一种硅基金属触头自锁定MEMS开关的制作方法

本发明属于微型机械电子mems开关技术领域，具体涉及一种硅基金属触头自锁定mems开关。

背景技术：

开关是自动控制电路中的一个关键部件，其在电路中的主要功能是自动调节、安全保护、转换电路等，mems开关将机电开关机构与微加工工艺相结合，为微型化，集成化和低功耗设计提供了广阔的发展空间，为高性能电路系统的发展提供了有效的方案。在国防武器、航空航天等应用场合通常要求mems开关可靠性高，接触阻抗小，功耗低，同时还要求其体积小、重量轻、响应快等。

热驱动mems执行器依据固体材料的热膨胀效应制得，其结构种类包括线膨胀结构、双变体结构、v型梁结构等，这些开关的常见结构层分为金属结构和硅结构两大类，其中金属结构具有较低的电阻值，驱动电压小但是不易加工，成本高；硅结构属于半导体，具有较高的电阻值可兼做加热器，但是触头的接触阻抗大，驱动电流小。

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硅基金属触头自锁定mems开关，将硅结构和金属触头相结合，采用双稳态机理实现开关状态的自锁定，具有可靠性高、接触电阻低、功耗小、成本低等特点。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种硅基金属触头自锁定mems开关，包括基板10，基板10上制作有第一执行器20、第二执行器30和第三驱动器40，第二执行器30、第三驱动器40与第一执行器20垂直设置，且第二执行器30、第三驱动器40相对应第一执行器20对称分布，第一执行器20驱动开关的第一可动触头21动作，第二执行器30、第三执行器40驱动第一限位杆31和第二限位杆41动作，第一限位杆31、第二限位杆41和第一可动触头21的连接座的两侧配合，第一可动触头21的前方和第二可动触头50、第三可动触头60配合，第二可动触头50、第三可动触头60制作在基板10上。

所述的第一可动触头21由第一上层21a和第一下层21b构成，其中第一下层21b为硅结构层，利用干法刻蚀的侧向侵蚀现象得到上宽下窄的结构，在第一下层21b上电铸有金属的第一上层21a，形成硅和金属的复合结构；第二可动触头50和第三可动触头60具有与第一可动触头21相同的结构，由第二上层60a和第二下层60b构成，第二下层60b为利用干法刻蚀的侧向侵蚀现象得到的上宽下窄结构，在第二下层60b上电铸有金属的第二上层60a，形成硅和金属的复合结构。第一可动触头21与第二可动触头50、第三可动触头60接触时实际上为第一上层21a和第二上层60a的金属表面的接触，第一触头21与第二可动触头50、第三可动触头60在未接触时开关电路断开，接触时开关电路导通。

所述的基板10为正方形，采用soi材料，边长6000μm以内，基板10的衬底层11制作有四个背腔，其中第一背腔11a位于第一执行器20的下方，第二背腔11b位于第二执行器30的下方，第三背腔11c位于第三执行器40的下方，第四背腔11d位于第一可动触头21、第二可动触头50、第三可动触头60下方。

所述的第一执行器20为v型梁阵列结构，第一执行器20的前端通过连接座连接第一可动触头21，连接座的两侧设有第一齿形槽24a、第二齿形槽24b、第三齿形槽24c、第四齿形槽24d，第一齿形槽24a、第四齿形槽24d位于同一侧，第三齿形槽24c、第二齿形槽24b位于同一侧，第一齿形槽24a和第二齿形槽24b对称，第三齿形槽24c、第四齿形槽24d对称；所述的v型梁阵列结构的两端分别与第二锚点12b和第三锚点12c连接。

所述的第二执行器30和第三执行器40为和第一执行器20形状和尺寸相同的v型梁阵列结构，并且成面对面对称分布；第二执行器30的前端是第一限位杆31，第三执行器40的前端是第二限位杆41，第二执行器30两端分别与第一锚点12a和第二锚点12b连接，第三执行器40两端分别与第三锚点12c和第四锚点12d连接。

所述的第二可动触头50和第三可动触头60分别通过第一柔性梁51和第二柔性梁61支撑在第五锚点13a和第六锚点13b上。

所述的第一齿形槽24a、第二齿形槽24b、第三齿形槽24c、第四齿形槽24d分别与第一限位杆31和第二限位杆41配合实现开关的状态自锁定：当第一齿形槽24a、第二齿形槽24b和第一限位杆31、第二限位杆41配合时保持开关可靠地断开，当第三齿形槽24c、第四齿形槽24d和第一限位杆31、第二限位杆41配合时保持开关可靠地接通。

所述的第一下层21b上电铸有30-40μm的金属镍作为第一上层21a，第二下层60b上电铸有30-40μm的金属镍作为第二上层60a。

与传统机械开关相比，本发明的优点为：

第一可动触头21与第二可动触头50、第三可动触头60的上层电铸30-40μm的金属镍，当开关闭合时为金属触头表面的接触，接触阻抗小，因此接通时电流信号明显。

第一齿形槽24a、第二齿形槽24b、第三齿形槽24c、第四齿形槽24d分别与第一限位杆31和第二限位杆41配合可实现开关的闭合和断开两个状态的自锁定，使开关电路能可靠地断开和导通，结构简单，接触力大。同时，基于双稳态原理的开关结构极大降低了系统的功耗。

将热电效应与mems开关技术相结合，驱动位移大，有效减小了器件的体积和重量。

附图说明

图1为本发明的结构立体示意图。

图2为本发明的结构俯视示意图。

图3为图2的a向局部剖视放大图，其中图(a)为第一可动触头21和第二可动触头50、第三可动触头60未接触的示意图，图(b)第一可动触头21和第二可动触头50、第三可动触头60接触的示意图。

图4为本发明开关状态切换的示意图，图(a)为第一可动触头21与第二可动触头50、第三可动触头60未接触状态图，图(b)为限位杆31和限位杆41向外运动图，图(c)为第一可动触头21向前运动图，图(d)为限位杆31和限位杆41向内变形恢复图，图(e)为第一可动触头21向后变形恢复图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

参照图1，一种硅基金属触头自锁定mems开关，包括基板10，基板10上制作有第一执行器20、第二执行器30和第三驱动器40，第二执行器30、第三驱动器40与第一执行器20垂直设置，且第二执行器30、第三驱动器40相对应第一执行器20对称分布，第一执行器20驱动开关的第一可动触头21动作，第二执行器30、第三执行器40驱动第一限位杆31和第二限位杆41动作，第一限位杆31、第二限位杆41和第一可动触头21的连接座的两侧配合，第一可动触头21的前方和第二可动触头50、第三可动触头60配合，第二可动触头50、第三可动触头60制作在基板10上。

所述的基板10为正方形，采用soi材料，边长6000μm以内，基板10的衬底层11制作有四个背腔，其中第一背腔11a位于第一执行器20的下方，第二背腔11b位于第二执行器30的下方，第三背腔11c位于第三执行器40的下方，第四背腔11d位于第一可动触头21、第二可动触头50、第三可动触头60下方。

参照图2，所述的第一执行器20为v型梁阵列结构，第一执行器20的前端通过连接座连接第一可动触头21，连接座的两侧设有第一齿形槽24a、第二齿形槽24b、第三齿形槽24c、第四齿形槽24d，第一齿形槽24a、第四齿形槽24d位于同一侧，第三齿形槽24c、第二齿形槽24b位于同一侧，第一齿形槽24a和第二齿形槽24b对称，第三齿形槽24c、第四齿形槽24d对称；所述的v型梁阵列结构的v型梁端部分别与第二锚点12b和第三锚点12c连接，当第二锚点12b和第三锚点12c之间通入一路驱动电压u1时，第一v型执行器20驱动第一可动触头21产生向前的输出位移。

所述的第二执行器30和第三执行器40为和第一执行器20形状和尺寸相同的v型梁阵列结构，并且成面对面对称分布；第二执行器30的前端是第一限位杆31，第三执行器40的前端是第二限位杆41，第二执行器30两端分别与第一锚点12a和第二锚点12b连接，第三执行器40两端分别与第三锚点12c和第四锚点12d连接；当第一锚点12a和第二锚点12b之间、第三锚点12c和第四锚点12d之间同时通入二路驱动电压u2和三路驱动电压u3时，第二执行器30和第三执行器40分别驱动第一限位杆31和第二限位杆41产生互相背离的输出位移。

所述的第二可动触头50和第三可动触头60分别通过第一柔性梁51和第二柔性梁61支撑在第五锚点13a和第六锚点13b上。

参照图3(a)，所述的第一可动触头21由第一上层21a和第一下层21b构成，其中第一下层21b为硅结构层，由于硅结构具有50μm的厚度，刻蚀时存在侧向侵蚀现象，使得其侧壁具有斜度，得到上宽下窄的第一下层21b，利用干法刻蚀的这个特点，在第一下层21b上电铸有30-40μm的金属镍作为第一上层21a，形成硅和金属的复合结构；第二可动触头50和第三可动触头60具有与第一可动触头21相同的结构，由第二上层60a和第二下层60b构成，第二下层60b为利用干法刻蚀的侧向侵蚀现象得到的上宽下窄结构，第二下层60b上电铸有30-40μm的金属镍作为第二上层60a，形成硅和金属的复合结构；参照图3(b)，第一可动触头21与第二可动触头50、第三可动触头60接触时实际上为第一上层21a和第二上层60a的金属表面的接触，有效降低了接触电阻；第一触头21与第二可动触头50、第三可动触头60在未接触时开关电路断开，接触时开关电路导通。

所述的第一齿形槽24a、第二齿形槽24b、第三齿形槽24c、第四齿形槽24d分别与第一限位杆31和第二限位杆41配合实现开关的状态自锁定：当第一齿形槽24a、第二齿形槽24b和第一限位杆31、第二限位杆41配合时保持开关可靠地断开，当第三齿形槽24c、第四齿形槽24d和第一限位杆31、第二限位杆41配合时保持开关可靠地接通。

本发明的工作原理为：

参照图4(a)，所述的第一可动触头21与第二可动触头50、第三可动触头60尚未接触，开关处于常开状态；参照图4(b)，二路驱动电压u2和三路驱动电压u3变为高电平，驱动第一限位杆31和第二限位杆41向外背离运动；参照图4(c)，二路驱动电压u2和三路驱动电压u3保持不变，一路驱动电压u1变为高电平，驱动第一可动触头21向前移动，其位移大于与第二可动触头50、第三可动触头60的间隙，因此第一可动触头21推动柔性梁51和柔性梁61上的第二可动触头50和第三可动触头60一起向前移动，开关闭合；参照图4(d)，二路驱动电压u2和三路驱动电压u3变为低电平，两个限位杆回到初始位置，一路驱动电压u1保持不变；参照图4(e)，一路驱动电压u1变为低电平，第一可动触头21向后恢复变形，第二可动触头50、第三可动触头60跟随第一可动触头21回弹一部分，由于限位杆31和限位杆41的阻挡，并没有完全恢复到初始位置，并且第一可动触头21和第二可动触头50、第三可动触头60之间保持较大的接触力，完成开关由常开到常闭的转换。

本发明中的电热驱动mems开关不同于传统的开关结构，该开关有以下特点：一、第一可动触头21与第二可动触头50、第三可动触头60的上层电铸30-40μm的金属镍，当开关闭合时为金属触点的接触，接触阻抗小，因此接通时电流信号明显；二、基于双稳态原理的开关结构能实现闭合和断开状态的自锁定，极大降低了系统的功耗，接触具有高可靠性；三、将热电效应与mems开关技术相结合，基板使用soi，易于加工和集成，有效减小器件体积和重量。