CN112151312B - 基于结构超滑的电极开关 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于结构超滑的电极开关，包括基底、驱动部件以及滑动部件，驱动部件包括设于基底内部的第一电极件以及设于基底外部的第二电极件，第二电极件与所有第一电极件在垂直方向上均具有正对面积，滑动部件设于第一电极件和第二电极件之间，且基底和滑动部件超滑接触。滑动部件设置在第一电极件和第二电极件之间，使得滑动部件的两侧可以形成压差，驱动滑动部件能够在基底上往复运动，进而实现开关的效果，且第二电极件设置在基底的外部，可以直接在第一电极件和第二电极件之间形成电场，能够实现较低的驱动电压及实现滑动部件的驱动。

Description

基于结构超滑的电极开关

技术领域

本发明涉及微电子的技术领域，具体涉及一种基于结构超滑的电极开关。

背景技术

一般而言，微机电系统是利用半导体制程技术将组件设计于硅芯片上，再将微机电系统以单块的方式整合至集成电路中。由于半导体制造技术大幅度的提升，微机电系统的组件体积则朝向不断地缩小及一体化的方向来设计，因此发展可以和半导体制程所做出的集成电路芯片进行整合的微机电系统是现今发展的一大趋势。为了满足这种需求，目前开始采用微机电系统的技术来缩小构成电路的各种零件的尺寸，而微机械式开关即是使用微机电的技术所生产的零件之一。

电极开关是微机械式开关中的一种，其相较于传统开关具有更低的插入损耗、更高的隔离度、更好的线性度、更低的功耗、更小的体积等优点，并且能够很容易的与IC电路集成，具有广阔的应用前景。目前，现有的电极开关从驱动方式上主要有静电驱动机制、热驱动机制、电磁驱动机制、压电驱动机制等几种。

但是，现有技术中的电极开关的触点或绝缘层容易在高速的碰撞中发生损伤，致使导通电阻增大，进而引起较强的热效应，造成器件失效，同时绝缘层的损伤也会加剧表面电荷的积累，当电荷积累量超过临界值时，开关将出现自静电吸附失效；接触触点在断开瞬间发生的电弧放电可造成触点材料熔融，引起接触电阻显著增大甚至触点与传导线直接黏连；高能量功率通过开关时会在上下触点或极板间耦合出足够的静电力，使得开关发生自锁吸合，通常电极开关的处理功率在1W以下，而半导体开关却能达到1至10W。上述是影响电极开关可靠性及应用领域的主要原因之一。

另外，目前IC集成电路系统中使用的标准电压都低于5V，而电极开关的驱动电压普遍在10V-80V之间，其驱动电压要求较大，因此其难以在手机无线通讯系统中运用。综上所述，提高功率处理能力、降低驱动电压、改善可靠性是电极开关进一步发展亟待解决的关键性问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于结构超滑的电极开关，以解决现有技术中的电极开关驱动电压较大，且使用寿命较短的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种基于结构超滑的电极开关，包括基底、驱动部件以及滑动部件，所述驱动部件包括设于所述基底内部的第一电极件以及设于所述基底外部的第二电极件，所述第一电极件的数量为至少两个，所述第二电极件与所有所述第一电极件在垂直方向上均具有正对面积，所述滑动部件设于所述第一电极件和所述第二电极件之间，且所述基底和所述滑动部件通过超滑面实现原子级光滑表面接触。

进一步地，所述第二电极件设于所述滑动部件的上方，且所述第二电极件和所述滑动部件之间具有间隙。

进一步地，对任一或多个所述第一电极件，和/或，所述第二电极件交替施加电压或接地，所述滑动部件的两侧形成压差，所述滑动部件在所述基底上运动。

进一步地，所述第二电极件接地设置，任意两个所述第一电极件交替施加电压或接地。

进一步地，所述第一电极件的数量至少两个，对至少两个所述第一电极件交替施加电压或接地。

进一步地，至少两个所述第一电极件均设于所述基底的内部，且所述第一电极件的上表面不超出所述基底的上表面。

进一步地，所述滑动部件包括超滑片和设于所述超滑片上的绝缘层，所述超滑片设于所述基底上，所述绝缘层位于所述超滑片和所述第二电极件之间。

进一步地，所述绝缘层的介电常数小于或等于100。

进一步地，初始位置时，所述滑动部件在宽度方向上与所有所述驱动部件对齐，且所述滑动部件同时与所有所述驱动部件有正对面积。

进一步地，所述第二电极件的横截面的面积大于单个所述第一电极件的横截面的面积。

本发明提供的基于结构超滑的电极开关的有益效果在于：

1、将滑动部件设置在第一电极件和第二电极件之间，使得滑动部件的两侧可以形成压差，驱动滑动部件能够在基底上往复运动，进而实现开关的效果，且第二电极件设置在基底的外部，与滑动部件之间可以形成电容，由于第二电极件与滑动部件之间具有吸引力，可以有效的减小第一电极件对滑动部件的吸引力，从而减小摩擦力，能够实现较低的驱动电压及实现滑动部件的驱动。

2、由于摩擦力极低且无磨损，滑动部件的底部一般是导电性能较好的导电材料，可以视为等势体，并且滑动部件具有一定的厚度，能够降低电容极板之间的间距，能够极大的增加结构对滑动部件的驱动力，有利于对滑动部件的控制，可以实现较低的驱动电压、极高的使用寿命和功率处理能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的基于结构超滑的电极开关的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的基于结构超滑的电极开关的俯视图；

图3为本发明实施例提供的基于结构超滑的电极开关的驱动力与绝缘层的相对介电常数的关系图；

图4为本发明实施例提供的基于结构超滑的电极开关的驱动力与超滑片的高度的关系图。

附图标记说明：

1、基底；2、驱动部件；3、滑动部件；21、第一电极件；22、第二电极件；31、超滑片；32、绝缘层。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

请一并参阅图1及图2，现对本发明提供的基于结构超滑的电极开关进行说明。所述基于结构超滑的电极开关，包括基底1、驱动部件2以及滑动部件3，所述驱动部件2包括设于所述基底1内部的第一电极件21以及设于所述基底1外部的第二电极件22，所述第一电极件21的数量为至少两个，且所述第二电极件22与所述第一电极件21在垂直方向上均具有正对面积，即第二电极件22在基底1上的投影区域和第一电极件21在基底1上的投影区域具有重叠区域，所述滑动部件3设于所述第一电极件21和所述第二电极件22之间，滑动部件3设置在第一电极件21和第二电极件22在基底1上的投影区域内，在滑动部件3的外部直接形成压差，从而实现较低的驱动电压既可以驱动滑动部件3的移动。

其中，所述滑动部件3和所述基底1相接触，滑动部件3的底面和基底1的表面均为原子级光滑表面，此时滑动部件3和基底1之间实现超滑接触，滑动部件3可以在表面以极低摩擦力无磨损滑动。同时，不会因电极上的电荷积累而发生粘附失效，也不会发生“静电吸合”现象，能够实现超长寿命。

其中，基底1一般可以采用绝缘基底1或者半导体基底1，优选的采用高阻硅基底1。滑动部件3一般可以选用超滑片，所述超滑片的至少一个表面为原子级光滑的表面。超滑片是超滑副的一部分，基底1即构成超滑副的另一部分，超滑副两个接触的超滑表面间，相对滑动时摩擦力几乎为零，摩擦系数小于千分之一，磨损为零。

在本实施例中，滑动部件3包括超滑片31和设于所述超滑片31上的绝缘层32，所述超滑片31贴合于所述基底1上，所述绝缘层32位于所述超滑片31和所述第二电极件22之间。采用超滑片31直接与基底1贴合，超滑片31的表面能够加工成符合超滑要求的原子级光滑的表面。当然，根据实际情况和具体需求，在本发明的其他实施例中，还可以不设置绝缘层32，加厚超滑片31的厚度，使得第一电极件21和第二电极件22之间的间距较小，能够满足增大驱动力的要求。

其中，绝缘层32的介电常数小于100，结合附图3可知，绝缘层32的介电常数越大，则驱动力越大，但是增大的效果会逐渐饱和，在介电常数达到100的时候，则驱动力的大小达到最大。

附图4是电极开关的驱动力与滑动部件3的高度关系，在工艺要求的滑动部件3和第一电极件21和第二电极件22之间间距的条件下，超滑片31的厚度为越厚越好。

其中，第一电极件21的数量一般为多个，多个第一电极件21设置于基底1的内部，且第一电极件21的上表面不超出基底1的上表面，避免第一电极件21表面的粗糙度影响基底1的表面粗糙度。所述第二电极件22设于所述滑动部件3的上方，且所述第二电极件22和所述滑动部件3之间具有间隙，滑动部件3和第二电极件22之间不会发生摩擦，滑动部件3可以完全的置于第一电极件21和第二电极件22之间的电场内，且第一电极件21和第二电极件22之间的电场直接垂直于滑动部件3，能够实现较低的驱动电压及实现滑动部件3的驱动，增强驱动的效果。

优选的，所述滑动部件3在宽度方向上与第一电极件21和第二电极件22相对齐，滑动部件3能够完全的容置于第一电极件21和第二电极件22之间，保证驱动的效率；在初始位置时，滑动部件3同时与所有所述驱动部件2有正对面积，且在运动的过程中，滑动部件3可以部分超出第二电极件22。

优选的，第二电极件22的横截面的面积一般大于单个第一电极件21的横截面的面积，所有第一电极件21在基底1上的投影区域也位于第二电极件22在基底1上的投影区域的内部，能够保证第一电极件21和第二电极件22之间的重叠率，从而提高驱动效率。初始位置时，滑动部件3能够同时与所有的第一电极件21均具有重叠面积，能够保证滑动部件3驱动的均匀性，仅需要较低的驱动电压既可以实现滑动部件3的滑动。

进一步地，作为本发明提供的基于结构超滑的电极开关的一种具体实施方式，滑动部件3的驱动方式，其主要是采用电荷驱动的方式。对任一或多个所述第一电极件21，和/或，所述第二电极件22交替施加电压或接地，使得所述滑动部件3的两侧形成压差，即所述滑动部件3能够在所述基底1上水平运动。

优选的，所述第二电极件22接地设置，第二电极件22上是电势为0，任意两个所述第一电极件21交替施加电压或接地。使得第一电极件21和第二电极件22之间实现不同的电容，利用不同的电容实现滑动部件3的驱动。

其中，第一电极件21的数量为两个，对其中一个第一电极件21施加V₁，另一第一电极件21接地连接，第二电极件22上的电势V＝0，此时滑动部件3会在第一电极件21和第二电极件22之间的电场带动下移动；对另一个第一电极件21施加V₂，第二电极件22上的电势V仍为0，此时滑动部件3会在第一电极件21和第二电极件22之间的电场带动下朝向反方向移动。通过往复的在两个第一电极件21上施加电压，可以实现滑动部件3的往复运动，进而实现开关的效果。

作为上述实施例的可替换实施例，还可以同时朝向第一电极件21和第二电极件22上施加电压，从而形成能够驱动滑动部件3在基底1面上滑动的驱动力；或者，利用其它方式驱动滑动部件3在基底1上滑动，此处不作唯一具体限定。

作为上述实施例的可替换实施例，所述第一电极件21的数量还可以为三个或三个以上，交替的朝向两端的第一电极件21施加电压或接地，且位于中间的第一电极件21可以根据需求施加小电压或接地，从而增加驱动能量，适用于不同的需求。

作为上述实施例的可替换实施例，滑动部件3可以仅采用超滑片31，不在超滑片31上设置绝缘层32。

作为上述实施例的可替换实施例，第一电极件21和第二电极件22还可以交错设置，即第一电极件21仅有局部区域与第二电极件22相正对。

作为上述实施例的可替换实施例，第二电极件22可以不止为一个整体的电极件，第二电极件22还可以为两个或两个以上的电极件组合形成，每一个第一电极件21均有一个第二电极件22与其相对，或多个第一电极件21共同与一个第一电极件21相对。

作为上述实施例的可替换实施例，第一电极件21还可以不是单独的部件设于基底1的内部，还可以为朝向基底1的内部注入的电荷，此次不作唯一限定。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (8)

1.基于结构超滑的电极开关，包括基底、驱动部件以及滑动部件，其特征在于：所述驱动部件包括设于所述基底内部的第一电极件以及设于所述基底外部的第二电极件，所述第一电极件的数量为至少两个，所述第二电极件与所有所述第一电极件在垂直于基底表面的方向上均具有正对面积，所述滑动部件设于所述第一电极件和所述第二电极件之间，且所述基底和所述滑动部件超滑接触，对任一或多个所述第一电极件，和/或，所述第二电极件交替施加电压或接地，所述滑动部件的两侧形成压差，所述滑动部件在所述基底上运动。

2.如权利要求1所述的基于结构超滑的电极开关，其特征在于：所述第二电极件设于所述滑动部件的上方，且所述第二电极件和所述滑动部件之间具有间隙。

3.如权利要求2所述的基于结构超滑的电极开关，其特征在于：所述第二电极件接地设置，任意两个所述第一电极件交替施加电压或接地。

4.如权利要求3所述的基于结构超滑的电极开关，其特征在于：所述第一电极件的数量为两个，对两个所述第一电极件交替施加电压或接地。

5.如权利要求1至4任一项所述的基于结构超滑的电极开关，其特征在于：至少两个所述第一电极件均设于所述基底的内部，且所述第一电极件的上表面不超出所述基底的上表面。

6.如权利要求1至4任一项所述的基于结构超滑的电极开关，其特征在于：所述滑动部件包括超滑片和设于所述超滑片上的绝缘层，所述超滑片设于所述基底上，所述绝缘层位于所述超滑片和所述第二电极件之间。

7.如权利要求1至4任一项所述的基于结构超滑的电极开关，其特征在于：初始位置时，所述滑动部件在宽度方向上与所有所述驱动部件对齐，且所述滑动部件同时与所有所述驱动部件有正对面积。

8.如权利要求1至4任一项所述的基于结构超滑的电极开关，其特征在于：所述第二电极件的横截面的面积大于单个所述第一电极件的横截面的面积。

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