TW449762B - Arc resistant high voltage micromachined electrostatic switch - Google Patents

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Α7 Μ 4 97 6 2 ____Β7___ 五、發明說明（1 ) 發明之範lf[_ 本發明乃關於微電機械之開關與繼電器結構，及特別β 關於抗電弧之靜電力啟動高壓開關與繼電器結構β 本發明之背斧_ 薄膜技藝之升級使複雜之積體電路得以發展。前進之半 導體技藝亦已進展至產生MEMS (微電機械性系統構 MEMS結構通常能動作或施力。已產生許多不同種類之 MEMS裝置，包括微感測器，微傳動裝置，微電動機及其 他之微工程化裝置。MEMS裝置正被發展作廣泛不同之^ 種用途因其提供低成本，高度可靠性及極小尺寸之優點。 賦予MEMS裝置工程師之設計自由已使供應微結構内發 生所要動作必需力量之各種技術與結構有所發展β舉例而 a ’已使用微懸臂施加旋轉之機械力以旋轉微機製彈篑及 齒輪。並已使用電磁場驅動微電動機，壓電式力亦已成功 地用於可控制方式移動微機製結構。致動器或其他之 MEMS組件之受控制熱膨脹已用以產生驅動微裝置之力。 此一裝置見於美國專利案第5,475,318號，該案利用熱膨脹 以移動微裝置。一種微懸臂係由具有不同之熱膨脹係數之 材料製成。當加熱時，壓敏電阻層變成不同之弓形，使微 懸臂隨其移動。一相似之機構係用以啟動一微機製之熱開 關’如美國專利案第5,463,233中所述者。 亦已使用靜電力以移動結構物。傳統之靜電裝置係由從 塑膠或聚酯樹脂材料切割之疊層薄膜製成。一彈性電極係 附於該薄膜及另一電極則固定於基體結構。賦予各該電極 " i''用中國國家標準（CNS)A4規格（210 y 297公釐） f請先閱讀背面之注意事項再痕寫本頁) 裝·---II丨—訂— 線、 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 449762 _B7 五、發明說明（2 之電能產生使電極互相吸引或互相排斥之靜電力。此等裝 置之代表性範例見美國專利案第4,266,399號。此等裝置對 典型之動作用途工作良好，但不能以適用於縮至最小之積 體電路，生物醫學用途或MEMS結構之尺寸製造。 已產生微機製之MEMS靜電裝置，此種裝置使用靜電之 力操作電開關及繼電器。業經發展者為各種MEMS繼電器 及開關’使用與下面基體分開之頗堅固懸臂構件以期完成 及中斷電連接典型者，在此等MEMS裝置内懸臂自由端之 各接觸於懸臂偏移時移動，故可用選擇方式建立電連接。 是以當多接觸在此等MEMS裝置内被連接時，懸臂之大部 伤仍與下面之基體分離。例如頒給Buck等人之美國專利 案第 5,367，136，5,258,591 及 5,268,696 號，頒給 Ichiya 等人 之美國專利案第5,544,001號及頒給Kasano等人之美國專 利案第5,278,368號均可為此類微工程設計開關及繼電器裝 置之代表。 另一類微機製之MEMS開關及繼電器裝置包括用以建立 電連接之彎曲似懸臂構件。例如頒給Schlaak等人之美國 專利案第5,629,565號與5,673,785號敘述一種微懸臂於其 離開懸臂之固定端時彎曲及爾後通常伸直。電接觸係配置 於此種微懸臂之大概伸直自由端。當以靜電吸引至一基體 雷極時’ Schlaak裝置實體上順應基體表面，唯各自之電接 觸互連之處除外。此外，Ignaz Schiele等人之技術刊物名 稱為表面微機製靜電微繼電器者亦敘述具有一彎曲之懸臂 構件之靜電繼電器。Schiele懸臂在彎曲離開基體之前 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 丨！ 丨丨—丨4,裝------—訂- --------線一、，^. (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 4 497 6 2 A7 ____B7 _ 五、發明說明（3 ) 與固定端分開時最初平行伸展於下面之基體。雖然具有一 接觸之懸臂構件包含一多層複合物，其中並不使用有彈性 之聚合物薄膜。因此，Schiele裝置並未述及乃使懸臂構 件響應於其靜電致動而實體上順應下面之基體者。 因其極小之尺寸，MEMS靜電開關與繼電器乃有利地被 使用於各種用途。由於電荷間電場之靜電力能產生使 MEMS装置内固有之小電極分離之較大力量。不過，當此 等最小型化裝置被使用高壓之用途時可發生問題。因爲 MEMS裝置包括用微米標度尺寸分離之結構，高壓可產電 弧及其他有關之問題。實際上，在MEMS繼電器及開關内 各接觸之密切接近使此等高壓問題之嚴重性倍增。此外， 因爲在MEMS繼電器及開關内之各接觸係如此之小，高壓 發弧趨於使各接觸有凹抗及腐蝕。由於難以解決MEMS裝 置内之高壓問題，習用之裝置試圖藉使用低電壓於操作中 以避免上述之問題。因此，傳統之MEMS靜電開關及繼電 器裝置及不適於高壓轉接用途。 提供業經設計能用高壓達成可靠操作之靜電MEMS及繼 電器裝置殊屬有利。此外，提供適合致力於至少若干電弧 與高壓操作問題之MEMS靜電開關裝置亦屬有利。但仍有 發展改良之MEMS裝置之需要，俾能以可靠方式轉接高電 壓同時運用其中之靜電力。可能對MEMS靜電裝置之實在 應用有較佳之貢獻。此外，有利之新裝置及應用可由對新 穎MEMS結構中靜電力之運用而產生。 本發明之概要 本紙張尺度適用争國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝 - - -----訂 ii 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 449762 五、發明說明（4 ) 本發明之目的在提供經設計用以接轉較高電力之MEMS 靜電開關及繼電器。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 此外，本發明之目的在提供MEMS靜電開關及繼電器致 動器，乃業經設計以克復至少若干電弧及有關高壓之其他 問題者。 又本發明之一目的爲提供改良之MEMS靜電開關及繼電 器。. 本發明提供改良之MEMS靜電裝置，此種裝置能用作高 壓抗電弧之開關或繼電器，此外提供根據本發明之MEMS 靜電裝置之使用方法。本發明至少解決若干上述之問題， 同時達成至少若干上列之目標。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 根據本發明用靜電力驅動之一種MEMS裝置，包含一微 電子基體，一基體電極，一可移動之合成物，第一及第二 接觸器，及一絕緣器。該微電子基體界定MEMS裝置被設 置在其上面之一平坦表面。該基體電極形成在微電子基體 表面上之一層。可移動之合成物覆在該基體電極上在橫斷 面中，可移動之合成物包含一電極層及一偏壓'屬。橫過其 長度，可移動合成物包含附著於下面基體之一固定部份， 及可對基體電極移動之一末端部份《此外，MEMS裝置包 括第一及第二接觸器，每一接觸器具有附著於可移動合成 物之至少一複合接觸。又兩接觸器之一係較另一接觸器更 接近可移動合成物之末端部份。該絕緣·器使基體電極與可 移動合成物之電極層成爲電絕緣及分隔。在基體電極與可 移動合成物之電極層間施加電壓差動可產生使該末端部份 -7- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 經 濟 部 智 慧 財 產 局 員 工 消 費 合 作 社 印 製 149762 A7 __ _B7__ 五、發明說明（5 ) 移動及變更與下面之平坦表面分離之靜電力。因此，當可 移動合成物之末端部份被吸引至下面之微電子基體時，第 一及第二接觸器成爲電連接。 一組具體實例説明第一及第二接觸器之各項運用。在若 干實例中，第一接觸器或第二接觸器與另一接觸器比較係 更接近於可移動合成物之末端部份。又第一接觸器可配置 成於可移動之末端部份離開下面之基體時在第二接觸器之 前繼續斷開。其他實例包括含有單一接觸器之第一接觸器 或提供與第二接觸器成平聯電連接之第一接觸器？在一實 例中，第二接觸器具有較第一接觸器爲高之電阻。又一具 體實例對每一接觸器設以附著於微電子基體之至少一基體 接觸。另一實例提供一種靜電MEMS装置其中第一輿第二 接觸器共用至少一公共接觸，該接觸可附加或不附著於可 移動合成物。另外之具體實例則提供第二接觸器内成導電 串聯連接或代以並聯之各接觸。 另一组具體實例記述可移動合成及其中各層之各種可選 替安裝步驟。根據本發明之]VIEMS靜電裝置之一實例乃以 一或更多種更通用之彈性材料形成可移動合成物之電極層 與偏壓層组成該合成物之各層可作選擇而使可移動合成物 於其末端部份被吸引至微電子基體時實體上順應微電子基 體表面。此外组成該合成物之各層可經選擇以使末端部份 能在位置上對微電子基體偏。 在一實例中，包括一偏壓層迫使可移動合成物之末端部 份大體上播縮離開下面之基體。其他之實例提供膨脹之不 (靖先閱讀背面之注意事項再揉寫本買j -Λ/裝 ----訂---------

X 297公釐） 經濟部智慧財產局R工消费合作社印製 44976^ -----— _____ B7 __— 五、發明說明（6 ) 同熱係數以使可移動合成物捲縮。可在該可移動合成物内 使用不同之係數例如在偏壓層與電極層之間或代以在用作 偏壓層與電極層之一或更多之聚合物薄膜間。一實例則提 供可移動合成物之末端部份能在無靜電力時捲曲離開基體 表面所界定之平面β 本發明亦提供如上述之一種靜電MEMS裝置’另包括一 電能源及電連接於第一與第二接觸器之一可轉換裝置β此 外，本發明提供使用上述]VDEMS裝置之方法，包含下列之 各步驟：選擇性產生可移動合成物之基體電極與電極層間 之靜電力’使可移動合成物朝向微電子基體移動，及導電 連接第一及第二結觸器之各接觸。此外，本方法之一實例 包含下列各步驟：使靜電力中斷’將可移動合成物與下面 之微電子基體分開，及依順序解開與第一及第二接觸器聯 »之各接觸。另外之各實例提供上述方法之各步驟之選替 表示法與加強。 圖式之簡單説明 圖1爲根據本發明之一實例之沿圖2中線1_1所取之橫 斷面圖。 圖2爲根據本發明之—實例之透視圖。 圖3爲根據本發明之一實例之頂面圖。 圖4爲根據本發明之一替換實例之沿圖5中4_4線所取 之橫斷面囷。 圖5爲本發明之一可選替實例之頂部平面圖。 圖6爲囷2中所示各基體接觸之項部平面圖。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 * 297公釐） -------- I -----'W裝--- (請先閱讀背面之注*事項再填寫本頁) 訂---------線 Ύ 449762 A7 五、發明說明（7 ) 圖7爲本發明之一可選替實例之橫斷面圖。 圖8爲本發明之一可選替實例之橫斷面圖。 _明之詳細雜昍 茲參照各附圖在後文中對本發明作更完整之説明，其中 顯示本發明之各較佳具體實例a不過本發明可用許多不同 之形式予以實現’及不應解釋爲限於本文中所述之各實 例；而JL提供此等實例乃使所揭露者徹底而完整及將本發 明之範園芫全轉知精熟於本技藝者。相等之編號係指所有 圖中之相同元件。 參閲圖1，本發明提供一種靜電力驅惫之MEMS裝置， 能接轉高電壓同時克復若干電弧及有關之問題。在第一實 例中’ 一靜電MEMS裝置包含成層列之一微電子基體 10，一基體電極20，一基體絕緣器3〇及一可移動之合成 物50 ^該可移動合成物係大致平坦及覆蓋於微電子基體 與基體電極上，各層係垂直配置及顯示，但各部份乃沿可 移動合成物水平排列。在橫斷面中，可移動合成物5〇由 多層组成’包括至少一電極層4〇及至少_偏壓層6〇，沿 其長度’可移動合成物具有一固定部份7〇 ，一中間部份 80及一末端部份100。該固定部份係實體上附加於下面之 微電子基體或中間之各層。該中間部份及末端部份係從下 面之基aa釋出，及在操作時，較佳者該兩部份乃係對下面 之基體與基體電極可移動者。該中間部·份從固定部份延伸 且係偏置或保留於位置中而無靜電力施加於其上。該末端 部份從中間部份延伸亦係偏置或保持於位置中而不施加以 _ - 10- 本紙張尺度適用中固國家標準（CNg)A4規格⑽x 297公楚 4 4 9 7 6 2 A7 B7 經 濟 部 智 慧 財 產 局 員 工 消 費 合 作 社 印 製 靜電-MEMS 體包含一矽 料均可使用 材料可用作 表面及提供 聚合物例如 中使用某些 五、發明說明（8 靜電力。不過，在若干實例中，不論是否施加靜電力，該 中間部份係保持於位置中，而僅有末端部份可在操作中自 由移動。在中間部份，末端部份及下面之微電子基體之平 表面間规定有一空氣隙12〇 。將該空氣隙之形狀預先制 定，新近發展之MEMS靜電裝置能以較低及小之間斷無定 之工作電壓操作例如1999年5月27曰申請之美國專利申 請案第09/320,891號，發明名稱爲"具有空氣隙之微機製 靜電致動器tf ’發明人係Goodwin-Johansson ，已讓與本發 明之受讓人MCNC，該案敘述此等改良之靜電裝置特併 列於此以供參考。 包括可移動合成物及下面之基體層之靜電MEMS裝置乃 使用已知之積體電路材料及微工程技術製成。熟諳本技藝 者可瞭解亦可使用不同之材料。各種不同數目之層次及各 層之多種配置以形成在下面之基體層。雖然各附圖中例示 之MEMS裝置乃用作實例以説明製作之細節，此種論述係 同等地應用於本發明提供之所有MEMS裝置，除非另外有 加註，參閱«1，一微電子基體10界定一平坦表面12 , 裝置係設置於該表面上。較佳者，該微電子基 晶片，唯具有一平坦表面之任何合適之基體材 。另外之半導體’玻璃，塑膠，或其他適合之 基體。一絕緣層14覆蓋於微電子基體之平坦 電絕緣。此絕緣層宜由非氧:化基底之絕綠體或 聚亞胺或氮化物組成在此狀況下，如若在處理 酸以除去釋放層，則不能使用氧化物基底之絕 -------------si------ (請先閱讀背面之注意事項wf填寫本頁) 訂---------專 -11- 449762 A7 B7 五、發明說明（9 經 濟 部 智 慧 財 k 局 員 工 消 費 合 作 社 印 製 緣體，如若使用釋放層材料及適合之酸或蝕刻劑以除去釋 放層，則其他之絕緣體甚至氧化物基底之絕緣體均可使 用。舉例而言，如若使用不含氫氟酸之蝕刻劑則可使用二 氡化矽於絕緣層，該絕緣層宜以沉積適合之材料於微電子 基體之平坦表面形成之。一基體電極20係配置成爲大致 平坦之層’附加於下面絕緣層14表面之至少一部分。該 基體電極宜包含沉積於絕緣層頂表面之一金質層，如若該 基體電極係由一金質層形成，可随意將鉻之一薄層配置於 基體電極上以使基體電極對絕緣層及任何鄰接之材料有更 佳之黏附。另一方式，可使用其他金屬或導電材料衹要此 等材不致爲釋放層處理作業所腐蝕即可。 較佳者，將第二絕緣層30沉積於基體電極20上以使該 基體電極與電絕緣及防止短路。尤其是該絕緣，層使基體電 植與可移動合成物之電極層分開。又第二絕緣層提供在基 體電極20與可移動合成物間之一預定厚度之介質層，包 括可移動之電極40。第二絕緣層30宜由聚亞胺組成，雖 然能容忍釋放層處理之其他介質絕緣體或聚合物亦可使 用。第二絕緣層30具有大概平坦之表面32。· 首先’將一釋放層（未圖示）放置，於可移動合成物之中 間與末端部份下面區域中之平坦表面32上，佔據如空氣 隙120所示之空間。該釋放層係僅施加於可移動合成部份 下面之區域而非附著於下面之平坦表面。較佳者，該釋放 層係由當酸劑施加於該層時可蝕刻掉之氧化物或其他適合 材料組成。在覆蓋之各層已沉積後，該釋放層可經由標準 -12- (CNS?A4 (210X 297 ^ ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝！ II訂*!1

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五、發明說明（10 ) 經濟部智慧財產局員工消費合作杜印製 之微工程酸蝕刻技術例如氫氟酸蝕刻除去之。當釋放層已 移除時，可移動合成物50之中間及末端部份即與下面之 平坦表面32分開。產生在其間之空氣隙12〇人該空氣隙 之形狀係於不施加靜電力時根據供給可移動合成物之末端 及/或中間部份之偏壓而確定之，在—實例中，該空氣隙 減少及逐漸終止於可移動合成物接觸下面之基體處如圖7 中所示。在另一實例中’如圖8中所示，該空氣隙減少有 一大致不變之寬度，然後實然終止於該固定部份與下面之 基體接觸之處。在此圖中之中間部份具有在接近該固定部 份之基體上面之一通常懸空部份。 可移動合成物50之各層通常覆在平坦表面32上。使用 已知之積體電路製造方法構成包含可移動合成物50之各 層。最少有兩層組成可移動之合成物50 ，一層爲可移動 電極40 ，及一層爲置於可移動電極任何一側上之聚合物 膜60 。該聚合物膜層宜包含用以在無靜電力時保持可移 動合成物於對下面平坦表面之指定位置之一偏壓層。較佳 者，包含可移動合成物之各層中至少有一層係由彈性材料 形成，例如可使用彈性聚合物及/或撓性導體，可選擇 者，第一層聚合物膜之能覆蓋釋放層及暴露之平坦表面 32所界定區域之至少一部份。以使可移動電極與下面 之基體絕緣。例如一層聚合物膜60例如顯示作爲可移動 合成物50之頂層者可用作聚合物膜之.第一層。雖然聚亞 胺宜用作聚合物薄膜層，可使用適合釋放層製法之許多其 他彈性聚合物》 -13- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4规格（210 X 297公釐） 111 — I i — 111-'·in (靖先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) I I I 1 訂-----

II 線- A7 B7 449762 五、發明說明（11 ) 宜由一層彈性導電材料組成之可移動電極40係覆蓋於 平坦表面32之上面。此可移動電極可直接放置於該平坦 表面上或依需要置於隨意之第一層聚合物膜上，該可移動 電極40宜用金合成唯可使用其他耐酸而有彈性之導體例 如導電之聚合物膜。可移動電極40之表面區域及/或級態 可依需要改變以產生使高壓MEMS裝置操作之所要靜電 力。聚合物薄膜60之第二層可隨意施加於至少一部份之 可移動電極上，如上所述一種彈性之聚合物例如聚亞胺宜 用作第二聚合物膜層。如若使用金形成可移動電極，可將 —薄層之鉻沉積於該可移動電極層上，俾使該金層對鄰接 之材料，例如聚合物膜之一或多層有較佳之黏附β 可選擇各層之數目，各層之厚度，各層之配置及可移動 合成物中所用之材料藉以按需要偏置該可移動合成物。尤 其是末端部份及/或中間部份於其自固定部份延伸時能被 偏置、中間部份及末端部份之偏置位置能個別或集體予以 再放置以提供其與下面之平坦表面及基體電極之所要分 離。末端及中間部份能被偏置以與下面之平坦表面保持平 行，另一方式可將末端及中間部份偏移以朝向及離開下面 之平坦表面捲曲之方式改變與該平表面之分隔較佳者，將 末端部份及隨意加入之中間部份偏置以捲曲離開下面之基 體並改變與該基體之分隔精熟本技藝人士當瞭解可使用_ 層以上之聚合物薄膜層，及該薄膜可配置於可移動電極之 兩侧或任^一侧。 組成可移動合成物之各層中至少有一層能操作如同用以 -14- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210x297公釐） (請先閱讀背面之注$項再填寫本頁) 4 經濟部智慧財產局員工消费合作社印製 449762 A7

五、發明說明（12 ) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 促使可移動合成物依需要捲曲之合成物偏壓層。較佳者， 在已除去釋放層之後，將中間部份80及末端部份1〇〇偏 移，以捲曲離開下面之表面32 。使組成可移動合成物之 各層間其有不同之膨脹熱係數能夠產生偏動。假定溫度增 加，可移動合成物將朝向具有較低膨脹熱係數之層捲曲， 因爲各層乃以不同速率膨脹，是以具有兩層其膨脹熱係數 不同之兩層之可移動合成物於溫度上升時將朝向具有低膨 脹熱係數之層捲曲。此外可使用具有不同膨脹熱係數之兩 聚合物膜層與一電極_列以使可移動合成物依需要偏移。 當然，可使用其他之技術使可移動合成物捲曲。舉例而 言，可使用不同之沉積法步驟以產生固有之機械應力，俾 使組成彈性合成物之各層捲曲。又該彈性合成物可藉產生 在其中所包括各層中之固有機械應力而使其捲曲。此外， 可利用連續之溫度變更以使彈性合成物捲曲。例如可將聚 合物膜以液體沉積，然後升高溫度使其固化，以形成—固 體之聚合物層。較佳者，可使用具有較電極層更高膨跟裁 係數之一種聚合物。其次，將該聚合物層及電極層冷卻，' 由於膨脹之熱係數不同而產生應力。因爲該聚合物層較臂 電極層更迅速收縮，彈性合成物於是捲曲。 再者，紕成可移動合成物之各層相對厚度及配置各層之 次序可予選擇以產生偏動。此外，可在電極層之任何—侧 使用不同厚度之兩或更多層聚合物薄膜以達成偏動之目 的。例如亦可選擇可移動電極層之厚度以提供偏動。因 此，可使中間部份末端部份在位置上偏移及促其對微電子 C請先閲讀背面Μ汪意事項再填寫本冥) ---訂 i — — — Ψ ! ί -15- ^49762 A7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 ---—_B7 —___五、發明說明（13 ) '—--— 基體及基體電極捲曲。在一實例中，當基體電極與合成物 電極層間不產生靜電力時，可移動合成物之末端部^捲曲 離開該合成物上表面所界定之平面。又中間 1切，末端部 份或兩者可施加偏壓使其以沿該部份全長之任何所選擇之 曲率半徑（例如可變成恆定之曲率半徑）捲曲。 該MEMS裝置另係適於操作如同—靜電操作之高壓開關 或抗電弧之繼電器。在MEMS裝置中設有第一及第二接觸 器，每一接觸器包含一或多對配合之接觸。就圖1中所示 之實例而言’接觸器22及23含有一對接觸，而接觸器沉 及27則含有另一對接觸。每一接觸器具有附加於可移動 合成物之至少一複合接觸，即複合接觸23及27及附加於 該基體之至少一基體接觸，即基體接觸22及26 ，乃配置 成與相當之複合接觸搭配以閉合一電路。 各接觸器之一，即第一接觸器22、，23被配置於較其他 接觸器26，27更接近可移動合成物末筝部份1〇〇之處如 圖1中所示。在一宜採用之實例中，第一接觸器係更接近 可移動合成物之末端部份，而第二接觸器則更接近可移動 合成物之固定部份。因此，第一接觸器乃係當可移動合成 物被吸引及停靠於下面基體之平坦表面32時在時間上最 後予以電連接之接觸器並係當可移動合成物自該平坦表面 向上捲曲而恢復圖1中所示之偏移位置時在時間上最先解 除電連接之接觸器。 在一具體實例中，第二接觸器包含至少兩接觸器之一行 列。如圖2及3中所示，多個接觸可設於一接觸器内。當 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) "裳---- n an ϋ 訂---------碌- A7 B7 449762 五、發明說明（14 ) 可移動合成物被吸引及接觸基體表面時，接觸27，28及 29係適於分別與接觸26，24及25相連接。第二接觸器 可随意包含至少兩個接觸器之若干不同行列之一。此外， 第二接觸器可配置爲於可移動合成物之末端部份離開基键 表面時，使該接觸器内之所有接觸大概同時解除電連接。 圖2中所示之配置爲較佳之實例，其中兩基體接觸及兩複 合接觸之小組係互相連接而使複合接觸之作用如同短路 棒。各组接觸係以_聯及並聯併合以按需要連續或同時連 接各接觸。當然’用作短路棒之各接觸能依需要互相電隔 離或一起電連接以達成一特定用途。圖1中所示之各對接 觸在如無鄰近之複合接觸可用以提供電流回路時需對每— 複合接觸佈線互連〇 其他可替用之具體實例規定第二接觸器内之各接觸乃可 串聯，並聯或串並聯。在一實例中，第—接觸器包含單一 之接觸對。另一有利之實例規定第一接觸器與第二接觸器 成並聯電連接如圖4_6中所示α第二接觸器之多個接觸可 具有較高之電阻，但當與第一接觸器並聯時具有低電阻， 當可移動合成物被吸引及接觸下面之基體時，並聯之第— 與第二接觸器之有故”連接"（on)電阻爲之降低。又在一具 體實例中，至少第一及第二接觸器之—包含一對附加於基 體之接觸。該接觸器另包括附加於可移動合成物之單一大 接觸或電連接之接觸，是以附加於基體.之一對接觸能由可 移動合成物之接觸使其成導電連接。一實例係顯示於圖4 至8 ’其中圖4-5中之單接觸124及圖7-8中之單接觸122 17

良紙張尺(CNS)A4 規格（210 X 297TF III------Ί^. ^--------^-------— -MJ' f請先閱讀背面之注S事項#/填寫本頁} _ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 449762 A7 — B7 五、發明說明（l5 經 濟 部 智 慧 財 產 局 員 工 消 費 合 作 社 印 製 被配置於可移動合成物上乃係用作互連兩個或更多基體接 觸之一短路接棒。例如圖5中之τ型複合接觸互連基體接 觸22及26 ，或互連如圖2中所示之基體接觸之任一行 列。 如所記述.者，由第一及第二接觸器組成之各接觸可配置 於可移動合成物，基體或此兩者上。在一接觸器内，每一 基體接觸宜由一金屬喷鍍層例如金形成。另一方式，如若 使用金質之接觸，可將鉻之一薄層沉積於金接觸上以使金 屬對鄭接之材料有更佳之黏附。不過，衹要不致爲用以移 除·釋放層之處理所腐蚀，其他之金屬或導電材料亦可使 用》較佳者，至少各接觸器之一乃與基體電極20及任何 其他基體接觸成電隔離與絕緣，俾使電孤及其他高壓問題 減至最小舉例而言，爲圖1中所示，設置絕緣層14以包 園及隔離基體接觸22及26。雖然宜採用一絕緣廣14，. 但可使用空氣或其他之絕緣物。此外，基體電極宜包圍在 每一基體接觸四周之至少一部份絕緣空隙，俾使可移動合 成物能被電力吸引及穩固接觸該基體接觸之全部表面區 域0 當一接觸器包括一複合接觸時，較佳者每一複合接觸係 置於可移動電極.40層内及附加於可移動合成物。一或數 個複合接觸係由可移動合成物電極層形成如圖1中所示， 絕緣隙例如41 ，42及43係用以使各複合接觸與可移動 電極絕緣。雖然各絕緣層宜用空氣充填，可使用許多其他 適合（絕緣物。又該層聚合物薄膜9〇係用作絕緣體。相 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝 訂---------線1 i -18. A7

五、發明說明（l6 ) 449762 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 似者在接觸器内之至少一個複合接觸及與基體電極2〇絕 緣。一或數個絕緣體可合併使用以使各複合接觸電絕緣， 例如，可依需要選擇性施加一絕緣層30 —聚合物薄膜層 60或兩者使可移動合成物及一或數個複合接觸與下面之 基體電極20絕緣。 可選擇者，一複合接觸乃係適於延伸通過聚合物薄膜層 60。如圖1中所示，複合接觸23及27之至少一部份突出 於上聚合物薄膜層以提供一或數項電連接。如圖5中所 示’單一之複合短路棒124可伸過聚合物薄膜層以提供各 接觸器間之導電連接，同時亦操作如同每一接觸器之_組 件。可沉積金屬線路供互相連接之用。 基體與複合接觸之相關配置可按不同之開關與繼電器之 應用所品而變更。如圖1中所TF ’兩個或更多之搭配接觸 器可沿可移動合成物之長度（自固定至末端部份）配置，俾 於該合成物被吸引至基體時若干接觸器及在其他接觸器之 前予以匹配。例如參閲圖1 ，基體接觸26乃於可移動合 成物被吸引至下面的基體時與其複合接觸在基體接觸22 之前匹配。不過二個或更多之接觸器可沿可移動合成物之 寬度配置’俾使在一接觸器内之兩個或更多接觸係在大概 同一之時間匹配。如圖2中所示，例如基體接觸24 ，25 及26乃於該合成物被吸引至基體時與其複合接觸大概同 一時間搭配。又如圖3所示’可將在該多數内之各接觸器 處置爲於可移動合成物被吸引至基體時兩者成並聯及串聯 配合。 -19- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ilium ίΊ. ------I I ^-11----I (請先閲讀背面之注意事項填寫本頁) ί 4 4 9 7 6 2 A7 _B7_ 五、發明說明（I7 ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 根據本發明之MEMS裝置之若干實例另包含一電能源及 一隨意之開關裝置。參閱圖4中之實例。電能源可爲任何 電壓源電流源或任何電能儲存裝置，例如電池，充電之電 容器，加能量之感應器或類似者。該開關裝置可爲任何之 電開關或用以選擇性接上或中斷電連接之其他半導體裝 置。在一實例中，電能源130係連接於MEMS裝置之基體 電極，合成物電極或兩者。開關裝置133亦可連接於具有 電能源之電路中。操作中，當無靜電力施加時，可移動合 成物之末端部份及可選加之中間部份係偏置於一開啓位置 如圖1中所示。施加電荷於基體電極及可移動之合成物電 極產生兩者間之靜電力，將上述之可移動電極吸引至基體 電極，如圖4中所示。此使偏動部份不再捲曲及順應微電 子基體之表面，使每一接觸器内之複合接觸與基體接觸互 相連接。如圖7及8中所示，單一之複合短路棒狀物122 可突伸通過聚合物薄膜層以提供電連接123。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 在另一實例中，電能源135能在具有一或更多裝置之電 路中，例如顯示爲137之D1被連接於MEMS裝置之基體 接觸，複合接觸或兩者。是以該電能源及/或更多之裝置 例如D1可於基體接觸及複合接觸響應於靜電力之施加而 完成電連接時作有選擇之連接。較佳者，將一電負載連接 各基體接觸及使用複合接觸作爲互連該電負載之短路棒。 熟諳本技藝在可暸觸電能源，開關裝置及電装置或負載能 以各種不同之方法互連而不背離本發明。 視可移動之末端部份之相關位置而定，更接近固定部份 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 4 497 62 a/ _B7 _ 五、發明說明（IS ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 70之接觸器將及時首先連接。從MEMS裝置在圖1中所 示之位置開始，可移動合成物被升高及所有之接觸全部開 斷。當基體與可移動之合成物電極20，40間產生靜電力 時，可移動之合成物不再捲曲及接觸26及27將在接觸22 及23之前被連接。一俟靜電力不再施加於基體與可移動 電極之間時，可移動合成物之末端及中間部份能恢復偏移 之位置。當末端部份捲曲離開時，接觸22及23首先分 開，接著爲接觸26及27。根據本發明之MEMS靜電開關 與繼電器能接轉自〇. 1至400伏特之電壓而且以30至80 伏特範圍之靜電電壓操作，視接轉之電流量及裝置之幾何 形而定，可供給其他之接轉電壓與操作電壓。 圖2-8舉例説明使用多數接成並聯之接觸器以使電弧減 至最小，其法爲增加接觸器之數量，同時亦將接觸器電阻 減至最小，參閱圖2及3及圖6中所示之細節，基體接觸. 24A-24B ，25A-25B及26A-26B係接成串聯，並於彈性合 成物偏動至其升高位置時通常係開斷，如圖所示。複合接 觸27 ，28及29係短路接觸，在電路上閉合各基體接 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 觸。此可降低電弧爲每一電弧需要約16伏特始能發生， 及多個接觸需要在比例上較高之電壓以形成電弧。圖2及 6所表示之開關包含六組接觸，需有約96伏特始發生電 弧較佳者全部第二接觸器，（即24-26 )必須同時開斷，且此 係更以使用一 MEMS裝置。所希望在使各接觸器平行於可 移動合成物之末端而如圖所示定向於通常平行於可移動合 成物於其向上捲曲時所形成槽之方向。 -21- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格<210 X 297公釐） A7 449762 -----------B7__ 五、發明說明（19) 接觸I數量增加可在電位上增加開關之_聯電阻，爲使 問題滅至最少’而仍保持電弧阻力，使單一組接觸22A-22B在導電及實體上平行於多路接觸器，確使該單—组接 觸與該多路接觸器順次開路及閉合。如圖2及6所示，該 單一組接觸係接近可移動合成物之末端。當可移動合成物 自其升问之位置伸直時，多路接觸器24 , 25 ，26首先 閉合’接觸器22迅速跟隨閉合。此降低整個開關之電阻 如圖6中增耗墊34，35所表示者。將此順序逆轉，當可 移動合成物開始捲曲時，單一接觸器首先開路，接著爲該 多路接觸器。此可將電弧減至最少，同時提供低接觸電 阻。圖5中所不之單—接觸棒形物124能以圖6中所示基 體接觸相同之順序方式使用之。 使用MEMS裝置之方法包含以選擇方式產生基體電極與 可移動合成物之電極層間之靜電力之步驟。此外，該方法 包含使該可移動合成物朝向微電子基體移動之步驟。又該 方法包含使第一及第二接觸器之各接觸成導電連接之步 驟。於該電連接步驟之後，該方法可包含中斷靜電力，使 可移動合成物與基體分開，及依次序折開第一及第二接觸 經 濟 部 智 慧 財 產 局 員 工 消 費 合 作 社 印 製 器之各接觸之步驟。. 以可選擇方式產生靜電力之步驟可包含施加一電壓電位 於基體電極與可移動合成物之電極層之間。移動該可移動 合成物之步驟可包含伸可移動合成物以大概平行於微電子 基體之方式横臥。可選擇者，導電連接之步騍可包含使可 移動合成物上之各接觸與基體上之各接觸成導電連接。分 -22- 本紙張尺度適用中_國家標準（CNS)A4規格<21〇 χ 297公釐 4497 62 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印毅 五、發明說明（2〇 開可移動合成物共基體之步驟可包含以樞軸或捲曲位移使 可移動合成物離開該基體。 當可移動合成物具有附加於下面基體之一固定部份及可 對基體電極移動之一末端部份時，該方法可於第—及第二 接觸器被拆開時提供多項步驟。將可移動合成物與基體分 開之步驟可包含使可移動合成物移動離開基體，以其末端 在可移動合成物之其餘部份與基體分開之前離開基體。此 一連續拆離步驟可包含在電路上拆開第二接觸器之各接觸 之前拆開第一接觸器之各接觸。可隨意者，此連續拆離步 騍可包含大概同時拆開第一及第二接觸器之各接觸，其中 第二接觸器乃會有多個接觸。不過，此連績拆開第一及第 二接觸器之步驟可包含拆離第一接觸器内之單一接觸器。 又此連續拆開之步驟可包含在拆離第二接觸器之所有接觸 之前大概同時拆開第一接觸器之各接觸0另一方式，將可 移動合成物與基體分開之步驟可包含使該可移動合成物捲 曲離開基體。在此狀況中，該捲曲之步驟另包含在拆開第 二接觸器之各接觸之前依次拆開第一接觸器之各接觸之步 驟。 本發明之許多修正及其他之實例可爲熟諳本技藝在所想 及，其與本發明有關者乃可上列説明及各附圖所提供敎導 益處。因此應瞭解者本發明並不限於所揭示之各特定具體 實例’及旨在將各項修正與其他實例包括於所附申請專利 範圍之範圍内。雖然本文中使用專門名詞，但係以—般説 明之意義使用之，並用於以任何方式限制本發明範圍之目 的0 -23- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 、-> 袭-i,------訂----I (請先閲讀背面之注意事項再填寫本買)

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Claims (1)

1. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A8 449762 S D8 —T 一 — … ' 丨丨—* 六、申請專利範圍 1. 一種由靜電力驅動之MEMS裝置，包含：. 一微電子基體，界定一平坦平面； 一基體電極，形成該基體表面上之一層； 一可移動之合成物，覆蓋於該基體電極上及具有一 、電極層與一偏壓層，該可移動合成物具有附加於下面 基體之一固定部份及可對該基體電極移動之一末端部 1 · · ； · ' · · 份； 第一及第二接觸器’每一接觸器具有附加於該可移 動合成物之至少一複合接觸；以及 一絕緣體，將該基體電極與可移動合成物之電極層 隔離； 因而當該可移動合成物末端部份被吸引至該基體時 各該接觸器即成導電連接。 2. 根據申請專利範圍第1項之MEMS裝置，其中當該可 移動合成物於未加有靜電力時採取偏移位置之際，各 該接觸器之一係較接近可移動合成物之末端部份。 3. 根據申請專利範園第1項之MEMS裝置，其中該可移 動合成物之末端部份係在位置上對該微電子基體偏 置。 4. 根據申請專利範圍第1項之MEMs裝置，其中第—接 觸器内之至少一接觸包含選自下列各接觸所組成之— 組中之一接觸；即自各自表面突出之一接觸，大概與 各自表面齊平之一接觸，具有大概光滑表面之一接觸 及具有大概粗糙表面之一接觸。 -24- 本纸張尺度週用1Ρ關家標準（CNS〉A4規格（21〇 χ 297公爱〉 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) i i — — I I I I ί ! n I A8 B8 C8 D8 449762 六、申請專利範圍 5. 根據申請專利範園第1項之MEMS裝置’其中第二接 觸器内之至少一接觸包含選自下列各接觸所組成之一 組中之一接觸；即自各自表面突出之一接觸，大概與 各自之表面齊平之一接觸，具有大概平滑表面之一接 觸及具有大概粗糙表面之一接觸。 6. 根據申請專利範圍第1項之裝置’其中當該可 移動合成物末端被吸引至該基體時’可移動合成物實 體上順應微電子基體之表面° T根據申請專利範圍第i項之MEMS裝置，其中該可移 動合成物之電極層及偏壓層係由一或更多之一般彈性 材料形成。 8, 根據申請專利範園第1項之MEMS裝置，其中第一接 一器係較第二接觸器更接近可移動合成物末端部份。 9. 根據申請專利範圍第1項之MEMS裝置，其中第二接 觸器係較第一接觸器更接近可移動合成物固定部份。 1〇·根據申請專利範圍第1項之MEMS裝置，其中第一接 觸器被布置成於第二接觸器斷路之前拆開其電連接。 11·根據申請專利範園第1項之MEMS裝置，其中第二接 觸器包含至少兩接觸器之一行列。 12.根據申請專利範圍第1項之MEMS裝置，其中第二接 觸器被布置成於該合成物末端部份離開基體時大概同 時拆開其中之所有接觸之電連接。 η.根據申請專利範圍第1項之MEMS裝置，其中第二接 觸器包含至少兩接觸器一直線行列。 ?氏張尺度適用中國國家標準（cns)a4規格⑽X挪公爱） (请先閱讀背面之注音？事項再填窝本頁) 裝-------訂---------線' 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A8B8C8D8 449*7 62 ---~~.— 六、申請專利範圍 14.根據申請專利範圍第1項之裝置，其中第一接 觸器包含單一之接觸器。 15-根據申請專利範園第1項之MEMS裝置’其中第一接 觸器係與第二接觸器成平聯之電連接。 16·根據申請專利範圍第1項之MEMS裝置，其中第二接 觸器之電阻係大於第一接觸器之電阻。 17. 根據申請專利範圍第1項之MEMS裝置，其中每一接 觸器具有附加於該基體之至少一基體接觸。 18. 根據申請專利範園第1項之MEMS裝置，其中至少第 一與第二接觸器之—包含附加於該基體之—對接觸以 及附加於該可移動合成物之一接觸，俾與附加於基體 之該對接觸成導電連接。 19·根據申請專利範圍第1項之mems裝置，其中第一及 第一接觸器共用至少一公共接觸。 20.根據申請專利範園第μ項之MEMS裝置，其中該公共 接觸係附加於可移動合成物。 21‘根據申請專利範園第1項之MEMS裝置，其中第二接 觸器之各接觸係接成串聯。 22. 根據申請專利範園第1項之MEMS裝置，其中第二接 觸器之各接觸係接成並聯。 23. 根據申請專利範圍第1項之MEMS裝置，其中至少各 接觸器之一乃與基體電極成電隔離。 24. 根據申請專利範圍第1項之MEMS裝置，其中該偏壓 層促使合成物末端部份捲曲離開該基體。 -26- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） {請先閱讀f面之沒意事項再填寫本頁) 裒 線 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 D8

   A8 449762 g 六、申請專利範圍 25·根據申請專利範園第1項之M£MS裝置，其中該合成 物偏壓層及電極層具有膨脹之不同熱係數，促使可移 動合成物捲曲。 26. 根據申請專利範園第1项之mbms裝置，其中該偏壓 層包含至少兩聚合物薄膜，至少此兩聚合物薄膜之一 具有與該電極層不同之膨脹熱係數，促使可移動合成 物捲曲。 27. 根據申請專利範圍第1項之mbms裝置，其中當無靜 電力在該合成物電極及可動電極間產生時，可移動合 成物之末端部份捲曲離開該基體之上表面所界定之平 面0 28. 根據申請專利範圍第1項之MEMS裝置，其中至少各 複合接觸之一乃與該合成物電極絕緣。 29. 根據申請專利範圍第1項之memS裝置，另包含一電 能源及一可接轉裝置，與第一及第二接觸器成導電連 接。 30. —種使用MEMS裝置之方法，該MEMS裝置乃由一微 電子基體具有附加於下面基體之一固定部份及一可靜 動末端部份之一懸臂式合成物；以及含有在該玎移動 合成物及基體.上之各接觸之第一及第二接觸器。所，银 成者，該方法包含下列之各步驟： 使該懸臂式合成物之末端部份轉向該基體移動；及 使第一及第二接觸器之各接觸成導電連接。 31·根據申請專利範圍第30項之方法，另包含於該導電速 -27 - , ^ 本紙張尺度適用t國國家標準<CNS)A4規格（210 X 297公釐） {請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝il 訂---------# 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 449762 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 六、申請專利範圍 接步躁後，依次將第一及第二接觸器之各接觸拆離之 步驟。 32·根據申請專利範園第30項之方法，其中該MEMS裝置 另具有在孩懸臂式合成物中疋一電極層及在該微電子 基體中之一基體電極，該懸臂式合成物可響應於基體 電極與合成物電極間產生之靜電力而移動，及其中該 方法另包含以選擇方式產生基體電極與懸臂式合成物 電極間之靜電力之步驟。 根據申請專利範圍第30項之方法，其中移動懸臂式合 成物之步驟包括使該懸臂式合成物伸直，以大概與該 基體平行橫臥》 34·根據申請專利範圍第3〇項之方法，其中順次拆離各接 觸之步驟包含使懸臂式合成物與該基體分開之步驟。 35‘根據申請專利範園第34項之方法，其中使懸臂式合成 物與基體分開之步驟包含以通常之樞軸旋轉位移使該 懸臂式合成物離開基體β 36·根據申請專利範圍第34項之方法，其中使懸臂式合成 物與基體分開之步驟包含將懸臂式合成物移離基體， 以其末端在該懸臂式合成物之其餘部份分開之前離開 基體》 37. 根據申請專利範圍第31項之方法，其中連續拆開第— 及第二接觸器之各接觸之步驟包含在第二接觸器斷開 電連接之前將第一接觸器之各接觸斷路。 38. 根據申請專利範圍第31项之方法，其中連續拆開 <請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝 ----訂----- 線 '28- ^497 6a A8 B8 C8 D8 六、 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 申請專利範圍 及第二接觸器之各接觸之步骤包含以同時之方式將第 二接觸器中之多個接觸拆開。 39’根據申請專利範圍第31項之方法，其中連績拆開第一 及第二接觸器之各接觸之步騍包含將第一接觸器中之 單~~接觸對中斷連接。 40’根據申請專利範園第31項之方法，其中連續拆開第一 及第二接觸器之各接觸之步驟包含在以同時方式分開 第二接觸器之所有接觸之前，將第一接觸器之各接觸 斷路。 41-根據申請專利範圍第34項之方法，其中將懸臂式合成 物與基體分開之步驟包含使該懸臂式合成物捲曲離開 基體β 根據申請專利範圍第41項之方法，其中使懸臂式合成 物捲曲離開基體之步驟包含在拆開第二接觸器中各接 觸之連接以前，依次拆開第一接觸器之各接觸。 —種使用一 MEMS裝置之方法，該裝置乃由_微電子 基趙；具有附加於下面基體之一固定部份及—可移動 末端部份之懸臂式合成物；以及具有在該懸臂式合成 物及基體上之各接觸之第一及第二接觸器組成者，該 方法包含下列之步驟： 在該末端部份使懸臂式合成物與該基體分開； 連續拆開第一及第二接觸器之各接觸。 43 -29. 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 X 297公釐） (請先閱讀背面之注音？事項再填寫本頁) ]· I 線