密封的整体式微机电系统开关技术方案

一种ＭＥＭＳ开关包括微机械加工的单层（１２２），该单层（１２２）具有杠杆（５２）、一对扭杆（６６ａ、６６ｂ）和框架（６４）。框架（６４）支撑杠杆（５２）以绕扭杆（６６ａ、６６ｂ）所建立的轴线（６８）转动。在杠杆（５２）末端处的短路棒（５８ａ、５８ｂ）连接在接合到层（１２２）一个表面的衬底（１７４）上支承的多对开关触点（５６ａ１、５６ａ２、５６ｂ１、５６ｂ２）。基底（１０４）也结合到层（１２２）与衬底（１７４）相反的表面。衬底（１７４）支承电极（５４ａ、５４ｂ），用于向杠杆（５４）施加力来促使其绕轴线（６８）转动。支撑在悬臂（１６６）的自由端处的电接触支柱（１５２）确保层（１２２）上的接地板（１６２ａ、１６２ｂ）和衬底（１７４）上的电导体之间有良好的电传导。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般地涉及电气开关的
，更具体而言，涉及微机电系 统(MEMS)开关。
技术介绍
射频(RF)开关在微波和毫米波传输系统中被广泛用于天线切换应 用，包括波束形成相控阵列天线。 一般而言，与机械开关相比较，这种切 换应用目前使用半导体固态电气开关，例如砷化镓(GaAs) MESFET (金 属半导体场效应晶体管)或者PIN型二极管。这种半导体固态电气开关还 在蜂窝电话中广泛用于在发送和接收之间进行切换。当RF信号频率超过约lGHz时，固态开关在"On"状态下(即当电 信号通过该开关时)会受到很大的插入损失，而在"Off"状态下(即当开 关阻止电信号的传输时)会受到很差的电隔离。MEMS开关在这两个特性 上相对于固态装置表现出明显的优点，尤其是对于接近或超过1GHz的RF 频率。美国专利No. 5,994,750、 6,069,540禾口 6,535,091都公开了这样的 MEMS开关，其中一对共轴扭杆、 一个销或者一对柔性枢轴分别支撑基本 上平坦且刚性的梁或者叶片，以绕扭杆、销或者柔性枢轴建立的轴转动。 在所有三个专利中，共轴扭杆对、销或者柔性枢轴对分别将基本上平坦且 刚性的梁或者叶片支撑在衬底上方一个小距离处。美国专利No. 5,994,750 (简称"'750专利")公开了从梁向外突出并分别定位到一对支撑部件 的扭杆末端单独将梁支撑到玻璃衬底上方的小距离处。美国专利No. 6,069,540 (简称"'540专利")和美国专利6,535,091 (简称"'091专 利")两者分别将销或者位于柔性枢轴处的上、下支点置于梁或叶片与衬 底之间，以在其间维持一定间隔。在'750专利的示例中，梁仅延伸到扭杆的一侧，因此在接通由此所 设置的电气开关时，梁绕扭杆的转动等效于门在其枢轴上摆动的运动。或者，在'540和'091专利两者中，各自的梁或者叶片在从销或者柔性枢轴 对向外的两个方向上延伸。因此在这两个专利各自公开的结构中，在接通 电气开关时，梁或者叶片绕销或者柔性枢轴对所建立的轴的转动类似于杠 杆的运动。在所有三个专利中，电磁引力引起实现开关接通的转动。省略'750专利的文字和附图中出现的大量制造细节，其在第一示例 中公开了形成其梁的材料最初是作为单片p型硅衬底的一部分开始的，该 衬底携带有n型扩散层，硼离子被注入该扩散层以形成p+表面层。也就是 说，n型扩散层将p+表面层与p型硅衬底分隔开。在梁的制造期间，刻蚀 去除p型硅衬底，仅留下p+表面层和n型扩散层的材料以形成梁。类似 地，扭杆的制造去除了 n型扩散层的材料，仅留下p+表面层的材料来形成 扭杆。后续处理形成铝支撑部件，其跨在形成扭杆末端的p+表面层材料和 相邻的玻璃衬底之间。'540专利公开了为了减小开关插入损失以及提高敏感性，其梁优选 地和该梁绕其转动的销一样全都用金属形成。具体而言，'540专利公开 了梁可以用在与大多数半导体工艺相比都较低的温度下所电镀的镍(Ni) 形成。'540专利公开了不仅其全金属梁相对于已知的Si02或者合成金属 硅梁降低了插入损失，而且这种配置还提高了三阶截距点，以提供增大的 动态范围。在一对金电极和一对场极电极(field plate)之间分别施加的电 势产生实现梁绕金属销的转动的静电力，所述一对金电极沉积在玻璃衬底 最接近金属梁的一侧上，而所述一对场极电极布置在玻璃衬底离梁最远的 相反侧上。'091专利公开的MEMS开关中所包括的叶片用相对刚性的材料形 成，例如在金属种晶层上的电镀金属、蒸镀金属或电介质材料。薄的柔性 金属枢轴将叶片的相反两侧连接到从低损失微波绝缘或半绝缘衬底向外突 出的金框架。衬底可以用石英、氧化铝、蓝宝石、金属基板低温烧结陶瓷 (LTCC-M) 、 GaAs或者高阻抗硅制造。以此方式配置，叶片和枢轴布置 在衬底上方，并且柔性枢轴将叶片电耦合到框架。可以是平的或起伏不平 的枢轴允许叶片绕枢轴线转动，该枢轴线平行于衬底并且在下支点上方。 在衬底上邻近叶片处形成回拉和下拉电极，其可以用例如氮化硅(Si3N4) 的绝缘体封装。施加到下拉或者回拉电极上的电势分别接通或者断开MEMS开关。一系列美国专利No. 5,629,790、 5,648,618、 5,895,866、 5,969,465、 6,044,705、 6,272,907、 6，392，220和6，426，013全部都公开了在或大或小程 度上让人联想到以上对'750、 ' 540和'091专利所说明的那些结构的 MEMS结构。这些专利全都公开了整体的、微机械加工的扭力扫描器，在 特定配置中其可以包括框架形参考部件。扭力扫描器的特定配置包括耦合 到参考部件并从其突出的完全相反的、轴向对齐的扭杆。在特定配置中， 与'750、 ' 540和'091专利中分别公开的梁和叶片相似的片状动态部件 被框架所环绕，并通过扭杆耦合到该框架。以此方式进行配置，扭杆支撑 动态部件绕着与扭杆共轴的轴线转动。参考部件、扭杆和动态部件全部都 是从硅衬底的半导体层整体地制造的。制造扭力扫描器的理想方法是使用 注氧隔离晶片(Simox wafer)或类似晶片，例如绝缘体上硅(SOI)衬 底，其中片的厚度由晶片的外延层确定。与金属或者多晶硅相比，单晶硅 对于片和扭杆两者都是优选的，因为其具有更优的强度和疲劳特性。这些 专利还公开了使用静电力来实现动态部件的旋转运动。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是提供改进的MEMS开关。 本专利技术的另一个目的是提供快速切换的MEMS开关。 本专利技术的另一个目的是提供具有较低工作电压的MEMS开关。 本专利技术的另一个目的是提供单刀双掷(SPDT) MEMS开关。 本专利技术的另一个目的是提供可以通过重复常规结构来提供额外刀数的 MEMS开关。本专利技术的另一个目的是提供可以改进信号隔离的MEMS开关。 本专利技术的另一个目的是提供有助于开关触点材料选择和定制的MEMS 开关。本专利技术的另一个目的是提供其制造不需要牺牲层的MEMS开关。 本专利技术的另一个目的是提供有助于批量制造并且容易分成单个MEMS开关的MEMS开关。本专利技术的另一个目的是提供在制造期间自然变成密封的MEMS开关。 本专利技术的另一个目的是提供更简单的MEMS开关。 本专利技术的另一个目的是提供节约成本的MEMS开关。 本专利技术的另一个目的是提供易于制造的MEMS开关。 本专利技术的另一个目的是提供制造经济的MEMS开关。 本专利技术的另一个目的是提供一种MEMS结构，其在MEMS结构的两个不同层上的金属之间提供良好的电连接。简单地说，本专利技术的第一方面是一种整体式微机电系统开关，适合于选择性地将连接到所述微机电系统开关的第一输入导体上存在的电信号耦合到同样连接到所述微机电系统开关的第一输出导体。所述微机电系统开关包括微机械加工的单层，其具有b. —对扭杆，其布置在所述杠杆的相反侧上并且耦合到所述杠杆，并 且建立了所述杠杆可以绕其转动的轴线；c. 框架，所述扭杆离所述杠杆最远的末端耦合到所述框架。 所述框架通过所述扭杆来支撑所述杠杆绕所述扭杆所建立的所述轴线转动。所述微机电系统开关还包括导电的短路棒，其支承在所述杠杆的远 离所述扭杆建立的所述转动轴线的末端处。所述微机电系统开关还包括结合到所述单层本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微机电系统电接触结构，适合于在微机电系统器件的第一层上布置的电导体和所述微机电系统器件的第二层上布置的电导体之间形成无转接的电接触，所述微机电系统电接触结构包括：　　　　包括在所述第二层中的悬臂；和　　　　同样包括在所述第二层中被支撑在所述悬臂的自由端处的电接触支柱，所述电接触支柱在其远离所述悬臂的末端处支承布置在所述第二层上的所述电导体的一部分，所述悬臂提供的力持续地促使所述电导体在所述电接触支柱的所述末端处的所述部分与布置在所述第一层上的所述电导体进行无转接的紧密接触。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：加里约瑟夫帕沙柏，汤普森G斯莱特，
申请(专利权)人：斯沃特有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]