CN105047484B

CN105047484B - Mems开关

Info

Publication number: CN105047484B
Application number: CN201510198260.9A
Authority: CN
Inventors: P·L·菲兹格拉德; J-E·王; R·C·格金; B·P·斯坦森; P·拉姆博肯; M·舍默尔
Original assignee: Analog Devices Technology
Current assignee: Analog Devices Global ULC; Analog Devices International ULC
Priority date: 2014-04-25
Filing date: 2015-04-24
Publication date: 2018-12-14
Anticipated expiration: 2035-04-24
Also published as: JP6245562B2; EP3327739B1; EP3327739B8; EP3327739A2; EP3832681A3; EP3832681A2; EP3327739A3; US20180033565A1; JP2015211042A; US20150311003A1; CN105047484A; EP3054469A1; US9748048B2

Abstract

本公开涉及MEMS开关。公布了改进MEMS开关操作性能的几种特征，使得它们呈现出改进的在役寿命和开关打开与关闭的更好控制。

Description

MEMS开关

技术领域

本申请涉及微机电组件的改进，如开关。

背景技术

微机电系统(MEMS)允许在小规模与包括在集成电路封装内的这些组件相容上形成组件，如开关、陀螺仪、麦克风、应变计和许多传感器组件。

MEMS元件可在衬底上形成，如硅晶片，如在集成电路的形成中使用的，使用相同的工艺。本申请提供了MEMS元件的制造的改进，特别是MEMS开关。

发明内容

在第一方面，本文公开了MEMS元件，包括：

衬底；支撑体；可移动结构和控制电极。支撑体从衬底延伸并保持与衬底相邻的可移动结构的第一部分，且可移动结构与控制电极重叠，其中，可移动结构由边缘限定，并且控制电极延伸过可移动结构的边缘。

可移动结构可以延伸远离支撑体。在一些变形中，可移动结构被附加到支撑体以形成，例如，悬臂或横梁，然而在其它变形中，中间臂可在支撑体和可移动结构之间延伸。

在使用中，控制电极周围的静电场可导致电荷在衬底被捕获，其中衬底包括电介质。延伸控制电极超过可移动结构的端部或侧面增加任何捕获的电荷和可移动结构之间的距离。这意味着，其中，例如MEMS元件是开关，开关的打开变得更加可靠。

有利地，可移动结构被枢转地安装到支撑体并且可以延伸在它的任一侧。这样的布置类似于跷跷板，尽管在上下文中没有要求跷跷板的每侧具有相同的长度。在这样的布置中，支撑体的每侧可以与相应的控制电极相关联，以便能够拉动可移动结构的任一侧朝向衬底。拉动一侧向下引起“跷跷板”的另一侧抬起，从而提供积极地将开关拉开的能力。

在本公开的第二方面，公开了MEMS元件，其包括通过支撑体在第一位置支撑的可变形结构，可变形结构携带用于与另一触点表面接触并通过相邻而不是与控制电极隔开的触点。控制电极和可变形结构之间的电位差在引起其变形的可变形结构上施加力，其中，可变形结构被修改以限制在可变形结构中产生的峰值应力。

限制峰值应力减小了在组件内承受的力下产生的组件中使用的材料的风险。

在第三方面，公开了MEMS开关，包括：衬底；支撑体；可移动结构和控制电极使得可移动结构由衬底上方的支撑体被保持并在控制电极上延伸。衬底和可移动结构中的至少一个具有在其上以保持在使用期间从控制电极隔开的可移动结构形成的至少一种结构。

在使用中，过驱动电压或材料的产生可促使可移动结构以使它接触到控制电极的方式弯曲。提供至少一种结构，避免这样的问题。

在第四方面，公开了MEMS元件，包括：具有第一热膨胀系数的衬底；和从衬底延伸的具有第二热膨胀系数的支撑体。MEMS元件还包括在或邻近衬底和支撑体之间的界面形成的并且具有大于第一膨胀系数的第三膨胀系数的膨胀变形结构，并且膨胀变形结构被布置以在界面附近的衬底上施加热膨胀力，以便模拟不同于在界面附近的衬底的第一系数的第四膨胀系数。

不同的热膨胀可引起力发生在使它变形的支撑体内，并最终影响连接到支撑体的组件或元件的取向。利用膨胀变形结构，可以减少这种影响。

在第五个方面，公开了具有从衬底向上延伸并携带在衬底表面上方或在衬底内形成的凹陷上方延伸的结构的支撑体的MEMS元件，并且其中结构被提供有多个槽和/或孔，在其中以便于从结构下面化学地去除材料。

不能在制造期间去除牺牲材料可减少元件产量。提供用于蚀刻剂来穿透器件的孔提高了产量。

在第六个方面，公开了MEMS开关，包括：衬底；支撑体；和由支撑体在某处支撑的开关部件，使得所述开关部件的部分在第一方向延伸远离支撑体朝向第一开关触点并超过第一控制电极。MEMS开关还包括邻近开关部件一部分的第二控制电极，使得第二控制电极和开关部件之间作用的吸引力促使开关部件移动远离第一开关触点。

提供控制电极以提供开关的主动的开和关，提高操作的可靠性。对于正常关闭的开关，其中应力已在制造或尺寸改变期间在开关部件被感应出，使得开关正常关闭，第一控制电极可以被省略，使得开关可以主动地驱动打开，而响应于从第二控制电极去除控制电压关闭。

可移动结构或开关部件可以名义上被认为具有在支撑体的相对侧设置的第一和第二部分。其允许开关部件和第二控制电极之间的吸引力来反作用于开关部件和第一电极之间的吸引力。力的相对强度可以通过控制控制电极的相对宽度，它们与开关部件的距离，它们与支撑体的距离，供给的电压或这些参数的任意组合，而改变。

在一些实施方案中，第二控制电极可以通过高阻抗被连接到第一控制电极，使得在第二控制电极上的电压滞后于第一控制电极上的电压。连接电极和第二电极的电容的大的阻抗形成RC滤波器。因此，一旦控制电压被施加到第一电极来关闭开关，第二电极开始充电，从而提供被选择不足以打开开关，而保持电压被施加到第一控制电极的开启力。一旦驱动信号被从第一电极移出，花费在第二电极电压的时间衰减掉，且在这个时间期间，第二控制电极和开关部件之间的吸引力打开开关，使得导电通道不再存在于第一开关触点。

在第七个方面，本文件还公开了MEMS开关，包括：第一开关触点；第二开关触点；控制电极；衬底；支撑体；弹簧和导电元件。支撑体远离第一和第二开关触点被形成，并且弹簧从朝向第一和第二开关触点的支撑体延伸，并且携带导电元件使得它被保持在上面但是与第一和第二间触点的至少一个分开，并且弹簧和/或导电元件通过邻近于控制电极。

因此，有可能从导电元件所需的机械特性去耦弹簧所需的机械特性。

两个或多个各个方面，可能会在单一实施方案中的组合内发生。

因此，例如，使用携带导电元件的弹簧可能在与第一方面的放大电极，和/或与以限制峰值应力的特征，和/或第六方面的跷跷板设计的组合内发生。

附图说明

构成本公开的实施方案的MEMS结构现在将参照附图通过非限制性示例的方式来被描述，其中：

图1是MEMS开关的横截面；

图2示意性地示出了栅电极边缘周围的电场；

图3是MEMS开关的平面图，其中栅电极延伸超过开关部件的边缘；

图4和5示出触点载体的长度和可靠触点的长度如何修改栅极和开关部件之间的距离；

图6示出了用于减少捕获电荷的关闭影响的另外的特征；

图7a和7b示出了来自栅电极的开关闭合力下的开关部件的型材；

图8a和8b示出了开关部件的实施方案的平面图；图8c示出了图8a和8b的开关部件的侧视图；且图8d比较在图8a和8b的开关部件中的应变作为位置函数；

图9是具有形成以减小开关部件接触栅电极的风险的附加支撑体的MEMS开关的实施方案的横截面；

图10是用于与图9中所示的布置一起使用的修改的栅电极的平面图；

图11是表示栅极到源极电压的曲线图，在其上开关部件接触栅极为95μm长、7μm、8μm和9μm厚的悬臂的金的开关部件，且有200nm到400nm的尖端长度；

图12重复图11所示的数据，包含附加的数据用于长30微米、厚8微米的悬臂；

图13是MEMS开关的另外实施方案的横截面；

图14是在温度T1上悬臂锚定器的示意图；

图15示出了跟随ΔT的温度变化在图14的布置上的热膨胀的影响；

图16示出了具有邻近于支撑体脚形成的附加结构的实施方案；

图17示出了图16中所示的布置的变形；

图18是修改的支撑体的平面图；

图19是MEMS开关的实施方案的立体图；

图20是可加入到开关的另外的特征的横截面图；

图21是具有两个栅极使它可以被驱动关闭和驱动打开的开关的横截面图；

图22是MEMS开关的另外实施方案的立体图；

图23示出了图22中所示的布置的变形；

图24是通过在其中横梁被支撑体在两个地方的实施方案的示意性横截面图；

图25是MEMS开关的另外的实施方案的示意性平面图；

图26是另外的实施方案的示意性平面图；

图27示出了非对称横梁设计的示意图，并且还示出了用于跷跷板开关的驱动方案的版本；

图28示出了另外的非对称跷跷板开关的立体图；和

图29示出了具有扭转支撑体的实施方案。

具体实施方式

微机械加工系统(MEMS)元件是本领域技术人员所周知的。这些元件的常见的示例是固态陀螺仪和固态加速度计。

开关在MEMS技术中也是可用的。原则上，MEMS开关应该提供长期和可靠的操作寿命。然而，这样的器件不倾向于呈现可能已经预期的操作寿命。本申请起因于发生在MEMS开关内的工艺的调查和鉴定。本文的教导与其它MEMS器件也相关。

图1是总体表示为1的MEMS开关的示意图。开关1在衬底2上方被形成。衬底2可以是半导体，例如硅。硅衬底可以是由诸如切克劳斯基(Czochralski)、CZ处理或浮区处理的工艺形成的晶片。CZ处理更便宜并且产生了硅衬底，它物理上比使用浮区处理获得的更健壮，但浮区提供具有更高的电阻率的硅，其更适合在高频电路中使用。

硅衬底可以任选地由未掺杂的多晶硅的层4覆盖。多晶硅的层4作为载流子寿命杀手。这使得CZ硅的高频性能被改善。

电介质层6，其可能是在衬底2和任选的多晶硅层4上方形成的氧化硅(一般是SiO₂)。电介质层6可以在两个阶段形成，使得金属层可被沉积，掩蔽和蚀刻以形成导体10、12和14。然后电介质6的沉积的第二阶段，可以被执行，以便形成图1中所示的结构，其中，导体10、12和14被嵌入电介质层6。

电介质层6的表面具有由在层6的一部分的上方形成的相对耐磨导体提供的第一开关触点20。第一开关触点20以一个或多个通孔22的方式连接到导体12。类似地，控制电极23可以在导体14上方被形成，并且通过一个或多个通孔24被电气连接到它。

用于开关部件32的支撑体30也在电介质层6的上方被形成。支撑体30包括在层6的可选部分的上方沉积的脚区域34，使得脚区域34沉积在导体10的上方。脚区域34以一个或多个通孔36的方式连接到导体10。

在典型的MEMS开关中，导体10、12和14可以由金属制成，例如铝或铜。通孔可以由铝、铜、钨，或任何其它合适的金属或导电材料制成。第一开关触点20可以是任何合适的金属，但铑通常被选择，因为它耐磨。为便于处理控制电极可以由相同的材料制成为第一开关触点20或脚区域34。脚区域34可以由金属制成，例如金。

支撑体30还包括至少一个直立部分40，例如以壁或多个塔的形式延伸远离电介质层6的表面。

开关部件32形成可移动结构，其从直立部分40的最上部分延伸。开关部件32被典型地(但不一定)提供为悬臂，其在图1中所示为方向A的第一方向上，从支撑体30朝向第一开关触点20延伸。开关部件32的端部42在第一开关触点20上方延伸并携带可靠触点44。直立部分40和开关部件32可以由相同的材料制作为脚区域34。

MEMS结构可以由被粘合到电介质层6或其它合适的结构的表面，以便包围开关部件32和第一开关触点20的盖结构50保护。合适的粘合技术是本领域技术人员所周知的。

开关1可以用来代替继电器和固态晶体管开关，诸如FET开关。本领域的许多从业者已经采用用于FET的术语。因此，导体10可被称为源极，导体12可被称为漏极，而导体23形成连接到栅极端子14的栅极。源极和漏极可以互换而不影响开关的操作。

在使用中，驱动电压从驱动电路施加到栅极23。栅极23和开关部件32之间的电势差引起，例如，栅极23的表面上的正电荷，来吸引悬臂开关部件32的下表面上的负电荷。这会导致力被施加，来拉动开关部件32朝向衬底2。该力使开关部件弯曲，使得可靠触点44接触第一开关触点20。

在实践中，开关过驱动，以便相对牢固地相对第一开关触点20保持触点44。

然而，这样的开关呈现几个实际问题。

首先，如果开关保持闭合(导通)为数小时至数天，那么当栅信号被去除时，开关可不打开(为高阻抗)。

其次，开关受温度的影响，并且通常在低温下变得更难关闭，且随着温度上升更容易关闭，直到它在没有控制信号时关闭。

第三，在关闭状态，开关可以分解变得不可操作。

这些特点都抑制了采用MEMS开关。

打开和关闭

如上所述，开关在响应于在栅极23和开关部件32之间作用的静电力中关闭。开关通过开关部件32的弹簧动作打开。

动作以打开开关的弹力或恢复力是尺寸的函数，例如形成开关部件32的材料的宽度和深度。材料的选择也使弹力有差别。直立部分30和脚34的尺寸和材料也可影响恢复力。

闭合力是栅极23和开关部件32之间的电压差，并且也是从支撑体30到栅极23的距离的函数。

然而其它现象已经由发明人观察到，其影响闭合力。

图2示出了连同围绕栅电极32的线电场的栅极23和开关部件32。

在图2所示的布置中，栅极23已经被连接到正电压，使得其明确地相比于开关部件32被充电。实际上，用户可以选择是否以驱动栅极负极或正极，并且可以由容易导出合适的栅极电压决定。电场矢量起源于栅极23且朝向开关部件32进展。大多数吸引力发生在提供栅极的区域62中。在栅极23上的电位也在邻近于栅极23的边缘的区域66产生电场60。该场可导致电荷累积在电介质层6中如示意性地通过“+”号在区域66上表示的。电荷积累超过开关被驱动到关闭状态的数小时，并且一旦栅极电压被去除，衰减远超过几个小时。

发明人认识到，这种机制在操作中，并且形成栅极23的金属的尺寸和形状可被修改以增加捕获电荷的区域和开关部件32之间的距离，从而减少了从捕获电荷产生的这个吸引力。图2还示出了未掺杂的多晶硅的层4可被省略。

减少电荷捕获

为了减少在电介质层6中被捕获的电荷产生的不希望的关闭力，发明人认识到减少开关部件32下面的暴露的电介质区域是可取的。这可以通过增加栅极尺寸来实现。栅极尺寸可以在第二维被增加，在图1和3中表示的B，垂直于图1和2的平面，使得栅极延伸超过开关部件32的边缘，如图3所示。图3是在图1所示的开关的部分平面图。开关部件32被成形以便具有从开关部件32延伸且限定了延伸超过栅极23的空间范围的开关部件32的部分的触点载体部分70。因此，如果我们考虑开关部件32的侧面72和74，那么这些发生在栅极23上方，并且因此栅极延伸过开关部件34的侧面72和74且从在电介质6中捕捉的电荷的影响屏蔽边缘。类似地，开关部件32的前边缘76并不延伸超过栅极23，除了需要到达第一开关触点20的触点载体部分70。

这种配置意味着只有邻近在通常由点划线82封闭的区域中的栅极23的前边缘80发生的电荷上升能够在触点载体部分70上施加吸引力。这大大减少的相互作用捕获的电荷足以防止开关变成“卡住”，当栅极电压被去除时。由在它们内部测试的申请人推断出的测试中的设备开关被驱动“开”数月，并且当栅极电压去除时，被成功地释放。这是对仅在一天左右后可变得卡住的先进技术的开关的显著改善。

然而，在图3中示出的开关的其它设计特征也提高其开关关闭性能。图4和5比较和对比触点载体部分70的长度，和可靠触点44的尺寸的影响。

在图4和图5中，悬臂相对于下面的衬底在角θ上，并且第一开关触点20具有高度h1，并且触点44具有高度h2。

在图4所示的布置中，触点载体70具有长度L1(在边缘76和载体尖端78之间)。栅极23延伸过前边缘76通过保护距离dg。我们可以表示在触点载体70和在电介质6中的潜在捕获的电荷之间的距离，如在图4中由在栅极的前边缘的“+”号表示的。

为了合理的近似，间隔距离S为

S＝(L1-dg)sinθ+h1+h2

可以看出，触点载体70的较长的长度增加了距离S，并因此减小了捕获电荷与载体70之间的吸引力。类似地，增加触点44的触点高度也增加了距离S，如增加用于形成第一开关触点20的金属的厚度。

因此，可以看出，在图4中，其中触点载体70相对较长，具有长度L1和具有相对深的触点44，距离S显著大于图5中所示的，其中触点载体70更短，具有小于L1的长度L2且触点44的触点高度h2也被减小。

也可以直观地看出，是在一方面在电介质6的区域66中捕获的电荷和在另一方面的开关部件32和触点载体70之间的间隔的函数的吸引力还可以通过修改开关部件32和/或触点载体70的材料的型材被减少。

图6示出了开关部件32的端部，其已被修改以减少相比于形成开关部件32的金属的深度的形成触点载体70的金属的深度。减少的金属的厚度在可靠触点44和开关部件32的主体之间产生空隙90。这增加了衬底6和触点载体70的金属之间的距离，从而减少由捕获电荷施加的闭合力。附加地或替代地凹槽92可以在电介质层6在栅电极23和第一开关触点20之间被形成。这还用于减少由捕获电荷施加的吸引力。

应力作用下材料的产生

如前所述，由栅极电压施加的吸引力使悬臂开关部件32变形甚至弯曲。如悬臂32越接近栅电极且吸引力增加开始弯曲。此外，对于低“通”电阻，可靠触点44需要紧靠第一开关触点20被保持，因而过驱动开关是很常见的。

金属可以在负载下产生，使得它们开始呈现修改的形状。产率还可能受到温度影响。

图7a示出了处于闭合位置的悬臂开关部件32的假想型材，以及图7b示意性地示出了悬臂开关部件32的型材如何可以在一段时间改变，当开关部件32的材料在由栅电极23施加的闭合力下产生。

在图7a所示的布置中，开关部件32的高度随着增加到支撑体30的距离顺利减少。然而，产率，或甚至过度过驱动的影响，使开关部件32在栅极区域23上方过度偏转。限制地，开关部件32可接触栅极23，在其情况下，栅极和开关部件之间的电流流动，可能会导致提供的栅极电压的驱动电路的破坏。这种现象可以被描述为“击穿”。

当开关打开，并且因此可靠触点44不与第一开关触点20接触时，开关部件32是悬臂，且因此其偏转可以被估算。

用于开关部件32上的力的分析是复杂的，因为在给定点上的力取决于到栅电极的局部距离。

然而，对于从理想打开位置开始的第一近似，其中，悬臂开关部件32平行于栅极23、且栅极23相对膨胀，然后开关件32近似于均匀加载的悬臂。

在均匀加载的悬臂的自由端的偏转dB可以被近似通过

其中：q是单位长度上的力

L是横梁的长度

E是弹性模量

I是惯性面积矩。

在开关部件32的应力，也可以被表示通过弹性挠曲应力方程

其中：σ是在从“中性面”的距离y上的正常的弯曲应力

m是在悬臂的部分的阻力矩，和

I是惯性面积矩。

其中：w是横梁的宽度

h是横梁的垂直厚度。

一旦触点44和20接触，则情况变得更加复杂，且变成偏转的性质以及变成悬臂式偏转的弯曲和在相对端部支撑的加载横梁的偏转。这是因为，通过支撑体30承受和作用为支撑的触点的力是不一样的。

对于由两个简单支撑体支撑的均匀加载的横梁，中点的偏转D被给定通过

触点44和20相结合来近似简单的支撑体，但开关部件32和支撑体30之间没有界面。因此，在这些方程没有准确描述开关部件32的偏转，但它们确实对其行为提供了有用的见解。

我们还应该注意，一旦应力变得过大，则横梁的材料永久地变形。

发明人认识到，对于制动应力

1)在开关部件32的应力可以通过使开关部件32更长被减少，

2)在横梁中的应力可通过增加转动惯量(也称为面积矩)被减少。

发明人还认识到，对于过驱动应力

3)应力通过朝向触点部分移动制动力减少

4)应力通过增加转动惯量减少。

因此使用更厚和/或更长的横梁允许恢复(打开)力被保持，同时减少材料的应力，并因此减少永久变形。

然而，以控制应力的其它解决方案，也可以被调用，如更早说明的，我们可以写成：

应力

且

因此修改横梁的宽度改变横梁中的应力。可以看出，如果横梁的宽度在横梁下通过一半、近似一半的方式被减小，那么在这点的应力将翻番。然而，应力将沿着减少峰值应力的横梁趋向于均衡。

为了把这个放在上下文中，图8a示出了直边悬臂100的平面图，而图8b示出了线性地变细到点的锥形悬臂102的平面图。悬臂100和102具有相同的侧面型材，如在图8c中表示的。

图8d示出了悬臂横梁中的应力作为距离函数的曲线图。在直边横梁100中的应力由线110表示。应力在支撑体30从最大值呈线性变化到在尖端上的零。锥形横梁中的应力由线112表示，其呈现出较低的最大值。锥形不必是线性的，并且横梁的主要部分可以是无锥度的。

虽然较长横梁减小闭合力，且较厚横梁减小横梁变形的危险，但是其它技术也可被用来修改开关部件32的设计，以改进其制动性能和防止塌陷，其中开关部件接触栅极。

以减少这种接触的风险的一种方式是增加可靠尖端44的长度。这立即意味着开关部件可以经历接触发生之前在图7b中示出的类型的更多的失真。

另外地或替代地，可以采取其它的措施，包括

a)在横梁或衬底上的一个或多个支撑体结构的形成，抑制横梁塌陷，

b)较厚的开关部件32的使用，

c)栅极和开关部件32之间的电介质的提供。

图9示意性地示出了具有一个或多个附加支撑体120的悬臂开关部件32。支撑体120可以被视为缓冲器，并且可以使用被用于形成可靠触点44的相同的处理步骤形成，因此不会产生附加的处理步骤。一个或多个支撑体(缓冲器)120可以以任何方式提供，并且设计者认为间距防范开关部件32到栅极的塌陷是适当的。支撑体120与开关部件32电气接触，因此它不必与栅电极23接触。因此栅电极结构可能需要进行修改，以通过去除邻近的所述或每个附加的支撑体120的栅极部分来防止这样的接触。因此，在图9中间隙122在支撑体120下面的栅极23中被形成。这种间隙可以通过蚀刻进栅极23的孔来形成，如图10中示意性示出的。

另外地或替代地支撑体124可以超出栅极23的边缘被提供。

支撑体可以被提供为销或如图9中所示的柱状结构，但它们不限于这样的形状。例如支撑体可以是细长的并采取所需的壁的形式。

支撑体，当它们接触衬底时，减小开关部件32的不支持的。这显著减少击穿的风险，因为由两个支撑体支撑的横梁的偏转与L4成正比，其中L是支撑体之间的距离。

如前所述，触点高度和横梁的厚度也有显著的影响。此对于具有95μm跨度的悬臂横梁，以及对于具有由金制作的厚度为7、8和9μm的悬臂从200nm到400nm的可靠触点的高度进行了实验性调查。击穿电压范围从大约65V对于具有200nm接触深度的7μm厚的悬臂，到198V对于具有400nm的接触深度的9μm厚的悬臂。这个数据在图11中，与由线140表示的7μm悬臂、由线144表示的8μm厚的悬臂和由线148表示的9μm悬臂一起图形示出。

通过缩短8μm厚的悬臂的跨度到30μm，悬臂塌陷到栅极上的击穿电压，增加到240伏用于200nm的触点44，升高达600V用于400nm的触点44，如图12中由线150表示的。

因此触点高度的修改、横梁厚度修改或缓冲器的使用可单独被或以任何组合来使用来修改击穿电压，尽管选择的方法可能对其它操作的参数有影响。

保护器件不被击穿的另一个方法是掩埋栅极，使得其由薄的电介质覆盖，如图13所示。这样的方法可能会增加关闭开关所需的栅极电压，但它允许将第一开关触点更靠近栅极以减少捕获电荷的影响的可能性，因此具有埋入栅极23的器件可以更适合于预期被关闭很长一段时间的开关。栅极上方的电介质可以被图案化，以在其中形成孔、沟槽等，来部分地暴露栅极，并形成具有保持开关部件远离栅极的支撑体结构。

在图9中示出的开关的进一步的变形中，从栅极23分离的金属开关触点可以被定位在缓冲器120和124的下面，并连接到第一开关电极20，使得悬臂开关部件32的过度弯曲在开关的漏极和源极之间增加了额外的电流通道。可替代地，缓冲器下面的触点可以被用于形成第二开关触点。

另外，或作为替代，提供的用于抑制开关部件32接触栅极23的缓冲器、开关部件的有效宽度、或者其厚度，可被修改使开关构件32相对较刚性。因此，在经过栅极上方的部分中开关部件32可以是相对厚的，或相对宽的，但在其它地方是更薄或更窄的，使得偏转集中到已知区域，例如，在支撑体30和最内缓冲器124之间(见图9)。

影响控制开关的能力的另一个特征是温度。这主要是由热膨胀系数中的不匹配和其产生的合力引起的。

图14示意性地示出了从为了简单起见而假定有X边长在第一温度T0的支撑体30的上表面水平地延伸的悬臂开关部件32。随着温度的升高，支撑体和衬底膨胀。

如果衬底具有膨胀系数A且支撑体具有膨胀系数B，B大于A，那么因为衬底保持并压缩支撑体30的脚，所以支撑体可被假定在其脚与衬底一起膨胀，但是要在支撑体的顶部经受基本正常的膨胀。金的热膨胀的系数大致5倍大于硅的，因此温度的上升会导致支撑体的壁朝向支撑体的顶部偏离，如图15所示，响应于温度的升高。

最初，这可能会导致开关更容易触发闭合。事实上，在250℃左右，现有技术开关变得自然闭合。然而，随着时间的推移可能会导致横梁变得弯曲，这反过来会导致开关阈值电压发生变化。可以预期，悬臂开关部件将不会在使用中暴露于这样的高温。然而，盖50到衬底的粘合，例如通过使用可能要求大约440℃的工艺温度的玻璃粉。因此，在制造过程中热效应可以是这样的，即横梁相对坚固地被强迫到闭合位置和在横梁可以更容易产生的高温。因此，包括特征以防止这种情况发生是有益的。

扩张也发生在垂直于图14和15的页面的平面的方向。此外，由于当它们热循环时的材料退火，应力可以在结构中被捕获。

类似地，温度的降低可能导致开关触点向上偏转。这些扰动是不希望的。

发明人已提供了一些减少在这样的开关的操作点的由于温度引起的变化的结构。

第一种方法涉及发生在支撑体脚的膨胀的量的修改。支撑体的脚，或其周围的材料可以被修改，以更容易地适应膨胀。

金的热膨胀系数是7.9x10^-6/度。硅具有2.8x10^-6的系数。其它金属如铝具有13.1x10^-6的系数且铜具有9.8x10^-6的系数。

不同材料之间的膨胀系数的差别可被用以抵消横梁的位移。

在第一结构中，金属板可以在支撑体的脚附近被提供。如图16所示的大致水平的膨胀变形结构160可以被提供。该结构160可以是铝层或铜层，其目的是随着温度的升高膨胀，以便在支撑体30的脚附近的衬底上施加力，使得脚可以膨胀超过它将被允许的，如果它仅仅由硅保持。铝和铜都比金膨胀的多，而硅不是，相对于脚的基部的结构160的长度、深度和厚度的变化允许支撑体的脚的附近的硅的有效膨胀系数更紧密地与支撑体30中的金的匹配。

在另一种可能性中，膨胀变形结构162被形成，以随着温度的升高向上膨胀，以便采取行动，以逆时针方向旋转支撑体(如图17所示)，使得在支撑体的顶部上的锚定器的壁部分保持基本上垂直于衬底的平面。这些结构可以被组合。

减少部分应力的方法是修改支撑体的形状。凹槽或槽可以在它中被形成，以适应膨胀。

在平面图中，支撑体可以由槽170、172和174被细分成图18中示出的多个支柱30-1到30-4。这允许在支撑体的脚的一些压缩被容纳进槽从而用作修改在支撑体的顶部的形状，以减少由于热膨胀的失真量。

类似地，开关部件34也可以由槽划分成多个单独的手指，从支撑体30延伸。

从支撑体30和它的脚去除材料的方法具有减少用在MEMS开关的制造中的昂贵的金的用量的额外的资金优势。

MEMS开关的实施方案的立体图在图19中被示出。这里，脚部区域34被形成为延伸开关的宽度的单一元件，但是支撑体30形成为由间隙彼此分离的4个直立支柱30-1到30-4。开关部件被分成四个部分32-1到32-4，它们在一端连接至支柱30-1到30-4的各自部分且在第二端通过横向区域200连接在一起。区域携带可靠缓冲器垫，其中的位置被示意性地由方块210指出。

开关部件32的端部220具有大致渐缩区域222和224，其允许该结构的端部通过栅电极23从捕获电荷被屏蔽。

另外地，栅电极23是相对薄的，并被放在端部222的下方及由触点载体70携带的可靠触点(未示出)附近。这意味着，没有静电力在区域32-1到32-4的下面被施加，减少这些区域接触衬底的风险。

典型地，开关部件32约70至110μm长，尽管也可以使用其它长度，并且它可具有可比宽度。

从可靠开关触点44的端部(图1)到第一开关电极20(为了清楚起见在图19中未示出，但在图1中示出)的间隙大约300nm，且触点长度大约200nm到400nm。因此，开关部件32的下面到衬底6的间隙大约是0.6μm。

在制造过程中，牺牲层在将是成品器件中的间隙的区域的衬底的上方被形成。然后开关部件的金属，通常但不一定是金的，在牺牲层上方沉积，且牺牲层被刻蚀掉，以松开开关部件，来形成在图1和图19中所示的悬臂结构。这一过程是本领域技术人员所周知的。

然而，为了提高产率，并具有将关闭的开关，有必要以可靠和经济的方式去除牺牲材料。

开关部件32的区域32-1到32-4之间的槽的形成便于蚀刻剂到达开关构部下面的牺牲层。类似地，在区域222和224以及在某种程度上在触点载体70之间的区域226的锥形，也便于去除牺牲材料。然而，这仍然可以在区域220下面留下大量的区域，其中有显著的距离需要蚀刻剂去通过。为了便于可靠释放，蚀刻孔240在区域220被提供，延伸通过开关部件32的孔，使得蚀刻剂可以更容易地穿透衬底和开关部件32之间的空间，并去除牺牲材料。

更多或更少数目的蚀刻孔可以被提供。蚀刻孔可以在两维图案中被提供。图案可以是规则的，如方形或六边形图案，或者可以是随机的。

在臂32-1到32-4之间槽的长度可以变化，且蚀刻孔可更靠近支撑体30被提供。这可以产生从边缘或约15微米的孔径的蚀刻距离，尽管8到20微米之间的距离是预期的。

开关可以有一个触点、两个触点，如图19所示，或更多触点。多个触点的使用提供了更低的状态电阻。在一些实施方案中，开关具有3、4、5或更多触点。

本文中所描述的各种特征可以被组合使用。这些实施方案可以包括如图18和19中所示的被划分成块和列的支撑体，使用或不使用隆起焊盘或其它附加支撑体，具有或不具有锥形的铰链、倒角或凹口，具有或不具有扩展栅极，以减少过驱动，具有或不具有被定位更接近可靠触点，以减少过驱动应力的栅极，具有或不具有细长的可靠触点以提高击穿性能，具有或不具有邻近支撑体的脚部以减少热应力和开关部件的随之移动的镶嵌件，和使用或不使用开关部件的增强的厚度。

在另外的变形中，牺牲材料可能在脚34的部分或第一开关触点的部分的下面来形成，然后被蚀刻掉，以减少热应力。此类选择在图20中被示意性地示出。

在图20中，锚定器30后面的衬底的部分已被蚀刻掉，例如在与图18的列30-1至30-4对准的沟槽240内，以便减少产生在列30-1到30-4的脚的压力。这允许脚更容易扩大并减小了在支撑体顶部的热诱导倾向。这可以代替或除了在衬底上的埋地金属嵌件160的使用，以迫使衬底扩大，具有效热膨胀系数更紧密地与用于形成支撑体的金属相匹配。

类似地，第一触点20可以被延伸并部分地蚀刻以形成腔242和延伸在空腔上方的悬臂触点。因此，第一触点20可以在来自开关部件32的负载下偏转以减少由开关部件32承受的最大应力。这也允许在空腔242的区域通过空腔的深度增加从衬底到开关部件32的距离，以减少捕获电荷的吸引力。

在另外的实施方案中，悬臂可以在如图21中所示的支撑体的任一侧被延伸。开关部件32的第一部分32-1可以从在第一方向A上的支撑体30延伸开，且开关部件32的第二部分32-2可以从在第三方向-A上的支撑体30延伸开。开关可以被形成具有两个栅极23-1和23-2，其独立地被驱动以允许开关的一侧或另一侧被驱动到关闭位置。如果提供两个源触点，如示出为部件20-1和20-2，那么在制作方式之前的间隙操作的单掷双刀开关被提供。

该源中的一个，例如20-2，可以被闲置或省略以形成开关，在其中，一旦在栅极23-1上的栅极电压已被移除那么便会允许开关打开，栅极23-2被通电来朝向衬底拉动左手侧(见图21)以确保开关打开。

在这样的主动驱动开关中，开关部件横梁需要足够刚性以避免过度弯曲，从而导致过驱动击穿，但是支撑体和/或铰链可被做的薄得多，因为它或它们不需要提供那么多的恢复力。支撑体现在用于保持开关部件远离衬底。减少厚度的支撑体的使用减小了从顶部到底部的膨胀差并因此减小了用于随着温度升高开关间隙关闭的倾向。此外，由于在单极开关中，用于打开开关的左手侧(如图所示)不需要执行，它可以由不同的金属制成，且不必承担使用金的费用。类似的，用减小的支撑体厚度和使用短臂的可能性可以减少金的量。

在目前为止所述的实施方案中，开关部件32提供了在支撑体30和第一开关触点20之间的导电通道。因此，具有可控的和合理的阈值电压的需要已针对具有塌陷到栅电极上的开关部件被平衡。

在另外的变形中，图22中所示的示例，开关部件32可以想象地被划分为导电元件260和复位弹簧262。这里，对于简单的示意图，导电元件260已经被画成被横向地安装在复位弹簧262的自由端上的栅。复位弹簧262被示为从迄今相对于开关部件32的已被描述的支撑体30形成悬臂。然而现在，支撑体30和弹簧262不必通过该器件形成导通通道的部分。反而，第一和第二开关触点被形成在导电元件的相反的终端的下面，以形成开关的源极和漏极。

栅极23可以在源极和漏极之间形成。栅极可以比源极S和漏极D更薄，和/或导电元件可以具有可靠触点(如相对于触点44描述的)，以保持上述导电元件260的中心，并且当开关闭合时与栅极隔开。

弹簧和导电元件的机械特性现在被去耦，并且每个导电元件260和弹簧262可以被指定为它们各自的角色。因此，弹簧可以相对长且相对薄来提供低阈值电压。导电元件260可短且粗以避免变形和接触栅极。

在每个元件中使用的材料不必是相同的，因此，昂贵的金的量可以通过用另一种材料形成弹簧来被减少。此外，由于导电元件可以做得更宽，即在第一方向A上进一步延伸，并且在第二方向B上更厚、更短，从而导电元件260可以由其它材料制成，如可被选择来降低成本的铜或铝，或可被选择用于其耐磨的机械特性的铑。其它材料可以被选择以帮助抵御可能的电弧，此电弧可能发生在开关与非零、或显著非零、漏-源电压一起操作时。

由于弹簧262不再需要导电，所以它不必用金属制成，且支撑体30和复位弹簧262可以由与基底相同的材料制成，即硅。这消除或减少上文讨论的热膨胀问题。弹簧和导电元件可彼此电位隔离。

栅极23不需要如显示的被定位在源极和漏极之间，而是可以被定位在弹簧262的下面。为了建立栅极与弹簧262或导电部件32之间的电位差，支撑体30和弹簧262需要是导电的，但可能有高电阻，且该支撑体需要连接到漏极、源极或局部接地。在栅极位置的这种变化的示例和电气连接在图23中被示出。

导电元件260不必横向于弹簧来形成。它可以是在具有弹簧262的线路内形成的矩形或其它形状的元件。

类似地，导电元件260不必是矩形形状，并且不必由单个细长弹簧支撑。弹簧262可以是弯曲形、螺旋形或锯齿形，或者任何其它合适的形状。

尽管实施方案已经描述了悬臂，使开关部件称为细长的物体，但是利用三维空间的其它设计可更充分地被使用。MEMS开关的非悬臂式实施方案在图24到26中被示出。

在图24中的两个支撑体，指定的30-1和30-2被提供且开关部件32在它们之间延伸。在这种布置中，第一开关触点20被设置在栅电极23之间且与可靠触点44对准。支撑体30-1和30-2可以是漏极或源极，且开关触点20可以是源极或漏极。

在图24中所示的布置可以在如所示的线性方式中形成，或者可以用旋转的对称形成，使得栅极23形成包围触点20的金属环。

图25示出了变形，其中长方形或正方形开关部件32由多个支撑体30-1到30-4和中间臂300-1到300-4支撑。开关部件32被悬在其中间有孔的栅极23上方，在其中第一开关触点20形成。图25绘制以说明栅极23和存在于开关部件23下面的触点20的位置。

图26示出了变形，其中该开关部件基本上是圆形的，且由多个臂300-1到300-4连接到支撑体。尽管在图25和26中四臂已经被示出，但是较少(2或3)或更多臂，或中间支撑体结构的其它形状可以被使用。开关部件32是固体元件，其可以具有根据来自面对衬底的其表面的一个或多个支撑体310及一个或多个开关触点。开关部件32被悬挂在栅极上方，其具有如上文所述的形成在其中的孔来方便地使用支撑体且允许形成第一开关触点(和可能的其它开关触点)。

相对于图21的如前面所讨论的“跷跷板”或跷跷板设计的使用可用于图22和23的设计，其中导电元件260被携带在臂的端部，其可与支撑体动作来提供一些恢复力。期望的是，它提供了足够的恢复力来保持开关部件在已知位置(诸如保持开关打开)，当开关被取消动力。

然而，设计者具有在相对于支撑体的第一和第二栅极23-1和23-2的相对位置上的选择自由，也可以有施加在它们上来关闭和打开开关的电压的选择自由。

在图27中所示的布置，开关部件的第一部分32-1已被选定为长于开关部件的第二部分32-2。这，与锥形等的配合，允许闭合力(和因此所需的电压)和开关部件的产量如上文所述地被控制。类似地，如果图23的设计被用于形成导电元件，那么用于形成第一部分32-1和支撑体30的材料可以被首先选择，由于它们的机械而不是电学性能。

与第二栅极23-2配合的第二部分32-2只需要提供足够的恢复力来确保当到第一栅极的驱动电压被去除时开关正确地打开。因此，第二部分可以比第一部分更短，从而减少了相比于具有第一和第二部分相同的长度的开关占用的空间。

第一和第二栅极可被独立地驱动，例如，通过驱动信号的相反的版本。替代地，单独的驱动信号可被用于提供开关开(关闭)的力和开关关(打开)的力。这样的驱动方案也在图27中被示出。

开关在它的“栅极”终端G接收驱动信号Vdrive。第一栅极23-1通过低阻抗通道连接到“栅极”G。第二栅极23-2通过高阻抗通道连接到栅极G，由电阻器330表示。因此，假设第二栅极23-2将与寄生电容相关联，在图27中用Cp表示，第二栅极上的电压相比于当驱动信号被施加时的在第一栅极23-1上的栅极电压的近乎瞬间的变化，将缓慢地上升。这种电压变化由电阻器330的RC时间常数和电容器Cp决定。因此，第二栅极在开关的初始关闭阶段不施加任何恢复力。当第二栅极23-2开始充电时，它开始施加开启力。设计者需要控制来自第二栅极到来自第一栅极的力的相对大小，以确保该组合的恢复力不打开开关或减小太多接触力。这可以通过将第二栅极23-2靠近修改第二栅极面积的支撑体(如所示的)，或限制第二栅极上的电压来实现。在图27所示的示例中，第二栅极23-2上的电压被控制成第一栅极(在稳态条件下)上的电压的已知一小部分，通过通过第二电阻器332将第二栅极23-2连接到局部接地，使得电阻器形成分压器。

当驱动电压被移除时，第一栅极23-1的电位降低非常快，而在第二栅极的电位衰减的很慢。因此，一会儿，第二栅极比第一栅极具有更高的电压，且该开启力作用来抬起开关触点44远离触点20。

对开关有利的是，不响应于电压瞬态意外地关闭，由于，例如静电放电(ESD)或感应局部的操作。跷跷板设计可以被修改以提供良好的抗扰度给ESD或过电压事件，由于ESD事件可同时影响两个栅极。保护单元340和342可以提供通常高阻抗，当在它们之间的电压达到预定值时。这样的单元340和342是本领域技术人员所周知的，因此不需要在这里被详细地描述。

第一单元340可以被提供以限制响应于过压或ESD事件的在第一栅极23-1上的电压。附加地或替代地，第二保护单元342可以被提供来互连响应于ESD事件的第一和第二栅极，使得通过第一栅极上的ESD事件施加相对较大的恢复力来对抗闭合力。

代替从控制信号中导出第二栅极电压，第二栅极可从单独的栅极控制信号预充电或驱动。电控开启力的使用提供了比仅仅依靠机械开启力更大的灵活性，并且使力在使用或测试过程中被调整或改变，以适应工艺变化。

第一和第二部分32-1和32-2的相对宽度可以变化，如图28所示，以修改打开和关闭力的相对幅度。类似地，栅极尺寸可以被修改。

在另外的变形中，可以被应用到悬臂或跷跷板开关或MEMS元件，直立支撑体30可以用如图29所示的扭转支撑体替换。在图29中，开关部件32中被示为跷跷板设计的一部分，并因此被分成部分32-1和23-2。然而，在这里所讨论的原理也适用于悬臂设计。

支撑体结构现在包括一个或多个，并为简单起见两个，从开关部件32到支撑体352延伸的横向延伸臂350。臂350在每个都有X方向上的宽度、Y方向上的长度和Z方向上的厚度。每个臂都是自然平面的，并趋于抵抗围绕其Y方向的扭转。恢复力随宽度X和厚度Z增加，且随长度Y减小。因此设计者有很大的自由来控制寻求返回横梁32到其静止位置的扭转力。此外，通过在相对于支撑体352的臂350上适当地定位，支撑体顶部和底部之间的热膨胀差可被抵消或削减。因此，如果臂350沿着支撑体352居中设置，那么端部270倾向于不响应于温度变化向上或向下移动。如果臂350朝向支撑体352的边缘372移动，那么多余的温度(如可能在某些制造步骤中被经历的)倾向于引起端部370抬起远离底部衬底。

图27所示的布置适合于与相对于图22和23所描述的单独的接触部分260c一起使用。

因此，可能提供改进的MEMS开关。

尽管单一引用的权利要求书已经被提出用于在美国专利商标局申请，但应当理解的是，权利要求书可以在导致技术上可行的器件的任何组合中被提供。

Claims

1.一种MEMS元件，包括：

衬底；

支撑体；

可移动结构；

控制电极；以及

所述支撑体从所述衬底延伸并保持邻近所述衬底的可移动结构的部分，并且所述可移动结构与所述控制电极重叠，其中，所述可移动结构由边缘限定，并且所述控制电极延伸过所述可移动结构的边缘，

其中所述可移动结构具有在支撑体远侧的端壁，并且控制电极延伸超过端壁，但不在所述可移动结构的触点载体部分的区域内，

其中所述触点载体部分携带触点，并且所述触点载体部分的长度和所述触点的高度中的一个或两个被选择以将来自临近所述控制电极的边缘的捕获电荷的力减少到低于阈值。

2.如权利要求1所述的MEMS元件，还包括第一开关触点，并且所述可移动结构从支撑体的第一方向朝向并超过第一开关触点延伸。

3.如权利要求2所述的MEMS元件，其中垂直于所述第一方向的第二方向上的控制电极的空间范围大于所述第二方向上的可移动结构的空间范围。

4.如权利要求2所述的MEMS元件，其中可靠缓冲器被形成在所述可移动结构上并被布置为不接触控制电极，以及其中可靠缓冲器被形成在与所述控制电极重叠的区域内的可移动结构上，并且孔被形成在所述控制电极的相应部分中。

5.如权利要求1所述的MEMS元件，其中所述触点载体部分和邻近所述触点载体部分的衬底的至少一个具有形成于其中的表面凹槽。

6.如权利要求2所述的MEMS元件，其中所述可移动结构的第二部分从所述支撑体的第三方向延伸，所述第三方向基本上反向于所述第一方向，并且其中所述第二部分与第二控制电极重叠。

7.如权利要求6所述的MEMS元件，其中，在使用中，所述第二控制电极能够被选择性地连接到电压，以吸引所述可移动结构的第二部分，从而促使可移动结构远离与所述第一开关触点的啮合。

8.一种MEMS开关，包括：

衬底；

支撑体；

可移动结构；

控制电极；

所述MEMES开关被布置为使得所述可移动结构由所述衬底上方的支撑体保持并在所述控制电极上方延伸，并且其中所述衬底和所述可移动结构中的至少一个具有形成在其上以保持在使用过程中所述可移动结构与所述控制电极隔开的至少一个结构，

9.如权利要求8所述的MEMS开关，其中可靠缓冲器被形成在所述可移动结构上并被布置为不接触控制电极。

10.如权利要求9所述的MEMS开关，其中所述可靠缓冲器被设置为超出所述控制电极的边缘。

11.如权利要求9所述的MEMS开关，其中可靠缓冲器被形成在与所述控制电极重叠的区域内的可移动结构上，并且孔被形成在所述控制电极的相应部分中。

12.如权利要求8所述的MEMS开关，其中所述至少一个结构包括在所述控制电极和所述可移动结构之间形成的电介质层。