具有微型机电系统的微型开关技术方案

一种微型开关，其包括：底座元件（Ｇ），其具有接触表面（ＫＧ）和电极（ＥＧ）；以及开关元件（Ｓ），其具有接触表面（ＫＳ）和与底座元件（Ｇ）的电极（ＥＧ）以一定距离（ｇ）相对设置的电极（ＥＳ）。开关元件（Ｓ）具有弹簧常数，并以固定的方式使其边缘部分的至少一部分与底座元件（Ｇ）相连。接触表面（ＫＧ，ＫＳ）形成一开关接点，该开关接点可以借助于施加到电极（ＥＧ，ＥＳ）上的电压克服由该弹簧常数引起的反作用力而闭合。底座元件（Ｇ）和开关元件（Ｓ）均包括辅助电极（ＨＧ，ＨＳ），其沿横向离开所述电极一定距离，对所述辅助电极（ＨＧ，ＨＳ）可以施加电压。为了断开开关接点，电极（ＥＧ，ＥＳ）具有第一电压电位（Ｕ１），辅助电极（ＨＧ，ＨＳ）具有第二电压电位（Ｕ２）。所述电压电位实现正、负电荷载体在电极（ＥＧ，ＥＳ）和辅助电极（ＨＧ，ＨＳ）的表面部分上的积聚，使得具有正、负电荷载体的表面部分沿横向彼此相对，并具有相同电荷载体的表面部分沿垂直方向彼此相对。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
对相关申请的参考本申请要求在2002年2月11日提交的欧洲专利申请号为02002963-3的申请日的优先权，该专利申请的全部内容被包括在此作为参考。
技术介绍
本专利技术涉及一种在微型机电系统中的微型开关。利用特定的方法和工艺例如光刻技术制造的元件被称为微型机电或微型机械系统(MEMS)。它们使得能够在微米的范围内在最小的规模上实现电气功能或者机械功能。因而，用在移动电话的射频部分的微型开关便从Brown，Elliott R.RF-MEMS Switches for ReconfigurableIntegrated Circuits，IEEE Transaction on Microwave Theory andTechniques，第45卷，第11期，1998年11月中公知了。微型机电元件由多个十分不同的侧面结构的薄层形成这些薄层沿垂直方向位于相互的顶上，并具有十分不同的材料性能。按照所需的功能，各个层例如由导电的或绝缘的材料形成，或者由具有某种机械性能例如弹簧常数的材料形成。借助于相应的处理，也可以制造更复杂的三维结构。在一种简化的形式中，微型开关可以由3个横向层形成，借以在制造处理结束时再除去中间层。因而，可形成由作为最下层的底座元件和作为最上层的柔性的开关元件构成的微型开关。所述两层或者由此形成微型开关的元件以一个确定的距离分别彼此相对，所述距离是通过设置在其间的除去层获得的。所述距离基本上相当于必须由柔性的开关元件克服从而闭合底座元件和开关元件之间的开关接点的偏移。如果底座元件例如是硅衬底，则在其上将设置附加的导电层作为接触表面，对该接触表面可以施加电压。所述开关元件可以由金属材料制成，由此使其本身形成接触表面，对所述接触表面可以施加电压。所述开关元件的材料具有弹簧常数，并且所述开关元件至少部分地与底座元件相连。如果现在在接触表面之间施加一个电位差，则它们共同形成开关接点，由于这样产生的静电吸引力，柔性的开关元件沿底座元件的方向偏转，并且开关接点闭合。为了实现尽可能高的吸引力，彼此相对的接触表面的尺寸要尽可能大。为了绝缘的目的，可以在接触表面上施加一个附加的氧化物层。然后可以同时对所述接触表面施加用于产生静电吸引力的直流电压和作为要被通断的信号的交流电压。如上所述，柔性的开关元件至少在其边沿的一点上被固定。依据固定的类型和柔性的开关元件的形式，在微型机电系统中的微型开关被通称为悬臂开关、桥式开关或者也称为薄膜开关。
技术实现思路
图2a和图2b表示在断开和闭合位置的作为桥式开关的现有技术的微型开关的基本结构。柔性的开关元件S在其边沿的两个点用这种方式固定到底座元件G上，即，使得其在断开位置朝向底座元件具有一确定的距离。由于所选择的材料的弹簧常数，固定柔性的开关元件具有反抗开关元件的偏转的反作用力。一接触表面KG设置在底座元件G上，其与作为附加的接触表面的开关元件S一道形成开关接点。如果在两个接触表面上施加电压，则由于所产生的静电吸引力，开关元件S便沿底座元件G的方向克服反作用力而运动。如果施加的电压超过某个值，则开关接点S闭合。如果从接触表面除去所述电压，则开关元件S由于所述反作用力而回到其原始形式，从而开关接点断开。这种开关的缺点在于，由于当接点闭合时形成的原子和分子的表面力，开关元件的表面和底座元件的接触表面可能会粘结在一起。如果所述表面力大于反作用力，则开关接点便不能被断开。为了避免所述的粘合，提出在接点上附加地设置一介电层。此外，可以设想到，借助于相应的形式和材料选择，增加开关接点的反作用力。这需要较高的响应力，因而，为了使接点闭合，需要较高的电压，从而克服所述较大的反作用力。然而，当这种微型开关要集成在具有小的电压源的MEMS元件中时，这是不希望的且不能应用的。此外，较高的电压和由此引起的较高的吸引力具有当开关闭合时其接点趋于更容易粘合的危险，这是由于所谓的接点碎裂所致。US6143997披露了一种在低电压下操作的微型开关。其底座元件包括接触表面和多个单独的电极。此外，在底座元件上设置有用于开关元件的具有夹持件功能的多个层。开关元件由所述的夹持件来引导，并且可以在由所述夹持件限定的一个偏离范围内自由运动。在与底座元件相对的夹持件的一侧上，施加附加的配对电极。由于开关元件是可以运动，即不以静止的方式连接，因此没有反作用力用于断开开关接点，不过，为了断开开关接点，向该配对电极施加第一电压电位，向开关元件施加第二电压电位，使得在配对电极和开关元件之间产生吸引力。为了闭合开关接点，第一电压电位被施加给底座元件的电极，第二电压电位被施加给开关元件。此外，如果微型开关处于合适的位置，还可以附带地利用重力。由于没有机械的反作用力这个事实，因此只有由配对电极上的电压确定的吸引力作用以便断开开关接点并在给定的相应位置下克服重力。由于较小的力，接触表面粘连在一起的危险也较小。然而，其缺点是，在微型机电系统中，具有上述结构的这种微型开关需要附加的和更复杂的层结构，这使得其制造过程更加费力，因而更加昂贵。因此，本专利技术基于这样一个目的提供一种微型开关，其能够克服由现有技术已知的不利的粘连，并确保微型机电系统的制造过程尽可能的容易。按照这个目的，本专利技术基于这样一个构思提供一种微型开关，其由一个底座(下文称为底座元件)和可动元件(下文称为开关元件)构成。开关元件具有弹性接点，并且其边沿部分的至少一部分以固定的方式与底座元件相连。因而，当可动开关元件偏转时，便产生反作用力，其方向与所述偏转的方向相反。底座元件和开关元件两者都包括至少两个电极，下文称为电极和辅助电极，由此使底座元件的电极和开关元件的电极以一个确定的距离彼此相对的设置。在两者即底座元件和开关元件中，辅助电极沿横向以离开各自的电极相同的距离被设置。此外，底座元件和开关元件每个具有接触表面，它们共同形成微型开关的开关接点。在底座元件的电极和开关元件的电极之间的距离基本上限定了可动开关元件闭合所述开关接点所需的偏移。为了断开开关接点，如果具有第一电压电位的电压施加于电极，并且具有第二电压电位的电压施加于辅助电极，由此形成的电压差沿横向在底座元件和开关元件中的电极和辅助电极之间产生电场。与电场的方向相应，在电极和辅助电极的表面部分上积聚正、负电荷载体，它们沿横向彼此直接相对地被设置。沿其垂直方向，即，沿开关元件的偏移方向，具有相同电荷载体的电极被彼此相对地设置。换句话说，例如，在开关元件的电极表面上正电荷载体的积聚和在底座元件的电极的表面部分上正电荷载体的积聚是相对的。这同样适用于负电荷载体的积聚。因而，在具有相同电压电位的电极上相同表面电荷的积聚之间产生排斥力。因为该排斥力的作用方向基本上与开关元件的反作用力的方向相同，在断开的时刻该排斥力支持所述开关元件的反作用力。这意味着，当开关元件的接触表面开始松释或分开的时刻，产生的排斥力便开始沿反作用力的方向作用。由于以下事实，即在开关接点断开之前，具有相同电压电位的电极和相应的辅助电极以及具有相同符号的表面电荷彼此被非常紧密地设置，所以，因为该距离很小，在这个时刻的排斥力便很大。由于排斥力沿反作用力的方向作用，当开关接点断开时，所述排斥力支持所述反作用力，因而，防止开关接点的永久地粘合。有利的是，按照本专利技术，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微型开关，其包括：　　　　－底座元件（Ｇ），其具有接触表面（ＫＧ）和电极（ＥＧ），　　　　以及　　　　－开关元件（Ｓ），其具有接触表面（ＫＳ）和与所述底座元件（Ｇ）的该电极（ＥＧ）以一距离（ｇ）相对设置的电极（ＥＳ），　　　　－其中，该开关元件（Ｓ）具有弹簧常数，并以固定的方式使其边缘部分的至少一部分与该底座元件（Ｇ）相连，以及　　　　－其中，该接触表面（ＫＧ，ＫＳ）形成一开关接点，所述开关接点可以借助于施加到该电极（ＥＧ，ＥＳ）上的电压以克服由所述弹簧常数引起的反作用力从而闭合，　　　　其中　　　　－该底座元件（Ｇ）和该开关元件（Ｓ）包括辅助电极（ＨＧ，ＨＳ），该辅助电极沿横向离开所述电极（ＥＧ，ＥＳ）一距离（ａ），对所述辅助电极（ＨＧ，ＨＳ）可以施加电压，以及　　　　－电压可施加到所述电极（ＥＳ，ＥＧ）和所述辅助电极（ＨＧ，ＨＳ）上，以便断开该开关接点，使得所述电极（ＥＧ，ＥＳ）具有第一电压电位（Ｕ１），而所述辅助电极（ＨＧ，ＨＳ）具有第二电压电位（Ｕ２），以便实现正、负电荷载体在电极（ＥＧ，ＥＳ）和辅助电极（ＨＧ，ＨＳ）的表面部分上的积聚，使得具有正、负电荷载体的表面部分沿横向彼此相对，并具有相同电荷载体的表面部分沿垂直方向彼此相对。...

【技术特征摘要】
EP 2002-2-11 02002963-31.一种微型开关，其包括-底座元件(G)，其具有接触表面(KG)和电极(EG)，以及-开关元件(S)，其具有接触表面(KS)和与所述底座元件(G)的该电极(EG)以一距离(g)相对设置的电极(ES)，-其中，该开关元件(S)具有弹簧常数，并以固定的方式使其边缘部分的至少一部分与该底座元件(G)相连，以及-其中，该接触表面(KG，KS)形成一开关接点，所述开关接点可以借助于施加到该电极(EG，ES)上的电压以克服由所述弹簧常数引起的反作用力从而闭合，其中-该底座元件(G)和该开关元件(S)包括辅助电极(HG，HS)，该辅助电极沿横向离开所述电极(EG，ES)一距离(a)，对所述辅助电极(HG，HS)可以施加电压，以及-电压可施加到所述电极(ES，EG)和所述辅助电极(HG，HS)上，以便断开该开关接点，使得所述电极(EG，ES)具有第一电压电位(U1)，而所述辅助电极(HG，HS)具有第二电压电位(U2)，以便实现正、负电荷载体在电极(EG，ES)和辅助电极(HG，HS)的表面部分上的积聚，使得具有正、负电荷载体的表面部分沿横向彼此相对，并具有相同电荷载体的表面部分沿垂直方向彼此相对。2.如权利要求1所述的微型开关，其特征在于，电极(EG，ES)或辅助电极(HG，HS)之一可以在第一(U1)和第二电压电位(U2)之间切换，以便闭合该开关接点。3.如权利要求2所述的微型开关，其特征在于，电极(EG，ES)或辅助电极(HG，HS)中的附加之一可以在第一(U1...

【专利技术属性】
技术研发人员：M梅克斯纳，LP布赫瓦尔特，JL伦德，H德利加尼，
申请(专利权)人：艾利森电话股份有限公司，国际商业机器公司，
类型：发明
国别省市：SE[瑞典]