專利名稱：開關(guān)結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實施例大體涉及用于開關(guān)電流的裝置，并且更具體而言涉及微機(jī)電開關(guān) 結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
斷路器是設(shè)計成保護(hù)電氣裝備免受電路中的故障導(dǎo)致的損害的電氣裝置。在傳統(tǒng) 上，許多傳統(tǒng)的斷路器包括大體積(宏)機(jī)電開關(guān)。不幸的是，這些傳統(tǒng)的斷路器在大小上 較大，可能必須使用較大的力來啟動開關(guān)機(jī)構(gòu)。另外，這些斷路器的開關(guān)大體而言以相對低 的速度操作。此外，這些斷路器建立起來可能復(fù)雜并且因此制造昂貴。另外，當(dāng)傳統(tǒng)的斷路 器中的開關(guān)機(jī)構(gòu)的觸頭在物理上分開時，有時可在它們之間形成電弧，該電弧允許電流繼 續(xù)流過開關(guān)，直到電路中的電流中斷為止。此外，與電弧相關(guān)聯(lián)的能量可嚴(yán)重地?fù)p害觸頭， 并且/或者對人員造成燒傷的危險。作為慢速機(jī)電開關(guān)的備選方案，已經(jīng)在高速開關(guān)應(yīng)用中采用了相對快速的固態(tài)開 關(guān)。這些固態(tài)開關(guān)通過受控地施加電壓或偏置來在導(dǎo)通狀態(tài)和非導(dǎo)通狀態(tài)之間切換。但是， 因為固態(tài)開關(guān)在它們切換到非導(dǎo)通狀態(tài)時不在觸頭之間產(chǎn)生物理間隙，所以在名義上非導(dǎo) 通時，固態(tài)開關(guān)會經(jīng)歷泄露電流。此外，由于內(nèi)部電阻的原因，在導(dǎo)通狀態(tài)中操作的固態(tài)開 關(guān)會經(jīng)歷電壓降。在正常操作情形下，電壓降和泄露電流兩者都會助長功率耗散及產(chǎn)生過 量的熱量，這可對開關(guān)性能和壽命有害。此外，至少部分地由于與固態(tài)開關(guān)相關(guān)聯(lián)的固有泄 露電流的原因，在斷路器應(yīng)用中使用固態(tài)開關(guān)是不可行的?；谖C(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的開關(guān)裝置可對上面針對某些電流開關(guān)應(yīng)用所描述的宏 機(jī)電開關(guān)和固態(tài)開關(guān)提供有用的備選方案?；贛EMS的開關(guān)在設(shè)定成導(dǎo)通電流時往往具 有低的電阻，并且在設(shè)定成中斷通過其中的電流流動時具有低的(或沒有)泄露。另外，期 望基于MEMS的開關(guān)比宏機(jī)電開關(guān)展現(xiàn)更快速的響應(yīng)時間。

發(fā)明內(nèi)容
在一方面，提供了一種裝置，例如開關(guān)結(jié)構(gòu)。該開關(guān)結(jié)構(gòu)可包括各自分別設(shè)置在襯 底上的觸頭和導(dǎo)電元件。導(dǎo)電元件可基本由金屬材料組成，并且可構(gòu)造成可在第一位置和 第二位置之間變形，在第一位置上，導(dǎo)電元件與觸頭隔開一段間距，而在第二位置上，導(dǎo)電 元件接觸觸頭(并且在一些情況下，與觸頭建立電連通)，并且存儲機(jī)械能(例如，足以促使 導(dǎo)電元件在沒有外力的情況下基本呈現(xiàn)第一位置的機(jī)械能)。例如，導(dǎo)電元件可包括懸臂、 雙端固定梁、扭轉(zhuǎn)元件和/或隔膜。開關(guān)結(jié)構(gòu)可包括電極，電極設(shè)置在襯底上，并且構(gòu)造成 以便被充電，以便施加配置成朝向第二位置驅(qū)動導(dǎo)電元件的靜電力。導(dǎo)電元件可進(jìn)一步構(gòu)造成使得在介于約室溫和金屬材料的熔化溫度的約一半之 間的溫度處變形到第二位置上達(dá)至少IO7秒的累計時間之后，間距在沒有外力的情況下 經(jīng)過該累計時間改變小于20%。導(dǎo)電元件可包括從襯底延伸的錨固部，以及具有聯(lián)接到 該錨固部上的端部以便從錨固部如懸臂那樣伸出的梁。梁和錨固部可在它們之間限定角度，并且導(dǎo)電元件可構(gòu)造成使得在介于約室溫和金屬材料的熔化溫度的約一半之間的溫度 處變形到第二位置上達(dá)至少IO7秒的累計時間之后，該角度在沒有外力的情況下改變小于 0.1%。另外或備選地，導(dǎo)電元件可構(gòu)造成使得當(dāng)導(dǎo)電元件在介于約室溫和金屬材料的熔化 溫度的約一半之間的溫度處變形到第二位置上時，錨固部中的最大非局部化穩(wěn)態(tài)應(yīng)變率保 持小于約ΙΟ—1、—1。在一些情況下，導(dǎo)電元件可構(gòu)造成使得導(dǎo)電元件最初變形到第二位置上 會在錨固部中引起第一彈性應(yīng)變，而且導(dǎo)電元件在介于約室溫和金屬材料的熔化溫度的約 一半之間的溫度處變形到第二位置上達(dá)至少IO7秒的累計時間之后，錨固部經(jīng)歷小于第一 彈性應(yīng)變的約一半的最大非局部總塑性應(yīng)變。在一些實施例中，金屬材料可包括至少65%原子百分比的鎳和至少原子百分 比的鎢的合金，而導(dǎo)電元件可構(gòu)造成使得當(dāng)該導(dǎo)電元件在第一位置和第二位置之間變形 時，錨固部中的應(yīng)力小于lOOOMPa。在其它實施例中，金屬材料可包括至少80%原子百分比 的金，而該導(dǎo)電元件可構(gòu)造成使得當(dāng)導(dǎo)電元件在第一位置和第二位置之間變形時，錨固部 中的應(yīng)力小于20MPa。在一些實施例中，梁可具有小于梁的厚度的約200倍且還小于間距的約1000倍的 長度。另外，觸頭可設(shè)置成以便在由交迭長度限定的區(qū)上與導(dǎo)電元件相對，該交迭長度在懸 臂梁的自由端的20%內(nèi)。觸頭和導(dǎo)電元件可為微機(jī)電裝置或納米機(jī)電裝置的一部分，并且 導(dǎo)電元件可具有大于或等于IO3HT1的表面積-體積比率。觸頭和導(dǎo)電元件可分別連接到電路的第一側(cè)和第二側(cè)上，該第一側(cè)和第二側(cè)處于 不同的電勢。導(dǎo)電元件在第一位置和第二位置之間的變形可起作用來分別傳遞和中斷通過 其中的電流。第一側(cè)可包括構(gòu)造成以便供應(yīng)在小于或等于約IkHz的頻率處振蕩的至少ImA 的電流的電源。在另一方面，提供了一種方法，該方法包括提供襯底，在襯底上形成觸頭，以及在 襯底上形成基本由金屬材料制成的導(dǎo)電元件(比如說，具有大于或等于IO3HT1的表面積-體 積比率)。導(dǎo)電元件可形成為以便包括從襯底延伸的錨固部，以及具有聯(lián)接到錨固部上的端 部以便從錨固部如懸臂那樣伸出的梁，錨固部和梁在它們之間限定角度。導(dǎo)電元件可在介 于約室溫和金屬材料的熔化溫度的約一半之間的溫度處在第一位置和第二位置之間變形， 在第一位置上，導(dǎo)電元件與觸頭分開一段間距，而在第二位置上，導(dǎo)電元件接觸觸頭且存儲 能量，其中導(dǎo)電元件占據(jù)第二位置達(dá)至少IO7秒的累計時間。在使導(dǎo)電元件變形之后，可從 導(dǎo)電元件上去除外力，從而使得導(dǎo)電元件返回到第一位置，角度改變小于0. 1%。在一些實 施例中，可在襯底上形成電極，電極構(gòu)造成以便建立這樣的靜電力該靜電力配置成朝向第 二位置驅(qū)動導(dǎo)電元件。而且，觸頭和導(dǎo)電元件可封閉在襯底和保護(hù)蓋之間。觸頭和導(dǎo)電元件可分別連接到電路的相對的側(cè)上，當(dāng)相對的側(cè)斷開連接時，相對 的側(cè)處于不同的電勢。導(dǎo)電元件可在第一位置和第二位置之間選擇性地變形，以便分別傳 遞和中斷通過其中的電流。權(quán)利要求23的方法，其中，使導(dǎo)電元件在第一位置和第二位置 之間選擇性地變形，以便分別傳遞和中斷通過其中的電流(比如說，具有至少約ImA的幅度 和小于或等于約IkHz的振蕩頻率)。


在參照附圖閱讀以下詳細(xì)描述時，本發(fā)明的這些和其它特征、方面和優(yōu)點將變得更好理解，在附圖中，同樣的標(biāo)號在所有圖中表示同樣的部件，其中圖1是根據(jù)一個實例實施例構(gòu)造的開關(guān)結(jié)構(gòu)的示意性透視
圖2是圖1的開關(guān)結(jié)構(gòu)的示意性側(cè)視圖；圖3是圖1的開關(guān)結(jié)構(gòu)的示意性分段透視圖；圖4是在斷開位置上的、圖1的開關(guān)結(jié)構(gòu)的示意性側(cè)視圖；圖5是在閉合位置上的、圖1的開關(guān)結(jié)構(gòu)的示意性側(cè)視圖；圖6A-C是表示梁在接觸位置和非接觸位置之間的移動的、圖1的開關(guān)結(jié)構(gòu)的側(cè)視 圖；圖7是根據(jù)另一個實例實施例構(gòu)造的開關(guān)結(jié)構(gòu)的示意性側(cè)視圖；圖8是圖7的開關(guān)結(jié)構(gòu)的示意性側(cè)視圖；圖9是圖7的開關(guān)結(jié)構(gòu)的示意性分段透視圖；圖10A-E是表示用于制造根據(jù)一個實例實施例構(gòu)造的開關(guān)結(jié)構(gòu)的過程的示意性 側(cè)視圖；圖11是根據(jù)另一個實例實施例構(gòu)造的開關(guān)結(jié)構(gòu)的示意性透視圖；圖12是圖11的開關(guān)結(jié)構(gòu)的示意性側(cè)視圖；圖13是圖11的開關(guān)結(jié)構(gòu)的示意性分段透視圖；圖14是根據(jù)又一個實例實施例構(gòu)造的開關(guān)結(jié)構(gòu)的示意性透視圖；圖15是圖14的開關(guān)結(jié)構(gòu)的示意性側(cè)視圖；圖16是圖14的開關(guān)結(jié)構(gòu)的示意性分段透視圖；圖17是根據(jù)另外的又一個實例實施例構(gòu)造的開關(guān)結(jié)構(gòu)的示意性透視圖；以及圖18是根據(jù)又一個實例實施例構(gòu)造的開關(guān)結(jié)構(gòu)的示意性側(cè)視圖。部件列表100開關(guān)結(jié)構(gòu)102角蟲頭104懸臂梁106錨固部107 基部108 襯底110 電極112門電壓源114 電路116電路的第一側(cè)118電路的第二側(cè)120 電源122電氣負(fù)載200開關(guān)結(jié)構(gòu)202 觸頭204懸臂梁205梁端部
206錨固部
207基部
208襯底
210電極
302觸頭
304梁
308襯底
310電極
330 二氧化硅
332粘結(jié)層
334種子層
336金屬層
338光致抗蝕劑
400開關(guān)結(jié)構(gòu)
402觸頭
404懸臂梁
404a第一梁部分
404b第二梁部分
406錨固部
407基部
408襯底
410電極
500開關(guān)結(jié)構(gòu)
502觸頭
502a、502b觸頭結(jié)構(gòu)
504懸臂梁
506錨固部
507基部
510電極
600開關(guān)結(jié)構(gòu)
604導(dǎo)電元件
604a、604b 第一懸臂
604c第二梁部分
700開關(guān)結(jié)構(gòu)
702觸頭
704梁
709突起
710電極
具體實施例方式下面參照附圖對本發(fā)明的實例實施例進(jìn)行詳細(xì)描述，在附圖中，相同參考標(biāo)號在 所有圖中表示相同部件。這些實施例中的一些可處理上述和其它需要。參看圖1-3，其中顯示了根據(jù)一個實例實施例構(gòu)造的開關(guān)結(jié)構(gòu)100的若干個示意 圖。開關(guān)結(jié)構(gòu)100可包括觸頭102，觸頭102例如可為至少部分地由導(dǎo)電材料(例如金屬) 形成的墊。開關(guān)結(jié)構(gòu)100還可包括基本由導(dǎo)電材料(例如金屬)形成的導(dǎo)電元件，例如懸 臂梁104。在一些實施例中，導(dǎo)電元件還可包括其它特征，諸如例如，梁104和/或觸頭墊上 的保護(hù)性(以及可能是非導(dǎo)電性的)涂層，該涂層比如說設(shè)置在意在接觸觸頭102(在下面 進(jìn)一步論述)的梁的一部分上。梁104可由錨固部106和基部107支承，錨固部106和基 部107可與梁結(jié)合，并且可起將梁連接到下面的支承結(jié)構(gòu)(例如襯底108)上的作用。觸頭 102也可由襯底108支承。將觸頭102和梁104設(shè)置在襯底108上可有利于通過傳統(tǒng)的微細(xì)加工技術(shù)(例如， 電鍍、氣相沉積、光刻法、濕法和/或干法蝕刻等)來生產(chǎn)開關(guān)結(jié)構(gòu)100。沿著這些線路，開 關(guān)結(jié)構(gòu)100可組成微機(jī)電裝置或納米機(jī)電裝置或微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的一部分。例如，觸頭 102和梁104可具有大約幾或幾十微米和/或納米的尺寸。在一個實施例中，梁104可具有 大于或等于IO8HT1的表面積-體積比率，而在另一個實施例中，該比率可更接近ΚΛιΓ1。關(guān) 于用于制造開關(guān)結(jié)構(gòu)100的可能的方法的細(xì)節(jié)會在下面進(jìn)行進(jìn)一步論述。襯底108還可包括或支承傳統(tǒng)的半導(dǎo)體裝置和/或構(gòu)件，諸如例如，金屬氧化物 半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)和用來提供連接到其上及連接在其間的電連接的圖案化的 導(dǎo)電層(未顯示)。這種圖案化的導(dǎo)電層還可對觸頭102和梁104提供電連接(通向后者 (梁)的連接例如通過錨固部106和基部107)，在圖1和2中示意性地顯示了這些連接，并 且在下面對其有所描述。像開關(guān)結(jié)構(gòu)100的特征一樣，可使用傳統(tǒng)的微細(xì)加工技術(shù)來加工 半導(dǎo)體裝置和導(dǎo)電層。在一個實施例中，襯底108可為已經(jīng)處理成包括一個或多個MOSFET 的半導(dǎo)體晶片，開關(guān)結(jié)構(gòu)100和其它電路形成于該晶片的表面上。開關(guān)結(jié)構(gòu)100可設(shè)置在 MOSFET中的一個之上(例如，垂直于晶片的表面的線將與MOSFET和開關(guān)結(jié)構(gòu)兩者相交)， 并且可與MOSFET —起操作(在下面進(jìn)一步論述)。在其它實施例中，襯底108可由除了半 導(dǎo)體晶片之外的材料形成，包括例如金剛石、藍(lán)寶石、石英、聚酰亞胺、絕緣金屬襯底等。參看圖1-5，梁104可構(gòu)造成以便選擇性地在第一非接觸位置或“斷開”位置(例 如圖4)和第二接觸位置或“閉合”位置(例如圖5)之間移動，在第一非接觸位置或“斷開” 位置上，梁與觸頭102分開間距d，在第二接觸位置或“閉合”位置上，梁與觸頭發(fā)生接觸，并 且與觸頭建立電連通。例如，梁104可構(gòu)造成當(dāng)在接觸位置和非接觸位置之間移動時經(jīng)歷 變形，使得梁自然地設(shè)置(即在沒有外部施加的力的情況下)在非接觸位置上，并且可變形 以便占據(jù)接觸位置，同時將機(jī)械能存儲在其中。在其它實施例中，梁104的無形變構(gòu)造可為 接觸位置。開關(guān)結(jié)構(gòu)100還可包括電極110。當(dāng)電極110被恰當(dāng)?shù)爻潆?，使得電極和梁104之 間存在電勢差時，靜電力將起朝向電極(而且還朝向觸頭10 拉動梁的作用。通過恰當(dāng)?shù)?選擇待應(yīng)用于電極110的電壓，可通過足以使梁從非接觸(即斷開或非導(dǎo)通)位置移動到 接觸(即閉合或?qū)?位置的所產(chǎn)生的靜電力來使梁104變形。因此，電極110可相對于 開關(guān)結(jié)構(gòu)100起“門”的作用，應(yīng)用于電極的電壓(稱為“門電壓”)起控制開關(guān)結(jié)構(gòu)的斷開/閉合的作用。電極110可與門電壓源112連通，該門電壓源可將選擇性門電壓VG應(yīng)用于 電極。觸頭102和梁104可充當(dāng)電路114的一部分。例如，電路114可具有第一側(cè)116 和第二側(cè)118，當(dāng)彼此斷開連接時，該第一側(cè)116和第二側(cè)118相對于彼此處于不同的電 勢(因為其中僅一側(cè)連接到電源120上)。觸頭102和梁104可分別連接到電路114的側(cè) 116,118中的任何一個上，從而使得梁在第一位置和第二位置之間的變形起分別傳遞和中 斷通過其中的電流的作用。梁104可以以一定頻率(均勻或不均勻的)重復(fù)地移動成與觸 頭102接觸及不接觸，該頻率由其中使用了開關(guān)結(jié)構(gòu)100的應(yīng)用確定。當(dāng)觸頭102和梁104 彼此分開時，觸頭和梁之間將存在電勢差和電壓差，并且這個電壓差稱為“關(guān)態(tài)電壓”。在一個實施例中，梁104可與電源120連通(例如通過錨固部106和基部107)， 并且觸頭102可與呈現(xiàn)例如負(fù)載電阻RL的電氣負(fù)載122連通。電源120可在不同的時間 操作為電壓源和電流源。因而，梁104可充當(dāng)電氣開關(guān)，從而允許當(dāng)梁在接觸位置上時，負(fù) 載電流(比如說，具有大于或等于約ImA的幅度和小于或等于約IkHz的振蕩頻率)從電源 120起流過梁和觸頭102且流到電氣負(fù)載122，而否則當(dāng)梁在非接觸位置上時，中斷電氣路 徑，并且阻止電流從電源流到負(fù)載。以上指出的電流和開關(guān)頻率可用于相對更高的功率分 配應(yīng)用中。在其它實施例中，例如其中開關(guān)結(jié)構(gòu)100將用于發(fā)送信號的環(huán)境(通常在相對更 低的功率處操作)的應(yīng)用中，電源120可提供具有IOOmA或更小(以及小到1 μ A的范圍) 的幅度和大于IkHz的振蕩頻率的電流。上述開關(guān)結(jié)構(gòu)100可用作包括其它開關(guān)結(jié)構(gòu)(無論在設(shè)計上類似的還是不同的) 的電路的一部分，以便增大整個電路的電流和電壓容量。例如，開關(guān)結(jié)構(gòu)可以串聯(lián)及并聯(lián)兩 種方式來排列，以便有利于在開關(guān)結(jié)構(gòu)斷開時的關(guān)態(tài)電壓的期望分配(例如電壓在開關(guān)結(jié) 構(gòu)之間的相對均勻分配)和在開關(guān)結(jié)構(gòu)閉合時的電流的期望分配(例如電流在開關(guān)結(jié)構(gòu)之 間的相對均勻分配)。在開關(guān)結(jié)構(gòu)100的操作期間，梁104可經(jīng)歷促使梁在第一位置和第二位置之間變 形(即與觸頭102接觸和不接觸)的外部施加的力，例如由上述電極110產(chǎn)生的靜電力。在 室溫以上但是通常低于基本形成梁的材料的熔化溫度的50%或甚至30%的環(huán)境溫度(使 用溫度)處，可施加這些力，并且開關(guān)結(jié)構(gòu)100可操作。另外，對于其中期望開關(guān)結(jié)構(gòu)100 擁有幾年左右的有用壽命的應(yīng)用(例如，相對更高的功率分配應(yīng)用)而言，梁104可保持與 觸頭102接觸至少IO4秒的累計時間，并且在一些情況下接觸大于IO6秒或者甚至IO8秒。 更進(jìn)一步，當(dāng)變形以便接觸觸頭102時，梁104可經(jīng)歷相對高的應(yīng)力，應(yīng)力的幅度取決于開 關(guān)結(jié)構(gòu)100的幾何結(jié)構(gòu)和基本形成梁的材料。作為以上內(nèi)容的一個實例，開關(guān)結(jié)構(gòu)100可包括由鎳(Ni)-12%原子百分比的鎢 (W)形成的懸臂梁104，長度L為約100 μ m，縱橫比(長度L比厚度t)為約25比1，距觸頭 102的間距d為約1-3 μ m，其中，觸頭定位成與梁的自由端相對，并且與梁交迭達(dá)距離L。。對 于這種幾何結(jié)構(gòu)而言，當(dāng)梁變形以便接觸觸頭102時，梁104和/或錨固部106的很大一部 分中可存在大于IOOMPa以及多達(dá)600MPa或更大的應(yīng)力。如之前所提到的那樣，在一些應(yīng) 用中，可能要求梁104和/或錨固部106承受這個應(yīng)力達(dá)一定時間(在使用狀態(tài)下，其可為 長達(dá)IO4秒，或長于IO4秒或甚至為IO8秒)而無故障。期望這些應(yīng)力與可能存在于應(yīng)力集 中區(qū)域周圍(例如在幾何不規(guī)則處、表面粗糙處和缺陷處周圍)的高度局部化且通常是瞬間的應(yīng) 力分開。為了恰當(dāng)?shù)夭僮靼☉冶哿?或其它可變形的接觸結(jié)構(gòu))和相關(guān)聯(lián)的觸頭的開關(guān) 結(jié)構(gòu)(例如開關(guān)結(jié)構(gòu)100)，通常意在梁如由促使梁接觸觸頭的外力的存在或不存在(例如， 與電極110相關(guān)聯(lián)的門電壓和對應(yīng)的靜電力的存在或不存在)確定的那樣呈現(xiàn)接觸位置或 非接觸位置。但是，許多調(diào)查人員已經(jīng)觀察到，包含金屬的微米級懸臂梁(或其它可變形的 接觸結(jié)構(gòu))的開關(guān)結(jié)構(gòu)往往會發(fā)生故障，從而使得開關(guān)結(jié)構(gòu)的行為不是所預(yù)期的那樣。這 些故障一般歸因于與表面粘結(jié)有關(guān)的問題。具體而言，考慮到微米級梁(或其它可變形的 接觸結(jié)構(gòu))中存在大的表面積-體積比率，與消除自由表面(梁在此處接觸相關(guān)聯(lián)的觸頭 墊)相關(guān)聯(lián)的能量減少相對于在變形期間存儲在梁中的機(jī)械能而言可能并非微不足道，或 者甚至更高。因而，理論表明，懸臂梁和相關(guān)聯(lián)的觸頭在去掉外力(其否則促使懸臂梁和相 關(guān)聯(lián)的觸頭兩者發(fā)生接觸)之后還保持粘結(jié)，因為梁的內(nèi)部應(yīng)變能不足以致使梁與觸頭分 開。與主流理論相反，申請人已經(jīng)觀察到，包括金屬的小型懸臂梁的開關(guān)結(jié)構(gòu)的故障 通常不是由于梁和相關(guān)聯(lián)的觸頭的粘結(jié)引起的，而是主要由于梁的未變形的構(gòu)造的變化引 起的。也就是說，當(dāng)施加外力促使梁與相關(guān)聯(lián)的觸頭接觸時，梁會經(jīng)歷隨時間變化的塑性變 形，也稱為“蠕變”。當(dāng)梁經(jīng)歷隨時間變化的塑性變形時，梁的未變形構(gòu)造(即梁在不存在外部載荷時 所呈現(xiàn)的形狀)從梁設(shè)置在非接觸位置上的構(gòu)造朝向其中梁設(shè)置在接觸位置上的構(gòu)造移 動。類似地，起初與處在接觸位置時的梁相關(guān)聯(lián)的機(jī)械應(yīng)變能減小，在一些情況下減小到 幾乎為零。最后，由于梁和相關(guān)聯(lián)的觸頭之間的粘結(jié)的原因(但是此故障機(jī)制可能是次要 的)，以及由于與在接觸位置上的梁相關(guān)聯(lián)的機(jī)械應(yīng)變能的減少的原因，開關(guān)結(jié)構(gòu)可能故 障。與開關(guān)結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)的梁的隨時間變化的塑性變形令人驚訝，因為這些裝置通常在低于 形成梁的金屬材料的熔化溫度的50%或者甚至30%的環(huán)境溫度處操作(或者，如果梁是由 多種分立(discrete)的金屬材料形成的，則這些裝置就在低于與構(gòu)成梁的大部分的金屬 中的一種相關(guān)聯(lián)的最小熔化溫度的50%或者甚至30%的溫度處操作)。鑒于申請人的發(fā)現(xiàn)，梁104可構(gòu)造成以便在包括低于與構(gòu)成該梁的大部分的金屬 中的一種相關(guān)聯(lián)的最小熔化溫度的50%或者甚至30%的溫度的使用條件下，限制由于基 本形成該梁的金屬材料的隨時間變化的塑性變形的原因而造成的梁的永久變形。注意，當(dāng) 梁的機(jī)械行為大體上或在很大程度上由組分金屬材料的機(jī)械行為確定時，梁104可視為 “基本由金屬材料形成”。在開關(guān)結(jié)構(gòu)100的操作期間，梁104有時可設(shè)置在第一(非接觸) 位置上，其中，梁與觸頭102分開間距d。在其它時間，梁104可設(shè)置在第二(接觸)位置 上，其中，梁與觸頭102發(fā)生接觸。梁104可在介于室溫和金屬材料的熔化溫度(或者，當(dāng) 金屬材料包括多種分立的金屬材料時，基本形成梁的金屬材料中的一種的熔化溫度)的約 一半之間的溫度處變形到第二(閉合)位置達(dá)至少IO7秒的累計時間。梁104可幾何上構(gòu) 造成使得在這種變形之后，梁104和觸頭102之間的間距d在沒有外力的情況下經(jīng)過該累 計時間改變小于20% (也就是說，在累計時間上的任何時候獲得的d的度量都將產(chǎn)生在彼 此的20%之內(nèi)的結(jié)果)。例如，參照圖6A-C，在時間tQ < 0處，梁104可設(shè)置在第一(非接觸)位置上，其 中，梁與觸頭102分開間距d = (V然后可在時間、=0時對梁104施加力F，以便使梁變形到第二(接觸)位置上，從而使得梁與觸頭102發(fā)生接觸。然后梁104可保持在第二位 置上，直到時間、=IO7秒為止，在此時間點處可去除力F。當(dāng)去除了力F時，梁104可回 復(fù)第一位置，與觸頭102分開間距d =屯。當(dāng)由梁104經(jīng)歷的應(yīng)力小于導(dǎo)致基本形成梁的金屬材料的塑性變形所必須的應(yīng) 力時，并且當(dāng)梁完全不受隨時間變化的塑性變形的作用的影響時，d0 =屯。類似地，預(yù)期使 梁104保持在第二位置上所需的力F的幅度和當(dāng)梁設(shè)置在第二位置上時存儲在梁中的機(jī)械 能的量將保持恒定。但是，由于隨時間變化的塑性變形的原因，申請人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，Cl1通常小 于dQ。仍然，梁104可構(gòu)造成以便確保觸頭102和梁之間的間距d足以允許開關(guān)結(jié)構(gòu)100 恰當(dāng)?shù)仄鹱饔?。例如，?04可構(gòu)造成以便確保dQ ^ Cl1 ^ 0. 8d0O另外或備選地，梁104可構(gòu)造成 以便在變形期間存儲足以使梁在沒有外力的情況下基本呈現(xiàn)第一位置(例如在20%內(nèi))的 能量。另外，梁104和錨固部107可在它們之間限定角度θ，而且梁104可構(gòu)造成使得在沒 有作用于梁上的外力的情況下，角度θ因為梁會在第一位置和第二位置之間變形而改變 小于0.5%，且在一些情況下改變小于0. 1%。申請人:另外已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，對于包括懸臂梁的開關(guān)結(jié)構(gòu)，例如圖1所示的(結(jié)構(gòu))，梁的 錨固部(或使梁以別的方式從其上伸出懸臂的結(jié)構(gòu))中的隨時間變化的塑性變形可為導(dǎo)致 整個梁的構(gòu)造的永久性變化的重要原因。因而，梁104可構(gòu)造成使得在梁變形到第二位置 上時，錨固部中的最大非局部化穩(wěn)態(tài)應(yīng)變率保持小于約10_128人備選地或另外，梁104可構(gòu) 造成使得由錨固部106經(jīng)歷的總塑性應(yīng)變保持小于在梁最初變形到接觸位置上之后(在梁 中的任何重大蠕變之前)在錨固部中引起的彈性應(yīng)變的一些百分比。例如，如果梁104初 始變形到第二位置上在錨固部106中引起第一彈性應(yīng)變，而且之后梁變形到第二位置上達(dá) 至少IO7秒的累計時間，梁就可構(gòu)造成使得錨固部經(jīng)歷小于第一彈性應(yīng)變的約一半的最大 非局部總塑性應(yīng)變。梁104可設(shè)計成以便將在梁的變形期間在錨固部106中實現(xiàn)的應(yīng)力限制在一定閾 值(在該閾值以上將實現(xiàn)過度的塑性變形)以下。此閾值應(yīng)力將取決于以下中的一個或 多個梁104變形所處的溫度、在應(yīng)用中可容忍的梁的形狀變化量，以及基本形成梁的材料 (包括材料的成分和微結(jié)構(gòu)兩者)。例如，對于其中開關(guān)結(jié)構(gòu)100在小于基本形成梁104的材料的熔化溫度的約一半 的溫度處操作的應(yīng)用而言，申請人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)對于其組分金屬材料包括至少65%原子百 分比的鎳和至少原子百分比的鎢的合金的梁而言，錨固部的非局部化部分(即遠(yuǎn)離高 度局部化的應(yīng)力集中區(qū)域)中的應(yīng)力小于IOOOMPa時，可實現(xiàn)可接受的性能(例如經(jīng)過IO7 秒或者甚至高達(dá)IO8秒的變形的累計時間，梁和觸頭之間的間距的變化小于20% )。作為 另一個實例，申請人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)對于其組分金屬材料包括80%原子百分比的金和20%原 子百分比的鎳的梁而言，錨固部的非局部化部分(即遠(yuǎn)離高度局部化的應(yīng)力集中區(qū)域)中 的應(yīng)力分別小于45和20MPa時，可實現(xiàn)在1年和20年的時間間隔里的可接受的性能。申 請人還已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，對于由純金形成的梁而言，當(dāng)錨固部的非局部化部分中的應(yīng)力小于25MPa 時，可實現(xiàn)一年的時間間隔里的可接受的性能?？偟膩碚f，梁104可設(shè)計成以便限制錨固部106中的應(yīng)力和/或塑性應(yīng)變。例如， 參照圖7-9，開關(guān)結(jié)構(gòu)200可包括觸頭202和基本由導(dǎo)電材料(例如金屬)形成的導(dǎo)電元件，例如懸臂梁204。梁204可由錨固部206和基部207支承，錨固部206和基部207可與 梁結(jié)合，并且可起將梁連接到下面的支承結(jié)構(gòu)(例如襯底208)上的作用。觸頭202也可由 襯底208支承。開關(guān)結(jié)構(gòu)200還可包括構(gòu)造成以便促動梁204的電極210。各種各樣的物理和/或設(shè)計參數(shù)可影響錨固部206中的應(yīng)力。開關(guān)結(jié)構(gòu)200的特 征可為，例如，梁長度Lb、梁寬度wB、梁厚度、、觸頭長度L。、觸頭寬度w。、觸頭厚度t。、梁-觸 頭間距(在沒有外力的情況下)dBC、梁-電極交迭長度Le(從梁204的端部205起測量)、 電極寬度、梁-電極間距(在沒有外力的情況下)dBE、梁材料或多種梁材料(和對應(yīng)的材 料屬性)，以及介于梁和電極210之間的最大電壓差νΛλ。通過適當(dāng)?shù)剡x擇這些參數(shù)的值 (結(jié)合梁204的材料和期望操作溫度的選擇)，申請人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，可生產(chǎn)這樣的開關(guān)結(jié)構(gòu)該 開關(guān)結(jié)構(gòu)的錨固部206的區(qū)域中的應(yīng)力足夠地低，使得開關(guān)結(jié)構(gòu)200的使用壽命能夠高達(dá) 一年或者甚至20年。在一些實施例中，梁204的厚度、可為至少1 μ m。約1 μ m或更大的厚度、可抑 制由于隨后在升高的溫度處進(jìn)行處理而引起的梁的隨后的變形。梁204的長度Lb可為至 少約20 μ m。觸頭202可設(shè)置成以便在由在梁的自由端205的20%內(nèi)的交迭長度L。限定 的區(qū)上與梁204相對。電極210可設(shè)置成在梁204的自由端205的50%內(nèi)，而在一些實施 例中，設(shè)置成在該自由端的20-30 %內(nèi)。梁204可具有小于厚度、的約200倍且還小于梁和相關(guān)聯(lián)的觸頭202之間的間距 dBC的約1000倍的長度Lb。當(dāng)梁204具有較大的縱橫比和/或與觸頭202分開較小的距離 時，當(dāng)梁變形到接觸位置上時在梁中引起的應(yīng)力可為相對低的。但是，當(dāng)梁204的長度增大 時，可置于給定區(qū)中的梁的數(shù)量將減少。另外，當(dāng)間距dBe減小時，與蠕變有關(guān)的變形之外的 故障機(jī)制可變得顯著。例如，當(dāng)梁204和觸頭202彼此接近時，對于給定的電壓差，它們之 間的吸收力增大，而且此吸收力可變得足夠大，以促使梁無意地呈現(xiàn)接觸位置(例如，甚至 是在電極210處沒有電壓的情況下)。而且，梁204和觸頭202之間的區(qū)域可由于例如場發(fā) 射的原因而更有可能經(jīng)歷電擊穿。通過將梁104、204構(gòu)造成以便在使用期間避免重大蠕變，梁和觸頭102、202之間 的間距dBC可保持相當(dāng)恒定(比如說，在其初始值的20%內(nèi))達(dá)高達(dá)1年的使用時間，且在 一些情況下達(dá)高達(dá)20年(一些應(yīng)用的要求)。換句話說，對于其中梁104、204被施加的力 從非接觸位置(其中梁與觸頭102、202分開距離dBC)驅(qū)動且朝向接觸位置驅(qū)動且然后去 除施加的力的各種情況，梁將基本返回到非接觸位置，從而使得梁與觸頭分開距離dBe，其中 dBC的值改變小于20%。通過適當(dāng)?shù)剡x擇開關(guān)結(jié)構(gòu)200的各種設(shè)計參數(shù)的值(結(jié)合梁204的材料和期望操 作溫度的選擇)，申請人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，可生產(chǎn)這樣的開關(guān)結(jié)構(gòu)該開關(guān)結(jié)構(gòu)的錨固部206的區(qū) 域中的應(yīng)力足夠地低，以使得開關(guān)結(jié)構(gòu)200的使用壽命(例如梁204和觸頭202之間的間 距的變化小于20%)能夠高至一年或者甚至20年。下表提供了申請人已經(jīng)針對其觀察到 了可接受的性能的參數(shù)值、操作溫度和梁材料的若干種組合。
權(quán)利要求
1.一種裝置，包括襯底(108)；設(shè)置在所述襯底上的觸頭(10 ；以及設(shè)置在所述襯底上且基本由金屬材料組成的導(dǎo)電元件(104)，所述導(dǎo)電元件構(gòu)造成可 在第一位置和第二位置之間變形，在所述第一位置上，所述導(dǎo)電元件與所述觸頭隔開一段 間距，而在所述第二位置上，所述導(dǎo)電元件接觸所述觸頭且存儲機(jī)械能，其中，所述導(dǎo)電元件構(gòu)造成使得在介于約室溫和所述金屬材料的熔化溫度的約一半之 間的溫度處變形到所述第二位置上達(dá)至少IO7秒的累計時間之后，所述間距在沒有外力的 情況下經(jīng)過所述累計時間改變小于20%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述導(dǎo)電元件在所述第二位置上時與所 述觸頭建立電連通。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述導(dǎo)電元件構(gòu)造成以便在變形期間存 儲足以促使所述導(dǎo)電元件在沒有外力的情況下基本呈現(xiàn)所述第一位置的能量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述觸頭和所述導(dǎo)電元件是微機(jī)電裝置 或納米機(jī)電裝置的一部分。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述導(dǎo)電元件包括從所述襯底延伸的錨 固部(106)，以及具有聯(lián)接到所述錨固部上的端部以便從所述錨固部上伸出懸臂的梁。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，所述導(dǎo)電元件構(gòu)造成使得當(dāng)所述導(dǎo)電元 件在介于約室溫和所述金屬材料的熔化溫度的約一半之間的溫度處變形到所述第二位置 上時，所述錨固部中的最大非局部化穩(wěn)態(tài)應(yīng)變率保持小于約ΙΟ—12。。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，所述導(dǎo)電元件構(gòu)造成使得所述導(dǎo)電元件 最初變形到所述第二位置上會在所述錨固部中引起第一彈性應(yīng)變，而且在介于約室溫和所 述金屬材料的熔化溫度的約一半之間的溫度處變形到所述第二位置上達(dá)至少IO7秒的累計 時間之后，所述錨固部經(jīng)歷小于所述第一彈性應(yīng)變的約一半的最大非局部總塑性應(yīng)變。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，所述金屬材料包含至少65%原子百分比 的鎳和至少原子百分比的鎢的合金，而且所述導(dǎo)電元件構(gòu)造成使得當(dāng)所述導(dǎo)電元件在 所述第一位置和所述第二位置之間變形時，所述錨固部中的應(yīng)力小于lOOOMPa。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，所述金屬材料包含至少80%原子百分比 的金，而且所述導(dǎo)電元件構(gòu)造成使得當(dāng)所述導(dǎo)電元件在所述第一位置和所述第二位置之間 變形時，所述錨固部中的應(yīng)力小于20MPa。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，所述梁具有長度和厚度，并且其中，所述 長度小于所述厚度的約200倍且小于所述間距的約1000倍。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種開關(guān)結(jié)構(gòu)。提供了一種裝置，例如開關(guān)結(jié)構(gòu)(100)。該開關(guān)結(jié)構(gòu)可包括各自分別設(shè)置在襯底(108)上的觸頭(102)和導(dǎo)電元件(104)。導(dǎo)電元件可基本由金屬材料組成，并且可構(gòu)造成可在第一位置和第二位置之間變形，在第一位置上，導(dǎo)電元件與觸頭分開一段間距，而在第二位置上，導(dǎo)電元件接觸觸頭且存儲機(jī)械能。導(dǎo)電元件可進(jìn)一步構(gòu)造成使得在介于約室溫和金屬材料的熔化溫度的約一半之間的溫度處變形到第二位置上達(dá)至少107秒的累計時間之后，間距在沒有外力的情況下經(jīng)過該累計時間改變小于20％。還提供了相關(guān)聯(lián)的方法。
文檔編號H01H59/00GK102082043SQ20101058667
公開日2011年6月1日 申請日期2010年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月30日
發(fā)明者C·F·凱梅爾, K·V·S·R·基肖爾, M·F·艾米, P·塔克雷, S·孫達(dá)拉姆, S·班薩爾 申請人:通用電氣公司