專利名稱：低壓微型開關(guān)的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種微型開關(guān)(micro switch)，并且尤其涉及一種能以低壓驅(qū)動，精確地控制ON/OFF，并且使工藝和與電路部分相結(jié)合容易的低壓微型開關(guān)。
背景技術(shù)：
在高頻帶使用的電子系統(tǒng)正變得超緊湊，超輕型和具有良好的性能。因此，在目前的電子系統(tǒng)中，正在進行使用被稱作顯微機械加工的新技術(shù)的微型開關(guān)的研究，作為半導體開關(guān)譬如FET(場效應晶體管)或pin二極管的替代物。
傳統(tǒng)的半導體開關(guān)存在功率損耗高，有失真和非線性，并且ON/OFF沒有完全絕緣的問題。
對于通過采用由使用顯微機械加工技術(shù)制造的并具有機械運動的驅(qū)動件來實現(xiàn)微型開關(guān)譬如MEMS開關(guān)或可調(diào)電容正在進行廣泛的研究。
微型開關(guān)能被應用到下一代移動通訊終端，個人數(shù)字助理(PDA)，無線通訊系統(tǒng)，移相器，無線調(diào)諧器，接收器，變送器，相控陣智能天線(phase arrayed smart antennas)，衛(wèi)星廣播裝置，衛(wèi)星通訊裝置(satellite communicators)等等，就這一點而言非常期望能實現(xiàn)緊湊，輕型，高性能和廉價的電子系統(tǒng)。
大部分的微型開關(guān)，譬如MEMS開關(guān)和可調(diào)電容，已經(jīng)被開發(fā)并且迄今采用由靜電力或磁力操作的驅(qū)動器。
盡管由靜電力驅(qū)動的MEMS開關(guān)和可調(diào)電容具有如此低的功率損耗以致于可以被忽略，但是在可靠性方面它們存在缺陷，當它們被驅(qū)動時由于帶電(charging)和微型焊接的原因會發(fā)生靜摩擦(stiction)問題。
與此同時，談到由磁力驅(qū)動的MEMS開關(guān)和可調(diào)電容，盡管它們能以低壓驅(qū)動，它們的功率損耗非常高并且它們的制造工藝很復雜。此外，因為難于將它們與其他的集成電路裝置集成在一個單獨的芯片上，所以系統(tǒng)的大小不能被大大減少。
因此，需要能以低壓驅(qū)動，具有很高的可靠性并且能與其他的集成電路集成在一個單獨基片上的微型開關(guān)。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種能以低壓驅(qū)動，精確控制ON/OFF，并使制造工藝和與電路部分結(jié)合容易的微型開關(guān)。
為了實現(xiàn)這些和其他的優(yōu)點和根據(jù)本發(fā)明的目的，如這里所具體表達和廣泛描述的，提供了一種低壓微型開關(guān)，包括具有在其中的一定區(qū)域通過蝕刻形成的驅(qū)動空間(actuating space)的基片；具有以懸梁形狀從基片的部分(potion)延伸到基片的驅(qū)動空間的壓電材料和偏壓電極的驅(qū)動裝置；從基片的一側(cè)以一定間隔延伸地形成并具有不相連部分的導電信號線；連接到驅(qū)動裝置的支承單元，被放置在驅(qū)動空間內(nèi)，并根據(jù)驅(qū)動裝置的驅(qū)動移動；形成在支承單元處并根據(jù)支承單元的移動連接或斷開導電信號線的不相連部分的切換裝置；及一個或多個形成在基片處的基單元。
為了實現(xiàn)上述目的，還提供了一種低壓微型開關(guān)，包括具有在其中的一定區(qū)域通過蝕刻形成的驅(qū)動空間的基片；具有以懸梁形狀從基片的部分延伸到基片的驅(qū)動空間的壓電材料和偏壓電極的驅(qū)動裝置；從基片的一側(cè)以一定間隔延伸地形成的導電信號線；連接到驅(qū)動裝置的支承單元，具有連接到基片的連接電極，并根據(jù)在驅(qū)動空間內(nèi)的驅(qū)動裝置的驅(qū)動進行移動；形成在支承單元的連接電極上并根據(jù)支承單元的運動與導電信號線接觸或分離的電容器單元；及一個或多個形成在基片處的基單元。
本發(fā)明的前述的和其他的目的，特征，方面和優(yōu)點將從下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的詳細描述中變得很清楚。


被包括用來提供對本發(fā)明的進一步理解同時被包含在說明書中組成說明書一部分的附圖，說明本發(fā)明的實施例并與說明書一起用于解釋本發(fā)明的原理。
圖中圖1是表示根據(jù)本發(fā)明的低壓微型開關(guān)的一個范例的立體圖；圖2是該低壓微型開關(guān)的前剖視圖；圖3是表示組成該低壓微型開關(guān)的基單元的另一個范例的立體圖；
圖4是表示該低壓微型開關(guān)的驅(qū)動裝置，支承單元和切換裝置(switching unit)的平面圖；圖5到圖9是表示該低壓微型開關(guān)的驅(qū)動裝置，支承單元和切換裝置的不同范例的平面圖；圖10到圖12表示相互聯(lián)系(一般的微型開關(guān)類型的電路圖)；圖13是表示根據(jù)本發(fā)明的低壓微型開關(guān)的另一個范例的前剖視圖；及圖14是表示根據(jù)本發(fā)明的低壓微型開關(guān)的再一個范例的前剖視圖。
具體實施例方式
下面將對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行詳細說明，優(yōu)選實施例的范例顯示在附圖中。
圖1是表示根據(jù)本發(fā)明的低壓微型開關(guān)的一個范例的立體圖，而圖2是該低壓微型開關(guān)的前剖視圖。
如圖所示，低壓微型開關(guān)包括包含在其中具有驅(qū)動空間101的基片100；具有以懸梁形狀從基片100的部分延伸到基片的驅(qū)動空間的壓電材料和偏壓電極的驅(qū)動裝置110；從基片100的一側(cè)以一定間隔延伸地形成并具有不相連部分的導電信號線120；連接到驅(qū)動裝置110并根據(jù)驅(qū)動裝置110的驅(qū)動移動的支承單元130；形成在支承單元130處并根據(jù)支承單元130的運動連接或斷開導電信號線120的不相連部分的切換裝置140；及一個或多個形成在基片100處的基單元150。
關(guān)于基片100，具有一定面積和深度的驅(qū)動空間101是通過對具有一定深度和面積的硅的部分進行蝕刻形成的，并且保護層102形成在形成驅(qū)動空間的硅上。絕緣層103形成在保護層102上。該絕緣層103可以直接地形成在硅上。
驅(qū)動空間101可以貫穿地形成在基片100的一部分處。該貫穿驅(qū)動空間101是通過體顯微機械加工技術(shù)形成的。
該導電信號線120具有一定的厚度和長度，它的兩個末端部分形成彎曲。該導電信號線120的彎曲末端部分被整體地形成在基片100上從而被放置在驅(qū)動空間101的兩側(cè)，同時導電信號線120的中間部分與基片100保持一定的間隔(2～5μm)并穿過驅(qū)動空間101。該導電信號線120的中間部分變短。
基單元150被形成從而被放置在該導電信號線120的兩側(cè)。該基單元150以與導電信號線120相同的形狀形成。如圖3所示，作為基單元150的不同實施方式，基單元150能以具有一定厚度，寬度和長度的平板形狀(flat plate form)形成。
該導電信號線120和基單元150通過電鍍形成，并由譬如Au，Cu，Ag，Ni等材料制成。
如圖4所示，驅(qū)動裝置110包括具有一定面積和厚度和矩形通孔111的基部112和四個在基部112的內(nèi)部邊緣處以一定間隔延伸地形成的懸梁部件113。該懸梁部件具有一定寬度和長度。
驅(qū)動裝置110采用壓電驅(qū)動件的原理并包括形成在絕緣層103上的第一電極層AL1，在第一電極層AL1上由壓電材料形成的壓電材料層AL2，和形成在壓電材料層AL2上的第二電極層AL3。
第一和第二電極層AL1和AL3是被施加了DC偏壓電壓的偏壓電極層。第一電極層AL1能夠由Tl/Pt制成并且第二電極層AL3由Pt或RuO2制成。根據(jù)DC偏壓電壓，壓電材料被大大收縮和擴張。作為壓電材料，PZT(鉑-鋯-鈦)或PLZT(涂敷鑭的PZT)等等被使用。
當1V的偏壓電壓被施加到PZT或PLZT材料上時，驅(qū)動裝置被移動1μm。因此，為了將驅(qū)動裝置110移動達到2～5μm，少于5V的偏壓電壓應該被施加。
支承單元130包括形成切換裝置140的矩形薄板部件131和四個將板部件131和四個懸梁部件連接起來的連接部件132。支承單元130被形成為絕緣層103并被放置在基片100的驅(qū)動空間101內(nèi)。
切換裝置140被形成為在支承單元130的板部件131上的金屬膜，并且對于該金屬膜，導電金屬被使用。
上面描述的構(gòu)造是通過MEMS技術(shù)形成的，并且它的大概的工藝將在下面進行描述。
驅(qū)動空間101是通過蝕刻在硅板上形成的，保護層102形成在驅(qū)動空間101上。在驅(qū)動空間101上犧牲層(sacrificial layer)(未示出)被形成并被弄得平整，在犧牲層上絕緣層103被形成以構(gòu)成驅(qū)動裝置110和支承單元130。
絕緣層103被形成圖案以構(gòu)成驅(qū)動裝置110和支承單元130的外形。
第一電極層AL1，壓電材料層AL2和第二電極層AL3被形成在形成圖案的絕緣層103上以構(gòu)成驅(qū)動裝置110。
金屬層(ML)相應于支承單元130的板部件131被形成在絕緣層103上，同時該金屬層ML形成切換裝置140。
絕緣犧牲層(未示出)形成在基片100的整個表面上，在絕緣犧牲層上驅(qū)動裝置110和支承單元130已經(jīng)被形成，然后形成圖案，并且導電層通過電鍍被形成。該導電層被形成圖案并且在其上形成導電信號線120。
此后，犧牲層被全部移走以形成驅(qū)動裝置110、支承單元130和具有不相連部分的導電信號線120。該導電信號線120具有彎曲形狀并且距離基片100有一定的間隔。
在驅(qū)動裝置110和支承單元130的不同實施方式中，如圖5所示，驅(qū)動裝置110包括在其內(nèi)具有通孔111的基部112和從基部112的內(nèi)部邊緣以一定的長度延伸地形成的一個懸梁部件113。
支承單元130包括形成切換裝置140的板部件131和一個連接板部件131和懸梁部件113的連接部件132。
支承單元130是形成在基片100的驅(qū)動空間101上的絕緣層103。
如圖6所示，可以有三個連接部件132，并且可以形成兩個或三個或更多的連接部件。
在驅(qū)動裝置110和支承單元130的另外的不同實施方式中，如圖7所示，驅(qū)動裝置110包括在其內(nèi)具有通孔111的基部112和兩個從基部112的內(nèi)部邊緣以一定間隔延伸地形成的有一定長度的懸梁部件113。
支承單元130被放置在兩個懸梁部件113之間，并包括形成切換裝置140的板部件131和兩個連接板部件131和兩個懸梁部件113的連接部件132。支承單元130是絕緣層并位于基片100的驅(qū)動空間101上。如圖8所示，可以有六個連接部件132。
還是在驅(qū)動裝置110和支承單元130的不同實施例中，如圖9所示，驅(qū)動裝置110包括在其內(nèi)具有通孔111的基部112和兩個從基部112的內(nèi)部邊緣以一定間隔延伸形成的懸梁部件113。同時，支承單元130包括構(gòu)成切換裝置140的板部件131和連接板部件131的一側(cè)與懸梁部件113的連接部件132。該支承單元130被形成為絕緣層103并位于基片100的驅(qū)動空間101內(nèi)部。
如上所述，在低壓微型開關(guān)中，當?shù)碗妷罕皇┘拥降谝缓偷诙姌O層AL1和AL3時，組成驅(qū)動裝置110的偏壓電極，壓電材料層AL2被收縮和擴張。按照壓電材料層AL2的收縮和擴張，被連接到驅(qū)動裝置110的支承單元130在垂直方向(在圖上)上移動和振動。
當支承單元130被上下振動時，形成在支承單元130處的切換裝置140也被上下移動并與放置在切換裝置140上的導電信號線120的不相連部分反復接觸和分離。
以這種方式，切換裝置140通過連接或斷開導電信號線120的不相連部分來切換在導電信號線120處的信號流。在這個過程中，當包括板部件131和連接部件132的支承單元130被上下移動時，板部件131通過連接部件132的彎曲變形保持水平狀態(tài)，因而提高了由板部件131形成的切換裝置140與導電信號線120接觸的穩(wěn)定性。
該低壓微型開關(guān)能以各種形式實現(xiàn)，譬如圖10所示的SPDP(單極雙通)(Single Pole Double Through)，如圖11所示的SP3T(單極三通)(Single Pole Three Through)，和如圖12所示的SPNT(單極N通)(Single Pole N Through)。該低壓微型開關(guān)在低壓下被驅(qū)動。
圖13是表示根據(jù)本發(fā)明的低壓微型開關(guān)的另一個范例的前剖視圖。
如圖13所示，該低壓微型開關(guān)包括在其內(nèi)具有驅(qū)動空間101的基片100；具有以懸梁形狀從基片100的部分延伸到基片的驅(qū)動空間101的壓電材料和偏壓電極的驅(qū)動裝置110；從基片100的一側(cè)以一定間隔延伸地形成的導電信號線121；連接到驅(qū)動裝置110的支承單元130，具有連接到基片100的連接電極(未示出)，并根據(jù)驅(qū)動空間101內(nèi)的驅(qū)動裝置110的驅(qū)動進行移動；形成在支承單元130的連接電極上并根據(jù)支承單元130的運動與導電信號線121接觸或分離的電容器單元160；及一個或多個形成在基片100處的基單元150。
基片100，驅(qū)動裝置110和基單元150具有與上述第一個實施例的基片100，驅(qū)動裝置110和基單元150相同的結(jié)構(gòu)。
該導電信號線121具有一定的厚度、寬度和長度，并且它的兩個末端部分是彎曲的。該彎曲部分與基片100整體地形成，并且位于彎曲部分之間的部分與基片100保持一定的間隔(隔離)。也就是說，導電信號線121不具有不相連的部分。
支承單元130包括在其內(nèi)的連接電極(未示出)，并且它的外形具有與第一個實施例的低壓微型開關(guān)的支承單元相同的形狀。
電容器單元160包括形成在支承單元130的連接電極的上部的第一金屬層CL1，形成在第一金屬層CL1上的電介質(zhì)層CL2和形成在電介質(zhì)層CL2上的第二金屬層CL3。該電容器單元160形成在支承單元130的板部件131處。
在電容器單元160的不同實施例中，如圖14所示，具有連接電極的高阻抗硅層104代替絕緣層103形成在保護層102上，并且第一金屬層CL1，電介質(zhì)層CL2和第二金屬層CL3形成在高阻抗硅層104上。
在低壓微型開關(guān)中，當?shù)碗妷罕皇┘拥降谝缓偷诙姌O層AL1和AL3時，組成驅(qū)動裝置110的偏壓電極，壓電材料層AL2被收縮和擴張。
根據(jù)壓電材料層AL2的收縮和擴張，連接到驅(qū)動裝置110的支承單元130在垂直方向(在圖上)被移動和振動。
當支承單元130被上下移動時，形成在支承單元130處的電容器單元160也被上下移動并反復與位于電容器單元160上的導電信號線120接觸或分離。以這種方式，當電容器單元160與導電信號線接觸或與導電信號線分離時，在導電信號線處的阻抗流被控制。
在這個過程中，當包括板部件131和連接部件132的支承單元130被上下移動時，板部件131通過連接部件132的彎曲變形保持水平狀態(tài)，因而提高了通過板部件131形成的電容器單元160與導電信號線120接觸的穩(wěn)定性。
該低壓微型開關(guān)能以各種形式的開關(guān)實現(xiàn)，并以低壓(在5V或低于5V)驅(qū)動。
正如目前所描述的，根據(jù)本發(fā)明的低壓微型開關(guān)具有下述優(yōu)點。
即，譬如，以低壓驅(qū)動的電阻型或電容型微型開關(guān)通過使用MEMS技術(shù)能夠容易地實現(xiàn)，并且由于附加電路部件能被整合在同一基片100上，所以集成很容易并且應用的產(chǎn)品的尺寸能被縮小。
此外，由于該微型開關(guān)能以低壓驅(qū)動，沒有隨著驅(qū)動而發(fā)生電荷集聚，所以可以防止靜電摩擦問題同時穩(wěn)定性被提高了。
在不脫離本發(fā)明宗旨和基本特征的情況下本發(fā)明可以以幾種形式具體實施，應該可以理解，除非特別指明，上述實施例不受前面描述的任何細節(jié)所限制，而是應該在所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的宗旨和范圍內(nèi)對其進行廣義的解釋，因此所有落在權(quán)利要求邊界和范圍內(nèi)或這些邊界和范圍的等價范圍內(nèi)的改變和修改確定為被所附權(quán)利要求所包含。
權(quán)利要求
1.一種低壓微型開關(guān)，包括具有在其內(nèi)的一定區(qū)域處通過蝕刻形成的驅(qū)動空間的基片；具有以懸梁形狀從基片的部分延伸到基片的驅(qū)動空間的壓電材料和偏壓電極的驅(qū)動裝置；從所述基片的一側(cè)以一定間隔延伸地形成并具有不相連的部分的導電信號線；連接到該驅(qū)動裝置，被放置在該驅(qū)動空間內(nèi)，并根據(jù)該驅(qū)動裝置的驅(qū)動進行移動的支承單元；形成在支承單元處并根據(jù)支承單元的運動連接或斷開導電信號線的不相連部分的切換裝置；及一個或多個形成在基片處的基單元。
2.如權(quán)利要求1所述的開關(guān)，其中該驅(qū)動空間具有在該基片的部分內(nèi)形成有一定深度的凹槽。
3.如權(quán)利要求1所述的開關(guān)，其中該驅(qū)動空間在該基片的部分內(nèi)貫穿地形成。
4.如權(quán)利要求1所述的開關(guān)，其中該切換裝置由導電材料構(gòu)成。
5.如權(quán)利要求1所述的開關(guān)，其中該驅(qū)動裝置包括四個以一定間隔形成的懸梁部件，同時該支承單元包括形成切換裝置的板部件和四個將板部件與四個懸梁部件連接起來的連接部件。
6.如權(quán)利要求1所述的開關(guān)，其中該傳動裝置具有一個有一定長度的懸梁部件，同時該支承單元包括形成切換裝置的板部件和連接板部件與該懸梁部件的連接部件。
7.如權(quán)利要求6所述的開關(guān)，其中有兩個或三個連接部件。
8.如權(quán)利要求1所述的開關(guān)，其中該驅(qū)動裝置包括兩個以一定間隔形成的懸梁部件，同時該支承單元包括位于該兩個懸梁部件之間并形成切換裝置的板部件和連接板部件與兩個懸梁部件的連接部件。
9.如權(quán)利要求8所述的開關(guān)，其中有兩個或多個連接該板部件與該懸梁部件的連接部件。
10.如權(quán)利要求1所述的開關(guān)，其中該驅(qū)動裝置包括兩個以一定間隔形成的懸梁部件，同時支承單元包括形成切換裝置的板部件和連接板部件的一側(cè)與該懸梁部件的連接部件。
11.一種低壓微型開關(guān)，包括具有在其內(nèi)的一定區(qū)域處通過蝕刻形成的驅(qū)動空間的基片；具有以懸梁形狀從基片的一部分延伸到該基片的驅(qū)動空間的壓電材料和偏壓電極的驅(qū)動裝置；從該基片的一側(cè)以一定間隔延伸地形成的導電信號線；連接到驅(qū)動裝置，具有連接到該基片的連接電極，并根據(jù)在驅(qū)動空間內(nèi)該驅(qū)動裝置的驅(qū)動進行移動的支承單元；形成在該支承單元的連接電極上并根據(jù)該支承單元的運動與該導電信號線接觸或分離的電容器單元；及一個或多個形成在基片處的基單元。
12.如權(quán)利要求11所述的開關(guān)，其中該驅(qū)動裝置包括四個以一定間隔形成的懸梁部件，并且該支承單元包括形成該電容器單元的板部件和四個連接該板部件與懸梁部件的連接部件。
13.如權(quán)利要求11所述的開關(guān)，其中該傳動裝置具有一個有一定長度的懸梁部件，并且該支承單元包括構(gòu)成該電容器單元的板部件和連接板部件與懸梁部件的連接部件。
14.如權(quán)利要求13所述的開關(guān)，其中有兩個或三個連接部件。
15.如權(quán)利要求11所述的開關(guān)，其中該驅(qū)動裝置包括兩個以一定的間隔形成的懸梁部件，并且該支承單元包括位于該兩個懸梁部件之間并形成電容器單元的板部件，和連接該板部件與該兩個懸梁部件的連接部件。
16.如權(quán)利要求15所述的開關(guān)，其中有兩個或多個連接板部件與懸梁部件的連接部件。
17.如權(quán)利要求11所述的開關(guān)，其中該傳動裝置包括兩個以一定間隔形成的懸梁部件，并且該支承單元包括形成電容器單元的板部件和連接板部件一側(cè)與懸梁部件的連接部件。
18.如權(quán)利要求11所述的開關(guān)，其中該電容器單元包括形成在該支承單元的連接電極上部的第一金屬層；形成在第一金屬層上的電介質(zhì)層；及形成在電介質(zhì)層上的第二金屬層。
19.如權(quán)利要求18所述的開關(guān)，其中該支承單元被形成高阻抗硅層。
全文摘要
一種低壓微型開關(guān)包括在其內(nèi)具有驅(qū)動空間的基片；具有以懸梁形狀從基片的一部分延伸到基片的驅(qū)動空間的壓電材料和偏壓電極的驅(qū)動裝置；從基片的一側(cè)以一定間隔延伸地形成并具有不相連部分的導電信號線；連接到驅(qū)動裝置，被放置在驅(qū)動空間內(nèi)并根據(jù)驅(qū)動裝置的驅(qū)動移動的支承單元；形成在支承單元處并根據(jù)支承單元的運動連接或斷開導電信號線的不相連部分的切換裝置；及一個或多個形成在基片處的基單元。
文檔編號B81B3/00GK1540700SQ20041003730
公開日2004年10月27日 申請日期2004年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月25日
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