MX2007008185A - Material de contacto, dispositivo que incluye el material de contacto, y metodo de elaboracion. - Google Patents

Abstract

Se proporciona un dispositivo para controlar el flujo de corriente eléctrica; el dispositivo comprende un primer conductor; un segundo conductor acoplado de manera conmutable al primer conducto para alternarse entre un estado eléctricamente conectado con el primer conductor y un estado eléctricamente desconectado con el primer conductor; al menos un conductor además comprende un contacto eléctrico, el contacto eléctrico comprende una matriz sólida que comprende una pluralidad de poros; y un material de relleno colocado dentro de al menos una porción de la pluralidad de poros; el material de relleno tiene un punto de fusión de menos de alrededor de 575K; se proporciona un método para elaborar un contacto eléctrico; el método incluye los pasos de: proporcionar un substrato; proporcionar una pluralidad de poros en el substrato; y depositar un material de relleno dentro de al menos una porción de la pluralidad de poros; el material de relleno tiene un punto de fusión de menos de alrededor de 575K.

Description

MATERIAL DE CONTACTO, DISPOSITIVO QUE INCLUYE EL MATE BAL DE CONTACTO, Y METODO DE ELABORACION ANTECEDENTES DE LA INVENCION La invención se refiere a un material de contacto eléctrico. Más particularmente, la invención se refiere a un material de contacto para accionadores de baja fuerza. La invención se refiere a un método para elaborar un material de contacto. Con los avances recientes en la miniaturización de dispositivos electrónicos, existe una gran demanda de microinterruptores que tengan pequeñas geometrías, que sean capaces de sincronización de interruptores en microsegundos, y tengan un consumo de energía bajo. Los interruptores del sistema microelectromécanico (MEMS) se adaptan idealmente para dichas aplicaciones debido a sus pequeñas geometrías, masa e impulso de interruptor mínimos, bajo consumo de energía, y posibilidad de fabricación utilizando técnicas de fabricación de semiconductor y de MEMS estándar. Los criterios de rendimiento críticos para los interruptores del MEMS son baja resistencia al contacto, operación de interruptores en microsegundos, aislador de voltaje, y alta confiabilidad. La pequeña masa de un interruptor del MEMS permite sincronización rápida del interruptor, pero sacrifica la fuerza de contacto y en consecuencia la resistencia al contacto. La baja fuerza de accionamiento conduce a una gran resistencia del orden de ohms. Por lo tanto, existe una demanda incrementada de materiales de contacto y estructuras de contacto que reduzcan significativamente la resistencia al contacto mientras mantienen la estabilidad estructural de contacto que permite una vida más larga de millones a mil millones de ciclos de operación.

BREVE DESCRIPCION DE LA INVENCION Las modalidades de la presente invención cumplen estas y otras necesidades al proporcionar un dispositivo que comprende un contacto eléctrico con baja resistencia al contacto. Por ejemplo, una modalidad de la invención es un dispositivo para controlar el flujo de corriente eléctrica. El dispositivo comprende un primer conductor; un segundo conductor acoplado de manera conmutable al primer conductor para alternar entre un estado eléctricamente conectado con el primer conductor y un estado eléctricamente descontado con el primer conductor. Al menos un conductor comprende además un contacto eléctrico, el contacto eléctrico comprende una matriz sólida que comprende una pluralidad de poros; y un material de relleno colocado dentro de al menos una porción de la pluralidad de poros. El material de relleno tiene un punto de fusión de menos de alrededor 575K. Otra modalidad de la invención es un material de contacto eléctrico. El contacto eléctrico comprende una matriz sólida que comprende una pluralidad de poros, la matriz sólida comprende oro; y un material de relleno colocado dentro de al menos una porción de la pluralidad de poros. El material de relleno comprende un metal con un punto de fusión de menos de alrededor de 575K. Otro aspecto de la invención es proporcionar un método versátil para elaborar dichos contactos eléctricos. El método incluye los pasos de: proporcionar un substrato; proporcionar un pluralidad de poros sobre el substrato; y colocar un material de relleno dentro de al menos una porción de la pluralidad de poros. El material de relleno tiene un punto de fusión de menos de alrededor de 575K.

BREVE DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS Estas y otras características, aspectos y ventajas de la presente invención se entenderán mejor cuando se lea la siguiente descripción detallada con referencia a los dibujos anexos en donde los caracteres similares representa partes similares a través de los dibujos, en donde: La figura 1 es un esquema de un dispositivo de conformidad con una modalidad de la invención; La figura 2 es un esquema de un dispositivo de conformidad con otra modalidad de la invención; La figura 3 es un esquema de un dispositivo de conformidad con otra modalidad de la invención; La figura 4 es un esquema de un contacto eléctrico de conformidad con una modalidad de la invención; y La figura 5 es un diagrama de flujo de un método para elaborar un material de contacto de conformidad con una modalidad de la invención.

DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCION En la siguiente descripción, los caracteres de referencia similares designan partes similares o correspondientes a través de todas las vistas mostradas en las figuras. También se entiende que los términos tales como "superior", "inferior", "hacia fuera", "hacia adentro", y similares son palabras de conveniencia y no deben construirse como términos limitativos. Además, cada vez que una característica particular de la invención es tal que comprende o consiste en al menos un número de elementos y combinaciones de los mismos, se entiende que la característica puede comprender o consistir en cualquiera de los elementos del grupo, ya sea individualmente o en combinación con cualquiera de los otros elementos de ese grupo. Con miniaturización continua de dispositivos eléctricos, existe una demanda incrementada de materiales de contacto, con resistencia al contacto reducida y larga vida. Los materiales de contacto típicamente utilizados con frecuencia no producen una baja resistencia al contacto deseable ni propiedades de contacto confiables. Los inventores de la presente han desarrollado un material de contacto novedoso que comprende un material de relleno con bajo punto de fusión dentro de una matriz porosa. A través de la selección apropiada de la matriz y el material de relleno, el material de contacto puede designarse de manera que la resistencia al contacto sea significativamente baja y el problema de los contactos metálicos que se fusionan o que se adhieran (estricción) se reduzca al mínimo. Un dispositivo para controlar el flujo de corriente se proporciona en las modalidades de la invención. El dispositivo incluye al menos un primer conductor y un segundo conductor. El primer y segundo conductores se configuran para alternarse entre un estado eléctricamente conectado y un estado eléctricamente desconectado, regulando así el flujo de corriente a través de cualquier circuito. Esto puede lograrse al activar el primer conductor o el segundo conductor o ambos de los mismos para desviarse de las posiciones originales y establecer contacto eléctrico entre sí. Los contactos pueden elaborarse también de manera que un elemento se encuentre entre los dos conductores de manera que el elemento móvil ahora enlace los dos conductores y permita que fluya la corriente o la señal. El dispositivo incluye al menos una estructura de conmutación y puede además disponerse en serie o paralelo de manera que una disposición ahora se considere como un dispositivo individual. En la modalidad que se presenta a continuación, como se describirá con detalle posteriormente, el primer conductor se acciona de manera que se encuentre en su "estado accionado" (desviación del estado original), se encuentre en un estado eléctricamente conectado con el segundo conductor. Sin embargo, un dispositivo en donde el segundo conductor o ambos de los conductores se accionan también se contempla dentro del alcance de la invención. Cuando el dispositivo se utiliza en un modo en serie, el estado ENCENDIDO es cuando la señal electromagnética se propaga y el estado APAGADO significa sin señal electromagnética y un espacio físico entre los conductores. En las modalidades descritas más abajo, el estado accionado se relaciona con el estado ENCENDIDO, sin embargo la invención abarca la situación contraria también. Al menos un conductor o ambos de los conductores pueden comprender un contacto eléctrico que incluye un material de contacto de las modalidades de la presente invención. El dispositivo puede configurarse para poner en contacto el primer y segundo conductores con el fin de establecer los estados ENCENDIDO y APAGADO por varios medios, como se describe a detalle a continuación, dependiendo de la configuración del dispositivo y la aplicación de uso final. Un dispositivo ejemplar 10 para controlar el flujo de corriente eléctrica con un accionador de ménsula se describe con referencia a la figura 1 . Como se muestra en la figura 1 , el dispositivo 10 incluye un primer conductor 12 designado en forma de una ménsula (elemento móvil) con un extremo 16 fijo y otro extremo 18 capaz de moverse y establecer un contacto con el segundo conductor 14 con el fin de conmutarse entre los estados ENCENDIDO y APAGADO. Como se estableció anteriormente, al menos un conductor 12 o 14 o ambos de los conductores pueden comprender el contacto eléctrico 20. En dichas modalidades, el material de contacto puede cubrir la porción inferior del primer conductor 12 y/o la porción superior del segundo conductor en regiones en donde establecen contacto. El contacto eléctrico 20 y métodos para elaborar el contacto eléctrico se describen con mayor detalle a continuación. El dispositivo 10 puede conmutarse entre los estados ENCENDIDO y APAGADO mediante cualquier procedimiento de accionamiento conocido en la técnica incluyendo accionamiento electrostático, accionamiento electromagnético, accionamiento electrotérmico, accionamiento piezoeléctrico, accionamiento neumático, o mediante una combinación de los mecanismos anteriores. Durante el accionamiento electrostático, se aplica voltaje a electrodos separados paralelos ubicados ambos en el sustrato y en uno de los conductores. La fuerza electrostática que actúa en los electrodos despliega el elemento móvil hacia el segundo conductor y establece contacto eléctrico. Cuando el elemento móvil se suelta de su posición en equilibrio, las tensiones se acumulan en el haz como un resultado. Las tensiones forman una fuerza resultante para contrabalancear la fuerza electrostática. Cuando el voltaje aplicado se remueve, la fuerza de electrobalance regresa al elemento móvil a su posición inicial. Esta fuerza, que es la suma de las tensiones en el elemento móvil, se menciona como la fuerza de restauración que "restaura" el haz a su posición original. Durante el accionamiento electromagnético, al menos uno de los conductores comprende un material magnético y puede accionarse mediante el campo magnético generado por el voltaje de accionamiento. En accionamiento electrotérmico, la deformación del material del conductor o cualquier otro material colocado en el conductor debido al calentamiento provocado por el voltaje de accionamiento se utiliza en accionamiento. En un dispositivo piezoeléctricamente accionado, cuando el voltaje de accionamiento se aplica a la ménsula, el material piezoeléctrico se contrae en su plano, desvía la ménsula y establece una conectividad eléctrica con la fuente estableciendo un estado ENCENDIDO. Cuando se apaga el voltaje de accionamiento, la ménsula se regresa a la posición original debido a la elasticidad. Sin consideración al mecanismo de accionamiento y la configuración del dispositivo, puede utilizarse el contacto eléctrico que comprende el material de contacto de las modalidades descritas en la presente. El dispositivo ejemplar 10 de la figura 1 , como se muestra en el esquema, es un dispositivo de tres terminales. Este dispositivo tiene un electrodo de la fuente 22, un electrodo de drenaje 24, y un electrodo de compuerta 26 entre los mismos, que se forman todos sobre un substrato 28. El primer conductor 12 (elemento móvil) se forma por arriba del electrodo de compuerta 26 con un espacio predeterminado entre los mismos. En dichas modalidades, el electrodo de la fuente 22 forma el segundo conductor 14 con el cual el primer conductor 2 establece contacto eléctrico durante la posición en ENCENDIDO. Aunque los electrodos son denominados de la fuente, de drenaje y de compuerta después de aquellos de los transistores de efecto de campo metal óxido semiconductor (MOSFETs), el dispositivo es diferente en estructura de MOSFETs. El primer conductor 12 (elemento móvil) tiene su extremo 16 fijo al electrodo de la fuente 22 para formar una porción de anclaje. El otro extremo del elemento móvil 18 se abre para formar un contacto móvil. Cuando se aplica un voltaje al electrodo de compuerta 26, el primer haz conductor 12 se desvía hacia abajo mediante una fuerza electrostática resultante, permitiendo que el electrodo de la fuente 22 entre en contacto con el electrodo de drenaje 24 para establecer la posición ENCENDIDA. Cuando el electrodo de compuerta 26 se desenergiza, el primer haz conductor 12 se restaura a su posición original y el dispositivo se dirige a la posición APAGADA. Alternativamente, el dispositivo puede ser un dispositivo de 4 terminales, bien conocido en la técnica, capaz de aislamiento incrementado entre el accionamiento y las trayectorias de señal. Un dispositivo de cuatro terminales aisla los voltajes de accionamiento de las líneas de conducción proporcionando control agregado, confiabilidad y reproducibilidad para un interruptor determinado o un dispositivo tipo interruptor. En ciertas modalidades, el elemento móvil 12 puede fijarse en sus bordes y el contacto puede establecerse al flexionar el elemento hacia el contacto. En otras modalidades, el elemento móvil puede fabricarse de manera que se maquine en el material de substrato volumétrico y la dirección de accionamiento sea perpendicular a la normal de la superficie del substrato. Los cambios necesarios para dichas configuraciones son bien conocidos en la técnica. El primer y segundo contutores 12, 14 pueden elaborarse de cualquier material adecuado tal como un semiconductor o un metal. El elemento móvil tal como el primer conductor 12 típicamente comprende un material elástico tal como oro, silicio, carburo de silicio o similares, con el sin de soportar las flexiones repetitivas durante la operación del dispositivo. Cuando los haces se elaboran de una capa semiconductora, o conductora o aislante puede colocarse en los haces en regiones selectivas. Por ejemplo, la región de la fuente 22 y la región de drenaje 24 se cubren parcial o totalmente con una capa conductora que comprende el material de contacto. Las regiones de compuesta se aislan eléctricamente entre sí para ejercer la fuerza electrostática de accionamiento en la ménsula y para evitar el encogimiento del dispositivo durante la posición en ENCENDIDO. Además, los contutores 12, 14 pueden cubrirse con un material de revestimiento que tiene un coeficiente relativamente bajo de emisión de electrones secundaria con el fin de suprimir la multiplicación de carga dentro del entorno. Estos revestimientos facilitan la reducción del arco. Ejemplos de dichos elementos incluyen, pero no se limitan a, titanio y nitruro de titanio. En dichas modalidades, los revestimientos que tiene un coeficiente relativamente bajo de emisión de electrones secundaria pueden aplicarse en la parte superior de los materiales de contacto. En modalidades en donde la ménsula (12) se configura para accionarse por accionamiento piezoeléctrico, una capa de material piezoeléctrico se reviste en la ménsula (12). Ejemplos de materiales piezoeléctricos adecuados incluyen, pero no se limitan a, zirconato de plomo, titanato de plomo, niobato de magnesio de plomo, y titanato de zirconio de plomo (PZT). En dichas modalidades, los revestimientos de material pueden colocarse mediante cualquier método de deposición física o química tal como serigrafía, métodos de inmersión, o electroforesis. En una modalidad alternativa, el dispositivo comprende un diafragma como la estructura móvil. La figura 2 muestra esquemas de un dispositivo de control de corriente 30 que comprende un primer conductor 32 fijo en dos lados y separado de un diafragma circular 34 (segundo conductor) como el elemento de accionamiento, en su posición APAGADA. Ningún contacto se establece entre el primer conductor 32 y la porción superior del diafragma circular 34. Cuando se aplica el voltaje de accionamiento, los flujos de corriente radialmente dentro del diafragma, y el diafragma se mueven hacia arriba y establecen contacto eléctrico con el primer conductor 32 como se muestra en la figura 3. El material de contacto de las modalidades puede colocarse en la porción inferior del primer conductor 36 y la porción superior del diafragma circular 38 en donde los dos conductores hacen contacto y de esta manera aseguran una resistencia al contacto baja y un ciclo de vida largo. Aunque la operación del dispositivo se explica como un simple dispositivo a base del diafragma, las modalidades de la presente invención no se limitan a este diseño simple particular; varios diseños más complicados también son aplicables como se apreciará por los expertos en la técnica. En las modalidades anteriores, el circuito externo que controla el accionamiento y la operación del dispositivo puede ser de cualquier tipo bien conocido en la técnica, y por lo tanto no se ilustra ni describe en la presente. El dispositivo para controlar el flujo de corriente puede ser una parte de un procesador tal como un microprocesador, un procesador gráfico, un procesador digital, o incluso un sistema autónomo con lógica integrada y sensores; puede comprender un componente de distribución de energía como parte de un sistema de conmutación de distribución de energía, o un circuito de comunicación como parte de un dispositivo de comunicación inalámbrica. El dispositivo puede operarse en un entorno hermético obtenido a través de un procedimiento de cubierta de nivel de placa de contacto o de nivel de troquel. En las modalidades anteriores, la fabricación del dispositivo puede ser cualquier procedimiento bien conocido en la técnica tal como un procedimiento de formación de patrones litrográfico, grabado con ácido selectivo, galvanoplastia, técnicas de unión y deposición. Ya que estas técnicas para fabricación del dispositivo son bien conocidas en la técnica, no se ilustran ni describen en la presente. Los detalles de la fabricación del material de contacto se describen a detalle en las modalidades que se presentan más abajo. El material de contacto puede formarse durante la fabricación del dispositivo o pueden colocarse en las regiones seleccionadas del dispositivo después de la fabricación del dispositivo. El material de contacto de las modalidades de la invención típicamente comprende una matriz porosa de conductibilidad eléctrica elevada rellena con un material de bajo punto de fusión. La figura 4 muestra una representación esquemática de un contacto eléctrico que comprende un material de contacto de conformidad con una modalidad de la invención. El material de contacto 40 comprende una matriz sólida 42 que comprende una pluralidad de poros 44; y un material de relleno 46 colocado dentro de al menos una porción de la pluralidad de poros. Típicamente, el material de relleno 46 tiene un punto de fusión de menos de alrededor de 575K. En una modalidad, el material de relleno 46 tiene un punto de fusión de menos de alrededor de 475K; en otra modalidad, el material de relleno 46 tiene un punto de fusión de menos de alrededor de 375K. El material de matriz se elige para obtener baja resistividad, alta conductividad térmica, estabilidad química y mecánica del material de matriz en las condiciones de operación del dispositivo, dureza nominal y módulo elástico, y un punto de fusión que excede el del material de relleno. En ciertas modalidades, la matriz comprende un metal. Ejemplos de metales adecuados incluyen, pero no limitan a, oro, aluminio, platino, cobre, aluminio, titanio, molibdeno, plata, tungsteno, y varias combinaciones de los mismos. En ciertas modalidades, el material de contacto comprende un metal noble. Los metales nobles son atractivos debido a su baja resistividad, alta resistencia a la oxidación, propiedades mecánicas y termodinámicas adecuadas. En una modalidad ejemplar, el metal comprende oro. En otra modalidad ejemplar, el metal comprende platino. En ciertas modalidades, la matriz comprende una aleación de dos o más metales. Las aleaciones pueden proporcionar propiedades mecánicas y eléctricas mejoradas en comparación con metales individuales. Por ejemplo, la dureza del oro puede mejorarse al alearse con una cantidad pequeña de níquel, paladio, plata o platino. Ejemplos de otros aditivos incluyen, pero no se limitan a, renio, rutenio, rodio, iridio, cobre y cobalto. Las composiciones de aleación adecuadas pueden elegirse con base en los diagramas de fase para identificar la aleación de fase individual y regiones de inmiscibles. Adicionalmente, los valores de dureza y resistividad se evalúan antes de seleccionar una composición de aleación para la matriz. Las aleaciones de una sola fase y miscibles (elementos de aleación completamente solubles entre sí) pueden identificarse con el fin de evitar los problemas de fragilidad, alta resistividad, compuestos intermetálicos que pueden formarse inadvertidamente en regiones de aleación inmiscibles y de dos fases. Alternativamente, la matriz 42 puede comprender un semiconductor o un aislador. Ejemplos de semiconductores o aisladores adecuados incluyen, pero no se limitan a, silicio, carburo de silicio, arseniuro de galio, silicio, nitruro de silicio, óxido de silicio, nitruro de galio, nitruro de aluminio y combinaciones de los mismos. En ciertas modalidades, la matriz comprende un material carbonoso tal como carbón o grafito tipo diamante o nanotubos de carbón y combinaciones de los mismos. En una modalidad, los materiales carbonosos incluyen varias formas de grafito y otros materiales cuya conductividad eléctrica se debe al menos en parte a la presencia de carbón, tales como polímeros rellenos o pigmentados con partículas de carbón. En dichas modalidades, el revestimiento de metal de alta conductividad puede depositarse en la capa matriz con el fin de mejorar las propiedades de contacto. Un experto en la técnica puede saber cómo elegir un material semiconductor con base en las propiedades mecánicas, eléctricas y termodinámicas deseadas. La matriz 42 típicamente comprende una pluralidad de poros (44) para contener el material de relleno. Los poros pueden tener cualquier forma, profundidad y separación de poro dependiendo del requerimiento. Típicamente, la pluralidad de poros 44 tiene un diámetro de poro medio en la escala de alrededor de 1 nanómetro a aproximadamente 10 mieras. En ciertas modalidades, la pluralidad de poros 44 tiene un diámetro de poro medio en la escala de alrededor de 1 nanómetro a aproximadamente 500 nanómetros. En otras modalidades, la pluralidad de poros 44 tiene un diámetro de poro medio en la escala de alrededor de 1 nanómetro a aproximadamente 100 nanómetros. Aquí los diámetros del poro definidos son características de valores de diámetro de poro medio de la población de poros. Además, las modalidades de la presente invención se extienden para abarcar matrices que comprenden una distribución multimodal en diámetros de poro, como también, por ejemplo, la pluralidad de poros 44 comprende una distribución multimodal en diámetros de poro, o en donde la pluralidad de poros comprende más de una población de formas. Típicamente, el material de relleno comprende un metal de bajo punto de fusión. El material de relleno 46 tiene un punto de fusión de menos de alrededor de 575K. En una modalidad, el material de relleno 46 tiene un punto de fusión de menos de alrededor de 475K; en otra modalidad, el material de relleno 46 tiene un punto de fusión de menos de alrededor de 375K. Algunos de los criterios utilizados para seleccionar el material de relleno incluyen estabilidad del material de relleno durante la operación del dispositivo, compatibilidad con el material matriz, es decir, humectabilidad adecuada del material de relleno al material de matriz, y compatibilidad de la técnica de deposición del material de relleno con otras técnicas de fabricación del dispositivo. Ejemplos de metales adecuados incluyen, pero no se limitan a, galio, (Ga), indio (In), zinc(Zn), estaño (Sn), talio (TI), cobre (Cu), bismuto (Bi), silicio (Si), mercurio (Hg), níquel (Ni), y combinaciones de los mismos. En una modalidad ejemplar, el metal comprende una aleación metálica. Las aleaciones adecuadas incluyen, pero no se limitan a, Ga-Bi, Ga-ln, Ga-Sn, Ga-Zn, Bi-ln, InBi, e ln2Bi. En una modalidad ejemplar, el metal comprende una aleación eutéctica de galio e indio, tal como una aleación que comprende aproximadamente 80% en peso de galio y aproximadamente 20% en peso de indio. En una modalidad, la aleación comprende galio, indio y zinc. En otra modalidad, la aleación comprende galio, indio y estaño. Algunas otras aleaciones de bajo punto de fusión atractivas son Pb-Sn-Cd-Bi, In-Pb-Sn-Bi, e In-Cd-Pb-Sn-Bi. En ciertas modalidades, el material de relleno comprende un metal líquido a temperaturas ambientales normales. Los metales líquidos son incomprimibles y forman contacto húmedo y por lo tanto pueden reducir la resistencia al contacto significativamente al incrementar el área de contacto efectiva total. En ciertas modalidades, una capa de barrera de difusión puede introducirse entre la matriz sólida y el material de relleno. La capa de barrera de difusión mejora la estabilidad de la matriz en exposición a alta temperatura o gases durante la operación del dispositivo e inhibe la reacción indeseable entre la matriz y los materiales de relleno. La capa de barrera de difusión típicamente es de un poco espesor en nanometros, pero un experto en la técnica será capaz de determinar el espesor actual con base en las condiciones de la aplicación específica. La capa de barrera de difusión puede depositarse por cualquier técnica de deposición conocida en la técnica incluyendo deposición electrónica, evaporación, deposición de vapor molecular, deposición de capa atómica, rotación y similar. Ejemplos de materiales de barrera incluyen, pero no se limitan a, tungsteno, titanio, cromo, níquel, molibdeno, niobio, platino, manganeso y varias combinaciones de los mismos. Un experto en la técnica puede saber cómo elegir un material de barrera de difusión con base en la composición de la matriz, la composición del material de relleno, y el entorno de trabajo del dispositivo. La resistividad total del contacto eléctrico depende de la suma de la resistividad del material de relleno (46) y la resistividad de la matriz (42). Por lo tanto, la resistividad de la matriz (que depende de la resistividad del material de matriz, la densidad del poro y las dimensiones del poro), la resistividad del material de relleno, y la extensión del relleno del poro pueden todos controlarse individualmente para lograr los valores de resistividad deseados. Asimismo, en ciertas modalidades, al menos uno de los poros es al menos parcialmente rellenado con un material de relleno. En ciertas modalidades, al menos algunos de los poros puede rellenarse con el material de relleno, y en otras modalidades, casi todos o todos los poros se rellenan con el material de relleno. En ciertas modalidades, al menos aproximadamente 50% del volumen del poro se rellena con el material de relleno (46), en otras modalidades, al menos aproximadamente 75% del volumen del poro se rellena con el material de relleno (46). En ciertas modalidades, el material de relleno puede llenar completamente los poros y forman una capa delgada sobre la matriz. Otra modalidad de la presente invención es un material de contacto eléctrico. El material de contacto eléctrico comprende típicamente una matriz porosa que tiene una pluralidad de poros; y un metal de relleno que tiene un bajo punto de fusión colocado dentro de al menos una porción de la pluralidad de poros. La matriz comprende oro. La matriz puede comprender otros aditivos de aleación como se describe en las modalidades anteriores. La matriz porosa que comprende oro forma una matriz de área superficial elevada adecuada para contener el material de relleno. La matriz porosa típicamente comprende poros con un tamaño de poro medio en la escala de aproximadamente 1 nanómetro a aproximadamente 10 mieras. En ciertas modalidades, la pluralidad de poros tiene un diámetro de poro medio en la escala de aproximadamente 1 nanómetro a aproximadamente 500 nanómetros. En otras modalidades, la pluralidad de poros tiene un diámetro de poro medio en la escala de aproximadamente 1 nanómetro a aproximadamente 100 nanómetros.

El material de relleno puede ser cualquier metal con bajo punto de fusión compatible con el material de matriz que incluye los materiales de relleno listados en las modalidades del dispositivo anteriores. El contacto eléctrico de las modalidades de la invención tiene una resistividad eléctrica comparativamente baja con relación a los contactos convencionales. En una modalidad, el contacto eléctrico tiene una resistencia de hasta alrededor de 10 ohms. En una modalidad, el contacto eléctrico tiene una resistencia de hasta alrededor de 1 ohm. En otra modalidad, el contacto eléctrico tiene una resistencia de hasta alrededor de 10 miliohms. Los materiales de contacto de las modalidades de la invención son adecuados para dispositivos de accionamiento baja. Estos son especialmente útiles en micro-dispositivos, en donde la fuerza de accionamiento está en la escala de micro-newton o mili-newton. En dichos dispositivos de fuerza de accionamiento baja, no existe suficiente fuerza para deformar los materiales de contacto típicamente utilizados para lograr el área de contacto elevada requerida y de este modo baja resistencia al contacto. En dichos dispositivos, los materiales de contacto de las modalidades proporcionan resistencia al contacto baja y larga vida. Típicamente, el dispositivo cuando se aplica a estos dispositivos de accionamiento baja como un elemento del dispositivo individual, tiene una dimensión más grande de menos de alrededor de 1 centímetro. En una modalidad, el dispositivo cuando se utiliza como un sólo elemento del dispositivo tiene una dimensión más larga de menos de alrededor de 1 milímetro. En otra modalidad, el dispositivo cuando se utiliza como un sólo elemento del dispositivo tiene una dimensión más larga de menos de alrededor de 500 mieras. En otra modalidad, el dispositivo cuando se utiliza como un sólo elemento del dispositivo tiene una dimensión más larga de menos de alrededor de 100 mieras. Las modalidades anteriores se refieren a un sólo elemento del dispositivo tal como un sólo interruptor de sistemas microelectromecánicos (MEMS) que contienen el material de contacto, pero uno puede contemplar disponer estos dispositivos en serie y en paralelo para formar un circuito electrónico más complejo o dispositivos a base de MEMS. El material de contacto de las modalidades de la invención proporciona muchas ventajas incluyendo un incremento en el área de contacto real, resistencia al contacto reducida, menos calor generado en los contactos, reducción en la cantidad de fuerza necesaria para baja resistencia al contacto, incremento en el tiempo de vida mecánica del dispositivo, disminución del tamaño de accionador y consumo de energía. Estos contactos también pueden extinguir el calor provocado por el arqueo y prolongar el tiempo de vida de las superficies de contacto. Estos dispositivos son adecuados, pero no limitados a interruptores eléctricos miniatura, contactores, relés, interruptores automáticos en sistemas de distribución de energía debido a sus requerimientos de energía, posibilidad de controles distribuidos, y capacidades de conmutación mejoradas en comparación con los dispositivos de conmutación conocidos.

En ciertas modalidades, el dispositivo comprende un interruptor. En una modalidad, el interruptor comprende un interruptor de sistemas microelectromecánicos (MEMS). El interruptor de MEMS puede ser un interruptor eléctrico, un interruptor de radiofrecuencia (RF), un interruptor de microonda o un interruptor de onda milimétrica. El dispositivo puede ser un interruptor en donde el accionamiento y las señales de conmutación comparten la misma línea de control, o un relé en donde existe un aislamiento galvánico completo entre el accionamiento y las señales de conmutación. El dispositivo de MEMS puede ser un dispositivo accionado electrostático que utiliza un campo eléctrico para activar la operación del dispositivo, un dispositivo accionado magnético que utiliza una placa magnética para activar el dispositivo, o un interruptor térmico que utiliza una placa bimetálica o un material mixto térmico que se une/deforma conformidad con la temperatura para elaborar o romper el circuito. Los detalles del diseño y operación de dichos interruptores son bien conocidos en la técnica. Otra modalidad de la invención es un método para elaborar un material de contacto. El diagrama de flujo de un método 50 para elaborar un contacto eléctrico se muestra en la figura 5. El método comprende los pasos: proporcionar un substrato en el paso 52; proporcionar una pluralidad de poros en el substrato en el paso 54; y colocar un material de relleno dentro de al menos una porción de la pluralidad de poros en el paso 56. El material de relleno tiene un punto de fusión de menos de 575K. El material de relleno y de matriz pueden de ser de cualquier material adecuado que incluya los materiales descritos en las modalidades del material de contacto. Típicamente, se utiliza un substrato poroso como la matriz para contener el material de relleno. Cualquier método conocido en la técnica puede utilizarse para elaborar un substrato poroso. Ejemplos de técnicas formadoras de poros adecuadas incluyen pero no se limitan a, grabado con ácido del haz de iones, litografía, autoensamble, micromaquinado, grabado con ácido anódico, replicación, moldeado por inversión, troquelado, litografía suave, electrorrotación, perforación por láser, y similares. El substrato puede ser colocado como una capa porosa o alternativamente, un substrato no poroso puede convertirse en una matriz porosa por cualquier técnica de formación de poros conocida en la técnica. Las técnicas tales como grabado con ácido de haz de iones, grabado con ácido anódico y similares son conocidas por crear poros uniformes densos de cualquier tamaño de poro deseado. Las variaciones en los parámetros del procedimiento para obtener las estructuras de poro deseadas son evidentes para los expertos en la técnica. En una modalidad ejemplar, el substrato comprende un material de matriz y un material secundario disperso dentro del material de matriz. Al menos una porción del material secundario disperso con el material de matriz se disuelve selectivamente para obtener un material de matriz porosa. Cualquier procedimiento conocido en la técnica puede utilizarse para remover selectivamente la porción del material secundario disperso incluyendo grabado con ácido químico, grabado con ácido electroquímico, calentamiento, grabado con ácido de plasma, grabado con ácido de haz de iones reactivos, y grabado con ácido de iones reactivos profundos y similares. Por ejemplo, un material mixto de un metal y partículas poliméricas tal como partículas de látex, pueden depositarse como una capa y posteriormente las partículas de látex pueden removerse mediante calentamiento o grabado con ácido químico para obtener una matriz metálica porosa. En una modalidad ejemplar, la matriz comprende una aleación de oro y plata. El oro y la plata son completamente miscibles entre sí y de esta manera es posible obtener una estructura de poro altamente uniforme al remover selectivamente uno de los componentes. Por ejemplo, una porción de la plata disuelta en oro puede removerse mediante grabado con ácido químico utilizando un ácido tal como ácido nítrico. El material de relleno se coloca dentro de los poros de la estructura porosa. Los ejemplos de procedimientos de relleno adecuados se incluyen, pero no se limitan a, evaporación térmica, evaporación por haz de electrones, deposición electrónica, colado por rotación, inyección, revestimiento por aspersión, y infiltración por presión, electrodeposición y relleno capilar del material de relleno. El procedimiento exacto utilizado depende del punto de fusión del material de relleno, costo, y varios criterios diferentes. Las modalidades de la presente invención son fundamentalmente diferentes de los dispositivos y materiales de contacto convencionalmente utilizados. Por ejemplo, los microinterruptores de contacto de metal líquido y relés reed han sido descritos previamente. En la mayoría de estos dispositivos, el metal líquido se controla/mueve para elaborar y romper un contacto. En el dispositivo de la presente, el material de contacto comprende una aleación con bajo punto de fusión que se incluye en una matriz porosa. El material de contacto muestra una resistencia al contacto sustancialmente baja y puede aplicarse a cualquier tipo de dispositivo eléctrico. Incorporar los materiales con bajo punto de fusión dentro de la matriz porosa incrementa esencialmente el área de contacto real y de esta manera produce una baja resistencia al contacto.

EJEMPLO Método para preparar el material de contacto En este ejemplo, una placa de contacto de Si limpia se utilizó como un substrato. Para promover la adhesión de oro a silicio, una película de cromo de alrededor de 15 nanómetros se depositó en esta placa de contacto de Si mediante deposición electrónica de DC. Subsecuentemente, una película de oro de alrededor de 200 nanómetros se depositó en la película de cromo mediante deposición electrónica de DC. Después del paso anterior, una película de oro-plata (Au-Ag) (con la composición de 1 :1 ) de alrededor de 200 nanómetros se depositó en la película de oro por deposición electrónica de DC. La película de Au-Ag se sometió a recocido térmico a 200°C durante 1 hora. La composición de Au-Ag (1 :1 ) se confirmó además mediante análisis elemental. La desaleación de Ag se llevó a cabo al someter la película de Au-Ag en HNO3 al 70% (por ciento de volumen) durante una hora. Después de la desaleación, la placa de contacto se lavó en agua desionizada seguido por secado en gas de nitrógeno. La microscopía de electrones en las películas desaleadas confirmaron una formación de poros uniforme. Además, los poros de la película se llenaron con galio por evaporación térmica. Aunque la invención se describió con referencia a modalidadades ejemplares, se entenderá por los expertos en la técnica que varios cambios pueden elaborarse y equivalentes pueden ser sustituidos para elementos de los mismos sin apartarse del alcance de la invención. Además, muchas modificaciones pueden elaborarse para adaptar una situación o material particulares a las enseñanzas de la invención sin apartarse del alcance esencial de la misma. En particular, el brazo voladizo, la estructura de anclaje, el contacto eléctrico, la compuerta, la fuente, y regiones de drenaje pueden formarse en varias formas incluyendo múltiples puntos de anclaje, brazos voladizos y contactos eléctricos. Por lo tanto, se pretende que la invención no se limite a la modalidad particular descrita como el mejor modo contemplado para llevar a cabo esta invención, sino que la invención incluirá todas las modalidades que estén dentro del alcance de las reivindicaciones anexas.

Claims (10)

NOVEDAD DE LA INVENCION REIVINDICACIONES

1 .- Un dispositivo (10) para controlar el flujo de corriente eléctrica, que comprende: un primer conductor (12); y un segundo conductor (14) acoplado de manera conmutable al primer conductor (12) para alternarse entre un estado eléctricamente conectado con el primer conductor (12) y un estado eléctricamente desconectado con el primer conductor ( 2); en donde al menos un conductor además comprende un contacto eléctrico (40), el contacto eléctrico (40) comprende una matriz sólida (42) que comprende una pluralidad de poros (44); y un material de relleno (46) colocado dentro de al menos una porción de la pluralidad de poros (44), el material de relleno tiene un punto de fusión de menos de alrededor de 575K.

2.- El dispositivo de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque la matriz (42) comprende un material seleccionado del grupo que consiste en un metal, un aislador, un semiconductor, y un material carbonoso.

3.- El dispositivo de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado además porque el metal comprende al menos uno seleccionado del grupo que consiste en oro, aluminio, platino, cobre, aluminio, titanio, molibdeno, plata, y tungsteno.

4.- El dispositivo de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado además porque el material comprende al menos uno seleccionado del grupo que consiste en silicio, nitruro de silicio, óxido de silicio, carburo de silicio, nitruro de galio, y nitruro de aluminio.

5.- El dispositivo de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque la pluralidad de poros (44) tiene un diámetro de poro medio en la escala de alrededor de 1 nanómetro a aproximadamente 10 mieras.

6. - El dispositivo de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque el material de relleno (46) comprende un metal.

7. - El dispositivo de conformidad con la reivindicación 6 caracterizado además porque el metal comprende al menos uno seleccionado del grupo que consiste en galio, indio, zinc, estaño, talio, cobre, bismuto, silicio, mercurio y níquel.

8.- El dispositivo de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque el contacto eléctrico (4) tiene una resistencia de menos de alrededor de 10 ohms.

9. - El dispositivo de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque el contacto eléctrico (40) tiene una resistencia de menos de alrededor de 1 miliohm.

10. - El dispositivo de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque el dispositivo cuando se utiliza como un sólo elemento del dispositivo tiene una dimensión más larga de menos de alrededor de 1 centímetro. 1 1 .- El dispositivo de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque el dispositivo comprende un interruptor. 12.- Un contacto eléctrico (40) que comprende: una matriz sólida (42) que comprende una pluralidad de poros (44), en donde la matriz sólida (42) comprende oro; y un material de relleno (46) colocado dentro de al menos una porción de la pluralidad de poros (44), el material de relleno (46) comprende un metal que tiene un punto de fusión de menos de alrededor de 575K. 13. - Un método (50) para elaborar un contacto eléctrico (40) que comprende los pasos de: proporcionar un substrato; proporcionar una pluralidad de poros (44) en el material depositado de la película delgada del substrato; y depositar un material de relleno (46) dentro de al menos una porción de la pluralidad de poros (44), en donde el material de relleno (46) tiene un punto de fusión de menos de alrededor de 575K. 14. - El método (50) de conformidad con la reivindicación 13, caracterizado además porque el substrato comprende una aleación que comprende una solución sólida de un material secundario y el material de matriz (42).