CN101763986A - 微机电系统开关 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种微机电系统开关。该开关包括具有支承表面的基底。提供具有凹口的促动表面以及具有延长部分的电接触表面。所述延长部分设置在凹口内。梁附接在基底上。梁包括构造成随着促动而弯曲并且与延长部分的至少一部分接触并且运送电流通过的可促动自由端。

Description

微机电系统开关

技术领域

本发明大致涉及开关，并且尤其涉及微机电系统开关。

背景技术

微机电系统(MEMS)开关的利用已经被发现比传统的固态开关有利。例如，MEMS开关已经被发现具有较高的功率效率，低插入损失，以及极好的电绝缘性。

MEMS开关是利用机械运动来达到短路(接通)或者开路(断路)的装置。机械运动需要的力可以利用各种类型的促动机构诸如静电、磁性、压电或者热促动来获得。通常，静电促动的开关已经被证明具有高可靠性和晶片级制造技术。这种MEMS开关的构造和设计一直在不断地改进。

开关特性诸如(开关的触点之间的)隔绝电压(standoffvoltage)以及(促动器和触点之间的)吸合电压(pull-in voltage)要考虑到MEMS开关的设计中。通常，在设法达到更高的隔绝电压的同时呈现降低的吸合电压这一矛盾的特性。传统上，增加的梁(beam)厚度和间隙尺寸使隔绝电压增大。然而，这也使吸合电压增大，而这不是所希望的。

需要显示出充分高的隔绝电压并且同时显示出充分低的吸合电压而在开关设计中没有额外的复杂性的改进的MEMS开关。

发明内容

简要地，在一个实施例中提出了一种微机电系统开关。该开关包括具有支承表面的基底。提供了具有凹口的促动表面以及具有延长部分的电接触表面。延长部分设置在凹口内。梁附接在基底上。梁包括构造成随着促动而弯曲以与延长部分的至少一部分接触并且运送电流通过的可促动自由端。

在一个实施例中，本发明提出一种具有栅极(gate)的机械开关。栅极限定凹口。开关包括具有延长部分的漏极(drain)，其中延长部分设置在凹口内。悬臂梁固定在支承柱上，悬臂梁具有自由可动端。自由可动端与延长部分重叠以与漏极的至少一部分接触以形成电通路。

在一个实施例中，提出一种微机电系统开关。开关包括具有空腔的促动器并且构造成提供静电力。提供具有延长部分的电极。所述延长部分包括触点并且设置在空腔内。梁固定在支承柱上并且具有自由可动端，其中自由可动端构造成随着促动而弯曲以与电极配合并且运送电流通过。

在一个实施例中，提出一种机械开关。该开关包括固定在支承柱上并且包括可动部件的悬臂梁。该开关进一步包括具有间隙且构造成提供静电力的促动区域。电极区域设置为靠近促动区域，其中促动区域限定凹口，而电极区域包括由凹口在至少两侧围绕的延长部分。可动部件设置为靠近促动区域并且与延长部分重叠以提供大于大约1.5的隔绝电压对吸合电压的比。

本发明提出一种增加开关中隔绝电压和吸合电压之间的比的方法。该方法包括提供限定间隙的促动表面，提供具有延长部分的电接触表面，延长部分延伸到间隙内。所述方法进一步包括提供悬在促动表面和电接触表面上方的梁。所述方法进一步包括限定包括促动表面、电接触表面和梁的重叠区域，并且将重叠区域优化为包括大于大约1.5的隔绝电压对吸合电压的比。

附图说明

在参考附图阅读下文中具体介绍时，可以更好的理解本发明的这些和其它特征、方面和优点，在附图中同样的标号代表同样的部件，其中：

图1是根据本技术的一方面的MEMS开关的透视图；

图2是具有部分截面的图1的MEMS开关的透视图；

图3是图1中的MEMS开关的横截面图；以及

图4是用于构成根据本发明的一方面的MEMS开关的各种层的俯视图。

具体实施方式

MEMS开关可控制电、机械或者光学信号流。MEMS开关通常提供更低的损失，和更高的绝缘。此外，MEMS开关同固态开关相比提供显著的尺寸缩小、更低的功率消耗以及成本优点。MEMS开关还提供诸如宽带操作的优点(能够在宽的频率范围上操作)。MEMS开关的这种属性显著增加它们的功率处理能力。具有低损失、低失真和低功率消耗，MEMS开关可适于诸如电信应用、模拟交换电路以及开关式电源的应用。MEMS开关还理想地适于高性能机电，簧片继电器以及其它单一功能开关技术普遍使用的应用。

MEMS开关可使用一个或多个促动机构，诸如静电、磁性、压电或者热促动。和其它促动方法对比，静电促动提供快的促动速度和适度的力。静电促动需要超低功率，因为通常对于各开关事件需要数量级为毫微焦耳的功率，并且在开关处于关闭或打开状态时没有功率消耗。这个方法更适于功率敏感应用，比传统上由机械继电器在这样的应用中使用的更耗功率的磁性开关激励方法适合得多。例如，常规的继电器操作，机械力高(接触和返回)，寿命短(通常大约一百万次循环)。MEMS开关操作，力更低，寿命更长。低接触力的好处是增加的触点寿命。然而，更低的接触力在性质上改变了接触行为，特别是提高了对表面形态和杂质的灵敏度，以及相应的低返回力使开关容易收到粘力的影响。

首先参考图1，标号10显示根据本发明的一方面构造的MEMS开关。提供具有支承表面26(或者支承柱)的基底(在图3中由标号42显示)。具有凹口14的促动表面12接近基底而设置。具有延长部分18的电接触表面16设置为与促动表面12相邻。延长部分18包括触点凸起20，其中延长部分18设置在凹口14内。梁22通过支承表面26附接到基底。梁22包括触点凸起24以及可促动自由端23，其构造成随着促动而弯曲以与延长部分18的至少一部分接触并且运送电流通过。

在MEMS开关10的操作过程中，电压被施加给促动表面12(也称为促动)。促动表面12提供与施加给促动表面12的电压成比例的静电力(伴随着促动)。在一个实施例中，静电力将吸引力施加在梁22上。可促动自由端23构造成随着促动而弯曲，并且通过设置在延长部分18上的触点凸起20与电接触表面16形成接触。在一个实施例中，建立在延长部分18和梁22之间的接触促进电流的流动，并且这种状态常常称为MEMS开关10的“导通”或“闭合”状态。在另一实施例中，为了改变开关10的状态，施加给促动表面12的电压被撤消，由于梁的弹性恢复力导致在延长部分18和梁22之间的接触“开断”。这种状态常常称为MEMS开关10的“非导通”或“打开”状态。

通常，MEMS开关在延长部分18和梁22之间限定第一电压。隔绝电压通常被限定为第一阈值电压，其中在第一电压超过第一阈值电压时延长部分18和梁22接触。类似地，MEMS开关在促动表面12和梁22之间限定第二电压。吸合电压通常被限定为促动表面12的第二阈值电压，其中在第二电压超过第二阈值电压时延长部分18和梁22接触。可以意识到MEMS开关的更好设计需要更高的隔绝电压和更低的吸合电压。同时获得更高的隔绝电压和降低的吸合电压是矛盾的。本发明的实施例通过优化电接触表面16、促动表面12和梁22的构造和配置巧妙地接合以克服该矛盾。

现在转向图2，显示了梁22的部分截面。在示例性的实施例中，MEMS开关10包括基底(未示出)。基底包括支承表面26。提供具有凹口14并且构造成提供静电力的促动表面12。具有延长部分18的电接触表面16设置在凹口14内。触点凸起20设置在延长部分18上。梁22(以部分截面在32显示)通过支承表面26固定于基底。包括可促动自由端23的梁22构造成随着促动而弯曲(25)以与延长部分18的至少一部分接触并且运送电流通过。

也称为悬臂梁的梁22固定在支承柱26上。也称为促动器(或者栅极)的促动表面12构造成随着促动(将电压施加给促动表面)提供静电力34。在一个实施例中，电接触表面16(或者漏极(drain))接近梁22设置并且构造成在它本身和悬臂梁22之间提供电连接。梁22的自由可动端23(或者可动部件)构造成随着促动而弯曲以与延长部分18上的触点20配合并且运送电流通过。

可以注意到促动表面12包括凹口14，而不是典型的矩形表面。延长部分18设置在凹口14内，在电接触表面16和梁22之间提供减少的重叠。此外，促动表面12内的凹口14提供与梁22减少的重叠。重叠区域被优化以便达到隔绝电压对吸合电压的比(或者断开比)大于大约1.5。在另一实施例中，重叠区域被优化以便达到大约1.7到大约5的断开比。

图3是图1中MEMS开关的横截面图。在示例性的实施例中，MEMS开关10包括基底42。氮化硅层44(绝缘层)设置在基底42上。支承柱26、促动表面12和电接触表面16设置在绝缘层44上。触点凸起20设置在延长部分18的一端。在一个实施例中，梁22在一端46固定到支承柱26上，而自由可动端23凸出在凹口14和延长部分18之上。绝缘层43设置在梁22和触点凸起24之间。触点凸起24与电接触表面16上的触点凸起20对齐以在MEMS开关10的“导通”状态期间随着促动形成接触。

在操作中，为了促进悬臂梁22的运动，构造成产生静电力的促动表面12接近梁22设置，如图所示。可以注意到电接触表面16和梁22连接到外部电路。在一个实施例中，MEMS开关10构造成在电接触表面16和梁22之间接通或断开电连接。基底42收容电路以使MEMS开关10变成操作的，例如但不限于偏压电路、保护电路等等。

图4是根据本发明一方面的组件层的俯视图。MEMS开关具有由虚线显示的悬臂梁22，其固定在支承柱26上，如在俯视图50中所示。在本文指示的MEMS开关50，包括悬臂梁22(透明显示以便更好的理解各种实施例的配置)，和促动表面12，以及电接触表面16。如将意识到的，促动表面12设计成形成凹口14，导致在梁22下面延伸的减少的促动区域。在一个实施例中，这样减少的促动区域导致降低的吸合电压。类似地，电接触表面16和梁22之间的重叠限于延长部分18而不沿着梁宽度52。这样减少的重叠使隔绝电压增加。在一个实施例中，多个延长部分可形成在电接触表面上，沿着梁宽度在促动表面中具有对应的凹口。

在示例性的实施例中，本发明提出一种增加开关中的隔绝电压和吸合电压之间比率的方法。该方法包括提供限定间隙的促动表面，提供具有延长部分的电接触表面，该延长部分延伸到间隙内。该方法进一步包括提供悬在促动表面和电接触表面上方的梁。该方法进一步包括限定包括促动表面、电接触表面和梁的重叠区域，并且对重叠区域进行优化以便包括大于大约1.5的隔绝电压对吸合电压的比。在一个实施例中，重叠区域优化为包括大约1.7到大约5的隔绝电压对吸合电压的比。

可以意识到在MEMS应用中高断开比是重要的因素，其中高打开状态绝缘电压(或者隔绝电压)和低促动电压(吸合电压)是所希望的。隔绝电压和吸合电压两者都产生与各自电极的重叠区域成比例的静电力。有利地，通过在本文论述的MEMS开关设计，布置位置并且调整促动表面和电接触表面之间的重叠可达到高断开比。传统上，增加梁厚度以及促动器和梁之间的距离使隔绝电压增大。然而，这也使吸合电压增大。这样矛盾的效果可以在本发明目前预期的实施例中克服。本发明的某些实施例设计成达到大于大约1.5到大约5的充分大的断开比(隔绝电压和吸合电压之间的比)。

虽然本文仅显示和介绍了本发明的某些特征，但许多修改和改变将被本领域技术人员想到。因此，应当理解权利要求意在覆盖落在本发明真实精神内的所有这样的修改和改变。

Claims (10)

1.一种微机电系统开关，包括：

具有支承表面的基底；

包括凹口的促动表面；

包括延长部分的电接触表面，其中，所述延长部分设置在所述凹口内；以及

附接到所述基底的梁，所述梁具有构造成随着促动而弯曲以与所述延长部分的至少一部分接触并且运送电流通过的可促动自由端。

2.根据权利要求1所述的微机电系统开关，其特征在于，所述促动表面在促动过程中提供静电力。

3.根据权利要求1所述的微机电系统开关，其特征在于，所述微机电系统开关进一步包括限定所述可促动自由端、所述延长部分以及所述促动表面的重叠，其中，所述重叠提供大于大约1.5的断开比。

4.根据权利要求3所述的微机电系统开关，其特征在于，所述重叠提供大约1.5到大约5的断开比。

5.一种机械开关，包括：

限定凹口的栅极；

包括延长部分的漏极，其中，所述延长部分设置在所述凹口内；

固定在支承柱上的悬臂梁，所述悬臂梁具有自由可动端；以及

所述自由可动端与所述延长部分重叠，以与所述漏极的至少一部分接触以形成电通路。

6.一种机械开关，包括：

固定在支承柱上并且包括可动部件的悬臂梁；

包括间隙的促动区域，构造成提供静电力；以及

设置为靠近所述促动区域的电极区域，

其中，所述促动区域限定凹口，并且所述电极区域包括由所述凹口在至少两侧围绕的延长部分；

其中，所述可动部件设置为靠近所述促动区域并且与所述延长部分重叠以提供大于大约1.5的隔绝电压对吸合电压的比。

7.根据权利要求6所述的开关，其特征在于，所述悬臂梁随着促动而弯曲以与所述电极形成电连接。

8.根据权利要求6所述的开关，其特征在于，所述静电力构造成在所述开关操作过程中在所述第一电触点和所述第二电触点之间提供接触力。

9.一种增加开关中隔绝电压和吸合电压之间比率的方法，所述方法包括：

提供限定间隙的促动表面；

提供包括延长部分的电接触表面，所述延长部分延伸到所述间隙内；

提供悬在所述促动表面和所述电接触表面上方的梁；

限定包括所述促动表面、所述电接触表面和所述梁的重叠区域；以及

将所述重叠区域优化为包括大于大约1.5的隔绝电压对吸合电压的比。

10.根据权利要求9所述的开关，其特征在于，所述重叠区域包括大约1.7到大约5的隔绝电压对吸合电压的比。

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