CN102176391A - 开关结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种开关结构，具体而言，提供了一种诸如开关结构(100)的装置，该装置包括触头(102)和导电元件(104)。该导电元件可构造成可选择性地在非接触位置和接触位置之间运动，在非接触位置上，导电元件与触头分开(在一些情况下，分开小于或等于约4μm的距离，而在其它情况下，分开小于或等于约1μm的距离)，在接触位置上，导电元件与触头接触，且与该触头建立电连通。当导电元件设置在非接触位置上时，触头和导电元件可构造成支持在其之间的、带有大于320Vμm^-1的量值的电场和/或约330V或更大的电势差。

Description

开关结构

技术领域

本发明的实施例一般涉及用于切换电流的装置，且更具体地涉及微机电开关结构。

背景技术

断路器是设计成保护电气设备不受电路中的故障导致的损害的影响的电气装置。传统上，许多常规的断路器包括大体积(宏)机电开关。不幸的是，这些常规的断路器尺寸较大，且可必须使用较大的力来促动切换机构。另外，这些断路器的开关一般以相对低的速度操作。此外，这些断路器构造起来复杂，并且从而制造昂贵。另外，当常规断路器中的切换机构的触头在物理上分开时，有时可在触头之间形成电弧，该电弧允许电流继续流过开关，直到电路中的电流停止为止。而且，与电弧相关联的能量可严重地损害触头，以及/或者对人员造成烧伤危险。

作为慢机电开关的备选方案，相对快速的固态开关已经用于高速切换应用中。这些固态开关通过电压或偏压的受控制的应用来在导电(conducting)状态和非导电(non-conducting)状态之间切换。但是，因为当固态开关切换到非导电状态中时，它们不在触头之间产生物理间隙，所以当名义上不导电时，它们会经受泄漏电流。此外，由于内部阻抗的原因，在导电状态中操作的固态开关会经受电压降。电压降和泄漏电流两者在正常的操作环境下会促成功率耗散和过热的产生，这对开关性能和寿命可能是有害的。而且，至少部分由于与固态开关相关联的固有泄漏电流的原因，固态开关不可能在断路器应用中使用。

基于切换装置的微机电系统(MEMS)可对以上针对某些电流切换应用所描述的宏机电开关和固态开关提供有用的备选方案。基于MEMS的开关往往在设置成传导电流时具有低电阻，且在设置成中断通过其中的电流时具有低的(或没有)泄漏。另外，期望基于MEMS的开关比宏机电开关展现更快的响应时间。

发明内容

在第一个方面，提供了一种诸如开关结构的装置，该装置包括在一些情况下设置在基底上的触头和导电(conductive)元件。导电元件可构造成可选择性地在非接触位置和接触位置之间运动，在非接触位置上，导电元件与触头分开(例如，分开小于或等于约4μm的距离，而在一些情况下分开小于或等于约1μm)，而在接触位置上时，导电元件与触头接触，且与触头建立电连通。当导电元件设置在非接触位置上时，触头和导电元件可构造成支持在其之间的、带有大于320Vμm^-1的量值的电场(例如，由于其之间的至少约330V的电势差的原因)。

在一些实施例中，触头和导电元件可为微机电装置的一部分，且导电元件可具有大于或等于10³m^-1的表面积对体积比率。导电元件可构造成当在接触位置和非接触位置之间运动时经历变形。导电元件可包括悬臂。触头或导电元件中的至少一个可具有构造成使得当导电元件在非接触位置上时触头和导电元件之间的静电力小于使导电元件和触头接触所需的力的有效接触表面积(例如，小于或等于约100μm²)。

在一些实施例中，触头和导电元件可构造成在导电元件设置在非接触位置上时将它们之间的电流限制到约1μA或更小。在一些实施例中，当导电元件设置在非接触位置上时，触头和导电元件可构造成保持在以至少约330V的振幅和以小于或等于约40GHz的频率振荡的电势差处，或保持在至少约330V的电势差处达至少约1μs的时间。

在一些实施例中，装置可包括与触头或导电元件中的至少一个电连通且构造成供应至少约330V的电压的功率源。该功率源可构造成当导电元件设置在接触位置上时供应至少约1mA的电流。

在另一方面，提供了一种诸如开关结构的装置，该装置包括触头和导电元件。导电元件可构造成可选择性地在非接触位置和接触位置之间运动，在非接触位置上，导电元件与触头分开，在接触位置上，导电元件与触头接触，且与触头建立电连通。当导电元件设置在非接触位置上时，触头和导电元件可构造成保持在至少约330V的电势差处。

附图说明

在参照附图阅读以下详细描述时，将更好地理解本发明的这些和其它特征、方面及优点，在附图中，相同标号在整个图中表示相同部件，其中：

图1是根据一个实例实施例构造的开关结构的示意性透视图；

图2是图1的开关结构的示意性侧视图；

图3是图1的开关结构的示意性分裂的透视图；

图4是在断开位置上的、图1的开关结构的示意性侧视图；

图5是在闭合位置上的、图1的开关结构的示意性侧视图；

图6A是图1的开关结构的示意性侧视图，该开关结构包括保持在相同电势处的梁和触头；

图6B是在图6A中标示为6B的区域的放大视图；

图7A是图1的开关结构的示意性侧视图，其中，梁和触头分别保持在不同的电势处；

图7B是在图7A中标示为7B的区域的放大视图；

图8是根据另一个实例实施例构造的开关结构的示意性侧视图；

图9A是根据又一个实例实施例构造的开关结构的示意性侧视图，该开关结构包括梁和触头；

图9B是图9A的开关结构的梁的示意性透视图；

图10是显示了梁的表面的粗糙程度的、在图4中标示为10的区域的放大视图；

图11是显示了梁的表面和触头的表面之间的接触的细节的、在图5中标示为11的区域的放大视图；

图12A-E是表示了制造根据一个实例实施例构造的开关结构的过程的示意性侧视图。

部件列表

100 开关结构

102 触头

104 悬臂梁

106 锚件(anchor)

108 基底

110 电极

112 负载功率源

114 表面

116 表面

202 触头

204 梁

208 基底

210 门电极

214 表面

214a有效接触表面

220 介电层

302 触头

304 梁

316 表面

316a 有效接触表面

320 介电层

402 触头

404 梁

408 基底

410 电极

430 二氧化硅

432 粘合层

434 晶种层(seed layer)

436 金属层

438 光刻胶(Photoresist)

具体实施方式

下面参照附图对本发明的实例实施例进行详细描述，在附图中，相同参考标号在所有图中表示相同部件。这些实施例中的一些可处理上述和其它需要。

参看图1-3，其中显示了根据一个实例实施例构造的开关结构100的多个示意图。开关结构100可包括触头102，该触头102例如可为至少部分由导电材料(例如金属)形成的凸垫(raised pad)。开关结构100还可包括至少部分由导电材料(例如金属)形成的导电元件，例如悬臂梁104。梁104可由锚件106支承，该锚件106可用作将梁连接到下面的支承结构(例如基底108)上。触头102也可由基底108支承。

将触头102和梁104设置在基底108上有利于通过微型加工技术(例如，汽相淀积、电镀、光刻法、湿法和干法蚀刻等)生产开关结构100。沿着这些线路，开关结构100可组成微机电装置或MEMS的一部分。例如，触头102和梁104可具有大约几或几十微米或纳米的特征。在一个实施例中，梁104可具有大于或等于10³m^-1的表面积对体积比率。下面进一步论述涉及用于加工开关结构100的可能的方法的细节。基底108还可包括或支承用作对触头102和梁104提供电连接的图案化的(patterned)导电层(未显示)。这些导电层还可使用标准的微型加工技术来加工。

参看图1-5，梁104可构造成可选择性地在非接触位置或“断开”位置(例如，图4)和接触位置或“闭合”位置之间运动，在非接触位置或“断开”位置上，梁与触头102分开，在接触位置或“闭合”位置上，梁与触头接触，且与触头建立电连通。例如，梁104可构造成当在接触位置和非接触位置之间运动时经历变形，从而使得梁在自然状态下(即，在缺少外部施加的力的情况下)设置在非接触位置上，且可变形以便占据接触位置。在其它实施例中，梁104的未变形构造可为接触位置。梁104可包括表面116，所有表面116能够以电的方式被接触(例如，其中，表面为名义上连续的金属平面)。但是，“有效”接触表面积aeff可比梁104的表面116小得多，且将趋向于由梁和触头102之间的重叠的程度限定。

梁104可与负载功率源112连通(例如，通过锚件106)，且触头102可与电负载连通(并且，接着，与大地或一些其它的电流吸收器连通)。负载功率源112可作为电压源和电流源在不同的时间操作。因而，梁104可起电气开关的作用，当梁在接触位置上时，允许负载电流(例如，大于或等于约1mA)通过梁和触头102从负载功率源112流到电气负载，且否则当梁在非接触位置上时，中断电气路径且防止大的电流从负载功率源流到负载(然而，在一些情况下，1μA或更小的小的泄漏电流可流过触头和梁，甚至是当梁在断开位置上时)。

开关结构100还可包括电极110。当电极110恰当地充电，使得电极和梁104之间存在电势差时，静电力将起将梁拉向电极(而且还拉向触头102)的作用。通过恰当地选择待施加到电极110上的电压，可通过所引起的足以使梁从非接触(即断开或非导电，除了可能存在的相对小的泄漏电流之外)位置运动到接触(即闭合或导电)位置的静电力(可能连同其它力，例如弹簧所施加的补充机械力)使梁104变形。因此，电极110可相对于开关结构100起“门”的作用，其中，施加于电极的电压用作控制开关结构的断开/闭合。电极110可与门电压源(未显示)连通，该门电压源可将选择性门电压V_G施加于电极。

触头102和梁104可构造成当梁在非接触位置上时分开小于或等于约4μm的距离d，并且在一些实施例中小于或等于约1μm。也就是说，当处于未变形构造中时，梁104可一贯地保持在距触头102有4μm或更少的、并且有时1μm或更少的距离处(与在切换事件期间的一些瞬间时刻可占据距对应的触头为4μm或更少的位置、但是在其它情况下更加一贯地设置成离触头有更大距离的开关相反)。触头102和梁104还可构造成当梁在非接触位置上时分开大于或等于100nm的距离d。

负载功率源112可选择性地提供负载电压V_L，该负载电压V_L足以在触头102和梁104之间建立带有大于320Vμm^-1的量值的电场和/或至少330V的相对电势差。例如，触头102和梁104可构造成保持在至少320V的相对电势差下比瞬态期长，且分开1μm或更小的距离，或者有时保持在至少330V的相对电势差下比瞬态期长，且分开4μm或更小的间距。在一些实施例中，当梁104设置在非接触位置上时，触头102和梁可构造成保持在以至少约330V的振幅和小于或等于约40GHz的频率振荡的电势差处。在其它实施例中，当梁104设置在非接触位置上时，触头102和梁可构造成保持在至少约330V的电势差处达至少约1μS的时间。在任何一种情况下，梁104和触头102都可构造成经受住不止仅仅是少量(trivial)时间内存在的相对电势差。

申请人已经发现，在大气压力下的空气的环境中，在处于非接触位置上时的梁104(或其它可动的导电元件)和触头102之间保持小于或约等于4μm、但是通常大于约50nm的间距d往往抑制梁和触头之间的电弧形成，即使是对于在梁和触头之间存在330V或更大的电势差的情况。这与公认的概念相反，公认的概念的经受320Vμm^-1或更大的电场或者经受330V或更大的电势差且分开大约4μm或更少(但是大于约50nm左右)的距离的相对的微米级开关构件将往往在其间形成电弧。具体而言，一般期望的是带不同电荷且紧密隔开的开关构件(通过包括电镀法、汽相淀积以及光刻法的传统的微型加工法形成的那些构件)的这种构造将导致构件之间的空间的击穿，例如因为主体之间的区域中的气体颗粒的离子化和/或由于主要电场的影响而造成电子从至少一个主体中发射出来。对于约50nm或更小的分离间距来说，可期望场发射效应控制装置的整个电气行为。

如之前所提到的那样，在电极110和梁104之间建立电势差在梁和电极之间引起静电力。类似地，当触头102和梁104之间存在电势差时(例如，当梁在非接触位置上且V_L＞0时)，则静电力F_e将把梁吸引到触头(此现象在本文中称为“自促动”)。

作为实例，参看图1、6A、6B、7A和7B，开关结构100可充当可构造成提供选择性的电压V_L和负载电流I_L(当是完整电路的一部分时)的负载功率源112和由R_L表示的负载之间的开关。在一个时间(由图6A-B表示)处，门电压V_G可设置成零(例如当梁104意在占据非接触位置时)，且V_L可设置成零，从而使得触头102和梁位于相同的电势处。在这种情况下，梁104与触头102分开距离d。

在另一个时间(由图7A-B表示)处，V_G仍然为零，且负载功率源112供应电压V_L＝330V。触头102和梁104现在相对于彼此处于不同的电势处。因此，相反的极性的电荷分别在触头103的表面114处和在与接触表面114相对的梁104的表面的一部分P处聚集。建立了起到将触头102和梁104吸引到一起的作用的静电力F_e，且梁相对于其自然构造(即不存在F_e的情况下的其构造)偏移距离δ。假定触头102在F_e的影响下变形很小，则梁104与触头分开距离d_e＝d-δ。申请人已经观察到，在一些情况下，自促动可足以导致开关的无意识的闭合，这相当于开关故障。因此，在设计开关结构时必须考虑自促动。在下面对这一点进行进一步论述。

将触头102和梁104当作平行板电容器，基础静电理论认为触头和梁之间的静电力F_e的量值与触头和梁之间的电势差V的平方成正比，与使触头和梁分开的距离d_e的平方成反比，且与触头和梁在其上相对的面积A成正比，且粗略地通过下式给出静电力F_e的量值：

$F_e\≈\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{AV}}^2}{2d_e^2}---\left(1\right)$

其中，ε₀是空气的介电常数。假定重叠面积A包括梁104的整个宽度w(图2)，重叠面积A将仅为梁和触头103在其上重叠的长度L_o(图2)乘以宽度w。假使大负载电压V_L(在一些情况下≥330V或更大)由开关结构100(在一些情况下)以及触头102和梁104之间的小间距d(和在存在静电力F_e的情况下的甚至更小的间距d)而保持截止(hold off)，F_e具有相对高且可能足以使梁与触头接触的潜能。在电极110上的门电压V_G意在单方面地确定开关结构100是断开还是闭合的实施例中，在设计开关结构时必须将力F_e考虑在内，以便确保避免由于F_e的影响造成的无意识的开关闭合。具体而言，为了避免由于自促动造成的开关结构100的非故意的闭合，梁104和触头102必须设计成使得吸引力F_e(如下所述，除了别的之外，该吸引力F_e还与触头的面积a有关)导致梁偏转，该偏转小于梁距触头的自然间距。这在下面有更加详细的论述。

如果假定静电力F_e施加在梁104的自由端部处且锚件106中发生了非常小的变形，则基础梁理论表明，由于F_e造成的梁104的偏转量δ大致通过下式给出：

$\mathrm{\δ}\≈\frac{F_e{L}^3}{3\mathrm{EI}}---\left(2\right)$

其中，E是构造梁的材料的弹性模数，L是梁的长度，而I是梁的惯性矩，且I等于(w·t³)/12(其中，w是梁的宽度，如图1中所示)。

将(1)中的F_e和力矩I两者代入(2)

$\mathrm{\δ}\≈\frac{2{\mathrm{\ϵ}}_0{L}_o{V}^2{L}^3}{d_e^{2}E{t}^3}---\left(3\right)$

假定梁104与触头102在自然状态下分开1μm(即在不存在F_e的情况下)且要求δ保持小于0.5μm(使得d_e＝0.5μm)，且将V取为330V，梁104的长度L为约100μm，且厚度t为约5μm(微型加工结构的典型尺寸)，而且如果弹性刚度E为约100GPa(金属的代表值)，则(3)表明约10nm的重叠长度L_o足够小，以便预防梁104的自促动。更一般而言，取决于例如材料属性、间距以及所施加的电压，期望重叠面积A将小于或等于约100μm²，或者在一些情况下小于或等于约1μm²，或者在其它情况下小于或等于约10nm²。

考虑到上述内容，触头102可具有接触表面114，该接触表面114具有足够小的面积a，以便预防梁104的自促动。例如，接触表面114可具有小于或等于约100μm²，且在一些情况下小于1μm²，且在其它情况下小于10nm²(例如通过用一个或多个毫微线材(nanowire)形成触头102)的面积a。通过限制触头102的面积a，梁104和触头的相对的、带相反的电荷的面积受到限制，从而限制梁104和触头之间的静电力F_e。另外，限制触头102和梁104之间的接触面积可降低在开关结构100闭合之后在触头102和梁104之间形成的粘合力，从而降低开关结构将在其它情况下期望断开时无法断开的可能性(有时称为“静摩擦”的问题)。

参看图8，在另一个实施例中，触头的表面积可相对更高，但是“有效”接触表面积可较小。例如，触头202可设置在基底208上，以便在由门电极210建立的静电力的影响下由梁204选择性地接触。触头202可具有在很大程度上由介电层220覆盖的表面214。更小的有效接触表面214a可穿过介电层220而暴露，这个更小的表面区域充当触头202的有效表面积，以便在梁204和触头之间建立静电力(以及以便随后在触头和梁之间建立电接触)。参看图9A-B，在又一个实施例中，梁304构造成接触相关联的触头302。梁304的表面316一般可由介电层320覆盖，从而通过梁仅呈现小的有效接触表面316a以用于与触头302建立电接触。

总的说来，有效接触表面积可构造成使得触头和导电元件之间的静电力比使触头和导电元件接触所需的小。但是，当有效接触面积减小时，预期与梁-触头接合部(interface)相关联的阻抗将成比例地增大，且传统知识表明，有效面积的较低的限值由系统所能容忍的最小电阻建立。例如，增大的阻抗可导致不可接受地高水平的阻抗热和功率耗散。另外，对于一些应用(例如对于非常高的关态电压(stand-off voltage)、高操作电流(例如大于1-10mA)，以及非常小的间距)，可能期望有效的阻抗规定的对接触面积的较低的限值将防止有效的接触面积减小得足以充分地调节F_e，以便避免开关由于自促动而闭合。

然而，申请人已经观察到，梁104(图1)和触头102(图1)之间的有效的接触面积的减小不会导致与梁-触头接合部(其中，该接合部在其一侧或两侧上具有金属)相关联的阻抗的成比例地增大，而是相反导致阻抗的比期望的更小的增大。因而，可在不显著地增加阻抗的情况下减小金属表面的有效的接触面积。另外，申请人已经观察到，具有100μm²的金属有效的接触面积的单个开关结构的有效阻抗呈现比各自具有1μm²的金属有效的接触面积的100个平行开关结构更高的实际阻抗，这结果是简单的电子理论以别的方式所不期望的。

虽然不希望受任何特定理论的约束，但是申请人假定有效的接触面积和接触接合部的阻抗之间的关系可与实际的(而非理想的)表面之间的接触的性质有关。具体而言，参看图4、5、10和11，虽然表面(例如114和116)通常示意性地描绘为平面，但是实际的表面尤其是通过传统的微型加工技术(例如电镀法、汽相淀积，以及湿法和/或干法蚀刻)形成的表面通常包括微米级和纳米级粗糙度r，以及表面不平度(surface asperity)sa。当两个实际的表面接触时(例如就图5的114和116而言)，期望接触发生在由接触表面的起伏(relief)所规定的离散位置处，其中，期望表面不平度更有可能首先接触相对的表面。

梁104和触头102的名义尺寸用作限定有效接触面积a_eff。但是，实际的接触面积a_act(即在其上建立物理接触的总面积)小得多且等于单独的接触点(a_act＝a_act1+a_act2...)的全部总和。当有效接触面积增大时，将在接触面积内发现更加大的不平度的可能性也会增大(直到限值)，从而导致在那些更大的不平度处的优先接触，同时阻止其它不太突出的位置处的接触。

根据等式(3)，清楚的是可以不同于修改面积A(梁与相关联的触头102在该面积A上相对)的方式调节梁104在给定的关态电压V下所经历的偏转量δ。例如，可通过增大对梁104的变形的抗性或者通过增大构造梁的材料的弹性模数E或通过增大梁的弯曲惯性矩I(例如通过增大梁的厚度)来减小偏转δ。但是，增大梁104对弯曲变形的抗性可导致故意使梁变形成与触头102接触所需的力的量值的相应增大。

如以上所提到的那样，可使用传统的微型加工技术在基底上加工如上所述的开关结构，例如图1的开关结构100。例如，参看图12A-E，其中显示了用于生产根据实例实施例构造的开关结构的加工过程的示意图。首先，基底408可设有设置在其上的电极410和触头402。然后可例如通过汽相淀积来使二氧化硅淀积并使其图案化，以便封装电极410和触头402(图12A)。然后可通过电镀法和/或汽相淀积(图12B)使薄的粘合层432(例如钛)、晶种层434(例如黄金)和金属层436(例如黄金)淀积。然后可使用传统的光刻法来施加光刻胶438和使该光刻胶图案化(图12C)，之后可对金属层436、晶种层434以及粘合层432进行蚀刻，以形成梁404，且随后移除光刻胶(图12D)。最后，可移除支承梁404且封装电极410和触头402的二氧化硅430。之后，可用保护盖封闭梁404。

虽然已经在本文中说明和描述了本发明的仅某些特征，但是本领域技术人员将想到许多修改和改变。例如，以上描述的所有开关结构已经包括构造成从非接触位置变形到接触位置中的悬臂梁。但是，其它实施例可包括构造成在不显著地变形的情况下在非接触位置和接触位置之间运动的导电元件。例如，导电元件可联接到有弹性的铰链结构上。另外，对于确实经受变形的导电元件来说，导电元件包括悬壁梁不是必要的，而是相反，导电元件可包括例如双重支承梁或柔性膜。而且，虽然上述实施例包括了连接到梁/导电元件上的负载功率源和连接到相关联的触头上的负载，但是对此布置没有要求，且负载功率源可连接到触头上。最后，对于触头102(图1)存在各种各样可能的构造和几何结构，包括例如凸起、一阵列的毫微线材和/或嵌入更加刚性、非导电基底中的导电垫。因此，应理解的是，所附权利要求书意在覆盖落在本发明的真实精神内的所有这种修改和改变。

Claims (10)

1.一种装置，包括

触头(102)；以及

构造成可选择性地在非接触位置和接触位置之间运动的导电元件(104)，在所述非接触位置上，所述导电元件与所述触头分开，在所述接触位置上，所述导电元件与所述触头接触，且与所述触头建立电连通，

其中，当所述导电元件设置在所述非接触位置上时，所述触头和所述导电元件构造成支持在其之间的、带有大于320Vμm^-1的量值的电场。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，当所述导电元件设置在所述非接触位置上时，所述触头和所述导电元件构造成保持在至少约330V的电势差处。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，当所述导电元件设置在所述非接触位置上时，所述触头和所述导电元件构造成分开小于或约等于4μm的距离。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述导电元件构造成当在所述接触位置和所述非接触位置之间运动时经历变形。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述导电元件包括悬臂。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述导电元件构造成当在所述接触位置和所述非接触位置之间运动时经历变形，并且其中，所述触头或所述导电元件中的至少一个具有构造成使得当所述导电元件在所述非接触位置上时所述触头和所述导电元件之间的静电力小于使所述导电元件和所述触头接触所需的力的有效接触表面积。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，当所述导电元件设置在所述非接触位置上时，所述触头和所述导电元件构造成保持在以至少约330V的振幅且以小于或等于约40GHz的频率振荡的电势差处。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，当所述导电元件设置在所述非接触位置上时，所述触头和所述导电元件构造成保持在至少约330V的电势差处达至少约1μs的时间。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括基底(108)，并且其中，所述触头和所述导电元件设置在所述基底上。

10.一种装置，包括

触头(102)；以及

构造成可选择性地在非接触位置和接触位置之间运动的导电元件(104)，在所述非接触位置上，所述导电元件与所述触头分开，在所述接触位置上，所述导电元件与所述触头接触，且与所述触头建立电连通，

其中，当所述导电元件设置在所述非接触位置上时，所述触头和所述导电元件构造成保持在至少约330V的电势差处。

Images