CN104103454A - 一种磁悬浮式微机械开关 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁悬浮式微机械开关，包括玻璃衬底、螺旋线圈、悬浮结构体和硅层；硅层键合在玻璃衬底的顶面，硅层中设有空腔；螺旋线圈和悬浮结构体位于空腔中，螺旋线圈连接在玻璃衬底的顶面上，螺旋线圈的顶面设有一氧化硅层，悬浮结构体置于氧化硅层上方；硅层的顶面设有带孔的氧化层，氧化层的顶面设有相对的两根金属导线；金属导线、氧化层和硅层靠近内腔的一侧呈台阶状，且两根金属导线之间的距离小于氧化层上的孔的孔径；悬浮层可向上运动嵌至在氧化层上的孔中，且悬浮层顶面的两端与两个金属导线相接触。该磁悬浮式微机械开关避免了弹性开关使用时的疲劳磨损，具有闭灵活、性能稳定、安全可靠、使用寿命长的特点。

Description

一种磁悬浮式微机械开关

技术领域

本发明属于微机械系统技术领域，具体来说，涉及一种磁悬浮式微机械开关。

背景技术

微机械系统（文中简称：MEMS）开关在中低功率中的应用远比固态半导体开关优越，并且MEMS开关优良的射频性能使其能在更高的频段得到应用。最早的MEMS开关是Petersen于1979年研制的0.35μm厚、金属包覆的静电悬臂梁开关。但由于制作工艺的限制，此后的十年里MEMS开关没有取得太大的进展。直到20世纪90年代，MEMS开关才获得了巨大发展。1991年，Larson制作了旋转传输线式开关。1995年，Yao采用表面微加工工艺制作悬臂梁开关。1996年，Goldsmith研制出低阈值电压的膜开关。为了降低开关的阈值电压，提高开关的开态稳定性和能量处理能力，1998年Pachero设计了螺旋型悬臂式和大激励极板的MEMS开关结构。开关是微波信号变换的关键元件。

一般非静电驱动开关都有着相当理想的驱动电压（<5V），但是其共同的缺点是其开关时间相对较长。而且对于热驱动和电磁驱动的开关，其开关动作本质上是基于电流效应，因此它们的静态功耗要比基于电压效应的静电力驱动的开关要大得多。较长的开关时间和大得多的静态功耗使得非静电驱动开关的应用大大受到限制。

而在一般的静电驱动微机械开关中，绝缘介质层的作用都是防止可动金属电极与信号传输线发生欧姆接触，但是由于开关次数过多或电路工作时间过长，绝缘介质层会发生断裂失效甚至是脱落，从而大大缩短了静电驱动开关的寿命；而且，静电驱动的微机械开关中大多采用悬臂梁一类的结构，这类结构在长时间使用后会发生扭转或变形而导致开关性能参数退化，这会导致开关工作不稳定或过早地失效。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种磁悬浮式微机械开关，该磁悬浮式微机械开关避免了弹性开关使用时的疲劳磨损，具有闭灵活、性能稳定、安全可靠、使用寿命长的特点。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种磁悬浮式微机械开关，该微机械开关包括玻璃衬底、螺旋线圈、悬浮结构体和硅层；硅层键合在玻璃衬底的顶面，硅层中设有空腔，该空腔连通外界和玻璃衬底的顶面；螺旋线圈和悬浮结构体位于空腔中，螺旋线圈连接在玻璃衬底的顶面上，螺旋线圈的顶面设有一氧化硅层，悬浮结构体置于氧化硅层上方；硅层的顶面设有带孔的氧化层，氧化层上的孔和空腔相通，氧化层的顶面设有相对的两根金属导线；每根金属导线、氧化层和硅层靠近内腔的一侧呈台阶状，且两根金属导线之间的距离小于氧化层上的孔的孔径；悬浮结构体的长度大于两根金属导线之间的距离，小于氧化层上的孔的孔径；悬浮层可向上运动嵌至在氧化层上的孔中，且悬浮层顶面的两端与两个金属导线相接触。

进一步，所述的悬浮结构体包括磁性材料层和开关导线，开关导线固定连接在磁性材料层的顶面，磁性材料层置于氧化硅层上方。

进一步，所述的开关导线和金属导线均由铜制成。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.启闭灵活、性能稳定。本发明的磁悬浮式微机械开关包括玻璃衬底、螺旋线圈、悬浮结构体和硅层，两边的金属导线、氧化层和硅层靠近内腔的一侧呈台阶状，悬浮结构体的长度大于两根金属导线之间的距离，小于氧化层上的孔的孔径。当开关需要闭合时，螺旋线圈中通入直流电流，假设螺旋线圈产生的磁场的N极朝上，而悬浮结构体中的永磁体的N极朝下。这时，螺旋线圈产生的磁场与永磁体的磁场相排斥，使悬浮结构体逐渐上浮。当悬浮结构体悬浮到一定高度时，悬浮结构体嵌至在氧化层上的孔中，且悬浮结构体的顶面金属导线与两根金属导线相接触。也就是说，悬浮结构体与开关接口部分相耦合。而当开关需要断开时，螺旋线圈中的外加电流变为0。这时螺旋线圈中通电电流产生的磁场消失，永磁体不再受到排斥力的作用，此时，由于重力的作用，悬浮结构体会下落，从而将开关断开。整个工作过程中，磁悬浮式微机械开关中的螺旋线圈和悬浮结构体不发生接触，避免了开关使用时的疲劳磨损，且启闭灵活。本发明的磁悬浮式微机械开关，利用磁悬浮的结构来实现开关的开启与闭合，极大的减小了摩擦力。

2. 安全可靠、使用寿命长。本发明的开关可以避免弹性开关使用时的弹性触碰，大大提高了开关的使用寿命，且安全可靠。本发明的磁悬浮式微机械开关，利用磁悬浮的结构来实现开关的闭合与断开，可以增长使用时间。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明中螺旋线圈的俯视图。

图3是本发明中氧化层和金属导线的俯视图。

图4是本发明中磁性材料层和开关导线的俯视图。

图中有：玻璃衬底1、螺旋线圈2、氧化硅层3、空腔4、磁性材料层5、开关导线6、硅层7、氧化层8、金属导线9、悬浮结构体10。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细的说明。

如图1至图4所示，本发明的一种磁悬浮式微机械开关，包括玻璃衬底1、螺旋线圈2、悬浮结构体10和硅层7。硅层7键合在玻璃衬底1的顶面。硅层7中设有空腔4。作为优选，空腔4位于硅层7的中部。该空腔4连通外界和玻璃衬底1的顶面。螺旋线圈2和悬浮结构体10位于空腔4中，螺旋线圈2连接在玻璃衬底1的顶面上。螺旋线圈2的顶面设有一氧化硅层3。悬浮结构体10置于氧化硅层3上方。悬浮结构体10和氧化硅层3之间没有连接。硅层7的顶面设有带孔的氧化层8，氧化层8上的孔和空腔4相通。氧化层8的顶面设有相对的两根金属导线9。两边的金属导线9、氧化层8和硅层7靠近内腔4的一侧呈台阶状，且两根金属导线9之间的距离小于氧化层8上的孔的孔径。悬浮结构体10的长度大于两根金属导线9之间的距离，小于氧化层8上的孔的孔径。悬浮层10可向上运动嵌至氧化层8上的孔中，且悬浮层10顶面的两端与两个金属导线9相接触。作为优选，金属导线9由铜制成,受磁场影响较小。

上述结构中，悬浮结构体10的长度大于两根金属导线9之间的距离，小于氧化层8上的孔的孔径。这样可以确保悬浮结构体10向上运动时，可以嵌至在氧化层8上的孔中，且悬浮结构体10的上方有金属导线9的阻隔。金属导线9阻止悬浮结构体10向上运动。这样，悬浮结构体10只在金属导线9底面和氧化硅层3顶面之间上下运动。 螺旋线圈2成螺旋形，除了考虑到加工工艺的影响，更重要的是为了充分利用平面的面积，使线圈产生尽可能大的磁场。氧化硅层3对未发生悬浮的悬浮结构体10起到支撑作用。

上述结构的磁悬浮式微机械开关的工作过程如下：

当开关需要闭合时，螺旋线圈2中通入直流电流，假设螺旋线圈2产生的磁场的N极朝上，而悬浮结构体10中的永磁体的N极朝下。这时，螺旋线圈2产生的磁场与永磁体的磁场相排斥，使悬浮结构体10逐渐上浮。当悬浮结构体10悬浮到一定高度时，悬浮结构体10嵌至在氧化层8上的孔中，这时悬浮结构体10的顶面两端与两根金属导线9相接触。也就是说，悬浮结构体10 与开关接口部分相耦合。要使悬浮结构体10尽可能快的上浮，可以提高螺旋线圈2的匝数，加大螺旋线圈2中的电流。根据楞次定律，当永磁体向上运动时，穿过螺旋线圈2的磁感线变少。此时，螺旋线圈2中会产生感应电流，与所加电流的方向相反。这时的螺旋线圈2磁场会受到一定的影响，所以螺旋线圈2的匝数不能太多，而螺旋线圈2中通入的电流应该尽可能大，从而减弱感应电流对磁场的影响，提高开关器件的响应时间。而当开关需要断开时，螺旋线圈2中的外加电流变为0。这时螺旋线圈2中通电电流产生的磁场消失，永磁体不再受到排斥力的作用，此时，重力的作用将会使得悬浮结构体落下。但是同样的，根据楞次定律，永磁体下落时，穿过螺旋线圈2的磁感线变多，螺旋线圈2中将会产生感应电流，感应电流产生的磁场又会阻止悬浮结构体的下落。这种阻止作用的强弱也与螺旋线圈2线圈匝数有着直接的关系。

进一步，所述的悬浮结构体10包括磁性材料层5和开关导线6，开关导线6固定连接在磁性材料层5的顶面，磁性材料层5置于氧化硅层3上方。作为优选，开关导线6由铜制成。悬浮结构体10由两层结构组成，即磁性材料层5和开关导线6。处于下层的磁性材料层5为悬浮结构体10中的永磁体。该永磁体产生的磁场与螺旋线圈2产生的磁场相排斥，促使悬浮结构体10发生悬浮。开关导线6处于上层。当悬浮结构体10悬浮到一定高度时，悬浮结构体10中的开关导线6与金属导线9接通，从而使电路导通。由于磁性材料层5与螺旋线圈2产生的磁场之间的排斥力不可能使悬浮结构体10稳定悬浮在螺旋线圈2上方。因此，将每根金属导线9、氧化层8和硅层7靠近内腔4的一侧设置呈台阶状，且悬浮结构体10的长度大于两根金属导线9之间的距离，小于氧化层8上的孔的孔径。这样，两根金属导线9可以限制悬浮结构体10飞出，使系统能够稳定工作。

本结构的磁悬浮式MEMS开关，由于螺旋线圈2与悬浮结构体10之间互不接触，避免了弹性开关使用时的疲劳磨损。与现有开关相比，该磁悬浮式MEMS开关具有启闭灵活、性能稳定、安全可靠、使用寿命长等特点。

上述结构的磁悬浮式微机械开关，利用磁悬浮技术，即运用磁体之间同性相斥，异性相吸的性质，使磁体具有抗拒地心引力的能力，而发生悬浮。本发明的微机械开关利用磁铁同性相斥原理而设计的电磁运行系统，它利用永磁体与通电线圈产生的磁场之间所产生的斥力，使悬浮结构体10悬浮。

上述结构的磁悬浮式微机械开关的制备过程是：利用微机械加工技术在玻璃上镀金属，并图形化形成螺旋形线圈，淀积氧化硅并图形化，接着长牺牲层，镀磁性材料，并刻出图形，溅射金属铜，并图形化形成金属铜开关，在硅片表面刻蚀浅槽，然后刻蚀一深槽，键合硅片和玻璃，减薄硅片，接着在硅片表面生长一层氧化硅层并图形化，然后在氧化硅的表面电镀金属并图形化形成金属导线，干法刻蚀硅，最后释放牺牲层，形成可动结构。

Claims (3)

1.一种磁悬浮式微机械开关，其特征在于，该微机械开关包括玻璃衬底（1）、螺旋线圈（2）、悬浮结构体（10）和硅层（7）；

硅层（7）键合在玻璃衬底（1）的顶面，硅层（7）中设有空腔（4），该空腔（4）连通外界和玻璃衬底（1）的顶面；螺旋线圈（2）和悬浮结构体（10）位于空腔（4）中，螺旋线圈（2）连接在玻璃衬底（1）的顶面上，螺旋线圈（2）的顶面设有一氧化硅层（3），悬浮结构体（10）置于氧化硅层（3）上方；硅层（7）的顶面设有带孔的氧化层（8），氧化层（8）上的孔和空腔（4）相通，氧化层（8）的顶面设有相对的两根金属导线（9）；

每根金属导线（9）、氧化层（8）和硅层（7）靠近内腔（4）的一侧呈台阶状，且两根金属导线（9）之间的距离小于氧化层（8）上的孔的孔径；

悬浮结构体（10）的长度大于两根金属导线（9）之间的距离，小于氧化层（8）孔的孔径；悬浮层（10）可向上运动嵌至在氧化层（8）上的孔中，且悬浮层（10）顶面的两端与两个金属导线（9）相接触。

2.按照权利要求1所述的磁悬浮式微机械开关，其特征在于，所述的悬浮结构体（10）包括磁性材料层（5）和开关导线（6），开关导线（6）固定连接在磁性材料层（5）的顶面，磁性材料层（5）置于氧化硅层（3）上方。

3.按照权利要求2所述的磁悬浮式微机械开关，其特征在于，所述的开关导线（6）和金属导线（9）均由铜制成。