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)明大致涉及開關(guān)，并且尤其涉及微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)。
背景技術(shù)：
微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)開關(guān)的利用已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)比傳統(tǒng)的固態(tài)開關(guān)有利。例如，MEMS開
關(guān)已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)具有較高的功率效率，低插入損失，以及極好的電絕緣性。 MEMS開關(guān)是利用機(jī)械運(yùn)動來達(dá)到短路(接通)或者開路(斷路)的裝置。機(jī)械運(yùn)
動需要的力可以利用各種類型的促動機(jī)構(gòu)諸如靜電、磁性、壓電或者熱促動來獲得。通常，
靜電促動的開關(guān)已經(jīng)被證明具有高可靠性和晶片級制造技術(shù)。這種MEMS開關(guān)的構(gòu)造和設(shè)
計(jì)一直在不斷地改進(jìn)。 開關(guān)特性諸如(開關(guān)的觸點(diǎn)之間的)隔絕電壓(standoffvoltage)以及(促動器 和觸點(diǎn)之間的)吸合電壓(pull-in voltage)要考慮到MEMS開關(guān)的設(shè)計(jì)中。通常，在設(shè)法達(dá) 到更高的隔絕電壓的同時(shí)呈現(xiàn)降低的吸合電壓這一矛盾的特性。傳統(tǒng)上，增加的梁(beam) 厚度和間隙尺寸使隔絕電壓增大。然而，這也使吸合電壓增大，而這不是所希望的。
需要顯示出充分高的隔絕電壓并且同時(shí)顯示出充分低的吸合電壓而在開關(guān)設(shè)計(jì) 中沒有額外的復(fù)雜性的改進(jìn)的MEMS開關(guān)。

發(fā)明內(nèi)容
簡要地，在一個(gè)實(shí)施例中提出了一種微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)。該開關(guān)包括具有支承表面 的基底。提供了具有凹口的促動表面以及具有延長部分的電接觸表面。延長部分設(shè)置在凹 口內(nèi)。梁附接在基底上。梁包括構(gòu)造成隨著促動而彎曲以與延長部分的至少一部分接觸并 且運(yùn)送電流通過的可促動自由端。 在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明提出一種具有柵極(gate)的機(jī)械開關(guān)。柵極限定凹口。 開關(guān)包括具有延長部分的漏極(drain)，其中延長部分設(shè)置在凹口內(nèi)。懸臂梁固定在支承柱 上，懸臂梁具有自由可動端。自由可動端與延長部分重疊以與漏極的至少一部分接觸以形 成電通路。 在一個(gè)實(shí)施例中，提出一種微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)。開關(guān)包括具有空腔的促動器并且構(gòu) 造成提供靜電力。提供具有延長部分的電極。所述延長部分包括觸點(diǎn)并且設(shè)置在空腔內(nèi)。 梁固定在支承柱上并且具有自由可動端，其中自由可動端構(gòu)造成隨著促動而彎曲以與電極 配合并且運(yùn)送電流通過。 在一個(gè)實(shí)施例中，提出一種機(jī)械開關(guān)。該開關(guān)包括固定在支承柱上并且包括可動 部件的懸臂梁。該開關(guān)進(jìn)一步包括具有間隙且構(gòu)造成提供靜電力的促動區(qū)域。電極區(qū)域設(shè) 置為靠近促動區(qū)域，其中促動區(qū)域限定凹口，而電極區(qū)域包括由凹口在至少兩側(cè)圍繞的延 長部分?？蓜硬考O(shè)置為靠近促動區(qū)域并且與延長部分重疊以提供大于大約1. 5的隔絕電 壓對吸合電壓的比。 本發(fā)明提出一種增加開關(guān)中隔絕電壓和吸合電壓之間的比的方法。該方法包括提
3供限定間隙的促動表面，提供具有延長部分的電接觸表面，延長部分延伸到間隙內(nèi)。所述方 法進(jìn)一步包括提供懸在促動表面和電接觸表面上方的梁。所述方法進(jìn)一步包括限定包括促 動表面、電接觸表面和梁的重疊區(qū)域，并且將重疊區(qū)域優(yōu)化為包括大于大約1.5的隔絕電 壓對吸合電壓的比。


在參考附圖閱讀下文中具體介紹時(shí)，可以更好的理解本發(fā)明的這些和其它特征、 方面和優(yōu)點(diǎn)，在附圖中同樣的標(biāo)號代表同樣的部件，其中
圖1是根據(jù)本技術(shù)的一方面的MEMS開關(guān)的透視圖；
圖2是具有部分截面的圖1的MEMS開關(guān)的透視圖；
圖3是圖1中的MEMS開關(guān)的橫截面圖；以及 圖4是用于構(gòu)成根據(jù)本發(fā)明的一方面的MEMS開關(guān)的各種層的俯視圖。
具體實(shí)施例方式
MEMS開關(guān)可控制電、機(jī)械或者光學(xué)信號流。MEMS開關(guān)通常提供更低的損失，和更 高的絕緣。此外，MEMS開關(guān)同固態(tài)開關(guān)相比提供顯著的尺寸縮小、更低的功率消耗以及成 本優(yōu)點(diǎn)。MEMS開關(guān)還提供諸如寬帶操作的優(yōu)點(diǎn)(能夠在寬的頻率范圍上操作)。MEMS開關(guān) 的這種屬性顯著增加它們的功率處理能力。具有低損失、低失真和低功率消耗，MEMS開關(guān) 可適于諸如電信應(yīng)用、模擬交換電路以及開關(guān)式電源的應(yīng)用。MEMS開關(guān)還理想地適于高性 能機(jī)電，簧片繼電器以及其它單一功能開關(guān)技術(shù)普遍使用的應(yīng)用。 MEMS開關(guān)可使用一個(gè)或多個(gè)促動機(jī)構(gòu)，諸如靜電、磁性、壓電或者熱促動。和其它 促動方法對比，靜電促動提供快的促動速度和適度的力。靜電促動需要超低功率，因?yàn)橥ǔ?對于各開關(guān)事件需要數(shù)量級為毫微焦耳的功率，并且在開關(guān)處于關(guān)閉或打開狀態(tài)時(shí)沒有功 率消耗。這個(gè)方法更適于功率敏感應(yīng)用，比傳統(tǒng)上由機(jī)械繼電器在這樣的應(yīng)用中使用的更 耗功率的磁性開關(guān)激勵方法適合得多。例如，常規(guī)的繼電器操作，機(jī)械力高(接觸和返回)， 壽命短(通常大約一百萬次循環(huán))。MEMS開關(guān)操作，力更低，壽命更長。低接觸力的好處是 增加的觸點(diǎn)壽命。然而，更低的接觸力在性質(zhì)上改變了接觸行為，特別是提高了對表面形態(tài) 和雜質(zhì)的靈敏度，以及相應(yīng)的低返回力使開關(guān)容易收到粘力的影響。 首先參考圖l，標(biāo)號IO顯示根據(jù)本發(fā)明的一方面構(gòu)造的MEMS開關(guān)。提供具有支承 表面26 (或者支承柱)的基底(在圖3中由標(biāo)號42顯示)。具有凹口 14的促動表面12接 近基底而設(shè)置。具有延長部分18的電接觸表面16設(shè)置為與促動表面12相鄰。延長部分 18包括觸點(diǎn)凸起20，其中延長部分18設(shè)置在凹口 14內(nèi)。梁22通過支承表面26附接到基 底。梁22包括觸點(diǎn)凸起24以及可促動自由端23，其構(gòu)造成隨著促動而彎曲以與延長部分 18的至少一部分接觸并且運(yùn)送電流通過。 在MEMS開關(guān)10的操作過程中，電壓被施加給促動表面12 (也稱為促動)。促動 表面12提供與施加給促動表面12的電壓成比例的靜電力(伴隨著促動)。在一個(gè)實(shí)施例 中，靜電力將吸引力施加在梁22上。可促動自由端23構(gòu)造成隨著促動而彎曲，并且通過設(shè) 置在延長部分18上的觸點(diǎn)凸起20與電接觸表面16形成接觸。在一個(gè)實(shí)施例中，建立在延 長部分18和梁22之間的接觸促進(jìn)電流的流動，并且這種狀態(tài)常常稱為MEMS開關(guān)10的"導(dǎo)通"或"閉合"狀態(tài)。在另一實(shí)施例中，為了改變開關(guān)10的狀態(tài)，施加給促動表面12的電壓 被撤消，由于梁的彈性恢復(fù)力導(dǎo)致在延長部分18和梁22之間的接觸"開斷"。這種狀態(tài)常 常稱為MEMS開關(guān)10的"非導(dǎo)通"或"打開"狀態(tài)。 通常，MEMS開關(guān)在延長部分18和梁22之間限定第一電壓。隔絕電壓通常被限定 為第一閾值電壓，其中在第一電壓超過第一閾值電壓時(shí)延長部分18和梁22接觸。類似地， MEMS開關(guān)在促動表面12和梁22之間限定第二電壓。吸合電壓通常被限定為促動表面12 的第二閾值電壓，其中在第二電壓超過第二閾值電壓時(shí)延長部分18和梁22接觸?？梢砸?識到MEMS開關(guān)的更好設(shè)計(jì)需要更高的隔絕電壓和更低的吸合電壓。同時(shí)獲得更高的隔絕 電壓和降低的吸合電壓是矛盾的。本發(fā)明的實(shí)施例通過優(yōu)化電接觸表面16、促動表面12和 梁22的構(gòu)造和配置巧妙地接合以克服該矛盾。 現(xiàn)在轉(zhuǎn)向圖2，顯示了梁22的部分截面。在示例性的實(shí)施例中，MEMS開關(guān)10包括 基底(未示出)?；装ㄖС斜砻?6。提供具有凹口 14并且構(gòu)造成提供靜電力的促動 表面12。具有延長部分18的電接觸表面16設(shè)置在凹口 14內(nèi)。觸點(diǎn)凸起20設(shè)置在延長部 分18上。梁22(以部分截面在32顯示)通過支承表面26固定于基底。包括可促動自由 端23的梁22構(gòu)造成隨著促動而彎曲(25)以與延長部分18的至少一部分接觸并且運(yùn)送電 流通過。 也稱為懸臂梁的梁22固定在支承柱26上。也稱為促動器(或者柵極)的促動表 面12構(gòu)造成隨著促動(將電壓施加給促動表面)提供靜電力34。在一個(gè)實(shí)施例中，電接觸 表面16(或者漏極(drain))接近梁22設(shè)置并且構(gòu)造成在它本身和懸臂梁22之間提供電 連接。梁22的自由可動端23(或者可動部件)構(gòu)造成隨著促動而彎曲以與延長部分18上 的觸點(diǎn)20配合并且運(yùn)送電流通過。 可以注意到促動表面12包括凹口 14，而不是典型的矩形表面。延長部分18設(shè)置 在凹口 14內(nèi)，在電接觸表面16和梁22之間提供減少的重疊。此外，促動表面12內(nèi)的凹口 14提供與梁22減少的重疊。重疊區(qū)域被優(yōu)化以便達(dá)到隔絕電壓對吸合電壓的比(或者斷 開比)大于大約1.5。在另一實(shí)施例中，重疊區(qū)域被優(yōu)化以便達(dá)到大約1.7到大約5的斷開 比。 圖3是圖1中MEMS開關(guān)的橫截面圖。在示例性的實(shí)施例中，MEMS開關(guān)10包括基 底42。氮化硅層44(絕緣層)設(shè)置在基底42上。支承柱26、促動表面12和電接觸表面16 設(shè)置在絕緣層44上。觸點(diǎn)凸起20設(shè)置在延長部分18的一端。在一個(gè)實(shí)施例中，梁22在 一端46固定到支承柱26上，而自由可動端23凸出在凹口 14和延長部分18之上。絕緣層 43設(shè)置在梁22和觸點(diǎn)凸起24之間。觸點(diǎn)凸起24與電接觸表面16上的觸點(diǎn)凸起20對齊 以在MEMS開關(guān)10的"導(dǎo)通"狀態(tài)期間隨著促動形成接觸。 在操作中，為了促進(jìn)懸臂梁22的運(yùn)動，構(gòu)造成產(chǎn)生靜電力的促動表面12接近梁22 設(shè)置，如圖所示?？梢宰⒁獾诫娊佑|表面16和梁22連接到外部電路。在一個(gè)實(shí)施例中， MEMS開關(guān)10構(gòu)造成在電接觸表面16和梁22之間接通或斷開電連接?；?2收容電路以 使MEMS開關(guān)10變成操作的，例如但不限于偏壓電路、保護(hù)電路等等。 圖4是根據(jù)本發(fā)明一方面的組件層的俯視圖。MEMS開關(guān)具有由虛線顯示的懸臂梁 22，其固定在支承柱26上，如在俯視圖50中所示。在本文指示的MEMS開關(guān)50，包括懸臂 梁22(透明顯示以便更好的理解各種實(shí)施例的配置)，和促動表面12，以及電接觸表面16。如將意識到的，促動表面12設(shè)計(jì)成形成凹口 14，導(dǎo)致在梁22下面延伸的減少的促動區(qū)域。 在一個(gè)實(shí)施例中，這樣減少的促動區(qū)域?qū)е陆档偷奈想妷?。類似地，電接觸表面16和梁 22之間的重疊限于延長部分18而不沿著梁寬度52。這樣減少的重疊使隔絕電壓增加。在 一個(gè)實(shí)施例中，多個(gè)延長部分可形成在電接觸表面上，沿著梁寬度在促動表面中具有對應(yīng) 的凹口。 在示例性的實(shí)施例中，本發(fā)明提出一種增加開關(guān)中的隔絕電壓和吸合電壓之間比 率的方法。該方法包括提供限定間隙的促動表面，提供具有延長部分的電接觸表面，該延長 部分延伸到間隙內(nèi)。該方法進(jìn)一步包括提供懸在促動表面和電接觸表面上方的梁。該方法 進(jìn)一步包括限定包括促動表面、電接觸表面和梁的重疊區(qū)域，并且對重疊區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化以 便包括大于大約1. 5的隔絕電壓對吸合電壓的比。在一個(gè)實(shí)施例中，重疊區(qū)域優(yōu)化為包括 大約1. 7到大約5的隔絕電壓對吸合電壓的比。 可以意識到在MEMS應(yīng)用中高斷開比是重要的因素，其中高打開狀態(tài)絕緣電壓(或 者隔絕電壓)和低促動電壓(吸合電壓)是所希望的。隔絕電壓和吸合電壓兩者都產(chǎn)生與 各自電極的重疊區(qū)域成比例的靜電力。有利地，通過在本文論述的MEMS開關(guān)設(shè)計(jì)，布置位 置并且調(diào)整促動表面和電接觸表面之間的重疊可達(dá)到高斷開比。傳統(tǒng)上，增加梁厚度以及 促動器和梁之間的距離使隔絕電壓增大。然而，這也使吸合電壓增大。這樣矛盾的效果可 以在本發(fā)明目前預(yù)期的實(shí)施例中克服。本發(fā)明的某些實(shí)施例設(shè)計(jì)成達(dá)到大于大約1. 5到大 約5的充分大的斷開比(隔絕電壓和吸合電壓之間的比)。 雖然本文僅顯示和介紹了本發(fā)明的某些特征，但許多修改和改變將被本領(lǐng)域技術(shù) 人員想到。因此，應(yīng)當(dāng)理解權(quán)利要求意在覆蓋落在本發(fā)明真實(shí)精神內(nèi)的所有這樣的修改和 改變。
權(quán)利要求
一種微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)，包括具有支承表面的基底；包括凹口的促動表面；包括延長部分的電接觸表面，其中，所述延長部分設(shè)置在所述凹口內(nèi)；以及附接到所述基底的梁，所述梁具有構(gòu)造成隨著促動而彎曲以與所述延長部分的至少一部分接觸并且運(yùn)送電流通過的可促動自由端。
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，所述促動表面在促動過程中 提供靜電力。
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，所述微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)進(jìn)一步 包括限定所述可促動自由端、所述延長部分以及所述促動表面的重疊，其中，所述重疊提供 大于大約1.5的斷開比。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)，其特征在于，所述重疊提供大約1. 5到大約 5的斷開比。
5. —種機(jī)械開關(guān)，包括 限定凹口的柵極；包括延長部分的漏極，其中，所述延長部分設(shè)置在所述凹口內(nèi)； 固定在支承柱上的懸臂梁，所述懸臂梁具有自由可動端；以及所述自由可動端與所述延長部分重疊，以與所述漏極的至少一部分接觸以形成電通路。
6. —種機(jī)械開關(guān)，包括固定在支承柱上并且包括可動部件的懸臂梁； 包括間隙的促動區(qū)域，構(gòu)造成提供靜電力；以及 設(shè)置為靠近所述促動區(qū)域的電極區(qū)域，其中，所述促動區(qū)域限定凹口 ，并且所述電極區(qū)域包括由所述凹口在至少兩側(cè)圍繞的 延長部分；其中，所述可動部件設(shè)置為靠近所述促動區(qū)域并且與所述延長部分重疊以提供大于大 約1. 5的隔絕電壓對吸合電壓的比。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的開關(guān)，其特征在于，所述懸臂梁隨著促動而彎曲以與所述電 極形成電連接。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的開關(guān)，其特征在于，所述靜電力構(gòu)造成在所述開關(guān)操作過程 中在所述第一電觸點(diǎn)和所述第二電觸點(diǎn)之間提供接觸力。
9. 一種增加開關(guān)中隔絕電壓和吸合電壓之間比率的方法，所述方法包括 提供限定間隙的促動表面；提供包括延長部分的電接觸表面，所述延長部分延伸到所述間隙內(nèi)； 提供懸在所述促動表面和所述電接觸表面上方的梁； 限定包括所述促動表面、所述電接觸表面和所述梁的重疊區(qū)域；以及 將所述重疊區(qū)域優(yōu)化為包括大于大約1. 5的隔絕電壓對吸合電壓的比。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的開關(guān)，其特征在于，所述重疊區(qū)域包括大約1. 7到大約5的 隔絕電壓對吸合電壓的比。
全文摘要
本發(fā)明提出一種微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)。該開關(guān)包括具有支承表面的基底。提供具有凹口的促動表面以及具有延長部分的電接觸表面。所述延長部分設(shè)置在凹口內(nèi)。梁附接在基底上。梁包括構(gòu)造成隨著促動而彎曲并且與延長部分的至少一部分接觸并且運(yùn)送電流通過的可促動自由端。
文檔編號H01H1/00GK101763986SQ20091021514
公開日2010年6月30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C·F·凱梅爾, G·S·克萊頓, K·V·S·R·基肖爾, K·蘇布拉馬尼安, 王雪峰 申請人:通用電氣公司