CN101111911A - 微机电元件及使用其的机电开关 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有长寿命和高可靠性的疏水表面结构的微机电元件以及使用该微机电元件的机电开关。在该微机电元件中，电极的最外表面具有第一区域和第二区域的复合表面结构，该第一区域是由构成该电极的第一材料形成，该第二区域由至少具有疏水性的第二材料形成。采用由该电极材料和单分子层膜的复合表面结构作为该表面结构，可以避免对单分子层的物理压迫。另外，当其中单分子层不形成于射频信号传播路径上的结构被采用时，可以避免插入损耗的增大以及电场损伤。

Description

微机电元件及使用其的机电开关

技术领域

本发明涉及微机电元件及使用其的机电开关，更具体地涉及具有单层的疏水表面结构的机械和电学耐久性的改善。

背景技术

尽管例如无线终端的信息通讯机器的广泛使用增长，但是用于通讯的频率越来越多地落在更宽的频段，从移动电话等的几百MHz到无线LAN等的几GHz频段。尽管与各种通讯系统相兼容的终端目前相互独立地使用，未来实施与各种通讯系统相兼容的小尺寸无线终端是需要的。可以预见结合在终端机壳内的例如开关的无源部件数目的增大；因此需要无源部件的微型化。

其中，根据MEMS(微机电系统)技术制造的射频微机电(RF-MEMS：射频MEMS)开关的研究和发展活跃。微机电开关是通过移动微小移动电极来机械地开关信号传播路径的开关。微机电开关的优点为，其具有超低损耗、高隔离等的出色射频特性。由于微机电开关可以在对于RF-IC具有良好亲合力的工艺中制造，其也可以结合到RF-IC中并期望成为对无线部分的微型化起着显著贡献的技术。

专利文献1中所述的开关已知为相关技术中的微机电开关。该开关为具有膜状或棒状移动电极的机械开关，该移动电极制成成对或悬臂并设为接触或不接触电极，由此开关信号传播路径。静电力经常用做膜或移动主体的驱动力来源。

用于实现微机电开关的更高速响应和更低驱动电压的手段由本发明人在专利文献2中披露。图14的透视图示出了高速响应和低电压驱动的机电开关的结构。梳齿状电极设于移动电极103的两侧上。图15a为沿图14线A-A’截取的剖面视图，图15b为沿图14线B-B’截取的剖面视图。为了驱动该移动电极103向下，将电压施加在移动电极103和固定电极之间以驱动该移动电极103。为了驱动该移动电极103向上，将电压施加在移动电极102和固定的梳齿状电极之间，并沿倾斜向上的方向施加静电力。由于可以施加静电力驱动该移动电极向上，则与电极仅由弹簧力驱动的情形相比可以减小弹簧力，且使得可以在ON/OFF时间加速。

因此，在具有彼此机械接触的结构的MEMS装置中，由于接触界面的吸引(静摩擦)导致故障或失效的现象产生问题。可能的静摩擦起因为由于湿气、层间绝缘膜的充电等导致的接触表面之间的吸引力作用；其中已知的是，由湿气导致的吸引力较大。

图16为显示弯月面的结构；(a)为示出了电极表面亲水的情形的剖面视图，(b)为示出了电极表面疏水的情形的剖面视图。如图16所示，如果相对电极彼此接触，空气中存在的液滴(水等)由于毛细现象而凝聚在接触界面上，并形成液体交联结构(弯月面)。弯月面可以存在的电极间距d_cap在非专利文献2中描述，且可以使用Kelvin半径r_K表述成下述表达式(1)：

[表达式1]

其中θ为接触角，γ_la为液体-气体界面的表面能，v为摩尔体积，R为气体常数，T为温度，以及RH为相对湿度。如果电极间距偏离d_cap，则弯月面不形成。如果该液体为水，则在室温(27℃)时，RH 10％时d_cap的值为0.5nm，RH 90％时d_cap的值为10nm。

如图16a所示，如果电极表面是亲水的，弯月面与固体表面的接触角θ变为小于90°的值且弯月面表面的弯曲结构的曲率半径r变为正值。这种情况下，拉普拉斯压力成为由弯月面作用于电极之间的力的主导，且根据非专利文献2可以表达为下述表达式(2)：

[表达式2]

$f_L=\mathrm{\ΔpA}=\frac{{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{la}}A}{r}---\left(2\right)$

其中Δp为液体和气体之间的压力差，A为弯月面和固体表面之间的接触面积。根据表达式(2)，如果固态表面是亲水的且弯月面的曲率半径是正的，拉普拉斯压力变为正值且吸引力作用于电极之间。该力导致用于吸引MEMS装置的移动体的静摩擦。由弯月面产生的力(毛细力)包括表面张力和拉普拉斯压力；拉普拉斯压力的值更大且占主导。

另一方面，如图16b所示，如果电极表面是疏水的，弯月面与固体表面的接触角θ’变为等于或大于90°的值，且弯月面表面的弯曲结构的曲率半径r变为负值。这种情况下，根据表达式(2)，拉普拉斯压力变为负值且排斥力作用于电极之间。如果电极表面制成疏水且具有作用于电极之间的排斥力的疏水电极结构可以实现，则可以避免在MEMS装置内出现静摩擦。

通过以具有低表面能的材料形成该电极表面，可以提供疏水表面。自组装单层(SAM)用做低表面能材料；自组装单层可以通过浸渍、涂覆等低温且容易的方法形成于电极表面上。

图17为示出了专利文献1所示相关技术中单层形成之后的电极表面结构的图：(a)为纵览图，及(b)为示出图17a虚线部分的图。单层111形成于如图17a所示的固定电极113上。该单层具有在电极表面上布置成自组装的分子且层厚度为单个分子的长度。该单层表面具有低的表面能且变为疏水表面，液滴115的接触角为90°以上。如果移动电极114接触这样的电极表面，拉普拉斯压力变为排斥力且作用于电极彼此远离的方向。

例如ODS(十八烷基三氯硅烷)硅烷基材料被使用，如专利文献1所披露，且化学结构变为图17b所示的直链分子结构。在该单层中，作为表面的-CH3变为低表面能。

专利文献1：DE-10355038-A1

专利文献2：JP-A-2004-253365

非专利文献1：J.B.Muldavin and G.M.Rebeiz，IEEE Microwave WirelessCompon.Lett.，vol.11，pp.334-336，Aug.2001.

非专利文献2：J.N.Israelachvili，“Intermolecular and surface forces，”Academic Press Limited，1985.

发明内容

本发明解决的问题

然而，在相关技术的疏水电极结构中，固定电极113的表面材料仅仅是单层111且移动电极114的压力直接施加于单层111，如图17a所示，且因此单层111的机械强度退化；这是一个问题。如图17b所示，注意该单层的一个分子，移动电极114的压力施加到单层111，该单层111随后膨胀和紧缩。如果超过弹性极限的力施加到该单层，该直接链结构由于塑性形变而破坏。

此外，为了将相关技术中的疏水电极结构应用于射频装置，由于该单层形成于整个电极表面上，该单层还形成于射频信号传播路径上。这种情况下，该单层导致发生介电损耗，且射频信号的插入损耗增大；这是一个问题。由于该单层暴露于由射频信号产生的电场，如果比与单层介电强度相对应的电场强度大的电场施加到该单层，则该单层发生电学损伤。尤其是在射频电磁场中，该单层连续接收射频电磁场变化，出现机械强度退化及疏水性退化；这是一个问题。

因此，本发明的目的是提供一种具有疏水表面的机电元件，该机电元件具有长寿命和高可靠性，以及使用该机电元件的机电开关。

解决问题的手段

本发明的特征在于一种微机电元件，其包括第一部件，以及与该第一部件重复地接触和不接触的第二部件，其中该第一部件和该第二部件之间的接触界面包括该第一部件和第二部件直接接触的第一区域，以及疏水层夹置于该第一部件和第二部件之间的第二区域。

本发明的优点

如前所述，依据本发明，可以维持单层的机械和电学耐久性且可以提供长寿命的微机电元件。还可以防止单层导致的发生介电损耗以及插入损耗增大，且可以提供具有低损耗的疏水电极。还可以避免MEMS装置内的静摩擦且可以实现高度可靠的机电开关。

可以提供不受湿度影响的电极结构且不需要高成本的封装(应用真空封装等)，使得使用低成本封装的MEMS装置的成本降低是可能的。

附图说明

图1为示出了本发明第一实施例中的机电开关的图：(a)为示出该机电开关的结构的剖面视图，以及(b)为示出该机电开关的结构的透视图。

图2为示出了本发明第二实施例中的机电开关的图：(a)为示出该机电开关的结构的剖面视图，以及(b)为示出该机电开关的结构的俯视图。

图3为示出了本发明第三实施例中的机电开关的图：(a)为示出该机电开关的结构的剖面视图，以及(b)为示出该机电开关的结构的俯视图。

图4为示出了本发明第四实施例中的机电开关的图：(a)为示出该机电开关的结构的俯视图，以及(b)为示出该机电开关的结构的俯视图。

图5为分步描述了本发明第五实施例中的机电开关制造工艺的剖面视图。

图6为分步描述了本发明第五实施例中的机电开关制造工艺的修改示例的剖面视图。

图7为示出了本发明第六实施例的机电开关的结构的俯视图。

图8为示出了使用本发明第六实施例中的机电开关的机电开关的结构的剖面示图。

图9为示出了本发明第七实施例中机电开关的结构的剖面视图。

图10为示出了本发明第八实施例中的机电开关的结构的剖面视图：(a)为示出该机电开关的结构的剖面视图，以及(b)为示出该机电开关的结构的剖面视图。

图11为示出了本发明第九实施例中的机电开关的结构的剖面视图：(a)为示出该机电开关的结构的剖面视图，以及(b)为示出该机电开关的结构的剖面视图。

图12为示出了本发明第十实施例中的机电开关的结构的剖面视图：(a)为示出该机电开关的结构的剖面视图，(b)为示出该机电开关的结构的剖面视图，以及(c)为示出该机电开关的结构的剖面视图。

图13为示出了本发明第十一实施例中机电开关的结构的剖面视图。

图14为示出了高速响应且低电压驱动的机电开关的结构的透视图。

图15a为沿图14线A-A’截取的剖面视图，图15b为沿图14线B-B’截取的剖面视图。

图16为示出了弯月面的结构的图：(a)为示出电极表面亲水的情形的剖面视图，以及(b)为示出电极表面疏水的情形的剖面视图。

图17为示出了相关技术中单层形成之后的电极表面结构的图：(a)为纵览图，以及(b)为示出图17a虚线部分的图。

附图标记说明

111单层  112凸出部(电极材料)  113固定电极  114、103移动电极  115液滴  116突起结构

具体实施方式

参考附图详细地描述本发明的实施例。

(第一实施例)

第一实施例为一种微机电开关，该微机电开关包括作为第一部件的固定电极113和作为第二部件的用于重复地接触和不接触该第一部件的移动电极114，且该固定电极113和移动电极114之间的接触界面包含固定电极113和移动电极114直接接触的第一区域100A以及疏水层夹置于该固定电极113和移动电极114之间的第二区域100B。固定电极113的表面结构为电极材料(第一区域100A)和疏水单层(第二区域100B)的复合表面结构且这些材料的高度制成均匀的，由此疏水单层111受移动电极114的物理压迫得以避免。

图1为示出了本发明第一实施例中使用具有该疏水电极结构的该固定电极的机电开关的主要部分的图：(a)为示出该疏水电极结构的机电开关的结构的剖面视图，以及(b)为示出该疏水电极结构的机电开关的结构的透视图。考虑图1b所示机电开关的结构，射频信号的输入端口RF IN连接到固定电极113，且射频信号的输出端口RF OUT连接到移动电极114。在该结构中，当固定电极113和移动电极114彼此远离时，信号被阻断；当这些电极彼此接触时，信号被允许通过。单层111形成于固定电极113的表面上以形成疏水电极用于避免静摩擦。然而，单层111仅形成于优化区域，而不是相关技术中疏水单层仅形成为表面材料。单层111使用硅烷基化合物。

图1a示出了沿图1b线A-B截取的剖面。固定电极113形成于表面上，该表面形成有由与固定电极113相同电极材料形成的凸出部112，且单层111形成于凸出部112之间的凹入部内。亦即，凸出部112形成第一区域100A，用于直接接触移动电极114的表面，该凹入部形成第二区域100B，用于通过单层111接触该移动电极。因此，得到其中单层111形成于凹入部的结构，使得如果移动电极114物理接触固定电极113，则移动电极114接触凸出部112且不会施加物理压迫到该单层。

因此，如果移动电极114物理接触固定电极113，移动电极114接触由与固定电极相同的材料形成的凸出部112，且不会施加物理压迫到该单层，由此该单层机械强度的退化可被防止且可以提供高度可靠的疏水电极结构。

为了保持机械强度并提供由疏水性产生的排斥力效应，固定电极113和移动电极114之间的接触界面需要为凸出部112和单层111的复合表面结构，其中该凸出部112由与固定电极113相同的材料形成。为此，期望该凸出部112和单层111的高度应该制成在整个表面上方是均匀的。这意味着凸出部112形成的电极凸出结构的高度约为形成单层111的分子链的长度。

如果机电开关为电阻耦合类型，则固定电极113的表面材料为金属等的导电材料，且如果机电开关为电容耦合类型，则固定电极的表面材料为绝缘体(电介质)。

这种疏水电极结构被采用，使得如果移动电极114高速地重复接触和不接触固定电极113，则机械破损不会发生且电学连接也可以得到较好地维持。

(第二实施例)

图2为示出了本发明第二实施例中具有该疏水电极结构的机电开关的图：(a)为示出具有该疏水电极结构的该机电开关的结构的剖面视图，以及(b)为示出该机电开关的固定电极113的疏水电极结构的俯视图。自此，俯视图是指相对于与图1b所示S面平行的平面的俯视图。图2a示出了沿图1b线C-D截取的截面。当移动电极112和固定电极113彼此接触时，移动电极112被交联，如凸出结构之间的虚线所示。如果固定电极113上电极材料112的凸出结构之间的间距长，则存在移动电极112可以向下弯折而压迫形成于凹入部内的单层111的可能性。

为了避免该现象，凸出部的数目可以增大以缩短凸出部之间的间距。随着凸出部的数目增大，伸展于凸出部之间的移动电极114的长度被缩短且弹簧力(恢复力)由此变大。凸出部之间的间距可设置为提供一定程度的弹簧力，使得移动电极在机电开关驱动电压下不弯折。在图2，凸出部12由电极材料形成，从而将凹入部划分成两个部分。假设移动电极114不沿该移动电极的宽度方向接触凸出部112，则交联在凸出部之间的该移动电极112的长度变为一半，且因此弹簧乘数变为8倍且牵引电压变为2.8倍。例如，假设移动电极114长度为500μm，牵引电压为5V，驱动电压为10V，则接触之后，长度变为约250μm，牵引电压变为14V，且最小避免了驱动电压10V时的牵引。

(第三实施例)

接着将讨论本发明第三实施例的机电开关。

为了优化弹簧力从而不产生弯折，凸出部112对单层的划分形式可以改变。图3为示出了本发明第三实施例中疏水电极结构的机电开关的图：(a)为示出该疏水电极结构的机电开关的结构的剖面视图，以及(b)为示出该疏水电极结构的固定电极113的俯视图。这种情况下，其中形成单层111的第二区域100B沿长度方向例如划分成三个部分。

根据该结构，可以提供寿命更长且可靠性更高的机电开关。

(第四实施例)

接着将讨论本发明第四实施例的机电开关。

图4为示出了本发明第三实施例中疏水电极结构的机电开关的修改示例的图：(a)为示出该疏水电极结构的机电开关的固定电极的结构的俯视图，以及(b)为示出该疏水电极结构的固定电极表面的固定电极的另一种结构的俯视图。这种情况下，区域也沿宽度方向例如划分成两个部分：(a)示出了该区域沿长度方向划分成两个部分的情形，(b)示出了该区域沿长度方向划分成三个部分的情形。该区域因此也沿宽度方向划分成两个部分，由此移动电极114沿其宽度方向发生的弯折可得以避免。

如前所述，可以优化在固定电极113上的电极材料的凸出部112布置。然而，为了避免静摩擦，凸出部112占据的区域需要制成尽可能小。单层111占据的区域需要尽可能大，且低表面能的表面需要被排他占据。

凸出部的布置可以被优化，使得移动电极111弯折的长度变得短于单层发生塑性形变的压缩长度。也就是说，期望这些凸出部之间的布置间距应被确定为使得移动电极111的弯折上限为一定值，从而该单层内不发生塑性形变。

(第五实施例)

接着将讨论疏水电极的制造方法。

图5a至5c为分步描述了本发明第五实施例具有疏水电极结构的机电开关的制造工艺的剖面视图。在图中，仅示出了固定电极113的表面。在本实施例中，使用了其中硅烷基化合物被选择性地形成为单层的疏水电极结构。

首先，通过电子束光刻、光学光刻等在由Al、W等金属材料的固定电极113上形成掩模图案(未示出)，且通过蚀刻形成从该掩模图案暴露的凹入部，由此形成具有由电极材料制成的凸出部112的凸出结构。随后除去该掩模图案(图5a)。

接着通过浸渍方法形成单层111。这种情况下，该单层形成于固定电极113的整个表面上。接着，由电极材料形成的凸出部112上的单层111通过用于选择性去除的UV照射而被图案化。

执行前述步骤时，可以形成如图5c所示的，具有由电极材料形成的凸出部112和单层111的复合表面的疏水电极结构。

通过自组装单层形成工艺来形成单层111。烷氧基硅烷化合物在搅拌情况下添加到水，使得最终浓度为约2％以下。水水解烷氧基硅烷而产生硅烷醇，硅烷醇与基板上的-OH基团反应并凝聚在表面上。置换反应约5分钟。样品浸入混合溶液且缓慢移动。浸渍约3分钟。随后使用乙醇进行清洗。清洗3次。在使用N₂等干燥之后，样品使用电炉加热且单层固定。在100℃电炉加热10分钟。硅烷基化合物可以应用与该自组装单层。该硅烷基化合物例如为n-十八烷基三乙氧基硅等。

之后，凸出部的单层通过UV辐射被选择性除去，由此可以形成如图5c所示的固定电极113，其中固定电极113具有由凸出部112包围的单层11。

在图5a至5c所示实施例的方法中，形成硅烷基化合物层作为单层。作为修改示例，如图6a至6c所示，为了形成单层111，在图6b的步骤中可以堆叠多层而非单层以控制膜厚度。这里形成硅烷基化合物分子层的几个分子层。通过调整基板温度、气体压力等膜形成条件来恰当地调整膜厚度。

当蚀刻深度不能充分得到控制且凸出部高度不能设置为期望值时，本示例是有效的。

因此，使用通过堆叠多个分子层而非单层而提供的膜的方法被采用，由此单层111的厚度可以响应于凸出部112的高度被调整，以提供其中第一和第二区域高度相等的接触面结构。

铝、金、钨等的金属，氧化铝、氮化硅、氧化硅、Pb(Zr，Ti)O₃(PZT)、(Ba，Sr)TiO₃(BST)、SrTiO₃(STO)、HfO₂、AlN等的绝缘体，或者硅、砷化镓等的半导体作为形成单层的部件，且硅烷基化合物被用做单层，由此可以将该部件和单层牢固地结合且可以提供高度可靠的疏水表面结构。

在第一实施例的疏水电极结构的机电开关中，固定电极113和移动电极114的结构可以恰当地选择为方形、圆形等，且开关还可以应用于无长度方向的结构。

如果可以保证，由电极材料形成的凸出部112上的单层111在接触移动电极114时不会受到粘合等的负面影响，则图5b所示除去单层111的步骤可以跳过。这意味着在如图5b所示完成状态，单层111形成于凹入部和凸出部上。

当固定电极与/或移动电极的材料为绝缘体材料或者包含掺杂硅的半导体材料时，也可以应用具有第一实施例中疏水电极结构的机电开关。

在上述实施例中，通过浸渍方法形成该单层，但是无需说，可以使用涂覆方法、用于在气相中形成单层的气相SAM方法(CVD方法)等。

因此，根据本发明，可以实现避免了静摩擦的高度可靠的疏水电极。使用该工艺，也可以实现MEME装置。

(第六实施例)

接着将讨论本发明第六实施例的机电开关。

在本实施例中，单层形成于固定电极上除了射频信号传播部分之外的任意其他部分。单层形成于除了射频信号传播的趋肤深度之外的任意其他部分，由此单层避免形成于射频信号传播路径上，以避免出现该单层导致的发生介电损耗和插入损耗增大。此外，该单层避免暴露于由射频信号产生的电场，以避免对单层的电学损伤。

图7为示出了本发明第六实施例具有疏水表面结构的固定电极113的结构的俯视图。图8为示出了使用具有疏水表面结构的固定电极113的共平面波导(CPW)的剖面视图。对于该共平面波导，固定电极113(、移动电极114)两侧上具有接地导体G的、传播射频信号的信号线，为经常用于机电开关的结构。这种情况下，基于射频信号的、从固定电极113、移动电极114到两侧上的接地导体的电场产生，且射频信号在作为信号线的固定电极113、移动电极的114接地导体侧的表面上传播。这称为趋肤效应。具体而言，电场集中在距离射频信号传播部分的表面的深度(趋肤深度λ)。

采用相关技术中单层111形成于固定电极113整个表面上的结构，则存在单层111可能暴露于由射频信号产生的电场且可能受到电学损伤的可能性。然而在第六实施例中，在从固定电极113两端的趋肤深度λ的部分内，固定电极113具有表面材料且单层111幸存于其他部分，由此单层不形成于射频信号传播路径内且可以防止由单层导致的发生介电损耗和插入损耗增大。电场集中部分未用单层形成且由电极材料制成，因此可以防止该单层的退化。

该结构被采用，使得单层111可以免受射频信号产生的电场，可以避免发生介电损耗和电学损伤，且可以实现具有低插入损耗的高度可靠的疏水电极结构。

第六实施例所示的结构可以应用于第一至第五实施例，且形成直接接触区域，即第一实施例中第一区域的凸出部112的宽度可以设置为从固定电极113两端的趋肤深度λ。

(第七实施例)

接着将讨论第七实施例。

本实施例的机电开关提出一种排水结构，其中形成于具有单层的表面上的凸出结构设于固定电极上，用于自发地将置于该凸出结构上的液滴移动到相邻的亲水部分。其特征在于液体交联并不形成于电极之间的接触部分，因此可以避免产生拉普拉斯压力。

图9为示出了本发明第七实施例中疏水电极结构的机电开关的结构的剖面图。凸出结构116形成于固定电极113上且单层111形成于凸出结构116的表面上。如果移动电极114接触固定电极113，凸出结构116在表面上的尖部与移动电极114的表面彼此直接接触。拉普拉斯压力是由凸出结构116上的液滴115的行为决定的。如果液滴沉积在凸出结构上，则该液滴从疏水表面移动到相邻的亲水表面，其中该固定电极材料为该表面材料。这意味着流到凸出结构116上的液滴115移动到具有良好浸润性的相邻亲水表面部分，且从作为接触界面的凸出结构116顶部排出。如果单层111的膜性能在作为接触界面的凸出结构116的尖部被机械和电学地退化，则存在疏水性质受损且弯月面形成的可能性。这种情况下，在该结构中，液滴不存在于接触界面上，因此可以避免弯月面的形成。

如果液滴115沉积在凸出结构116的邻近上，为了避免在固定电极113和移动电极114之间的表面形成弯月面，凸出结构116的高度需要制成高于表达式(1)中弯月面可以存在的电极间距d_cap。

(第八实施例)

接着将讨论第八实施例。

图10为示出了本发明第八实施例中疏水电极结构的机电开关的结构的剖面视图。在图10a中，凸出结构116形成于在固定电极113表面上形成的电极材料的凸出部112之间。也就是说，本实施例的特征在于，凹入部如第一至五实施例中上文所述地形成于电极表面上，由此形成被电极材料的凸出部112包围的凹入部，且在凹入部内形成用单层涂布的表面上的凸出结构116。凸出结构116的高度制成均匀的，使得凸出结构116与凸出部112具有相同高度，且固定电极113和移动电极114之间的接触界面是凸出结构116以及由电极材料形成的凸出部112的复合表面。单层111和凸出结构116可以避免物理压迫移动电极113，且可以实现还具有接触界面排水性的高度可靠的疏水表面结构。

凸出结构116还可以形成于固定电极113和移动电极114之间接触界面的整个表面上，如图10b所示。

(第九实施例)

接着将讨论第九实施例。

图11为示出了本发明第九实施例中使用疏水电极结构的机电开关的结构的剖面图。在图11a中，单层111形成于移动电极114侧上，位于与形成于固定电极113表面上的电极材料的凸出部112之间形成的凹入部相对应的位置，且当机电开关接触时，固定电极113和移动电极114如第一实施例在第一区域彼此直接接触，但另一方面，固定电极113和移动电极114通过形成于移动电极114上的单层111(疏水层)在第二区域彼此接触。其他方面与第一实施例类似。

图11a示出沿图11b线A-B截取的剖面视图。固定电极113形成于具有由与固定电极113相同的电极材料形成的凸出部112的表面上，且单层111形成于与固定电极113相对侧上的、移动电极114的与凸出部112之间的凹入部相对应的位置。因此在接触时，凸出部112形成用于与移动电极114表面直接接触的第一区域100A，凹入部形成用于如第一实施例那样通过单层111与移动电极接触的第二区域100B。因此，其中单层111形成于与固定电极113的凹入部相对应的平坦移动电极114区域内的结构被采用，使得如果移动电极114物理接触固定电极113，则移动电极114接触凸出部112而不对进入凹入部的单层111施加物理压迫。

因此，如果移动电极114物理接触固定电极113，则移动电极114接触由与固定电极相同材料形成的凸出部112且不对单层施加物理压迫，由此可以避免单层机械强度的退化且可以提供高度可靠的疏水电极结构。

(第十实施例)

接着将讨论第十实施例。

图12为示出了本发明第十实施例中疏水电极结构的机电开关的结构的剖面图。在图12中，凸出结构116形成于移动电极114表面上，位于形成于固定电极113表面上的电极材料的凸出部112之间的相应区域中。也就是说，这是第八实施例所示结构的修改示例，且其特征在于凹入部形成于固定电极113的电极表面上，且形成由电极材料的凸出部112包围的凹入部，且用单层涂布在表面上的凸出结构116形成于与凹入部相对应的移动电极上。凸出结构116的高度制成均匀的，使得凸出结构116的高度等于凸出部112，且固定电极113和移动电极114之间的接触界面是凸出结构116和由电极材料形成的凸出部112的复合表面。此外在该结构中，单层111和凸出结构116可以避免对移动电极113的物理压迫，且可以实现还具有接触界面排水性的高度可靠的疏水表面结构。

(第十一实施例)

接着讨论第十一实施例。

对于本发明第十一实施例，也可以采用其中即不形成凸出结构116也不形成单层111的结构，如图13所示。这种情况下，凸出部112的高度需要制成高于弯月面可存在的电极间距d_cap。根据该结构，弯月面不形成于除了凸出部112以外的排他占据接触界面，使得能够避免拉普拉斯压力的产生且可以避免静摩擦。此时，形成第一区域100a的固定电极的凸出部112设置约为趋肤深度λ，由此电学连接可以仅制作于第一区域100a内，且可以避免第二区域内的机械接触从而防止破坏。

第十一实施例的结构可以应用于各个上述第一至第十实施例的结构。

在这些实施例中，固定电极和移动电极之间的接触结构已经描述，但是无需说，本发明还可以应用于微机电元件中振荡器和固定电极之间的接触结构、光学开关中的接触结构等的其他装置。

如上所述，在本发明中，表面结构例如为电极材料和具有疏水性的单层的复合表面结构，由此避免了单层的物理压迫。其中单层不形成于射频信号传播路径上的结构被采用，使得可以避免由单层导致的介电损耗的产生和插入损耗的增大。此外避免了电场损伤。也就是说，本发明的特征在于电极的表面为具有第一区域和第二区域的复合表面结构，其中第一区域为电极的接触区域，第二区域至少插入有疏水层。

在上述微机电元件中，该疏水层优选地为涂层，用于覆盖置于第一部件表面上的突起部分。

根据该结构，疏水区域形成于表面结构的一部分内，由此可以实现用于自发将液滴从疏水部分移动到相邻亲水部分的排水结构，且可以防止液体交联形成于接触表面上。因此，可以避免拉普拉斯压力的产生，且液滴可以有效地从容易遭受因接触所致损伤的疏水区域排放到润湿性能区域。尽管疏水区域中的比电阻变大，但是电学传导路径是由低电阻的疏水区域形成且该疏水区域主要用于排水，由此排水性可以增强而不增大比电阻。因此，可以避免MEMS装置内的静摩擦，且可以实现高度可靠的机电开关。可以提供不受湿度影响的电极结构且不需要高成本的封装(真空封装等)，因此使用低成本封装的MEMS装置的成本降低变得可能。

在上述微机电元件中，优选地第二区域形成为涂布第一部件的突起部分，且该突起部分的高度形成为一定的长度，使得液体交联可以形成。

在上述疏水表面结构中，该凸出结构的高度优选地响应于使用的环境条件来确定。

突起部分的高度d确定为大于满足下述表达式的d_cap：

[表达式3]

其中θ为接触角，γ_la为液体-气体界面的表面能，v为摩尔体积，R为气体常数，T为温度，以及RH为相对湿度。

根据本发明，可以实现用于将置于凸出结构上的液滴自发地从疏水部分排放到相邻亲水部分的结构，且在部件之间的接触部分内不形成液体交联且因此可以避免拉普拉斯压力的产生。

在上述微机电元件中，该凸出结构优选地被第一区域包围。

在上述微机电元件中，多个凸出结构在形成于第一区域内的凹入部内以预定的间距形成。

在上述微机电元件中，优选地该第一部件形成有与疏水层形成位置相对应的凹入部，且该疏水层形成于第二部件的表面上并在第一部件的凹入部与第一部件接触。

在上述微机电元件中，优选地该疏水层形成于平板形状的第二部件的表面上。

在上述微机电元件中，优选地该疏水层形成于第二部件的突起部分的表面上，该第二部件具有与该凹入部相对应的突起部分。

在本发明中，在上述微机电元件中，优选地该第一区域和第二区域在该第一部件内高度几乎相等。

在本发明中，在上述微机电元件中，优选地该第一区域在第一部件内具有大于第二区域的面积。

根据该结构，避免了第二区域的接触，由此可以防止机械强度的退化。例如，避免了移动电极和单层之间的物理接触，由此能够避免单层的机械强度的退化，且可以提供包括高度可靠疏水电极结构的微机电元件。

在本发明中，在上述微机电元件中，优选地第二区域形成为在第一区域内具有预定间距的岛状。

在本发明中，在上述微机电元件中，优选地第二区域形成被第一区域包围的矩形岛区域。

根据该结构，通过避免接触第二区域，可以减小移动电极的偏转且可以防止机械强度的退化。

在本发明中，在上述微机电元件中，优选地第二区域置于远离射频信号传播区域。

在本发明中，在上述微机电元件中，优选地第一或第二部件形成共平面结构的布线，该共平面结构的布线形成为被两侧上的接地布线包围，且第二区域形成为与电极上的射频信号的趋肤深度相对应的宽度留在两侧。

根据该结构，可以避免电场集中，不对电导率产生显著影响。

在本发明中，在上述微机电元件中，优选地疏水层由形成于形成第一区域的第一材料的表面上的单层来形成。

在本发明中，在上述微机电元件中，优选地形成于第一部件内的凹入部的深度等于该单层的一个分子层的膜厚。

在本发明中，在上述微机电元件中，优选地这些部件是由铝、金、钨等的金属，氧化铝、氮化硅、氧化硅、Pb(Zr，Ti)O₃(PZT)、(Ba，Sr)TiO₃(BST)、SrTiO₃(STO)、HfO₂、AlN等的绝缘体，或者硅、砷化镓等的半导体形成，且第二区域由硅烷基化合物的单层形成。

根据该结构，这些部件和单层可以牢固地结合，且可以提供高度可靠的疏水表面结构。该结构可以应用于光学集成电路或半导体集成电路内的开关、谐振器、滤波器等的各种元件，且可以构造高度集成的装置。

在本发明中，优选地包括固定电极和形成为可以接触该固定电极的移动电极的机电开关是由上述微机电元件形成，其中该固定电极和移动电极中的至少一个具有上述的疏水表面结构。

工业实用性

在具有根据本发明的疏水表面结构的机电开关中，该接触界面的至少一个表面结构为第一区域和第二区域的复合表面结构，其中第一和第二部件在该第一区域内彼此直接接触且在第二区域内通过单层彼此接触，由此可以避免对单层的物理压迫。该单层形成为避开射频信号的传播路径，使得单层不形成于射频信号的传播路径上且可以防止由于该单层导致的介电损耗的产生和插入损耗的增大。此外避免了电场损伤。根据该结构，可以提供具有低损耗的高度可靠的疏水表面结构，保持了该单层的机械和电学耐久性。可以避免MEMS装置内的静摩擦且可以实现高度可靠的机电开关。

可以提供不受湿度影响的表面结构且不需要高成本封装(真空封装等)，使得使用低成本封装的MEMS装置的成本降低成为可能。

Claims (23)

1.一种微机电元件，包括：

第一部件；以及

与所述第一部件重复地接触和不接触的第二部件，

其中所述第一部件和所述第二部件之间的接触界面包括：

第一区域，其中所述第一部件和第二部件直接接触；以及

第二区域，其中疏水层夹置于所述第一部件和第二部件之间。

2.如权利要求1所述的微机电元件，其中所述疏水层为覆盖设于所述第一部件表面上的突起部分的涂层。

3.如权利要求2所述的微机电元件，其中所述疏水层形成为涂布所述第一部件的突起部分；以及

其中所述突起部分的高度形成至一定长度，使得液体交联可以形成。

4.如权利要求3所述的微机电元件，其中所述突起部分的高度d确定为大于满足下述表达式的d_cap：

[表达式1]

其中θ为接触角，γ_la为液体-气体界面的表面能，v为摩尔体积，R为气体常数，T为温度，以及RH为相对湿度。

5.如权利要求2所述的微机电元件，其中所述突起部分被所述第一区域包围。

6.如权利要求2所述的微机电元件，其中多个所述突起部分形成为在形成于所述第一区域内的凹入部内具有预定间距。

7.如权利要求1所述的微机电元件，其中凹入部形成于所述第一部件上从而对应于所述疏水层的形成位置；以及

其中所述疏水层形成于所述第二部件的表面上且接触所述第一部件的凹入部内的所述第二部件。

8.如权利要求7所述的微机电元件，其中所述疏水层形成于成形为平板形状的所述第二部件的表面上。

9.如权利要求7所述的微机电元件，其中所述疏水层形成于所述第二部件的突起部分的表面上，所述突起部分与所述凹入部相对应。

10.如权利要求1所述的微机电元件，其中所述第一区域和所述第二区域在所述第一部件内的高度基本上相等。

11.如权利要求1所述的微机电元件，其中所述第一区域在所述第一部件内具有大于所述第二区域的面积。

12.如权利要求1所述的微机电元件，其中所述第二区域形成为在所述第一区域内具有预定间距的岛状。

13.如权利要求1所述的微机电元件，其中所述第二区域形成被所述第一区域包围的矩形岛区域。

14.如权利要求1至13任意一项所述的微机电元件，其中所述第二区域设置为离开射频信号的传播区域。

15.如权利要求14所述的微机电元件，其中所述第一部件或第二部件形成共平面结构的布线，从而被两侧上的接地布线包围；以及

其中所述第二区域形成为与所述表面结构上射频信号趋肤深度相对应的第二区域的宽度留在两侧上。

16.如权利要求1所述的微机电元件，其中所述疏水层是由单层形成，所述单层形成于构成所述第一区域的第一材料的表面上。

17.如权利要求16所述的微机电元件，其中所述单层由硅烷基化合物形成。

18.如权利要求16所述的微机电元件，其中形成于所述第一部件内的所述凹入部的深度等于所述单层的一个分子层的膜厚。

19.如权利要求1所述的微机电元件，其中所述第一部件和第二部件形成为包含金属、绝缘体或半导体中的任意一种。

20.如权利要求19所述的微机电元件，其中所述金属是由铝、金或钨的任意一种形成。

21.如权利要求19所述的微机电元件，其中所述绝缘体是由氧化铝、氮化硅、氧化硅、Pb(Zr，Ti)O₃(PZT)、(Ba，Sr)TiO₃(BST)、SrTiO₃(STO)、HfO₂或AlN的任意一种形成。

22.如权利要求20所述的微机电元件，其中所述半导体是由硅或砷化镓的任意一种形成。

23.一种机电开关，包括：

固定电极，形成于基板表面上；以及

移动电极，形成为使得所述移动电极接触所述固定电极，

其中所述固定电极和移动电极彼此面对的区域的至少一部分是由根据权利要求1至22任意一项的微机电元件形成。

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