das thermische Stellglied 12 die untere Sollwert-Betriebstemperatur erreicht, schnappt der mittige gedehnte Abschnitt 20 durch den eingespannten äußeren Befestigungsabschnitt 22 zurück zu dem ersten Stabilitätszustand, wie in 1 illustriert.
Die Verwendung von nicht verformbaren Materialien erübrigt die Probleme der Wanderung über die Lebensdauer, die mit einigen herkömmlichen thermischen Bimetallstellgliedern verbunden sind, die verhältnismäßig verformbare Materialien sowohl für das Basis- als auch für das Treibermaterial verwenden. Der hohe Scherelastizitätsmodul oder Gleitmodul von nicht verformbaren Materialien sichert, dass kein Bauteil des bimodalen thermischen Stellglieds 12 der Erfindung über seine Streckgrenze hinaus beansprucht wird. Die Struktur des bimodalen thermischen Stellglieds 12 kehrt folglich zu ihrem Vorspannungszustand oder ihrer Vorspannungsform zurück, wenn die verformende Beanspruchung losgelassen oder weggenommen wird.
Wie in 1 und 2 illustriert, wird die Eigenschaft des thermischen Stellglieds 12, bei einer vorher festgelegten Schwellen- oder Sollwerttemperatur in einen anderen Konkavitätszustand zu schnappen, bei einem thermischen Schalter verwendet, um einen elektrischen Kontakt oder eine andere Anzeige zu öffnen oder zu schließen, um zu signalisieren, dass der Sollwert erreicht worden ist. Die Geschwindigkeit, mit der das Bimetall-Scheibenstellglied 12 den Zustand ändert, ist als „Schnappgeschwindigkeit" bekannt. Der Wechsel von dem einen bistabilen Zustand zu dem anderen ist normalerweise nicht unverzüglich, sondern ist messbar. Eine langsame Schnappgeschwindigkeit bedeutet, dass die Zustandsänderung mit einer niedrigen Geschwindigkeit auftritt, während eine schnelle Schnappgeschwindigkeit bedeutet, dass die Zustandsänderung mit einer hohen Geschwindigkeit auftritt. Eine langsame Schnappgeschwindigkeit ist ein Problem, das mit manchen der herkömmlichen thermischen Bimetallstellglieder des Standes der Technik verbunden ist. Dementsprechend führt die Verwendung einiger bekannter thermischer Bimetallstellglieder in elektrischen Schaltern und Anzeigevorrichtungen zu einer langsamen Schnappgeschwindigkeit, die eine Lichtbogenbildung zwischen den betriebsbereiten elektrischen Kontakten verursacht. Langsame Schnappgeschwindigkeiten begrenzen folglich die Strombelastbarkeit des thermischen Schalters oder der Anzeigevorrichtung. Im Gegensatz dazu bedeutet eine schnelle Schnappgeschwindigkeit, dass die Zustandsänderung schnell auftritt, was die Menge des Stroms steigert, den der thermische Schalter oder die Anzeige vorrichtung ohne Lichtbogenbildung führen kann. Die Temperaturänderungsgeschwindigkeit beeinflusst die Schnappgeschwindigkeit. Eine langsamere Temperaturänderungsgeschwindigkeit neigt dazu, die Schnappgeschwindigkeit zu verlangsamen, während eine schnellere Temperaturänderungsgeschwindigkeit üblicherweise zu einer schnelleren Schnapprate führt. Während einige Anwendungen schnelle Temperaturgeschwindigkeiten gewährleisten, erfahren Schalter und Anzeigen bei vielen anderen Anwendungen sehr langsame Temperaturgeschwindigkeiten. Bei einigen Anwendungen kann die Temperaturgeschwindigkeit bis zu 1 Grad F pro Minute oder niedriger sein. Für eine Langzeitzuverlässigkeit muss die Vorrichtung unter diesen sehr niedrigen Temperaturanwendungsgeschwindigkeiten ohne Lichtbogenbildung arbeiten. Die Verwendung von nicht verformbaren Materialien sowohl für das Basis- als auch für das Treibermaterial des thermischen Stellglieds 12 der Erfindung erübrigt diesen Wanderungsaspekt einiger herkömmlicher thermischer Bimetallstellglieder.
Nach der in 1 und 2 illustrierten Ausführungsform der Erfindung wird das thermische Stellglied 12 der Erfindung in einem vereinfachten mikrobearbeiteten thermischen Schalter 26 mit Schnappwirkung bereitgestellt. Wenn das thermische Stellglied 12 der Erfindung in dem thermischen Schalter 26 ausgeführt wird, wird der elektrische Leiterabschnitt 18 des Bogens 20 in dieser zweiten, umgekehrten, Konfiguration dargeboten für einen Kontakt mit einem oder mehreren in einer mikrobearbeiteten Auflageplatte 28 geformten Kontakt(en). Das thermische Stellglied 12 wird folglich in Kombination mit der mikrobearbeiteten Auflageplatte 28 bereitgestellt, die einen oder mehrere zum Übertragen eines elektrischen Signals gekoppelte elektrische Kontakte 30 hat. Die Auflage 28 ist zum Beispiel in einer wesentlich ebenen Struktur geformt, d.h., einem Substrat, das wesentlich ebene und parallele, einander gegenüberliegende versetzte obere und untere Flächen hat. Das Substrat kann aus beinahe jedem Material geformt sein, einschließlich eines Materials, ausgewählt aus der oben erörterten Familie von starken und wesentlich nicht verformbaren Materialien, die wenigstens Silizium, Glas, Siliziumoxid, Wolfram einschließt. Zum Beispiel ist das Auflageplattenmaterial Glas oder ein anderes geeignetes nicht verformbares Material, das unter Verwendung bekannter Mikrostrukturtechniken konfiguriert werden kann. Ferner ist das Auflagenplattenmaterial wahlweise aus einem Material geformt, das eine Wärmeausdehnungsgeschwindigkeit ähnlich oder annähernd gleich der Wärmeausdehnungsgeschwindigkeit des Stellglied-Basismaterials hat, aus dem die Stellglied-Basisstruktur 14 des thermischen Stellglieds 12 geformt ist, so dass die Wärmeausdehnungseigenschaften der Auflage 28 den Betrieb der thermischen Stellglieds 12 nicht stören oder beeinträchtigen. Folglich ist die Auflage 28 nach einer Ausführungsform der Erfindung aus einem monokristallinen Siliziummaterial in einer wesentlich ebenen Struktur geformt, ähnlich dem zum Formen der Basisstruktur 14 des thermischen Stellglieds 12 verwendeten Basismaterial. Nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist die Auflage 28 aus einem Glaswerkstoff, wie beispielsweise dem Glas Pyrex RTM, geformt.
Die Auflageplatte 28 ist mit Hochflächen 32 geformt, die auf jeder Seite des Kontakts 30 über eine Innenfläche oder einen Boden 34 vorspringen. Der Kontakt 30 kann oben auf einer anderen Hochfläche 36 geformt sein, die ähnlich, aber mit einer geringeren Höhe als die flankierenden oder umgebenden Hochflächen 32, über den Boden 34 vorspringt. Ein Leiterzug oder mehrere Leiterzüge 38 sind an der Innenfläche der Auflage 28 am Boden 34 geformt. Alternativ dazu ist die Auflage 28 mit einem elektrisch leitfähigen Material, wie beispielsweise Bor, Indium, Thallium oder Aluminium, dotiert oder ist aus einem Halbleitermaterial, wie beispielsweise Silizium, Galliumarsenid, Germanium oder Selen, geformt.
Das thermische Stellglied 12 ist derart an die Auflageplatte 28 gekoppelt, dass der bewegliche Mittelabschnitt 20 der Basisstruktur 14 an dem äußeren Randabschnitt 22 an den Hochflächen 32 der Auflageplatte 28 befestigt wird. Die Befestigung geschieht durch herkömmlichen Klebstoff oder chemische Bindung. Die Verbindung mit den Hochflächen 32 gewährleistet folglich die mechanische Befestigung an dem äußeren Befestigungsflansch 22, der, wie oben erörtert, in Kombination mit thermisch induzierten Beanspruchungen wirkt, um den beweglichen mittigen Abschnitt 20 anzutreiben.
Im Betrieb wird der elektrische Leiterabschnitt 18 verwendet, um einen Kontakt mit dem elektrischen Kontakt 30 herzustellen oder zu unterbrechen und dadurch einen elektrischen Stromkreis zu schließen oder zu unterbrechen. Der elektrische Leiterabschnitt 18 wird zum Beispiel als eine mittige Elektrode 18a und ein oder mehrere, auf der inneren konkaven Fläche 24 des mittigen beweglichen Abschnitts 20 des Stellglieds 12 geformte, Leiterzüge 18b bereitgestellt, wobei die Leiterzüge 18b für einen Anschluss in einem Stromkreis zu dem äußeren Befestigungsabschnitt 22 geführt werden. Alternativ dazu wird der elektrische Leiterabschnitt 18 bereitgestellt durch entsprechendes Dotieren der Stell glied-Basisstruktur 14 mit einem elektrisch leitfähigen Material, wie beispielsweise Bor, Indium, Thallium oder Aluminium, oder durch Formen desselben aus einem Halbleitermaterial, wie beispielsweise Silizium, Galliumarsenid, Germanium oder Selen, bereitgestellt.
Das thermische Stellglied 12 ist so an die Auflageplatte 28 gekoppelt, dass es die Elektrode 18a des beweglichen Abschnitts 20 für einen Kontakt mit dem einen oder den mehreren über den Boden 34 vorspringenden Kontakt(en) 30 darbietet. Der Elektrodenabschnitt 18a des elektrischen Leiterabschnitts 18 ist derart mit jedem des einen Kontakts oder der mehreren elektrischen Kontakte 30 ausgerichtet, dass eine Verschiebung des beweglichen Mittelabschnitts 20 zu der Auflage 28 hin die Elektrode 18a in Kontakt mit dem/den elektrischen Kontakt(en) 30 bringt, wodurch ein elektrischer Stromkreis geschlossen wird. Nach einer Ausführungsform des thermischen Schalters 26 der Erfindung schließt das thermische Stellglied 12 elektrische Leitungsmittel ein, die zwischen den mittigen Leiterabschnitt 18 und einen der äußeren Kantenabschnitte 22 geschaltet sind. Zum Beispiel sind ein oder mehrere Leiterzüge 18b auf der Innenfläche der Basisstruktur 14 geformt, oder ein Abschnitt der Basisstruktur 14 ist mit einem elektrisch leitfähigen Material, wie beispielsweise Bor, Indium, Thallium oder Aluminium, dotiert. Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist die Basisstruktur 14 aus einem Halbleitermaterial, wie beispielsweise Silizium, Galliumarsenid, Germanium oder Selen, geformt. Der obere oder Tafelabschnitt der Hochflächen 32 schließt einen Film oder eine Lage 39 eines elektrisch isolierenden Materials, wie beispielsweise Siliziumoxid, ein, um das thermische Stellglied 12 elektrisch von der Auflage 28 zu isolieren. Die isolierende Lage 39 wird zwischen dem leitfähigen Abschnitt 38 der Auflage 28 und dem leitfähigen Abschnitt 18b des thermischen Stellglieds 12 bereitgestellt. Sonst ist der leitfähige Abschnitt 38 unterhalb der Kontaktfläche der Hochfläche 32 ausgespart.
2 illustriert den thermischen Schalter 26, der das thermische Stellglied 12 in dem zweiten Stabilitätszustand angeordnet hat, wodurch die innere konkave Fläche 24 des mittigen beweglichen Abschnitts 20 zu einer äußeren konvexen Fläche 24 umgekehrt ist, die mit einem Zwischenraum weg von der Ebene P des Randabschnitt 22 angeordnet ist. In dieser zweiten, umgekehrten, Konfiguration werden der mittige bewegliche Abschnitt 20 und der Elektrodenabschnitt 18a des elektrischen Leiterabschnitts 18 in einen Kontakt mit dem elektrischen Kontakt 30 der Auflagestruktur 28 gezwungen, wodurch ein Stromkreis geschlossen wird. Zum Beispiel kann der Stromschluss unmittelbar verwendet werden, um eine kleine Last zu schalten, oder kann in Verbindung mit einem Schaltmittel, wie beispielsweise einem Festkörperrelais 40, verwendet werden, um große Lasten zu schalten. Alternativ dazu kann ein Leistungstransistor verwendet werden, um verhältnismäßig große elektrische Ströme zu schalten. Wie unten detaillierter erörtert, ist der Temperaturschalter 26 dafür geeignet, durch Mikrobearbeitung als monolithischer Chip geformt zu werden. Daher können das oben erörterte Festkörperrelais 40 und entweder der alternative Leistungstransistor oder ein unten erörterter Feldeffekttransistor (FET) leicht und kostengünstig auf dem gleichen Chip wie der Temperaturschalter 26 eingebaut werden und einen integrierten Schaltkreis bilden.
Dementsprechend kann entweder ein bipolarer Transistor 42, der in 3 illustriert wird, oder ein Feldeffekttransistor (FET) 44, der in 4 illustriert wird, mit dem thermischen Schalter 26 in den gleichen Chip eingebaut werden. In 3 wird ein Unterseite-Schalten ausgeführt durch Anschließen des schematisch gezeigten Temperaturschalters 26 zwischen der Basis des bipolaren Transistors 42 und einer positiven Spannungsquelle, +V. Ein integral geformter Strombegrenzungswiderstand 46 kann zwischen der Basis und der Masse 48 angeschlossen sein. Bei einer solchen Anwendung wird der elektrische Strom durch den Leistungstransistor 42 und nicht durch den Temperaturschalter 26 geschaltet. Im Betrieb fließt, wenn der Temperaturschalter 26 schließt, elektrischer Strom durch den Strombegrenzungswiderstand 46, um den Leistungstransistor 42 anzuschalten. Folglich kann die geschaltete Leistung zwischen den Anschlüssen 50 und 48 erfasst werden.
Nach der in 4 illustrierten alternativen Ausführungsform ist der Temperaturschalter 26 konfiguriert zum Oberseite-Schalten eines Feldeffekttransistors (FET) 44, der zusammen mit dem Temperaturschalter 26 in den gleichen Chip eingebaut ist. Dementsprechend ist der Temperaturschalter 26 zwischen dem Tor- und dem Senkeanschluss des FET angeschlossen, während der Strombegrenzungswiderstand 46 zwischen dem Tor und einem Ausgangsanschluss 52 angeschlossen ist. Im Betrieb bewirkt, wenn der Temperaturschalter 26 schließt, der Spannungsabfall über den Strombegrenzungswiderstand 46, dass der Leistungstransistor 44 anschaltet. Die geschaltete Leistung liegt zwischen den Anschlüssen 52 und 54.
Der thermische Schalter 26 kann ebenfalls auf dem Kopf stehend, d.h., mit dem umgekehrten thermischen Stellglied 12, gebaut werden, um bei einer vorher festgelegten Sollwerttemperatur einen Stromkreis zu öffnen.
Die Miniaturisierung von mechanischen und/oder elektromechanischen Systemen ist in den letzten Jahren aufgeblüht, da die Fertigung von kleinen leichten mikrobearbeiteten elektromechanischen Strukturen (MEMS), die durch Halbleiter-Fertigungstechniken hergestellt werden, allgemein gut bekannt geworden ist. Nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der thermische Schalter 76 der vorliegenden Erfindung unter Verwendung dieser gut bekannten Halbleiter-Fertigungstechniken als MEMS-Gerät gefertigt.
Ein Beispiel des MEMS-Fertigungsverfahrens wird im US-Patent 5 650 568 an Greiff et al., „Gimballed Vibrating Wheel Gyroscope Having Strain Relief Features", das hierin als Referenz einbezogen wird, beschrieben. Das Patent '568 an Greiff et al. beschreibt ein Dissolved-Wafer-Verfahren (DWP) zum Formen eines leichten, miniaturisierten MEMS-Kreiselkompassgeräts mit kardanisch aufgehängtem Vibrationsrad. Das DWP-Verfahren setzt herkömmliche Halbleitertechniken ein, um MEMS-Geräte zu fertigen, welche die verschiedenen mechanischen und/oder elektromechanischen Teile des Kreiselkompasses bilden. Die elektrischen Eigenschaften der Halbleitermaterialien werden dann benutzt, um dem Kreiselkompass Strom zu liefern und um Signale von dem Kreiselkompass zu empfangen.
5A bis 5D illustrieren das in dem Patent '568 an Greiff et al. beschriebene DWP-Verfahren zum Fertigen von MEMS-Geräten unter Verwendung herkömmlicher Halbleiter-Fertigungstechniken. In 5A werden ein Siliziumsubstrat 60 und ein Auflagesubstrat 62 gezeigt. Bei einem typischen MEMS-Gerät wird das Siliziumsubstrat 60 geätzt, um die mechanischen und/oder elektromechanischen Elemente des Geräts zu formen. Die mechanischen und/oder elektromechanischen Elemente werden allgemein oberhalb des Auflagesubstrats 62 getragen derart, dass die mechanischen und/oder elektromechanischen Elemente Bewegungsfreiheit haben. Dieses Auflagesubstrat 62 wird typischerweise aus einem isolierenden Material, wie beispielsweise dem Glas Pyrex RTM, hergestellt.
Anfangs werden aus einer Innenfläche 66 des Siliziumsubstrats 60 Auflageelemente 64 geätzt. Diese Auflageelemente 64 sind weithin als Hochflächen bekannt und werden geformt durch Ätzen, wie beispielsweise mit Kaliumhydroxid (KOH), derjenigen Abschnitte der Innenfläche 66 des Siliziumsubstrats 60, die durch eine entsprechend gemusterte Lage von Photolack 68 freigelegt werden, bis Hochflächen 64 einer ausreichenden Höhe geformt worden sind.
In 5B wird die geätzte Innenfläche 66 des Siliziumsubstrats 60 danach dotiert, beispielsweise mit Bor, um einen dotierten Bereich 70 mit einer vorher festgelegten Tiefe bereitzustellen derart, dass das Siliziumsubstrat 60 sowohl einen dotierten Bereich 70 als auch einen undotierten Opferbereich 72 hat. In 5C werden danach, beispielsweise durch reaktive Ionenätzungs- (RIE) oder Reaktionsionen-Tiefätzungs- (DRIE) Techniken, Gräben 74 geformt, die sich durch den dotierten Bereich 70 des Siliziumsubstrats 60 erstrecken. Diese Gräben 74 formen die mechanischen und/oder elektromechanischen Elemente des MEMS-Geräts.
Das Auflagesubstrat 62 wird, wie in 5A bis 5C gezeigt, ebenfalls geätzt, und es werden auf der Innenfläche des Auflagesubstrats 62 Metallelektroden 76 und Leiterzüge (nicht gezeigt) geformt. Diese Elektroden 76 und Leiterzüge stellen anschließend elektrische Verbindungen zu den verschiedenen mechanischen und/oder elektromechanischen Elementen des MEMS-Geräts bereit.
In 5D werden, nachdem das Auflagesubstrat 62 bearbeitet ist, um die Elektroden 76 und die Leiterzüge zu formen, das Siliziumsubstrat 60 und das Auflagesubstrat 62 aneinander gebunden. Das Silizium- und das Auflagesubstrat 60, 62 werden, beispielsweise durch eine anodische Bindung, an Kontaktflächen 78 auf den Hochflächen 64 aneinander gebunden. Der undotierte Opferbereich 72 des Siliziumsubstrats 60 wird weggeätzt derart, dass nur der dotierte Bereich 70, der das mechanische und/oder elektromechanische Element des sich ergebenden MEMS-Geräts ist, übrig bleibt. Daher tragen die Hochflächen 64, die sich von dem Siliziumsubstrat 60 nach außen erstrecken, die mechanischen und/oder elektromechanischen Elemente oberhalb des Auflagesubstrats 62 derart, dass die Elemente Bewegungsfreiheit haben. Ferner stellen die auf dem Auflagesubstrat 62 geformten Elektroden 76 durch den Kontakt der Hochflächen 64 mit den Elektroden 76 eine elektrische Verbindung zu den mechanischen und/oder elektromechanischen Elementen bereit.
Ein anderes Beispiel des DWP-Verfahrens zum Fertigen eines MEMS-Geräts wird in dem US-Patent 6 143 583 an Hays, „Dissolved Wafer Fabrication Process And Associated Microelectromechanical Device Having A Support Substrate With Spacing Mesas", das hierin als Referenz einbezogen wird, beschrieben. Das Verfahren des Patents '583 an Hays ermöglicht die Fertigung von MEMS-Geräten, die genau definierte mechanische und/oder elektromechanische Elemente haben, durch Beibehalten der ebenen Beschaffenheit der Innenfläche des Teilopfersubstrats derart, dass die mechanischen und/oder elektromechanischen Elemente auf eine genaue und zuverlässige Weise abgetrennt oder anderweitig geformt werden können.
6A bis 6F illustrieren eine Ausführungsform des DWP-Verfahrens nach dem Patent '583 an Hays. Das Verfahren stellt ein Teilopfersubstrat 80 bereit, das eine Innen- und eine Außenfläche 80a, 80b hat. Das Teilopfersubstrat 80 ist zum Beispiel aus Silizium, es kann jedoch aus einem beliebigen Material sein, das dotiert werden kann, um einen dotierten Bereich 82 zu bilden, wie beispielsweise Galliumarsenid, Germanium, Selen und andere. Ein Abschnitt des Teilopfersubstrats 80 wird dotiert derart, dass das Teilopfersubstrat 80 sowohl den dotierten Bereich 82, angrenzend an die Innenfläche 80a, als auch einen undotierten Opferbereich 84, angrenzend an die Außenfläche 80b, einschließt. Das Teilopfersubstrat 80 wird bis zu einer vorher festgelegten Tiefe, wie beispielsweise 10 Mikrometer, mit einem Dotiermaterial dotiert. Das Dotiermaterial kann durch ein Diffusionsverfahren, wie es auf dem Gebiet weithin bekannt ist, in das Teilopfersubstrat 80 eingeführt werden. Das Dotieren ist jedoch nicht auf diese Technik begrenzt, und folglich kann der dotierte Bereich 82 angrenzend an die Innenfläche 80a des Teilopfersubstrats 80 durch ein beliebiges auf dem Gebiet bekanntes Verfahren hergestellt werden. Ferner wird das Teilopfersubstrat 80 mit einem Bor-Dotiermaterial oder einem Dotiermaterial einer beliebigen anderen Art dotiert, das einen dotierten Bereich innerhalb des Teilopfersubstrats bildet.
Ein Auflagesubstrat 86 wird aus einem dielektrischen Material, wie beispielsweise dem Glas Pyrex RTM, geformt derart, dass das Auflagesubstrat 86 ebenfalls das MEMS-Gerät elektrisch isoliert. Das Auflagesubstrat 86 kann jedoch aus einem beliebigen gewünschten Material, einschließlich eines Halbleitermaterials, geformt werden. Im Gegensatz zu dem durch das Patent '658 an Greiff et al. beschriebenen DWP-Verfahren werden nach dem Patent '583 an Hays Abschnitte des Auflagesubstrats 86 geätzt derart, dass Hochflächen 88 geformt werden, die sich von der Innenfläche 86a des Auflagesubstrats 86 nach außen erstrecken. Das Ätzen wird fortgesetzt, bis die Hochflächen 88 die gewünschte Höhe haben.
6B und 6C illustrieren, dass, nachdem die Hochflächen 88 auf dem Auflagesubstrat 86 geformt sind, ein metallisches Material auf einer Innenfläche 86a des Auflagesubstrats 86 und auf den Hochflächen 88 aufgebracht wird, um Elektroden 90 zu formen. Die Hochflächen 88 können zuerst selektiv geätzt werden, um ausgesparte Bereiche zu definieren, in denen das Metall aufgebracht werden kann, so dass sich die ausgebrachten Metallelektroden 90 nicht zu weit oberhalb der Oberfläche der Hochflächen 88 erstrecken. In 6B werden freigelegte Abschnitte der Innenfläche 86a des Auflagesubstrats 86, beispielsweise durch BOE, geätzt, um ausgesparte Bereiche 92 in dem vordefinierten Muster zu formen.
In 6C wird ein metallisches Elektrodenmaterial in den geätzten Aussparungen 92 aufgebracht, um Elektroden 90 und Leiterzüge (nicht gezeigt) zu formen, während Kontakte 94 oberhalb der Hochflächen 88 vorspringen.
Wie auf dem Gebiet bekannt, können die Kontakte 94, die Elektroden 90 und die Leiterzüge aus einem beliebigen leitfähigen Material, wie beispielsweise einer mehrlagigen Beschichtung aus Titan, Platin und Gold, geformt werden und können durch eine beliebige geeignete Technik, wie beispielsweise Zerstäuben, aufgebracht werden.
In 6C wird die Innenfläche 80a des Teilopfersubstrats 80 geätzt, um die mechanischen und/oder elektromechanischen Elemente des sich ergebenden MEMS-Geräts abzutrennen oder anderweitig zu formen. Das Formen der Hochflächen 88 in dem Auflagesubstrat 86 bewirkt, dass wenigstens diese Abschnitte der Innenfläche 80a des Teilopfersubstrats 80 eben sind, was das genaue Formen der mechanischen und/oder elektromechanischen Elemente des sich ergebenden MEMS-Geräts erleichtert.
6C und 6D illustrieren, dass die mechanischen und/oder elektromechanischen Elemente des sich ergebenden MEMS-Geräts durch Beschichten der Innenfläche 80a des Teilopfersubstrats 80 mit einer lichtempfindlichen Materiallage 94 geformt werden. Nach dem Belichten werden Abschnitte 96 der lichtempfindlichen Lage 94 entfernt, unter Hinterlassen verbleibender Abschnitte 98 der lichtempfindlichen Lage, um Bereiche der Innenfläche 80a des Teilopfersubstrats 80 zu schützen, die nicht geätzt werden sollen.
6E illustriert, dass die freigelegten Abschnitte der Innenfläche 80a des Teilopfersubstrats 80, beispielsweise durch RIE-Ätzen, geätzt werden, um Gräben durch den dotierten Bereich 82 des Teilopfersubstrats 80 zu formen. Wie unten beschrieben, wird der dotierte Bereich 82 des Teilopfersubstrats 80, der sich zwischen den Gräben erstreckt, das/die sich ergebende(n) mechanische(n) und/oder elektromechanische(n) Element(e) des MEMS-Geräts bilden. Nachdem die mechanischen und/oder elektromechanischen Elemente des MEMS-Geräts durch die geätzten Gräben definiert worden sind, entfernt das Hays Verfahren des Patents '583 das verbleibende lichtempfindliche Material 98 von der Innenfläche 80a des Teilopfersubstrats 80.
6F illustriert das Anordnen der Innenfläche 80a des Teilopfersubstrats 80 in Kontakt mit den Hochflächen 88, einschließlich der auf der Oberfläche der Hochflächen aufgebrachten Kontaktelektroden 94. Zwischen dem Teilopfersubstrat 80 und den Hochflächen 88 wird eine Bindung, wie beispielsweise eine anodische Bindung oder eine beliebige Art, die einen sicheren Eingriff gewährleistet, geformt.
Der undotierte Opferbereich 84 des Teilopfersubstrats 80 kann entfernt werden derart, dass sich die mechanischen und/oder elektromechanischen Elemente drehen, bewegen und biegen können. Diese Technik wird allgemein als das Dissolved-Wafer-Verfahren (DWP) bezeichnet. Das Entfernen des undotierten Opferbereichs 84 wird typischerweise ausgeführt durch Wegätzen desselben, beispielsweise mit einem Ethylendiamin-Brenzcatechin- (EDP) Ätzverfahren, es kann jedoch ein beliebiges dotierungsselektives Ätzverfahren verwendet werden.
Das Entfernen des undotierten Opferbereichs 84 des Teilopfersubstrats 80 ermöglicht, dass die aus dem dotierten Bereich 82 geätzten mechanischen und/oder elektromechanischen Elemente Bewegungsfreiheit haben, um sich im Verhältnis zu dem Auflagesubstrat 86 zu bewegen oder zu biegen. Zusätzlich trennt das Entfernen des undotierten Opferbereichs 84 ebenfalls die mechanischen und/oder elektromechanischen Elemente vom Rest des dotierten Bereichs 82 des Teilopfersubstrats 80 außerhalb der durch den dotierten Bereich geätzten Gräben.
Wie in 6A und 6F gezeigt, haben die Hochflächen 88 eine Kontaktelektrodenfläche 94, die sich zwischen einem Satz von Seitenwänden 100 erstreckt, die geneigt sein können, was ermöglicht, dass die Metallelektroden 90 sowohl auf der Kontaktfläche als auch durch „Abstufen" von Metall die Seitenwand 100 hinauf bis zu der Kontaktfläche 94 auf wenigstens einer Seitenwand der Hochfläche 88 aufgebracht werden. Obwohl die geneigten Seitenwände 100 als ein gepaarter Satz von geneigten Seitenwänden gezeigt werden, mag bei einigen Anwendungen nur eine der Seitenwände 100 des Satzes geneigt sein. Die Hochflächen 88 können eine beliebige geometrische Form, wie beispielsweise eine Pyramidenstumpfform, annehmen, können aber Querschnittsformen, wie beispielsweise sechseckig, achteckig, zylindrisch oder andere nützliche Formen, haben, wie sie für eine bestimmte Anwendung benötigt werden.
Wie zuvor erörtert, werden MEMS-Geräte in einer breiten Vielfalt von Anwendungen verwendet. Zusätzlich zu bekannten MEMS-Geräten ist der thermische Schalter 26 der vorliegenden Erfindung ebenfalls ein MEMS-Gerät, das sich aus dem hierin illustrierten DWP-Verfahren ergibt.
7 illustriert zum Beispiel den unter Verwendung der hierin beschriebenen DWP-Fertigungstechniken als MEMS-Gerät gefertigten thermischen Schalter 26. Wenn er unter Verwendung eines DWP-Verfahrens als MEMS-Gerät geformt wird, schließt der sich ergebende thermische MEMS-Schalter 26 der vorliegenden Erfindung ein Halbleitersubstrat 110 ein, das die anfangs in einer epitaktischen Siliziumlage 110a auf einer ersten Innenfläche geformte Stellglied-Basisstruktur 14 und einen undotierten Opferbereich 110b hat. Wie zuvor erörtert, kann das Halbleitersubstrat 110 aus Silizium, Galliumarsenid, Germanium, Selen oder dergleichen geformt sein. Die Stellglied-Basisstruktur 14 ist zum Beispiel ein epitaktischer Riegel, der anfangs durch Erhitzen, Aufbringen eines anderen Metalls auf eine Oberfläche oder selektives Dotieren zu einer gewölbten oder gekrümmten Konfiguration geformt wird. Wenn die Stellglied-Basisstruktur 14 durch selektives Dotieren gewölbt oder gekrümmt wird, wird eine dotierte Lage epitaktisch auf das erste Substrat 110 wachsen gelassen, statt ein Dotiermaterial in das Substrat zu diffundieren. Das Dotieren des Substrats so tief oder so dick wie gewünscht ist jedoch häufig schwierig, und die Zusammensetzung und die Grenzen der so geformten Lagen sind nicht leicht zu steuern. Das Dotiermaterial ist Bor oder ein anderes Dotiermaterial, wie beispielsweise Indium, Thallium oder Aluminium.
Nachdem die Stellglied-Basisstruktur 14 in der epitaktischen Lage 110a des Halbleitersubstrats 110 geformt ist, wird durch Aufbringen der in der gleichen Richtung wirkenden thermischen Treiberstruktur 16 auf die riegelförmige epitaktische Stellglied-Basisstruktur 14 das bimodale thermische Stellglied 12 geformt. Wie oben erörtert, ist das Material des thermischen Treibers entweder ein Oxid, ein Nitrid oder Wolfram und wird in Abhängigkeit des gewünschten thermischen Ansprechverhaltens ausgewählt. Wenigstens ein mittiger Abschnitt des epitaktischen Basisriegels 14 wird frei von dem Material gelassen, das den thermischen Treiber 16 bildet, der als die mittige Elektrode 18a arbeitet, während der Körper des epitaktischen Halbleiterriegels 14 für den Anschluss in einem Stromkreis als Leiterzug 18b zu dem äußeren Befestigungsabschnitt 22 arbeitet. Der epitaktische Basisriegel 14 kann mit einem elektrisch leitfähigen Material, wie beispielsweise Bor, Indium, Thallium oder Aluminium, dotiert sein, um die mittige Elektrode 18a und den Leiterzug 18b zu bilden. Alternativ dazu wird ein metallisches Elektrodenmaterial, wie beispielsweise eine mehrlagige Beschichtung aus Titan, Platin und Gold, auf die innere konkave Fläche 24 des mittigen beweglichen Abschnitts 20 aufgebracht, um die mittige Elektrode 18a und den Leiterzug 18b zu bilden.
Die thermische MEMS-Schaltervorrichtung 26 der vorliegenden Erfindung schließt ferner ein Auflagesubstrat 112 ein, in dem die mikrobearbeitete Auflageplatte 28 geformt ist. Das Auflagesubstrat dient dazu, das Halbleitersubstrat 110 aufzuhängen derart, dass die durch das Halbleitersubstrat 110 definierten elektromechanischen Teile eine gesteigerte Bewegungsfreiheit oder Beweglichkeit zum „Schnappen" zwischen dem ersten und dem zweiten Stabilitätszustand haben. In der thermischen MEMS-Schaltervorrichtung 26 führt das Auflagesubstrat 112 jedoch ebenfalls die Funktion aus, die elektromechanischen Teile der thermischen MEMS-Schaltervorrichtung 26 elektrisch zu isolieren. Das Auflagesubstrat 112 ist folglich aus einem dielektrischen Material, wie beispielsweise dem Glas Pyrex RTM, geformt.
Die thermische MEMS-Schaltervorrichtung 26 der vor liegenden Erfindung, und insbesondere das Auflagesubstrat 112, schließt ferner wenigstens ein Paar von Hochflächen 32 ein, die sich von dem Rest des Auflagesubstrats 112 nach außen erstrecken und dazu dienen, das Halbleitersubstrat 110 zu tragen. Wie zuvor erörtert, bleibt, weil die Hochflächen 32 auf dem Auflagesubstrat 112, d.h., in der mikrobearbeiteten Auflageplatte 28 statt dem Halbleitersubstrat 110 geformt sind, die Innenfläche des Halbleitersubstrats 110 sehr eben, um ein genaues und gesteuertes Ätzen der Gräben durch den dotierten Bereich 110a zu erleichtern. Wie oben beschrieben, schließen die Hochflächen 32 jeweils eine Kontaktfläche 34 ein, welche die Innenfläche 110a des Halbleitersubstrats 110 trägt derart, dass das Halbleitersubstrat über dem Rest des Auflagesubstrats 112 aufgehängt ist.
Die Kontaktelektrode 30 und der/die elektrische(n) Leiter 38 dienen zum Gewährleisten einer elektrischen Verbindung mit der mittigen Elektrode 18a des thermischen Stellglieds 12 bzw. einem elektrischen Verbindungszug. Alternativ dazu ist die Innenfläche 112a des Auflagesubstrats 112 mit einem elektrisch leitfähigen Material, wie beispielsweise Bor, Indium Thallium oder Aluminium, dotiert, oder das Auflagesubstrat 112 ist aus einem Halbleitermaterial, wie beispielsweise Silizium, Galliumarsenid, Germanium oder Selen, geformt.
Die Hochfläche 36 ist wahlweise auf der Innenfläche 112a des Auflagesubstrats 112 geformt, wobei die Kontaktelektrode 30 auf einer mit der mittigen Elektrode 18a des thermischen Stellglieds 12 ausgerichteten Kontaktfläche 114 geformt ist. Die Hochfläche 36 kann mit geringfügigem Zwischenraum unterhalb der Auflage hochflächen 32 angeordnet sein, um Raum bereitzustellen, damit sich das thermische Stellglied 12 zwischen seinem ersten und seinem zweiten Stabilitätszustand biegt, ist aber ausreichend nahe der Ebene der Hochflächen 32, dass der Kontakt mit dem Elektrodenabschnitt 18a gesichert ist, wenn das thermische Stellglied 12 in dem zweiten Stabilitätszustand angeordnet ist, wodurch die innere konkave Fläche 24 des mittigen beweglichen Abschnitts 20 zu einer äußeren konvexen Fläche 24 umgekehrt wird, die mit Zwischenraum weg von der Ebene P des Randabschnitts 22 angeordnet ist.
Die Hochflächen 32, 36 schließen jeweils wahlweise eine oder mehrere geneigte Seitenwände 116 ein, die sich zwischen der Innenfläche 112a des Auflagesubstrats 112 und den Auflageflächen 34, 114 erstrecken. Die Elektroden sind auf den Kontaktflächen 114, 34 und wenigstens einer der geneigten Seitenwände 116 der mittigen Hochfläche 36 und wenigstens einer der Auflagehochflächen 32 aufgebracht. Die sich ergebenden Elektroden, die den/die elektrischen Leiter 38 bilden, sind daher an den Seitenwänden der jeweiligen Hochflächen freigelegt, um den elektrischen Kontakt mit denselben zu erleichtern. Während die Kontaktelektrode 30 auf der Oberfläche der mittigen Hochfläche 36 freigelegt ist, wird/werden die Hochfläche(n) 32 zuerst selektiv geätzt, um ausgesparte Bereiche zu definieren, in denen das Elektrodenmetall aufgebracht wird, so dass sich die aufgebrachten Metallelektroden, die den/die elektrischen Leiter 38 bilden, nicht oberhalb der Oberfläche der Hochfläche(n) 32 erstrecken. Wie illustriert, werden freigelegte Abschnitte der Innenfläche 112a des Auflagesubstrats 112, beispielsweise mit Hilfe von BOE, geätzt, um ausgesparte Bereiche 118 in dem vordefinierten Muster zu formen. Wie oben be schrieben, tragen die Kontaktflächen 34 der Hochflächen 32 die Innenfläche 110a des Halbleitersubstrats 110, d.h., den Randabschnitt 22 des thermischen Stellglieds 12.
In 8 werden, nachdem das bimodale thermische Stellglied 12 geformt ist, die Kontaktflächen 34 der Hochflächen 32 und die Innenfläche 110a des Halbleitersubstrats am Randabschnitt 22 des thermischen Stellglieds 12 bondiert oder anderweitig verbunden, wobei die mittige Elektrode 18a mit dem Kontakt 30 der mikrobearbeiteten Auflageplatte 28 ausgerichtet ist. Zum Beispiel können die Kontaktflächen 34 der Hochflächen 32 und die Innenfläche 110a des Halbleitersubstrats durch eine anodische Bindung oder dergleichen bondiert werden.
Bei Anwendung ist der Schalter 26 angeschlossen, um ein Schaltmittel, zum Beispiel das Festkörperrelais 40, zum Schalten einer verhältnismäßig hohen Last anzusteuern, wenn das thermische MEMS-Schalterstellglied 12 zwischen seinem ersten und seinem zweiten Stabilitätszustand schaltet. Das thermische MEMS-Stellglied 12 und das Festkörperrelais 40 sind beide zusammengepackt, um Kosten und Größe zu sparen.
Es könnten ebenfalls andere Massen-Mikrobearbeitungsverfahren ähnlich den zum Fertigen des Beschleunigungsmessers Honeywell SiMMA^TM verwendeten, wie beispielsweise die Silizium-auf-Oxid- (SOI) Fertigung, verwendet werden (wobei die Verwendung der Oxidlage als Bimaterialsystem wünschenswert sein könnte).
9 illustriert den thermischen MEMS-Schalter der Erfindung in einer alternativen Ausführungsform als thermischer Doppelkontaktschalter 200, der eine gegabelte mittige Hochfläche 36 hat, die wechselseitig isolierte elektrische Kontakte 36a, 36b hat, die jeweils unabhängig an entsprechende wechselseitig isolierte Leiterzüge 38a, 38b gekoppelt sind, die auf der Innenfläche der Auflage 28 am Boden 34 geformt sind und hinausgeführt werden über die jeweiligen Hochflächen 32a, 32b in ausgesparten Bereichen, in denen das Elektrodenmetall aufgebracht ist, so dass sich die aufgebrachten Metallelektroden, welche die elektrischen Leiter 38a, 38b bilden, nicht über die Oberfläche der Hochflächen 32a, 32b erstrecken. Alternativ dazu ist die Auflage 28 in einem ähnlichen Muster mit einem elektrisch leitfähigen Material, wie beispielsweise Bor, Indium, Thallium oder Aluminium, dotiert oder ist aus einem Halbleitermaterial, wie beispielsweise Silizium, Galliumarsenid, Germanium oder Selen, geformt. Wie in 10 illustriert, kann die Treiberstruktur 16, wenn sie aus einem geeigneten elektrisch leitfähigen Material geformt ist, ebenfalls die Kontaktelektrode 18a auf dem mittigen beweglichen Abschnitt 20 des Stellglieds 12 bereitstellen. Das Stellglied 12 ist mit wenigstens der mittigen Kontaktelektrode 18a versehen, die groß genug ist, um die zwei sonst wechselseitig isolierten elektrischen Kontakte 30a, 30b in Kontakt zu bringen, wenn das Stellglied 12 zu seinem umgekehrten Zustand durchschnappt, wodurch, wie in 10 gezeigt, ein durch die Unterbrechung zwischen den zwei elektrischen Kontakten 30a, 30b unterbrochener Stromkreis geschlossen wird.
11 illustriert den thermischen MEMS-Schalter der Erfindung in einer alternativen Ausführungsform als thermischer Einzelkontaktschalter 300, der ein freitragendes thermisches Stellglied 310 hat, das an einer in der Auflageplatte 314 geformten Hochfläche 312 befestigt und mit einer zweiten, ebenfalls in der Auflageplatte 314 geformten und mit Zwischenraum weg von der Ausleger-Auflagehochfläche 312 angeordneten, Kontakthochfläche 316 ausgerichtet ist. Das freitragende thermische Stellglied 310 schließt eine als gekrümmter oder gewölbter Riegel geformte Stellglied-Basisstruktur 318 in Kombination mit einer in der gleichen Richtung wirkenden thermischen Treiberstruktur 320 und einem elektrischen Leiterabschnitt 322 an dem der Auslegerverbindung entgegengesetzten Ende ein. Das Material der Stellglied-Basisstruktur 318 ist ausgewählt aus der oben erörterten Familie starker und wesentlich nicht verformbarer Materialien, die eine erste oder Basis-Wärmeausdehnungsgeschwindigkeit haben. Zum Beispiel ist das Basismaterial epitaktisches Silizium oder ein anderes geeignetes nicht verformbares Material, das unter Verwendung bekannter Mikrostrukturtechniken konfiguriert werden kann. Unter Verwendung einer von einer Zahl von oben erörterten Bearbeitungstechniken wird die Basisstruktur 318 anfangs in eine Konfiguration geformt, die einen mittigen beweglichen gewölbten oder gekrümmten Abschnitt 324 hat, der an dem einen Ende durch einen Befestigungsabschnitt 326, an dem anderen Ende durch die Leiterelektrode 322 begrenzt wird. Die thermische Treiberstruktur 320 wird durch Aufbringen eines thermischen Treibermaterials bereitgestellt, das in einer dünnen Lage, in Abhängigkeit von dem besonderen gewünschten thermischen Ansprechverhalten, entweder auf die konkave oder auf die konvexe Fläche des gewölbten oder gekrümmten Abschnitts 324 der Basisstruktur 318 aufgebracht wird. Zum Beispiel wird eine dünne Lage des Treibermaterials an dem mittigen beweglichen Abschnitt 324 zwischen den Grenzen, d.h., dem Elektroden- und dem Befestigungsabschnitt 322, 326 an den Außenkanten der Basisstruktur 318 aufgebracht.
Das thermische Treibermaterial ist ein anderes Material, aus der Familie starker und wesentlich nicht verformbarer Materialien ausgewählt, die, wie oben erörtert, einen hohen Scherelastizitätsmodul haben und geeignet sind zur Verwendung beim Formen der Stellglied-Basisstruktur 318. Ferner unterscheidet sich das Treibermaterial von dem besonderen, beim Formen der Stellglied-Basisstruktur 318 verwendeten, Material und hat einen zweiten oder Treiber-Wärmeausdehnungskoeffizienten, der zu einer Treiber-Wärmeausdehnungsgeschwindigkeit führt, die sich von der Basis-Wärmeausdehnungsgeschwindigkeit unterscheidet. Wenn zum Beispiel die Stellglied-Basisstruktur 318 aus epitaktischem Silizium geformt ist, ist die Treiberstruktur 320 aus Siliziumoxid, Siliziumnitrid, oder einem anderen geeigneten Material geformt, das einen anderen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat als epitaktisches Silizium.
Die Leiterelektrode 322 und der eine Leiterzug oder die mehreren Leiterzüge 328 sind auf der inneren konvexen Fläche der Stellglied-Basisstruktur 318 geformt, wobei die Leiterzüge 328 zum Anschluss in einem Stromkreis zu dem äußeren Befestigungsabschnitt 326 geführt werden. Alternativ dazu werden die elektrischen Leiterabschnitte 322, 328 durch geeignetes Dotieren der Stellglied-Basisstruktur 318 mit einem elektrisch leitfähigen Material, wie beispielsweise Bor, Indium, Thallium oder Aluminium bereitgestellt. Das Formen der Stellglied-Basisstruktur 318 aus einem Halbleitermaterial, wie beispielsweise epitaktischem Silizium, Galliumarsenid, Germanium oder Selen, erübrigt die Notwendigkeit, gesonderte elektrische Leiterabschnitte 322, 328 bereitzustellen.
Die Auflageplatte 314 ist in einem Auflagesubstrat, zum Beispiel einem Glassubstrat wie oben beschrieben, geformt, wobei sie die Auflagehochfläche 312 und die Kontakthochfläche 316 hat. Die Kontakthochfläche 316 schließt eine Kontaktelektrode 330 ein, die mit der Leiterelektrode 322 des freitragenden thermischen Stellglieds 310 ausgerichtet ist und geschaltet ist, um ein elektrisches Signal in einem elektrischen Stromkreis zu übertragen.
Wie in 11 gezeigt, ordnet der gewölbte Abschnitt 329 der Stellglied-Basisstruktur 318 in einem ersten Stabilitätszustand den Kontaktabschnitt 322 mit Zwischenraum weg von der Kontaktelektrode 330 der Auflageplatte 314 an. Wenn das bimodale Stellglied 310 eine vorher festgelegte Sollwerttemperatur erreicht, bewirken die durch den Unterschied der thermischen Ausdehnungskoeffizienten, dass der mittige bewegliche Abschnitt 324 der Stellglied-Basisstruktur 318 zu einem zweiten Stabilitätszustand (nicht gezeigt) durchschnappt, wobei die konvexe Krümmung zu einer konkaven Konfiguration umgekehrt wird. Entsprechend diesem zweiten Stabilitätszustand zwingt die umgekehrte konkave Konfiguration des mittigen beweglichen Abschnitts 324 den Leiterabschnitt 322 des thermischen Stellglieds 310 in elektrischen Kontakt mit der Kontaktelektrode 330 der Auflageplatte 314, wodurch ein Stromkreis geschlossen wird. Die Eigenschaft des thermischen Stellglieds 310, bei einer vorher festgelegten Schwellen- oder Sollwerttemperatur in einem anderen Konkavitätszustand zu schnappen, wird folglich in dem thermischen Schalter 300 benutzt, um die elektrischen Kontakte 322, 330 zu öffnen oder zu schließen, um zu signalisieren, dass der Sollwert erreicht worden ist.
Während die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung illustriert und beschrieben worden ist, wird zu erkennen sein, dass verschiedene Veränderungen daran vorgenommen werden können, ohne vom Rahmen der Erfindung abzuweichen.

Claims

Thermischer Schalter (126), der Folgendes umfasst: eine Auflageplatte (28), die mit einem elektrischen Kontakt (30) geformt ist, und ein bistabiles Element (12), das aus miteinander verbundenen ersten und zweiten Materiallagen (14, 16) geformt ist, die unterschiedliche erste und zweite Wärmeausdehnungsgeschwindigkeiten haben, wobei die erste Lage einen verhältnismäßig beweglichen bogenförmigen Abschnitt (20) mit einem elektrisch leitfähigen Abschnitt (18) hat und durch einen verhältnismäßig ebenen Abschnitt (22) begrenzt wird, wobei der elektrisch leitfähige Abschnitt des bistabilen Elements mit dem elektrischen Kontakt der Auflageplatte ausgerichtet ist, wobei der verhältnismäßig bewegliche Abschnitt des bistabilen Elements ferner bei Anwendung in einem stabilen Verhältnis mit der Auflageplatte angeordnet ist, wobei der elektrisch leitfähige Abschnitt mit Zwischenraum zu dem elektrischen Kontakt der Auflageplatte angeordnet ist, und einem anderen stabilen Verhältnis, wobei der elektrisch leitende Abschnitt eine elektrische Verbindung mit dem elektrischen Kontakt herstellt, dadurch gekennzeichnet, dass: die Auflageplatte ferner mit einer aufrechten Hochfläche (32) geformt ist, der verhältnismäßig ebene Abschnitt des bistabilen Elements mit der Hochfläche der Auflageplatte verbunden ist und die Materialien der ersten und der zweiten Lage im Wesentlichen nicht verformbar sind.
Thermischer Schalter nach Anspruch 1, wobei die erste Lage (14) des bistabilen Elements (12) eine Lage eines epitaktisch gewachsenen Materials ist.
Thermischer Schalter nach Anspruch 1, wobei die erste Lage (14) des bistabilen Elements (12) eine Lage eines Materials ist, das aus der Gruppe von Materialien ausgewählt ist, die unter Verwendung bekannter Mikrostrukturtechniken konfiguriert werden können.
Thermischer Schalter nach Anspruch 1, wobei die zweite Lage des bistabilen Elements (12) längs eines Abschnitts des beweglichen Abschnitts mit der ersten Lage (14) verbunden ist.
Thermischer Schalter nach Anspruch 1, wobei: die Auflageplatte (28) ferner eine erste und eine zweite aufrechte Hochfläche (32), die mit Zwischenraum auf beiden Seiten des elektrischen Kontakts (30) angeordnet sind, umfasst, und der bewegliche Abschnitt (20) des bistabilen Elements (12) durch zwei verhältnismäßig ebene Abschnitte begrenzt wird, wobei der elektrisch leitfähige Abschnitt (18) im Wesentlichen zwischen denselben zentriert ist und die ebenen Abschnitte jeweils mit einer der ersten und der zweiten aufrechten Hochflächen verbunden sind.
Thermischer Schalter nach Anspruch 1, wobei der elektrisch leitfähige Abschnitt (18) als ein Abschnitt des mobilen Abschnitts geformt ist, der mit elektrisch leitfähigem Material dotiert ist.
Thermischer Schalter nach Anspruch 1, wobei der elektrisch leitfähige Abschnitt (18) als eine metallische Elektrode an einem Mittelabschnitt des mobilen Abschnitts (20) geformt ist.
Thermischer Schalter nach Anspruch 3, wobei sowohl das erste als auch das zweite nicht verformbare Material aus einer Gruppe von Materialien ausgewählt ist, die Glas, Silizium, Siliziumoxid und Wolfram umfasst.
Thermischer Schalter nach Anspruch 1, wobei: die Lage des ersten Materials ferner einen im Wesentlichen ebenen Flanschabschnitt (22) längs jeder von zwei Kanten auf gegenüberliegenden Seiten des verhältnismäßig beweglichen bogenförmigen Abschnitts (20) umfasst und der elektrisch leitfähige Abschnitt (18) zwischen den zwei Kanten angeordnet ist.