CN101226856A - 微开关器件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种微开关器件及其制造方法，所述微开关器件包括：固定部；可移动部；第一电极，具有第一触点和第二触点；第二电极，具有与第一触点相接触的第三触点；以及第三电极，具有与第二触点相对的第四触点。在制造微开关器件的过程中，在衬底上形成第一电极，再在衬底上形成牺牲层以覆盖第一电极。然后，在牺牲层中对应于第一电极的位置形成第一凹部和较浅的第二凹部。形成第二电极，第二电极具有经由牺牲层与第一电极相对的部分并且填充第一凹部。形成第三电极，第三电极具有经由牺牲层与第一电极相对的部分并且填充第二凹部。然后去除牺牲层。

Description

微开关器件及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种通过MEMS技术制造的微开关器件。
背景技术
在无线通信设备(例如移动电话)技术领域中，为了获得更高的性能，需要整合在设备中的部件越来越多，因此对尺寸更小的射频(RF)电路的需求不断增长。为了满足这种需求，采用称作微机电系统(以下称作MEMS)的技术来减小构成电路的各种部件的尺寸。
这些部件中的一种为MEMS开关。MEMS开关是一种开关器件，包括基于MEMS技术以减小的尺寸制造的部件，例如包括：触点对，机械地断开和闭合，以进行开关操作；以及驱动机构，驱动触点对进行机械开关操作，仅举出几个例子。与包括PIN二极管或者MESFET的开关器件相比，MEMS开关通常在断开状态下实现更好的隔离，而在闭合状态下实现更低的插入损耗，特别是在对GHz量级的高频信号进行开关操作时。这是因为断开状态是通过触点之间的机械断开动作来实现，而且机械开关产生的寄生电容更小。在专利文献例如JP-A-2004-1186、JP-A-2004-311394、JP-A-2005-293918和JP-A-2005-528751中公开了MEMS开关。
图25至图29示出微开关器件X4作为传统微开关器件的实例。图25是微开关器件X4的平面图，图26是微开关器件X4的部分平面图。图27至图29分别是沿着图25中的线XXVII-XXVII、XXVIII-XXVIII以及XXIX-XXIX的剖视图。
微开关器件X4包括基部衬底S4、固定部41、可移动部42、接触电极43、接触电极对44A、44B(在图26中用点划线表示)、驱动电极45以及驱动电极46(在图26中用点划线表示)。
如图27至图29所示，固定部41经由间隔层(partition layer)47接合到基部衬底S4。固定部41和基部衬底S4由单晶硅形成，而间隔层47由二氧化硅形成。
如图26和图29所示，可移动部42包括固接端42a和自由端42b，固接端42a固定于固定部41，并且可移动部42设置为从固接端42a起沿着基部衬底S4延伸，且被缝48围绕。可移动部42由单晶硅形成。
如图26所示，接触电极43靠近可移动部42的自由端42b。如图27和图29所示，接触电极44A、44B都形成为部分地竖立在固定部41上，并且包括与接触电极43相对的部分。经由内部连线(未示出)，接触电极44A、44B连接到要开关的预定电路。接触电极43、44A、44B由适当的导电材料形成。
如图26所示，驱动电极45设置为在可移动部42以及固定部41的一部分上延伸。如图28所示，驱动电极46包括接合到固定部41的两个立柱(upright post)以及连接两个立柱的水平部分，从而跨设在驱动电极45上。此外，驱动电极46通过导体接地(未示出)。驱动电极45、46由适当的导电材料形成。
在这样构造的微开关器件X4中，当向驱动电极45施加电势时，则在驱动电极45、46之间产生静电引力。当施加的电势足够高时，则沿着基部衬底S4延伸的可移动部42发生弹性变形，直到接触电极43与接触电极44A、44B相接触。这就是微开关器件X4进入闭合状态的方式。在闭合状态下，接触电极43充当接触电极对44A、44B之间的电桥，由此允许电流在接触电极44A、44B之间流过。这样就可以实现例如高频信号的接通(on)状态。
另一方面，当微开关器件X4处于闭合状态时，如果切断给驱动电极45的电势，就会消除驱动电极45、46之间的静电引力作用，导致可移动部42恢复其自然状态，从而使接触电极43与接触电极44A、44B分离。这就是微开关器件X4进入断开状态的方式，如图27和图29所示。在断开状态下，接触电极对44A、44B电隔离，从而阻止电流在接触电极44A、44B之间流过。这样就可以实现例如高频信号的关断(off)状态。
微开关器件X4的缺点是接触电极43在朝着接触电极44A、44B的方向上有较大的波动。
在微开关器件X4的制造工艺中，利用薄膜形成技术在可移动部42上或者在材料衬底上要形成可移动部的位置形成接触电极43。具体而言，进行溅射或气相沉积工艺，以在预定表面上沉积预定的导电材料，然后将沉积层图案化以形成接触电极43。这样通过薄膜形成技术形成的接触电极43往往会产生一些内部应力。内部应力常常造成可移动部42在接触电极43粘附的位置或者该位置附近随同接触电极43发生变形，如图30(a)-(b)夸张所示。这种变形导致各器件之间在接触电极43朝着接触电极44A、44B的方向上出现较大的差异(即波动)。
接触电极43在朝着接触电极44A、44B的方向上有大的波动，导致为了实现微开关器件X4的闭合状态，要施加在驱动电极45上的电势就更高。这是因为必须设定足够高的驱动电压来确保器件正常工作，而不管假定范围内接触电极43的方向程度如何。因此，从降低器件驱动电压的角度出发，不希望接触电极43(可移动接触电极)在朝着接触电极44A、44B(固接接触电极)的方向上有大的波动。
发明内容
基于上述背景提出本发明。因此，本发明的一个目的是提供一种微开关器件，其能够抑制可移动接触电极在朝着固接接触电极的方向上的波动。本发明的另一目的是提供制造这种微开关器件的方法。
本发明的第一方案提供一种微开关器件。这种微开关器件包括固定部、可移动部、可移动接触电极、第一固接接触电极、第二固接接触电极以及驱动机构。可移动部包括第一表面以及与第一表面相对的第二表面，并且可移动部设置为从它固定于固定部的固接端起水平地延伸。可移动接触电极设置在可移动部的第一表面上，并且包括第一接触部和第二接触部。接合到固定部的第一固接接触电极包括第三接触部，即使器件处于断开状态(关断状态)下第三接触部也能够与可移动接触电极的第一接触部相接触。同样也接合到固定部的第二固接接触电极包括第四接触部，第四接触部设置为与可移动接触电极的第二接触部相面对。驱动机构使可移动部移动或产生弹性变形，使得第二接触部与第四接触部相接触。
在上述微开关器件中，在断开状态(关断状态)下可移动接触电极的第一接触部能够与第一固接接触电极的第三接触部相接触。在此断开状态(即保持第一接触部与第三接触部相接触)下，与第一接触部和第三接触部彼此间隔开的情况相比，可移动接触电极(或者上面形成有这一接触电极的可移动部)因电极中产生的内部应力而变形的自由度被降低。因为这个特性，本发明的微开关器件适于抑制可移动接触电极在相对于第一、第二固接接触电极的方向上的波动。抑制可移动接触电极的方向上的波动有助于降低微开关器件的驱动电压。
根据本发明的第二方案，上述第一接触部和第二接触部永久性相连接。通过此配置，能够有效地抑制可移动接触电极在相对于第一、第二固接接触电极的方向上的波动。
优选地，可移动接触电极可包括第一突出部，第一突出部包括第一接触部。此外，可移动接触电极可包括第二突出部，第二突出部包括第二接触部，并且第二突出部的突出长度短于第一突出部的突出长度。这种结构有利于在器件的断开状态下获得可移动接触电极的第一接触部与固接接触电极的第三接触部之间暂时或永久的接触状态。
优选地，第一固接接触电极可包括第三突出部，第三突出部包括第三接触部，而第二固接接触电极可包括第四突出部，第四突出部包括第四接触部，并且第四突出部的突出长度短于第三突出部的突出长度。这种结构有利于在器件的断开状态下使第一接触部与第三接触部相接触。
优选地，在可移动部的第一表面上，可移动接触电极与固接端在预定偏移方向上间隔开，此外，第一接触部与第二接触部在与所述偏移方向交叉的方向上间隔开。驱动机构包括位于可移动部的第一表面上的驱动力产生区域，所述驱动力产生区域的重心距离可移动接触电极的第二接触部比距离第一接触部更近。这种结构有利于降低器件的驱动电压。
优选地，可移动部的固接端与可移动接触电极的第一接触部之间的距离不同于固接端与第二接触部之间的距离。例如，固接端与第二接触部之间的距离可小于固接端与第一接触部之间的距离。可移动部可为弯曲结构。优选地，驱动力产生区域的重心和第二接触部可位于经过固接端的长度中点和第一接触部与第二接触部之间的中点的虚线的同一侧。这种结构有利于降低器件的驱动电压。
优选地，根据本发明的微开关器件可包括静电驱动机构作为上述驱动机构，其中该静电驱动机构可包括可移动驱动电极和固接驱动电极，可移动驱动电极设置在可移动部的第一表面上，固接驱动电极具有与可移动驱动电极相对的部分并且接合到固定部。
优选地，驱动机构可包括由第一电极层、第二电极层以及压电层构成的多层结构，所述第一电极层设置在可移动部的第一表面上，所述压电层设置在所述第一电极层与所述第二电极层之间。本发明的微开关器件可包括这样的压电驱动机构作为驱动机构。
优选地，驱动机构可包括由多个材料层构成的多层结构，所述多个材料层设置在可移动部的第一表面上，各个材料层具有不同的热膨胀系数。本发明的微开关器件可包括这样的热式驱动机构作为驱动机构。
本发明的第三方案提供制造根据本发明第一方案的微开关器件的方法。该方法包括以下步骤在衬底上形成可移动接触电极；在衬底上形成牺牲层，使牺牲层覆盖可移动接触电极；在牺牲层中对应于可移动接触电极的位置形成第一凹部和第二凹部，第二凹部比第一凹部浅；形成第一固接接触电极，使得第一固接接触电极填充第一凹部，并且具有经由牺牲层与可移动接触电极相对的部分；形成第二固接接触电极，使得第二固接接触电极填充第二凹部，并且具有经由牺牲层与可移动接触电极相对的部分；以及去除牺牲层。
本发明的第四方案提供制造根据本发明第二方案的微开关器件的方法。该方法包括以下步骤：在衬底上形成所述可移动接触电极；在衬底上形成牺牲层，使牺牲层覆盖可移动接触电极；在牺牲层中对应于可移动接触电极的位置形成通孔和凹部，通孔部分地暴露可移动部；形成第一固接接触电极，使得第一固接接触电极填充通孔，并且具有经由牺牲层与可移动接触电极相对的部分；形成第二固接接触电极，第二固接接触电极填充凹部，并且具有经由牺牲层与可移动接触电极相对的部分；以及去除牺牲层。
附图说明
图1是示出根据本发明第一实施例的微开关器件的平面图；
图2是图1所示的微开关器件的部分平面图；
图3是沿着图1中的线III-III的剖视图；
图4是沿着图1中的线IV-IV的剖视图；
图5是沿着图1中的线V-V的剖视图；
图6以剖视图示出图1所示的微开关器件的制造工艺的步骤；
图7以截面示出图6所示的步骤后续的制造步骤；
图8以截面示出图7所示的步骤后续的制造步骤；
图9以截面示出图8所示的步骤后续的制造步骤；
图10是示出根据本发明第一实施例的微开关器件的一个变型的平面图；
图11是沿着图10中的线XI-XI的剖视图；
图12是示出根据本发明第一实施例的微开关器件的另一变型的平面图。
图13是沿着图12中的线XIII-XIII的剖视图；
图14是示出根据本发明第二实施例的微开关器件的平面图；
图15是沿着图14中的线XV-XV的剖视图；
图16是沿着图14中的线XVI-XVI的剖视图；
图17以截面示出图14所示的微开关器件的制造工艺的步骤；
图18是示出根据本发明第三实施例的微开关器件的平面图；
图19是示出图18所示的微开关器件的平面图，其中省略了一些部分；
图20是沿着图18中的线XX-XX的剖视图；
图21是沿着图18中的线XXI-XXI的剖视图；
图22是沿着图18中的线XXII-XXII的剖视图；
图23示出图1所示的微开关器件的一个变型；
图24示出图1所示的微开关器件的另一变型；
图25是示出传统微开关器件的平面图；
图26是示出图25所示的微开关器件的平面图，其中省略了一些部分；
图27是沿着图25中的线XXVII-XXVII的剖视图；
图28是沿着图25中的线XXVIII-XXVIII的剖视图；
图29是沿着图25中的线XXIX-XXIX的剖视图；以及
图30以截面示出上面形成有接触电极的传统可移动部怎样变形(以夸张的方式绘出)。
具体实施方式
图1至图5示出根据本发明第一实施例的微开关器件X1。图1是示出微开关器件X1的平面图，图2是微开关器件X1的部分平面图。图3至图5分别是沿着图1中的线III-III、IV-IV和V-V的剖视图。
微开关器件X1包括基部衬底S1、固定部11、可移动部12、接触电极13、接触电极对14A、14B(在图2中用点划线表示)、驱动电极15以及驱动电极16(在图2中用点划线表示)。
固定部11经由间隔层17接合到基部衬底S1，如图3至图5所示。固定部11由硅材料例如单晶硅形成。构成固定部11的硅材料优选具有不小于1000Ω·cm的电阻率。间隔层17例如由二氧化硅形成。
如图1、图2和图5所示，可移动部12包括第一表面12a和第二表面12b以及固接端12c和自由端12d，固接端12c固定于固定部11，并且可移动部12设置为从固接端12a起沿着基部衬底S1延伸，且经由缝18被固定部11围绕。可移动部12的厚度T(如图3、图4所示)例如为不大于15μm。如图2所示，可移动部12的长度L1例如为650μm至1000μm，长度L2例如为200μm至400μm。缝18的宽度例如为1.5μm至2.5μm。可移动部12例如由单晶硅形成。
如图2所示，接触电极13为可移动接触电极，并且位于可移动部12的第一表面12a上靠近自由端12d的位置(换而言之，接触电极13与可移动部12的固接端12c有一定距离)。接触电极13包括接触部13a’、13b’。为使附图清楚起见，在图2中用实心圆表示接触部13a’、13b’。接触电极13的厚度例如为0.5μm至2.0μm。这样的厚度范围有利于降低接触电极13的电阻。接触电极13由适当的导电材料形成，并且具有多层结构，所述多层结构例如包括Mo底层和设置在Mo底层上的Au层。
接触电极14A、14B分别为第一固接接触电极和第二固接接触电极。接触电极14A、14B各自直立地形成在固定部11上，并具有向下的突出部14a或14b，如图3和图5所示。突出部14a的末端(下端)充当接触部14a’，接触部14a’设置为与接触电极13上的接触部13a’相接触。突出部14b的末端充当接触部14b’，接触部14b’设置为与接触电极13上的接触部13b’相对。突出部14a的突出长度大于突出部14b的突出长度。例如，突出部14a的突出长度为1μm至4μm，而突出部14b的突出长度可以为0.8μm至3.8μm，但总是小于突出部14a的突出长度。经由某一内部连线(未示出)，接触电极14A、14B连接到要开关的预定电路。接触电极14A、14B可由与接触电极13相同的材料形成。
如图2所示，驱动电极15设置为在可移动部12以及固定部11的一部分上延伸。驱动电极15的厚度例如为0.5μm至2μm。驱动电极15可由Au形成。
驱动电极16用于在其与驱动电极15之间的空间中产生静电引力(驱动力)，并且形成为通过使其各端部连接到固定部11而跨设在驱动电极15上，如图4所示。驱动电极16的厚度例如为不小于15μm。驱动电极16通过导体接地(未示出)。驱动电极16可由与驱动电极15相同的材料形成。
图6至图9为示出与图3和图4所示微开关器件X1相同的部分的剖视图，并示出其制造工艺。在此工艺中，首先制备图6(a)所示的材料衬底S1’。材料衬底S1’为绝缘体上硅(SOI)衬底，并且具有多层结构，所述多层结构包括第一层101、第二层102以及夹在中间的中间层103。本实施例中，例如，第一层101的厚度为15μm，第二层102的厚度为5105μm，中间层103的厚度为4μm。第一层101例如由单晶硅形成，待处理成为固定部11和可移动部12。第二层102例如由单晶硅形成，待处理成为基部衬底S1。中间层103例如由二氧化硅形成，待处理形成间隔层17。
然后，在第一层101上形成导体层104，如图6(b)所示。例如，进行溅射工艺，以在第一层101上沉积Mo，再在Mo层上沉积Au。Mo层的厚度例如为30nm，Au层的厚度例如为500nm。
然后，进行光刻工艺，以在导体层104上形成抗蚀剂图案105、106，如图6(c)所示。抗蚀剂图案105的图案形状与接触电极13对应。抗蚀剂图案106的图案形状与驱动电极15对应。
参照图7(a)，利用抗蚀剂图案105、106作为掩模，在导体层104上进行蚀刻工艺，由此在第一层101上形成接触电极13和驱动电极15。此工艺中例如可采用离子铣(ion milling)工艺(通过Ar离子进行的物理蚀刻)。在随后对金属材料的蚀刻工艺中也可以采用离子铣工艺。
将抗蚀剂图案105、106去除之后，在第一层101上进行蚀刻工艺，形成缝18，如图7(b)所示。具体而言，进行光刻工艺，由此在第一层101上形成预定的抗蚀剂图案，之后利用该抗蚀剂图案作为掩模在第一层101上进行各向异性蚀刻工艺。这里可采用反应离子蚀刻工艺。在此阶段，固定部11和可移动部12形成为预定的图案。
然后，在材料衬底S1’的第一层101上形成牺牲层107，以覆盖缝18，如图7(c)所示。牺牲层107的适合材料包括二氧化硅。形成牺牲层107的适合方法包括等离子体CVD工艺和溅射工艺。
参照图8(a)，在牺牲层107上对应于接触电极13的位置形成凹部107a、107b。具体而言，进行光刻工艺，由此在牺牲层107上形成预定的抗蚀剂图案，之后利用该抗蚀剂图案作为掩模在牺牲层107上进行蚀刻工艺。这里可采用湿法蚀刻工艺。对于湿法蚀刻工艺，可采用缓冲氢氟酸(BHF)作为蚀刻液。随后在牺牲层107上进行的蚀刻工艺也可以采用BHF。凹部107a用于形成接触电极14A的突出部14a。凹部107a的底部与接触电极13之间的距离，也就是牺牲层107在凹部107a与接触电极13之间的厚度例如为不大于12μm。在图8(a)以及后续的附图中，牺牲层107在凹部107a与接触电极13之间的厚度被夸大。凹部107b用于形成接触电极14B的突出部14b，并且比凹部107a浅。
然后，将牺牲层107图案化，以形成孔107c、107d、107e，如图8(b)所示。具体而言，进行光刻工艺，由此在牺牲层107上形成预定的抗蚀剂图案，之后利用该抗蚀剂图案作为掩模在牺牲层107上进行蚀刻工艺。这里可采用湿法蚀刻工艺。孔107c、107d分别用于暴露固定部11上要接合接触电极14A、14B的区域。孔107e用于暴露固定部11上要接合驱动电极16的区域。
在设置了牺牲层107的材料衬底S1’的表面上形成用于导电的底层(未示出)后，形成抗蚀剂图案108，如图8(c)所示。例如，可通过溅射工艺沉积厚度为50nm的Mo，然后在Mo层上沉积厚度为500nm的Au来形成底层。抗蚀剂图案108包括对应于接触电极14A、14B的孔108a、108b以及对应于驱动电极16的孔108c。
参照图9(a)，形成接触电极14A、14B以及驱动电极16。具体而言，进行电镀工艺，以在底层上在通过孔107a至107e以及孔108a至108c而暴露的区域生长Au。
然后，通过蚀刻去除抗蚀剂图案108，如图9(b)所示。之后，通过蚀刻去除底层用于电镀的暴露部分。这些去除步骤可采用湿法蚀刻工艺。
参照图9(c)，去除牺牲层107以及一部分中间层103。具体而言，在牺牲层107和中间层103上进行湿法蚀刻工艺。通过此蚀刻工艺，首先去除牺牲层107，然后去除中间层103在对应于缝18的位置及其附近的部分。在可移动部12的整体与第二层102之间形成适当的间隙后停止上述蚀刻工艺。这样，中间层103的剩余部分充当间隔层17。此外，第二层102构成基部衬底S1。
通过上述工艺，可移动部12产生翘曲并向接触电极14A、14B移动，如图9(c)夸张所示。在如上形成的驱动电极15中要承受由于形成工艺而产生的内部应力，该内部应力导致驱动电极15以及与之接合的可移动部12产生翘曲。具体而言，可移动部12产生变形或翘曲，使得可移动部12的自由端12d偏移而更接近接触电极14。结果是，可移动部12产生变形，直到接触电极13的接触部13a’与接触电极14A的突出部14a上的接触部14a’相互接触。优选地，突出部14a形成为具有足够的长度，使得压力作用在相互接触的接触部13a’、14a’之间。
然后，若有必要则进行湿法蚀刻，以去除底层粘附在接触电极14A、14B以及驱动电极16下表面的残余物(例如Mo层)，之后进行超临界干燥工艺(supercritical drying process)，以干燥整个器件。采用超临界干燥工艺能够有效地避免可移动部12粘附在基部衬底S1上的粘附现象。
通过上述工艺可获得微开关器件X1。上述方法允许通过电镀在牺牲层107上以足够厚度形成接触电极14A、14B(包括与接触电极13相对的部分)。因此，上述方法能够以足够厚度形成接触电极对14A、14B以获得希望的低电阻。以足够厚度形成的接触电极14A、14B有利于降低微开关器件X1的插入损耗。
在这样制造的微开关器件X1中，当向驱动电极15施加电势时，则在驱动电极15、16之间产生静电引力。当施加的电势足够高时，则可移动部12移动或发生弹性变形，直到接触电极13的接触部13a’与接触电极14B的突出部14b上的接触部14b’相互接触。这就是微开关器件X1进入闭合状态的方式。在闭合状态下，接触电极13充当接触电极对14A、14B之间的电桥，由此允许电流在接触电极14A、14B之间流过。开关的这种闭合动作能够实现例如高频信号的接通状态。
另一方面，当微开关器件X1处于闭合状态时，如果切断给驱动电极15的电势，就会消除驱动电极15、16之间的静电引力作用，导致可移动部12恢复其自然状态，从而使接触电极13的接触部13b’与接触电极14B的突出部14b上的接触部14b’分离。这就是微开关器件X1进入断开状态的方式，如图3和图5所示。在断开状态下，接触电极对14A、14B电隔离，从而阻止电流在接触电极14A、14B之间流过。开关的这种断开动作能够实现例如高频信号的关断状态。通过上述闭合动作，处于这种断开状态下的微开关器件X1能够再次切换到闭合状态或者接通状态。
在微开关器件X1中，在断开状态(关断状态)下接触电极13的接触部13b’与接触电极14A的突出部14a上的接触部14a’相互接触。与接触部13a’、14a’不接触而是相隔一定距离的情况相比，在微开关器件X1配置为形成这种断开状态的接触电极13以及接触电极13所接合的可移动部12中，由于接触电极13的内部应力而产生的变形的自由度被降低。因此，微开关器件X1能够抑制接触电极13(可移动接触电极)在朝着接触电极14A、14B(固接接触电极)的方向上的波动。抑制接触电极13在朝着接触电极14A、14B的方向上的波动，有助于降低微开关器件X1的驱动电压。
在微开关器件X1中，代替接触电极14A、14B的突出部14a、14b，接触电极13可包括第一突出部和第二突出部，第一突出部向接触电极14A突出，即使在器件的断开状态下也与接触电极14A相接触，而第二突出部向接触电极14B突出，突出的程度为在器件的断开状态下第二突出部不会到达接触电极14B。为了制造这种结构的微开关器件X1，例如可以在参照图7(b)所述的工艺后在接触电极13上形成第一突出部和第二突出部，之后可通过参照图7(c)所述的工艺形成牺牲层107，以覆盖第一突出部和第二突出部。在这种情况下，不形成参照图8(a)所述的凹部107a、107b。
图10和图11示出微开关器件X1’，其为微开关器件X1的一个变型。图10是示出微开关器件X1’的平面图，图11是沿着图10中的线XI-XI的剖视图。
微开关器件X1’包括基部衬底S1、固定部11、可移动部12、接触电极13、接触电极对14A、14B以及压电驱动单元21。与微开关器件X1的不同之处在于，微开关器件X1’包括压电驱动单元21，压电驱动单元21取代驱动电极15、16作为驱动机构。
压电驱动单元21包括驱动电极21a、21b以及夹在中间的压电层21c。驱动电极21a、21b都具有多层结构，所述多层结构包括例如Ti底层和Au主层。驱动电极21b通过导体接地(未示出)。压电层21c由压电材料形成，所述压电材料具有在被施加电场时发生变形(反压电效应)的特性。这样的压电材料包括PZT(PbZrO3和PbTiO3的固溶体)、掺杂Mn的ZnO、ZnO以及AlN。例如，驱动电极21a、21b的厚度为0.55μm，而压电层21c的厚度为1.5 μm。通过如此配置的压电驱动单元21的操作，能够实现微开关器件X1’的闭合动作。
根据本发明的微开关器件可采用压电驱动单元21作为驱动机构。在根据后续实施例的微开关器件中，也可以采用压电驱动单元21作为驱动机构。
图12和图13示出微开关器件X1”，其为微开关器件X1的另一变型。图12是示出微开关器件X1”的平面图，图13是沿着图1 2中的线XIII-XIII的剖视图。
微开关器件X1”包括基部衬底S1、固定部11、可移动部12、接触电极13、接触电极对14A、14B以及热驱动单元22。与微开关器件X1的不同之处在于，微开关器件X1”包括热驱动单元22，热驱动单元22取代驱动电极15、16作为驱动机构。
热驱动单元22为热式驱动机构，并且包括热膨胀系数不同的热电极22a、22b。热电极22a设置为直接接触可移动部12，并且热电极22a的热膨胀系数比热电极22b大。热驱动单元22设置为在供电时热电极22a、22b产生热，由此发生热膨胀。热电极22a例如由Au、Fe合金或者Cu合金形成。热电极22b例如由Al合金形成。
根据本发明的微开关器件可采用热驱动单元22作为驱动机构。在根据后续实施例的微开关器件中，也可以采用热驱动单元22作为驱动机构。
图14至图16示出根据本发明第二实施例的微开关器件X2。图14是示出微开关器件X2的平面图，图15和图16分别是沿着图14中的线XV-XV、XVI-XVI的剖视图。
微开关器件X2包括基部衬底S1、固定部11、可移动部12、接触电极13、接触电极对14B、14C以及驱动电极15、16。与微开关器件X1的不同之处在于，微开关器件X2包括接触电极14C而不是接触电极14A。
接触电极14C为第一固接接触电极，直立地形成在固定部11上，并包括突出部14c，如图15所示。突出部14c的末端部分充当接触部14c’，接触部14c’与接触电极13上的接触部13a’接合。经由内部连线(未示出)，接触电极14C连接到要开关的预定电路。接触电极14C可由与接触电极13相同的材料形成。微开关器件X2的其余部分与微开关器件X1具有类似的接结构。
为了制造这种结构的微开关器件X2，利用与参照图8(a)所述的微开关器件X1所采用的相同的制造工艺，在牺牲层107中形成凹部或通孔107a，如图17(a)所示。然后，通过参照图9(a)所述的工艺，在通孔107a中形成突出部14c，同时也形成接触电极14C，如图17(b)所示。与对于微开关器件X1的制造工艺所述的步骤类似地，执行其余的步骤。
在微开关器件X2中，当向驱动电极15施加电势时，则驱动电极15、16之间产生静电引力。当施加的电势足够高时，则可移动部12移动或发生弹性变形，直到接触电极13的接触部13b’与接触电极14B的突出部14b上的接触部14b’相互接触。这就是微开关器件X2进入闭合状态的方式。在闭合状态下，接触电极13充当接触电极对14B、14C之间的电桥，由此允许电流在接触电极14B、14C之间流过。开关的这种闭合动作能够实现例如高频信号的接通状态。
另一方面，当微开关器件X2处于闭合状态时，如果切断给驱动电极15的电势，就会消除驱动电极15、16之间的静电引力作用，导致可移动部12恢复其自然状态，从而使接触电极13的接触部13b’与接触电极14B的突出部14b上的接触部14b’分离。这就是微开关器件X2进入断开状态的方式，如图15所示。在断开状态下，接触电极对14B、14C电隔离，从而阻止电流在接触电极14B、14C之间流过。开关的这种断开动作能够实现例如高频信号的关断状态。通过上述闭合动作，处于这种断开状态下的微开关器件X2能够再次切换到闭合状态或者接通状态。
在微开关器件X2中，在断开状态(关断状态)下接触电极13的接触部13b’与接触电极14C的突出部14c上的接触部14c’相互接触。与接触部13a’、14c’不接触而是相隔一定距离的情况相比，在微开关器件X2配置为形成这种断开状态的接触电极13以及接触电极13所接合的可移动部12中，由于接触电极13的内部应力而产生的变形的自由度被降低。因此，微开关器件X2能够抑制接触电极13(可移动接触电极)在朝着接触电极14B、14C(固接接触电极)的方向上的波动。抑制接触电极13在朝着接触电极14B、14C的方向上的波动，有助于降低微开关器件X2的驱动电压。
图18至图22示出根据本发明第三实施例的微开关器件X3。图18是示出微开关器件X3的平面图，图19是微开关器件X3的部分平面图。图20至图22分别是沿着图18中的线XX-XX、XXI-XXI、XXII-XXII的剖视图。
微开关器件X3包括基部衬底S3、固定部31、可移动部32、接触电极33、接触电极对34A、34B(图19中未示出)、驱动电极35以及驱动电极36(图19中未示出)。
固定部31经由间隔层37接合到基部衬底S3，如图20至图22所示。固定部31由硅材料例如单晶硅形成。构成固定部31的硅材料优选具有不小于1000Ω·cm的电阻率。间隔层37例如由二氧化硅形成。
如图18、图19和图22所示，可移动部32包括第一表面32a和第二表面32b以及固接端32c和自由端32d，固接端32c固定于固定部31，并且可移动部32设置为从固接端32a起沿着基部衬底S3延伸，且经由缝38被固定部31围绕。可移动部32例如由单晶硅形成。
如图19所示，接触电极33为可移动接触电极，并且位于可移动部32的第一表面32a上靠近自由端32d的位置(换而言之，接触电极33与可移动部32的固接端32c有一定距离)。接触电极33包括接触部33a’、33b’。为了附图的清楚起见，在图19中用实心圆表示接触部33a’、33b’。接触电极33由适当的导电材料形成，具并且有多层结构，所述多层结构例如包括Mo底层和设置在Mo底层上的Au层。
接触电极34A、34B分别为第一固接接触电极和第二固接接触电极，它们均形成在固定部31上，并具有向下的突出部34a、34b，如图20和图22所示。突出部34a的末端部分充当接触部34a’，而接触部34a’可以设置为与接触电极33上的接触部33a’相接触，如同根据第一实施例的微开关器件X1中接触部14a’与接触部13a’相接触；或者设置为与接触电极33上的接触部33a’接合，如同根据第二实施例的微开关器件X2中接触部14c’与接触部13c接合。突出部34b的末端部分充当接触部34b’，设置为与接触电极33上的接触部33b’相对。突出部34a的突出长度大于突出部34b的突出长度。经由内部连线(未示出)，接触电极34A、34B连接到要开关的预定电路。接触电极34A、34B可由与接触电极33相同的材料形成。
如图19所示，驱动电极35设置为在可移动部32以及固定部3 1的一部分上延伸。驱动电极35可由Au形成。
驱动电极36用于在其与驱动电极35之间的空间产生静电引力(驱动力)，并且形成为通过其各端部连接到固定部3 1而跨设在驱动电极35上，如图21所示。驱动电极36通过导体接地(未示出)。驱动电极36可由与驱动电极35相同的材料形成。
驱动电极35、36构成微开关器件X3的静电驱动机构，并且包括位于可移动部32的第一表面32a上的驱动力产生区域R，如图19所示。如图21所示，驱动力产生区域R为驱动电极35与驱动电极36相对的区域。
在微开关器件X3中，可移动部32的形状不对称，如图19所示。例如，可移动部32以这样一种方式不对称，使得其重心与接触电极33的接触部33b’位于虚线F1的同一侧，其中虚线F1经过可移动部32的固接端32c和接触电极33的接触部33a’。此外，在微开关器件X3中，接触电极33的接触部33a’、33b’的位置(也就是接触电极34A、34B的接触部34a’、34b’的位置)以及由驱动电极35、36构成的驱动机构中驱动力产生区域R的位置也不对称。例如，驱动力产生区域R的重心C距离接触电极33的接触部33b’比距离接触部33a’更近。可移动部32的固接端32c与接触电极33的接触部33 b’之间的距离大于固接端32c与接触电极33的接触部33a’之间的距离。驱动力产生区域R的重心C与接触部33b’位于虚线F2的同一侧，其中虚线F2经过可移动部32的固接端32c的长度中点P1和接触电极33的接触部33a’、33b’之间的中点P2。
在这样构造的微开关器件X3中，当向驱动电极35施加电势时，则驱动电极35、36之间产生静电引力。当施加的电势足够高时，则可移动部32移动或发生弹性变形，直到接触电极33的接触部33b’与接触电极34B的突出部34b上的接触部34b’相互接触。这就是微开关器件X3进入闭合状态的方式。在闭合状态下，接触电极33充当接触电极对34A、34B之间的电桥，由此允许电流在接触电极34A、34B之间流过。开关的这种闭合动作能够实现例如高频信号的接通状态。
另一方面，当微开关器件X3处于闭合状态时，如果切断给驱动电极35的电势，就会消除驱动电极35、36之间的静电引力作用，导致可移动部32恢复其自然状态，从而使接触电极33的接触部33b’与接触电极34B的突出部34b上的接触部34b’分离。这就是微开关器件X3进入断开状态的方式，如图20和图22所示。在断开状态下，接触电极对34A、34B电隔离，从而阻止电流在接触电极34A、34B之间流过。开关的这种断开动作能够实现例如高频信号的关断状态。通过上述闭合动作，处于这种断开状态下的微开关器件X3能够再次切换到闭合状态或者接通状态。
在微开关器件X3中，在断开状态(关断状态)下接触电极33的接触部33b’与接触电极34A的突出部34a上的接触部34a’相互接触或者相互接合。与接触部33a’、34a’不接触或者不接合而是相隔一定距离的情况相比，在微开关器件X3配置为形成这种断开状态的接触电极33以及接触电极33所接合的可移动部32中，由于接触电极33的内部应力而产生的变形的自由度被降低。因此，微开关器件X3能够抑制接触电极33(可移动接触电极)在朝着接触电极34A、34B(固接接触电极)的方向上的波动。抑制接触电极33在朝着接触电极34A、34B的方向上的波动，有助于降低微开关器件X3的驱动电压。
当微开关器件X3从断开状态向闭合状态转变时，主要是可移动部32从驱动力产生区域R向固接端32c延伸的区域会发生扭转变形。这种变形可以认为是由于施加在驱动力产生区域R的重心C上的力使得可移动部32绕着用虚线F1表示的固定轴或旋转轴旋转所致，其中虚线F1经过可移动部32的固接端32c和接触电极33、34A之间的接触点，如图19所示。优选地，驱动力产生区域R的重心C的位置距离接触电极33的接触部33b’比距离接触部33a’更近，因为这种配置能够确保在驱动力产生区域R的重心C(作用点)与上述轴(虚线F1)之间提供长距离。驱动力产生区域R的重心C(作用点)与上述轴之间的距离越远，当可移动部32发生变形直到接触电极33与接触电极34B(更确切地说，是突出部34b和接触部34b’)相互接触时在驱动力产生区域R的重心C产生越大的力矩，这使得能够降低为了实现闭合状态必须由驱动机构(驱动电极35、36)产生的最小驱动力(最小静电引力)。最小驱动力越小，为了实现闭合状态必须施加至驱动机构的最小电压越低。因此，微开关器件X3适于降低为了实现闭合状态而施加至驱动机构的驱动电压。
如上所述，微开关器件X3具有在可移动部32的形状、接触电极33的接触部33a’、33b’的位置(即接触电极34A、34B的接触部34a’、34b’的位置)以及由驱动电极35、36构成的驱动机构中驱动力产生区域R的位置这些方面不对称的结构。例如，可移动部32以这样一种方式不对称，使得其重心与接触电极33的接触部33b’位于虚线F1的同一侧，其中于虚线F1经过可移动部32的固接端32c和接触电极33的接触部33a’。驱动力产生区域R的重心C距离接触电极33的接触部33b’比距离接触部33a’更近。可移动部32的固接端32c与接触电极33的接触部33b’之间的距离大于固接端32c与接触电极33的接触部33a’之间的距离。驱动力产生区域R的重心C与接触部33b’位于虚线F2的同一侧，其中虚线F2经过可移动部32的固接端32c的长度中点P1和接触电极33的接触部33a’、33b’之间的中点P2。这种不对称的结构有利于确保在可移动部32上驱动力产生区域R的重心C(作用点)与上述固定轴(虚线F1)之间的距离足够远。
如图23(a)所示，可移动部32可以弯曲。如图23(a)所示的可移动部32包括在固接端32c处直接固定于固定部31的区域32A，区域32A在与可移动部32的主要延伸方向M垂直的方向上延伸。
如上所述，在可移动部32具有弯曲结构的实例中，在微开关器件X3从断开状态变为闭合状态的“接通”转变过程中，经由固接端32c连接到固定部31的区域32A(在图23(b)中如箭头A1所示)主要产生弯曲变形。对于该闭合动作，可假定力作用在驱动力产生区域R的重心C上，由此使得可移动部32绕着用虚线表示的固定轴或旋转轴旋转，其中所述虚线经过可移动部32的固接端32c和接触电极33、34A之间的接触点。
有利的是，与通过图19所示的由可移动部32进行的闭合动作(在这种情况下可移动部32在从驱动力产生区域R至固接端32c的区域发生扭转变形)相比，通过区域32A的弯曲进行的闭合动作需要驱动机构(驱动电极35、36)产生的驱动力更小。鉴于此，根据此变型的可移动部32的弯曲结构有助于降低为了实现微开关器件X3的闭合状态而施加至驱动机构的驱动电压。
如图24(a)所示，可移动部32可具有另一种弯曲结构。如图24(a)所示的可移动部32包括在固接端32c处直接固定于固定部31的区域32B，区域32 B在与可移动部32的主要延伸方向M交叉的方向上延伸。
在可移动部32这样弯曲的情形下，在微开关器件X3从断开状态向闭合状态的转变过程中，主要是可移动部32在固接端32c处固定到固定部31的区域32B产生弯曲变形，在图24(b)中如箭头A2所示。对于该闭合动作，仍可假定力作用在驱动力产生区域R的重心C上，由此使得可移动部32绕着用虚线表示的固定轴或旋转轴旋转，其中所述虚线经过可移动部32的固接端32c和接触电极33、34A之间的接触点。
根据上述变型的弯曲区域32B的闭合动作，同样有利于降低由驱动机构(驱动电极35、36)产生的驱动力。此外，与图23所示的变型相比，此变型有利于确保在驱动力产生区域R的重心C(作用点)与固定轴或旋转轴之间提供更长的距离以进行闭合动作。因此，将力施加在驱动力产生区域R的重心C上时能够产生更大的力矩，这有利于由驱动机构(驱动电极35、36)产生更小的驱动力(静电引力)就能够使接触电极33与接触电极34B(突出部34b和接触部34b’)相互接触。总而言之，根据此变型的可移动部32的弯曲结构有助于降低为了实现微开关器件X3的闭合状态而施加至驱动机构的驱动电压。

Claims (13)

1.一种微开关器件，包括：
固定部；
可移动部，包括第一表面以及与所述第一表面相对的第二表面，所述可移动部包括固定到所述固定部的固接端；
可移动接触电极，设置在所述可移动部的第一表面上，并且包括第一接触部和第二接触部；
第一固接接触电极，包括与所述可移动接触电极的第一接触部相接触的第三接触部，所述第一固接接触电极接合到所述固定部；
第二固接接触电极，包括与所述可移动接触电极的第二接触部相面对的第四接触部，所述第二固接接触电极接合到所述固定部；以及
驱动机构，用于移动所述可移动部，使所述第二接触部与所述第四接触部相接触。
2.如权利要求1所述的微开关器件，其中，所述可移动接触电极的第一接触部与所述第一固接接触电极的第三接触部相连接。
3.如权利要求1所述的微开关器件，其中，所述可移动接触电极包括第一突出部和第二突出部，所述第一突出部包括所述第一接触部，所述第二突出部包括所述第二接触部，所述第二突出部的突出长度短于所述第一突出部的突出长度。
4.如权利要求1所述的微开关器件，其中，所述第一固接接触电极包括第三突出部，所述第二固接接触电极包括第四突出部，所述第三突出部包括所述第三接触部，所述第四突出部包括所述第四接触部，所述第四突出部的突出长度短于所述第三突出部的突出长度。
5.如权利要求1所述的微开关器件，其中，在所述可移动部的第一表面上，所述可移动接触电极与所述固接端在偏移方向上间隔开，所述第一接触部与所述第二接触部在与所述偏移方向交叉的方向上间隔开，所述驱动机构包括位于所述可移动部的第一表面上的驱动力产生区域，所述驱动力产生区域的重心距离所述可移动接触电极的第二接触部比距离所述第一接触部更近。
6.如权利要求5所述的微开关器件，其中，所述可移动部的固接端与所述可移动接触电极的第一接触部之间的距离不同于所述固接端与所述第二接触部之间的距离。
7.如权利要求5所述的微开关器件，其中，所述可移动部具有弯曲结构。
8.如权利要求5所述的微开关器件，其中，所述驱动力产生区域的重心和所述第二接触部位于虚线的同一侧，所述虚线经过所述固接端的长度中点和所述第一接触部与所述第二接触部之间的中点。
9.如权利要求1所述的微开关器件，其中，所述驱动机构包括可移动驱动电极和固接驱动电极，所述可移动驱动电极设置在所述可移动部的第一表面上，所述固接驱动电极接合到所述固定部并且具有与所述可移动驱动电极相对的部分。
10.如权利要求1所述的微开关器件，其中，所述驱动机构包括由第一电极层、第二电极层以及压电层构成的多层结构，所述第一电极层设置在所述可移动部的第一表面上，所述压电层设置在所述第一电极层与所述第二电极层之间。
11.如权利要求1所述的微开关器件，其中，所述驱动机构包括由多个材料层构成的多层结构，所述多个材料层设置在所述可移动部的第一表面上，所述多个材料层中的各个材料层具有不同的热膨胀系数。
12.一种微开关器件的制造方法，所述微开关器件包括：固定部；可移动部，包括第一表面以及与所述第一表面相对的第二表面，所述可移动部包括固定到所述固定部的固接端；可移动接触电极，设置在所述可移动部的第一表面上，并且包括第一接触部和第二接触部；第一固接接触电极，包括与所述可移动接触电极的第一接触部相接触的第三接触部，所述第一固接接触电极接合到所述固定部；以及第二固接接触电极，包括与所述可移动接触电极的第二接触部相面对的第四接触部，所述第二固接接触电极接合到所述固定部；
所述制造方法包括以下步骤：
在衬底上形成所述可移动接触电极；
在所述衬底上形成牺牲层，使所述牺牲层覆盖所述可移动接触电极；
在所述牺牲层中对应于所述可移动接触电极的位置形成第一凹部和第二凹部，所述第二凹部比所述第一凹部浅；
形成所述第一固接接触电极，所述第一固接接触电极填充所述第一凹部，并且具有经由所述牺牲层与所述可移动接触电极相对的部分；
形成所述第二固接接触电极，所述第二固接接触电极填充所述第二凹部，并且具有经由所述牺牲层与所述可移动接触电极相对的部分；以及
去除所述牺牲层。
13.一种微开关器件的制造方法，所述微开关器件包括：固定部；可移动部，包括第一表面以及与所述第一表面相对的第二表面，所述可移动部包括固定到所述固定部的固接端；可移动接触电极，设置在所述可移动部的第一表面上，并且包括第一接触部和第二接触部；第一固接接触电极，包括与所述可移动接触电极的第一接触部相连接的第三接触部，所述第一固接接触电极接合到所述固定部；以及第二固接接触电极，包括与所述可移动接触电极的第二接触部相面对的第四接触部，所述第二固接接触电极接合到所述固定部；
所述制造方法包括以下步骤：
在衬底上形成所述可移动接触电极；
在所述衬底上形成牺牲层，使所述牺牲层覆盖所述可移动接触电极；
在所述牺牲层中对应于所述可移动接触电极的位置形成通孔和凹部，所述通孔部分地暴露所述可移动部；
形成所述第一固接接触电极，所述第一固接接触电极填充所述通孔，并且具有经由所述牺牲层与所述可移动接触电极相对的部分；
形成所述第二固接接触电极，所述第二固接接触电极填充所述凹部，并且具有经由所述牺牲层与所述可移动接触电极相对的部分；以及
去除所述牺牲层。
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