闭锁电热双稳态微开关制造技术

一种微机电技术领域的闭锁电热双稳态微开关，包括：正、负两个电极、正极和负极两个驱动层、正极和负极两个偏置层、基座、上触点和下触点，其中：正极驱动层的一端和负极驱动层的一端分别固定设置于基座上且另一端均伸出悬空形成悬梁结构，正极偏置层位于正极驱动层上方，负极偏置层位于负极驱动层上方，正极驱动层和正极偏置层以及负极驱动层和负极偏置层分别形成双层膜结构在受热时能够发生翘曲，正电极位于正极驱动层的上方并与正极偏置层紧密连接，上触点和下触点分列于正极驱动层和负极驱动层的末端，上触点和下触点在垂直方向上交叠设置。本发明专利技术充分发挥电热驱动器驱动力大、响应速度较快、位移功率密度高、便于集成制造的优势。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是一种微机电
的装置，具体是一种闭锁电热双稳态微开关。
技术介绍
随着个人无线通信系统的迅速发展，传统的基于二极管及晶体管技术制备的非易失性 器件由于比较差的电绝缘性和高的插入损耗，已经越来越不能满足GHz波段射频电路的要 求。基于微机电系统(MEMS)技术制备的微继电器或开关类器件具有出色的电绝缘性、低 的插入损耗和高的截止频率。基于MEMS技术制备的微继电器或开关类器件中，首先是一个 驱动形式的选择。目前，MEMS中常见的驱动方式包括静电驱动、电磁驱动、压电驱动、热 驱动等。这几种驱动方式各有优点，但也都存在着某些问题。采用静电驱动往往结构简单 ，便于集成，但是需要较高的输入电压，因而带来了一个高功耗和散热困难的问题，同时 微小尺度下器件也容易被击穿而失效。电磁驱动的工作电压一般很低，但是由于尺度效应 的存在，电磁力会随着尺寸的减小而显著降低，并且通常具有绕组线圈，体积较大，结构 复杂，制备困难。压电驱动对于材料的要求很高，结构中必须具备压电体，目前压电体的 淀积，图形化，以及与现有的集成电路工艺集成都存在很大困难。热驱动在常规尺度下， 加热和散热都很慢，因而响应很慢，但是在微观下，由于尺度的减小，热驱动的响应速度 显著提高。同时热驱动的工作电压很低，产生的驱动力很大，有时能够达到毫牛级，并且 能够很好地与现有的集成电路工艺集成。微继电器或开关类器件的另一个核心问题是稳态保持的设计。通过磁路锁定是目前广 泛采用的一种无持续功耗稳态保持策略，但是需要淀积软磁路和永磁体，这给器件制备带 来了很大困难，同时也不利于与集成电路工艺集成。因而目前大部分基于MEMS技术制备的 微继电器或开关类器件都需要持续功耗以实现稳态保持，寻找一种无功耗实现双稳态的机 制已经成为目前MEMS研究中的一大热点。经对现有技术文献的检索发现，Xi-Qing Sun等人在IEEE: Proc. llth Annual Int. Workshop on MicroElectro Mechanical Systems (1998年美国电子工程师和电气工程师协 会第11届微机电系统年度国际研讨会154-159页)上发表"A bistable microrelay based on two—segment multimorph cantilever actuators" ( "^^禾中基于两端多层月莫悬臂梁驱 动器的双稳态继电器")该文献提供了一种利用表面微加工技术制备的双稳态继电器，该继电器由两段多层膜悬臂梁驱动器组成，两段驱动器的驱动方向正好相反。通过一个阻挡 块构成闭锁结构，使得在稳态保持过程中不再需要施加实际功耗。这种器件看似简单，但 是两段多层膜悬臂梁驱动器的尺寸和材料选择都必须经过准确的计算，从而正好与阻挡块 相扣而保持稳态，而这一点是十分困难的。其次，必须对两个驱动器分别施加不同的精确 匹配的时序脉冲才能完成一个周期的运作，这就要求有复杂的外部控制电路。Troy Gomm等人在Journal of Micromechanics and Microengineering (《微机械与微 工程》2002年第12期257-264页)上发表"In-plane linear displacement bistable microrelay"("面内线性位移双稳态继电器")。该文献提供了一种线性位移双稳态机 制，这种机制利用两个叠加式V型梁实现双向驱动，两端固定支撑的弯曲梁作为稳态保持 机构。该器件具有很大的失效电压(>475V)以及非常快的响应时间(340 ys)，但是考虑 到V型梁驱动器在冷却后会自动回复，因此在这种微继电器中具有一种活塞结构，这对现 有的微加工技术是一个巨大挑战。Jin Qiu等人在Journal of Microelectromechanical systems (《微机电系统》 2005年第5期第14巻1099-1109页)上发表"A bulk-micromachined bistable relay with U-Shaped thermal actuators"("—种体微加工技术制备的带有U型热驱动器的双稳态继 电器")，该文献中利用两个冷热臂电热驱动器进行双向驱动，利用两端固定支撑的弯曲 梁形成双稳态机构从而实现开关的稳态保持。虽然这种设计中驱动机构与稳态机构实现了 分离，从而大大简化了器件的结构，但是借助深刻蚀制备的微弯曲梁在没有预置应力的情 况下原位形态难以精确保持，热驱动力和弹性力之间的匹配十分复杂和困难。同时，弯曲 梁在反复扭曲使用后容易疲劳损伤，导致器件寿命有限。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术存在的上述不足，提供一种闭锁电热双稳态微开关，借助悬梁交 错锁定的闭锁结构，具有无持续功耗稳态保持的特性，以充分发挥电热驱动器驱动力大、 响应速度较快、位移功率密度高、便于集成制造的优势。本专利技术是通过以下技术方案实现的，本专利技术包括正、负两个电极、正极、负极两个 驱动层、正极、负极两个偏置层、基座、上触点和下触点，其中正极驱动层的一端和负极驱动层的一端分别固定设置于基座上且另一端均伸出悬空形成悬梁结构，正极偏置层位 于正极驱动层上方，负极偏置层位于负极驱动层上方，正极驱动层和正极偏置层以及负极 驱动层和负极偏置层分别形成双层膜结构在受热时能够发生翘曲，正电极位于正极驱动层 的上方并与正极偏置层紧密连接，上触点和下触点分列于正极驱动层和负极驱动层的末端，上触点和下触点在垂直方向上交叠设置且在垂直方向上互不接触。所述的悬梁结构的长度为300-800微米，宽度为200-500微米，厚度为3-10微米。 所述的偏置层为绕曲电阻条结构，所述电阻条的宽度为5-30微米，厚度为3-5微米，间距为10-30微米，该电阻条为导电金属制成或沉积并图形化多晶硅制成。所述的正极驱动层及负极驱动层由金属与聚合物或二氧化硅与金属的组合材料制成，该正极驱动层及负极驱动层的热膨胀系数大于正极偏置层及负极偏置层的热膨胀系数。 所述的上触点和下触点之间的垂直间距为5-10微米。 所述的上触点和下触点的形状为方形、弧形或T字型； 所述的下触点的上表面设有绝缘层，该绝缘层为聚合物或者金属氧化物。 所述的上触点的上表面设有金元素层。本专利技术工作时，通过对下触点所在的驱动器的电极施加电信号，电流流经偏置层，偏 置层发热，热量通过热传导传递给驱动层。由于驱动层和偏置层双层膜之间热膨胀系数的 差异，使得双层膜向上翘曲，同时带动末端的触点向上运动。因为热驱动能够产生很大的 驱动力，有的可以达到毫牛级，因此只要弹性力和驱动力适当匹配，下触点可以轻易地拨 开上触点。当施加的电信号降为零后，下触点所在的驱动器散热回复，这时下触点与上触 点相互搭接。由于热驱动的回复力通常很小，这时已经不足以使下触点能够再次拨开上触 点，因此这种搭接就形成了一个稳态。如果在信号引线两端检测电信号，这个过程实现了 一个从"断"到"开"的开关过程，并且在保持"开"状态时不需要持续功耗。之后如果 通过对上触点所在的驱动器的电极施加电信号，该驱动器向上翘曲，同样的道理，这时上 触点能够迅速拨开之前已经搭接在上面的下触点，从而又实现了一个从"开"本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种闭锁电热双稳态微开关，其特征在于，正、负两个电极、正极、负极两个驱动层、正极、负极两个偏置层、基座、上触点和下触点，其中：正极驱动层的一端和负极驱动层的一端分别固定设置于基座上且另一端均伸出悬空形成悬梁结构，正极偏置层位于正极驱动层上方，负极偏置层位于负极驱动层上方，正极驱动层和正极偏置层以及负极驱动层和负极偏置层分别形成双层膜结构在受热时能够发生翘曲，正电极位于正极驱动层的上方并与正极偏置层紧密连接，上触点和下触点分列于正极驱动层和负极驱动层的末端，上触点和下触点在垂直方向上交叠。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：丁桂甫，毛胜平，吴义伯，汪红，王娟，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]