CN107078000B - 坚固的微机电开关 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种微机电系统开关(1)，包括信号输入线(4)，信号输出线(5)，电连接到线路(5)的可变形导电膜(2)，并包括面对线(4)的接触凹部(9)，膜(2)的致动电极(3)，其特征在于，膜(2)具有平面的圆形的形状，在信号输入线(4)的方向上具有径向开口(2a)，其从膜(2)的外周朝向中心变窄，接触凹部(9)形成在膜(2)的中心区域中，致动电极(3)具有与膜(2)相同的形状，并且膜(2)和致动电极(3)之间的间隙仅为气隙，其中膜(2)面向致动电极(3)。

Description

坚固的微机电开关
技术领域
本发明涉及微机电系统(MEMS)领域，特别涉及一种微机电开关。
背景技术
国际专利申请WO2006/023724，WO2006/023809，WO2007/022500和WO2007/022500以及美国专利申请US 2012/031744A1和US2010/181631A1描述了根据现有技术的MEMS开关。
射频微机电系统(RF MEMS)允许对覆盖大范围频率(DC-100GHz)的应用执行切换操作。依据在它们的性能，和关于它们尺寸的低功耗，它们的竞争优势使得它们成为系统制造商非常赞赏的组件。
然而，为了将这些组分并入电子系统中，它们必须提供一些机械和热稳定性。
例如，组件的延长致动不应该产生机械膜的永久变形，这可能导致不可逆的故障。
此外，重复的致动不应该加速接触区域的磨损，并导致性能的降低或导致由于“粘附”接触引起的组件的固定。
最后，在封装或PCB焊接阶段期间经历的高温不应产生永久性改变机械和电气特性的变形。
发明内容
本发明涉及一种坚固的微机电开关，其结构确保了降低的温度灵敏度，并且在确保RF MEMS技术固有的性能的同时，能够以有限的粘附现象进行稳定的电接触。
因此，本发明涉及一种微机电(MEMS)开关，包括：
-一基板，
-一形成在基板上的信号输入线，
-一形成在基板上的信号输出线，
-一可变形导电膜，电连接到信号输出线，所述可变形导电膜通过布置在基板上的锚悬置在平行于所述基板平面的平面中，所述可变形导电膜包括一面向所述信号输入线的接触凹部，使得在可变形导电膜的未变形状态下，接触凹部不与信号输入线接触，在可变形导电膜的变形状态下，所述接触凹部与信号输出线接触，用于从信号输入线传输信号至信号输出线，
-一致动电极，形成在可变形导电膜下面的基底上，所述致动电极用于使所述可变形导电膜变形，以使可变形导电膜的接触凹部与信号输入线之间形成电接触，
其特征在于：
-可变形导电膜具有平坦的圆形形状，锚设置在其周边，以便在可变形导电膜的中心区域集中较低的刚度，并具有一径向开口，径向开口在信号输入线的方向上形成一锐角，使可变形导电膜的周边朝向中心变窄，接触凹部形成在可变形导电膜的中心区域中，使得信号输入线的端部与接触凹部相对，
-致动电极具有与可变形导电膜相同的形状，在基板上包围信号输入线的端部，以及
-可变形导电膜的下表面和致动电极之间的间隙仅为气隙，其中可变形导电膜的下表面面向致动电极。
与接触凹部相对的信号输入线的端部，意味着信号输入线稍微延伸到可变形导电膜的下方，超出接触凹部，使得当可变形导电膜正在变形时，接触凹部可以与信号输入线接触。
具有相同形状或基本上相同形状的致动电极和可变形导电膜，意味着突出到基板的平面中可变形导电膜的形状，与致动电极的突出部分相同或几乎相同，除了基于如下事实的调整，既致动电极不应与锚或信号输入线接触。
形成在可变形导电膜内的尖锐的径向开口，允许面向可变形导电膜的信号输入线的表面具有最小值，以允许减小信号输入线和可变形导电膜之间的电容，从而确保开关的良好隔离。锐角可以在，例如5°至135°之间，优选为50°，但这些值不限于此。可变形导电膜因此具有圆形的形状，其具有尖锐扇区和补充扇区，其中尖锐扇区表示径向开口，补充扇区表示可变形导电膜。
致动电极和可变形导电膜具有基本上相同的形状并且彼此高低排列的事实，允许了产生最大的吸引力。
此外，接触区域“接触凹部/信号输入线”由于径向开口被致动电极包围，这允许产生了高的局部接触力并确保了致动时接触电阻的稳定性。
可变形导电膜的形状及其厚度相对于最大位移限制了其永久变形，并确保更好的热稳定性。
在可变形导电膜的下表面和致动电极之间电介质的缺乏减小了充电现象，便于根据本发明的微机电开关的制造，并且降低了其成本。
由于在根据本发明的开关的可变形导电膜中形成的单个径向开口，围绕信号输入线前面的接触凹部的表面较大，因此由致动电极吸引的表面较大。这种特殊性赋予更高的致动力，并且确保在开关的致动时电接触点更好的稳定性。
根据一个实施例，在径向开口的中轴上形成一锚。
根据一个实施例，两个锚相对于径向开口的中轴对称地形成，并在一圆上，圆具有与可变形导电膜的外接圆相同的中心，在圆上每个锚件和径向开口的中轴之间形成的角度不高于30°，其中圆具有与可变形导电膜的外接圆相同的中心。
根据一个实施例，其它锚相对于该中间轴对称地形成。
这种对准允许集中靠近接触凹部的机械最弱的区域。
根据一个实施例，在可变形导电膜上形成至少一个切口，其在一个圆上的两个完全相对的锚之间，其中圆具有与可变形导电膜的外接圆相同的中心。
一个或多个切口允许例如在封装期间缓冲组件的高温偏转，同时也允许了减小组件的致动电压。
根据一个实施例，在可变形导电膜上形成一个切口，可变形导电膜靠近每个锚，该切口形成在一圆的周边上，其中圆具有与可变形导电膜的外接圆相同的中心，并且优选的，具有小于至少切口的宽度的半径。
一个或多个切口可穿过可变形导电膜的厚度。
根据一个实施例，接触凹部相对于可变形导电膜的最弱机械部分略微偏心(即，距可变形导电膜的中心低于可变形导电膜的半径的30％的距离)。接触凹部的稍微偏心的位置限制了粘附现象。
根据一个实施例，通孔形成在一圆上，圆具有与可变形导电膜的外接圆相同的中心。
一个或多个通孔穿过可变形导电膜的厚度，并且在制造步骤期间增强了释放过程，而不改变组件的电气和机械性能。
根据一个实施例，在可变形导电膜的下表面上形成一个或多个止动件，每个止动件面对一个与致动电极电隔离的金属岛。
止动件允许了限制可变形导电膜的变形，并且确保了可变形导电膜与致动电极之间的电隔离，这确保了组件的更高的耐久性，并且还防止了可变形导电膜在致动电极上的粘附。
根据一个实施例，接触凹部，以及在恰当时候，止动件由属于铂系元素或其氧化物的金属，或两者形成。
使用属于铂系元素的金属允许提供接触凹部，并且在适当时提供具有高硬度的止动件，其能够承受由于开关闭合引起的机械冲击。此外，它们确保了本发明的微机电开关更好的温度稳定性，例如当高电流通入接触凹部时。
根据一个实施例，可变形导电膜是多层连接电介质层和金属层。
根据一个实施例，可变形导电膜由金制成，或者是金属合金制成，或由一组包含至少一个导体的层制成。
根据一个实施例，致动电极由金或任何其它导体或半导体材料制成。
附图说明
为了更好地说明本发明的目的，下面将参照附图说明和非限制性的目的，描述特定实施例。
在这些附图中：
图1是根据本发明的特定实施例的微机电开关的顶视图，其中以虚线示出了致动电极；
图2是类似于图1的视图，其中布置在可变形导电膜下面的元件以虚线示出；
图3是图1的开关沿着线A-A'的横截面图，并处于打开位置；
图4是图1的开关沿着线A-A'的横截面图，并处于致动位置；
图5是在不同温度下图1的开关的膜的偏转的模拟图，其沿着轴线y显示了详细视图，模拟的膜由金制成；
图6是根据循环次数，图1的开关的接触电阻的变化的测量值，一个循环被定义为开关的连续的一个致动动作(通过状态或不可用状态)和一个打开动作(隔离状态或可用状态)，开关以4kHz的频率循环；以及
图7是根据循环次数，在4kHz的频率下图1的开关的致动电压的变化的测量值。
具体实施方式
如果参考图1至图4，可以注意到，其示出了根据本发明的微机电(MEMS)开关1。
微机电开关1形成在基板S上，主要包括可变形导电膜2，致动电极3，信号输入线4和信号输出线5。
信号输入线4，信号输出线5和致动电极形成在基板S上。
可变形导电膜2是平面的，通常为圆形的，在信号输入线4的方向上具有径向开口2a，使可变形导电膜2的周边朝向中心变窄。可变形导电膜2通过锚6悬挂在分布在其周边的致动电极3上，以便将可变形导电膜2的最低刚性区域集中在接触凹部处，其中信号输入线4(会在下文描述)设置在距离径向开口的顶部低于可变形导电膜2的半径的30％的位置处。
锚6中的一个沿着信号输入线4的方向布置，并且其允许了在可变形导电膜2和信号输出线5之间提供电连接。
其它的锚6成对分布，并关于可变形导电膜2的外接圆的中心相对。可以注意到，尽管所示的实施例包括五个锚6，但本发明在这方面不限于本发明的范围。
根据优选的实施例，锚的数量是奇数，因此锚6中的一个沿着信号输入线4的方向布置在径向开口2a的中轴上。
每个锚6由垂直于可变形导电膜2的表面延伸的栓条构成，并朝向基板S，所述栓条沿着两个凸片6a延伸，包围与基板S成一体的块6b，两个凸片6a悬挂在与可变形导电膜2相同的平面，以确保当温度升高时应力的最佳分布。
切口7形成在可变形导电膜2上，位于每个锚6的前方，切口7与一个圆对准，其中圆具有与可变形导电膜2的外接圆相同的中心。
最后，孔8形成在一较小的圆上，其中圆具有与可变形导电膜2的外接圆相同的中心。这些孔在本发明的范围内是可选的。
如果更具体地参考图2，可以注意到，可变形导电膜2的面向致动电极3的下表面，承载了靠近径向开口2a的顶部的接触凹部9，通过致动电极3导致可变形导电膜2的变形，以与信号输入线4的端部接触。
止动件10，基本上形成在与孔8和切口7相同的圆上，形成在可变形导电膜2的下表面上，其功能将在下面更详细地描述。
致动电极3具有与可变形导电膜2基本相同的形状，并且包围信号输入线4的端部。
如果参考图2，可以注意到，与致动电极的其余部分电隔离的岛3a，形成为与止动件10相对。
止动件10和岛3a的功能在于，在由致动电极吸引的可变形导电膜2的变形期间，允许通过在岛3a上的止动件10的接触来限制可变形导电膜2的变形。虽然岛3a和止动件10的存在是优选的，但是由于它限制了可变形导电膜2的变形并允许了其电隔离，所以不包括它们的开关也在本发明的范围内，在这方面也不限于此。
可变形导电膜2和致动电极3的基本上相同的形状，允许了确保相同且均匀的变形，以确保产生高静电力。
根据本发明，微机电开关1的整体形状，其中微机电开关是圆的，并具有在信号输入线4上的开口2a，允许了确保由于锚的位置和膜的形状而定位在圆的中心的高接触力，从而确保与信号输入线4的端部的电稳定接触。
开口2a还允许了限制可变形导电膜2的表面，其中可变形导电膜2面向信号输入线4，从而减小其间的电耦合。
图3和图4分别示出了根据本发明的微机电开关1的两个开和关的位置。
在图3中，可以看出，提供了可变形导电膜2和致动电极3之间的气隙。微机电开关1打开，并且信号不在信号输入线4和信号输出线5之间通过。
在图4中，可以注意到，接触凹部9与信号输入线4的端部接触，止动件10与岛3a接触。微机电开关1闭合，信号在信号输入线4和信号输出线5之间通过。
在图5中，可以注意到，当经受高温应力(500℃)时，根据本发明的膜的偏转较低(<0.15μm)。
在图6中，可以注意到，在超过10亿次致动期间，由于本发明产生的高局部接触力而导致的接触电阻的稳定性。
在图7中，可以注意到，本发明允许的由于均匀变形和气隙导致的致动电压的稳定性。
有利地，基板是硅。
有利地，致动电极由金制成，但也可由任何其它导体或半导体材料制成。
有利地，可变形导电膜2由金制成，但也可以是金属合金，或是包括至少一个导体一组层。
接触凹部9和止动件10与可变形导电膜2一体地形成。有利地，它们可以被较硬的材料覆盖以增加它们的电阻。
作为非限制性示例，根据本发明的开关包含在一圆中，其中圆具有140μm的半径。
在一个实施例中，开关的厚度为7μm，其降压为55V，其回复力为1.8mN，其接触力在70V时为2～4mN。

Claims (13)

1.一种微机电(MEMS)开关(1)，包括：
-一基板(S)，
-一形成在所述基板(S)上的信号输入线(4)，
-一形成在所述基板(S)上的信号输出线(5)
-一可变形导电膜(2)，电连接到所述信号输出线(5)上，所述可变形导电膜(2)通过布置在所述基板(S)上的锚(6)悬置在一平面中，其中平面平行于所述基板(S)的平面，所述可变形导电膜(2)包括一面对信号输入线(4)的接触凹部(9)，使得在可变形导电膜(2)的未变形状态下，接触凹部(9)不与信号输入线(4)接触，并且在可变形导电膜(2)的变形状态下，所述接触凹部(9)与信号输入线(4)接触，以用于从信号输入线(4)传送信号到信号输出线(5)，
-一致动电极(3)，形成在所述可变形导电膜(2)下方的所述基板(S)上，所述致动电极(3)用于使所述可变形导电膜(2)变形，以在所述可变形导电膜(2)的接触凹部(9)和信号输入线(4)之间产生电接触，
其特征在于：
-所述可变形导电膜(2)具有平面的圆形的形状，所述锚(6)布置在其周边，以便在可变形导电膜(2)的中心区域中集中一较低的刚度，所述可变形导电膜(2)并且具有径向开口(2a)，其在信号输入线(4)的方向上形成一锐角，使可变形导电膜(2)的周边朝向中心变窄，接触凹部(9)形成在可变形导电膜的中心区域(2)，使得信号输入线(4)的端部与接触凹部(9)相对，
-所述致动电极(3)具有与所述可变形导电膜(2)相同的形状，并围绕在所述信号输入线(4)的所述基板(S)上，以及
-可变形导电膜(2)的下表面和致动电极(3)之间的间隙仅为一气隙，其中可变形导电膜的下表面面对致动电极。
2.根据权利要求1所述的微机电开关(1)，其特征在于，在径向开口(2a)的中轴上形成有一锚(6)。
3.根据权利要求1所述的微机电开关(1)，其特征在于，在与所述可变形导电膜(2)的外接圆具有相同中心的圆上，两个锚关于所述径向开口(2a)的中轴对称地形成，在与所述可变形导电膜(2)的外接圆具有相同中心的圆上，形成在每个锚和径向开口(2a)的中轴之间的角度不高于30°。
4.根据权利要求1或2所述的微机电开关(1)，其特征在于，其它的锚(6)关于所述径向开口(2a)的中轴对称地形成。
5.根据权利要求1所述的微机电开关(1)，其特征在于，至少一个切口(7)，形成在可变形导电膜(2)上的一圆上的两个完全相对的锚(6)之间，其中圆具有与可变形导电膜(2)的外接圆相同的中心。
6.根据权利要求1所述的微机电开关(1)，其特征在于，一切口(7)，形成在所述可变形导电膜(2)上，并靠近每个锚(6)，所述切口(7)形成一圆的外周上，其中圆的中心与可变形导电膜(2)的外接圆的中心相同。
7.根据权利要求6所述的微机电开关(1)，其特征在于，所述切口(7)穿过所述可变形导电膜(2)的厚度。
8.根据权利要求1所述的微机电开关(1)，其特征在于，通孔(8)形成在一圆上，其中圆具有与所述可变形导电膜(2)的外接圆相同的中心。
9.根据权利要求1所述的微机电开关(1)，其特征在于，一个或多个止动件(10)，形成在所述可变形导电膜(2)的下表面上，每个止动件(10)面向金属岛(3a)，金属岛与致动电极(3)电隔离。
10.根据权利要求1所述的微机电开关(1)，其特征在于，所述接触凹部(9)由属于铂系元素的金属制成，或由属于其氧化物的金属制成，或由属于两者结合的金属制成。
11.根据权利要求1所述的微机电开关(1)，其特征在于，所述可变形导电膜(2)由金制成，或者是金属合金，或是包含至少一个导体的一组层。
12.根据权利要求1所述的微机电开关(1)，其特征在于，所述致动电极(3)由金或任何其它导体或半导体材料制成。
13.根据权利要求9所述的微机电开关(1)，其特征在于，所述止动件(10)由属于铂系元素的金属制成，或由属于其氧化物的金属制成，或由属于两者结合的金属制成。
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