CN105679607A - 微电子机械系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微电子机械系统(MEMS)，更具体地，涉及使用磁性致动的MEMS开关。该MEMS开关可以在没有内部功耗的情况下致动。该开关以集成固态MEMS技术来形成。MEMS开关是微米级和/或纳米级，非常可靠和精确。MEMS开关可以被设计成各种架构，例如悬臂架构和扭转架构。扭转架构比悬臂架构更加高效。

Description

微电子机械系统

本申请是申请日为2010年01月05日、申请号为201010002305.8、发明名称为“微电子机械系统”的中国发明专利申请的分案申请。

相关申请

本申请要求于2009年1月5日提交的美国临时专利申请No.61/142,572的优先权，出于各种目的而将其通过参考引入于此，如同在此进行了完整阐述。

技术领域

本发明涉及微电子机械系统(MEMS)，更具体地，涉及使用磁性致动的MEMS开关。

背景技术

一些相关技术的电子开关是通过例如干簧继电器之类的电子电路来控制的。干簧继电器是一种电子开关并且是一种在很多应用中广泛使用的常见电子部件。通常，干簧继电器包括具有两个金属触点的玻璃封装。金属触点可以利用磁场来致动。相关技术的干簧继电器对于很多应用而言非常大型、脆弱而且不可靠。一些其他相关技术的电子开关基于磁效应，例如霍尔效应或巨磁阻效应(GMR)。此类电子开关是干簧继电器开关的较好替代品，但是他们具有功耗方面的缺陷。亦即，当越来越多的电子电路应用是通过电池来操作的时候，具有功耗的集成开关的益处是有问题的。

发明内容

因此，本发明针对一种微电子机械系统，其基本上消除了由于相关技术的局限和缺点所导致的一个或多个问题。

本发明的有益效果是提供一种以集成固态MEMS技术来形成的MEMS开关。

本发明的另一有益效果在于提供一种以微米级或纳米级来形成操作非常可靠和精确的MEMS开关。

本发明的又一有益效果在于提供一种具有悬臂架构的MEMS开关。

本发明的再一有益效果在于提供一种具有扭转架构的MEMS开关。

本发明的附加特征和有益效果将在随后的说明书中描述，并且一些部分根据描述变得很明显，或者可以通过本发明的实践而获知。本发明的目的和其他有益效果将通过在说明书和其权利要求书以及所附附图中具体指出的结构来实现和获得。

为了实现这些和其他有益效果并且根据本发明的目的，如所实施和大体上描述的那样，本发明的一个实施方式针对一种包括衬底的MEMS开关。在该衬底上形成输入和输出触点。可移动结构支撑在该衬底的至少一部分上。该可移动结构包括邻近端部、中间部分和末梢端部。可移动结构支撑在输出触点的至少一部分上并且与输入触点电接触。MEMS开关能够在施加外部磁场的时候进行致动。

在本发明的另一个实施方式中，MEMS开关形成在衬底上。该开关包括衬底上的输入电极和输出电极。在输入电极上形成一种用于对该衬底的至少一部分上的可移动结构进行支撑的结构。该可移动结构包括邻近端部、中间部分和末梢端部。该可移动结构耦接到该可移动结构的中间部分，并且能够在施加外部磁场的时候进行致动。

在本发明的又一实施方式中，MEMS开关形成在衬底上。MEMS开关包括衬底上的绝缘层以及该绝缘层上的输入电极。此外，开关包括衬底上的输出电极以及电耦接到输入电极的可移动支撑结构。该可移动支撑结构包括支撑结构和多个薄的透磁坡莫合金条带，并且配置用于通过外部磁场从第一位置移动到第二位置以激活MEMS开关。

需要理解的是，前述的一般性描述和随后的详细描述是示例性和解释性的，并且旨在于提供所要求保护的本发明的进一步解释。

附图说明

被包括进来以提供对本发明进一步理解并且结合进来并构成说明书一部分的附图随同说明书一起示出了本发明的实施方式，以解释本发明的原理。

在附图中：

图1图示了根据本发明一个实施方式的MEMS开关的侧视图；

图2A图示了根据本发明另一实施方式的MEMS开关的侧视图；

图2B图示了图2A的MEMS开关的顶视图；

图2C图示了图2A-图2B的MEMS开关的侧视图及其操作；

图3A图示了根据本发明另一实施方式的MEMS开关的顶视图；

图3B图示了图3A中的MEMS开关沿A-A’线的截面图；

图4A图示了根据本发明另一实施方式的MEMS开关的顶视图；以及

图4B图示了图4A中的MEMS开关沿B-B’线的截面图。

具体实施方式

本发明涉及一种微电子机械系统，更具体地，涉及一种使用磁性致动的MEMS开关。该MEMS开关可以在没有内部功耗的情况下进行致动。亦即，开关可以通过外部磁场来进行致动。该开关以集成固态MEMS技术来形成。MEMS开关以微米级或纳米级来形成并且非常可靠和精确。MEMS开关可以被设计成各种架构，例如悬臂架构和扭转架构。扭转架构比悬臂架构更加高效。

在一个实施方式中，MEMS开关形成在衬底上。该衬底可以是绝缘体上硅(SOI)衬底，玻璃衬底，硅(Si)衬底，塑料衬底等等。也可以使用其他衬底。

该衬底可以包括绝缘材料。该绝缘材料可以形成为薄的绝缘体层。该绝缘材料可以是电介质材料，例如SiO₂，SiN等等。输入触点和输出触点形成在衬底上。该输入触点提供到MEMS开关的输入，并且输出触点提供到MEMS开关的输出。可移动结构被支撑在该衬底的至少一部分上。可移动结构的支撑位置取决于MEMS开关是悬臂架构还是扭转架构。该可移动结构包括邻近端部、中间部分和末梢端部。该可移动结构通过邻近端部或中间部分的至少一个来支撑。邻近端部支撑用于悬臂架构中，而中间部分用于扭转架构中。可选地，可以在可移动架构的末梢端部上形成电接触。

可移动结构能够在施加外部磁场的时候进行致动。亦即，该可移动结构进行移动以通过该可移动结构的至少一部分在输入触点和输出触点之间提供电连接。输入触点和输出触点可以始终进行切换，从而输入成为输出，并且反之亦然。显然，这在本领域技术人员的认知范围之内。该可移动结构可以配置为多种不同的几何形状配置。例如，该可移动结构可以配置成束状体并且通过支撑结构来形成。

在优选实施方式中，该可移动结构形成在支撑结构上。该支撑结构由导电和/或磁性材料形成。导电材料可以是合金或纯金属，例如金、铜等等。可移动结构可以形成在支撑结构上并且包括多个薄膜磁性材料。该薄膜磁性材料包括诸如合金之类的磁性材料。在优选实施方式中，该合金包括NiFe、CoNi等等。薄膜可以利用本领域公知的沉积技术来形成，诸如化学沉积工艺、物理沉积工艺等等。在优选实施方式中，薄膜利用电镀工艺来沉积。

薄膜磁性材料可以沉积到另一结构顶部上的互连条带中，或者可以独立地形成其自己的结构。将薄膜设置于窄长条带中最小化了退磁效应。该条带可以形成为具有范围从大约1微米到大约1000微米的宽度、范围从约10微米到大约1000微米的长度，以及范围从大约0.1微米到大约100微米的高度。长度/宽度，长度/高度以及宽度/高度的纵横比大于1。在优选实施方式中，纵横比不小于5。

开关的致动是通过将MEMS开关放置于磁场中来实现的。该致动的实现可以无需向MEMS开关施加电能。MEMS开关可以用于向其他电连接的电路或耦接到MEMS开关的设备传送信息。

磁场可以是无源的、有源的或者无源和有源的组合。有源磁场通过线圈来生成，例如共面螺线圈、多层弯曲磁芯等等。无源磁场通过永磁体来生成，例如钕铁硼(NdFeB)磁体、钐钴(SmCo)磁体等等。

现在详细地参考本发明的实施方式，其例子在附图中示出。

图1图示了根据本发明一个实施方式的MEMS开关的侧视图。

参考图1，MEMS开关总体表示为参考数字100。MEMS开关100形成在衬底102上，例如形成在硅、玻璃等上。开关的输入触点104形成在衬底102上。输出触点106形成在衬底102上。输入触点和输出触点利用导电材料或导电材料的合金(例如金或者金合金)来形成。输入触点和输出触点电连接到在所述衬底上形成的其他电路(未示出)和设备(未示出)。

可移动结构110耦接到曲部108。该曲部108电耦接到输入触点104并被设计为允许可移动结构在施加外力的时候从第一位置(A)移动到第二位置(B)。第一位置(A)是开关的打开位置，第二位置(B)是开关的闭合位置。曲部108允许该结构在施加外力之后回到第一位置(A)。

在该实施方式中，可移动结构110包括磁性材料，例如NiFe、CoNi等等。可选地，该可移动结构110包括形成在可移动结构110上用于平衡应力的附加材料112。而且，可选地，电触点114可以形成在衬底结构110上。

在操作时，外部磁场116被施加到MEMS开关100。可移动结构110从第一位置(A)(打开)移动到第二位置(B)(闭合)，允许结构110的至少一部分与输出106接触，从而允许电流从输入触点104传递到输出触点106。当不存在磁场116的时候，该结构回到第一位置(A)。外部磁场可以是无源的、有源的或者是它们的组合。

图2A图示了根据本发明另一实施方式的MEMS开关的侧视图。图2B图示了图2A的MEMS开关的顶视图。

参考图2A-图2B，MEMS开关总体表示为参考数字200.MEMS开关200形成在衬底202上。在该实施方式中，衬底包括硅。绝缘层204，例如SiO₂、SiN等等，形成在衬底202上。输入触点206和输出触点208形成在绝缘层204上。输入和输出触点由导电材料形成，例如金或者金合金。具有预定几何结构(例如柱体)的支撑构件210形成在输入触点206上。可移动结构212形成在支撑构件210上。在该实施方式中，可移动结构212包括支撑结构214和形成在该支撑结构上的磁性材料216。

在该实施方式中，可移动结构212包括悬臂架构，其在支撑结构214上具有两个或更多束状体218。该支撑结构214由金形成，厚度范围从大约0.1微米到大约5微米。磁性材料216由NiFe薄膜条带形成。该条带被形成为具有大约0.1微米到大约100微米的高度。将磁性材料图形化为窄长条带，以降低沿着长轴方向的退磁场。亦即，施加外部磁场导致在磁性条带的表面上生成磁荷。该磁荷形成与在条带中施加的外部磁场相反的磁场。该相反的场称为退磁场，并且内部磁场等于外部磁场减去退磁场。退磁场在条带的最小尺寸处最强，而在条带的最大尺寸处最弱。原因是由于磁极的分离：这些表面磁荷之间的距离越大，相互作用越小，并且退磁场越弱。因此，当条带的纵横比很大时(即L>w>>h)，则磁化主要排列在L的方向上。小得多的磁化分量也存在于沿w和h的方向上，但由于在这些方向上有很大的退磁场因而可以忽略。可选地，可以在平板上形成附加层(未示出)，例如金层，以降低由热引起的弯曲。

参考图2C，在没有施加外部磁场的情况下，开关的触点像图2A所示那样打开。当通过磁源222施加外部磁场220时，可移动结构212通过磁性材料216的相互作用所产生的磁扭矩来移动，这使得支撑结构214的至少一部分与输出触点208接触，从而允许电流从输入触点206传递到输出触点208。当不存在磁场的时候，该结构返回到打开位置。

图3A图示了根据本发明另一实施方式的MEMS开关的顶视图。图3B图示了图3A的MEMS开关沿着A-A’线的横截面视图。

参考图3A-图3B，MEMS开关总体表示为参考数字300。MEMS开关300形成在衬底302例如硅(Si)上。绝缘层304形成在衬底302上。绝缘层302可以是电介质层，例如SiO₂，SiN等等。粘合层306、308。输入触点310和输出触点311形成在粘合层306、308上。

具有预定几何形状(例如柱状几何形状)的支撑结构312形成在输出触点308上。可移动结构314形成在支撑结构312上。可移动结构314可以形成为多种不同的几何形状配置，以允许束状体弯曲和/或最小化退磁效应。在该实施方式中，可移动结构314形成为NiFe薄膜条带的束状体配置。

更具体地，支撑结构314具有两个间隔开并且附接到支撑结构312的束状体314a、314b。这些束状体314a、314b具有范围从大约10微米到大约300微米的长度(Lb)、范围从大约1微米到大约100微米的宽度(Wb)。这些束状体314a、314b为可移动结构314提供硬度。该可移动结构314具有主体部分314c，其具有范围从大约100微米到大约5000微米或更长的长度(Lm)。优选地，长度(Lm)大约为300微米至1000微米。可移动结构314的主体部分314c形成多个条带，每个条带具有范围从大约10微米到大约500微米的宽度(Ws)，以及范围从大约1微米到大约50微米的空白间隔(Ss)。条带与各种连接器316相连接，如图3B所示。触点318形成在可移动结构314的端部。该触点由导电材料形成，例如金。

图4A图示了根据本发明另一实施方式的MEMS开关的顶视图。图4B图示了图4A的MEMS开关沿着B-B’线的横截面视图。

参考图4A-图4B，MEMS开关总体表示为参考数字400。MEMS开关400形成在Si衬底402上。绝缘层404形成在衬底402上。绝缘层404可以是电介质层，例如S_iO₂、SiN等等。包括钛、铬等的粘合层406形成在绝缘层404的至少一部分上。输入触点408形成在衬底402上。在该实施方式中，具有两个输入触点408；这些触点由金制成。这些输入触点厚度大约为

在该实施方式中，MEMS开关400配置为具有扭转架构。第一结构410和第二结构412形成为与输入触点相接触。可移动结构414在该可移动结构414的中间部分中耦接到第一结构410和第二结构412。在该实施方式中，可移动结构414耦接到第一扭转条416和第二扭转条418。扭转条416、418具有范围从大约1微米到大约100微米的宽度(Wt)以及范围从大约10微米到大约500微米的长度(Lt)。该可移动结构414具有预定几何形状，其中通过多个互连的薄的磁性薄膜条带形成多个开口420。

磁性条带422现在被描述为两个不同部分：第一部分422a通往扭转条416、418，而第二部分为从扭转条416、418朝向磁性条带422的相反端部。第一部分422a具有范围从大约50微米到大约1000微米的长度(L1)以及范围从大约10微米到大约500微米的宽度(W_b1)。第二部分422b具有范围从大约50微米到大约1000微米的长度(L2)以及范围从大约10微米到大约500微米的宽度(W_b2)。该第一和第二部分具有范围从大约1微米到大约100微米的统一厚度。磁性条带422之间的间隔的范围可以从大约1微米到大约50微米。有多个磁性条带422。该磁性条带由NiFe、CoFe等等来形成。可选地，附加层，例如导电层或磁性层，可以沉积在条带422的顶部以平衡应力。

在操作时，可移动结构414使用扭转条416、418，以在施加外部磁场(未示出)的时候旋转该可移动结构。该实施方式与悬臂架构相比对外部磁场具有更高的灵敏度。相比于具有相同长度磁性条带的悬臂架构，扭转架构由于其较大的旋转角度而可以实现更高的灵敏度。

对于本领域技术人员清楚的是，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可以对本发明进行各种修改和变形。因此，如果本发明的修改和变形在所附权利要求书及其等同物的范围内，则本发明涵盖这些修改和变形。

Claims (17)

1.一种微电子机械系统(MEMS)开关，包括：

衬底；

所述衬底上的输入触点；

所述衬底上的输出触点；以及

可移动结构，其被支撑在所述衬底的至少一部分上，其中所述可移动结构包括邻近端部、中间部分和末梢端部，所述可移动结构被支撑在所述输入触点的至少一部分上，并且所述可移动结构耦接到第一扭转条和第二扭转条，并且其中所述开关能够在施加外部磁场的时候进行致动，

其中所述磁性材料包括薄膜条带，所述薄膜条带包括：通往所述第一扭转条和所述第二扭转条的第一部分以及从所述第一扭转条和所述第二扭转条朝向所述薄膜条带的相反端部的第二部分。

2.根据权利要求1所述的MEMS开关，其中所述可移动结构包括从包括Fe、NiFe合金和CoFe合金的组中选择的磁性材料。

3.根据权利要求1所述的MEMS开关，其中所述衬底是绝缘衬底。

4.根据权利要求1所述的MEMS开关，其中所述输入触点和输出触点中的至少一个包括从包括金、钯、铑、钌以及它们的组合的组中选择的导电材料。

5.根据权利要求1所述的MEMS开关，进一步包括支撑结构，其中，所述可移动结构处于所述支撑结构的至少一部分上。

6.根据权利要求1所述的MEMS开关，其中所述MEMS开关电连接到所述衬底上的电路设备。

7.一种微电子机械系统(MEMS)开关，包括：

衬底；

所述衬底上的输入电极；

所述衬底上的输出电极；

所述衬底上的输出触点；

所述输入电极上的结构；以及

所述输入电极上的可移动结构，其中所述可移动结构包括邻近端部、中间部分和末梢端部，所述可移动结构通过耦接到所述可移动结构的中间部分的第一扭转条和第二扭转条而被支撑在所述输出触点的至少一部分上，

其中所述可移动结构包括磁性材料，所述磁性材料包括薄膜条带，所述薄膜条带包括：通往所述第一扭转条和所述第二扭转条的第一部分以及从所述第一扭转条和所述第二扭转条朝向所述薄膜条带的相反端部的第二部分，并且

其中所述MEMS开关能够在施加外部磁场的时候进行致动。

8.根据权利要求7所述的MEMS开关，进一步包括所述衬底上的绝缘膜。

9.根据权利要求7所述的MEMS开关，其中所述磁性材料包括Fe、NiFe合金、CoFe合金。

10.根据权利要求7所述的MEMS开关，其中所述输入电极和输出电极包括从包括金、钯、铑、钌以及它们的组合的组中选择的导电材料。

11.根据权利要求7所述的MEMS开关，其中所述可移动支撑结构包括多个薄膜条带，设置为在所述薄膜条带之间具有范围从大约1微米到大约50微米的间隔。

12.根据权利要求7所述的MEMS开关，其中所述可移动支撑结构电连接到所述衬底上的电路设备。

13.根据权利要求7所述的MEMS开关，其中所述衬底选自包括硅、玻璃、玻璃基硅和塑料的组中。

14.一种微电子机械系统(MESM)开关，包括：

衬底；

所述衬底上的绝缘层；

所述衬底上的输入电极；

所述衬底上的输出电极；以及

电耦接到所述输入电极的可移动支撑结构，其中所述可移动支撑结构耦接到第一扭转条和第二扭转条，并且所述可移动支撑结构包括支撑结构以及所述支撑结构上的多个薄膜磁性条带，所述薄膜磁性条带包括：通往所述第一扭转条和所述第二扭转条的第一部分以及从所述第一扭转条和所述第二扭转条朝向所述薄膜磁性条带的相反端部的第二部分，以及

其中，所述可移动支撑结构能够在施加有外部磁场的时候从第一位置移动到第二位置，以激活所述MEMS开关。

15.根据权利要求14所述的MEMS开关，其中所述薄膜磁性条带之间的间隔在大约11微米到大约50微米。

16.根据权利要求14所述的MEMS开关，其中所述薄膜磁性条带的高度大约在1微米到100微米。

17.根据权利要求14所述的MEMS开关，进一步包括所述可移动支撑结构上的材料。