MIKROAKTORANORDNUNG

Beschreibung

Technisches Anwendungsgebiet

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Mikroaktoranordnung mit einem Substrat mit einem ersten thermomechanischen Mikroaktor und einem zweiten thermomechanischen Mikroaktor, wobei der erste thermomechanische Mikroaktor bei einer thermischen Anregung im Wesentlichen parallel zur Oberfläche des Substrates ausgelenkt wird. Die Mikroaktoranordnung eignet sich insbesondere für den Einsatz als Mikrorelais.

[0002] Mikrorelais ersetzen zunehmend konventionelle elektromechanische Relais, da sie mit geringeren Kosten und geringerem Platzbedarf hergestellt werden können und aufgrund ihrer Größe auch geringere Schaltzeiten erreichen. Derzeit werden diese Mikrorelais in der Regel auf Basis von Mikroaktoren realisiert, die nach dem elektrostatischen Wirkprinzip arbeiten. Diese elektrostatischen Mikrorelais zeichnen sich allerdings durch relativ kleine Stellwege und kleine Stellkräfte der Mikroaktoren aus, was einerseits zu Problemen hinsichtlich der Durchschlagfestigkeit des Mikrorelais und andererseits zu Problemen aufgrund eines erhöhten Kontaktverschleißes führt.

[0003] Thermomechanische Mikroaktoren, die in anderen Bereichen der Mikrosystemtechnik zum Einsatz kommen, zeichnen sich demgegenüber vor allem durch die Erzeugung vergleichsweise großer Stellkräfte und Stellwege bei gleichzeitig moderatem Leistungsverbrauch aus. Sie finden in der Mikrosystemtechnik vor allem für die Konstruktion von Mikrostellelementen Anwendung, bei denen es auf möglichst große Stellkräfte und Stellwege ankommt. Ein Beispiel hierfür ist der Einsatz in Mikroventilen. Da für den Betrieb thermischer Mikroaktoren in der Regel elektrische Leistungen im Bereich von einigen 100 mW benötigt werden, kommen thermische Antriebe bisher vornehmlich für den Aufbau einzelner Stellelemente in Frage.
Als besonderer Nachteil thermomechanischer Mikroaktoren erweist sich jedoch, dass ein thermomechanischer Mikroaktor zum Halten seines durch thermische Anregung herbeigeführten ausgelenkten Zustandes (ON-Zustand) kontinuierlich durch Energiezufuhr geheizt werden muss. Aus diesem Grunde werden thermomechanische Mikroatoren in Mikrorelais wie auch für eine Vielzahl von anderen Applikationen bisher nicht oder nur in Ausnahmefällen eingesetzt.

Stand der Technik

[0004] Die US 5,909,078 zeigt ein Beispiel für eine Mikroaktoranordnung mit thermomechanischen Mikroaktoren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Als Mikroaktor wird hierbei ein einzelner oder eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten balkenförmigen Elementen eingesetzt, die parallel zu einer Substratoberfläche an jeweils beiden Enden am Substrat eingespannt und in einer Vorzugsrichtung parallel zur Substratoberfläche vorgespannt sind. Durch Aufheizen der balkenförmigen Elemente dehnen sich diese im eingespannten Zustand aus, so dass eine Auslenkung in der Vorzugsrichtung parallel zur Substratoberfläche resultiert. Diese Auslenkbewegung kann beispielsweise zum Öffnen oder Schließen einer Ventilöffnung im Substrat eingesetzt werden.
Auch die thermomechanischen Mikroaktoren dieser Druckschrift lassen sich jedoch nicht ohne die obigen Nachteile in einem Mikrorelais verwenden, in dem einzelne Schaltzustände längere Zeit gehalten werden müssen.
Den gleichen Nachteil weist das thermomechanische Mikrorelais auf, das in J.-Y. Lee et al., "A characterization of thermal parameters of thermally driven polysilicon microbridge actuators using electrical impedance analysis", Sensors and Actuators A75 (1999), 86-92, beschrieben wird. Bei diesem Relais wird eine brükkenförmig ausgebildete Polysilizium-Membran durch Aufheizen senkrecht zur Substratoberfläche ausgelenkt, um elektrische Kontakte zu verbinden. Zum Halten dieser Verbindung ist jedoch ständige Energiezufuhr erforderlich.

[0005] Aus der WO 99/16096 ist ein Mikrorelais aus mehreren gleichartig aufgebauten thermomechanischen Aktuatoren bekannt, die über balkenförmige Elemente an jeweils beiden Enden am Substrat eingespannt sind. Durch Aufheizen der balkenförmigen Elemente wird eine Auslenkung der beiden Aktuatoren parallel zur Substratoberfläche hervorgerufen. Über einen mechanischen Verriegelungsmechanismus, einem seitlichen Verhaken mit dem zweiten Aktuator, kann einer der Aktuatoren stromlos in einer bestimmten Position gehalten werden. Die Verriegelung kann durch Betätigung des zweiten Aktuators wieder gelöst werden.

[0006] Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine weitere Mikroaktoranordnung anzugeben, die ein Umschalten zwischen zumindest zwei Schaltzuständen mit großer Stellkraft und großem Stellweg ermöglicht, wobei die jeweiligen Schaltzustände leistungslos gehalten werden können.

Darstellung der Erfindung

[0007] Die Aufgabe wird mit der Mikroaktoranordnung nach Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Mikroaktoranordnung sind Gegenstand der Unteransprüche.

[0008] Die vorliegende Mikroaktoranordnung besteht aus einem Substrat mit zumindest zwei thermomechanischen Mikroaktoren. Ein erster thermomechanischer Mikroaktor ist in einer aus dem Stand der Technik bekannten Weise auf dem Substrat angeordnet, wobei er bei einer thermischen Anregung im Wesentlichen parallel zur Oberfläche des Substrates ausgelenkt wird, d.h. seine Stellbewegung im Wesentlichen parallel zur Oberfläche ausführt. Erfindungsgemäß ist der zweite thermomechanische Mikroaktor einerseits derart ausgebildet, dass er bei einer thermischen Anregung im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des Substrates ausgelenkt wird, d.h. seine Stellbewegung im Wesentlichen senkrecht zur Substratoberfläche durchführt. Andererseits ist der zweite thermomechanische Mikroaktor relativ zum ersten thermomechanischen Mikroaktor derart angeordnet, dass ein Abschnitt des ersten thermomechanischen Mikroaktors bei einer thermischen Anregung bis unter einen Abschnitt des zweiten thermomechanischen Mikroaktors - in ausgelenktem Zustand - reicht. Da der zweite thermomechanische Mikroaktor eine Stellbewegung im Wesentlichen senkrecht zur Substratoberfläche vollführt, befindet sich somit ein Abschnitt des ersten thermomechanischen Mikroaktors in einem ausgelenkten Zustand zwischen einem Abschnitt des zweiten thermomechanischen Mikroaktors und der Substratoberfläche, so dass dieser Abschnitt des ersten thermomechanischen Mikroaktors bei Abschalten des zweiten thermomechanischen Mikroaktors von diesem eingeklemmt wird.

[0009] Diese Anordnung zweier thermomechanischer Mikroaktoren ermöglicht es somit, den Schaltzustand (ON-Zustand) des ersten thermomechanischen Mikroaktors leistungslos zu halten. Beim Umschalten vom Ruhezustand (OFF-Zustand) in den ON-Zustand werden zunächst beide thermomechanischen Mikroaktoren angeschaltet, d.h. thermisch angeregt, so dass sich ein erster Abschnitt des ersten thermomechanischen Mikroaktors unter einen zweiten Abschnitt des zweiten thermomechanischen Mikroaktors bewegt. Anschließend wird der zweite thermomechanische Mikroaktor abgeschaltet und klemmt dadurch den ersten Abschnitt des ersten thermomechanischen Mikroaktors ein. Wird dieser anschließend ebenfalls durch Unterbrechung der Wärmezufuhr abgeschaltet, so verbleibt er in der ausgelenkten Stellung, da er durch die Klemmwirkung des abgeschalteten zweiten thermomechanischen Mikroaktors in dieser Position gehalten wird. Diese Haltestellung wird einerseits durch die Reibung zwischen den beiden Mikroaktoren und andererseits durch die hohe Rückstellkraft, mit der zweite thermische Mikroaktor seine Ruhestellung einnimmt, ermöglicht. Auf diese Weise wird der ausgelenkte Zustand des ersten thermomechanischen Mikroaktors ohne weitere Energiezufuhr, das heißt leistungslos, gehalten. Zum Lösen dieser Haltestellung ist es lediglich erforderlich, den zweiten thermomechanischen Mikroaktor kurz anzuschalten, wodurch die Haltestellung gelöst wird und der erste thermomechanische Mikroaktor in seine Ruhestellung (OFF-Zustand) zurückkehrt, in der er ebenfalls ohne Energiezufuhr verbleibt.

[0010] Durch diese Eigenschaft der erfindungsgemäßen Mikroaktoranordnung, zwei Schaltzustände mit Hilfe von thermomechanischen Mikroaktoren leistungslos halten zu können, eröffnet sich die Möglichkeit, die großen Stellkräfte und Stellhübe thermomechanischer Mikroaktoren auch in Bereichen einzusetzen, für die sie bisher nicht geeignet waren. Die vorliegende Mikroaktoranordnung ist hierbei besonders für den Einsatz in Mikrorelais geeignet, läßt sich aber selbstverständlich auch für andere Anwendungen wie beispielsweise für Mikroventile einsetzen. Durch die Verwendung der vorliegenden Mikroaktoranordnung wird es gerade beim Einsatz in Mikrorelais möglich, vergleichsweise große Stellwege mit einer relativ großen Andruckkraft auf die zu überbrükkenden Kontakte zu kombinieren. Der erste thermomechanische Aktor, im Folgenden auch als lateraler Aktor bezeichnet, kann hierbei so ausgelegt werden, dass er Hübe bzw. Stellwege von 50 - 80 µm ermöglicht. Durch diese großen Stellwege können die elektrischen Kontakte im Relais einen größeren gegenseitigen Abstand aufweisen, so dass einerseits die Durchschlagfestigkeit des Relais erhöht und andererseits ein Übersprechen zwischen einzelnen Leitungen vermindert wird. Gleichzeitig entwikkelt der zweite thermomechanische Aktor, im folgenden auch als z-Aktor bezeichnet, der den lateralen Aktor in einer ausgelenkten Position hält, bei seiner Rückstellbewegung in die Ruhelage Andruckkräfte im Bereich von 10 mN - 50 mN und mehr. Der laterale Aktor sorgt demnach für den großen Hub während der z-Aktor für das Schließen der Relais-Kontakte die große Andruckkraft liefert, da er den lateralen Aktor mit dieser Andruckkraft gegen die Substratoberfläche presst, auf der beim Mikrorelais die zu schließenden Kontakte angeordnet sind.

[0011] Die elektrische Leistung von ca. 200 - 300 mW zum Schalten des Mikrorelais wird nur während der kurzen Schaltphasen benötigt, während die einzelnen Schaltzustände leistungslos gehalten werden können. Der benötigte Flächenbedarf für die beiden Mikroaktoren auf dem Substrat beträgt in der Regel etwa 2 mm x 1 mm und ist damit vergleichbar den Flächen, die für Mikrorelais nach dem elektrostatischen Wirkprinzip benötigt werden. Die vorliegende Mikroaktoranordnung ist damit im Hinblick auf die erreichbaren Schaltkräfte und die erreichbaren Schalthübe jedem bislang bekannten Mikrorelais-Konzept deutlich überlegen.

[0012] Es versteht sich jedoch von selbst, dass die erfindungsgemäße Mikroaktoranordnung auch für andere Anwendungen geeignet ist, bei denen einerseits zumindest zwei Schaltzustände leistungslos gehalten werden müssen und andererseits große Stellkräfte und Stellwege erforderlich sind.

[0013] Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Mikroaktoranordnung besteht darin, dass mit dieser Anordnung nicht nur zwei sondern auch weitere Schaltzustände realisiert und leistungslos gehalten werden können. Dies erfordert lediglich, dass der laterale Aktor bei unterschiedlichen Auslenkungen, die durch unterschiedlich starke thermische Anregung erzeugt werden, jeweils mit einem Abschnitt bis unter den z-Aktor reicht. Dies kann beispielsweise durch einen entsprechend langen Ausleger am lateralen Aktor erreicht werden, der sich in Auslenkungsrichtung erstreckt. Auf diese Weise kann der laterale Aktor durch den z-Aktor in jeder beliebigen Auslenkungsposition gehalten werden. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine Vielzahl von Schaltverbindungen in einem mit der erfindungsgemäßen Mikroaktoranordnung ausgestatteten Mikrorelais.

[0014] Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Mikroaktoranordnung zeichnet sich dadurch aus, dass sich die beiden Mikroaktoren beim Einnehmen der Halteposition ineinander verhaken. Dies erlaubt eine sehr sichere Halteposition, bei der die Reibung zwischen den beiden Aktoren keine Rolle spielt. Dieses Verhaken kann dadurch realisiert werden, dass die beiden in der Halteposition übereinanderliegenden Abschnitte des lateralen Aktors und des z-Aktors ineinandergreifen, beispielsweise indem einer der beiden Abschnitte eine Ausnehmung aufweist, in die eine Erhebung des anderen der beiden Abschnitte eingreift. Selbstverständlich sind auch andere geometrische Ausgestaltungen denkbar, die zu einer entsprechenden Verhakung oder zu einem entsprechenden Ineinandergreifen führen. Der Fachmann kennt derartige Ausgestaltungen aus vielen Bereichen der Technik. Bei mehreren zu haltenden Schaltpositionen können durch entsprechende geometrische Ausgestaltung der Abschnitte unterschiedliche Haltestellungen vorgegeben werden, bei die beiden Abschnitte ineinandergreifen.

[0015] Die Herstellung und die unterschiedlichen Ausgestaltungsmöglichkeiten thermomechanischer Mikroaktoren sind dem Fachmann bekannt. Vorzugsweise wird bei der vorliegenden Mikroaktoranordnung ebenfalls ein balkenförmiges Element als Grundelement des einzelnen Mikroaktors eingesetzt, wie dies beispielsweise aus der US 5,909,078 bekannt ist. Dieses balkenförmige Element wird vorzugsweise derart aus dem Substrat herausgeätzt, dass es beidseitig am Substrat eingespannt bleibt. Auch der zweite thermomechanische Aktor, das heißt der z-Aktor, besteht aus einem derartigen Element, das in Form einer Brücke mit dem Substrat verbunden ist.
Die thermische Anregung der beiden Elemente kann auf die unterschiedlichste Art erfolgen. Beispiele für thermische Anregungen, wie Bestrahlung, Anordnen eines Heizelementes am Substrat, Direktbeheizung durch Stromfluss durch das Aktorelement oder Anbringen einer Heizleitungsschicht am Aktorelement sind dem Fachmann bekannt. Vorzugsweise wird die letzte Möglichkeit bei der vorliegenden Mikroaktoranordnung eingesetzt, indem auf die balkenförmigen Elemente eine entsprechende Heizleitungsschicht, beispielsweise aus Polysilizium, aufgebracht wird.

[0016] Die Mikroaktoranordnung ist nicht auf einen lateralen und einen z-Aktor beschränkt. So können auch mehrere derartiger Aktoren in entsprechender Anordnung auf dem Substrat eingesetzt werden. Ebenso ist eine mechanische Kopplung unterschiedlicher lateraler Aktoren möglich, wie sie aus der im einleitenden Teil genannten US-Schrift bekannt ist.

[0017] Bei Einsatz als Mikrorelais sind auf dem Substrat die zu schaltenden, das heißt elektrisch zu überbrükkenden Leiterbahnen bzw. Kontaktflächen aufgebracht. Zur Überbrückung der Unterbrechungen zwischen diesen Kontaktflächen sind an der Unterseite des lateralen Aktors entsprechende Kontaktbrücken aus einem gut leitenden Material vorgesehen. Der Aktor selbst bzw. die balkenförmigen Elemente des Aktors können hierbei aus anderen Materialien bestehen. Vorzugsweise wird jedoch Nickel als Material für die balkenförmigen Elemente eingesetzt, da dieses gute thermomechanische Eigenschaften aufweist und zum Aufbau der Elemente in den erforderlichen Dimensionen mit bekannten Mitteln der Mikrostrukturtechnik geeignet ist. In diesem Fall sind die elektrisch leitenden Kontaktbrücken sowie die Heizleitungsschicht zusätzlich gegenüber dem Nickel über eine Zwischenschicht isoliert.

[0018] Verfahren zur Herstellung derartiger thermomechanischer Mikroaktoren auf einem Substrat können jederzeit der Fachliteratur entnommen werden. Es handelt sich hierbei in der Regel um eine Kombination aus Photolithographie, galvanischen Abscheideverfahren und Ätzverfahren.

[0019] Die vorliegende Mikroaktoranordnung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:

Fig. 1

schematisch ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Mikroaktoranordnung; und

Fig. 2

ein weiteres Beispiel für eine erfindungsgemäße Mikroaktoranordnung in der Anwendung als Mikrorelais.

Wege zur Ausführung der Erfindung

[0020] Figur 1 zeigt eine dreidimensionale Ansicht einer Mikroaktoranordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Die Mikroaktoranordnung besteht aus dem Substrat 1, einem Halbleitersubstrat, auf dem ein lateraler Mikroaktor 3 sowie ein z-Aktor 4 angeordnet sind. Der laterale Aktor 3 setzt sich aus vier balkenförmigen Elementen 7 zusammen, die jeweils auf einer Seite am Substrat 1 verankert sind. An diesen balkenförmigen Elementen ist ein plattenförmiger Ausleger 9 angebracht, der sich in Richtung der Auslenkung, das heißt-in Richtung zum z-Aktor 4 erstreckt. Der laterale Aktor 3 ist in der Figur in ausgelenktem Zustand zu erkennen. Im Ruhezustand befindet er sich über der angedeuteten Vertiefung 11 in der Substratoberfläche, die beim Herstellungsprozess bei der Unterätzung der balkenförmigen Elemente 7 erzeugt wird. Die balkenförmigen Elemente 7 sind mit Heizleitungsschichten versehen (nicht in der Figur zu erkennen), die über entsprechende Anschlusspads 12 mit Strom versorgt werden. Die balkenförmigen Elemente haben hierbei Dimensionen von typischerweise etwa 1 mm Länge, 5-10 µm Breite und 15-20 µm Höhe.

[0021] Der z-Aktor 4 setzt sich ebenfalls aus einem balkenförmigen Element 8 zusammen, das an beiden Seiten am Substrat 1 eingespannt ist. Dieser z-Aktor 4 ist in Form eines Brückenaktors ausgeführt. Das balkenförmige Element 8 ist auch in diesem Fall mit einer entsprechenden, nicht dargestellten, Heizleitungsschicht versehen, die über Anschlusspads 12 mit Strom versorgt wird. Auch am z-Aktor 4 ist ein plattenförmiger Ausleger 10 vorgesehen, der sich in Richtung des lateralen Aktors 3 erstreckt. Beide Ausleger 9 und 10 können sich durch eine entsprechende Ausgestaltung miteinander verhaken, wie dies im vergrößerten Bereich der Figur 2 dargestellt ist.

[0022] Im Ruhezustand befinden sich die balkenförmigen Elemente 7 des lateralen Aktors 3 über der Vertiefung 11, das balkenförmige Element 8 des z-Aktors 4 liegt auf dem Substrat 1 auf. Für den Übergang in den ON-Zustand des Mikrorelais werden zunächst beide Aktoren in Betrieb gesetzt. Dadurch schiebt der laterale Aktor 3 seinen plattenförmigen Ausleger 9 unter den z-Aktor 4. Daraufhin wird der z-Aktor als erster abgeschaltet und senkt sich mit seinem Ausleger 10 auf den Ausleger 9. Eine geeignete hakenähnliche Struktur verhindert nach dem Abschalten des lateralen Aktors 3 ein Lösen dieses Kontaktes. Für den Übergang in den OFF-Zustand werden ebenfalls beide Aktoren zunächst eingeschaltet. Der laterale Aktor 3 wird aber diesmal vor dem z-Aktor 4 abgeschaltet. Dadurch wird der plattenförmige Ausleger 9, der in diesem Beispiel in Form eines Nickelplättchens ausgeführt ist, unter dem z-Aktor 4 hervorgezogen, so dass die Kontakte gelöst werden. Die Figur 1 zeigt die Mikroaktoranordnung im ON-Zustand. Die balkenförmigen Elemente 7, 8 sowie die Ausleger 9, 10 der beiden Aktoren 3, 4 sind in diesem Beispiel aus Nickel gefertigt. Der unterhalb der balkenförmigen Elemente verlaufende Heizleiter wird von dieser metallischen Struktur durch Isolationsschichten getrennt.

[0023] Figur 2 zeigt ein weiteres Beispiel für eine Mikroaktoranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung bei der Anwendung als Mikrorelais. Auch in dieser Figur sind wiederum das Substrat 1 sowie die beiden Mikroaktoren 3, 4 mit den jeweiligen balkenförmigen Elementen 7, 8 und den Auslegern 9, 10 zu erkennen. Zusätzlich sind auf dem Substrat 1 vier Leiterbahnen 13 angeordnet, von denen - in der vergrößerten Ansicht zu erkennen - alle durch einen Spalt unterbrochen sind. An der Unterseite des Auslegers 9 des lateralen Aktors 3 befinden sich Kontaktbrücken 14 zum Schließen der offenen Kontakte. Diese Kontaktbrücken 14 können aus einem gut leitfähigen Material wie Gold gebildet sein, das gegenüber dem Material des Aktors isoliert wird. Hierdurch können kleinere Zuleitungswiderstände im Relais erreicht werden. Wie in der Figur gezeigt ist, können mit dem vorliegenden Mikrorelais mehrere Kontakte bzw. Leitungen 13 auch gleichzeitig geschlossen werden. Selbst die Realisierung von mehr als zwei Schaltzuständen kann mit diesem Relaisaufbau erreicht werden. So wäre ein Umschalten von einer der Leitungen zu einer anderen damit problemlos möglich.
In der Figur ist der ON-Schaltzustand des Mikrorelais dargestellt, bei der die Kontakte der vier Leitungen in unterschiedlicher Weise geschlossen werden, wie dies in der vergrößerten Ansicht zu erkennen ist. Durch die hohe Andruckkraft der Kontaktbrücken 14 auf die Leitungen 13 wird eine hohe Lebensdauer der Kontakte ermöglicht. Die hohe Andruckkraft wird durch die Rückstellbewegung des z-Aktors 4 erzeugt, der auf den lateralen Aktor 3 drückt. In der vergrößerten Darstellung ist ebenfalls eine geometrische Anordnung einer möglichen Verhakung zwischen dem Ausleger 10 des z-Aktors 4 und dem Ausleger 9 des lateralen Aktors 3 zu erkennen.

[0024] Für den Aufbau der Mikroaktoren empfiehlt sich die Verwendung eines geeigneten Metalls wie zum Beispiel Nickel. Damit kann neben den notwendigen Festigkeiten auch eine gute thermische Leitfähigkeit der balkenförmigen Elemente erreicht werden, so dass die Schaltzeiten des Relais etwa zwischen 10 ms und 100 ms liegen. Aufgrund der sehr guten elektrischen Leitfähigkeit der balkenförmigen Elemente verbietet sich aber in diesem Fall die direkte Nutzung als Heizleiter. Hierzu wird vorzugsweise eine Heizleiterschicht an dem eigentlichen Aktorelement angebracht, die selbstverständlich gegenüber dem eigentlichen Thermoaktor isoliert sein muss.

Bezugszeichenliste

[0025] 

1

Substrat

2

Oberfläche des Substrates

3

lateraler Mikroaktor

4

z-Mikroaktor

5

erster Abschnitt (9)

6

zweiter Abschnitt (10)

7

balkenförmiges Element

8

balkenförmiges Element

9

plattenförmiger Ausleger

10

plattenförmiger Ausleger

11

Vertiefung

12

Anschlusspads

13

Leiterbahnen

14

Kontaktbrücken

Ansprüche

1. Mikroaktoranordnung, insbesondere Mikrorelais, mit einem Substrat (1), auf dem ein erster thermomechanischer Mikroaktor (3) und ein zweiter thermomechanischer Mikroaktor (4) angeordnet sind, wobei der erste thermomechanische Mikroaktor (3) bei einer thermischen Anregung im Wesentlichen parallel zur Oberfläche (2) des Substrates (1) ausgelenkt wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass der zweite thermomechanische Mikroaktor (4) derart ausgebildet und relativ zum ersten thermomechanischen Mikroaktor (3) angeordnet ist, dass er bei einer thermischen Anregung im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche (2) des Substrates (1) ausgelenkt wird und ein erster Abschnitt (5) des ersten thermomechanischen Mikroaktors (3) in einem ausgelenkten Zustand bis unter einen zweiten Abschnitt (6) des zweiten thermomechanischen Mikroaktors (4) in einem ausgelenktem Zustand reicht.

2. Mikroaktoranordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass sich der erste und/oder der zweite thermomechanische Mikroaktor (3, 4) aus ein oder mehreren balkenförmigen Elementen zusammensetzen, die beidseitig am Substrat (1) eingespannt sind.

3. Mikroaktoranordnung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die ein oder mehreren balkenförmigen Elemente mit einer Heizleitungsschicht versehen sind.

4. Mikroaktoranordnung nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die ein oder mehreren balkenförmigen Elemente aus einem elektrisch leitfähigen Material bestehen.

5. Mikroaktoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
dass der erste Abschnitt (5) des ersten thermomechanischen Mikroaktors (3) als plattenförmiger Ausleger ausgestaltet ist, der sich in Auslenkungsrichtung des ersten thermomechanischen Mikroaktors (3) erstreckt.

6. Mikroaktoranordnung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass der plattenförmige Ausleger eine derartige Länge in Auslenkungsrichtung des ersten thermomechanischen Mikroaktors (3) aufweist, dass er bei unterschiedlich starken Auslenkungen des ersten thermomechanischen Mikroaktors (3) bis unter den zweiten Abschnitt (6) des zweiten thermomechanischen Mikroaktors (4) reicht.

7. Mikroaktoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
dass der zweite Abschnitt (6) des zweiten thermomechanischen Mikroaktors (4) als plattenförmiger Ausleger ausgestaltet ist, der sich entgegen der Auslenkungsrichtung des ersten thermomechanischen Mikroaktors (3) erstreckt.

8. Mikroaktoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
dass der erste und der zweite Abschnitt (5, 6) derart ausgestaltet sind, dass sie ineinander greifen, wenn die thermische Anregung des zweiten thermomechanischen Mikroaktors (4) beendet wird, während sich der erste thermomechanische Mikroaktor (3) im ausgelenkten Zustand befindet.

9. Mikroaktoranordnung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass der erste Abschnitt (5) eine Ausnehmung aufweist, in die eine Erhebung am zweiten Abschnitt (6) eingreift oder umgekehrt.

10. Mikroaktoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis
9, dadurch gekennzeichnet,
dass auf dem Substrat (1) ein oder mehrere Leiterbahnen (13) und/oder Kontaktflächen mit einer oder mehreren Unterbrechung(en) vorgesehen sind, die durch Auslenkung des ersten thermomechanischen Mikroaktors (3) überbrückt werden können.

11. Mikroaktoranordnung nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass der erste thermomechanische Mikroaktor (3) ein oder mehrere elektrisch leitfähige Kontaktbrücken (14) zum Überbrücken der Unterbrechung(en) aufweist.

Claims

1. Micro actuator arrangement, particularly a micro relay, comprising a substrate (1) on which a first thermomechanical micro actuator (3) and a second thermomechanical micro actuator (4) are disposed, with said first thermomechanical micro actuator (3), in response to thermal stimulation, being extended in a direction substantially parallel with the surface (2) of said substrate (1),
characterised in
that said second thermomechanical micro actuator (4) is so configured and disposed relative to said first thermomechanical micro actuator (3) that upon thermal stimulation it is extended substantially in a direction orthogonal on the surface (2) of said substrate (1) and that, in an extended state, a first section (5) of said first thermomechanical micro actuator (3) reaches up to under a second section (6) of said second thermomechanical micro actuator (4).

2. Micro actuator arrangement according to Claim 1,
characterised in
that said first and/or said second thermomechanical micro actuator (3, 4) is/are composed of one or several bar-shaped elements that are clamped on both sides on said substrate (1).

3. Micro actuator arrangement according to Claim 2,
characterised in
that said one or several bar-shaped elements are provided with a thermal conduction layer.

4. Micro actuator arrangement according to Claim 2 or 3,
characterised in
that said one or several bar-shaped elements consist of an electrically conductive material.

5. Micro actuator arrangement according to any of the Claims 1 to 4,
characterised in
that said first section (5) of said first thermomechanical micro actuator (3) is designed as plate-shaped arm that extends along the direction of extension of said first thermomechanical micro actuator (3).

6. Micro actuator arrangement according to Claim 5,
characterised in
that said plate-shaped arm has such a length in the direction of extension of said first thermomechanical micro actuator (3) that, in response to different extensions of said first thermomechanical micro actuator (3), it reaches up to under said second section (6) of said second thermomechanical micro actuator (4).

7. Micro actuator arrangement according to any of the Claims 1 to 6,
characterised in
that said second section (6) of said second thermomechanical micro actuator (4) is designed as plate-shaped arm that extends in a direction opposite to the direction of extension of said first thermomechanical micro actuator (3).

8. Micro actuator arrangement according to any of the Claims 1 to 7,
characterised in
that said first and said second sections (5, 6) are so designed that they engage in each other when the thermal stimulation of said second thermomechanical micro actuator (4) is terminated while said first thermomechanical micro actuator (3) is in the extended state.

9. Micro actuator arrangement according to Claim 8,
characterised in
that said first section (5) has a recess into which a projection on said second section (6) engages or vice versa.

10. Micro actuator arrangement according to any of the Claims 1 to 9,
characterised in
that one or several conducting paths (13) and/or contact areas with one or more discontinuity (discontinuities) are provided on said substrate (1), which can be bridged by extension of said first thermomechanical micro actuator (3).

11. Micro actuator arrangement according to Claim 10,
characterised in
that said first thermomechanical micro actuator (3) presents one or several electrically conductive contact bridges (14) for bridging said discontinuity (discontinuities).

Revendications

1. Structure à micro-acteurs, en particulier micro relais, comprenant un substrat (1), sur lequel un premier micro-acteur thermomécanique (3) et un deuxième micro-acteur thermomécanique (4) sont disposés, audit premier micro-acteur thermomécanique (3), en réponse à une stimulation thermique, étant dévié en une direction essentiellement en parallèle à la surface (2) dudit substrat (1),
caractérisée en ce
que ledit deuxième micro-acteur thermomécanique (4) est configuré et disposé, relativement audit premier micro-acteur thermomécanique (3), d'une telle manière, qu'il soit dévié, après une stimulation thermique, essentiellement en une direction orthogonale sur la surface (2) dudit substrat (1), et en ce qu'en un état de déviation, un premier segment (5) dudit premier micro-acteur thermomécanique (3) s'étend jusqu'à un point au-dessous d'un deuxième segment (6) dudit deuxième micro-acteur thermomécanique (4).

2. Structure à micro-acteurs selon la revendication 1,
caractérisée en ce
que ledit premier et/ou ledit deuxième micro-acteur thermomécanique (3, 4) est/sont composé(s) d'un ou plusieurs éléments en barre, qui sont serrés des deux côtés sur ledit substrat (1).

3. Structure à micro-acteurs selon la revendication 2,
caractérisée en ce
que ledit un ou lesdits plusieurs éléments en barre sont pourvus d'une couche à conduction thermique.

4. Structure à micro-acteurs selon la revendication 2 ou 3,
caractérisée en ce
que ledit un ou lesdits plusieurs éléments en barre consistent en un matériau à conduction électrique.

5. Structure à micro-acteurs selon une quelconque des revendications 1 à 4,
caractérisée en ce
que ledit premier segment (5) dudit premier micro-acteur thermomécanique (3) est conçu sous forme d'une console en lame, qui s'étend le long de la direction d'extension dudit premier micro-acteur thermomécanique (3).

6. Structure à micro-acteurs selon la revendication 5,
caractérisée en ce
que ladite console en lame présente une telle longueur en sens d'extension dudit premier micro-acteur thermomécanique (3), qu'en réponse aux extensions différentes dudit premier micro-acteur thermomécanique (3), il s'étend jusqu'à un point au-dessous dudit deuxième segment (6) dudit deuxième micro-acteur thermomécanique (4).

7. Structure à micro-acteurs selon une quelconque des revendications 1 à 6,
caractérisée en ce
que ledit deuxième segment (6) dudit deuxième micro-acteur thermomécanique (4) est conçu sous forme d'une console en lame, qui s'étend en un sens opposé à la direction d'extension dudit premier micro-acteur thermomécanique (3).

8. Structure à micro-acteurs selon une quelconque des revendications 1 à 7,
caractérisée en ce
que ledit premier segment (5) et ledit deuxième segments (6) sont conçus d'une telle manière, qu'ils se trouvent en prise l'un dans l'autre, quand la stimulation thermique dudit deuxième micro-acteur thermomécanique (4) est terminée, pendant que ledit premier micro-acteur thermomécanique (3) se trouve en l'état de déviation.

9. Structure à micro-acteurs selon la revendication 8,
caractérisée en ce
que ledit premier segment (5) présente un évidement, dans lequel une saillie sur le deuxième segment (6) est prise ou vice versa.

10. Structure à micro-acteurs selon une quelconque des revendications 1 à 9,
caractérisée en ce
qu'un ou plusieurs pistes conductives (13) et/ou aires de contact à une ou plusieurs discontinuité(s) sont formées sur ledit substrat (1), qu'on peut ponter par l'extension dudit premier micro-acteur thermomécanique (3).

11. Structure à micro-acteurs selon la revendication 10,
caractérisée en ce
que ledit premier micro-acteur thermomécanique (3) présente un ou plusieurs ponts de contact à conduction électrique (14) pour le pontage desdits discontinuités.

Zeichnung