34沉積在導(dǎo)體10的上方。腳區(qū)域34 以一個(gè)或多個(gè)通孔36的方式連接到導(dǎo)體10。
[0061] 在典型的MEMS開(kāi)關(guān)中，導(dǎo)體10、12和14可以由金屬制成，例如鋁或銅。通孔可以 由鋁、銅、鎢，或任何其它合適的金屬或?qū)щ姴牧现瞥?。第一開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)20可以是任何合適的 金屬，但銠通常被選擇，因?yàn)樗湍?。為便于處理控制電極可以由相同的材料制成為第一開(kāi) 關(guān)觸點(diǎn)20或腳區(qū)域34。腳區(qū)域34可以由金屬制成，例如金。
[0062] 支撐體30還包括至少一個(gè)直立部分40,例如以壁或多個(gè)塔的形式延伸遠(yuǎn)離電介 質(zhì)層6的表面。
[0063] 開(kāi)關(guān)部件32形成可移動(dòng)結(jié)構(gòu)，其從直立部分40的最上部分延伸。開(kāi)關(guān)部件32被 典型地（但不一定）提供為懸臂，其在圖1中所示為方向A的第一方向上，從支撐體30朝 向第一開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)20延伸。開(kāi)關(guān)部件20的端部42在第一開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)32上方延伸并攜帶可靠 觸點(diǎn)44。直立部分40和開(kāi)關(guān)部件32可以由相同的材料制作為腳區(qū)域34。
[0064] MEMS結(jié)構(gòu)可以由被粘合到電介質(zhì)層6或其它合適的結(jié)構(gòu)的表面，以便包圍開(kāi)關(guān)部 件32和第一開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)20的蓋結(jié)構(gòu)50保護(hù)。合適的粘合技術(shù)是本領(lǐng)域技術(shù)人員所周知的。
[0065] 開(kāi)關(guān)1可以用來(lái)代替繼電器和固態(tài)晶體管開(kāi)關(guān)，諸如FET開(kāi)關(guān)。本領(lǐng)域的許多從 業(yè)者已經(jīng)采用用于FET的術(shù)語(yǔ)。因此，導(dǎo)體10可被稱為源極，導(dǎo)體12可被稱為漏極，而導(dǎo) 體23形成連接到柵極端子14的柵極。源極和漏極可以互換而不影響開(kāi)關(guān)的操作。
[0066] 在使用中，驅(qū)動(dòng)電壓從驅(qū)動(dòng)電路施加到柵極23。柵極23和開(kāi)關(guān)部件32之間的電 勢(shì)差引起，例如，柵極23的表面上的正電荷，來(lái)吸引懸臂開(kāi)關(guān)部件32的下表面上的負(fù)電荷。 這會(huì)導(dǎo)致力被施加，來(lái)拉動(dòng)開(kāi)關(guān)部件32朝向襯底2。該力使開(kāi)關(guān)部件彎曲，使得可靠觸點(diǎn) 44接觸第一開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)20。
[0067] 在實(shí)踐中，開(kāi)關(guān)過(guò)驅(qū)動(dòng)，以便相對(duì)牢固地相對(duì)第一開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)20保持觸點(diǎn)44。
[0068] 然而，這樣的開(kāi)關(guān)呈現(xiàn)幾個(gè)實(shí)際問(wèn)題。
[0069] 首先，如果開(kāi)關(guān)保持閉合（導(dǎo)通）為數(shù)小時(shí)至數(shù)天，那么當(dāng)柵信號(hào)被去除時(shí)，開(kāi)關(guān) 可不打開(kāi)（為高阻抗）。
[0070] 其次，開(kāi)關(guān)受溫度的影響，并且通常在低溫下變得更難關(guān)閉，且隨著溫度上升更容 易關(guān)閉，直到它在沒(méi)有控制信號(hào)時(shí)關(guān)閉。
[0071] 第三，在關(guān)閉狀態(tài)，開(kāi)關(guān)可以分解變得不可操作。
[0072] 這些特點(diǎn)都抑制了采用MEMS開(kāi)關(guān)。
[0073] 打開(kāi)和關(guān)閉
[0074] 如上所述，開(kāi)關(guān)在響應(yīng)于在柵極23和開(kāi)關(guān)部件32之間作用的靜電力中關(guān)閉。開(kāi) 關(guān)通過(guò)開(kāi)關(guān)部件32的彈簧動(dòng)作打開(kāi)。
[0075] 動(dòng)作以打開(kāi)開(kāi)關(guān)的彈力或恢復(fù)力是尺寸的函數(shù)，例如形成開(kāi)關(guān)部件32的材料的 寬度和深度。材料的選擇也使彈力有差別。直立部分30和腳34的尺寸和材料也可影響恢 復(fù)力。
[0076] 閉合力是柵極23和開(kāi)關(guān)部件32之間的電壓差，并且也是從支撐體30到柵極23 的距離的函數(shù)。
[0077] 然而其它現(xiàn)象已經(jīng)由發(fā)明人觀察到，其影響閉合力。
[0078] 圖2示出了連同圍繞柵電極32的線電場(chǎng)的柵極23和開(kāi)關(guān)部件32。
[0079] 在圖2所示的布置中，柵極23已經(jīng)被連接到正電壓，使得其明確地相比于開(kāi)關(guān)部 件32被充電。實(shí)際上，用戶可以選擇是否以驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O負(fù)極或正極，并且可以由容易導(dǎo)出合 適的柵極電壓決定。電場(chǎng)矢量起源于柵極23且朝向開(kāi)關(guān)部件32進(jìn)展。大多數(shù)吸引力發(fā)生 在提供柵極的區(qū)域62中。在柵極23上的電位也在鄰近于柵極23的邊緣的區(qū)域66產(chǎn)生電 場(chǎng)60。該場(chǎng)可導(dǎo)致電荷累積在電介質(zhì)層6中如示意性地通過(guò)" + "號(hào)在區(qū)域66上表示的。 電荷積累超過(guò)開(kāi)關(guān)被驅(qū)動(dòng)到關(guān)閉狀態(tài)的數(shù)小時(shí)，并且一旦柵極電壓被去除，衰減遠(yuǎn)超過(guò)幾 個(gè)小時(shí)。
[0080] 發(fā)明人認(rèn)識(shí)到，這種機(jī)制在操作中，并且形成柵極23的金屬的尺寸和形狀可被修 改以增加捕獲電荷62的區(qū)域和開(kāi)關(guān)部件32之間的距離，從而減少了從捕獲電荷產(chǎn)生的這 個(gè)吸引力。圖2還示出了未摻雜的多晶硅的層4可被省略。
[0081] 減少電荷捕獲
[0082] 為了減少在電介質(zhì)層6中被捕獲的電荷產(chǎn)生的不希望的關(guān)閉力，發(fā)明人認(rèn)識(shí)到減 少開(kāi)關(guān)部件32下面的暴露的電介質(zhì)區(qū)域是可取的。這可以通過(guò)增加?xùn)艠O尺寸來(lái)實(shí)現(xiàn)。柵 極尺寸可以在第二維被增加，在圖1和3中表示的B，垂直于圖1和2的平面，使得柵極延伸 超過(guò)開(kāi)關(guān)部件32的邊緣，如圖3所示。圖3是在圖1所示的開(kāi)關(guān)的部分平面圖。開(kāi)關(guān)部件 32被成形以便具有從開(kāi)關(guān)部件32延伸且限定了延伸超過(guò)柵極23的空間范圍的開(kāi)關(guān)部件 32的部分的觸點(diǎn)載體部分70。因此，如果我們考慮開(kāi)關(guān)部件32的側(cè)面72和74,那么這些 發(fā)生在柵極23上方，并且因此柵極延伸過(guò)開(kāi)關(guān)部件34的側(cè)面72和74且從在電介質(zhì)6中 捕捉的電荷的影響屏蔽邊緣。類似地，開(kāi)關(guān)部件32的前邊緣76并不延伸超過(guò)柵極23,除了 需要到達(dá)第一開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)20的觸點(diǎn)載體部分70。
[0083] 這種配置意味著只有鄰近在通常由點(diǎn)劃線82封閉的區(qū)域中的柵極23的前邊緣80 發(fā)生的電荷上升能夠在觸點(diǎn)載體部分70上施加吸引力。這大大減少的相互作用捕獲的電 荷足以防止開(kāi)關(guān)變成"卡住"，當(dāng)柵極電壓被去除時(shí)。由在它們內(nèi)部測(cè)試的申請(qǐng)人推斷出的 測(cè)試中的設(shè)備開(kāi)關(guān)被驅(qū)動(dòng)"開(kāi)"數(shù)月，并且當(dāng)柵極電壓去除時(shí)，被成功地釋放。這是對(duì)僅在 一天左右后可變得卡住的先進(jìn)技術(shù)的開(kāi)關(guān)的顯著改善。
[0084] 然而，在圖3中示出的開(kāi)關(guān)的其它設(shè)計(jì)特征也提高其開(kāi)關(guān)關(guān)閉性能。圖4和5比 較和對(duì)比觸點(diǎn)載體部分70的長(zhǎng)度，和可靠觸點(diǎn)44的尺寸的影響。
[0085] 在圖4和圖5中，懸臂相對(duì)于下面的襯底在角Θ上，并且第一開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)20具有高 度hi，并且觸點(diǎn)44具有高度h2。
[0086] 在圖4所示的布置中，觸點(diǎn)載體70具有長(zhǎng)度LI (在邊緣76和載體尖端78之間）。 柵極23延伸過(guò)前邊緣76通過(guò)保護(hù)距離dg。我們可以表示在觸點(diǎn)載體70和在電介質(zhì)6中 的潛在捕獲的電荷之間的距離，如在圖4中由在柵極的前邊緣的" + "號(hào)表示的。
[0087] 為了合理的近似，間隔距離S為
[0088] S = (Ll-dg) sin Θ +hl+h2
[0089] 可以看出，觸點(diǎn)載體70的較長(zhǎng)的長(zhǎng)度增加了距離S，并因此減小了捕獲電荷與載 體70之間的吸引力。類似地，增加觸點(diǎn)44的觸點(diǎn)高度也增加了距離S，如增加用于形成第 一開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)20的金屬的厚度。
[0090] 因此，可以看出，在圖4中，其中觸點(diǎn)載體70相對(duì)較長(zhǎng)，具有長(zhǎng)度Ll和具有相對(duì)深 的觸點(diǎn)44,距離S顯著大于圖5中所示的，其中觸點(diǎn)載體70更短，具有小于Ll的長(zhǎng)度L2且 觸點(diǎn)44的觸點(diǎn)高度h2也被減小。
[0091] 也可以直觀地看出，是在一方面在電介質(zhì)6的區(qū)域66中捕獲的電荷和在另一方面 的開(kāi)關(guān)部件32和觸點(diǎn)載體70之間的間隔的函數(shù)的吸引力還可以通過(guò)修改開(kāi)關(guān)部件32和 /或觸點(diǎn)載體70的材料的型材被減少。
[0092] 圖6示出了開(kāi)關(guān)部件32的端部，其已被修改以減少相比于形成開(kāi)關(guān)部件32的金 屬的深度的形成觸點(diǎn)載體70的金屬的深度。減少的金屬的厚度在可靠觸點(diǎn)44和開(kāi)關(guān)部件 32的主體之間產(chǎn)生空隙90。這增加了襯底6和觸點(diǎn)載體70的金屬之間的距離，從而減少 由捕獲電荷施加的閉合力。附加地或替代地凹槽92可以在電介質(zhì)層6在柵電極23和第一 開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)20之間被形成。這還用于減少由捕獲電荷施加的吸引力。
[0093] 應(yīng)力作用下材料的產(chǎn)生
[0094] 如前所述，由柵極電壓施加的吸引力使懸臂開(kāi)關(guān)部件32變形甚至彎曲。如懸臂32 越接近柵電極且吸引力增加開(kāi)始彎曲。此外，對(duì)于低"通"電阻，可靠觸點(diǎn)44需要緊靠第一 開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)20被保持，因而過(guò)驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)是很常見(jiàn)的。
[0095] 金屬可以在負(fù)載下產(chǎn)生，使得它們開(kāi)始呈現(xiàn)修改的形狀。產(chǎn)率還可能受到溫度影 響。
[0096] 圖7a示出了處于閉合位置的懸臂開(kāi)關(guān)部件32的假想型材，以及圖7b示意性地示 出了懸臂開(kāi)關(guān)部件32的型材如何可以在一段時(shí)間改變，當(dāng)開(kāi)關(guān)部件32的材料在由柵電極 23施加的閉合力下產(chǎn)生。
[0097] 在圖7a所示的布置中，開(kāi)關(guān)部件32的高度隨著增加到支撐體30的距離順利減 少。然而，產(chǎn)率，或甚至過(guò)度過(guò)驅(qū)動(dòng)的影響，使開(kāi)關(guān)部件32在柵極區(qū)域23上方過(guò)度偏轉(zhuǎn)。限 制地，開(kāi)關(guān)部件32可接觸柵極23,在其情況下，柵極和開(kāi)關(guān)部件之間的電流流動(dòng)，可能會(huì)導(dǎo) 致提供的柵極電壓的驅(qū)動(dòng)電路的破壞。這種現(xiàn)象可以被描述為"擊穿"。
[0098] 當(dāng)開(kāi)關(guān)打開(kāi)，并且因此可靠觸點(diǎn)44不與第一開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)20接觸時(shí)，開(kāi)關(guān)部件32是 懸臂，且因此其偏轉(zhuǎn)可以被估算。
[0099] 用于開(kāi)關(guān)部件32上的力的分析是復(fù)雜的，因?yàn)樵诮o定點(diǎn)上的力取決于到柵電極 的局部距離。
[0100] 然而，對(duì)于從理想打開(kāi)位置開(kāi)始的第一近似，其中，懸臂開(kāi)關(guān)部件32平行于柵極 23、且柵極23相對(duì)膨脹，然后開(kāi)關(guān)件32近似于均勻加載的懸臂。
[0101] 在均勻加載的懸臂的自由端的偏轉(zhuǎn)dB可以被近似通過(guò)
[0102]
[0103] 其中：q是單位長(zhǎng)度上的力
[0104] L是橫梁的長(zhǎng)度
[0105] E是彈性模量
[0106] I是慣性面積矩。
[0107] ~6勺應(yīng)力，也可以被表示通過(guò)彈性撓曲應(yīng)力方程
[0108]
[0109] 其中：σ是在從"中性面"的距離y上的正常的彎曲應(yīng)力
[0110] m是在懸臂的部分的阻力矩，和
[0111] I是慣性面積矩。
[0112]
[0113] 其中：w是橫梁的寬度
[0114] h是橫梁的垂直厚度。
[0115] 一旦觸點(diǎn)44和20接觸，則情況變得更加復(fù)雜，且變成偏轉(zhuǎn)的性質(zhì)以及變成懸臂式 偏轉(zhuǎn)的彎曲和在相對(duì)端部支撐的加載橫梁的偏轉(zhuǎn)。這是因?yàn)?，通過(guò)支撐體30承受和作用為 支撐的觸點(diǎn)的力是不一樣的。
[0116] 對(duì)于由兩個(gè)簡(jiǎn)單支撐體支撐的均勻加載的橫梁，中點(diǎn)的偏轉(zhuǎn)D被給定通過(guò)
[0117]
[0118] 觸點(diǎn)44和20相結(jié)合來(lái)近似簡(jiǎn)單的支撐體，但開(kāi)關(guān)部件32和支撐體30之間沒(méi)有 界面。因此，在這些方程沒(méi)有準(zhǔn)確描述開(kāi)關(guān)部件32的偏轉(zhuǎn)，但它們確實(shí)對(duì)其行為提供了有 用的見(jiàn)解。
[0119] 我們還應(yīng)該注意，一旦應(yīng)力變得過(guò)大，則橫梁的材料永久地變形。
[0120] 發(fā)明人認(rèn)識(shí)到，對(duì)于制動(dòng)應(yīng)力
[0121] 1)在開(kāi)關(guān)部件32的應(yīng)力可以通過(guò)使開(kāi)關(guān)部件32更長(zhǎng)被減少，
[0122] 2)在橫梁中的應(yīng)力可通過(guò)增加轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（也稱為面積矩）被減少。發(fā)明人還認(rèn)識(shí) 到，對(duì)于過(guò)驅(qū)動(dòng)應(yīng)力
[0123] 3)應(yīng)力通過(guò)朝向觸點(diǎn)部分移動(dòng)制動(dòng)力減少
[0124] 4)應(yīng)力通過(guò)增加轉(zhuǎn)動(dòng)慣量減少。
[0125] 因此使用更厚和/或更長(zhǎng)的橫