CN1983491A - 微机电系统开关 - Google Patents

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CN1983491A CNA2006101631088A CN200610163108A CN1983491A CN 1983491 A CN1983491 A CN 1983491A CN A2006101631088 A CNA2006101631088 A CN A2006101631088A CN 200610163108 A CN200610163108 A CN 200610163108A CN 1983491 A CN1983491 A CN 1983491A
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Abstract

本发明涉及一种MEMS(微机电系统)开关，其包括：基板；形成在基板上侧的固定电极；形成在固定电极两侧的信号线；与所述固定电极间隔一定距离地形成在信号线上侧并接触信号线边缘部分的接触部件；支承接触部件可移动的支承部件；以及设置在支承部件上侧的移动电极。

Description

微机电系统开关
技术领域
本发明涉及一种MEMS(微机电系统)及其制造方法。
背景技术
在高频带内使用的很多机电系统是超小的、超轻的和高功率的。因此，广泛研究的就是使用称作微加工的新技术的超小的微开关，该开关替代了半导体开关，如用于控制这些系统中信号的FET(场效应晶体管)或PIN二极管。
大多数制造的使用MEMS(微机电系统)的RF(射频)元件都是开关。RF开关通常应用于阻抗匹配电路或微波或者毫米波段内的无线通讯终端或系统的信号选择传输。
当为固定电极施加DC(直流电)电压时，常规的MEMS开关在固定电极和移动电极之间充电。静电力将移动电极拉向基板。之后，形成在移动电极上的接触部件与基板上形成的信号线接触，并且开关打开或关闭。
美国专利No.6,100,477披露了关于上述MEMS开关的一个实例。
图1为现有技术中MEMS(微机电系统)开关结构的视图，其示出了美国专利No.6,100,477中披露的处于关闭状态的MEMS开关。图2示出了处于打开状态的图1的MEMS开关。
参照图1和2，现有技术的MEMS开关包括：形成有凹腔30的基板28；形成在至少一部分凹腔30上的固定电极38；与固定电极38间隔形成并在固定电极38上施加有电压时朝固定电极38变形的膜(membrane)34；以及绝缘膜32、40。膜34附近配有弯曲结构36以弹性地支承膜34。
MEMS还包括RF(射频)输入端44、DC(直流电)偏置42、固定电容46和RF输出端48。
图3为现有技术中另一MEMS开关结构的视图，其示出了美国专利申请公布No.US2003/0227361中披露的MEMS开关的结构。图4为沿图3的IV-IV线截取的示出开关关闭状态的视图，而图5为沿图3的IV-IV线截取的示出开关打开状态的视图。
参照图3至5，MEMS(微机电系统)开关40包括设置在基板44上的RF(射频)导体42、43。
基板44的上部配有具有中间刚性体48的桥结构46。中间刚性体48借助与支承部件52相连的弹簧臂50可垂直移动。
中间刚性体48在中间和边缘部分上形成有区段(segment)54、55和56。桥结构46形成有弹簧臂50，其在一部分沿中间刚性体48下侧延伸。弹簧臂50分别形成电极部分60、61。区段56配有在开关40工作时电连接RF导体42、43的接触部件64。
电极部分60、61由支承部件52所支承。
基板44形成有对应电极部分60、61的电极70、71。电极70、71两侧配有限制中间刚性体48下降操作的停止件74、75。
可是，现有技术的上述开关形成有与接触部件64的整个表面相接触的膜，进而易引起粘附故障并由此降低了可靠性。
开关操作发生在图1和2中膜的中间部分或图3-5的中间刚性体48的中间部分，上述中间部分具有比附近其他部分相对小的恢复力，进而易于引起粘附故障。
当膜34或中间刚性体48向下移动时，上述MEMS开关减少了恢复力并相应地因为粘附故障而引发恶化的稳定性。
发明内容
本发明的一个方面是解决现有技术的上述问题并提供通过减少粘附故障而实现开关稳定性的MEMS(微机电系统)。
本发明的另一方面是提供低压驱动的MEMS开关。
本发明的又一方面是提供通过改进接触结构而具有增加的接触力的MEMS。
为了实现本发明的上述方面，提供一种MEMS开关，其包括：基板；形成在基板上侧的固定电极；形成在固定电极两侧的至少一个信号线；与所述固定电极间隔一定距离地形成在信号线上侧上并接触信号线边缘部分的接触部件；支承可移动接触部件的支承部件；以及设置在支承部件上侧的移动电极。
接触部件的两端与信号线的一端交迭。
信号线的上侧形成在高于固定电极上侧的位置。
支承部件包括其两端与信号线接触并支承在信号线上的锚定部分以及维持接触部件从固定电极与信号线相隔一定距离并弹性支承接触部件的弹簧臂(spring arm)。
支承部件由绝缘材料形成。绝缘材料由SiNx(氮化硅膜)、SiO2(二氧化硅膜)以及聚合物之一形成。
移动电极沿接触部件的纵向的垂直方向与辅助电极相结合，并且支承部件与支承辅助电极的辅助支承部分相结合。
固定电极和辅助电极由铝(Al)或金(Au)形成，而信号线由Au形成。
附图说明
通过参照附图详细描述本发明的示例性实施例，使得本发明的上述和其它方面变得更加明显。
图1为现有技术中MEMS(微机电系统)开关结构的视图，其示出了美国专利No.6,100,477中披露的处于关闭状态的MEMS开关；
图2示出了处于打开状态的图1的MEMS开关；
图3为现有技术中另一MEMS开关结构的视图，其示出了美国专利申请公开No.US2003/0227361中披露的MEMS开关的结构；
图4为沿图3的IV-IV线截取的示出关闭状态的开关视图；
图5为沿图3的IV-IV线截取的示出打开状态的开关视图；
图6为示出了根据本发明示例性实施例、处于关闭状态的MEMS开关结构的透视图；
图7为沿图6的VII-VII线截取的视图；
图8为示出了根据本发明示例性实施例、处于打开状态的MEMS开关结构的透视图；
图9为沿图8的IX-IX′线的视图；和
图10A至10F为本发明示例性实施例的MEMS开关制造过程的流程图。
具体实施方式
以下，将参照附图详细描述本发明的示例性实施例。
在以下的描述中，即使在不同的附图中相同的元件均使用相同的附图标记。说明书中限定的内容(matter)，如详细的构造和元件仅仅是用于帮助全面理解本发明。因此，很明显，能够在没有这些限定内容的情况下实施本发明。同样，没有详细描述公知的功能或构造，因为这些内容在非必要的细节上会使得本发明不清楚。
图6为示出了根据本发明示例性实施例、处于关闭状态的MEMS(微机电系统)开关结构的透视图，而图7为沿图6的VII-VII线的视图。
参照图6和7，MEMS开关100包括设置在基板101上侧的固定电极103和信号线105a、105b。固定电极103形成在基板101的中间部分上而信号线105a、105b设置在基板和支承部件109之间。信号线105a、105b设置得比固定电极103厚，从而在信号线105a、105b的上侧与固定电极103的上表面之间形成间隙G1。固定电极103可由导电材料，如Al(铝)或Au(金)制成，而信号线105a、105b可由导电材料，如Au(金)形成。
接触部件107形成在固定电极103的上方，并且末端在与固定电极103相邻的上述信号线105a、105b的每个之上。通过支承部件109以与信号线105a、105b的上表面相隔间隙G2地设置接触部件107。
支承部件109包括：锚定部分109a、109b，锚定部分的两端与信号线105a、105b的上侧相接触从而由此支承；以及维持接触部件107与信号线105a、105b相隔间隙G2并可弹性地支承接触部件107的弹簧臂109c。支承部件109可以是绝缘材料，如SiNx(氮化硅膜)、SiO2(二氧化硅膜)和聚合物。支承部件109用作支承接触部件107的锚并使移动电极111和固定电极隔离，这将在下文中予以说明。上述结构通过分离锚和绝缘层解决复杂结构和增加工序的问题。
支承部件109的上侧设有移动电极111。移动电极可在接触部件107的纵向的垂直方向上形成有另外的辅助电极111a、111b(参照图6)，从而降低驱动电压。
支承部件109可形成有支承辅助电极111a、111b的附加的辅助支承部分109d、109e。正如固定电极103，移动电极111可由Al或Au形成。
将简要描述本发明的上述结构的MEMS的操作。
图8为示出了根据本发明示例性实施例、处于打开状态的MEMS开关结构的透视图，而图9为沿图8的IX-IX′线的视图。
参照图8和9，如果为固定电极103施加电压，固定电极103和移动电极111之间的间隙充电，并且移动电极111由于静电吸引而朝固定电极130下降。
根据移动电极111的下降操作，支承部件109和接触部件107一起向下移动，从而接触信号线105a、105b的边缘部分E1、E2并连接信号线105a、105b。同样，当接触部件107开始接触信号线105a、105b的边缘部分E1、E2时，接触力大于常规发明的接触力，同时接触面积相对地小于常规发明的接触面积，从而能够降低粘附故障的可能性。
当远离移动电极111的中间部分，也就是邻近锚定部分109a、109b发生接触时，增强了恢复力。也就是说，当力矩臂小于从移动电极111的中间施加粘附力的常规发明时，粘附力矩减小，进而引起粘附故障的减少。
接触部件107接触信号线105a、105b的尖的边缘部分E1、E2，并最小化残余部分(例如，如果未被完全移除则牺牲层106的残余部分；将在下文中说明残余部分)的影响。因此，能够减少接触电阻。
在上述结构中，信号线105a、105b的边缘部分E1、E2例如可形成有信号线105a、105b的垂直部分，但在不脱离所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，为改进接触可实行形式上的各种改变。
以下，更详细地描述上述MEMS开关100的制造过程。
图10A至10F为本发明的MEMS开关制造工艺的流程图
参照图10A，在基板101上形成固定电极103，进而产生信号线105a、105b。固定电极103和信号线105a、105b由导电材料形成。固定电极103由诸如Al或Au的金属形成，而信号线105a、105b由诸如Au的导电材料形成。通常，通过喷溅或蒸镀淀积固定电极103和信号线105a、105b。
基板101可以是硅基板。
信号线105a、105b可以比固定电极103厚，以在信号线105a、105b的上表面与固定电极103的上表面之间形成间隙G1。
参照图10B，固定电极103和信号线105a、105b的一部分上淀积有牺牲层106。牺牲层与光致抗蚀剂结合使用，并由旋转涂覆器施加光致抗蚀剂。如上所述淀积的牺牲层106经历固化处理(curing process)。固化处理用于在高温预加热牺牲层，从而防止诸如牺牲层106的成份在移动电极111、支承部件109和接触部件107在高温的形成过程中的损耗的问题，这将在下文中予以说明。
参照图10C，牺牲层106的上侧形成有接触部件107。接触部件107可由诸如Au、Ir(铱)和Pt(铂金)的导电材料形成。通过溅镀或蒸镀实现所述淀积。接触部件107被形成为通过固定电极103的中间部分，使得部分的接触部件107足够长以交迭部分的信号线105a、105b。
参照图10D，支承部件109形成在接触部件107的上侧。支承部件109的两端接触信号线105a、105b，以形成支承接触部件107的锚定部分109a、109b。通过接触牺牲层106形成弹簧臂109c。沿着接触部件107纵向方向的垂直方向另外地形成附加的支承部分109d、109e。
支承部分109可由绝缘材料如SiNx、SiO2和聚合物形成。通过PE-CVD实现SiNx的淀积，并通过旋转涂覆实现聚合物的淀积。
参照图10E，对应固定电极103形成移动电极111。移动电极111可由导电材料形成，就如固定电极103。移动电极111可形成得与接触部件107一样宽，但可另外形成有设置在附加支承部分109d、109e上侧的附加电极部分111a、111b，以降低驱动电压。
参照图10F，移除牺牲部分106以形成与信号线105a、105b上表面分隔间隙(G2)的接触部件107以及形成MEMS开关100。通过灰化工艺移除牺牲层106。
基于上述结构，能够以低压驱动本发明的MEMS开关。
当接触部件接触信号线的边缘部分时，接触压力增大。
当接触部件接触边缘部分的位置不接近移动电极的中间部分而是接近锚定部分时，增加了段的刚性并增强了恢复力。因此，当力矩臂小于从移动电极中间施加粘附力的常规发明时，减少了粘附力矩，进而使得粘附故障减少。
尽管已经参照一定的示例性实施例示出和描述了本发明，但本领域普通技术人员应当理解，在不脱离所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可对其中的形式和细节做出各种改变。

Claims (11)

1.一种微机电系统(MEMS)开关，包括：
基板；
形成在所述基板上侧的固定电极；
形成在所述固定电极两侧的多个信号线；
与所述固定电极间隔一定距离地形成在所述信号线上侧并接触所述信号线边缘部分的接触部件；
支承部件，支承所述接触部件可移动；以及
设置在所述支承部件上侧的移动电极。
2.如权利要求1所述的MEMS开关，其中所述接触部件的两端与所述信号线的端部交迭。
3.如权利要求1所述的MEMS开关，其中所述信号线的上侧形成在高于所述固定电极上侧的位置中。
4.如权利要求2所述的MEMS开关，其中所述支承部件包括其两端与所述信号线接触并支承在所述信号线上的锚定部分以及维持所述接触部件从信号线的上侧与信号线相隔一定距离并弹性支承所述接触部件的弹簧臂。
5.如权利要求4所述的MEMS开关，其中该支承部件由绝缘材料形成。
6.如权利要求5所述的MEMS开关，其中所述绝缘材料由SiNx(氮化硅膜)、SiO2(二氧化硅膜)以及聚合物之一形成。
7.如权利要求1所述的MEMS开关，其中所述移动电极沿与所述接触部件的纵向方向相垂直的方向连接到辅助电极。
8.如权利要求7所述的MEMS开关，其中所述支承部件连接到支承所述辅助电极的辅助支承部分。
9.如权利要求1所述的MEMS开关，其中所述固定电极由铝(Al)或金(Au)形成。
10.如权利要求1所述的MEMS开关，其中所述信号线由Au形成。
11.如权利要求1所述的MEMS开关，其中所述移动电极由Al或Au形成。
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