DE60120167T2

DE60120167T2 - Optische mikromekanische Schaltmatrix mit eingebetteten strahlführenden Kanälen und Betriebsverfahren

Info

Publication number: DE60120167T2
Application number: DE60120167T
Authority: DE
Inventors: Meichun Tempe RUAN; Jun Phoenix SHEN; Charles Paradise Valley WHEELER
Original assignee: University of Arizona; Arizona State University ASU; Arizona State University Downtown Phoenix campus
Current assignee: University of Arizona; Arizona State University ASU; Arizona State University Downtown Phoenix campus
Priority date: 2000-07-11
Filing date: 2001-07-11
Publication date: 2007-05-24
Anticipated expiration: 2021-07-12
Also published as: KR20030015886A; EP1299761A2; JP2004503801A; AU2001275896A1; DE60120167D1; ATE328301T1; DK1299761T3; WO2002005012A3; CN1668957A; ES2263639T3; WO2002005012A2; PT1299761E; CN100405121C; EP1299761B1

Description

Eine teilweise Förderung zur Entwicklung der vorliegenden Erfindung wurde durch die Unterstützung der U.S.-Regierung mit dem Aktenzeichen der Luftwaffe SBIR F29601-99-C-1010, Aktenzeichen Nr. ML99-01 der Luftwaffe der Vereinigten Staaten zur Verfügung gestellt. Die Regierung der Vereinigten Staaten kann bestimmte Rechte an der vorliegenden Erfindung haben.
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft elektronische und optische Schalter. Spezieller beschreibt die vorliegende Anmeldung sich verriegelnde mikro-magnetische Schalter mit niedrigem Energieverbrauch sowie Verfahren zum Ausbilden und Betreiben mikro-magnetischer Schalter. Weiterhin beschreibt die vorliegende Anmeldung eine regelmäßige Anordnung aus optischen Schaltern, in welche Strahlfestlegungskanäle so eingebettet sind, dass eine Fehlausrichtung von Licht und die Abschwächung von Licht minimiert werden, zusammen mit zugehörigen Verfahren.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Schalter sind typischerweise elektrisch gesteuerte Vorrichtungen mit zwei Zuständen, die Kontakte öffnen und schließen, um den Betrieb von Vorrichtungen in einer elektrischen oder optischen Schaltung zu bewirken. Relais arbeiten typischerweise als Schalter, die Abschnitte elektrischer, optischer oder anderer Vorrichtungen aktivieren oder deaktivieren. Relais werden üblicherweise bei zahlreichen Anwendungen eingesetzt, einschließlich Telekommunikation, Radiofrequenzkommunikation (RF-Kommunikation), tragbaren Elektronikgeräten, Verbraucherelektronik und industrielle Elektronik, in der Raumfahrt, und bei anderen Systemen. Seit kurzem wurden optische Schalter (auch als "optische Relais" oder einfach "Relais" bezeichnet) dazu verwendet, optische Signale (beispielsweise Lichtimpulse, die sich in Lichtleitfasern oder anderen optischen Kommunikationssystemen ausbreiten) von einem Weg zu einem anderen umzuschalten.
Obwohl die ersten Relais mechanische oder Festkörpervorrichtungen waren, haben jüngere Entwicklungen der Technik mikro-elektromechanische Systeme (MEMS) und der Mikroelektronikherstellung mikro-elektrostatische und mikro-magnetische Relais ermöglicht. Derartige mikro-magnetische Relais weisen typischerweise einen Elektromagneten auf, der einen Anker mit Energie versorgt, um einen elektrischen Kontakt herzustellen oder zu unterbrechen. Wenn der Magnet nicht mit Energie versorgt wird, stellt typischerweise eine Feder oder eine andere mechanische Kraft den Anker zurück in eine Ruhelage. Andere elektrostatische Relais setzen Spannungsunterschiede zwi schen einem bewegbaren Ausleger und einer festen Elektrodenanschlussfläche ein, um eine elektrostatische Kraft zu erzeugen, die einen Anker oder einen Ausleger betätigt. Bei anderen Relais wurden andere Betätigungsmechanismen eingesetzt, beispielsweise Betätigung durch Wärmeeinwirkung, Betätigung mit Hilfe von Formgedächtnislegierungen und dergleichen. Derartige Relais weisen typischerweise eine Anzahl deutlicher Nachteile auf, da sie nämlich üblicherweise nur einen einzigen, stabilen Ausgangszustand (also den Ruhezustand) aufweisen, und sich nicht verriegeln (also keinen konstanten Ausgangszustand beibehalten, wenn die Energieversorgung von dem Relais getrennt wird). Darüber hinaus kann die Feder, die bei herkömmlichen mikro-magnetischen Relais benötigt wird, im Verlauf der Zeit ihre Eigenschaften verschlechtern, oder brechen.
Ein Beispiel für ein mikro-magnetisches Relais ist im US-Patent Nr. 5,847,631 beschrieben, das an Taylor et al am 08. Dezember 1998 erteilt wurde. Das Relais, das in dieser Veröffentlichung beschrieben wird, weist einen Permanentmagneten und einen Elektromagneten zur Erzeugung eines Magnetfeldes auf, welches intermittierend dem Feld entgegenwirkt, das von dem Permanentmagneten erzeugt wird. Obwohl angeblich dieses Relais bistabil ist, ist es bei diesem Relais erforderlich, dass Energie von dem Elektromagneten verbraucht wird, um zumindest einen der Ausgangszustände aufrecht zu erhalten. Darüber hinaus ist der Energieverbrauch signifikant, der zur Erzeugung des entgegenwirkenden Feldes benötigt wird, so dass das Relais weniger dazu geeignet ist, in der Raumfahrt, bei tragbaren Elektronikgeräten, und anderen Einsätzen angewendet zu werden, bei denen ein niedriger Energieverbrauch erforderlich ist.
Die US 6094293 beschreibt einen Optikmatrixschalter, der ein Substrat aufweist, das eine Anzahl an Nuten aufweist. Abschnitte von Lichtleitfasern sind in diesen Nuten angeordnet, um das Licht zwischen den Eingängen und den Ausgängen zu übertragen. Der Schalter weist darüber hinaus eine Anzahl an Steuervorrichtungen (Spiegeln) auf, die eine offene Position zum Reflektieren des Eingangssignals in den Ausgangslichtleiter und eine geschlossene Position aufweisen, in welcher es dem Eingangssignal ermöglicht wird, sich in eine andere Lichtleitfaser auszubreiten.
In Bezug auf optische Schalter betrifft eine weitere, signifikante Anforderung die Ausrichtung von Eingangslaserlicht. Die meisten herkömmlichen Spiegel, die zum Ausrichten von Laserlicht auf eine Lichtleitfaser oder ein anderes Bauteil verwendet werden, gehören üblicherweise zu einer von zwei Kategorien, die hier als "Aufklappspiegel" oder "Vertikalgleit spiegel" bezeichnet werden. Vor der Betätigung liegt der Aufklappspiegel normalerweise flach, so dass ankommendes Licht nicht durch den Spiegel beeinflusst wird. Nach der Betätigung steht der Spiegel typischerweise vertikal, um den ankommenden Laserstrahl um etwa 90 Grad zu reflektieren. An dem Ausgang des Relais liegt eine Lichtleitfaser mit einer Mikrolinse typischerweise in einer Ausnehmung, die in ein Substrat eingeätzt ist, um den Laserstrahl zu sammeln. Der Spiegel kann durch einen Betätigungsarm (oder Arme) gehaltert sein, mit Mikroscharnieren an der Unterseite zur Bereitstellung eines Drehpunktes. Er kann weiterhin durch Biegefedern gehaltert sein. Aufklappspiegel werden typischerweise durch verschiedene Mechanismen betätigt (beispielsweise einen Scratch-Antrieb, einen Kammantrieb, einen Aufprall-Kammantrieb, ein Schieberad mit Kammantrieb, einfach durch eine elektrostatische Kraft zwischen einem Spiegel und einer Seitenwand, eine magnetische Kraft, und dergleichen).
Anders als die Aufklappspiegel, die typischerweise eine Drehung bei der Betätigung benötigen, wird bei einem vertikalen Gleitspiegel typischerweise eine spezielle Translation zum Aktivieren eingesetzt. Typischerweise sitzt der Spiegel vertikal oben auf einem Gleitstück. Wenn der Spiegel betätigt wird, gleitet er zu einem Ort, der durch einen Anschlag festgelegt ist, um den Laserstrahlweg zu unterbrechen, und diesen um 90 Grad zu reflektieren. Vertikalspiegel werden normalerweise durch ein Verfahren mittels LIGA (Röntgenlithographiegalvanikabformung; Röntgenstrahllithographie, elektrische Ablagerung und Ausformen) oder durch tiefes reaktives Ionenätzen (DRIE) hergestellt, woran sich eine Beschichtung mit einem reflektierenden Metall anschließt. Die Schrägstellung des Spiegels kann bei dem LIGA-Verfahren in der Größenordnung von etwa 1/1000 liegen. Die Oberflächenglätte kann bei dem DRIE-Verfahren in der Größenordnung von etwa 5 nm liegen.
Es wird häufig extrem schwierig, einen Laserstrahl auszurichten, der von dem vertikalen Spiegel zum Ausgangsport im freien Raum reflektiert wird, wenn die Abmessungen einer regelmäßigen Schalteranordnung groß werden (also in der Größenordnung von 512 × 512). Nimmt man eine Chipabmessung von 5 cm an, dann müssen die Schalterabmessungen etwa 5/512 betragen, oder etwa 100 Mikrometer. Da Konstruktionen typischerweise eine Ausrichtungsgenauigkeit in der Größenordnung von etwa 0,01° benötigen, wird es extrem schwierig, eine derartige Genauigkeit mit üblichen Herstellungsverfahren der Mikroelektronik zu erzielen. Eine aktive Feinabstimmung von Spiegeln kann in gewisser Weise das Problem verringern, jedoch umfasst diese Feinabstim mung typischerweise das Hervorrufen zusätzlicher Probleme, beispielsweise eine kompliziertere Herstellung und kompliziertere Schaltungen, niedrigere Geschwindigkeiten, usw. Zusätzlich zu den Ausrichtungsproblemen kann auch die Divergenz des Laserstrahls inakzeptabel werden, wenn die Abmessungen der regelmäßigen Anordnung groß werden (beispielsweise wenn die Übertragungsentfernung etwa 1 cm überschreitet). Es ist daher wünschenswert, einen optischen Schalter zur Verfügung zu stellen, der erheblichen konstruktiven Vorgaben genügt, selbst bei umfangreichen Schalterkonstruktionen.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Eine neue optische Schaltvorrichtung und ein neues Verfahren zum Betrieb einer derartigen Vorrichtung überwinden Ausrichtungsprobleme durch Einsatz eines Optiksignal-Begrenzungskanals, der so eingebettet werden kann, dass er Optiksignale auf einen gewünschten Ausbreitungsweg begrenzt, so dass die Ausrichtung des Optiksignals mit dem Ausgang sichergestellt ist. Kleinwinkelspiegel können dazu eingesetzt werden, das Optiksignal in die gewünschten Optiksignal-Begrenzungskanäle zu richten, um so das gewünschte optische Schalten zu erzielen. Die Spiegel können als verriegelnde Mikrospiegel oder nicht-verriegelnde Mikrospiegel ausgebildet sein. Derartige Spiegel können durch elektrostatische Betätigung, Wärmebetätigung oder elektromagnetische Betätigung gesteuert werden, oder durch eine andere Vorgehensweise.
Insbesondere werden ein Verfahren und ein System gemäß den nachstehend angegebenen Patentansprüchen zur Verfügung gestellt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die voranstehenden und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachstehend in der folgenden detaillierten Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen erläutert, die im Zusammenhang mit den beigefügten Figuren verstanden werden sollen, wobei gleiche Bezugszeichen zur Bezeichnung gleicher oder entsprechender Teile in den Figuren verwendet werden, und:
1A und 1B eine Seitenansicht bzw. eine Aufsicht einer beispielhaften Ausführungsform eines Schalters sind;
2A–H Seitenansichten sind, die ein Beispiel für eine Vorgehensweise zur Herstellung eines Schalters zeigen;
3A und 3B eine Seitenansicht bzw. eine Aufsicht einer zweiten beispielhaften Ausführungsform eines Schalters sind;
3C eine Perspektivansicht eines Beispiels für einen Ausleger ist, der zum Einsatz bei der zweiten beispielhaften Ausführungsform eines Schalters geeignet ist;
3D eine Perspektivansicht einer beispielhaften Ausführungsform eines Schalters ist, der in Sektionen angeordnete, magnetisch empfindliche Teile aufweist;
3E eine Seitenansicht eines Beispiels für einen Ausleger ist, der mehrere magnetisch empfindliche Schichten aufweist;
4A und 4B beispielhafte Seitenansichten bzw. Aufsichten einer dritten beispielhaften Ausführungsform eines verriegelbaren Relais sind;
4C und 4D Perspektivansichten von Beispielen für Ausleger sind, die zum Einsatz bei der dritten beispielhaften Ausführungsform eines verriegelbaren Relais geeignet sind;
5 eine Seitenansicht einer vierten beispielhaften Ausführungsform eines verriegelbaren Relais ist;
6A und 6B eine Seitenansicht bzw. Aufsicht einer fünften beispielhaften Ausführungsform eines verriegelbaren Relais sind;
7A und 7B eine Seitenansicht bzw. Aufsicht eines Beispiels für einen Spiegel des "Typs I" sind;
8A und 8B eine Seitenansicht bzw. Aufsicht auf ein Beispiel für einen Spiegel des "Typs II" in horizontaler Ausrichtung sind;
8C und 8D eine Seitenansicht bzw. Aufsicht eines Beispiels für einen Spiegel des "Typs II" in vertikaler Ausrichtung sind;
8E eine Seitenansicht eines Beispiels für eine zweite Ausführungsform eines reflektierenden Spiegels ist;
8F und 8G eine Aufsicht bzw. Seitenansicht eines Beispiels für eine dritte Ausführungsform eines Reflektors/Spiegels sind;
9A und 9B eine Seitenansicht bzw. Aufsicht auf ein Beispiel für einen Schalter in einem ersten Zustand sind;
10A und 10B eine Seitenansicht bzw. Aufsicht auf ein Beispiel für einen Schalter in einem zweiten Zustand sind;
11 eine Aufsicht auf ein Beispiel für einen 5 × 5 Optikschalter ist;
12A eine Perspektivansicht eines Beispiels für einen Optikschalterarray ist;
12B(a) und 12B(b) Seitenansichten eines Beispiels für einen Optiksignal-Begrenzungskanal sind;
13 eine vergrößerte Perspektivansicht des Weges eines beispielhaften optischen Signals in einem Beispiel für einen Optiksignal-Begrenzungskanal und in diesen hindurch ist;
14A und 14B eine Aufsicht bzw. Seitenansicht einer schematischen Darstellung eines optischen Signals in einem Beispiel für einen Optikschalterarray und in diesen hindurch sind, wobei ein Beispiel für einen Optiksignal-Begrenzungskanal optische Spiegel nur auf der äußeren, oberen Kanaloberfläche in einem ersten Zustand aufweist;
15A und 15B eine Aufsicht bzw. Seitenansicht einer schematischen Darstellung des Weges eines optischen Signals in einem Beispiel für einen Optikschalterarray und in diesen hindurch mit einem Beispiel für einen Optiksignal-Begrenzungskanal sind, der optische Spiegel nur auf der äußeren, oberen Kanaloberfläche in einem zweiten Zustand aufweist;
16A und 16B eine Aufsicht bzw. Seitenansicht einer schematischen Darstellung des Weges eines optischen Signals in einem Beispiel für einen Optikschalterarray und durch diesen hindurch mit einem Optiksignal-Begrenzungskanal sind, der optische Spiegel sowohl auf einer äußeren, oberen Kanaloberfläche als auch einer inneren, unteren Kanaloberfläche in einem ersten Zustand aufweist;
17A und 17B eine Aufsicht bzw. Seitenansicht einer schematischen Darstellung des Weges eines optischen Signals in einem Beispiel für einen Optikschalterarray mit einem Optiksignal-Begrenzungskanal sind, der optische Spiegel sowohl auf einer äußeren, oberen Kanaloberfläche als auch auf einer inneren, unteren Kanaloberfläche in einem zweiten Zustand aufweist;
18 eine Perspektivansicht eines Beispiels für einen Optikschalterarray ist, bei welchem ein Optiksignal-Begrenzungskanal dazu verwendet wird, ein optisches Signal in einen Optikschalterarray in einem ersten Zustand einzugeben; und
19 eine Perspektivansicht eines Beispiels für einen Optikschalterarray ist, bei welchem ein Optiksignal-Begrenzungskanal dazu verwendet wird, ein optisches Signal in den Optikschalterarray in einem zweiten Zustand einzugeben.
BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Es wird darauf hingewiesen, dass die speziellen Ausbildungen, die hier dargestellt und beschrieben werden, Beispiele für die Erfindung darstellen, und nicht dazu dienen sollen, den Umfang der vorliegenden Erfindung irgendwie einzuschränken. Zur Vereinfachung können herkömmliche Elekt ronik, Herstellung, MEMS-Technologien und Funktionsaspekte der Systeme (und von Bestandteilen der einzelnen Betriebsbestandteile der Systeme) hier nicht im einzelnen beschrieben sein. Entsprechend können verschiedene Steuer- oder Betätigungselemente für verschiedene Steuermechanismen zur Vereinfachung nicht in verschiedenen Figuren dargestellt sein. Weiterhin wird zur Vereinfachung die Erfindung häufig hier so beschrieben, dass sie ein mikroelektronisch bearbeitetes Relais zum Einsatz in elektrischen oder elektronischen Systemen betrifft. Es wird darauf hingewiesen, dass zahlreiche andere Herstellungsverfahren dazu eingesetzt werden könnten, die hier geschilderten Relais zu erzeugen, und dass die hier geschilderten Vorgehensweisen dazu verwendet werden können, bei mechanischen Relais, optischen Relais oder irgendeiner anderen Schaltvorrichtung eingesetzt zu werden. Darüber hinaus wären die Vorgehensweisen geeignet zum Einsatz bei elektrischen Systemen, optischen Systemen, bei Elektronik für Endverbraucher, bei Industrieelektronik, bei drahtlosen Systemen, bei Anwendungen in der Raumfahrt, oder bei jeder anderen Anwendung. Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass die Beschreibungen in Bezug auf räumliche Beziehungen (beispielsweise "oberhalb", "unterhalb", "oben", "unten", usw.) nur zum Zwecke der Erläuterung erfolgen, und dass verriegelbare Relais in der Praxis räumlich in jeder Orientierung oder Art und Weise angeordnet sein können. Arrays aus diesen Relais können darüber hinaus so ausgebildet sein, dass diese auf geeignete Art und Weise und mit geeigneten Vorrichtungen verbunden werden.
Ein verriegelbarer Schalter
Die 1A und 1B zeigen eine Seitenansicht bzw. Aufsicht eines verriegelbaren Schalters. In den 1A und 18 weist ein Beispiel für ein verriegelbares Relais 100 einen Magneten 102 auf, ein Substrat 104, eine Isolierschicht 106, die einen Verbinder 114 aufnimmt, einen Kontakt 108 und einen Ausleger 112, der oberhalb des Substrats über eine Stufenschicht 110 angeordnet ist.
Der Magnet 102 ist jede Art eines Magneten, beispielsweise ein Permanentmagnet, ein Elektromagnet, oder jede andere Art eines Magneten, der ein Magnetfeld H₀ 134 erzeugen kann, wie dies nachstehend genauer erläutert wird. Bei einer beispielhaften Ausführungsform ist der Magnet 102 ein Magnet des Modells 59-P09213T001, der von der Dexter Magnetic Technologies Corporation in Fremont, Kalifornien bezogen werden kann, obwohl selbstverständlich andere Arten von Magneten eingesetzt werden können. Das Magnetfeld 134 kann auf jede Art und Weise und mit jeder Stärke erzeugt werden, beispielsweise von etwa 1 Oersted bis 10⁴ Oersted der mehr. Bei der in 1 gezeigten, beispielhaften Ausführungsform wird das Magnetfeld H₀ 134 annähernd parallel zur Z-Achse erzeugt, und mit einer Stärke in der Größenordnung von etwa 370 Oersted, obwohl andere Ausführungsformen andere Ausrichtungen und Stärken des Magnetfeldes 134 einsetzen. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann ein einzelner Magnet 102 zusammen mit einer Anzahl an Relais 100 eingesetzt werden, die gemeinsam ein Substrat 104 nutzen.
Das Substrat 104 besteht aus jeder Art eines Substratmaterials, beispielsweise Silizium, Galliumarsenid, Glas, Kunststoff, Metall, oder aus einem anderen Substratmaterial. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann das Substrat 104 mit einem Isoliermaterial (beispielsweise einem Oxid) beschichtet sein, und eingeebnet oder auf andere Art und Weise flach ausgebildet sein. Bei verschiedenen Ausführungsformen können sich mehrere verriegelbare Relais 100 ein einziges Substrat 104 teilen. Alternativ können andere Bauelemente (beispielsweise Transistoren, Dioden, oder andere Elektronikbauelemente) auf dem Substrat 104 zusammen mit einem oder mehreren Relais 100 vorgesehen sein, beispielsweise unter Einsatz herkömmlicher Herstellungsverfahren für integrierte Schaltungen. Alternativ kann der Magnet 102 als Substrat verwendet werden, und können die nachstehend erläuterten, zusätzlichen Bauteile direkt auf dem Magneten 102 vorgesehen sein. Bei derartigen Ausführungsformen kann ein getrenntes Substrat 104 nicht erforderlich sein.
Die Isolierschicht 106 besteht aus jedem Material wie einem Oxid, oder ist als anderer Isolator ausgebildet, beispielsweise als Dünnfilmisolator. Bei einer beispielhaften Ausführungsform besteht die Isolierschicht aus einem Material des Typs Probimid 7510. Die Isolierschicht 106 nimmt den Leiter 114 auf. Der Leiter 114 ist in den 1A und 1B so dargestellt, dass er ein einzelner Leiter ist, der zwei Enden 126 und 128 aufweist, und in Form einer Wicklung ausgebildet ist. Alternative Ausführungsformen des Leiters 114 setzen ein einzelnes oder mehrere leitende Segmente ein, die in einem geeigneten Muster angeordnet sind, beispielsweise einem Mäandermuster, einem Serpentinenmuster, einem statistischen Muster, oder irgendeinem anderen Muster. Der Leiter 114 besteht aus irgendeinem Material, das elektrischen Strom leiten kann, beispielsweise aus Gold, Silber, Kupfer, Aluminium, Metall oder dergleichen. Wenn der Leiter 114 elektrischen Strom leitet, wird ein Magnetfeld um den Leiter 114 herum erzeugt, wie dies nachstehend genauer erläutert wird.
Der Ausleger 112 ist irgendein Anker, eine Verlängerung, oder ein Teil, die bzw. das durch eine magnetische Kraft beeinflusst werden kann. Bei der in 1A gezeigten Ausführungsform weist der Ausleger 112 eine magnetische Schicht 118 und eine leitfähige Schicht 120 auf. Die magnetische Schicht 118 kann aus Permalloy (beispielsweise einer Legierung aus NiFe) oder jedem anderen magnetisch empfindlichen Material bestehen. Die leitfähige Schicht 120 kann aus Gold, Silber, Kupfer, Aluminium, einem Metall oder irgendeinem anderen leitfähigen Material bestehen. Bei verschiedenen Ausführungsformen weist der Ausleger 112 zwei Zustände auf, entsprechend der Tatsache, ob das Relais 100 "offen" oder "geschlossen" ist, wie dies nachstehend genauer erläutert wird. Bei zahlreichen Ausführungsformen wird das Relais 100 als "geschlossen" bezeichnet, wenn eine leitfähige Schicht 120 die Stufenschicht 110 mit dem Kontakt 108 verbindet. Im Gegensatz hierzu kann das Relais als "offen" angesehen werden, wenn der Ausleger 112 nicht in elektrischem Kontakt mit dem Kontakt 108 steht. Da der Ausleger 112 sich körperlich in Kontakt mit dem Kontakt 108 und von diesem weg bewegen kann, sind verschiedene Ausführungsformen des Auslegers 112 so ausgebildet, dass dieser flexibel ist, so dass sich der Ausleger 112 je nach Erfordernis verbiegen kann. Flexibilität kann dadurch hervorgerufen werden, dass die Dicke des Auslegers variiert wird (oder von dessen verschiedenen Schichten, aus denen er besteht), durch Bildung eines Musters oder auf andere Art und Weise Erzeugung von Löchern oder Ausschnitten in dem Ausleger, oder durch Einsatz immer mehr flexibler Materialien. Alternativ kann der Ausleger 112 als "scharnierartige" Anordnung ausgebildet werden, wie dies nachstehend im Zusammenhang mit 3 erläutert wird. Obwohl selbstverständlich sich die Abmessungen des Auslegers 112 drastisch je nach Einsatzzweck ändern können, kann ein Beispiel für einen Ausleger 112, der zum Einsatz in einem Mikromagnetrelais 100 geeignet ist, die Größenordnung einer Länge von 10–1000 Mikrometer aufweisen, die Größenordnung einer Dicke von 1–40 Mikrometer, und die Größenordnung von 2–600 Mikrometer bezüglich der Breite. Ein Beispiel für einen Ausleger gemäß der in 1 gezeigten Ausführungsform kann Abmessungen von etwa 600 Mikrometer × 10 Mikrometer × 50 Mikrometer aufweisen, der 1000 Mikrometer × 600 Mikrometer × 25 Mikrometer, oder irgendwelche andere, geeignete Abmessungen.
Der Kontakt 108 und die Stufenschicht 110 sind entsprechend den Erfordernissen auf der Isolierschicht 106 angeordnet. Bei verschiedenen Ausführungsformen haltert die Stufenschicht 110 den Ausleger 112 oberhalb der Isolierschicht 106, wobei ein Zwischenraum 116 erzeugt wird, der unter Vakuum gesetzt werden kann, oder mit Luft oder einem anderen Gas oder einer Flüssigkeit wie beispielsweise Öl gefüllt werden kann. Obwohl sich die Abmessungen des Spaltes 116 stark bei unterschiedlichen Ausführungsformen ändern, kann ein Beispiel für den Spalt 116 Abmessungen in der Größenordnung von 1–100 Mikrometer aufweisen, etwa 20 Mikrometer. Der Kontakt 108 kann den Ausleger 112 aufnehmen, wenn sich das Relais 100 im geschlossenen Zustand befindet, wie dies nachstehend erläutert wird. Der Kontakt 108 und die Stufenschicht 110 können aus jedem leitfähigen Material bestehen, beispielsweise Gold, einer Goldlegierung, Silber, Kupfer, Aluminium, einem Metall oder dergleichen. Bei verschiedenen Ausführungsformen bestehen der Kontakt 108 und die Stufenschicht 110 aus gleichen, leitfähigen Materialien, und wird das Relais als "geschlossen" angesehen, wenn der Ausleger 112 eine Schaltung zwischen der Stufenschicht 110 und dem Kontakt 108 schließt. Andere Ausführungsformen setzen unterschiedliche Ausbildungen des Kontakts 108 und der Stufenschicht 110 ein, wie dies nachstehend im Zusammenhang mit den 3 und 4 erläutert wird. Bei bestimmten Ausführungsformen, bei welchen der Ausleger 112 keinen elektrischen Strom leitet, kann die Stufenschicht 110 aus einem nicht leitenden Material bestehen, beispielsweise aus einem Probimid-Material, einem Oxid, oder irgendeinem anderen Material. Darüber hinaus kann es bei alternativen Ausführungsformen nicht erforderlich sein, dass die Stufenschicht 110 vorhanden ist, wenn der Ausleger 112 auf andere Art und Weise oberhalb der Isolierschicht 106 gehaltert wird.
Prinzip des Betriebsablaufs
Bei einem breiten Aspekt der Erfindung erzeugt der Magnet 102 ein Magnetfeld H₀ 126, das eine Magnetisierung (m) im Ausleger 112 hervorruft. Die Magnetisierung erzeugt ein Drehmoment für den Ausleger 112, welches den Ausleger 112 zum Kontakt 108 hin oder weg vom Kontakt 108 zwingt, abhängig von der Magnetisierungsrichtung, wodurch das Relais 100 in den geöffneten oder geschlossenen Zustand versetzt wird. Die Magnetisierungsrichtung im Ausleger 112 kann durch ein zweites Magnetfeld eingestellt werden, das je nach Eignung durch den Leiter 114 erzeugt wird, wie dies nachstehend genauer erläutert wird.
Wie wiederum in den 1A und 1B dargestellt ist, kann das Magnetfeld H₀ 134 durch einen Magneten 102 angelegt werden, hauptsächlich in Richtung parallel zur Z-Achse, so dass das Feld senkrecht zur primären Abmessung (beispielsweise der Länge) des Auslegers 112 verläuft. Das Magnetfeld 134 erzeugt eine Magnetisierung im Ausleger 112, der aus einem weichen magnetischen Material bestehen kann. Infolge der Geometrie des Auslegers 112 richtet sich die Magnetisierung im Ausleger 112 in geeigneter Art und Weise entlang der Längsachse des Auslegers aus, also entlang der Länge des Auslegers 112 (parallel zur X-Achse) in 1.
Die Orientierung der Magnetisierung der Ausleger 112 hängt von dem Winkel (Alpha) zwischen dem angelegten Magnetfeld 134 und der langen Achse des Auslegers 112 ab. Im einzelnen weist, wenn der Winkel (Alpha) kleiner als 90 Grad ist, das magnetische Moment (m) im Ausleger 112 vom Ende 130 des Auslegers 112 zum Ende 132. Die Wechselwirkung zwischen dem magnetischen Moment und dem Magnetfeld H₀ 134 erzeugt daher ein Drehmoment im Gegenuhrzeigersinn um das Ende 130 des Auslegers 112, welches das Ende 132 nach oben bewegt, wodurch die Schaltung zwischen der Stufenschicht 110 und dem Kontakt 108 geöffnet wird. Im Gegensatz hierzu weist, wenn der Winkel (Alpha) größer als 90 Grad ist, das magnetische Moment (m) im Ausleger 112 vom Ende 132 zum Ende 130, wodurch ein Drehmoment im Uhrzeigersinn um das Ende 130 erzeugt wird. Das Drehmoment im Uhrzeigersinn bewegt das Ende 132 nach unten, so dass die Schaltung zwischen der Stufenschicht 110 und dem Kontakt 108 geschlossen wird. Da sich die Magnetisierung (m) des Auslegers 112 nicht ändert, es sei denn, es ändert sich der Winkel (Alpha) zwischen der langen Achse des Auslegers 112 und dem angelegten Magnetfeld 134, bleibt das angelegte Drehmoment vorhanden, bis eine externe Störung einwirkt. Das elastische Drehmoment des Auslegers oder ein Anschlag (beispielsweise der Kontakt) gleicht das angelegte magnetische Drehmoment aus, so dass das Relais 100 zwei stabile Zustände aufweist, entsprechend der oberen und der unteren Position des Auslegers 112 (und daher dem geöffneten bzw. geschlossenen Zustand des Relais 100).
Schalten kann durch jede geeignete Vorgehensweise erzielt werden, welche die Richtung des magnetischen Dipolmoments des Auslegers umkehrt. Bei einer beispielhaften Ausführungsform kann Schalten dadurch erzielt werden, dass ein zweites Magnetfeld erzeugt wird, das eine Komponente der langen Achse des Auslegers 112 aufweist, die ausreichend stark ist, um die Magnetisierung (m) des Auslegers 112 zu beeinflussen. Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform ist die relevante Komponente des zweiten Magnetfeldes die Komponente des Feldes entlang der X-Achse. Da die Stärke des zweiten Magnetfeldes entlang der langen Achse des Auslegers 112 primär interessiert, ist die Gesamtstärke des zweiten Magnetfeldes typischerweise signifikant kleiner als die Stärke des Magnetfeldes 134 (obwohl selbstverständlich Felder jeder Stärke bei verschiedenen Ausführungsformen eingesetzt werden könnten). Ein Beispiel für das zweite Magnetfeld kann in der Größenordnung von 20 Oersted liegen, obwohl selbstverständlich bei anderen Ausführungsformen stärkere oder schwächere Felder eingesetzt werden können.
Das zweite Magnetfeld kann beispielsweise von einem Magneten wie einem elektronisch gesteuerten Elektromagneten erzeugt werden. Alternativ kann das zweite Magnetfeld dadurch erzeugt werden, dass ein Strom durch einen Leiter 114 hindurchgeht. Wenn Strom durch den Leiter 119 hindurchgeht, wird ein Magnetfeld entsprechend der "Dreifingerregel" erzeugt. So erzeugt beispielsweise ein Strom, der vom Punkt 126 zum Punkt 128 im Leiter 114 (1B) fließt, typischerweise ein Magnetfeld "in" das Zentrum der dargestellten Spule, entsprechend Feldpfeilen 122 in 1A. Im Gegensatz hierzu erzeugt ein vom Punkt 128 zum Punkt 126 in 1 fließender Strom ein Magnetfeld, das "aus" dem Zentrum der dargestellten Spule fließt, entsprechend gestrichelten Feldpfeilen 124 in 1A. Das Magnetfeld kann in Form einer Schleife um den Leiter 119 in einer ebenfalls in 1A gezeigten Art und Weise fließen, so dass eine horizontale (X) Komponente des Magnetfeldes auf den Ausleger 112 einwirkt.
Durch Ändern der Richtung des Stroms oder Stromimpulses, der im Leiter 114 fließt, kann dann die Richtung des zweiten Magnetfelds je nach Wunsch geändert werden. Durch Änderung der Richtung des zweiten Magnetfeldes kann die Magnetisierung des Auslegers 112 beeinflusst werden, und das Relais 100 auf geeignete Art und Weise offen oder geschlossen geschaltet werden. Wenn beispielsweise das zweite Magnetfeld in der Richtung der Feldpfeile 122 verläuft, weist die Magnetisierung des Auslegers 112 zum Ende 130 hin. Diese Magnetisierung erzeugt ein Drehmoment im Uhrzeigersinn um das Ende 130, welches den Ausleger 112 in einem Zustand "unten" anordnet, der geeignet das Relais 100 schließt. Wenn im Gegensatz hierzu das zweite Magnetfeld in der Richtung gestrichelter Feldpfeile 124 verläuft, weist die Magnetisierung des Auslegers 112 zum Ende 132 hin, und wird ein Drehmoment im Gegenuhrzeigersinn erzeugt, welches den Ausleger 112 in einem Zustand "oben" anordnet, der geeignet das Relais 100 öffnet. Der Zustand "oben" oder "unten" des Auslegers 112 (und daher der Zustand "offen" oder "geschlossen" des Relais 100) kann durch Steuern des durch den Leiter 114 fließenden Stroms eingestellt werden. Da die Magnetisierung des Auslegers 112 ohne externe Störung konstant bleibt, kann darüber hinaus das zweite Magnetfeld in "Impulsen" oder auf andere Art und Weise intermittierend angelegt werden, je nach Erfordernis, um das Relais zu schalten. Wenn das Relais keinen Änderungszustand benötigt, kann die Energieversorgung zum Leiter 114 entfallen, wodurch ein bistabiles, sich verriegelndes Relais 100 ohne Energieverbrauch im Ruhezustand erzeugt wird. Ein derartiges Relais ist gut geeignet für Anwendungen in der Raumfahrt, Luftfahrt, bei tragbaren Elektronikgeräten, und dergleichen.
Herstellung eines sich verriegelnden Relais
2 zeigt eine Anzahl an Seitenansichten, die ein Beispiel für ein Verfahren zur Herstellung eines sich verriegelnden Relais 100 zeigen. Es wird darauf hingewiesen, dass der hier geschilderte Prozess nur als ein Beispiel für eines der zahlreichen Verfahren sein soll, die zur Ausbildung eines sich verriegelnden Relais 100 eingesetzt werden können.
Ein Beispiel für einen Herstellungsprozess beginnt mit der Bereitstellung eines Substrats 102, das eine wahlweise Isolierschicht benötigen kann. Wie voranstehend erläutert, kann jedes Substratmaterial zur Schaffung eines sich verriegelnden Relais 100 verwendet werden, so dass die Isolierschicht beispielsweise dann nicht erforderlich ist, wenn ein isolierendes Substrat verwendet wird. Bei Ausführungsformen, die eine Isolierschicht aufweisen, kann die Schicht eine Schicht aus Siliziumdioxid (SiO₂) oder einem anderen Isoliermaterial sein, das eine Dicke in der Größenordnung von 1000 Angström aufweist. Wiederum kann das als Isoliermaterial ausgesuchte Material und die Dicke der Schicht in Abhängigkeit von dem speziellen Einsatzzweck variieren.
Wie in 2A gezeigt, wird ein Leiter 114 geeignet auf dem Substrat 104 ausgebildet. Der Leiter 114 kann durch jedes Verfahren hergestellt werden, beispielsweise Ablagerung (etwa Elektronenstrahlablagerung), Verdampfung, Elektroplattieren oder stromloses Plattieren, und dergleichen. Bei verschiedenen Ausführungsformen wird der Leiter 114 in Form einer Spule ähnlich wie in 1 gezeigt ausgebildet. Alternativ wird der Leiter 114 als eine Linie, eine Serpentine, ein Kreis, ein Mäander, als ein statistisches oder anderes Muster ausgebildet. Eine Isolierschicht 106 kann durch Schleudern oder andere Art und Weise auf das Substrat 104 und den Leiter 114 aufgebracht werden, wie in 2B gezeigt. Die Isolierschicht 106 kann als eine Schicht aus Photoresist, Siliziumdioxid, Material des Typs Probimide 7510, oder irgendein anderes Isoliermaterial aufgebracht werden, das elektrisch die oberen Bauelemente isolieren kann. Obwohl nur eine Leiterschicht in 2A gezeigt ist, können sich wiederholende Mehrfachschichten aus leitenden Materialien hinzugefügt werden. Diese mehreren Schichten können in Reihe (oder parallel oder anders) über Durchgangskontakte oder andere Verfahren geschaltet sein, um die Stärke des Magnetfeldes zu erhöhen, das mit einem vorgegebenen Strom erzeugt wird. Bei verschiede nen Ausführungsformen wird die Oberfläche des Isoliermaterials durch irgendein Verfahren wie chemisch-mechanisches Einebnen (CMP) eingeebnet.
Kontaktanschlussflächen 108 und 110 können auf der Isolierschicht 106 durch jedes Verfahren wie beispielsweise Photolithographie, Ätzen, oder dergleichen ausgebildet werden (2C). Die Anschlussflächen 108 und 110 können dadurch ausgebildet werden, dass eine oder mehrere Schichten aus leitfähigem Material auf der Isolierschicht 106 abgelagert werden, und dann die Anschlussflächen beispielsweise mittels Nassätzung mit einem Muster versehen werden. Bei einer beispielhaften Ausführungsform weisen die Anschlussflächen 108 und 110 eine erste Schicht aus Chrom oder Titan (zur Verbesserung der Haftung an der Isolierschicht 106) und eine zweite Schicht aus Gold, Silber, Kupfer, Aluminium, oder einem anderen leitenden Material auf. Zusätzliche Metallschichten können den Kontakten durch Elektroplattieren oder stromloses Plattieren hinzugefügt werden, um die Verlässlichkeit der Kontakte zu verbessern, und den Widerstand zu verringern.
Wie in 2D gezeigt, können die Kontaktanschlussflächen 108 und 110 in geeigneter Weise durch eine Schicht aus Photoresist, Aluminium, Kupfer, oder ein anderes Material abgedeckt werden, um eine Opferschicht 202 auszubilden. Eine Öffnung 206 in der Opferschicht 202 über den Auslegerbasisbereichen kann durch Photolithographie, Ätzen, oder einen anderen Prozess ausgebildet werden. Dann kann der Ausleger 112 ausgebildet werden, durch Ablagerung, Sputtern, oder Aufbringen einer oder mehrerer Schichten aus Material auf andere Art und Weise auf die Opferschicht 202, so dass sie sich über die Öffnung 206 erstrecken, wie in 2E gezeigt. Bei einer beispielhaften Ausführungsform kann eine Basisschicht 204 aus Chrom oder einem anderen Metall auf die Opferschicht 202 aufgebracht werden, um die Haftung zu verbessern, und können eine oder mehrere leitende Schichten 120 ebenfalls ausgebildet werden. Die Schichten 204 und 120 können beispielsweise durch Ablagerung hergestellt werden, an welche sich chemisches oder mechanisches Ätzen anschließt. Die Schicht 120 kann dadurch dicker ausgebildet werden, dass eine andere Leiterschicht (beispielsweise aus Gold, einer Goldlegierung, usw.) durch Elektroplattierverfahren oder stromlose Plattierverfahren hinzugefügt wird. Der Ausleger 112 wird weiter so ausgebildet, dass eine Schicht 118 aus Permalloy (beispielsweise NiFe-Permalloy) oben auf die leitfähige Schicht 120 elektrisch aufplattiert oder auf andere Art und Weise angeordnet wird, wie in 2F gezeigt. Die Dicke der Permalloy-Schicht 118 kann dadurch gesteuert werden, dass der Strom beim Plattieren und die Zeit beim Elektroplattieren variiert werden. Ein Elektro plattieren bei 0,02 Ampere pro Quadratzentimeter über einen Zeitraum von 60 Minuten kann beispielsweise zu einer Permalloy-Schichtdicke von etwa 20 Mikrometern führen. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann durch Elektroplattieren eine zusätzliche Permalloy-Schicht 306 (gezeigt in 3) oben auf den Ausleger 112 aufgebracht werden, um das Reaktionsvermögen des Auslegers 112 auf Magnetfelder zu erhöhen.
Wie in 2G gezeigt, kann die Opferschicht 202 entfernt werden, beispielsweise durch nasse oder trockene Entfernungsverfahren (beispielsweise Sauerstoffplasma), um einen Spalt 116 zwischen dem Ausleger 112 und der Isolierschicht 106 zu erzeugen. Bei verschiedenen Ausführungsformen wird die Haftschicht 204 unter Verwendung eines geeigneten Ätz- oder entsprechenden Entfernungsverfahrens entfernt, um das Relais 100 (2A) auszubilden. Das Relais 100 kann dann abgeschnitten werden, mit einem Magneten 102 (gezeigt in 1) versehen werden, oder auf andere Art und Weise je nach Erfordernis bearbeitet werden. Es wird darauf hingewiesen, dass der Permanentmagnet 102 alternativ direkt auf dem Substrat hergestellt werden kann, auf der Oberseite des Auslegers angeordnet werden kann, oder dass die Spule und der Ausleger direkt auf einem Permanentmagnetsubstrat hergestellt werden können.
Alternative Ausführungsform sich verriegelnder Relais
Die 3 und 4 zeigen alternative Ausführungsformen sich verriegelnder Relais 100. 3A bzw. 3B zeigt eine Seitenansicht bzw. Aufsicht einer alternativen Ausführungsform eines sich verriegelnden Relais, das einen scharnierartig angelenkten Ausleger 112 aufweist. Die Perspektive der 3A und 3B ist um 90 Grad in der X-Y-Ebene gegenüber der in den 1A und 1B gezeigten Perspektive gedreht, um besser die Einzelheiten des scharnierartig angelenkten Auslegers zu zeigen. Wie aus den 3A und 3B hervorgeht, weist ein scharnierartig angelenkter Ausleger 112 eine oder mehrere Leinen 302 und 304 auf, die ein magnetisch empfindliches Teil 306 oberhalb der Isolierschicht 106 haltern. Das Teil 306 kann relativ dick sein (in der Größenordnung von etwa 50 Mikrometer), im Vergleich zu den Leinen 302 und 304, die aus leitfähigem Material bestehen können. Wie bei den Relais 100, die voranstehend im Zusammenhang mit 1 erläutert wurden, können Relais 100 mit scharnierartig angelenkten Auslegern auf Magnetfelder reagieren, beispielsweise jene, die von dem Magneten 102 und dem Leiter 114 erzeugt werden. Bei verschiedenen Ausführungsformen stehen eine oder beide der Leinen 302 und 304 in elektrischer Verbindung mit der Kontaktanschlussfläche 108, wenn sich das Relais im Zustand "geschlossen" befindet. Selbstverständlich kann jede andere Anzahl an Leinen eingesetzt werden. So kann beispielsweise eine einzige Leine so ausgebildet sein, dass sie das gesamte Gewicht des Teils 306 haltert. Weiterhin können die Leinen an jedem Punkt auf dem Teil 306 angeordnet sein. Obwohl 3 Leinen 302 und 304 in der Nähe des Zentrums des Teils 306 zeigt, können die Leinen beispielsweise in der Nähe des Endes 306 zum Kontakt 108 hin angeordnet sein, um das vom Magneten 102 erzeugte Drehmoment zu erhöhen.
3C ist eine Perspektivansicht eines Beispiels für einen Ausleger 112, der zum Einsatz bei den in den 3A und 3B gezeigten Ausführungsformen geeignet ist, sowie bei anderen Ausführungsformen. Der Ausleger 112 weist ein Teil 306 auf, das mit der leitenden Schicht 120 verbunden ist. Löcher 310 und/oder 312 können in der leitenden Schicht 120 vorgesehen sein, um die Flexibilität des Auslegers 112 zu verbessern, und zusätzliche Kontakthöcker 308 können so auf der Oberfläche der leitenden Schicht 120 vorgesehen sein, dass sie in Kontakt mit dem Kontakt 108 gelangen. Leinen 302 und 304 (nicht in 3C gezeigt) können auf dem Ausleger 112 befestigt oder auf andere Art und Weise vorgesehen sein, an jedem Ort (beispielsweise im Zentrum der leitenden Schicht 120 oder an beiden Enden der leitenden Schicht 120), je nach Erfordernis. Alternativ können die Leinen aus nicht leitenden Materialien bestehen, und kann der Ausleger 112 einen leitenden Weg zwischen zwei getrennten Leitern zur Verfügung stellen, die gleichzeitig von dem Ausleger in dem geschlossenen Zustand berührt werden, wie dies nachstehend erläutert wird.
Es wurde beobachtet, dass bestimmte Schalter, die relativ breite, magnetisch empfindliche Teile 306 aufweisen, eine verringerte Magnetisierung aufweisen können, infolge des relativ großen Verhältnisses von Breite zur Länge des Auslegers 112, Darüber hinaus kann die vergrößerte Breite zu einer erhöhten Magnetisierung entlang der Breite des Auslegers 112 führen, was sich als Verdrillung des Auslegers und einem verschlechterten Kontakt zwischen dem Ausleger 112 und dem Kontakt 108 auswirken kann. 3B ist eine Perspektivansicht eines Schalters, der in Sektionen unterteilte, magnetisch empfindliche Teile 306A, 306B, 306C und 306D aufweist. Um die Magnetisierung entlang der Länge des Auslegers 112 zu verbessern, kann das magnetisch empfindliche Teil 306 so in Sektionen unterteilt sein, dass die Magnetisierung jedes Teils 306A–D entlang der Länge des Teils anstatt entlang der Breite maximiert wird. Die Ausbildung in Sektionen kann dadurch erzielt werden, dass getrennt (beispielsweise durch Elektroplattieren) jedes Teil 306A–D auf der leitfähigen Schicht 120 hergestellt wird, oder durch Ätzen (oder Ausbildung auf andere Art und Weise) von Spalten in einer einzigen elektroplattierten Schicht 306. Selbstverständlich kann jede Anzahl an magnetisch empfindlichen Sektionen 306A–D bei verschiedenen Ausführungsformen eingesetzt werden, und variiert die Abmessung jeder Sektion von Ausführungsform zu Ausführungsform. So können beispielsweise verschiedene Ausleger 112 mit vier Teilen 306A–D mit Abmessungen von etwa 1000 × 600 × 520 Mikrometer versehen sein, mit acht Teilen mit Abmessungen von etwa 1000 × 50 × 25 Mikrometer (etwa 25 Mikrometer voneinander getrennt), mit fünfzehn Teilen mit Abmessungen von etwa 1000 × 20 × 25 Mikrometer (etwa 25 Mikrometer beabstandet), oder mit jeder Anzahl an Teilen mit jeglichen Abmessungen. Bei verschiedenen Ausführungsformen können Verbindungslaschen aus magnetischem Material, Metall oder irgendeinem anderen Material zusätzlich zwischen den Teilen 306A–D vorgesehen sein, um den Ausleger 112 zu stärken. 3E ist eine schematische Darstellung eines Auslegers 112, der mit mehreren Schichten ausgebildet wurde. Bei einer beispielhaften Ausführungsform weist der Ausleger 112 abwechselnde Schichten aus magnetischem Material 118 (beispielsweise Permalloy) und leitendem Material 120 auf, wie in 3E gezeigt, obwohl selbstverständlich andere Materialien anstelle der dargestellten Materialien, oder zusätzlich zu diesen vorgesehen sein können. Ausleger mit mehreren Schichten können durch Sputtern, Ablagerung, oder Ausbildung von mehreren Schichten auf andere Art und Weise hergestellt werden, wie dies zum Beispiel voranstehend im Zusammenhang mit den 2E und 2F erläutert wurde, oder durch jedes andere Verfahren. Ausleger mit mehreren Schichten können auch in Sektionen aufgeteilt sein, wie voranstehend geschildert, und können zusammen mit einer der verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung eingesetzt werden.
Die 4A und 4B sind eine Seitenansicht bzw. Aufsicht einer alternativen Ausführungsform eines sich verriegelnden Relais 100. Wie in den Figuren gezeigt, kann es sein, dass verschiedene Ausführungsformen des Auslegers 112 nicht direkt elektrischen Strom von der Stufenschicht 110 zum Kontakt 108 leiten. Bei derartigen Ausführungsformen kann ein leitendes Element 402 an dem Ausleger 112 angebracht sein, um auf diese Art und Weise einen elektrischen Kontakt zwischen den Kontakten 108 und 408 zur Verfügung zu stellen, wenn sich das Relais 100 im Zustand "geschlossen" befindet. Die 4C und 4D sind Perspektivansichten alternativer Beispiele für Ausführungsformen des Auslegers 112. Bei derartigen Ausführungsformen kann der Ausleger 112 einen magnetisch empfindlichen Abschnitt 118 aufweisen, der von einem leitenden Abschnitt 402 durch eine isolierende Schicht 410 ge trennt ist, die beispielsweise ein dielektrischer Isolator sein kann. Wahlweise Kontakthöcker 308 können weiterhin wie gezeigt auf dem leitenden Abschnitt 402 vorgesehen sein. Wenn sich der Ausleger 112 in einem Zustand entsprechend dem Zustand "geschlossen" des Relais 100 befindet, kann Strom dem Weg folgen, der durch Pfeile 412 zwischen den Kontaktanschlussflächen 108 und 408 dargestellt ist.
5 ist eine Seitenansicht einer alternativen, beispielhaften Ausführungsform des Relais 100. In 5 weist ein Relais 100 einen Magneten 102 auf, ein Substrat 104, und einen Ausleger 112, wie voranstehend geschildert (beispielsweise im Zusammenhang mit 1). Anstelle des Leiters 114 (oder zusätzlich zu diesem), der auf dem Substrat 104 vorgesehen ist, kann jedoch der Leiter 114 wie gezeigt auf einem zweiten Substrat 504 vorgesehen sein. Das zweite Substrat 504 kann jede Art von Substrat sein, beispielsweise Kunststoff, Glas, Silizium, und dergleichen. Wie bei den voranstehend geschilderten Ausführungsformen, kann der Leiter 114 je nach Wunsch mit einer Isolierschicht 506 beschichtet sein. Um ein Relais 100 herzustellen, können die verschiedenen Bauteile auf den Substraten 104 und 504 ausgebildet werden, und dann können die Substrate geeignet ausgerichtet und positioniert werden. Die beiden Substrate 104 und 504 (und die verschiedenen, darauf vorgesehenen Bauteile) können voneinander durch Abstandsstücke wie beispielsweise Abstandsstücke 510 und 512 in 5 getrennt sein, die aus jedem Material bestehen können.
Wie ebenfalls aus 5 hervorgeht, kann der Kontakt 108 wie voranstehend geschildert auf der isolierenden Schicht 106 vorgesehen sein. Alternativ kann ein Kontakt 508 auf dem zweiten Substrat 504 vorgesehen sein, wie in 5 gezeigt (selbstverständlich kann der Ausleger 112 abgeändert werden, so dass ein leitender Abschnitt des Auslegers 112 in Kontakt mit dem Kontakt 508 gelangt). Bei anderen Ausführungsformen können Kontakte 108 und 508 beide so vorgesehen sein, dass sich das Relais in einem ersten Zustand befindet, wenn der Ausleger 112 in Kontakt mit dem Kontakt 108 steht, in einem zweiten Zustand, wenn der Ausleger 112 in Kontakt mit dem Kontakt 508 steht, und/oder einem dritten Zustand, wenn sich der Ausleger 112 weder in Kontakt mit dem Kontakt 108 noch dem Kontakt 508 befindet. Selbstverständlich kann das allgemeine Layout des Relais 100, das in 5 gezeigt ist, mit jedem der Verfahren und Layouts kombiniert werden, die voranstehend geschildert wurden, um neue Ausführungsformen des Relais 100 zu schaffen.
6A und 6B sind eine Seitenansicht bzw. Aufsicht einer alternativen Ausführungsform eines sich verriegelnden Relais 100. In 6A und 6B können verschiedene Ausführungsformen des Relais 100 eine elektrostatische Betätigung zum Schalten des Zustands des Auslegers 112 einsetzen, anstatt magnetischer Energie, die vom Leiter 114 erzeugt wird. Bei derartigen Ausführungsformen können eine oder mehrere Schaltelektroden 602 und 604 auf der Isolierschicht 106 abgelagert oder auf andere Art und Weise bereitgestellt sein. Die Elektroden 602 und 604 können aus Metall oder einem anderen leitenden Material hergestellt sein, und können elektrisch mit Leitungen, Drähten oder anderen Verbindungsvorrichtungen (nicht gezeigt) verbunden sein, um ein elektrisches Potential zwischen einer der Elektroden und dem Ausleger 112 zu erzeugen.
Obwohl die 6A und 6B einen Ausleger 112 des Typs mit zentraler Anlenkung zeigen, können die Elektroden 602 und 604 und/oder das Prinzip der elektrostatischen Betätigung bei jedem der hier geschilderten Relais oder Schalter vorgesehen sein, anstatt der magnetischen Betätigung (oder zusätzlich zu dieser), die von dem Leiter 114 erzeugt wird. Bei verschiedenen Ausführungsformen sind die Elektroden 602 und 604 in Bezug auf den Ausleger 112 so angeordnet, dass elektrostatische Kräfte, die von den beiden Elektroden erzeugt werden, entgegengesetzte Auswirkungen auf den Ausleger 112 haben. Bei der Ausführungsform mit zentraler Anlenkung, die in den 6A und 6B gezeigt ist, können beispielsweise Elektroden 602 und 604 an beiden Seiten des Scharniers 110 angeordnet sein, so dass eine Spannungsdifferenz zwischen der Elektrode 602 und dem Ausleger 112 den Ausleger 112 "drückt", in einen Zustand "offen". Im Gegensatz hierzu kann eine Spannungsdifferenz zwischen der Elektrode 604 und dem Ausleger 112 den Ausleger 112 "ziehen", in einen Zustand "geschlossen", wodurch der Ausleger 112 in Kontakt mit dem Kontakt 108 gelangt. Bei derartigen Ausführungsformen kann der Zustand des Auslegers 112 durch das Magnetfeld gehalten werden, das vom Permanentmagneten 102 erzeugt wird, so dass sich ein bistabiler Schalter ergibt. Das Relais kann zwischen stabilen Zuständen dadurch umgeschaltet werden, dass ein elektrisches Potential an die geeignete Elektrode angelegt wird, um je nach Erfordernis den Ausleger 112 anzuziehen. Bei einem Beispiel für ein Relais 100 können ein Ausleger 112 vom scharnierartig angelenkten Typ, der Abmessungen von etwa 1000 × 200 × 20 Mikrometer aufweist, und eine halternde Torsionsschnur 110 mit Abmessungen von 280 × 20 × 3 Mikrometer, eine Spannung von etwa 37 Volt benötigen, wenn die Überlappungsfläche zwischen dem Ausleger und der Elektrode in der Größenordnung von 200 × 400 Quadratmikrometer beträgt, um den Ausleger 112 in einem permanenten, externen Magnetfeld von etwa 200 Oersted zu schalten. Wiederum können Schalter oder Relais mit sämtlichen Abmessungen oder Architekturen hergestellt werden, und variiert die zur Umschaltung zwischen Zuständen erforderliche Spannung von Ausführungsform zu Ausführungsform. Insbesondere kann das elektrostatische Schaltverfahren, das Elektroden 602 und 604 einsetzt, bei jedem der voranstehend geschilderten Relais eingesetzt werden, oder bei jedem der hier geschilderten Schalter. Vorteile des Einsatzes des elektrostatischen Schaltens im Vergleich zum magnetischen Schalten umfassen einen verringerten Energieverbrauch und einfache Herstellung, da die Elektroden 602 und 604 sehr dünn sein können (beispielsweise in der Größenordnung von etwa 100 Angström bis zu etwa 0,5 Mikrometer Dicke). Weiterhin können elektrostatische Schalter kleiner als einige entsprechende magnetische Schalter ausgebildet werden, was die Gesamtabmessungen der Schaltvorrichtung verringert. Die Schaltsteuerung kann durch ein Steuergerät erfolgen, beispielsweise einen Mikrokontroller, einen Mikroprozessor, eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine Logikschaltung, eine analoge oder digitale Steuerschaltung, und dergleichen. Bei einer beispielhaften Ausführungsform stellt eine Steuerung Steuersignale in Form elektrischer Signale für Elektroden 602 und 604 zur Verfügung, um geeignete Spannungsdifferenzen zu erzeugen.
Es wird darauf hingewiesen, dass zahlreiche andere Ausführungsformen der verschiedenen Relais ausgebildet werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. So kann beispielsweise ein zweipoliges Relais geschaffen werden, durch zusätzliches Vorsehen eines Kontakts 108, der in Kontakt mit dem Ausleger 112 gelangt, wenn sich der Ausleger in seinem geöffneten Zustand befindet. Entsprechend können verschiedene Topographien und Geometrien des Relais 100 ausgebildet werden, durch Variation des Layouts der verschiedenen Bauteile (beispielsweise der Anschlussflächen 108 und 110 und des aus 112).
Optische Schalter
Die Mechanismen, Grundlagen und Verfahren, die voranstehend im Zusammenhang mit elektrischen Relais beschrieben wurden, können auch dazu eingesetzt werden, optische Schalter zu schaffen, die geeignet zum Einsatz in Kommunikationssystemen oder anderen optischen Systemen sind. Bei verschiedenen Ausführungsformen eines optischen Schalters kann der magnetisch empfindliche Abschnitt des Auslegers 112 an einem Spiegel oder einem anderen Material befestigt sein, welches Licht reflektiert. Wenn der Ausleger von dem Zustand "offen" in den Zustand "geschlossen" geschaltet wird, wird die reflektierende Oberfläche einem optischen Signal ausgesetzt bzw. nicht, so dass das Signal geeignet reflektiert bzw. absorbiert wird, wie dies nachstehend genauer erläutert wird.
Die 7A und 7B sind eine Seitenansicht bzw. Aufsicht auf ein Beispiel für einen optischen Spiegel 700 (nachstehend bezeichnet als Spiegel des "Typs I"). Wie die voranstehend geschilderten, elektrischen Schalter ist ein Ausleger 112 geeignet über der Isolierschicht 106 durch eine Halterungsleine angebracht, ein Scharnier, oder ein anderes Abstandsstück 110. Der Ausleger 112 kann aus weichmagnetischem Material 132 bestehen (wie voranstehend erläutert), und kann eine reflektierende Beschichtung 702 (beispielsweise Aluminium oder Gold) aufweisen, die durch Ablagern, Sputtern oder auf andere Art und Weise auf das magnetische Material aufgebracht wird. Ein oder mehrere, wahlweise Anschläge 704 können je nach Erfordernis auf der Isolierschicht 106 vorgesehen sein, um den Ausleger 112 aufzunehmen und zu positionieren, wie dies erforderlich ist. Die Anschläge 704 können aus jedem geeigneten Material bestehen, beispielsweise aus geätztem Silizium, Metall, oder Polyimid. Bei verschiedenen Ausführungsformen haltert die Halterungsleine 110 die Drehung 112 in einem Zustand "oben" und einem Zustand "unten". Wenn sich der Ausleger 112 beispielsweise im Zustand "oben" befindet, kann der Ausleger 112 im Gegenuhrzeigersinn um die Leine 110 gedreht werden, bis das Ende 742 des Auslegers 112 den Anschlag 704L berührt. Bei einem Beispiel für den Zustand "unten" kann der Ausleger 112 im Uhrzeigersinn um die Leine 110 gedreht werden, so dass das Ende 740 des Auslegers 112 den Anschlag 740R berührt. Wenn das rechte Ende von 112 den unteren Anschlag 704 berührt, befindet es sich "unten". Konstruktiv kann die Halterungsleine 110 näher am Ende 742 des Auslegers 112 angeordnet werden, so dass der Ausleger 112 um einen größeren Winkel in die Position "oben" verkippt wird als in die Position "unten". Selbstverständlich kann die Halterungsleine 110 auch in annähernd gleichem Abstand von den Enden des Auslegers 112 angeordnet sein, oder so, dass die Position "unten" einen größeren Winkel erzeugt, und können zahlreiche Orientierungen bei anderen Ausführungsformen der Erfindung vorgesehen sein.
Der Betrieb des optischen Spiegels 700 kann ähnlich dem Betrieb der voranstehend geschilderten, elektrischen Schalter 100 ablaufen. Bei verschiedenen, beispielhaften Ausführungsformen werden Verriegeln und Schalten durch Induzieren eines magnetischen Drehmoments im Ausleger 112 durch den Leiter 114 (wie in 7 gezeigt) erzielt, oder wahlweise durch Elektro den (wie voranstehend im Zusammenhang mit 6 erläutert). Der Ausleger 112 kann stabil in dem Zustand entweder "oben" oder "unten" durch ein vom Magneten 102 erzeugtes Feld gehalten werden, wie dies voranstehend erläutert wurde.
Die 8A bis 8G zeigen verschiedene Ansichten und Zustände eines zweiten Typs eines optischen Spiegels 800 (der hier als Spiegel des "Typs II" oder als "Reflektor" bezeichnet wird). Obwohl diese Vorrichtungen hier primär so beschrieben werden, dass sie reflektierende Vorrichtungen betreffen, die bei Schaltern oder Relais eingesetzt werden, können jedoch die Grundlagen und Konstruktionen, die hier beschrieben werden, auch dazu verwendet werden, jede Art von Betätigungen (reflektierend oder nicht reflektierend) zu erzeugen, das bei jeder Anwendung eingesetzt werden kann.
In den 8A und 8B kann ein optischer Spiegel 800 einen Ausleger 112 aufweisen, der einen magnetisch empfindlichen Abschnitt 132 aufweist. Der Ausleger 112 kann auch einen reflektierenden Abschnitt 804 mit einer reflektierenden Beschichtung auf einer Seite oder beiden Seiten aufweisen. Bei einer beispielhaften Ausführungsform weist der reflektierende Abschnitt 804 eine reflektierende Beschichtung auf, die abgelagert oder auf andere Art und Weise auf eine Oberfläche 802 aufgebracht wird, wie in 8A gezeigt. Ein oder mehrere Anschläge 704 können ebenfalls je nach Erfordernis auf der Isolierschicht 106 vorgesehen sein, um den Ausleger 112 wie gewünscht zu positionieren oder anzuheben, und eine Halterung, eine Leine oder ein Scharnier 110 (nicht in den 8A und 8C gezeigt) kann drehbar den Ausleger 112 oberhalb des Substrats 104 befestigen.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform haltert eine Leine 110 90 Grad der Drehung zwischen zwei Zuständen des Auslegers 112 (plus oder minus einer gewissen Korrektur von Fehlern bei der Herstellung und dergleichen). Bei der in den 8A und 8B gezeigten Ausführungsform, wird der Ausleger 112 in einem Zustand "oben" durch einen Magneten 102 (nicht gezeigt) so positioniert, dass er annähernd parallel zur Oberfläche des Substrats 104 verläuft. Die Position "oben" kann nützlich sein, wenn es erforderlich ist, einen durchgehenden Weg für einen optischen Strahl zu haben, so dass dieser direkt am Spiegel des Typs II ohne Reflexion vorbeigeht. Ein zweiter Zustand "unten" des Spiegels 800 ist in den 8C und 8D gezeigt. Der Spiegel 800 kann in dem Zustand "unten" beispielsweise durch einen Magneten 102 (nicht gezeigt) versetzt werden (im Prinzip kann der Magnet den Ausleger in jedem der beiden stabilen Zustände halten), und/oder dadurch, dass man es der Schwerkraft ermöglicht, den magnetisch empfindlichen Abschnitt 132 des Auslegers 112 weg von der Position "oben" zu ziehen. Es wird darauf hingewiesen, dass ein Permanentmagnet 102 und ein Leiter 104 nicht bei jeder Ausführungsform des Spiegels 800 erforderlich sein müssen, da andere Kräfte (beispielsweise die Kraft, die durch wahlweise Biegeanordnungen auf dem Anschlag 704 aufgebracht wird) den Ausleger 112 in der Position "unten" halten können, ohne dass externe Kräfte benötigt werden. Bei zahlreichen Ausführungsformen kann ein temporäres Magnetfeld vorgesehen sein, während die reflektierende Beschichtung auf den Ausleger 112 bei der Herstellung aufgebracht wird, und dann entfernt werden. Bei noch anderen Ausführungsformen des Spiegels 800 können das Scharnier 110 und der magnetisch empfindliche Abschnitt 132 weggelassen werden, und kann der reflektierende Abschnitt 804 starr an dem Substrat 102 oder der Isolierschicht 104 befestigt sein.
In 8E weist eine alternative Ausführungsform eines Reflektors 800 einen Ausleger 112 und ein Torsionsstangenscharnier oder einen anderen Anker 870 auf, das bzw. der an einem Substrat 104 befestigt sein kann. Es kann auch eine Spule oder ein anderer Leiter 114 vorhanden sein, oder es kann bei einer alternativen Ausführungsform eine Elektrode vorgesehen sein, welche für elektrostatische Anziehung an den Ausleger 112 sorgt. Der Ausleger 112 kann magnetisch empfindlich sein, wie voranstehend geschildert, und kann eine oder mehrere reflektierende Oberflächen aufweisen, wie voranstehend geschildert. Das Torsionsstangenscharnier 870 kann als ein oder mehrere Scharniere ausgebildet sein, wie dies voranstehend im Zusammenhang mit anderen Ausführungsformen von Schaltern oder Relais beschrieben wurde. Bei verschiedenen Ausführungsformen können die Torsionsstangenscharniere am Ende oder in dessen Nähe des Auslegers 112 angeordnet sein, und können relativ dünn und/oder lang in Bezug auf den Ausleger 112 ausgebildet sein, so dass große Drehauslenkungen des Auslegers 112 ohne ein signifikantes mechanisches Drehmoment stattfinden. Weiterhin kann die Richtung des externen Magnetfeldes (H₀) 134, das auf den Reflektor 800 einwirkt, in einem Winkel (γ) relativ zur Senkrechten (Z) angeordnet sein, die aus der Oberfläche des Substrats 104 weist. Bei der beispielhaften Ausführungsform, die in 8E gezeigt ist, ist γ als etwa 45 Grad gewählt, obwohl andere Ausführungsformen andere Winkel verwenden können.
Die Richtung des Magnetfeldes 134 erzeugt zwei stabile Positionen für den Ausleger 112, entsprechend einem Zustand "oben" und einem Zustand "unten" (der Ausleger 112 ist in 8E zwischen den beiden Zuständen gezeigt). Bei verschiedenen Ausführungsformen kann der Ausleger 112 annähend senkrecht zum Substrat 104 im Zustand "oben" ausgerichtet sein, und annähernd parallel zum Substrat 103 in dem Zustand "unten". Ein körperlicher Anschlag (nicht in 8E gezeigt) kann dazu vorgesehen sein, um den Ausleger 112 in der gewünschten Position für den Zustand "oben" und/oder "unten" zu halten.
Bei verschiedenen Ausführungsformen kann ein Magnetfeld mit einer Stärke von etwa χH₀sin(γ + φ) Oersted oder ähnlich durch den Leiter 114 bereitgestellt werden, um den Ausleger 112 zwischen Zuständen umzuschalten, wobei "φ" die magnetische Suszeptibilität des Auslegers 112 ist, und "χ" der Winkel zwischen dem Ausleger 112 in dem Zustand "unten" und der Horizontalachse (X). Ein Feld dieser Stärke kann geeignet den Magnetisierungsvektor des Auslegers 112 wie erforderlich erneut ausrichten, ähnlich den voranstehend geschilderten Schaltverfahren, so dass der Ausleger 112 zwischen zwei stabilen Zuständen umschaltet. Da das vom Leiter 114 erzeugte Feld relativ schwach sein kann, verglichen mit dem externen Feld 134, kann das Feld 134 so ausgelegt sein, dass es ausreichend stark ist, um die Vorrichtung 800 zu betätigen, jedoch nicht so stark, dass das vom Leiter 114 erzeugte Feld nicht den Magnetisierungsvektor des Auslegers 112 umkehren kann. Bei einer beispielhaften Ausführungsform kann das Feld 134 so ausgelegt sein, dass es in der Größenordnung von etwa 200 Oersted liegt, obwohl selbstverständlich andere Feldstärken verwendet werden können. Der hier geschilderte Reflektor 800 kann etwa 90 Grad oder mehr der Drehfähigkeit aufweisen, und weist daher einen weiten Anwendungsbereich über Relais oder optische Schalter hinaus auf. So können beispielsweise Reflektoren 800 mit einem relativ hohen Ausmaß der Drehbarkeit nützlich für optische Projektions- oder Schaltersysteme sein.
Wie aus den 8F und 8G hervorgeht, weist eine dritte Ausführungsform eines Reflektors 800, der dazu verwendet werden kann, sich um 90 Grad oder mehr zu drehen, einen Leiter 114 auf, der auf dem Ausleger 112 angeordnet ist, der scharnierartig mit dem Substrat 104 durch ein Scharnier 870 verbunden ist (dargestellt als zwei Torsionsscharnier 870A und 870B in 8F). Strom kann dem Leiter 114 durch Stromleitungen 872 (dargestellt als Leitungen 872A und 872B in 8F) zugeführt werden, die an eine Quelle elektrischer Energie angeschlossen sein können. Alternativ kann ein elektrischer Kontakt mit dem Leiter 114 über ein leitfähiges Material (beispielsweise Metall) zur Verfügung gestellt werden, das auf das Scharnier 870 abgelagert, gesputtert, oder auf andere Art und Weise aufgebracht wurde. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann der Ausleger 112 aus einem reflektierenden Material hergestellt sein (beispielsweise einem dielektrischen Film, aus polykristallinem Silizium, aus Metall, aus Nichtmetallen und dergleichen), da Reaktionen auf Magnetfelder durch den Leiter 114 bereitgestellt werden können, statt durch ein magnetisch empfindliches Material im Ausleger 112. Bei verschiedenen Ausführungsformen stellt der Magnet 102 ein Magnetfeld H₀ zur Verfügung, das senkrecht zum Substrat 104 verlaufen kann, oder in jedem schrägen Winkel, wie dies voranstehend im Zusammenhang mit 8E beschrieben wurde.
Die Betätigung des Reflektors 800 kann beispielsweise dadurch bewirkt werden, dass der Leiter 114 mit einem Strom versorgt wird, der ein magnetisches Dipolmoment (M) erzeugt, das senkrecht zur Ebene des Leiters 114 liegt. Das magnetische Dipolmoment (M) kann mit dem externen Magnetfeld (H₀) wechselwirken, um ein Drehmoment (T) zu erzeugen, das auf den Ausleger 112 einwirkt, so dass gilt: T = M × H₀. Das Drehmoment (T) kann so gesteuert werden, dass der Ausleger 112 zwischen einem Zustand "oben" und einem Zustand "unten" umgeschaltet wird, wie voranstehend erläutert. Eine detailliertere Beschreibung dieses Prinzips, das in einem unterschiedlichen Zusammenhang eingesetzt wurde, wird vorgestellt in Chang Liu, T. Tsao, Y-C Tai und C-M Ho, "Surface Micro-machined Magnetic Actuators", MEMS '94, Oiso, Japan, Seiten 57–62 (1994), wobei diese Veröffentlichung durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung eingeschlossen wird.
Die 9A und 9B sind eine Seitenansicht bzw. Aufsicht eines Beispiels für einen Schalter 900, der zwei Spiegel 700A und 700B des Typs I und einen Spiegel/Reflektor 800 des Typs II aufweist. Die Achse des Spiegels 800 kann um 45 Grad (oder um jeden anderen Winkel) gegenüber den Achsen der Spiegel 700A und 700B gedreht werden, wie am deutlichsten aus 9B hervorgeht. Eine wahlweise reflektierende Schicht 902 (beispielsweise ein Spiegel) kann bei verschiedenen Ausführungsformen vorgesehen sein, um optische Signale zu reflektieren, wie dies nachstehend genauer erläutert wird. Bei verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung soll ein optisches Signal (beispielsweise ein Lichtimpuls oder Lichtstrahl) 904 auf einen von zwei Ausgängen 910 und 902 geschaltet werden. In dem ersten Zustand des Schalters 900 (in den 9A und 9B gezeigt) können Ausleger 112A und 112B von Spiegeln 700A und 700B in der Position "oben" angeordnet werden, so dass das optische Signal 909 durch die reflektierende Oberfläche 702 (7) wie dargestellt reflektiert wird. Die reflektierende Schicht 902 überträgt das optische Signal 904 zwischen dem Spiegel 700A und 700B, unter Umgehung des Spiegels 800, an den Ausgangsanschluss 901.
Die 10A und 10B sind eine Seitenansicht bzw. Aufsicht des optischen Schalters 900 in einem zweiten Zustand (entsprechend dem Ausgangsanschluss 920). Der Ausleger 112A des Spiegels 700A kann in den Zustand "unten" versetzt werden, so dass das optische Signal 904 nicht mehr durch die reflektierende Oberfläche 702 des Spiegels 700A reflektiert wird, sondern durch die reflektierende Oberfläche des Spiegels 800 reflektiert wird, die zum Ausgangsanschluss 920 gerichtet sein kann, wie dies am deutlichsten aus 10B hervorgeht. Selbstverständlich kann der Ausleger 112B des Spiegels 700B ebenfalls in die Position "unten" versetzt werden, jedoch ist eine derartige Änderung nicht erforderlich, da das optische Signal 904 nicht den Spiegel 700B bei dem in 10 gezeigten Zustand erreicht. Andere Ausführungsformen optischer Schalter können unterschiedliche Layouts aufweisen. So kann beispielsweise ein bidirektionaler Schalter dadurch hergestellt werden, dass beide Seiten des reflektierenden Abschnitts 804 des Spiegels 800 mit reflektierendem Material beschichtet werden.
11 ist eine Aufsicht auf ein Beispiel für einen 5 × 5-Optikschalter 950, der mit Schaltern 900 wie voranstehend geschildert versehen sein kann. In 11 werden optische Signale 904A–E jeweils an einem der Eingänge 930A–E empfangen. Jedes Signal kann durch den Schalter 950 je nach Erfordernis einem gewünschten der Ausgänge 940A–E zugeführt werden. Bei dem Beispiel für den Schalter 950, das in der Figur gezeigt ist, wird der Eingang i1 zum Ausgang o3 geleitet, der Eingang i2 zum Ausgang o1, der Eingang i3 zum Ausgang o4, der Eingang i4 zum Ausgang o5, und der Eingang i5 zum Ausgang o2. Selbstverständlich kann jede M × N-Schalterkonstruktion hergestellt werden, wobei M die Anzahl an Eingängen angibt, N die Anzahl an Ausgängen, und M und N beide positive ganze Zahlen sind. So können beispielsweise 1 × 4-Schalter, 4 × 8-Schalter, 8 × 16-Schalter, 2 × 2-Schalter, oder jede andere Schalterkonstruktion hergestellt werden, durch Wahl der Anzahl an Schaltern 700 und 800.
Wie wiederum aus 11 hervorgeht, kann ein Beispiel für einen 5 × 5-Optikschalter eine Matrix aus 25 Spiegeln des Typs II und 80 Spiegeln des Typs I aufweisen. Die Spiegel des Typs II (dargestellt als diagonale Rechtecke) können so angeordnet sein, dass jeder Eingang 930 einen Spiegel des Typs II entsprechend jedem Ausgang 940 aufweist. Die Spiegel des Typs I (dargestellt als kleinere Rechtecke) sind geeignet so angeordnet, dass optische Signale 904 um die Spiegel des Typs II herum abgelenkt werden, je nach Wunsch, durch Reflektieren der Signale durch die reflektierende Schicht 902 (nicht in 11 gezeigt, jedoch in 9A). Um ein Signal vom Eingang i5 zum Ausgang o2 zu leiten, als Beispiel, können Spiegel des Typs I 751 und 752 in den Zustand "oben" versetzt werden, um das Signal vom Eingang i5 um den Spiegel 851 herum abzulenken. Spiegel des Typs I 753 und 754 können in die Position "unten" versetzt werden, damit das Signal vom Eingang i5 durch den Spiegel 852 des Typs II zum Ausgang 940B abgelenkt wird. Wie voranstehend geschildert, können die verschiedenen Spiegel des Typs I in dem Zustand "oben" oder "unten" durch ein Magnetfeld gehalten werden, das durch einen Magneten 102 erzeugt wird. Die verschiedenen Spiegel können zwischen Zuständen dadurch umgeschaltet werden, dass geeignete magnetische Impulse über einen Leiter 114 (7) oder elektrostatische Impulse über Elektroden 602/604 (6) erzeugt werden, um ein Drehmoment zu erzeugen, das den geeigneten Ausleger 112 so bewegt, dass der gewünschte Zustand für den gewünschten Spiegel hervorgerufen wird.
Optikschalterarrays
Die Leistung, der Wirkungsgrad und der Gesamtwirksamkeitsgrad eines Optikschalterarrays wie voranstehend geschildert können bei verschiedenen Ausführungsformen durch das Hinzufügen von Signalführungskanälen verbessert werden. Derartige Kanäle können um die verschiedenen Lichtwege in dem Schalter herum angeordnet sein, um das Licht zu einem gewünschten Weg zu führen. 12A ist eine Perspektivansicht eines Beispiels für einen Optikschalterarray 1200, der optische Signalführungskanäle aufweist. Obwohl ein Schalterarray mit einer Konstruktion 2 × 2 (als mit zwei Eingängen und zwei Ausgängen) zur Vereinfachung dargestellt ist, können die hier geschilderten Vorgehensweisen leicht auf Schalter jeder Größe N × M ausgedehnt werden, wobei sowohl N als auch M positive ganze Zahlen sind. Tatsächlich kann der Einsatz von Signalführungskanälen Schalterkonstruktionen ermöglichen, die erheblich größer sind, als dies vorher für möglich gehalten wurde, beispielsweise Konstruktionen in der Größenordnung 512 × 512, 1024 × 1024, oder größer.
In 12A fallen optische Signale 904A und 904B von Eingangs-Lichtleitfasern 1210A und 1210B ein, und werden über eine Linse 1220A bzw. 1220B gesammelt, bevor sie auf Ausgangs-Lichtleitfasern 1210C–D geschaltet werden. Optische Spiegel 1280A–D können jeder Typ von Spiegeln sein, beispielsweise ein Spiegel des "Typs-I" oder des "Typs-II", wie sie voranstehend geschildert wurden. Optische Signalführungskanäle 1230A und 1230B sind sämtliche Kanäle, Durchgänge oder andere Wege, welche Licht zu einem gewünschten Ziel führen können, wie dies nachstehend genauer erläutert wird. Bei einer beispielhaften Ausführungsform sind Kanäle 1230A und 1230B als Durchgänge ausgebildet, die Wände 1240 (12B) aufweisen, die mit einer metallischen oder anderen reflektierenden Oberfläche beschichtet sind, beispielsweise Al, Au, AG, Cr und dergleichen. Eingangssignale 904A–B werden durch optische Spiegel 1280A–D je nach Erfordernis abgelenkt, so dass das Signal in einen gewünschten Optiksignalführungskanal 1230A–B zu einem gewünschten Ausgangsweg entweder auf der Lichtleitfaser 1210C oder der Lichtleitfaser 1210D abgelenkt wird. Wenn das Optiksignal 904 aus dem Lichtleitfaserkern 1210A–B austritt, geht es durch eine Mikrolinse 1220A bzw. 1220B hindurch. Das optische Signal 904 wird dann gesammelt, und breitet sich in Vorwärtsrichtung aus, bis es den richtigen optischen Spiegel 1280 zum Reflektieren in den geeigneten Optiksignalführungskanal 1230 erreicht, der mit einer hochreflektierenden Oberfläche 1240 beschichtet ist. Die Linse 1220 ist in 12A so dargestellt, dass sie von der Lichtleitfaser 1210 getrennt ist, kann jedoch auch bequem direkt auf der Lichtleitfaser hergestellt werden, durch Schmelzen eines Abschnitts des Lichtleitfaserendes, Ausbildung eines Epoxytropfens auf dem Lichtleitfaserende und Aushärten, oder durch irgendein anderes Verfahren.
Signalführungskanäle 1230 können in einem Substrat oder in irgendeiner Schicht vorgesehen sein, die auf dem Substrat mit einem beliebigen Verfahren abgelagert wurde. Bei einer beispielhaften Ausführungsform werden Kanäle 1230 durch Abschneiden, Sägen, Mikrobearbeitung oder Ausbildung einer Nut auf andere Art und Weise in dem Substrat, durch Beschichtung der Nut mit einem reflektierenden Material, und nachfolgendes Anbringen einer reflektierenden Beschichtung über der Nut zur Ausbildung eines Kanals je nach Erfordernis ausgebildet. Die Abdeckung kann an dem Substrat durch jede Art eines Klebers wie beispielsweise Epoxy oder dergleichen befestigt sein. Alternativ können Kanäle 1230 durch Mikrobearbeitung in das Substrat eingearbeitet werden, in einer Schicht aus Polyimid (oder irgendeinem anderen Material), oder in irgendeine andere Schicht, unter Einsatz herkömmlicher Mikrobearbeitungsverfahren. Ein Dünnfilm aus einer reflektierenden Beschichtung kann dann in den Kanälen 1230 aufgedampft oder auf andere Art und Weise dort angeordnet werden, und es kann eine zusätzliche Abdeckschicht oben auf den Kanälen 1230 abgelagert, gesputtert oder auf andere Art und Weise angeordnet werden. Wie kurz voranstehend erwähnt, sind die Innenwände eines Führungskanals 1230 für optische Signale mit hochreflektierenden Materialien beschichtet, beispielsweise mit einem dünnen Goldfilm, einem Silberfilm, einem Aluminiumfilm, einem Chromfilm, oder einer Mehrfachschicht aus reflektierenden Filmen, usw., um die reflektierende Oberfläche 1240 auszubilden. Metallfilme können mit Hilfe von Sputtern, Elektronenstrahlverdampfung, oder irgendeines anderen Verfahrens abgelagert werden. Die Abmessungen des Abschnitts des Kanals 1230 unterscheiden sich stark von einer Ausführungsform zur nächsten, auf Grundlage beispielsweise unterschiedlicher Arten von Lichtleitfasern 1210 und Mikrolinsen 1220, den Abmessungen von Mikrolinsen, den Abmessungen des Lichtleitfaserkerns, der numerischen Apertur der Lichtleitfaser, und dergleichen. Bei einer beispielhaften Ausführungsform liegen die Kanalabmessungen in der Größenordnung von einer Breite von etwa 100 Mikrometer und einer Tiefe von etwa 30–50 Mikrometer.
Die 12(b) und (c) sind Querschnittsansichten von zwei beispielhaften Ausführungsformen eines Optiksignalführungskanals 1230. in 12(b) wird ein optisches Signal 904 in den Kanal 1230 wie voranstehend geschildert durch einen reflektierenden Spiegel 1280 abgelenkt. Das Signal 904 wird durch die reflektierende Oberfläche 1240 abgelenkt, welche die Seitenwände des Kanals 1230 abdeckt, so dass sich das Signal 904 zum Ausgang hin ausbreitet. Es wird darauf hingewiesen, dass dann, wenn der optische Spiegel 1280 sich in der geschlossenen Position befindet, er die Öffnung des Optiksignalführungskanals 1230 abdeckt, wodurch ermöglicht wird, dass sich andere Signale in dem Kanal 1230 ausbreiten können. Beispielsweise ein zusätzlicher Spiegel 1284 bleibt in einer geschlossenen Position, wenn das Signal 904 von dem Spiegel 1280 in den Kanal hineingelangt. Optische Spiegel 1280, 1282, und 1284 können durch verschiedene Vorrichtungen betätigt werden (die beispielsweise magnetisch, elektrostatisch, piezoelektrisch, usw. arbeiten), einschließlich den voranstehend geschilderten Verfahren. Wenn beispielsweise der Spiegel mit Nickel, Permalloy, Eisen oder einem anderen weichmagnetischen Material beschichtet ist, kann der Spiegel durch eine ebene Spule betätigt werden, die um den Spiegel herum gewickelt ist (wie dies voranstehend in Bezug auf die optischen Spiegel 700 und 800 erläutert wurde). Alternativ können die verschiedenen Spiegel durch jede Art eines Mechanismus aktiviert werden, und können durch einen Scratch-Antrieb, einen Kammantrieb, einen Aufprallkammantrieb, ein Schieberad mit Kammantrieb, einfach durch die elektrostatische Kraft zwischen dem Spiegel als einer Elektrode, und der anderen, gegenüberliegenden Elektrode an der Gegenseite, und dergleichen aktiviert werden.
Alternative Ausführungsformen von Kanal/Spiegelanordnungen sind in den 13, 19 und 15 dargestellt. 13 ist eine Perspektivansicht einer Anordnung ähnlich jener, die in 12(a) gezeigt ist, wobei ein zugeführtes, optisches Signal 904 in den Kanal 1230 durch den Spiegel 1280 abgelenkt wird, der in einem Winkel Alpha in Bezug auf die Oberseite des Kanals angeordnet ist. Verschiedene Ausführungsformen wählen unterschiedliche Werte für den Winkel Alpha aus, so dass das Licht in den Kanal 1230 gerichtet wird. Bei einer beispielhaften Ausführungsform liegt der Winkel Alpha zwischen 30 und 60 Grad, etwa bei 45 Grad. Die 14(a) und (b) sind eine Aufsicht bzw. eine Seitenansicht, die ein Beispiel für die Orientierung in Seitenrichtung des Spiegels 1280 zeigen. Bei der in den Figur dargestellten Ausführungsform ist der Spiegel 1280 in einer Position von annähernd 135 Grad gegenüber dem Kanal angeordnet, um das Signal 904 im Wesentlichen im rechten Winkel in den Kanal 1230 zu schicken. Wie in 14 gezeigt, befindet sich der Spiegel 1230 in einem ersten Zustand, in welchem Licht zum Ende 1401 des Kanals 1230 reflektiert wird. In diesem Zustand kann der Spiegel 130 in einem Winkel Beta angeordnet sein, der weniger als etwa 135 Grad beträgt (oder in irgendeinem anderen, geeigneten Winkel), so dass Licht je nach Wunsch reflektiert wird. Gemäß 15 kann der Spiegel 1230 in einem zweiten Zustand so angeordnet werden, dass der Winkel betat zwischen dem Spiegel und dem Kanal größer als 135 Grad ist (oder als irgendein anderer, geeigneter Winkel), damit Licht zum entgegengesetzten Ende (also dem Ende 1402) des Kanals 1230 abgelenkt wird. Selbstverständlich variieren die exakten Werte für die verwendeten Winkel in Abhängigkeit von den Einzelheiten der Anordnung von Eingangslicht in Bezug auf den Kanal 1230, und können sich bei verschiedenen Ausführungsformen deutlich unterscheiden.
Das Reflexionsvermögen im Kanal 1230 kann variieren, in Abhängigkeit von derartigen Faktoren wie dem Materialtyp und der Oberflächenglätte des Kanals 1230. Bei einer beispielhaften Ausführungsform kann sich das Reflexionsvermögen zwischen etwa 80% und etwa 90% ändern. Aus üblichen Optikberechnungen lässt sich leicht herausfinden, dass nach zahlreichen Reflexionen die Intensität des optischen Signals exponentiell abnimmt. Wenn beispielsweise das Reflexionsvermögen gleich 0,9 ist, wird nach einer 10-fachen Reflexion die Intensität auf 0,35 des Ursprungswertes verringert. Nach einer 50-fachen Reflexion sinkt die Intensität auf 0,05 ab; und nach 100 Fällen sinkt die Intensität auf 0,000027 ab.
Wie wiederum aus 12(c) hervorgeht, kann ein optischer, zweiter optischer Spiegel 1282 (auch bezeichnet als "Kanalspiegel") drehbar an der Unterseite des Optiksignalführungskanals 1230 unter dem oberen optischen Spiegel 1280 vorgesehen sein, um die Richtung des optischen Signals 904 zu ändern, und hierbei die Reflexion des optischen Signals 904 im Kanal 1230 zu verringern. Der Spiegel 1282 (beispielsweise wie voranstehend geschildert, und unter Bezugnahme auf die optischen Spiegel 700 oder 800 bei Anwendungen mit mikro-magnetischer Betätigung) kann unter dem oberen Spiegel 1280 so hergestellt werden, dass der Spiegel 1282 drehbar an der unteren Oberfläche des Optiksignalführungskanals 1230 angebracht ist. Wenn sowohl der obere als auch der untere Spiegel aktiviert werden (durch irgendeine Vorrichtung, die in Abhängigkeit von jeder speziellen konstruktiven Auslegung festgelegt wird), stellt das gewünschte Szenarium die Reflexion des abgehenden optischen Signals 904 durch den unteren, kleinen Spiegel 1280 und dann eine Ausbreitung entlang dem Kanal 1230 entlang der Symmetrieachse dar. In der Praxis arbeiten jedoch infolge von Einschränkungen bei der Bearbeitung die Spiegel 1280 nicht mit einer Exaktheit von genau 100%, was dazu führt, dass die Ausbreitungsrichtung des optischen Signals geringfügig von der Längsachse des Kanals abweicht, abhängig von der Bearbeitung. Durch Einsatz der Verfahren und Vorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung kann jedoch die Größe der Reflexion wesentlich verringert werden. Wenn beispielsweise keine Abweichung vorhanden ist, tritt keine Reflexion auf, nachdem das optische Signal 904 von dem unteren Spiegel reflektiert wurde. Wenn die Abweichung gleich 1 Grad ist, beträgt für einen Kanal mit einer Länge von 5 cm, einer Breite von 20 μm, und einer Höhe von 20 μm die erwartete Anzahl an Reflexionen 43. Ist die Abweichung gleich 0,5 Grad, ist diese Anzahl gleich 22. Bei einer Abweichung von 0,01 Grad, beträgt die Anzahl 4. Daher wird der Intensitätsverlust wesentlich verringert, insbesondere in großen Systemen mit Matrizen mit Abmessungen von 512 × 512 oder sogar mehr. Die 16 und 17 zeigen Beispiele für einen ersten bzw. zweiten Zustand, zum Richten eines zugeführten Lichtsignals 904 in den Kanal 1230. Wie in den Figuren dargestellt, kann der Kanalspiegel 1282 in einem Winkel angeordnet sein, der von dem Winkel des oberen Spiegels 1280 abhängt, so dass Licht zu einem der beiden Enden 1401 (17) oder 1402 (16) je nach Wunsch geschickt werden kann. Bei der dargestellten Ausführungsform ist der Spiegel 1282 in einem Winkel Beta von 180 Grad angeordnet, um Licht zum Ende 1402 zu schicken, und in einem Winkel Beta von 90 Grad, um Licht zum Ende 1901 zu schicken. Selbstverständlich ändern sich die exakten Werte für die Winkel und die Formeln von einer Ausführungsform zur nächsten.
Bei einer alternativen Ausführungsform kann die Ausrichtung des einfallenden optischen Signals unter Verwendung zusätzlicher Kanäle 1230 verbessert werden. Wie in den 18 und 19 dargestellt, können Kanäle 1230i dazu verwendet werden, das zugeführte optische Signal 904 zu führen. Zur Vereinfachung ist nur eine Optiksignalspur in der Figur dargestellt, obwohl man weiß, dass Kanäle für jede Anzahl an Eingangssignalen 904 ausgebildet werden können. Um die Anzahl an Reflexionen in dem Kanal 1230 zu verringern, können jedoch zusätzliche, untere Spiegel 1282 unter den oberen Spiegeln vorgesehen sein, die nicht in den 18 und 19 dargestellt sind.
Es wird darauf hingewiesen, dass infolge der Tatsache, dass das optische Signal 904 durch den Kanal 1230 geführt wird, die Anzahl an Arrays nicht zu Ausrichtungsproblemen führt. Weiterhin sind Konstruktionen für Optikschalterarrays 1200 nicht durch die Arten der Lichtleitfasern beschränkt. Sowohl Single-Mode-Fasern als auch Multimode-Fasern können bei der Vorrichtung eingesetzt werden. Zwar ist in 12a die Richtung des Einfalls des optischen Signals als senkrecht zum Kanal 1230 dargestellt, um so das abgehende, optische Signal zu führen, jedoch muss der Schalter 1200 nicht notwendigerweise eine derartige Ausbildung aufweisen. Der Winkel zwischen der Richtung des einfallenden optischen Signals und dem abgehenden Kanal kann auf jeden Winkel festgelegt werden, abhängig von dem Einsatz des Optikschalterarrays. Weiterhin muss nicht notwendigerweise der Kanal 1230 rechteckig wie dargestellt ausgebildet sein, sondern kann je nach Erfordernis jede Form wie beispielsweise rund, oval, usw. aufweisen. Weiterhin müssen die Kanäle 1230 nicht notwendigerweise geradlinig verlaufen. Sie können auch gekrümmt, zickzackförmig, usw. ausgebildet sein, so weit sie das optische Signal 904 innerhalb des Kanals 1230 ausbreiten lassen. Weiterhin können die hier geschilderten Kanalführungen bei anderen Vorrichtungen als optischen Schaltern nützlich sein. Speziell können die optischen Kanalführungen bei jeder optischen Vorrichtung oder jedem optischen Bauteil nützlich sein, beispielsweise bei einem Schalter, einem Router, einem Verbinder, einem Wellenleiter, einem Relais, einem Eingangs- oder Ausgangsanschluss, einem Vorlauf, einem optischen Sender oder Empfänger, und dergleichen.
Entsprechende Konstruktionen, Materialien, Vorgehensweisen und Äquivalente sämtlicher Elemente der nachstehenden Patentansprüche sollen jede Konstruktion, jedes Material oder jede Vorgehensweise umfassen, um die Funktionen durchzuführen, in Kombination mit anderen beanspruchten Elemen ten, wie sie speziell beansprucht werden. Darüber hinaus können die Schritte, die in irgendeinem der Verfahrensansprüche angegeben sind, in beliebiger Reihenfolge durchgeführt werden. Der Umfang der Erfindung sollte durch die beigefügten Patentansprüche und ihre rechtlichen Äquivalente festgelegt werden, aber nicht durch die voranstehend geschilderten Beispiele. Schließlich wird darauf hingewiesen, dass keines der Elemente oder Bestandteile, die voranstehend geschildert wurden, unbedingt erforderlich oder kritisch in Bezug auf die Umsetzung der Erfindung in die Praxis ist, es sei denn, dies wäre speziell hier angegeben.

Claims

Optische Schaltvorrichtung (100, 900, 950, 1200) zum Schalten optischer Signale (904), wobei die Vorrichtung ein Substrat aufweist, das mit mehreren Kanälen versehen ist, und jeder Kanal einen optischen Übertragungsweg zwischen einem optischen Eingang und einem optischen Ausgang aufweist, wobei die Kanäle Nuten aufweisen, die in dem Substrat vorgesehen sind, die mit einem reflektierenden Material beschichtet sind, und eine reflektierende Abdeckung aufweisen, um die optischen Signale auf einen vorbestimmten Weg zu begrenzen, mehrere Steuervorrichtungen, welche die optischen Signale zwischen den Eingängen und Ausgängen (1210C, 1210D) leiten, wobei jede Steuervorrichtung zumindest ein Spiegelelement aufweist, das einen Ausleger aufweist; sodass jede Steuervorrichtung eine geöffnete Position aufweist, in welcher das Signal von einem Eingang durch die Steuervorrichtung in eine Öffnung in dem Kanal reflektiert wird, und eine geschlossene Position, durch welche die Öffnung abgedeckt wird, und es anderen Signalen ermöglicht wird, sich in dem Kanal auszubreiten.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher das zumindest eine Spiegelelement (700, 800, 1280) so ausgebildet ist, dass es die optischen Signale in der Vorrichtung reflektiert.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher der Ausleger (112) einen magnetisch empfindlichen Abschnitt (132) und einen reflektierenden Abschnitt (804) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, bei welcher der Ausleger (112) so ausgebildet ist, dass er zwischen einem ersten Zustand und einem zweiten Zustand durch eines von mehreren elektromagnetischen Signalen umgeschaltet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 4, bei welcher jedes der elektromagnetischen Signale so ausgebildet ist, dass ein Drehmoment in einem der Ausleger (112) hervorgerufen wird, welcher einem der mehreren Spiegelelemente entspricht, sodass der Ausleger zwischen dem ersten Zustand und dem zweiten Zustand umgeschaltet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 5, bei welcher die mehreren elektromagnetischen Signale magnetische Signale (134) sind, die von mehreren Leitern (114) erzeugt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 5, bei welcher die mehreren elektromagnetischen Signale elektrostatische Signale sind, die von mehreren Elektroden (602, 604) erzeugt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die reflektierende Oberfläche (1240) ein Material aus der Gruppe aufweist, die aus Aluminium, Gold, Silber und Chrom besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 8, bei welcher der Kanal (1230) zumindest einen Kanalspiegel aufweist, der drehbar in dem Boden des optischen Kanals angeordnet ist, und so ausgebildet ist, dass er das optische Signal empfängt, und das optische Signal durch den Kanal leitet.
Vorrichtung nach Anspruch 8, bei welcher der Kanal (1230) zumindest einen Kanalspiegel (1282) in optischer Verbindung mit einem der Spiegelelemente (1280) aufweist, wobei der Kanalspiegel drehbar in dem Boden des optischen Kanals angeordnet ist, und dazu ausgebildet ist, das optische Signal zu empfangen, und das optische Signal durch den Kanal zu leiten.
Verfahren zum Schalten eines optischen Signals (904) zwischen einem ersten Ausgang (910) und einem zweiten Ausgang (920), wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Bereitstellung eines Substrats, Bereitstellung eines Schaltelements, welches einen Ausleger (112) aufweist, der mit einem reflektierenden Abschnitt (804) versehen ist; Schalten des Auslegers so, dass der reflektierende Abschnitt in dem Weg des optischen Signals angeordnet wird, um das optische Signal in einen Kanal zu leiten, der als eine Nut in dem Substrat ausgebildet ist, mit einem reflektierenden Material beschichtet ist, und von einer reflektierenden Abdeckung abgedeckt ist, um die optischen Signale auf einen vorbestimmten Weg zum ersten Ausgang zu begrenzen, wenn das optische Signal an dem ersten Ausgang erwünscht ist, und so, dass der reflektierende Abschnitt außerhalb des Weges des optischen Signals angeordnet wird, wenn das Signal an dem zweiten Ausgang auf einem zweiten der vorbestimmten Wege erwünscht ist, Bereitstellung eines zweiten Schaltelements, das einen Ausleger (112) aufweist, der mit einem reflektierenden Abschnitt (804) versehen ist; Schalten des zweiten Auslegers so, dass der reflektierende Abschnitt des zweiten Auslegers in dem Weg des optischen Signals angeordnet wird, um das optische Signal in einen zweiten Kanal zu leiten, der als eine Nut ausgebildet ist, die mit einem reflektierenden Material beschichtet ist, und durch eine reflektierende Abdeckung abgedeckt ist.
Verfahren nach Anspruch 11, bei welchem der Leitungsschritt umfasst, das optische Signal weg von der reflektierenden Wand durch einen Kanalspiegel (1282) zu leiten, der drehbar in dem Boden des optischen Kanals angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 11, bei welchem der Ausleger (112) so ausgebildet ist, dass er durch eines von mehreren elektromagnetischen Signalen geschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 11, bei welchem die elektromagnetischen Signale ein magnetisches Drehmoment in dem Ausleger (112) erzeugen.