專利名稱：使用液態(tài)金屬mems技術(shù)的平面電感的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及平面電感。
背景技術(shù)：
隨著20世紀(jì)80年代顯微機(jī)械加工技術(shù)和微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的引入，已經(jīng)開發(fā)出了許多種機(jī)械致動方法。已經(jīng)使用不同的致動方法和設(shè)計(jì)技術(shù)開發(fā)出了多種不同的微機(jī)械開關(guān)(微型開關(guān))。許多微型開關(guān)的設(shè)計(jì)使用固-固觸頭的開關(guān)，其與大尺寸的機(jī)械開關(guān)具有一些相同的問題，例如開關(guān)觸頭的磨損和信號跳動。已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了各種液態(tài)金屬微型開關(guān)的結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)之間的差異包括用于致動開關(guān)(例如移動液態(tài)金屬滴或“塊”)的機(jī)構(gòu)、為開關(guān)裝載液態(tài)金屬的裝置和技術(shù)以及制造技術(shù)。盡管在各種微型開關(guān)技術(shù)的發(fā)展中已經(jīng)作出了很大的努力，但是很少有重點(diǎn)放在用于使用這些器件的其它電路部件的開發(fā)上。

發(fā)明內(nèi)容
使用MEMS器件設(shè)計(jì)和制造技術(shù)，可以形成液態(tài)金屬電感。
相應(yīng)地，本發(fā)明提供了一種設(shè)備，包括器件襯底；電感通道，所述電感通道由所述器件襯底的一部分至少部分地限定，其中，所述電感通道還包括大致的螺旋形狀和多個(gè)大致平行的通道部分中的至少一種；和液體導(dǎo)體，其布置在所述電感通道中。
本發(fā)明還提供了一種方法，包括設(shè)置第一襯底；在所述第一襯底中形成至少一部分電感通道，其中，所述電感通道進(jìn)一步包括大致的螺旋形狀和多個(gè)大致平行的通道部分中的至少一種；將液體置于所述電感通道的所述至少一部分中。


圖1A-1B圖示根據(jù)本發(fā)明的液態(tài)金屬電感的兩個(gè)不同的視圖。
圖2A-2B圖示根據(jù)本發(fā)明的另一種液態(tài)金屬電感的兩個(gè)不同的視圖。
圖3A-3B圖示根據(jù)本發(fā)明的另一種液態(tài)金屬電感的兩個(gè)不同的視圖。
圖4A-4C圖示根據(jù)本發(fā)明能夠用于增強(qiáng)液態(tài)金屬電感的性能的幾種技術(shù)。
具體實(shí)施例方式
以下詳細(xì)描述了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的最優(yōu)方式。該描述意圖說明本發(fā)明而不應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為是對本發(fā)明的限制。
在該申請中，會說到本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的各種MEMS器件制造工藝和技術(shù)。許多這些工藝和技術(shù)可以借鑒半導(dǎo)體器件制造技術(shù)，例如光刻技術(shù)、薄膜沉積和生長技術(shù)、蝕刻處理等，而其它技術(shù)專門針對于MEMS應(yīng)用進(jìn)行了開發(fā)和/或改進(jìn)。此外，現(xiàn)在描述的器件和技術(shù)集中于液態(tài)金屬在電感中的使用。合適的液態(tài)金屬的示例包括汞、鎵合金和銦合金(例如Galinstan或GaInSn)。具有可接受的導(dǎo)電性、穩(wěn)定性和表面張力性質(zhì)的合適的液態(tài)金屬的其它示例對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是公知的。在其它示例中，現(xiàn)在描述的器件和技術(shù)可以與其它導(dǎo)電液體結(jié)合使用以產(chǎn)生電感。
圖1A-4C圖示了液態(tài)金屬電感的幾個(gè)不同實(shí)施例以及用于構(gòu)造電感并將液態(tài)金屬輸送到電感中的對應(yīng)的特征。在圖示的每個(gè)示例中，電感腔被設(shè)計(jì)為在形成腔之后用液態(tài)金屬進(jìn)行填充。在許多情況下，直到兩個(gè)分離的結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起才完成腔的形成。例如，各種電極、加熱器、絕緣體、腔部和其它電路/MEMS器件可以使用傳統(tǒng)的半導(dǎo)體處理技術(shù)制造在第一半導(dǎo)體晶片(例如硅)上。腔結(jié)構(gòu)的其它部分(例如腔頂、蓋或外殼)可以制造在第二晶片上，并且兩個(gè)晶片被對準(zhǔn)并結(jié)合以形成完整的結(jié)構(gòu)。可以使用各種公知的晶片結(jié)合技術(shù)，例如陽極結(jié)合、熔接結(jié)合、玻璃燒結(jié)、粘結(jié)劑結(jié)合、共熔結(jié)合、微波結(jié)合、熱壓結(jié)合和焊接結(jié)合。盡管根據(jù)本發(fā)明的示例重點(diǎn)在于由兩個(gè)分離的結(jié)合層形成的器件，但是充分封閉的電感腔可以制造在單個(gè)晶片上，因此現(xiàn)在描述的器件和技術(shù)具有等同的應(yīng)用性。
圖1A圖示液態(tài)金屬電感100的局部俯視圖，圖1B中示出剖視圖。液態(tài)金屬電感100由兩個(gè)分離的材料層150和160形成。在這種情況下，每個(gè)材料層150和160是已經(jīng)結(jié)合在一起的分離的晶片(或其部分)。為了簡化說明，圖中省略了用在裝載和操作液態(tài)金屬電感中的許多結(jié)構(gòu)和特征，例如各個(gè)附加的電極、開口、電路等。液態(tài)金屬電感100是通過用液態(tài)金屬或其它充分導(dǎo)電的液體填充大致螺旋形的通道或腔105形成的。在此示例中，螺旋形是通過一起形成連續(xù)通道的多個(gè)平行和垂直(或者至少大致平行和垂直)的通道部分近似的。因?yàn)榇送ǖ赖拇笾侣菪?，所以，多個(gè)通道部分的長度不同，并且可以制造各種不同的拐角形狀和特征。在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，液態(tài)金屬電感100被用于與液態(tài)金屬微型開關(guān)結(jié)合，由此可以使用相同類型的液態(tài)金屬材料來制造電感。液態(tài)金屬100填充電感通道105，在兩個(gè)端部處與電極115和120電接觸。電極115和120根據(jù)需要適當(dāng)?shù)伛詈系狡渌娐吩?未示出)。例如，材料層160中附加的金屬跡線可以將電感100電連接至其它的無源和/或有源電路部件。如以下更詳細(xì)描述的，液態(tài)金屬電感100的感應(yīng)系數(shù)主要依賴于通道的匝數(shù)、尺寸和形狀、使用的液態(tài)金屬的類型以及周圍材料的特征(例如電介質(zhì)特性)。
電極115和120形成為至少部分延伸到通道105中，并與液態(tài)金屬110電接觸。電極115和120可以由與周圍材料和制造技術(shù)相容的任意合適的導(dǎo)體(一種或多種)來制造。例如，基于對用于液態(tài)金屬110的材料的選擇，需要選擇一些導(dǎo)體用于電極115和120，使得它們不會被容易地吸收或者與液態(tài)金屬混合。此外，盡管示出相對于通道寬度具有特定的尺寸和特定的形狀，但是可以使用各種尺寸和形狀來形成電極115和120，如本領(lǐng)域技術(shù)人員所能夠理解的。一般來說，只要電極提供了充分的電耦合至電感的液態(tài)金屬體，它們就能起到自己的作用。
液態(tài)金屬電感100還包括入口125和排氣口130，入口125和排氣口130形成在材料層150中作為通道105的一部分或耦合到通道105。這些特征使得能夠?qū)⒁簯B(tài)金屬引入到通道105中，并且能夠在通道的整個(gè)長度上輸送液態(tài)金屬。流體通道105提供了液態(tài)金屬可以沿著其引入并輸送的路徑。除了入口125和排氣口130，這些通道或腔通常由壁在各個(gè)側(cè)面上包圍。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的，各種不同的技術(shù)(例如氣相沉積、噴嘴噴射等)可以用于將液態(tài)金屬110放在通道105中，還可以包括各種附加的器件特征(例如附加的開口、裝載存儲器、加熱器等)以輔助這些過程。由此，根據(jù)設(shè)計(jì)和制造選擇，可以在材料層150和160結(jié)合到一起之前或之后，用液態(tài)金屬填充液態(tài)金屬電感100。
盡管根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，多種液態(tài)金屬電感使用排氣口結(jié)構(gòu)用于用液態(tài)金屬填充器件，但是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例不使用排氣口，由此液態(tài)金屬電感100可以不形成排氣口130。將液態(tài)金屬裝載到通道105中的過程可以被設(shè)計(jì)為考慮沒有與腔相關(guān)的單獨(dú)排氣口的問題。在一個(gè)示例中，在真空中抽吸通道105，由此去除了通道中的一些或所有氣體。然后器件作為整體(例如結(jié)合的晶片)或者器件的封閉部分(例如由至少包圍入口125的歧管所限定的)也將在真空下經(jīng)歷液態(tài)金屬浴。然后升高液態(tài)金屬浴的壓力(例如返回至大氣壓力)，通過沿著通道產(chǎn)生壓力梯度，以強(qiáng)迫液態(tài)金屬進(jìn)入通道105。該壓力梯度強(qiáng)迫液態(tài)金屬進(jìn)入腔而不需要出氣口。
在用適當(dāng)量的液態(tài)金屬填充通道105的過程中使用一個(gè)或多個(gè)排氣口來提供適當(dāng)?shù)膲毫μ荻鹊哪切?shí)施例中，，排氣口可以在器件上與入口125相同的一側(cè)(相同材料層的部分)開口，如圖所示，或者其可以位于器件的相對側(cè)上(例如穿過材料層160)。排氣口130通常小于通道105(至少在橫截面積上)，以減小在填充電感的過程中或者在后續(xù)操作中液態(tài)金屬能夠從排氣口130逃離的機(jī)會。由此，因?yàn)樵谂艢饪?30與通道105的交匯點(diǎn)處減小的橫截面積，假設(shè)表面是非潤濕性的，則通常需要較大的壓力以強(qiáng)迫通道中的液態(tài)金屬進(jìn)入并通過排氣口130。但是，如本領(lǐng)域技術(shù)人員所能理解的，即使相對較小的排氣口也能夠提供用于通道填充過程的足夠壓力梯度。
此外，需要或者必要的是在液態(tài)金屬裝載到電感中之后堵塞或密封入口125和/或排氣口130。這樣的堵塞幫助防止液態(tài)金屬的蒸發(fā)和污染。在一些實(shí)施例中，與用于電感的液態(tài)金屬相同的液態(tài)金屬單獨(dú)或者與其它材料形成的合金可以用作塞子。在其它實(shí)施例中，還可以使用半固體或非常高粘度的材料(例如蠟、玻璃等)、焊料或結(jié)合的覆蓋層。在其它實(shí)施例中，可以沉積材料(例如通過化學(xué)氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD)和原子層沉積(ALD))以堵塞入口/排氣口。
由此，多種不同的技術(shù)可以用于在電感通道中提供適當(dāng)量的液態(tài)金屬。上述的用于液態(tài)金屬裝載的這些裝置和技術(shù)的其它示例可以在美國專利申請No.11/130,846中找到，該專利申請轉(zhuǎn)讓給本申請的受讓人。在根據(jù)本發(fā)明的另一種技術(shù)中，液態(tài)金屬被電鍍在特殊形成的接收表面上(例如汞被電鍍在銥薄膜上)。在根據(jù)本發(fā)明的另一種技術(shù)中，使用選擇的濃度在特定的成核位置上沉積液態(tài)金屬蒸氣(例如在金成核位置上的汞蒸氣)。在其它技術(shù)中，液態(tài)金屬通過噴嘴噴灑在表面上。在另一種技術(shù)中，使用的金屬通常僅在裝載過程中處于液態(tài)。例如，可以在比金屬或合金處于液態(tài)的正常操作溫度高的溫度下裝載器件。一旦裝載到電感通道中，允許冷卻液態(tài)金屬以在合適的位置使金屬凝固。
圖示的流體通道和排氣口的幾何形狀也可以根據(jù)若干參數(shù)而改變。這些路徑可以具有各種不同的長度、橫截面形狀、橫截面面積等。路徑通?？梢愿鶕?jù)需要在腔的任何表面處耦合至對應(yīng)的電感腔。路徑可以是直的(例如通過孔或過孔)，具有一匝或多匝(以不同的角度)，或者甚至被彎曲或具有特定的輪廓。圖1A-1B中所示的路徑大致共面，但是并不必然是這種情況。簡言之，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到關(guān)于這里所描述的排氣口和流體通道的形狀、尺寸和位置的各種變化。
因?yàn)榭刂埔簯B(tài)金屬110在通道105中的位置對于適當(dāng)?shù)夭僮麟姼?00是很重要的，所以各種材料特征、裝置和技術(shù)可以用于控制通道105的不同部分的潤濕性，由此來影響液態(tài)金屬的流動特性。例如，通道105的一個(gè)或多個(gè)表面可以包括能夠改變和/或限定液態(tài)金屬110和通道105之間的接觸角的一個(gè)或多個(gè)限定的區(qū)域。接觸角(有時(shí)稱作潤濕角)是液體對固體潤濕的量化測量。在幾何上其被定義為液體在液相、氣相和固相交叉的三相邊界處形成的角度。接觸角是液體的表面張力和襯底的表面自由能的函數(shù)。一般來說，導(dǎo)電液體和與其接觸的表面之間的接觸角在0°-180°的范圍內(nèi)，并依賴于形成滴的材料、與滴接觸的表面的材料，并特別與液體的表面張力相關(guān)。當(dāng)?shù)谓佑|被稱為相對非潤濕性或較低潤濕性的表面時(shí)形成高接觸角。更加潤濕性的表面對應(yīng)于比較低潤濕性表面更低的接觸角。中間接觸角是能夠通過選擇覆蓋與滴接觸的表面的材料來限定的，并通常是分別對應(yīng)于非潤濕性和潤濕性表面的高接觸角和低接觸角之間的角度。
例如，可能需要防止液態(tài)金屬110容易地行進(jìn)至過度靠近入口125。由此，通道105的部分可以被限定為潤濕性、非潤濕性或具有中間接觸角。通道105的靠近入口125的部分可以具有較低潤濕性或者是非潤濕性的，以防止液態(tài)金屬110進(jìn)入這些區(qū)域，并且可以防止液態(tài)金屬110逃離通道或者防止氣泡進(jìn)入液態(tài)金屬(例如將液態(tài)金屬分成兩個(gè)或多個(gè)分離的部分)的可能性的增加。如本領(lǐng)域技術(shù)人員會知道的，通過謹(jǐn)慎地選擇表面材料、表面特征，并通過使用諸如電潤濕(以下詳細(xì)描述)之類的其它技術(shù)，至少可以部分地控制表面潤濕性。例如，諸如二氧化硅(SiO2)或氮化硅(SiN)之類的各種電介質(zhì)、金屬和其它材料可以用于控制表面潤濕性。但是，在沿著流體路徑的一些位置處，可能需要具有潤濕性的局部區(qū)域以增強(qiáng)液態(tài)金屬在特定時(shí)刻(例如在液態(tài)金屬填充過程中)的運(yùn)動。由此，一些位置(未示出)可能包含潤濕性的表面涂層和/或其它特征(例如下述的用于電潤濕的電極135)以增強(qiáng)潤濕性。至少對于器件中使用的液態(tài)金屬調(diào)整潤濕性還可以幫助建立需要的毛細(xì)作用力(例如電介質(zhì)表面通常對于液態(tài)金屬是非潤濕性的，而金屬表面通常是潤濕性的)和用在電感中的液態(tài)金屬的接觸角。
電極135通常例如使用中間絕緣層等絕緣于與液態(tài)金屬110的直接電接觸，并用于電潤濕，例如用于裝載液態(tài)金屬，用于限制液態(tài)金屬的運(yùn)動等。作為電潤濕效果的示例，將液滴置于非潤濕表面上引起滴保持高接觸角。如果液滴是可被極化的和/或至少是略微導(dǎo)電的，那么在滴和滴之下的被絕緣的電極之間施加的電勢會減小滴與其位于上面的表面之間的接觸角。減小滴的接觸角提高了相對于表面的潤濕性。由于靜電力試圖增加電容和儲存在滴/絕緣體/電極系統(tǒng)中的能量，由此發(fā)生接觸角的減小。該效果依賴于若干因素，這些因素包括施加的電壓(也因此包括電極構(gòu)造)、絕緣體參數(shù)(例如厚度和介電常數(shù))以及液滴性質(zhì)。但是，利用適當(dāng)選擇的系統(tǒng)性質(zhì)，能夠?qū)崿F(xiàn)相對大且可逆的接觸角變化。在根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例中，一些電極可以接地，而另一些保持在較高的電壓。在根據(jù)本發(fā)明的另一些實(shí)施例中，可以對電極交替供電而不使用接地電極。此技術(shù)通常需要控制電極間距充分小于液態(tài)金屬滴的尺寸。除了影響滴所處位置的局部潤濕性，電場的施加(例如在滴的一側(cè)上)能夠在液態(tài)金屬滴上引入力，因此引起致動。
電極135的尺寸和形狀僅是示例性的，并且可以使用各種不同的電極尺寸和形狀。在材料層160中或者在材料層150中可以包括附加的電極以支持一些電潤濕構(gòu)造。也可以采用許多其它的電極布置。例如，接地電極可以與液態(tài)金屬絕緣或者與液態(tài)金屬直接電接觸。接地電極可以放在與控制電極相同的材料層上。此外，兩個(gè)材料層都可以包含控制電極，例如面對的電極對，當(dāng)受激時(shí)具有相反的極性。一般來說，只要液態(tài)金屬滴的電勢不同于電極中的至少一個(gè)，就可以實(shí)現(xiàn)這樣的致動。由此，電潤濕器件和技術(shù)可以與描述的任何電感結(jié)合使用。
盡管諸如電感100之類的電感可以形成各種纏繞形狀，但是圖1A-1B中所示的平面螺旋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通常是最容易實(shí)現(xiàn)的。注意圖1A-4C的電感在形狀上是大致螺旋形的，但是根據(jù)本發(fā)明在此螺旋形狀上可以進(jìn)行各種變化。例如，通道105可以被制造為具有彎曲的壁，而不是圖示的直的壁，由此更加接近真實(shí)的螺旋形狀。類似地，六邊形或八邊形可以用于更加接近地模仿真實(shí)的螺旋。其它形狀對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說也會是公知的。
盡管電感通常單獨(dú)以其感應(yīng)系數(shù)(或感應(yīng)反作用)來表征，但是電感性能的常用的測量是其品質(zhì)因子或Q值。對于平面電感，品質(zhì)因子與電感的感性系數(shù)或感應(yīng)反作用成正比例，而與電感的阻抗成反比例。一般來說，Q值越高，電感越好，并且更加適合于各種應(yīng)用。因?yàn)殡姼械母袘?yīng)反作用和各種阻抗影響(導(dǎo)線趨膚效應(yīng)、輻射損耗、渦流和磁滯)隨頻率變化，所以當(dāng)特定于特定的操作頻率時(shí)Q值是最有意義的。
電感100的感應(yīng)系數(shù)通常由導(dǎo)體(液態(tài)金屬110)的整體長度和平面電感的匝數(shù)來決定。匝間電容也可以影響電感性能，因此可以選擇電感匝的分離以減小或最小化寄生電容。電感性能還可以通過采取減小電感阻抗的步驟來提高。例如，可以選擇較低阻抗的液態(tài)金屬。此外，可以設(shè)計(jì)通道105的尺寸和形狀(由此設(shè)計(jì)限制在其中的液態(tài)金屬)來減小阻抗。對于平面電感，通過電感流動的電流通常被推到線圈繞組的外側(cè)邊緣(相對于線圈的中心)。當(dāng)電流聚集在外側(cè)邊緣時(shí)，增加通道的寬度(例如圖1A中所觀察到的橫截面)通常不會減小阻抗或提高Q。但是，增加導(dǎo)體厚度(例如圖1的橫截面中所觀察到的高度)通常會減小阻抗并提高Q。由此，通過將通道橫截面的縱橫比增加為例如圖示的2/1縱橫比或者甚至更大的例如3/1或4/1縱橫比，可以提高電感100的性能。與使用更加傳統(tǒng)的半導(dǎo)體處理技術(shù)制造的導(dǎo)體相比，對于液態(tài)金屬導(dǎo)體，導(dǎo)體厚度相對容易增加。電感100的性能還將依賴于電感形成于其上的襯底的損耗和寄生效應(yīng)。在某種程度上，通過限制電感所使用的區(qū)域可以限制這些影響，但是如以下結(jié)合圖4A-4C所觀察到的，各種其它的技術(shù)可以用于減小由于電感襯底中感生的渦流而引起的損耗。
電感100的制造可以使用各種半導(dǎo)體和MEMS制造技術(shù)。在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，材料層160是硅晶片襯底，其包括通常利用薄膜半導(dǎo)體晶片處理技術(shù)施加的多個(gè)材料層特征(未示出)。例如通過使用薄膜沉積技術(shù)和/或薄膜篩濾技術(shù)，襯底160可以用電介質(zhì)材料或其它材料層完全或部分覆蓋，可以包含單層或多層電路襯底。例如，電極135可以是隨后被電介質(zhì)層覆蓋的沉積金屬層。還可以沉積金屬或其它材料，來輔助將襯底160結(jié)合到材料層150，其中材料層包含通道壁和入口特征并用作用于器件的蓋。還可以將金屬材料沉積或以其他方式施加到材料層150以根據(jù)需要形成電極或其它特征。材料層150可以是晶片或玻璃，例如Pyrex，或諸如硅的其它材料。將材料層150結(jié)合至襯底160還可以利用上述結(jié)合技術(shù)中的任意一種來完成。例如，兩層可以利用陽極結(jié)合來連接，在這種情況下，一個(gè)或兩個(gè)層的一些區(qū)域(未示出)可能包含無定形硅或多晶硅層以幫助結(jié)合。還可以設(shè)置合適的輸出觸頭(用于連接至其它電路)。在根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例中，電感100與各種其它電路元件集成在一起。
液態(tài)金屬電感100提供了根據(jù)本發(fā)明的基本電感設(shè)計(jì)的一個(gè)示例。圖2A-4C圖示了液態(tài)金屬電感的幾個(gè)不同的實(shí)施例。在圖示的每個(gè)示例中，器件中的通道被設(shè)計(jì)為包含液態(tài)金屬，該液態(tài)金屬用于形成電感的中間導(dǎo)體。以下描述這些其它實(shí)施例。但是，在上文中描述的電感100的至少一些設(shè)計(jì)變化、材料選擇、制造技術(shù)和相關(guān)的電感特征可以應(yīng)用到圖2A-4C中所示的各種電感。因此，以下為了清楚的目的不再重復(fù)許多這些設(shè)計(jì)和制造變化。
圖2A圖示了另一種液態(tài)金屬電感200的局部俯視圖，圖2B示出了剖視圖。液態(tài)金屬電感200是由兩個(gè)分離的材料層250和260形成的，例如已經(jīng)被結(jié)合在一起的兩個(gè)分離的晶片(或其部分)。為了簡化描述，圖中省略了用于裝載和操作液態(tài)金屬電感的許多結(jié)構(gòu)和特征，例如各種附加的電極、排氣口、電路等。液態(tài)金屬電感200具有與電感100相同的大致螺旋形狀。由此，電感通道205用液態(tài)金屬210或其它充分導(dǎo)電的液體填充。與電感100相反，液態(tài)金屬電感200具有沿著通道205的底部形成并與液態(tài)金屬210電接觸的連續(xù)電極215。根據(jù)需要，一個(gè)或多個(gè)襯底跡線(例如270)將電感200耦合到其它電路元件(未示出)。電極215可以由與周圍材料和制造技術(shù)相容的任何合適的導(dǎo)體(一種或多種)制造。例如，基于用于液態(tài)金屬210的材料的選擇，可能需要對電極215選擇一些導(dǎo)體，使得它們不容易被液態(tài)金屬吸收或與液態(tài)金屬混和。此外，盡管示出相對于通道寬度具有特定的尺寸和形狀，但是可以利用各種尺寸和形狀來形成電極215，如本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的。
除了提供電接觸至液態(tài)金屬210外，電極215還作為電感的一部分?jǐn)y帶電感電流。因?yàn)殡姌O215是金屬的，所以其可以提供用于通道205的潤濕性底部，由此使液態(tài)金屬210容易裝載到通道205中。在根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例中，通過通道的改進(jìn)的潤濕性所增加的毛細(xì)作用力可以足以裝載通道，例如不需要施加的壓力。盡管示出的電極215僅在通道205的底部上，但是在根據(jù)本發(fā)明的其它實(shí)施例中，電極205在通道的多個(gè)表面上，例如至少部分地在通道的由材料層250所形成的側(cè)壁和/或頂部上。
液態(tài)金屬電感200還包括在材料層250中形成作為通道205的一部分或耦合到通道205的入口225和排氣口230。這些特征使得能夠?qū)⒁簯B(tài)金屬引入到通道205中，并且在通道的整個(gè)長度上運(yùn)送。如上所述，各種技術(shù)(例如氣相沉積、噴嘴噴射等)可以用于將液態(tài)金屬210放在通道205中，并且可以包括各種附加的器件特征(例如附加的排氣口、裝載存儲器、加熱器、電潤濕電極、表面特征等)以輔助該過程。
圖3A圖示另一個(gè)液態(tài)金屬電感300的局部俯視圖，圖3B示出剖視圖。液態(tài)金屬電感300由兩個(gè)分離的材料層350和360形成，例如已經(jīng)結(jié)合在一起的分離的晶片(或其部分)。為了簡化說明，圖中省略了用于裝載和操作液態(tài)金屬電感的許多結(jié)構(gòu)和特征，例如各種附加的電極、排氣口、電路等。液態(tài)金屬電感300具有與電感100相同的大致螺旋形狀。由此，電感通道305包含液態(tài)金屬310或其它充分導(dǎo)電的液體。液態(tài)金屬310與電極315-318和320中的至少兩個(gè)電接觸。電感300包括多于三個(gè)的電極，使得可以通過限制通道310中液態(tài)金屬的量，或完全充滿通道但是選擇性地選擇表面電感線圈端部的兩個(gè)電極由此選擇線圈長度，由此來調(diào)整感應(yīng)系數(shù)。因此，如圖3A-3B所示，液態(tài)金屬不必完全充滿通道305，而是可以僅填充通道305大約至電極316的位置。液態(tài)金屬310與兩端的電極(316和320)接觸，并且還與中間電極317和318接觸。電極315-318和320中的每個(gè)都根據(jù)需要適當(dāng)?shù)剡B接到其它電路元件(未示出)。在圖示的示例中，電極315-318彼此電連接(通過跡線370)，因?yàn)槊恳粋€(gè)都潛在地是電感的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，而電極320作為電感的另一個(gè)節(jié)點(diǎn)。
電極315-318和320可以由與周圍材料和制造技術(shù)相容的任何合適的導(dǎo)體(一種或多種)制造。例如，基于用于液態(tài)金屬310的材料的選擇，可能需要選擇一些電極材料，使得它們不容易被液態(tài)金屬吸收或與液態(tài)金屬混和。此外，盡管示出相對于通道寬度具有特定的尺寸、形狀和位置，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解電極315-318和320可以具有多種不同的實(shí)施方式(例如數(shù)量、尺寸位置、形狀等變化)。
如上所述，各種表面材料、表面特征、電極等可以用于調(diào)整通道305的表面的不同位置處的潤濕性。在圖3A-3B中，包括一系列電潤濕電極340以增強(qiáng)液態(tài)金屬裝載和/或?qū)⒁簯B(tài)金屬限定到通道305的特定區(qū)域。盡管僅示出在電極315和316之間，但是這樣的電極通常可以位于沿著通道305的任何位置(例如沿著通道305連續(xù)，位于通道拐角中，僅靠近電極定位等)，可以使用各種不同的電極構(gòu)造，并可以形成各種形狀和尺寸，如本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的。電潤濕電極還可以包括用于其它目的的電極，例如電極315-318和320(例如用于在電潤濕過程中使液態(tài)金屬接地)。液態(tài)金屬電感300還包括形成在材料層350中作為通道305的一部分或耦合到通道的入口325和排氣口330。這些特征使得能夠?qū)⒁簯B(tài)金屬引入到通道305中，并且在通道的整個(gè)長度上運(yùn)送。如上所述，各種技術(shù)(例如氣相沉積、噴嘴噴射等)可以用于將液態(tài)金屬310放在通道305中，并且可以包括各種附加的器件特征(例如附加的排氣口、裝載存儲器、加熱器、電潤濕電極、表面特征等)以輔助該過程。
如上所述，與平面電感相關(guān)的襯底損耗造成了能量損耗并因此減小了品質(zhì)因子Q。襯底損耗通常是由襯底中感生的渦流所導(dǎo)致的(例如由于流過電感金屬至襯底電容的電流和通過電感的變化的磁場在襯底中產(chǎn)生的電流所引起的I2R損耗)。用于減小渦流損耗的一些技術(shù)包括縮短襯底、使用接地屏蔽和增大襯底阻抗。圖4A-4C圖示用于增加液態(tài)金屬電感形成于其上的襯底的有效阻抗的幾種技術(shù)。
或許最簡單的技術(shù)是使用固有的高阻抗或絕緣襯底，例如高阻抗硅、藍(lán)寶石、氧化鋁或諸如Pyrex之類的玻璃。但是，這些高阻抗材料的使用不能很好地適合于用于形成液態(tài)金屬平面電感的其它制造過程。圖4A圖示了液態(tài)金屬電感400，其由兩個(gè)結(jié)合的晶片405和415形成，并且具有提供用于電感的導(dǎo)體的液態(tài)金屬410。此處，通過去除襯底的部分，減小了襯底415(例如硅晶片)在位于電感線圈之下的區(qū)域中的有效阻抗。因此，光刻構(gòu)圖和蝕刻技術(shù)(濕式或干式)被用于制造電感線圈之下的腔420。以此方式，通過例如在后處理步驟中去除下面的硅消除了大量的襯底損耗。
圖4B圖示沒有那么顯著、而是結(jié)構(gòu)也許更加穩(wěn)定的方法。此處，液態(tài)金屬電感430由兩個(gè)結(jié)合的晶片445和435形成，并且?guī)в性O(shè)置用于電感的導(dǎo)體的液態(tài)金屬440。不是在電感之下完全蝕刻形成腔，而是選擇性地蝕刻電感線圈之下的區(qū)域以形成許多間隙450。盡管圖示的橫截面示出蝕刻的區(qū)域可以在電感線圈的整個(gè)寬度(也就是進(jìn)出紙面)上延伸，但也可以不是這種情況。由此，蝕刻和非蝕刻區(qū)域的交替圖案可以提供減小的渦流，而仍然保持襯底445的結(jié)構(gòu)完整性。在圖示的示例中，蝕刻區(qū)域的間距通常小于電感線寬度，但是也可以不是這種情況。此外，圖示的示例在蝕刻區(qū)域的位置和電感線圈部分的位置之間沒有提供特殊的關(guān)系，但是更多限定的圖案對于一些實(shí)施方式可能更加有益。因?yàn)殡姼芯€圈的部分例如可以平行于紙面，蝕刻的區(qū)域(未示出)還可以遵循電感線圈的大致區(qū)域。間隙450可以使用各種技術(shù)來形成，例如深度反應(yīng)性離子蝕刻處理，例如公知的Bosch工藝。
最后，圖4C使用多孔硅480的區(qū)域來增大電感線圈下方的阻抗。因此，類似于前述實(shí)施例，液態(tài)金屬電感460由兩個(gè)結(jié)合的晶片465和475形成，并且?guī)в刑峁┯糜陔姼械膶?dǎo)體的液態(tài)金屬470。但是，硅襯底475的一部分被預(yù)處理或者后處理以形成多孔的硅區(qū)域480。多孔的硅(包括諸如氧化的多孔硅的各種形式)通常是通過在例如稀釋的HF水溶液或者HF乙醇溶液(通常因?yàn)楣璞砻嫔系奈g刻劑的增大的潤濕性而使用)之類的氫氟酸(HF)溶液中電化學(xué)蝕刻或者電化學(xué)陽極氧化硅晶片來制造的。帶有不同陽極/陰極構(gòu)造的各種陽極氧化的布置，例如恒電勢(電壓控制)或恒電流(電流控制)對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說會是公知的。此外，可以通過改變施加的電流密度來調(diào)整陽極氧化過程。該調(diào)整導(dǎo)致控制多孔硅的微結(jié)構(gòu)和孔隙率沿著生長方向而變化。形成多孔硅的另一種技術(shù)是用HF-HNO3溶液進(jìn)行的染色腐蝕或化學(xué)腐蝕(沒有電流)。蝕刻之后通常是干燥步驟和氧化步驟以提供需要的材料性質(zhì)。根據(jù)本發(fā)明的各種其它技術(shù)可以用于減小與電感的襯底相關(guān)的不需要的損耗。
本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)容易認(rèn)識到各種不同類型的部件和材料可以用于替換上述的部件和材料。此外，在這里提出的根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的描述是示例性的，而不意圖限制由權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的范圍。在不脫離由權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的范圍和精神的情況下，可以基于這里的描述對這里公開的實(shí)施例進(jìn)行各種修改。
權(quán)利要求
1.一種設(shè)備，包括器件襯底(150，160)；電感通道(105)，所述電感通道由所述器件襯底的一部分至少部分地限定，其中，所述電感通道還包括大致的螺旋形狀和多個(gè)大致平行的通道部分中的至少一種；和液體導(dǎo)體(110)，其布置在所述電感通道中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，還包括至少一個(gè)電極(115，120)，所述至少一個(gè)電極至少部分地暴露至所述電感通道的表面，其中，所述至少一個(gè)電極能夠?qū)⑺鲆后w導(dǎo)體耦合到其它電路元件。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中，至少部分地暴露至所述電感通道的表面的所述至少一個(gè)電極進(jìn)一步包括多個(gè)電極，其中，所述多個(gè)電極中的至少兩個(gè)(315，316)可交替地選擇，以改變布置在所述電感通道中的所述液體導(dǎo)體的感應(yīng)系數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，還包括至少一個(gè)電極(135)，其位于所述電感通道的表面附近，并被構(gòu)造為影響所述電感通道的表面的至少一部分的潤濕性。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，還包括結(jié)合到所述器件襯底的第二器件襯底(150，160)，其中，所述第二器件襯底的一部分進(jìn)一步限定了所述電感通道。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，還包括蝕刻的區(qū)域(420，450，480)，所述蝕刻的區(qū)域位于所述電感通道的至少一部分之下，其中，所述蝕刻的區(qū)域形成在所述器件襯底和結(jié)合到所述器件襯底的第二器件襯底中的至少一個(gè)中，并且其中，所述蝕刻的區(qū)域具有比所述器件襯底和所述第二器件襯底中的所述至少一個(gè)的周圍部分高的阻抗。
7.一種方法，包括設(shè)置第一襯底在所述第一襯底中形成至少一部分電感通道，其中，所述電感通道進(jìn)一步包括大致的螺旋形狀和多個(gè)大致平行的通道部分中的至少一種；將液體置于所述電感通道的所述至少一部分中。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，將液體置于所述電感通道的至少一部分中進(jìn)一步包括以下步驟中的至少一個(gè)將液體電鍍到所述電感通道的表面上；在所述電感通道的表面上凝結(jié)蒸氣；和將部分液體噴射到所述電感通道中。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法或者根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述液體進(jìn)一步包括以下材料中的至少一種導(dǎo)電液體、液態(tài)金屬和液態(tài)金屬合金。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，還包括形成至少部分地延伸到所述電感通道中的至少一個(gè)電極。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用MEMS器件設(shè)計(jì)和制造技術(shù)形成液態(tài)金屬電感(100，200，300)。這種電感器件包括襯底(150，160)；電感通道(105)，所述電感通道由所述器件襯底的一部分至少部分地限定，其中，所述電感通道還包括大致的螺旋形狀和多個(gè)大致平行的通道部分中的至少一種；和液體導(dǎo)體(110)，其布置在所述電感通道中。根據(jù)常用的制造技術(shù)，可以將液態(tài)金屬電感與一些MEMS微型開關(guān)更容易地集成。
文檔編號H01F41/00GK1971776SQ20061012799
公開日2007年5月30日 申請日期2006年9月1日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月21日
發(fā)明者蒂莫西·貝凌 申請人:安捷倫科技有限公司