专利名称：非锚式的静电启动的微型机电系统开关的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及开关，并且，更具体地说，涉及用微型机电系统(MEMS)技术实现的各种开关。
背景技术：
微型机电系统(MEMS)开关广泛地用于射频(RF)通信系统，例如，各种相控阵天线、各种移相器、各种可切换的调谐部件，以及各种雷达传感器。一般地说，MEMS开关具有这样的特征，诸如，低的插入损耗，低的功耗，低成本，小尺寸，宽带操作，长寿命以及快的切换速度，这些特征在常规的各种固态开关(例如场效应晶体管或PIN二极管)中是找不到的。尤其是，一个高质量的MEMS开关应当理想地尽可能多地具有下列特征低的启动电压，高的切换速度，长的工作寿命，在关断状态下与输出信号之间有良好的隔离，在接通状态下在接触电极之间具有低的接触电阻和大的接触压力，在接触区域很少发生或者没有静摩擦问题以易于分离，在不同状态之间切换时低的功耗，为将开关保持在某一状态所需的功耗很少或者没有，低成本，容易制造，以及开关容易与其他共面的电路部件集成在一起。
根据启动方法，可以将MEMS开关分为几大类，包括静电式、电磁式，或者电热式开关。归入这些类别之一的常规MEMS开关都呈现出上述的高品质MEMS开关的某些特征。然而，没有一种常规的开关呈现出上述所有特征。
还有，就静电开关而言，当切换或保持在一种给定状态时，这些开关具有零功耗的独特的优点。然而，静电开关也有若干缺点，诸如缓慢的切换速度(处于微秒到毫秒量级)，相对高的启动电压(10-80V)，当这些接触电极被一起焊接在物理触点上时的静摩擦问题，相对短的寿命(针对冷切换而言的1亿次循环)，以及由于热应力和与制造有关的应力所导致的不稳定性问题。
相应地，本发明的一个目标就是提供一种静电MEMS开关，它呈现出上述的理想开关的所有特征，并且没有上述的各种缺点。
用简单工艺来制造这样的MEMS开关也是本发明的一个目标。
本发明的又一个目标是提供一种静电MEMS开关，它具有能实现多投多极的配置。
发明内容
相应地，本发明提供一种微型机电系统(MEMS)开关，它包括一块基底以及一个被设置在基底之上的不受应力的梁。该不受应力的梁被设置在第一和第二台架内。第一和第二台架被设置在基底之上。用以限制不受应力的梁在基本上不平行于基底的方向上的位移。MEMS开关还包括被设置在不受应力的梁的第一纵侧面附近的一组一个或多个控制垫，用以在不受应力的梁的第一纵侧面上产生一个电位，还包括被设置在基底上位于不受应力的梁的第二纵侧面附近的第二组一个或多个控制垫，用以在第二纵侧面上产生第二电位。该不受应力的梁可以按照第一和第二电位之间的一个相对电位，沿着基本上平行于基底的方向产生位移，用以提供一条信号通路。
可供替代地，MEMS开关也可以被实现为包括一个被设置于基底之上的初级不受应力的梁，用以控制信号流，以及多个在结构上和电气上被耦合到初级不受应力的梁的次级不受应力的梁。多个次级不受应力的梁中的每一个最好是被设置在第一、第二和第三台架内，用以限制梁在基本上平行于基底的方向以外的方向上的位移。此外，响应于一个相对电位，多个次级不受应力的梁中的每一个都可以沿着基本上平行于基底的方向产生位移，以便使初级不受应力的梁相应地产生位移。
在诸附图的各独立的视图中，相同的参考数字表示相同的或功能上相似的部件，诸附图连同以下的详细说明均被纳入本说明书，并形成说明书的一部分，诸附图用以进一步地图解根据本发明的各实施例，以及说明本发明的各项原理和优点。
图1是根据本发明的第一优选实施例的一个示例性的MEMS开关的一份等比例的视图。
图2A是根据本发明的第一优选实施例的一个示例性的MEMS开关的一份顶视平面图。
图2B是根据本发明的第一优选实施例的一个修改例的不受应力的梁的部分B的分解图。
图2C是根据本发明的第一优选实施例的另一个修改例的不受应力的梁的部分B的分解图。
图3是图2的示例性的MEMS开关的不受应力的梁以及各台架沿着截面线III-III的侧视图。
图4是在不受应力的梁与各台架的各延伸侧壁建立良好的电接触之前，在图2A的MEMS开关里面的初始电荷分布的图解。
图5是在不受应力的梁与各台架的各延伸侧壁建立良好的电接触之前，图2A的MEMS开关的等效电路的图解。
图6是在不受应力的梁与各台架的各延伸侧壁建立良好的电接触之后，在图2A的MEMS开关里面的电荷分布的图解。
图7是在不受应力的梁与各台架的各延伸侧壁建立良好的电接触之后，图2A的MEMS开关的等效电路的图解。
图8A-8C是图1中的MEMS开关的各台架的可供替代的实施方式的图解。
图9是在各接触表面之间没有薄膜电阻的情况下示于图2A的非锚式MEMS开关、在各接触表面之间具有薄膜电阻的情况下示于图2A的非锚式MEMS开关、以及一个锚定空气桥路MEMS开关所获得的启动电压对开关电阻的关系曲线。
图10A-10E表示用于制造图1所示的MEMS开关的制造工艺。
图11是根据本发明的第二优选实施例的一个示例性的MEMS开关的一份等比例的视图。
具体实施例方式
现在参照诸附图，在其中，相同的数字表示相同的部件，图1-2A表示根据第一优选实施例的一个示例性的MEMS开关10。参照图1，MEMS开关10包括一个例如由砷化镓、石英或铌酸锂制成的基底12。然而，根据MEMS开关10的特定应用场合，基底12也可以是透明的。梁14(不受应力的梁)被配置于基底12之上，并且被设置在第一台架16和第二台架18内。第一和第二台架16、18也被设置在基底12上。不受应力的梁14不被锚定于第一台架16或第二台架18。因而，梁14是不受应力的，并且因此被称为“不受应力的梁”。
不受应力的梁14由高导电性材料例如金或钨制成，并且沿着基本上与基底12平行的方向是可位移的，如表示梁移动的各箭头所示。第一和第二台架16、18用以限制不受应力的梁14在基本上不平行于基底12的方向上的位移，同时用以接收一个输入信号RF IN(射频输入)，例如来自一个输入源的RF信号。不受应力的梁14还可以包括梁止动器19，用以将不受应力的梁14限制在第一和第二台架16、18以内。梁止动器19是可选的，并且可以由如图2A所示的各个宽度延伸部分来取代，这将在下面进行讨论。
参照图2A，MEMS开关10还包括第一组一个或多个导电的控制垫P1-P4(第一组控制垫)20，它们被配置在不受应力的梁14的第一纵侧面22的附近；以及第二组一个或多个导电的控制垫P5-P8(第二组控制垫)24，它们被配置在不受应力的梁14的第二纵侧面26的附近。第一组控制垫20和第二组控制垫24各自相互面对。第一组控制垫20用以在不受应力的梁14的第一纵侧面22上生成第一电位，而第二组控制垫24则用以在不受应力的梁14的第二纵侧面26上生成第二电位。第一组和第二组控制垫20、24中的每一组最好都包括至少两个控制垫，如图1所示。然而，可以包括更多或更少的控制垫。例如，参照图2A，第一组和第二组控制垫20、24中的每一组都包括4个控制垫。
MEMS开关10还包括第一导电输出接触垫28(在图2A中被描绘为RF1)，它被配置在基底12之上，并且位于不受应力的梁14的第一纵侧面22附近；以及第二(或另一个)导电输出接触垫30(在图2A中被描绘为RF2)，它被配置在基底12之上，并且位于不受应力的梁14的第二纵侧面26附近。
参照图2A，不受应力的梁14最好具有多个宽度延伸部分31、32、34，它们分别位于第一和第二台架16、18以内，以及第一和第二导电输出接触垫28、30之间。各宽度延伸部分31、32、34防止不受应力的梁14与第一组和第二组控制垫20、24发生电耦合(或者通常的直接接触)。然而，各宽度延伸部分31、32、34是可选的。可供替代地，如图1所示，通过将各输出接触垫28、30以及台架的各表面设置成更靠近于不受应力的梁14，也能防止不受应力的梁14与第一和第二组控制垫20、24发生接触。
回到图2A，第一和第二台架中的每一个最好都包括一个延伸的侧壁36，用以将不受应力的梁14的水平位移限制在一个特定范围以内。第一和第二台架16、18中的每一个最好都包括一个梁闩38，如图3所示。梁闩38被设置为跨越台架16、18的顶部，并且用于基本上防止不受应力的梁14的垂直位移。更具体地说，梁闩38被用来进一步地防止不受应力的梁14与第一和第二台架16、18脱离。然而，第一和第二台架16、18并不必要包括梁闩38或延伸侧壁36。例如，参照图8A和8C，第一和第二台架16、18可以仅包括延伸侧壁36。再有，参照图8B，第一和第二台架16、18可以既不包括梁闩38，也不包括延伸侧壁36。
回到图2A，MEMS开关10的各部件被这样定位，使得第一和第二台架16、18的表面(被描绘为C1和C3)以及第二输出接触垫30的表面(被描绘为C2)被设置在线A1上，同时第一和第二台架16、18的表面(被描绘为C4和C6)以及第一输出接触垫28的表面(被描绘为C5)被设置在线A2上。第一组和第二组控制垫20、24也以这样一种方式被定位，使得不受应力的梁14与第一和第二组控制垫20、24其中之一之间所定义的间隙W2的宽度总是大于不受应力的梁14的宽度延伸部分31、32、34与第一和第二输出接触垫28、30其中之一之间的另一个间隙W1的宽度。虽然在图2A中没有示出，但是在中心线A(对应于截面线III-II)下面的各台架表面与第一输出接触垫28的表面之间所定义的各对应间隙具有相似的关系。再有，第一输出接触垫28的宽度不必等于第二输出接触垫30的宽度。
正如将在下面充分地讨论那样，基于第一电位和第二电位之间的差值的一个相对电位使得不受应力的梁14朝着第一或第二输出接触垫28、30其中之一发生侧向位移(基本上平行于基底12)，并且当相对电位大于或等于一个阈值电位例如10V时，与上述垫其中之一保持接触。阈值电位通常取决于不受应力的梁14的截面积，以及不受应力的梁14与第一组和第二组控制垫20、24之间的距离。随后，不受应力的梁14与这个输出接触垫建立电耦合，当第一和第二组控制垫20、24之间的相对电位生成时，就在该输出接触垫、不受应力的梁14以及第一和第二台架16、18之间提供一条信号通路。
下面将结合一种示例性的实施方式(在其中，MEMS开关10提供了一条RF信号通路)，更充分地讨论图1-2A中的MEMS开关10的操作。不受应力的梁14的重量是很轻的(处于纳牛顿[nN]量级)，并且不受应力的梁14与第一和第二台架16、18之间的附着力(主要是范德瓦尔斯力)是很小的(小于1微牛顿[μN])。因此，接触力不足以建立有效的电接触。相应地，在任何电压被施加到第一组和第二组控制垫20、24之前，初始地假定不受应力的梁14与输入信号(图2A中的RF IN)之间存在一个大电阻R。
如图4所示，在电压V被施加到控制垫20、24中任一个上以前，不受应力的梁14可以处于第二组控制垫24的一个上控制垫P6与第一组控制垫20的一个下控制垫P2之间的间隙之内的任何位置。当电压V被施加到上控制垫P6并且各台架16、18被接地时，其结果是不受应力的梁14处于一种浮动导体状态，各台架16、18与不受应力的梁14之间存在一个大的接触电阻R。如图5所示，当不受应力的梁14处于浮动导体状态时，MEMS开关10的等效电路用两个串联连接的电容器C1’和C2’来表示。在上控制垫P6的一个表面S1上聚集正电荷Q，而在下控制垫P2的一个表面S4上聚集相等数量的负电荷-Q。由于不受应力的梁14由高导电性材料制成，所以它是一个良导体，所以在不受应力的梁14的第二纵侧面26处所感应的负电荷的数量等于在不受应力的梁14的第一纵侧面22处所感应的正电荷的数量，并且在不受应力的梁14上的净电荷相应地为零。
在静电条件下，在不受应力的梁14内部，没有电流的流动或电荷的移动。相应地，与不受应力的梁14的各纵侧面相切的各电场全为零。然而，上控制垫P6与不受应力的梁14之间存在一个电场E1，该电场垂直于上控制垫P6的表面S1以及不受应力的梁14的第二纵侧面26。同样，不受应力的梁14与下控制垫P2之间存在第二电场E2，该电场垂直于控制垫P2的表面S4以及不受应力的梁14的第一纵侧面22。为了简单起见，在上、下控制垫P6、P2的两端处的电场边缘效应被忽略。由于上控制垫P6的长度L1大于下控制垫P2的长度L2，所以其结果是电场E1分布于一个比电场E2更宽广的区域。相应地，电场E2强于电场E1。
在不受应力的梁14的第二纵侧面26上，出现第一合成静电力F1，它等于总电荷Q乘以电场(强度)E1。在不受应力的梁14的第一纵侧面22上，出现第二合成静电力F2，它等于总电荷-Q乘以电场(强度)E2。由于第一电场(强度)E1小于第二电场(强度)E2，所以第一合力F1小于第二合力F2。相应地，第一合力F1倾向于将不受应力的梁14拉向上控制垫P6，同时，力F2则倾向于将不受应力的梁14拉向下控制垫P2。然而，净力(F2-F1)将不受应力的梁14拉向下控制垫P2，使得在不受应力的梁14的宽度延伸部分31与台架16的表面C4发生接触，从而在不受应力的梁14的宽度延伸部分31与第一台架16的表面C4之间提供良好的电接触。依赖于净力(F2-F1)，电接触使电阻R降低到一个非常小的数值，使得不受应力的梁14处于与第一台架16相同的电位。与此同时，虽然在图4中没有示出，但不受应力的梁14还与第一输出接触垫28的一个表面C5以及第二台架18的一个表面C6发生接触。
虽然在诸附图中都没有示出，在不受应力的梁14上最终积累负电荷-Q并且静电力F2变为零。静电力F1将梁拉向上控制垫P6，直到它与第一台架16的表面C1发生接触为止，如图6所示。由于不受应力的梁14与上控制垫P6之间的间隔很小，所以在上控制垫P6以及不受应力的梁14上的电荷增加。电场E1因而静电力F1均强于初始接触之前。与此同时，不受应力的梁14还与第二输出接触垫30以及第二台架18的表面C3发生接触。强大的静电力F1在第一和第二台架16、18的上表面C1、C3以及第二输出接触垫30处建立良好的接触。通过第一和第二台架16、18以及不受应力的梁14，在输入信号RF IN与第二输出接触垫30之间，建立起一条导电(或信号)通路。
参照图7，图中示出了该信号通路的等效电路。R1表示在第二输出接触垫30的表面C2处的接触电阻值，R2和R3则分别表示在第一和第二台架16、18的表面C1和C3处的接触电阻值。
随后，可以将电压V施加到下控制垫P2，以便切换MEMS开关10。其结果是，静电力将梁拉向下控制垫P2，直到不受应力的梁14与第一和第二台架16、18的表面C4、C6以及第一输出接触垫28的表面C5发生接触为止。类似地，通过第一和第二台架16、18以及不受应力的梁14，在输入信号与第一输出接触垫28之间建立起一条导电(信号)通路。相应地，这两个输出垫构成了一个单极双投(SPDT)开关。
在上述实例中，电压V被施加到控制垫P2或控制垫P6。然而，电压V可能被施加到第二组控制垫24的一个不同的控制垫，例如控制垫P7，或者被施加到第一组控制垫20的一个不同的控制垫，例如控制垫P3。还有，电压V可能被施加到第一组控制垫20或第二组控制垫24中的多个或全部控制垫。无论如何，不受应力的梁14的位移取决于面对的各控制垫之间的相对电位或静电力。
虽然以上说明了用于RF信号通路的开关，但MEMS开关10还可以被用来作为光开关，用以阻断或允许光传输，由此提供一条光信号通路。针对这种特定的应用，基底12最好是透明的。更具体地说，当不受应力的梁14与例如第二输出接触垫30发生接触时，光信号能通过不受应力的梁14与第一输出接触垫28之间的间隙来传输。这对应于导通状态。当不受应力的梁14与第一输出接触垫28发生接触时，原来的间隙消失，同时光信号的完全阻断成为可能。这对应于关断状态。
根据将在下面讨论的第一和第二修改例，还可以对MEMS开关10进行修改，以便提供一个光开关，用以对诸如一束光或一束激光那样的电磁辐射进行重新定向。在对MEMS开关10的第一修改例中，如图2B所示，不受应力的梁14在其顶部表面上包括一个反光层39。然而，可供替代地，也可以在不受应力的梁14的底部表面上，或者在顶部和底部两个表面上设置反光层39。再有，反光层39不一定需要覆盖不受应力的梁14的整个表面。更合适地，可将反光层39分割为在表面上的多个区段。若如上所述基底12为透明的，则当该不受应力的梁与第一输出接触垫28或第二输出接触垫30发生接触时，不受应力的梁14通常这样操作，以便允许光信号透过基底12。若基底12为吸收性的，则当该不受应力的梁与第一输出接触垫28或第二输出接触垫30发生接触时，光信号就被基底吸收。当不受应力的梁14与第一输出接触垫28或第二输出接触垫30中另一个发生接触时，不受应力的梁14的反光层39就反射光信号。这种操作类似于上面讨论的用于阻断或允许光传输的光开关，所不同的是，在第一种修改例中，当它处于关断状态时，不受应力的梁14的反光层39将反射光信号，而不是仅仅阻断光信号。
在第二种修改例中，MEMS开关10提供一条发生角位移的光信号通路。参照图2C，MEMS开关10被这样修改，使得在不受应力的梁14的顶部表面上包括一个反光镜40。反光镜40可以是单面的或双面的。当非面对面的各控制垫之间存在相对电位时，不受应力的梁14可根据相对电位发生角位移，以便使光信号按照不受应力的梁的角位移来产生位移。当面对面的各控制垫之间存在相对电位时，不受应力的梁14还可以按照相对电位来产生侧向位移，以便使光信号产生与不受应力的梁14垂直的位移。更具体地说，不受应力的梁14可以根据被施加到第一组和第二组控制垫20、24的启动电压，与中心线A(对应于图2A中的截面线III-III)相平行地发生位移，或者环绕垂直轴Z(示于图2C)发生旋转。
例如，当第二组控制垫24的所有控制垫都处于相同的电压电位，并且第一组控制垫20的各控制垫都处于地电位时，不受应力的梁14将与中心线A(对应于截面线III-III)相平行地发生位移。当不受应力的梁14与各输出接触垫28、30其中之一发生接触时，若光信号与反光镜40相交，则其结果是该光信号被重新定向。若不受应力的梁14与各输出接触垫28、30中的另一个发生接触，则不发生重新定向。若控制垫P1、P2、P6和P8处于相同的电压电位，则梁将环绕垂直轴Z旋转，其结果是，根据不受应力的梁14的旋转(角度)，光信号将按照不同角度从反光镜40被反射。在第二种修改例中，第一组和第二组控制垫20、24中的每一组都包括至少两个控制垫。同样，在不受应力的梁14上，可以包括类似于反光镜40的多个反光镜。
图9表示由MEMS开关10所获得的启动电压对开关电阻的关系与由常规的锚式桥路开关所获得的启动电压对开关电阻的关系的比较。两种开关都具有相似的布局，并且都由具有相同的表面电阻率的相似材料制成。由使用定制设计的机电软件仿真的数据来获得MEMS开关10的曲线，同时使用实际数据来导出锚定空气桥路曲线。如这些曲线所示，用于MEMS开关10的、为使开关发生接触所需的启动电压V2远低于锚定空气桥路的启动电压V3。再有，若忽略表面薄膜电阻，则使用MEMS开关10，就能在低很多的启动电压V1下，获得小得多的接触电阻(见第三曲线)。
参照图10A-10E，将讨论制造MEMS开关10的一种示例性的方法。如图10A所示，起初，使用第一掩模(未示出)，在基底12上淀积第一层金属42。如图10B所示，使用第二掩模(未示出)，在第一层金属42上淀积接触和电极金属44。如图10C所示，通过使用第三掩模来淀积第一牺牲层46以及用以形成不受应力的梁14的导电材料48。如图10D所示，通过使用第四和第五掩模(未示出)来淀积第二牺牲层50以及用于闩52的材料。最后，如图10E所示，去除第一和第二牺牲层46、50来产生MEMS开关10。制造MEMS开关10在复杂性方面等同于一种工业集成电路的制造工艺。再有，在基底选择中的灵活性允许相对容易地将MEMS开关10与集成电路的其余部分集成在一起。与制造垂直移动的MEMS开关所需的工序数目相比，此种制造工艺所包含的制造工序也较少。
参照图11，将讨论根据第二实施例的一个MEMS开关10’，在其中，与第一实施例的MEMS开关10相似的部件具有相同的参考数字。MEMS开关10’包括一个设置于基底12之上的、用以控制信号流的初级不受应力的梁54。初级不受应力的梁54在基本上平行于基底12’的方向上是可位移的，以便选择性地与设置于基底12’之上的第一和第二输出接触垫28’、30’建立和断开电接触。初级不受应力的梁54最好具有一种框架结构。MEMS开关10’还包括多个在结构上和电气上与初级不受应力的梁54相耦合的次级不受应力的梁14’。多个次级不受应力的梁14’中的每一个都被设置在第一、第二和第三台架16’、18’、19’内，用以限制多个次级不受应力的梁14’中的每一个在基本上平行于基底12’的方向以外的方向上的位移，多个次级不受应力的梁14’中的每一个还被设置在基底12’上的第一组和第二组控制垫20’、24’之间。第一组和第二组控制垫20’、24’用于提供相对电位。第一、第二和第三台架16’、18’、19’互相电连接(为了便于进行图解，19’的电连接未示出)，以便降低总的开关接触电阻。
多个次级不受应力的梁14’中的每一个都对相对电位作出响应，以便根据相对电位，建立和断开与设置于基底12’之上的第一、第二和第三台架16’、18’、19’的侧壁的电接触。第三台架19’以及第一和第二台架16’、18’防止次级不受应力的梁14’中的每一个与各自的控制垫20’、24’发生接触。更具体地说，若次级不受应力的梁14’中的每一个都相同于第一实施例中的不受应力的梁14，则宽度延伸部分(未示出)就能防止次级不受应力的梁14’与它们各自的控制垫发生接触。
此外，通过以串联方式将多个示于图1的开关组装在一起，就能取消第一和第二输出接触垫28’、30’以及初级不受应力的梁54。在这样一种配置中，如图1所示，每一个不受应力的梁14都具有输出接触垫28、30。一般地说，一个具有多个梁的开关的上述实施例提供了具有m×n个单个开关的开关阵列，它们可以通过并联或串联方式来建立彼此之间的电连接。处于同一行的所有开关10的不受应力的梁14可以被组合为单个不受应力的梁，后者类似于在图11的开关10’中的次级不受应力的梁14’。使用两个或更多个MEMS开关(10或10’)的组合，就能构成一个多极多投MEMS开关。
在操作中，多个次级不受应力的梁14’其中之一可以按照与前面结合图2A所讨论的不受应力的梁14经由台架16、18接收输入信号类似的方式，经由它的第一、第二和第三台架16’、18’、19’去接收一个输入信号，例如RF信号。由于多个次级不受应力的梁14’全部都与初级不受应力的梁54电连接，所以信号从次级不受应力的梁14’被传输到初级不受应力的梁54。例如由次级不受应力的梁14’中的每一个的第二组控制垫24’施加一个电压，使它们朝着第一、第二和第三台架16’、18’、19’的各侧壁产生位移。由于多个次级不受应力的梁14’都从结构上和电气上被连接到初级不受应力的梁54，所以多个次级不受应力的梁14’的位移相应地使初级不受应力的梁54发生位移，直到它同时地与第二输出接触垫28’以及第一、第二和第三台架16’、18’、19’的各侧壁发生接触为止。
这样一来，就在次级不受应力的梁14’、初级不受应力的梁54以及输出接触垫28’之间提供一条信号通路。由于各次级不受应力的梁14’的组合位移使初级不受应力的梁54发生位移，所以，对于与MEMS开关10相同的启动电压和侧向位移来说，初级不受应力的梁54积累了更多的接触力。再有，对于与MEMS开关10相同的接触力和侧向位移来说，启动MEMS开关10’所需的启动电压更低。此外，对于与MEMS开关10相同的接触力和启动电压来说，在MEMS开关10’中可以获得更大的侧向位移。一般来说，MEMS开关10’允许更大的设计灵活性，这将在下面加以讨论。
概括地说，MEMS开关10包括一个非锚式的不受应力的梁14，它可以沿着侧向自由地位移。这种非锚式的不受应力的梁14与各种常规的锚定梁结构相比有许多优点。
具体地，由于它可以自由地移动，所以在操作和制造过程中，在不受应力的梁14中基本上没有应力。再有，基本上没有如同在锚定开关结构中那样因反复弯曲而导致的金属疲劳和最终的塑性变形。减小了的金属疲劳、塑性变形、操作应力和制造应力导致一种比常规的锚定开关更可靠和更长的耐用时间的开关结构。
由于静电力仅被需要来克服在不受应力的梁14两端的可忽略的附着力以及不受应力的梁14在移动时的空气阻力，所以当切换以及将不受应力的梁14保持在一定位置时，MEMS开关10的功率消耗为零，同时只需要低的启动电压。
由于大部分静电力被用于接触，而不是用于弯曲或偏转一个具有固定的锚的结构，所以一个大的接触力能使不受应力的梁14保持在一定位置上。大的接触力还能保证大的接触面积，并相应地减小接触电阻。作为小接触电阻的一个结果，较大的电流可以通过该接触面，而不致过分地产热从而使接触区域损坏。
再有，由于不受应力的梁的重力(纳牛顿)与静电力(数十到数百微牛顿)相比是可以忽略的，所以MEMS开关10可以获得处于亚微秒量级的切换时间。
MEMS开关10还允许较大的设计灵活性。更具体地说，该梁可以使用宽范围的材料和梁形状，它们具有不同的表面硬度以及梁刚性，以便实现针对不同应用的最佳设计。由于弯曲的要求，常规的锚定梁结构仅限于使用某些材料和梁形状。再有，适当地选择梁材料和表面硬度，就能使接触时的静摩擦问题最小化。在出现静摩擦的情况下，反极性的电压能提供分离力，以便使接触处分离。
MEMS开关10不需要一个具有延长的几何尺寸的梁来提供弯曲的灵活性。因此，有可能制造出一种非常紧凑的开关，同时开关的布局设计也更加灵活，以便优化射频性能，并且当MEMS开关10处于关断状态时，能改进隔离度。
MEMS开关10’提供进一步的独特的优点。对于相同量的侧向位移和启动电压来说，通过增加开关10’的阵列大小，就能增加开关的接触力，从而获得低的接触电阻以及大功率处理能力。对于相同量的接触力和启动电压来说，通过增加开关10’的阵列大小就能增加开关的侧向位移，实现更大的输入和输出分离，从而在输入和输出之间实现更大的射频信号隔离。对于相同量的接触力和侧向位移来说，通过增加开关10’的阵列大小还能降低开关的启动电压，由此提供更宽广的商业应用进入机会。开关10’在优化接触材料以便得到更宽范围的接触力方面甚至有更大的设计灵活性。开关10’的多个次级不受应力的梁14’提供了一种积累的力，它用作一种自修复机制，用以消除一个或多个次级不受应力的梁14’与在第一、第二和/或第三台架16’、18’、19’的一个接触位置之间的静摩擦问题。
以上的说明是针对本发明的优选实施例的，应当理解，在不背离所附权利要求的范围和合理意义的前提下，可以对本发明作出修改、变更或改变。
权利要求
1.一种微型机电系统开关，包括基底；被设置在基底之上并且处于第一和第二台架内的不受应力的梁，第一和第二台架被设置在基底之上，以限制不受应力的梁在基本上不平行于基底的方向上的位移；以及被设置在不受应力的梁的第一纵侧面附近的一组一个或多个控制垫，用以在不受应力的梁的第一纵侧面上产生一个电位，其中，该不受应力的梁可以按照所述电位沿着基本上平行于基底的方向产生位移，用以提供一条信号通路。
2.如权利要求1所述的微型机电系统开关，其中，第一和第二台架还用于接收输入信号。
3.如权利要求1所述的微型机电系统开关，还包括一个输出接触垫，它被设置在基底之上，并且处于不受应力的梁的第一纵侧面的附近，其中，该输出接触垫用于与不受应力的梁电耦合，以便当所述一个或多个控制垫产生所述电位时，在所述输出接触垫、不受应力的梁以及第一和第二台架之间提供所述信号通路。
4.如权利要求3所述的微型机电系统开关，还包括另一组一个或多个控制垫，它们被设置在基底之上，并且处于不受应力的梁的第二纵侧面的附近，用以在不受应力的梁的第二纵侧面上产生另一个电位；以及另一个输出接触垫，它被设置在基底之上，并且处于不受应力的梁的第二纵侧面的附近。
5.如权利要求4所述的微型机电系统开关，其中该组一个或多个控制垫以及所述另一组一个或多个控制垫还用于在不受应力的梁的第一和第二纵侧面之间产生一个相对电位，该相对电位基于所述电位与所述另一个电位之间的差值；以及当该相对电位大于或等于一个阈值电位时，该不受应力的梁朝向所述输出接触垫发生位移，并与之保持接触，或者朝向所述另一个输出接触垫发生位移，并与之保持接触。
6.如权利要求5所述的微型机电系统开关，其中该基底是透明的；以及当该不受应力的梁与所述输出接触垫和所述另一个输出接触垫中的第一个发生接触时，该不受应力的梁还用于允许光信号通过基底而被传输，当该不受应力的梁与所述输出接触垫和所述另一个输出接触垫中的第二个发生接触时，该不受应力的梁用于阻断光信号。
7.如权利要求5所述的微型机电系统开关，其中，该不受应力的梁在其顶部表面上含有一个反光层，用于当该不受应力的梁与所述输出接触垫和所述另一个输出接触垫中的第一个发生接触时反射光信号，当该不受应力的梁与所述输出接触垫和所述另一个输出接触垫中的第二个发生接触时允许该光信号被吸收。
8.如权利要求5所述的微型机电系统开关，其中该不受应力的梁包括一个反光镜；该组一个或多个控制垫以及所述另一组一个或多个控制垫中的每一组都包括至少两个控制垫，该组一个或多个控制垫中的至少两个控制垫分别面对所述另一组一个或多个控制垫中的至少两个控制垫；当在非面对的各控制垫之间产生相对电位时，不受应力的梁可以按照该相对电位来产生角位移，以便使光信号按照不受应力的梁的角位移来产生位移；以及当在面对的各控制垫之间产生相对电位时，不受应力的梁还可以按照该相对电位来产生侧向位移，以便使光信号沿着垂直于不受应力的梁的方向产生位移。
9.如权利要求3所述的微型机电系统开关，其中，不受应力的梁包括宽度延伸部分，这些部分分别位于第一和第二台架以内以及面对着所述输出接触垫，以便防止不受应力的梁基本上与该组一个或多个控制垫以及所述另一组一个或多个控制垫产生电连接。
10.如权利要求1所述的微型机电系统开关，其中，第一和第二台架中的每一个都包括一个延伸的侧壁，用以限制不受应力的梁的水平位移。
11.如权利要求10所述的微型机电系统开关，其中，第一和第二台架中的每一个都包括一个梁闩，用以基本上防止不受应力的梁产生垂直位移。
12.如权利要求1所述的微型机电系统开关，还包括基本上与该不受应力的梁相同的至少一个附加的不受应力的梁；以及一个从结构上和电气上被连接到该不受应力的梁以及至少一个附加的不受应力的梁的初级不受应力的梁；其中，该初级不受应力的梁可以沿着基本上与基底平行的方向产生位移，用于提供所述信号通路，作为所述至少一个附加的不受应力的梁以及该不受应力的梁的位移的结果。
13.一种微型机电系统开关，包括一个被设置在基底之上并且响应一个相对电位以控制信号流的不受应力的梁，其中，该不受应力的梁可以沿着基本上平行于基底的方向产生位移，以便根据该相对电位，选择性地与设置在基底之上的一个输出接触垫建立或断开电接触；以及被设置在基底之上的第一和第二台架，用以限制不受应力的梁在基本上平行于基底的方向以外的方向上的位移。
14.如权利要求13所述的微型机电系统开关，其中，第一和第二台架中的每一个都包括一个梁闩，用以基本上防止不受应力的梁的垂直位移，还包括一个延伸的侧壁，用以限制不受应力的梁的水平位移。
15.如权利要求13所述的微型机电系统开关，还包括被设置在基底之上的第一和第二控制垫，用以提供所述相对电位。
16.如权利要求15所述的微型机电系统开关，其中，不受应力的梁在纵向上具有不同的宽度，用以限制位移，并且用以防止与第一和第二控制垫发生接触。
17.如权利要求15所述的微型机电系统开关，还包括被设置在基底之上的另一个输出接触垫，其中，该不受应力的梁还可以沿着基本上平行于基底的方向产生位移，以便根据所述相对电位，选择性地与所述输出接触垫或所述另一个输出接触垫建立或断开电接触。
18.如权利要求13所述的微型机电系统开关，其中，该不受应力的梁还包括一个反光层，用以根据所述相对电位来反射光信号。
19.如权利要求13所述的微型机电系统开关，其中，该基底是透明的，以便允许光信号通过；以及该不受应力的梁还用于根据所述相对电位来反射光信号。
20.一种微型机电系统开关，包括一个被设置在基底之上并且用于控制信号流的初级不受应力的梁，其中，该初级不受应力的梁可以沿着基本上平行于基底的方向产生位移，以便选择性地与设置在基底之上的一个输出接触垫建立或断开电接触；以及在结构上和电气上被连接到初级不受应力的梁的多个次级不受应力的梁，其中，多个次级不受应力的梁中的每一个都被设置在第一、第二和第三台架以内，用以限制多个次级不受应力的梁中的每一个在基本上平行于基底的方向以外的方向上的位移，其中，多个次级不受应力的梁中的每一个都可以响应于一个相对电位而发生位移，以便沿着基本上平行于基底的方向产生位移，使初级不受应力的梁相应地产生位移，以及其中，多个次级不受应力的梁中的一个还用于接收输入信号。
21.如权利要求20所述的微型机电系统开关，其中，多个次级不受应力的梁中的每一个都被设置在第一和第二控制垫之间，所述第一和第二控制垫被设置在基底之上，用以提供所述相对电位。
全文摘要
一个微型机电系统(MEMS)开关(10)包括一个基底(12)以及一个被设置在基底(12)之上的不受应力的梁(14)。该不受应力的梁(14)被设置在第一和第二台架(16、18)以内，用以限制不受应力的梁(14)在基本上不平行于基底(12)的方向上的位移。被设置在不受应力的梁(14)的第一纵侧面(22)附近的一组一个或多个控制垫(20)，用以在不受应力的梁(14)的第一纵侧面(22)上产生一个电位。该不受应力的梁(14)可以按照该电位，沿着基本上平行于基底(12)的方向产生位移，以便提供一条信号通路。
文档编号H01H9/40GK1574151SQ20031011976
公开日2005年2月2日 申请日期2003年12月5日 优先权日2003年6月20日
发明者戴维·伊普 申请人:诺思路·格鲁曼公司