專利名稱：開關結構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明的實施例一般涉及用于切換電流的裝置，且更具體地涉及微機電開關結構。
背景技術：
斷路器是設計成保護電氣設備不受電路中的故障導致的損害的影響的電氣裝置。 傳統(tǒng)上，許多常規(guī)的斷路器包括大體積(宏)機電開關。不幸的是，這些常規(guī)的斷路器尺寸較大，且可必須使用較大的力來促動切換機構。另外，這些斷路器的開關一般以相對低的速度操作。此外，這些斷路器構造起來復雜，并且從而制造昂貴。另外，當常規(guī)斷路器中的切換機構的觸頭在物理上分開時，有時可在觸頭之間形成電弧，該電弧允許電流繼續(xù)流過開關， 直到電路中的電流停止為止。而且，與電弧相關聯(lián)的能量可嚴重地損害觸頭，以及/或者對人員造成燒傷危險。作為慢機電開關的備選方案，相對快速的固態(tài)開關已經用于高速切換應用中。 這些固態(tài)開關通過電壓或偏壓的受控制的應用來在導電(conducting)狀態(tài)和非導電 (non-conducting)狀態(tài)之間切換。但是，因為當固態(tài)開關切換到非導電狀態(tài)中時，它們不在觸頭之間產生物理間隙，所以當名義上不導電時，它們會經受泄漏電流。此外，由于內部阻抗的原因，在導電狀態(tài)中操作的固態(tài)開關會經受電壓降。電壓降和泄漏電流兩者在正常的操作環(huán)境下會促成功率耗散和過熱的產生，這對開關性能和壽命可能是有害的。而且，至少部分由于與固態(tài)開關相關聯(lián)的固有泄漏電流的原因，固態(tài)開關不可能在斷路器應用中使用?；谇袚Q裝置的微機電系統(tǒng)(MEMS)可對以上針對某些電流切換應用所描述的宏機電開關和固態(tài)開關提供有用的備選方案?；贛EMS的開關往往在設置成傳導電流時具有低電阻，且在設置成中斷通過其中的電流時具有低的(或沒有)泄漏。另外，期望基于 MEMS的開關比宏機電開關展現(xiàn)更快的響應時間。

發(fā)明內容
在第一個方面，提供了一種諸如開關結構的裝置，該裝置包括在一些情況下設置在基底上的觸頭和導電(conductive)元件。導電元件可構造成可選擇性地在非接觸位置和接觸位置之間運動，在非接觸位置上，導電元件與觸頭分開(例如，分開小于或等于約 4 μ m的距離，而在一些情況下分開小于或等于約1 μ m)，而在接觸位置上時，導電元件與觸頭接觸，且與觸頭建立電連通。當導電元件設置在非接觸位置上時，觸頭和導電元件可構造成支持在其之間的、帶有大于320νμ πΓ1的量值的電場(例如，由于其之間的至少約330V的電勢差的原因)。在一些實施例中，觸頭和導電元件可為微機電裝置的一部分，且導電元件可具有大于或等于IO3HT1的表面積對體積比率。導電元件可構造成當在接觸位置和非接觸位置之間運動時經歷變形。導電元件可包括懸臂。觸頭或導電元件中的至少一個可具有構造成使得當導電元件在非接觸位置上時觸頭和導電元件之間的靜電力小于使導電元件和觸頭接觸所需的力的有效接觸表面積(例如，小于或等于約100 μ m2)。在一些實施例中，觸頭和導電元件可構造成在導電元件設置在非接觸位置上時將它們之間的電流限制到約 μΑ或更小。在一些實施例中，當導電元件設置在非接觸位置上時，觸頭和導電元件可構造成保持在以至少約330V的振幅和以小于或等于約40GHz的頻率振蕩的電勢差處，或保持在至少約330V的電勢差處達至少約1 μ s的時間。在一些實施例中，裝置可包括與觸頭或導電元件中的至少一個電連通且構造成供應至少約330V的電壓的功率源。該功率源可構造成當導電元件設置在接觸位置上時供應至少約ImA的電流。在另一方面，提供了一種諸如開關結構的裝置，該裝置包括觸頭和導電元件。導電元件可構造成可選擇性地在非接觸位置和接觸位置之間運動，在非接觸位置上，導電元件與觸頭分開，在接觸位置上，導電元件與觸頭接觸，且與觸頭建立電連通。當導電元件設置在非接觸位置上時，觸頭和導電元件可構造成保持在至少約330V的電勢差處。


在參照附圖閱讀以下詳細描述時，將更好地理解本發(fā)明的這些和其它特征、方面及優(yōu)點，在附圖中，相同標號在整個圖中表示相同部件，其中圖1是根據(jù)一個實例實施例構造的開關結構的示意性透視圖；圖2是圖1的開關結構的示意性側視圖；圖3是圖1的開關結構的示意性分裂的透視圖；圖4是在斷開位置上的、圖1的開關結構的示意性側視圖；圖5是在閉合位置上的、圖1的開關結構的示意性側視圖；圖6Α是圖1的開關結構的示意性側視圖，該開關結構包括保持在相同電勢處的梁和觸頭；圖6Β是在圖6Α中標示為6Β的區(qū)域的放大視圖；圖7Α是圖1的開關結構的示意性側視圖，其中，梁和觸頭分別保持在不同的電勢處；圖7Β是在圖7Α中標示為7Β的區(qū)域的放大視圖；圖8是根據(jù)另一個實例實施例構造的開關結構的示意性側視圖；圖9Α是根據(jù)又一個實例實施例構造的開關結構的示意性側視圖，該開關結構包括梁和觸頭；圖9Β是圖9Α的開關結構的梁的示意性透視圖；圖10是顯示了梁的表面的粗糙程度的、在圖4中標示為10的區(qū)域的放大視圖；圖11是顯示了梁的表面和觸頭的表面之間的接觸的細節(jié)的、在圖5中標示為11 的區(qū)域的放大視圖；圖12Α-Ε是表示了制造根據(jù)一個實例實施例構造的開關結構的過程的示意性側視圖。部件列表100開關結構
102觸頭
104懸臂梁
106錨件(anchor)
108基底
110電極
112負載功率源
114表面
116表面
202觸頭
204梁
208基底
210門電極
214表面21 有效接觸表面220介電層302觸頭304梁316表面316a有效接觸表面320介電層402觸頭404梁408基底410電極430二氧化硅432粘合層434晶種層(seed layer)436金屬層438光刻膠(Photoresist)
具體實施例方式下面參照附圖對本發(fā)明的實例實施例進行詳細描述，在附圖中，相同參考標號在所有圖中表示相同部件。這些實施例中的一些可處理上述和其它需要。參看圖1-3，其中顯示了根據(jù)一個實例實施例構造的開關結構100的多個示意圖。 開關結構100可包括觸頭102，該觸頭102例如可為至少部分由導電材料(例如金屬)形成的凸墊(raised pad)。開關結構100還可包括至少部分由導電材料(例如金屬)形成的導電元件，例如懸臂梁104。梁104可由錨件106支承，該錨件106可用作將梁連接到下面的支承結構(例如基底108)上。觸頭102也可由基底108支承。將觸頭102和梁104設置在基底108上有利于通過微型加工技術(例如，汽相淀積、電鍍、光刻法、濕法和干法蝕刻等)生產開關結構100。沿著這些線路，開關結構100可組成微機電裝置或MEMS的一部分。例如，觸頭102和梁104可具有大約幾或幾十微米或納米的特征。在一個實施例中，梁104可具有大于或等于IO3HT1的表面積對體積比率。下面進一步論述涉及用于加工開關結構100的可能的方法的細節(jié)?；?08還可包括或支承用作對觸頭102和梁104提供電連接的圖案化的(patterned)導電層(未顯示)。這些導電層還可使用標準的微型加工技術來加工。參看圖1-5，梁104可構造成可選擇性地在非接觸位置或“斷開”位置(例如，圖4) 和接觸位置或“閉合”位置之間運動，在非接觸位置或“斷開”位置上，梁與觸頭102分開，在接觸位置或“閉合”位置上，梁與觸頭接觸，且與觸頭建立電連通。例如，梁104可構造成當在接觸位置和非接觸位置之間運動時經歷變形，從而使得梁在自然狀態(tài)下(即，在缺少外部施加的力的情況下)設置在非接觸位置上，且可變形以便占據(jù)接觸位置。在其它實施例中，梁104的未變形構造可為接觸位置。梁104可包括表面116，所有表面116能夠以電的方式被接觸(例如，其中，表面為名義上連續(xù)的金屬平面)。但是，“有效”接觸表面積aeff 可比梁104的表面116小得多，且將趨向于由梁和觸頭102之間的重疊的程度限定。梁104可與負載功率源112連通(例如，通過錨件106)，且觸頭102可與電負載連通(并且，接著，與大地或一些其它的電流吸收器連通)。負載功率源112可作為電壓源和電流源在不同的時間操作。因而，梁104可起電氣開關的作用，當梁在接觸位置上時，允許負載電流(例如，大于或等于約ImA)通過梁和觸頭102從負載功率源112流到電氣負載， 且否則當梁在非接觸位置上時，中斷電氣路徑且防止大的電流從負載功率源流到負載(然而，在一些情況下，1 μ A或更小的小的泄漏電流可流過觸頭和梁，甚至是當梁在斷開位置上時)。開關結構100還可包括電極110。當電極110恰當?shù)爻潆?，使得電極和梁104之間存在電勢差時，靜電力將起將梁拉向電極(而且還拉向觸頭10 的作用。通過恰當?shù)剡x擇待施加到電極110上的電壓，可通過所引起的足以使梁從非接觸(即斷開或非導電，除了可能存在的相對小的泄漏電流之外)位置運動到接觸(即閉合或導電)位置的靜電力(可能連同其它力，例如彈簧所施加的補充機械力)使梁104變形。因此，電極110可相對于開關結構100起“門，，的作用，其中，施加于電極的電壓用作控制開關結構的斷開/閉合。電極 110可與門電壓源(未顯示)連通，該門電壓源可將選擇性門電壓Ve施加于電極。觸頭102和梁104可構造成當梁在非接觸位置上時分開小于或等于約4 μ m的距離d，并且在一些實施例中小于或等于約1 μ m。也就是說，當處于未變形構造中時，梁104 可一貫地保持在距觸頭102有4 μ m或更少的、并且有時1 μ m或更少的距離處(與在切換事件期間的一些瞬間時刻可占據(jù)距對應的觸頭為4μπι或更少的位置、但是在其它情況下更加一貫地設置成離觸頭有更大距離的開關相反)。觸頭102和梁104還可構造成當梁在非接觸位置上時分開大于或等于IOOnm的距離d。負載功率源112可選擇性地提供負載電壓\，該負載電壓\足以在觸頭102和梁 104之間建立帶有大于320νμ πΓ1的量值的電場和/或至少330V的相對電勢差。例如，觸頭102和梁104可構造成保持在至少320V的相對電勢差下比瞬態(tài)期長，且分開1 μ m或更小的距離，或者有時保持在至少330V的相對電勢差下比瞬態(tài)期長，且分開4 μ m或更小的間距。在一些實施例中，當梁104設置在非接觸位置上時，觸頭102和梁可構造成保持在以至少約330V的振幅和小于或等于約40GHz的頻率振蕩的電勢差處。在其它實施例中，當梁 104設置在非接觸位置上時，觸頭102和梁可構造成保持在至少約330V的電勢差處達至少約1 μ S的時間。在任何一種情況下，梁104和觸頭102都可構造成經受住不止僅僅是少量 (trivial)時間內存在的相對電勢差。申請人:已經發(fā)現(xiàn)，在大氣壓力下的空氣的環(huán)境中，在處于非接觸位置上時的梁 104(或其它可動的導電元件)和觸頭102之間保持小于或約等于4μπκ但是通常大于約 50nm的間距d往往抑制梁和觸頭之間的電弧形成，即使是對于在梁和觸頭之間存在330V或更大的電勢差的情況。這與公認的概念相反，公認的概念的經受320V μ πΓ1或更大的電場或者經受330V或更大的電勢差且分開大約4μπι或更少(但是大于約50nm左右)的距離的相對的微米級開關構件將往往在其間形成電弧。具體而言，一般期望的是帶不同電荷且緊密隔開的開關構件(通過包括電鍍法、汽相淀積以及光刻法的傳統(tǒng)的微型加工法形成的那些構件)的這種構造將導致構件之間的空間的擊穿，例如因為主體之間的區(qū)域中的氣體顆粒的離子化和/或由于主要電場的影響而造成電子從至少一個主體中發(fā)射出來。對于約 50nm或更小的分離間距來說，可期望場發(fā)射效應控制裝置的整個電氣行為。如之前所提到的那樣，在電極110和梁104之間建立電勢差在梁和電極之間引起靜電力。類似地，當觸頭102和梁104之間存在電勢差時(例如，當梁在非接觸位置上且八 > O時)，則靜電力Fe將把梁吸引到觸頭(此現(xiàn)象在本文中稱為“自促動”)。作為實例，參看圖1、6A、6B、7A和7B，開關結構100可充當可構造成提供選擇性的電壓\和負載電流IJ當是完整電路的一部分時)的負載功率源112和由&表示的負載之間的開關。在一個時間(由圖6A-B表示)處，門電壓Ve可設置成零(例如當梁104意在占據(jù)非接觸位置時)，且\可設置成零，從而使得觸頭102和梁位于相同的電勢處。在這種情況下，梁104與觸頭102分開距離d。在另一個時間(由圖7A-B表示)處，Ve仍然為零，且負載功率源112供應電壓八 = 330V。觸頭102和梁104現(xiàn)在相對于彼此處于不同的電勢處。因此，相反的極性的電荷分別在觸頭103的表面114處和在與接觸表面114相對的梁104的表面的一部分P處聚集。建立了起到將觸頭102和梁104吸引到一起的作用的靜電力Fe，且梁相對于其自然構造(即不存在Fe的情況下的其構造)偏移距離δ。假定觸頭102在Fe的影響下變形很小， 則梁104與觸頭分開距離de = d- δ。申請人已經觀察到，在一些情況下，自促動可足以導致開關的無意識的閉合，這相當于開關故障。因此，在設計開關結構時必須考慮自促動。在下面對這一點進行進一步論述。將觸頭102和梁104當作平行板電容器，基礎靜電理論認為觸頭和梁之間的靜電力Fe的量值與觸頭和梁之間的電勢差V的平方成正比，與使觸頭和梁分開的距離de的平方成反比，且與觸頭和梁在其上相對的面積A成正比，且粗略地通過下式給出靜電力Fe的量值^>導(1)其中，ε。是空氣的介電常數(shù)。假定重疊面積A包括梁104的整個寬度w(圖2)， 重疊面積A將僅為梁和觸頭103在其上重疊的長度L。(圖幻乘以寬度W。假使大負載電壓八(在一些情況下> 330V或更大)由開關結構100(在一些情況下)以及觸頭102和梁104之間的小間距d(和在存在靜電力Fe的情況下的甚至更小的間距d)而保持截止(hold off)，F(xiàn)e具有相對高且可能足以使梁與觸頭接觸的潛能。在電極110上的門電壓Ve意在單方面地確定開關結構100是斷開還是閉合的實施例中，在設計開關結構時必須將力Fe考慮在內，以便確保避免由于Fe的影響造成的無意識的開關閉合。具體而言，為了避免由于自促動造成的開關結構100的非故意的閉合，梁104和觸頭102必須設計成使得吸引力Fe(如下所述，除了別的之外，該吸引力Fe還與觸頭的面積a有關)導致梁偏轉，該偏轉小于梁距觸頭的自然間距。這在下面有更加詳細的論述。如果假定靜電力Fe施加在梁104的自由端部處且錨件106中發(fā)生了非常小的變形，則基礎梁理論表明，由于&造成的梁104的偏轉量δ大致通過下式給出
權利要求
1.一種裝置，包括觸頭(102)；以及構造成可選擇性地在非接觸位置和接觸位置之間運動的導電元件(104)，在所述非接觸位置上，所述導電元件與所述觸頭分開，在所述接觸位置上，所述導電元件與所述觸頭接觸，且與所述觸頭建立電連通，其中，當所述導電元件設置在所述非接觸位置上時，所述觸頭和所述導電元件構造成支持在其之間的、帶有大于βΖΟνμπΓ1的量值的電場。
2.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于，當所述導電元件設置在所述非接觸位置上時，所述觸頭和所述導電元件構造成保持在至少約330V的電勢差處。
3.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于，當所述導電元件設置在所述非接觸位置上時，所述觸頭和所述導電元件構造成分開小于或約等于4 μ m的距離。
4.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述導電元件構造成當在所述接觸位置和所述非接觸位置之間運動時經歷變形。
5.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述導電元件包括懸臂。
6.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述導電元件構造成當在所述接觸位置和所述非接觸位置之間運動時經歷變形，并且其中，所述觸頭或所述導電元件中的至少一個具有構造成使得當所述導電元件在所述非接觸位置上時所述觸頭和所述導電元件之間的靜電力小于使所述導電元件和所述觸頭接觸所需的力的有效接觸表面積。
7.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于，當所述導電元件設置在所述非接觸位置上時，所述觸頭和所述導電元件構造成保持在以至少約330V的振幅且以小于或等于約 40GHz的頻率振蕩的電勢差處。
8.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于，當所述導電元件設置在所述非接觸位置上時，所述觸頭和所述導電元件構造成保持在至少約330V的電勢差處達至少約1 μ s的時間。
9.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述裝置還包括基底(108)，并且其中，所述觸頭和所述導電元件設置在所述基底上。
10.一種裝置，包括觸頭(102)；以及構造成可選擇性地在非接觸位置和接觸位置之間運動的導電元件(104)，在所述非接觸位置上，所述導電元件與所述觸頭分開，在所述接觸位置上，所述導電元件與所述觸頭接觸，且與所述觸頭建立電連通，其中，當所述導電元件設置在所述非接觸位置上時，所述觸頭和所述導電元件構造成保持在至少約330V的電勢差處。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種開關結構，具體而言，提供了一種諸如開關結構(100)的裝置，該裝置包括觸頭(102)和導電元件(104)。該導電元件可構造成可選擇性地在非接觸位置和接觸位置之間運動，在非接觸位置上，導電元件與觸頭分開(在一些情況下，分開小于或等于約4μm的距離，而在其它情況下，分開小于或等于約1μm的距離)，在接觸位置上，導電元件與觸頭接觸，且與該觸頭建立電連通。當導電元件設置在非接觸位置上時，觸頭和導電元件可構造成支持在其之間的、帶有大于320Vμm-1的量值的電場和/或約330V或更大的電勢差。
文檔編號H01H1/00GK102176391SQ20101025836
公開日2011年9月7日 申請日期2010年8月13日 優(yōu)先權日2009年8月14日
發(fā)明者C·F·凱梅爾, D·帕特羅, K·V·S·R·基肖爾, K·蘇爾布拉馬尼安, M·F·艾米, O·普拉卡什, S·班薩爾, V·K·辛哈, 王雪峰 申請人:通用電氣公司