CN110171799B - 一种mems开关及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种MEMS开关及其制作方法，应用桥式结构，在驱动力作用下，使开关的中间部分产生最大位移，进而将接触区域设计为面接触，取消了现有技术中的点接触设计，由此避免点接触的缺点，获得了更高的MEMS开关工作效率，与此同时，针对所设计MEMS开关，具体设计对应其的制作方法，采用键合工艺方案，大大减小工艺复杂度，减小粘附，有效提高了成品率。
Description
技术领域
本发明涉及一种MEMS开关及其制作方法，属于微机电系统技术领域。
背景技术
射频MEMS开关在通信、测试仪器、雷达等领域有着广泛的应用。但传统射频MEMS开关较低的功率容量、以及较差的可靠性是限制其应用的主要瓶颈之一。传统的串联接触式射频MEMS开关通常由金属悬臂梁、驱动电极、接触点和微波信号线四部分组成。
对于接触式射频MEMS开关，在通过较大功率信号时，其主要失效机制为接触点微熔焊、接触点烧毁等情况，这是制约其功率容量和可靠性的主要因素。解决这个问题最简单的方法就是增加接触点数量，但由于在微波频段，随着频率的增加，电流的趋肤效应(或称边缘效应)会越来越明显，使得信号能量集中在外围的接触点上，并不能很好的增大器件的功率容量；并且悬臂梁在静电力驱动下发生弯曲变形，最大位移发生在末端，当末端与底部电极接触时，接触为点接触，边缘效应容易导致电流过大，长期导致失效。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种MEMS开关，应用桥式结构，在驱动力作用下使中间部分产生最大位移，并且设计接触区域为面接触，提高了MEMS开关的工作效率。
本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种MEMS开关，包括玻璃衬底、被动材料层、上键合结构、下键合结构、上电极触点、两个下电极触点、以及至少两个压电驱动装置，其中，玻璃衬底上表面设置凹面区域，且玻璃衬底上表面和凹面区域表面均设置相同厚度的氧化层；两个下电极触点设置于玻璃衬底凹面区域的氧化层上，且两个下电极触点彼此互不接触；玻璃衬底中设置两条TGV穿孔，两条TGV穿孔分别与两个下电极触点一一对应，各条TGV穿孔的其中一端分别对接对应下电极触点的下表面，各条TGV穿孔的另一端分别连通玻璃衬底上除上表面的其它面，各条TGV穿孔中分别设置引线，各引线的其中一端对接对应下电极触点下表面，各引线的另一端分别由所在TGV穿孔的另一端穿出，两条引线分别穿出玻璃衬底的端部、对接于电路当中开关设计位置的两端上；
被动材料层下表面设置氧化层，被动材料层下表面氧化层的下表面边缘、与玻璃衬底上表面氧化层的上表面边缘设置彼此位置相对应的各个键合位置，上键合结构设置于被动材料层下表面氧化层的下表面边缘的各个键合位置，下键合结构设置于玻璃衬底上表面氧化层的上表面边缘的各个键合位置，被动材料层与玻璃衬底之间、通过彼此对应位置的上键合结构、下键合结构实现键合；
上电极触点设置于被动材料层下表面氧化层的下表面，且沿垂直于被动材料层下表面的方向，两个下电极触点的投影区域分别与上电极触点的投影区域之间存在部分重叠；压电驱动装置的数量为偶数个，所有压电驱动装置平均分为两组，两组压电驱动装置设置于被动材料层的上表面，且沿垂直于被动材料层下表面的方向，两组压电驱动装置分布于上电极触点的两侧，以及两组压电驱动装置相对于上电极触点彼此对称；被动材料层上表面对应上电极触点的位置设置凹槽，且凹槽的底面对接被动材料层下表面的氧化层；被动材料层上对应于各压电驱动装置与上电极触点之间的区域呈弹簧结构；被动材料层上表面、以及各压电驱动装置上面区域覆盖相同厚度的氧化层；
各压电驱动装置中的上电极、下电极分别通电工作，共同驱动被动材料层对应上电极触点的位置向同一方向移动，实现被动材料层的弯曲，且基于被动材料层向下电极触点方向的弯曲，实现上电极触点同时与两下电极触点相接触，连通两下电极触点。
作为本发明的一种优选技术方案：所述各压电驱动装置的结构彼此相同，各压电驱动装置分别均包括由下至上堆叠的电极层、压电驱动材料层、电极层，各压电驱动装置的其中一电极层固定对接于所述被动材料层上表面的对应位置。
作为本发明的一种优选技术方案：所述压电驱动材料层为PZT、ZnO、AlN中的任意一种，或其中至少两种的任意组合。
作为本发明的一种优选技术方案：所述各压电驱动装置中的电极层均为PT材料。
作为本发明的一种优选技术方案：所述弹簧结构为回转梁结构或弯曲梁结构。
作为本发明的一种优选技术方案：所述被动材料层为Si材料。
与上述相对应，本发明还要解决的技术问题是提供一种MEMS开关的制作方法，在获得MEMS开关高效工作特性的同时，采用键合工艺方案，大大减小工艺复杂度，减小粘附，提高成品率。
本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种MEMS开关的制造方法，包括如下步骤：
步骤A.选取玻璃片，在玻璃片的上表面刻蚀预设深度的凹面区域；
步骤B.针对玻璃片的上表面、以及其凹面区域的表面进行热氧化处理，获得预设厚度的氧化层；然后在该氧化层表面淀积预设厚度的Au层，并图形化获得两个下电极触点、以及下键合结构；
步骤C.选取硅片，针对硅片表面进行热氧化处理，获得预设厚度的氧化层；然后在该氧化层表面淀积预设厚度的Au层，并图形化获得上电极触点和上键合结构；
步骤D.基于上键合结构和下键合结构，针对玻璃片与硅片实现键合；
步骤E.由硅片上背向玻璃片的一面，针对硅片进行减薄处理至预设厚度；
步骤F.在硅片上背向玻璃片的一面，右下至上依次伸长PT层、PZT层、PT层，并图形化获得各个压电驱动装置，即PZT层构成各压电驱动装置的压电驱动材料层，PT层构成各压电驱动装置中位于压电驱动材料层上下位置的电极层；
步骤G.针对硅片进行刻蚀，获得硅片中的弹簧结构，以及硅片上对应上电极触点位置、且对接硅片氧化层的凹槽；
步骤H.针对硅片上表面、以及各压电驱动装置上面区域进行热氧化处理，获得预设厚度的氧化层；
步骤J.针对玻璃片中设置两个分别对接下电极触点的TGV穿孔，并分别设置引线对接对应下电极触点。
本发明所述一种MEMS开关及其制作方法，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明所设计MEMS开关，应用桥式结构，在驱动力作用下，使开关的中间部分产生最大位移，进而将接触区域设计为面接触，取消了现有技术中的点接触设计，由此避免点接触的缺点，获得了更高的MEMS开关工作效率，与此同时，针对所设计MEMS开关，具体设计对应其的制作方法，采用键合工艺方案，大大减小工艺复杂度，减小粘附，有效提高了成品率。
附图说明
图1是本发明设计MEMS开关的侧视结构示意图；
图2是本发明设计MEMS开关的俯视结构示意图；
图3是本发明设计MEMS开关制造方法中步骤A的结果示意图；
图4是本发明设计MEMS开关制造方法中步骤B的结果示意图；
图5是本发明设计MEMS开关制造方法中步骤C的结果示意图；
图6是本发明设计MEMS开关制造方法中步骤D的结果示意图；
图7是本发明设计MEMS开关制造方法中步骤E的结果示意图；
图8是本发明设计MEMS开关制造方法中步骤F的结果示意图；
图9是本发明设计MEMS开关制造方法中步骤G的结果示意图；
图10是本发明设计MEMS开关制造方法中步骤H的结果示意图。
其中，1.玻璃衬底，2.被动材料层，3.上键合结构，4.下键合结构，5.上电极触点，6.下电极触点，7.压电驱动装置，8.氧化层，9.TGV穿孔，10.引线，11.弹簧结构。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
本发明设计了一种MEMS开关，实际应用当中，如图1所示，具体包括玻璃衬底1、被动材料层2、上键合结构3、下键合结构4、上电极触点5、两个下电极触点6、以及至少两个压电驱动装置7，其中，玻璃衬底1上表面设置凹面区域，且玻璃衬底1上表面和凹面区域表面均设置相同厚度的氧化层8；两个下电极触点6设置于玻璃衬底1凹面区域的氧化层8上，且两个下电极触点6彼此互不接触；玻璃衬底1中设置两条TGV穿孔9，两条TGV穿孔9分别与两个下电极触点6一一对应，各条TGV穿孔9的其中一端分别对接对应下电极触点6的下表面，各条TGV穿孔9的另一端分别连通玻璃衬底1上除上表面的其它面，各条TGV穿孔9中分别设置引线10，各引线10的其中一端对接对应下电极触点6下表面，各引线10的另一端分别由所在TGV穿孔9的另一端穿出，两条引线10分别穿出玻璃衬底1的端部、对接于电路当中开关设计位置的两端上。
被动材料层2为Si材料，被动材料层2下表面设置氧化层8，被动材料层2下表面氧化层8的下表面边缘、与玻璃衬底1上表面氧化层8的上表面边缘设置彼此位置相对应的各个键合位置，上键合结构3设置于被动材料层2下表面氧化层8的下表面边缘的各个键合位置，下键合结构4设置于玻璃衬底1上表面氧化层8的上表面边缘的各个键合位置，被动材料层2与玻璃衬底1之间、通过彼此对应位置的上键合结构3、下键合结构4实现键合。
上电极触点5设置于被动材料层2下表面氧化层8的下表面，且沿垂直于被动材料层2下表面的方向，两个下电极触点6的投影区域分别与上电极触点5的投影区域之间存在部分重叠；压电驱动装置7的数量为偶数个，所有压电驱动装置7平均分为两组，两组压电驱动装置7设置于被动材料层2的上表面，且沿垂直于被动材料层2下表面的方向，两组压电驱动装置7分布于上电极触点5的两侧，以及两组压电驱动装置7相对于上电极触点5彼此对称；被动材料层2上表面对应上电极触点5的位置设置凹槽，且凹槽的底面对接被动材料层2下表面的氧化层8；被动材料层2上对应于各压电驱动装置7与上电极触点5之间的区域呈弹簧结构11；实际应用当中，弹簧结构11可以设计采用回转梁结构或弯曲梁结构，通过硅材料作为主要变形结构，无应力松弛，无塑性变形，重复性好，能够保证长期使用；被动材料层2上表面、以及各压电驱动装置7上面区域覆盖相同厚度的氧化层8。
实际应用当中，各压电驱动装置7的结构彼此相同，各压电驱动装置7分别均包括由下至上堆叠的电极层、压电驱动材料层、电极层，各压电驱动装置7的其中一电极层固定对接于所述被动材料层2上表面的对应位置，其中对于压电驱动材料层的选择，实际应用中，可以选择PZT、ZnO、AlN中的任意一种，或其中至少两种的任意组合；对于其中的电极层，则选择PT材料；各压电驱动装置7中最下位置的电极层、最上位置的电极层，即为压电驱动装置7的上电极、下电极。
各压电驱动装置7中的上电极、下电极分别通电工作，共同驱动被动材料层2对应上电极触点5的位置向同一方向移动，实现被动材料层2的弯曲，且基于被动材料层2向下电极触点6方向的弯曲，实现上电极触点5同时与两下电极触点6相接触，连通两下电极触点6。
针对上述技术方案所设计的MEMS开关，本发明设计了具体的制造方法，包括如下步骤。
步骤A.选取玻璃片，在玻璃片的上表面刻蚀4um深度的凹面区域，如图3所示，实际应用中，玻璃片的厚度可以选择100um-1000um。
步骤B.针对玻璃片的上表面、以及其凹面区域的表面进行热氧化处理，获得2um厚度的氧化层8；然后在该氧化层8表面淀积预设厚度的Au层，并图形化获得两个下电极触点6、以及下键合结构4，如图4所示。
步骤C.选取硅片，针对硅片表面进行热氧化处理，获得2um的氧化层8；然后在该氧化层8表面淀积2um厚度的Au层，并图形化获得上电极触点5和上键合结构3，如图5所示。
步骤D.基于上键合结构3和下键合结构4，针对玻璃片与硅片实现键合，如图6所示。
步骤E.由硅片上背向玻璃片的一面，针对硅片进行减薄处理至5um，如图7所示。
步骤F.在硅片上背向玻璃片的一面，右下至上依次伸长PT层、PZT层、PT层，并图形化获得各个压电驱动装置7，即PZT层构成各压电驱动装置7的压电驱动材料层，PT层构成各压电驱动装置7中位于压电驱动材料层上下位置的电极层，如图8所示。
步骤G.针对硅片进行刻蚀，获得硅片中的弹簧结构11，以及硅片上对应上电极触点5位置、且对接硅片氧化层8的凹槽，如图9所示。
步骤H.针对硅片上表面、以及各压电驱动装置7上面区域进行热氧化处理，获得预设厚度的氧化层8，如图10所示。
步骤J.针对玻璃片中设置两个分别对接下电极触点6的TGV穿孔9，并分别设置引线对接对应下电极触点6，即如图1所示。
上述技术方案所设计MEMS开关，应用桥式结构，在驱动力作用下，使开关的中间部分产生最大位移，进而将接触区域设计为面接触，取消了现有技术中的点接触设计，由此避免点接触的缺点，获得了更高的MEMS开关工作效率，与此同时，针对所设计MEMS开关，具体设计对应其的制作方法，采用键合工艺方案，大大减小工艺复杂度，减小粘附，有效提高了成品率。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (5)
1.一种MEMS开关，其特征在于：包括玻璃衬底（1）、被动材料层（2）、上键合结构（3）、下键合结构（4）、上电极触点（5）、两个下电极触点（6）、以及至少两个压电驱动装置（7），其中，玻璃衬底（1）上表面设置凹面区域，且玻璃衬底（1）上表面和凹面区域表面均设置相同厚度的氧化层（8）；两个下电极触点（6）设置于玻璃衬底（1）凹面区域的氧化层（8）上，且两个下电极触点（6）彼此互不接触；玻璃衬底（1）中设置两条TGV穿孔（9），两条TGV穿孔（9）分别与两个下电极触点（6）一一对应，各条TGV穿孔（9）的其中一端分别对接对应下电极触点（6）的下表面，各条TGV穿孔（9）的另一端分别连通玻璃衬底（1）上除上表面的其它面，各条TGV穿孔（9）中分别设置引线（10），各引线（10）的其中一端对接对应下电极触点（6）下表面，各引线（10）的另一端分别由所在TGV穿孔（9）的另一端穿出，两条引线（10）分别穿出玻璃衬底（1）的端部、对接于电路当中开关设计位置的两端上；
被动材料层（2）下表面设置氧化层（8），被动材料层（2）下表面氧化层（8）的下表面边缘、与玻璃衬底（1）上表面氧化层（8）的上表面边缘设置彼此位置相对应的各个键合位置，上键合结构（3）设置于被动材料层（2）下表面氧化层（8）的下表面边缘的各个键合位置，下键合结构（4）设置于玻璃衬底（1）上表面氧化层（8）的上表面边缘的各个键合位置，被动材料层（2）与玻璃衬底（1）之间、通过彼此对应位置的上键合结构（3）、下键合结构（4）实现键合；
上电极触点（5）设置于被动材料层（2）下表面氧化层（8）的下表面，且沿垂直于被动材料层（2）下表面的方向，两个下电极触点（6）的投影区域分别与上电极触点（5）的投影区域之间存在部分重叠；压电驱动装置（7）的数量为偶数个，所有压电驱动装置（7）平均分为两组，两组压电驱动装置（7）设置于被动材料层（2）的上表面，且沿垂直于被动材料层（2）下表面的方向，两组压电驱动装置（7）分布于上电极触点（5）的两侧，以及两组压电驱动装置（7）相对于上电极触点（5）彼此对称；被动材料层（2）上表面对应上电极触点（5）的位置设置凹槽，且凹槽的底面对接被动材料层（2）下表面的氧化层（8）；被动材料层（2）上对应于各压电驱动装置（7）与上电极触点（5）之间的区域呈弹簧结构（11）；被动材料层（2）上表面、以及各压电驱动装置（7）上面区域覆盖相同厚度的氧化层（8）；
各压电驱动装置（7）中的上电极、下电极分别通电工作，共同驱动被动材料层（2）对应上电极触点（5）的位置向同一方向移动，实现被动材料层（2）的弯曲，且基于被动材料层（2）向下电极触点（6）方向的弯曲，实现上电极触点（5）同时与两下电极触点（6）相接触，连通两下电极触点（6）；
弹簧结构（11）为回转梁结构或弯曲梁结构，被动材料层（2）为Si材料。
2.根据权利要求1所述一种MEMS开关，其特征在于：所述各压电驱动装置（7）的结构彼此相同，各压电驱动装置（7）分别均包括由下至上堆叠的电极层、压电驱动材料层、电极层，各压电驱动装置（7）的其中一电极层固定对接于所述被动材料层（2）上表面的对应位置。
3.根据权利要求2所述一种MEMS开关，其特征在于：所述压电驱动材料层为PZT、ZnO、AlN中的任意一种，或其中至少两种的任意组合。
4.根据权利要求2所述一种MEMS开关，其特征在于：所述各压电驱动装置（7）中的电极层均为PT材料。
5.一种针对权利要求1至4中任意一项所述MEMS开关的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤A. 选取玻璃片，在玻璃片的上表面刻蚀预设深度的凹面区域；
步骤B. 针对玻璃片的上表面、以及其凹面区域的表面进行热氧化处理，获得预设厚度的氧化层（8）；然后在该氧化层（8）表面淀积预设厚度的Au层，并图形化获得两个下电极触点（6）、以及下键合结构（4）；
步骤C. 选取硅片，针对硅片表面进行热氧化处理，获得预设厚度的氧化层（8）；然后在该氧化层（8）表面淀积预设厚度的Au层，并图形化获得上电极触点（5）和上键合结构（3）；
步骤D. 基于上键合结构（3）和下键合结构（4），针对玻璃片与硅片实现键合；
步骤E. 由硅片上背向玻璃片的一面，针对硅片进行减薄处理至预设厚度；
步骤F. 在硅片上背向玻璃片的一面，右下至上依次伸长PT层、PZT层、PT层，并图形化获得各个压电驱动装置（7），即PZT层构成各压电驱动装置（7）的压电驱动材料层，PT层构成各压电驱动装置（7）中位于压电驱动材料层上下位置的电极层；
步骤G. 针对硅片进行刻蚀，获得硅片中的弹簧结构（11），以及硅片上对应上电极触点（5）位置、且对接硅片氧化层（8）的凹槽；
步骤H. 针对硅片上表面、以及各压电驱动装置（7）上面区域进行热氧化处理，获得预设厚度的氧化层（8）；
步骤J. 针对玻璃片中设置两个分别对接下电极触点（6）的TGV穿孔（9），并分别设置引线对接对应下电极触点（6）。
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