專利名稱：一種微機(jī)械電容式雙向開關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微機(jī)電系統(tǒng)領(lǐng)域，具體的說，涉及一種微機(jī)械電容式雙向開關(guān)。
背景技術(shù)：
開關(guān)是最近十年來在MEMS技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型射頻微器件，相對于當(dāng)前的半導(dǎo)體開關(guān)，具有低損耗、低功耗、高隔離度、與Si工藝有良好的兼容性以及良好的線性度。微開關(guān)是射頻電路中的重要組成部分，基于電容式原理微開關(guān)相對于其它原理的微開關(guān)，具有驅(qū)動電壓低，靈敏度高，容易加工，成本低的優(yōu)點(diǎn)。微機(jī)械電容式雙向開關(guān)，其實(shí)就是兩個下電極公用一個柔性的可動上電極，這樣就構(gòu)成兩個電容，即形成了兩個開關(guān)。在電壓或者電流的驅(qū)動下，上電極由于靜電力的作用下克服了彈簧的回復(fù)力向下運(yùn)動，當(dāng)電壓或者電流達(dá)到一定值時，上電極運(yùn)動到與下電極接觸，達(dá)到平衡狀態(tài)，形成穩(wěn)定的電連接，相當(dāng)于短路，即開關(guān)閉合。撤銷掉電壓或者電流， 靜電力消失，由于彈簧的回復(fù)力使上電極回到初始位置，形成斷路，即開關(guān)斷開。這樣通過控制驅(qū)動電壓或電流就可以控制開關(guān)的斷開與閉合。兩個電容就形成了雙向開關(guān)。這種開關(guān)有四種狀態(tài)一閉一開，一開一閉，兩開，兩閉?？梢詽M足各種電路的需求。中國專利(專利申請?zhí)枮?01010018318. 4)提出過一種低應(yīng)力高可靠的射頻微機(jī)械系統(tǒng)電容式開關(guān)，本發(fā)明與之比較，采用了雙向設(shè)計，而且采用彈簧作為彈性結(jié)構(gòu)，而不是采用金屬薄膜，降低了驅(qū)動電壓。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種微機(jī)械電容式雙向開關(guān)，在不增加工藝復(fù)雜程度的同時，設(shè)計出高靈敏度的適合集成電路設(shè)計中的電容式雙向微開關(guān)，并且能在低電壓驅(qū)動下達(dá)到雙向開關(guān)的目的。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案
本發(fā)明提供了一種微機(jī)械電容式雙向開關(guān)，包括一個上電極和兩個下電極，所述上電極采用“十”字型電極，該上電極通過柱子和彈簧與兩個下電極保持懸空，彈簧一端與上電極相連，另一端與焊盤相連，彈簧除了有柔性支撐的作用外，還有信號傳輸?shù)淖饔?。兩個下電極保持絕緣。所述上電極的長橫梁與兩個下電極形成兩個電容。一個電容在電壓的驅(qū)動之下， 使上下兩個電極接觸，形成短路，相當(dāng)于一個開關(guān)閉合，另一個開關(guān)斷開，這樣可以實(shí)現(xiàn)一開一閉的效果。另一個電容在電壓的驅(qū)動之下，也可以閉合，同時也可以實(shí)現(xiàn)兩閉的效果。上述技術(shù)方案中，上電極由長橫梁和短豎梁交叉形成“十”字型上電極。上述技術(shù)方案中，兩個下電極呈長方形，均有信號引出線到焊盤。上述技術(shù)方案中，為了保證上電極的剛度，本發(fā)明采用增厚“十”字型上電極的長橫梁方法，即在“十”字型電極上疊加一層厚的長橫梁層。上述技術(shù)方案中，上下電極的間距很小，達(dá)到工藝上容許的最小值。在不影響上電極剛度的條件下，上下電極有較大的有效正對面積。每個電極都有引出焊盤，以便于和外界電路焊接。上 述技術(shù)方案中，彈簧與焊盤的連接處和彈簧與十字型上電極的短豎梁連接處均采用連接處圓弧設(shè)計，避免了微機(jī)械電容式雙向開關(guān)工作時由于彈簧和短豎梁變形引起的局部應(yīng)力集中導(dǎo)致的斷裂。從而增加了工作的壽命。本發(fā)明上述微機(jī)械電容式雙向開關(guān)，采用標(biāo)準(zhǔn)的MEMS工藝中的光刻、濺射、電鍍、 腐蝕等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的。上電極的懸空采用犧牲層技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的。本發(fā)明上述微機(jī)械電容式雙向開關(guān)，上下電極均采用MEMS工藝中的電鍍來形成的，主要材料是鎳，表面電鍍一層薄薄的金，金和鎳有較好的結(jié)合力，且金便于焊接。本發(fā)明上述微機(jī)械電容式雙向開關(guān)，為了保證兩個下電極之間相互絕緣，采用玻璃基底，而不采用有導(dǎo)電能力的硅作為基底。本發(fā)明上述微機(jī)械電容式雙向開關(guān)，為了保證上電極的懸空，需采用犧牲層技術(shù)， 為了釋放時候能夠腐蝕到犧牲層，“十”字型上電極上設(shè)計一定數(shù)目的刻蝕孔。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明上述的一種微機(jī)械電容式雙向開關(guān)，采用了雙向設(shè)計，而且采用彈簧作為彈性結(jié)構(gòu)，降低了驅(qū)動電壓。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，對環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)，只需要低電壓即可驅(qū)動實(shí)現(xiàn)雙向開關(guān)功能，制作工藝簡單，圖形化操作實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜的彈簧結(jié)構(gòu)，且易于封裝，成本低。


圖1是一種微機(jī)械電容式雙向開關(guān)整體結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是一種微機(jī)械電容式雙向開關(guān)整體結(jié)構(gòu)俯視圖3是一種微機(jī)械電容式雙向開關(guān)去除加厚長橫梁的結(jié)構(gòu)圖； 圖4是一種微機(jī)械電容式雙向開關(guān)用去掉整個上電極的結(jié)構(gòu)圖； 圖中1加厚長橫梁、2刻蝕孔、3短豎梁、4彈簧、5上電極焊盤、6下電極焊盤、7 —號下電極、8接地波導(dǎo)、9 “十”字型上電極、10 二號下電極、11柱子、12玻璃基片。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。如圖1所示，微機(jī)械電容式雙向開關(guān)包含一個“十”字型上電極9和兩個長方形電極一號下電極7和二號下電極10。兩個下電極保持一定距離且相互絕緣，每個下電極均有信號引出線到上電極焊盤5和下電極焊盤6。工作時下電極焊盤接到接地波導(dǎo)8上?！笆?字型上電極9由長橫梁和短豎梁交叉形成的，且通過彈簧4和柱子11懸空，保持微小的間距，大約在5μπι以下。本實(shí)施例中，所述的“十”字型上電極9還有四個薄膜彈簧連接在短豎梁3上起到柔性支撐的作用，同時有信號傳輸?shù)淖饔谩１緦?shí)施例中，所述的微機(jī)械電容式雙向開關(guān)采用標(biāo)準(zhǔn)的MEMS工藝中的光刻、濺射、電鍍、腐蝕等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的。上電極的懸空采用犧牲層技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的。
本實(shí)施例中，下電極7、10均采用鍍鎳液作為電鍍液電鍍4 μ m，表面電鍍一層1 μ m 厚的金。這樣下電極由鍍鎳層和鍍金層構(gòu)成。本實(shí)施例中，為了保證上電極9的剛度，“十”字型上電極9上電鍍完與下電極一樣的厚度后，在利用疊層電鍍方法電鍍一層增厚長橫梁1。柱子11用鍍鎳液電鍍。增厚長橫梁1的厚度為20微米左右。短豎梁3和彈簧4均采用10微米左右的厚度，短豎梁3的寬度小于長橫梁寬度的二分之一，以保證其柔性的支撐作用，以便于在較小的電壓驅(qū)動之下發(fā)生變形使上下電極接觸短路，達(dá)到開關(guān)閉合的效果。本實(shí)施例中，所述微機(jī)械電容式雙向開關(guān)在玻璃基底上制作，兩個下電極與玻璃基底接觸，下電極均采用長方形。本實(shí)施例中，為了保證電容式微開關(guān)能再很小的電壓驅(qū)動工作，上下電極的間距很小，達(dá)到工藝上容許的最小值，在5μπι以下。在不影響上電極剛度的條件下，上下電極有較大的有效正對面積。

本實(shí)施例中，彈簧4和“十”字型上電極9的短豎梁3連接在一起，采用同一張掩膜板，彈簧4有較小的剛度，很容易變形，彈簧4與上電極，彈簧4與焊盤的連接處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，容易導(dǎo)致彈簧4的斷裂，采用連接處圓弧的圖形設(shè)計，有效地減小了應(yīng)力集中， 增加了彈簧4的壽命。本實(shí)施例中，為了保證下電極中每個分塊電極之間相互絕緣，采用玻璃基底，而不采用有導(dǎo)電能力的硅作為基底。本實(shí)施例中，為了保證上電極與下電極之間的距離，即上電極9相對下電極處于懸空的狀態(tài)，采用了 MEMS工藝中的犧牲層技術(shù)，為了保證最后能腐蝕掉犧牲層，上電極設(shè)計了一定數(shù)目的刻蝕孔2，以便于腐蝕液能通過刻蝕孔與犧牲層發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使上電極懸空。盡管本發(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過上述優(yōu)選實(shí)施例作了詳細(xì)介紹，但應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到上述的描述不應(yīng)被認(rèn)為是對本發(fā)明的限制。在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求來限定。
權(quán)利要求
1.一種微機(jī)械電容式雙向開關(guān)，包括一個上電極和兩個下電極，其特征在于所述上電極采用“十”字型電極，該上電極通過柱子和彈簧與兩個下電極保持懸空，彈簧一端與上電極相連，另一端與焊盤相連，彈簧除了有柔性支撐的作用外，還有信號傳輸?shù)淖饔?；兩個下電極保持絕緣；所述上電極的長橫梁與兩個下電極形成兩個電容。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微機(jī)械電容式雙向開關(guān)，其特征在于，所述微機(jī)械電容式雙向開關(guān)在玻璃基底上制作，兩個下電極與玻璃基底接觸，下電極均采用長方形，上下電極的間距很小，達(dá)到工藝上容許的最小值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的微機(jī)械電容式雙向開關(guān)，其特征在于，所述上電極由長橫梁和短豎梁交叉形成“十”字型。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的微機(jī)械電容式雙向開關(guān)，其特征在于，所述“十”字型上電極的長橫梁上疊加一層的長橫梁層。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的微機(jī)械電容式雙向開關(guān)，其特征在于，所述長橫梁上疊加一層的長橫梁層，長橫梁層的厚度為20微米，短豎梁和彈簧均為10微米，短豎梁的寬度小于長橫梁寬度的二分之一。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微機(jī)械電容式雙向開關(guān)，其特征在于，所述彈簧與焊盤的連接處，以及所述彈簧與十字型上電極的短豎梁連接處，均采用連接處圓弧設(shè)計。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的微機(jī)械電容式雙向開關(guān)，其特征在于，所述上下電極均采用MEMS工藝中的電鍍來形成的，材料是鎳，表面電鍍一層薄薄的金。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微機(jī)械電容式雙向開關(guān)，其特征在于，所述的“十”字型上電極的懸空采用犧牲層技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的微機(jī)械電容式雙向開關(guān)，其特征在于，所述“十”字型上電極上設(shè)有刻蝕孔。
全文摘要
一種微機(jī)械電容式雙向開關(guān)，包括一個上電極和兩個下電極，長橫梁和短豎梁交叉形成“十”字型上電極，通過柱子和彈簧與兩個下電極保持懸空，彈簧一端與上電極相連，另一端與焊盤相連，彈簧除了有柔性支撐的作用外，還有信號傳輸?shù)淖饔?。兩個下電極保持絕緣。長橫梁與兩個下電極形成兩個電容。一個電容在電壓的驅(qū)動之下，使上下兩個電極接觸，形成短路，相當(dāng)于一個開關(guān)閉合，另一個開關(guān)斷開，這樣可以實(shí)現(xiàn)一開一閉。另一個電容在電壓的驅(qū)動之下，也可以閉合，同時也可以實(shí)現(xiàn)兩閉的效果。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性強(qiáng)，只需要低電壓即可驅(qū)動實(shí)現(xiàn)雙向開關(guān)功能，制作工藝簡單，圖形化操作實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜的彈簧結(jié)構(gòu)，且易于封裝，成本低。
文檔編號H01H59/00GK102386021SQ201110314570
公開日2012年3月21日 申請日期2011年10月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月17日
發(fā)明者丁桂甫, 何明軒, 張穎, 楊卓青, 汪紅 申請人:上海交通大學(xué)