CN1286134C - 具有微型机电系统的微型开关 - Google Patents
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Abstract
一种微型开关，其包括：底座元件(G)，其具有接触表面(KG)和电极(EG)；以及开关元件(S)，其具有接触表面(KS)和与底座元件(G)的电极(EG)以一定距离(g)相对设置的电极(ES)。开关元件(S)具有弹簧常数，并以固定的方式使其边缘部分的至少一部分与底座元件(G)相连。接触表面(KG，KS)形成一开关接点，该开关接点可以借助于施加到电极(EG，ES)上的电压克服由该弹簧常数引起的反作用力而闭合。底座元件(G)和开关元件(S)均包括辅助电极(HG，HS)，其沿横向离开所述电极一定距离，对所述辅助电极(HG，HS)可以施加电压。为了断开开关接点，电极(EG，ES)具有第一电压电位(U1)，辅助电极(HG，HS)具有第二电压电位(U2)。所述电压电位实现正、负电荷载体在电极(EG，ES)和辅助电极(HG，HS)的表面部分上的积聚，使得具有正、负电荷载体的表面部分沿横向彼此相对，并具有相同电荷载体的表面部分沿垂直方向彼此相对。
Description
本申请要求在2002年2月11日提交的欧洲专利申请号为02002963-3的申请日的优先权，该专利申请的全部内容被包括在此作为参考。
发明背景
本发明涉及一种在微型机电系统中的微型开关。利用特定的方法和工艺例如光刻技术制造的元件被称为微型机电或微型机械系统(MEMS)。它们使得能够在微米的范围内在最小的规模上实现电气功能或者机械功能。因而，用在移动电话的射频部分的微型开关便从Brown，Elliott R.：RF-MEMS Switches for ReconfigurableIntegrated Circuits，IEEE Transaction on Microwave Theory andTechniques，第45卷，第11期，1998年11月中公知了。
微型机电元件由多个十分不同的侧面结构的薄层形成这些薄层沿垂直方向位于相互的顶上，并具有十分不同的材料性能。按照所需的功能，各个层例如由导电的或绝缘的材料形成，或者由具有某种机械性能例如弹簧常数的材料形成。借助于相应的处理，也可以制造更复杂的三维结构。在一种简化的形式中，微型开关可以由3个横向层形成，借以在制造处理结束时再除去中间层。因而，可形成由作为最下层的底座元件和作为最上层的柔性的开关元件构成的微型开关。所述两层或者由此形成微型开关的元件以一个确定的距离分别彼此相对，所述距离是通过设置在其间的除去层获得的。所述距离基本上相当于必须由柔性的开关元件克服从而闭合底座元件和开关元件之间的开关接点的偏移。如果底座元件例如是硅衬底，则在其上将设置附加的导电层作为接触表面，对该接触表面可以施加电压。所述开关元件可以由金属材料制成，由此使其本身形成接触表面，对所述接触表面可以施加电压。所述开关元件的材料具有弹簧常数，并且所述开关元件至少部分地与底座元件相连。如果现在在接触表面之间施加一个电位差，则它们共同形成开关接点，由于这样产生的静电吸引力，柔性的开关元件沿底座元件的方向偏转，并且开关接点闭合。为了实现尽可能高的吸引力，彼此相对的接触表面的尺寸要尽可能大。为了绝缘的目的，可以在接触表面上施加一个附加的氧化物层。然后可以同时对所述接触表面施加用于产生静电吸引力的直流电压和作为要被通断的信号的交流电压。如上所述，柔性的开关元件至少在其边沿的一点上被固定。依据固定的类型和柔性的开关元件的形式，在微型机电系统中的微型开关被通称为悬臂开关、桥式开关或者也称为薄膜开关。
发明内容
图2a和图2b表示在断开和闭合位置的作为桥式开关的现有技术的微型开关的基本结构。柔性的开关元件S在其边沿的两个点用这种方式固定到底座元件G上，即，使得其在断开位置朝向底座元件具有一确定的距离。由于所选择的材料的弹簧常数，固定柔性的开关元件具有反抗开关元件的偏转的反作用力。一接触表面KG设置在底座元件G上，其与作为附加的接触表面的开关元件S一道形成开关接点。如果在两个接触表面上施加电压，则由于所产生的静电吸引力，开关元件S便沿底座元件G的方向克服反作用力而运动。如果施加的电压超过某个值，则开关接点S闭合。如果从接触表面除去所述电压，则开关元件S由于所述反作用力而回到其原始形式，从而开关接点断开。这种开关的缺点在于，由于当接点闭合时形成的原子和分子的表面力，开关元件的表面和底座元件的接触表面可能会粘结在一起。如果所述表面力大于反作用力，则开关接点便不能被断开。为了避免所述的粘合，提出在接点上附加地设置一介电层。此外，可以设想到，借助于相应的形式和材料选择，增加开关接点的反作用力。这需要较高的响应力，因而，为了使接点闭合，需要较高的电压，从而克服所述较大的反作用力。然而，当这种微型开关要集成在具有小的电压源的MEMS元件中时，这是不希望的且不能应用的。此外，较高的电压和由此引起的较高的吸引力具有当开关闭合时其接点趋于更容易粘合的危险，这是由于所谓的接点碎裂所致。
US 6143997披露了一种在低电压下操作的微型开关。其底座元件包括接触表面和多个单独的电极。此外，在底座元件上设置有用于开关元件的具有夹持件功能的多个层。开关元件由所述的夹持件来引导，并且可以在由所述夹持件限定的一个偏离范围内自由运动。在与底座元件相对的夹持件的一侧上，施加附加的配对电极。由于开关元件是可以运动，即不以静止的方式连接，因此没有反作用力用于断开开关接点，不过，为了断开开关接点，向该配对电极施加第一电压电位，向开关元件施加第二电压电位，使得在配对电极和开关元件之间产生吸引力。为了闭合开关接点，第一电压电位被施加给底座元件的电极，第二电压电位被施加给开关元件。此外，如果微型开关处于合适的位置，还可以附带地利用重力。由于没有机械的反作用力这个事实，因此只有由配对电极上的电压确定的吸引力作用以便断开开关接点并在给定的相应位置下克服重力。由于较小的力，接触表面粘连在一起的危险也较小。然而，其缺点是，在微型机电系统中，具有上述结构的这种微型开关需要附加的和更复杂的层结构，这使得其制造过程更加费力，因而更加昂贵。
因此，本发明基于这样一个目的：提供一种微型开关，其能够克服由现有技术已知的不利的粘连，并确保微型机电系统的制造过程尽可能的容易。
按照这个目的，本发明基于这样一个构思：提供一种微型开关，其由一个底座(下文称为底座元件)和可动元件(下文称为开关元件)构成。开关元件具有弹性接点，并且其边沿部分的至少一部分以固定的方式与底座元件相连。因而，当可动开关元件偏转时，便产生反作用力，其方向与所述偏转的方向相反。底座元件和开关元件两者都包括至少两个电极，下文称为电极和辅助电极，由此使底座元件的电极和开关元件的电极以一个确定的距离彼此相对的设置。在两者即底座元件和开关元件中，辅助电极沿横向以离开各自的电极相同的距离被设置。此外，底座元件和开关元件每个具有接触表面，它们共同形成微型开关的开关接点。在底座元件的电极和开关元件的电极之间的距离基本上限定了可动开关元件闭合所述开关接点所需的偏移。为了断开开关接点，如果具有第一电压电位的电压施加于电极，并且具有第二电压电位的电压施加于辅助电极，由此形成的电压差沿横向在底座元件和开关元件中的电极和辅助电极之间产生电场。与电场的方向相应，在电极和辅助电极的表面部分上积聚正、负电荷载体，它们沿横向彼此直接相对地被设置。沿其垂直方向，即，沿开关元件的偏移方向，具有相同电荷载体的电极被彼此相对地设置。换句话说，例如，在开关元件的电极表面上正电荷载体的积聚和在底座元件的电极的表面部分上正电荷载体的积聚是相对的。这同样适用于负电荷载体的积聚。因而，在具有相同电压电位的电极上相同表面电荷的积聚之间产生排斥力。因为该排斥力的作用方向基本上与开关元件的反作用力的方向相同，在断开的时刻该排斥力支持所述开关元件的反作用力。这意味着，当开关元件的接触表面开始松释或分开的时刻，产生的排斥力便开始沿反作用力的方向作用。由于以下事实，即在开关接点断开之前，具有相同电压电位的电极和相应的辅助电极以及具有相同符号的表面电荷彼此被非常紧密地设置，所以，因为该距离很小，在这个时刻的排斥力便很大。由于排斥力沿反作用力的方向作用，当开关接点断开时，所述排斥力支持所述反作用力，因而，防止开关接点的永久地粘合。有利的是，按照本发明，不需要如现有技术中所述例如增加弹簧常数等附加的机械措施。此外，可以放弃由现有技术已知的采用附加的费力的结构，例如夹持件和配对电极，从而避免附加的费力的处理步骤。
按照本发明的开关的另外的有利的实施例和优选的改进在从属权利要求中限定。
附图说明
下面借助于附图详细说明本发明，其中：
图1a示意地表示按照本发明的第一实施例；
图1b表示通过按照图1a的微型开关的截面图；
图1c表示通过按照本发明的微型开关的另一个实施例的截面图；
图1d示意地表示在微型开关的电极上的电荷分布；
图2a表示处于断开位置的已知的薄膜开关；以及
图2b表示处于闭合位置的已知的薄膜开关。
具体实施方式
图1a，1b示意地表示按照本发明的微型开关的第一实施例的结构。底座元件G，其一般形成为一底层，该底座元件包括一槽，接触表面KG和电极EG以及辅助电极HG位于所述槽中。如图1b所示，接触表面KG以及两个电极EG和HG作为一个附加的层被施加在底座元件G的槽的表面上，但是也可以集成在形成底座元件G的层中。后一种布置需要更复杂的横向结构，但是沿垂直方向没有附加的层。在另一层中，开关元件S被设计成跨过底座元件G的槽的上方的一个桥，其中借助于在所述桥的两个边缘部分被固定地与底座元件G相连。接触表面KS以及电极ES和辅助电极HS位于开关元件S的下侧即面对底座元件G的一侧上。其中，如图1b所示，电极ES和HS也可以作为附加的层施加在开关元件S上，或者也可以被集成在形成开关元件S的层中。电极EG和ES以及辅助电极HG和HS可以通过合适的引线与电压源(未示出)相连。接触表面KG和KS可以借助于合适的引线与要被通断的信号路径相连，使得在开关接点的闭合位置，即当两个接触表面KG和KS相互接触时，该信号路径闭合。如果此刻在电极EG和ES之间加上电压，则由于在电极EG和ES之间的电位差而产生静电场，该电场产生吸引力。因而，开关元件S沿底座元件G的方向或者更精确地说沿着位于底座元件G的槽中的电极EG的方向偏移。由施加的电压产生的这个偏移被反作用力抵消，所述反作用力是由所使用的材料以及固定开关元件S的种类限定的。如果吸引力大于反作用力，则开关接点闭合。如果从接点EG和ES上除去电压，则由于反作用力，开关元件S将返回其原始位置，使得开关或相应的开关接点断开。不过如上述已经说明的，可能由于粘附性能或其它的表面性能，当开关接点闭合时，发生接触表面KG和KS或者开关元件的其它的表面元件粘结在底座元件上。由此产生的表面力抵消了反作用力，因而使开关接点不能再断开。因此提出在底座元件G和开关元件S上沿横向设置辅助电极HG和HS，每个辅助电极与电极EG，ES隔开一定距离a，并且所述电极EG和ES或者相应的辅助电极HG和HS与电压源相连，使得第一正电压电位U1被加在电极EG和ES上，而第二负电压电位被加在辅助电极HG和HS上，以便断开开关接点。由于在电极EG和ES以及辅助电极HG和HS之间的不同的电压电位，在电极EG，ES，HG，HS的表面部分上即在沿横向彼此直接相对的表面上积累有表面电荷。在这个例子中，这意味着在电极EG，ES的表面部分上积累正电荷载体，在辅助电极HG，HS的表面部分上积累负电荷载体。结果，这些表面部分沿正交方向即沿积累有相同符号的表面电荷的微型机电层的垂直方向彼此相对。这再次引起在被调整的电荷之间，由此在开关元件S的电极ES与底座元件G的电极EG之间，以及相应地对于辅助电极HG与HS之间的排斥功率。当开关接点S断开时，即精确地说当电极EG，ES或辅助电极HG，HS彼此最接近时，所述排斥功率具有其最高的密度。它们沿着与机械反作用力相同的方向作用，因而在断开开关接点时支持所述反作用力。理论上，电极EG，ES，HG，HS被这样构造成，即，使得它们设计成为带状线，如图1a示意地所示。所述的带状线具有宽度b和长度l，由此使这样限定的用于由电场产生吸引力的EG，ES，HG，HS，的表面部分的尺寸足够大，以便使开关闭合。此外，带状线具有明显小于长度l的厚度d。带状电极EG，ES，HS设置成彼此位于底座元件G和开关元件S上，使得它们沿其纵向1相互平行。这导致电荷载体积累在由长度l和厚度d限定的电极EG，ES，HG，HS的表面部分上。换句话说，借助于对电极EG，ES和辅助电极HG，HS施加电压，正电荷将积聚在电极EG，ES的最接近各自的辅助电极的表面上，示意地如图1d所示。与此相应，负电荷积聚在辅助电极HG，HS的最接近各自电极的表面上。由于所述表面相互之间的距离相同，电荷的积聚也沿垂直方向彼此相反，因而形成一个由表面部分构成的正交系统，所述表面部分中的每一个具有的电荷载体。因此沿垂直方向获得的排斥功率支持反作用力。方便地，具有介电常数r的介电材料被设置在电极EG，ES和辅助电极HG，HS之间。因而，在电极和辅助电极之间产生更大的静电场，这导致在电极EG，ES，HG，HS的表面部分上的表面电荷的积聚增加。沿垂直方向作用的排斥功率因而可被进一步增加。理论上，可以在一个层上作为一种横向结构实现这种布置。这意味着，电极EG，ES，HG，HS以及介电材料大致形成开关元件S。
为了闭合开关接点，在这些电极的至少一个上的电压电位必须能够在U1和U2之间进行选择地切换，使得由于上述的不同的电压电位，在底座元件G与开关元件S之间产生电极EG，ES，HG，HS的吸引力。如果所述电压电位此外还在另一个电极EG，ES，HG，HS上进行切换，例如使得第一电压电位U1被施加于开关元件S的电极ES和辅助电极HS，第二电压电位U2被施加于电极EG和辅助电极HG，或者反之亦然。
如图1a所示，开关元件S和底座元件G的接触表面KS，KG可以被设置在电极EG，ES或相应的辅助电极HG，HS之间。不过，接触表面KS和KG仅仅在形成开关接点的部分区域内彼此直接相对。此处示出的微型开关的接触表面KS，KG的实施例尤其适用于其中RF(射频)信号必须切换的应用场合，例如在便携终端的射频部分。与RF信号相关，有利的是，其中信号通路，即此处的接触表面，尽可能小地重叠，以便避免电容耦合。此外，在这个领域中，本发明的微型开关可以有利地应用，因为只有在这种便携终端中可得到的电压源是小的，即，使用的元件应当具有尽可能小的电源电压。
图1c示意地表示按照本发明的微型开关的另一个实施例。如图1c所示，开关元件S和底座元件G的接触表面KS，KG也可以分别被设置在由一对电极和一对辅助电极形成的两对之间。这意味着，底座元件G以及开关元件S中的每一个包括附加的电极EG1和ES1，以及附加的辅助电极HG1和HS1。它们同样以一距离a相互平行地被设置。接触表面KG，KS被设置在由电极EG，ES和辅助电极HG，HS构成的第一对与由附加的电极EG1，ES1和辅助电极HG1，HS1构成的第二对之间。同样，接触表面KG，KS只在形成开关接点的局部区域内彼此相对。如果接触表面具有不允许将其设置在电极和辅助电极之间的宽度，即，例如，接触表面的宽度大于电极和辅助电极之间的距离，则这种布置是尤其优选的。为了获得与第一实施例相同的效果，即产生用于断开接点的排斥力，总是需要至少一对电极和辅助电极。
本发明不限于上述的这些实施例，而和开关元件的悬浮的种类和形式无关。这意味着，例如，结合悬臂开关或薄膜开关，可以相应地应用本发明的构思。这指的是接触表面的结构。因而，可以想到，例如，在底座元件上提供两个接触表面，它们由开关元件的接触表面桥接。这指的是电极、辅助电极或接触表面的形状。因而，可以想到，例如弯曲形的或螺旋形的结构也是可能的。结合所有的实施例，重要的是，按照本发明的关于电极和辅助电极的布置和结构以及连接的创造性构思，当开关元件断开时产生排斥功率来支持反作用力，从而减少粘结的危险。
在图1a-d中以抽象的方式示出了微型开关，其中只示出了本发明的基本的方面。根据应用的目的或使用的技术，不脱离本发明的基本原理，本领域技术人员可以作出具有不同结构的不同的实施例。
Claims (7)
1.一种微型开关，其包括：
-底座元件(G)，其具有接触表面(KG)和电极(EG)，
以及
-开关元件(S)，其具有接触表面(KS)和与所述底座元件(G)的该电极(EG)以一距离(g)相对设置的电极(ES)，
-其中，该开关元件(S)具有弹簧常数，并以固定的方式使其边缘部分的至少一部分与该底座元件(G)相连，以及
-其中，该接触表面(KG，KS)形成一开关接点，所述开关接点可以借助于施加到该电极(EG，ES)上的电压以克服由所述弹簧常数引起的反作用力从而闭合，
其中
-该底座元件(G)和该开关元件(S)包括辅助电极(HG，HS)，该辅助电极沿横向离开所述电极(EG，ES)一距离(a)，对所述辅助电极(HG，HS)可以施加电压，以及
-电压可施加到所述电极(ES，EG)和所述辅助电极(HG，HS)上，以便断开该开关接点，使得所述电极(EG，ES)具有第一电压电位(U1)，而所述辅助电极(HG，HS)具有第二电压电位(U2)，以便实现正、负电荷载体在电极(EG，ES)和辅助电极(HG，HS)的表面部分上的积聚，使得具有正、负电荷载体的表面部分沿横向彼此相对，并具有相同电荷载体的表面部分沿垂直方向彼此相对。
2.如权利要求1所述的微型开关，其特征在于，
电极(EG，ES)或辅助电极(HG，HS)之一可以在第一电压电位(U1)和第二电压电位(U2)之间切换，以便闭合该开关接点。
3.如权利要求2所述的微型开关，其特征在于，
电极(EG，ES)或辅助电极(HG，HS)中的另外之一可以在第一电压电位(U1)和第二电压电位(U2)之间切换，以便闭合该开关接点，使得第一电压电位(U1)施加在开关元件(S)的电极(ES)和辅助电极(HS)上，第二电压电位(U2)施加在底座元件(G)的电极(EG)和辅助电极(HG)上。
4.如权利要求1所述的微型开关，其特征在于，
电极(EG，ES)和辅助电极(HG，HS)均包括由其厚度(d)和长度(l)限定的表面部分，其中长度(l)大于厚度(d)，并且底座元件(G)和开关元件(S)的电极(EG，ES)和相应的辅助电极(HG，HS)均布置成与所述表面部分平行。
5.如权利要求1所述的微型开关，其特征在于，
介电材料设置在底座元件(G)和/或开关元件(S)的电极(EG，ES)和辅助电极(HG，HS)之间。
6.如权利要求1所述的微型开关，其特征在于，
接触表面(KG，KS)设置在电极(EG，ES)和辅助电极(HG，HS)之间，其中接触表面(KG，KS)只在形成该开关接点的局部区域中彼此相对。
7.如权利要求1所述的微型开关，其特征在于，
所述底座元件(G)和所述开关元件(S)均包括附加的电极(EG1，ES1)和附加的辅助电极(HG1，HS1)，它们也以一距离(a)彼此平行地设置，并且该接触表面(KG，KS)设置在由电极(EG，ES)和辅助电极(HG，HS)形成的第一对和由附加电极(EG1，ES1)和附加辅助电极(HG1，HS1)形成的第二对之间，其中所述接触表面(KG，KS)只在形成所述开关接点的局部区域中彼此相对。
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