专利名称：开关结构的制作方法
技术领域：
本发明的实施例大体涉及用于开关电流的装置，并且更具体而言涉及微机电开关 结构。
背景技术：
断路器是设计成保护电气装备免受电路中的故障导致的损害的电气装置。在传统 上，许多传统的断路器包括大体积(宏)机电开关。不幸的是，这些传统的断路器在大小上 较大，可能必须使用较大的力来启动开关机构。另外，这些断路器的开关大体而言以相对低 的速度操作。此外，这些断路器建立起来可能复杂并且因此制造昂贵。另外，当传统的断路 器中的开关机构的触头在物理上分开时，有时可在它们之间形成电弧，该电弧允许电流继 续流过开关，直到电路中的电流中断为止。此外，与电弧相关联的能量可严重地损害触头， 并且/或者对人员造成烧伤的危险。作为慢速机电开关的备选方案，已经在高速开关应用中采用了相对快速的固态开 关。这些固态开关通过受控地施加电压或偏置来在导通状态和非导通状态之间切换。但是， 因为固态开关在它们切换到非导通状态时不在触头之间产生物理间隙，所以在名义上非导 通时，固态开关会经历泄露电流。此外，由于内部电阻的原因，在导通状态中操作的固态开 关会经历电压降。在正常操作情形下，电压降和泄露电流两者都会助长功率耗散及产生过 量的热量，这可对开关性能和寿命有害。此外，至少部分地由于与固态开关相关联的固有泄 露电流的原因，在断路器应用中使用固态开关是不可行的。基于微机电系统(MEMS)的开关装置可对上面针对某些电流开关应用所描述的宏 机电开关和固态开关提供有用的备选方案。基于MEMS的开关在设定成导通电流时往往具 有低的电阻，并且在设定成中断通过其中的电流流动时具有低的(或没有)泄露。另外，期 望基于MEMS的开关比宏机电开关展现更快速的响应时间。
发明内容
在一方面，提供了一种装置，例如开关结构。该开关结构可包括各自分别设置在衬 底上的触头和导电元件。导电元件可基本由金属材料组成，并且可构造成可在第一位置和 第二位置之间变形，在第一位置上，导电元件与触头隔开一段间距，而在第二位置上，导电 元件接触触头(并且在一些情况下，与触头建立电连通)，并且存储机械能(例如，足以促使 导电元件在没有外力的情况下基本呈现第一位置的机械能)。例如，导电元件可包括悬臂、 双端固定梁、扭转元件和/或隔膜。开关结构可包括电极，电极设置在衬底上，并且构造成 以便被充电，以便施加配置成朝向第二位置驱动导电元件的静电力。导电元件可进一步构造成使得在介于约室温和金属材料的熔化温度的约一半之 间的温度处变形到第二位置上达至少IO7秒的累计时间之后，间距在没有外力的情况下 经过该累计时间改变小于20%。导电元件可包括从衬底延伸的锚固部，以及具有联接到 该锚固部上的端部以便从锚固部如悬臂那样伸出的梁。梁和锚固部可在它们之间限定角度，并且导电元件可构造成使得在介于约室温和金属材料的熔化温度的约一半之间的温度 处变形到第二位置上达至少IO7秒的累计时间之后，该角度在没有外力的情况下改变小于 0.1%。另外或备选地，导电元件可构造成使得当导电元件在介于约室温和金属材料的熔化 温度的约一半之间的温度处变形到第二位置上时，锚固部中的最大非局部化稳态应变率保 持小于约ΙΟ—1、—1。在一些情况下，导电元件可构造成使得导电元件最初变形到第二位置上 会在锚固部中引起第一弹性应变，而且导电元件在介于约室温和金属材料的熔化温度的约 一半之间的温度处变形到第二位置上达至少IO7秒的累计时间之后，锚固部经历小于第一 弹性应变的约一半的最大非局部总塑性应变。在一些实施例中，金属材料可包括至少65%原子百分比的镍和至少原子百分 比的钨的合金，而导电元件可构造成使得当该导电元件在第一位置和第二位置之间变形 时，锚固部中的应力小于lOOOMPa。在其它实施例中，金属材料可包括至少80%原子百分比 的金，而该导电元件可构造成使得当导电元件在第一位置和第二位置之间变形时，锚固部 中的应力小于20MPa。在一些实施例中，梁可具有小于梁的厚度的约200倍且还小于间距的约1000倍的 长度。另外，触头可设置成以便在由交迭长度限定的区上与导电元件相对，该交迭长度在悬 臂梁的自由端的20%内。触头和导电元件可为微机电装置或纳米机电装置的一部分，并且 导电元件可具有大于或等于IO3HT1的表面积-体积比率。触头和导电元件可分别连接到电路的第一侧和第二侧上，该第一侧和第二侧处于 不同的电势。导电元件在第一位置和第二位置之间的变形可起作用来分别传递和中断通过 其中的电流。第一侧可包括构造成以便供应在小于或等于约IkHz的频率处振荡的至少ImA 的电流的电源。在另一方面，提供了一种方法，该方法包括提供衬底，在衬底上形成触头，以及在 衬底上形成基本由金属材料制成的导电元件(比如说，具有大于或等于IO3HT1的表面积-体 积比率)。导电元件可形成为以便包括从衬底延伸的锚固部，以及具有联接到锚固部上的端 部以便从锚固部如悬臂那样伸出的梁，锚固部和梁在它们之间限定角度。导电元件可在介 于约室温和金属材料的熔化温度的约一半之间的温度处在第一位置和第二位置之间变形， 在第一位置上，导电元件与触头分开一段间距，而在第二位置上，导电元件接触触头且存储 能量，其中导电元件占据第二位置达至少IO7秒的累计时间。在使导电元件变形之后，可从 导电元件上去除外力，从而使得导电元件返回到第一位置，角度改变小于0. 1%。在一些实 施例中，可在衬底上形成电极，电极构造成以便建立这样的静电力该静电力配置成朝向第 二位置驱动导电元件。而且，触头和导电元件可封闭在衬底和保护盖之间。触头和导电元件可分别连接到电路的相对的侧上，当相对的侧断开连接时，相对 的侧处于不同的电势。导电元件可在第一位置和第二位置之间选择性地变形，以便分别传 递和中断通过其中的电流。权利要求23的方法，其中，使导电元件在第一位置和第二位置 之间选择性地变形，以便分别传递和中断通过其中的电流(比如说，具有至少约ImA的幅度 和小于或等于约IkHz的振荡频率)。
在参照附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，在附图中，同样的标号在所有图中表示同样的部件，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段透视图；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6A-C是表示梁在接触位置和非接触位置之间的移动的、图1的开关结构的侧视 图；图7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8是图7的开关结构的示意性侧视图；图9是图7的开关结构的示意性分段透视图；图10A-E是表示用于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；图11是根据另一个实例实施例构造的开关结构的示意性透视图；图12是图11的开关结构的示意性侧视图；图13是图11的开关结构的示意性分段透视图；图14是根据又一个实例实施例构造的开关结构的示意性透视图；图15是图14的开关结构的示意性侧视图；图16是图14的开关结构的示意性分段透视图；图17是根据另外的又一个实例实施例构造的开关结构的示意性透视图；以及图18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。部件列表100开关结构102角虫头104悬臂梁106锚固部107 基部108 衬底110 电极112门电压源114 电路116电路的第一侧118电路的第二侧120 电源122电气负载200开关结构202 触头204悬臂梁205梁端部
206锚固部
207基部
208衬底
210电极
302触头
304梁
308衬底
310电极
330 二氧化硅
332粘结层
334种子层
336金属层
338光致抗蚀剂
400开关结构
402触头
404悬臂梁
404a第一梁部分
404b第二梁部分
406锚固部
407基部
408衬底
410电极
500开关结构
502触头
502a、502b触头结构
504悬臂梁
506锚固部
507基部
510电极
600开关结构
604导电元件
604a、604b 第一悬臂
604c第二梁部分
700开关结构
702触头
704梁
709突起
710电极
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的若干个示意 图。开关结构100可包括触头102，触头102例如可为至少部分地由导电材料(例如金属) 形成的垫。开关结构100还可包括基本由导电材料(例如金属)形成的导电元件，例如悬 臂梁104。在一些实施例中，导电元件还可包括其它特征，诸如例如，梁104和/或触头垫上 的保护性(以及可能是非导电性的)涂层，该涂层比如说设置在意在接触触头102(在下面 进一步论述)的梁的一部分上。梁104可由锚固部106和基部107支承，锚固部106和基 部107可与梁结合，并且可起将梁连接到下面的支承结构(例如衬底108)上的作用。触头 102也可由衬底108支承。将触头102和梁104设置在衬底108上可有利于通过传统的微细加工技术(例如， 电镀、气相沉积、光刻法、湿法和/或干法蚀刻等)来生产开关结构100。沿着这些线路，开 关结构100可组成微机电装置或纳米机电装置或微机电系统(MEMS)的一部分。例如，触头 102和梁104可具有大约几或几十微米和/或纳米的尺寸。在一个实施例中，梁104可具有 大于或等于IO8HT1的表面积-体积比率，而在另一个实施例中，该比率可更接近ΚΛιΓ1。关 于用于制造开关结构100的可能的方法的细节会在下面进行进一步论述。衬底108还可包括或支承传统的半导体装置和/或构件，诸如例如，金属氧化物 半导体场效应晶体管(MOSFET)和用来提供连接到其上及连接在其间的电连接的图案化的 导电层(未显示)。这种图案化的导电层还可对触头102和梁104提供电连接(通向后者 (梁)的连接例如通过锚固部106和基部107)，在图1和2中示意性地显示了这些连接，并 且在下面对其有所描述。像开关结构100的特征一样，可使用传统的微细加工技术来加工 半导体装置和导电层。在一个实施例中，衬底108可为已经处理成包括一个或多个MOSFET 的半导体晶片，开关结构100和其它电路形成于该晶片的表面上。开关结构100可设置在 MOSFET中的一个之上(例如，垂直于晶片的表面的线将与MOSFET和开关结构两者相交)， 并且可与MOSFET —起操作(在下面进一步论述)。在其它实施例中，衬底108可由除了半 导体晶片之外的材料形成，包括例如金刚石、蓝宝石、石英、聚酰亚胺、绝缘金属衬底等。参看图1-5，梁104可构造成以便选择性地在第一非接触位置或“断开”位置(例 如图4)和第二接触位置或“闭合”位置(例如图5)之间移动，在第一非接触位置或“断开” 位置上，梁与触头102分开间距d，在第二接触位置或“闭合”位置上，梁与触头发生接触，并 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移动时经历 变形，使得梁自然地设置(即在没有外部施加的力的情况下)在非接触位置上，并且可变形 以便占据接触位置，同时将机械能存储在其中。在其它实施例中，梁104的无形变构造可为 接触位置。开关结构100还可包括电极110。当电极110被恰当地充电，使得电极和梁104之 间存在电势差时，静电力将起朝向电极(而且还朝向触头10 拉动梁的作用。通过恰当地 选择待应用于电极110的电压，可通过足以使梁从非接触(即断开或非导通)位置移动到 接触(即闭合或导通)位置的所产生的静电力来使梁104变形。因此，电极110可相对于 开关结构100起“门”的作用，应用于电极的电压(称为“门电压”)起控制开关结构的断开/闭合的作用。电极110可与门电压源112连通，该门电压源可将选择性门电压VG应用于 电极。触头102和梁104可充当电路114的一部分。例如，电路114可具有第一侧116 和第二侧118，当彼此断开连接时，该第一侧116和第二侧118相对于彼此处于不同的电 势(因为其中仅一侧连接到电源120上)。触头102和梁104可分别连接到电路114的侧 116,118中的任何一个上，从而使得梁在第一位置和第二位置之间的变形起分别传递和中 断通过其中的电流的作用。梁104可以以一定频率(均勻或不均勻的)重复地移动成与触 头102接触及不接触，该频率由其中使用了开关结构100的应用确定。当触头102和梁104 彼此分开时，触头和梁之间将存在电势差和电压差，并且这个电压差称为“关态电压”。在一个实施例中，梁104可与电源120连通(例如通过锚固部106和基部107)， 并且触头102可与呈现例如负载电阻RL的电气负载122连通。电源120可在不同的时间 操作为电压源和电流源。因而，梁104可充当电气开关，从而允许当梁在接触位置上时，负 载电流(比如说，具有大于或等于约ImA的幅度和小于或等于约IkHz的振荡频率)从电源 120起流过梁和触头102且流到电气负载122，而否则当梁在非接触位置上时，中断电气路 径，并且阻止电流从电源流到负载。以上指出的电流和开关频率可用于相对更高的功率分 配应用中。在其它实施例中，例如其中开关结构100将用于发送信号的环境(通常在相对更 低的功率处操作)的应用中，电源120可提供具有IOOmA或更小(以及小到1 μ A的范围) 的幅度和大于IkHz的振荡频率的电流。上述开关结构100可用作包括其它开关结构(无论在设计上类似的还是不同的) 的电路的一部分，以便增大整个电路的电流和电压容量。例如，开关结构可以串联及并联两 种方式来排列，以便有利于在开关结构断开时的关态电压的期望分配(例如电压在开关结 构之间的相对均勻分配)和在开关结构闭合时的电流的期望分配(例如电流在开关结构之 间的相对均勻分配)。在开关结构100的操作期间，梁104可经历促使梁在第一位置和第二位置之间变 形(即与触头102接触和不接触)的外部施加的力，例如由上述电极110产生的静电力。在 室温以上但是通常低于基本形成梁的材料的熔化温度的50%或甚至30%的环境温度(使 用温度)处，可施加这些力，并且开关结构100可操作。另外，对于其中期望开关结构100 拥有几年左右的有用寿命的应用(例如，相对更高的功率分配应用)而言，梁104可保持与 触头102接触至少IO4秒的累计时间，并且在一些情况下接触大于IO6秒或者甚至IO8秒。 更进一步，当变形以便接触触头102时，梁104可经历相对高的应力，应力的幅度取决于开 关结构100的几何结构和基本形成梁的材料。作为以上内容的一个实例，开关结构100可包括由镍(Ni)-12%原子百分比的钨 (W)形成的悬臂梁104，长度L为约100 μ m，纵横比(长度L比厚度t)为约25比1，距触头 102的间距d为约1-3 μ m，其中，触头定位成与梁的自由端相对，并且与梁交迭达距离L。。对 于这种几何结构而言，当梁变形以便接触触头102时，梁104和/或锚固部106的很大一部 分中可存在大于IOOMPa以及多达600MPa或更大的应力。如之前所提到的那样，在一些应 用中，可能要求梁104和/或锚固部106承受这个应力达一定时间(在使用状态下，其可为 长达IO4秒，或长于IO4秒或甚至为IO8秒)而无故障。期望这些应力与可能存在于应力集 中区域周围(例如在几何不规则处、表面粗糙处和缺陷处周围)的高度局部化且通常是瞬间的应 力分开。为了恰当地操作包括悬臂梁(或其它可变形的接触结构)和相关联的触头的开关 结构(例如开关结构100)，通常意在梁如由促使梁接触触头的外力的存在或不存在(例如， 与电极110相关联的门电压和对应的静电力的存在或不存在)确定的那样呈现接触位置或 非接触位置。但是，许多调查人员已经观察到，包含金属的微米级悬臂梁(或其它可变形的 接触结构)的开关结构往往会发生故障，从而使得开关结构的行为不是所预期的那样。这 些故障一般归因于与表面粘结有关的问题。具体而言，考虑到微米级梁(或其它可变形的 接触结构)中存在大的表面积-体积比率，与消除自由表面(梁在此处接触相关联的触头 垫)相关联的能量减少相对于在变形期间存储在梁中的机械能而言可能并非微不足道，或 者甚至更高。因而，理论表明，悬臂梁和相关联的触头在去掉外力(其否则促使悬臂梁和相 关联的触头两者发生接触)之后还保持粘结，因为梁的内部应变能不足以致使梁与触头分 开。与主流理论相反，申请人已经观察到，包括金属的小型悬臂梁的开关结构的故障 通常不是由于梁和相关联的触头的粘结引起的，而是主要由于梁的未变形的构造的变化引 起的。也就是说，当施加外力促使梁与相关联的触头接触时，梁会经历随时间变化的塑性变 形，也称为“蠕变”。当梁经历随时间变化的塑性变形时，梁的未变形构造(即梁在不存在外部载荷时 所呈现的形状)从梁设置在非接触位置上的构造朝向其中梁设置在接触位置上的构造移 动。类似地，起初与处在接触位置时的梁相关联的机械应变能减小，在一些情况下减小到 几乎为零。最后，由于梁和相关联的触头之间的粘结的原因(但是此故障机制可能是次要 的)，以及由于与在接触位置上的梁相关联的机械应变能的减少的原因，开关结构可能故 障。与开关结构相关联的梁的随时间变化的塑性变形令人惊讶，因为这些装置通常在低于 形成梁的金属材料的熔化温度的50%或者甚至30%的环境温度处操作(或者，如果梁是由 多种分立(discrete)的金属材料形成的，则这些装置就在低于与构成梁的大部分的金属 中的一种相关联的最小熔化温度的50%或者甚至30%的温度处操作)。鉴于申请人的发现，梁104可构造成以便在包括低于与构成该梁的大部分的金属 中的一种相关联的最小熔化温度的50%或者甚至30%的温度的使用条件下，限制由于基 本形成该梁的金属材料的随时间变化的塑性变形的原因而造成的梁的永久变形。注意，当 梁的机械行为大体上或在很大程度上由组分金属材料的机械行为确定时，梁104可视为 “基本由金属材料形成”。在开关结构100的操作期间，梁104有时可设置在第一(非接触) 位置上，其中，梁与触头102分开间距d。在其它时间，梁104可设置在第二(接触)位置 上，其中，梁与触头102发生接触。梁104可在介于室温和金属材料的熔化温度(或者，当 金属材料包括多种分立的金属材料时，基本形成梁的金属材料中的一种的熔化温度)的约 一半之间的温度处变形到第二(闭合)位置达至少IO7秒的累计时间。梁104可几何上构 造成使得在这种变形之后，梁104和触头102之间的间距d在没有外力的情况下经过该累 计时间改变小于20% (也就是说，在累计时间上的任何时候获得的d的度量都将产生在彼 此的20%之内的结果)。例如，参照图6A-C，在时间tQ < 0处，梁104可设置在第一(非接触)位置上，其 中，梁与触头102分开间距d = (V然后可在时间、=0时对梁104施加力F，以便使梁变形到第二(接触)位置上，从而使得梁与触头102发生接触。然后梁104可保持在第二位 置上，直到时间、=IO7秒为止，在此时间点处可去除力F。当去除了力F时，梁104可回 复第一位置，与触头102分开间距d =屯。当由梁104经历的应力小于导致基本形成梁的金属材料的塑性变形所必须的应 力时，并且当梁完全不受随时间变化的塑性变形的作用的影响时，d0 =屯。类似地，预期使 梁104保持在第二位置上所需的力F的幅度和当梁设置在第二位置上时存储在梁中的机械 能的量将保持恒定。但是，由于随时间变化的塑性变形的原因，申请人已经发现，Cl1通常小 于dQ。仍然，梁104可构造成以便确保触头102和梁之间的间距d足以允许开关结构100 恰当地起作用。例如，梁104可构造成以便确保dQ ^ Cl1 ^ 0. 8d0O另外或备选地，梁104可构造成 以便在变形期间存储足以使梁在没有外力的情况下基本呈现第一位置(例如在20%内)的 能量。另外，梁104和锚固部107可在它们之间限定角度θ，而且梁104可构造成使得在没 有作用于梁上的外力的情况下，角度θ因为梁会在第一位置和第二位置之间变形而改变 小于0.5%，且在一些情况下改变小于0. 1%。申请人:另外已经发现，对于包括悬臂梁的开关结构，例如图1所示的(结构)，梁的 锚固部(或使梁以别的方式从其上伸出悬臂的结构)中的随时间变化的塑性变形可为导致 整个梁的构造的永久性变化的重要原因。因而，梁104可构造成使得在梁变形到第二位置 上时，锚固部中的最大非局部化稳态应变率保持小于约10_128人备选地或另外，梁104可构 造成使得由锚固部106经历的总塑性应变保持小于在梁最初变形到接触位置上之后(在梁 中的任何重大蠕变之前)在锚固部中引起的弹性应变的一些百分比。例如，如果梁104初 始变形到第二位置上在锚固部106中引起第一弹性应变，而且之后梁变形到第二位置上达 至少IO7秒的累计时间，梁就可构造成使得锚固部经历小于第一弹性应变的约一半的最大 非局部总塑性应变。梁104可设计成以便将在梁的变形期间在锚固部106中实现的应力限制在一定阈 值(在该阈值以上将实现过度的塑性变形)以下。此阈值应力将取决于以下中的一个或 多个梁104变形所处的温度、在应用中可容忍的梁的形状变化量，以及基本形成梁的材料 (包括材料的成分和微结构两者)。例如，对于其中开关结构100在小于基本形成梁104的材料的熔化温度的约一半 的温度处操作的应用而言，申请人已经发现，当对于其组分金属材料包括至少65%原子百 分比的镍和至少原子百分比的钨的合金的梁而言，锚固部的非局部化部分(即远离高 度局部化的应力集中区域)中的应力小于IOOOMPa时，可实现可接受的性能(例如经过IO7 秒或者甚至高达IO8秒的变形的累计时间，梁和触头之间的间距的变化小于20% )。作为 另一个实例，申请人已经发现，当对于其组分金属材料包括80%原子百分比的金和20%原 子百分比的镍的梁而言，锚固部的非局部化部分(即远离高度局部化的应力集中区域)中 的应力分别小于45和20MPa时，可实现在1年和20年的时间间隔里的可接受的性能。申 请人还已经发现，对于由纯金形成的梁而言，当锚固部的非局部化部分中的应力小于25MPa 时，可实现一年的时间间隔里的可接受的性能。总的来说，梁104可设计成以便限制锚固部106中的应力和/或塑性应变。例如， 参照图7-9，开关结构200可包括触头202和基本由导电材料(例如金属)形成的导电元件，例如悬臂梁204。梁204可由锚固部206和基部207支承，锚固部206和基部207可与 梁结合，并且可起将梁连接到下面的支承结构(例如衬底208)上的作用。触头202也可由 衬底208支承。开关结构200还可包括构造成以便促动梁204的电极210。各种各样的物理和/或设计参数可影响锚固部206中的应力。开关结构200的特 征可为，例如，梁长度Lb、梁宽度wB、梁厚度、、触头长度L。、触头宽度w。、触头厚度t。、梁-触 头间距(在没有外力的情况下)dBC、梁-电极交迭长度Le(从梁204的端部205起测量)、 电极宽度、梁-电极间距(在没有外力的情况下)dBE、梁材料或多种梁材料(和对应的材 料属性)，以及介于梁和电极210之间的最大电压差νΛλ。通过适当地选择这些参数的值 (结合梁204的材料和期望操作温度的选择)，申请人已经发现，可生产这样的开关结构该 开关结构的锚固部206的区域中的应力足够地低，使得开关结构200的使用寿命能够高达 一年或者甚至20年。在一些实施例中，梁204的厚度、可为至少1 μ m。约1 μ m或更大的厚度、可抑 制由于随后在升高的温度处进行处理而引起的梁的随后的变形。梁204的长度Lb可为至 少约20 μ m。触头202可设置成以便在由在梁的自由端205的20%内的交迭长度L。限定 的区上与梁204相对。电极210可设置成在梁204的自由端205的50%内，而在一些实施 例中，设置成在该自由端的20-30 %内。梁204可具有小于厚度、的约200倍且还小于梁和相关联的触头202之间的间距 dBC的约1000倍的长度Lb。当梁204具有较大的纵横比和/或与触头202分开较小的距离 时，当梁变形到接触位置上时在梁中引起的应力可为相对低的。但是，当梁204的长度增大 时，可置于给定区中的梁的数量将减少。另外，当间距dBe减小时，与蠕变有关的变形之外的 故障机制可变得显著。例如，当梁204和触头202彼此接近时，对于给定的电压差，它们之 间的吸收力增大，而且此吸收力可变得足够大，以促使梁无意地呈现接触位置(例如，甚至 是在电极210处没有电压的情况下)。而且，梁204和触头202之间的区域可由于例如场发 射的原因而更有可能经历电击穿。通过将梁104、204构造成以便在使用期间避免重大蠕变，梁和触头102、202之间 的间距dBC可保持相当恒定(比如说，在其初始值的20%内)达高达1年的使用时间，且在 一些情况下达高达20年(一些应用的要求)。换句话说，对于其中梁104、204被施加的力 从非接触位置(其中梁与触头102、202分开距离dBC)驱动且朝向接触位置驱动且然后去 除施加的力的各种情况，梁将基本返回到非接触位置，从而使得梁与触头分开距离dBe，其中 dBC的值改变小于20%。通过适当地选择开关结构200的各种设计参数的值(结合梁204的材料和期望操 作温度的选择)，申请人已经发现，可生产这样的开关结构该开关结构的锚固部206的区 域中的应力足够地低，以使得开关结构200的使用寿命(例如梁204和触头202之间的间 距的变化小于20%)能够高至一年或者甚至20年。下表提供了申请人已经针对其观察到 了可接受的性能的参数值、操作温度和梁材料的若干种组合。
权利要求
1.一种装置，包括衬底(108)；设置在所述衬底上的触头(10 ；以及设置在所述衬底上且基本由金属材料组成的导电元件(104)，所述导电元件构造成可 在第一位置和第二位置之间变形，在所述第一位置上，所述导电元件与所述触头隔开一段 间距，而在所述第二位置上，所述导电元件接触所述触头且存储机械能，其中，所述导电元件构造成使得在介于约室温和所述金属材料的熔化温度的约一半之 间的温度处变形到所述第二位置上达至少IO7秒的累计时间之后，所述间距在没有外力的 情况下经过所述累计时间改变小于20%。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述导电元件在所述第二位置上时与所 述触头建立电连通。
3.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以便在变形期间存 储足以促使所述导电元件在没有外力的情况下基本呈现所述第一位置的能量。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述触头和所述导电元件是微机电装置 或纳米机电装置的一部分。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述导电元件包括从所述衬底延伸的锚 固部(106)，以及具有联接到所述锚固部上的端部以便从所述锚固部上伸出悬臂的梁。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述导电元件构造成使得当所述导电元 件在介于约室温和所述金属材料的熔化温度的约一半之间的温度处变形到所述第二位置 上时，所述锚固部中的最大非局部化稳态应变率保持小于约ΙΟ—12。。
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述导电元件构造成使得所述导电元件 最初变形到所述第二位置上会在所述锚固部中引起第一弹性应变，而且在介于约室温和所 述金属材料的熔化温度的约一半之间的温度处变形到所述第二位置上达至少IO7秒的累计 时间之后，所述锚固部经历小于所述第一弹性应变的约一半的最大非局部总塑性应变。
8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述金属材料包含至少65%原子百分比 的镍和至少原子百分比的钨的合金，而且所述导电元件构造成使得当所述导电元件在 所述第一位置和所述第二位置之间变形时，所述锚固部中的应力小于lOOOMPa。
9.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述金属材料包含至少80%原子百分比 的金，而且所述导电元件构造成使得当所述导电元件在所述第一位置和所述第二位置之间 变形时，所述锚固部中的应力小于20MPa。
10.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述梁具有长度和厚度，并且其中，所述 长度小于所述厚度的约200倍且小于所述间距的约1000倍。
全文摘要
本发明涉及一种开关结构。提供了一种装置，例如开关结构(100)。该开关结构可包括各自分别设置在衬底(108)上的触头(102)和导电元件(104)。导电元件可基本由金属材料组成，并且可构造成可在第一位置和第二位置之间变形，在第一位置上，导电元件与触头分开一段间距，而在第二位置上，导电元件接触触头且存储机械能。导电元件可进一步构造成使得在介于约室温和金属材料的熔化温度的约一半之间的温度处变形到第二位置上达至少107秒的累计时间之后，间距在没有外力的情况下经过该累计时间改变小于20％。还提供了相关联的方法。
文档编号H01H59/00GK102082043SQ20101058667
公开日2011年6月1日 申请日期2010年11月30日 优先权日2009年11月30日
发明者C·F·凯梅尔, K·V·S·R·基肖尔, M·F·艾米, P·塔克雷, S·孙达拉姆, S·班萨尔 申请人:通用电气公司