TW509657B - Multiposition micro electromechanical switch - Google Patents

Description

509657 A7 B7 五、發明說明（） 發明領域· 本發明涉及微機電（MEM)開關，尤其涉及多位置MEM 開關。 發明背景： 近年來，積體電路技術方面的進步導致了微機電系統 (MEMS)的發展，它是一種可以利用機械、靜電、電磁、 射流、和熱方法致動和控制的微米級器件。MEMS製造技 術是更加完善的半導體微製造技術與微型機械製造方面 的更新發展的有機結合。 MEM器件的一個實例是把一端固定在諸如矽之類的 基底材料上的懸臂樑式開關。懸臂樑的自由端作為一偏轉 電極，當將電壓源施加到上面時，由於懸臂樑和場板上的 靜電力的作用，偏轉電極發生偏轉，從而與固定電極相接 觸。當撤消電壓源時，由於懸臂樑本身恢復力的作用，懸 臂樑回到它原來的“剛性，，狀態，並且，開關的觸點分 開。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 ---------!# (請先閱讀背S之泫意事項再填寫本買) 線丨裨 儘管近年來MEM技術已經取得了長足進步，但這種 技術不是沒有缺點的。例如，MEMS器件製造者面臨的隱 患最嚴重的問題之一是靜摩擦（sticti〇n),它發生在微型機 械製造的部分（譬如，懸臂樑）的表面與結構的相鄰表面溶 合或粘接在一起的時候。靜摩擦常常由製造過程中，諸如 表面粗糙不平、潮濕、施加的電壓和表面張力之類的因素 引起。發生在器件中的靜摩擦問題越多，對器件生產的總 第4頁 i紙張尺度適國家標準㈣s)a4規格⑵㈣犯公爱）— --- 509657 A7 B7 五、發明說明（） (請先閱讀背面之注意事項再填冩本頁) 體影響就越大。另外’部件本身的實體形狀也可能影響它 的靜摩擦可能性；由於懸臂樑上不斷重復的機械應力，懸 臂型開關可能會遭受扭曲。這樣，最好能提供一種能將靜 摩擦減至最小的開關設計。 懸臂樑式開關設計相關的困難性可包括··材料疲勞、 空間限制（來自對固定點的要求）、寄生電感的產生、以及 諧振頻率問題。因此，一般還希望能提供一種得解決以上 述及問題的MEM開關。 發明目的及概述’· 在本發明的範例性實施例中，微機電開關結構在基底 上有一導向柱（guidepost)。在基底上有一信號傳輸線，信 號傳輸線中存在間隙’並形成開路。該開關更包括含有在 其中形成的通孔的開關體，且開關體沿由導向柱構成的長 度方向而可移動的方式設置。通孔部分環繞導向柱。在較 佳實施例中，一場板形成於基底上，並以靜電可吸引的方 式與開關體分開。該場板與該開關體之間的靜電吸引力使 開關體對信號傳輸線中的間隙加以閉合。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 圖式簡箪說明： 圖1是現有技術中懸臂樑式微型開關的側視圖； 圖2是本發明微機電開關的實施例的頂視圖，其中將 基底的上下層沿橫向分解以顯示出主開關體； 圖3是圖2所示的開關沿著截線3 一 3的剖视圖； 第5頁 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4 ^格（210 =< 297公釐) * " 509657

AT _B7_ 五、發明說明（） 圖4是圖3所示的開關的可替換實施例； 圖5是本發明的微機電開關的另一個實施例的頂視 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 园 · 國， 圖6是開關體的另一個實施例的頂剖視圖；和 圖7— 9是製造圖3和4所示的開關截面時各個步驟中 的剖視圖。 圖號對照說明： 20 微機電開關 22 基底 24 固定支柱 26 懸臂樑 28 電觸點 30 觸點 32 接地極板 34 極板 50 開關 52 基底 54 導向柱 56 通孔 58 主體 60 方塊 62 基底上層 64 基底下層 66 第一場板 68 第二場板 70 開關體底面 72 開關體頂面 74 第一信號傳輸線 76 觸點 78 間隙 80 第二信號傳輸線 82 觸點 84 間隙 90 鉸鍊 91 導體表面 92 干臂 96 空腔 100 圓形開關體 102 切面 第6頁 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公f ) 509657

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（） 200 犧牲層 202 護面 204 電鍍銅 206 罩件 208 第二犧牲層 210 頂部罩件 發明詳細說明： 圖1說明了已知的微機電關關（MEMS)。如圖所示，用 標號20總體標識的MEMS在基底22上形成，具有在一端 上形成的固定支柱24。彈性懸臂樑26連接在支柱24的 一端上。懸臂樑26適合於承載排列在其一端、並適合於 與基底22上的相應觸點30嚙合的電觸點28。開關20適 用於靜電致動。接地極板32在基底22上形成，而場板34 則在懸臂樑26上形成。接地極板32適用於與地連接，而 場板34適用於有選擇地與DC電壓源（未示出）耦合。在沒 有電壓施加到場板34上的情況下，觸點28與觸點30分 開，形成開路狀態。當將適當的DC電壓施加到場板34 上時，懸臂樑26受到極板34和接地極板32之間的靜電 力作用，發生偏轉，使電觸點2 8與觸點3 0嚙合，形成閉 路狀態。當以後從場板34上撤消施加的電壓時，由於懸 臂樑本身恢復力的作用，懸臂樑26回到它的靜態位置。 現在參照圖2至4，根據本發明實施例的開關5 〇建造 在一氧化碎（Si〇2)等基底52上，在基底52上形成並定位 數根導向柱54。導向柱54由在開關50的可移動體58内 形成的通孔56環繞。主體58由銅之類的導體材料形成的 第7頁 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ----------------------— ^-------· (請先閱請背面之注音？事項再填寫本頁) 509657 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製

A7 B7 _ __—------~- 、發明說明（） 大致長方形的方塊6〇構成。為了防止氧化，方塊6〇被封 裝在絕緣層内，並且被覆蓋起來’後面將對此作更詳細描 述。從圖3和4可清楚看出，主體58沿著導向柱54的長 度方向可移動地設置著，導向柱54用於當開關50的主體 58沿著導向柱54垂直移動時’使其保持在適當的橫向准 線上β按照這種方式構成的開關5 0不需要繞著旋轉或撓 曲的錨點或固定點。 從圖3和4可看出，主體58設置在基底52的上層62 與基底52的下層64之間的大致水平的准線上。在基底52 的下層64内形成的是將控制電壓施加在上面的第一場板 66。第二場板68類似地位於基底52的上層62内，並且 與控制電壓源（未示出）相連接。第一場板6 6與開關體5 8 的底面70靜電隔開，並靜電相吸’而第二場板68則與開 關體5 8的頂面72靜電隔開，並靜電相吸。 第一信號傳輸線74由基底52的下層64通過彼此相隔 間隙78的觸點76建立起來，並形成第一信號傳輸線74 中的開路。第二信號傳輸線80由基底52的上層62通過 彼此相隔間隙84的觸點82建立起來，並形成第二信號傳 輸線8 0中的開路。 在所示實施例中，開關50的結構表示成雙極雙擲開 關，但本發明的原理還可以應用於其他的開關結構。在這 些實施例中，開關5 0可以作為二位置開關、或三位置開 關來實現。為了保留第三開關位置，要將開關的主體5 8 保持在上、下層基底62、64之間，與信號傳輸線74、80 第8頁 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填冩本頁)

509657 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 _ 五、發明說明（） 電斷開的位置上。例如，圖3所示的實施例的特徵在於， 將一對鉸鏈90用於將開關50偏置在中立的或“關閉，，的 位置上。鉸鏈90可以與導體材料合在一起。 此外，在沒有鉸鏈9 0的情況下，亦可利用圖4所示的 “自由懸浮”開關設計。但是，為了使開關5 〇保持在中 立的第三位置上’利用適當的平衡電荷偏置第一和第二場 板66、68，使得產生的施加在開關體58上方向相反的靜 電力相互抵消’從而保持開關體5 8懸挂在自由懸浮的位 置上。在沒有偏置靜電力的情況下，開關5〇也可以用在 二位置結構’或雙·?I操作模式中。作為這種結構的一個實 例，在默認或“關閉”位置的情況下，閉合第一傳輸線間 隙78和斷開第二傳輸線間隙84 ^在加電或“打開，，位置 的情況下，斷開第一傳輸線間隙7 8和閉合第二傳輸線間 隙84 〇 開關5 0由有選擇地施加到所期望的場板之一上的控 制電壓致動。在所選場板與開關體5 8之間產生的靜電力 使主體上升或下降’上升或下降取決於給哪個場板加電。 例如，如果把電加在第一場板66上，並且假設開關50開 始處在中立位置上，那麼，將驅使開關體5 8向下移動， 直到開關體58相對兩面上的導電表面9 1與基底下層64 上的相應觸點76嚙合為止，從而閉合第一傳輸線間隙 78，並形成閉路。當以後去掉給第一場板66的加電時， 可以通過鉸鏈90偏置、或通過將平衡電荷施加在第一和 第二場板66和68二者上，使開關體58返回到中立位置。 第9頁 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公S ) (請先閱讀背面之注意事項再填冩本頁)

509657 五、發明說明（ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 在每一種情況中，一Η ， 〜觸點76與開關體58上的壤兩主 分離，第一信號傳導％表面 号爾線間隙就重新開路。 當給弟二場板‘ δ加電時，按照相同的方 號傳輸線80中的間陴 ^ 式閉合第二信58向上方移動，直到Μ纟 生的靜“驅使開關體 且W導電表面91與基底 點82嚙合為止。第- 層62上的觸 弟〜k號傳輸線80處在閉路 到去掉給第二場板68 狀J下， 8的加電，開關體58返回到中二 為止。還應該注意到，、A ^ t 』甲i位 她加到每個場板上的電荷的極性 以相反，從而產生對聞 &開關體58的斥力。由-個場板提 的斥力也可以與由另—_ ^ 一個％板提供的吸引力一起使用， 而產生推挽致動機理。 遂有’作為二位置實施例的可替換選擇，可以將開 50構造成二位置模， s L 旦提式，即，當一個場板加電時，另一 場板則不加電；反之亦然。按照這種方式，在任意給定 刻’第一和第二信號傳輸線間隙總是有一個是開路的， 決不會兩個同時開路。換言之，開關體5 8不會靜態地 持在中立位置上。 圖5還顯不了適用于使用懸臂樑的關關結構的另一 _ 實施例。在這個實施例中，主開關體5 8整個形成在杆臂 92的一端上，杆臂92連到在基底内形成的固定柱94上。 由於鉸鏈90也用在這種結構中，因此，開關體的重量 完全靠杆臂92支撐。 圖6顯示了主開關體5 8的另一個實施例。正如圖 示的，開關體58可以製造成大致圓形的形狀100。 第10頁 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 直 置 可 關 個 時 但 個 不 中所 如此 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -I « ϋ ϋ n n n n n f 1 n n n n «ϋ n· I mmmmm -MW t 各 j 509657 A7 B7 五、發明說明（ 構成的開關體58可以在在基底52内形成的空腔％内垂 直向上向下移動’而只有開關體58上的四個切面ι〇2才 與基底壁摩擦接觸Μ盡管導向柱（未示出）將開關體58保 持在空腔96内相對水平的方向上，但在操作時，通孔（未 示出）的確允許開關體58作些許的橫向漂移。因此，借助 於這種㈣設計，關體58的外緣與形成_ %的基底 壁之間的表面接觸最少。 現在參照圖7,圖7示出製造開關的詳細情況。導向 柱54通過已知的掩模、沈積 '和蝕刻技術，從二氧化矽 (Si〇2)基底52上形成。諸如類金鋼石碳（DLC)或其他同構 有機聚合物之類的犧牲層（sacrificial layer)2〇〇沈積在基 底52，以及導向柱54的侧表面和頂表面上。此後，護面 (hne〇202沈積在犧牲層200上，以便防止隨後沈積在護 囬202上的電鍍銅204的擴散。護面2〇2最好由諸如鈦、 氮化鈦、氮化鋰或鎢之類的高熔點金屬組成。由於銅2〇4 的抗腐蝕性奇差，因此，如圖8所示，磷化鈷鎢（c〇wp，； cobait-tungsten-phosphide)的罩件2〇6非電鍍地形成在銅 層的頂面上《但是，應該注意到，其他材料也可以用於罩 件2 06，包括氮化鈕或鎳。利用導向柱54的頂面將罩件 206的頂部平面化，接著進行化學機械拋光。然後，DLc 的第二犧牲層208沈積在罩件206和導向柱54上。下一 步，最妤是氮化矽的絕緣材料的頂部罩件2丨〇沈積在DLC 的第二層208上。 最後，圖9顯示了除去DLC的犧牲層200、208之後 第11頁 私紙張尺度適用中國國家標準（CNSM4規格 (請先閱讀背面之注意事項再填冩本頁) 丨 --------^---------^ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 509657 A7 ____B7____ 五、發明說明（） 的開關。一旦在頂部罩件2 1 〇中形成許多孔眼，就在氧化 環境下加熱開關50，從而使犧牲層200、208被除去，並 生成 廢氣的二氧化碳和一氧化碳。由此，DLC的除去 在開關體58中生成了通孔56，導向柱54通過這些通孔 5 6引導開關體5 8的垂直移動。 雖然參照較佳實施例已經對本發明作了描述，但本領 域的普通技術人員應該明白，可以對其作各種各樣的改動 和用各種各樣的等效物替換其中的部件，而不偏離本發明 的範圍。另外，可以進行許多修改，使特定的情況或材料 適應本發明的原理，而不偏離本發明的基本範圍。因此， 本發明不限於為實現本發明而設計的、作為最佳模式公開 的特定實施例，而是，本發明包括落在所附權利要求書的 範圍之内的所有實施例。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) • · m tn n i Mmmmt HI n_i f ^ ( n n n

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 第12頁 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公f )---*---

Claims (1)

1. 509657 A8 B8 C8 _08 _ 六、申請專利範圍 1 · 一種微機電開關，至少包括： 一導向柱，形成在一基底上； 一信號傳輸線，形成該在基底上，該信號傳輸線存在 一間隙，並形成開路； 一開關體，有一通孔形成於其中，該開關體沿由該導 向柱構成的長度方向以可移動的方式設置，該導向柱的部 份由該通孔部分環繞；和 一場板，形成在該基底上，該場板與該開關體以靜電 可吸引的形式互相分開β 2·如申請專利範圍第1項所述之微機電開關，其中該場板 與該開關體之間的靜電吸引力使該開關體將該信號傳輸 線中的該間隙加以閉合。 3·如申請專利範圍第1項所述之微機電開關，其中該基底 至少包括Si〇2基底。 經 濟 部 智 慧 財 產 局 員 X 消 費 合 作 社 印 製 4·如申請專利範圍第1項所述之微機電開關，其中更包括 在該基底上形成的複數個導向柱，而該開關體之中含複數 個相應通孔，該開關體沿該導向拄以可移動的方式設置。 5 ·如申請專利範圍第1項所述之微機電開關，其特徵在 於，該開關體至少包括電鍍銅。 第13頁

   本紙張尺度適用f國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公爱） 509657 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 6. 如申請專利範圍第5項所述之微機電開關，其中該闊關 體更包括磷化鈷鎢（CoWP)絕緣罩件。 7. —種多位置微機電開關，至少包括： 複數個導向柱，形成在該基底上； 一第一信號傳輸線，形成在該基底的下層上，該第 一信號傳輸線中存在一第一間隙，因此形成開路； 一第二仏號傳輸線’形成在該基底的上層上，該第 二信號傳輸線存在一第二間隙，因此形成開路；和 一開關體，其中形成有複數個通孔，該開關體沿通 過該通孔的該導向柱而以可移動的方式設置。 8 ·如申請專利範圍第7項所述之微機電開關，其中更包 括： 一第一場板，形成在該基底的該下層上，該第一場 板與該開關體的底面以可靜電相吸的方式分開；和 一第二場板，形成在該基底的該上層上，該第二場 板與該開關體的頂面以可靜電相吸的方式分開。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 9·如申請專利範圍第8項所述之微機電開關，其中該第一 場板與該開關體的該底面之間的靜電吸引力使該開關體 將該第一信號傳輸線中的該第一間隙加以閉合。 10.如申請專利範圍第8項所述之微機電開關，其中該第 第14頁 __ _________________—* 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） 509657 六 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A8 B8 C8 D8 、申請寻利範圍 二場板與該開關體的該頂面之間的靜電吸引力使該開關 體將該第二信號傳輸線中的該第二間隙加以閉合。 1 1 ·如申請專利範圍第7項所述之微機電開關，其中更包 括一對支撐鉸鏈’設置在該開關體的相對兩面上，該支撐 鉸鏈將該開關偏置於一中立位置上，其中該第一和第二信 號傳輸線兩者中的該間隙都保持開路。 12·如申請專利範圍第8項所述之微機電開關，其中更包 括施加到該第一和第二場板上的平衡電荷，該平衡電荷使 該第一場板與該開關體的該底面之間的靜電吸引力被該 第二場板與該開關體之該頂面間的靜電吸引力所抵消。 1 3 ·如申請專利範圍第7項所述之微機電開關，其中該開 關體至少包括電鍍銅。 14 ·如申請專利範圍第1 3項所述之微機電開關，其中該開 關體更包括磷化鈷鎢（CoWP)絕緣罩件。 15·如申請專利範圍第7項所述之微機電開關，其中該開 關體的形狀大致為長方形。 1 6 ·如申請專利範圍第7項所述之微機電開關，其中該開 關體的形狀大致為圓形。 第15頁 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐) (請先閱讀背*之泫意事項專填寫本頁) --------訂---------線丨