CN102386021A

CN102386021A - 一种微机械电容式双向开关

Info

Publication number: CN102386021A
Application number: CN2011103145704A
Authority: CN
Inventors: 汪红; 何明轩; 张颖; 杨卓青; 丁桂甫
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2011-10-17
Filing date: 2011-10-17
Publication date: 2012-03-21

Abstract

一种微机械电容式双向开关，包括一个上电极和两个下电极，长横梁和短竖梁交叉形成“十”字型上电极，通过柱子和弹簧与两个下电极保持悬空，弹簧一端与上电极相连，另一端与焊盘相连，弹簧除了有柔性支撑的作用外，还有信号传输的作用。两个下电极保持绝缘。长横梁与两个下电极形成两个电容。一个电容在电压的驱动之下，使上下两个电极接触，形成短路，相当于一个开关闭合，另一个开关断开，这样可以实现一开一闭。另一个电容在电压的驱动之下，也可以闭合，同时也可以实现两闭的效果。本发明结构简单，适应性强，只需要低电压即可驱动实现双向开关功能，制作工艺简单，图形化操作实现了复杂的弹簧结构，且易于封装，成本低。

Description

一种微机械电容式双向开关

技术领域

本发明涉及微机电系统领域，具体的说，涉及一种微机械电容式双向开关。

背景技术

开关是最近十年来在MEMS技术的基础上发展起来的一种新型射频微器件，相对于当前的半导体开关，具有低损耗、低功耗、高隔离度、与Si工艺有良好的兼容性以及良好的线性度。微开关是射频电路中的重要组成部分，基于电容式原理微开关相对于其它原理的微开关，具有驱动电压低，灵敏度高，容易加工，成本低的优点。

微机械电容式双向开关，其实就是两个下电极公用一个柔性的可动上电极，这样就构成两个电容，即形成了两个开关。在电压或者电流的驱动下，上电极由于静电力的作用下克服了弹簧的回复力向下运动，当电压或者电流达到一定值时，上电极运动到与下电极接触，达到平衡状态，形成稳定的电连接，相当于短路，即开关闭合。撤销掉电压或者电流，静电力消失，由于弹簧的回复力使上电极回到初始位置，形成断路，即开关断开。这样通过控制驱动电压或电流就可以控制开关的断开与闭合。两个电容就形成了双向开关。这种开关有四种状态：一闭一开，一开一闭，两开，两闭。可以满足各种电路的需求。

中国专利（专利申请号为 201010018318.4）提出过一种低应力高可靠的射频微机械系统电容式开关，本发明与之比较，采用了双向设计，而且采用弹簧作为弹性结构，而不是采用金属薄膜，降低了驱动电压。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微机械电容式双向开关，在不增加工艺复杂程度的同时，设计出高灵敏度的适合集成电路设计中的电容式双向微开关，并且能在低电压驱动下达到双向开关的目的。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供了一种微机械电容式双向开关，包括一个上电极和两个下电极，所述上电极采用“十”字型电极，该上电极通过柱子和弹簧与两个下电极保持悬空，弹簧一端与上电极相连，另一端与焊盘相连，弹簧除了有柔性支撑的作用外，还有信号传输的作用。两个下电极保持绝缘。

所述上电极的长横梁与两个下电极形成两个电容。一个电容在电压的驱动之下，使上下两个电极接触，形成短路，相当于一个开关闭合，另一个开关断开，这样可以实现一开一闭的效果。另一个电容在电压的驱动之下，也可以闭合，同时也可以实现两闭的效果。

上述技术方案中，上电极由长横梁和短竖梁交叉形成“十”字型上电极。

上述技术方案中，两个下电极呈长方形，均有信号引出线到焊盘。

上述技术方案中，为了保证上电极的刚度，本发明采用增厚“十”字型上电极的长横梁方法，即在“十”字型电极上叠加一层厚的长横梁层。

上述技术方案中，上下电极的间距很小，达到工艺上容许的最小值。在不影响上电极刚度的条件下，上下电极有较大的有效正对面积。每个电极都有引出焊盘，以便于和外界电路焊接。

上述技术方案中，弹簧与焊盘的连接处和弹簧与十字型上电极的短竖梁连接处均采用连接处圆弧设计，避免了微机械电容式双向开关工作时由于弹簧和短竖梁变形引起的局部应力集中导致的断裂。从而增加了工作的寿命。

本发明上述微机械电容式双向开关，采用标准的MEMS工艺中的光刻、溅射、电镀、腐蚀等技术来实现的。上电极的悬空采用牺牲层技术来实现的。

本发明上述微机械电容式双向开关，上下电极均采用MEMS工艺中的电镀来形成的，主要材料是镍，表面电镀一层薄薄的金，金和镍有较好的结合力，且金便于焊接。

本发明上述微机械电容式双向开关，为了保证两个下电极之间相互绝缘，采用玻璃基底，而不采用有导电能力的硅作为基底。

本发明上述微机械电容式双向开关，为了保证上电极的悬空，需采用牺牲层技术，为了释放时候能够腐蚀到牺牲层，“十”字型上电极上设计一定数目的刻蚀孔。

与现有技术相比，本发明上述的一种微机械电容式双向开关，采用了双向设计，而且采用弹簧作为弹性结构，降低了驱动电压。本发明结构简单，对环境的适应性强，只需要低电压即可驱动实现双向开关功能，制作工艺简单，图形化操作实现了复杂的弹簧结构，且易于封装，成本低。

附图说明

图1是一种微机械电容式双向开关整体结构示意图；

图2是一种微机械电容式双向开关整体结构俯视图；

图3是一种微机械电容式双向开关去除加厚长横梁的结构图；

图4是一种微机械电容式双向开关用去掉整个上电极的结构图；

图中：1加厚长横梁、2刻蚀孔、3短竖梁、4弹簧、5上电极焊盘、6下电极焊盘、7 一号下电极、8接地波导、9“十”字型上电极、10 二号下电极、11柱子、12玻璃基片。

具体实施方式

下面结合附图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，微机械电容式双向开关包含一个“十”字型上电极9和两个长方形电极：一号下电极7和二号下电极10。两个下电极保持一定距离且相互绝缘，每个下电极均有信号引出线到上电极焊盘5和下电极焊盘6。工作时下电极焊盘接到接地波导8上。“十”字型上电极9由长横梁和短竖梁交叉形成的，且通过弹簧4和柱子11悬空，保持微小的间距，大约在5μm以下。

本实施例中，所述的“十”字型上电极9还有四个薄膜弹簧连接在短竖梁3上起到柔性支撑的作用，同时有信号传输的作用。

本实施例中，所述的微机械电容式双向开关采用标准的MEMS工艺中的光刻、溅射、电镀、腐蚀等技术来实现的。上电极的悬空采用牺牲层技术来实现的。

本实施例中，下电极7、10均采用镀镍液作为电镀液电镀4μm，表面电镀一层1μm厚的金。这样下电极由镀镍层和镀金层构成。

本实施例中，为了保证上电极9的刚度，“十”字型上电极9上电镀完与下电极一样的厚度后，在利用叠层电镀方法电镀一层增厚长横梁1。柱子11用镀镍液电镀。增厚长横梁1的厚度为20微米左右。短竖梁3和弹簧4均采用10微米左右的厚度，短竖梁3的宽度小于长横梁宽度的二分之一，以保证其柔性的支撑作用，以便于在较小的电压驱动之下发生变形使上下电极接触短路，达到开关闭合的效果。

本实施例中，所述微机械电容式双向开关在玻璃基底上制作，两个下电极与玻璃基底接触，下电极均采用长方形。

本实施例中，为了保证电容式微开关能再很小的电压驱动工作，上下电极的间距很小，达到工艺上容许的最小值，在5μm以下。在不影响上电极刚度的条件下，上下电极有较大的有效正对面积。

本实施例中，弹簧4和“十”字型上电极9的短竖梁3连接在一起，采用同一张掩膜板，弹簧4有较小的刚度，很容易变形，弹簧4与上电极，弹簧4与焊盘的连接处容易产生应力集中，容易导致弹簧4的断裂，采用连接处圆弧的图形设计，有效地减小了应力集中，增加了弹簧4的寿命。

本实施例中，为了保证下电极中每个分块电极之间相互绝缘，采用玻璃基底，而不采用有导电能力的硅作为基底。

本实施例中，为了保证上电极与下电极之间的距离，即上电极9相对下电极处于悬空的状态，采用了MEMS工艺中的牺牲层技术，为了保证最后能腐蚀掉牺牲层，上电极设计了一定数目的刻蚀孔2，以便于腐蚀液能通过刻蚀孔与牺牲层发生化学反应，使上电极悬空。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims

1.一种微机械电容式双向开关，包括一个上电极和两个下电极，其特征在于：所述上电极采用“十”字型电极，该上电极通过柱子和弹簧与两个下电极保持悬空，弹簧一端与上电极相连，另一端与焊盘相连，弹簧除了有柔性支撑的作用外，还有信号传输的作用；两个下电极保持绝缘；所述上电极的长横梁与两个下电极形成两个电容。

2.根据权利要求1所述的微机械电容式双向开关，其特征在于，所述微机械电容式双向开关在玻璃基底上制作，两个下电极与玻璃基底接触，下电极均采用长方形，上下电极的间距很小，达到工艺上容许的最小值。

3.根据权利要求1或2所述的微机械电容式双向开关，其特征在于，所述上电极由长横梁和短竖梁交叉形成“十”字型。

4.根据权利要求3所述的微机械电容式双向开关，其特征在于，所述“十”字型上电极的长横梁上叠加一层的长横梁层。

5.根据权利要求4所述的微机械电容式双向开关，其特征在于，所述长横梁上叠加一层的长横梁层，长横梁层的厚度为20微米，短竖梁和弹簧均为10微米，短竖梁的宽度小于长横梁宽度的二分之一。

6.根据权利要求1所述的微机械电容式双向开关，其特征在于，所述弹簧与焊盘的连接处，以及所述弹簧与十字型上电极的短竖梁连接处，均采用连接处圆弧设计。

7.根据权利要求1或2所述的微机械电容式双向开关，其特征在于，所述上下电极均采用MEMS工艺中的电镀来形成的，材料是镍，表面电镀一层薄薄的金。

8.根据权利要求1所述的微机械电容式双向开关，其特征在于，所述的“十”字型上电极的悬空采用牺牲层技术来实现的。

9.根据权利要求1或2所述的微机械电容式双向开关，其特征在于，所述“十”字型上电极上设有刻蚀孔。