基于二氧化钒的相变驱动式微机械开关的制作方法

本发明涉及机械开关器件技术领域，更具体地，涉及一种基于二氧化钒的相变驱动式微机械开关。

背景技术：

为了将微机械开关广泛集成到低电压电路中，需要保证微机械开关的驱动电压尽可能低。相关技术中的低驱动电压的微机械开关，开关的驱动力和工作寿命往往无法满足实际应用。

技术实现要素：

本发明基于本申请的发明人对以下事实和问题的发现和认识作出的：相关技术中的微机械开关，基于传统的驱动原理，为了保证微机械开关的较低的驱动电压，有的通过减小器件体积来降低驱动电压，有的通过降低结构刚度来降低驱动电压，有的则通过减小电极间距来降低驱动电压。

但是，本申请的发明人通过大量的研究和实验发现，采用上述改进方法的微机械开关，很难兼顾驱动电压和微机械开关的工作寿命，无法满足实际应用。

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种基于二氧化钒的相变驱动式微机械开关，该微机械开关可利用二氧化钒材料的相变过程发生形变来改变微机械开关的通断状态，而且能够保证较大的驱动力、较好的机械稳定性和较长的工作寿命，还具有结构简单紧凑、机械性能好、应用范围广等优点。

根据本发明实施例的基于二氧化钒的相变驱动式微机械开关，包括：基座和可动梁，所述基座上设有固定电极；所述可动梁连接在所述基座上且所述可动梁上设有与所述固定电极位置对应的活动电极，其中，至少部分所述可动梁由二氧化钒材料制成以在所述二氧化钒材料相变时发生形变，以使所述活动电极与所述固定电极连通或断开。

根据本发明实施例的基于二氧化钒的相变驱动式微机械开关，在基座上设置固定电极，将可动梁连接在基座上，将活动电极设在可动梁上，通过将至少部分可动梁设置为由二氧化钒材料制成，可以利用二氧化钒材料的相变过程发生形变使活动电极与固定电极连通或断开，来改变微机械开关的通断状态，不仅能够保证较长的工作寿命、较大的驱动力和较好的机械稳定性，而且具有结构简单紧凑、机械性能好、应用范围广等优点。

另外，根据本发明实施例的基于二氧化钒的相变驱动式微机械开关还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的一些实施例，所述可动梁包括一层薄膜或多层叠置的薄膜，其中，至少一层所述薄膜为二氧化钒材料薄膜。

可选地，所述二氧化钒材料薄膜为二氧化钒薄膜或掺杂有铬、钨、镓、铝、铁、钛、铌、钼、铼、氟、氢中的至少一种元素的二氧化钒材料薄膜。

根据本发明的一些实施例，所述可动梁的端部与所述基座相连，所述活动电极位于所述可动梁的位移最大点处。

可选地，所述可动梁的端部通过连接件连接在所述基座上。

可选地，所述可动梁被构造为单固支点的悬臂梁结构、多固支点的悬臂梁结构或多端固支的桥膜结构。

根据本发明的一些实施例，所述固定电极设于所述基座的邻近所述可动梁的表面上，所述活动电极设于所述可动梁的邻近所述基座的表面上。

可选地，所述固定电极由一层薄膜或多层上下叠置的薄膜组成，其中远离所述基座的薄膜为导体材料薄膜，所述活动电极由一层薄膜或多层上下叠置的薄膜组成，其中远离所述可动梁的薄膜为导体材料薄膜。

根据本发明的一些实施例，所述固定电极为并列设置的多个，所述活动电极设在所述可动梁上以连通或断开多个所述固定电极。

根据本发明的一些实施例，所述基座包括间隔设置的第一基座和第二基座，所述第一基座的邻近所述第二基座的表面上设有所述固定电极，所述可动梁设在所述第一基座和所述第二基座之间且与所述第二基座相连，所述可动梁的邻近所述第一基座的表面上设有所述活动电极。

根据本发明的一些实施例，所述基座包括间隔设置的第一基座和第二基座，所述第一基座的邻近所述第二基座的表面上设有第一固定电极，所述第二基座的邻近所述第一基座的表面上设有第二固定电极，所述可动梁设在所述第一基座和所述第二基座之间且与所述第一基座和所述第二基座中的其中一个相连，所述可动梁的邻近所述第一基座的表面上设有第一活动电极，所述可动梁的邻近所述第二基座的表面上设有第二活动电极，以使所述第一固定电极与第一活动电极和第二固定电极与第二活动电极中的其中一组连通且另一组断开。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明一些实施例的基于二氧化钒的相变驱动式微机械开关的侧视图；

图2是根据本发明一些实施例的基于二氧化钒的相变驱动式微机械开关的俯视图，其中，虚线圈示的范围表示连接件的设置位置；

图3是根据本发明另一些实施例的基于二氧化钒的相变驱动式微机械开关的俯视图，其中，虚线圈示的范围表示连接件的设置位置；

图4是根据本发明另一些实施例的基于二氧化钒的相变驱动式微机械开关的侧视图；

图5是根据本发明再一些实施例的基于二氧化钒的相变驱动式微机械开关的侧视图；

图6是根据本发明再一些实施例的基于二氧化钒的相变驱动式微机械开关的侧视图。

附图标记：

100：微机械开关；

1：基座；11：固定电极；110：第一基座；120：第二基座；111：第一固定电极；112：第二固定电极；

2：可动梁；21：活动电极；211：第一活动电极；212：第二活动电极；

3：连接件。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“长度”、“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面参考图1-图6描述根据本发明实施例的基于二氧化钒的相变驱动式微机械开关100。其中，上下方向和左右方向分别参照图示的上下方向和左右方向为例进行描述，为了便于描述和理解，下文中将基于二氧化钒的相变驱动式微机械开关100简称为微机械开关100。

如图1-图6所示，根据本发明实施例的基于二氧化钒的相变驱动式微机械开关100包括：基座1和可动梁2，基座1可以作为微机械开关100的支承部件支承可动梁2，基座1上设有固定电极11。

如图1和图4所示，可动梁2连接在基座1上，并且可动梁2上可以设有与固定电极11位置对应的活动电极21。换言之，微机械开关100的机械可动结构为梁，可动梁2上设有活动电极21，活动电极21与固定电极11位置对应，即活动电极21设在可动梁2上与固定电极11相对的区域。例如，在如图1和图4所示的示例中，在左右方向上，活动电极21与固定电极11位置对应，以便活动电极21和固定电极11连通。

其中，至少部分可动梁2由二氧化钒材料制成，以在二氧化钒材料相变时发生形变，以使活动电极21与固定电极11连通或断开。也就是说，一部分可动梁2可由二氧化钒材料制成，或者可动梁2整体可由二氧化钒材料制成。即可动梁2包含二氧化钒材料，二氧化钒材料作为可动梁2的驱动材料。

二氧化钒材料可以发生相变，相变过程中二氧化钒材料可以发生形变，由二氧化钒材料制成的可动梁2，在二氧化钒材料发生相变时发生运动，从而活动电极21与固定电极11之间的接触关系可被改变，当活动电极21和固定电极11分别连接入电路，活动电极21和固定电极11所在的电路的通断情况即被改变。而且，二氧化钒材料的相变可逆，从而可以通过控制二氧化钒材料的相变过程来控制微机械开关100的通断切换，结构简单紧凑，便于控制。

并且，二氧化钒材料的相变具有诸多特点：相变温度低，相变过程产生的应变大，杨氏模量、泊松比等机械性能好，而且可逆性相变次数多，从而可以使微机械开关100在较低的驱动电压下，保证较大的驱动力，保证较好的机械稳定性和较长的工作寿命，还可以提高微机械开关100的机械性能。

相比于相关技术中通过减小器件体积、降低结构刚度和减小电极间距来降低驱动电压的开关，本发明实施例的微机械开关100可以兼顾低驱动电压的需求和较长的工作寿命需求，因而微机械开关100可被集成到低电压电路中，满足低电压电路的应用需求。

另外，二氧化钒材料的相变可由焦耳热、温度、激光等外界刺激驱动，即二氧化钒材料的相变可由电流通断、温度变化、激光开关等原因发生，因此，微机械开关100不但可以适用于电控开关，还可以适用于温控开关、远程激光控制开关等其他应用，具有应用范围广的优点。

因此，根据本发明实施例的基于二氧化钒的相变驱动式微机械开关100，在基座1上设置固定电极11，将可动梁2连接在基座1上，将活动电极21设在可动梁2上，通过将至少部分可动梁2设置为由二氧化钒材料制成，可以利用二氧化钒材料的相变过程发生形变使活动电极21与固定电极11连通或断开，来改变微机械开关100的通断状态，不仅能够保证较长的工作寿命、较大的驱动力和较好的机械稳定性，而且具有结构简单紧凑、机械性能好、应用范围广等优点。

根据本发明的一些实施例，可动梁2可以包括一层或多层叠置的薄膜，其中，至少一层薄膜为二氧化钒材料薄膜。也就是说，可动梁2包括至少一层二氧化钒材料薄膜。由此，便于制造或装配，可以节约制造成本，或提高装配效率，同时还可以利于二氧化钒材料发生相变，便于微机械开关100动作，可以提高开关灵敏度等其他性能。

可选地，二氧化钒材料薄膜可为二氧化钒薄膜或掺杂有铬(cr)、钨(w)、镓(ga)、铝(al)、铁(fe)、钛(ti)、铌(nb)、钼(mo)、铼(re)、氟(f)、氢(h)中的至少一种元素的二氧化钒材料薄膜。也就是说，二氧化钒材料薄膜可以仅由二氧化钒组成，或者，二氧化钒材料薄膜可以由添加有铬、钨、镓、铝、铁、钛、铌、钼、铼、氟、氢中的一种或多种元素的二氧化钒组成。这样，可以利用二氧化钒材料在相变过程中的形变驱动可动梁2运动，进而改变微机械开关100的通断状态。

根据本发明的一些实施例，如图1和图4所示，可动梁2的端部可与基座1相连，并且活动电极21可位于可动梁2的最大位移点处。换言之，可以在可动梁2的位移最大点附近设置活动电极21。例如，在如图1所示的示例中，可动梁2的左端与基座1相连，二氧化钒材料相变时，可动梁2相对于左端产生位移，可动梁2的右端为位移最大点，活动电极21位于可动梁2的右端；而在图4所示的示例中，可动梁2的左端和右端分别与基座1相连，二氧化钒材料相变时，可动梁2的左端和右端不发生位移，可动梁2的中间部分产生位移，可动梁2的中部为位移最大点，活动电极21位于可动梁2的中部。从而结构简单紧凑，连接方便，而且将活动电极21设在可动梁2的位移最大点处，可以提高微机械开关100的稳定性和可靠性，同时可以使微机械开关100的灵敏度进一步提升。

可选地，如图1和图4所示，可动梁2的端部可以通过连接件3连接在基座1上，可以理解的是，连接件3可以是可动梁2的锚区，即，可动梁2通过锚区与基座1相连。由此，基座1和可动梁2可分别加工，并由连接件3相连，加工方便，集成度高。

根据本发明的一些实施例，可动梁2可被构造为单固支点或多固支点的悬臂梁结构。在如图2所示的示例中，可动梁2为单固支点的悬臂梁结构，其中，可动梁2的左端与基座1相连，右端悬空，则可动梁2构造为左端固支的悬臂梁；而在如图3所示的示例中，可动梁2被构造为两个固支点的悬臂梁结构，其中，可动梁2的形成为开口向左的u形，可动梁2的开口端分别与基座1相连，右端悬空，则可动梁2构造为左端固支的多固支点的悬臂梁结构。由此，微机械开关100的布局合理，利于使结构简单紧凑，还可以提高可动梁2的机械性能。

根据本发明的另一些实施例，如图4所示，可动梁2可被构造成多端固支的桥膜结构。也就是说，可动梁2可被构造成两端被固定支撑的桥形结构。具体而言，在如图4所示的示例中，可动梁2的左右两端均与基座1相连，可动梁2的两端均固支于基座1，而可动梁2的中部悬空，形成桥形结构，活动电极21设在可动梁2的中部，此时固定电极11设在基座1上并与活动电极21在位置对应，可动梁2中的二氧化钒材料相变时发生形变，可以驱动可动梁2运动，改变固定电极11与活动电极21的通断状态，实现开关。从而可以有效提高可动梁2的稳定性，使得微机械开关100的稳定性和可靠性提升。

根据本发明的一些实施例，固定电极11可设于基座1的邻近可动梁2的表面上，活动电极21可设于可动梁2的邻近基座1的表面上。换言之，固定电极11和活动电极21分别位于基座1和可动梁2的邻近彼此的表面上。例如，在如图1和图4所示的示例中，可动梁2连接在基座1的上方，固定电极11设于基座1的上表面，活动电极21设于可动梁2的下表面，固定电极11和活动电极21邻近彼此且相对设置。由此，既利于微机械开关100动作，实现通断控制，也便于固定电极11和活动电极21分别连接入电路。

可选地，固定电极11可由一层薄膜或多层上下叠置的薄膜组成，其中，远离基座1的薄膜为导体材料薄膜。可选地，活动电极21由一层薄膜或多层上下叠置的薄膜组成，其中远离可动梁2的薄膜为导体材料薄膜。也就是说，固定电极11和活动电极21分别由一层或多层薄膜组成，固定电极11和活动电极21的邻近彼此的一层薄膜为导体材料薄膜，例如金属材料薄膜。由此，可以提高固定电极11和活动电极21的结构稳定性，而且可以降低二氧化钒材料相变过程中对固定电极11和活动电极21的影响，降低固定电极11和活动电极21导通时的接触电阻，保证微机械开关100的动作可靠性，延长使用寿命。

根据本发明的一些实施例，固定电极11可为并列设置的多个，活动电极21可设在可动梁2上，以连通或断开多个固定电极11。从而可以将微机械开关100的结构更加多样化，以适用不同的线路连接需求。举例而言，两个固定电极11并列且间隔分布，活动电极21可以是一个，可动梁2的二氧化钒材料发生相变时，活动电极21同时与两个固定电极11接触，使两个固定电极11连通，从而导通受控电路。此时，可以理解的是，两个固定电极11分别接入电路，而活动电极21不接入电路，活动电极21仅作为桥接件，用于将两个固定电极11彼此连通或断开。

当然，本发明的结构不限于此，固定电极11和活动电极21的数量不限于以上描述，还可以是其他数量，例如，固定电极11可以是三个，活动电极21可以是两个。本领域的技术人员在现有电路的连接原理上可以结合上文的描述进行适应性设置，这对于本领域的技术人来说是可以理解的，在此不再赘述。

在另一些实施例中，如图5所示，基座1可以包括间隔设置的第一基座110和第二基座120，其中，第一基座110的邻近第二基座120的表面(例如图5所示的上表面)上可以设有固定电极11，可动梁2可以设在第一基座110和第二基座120之间，并且可动梁2可与第二基座120相连，可动梁2的邻近第一基座110的表面(即图5所示的下表面)上可以设有活动电极21。由此，微机械开关100可被构造为具有两个基座1且有一组电极对的结构，从而可以提高微机械开关100的结构多样性，以适应不同的结构布局需求。

根据本发明的再一些实施例，如图6所示，基座1可以包括间隔设置的第一基座110和第二基座120，第一基座110的邻近第二基座120的表面上可以设有第一固定电极111，第二基座120的邻近第一基座110的表面上可以设有第二固定电极112，可动梁2设在第一基座110和第二基座120之间，并且可动梁2可与第一基座110和第二基座120中的其中一个相连，可动梁2的邻近第一基座110的表面上可设有第一活动电极211，可动梁2的邻近第二基座120的表面上可以设有第二活动电极212，以使第一固定电极111与第一活动电极211和第二固定电极112与第二活动电极212中的其中一组连通且另一组断开。这样，微机械开关100可被构造为单刀双掷开关，第一固定电极111和第二固定电极112构成不动端，可动梁2构成动端，由此，可以通过一个微机械开关100控制两个不同的电路方向，也就是说，可以通过一个微机械开关100起到双向控制，结构简单紧凑，集成度高，可以进一步扩大微机械开关100的适用范围。

例如，在如图6所示的示例中，第二基座120位于第一基座110上方，可动梁2连接在第一基座110和第二基座120之间，第一基座110的上表面设有第一固定电极111，第二基座120的下表面设有第二固定电极112，可动梁2的下表面设有第一活动电极211，可动梁2的上表面设有第二活动电极212，可动梁2与第二基座120相连。当可动梁2的二氧化钒材料相变时，可动梁2发生形变，第一固定电极111与第一活动电极211和第二固定电极112与第二活动电极212中的其中一组可以连通，另一组端开；而当可动梁2的二氧化钒材料逆向相变时，可动梁2发生逆向形变，此时，第一固定电极111与第一活动电极211和第二固定电极112与第二活动电极212中的其中一组断开，另一组连通。

此时，可在第一基座110上制造第一固定电极111，并在第二基座120上制造第二固定电极112、可动梁2、第一活动电极211和第二活动电极212，再将第一基座110和第二基座120通过工艺连接在一起，例如键合工艺，形成一个完整的微机械开关100。为了保证微机械开关100能够正常工作，提高可靠性，第一基座110和第二基座120相对固定，可以形成为一个整体，不可相对移动。

本领域的技术人员可以理解的是，第一基座110和第二基座120还可以在左右方向上间隔分布。

在此，需要说明的是，上文中两组电极的通断状态与二氧化钒材料的相变和逆向相变时可动梁2的形变方向相关，本领域的技术人员在理解了上文的结构和工作原理的基础上可以综合考虑受控电路的工作方式、设置需求、空间布局以及成本等因素对可动梁2的形变方向进行适应性设置，上文的描述的示例不能理解为对本发明的限制。

根据本发明实施例的基于二氧化钒的相变驱动式微机械开关100可用于低电压电路中，但不限于此。微机械开关100的其他结构、连接关系及操作对于本领域普通技术人员而言都是已知的，这里不再详细描述。

在加工时，微机械开关100可以分别加工不同的结构部件，再采用(微)装配技术，将不同的结构部件组合成一个整体；或者，微机械开关100也可以根据最终器件设计，先将不同的材料层叠组合在一起，再通过刻蚀、腐蚀等方法去除不需要的材料，最终得出所需的结构。由此，可以采用多种方法对微机械开关100进行加工，制造方便，可以降低成本。

当然，微机械开关100的加工方法不限于上文的描述，本领域的技术人员基于微机械开关100的结构，可以在现有的加工方法中对制造精度、成本等因素进行综合考虑，以选取较理想的方法进行加工。鉴于微加工和微装配技术已为本领域的技术人员熟知，因此，本发明不再赘述。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。