CN107430962A - 用于减少热变形的机电系统基板附件 - Google Patents

用于减少热变形的机电系统基板附件 Download PDF

Info

Publication number
CN107430962A
CN107430962A CN201680013454.XA CN201680013454A CN107430962A CN 107430962 A CN107430962 A CN 107430962A CN 201680013454 A CN201680013454 A CN 201680013454A CN 107430962 A CN107430962 A CN 107430962A
Authority
CN
China
Prior art keywords
substrate
anchoring structure
cantilever
switch
grappling
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201680013454.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN107430962B (zh
Inventor
M.F.艾米
Y.林
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
General Electric Co
Original Assignee
General Electric Co
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by General Electric Co filed Critical General Electric Co
Publication of CN107430962A publication Critical patent/CN107430962A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN107430962B publication Critical patent/CN107430962B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H59/00—Electrostatic relays; Electro-adhesion relays
    • H01H59/0009—Electrostatic relays; Electro-adhesion relays making use of micromechanics
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
    • B81B3/0035—Constitution or structural means for controlling the movement of the flexible or deformable elements
    • B81B3/0059—Constitution or structural means for controlling the movement not provided for in groups B81B3/0037 - B81B3/0056
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
    • B81B3/0064—Constitution or structural means for improving or controlling the physical properties of a device
    • B81B3/0067—Mechanical properties
    • B81B3/0072—For controlling internal stress or strain in moving or flexible elements, e.g. stress compensating layers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2203/00—Basic microelectromechanical structures
    • B81B2203/03—Static structures
    • B81B2203/0307—Anchors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2203/00—Basic microelectromechanical structures
    • B81B2203/05—Type of movement
    • B81B2203/053—Translation according to an axis perpendicular to the substrate
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H1/00—Contacts
    • H01H1/0036—Switches making use of microelectromechanical systems [MEMS]
    • H01H2001/0084—Switches making use of microelectromechanical systems [MEMS] with perpendicular movement of the movable contact relative to the substrate

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Micromachines (AREA)
  • Non-Reversible Transmitting Devices (AREA)

Abstract

本发明涉及一种MEMS开关，其包括基板和形成在基板上的开关结构，其中开关结构进一步包括形成在基板上的导电触点、联接至基板的自补偿锚定结构以及包括第一端部和第二端部的梁，该梁在第一端部处与自补偿锚定结构形成一体并且从所述自补偿锚定结构垂直地向外延伸以及悬挂在所述基板上，使得所述第二端部包括定位在所述导电触点以上的悬臂部分。梁的悬臂部分在基板与开关结构之间的应变不匹配的时间段期间经历变形，以便相对于基板具有起跳角度，并且自补偿锚定结构与悬臂部分垂直地引导应变不匹配的一部分，以便使锚定器弯曲并且补偿悬臂部分的起跳角度。

Description

用于减少热变形的机电系统基板附件
背景技术
本发明的实施例大致涉及微机电系统(MEMS)开关，更具体地涉及具有锚定设计的MEMS开关，锚定设计减小MEMS开关与MEMS开关安装于其上的基板之间的任何应变不匹配的影响。
MEMS是在其最一般形式下可被限定为利用微制造技术制成的小型化机械和机电元件(即装置和结构)的技术。MEMS装置的关键外形尺寸可以从维谱的下端上的远低于一个微米变化，一直到数个毫米。同样地，MEMS装置的类型可以从不具有运动元件的相对简单结构变化至在集成微电子技术控制下具有多个运动元件的极度复杂机电系统，例如，其中MEMS通常作用为继电器(以下称之为“MEMS开关”)。
关于MEMS开关，MEMS开关的一个主要标准是存在具有某种机械功能的至少一些元件，而不管这些元件能否运动。因此，MEMS开关一般包括比如为悬臂的活动部分，活动部分具有锚定至基板的第一端部(即“锚定器”)和具有悬臂触点的第二自由端部。当MEMS开关被触发时，悬臂使悬臂触点对着基板上的在悬臂触点以下的基板触点运动。
通常由于包括MEMS开关的金属与半导体基板之间的热膨胀系数(CTE)的显著差异而出现MEMS开关的不希望的变形的问题，其中意识到基板包括比如为例如处理晶片、绝缘体层、装置层、金属介电叠层和钝化层的众多层/材料。构成MEMS开关的金属的CTE通常是半导体基板(例如构成钝化层的绝缘体)的CTE二倍至七倍大。在室温(即25℃)下，CTE的差异不存在问题；然而，在MEMS开关的制造、组装或操作期间，MEMS开关和基板结构14的温度可能超过300℃，400℃-700℃的温度并非罕见，这取决于所采用的晶片结合工艺。
响应于MEMS开关所暴露的这些高温，MEMS开关的应变状态可能随着由于CTE不匹配以及MEMS膜的退火(由于比如为空隙减小、晶粒生长、刻蚀的数个影响)而引起的应变率的变化而改变。应变率的改变能够引起悬臂的可恢复和不可恢复变形，这种变形在幅度足够严峻的情况下潜在地使得MEMS开关变得不起作用。即，悬臂触点与基板触点之间的粘着可以在MEMS开关的温度降低时防止悬臂触点和基板触点中断接触。无法中断悬臂触点与基板触点之间的接触将引起失效的MEMS开关，连同失效的结合MEMS开关的产品。此外，开关的永久变形可以引起超出可接受操作范围的改变的开关性能。
解决该问题的在前尝试已经聚焦为围绕使问题最小化。例如，一个解决方案是减小直接附连至半导体基板的MEMS开关的区域的尺寸，以便使悬臂的应变引起的挠曲最小化。另一个解决方案是减小锚定器的尺寸，以便使悬臂的应变引起的挠曲最小化。然而，锚定器的尺寸的这种减小可能导致由于提供这种尺寸的锚定器的难度所引起的产量问题。
因此，所希望的是提供具有耐受悬臂的热致动和变形的结构的MEMS开关，悬臂的热致动和变形可能发生在MEMS开关的制造、组装或操作期间。此外所希望的是这种MEMS开关在使产量损失最小化的同时能够以低成本制造。
发明内容
本发明的实施例涉及具有悬臂的MEMS开关，悬臂在其一端上具有包括连接至基板的两个连接的锚定器。这些锚定连接垂直于悬臂梁定向，使得当相对于基板存在应变时，垂直于悬臂的应变使锚定器弯曲成足以补偿从基板到锚定器的顶部的应变梯度。
根据本发明的一个方面，一种MEMS开关，包括基板和形成在基板上的开关结构，开关结构进一步包括形成在基板上的导电触点、联接至基板的自补偿锚定结构以及包括第一端部和第二端部的梁，该梁在第一端部处与自补偿锚定结构形成一体并且从自补偿锚定结构垂直地向外延伸以及悬挂在基板上，使得第二端部包括定位在导电触点以上的悬臂部分。梁的悬臂部分在基板与开关结构之间的应变不匹配的时间段期间经历变形，以便相对于基板具有起跳角度，并且自补偿锚定结构与悬臂部分垂直地引导应变不匹配的一部分，以便使锚定器弯曲并且补偿悬臂部分的起跳角度。
根据本发明的另一个方面，一种制造MEMS开关的方法，包括提供基板以及经由晶片级结合工艺在基板上形成开关结构。形成开关结构进一步包括在基板上形成导电触点、形成自补偿锚定结构以及将悬臂梁附接至自补偿锚定结构，以相对于基板和导电触点定位悬臂梁，悬臂梁包括位于其与自补偿锚定结构相反的端部处的悬臂部分，自补偿锚定结构垂直于悬臂梁的悬臂部分布置，并且悬臂部分向外延伸以便与基板间隔开并且定位在导电触点以上。该方法还包括在基板和开关结构上执行退火工艺以实现在MEMS开关中的结合。梁的悬臂部分在退火工艺期间响应于基板与开关结构之间的应变不匹配而经历变形，使得悬臂部分相对于基板具有起跳角度，以及自补偿锚定结构与悬臂部分垂直地引导由应变不匹配引起的应变的一部分，以便使锚定结构弯曲并且补偿悬臂部分的起跳角度。
根据本发明的又一个方面，一种MEMS开关，包括基板和形成在基板上的开关结构，开关结构进一步包括形成在基板上的导电触点、联接至基板的锚定结构以及与锚定结构一体并且从其垂直地向外延伸的梁，该梁包括悬挂在基板上并且定位在导电触点以上的悬臂部分。锚定结构包括自补偿锚定结构，自补偿锚定结构使得悬臂部分在经受热引起的起跳角度变形时保持未挠曲。
各个其他特征和优势从以下详细说明和附图将变得显而易见。
附图说明
附图示出用于执行本发明的当前预期的实施例。
在附图中：
图1是根据示例性实施例构造的MEMS开关的示意性透视图。
图2是图1的MEMS开关的示意性侧视图。
图3是图1的MEMS开关的示意性局部透视图。
图4是处于打开位置的图1的MEMS开关的示意性侧视图。
图5是处于关闭位置的图1的MEMS开关的示意性侧视图。
图6是根据本发明的实施例的图1的MEMS开关的锚定结构的更详细的透视图，其中锚定连接形成在锚定结构上。
图7是根据本发明的实施例的图1的MEMS开关的锚定结构的更详细的透视图，其中锚定连接形成在锚定结构上。
图8是图1的悬臂梁的应变图。
图9是图1的悬臂梁的锚定器的应变图。
图10是根据本发明的实施例的具有附连至锚定结构的双悬臂梁的开关结构的透视图。
图11是根据本发明的实施例的具有附连至锚定结构的双悬臂梁的开关结构的透视图。
图12是根据本发明的实施例的附连至锚定结构的悬臂梁的透视图。
具体实施方式
本发明的实施例提供一种具有悬臂的MEMS开关，该悬臂在一端上具有自补偿锚定结构。自补偿锚定结构定向成使得当相对于基板存在应变时，垂直于悬臂的应变使锚定器弯曲成足以补偿从基板到锚定器的顶部的应变梯度。
参照图1-3，示出根据示例性实施例构造的开关结构100的几个视图。示例性开关结构100包括触点102，触点102至少部分地包括导电材料(例如金属)。开关结构100还包括示出为悬臂梁104的包括导电材料(例如金属)的导电元件。梁104的悬臂部分104a在触点102上延伸。在一些实施例中，导电元件还可以包括其他特征，比如，例如梁104上的保护(和可能的不导电)涂层或沿梁的旨在与触点102接触的部分布置的触点盘(contact pad)。梁104由悬臂部分104a从其延伸的锚定结构106支承，锚定结构106可以与梁104形成一体。锚定结构106用于将梁104的悬臂部分104a连接至下层支承结构，比如所示出的基板108。在图1-3所示的开关结构100的实施例中，触点102和锚定结构106两者利用常规微制造技术(例如电镀、汽相沉积、光刻法、湿和/或干刻蚀等等)形成在基板108上。
开关结构100可以构成微机电或纳米机电装置或者微机电系统(MEMS)开关109的一部分。例如，触点102和梁104可以具有大约为数个或数十个纳米或微米的尺寸。在一个实施例中，梁104可以具有大于或等于108m-1的表面积与体积的比值，而在另一个实施例中该比值可以更接近103m-1。
集成电路可以形成在基板108上，例如，包括金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)和用于提供各个部件间的电连接的图案化导电层(未示出)。这种图案化导电层还可以提供与触点102和梁104的电连接(与后者的连接例如通过锚定结构106)，该连接在图1和2中示意性地示出以及如下所述。与开关结构100的特征类似，半导体装置和导电层还可以利用常规微制造技术制造。在一个实施例中，基板108可以是已被处理以便包括一个或多个MOSFET的单晶半导体晶片的一部分，其中开关结构100和其他电路形成在晶片的表面上。开关结构100可以布置在MOSFET之一上(例如，沿着垂直于晶片的表面的线)并且可以与MOSFET一起操作，其中开关结构100和基板108经由晶片级结合形成。开关结构100可以通过一个或多个包封层(未示出)包封，包封层构成围绕开关结构100的晶片级封装(WLP)，其中包封层围绕开关结构100形成一般填充惰性气体的基本气密空腔。
还参考图4和图5，梁104可被构造成选择性地在图4所示的第一不接触或“打开”位置与图5所示的第二接触或“关闭”位置之间运动，在第一不接触或“打开”位置梁与触点102分离间距d，在第二接触或“关闭”位置梁与触点102电接触。例如，梁104可被构造成当在接触位置与不接触位置之间运动时经历变形，使得梁自然地布置(即，在没有外部施加力时)在不接触位置并且可以变形以便占据接触位置，同时在其中存储机械能。在其他实施例中，梁104的未变形构型可以为接触位置。
开关结构100还可以包括电极110，电极110在恰当地充电时提供电极与梁104之间的电位差，产生朝向电极并且对着触点102吸引梁的静电力。根据对电极110的足够的电压的施加，静电力使梁104变形，并且由此使梁从图4所示的不接触(即打开或不导电)位置位移至图5所示的接触(即关闭或导电)位置。因此，电极110可以用作关于开关结构100的“栅极”，其中施加于电极110的电压(称为“栅极电压”)用于控制开关结构的打开或关闭。电极110可以与栅极电压源112连通，使得栅极电压VG可以选择性地施加于电极110。
触点102和梁104是电路114的部件。示例性电路114具有第一侧面116和第二侧面118，第一侧面116和第二侧面118在彼此断开时相对于彼此处于不同的电位(在仅侧面之一连接至电源120时)。触点102和梁104可以分别连接至电路114的侧面116、118中的任一者，使得梁在第一位置与第二位置之间的变形作用为分别使通过其的电流通过和中断。梁104可以以利用开关结构100的应用所确定的频率(均匀或不均匀)重复地运动以与触点102接触和不接触。当触点102和梁104彼此分离时，触点与梁之间的电压差被称为“关断电压(stand-off voltage)”。
在一个实施例中，梁104可以与电源120连通(例如，经由锚定结构106)，触点102可以与具有负载电阻RL的电力负载122连通。电源120可以操作为电压源或电流源。梁104作用为电接触，允许负载电流(例如，具有大于或等于大约1mA的振幅和大约1kHz或更小的振荡频率)从电源120穿过梁104流动到触点102内，并且当梁处于接触位置时流动至电力负载122，否则中断电气路径并且当梁处于不接触位置时防止电流从电源流动至负载。可以在相对较高的电力分配应用中利用上述电流和开关频率。在其他实施例中，比如在开关结构100将被用于发信号情景(通常以相对更低的电力操作)的应用中，电源120可以提供具有100mA或更小(向下至1.mu.A的范围)的量级与大于1kHz的振荡频率的电流。
不论设计相似或不相似，上述开关结构100可被用作包括其他开关结构的电路的一部分，以便提高整体电路的电流和电压容量。这种开关结构可被串联或并联地构造，以便于开关结构打开时关断电压的均匀分布以及开关结构关闭时电流的均匀分布。
认识到在MEMS开关109的制造和操作期间MEMS开关109经历具有极端温度范围的热循环。例如，在MEMS开关109的制造、组装和/或操作期间，MEMS开关109的温度可以在从25℃到超过300℃(例如400℃)的范围内–比如在作为晶片级结合工艺的一部分执行的退火步骤期间。MEMS开关109向这种温度范围的暴露可能引起开关结构100–即悬臂梁104–的不希望的变形的问题，这由开关结构的应变状态的变化所引起。应变率的变化可能由MEMS开关109中的材料之间的CTE的显著差异以及基板108的退火(由于比如为空隙减小、晶粒生长、刻蚀的数个影响)引起，应变率的改变引起悬臂梁104的可恢复和不可恢复变形，这可以在幅度足够严峻时潜在地使得开关结构100变得不起作用。
为了减小基板108与开关结构100之间的任何应变不匹配的影响，本发明的实施例提供具有锚定结构106的开关结构100，锚定结构106具有补偿由应变不匹配引起的悬臂梁104的典型起跳角度(takeoff angle)变形的3D变形结构，即，自补偿锚定结构。再次参考图1以及现在另外参考图6，更详细地示出根据示例性实施例的开关结构100的锚定结构106。如图1和图6所示，锚定结构106形成/附连至悬臂梁104，使得锚定结构106垂直(orthogonal)于梁104的悬臂部分104a定向。锚定结构106包括位于其上的一个或多个锚定连接126，锚定结构106和悬臂梁104通过锚定连接126机械地连接至基板108。根据示例性实施例，一个或多个锚定连接126设置为能够大致描述为成形(shaped)锚定连接的单个/一体式元件。单个成形锚定连接126构造成使得成形锚定连接126的垂直于悬臂梁104截取的截面将穿过成形锚定连接的一个以上的区域，即，存在成形锚定连接将锚定器106/梁104机械地连接至基板108的至少两个不同的区域(一般标识为128和130)。此外，单个成形锚定连接126形成并定位在锚定结构106上，使得连接关于悬臂梁104的纵向轴线132对称。
参照图6的具体实施例，锚定连接构造为关于悬臂梁104的纵向轴线132对称的C形锚定连接126。然而，根据可替代实施例，锚定结构106上的锚定连接134可被构造为关于悬臂梁104的纵向轴线132对称的V形锚定连接，如图7所示。在这些实施例的任一个中，锚定连接126、134提供用于锚定结构106以用作补偿悬臂梁104的由应变不匹配引起的典型起跳角度变形的自补偿锚定结构。即，在基板108与开关结构100之间的应变不匹配的时间段期间，比如在超过300℃的温度下，梁104的悬臂部分104a经历变形以便相对于基板108具有“起跳角度”，即沿z方向朝向基板108偏转。锚定连接126、134的构造与其沿垂直于悬臂部分104a的定向的方向的大致定向一起，作用为通过利用沿与起跳角度垂直的方向的应变梯度补偿该起跳角度。该应变通过悬臂梁金属的泊松比值，即横向与轴向应变的负比值，操作，以将梁104的悬臂部分104a有效地牵拉回未挠曲/未变形位置。即，当悬臂部分104a相对于基板108张紧(即应变不匹配)时，应变的一部分垂直于悬臂部分104a引导，应变的这部分使锚定结构106弯曲成足以补偿从基板108到锚定结构106的顶部的应变梯度。换句话说，垂直于悬臂部分104a引导的应变不匹配的部分产生垂直于基板108的应变梯度，以便将悬臂部分104a牵拉回未挠曲或未变形位置。根据示例性实施例，垂直于悬臂部分104a引导的应变延伸悬臂梁104的长度的小于20％，应变所延伸的该长度足以防止悬臂部分104a的挠曲。因此，作为自补偿锚定结构的锚定结构106的构造产生完全自补偿的悬臂梁104，这意味着引起悬臂部分104a的起跳角度的相同应变还用于补偿和牵拉梁104变平。
现在参考图8和图9，应变图136、138提供为示出对于在图6中提供的锚定连接126(即C形锚定连接)的分别通过整体悬臂梁104和通过锚定结构106经历的应变的水平/大小。应变图136、138示出与锚定结构106相邻经历最大量应变以及在悬臂部分104a的远端部处经历最小量应变。与锚定连接126相邻经历的垂直于悬臂部分104a的应变使锚定结构106弯曲成足以补偿从基板108到锚定结构106的顶部的应变梯度，因此将悬臂部分104a牵拉到未挠曲/未变形位置。
现在参考图10和图11，开关结构100示出为各自包括根据本发明的另外的实施例的自补偿锚定结构106。图10和图11的开关结构100形成为各自包括附连至同一锚定结构106的两个不同的悬臂梁104、140。悬臂梁104、140布置成使得第一梁104从锚定结构106沿第一方向向外延伸，第二梁140沿与第一方向相反的第二方向从锚定结构106向外延伸。虽然未在图10和图11中示出，但是认识到在操作中，梁104、140中的每一个相对于相应的触点选择性地运动，使得每个梁的悬臂部分104a、140a在第一不接触或“打开”位置与第二接触或“关闭”位置之间运动，其中电极110提供电极与梁104、140之间的电位差，以产生朝向电极并且对着触点102牵引梁的静电力，类似于图1中示出和说明的。
根据本发明的实施例，在包括以背对背布置定位的两个不同的悬臂梁104、140的开关结构100中，锚定结构106可以通过恰当地使锚定结构106的锚定连接成形而作用为自补偿锚定结构。即，成形锚定连接设置在锚定结构106上，锚定结构106关于悬臂梁104、140的纵向轴线132以及关于垂直于穿过指示在142处的锚定结构的中点的悬臂梁的轴线对称。根据本发明的示例性实施例，成形锚定连接可被构造为如图10所示的I形锚定连接144，或如图11所示的X形锚定连接146。在每个实施例中，锚定连接144、146提供充当自补偿锚定结构的锚定结构106，自补偿锚定结构补偿悬臂梁104、140中的任一者/两者的由基板108与开关结构100之间的应变不匹配(比如可能在超过300℃的温度下发生的)所引起的典型的起跳角度变形。锚定连接144、146的结构作用为通过垂直于悬臂部分104a、140a引导应变的一部分来补偿每个梁的悬臂部分104a、140a的这种起跳角度变形，其中应变的该部分产生垂直于基板108的应变梯度，其使锚定结构106弯曲以便将悬臂部分104a、140a牵拉回未挠曲或未变形位置。
现在参考图12，根据本发明的另一个实施例，认识到并非具有锚定结构106上的单个/一体式锚定连接，而是两个或更多个不同的锚定连接148、150可以设置在将锚定结构106和梁104机械地连接至基板108的锚定连接上。两个或更多个不同的锚定连接148、150基于开关结构100的设计考虑而定尺寸/成形、定位和倾斜在自补偿锚定结构106上，以便抵消/补偿由悬臂梁104所经历的应变。即，两个或更多个不同的锚定连接148、150定尺寸/成形、定位和倾斜在自补偿锚定结构106上，以便垂直于悬臂部分104a地引导基板108与开关结构100之间的应变不匹配的适当部分，从而使锚定结构106弯曲并且以所需方式补偿悬臂部分的起跳角度。作为一个示例，锚定结构106可被构造成使得一对锚定连接148、150设置成具有8x8微米的尺寸并且间隔开10微米。作为另一个示例，锚定结构106可被构造成使得一对锚定连接148、150设置成具有8x8微米的尺寸并且间隔开30微米。
在图6、图7以及图10-12的实施例中的每一个中，认识到悬臂梁104、140的厚度以及形成其的材料还可结合锚定连接的尺寸、几何形状和间距选择成抵消/补偿由悬臂梁104、140所经历的应变。根据实施例，开关结构100的悬臂梁104、140可以是包括镍(Ni)-12原子百分数钨(W)或镍(Ni)-20原子百分数钨(W)的层。悬臂梁104、140还可以由被定义为“抗蠕变”材料的材料形成，本文中使用的术语抗蠕变指的是在经受连续的载荷或应力时材料的抵抗时间相关的塑性变形的能力。在这些实施例中，悬臂梁104、140可以由超级合金形成，包括Ni基和/或钴(Co)基超级合金、Ni--W合金、Ni--Mn合金、包含少量Ni和/或Co的黄金(“硬黄金”)、W、金属互化物、经受固态溶液和/或次相加强的材料以及具有抑制塑性变形的晶体结构的材料，比如具有低层错能的六角结构或材料。包括Al、Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Nb、Mo、Ag、Ta和W的任何组合的其他二元合金也可被用于形成悬臂梁104、140。
有利地，本发明的实施例因此提供一种具有悬臂梁和自补偿锚定构造的MEMS开关和相关开关结构，悬臂梁和自补偿锚定构造减小开关结构与其形成于其上的基板之间的任何应变不匹配的影响，使得悬臂梁被保持在未挠曲或未变形位置。通过提供将锚定器连接至基板的成形锚定连接，通过利用沿与起跳角度的正交方向的应变梯度抵偿悬臂梁的典型的起跳角度变形。即，当相对于基板存在应变时，应变的一部分垂直于悬臂梁引导，以便使锚定器弯曲成足以补偿从基板到锚定器的顶部的应变梯度，应变通过梁金属的泊松比值操作以将悬臂梁有效地牵拉回位置。因此，该结构对总应变水平不敏感，因此给予材料的最终应变状态以灵活性，接着为开关结构的处理提供灵活性。
根据本发明的一个实施例，MEMS开关包括基板和形成在基板上的开关结构，其中开关结构还包括形成在基板上的导电触点、联接至基板的自补偿锚定结构以及包括第一端部和第二端部的梁，梁在第一端部处与自补偿锚定结构形成一体并且从自补偿锚定结构垂直地向外延伸以及悬挂在基板上，使得第二端部包括定位在导电触点以上的悬臂部分。梁的悬臂部分在基板与开关结构之间的应变不匹配的时间段期间经历变形，以便相对于基板具有起跳角度，并且自补偿锚定结构与悬臂部分垂直地引导应变不匹配的一部分，以便使锚定器弯曲并且补偿悬臂部分的起跳角度。
根据本发明的另一个实施例，一种制造MEMS开关的方法包括提供基板以及经由晶片级结合工艺在基板上形成开关结构。形成开关结构进一步包括在基板上形成导电触点、形成自补偿锚定结构以及将悬臂梁附接至自补偿锚定结构，以相对于基板和导电触点定位悬臂梁，悬臂梁包括位于其与自补偿锚定结构相反的端部处的悬臂部分，自补偿锚定结构垂直于悬臂梁的悬臂部分布置，并且悬臂部分向外延伸以便与基板间隔开并且定位在导电触点以上。该方法还包括在基板和开关结构上执行退火工艺以实现在MEMS开关中的结合。梁的悬臂部分在响应于基板与开关结构之间的应变不匹配的退火工艺期间经历变形，使得悬臂部分相对于基板具有起跳角度，自补偿锚定结构垂直于悬臂部分引导由应变不匹配引起的应变的一部分，以便使锚定结构弯曲并且补偿悬臂部分的起跳角度。
根据本发明的又一个实施例，MEMS开关包括基板和形成在基板上的开关结构，开关结构还包括形成在基板上的导电触点、联接至基板的锚定结构以及与锚定结构一体并且从其垂直地向外延伸的梁，梁包括悬挂在基板上并且定位在导电触点以上的悬臂部分。锚定结构包括自补偿锚定结构，自补偿锚定结构使得悬臂部分在经受热引起的起跳角度变形时保持未挠曲。
本书面说明书利用例子公开本发明，包括最佳方式，并且还使任何本领域技术人员能够实施本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何结合的方法。本发明的可获得专利的范围由权利要求限定，并且可能包括本领域技术人员想到的其他例子。如果这些其他例子具有与权利要求的文字措辞没有不同之处的结构元件，或者如果这些其他例子包括与权利要求的文字措辞无实质区别的等同结构元件，则这些其他例子旨在落入权利要求的范围内。
虽然已关于仅有限数量的实施例详细地说明了本发明，但是应该易于理解的是本发明不限于这些所公开的实施例。相反地，本发明可以被修改为采用在此之前未说明但其与本发明的精神和范围相当的任何数量的变化、变型、替换或等同布置。另外，虽然已说明了本发明的各个实施例，但是应该理解的是本发明的各方面可以包括仅一些所说明的实施例。因此，本发明不被视为由上述说明书限制，而仅由随附权利要求的范围限定。

Claims (23)

1.一种微机电系统(MEMS)开关，包括：
基板；以及
开关结构，所述开关结构形成在所述基板上，所述开关结构包括：
导电触点，所述导电触点形成在所述基板上；
自补偿锚定结构，所述自补偿锚定结构联接至所述基板；以及
梁，所述梁包括第一端部和第二端部，所述梁在所述第一端部处与所述自补偿锚定结构形成一体并且从所述自补偿锚定结构垂直地向外延伸以及悬挂在所述基板上，使得所述第二端部包括定位在所述导电触点以上的悬臂部分；
其中，所述梁的所述悬臂部分在所述基板与所述开关结构之间的应变不匹配的时间段期间经历变形，以便相对于所述基板具有起跳角度；以及
其中，所述自补偿锚定结构与所述悬臂部分垂直地引导所述应变不匹配的一部分，以便使锚定器弯曲并且补偿所述悬臂部分的所述起跳角度。
2.根据权利要求1所述的MEMS开关，其中，所述自补偿锚定结构包括将所述梁机械地连接至所述基板的成形锚定连接。
3.根据权利要求2所述的MEMS开关，其中，所述成形锚定连接的垂直于所述梁的截面穿过所述成形锚定连接的将梁结构机械地连接至所述基板的一个以上的区域。
4.根据权利要求3所述的MEMS开关，其中，所述成形锚定连接形成为C形锚定连接和V形锚定连接之一。
5.根据权利要求2所述的MEMS开关，其中，所述梁包括沿第一方向从所述自补偿锚定结构向外延伸的第一梁；以及
其中，所述开关结构还包括与所述自补偿锚定结构一体的第二梁，所述第二梁沿第二方向从所述自补偿锚定结构向外延伸，所述第二方向与所述第一梁沿着延伸的所述第一方向相反。
6.根据权利要求5所述的MEMS开关，其中，所述成形锚定连接形成为I形锚定连接和X形锚定连接之一。
7.根据权利要求1所述的MEMS开关，其中，所述自补偿锚定结构包括将所述梁机械地连接至所述基板的两个或更多个不同的锚定连接，其中，所述两个或更多个不同的锚定连接定尺寸、定位以及倾斜在所述自补偿锚定结构上，以便与所述悬臂部分垂直地引导所述应变不匹配的一部分，从而使所述锚定器弯曲并且补偿所述悬臂部分的所述起跳角度。
8.根据权利要求1所述的MEMS开关，其中，垂直于悬臂引导的所述应变不匹配延伸所述悬臂的长度的小于20％。
9.根据权利要求1所述的MEMS开关，其中，垂直于所述悬臂部分引导的所述应变不匹配的一部分产生垂直于所述基板的应变梯度，以便将所述悬臂部分牵拉回未挠曲或未变形位置。
10.根据权利要求1所述的MEMS开关，其中，由所述自补偿锚定器提供的垂直于所述悬臂部分的所述应变不匹配的一部分通过泊松比值操作。
11.根据权利要求1所述的MEMS开关，其中，所述梁的所述悬臂部分的变形包括由所述基板与所述开关结构之间的热膨胀系数(CTE)所引起的热诱发变形。
12.根据权利要求1所述的MEMS开关，其中，所述梁由抗蠕变材料形成，所述抗蠕变材料包括超级合金，所述超级合金包括Ni基和/或Co基超级合金、Ni--W合金、Ni--Mn合金、包含Ni和/或Co的黄金、W、金属互化物、经受固态溶液和/或次相加强的材料或者具有抑制塑性变形的晶体结构的材料。
13.根据权利要求1所述的MEMS开关，其中，所述开关结构和所述基板包括晶片级结合封装，其中实施为形成所述晶片级结合封装的退火引起所述基板与所述开关结构之间的应变不匹配并且使得所述梁的所述悬臂部分经历引起所述起跳角度的变形。
14.一种制造微机电系统(MEMS)开关的方法，所述方法包括：
提供基板；以及
经由晶片级结合工艺在所述基板上形成开关结构，其中，形成所述开关结构进一步包括：
在所述基板上形成导电触点；
形成自补偿锚定结构；以及
将悬臂梁附接至所述自补偿锚定结构，以相对于所述基板和所述导电触点定位所述悬臂梁，所述悬臂梁包括位于其与所述自补偿锚定结构相反的端部处的悬臂部分；
其中，所述自补偿锚定结构垂直于所述悬臂梁的所述悬臂部分布置，其中所述悬臂部分向外延伸以便与所述基板间隔开并且定位在所述导电触点以上；以及
在所述基板和所述开关结构上执行退火工艺以实现在所述MEMS开关中的结合；
其中，所述梁的所述悬臂部分在所述退火工艺期间响应于所述基板与所述开关结构之间的应变不匹配而经历变形，使得所述悬臂部分相对于所述基板具有起跳角度；以及
其中，所述自补偿锚定结构与所述悬臂部分垂直地引导由所述应变不匹配引起的应变的一部分，以便使锚定结构弯曲并且补偿所述悬臂部分的所述起跳角度。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，形成所述自补偿锚定结构包括在所述基板上形成成形锚定连接，所述成形锚定连接包括成形为关于所述悬臂梁的纵向轴线对称的单个一体式结构。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述成形锚定连接包括C形锚定连接和V形锚定连接之一。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，将所述悬臂梁附接至所述自补偿锚定结构包括：
将第一悬臂梁附接至所述自补偿锚定结构，使得所述第一悬臂梁沿第一方向从所述自补偿锚定结构向外延伸；以及
将第二悬臂梁附接至所述自补偿锚定结构，使得所述第二悬臂梁沿与所述第一方向相反的第二方向从所述自补偿锚定结构向外延伸；
其中，所述成形锚定连接包括I形锚定连接和X形锚定连接之一。
18.根据权利要求14所述的方法，其中，由所述自补偿锚定结构提供的垂直于所述悬臂部分的所述应变通过泊松比值操作。
19.一种微机电系统(MEMS)开关，包括：
基板；以及
开关结构，所述开关结构形成在所述基板上，所述开关结构包括：
导电触点，所述导电触点形成在所述基板上；
锚定结构，所述锚定结构联接至所述基板；以及
梁，所述梁与所述锚定结构一体并且从其垂直地向外延伸，所述梁包括悬挂在所述基板上并且定位在所述导电触点以上的悬臂部分；
其中，所述锚定结构包括自补偿锚定结构，所述自补偿锚定结构使得所述悬臂部分在经受热引起的起跳角度变形时保持未挠曲。
20.根据权利要求19所述的MEMS开关，其中，所述锚定结构包括成形锚定连接，所述成形锚定连接将所述锚定结构和所述梁机械地连接至所述基板，所述成形锚定连接包括成形为关于所述悬臂梁的纵向轴线对称的单个一体式结构。
21.根据权利要求20所述的MEMS开关，其中，所述成形锚定连接包括C形锚定连接和V形锚定连接之一。
22.根据权利要求20所述的MEMS开关，其中，所述梁包括沿第一方向从所述锚定结构向外延伸的第一梁，以及其中，所述开关结构还包括与所述锚定结构一体的第二梁，所述第二梁沿与所述第一方向相反的第二方向从所述锚定结构向外延伸；以及
其中，所述成形锚定连接包括I形连接和X形锚定连接之一。
23.根据权利要求21所述的MEMS开关，其中，所述悬臂部分在所述基板与所述开关结构之间的热引起的应变不匹配的时间段期间经历变形，以便引起所述起跳角度变形；以及
其中，所述自补偿锚定结构与所述悬臂部分垂直地引导所述应变不匹配的一部分，以便使所述锚定结构弯曲并且补偿所述起跳角度变形。
CN201680013454.XA 2015-03-02 2016-02-02 用于减少热变形的机电系统基板附件 Active CN107430962B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US14/634,981 US9663347B2 (en) 2015-03-02 2015-03-02 Electromechanical system substrate attachment for reduced thermal deformation
US14/634981 2015-03-02
PCT/US2016/016075 WO2016140752A1 (en) 2015-03-02 2016-02-02 Electromechanical system substrate attachment for reduced thermal deformation

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN107430962A true CN107430962A (zh) 2017-12-01
CN107430962B CN107430962B (zh) 2019-10-18

Family

ID=55543033

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201680013454.XA Active CN107430962B (zh) 2015-03-02 2016-02-02 用于减少热变形的机电系统基板附件

Country Status (9)

Country Link
US (1) US9663347B2 (zh)
EP (1) EP3266033B1 (zh)
JP (1) JP6854769B2 (zh)
KR (2) KR20220123731A (zh)
CN (1) CN107430962B (zh)
CA (1) CA2977788C (zh)
SG (1) SG11201706665UA (zh)
TW (1) TWI664136B (zh)
WO (1) WO2016140752A1 (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104409286B (zh) * 2014-11-28 2016-07-06 京东方科技集团股份有限公司 一种微电子开关及有源矩阵有机发光显示装置
US20230068451A1 (en) * 2021-08-30 2023-03-02 Texas Instruments Incorporated Methods and apparatus to thermally actuate microelectromechanical structures devices

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2003043095A2 (en) * 2001-10-04 2003-05-22 Superconductor Technologies, Inc. Anchors for micro-electro-mechanical systems (mems) devices
US20030127698A1 (en) * 2002-01-04 2003-07-10 Samsung Electronics Co., Ltd. Cantilever having step-up structure and method for manufacturing the same
US7071017B2 (en) * 2003-08-01 2006-07-04 Yamaha Corporation Micro structure with interlock configuration
EP2073237A2 (en) * 2007-12-20 2009-06-24 General Electric Company MEMS microswitch having a dual actuator and shared gate
US20100155202A1 (en) * 2008-12-18 2010-06-24 Analog Devices, Inc. Micro-electro-mechanical switch beam construction with minimized beam distortion and method for constructing
CN102034648A (zh) * 2009-09-23 2011-04-27 通用电气公司 开关结构和方法
CN102082043A (zh) * 2009-11-30 2011-06-01 通用电气公司 开关结构
US8570122B1 (en) * 2009-05-13 2013-10-29 Rf Micro Devices, Inc. Thermally compensating dieletric anchors for microstructure devices
US20140009035A1 (en) * 2011-03-29 2014-01-09 Fujitsu Limited Electronic device and method of manufacturing the same
US8680955B1 (en) * 2009-02-20 2014-03-25 Rf Micro Devices, Inc. Thermally neutral anchor configuration for an electromechanical actuator

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7498911B2 (en) 2003-02-26 2009-03-03 Memtronics Corporation Membrane switch components and designs
US8169679B2 (en) 2008-10-27 2012-05-01 Pixtronix, Inc. MEMS anchors
US8957485B2 (en) 2009-01-21 2015-02-17 Cavendish Kinetics, Ltd. Fabrication of MEMS based cantilever switches by employing a split layer cantilever deposition scheme
US8054147B2 (en) 2009-04-01 2011-11-08 General Electric Company High voltage switch and method of making
DE202009007836U1 (de) 2009-06-03 2009-08-20 Sensordynamics Ag MEMS-Sensor
US8826529B2 (en) * 2009-09-23 2014-09-09 General Electric Company Method of forming a micro-electromechanical system device
FR2966813A1 (fr) 2010-10-29 2012-05-04 Thales Sa Microsysteme electromecanique (mems).
US9748048B2 (en) * 2014-04-25 2017-08-29 Analog Devices Global MEMS switch

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2003043095A2 (en) * 2001-10-04 2003-05-22 Superconductor Technologies, Inc. Anchors for micro-electro-mechanical systems (mems) devices
US20030127698A1 (en) * 2002-01-04 2003-07-10 Samsung Electronics Co., Ltd. Cantilever having step-up structure and method for manufacturing the same
US7071017B2 (en) * 2003-08-01 2006-07-04 Yamaha Corporation Micro structure with interlock configuration
EP2073237A2 (en) * 2007-12-20 2009-06-24 General Electric Company MEMS microswitch having a dual actuator and shared gate
US20100155202A1 (en) * 2008-12-18 2010-06-24 Analog Devices, Inc. Micro-electro-mechanical switch beam construction with minimized beam distortion and method for constructing
US8680955B1 (en) * 2009-02-20 2014-03-25 Rf Micro Devices, Inc. Thermally neutral anchor configuration for an electromechanical actuator
US8570122B1 (en) * 2009-05-13 2013-10-29 Rf Micro Devices, Inc. Thermally compensating dieletric anchors for microstructure devices
CN102034648A (zh) * 2009-09-23 2011-04-27 通用电气公司 开关结构和方法
CN102082043A (zh) * 2009-11-30 2011-06-01 通用电气公司 开关结构
US20140009035A1 (en) * 2011-03-29 2014-01-09 Fujitsu Limited Electronic device and method of manufacturing the same

Also Published As

Publication number Publication date
EP3266033B1 (en) 2022-08-24
US9663347B2 (en) 2017-05-30
US20160257558A1 (en) 2016-09-08
TWI664136B (zh) 2019-07-01
CA2977788A1 (en) 2016-09-09
KR20170125052A (ko) 2017-11-13
CN107430962B (zh) 2019-10-18
JP2018512703A (ja) 2018-05-17
KR20220123731A (ko) 2022-09-08
WO2016140752A1 (en) 2016-09-09
CA2977788C (en) 2023-08-29
KR102591895B1 (ko) 2023-10-19
EP3266033A1 (en) 2018-01-10
TW201704140A (zh) 2017-02-01
SG11201706665UA (en) 2017-09-28
JP6854769B2 (ja) 2021-04-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8354899B2 (en) Switch structure and method
KR101745725B1 (ko) 스위치 구조체
JP2007535797A (ja) マイクロマシン技術（ｍｅｍｓ）スイッチ用のビーム
JP5872278B2 (ja) マイクロ電気機械システム装置を形成する方法
US20060274470A1 (en) Contact material, device including contact material, and method of making
KR20090068173A (ko) Ｍｅｍｓ 스위치 및 ｍｅｍｓ 스위치 어레이
CN107430962A (zh) 用于减少热变形的机电系统基板附件
US6613993B1 (en) Microrelay working parallel to the substrate
US8054148B2 (en) Contact material, device including contact material, and method of making
EP1876614A2 (en) Contact material, device including contact material, and method of making
US8390407B2 (en) Electromechanical actuator with interdigitated electrodes

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant