专利名称：基于微机电系统装置的薄膜致动器及其方法
技术领域：
本发明一般涉及微机电系统装置(MEMS)的切换装置，更特别地，涉及用于所述装置的改进致动装置，所述装置能够增大绝缘特性，同时具有较低的致动电压要求。
背景技术：
近年来由于微机电系统装置(MEMS)装置可以通过从批量处理获得的经济性而减小成本，以及装置尺寸的明显减小，因此对微机电系统装置的兴趣一直增大。MEMS装置是利用标准化的集成电路技术制造的非常微小的机械装置，其具有的优点是产量高，并在整个晶片和整批晶片上的装置特性方面具有非常好的均匀性。MEMS开关是机械地打开(形成开路)或关闭以使传输线短路的装置。这种开关的尺寸为亚毫米级，并具有优良的性质，如高绝缘和低插入损失特性，以及极好的信号线性。其他的益处是，与传统的现有技术的电子开关如p-i-n二极管或GaAs FET相比，它们能以较低的频率相关性提供良好的阻抗匹配以及具有较低的能耗。尽管它们的切换时间相对较慢，为微秒的范围，以及它们在将机械部件实现到电子装置和相关封装方面成本有些高，但是因为这些和其他的优点，所以MEMS开关显示出非常适合用于对高信号纯度要求的应用。
在MEMS开关中使用的通常形式的致动装置是静电致动装置。该静电致动装置通过形成来自静电荷的静电力使开关元件移动，所述静电荷是通过施加电压而累积的。其他致动技术包括压电、静电、气动磁性和热双压电晶片致动，该热双态致动使用具有不同热膨胀系数的不同金属，当加热时金属会发生变形，从而使致动器产生移动。使用静电致动的MEMS已经证明是受欢迎的，因为它们的优点是能耗较低和结构较简单，该简单结构考虑到了使用基于半导体的微加工处理的高处理兼容性。但是，一些应用例如那些需要高的电绝缘特性的应用不适合用于基于传统静电致动的MEMS装置。这主要是由于需要更高的致动电压来操作该具有相对较大电极距离的装置，该电极距离用于在断开状态下的触点之间更高的电绝缘。
图1示出了现有技术中处于打开位置或断开状态的静电金属触点开关，其包括上部悬臂的梁结构110、致动电极120和形成在底部基板100上的切换触点130。当在致动电极120之间施加电压时该开关被闭合的。悬臂布置可以使用一相对刚硬的结构，其有助于在去除致动电压之后打开开关。为了获得处于断开状态的高电绝缘，线路切换触点130之间的距离d1应该足够的大。另一方面，因为致动电极120之间的静电力与1/d1成比例，该1/d1基本上与线路触点130之间的距离相同，因此这导致致动开关的高DC电压要求。为了在小触点距离时保持信号线之间的高电(或RF)绝缘，接触面积典型地是限制在例如小于500μm2的尺寸，以便使电容耦合减到最小，该电容耦合与接触面积成正比。尽管在线路触点130之间提供大的距离可导致在断开状态的高绝缘性，但是存在的一个缺点是该装置也需要高的致动电压，用于克服致动电极120之间相对较大的距离d1。
图2示出了现有技术中处于闭合位置或导通状态的静电金属触点开关。如所描述的，当为了切换触点130之间改进的电绝缘而使致动电极120隔开较远时，需要用来闭合开关的电压会相对较高。作为实例，对于某些接触距离的数量级仅为几微米的装置来说，需要像20-50V这样相对高的致动电压。此外，为了打开开关，悬臂结构必须相对较刚硬，以便克服闭合触点之间的附着力，特别是在所谓的“热切换”的情况下，其中在打开触点时存在信号电流。这种结构本身的硬度会不期望地增大操作装置所需的致动电压。
减小致动电压的传统方式是减小切换触点130之间的间隙d1，但是，与DC和RF绝缘的问题可能导致与装置的操作发生冲突。对于这种方案的一些改进是，使用推挽结构或顶部反电极来减小致动电压要求。但是，这些致动电压要求仍然保持相对较高。
US专利5,380,396描述了半导体制造中的气阀，其使用由静电力致动的可弯曲薄膜元件。该阀设计成用于以高的速度和高的精度切换大流量的气体。该阀使用柔性薄膜致动器，根据气体进入腔室的方向该致动器可弯曲到使气体转向通过特定出口的位置。尽管可以在气阀中实现相对低的致动电压，但是没有教导或者暗示如何使该布置适合作为电子切换或RF电容调节装置来操作。
考虑到上述问题，期望的是提供一种MEMS开关设计，其可以解决上述缺陷。该MEMS开关的设计可以通过使用具有电绝缘特性的低功率、低电压的致动而提供高的操作效率。
发明概述本发明的一个目的是提供一种MEMS装置，其通过提供具有相对低的致动电压的、增强的电绝缘特性可以在较宽范围的应用中使用。
本发明的另一个目的是提供一种较低成本的MEMS切换装置，其可以通过多种处理方法进行制造，其中可以在一个晶片或者同时在多个晶片上在高度并行的处理中制造多个装置，从而大大减小制造成本。
本发明的又一个目的是使用标准半导体制造技术提供一种高质量、可大量生产的MEMS装置。
为了实现这些和其他目的，本发明提供一种MEMS装置，其适合于从DC应用(如切换电信号线)到RF应用(如可调电容)的应用范围。在本发明的一个实施例中，该装置包括以固定距离彼此隔开的底部基板和顶部基板。设置在基板之间的是柔性S形薄膜，该薄膜具有一电极或可导电的电极层，其一端与顶部基板连接，另一端与底部基板接触。一导电触点单元与薄膜致动器的底面连接，用于在开关处于闭合位置时使信号短路。当将电压施加到薄膜和底部基板上的电极层之间时，薄膜因静电力而以起伏的波状运动偏斜，使得触点单元移动到与信号线接触。当将电压施加到薄膜致动器和顶部基板上的电极层之间时可以主动地打开该装置，从而使触点单元向上移动而不与信号线接触。
在本发明的另一个实施例中，该MEMS切换装置用作可调电容器。
在本发明的又一个实施例中，该MEMS装置是结合在开关矩阵板中的装置，其用于自动交叉连接系统，以切换电信网络中的电话线。
附图简述参考下面的描述并结合附图可以更好地理解本发明以及其进一步的目的和优点，其中图1示出了现有技术中处于打开状态的静电金属触点开关；图2示出了现有技术中处于闭合状态的触点开关；图3a-3c示出了根据本发明的第一实施例分别在打开、中间、和闭合位置操作的MEMS切换装置；图4示出了使用电极夹的本发明的另一个实施例；
图5示出了根据本发明的示例性构造的开关的示意性透视图；图6示出了根据本发明的一个实施例的示例性制造过程的总览；图7a示出了提供绝缘的另一个实施例；图7b示出了本发明的又一个实施例，其显示出一种可替换的装置结构；图8示出了包括本发明的MEMS开关的示例性自动开关矩阵板的图解说明；以及图9示出了利用本发明的MEMS开关的自动交叉连接系统的示例性表示。
发明详述本发明通过在切换触点之间提供大间距同时保持致动电极之间相对小的间隙的组合特征，以便能够以低的致动电压使薄膜偏斜例如打开或关闭开关，从而克服了现有技术的静电MEMS开关的缺陷。
图3a-3c示出了根据本发明的第一实施例适合于切换从DC信号到RF信号操作的静电MEMS切换装置。该装置包括柔性薄膜315，也称为S形薄膜315，其具有底部和顶部电极310、312以及安装在薄膜315上的金属触点单元320，该薄膜可以在间隔微小距离的底部基板300和顶部基板305之间竖直地偏斜。薄膜315可以是连附有电极的非导电材料，其本身由柔性导电材料构成，或者具有附着于薄膜表面(未示出)的导电薄电极层。
为了移动薄膜，电极处于所谓的接触模式或‘拉链状’致动，其中薄膜315的另一端接触底部基板300。这表示在进行初始致动的地方，薄膜电极和底部电极310仅仅分开非常小的距离dact，该dact用于在概念上说明薄膜电极和基板电极(或者当薄膜抬高时的顶部电极)之间的短的竖直距离。该概念距离取决于几个因素，例如所施加的电压和薄膜相对基板表面的角度，但未精确限定。该短距离保持不变，但是当薄膜315向左或右起伏时该短距离会不断地向左或右移动。如图3a所示，当开关处于打开状态时，可以在电极或线路触点之间获得相对大的距离d1。
图3b示出了闭合开关过程中的中间状态。当将电压施加到薄膜电极和底部电极310之间时，薄膜致动器315开始其起伏动作。
图3c示出了装置完全闭合的状态，其中薄膜致动器已经完全落下。在该状态下，金属触点单元320与线电极电连接，由此导致线路的机械短路。为了使触点单元能够确保和线路的安全接触，围绕触点单元对称地布置多个电极以便确保良好的接触。
为了打开开关，可以释放为关闭开关而施加的电压，并通过互连导线360将电压提供给顶部电极312，从而通过导线350在顶部电极和薄膜电极之间形成静电力。应该注意，图中示出的互连导线的结构仅仅是示例性的，本发明并不限于此。应该理解其他导线结构是可能的，使用各种封装设计和要求都可以成功地起工作。优选实施例使用两个电极的原理以主动地打开和关闭开关。但是，也可以制造薄膜使其具有固有应力，该固有应力有助于使开关保持打开状态。因此为了闭合开关，将电压施加到底部电极上，而释放电压打开开关。这就消除了将顶部电极层与顶部基板305的底面连接的需要。
对于这两种情况，电极处于所谓的接触模式致动中，即电极的致动部仅由非常薄的绝缘层(未示出)或薄膜本身隔离。薄膜致动器315的优点是它允许切换触点的位移距离，也就是断开状态的绝缘与有效的电极致动距离无关。触点距离与致动电压之间脱离关系极大地拓宽了用于静电致动的MEMS装置的应用范围。这样，即使在非常低的致动电压，也能够产生高的静电吸引力，从而促使薄膜在致动反电极上以波纹状运动的方式起伏，如图3b-3c所示。
本发明的MEMS装置具有主动打开的能力，其中薄膜由与顶部基板连接的电极层吸起，因而在机械运动结构中没有储存打开开关的弹簧能。因此，薄膜可以做得非常薄且具有柔韧性，这可以进一步降低致动电压。由于在断开状态下线路触点之间可能的大距离，因此和现有技术的开关相比，开关接触面积可以设计得大很多，而不减小电绝缘或导致不期望的电容耦合。更大的接触面积也降低了接触阻力和插入损失，从而改进目前的操作性能并引起较小的接触劣化。
具有顶部电极设计的另一个优点是可以产生打开开关的较高作用力，这允许在施加信号流(“热切换”)期间切换，而由于在例如大于20dBm的信号功率下发生的接触微焊导致的开关永久性粘合的危险会减小。此外，由于因在薄膜电极和顶部电极之间施加的电压而产生的主动回复力，除金属触点之外的机械移动部的静摩擦产生的问题会更少。这样，能够大大增加开关的总体可靠性。
图4示出了根据本发明的另一个实施例在电气作用元件的底部基板上的结构的顶视图。该布置可以实施成以“接触模式”牢固地保持薄膜的端部，即当薄膜朝顶部电极312吸起时在断开状态中使薄膜端部与底部电极310紧密接触。这可以确保薄膜在任何致动状态下与两个电极接触。这可以通过使用附加的静电夹紧电极400实现，该夹紧电极将薄膜夹紧到底部基板上。间隙410提供信号线420中的中断，当薄膜上的触点单元压靠在信号线420两侧时，信号线被电气地桥接。在顶部或底部电极具有施加的电压的情况下，即薄膜能被吸向顶部或底部，薄膜的端部必须与底部电极连接，例如通过夹紧电极使薄膜适当地起作用。
施加于夹紧电极上的电势将薄膜的端部向下按压到底部晶片，使其准备用于在薄膜和底部电极之间的“接触模式”致动，以用于下一个关闭操作。需要该夹紧来安全地操作开关，并且该夹紧可以用于获得薄膜和底部基板之间的初始接触。例如，当薄膜具有固有应力以卷曲至(基板的)平面外时用于提供与底部电极的接触。对于静电夹紧机构的全部功能，夹紧电极通常位于移动薄膜上，位于底部部件或顶部部件上或底部和顶部部件上。此外，位于薄膜上的夹紧电极可以与薄膜电极连接，或者其可以不依赖于薄膜电极而进行控制。
在该实施例中，装置使用了超过两个电极，例如使用四个电极来执行其致动在开关顶部部件上形成薄膜夹紧电极的底部电极和薄膜电极，以及在底部部件上的底部电极和夹紧电极。但是，为了在启动之后操作开关，仅需要改变一个电极的驱动电势，而其他电极可以保持在同一电势。
图5a和5b示出了根据本发明制造的示例性装置的各顶部基板和底部基板的示意性透视图。正如所看到的，薄膜致动器具有固有的卷曲应力，该应力可提供有利的向下的张力，由此消除对夹紧电极的需要。但是，夹紧电极通常用于确保薄膜致动器以接触模式与基板连接，从而在连续的打开和关闭循环中正确地操作薄膜致动器。如果没有夹紧电极，可以在断开状态下使切换薄膜完全朝顶部电极移动，如果薄膜粘在顶部电极，即使释放了顶部电极的致动电压，也不再次闭合开关，。
该装置的制造包括两部分处理，其具有的优点是开关可以容易地与不同材料的RF基板一体化，例如在MEMS部件与RF电路的处理相容性上没有特殊的限制。总的来说使RF部件和MEMS部件在分开的晶片上处理是有利于增大装置制造的产量的一个因素。通过单个装置的拾取和放置或者使用图案化的粘合层通过整片接合可以进行开关的传输。此外，该装配思想可以获得几乎密封封装的一体化开关，从而解决MEMS装置的一个主要问题，即要求单独和复杂的封装方案。
图6示出了根据本发明的一个实施例的示例性制造过程的总览。应该注意，制造过程和给出的尺寸是示例性的，由于技术进步在处理步骤中的变化或增加或删除步骤是可能的。此外，任何或者所有的步骤都可以利用商业上获得的装置而自动操作。该设计一共使用了七个光刻掩模。其中三个掩模用于底部部件，另外四个用于开关的顶部部件。包括在这两部分中的所有处理都是标准清洁室表面微加工处理，对于开关的MEMS部件最大温度为350℃。该图中示意性地示出了基本的制造步骤，并在下面的段落中更加详细地进行描述。
顶部晶片(切换结构)将150nm厚的金层和40nm厚的铬粘附层蒸发到玻璃基板上而形成顶部电极。随后通过湿法蚀刻使该层图案化(图6(a))。接着，将来自HD微系统的聚酰亚胺Pyralin PI2555以1.5μm的厚度旋涂到晶片上。在180℃下使聚合物发生亚胺化反应，该聚合物用作牺牲层以释放薄膜。但是，它必须在350℃下完全硬化，因为其硬化温度比后面任何处理温度更高，从而避免在后面的制造步骤脱气。接着，使用双频RF功率在300℃下通过低压PECVD淀积1λμm厚的氮化硅薄膜层。之后，蒸发40nm/150nm厚的铬/金层(图6(b))。该层用作后面电镀用的籽层，也可以用于具有其薄膜夹紧电极部件的薄膜电极。使用Clariant AZ4562光致抗蚀剂掩模电镀2μm厚的金切换触点(图6(c))。去除该抗蚀剂掩模之后，通过湿化学制剂使铬/金层图案化。接着，使用CF4等离子体在RIE工具中向下蚀刻到聚酰亚胺层(图6(d))。在蚀刻牺牲层之前利用芯片锯切割装置切割装置(图6(e))，该步骤是在功率为1000W和100mTorr的压力下的O2等离子体中进行的(图6(f))。
底部晶片(信号和控制线)利用LPCVD将800nm厚的二氧化硅层淀积在高电阻系数的硅片上作为绝缘层。接着，将厚度为40nm/150nm的铬/金层蒸发到晶片上，该铬/金层用作后面电镀的籽层。通过在碱性、非氰化物、基于铊的金浴槽中电镀2μm厚的金而形成共面的波导和夹紧电极(图6(g))。使用Clariant AZ4562光致抗蚀剂作为电镀的掩模层。在丙酮中去除光致抗蚀剂掩模之后，利用碘化钾溶液蚀刻掉籽层。通过低温PECVD将20nm的氮化硅薄层淀积到晶片上。当在丙酮中去除用于使层图案化的光致抗蚀剂时，发现氮化硅层和电镀的金的连接非常差，使得该氮化物层很容易被剥落。在CVD之前快速地在1000W下进行氧等离子体处理10分钟可以大大改进该连接。通过在反应离子蚀刻(RIE)之后用光刻法使用CF4等离子体使氮化硅层图案化，在底部电极的顶面上形成绝缘层(图6(h))。之后，使用Dow化学公司2033系列的苯环丁烯(BCB)形成限定开关腔的环形壁。将该聚合物以18.2μm的厚度旋涂到晶片上(涂6(i))。然后在280℃下硬化，并使用厚的光致抗蚀剂掩模通过光刻法以及通过在RIE工具中使用CF4/O2等离子体的蚀刻进行图案化，如图6(j)所示。最后，利用芯片锯切割晶片(涂6(k))。
装置组装使用商业基板粘合剂将开关装配到晶片层上，在粘合处理期间使BCB定距环完全硬化。可以手动地以大约20μm的精度对准这两个部分。由于选择玻璃作为开关顶部部件的基板，所以对准步骤相对简单。这样，朝向彼此面对结构的两个部分可以透过玻璃基板看见。尽管薄膜末端在对准期间与底部基板接触，该对准涉及两部分之间的微小横向移动，但是薄膜不会因该步骤而损坏。此外，发现在基板对准工具中的全晶片对准并不重要，因为薄膜的弯曲不会超过大约200μm，其属于在装载期间可商业获得的掩模/基板校准器中的晶片和工具中先处理的晶片之间可设计距离的范围。在仔细对准之后，例如通过晶片接合使各部件彼此固定。
在一个实施例中，薄膜致动器是氮化硅致动器薄膜，其长度为900μm、厚度为1μm，从而得到长度和宽度的比例大约为900比1。应该注意，给出的尺寸仅仅是示例性的，并且在制造装置时该尺寸对于各个元件可以显著地变化。使用聚酰亚胺作为牺牲层以释放薄膜。选择可干法蚀刻的牺牲层，以避免非常柔韧的薄膜与基板之间的静摩擦。对于释放蚀刻，将牺牲层蚀刻孔布置在所有薄膜上，各个孔之间具有一定距离。
开关可以在由任何类型的材料(例如硅、砷化镓、石英)构成的基板上或者陶瓷载体上进行制造。此外，可以手动或者通过自动操作的处理例如通过倒装晶片接合或晶片接合，完全在一个基板上制造开关，或者在不同的基板上制造顶部和底部部件然后进行装配。关于致动器，可以在顶部部件上、底部部件上或不依赖于分开的基板上的顶部和底部部件来处理薄膜，然后将其传输到顶部或底部部件。
在开关的另一个实施例中，通过1)薄膜中固有的卷曲应力或者2)通过例如静电夹具中薄膜的卷曲应力和静电吸引力或者3)只通过静电夹紧，薄膜端部最初接触底部基板电极或接近底部基板电极。
在又一个实施例中，开关包括在电极之间的一个或多个电绝缘层；在顶部和/或底部电极上或在移动薄膜上。该绝缘层可以由任何类型的非金属材料如聚合物或陶瓷构成。薄膜上的绝缘层也可以具有结构功能，以改进薄膜的机械稳定性。
图7a示出了另一个实施例，其中装置可以提供电气作用元件的绝缘，而不使用常规的绝缘层。作为实例，通过使用多个支柱395支撑薄膜315，当支柱布置在基板下方时，可以获得薄膜电极和基板电极的绝缘。支柱本身可以是金属或任何其他材料。利用金属支柱395，通过将支柱定位在基板材料的凹槽或孔中可以实现绝缘，使得它们与其他电气作用元件电气绝缘。
在优选实施例中，距离保持器结构340实施成保持顶部和底部部件之间的距离，并且其可以由任何种类的金属、有机或无机材料构成。在优选实施例中，距离保持器340例如以正方形环绕壁的形式围在开关周围。当围绕装置的距离保持器壁夹在顶部基板和底部基板之间时，其具有的附加益处是可以提供封装的初始层用于封装开关。但是，距离保持器可以是与封装无关的结构性支柱。作为实例，它们可以是分离的支柱，该支柱可选择性地围绕装置支撑件定位以支撑分离的基板，该基板可以布置在密封的封装内部。
关于封装，该实施例使用垂直的互连电线穿过底部或顶部部件或开关的底部部件和顶部部件，以便从用于顶部/底部部件/顶部和底部部件的基板背面电气地接触顶部/底部部件/顶部和底部部件。开关可以在适合于其操作的任何气体环境中进行封装，所述气体环境包括负电气体环境或任何其他气体或气体混合物。此外，封装内部的压力可以是任何程度的真空、正常压力或过压力。
在与RF应用相关的本发明的另一个实施例中，开关的设计可以以这样一种方式制造，使得开关的机械移动(MEMS)部件在分凯的基板上而不是传输线上进行处理。将开关的机械部件传输目标基板，该基板在基本水平仅包含信号传输线、底部夹紧电极和聚合物环状壁，该聚合物环状壁形成用于开关的腔和最后装配后在开关的两部分之间限定距离。
本发明除了可以应用于串联开关例如用于调节信号线的可调电容器，还可以应用于其他类型的MEMS装置。可调电容器基本上与所描述的装置相同，但是在薄膜上没有触点切换元件。通过使导电层与薄膜表面连接以有效地形成具有一种电荷的电容板，该装置可以形成电容器。具有相反电荷的其他板可以由底部或顶部基板上的导电层有效地形成，其可以用作底部电极。顶部和底部电极用于控制薄膜的位置。
在相关的另一个实施例中，该装置可以配置成用于同时操作的同一装置中的两个可调电容器，其中一个电容器限定在薄膜底面和底部基板之间，另一个电容限定在薄膜顶面和顶部基板之间。该薄膜以一种方式单独地控制两个电容的容量，即增大底部电容而减小顶部电容，反之亦然。
为了用作可调电容器，通过以本发明所描述的方式使薄膜起伏可以有效地改变板的面积。例如，通过使左边薄膜朝底部基板向下落可以减小电容，反之可以增大电容。在这种可调电容器的应用中，通过控制电极之间的电压，控制电路可以用于精确地控制薄膜的起伏量。此外，可以实施反馈系统，其采用传感器来确定当前的电容器或薄膜的位置。应用的一些实例包括调节滤波器和用于在RF传输线中匹配线路阻抗。
在分路开关中，例如绝缘特性由于其电容性短路原理而在较低的频率下非常小，但是其性能在毫米波长范围中较高的频率下更好。电容性MEMS开关的典型应用包括在场微波雷达中的那些用途和其他高频RF应用。
图7b示出了本发明的另一个实施例，其中MEMS装置配置成在两个方向，即当薄膜在向上或向下的位置时，提供切换。这里在薄膜向上时可以形成另一个线路连接，从而使触点单元380接触顶部基板305底面上的线路电极。此时对于底部基板300上的线路，开关为断开状态。此外，多个触点单元例如390可以与薄膜的任何一侧连接，从而提供另一种切换替换方案。类似地，另一个实施例包括具有多个电容性分路开关，其中限定在薄膜和基板电极之间的单个电容可以独立地操作。一些应用的实例包括切换电话线对，和单刀双掷(SPDT)应用，其中单个输入可以切换到两个输出中的一个，这两个输出分别布置在底部和顶部基板。
进一步的实施例包括颠倒薄膜的布置，例如通过使一端与底部基板而不是顶部基板连接，由于卷曲应力通过夹紧或处于“接触模式”，另一端接触顶部基板。
如本发明所描述的这种类型的MEMS装置可以应用于切换在通信网络中使用的装置，特别是在自动开关矩阵中使用的装置，该开关矩阵用于使线对与自动交叉连接装置交叉连接。
在典型的通信网络中，电话局具有电话交换机，用户家庭和商业用户线通过网络与该电话交换机连接，该网络称为本地环路。通常可以使用一对铜线形成一些与住宅用户的这种连接，所述铜线也称为双绞线，其可以共同地形成由电信供应商操作的大的铜网络。在电话局内，交换机侧和用户侧之间的线路连接在总配线架(MDF)端接，其通常是在用户线路和交换机线路之间形成交叉连接的位置。实际上通信网络的各个方面都可以自动操作，一个显著的例外是铜网络。铜基础结构的操作例如使电话业务与用户连接和断开是一个高度的劳动密集型处理，它是通信供应商所面对的最重要的成本之一。其原因是传统上电话局必须派遣技术员到MDF现场去使用跳线手动安装交叉连接或者分析或测试铜网络中的线路。因此，服务供应商一直期望在其电话网络中实现自动的交叉连接系统，以减小成本和改进可靠性。
图8示出了示例性的自动开关矩阵板800的示意性表示，该开关矩阵板结合了多个本发明的MEMS薄膜致动器开关810。该MEMS开关可以微制造成开关矩阵板，由此显著地减小制造成本。在一个示例性实施例中，开关矩阵板能够将20条输入线对中的任何一个切换到20条输出线对中的任何一个。应该注意，示出的开关矩阵的容量是示例性的，并且因为开关在测微计上，所以显著的变化是可能的，从而能够将大量的开关结合到板中。
在该实施例中，开关矩阵板结合到交叉连接板中，该交叉连接板以模块的形式嵌入在MDF的终端单元中。作为实例，交叉连接板嵌入在KRONE LSA-Plus终端单元的插槽中，该终端单元通常在许多电话局的MDF中使用。本领域技术人员将理解，所描述的交叉连接板可以适合于与终端单元的不同结构配合，并对连接器布置进行相对小的修改。包括互连的模块交叉连接板，其作为安装在通信网络内配线架位置中的交叉连接系统的一部分，以便提供远程的自动交叉连接功能，例如在由瑞典斯德哥尔摩的网络自动化公司制造的NexaTM自动交叉连接系统中。
图9是根据本发明安装在示例性的电话网内并操作的自动交叉连接的说明。该自动交叉连接系统900使从任一用户线对到交换机上任一物理(或逻辑)端口实现所谓任意(any to any)连接。作为实例，用户线(901、902、903)通过线路侧的连接器单元810在MDF处连接。连接器单元910的输出线与交叉连接系统900耦合，这样可以通过交换机侧的连接器单元920在要求时建立与中央局交换机上的任一端口的交叉连接。开关矩阵连接器台与连接器单元连接，并与交叉连接系统连接。作为实例，当向系统发出命令进行、断开或修改交叉连接时，与开关矩阵板上选定线路相联的相应MEMS开关由系统软件自动地致动。
为了说明和描述的目的，已经提供了对本发明实施例的以上描述。而不是为了穷尽或限制本发明到公开的精确形式，因此根据上述教导，本发明的许多修改或变化都是可能的。因此，应该理解，可以认为这些修改和变化都属于本发明的范围。这些实施例选择成说明本发明的原理和其实际应用，由此使本领域技术人员能够对于设想的特殊用途利用本发明。此外本发明不限于示出的具体应用，相反，其可以在宽范围的应用中使用，例如从DC到射频应用。因此期望的是后面的权利要求不是给出限制性的解释，而应该认为是包含从公开的发明性主题导出的各种变化和修改。
权利要求
1.一种适合于在电子应用中使用的微机电系统装置，包括第一基板；布置在第一基板上使得在基板之间保持距离的第二基板；布置在第一基板和第二基板之间的柔性薄膜，其中薄膜的第一端部接触第一基板，第二端部连接到第二基板；在薄膜上的至少一个导电元件，用于与所述基板之一上的至少一个导电元件相互作用；以及连接到至少一个所述基板上的致动电极和连接到所述薄膜上的至少一个致动电极，用于提供静电力以机械地操作致动器，使所述薄膜以起伏的波状运动移动，使得在所述薄膜上电气地相互作用的元件移动成与所述基板中之一上的至少一个导电元件相互作用。
2.如权利要求1所述的微机电系统装置，其中致动电极在第一基板和第二基板两者上，以便提供吸引能力，用于使薄膜偏斜而主动地在两个方向使其移动。
3.如权利要求1和2所述的微机电系统装置，其中薄膜的一端机械地连接到第一或第二基板。
4.如权利要求3所述的微机电系统装置，其中薄膜的一端利用机械静电夹紧进行连接。
5.如权利要求1或2所述的微机电系统装置，其中薄膜的一端因内在的固有应力导致的薄膜形状而接触所述基板之一。
6.如上面权利要求中任何一项所述的微机电系统装置，其中在薄膜上的导电元件与所述基板之一的相互作用形成金属触点串联开关、金属触点并联开关、电容串联开关、电容并联开关或可调电容器。
7.如上面权利要求中任何一项所述的微机电系统装置，其中一个或多个电绝缘层连接在所述电极之间，位于分别与第一和/或第二基板连接的底部电极和/或项部电极之间或位于薄膜上，其中该绝缘层由任何类型的非金属材料构成，如聚合物或陶瓷。
8.如权利要求1或7所述的微机电系统装置，其中在所述薄膜和基板上的电气作用元件之间的电绝缘由多个布置于基板凹座中的支柱提供。
9.如上面权利要求中任何一项所述的微机电系统装置，其中第一基板和第二基板之间的分隔距离由分隔结构例如围绕装置在选定点布置的支柱提供。
10.如上面权利要求中任何一项所述的微机电系统装置，其中分隔结构实际上是环绕装置的壁，使得第一和第二基板将该壁夹在中间而封装装置，并提供用于装置封装层。
11.如权利要求10所述的微机电系统装置，其中在适合于操作的气体环境中封装装置，所述气体环境例如是负电气体环境或其他气体或气体混合物气体环境，并且包装内部的压力包括任意程度的真空、正常压力或过压力。
12.如上面权利要求中任何一项所述的微机电系统装置，其中薄膜制造成具有固有应力，以便易于使薄膜的端部朝与薄膜连接的相对基板移动，并且该应力使薄膜在释放致动电压时朝与其连接的基板抬起。
13.一种操作微机电系统切换装置的方法，该装置包括第一基板和在该第一基板上布置第二基板，使得在这两个基板之间保持距离；柔性薄膜具有布置在第一和第二基板之间的致动电极，其中薄膜的第一端部与第一基板接触，而第二端部连接到第二基板；在薄膜上的至少一个导电元件，用于与所述基板之一上的至少一个导电元件相互作用；在至少一个基板上的控制电极，该方法包括以下步骤将电压施加到致动电极和致动电极之间，用于提供静电力以机械地操作致动器，使所述薄膜以起伏的波状运动移动，使得在所述薄膜上电气地相互作用的元件移动以与所述基板中之一上的至少一个导电元件相互作用。
14.如权利要求13所述的方法，其中通过将电压施加到薄膜电极和与第一和第二基板连接的控制电极之间，使薄膜主动地朝第一或第二基板移动。
15.如权利要求13所述的方法，其中薄膜由内部应力提供力，以便倾向于使薄膜的端部朝与薄膜连接的相对基板移动，并且该应力使薄膜在释放致动电压时朝与其连接的基板抬起。
16.如权利要求13所述的方法，其中通过将电压施加到夹紧电极上利用静电夹紧电极将薄膜的第一端部固定在所述基板之一上。
17.一种用于微制造微机电系统装置的方法，包括以下步骤在第一基板上形成电气作用元件；在第一基板上形成绝缘层，用于使一些电气作用元件绝缘；在第一基板上形成分隔结构；在第二基板上形成电气作用元件；在第二基板上形成牺牲层；在第二基板上形成具有电气作用元件的柔性薄膜；通过蚀刻在第二基板上的部分牺牲层释放部分薄膜；以及通过将第一基板固定在第二基板上来装配装置，从而形成完整的装置单元。
全文摘要
本发明公开了一种微机电系统(MEMS)装置，其适合于从DC应用(如切换电信号线)到RF应用(如可调电容器和开关)的应用范围。在本发明的一个实施例中，该装置包括以固定距离彼此隔开的底部基板和顶部基板。设置在基板之间的是柔性S形薄膜，该薄膜具有一电极或可导电的电极层，其一端与顶部基板连接，另一端与底部基板接触。一导电触点单元与薄膜致动器的底面连接，用于在开关处于闭合位置时使信号短路。当将电压施加到薄膜和底部基板上的电极层之间时，薄膜因静电力而以起伏的波状运动偏斜，使得触点单元移动到与信号线接触。当将电压施加到薄膜致动器和顶部基板上的电极层之间时可以主动地打开该装置，从而使触点单元向上移动而不与信号线接触。该MEMS切换装置可以应用于开关矩阵板，以自动地切换电话线或应用于可调电容器型式的RF应用。
文档编号B81B7/02GK1910109SQ200480032949
公开日2007年2月7日 申请日期2004年9月9日 优先权日2003年9月9日
发明者乔基姆·奥伯哈默, 戈兰·施泰姆 申请人:乔基姆·奥伯哈默, 戈兰·施泰姆