CN101510486A - 微致动开关 - Google Patents

Abstract

本发明涉及MEMS器件，具体是一种基于凝胶纤维与微胶囊技术的微致动开关。进一步了研发高性能微致动开关，包括开关主体，开关主体包含两侧分别设置有支撑体的底座、通过底座一侧支撑体支悬设置的悬臂梁，悬臂梁下方底座上设有底电极，悬臂梁下表面设有顶电极，底座另一侧支撑体上支悬固定有凝胶纤维，凝胶纤维的自由端固定有置于悬臂梁自由端正下方的滑块，凝胶纤维外涂敷有内为酸性介质的微胶囊涂层；开关主体还包括设置于底座上的：通过弹性梁支悬设置质量块的支撑架、分别位于滑块两侧的两开关柱，两开关柱顶面设有电极，悬臂梁自由端下表面设有电极。结构合理、紧凑，可靠性高，应用范围广，再一次验证了将非硅材料应用于MEMS器件构成中的可行性。

Description

微致动开关

技术领域

本发明涉及MEMS器件，具体是一种基于凝胶纤维与微胶囊技术的微致动开关。

背景技术

微致动开关(即MEMS开关)是MEMS(microelectro mechanical system微机电系统)技术的具体应用。最早的微致动开关是Petersen于1979年研制的0.35μm厚、金属包覆的静电悬臂梁开关，但由于当时制作工艺的限制，此后的十年里微致动开关没有取得太大的进展；直到20世纪90年代，微致动开关才获得了巨大发展。例如：1991年，Larson制作的旋转传输线式开关；1995年，Yao采用表面微加工工艺制作的悬臂梁开关；1996年，Goldsmith研制出的低阈值电压的膜开关；1998年，Pachero设计了螺旋型悬臂式和大激励极板的微致动开关结构。

目前，微致动开关的研究主要集中在其机械结构上，最常用的机械结构是悬臂梁结构和膜结构；且其制作上多考虑在常规的半导体硅上实现。不可否认半导体硅这一突出材料在多领域的应用能力，特别在MEMS领域的应用；但是经三十年的研究结果、及实际应用结果表明：单一应用半导体硅实现高性能的微致动开关是困难的。

因此，以混合化技术实现微致动开关的研究课题得到了广泛提出。混合化技术在微致动开关方面的应用将MEMS技术从半导体硅技术的狭隘关系中解放了出来，表明了半导体硅以外的材料(例如：聚合物)同样可以应用于MEMS微机电系统。近年来，人们就利用特殊的物理和化学效应使MEMS微机电系统中的微梁和微薄膜结构产生微形变或微位移，并对该现象加以应用，研制出一批适合微机电系统应用的高性能微致动开关。例如：常见的静电、热、电磁、压电执行器，以及基于形状记忆合金、气压或液压、电化学反应的微致动开关。

发明内容

本发明为了进一步研发高性能微致动开关，在MEMS加工技术基础上，应用凝胶纤维与微胶囊的混合化技术，提供了一种微致动开关。

本发明是采用如下技术方案实现的：微致动开关，包括在半导体衬底上用微机电MEMS加工工艺加工出的开关主体，所述开关主体包含两侧分别设置有支撑体的底座、通过底座一侧支撑体支悬设置于底座正上方的悬臂梁，悬臂梁下方底座上设有与底座绝缘的底电极，且悬臂梁下表面与底电极正对处设有与悬臂梁绝缘的顶电极，底座另一侧支撑体上支悬固定有凝胶纤维，凝胶纤维的自由端固定有滑块，且滑块置于悬臂梁自由端的正下方，凝胶纤维外涂敷有内为酸性介质的微胶囊涂层；开关主体还包括设置于底座上的：用于在凝胶纤维上方通过弹性梁支悬设置质量块的支撑架、以及分别位于滑块两侧悬臂梁自由端下方的两开关柱，且两开关柱的顶面设有电极，悬臂梁自由端的下表面设有用于短接两开关柱顶面电极的电极，开关柱顶面电极的位置低于滑块与悬臂梁下表面电极的接触面。底座上开有为滑块移动进行导向的导向槽。

本发明以悬臂梁结构实现，因考虑到开关主体中的悬臂梁结构虽然是MEMS领域中应用成熟、广泛的技术，但在某些考虑安全性的特殊应用场合时悬臂梁的应用存在如下情况：悬臂梁由于自重而存在下垂的情况，在顶底电极间静电力比较大、环境冲击力比较大时，悬臂梁的状态难以控制。因此，本发明中在悬臂梁自由端的下方设置由凝胶纤维牵动的滑块做安全控制用。只有在由凝胶纤维将滑块牵离悬臂梁自由端下方后，顶、底电极通电导通产生的静电力才能使悬臂梁下弯，使臂梁自由端下表面的电极与两开关柱顶面电极吸合导通，实现本发明所述微致动开关的闭合。凝胶纤维对滑块的牵动原理如下：在外界刺激的作用下，支悬设置在凝胶纤维上方的质量块挤压凝胶纤维表面的微胶囊涂层，导致微胶囊释放其内酸性介质，刺激凝胶纤维收缩来实现的。

上述过程依据了凝胶纤维的PH响应特性：凝胶纤维在受到PH溶液的刺激时会发生较大的形变。对一束单根直径30微米左右的凝胶纤维进行仿真分析得：凝胶纤维PH响应曲线(图4所示)、凝胶纤维的收缩力曲线(如图5所示)。单根凝胶纤维的伸缩形变能达到本身的80％-90％，收缩力能达到1N，响应时间小于2S。即凝胶纤维在受到酸性介质刺激时，可以很好地实现对滑块的牵动，进而完成本发明所述微致动开关的安全控制过程。

与现有技术相比，本发明将MEMS加工技术、凝胶纤维、微胶囊三项成熟技术混合化应用，采用悬臂梁结构作为微致动开关的开关微结构，且在梁下设置阻止悬臂梁向下闭合的滑块，同时充分利用凝胶纤维、微胶囊的功能特性对滑块位置进行控制，即将微米级微胶囊涂敷在凝胶纤维的表面，通过对微胶囊内部酸性刺激介质的释放来控制凝胶纤维的收缩动作，从而控制抵住悬臂梁向下闭合的滑块的释放达到控制悬臂梁的目的；将半导体硅以外的材料—凝胶纤维、微胶囊应用于MEMS微机电系统中，研制出了基于凝胶纤维和微胶囊的新概念微致动开关，实现了微致动开关的微型化、混合化和集成化，并具备更强的可靠性、更广的应用场合。本发明结构合理、紧凑，可靠性高，应用范围广，再一次验证了将非硅材料应用于MEMS器件构成中的可行性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1的俯视图；

图3为图2的A-A剖面图；

图4为凝胶纤维的PH响应曲线；

图5为凝胶纤维的收缩力曲线；

图中：1、2-支撑体；3-底座；4-悬臂梁；5-底电极；6-顶电极；7-凝胶纤维；8-滑块；9-质量块；10-支撑架；11、12-开关柱；13、14-电极；15-电极；16-导向槽；17-弹性梁。

具体实施方式

微致动开关，包括在半导体衬底上用微机电MEMS加工工艺加工出的开关主体，所述开关主体包含两侧分别设置有支撑体1、2的底座3、通过底座3一侧支撑体1支悬设置于底座3正上方的悬臂梁4，悬臂梁4下方底座3上设有与底座3绝缘的底电极5，且悬臂梁4下表面与底电极5正对处设有与悬臂梁4绝缘的顶电极6，底座3另一侧支撑体2上支悬固定有凝胶纤维7，凝胶纤维7的自由端固定有滑块8，且滑块8置于悬臂梁4自由端的正下方，凝胶纤维7外涂敷有内为酸性介质的微胶囊涂层；开关主体还包括设置于底座3上的：用于在凝胶纤维7上方通过弹性梁17支悬设置质量块9的支撑架10、以及分别位于滑块8两侧悬臂梁4自由端下方的两开关柱11、12，且两开关柱11、12的顶面设有电极13、14，悬臂梁4自由端的下表面设有用于短接两开关柱11、12顶面电极13、14的电极15，开关柱11、12顶面电极13、14的位置低于滑块8与悬臂梁4下表面电极15的接触面。底座3上开有为滑块8移动进行导向的导向槽16。

Claims (2)

1、一种微致动开关，其特征在于：包括在半导体衬底上用微机电MEMS加工工艺加工出的开关主体，所述开关主体包含两侧分别设置有支撑体(1、2)的底座(3)、通过底座(3)一侧支撑体(1)支悬设置于底座(3)正上方的悬臂梁(4)，悬臂梁(4)下方底座(3)上设有与底座(3)绝缘的底电极(5)，且悬臂梁(4)下表面与底电极(5)正对处设有与悬臂梁(4)绝缘的顶电极(6)，底座(3)另一侧支撑体(2)上支悬固定有凝胶纤维(7)，凝胶纤维(7)的自由端固定有滑块(8)，且滑块(8)置于悬臂梁(4)自由端的正下方，凝胶纤维(7)外涂敷有内为酸性介质的微胶囊涂层；开关主体还包括设置于底座(3)上的：用于在凝胶纤维(7)上方通过弹性梁(17)支悬设置质量块(9)的支撑架(10)、以及分别位于滑块(8)两侧悬臂梁(4)自由端下方的两开关柱(11、12)，且两开关柱(11、12)的顶面设有电极(13、14)，悬臂梁(4)自由端的下表面设有用于短接两开关柱(11、12)顶面电极(13、14)的电极(15)，开关柱(11、12)顶面电极(13、14)的位置低于滑块(8)与悬臂梁(4)下表面电极(15)的接触面。

2、根据权利要求1所述的微致动开关，其特征在于：底座(3)上开有为滑块(8)移动进行导向的导向槽(16)。

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