CN101166690A - Mems致动器和开关 - Google Patents

Abstract

本发明公开了使用可动式传导构件和多个载流固定接触端子的改进型MEMS结构，其有利地允许比电流通过可动式传导构件流动的现有技术装置具有更高的载流能力。使用本发明的结构可实现超过1.0安培的载流能力而无需附加限流装置，从而降低总体系统制造成本。

Description

MEMS致动器和开关

相关申请交叉引用

本申请要求2005年3月18日提交的美国临时申请No.60/662,829的优先权，该美国临时申请No.60/662,829描述了对2004年2月17日提交的美国专利申请No.10/782,708的改进，该美国专利申请No.10/782,708要求2003年4月22日提交的美国临时申请No.60/464,423的权益，这些申请的全部内容在此引入作为参考，如同在此进行了详细描述。

技术领域

本申请总体涉及微型机电系统(MEMS)领域，尤其涉及不需要另外的限流装置的改进型MEMS装置。

背景技术

微型机电系统(MEMS)为利用具有良好特性的半导体工艺构造的小型、可动式机械结构。有利地，MEMS可作为致动器，这些致动器被证明在许多应用中很有用。

现在的MEMS致动器相当小，长度只有几百微米，宽度只有几十微米。此类MEMS致动器通常以悬臂方式构造设置。换句话说，这些MEMS致动器的一端连接至基板，而其相对的自由端可在至少两个位置之间运动，其中一个位置为中性位置而另一个位置为偏转位置。

静电、磁性、压电和热致动机构属于最常见的、使用MEMS的致动机构。特别重要的是热致动机构。

本发明所属领域的普通技术人员应当理解，热MEMS致动器的偏转是由在一对称为“固定焊盘(anchor pad)”的端子之间施加的势能引起的，这些势能产生使该结构的温度升高的电流。这种升高的温度最终引起该结构的一部分收缩或伸长，这种收缩或伸长取决于使用的材料。

MEMS致动器的一种可能用途是将其构造成开关。这些开关由至少一个致动器制成。在多个致动器的情况下，它们通常按照顺序操作以便将它们的零件之一连接至另一个类似零件或将其释放。这些致动器形成开关，可使用施加在各致动器上的相应固定焊盘之间的控制电压而选择性地断开或闭合这些开关。

MEMS开关具有许多优点。尤其，它们很小且比较便宜(根据构型而定)。因为它们非常小，所以可在单个晶片上设置数量众多的MEMS开关。

更多优点中，MEMS开关消耗极少的电能并且它们的响应时间非常短。给人深刻印象地，闭合或断开MEMS开关的整个周期可短至几毫秒。

尽管现有技术的MEMS致动器和开关已经证明在某种程度上是令人满意的，然而仍普遍需要更多地改进它们的性能、可靠性以及可制造性。例如，通常令使用MEMS开关的系统的总成本增加的一个因素是包括特定市场中时常需要的任何附加保护措施。

一种令MEMS基系统的成本升高的此类附加保护措施是限流器装置。这些限流器为保护各MEMS开关免受多条电路之一中发生的较大电流峰值损害的外部设备。此类电流峰值(尽管持续时间通常很短)可能损害无保护的MEMS开关。消除MEMS基系统对众多限流器的需要，将会显著地降低这些系统的总成本并代表本领域的显著进步。

发明内容

我们已经开发出使用可动式传导构件和多个载流固定接触端子(stationary contact terminal)的改进型MEMS结构，此类改进型MEMS结构有利地允许比电流流过可动式传导构件的现有技术装置具有更高的载流能力。有利地，且与现有技术形成鲜明的对照，本发明的结构可承载超过1.0安培的电流而不需要附加的限流装置。因此，使用本发明的结构的系统显示出显著较低的总体系统制造成本。

附图说明

可以参考附图获得对本发明的更完整理解，附图中：

图1为根据本发明的一种示例性MEMS开关的示意图；

图2a和图2b为图1的MEMS开关所使用的致动器的侧视图；

图3a-3e示意性地示出了图2a和2b的MEMS致动器在从“断开”到“闭合”位置时的相对运动的一个实例；

图4示出了图1的示例性MEMS开关的一个替代实施例的示意图；

图5示出了图1的示例性MEMS开关的另一个替代实施例的示意图；

图6a示出了图1的示例性MEMS开关的又一个替代实施例的示意图；

图7示出了图1的示例性MEMS开关的又一个替代实施例的示意图，其中使用了四组接触端子；

图8为图1的MEMS开关的又一个替代实施例的示意图，其中一个致动器设有第二热臂构件；

图9为图1的MEMS开关的又一个替代实施例的示意图，其中使用了单个热臂构件；

图10为图1的MEMS开关的另一个替代实施例的示意图；

图11为图10的实施例的左侧视图；

图12为图10的实施例的剖视图；

图13a-13e示出了图10的MEMS开关的操作顺序；

图14示出了图10的MEMS开关的一个替代实施例的示意图；

图15a-15e示出了图14的MEMS开关的操作顺序；

图16示出了图1的MEMS开关的另一个替代实施例的示意图；

图17为图16的MEMS开关的侧视图；以及

图18为图17的MEMS开关的剖视图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的原理构造的MEMS开关100的一个实例。开关100包括两个MEMS致动器10、10′。MEMS开关100用于使用安装在支臂108端部的可动式传导构件106来选择性地闭合或断开一对接触端子102、104之间的电路。

当MEMS开关100处于闭合位置时，接触端子102、104处于电接合，也就是说电流可在两个接触端子102、104之间流动。当可动式传导构件106将这对接触端子102、104电“短接”时，实现了这种电接合。

相反地，当MEMS开关100处于断开位置时，接触端子102、104并未电接合并且它们之间没有看得出的电流流动。在优选实施例中，可动式传导构件106为镀过金的。

我们已经发现：使用如所示的那些接触端子102、104和可动式传导构件106，允许比导电路径沿着MEMS致动器10、10′自身的长度延伸的MEMS装置传导更高的电流。有利地，并且作为本发明的MEMS结构100的一个直接结果，现在可以使用MEMS开关而同时避免使用限流器。因此，使用MEMS开关的系统的总制造成本可被显著降低。

现在来看图2a和图2b，其示出了图1的致动器10、10′的侧视图，致动器10、10′以悬臂方式安装于基板12上。基板12的一个实例为硅晶片，一种具有很好特性的基板。然而，本发明所属领域的普通技术人员可容易地理解，本发明并不限于硅基板。

回看图1，各致动器10、10′分别包括具有两个相隔部分22、22′的、细长的热臂构件20、20′。各相隔部分22、22′的一端设有连接至基板12的、相应的固定焊盘24、24′。

在各致动器10、10′中，相隔部分22、22′基本上平行并在一公共端26、26′连接在一起，公共端26、26′如所示与固定焊盘24、24′相对并覆盖在基板12上面。

各致动器10、10′还包括细长的冷臂构件30、30′，冷臂构件30、30′邻近相应的热臂构件20、20′且基本上与其平行。冷臂构件30、30′具有位于一端的、连接至基板12的固定焊盘32、32′和如所示与固定焊盘32、32′相对的自由端34、34′。自由端34、34′覆盖在基板12上面。

介电栓(dielectric tether)40、40′连接在热臂构件20、20′的相隔部分22、22′的公共端26、26′上方和冷臂构件30、30′的自由端34、34′上方。介电栓40、40′设置成机械地联接热臂构件20、20′和冷臂构件30、30′并使它们保持电独立，从而以它们之间的最小间距保持它们处于相隔关系，以便避免正常操作中的直接接触或短路，又保持所需的耐压，该耐压与相应构件20、30和20′、30′之间的间距成比例。

应当指出，最大使用电压可通过改变环境气氛而增加。例如，使用高负电气体作为环境气氛将会增加耐压。这种气体的一个实例为六氟化硫，SF6。

介电栓40、40′优选地直接模制就位于所需位置并通过直接粘合而连接。直接模制还允许在固化之前使得少量的材料进入部件之间的空间。有利地，介电栓40、40′可以与图中所示不同方式连接至热臂构件20、20′和冷臂构件30、30′。而且，介电栓40、40′可透明，如某些图中所示。

各介电栓40、40′优选地完全由光致抗蚀剂材料制成。据发现，也容易制造的、用于该用途的非常适当的材料为商业上称作“SU-8”的材料。SU-8为基于EPON SU-8环氧树脂的、负的、环氧类近紫外线光致抗蚀剂(来自Shell Chemical)。当然，根据特定设计要求，也可使用其它光致抗蚀剂。其它可能的适当材料包括聚酰亚胺、旋涂玻璃(spin on glass)、氧化物、氮化物、ORMOCORE^TM、ORMOCLAD^TM或其它聚合物。而且，在本发明的范围内，还可组合不同的材料，并且组合不同的材料较好。可以理解，在相应致动器10、10′上方设置各介电栓40、40′是有利的，因为其允许使用上述材料，作为回报这提供了在栓材料方面的更多灵活性和更大的可靠性。

在使用时，当控制电压施加于热臂构件20、20′的固定焊盘24、24′上时，电流进入第一部分22和第二部分22′。在此处所示的各个实施例中，包括热臂构件20、20′的材料为基本上传导性的材料，其选择成使得热臂构件的长度在被加热时增加。然而，由于起初没有电流经过冷臂构件30、30′，所以冷臂构件30、30′基本上并不呈现这种伸长。这种设置的结果是，当控制电压施加在固定焊盘24、24′上时，热臂构件20、20′中产生的电流导致其发热，并且由于部件的不对称构造，各致动器10、10′的自由端向侧面偏转，从而使致动器10、10′从中性位置运动至偏转位置。相反地，从固定焊盘24、24′除去控制电压会导致热臂构件20、20′冷却从而使热臂构件20、20′运动至其初始位置。有利地，两种运动(从中性到偏转和从偏转返回到中性)很迅速地进行。

优选地，各冷臂构件30、30′包括邻近其固定焊盘32、32′的较窄部分36、36′，以便在中性位置与偏转位置之间运动。与冷臂构件30、30′的较宽部分38、38′相比，各较窄部分36、36′的宽度从外部沿侧向减小。在这个优选实施例中，宽度以直角的形式减小。本发明所属领域的普通技术人员可以理解，其它形状也可以。

图1所示实施例中的各致动器10、10′包括一组两个相隔的附加介电栓50、50′。这些附加介电栓50、50′横向设置于热臂构件20、20′的相隔部分22、22′上方和冷臂构件30、30′上方。通常，它们粘附至这些部件。

有利地，在各致动器10、10′上设置至少一个此类附加介电栓50、50′，以便通过减小热臂构件20、20′的有效长度而为热臂构件20、20′提供附加强度，从而防止热臂构件20、20′随着时间的流逝而发生变形。由于部件之间的缝隙非常小，附加介电栓50、50′通过将热臂构件20、20′的两个部分22、22′或热臂构件20、20′的物理上最靠近冷臂构件30、30′的部分22、22′与冷臂构件30、30′自身保持相隔的构型，来减小它们之间发生短路的任何危险。

另外，由于冷臂构件30、30′在某些构型中可用于承载高压信号，所以在由高压信号在它们之间产生的静电力作用下，热臂构件20、20′的最靠近冷臂构件的部分22、22′可变形，从而运动得更靠近冷臂构件30、30′。如果热臂构件20、20′的部分22、22′变得太靠近冷臂构件30、30′，则可能会发生电压击穿，破坏MEMS开关100。最后，由于热臂构件的两个部分22、22′比较长，所以其在被加热而产生偏转时易于变形，从而减小致动器10、10′的有效行程。

可以理解，使用一个、两个或多个附加介电栓50、50′具有许多优点，这些优点包括：增加热臂构件20、20′的部分22、22′的刚度、增加致动器10、10′的行程、减小热臂构件20、20′的部分22、22′之间短接的危险以及增加冷臂构件30、30′与热臂构件20、20′之间的击穿电压。

附加介电栓50、50′优选地由与主介电栓40、40′相同或类似的材料制成。有利地，在固化之前允许少量的材料在部件之间流动以便改进粘合情况。此外，一个或多个孔或通道(未示出)可设置于冷臂构件30、30′中，以便在固化之前容置少量材料从而保证更好的粘合。

优选地，附加介电栓50、50′沿着各致动器10、10′的长度设置在加大部位22a、22a′处。这些加大部位22a、22a′提供了更大的接触表面，并且还有助于当电流在其中流动时散发更多的热。提供更大的表面和允许散发更多的热，使得致动器的使用寿命增加。

继续讨论图1，可以观察到该图还示出：该优选实施例的各致动器10、10′包括连接至冷臂构件30、30′的自由端34、34′的、相应的尖端构件60、60′。在这种构型中，尖端构件60、60′用来执行机械锁定功能，使得MEMS开关100能够在不需要动力的情况下保持处于“接通”位置。在需要在尖端构件60、60′之间形成电连接的某些其它构型中，各尖端构件60、60′的接触凸缘62、62′的表面优选地设计成便于在两个这种尖端构件60、60′彼此接触时降低接触电阻。这可通过使用由金制成的尖端构件60、60′实现，尖端构件60、60′完全由金制成或者上方镀金。其它可能的材料包括金钴合金、钯等等。此类材料提供了可与镍相比的较低接触电阻，镍为冷臂构件30、30′优选的材料。热臂构件20、20′也优选地制成镍制造。其它材料可用于热臂构件20、20′和冷臂构件30、30′。

现在转向图2a，其示出的是：一个致动器10′的尖端构件60′在相应冷臂构件30、30′的自由端34、34′下方连接。优选地，当材料镀覆在彼此之上时，利用自然粘合材料来连接，尽管也可以使用其它方法。如果尖端构件60、60′由镍制造，则它将会与镍冷臂和热臂同时成型，因而将会成为冷臂构件30、30′的一体部分。

图3a至图3e示意性地示出了在MEMS开关100从“断开位置”移至“闭合位置”从而闭合两个接触端子102、104之间的电路时MEMS致动器10、10′的相对运动的一个实例。为了从一个位置运动至另一个位置，按照顺序操作致动器10、10′。

更特别而言，图3a示出了MEMS开关100的初始位置。在图3b中，第二致动器10′的热臂构件被致动以使尖端构件60′向右偏转。然后，在图3c中，第一致动器10的尖端构件60在相应热臂构件被致动时向右边偏转。

图3d示出了第二致动器10′中的控制电压被释放时的情况，这在第二致动器10′朝向其中性位置返回时，引起第二致动器10′的凸缘62′与第一致动器10的凸缘62的背侧接合。然后，在图3e中，第一致动器10的控制电压随后被释放，从而允许两个致动器10、10′之间稳定接合。MEMS开关100的闭合很迅速，所有这些通常在几毫秒内发生。有利地，MEMS开关100可通过反向进行上述操作而被断开。

可以看到，在图3a至图3e中，可动式传导构件106从其与接触端子102、104脱离接合的位置运动至其被推靠着接触端子102、104以使电路闭合的位置。当电路闭合时，支臂1 08稍微弯曲，这样产生一弹性力，该弹性力保持传导构件106处于良好的形状匹配的接合(positive engagement)。于是，信号或简单的电流可在两个相应的接触端子102、104之间传递。应当指出，在这一点上，如果需要，MEMS致动器10、10′仍可用来通过其自身的结构来传递信号，尽管这种路径不如两个接触端子102、104之间的路径那样最优化。在那种情况下，自由端34将包括介电栓以便电绝缘支臂108和致动器10。

图4示出了一个替代实施例。除了包括用于与接触端子102′、104′接合的可动式传导构件106′和安装于第二致动器10′上的相应支臂108′以外，该实施例类似于图1所示的实施例。

图5示出了本发明的MEMS开关结构的另一个替代实施例。其包括两个可动式传导构件106、106′和两个相应的支臂108、108′。当闭合时，该MEMS开关100同时形成两个电路。在本实施例中，介电栓120、120′设置在各自由端34、34′与相应的支臂108、108′之间以便电绝缘各触点。

图6A示出了另外一个替代实施例。它包括位于支臂108端部的可动式传导构件106，支臂108具有多个平行的段(segment)。当可动式传导构件106抵靠在两个接触端子102、104上时，这种弹簧状构型为支臂108提供了灵活性。可以容易地理解，灵活性可对接触电阻和使用寿命周期具有影响。

图6B示出了图6A所示的实施例的一个变型。开关100的MEMS致动器10、10′之一具有相对于冷臂构件30成一定角度设置的热臂构件20。有利地，当MEMS开关100闭合时，这种角度偏移为支臂108施加在介电栓120上的附加应力提供了部分补偿。

此外，这种角度偏移还防止致动器10在多个循环以后由于疲劳而从其初始位置处离开。在热臂构件20没有角度的情况下，经过不断重复循环，可动式接触元件106和接触端子102、104之间的缝隙可能随着时间的过去逐渐增加。可以容易地理解，该角度为致动器10提供了更大的侧向稳定性。

优选地，支臂108与冷臂构件30制成一体，并且设计有稍微对称地绕着中心轴线设置的刚性基座部分和弹簧状部分，该中心轴线朝向接触端子102、104并在接触端子102、104之间延伸。图6C示出了图6B所示的结构的一种变型，其中致动器10、10′不带有加大部位22a、22a′。

图7示出了另一个替代实施例，其中使用了四组接触端子102、104和102′、104′。各支臂108、108′承载着两个相应的可动式接触元件106、106′并且成形为具有两个基本上平行的段的弹簧状构型。通过相应的栓110、110′使得各可动式接触元件106、106′电独立于支臂108。

图8示出了MEMS开关100的一个替代实施例，其中致动器10、10′之一设置有与第一热臂构件22相对的第二热臂构件23。第二热臂构件23具有两个相应的固定焊盘25。在将MEMS开关100从闭合位置释放至断开位置期间，该第二热臂构件23被致动。这可用于抵制可能在可动式传导构件106和两个接触端子102、104之间发生的粘性力或微焊接(如果有的话)。如果在致动器10返回至其初始位置时这些力超过自然返回力，则第二热臂构件23可在相对侧上提供另外需要的力以便抵制这些力。

图9示出了另一个替代实施例，其中各致动器10、10′使用单热臂构件而不是双热臂构件构型。这种构型减小了总尺寸并增加了MEMS开关100的灵活性。另一方面，单热臂构件构型减小了有效行程和施加于接触端子102、104上的力。一个致动器10具有三个固定焊盘24、25和32但具有两个单热臂构件22、23；另一个致动器10′具有两个固定焊盘24′、32′但只具有直接连接至冷臂构件30′的一部分热臂构件20′。介电栓120设置在自由端34与支臂108之间以及自由端34与冷臂构件30之间。

图10至图18示出了一种不同类的MEMS开关100。在这些MEMS开关100中，可动式传导构件106在电路断开或闭合过程期间竖直运动。

在图10中，更靠近固定焊盘24、24′的部分为第一致动器10，该第一致动器10利用热臂构件20的部分22使第二致动器10′竖直运动。电流通过固定焊盘24′和第一致动器10的臂构件30供向第二致动器10′。第一致动器10和第二致动器10′通过栓40连接在一起。当致动时，第二致动器10′的热臂构件22的部分22′使支臂108′和可动式传导构件106′向右运动。支臂108′利用栓40′与可动式传导构件106′电绝缘。图11为这种结构的左视图。图12为沿着图10中的线XII-XII剖开的剖视图。

图13a至图13e示出了从图10中的线XIII-XIII观察时，图10至图12的MEMS开关100的操作顺序。初始“断开”位置如图13a所示。图13b示出了当第一致动器致动时升高的可动式传导构件106′。当第一致动器致动时，第一致动器的热臂构件通过在其中流动的电流被加热。这增加了热臂构件的长度。由于热臂构件20相对于冷臂构件30稍微竖直地偏移，如图12所示，所以第一致动器10的远离相应固定焊盘的端部将会被竖直地升高。因此，第二致动器10′，支臂108′和可动式传导构件106′也将会被升高。

图13c示出了一旦第二致动器10′被驱动之后可动式传导构件106′相对于一个接触端子104′的位置。然后，第一致动器中的电压被释放以便迫使第一致动器返回至其初始位置。可动式传导构件106′将会向下运动直至其与接触端子104′接触。最后，从第二致动器释放电压并迫使第二致动器的自由端返回其在左边的初始位置。这将会保持接触端子104′与可动式传导构件106′之间的力。应当指出，所有这些程序在非常短的时间内发生并且可通过反向进行上述步骤而反向进行这些程序。

图14示出了一个替代实施例，其有点类似于图10至图12。在本实施例中，当MEMS开关100处于闭合位置时，接触端子102′、104′并不为可动式传导构件106′提供水平支承。图15a至图15e示出了用于闭合电路的各个步骤。除了当电路闭合时可动式传导构件106′将不安放在接触端子104′之上以外，这些步骤类似于图13a至图13e中的步骤传导构件。

图16至图18示出了另一个实施例。在本实施例中，第一致动器10使可动式传导构件106′在水平面中运动传导构件。第二致动器10′使可动式传导构件竖直运动。该实施例的操作仍然类似于图13a至13e所示的情况，因此本段中并未提及的零件指的是图10至图14中的相同元件。图17示出了该构型的侧视图。图18示出了沿着图16中的线XVIII-XVIII剖开的剖面图。

在图16中可以看到，“冷臂构件”30′可集成至热臂构件20′。然而，由于其中没有电流流动，所以当电流流入热臂构件20′的两个部分22′中时，冷臂构件30′将会保持于相同的长度。由于热臂构件20′的两个部分22′稍微在冷臂构件30的高度以下，所以支臂108′和可动式传导构件106′将会向上运动。

可以理解，此处所公开的MEMS开关100的各种构型可被设计成承受接触端子之间的较大电流。有利地，这种电流可超过一安培，甚至可以更高。因此，利用这种MEMS开关构型，可以从系统设计中省略掉限流器。通常，各致动器10、10′利用介于50mA至200mA之间的电流致动。其它值也可以。

应当理解，上述实施例只是示例说明了可以代表本发明的应用的几个可能的特定实施例。对于本发明所属领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的范围和精神的情况下，能够使用众多各种其它结构和材料。

Claims (10)

1.一种微型机电(MEMS)开关，包括：

多个相隔的固定电触点；以及

可动致动器；

其特征在于：

所述可动致动器通过致动而偏转，以在至少两个固定电触点之间建立电接触。

2.根据权利要求1所述的MEMS开关，其特征还在于：

包括闩锁，其将所述可动致动器紧固于偏转位置。

3.根据权利要求2所述的MEMS开关，其特征还在于：

一旦紧固后，施加于所述闩锁上以实现所述闩锁将所述可动致动器紧固于所述偏转位置的所有力即被除去。

4.根据权利要求2所述的MEMS开关，其特征还在于：

所述可动致动器在加热时充分偏转，以便在所述至少两个固定电触点之间建立电接触。

5.根据权利要求2所述的MEMS开关，其特征还在于：

所述可动致动器包括冷臂构件和热臂构件。

6.根据权利要求5所述的MEMS开关，其特征还在于：

所述可动致动器在电流流过所述热臂构件时被偏转。

7.根据权利要求2所述的MEMS开关，其特征还在于：

所述闩锁选的动作是择性地可逆的，以便能去除所述至少两个固定电触点之间的电接触。

8.根据权利要求1所述的MEMS开关，其特征还在于：

在至少两个所述固定电触点之间流动着1安培或1安培以上的电流。

9.根据权利要求8所述的MEMS开关，其特征还在于：

多个可动致动器和多个固定电触点使各所述可动致动器能通过致动而分别偏转，从而在所述固定电触点中的至少两个固定电触点之间建立电接触。

10.根据权利要求1所述的MEMS开关，其特征还在于：

所述可动致动器包括弹簧。

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