CN108604517B - 有源开口mems开关装置 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及有源开口MEMS开关装置。描述微机电系统(MEMS)开关。MEMS开关可以主动打开和关闭。开关可以包括通过一个或多个铰链耦合到基板上的锚的梁。在一些构造中，梁、铰链和锚可以由相同的材料制成。开关可以包括设置在基板表面上的电极，用于电控制梁的取向。铰链可以比梁更薄，从而导致铰链比梁更灵活。在一些构造中，铰链位于梁中的开口内。铰链可以在与梁的旋转轴线相同的方向上和/或在垂直于梁的旋转轴线的方向上延伸。

Description

有源开口MEMS开关装置
相关申请
本申请根据35 U.S.C.§119(e)要求于2016年2月4日提交的标题为“有源开口MEMS开关装置”的美国临时申请序列No.62/291,111的优先权，其在此通过引用整体并入。
技术领域
本申请涉及微机电系统(MEMS)开关。
背景技术
一些传统的MEMS开关包括悬臂梁。当通过施加电压给基板上的电极产生的电场使梁的自由端与下面的基板接触时，开关闭合。当没有电压施加到基板上的电极上，并且因此不产生电场时，梁的弹簧恢复力导致梁的自由端不接触基板，使得开关打开。MEMS开关常常打开和关闭与MEMS开关耦合的电路的连接。
发明内容
在某些实施方案中，提供设备，包括：基板；所述基板上的柱；微加工梁，在其中心部分具有开口，所述柱设置在所述开口内；和将所述微加工梁机械耦合到所述柱的铰链。在一些实施方案中，设备是微机电系统(MEMS)开关。
在某些实施方案中，提供一种制造微机电系统(MEMS)开关的方法，包括：在基板上制造柱；制造耦合到所述柱的铰链；和制造梁，在其中心部分具有开口，所述柱设置在所述开口内并且所述梁通过所述铰链耦合到所述柱。
在某些实施方案中，提供设备，包括：基板；所述基板上的柱；微加工梁，在其中心部分具有开口，所述柱设置在所述开口内；和构件，用于使微加工梁耦合到柱。在一些实施方案中，设备是微机电系统(MEMS)开关。
附图说明
将参考以下附图来描述本申请的各个方面和实施例。应该理解的是，附图不一定按比例绘制。出现在多个图中的项目在它们出现的所有图中用相同的参考数字表示。
图1A示意性地示出了根据本申请的非限制性实施方案的在打开状态下操作的跷跷板开关。
图1B示意性地示出了根据本申请的非限制性实施方案的在闭合状态下操作的跷跷板开关。
图1C示意性地示出了根据本申请的非限制性实施方案的在中立状态下操作的跷跷板开关。
图2是根据本申请的非限制性实施方案的跷跷板开关的透视图。
图3A是根据本申请的非限制性实施方案的跷跷板开关的俯视图，其包括沿开关梁的旋转轴线的相同方向延伸的多个铰链。
图3B是根据本申请的非限制性实施方案的跷跷板开关的俯视图，该跷跷板开关包括沿垂直于开关梁的旋转轴线的方向延伸的多个铰链。
图3C是根据本申请的非限制性实施方案的跷跷板开关的俯视图，包括在垂直于开关梁的旋转轴线的方向上延伸的第一多个铰链和在开关梁的旋转轴线的相同方向上延伸的第二多个铰链。
图3D是根据本申请的非限制性实施方案的跷跷板开关的俯视图，其包括在垂直于开关梁的旋转轴线的方向上延伸的一对铰链和在开关梁的旋转轴线的相同方向上延伸的一对铰链。
图4是根据本申请的非限制性实施方案的跷跷板开关的侧视图。
图5A-5H示出了根据本申请的非限制性实施方案的用于制造本文所述类型的MEMS跷跷板开关的制造顺序。
图6A示意性地示出了根据本申请的非限制性实施方案的具有两个输入/输出(I/O)端口的跷跷板开关。
图6B示意性地示出了根据本申请的非限制性实施方案的具有一个公共端子的两个跷跷板开关。
具体实施方式
本申请的各方面提供了具有跷跷板配置的有源微机电系统(MEMS)开关，以及操作和制造这种开关的方法。MEMS开关可以包括通过锚(例如，柱)连接到下面的基板的相对刚性的梁，该锚可以相对于梁居中定位，并且一个或多个铰链将梁连接到柱。根据本申请的一些方面，梁可以构造成在MEMS开关的操作期间基本上抵抗弯曲，而铰链可以构造成允许梁围绕柱旋转。
申请人已经意识到，通过使用开关结构可以增加MEMS开关的寿命，该开关结构不依赖于弯曲梁的弹簧力来打开开关，而是通过施加合适的控制信号而主动打开。将悬臂梁开关长时间保持在关闭状态可能会降低梁的恢复力，特别是在高温下完成时，从而对开关打开时梁与基板断开的能力产生负面影响，从而缩短开关的使用寿命。根据本申请的一个方面，提供了一种“跷跷板”MEMS开关。跷跷板开关在本文中可替代地称为“跷跷板开关”、“摇动开关”或“摆动开关”。跷跷板MEMS开关可以配置为主动关闭和打开。根据本申请的一个或多个方面的跷跷板MEMS开关可以并且在至少一些情况下表现出比传统悬臂梁MEMS开关更长的寿命。与悬臂式开关不同，跷跷板MEMS开关可包括刚性梁，其配置成倾斜但不弯曲。
申请人进一步认识到，跷跷板MEMS开关的坚固性可以通过使用连接到刚性梁的柔性铰链来增强，并且构造成使得刚性梁能够围绕锚枢转。根据本申请的一个方面，跷跷板MEMS开关包括由相同材料制成的梁、铰链和/或锚。使梁和铰链由相同材料制成可以减小梁所经受的机械应力，从而增强开关的寿命和/或性能。然而，在一些实施方案中，可以提供具有由不同材料制成的梁和铰链的跷跷板开关，使得例如锚和铰链可以由第一材料形成，梁可以由第二材料形成。根据本申请的一个方面，提供了一种跷跷板开关，其包括从与(相对刚性的)梁相同的材料获得的一个或多个铰链。铰链可以连接到锚，在一些实施例中，锚可以相对于梁居中定位，并且可以表现出比梁的柔性更大的柔性。例如，铰链可以设计成具有小于梁的厚度的厚度，从而使得铰链表现出更大的柔韧性。
申请人进一步认识到，通过使用减少或最小化所使用的牺牲层数量的工艺流程，可以有效地制造本文所述类型的跷跷板MEMS开关。减少或最小化制造MEMS器件所需的工艺步骤的数量通常转化为更低的制造成本和更短的交付时间。根据本申请的一个方面，本文所述类型的跷跷板MEMS开关可以通过电镀技术形成梁、锚和铰链来制造，同时使用少量，甚至在一些实施方案中完全避免使用牺牲层。
以下进一步描述上述方面和实施例以及其他方面和实施例。这些方面和/或实施方案可以单独使用、一起使用、或以两种或更多种的任何组合使用，因为本申请不限于此方面。
如上所述，本申请的各方面提供了一种跷跷板MEMS开关，其具有相对较硬的梁、锚和相对柔性的铰链。梁可以足够坚硬以避免在开关的典型操作期间弯曲，而铰链可以足够柔韧以允许在开关的典型操作期间进行铰接(例如，扭矩)。在一些实施方案中，跷跷板开关可以使用MEMS制造技术制造，下面进一步描述合适的制造技术的示例。图1A示意性地示出了根据本申请的非限制性实施方案的跷跷板开关。跷跷板开关100可包括梁102、锚104和电极111、112、121、122、123、131和132。在一些实施方案中，梁102可包括导电材料，例如金、镍或任何其他合适的导电材料。可以选择材料以提供期望水平的刚度，例如以避免在经受MEMS开关操作期间通常经历的幅度的电压时弯曲。在一些实施方案中，梁可包括单一材料。在其他实施方案中，梁可包括由连续堆叠的材料组成的层压板。梁102可以定位成与锚104形成一个或多个接触，锚104可以设置在基板(图1A中未示出)上。例如，锚104可以设置在硅晶片的基板上。然而，本申请不限于此，可以使用任何其他合适类型的基板。在一些实施方案中，锚104可以设置在二氧化硅层上，二氧化硅层可以位于基板上。在一些实施方案中，梁102可以仅由锚104保持，并且可以悬挂在基板上。电极131和132可以形成在梁102的任一端上，例如位于梁102的相对边缘附近，其余电极位于基板上。电极123可以与锚104和梁102电接触。
当电极131与电极121形成电连接时，跷跷板开关102在本文中将被称为处于“打开状态”，如图1A所示。在一些实施方案中，电极121可以连接到参考电位，例如接地。当电极132与电极122形成电连接时，跷跷板开关102在本文中将被称为处于“闭合状态”，如图1B所示。在一些实施方案中，电极122可以连接到装置和/或电路元件。由于梁102可包括导电材料，在一些实施例中，电极131和电极132可以被偏置在相同的电位。在其他实施方案中，由于梁102的有限导电性，在电极131和电极132之间可能存在电压降。当电极131不与电极121形成电连接并且电极132不与电极122形成电连接时，跷跷板开关102在本文中将被称为处于“中性状态”，如图1C所示。
在一些实施方案中，电极111和112可用于控制跷跷板MEMS开关是处于打开、关闭还是中性状态。电极111可以被配置为用作后电容器141的端子。后电容器141的第二端子可以由梁102的一部分形成。类似地，电极112可以被配置为作为前电容器142的端子操作。前电容器142的第二端子可以由梁102的一部分形成。梁102可以被偏置在一个电压，无论是直流电(DC)还是交流电(AC)，其平均值在合适的范围内，例如，在一些实施方案中在-0.1V和0.1V之间、在一些实施方案中在-0.25V和0.25V之间、在一些实施方案中在-0.5V和0.5V之间、在一些实施方案中在-1V和1V之间、在一些实施方案中在-2V和2V之间、在一些实施方案中在-10V和5V之间，或在这些范围内的任何值或数值范围之间。其他范围也是可能的。在一些实施方案中，梁102可以通过施加到电极123的AC信号来偏置。
图1A示意性地示出了根据本申请的非限制性实施方案在打开状态下操作的跷跷板开关100。在一些实施方案中，后电容器141可用于迫使跷跷板开关100进入打开状态。在一个实施方案中，电极111可以被施加电压，该电压使得梁102经受朝向电极111的静电吸引。例如，电极111可以在一些实施方案中在大于10V的电压下偏置，在一些实施方案中在大于25V，在一些实施方案中在大于50V，在一些实施方案中在大于75V，在一些实施方案中在大于80V，在一些实施方案中在大于100V，在10V和100V之间，或者在适合于将梁102拉到与电极121接触的范围内的任何电压或电压范围。响应于将这样的电压施加到偏置电极111，梁102可以朝向电极111倾斜，因此，电极131可以与电极121形成电连接。在一些实施方案中，梁102可以通过绕锚104枢转或铰接而倾斜。在这种状态下，施加到电极123的信号可能无法到达连接到电极122的装置和/或电路元件。在一些实施方案中，前电容器142可以用小于开路状态下后电容器141的端子两端的电压的电压来偏置。例如，前电容器142可以在打开状态下用平均值等于零的电压偏置。
图1B示意性地示出了根据本申请的非限制性实施方案在闭合状态下操作的跷跷板开关100。在一些实施方案中，前电容器142可用于迫使跷跷板开关100处于闭合状态。在一些实施方案中，电极112可以被施加电压，该电压使得梁102经历朝向电极112的静电吸引。例如，电极112可以偏置在前面结合偏置电极111描述的任何电压下。响应于偏置电极112，梁102可以朝向电极112倾斜，因此，电极132可以与电极122形成电连接。在一些实施方案中，梁102可以通过绕锚104枢转或铰接而倾斜。
在这种状态下，施加到电极123的信号可以通过锚104、梁102和电极132传播，从而到达连接到电极122的装置和/或电路元件。在一些实施方案中，后电容器141可以用电压偏置，该电压小于闭合状态下前电容器142的端子两端的电压。例如，后电容器141可以在闭合状态下用平均值等于零的电压偏置。
图1C示意性地示出了根据本申请的非限制性实施方案在中性状态下操作的跷跷板开关100。通过以相等的电压偏置后电容器141和前电容器142，梁102可以保持在锚104上的平衡位置，使得电极131不与电极121形成电连接，电极132不与电极122形成电连接。
图2是根据本申请的一个实施例的MEMS跷跷板开关的透视图，其具有通过铰链连接到锚的梁。跷跷板开关200可以用作图1A-1C的跷跷板开关100。跷跷板开关200可以设置在基板201上，并且包括分别用作跷跷板开关100的电极111、112和123的电极211、212和223。跷跷板开关200可以包括梁202，用作梁102，和锚204，用作锚104。在一些实施方案中，跷跷板开关200可以包括用作电极131的一个或多个电极和用作电极132的一个或多个电极。作为示例而非限制，图2示出了具有用作电极131的两个电极2311和2312以及用作电极132的两个电极2321和2322的跷跷板开关200。然而，应用在这方面不受限制，并且可以使用任何其他合适数量的电极。类似地，跷跷板开关200可包括用作电极121的一个或多个电极和用作电极122的一个或多个电极。作为示例而非限制，图2示出了跷跷板开关200，其具有用作电极121的两个电极2211和2212，以及用作电极122的两个电极2221和2222。然而，应用在这方面不受限制，并且可以使用任何其他合适数量的电极。在一些实施方案中，在开关梁的每个端部上具有多于一个电极的跷跷板MEMS开关可以为设置在基板上的电极提供稳固的电连接。
梁202的材料和尺寸可以提供所需的刚度，使得梁202在操作期间抵抗弯曲(例如，当电场211和/或电极212施加电场时)。如图2所示，梁202可以具有厚度T和长度L。长度L可以定义为包括电极2311、2312、2321和2322的梁的长度。在一些实施方案中梁可以具有在4μm和30μm之间的厚度、在一些实施方案中介于4μm和15μm之间、在一些实施方案中介于6μm和16μm之间、在一些实施方案中介于6μm和10μm之间、在一些实施方案中介于10μm和14μm之间、在一些实施方案中介于11μm和3μm之间，或在这些范围内的任何值或值范围。其他范围也是可能的。
在一些实施方案中梁的长度L在25μm和300μm之间，在一些实施方案中间，介于50μm和250μm之间，在一些实施方案中介于75μm和200μm之间，在一些实施方案中在100μm和200μm之间，在一些实施方案中在125μm和175μm之间，在一些实施方案中在125μm和175μm之间，在一些实施方案中，介于140μm和160μm之间，在一些实施方案中，介于75μm和125μm之间，或在这些范围内的任何值或数值范围。其他范围也是可能的。
在一些实施方案中，梁202的比率L/T其值在5∶1和30∶1之间，在一些实施方案中在7.5∶1和20∶1之间，在一些实施方案中在7.5∶1和15∶1之间，在一些实施方案中在10∶1和15∶1之间，在一些实施方案中在12∶1和15∶1之间，在一些实施方案中在10∶1和13∶1之间，在一些实施方案中在12∶1和13∶1之间，或在这些范围内的任何其他合适的值或数值范围。其他值也是可能的。
如前所述作为非限制性实例，梁可以由金或镍制成。具有上述尺寸的这种材料可以为梁202提供足够的刚度，以基本上避免在MEMS跷跷板开关200的操作期间弯曲。任何所述材料可以与上述梁尺寸的任何组合一起使用。
在一些实施方案中，梁202可以具有形成在其中的开口250。在一些实施例中，开口250可以完全封闭在梁202内。梁202可以悬挂在基板201上，并且可以通过锚204连接到基板。锚204可以具有任何合适的横截面形状，例如正方形、圆形或矩形，以及其他示例，其中横截面由平行于中间位置的梁202的平面的平面限定。在一些实施例中，锚204可以是柱。开口250可以包围梁202的中心。
梁202可以通过一个或多个铰链(例如铰链245)连接到锚204。在一些实施方案中，当偏置信号施加到前电容器时，在电极212和梁202之间，静电力可以吸引梁202朝向前电容器。响应于这种静电吸引，铰链245可以弯曲，从而便于梁朝向前电容器旋转，使得电极2321和2322可以分别接触电极2221和2222。类似地，当在背电容器上施加偏压时，在电极211和梁202之间，在一些实施例中，静电力可以将梁202吸引向背电容器。响应于这种静电吸引，铰链245可以弯曲，从而便于梁朝向后电容器旋转，使得电极2311和2312分别接触电极2211和2212。
在一些实施方案中，铰链245可以表现出比梁202的柔韧性更大的柔韧性。在一些实施方案中，铰链可以由与梁相同的材料形成，但是具有厚度小于梁的厚度。例如，在一些实施方案中，铰链可以具有在0.1μm和15μm之间的厚度(在与梁的厚度T的方向平行的方向上)，在一些实施方案中在0.5μm和10μm之间，在一些实施方案中在0.5μm和10μm之间，在一些实施方案中在0.5μm和8μm之间，在一些实施方案中在1μm和5μm之间，在一些实施方案中在1μm和3μm之间，或在此范围内的任何合适的值或值范围。除此之外或作为另外一种选择，铰链的厚度在一些实施方案中可以在梁的厚度的1％至50％之间，在一些实施方案中可以在梁的10％至30％之间，在一些实施方案中可以在梁的10％至15％之间，在一些实施方案中可以在梁的15％至25％之间，在一些实施方案中可以在梁的15％至20％之间，在一些实施方案中可以在梁的20％至25％之间，或在此范围内的任何百分比或范围的百分比。其他范围也是可能的。
在一些实施方案中，诸如铰链245的铰链可设置在锚和梁之间，沿平行于梁的旋转轴线的方向延伸。在这种配置中，铰链可以被认为是扭转铰链。在其他实施方案中，铰链可以设置在锚和梁之间，在垂直于梁的旋转轴线的方向上延伸，并且在一个实施方案中，平行于梁的长度L。在至少一些这样的实施例中，铰链可以作为悬臂式铰链操作。
图3A是根据本申请的非限制性实施方案的跷跷板开关200的顶视图，其包括沿与梁的旋转轴线相同的方向延伸的多个铰链。图3A示出了梁202、开口250、锚240、铰链245和电极223。在一些实施方案中，锚240可以与电极223电接触。图3A示出了具有两个铰链的跷跷板开关。然而，该申请不限于此方面，并且可以使用任何其他合适数量的铰链。铰链245可以至少部分地位于开口250内。在一个实施方案中，当偏压施加到一个电容器时，静电力可以将梁202吸引到这样的电容器。响应于这种静电吸引，铰链245可以经历围绕铰链轴的扭矩，由虚线表示为轴252，从而便于梁朝向电容器旋转。在一些实施方案中，作为铰链弯曲，它们可能经受的应力大于梁所经受的应力。在一些实施方案中，锚240可以保持静止，因为铰链245弯曲。在一些实施方案中，梁可以完全包围开口250，以便于将力从梁的一端传递到另一端。例如，该力可以从对应于电极131的梁的端部传递到对应于电极132的梁的端部。可以通过围绕开口的梁的区域来促进力的传递。可选地或另外地，梁的端部可以通过在锚上方延伸的区域连接，从而将端部彼此桥接。
图3B是根据本申请的非限制性实施方案的MEMS跷跷板开关300的俯视图，该跷跷板开关300包括在垂直于梁的旋转轴线的方向上延伸的多个铰链。图3B示出了梁302、开口350、锚340和铰链345。图3B示出了具有四个铰链的跷跷板开关，但是应用在这方面不受限制，因为可以使用任何其他合适数量的铰链。铰链345可以至少部分地位于开口350内。类似于铰链245，铰链345可以表现出比梁302的柔性大的柔韧性。在一些实施方案中，可以通过厚度小于梁302的厚度的铰链来实现铰链345的柔性。在一个实施方案中，当偏置信号施加到一个电容器时(例如，由梁302和电极211或由梁302和电极212形成)，静电力可以将梁302吸引向这种电容器。响应于这种静电吸引，铰链345可以在平行于铰链轴线的方向上弯曲，如虚线所示，如轴352a和352b，从而促进梁围绕垂直定位的梁302的旋转轴线朝向电容器旋转，在虚线衬里中标识为轴354。在一些实施方案中，作为铰链弯曲，它们可能经受的应力大于梁所经受的应力。在一些实施方案中，锚340可以保持静止，因为铰链345弯曲。在一些实施方案中，梁302可以完全包围开口350，以便于将力从梁的一端传递到另一端。例如，力可以从对应于电极131的梁的端部传递到对应于电极132的梁的端部。可以通过围绕开口的梁的区域来促进力的传递。可选地或另外地，梁302的端部可以通过在锚上方延伸的区域连接，从而将端部彼此桥接。
图3C是根据本申请的非限制性实施方案的跷跷板开关330的俯视图，跷跷板开关330包括沿与梁的旋转轴线相同的方向延伸的第一多个铰链和沿垂直于梁的旋转轴线的方向延伸的第二多个铰链。图3C示出了梁302、开口335、锚370、铰链375和376、以及电极211、212和223。图3C示出了具有两个铰链375和八个铰链376的跷跷板开关。然而，该申请不限于此方面，并且可以使用任何其他合适数量的铰链。铰链可以至少部分地位于开口335内。在一个实施方案中，当向一个电容器施加偏压时，静电力可以将梁302吸引到这样的电容器。响应于这种静电引力，铰链375可以经历围绕铰链轴线的扭矩，由虚线标识为轴线378，从而便于梁朝向电容器旋转。另外，铰链376可以在平行于轴378的方向上弯曲，因此进一步便于梁的旋转。如在图3A-3B中所示的实施例中，在一些实施例中，梁可以完全围绕开口335。
在一些实施方案中，梁302可包括穿过其形成的多个孔370。可以提供任何数量的孔，并且孔可以以任何合适的方式布置。例如，孔可以布置成便于移除牺牲层，如下面进一步讨论的。而且，孔可以具有任何合适的形状，因为所示的圆孔表示非限制性示例。在一些实施方案中，梁302的边缘303可以在穿过电极2311和2312的平面中。例如，边缘303可以在穿过电极2311和2312的尖端的中心的平面中。以这种方式，可以增加施加到触点的力。另外或替代地，该配置可用于减小与触点的尖端相关联的电容，从而增强射频(RF)隔离。
图3D是根据一些非限制性实施例的另一跷跷板开关360的俯视图。如在图3C中所示的实施例中，跷跷板开关360可包括在与梁的旋转轴线相同的方向上延伸的第一多个铰链和在垂直于梁的旋转轴线的方向上延伸的第二多个铰链。如图所示，跷跷板开关360可以包括一对在梁的旋转轴线的相同方向上延伸的铰链375，以及在垂直于梁的旋转轴线的方向上延伸的一对铰链376。
具有两组铰链，一组铰链被配置为扭矩而另一组被配置为弯曲，这可能是有利的，因为它可以允许设计者适合更多数量的铰链。结果，在一些实施例中，图3C-3D的实施例中的梁可以表现出增加的移动性。
图4是根据本申请的非限制性实施方案的MEMS跷跷板开关200的侧视图。图4示出了梁202、电极2311和2321、锚240以及电极尖端461和462。在一些实施方案中，电极尖端461和462可以设置在梁202的底表面上，分别对应于电极2311和2321。在一些实施方案中，电极尖端461和462可以被配置为防止电极2311和2321粘附到基板201。在一些实施方案中，电极尖端461和462可以包括导电材料，例如金、铂、镍、铂族金属、或任何合适的材料或材料的组合。
在一些实施方案中，梁202可以通过多个铰链连接到锚240，如图3A-3B所示，并且从基板201悬挂。梁和基板之间的距离在一些实施方案中可以在50nm和5μm之间，在一些实施方案中，在100nm和1μm之间，在一些实施方案中在100nm和500nm之间，在一些实施方案中在200nm和400nm之间，在一些实施方案中在500nm和1μm之间，在一些实施方案中在600nm和800nm之间，或在此范围内的任何值或值范围。其他值也是可能的。
尽管未在图4中示出，但是在一些实施例中可以盖住MEMS跷跷板开关。帽可以提供气密密封并且可以由任何合适的材料形成。这种加帽也可以应用于本文所述的其他实施方案。
根据本申请的方面，提供了用于制造本文所述类型的MEMS跷跷板开关的工艺流程。在一些实施方案中，可以通过电镀技术形成梁、锚和铰链来制造MEMS跷跷板开关，同时减少或最小化所使用的牺牲层的数量。这里描述的工艺流程是指图3B的实施例中所示类型的MEMS开关。然而，如普通技术人员将容易理解的，该处理流程可以适于制造本申请的任何实施例。图5A-5H共同示出了根据非限制性实施例的用于制造MEMS跷跷板开关300的工艺流程。这些图表示沿轴352b截取的MEMS跷跷板开关300的横截面。
图5A示出了制造过程的第一步骤。如图所示，该过程可以从基板201开始。基板可包括硅、氧化铝和/或二氧化硅、或任何其他合适的材料或材料的组合。
图5B示出了根据本申请的非限制性实施方案的后续的处理步骤。可以在基板201上形成多个电极。例如，可以通过在基板201上沉积金属来形成电极211、212、2211和2221。在一些实施方案中，金属可以仅沉积在期望的区域上。在其他实施方案中，金属可以作为橡皮布沉积，并且可以通过在所需区域外蚀刻金属来形成电极。在一些实施方案中，电极的厚度可以在25nm和500nm之间、在一些实施方案中在50nm和2500nm之间、在一些实施方案中在50nm和150nm之间、在一些实施方案中在75nm和125nm之间、或者在这样的范围内的其他合适的值或值范围。其他值也是可能的。
接下来，如图5C所示，牺牲层390可以沉积在基板201上或沉积在基板201上的二氧化硅层上。在一些实施例中，牺牲层可以包括二氧化硅和/或金属。在一些实施方案中，牺牲层的厚度可以在50nm和5μm之间，在一些实施方案中在100nm和1μm之间，在一些实施方案中在100nm和500nm之间，在一些实施方案中在200nm和400nm之间，在一些实施方案中在500nm和1μm之间，在一些实施方案中在600nm和800nm之间，或者在这样的范围内的其他合适的值或值范围。其他值也是可能的。
接下来，如图5D所示，可以将牺牲层390图案化以形成一个或多个开口。在一些实施方案中，牺牲层390可以在对应于随后可以形成锚340的区域的区域394中被完全蚀刻。在一些实施方案中，牺牲层390可以在对应于外电极的区域391和392中部分蚀刻，例如电极2211和2221。
在图5E中，金属可以沉积在部分蚀刻区域391和392中。在一些实施方案中，金属可以仅沉积在期望的区域上。在其他实施方案中，金属可以作为橡皮布沉积，并且可以通过在所需区域外蚀刻金属来形成电极。这些金属可以对应于电极尖端461和462。
在图5F中，可以形成锚340和铰链345。在一些实施方案中，锚340可以通过电镀形成。在一些实施方案中，可以通过电镀形成铰链345。在一些实施方案中，锚340和铰链345可以通过单个电镀工艺形成，但是另一个实施例规定锚340和铰链345通过单独的电镀步骤形成。
如图5G所示，可以形成梁302。在一些实施方案中，梁302可以通过电镀形成。梁302和铰链345可以在一些实施方案中由相同的材料形成，两者都在某些情况下通过电镀形成。在其他实施方案中，梁302和铰链345可以由不同的材料形成。
在图5H中，可以去除牺牲层390以形成间隙399。在一些实施方案中，可以通过湿法蚀刻工艺去除牺牲层390。
因此，应当理解，图5A-5H示出了用于制造MEMS跷跷板开关的制造顺序，MEMS跷跷板开关使用单个牺牲层和两个电镀步骤。然而，并非本文描述的所有实施例都限于仅使用单个牺牲层和两个电镀步骤来制造MEMS跷跷板开关。根据本申请的至少一些方面的MEMS跷跷板开关可以使用不同数量的牺牲层和/或电镀步骤来制造。
MEMS跷跷板开关可用于禁用/启用两个电路元件之间的电连接。例如，在图1A和图1B所示的实施例中，取决于开关是处于打开还是闭合状态，可以禁用/启用电极123和电极122之间的电通路。在其他实施方案中，跷跷板开关可用于将信号路由到两个电路元件之一或从两个电路元件之一路由信号。在其他实施例中，可以使用多个跷跷板开关来执行更复杂的功能。
图6A示意性地示出了根据本申请的非限制性实施方案的具有两个输入/输出端口的MEMS跷跷板开关500。跷跷板开关500可以包括梁502和电极521、522和523。类似于图1A的实施例，跷跷板开关500可以采用第一状态、第二状态和中性状态中的一个。在第一状态中，梁502可以与电极521电接触。在这种状态下，施加到电极523的信号可以被路由到连接到电极521的电路元件，反之亦然。在第二状态中，梁502可以与电极522电接触。在这种状态下，施加到电极523的信号可以被路由到连接到电极522的电路元件，反之亦然。在中性状态下，梁是电浮动的并且不与任何电极连接。
图6B示意性地示出了根据本申请的非限制性实施方案的具有一个公共端子的跷跷板开关550和551。跷跷板开关550可以包括梁552、电极573和572，而跷跷板开关551可以包括梁553、电极574和572。电极572可以在跷跷板开关550和551之间共享。包括两个跷跷板开关的系统可以可以假定四种可能状态中的一种：(打开，打开)、(打开，关闭)、(关闭，打开)或(关闭，关闭)。例如，图6B示出了系统处于(打开，关闭)状态的情况。在这种状态下，梁552电连接到接地端子，而梁553电连接到电极572。在一些实施方案中，可以组合这里描述的类型的多个跷跷板开关以执行逻辑和/或算术功能。
本申请的各方面可以提供一个或多个益处，其中一些已经在先前描述过。现在描述这些益处的一些非限制性实例。应当理解，并非所有方面和实施例都必须提供现在描述的所有益处。此外，应当理解，本申请的方面可以为现在描述的那些提供额外的益处。
根据本申请的一个方面，提供了一种MEMS开关，其与传统的悬臂梁MEMS开关相比具有延长的寿命。根据本申请的一个方面，提供了一种MEMS跷跷板开关。本文所述类型的跷跷板开关可以主动打开和关闭，从而便于使用刚性梁并延长开关的寿命。
根据本申请的一个方面，提供了一种高度稳健的MEMS开关，其表现出开关的梁所经受的有限应力。根据本申请的方面，提供了一种具有刚性梁和柔性铰链的MEMS跷跷板开关。铰链可以配置成弯曲或弯曲，从而便于梁的旋转，同时使梁所经受的应力最小化。
本申请的另一方面提供了一种MEMS开关，其展现出与位于基板上的电极的改善的电接触。根据本申请的方面，提供一种跷跷板开关，其在梁的每个端部上包括多个电极。在一些情况下，在梁的每个末端上具有多于一个电极可以提供稳固的电触点。
术语“大约”和“大概”可以用于表示在一个实施方案中的目标值的±20％内、在一个实施方案中在目标值的±10％内、在一个实施方案中在目标值的±5％内、在一些实施方案中在目标值的±2％内。术语“大约”和“大概”可以包括目标值。

Claims (20)

1.一种微机电系统MEMS开关，包括：
基板；
所述基板上的柱；
设置在所述基板上的第一电极、第二电极、第三电极和第四电极，第一电极和第二电极定位在所述柱的第一侧，第三电极和第四电极定位在所述柱的与第一侧相对的第二侧；
第五电极，设置在所述基板上并且与所述柱电连通；
微加工梁，在其中心部分中封闭开口，所述柱设置在封闭的开口内；和
铰链，设置在所述封闭的开口内并且将所述微加工梁机械耦合到所述柱，
其中，所述微加工梁是导电梁。
2.根据权利要求1所述的MEMS开关，其中所述铰链具有第一厚度并且所述微加工梁具有大于所述第一厚度的第二厚度。
3.根据权利要求2所述的MEMS开关，其中所述第一厚度小于所述第二厚度的一半。
4.根据权利要求1所述的MEMS开关，其中所述微加工梁具有被配置为与所述基板电接触的第一端部、被配置为与所述基板电接触的第二端部、以及所述第一端部和所述第二端部之间的长度，并且其中所述铰链的长度与所述微加工梁的长度在相同的方向上。
5.根据权利要求1所述的MEMS开关，其中所述微加工梁具有被配置为与所述基板电接触的第一端部、被配置为与所述基板电接触的第二端部、以及所述第一端部和所述第二端部之间的长度，并且其中所述铰链的长度在与所述微加工梁的长度垂直的方向上。
6.根据权利要求1所述的MEMS开关，其中所述微加工梁和所述铰链由相同的材料形成。
7.一种制造微机电系统MEMS开关的方法，包括：
制造在基板上的柱；
制造耦合到所述柱的铰链；
制造在所述基板上的第一电极、第二电极、第三电极和第四电极，使得第一电极和第二电极定位在所述柱的第一侧，并且第三电极和第四电极定位在所述柱的与第一侧相对的第二侧；
制造第五电极，所述第五电极在所述基板上并且与所述柱电连通；以及
制造梁，所述梁在其中心部分中封闭开口，所述柱和所述铰链中的每个都设置在封闭的开口内，并且所述梁通过所述铰链耦合到所述柱，
其中，所述梁是导电梁。
8.根据权利要求7所述的方法，其中制造铰链和制造梁包括制造所述铰链以具有第一厚度并且制造所述梁以具有大于所述第一厚度的第二厚度。
9.根据权利要求8所述的方法，其中制造铰链和制造梁包括制造所述铰链以使所述第一厚度小于所述第二厚度的一半。
10.根据权利要求7所述的方法，其中制造铰链和制造梁包括将所述铰链的长度制造为与所述梁的长度在相同的方向上。
11.根据权利要求7所述的方法，其中制造铰链和制造梁包括将所述铰链的长度制造为与所述梁的长度基本上垂直。
12.根据权利要求7所述的方法，其中制造铰链和制造梁包括制造相同材料的铰链和梁。
13.根据权利要求7所述的方法，其中制造柱、铰链和梁包括执行少于三个电镀步骤。
14.根据权利要求7所述的方法，其中制造柱、铰链和梁包括使用少于三个牺牲层。
15.一种微机电系统MEMS开关，包括：
基板；
所述基板上的柱；
设置在所述基板上的第一电极、第二电极、第三电极和第四电极，第一电极和第二电极定位在所述柱的第一侧，第三电极和第四电极定位在所述柱的与第一侧相对的第二侧；
第五电极，设置在所述基板上并且与所述柱电连通；
微加工梁，在其中心部分中封闭开口，所述柱设置在封闭的开口内；和
构件，用于使所述微加工梁耦合到所述柱，
其中，所述构件设置在所述封闭的开口内，并且
其中，所述微加工梁是导电梁。
16.根据权利要求15所述的MEMS开关，其中所述构件具有第一厚度并且所述微加工梁具有大于所述第一厚度的第二厚度。
17.根据权利要求16所述的MEMS开关，其中所述第一厚度小于所述第二厚度的一半。
18.根据权利要求15所述的MEMS开关，其中所述微加工梁具有被配置为与所述基板电接触的第一端部、被配置为与所述基板电接触的第二端部、以及所述第一端部和所述第二端部之间的长度，并且其中所述构件的长度与所述微加工梁的长度在相同方向上。
19.根据权利要求15所述的MEMS开关，其中所述微加工梁具有被配置为与所述基板电接触的第一端部、被配置为与所述基板电接触的第二端部、以及所述第一端部和所述第二端部之间的长度，并且其中所述构件的长度在与所述微加工梁的长度垂直的方向上。
20.根据权利要求15所述的MEMS开关，其中所述微加工梁和所述构件由相同的材料形成。
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