具有改进的关态电压控制的MEMS开关制造技术

本发明专利技术涉及具有改进的关态电压控制的ＭＥＭＳ开关。提供了一种ＭＥＭＳ开关（２０，３０，４０），其包括衬底（２８）、耦合到该衬底（２８）并且具有第一侧部和第二侧部的可动执行器（２２，３２，１３２）、第一固定电极（２４）和第二固定电极（２７，３７，４７），该第一固定电极（２４）耦合到该衬底（２８）并且定位在该可动执行器（２２，３２，１３２）的第一侧部上以产生第一驱动力来将该可动执行器（２２，３２，１３２）拉向导电状态，该第二固定电极（２７，３７，４７）耦合到该衬底（２８）并且定位在该可动执行器（２２，３２，１３２）的第二侧部上以产生第二驱动力来将该可动执行器（２２，３２，１３２）拉向非导通状态。

【技术实现步骤摘要】
具有改进的关态电压控制的MEMS开关
本专利技术的实施例一般涉及微机电系统(MEMS)开关。
技术介绍
微机电系统(MEMS)一般指的是微米尺度的结构，该结构能够通过微制造技术将诸如机械元件、机电元件、传感器、执行器和电子器件等多个功能不同的元件集成在公共的衬底上。在微型的密封封装体中的MEMS的尺寸范围一般在微米到毫米之间。MEMS开关具有可动执行器，该执行器受安置在衬底上的栅或电极的影响而被移向固定的电触点。图1示出了根据现有技术的处于打开或者非导通状态的常规MEMS开关。MEMS开关10包括衬底18、可动执行器12、触点16和机械地耦合到衬底18的控制电极14。在操作中，可动执行器12受安置在可动执行器12下方的衬底18上的控制电极14(也被称为栅或栅驱动器)影响而被移向触点16。可动执行器12可以是挠性梁，其在诸如静电吸引、磁吸引和排斥、或者热致胀差(thermallyinduceddifferentialexpansion)等作用力之下弯曲，这封闭了梁的自由端与固定触点16之间的间隙。可动执行器12通过可动电极的弹簧刚度，在断电状态下通常保持与固定触点16分离开。然而，如果在固定触点16与可动电极12之间提供足够大的电压，则由此引起的静电力能够导致可动电极12在控制电极14不提供任何选通信号的情况下自驱动。MEMS开关的电力系统应用正开始出现，例如取代保险丝、接触器和断路器。在构造具有给定的总电压和电流额定值的功率开关器件中的一个重要设计考虑是在包括该器件的开关阵列中使用的单个开关的基础电压(underlyingvoltage)和电流额定值。特别是，单个开关能够在它们的功率触点两端经受住的电压是重要的参数。存在若干个确定单个MEMS开关的电压额定值的因素和效应。其中一个这样的因素是自驱动电压。在MEMS开关中，自驱动电压是对开关的承受电压能力设置上限的效应。当执行器和触点之间的电压超过某一阈值时，线路和负载触点之间(例如，可动执行器和固定触点之间)的静电力将导致可动执行器自驱动或者与固定触点接触。在某些当前的开关应用中，这种自驱动能够引起开关或下游系统的灾变性失效。
技术实现思路
在一个实施例中，提供一种MEMS开关，其包括衬底、耦合到该衬底并且具有第一侧部和第二侧部的可动执行器、第一固定电极和第二固定电极，该第一固定电极耦合到该衬底并且定位在该可动执行器的第一侧部上以产生第一驱动力来将该可动执行器拉向导电状态，该第二固定电极耦合到该衬底并且定位在该可动执行器的第二侧部上以产生第二驱动力来将该可动执行器拉向非导电状态。在另一个实施例中，提供一种制造MEMS开关的方法。该方法包括：在衬底上的绝缘层上形成第一固定控制电极和固定触点，在该绝缘层上形成可动执行器使得该可动执行器悬于该第一固定控制电极和触点之上，以及形成在该绝缘层上且悬于该可动执行器之上的第二固定控制电极。该方法还包括释放该可动执行器以允许该执行器响应于在该第一固定控制电极与该可动执行器之间产生的第一驱动力被拉向与触点的第一导电状态，并且响应于在该第二固定控制电极与该可动执行器之间产生的第二驱动力被拉向第二非导通状态。在又一实施例中，提供一种MEMS开关阵列。该MEMS开关阵列包括衬底、耦合到该衬底并具有顶侧和底侧的第一可动执行器、以及耦合到该衬底并具有顶侧和底侧的第二可动执行器。该MEMS阵列还包括第一固定控制电极和第二固定控制电极，该第一固定控制电极耦合到该衬底并且定位在该第一和第二可动执行器的底侧上以产生第一驱动力来将可动执行器拉向导电状态，该第二固定控制电极耦合到该衬底并且定位在该第一和第二可动执行器的顶侧上以产生第二驱动力来将可动执行器拉向非导通状态。附图说明在参考附图阅读下面的详细说明时本专利技术的这些及其它特征、方面和优点将变得更好理解，在全部附图中类同的符号代表类同的部分，其中：图1示出根据现有技术的处于打开或非导通状态中的常规MEMS开关；图2是示出具有改进的关态电压(standoffvoltage)控制的MEMS开关的一个实施例的示意图；图3是示出图2的MEMS开关20的顶视图的示意图；图4和图5是分别示出根据本专利技术的替代实施例的MEMS开关30的侧视图和顶视图的示意图；图6是示出根据本专利技术又一实施例的MEMS开关40的示意图；图7是示出根据本专利技术再一实施例的MEMS开关50的示意图；图8是示出根据本专利技术另一实施例的MEMS开关60的示意图；以及图9-30示出根据本专利技术实施例的用于制造具有改进的关态电压控制的MEMS开关70的示例性制造工艺。具体实施方式在下面的详细描述中，陈述了许多具体的细节以便提供对本专利技术的各种实施例的透彻理解。然而，本领域技术人员将理解可以在没有这些具体细节的情况下实践本专利技术实施例，本专利技术不限于所描述的实施例，并且可以以各种替代实施例来实践本专利技术。在其它例子中，没有详细描述众所周知的方法、程序和组件。此外，各种操作可以被描述为多个分立的步骤，其以有助于理解本专利技术实施例的方式来实现。然而，说明的顺序不应该被解释为暗示这些操作需要以它们被呈现的顺序来执行，它们甚至不是顺序相关的。此外，短语“在一个实施例中”的重复使用不一定指代相同的实施例，虽然它可能是。最后，术语“包含”、“包括”、“具有”等等以及如在本申请中所使用的它们的屈折变化形式，意图为同义的除非另外指出。图2是示出具有改进的关态电压控制的MEMS开关的一个实施例的示意图。虽然术语“MEMS”一般指的是微米尺度的结构，但是在本文档全文中所描述的本专利技术的实施例不应该局限于亚微米尺度的器件除非另外指出。在所示实施例中，MEMS开关20包括可动执行器22，其机械地耦合到衬底28。在一个实施例中，可动执行器22是完全或者部分导电的。衬底28可以是导电的、半导电的或者绝缘的。在衬底28导电的实施例中，衬底可以涂覆有绝缘或电隔离层(未示出)以避免开关触点/电极和可动执行器之间和之中的不希望有的短路。导电衬底的非限制性实例包括由硅和锗形成的那些衬底，而电隔离层的非限制性实例包括氮化硅、氧化硅和氧化铝。MEMS开关20还包括第一电极24(也称为栅或控制电极)和触点26。在一个实施例中，一旦在第一电极24与可动执行器22之间施加电压差，就可以在这两个组件之间产生静电力。因此，一旦驱动，可动执行器22就被吸引向第一电极24并且最终与触点26电接触。然而，如先前所述，在高电压应用中，常规MEMS开关倾向于甚至在没有信号施加到第一电极24时自驱动。根据本专利技术的一个方面，提供第二电极(也称为反电极)27以产生与自驱动力相反的第二驱动力使得可动执行器被拉向远离触点26的非导通状态。在一个实施例中，第二电极27耦合到与可动执行器22相同的衬底28并且被定位(例如，在与衬底28平行和相对的侧部上)在可动执行器22上方且至少部分在触点26上方。通过将反电极27制造在与可动执行器22相同的衬底上，可动执行器22与反电极27之间的电极间距的变化可以经过受到严密控制的光刻工艺而被消除。可以将存在于衬底触点26与可动执行器22之间的静电力近似计算为如公式(1)所示出的在电容器极板之间的力，其中极板面积为两个电极的重叠的公共面积：F静电＝静电吸引力，牛顿ε0本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种ＭＥＭＳ开关（２０，３０，４０），包括：　衬底（２８）；　可动执行器（２２，３２，１３２），其耦合到所述衬底（２８）并且具有第一侧部和第二侧部；　第一固定电极（２４，５４），其耦合到所述衬底（２８）并且定位在所述可动执 行器（２２，３２，１３２）的第一侧部上以产生第一驱动力来将所述可动执行器（２２，３２，１３２）拉向导电状态；以及　第二固定电极（２７，３７，４７），其耦合到所述衬底（２８）并且定位在所述可动执行器（２２，３２，１３２）的第二侧部上以产 生第二驱动力来将所述可动执行器（２２，３２，１３２）拉向非导通状态。

【技术特征摘要】
US 2007-12-21 11/9621781.一种MEMS开关(20，30，40)，包括：衬底(28)；可动执行器(22，32，132)，其耦合到所述衬底(28)并且具有第一侧部和第二侧部；固定触点(26)，其机械地耦合到所述衬底(28)上；和第一固定电极(24，54)，其耦合到所述衬底(28)并且定位在所述可动执行器(22，32，132)的第一侧部上以产生第一驱动力来将所述可动执行器(22，32，132)拉向导通状态；以及第二固定反电极(27，37，47)，其耦合到所述衬底(28)并且定位在所述可动执行器(22，32，132)的第二侧部上以产生与自驱动力相反的第二驱动力来将所述可动执行器(22，32，132)拉向离开所述固定触点(26)的非导通状态，其中，所述自驱动力倾向于导致所述可动执行器(22，32，132)被吸引向所述固定触点(26)并最终与所述固定触点(26)电接触；并且其中，所述第二固定反电极被制造在与所述可动执行器相同的衬底上。2.根据权利要求1所述的MEMS开关，其中，所述第二固定反电极(27，37，47)定位在所述第一固定电极(24，54)的上方。3.根据权利要求2所述的MEMS开关，其中，所述第二固定反电极(47)在至少两个位置(41a，41b)处耦合到所述衬底。4.根据权利要求1所述的MEMS开关，其中在非导通状态下所述可动执行器(22，32，132)是固定的。5.根据权利要求1所述的MEMS开关，其中，所述第二固定反电极定位在可动执行器上方且在多于一个位置处耦合到所述衬底。6.根据权利要求1所述的MEMS开关，还包括隔离物，其定位在所述可动执行器(22，32，132)的上方以防止所述可动执行器与所述第二固定反电极(27，37，47)相接触。7.根据权利要求1所述的MEMS开关，其中，所述固定触点(26)电耦合到负载电路。8.根据权利要求7所述的MEMS开关，其中可动执行器与所述固定触点分离开第一距离，且可动执行器与所述第二固定反电极分离开第二距离。9.根据权利要求8所述的MEMS开关，其中，所述第二距离大于所述第一距离。10.根据权利要求7所述的MEMS开关，可动执行器与第一固定电极重叠了第一面积，且可动执行器与第二固定反电极重叠了第二面积。11.根据权利要求10所述的MEMS开关，其中，所述第二面积大于所述第一面积。12.根据权利要求7所述的MEMS开关，其中，...

【专利技术属性】
技术研发人员：CF凯梅尔，K苏布拉马尼安，MF艾米，WJ普雷默拉尼，王雪峰，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]