具有导电机械停止器的MEMS微开关

摘要

本发明涉及一种具有导电机械停止器的MEMS微开关。MEMS开关30、50、60、70、80包含衬底32、耦接到该衬底32的活动致动器53、63、83，衬底接触35、85，衬底电极36、56、86，和电耦接到该活动致动器33、63、83并被构造为防止该活动致动器33、63、83与衬底电极36、56、86接触，但允许该活动致动器33、63、83与衬底接触35、85形成接触的导电停止器39、59、69、79。

说明书

技术领域

本发明一般涉及具有导电机械停止器的微电机械系统(MEMS)开关。

背景技术

微电机械系统(MEMS)是在小型密封外壳中的电机械装置，其大小一般在微米到毫米的范围内。微开关形式的MEMS装置具有活动致动器(也称作梁)，在安置在该活动致动器下方或附近的衬底上的栅极或衬底电极的作用下，该活动制动器朝着固定的电接触移动。该活动致动器可以是有弹性的梁，其在所施加的例如静电吸引、磁场吸引和排斥、或者热引起的不均匀膨胀等的力的作用下弯曲，从而闭合该梁的自由端和该固定的接触之间的间隙。

图1示出根据现有技术的、在打开或者说非导电状态下的MEMS开关的剖面图。如图所示，MEMS开关10包含衬底12、布置在衬底12上的绝缘层14和机械地耦接或锚定到的源电极18的活动致动器23。活动致动器23包含活动接触17，其在活动致动器23偏转的情况下和布置在衬底12上但与其电隔离的衬底接触15形成接触。衬底电极16位于活动致动器23下方，使得当致动电压施加在该衬底电极16上时，该活动致动器23偏转以使该活动接触与该固定接触(例如衬底)之间形成接触以允许电流流过。为了防止导电活动致动器23在这样的导通状态时和衬底电极16接触而电短路该开关，典型地，在衬底电极16上盖上电介质层20，如图2所示。该电介质层通常布置在该衬底电极16上，但是它也可以盖在活动致动器23的下部表面上。

但是，这样的电介质隔离层会随时间捕获电荷，并且对该致动器的操作产生副作用，例如使其发生故障(例如造成电极的静态阻力)、改变致动和隔开(stand-off)电压、改变开关的响应时间、缩短其操作寿命等等。这尤其在功率导电应用中会产生问题，在这种应用中，无意的致动能造成不希望的导电模式和/或开关损坏。

发明内容

在一实施例中，MEMS开关包含衬底、耦接到该衬底的活动致动器、衬底接触、衬底电极；和导电停止器，该导电停止器电耦接到该活动致动器并被构造为，防止该活动致动器与衬底电极接触，但允许该活动致动器与衬底接触形成接触。

在另一实施例中，MEMS开关包含衬底、耦接到该衬底的活动致动器、衬底接触、衬底电极、和导电停止器，该导电停止器位于该衬底上并且电耦接到该活动致动器，以便该导电停止器和该活动致动器保持相同的电位。

在又一实施例中，MEMS开关包含衬底、耦接到该衬底并包括导电停止器的活动致动器、衬底接触、衬底电极和导电迹线，该导电迹线电耦接到该活动致动器并位于衬底上、至少部分在该活动致动器下方，以便该导电停止器与该导电迹线形成电接触并且当开关被致动时该活动致动器与该衬底接触形成电接触。

在又一实施例中，提供形成在共用衬底上的MEMS开关阵列。该开关阵列包含耦接到该衬底的第一活动致动器；耦接到该衬底的第二活动致动器；位于衬底上、至少部分在第一和第二活动致动器下方的衬底电极；以及衬底接触，位于衬底上、至少部分在第一和第二活动致动器下方，以便该第一和第二活动致动器基于衬底电极的状态与该衬底接触形成电接触。该开关阵列进一步包含至少一个导电停止器，其电耦接到该活动致动器，并且被构造为防止该活动致动器与该衬底电极接触，但允许该活动致动器与该衬底接触形成接触。

附图说明

在参考附图阅读了下列的具体描述后，可以更好地理解本发明的这些和其它特征、方面和优势，在附图中相同的标记代表相似的部件，其中：

图1示出根据现有技术的MEMS开关在打开或者说非导通的状态下的剖面图；

图2示出根据现有技术的MEMS开关10在致动状态(actuatedstate)下的剖面图；

图3示出根据本发明的一个实施例的包括一个导电机械停止器的MEMS开关30在打开状态下的剖面图；

图4示出根据本发明的一个实施例的包括一个导电机械停止器的MEMS开关30在致动状态下的剖面图；

图5示出根据本发明的一个实施例的包括多于一个导电机械停止器的MEMS开关的剖面图；

图6示出根据本发明的一个实施例的包括具有导电停止器的活动致动器的MEMS开关的剖面图；

图7示出根据本发明的一个实施例的具有分离的导电停止器的MEMS开关的剖面图；

图8示出根据本发明的一个实施例的具有分离的导电停止器和导电接触凸起的MEMS开关的剖面图；

图9示出包括至少两个MEMS开关并且每个开关具有至少一个导电停止器的MEMS开关阵列的一个实施例。

附图标记

10 现有技术的MEMS开关

12 衬底

14 绝缘层

15 衬底接触

16 衬底电极

17 活动接触

18 源电极

20 电介质层

23 活动致动器

30 具有导电机械停止器的MEMS开关

31 导电迹线

32 衬底

33 活动致动器

34 电隔离层

35 衬底接触

36 衬底电极

37 活动端

38 锚定装置/源

39 导电停止器

50 在打开状态下的具有多个导电机械停止器的MEMS开关

51 导电迹线

56 衬底电极

59 导电停止器

60 包含具有导电停止器的活动致动器的MEMS开关

61 导电迹线

63 活动致动器

69 活动导电停止器

70 具有分离的导电停止器的MEMS开关

71 导电迹线

79a 导电停止器的活动部分

79b 导电停止器的固定部分

80 具有分离的导电停止器和导电接触凸起的MEMS开关

83 活动致动器

85 衬底接触

86 衬底电极

89 接触凸起

90 MEMS开关阵列

91 导电迹线

93 活动致动器

95 衬底接触

96 衬底电极

98 锚定装置

99 导电停止器

100 接触

102 衬底

109 接触凸起

具体实施方式

根据本发明的实施例，描述了MEMS开关和开关阵列，其中去除了传统上将衬底电极和活动致动器分开的常规电介质绝缘体。根据本发明的各种实施例，提供了导电停止器，其电耦接到活动致动器并且被构造为，防止该活动致动器与衬底电极接触，但仍允许该活动致动器与衬底接触形成接触。因为导电停止器阻止该活动致动器和衬底电极接触，在常规MEMS开关中使用的电介质绝缘体可以被移除，由此消除了不希望有的电荷积累的源并且增加了此处描述的MEMS开关的隔开电压。此外，通过电耦接该活动致动器和导电停止器，该二者可以保持在相同的电位，由此使得在该活动致动器和导电停止器之间产生电弧放电(这是常规MEMS开关容易遭受的)的机会最小化。

在下列的详尽描述中，为了提供对本发明的各种实施例的彻底理解而提出许多具体细节。但是，本领域技术人员将理解本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实施，并且本发明不限于所描述的实施例，且可以以各种可替换的实施例实施。在其它例子中，熟知的方法、步骤和组件并没有被详细描述。

此外，各种操作可以被描述为以对理解本发明的实施例有帮助的方式执行的多个分离的步骤。但是，描述的次序不应被解释为意味着这些操作必需以它们所呈现的次序执行，甚至也不意味着顺序是相关联的。此外，对短语＂在一实施例中＂的重复使用不是必然地针对(尽管其可能就是)同一实施例。最后，除非另有说明，在本申请中使用的术语＂构成＂、＂包含＂、＂具有＂等及其变形意为同义。

MEMS通常指微米尺寸的结构，其通过微制造技术将各种功能上截然不同的元件例如机械元件、电机械元件、传感器、致动器和电子装置集成在同一衬底上。然而，可以预期当前提供在MEMS装置中的许多技术和结构在仅仅几年中可以通过基于纳米技术的装置提供，例如尺寸可以是小于100纳米的结构。因此，尽管本文献通篇所描述的示例实施例可以指基于MEMS的开关装置，但是这些实施例应当被广义地解释，并且除非另行限制，不应仅限于微米尺寸的装置。

图3示出根据本发明的一个实施例的包括一个导电机械停止器的MEMS开关30的剖面图。在该所示的实施例中，MEMS开关30包含可以是导电、半导电或者绝缘的衬底32。在衬底32是导电的实施例中，该衬底可以被盖上绝缘或者电隔离层34以防止不希望有的衬底电极和衬底接触之间和之中的短路(将在下面进一步描述)。导电衬底的非限制性例子包含由硅和锗构成的那些衬底，而电隔离层的非限制性例子包含氮化硅、氧化硅和氧化铝。

MEMS开关30进一步包含活动致动器33(常称为梁)，其通过锚定装置38机械地耦接或锚定在衬底32上。在一实施例中，活动致动器33是导电的，以使电流可以从该锚定装置38的基座处的＂源＂接触(未示出)经过活动致动器33并流向衬底接触35(有时称为漏接触)。在一实施例中，活动致动器33由金或金合金构成，不过，视MEMS开关的设计而定，活动致动器33可以进一步包含电阻性或者非导电性材料和一个或更多个应力补偿层。同样，衬底接触35可以由各种导电材料或它们的合成物或合金构成。在一实施例中，衬底接触35可以用例如金或者金合金制成。衬底32可以偏置在任何希望的电位。在一实施例中，为了减小衬底和活动致动器33之间的任何吸引力(例如但不限于静电和磁吸引力)，衬底可以被偏置在和该活动致动器33相同的电位。这可以通过衬底接触电极或者通过将该锚定装置38电连接到该衬底32而获得。

在该所示的实施例中，MEMS开关30进一步包含衬底电极36。衬底电极36也可以包括一种或更多导电材料，它们的合成物或合金。和衬底接触35一样，衬底电极36也可以同样由金或者金合金制成。此外，衬底电极36和衬底接触35可以由同样的光刻工艺掩模形成。在一实施例中，衬底电极36的导电材料处于暴露状态而没有增加传统上用来防止活动致动器和衬底电极之间直接接触的电介质层。此外，根据一实施例，活动致动器33的底部表面可以进一步包含与衬底电极36的暴露的导电表面相对的暴露的导电表面。

在该所示的实施例中，活动致动器33代表具有固定端(例如锚定装置38)和活动端37的悬臂梁，当在衬底电极36和活动致动器33之间应用差动电压时，该悬臂梁朝着衬底32偏转。不过，此处的讲授可以同样适用于超出图中描述的那些MEMS开关的其它形式的MEMS开关。例如，活动致动器33能被锚定在两个或更多端或边上，就像桥形或隔膜型开关。同样，活动致动器33的致动可以如图中所示那样基本上在平面外(如垂直于该衬底)，或基本上在平面内(如平行于该衬底)。

根据发明的一实施例，提供一个或更多导电停止器以防止活动致动器和一个或更多衬底电极接触但允许活动致动器在致动时与衬底接触形成接触。如图3和图4所示，导电停止器39可以被提供在衬底32上，以便阻止活动致动器33和衬底电极36接触但允许活动致动器33在该开关致动时在活动端37处偏转以与衬底接触35形成接触。导电停止器39可以包含一种或更多导电材料或者它们的合成物或合金。进一步，导电停止器39可以由与活动致动器33相同的材料或不同的材料构成。在导电停止器39和活动致动器33由不同的材料制造的实施例中，该导电停止器39可以被设计成比活动致动器33具有更高的电阻率，以便减少在导电停止器39和活动致动器33之间形成电弧放电的机会。

每个导电停止器39可以制造在衬底上(例如，如图3、4、5中所示)或者作为活动致动器的部分(例如，如图6中所示)或者可以分成两部分(例如，如图7和图8中所示)，第一部分形成在衬底上并且至少一个其它部分作为活动致动器33的部分而形成。在导电停止器39形成在衬底上的实施例中，导电停止器可以使用与可能用于形成衬底接触35或衬底电极36的相同的光刻工艺掩模来形成。

在一实施例中，导电停止器39可以被安放得使得衬底电极36位于衬底接触35和导电停止器39之间。衬底电极越靠近衬底接触，可用于朝该衬底接触拉动活动致动器的力就越大。通过安放导电停止器39使得一个或更多衬底电极36位于衬底接触35和导电停止器39之间，可能会在活动端37处增加致动力以在活动致动器33和衬底接触35之间提供更好的接触。可选地，在此处描述的任何一个实施例中，附加的导电接触可以提供在活动致动器33的活动端37上。

根据一实施例，导电停止器39的形式因素可以视多种因素的情况而变化。例如，单个MEMS开关的导电停止器可以像柱或杆，而开关阵列的导电停止器可以像梁。在一实施例中，导电停止器的高度(例如，朝活动致动器33延伸的尺度)可以比其长度或宽度大。在一实施例中，导电停止器39可以被构造为使活动电极33在和导电停止器接触之前就和衬底接触35接触。在可替换的实施例中，导电停止器39可以被构造为使活动电极33在和导电停止器接触的基本同一时间和衬底接触35接触。在又一可替换的实施例中，导电停止器39可以被构造为使活动电极33在和衬底接触35接触之前先和导电停止器39接触。在这样的实施例中，导电停止器39的高度可以比衬底接触35的高度高。通过将导电停止器39制造得比衬底接触35高(例如，更靠近活动致动器)，有可能增加活动接触33的有效谐振频率，结果会使衬底接触35和活动致动器33更快的分开。此外，通过使导电停止器39比衬底接触35高，活动致动器33将首先和导电停止器39接触，因此要求增加的吸附电压(pull-involtage)来致动该梁。

在一实施例中，导电停止器39电耦接到活动致动器33以在导电停止器39和活动致动器33之间保持相同的电位。在例如功率导电应用中，这会是符合愿望的特征，因为否则的话活动致动器33和机械停止器39会处于不同的电位。产生的电位差反过来会在机械停止器39和活动致动器33之间产生吸引力。这可以造成活动致动器33在不希望的时间致动或偏转，反过来降低开关的隔开电压。在一实施例中，例如机械停止器39的一个或更多机械停止器可以通过导电迹线(trace)31电耦接到活动接触33。在一实施例中，导电迹线31可以，至少部分在活动致动器33下方在电隔离层34的表面上或者以其它方式在电隔离层34上方布线。在另一实施例中，导电迹线31可以在电隔离层34和衬底32之间布线。导电迹线34可以由例如铜、金、铝、铂或者金属合金的一种或更多导电材料构成。

图5示出根据本发明的一个实施例的包括多于一个导电机械停止器的MEMS开关的剖面图。如图所示，MEMS开关50包含至少一个附加导电停止器59。导电停止器59在材料和设计上与导电停止器39基本相似。可替换地，视所希望的应用而定，导电停止器59和导电停止器39可以具有不同的形式因素(包括高度)。在一实施例中，导电停止器59和导电停止器39可以通过导电迹线51电耦接到活动致动器33，该导电迹线51在设计上和先前描述的导电迹线31基本相似。此外，MEMS开关50可以进一步包含例如在图5中描述的衬底电极56的一个或更多附加衬底电极。每个这样的附加衬底电极可以在形式和功能上与先前描述的衬底电极36基本相似。

图6示出根据本发明的一个实施例的包括具有导电停止器的活动致动器的MEMS开关的剖面图。和先前描述的MEMS开关的实施例一样，MEMS开关60包含衬底32、电隔离层34、衬底接触35和衬底电极36。不过，MEMS开关60包含耦接到活动致动器63或以其它方法与活动致动器63集成在一起的活动导电停止器69，而不是包含形成为衬底部分的一部分的导电停止器。此外，提供导电迹线61，其从近似在活动导电停止器69下方的位置到活动致动器63(例如，经由锚定装置38)布线，以使当开关致动时导电停止器69和导电迹线61接触。在一实施例中，导电停止器69和导电迹线61相距的距离和活动致动器63和衬底接触35相距的距离相同。

图7示出根据本发明的一个实施例的具有分离的导电停止器的MEMS开关的剖面图。在该所示的实施例中，MEMS开关70具有分离的或者说分开的导电停止器，该导电停止器包含耦接到活动接触63或与该活动接触63集成在一起的第一活动部分79a，和耦接到衬底并被安放得当开关70致动时与该第一活动部分79a接触的固定的第二部分79b。在一实施例中，该固定的第二部分79b可以通过导电迹线71进一步电耦接到该活动致动器。和先前描述的导电迹线(31、51、61)一样，导电迹线71可以布线在电隔离层34的顶部或下方。

图8示出根据本发明的一个实施例的具有分离的导电停止器和导电接触凸起的MEMS开关的剖面图。和MEMS开关70一样，MEMS开关80可以进一步包含分离的导电停止器，该导电停止器包含在活动致动器83上的第一活动部分79a和安放在该活动部分下方的第二固定部分79b。此外，MEMS开关80可以进一步包含例如在活动致动器83上的导电接触凸起89的突起，当该活动致动器83致动时，该突起与衬底接触85形成接触。通过增加导电接触凸起89，有可能使衬底电极(例如衬底电极86)具有比衬底接触的高度更高的高度，如图所示。

图9示出包括两个MEMS开关98并且每个开关具有至少一个导电停止器99的MEMS开关阵列90的一个实施例。为了解释，在MEMS开关阵列90中仅示出两个MEMS开关。不过，尽管未示出，MEMS开关阵列90可以包含大量的以串联、并联或串并联结构耦接的MEMS开关。MEMS开关阵列90中的每个MEMS开关包含两个锚定到布置在衬底102上的＂源＂接触100的活动致动器93。活动致动器93在衬底电极96上方延伸或作为悬臂梁，并且衬底接触95也位于衬底102上。如先前所述，衬底102可以进一步包含设置在衬底102和一个或更多衬底电极96之间的电隔离层(未示出)、衬底接触95和源电极100或锚定装置98。

根据一实施例，每个MEMS开关进一步包含导电停止器99。如先前所述，导电停止器99可以制造在衬底102上，活动致动器93上，或者部分在衬底102上并部分在活动致动器93上。在导电停止器99至少部分制造在衬底102上的实施例中，该导电停止器99可以经由导电迹线91、源接触100和/或锚定装置98电耦接到活动致动器93。在导电停止器99至少部分制造在活动致动器上的实施例中，只有当该开关致动时该导电停止器99才可以与导电迹线91电导通。此外，每个MEMS开关可以进一步包含在活动致动器93的下侧上包含的一个或更多导电接触凸起109。

尽管此处仅示出并描述了本发明的某些特征，对与本领域技术人员来说将存在许多修改和改变。因此，应当理解所附的权利要求意欲涵盖落入本发明真实精神内的所有这样的修改和改变。