CN101465242B - 具有改进的关态电压控制的mems开关 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及具有改进的关态电压控制的MEMS开关。提供了一种MEMS开关(20，30，40)，其包括衬底(28)、耦合到该衬底(28)并且具有第一侧部和第二侧部的可动执行器(22，32，132)、第一固定电极(24)和第二固定电极(27，37，47)，该第一固定电极(24)耦合到该衬底(28)并且定位在该可动执行器(22，32，132)的第一侧部上以产生第一驱动力来将该可动执行器(22，32，132)拉向导电状态，该第二固定电极(27，37，47)耦合到该衬底(28)并且定位在该可动执行器(22，32，132)的第二侧部上以产生第二驱动力来将该可动执行器(22，32，132)拉向非导通状态。
Description
技术领域
本发明的实施例一般涉及微机电系统(MEMS)开关。
背景技术
微机电系统(MEMS)一般指的是微米尺度的结构，该结构能够通过微制造技术将诸如机械元件、机电元件、传感器、执行器和电子器件等多个功能不同的元件集成在公共的衬底上。在微型的密封封装体中的MEMS的尺寸范围一般在微米到毫米之间。MEMS开关具有可动执行器，该执行器受安置在衬底上的栅或电极的影响而被移向固定的电触点。
图1示出了根据现有技术的处于打开或者非导通状态的常规MEMS开关。MEMS开关10包括衬底18、可动执行器12、触点16和机械地耦合到衬底18的控制电极14。在操作中，可动执行器12受安置在可动执行器12下方的衬底18上的控制电极14(也被称为栅或栅驱动器)影响而被移向触点16。可动执行器12可以是挠性梁，其在诸如静电吸引、磁吸引和排斥、或者热致胀差(thermally induced differential expansion)等作用力之下弯曲，这封闭了梁的自由端与固定触点16之间的间隙。可动执行器12通过可动电极的弹簧刚度，在断电状态下通常保持与固定触点16分离开。然而，如果在固定触点16与可动电极12之间提供足够大的电压，则由此引起的静电力能够导致可动电极12在控制电极14不提供任何选通信号的情况下自驱动。
MEMS开关的电力系统应用正开始出现，例如取代保险丝、接触器和断路器。在构造具有给定的总电压和电流额定值的功率开关器件中的一个重要设计考虑是在包括该器件的开关阵列中使用的单个开关的基础电压(underlying voltage)和电流额定值。特别是，单个开关能够在它们的功率触点两端经受住的电压是重要的参数。存在若干个确定单个MEMS开关的电压额定值的因素和效应。其中一个这样的因素是自驱动电压。
在MEMS开关中，自驱动电压是对开关的承受电压能力设置上限的效应。当执行器和触点之间的电压超过某一阈值时，线路和负载触点之间(例如，可动执行器和固定触点之间)的静电力将导致可动执行器自驱动或者与固定触点接触。在某些当前的开关应用中，这种自驱动能够引起开关或下游系统的灾变性失效。
发明内容
在一个实施例中，提供一种MEMS开关，其包括衬底、耦合到该衬底并且具有第一侧部和第二侧部的可动执行器、第一固定电极和第二固定电极，该第一固定电极耦合到该衬底并且定位在该可动执行器的第一侧部上以产生第一驱动力来将该可动执行器拉向导电状态，该第二固定电极耦合到该衬底并且定位在该可动执行器的第二侧部上以产生第二驱动力来将该可动执行器拉向非导电状态。
在另一个实施例中，提供一种制造MEMS开关的方法。该方法包括：在衬底上的绝缘层上形成第一固定控制电极和固定触点，在该绝缘层上形成可动执行器使得该可动执行器悬于该第一固定控制电极和触点之上，以及形成在该绝缘层上且悬于该可动执行器之上的第二固定控制电极。该方法还包括释放该可动执行器以允许该执行器响应于在该第一固定控制电极与该可动执行器之间产生的第一驱动力被拉向与触点的第一导电状态，并且响应于在该第二固定控制电极与该可动执行器之间产生的第二驱动力被拉向第二非导通状态。
在又一实施例中，提供一种MEMS开关阵列。该MEMS开关阵列包括衬底、耦合到该衬底并具有顶侧和底侧的第一可动执行器、以及耦合到该衬底并具有顶侧和底侧的第二可动执行器。该MEMS阵列还包括第一固定控制电极和第二固定控制电极，该第一固定控制电极耦合到该衬底并且定位在该第一和第二可动执行器的底侧上以产生第一驱动力来将可动执行器拉向导电状态，该第二固定控制电极耦合到该衬底并且定位在该第一和第二可动执行器的顶侧上以产生第二驱动力来将可动执行器拉向非导通状态。
附图说明
在参考附图阅读下面的详细说明时本发明的这些及其它特征、方面和优点将变得更好理解，在全部附图中类同的符号代表类同的部分，其中：
图1示出根据现有技术的处于打开或非导通状态中的常规MEMS开关；
图2是示出具有改进的关态电压(standoff voltage)控制的MEMS开关的一个实施例的示意图；
图3是示出图2的MEMS开关20的顶视图的示意图；
图4和图5是分别示出根据本发明的替代实施例的MEMS开关30的侧视图和顶视图的示意图；
图6是示出根据本发明又一实施例的MEMS开关40的示意图；
图7是示出根据本发明再一实施例的MEMS开关50的示意图；
图8是示出根据本发明另一实施例的MEMS开关60的示意图；以及
图9-30示出根据本发明实施例的用于制造具有改进的关态电压控制的MEMS开关70的示例性制造工艺。
具体实施方式
在下面的详细描述中，陈述了许多具体的细节以便提供对本发明的各种实施例的透彻理解。然而，本领域技术人员将理解可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明实施例，本发明不限于所描述的实施例，并且可以以各种替代实施例来实践本发明。在其它例子中，没有详细描述众所周知的方法、程序和组件。
此外，各种操作可以被描述为多个分立的步骤，其以有助于理解本发明实施例的方式来实现。然而，说明的顺序不应该被解释为暗示这些操作需要以它们被呈现的顺序来执行，它们甚至不是顺序相关的。此外，短语“在一个实施例中”的重复使用不一定指代相同的实施例，虽然它可能是。最后，术语“包含”、“包括”、“具有”等等以及如在本申请中所使用的它们的屈折变化形式，意图为同义的除非另外指出。
图2是示出具有改进的关态电压控制的MEMS开关的一个实施例的示意图。虽然术语“MEMS”一般指的是微米尺度的结构，但是在本文档全文中所描述的本发明的实施例不应该局限于亚微米尺度的器件除非另外指出。在所示实施例中，MEMS开关20包括可动执行器22，其机械地耦合到衬底28。在一个实施例中，可动执行器22是完全或者部分导电的。衬底28可以是导电的、半导电的或者绝缘的。在衬底28导电的实施例中，衬底可以涂覆有绝缘或电隔离层(未示出)以避免开关触点/电极和可动执行器之间和之中的不希望有的短路。导电衬底的非限制性实例包括由硅和锗形成的那些衬底，而电隔离层的非限制性实例包括氮化硅、氧化硅和氧化铝。
MEMS开关20还包括第一电极24(也称为栅或控制电极)和触点26。在一个实施例中，一旦在第一电极24与可动执行器22之间施加电压差，就可以在这两个组件之间产生静电力。因此，一旦驱动，可动执行器22就被吸引向第一电极24并且最终与触点26电接触。然而，如先前所述，在高电压应用中，常规MEMS开关倾向于甚至在没有信号施加到第一电极24时自驱动。根据本发明的一个方面，提供第二电极(也称为反电极)27以产生与自驱动力相反的第二驱动力使得可动执行器被拉向远离触点26的非导通状态。
在一个实施例中，第二电极27耦合到与可动执行器22相同的衬底28并且被定位(例如，在与衬底28平行和相对的侧部上)在可动执行器22上方且至少部分在触点26上方。通过将反电极27制造在与可动执行器22相同的衬底上，可动执行器22与反电极27之间的电极间距的变化可以经过受到严密控制的光刻工艺而被消除。
可以将存在于衬底触点26与可动执行器22之间的静电力近似计算为如公式(1)所示出的在电容器极板之间的力，其中极板面积为两个电极的重叠的公共面积：
F静电＝静电吸引力，牛顿
ε0＝8.85·10-12法拉/米 公式(1)
A＝重叠面积，平方米
V＝间隙两端的电压，伏
g＝接触间隙，米
因此，随着触点26与可动执行器22之间的间隙两端的电压差增大，或者随着重叠面积(a1)增大，或者随着间隙(d1)减小，由此引起的静电力将变得更大。类似地，随着电极27与可动执行器22之间的间隙两端的电压差增大，或者随着重叠面积(a2)增大，或者随着间隙(d2)减小，由此引起的静电力将变得更大。因此，可以基于所期望的关态电压来设计反电极27。在一个实施例中，距离d2大于距离d1。在一个实施例中，a2大于a1。
在一个实施例中，第一电极24与可动执行器22之间的电压水平和可动执行器22与反电极27之间的电压水平是分开控制的。在一个实施例中，当期望将开关维持在非导电(例如，打开)状态时，可以将在第一电极24与可动执行器22之间施加的电压设置为零或者另一个相对低的值，而可以将在反电极27与可动执行器22之间施加的电压设置为相对较高的值。当期望将开关维持在导通(例如，闭合)状态时，可以将第一电极24与可动执行器22之间施加的电压设置为相对高的值，而可以将反电极27与可动执行器22之间施加的电压设置为零或者相对较低的值。
在另一个实施例中，反电极27可以电耦合到触点26，使得在触点26与可动执行器22之间恰巧存在的无论何种电压将同样出现在可动执行器22与反电极27之间。通过适当地选择反电极27的尺寸以及介于反电极27与可动执行器22之间的间距，能够用可动执行器22与反电极27之间产生的相反的驱动力来平衡在触点26与可动执行器22之间产生的自驱动力。
如在本文所使用的，术语“在......上方”意图指代比参考物体更加远离衬底28的位置，而术语“在......下方”意图指代比参考物体更加接近衬底28的位置。例如，如果一个物体在可动执行器22的“上方”，那么该物体比参考的可动执行器22更加远离衬底28。在一个实施例中，MEMS开关20可以包括隔离物(未示出)，其定位在可动执行器22的上方以防止可动执行器与反电极27相接触。在一个实施例中，可以将该隔离物制作为反电极27的一部分或者作为单独的组件。隔离物可以由具有绝缘、高阻抗或介电特性的材料形成。此外，隔离物可以表现为刚性或半刚性立柱或支柱的形式，或者隔离物可以淀积在反电极上作为涂层。而且，可以将隔离物制作在反电极27的下侧上(例如，在与衬底28相同侧部上)或者在可动执行器22的顶侧上(例如，在更加远离衬底28的侧部上)。在一个实施例中，当处于非导通状态时，可以将可动执行器22定位成与反电极27物理接触而同时保持与反电极27电隔离。在另一个实施例中，当处于非导通状态时，可动执行器22可以被吸引向反电极27，但是保持与反电极27机械隔离和电隔离。在这样一种非导通状态中，可动执行器22可以保持在固定位置。
图3是示出图2的MEMS开关20的顶视图的示意图。从图3能够看出，反电极27被布置为与可动执行器22平行。如先前所提到的，反电极27与可动执行器22之间的重叠面积可以基于这两个组件之间所期望的静电力来设计。例如，如图3所示，反电极27的宽度(w2)可以被设计为大于或者小于可动执行器22的宽度(w1)。
图4和图5是分别示出根据本发明替代实施例的MEMS开关30的侧视图和顶视图的示意图。MEMS开关30与图2和图3的MEMS开关20基本类似。特别是，提供反电极37，其被耦合到与可动执行器22相同的衬底28。然而，在图4和图5所示实施例中，反电极37被定位在可动执行器32的上方，基本上与触点26相对，与可动执行器32成正交的关系。
图6是示出根据本发明又一实施例的MEMS开关40的示意图。如所示出的，MEMS开关40与MEMS开关30基本类似并且包括可动执行器32、电极24和触点26，所有这些都耦合到衬底28。然而，在图6中，反电极47在至少两个位置41a、41b处耦合到衬底28。
图7是示出根据本发明再一实施例的MEMS开关50的示意图。MEMS开关50与MEMS开关30基本类似，然而MEMS开关50包括反电极57，该反电极57与至少两个可动执行器32重叠。可动执行器32可能是电隔离的或者是以串联、或者并联、或者串联-并联布置的方式而耦合的。在所示实施例中，将可动执行器32图示为共用一个公共负载触点56和公共栅驱动器(例如，电极54)。然而，可动执行器32可以替代地被分开驱动并且可动执行器32可以电耦合单独的负载电路。
图8是示出根据本发明还一实施例的MEMS开关60的示意图。如所示出的，MEMS开关60与MEMS开关40基本类似，因为反电极67在至少两个位置61a、61b处耦合到衬底28。然而此外，图8的反电极67与至少两个可动执行器32重叠。如同图7的MEMS开关50一样，可动执行器32可能是电隔离的或者以串联、或者并联、或者串联-并联布置的方式而耦合的。在所示实施例中，将可动执行器32图示为共用一个公共负载触点56和公共栅驱动器(例如，电极54)。然而，可动执行器32可以替代地被分开驱动并且可动执行器32可以电耦合单独的负载电路。
图9-30示出根据本发明实施例的用于制造具有改进的关态电压控制的MEMS开关70的示例制造工艺。虽然MEMS开关70看起来与图2和图3的MEMS开关20在形式上类似，但是以下制造工艺可以适用于制造任何先前所描述的具有改进的关态电压控制的MEMS开关。此外，虽然在这里描述了一种示例制造工艺，但是预期在不脱离本发明的宗旨和范围的情况下可以执行该工艺的变体。
在图9中，提供了衬底28。在一个实施例中，衬底包括硅。在图10中，可以使用化学气相淀积或热氧化方法将电隔离层101淀积在衬底28上。在一个实施例中，电隔离层101包括Si3N4。在图11中，在电隔离层101上淀积导电电极并形成该导电电极的图形。更具体地，形成触点26、控制电极24和锚定触点122。在一个实施例中，触点26、控制电极24和锚定触点122包括诸如金的导电材料并且可以由同一个掩模形成。应当注意，可以将锚定触点122形成为可动执行器的一部分(将要描述的)，然而通过添加锚定触点122能够简化制造。在图12中，将绝缘层103淀积在控制电极24上以便避免可动执行器与控制电极24之间的短路。在一个实施例中，绝缘层103可以由SiN4形成，然而可以使用其它绝缘或者高阻抗涂层。在另一个实施例中，绝缘层可以在可动电极的下侧上形成。可替代地，可以在控制电极24与触点26之间制造机械立柱以防止可动执行器与控制电极24相接触。在这样一种情况中，可以不需要绝缘层103。
图13和图14示出了两个处理步骤，该步骤可以完全被省略，这取决于对MEMS开关70期望哪些特征。更具体地，图13示出了额外的导电材料淀积在触点26上以使该触点更高。这可能有助于减少可动执行器需要行进的距离以及进一步防止可动执行器与控制电极24相接触。然而，应该注意，触点26与可动电极越接近，由此在这两个组件之间引起的静电力将越大，如公式1所示。在图14中，额外的触点材料105淀积在触点26上。可以使用触点材料来增强触点26与可动执行器之间的导电而同时延长开关的寿命。
在图15中，牺牲层107淀积在触点26、控制电极24和锚定触点122之上。在一个实施例中，牺牲层107可以是SiO2。图16示出了可选的抛光步骤，其中牺牲层由例如化学-机械抛光来抛光。在图17中，牺牲层107被刻蚀以暴露锚定触点122。如果希望在可动执行器上添加触点材料层，可以形成额外的触点109的图形，如图18所示。
图19-23示出了可动执行器132的形成。在一个实施例中，可动执行器132通过电镀工艺而形成。在图19中提供了用于电镀工艺的种子层111。在图20中形成模子113的图形用于电镀可动执行器132，其在图21中示出。在图22和图23中，去除电镀模子113和种子层111。
一旦已经形成可动执行器132，就可以形成如本文所述的反电极137。作为反电极工艺的一部分，第二牺牲层115可以被淀积并且被可选地抛光，如图24所示。在一个实施例中，第二牺牲层可以包括SiO2。在图25中，在所示出的将要形成反电极137的位置处刻蚀牺牲层115和牺牲层107两者。如图26和图27所示，然后分别形成电镀种子层117和电镀模子119。在图28中，电镀反电极137。在一个实施例中，反电极137由诸如金的导电材料形成。在图29和图30中，去除电镀模子119和种子层117，并且在图30中去除牺牲层115以释放反电极。
虽然在本文仅示出和描述了本发明的某些特征，但是本领域技术人员将想到许多修改和改变。因此，应当理解，所附的权利要求意在覆盖所有这样的属于本发明的真正主旨内的修改和改变。
附图标记
元件列表
10 现有技术MEMS开关
12 可动执行器
14 控制电极
16 触点
18 衬底
20 具有改进的关态电压控制的MEMS开关
22 可动执行器
24 控制电极
26 触点
27 反电极
28 衬底
30 具有改进的关态电压控制的MEMS开关
32 可动执行器
37 反电极
40 具有改进的关态电压控制的MEMS开关
41a 反电极耦合点
41b 反电极耦合点
47 反电极
50 具有改进的关态电压控制的MEMS开关
54 共用的电极
56 共用的触点
57 反电极
60 具有改进的关态电压控制的MEMS开关
61a 反电极耦合点
61b 反电极耦合点
67 反电极
70 具有改进的关态电压控制的MEMS开关
101 电隔离层
103 绝缘层
105 触点材料
107 牺牲层
109 可动执行器触点
111 种子层
113 电镀模子
115 第二牺牲层
122 锚定触点
Claims (18)
1.一种MEMS开关(20，30，40)，包括：
衬底(28)；
可动执行器(22，32，132)，其耦合到所述衬底(28)并且具有第一侧部和第二侧部；
固定触点(26)，其机械地耦合到所述衬底(28)上；和
第一固定电极(24，54)，其耦合到所述衬底(28)并且定位在所述可动执行器(22，32，132)的第一侧部上以产生第一驱动力来将所述可动执行器(22，32，132)拉向导通状态；以及
第二固定反电极(27，37，47)，其耦合到所述衬底(28)并且定位在所述可动执行器(22，32，132)的第二侧部上以产生与自驱动力相反的第二驱动力来将所述可动执行器(22，32，132)拉向离开所述固定触点(26)的非导通状态，其中，所述自驱动力倾向于导致所述可动执行器(22，32，132)被吸引向所述固定触点(26)并最终与所述固定触点(26)电接触；并且
其中，所述第二固定反电极被制造在与所述可动执行器相同的衬底上。
2.根据权利要求1所述的MEMS开关，其中，所述第二固定反电极(27，37，47)定位在所述第一固定电极(24，54)的上方。
3.根据权利要求2所述的MEMS开关，其中，所述第二固定反电极(47)在至少两个位置(41a，41b)处耦合到所述衬底。
4.根据权利要求1所述的MEMS开关，其中在非导通状态下所述可动执行器(22，32，132)是固定的。
5.根据权利要求1 所述的MEMS开关，其中，所述第二固定反电极定位在可动执行器上方且在多于一个位置处耦合到所述衬底。
6.根据权利要求1所述的MEMS开关，还包括隔离物，其定位在所述可动执行器(22，32，132)的上方以防止所述可动执行器与所述第二固定反电极(27，37，47)相接触。
7.根据权利要求1所述的MEMS开关，其中，所述固定触点(26)电耦合到负载电路。
8.根据权利要求7 所述的MEMS开关，其中可动执行器与所述固定触点分离开第一距离，且可动执行器与所述第二固定反电极分离开第二距离。
9.根据权利要求8 所述的MEMS开关，其中，所述第二距离大于所述第一距离。
10. 根据权利要求7 所述的MEMS开关，可动执行器与第一固定电极重叠了第一面积，且可动执行器与第二固定反电极重叠了第二面积。
11.根据权利要求10所述的MEMS开关，其中，所述第二面积大于所述第一面积。
12.根据权利要求7所述的MEMS开关，其中，所述固定触点(26)和所述第二固定反电极(27，37，47，57，67)是电耦合的。
13.根据权利要求12所述的MEMS开关，还包括隔离物，其定位在所述可动执行器(22，32，132)的上方以防止所述可动执行器(22，32，132)与所述第二固定反电极(27，37，47)相接触。
14.根据权利要求13所述的MEMS开关，其中，所述可动执行器(22，32，132)是导电的。
15.一种用于制造MEMS开关的方法，包括：
在衬底上的绝缘层上形成第一固定控制电极和固定触点，其中，所述固定触点机械地耦合到所述衬底上，
在该绝缘层上形成可动执行器，从而使得该可动执行器悬于该第一固定控制电极和固定触点之上，
在该绝缘层上形成第二固定反控制电极，且第二固定反控制电极悬于该可动执行器之上；以及
释放该可动执行器以使得：可动执行器能够响应于在该第一固定控制电极与该可动执行器之间产生的第一驱动力而被拉向与所述固定触点接触的第一导通状态，响应于在该第二固定反控制电极与该可动执行器之间产生的与自驱动力相反的第二驱动力而被拉向离开所述固定触点的第二非导通状态，其中，所述自驱动力倾向于导致所述可动执行器被吸引向所述固定触点并最终与所述固定触点电接触；并且
其中，所述第二固定反控制电极被制造在与所述可动执行器相同的衬底上。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述可动执行器在非导通状态下是固定的。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，所述第二固定反控制电极悬于该触点之上。
18.一种MEMS开关阵列(50，60)，包括：
衬底(28)；
第一可动执行器(32a)，其耦合到所述衬底(28)并且具有顶侧和底侧；
第二可动执行器(32b)，其耦合到所述衬底(28)并且具有顶侧和底侧；
第一固定控制电极(56)，其耦合到所述衬底(28)并且定位在所述第一和第二可动执行器(32a，32b)的底侧上以产生第一驱动力来将所述第一和第二可动执行器(32a，32b)拉向导通状态；以及
第二固定反控制电极(57，67)，其耦合到所述衬底(28)并且定位在所述第一和第二可动执行器(32a，32b)的顶侧上以产生与自驱动力相反的第二驱动力来将所述第一和第二可动执行器(32a，32b)拉向离开机械地耦合到所述衬底(28)上的固定触点(26)的非导通状态，其中，所述自驱动力倾向于导致所述第一和第二可动执行器被吸引向所述固定触点(26)；并且
其中，所述第二固定反控制电极被制造在与所述第一和第二可动执行器相同的衬底上。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US11/962,178 US7692519B2 (en) | 2007-12-21 | 2007-12-21 | MEMS switch with improved standoff voltage control |
| US11/962178 | 2007-12-21 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN101465242A CN101465242A (zh) | 2009-06-24 |
| CN101465242B true CN101465242B (zh) | 2016-12-14 |
Family
ID=
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5619061A (en) * | 1993-07-27 | 1997-04-08 | Texas Instruments Incorporated | Micromechanical microwave switching |
| CN1716492A (zh) * | 2005-06-07 | 2006-01-04 | 北京邮电大学 | 集成方式的rf mems开关 |
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5619061A (en) * | 1993-07-27 | 1997-04-08 | Texas Instruments Incorporated | Micromechanical microwave switching |
| CN1716492A (zh) * | 2005-06-07 | 2006-01-04 | 北京邮电大学 | 集成方式的rf mems开关 |
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant |