專利名稱：微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及一種開關(guān)，尤其是涉及微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)。
背景技術(shù)：
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)使用微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)開關(guān)比傳統(tǒng)的固態(tài)開關(guān)更具優(yōu)勢。例如，已經(jīng)發(fā) 現(xiàn)MEMS開關(guān)具有高功效、低插入損耗以及優(yōu)良的電絕緣性。MEMS開關(guān)是使用機(jī)械運(yùn)動以實現(xiàn)電路中的短路(連接)或開路(斷開)的裝置。 可使用諸如靜電的、磁的、壓電的或熱的致動等各種類型的致動機(jī)構(gòu)來獲得機(jī)械運(yùn)動所需 的力。靜電致動的開關(guān)已被證明具有高可靠性和晶片規(guī)模的制造技術(shù)。這種MEMS開關(guān)的 構(gòu)造和設(shè)計已在不斷地改進(jìn)。諸如關(guān)態(tài)電壓(開關(guān)的觸點(diǎn)之間)和吸合電壓(致動器和觸點(diǎn)之間)的開關(guān)特征 在MEMS開關(guān)的設(shè)計中被考慮。典型地，在努力獲得更高的關(guān)態(tài)電壓時，出現(xiàn)吸合電壓降低 的矛盾的特性。傳統(tǒng)上，增加梁厚度和間隙尺寸能提高關(guān)態(tài)電壓。然而，這也增加了吸合電 壓且這是不期望的。存在著對改進(jìn)的MEMS開關(guān)的需求，該MEMS開關(guān)具有相當(dāng)高的關(guān)態(tài)電壓并同時具 有相當(dāng)?shù)偷奈想妷?，且不需要開關(guān)設(shè)計的額外復(fù)雜性。

發(fā)明內(nèi)容
簡單來說，提出了一種具有電路徑的微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)。該開關(guān)包括第一部分和第 二部分。當(dāng)開關(guān)處于打開位置(或處于閉合位置，取決于開關(guān)架構(gòu))時，第二部分相對于第 一部分而偏移至零重疊位置。該開關(guān)還包括用于移動第一部分和第二部分使其接觸的致動器o在一個實施例中，提出了一種產(chǎn)生或斷開電連接的裝置。該裝置包括致動器和承 載電流的懸臂梁。該裝置還包括承載電流的終端，其中，終端相對于懸臂梁而設(shè)置在零重疊 位置。在一個實施例中，提出了一種具有電路徑的微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)。該開關(guān)包括第一部 分和第二部分，其中，第二部分相對于第一部分而偏移至零重疊位置。該開關(guān)還包括致動 器，該致動器用于移動第一部分和第二部分使其在致動時接觸，或在致動解除時分離。在一個實施例中，提出了一種具有電路徑的開關(guān)。該開關(guān)包括第一部分和第二部 分，其中，第二部分相對于第一部分而偏移至零重疊位置。第二部分相對于第一部分而設(shè)置 在平面內(nèi)。提供了用于移動第一部分和第二部分使其接觸的致動器。在一個實施例中，提出了具有電路徑的開關(guān)。該開關(guān)包括第一梁和第二梁，其中， 第二梁相對于第一梁而偏移至零重疊位置。第一梁從上基板懸停。提供了用于移動第一梁 和第二梁以產(chǎn)生接觸的致動器。此外，提供了第二致動器或第三致動器，以積極地打開開關(guān) 的第一梁和第二梁。在一個實施例中，一對以上的平面內(nèi)和平面外的移動部分可以布置在同一個致動器周圍，以形成開關(guān)。在一個實施例中，提出了一種制造微機(jī)電開關(guān)的方法。該方法包括提供具有電絕 緣第一表面的底基板，提供具有形成在底基板的第一表面上的第二表面的導(dǎo)電或半導(dǎo)電的 頂基板。該方法還包括將頂基板的第二表面附接到底基板的第一表面上，蝕刻頂基板以限 定電極，用絕緣層涂覆頂基板，以及在頂基板上形成單一或復(fù)合的懸臂梁，且在懸臂梁和電 極之間形成零重疊區(qū)域。使用半導(dǎo)體晶片鍵合技術(shù)可以將頂基板和底基板附接在一起，或 可以使用絕緣體上的硅(S0I)以替代兩個鍵合的基板。在又一實施例中，通過硅片鍵合技 術(shù)或其他技術(shù)，可一個懸臂梁形成在第三基板上并附接到頂基板上，且在懸臂梁和頂基板 之間形成有所需間隙。


當(dāng)參照附圖并閱讀以下的詳細(xì)描述時，將更好地理解本發(fā)明的這些以及其他的特 征、方面以及優(yōu)點(diǎn)，在所有附圖中，相似的符號代表相似的部件，其中圖1是根據(jù)本技術(shù)的一個方面實施的微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)開關(guān)的頂視圖；圖2是圖1中的MEMS開關(guān)的局部透視圖；圖3是圖2中的MEMS開關(guān)的橫截面圖；圖4是圖1的MEMS開關(guān)的另一個實施例；圖5是根據(jù)本技術(shù)的一個方面的示范性MEMS開關(guān)的橫截面圖；圖6是根據(jù)本技術(shù)的一個方面的實施三梁構(gòu)造的MENS開關(guān)的橫截面圖；圖7是制造根據(jù)本發(fā)明的MEMS開關(guān)的示范性階段；以及圖8是制造根據(jù)本發(fā)明的MEMS開關(guān)的示范性方法的流程。構(gòu)件列表10MEMS 開關(guān)12懸臂梁/第一部分14頂基板16致動器17絕緣層18 第二梁19 位置20 位置22導(dǎo)電層24 基板26 底部28自由直立尖端32處于“打開”位置的MEMS開關(guān)34平面外方向36平面內(nèi)方向38 位置40處于“閉合”位置的MEMS開關(guān)
42 位置44MEMS 開關(guān)48第一機(jī)械止動凸點(diǎn)50第二機(jī)械止動凸點(diǎn)54MEMS 開關(guān)56上基板58 第一梁60固定端62 位置64 位置66預(yù)定的間隙68靜電力72MEMS 開關(guān)74 第一梁76自由移動端78自由移動端80 第二梁82第三梁84頂基板86MEMS 開關(guān)88靜電力90靜電力94提供底基板、絕緣層、頂基板95絕緣層96頂基板98限定第二梁100移除頂基板材料102設(shè)置絕緣層104固定懸臂梁，提供導(dǎo)電層108制作MEMS開關(guān)的示范性方法110提供底基板112將第一絕緣層設(shè)置底基板上114在第一絕緣層上提供頂基板116在頂基板上形成第二梁118在頂基板和第二梁上提供第二絕緣層119在頂基板上設(shè)置懸臂梁120在第二梁上提供形成電接觸的導(dǎo)電層
具體實施例方式MEMS開關(guān)可以控制電的、機(jī)械的或光學(xué)的信號流。MEMS開關(guān)通常提供低損耗和高 絕緣性。此外，與固態(tài)開關(guān)相比，MEMS開關(guān)提供了顯著的尺寸縮小、低功耗以及成本優(yōu)勢。 MEMS開關(guān)還提供諸如寬帶運(yùn)行的優(yōu)勢(可以在寬的頻率范圍內(nèi)運(yùn)行)。MEMS開關(guān)的這些屬 性顯著增加了功率處理能力。低損耗、低失真和低功耗使得MEMS開關(guān)可適用于諸如電信應(yīng) 用、模擬開關(guān)電路以及開關(guān)電源。MEMS開關(guān)也理想地適用于目前采用高性能機(jī)電、簧片繼電 器以及其他的單功能開關(guān)技術(shù)的應(yīng)用。MEMS開關(guān)可采用諸如靜電的、磁的、壓電的或熱的致動的一個或多個致動機(jī)構(gòu)。與 其他致動方法相比，靜電致動提供了快速的致動速度和適度的力。靜電致動要求超低功率， 因為對應(yīng)于各開關(guān)事件通常要求納米焦耳級的功率，當(dāng)開關(guān)處于關(guān)閉或打開狀態(tài)時，不消 耗功率。該方法比更耗功率的磁性開關(guān)激活方法更適合于功率敏感的應(yīng)用，磁性開關(guān)激活 方法在這種應(yīng)用中傳統(tǒng)上由機(jī)械繼電器使用。例如，常規(guī)的繼電器用高的機(jī)械力(接觸和 返回)運(yùn)行短的壽命(通常大約100萬次)。MEMS開關(guān)用更低的力運(yùn)行更長的壽命。低接 觸力的好處是增加接觸壽命。然而，較低的接觸力定性地改變接觸行為，尤其增加了對表面 形貌和污染物的敏感性，并且相應(yīng)的低返回力使開關(guān)容易受粘附的影響。現(xiàn)轉(zhuǎn)到圖1，根據(jù)本技術(shù)的一個方面實施的MEMS開關(guān)的頂視圖。MEMS開關(guān)10包 括具有第一部分12和第二部分18的電路徑。第一部分12(懸臂梁)設(shè)置在致動器16上。 絕緣層17設(shè)置在致動器16和懸臂梁12之間。第二部分18 (第二梁或終端)設(shè)置在頂基 板14上。第二梁18設(shè)置在相對于懸臂梁12的偏移位置，從而形成零重疊位置。致動器16 配置成在操作開關(guān)10的期間提供用于移動懸臂梁12和第二梁18使其接觸的靜電力。在 示范性實施例中，當(dāng)開關(guān)10處于“打開”狀態(tài)時，第二梁18在位置19處待機(jī)，而當(dāng)開關(guān)10 處于“閉合”狀態(tài)時，移動至位置20制動。圖2是參考數(shù)字10所示的圖1的MEMS開關(guān)的局部透視圖。作為懸臂梁而引用的 第一部分12設(shè)置在致動器16之上。懸臂梁12包括設(shè)置在絕緣層17上的底部26和自由 直立尖端28。懸臂梁12的自由直立尖端28懸停在第二梁18 (終端)之上。第二梁18包 括導(dǎo)電層22，該導(dǎo)電層設(shè)置在將與懸臂梁12接觸的表面?；兹菁{了大量的電子裝置，例 如使MEMS開關(guān)10運(yùn)行所需的驅(qū)動電路和保護(hù)電路。懸臂梁12和終端18也可以被稱為電 極對。MEMS開關(guān)設(shè)計人員面臨的挑戰(zhàn)之一是電極對的不期望的接觸。當(dāng)處于“打開”位置 時，MEMS開關(guān)的電極理想地定位成非常接近。通過將電極放置得很近，從而減少使梁偏轉(zhuǎn) 至“閉合”位置所需的功率(或吸合電壓)。然而，電極的不需要的接觸可能從這種設(shè)計中 產(chǎn)生。理想情況下，MEMS開關(guān)要求致動器16和電極對12、18之間的電壓(關(guān)態(tài)電壓)高 且吸合電壓低。為了實現(xiàn)更高的關(guān)態(tài)電壓，必須將電極彼此遠(yuǎn)離地放置，這將導(dǎo)致更高的吸 合電壓。為了實現(xiàn)高關(guān)斷比率和低的吸合電壓是如上所述的矛盾。關(guān)斷比率定義為關(guān)態(tài)電 壓對吸合電壓的比率。然而，本發(fā)明的實施例巧妙地接合以增加關(guān)斷比率。圖3是圖2的MEMS開關(guān)的橫截面圖。處于“打開”位置(一種運(yùn)行狀態(tài))的MEMS 開關(guān)通常由參考數(shù)字32表示。在懸臂梁12可以相對于致動器16沿平面外方向34自由地 移動(彎曲)。例如，當(dāng)處于“打開”位置時，懸臂梁12從位置38移動；當(dāng)處于“閉合”位置 時，移動至42。類似地，第二梁18配置成相對于致動器16沿平面內(nèi)方向36彎曲。當(dāng)MEMS 開關(guān)處于“打開”情形時，懸臂梁在待機(jī)位置19，類似地，第二梁18在第一位置19。在運(yùn)行期間，處于“閉合”位置的MEMS開關(guān)由參考數(shù)字40表示，向致動器16施加電壓，產(chǎn)生的靜 電力將第二梁18向致動器16拉至位置20。類似地，從致動器16相對于懸臂梁12的電壓 產(chǎn)生靜電力，該靜電力將懸臂梁12向致動器16拉至位置42。在這一點(diǎn)，開關(guān)是閉合的，電 路徑是穿過懸臂梁12和第二梁18而形成。由于致動是靜電的，因而不需要靜態(tài)電流來保 持閉合。在本發(fā)明的一個實施例中，懸臂梁12和第二梁18被設(shè)計成具有稍稍不同的機(jī)械 特性。不同的諸如硬度的機(jī)械特性有助于在MEMS開關(guān)的一個運(yùn)行期間實現(xiàn)懸臂梁12和第 二梁18的不同的運(yùn)動速度。在閉合期間，第二梁18相對懸臂梁12移動得更快，導(dǎo)致懸臂梁 12靠近第二梁18的頂部。在打開期間，懸臂梁12相對于第二梁18移動以斷開接觸。通過 使用相對于第二梁18更硬的懸臂梁12，可以實現(xiàn)推薦的運(yùn)行順序。懸臂梁12和第二梁18 的材料選擇和幾何尺寸(長度、寬度、厚度)可確定機(jī)械特性。在一個示范性實施例中，可施 加不同的致動電壓以實現(xiàn)閉合懸臂梁12和第二梁18的運(yùn)行順序。例如，可向致動器16施 加多級步進(jìn)電壓，包括第一步進(jìn)電壓和第二步進(jìn)電壓。懸臂梁12可配置成第一吸合電壓， 第二梁可配置成比第一吸合電壓小的第二吸合電壓。最初，可向致動器16施加第一步進(jìn)電 壓，其中，第一步進(jìn)電壓大于第二吸合電壓而小于第一吸合電壓，致動第二梁18至閉合。隨 后，可向致動器16施加第二步進(jìn)電壓，其中，第二步進(jìn)電壓大于第一吸合電壓，致動懸臂梁 12移動并與第二梁18接觸。在示范性實施例中，頂基板14可配置成形成針對第二梁18的第二致動器。在MEMS 開關(guān)的打開期間，可激活第二致動器14，以向第二梁18提供靜電力，并將第二梁18拉離懸 臂梁12。圖4中圖示了 MEMS開關(guān)的另一實施例(參考數(shù)字44)。在MEMS開關(guān)的“閉合”位 置，懸臂梁12可配置成在第一機(jī)械止動凸點(diǎn)48上待機(jī)，類似地，第二梁18可配置成在第二 機(jī)械止動凸點(diǎn)50上待機(jī)。在示范性實施例中，止動凸點(diǎn)由絕緣材料、半導(dǎo)電材料或?qū)щ姴?料中的至少一種制成。如本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠領(lǐng)會的，提供這種機(jī)械止動凸點(diǎn)48和50 可避免在懸臂梁和致動器之間發(fā)生意外和不期望的短路。圖5是根據(jù)本技術(shù)的一個方面的示范性MEMS開關(guān)的橫截面圖。開關(guān)54配置成提 供具有第一梁58和第二梁18的電路徑。第二梁18相對于第一梁58偏移到零重疊位置。 第一梁58具有從上基板56懸停的固定端60。當(dāng)MEMS開關(guān)處于打開位置62時，上基板56 設(shè)有預(yù)定的間隙66以保持第一梁58和致動器16之間的絕緣。此外，絕緣層17設(shè)置在上 基板和第一梁之間。在MEMS開關(guān)54的運(yùn)行期間，施加電壓以使致動器16偏置。該偏置提供了靜電力 68。由于該產(chǎn)生的靜電力，懸臂梁58沿平面外方向從位置62致動至位置64。類似地，第二 梁18沿平面內(nèi)方向從位置19致動至位置20。當(dāng)處于“閉合”狀態(tài)時，處于位置64懸臂梁 58和處于位置20的第二梁18形成電路徑。如前面所討論的，通過梁的不同機(jī)械特性或多 級步進(jìn)電壓致動而實現(xiàn)致動順序。圖6是根據(jù)本技術(shù)的一個方面的實施三梁構(gòu)造的MEMS開關(guān)的橫截面圖。MEMS開 關(guān)72包括具有絕緣層17的底基板24。頂基板84設(shè)置在絕緣層17上。具有至少兩個自由 移動端76、78的第一梁74錨定在頂基板84上。絕緣層85將頂基板84和第一梁74電絕 緣。頂基板還限定了相對于第一梁74的自由移動端76、78而設(shè)置在平面外的第二梁80和
7第三梁82。這種平面外的設(shè)置提供了第二梁80和第一梁74的自由移動端76之間的零重 疊位置。類似地，第三梁82和第一梁74的自由移動端78之間也存在著零重疊位置。在運(yùn)行期間，由參考數(shù)字86所示的MEMS開關(guān)處于“閉合”位置。頂基板84配置 成形成致動器84。一旦向致動器84提供電壓(致動)，則產(chǎn)生靜電力，以向第一梁74的自 由移動端76、78，第二梁80以及第三梁82提供運(yùn)動?？梢园l(fā)現(xiàn)，自由移動端76、78沿平面 外方向(90)致動，而第二梁80、第三梁82沿平面內(nèi)方向(88)致動。致動器84產(chǎn)生靜電力 88、90。靜電力88為第二梁80和第三梁82提供了吸引力以用于平面內(nèi)致動。類似地，靜 電力90為自由運(yùn)動端76、78提供了吸引力以用于平面外致動。在這種“閉合”狀態(tài)(MEMS 開關(guān)的運(yùn)行狀態(tài))中，電路徑形成在第一梁74、第二梁80以及第三梁82之間。圖7圖示了制造MEMS開關(guān)的示范性階段。在最初階段(94)，提供底基板24。在 一個實施例中，底基板24是硅基板。在第二階段，絕緣層95形成在底基板24上。此外，在 第二階段，頂基板96形成在絕緣層95上。在一個實施例中，頂基板是導(dǎo)電層。在另一實施 例中，頂基板是半導(dǎo)電層。在第三階段98，通過從頂基板96部分地移除頂基板材料100而 限定第二梁18。在第四階段102，絕緣層17設(shè)置在頂基板上。絕緣層覆蓋頂基板和第二梁 18。在第五階段104，具有固定端26的懸臂梁12錨定在頂基板16上?？梢园l(fā)現(xiàn)，懸臂梁 12和致動器16通過絕緣層17而電絕緣。導(dǎo)電層22形成在第二梁18的頂部上，以在處于 “閉合”位置時提供懸臂梁12和第二梁18之間的電路徑。圖8是制造圖1的MEMS開關(guān)的示范性方法的流程。該方法108包括提供底基板 (步驟110)。在底基板上設(shè)置第一絕緣層(步驟112)。在第一絕緣層上設(shè)置頂基板(步驟 114)。在頂基板上限定第二梁18，如步驟116。在第二梁和頂基板上提供第二絕緣層(步 驟118)。在步驟119，在頂基板上設(shè)置懸臂梁。在步驟120，提供在第二梁上限定電接觸的 導(dǎo)電層。通過這種設(shè)計，梁沿平面外方向和平面內(nèi)方向有利地致動。這導(dǎo)致兩個梁之間無 重疊區(qū)域。該開關(guān)的設(shè)計將吸合電壓與關(guān)態(tài)電壓分離并消除了重疊領(lǐng)域。這種零重疊往往 導(dǎo)致高關(guān)態(tài)電壓以及可調(diào)吸合電壓。雖然本文中僅圖示并描述了本發(fā)明的某些特征，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員將想到許多 修改和變化。因此，應(yīng)當(dāng)理解，所附的權(quán)利要求旨在覆蓋落入本發(fā)明的真實要旨內(nèi)的所有這 些修改和變化。
權(quán)利要求
一種微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)，包括電路徑，包括第一部分和第二部分，其中，所述第二部分相對于所述第一部分而偏移至零重疊位置；致動器，用于移動所述第一部分和所述第二部分使其接觸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)，其特征在于，所述電路徑配置成承載電流。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)，其特征在于，所述致動器配置成產(chǎn)生靜電力。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)，其特征在于，所述第一部分相對于所述第 二部分而設(shè)置在平面外。
5.一種產(chǎn)生或斷開電連接的裝置，該裝置包括 致動器；承載電流的懸臂梁；承載電流的終端，其中，所述終端相對于所述懸臂梁而設(shè)置在零重疊區(qū)域。
6 一種微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)，包括電路徑，包括第一部分和第二部分，其中，所述第二部分相對于所述第一部分而偏移至零重疊位置；致動器，用于移動所述第一部分和所述第二部分使其在致動時接觸，或在致動解除時 分離。
7.一種開關(guān)，包括電路徑，包括第一梁和第二梁，其中，所述第二梁相對于所述第一梁而偏移至零重疊位 置，所述第一梁從上基板懸停。致動器，用于移動所述第一梁和所述第二梁以產(chǎn)生接觸和斷開接觸。
8.一種微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)，包括電路徑，包括第一梁，其中，所述第一梁包括至少兩個自由移動端； 第二梁，相對于所述第一梁而設(shè)置在平面外；第三梁，相對于所述第一梁而設(shè)置在平面外，其中，所述第二梁和所述第三梁相對于所 述第一梁而偏移至零重疊位置；以及致動器，用于移動所述第一梁、所述第二梁以及所述第三梁，以產(chǎn)生接觸和斷開接觸。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)，其特征在于，所述接觸包括所述第一梁、所 述第二梁以及所述第三梁。
10.一種制造微機(jī)電開關(guān)的方法，包括 提供具有第一電絕緣表面的底基板；在所述第一電絕緣表面上提供半導(dǎo)電的頂基板； 在所述頂基板上限定第二梁； 在所述第二梁和所述頂基板上提供第二電絕緣表面； 在所述第二梁上形成導(dǎo)電層；在所述頂基板上設(shè)置懸臂梁，在所述懸臂梁和所述第二梁之間提供零重疊區(qū)域；配置所述頂基板以作為致動器；以及致動時在所述懸臂梁和所述第二梁之間提供電路徑。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種具有電路徑的微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)。該開關(guān)包括第一部分和第二部分。在開關(guān)處于打開位置(或處于閉合位置，取決于開關(guān)架構(gòu))時，第二部分相對于第一部分而偏移至零重疊位置。該開關(guān)還包括用于移動第一部分和第二部分使其接觸的致動器。
文檔編號H01H59/00GK101866780SQ20091021517
公開日2010年10月20日 申請日期2009年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月22日
發(fā)明者A·D·科溫, B·李, K·V·S·R·基肖爾, K·蘇拉馬尼安, 王雪峰 申請人:通用電氣公司