專利名稱：：閉鎖電熱雙穩態微開關的制作方法
技術領域：
：本發明涉及的是一種微機電
技術領域：
的裝置，具體是一種閉鎖電熱雙穩態微開關。
背景技術：
：隨著個人無線通信系統的迅速發展，傳統的基于二極管及晶體管技術制備的非易失性器件由于比較差的電絕緣性和高的插入損耗，已經越來越不能滿足GHz波段射頻電路的要求。基于微機電系統(MEMS)技術制備的微繼電器或開關類器件具有出色的電絕緣性、低的插入損耗和高的截止頻率。基于MEMS技術制備的微繼電器或開關類器件中，首先是一個驅動形式的選擇。目前，MEMS中常見的驅動方式包括靜電驅動、電磁驅動、壓電驅動、熱驅動等。這幾種驅動方式各有優點，但也都存在著某些問題。采用靜電驅動往往結構簡單，便于集成，但是需要較高的輸入電壓，因而帶來了一個高功耗和散熱困難的問題，同時微小尺度下器件也容易被擊穿而失效。電磁驅動的工作電壓一般很低，但是由于尺度效應的存在，電磁力會隨著尺寸的減小而顯著降低，并且通常具有繞組線圈，體積較大，結構復雜，制備困難。壓電驅動對于材料的要求很高，結構中必須具備壓電體，目前壓電體的淀積，圖形化，以及與現有的集成電路工藝集成都存在很大困難。熱驅動在常規尺度下，加熱和散熱都很慢，因而響應很慢，但是在微觀下，由于尺度的減小，熱驅動的響應速度顯著提高。同時熱驅動的工作電壓很低，產生的驅動力很大，有時能夠達到毫牛級，并且能夠很好地與現有的集成電路工藝集成。微繼電器或開關類器件的另一個核心問題是穩態保持的設計。通過磁路鎖定是目前廣泛采用的一種無持續功耗穩態保持策略，但是需要淀積軟磁路和永磁體，這給器件制備帶來了很大困難，同時也不利于與集成電路工藝集成。因而目前大部分基于MEMS技術制備的微繼電器或開關類器件都需要持續功耗以實現穩態保持，尋找一種無功耗實現雙穩態的機制已經成為目前MEMS研究中的一大熱點。經對現有技術文獻的檢索發現，Xi-QingSun等人在IEEE:Proc.llthAnnualInt.WorkshoponMicroElectroMechanicalSystems(1998年美國電子工程師和電氣工程師協會第11屆微機電系統年度國際研討會154-159頁)上發表"Abistablemicrorelaybasedontwo—segmentmultimorphcantileveractuators"("^^禾中基于兩端多層月莫懸臂梁驅動器的雙穩態繼電器")該文獻提供了一種利用表面微加工技術制備的雙穩態繼電器，該繼電器由兩段多層膜懸臂梁驅動器組成，兩段驅動器的驅動方向正好相反。通過一個阻擋塊構成閉鎖結構，使得在穩態保持過程中不再需要施加實際功耗。這種器件看似簡單，但是兩段多層膜懸臂梁驅動器的尺寸和材料選擇都必須經過準確的計算，從而正好與阻擋塊相扣而保持穩態，而這一點是十分困難的。其次，必須對兩個驅動器分別施加不同的精確匹配的時序脈沖才能完成一個周期的運作，這就要求有復雜的外部控制電路。TroyGomm等人在JournalofMicromechanicsandMicroengineering(《微機械與微工程》2002年第12期257-264頁)上發表"In-planelineardisplacementbistablemicrorelay"("面內線性位移雙穩態繼電器")。該文獻提供了一種線性位移雙穩態機制，這種機制利用兩個疊加式V型梁實現雙向驅動，兩端固定支撐的彎曲梁作為穩態保持機構。該器件具有很大的失效電壓(>475V)以及非常快的響應時間(340ys)，但是考慮到V型梁驅動器在冷卻后會自動回復，因此在這種微繼電器中具有一種活塞結構，這對現有的微加工技術是一個巨大挑戰。JinQiu等人在JournalofMicroelectromechanicalsystems(《微機電系統》2005年第5期第14巻1099-1109頁)上發表"Abulk-micromachinedbistablerelaywithU-Shapedthermalactuators"("—種體微加工技術制備的帶有U型熱驅動器的雙穩態繼電器")，該文獻中利用兩個冷熱臂電熱驅動器進行雙向驅動，利用兩端固定支撐的彎曲梁形成雙穩態機構從而實現開關的穩態保持。雖然這種設計中驅動機構與穩態機構實現了分離，從而大大簡化了器件的結構，但是借助深刻蝕制備的微彎曲梁在沒有預置應力的情況下原位形態難以精確保持，熱驅動力和彈性力之間的匹配十分復雜和困難。同時，彎曲梁在反復扭曲使用后容易疲勞損傷，導致器件壽命有限。
發明內容本發明針對現有技術存在的上述不足，提供一種閉鎖電熱雙穩態微開關，借助懸梁交錯鎖定的閉鎖結構，具有無持續功耗穩態保持的特性，以充分發揮電熱驅動器驅動力大、響應速度較快、位移功率密度高、便于集成制造的優勢。本發明是通過以下技術方案實現的，本發明包括正、負兩個電極、正極、負極兩個驅動層、正極、負極兩個偏置層、基座、上觸點和下觸點，其中正極驅動層的一端和負極驅動層的一端分別固定設置于基座上且另一端均伸出懸空形成懸梁結構，正極偏置層位于正極驅動層上方，負極偏置層位于負極驅動層上方，正極驅動層和正極偏置層以及負極驅動層和負極偏置層分別形成雙層膜結構在受熱時能夠發生翹曲，正電極位于正極驅動層的上方并與正極偏置層緊密連接，上觸點和下觸點分列于正極驅動層和負極驅動層的末端，上觸點和下觸點在垂直方向上交疊設置且在垂直方向上互不接觸。所述的懸梁結構的長度為300-800微米，寬度為200-500微米，厚度為3-10微米。所述的偏置層為繞曲電阻條結構，所述電阻條的寬度為5-30微米，厚度為3-5微米，間距為10-30微米，該電阻條為導電金屬制成或沉積并圖形化多晶硅制成。所述的正極驅動層及負極驅動層由金屬與聚合物或二氧化硅與金屬的組合材料制成，該正極驅動層及負極驅動層的熱膨脹系數大于正極偏置層及負極偏置層的熱膨脹系數。所述的上觸點和下觸點之間的垂直間距為5-10微米。所述的上觸點和下觸點的形狀為方形、弧形或T字型；所述的下觸點的上表面設有絕緣層，該絕緣層為聚合物或者金屬氧化物。所述的上觸點的上表面設有金元素層。本發明工作時，通過對下觸點所在的驅動器的電極施加電信號，電流流經偏置層，偏置層發熱，熱量通過熱傳導傳遞給驅動層。由于驅動層和偏置層雙層膜之間熱膨脹系數的差異，使得雙層膜向上翹曲，同時帶動末端的觸點向上運動。因為熱驅動能夠產生很大的驅動力，有的可以達到毫牛級，因此只要彈性力和驅動力適當匹配，下觸點可以輕易地撥開上觸點。當施加的電信號降為零后，下觸點所在的驅動器散熱回復，這時下觸點與上觸點相互搭接。由于熱驅動的回復力通常很小，這時已經不足以使下觸點能夠再次撥開上觸點，因此這種搭接就形成了一個穩態。如果在信號引線兩端檢測電信號，這個過程實現了一個從"斷"到"開"的開關過程，并且在保持"開"狀態時不需要持續功耗。之后如果通過對上觸點所在的驅動器的電極施加電信號，該驅動器向上翹曲，同樣的道理，這時上觸點能夠迅速撥開之前已經搭接在上面的下觸點，從而又實現了一個從"開"到"斷"的開關過程，并且這個過程使得經過上一次開關過程換位的觸點完成了復位，完成了雙穩態開關的一個工作周期。與目前基于MEMS技術制備的微繼電器或開關類器件相比，本發明具有顯著的技術優勢。首先，本發明可以完全采用微機械加工技術集成制造，避免了裝配等一系列制約產業化的問題；如果采用二氧化硅作為偏置層，嵌入多晶硅作為電阻絲，淀積鋁薄膜作為驅動層，該組合的制備工藝能夠與現有的集成電路工藝相兼容，在技術成熟時有望實現大規模生產。其次，本發明結構簡單，采用了技術上十分成熟的雙層膜作為電熱驅動器，工藝實現非常方便。最后，通過本發明提出的閉鎖結構，能夠實現完全無功耗穩態保持，顯著降低了功耗，并且避免了目前閉鎖結構中普遍采用但又難以控制的彈性梁，使得基于MEMS技術的微繼電器或開關類器件向實用化邁出了實質的步伐。5該驅動器簡單的結構，使得生產工藝大為簡化，驅動功率顯著降低，提高了集成批量制造的可能，能夠推動基于MEMS技術的開關類器件的實際應用。圖l是實施例結構示意圖。圖2是實施例中電極和偏置層的結構示意圖。圖3是實施例中驅動層的結構示意圖。圖4是實施例中信號引線以及上觸點和下觸點的結構示意圖。圖5為圖4的局部放大示意圖。具體實施例方式下面對本發明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施例。如圖1所示，本實施例包括正電極l、正極偏置層2、正極驅動層3、基座4、信號引線5、上觸點6、下觸點7、負電極8、負極偏置層9和負極驅動層10，其中正極驅動層3的一端和負極驅動層10的一端分別固定設置于基座4上且另一端均伸出懸空形成懸梁結構，正極偏置層2位于正極驅動層3上方，負極偏置層9位于負極驅動層10上方，正極驅動層3和正極偏置層2以及負極驅動層10和負極偏置層9分別形成雙層膜結構在受熱時能夠發生翹曲，正電極1位于正極驅動層3的上方并與正極偏置層2緊密連接，上觸點6和下觸點7分列于正極驅動層3和負極驅動層10的末端，上觸點6和下觸點7在垂直方向上交疊設置且在垂直方向上互不接觸。所述的基座4是保證驅動器懸空并能夠做面外運動的基礎，一個開關具有兩個長方體形的基座。基座4不能太矮，以免驅動器與基體距離過近，兩者之間發生強烈熱交換造成熱量的無謂散失，從而顯著降低焦耳加熱的效率。基座4可以通過圖形化金屬制備，也可以通過沉積聚合物和驅動層一體實現。如圖2所示，為正電極1和正極偏置層2的結構示意圖，負電極8和負極偏置層9的結構相同(未示出)。所述的正極偏置層2和負極偏置層9為繞曲電阻條結構，所述電阻條的寬度為17微米，厚度為4微米，間距為20微米，該電阻條為導電金屬制成。如圖3所示，為正極驅動層3和負極驅動層10的結構示意圖。正極驅動層3和負極驅動層10是驅動器受熱后的主要運動單元，因此必須呈現懸空結構，該懸空結構的長度為550微米，寬度為350微米，厚度為7微米。驅動層3通常可以采用微機械加工技術中的犧牲層技術實現，結構中的方孔能夠提高懸梁下的傳質，從而便于釋放懸梁。在與偏置層組成的雙層膜結構中，驅動層必須是熱膨脹系數比偏置層的熱膨脹系數大的材料，所以一般可以采用金屬/聚合物、二氧化硅/金屬的組合等。如圖4和圖5所示，為信號引線5以及上觸點6和下觸點7的結構示意圖。信號引線材料為導電良好的金屬材料，寬度為35微米，厚度為4微米。在作為一般的電路通斷開關應用時，對信號引線5的設計要求不高，作為射頻開關應用時，必須采用專門的傳輸線設計方案。上觸點6和下觸點7的尺寸根據驅動層3的尺寸而定，上下觸點間的空氣間隙為8微米。上觸點6和下觸點7的形狀可以是方形、弧形或T字型。所述的下觸點6的上表面經過絕緣隔離處理，該絕緣層為聚合物。此外為了降低接觸電阻和防止表面氧化，可以在上觸點7的上表面鍍金。在沒有施加任何電信號時，雙層膜的懸梁保持初始的平直狀態，上觸點6和下觸點7不接觸。工作時通過對下觸點7所在的驅動器的電極施加電信號，該熱驅動器啟動，帶動末端的下觸點7向上運動，下觸點7撥開上觸點6，并運動到上觸點6上方。斷開施加的電信號，該驅動器回復，下觸點7搭接在上觸點6的上面，這種搭接形成了開關的第一個穩態。之后通過對上觸點6所在的驅動器的電極施加電信號，該熱驅動器啟動，同樣的道理，這時上觸點6能夠迅速撥開之前已經搭接在上面的下觸點7，斷開施加的電信號，該驅動器回復，就形成了開關的第二個穩態，從而完成了雙穩態開關的一個工作周期。權利要求1.一種閉鎖電熱雙穩態微開關，其特征在于，正、負兩個電極、正極、負極兩個驅動層、正極、負極兩個偏置層、基座、上觸點和下觸點，其中正極驅動層的一端和負極驅動層的一端分別固定設置于基座上且另一端均伸出懸空形成懸梁結構，正極偏置層位于正極驅動層上方，負極偏置層位于負極驅動層上方，正極驅動層和正極偏置層以及負極驅動層和負極偏置層分別形成雙層膜結構在受熱時能夠發生翹曲，正電極位于正極驅動層的上方并與正極偏置層緊密連接，上觸點和下觸點分列于正極驅動層和負極驅動層的末端，上觸點和下觸點在垂直方向上交疊。2.根據權利要求l所述的閉鎖電熱雙穩態微開關，其特征是，所述的懸梁結構的長度為300-800微米，寬度為200-500微米，厚度為3-10微米。3.根據權利要求l所述的閉鎖電熱雙穩態微開關，其特征是，所述的偏置層為繞曲電阻條結構，所述電阻條的寬度為5-30微米，厚度為3-5微米，間距為10-30微米，該電阻條為導電金屬制成或沉積并圖形化多晶硅制成。4.根據權利要求l所述的閉鎖電熱雙穩態微開關，其特征是，所述的正極驅動層及負極驅動層由金屬與聚合物或二氧化硅與金屬的組合材料制成，該正極驅動層及負極驅動層的熱膨脹系數大于正極偏置層及負極偏置層的熱膨脹系數。5.根據權利要求l所述的閉鎖電熱雙穩態微開關，其特征是，所述的上觸點和下觸點之間的垂直間距為5-10微米。6.根據權利要求1或5所述的閉鎖電熱雙穩態微開關，其特征是，所述的上觸點和下觸點的形狀為方形、弧形或T字型。7.根據權利要求1或5所述的閉鎖電熱雙穩態微開關，其特征是，所述的下觸點的上表面設有絕緣層，該絕緣層為聚合物或者金屬氧化物。8.根據權利要求1或5所述的閉鎖電熱雙穩態微開關，其特征是，所述的上觸點的上表面設有金元素層。全文摘要一種微機電
技術領域：
的閉鎖電熱雙穩態微開關，包括正、負兩個電極、正極和負極兩個驅動層、正極和負極兩個偏置層、基座、上觸點和下觸點，其中正極驅動層的一端和負極驅動層的一端分別固定設置于基座上且另一端均伸出懸空形成懸梁結構，正極偏置層位于正極驅動層上方，負極偏置層位于負極驅動層上方，正極驅動層和正極偏置層以及負極驅動層和負極偏置層分別形成雙層膜結構在受熱時能夠發生翹曲，正電極位于正極驅動層的上方并與正極偏置層緊密連接，上觸點和下觸點分列于正極驅動層和負極驅動層的末端，上觸點和下觸點在垂直方向上交疊設置。本發明充分發揮電熱驅動器驅動力大、響應速度較快、位移功率密度高、便于集成制造的優勢。文檔編號H01H61/00GK101661853SQ20091030802公開日2010年3月3日申請日期2009年9月30日優先權日2009年9月30日發明者丁桂甫,吳義伯,毛勝平,紅汪,娟王申請人:上海交通大學