专利名称：开关结构的制作方法
技术领域：
本发明的实施例一般涉及用于切换电流的装置，且更具体地涉及微机电开关结构。
背景技术：
断路器是设计成保护电气设备不受电路中的故障导致的损害的影响的电气装置。 传统上，许多常规的断路器包括大体积(宏)机电开关。不幸的是，这些常规的断路器尺寸较大，且可必须使用较大的力来促动切换机构。另外，这些断路器的开关一般以相对低的速度操作。此外，这些断路器构造起来复杂，并且从而制造昂贵。另外，当常规断路器中的切换机构的触头在物理上分开时，有时可在触头之间形成电弧，该电弧允许电流继续流过开关， 直到电路中的电流停止为止。而且，与电弧相关联的能量可严重地损害触头，以及/或者对人员造成烧伤危险。作为慢机电开关的备选方案，相对快速的固态开关已经用于高速切换应用中。 这些固态开关通过电压或偏压的受控制的应用来在导电(conducting)状态和非导电 (non-conducting)状态之间切换。但是，因为当固态开关切换到非导电状态中时，它们不在触头之间产生物理间隙，所以当名义上不导电时，它们会经受泄漏电流。此外，由于内部阻抗的原因，在导电状态中操作的固态开关会经受电压降。电压降和泄漏电流两者在正常的操作环境下会促成功率耗散和过热的产生，这对开关性能和寿命可能是有害的。而且，至少部分由于与固态开关相关联的固有泄漏电流的原因，固态开关不可能在断路器应用中使用。基于切换装置的微机电系统(MEMS)可对以上针对某些电流切换应用所描述的宏机电开关和固态开关提供有用的备选方案。基于MEMS的开关往往在设置成传导电流时具有低电阻，且在设置成中断通过其中的电流时具有低的(或没有)泄漏。另外，期望基于 MEMS的开关比宏机电开关展现更快的响应时间。
发明内容
在第一个方面，提供了一种诸如开关结构的装置，该装置包括在一些情况下设置在基底上的触头和导电(conductive)元件。导电元件可构造成可选择性地在非接触位置和接触位置之间运动，在非接触位置上，导电元件与触头分开(例如，分开小于或等于约 4 μ m的距离，而在一些情况下分开小于或等于约1 μ m)，而在接触位置上时，导电元件与触头接触，且与触头建立电连通。当导电元件设置在非接触位置上时，触头和导电元件可构造成支持在其之间的、带有大于320νμ πΓ1的量值的电场(例如，由于其之间的至少约330V的电势差的原因)。在一些实施例中，触头和导电元件可为微机电装置的一部分，且导电元件可具有大于或等于IO3HT1的表面积对体积比率。导电元件可构造成当在接触位置和非接触位置之间运动时经历变形。导电元件可包括悬臂。触头或导电元件中的至少一个可具有构造成使得当导电元件在非接触位置上时触头和导电元件之间的静电力小于使导电元件和触头接触所需的力的有效接触表面积(例如，小于或等于约100 μ m2)。在一些实施例中，触头和导电元件可构造成在导电元件设置在非接触位置上时将它们之间的电流限制到约 μΑ或更小。在一些实施例中，当导电元件设置在非接触位置上时，触头和导电元件可构造成保持在以至少约330V的振幅和以小于或等于约40GHz的频率振荡的电势差处，或保持在至少约330V的电势差处达至少约1 μ s的时间。在一些实施例中，装置可包括与触头或导电元件中的至少一个电连通且构造成供应至少约330V的电压的功率源。该功率源可构造成当导电元件设置在接触位置上时供应至少约ImA的电流。在另一方面，提供了一种诸如开关结构的装置，该装置包括触头和导电元件。导电元件可构造成可选择性地在非接触位置和接触位置之间运动，在非接触位置上，导电元件与触头分开，在接触位置上，导电元件与触头接触，且与触头建立电连通。当导电元件设置在非接触位置上时，触头和导电元件可构造成保持在至少约330V的电势差处。
在参照附图阅读以下详细描述时，将更好地理解本发明的这些和其它特征、方面及优点，在附图中，相同标号在整个图中表示相同部件，其中图1是根据一个实例实施例构造的开关结构的示意性透视图；图2是图1的开关结构的示意性侧视图；图3是图1的开关结构的示意性分裂的透视图；图4是在断开位置上的、图1的开关结构的示意性侧视图；图5是在闭合位置上的、图1的开关结构的示意性侧视图；图6Α是图1的开关结构的示意性侧视图，该开关结构包括保持在相同电势处的梁和触头；图6Β是在图6Α中标示为6Β的区域的放大视图；图7Α是图1的开关结构的示意性侧视图，其中，梁和触头分别保持在不同的电势处；图7Β是在图7Α中标示为7Β的区域的放大视图；图8是根据另一个实例实施例构造的开关结构的示意性侧视图；图9Α是根据又一个实例实施例构造的开关结构的示意性侧视图，该开关结构包括梁和触头；图9Β是图9Α的开关结构的梁的示意性透视图；图10是显示了梁的表面的粗糙程度的、在图4中标示为10的区域的放大视图；图11是显示了梁的表面和触头的表面之间的接触的细节的、在图5中标示为11 的区域的放大视图；图12Α-Ε是表示了制造根据一个实例实施例构造的开关结构的过程的示意性侧视图。部件列表100开关结构
102触头
104悬臂梁
106锚件(anchor)
108基底
110电极
112负载功率源
114表面
116表面
202触头
204梁
208基底
210门电极
214表面21 有效接触表面220介电层302触头304梁316表面316a有效接触表面320介电层402触头404梁408基底410电极430二氧化硅432粘合层434晶种层(seed layer)436金属层438光刻胶(Photoresist)
具体实施例方式下面参照附图对本发明的实例实施例进行详细描述，在附图中，相同参考标号在所有图中表示相同部件。这些实施例中的一些可处理上述和其它需要。参看图1-3，其中显示了根据一个实例实施例构造的开关结构100的多个示意图。 开关结构100可包括触头102，该触头102例如可为至少部分由导电材料(例如金属)形成的凸垫(raised pad)。开关结构100还可包括至少部分由导电材料(例如金属)形成的导电元件，例如悬臂梁104。梁104可由锚件106支承，该锚件106可用作将梁连接到下面的支承结构(例如基底108)上。触头102也可由基底108支承。将触头102和梁104设置在基底108上有利于通过微型加工技术(例如，汽相淀积、电镀、光刻法、湿法和干法蚀刻等)生产开关结构100。沿着这些线路，开关结构100可组成微机电装置或MEMS的一部分。例如，触头102和梁104可具有大约几或几十微米或纳米的特征。在一个实施例中，梁104可具有大于或等于IO3HT1的表面积对体积比率。下面进一步论述涉及用于加工开关结构100的可能的方法的细节。基底108还可包括或支承用作对触头102和梁104提供电连接的图案化的(patterned)导电层(未显示)。这些导电层还可使用标准的微型加工技术来加工。参看图1-5，梁104可构造成可选择性地在非接触位置或“断开”位置(例如，图4) 和接触位置或“闭合”位置之间运动，在非接触位置或“断开”位置上，梁与触头102分开，在接触位置或“闭合”位置上，梁与触头接触，且与触头建立电连通。例如，梁104可构造成当在接触位置和非接触位置之间运动时经历变形，从而使得梁在自然状态下(即，在缺少外部施加的力的情况下)设置在非接触位置上，且可变形以便占据接触位置。在其它实施例中，梁104的未变形构造可为接触位置。梁104可包括表面116，所有表面116能够以电的方式被接触(例如，其中，表面为名义上连续的金属平面)。但是，“有效”接触表面积aeff 可比梁104的表面116小得多，且将趋向于由梁和触头102之间的重叠的程度限定。梁104可与负载功率源112连通(例如，通过锚件106)，且触头102可与电负载连通(并且，接着，与大地或一些其它的电流吸收器连通)。负载功率源112可作为电压源和电流源在不同的时间操作。因而，梁104可起电气开关的作用，当梁在接触位置上时，允许负载电流(例如，大于或等于约ImA)通过梁和触头102从负载功率源112流到电气负载， 且否则当梁在非接触位置上时，中断电气路径且防止大的电流从负载功率源流到负载(然而，在一些情况下，1 μ A或更小的小的泄漏电流可流过触头和梁，甚至是当梁在断开位置上时)。开关结构100还可包括电极110。当电极110恰当地充电，使得电极和梁104之间存在电势差时，静电力将起将梁拉向电极(而且还拉向触头10 的作用。通过恰当地选择待施加到电极110上的电压，可通过所引起的足以使梁从非接触(即断开或非导电，除了可能存在的相对小的泄漏电流之外)位置运动到接触(即闭合或导电)位置的静电力(可能连同其它力，例如弹簧所施加的补充机械力)使梁104变形。因此，电极110可相对于开关结构100起“门，，的作用，其中，施加于电极的电压用作控制开关结构的断开/闭合。电极 110可与门电压源(未显示)连通，该门电压源可将选择性门电压Ve施加于电极。触头102和梁104可构造成当梁在非接触位置上时分开小于或等于约4 μ m的距离d，并且在一些实施例中小于或等于约1 μ m。也就是说，当处于未变形构造中时，梁104 可一贯地保持在距触头102有4 μ m或更少的、并且有时1 μ m或更少的距离处(与在切换事件期间的一些瞬间时刻可占据距对应的触头为4μπι或更少的位置、但是在其它情况下更加一贯地设置成离触头有更大距离的开关相反)。触头102和梁104还可构造成当梁在非接触位置上时分开大于或等于IOOnm的距离d。负载功率源112可选择性地提供负载电压\，该负载电压\足以在触头102和梁 104之间建立带有大于320νμ πΓ1的量值的电场和/或至少330V的相对电势差。例如，触头102和梁104可构造成保持在至少320V的相对电势差下比瞬态期长，且分开1 μ m或更小的距离，或者有时保持在至少330V的相对电势差下比瞬态期长，且分开4 μ m或更小的间距。在一些实施例中，当梁104设置在非接触位置上时，触头102和梁可构造成保持在以至少约330V的振幅和小于或等于约40GHz的频率振荡的电势差处。在其它实施例中，当梁 104设置在非接触位置上时，触头102和梁可构造成保持在至少约330V的电势差处达至少约1 μ S的时间。在任何一种情况下，梁104和触头102都可构造成经受住不止仅仅是少量 (trivial)时间内存在的相对电势差。申请人:已经发现，在大气压力下的空气的环境中，在处于非接触位置上时的梁 104(或其它可动的导电元件)和触头102之间保持小于或约等于4μπκ但是通常大于约 50nm的间距d往往抑制梁和触头之间的电弧形成，即使是对于在梁和触头之间存在330V或更大的电势差的情况。这与公认的概念相反，公认的概念的经受320V μ πΓ1或更大的电场或者经受330V或更大的电势差且分开大约4μπι或更少(但是大于约50nm左右)的距离的相对的微米级开关构件将往往在其间形成电弧。具体而言，一般期望的是带不同电荷且紧密隔开的开关构件(通过包括电镀法、汽相淀积以及光刻法的传统的微型加工法形成的那些构件)的这种构造将导致构件之间的空间的击穿，例如因为主体之间的区域中的气体颗粒的离子化和/或由于主要电场的影响而造成电子从至少一个主体中发射出来。对于约 50nm或更小的分离间距来说，可期望场发射效应控制装置的整个电气行为。如之前所提到的那样，在电极110和梁104之间建立电势差在梁和电极之间引起静电力。类似地，当触头102和梁104之间存在电势差时(例如，当梁在非接触位置上且八 > O时)，则静电力Fe将把梁吸引到触头(此现象在本文中称为“自促动”)。作为实例，参看图1、6A、6B、7A和7B，开关结构100可充当可构造成提供选择性的电压\和负载电流IJ当是完整电路的一部分时)的负载功率源112和由&表示的负载之间的开关。在一个时间(由图6A-B表示)处，门电压Ve可设置成零(例如当梁104意在占据非接触位置时)，且\可设置成零，从而使得触头102和梁位于相同的电势处。在这种情况下，梁104与触头102分开距离d。在另一个时间(由图7A-B表示)处，Ve仍然为零，且负载功率源112供应电压八 = 330V。触头102和梁104现在相对于彼此处于不同的电势处。因此，相反的极性的电荷分别在触头103的表面114处和在与接触表面114相对的梁104的表面的一部分P处聚集。建立了起到将触头102和梁104吸引到一起的作用的静电力Fe，且梁相对于其自然构造(即不存在Fe的情况下的其构造)偏移距离δ。假定触头102在Fe的影响下变形很小， 则梁104与触头分开距离de = d- δ。申请人已经观察到，在一些情况下，自促动可足以导致开关的无意识的闭合，这相当于开关故障。因此，在设计开关结构时必须考虑自促动。在下面对这一点进行进一步论述。将触头102和梁104当作平行板电容器，基础静电理论认为触头和梁之间的静电力Fe的量值与触头和梁之间的电势差V的平方成正比，与使触头和梁分开的距离de的平方成反比，且与触头和梁在其上相对的面积A成正比，且粗略地通过下式给出静电力Fe的量值^>導(1)其中，ε。是空气的介电常数。假定重叠面积A包括梁104的整个宽度w(图2)， 重叠面积A将仅为梁和触头103在其上重叠的长度L。(图幻乘以宽度W。假使大负载电压八(在一些情况下> 330V或更大)由开关结构100(在一些情况下)以及触头102和梁104之间的小间距d(和在存在静电力Fe的情况下的甚至更小的间距d)而保持截止(hold off)，Fe具有相对高且可能足以使梁与触头接触的潜能。在电极110上的门电压Ve意在单方面地确定开关结构100是断开还是闭合的实施例中，在设计开关结构时必须将力Fe考虑在内，以便确保避免由于Fe的影响造成的无意识的开关闭合。具体而言，为了避免由于自促动造成的开关结构100的非故意的闭合，梁104和触头102必须设计成使得吸引力Fe(如下所述，除了别的之外，该吸引力Fe还与触头的面积a有关)导致梁偏转，该偏转小于梁距触头的自然间距。这在下面有更加详细的论述。如果假定静电力Fe施加在梁104的自由端部处且锚件106中发生了非常小的变形，则基础梁理论表明，由于&造成的梁104的偏转量δ大致通过下式给出
权利要求
1.一种装置，包括触头(102)；以及构造成可选择性地在非接触位置和接触位置之间运动的导电元件(104)，在所述非接触位置上，所述导电元件与所述触头分开，在所述接触位置上，所述导电元件与所述触头接触，且与所述触头建立电连通，其中，当所述导电元件设置在所述非接触位置上时，所述触头和所述导电元件构造成支持在其之间的、带有大于βΖΟνμπΓ1的量值的电场。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，当所述导电元件设置在所述非接触位置上时，所述触头和所述导电元件构造成保持在至少约330V的电势差处。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，当所述导电元件设置在所述非接触位置上时，所述触头和所述导电元件构造成分开小于或约等于4 μ m的距离。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述导电元件构造成当在所述接触位置和所述非接触位置之间运动时经历变形。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述导电元件包括悬臂。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述导电元件构造成当在所述接触位置和所述非接触位置之间运动时经历变形，并且其中，所述触头或所述导电元件中的至少一个具有构造成使得当所述导电元件在所述非接触位置上时所述触头和所述导电元件之间的静电力小于使所述导电元件和所述触头接触所需的力的有效接触表面积。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，当所述导电元件设置在所述非接触位置上时，所述触头和所述导电元件构造成保持在以至少约330V的振幅且以小于或等于约 40GHz的频率振荡的电势差处。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，当所述导电元件设置在所述非接触位置上时，所述触头和所述导电元件构造成保持在至少约330V的电势差处达至少约1 μ s的时间。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括基底(108)，并且其中，所述触头和所述导电元件设置在所述基底上。
10.一种装置，包括触头(102)；以及构造成可选择性地在非接触位置和接触位置之间运动的导电元件(104)，在所述非接触位置上，所述导电元件与所述触头分开，在所述接触位置上，所述导电元件与所述触头接触，且与所述触头建立电连通，其中，当所述导电元件设置在所述非接触位置上时，所述触头和所述导电元件构造成保持在至少约330V的电势差处。
全文摘要
本发明涉及一种开关结构，具体而言，提供了一种诸如开关结构(100)的装置，该装置包括触头(102)和导电元件(104)。该导电元件可构造成可选择性地在非接触位置和接触位置之间运动，在非接触位置上，导电元件与触头分开(在一些情况下，分开小于或等于约4μm的距离，而在其它情况下，分开小于或等于约1μm的距离)，在接触位置上，导电元件与触头接触，且与该触头建立电连通。当导电元件设置在非接触位置上时，触头和导电元件可构造成支持在其之间的、带有大于320Vμm-1的量值的电场和/或约330V或更大的电势差。
文档编号H01H1/00GK102176391SQ20101025836
公开日2011年9月7日 申请日期2010年8月13日 优先权日2009年8月14日
发明者C·F·凯梅尔, D·帕特罗, K·V·S·R·基肖尔, K·苏尔布拉马尼安, M·F·艾米, O·普拉卡什, S·班萨尔, V·K·辛哈, 王雪峰 申请人:通用电气公司