一种电热驱动双稳态MEMS开关的制作方法

本发明涉及mems开关技术领域，具体涉及一种电热驱动双稳态mems开关。

背景技术：

mems开关是mems技术的典型应用之一，它是传统机电开关微型化设计与制造的结果，为高性能电路系统的发展提供了有力保障，在现代通信、航空航天、生物医疗、国防军工重要领域的电路控制方面有广泛而迫切的应用需求。双稳态开关只在状态转换时需要外界提供能量，状态保持通过结构的自锁功能实现，随着系统集成化程度的增强，低功耗已经成为判断系统性能优良的重要指标，电热驱动的双稳态mems开关凭借其优良的性能快速发展。

现有的电热驱动的双稳态mems开关有双金属膜结构、冷热臂结构等，但其未考虑接触电阻、开关稳定保持力对开关性能的影响，具有驱动力小、输出非线性、响应时间长、不易加工的缺点。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提出一种电热驱动双稳态mems开关，具有稳定性高、驱动力大、输出线性、低功耗、成本低的优点。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种电热驱动双稳态mems开关，包括正方形基底11，正方形基底11上垂直分布有v型电热执行器i和v型电热执行器ii，v型电热执行器i在一路驱动电路u1控制下驱动第一钩型触头6，v型电热执行器ii在另一路驱动电路u2控制下驱动第二钩型触头10，第一钩型触头6和第二钩型触头10接触即导通电路，第一钩型触头6和第二钩型触头10不接触即断开电路，驱动电路u1、驱动电路u2为脉冲电压，驱动电路u1和驱动电路u2有相位差。

所述的v型热电执行器i包括三个等间距的第一v型梁2-1、第二v型梁2-2、第三v型梁2-3。第一v型梁2-1、第二v型梁2-2、第三v型梁2-3的两端与第一电极锚点1-1和第二电极锚点1-2连接，第一v型梁2-1、第二v型梁2-2、第三v型梁2-3的中间由竖直梁3贯穿连接，竖直梁3的上端与s型导线8下端连接，s型导线8的上端与导线电极9连接；竖直梁3的下端与第一柔性梁4-1上端连接，第一柔性梁4-1下端与杠杆5的前端垂直连接，杠杆5的前端端头与第二柔性梁4-2的下端垂直连接，第二柔性梁4-2的上端和锚点7连接，杠杆5的末端端头与第一钩型触头6连接。

所述的v型热电执行器ii与v型热电执行器i的不同之处是：v型热电执行器ii的第一柔性梁4-1与锚点7连接，第二柔性梁4-2与竖直梁3连接，杠杆5的末端与第二钩型触头10连接，其余组成与连接方式均与v型热电执行器i相同。

所述的第一电极锚点1-1、第二电极锚点1-2，锚点7、导线电极9均固定在正方形基底11上，其余结构均为悬空可动结构。

所述的第一v型梁2-1、第二v型梁2-2、第三v型梁2-3、竖直梁3、第一柔性梁4-1、第二柔性梁4-2、杠杆5、第一钩型触头6、s型导线8、第二钩型触头10均采用硅材料制作。

所述的第一钩型触头6、第二钩型触头10配合具备自锁功能。

所述的电热驱动双稳态mems开关采用mems技术制备。

所述的第一v型梁2-1、第二v型梁2-2、第三v型梁2-3间距100um-110um，长1060um-1070um，宽度36um-39um，与水平方向的夹角9°-10°。

所述的第一柔性梁4-1、第二柔性梁4-2长290um-300um，宽10um-12um，杠杆5放大倍数为19-21。

与传统机械开关相比，本发明的优点为：

第一钩型触头6、第二钩型触头10具备自锁功能，结构简单，接触力大，可以稳定的保持闭合状态；钩型触头做简单的调整就可满足多种布局方式，可移植性强，灵活性高。

v型热电执行器的驱动电路为脉冲电压，开关状态改变时不需要外界长时间供能，极大降低系统功耗，减少了冗余的保持信号，提高器件的安全性。

将热电执行器原理应用于mems开关，获得较大的驱动位移，开关响应时间短且容易加工。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明第一钩型触头6、第二钩型触头10的运动过程示意图。

图3为本发明驱动电路u1和驱动电路u2的相位关系图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进行进一步说明。

参照图1，一种电热驱动双稳态mems开关，包括正方形基底11，正方形基底11上垂直分布有v型电热执行器i和v型电热执行器ii，v型电热执行器i在一路驱动电路u1控制下驱动第一钩型触头6，v型电热执行器ii在另一路驱动电路u2控制下驱动第二钩型触头10，第一钩型触头6和第二钩型触头10接触即导通电路，第一钩型触头6和第二钩型触头10不接触即断开电路，驱动电路u1、驱动电路u2为脉冲电压，驱动电路u1和驱动电路u2有相位差。

所述的v型热电执行器i包括三个等间距的第一v型梁2-1、第二v型梁2-2、第三v型梁2-3，第一v型梁2-1、第二v型梁2-2、第三v型梁2-3间距100um-110um，长1060um-1070um，宽度36um-39um，与水平方向的夹角9°-10°；第一v型梁2-1、第二v型梁2-2、第三v型梁2-3的两端与第一电极锚点1-1和第二电极锚点1-2连接，第一v型梁2-1、第二v型梁2-2、第三v型梁2-3的中间由竖直梁3贯穿连接，竖直梁3的上端与s型导线8下端连接，s型导线8的上端与导线电极9连接；竖直梁3的下端与第一柔性梁4-1上端连接，第一柔性梁4-1下端与杠杆5的前端垂直连接，杠杆5的前端端头与第二柔性梁4-2的下端垂直连接，第二柔性梁4-2的上端和锚点7连接，杠杆5的末端端头与第一钩型触头6连接，第一柔性梁4-1、第二柔性梁4-2长290um-300um，宽10um-12um，杠杆5放大倍数为19-21。

所述的v型热电执行器ii与v型热电执行器i的不同之处是：v型热电执行器ii的第一柔性梁4-1与锚点7连接，第二柔性梁4-2与竖直梁3连接，杠杆5的末端与第二钩型触头10连接，其余组成与连接方式均与v型热电执行器i相同。

所述的第一电极锚点1-1、第二电极锚点1-2，锚点7、导线电极9均固定在正方形基底11上，其余结构均为悬空可动结构。

所述的第一v型梁2-1、第二v型梁2-2、第三v型梁2-3、第一柔性梁4-1、第二柔性梁4-2、杠杆5、第一钩型触头6、s型导线8、第二钩型触头10均采用硅材料制作。

所述的电热驱动双稳态mems开关采用mems技术制备。

参照图2，所述的第一钩型触头6、第二钩型触头10配合具备自锁功能，采用此种结构设计，开关仅需在脉冲电压信号激励下，就可以完成常闭与常开状态间的相互转换；具体的运动过程如下：

a.开关处于断开状态；

b.驱动电路u1电压变为高电平，驱动第一钩型触头6向上运动；

c.驱动电路u1电压保持不变，驱动电路u2电压变为高电平，驱动第二钩型触头10向左移动；

d.驱动电路u1电压变为低电平，第一钩型触头6回到初始位置，驱动电路u2电压保持不变；

e.驱动电路u2电压变为低电平，第二钩型触头10回到初始位置，由于此时第一钩型触头6位于第二钩型触头10的运动路径上，因此，第一钩型触头6与第二钩型触头10接触，完成开关由开到闭的转换。同理，只需将上述过程反向，就能实现开关由闭到开的转换。

参照图3，驱动电路u1和驱动电路u2有一定的相位差，图3a为驱动电路u1和驱动电路u2实现开关由开-闭，驱动电路u2相位滞后驱动电路u1；图3b为驱动电路u1、驱动电路u2实现开关由闭-开，驱动电路u1相位滞后驱动电路u2。

本发明的原理是：

利用第一v型梁2-1、第二v型梁2-2、第三v型梁2-3硅材料的热电效应与热膨胀效应，通过给硅材料加电压使其产生热变形，从而驱动钩型触头运动。

当驱动电路u1加到第一电极锚点1-1和第二电极锚点1-2时，第一v型梁2-1、第二v型梁2-2、第三v型梁2-3中有电流流过，电流使其发热膨胀，产生向上的位移，通过竖直梁3带动第一柔性梁4-1向上运动，此时，杠杆5随第一柔性梁4-1向上运动，连接在杠杆5末端的第一钩型触头6也向上运动，驱动电路u1施加结束时，第一钩型触头6回到原位，如此，第一钩型触头6在平面做往复运动。v型热电执行器ii的第二钩型触头10也根据此原理往复运动，控制第一钩型触头6、第二钩型触头10的运动顺序就可以控制两个钩型触头的接触状态。