CN101661853B - 闭锁电热双稳态微开关 - Google Patents

Abstract

一种微机电技术领域的闭锁电热双稳态微开关，包括：正、负两个电极、正极和负极两个驱动层、正极和负极两个偏置层、基座、上触点和下触点，其中：正极驱动层的一端和负极驱动层的一端分别固定设置于基座上且另一端均伸出悬空形成悬梁结构，正极偏置层位于正极驱动层上方，负极偏置层位于负极驱动层上方，正极驱动层和正极偏置层以及负极驱动层和负极偏置层分别形成双层膜结构在受热时能够发生翘曲，正电极位于正极驱动层的上方并与正极偏置层紧密连接，上触点和下触点分列于正极驱动层和负极驱动层的末端，上触点和下触点在垂直方向上交叠设置。本发明充分发挥电热驱动器驱动力大、响应速度较快、位移功率密度高、便于集成制造的优势。

Description

闭锁电热双稳态微开关

技术领域

本发明涉及的是一种微机电技术领域的装置，具体是一种闭锁电热双稳态微开关。

背景技术

随着个人无线通信系统的迅速发展，传统的基于二极管及晶体管技术制备的非易失性器件由于比较差的电绝缘性和高的插入损耗，已经越来越不能满足GHz波段射频电路的要求。基于微机电系统(MEMS)技术制备的微继电器或开关类器件具有出色的电绝缘性、低的插入损耗和高的截止频率。基于MEMS技术制备的微继电器或开关类器件中，首先是一个驱动形式的选择。目前，MEMS中常见的驱动方式包括静电驱动、电磁驱动、压电驱动、热驱动等。这几种驱动方式各有优点，但也都存在着某些问题。采用静电驱动往往结构简单，便于集成，但是需要较高的输入电压，因而带来了一个高功耗和散热困难的问题，同时微小尺度下器件也容易被击穿而失效。电磁驱动的工作电压一般很低，但是由于尺度效应的存在，电磁力会随着尺寸的减小而显著降低，并且通常具有绕组线圈，体积较大，结构复杂，制备困难。压电驱动对于材料的要求很高，结构中必须具备压电体，目前压电体的淀积，图形化，以及与现有的集成电路工艺集成都存在很大困难。热驱动在常规尺度下，加热和散热都很慢，因而响应很慢，但是在微观下，由于尺度的减小，热驱动的响应速度显著提高。同时热驱动的工作电压很低，产生的驱动力很大，有时能够达到毫牛级，并且能够很好地与现有的集成电路工艺集成。

微继电器或开关类器件的另一个核心问题是稳态保持的设计。通过磁路锁定是目前广泛采用的一种无持续功耗稳态保持策略，但是需要淀积软磁路和永磁体，这给器件制备带来了很大困难，同时也不利于与集成电路工艺集成。因而目前大部分基于MEMS技术制备的微继电器或开关类器件都需要持续功耗以实现稳态保持，寻找一种无功耗实现双稳态的机制已经成为目前MEMS研究中的一大热点。

经对现有技术文献的检索发现，Xi-Qing Sun等人在IEEE：Proc.11th Annual Int.Workshop on MicroElectro Mechanical Systems(1998年美国电子工程师和电气工程师协会第11届微机电系统年度国际研讨会154-159页)上发表“A bistable microrelay basedon two-segment multimorph cantilever actuators”(“一种基于两端多层膜悬臂梁驱动器的双稳态继电器”)该文献提供了一种利用表面微加工技术制备的双稳态继电器，该继电器由两段多层膜悬臂梁驱动器组成，两段驱动器的驱动方向正好相反。通过一个阻挡块构成闭锁结构，使得在稳态保持过程中不再需要施加实际功耗。这种器件看似简单，但是两段多层膜悬臂梁驱动器的尺寸和材料选择都必须经过准确的计算，从而正好与阻挡块相扣而保持稳态，而这一点是十分困难的。其次，必须对两个驱动器分别施加不同的精确匹配的时序脉冲才能完成一个周期的运作，这就要求有复杂的外部控制电路。

Troy Gomm等人在Journal of Micromechanics and Microengineering(《微机械与微工程》2002年第12期257-264页)上发表“In-plane linear displacement bistablemicrorelay”(“面内线性位移双稳态继电器”)。该文献提供了一种线性位移双稳态机制，这种机制利用两个叠加式V型梁实现双向驱动，两端固定支撑的弯曲梁作为稳态保持机构。该器件具有很大的失效电压(＞475V)以及非常快的响应时间(340μs)，但是考虑到V型梁驱动器在冷却后会自动回复，因此在这种微继电器中具有一种活塞结构，这对现有的微加工技术是一个巨大挑战。

Jin Qiu等人在Journal of Microelectromechanical systems(《微机电系统》2005年第5期第14卷1099-1109页)上发表“A bulk-micromachined bistable relay withU-Shaped thermal actuators”(“一种体微加工技术制备的带有U型热驱动器的双稳态继电器”)，该文献中利用两个冷热臂电热驱动器进行双向驱动，利用两端固定支撑的弯曲梁形成双稳态机构从而实现开关的稳态保持。虽然这种设计中驱动机构与稳态机构实现了分离，从而大大简化了器件的结构，但是借助深刻蚀制备的微弯曲梁在没有预置应力的情况下原位形态难以精确保持，热驱动力和弹性力之间的匹配十分复杂和困难。同时，弯曲梁在反复扭曲使用后容易疲劳损伤，导致器件寿命有限。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种闭锁电热双稳态微开关，借助悬梁交错锁定的闭锁结构，具有无持续功耗稳态保持的特性，以充分发挥电热驱动器驱动力大、响应速度较快、位移功率密度高、便于集成制造的优势。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：正、负两个电极、正极、负极两个驱动层、正极、负极两个偏置层、基座、上触点和下触点，其中：正极驱动层的一端和负极驱动层的一端分别固定设置于基座上且另一端均伸出悬空形成悬梁结构，正极偏置层位于正极驱动层上方，负极偏置层位于负极驱动层上方，正极驱动层和正极偏置层以及负极驱动层和负极偏置层分别形成双层膜结构在受热时能够发生翘曲，正电极位于正极驱动层的上方并与正极偏置层紧密连接，上触点和下触点分列于正极驱动层和负极驱动层的末端，上触点和下触点在垂直方向上交叠设置且在垂直方向上互不接触。

所述的悬梁结构的长度为300-800微米，宽度为200-500微米，厚度为3-10微米。

所述的偏置层为绕曲电阻条结构，所述电阻条的宽度为5-30微米，厚度为3-5微米，间距为10-30微米，该电阻条为导电金属制成或沉积并图形化多晶硅制成。

所述的正极驱动层及负极驱动层由金属与聚合物或二氧化硅与金属的组合材料制成，该正极驱动层及负极驱动层的热膨胀系数大于正极偏置层及负极偏置层的热膨胀系数。

所述的上触点和下触点之间的垂直间距为5-10微米。

所述的上触点和下触点的形状为方形、弧形或T字型；

所述的下触点的上表面设有绝缘层，该绝缘层为聚合物或者金属氧化物。

所述的上触点的上表面设有金元素层。

本发明工作时，通过对下触点所在的驱动器的电极施加电信号，电流流经偏置层，偏置层发热，热量通过热传导传递给驱动层。由于驱动层和偏置层双层膜之间热膨胀系数的差异，使得双层膜向上翘曲，同时带动末端的触点向上运动。因为热驱动能够产生很大的驱动力，有的可以达到毫牛级，因此只要弹性力和驱动力适当匹配，下触点可以轻易地拨开上触点。当施加的电信号降为零后，下触点所在的驱动器散热回复，这时下触点与上触点相互搭接。由于热驱动的回复力通常很小，这时已经不足以使下触点能够再次拨开上触点，因此这种搭接就形成了一个稳态。如果在信号引线两端检测电信号，这个过程实现了一个从“断”到“开”的开关过程，并且在保持“开”状态时不需要持续功耗。之后如果通过对上触点所在的驱动器的电极施加电信号，该驱动器向上翘曲，同样的道理，这时上触点能够迅速拨开之前已经搭接在上面的下触点，从而又实现了一个从“开”到“断”的开关过程，并且这个过程使得经过上一次开关过程换位的触点完成了复位，完成了双稳态开关的一个工作周期。

与目前基于MEMS技术制备的微继电器或开关类器件相比，本发明具有显著的技术优势。首先，本发明可以完全采用微机械加工技术集成制造，避免了装配等一系列制约产业化的问题；如果采用二氧化硅作为偏置层，嵌入多晶硅作为电阻丝，淀积铝薄膜作为驱动层，该组合的制备工艺能够与现有的集成电路工艺相兼容，在技术成熟时有望实现大规模生产。其次，本发明结构简单，采用了技术上十分成熟的双层膜作为电热驱动器，工艺实现非常方便。最后，通过本发明提出的闭锁结构，能够实现完全无功耗稳态保持，显著降低了功耗，并且避免了目前闭锁结构中普遍采用但又难以控制的弹性梁，使得基于MEMS技术的微继电器或开关类器件向实用化迈出了实质的步伐。

该驱动器简单的结构，使得生产工艺大为简化，驱动功率显著降低，提高了集成批量制造的可能，能够推动基于MEMS技术的开关类器件的实际应用。

附图说明

图1是实施例结构示意图。

图2是实施例中电极和偏置层的结构示意图。

图3是实施例中驱动层的结构示意图。

图4是实施例中信号引线以及上触点和下触点的结构示意图。

图5为图4的局部放大示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例包括：正电极1、正极偏置层2、正极驱动层3、基座4、信号引线5、上触点6、下触点7、负电极8、负极偏置层9和负极驱动层10，其中：正极驱动层3的一端和负极驱动层10的一端分别固定设置于基座4上且另一端均伸出悬空形成悬梁结构，正极偏置层2位于正极驱动层3上方，负极偏置层9位于负极驱动层10上方，正极驱动层3和正极偏置层2以及负极驱动层10和负极偏置层9分别形成双层膜结构在受热时能够发生翘曲，正电极1位于正极驱动层3的上方并与正极偏置层2紧密连接，上触点6和下触点7分列于正极驱动层3和负极驱动层10的末端，上触点6和下触点7在垂直方向上交叠设置且在垂直方向上互不接触。

所述的基座4是保证驱动器悬空并能够做面外运动的基础，一个开关具有两个长方体形的基座。基座4不能太矮，以免驱动器与基体距离过近，两者之间发生强烈热交换造成热量的无谓散失，从而显著降低焦耳加热的效率。基座4可以通过图形化金属制备，也可以通过沉积聚合物和驱动层一体实现。

如图2所示，为正电极1和正极偏置层2的结构示意图，负电极8和负极偏置层9的结构相同(未示出)。所述的正极偏置层2和负极偏置层9为绕曲电阻条结构，所述电阻条的宽度为17微米，厚度为4微米，间距为20微米，该电阻条为导电金属制成。

如图3所示，为正极驱动层3和负极驱动层10的结构示意图。正极驱动层3和负极驱动层10是驱动器受热后的主要运动单元，因此必须呈现悬空结构，该悬空结构的长度为550微米，宽度为350微米，厚度为7微米。驱动层3通常可以采用微机械加工技术中的牺牲层技术实现，结构中的方孔能够提高悬梁下的传质，从而便于释放悬梁。在与偏置层组成的双层膜结构中，驱动层必须是热膨胀系数比偏置层的热膨胀系数大的材料，所以一般可以采用金属/聚合物、二氧化硅/金属的组合等。

如图4和图5所示，为信号引线5以及上触点6和下触点7的结构示意图。信号引线材料为导电良好的金属材料，宽度为35微米，厚度为4微米。在作为一般的电路通断开关应用时，对信号引线5的设计要求不高，作为射频开关应用时，必须采用专门的传输线设计方案。上触点6和下触点7的尺寸根据驱动层3的尺寸而定，上下触点间的空气间隙为8微米。上触点6和下触点7的形状可以是方形、弧形或T字型。所述的下触点6的上表面经过绝缘隔离处理，该绝缘层为聚合物。此外为了降低接触电阻和防止表面氧化，可以在上触点7的上表面镀金。

在没有施加任何电信号时，双层膜的悬梁保持初始的平直状态，上触点6和下触点7不接触。工作时通过对下触点7所在的驱动器的电极施加电信号，该热驱动器启动，带动末端的下触点7向上运动，下触点7拨开上触点6，并运动到上触点6上方。断开施加的电信号，该驱动器回复，下触点7搭接在上触点6的上面，这种搭接形成了开关的第一个稳态。之后通过对上触点6所在的驱动器的电极施加电信号，该热驱动器启动，同样的道理，这时上触点6能够迅速拨开之前已经搭接在上面的下触点7，断开施加的电信号，该驱动器回复，就形成了开关的第二个稳态，从而完成了双稳态开关的一个工作周期。

Claims (8)

1.一种闭锁电热双稳态微开关，其特征在于，正、负两个电极、正极、负极两个驱动层、正极、负极两个偏置层、基座、上触点和下触点，其中：正极驱动层的一端和负极驱动层的一端分别固定设置于基座上且另一端均伸出悬空形成悬梁结构，正极偏置层位于正极驱动层上方，负极偏置层位于负极驱动层上方，正极驱动层和正极偏置层以及负极驱动层和负极偏置层分别形成双层膜结构在受热时能够发生翘曲，正电极位于正极驱动层的上方并与正极偏置层紧密连接，上触点和下触点分列于正极驱动层和负极驱动层的末端，上触点和下触点在垂直方向上交叠。

2.根据权利要求1所述的闭锁电热双稳态微开关，其特征是，所述的悬梁结构的长度为300-800微米，宽度为200-500微米，厚度为3-10微米。

3.根据权利要求1所述的闭锁电热双稳态微开关，其特征是，所述的偏置层为绕曲电阻条结构，所述电阻条的宽度为5-30微米，厚度为3-5微米，间距为10-30微米，该电阻条为导电金属制成或沉积并图形化多晶硅制成。

4.根据权利要求1所述的闭锁电热双稳态微开关，其特征是，所述的正极驱动层及负极驱动层由金属与聚合物或二氧化硅与金属的组合材料制成，该正极驱动层及负极驱动层的热膨胀系数大于正极偏置层及负极偏置层的热膨胀系数。

5.根据权利要求1所述的闭锁电热双稳态微开关，其特征是，所述的上触点和下触点之间的垂直间距为5-10微米。

6.根据权利要求1或5所述的闭锁电热双稳态微开关，其特征是，所述的上触点和下触点的形状为方形、弧形或T字型。

7.根据权利要求1或5所述的闭锁电热双稳态微开关，其特征是，所述的下触点的上表面设有绝缘层，该绝缘层为聚合物或者金属氧化物。

8.根据权利要求1或5所述的闭锁电热双稳态微开关，其特征是，所述的上触点的上表面设有金元素层。

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