专利名称：弹簧加载的双稳态mems开关的制作方法
技术领域：
本发明的领域本发明通常涉及开关装置，更具体地说，涉及双稳态开关。
本发明的背景我们发现微机电系统(MEMS)装置应用在各种领域中，诸如通信、测向、光学、微射流技术、以及材料特性的度量。在通信领域中，MEMS射频(RF)开关具有超越固态开关的多个优点，包括更大的线性响应和更高的质量(Q)因数。典型的MEMS开关需要施加恒定的静电力或磁力以便于将开关组件保持在至少一个期望位置中。这导致了电力的无效使用，并且在期望保存电力的应用中(例如，在移动式无线电话中)可能是不利的。
因此，存在对于可靠的双稳态MEMS RF开关的需要，所述开关具有在当前所处的任何状态中保存电力的能力。
本发明的概述本发明涉及包括稳定结构(例如，衬底)和安装于所述稳定结构的弹性开关部件的开关组件。所述弹性开关部件包括具有挠性部分的横向受扭构件以及从受扭构件的挠性部分处延伸的片簧和悬臂。所述开关组件还包括用于将受扭构件安装于所述稳定结构的第一锚固部件，以及用于将片簧安装于所述稳定结构的第二锚固部件。以这种方式，片簧在第一和第二锚固部件之间具有挠性部分，所述挠性部分可沿相反方向交替地弯曲以便于沿各个相反方向偏转悬臂端部。在优选实施例中，所述开关组件为微机电系统(MEMS)开关。然而，本发明不局限于MEMS开关，而是也可考虑其他类型的机械开关。
通过非限制性的示例，当沿相反方向中的一个方向被弯曲时片簧可呈现出第一稳定几何形状并且沿相反方向中的另一个方向被弯曲时片簧可呈现出第二稳定几何形状。在这种情况中，片簧可具有将所述片簧保持在稳定几何形状中的应力梯度。所述几何形状可为任何形状，但是在优选实施例中，使用与片簧的第一弯曲模式相对应并且有利地为开关部件提供良好响应性的凹入和凸出的几何形状。因此，使用瞬时力可使得所述开关在两个稳定状态之间切换并且可在无需另外的能量消耗的情况下保持这两个稳定状态。在优选实施例中，所述悬臂的自由端比所述片簧的最大位移距离偏转更大距离，即，大于其两倍。因此，在这种情况中，开关部件的独特几何形状用作机械放大器并且可为悬臂端的更大行进距离作准备，同时保持合理的活动尺寸。
在优选实施例中，所述开关部件是由平面膜构成的，所述平面膜有利地用于更容易制造和响应性的结构。所述开关部件还可包括从受扭构件的挠性部分处延伸的另一个片簧，以使得第一和第二片簧跨骑中心悬臂。以这种方式，第二片簧为所述开关部件提供了更多的响应性。为了使得可由片簧(如果导电的话)导致的电干扰最小化，悬臂从受扭构件的挠性部分处延伸比片簧所延伸的更大距离，以使得悬臂的自由端与之相接触的任何电端子与电力驱动弹簧隔开充分的距离。
所述开关组件可被设计得可实现多个开关方法中的任意一个。例如，所述开关组件可被布置为单级双掷(SPDT)开关，在这种情况中，所述开关组件包括永久电连接于悬臂(所述悬臂为导电的)的共用电端子、仅当悬臂沿相反方向中的一个方向偏转时电连接于悬臂的第一电端子、以及仅当悬臂沿相反方向中的另一个方向偏转时电连接于悬臂的第二电端子。在这种情况中，第一锚固部分可被电连接于共用端子并且可被安装于共用端子以便于为悬臂提供电通路。以这种方式，所述共用端子经由所述锚固部分和所述悬臂被电连接于选定的第一和第二端子中的一个。
作为另一个示例，所述开关组件可被布置为单极单掷(SPST)开关。在这种情况中，所述开关组件可包括永久电连接于悬臂(所述悬臂为导电的)的第一电端子、以及仅当悬臂沿相反方向中的一个方向偏转时电连接于悬臂的第二电端子。在这种情况中，第一锚固部分可被电连接于第一端子并且可被安装于第一端子以便于为悬臂提供电通路。以这种方式，所述第一端子选择性地电连接于第二端子。使用SPST开关方法，所述开关组件可交替性地包括第一和第二电端子，所述第一和第二电端子都仅当悬臂沿相反方向中的一个方向偏转时电连接于悬臂。在这种情况中，除短路棒以外，所述开关部件可由绝缘材料构成以使得电干扰最小化。
在优选实施例中，所述开关组件包括致动器，所述致动器可操作地连接于片簧以便于沿相反的第一和第二方向交替地弯曲所述片簧。通过非限制性的示例，所述片簧可被磁力地、静电力地、压电地或热力地驱动。在优选实施例中，由于包含较大位移，因此使用磁力致动器。例如，磁力致动器可包括磁场线圈和一个或多个含铁元件。磁场线圈可被固定于所述片簧，在这种情况中，所述一个或多个含铁元件可被布置在远离磁场线圈的位置处，以使得当具有第一极性的电流流过磁场线圈时所述片簧朝向所述一个或多个含铁元件弯曲，以及当具有第二极性的电流流过磁场线圈时所述片簧远离所述一个或多个含铁元件弯曲。或者所述一个或多个含铁元件可被固定于所述片簧，在这种情况中，所述磁场线圈可被布置在远离磁场线圈的位置处，以使得当具有第一极性的电流流过磁场线圈时所述片簧朝向所述一个或多个含铁元件弯曲，以及当具有第二极性的电流流过磁场线圈时所述片簧远离所述一个或多个含铁元件弯曲。
附图的简要说明所述附图示出了本发明优选实施例的设计和效用，其中用共同的附图标记表示相似的元件。为了更好地理解是如何实现本发明的上述和其他优点和目的，下面将结合附图中所示的其具体实施例给出以上简述的本发明的更具体的描述。应该理解的是，这些附图仅示出了本发明的典型实施例，因此不应认为限制了其保护范围，使用附图将通过特性和细节描述和解释本发明，在附图中
图1是依照本发明一个优选实施例构成的单级双掷MEMS RF开关组件的部分剖面透视图，其中具体以向上状态示出了所述开关组件；图2是图1开关组件的部分剖面透视图，其中具体以向下状态示出了所述开关组件；图3是当所述开关组件处于向上状态中时图1的开关组件中所使用的开关部件的特写图；图4是当所述开关组件处于向下状态中时图1的开关组件中所使用的开关部件的特写图；图5是在用于制造图1开关组件的底部芯片和相关部件的示范性工艺流程期间所形成的中间结构的平面图；图6是图5中所示的相应中间结构的横截面图；图7是在用于制造图1开关组件的顶部芯片和相关部件的示范性工艺流程期间所形成的中间结构的平面图；图8是图7中所示的相应中间结构的横截面图；图9是在顶部芯片被安装于底部芯片之后，完全装配的图1开关组件的侧视图；图10是图1开关组件的部分剖面透视图，其中具体示出了替换磁力致动器布置；图11是图1开关组件的部分剖面透视图，其中具体示出了另一个替换磁力致动器布置；图12是依照本发明另一个优选实施例构成的单级单掷MEMS RF开关组件，其中具体以向上状态示出了所述开关组件；图13是图12开关组件的部分剖面透视图，其中具体以向下状态示出了所述开关组件；图14是依照本发明另一个优选实施例构成的单级单掷MEMS RF开关组件，其中具体以向上状态示出了所述开关组件；以及图15是图14开关组件的部分剖面透视图，其中具体以向下状态示出了所述开关组件。
优选实施例的详细描述下面将参照图1和图2描述依照本发明一个优选实施例构成的弹簧促动的双稳态微机电系统(MEMS)射频(RF)开关组件100。开关组件100为双稳态的，其中，它保持“锁定”在一个稳定状态中直到所施加的外力使其改变为另一个稳定状态，在该另一个稳定状态中它被再次锁定直到另一个外力作用于其上。因此，开关组件100不需要用于将其保持在其任何稳定状态或位置中的外力。它只需要瞬时力以便于从一个稳定位置切换为另一个稳定位置。
开关组件100可表现为单级双掷(SPDT)开关，其中它被构成为能够在设置于各个芯片上的电绝缘回路之间切换共用RF信号的机械闭锁二-芯片开关。在这一点上，开关组件100通常包括底部芯片102、顶部芯片104、锚固于底部芯片102的弹性平坦开关部件106，以及致动器108，所述致动器108可操作地与开关部件106相连接以便于将开关组件100布置于将共用信号连接于顶部芯片104的电路的“向上”状态(图1)中和将共用信号连接于底部芯片102的电路的“向下”状态(图2)中。底部芯片102和顶部芯片104通过传输线固定器(未示出)相互安装。
底部芯片102包括衬底110，在所示出的实施例中，所述衬底110由适合的材料制成，诸如氧化铝(Al2O3)。也可使用诸如硅、陶瓷、聚合物、玻璃或诸如砷化镓的半导体材料的其他衬底材料。底部芯片102还包括共平面形波导(CPW)112形式的电路，所述CPW112被设置在衬底110上以便于为底部芯片102提供RF动力和信号传导能力。CPW112由具有良好RF特性的适合的传导材料(诸如金或银)构成。或者，CPW112可由薄膜高温超导体(HTS)材料制成在例如MgO衬底上。目前，薄膜HTS材料是常规制造的并且市场上有售。例如，见美国专利5,476,836、5,508,255、5,843,870、以及5,883,050。另外，例如见Jpn.J.Appl.Phys.27，L209(1988)的B.Roas，L.Fukotomi，and T.Asano，“Anew High-Tc Oxide Superconductor without a RareEarth Element”。底部芯片102还包括共用RF输入端子114以及底部RF输出端子116，来自于输入端子114的RF信号在底部芯片102和顶部芯片104之间切换，当开关组件100被布置在向下状态下(见图2)时，所述底部RF输出端子116被布置得与共用RF输入端子114电传导。
顶部芯片104包括衬底118，所述衬底118与底部衬底110相似，由适合的材料制成，诸如氧化铝。顶部芯片104还包括CPW120形式的电路，所述CPW120被设置在衬底118上以便于为顶部芯片104提供RF动力和信号传导能力。CPW120由适合的传导材料构成，诸如金或银，或者HTS材料。顶部芯片104还包括顶部RF输出端子122，当开关组件100被布置在向上状态下(见图1)时，所述顶部RF输出端子122被布置得与共用输入端子114电传导。
开关部件106包括横向受扭构件124、从横向受扭构件124的端部延伸的中心悬臂126、以及从横向受扭构件124的端部延伸并且跨骑悬臂126的一对片簧128。中心悬臂包括自由端130，所述自由端130包括一对相对触点132和134，所述触点132和134交替地连接于底部端子116和顶部端子122，如下面将详细描述的。开关部件106由表现出高导电性、低损耗、消除沉积以及出色挠性的金属构成。用于金属层的适合金属包括(但不局限于)金和银。
因此，通过分别向上或向下弯曲弹簧128，中心悬臂126用作可被布置在“向上状态”或“向下状态”的簧片。特别是，当向上弯曲弹簧128时，悬臂126基底处的受扭构件124的弯曲部分130向上倾斜，所述弯曲部分130转而使得悬臂126向上转动(如图3中清楚示出的)。当向下弯曲弹簧128时，悬臂126基底处的受扭构件124的弯曲部分130向下倾斜，所述弯曲部分130转而使得悬臂126向下转动(如图4中清楚示出的)。
在形成了转变之后，弹簧128将悬臂126锁定在位置中。特别是，当从顶部芯片104处观察时，当向上弯曲时弹簧128能够显示出稳定的凸出几何形状(图1)，并且当向下弯曲时弹簧128能够显示出稳定的凹入几何形状(图2)。在弹簧128被向上弯曲得呈现出凸出几何形状之后，悬臂126从向下状态切换为向上状态，并且直到弹簧128被向下弯曲之前悬臂126都被保持在向上状态。同样地，在弹簧128被向下弯曲得呈现出凹入几何形状之后，悬臂126从向上状态切换为向下状态，并且直到弹簧128被向下上弯曲之前悬臂126都被保持在向下状态。
如所示的，悬臂126的自由端130最好偏转比弹簧128更大的竖直距离。可通过将内在应力梯度引入到弹簧128中以使得弹簧128显示出比悬臂126所显示的更大的曲率而实现这种效果。因此，弹簧128的更大曲率将防止弹簧128的端部完成更大的垂直偏转，同时悬臂126的更小曲率将允许悬臂126的自由端130实现更大的垂直偏转。由于悬臂126应保持得较为平坦(较少或没有残余应力)，片簧128中的应力梯度应被选择性地引入。如下面将更详细地描述的，可通过例如用具有不同热膨胀系数(CTE’s)的两种金属涂层弹簧128而将应力梯度引入到弹簧128中，或通过用具有内在应力梯度的一种金属(例如，软金和硬金)涂层弹簧128而将应力梯度引入到弹簧128中。
初步计算示出了悬臂126的垂直偏转大于弹簧128的垂直偏转的两倍(大约为六倍)。例如，悬臂126的给定长度为0.85mm，弹簧128的给定长度为0.60mm，悬臂126沿一个方向的估计粗偏转被计算为0.085mm，而弹簧128沿一个方向的估计粗偏转被计算为仅有0.014mm。因此，开关部件106的独特几何形状用作机械放大器并且可为悬臂端130的更大行进距离作准备，同时保持合理的活动尺寸。
为了提供稳定平台，开关部件106通过三个锚固部分被安装于底部芯片102。具体地，开关部件106的受扭构件124被安装于共用锚固部分136，所述共用锚固部分136转而被安装于底部芯片102的共用RF输入端子114并且与共用RF输入端子114电接触。以这种方式，共用锚固部分136用作共用输入端子114与悬臂126之间的电路。与开关部件106的受扭构件124相对的弹簧128的端部被安装于两个相应的锚固部分138，所述锚固部分138转而被安装于底部芯片102。因此，弹簧128具有在共用锚固部分136与弹簧锚固部分138之间延伸的挠性部分140。与共用锚固部分136不同，弹簧锚固部分138仅用作支撑结构，而不用作电路，因此不与底部芯片102的CPW112直接电相通。
因此，可理解的是，当开关组件100处于向上状态中时，在共用输入端子114与顶部输出端子122之间形成了闭合电路。具体地，中心悬臂126的接触点134与顶部芯片104上的顶部输出端子122相接触，以使得底部芯片102的共用输入端子114处的RF信号向上行进到共用锚固部分136，穿过中心悬臂126，进入到顶部输出端子122中，并且穿过顶部CPW120，在那里它通向顶部芯片104的相应电路。当开关组件100处于向下状态中时，在共用输入端子114与底部输出端子116之间形成了闭合电路。具体地，中心悬臂126的接触点132与底部芯片102上的底部输出端子116相接触，以使得底部芯片102的共用输入端子114处的RF信号向上行进到共用锚固部分136，穿过中心悬臂126，进入到底部输出端子116中，并且穿过底部CPW112，在那里它通向底部芯片102的电路。应该注意的是，中心悬臂126从受扭构件124处延伸得比弹簧128更远。因此，中心悬臂126上的接触点132和134延伸过弹簧128的端部，以使得电“热”弹簧128与底部和顶部输出端子116和122中任意一个之间的电容耦合最小化。
应该注意的是，用作输入或输出端子的端子特征将取决于电路是如何设计的。例如，共用端子114可为RF输出端子，而底部和顶部端子116和122可为RF输入端子。在这种情况中，除RF信号将从选定的底部和顶部输入端子116和122中的一个行进到共用输出端子114之外，开关组件100将以刚刚描述的方式发挥作用。
可使用各种装置(包括磁力装置、静电力装置、压电装置、形状记忆装置以及热力装置等等)促动开关部件106的弯曲。在所示的实施例中，使用磁力装置。具体地，致动器108包括固定于顶部芯片104的衬底118的磁场线圈142，以及多个沿弹簧128的长度被固定的含铁元件144。磁场线圈142由适合的导电材料制成，诸如铜。顶部芯片104还包括用于向线圈142提供电流并且激励所述线圈142的线圈输入端子146和线圈输出端子148(如图7K和8K所示的)。为线圈142供以相反极性的电流选择性地将开关组件100布置在向上和向下状态下。具体地，当电流具有诱发磁场线圈142以使其具有用以吸引弹簧128上的含铁元件144的磁场的极性时，弹簧128因此而向上弯曲，从而将悬臂126布置在向上状态中。与之相反，当电流具有诱发磁场线圈142以使其具有用以排斥弹簧128上的含铁元件144的磁场的极性时，弹簧128因此而向下弯曲，从而将悬臂布置在向下状态中。
在一个替换实施例中，如图10中所示的，磁场线圈142被固定于底部芯片102的衬底110。在这种情况中，除电流的极性将被切换为提供弹簧128的相同的上下弯曲之外，致动器108以相似的方式被操纵。在另一个替换实施例中，磁场线圈可被印刷在顶部衬底118的后侧上并且接合线可被连接于线圈的端部。以这种方式，所述线圈可被屏蔽于CPW以防止线圈用作“拾波”线圈，所述“拾波”线圈可能会对CPW中的RF信号产生影响。在另一个实施例中，可省略磁场线圈制造步骤并且可在装配之后使用普通铜线将所述线圈人工绕制在整个二-芯片装置上。
在另一个替换实施例中，含铁元件145被固定于底部和顶部芯片102和104的衬底110和118的任意一个上，并且磁场线圈143沿弹簧128的长度被固定，如图11中所示的。在这种情况中，磁场线圈143将提供钝化层(未示出)与导电弹簧128绝缘并且将通过绝缘于RF电路径的电路径被供以电流。而且，将通过用相反极性的电流激励磁场线圈而促动弹簧128的弯曲。
下面将参照图5-9描述用于制造开关组件100的示范性工艺。通常，通过首先将底部CPW112形成在底部衬底110上、将共用输入端子114和底部输出端子116形成在CPW112上、将共用锚固部分136形成在共用输入端子114上、将弹簧锚固部分138和传输线固定器形成在衬底110上、然后将开关部件106、连同致动器108的含铁元件144一起形成在锚固部分136和138上而将底部芯片102、开关部件106、传输线固定器(未示出)以及致动器108的含铁部分整体地制造在一起。通过将顶部CPW120和DC偏压线(未示出)形成在顶部衬底118上、形成顶部输出端子122线圈端子146和148、形成磁场线圈142、最后形成传输线固定器(未示出)而将顶部芯片104和致动器108的磁力部分整体地制造在一起。应该注意的是，图5-9并非是标准性的，而仅是用于输出示范性制造工艺所涉及的步骤。还应该注意的是，在以下描述的步骤中将不再描述传输线固定器的制造。然而，通常，在附加的步骤中传输线固定器将作为每个金属层被逐渐形成在各个衬底110和118上。
作为正文前的图文，以下的平版印刷制造过程利用多个图案层和掩模以模造和形成开关组件100的各种元件。在所示的方法中，使用照相平版印刷术以便于通过照相掩模光学地暴露并聚合图案层的部分。以下工艺所使用的图案层可包括任何适合的感光材料。在所示的工艺中，除非特别指明，所述图案层由光阻材料制成。然而，应该注意的是，可使用任何适合的工艺模造所述图案层，所述工艺诸如选择性的激光蚀刻、电子束书写等。照相平版印刷术、选择性的激光蚀刻、电子束书写是平版印刷术领域中公知的工艺，因此将不再对其赘述。还应该注意的是，以下描述中描述了具有未指明正图案(即，图案层的暴露部分被移除)或负图案(即，图案层的未暴露部分被移除)的图案的掩模。然而，本领域中普通技术人员将理解的是，在以下工艺中可使用正图案或负图案中的任意一种。
首先将参照图5和图6详细地描述底部芯片102以及其相关元件的制造。
在图5A和6A中，底部衬底110的整个表面都通过标准沉积技术(诸如电镀术)涂覆有金层150。该步骤或者可刚好在制造步骤之前执行，或者可由所述产品的供给商执行。在图5B和6B中，CPW图案层152被沉积在金层150上并以底部CPW112的形状被模造。具体地，通过具有底部CPW112的期望图案的第一掩模(未示出)将图案层152暴露于光线下，然后将暴露于光线下的图案层152的该部分选择性地蚀刻掉，从而将掩模上的图案转移到图案层152上。在图5C和6C中，通过例如用选择性地蚀刻掉暴露于光线下的金层150的该部分的标准金蚀刻剂(42％KI3％I w/balance in H2O)蚀刻金层150将图案层152的图案转移到金层150上而形成底部CPW112。在图5D和6D中，例如使用丙酮将图案层152从CPW112上去除。
在图5E和6E中，为了提供开关组件100的部件之间的电绝缘，以及处理期间开关组件100的灵敏区的保护，钝化层154被沉积在CPW112和衬底110的暴露部分上。在所示的实施例中，钝化层154由照相平版印刷材料构成，具体地，由可使用紫外线直接模造的双苯并环丁烯4022(BCB)构成。在图5F和6F中，钝化层154被模造得朝向下部CPW112打开端子通孔(vias)156和158。具体地，钝化层154通过具有通孔156和158的期望图案的第二掩模(未示出)暴露于紫外线，然后将暴露于紫外线下的钝化层154的该部分选择性地蚀刻掉，从而将第二掩模上的图案转移到钝化层154上。在图5G和6G中，硬金向上通过钝化层154被电镀于通孔156和158中以便于形成共用输入端子114与底部输出端子116。在该步骤中使用硬金，以使得由软金制成的悬臂126不会熔合到底部输出端子116中或导致静摩擦问题。
在图5H和6H中，为了在制造期间为开关部件106和相关的锚固部分138和138提供机械支撑，牺牲层160被沉积在已形成图案的钝化层154上。牺牲层160可由任何适合的材料制成，例如厚光阻材料或聚碳酸酯。在所示的实施例中，使用例如为SU-8的厚光阻材料。在图5I和6I中，牺牲层160被形成图案以便于使得共用锚固部分通孔162朝向下部共用输入端子114打开，以及使得弹簧锚固部分通孔164朝向钝化层154打开。具体地，牺牲层160通过具有通孔162和164的期望图案的第三掩模(未示出)暴露于光线下，然后将暴露于紫外线下的牺牲层160的该部分选择性地蚀刻掉，从而将第三掩模上的图案转移到牺牲层160上。在图5J和6J中，硬金向上通过牺牲层160被电镀于通孔162和164中以便于形成共用锚固部分和弹簧锚固部分136和138。在工艺中的该步骤中，锚固部分136和138的顶部、以及牺牲层160的顶表面通常是粗糙的，由于该表面稍后将限定开关部件106的底表面，因此这是不合要求的。为了获得开关部件106的较为光滑的底表面，通过重熔工艺或化学机械抛光步骤使得锚固部分136和138的顶部、以及牺牲层160的顶表面平坦化，从而如图5K和6K中所示的，使得牺牲层160的顶表面平滑。这样作以确保弹簧128具有与双倍固定梁的第一模式形状相对应的优选的弯曲模式，即，“吉他弦”模式。否则，存在这样的危险，即，弹簧128将呈现出不合要求的“S”形状(第二模式)或更差。
在图5L和6L中，通过适合的工艺(例如蒸发作用)将晶种层166沉积在牺牲层160上。晶种层166由具有导电性并且对于电镀液中的金属离子(例如，金、钛和/或钨)具有高吸引力的材料构成。在图5M和6M中，弹簧图案层168被沉积在晶种层166上并且形成图案以构成用于开关部件106的弹簧128的弯曲诱导层的模具170。具体地，图案层168通过具有开关部件106的弹簧128的期望图案的第四掩模(未示出)暴露于光线下，然后将暴露于光线下的图案层168的该部分选择性地蚀刻掉，从而将该掩模上的图案转移到图案层168上。在图5N和6N中，硬金薄层172(在所示的实施例中大约为1gym，但是通常，大约为后来沉积的软金的总厚度的10％)被选择性地电镀于弹簧模具170中，即，图案层168的蚀刻部分中。如下面将进一步详细描述的，该薄金层172将用于为弹簧128提供内在应力梯度，从而使得它们显示出期望的曲率。在题为“Electrostatic Actuators withIntrinsic Stress Gradient”的共同未决U.S.专利申请Ser.No.09/944,867中披露了将应力梯度引入到部件中的描述，这里特别合并参考所述专利。在所示的工艺中，由于与锚固部分138相邻的弹簧的端部将被锚固并且不显示出任何曲率，因此它们将不包括金层172。在图5O和6O中，例如，使用丙酮将图案层168从晶种层166上去除。在图5P和6P中，厚层软金174(例如，10μm)被沉积(例如通过电镀)在形成弹簧128的一层的薄金层172以及晶种层166的暴露部分上，以便于形成开关部件106的主结构。
在图5Q和6Q中，含铁元件图案层176被沉积在软金层174上并且仅在弹簧128上形成图案以便于构成用于致动器108的含铁元件144的模具178。具体地，图案层176通过具有含铁元件144的期望图案的第五掩模(未示出)暴露于光线下，然后将暴露于光线下的图案层176的该部分选择性地蚀刻掉，从而将该掩模上的图案转移到图案层176上。在图5R和6R中，含铁材料在含铁元件模具178，即图案层176的蚀刻部分中被选择性地电镀，以便于构成含铁元件144。在图5S和6S中，例如，使用丙酮将图案层176从软金层174上去除。
在图5T和6T中，开关部件图案层182被沉积在软金层174上并且以开关部件106的形状形成图案。具体地，图案层182通过具有开关部件106的期望图案的第六掩模(未示出)暴露于光线下，然后将暴露于光线下的图案层182的该部分选择性地蚀刻掉，从而将该掩模上的图案转移到图案层182上。在图5U和6U中，通过用选择性地蚀刻掉由图案层182暴露的软金层174的该部分的标准金蚀刻剂蚀刻掉金层将图案层182的图案转移到软金层174上而形成了具有横向受扭构件124、中心悬臂126、以及片簧128的开关部件106。在图5V和6V中，例如，使用丙酮将图案层182从开关部件106上去除。
在图5W和6W中，将牺牲层160去除以释放开关部件106。可使用适合的装置去除牺牲层160，例如，使用厚保护层剥离器溶解牺牲层160，之后使用液态附加剂(例如，去离子(DI)水或甲醇)冲洗，或使用等离子体进行适当的干刻，或者在聚碳酸酯释放层的情况下使用热分解。
现在将参照图7详细地描述顶部芯片104以及其相关元件的制造。
在图7A和8A中，顶部衬底118的整个表面都通过标准沉积技术(诸如电镀术)涂覆有金层184。该步骤或者可刚好在制造步骤之前执行，或者可由所述产品的供给商执行。在图7A和7B中，CPW图案层186(在所示的实施例中，由光阻材料制成)被沉积在金层184上并以顶部CPW120的形状被模造。具体地，通过具有顶部CPW120的期望图案的第七掩模(未示出)将图案层186暴露于光线下，然后将暴露于光线下的图案层186的该部分选择性地蚀刻掉，从而将掩模上的图案转移到图案层186上。在图7C中，通过例如用选择性地蚀刻掉由图案层186暴露的金层184的该部分的标准金蚀刻剂蚀刻金层186将图案层186的图案转移到金层184上而形成顶部CPW120。在图7D中，例如使用丙酮将图案层186从CPW120上去除。
在图7E和8E中，为了提供开关组件100的部件之间的电绝缘，以及处理期间开关组件100的灵敏区的保护，钝化层188被沉积在CPW120和衬底118的暴露部分上。在所示的实施例中，钝化层188由照相平版印刷材料构成，具体地，由BCB构成。在图7F和8F中，钝化层188被模造得朝向下部CPW120打开端子通孔190、192和194。
具体地，钝化层188通过具有通孔190、192和194的期望图案的第八掩模(未示出)暴露于紫外线，然后将暴露于紫外线下的钝化层188的该部分选择性地蚀刻掉，从而将第八掩模上的图案转移到钝化层188上。在图7G和8G中，适合的导电材料，诸如硬金向上通过钝化层188被电镀于通孔190、192和194中以便于形成用于顶部输出端子122和线圈端子146和148的间隔端子149。
在图7H和8H中，通过适合的工艺(例如蒸发作用)将晶种层195沉积在钝化层188上。晶种层195由具有导电性并且对于电镀液中的金属离子(例如，金、钛和/或钨)具有高吸引力的材料构成。在图7I和8I中，线圈图案层196(在所示的实施例中，由例如为SU-8的厚光阻材料构成)被沉积在晶种层195上。在图7J和8J中，图案层196被形成图案以便于产生线圈模具197。具体地，图案层196通过具有磁力致动器线圈142的期望图案的第九掩模(未示出)暴露于光线下，然后将暴露于光线下的图案层196的该部分选择性地蚀刻掉，从而将该掩模上的图案转移到图案层196上。在图7K和8K中，线圈材料(诸如铜)被电镀于线圈模具197中以形成线圈142。在图7L和8L中，通过适合的工艺，例如化学机械抛光步骤使得线圈142的顶部、以及图案层196的顶表面平坦化。
在图7M和8M中，端子图案层198被沉积在线圈图案层196和线圈142上，并且被形成图案以便于产生用于顶部输出端子122的通孔199。具体地，图案层198通过具有通孔199的期望图案的第十掩模(未示出)暴露于光线下，然后将暴露于光线下的钝化层188的该部分选择性地蚀刻掉，从而将第十掩模上的图案转移到图案层198上。在图7N和8N中，硬金向上通过图案层198被电镀在通孔199中以便于形成顶部输出端子122。在该步骤中使用硬金，以使得由软金制成的悬臂126不会熔合到顶部输出端子122中或导致静摩擦问题。接下来，第十一厚光阻材料掩模(未示出)用于暴露传输线固定器(未示出)，之后，厚层软金和薄层铟或其他适合的焊料金属(未示出)通过适合的沉积工艺，例如蒸发作用或真空镀膜被沉积。这将赋予该传输线固定器与相对芯片上的传输线固定器相同的高度，并且用作上部和下部芯片之间的粘附层。在图7O和8O中，例如使用丙酮将外部铟、铟图案层以及端子图案层198从线圈图案层196上去除。在图7P和8P中，例如，通过适当的剥离器、等离子体蚀刻、或热分解从而溶解线圈图案层196，之后使用液态附加剂(例如，去离子(DI)水或甲醇)冲洗而将线圈图案层196从晶种层195上移除。在图7Q和8Q中，用选择性地蚀刻掉晶种层195的暴露部分的标准金蚀刻剂将晶种层195从钝化层188上蚀刻掉。
在底部和顶部芯片102和104被制造之后，如图9中所示的，通过将芯片102和104相互安装而装配开关组件100。通过传输线固定器的高度确定芯片102和104之间的距离，以使得当开关组件100处于向上状态中时，悬臂126的自由端130与顶部输出端子122(图1)相接触，并且当开关组件100处于向下状态中时，悬臂126的自由端130与底部输出端子116(图2)相接触。在这两个芯片被适当对齐之后，使用铟层或诸如软焊料状材料的其他层在顶部和底部芯片上的金传输线固定器之间形成低温公共连接。
尽管上述开关组件100已描述为SPDT开关，但是开关部件106可有利地与其他类型的双稳态开关结合使用。例如，图12和13示出了根据本发明另一个优选实施例构成的单极单掷(SPST)开关组件200。该开关组件200除在开关配置不使用顶部芯片从而不使用顶部RF输出端子之外，该开关组件200在结构上与开关组件100相似。在这种情况中，磁场线圈142被固定于相邻结构，或者被固定于底部芯片102(如图10中所示的)。
就其功能来说，该开关组件200不是交替性地将RF信号从共用输入端子切换为两个输出端子中之一，而是交替性地在其中RF信号从输入端子传输到一个输出端子的接通状态或其中RF信号完全未从输入端子中传输的断开状态之间切换。
因此，可理解的是，当开关组件200处于向下状态(或“接通状态”)中(图13)时，在输入端子114与输出端子116之间形成了闭合电路。具体地，中心悬臂126的接触点132与底部芯片102上的底部输出端子116相接触，以使得底部芯片102的输入端子114处的RF信号向上行进到共用锚固部分136，穿过中心悬臂126，进入到底部输出端子116中，并且穿过底部CPW112，在那里它通向底部芯片102的电路。然而，当开关组件200处于向上状态(或“断开状态”)中(图12)时，在输入端子114与输出端子116之间形成了开路。具体地，中心悬臂126的接触点132与输出端子116脱离接触，因此来自于输入端子114的RF信号不会行进到输出端子116。
如前面所述的，用作输入或输出端子的端子特征将取决于电路是如何设计的。例如，端子114可为RF输出端子，而端子116可为RF输入端子。在这种情况中，当开关组件200被布置在接通状态中时，除RF信号将从输入端子116行进到输出端子114之外，开关组件200将以刚刚描述的方式发挥作用。
除仅有底部芯片102和其相关部件之外，可以与开关组件100相似的方式制造开关组件200，所述开关组件200现在包括将被整体制造在底部芯片102上的磁场线圈142。
图14和15示出了根据本发明另一个优选实施例构成的另一个SPST开关组件300。该开关组件200除RF输入端子和输出端子相邻并且中心悬臂被修改以便于使得所述输入端子和输出端子短路之外，该开关组件300在结构上与开关组件200相似。因此，开关组件300包括底部芯片302，所述底部芯片302包括相邻地布置在衬底110一侧上的RF输入端子和输出端子114和116。除开关部件306包括在其自由端330处包括横向短路棒332的中心悬臂326之外，开关组件300还包括与前述开关部件106相似的开关部件306。短路棒332位于悬臂326的自由端330上的中心处，并且具有至少等于输入端子和输出端子114和116之间间隔的长度。
因此，可理解的是，当开关组件300处于向下状态(或“接通状态”)中(图15)时，在输入端子114与输出端子116之间形成了闭合电路。具体地，中心悬臂126的短路棒332与输入端子114和输出端子116相接触，以使得输入端子114处的RF信号穿过短路棒332并且进入到输出端子116中。然而，当开关组件300处于向上状态(或“断开状态”)中(图14)时，在输入端子114与输出端子116之间形成了开路。具体地，中心悬臂126的短路棒332与输入端子114和输出端子116脱离接触，因此来自于输入端子114的RF信号不会行进到输出端子116。
如前面所述的，用作输入或输出端子的端子特征将取决于电路是如何设计的。例如，端子114可为RF输出端子，而端子116可为RF输入端子。在这种情况中，当开关组件300被布置在接通状态中时，除RF信号将从输入端子116行进到输出端子114之外，开关组件300将以刚刚描述的方式发挥作用。
除输入端子114和输出端子116被制造得相邻之外，可以与开关组件200相似的方式制造开关组件300。另外，由于共用锚固部分136无需导电，或至少无需连接于CPW112，因此共用锚固部分136可被直接形成在具有弹簧锚固部分138的钝化层上(见图6K-1)。另外，除短路棒332之外，开关部件106可由非导电材料构成，或至少由不如金的传导性的导电性材料(例如，聚合物)构成。以这种方式，可消除可能由于导电性开关部件所产生的任何RF干扰。
尽管已示出并描述了本发明的具体实施例，但是应该理解的是，这不意味着将本发明局限于优选实施例，并且本领域普通技术人员将明白的是，在不脱离本发明精神和保护范围的情况下可作出各种改变和修正。因此，本发明趋向于覆盖包含在权利要求所限定的本发明的精神和保护范围内的替换、修正和等价物。
权利要求
1.一种微机电系统(MEMS)开关组件，包括稳定结构；开关部件，所述开关部件包括具有挠性部分的横向受扭构件、片簧以及具有自由端的导电性悬臂，所述片簧和悬臂从受扭构件的挠性部分处延伸；用于将受扭构件安装于所述稳定结构的第一锚固部件；以及用于将片簧安装于所述稳定结构的第二锚固部件，其中，所述片簧在第一和第二锚固部件之间具有挠性部分，所述挠性部分可沿相反方向交替地弯曲以便于沿各个相反方向偏转悬臂端部。
2.权利要求1的开关组件，其特征在于，所述稳定结构包括衬底。
3.权利要求1的开关组件，其特征在于，所述弹性开关部件包括平坦隔膜。
4.权利要求1的开关组件，其特征在于，所述悬臂是导电性的。
5.权利要求1的开关组件，其特征在于，所述开关部件包括从受扭构件的挠性部分处延伸的另一个片簧，所述第一和第二片簧跨骑所述悬臂。
6.权利要求1的开关组件，其特征在于，所述片簧从受扭构件的挠性部分处延伸第一距离，并且所述悬臂从受扭构件的挠性部分处延伸大于第一距离的第二距离。
7.权利要求1的开关组件，其特征在于，当所述片簧弯曲第二距离时，所述悬臂端部偏转第一距离，所述第一距离大于第二距离。
8.权利要求7的开关组件，其特征在于，所述第一距离大于第二距离的两倍以上。
9.权利要求1的开关组件，其特征在于，当沿相反方向中的一个方向被弯曲时片簧呈现出第一稳定几何形状，并且当沿相反方向中的另一个方向被弯曲时片簧呈现出第二稳定几何形状。
10.权利要求9的开关组件，其特征在于，片簧具有将所述片簧保持在第一和第二稳定几何形状中的应力梯度。
11.权利要求9的开关组件，其特征在于，所述第一稳定几何形状为凸出的几何形状，而所述第二稳定几何形状为凹入的几何形状。
12.权利要求1的开关组件，还包括永久电连接于所述悬臂的共用电端子；仅当悬臂沿相反方向中的一个方向偏转时电连接于悬臂的第一电端子；以及仅当悬臂沿相反方向中的另一个方向偏转时电连接于悬臂的第二电端子。
13.权利要求12的开关组件，其特征在于，所述第一锚固部分被电连接于共用电端子并且被安装于共用电端子。
14.权利要求1的开关组件，还包括永久电连接于悬臂的第一电端子；以及仅当悬臂沿相反方向中的一个方向偏转时电连接于悬臂的第二电端子。
15.权利要求14的开关组件，其特征在于，第一锚固部分可被电连接于第一电端子并且可被安装于第一电端子。
16.权利要求1的开关组件，还包括仅当悬臂沿相反方向中的一个方向偏转时电连接于悬臂的第一和第二电端子。
17.权利要求16的开关组件，其特征在于，所述悬臂包括用于当悬臂沿相反方向中的一个方向偏转时使得第一和第二电端子短路的短路棒。
18.权利要求1的开关组件，还包括致动器，所述致动器可操作地连接于片簧以便于沿相反的第一和第二方向交替地弯曲所述片簧。
19.权利要求18的开关组件，其特征在于，所述致动器为磁力致动器。
20.权利要求19的开关组件，其特征在于，所述致动器包括被固定于所述片簧的磁场线圈；以及一个或多个含铁元件，所述一个或多个含铁元件可被布置在远离磁场线圈的一段距离，以使得当具有第一极性的电流流过磁场线圈时所述片簧朝向所述一个或多个含铁元件弯曲，以及当具有第二极性的电流流过磁场线圈时所述片簧远离所述一个或多个含铁元件弯曲。
21.权利要求19的开关组件，其特征在于，所述致动器包括固定于所述片簧的一个或多个含铁元件；以及磁场线圈，所述磁场线圈被布置在远离磁场线圈的一段距离，以使得当具有第一极性的电流流过磁场线圈时所述片簧朝向所述一个或多个含铁元件弯曲，以及当具有第二极性的电流流过磁场线圈时所述片簧远离所述一个或多个含铁元件弯曲。
22.一种微机电系统(MEMS)开关组件，包括具有共用端子和第一端子的第一衬底；具有第二端子的第二衬底；弹性开关部件，所述弹性开关部件包括具有挠性部分的横向受扭构件、片簧以及具有自由端的导电性悬臂，所述片簧和悬臂从受扭构件的挠性部分处延伸；用于将受扭构件安装于所述稳定结构的第一锚固部件；以及用于将片簧安装于所述稳定结构的第二锚固部件，其中，所述片簧在第一和第二锚固部件之间具有挠性部分，所述挠性部分可沿相反方向交替地弯曲以便于交替性地偏转悬臂端部从而与第一和第二端子导电。
23.权利要求22的开关组件，其特征在于，所述开关部件包括平坦隔膜。
24.权利要求22的开关组件，其特征在于，所述悬臂是导电的。
25.权利要求22的开关组件，其特征在于，所述开关部件包括从受扭构件的挠性部分处延伸的另一个片簧，所述第一和第二片簧跨骑所述悬臂。
26.权利要求22的开关组件，其特征在于，所述片簧从受扭构件的挠性部分处延伸第一距离，并且所述悬臂从受扭构件的挠性部分处延伸大于第一距离的第二距离。
27.权利要求22的开关组件，其特征在于，当所述片簧弯曲第二距离时，所述悬臂端部偏转第一距离，所述第一距离大于第二距离。
28.权利要求27的开关组件，其特征在于，所述第一距离大于第二距离的两倍以上。
29.权利要求22的开关组件，其特征在于，当沿相反方向中的一个方向被弯曲时片簧呈现出第一稳定几何形状，并且当沿相反方向中的另一个方向被弯曲时片簧呈现出第二稳定几何形状。
30.权利要求29的开关组件，其特征在于，片簧具有将所述片簧保持在第一和第二稳定几何形状中的应力梯度。
31.权利要求29的开关组件，其特征在于，所述第一稳定几何形状为凸出的几何形状，而所述第二稳定几何形状为凹入的几何形状。
32.权利要求22的开关组件，其特征在于，所述第一锚固部分为导电的并且被安装于共用端子。
33.权利要求22的开关组件，还包括致动器，所述致动器可操作地连接于片簧以便于沿相反的第一和第二方向交替地弯曲所述片簧。
34.权利要求33的开关组件，其特征在于，所述致动器为磁力致动器。
35.权利要求34的开关组件，其特征在于，所述致动器包括被固定于所述片簧的磁场线圈；以及被固定于第一和第二衬底中的一个的一个或多个含铁元件，以使得当具有第一极性的电流流过磁场线圈时所述片簧朝向所述一个或多个含铁元件弯曲，以及当具有第二极性的电流流过磁场线圈时所述片簧远离所述一个或多个含铁元件弯曲。
36.权利要求34的开关组件，其特征在于，所述致动器包括固定于所述片簧的一个或多个含铁元件；以及被固定于第一和第二衬底中的一个的磁场线圈，以使得当具有第一极性的电流流过磁场线圈时所述片簧朝向所述一个或多个含铁元件弯曲，以及当具有第二极性的电流流过磁场线圈时所述片簧远离所述一个或多个含铁元件弯曲。
37.权利要求22的开关组件，其特征在于，所述第一衬底包括连接于公共输入端子和第一端子的波导，并且所述第二衬底包括连接于第二端子的共面波导。
38.一种用于微机电系统(MEMS)开关组件的开关部件，包括具有挠性部分的横向受扭构件；从受扭构件的挠性部分处延伸的导电性悬臂，所述悬臂具有自由端；以及一对片簧，所述片簧从受扭构件的挠性部分处延伸，所述片簧跨骑所述悬臂，当沿相反方向被弯曲时这对片簧交替地显示出稳定的第一和第二几何形状以便于沿各个相反方向偏转悬臂端部。
39.权利要求38的开关部件，其特征在于，所述悬臂是导电的。
40.权利要求38的开关部件，其特征在于，这对片簧从受扭构件的挠性部分处延伸第一距离，并且所述悬臂从受扭构件的挠性部分处延伸大于第一距离的第二距离。
41.权利要求38的开关部件，其特征在于，当所述片簧弯曲第二距离时，所述悬臂端部偏转第一距离，所述第一距离大于第二距离。
42.权利要求41的开关部件，其特征在于，所述第一距离大于第二距离的两倍以上。
43.权利要求38的开关部件，其特征在于，这对片簧具有将所述一对片簧保持在稳定的凸出和凹入几何形状中的应力梯度。
44.权利要求38的开关组件，其特征在于，所述第一稳定几何形状为凸出的几何形状，而所述第二稳定几何形状为凹入的几何形状。
全文摘要
本发明提供了一种包括衬底和弹性开关部件的MEMS开关组件。所述弹性开关部件包括具有挠性部分的横向受扭构件，以及从受扭构件的挠性部分处延伸的片簧和悬臂。所述开关组件还包括用于将受扭构件安装于所述稳定结构的第一锚固部件，以及用于将片簧安装于所述稳定结构的第二锚固部件。以这种方式，片簧在第一和第二锚固部件之间具有挠性部分，所述挠性部分可沿相反方向交替地弯曲以便于沿各个相反方向偏转悬臂端部。当沿相反方向中的一个方向被弯曲时片簧可呈现出第一稳定几何形状(例如，凸出几何形状)当并且沿相反方向中的另一个方向被弯曲时片簧可呈现出第二稳定几何形状(例如，凹入几何形状)。因此，使用瞬时力可使得所述开关在两个稳定状态之间切换并且可在无需另外的能量消耗的情况下保持这两个稳定状态。所述悬臂比所述片簧偏转更大距离，即，大于其两倍。因此，在这种情况中，开关部件的独特几何形状用作机械放大器并且可为悬臂端的更大行进距离作准备，同时保持合理的活动尺寸。所述开关组件可被设计得可实现多个开关方法中的任意一个。例如，所述开关组件可被布置为单级双掷(SPDT)开关，在这种情况中，所述悬臂可在共用端子与双选端子中的一个建立电接触，或者可为单级单掷(SPST)开关，在这种情况中，悬臂可交替地使得两个端子电耦合和去耦。
文档编号H01H50/60GK1656644SQ03812372
公开日2005年8月17日 申请日期2003年5月9日 优先权日2002年5月29日
发明者埃里克·M·普罗菲特 申请人:超导技术公司