一種磁懸浮式微機(jī)械開(kāi)關(guān)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種磁懸浮式微機(jī)械開(kāi)關(guān)，包括玻璃襯底、螺旋線圈、懸浮結(jié)構(gòu)體和硅層；硅層鍵合在玻璃襯底的頂面，硅層中設(shè)有空腔；螺旋線圈和懸浮結(jié)構(gòu)體位于空腔中，螺旋線圈連接在玻璃襯底的頂面上，螺旋線圈的頂面設(shè)有一氧化硅層，懸浮結(jié)構(gòu)體置于氧化硅層上方；硅層的頂面設(shè)有帶孔的氧化層，氧化層的頂面設(shè)有相對(duì)的兩根金屬導(dǎo)線；金屬導(dǎo)線、氧化層和硅層靠近內(nèi)腔的一側(cè)呈臺(tái)階狀，且兩根金屬導(dǎo)線之間的距離小于氧化層上的孔的孔徑；懸浮層可向上運(yùn)動(dòng)嵌至在氧化層上的孔中，且懸浮層頂面的兩端與兩個(gè)金屬導(dǎo)線相接觸。該磁懸浮式微機(jī)械開(kāi)關(guān)避免了彈性開(kāi)關(guān)使用時(shí)的疲勞磨損，具有閉靈活、性能穩(wěn)定、安全可靠、使用壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種磁懸淳式微機(jī)械開(kāi)關(guān)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于微機(jī)械系統(tǒng)【技術(shù)領(lǐng)域】，具體來(lái)說(shuō)，涉及一種磁懸浮式微機(jī)械開(kāi)關(guān)。

【背景技術(shù)】
[0002] 微機(jī)械系統(tǒng)(文中簡(jiǎn)稱(chēng)：MEMS)開(kāi)關(guān)在中低功率中的應(yīng)用遠(yuǎn)比固態(tài)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)優(yōu) 越，并且MEMS開(kāi)關(guān)優(yōu)良的射頻性能使其能在更高的頻段得到應(yīng)用。最早的MEMS開(kāi)關(guān)是 Petersen于1979年研制的0. 35 μ m厚、金屬包覆的靜電懸臂梁開(kāi)關(guān)。但由于制作工藝的限 制，此后的十年里MEMS開(kāi)關(guān)沒(méi)有取得太大的進(jìn)展。直到20世紀(jì)90年代，MEMS開(kāi)關(guān)才獲得 了巨大發(fā)展。1991年，Larson制作了旋轉(zhuǎn)傳輸線式開(kāi)關(guān)。1995年，Yao采用表面微加工工 藝制作懸臂梁開(kāi)關(guān)。1996年，Goldsmith研制出低閾值電壓的膜開(kāi)關(guān)。為了降低開(kāi)關(guān)的閾 值電壓，提高開(kāi)關(guān)的開(kāi)態(tài)穩(wěn)定性和能量處理能力，1998年P(guān)achero設(shè)計(jì)了螺旋型懸臂式和 大激勵(lì)極板的MEMS開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)。開(kāi)關(guān)是微波信號(hào)變換的關(guān)鍵元件。
[0003] -般非靜電驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)都有著相當(dāng)理想的驅(qū)動(dòng)電壓（〈5V)，但是其共同的缺點(diǎn)是其 開(kāi)關(guān)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。而且對(duì)于熱驅(qū)動(dòng)和電磁驅(qū)動(dòng)的開(kāi)關(guān)，其開(kāi)關(guān)動(dòng)作本質(zhì)上是基于電流效 應(yīng)，因此它們的靜態(tài)功耗要比基于電壓效應(yīng)的靜電力驅(qū)動(dòng)的開(kāi)關(guān)要大得多。較長(zhǎng)的開(kāi)關(guān)時(shí) 間和大得多的靜態(tài)功耗使得非靜電驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)的應(yīng)用大大受到限制。
[0004] 而在一般的靜電驅(qū)動(dòng)微機(jī)械開(kāi)關(guān)中，絕緣介質(zhì)層的作用都是防止可動(dòng)金屬電極與 信號(hào)傳輸線發(fā)生歐姆接觸，但是由于開(kāi)關(guān)次數(shù)過(guò)多或電路工作時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，絕緣介質(zhì)層會(huì)發(fā) 生斷裂失效甚至是脫落，從而大大縮短了靜電驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)的壽命；而且，靜電驅(qū)動(dòng)的微機(jī)械開(kāi) 關(guān)中大多采用懸臂梁一類(lèi)的結(jié)構(gòu)，這類(lèi)結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)時(shí)間使用后會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)或變形而導(dǎo)致開(kāi)關(guān) 性能參數(shù)退化，這會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)工作不穩(wěn)定或過(guò)早地失效。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 技術(shù)問(wèn)題：本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是：提供一種磁懸浮式微機(jī)械開(kāi)關(guān)，該磁 懸浮式微機(jī)械開(kāi)關(guān)避免了彈性開(kāi)關(guān)使用時(shí)的疲勞磨損，具有閉靈活、性能穩(wěn)定、安全可靠、 使用壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)。
[0006] 技術(shù)方案：為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是： 一種磁懸浮式微機(jī)械開(kāi)關(guān)，該微機(jī)械開(kāi)關(guān)包括玻璃襯底、螺旋線圈、懸浮結(jié)構(gòu)體和硅 層；硅層鍵合在玻璃襯底的頂面，硅層中設(shè)有空腔，該空腔連通外界和玻璃襯底的頂面；螺 旋線圈和懸浮結(jié)構(gòu)體位于空腔中，螺旋線圈連接在玻璃襯底的頂面上，螺旋線圈的頂面設(shè) 有一氧化娃層，懸浮結(jié)構(gòu)體置于氧化娃層上方；娃層的頂面設(shè)有帶孔的氧化層，氧化層上的 孔和空腔相通，氧化層的頂面設(shè)有相對(duì)的兩根金屬導(dǎo)線；每根金屬導(dǎo)線、氧化層和硅層靠近 內(nèi)腔的一側(cè)呈臺(tái)階狀，且兩根金屬導(dǎo)線之間的距離小于氧化層上的孔的孔徑；懸浮結(jié)構(gòu)體 的長(zhǎng)度大于兩根金屬導(dǎo)線之間的距離，小于氧化層上的孔的孔徑；懸浮層可向上運(yùn)動(dòng)嵌至 在氧化層上的孔中，且懸浮層頂面的兩端與兩個(gè)金屬導(dǎo)線相接觸。
[0007] 進(jìn)一步，所述的懸浮結(jié)構(gòu)體包括磁性材料層和開(kāi)關(guān)導(dǎo)線，開(kāi)關(guān)導(dǎo)線固定連接在磁 性材料層的頂面，磁性材料層置于氧化硅層上方。
[0008] 進(jìn)一步，所述的開(kāi)關(guān)導(dǎo)線和金屬導(dǎo)線均由銅制成。
[0009] 有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果： 1.啟閉靈活、性能穩(wěn)定。本發(fā)明的磁懸浮式微機(jī)械開(kāi)關(guān)包括玻璃襯底、螺旋線圈、懸浮 結(jié)構(gòu)體和硅層，兩邊的金屬導(dǎo)線、氧化層和硅層靠近內(nèi)腔的一側(cè)呈臺(tái)階狀，懸浮結(jié)構(gòu)體的長(zhǎng) 度大于兩根金屬導(dǎo)線之間的距離，小于氧化層上的孔的孔徑。當(dāng)開(kāi)關(guān)需要閉合時(shí)，螺旋線圈 中通入直流電流，假設(shè)螺旋線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)的N極朝上，而懸浮結(jié)構(gòu)體中的永磁體的N極朝 下。這時(shí)，螺旋線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)與永磁體的磁場(chǎng)相排斥，使懸浮結(jié)構(gòu)體逐漸上浮。當(dāng)懸浮結(jié) 構(gòu)體懸浮到一定高度時(shí)，懸浮結(jié)構(gòu)體嵌至在氧化層上的孔中，且懸浮結(jié)構(gòu)體的頂面金屬導(dǎo) 線與兩根金屬導(dǎo)線相接觸。也就是說(shuō)，懸浮結(jié)構(gòu)體與開(kāi)關(guān)接口部分相耦合。而當(dāng)開(kāi)關(guān)需要 斷開(kāi)時(shí)，螺旋線圈中的外加電流變?yōu)椹?。這時(shí)螺旋線圈中通電電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)消失，永磁體 不再受到排斥力的作用，此時(shí)，由于重力的作用，懸浮結(jié)構(gòu)體會(huì)下落，從而將開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。整個(gè) 工作過(guò)程中，磁懸浮式微機(jī)械開(kāi)關(guān)中的螺旋線圈和懸浮結(jié)構(gòu)體不發(fā)生接觸，避免了開(kāi)關(guān)使 用時(shí)的疲勞磨損，且啟閉靈活。本發(fā)明的磁懸浮式微機(jī)械開(kāi)關(guān)，利用磁懸浮的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi) 關(guān)的開(kāi)啟與閉合，極大的減小了摩擦力。
[0010] 2.安全可靠、使用壽命長(zhǎng)。本發(fā)明的開(kāi)關(guān)可以避免彈性開(kāi)關(guān)使用時(shí)的彈性觸碰， 大大提高了開(kāi)關(guān)的使用壽命，且安全可靠。本發(fā)明的磁懸浮式微機(jī)械開(kāi)關(guān)，利用磁懸浮的結(jié) 構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)的閉合與斷開(kāi)，可以增長(zhǎng)使用時(shí)間。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0011] 圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012] 圖2是本發(fā)明中螺旋線圈的俯視圖。
[0013] 圖3是本發(fā)明中氧化層和金屬導(dǎo)線的俯視圖。
[0014] 圖4是本發(fā)明中磁性材料層和開(kāi)關(guān)導(dǎo)線的俯視圖。
[0015] 圖中有：玻璃襯底1、螺旋線圈2、氧化硅層3、空腔4、磁性材料層5、開(kāi)關(guān)導(dǎo)線6、硅 層7、氧化層8、金屬導(dǎo)線9、懸浮結(jié)構(gòu)體10。

【具體實(shí)施方式】
[0016] 下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。
[0017] 如圖1至圖4所示，本發(fā)明的一種磁懸浮式微機(jī)械開(kāi)關(guān)，包括玻璃襯底1、螺旋線圈 2、懸浮結(jié)構(gòu)體10和硅層7。硅層7鍵合在玻璃襯底1的頂面。硅層7中設(shè)有空腔4。作為 優(yōu)選，空腔4位于硅層7的中部。該空腔4連通外界和玻璃襯底1的頂面。螺旋線圈2和 懸浮結(jié)構(gòu)體10位于空腔4中，螺旋線圈2連接在玻璃襯底1的頂面上。螺旋線圈2的頂面 設(shè)有一氧化娃層3。懸浮結(jié)構(gòu)體10置于氧化娃層3上方。懸浮結(jié)構(gòu)體10和氧化娃層3之 間沒(méi)有連接。硅層7的頂面設(shè)有帶孔的氧化層8,氧化層8上的孔和空腔4相通。氧化層8 的頂面設(shè)有相對(duì)的兩根金屬導(dǎo)線9。兩邊的金屬導(dǎo)線9、氧化層8和硅層7靠近內(nèi)腔4的一 側(cè)呈臺(tái)階狀，且兩根金屬導(dǎo)線9之間的距離小于氧化層8上的孔的孔徑。懸浮結(jié)構(gòu)體10的 長(zhǎng)度大于兩根金屬導(dǎo)線9之間的距離，小于氧化層8上的孔的孔徑。懸浮層10可向上運(yùn)動(dòng) 嵌至氧化層8上的孔中，且懸浮層10頂面的兩端與兩個(gè)金屬導(dǎo)線9相接觸。作為優(yōu)選，金 屬導(dǎo)線9由銅制成，受磁場(chǎng)影響較小。
[0018] 上述結(jié)構(gòu)中，懸浮結(jié)構(gòu)體10的長(zhǎng)度大于兩根金屬導(dǎo)線9之間的距離，小于氧化層8 上的孔的孔徑。這樣可以確保懸浮結(jié)構(gòu)體10向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以嵌至在氧化層8上的孔中， 且懸浮結(jié)構(gòu)體10的上方有金屬導(dǎo)線9的阻隔。金屬導(dǎo)線9阻止懸浮結(jié)構(gòu)體10向上運(yùn)動(dòng)。 這樣，懸浮結(jié)構(gòu)體10只在金屬導(dǎo)線9底面和氧化硅層3頂面之間上下運(yùn)動(dòng)。螺旋線圈2 成螺旋形，除了考慮到加工工藝的影響，更重要的是為了充分利用平面的面積，使線圈產(chǎn)生 盡可能大的磁場(chǎng)。氧化硅層3對(duì)未發(fā)生懸浮的懸浮結(jié)構(gòu)體10起到支撐作用。
[0019] 上述結(jié)構(gòu)的磁懸浮式微機(jī)械開(kāi)關(guān)的工作過(guò)程如下： 當(dāng)開(kāi)關(guān)需要閉合時(shí)，螺旋線圈2中通入直流電流，假設(shè)螺旋線圈2產(chǎn)生的磁場(chǎng)的N極朝 上,而懸浮結(jié)構(gòu)體10中的永磁體的N極朝下。這時(shí)，螺旋線圈2產(chǎn)生的磁場(chǎng)與永磁體的磁 場(chǎng)相排斥，使懸浮結(jié)構(gòu)體10逐漸上浮。當(dāng)懸浮結(jié)構(gòu)體10懸浮到一定高度時(shí)，懸浮結(jié)構(gòu)體10 嵌至在氧化層8上的孔中，這時(shí)懸浮結(jié)構(gòu)體10的頂面兩端與兩根金屬導(dǎo)線9相接觸。也就 是說(shuō)，懸浮結(jié)構(gòu)體10與開(kāi)關(guān)接口部分相耦合。要使懸浮結(jié)構(gòu)體10盡可能快的上浮，可以提 高螺旋線圈2的匝數(shù)，加大螺旋線圈2中的電流。根據(jù)楞次定律，當(dāng)永磁體向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，穿過(guò) 螺旋線圈2的磁感線變少。此時(shí)，螺旋線圈2中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，與所加電流的方向相反。 這時(shí)的螺旋線圈2磁場(chǎng)會(huì)受到一定的影響，所以螺旋線圈2的匝數(shù)不能太多，而螺旋線圈2 中通入的電流應(yīng)該盡可能大，從而減弱感應(yīng)電流對(duì)磁場(chǎng)的影響，提高開(kāi)關(guān)器件的響應(yīng)時(shí)間。 而當(dāng)開(kāi)關(guān)需要斷開(kāi)時(shí)，螺旋線圈2中的外加電流變?yōu)?。這時(shí)螺旋線圈2中通電電流產(chǎn)生的 磁場(chǎng)消失，永磁體不再受到排斥力的作用，此時(shí)，重力的作用將會(huì)使得懸浮結(jié)構(gòu)體落下。但 是同樣的，根據(jù)楞次定律，永磁體下落時(shí)，穿過(guò)螺旋線圈2的磁感線變多，螺旋線圈2中將會(huì) 產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)又會(huì)阻止懸浮結(jié)構(gòu)體的下落。這種阻止作用的強(qiáng)弱也 與螺旋線圈2線圈匝數(shù)有著直接的關(guān)系。
[0020] 進(jìn)一步，所述的懸浮結(jié)構(gòu)體10包括磁性材料層5和開(kāi)關(guān)導(dǎo)線6,開(kāi)關(guān)導(dǎo)線6固定連 接在磁性材料層5的頂面，磁性材料層5置于氧化硅層3上方。作為優(yōu)選，開(kāi)關(guān)導(dǎo)線6由銅 制成。懸浮結(jié)構(gòu)體10由兩層結(jié)構(gòu)組成，即磁性材料層5和開(kāi)關(guān)導(dǎo)線6。處于下層的磁性材 料層5為懸浮結(jié)構(gòu)體10中的永磁體。該永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)與螺旋線圈2產(chǎn)生的磁場(chǎng)相排 斥，促使懸浮結(jié)構(gòu)體10發(fā)生懸浮。開(kāi)關(guān)導(dǎo)線6處于上層。當(dāng)懸浮結(jié)構(gòu)體10懸浮到一定高 度時(shí)，懸浮結(jié)構(gòu)體10中的開(kāi)關(guān)導(dǎo)線6與金屬導(dǎo)線9接通，從而使電路導(dǎo)通。由于磁性材料 層5與螺旋線圈2產(chǎn)生的磁場(chǎng)之間的排斥力不可能使懸浮結(jié)構(gòu)體10穩(wěn)定懸浮在螺旋線圈 2上方。因此，將每根金屬導(dǎo)線9、氧化層8和硅層7靠近內(nèi)腔4的一側(cè)設(shè)置呈臺(tái)階狀，且懸 浮結(jié)構(gòu)體10的長(zhǎng)度大于兩根金屬導(dǎo)線9之間的距離，小于氧化層8上的孔的孔徑。這樣， 兩根金屬導(dǎo)線9可以限制懸浮結(jié)構(gòu)體10飛出，使系統(tǒng)能夠穩(wěn)定工作。
[0021] 本結(jié)構(gòu)的磁懸浮式MEMS開(kāi)關(guān)，由于螺旋線圈2與懸浮結(jié)構(gòu)體10之間互不接觸，避 免了彈性開(kāi)關(guān)使用時(shí)的疲勞磨損。與現(xiàn)有開(kāi)關(guān)相比，該磁懸浮式MEMS開(kāi)關(guān)具有啟閉靈活、 性能穩(wěn)定、安全可靠、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。
[0022] 上述結(jié)構(gòu)的磁懸浮式微機(jī)械開(kāi)關(guān)，利用磁懸浮技術(shù)，即運(yùn)用磁體之間同性相斥，異 性相吸的性質(zhì)，使磁體具有抗拒地心引力的能力，而發(fā)生懸浮。本發(fā)明的微機(jī)械開(kāi)關(guān)利用磁 鐵同性相斥原理而設(shè)計(jì)的電磁運(yùn)行系統(tǒng)，它利用永磁體與通電線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)之間所產(chǎn)生 的斥力，使懸浮結(jié)構(gòu)體10懸浮。
[0023] 上述結(jié)構(gòu)的磁懸浮式微機(jī)械開(kāi)關(guān)的制備過(guò)程是：利用微機(jī)械加工技術(shù)在玻璃上鍍 金屬，并圖形化形成螺旋形線圈，淀積氧化硅并圖形化，接著長(zhǎng)犧牲層，鍍磁性材料，并刻出 圖形，濺射金屬銅，并圖形化形成金屬銅開(kāi)關(guān)，在硅片表面刻蝕淺槽，然后刻蝕一深槽，鍵合 娃片和玻璃，減薄娃片，接著在娃片表面生長(zhǎng)一層氧化娃層并圖形化，然后在氧化娃的表面 電鍍金屬并圖形化形成金屬導(dǎo)線，干法刻蝕硅，最后釋放犧牲層，形成可動(dòng)結(jié)構(gòu)。
【權(quán)利要求】
1. 一種磁懸浮式微機(jī)械開(kāi)關(guān)，其特征在于，該微機(jī)械開(kāi)關(guān)包括玻璃襯底（1 )、螺旋線圈 (2)、懸浮結(jié)構(gòu)體（10)和娃層（7); 硅層（7)鍵合在玻璃襯底（1)的頂面，硅層（7)中設(shè)有空腔（4)，該空腔（4)連通外界和 玻璃襯底（1)的頂面；螺旋線圈（2)和懸浮結(jié)構(gòu)體（10)位于空腔（4)中，螺旋線圈（2)連接 在玻璃襯底（1)的頂面上，螺旋線圈（2)的頂面設(shè)有一氧化硅層（3)，懸浮結(jié)構(gòu)體（10)置于 氧化硅層（3)上方；硅層（7)的頂面設(shè)有帶孔的氧化層（8)，氧化層（8)上的孔和空腔（4)相 通，氧化層（8)的頂面設(shè)有相對(duì)的兩根金屬導(dǎo)線（9); 每根金屬導(dǎo)線（9)、氧化層（8)和硅層（7)靠近內(nèi)腔（4)的一側(cè)呈臺(tái)階狀，且兩根金屬導(dǎo) 線（9)之間的距離小于氧化層（8)上的孔的孔徑； 懸浮結(jié)構(gòu)體（10)的長(zhǎng)度大于兩根金屬導(dǎo)線（9)之間的距離，小于氧化層（8)孔的孔徑； 懸浮層（10)可向上運(yùn)動(dòng)嵌至在氧化層（8)上的孔中，且懸浮層（10)頂面的兩端與兩個(gè)金屬 導(dǎo)線（9)相接觸。
2. 按照權(quán)利要求1所述的磁懸浮式微機(jī)械開(kāi)關(guān)，其特征在于，所述的懸浮結(jié)構(gòu)體（10) 包括磁性材料層（5)和開(kāi)關(guān)導(dǎo)線（6)，開(kāi)關(guān)導(dǎo)線（6)固定連接在磁性材料層（5)的頂面，磁性 材料層（5)置于氧化娃層（3)上方。
3. 按照權(quán)利要求2所述的磁懸浮式微機(jī)械開(kāi)關(guān)，其特征在于，所述的開(kāi)關(guān)導(dǎo)線（6)和金 屬導(dǎo)線（9)均由銅制成。
【文檔編號(hào)】H01H36/00GK104103454SQ201410360017
【公開(kāi)日】2014年10月15日 申請(qǐng)日期:2014年7月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月28日
【發(fā)明者】陳潔, 葉一舟 申請(qǐng)人:東南大學(xué)