专利名称：Mems致动器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种微机电系统(MEMS)，其是采用标准半导体工艺构造的非常小的可动机械结构。MEMS可以设置成致动器，其在许多应用中非常有用。这些致动器通常具有几百微米的长度，有时宽度仅有几十微米。MEMS致动器通常以悬臂方式构造和设置。因此，其一端连接到基板上，并且其相对的自由端可在至少两个位置之间移动，其中一个位置是中间位置，其它的是偏离位置。
工业中使用的最常见的致动机构是静电的、磁的、压电的和热动的。此处讨论的致动机构是热动式的。热动的MEMS致动器的偏离是由施加于一对所谓的“固定焊盘”(anchor pads)的端子之间的电势产生的，该电势产生使结构的温度升高的电流。根据所使用的材料，这最终引起该结构的一部分收缩或延伸。
MEMS致动器的一个可能的应用是将其构造为开关。这些开关由至少一个致动器制成。在多个致动器的情况下，多个致动器顺序运行，以便将其部件中的一个部件连接到相似的另一个部件上，或将一个部件从相似的另一个部件上断开。根据设计，致动器可以是单热臂致动器或双热臂致动器。也存在其他类型的致动器，包括具有多于两个热臂构件的致动器。这些致动器形成开关，可以利用施加于各致动器上相应的固定焊盘的控制电压来选择性地开启或闭合该开关。
由于致动器特别小，各致动器的长度约几百微米，宽度约几十微米，因此在一个单独的晶片上可设置大量的MEMS开关。
MEMS开关具有许多优点。尤其是，根据构造，MEMS开关非常小和廉价。通常，能量消耗也非常小并且其反应时间特别短。用于闭合或开启MEMS开关的整个程序可以短至几毫秒。
虽然先前存在的MEMS致动器和开关在某种程度上是令人满意的，但是需要进一步提高其性能、可靠性和制造能力。
根据本发明的第一方案，提供一种MEMS悬臂致动器，其安装于基板上，该致动器包括伸长的热臂构件，其具有两个空间隔开的部分，各所述部分的一端设置有连接到该基板的相应的固定焊盘，所述部分在与所述固定焊盘相对的一公共端连接在一起；伸长的冷臂构件，其相邻于并基本平行于该热臂构件，该冷臂构件在一端具有连接到该基板的固定焊盘，并具有与其固定焊盘相对的一自由端；以及电介质系链(dielectric tether)，其连接在该热臂构件的所述部分的公共端和该冷臂构件的自由端的上方，以机械地结合该热臂构件和该冷臂构件并使它们保持电隔离(electrically independent)。
根据本发明的另一方案，提供一种MEMS开关，其安装于基板上，该开关包括第一悬臂致动器，其包括-第一伸长的热臂构件，其具有两个空间隔开的部分，各所述部分的一端设置有连接到该基板的相应的固定焊盘，该第一热臂构件的所述部分在与所述固定焊盘相对的一公共端连接在一起；-第一伸长的冷臂构件，其相邻于并基本平行于该第一热臂构件，该第一冷臂构件在一端具有连接到该基板的固定焊盘，并且具有与其固定焊盘相对的一自由端；和-第一电介质系链，其连接在该第一热臂构件的所述部分的公共端和该第一冷臂构件的自由端的上方，以机械地结合该第一热臂构件和该第一冷臂构件并使它们保持电隔离；以及第二悬臂致动器，其包括-第二伸长的热臂构件，其具有两个空间隔开的部分，各所述部分的一端设置有连接到该基板的相应的固定焊盘，该第一热臂构件的所述部分在与所述固定焊盘相对的一公共端连接在一起；-第二伸长的冷臂构件，其相邻于并基本平行于该第二热臂构件，该第二冷臂构件在一端具有连接到该基板的固定焊盘，并且具有与所述固定焊盘相对的一自由端；和-第二电介质系链，其连接在该第二热臂构件的所述部分的公共端和该第二冷臂构件的自由端的上方，以机械地结合该第二热臂构件和该第二冷臂构件并使它们保持电隔离；其中，该第一致动器和该第二致动器构造并设置成，使得该开关可选择性地在闭合位置和开启位置之间移动，其中，在该闭合位置，所述冷臂构件的自由端电连接，在该开启位置，所述冷臂构件电隔离。
根据本发明的再一方案，提供一种制造MEMS悬臂致动器的方法，其中该MEMS悬臂致动器安装于基板上，该方法包括提供伸长的热臂构件，该热臂构件具有两个空间隔开的部分，各所述部分的一端设置有连接到该基板的相应的固定焊盘，所述部分在与所述固定焊盘相对的一公共端连接在一起；提供伸长的冷臂构件，该冷臂构件相邻于并基本平行于该热臂构件，该冷臂构件在一端具有连接到该基板的固定焊盘，并且具有与其固定焊盘相对的一自由端；以及提供位于该热臂构件的所述部分的公共端和该冷臂构件的自由端上方的电介质系链，以机械地结合该热臂构件和该冷臂构件并使它们保持电隔离。
本发明的这些细节以及其他方案将在下面参考附图进行的详细描述中提供，附图的简要说明如下
图1是根据优选实施例的MEMS致动器的俯视图。
图2是图1所示的致动器的侧视图。
图3是利用两个垂直设置的如图1所示的致动器的MEMS开关的俯视图。
图4是根据优选实施例的电绝缘的侧接触凸缘的放大的侧视示意图。
图5至图19是示出具有垂直设置的致动器的MEMS开关的其他可能变型的俯视图。
根据各种可能的实施例的MEMS悬臂致动器10和MEMS开关100将在下面进行描述，并且在附图中示出。另外还会描述制造MEMS致动器10的方法。需注意的是，只要不脱离由所附权利要求书限定的本发明的范围，可以进行各种变化和修改。
图3和图5至图19中所示的一些致动器部件未通过附图标记表示，以便简化附图。这些部件相应于在同一附图中由附图标记表示出的相同或相似的部件。
首先参考图1和图2，其中显示出根据优选实施例的安装于基板12上的MEMS悬臂致动器10的实例。由于其非对称构造，致动器10的自由端能够移动。致动器10包括具有两个空间隔开的部分22的伸长的热臂构件20，各部分22在一端设置有连接到基板12的相应的固定焊盘24。如图2所示，所述部分22是平行的，并在公共端26连接在一起，公共端26与固定焊盘24相对且覆盖基板12。致动器10还包括伸长的冷臂构件30，其相邻于并基本平行于热臂构件20。该冷臂构件30在一端具有连接到基板12的固定焊盘32，并具有与其固定焊盘32相对的自由端34。自由端34覆盖基板12。
电介质系链40连接在热臂构件20的所述部分22的公共端26和冷臂构件30的自由端34的上方。电介质系链40用于机械地结合热臂构件20和冷臂构件30，并使它们保持电隔离，由此使它们保持其间具有最小间隔的空间隔开的关系，以避免在正常运行下直接接触或短路，以及保持需要的耐电压，该电压与构件20、30之间的间隔成比例。电介质系链40在所需位置处直接模制在适当位置，并通过直接粘接进行连接。直接模制还允许少量的材料在凝固之前进入到部件之间的空间。应当注意的是，电介质系链40可以以除了图1所示的方式之外的不同方式连接到热臂构件20和冷臂构件30上。
可以看出，电介质系链40位于致动器10的上方，即基板12的相对侧。这与先前的MEMS致动器相比具有许多优点，先前的MEMS致动器中，通常由玻璃制成的电介质系链设置于热臂构件20和冷臂构件30的下方。通常，由玻璃制成并位于致动器下方的电介质系链采用二氧化硅或氮化硅薄层，所述薄层非常易碎。这种电介质系链还增加了制造工艺的复杂性。
电介质系链40优选完全由光阻材料制成。现已发现符合此目的并容易制造的非常适合的材料是在行业中公知的材料“SU-8”。SU-8是以最初由IBM开发的EPON SU-8环氧树脂(来自壳牌化学(Shell Chemical))为基础的、负性、环氧型、近紫外的光致抗蚀剂。应当注意的是，根据设计要求，存在其他的光致抗蚀剂并可以使用其他的光致抗蚀剂。其他可能的适合材料包括聚酰亚胺、旋涂玻璃(spin on glass)或其他聚合物。而且，也可以将不同的材料组合起来。将电介质系链40设置于致动器10上方是有利的，因为其允许使用上述材料，回过来这提供了系链材料的更大的柔性和更高的可靠性。
使用时，当控制电压施加在热臂构件20的固定焊盘24上时，电流流过第一部分22和第二部分22。在示出的实施例中，用于制造热臂构件20的材料选择为，其能随着受热而增加长度。然而，由于开始没有电流穿过，冷臂构件30不具有这种伸长特性。结果是，由于部件的非对称构造使得致动器10的自由端向侧面偏离，由此将致动器10从中间位置移动到偏离位置。相反，取消控制电压，使得热臂构件20冷却，并使其移动到其初始位置。两种移动都非常迅速地发生。
优选地，冷臂构件30包括相邻于其固定焊盘32的窄部36，以便于在偏离位置和中间位置之间的移动。与冷臂构件30的宽部38相比，窄部36具有从外部横向减少的宽度。在该优选实施例中，宽度以直角减少。还可以有其他的形状，如图19所示，其中窄部36是抛物线形。
在图1所示的实施例中的致动器10包括一组两个空间隔开的附加电介质系链50。这些附加电介质系链50横向设置于热臂构件20的所述部分22上方和冷臂构件30上方。附加电介质系链50粘接于这些部件上。有利的是，在致动器10上设置至少一个这样的附加电介质系链50，以通过降低其有效长度，给热臂构件20提供附加强度，从而防止随着时间的推移热臂构件20的变形。由于在部件之间的间隙特别小，所以通过将它们保持在空间隔开的构造中，附加系链50会降低热臂构件20的两个部分22之间或与冷臂构件30最接近的热臂构件20的部分22和冷臂构件30自身之间出现短路的危险。另一问题是，由于冷臂构件30可以用于携带高压信号，所以由于在冷臂构件30和最接近该冷臂构件30的热臂构件20的部分22之间由高压信号产生的静电力，使所述部分22产生变形，并向冷臂构件30移动。如果热臂构件20的部分22与冷臂构件30过于接近，将出现电压击穿，而破坏MEMS开关100。另外，由于热臂构件20的两个部分22相对较长，所以其受热时易于发生变形而产生偏离，从而降低了致动器10的有效行程。
可以看出，使用一个、两个或多个附加电介质系链50具有很多优点，包括增加了热臂构件20的所述部分22的刚度，增加了致动器10的行程，降低了热臂构件20的所述部分22之间短路的危险，以及增加了冷臂构件30和热臂构件20之间的击穿电压。
附加电介质系链50由与主电介质系链40相同或相似的材料制成。在凝固之前，在部件之间允许少量材料流动是有利的，以便提高粘接力。在凝固之前还可在冷臂构件30中设置一个或多个孔52，以容置少量材料。
图1还示出了，该优选实施例的致动器10包括连接到冷臂构件30的自由端的端部构件60。或者，致动器10也可以构造成不带有端部构件60。端部构件60的表面优选设计成当两个这样的端部构件60彼此接触时，能够降低接触电阻。在该优选实施例中通过利用由金(完全由金制造或者由镀金制造)制成的端部构件60来达到此目的。其他可能的材料包括金钴热电偶合金、钯等。这些材料与镍相比提供了较低的接触电阻，镍是用于冷臂构件30的优选材料。热臂构件20也优选由镍制成。其他材料也可以用于热臂构件20和冷臂构件30。
图2示出了，在该优选实施例中端部构件60连接在冷臂构件30的自由端34的下面。尽管也可以利用其他方式，但是优选的是，在镀覆时利用材料彼此之间的自然粘接来进行连接。
再参考图1，可以看出，该优选实施例的致动器10的端部构件60包括横向接触凸缘62。如图3所示，该凸缘62用于连接两个基本上垂直的致动器10。此布置形成了MEMS开关100。MEMS开关100具有两个位置，即第一致动器10和第二致动器10’电连接的闭合位置，以及第一致动器10和第二致动器10’电隔离的开启位置，因此，在冷臂构件30之间没有电接触。为了从一个位置移动到另一位置，致动器10、10’顺序运行。简言之，图3中的第二致动器10’的端部构件60向上偏离。然后，第一致动器10的端部构件60向其右侧偏离。在第二致动器10’中释放控制电压，这使得其凸缘62在返回到其中间位置时，与第一致动器10的凸缘62的背面接合。接下来释放第一致动器10的控制电压，由此允许在两个冷臂构件30之间稳定的电连接。然后，在冷臂构件30的两个相应的固定焊盘32之间可以传递信号或仅仅是电流。MEMS开关100的闭合是非常迅速的，通常这样的闭合在几毫秒内发生。通过反向执行上述操作，可将MEMS开关100设置在开启位置。
图4示出了当电隔离时，两个致动器10、10’的凸缘62的放大图。有利地，这些凸缘62的一侧设置有电绝缘层64。当MEMS开关100闭合时，两个凸缘62处于电连接状态并且电流可在其间流动。相反地，当MEMS开关开启时，凸缘62仅通过很小的间隙分离。间隙越小，在信号输入和信号输出(即两个凸缘62)之间的击穿电压就越小。如图所示，设置电绝缘层64，以增加开启的MEMS开关100的凸缘62之间的电压击穿。其相当于(emulate)较大的气隙。用于电绝缘层64的优选绝缘材料是聚对二甲苯。还可以使用其他材料。
如上所述，致动器10、10’的冷臂构件30优选在它们的固定焊盘32附近设置窄部36。这给致动器10、10’提供了一些柔性，因此能够更容易地进行偏离。因此冷臂构件30在窄部36处的宽度基本上小于其宽部38的宽度。这种较小宽度的一个缺点是穿过冷臂构件30的电流在窄部36处产生了比其他部分更多的热量。增加的热量可能在一定程度上使冷臂构件30的窄部36过热并产生故障。
如图5所示，解决上述问题的一个办法是设置从各窄部36的侧面突出的热沉70。这些热沉70优选以连接到窄部36内部的板的形式形成，以便增加可以散热的表面。应当注意的是，热沉70可以在没有附加电介质系链50的情况下使用。而且，MEMS开关100可仪包括一个带有热沉70的致动器10、10’。
图6示出了MEMS开关100，其中，致动器10、10’的端部构件60设置有两个凸缘62而不是一个。这使得接触面积最大化，并将电流分成两路，由此减少在各凸缘62上的热量。图7示出了端部构件60的设计的变型。应当注意的是，可以选择设计带有构造不同的致动器10、10’的MEMS开关100。例如，第一致动器10可以设置有附加电介质系链50而第二致动器10’不设置附加电介质系链。在图7中，示出的第二致动器10’带有位于冷臂构件30的窄部36处的第三附加电介质系链50。
图6和图7还示出了在第一致动器10的凸缘62的一侧上设置有圆形的电接触表面。此特征可以应用于多个所示出的实施例中的一个或多个凸缘62上。此形状增强了两个凸缘62之间的电接触。
图8示出了MEMS开关100，其中，一个端部构件60具有一优选带有尖形自由端的凸缘62，而另一个端部构件60仅具有一容置该凸缘62的自由端的凹口65。当凸缘62的自由端插入凹口65时，产生电连接。
在图9中，MEMS开关100包括与第一致动器10相邻的两个独立侧臂构件66。此实施例还可以构造成仪具有一个或多于两个的独立侧臂构件66。当MEMS开关100闭合时，在第一致动器10的冷臂构件30和独立侧臂构件66之间形成电接触。
图10示出了设置有第三致动器10”的MEMS开关100。该第三致动器10”与第二致动器10’相邻，并对称地设置于其侧面。另外，第一致动器10的端部构件60设置有两个凸缘62，各凸缘62构造并设置成装配到第二致动器10’和第三致动器10”的端部构件60中的相应的凹口65中。使用时，相邻的致动器10’、10”被激活，以沿相反方向开启。然后，第一致动器10被激活，以在其间运动。释放在相邻的致动器10’、10”上的控制电压，并且最终释放在第一致动器10上的控制电压。这些允许将MEMS开关100设置在闭合位置。沿相反顺序操作可以开启MEMS开关100。
图11示出了图10中所示的MEMS开关100的变型。此实施例具有设置有双冷臂构件30A、30B的第一致动器10，各冷臂构件30A、30B电隔离。各冷臂构件30A、30B在一端具有相应的固定焊盘32A、32B，并在另一端具有相应的端部构件60A、60B。第一致动器10的第一冷臂构件30A可以与第三致动器10”的冷臂构件电连接，并且第一致动器10的第二冷臂构件30B可以与第二致动器10’的冷臂构件电连接。
图12示出了MEMS开关100的另一种可能的实施例。此MEMS开关100的各致动器10、10’具有冷臂构件30，其以如下方式设计，即冷臂构件30的宽部38的子部具有与相应的热臂构件20增加的间隙，以便增加热臂构件20和冷臂构件30之间的击穿电压。图12还示出了致动器10、10’的窄部36可以具有不同的长度。
在图13中，第一致动器10的冷臂构件30至少在窄部36的相对端之间设置有支路段(by-pass segment)80。该支路段80允许降低窄部36的电流。将窄部36和支路段80之间的电流分开将降低窄部36中的热量，由此防止出现一些可能出现的故障。因此，窄部36的温度比未设支路段80的温度低。此构造的优点是由于温度增加得较小，所以当MEMS开关100闭合并且信号经过时，冷臂构件30具有较小的伸长。因为施加到第二致动器10’的端部构件60的力，这种伸长在某些情况下被证明是有问题的。当热量过大时，由于缺少任何程度的自由度，可能出现永久变形。通过支路段80可以解决此问题。应当注意的是，支路段80可以同时用于两个致动器10、10’上。
图14示出了另一可能的实施例。在此实施例中，冷臂构件30具有U形窄部36。由于冷臂构件30仅通过固定焊盘32连接到基板上，所以U形的窄部36允许其在受热时延伸，而不产生施加于其端部构件60上的力。而且，从固定焊盘32延伸的窄部36的第一直部会略微变形，由此允许补偿在冷臂构件30中可能具有的任何应力。
在图15中，各致动器10、10’的窄部36是L形的。从固定焊盘32延伸的窄部36的第一部分的柔性使得可以补偿平行于各致动器10、10’的纵向轴线的窄部36的部分的任何延伸。如图所示，应当注意的是，L形窄部36可以在不增加间隙的情况下使用。
图16示出了用于MEMS开关100的另一可选择的构造。在此实施例中，致动器10、10’构造并设置成使得其自由端34或端部构件60在当MEMS开关100闭合时处于抵触接合(interfering engagement)的状态，当MEMS开关100开启时脱离接合。端部构件60用于所示出的实施例中。两个致动器10、10’并列设置并几乎彼此对齐。一个冷臂构件30优选具有扁平的端部构件60而相对的冷臂构件30则具有圆形的端部构件60。通过移动致动器10、10’直至它们的端部构件60接合成一个位于另一个之上，来使MEMS开关100闭合。这可以利用如下顺序来实现激活第一致动器10，激活第二致动器10’，释放第一致动器10，之后释放第二致动器10’。在部件之间的抵触允许它们保持在接合状态直至开始释放顺序。这包括同时激活两个致动器10、10’，释放第二致动器10’，之后释放第一致动器10。应当注意的是，在此实施例中也可以使用附加电介质系链50。
图17示出了一实施例，其中，各致动器10、10’设置有覆盖部件表面大半部分的放大的主电介质系链40。用于制造此系链40的材料被选择为，使其具有某种程度的弹性，并且当控制电压施加到热臂构件20的相应固定焊盘24时，允许致动器10、10’偏离。在至少一个致动器10、10’上使用此放大的电介质系链40具有许多优点。其中之一是电介质系链40用作热臂构件20的热沉，由此使得沿热臂构件20的温度分配更加均匀，以避免可能损坏热点。当信号或电流流经MEMS开关100时，电介质系链40同样应用于冷臂构件30。
图18示出了另一实施例，其中，各致动器10、10’在热臂构件20的部分22上设置热沉90。这些热沉90优选是以放大的、向侧面突出的区域的形式形成。热沉90位于热点出现或易于出现的位置，由此使得沿热臂构件20的温度分布更均匀。
如上所述，图19示出了一个实施例，其中，各致动器10、10’的窄部36具有抛物线形状。
权利要求
1.一种MEMS悬臂致动器(10)，其安装于基板(12)上，该致动器(10)包括伸长的热臂构件(20)，其具有两个空间隔开的部分(22)，各所述部分(22)的一端设置有连接到该基板(12)的相应的固定焊盘(24)，所述部分(22)在与所述固定焊盘(24)相对的一公共端(26)连接在一起；伸长的冷臂构件(30)，其相邻于并基本平行于该热臂构件(20)，该冷臂构件(30)在一端具有连接到该基板(12)的固定焊盘(32)，并且具有与其固定焊盘(32)相对的一自由端(34)；以及电介质系链(40)，其机械地结合该热臂构件(20)和该冷臂构件(30)并使它们保持电隔离；该致动器(10)的特征在于，该电介质系链连接在该热臂构件的所述部分(22)的公共端(26)和该冷臂构件(30)的自由端(34)的上方。
2.如权利要求1所述的致动器(10)，其特征在于，该电介质系链(40)至少部分地由光阻材料制成。
3.如权利要求2所述的致动器(10)，其特征在于，该光阻材料包含SU-8。
4.如权利要求1-3中任一项所述的致动器(10)，其特征在于，该电介质系链(40)至少部分地由聚酰亚胺制成。
5.如权利要求1-3中任一项所述的致动器(10)，其特征在于，该电介质系链(40)至少部分地由旋涂玻璃制成。
6.如权利要求1-5中任一项所述的致动器(10)，其特征在于，该致动器(10)还包括至少一个附加电介质系链(50)，所述附加电介质系链(50)横向设置于该热臂构件(20)和该冷臂构件(30)的上方。
7.如权利要求6所述的致动器(10)，其特征在于，该致动器(10)包括两个空间隔开的附加电介质系链(50)。
8.如权利要求6所述的致动器(10)，其特征在于，该附加电介质系链(50)包括保持在设置于该冷臂构件(30)上的孔(52)中的至少一个部分。
9.如权利要求6所述的致动器(10)，其特征在于，该附加电介质系链(50)至少部分地由光阻材料制成。
10.如权利要求9所述的致动器(10)，其特征在于，该光阻材料包含SU-8。
11.如权利要求6所述的致动器(10)，其特征在于，该附加电介质系链(50)至少部分地由聚酰亚胺制成。
12.如权利要求6所述的致动器(10)，其特征在于，该附加电介质系链(50)至少部分地由旋涂玻璃制成。
13.如权利要求1-12中任一项所述的致动器(10)，其特征在于，该冷臂构件(30)包括与其固定焊盘(32)相邻的窄部(36)，与该冷臂构件(30)的宽部(38)相比，该窄部(36)具有从外部横向减少的宽度。
14.如权利要求13所述的致动器(10)，其特征在于，通过矩形过渡来限定该窄部(36)和该宽部(38)。
15.如权利要求13所述的致动器(10)，其特征在于，通过抛物线过渡来限定该窄部(36)和该宽部(38)。
16.如权利要求13所述的致动器(10)，其特征在于，该冷臂构件(30)的窄部(36)包括有热沉(70)。
17.如权利要求13所述的致动器(10)，其特征在于，该冷臂构件(30)包括有支路段(80)，以减少流经该窄部(36)的电流。
18.如权利要求13所述的致动器(10)，其特征在于，该冷臂构件(30)的窄部(36)为U形。
19.如权利要求13所述的致动器(10)，其特征在于，该冷臂构件(30)的窄部(36)为L形。
20.如权利要求13所述的致动器(10)，其特征在于，该冷臂构件(30)的宽部(38)包括至少一个子部，其具有与该热臂构件(20)增加的间隙。
21.如权利要求1-20中任一项所述的致动器(10)，其特征在于，该致动器(10)还包括连接到该冷臂构件(30)的自由端(34)的端部构件(60)。
22.如权利要求21所述的致动器(10)，其特征在于，该端部构件(60)包括至少一个横向接触凸缘(62)。
23.如权利要求22所述的致动器(10)，其特征在于，该凸缘(62)的一侧设置有电绝缘层(64)。
24.如权利要求22所述的致动器(10)，其特征在于，该凸缘(62)的一侧包括圆形的电接触表面。
25.如权利要求1-24中任一项所述的致动器(10)，其特征在于，该致动器(10)还包括有热沉(70)，其位于该热臂构件(20)的所述部分(22)的至少一个上。
26.如权利要求1-25中任一项所述的致动器(10)，其特征在于，该电介质系链(40)覆盖该热臂构件(20)和该冷臂构件(30)的大半部分。
27.一种MEMS开关(100)，其安装于基板(12)上，该开关(100)包括第一悬臂致动器(10)，其包括-第一伸长的热臂构件(20)，其具有两个空间隔开的部分(22)，各所述部分(22)的一端设置有连接到该基板(12)的相应的固定焊盘(24)，该第一热臂构件(20)的所述部分(22)在与所述固定焊盘(24)相对的一公共端(26)连接在一起；-第一伸长的冷臂构件(30)，其相邻于并基本平行于该第一热臂构件(20)，该第一冷臂构件(30)在一端具有连接到该基板(12)的固定焊盘(32)，并且具有与其固定焊盘(32)相对的一自由端(34)；和-第一电介质系链(40)，其机械地结合该第一热臂构件(20)和该第一冷臂构件(30)并使它们保持电隔离；以及第二悬臂致动器(10’)，其包括-第二伸长的热臂构件(20)，其具有两个空间隔开的部分(22)，各所述部分(22)的一端设置有连接到该基板(12)的相应的固定焊盘(24)，该第二热臂构件(20)的所述部分(22)在与所述固定焊盘(24)相对的一公共端(26)连接在一起；-第二伸长的冷臂构件(30)，其相邻于并基本平行于该第二热臂构件(20)，该第二冷臂构件(30)在一端具有连接到该基板(12)的固定焊盘(32)，并且具有与其固定焊盘(32)相对的一自由端(34)；和第二电介质系链(40)，其机械地结合该第二热臂构件(20)和该第二冷臂构件(30)并使它们保持电隔离；该开关(100)的特征在于-该第一电介质系链(40)连接在该第一热臂构件(20)的所述部分(22)的公共端(26)和该第一冷臂构件(30)的自由端(34)的上方；-该第二电介质系链(40)连接在该第二热臂构件(20)的所述部分(22)的公共端(26)和该第二冷臂构件(30)的自由端(34)的上方；由此，该第一致动器(10)和该第二致动器(10’)构造并设置成，使得该开关(100)可选择性地在闭合位置和开启位置之间移动，其中，在该闭合位置，该冷臂构件(30)的自由端(34)电连接，在该开启位置，所述冷臂构件(30)电隔离。
28.如权利要求27所述的开关(100)，其特征在于，所述电介质系链(40)至少部分地由光阻材料制成。
29.如权利要求28所述的开关(100)，其特征在于，该光阻材料包含SU-8。
30.如权利要求27所述的开关(100)，其特征在于，所述电介质系链(40)至少部分地由聚酰亚胺制成。
31.如权利要求27所述的开关(100)，其特征在于，所述电介质系链(40)至少部分地由旋涂玻璃制成。
32.如权利要求27-31中任一项所述的开关(100)，其特征在于，该开关(100)还包括至少一个附加电介质系链(50)，所述附加电介质系链(50)横向设置于所述致动器(10、10’)的至少其中之一的热臂构件(20)和冷臂构件(30)的上方。
33.如权利要求27-32中任一项所述的开关(100)，其特征在于，各所述致动器(10、10’)的冷臂构件(30)包括相邻于其固定焊盘(32)的窄部(36)，与相应的冷臂构件(30)的宽部(38)相比，各所述窄部(36)具有从外部横向减少的宽度。
34.如权利要求33所述的开关(100)，其特征在于，所述致动器(10、10’)的至少其中之一的冷臂构件(30)的窄部(36)包括有热沉(70)。
35.如权利要求33或34所述的开关(100)，其特征在于，所述致动器(10、10’)的至少其中之一的冷臂构件(30)包括有支路段(80)，以减少流经该窄部(36)的电流。
36.如权利要求33、34或35所述的开关(100)，其特征在于，所述致动器(10、10’)的至少其中之一的冷臂构件(30)的窄部(36)为U形。
37.如权利要求33-36中任一项所述的开关(100)，其特征在于，所述致动器(10、10’)的至少其中之一的冷臂构件(30)的窄部(36)为L形。
38.如权利要求33-37中任一项所述的开关(100)，其特征在于，所述致动器(10、10’)的至少其中之一的冷臂构件(30)的宽部(38)包括至少一个子部，其具有与相应的热臂构件(20)增加的间隙。
39.如权利要求27-38中任一项所述的开关(100)，具特征在于，所述致动器(10、10’)构造并设置成基本垂直。
40.如权利要求39所述的开关(100)，其特征在于，所述致动器(10、10’)的至少其中之一还包括连接到相应的冷臂构件(30)的自由端(34)的端部构件(60)。
41.如权利要求40所述的开关(100)，其特征在于，各所述端部构件(60)包括至少一个横向接触凸缘(62)，由此当开关(100)处于其闭合位置时，所述凸缘(62)电连接。
42.如权利要求40所述的开关(100)，其特征在于，所述端部构件(60)的表面由如下材料制成在相互接合时，该材料提供比制造所述冷臂构件(30)所使用的材料的接触电阻低的接触电阻。
43.如权利要求42所述的开关(100)，其特征在于，各所述端部构件(60)的表面的材料包含金，并且各所述冷臂构件(30)的材料包含镍。
44.如权利要求43所述的开关(100)，其特征在于，各所述热臂构件(20)由包括镍的材料制成。
45.如权利要求41-44中任一项所述的开关(100)，其特征在于，各所述端部构件(60)的凸缘(62)的一侧设置有电绝缘层(64)，由此所述电绝缘层(64)在该开关(100)的开启位置彼此相对。
46.如权利要求40所述的开关(100)，其特征在于，一个所述致动器(10、10’)的端部构件(60)包括横向接触凸缘(62)，并且另一所述致动器(10、10’)的端部构件(60)包括用于容置该凸缘(62)的自由端的凹口(65)，由此该凸缘(62)和该凹口(65)在该开关(100)处于其闭合位置时电连接。
47.如权利要求27-46中任一项所述的开关(100)，其特征在于，该开关(100)还包括至少一个相邻于一个所述致动器(10、10’)的独立侧臂构件(66)，由此当该开关(100)处于其闭合位置时，在相应的致动器(10、10’)的冷臂构件(30)和所述独立侧臂构件(66)之间形成电连接。
48.如权利要求27-47中任一项所述的开关(100)，其特征在于，该开关(100)还包括第三悬臂致动器(10”)，其相邻于并对称设置于该第二致动器(10’)的侧面，该第二致动器(10’)和该第三致动器(10”)构造并设置成，当该开关(100)处于其闭合位置时，该第二致动器(10’)和该第三致动器(10”)的冷臂构件(30)与该第一致动器(10)的冷臂构件(30)电连接。
49.如权利要求48所述的开关(100)，其特征在于，该第一致动器(10)包括电隔离的双冷臂构件(30A、30B)，当该开关(100)处于闭合位置时，该第一致动器(10)的各所述冷臂构件(30A、30B)可与该第二致动器(10’)和该第三致动器(10”)各自的冷臂构件(30)电连接。
50.如权利要求27-49中任一项所述的开关(100)，其特征在于，该第一致动器(10)和该第二致动器(10’)基本上相互平行并相互偏置，所述致动器(10、10’)构造并设置成，当该开关(100)处于其闭合位置时，所述致动器(10、10’)的自由端(34)处于抵触接合的状态，当该开关(100)处于其开启位置时，所述致动器(10、10’)的自由端(34)则脱离接合。
51.如权利要求50所述的开关(100)，其特征在于，所述致动器(10、10’)中的至少其中之一还包括端部构件(60)，其连接到相应的冷臂构件(30)的自由端(34)。
52.一种制造MEMS悬臂致动器(10)的方法，其中该MEMS悬臂致动器(10)将安装于基板(12)上，该方法包括提供伸长的热臂构件(20)，该热臂构件(20)具有两个空间隔开的部分(22)，各所述部分(22)的一端设置有连接到该基板(12)的相应的固定焊盘(24)，所述部分(22)在与所述固定焊盘(24)相对的一公共端(26)连接在一起；提供伸长的冷臂构件(30)，该冷臂构件(30)相邻于并基本平行于该热臂构件(20)，该冷臂构件(30)在一端具有连接到该基板(12)的固定焊盘(32)，并且具有与其固定焊盘(32)相对的一自由端(34)；以及提供电介质系链(40)，以机械地结合该热臂构件(20)和该冷臂构件(30)并使它们保持电隔离；该方法的特征在于，该电介质系链(40)位于该热臂构件(20)的所述部分(22)的公共端(26)和该冷臂构件(30)的自由端(34)的上方。
53.如权利要求52所述的方法，其特征在于，该方法还包括将至少一个附加电介质系链(50)横向连接于该热臂构件(20)和该冷臂构件(30)的上方。
54.如权利要求52或53所述的方法，其特征在于，该方法还包括在该冷臂构件(30)的自由端(34)处设置端部构件(60)。
55.如权利要求54所述的方法，其特征在于，该端部构件(60)通过镀覆时的自然粘接而连接到该冷臂构件(30)的自由端(34)。
56.如权利要求54或55所述的方法，其特征在于，该方法还包括使该端部构件(60)设置有至少一个横向接触凸缘(62)。
57.如权利要求56所述的方法，其特征在于，该方法还包括在该凸缘(62)的一侧设置电绝缘层(64)。
全文摘要
MEMS悬臂致动器(10)设计成安装于基板(12)上。致动器(10)包括具有两个空间隔开的部分(22)的伸长的热臂构件(20)，各部分(22)的一端设置有连接到基板(12)的相应的固定焊盘(24)。部分(22)在与固定焊盘(24)相对的公共端(26)处连接在一起。致动器(10)还包括相邻于并基本平行于热臂构件(20)的伸长的冷臂构件(30)，冷臂构件(30)在一端具有连接到基板(12)的固定焊盘(32)，并具有与其固定焊盘(32)相对的自由端(34)。电介质系链(40)连接在该热臂构件(20)的部分(22)的公共端(26)和冷臂构件(30)的自由端(34)的上方。该致动器(10)能够提高MEMS开关(100)的性能、可靠性和制造能力。
文档编号F03G7/06GK1795140SQ200480014159
公开日2006年6月28日 申请日期2004年4月15日 优先权日2003年4月22日
发明者斯蒂文·梅纳尔, 诺曼德·拉松德, 让-克洛德·维尔纳夫 申请人:辛普勒网络公司