CN102142338A - 面内运动的多向多通道多稳态微机电开关 - Google Patents
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Abstract
一种微机电技术领域的面内运动的多向多通道多稳态微机电开关，包括：位于基底上由内而外依次设置的双稳态部分、四个热驱动机构和四个外接电回路机构，四个外接电回路机构镜像对称设置于双稳态部分的外侧四个顶角位置并与外界电路相连，四个热驱动机构镜像对称设置于双稳态部分内侧。本发明实现面内运动的多向多通道的导通，通过永磁体产生的均匀磁场的作用来保持这种稳定的导通状态，避免电热驱动器功耗较大的问题。该微机电开关结构简单，制作工艺可靠，适于批量制造。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种微机电技术领域的装置，具体是一种面内运动的多向多通道多稳态微机电开关。
背景技术
微机电系统技术是最近几十年来发展起来的一种新型技术，其采用了传统IC工艺中的一些加工工艺，如：刻蚀、光刻、溅射等，另外再加上一些表面加工工艺，如：电镀、键合等，形成了基于硅衬底的三维悬空可动微结构。微机电系统的核心在于微驱动器，它使得微器件变得可动。驱动力和驱动位移是衡量微驱动器的重要指标。根据驱动方式的不同，微驱动器可以分为静电驱动，电热驱动，电磁驱动，压电驱动等。静电驱动的位移跟驱动力成反比，不能同时得到大的驱动力和驱动位移，而且由于电荷积累，此类驱动器的寿命不长，它的优势在于功耗小。电磁驱动结构比较复杂，而且体积较大，但它可以获得较大的位移。压电驱动的材料与传统IC工艺不兼容，且较难实现，驱动功耗较大。电热驱动可以在较小的功耗下获得较大的驱动力和驱动位移，而且工艺与IC工艺兼容。
按运动方向与基底的关系，电热驱动器可以分为面内驱动和面外驱动两种方式。面内驱动主要有两种结构：U型和V型。前者利用不同粗细的梁的电阻的差别，通电后产生不同的热量，来实现平行于基底的梁的运动。后者利用限制在固定绝热结构中的V型梁受热膨胀产生位移运动。面外驱动通常的方式为双层膜驱动，利用两种材料的热膨胀系数的差别产生垂直于基底的运动，具体的结构要根据用途而定。但是由于残余应力的存在，使得双层膜悬臂梁通常都处于翘曲状态，而且两层膜之间的结合力不好，容易脱落。
经对现有技术的文献检索发现，E.Enikov等在《Sensors and Actuators A》(中文名《传感器与执行器A》)2005年第121期282页上发表的题名“Micro-mechanical switch array formeso-scale actuation”(中文名称“用于宏观尺度下驱动的微机械开关阵列”)中，研制出了一种基于U型冷热臂结构的电热驱动式开关型微继电器，该器件主要是有一组压电式驱动器和一组电热驱动阵列组成的混合驱动器，压电式驱动器主要是来驱动震动平台，电热驱动器主要是替代水平运动的锁定机构，以实现继电器的两个开关状态。该器件制备工艺复杂，综合采用了体硅加工技术、表面微加工技术和传统的精密装配技术，而且利用U型电热驱动器实现锁定功能的设计不可靠，易出现因材料的疲劳而导致器件失效。
同时，M.Daneshmand等在《IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques》(中文名《IEEE微波理论与技术会刊》)2007年第55期1229页上发表的题名“ThermallyActuated Multiport RF MEMS Switches and Their Performance in a Vacuumed Environment”(中文名称“热驱动多通道射频MEMS开关及其在真空环境下的性能”)中，提出了一种电热驱动的多通道微开关器件，采用电沉积的金属Ni作为热驱动结构材料，其驱动机理与U型梁电热驱动器类似，根据热膨胀材料结构尺寸上的差异，产生一定的温度梯度，从而实现驱动端输出位移。当在器件的电极两端通入一定电流时，由于在细梁和宽梁之间产生不同膨胀程度的热应力，来驱动金属触点。作者将该电热驱动器分别应用到单刀单掷(SPST)、单刀双掷(SPDT)等多通道微开关中。这些开关虽然具有较低的驱动电压，但是无法实现锁定的稳态功能，且制作成本较高。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种面内运动的多向多通道多稳态微机电开关，实现面内运动的多向多通道的导通。由于在结构中采用了软磁回路和永磁体，当电路导通后，可以通过永磁体产生的均匀磁场的作用来保持这种稳定的导通状态，这样就避免了电热驱动器功耗较大的问题。该微机电开关结构简单，制作工艺可靠，适于批量制造。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：位于基底上由内而外依次设置的双稳态部分、四个热驱动机构和四个外接电回路机构，其中：四个外接电回路机构镜像对称设置于双稳态部分的外侧四个顶角位置并与外界电路相连，四个热驱动机构镜像对称设置于双稳态部分内侧。
所述的双稳态部分包括：一个可动梁以及两组合公共电极、永磁体、磁回路、基座、扭梁和动触点，其中：两个磁回路相对设置于外侧并构成所述双稳态部分的外围，磁回路与公共电极相匹配形成导通的电回路，永磁体一侧连接磁回路，另一侧与基座相连，两段扭梁悬空于基座之上且一端与可动梁相连，另一端与基座相连，可动梁与两段扭梁形成悬空可动结构并依靠热驱动器的驱动作用实现面内扭摆运动，可动梁位于两个磁回路的对称轴上，两个动触点分别设置于可动梁的两端并与外接电回路相对设置实现断开或导通。
所述的外接电回路机构包括：回路单元和与之相连的回路电极，其中：回路电极与双稳态部分的外围相平行，回路单元位于双稳态部分的外侧顶角位置。
所述的热驱动机构包括：一个U形结构的电热驱动器及其连接于电热驱动器两端的驱动电极。
本发明的优势在于：
1、本设计的微机电开关是基于双刀双掷的多稳态开关，可以实现多向多通道的开关功能。磁回路在电路导通后起姿态保持作用，通过磁力将电路维持在稳态，这就使得整个器件功耗较低。
2、电热驱动器部分采用的是面内驱动的方式，与面外驱动相比，这种结构比较容易实现。不同于常规的冷热臂驱动方式，此热驱动器的结构较简单，利用材料的热膨胀性质来获得面内的位移。两个驱动梁的叠加作用会使得驱动位移更大。
3、本设计的微机电开关工艺简单，结构合理，在制备过程中只需要两块掩膜版便可制备成功，且不存在一般悬臂梁式开关由于内应力而导致失效的问题。
附图说明
图1是本发明结构示意图。
图2是本发明俯视图。
图3是本发明局部放大示意图。
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和图2所示，本实施例包括：位于基底0上由内而外依次设置的双稳态部分1、四个热驱动机构2和四个外接电回路机构3，其中：四个外接电回路机构3镜像对称设置于双稳态部分1的外侧四个顶角位置并与外界电路相连，四个热驱动机构2镜像对称设置于双稳态部分1内侧。
所述的基底0是以玻璃片、硅片、氧化铝陶瓷或者其他任何表面平整的基片为衬底形成的金属支撑结构。
如图1和图2所示，所述的双稳态部分1包括：一个可动梁4以及两组合公共电极5、永磁体6、磁回路7、基座8、扭梁9和动触点10，其中：两个磁回路7相对设置于外侧并构成所述双稳态部分1的外围，可动梁4位于两个磁回路7的对称轴上，磁回路7与公共电极5相匹配形成导通的电回路，永磁体6一侧连接磁回路7，另一侧与基座8相连，两段扭梁9悬空于基座8之上且一端与可动梁4相连形成悬空可动结构并依靠热驱动机构2的驱动作用实现面内扭摆运动，另一端与基座8相连，两个动触点10分别设置于可动梁4的两端并与外接电回路3相对设置实现断开或导通。
所述的可动梁4以及扭梁9距离基底0的悬空高度为1-3微米。
如图3所示，所述的扭梁9的中部为S形结构且两端分别与可动梁4以及永磁体6相垂直，扭梁9与可动梁4通过同一步电镀工艺制成。
如图1和图2所示，所述的热驱动机构2包括：一个U形结构的电热驱动器11及其连接于电热驱动器11两端的驱动电极12。
所述的电热驱动器11距离基底0的悬空高度为1-3微米。
如图1和图2所示，所述的外接电回路机构3包括：回路单元13和与之相连的回路电极14，其中：回路电极14与双稳态部分1的外围相平行，回路单元13位于双稳态部分1的外侧顶角位置。
本发明基于面内运动的多向多通道多稳态微机电开关，通过以下工艺步骤实现：
1、清洗玻璃片作为基底。
2、溅射铬/铜电镀种子层。
3、甩光刻胶，图形化，电镀外接电回路和磁回路。
4、氢氧化钠去胶。
5、甩胶，图形化，电镀基座。
6、溅射铬/铜电镀种子层，再次甩胶并图形化，电镀扭梁、可动梁，以及电热驱动器。
7、去胶，释放热驱动梁和扭梁。
本实施例提出了一种新型的多通道多稳态微机电开关，可以实现多条线路的选择性导通，驱动方式为面内热驱动，具有工艺简单，功耗低，驱动位移大等优点。
Claims (8)
1.一种面内运动的多向多通道多稳态微机电开关，其特征在于，包括：位于基底上由内而外依次设置的双稳态部分、四个热驱动机构和四个外接电回路机构，其中：四个外接电回路机构镜像对称设置于双稳态部分的外侧四个顶角位置并与外界电路相连，四个热驱动机构镜像对称设置于双稳态部分内侧。
2.根据权利要求1所述的面内运动的多向多通道多稳态微机电开关，其特征是，所述的基底是以表面平整的基片为衬底形成的金属支撑结构。
3.根据权利要求1所述的面内运动的多向多通道多稳态微机电开关，其特征是，所述的双稳态部分包括：一个可动梁以及两组合公共电极、永磁体、磁回路、基座、扭梁和动触点，其中：两个磁回路相对设置于外侧并构成所述双稳态部分的外围，可动梁位于两个磁回路的对称轴上，磁回路与公共电极相匹配形成导通的电回路，永磁体一侧连接磁回路，另一侧与基座相连，两段扭梁悬空于基座之上且一端与可动梁相连形成悬空可动结构并依靠热驱动机构的驱动作用实现面内扭摆运动，另一端与基座相连，两个动触点分别设置于可动梁的两端并与外接电回路相对设置实现断开或导通。
4.根据权利要求3所述的面内运动的多向多通道多稳态微机电开关，其特征是，所述的可动梁以及扭梁距离基底的悬空高度为1-3微米。
5.根据权利要求3所述的面内运动的多向多通道多稳态微机电开关，其特征是，所述的扭梁的中部为S形结构且两端分别与可动梁以及永磁体相垂直。
6.根据权利要求1所述的面内运动的多向多通道多稳态微机电开关，其特征是，所述的热驱动机构包括：一个U形结构的电热驱动器及其连接于电热驱动器两端的驱动电极。
7.根据权利要求6所述的面内运动的多向多通道多稳态微机电开关，其特征是，所述的电热驱动器距离基底的悬空高度为1-3微米。
8.根据权利要求1所述的面内运动的多向多通道多稳态微机电开关，其特征是，所述的外接电回路机构包括：回路单元和与之相连的回路电极，其中：回路电极与双稳态部分的外围相平行，回路单元位于双稳态部分的外侧顶角位置。
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