CN115394606A - 一种mems开关 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种MEMS开关，包括：衬底；第一触点(5)和第二触点(7)，设置在衬底上；可变形的导电悬臂(8)，导电悬臂的第一端与第一触点(5)电连接；以及第一可动触点(9)，设置在导电悬臂(8)的第二端，使得导电悬臂(8)通过第一可动触点(9)与第二触点(7)可断开地电连接，其中，导电悬臂(8)和第一可动触点(9)中的至少一个由钪合金制备而成。本公开通过优化MEMS开关悬臂梁和可动触点的材料选择，在金属中掺入不同比例的钪，提升了开关的寿命和可靠性。

Description

一种MEMS开关

技术领域

本公开涉及微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)技术领域，具体涉及一种MEMS开关。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

微机电系统(MEMS)是在微电子技术的基础上发展起来的，RF MEMS开关作为一种无源器件，通过金属-金属接触或者金属-绝缘介质-金属形成的电容来传输或隔离射频信号，具有插入损耗低，隔离度高的优点。采用MEMS技术制备的开关器件，具有成本低、体积小、重量轻、可靠性高等优点，在军用、民用领域具有广泛的应用，可应用于可重构天线和相控阵雷达等。为了实现低插入损耗，传统的串联接触式MEMS开关多应用金作为悬臂梁和触点的材料，但是在经过多次循环后，易产生触点表面磨损、粘附以及悬臂梁断裂等问题。目前提升开关寿命及可靠性的核心方法是用硬质金属触点代替金实现金属接触，在牺牲一些导电性能的前提下减少开关的损坏，还有一些结构中设置多个金属触点以提升开关寿命。

目前串联接触式MEMS开关中常使用硬质金属触点来提升开关寿命，但是会损害开关在较高频率时的电学性能。在金属材料中掺入适当比例的Sc，可以在提高金属硬度的同时保证其良好的导电性，因而钪合金材料在MEMS开关领域具有良好的应用前景。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对上述问题，本公开提供了一种MEMS开关，用于至少部分解决传统一种MEMS开关使用寿命短、电学性能较差等技术问题。

(二)技术方案

本公开提供了一种MEMS开关，包括：衬底；第一触点5和第二触点7，设置在衬底上；可变形的导电悬臂8，导电悬臂的第一端与第一触点5电连接；以及第一可动触点9，设置在导电悬臂8的第二端，使得导电悬臂8通过第一可动触点9与第二触点7可断开地电连接，其中，导电悬臂8和第一可动触点9中的至少一个由钪合金制备而成。

进一步地，钪合金为铝钪合金，其中钪的质量比例为0.3％～2％。

进一步地，导电悬臂8的第一端通过锚点与第一触点5电连接，第一可动触点9由钪合金制备而成。

进一步地，导电悬臂8的第一端通过锚点与第一触点5电连接，在导电悬臂8的第二端还设有保护触点13；保护触点13由钪合金制备而成，第一可动触点9由金或钪合金制备而成。

进一步地，还包括：设置在衬底上的支撑臂10；辅助悬臂11，辅助悬臂的第一端与支撑臂10连接，辅助悬臂11的第二端与导电悬臂8连接，并且导电悬臂8垂直于辅助悬臂11；以及第二可动触点12，其与第一可动触点9设置于导电悬臂8的两侧，并与第一触点5可断开地电连接；第二可动触点12由钪合金制备而成。

进一步地，还包括控制电极6，通过在控制电极6和导电悬臂8之间施加电压，导电悬臂8发生变形，以驱动第一可动触点9与第二触点7电接触、第二可动触点12与第一触点5电接触。

进一步地，衬底包括基底1和形成在基底上的绝缘层2；MEMS开关还包括：形成在绝缘层中的第一导体31和第二导体32，第一导体31和第二导体32分别通过导通孔4与第一触点5和第二触点7电连接。

进一步地，还包括盖帽14，密封连接于衬底上，并形成容纳第一触点5、第二触点7和导电悬臂8的密闭空腔15；优选地，在密封空腔12内容纳有惰性气体。

进一步地，盖帽14由硅或者玻璃形成，在盖帽14上刻蚀形成凹槽，盖帽14通过键合技术或者粘接技术与绝缘层2表面连接，使得凹槽形成密闭空腔12。

进一步地，导电悬臂8由高疲劳强度的钪合金制备而成，高疲劳强度的钪合金中钪的质量比例为1％～2％；可动触点9由高硬度的钪合金制备而成，高硬度的钪合金中钪的质量比例为0.3％～0.9％。

(三)有益效果

本公开提供的MEMS开关，通过优化MEMS开关悬臂梁和可动触点的材料选择，在金属中掺入不同比例的钪，提升了开关的寿命和可靠性。金属触点材料具有较高的硬度和较低的电阻率，使开关工作在10GHz以上的频率时实现低插入损耗，并且减少开关工作过程中对触点造成的损坏；悬臂梁材料具有高疲劳强度，避免开关在循环过程中断裂，使开关循环次数增加。还通过增加保护触点，使得主触点不易损坏，能够较为明显的提升开关寿命。

附图说明

图1示意性示出了根据本公开至少一个实施例中MEMS开关的结构示意图；

图2示意性示出了根据本公开至少一个实施例中另一种MEMS开关的结构示意图；

图3示意性示出了根据本公开至少一个实施例中另一种MEMS开关的结构示意图；

图4示意性示出了根据本公开第三实施例中MEMS开关的截面结构示意图；

图5示意性示出了根据本公开第三实施例中MEMS开关的整体悬臂结构示意图。

附图标记说明：

1 基底 2 绝缘层

31、32 导体 41、42 导通孔

5 第一触点 6 控制电极

7 第二触点 8 导电悬臂

9 第一可动触点 10 支撑臂

11 辅助悬臂 12 第二可动触点

13 保护触点 14 盖帽

15 密封空腔 16 盖帽连接层。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

为达到上述目的，本公开采用的技术方案是：在金属中掺入钪，通过调整金属合金中钪的比例，得到具有高硬度或者高疲劳强度的合金材料，把钪合金材料应用于金属-金属串联接触式MEMS开关，即具备高硬度特性的钪合金材料用于触点，具备高疲劳强度的钪合金材料用于可动结构，提高MEMS开关的可靠性，增加MEMS开关的开关次数和寿命。

图1～图3示意性示出了根据本公开至少一个实施例中MEMS开关的结构示意图。

一种MEMS开关，包括：衬底；第一触点5和第二触点7，设置在衬底上；可变形的导电悬臂8，导电悬臂的第一端与第一触点5电连接；以及第一可动触点9，设置在导电悬臂8的第二端，使得导电悬臂8通过第一可动触点9与第二触点7可断开地电连接，其中，导电悬臂8和第一可动触点9中的至少一个由钪合金制备而成。

这里导电悬臂8和第一可动触点特别地采用了钪合金。金属钪(Sc)是稀土金属类的重要产品之一，目前主要应用于新型电光源材料、激光材料、冶金材料等领域。钪作为合金添加剂，可有效提高合金性能，降低合金重量，且对合金的强度、硬度等有明显提高。例如，在铝(Al)中加入Sc，形成Al-Sc合金，可以细化合金组织，通过调整Sc的比例，可以得到具有高硬度或者高疲劳强度的合金材料。

导电悬臂8的第一端始终与第一触点5保持固定，导电悬臂8上的第一可动触点9与第二触点7的位置对齐。工作时，导电悬臂8受静电力而变形，其第二端向第二触点7的方向靠近，然后与第二触点7接触，开关导通；停止工作时，导电悬臂8不再受静电力的吸引而弹回初始位置，其第二端与第二触点7分离，开关关断。

在上述实施例的基础上，钪合金为铝钪合金，其中钪的质量比例为0.3％～2％。

钪合金可以是铝钪合金，向铝中掺杂一定量的钪，钪作为合金添加剂，添加量不宜过高，较合适的范围在0.3％～2％之间。

在上述实施例的基础上，导电悬臂8的第一端通过锚点与第一触点5电连接，第一可动触点9由钪合金制备而成。

导电悬臂8通过第一触点5进行电连接，由于导电悬臂8通常呈L型，还需要通过锚点使导电悬臂8的第一端固定，而使导电悬臂8保持悬空状态。第一可动触点9采用高硬度钪合金，能够保证第一可动触点的多次循环使用，其表面不易磨损，也不易与第二触点7发生粘附，延长了MEMS开关的使用寿命；同时，保证了可动触点良好的导电性。

另一种实施方式还包括，导电悬臂8的第一端通过锚点与第一触点5电连接，在导电悬臂8的第二端还设有保护触点13；保护触点13由钪合金制备而成，第一可动触点9由金或钪合金制备而成。

在第一可动触点9的旁边还间隔设置有一保护触点13。导电悬臂8的第一端始终与第一触点5保持固定，工作时，导电悬臂8受静电力而变形，其第二端向第二触点7的方向靠近，保护触点13首先与固定触点7接触，开关导通；导电悬臂8受到的静电力持续加大，导电悬臂8的变形程度更大，第一可动触点9也与第二触点7接触，此时第一可动触点9两端的电场强度较小，不易造成损坏，能够较为明显的提升开关寿命。导电悬臂8受到的静电力继续加大，保护触点13和固定触点7之间的接触力逐渐减小，甚至造成保护触点13和固定触点7分离。此时开关主要通过第一可动触点9和固定触点7的接触实现导通，保证了开关工作在高频率时具有较低的插入损耗。停止工作时，导电悬臂8不再受静电力的吸引而弹回初始位置，第一可动触点9、保护触点13均与第二触点7分离，开关关断。

还有一种实施方式还包括：设置在衬底上的支撑臂10；辅助悬臂11，辅助悬臂的第一端与支撑臂10连接，辅助悬臂11的第二端与导电悬臂8连接，并且导电悬臂8垂直于辅助悬臂11；以及第二可动触点12，其与第一可动触点9设置于导电悬臂8的两侧，并与第一触点5可断开地电连接，第二可动触点12由钪合金制备而成。

图4示意性示出了根据本公开第三实施例中MEMS开关的截面结构示意图。该实施例中，导电悬臂8不在与第一触点5固定连接，而是导电悬臂8的两端分别设置一个可动触点，并分别与第一触点5、第二触点7可断开地连接。第一可动触点9作为输入端触点，第二可动触点12作为输出端触点；当然，也可以是第二可动触点12作为输入端触点，第一可动触点9作为输出端触点。这时，导电悬臂8通过支撑臂10和辅助悬臂11与衬底之间保持固定。

图5示意性示出了根据本公开第三实施例中MEMS开关的整体悬臂结构示意图。支撑臂10直接固定于衬底上，辅助悬臂11的第一端与支撑臂10连接，辅助悬臂11与支撑臂10垂直，并与衬底的上表面平行。辅助悬臂11的第二端与导电悬臂8连接，导电悬臂8既与辅助悬臂11垂直，又与支撑臂10垂直，并与衬底的上表面平行。

工作时，辅助悬臂11受静电力而变形，其第二端带动导电悬臂8向第一触点5、第二触点7的方向靠近，然后第一可动触点9与第二触点7接触，第二可动触点12与第一触点5接触，开关导通；停止工作时，辅助悬臂11不再受静电力的吸引而弹回初始位置，第一可动触点9与第二触点7分离，第二可动触点12与第一触点5分离，开关关断。

在上述实施例的基础上，还包括控制电极6，通过在控制电极6和导电悬臂8之间施加电压，导电悬臂8发生变形，以驱动第一可动触点9与第二触点7电接触、第二可动触点12与第一触点5电接触。

通过在控制电极6和导电悬臂8之间施加或消除电压，使导电悬臂8发生变形，从而控制开关的导通与关断。工作时，在控制电极6施加电压，使导电悬臂8和控制电极6之间产生静电力，导电悬臂8，导电悬臂8自由端的第一可动触点9与第二触点7接触，开关导通。当撤去控制电极6施加的电压时，导电悬臂8自由端弹起，金属触点断开接触，开关关断。

在上述实施例的基础上，衬底包括基底1和形成在基底上的绝缘层2；MEMS开关还包括：形成在绝缘层中的第一导体31和第二导体32，第一导体31和第二导体32分别通过第一导通孔41、第二导通孔42与第一触点5和第二触点7电连接。

导电通路包括第一导体31、第二导体32和第一导通孔41、第二导通孔42。第一导体31、第一导通孔41、第一触点5、变形导电悬臂8、第二触点7、第二导通孔42、第二导体32依次形成导电通路。

在上述实施例的基础上，还包括盖帽14，密封连接于衬底上，并形成容纳第一触点5、第二触点7和导电悬臂8的密闭空腔12；优选地，在密封空腔15内容纳有惰性气体。

使用盖帽14在MEMS开关组件上形成一密闭的保护空间，其中填充惰性气体，有利于延长各电子原件的寿命。

在上述实施例的基础上，盖帽14由硅或者玻璃形成，在盖帽14上刻蚀形成凹槽，盖帽14通过键合技术或者粘接技术与绝缘层2表面连接，使得凹槽形成密闭空腔12。

盖帽14通过盖帽连接层16与绝缘层2表面对准连接，可以通过键合技术或者粘接技术等方式实现。盖帽14具有凹槽，MEMS开关组件位于凹槽内部，凹槽内部填充惰性气体。

在上述实施例的基础上，导电悬臂8由高疲劳强度的钪合金制备而成，高疲劳强度的钪合金中钪的质量比例为1％～2％；可动触点9由高硬度的钪合金制备而成，高硬度的钪合金中钪的质量比例为0.3％～0.9％。

导电悬臂8会发生多次的形变，适合采用高疲劳强度的钪合金，其中钪的质量比例范围为1％～2％；可动触点9多次与第二触点7连接和断开，适合采用高硬度的钪合金，其中钪的质量比例范围为0.3％～0.9％。

下面通过具体实施方式对本公开作进一步说明。

实施例1

如图1所示，MEMS开关包括基底1，绝缘层2，导体31、32，导通孔41、42，第一固定触点5和锚点(未示出)，控制电极6，第二固定触点7，悬臂梁8，可动触点9，盖帽连接层16，盖帽14和凹槽15。

在基底1上形成绝缘层2，基底1通常由高电阻率硅形成，但是也可以由其他高电阻率物质形成，如硅、石英、蓝宝石、砷化镓或者有机材料等。本实施例中绝缘层2是由二氧化硅形成的，但可酌情使用已知的可以替代二氧化硅的其他绝缘材料。导电通路包括导体31、32和导通孔41、42。绝缘层2包括上下两部分，首先通过沉积形成下面的部分，然后通过沉积、光刻工艺，形成导体31、32，通常采用导电材料，例如铝、铜等。接着再沉积上部分绝缘层。在上部分绝缘层中采用光刻和刻蚀工艺形成导通孔41、42，在导通孔41、42中填充导电材料将导体31、32延伸到绝缘层2表面。

在绝缘层2表面形成第一固定触点5和锚点，控制电极6和第二固定触点7。锚点5，控制电极6和第二固定触点7可以是同样的材料，采用相同的工艺形成，也可以是不同的材料，分步形成。第一固定触点5，控制电极6和第二固定触点7应具有较好的导电性，可以是任何一种金属或者合金材料，例如铝、铜、铂或者钪合金等。

悬臂梁8固定端通过锚点连接在绝缘层的表面上，形成悬空结构，悬臂梁8通过第一固定触点5和导通孔41，与绝缘层内的导体31实现电学连接。在悬臂梁8自由端形成可动触点9，可动触点9与第二固定触点7相对。悬臂梁8和可动触点9均应用铝钪合金形成。本实施例中，Al中掺杂Sc的比例为0.3％～2％，通过调整铝钪合金中钪的比例，分别得到高疲劳强度的材料和高硬度的材料，悬臂梁8的材料采用高疲劳强度的铝钪合金，可动触点9的材料采用高硬度铝钪合金。

控制电极6位于悬臂梁8中间相对的下部。工作时，在控制电极6和悬臂梁8之间施加电压，产生静电力使悬臂梁8变形，悬臂梁8前端可动触点9与固定触点7接触，开关导通。

盖帽11设置在MEMS开关组件外围，用于密封MEMS开关组件。盖帽11可以由硅或者玻璃形成，在盖帽11上经刻蚀形成凹槽12。盖帽11通过键合技术或者粘接技术与绝缘层2表面连接，凹槽12形成密闭空腔，本实施例中采用了粘接技术，形成盖帽连接层10。凹槽12内部填充惰性气体。

实施例2

如图2所示，MEMS开关包括基底1，绝缘层2，导体31、32，导通孔41、42，第一固定触点5和锚点(未示出)，控制电极6，第二固定触点7，悬臂梁8，主触点9，盖帽连接层16，盖帽14，凹槽15以及保护触点13。

与实施例1不同，本实施例中主触点9材料选择金，保护触点13应用铝钪合金材料，钪的掺杂比例为0.6％；悬臂梁8用铝钪合金材料，钪的掺杂比例为1.5％。

工作时，在控制电极6和悬臂梁8之间施加第一驱动电压，悬臂梁8变形，保护触点13首先与第二固定触点7接触。在开关导通的情况下，继续增大电压至第二驱动电压时，悬臂梁8变形程度更大，主触点9与第二固定触点7接触。此时主触点9两端的电场强度较小，不易造成损坏，能够较为明显的提升开关寿命。继续增大电压，保护触点13和第二固定触点7之间的接触力逐渐减小，甚至造成保护触点13和第二固定触点7分离。此时开关主要通过主触点9和第二固定触点7的接触实现导通，保证了开关工作在高频率时具有较低的插入损耗。

实施例3

如图3所示，MEMS开关包括基底1，绝缘层2，导体31、32，导通孔41、42，第一固定触点5，控制电极6，第二固定触点7，悬臂梁8，射频输入端触点9，盖帽连接层16，盖帽14，凹槽15，射频输出端触点12，支撑臂10，辅助悬臂11。

如图3所示，在绝缘层2表面形成第一固定触点5和第二固定触点7，通过导通孔41、42，与绝缘层内的导体31、32实现电学连接。悬臂梁8自由端形成射频输入端触点9和射频输出端触点12，分别和第一固定触点5和第二固定触点7形成接触对。触点9和触点12均应用铝钪合金材料，钪的掺杂比例为0.6％。

如图4所示，悬臂梁8由支撑臂10固定在绝缘层2表面，形成悬空结构。工作时，在控制电极6和悬臂梁8之间施加驱动电压，电压增加到一定值时，两触点对同时实现接触，开关导通。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种MEMS开关，其特征在于，包括：

衬底；

第一触点(5)和第二触点(7)，设置在所述衬底上；

可变形的导电悬臂(8)，所述导电悬臂的第一端与所述第一触点(5)电连接；以及

第一可动触点(9)，设置在所述导电悬臂(8)的第二端，使得所述导电悬臂(8)通过第一可动触点(9)与所述第二触点(7)可断开地电连接，

其中，所述导电悬臂(8)和第一可动触点(9)中的至少一个由钪合金制备而成。

2.根据权利要求1所述的MEMS开关，其特征在于，所述钪合金为铝钪合金，其中钪的质量比例为0.3％～2％。

3.根据权利要求1或2所述的MEMS开关，其特征在于，所述导电悬臂(8)的第一端通过锚点与所述第一触点(5)电连接，所述第一可动触点(9)由钪合金制备而成。

4.根据权利要求1或2所述的MEMS开关，其特征在于，所述导电悬臂(8)的第一端通过锚点与所述第一触点(5)电连接，在所述导电悬臂(8)的第二端还设有保护触点(13)；

所述保护触点(13)由钪合金制备而成，所述第一可动触点(9)由金或钪合金制备而成。

5.根据权利要求1或2所述的MEMS开关，其特征在于，还包括：

设置在所述衬底上的支撑臂(10)；

辅助悬臂(11)，所述辅助悬臂的第一端与所述支撑臂(10)连接，所述辅助悬臂(11)的第二端与所述导电悬臂(8)连接，并且所述导电悬臂(8)垂直于所述辅助悬臂(11)；以及

第二可动触点(12)，其与所述第一可动触点(9)设置于所述导电悬臂(8)的两侧，并与所述第一触点(5)可断开地电连接；

所述第二可动触点(12)由钪合金制备而成。

6.根据权利要求1～5中的任一项所述的MEMS开关，其特征在于，还包括控制电极(6)，通过在所述控制电极(6)和导电悬臂(8)之间施加电压，导电悬臂(8)发生变形，以驱动所述第一可动触点(9)与所述第二触点(7)电接触、所述第二可动触点(12)与所述第一触点(5)电接触。

7.根据权利要求1～6中的任一项所述的MEMS开关，其特征在于，所述衬底包括基底(1)和形成在所述基底上的绝缘层(2)；

所述MEMS开关还包括：形成在所述绝缘层中的第一导体(31)和第二导体(32)，所述第一导体(31)和第二导体(32)分别通过第一导通孔(41)、第二导通孔(42)与第一触点(5)和第二触点(7)电连接。

8.根据权利要求1～7中的任一项所述的MEMS开关，其特征在于，还包括盖帽(14)，密封连接于所述衬底上，并形成容纳所述第一触点(5)、第二触点(7)和导电悬臂(8)的密闭空腔(12)；

优选地，在所述密封空腔(15)内容纳有惰性气体。

9.根据权利要求8所述的MEMS开关，其特征在于，所述盖帽(14)由硅或者玻璃形成，在盖帽(14)上刻蚀形成凹槽，盖帽(14)通过键合技术或者粘接技术与绝缘层(2)表面连接，使得凹槽形成密闭空腔(12)。

10.根据权利要求1～9中的任一项所述的MEMS开关，其特征在于，所述导电悬臂(8)由高疲劳强度的钪合金制备而成，所述高疲劳强度的钪合金中钪的质量比例为1％～2％；所述可动触点(9)由高硬度的钪合金制备而成，所述高硬度的钪合金中钪的质量比例为0.3％～0.9％。

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