Mems磁性致動開關及相關的開關陣列的制作方法

專利名稱：Mems磁性致動開關及相關的開關陣列的制作方法
技術領域：
本發明一般來說涉及微型電動機械系統(MEMS)裝置，更具體地說，涉及MEMS磁性致動開關及相關的開關陣列。
作為常規電動機械裝置，例如繼電器、致動器、閥門和傳感器的選擇，微型電動機械系統(MEMS)最近得到了發展。由于使用簡化的微電子制造技術，MEMS裝置可能是低成本裝置。因為MEMS裝置物理上能比常規電動機械裝置小得多，所以還可能提供新功能。
MEMS技術的許多可能施加利用MEMS致動器。例如，許多傳感器、閥門和定位器使用致動器提供移動。如果適當地設計，MEMS致動器能在消耗合理量的功率的同時，產生有用的力和位移。取微型懸臂形式的MEMS致動器已經用于施加旋轉機械力，以使微型機制彈簧和齒輪旋轉。壓電力也用于可控制地移動微型機制結構。另外，致動器或其他MEMS部件的受控熱膨脹用于產生驅動微型裝置的力。一種這樣的熱致動器在1995年12月12日發布，題為“Microprobe”，發明人的名字為Marcus等人的美國專利No.5,475,318中公開，該專利敘述了使微型裝置移動的杠桿作用熱膨脹。
已經產生了微型機制MEMS靜電裝置，這類裝置使用靜電力操作電開關和繼電器。已經研制了各種MEMS繼電器和開關，它們使用相對剛性的懸臂部件，或與下面襯底分開的柔性片狀件，以便形成和斷開電連接。這樣的剛性懸臂MEMS靜電裝置的例子在1994年11月22日發布，題為“Non-Contact Two Position Microelectronic CantileverSwitch”，發明人的名字為Buck的美國專利No.5,367,136，和1996年8月6日發布，題為“Electrostatic Relay”，發明人的名字為Ichiya等人的美國專利No.5,5444,001中公開。另外，一種實施柔性式片狀件布置的靜電MEMS開關的例子在1999年6月30日提交，題為“HighVoltage Micromachined Electrostatic Switch”，發明人的名字為Goodwin-Johansson，并且轉讓給如本發明這里所公開的相同實體的美國專利申請No.09/345/722中公開。
雖然也使用磁場，更具體地說電磁場來驅動微型電動機，并且起動開關，但是典型地先前使用的磁場規定各微型電動機或開關具有與其相關的的個別磁場。例如，常規MEMS開關矩陣包括個別微型線圈或電磁鐵，以驅動陣列中的個別開關元件，從而帶來不希望有的大而復雜的開關。開關的尺寸和復雜性特別麻煩，因為如有些施加所需要，開關矩陣變得很大。另外，大多數常規開關矩陣限于平面內操作。因此，需要產生MEMS磁性致動開關，它們能在平面內或離開平面方向致動，以適應各種開關，這些開關能夠對安排在單一微電子襯底上的電負載線，和安排在兩個不同微電子襯底上的電負載線引導電流。
因此，需要提供MEMS磁性致動的開關和對應的開關陣列，它們能夠在單磁場環境中個別起動。這個好處能用微電子襯底上占有較小空間的較容易制造的大規模開關陣列實現。由于在今天的電信和試驗設備工業中，開關裝置和相關的陣列是極其希望的，所以這些好處特別吸引人。
因此提供一種MEMS磁性致動交叉點開關和相關的開關陣列，其能夠提供平面內和離開平面致動，同時占有微電子襯底的最小面積。另外，本發明的MEMS磁性致動交叉點開關提供一種簡明陣列，它能由單外部磁場源致動。
該MEMS電交叉點開關包括一個微電子襯底，一個磁性元件，附于該微電子襯底，在預定方向對磁場作出響應而自由地移動，和一個電元件，與磁性元件連接，以與其一起移動，以有選擇地轉換電流。在操作中，磁性元件與一個磁路連通，并且試圖與穿過磁路的磁場成一直線，以便產生致動力。致動力驅動電元件，以與最近的電負載通路電連接。在一個實施例中，磁性元件和電元件通過一個束縛裝置連接，該束縛裝置起磁性元件和電元件的平臺作用。該電交叉點開關還可以包括一個夾持元件，它用作使開關鎖定在斷開或閉合位置，以防止開關的磁性致動發生。
在另一個實施例中，本發明提供一種MEMS電交叉點開關陣列，它包括一個微電子襯底，一個磁場源，與所述微電子襯底連通，多個第一和第二電線，以陣列形式安排在微電子襯底上，和多個如上所述的平面內MEMS電交叉點開關，安排在第一和第二電線的交叉點處。在一個實施例中，個別開關的磁性元件和電元件通過束縛裝置連接，這些束縛裝置起磁性元件和電元件的平臺作用。個別電交叉點開關還可以包括夾持元件，它們用作使開關鎖定在斷開或閉合位置，以當磁場源施加于陣列時，防止開關的磁性致動發生。在一個實施例中，陣列布置為具有一系列交叉的第一和第二電負載線的N×N或N×M陣列。在另一種布置中，陣列具有一系列相對參考中心點沿圓弧延伸的第一電負載線，和一系列相對參考中心點以徑向輻條型式樣向外延伸的第二電負載線。在兩個實施例中，開關元件都安排在第一和第二電負載線相交的交叉點。
在另一個實施例中，MEMS磁性致動交叉點開關包括一個微電子襯底，和一個磁性元件，附于該微電子襯底，并且在預定方向對磁場作出響應而自由地移動，以有選擇地從磁性傳導第一電線到第二電線轉換電流。在這個實施例中，電負載通路和磁路共享，以便磁性元件的磁性致動帶來電流從一條電負載線到另一條的選擇轉換。在這個實施例中，可以使用一個夾持元件，以把開關鎖定在斷開或閉合位置，以防止開關的磁性致動發生。在另一個實施例中，提供一個對應的MEMS磁性致動開關陣列，它包括上述MEMS開關。
在又一個實施例中，一種離開平面MEMS磁性致動交叉點開關包括一個第一微電子襯底，和一個第一接觸板，安排在第一微電子襯底上，可磁性移動。該開關還包括一個第二微電子襯底，與第一微電子襯底以隔開關系安排。該第二微電子襯底其上安排一個第二接觸板，與第一接觸板貼近安排，其中第一接觸板的選擇磁性致動帶來電流從第一接觸板轉換到第二接觸板。在這種雙襯底實施例中，第二襯底上的第二接觸板可以磁性致動，或第二接觸板可以是靜止實體。在本實施例中，可以使用一個夾持元件，以把第一接觸板鎖定在斷開或閉合位置，以防止開關的磁性致動發生。在一個選擇實施例中，能在第一和第二襯底上形成上述開關的陣列，以有選擇地從第一襯底上的一系列第一電負載線到安排在第二襯底上的一系列第二電負載線改變電流。
另外，提供一種用于MEMS電轉換的方法，它包括如下步驟，對一個磁性致動MEMS電交叉點開關施加磁場，把開關的磁性元件吸向磁場，使與磁性元件連接的電元件致動，以及轉換電流。另外，該方法在施加磁場之前，可能用于夾持開關，以使開關鎖定在斷開或閉合狀態。
因此，本發明提供一種MEMS磁性致動開關和對應的開關陣列，其能夠在單磁場環境中個別起動。這個好處利用在微電子襯底上占有較小空間的較容易制造的大規模開關陣列實現。


圖1是根據本發明的一個實施例的平面內MEMS磁性致動開關的平面圖。
圖2是根據本發明的一個實施例的平面內MEMS磁性致動開關的平面圖，它從一條電負載線到一條第二電負載線轉換電流。
圖3是根據本發明的一個實施例的平面內MEMS磁性致動開關的平面圖，它包括共享電負載回路和磁路。
圖4是根據本發明的另一個實施例的利用兩個襯底的離開平面MEMS磁性致動開關的第一襯底結構的平面圖。
圖5是根據本發明的另一個實施例的利用兩個襯底的離開平面MEMS磁性致動開關的第一襯底的斷面圖。
圖6是根據本發明的另一個實施例的離開平面MEMS磁性致動開關的第一襯底的斷面圖，表示襯底與外部磁場之間的關系。
圖7是根據本發明的一個實施例的平面內MEMS磁性致動N×N開關陣列的斷面圖。
圖8是根據本發明的一個實施例的平面內MEMS磁性致動徑向開關陣列的透視圖。
圖9A和圖9B是根據本發明的另一個實施例的離開平面MEMS磁性致動N×N開關陣列的第一和第二襯底的斷面圖。
圖10A和圖10B是根據本發明的一個實施例的平面內MEMS磁性致動開關的斷面圖，它從一條電負載線到一條第二電負載線轉換電流。
圖11A至圖11E是在制造根據本發明的一個實施例的平面內MEMS磁性致動開關時，各階段的斷面圖。
現在參考附圖，將在下文更完全地敘述本發明，其中表示了本發明的優選實施例。然而，本發明可以用不同形式實施，并且不應該如這里所述實施例限制那樣構造，更確切地說，提供這些實施例，以便本公開將是徹底和完全的，并且對本領域技術人員來說將完全地傳達本發明的范圍。自始至終相同標號指同樣元件。
圖1是根據本發明的一個實施例的MEMS磁性致動開關10的平面圖解。該開關包括一個微電子襯底12，一個附于該微電子襯底的磁性元件14，和一個與該磁性元件連接的電元件16。微電子襯底典型地由硅形成，或可以使用任何其他類似的微電子襯底材料。磁性元件在預定方向響應磁場的施加而自由地移動。磁性元件的移動對應于連接電元件的移動，從而有選擇地轉換電流。
在圖1所示實施例中，磁性元件14可以包括鎳、鎳/鐵合金或另外適當的磁性材料。磁性元件的一般梯形平面視圖形狀僅作為例子表示。可以用任何允許磁性元件與所施加磁場直線對準，并且沿預定方向移動的形狀，制造磁性元件。磁性元件以錨件18附于襯底。該錨件可以用金屬、聚合物或任何其他能夠提供與襯底的附著點的材料制成。第一彈簧狀元件20把錨件與磁性元件連接，并且規定磁性元件沿預定方向自由地移動。如所示，在一個優選實施例中，第一彈簧狀元件可以包括一個發夾形彈簧。雖然發夾形彈簧提供必要的強度和彈性，但是也可以使用其他彈簧狀元件，例如懸掛彈簧，以為磁性元件提供移動裝置和與錨件的連接。第一彈簧狀元件可以包括金屬材料、聚酰亞胺材料、氮化物材料或任何其他適當的柔性材料。
磁性元件14覆在并且典型地附于一個束縛裝置22上面，束縛裝置22用來把磁性元件與電元件16連接。電元件也覆在并且典型地附于該束縛裝置上面。在操作中，磁性元件的磁性致動移動附著的束縛裝置和連接的電元件。束縛裝置可以用氮化物材料、氧化物材料、或另外適當的非磁性絕緣材料形成。在制造MEMS磁性致動開關期間，束縛裝置與下面的微電子襯底12釋放，以允許束縛裝置自由地移動。束縛裝置通過與磁性元件和電元件相關的的錨件18、26和28附于襯底。磁性元件和電元件相對束縛裝置的定位作為例子表示。還可能定位束縛裝置，以便覆在磁性元件和電元件上面。在這里公開的本發明范圍之內，還可能使用其他類似的結構構造MEMS磁性致動開關，以把磁性元件與電元件連接。
電元件16可以包括鎳、金或另外適當的導電材料。電元件的一般梯形平面視圖形狀僅作為例子表示。可以用任何在開關操作期間，允許電元件與相關的電負載線24接觸的形狀，制造電元件。電元件通過錨件26和28附于微電子襯底。錨件可以由金屬、聚合物或任何其他能夠提供與襯底的附著點的材料制成。第二彈簧狀元件30使錨件與電元件連接，并且規定電元件和附著的束縛元件，以沿預定方向自由地移動。如所示，在優選實施例中，第二彈簧狀元件可以包括一個c形彈簧。雖然c形彈簧提供必要的強度和彈性，但是也可以使用其他彈簧狀元件，例如懸掛彈簧，以為電元件提供移動裝置和與錨件的連接。第二彈簧狀元件可以包括金屬材料、聚酰亞胺材料、氮化物材料或任何其他適當的柔性材料。
如圖1說明，磁路32安排在微電子襯底12上，并且貼近磁性元件14。磁路可以包括鎳、鎳/鐵合金或另外適當的磁性材料。在操作中，當沿磁路施加磁通量時，磁通量用作使磁性元件與直線對準，并且產生一個力，它把磁性元件吸向該直線，從而移動束縛裝置和連接的電元件。在所示實施例中，磁路一般位于與微電子襯底平行，并且一般與磁性元件的預定移動方向垂直。如所示，磁路可能在頸部34變窄，以使磁通量集中在貼近磁性元件的位置處。另外，磁路覆在貼近磁性元件的束縛裝置上面，但是不阻止束縛裝置的自由移動。為了在磁性元件中達到必要的吸引力，磁路典型地將傳送約200高斯的最小磁場。
電負載線24安排在微電子襯底12上，并且貼近電元件16。電負載線可以包括銅、金、鋁、多晶硅或另外適當的導電材料。在操作中，當穿過磁路施加磁通量時，磁性元件和連接的電元件按預定方向致動。電元件的致動結果帶來與電負載線的接觸，因此，電元件用來閉合電路。在所示實施例中，電負載線一般位于與微電子襯底平行，并且一般垂直于電元件的預定移動方向。電負載線典型地將在貼近電元件處具有較厚的截面部分，以保證在電負載線與電元件之間的適當電接觸。另外，電元件可能對應地具有增加的厚度。如所示，電負載線貼近電元件覆在束縛裝置上面，但是不阻止束縛裝置的自由移動。
另外，可以使用夾持元件36，以把磁性元件夾持在非磁性致動或磁性致動的位置。夾持元件可以是靜電夾持元件、靜磁夾持元件或機械閉鎖機構。圖1表示一個靜電夾持電極，它安排在微電子襯底12上，并且物理地附于束縛裝置22的下面。在靜電實施例中，電壓施加于夾持電極，從而使磁性元件“鎖定”在希望位置。如果希望位置是斷開電狀態，那么磁性元件“鎖定”在非磁性致動位置。在這個斷開“鎖定”狀態下，施加磁通量場將不帶來磁性元件的致動，因此電負載線將保持在斷開狀態。如果希望位置是閉合電狀態，那么磁性元件“鎖定”在磁性致動位置。在這個閉合“鎖定”狀態下，能消除磁通量場，并且磁性元件和電元件將在一個閉合電負載線的位置下保持致動。靜電元件可以由金屬，例如鎳或銅形成，或夾持元件可以由另外適當導電材料，例如摻雜硅或多晶硅形成。另外，雖然如圖1所示夾持元件安排在襯底與磁性元件之間，但是只要在磁性元件與夾持元件之間存在適當的電絕緣，還可能使夾持元件安排在磁性元件頂上。
圖2是根據本發明的一個實施例的MEMS磁性致動開關的選擇實施例的平面圖解。如圖2所示，電元件16在致動時能夠從第一電負載線40到第二電負載線42轉換電流。在本實施例中，第二彈簧狀元件30用作錨件26和28與電元件之間的連接，以及用作電元件與第二電負載線之間的電連接。錨件28安排在第二電負載線上，并且用作附著點和電接觸。在本實施例中，第二彈簧狀元件將由導電材料，典型地金屬材料形成。第二彈簧狀元件可以包括如所示那樣的c形彈簧，或第二彈簧狀元件可以包括另外能夠提供必要的彈性和電連接的適當彈簧狀元件。第一和第二電線典型地由銅、金、鋁或類似的電互連材料形成。如所示，第一電線和第二電線以一般垂直關系安排在微電子襯底上，以使開關陣列的形成變得容易，然而，除通過開關的起動外，第一和第二電線不接觸。在不違反這里公開的本發明的范圍下，第一和第二電線可以按其他布置關系例如平行來安排。
圖2實施例也可以包括一個夾持元件36，它用來使磁性元件夾持在非磁性致動或磁性致動的位置。夾持元件可以是靜電夾持元件、靜磁夾持元件或機械閉鎖機構。圖2表示一個靜電夾持元件，它安排在微電子襯底12上，并且物理地附于束縛裝置22的下面。靜電夾持元件可以由金屬例如鎳或銅形成，或夾持元件可以由另外適當的導電材料，例如摻雜硅或多晶硅形成。雖然如圖2所示夾持元件安排在襯底與磁性元件之間，但是只要在磁性元件與夾持元件之間存在適當的電絕緣，還可能使夾持元件安排在磁性元件頂上。
可選擇地，如圖3的頂視圖解所示，可能制造本發明的MEMS磁性致動開關10，以便磁路和電負載線安排在微電子襯底上，并且共享一個公用導電磁性元件50。在本實施例中，電負載線和磁路可以包括一條單線52，它能夠既傳遞磁場又傳遞電流。在所示實施例中，一條單線52是一條不中斷的電線，它具有一個通過一條單線52和互連線53的通路。可選擇地，一條分開的電負載線可以在磁路下面或上面。本實施例消除了需要具有一個分開的電元件和對應的束縛裝置。在操作中，當穿過該線施加磁通量時，提供把導電磁性元件吸向磁場所必要的力。這個致動使導電磁性元件與電線接觸，并且使電流從該線轉換到第二電線54。在該實施例中，其中電負載線在磁路下面或上面，導電磁性元件可以包括分層合成物，它由貼近磁路的磁性材料，例如鎳或鎳/鐵，導電材料，例如金，和把磁性材料與導電材料分開的絕緣材料形成。
在圖3實施例中，與圖2所示實施例類似，一個彈簧狀元件56用作錨件58和60與導電磁性元件50之間的連接，以及用作該元件與第二電線54之間的電連接。錨件60安排在第二電線上，并且用作附著點以及電接觸。在本實施例中，彈簧狀元件將由導電材料，典型地為金屬材料形成。另外，可以使用一個夾持元件36，以對導電磁性元件提供夾緊力。夾持元件可以是靜電、靜磁或機械閉鎖機構。在本實施例中，所示夾持元件是一個附于導電磁性元件的下面的電極，并且典型地由導電金屬，例如銅、金或其他類似金屬，摻雜硅或多晶硅形成。雖然如圖3所示夾持元件安排在襯底與導電磁性元件之間，但是只要在導電磁性元件與夾持元件之間存在適當電絕緣，還可能使夾持元件安排在導電磁性元件頂上。
本發明還以一種使用兩個微電子襯底的MEMS磁性致動開關實施。圖4和圖5是用于制造根據本發明的一個實施例的MEMS磁性致動開關的兩個微電子襯底中第一個的平面圖和斷面圖。MEMS開關70包括第一微電子襯底72，在該襯底上安排有磁性可移動的第一電接觸74。該接觸安排在第一接觸扳76上。第一接觸板通過連接彈簧80與電負載線78電連通。第一微電子襯底典型地將由硅或類似的微電子襯底材料形成。還可能提供一種磁性襯底，在這種情況下，在安排電負載線78之前，可能要求一個絕緣層。第一電接觸74可以由金或另外適當的導電材料形成。第一接觸扳76和連接彈簧80可以包括磁性材料，例如鎳或鎳/鐵合金，并且典型地將敷以導電材料，例如金。電負載線典型地由導電材料，例如金形成，并且覆在一厚層磁性材料，例如鎳或鎳/鐵合金上面。連接彈簧的布置和數量僅作為例子表示。還可能有其他連接彈簧布置和數量，并且它們在這里公開的本發明范圍之內。
在操作中，貼近第一微電子襯地施加磁場源。磁場源典型地將產生磁通量，它從襯底的底面穿過襯底、電負載線下面的磁性材料、彈簧狀元件和接觸板流通，以實行接觸的向上移動。這個關系從圖6更容易地觀察，圖6畫出根據本發明的一個實施例的具有兩個微電子襯底的MEMS磁性致動開關70的斷面圖。外部磁場源100用來產生磁場。在一個優選實施例中，磁場源可以是一個電磁鐵，然而也可以使用其他磁場源。磁場源產生一般環形的磁力線，它從第一微電子襯底72的下面進入開關裝置，并且在第二微電子襯底102的頂面退出。典型地，鄰近第一和第二襯底將安排磁極件104，以增強和引導磁場。磁通量流過襯底、第一電負載線78下面的磁性材料82、彈簧狀元件(圖6中未示出)和第一接觸板76。由磁通量產生的力使彈簧狀元件向上移動，因此，舉起第一接觸板。在致動時，使第一接觸板76和第一接觸74與安排在第二微電子襯底上對應的第二接觸板106和第二接觸108電接觸。第二接觸結構在構造方面可能一般地與第一接觸同樣(圖4和圖5所示)，或第二接觸可以是靜止接觸，它不由磁場的施加而致動。一旦使第一襯底的第一接觸與第二接觸電接觸，則第一電負載線78的電流轉換到安排在第二襯底上的第二電負載線110。第一和第二微電子襯底以預定隔開關系安排。可以使用支持結構112，例如焊料凸起或其他已知支持結構，以產生第一與第二微電子襯底之間存在的隔開關系。
另外，如圖4和圖5所示，可以使用夾持元件36，以把接觸板夾持在非致動或致動位置。夾持元件可以是靜電夾持元件、靜磁夾持元件或機械閉鎖機構。如圖4和圖5所示，靜電夾持元件36安排在微電子襯底上，并且一般位于MEMS開關的第一接觸板下面。夾持電極的布置僅作為例子表示，在不違反這里公開的本發明的概念下，夾持電極還可能安排在襯底之內，或相對開關以其他關系安排。一旦在第一接觸板與夾持電極之間施加電壓差，它就用作使第一接觸板靜電地鎖定在一個將不受磁場力的影響的靜止位置。附于第一接觸板76下面的束縛裝置84，用作通過彈簧狀元件86對第一接觸板提供附加回彈。束縛裝置通過彈簧狀元件86以錨件88附于襯底。在一個實施例中，如所示，彈簧狀元件可以包括發夾彈簧。雖然發夾彈簧提供必要的強度和彈性，但是也可以使用其他彈簧狀元件，例如懸掛彈簧，以為束縛裝置提供移動裝置和與錨件的連接。彈簧狀元件可以包括聚酰亞胺材料、金屬材料或任何其他適當的柔性材料。在許多實例中，在夾持操作期間，由連接彈簧80提供的回彈足夠，因此，消除了在使用夾持電極時，需要包括束縛裝置84和彈簧狀元件86。
在靜電實施例中，對夾持電極施加電壓，從而使第一接觸板“鎖定”在希望位置。如果希望位置是斷開電狀態，那么第一接觸板“鎖定”在非磁性致動位置。在這個斷開“鎖定”狀態下，施加磁通量場將不帶來第一接觸板的致動。靜電夾持元件可以由金屬，例如鎳或鎳/鐵合金形成，或夾持元件可以由另外適當的導電材料形成。
根據本發明的另一個實施例，MEMS磁性致動開關可以按開關陣列布置，開關陣列允許單磁場源致動陣列中的個別開關。單磁場源典型地與可閉鎖磁性致動開關耦合，提供簡化的總體陣列開關。
圖7說明一個簡單N×N交叉點開關陣列的平面圖。在所示實施例中，開關120安排在微電子襯底122上，位于沿一般水平線布置的第一電負載線124和沿一般垂直線布置的第二電負載線126的交叉點。在操作中，該開關陣列具有把電流從任何一條第一電負載線(即輸入線)轉換到任何一條第二電負載線(即輸出線)的能力，或取決于電流方向，反之亦然。通過使用夾持元件，個別開關能“鎖定”在非致動位置，以便穿過陣列施加磁場僅起動自由地致動的“未鎖定”開關。圖解所示的3×3陣列僅作為例子。其他陣列布置是可行的，并且第一電負載線的數量可以與第二電負載線的數量不同，以便結果陣列不對稱。
圖8說明根據本發明的一個實施例的另一個MEMS磁性致動交叉點開關陣列140的透視圖。本實施例結合了徑向開關陣列，其中第一電負載線142在微電子襯底146上相對參考點144沿同心圓弧安排，而第二電負載線148相對參考點向外徑向地延伸。本發明的MEMS磁性致動開關150安排在第一和第二電負載線的交叉點。磁場源152可以是如所示安排在襯底之下或襯底之上的電磁鐵。可以使用其他磁場源，例如永久磁鐵，并且在某些情況下可能希望校正線圈來耗散磁場。在本實施例中，其中電磁鐵安排在襯底之上，可能有必要提供帶有饋入裝置的輸入/輸出引線，以對陣列結構外部的墊片提供通路。電磁鐵可能包括常規環形鐵芯，其中安排有線軸和線圈布置。在圖8描繪中，磁極件154安排在徑向陣列的外周圍，以使磁通量集中在希望磁路。磁極件典型地由鎳、鎳/鐵合金或類似磁性材料形成。在參考中心點，在襯底上安排一個中心磁極件156，以起磁場集中器作用，并且保證適當的磁路。
圖9A和圖9B是第一和第二微電子襯底的平面圖，包括根據本發明的一個實施例的另一個MEMS磁性致動交叉點開關陣列。圖9A說明第一微電子襯底160，而圖9B說明第二微電子襯底170。第一微電子襯底包括安排在其上的第一電負載線162，和安排在第一電負載線162之內的MEMS磁性致動開關164。第一電負載線可以是如所示的電輸入線。如前所討論，在雙襯底實施例中，第一襯底開關的磁性致動沿一般與第一襯底垂直的離開平面方向移動第一接觸。在致動時，第一接觸與安排在第二襯底上的對應第二接觸電接觸。第二微電子襯底包括安排在其上的第二電負載線172，和靜止接觸板174或MEMS磁性致動開關174。第二電負載線可以是如所示的電輸出線。在雙襯底實施例中，第二接觸可以是靜止的，或第二接觸可以是磁性致動的。第一和第二微電子襯底為隔開關系，以便第一襯底上的各開關對應于第二襯底上的接觸板或開關。隔開關系可以由各種支持結構，例如焊料凸起建立。通過在個別開關上使用夾持元件，有可能在施加磁場之前使開關“鎖定”在斷開位置，從而有選擇地選擇那些將為活動的開關，和那些將不活動的開關。
本發明還以制造MEMS磁性致動開關的各種方法實施。圖10A和圖10B畫出圖2所示MEMS磁性致動開關的兩個斷面圖。圖10A是沿A-A直線的MEMS開關的斷面圖，而圖10B是沿B-B直線的MEMS開關的斷面圖。參考圖10A，微電子襯底200具有安排在其上的薄電介質層202。該微電子襯底可以包括硅、石英、鋁、玻璃或任何其他適當的微電子襯底材料。如果在襯底上安排非磁性電介質層，還可能對襯底使用磁性材料，例如鐵氧體鎳。該電介質層可以包括氮化硅、氧化硅或任何其他適當的電介質材料。電介質層典型地通過使用常規化學汽相淀積(CVD)技術布置在襯底上。電介質用作使電負載線導體金屬與襯底隔離。第二電負載線204(圖2中的垂直負載線)通過標準成圖和蝕刻過程布置在襯底上。第二電負載線可以包括任何導電材料，例如摻雜硅、銅、鋁或其他類似材料。電介質束縛裝置206安排在位于襯底之上的無材料區208之內。無材料區通過在加工過程中安排犧牲層形成，犧牲層隨后被移去，以允許某些預定結構在預定方向自由地移動。電介質束縛可以由氮化硅形成，或可以使用任何其他適當的電介質材料。第一電負載線210(圖2中的水平負載線)安排在襯底上，并且在束縛裝置之上。第一電負載線可以包括任何導電材料，例如銅、鎳、鋁或其他類似材料。典型地，第一電負載線將覆有一薄層金屬材料(圖10A中未示出)，例如金或其他類似材料，以保證接觸點的低電阻。
參考圖10B，與圖10A描繪類似，微電子襯底200具有一個安排在其上的薄電介質層202。并且，在本圖解中所示，在襯底和電介質層中間是一個夾持電極層212，它安排在襯底上。襯底中的夾持電極層與磁性元件或一個可選擇的夾持電極24和諧地使用，以產生夾持力。在某些實施例中，其中襯底是導電的，將不要求在襯底中使用埋置的夾持電極。夾持電極典型地包括強導電材料，例如銅或其他類似材料。在襯底上安排一個錨件214，它用作支持束縛裝置，并且對夾持元件提供箝位電壓。錨件將由導電材料，例如鎳或其他類似材料形成。一個彈簧狀元件216將附于錨件和磁性元件218。該彈簧狀元件提供一種使束縛裝置自由移動的裝置，并且典型地將由柔性導電材料，例如多晶硅或類似材料形成。磁性元件218將包括磁性材料，例如鎳、鎳/鐵合金或其他類似材料。電介質束縛裝置206安排在微電子襯底之上，并且與微電子襯底釋放。束縛裝置用作磁性元件和電元件220的平臺。束縛裝置之下無材料區222在制造期間通過犧牲層形成。無材料區用作提供束縛裝置的自由移動。一個可選擇的夾持電極224安排在束縛裝置之下，并且物理地附于束縛裝置。夾持電極典型地將包括強導電材料，例如銅或其他類似材料。在本實施例中，其中夾持電極安排在襯底上，磁性元件218和夾持元件用作提供靜電夾持能力，消除需要在襯底中包括夾持電極層212。電元件220安排在束縛裝置上，并且典型地由金屬導體，例如鎳、金、銅或它們的合金形成。電元件典型地覆有低電阻材料226，例如金，以保證適當的電接觸。一個彈簧狀元件228附于電元件，并且與襯底和第二電負載線(圖10B中未示出)連接。第一電負載線210安排在微電子襯底上，貼近電元件，以便磁性元件的致動引起連接的電元件與第一電負載線210接觸。
圖11A至圖11E是在制造根據本發明的又一個實施例的MEMS磁性致動開關時的各種步驟的斷面圖。圖11A表示一個微電子襯底300，它具有一個接地夾持電極層302，和一個安排在其上的電介質層304。該微電子襯底可以包括硅、石英、鋁、玻璃或任何其他適當的微電子襯底材料。如果在襯底上安排一個非磁性電介質層，還可能對襯底使用一種磁性材料，例如鐵氧體鎳。接地夾持電極典型由金屬材料，例如銅、鎳或其他類似材料形成，并且由常規擴散或淀積技術安排。圖11B說明在第一導電層306已被淀積、成圖和蝕刻，以限定第二電負載線(即圖2中的垂直負載線)之后，MEMS磁性致動開關構造。導電層可以包括適當的導電材料，例如摻雜硅、銅或其他類似材料。
圖11C畫出在已經淀積、成圖和蝕刻第一犧牲層308，以限定錨件將與襯底連接的區域之后，MEMS磁性致動開關。犧牲層典型地將包括由常規LPVCD技術安排的低溫氧化材料，并且隨后將被移去，以從襯底釋放預定元件。圖11D表示在已經淀積、成圖和蝕刻電介質層310，以限定電介質束縛裝置之后，MEMS開關構造。典型地電介質層將包括氮化硅，或可以使用另外適當的非磁性電介質材料。在淀積電介質層之后，淀積、成圖和蝕刻第二犧牲層312，以在束縛裝置上限定區域，在那里將形成磁性和電元件。
參考圖11E，表示在已經淀積、成圖和蝕刻磁性層314，以限定錨件結構和磁性元件之后，MEMS磁性致動開關。典型地，磁性層將包括鎳、鎳/鐵合金或類似磁性材料。在安排和限定磁性層之后，淀積、成圖和蝕刻第二導電層(圖11E中未示出)，以限定第一電負載線(即圖2中的水平負載線)和電元件。第二導電層典型地由銅、鎳、鋁或其他類似材料形成。在形成開關元件之后，釋放操作移去犧牲層，以提供束縛裝置的活動性。
因此，本發明能夠提供一種MEMS磁性致動開關和對應的開關陣列，其能夠在單磁場環境中個別地活動。通過實現夾持元件，開關能個別地在陣列布置中設定地址。這個好處能以微電子襯底上占有較小空間的較容易制造的大規模開關陣列來實現。另外，本發明提供既給予平面內致動又給予離開平面致動的實施例。
本領域技術人員將會想到本發明的許多變更和其他實施例，它們屬于本發明，具有上述和附圖中提出的技術好處。因此，應該理解本發明不限于公開的特定實施例，并且各種變更和其他實施例打算包括在所附權利要求的范圍之內。雖然這里使用了特定術語，但是它們僅在一般和說明意義使用，并且不作為限制目的。
權利要求
1．一種MEMS電交叉點開關，包括一個微電子襯底(12)，其特征在于一個磁性元件(14)，附于微電子襯底(12)，并且響應磁場而在預定方向自由地移動，以有選擇地使電流從磁性傳導的第一電線(24)轉換到第二電線(26)。
2．權利要求1的MEMS電交叉點開關，還包括一個夾持元件(36)，安排在所述微電子襯底上，并且與所述磁性元件連通，其中施加夾持力使所述磁性元件夾持在所述襯底上。
3．權利要求2的MEMS電交叉點開關，其中所述夾持元件包括一個夾持電極(224)，它能夠施加電壓，以使所述磁性元件夾持在所述襯底上。
4．權利要求2或3的MEMS電交叉點開關，其中所述夾持元件包括一個夾持磁極(154)，它能夠施加磁場，以使所述磁性元件夾持在所述襯底上。
5．權利要求2、3或4的MEMS電交叉點開關，其中所述夾持元件包括一個機械夾持件，它能夠施加機械力，以使所述磁性元件夾持在所述襯底上。
6．一種MEMS電開關陣列，包括一個微電子襯底(122)，和一個與所述微電子襯底連通的磁場源(14)，其特征在于多條第一和第二電線(124,126)，以陣列形式安排在微電子襯底(122)上，其中所述第一電線(124,126)是磁性傳導的；和多個MEMS電交叉點開關(120)，安排在微電子襯底(122)上，其中各MEMS電交叉點開關(120)包括一個磁性元件(152)，附于微電子襯底，并且響應磁場而在預定方向自由地移動，以有選擇地使電流從多條第一電線(124)中的一條轉換到多條第二電線(126)中的一條。
7．權利要求6的MEMS電開關陣列，其中所述多個MEMS電交叉點開關貼近多條第一電線中的一條與多條第二電線中的一條之間的重疊處單獨安排。
8．權利要求6或7的MEMS電開關陣列，其中所述多條第一和第二電線安排在所述微電子襯底上，以便所述多條第一電線限定第一電線的各個行，而所述多條第二電線限定第二電線的各個列。
9．權利要求8的MEMS電開關陣列，其中第一電線的所述行和第二電線的所述列以一般垂直關系重疊。
10．權利要求8或9的MEMS電開關陣列，其中第一電線的所述行相對所述微電子襯底的參考中心點徑向地延伸，而第二電線的所述列相對參考中心點以幅條狀方式向外延伸。
全文摘要
一種MEMS電交叉點開關,包括一個微電子襯底,一個磁性元件,附于微電子襯底,并且響應磁場而在預定方向自由地移動,和一個電元件,與磁性元件連接,以與其一起移動,以有選擇地轉換電流。還提供一種MEMS電交叉點開關陣列,包括一個微電子襯底,一個磁場源,與所述微電子襯底連通,多條第一和第二電線,以陣列形狀安排在微電子襯底上,和多個如上所述的平面內MEMS電交叉點開關,安排在第一和第二電線的交叉點。
文檔編號H01H50/00GK1306291SQ0110137
公開日2001年8月1日 申請日期2001年1月16日 優先權日2000年1月20日
發明者愛德華·A.·希爾, 拉馬斯瓦米·馬哈德萬 申請人:克羅諾斯集成微系統公司