CN1540700A - 低压微型开关 - Google Patents
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Abstract
一种低压微型开关包括在其内具有驱动空间的基片；具有以悬梁形状从基片的一部分延伸到基片的驱动空间的压电材料和偏压电极的驱动装置；从基片的一侧以一定间隔延伸地形成并具有不相连部分的导电信号线；连接到驱动装置，被放置在驱动空间内并根据驱动装置的驱动移动的支承单元；形成在支承单元处并根据支承单元的运动连接或断开导电信号线的不相连部分的切换装置；及一个或多个形成在基片处的基单元。
Description
技术领域
本发明涉及一种微型开关(micro switch)，并且尤其涉及一种能以低压驱动，精确地控制ON/OFF，并且使工艺和与电路部分相结合容易的低压微型开关。
背景技术
在高频带使用的电子系统正变得超紧凑，超轻型和具有良好的性能。因此，在目前的电子系统中，正在进行使用被称作显微机械加工的新技术的微型开关的研究，作为半导体开关譬如FET(场效应晶体管)或pin二极管的替代物。
传统的半导体开关存在功率损耗高，有失真和非线性，并且ON/OFF没有完全绝缘的问题。
对于通过采用由使用显微机械加工技术制造的并具有机械运动的驱动件来实现微型开关譬如MEMS开关或可调电容正在进行广泛的研究。
微型开关能被应用到下一代移动通讯终端，个人数字助理(PDA)，无线通讯系统，移相器，无线调谐器，接收器，变送器，相控阵智能天线(phase arrayed smart antennas)，卫星广播装置，卫星通讯装置(satellite communicators)等等，就这一点而言非常期望能实现紧凑，轻型，高性能和廉价的电子系统。
大部分的微型开关，譬如MEMS开关和可调电容，已经被开发并且迄今采用由静电力或磁力操作的驱动器。
尽管由静电力驱动的MEMS开关和可调电容具有如此低的功率损耗以致于可以被忽略，但是在可靠性方面它们存在缺陷，当它们被驱动时由于带电(charging)和微型焊接的原因会发生静摩擦(stiction)问题。
与此同时，谈到由磁力驱动的MEMS开关和可调电容，尽管它们能以低压驱动，它们的功率损耗非常高并且它们的制造工艺很复杂。此外，因为难于将它们与其他的集成电路装置集成在一个单独的芯片上，所以系统的大小不能被大大减少。
因此，需要能以低压驱动，具有很高的可靠性并且能与其他的集成电路集成在一个单独基片上的微型开关。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种能以低压驱动，精确控制ON/OFF，并使制造工艺和与电路部分结合容易的微型开关。
为了实现这些和其他的优点和根据本发明的目的，如这里所具体表达和广泛描述的，提供了一种低压微型开关，包括：具有在其中的一定区域通过蚀刻形成的驱动空间(actuating space)的基片；具有以悬梁形状从基片的部分(potion)延伸到基片的驱动空间的压电材料和偏压电极的驱动装置；从基片的一侧以一定间隔延伸地形成并具有不相连部分的导电信号线；连接到驱动装置的支承单元，被放置在驱动空间内，并根据驱动装置的驱动移动；形成在支承单元处并根据支承单元的移动连接或断开导电信号线的不相连部分的切换装置；及一个或多个形成在基片处的基单元。
为了实现上述目的，还提供了一种低压微型开关，包括：具有在其中的一定区域通过蚀刻形成的驱动空间的基片；具有以悬梁形状从基片的部分延伸到基片的驱动空间的压电材料和偏压电极的驱动装置；从基片的一侧以一定间隔延伸地形成的导电信号线；连接到驱动装置的支承单元，具有连接到基片的连接电极，并根据在驱动空间内的驱动装置的驱动进行移动；形成在支承单元的连接电极上并根据支承单元的运动与导电信号线接触或分离的电容器单元；及一个或多个形成在基片处的基单元。
本发明的前述的和其他的目的，特征，方面和优点将从下面结合附图对本发明的详细描述中变得很清楚。
附图说明
被包括用来提供对本发明的进一步理解同时被包含在说明书中组成说明书一部分的附图，说明本发明的实施例并与说明书一起用于解释本发明的原理。
图中：
图1是表示根据本发明的低压微型开关的一个范例的立体图；
图2是该低压微型开关的前剖视图；
图3是表示组成该低压微型开关的基单元的另一个范例的立体图；
图4是表示该低压微型开关的驱动装置，支承单元和切换装置(switching unit)的平面图；
图5到图9是表示该低压微型开关的驱动装置，支承单元和切换装置的不同范例的平面图；
图10到图12表示相互联系(一般的微型开关类型的电路图)；
图13是表示根据本发明的低压微型开关的另一个范例的前剖视图；及
图14是表示根据本发明的低压微型开关的再一个范例的前剖视图。
具体实施方式
下面将对本发明的优选实施例进行详细说明，优选实施例的范例显示在附图中。
图1是表示根据本发明的低压微型开关的一个范例的立体图，而图2是该低压微型开关的前剖视图。
如图所示，低压微型开关包括：包含在其中具有驱动空间101的基片100；具有以悬梁形状从基片100的部分延伸到基片的驱动空间的压电材料和偏压电极的驱动装置110；从基片100的一侧以一定间隔延伸地形成并具有不相连部分的导电信号线120；连接到驱动装置110并根据驱动装置110的驱动移动的支承单元130；形成在支承单元130处并根据支承单元130的运动连接或断开导电信号线120的不相连部分的切换装置140；及一个或多个形成在基片100处的基单元150。
关于基片100，具有一定面积和深度的驱动空间101是通过对具有一定深度和面积的硅的部分进行蚀刻形成的，并且保护层102形成在形成驱动空间的硅上。绝缘层103形成在保护层102上。该绝缘层103可以直接地形成在硅上。
驱动空间101可以贯穿地形成在基片100的一部分处。该贯穿驱动空间101是通过体显微机械加工技术形成的。
该导电信号线120具有一定的厚度和长度，它的两个末端部分形成弯曲。该导电信号线120的弯曲末端部分被整体地形成在基片100上从而被放置在驱动空间101的两侧，同时导电信号线120的中间部分与基片100保持一定的间隔(2～5μm)并穿过驱动空间101。该导电信号线120的中间部分变短。
基单元150被形成从而被放置在该导电信号线120的两侧。该基单元150以与导电信号线120相同的形状形成。如图3所示，作为基单元150的不同实施方式，基单元150能以具有一定厚度，宽度和长度的平板形状(flat plate form)形成。
该导电信号线120和基单元150通过电镀形成，并由譬如Au，Cu，Ag，Ni等材料制成。
如图4所示，驱动装置110包括具有一定面积和厚度和矩形通孔111的基部112和四个在基部112的内部边缘处以一定间隔延伸地形成的悬梁部件113。该悬梁部件具有一定宽度和长度。
驱动装置110采用压电驱动件的原理并包括形成在绝缘层103上的第一电极层AL1，在第一电极层AL1上由压电材料形成的压电材料层AL2，和形成在压电材料层AL2上的第二电极层AL3。
第一和第二电极层AL1和AL3是被施加了DC偏压电压的偏压电极层。第一电极层AL1能够由Tl/Pt制成并且第二电极层AL3由Pt或RuO2制成。根据DC偏压电压，压电材料被大大收缩和扩张。作为压电材料，PZT(铂-锆-钛)或PLZT(涂敷镧的PZT)等等被使用。
当1V的偏压电压被施加到PZT或PLZT材料上时，驱动装置被移动1μm。因此，为了将驱动装置110移动达到2～5μm，少于5V的偏压电压应该被施加。
支承单元130包括形成切换装置140的矩形薄板部件131和四个将板部件131和四个悬梁部件连接起来的连接部件132。支承单元130被形成为绝缘层103并被放置在基片100的驱动空间101内。
切换装置140被形成为在支承单元130的板部件131上的金属膜，并且对于该金属膜，导电金属被使用。
上面描述的构造是通过MEMS技术形成的，并且它的大概的工艺将在下面进行描述。
驱动空间101是通过蚀刻在硅板上形成的，保护层102形成在驱动空间101上。在驱动空间101上牺牲层(sacrificial layer)(未示出)被形成并被弄得平整，在牺牲层上绝缘层103被形成以构成驱动装置110和支承单元130。
绝缘层103被形成图案以构成驱动装置110和支承单元130的外形。
第一电极层AL1，压电材料层AL2和第二电极层AL3被形成在形成图案的绝缘层103上以构成驱动装置110。
金属层(ML)相应于支承单元130的板部件131被形成在绝缘层103上，同时该金属层ML形成切换装置140。
绝缘牺牲层(未示出)形成在基片100的整个表面上，在绝缘牺牲层上驱动装置110和支承单元130已经被形成，然后形成图案，并且导电层通过电镀被形成。该导电层被形成图案并且在其上形成导电信号线120。
此后，牺牲层被全部移走以形成驱动装置110、支承单元130和具有不相连部分的导电信号线120。该导电信号线120具有弯曲形状并且距离基片100有一定的间隔。
在驱动装置110和支承单元130的不同实施方式中，如图5所示，驱动装置110包括在其内具有通孔111的基部112和从基部112的内部边缘以一定的长度延伸地形成的一个悬梁部件113。
支承单元130包括形成切换装置140的板部件131和一个连接板部件131和悬梁部件113的连接部件132。
支承单元130是形成在基片100的驱动空间101上的绝缘层103。
如图6所示，可以有三个连接部件132，并且可以形成两个或三个或更多的连接部件。
在驱动装置110和支承单元130的另外的不同实施方式中，如图7所示，驱动装置110包括在其内具有通孔111的基部112和两个从基部112的内部边缘以一定间隔延伸地形成的有一定长度的悬梁部件113。
支承单元130被放置在两个悬梁部件113之间，并包括形成切换装置140的板部件131和两个连接板部件131和两个悬梁部件113的连接部件132。支承单元130是绝缘层并位于基片100的驱动空间101上。如图8所示，可以有六个连接部件132。
还是在驱动装置110和支承单元130的不同实施例中，如图9所示，驱动装置110包括在其内具有通孔111的基部112和两个从基部112的内部边缘以一定间隔延伸形成的悬梁部件113。同时，支承单元130包括构成切换装置140的板部件131和连接板部件131的一侧与悬梁部件113的连接部件132。该支承单元130被形成为绝缘层103并位于基片100的驱动空间101内部。
如上所述，在低压微型开关中，当低电压被施加到第一和第二电极层AL1和AL3时，组成驱动装置110的偏压电极，压电材料层AL2被收缩和扩张。按照压电材料层AL2的收缩和扩张，被连接到驱动装置110的支承单元130在垂直方向(在图上)上移动和振动。
当支承单元130被上下振动时，形成在支承单元130处的切换装置140也被上下移动并与放置在切换装置140上的导电信号线120的不相连部分反复接触和分离。
以这种方式，切换装置140通过连接或断开导电信号线120的不相连部分来切换在导电信号线120处的信号流。在这个过程中，当包括板部件131和连接部件132的支承单元130被上下移动时，板部件131通过连接部件132的弯曲变形保持水平状态，因而提高了由板部件131形成的切换装置140与导电信号线120接触的稳定性。
该低压微型开关能以各种形式实现，譬如图10所示的SPDP(单极双通)(Single Pole Double Through)，如图11所示的SP3T(单极三通)(Single Pole Three Through)，和如图12所示的SPNT(单极N通)(Single Pole N Through)。该低压微型开关在低压下被驱动。
图13是表示根据本发明的低压微型开关的另一个范例的前剖视图。
如图13所示，该低压微型开关包括：在其内具有驱动空间101的基片100；具有以悬梁形状从基片100的部分延伸到基片的驱动空间101的压电材料和偏压电极的驱动装置110；从基片100的一侧以一定间隔延伸地形成的导电信号线121；连接到驱动装置110的支承单元130，具有连接到基片100的连接电极(未示出)，并根据驱动空间101内的驱动装置110的驱动进行移动；形成在支承单元130的连接电极上并根据支承单元130的运动与导电信号线121接触或分离的电容器单元160；及一个或多个形成在基片100处的基单元150。
基片100，驱动装置110和基单元150具有与上述第一个实施例的基片100，驱动装置110和基单元150相同的结构。
该导电信号线121具有一定的厚度、宽度和长度，并且它的两个末端部分是弯曲的。该弯曲部分与基片100整体地形成，并且位于弯曲部分之间的部分与基片100保持一定的间隔(隔离)。也就是说，导电信号线121不具有不相连的部分。
支承单元130包括在其内的连接电极(未示出)，并且它的外形具有与第一个实施例的低压微型开关的支承单元相同的形状。
电容器单元160包括形成在支承单元130的连接电极的上部的第一金属层CL1，形成在第一金属层CL1上的电介质层CL2和形成在电介质层CL2上的第二金属层CL3。该电容器单元160形成在支承单元130的板部件131处。
在电容器单元160的不同实施例中，如图14所示，具有连接电极的高阻抗硅层104代替绝缘层103形成在保护层102上，并且第一金属层CL1，电介质层CL2和第二金属层CL3形成在高阻抗硅层104上。
在低压微型开关中，当低电压被施加到第一和第二电极层AL1和AL3时，组成驱动装置110的偏压电极，压电材料层AL2被收缩和扩张。
根据压电材料层AL2的收缩和扩张，连接到驱动装置110的支承单元130在垂直方向(在图上)被移动和振动。
当支承单元130被上下移动时，形成在支承单元130处的电容器单元160也被上下移动并反复与位于电容器单元160上的导电信号线120接触或分离。以这种方式，当电容器单元160与导电信号线接触或与导电信号线分离时，在导电信号线处的阻抗流被控制。
在这个过程中，当包括板部件131和连接部件132的支承单元130被上下移动时，板部件131通过连接部件132的弯曲变形保持水平状态，因而提高了通过板部件131形成的电容器单元160与导电信号线120接触的稳定性。
该低压微型开关能以各种形式的开关实现，并以低压(在5V或低于5V)驱动。
正如目前所描述的，根据本发明的低压微型开关具有下述优点。
即，譬如，以低压驱动的电阻型或电容型微型开关通过使用MEMS技术能够容易地实现，并且由于附加电路部件能被整合在同一基片100上，所以集成很容易并且应用的产品的尺寸能被缩小。
此外，由于该微型开关能以低压驱动，没有随着驱动而发生电荷集聚，所以可以防止静电摩擦问题同时稳定性被提高了。
在不脱离本发明宗旨和基本特征的情况下本发明可以以几种形式具体实施，应该可以理解，除非特别指明，上述实施例不受前面描述的任何细节所限制，而是应该在所附权利要求限定的本发明的宗旨和范围内对其进行广义的解释，因此所有落在权利要求边界和范围内或这些边界和范围的等价范围内的改变和修改确定为被所附权利要求所包含。
Claims (19)
1、一种低压微型开关，包括：
具有在其内的一定区域处通过蚀刻形成的驱动空间的基片；
具有以悬梁形状从基片的部分延伸到基片的驱动空间的压电材料和偏压电极的驱动装置；
从所述基片的一侧以一定间隔延伸地形成并具有不相连的部分的导电信号线；
连接到该驱动装置，被放置在该驱动空间内，并根据该驱动装置的驱动进行移动的支承单元；
形成在支承单元处并根据支承单元的运动连接或断开导电信号线的不相连部分的切换装置；及
一个或多个形成在基片处的基单元。
2、如权利要求1所述的开关，其中该驱动空间具有在该基片的部分内形成有一定深度的凹槽。
3、如权利要求1所述的开关，其中该驱动空间在该基片的部分内贯穿地形成。
4、如权利要求1所述的开关，其中该切换装置由导电材料构成。
5、如权利要求1所述的开关，其中该驱动装置包括四个以一定间隔形成的悬梁部件，同时该支承单元包括形成切换装置的板部件和四个将板部件与四个悬梁部件连接起来的连接部件。
6、如权利要求1所述的开关，其中该传动装置具有一个有一定长度的悬梁部件，同时该支承单元包括形成切换装置的板部件和连接板部件与该悬梁部件的连接部件。
7、如权利要求6所述的开关，其中有两个或三个连接部件。
8、如权利要求1所述的开关，其中该驱动装置包括两个以一定间隔形成的悬梁部件，同时该支承单元包括位于该两个悬梁部件之间并形成切换装置的板部件和连接板部件与两个悬梁部件的连接部件。
9、如权利要求8所述的开关，其中有两个或多个连接该板部件与该悬梁部件的连接部件。
10、如权利要求1所述的开关，其中该驱动装置包括两个以一定间隔形成的悬梁部件，同时支承单元包括形成切换装置的板部件和连接板部件的一侧与该悬梁部件的连接部件。
11、一种低压微型开关，包括：
具有在其内的一定区域处通过蚀刻形成的驱动空间的基片；
具有以悬梁形状从基片的一部分延伸到该基片的驱动空间的压电材料和偏压电极的驱动装置；
从该基片的一侧以一定间隔延伸地形成的导电信号线；
连接到驱动装置，具有连接到该基片的连接电极，并根据在驱动空间内该驱动装置的驱动进行移动的支承单元；
形成在该支承单元的连接电极上并根据该支承单元的运动与该导电信号线接触或分离的电容器单元；及
一个或多个形成在基片处的基单元。
12、如权利要求11所述的开关，其中该驱动装置包括四个以一定间隔形成的悬梁部件，并且该支承单元包括形成该电容器单元的板部件和四个连接该板部件与悬梁部件的连接部件。
13、如权利要求11所述的开关，其中该传动装置具有一个有一定长度的悬梁部件，并且该支承单元包括构成该电容器单元的板部件和连接板部件与悬梁部件的连接部件。
14、如权利要求13所述的开关，其中有两个或三个连接部件。
15、如权利要求11所述的开关，其中该驱动装置包括两个以一定的间隔形成的悬梁部件，并且该支承单元包括位于该两个悬梁部件之间并形成电容器单元的板部件，和连接该板部件与该两个悬梁部件的连接部件。
16、如权利要求15所述的开关，其中有两个或多个连接板部件与悬梁部件的连接部件。
17、如权利要求11所述的开关，其中该传动装置包括两个以一定间隔形成的悬梁部件，并且该支承单元包括形成电容器单元的板部件和连接板部件一侧与悬梁部件的连接部件。
18、如权利要求11所述的开关，其中该电容器单元包括：
形成在该支承单元的连接电极上部的第一金属层；
形成在第一金属层上的电介质层；及
形成在电介质层上的第二金属层。
19、如权利要求18所述的开关，其中该支承单元被形成高阻抗硅层。
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