专利名称：热拱形梁微型机电装置及有关的制造方法
本申请是美国专利申请序号No.08/767,192的部分继续，该专利申请于1996年12月16日，其内容作为一个整体特意包括在这里。
本发明一般涉及微型机电装置，更具体地说，涉及包括热拱形梁致动器的微型机电装置和相关的制造方法。
微型机电系统(MEMS)最近已经发展成用于诸如继电器、致动器、阀及传感器之类的常规机电装置的替换物。由于微电子制造技术的使用，MEMS装置是潜在的低成本装置。也可以提供新的功能性，因为MEMS装置能比常规机电装置小得多。
MEMS技术的多种潜在用途利用MEMS致动器。例如，多个传感器、阀及定位器使用用于运动的致动器。如果适当地设计，则MEMS致动器能产生有用的力和位移，同时消耗适当量的功率。已经提出了MEMS致动器的多种配置。例如，授予Marcus等、标题为“微探针技术(Microprobe)”的美国专利No.5,475,318公开了悬臂双压电晶片微探针和双支撑梁双压电晶片微探针。另外，Erno H.Klaassen等于1995年6月在瑞典斯德哥尔摩举行的关于固定日期(Solid-Date)传感器和致动器的国际会议Transducers′95上递交的、标题为“硅熔融胶合和深活性离子蚀刻；一种用于显微组织的新技术”的文章，描述了一种带有一对在一对支撑之间延伸的拱形梁的热致动器。借助于通过拱形梁的电流，拱形梁将膨胀以便进一步拱起。Klaassen文章的热致动器还能包括一个中央支柱，该支柱连接多个拱形梁，并且起推压工件的作用。Klaassen的文章也描述了一种电容性加速度计结构，该结构利用热致动器来改变多个交叉指状物之间的间隔。
虽然以前已经提出了MEMS致动器，但多种存在的和设想的MEMS系统，如继电器、致动器、阀及传感器，需要提供有用的力和位移、同时以高效方式消耗适当量功率的更高级的致动器。由于希望借助于批量处理制造生成的MEMS系统，所以最好用来制造生成的MEMS系统的微电子制造技术也是担负得起的、可重复的及可靠的。
本发明的MEMS装置包括一种特别便利的MEMS致动器、以及一族包括MEMS致动器的其他MEMS装置，如继电器、切换阵列及阀。另外，根据本发明也提供一种制造MEMS致动器的方法。
根据本发明，一种MEMS结构，下文称作MEMS致动器，包括一个微电子基片、在基片上隔开的支撑及一根在隔开支撑之间延伸的金属拱形梁。MEMS致动器还包括用来加热拱形梁以使梁进一步拱起的装置。最好，加热装置包括一个在第一与第二相对末端之间延伸的加热器，这两个相对末端又布置在微电子基片上。
为了高效地把热量从加热器传递到金属拱形梁，金属拱形梁延伸出，并且与加热器隔开(尽管是稍微地)，从而由加热器产生的热量使金属拱形梁进一步拱起。象这样，该便利实施例的MEMS致动器把由加热器产生的热量高效地转换成金属拱形梁的机械运动。如这里描述的那样，多种MEMS装置能包括本发明的MEMS致动器，以便提供可控制的力和位移而不消耗显著量的功率。
加热器最好包括一种具有高电阻率的至少部分导电的材料，如多晶硅、钛或钨，由诸如氮化硅或二氧化硅之类的介电材料包围着。包围着至少部分导电材料的介电材料与限定在金属拱形梁与加热器之间的一个气隙合作，以把金属拱形梁与至少部分导电的材料电气绝缘开。为了高效地把由加热器产生的热量传递到金属拱形梁上，气隙较小比较好，如小于约5微米，而在约1微米与2微米之间更好。类似地，介电材料最好也较薄，在一个便利实施例中，具有约0.5微米的厚度。
MEMS致动器最好还包括一个纵向延伸的致动器件，该件连接到金属拱形梁上并且在一个第一方向上向外延伸。根据一个便利的实施例，加热器位于下面，并且在第一方向上与致动器件对准。作为这种布置的结果，该实施例由加热器产生热量更高效地传递到致动器件，并且又传递到金属拱形梁，以便使拱形梁进一步拱起。
根据本发明还开发了多种MEMS装置，这些MEMS装置利用一个或多个用来提供有用力和位移、同时消耗适当量功率的MEMS致动器。例如，本发明的一种MEMS继电器包括一个微电子基片、在基片上的第一对触点、及一个在基片上用来可控制地建立触点对之间的电气接触的第一MEMS致动器。MEMS致动器的致动器件最好包括一个联接到拱形梁上的纵向延伸部分、和一个响应纵向延伸部分的运动用来建立与第一对触点的接触的增大接触部分。根据一个实施例，包括纵向延伸部分和增大接触部分的致动器件是一种整体结构。然而，根据另一个实施例，致动件的纵向延伸部分和增大接触部分是定位的单独结构，从而当纵向延伸部分响应拱形梁的加热而运动时，纵向延伸部分将运动到与增大接触部分相接触，由此促使增大接触部分与第一对触点相接触。
在本发明的MEMS继电器致动时，致动器件在一个其中致动器件与第一对触点隔开的断开位置、与一个其中致动器件接触第一对触点且建立其之间的电气连接的闭合位置之间运动。为了进一步减小MEMS继电器的功率要求，MEMS继电器最好包括用来在拱形梁的加热和致动器件的运动之后把致动器件保持到位的装置。保持装置能包括用来在致动器件与基片之间施加静电力的装置，由此保持致动器件的至少一部分贴紧基片。
MEMS继电器还能包括至少一个在基片上的保持件，并且定位成，一旦致动器件响应拱形梁的加热已经运动就位于致动器件下面。根据该便利实施例，致动器件还包括一个面对着基片的下表面，该表面限定至少一个当例如由静电力把致动器件保持到位时用来配合地接收一个相应保持件的凹口。
另一方面，MEMS继电器能包括用来在拱形梁的加热和致动器件的运动之后把致动器件锁闭到位的锁闭装置。通过把致动器件锁闭到位，在第一对触点之间将保持电气接触而不必继续致动MEMS致动器，由此进一步减小MEMS继电器的功率要求。根据一个便利实施例，锁闭装置包括一个从致动器件向外延伸的凸出部分、和一个当MEMS致动器致动时用来配合地啮合外伸凸出部分的相关锁闭件。该实施例的MEMS继电器还能包括复位装置，一般包括一个带有包括锁闭件的致动器件的第二MEMS致动器，以便把锁闭件与外伸凸出部分脱开，由此允许MEMS继电器返回复位位置。
为了提供改进的过电压保护，MEMS继电器还能包括电气连接到第一对触点的相应触点上的第一和第二电场强化结构。以面对着的关系布置第一和第二电场强化结构，由此限定一个放电间隙。最好，每种电场强化结构包括至少一个向另一种电场强化结构延伸的尖头保护，以便更精确地限定放电间隙。
根据一个实施例，MEMS继电器包括一个相对于第一对触点在相对着第一MEMS致动器的基片的一部分上的第二MEMS致动器。第二MEMS致动器设计成可控制地把第一MEMS致动器的致动器件与第一对触点脱开，以便重新断开第一对触点。当加热第二MEMS致动器的拱形梁时，第二MEMS致动器的致动器件最好这样运动，以便与第一MEMS致动器的致动器件相接触，由此把第一MEMS致动器的致动器件与第一对触点脱开。
另一个便利实施例的MEMS继电器交替地连接第一和第二对触点。该实施例的MEMS继电器包括一个基片、在基片上的第一和第二对触点、及在基片上的第一和第二MEMS致动器。MEMS致动器这样定位，从而当第一MEMS致动器致动时，第一MEMS致动器的致动器件配合地啮合第二MEMS致动器的致动器件。一旦啮合，就在没有任一个MEMS致动器的进一步致动的情况下，在第一对触点之间建立电气接触。相反，当第二MEMS致动器致动时，仅在第二对触点之间建立电气接触。
第二MEMS致动器的致动器件端部最好包括一个通过其末端打开的套筒。对应地，第一MEMS致动器的致动器件端部最好包括一个当第一MEMS致动器致动时用于通过该套筒末端插入的啮合部分。像这样，第一和第二MEMS致动器的致动器件将在第一MEMS致动器致动之后配合地保持啮合。
建在上述MEMS继电器上，还提供一个包括一个基片、和多个第一和第二MEMS致动器的MEMS切换阵列，这些第一和第二MEMS致动器这样定位在基片上，从而多个第一MEMS致动器限定相应的行元件，而多个第二MEMS致动器限定相应的列元件。根据该实施例，每个MEMS致动器还包括沿相应致动器件隔开、且从其向外延伸的多个接触件。当一对第一和第二MEMS致动器致动时，相应的致动器件运动，以便建立在相应接触件之间的电气接触，由此在第一和第二MEMS致动器对之间建立连续的电气通路。
MEMS切换阵列还能包括用来在其致动之后把第一和第二MEMS致动器相应对的致动器件锁闭到位的锁闭装置。像这样，在相应接触件之间将保持电气接触，而不必继续致动第一和第二MEMS致动器的相应对，由此进一步减小MEMS切换阵列的功率需要。根据一个便利实施例，锁闭装置包括一个从每个相应致动器件向外延伸的锁闭件、和多个锚定件。每个锚定件与一个相应MEMS致动器相联，并且定位在基片上，以便当相应MEMS致动器致动时配合地啮合锁闭件。
MEMS切换阵列还能包括用来解锁第一和第二MEMS致动器相应对的致动器件的复位装置，从而在没有第一和第二MEMS致动器的相应对的进一步致动的情况下，相应接触件分离并且不再进行电气接触。便利的是，复位装置包括用来分别复位多个第一MEMS致动器和多个第二MEMS致动器的第一和第二复位致动器。另外，每个复位致动器最好包括一个带有沿其隔开的多个复位件的致动器件。当复位致动器致动时，多个复位件啮合第一和第二MEMS致动器的相应致动器件，由此把致动器件的锁闭部分与相应锚定件脱开。
根据本发明的另一个方面，提供一个MEMS阀，该MEMS阀包括一个限定一个开口的基片、和在基片上的一个MEMS致动器，并且直接或间接经一个致动器件使一个阀板可操作地联接到拱形梁上，该阀板适于至少部分覆盖基片中的开口。像这样，当MEMS致动器致动时，由阀板覆盖的开口部分能通过相对基片运动阀板来精确地控制。为了进一步减小由本发明的MEMS阀消耗的功率，MEMS阀还能包括用来把阀板相对于开口保持到位、而不需要拱形梁的进一步致动的装置。
为了增大MEMS阀的流量，基片最好限定多个开口，并且MEMS致动器相应包括多个可操作地联接到拱形梁上、且适于至少部分覆盖相应开口的阀板。为了增大开口的尺寸，由此进一步增大MEMS阀的流量，最好把阀板设计成一块细长板，当加热拱形梁时，该细长板绕一般由从基片向外延伸的支撑支柱限定的一个支点旋转，以便可控制地调节由阀板覆盖的开口部分。根据该实施例，由基片限定的开口最好绕支撑支柱按角度隔开。像这样，该实施例的MEMS阀具有风扇的一般外观，旋转阀板起风扇叶片的作用。该实施例的MEMS阀能设计成常开的或常闭的。
本发明还提供一种用来制造诸如MEMS致动器之类的MEMS结构的方法，该结构包括一根位于下面、且与一个加热器隔开的金属拱形梁。根据该方法，一块牺牲电镀基板初始沉积在一个微电子基片的一个第一表面上。此后，一个光敏抗蚀剂层沉积在牺牲电镀基板上，并且摹制成一个或多个向牺牲电镀基板打开的窗口。诸窗口最好对应于隔开的支撑对和在生成MEMS致动器的隔开支撑之间延伸的拱形梁。此后，在由光敏抗蚀剂层限定的窗口内电镀诸如镍之类的金属，以形成隔开的支撑对和在隔开支撑之间延伸的拱形梁。此后除去光敏抗蚀剂层，并且刻蚀牺牲电镀基板的部分，由此从基片释放拱形梁。
作为一种除去位于拱形梁下面以便释放拱形梁的所有电镀基板的选择方法，能形成和一个氧化物层，以便位于拱形梁下面，而不是隔开的支撑。像这样，该氧化物层的除去将从基片释放拱形梁。
在把牺牲电镀基板沉积在基片上之前，一个加热器能形成在基片的第一表面上。另外，一般在除去光敏抗蚀剂层和牺牲电镀基板和/或氧化物层的刻蚀之后，能把空腔刻蚀到位于加热器下面的基片部分中，从而加热器的中央部分进一步与基片热隔离。
通过制造根据本发明的方法的MEMS结构，具有大纵横比的金属拱形梁能电镀在加热器上方，在加热器与位于上面的金属拱形梁之间有有一个较小、一般为5微米或更小、的间隔或气隙。结果，由加热器产生的热量高效地传递到金属拱形梁，以便转换成拱形梁的机械运动。另外，与上述MEMS致动器制造一致，本发明的方法还能便利地共同制造本发明MEMS结构的其他部分，如MEMS继电器、MEMS切换阵列及MEMS阀。
如上所述，本发明的包括MEMS致动器的MEMS结构提供显著的力和位移，同时消耗适当量的功率。特别是，本发明的MEMS致动器设计提供由加热器产生的热量至位于上面的金属拱形梁的高效热传递，以便造成金属拱形梁的进一步拱起。为了利用本发明的MEMS致动器的高效操作，还便利地提供多种MEMS装置，如各种MEMS继电器、MEMS切换阵列及MEMS阀。
图1是本发明一个实施例的、包括一个用来使梁进一步拱起的加热器的MEMS致动器的俯视图。
图2是沿线2-2取出的图1的MEMS致动器的剖视图，其中虚线指示弯曲加热器的多个分支，为了讨论的目的表示其中两个。
图3是根据本发明另一个实施例的、带有一个位于致动器件下方的加热器的MEMS致动器。
图4是沿线4-4取出的图3的MEMS致动器的剖视图。
图5A-5E是剖视图，表示在本发明一个实施例的MEMS致动器的制造期间进行的操作。
图6A-6F是剖视图，表示在本发明另一个实施例的MEMS致动器的制造期间进行的操作。
图7A是俯视图，而图7B和7C是一种MEMS继电器在断开位置的剖视图，其中该MEMS继电器包括根据本发明一个实施例的一种MEMS致动器。
图8A是俯视图，而图8B和8C是一种MEMS继电器在闭合位置的剖视图，其中该MEMS继电器包括根据本发明一个实施例的一种MEMS致动器。
图9A-9C是包括根据本发明另一个实施例的MEMS致动器的MEMS继电器的俯视图，表明为闭合和断开MEMS继电器进行的顺序操作。
图10是本发明一个实施例的、包括用来提供过压保护的第一和第二电场强化结构的MEMS继电器的一部分的俯视图。
图11是本发明另一个实施例的、包括锁闭装置和复位装置的MEMS继电器的俯视图。
图12是本发明另一个便利实施例的MEMS继电器的俯视图。
图13是本发明又一个便利实施例的MEMS继电器的俯视图。
图14是图13MEMS继电器的一部分的放大平面图，表明锁闭装置的一个便利实施例。
图15是根据本发明一个便利实施例处于断开位置的4×4切换阵列的俯视图。
图16是图15切换阵列一部分的放大立体图，表明用来允许第一和第二致动器的致动器件交叉的一种技术。
图17是图15切换阵列的俯视图，其中在第一行与第三列之间已经建立了电气接触。
图18是本发明一个实施例的一种MEMS阀的俯视图。
图19是沿线19-19取出的分别处于断开和闭合位置的图18的剖视图。
图20是根据本发明另一个便利实施例的常开扇型MEMS阀的俯视图。
图21是根据本发明另一个便利实施例的常闭扇型MEMS阀的俯视图。
现在参照其中表示本发明的最佳实施例的附图，在下文更充分地描述本发明。然而，该发明可以以多种不同形式实施，并且不应该理解为限于这里陈述的实施例；倒不如说，提供这些实施例，从而使该公开是详尽和完整的，并且把本发明的范围充分地传达给熟悉本专业的技术人员。类似的号始终指类似的元件。
现在参照表明根据本发明一种MEMS结构的第一实施例的图1。尽管该MEMS结构能用于各种目的，包括检测和致动，但为了清楚起见，MEMS结构在下文指一个MEMS致动器30。MEMS致动器包括一个微电子基片32和在基片上的一对隔开支撑34。尽管基片能由各种材料形成，但基片一般由硅、玻璃或石英形成。
隔开支撑34最好由诸如镍之类的金属形成，金属借助于电镀过程沉积在基片32上，以便具有高的纵横比，如下面描述的那样。如熟悉本专业的技术人员知道的那样，电镀技术包括，但不限于“LIGA”技术。
MEMS致动器30还包括至少一根，并且最好是多根，在隔开支撑34之间延伸的拱形梁。尽管MEMS致动器能带有任何数量和任何尺寸的拱形梁，一个实施例的MEMS致动器包括五根5微米宽、30微米高及2毫米长的拱形梁。拱形梁一般也由具有正热膨胀系数的导电材料形成，从而当拱形梁受热时，拱形梁膨胀。特别是，拱形梁由金属形成较好，并且最好由镍或镍磷合金形成。如联系隔开支撑在以上描述的那样，最好也通过电镀形成拱形梁，以便具有高的纵横比。例如，拱形梁的纵横比大于1.5∶1较好，并且最好为约3∶1。如图1中所示，拱形梁在最好平行于基片32延伸的方向上拱起。尽管拱形梁从基片释放，一般借助于如下描述的释放层和湿式刻蚀，但拱形梁保持锚定在隔开的支撑处，并且向希望的或预定的运动方向拱起。
MEMS致动器30还包括用来把热量施加到拱形梁36上的装置。作为梁热膨胀的结果，施加的热量使梁进一步拱起。梁的拱起最好出现在预定的运动方向上，以便引起拱形梁的位移。尽管能采用各种技术来加热拱形梁，但表明实施例的MEMS致动器包括一个外部加热器38。外部加热器在通常用作用来建立与加热器的电气接触的接触垫的第一和第二相对端之间延伸。如图1中所示，一个便利实施例的加热器在金属拱形梁下方以弯曲路径前后缠绕，从而由弯曲加热器产生的热量以相当均匀的方式加热金属拱形梁。
尽管加热器38的第一和第二端布置在基片32上，但位于加热器剩余部分下面的基片的一部分，即加热器的中央部分，能被蚀刻否则被除去，以便进一步把加热器与基片热隔离开，如下面描述的那样和如图2中所示的那样。如图1中所示，加热器能以悬臂方式在凹腔32a上方延伸，凹腔32a限定在基片内，或者要不然，由基片限定的凹腔可以由一个一般由诸如氮化硅之类的介电材料形成的隔膜覆盖，以便在结构上支撑加热器，同时在加热器与基片之间保持足够的热隔离。尽管没有表示，在限定在基片中的凹腔上方延伸的加热器的中央部分，能进一步由一般也由一种诸如氮化硅之类的介电材料形成的链支撑，该链桥接在加热器与基片的另一个部分之间。
如下面描述的那样，加热器38一般包括一个心部38a，由至少部分导电的材料形成，该材料具有高的电阻率，如至少5×10-6Ω·cm的电阻率；及一个涂层38b，由一种围绕着至少部分导电材料的介电材料形成。在一个实施例中，加热器包括一个由氮化硅和二氧化硅涂层围绕的多晶硅、钛或钨的心部。如图2中的剖视图所示，拱形梁36通过气隙40和加热器介电涂层的组合与加热器的至少部分导电心部电气隔离。为了把由加热器产生热量以最高效方式传递到拱形梁，气隙最好尽可能地减小，同时仍保持足够的电气隔离，如在一个示范实施例中为1,000伏特。在一个便利的实施例中，气隙小于5微米，并且最好在1微米与2微米之间。对于其中气隙在1微米与2微米之间的实施例，覆盖面对着拱形梁的至少部分导电材料的部分的介电材料，具有约0.5微米的厚度。
本发明的MEMS致动器30最好还包括一个联接到拱形梁36上且从其向外延伸的纵向延伸致动器件42。该致动器件机械联接到多根在图1中所示隔开支撑34之间的点处的拱形梁上。像这样，拱形梁在预定方向上的进一步拱起在相同的预定方向上移动致动器件。通过把多根拱形梁配置在一个阵列中，生成的MEMS致动器享受力倍增，从而可以提供大的力和大的位移。况且，通过把多根梁与致动器件机械连接，生成的MEMS致动器也享受硬化作用，以便能够提供比通过这些相同数量的单独拱形梁独立操作可得到的程度更高的力。
尽管本发明的MEMS致动器30最好借助于一个上述的、且在图1和2中表示的外部加热器38加热，但MEMS致动器也能通过使电流穿过拱形梁36、或通过由外部加热器和通过使电流穿过拱形梁产生的加热的结合加热。例如，外部加热可以提供MEMS致动器的初始位移，而通过使电流经过一根或多根拱形梁产生的内部加热，可以提供精密运动控制。另外，MEMS致动器能由外部加热装置加热，如热板、烘炉、红外光、辐射等。像这样，本发明的MEMS致动器能容易地用作温度传感器或温度开关。
如熟悉本专业的技术人员将明白的那样，加热器38能具有各种形状，如在图1和2中表示的弯曲加热器。然而，在图3和4中表明的一个便利实施例中，加热器位于下面，并且与致动器件42对准。如上所述，加热器相对端布置在基片32上。然而，最好蚀刻或者否则除去位于在第一与第二相对端之间的加热器的中央部分下面的基片，以便进一步把加热器与基片热隔离开。见图4。以与上述类似的方式，电流能穿过加热器，以产生足以传递到拱形梁36上的热量，以便引起进一步拱起，由此在预定方向上移动致动器件。
根据本发明，也提供一种制造技术用来形成MEMS结构，如带有以上描述的、且表明在图1-4中的金属拱形梁36的MEMS致动器。尽管根据该便利方法能制造各种各样的MEMS结构，但为了说明起见，下文描述在图1和2中描绘的、其中蚀刻或者否则除去位于加热器38下面的基片一部分的MEMS致动器。尽管由图1和2的MEMS致动器的基片限定的凹腔32a是打开的，但如果希望，则凹腔也能借助于由诸如氮化硅之类的绝缘材料形成的一个隔膜覆盖。
如图5A中所示，把一个氮化硅保护层44初始沉积在基片32上，并且摹制成打开一个与最终将形成在基片内的凹腔相对应的窗口。熟悉本专业的技术人员将会理解，当一个层或元件在这里描述成在另一层或元件“上”时，它可以直接形成在层上、在顶部、底部或侧表面区域处，或者可以在诸层之间提供一个或多个插入层。
在沉积一个氧化物层46之后，然后制造加热器38。在这方面，沉积和摹制一个氮化硅层48。此后，把一个将形成生成的加热器心部38a的多晶硅层50沉积在氮化硅层上，并且把一个第二氮化硅层52沉积在多晶硅层上方，由此用氮化硅封装多晶硅层，如图5A中所示。
一旦已经制造加热器38，就如图5B中所示沉积一个牺牲电镀基板54。牺牲电镀基板能是熟悉本专业技术人员已知的各种电镀基板的任一种，如由钛、铜及钛形成的三层结构。在沉积电镀基板之后，沉积和用石版摹制一个光敏抗蚀剂厚层56，以向牺牲电镀基板打开多个窗口。见图5C。在光敏抗蚀剂层中打开的窗口对应于生成MEMS结构的各种金属元件，如MEMS致动器30的隔开支撑34及多根拱形梁36。在诸如继电器、切换阵列和阀之类的、包括本发明MEMS致动器的装置的制造期间，在光敏抗蚀剂层中能打开另外的窗口，这些窗口对应于其他金属结构，如触点。然后蚀刻在由摹制光敏抗蚀剂层限定的窗口内暴露的上部钛层。此后，把金属58，如镍、铜或金，电镀在由光敏抗蚀剂层限定的窗口内，以产生图5C中所示的中间结构。尽管能利用能够电镀的各种金属的任一种，但镍特别便利，因为镍具有相当大的热膨胀系数，并且因为镍能以低内应力沉积，以便进一步硬化生成的结构而摆脱平面挠曲。在H.W.Sapraner的“电镀金属和合金的性质”，美国电镀和表面技术协会(American Electroplaters and Surface Technology Society)pp.295-315(1986)中描述了具有低内应力的镍层电镀，该文章的内容作为一个整体包括在这里。
一旦已经电镀金属58，就除去光敏抗蚀剂层56。如图5D中所示，除去电镀基板54的剩余层，即铜和下部钛层，以便从基片32释放拱形梁36。根据该实施例，最好控制电镀基板的蚀刻持续时间，从而除去位于拱形梁下面的电镀基板部分，而不除去位于隔开支撑34下面的电镀基板的有效部分，以致于从基片32上释放拱形梁，则不是隔开的支撑。在其中在位于加热器38下面的基片部分中形成一个凹腔32a的实施例中，也蚀刻氧化物层46以向基片打开一个窗口，即由保护层44限定的窗口。通过非均匀质地蚀刻基片，一般用KOH，在加热器下面能形成一个凹腔，以便把加热器与基片进一步隔离。见图5E。
在图6A-6F中表明一种根据本发明制造MEMS结构，如MEMS致动器30，的替换方法。一旦已经如图6A所示和上述那样制造加热器38，就沉积一个第二氧化物层53，如图6B中所示。窗口此后用石版法限定，并且在第一和第二氧化物层中在对应于隔开支撑34的隔开位置处被蚀刻。如图6C和6D中所示，一个金属层55，如铬和/或铜，然后在沉积电镀基板54之前，沉积在这些窗口内。一旦金属元件，如拱形梁和隔开支撑，已经用石版法限定，并且如上述那样电镀，就蚀刻电镀基板的暴露部分，以便暴露第二氧化物层，而不显著下切金属元件。见图6E。此后，能蚀刻或者否则除去第一和第二氧化物层，以从基片32释放拱形梁36和加热器，而不是隔开支撑，如图6F中所示。
根据该实施例，能释放拱形梁36，而不必精确地计时电镀基板54的蚀刻，从而除去位于拱形梁下面的电镀基板部分，而不除去位于隔开支撑34下面的电镀基板的有效部分。另外，该便利实施例的方法特别良好地适于形成MEMS结构，如下面描述的MEMS阀，其中要释放的金属元件大于由基片32支撑的金属元件。
通过根据上述便利方法制造一种MEMS致动器30，能形成具有较高纵横比，如1.5∶1或更大，的金属拱形梁36。通过具有较大纵横比，拱形梁允许在平面内运动，但在平面外相当刚硬。本发明的制造方法也允许一个外部加热器38形成在位于金属拱形梁下面的基片32的一部分上，并且精确地由一个小气隙40与金属拱形梁隔开，从而由加热器产生的热量足以传递到拱形梁。另外，与上述的MEMS致动器的制造一致，本发明的方法也能便利地共同制造本发明MEMS结构的其他部分，如MEMS继电器、MEMS切换阵列及MEMS阀，由此进一步提高制造过程的效率。
多个MEMS装置能包括这里以上描述的MEMS致动器30，以便利用其高效操作特性。例如，根据本发明的一个实施例也提供一种MEMS继电器60。如图7A中所示，一种MEMS继电器包括一个微电子基片62、在基片上的一个第一对触点64、及一个包括一个用来在第一对触点之间可控制地建立电气接触的一个致动器件68的MEMS致动器68。典型地，第一对触点是也可以用作焊片的金属垫。如熟悉本专业的技术人员将明白的那样，第一对触点最好由一个介电层，如一个氮化硅层，与基片隔开，以便把第一对触点与基片电气隔离。另外，尽管触点能由各种导电材料的任一种形成，但一个便利体的触点由镍形成，并且涂有阻止在其上形成氧化物层的贵金属，如金或铑。
在图7A中表明的实施例中，MEMS继电器60是常开的。就是说，如果MEMS致动器66还没有致动，并且拱形梁70还没有进一步拱起，则MEMS继电器处于断开位置。在加热拱形梁时，如通过使电流穿过加热器72，拱形梁进一步拱起，由此向第一对触点64运动致动器件68。根据一个便利实施例，致动器件包括一个联接到拱形梁上的纵向延伸部分68a、和一个用来接触第一对触点的增大接触部分68b。尽管在图7A中表示增大接触部分的一个实施例，但增大接触部分能具有各种形状和尺寸。如图8A中所示，拱形梁的进一步拱起使致动器件的增大接触部分在第一对触点之间建立接触，由此闭合触点。
在没有其他力的情况下，如果拱形梁70不再加热，如借助于不再使电流穿过加热器72，则图7和8的“常开”MEMS继电器60会返回断开位置。为了一旦拱形梁不再加热而把MEMS继电器保持在图8A中所示的闭合位置、和为了改进MEMS继电器振动/冲击耐受力，MEMS继电器能包括在没有MEMS致动器66进一步致动的情况下用来把致动器件68的增大接触部分68b保持到位，如闭合位置，的装置。用来把致动器件保持到位的装置能包括用来在致动器件与基片62之间施加静电力的装置，由此向基片拉动致动器件，是致动器件的增大部分更好，并且保持致动器件的至少一部分贴着基片。通过保持致动器件贴着基片，设想致动器件一般将保持贴着一个或多个层，一般包括一个已经沉积到基片表面上的介电层。
如图7B、7C、8B和8C中所示，用来施加静电力的装置便利地包括一个布置在基片62的表面上的电极74。如图所示，电极至少一部分最好布置在第一对触点64之间的基片上。尽管电极能埋在基片内，但表明实施例的电极布置在基片上，并且由一个一般由氮化硅形成的介电层76与其隔离。当对电极施加一个下拉电压时，致动器件68的增大头部68b向下拉向电极。如表明的那样，电极一般也用一个诸如氮化硅之类的介电层78覆盖，以把电极与致动器件的增大头部绝缘开。在致动器件的增大头部与电极之间的气隙最好足够小，在1,000-3,000埃的量级上，从而为了把增大头部卡在基片上可能只需几十伏特。
一旦卡住，MEMS致动器66能通过停止流经加热器72的电流脱开，并且MEMS继电器60将保持在闭合位置。通过借助于静电力的施加把MEMS继电器保持在闭合位置，与连续致动MEMS致动器需要的功率相比，显著减小了MEMS继电器的功率需要。
为了有助于把MEMS继电器60保持在闭合位置，MEMS继电器60也能包括至少一个，更典型地为两个或多个，穿过位于致动器件68下面的基片62的一部分延伸的保持件80。例如，表明实施例的保持件是跨过致动器件增大头部的宽度的一部分延伸的细长件。如图7B、7C、8B和8C中所示，面对着基片的致动器件的下表面最好包括一个或多个凹口82，如一个或多个凹槽，一旦MEMS继电器处于闭合位置、且由一个已经由电极74施加的卡住电压已经把致动器件向下弯向基片，用来接收保持件的相应件。保持件用来机械地啮合致动器件，由此只要致动器件保持卡到基片上，就有助于由电极施加的静电力把MEMS继电器保持在闭合位置。
为了此后断开MEMS继电器60，除去由电极74施加的卡住电压，从而致动器件68向上从基片62的表面升起。致动器件然后将借助于由拱形梁70提供的恢复力缩回到图7A-7C中所示的断开位置。尽管图7和8的MEMS继电器是上述的常开继电器，但MEMS继电器能是仅当MEMS致动器66致动，例如通过加热拱形梁，时才断开的常闭继电器，而不脱离本发明的精神和范围。
本发明的MEMS继电器60，与静电或机械致动的微型继电器相比，提供了多个优点。作为由本发明的MEMS致动器66提供的大位移的结果，对于第一对触点64而论能保持较大间隙，由此增大MEMS继电器的平衡(stand-off)电压能力。另外，由MEMS致动器提供的较大力提供良好的继电器或开关闭合，由此保证低接触电阻。
尽管上文描述的MEMS继电器60的致动器件68能是如图7和8中所示的整体结构，但纵向延伸部分68a和增大头部68b能是图9A-9C中所示的分离结构。根据该实施例，致动器件的纵向延伸部分连接到多根拱形梁70上。然而，增大头部没有连接到致动器件的纵向延伸部分上。而是，增大头部相邻于第一对触点64由一对弹簧84悬挂，如图9A中所示。典型地，弹簧在电镀步骤期间由诸如镍之类的金属形成。弹簧从增大头部的相对边缘向从基片62向上延伸的相应锚定件86延伸。典型地，锚定件借助于电镀基板和/或介电层与基片隔开。
除锚定件86至基片62的固定之外，增大头部68b的剩余部分与基片脱开。像这样，通过使电流穿过加热器72和使拱形梁70进一步拱起，纵向延伸部分68a的端部接触增大头部的后表面，并且促使增大头部与第一对触点64相接触。见图9B。如以上结合图7和8描述的那样，该实施例的MEMS继电器60也能包括，一旦从加热器除去电流、且致动器件的纵向延伸部分返回到图9C中所示的静止或中间位置就用来把致动器件的增大头部保持到位的装置。如图9A-9C中所示，保持装置如上所示能包括一个用来施加静电卡住力的电极74。然而，一旦除去卡住力，作为由弹簧84提供的恢复力的结果，增大头部就返回图9A中所示的断开位置。
如以上结合图7和8的MEMS继电器描述的那样，结合常开MEMS继电器描述图9的MEMS继电器60。然而，该实施例的MEMS继电器，如果希望，也能代之以是常闭的，而不脱离本发明的精神和范围。
根据任一个实施例，MEMS继电器60也能包括用来提供过电压保护的第一和第二电场强化结构88。如图10中表明的那样，第一和第二电场强化结构电气连接到第一对触点64相应的触点上，并且以彼此相对的面对关系布置。更具体地说，每种电场强化结构最好包括至少一个伸向另一个电场强化结构的尖头凸出部分90。像这样，跨过第一对触点建立的过高电压将不产生火花、和在致动器件68的增大头部68b与第一对触点之间的击穿。而是，第一和第二电场强化结构通过限定一个放电间隙起熔断器的作用，该放电间隙在过电压条件下、在致动器件的增大头部与第一对触点之间的任何击穿之前将击穿。
典型地，电场强化结构88由诸如镍之类的金属形成，并且借助于诸如氮化硅之类的介电层与基片62分离。另外，每种电场强化结构的尖头凸出部分90一般是伸到图10中所示一个点处的锥形凸出部分。然而，电场强化结构能包括其他类型的凸出部分，而不脱离本发明的精神和范围。
MEMS继电器60也能包括用来在拱形梁70的加热和致动器件的运动之后把致动器件68锁闭到位的锁闭装置。加热MEMS继电器一个实施例的拱形梁将把MEMS继电器从图11中所示的一个常开位置，运动到一个其中致动器件与接触件64相接触的闭合位置。在这方面，致动器件将与接触件滑动接触，由此至少部分除去在接触件上可能已经产生的任何氧化物层。尽管没有表明，MEMS继电器，如果希望，也能是常闭的。
图11的MEMS继电器60的锁闭装置包括一个锁闭件69、和一个从致动器件向外延伸的相应凸出部分68c，从而致动器件的运动将推进外伸凸出部分超越锁闭件。如图所示，外伸凸出部分最好是锥形的，以利于外伸凸出部分相对于锁闭件运动。一旦致动器件的外伸凸出部分已经前进得超过锁闭件，锁闭件最好就啮合由凸出部分限定的一个台肩，从而一旦不再致动MEMS继电器，致动器件就保持到位。通过把致动器件锁闭到位，在接触件64之间将保持电气接触，而不必继续致动MEMS继电器，由此进一步减小MEMS继电器的功率需要。
该实施例的MEMS继电器60能包括一个定位在基片62上、与锁闭件69相对侧上的致动器件68相邻的支承73。该支承限定一个与由致动器件限定的一个支承表面68d合作的倾斜支承表面73a，以便保证一旦凸出部分已经前进得超过锁闭件，外伸凸出部分68c的台肩就啮合锁闭件。
该实施例的MEMS继电器60最好还包括用来脱开锁闭件69和外伸凸出部分68c的复位装置，以允许MEMS继电器返回复位位置。如图11中所示，复位装置能包括一个带有一个致动器件的第二MEMS致动器71，该致动器件包括一个锁闭件。像这样，第二MEMS致动器的致动运动锁闭件离开外伸凸出部分，从而锁闭件和凸出部分脱开，由此允许MEMS继电器在没有进一步致动的情况下，返回复位位置，即在该实施例中的断开位置。
另一个实施例的一种MEMS继电器92表明在图12中。该实施例的MEMS继电器包括布置在基片94上在第一对触点96的相对侧上的第一和第二MEMS致动器。为了建立在第一对触点之间的电气接触，致动第一MEMS致动器98，如通过使电流穿过加热器100。在致动时，第一MEMS致动器的致动器件102的端部102a插入在第一对触点之间，由此建立其之间的电气接触。
如图12中所示，第一对触点96最好包括一对脱离基片且以悬臂方式在其上延伸的外伸接触臂96a。也如图所示，第一对触点的接触臂限定一个间隙，该间隙具有比第一MEMS致动器98的致动器件102的锥形端部102a的宽度稍小的宽度。如因此将明白的那样，当第一MEMS致动器致动时在第一对触点之间致动器件的锥形端部的插入，将强迫相应的接触臂离开。结果，接触臂的向内恢复力将用来把致动器件的端部啮合在接触臂之间，从而MEMS继电器将保持在闭合位置，就是说，第一MEMS致动器的致动器件的锥形端部将保持在第一对触点之间，即使脱开第一MEMS致动器之后也是如此。
为了便于致动器件102插入在第一对触点96之间，第一MEMS致动器98的致动器件102最好带有一个锥形端部102a。见图12。另外，接收和电气接触第一MEMS致动器的致动器件的接触臂96a的边缘表面最好相应变细。像这样，第一MEMS致动器的致动器件的锥形端部将合适地配在第一对触点之间和与其啮合。
为了断开该便利实施例的MEMS继电器92，最好致动第二MEMS致动器104，以便使相应的致动器件106前进。随着第二MEMS致动器的致动器件前进，致动器件的端部将接触第一MEMS致动器98的致动器件102的锥形端部102a，以便把第一MEMS致动器的致动器件的锥形端部与第一对触点96脱开。一旦脱开，由拱形梁99提供的恢复力用来进一步把第一MEMS致动器的致动器件撒回到图12中所示的中间位置。
为了便于与第一MEMS致动器98的致动器件102相接触，第二MEMS致动器104的致动器件106最好带有一个减小宽度部分106a，减小宽度部分106a具有比接触臂96a之间的间隙小的宽度。像这样，第二MEMS致动器的致动器件的减小宽度部分能接触第一MEMS致动器的致动器件，而不接触或者否则啮合第一对触点。
由于第一MEMS致动器98的致动器件102较长，所以MEMS继电器92还能包括一个连接到致动器件的锥形端部102a上的悬臂弹簧108。悬臂弹簧用来更精确地相对于第一对触点96定位致动器件的锥形端部，并且有助于第一MEMS致动器的锥形端部返回一个中间位置。
图13表明用来交替连接第一和第二对触点的又一个实施例的一个MEMS继电器10。根据该实施例，MEMS继电器包括一个基片112和在基片上的第一和第二对触点。如上所述，例如，触点最好与基片隔离，如借助于由氮化硅形成的介电层。
该实施例的MEMS继电器110还包括在第一和第二对触点的相对侧的基片112上布置的第一和第二MEMS致动器。如图13中所示，第二MEMS致动器114的致动器件116向第一和第二对触点延伸，并且包括布置在第一和第二对触点之间的一个增大头部116a。第二MEMS致动器的致动器件也包括一个安装到致动器件的端部上、且穿过其末端116c打开的套筒116b。对应地，第一MEMS致动器118的致动器件120最好包括一个有点增大的啮合部分120a，从而第一MEMS致动器的致动使致动器件在向第二MEMS致动器的方向上前进，以便穿过套筒末端插入在啮合部分中。
如图14中更详细地所示，套筒116b的打开末端116c最好包括一个向内延伸的凸台116d。另外，第一MEMS致动器118的致动器件120的啮合部分120a最好变细或加宽，便于啮合部分穿过套筒的打开末端插入。如也表示在图14中的那样，第一MEMS致动器118的致动器件的啮合部分，最好还限定一个用来配合地啮合套筒打开末端的向内延伸凸台的一个台肩120b。像这样，在第一MEMS致动器的脱开之后，第一和第二MEMS致动器的致动器件将保持配合地啮合。
一旦配合地啮合第一和第二MEMS致动器的致动器件，第一MEMS致动器118的拱形梁122的恢复力就把第二MEMS致动器114的致动器件116的增大头部116a拉成与第一对触点124相接触，条件是MEMS致动器都不致动。像这样，第一对触点是指“常闭”触点，而第二对触点126是指“常开”触点。通过致动第二MEMS致动器，如通过使电流穿过位于第二MEMS致动器的拱形梁130下面的加热器128，或者通过一起致动第一和第二MEMS致动器，增大头部能与第一对触点脱开，而代之以能放置成与第二对触点电气接触。然而，一旦脱开第二MEMS致动器，就与第一对触点重新建立接触，如以上描述的那样。
根据图15中所示本发明的另一个方面，能装配多个MEMS致动器，以限定一个MEMS切换阵列140。根据该实施例，把多个第一和第二MEMS致动器定位在基片142上，从而第一MEMS致动器144限定相应的行元件，而第二MEMS致动器146限定相应的列元件。如图15中所示，例如，第一组四个MEMS致动器限定四个行元件(R0、R1、R2及R3)，而第二组四个MEMS致动器限定四个列元件(C0、C1、C2及C3)，由此限定一个4×4切换阵列。如将明白的那样，该实施例的切换阵列不必具有相同数量的行和列元件，并且事实上，能具有希望的任何数量的行和列元件。如下面描述的那样，一个相应对的第一和第二MEMS致动器的致动运动相应的致动器件，并且建立相应接触件之间的电气接触。结果，在一个相应对的第一和第二MEMS致动器之间建立连续电气通路。
每个MEMS致动器的致动器件148包括多个沿致动器件隔开、且从其向外延伸的接触件150。对于限定一个相应行元件的MEMS致动器，致动器件最好包括相同数量的接触件作为列元件。类似地，对于限定相应列元件的MEMS致动器，致动器件最好包括相同数量的接触件作为行元件。如图15中所示，例如，每个致动器件包括沿致动器件隔开、且从其向外延伸的四个接触件。像这样，本发明的切换阵列不要求用于切换阵列的每个开关的隔离致动器，由此与一些常规切换阵列相比简化了开关设计。
每个MEMS致动器的致动器件148最好跨过整个阵列延伸。为了允许第一和第二MEMS致动器交叉，每一个第一MEMS致动器144的致动器件最好包括多个拱形部分152，以允许致动器件跨越第二MEMS致动器146的致动器件，如图16中所示。然而，如明白的那样，如果希望，每一个第二MEMS致动器的致动器件代之以包括多个拱形部分，以允许致动器件跨越第一MEMS致动器的致动器件。如图16中所示，致动器件的拱形部分的宽度最好足以允许每个致动器件具有全自由度的运动、和提供足够的介电隔离。像这样，限定相应行元件的第一MEMS致动器的致动器数量、和限定相应列元件的第二MEMS致动器的致动器数量是自由的，以便彼此相对运动。最好，致动器件的拱形部分通过电镀第二层诸如镍之类的金属形成，该第二层金属连接在以前的电镀步骤中沉积的致动器件的剩余部分。
举例来说，已经致动限定第一行元件(R0)的第一MEMS致动器144和限定第三列元件(C2)的第二MEMS致动器146，从而在相应接触件150之间建立电气接触，如图17中的圈住的那样。特别是，接触件最好以摩擦形式运动而运动接触，以除去可能已经形成在相应接触件表面上的任何氧化物。然而，应该明白，多于一对行和列元件能通过致动第一和第二MEMS致动器的另外一些同时连接，如果希望由此提供“一对多个”连接。
为了保持在接触件150之间的电气接触而不要求连续致动相应对的第一和第二MEMS致动器，一个便利实施例的MEMS切换阵列140包括用来在相应对的第一和第二MEMS致动器的致动之后锁闭其致动器件148的锁闭装置。然后能释放相应对的第一和第二MEMS致动器，并且相应接触件将保持电气接触。如图15和17中所示，一个便利实施例的锁闭装置包括一个从每个相应致动器件的端部向外延伸的锁闭件154，如锥形凸出部分。该实施例的锁闭装置还包括多个形成在基片142上的多个锚定件156，一个锚定件与每个相应MEMS致动器的锁闭件相联。如图所示，锚定件最好还包括一个向外延伸的锥形凸出部分156a。当使致动器件前进由此挠曲，虽然是轻微的，致动器件的端部时，锚定件的锥形凸出部分与相应致动器件的锁闭件配合地操作，从而锁闭件能超过锚定件前进。一旦锁闭件前进得超过相应锚定件，锚定件就用来防止锁闭件缩回，如在相应MEMS致动器释放时，这归因于锚定件与锁闭件可配合地啮合。
锚定件156一般由诸如镍之类的、由一个诸如氮化硅之类的介电层与基片142隔离的电镀金属，和/或电镀基板形成。为了防止相应致动器件148的端部在离开基片的方向上过分挠曲，锚定件也最好包括一个拱形部分156b，拱形部分156b以与图16中相对于一对正交致动器件表明的相同方式跨越致动器件的端部。如图15和17中所示，相对着锚定件的拱形部分的末端最好固定到另一个支撑158上。在一个便利的实施例中，这种其他的支撑一般也由诸如电镀镍之类的、借助于一个诸如氮化硅之类的介电层与基片隔离的电镀金属，和/或电镀基板形成。
对于包括锁闭装置的MEMS切换阵列140的实施例，MEMS切换阵列也最好包括用来解锁致动器件148的复位装置，从而相应接触件150在没有MEMS致动器相应的一些进一步致动的情况不再进行电气接触。如图15和17中所示，复位装置最好包括用来分别复位多个第一和第二MEMS致动器的第一和第二复位MEMS致动器。像这样，第一复位MEMS致动器160的致动器件162，最好以纵向方式与第一MEMS致动器144的致动器件的每一个端部相邻、且一般与其垂直地延伸。类似地，第二复位MEMS致动器164的致动器件166，最好以纵向方式与第二MEMS致动器146的致动器件的每一个的端部相邻、且一般与其垂直地延伸。
为了防止第一复位MEMS致动器的致动器件162的端部过分在离开基片142的方向上挠曲，一个拱形件162a最好在定位在基片上的一对锚定件之间延伸，从而拱形件以与图16中相对于一对正交致动器件表明的相同方式跨越第一复位MEMS致动器的致动器件的端部。类似地，另一个拱形件166a最好在定位在基片上的第二对锚定件之间延伸，从而拱形件跨过第一复位MEMS致动器164的致动器件166的端部。
第一和第二复位MEMS致动器每一个的致动器件包括多个沿致动器件隔开、且从其在向切换阵列140的方向上延伸的复位件168。特别是，复位件的间隔最好与将由此复位的相应致动器件的间隔相同。根据一个便利实施例，复位件是在一般垂直于相应复位MEMS致动器的致动器件的方向上向外延伸的支柱。
在操作中，致动复位MEMS致动器，以便运动相应的致动器件，从而复位件168将啮合已经锁闭的相应MEMS致动器的致动器件。参照图15和17，例如，第一复位MEMS致动器160的致动向下运动相应的致动器件162，而第二复位MEMS致动器164的致动向左运动相应的致动器件166。一旦啮合，复位MEMS致动器的致动器件的进一步运动，将使相应MEMS致动器的致动器件的端部在离开相应锚定件的方向上挠曲，由此脱开致动器件。由相应MEMS致动器的拱形梁提供的恢复然后将使致动器件返回图15中所示的一个解锁的中间位置。
象这样，MEMS切换阵列140允许在分别限定单独行和列元件的第一和第二MEMS致动器的相应对之间以可靠方式建立电气接触。电信号然后能路经相应对的互连MEMS致动器的金属部分。例如，在互连MEMS致动器之一的隔开支撑之一处引入的一个电信号，经相应对的MEMS致动器的致动器件和接触件传送到互连MEMS致动器另一个的支撑之一。因而，本发明的MEMS切换阵列对于电信和其他切换用途特别便利。
根据本发明的另一个实施例，提供一个MEMS阀170，其中至少一个开口172a经基片172、一般由大块硅微加工或其他常规过程限定。根据该实施例，MEMS阀包括一个带有一块阀板176的一个MEMS致动器174，阀板176可操作地联接到拱形梁178上，并且可操作地联接到致动器件180上更好，从而拱形梁的进一步拱起相对于基片可控制地运动或定位阀板。典型地，阀板由诸如镍之类的电镀金属形成。
如图18中所示，MEMS致动器174便利地相对于开口172a定位在基片172上，从而当MEMS致动器致动时，阀板176至少部分覆盖开口，并且完全覆盖开口更好，由此形成“常开”阀。另外，MEMS致动器相对于开口定位在基片上，从而仅当MEMS致动器致动时，在没有从开口除去致动的情况下，阀板才覆盖开口，由此形成“常闭”阀。
在图18的“常开”MEMS致动器174的致动时，如通过使电流穿过加热器182，在基片172中的开口172a上方运动阀板176，以如图19B中所示那样闭合开口。如以上结合MEMS继电器描述的那样，MEMS阀170最好也包括用来在MEMS致动器致动之后把阀板相对于开口保持到位的装置。例如，用来把阀板保持到位的装置能包括用来在阀板与基片之间施加静电力的装置。作为静电力的结果，阀板向基片挠曲，以便在开口上方卡住，由此进一步限制或防止流体流从中穿过。为了施加静电力，电压差能施加在在阀板与基片之间，或者要不然施加在阀板与电极184之间，电极184形成在基片的一部分上或在其中，与开口相邻，而在一些实施例中，以与结合MEMS继电器在以上描述的相同方式围绕着开口。通过继续施加静电力，即使释放MEMS致动器，也能在由基片限定的开口的上方把阀板保持在闭合位置，由此进一步减小MEMS阀的功率需要。然而，当释放阀板时，如通过不再在阀板与基片之间施加电压差，使MEMS致动器返回在图18和19A中所示的、其中打开开口的中间位置。
为了提供增大的流体流，多个开口172a能由基片172限定，如图18中所示。根据该便利实施例，MEMS致动器174最好包括在数量上与由基片限定的开口数量相等的多个阀板176。阀板的每一块可操作地联接到拱形梁178上较好，并且联接到MEMS致动器的致动器件180上更好，从而拱形梁的运动可控制地相对于开口的相应一些运动阀板。在图18的实施例中，例如，MEMS致动器的致动在由基片限定的开口的相应一些上方运动阀板对，而MEMS致动器的释放使阀板返回其中打开开口的静止或中间位置。
在图20和21中表示一种MEMS阀170的另一个实施例，MEMS阀170通过限定在基片172中的较大开口172a提供甚至进一步增大的流体流。在该实施例中，MEMS致动器174具有一种扇形结构，其中当加热拱形梁184时，阀板176的每一块绕支点旋转。如图所示，支点一般由从基片向外延伸的支撑支柱186限定。由于由该便利实施例的基片限定的开口一般绕支撑支柱成角度地隔开，多块阀板最好联接到一块适于绕支点旋转的中心板188上。如图所示，中心板一般借助于基片上方的弹簧189悬挂。
如图20和21中进一步所示，MEMS致动器174的致动器件190的端部最好偏离支点的一个点处连接到中心板188上。像这样，MEMS致动器的致动和致动器件的合成运动将绕支承柱旋转阀板，由此相对于由基片172限定的开口172a运动阀板。
在图20中所示的扇型MEMS阀170中，MEMS阀是常开的。像这样，MEMS致动器174的致动将转动阀板176，以便至少部分覆盖由基片172限定的开口172a的相应一些。另外，扇型MEMS能是图21中表示的常闭的，从而MEMS致动器的致动将转动阀板，以便至少部分露出或打开由基片限定的开口的相应一些。如图20和21中所示，MEMS阀能包括定位在基片上当MEMS阀致动时用来接触相应阀板的至少一个挡块177，以便防止阀板的过分转动。
如上所述，该实施例的MEMS阀170也能包括即使已经释放MEMS致动器之后也用来相对于相应开口172a把阀板176的每一块保持到位的装置，由此进一步减小MEMS阀的功率要求。尽管没有表明，保持装置最好包括定位在基片172的部分上的电极，该部分围绕或至少相邻于一个相应开口。像这样，阀板最好最好稍大于相应开口，从而阀板能完全覆盖开口，并且在位于下面的电极与阀板之间产生一个足够的静电力，以限制或停止穿过其的流体流。
本发明的MEMS阀170的各种实施例可靠地控制通过限定在基片172中的一个或多个开口172a的流体流。通过可控制地覆盖和露出多个开口，相对于覆盖和露出单个开口的其他设计，也增大了由本发明MEMS阀支持的总流体流，因为可以由MEMS阀覆盖的开口尺寸一般尤其受拱形梁能施加的最大位移的限制。此外，通过采用扇型设计，由致动器件190的运动提供的位移量乘以阀板176的长度a相对于杠杆臂的长度b，即致动器件端部对中心板188的连接偏离支点的距离，的比值。由于该比值一般大于1，所以本发明的扇型阀允许能由阀板覆盖和露出的开口尺寸增大。
本发明包括MEMS致动器的MEMS结构，提供显著的力和位移，而消耗适当量的功率。如上所述，本发明MEMS致动器的设计提供了由加热器产生的热量到位于上面的金属拱形梁的高效热传递，以便产生金属拱形梁的进一步拱起。为了利用本发明的MEMS致动器的高效操作，也便利地提供多个MEMS装置，如各种MEMS继电器、MEMS切换阵列及MEMS阀。
对于熟悉与本发明有关的技术的、得益于呈现在以上描述和附图中呈现的讲述的人员，会想起多种改进和其他实施例。因此，要理解，本发明不限于公开的具体实施例，并且改进和其他实施例打算包括在附属权利要求书的范围内。尽管这里采用专用术语，但他们仅在一般和描述性意义方面使用，而不是为了限制的目的。
权利要求
1.一种微型机电结构，包括一个微电子基片；一个加热器，在第一与第二相对末端之间延伸，其中第一和第二末端布置在所述微电子基片上；隔开的支撑，在所述微电子基片上；及一根金属拱形梁，在所述隔开支撑之间延伸，其中所述金属拱形梁在所述加热器上方延伸并且与之隔开，从而由所述加热器产生的热量引起所述金属拱形梁进一步拱起。
2.根据权利要求1所述的微型机电结构，其中所述加热器包括一个心部，包括具有高电阻率的至少部分导电材料；及一个涂层，包括一种围绕所述至少部分导电心部的介电材料，其中所述介电涂层与限定在所述金属拱形梁与加所述热器之间的一个气隙合作，以把所述金属拱形梁与所述至少部分导电心部电气绝缘开。
3.根据权利要求2所述的微型机电结构，其中所述至少部分导电材料从由多晶硅、钛和钨组成的组中选择，并且其中所述介电材料从由氮化硅和二氧化硅组成的组中选择。
4.根据权利要求2所述的微型机电结构，其中限定在所述金属拱形梁与所述热器之间的气隙小于5微米。
5.根据权利要求4所述的微型机电结构，其中限定在所述金属拱形梁与加所述热器之间的气隙在1微米与2微米之间，并且其中覆盖面对着所述金属拱形梁的所述至少部分导电材料的所述介电涂层具有约0.5微米的厚度。
6.根据权利要求1所述的微型机电结构，进一步包括由镍形成的多根拱形梁。
7.根据权利要求1所述的微型机电结构，进一步包括联接到所述金属拱形梁上且从其在第一方向上向外延伸的一个纵向延伸致动器件，其中所述加热器位于下面，并且在第一方向上与所述致动器件对准。
8.一种制造微型机电结构的方法，包括步骤把一块牺牲电镀基板沉积在一个微电子基片的一个第一表面上；把一个光敏抗蚀剂层沉积在牺牲电镀基板上；把光敏抗蚀剂层摹制成向牺牲电镀基板打开一个或多个窗口，其中所述摹制步骤包括限定与一对隔开支撑对应的窗口、和一根在隔开支撑之间延伸的拱形梁；电镀在由光敏抗蚀剂层限定的窗口内的金属，由此形成隔开的支撑对和在隔开支撑之间延伸的拱形梁；在所述电镀步骤之后，除去光敏抗蚀剂层；及在除去光敏抗蚀剂层之后，从微电子基片释放拱形梁。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述释放步骤包括在除去光敏抗蚀剂层之后至少蚀刻牺牲电镀基板的一些部分。
10.根据权利要求8所述的方法，进一步包括步骤把一个氧化物层沉积在微电子基片的第一表面上；及摹制氧化物层，从而氧化物层沉积在将位于拱形梁下面的微电子基片的第一表面的部分上，而不沉积在将位于隔开支撑对下面的微电子基片的第一表面的部分上，其中在沉积一块牺牲电镀基板的所述步骤之前，进行沉积氧化物层和摹制氧化物层的所述步骤，及其中所述释放步骤包括刻蚀氧化物层，由此从微电子基片释放拱形梁。
11.根据权利要求8所述的方法，进一步包括在把牺牲电镀基板沉积在微电子基片上之前把一个加热器形成在微电子基片的第一表面上的步骤。
12.根据权利要求11所述的方法，进一步包括把一个空腔刻蚀到位于经其第一表面打开的加热器下面的微电子基片部分中的步骤，从而加热器部分进一步与微电子基片热隔离。
13.一种微型机电继电器，包括一个微电子基片；一个第一对触点，在所述微电子基片上；及一个第一微型机电致动器，在所述微电子基片上用来可控制地建立所述第一对触点之间的电气接触，所述第一微型机电致动器包括隔开支撑，在所述微电子基片上；一根拱形梁，在所述隔开支撑之间延伸；一个致动器件，可操作地联接到所述拱形梁上，并且从其向外向所述第一对触点延伸；及用来加热所述拱形梁的装置，以进一步使所述梁拱起，从而所述致动器件在一个其中所述致动器件与所述第一对触点隔开的断开位置、与一个其中所述致动器件接触所述第一对触点且建立其之间的电气连接的闭合位置之间运动。
14.根据权利要求13所述的微型机电继电器，其中所述致动器件包括一个纵向延伸部分，联接到所述拱形梁上，当加热所述拱形梁时用来随其运动；及一个增大接触部分，响应所述纵向延伸部分的运动，用来接触所述第一对触点。
15.根据权利要求14所述的微型机电继电器，其中所述致动件的所述纵向延伸部分和所述增大接触部分是一种整体结构。
16.根据权利要求14所述的微型机电继电器，其中所述致动件的所述纵向延伸部分和所述增大接触部分是单独结构，及其中当所述纵向延伸部分响应所述拱形梁的加热而运动时，所述纵向延伸部分接触所述增大接触部分。
17.根据权利要求13所述的微型机电继电器，进一步包括在所述拱形梁的加热和所述致动器件的运动之后把所述致动器件保持到位的装置。
18.根据权利要求17所述的微型机电继电器，其中用来把所述致动器件保持到位的所述装置包括用来在所述致动器件与所述微电子基片之间施加静电力的装置，由此保持所述致动器件的至少一部分贴紧所述微电子基片。
19.根据权利要求17所述的微型机电继电器，进一步包括至少一个在所述微电子基片上的保持件，并且在所述致动器件响应所述拱形梁的加热而运动之后位于所述致动器件下面，其中所述致动器件还包括一个面对着所述微电子基片的下表面，该表面限定至少一个当所述致动器件保持到位时用来配合地接收一个相应保持件的凹口。
20.根据权利要求13所述的微型机电继电器，进一步包括用来在第一微型机电致动器致动之后锁闭其致动器件的锁闭装置，从而在没有进一步致动的情况下在第一对接触件之间保持电气接触。
21.根据权利要求20所述的微型机电继电器，其中所述锁闭装置包括一个凸出部分，从所述第一微型机电致动器的致动器件向外伸出；和一个锁闭件，当所述第一微型机电致动器致动时用来配合地啮合凸出部分。
22.根据权利要求21所述的微型机电继电器，进一步包括用来解锁第一微型机电致动器的致动器件的复位装置，从而在没有第一微型机电致动器的进一步致动的情况下在第一对接触件之间保持电气接触。
23.根据权利要求22所述的微型机电继电器，其中所述复位装置包括一个带有一个致动器件的第二微型机电致动器，该致动器件包括所述锁闭件，从而第二微型机电致动器的致动解锁第一微型机电致动器的致动器件。
24.根据权利要求13所述的微型机电继电器，其中所述加热装置包括用来外部加热所述拱形梁的装置。
25.根据权利要求13所述的微型机电继电器，进一步包括一个相对于所述第一对触点在相对着所述第一微型机电致动器的所述微电子基片的一部分上的第二微型机电致动器，其中所述第二微型机电致动器可控制地把所述第一微型机电致动器的所述致动器件与所述第一对触点脱开，并且其中所述第二微型机电致动器包括隔开支撑，在所述微电子基片上；一根拱形梁，在所述隔开支撑之间延伸；一个致动器件，可操作地联接到所述拱形梁上，并且从其向外向所述第一对触点延伸；及用来加热所述拱形梁的装置，以进一步使所述梁拱起，从而所述致动器件接触所述第一微型机电致动器的所述致动器件，并且把所述第一微型机电致动器的致动器件与所述第一对触点脱开。
26.根据权利要求13所述的微型机电继电器，进一步包括电气连接到所述第一对触点的相应触点上、且以面对着的关系布置的第一和第二电场强化结构，由此限定一个放电间隙，以便提供过电压保护。
27.根据权利要求26所述的微型机电继电器，其中每种电场强化结构包括至少一个向另一种电场强化结构延伸的尖头凸出部分，由此限定放电间隙。
28.一种用来交替地连接第一和第二对触点的微型机电继电器，该微型机电继电器包括一个微电子基片；第一和第二对触点，在所述微电子基片上；及第一和第二微型机电致动器，在所述微电子基片上，其中每个微型机电致动器包括隔开支撑，在所述微电子基片上；一根拱形梁，在所述隔开支撑之间延伸；一个致动器件，可操作地联接到所述拱形梁上，并且从其向外延伸；其中当所述第一微型机电致动器致动时所述第一微型机电致动器的所述致动器件配合地啮合所述第二微型机电致动器的所述致动器件，从而如果都不致动所述微型机电致动器，则在所述第一对触点之间建立电气接触，并且从而如果仅致动所述第二微型机电致动器，则在所述第二对触点之间建立电气接触。
29.根据权利要求28所述的微型机电继电器，其中所述第二微型机电致动器的所述致动器件包括一个布置在所述第一与第二对触点之间用来交替地接触所述第一和第二对触点的增大头部。
30.根据权利要求28所述的微型机电继电器，其中所述第二微型机电致动器的致动器件的一个端部包括一个经其末端打开的套筒，并且其中所述第一微型机电致动器的致动器件的一个端部包括一个当所述第一微型机电致动器致动时用于通过所述套筒末端插入的啮合部分，从而所述第一和第二微型机电致动器的致动器件在所述第一微型机电致动器致动之后，保持配合地啮合。
31.根据权利要求28所述的微型机电继电器，其中所述第一和第二微型机电致动器的拱形梁都在相同方向上拱起。
32.一种微型机电切换阵列，包括一个微电子基片；多个第一和第二微型机电致动器，定位在所述微电子基片上，从而所述多个第一微型机电致动器限定相应的行元件，而所述多个第二微型机电致动器限定相应的列元件，其中每个微型机电致动器包括隔开支撑，在所述微电子基片上；一根拱形梁，在所述隔开支撑之间延伸；一个致动器件，可操作地联接到所述拱形梁上，并且从其向外延伸；及多个接触件，沿所述致动器件隔开、且从其向外延伸，其中一对相应的第一和第二微型机电致动器的致动使相应的致动器件运动，并且建立在相应接触件之间的电气接触，从而一条连续的电气通路在该相应对第一和第二微型机电致动器之间延伸。
33.根据权利要求32所述的微型机电切换阵列，进一步包括用来在第一和第二微型机电致动器致动之后锁闭该相应对的致动器件的锁闭装置，从而在没有进一步致动的情况下在相应接触件之间保持电气接触。
34.根据权利要求33所述的微型机电切换阵列，其中所述锁闭装置包括一个锁闭件，从每个相应致动器件向外延伸；和多个锚定件，在所述微电子基片上，其中一个锚定件与所述第一和第二微型机电致动器的每一个相联，以便当所述相应微型机电致动器致动时用来配合地啮合锁闭件。
35.根据权利要求33所述的微型机电切换阵列，进一步包括用来解锁相应对第一和第二微型机电致动器的致动器件的复位装置，从而在没有相应对第一和第二微型机电致动器的进一步致动的情况下，相应接触件分离并且不再进行电气接触。
36.根据权利要求34所述的微型机电切换阵列，进一步包括用来分别复位所述多个第一和第二微型机电致动器的第一和第二复位致动器，其中每个复位致动器包括隔开支撑，在所述微电子基片上；一根拱形梁，在所述隔开支撑之间延伸；一个致动器件，可操作地联接到所述拱形梁上，并且从其向外延伸；及多个复位件，沿所述致动器件隔开、且从其向外延伸，其中当所述复位致动器致动时，所述多个复位件啮合所述微型机电致动器的相应致动器件，从而把所述致动器件的所述锁闭部分与所述相应锚定件脱开。
37.一种微型机电阀，包括一个微电子基片，限定穿过其的至少一个开口；一个微型机电致动器，在所述微电子基片上，所述微型机电致动器包括隔开支撑，在所述微电子基片上；一根拱形梁，在所述隔开支撑之间延伸；一块阀板，可操作地联接到所述拱形梁上，并且适于至少部分覆盖所述开口；及用来加热所述拱形梁的装置，以使所述梁进一步拱起，从而使所述阀板相对于所述开口运动，由此可控制地调节由所述阀板覆盖的所述开口的部分。
38.根据权利要求37所述的微型机电阀，其中所述微型机电致动器进一步包括一个可操作地联接到拱形梁上以便与其一起运动的致动器件，并且其中所述阀板可操作地联接到所述致动器件上。
39.根据权利要求38所述的微型机电阀，其中所述微电子基片限定多个开口，并且其中所述微型机电致动器进一步包括多个可操作地联接到所述拱形梁上、且适于至少部分覆盖相应一些所述开口的阀板。
40.根据权利要求38所述的微型机电阀，其中当加热所述拱形梁时，所述阀板绕一个支点旋转，由此可控制地调节由所述阀板覆盖的所述开口的部分。
41.根据权利要求40所述的微型机电阀，进一步包括一个从所述微电子基片向外延伸的支撑支柱，其中所述阀板包括一块当加热所述拱形梁时绕所述支撑支柱旋转的细长板。
42.根据权利要求41所述的微型机电阀，其中所述微电子基片限定多个绕所述支撑支柱按角度隔开的开口，并且其中所述微型机电阀进一步包括多个可操作地联接到所述拱形梁上、并且当加热所述拱形梁时通过绕所述支撑支柱旋转适于至少部分覆盖相应一些所述开口的阀板。
43.根据权利要求37所述的微型机电阀，进一步包括用来在所述拱形梁的加热之后相对于所述开口把所述阀板保持到位的装置。
44.根据权利要求43所述的微型机电阀，其中用来把所述致动器件保持到位的所述装置包括用来在所述阀板与所述微电子基片之间施加静电力的装置。
全文摘要
提供一种产生显著力和位移同时消耗适当量功率的MEMS致动器。该MEMS致动器包括一个微电子基片、在该基片上隔开的支撑及一根在隔开支撑之间延伸的拱形梁。MEMS致动器还包括一个用来加热拱形梁以使梁进一步拱起的加热器。为了高效地把热量从加热器传递到金属拱形梁,金属拱形梁在上方延伸,并且轻微地与加热器隔开。像这样,MEMS致动器把由加热器产生的热量高效地转换成金属拱形梁的机械运动。也提供一族包括一个或多个MEMS致动器的其他MEMS装置,如继电器、切换阵列及阀,以便具有其高效操作特性的优点。另外,进一步提供一种制造MEMS致动器的方法。
文档编号F03G7/06GK1277731SQ98810552
公开日2000年12月20日 申请日期1998年8月28日 优先权日1997年9月24日
发明者威加亚库玛尔R·胡勒尔, 罗伯特L·伍德, 拉玛斯瓦敏·玛哈德曼 申请人:克罗诺斯集成微系统公司