CN102640410B

CN102640410B - 具有改良rf热切换性能及可靠性的微机械数字电容器

Info

Publication number: CN102640410B
Application number: CN201080047652.0A
Authority: CN
Inventors: 理查德·L·奈普; 罗伯图斯·P·范坎彭; 阿纳特兹·乌纳穆诺
Original assignee: Cavendish Kinetics Ltd
Current assignee: Qorvo US Inc
Priority date: 2009-10-01
Filing date: 2010-10-01
Publication date: 2014-12-31
Anticipated expiration: 2030-10-01
Also published as: JP5629323B2; JP2013506964A; WO2011041676A3; US20110079495A1; EP2484001A2; CN102640410A; US8736404B2; WO2011041676A2; EP2484001B1

Abstract

本发明一般涉及能够热切换的RF MEMS装置。RF MEMS装置通过利用一或多个弹簧机构能够热切换。在某些实施例中，可以使用在MEMS装置的悬臂的位移中的特定点转为啮合的两组或两组以上弹簧。弹簧允许显著增加给定拉入下落电压的释放电压。

Description

具有改良RF热切换性能及可靠性的微机械数字电容器

技术领域

本发明的实施例一般涉及微机械可变电容器的领域，特别是涉及在存在残余RF电压时释放数字电容器的行为。在此描述的发明可适用于任何微机械结构，其中需要最小化闭锁电压和启动电压之间的差。通过本发明，在制造出的装置中，由于电容接点上的下降电压，悬臂的弹簧系数可以设计成大于下落接点上的静电吸引，而打开装置所需要的电压不变。

背景技术

微机械致动器是基于在外力存在时会偏转或移动的简单原理。这些致动器的偏转通常遵循力和偏转度之间的线性关系。这种关系的坡度通过所使用的材料、开关和/或支腿的几何形状以及如何锚固开关和/或支腿来限定(普遍意义上为胡克定律)。

弹力＝F_弹簧＝K*X(1)

其中，K是弹簧系数，X是位移。

外力通常不遵循外力大小和开关的位置之间的线性关系。因为在静电的情形下，力将随相对于控制电极的位置的平方增加。这种情形在达到临界位移时引起“迅速移动”现象。静电力F_E由下式给出：

F_{E} = \frac{ϵ_{0} A}{2 {(Z - X)}^{2}} V^{2} - - - (2)

其中，A是下拉电极与微机电系统(MEMS)装置之间的重叠面积，Z是开始位置，ε₀是自由空间的介电常数，V是所应用的控制电压。力平衡是在所有力的总和为零时限定的，这种情形产生了对静电MEMS的典型迅速移动行为。一旦接触悬臂，悬臂与拉入电极之间的间隔就大幅减小，根据等式2，静电力大大增加。为了允许分离悬臂，必须大幅减小控制电压。

图1A展示具有线性弹簧的静电驱动的MEMS装置的作用于MEMS装置的力与位移。注意，为了更好的展示图表上的各个点，图中的纵坐标具有对数刻度。标记为F_弹簧的曲线展示了随着位移线性变化的弹簧的机械力与位移。标记为FV1、FV2、FV3的曲线是在不同外加电压V1、V2、V3下作用于MEMS装置的静电力，其中V3＞V2＞V1。

通过获得机械力曲线与静电力曲线的交点而获得在各个外加电压下的MEMS位移。例如，当施加电压V1时，MEMS装置位移到点p1。当外加电压增加到V2时，MEMS装置位移到点p2，当电压增加到V3时，MEMS装置位移到点p3。此时，当电压再增加时，因静电力总是大于机械力，所以静电力曲线与机械力曲线不再有交点。因此，装置迅速移动并且位移到点p4。

当电压接着从V3降低到V2时，在位移的位置p4处的静电力FV2仍大于机械力F_弹簧，以致装置保持在点p4处位移。一旦电压降低到V1，位移的位置p4处的静电力FV1就与机械力F_弹簧一样大。电压的任何进一步的降低将导致在点p1处与机械力曲线仅有一个交点，而且装置将从点p4迅速返回到点p1。

图1B展示具有线性弹簧的MEMS装置的MEMS位移与外加电压。此图中所展示的是与图1A中所展示的点相同的点。在外加电压的向上扫频期间，位移遵循标记为“拉入”的曲线。在5V的外加电压下，MEMS装置位移到点p1。然后随着电压增加到15V，装置位移到点p2。当电压增加到25V时，MEMS装置位移到点p3。电压的任何进一步的增加将导致装置迅速移动至完全位移且最后在点p4上。接着降低电压，并且位移遵循标记为“释放”的曲线。当电压降低到5V时，位移保持于间隙的100％处(点p4’)。任何进一步的降低使装置迅速向下返回到点p1。因此，拉入电压是25V，并且释放电压是5V。图1B展示释放电压(装置在此电压下从位置p4’迅速移动到位置p1)与下落电压(装置在此电压下从位置p3迅速移动到位置p4)之间的大差异。

释放电压与下落电压之间的大差异在涉及到热切换时产生电容RF MEMS的问题。将热切换定义为最大RF电压，所述最大RF电压可能存在于(例如)MEMS悬臂开关与下落电极之间，为此悬臂的弹簧系数在控制电压设为零时能够分离接点。

因此，需要能够热切换的RF MEMS。

发明内容

本发明大体涉及能够热切换的RF MEMS装置。RF MEMS装置通过利用一或多个弹簧机构能够热切换。在某些实施例中，可以使用在MEMS装置的悬臂的位移中的特定点转为啮合的两组或两组以上弹簧。弹簧允许显著增加给定下落电压的释放电压。

在一个实施例中，揭示了一种MEMS装置。装置包括衬底、耦接于衬底且从衬底处垂直延伸的第一支柱和耦接于第一支柱的第一悬臂。装置还包括在与第一支柱间隔的位置处耦接于衬底的第二支柱。第二支柱从衬底处垂直延伸。装置还包括耦接于第二支柱的第二悬臂、在第一支柱与第二支柱之间的位置中耦接于衬底的拉入电极和在拉入电极与第二支柱之间的位置中耦接于衬底的接点电极。

在另一个实施例中，揭示了一种操作MEMS装置的方法。方法包括以下步骤：将电压应用到拉入电极。方法还包括以下步骤：当施加电压时，将第一悬臂移动第一距离并与第二悬臂接触。方法还包括以下步骤：当施加电压时，将第一悬臂和第二悬臂移动第二距离以使得第一悬臂接触接点电极，并且第二悬臂与接点电极间隔开。方法还包括以下步骤：改变应用到拉入电极的电压且将第一悬臂与接点电极间隔开。

在另一个实施例中，揭示了一种MEMS装置。MEMS装置包括衬底、耦接于衬底且从衬底处垂直延伸的支柱和耦接于支柱的悬臂，悬臂具有第一部分和从第一部分延伸的第二部分。MEMS装置还包括在与第一支柱间隔的位置处耦接于衬底的接点柱。接点柱从衬底处垂直延伸。MEMS装置还包括在支柱与接点柱之间的位置中耦接于衬底的拉入电极。MEMS装置还包括在拉入电极与接点柱之间的位置中耦接于衬底的接点电极。第一部分可从与接点电极间隔的位置移动到与接点电极接触的位置，而且第二部分可从与接点柱间隔的位置移动到与接点柱接触的位置。

在另一个实施例中，揭示了一种操作MEMS装置的方法。方法包括以下步骤：将电压应用到拉入电极。方法还包括以下步骤：当施加电压时，将悬臂移动第一距离以使得悬臂的第一部分与接点电极间隔，并且悬臂的第二部分与接点柱接触。方法还包括以下步骤：当施加电压时，将悬臂移动第二距离以使得第一部分接触接点电极，同时第二部分保持与接点柱接触。方法还包括以下步骤：改变应用到拉入电极的电压且将悬臂与接点电极和接点柱间隔开。

在另一个实施例中，装置包括具有在衬底中形成的一或多个电极的衬底、布置在衬底和一或多个电极上方的电绝缘层以及耦接于电绝缘层的一或多个下落结构。微机电装置还包括耦接于电绝缘层的MEMS元件。MEMS元件可从第一位置移动到与电绝缘层间隔的第二位置。MEMS元件包括第一部分和第二部分，所述第一部分在MEMS元件处于第一位置中时接触电绝缘层，而且所述第二部分在MEMS元件处于第二位置中时接触一或多个下落结构。

在另一个实施例中，装置包括具有在衬底中形成的一或多个电极的衬底、布置在衬底和一或多个电极上方的电绝缘层以及耦接于电绝缘层的一或多个弹簧元件，所述一或多个弹簧元件可从第一位置移动到第二位置。装置还包括耦接于电绝缘层的MEMS元件。MEMS元件可从第三位置移动到与电绝缘层间隔的第四位置。MEMS元件包括第一部分和第二部分，所述第一部分在处于第三位置中时接触电绝缘层，且所述第二部分接触一或多个弹簧元件并将一或多个弹簧元件从第一位置移动到第二位置。

在另一个实施例中，方法包括以下步骤：在具有绝缘层、一或多个下落结构及布置在绝缘层和一或多个下落结构上方的第一牺牲层的衬底上方形成MEMS元件。形成MEMS元件的步骤包括以下步骤：在第一牺牲层上方形成第一结构层，在第一结构层上方形成第二牺牲层，移除第二牺牲层的至少一个部分以暴露第一结构层的部分，在暴露的第一结构层上方形成结构元件，以及在第二牺牲层和结构元件上方形成第二结构层。方法还包括以下步骤：移除第一牺牲层和第二牺牲层以释放MEMS元件。释放的MEMS元件可从第一位置移动到第二位置。释放的MEMS元件具有第一部分，所述第一部分在MEMS元件处于第一位置中时接触绝缘层。释放的MEMS元件还包括第二部分，所述第二部分在MEMS元件处于第二位置中时接触一或多个下落结构。

附图说明

可参照实施例更具体地说明上文概述的本发明，以便能更详细地了解本发明的上述特征，附图中说明了其中一些实施例。然而，应注意的是，附图仅说明本发明的典型实施例，且本发明可具有其他均等有效的实施例，因此附图不应视为限制本发明的范畴。

图1A展示具有线性弹簧的静电驱动的MEMS装置的力与位移。

图1B展示具有线性弹簧的静电驱动的MEMS装置的拉入电压和释放电压。

图2A至图2C是根据一个实施例的MEMS装置的示意图。

图2D和图2E是根据另一个实施例的MEMS装置的示意图。

图3展示含有两个悬臂的复合系统的总回复力与位移。

图4A展示具有复式弹簧的静电驱动的MEMS装置的力与位移。

图4B展示具有复式弹簧的静电驱动的MEMS装置的拉入电压和释放电压。

图5展示具有线性弹簧的MEMS RF装置与具有复式弹簧的MEMS RF装置之间的热切换对比。

图6A利用修改的参数集展示具有复式弹簧的静电驱动的MEMS装置的力与位移。

图6B利用修改的参数集展示具有复式弹簧的静电驱动的MEMS装置的拉入电压和释放电压。

图7使用修改的参数集展示具有复式弹簧的MEMS RF装置之间的热切换性能。

图8A和图8B是根据一个实施例的MEMS RF装置的示意侧视图。

图9是图8A和图8B的MEMS RF装置的示意俯视图。

图10是图8A和图8B的MEMS RF装置的示意侧视图。

图11是根据另一个实施例的MEMS RF装置的示意俯视图。

图12是图11的MEMS RF装置的示意侧视图。

图13是根据另一个实施例的MEMS RF装置的示意俯视图。

图14是图13的MEMS RF装置的示意侧视图。

图15是根据另一个实施例的MEMS RF装置的示意俯视图。

图16是图15的MEMS RF装置的示意侧视图。

图17是根据另一个实施例的MEMS RF装置的示意俯视图。

图18是图17的MEMS RF装置的示意侧视图。

图19是根据另一个实施例的MEMS RF装置的示意俯视图。

图20是图19的MEMS RF装置的示意侧视图。

具体实施方式

本发明使用在位移中的特定点转为啮合的两组或两组以上弹簧。这种情形允许显著增加给定拉入下落电压的施加到RF电极的电压。

如果悬臂最初具有弹簧系数k1，并且接着在拉入距离d后，悬臂下落到具有弹簧系数k2的附加弹簧，则组合系统的弹簧系数逐步增加。第二弹簧2可以处于衬底上或者可以附接到第一悬臂(分别如图2A和图2D所展示)，而且在第一悬臂接触衬底或接点之前，第二弹簧2接触突起部。因此，第一主要悬臂的末端的位移X有两个范围，其中首先从0到d，回复力是k1*X，且接着从d到D，回复力是(k1*X+k2*(X-d))。在此，D是直到接触到衬底接点时第一悬臂的总移动(假设D大于d)。

对于图2A，X＜d：F＝k1*X。对于图2C，X＞d：F＝(k1*X+k2*(X-d))。对于图2D，X＜d：F＝k1*X。对于图2E，X＞d：F＝(k1*X+k2*(X-d))。则机械回复力遵循图3中所展示的曲线。

此工艺可以随着不只一个额外悬臂继续，这将给图3中所展示的曲线带来许多坡度增加，第三悬臂在d3处下落，其中d3位于d与D之间。

静电拉入力由下式给出：

当区域的板A3和同一区域的拉入板通过间隙(Z-X)分离时，区域的板A3移动到同一区域的拉入板(图2A至图2E中的3)。对于悬臂，存在坡度变化，而且因此对这些公式有改变，但静电力随间隙平方增加的基本特征不变。这意味着在悬臂接近于拉入电极(图2A至图2E中的3)时存在大吸引力。

如果试着热切换悬臂，则悬臂1与下落突出部4之间还存在电压差。这种情形产生额外吸引力，所述额外吸引力也遵循公式(4)，但Z以D代替，而且新区域A4是接点4与悬臂1的重叠。

对于电容开关，薄绝缘体将存在于具有厚度z的接点4上方。这种情形将来自接点的静电拉入力限于最大值：

可以设计第二悬臂以使得间隔和弹簧力满足将悬臂1下拉到接触接点4所需要的电压不变，但是由于接点4处的电压V₄，接点4处有足够大的分离力来克服因接点处的电介质中的电压下降导致的静电吸引力。

为了进一步说明，查看图4A，图4A展示包括复式弹簧的MEMS系统的力与位移曲线。注意，为了更好的展示图表上的各个点，图中的纵坐标具有对数刻度。机械弹簧力通过标记为F_弹簧的曲线表示。此曲线的开始部分遵循图1A中所展示的线性弹簧曲线。接着在标有A的点处，将复式弹簧啮合，并且通过力与位移曲线的较陡峭的坡度表示弹簧系数增加。标记为FV1、FV2、FV3的曲线是不同外加电压V1、V2、V3下作用于MEMS装置的静电力，其中V3＞V2＞V1。通过获得机械力曲线和静电力曲线的交点而获得在各个外加电压下的MEMS位移。

例如，当施加电压V1时，MEMS装置位移到点p1。当外加电压增加到V2时，MEMS装置位移到点p2，而当电压增加到V3时，MEMS装置位移到点p3。此时，当电压再增加时，因静电力总是大于机械力，静电力曲线与机械力曲线不再有交点。因此，装置迅速移动并且位移到点p4。

当电压接着从V3降低到V2时，位移的位置p4处的静电力FV2与机械力F_弹簧一样大。电压的任何进一步的降低将导致在点p1处与机械力曲线仅有一个交点，而且装置将从点p4迅速返回点p2。

通过以上分析，可以总结出具有复式弹簧的装置的拉入电压是V3，且释放电压是V2。

图4B展示具有复式弹簧的MEMS装置的MEMS位移与外加电压。此图中所展示的是与图4A中所展示的点相同的点。在外加电压的向上扫频期间，位移遵循标记为“拉入”的曲线。在5V的外加电压下，MEMS装置位移到点p1。然后随着电压增加到15V，装置位移到点p2。当电压增加到25V时，MEMS装置位移到点p3。电压的任何进一步的增加将导致装置迅速移动至完全位移且最后在点p4上。接着降低电压，并且位移遵循标记为“释放”的曲线。当电压降低到15V时，位移保持于间隙的100％处(点p4’)。任何进一步的降低使装置迅速向下返回到点p2。因此，拉入电压是25V，并且释放电压是15V。通过此分析，复式弹簧的优点显而易见。释放电压存在5V到15V的增加，而拉入电压并未改变。

图5展示具有线性弹簧(标记为“线性”的曲线)的MEMS RF装置与具有复式弹簧(标记为“CST”的曲线)的MEMS RF装置之间的热切换对比。热切换电压定义为RF电极上所允许的最大电压，同时装置仍可以在撤去拉入电极的电压时释放。

MEMS装置首先使用拉入电极的足够大的电压拉入，也就是，位移将遵循图1B(线性弹簧)及图4B(复式弹簧)中的标记为“拉入”的曲线并且导致MEMS装置位移到点p4。随后RF电极的电压增加到50V，并且撤去拉入电极的电压。虽然撤去了拉入电压，但施加足够大的电压到RF电极以保持MEMS装置在点p4处位移。

接着，RF电极的电压慢慢降低直到装置迅速返回而获得能使装置保持在位移的位置中的RF的最大电压(热切换电压)。对于具有复式弹簧的装置，电压必须降低到43V直到装置释放并且从点p5移动到点p6。对于具有线性弹簧的装置，电压必须降低到15V直到装置释放并且从点p7移动到点p8。

通过以上分析，可以总结出具有复式弹簧的装置因此可处理RF电极的更高电压并且仍能够在撤去拉入电极的电压时释放。

通过调整Z、D、d、k1和k2，可能取得以下情形：存在将悬臂拉入到d的开始拉入，但是静电力不够高而不足以彻底将悬臂拉入到D。这种情形在图6A和图6B中说明。装置的开始拉入在MEMS位移从点p3迅速移动到点p3’时发生。此时，非线性弹簧太硬而不允许装置完全拉入。控制电极需要更高的电压来克服非线性弹簧并且将装置拉入到点p4。控制电压降低后，MEMS位移还可以展示两个释放点，从点p4’到点p5的第一次行动通过复式弹簧的高弹簧系数部分控制，且从点p6到点p2的随后的迅速返回通过复式弹簧的低弹簧系数部分控制。

此装置的所得的热切换曲线在图7中展示。图7还展示装置的两阶段释放。从点p5到点p6的第一次行动通过复式弹簧的高弹簧系数部分控制，且从点p7到点p8的随后的迅速返回通过复式弹簧的低弹簧系数部分控制。在此情况下的热切换电压比图5中的热切换电压稍高一点。

对于复式弹簧的两阶段下落原则还具有另一优点。当MEMS装置被拉入时，MEMS装置最初加速直到撞击到复式弹簧元件。此时，MEMS装置通过复式弹簧元件减速并且发生第二拉入行为。因为此第二拉入在大大降低的距离上发生，因此MEMS元件产生的速度与具有线性弹簧的等效装置相比大大降低。此降低的碰撞速度导致磨损减小并且寿命增长。

本文所揭示的实施例具有若干优点。尤其为，实施例使开关大小最小化以达到固定热切换电压并且使下落电压和下落速度最小化，此情形提高了装置可靠性。

现在参看图8A、图8B、图9和图10，描述与图2D至图2E的示意图对应的一个实施例。展示了在衬底101上制造的MEMS RF开关。MEMS RF开关含有拉入(控制)电极102及RF电极102’。两层102和102’都通过标准CMOS制造技术(材料沉积、光刻掩模步骤及蚀刻)同时形成。可用于电极102、102’的合适材料包括钛、钽、氮化钛、氮化钽、铜、铝和以上物质的组合。绝缘层103沉积于衬底101和电极102、102’的顶部，一旦绝缘层103在图8B中所展示的已下落位置中驱动，绝缘层103就用于防止电极102、102’与可移动MEMS元件106至109之间的漏电流。可用于绝缘层103的合适材料包括氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、旋涂玻璃及以上物质的组合。

接点层沉积于介电层103的顶部并形成图案以形成结构104、104’。结构104充当装置锚105的下落点，并且结构104是任选的。如果不使用结构104，装置锚105将把MEMS元件锚固于绝缘层103上。结构104’(参见图9)充当复合弹簧110的下落点。

如果接点层104、104’用以提供与衬底101的电连接，则可用于接点层104、104’的合适材料包括导电材料，比如金属，此金属可包含选自由钛、钽、氮化钛、氮化钽、铜、铝、钛铝、氮化铝、氮化钛铝和以上物质的组合组成的组中材料。或者，接点层104、104’可包含绝缘层，所述绝缘层包括氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、旋涂玻璃及以上物质的组合。

可通过沉积牺牲层、图案化牺牲层以暴露下落结构104而在衬底101上方形成可移动MEMS元件。应了解，不应使用结构104，绝缘层103将被暴露。在形成MEMS元件后，可沉积并图案化另一牺牲层以使得牺牲层共同地形成空腔的形状，MEMS元件将在空腔中移动。最终将移除牺牲层以释放MEMS元件。通过传统处理，比如等离子增强化学气相沉积(PECVD)、化学气相沉积(CVD)、旋涂技术和物理气相沉积(PVD)(仅以这些为例)，可以沉积牺牲层。用于牺牲层的合适材料包括含硅化合物，比如二氧化硅、旋涂玻璃或含有具有碳素骨架的长链分子的旋涂电介质。因为如果含有硅，则移除碳素基化合物的牺牲蚀刻常留下残渣，所以这种材料需要具有低含硅量。锚105通过在第一牺牲层中蚀刻孔洞来形成。底层106、107将在孔洞的内部沉积以形成锚105。

可移动MEMS元件由两层结构组成。底层由106、107形成，且顶层由109形成。结构106和107两者都是底部结构的部分，但是结构106和107利用单独的指数来表示，目的就是表示这些结构所呈现的不同功能。底层106、107及顶层109可通过所选区域中的支撑结构108连接。在一个实施例中，通过有选择地在存在于底层106、107的顶部的牺牲层中蚀刻孔洞来形成这些支撑结构108。牺牲层最终将在移除其他牺牲层时移除。在顶层109的沉积期间，此层还将在孔洞内部沉积并且下落于底层106，从而形成具有支撑结构108的两层式MEMS结构。形成可移动MEMS元件的这种方法允许形成硬膜106、109，同时还允许柔性支撑梁107。用支撑结构105将支撑梁107锚固到衬底101或接点层104。

用于底层106、107、支撑结构108和顶层109的材料包括导电材料，比如钛、钽、氮化钛、氮化钽、铜、铝、钛铝、氮化钛铝和以上物质的组合。虽然底层106、107和顶层109全都展示为单层，但可考虑每一层106、107、109可包含多层结构。例如，5层式堆叠(TiN-Al-TiN-Al-TiN)可以用于每一层106、107、109。还可考虑用于每一层106、107、109的3层式堆叠，比如TiN-Al-TiN。三层式结构结合具有高电阻率的TiN的强度优势和具有低机械强度的Al的低电阻性能。通过将薄Al层夹在两层TiN层之间，沉积两种材料的任何残余应力差都不会引起MEMS结构的应力差。3层式结构的另一优点在于TiN膜的机械强度在膜的较厚处有所降低。这是因为渐增的沉积厚度处增加的空间。通过大概沉积200nm的TiN、放下薄Al层以及开始生长，可以大大减少这种问题。可以通过众所周知的技术(比如溅镀技术、化学电镀技术和电化学电镀技术)来沉积层106、107、109。可以图案化层106、107和109以形成所需要的最终结构。

在形成硬膜的结构106和支撑梁107的同一底层中还形成复式弹簧元件110。因此，当通过图案化导电材料来形成层106、107时，还形成了复式弹簧元件110。图10展示穿过图9的复式弹簧元件110的横截面图。下落结构104’按以下方式定位于复式弹簧元件110的尖端下面：如果将MEMS元件106到109向下拉，则复式弹簧元件110在膜部分106接触RF电极102’和拉入电极102上方的绝缘层103之前接触下落结构104’。装置将发生进一步拉入直到膜106接触绝缘层103，这将导致复式弹簧元件110偏转并产生作用于膜的额外回复力。

作用于膜的总回复力含有两个分力：第一分力是支撑梁107的回复力，而第二分力是复式弹簧元件110的回复力。支撑梁107的回复力可以通过尺寸参数(也就是，长度、宽度、厚度)调整，并且选择此回复力使得拉入电压具有所需等级。复式弹簧元件110的回复力分力也可以通过尺寸参数(也就是，长度、宽度、厚度)以及通过下落结构104’的厚度来调整。选择值使得热切换电压满足所需等级。

为了获得高热切换电压，重要的是通过这两个分力产生的回复力对RF电极102’的区域有效。为此，需要硬膜(也就是，物件106、108、109)来获得高热切换电压。例如，如果MEMS结构仅含有底层106，则当撤去施加到拉入电极102的控制电压时，因为在高RF信号存在下，膜可能仅局部偏转并且保持与RF电极上方的绝缘层103接触，所以可能出现由复式弹簧元件110产生的回复力将不帮助从绝缘层103释放膜部分106的情况。在此情况下，为了获得高热切换电压，将需要更硬的底层106，这种情况也会大量增加拉入电压。

硬两层式膜结构106、109和支撑结构108的组合(与支撑梁107结合，支撑梁107偏转以移动膜)以及复式弹簧元件110提供如图3中所展示的非线性力与位移的曲线(此曲线对RF区域有效)，还提供高热切换电压，同时将拉入电压保持在可接受下限值内。当复式弹簧元件110放置于接近RF电极102’的位置处时，回复力最为有效。要维持相同热切换电压，复式弹簧元件110离RF电极越远(即，离板的末端越近)，则两层式膜结构必须越硬。

应了解，本文所描述的MEMS元件在完成后封闭在空腔内。一或多个封装层在MEMS元件释放之前形成于最上的牺牲层上方。通过封装层形成一或多个孔洞以允许将牺牲层暴露于蚀刻剂，并且移除牺牲层以释放MEMS元件。

现在参看图11和图12，描述与图2A至图2C的示意图对应的另一个实施例。用于制造装置的材料和制造工艺包括上文有关图8A、图8B、图9和图10所描述的材料和工艺。然而，为了形成不同结构，将形成MEMS装置的牺牲层和结构层的图案化形状进行相应的调整。图12展示穿过复式弹簧元件1210的横截面图。顶层1209通过支撑结构1208连接于底层1206。在此情况下，将复式弹簧元件1210通过支撑结构1205以及可选接点层1204锚固于衬底1201。将膜的顶层1209成形以致按以下方式重叠复式弹簧元件1210的尖端：如果拉入了MEMS元件，则顶层1209在膜部分1206接触RF电极1202’和拉入电极1202上方的绝缘层1203之前接触复式弹簧元件1210。这种情形是通过确保沉积于底层1206、1207、1210与顶层1209之间的牺牲层比沉积于底层1206、1207、1210与绝缘层1203之间的牺牲层薄来实现。

装置将发生进一步拉入直到膜1206接触绝缘层1203，这将导致复式弹簧元件1210偏转并产生作用于膜的额外回复力。

作用于膜的总回复力含有两个分力：第一分力是支撑梁1207的回复力，而第二分力是复式弹簧元件1210的回复力。支撑梁的回复力可以通过尺寸参数(也就是，长度、宽度、厚度)调整，并且选择此回复力使得拉入电压具有所需等级。复式弹簧元件1210的回复力分力可通过尺寸参数(也就是，长度、宽度、厚度)以及底层1206下面和上面的牺牲层的厚度差来调整。选择值使得热切换电压满足所需等级。

现在参看图13和图14，描述了另一个实施例。用于制造装置的材料和制造工艺包括上文有关图8A、图8B、图9和图10所描述的材料和工艺。然而，为了形成不同结构，将形成MEMS装置的牺牲层和结构层的图案化形状进行相应的调整。装置包括衬底1301、电极1302、1302’、绝缘层1303、接点1304、1304’、顶层1309和支撑结构1308。在此情况下，复式弹簧元件1310与支撑梁1307结合。这种情况是通过以下方式实现：包括位于支撑梁1307下面沿锚定点1305与支撑梁1307与膜1306的附接件之间的长度的某处的接点层1304’。

支撑梁1307的初始刚度由以引起所需拉入电压为目的的支撑梁1307的总长度、宽度和厚度给出。一旦拉入装置，并且支撑梁1307接触到接点结构1304’，支腿的刚度就增加，从而产生图3的非线性力与距离的曲线。由接点结构1304’产生的额外刚度由支撑梁1307下面的接点结构的位置和接点层1304’的厚度给出。通过将接点结构1304’定位于离支撑梁1307与板1306的附接点更近处来实现较高的刚度。选择接点结构1304’的位置以产生所需热切换电压。

现在参看图15和图16，描述了包括衬底1501、锚固点1505和接点1504的另一个实施例。用于制造装置的材料和制造工艺包括上文有关图8A、图8B、图9和图10所描述的材料和工艺。然而，为了形成不同结构，将形成MEMS装置的牺牲层和结构层的图案化形状进行相应的调整。在此情况下，在板1506的后端处形成复式弹簧元件1510。下落结构1504’按以下方式定位于复式弹簧元件1510的尖端下面：如果将MEMS元件1506到1509向下拉，则复式弹簧元件1510在膜部分1506接触RF电极1502’和拉入电极1502上方的绝缘层1503之前接触下落结构1504’。

在此情况下产生额外回复力的当前复式弹簧元件必需位于板端的短管1510以及完整的硬板1506、1508、1509。在装置进一步拉入后，部分1510和完整的板1506、1508、1509都将偏转，直到膜1506接触绝缘层。硬板和短管1510的弯板偏转将产生作用于膜的额外回复力，从而产生如图3中所展示的非线性力与位移的曲线，一旦在RF电极1502’的RF电压的存在下从拉入电极1502撤去拉入电压，此曲线将帮助分离。

与图9至图14的实施例相比，在本实施例中弯板给总回复力提供了更大百分比。可以通过底层1506、1507、1510的厚度、顶层1509的厚度和支撑结构1508的厚度(也就是层1506和1509之间的距离)来调整回复力。归因于弯板的总回复力的百分比与总回复力(此总回复力源自位于板端的短管1510的偏转)的百分比取决于板和短管的尺寸。

现在参看图17和图18，描述了包括衬底1701、锚固点1705和接点1704的另一个实施例。用于制造装置的材料和制造工艺包括上文有关图8A、图8B、图9和图10所描述的材料和工艺。然而，为了形成不同结构，将形成MEMS装置的牺牲层和结构层的图案化形状进行相应的调整。在此情况下，在板1709的后端处形成复式弹簧元件1710。在与底层1706相同的层中形成的下落结构1711按以下方式定位于复式弹簧元件1710的尖端下面：如果将MEMS元件1706到1709向下拉，则复式弹簧元件1710在膜部分1706接触RF电极1702’和拉入电极1702上方的绝缘层1703之前接触下落结构1711。这种情形是通过确保沉积于底层1706、1707与顶层1709、1710之间的牺牲层比沉积于底层1706、1707与绝缘层1703之间的牺牲层薄来实现。

在此情况下产生额外回复力的当前复式弹簧元件必需位于板端的短管1710以及完整的硬板1706、1708、1709和下落结构1711的刚度。在装置进一步拉入后，部分1710和完整的板1706、1708、1709以及下落结构1711都将偏转，直到膜1706接触绝缘层。硬板和短管1710的弯板偏转将产生作用于膜的额外回复力，从而产生如图3中所展示的非线性力与位移的曲线，一旦在RF电极1702’的RF电压的存在下从拉入电极1702撤去拉入电压，此曲线将帮助分离。

与图9至图14的实施例相比，在本实施例中弯板给总回复力提供了更大百分比。可以通过底层1706、1707、1711的厚度、顶层1709、1710的厚度和支撑结构1708的厚度(也就是层1706和1709之间的距离)来调整回复力。归因于弯板的总回复力的百分比与总回复力(此回复力源自位于板端的短管1710的偏转)的百分比取决于板和短管的尺寸。

可通过将装置锚1705放置得很近来使此实施例中的下落结构1711变得坚硬，或通过将装置锚1705放置于更远处来使此实施例中的下落结构1711变得更有柔性。在更有柔性的下落结构的情况下，此下落结构降低了复式弹簧的有效性，但此下落结构在可以提高装置的寿命的情况下还降低了短管1710的碰撞力。

现在参看图19和图20，描述了另一个实施例。用于制造装置的材料和制造工艺包括上文有关图8A、图8B、图9和图10所描述的材料和工艺。然而，为了形成不同结构，将形成MEMS装置的牺牲层和结构层的图案化形状进行相应的调整。装置包括衬底1901、电极1902、1902’、绝缘层1903、接点1904、1904’、锚1905、1905’、底层1906、1906’、顶层1907、1909、1910和支撑结构1908。在此情况下，复式弹簧元件1910与目前位于顶层中的支撑梁1907结合。这种情况是通过以下方式实现：包括位于支撑梁1907下面沿锚定点1905与支撑梁1907与膜1909的附接件之间的长度的某处的接点层1904’。在与底层1906相同的层中形成的下落结构1911定位于接点层1904’上方并且通过支撑结构1905’锚固于接点层1904’。

支撑梁1907的初始刚度由以引起所需拉入电压为目的的总长度、宽度和厚度给出。一旦拉入装置，并且支撑梁1907接触到下落结构1911，支腿的刚度就增加，从而产生图3的非线性力与距离的曲线。由下落结构1911产生的额外刚度是由支撑梁1907下面的下落结构1911的位置和底层1906下面及上面的牺牲层的厚度差给出。通过将下落结构1911定位于离支撑梁1907与板1909的附接点更近处来实现较高的刚度。选择下落结构1911的位置以产生所需热切换电压。

还可以结合上述实施例以使用放置于RF电极102’、1202’(图9至图12)附近以及放置于支撑梁1307、1907(图13至图14、图19至图20)下面的各个复式弹簧元件110、1210、1310、1910或利用弯板实施例(图15至图18)。在图9至图10和图13至图16的所述的实施例中，复式弹簧啮合取决于接点结构104’、1304’、1504’的厚度。在图11至图12和图17至图20的所述的实施例中，复式弹簧啮合取决于底层1206、1706、1906下面和上面的牺牲层的厚度差。通过结合取决于不同依赖性的复式弹簧元件，可产生多阶段复合系统，其中先驱动第一组复式弹簧，接着驱动下一组。这个多阶段复合系统可以进一步降低可移动MEMS结构106至109、1206至1209、1306至1309、1506至1509、1706至1709、1906至1909的碰撞速度并且增加热切换电压。

虽然前述内容是针对本发明的实施例，但是本发明的其他及另外的实施例可在不背离本发明的基本范畴的情况下设计，并且本发明的范畴由所附权利要求书决定。

Claims

1.一种微机械数字电容器装置，包括：

衬底，所述衬底具有在所述衬底中形成的一或多个电极；

电绝缘层，所述电绝缘层布置在所述衬底和所述一或多个电极上方；

一或多个下落结构，所述一或多个下落结构耦接于所述衬底；

MEMS元件，所述MEMS元件耦接于所述衬底，所述MEMS元件可从第一位置移动到与所述电绝缘层间隔的第二位置，所述MEMS元件包括第一部分和第二部分，所述第一部分在所述MEMS元件处于所述第一位置中时接触所述电绝缘层，所述第二部分在所述MEMS元件处于所述第二位置中时接触所述一或多个下落结构，其中所述第一部分包括蜂巢结构，所述蜂巢结构包含底层和通过一或多个支撑结构耦接于所述底层的顶层，并且其中所述第二部分由所述顶层组成。

2.如权利要求1所述的微机械数字电容器装置，其中所述第二部分耦接于所述第一部分与第三部分之间，所述第三部分在所述MEMS元件处于所述第一位置和所述第二位置中时都耦接于所述衬底。

3.如权利要求1所述的微机械数字电容器装置，其中所述底层包含氮化钛铝。

4.如权利要求1所述的微机械数字电容器装置，其中所述一或多个电极中的至少一个电极是RF电极。

5.一种微机械数字电容器装置，包括：

衬底，所述衬底具有在所述衬底中形成的一或多个电极；

一或多个弹簧元件，所述一或多个弹簧元件耦接于所述电绝缘层，所述一或多个弹簧元件可从第一位置移动到第二位置；

MEMS元件，所述MEMS元件耦接于所述电绝缘层，所述MEMS元件可从第三位置移动到与所述电绝缘层间隔的第四位置，所述MEMS元件包括第一部分和第二部分，所述第一部分在处于所述第三位置中时接触所述电绝缘层，所述第二部分接触所述一或多个弹簧元件并且将所述一或多个弹簧元件从所述第一位置移动到所述第二位置，其中所述第一部分包括蜂巢结构，所述蜂巢结构包含底层和通过一或多个支撑结构耦接于所述底层的顶层，并且其中所述第二部分由所述顶层组成。

6.如权利要求5所述的微机械数字电容器装置，其中所述顶层包含氮化钛铝。

7.如权利要求6所述的微机械数字电容器装置，其中所述一或多个弹簧元件包含氮化钛铝。

8.一种制造微机械数字电容器装置的方法，包括以下步骤：

在具有绝缘层、一或多个下落结构和在绝缘层和一或多个下落结构上方布置的第一牺牲层的衬底上方形成MEMS元件，所述形成步骤包括以下步骤：

在所述第一牺牲层的上方形成第一结构层；

在所述第一结构层的上方形成第二牺牲层；

移除所述第二牺牲层的至少一个部分以暴露所述第一结构层的部分；

在所述暴露的第一结构层上方形成结构元件；和

在所述第二牺牲层和所述结构元件上方形成第二结构层；和

移除所述第一牺牲层和所述第二牺牲层以释放所述MEMS元件，所述释放的MEMS元件可从第一位置移动到第二位置，并且所述释放的MEMS元件具有第一部分和第二部分，所述第一部分在所述MEMS元件处于所述第一位置中时接触所述绝缘层，并且所述第二部分由所述第二结构层组成并且在所述MEMS元件处于所述第二位置中时接触所述一或多个下落结构。

9.如权利要求8所述的方法，进一步包含以下步骤：形成和所述一或多个下落结构接触的一或多个弹簧元件。

10.如权利要求9所述的方法，其中形成所述第一结构层的步骤包括以下步骤：形成所述一或多个弹簧元件。

11.如权利要求10所述的方法，其中形成所述第一结构层的步骤包含以下步骤：

沉积氮化钛铝层。

12.如权利要求10所述的方法，其中所述一或多个弹簧元件可从第三位置移动到第四位置。

13.如权利要求8所述的方法，其中形成所述第一结构层的步骤包含以下步骤：

沉积氮化钛铝层。

14.如权利要求13所述的方法，其中形成所述第二结构层的步骤包含以下步骤：

沉积氮化钛铝层。