一种由常通向常断状态转换的固态电子开关及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种由常通向常断状态转换的固态电子开关及其制备方法。该固态电子开关包括：衬底、控制桥、绝缘层、金属互联、被控桥、钝化层、一对控制电极焊盘和一对被控电极焊盘；控制桥通过一对控制电极焊盘接入控制电路，从而接收来自控制电路的控制信号，被控桥通过一对被控电极焊盘接入被控电路。本发明专利技术的固态电子开关仅在状态转换的瞬间消耗电能，而在保持接通和断开的状态时均不需要消耗电能，具有双稳态特性；可以双向导通，不含任何可动部件，因此可以工作在恶劣的环境中；具备优秀的抗静电和电磁干扰的特性；基于集成电路半导体工艺，具有极好的与集成电路半导体工艺兼容性；可用作电火工品的短路保险开关。

【技术实现步骤摘要】
一种由常通向常断状态转换固态电子开关及其制备方法
本专利技术涉及微机电子开关，具体涉及一种由常通向常断状态转换的固态电子开关及其制备方法。
技术介绍
基于集成电路半导体工艺的微电子开关主要包括二极管开关和三极管开关管，这些开关管通常工作在饱和区或截止区，不是双稳态的，这就意味着维持开关的闭合或断开需要持续能量供应。对于二极管开关，当加载在PN节两端的电压高出其耐压时，会出现击穿，造成开关管失去开关功能。对于三极管开关，闭合条件依赖于加载在发射极和集电极两端的电压差，因此在电路处在恶劣环境例如电路电源受外部温度、电磁或力学冲击而难以提供稳定的电压时，容易造成开关管工作可靠性降低。并且这些开关仅能实现单向导通，使用存在一定的局限性。随着微机电系统设计加工技术的不断进步，基于微机电系统技术设计、加工的微开关得到了快速的发展和应用。微机电开关中一般都由可动部件在控制电压或电流的激励下发生横向、纵向、法向或旋转运动，可动部件进入到不同位置上来控制开关的通断。这类开关可以在一定程度上降低外部电磁冲击对于其工作的影响，并且可以实现双向的导通，但其对力学冲击和温度冲击较为敏感。由于其含有运动件，而通过可动部件实现电气连接使开关结构不稳定，并且在进行微加工并释放的过程中容易产生结构粘连从而造成成品率较低，同时可动部件也难以满足某些在长期储存后使用的需求。此外，大多数微机电开关也不是双稳态的。此外，由于制造工艺问题，这类开关也难以与成熟的集成电路半导体工艺兼容。由此期望一种具有双稳态特性，可以双向导通，对外部温度，电磁和力学条件不敏感的，不含有可动部件并具有良好集成电路半导体工艺兼容性的开关。
技术实现思路
针对以上现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种基于集成电路半导体工艺的固态电子开关，具有双稳态特性，可以双向导通，对外部温度，电磁和力学条件不敏感，不含有可动部件，并与集成电路半导体工艺兼容。本专利技术的一个目的在于提供一种由常通向常断状态转换的固态电子开关。本专利技术的由常通向常断状态转换的固态电子开关包括：衬底、控制桥、绝缘层、金属互联、被控桥、钝化层、一对控制电极焊盘和一对被控电极焊盘；其中，控制桥形成在衬底上，包括一对控制电极，以及连接二者的控制桥区；绝缘层覆盖在控制桥上；绝缘层上与控制桥的一对控制电极正对的位置设置有多个通孔，形成通孔阵列；被控桥形成在绝缘层上，包括一对被控电极，以及连接二者的被控桥区；一对被控电极与一对控制电极的位置不重叠；被控桥区覆盖控制桥区发生电爆的位置；钝化层形成在被控桥上；在钝化层中，分别与一对控制电极和一对被控电极相对的地方设置有焊盘通孔，一对控制电极焊盘和一对被控电极焊盘分别通过焊盘通孔嵌入钝化层；金属互联通过绝缘层上的通孔阵列，将一对控制电极分别与一对控制电极焊盘电学互联；一对被控电极分别与一对被控电极焊盘相接触形成电学互联；一对控制电极焊盘分别连接至控制电路的两端；一对被控电极焊盘分别连接至被控电路的两端。控制桥的厚度不超过2μm，长度不超过400μm，材料为Al或Cμ，或者为重掺杂的半导体多晶硅。被控桥的厚度不超过2μm，长度不超过400μm，材料为Al或Cμ，或者为重掺杂的半导体多晶硅。为了减小电阻，控制桥的控制桥区，或者被控桥的被控桥区，形状为矩形，宽度在2μm～40μm之间，或者形状为中间窄两端宽的结构，并且为轴对称的图形，中间的最小宽度在2μm～40μm，两端的最大的宽度在40μm～400μm。绝缘层的厚度在0.5μm～2μm之间，用于保持控制桥和被控桥导线之间的绝缘。钝化层位于最外层，材料采用与CMOS工艺相兼容的绝缘抗氧化材料，用于保护固态电子开关，防止其被氧化。控制桥通过一对控制电极焊盘接入控制电路，从而接收来自控制电路的控制信号。被控桥通过一对被控电极焊盘接入被控电路。控制电路发出大幅值小脉宽电流的控制信号，控制桥发生电爆，控制桥区产生等离子体，等离子体膨胀做功将重叠在控制桥区之上的被控桥区破坏，被控桥断开，实现被控电路从长通向常断状态的转换。被控桥是无极性的，因此可以双向导通。大幅值小脉宽电流的幅值为1～10安培，脉宽通常不超过10μs。本专利技术的固态电子开关作用是当被控电路需要由常通向常断状态转换的固态电子开关保持接通状态时，控制电路不发出任何信号，此时固态电子开关不消耗任何电能。当被控电路需要固态电子开关断开时，控制电路施加一个控制信号，发生电爆，断开被控桥之后，固态电子开关将不再消耗任何电能。本专利技术的固态电子开关可以双向导通，不含任何可动部件，因此可以工作在恶劣的环境中，例如温差大和力学过载大的环境中。此外，本专利技术的开关仅在状态转换的瞬间消耗电能，而在保持接通和断开的状态时均不需要消耗电能，因此具有双稳态特性。同时，该开关仅能在特定的大幅值小脉宽的电流控制信号下发生状态转换，因此具备优秀的抗静电和电磁干扰的特性。与加热熔断型的固态电子开关相比，本专利技术具有以下优点：1、作用时间短：加热熔断型的固态电子开关利用恒流产生的热量，将上层的金属熔断实现由开关由闭合到断开的转换，而本专利技术在控制桥上施加脉冲电压信号，下层桥产生等离子体，利用等离子体爆发将上层金属冲断，该过程持续时间远远小于加热熔断型的固态电子开关的转换时间；2、功耗低：加热熔断型的固态电子开关需要持续的较大的电流对其加热才能完成开关状态转换，因而需要较高的功耗，而本专利技术仅在开关转换瞬间消耗能量，且由于电压信号幅值大但脉宽小，总体功耗远小于加热熔断型的固态电子开关；3、工艺要求低：加热熔断型的固态电子开关对工艺要求，特别是各层厚度要求较高，实际生产中各层厚度与理论设计值存在工艺误差，会造成器件作用条件发生较大的变化，因而造成器件可靠性降低，而本专利技术对于各层厚度要求较低，在工艺误差范围内都可以可靠的作用，因而具有更明显的工艺优势。本专利技术的另一目的在于提供一种由常通向常断状态转换的固态电子开关的制备方法。本专利技术的由常通向常断状态转换的固态电子开关的制备方法，包括以下步骤：1)提供衬底；2)将衬底氧化；3)通过溅射、化学气相沉积CVD和离子注入等工艺在衬底上覆盖一层控制桥的材料，厚度不超过2μm；4)通过光刻和刻蚀对控制桥的材料图形化，形成控制桥；5)在控制桥上覆盖一层绝缘材料，形成绝缘层，厚度在3μm～6μm之间；6)刻蚀绝缘层，形成多个通孔，排布成通孔陈列，并在通孔阵列中填充金属，形成金属互联；7)通过溅射、CVD和离子注入等工艺在绝缘层上覆盖一层被控桥的材料，厚度不超过2μm；8)通过光刻和刻蚀对被控桥的材料图形化，形成被控桥，被控桥的一对被控电极与控制桥的一对控制电极的位置不重叠，被控桥区覆盖控制桥区发生电爆的位置；9)在控制桥上覆盖一层绝缘抗氧化材料，形成钝化层，厚度在0.2μm～2μm之间；10)与被控桥的一对被控电极和控制桥的一对控制电极的位置向对应，刻蚀钝化层，形成焊盘通孔；11)在焊盘通孔中填充焊盘金属，并对焊盘金属进行合金工艺，形成一对控制焊盘和一对被控焊盘。在完成上述步骤，形成由常通向常断状态转换的固态电子开关后，控制桥的一对控制电极连接外部的控制电路，被控桥的一对被控电极连接到外部的被控电路中。本专利技术的制备方法基于集成电路半导体工艺，具有极好的与集成电路半导体工艺兼容性。本专利技术的又一目本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种由常通向常断状态转换的固态电子开关，其特征在于，所述固态电子开关包括：衬底(1)、控制桥(2)、绝缘层(3)、金属互联(7)、被控桥(4)、钝化层(5)、一对控制电极(21)焊盘(62)和一对被控电极(41)焊盘(64)；其中，控制桥(2)形成在衬底(1)上，包括一对控制电极(21)，以及连接二者的控制桥区(22)；绝缘层(3)覆盖在控制桥(2)上；绝缘层(3)上与控制桥(2)的一对控制电极(21)正对的位置设置有多个通孔，形成通孔阵列；被控桥(4)形成在绝缘层(3)上，包括一对被控电极(41)，以及连接二者的被控桥区(42)；一对被控电极(41)与一对控制电极(21)的位置不重叠；被控桥区(42)覆盖控制桥区(22)发生电爆的位置；钝化层(5)形成在被控桥(4)上；在钝化层(5)中，分别与一对控制电极(21)和一对被控电极(41)相对的地方设置有焊盘通孔，一对控制电极(21)焊盘(62)和一对被控电极(41)焊盘(64)分别通过焊盘通孔嵌入钝化层(5)；金属互联(7)通过绝缘层(3)上的通孔阵列，将一对控制电极(21)分别与一对控制电极(21)焊盘(62)电学互联；一对被控电极(41)分别与一对被控电极(41)焊盘(64)相接触形成电学互联；一对控制电极(21)焊盘(62)分别连接至控制电路的两端；一对被控电极(41)焊盘(64)分别连接至被控电路的两端。...

【技术特征摘要】
1.一种由常通向常断状态转换的固态电子开关，其特征在于，所述固态电子开关包括：衬底(1)、控制桥(2)、绝缘层(3)、金属互联(7)、被控桥(4)、钝化层(5)、一对控制电极焊盘(62)和一对被控电极焊盘(64)；其中，控制桥(2)形成在衬底(1)上，包括一对控制电极(21)，以及连接二者的控制桥区(22)；绝缘层(3)覆盖在控制桥(2)上；绝缘层(3)上与控制桥(2)的一对控制电极(21)正对的位置设置有多个通孔，形成通孔阵列；被控桥(4)形成在绝缘层(3)上，包括一对被控电极(41)，以及连接二者的被控桥区(42)；一对被控电极(41)与一对控制电极(21)的位置不重叠；被控桥区(42)覆盖控制桥区(22)发生电爆的位置；钝化层(5)形成在被控桥(4)上；在钝化层(5)中，分别与一对控制电极(21)和一对被控电极(41)相对的地方设置有焊盘通孔，一对控制电极焊盘(62)和一对被控电极焊盘(64)分别通过焊盘通孔嵌入钝化层(5)；金属互联(7)通过绝缘层(3)上的通孔阵列，将一对控制电极(21)分别与一对控制电极焊盘(62)电学互联；一对被控电极(41)分别与一对被控电极焊盘(64)相接触形成电学互联；一对控制电极焊盘(62)分别连接至控制电路的两端；一对被控电极焊盘(64)分别连接至被控电路的两端。2.如权利要求1所述的固态电子开关，其特征在于，所述控制桥(2)的厚度不超过2μm，长度不超过400μm。3.如权利要求1所述的固态电子开关，其特征在于，所述被控桥(4)的厚度不超过2μm，长度不超过400μm。4.如权利要求1所述的固态电子开关，其特征在于，所述控制桥(2)的控制...

【专利技术属性】
技术研发人员：娄文忠，丁旭冉，赵越，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11