一种基于洛伦兹力的新型离面MEMS开关的制作方法

本发明涉及微电子机械系统(MEMS)加工工艺领域，具体为一种基于洛伦兹力的新型离面MEMS开关。

背景技术：

微电子机械系统(MEMS)是微电子技术发展和应用的一个重要方向，是下至纳米尺度，上至毫米尺度微结构加工工艺的通称，广义上讲，其工艺方式十分丰富，几乎涉及了各种现代加工技术，其起源于半导体和微电子工艺，是以光刻、外延等多种方法作为基本工艺步骤来制造复杂三维形体的微加工技术。如今，微电子机械系统的各类传感器已经广泛应用在民用、军用的方方面面，诸如压力计、加速度计和陀螺等，都在消费电子和高精端应用中成为了不可缺少的部件。

其中该技术一个重要应用就是MEMS开关，我们今天所知道的MEMS开关的概念是在20世纪80年代末期90年代初期被提出的。MEMS开关对射频工程师具有巨大的吸引力，他们的潜力包括减少芯片的总面积、功耗和器件成本。MEMS器件最初被唯一的制作在硅衬底上是因为集成电路也是被制造在硅上，硅材料的属性和硅上的制造工艺已经为我们所熟知。MEMS器件很快在射频性能上超过固态电子器件，即使早期的MEMS器件在20GHz时的开态插入损耗也只有0.15dB，在相同频率下的一个典型GaAs-FET或PIN二极管的插入损耗接近1dB。

在低于1GHz频率的应用情况中，固态电子开关仍然是首选。他们很便宜、低损耗、易于集成，应用广泛。固态电子开关在千兆赫兹以上时，损耗开始增加，并变得难于集成进开关。这时候MEMS开关的优势就变得明显起来，与传统开关相比，具有体积小和耗损低等优点，在电气性能上比固态电子开关更胜一筹。

但是目前来看，MEMS开关也存在不足之处。传统的MEMS开关主要分为电驱动和热驱动，电驱动的MEMS开关其吸合位移较小，而热驱动的MEMS开关其体积相比较大且热量不易控制，故和其他MEMS传感器相比，MEMS开关执行器在现今工业界的应用依旧不是十分广泛，对于MEMS开关类执行器亟需找到一种新型的驱动方式，从而促进其快速发展。

技术实现要素：

为克服上述不足，本发明提供一种基于洛伦兹力的新型离面MEMS开关，依靠MEMS的SOG(silicon on glass)工艺制作，能够保证不增加体积的情况下实现离面大位移运动，有效解决MEMS器件离面运动幅度小、体积大的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种基于洛伦兹力的新型离面MEMS开关，包括：

一衬底；

一对称吸合板，通过依次相连的一矩阵驱动梁和一单悬臂梁，与一固定于所述衬底上的固定锚点连接，该矩阵驱动梁处于一磁场施加区域；

一金属对称吸合板，固定于所述衬底上，位于所述对称吸合板的下方。

进一步地，所述衬底为玻璃片。

进一步地，所述对称吸合板上设有一金属电极。

进一步地，所述金属电极通过压焊金属丝引出，该压焊金属丝的数量根据驱动电流大小而定。

进一步地，所述固定锚点上设有一金属电极。

进一步地，所述矩阵驱动梁由多个驱动梁组成。

进一步地，所述固定锚点与所述衬底键合连接。

进一步地，采用SOG体硅工艺制作所述新型离面MEMS开关。

进一步地，所述单悬臂梁、矩阵驱动梁和对称吸合板为低阻硅。

本发明的有益效果：

本新型离面MEMS开关基于洛伦兹力进行驱动，对称吸合板和金属对称吸合板作为开关的两个电极，当二者接触时则为导通，否则为断开。在对称吸合板和固定锚点上分别施加驱动电压，在二者之间生成驱动电流，由于矩阵驱动梁处于磁场施加区域内，产生的洛伦兹力可驱使单悬臂梁弯曲，控制对称吸合板与下方的金属对称吸合板接触或断开。

与传统的电驱动和热驱动的MEMS开关相比，优点在于，传统的电驱动MEMS开关由于静电吸引力和距离的二次平方成反比，靠静电驱动其幅度较小；而本新型离面MEMS开关依靠洛伦兹力驱动，幅度不受此限制。传统的热驱动MEMS开关虽然能够提供大幅度，但是由于其驱动基于受热膨胀，散热需要一定的时间，开关闭合频率较低；而本新型离面MEMS开关利用电磁相互作用，电磁作用天然具有频率高的特点，故开关闭合频率高，而且只要外加合适强磁场就可以获得μm量级的闭合距离。

附图说明

图1为实施例中的新型离面MEMS开关俯视图。

图2为图1的侧视图。

图中：1—对称吸合板；2—矩阵驱动梁；3—单悬臂梁；4—固定锚点；5—玻璃片；6—金属对称吸合板；7—磁场施加区域。8—金属铝电极；9—压焊金属。

图3为本发明新型离面MEMS制作工艺流程图。

图中：10—硅片；11—玻璃片；12—玻璃片上导线金属；13—硅片金属。

具体实施方式

为使本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图作详细说明如下。

本实施例提供一种基于洛伦兹力的的新型离面MEMS开关，如图1、图2所示，以玻璃片5作为衬底，在玻璃片5上固定一金属对称吸合板6，还通过键合的方式固定一固定锚点4，固定4依次连接一单悬臂梁3、一矩阵驱动梁2和一对称吸合板1，矩阵驱动梁2处于一磁场施加区域7中，对称吸合板1位于金属对称吸合板6的上方。

确定本MEMS开关各组件尺寸：根据实际应用需要确定开关执行器吸合位移，本实施例中选取吸合位移为10μm，根据吸合位移确定开关大小。

首先确定MEMS开关单悬臂梁3尺寸，单悬臂梁3不仅可以传输电流，还要有一定的挠性，可在驱动力的作用下实现弯曲和复原，本实施例中其尺寸选为100μm×10μm×5μm。其次确定矩阵驱动梁2的尺寸，可通过单悬臂梁3尺寸和吸合位移确定，矩阵驱动梁2为多个驱动梁组成的矩阵，处于磁场施加区域7中，驱动梁中电流通过后可产生洛伦兹力，驱动梁的数目根据实际需要而定，本实施例中取为6，单梁尺寸为10μm×10μm×5μm。再次确定对称吸合板1的尺寸，该对称吸合板为开关的一电极，其根据实际需要确定尺寸，本实施例中其尺寸为50μm×50μm×5μm。最后确定固定锚点4的尺寸，其一般和对称吸合板1的尺寸相当即可。玻璃片5和金属对称吸合板6的尺寸根据实际需要而定，金属对称吸合板6作为开关的另一电极。

在实际工艺制作中，需要说明的是所选取硅片应为低阻硅片，即单悬臂梁3、矩阵驱动梁2和对称吸合板1为低阻硅。本实施例中，为便于施加驱动电压，在对称吸合板1上含有一金属铝电极8，其是通过下述制作工艺中沉积之后剥离获得的，需指出的是，也可选其他金属材料的电极，并不以铝为限。通过压焊金属9进行压焊，可以将该电极通过压焊金属丝引出，与外面封装的pad去连接。需指出的是，压焊金属丝数量应随驱动电流增加而增加，以避免产生电迁移现象，一般1A电流对应一根普通压焊金属丝。另外，在固定锚点4上含有一金属铝电极(未图示)，以便于施加驱动电压。

通过SOG体硅工艺制作上述新型离面MEMS开关，图3为工艺流程图，具体步骤如下：

1)定义锚点：第一次浅刻蚀，刻蚀深度4-8μm；

2)定义互联：第二场光刻，玻璃面，腐蚀500nm浅槽，溅射Au，之后剥离；

3)对准键合：硅玻璃阳极键合，键合温度500℃；

4)KOH减薄：硅片余厚50-70μm；

5)硅上压焊金属溅射：第三次光刻，定义压焊pad及硅上走线金属；

6)深刻蚀释放结构：第四次光刻，第一次深刻蚀，刻蚀深度50-70μm。

本新型离面MEMS开关基于洛伦兹力进行驱动，对称吸合板1和金属对称吸合板6作为开关的两个电极，当二者接触时则为导通，否则为断开。在金属铝电极8上和固定锚点4上分别施加驱动电压，在二者之间生成驱动电流，由于矩阵驱动梁2处于磁场施加区域7内，通过电流后会产生的洛伦兹力，可驱使单悬臂梁3弯曲，以使对称吸合板1与下方的金属对称吸合板6接触或断开，实现本新型离面MEMS开关的连通与断开。

磁场施加区域7是利用外置器械产生的磁场区域，本实施例中施加的磁场强度为100T，然后对本新型离面MEMS开关进行上电测试，即在金属铝电极8和固定锚点4上施加电压，形成驱动电流，通电在磁场中受力偏转以使开关闭合。当通入电流为10A时，开关已经可以发生吸合。

与传统的电驱动和热驱动的MEMS开关相比，优点在于，传统的电驱动MEMS开关由于静电吸引力和距离的二次平方成反比，靠静电驱动其幅度较小；而本新型离面MEMS开关依靠洛伦兹力驱动，幅度不受此限制。传统的热驱动MEMS开关虽然能够提供大幅度，但是由于其驱动基于受热膨胀，散热需要一定的时间，开关闭合频率较低；而本新型离面MEMS开关利用电磁相互作用，电磁作用天然具有频率高的特点，故开关闭合频率高，而且只要外加合适强磁场就可以获得μm量级的闭合距离。

本发明通过实施例的方式揭露如上，本领域的普通技术人员可轻易地了解本发明的构造、优点与功效，在不背离本发明的构思和范围的情况下，可通过其他不同的具体实例加以施行或应用，也可以对各细节进行各种修改与变更，保护范围以权力要求书为准。