專利名稱：微致動開關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及MEMS器件，具體是一種基于凝膠纖維與微膠囊技術(shù)的微致 動開關(guān)。
背景技術(shù)：
微致動開關(guān)(即MEMS開關(guān))是MEMS(microelectro mechanical system微 機(jī)電系統(tǒng))技術(shù)的具體應(yīng)用。最早的微致動開關(guān)是Petersen于1979年研制的 0.35pm厚、金屬包覆的靜電懸臂梁開關(guān)，但由于當(dāng)時制作工藝的限制，此后 的十年里微致動開關(guān)沒有取得太大的進(jìn)展；直到20世紀(jì)90年代，微致動開關(guān) 才獲得了巨大發(fā)展。例如1991年，Larson制作的旋轉(zhuǎn)傳輸線式開關(guān)；1995 年，Yao采用表面微加工工藝制作的懸臂梁開關(guān)；1996年，Goldsmith研制出 的低閾值電壓的膜開關(guān)；1998年，Pachero設(shè)計了螺旋型懸臂式和大激勵極板 的微致動開關(guān)結(jié)構(gòu)。
目前，微致動開關(guān)的研究主要集中在其機(jī)械結(jié)構(gòu)上，最常用的機(jī)械結(jié)構(gòu)是 懸臂梁結(jié)構(gòu)和膜結(jié)構(gòu)；且其制作上多考慮在常規(guī)的半導(dǎo)體硅上實現(xiàn)。不可否認(rèn) 半導(dǎo)體硅這一突出材料在多領(lǐng)域的應(yīng)用能力，特別在MEMS領(lǐng)域的應(yīng)用；但 是經(jīng)三十年的研究結(jié)果、及實際應(yīng)用結(jié)果表明單一應(yīng)用半導(dǎo)體硅實現(xiàn)高性能 的微致動開關(guān)是困難的。
因此，以混合化技術(shù)實現(xiàn)微致動開關(guān)的研究課題得到了廣泛提出?；旌匣?技術(shù)在微致動開關(guān)方面的應(yīng)用將MEMS技術(shù)從半導(dǎo)體硅技術(shù)的狹隘關(guān)系中解 放了出來，表明了半導(dǎo)體硅以外的材料(例如聚合物)同樣可以應(yīng)用于MEMS 微機(jī)電系統(tǒng)。近年來，人們就利用特殊的物理和化學(xué)效應(yīng)使MEMS微機(jī)電系統(tǒng)中的微梁和微薄膜結(jié)構(gòu)產(chǎn)生微形變或微位移，并對該現(xiàn)象加以應(yīng)用，研制出 一批適合微機(jī)電系統(tǒng)應(yīng)用的高性能微致動開關(guān)。例如常見的靜電、熱、電磁、 壓電執(zhí)行器，以及基于形狀記憶合金、氣壓或液壓、電化學(xué)反應(yīng)的微致動開關(guān)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了進(jìn)一步研發(fā)高性能微致動開關(guān)，在MEMS加工技術(shù)基礎(chǔ)上， 應(yīng)用凝膠纖維與微膠囊的混合化技術(shù)，提供了一種微致動開關(guān)。
本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實現(xiàn)的微致動開關(guān)，包括在半導(dǎo)體襯底上用 微機(jī)電MEMS加工工藝加工出的開關(guān)主體，所述開關(guān)主體包含兩側(cè)分別設(shè)置 有支撐體的底座、通過底座一側(cè)支撐體支懸設(shè)置于底座正上方的懸臂梁，懸臂 梁下方底座上設(shè)有與底座絕緣的底電極，且懸臂梁下表面與底電極正對處設(shè)有 與懸臂梁絕緣的頂電極，底座另一側(cè)支撐體上支懸固定有凝膠纖維，凝膠纖維 的自由端固定有滑塊，且滑塊置于懸臂梁自由端的正下方，凝膠纖維外涂敷有 內(nèi)為酸性介質(zhì)的微膠囊涂層；開關(guān)主體還包括設(shè)置于底座上的用于在凝膠纖 維上方通過彈性梁支懸設(shè)置質(zhì)量塊的支撐架、以及分別位于滑塊兩側(cè)懸臂梁自 由端下方的兩開關(guān)柱，且兩開關(guān)柱的頂面設(shè)有電極，懸臂梁自由端的下表面設(shè) 有用于短接兩開關(guān)柱頂面電極的電極，開關(guān)柱頂面電極的位置低于滑塊與懸臂 梁下表面電極的接觸面。底座上開有為滑塊移動進(jìn)行導(dǎo)向的導(dǎo)向槽。
本發(fā)明以懸臂梁結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，因考慮到開關(guān)主體中的懸臂梁結(jié)構(gòu)雖然是 MEMS領(lǐng)域中應(yīng)用成熟、廣泛的技術(shù)，但在某些考慮安全性的特殊應(yīng)用場合時 懸臂梁的應(yīng)用存在如下情況懸臂梁由于自重而存在下垂的情況，在頂?shù)纂姌O 間靜電力比較大、環(huán)境沖擊力比較大時，懸臂梁的狀態(tài)難以控制。因此，本發(fā) 明中在懸臂梁自由端的下方設(shè)置由凝膠纖維牽動的滑塊做安全控制用。只有在由凝膠纖維將滑塊牽離懸臂梁自由端下方后，頂、底電極通電導(dǎo)通產(chǎn)生的靜電 力才能使懸臂梁下彎，使臂梁自由端下表面的電極與兩開關(guān)柱頂面電極吸合導(dǎo) 通，實現(xiàn)本發(fā)明所述微致動開關(guān)的閉合。凝膠纖維對滑塊的牽動原理如下在 外界刺激的作用下，支懸設(shè)置在凝膠纖維上方的質(zhì)量塊擠壓凝膠纖維表面的微 膠囊涂層，導(dǎo)致微膠囊釋放其內(nèi)酸性介質(zhì)，刺激凝膠纖維收縮來實現(xiàn)的。
上述過程依據(jù)了凝膠纖維的PH響應(yīng)特性凝膠纖維在受到PH溶液的刺 激時會發(fā)生較大的形變。對一束單根直徑30微米左右的凝膠纖維進(jìn)行仿真分
析得凝膠纖維PH響應(yīng)曲線(圖4所示)、凝膠纖維的收縮力曲線(如圖5 所示)。單根凝膠纖維的伸縮形變能達(dá)到本身的80%-90%，收縮力能達(dá)到1N， 響應(yīng)時間小于2S。即凝膠纖維在受到酸性介質(zhì)刺激時，可以很好地實現(xiàn)對滑 塊的牽動，進(jìn)而完成本發(fā)明所述微致動開關(guān)的安全控制過程。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明將MEMS加工技術(shù)、凝膠纖維、微膠囊三項成 熟技術(shù)混合化應(yīng)用，采用懸臂梁結(jié)構(gòu)作為微致動開關(guān)的開關(guān)微結(jié)構(gòu)，且在梁下 設(shè)置阻止懸臂梁向下閉合的滑塊，同時充分利用凝膠纖維、微膠囊的功能特性 對滑塊位置進(jìn)行控制，即將微米級微膠囊涂敷在凝膠纖維的表面，通過對微膠 囊內(nèi)部酸性刺激介質(zhì)的釋放來控制凝膠纖維的收縮動作，從而控制抵住懸臂梁 向下閉合的滑塊的釋放達(dá)到控制懸臂梁的目的；將半導(dǎo)體硅以外的材料一凝膠 纖維、微膠囊應(yīng)用于MEMS微機(jī)電系統(tǒng)中，研制出了基于凝膠纖維和微膠囊 的新概念微致動開關(guān)，實現(xiàn)了微致動開關(guān)的微型化、混合化和集成化，并具備 更強(qiáng)的可靠性、更廣的應(yīng)用場合。本發(fā)明結(jié)構(gòu)合理、緊湊，可靠性高，應(yīng)用范 圍廣，再一次驗證了將非硅材料應(yīng)用于MEMS器件構(gòu)成中的可行性。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為圖1的俯視圖； 圖3為圖2的A-A剖面圖； 圖4為凝膠纖維的PH響應(yīng)曲線；
圖5為凝膠纖維的收縮力曲線；
圖中1、 2-支撐體；3-底座；4-懸臂梁；5-底電極；6-頂電極；7-凝膠纖 維；8-滑塊;9-質(zhì)量塊;10-支撐架;11、 12-開關(guān)柱;13、 14-電極;15-電極; 16-導(dǎo)向槽；17-彈性梁。
具體實施例方式
微致動開關(guān)，包括在半導(dǎo)體襯底上用微機(jī)電MEMS加工工藝加工出的開 關(guān)主體，所述開關(guān)主體包含兩側(cè)分別設(shè)置有支撐體l、 2的底座3、通過底座3 一側(cè)支撐體1支懸設(shè)置于底座3正上方的懸臂梁4，懸臂梁4下方底座3上設(shè) 有與底座3絕緣的底電極5，且懸臂梁4下表面與底電極5正對處設(shè)有與懸臂 梁4絕緣的頂電極6，底座3另一側(cè)支撐體2上支懸固定有凝膠纖維7，凝膠 纖維7的自由端固定有滑塊8，且滑塊8置于懸臂梁4自由端的正下方，凝膠 纖維7外涂敷有內(nèi)為酸性介質(zhì)的微膠囊涂層；開關(guān)主體還包括設(shè)置于底座3上 的用于在凝膠纖維7上方通過彈性梁17支懸設(shè)置質(zhì)量塊9的支撐架10、以 及分別位于滑塊8兩側(cè)懸臂梁4自由端下方的兩開關(guān)柱11、 12，且兩開關(guān)柱 11、 12的頂面設(shè)有電極13、 14，懸臂梁4自由端的下表面設(shè)有用于短接兩開 關(guān)柱ll、 12頂面電極13、 14的電極15，開關(guān)柱ll、 12頂面電極13、 14的位 置低于滑塊8與懸臂梁4下表面電極15的接觸面。底座3上開有為滑塊8移 動進(jìn)行導(dǎo)向的導(dǎo)向槽16。
權(quán)利要求
1、一種微致動開關(guān)，其特征在于包括在半導(dǎo)體襯底上用微機(jī)電MEMS加工工藝加工出的開關(guān)主體，所述開關(guān)主體包含兩側(cè)分別設(shè)置有支撐體(1、2)的底座(3)、通過底座(3)一側(cè)支撐體(1)支懸設(shè)置于底座(3)正上方的懸臂梁(4)，懸臂梁(4)下方底座(3)上設(shè)有與底座(3)絕緣的底電極(5)，且懸臂梁(4)下表面與底電極(5)正對處設(shè)有與懸臂梁(4)絕緣的頂電極(6)，底座(3)另一側(cè)支撐體(2)上支懸固定有凝膠纖維(7)，凝膠纖維(7)的自由端固定有滑塊(8)，且滑塊(8)置于懸臂梁(4)自由端的正下方，凝膠纖維(7)外涂敷有內(nèi)為酸性介質(zhì)的微膠囊涂層；開關(guān)主體還包括設(shè)置于底座(3)上的用于在凝膠纖維(7)上方通過彈性梁(17)支懸設(shè)置質(zhì)量塊(9)的支撐架(10)、以及分別位于滑塊(8)兩側(cè)懸臂梁(4)自由端下方的兩開關(guān)柱(11、12)，且兩開關(guān)柱(11、12)的頂面設(shè)有電極(13、14)，懸臂梁(4)自由端的下表面設(shè)有用于短接兩開關(guān)柱(11、12)頂面電極(13、14)的電極(15)，開關(guān)柱(11、12)頂面電極(13、14)的位置低于滑塊(8)與懸臂梁(4)下表面電極(15)的接觸面。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微致動開關(guān)，其特征在于底座(3)上開有為 滑塊(8)移動進(jìn)行導(dǎo)向的導(dǎo)向槽(16)。
全文摘要
本發(fā)明涉及MEMS器件，具體是一種基于凝膠纖維與微膠囊技術(shù)的微致動開關(guān)。進(jìn)一步了研發(fā)高性能微致動開關(guān)，包括開關(guān)主體，開關(guān)主體包含兩側(cè)分別設(shè)置有支撐體的底座、通過底座一側(cè)支撐體支懸設(shè)置的懸臂梁，懸臂梁下方底座上設(shè)有底電極，懸臂梁下表面設(shè)有頂電極，底座另一側(cè)支撐體上支懸固定有凝膠纖維，凝膠纖維的自由端固定有置于懸臂梁自由端正下方的滑塊，凝膠纖維外涂敷有內(nèi)為酸性介質(zhì)的微膠囊涂層；開關(guān)主體還包括設(shè)置于底座上的通過彈性梁支懸設(shè)置質(zhì)量塊的支撐架、分別位于滑塊兩側(cè)的兩開關(guān)柱，兩開關(guān)柱頂面設(shè)有電極，懸臂梁自由端下表面設(shè)有電極。結(jié)構(gòu)合理、緊湊，可靠性高，應(yīng)用范圍廣，再一次驗證了將非硅材料應(yīng)用于MEMS器件構(gòu)成中的可行性。
文檔編號B81B7/02GK101510486SQ20091007402
公開日2009年8月19日 申請日期2009年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月24日
發(fā)明者張文棟, 杰 李, 艷 李, 衛(wèi) 楊, 聰 王, 石云波, 麗 秦, 濤 郭, 閆俊杰, 馬喜宏, 鮑愛達(dá) 申請人:中北大學(xué)