CN1356706A - 多位置微机电开关 - Google Patents
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Abstract
一种微机电开关,含有在基底上形成的导向柱。在基底上形成信号传输线,信号传输线存在间隙,并形成开路。该开关还包括含有在其中形成的通孔的开关体,该开关体沿着由所述导向柱限定的长度方向可移动地布置。该导向柱由该通孔部分地环绕着。
Description
技术领域
本发明涉及微机电(MEM)开关，尤其涉及多位置MEM开关。
背景技术
近年来，集成电路技术方面的进步导致了微机电系统(MEMS)的发展，其标志在于，可以利用机械的、静电的、电磁的、射流的、和热的方法致动和控制的微米级器件。MEMS制造技术是更加完善的半导体微制造技术与微型机械制造方面的更新发展的有机结合。
MEM器件的一个实例是把一端固定在诸如硅之类的基底材料上的悬臂梁式开关。梁的自由端用作偏转电极，当将电压源施加到上面时，由于梁和静电场极板上的静电力的作用，偏转电极发生偏转，从而与固定电极相接触。当撤消电压源时，由于梁本身恢复力的作用，梁回到它原来的“刚性”状态，并且，开关的触点分开。
尽管近年来MEM技术已经取得了长足进步，但是，这种技术不是没有缺点的。例如，MEMS器件制造者面临的隐患最严重的问题之一是静摩擦，它发生在微型机械制造的部分(譬如，悬臂梁)的表面与结构的相邻表面熔合或粘接在一起的时候。静摩擦常常由制造过程中，诸如表面粗糙不平、潮湿、施加的电压和表面张力之类的因素引起。发生在器件中的静摩擦问题越多，对器件生产的总体影响就越大。另外，部件本身的物理形状也可能影响它对静摩擦的敏感度；由于梁上不断重复的机械应力，悬臂型开关可能会遭受扭曲。这样，最好能提供一种使对静摩擦的敏感度最小的开关设计。
与梁式开关相关联的其它麻烦可能包括：材料疲劳、空间限制(来自对固定点的要求)、寄生电感的产生、以及谐振频率问题。因此，希望还能提供解决上述所关切的问题的MEM开关。
发明内容
在本发明的示范性实施例中，微机电开关具有在基底上形成的导向柱(guidepost)。在基底上形成信号传输线，信号传输线存在间隙，并形成开路。该开关还包括含有在其中形成的通孔的开关体，开关体沿着由导向柱限定的长度方向可移动地布置。导向柱由通孔部分地环绕。在优选实施例中，静电场极板是在基底上形成的，并且与开关体分开、可静电相吸地排列。静电场极板与开关体之间的静电吸引力使开关体闭合信号传输线中的间隙。
在本发明的另一示范性实施例中，一种多位置微机电开关包括：在基底上形成的数个导向柱；在所述基底的下层上形成的第一信号传输线，所述第一信号传输线存在第一间隙，形成与之相关联的开路；在所述基底的上层上形成的第二信号传输线，所述第二信号传输线存在第二间隙，形成与之相关联的开路；和含有在其中形成的数个通孔的开关体，所述开关体沿着通过所述通孔的所述导向柱可移动地布置。
根据本发明的微机电开关能够解决MEMS器件制造者面临的静摩擦问题，以及与梁式开关相关联的材料疲劳、空间限制、寄生电感的产生、谐振频率等问题。
附图说明
图1是现有技术中悬臂梁式微型开关的侧视图；
图2是本发明微机电开关的实施例的顶视图，其中将基底的上下层沿横向分解以显示出主开关体；
图3是图2所示的开关沿着截线3-3的剖视图；
图4是图3所示的开关的可替换实施例；
图5是本发明的微机电开关的另一个实施例的顶视图；
图6是开关体的另一个实施例的顶剖视图；和
图7-9是制造图3和4所示的开关截面时各个步骤中的剖视图。
具体实施方式
图1说明了已知的微机电开关(MEMS)。如图所示，用标号20总体标识的MEMS在基底22上形成，具有在一端上形成的固定支柱24。弹性悬臂梁26连接在支柱24的一端上。悬臂梁26适合于承载排列在其一端、并适合于与基底22上的相应触点30啮合的电触点28。开关20适用于静电致动。接地极板32在基底22上形成，而静电场极板34则在悬臂梁26上形成。接地极板32适用于与地连接，而静电场极板34适用于有选择地与DC电压源(未示出)耦合。在没有电压施加到静电场极板34上的情况下，触点28与触点30分开，形成开路状态。当将适当的DC电压施加到静电场极板34上时，悬臂梁26受到极板34和接地极板32之间的静电力作用，发生偏转，使电触点28与触点30啮合，形成闭路状态。当以后从静电场极板34上撤消施加的电压时，由于梁本身恢复力的作用，悬臂梁26回到它的静态位置。
现在参照图2至4，根据本发明实施例的开关50建造在诸如二氧化硅(SiO2)之类的基底52上，在基底52上形成并定位数根导向柱54。导向柱54由在开关50的可移动体58内形成的通孔56环绕。主体58由铜之类的导体材料形成的大致长方形的方块60构成。为了防止氧化，方块60被封装在绝缘层内，并且被覆盖起来，后面将对此作更详细描述。从图3和4可清楚看出，主体58沿着导向柱54的长度方向可移动地布置着，导向柱54用于当开关50的主体58沿着导向柱54垂直移动时，使其保持在适当的横向准线上。按照这种方式构成的开关50不需要绕着旋转或挠曲的锚点或固定点。
从图3和4可看出，主体58布置在基底52的上层62与基底52的下层64之间的大致水平的准线上。在基底52的下层64内形成的是将控制电压施加在上面的第一静电场极板66。第二静电场极板68类似地位于基底52的上层62内，并且与控制电压源(未示出)相连接。第一静电场极板66与开关体58的底面70静电隔开，并静电相吸，而第二静电场极板68则与开关体58的顶面72静电隔开，并静电相吸。
第一信号传输线74由基底52的下层64通过彼此相隔间隙78的触点76建立起来，并形成第一信号传输线74中的开路。第二信号传输线80由基底52的上层62通过彼此相隔间隙84的触点82建立起来，并形成第二信号传输线80中的开路。
在所示实施例中，开关50的结构表示成双极双掷开关，但本发明的原理还可以应用于其它的开关结构。在这些实施例中，开关50可以作为二位置开关、或三位置开关来实现。为了保留第三开关位置，要将开关的主体58保持在上、下层基底62、64之间，与信号传输线74、80电断开的位置上。例如，图3所示的实施例的特征在于，将一对铰链90用于将开关50偏置在中立的或“关闭”的位置上。铰链90可以与导体材料合在一起。
可选地，在没有铰链90的情况下，可以利用图4所示的“自由悬浮”开关设计。但是，为了使开关50保持在中立的第三位置上，利用适当的平衡电荷偏置第一和第二静电场极板66、68，使得产生的施加在开关体58上方向相反的静电力相互抵消，从而保持开关体58悬挂在自由悬浮的位置上。在没有偏置静电力的情况下，开关50也可以用在二位置结构，或双态操作模式中。作为这种结构的一个实例，在默认或“关闭”位置的情况下，闭合第一传输线间隙78和断开第二传输线间隙84。在加电或“打开”位置的情况下，断开第一传输线间隙78和闭合第二传输线间隙84。
开关50由有选择地施加到所期望的静电场极板之一上的控制电压致动。在所选静电场极板与开关体58之间产生的静电力使主体上升或下降，上升或下降取决于给哪个静电场极板加电。例如，如果把电加在第一静电场极板66上，并且假设开关50开始处在中立位置上，那么，将驱使开关体58向下移动，直到开关体58相对两面上的导电表面91与基底下层64上的相应触点76啮合为止，从而闭合第一传输线间隙78，并形成闭路。当以后去掉给第一静电场极板66的加电时，可以通过铰链90偏置、或通过将平衡电荷施加在第一和第二静电场极板66和68二者上，使开关体58返回到中立位置。在每一种情况中，一旦触点76与开关体58上的导电表面分离，第一信号传输线间隙就重新开路。
当给第二静电场极板68加电时，按照相同的方式闭合第二信号传输线80中的间隙。这时，产生的静电力驱使开关体58向上方移动，直到导电表面91与基底上层62上的触点82啮合为止。第二信号传输线80处在闭路状态下，直到去掉给第二静电场极板68的加电，开关体58返回到中立位置为止。还应该注意到，施加到每个静电场极板上的电荷的极性可以相反，从而产生对开关体58的斥力。由一个静电场极板提供的斥力也可以与由另一个静电场极板提供的吸引力一起使用，从而产生推挽致动机理。
还有，作为三位置实施例的可替换选择，可以将开关50构造成二位置模式，即，当一个静电场极板加电时，另一个静电场极板则不加电；反之亦然。按照这种方式，在任意给定时刻，第一和第二信号传输线间隙总是有一个是开路的，但决不会两个同时开路。换言之，开关体58不会静态地保持在中立位置上。
图5还显示了适用于使用悬臂梁的开关结构的另一个实施例。在这个实施例中，主开关体58整个形成在杆臂92的一端上，杆臂92连到在基底内形成的固定柱94上。由于铰链90也用在这种结构中，因此，开关体的重量不完全靠杆臂92支撑。
图6显示了主开关体58的另一个实施例。正如图中所示的，开关体58可以制造成大致圆形的形状100。如此构成的开关体58可以在在基底52内形成的空腔96内垂直向上向下移动，而只有开关体58上的四个切面102才与基底壁摩擦接触。尽管导向柱(未示出)将开关体58保持在空腔96内相对水平的方向上，但在操作时，通孔(未示出)的确允许开关体58作些许的横向漂移。因此，借助于这种圆形设计，开关体58的外缘与形成空腔96的基底壁之间的表面接触最少。
现在参照图7，图7示出制造开关的详细情况。导向柱54通过已知的掩模、沉积、和蚀刻技术，从二氧化硅(SiO2)基底52上形成。诸如类金钢石碳(DLC)或其它同构有机聚合物之类的牺牲层(sacrificial layer)200沉积在基底52，以及导向柱54的侧表面和顶表面上。此后，护面(liner)202沉积在牺牲层200上，以便防止随后沉积在护面202上的电镀铜204的扩散。护面202最好由诸如钛、氮化钛、氮化钽或钨之类的高熔点金属组成。由于铜204的抗腐蚀性很差，因此，如图8所示，磷化钴钨(CoWP，cobalt-tungsten-phosphide)的罩件206非电镀地形成在铜层的顶面上。但是，应该注意到，其它材料也可以用于罩件206，包括氮化钽或镍。利用导向柱54的顶面将罩件206的顶部平面化，接着进行化学机械抛光。然后，DLC的第二牺牲层208沉积在罩件206和导向柱54上。下一步，最好是氮化硅的绝缘材料的顶部罩件210沉积在DLC的第二层208上。
最后，图9显示了除去DLC的牺牲层200、208之后的开关。一旦在顶部罩件210中形成许多孔眼，就在氧化环境下加热开关50，从而使牺牲层200、208被除去，并产生成为废气的二氧化碳和一氧化碳。由此，DLC的除去在开关体58中生成了通孔56，导向柱54通过这些通孔56引导开关体58的垂直移动。
虽然参照优选实施例已经对本发明作了描述，但本领域的普通技术人员应该明白，可以对其作各种各样的改动和用各种各样的等效物替换其中的部件，而不偏离本发明的范围。另外，可以进行许多修改，使特定的情况或材料适应本发明的原理，而不偏离本发明的基本范围。因此，本发明不限于为实现本发明而设计的、作为最佳模式公开的特定实施例，而是，本发明包括落在所附权利要求书的范围之内的所有实施例。
Claims (16)
1.一种微机电开关，包括：
在基底上形成的导向柱；
在基底上形成的信号传输线，所述信号传输线存在间隙，并形成开路；
含有在其中形成的通孔的开关体，所述开关体沿着由所述导向柱限定的长度方向可移动地布置，所述导向柱由所述通孔部分地环绕着；和
在所述基底上形成的静电场极板，所述静电场极板与所述开关体分开、可静电相吸地排列。
2.根据权利要求1所述的微机电开关，其特征在于，所述静电场极板与所述开关体之间的静电吸引力使所述开关体闭合所述信号传输线中的所述间隙。
3.根据权利要求1所述的微机电开关，其特征在于，所述基底包括SiO2基底。
4.根据权利要求1所述的微机电开关，其特征在于，还包括在所述基底上形成的数个导向柱，和所述开关体含有在其中形成的数个相应通孔，所述开关体沿着所述导向柱可移动地布置。
5.根据权利要求1所述的微机电开关，其特征在于，所述开关体包括电镀铜。
6.根据权利要求5所述的微机电开关，其特征在于，所述开关体还包括磷化钴钨(CoWP)绝缘罩件。
7.一种多位置微机电开关，包括：
在基底上形成的数个导向柱；
在所述基底的下层上形成的第一信号传输线，所述第一信号传输线存在第一间隙，形成与之相关联的开路；
在所述基底的上层上形成的第二信号传输线，所述第二信号传输线存在第二间隙，形成与之相关联的开路；和
含有在其中形成的数个通孔的开关体，所述开关体沿着通过所述通孔的所述导向柱可移动地布置。
8.根据权利要求7所述的微机电开关，其特征在于，还包括：
在所述基底的所述下层上形成的第一静电场极板，所述第一静电场极板与所述开关体的底面分开、可静电相吸地排列；和
在所述基底的所述上层上形成的第二静电场极板，所述第二静电场极板与所述开关体的顶面分开、可静电相吸地排列。
9.根据权利要求8所述的微机电开关，其特征在于，所述第一静电场极板与所述开关体的所述底面之间的静电吸引力使所述开关体闭合所述第一信号传输线中的所述第一间隙。
10.根据权利要求8所述的微机电开关，其特征在于，所述第二静电场极板与所述开关体的所述顶面之间的静电吸引力使所述开关体闭合所述第二信号传输线中的所述第二间隙。
11.根据权利要求7所述的微机电开关，其特征在于，还包括一对布置在所述开关体的相对两面上的支撑铰链，所述支撑铰链将所述开关偏置到中立位置上，其中所述第一和第二信号传输线两者中的所述间隙都保持开路。
12.根据权利要求8所述的微机电开关，其特征在于，还包括施加到所述第一和第二静电场极板上的平衡电荷，所述平衡电荷使所述第一静电场极板与所述开关体的所述底面之间的静电吸引力被所述第二静电场极板与所述开关体的所述顶面之间的静电吸引力所抵消。
13.根据权利要求7所述的微机电开关，其特征在于，所述开关体包括电镀铜。
14.根据权利要求13所述的微机电开关，其特征在于，所述开关体还包括磷化钴钨(CoWP)绝缘罩件。
15.根据权利要求7所述的微机电开关，其特征在于，所述开关体为大致长方形形状。
16.根据权利要求7所述的微机电开关，其特征在于，所述开关体为大致圆形形状。
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