一種磁懸浮式微機械開關的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種磁懸浮式微機械開關,包括玻璃襯底、螺旋線圈、懸浮結構體和硅層;硅層鍵合在玻璃襯底的頂面,硅層中設有空腔;螺旋線圈和懸浮結構體位于空腔中,螺旋線圈連接在玻璃襯底的頂面上,螺旋線圈的頂面設有一氧化硅層,懸浮結構體置于氧化硅層上方;硅層的頂面設有帶孔的氧化層,氧化層的頂面設有相對的兩根金屬導線;金屬導線、氧化層和硅層靠近內腔的一側呈臺階狀,且兩根金屬導線之間的距離小于氧化層上的孔的孔徑;懸浮層可向上運動嵌至在氧化層上的孔中,且懸浮層頂面的兩端與兩個金屬導線相接觸。該磁懸浮式微機械開關避免了彈性開關使用時的疲勞磨損,具有閉靈活、性能穩(wěn)定、安全可靠、使用壽命長的特點。
【專利說明】一種磁懸淳式微機械開關
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于微機械系統(tǒng)【技術領域】,具體來說,涉及一種磁懸浮式微機械開關。
【背景技術】
[0002] 微機械系統(tǒng)(文中簡稱:MEMS)開關在中低功率中的應用遠比固態(tài)半導體開關優(yōu) 越,并且MEMS開關優(yōu)良的射頻性能使其能在更高的頻段得到應用。最早的MEMS開關是 Petersen于1979年研制的0. 35 μ m厚、金屬包覆的靜電懸臂梁開關。但由于制作工藝的限 制,此后的十年里MEMS開關沒有取得太大的進展。直到20世紀90年代,MEMS開關才獲得 了巨大發(fā)展。1991年,Larson制作了旋轉傳輸線式開關。1995年,Yao采用表面微加工工 藝制作懸臂梁開關。1996年,Goldsmith研制出低閾值電壓的膜開關。為了降低開關的閾 值電壓,提高開關的開態(tài)穩(wěn)定性和能量處理能力,1998年Pachero設計了螺旋型懸臂式和 大激勵極板的MEMS開關結構。開關是微波信號變換的關鍵元件。
[0003] -般非靜電驅動開關都有著相當理想的驅動電壓(〈5V),但是其共同的缺點是其 開關時間相對較長。而且對于熱驅動和電磁驅動的開關,其開關動作本質上是基于電流效 應,因此它們的靜態(tài)功耗要比基于電壓效應的靜電力驅動的開關要大得多。較長的開關時 間和大得多的靜態(tài)功耗使得非靜電驅動開關的應用大大受到限制。
[0004] 而在一般的靜電驅動微機械開關中,絕緣介質層的作用都是防止可動金屬電極與 信號傳輸線發(fā)生歐姆接觸,但是由于開關次數過多或電路工作時間過長,絕緣介質層會發(fā) 生斷裂失效甚至是脫落,從而大大縮短了靜電驅動開關的壽命;而且,靜電驅動的微機械開 關中大多采用懸臂梁一類的結構,這類結構在長時間使用后會發(fā)生扭轉或變形而導致開關 性能參數退化,這會導致開關工作不穩(wěn)定或過早地失效。
【發(fā)明內容】
[0005] 技術問題:本發(fā)明所要解決的技術問題是:提供一種磁懸浮式微機械開關,該磁 懸浮式微機械開關避免了彈性開關使用時的疲勞磨損,具有閉靈活、性能穩(wěn)定、安全可靠、 使用壽命長的特點。
[0006] 技術方案:為解決上述技術問題,本發(fā)明采用的技術方案是: 一種磁懸浮式微機械開關,該微機械開關包括玻璃襯底、螺旋線圈、懸浮結構體和硅 層;硅層鍵合在玻璃襯底的頂面,硅層中設有空腔,該空腔連通外界和玻璃襯底的頂面;螺 旋線圈和懸浮結構體位于空腔中,螺旋線圈連接在玻璃襯底的頂面上,螺旋線圈的頂面設 有一氧化娃層,懸浮結構體置于氧化娃層上方;娃層的頂面設有帶孔的氧化層,氧化層上的 孔和空腔相通,氧化層的頂面設有相對的兩根金屬導線;每根金屬導線、氧化層和硅層靠近 內腔的一側呈臺階狀,且兩根金屬導線之間的距離小于氧化層上的孔的孔徑;懸浮結構體 的長度大于兩根金屬導線之間的距離,小于氧化層上的孔的孔徑;懸浮層可向上運動嵌至 在氧化層上的孔中,且懸浮層頂面的兩端與兩個金屬導線相接觸。
[0007] 進一步,所述的懸浮結構體包括磁性材料層和開關導線,開關導線固定連接在磁 性材料層的頂面,磁性材料層置于氧化硅層上方。
[0008] 進一步,所述的開關導線和金屬導線均由銅制成。
[0009] 有益效果:與現(xiàn)有技術相比,本發(fā)明具有以下有益效果: 1.啟閉靈活、性能穩(wěn)定。本發(fā)明的磁懸浮式微機械開關包括玻璃襯底、螺旋線圈、懸浮 結構體和硅層,兩邊的金屬導線、氧化層和硅層靠近內腔的一側呈臺階狀,懸浮結構體的長 度大于兩根金屬導線之間的距離,小于氧化層上的孔的孔徑。當開關需要閉合時,螺旋線圈 中通入直流電流,假設螺旋線圈產生的磁場的N極朝上,而懸浮結構體中的永磁體的N極朝 下。這時,螺旋線圈產生的磁場與永磁體的磁場相排斥,使懸浮結構體逐漸上浮。當懸浮結 構體懸浮到一定高度時,懸浮結構體嵌至在氧化層上的孔中,且懸浮結構體的頂面金屬導 線與兩根金屬導線相接觸。也就是說,懸浮結構體與開關接口部分相耦合。而當開關需要 斷開時,螺旋線圈中的外加電流變?yōu)椹?。這時螺旋線圈中通電電流產生的磁場消失,永磁體 不再受到排斥力的作用,此時,由于重力的作用,懸浮結構體會下落,從而將開關斷開。整個 工作過程中,磁懸浮式微機械開關中的螺旋線圈和懸浮結構體不發(fā)生接觸,避免了開關使 用時的疲勞磨損,且啟閉靈活。本發(fā)明的磁懸浮式微機械開關,利用磁懸浮的結構來實現(xiàn)開 關的開啟與閉合,極大的減小了摩擦力。
[0010] 2.安全可靠、使用壽命長。本發(fā)明的開關可以避免彈性開關使用時的彈性觸碰, 大大提高了開關的使用壽命,且安全可靠。本發(fā)明的磁懸浮式微機械開關,利用磁懸浮的結 構來實現(xiàn)開關的閉合與斷開,可以增長使用時間。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011] 圖1是本發(fā)明的結構示意圖。
[0012] 圖2是本發(fā)明中螺旋線圈的俯視圖。
[0013] 圖3是本發(fā)明中氧化層和金屬導線的俯視圖。
[0014] 圖4是本發(fā)明中磁性材料層和開關導線的俯視圖。
[0015] 圖中有:玻璃襯底1、螺旋線圈2、氧化硅層3、空腔4、磁性材料層5、開關導線6、硅 層7、氧化層8、金屬導線9、懸浮結構體10。
【具體實施方式】
[0016] 下面結合附圖,對本發(fā)明的技術方案進行詳細的說明。
[0017] 如圖1至圖4所示,本發(fā)明的一種磁懸浮式微機械開關,包括玻璃襯底1、螺旋線圈 2、懸浮結構體10和硅層7。硅層7鍵合在玻璃襯底1的頂面。硅層7中設有空腔4。作為 優(yōu)選,空腔4位于硅層7的中部。該空腔4連通外界和玻璃襯底1的頂面。螺旋線圈2和 懸浮結構體10位于空腔4中,螺旋線圈2連接在玻璃襯底1的頂面上。螺旋線圈2的頂面 設有一氧化娃層3。懸浮結構體10置于氧化娃層3上方。懸浮結構體10和氧化娃層3之 間沒有連接。硅層7的頂面設有帶孔的氧化層8,氧化層8上的孔和空腔4相通。氧化層8 的頂面設有相對的兩根金屬導線9。兩邊的金屬導線9、氧化層8和硅層7靠近內腔4的一 側呈臺階狀,且兩根金屬導線9之間的距離小于氧化層8上的孔的孔徑。懸浮結構體10的 長度大于兩根金屬導線9之間的距離,小于氧化層8上的孔的孔徑。懸浮層10可向上運動 嵌至氧化層8上的孔中,且懸浮層10頂面的兩端與兩個金屬導線9相接觸。作為優(yōu)選,金 屬導線9由銅制成,受磁場影響較小。
[0018] 上述結構中,懸浮結構體10的長度大于兩根金屬導線9之間的距離,小于氧化層8 上的孔的孔徑。這樣可以確保懸浮結構體10向上運動時,可以嵌至在氧化層8上的孔中, 且懸浮結構體10的上方有金屬導線9的阻隔。金屬導線9阻止懸浮結構體10向上運動。 這樣,懸浮結構體10只在金屬導線9底面和氧化硅層3頂面之間上下運動。螺旋線圈2 成螺旋形,除了考慮到加工工藝的影響,更重要的是為了充分利用平面的面積,使線圈產生 盡可能大的磁場。氧化硅層3對未發(fā)生懸浮的懸浮結構體10起到支撐作用。
[0019] 上述結構的磁懸浮式微機械開關的工作過程如下: 當開關需要閉合時,螺旋線圈2中通入直流電流,假設螺旋線圈2產生的磁場的N極朝 上,而懸浮結構體10中的永磁體的N極朝下。這時,螺旋線圈2產生的磁場與永磁體的磁 場相排斥,使懸浮結構體10逐漸上浮。當懸浮結構體10懸浮到一定高度時,懸浮結構體10 嵌至在氧化層8上的孔中,這時懸浮結構體10的頂面兩端與兩根金屬導線9相接觸。也就 是說,懸浮結構體10與開關接口部分相耦合。要使懸浮結構體10盡可能快的上浮,可以提 高螺旋線圈2的匝數,加大螺旋線圈2中的電流。根據楞次定律,當永磁體向上運動時,穿過 螺旋線圈2的磁感線變少。此時,螺旋線圈2中會產生感應電流,與所加電流的方向相反。 這時的螺旋線圈2磁場會受到一定的影響,所以螺旋線圈2的匝數不能太多,而螺旋線圈2 中通入的電流應該盡可能大,從而減弱感應電流對磁場的影響,提高開關器件的響應時間。 而當開關需要斷開時,螺旋線圈2中的外加電流變?yōu)?。這時螺旋線圈2中通電電流產生的 磁場消失,永磁體不再受到排斥力的作用,此時,重力的作用將會使得懸浮結構體落下。但 是同樣的,根據楞次定律,永磁體下落時,穿過螺旋線圈2的磁感線變多,螺旋線圈2中將會 產生感應電流,感應電流產生的磁場又會阻止懸浮結構體的下落。這種阻止作用的強弱也 與螺旋線圈2線圈匝數有著直接的關系。
[0020] 進一步,所述的懸浮結構體10包括磁性材料層5和開關導線6,開關導線6固定連 接在磁性材料層5的頂面,磁性材料層5置于氧化硅層3上方。作為優(yōu)選,開關導線6由銅 制成。懸浮結構體10由兩層結構組成,即磁性材料層5和開關導線6。處于下層的磁性材 料層5為懸浮結構體10中的永磁體。該永磁體產生的磁場與螺旋線圈2產生的磁場相排 斥,促使懸浮結構體10發(fā)生懸浮。開關導線6處于上層。當懸浮結構體10懸浮到一定高 度時,懸浮結構體10中的開關導線6與金屬導線9接通,從而使電路導通。由于磁性材料 層5與螺旋線圈2產生的磁場之間的排斥力不可能使懸浮結構體10穩(wěn)定懸浮在螺旋線圈 2上方。因此,將每根金屬導線9、氧化層8和硅層7靠近內腔4的一側設置呈臺階狀,且懸 浮結構體10的長度大于兩根金屬導線9之間的距離,小于氧化層8上的孔的孔徑。這樣, 兩根金屬導線9可以限制懸浮結構體10飛出,使系統(tǒng)能夠穩(wěn)定工作。
[0021] 本結構的磁懸浮式MEMS開關,由于螺旋線圈2與懸浮結構體10之間互不接觸,避 免了彈性開關使用時的疲勞磨損。與現(xiàn)有開關相比,該磁懸浮式MEMS開關具有啟閉靈活、 性能穩(wěn)定、安全可靠、使用壽命長等特點。
[0022] 上述結構的磁懸浮式微機械開關,利用磁懸浮技術,即運用磁體之間同性相斥,異 性相吸的性質,使磁體具有抗拒地心引力的能力,而發(fā)生懸浮。本發(fā)明的微機械開關利用磁 鐵同性相斥原理而設計的電磁運行系統(tǒng),它利用永磁體與通電線圈產生的磁場之間所產生 的斥力,使懸浮結構體10懸浮。
[0023] 上述結構的磁懸浮式微機械開關的制備過程是:利用微機械加工技術在玻璃上鍍 金屬,并圖形化形成螺旋形線圈,淀積氧化硅并圖形化,接著長犧牲層,鍍磁性材料,并刻出 圖形,濺射金屬銅,并圖形化形成金屬銅開關,在硅片表面刻蝕淺槽,然后刻蝕一深槽,鍵合 娃片和玻璃,減薄娃片,接著在娃片表面生長一層氧化娃層并圖形化,然后在氧化娃的表面 電鍍金屬并圖形化形成金屬導線,干法刻蝕硅,最后釋放犧牲層,形成可動結構。
【權利要求】
1. 一種磁懸浮式微機械開關,其特征在于,該微機械開關包括玻璃襯底(1 )、螺旋線圈 (2)、懸浮結構體(10)和娃層(7); 硅層(7)鍵合在玻璃襯底(1)的頂面,硅層(7)中設有空腔(4),該空腔(4)連通外界和 玻璃襯底(1)的頂面;螺旋線圈(2)和懸浮結構體(10)位于空腔(4)中,螺旋線圈(2)連接 在玻璃襯底(1)的頂面上,螺旋線圈(2)的頂面設有一氧化硅層(3),懸浮結構體(10)置于 氧化硅層(3)上方;硅層(7)的頂面設有帶孔的氧化層(8),氧化層(8)上的孔和空腔(4)相 通,氧化層(8)的頂面設有相對的兩根金屬導線(9); 每根金屬導線(9)、氧化層(8)和硅層(7)靠近內腔(4)的一側呈臺階狀,且兩根金屬導 線(9)之間的距離小于氧化層(8)上的孔的孔徑; 懸浮結構體(10)的長度大于兩根金屬導線(9)之間的距離,小于氧化層(8)孔的孔徑; 懸浮層(10)可向上運動嵌至在氧化層(8)上的孔中,且懸浮層(10)頂面的兩端與兩個金屬 導線(9)相接觸。
2. 按照權利要求1所述的磁懸浮式微機械開關,其特征在于,所述的懸浮結構體(10) 包括磁性材料層(5)和開關導線(6),開關導線(6)固定連接在磁性材料層(5)的頂面,磁性 材料層(5)置于氧化娃層(3)上方。
3. 按照權利要求2所述的磁懸浮式微機械開關,其特征在于,所述的開關導線(6)和金 屬導線(9)均由銅制成。
【文檔編號】H01H36/00GK104103454SQ201410360017
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年7月28日 優(yōu)先權日:2014年7月28日
【發(fā)明者】陳潔, 葉一舟 申請人:東南大學