CN101048840A - Mems设备用的弹簧结构 - Google Patents

Abstract

一种MEM设备，具有可移动元件(30)，一对使可移动元件移动的电极(e1，e2)，一个具有与各电极的其余部分连接的独立可移动部分的电极(e3)，以便对电极的牵引提供附加的阻力。这样可具有更高的释放电压V_rel，从而减小静态阻力的风险。此外，可减小V_PI与V_rel的比值，从而可将更大范围的电压用于使可移动元件移动。这样就能够进行更快的切换。独立可移动部分的面积小于电极的其余部分，并且弹性连接器的弹簧常数大于柔性支撑体的弹簧常数。作为选择，可移动元件可具有弹性连接且朝向基片突起的可移动标记部分，以便当接触基片时为牵引提供附加的阻力。

Description

MEMS设备用的弹簧结构

技术领域

本发明涉及包括第一电极(e1)和第二电极(e3)的微机电(MEMS)设备，其中，第二电极(e3)作为可移动元件的一部分，通过可移动元件的可变形部分的弹性形变，而在第一与第二位置之间朝向以及远离第一电极(e1)移动，并在处于它的第一位置时，与第一电极(e1)分隔一定距离。

本发明还涉及包含这种MEMS设备的集成电路，以及在这种设备上提供通信服务的方法。

背景技术

术语‘MEMS’(微机电系统或结构或开关)可包含多种设备。MEM设备的一般配置包括独立横梁，该横梁具有与第二电极相对设置的第一电极。所述第一与第二电极相互间分隔开一定的空气隙。通过施加驱动电压产生静电力，可使第一电极朝向或远离第二电极移动。原则上讲，可以使用其他的力，比如感应力。

一些共同的应用有：

-用作麦克风或扩音器；(使用特定种类的薄膜)

-用作传感器，特别是空气压力传感器

-用作谐振器，

-用作显示器中的像素开关，或者驱动用于光学开关的反射镜，

-用于RF应用中，特别是用作开关或可变电容。

商业上重要应用之一是，用于与比如电话或计算机等移动无线设备前端处的集成波段转换，以实行可变的阻抗匹配。

两种普通结构如下所述：

1.硅基片中的MEMS结构。在这种情况下，电极沿垂直于基片表面的方向取向。这种结构适用于传感器的应用和谐振器的应用，不过也并不排除其他的应用。

2.有如薄膜元件那样的MEMS结构。这里，所述横梁基本上平行于基片取向。这种MEMS结构适用于RF MEMS。对于所述横梁而言，至少存在两种结构：

-双嵌位横梁，比如所述横梁在两侧或更多侧与基片表面连接，从而在横梁的中心处发生相对基片的偏转。这种横梁以两端固定和静不定而为众所周知。

-单嵌位横梁，这种情况下，在所述横梁端部发生相对于基片的偏转。这种横梁被称作悬梁，而且是静定的。

所述横梁通常设置有多个孔，是通过蚀刻横梁与基片之间的牺牲层(sacrificial layer)而出现的，从而产生空气隙。这些孔通过使空气能够流入和流出横梁与基片之间的空腔，同时打开或关闭横梁，还有助于减小空气阻尼。不过，有如GB-A-2,353,410中所描述的那样，有多种将横梁与基片组装的制造技术，从而不需要蚀刻出孔。

发明内容

从US2002/0149071可以了解到开头段落中所述类型的设备。该文献中的MEMS设备包括处于基片上的两个分离的驱动电极，在这两个电极之间具有一条断续信号线。此处，可移动元件为受驱动电极的静电驱动的一个金属层，并且包括一开关电极，从而将信号线的两个部分相连。开关电极被设置成两驱动电极之间的跨接线。这些电极通过柔性元件与基片上的支撑体相连。实际上，这样的MEMS设备起到继电器的作用。

MEMS开关的一个主要缺点是静态阻力，其中，在去除驱动电压时，横梁或薄膜不会从反电极得到释放。已知可以使用涂层或者比如接触表面上的凹痕之类的表面粗糙度来解决静态阻力。

这种已知设备具有较大的驱动电压，它们对静态阻力敏感。这种粘附作用主要发生在可移动驱动台与基片上的驱动电极之间存在湿气或异物时。粘附作用可能发生在使用或者制造过程中。传统上，在驱动台的底面处制备突起或不粘膜，以防止发生这种粘附作用。为了限制粘附作用，已知设备还包括处于柔性元件上或与柔性元件相对的基片上的突起。这样的突起可增大设备关闭时的接触阻力。所述突起还提供克服静态阻力的反作用力。

不过，特别是对于RF应用来说，开关的切换速度具有首要的重要性。并且，尽管已知设备提供克服静态阻力的反作用力，但这种反作用力并不是非常大。鉴于相对于突起的作用而言驱动电极具有较大的表面面积，柔性元件的柔性对它具有抑制作用。

此外，对于工业应用来说，设备的良好寿命是必要条件。已知的设备在这方面是相当差的。如本领域中所公知的，具有静电驱动的MEMS元件表现出牵引效应，例如在高于某一牵引电压V_PI时，可移动元件将立即降落到基片上。在这种情况下，柔性元件上的突起很容易被破坏，从而是一个人们所不希望的特征。

于是，本发明的目的在于提供开头段落中所述类型并具有高速度和工业前途的设备。按照本发明的第一方面，提供一种微机电设备，其中，可移动元件包括独立可移动部分，该部分通过弹性连接器与可移动元件的主要部分连接，从而当第二电极处于其第二位置时，所述弹性连接器沿远离第一电极的方向在可移动元件上施加力。

这里，使用与主要部分连接的独立可移动部分，导致该部分通常将与主要部分一起移动。它与可移动部分的其他部分并无差异，从而并不是固有的缺点。此外，它与主要部分的独立连接使得能够根据设计的需要来设定弹性连接器的弹簧常数。于是，可以增大克服静态阻力的反作用力，同时不会损害电联络或可移动元件的悬置。应当理解，在本申请中，这里的独立可移动部分可作为可移动元件的一个部件移动，还可以分离开由弹性连接器所设定的边界条件所允许的距离那么远。

本发明设备的优点在于，可以改变和增大切换速度。这对于RF应用来说尤为相关。很多开关打开延迟与打开的初始阶段有关，因为当电极最近时静电吸引力最大。所述独立可移动部分可具有不同的弹簧力，并且能够贡献比如不同的打开速度。所要求保护的结构的优点在于具有非线性弹簧响应。与已知设备相比，使用独立可移动部分具有诸如能独立优化每个弹簧配置的优点。此外，如果不需要易磨损和高应力级别的配置，则可增强长寿命期间的可靠性和精度。

此外，还观察到，通过在可移动元件中施加力和通过在独立可移动部分与基片之间施加力，都可以使独立可移动部分移动。这些力的例子包括通过施加电压差而产生的电相互作用力、磁相互作用力，以及在独立可移动部分中产生局部收缩的压电力，还有仅由弹性连接器产生的机械力。另外，可以选择或者化学改性所述独立可移动部分与基片面对的表面，以便对基片表面材料具有固有的吸引或排斥。

由US6,418,006可以了解到最先述及的MEMS设备。该MEMS设备也具有可调的第一电极和分离的驱动电极。可调电极与可移动元件之间的间隙小于驱动电极与可移动元件之间的间隙。非常严格地设计可移动元件中较大间隙部分和较小间隙部分的面积。从而，将较小间隙部分形成为盘形。不过，这种已知设备在效果上非常不同。可移动元件不能与驱动电极接触，小间隙部分无论如何不能相对于可移动元件的主要部分独立移动。结果，在这种已知设备中不能获得本发明中所提供的克服静态阻力的反作用力。

按照优选实施例，所述弹性连接器较可变形部分而言具有更大的弹簧常数。由此，连接器可提供大于静态阻力力的有效的反作用力。可将静态阻力的有效势垒表示为释放电压Vrel，如附图说明中更详细说明的。原理上，如果需要的话，可以为相反的情形，即电极其余部分的弹簧常数更高。最好，独立可移动部分的面积也小于电极的其余部分，这样有助于使弹性连接器的弹簧常数更大。

作为本发明的一个附加的优点，将柔性元件用于低抗电极的牵引，并将弹性连接器的弹簧常数和独立可移动部分的位置设置成为牵引提供额外的阻力。这样可使释放电压更高，从而降低静态阻力带来的风险。此外，可减小Vpi与Vrel的比值，从而可用更大范围的电压使可移动元件移动。还有助于获得更快的开关打开速度。

所述独立可移动部分最好较第二电极而言具有更小的表面面积。这样就允许为该部分提供反作用力，从而使其能够从基片有效地缩回。此外，将独立可移动部分设计得较小，使得能够提供不止一个这种独立可移动和弹性连接部分。这样将进一步减小释放电压V_REL，并增大切换速度。另外，在更大表面面积上静态阻力可以相对均匀地平衡。

作为另一个附加的特征，在电极的独立可移动部分的至少两个侧面上设置弹性连接器。这样就能够提供比如对于振动和制造改变较不敏感的更加稳定和可靠的结构。实际上，此处在主要部分内设计独立可移动部分。特别是在结合将可移动元件整体基本上实现为一个金属层的实施例时，它优点在于在制造过程中可使用限定独立可移动部分所需的孔作为蚀刻孔。

作为又一个附加的特征，所述独立可移动部分至少在三个侧面上被各电极的其余部分所包围。这样可有利于在电极的侧面提供数个独立可移动部分。从而，电极的形状实际上可防止在电极的侧面形成大涡流。这种涡流通常是高频下出现的麻烦的副作用。作为可供选择的方式，可以将所述独立可移动部分设置在主要部分的中心。这样可以最小地削弱可移动元件的稳定性，并且较短的弹簧允许较大的弹簧系数k2。

在一个优选实施例中，独立可移动部分朝向基片突出。因此，该部分将在可移动元件的主要部分之前与基片接触。当独立可移动部分接触基片时，可以产生附加的回复力。适于将该可移动部分的突起实现为一个与可移动部分相连的分离的中间层。这种中间层可横向延伸到与之重叠的可移动部分的外部，或者至少延伸到与中间层直接接触的部分的外部。使用中间层作为突起，通过选择中间层的材料或者通过选择其横向延伸或图案，可以优化机械性质。这种横向延伸与可移动部分相比，通常具有更小的厚度，从而更具弹性。这种突起的一个附加优点是具有更大的设计自由度。不排除主要部分在起第二电极作用的区域的至少一部分上也设有这种突起的可能。

具体而言，所述独立可移动部分具有静止位置，在该位置处与第一和第二电极之间的间距相比其与基片具有更小的间距。间距减小意味着，即使独立可移动部分没有独立移动，而是仅作为可移动元件的一部分，也必将更早地接触到基片。应能理解，可以将电极设置在基片上，与独立可移动部分相对。在这种情况下，减小间距还具有电学性质的优点，也就是说，实际上在一个设备中可产生具有不同驱动电压和特性的两个微机电元件。

从而，在第一个另外的实施例中，所述独立可移动部分包括第三电极和在基片上设置成与第三电极相对的第四电极，从而形成第二对电极，而将第二电极设置成可移动元件的主要部分的一部分。最好使第二对电极在静止位置具有与第一对电极不同的另一间距。该实施例可具有多种设计，其中之一是第二对电极形成电流开关(galvanic switch)，第一对形成激励器，并且还可以形成RF电容。作为另一种可供选择的方式，两对电极都可以形成可变电容，并且这些电容可串联或并联设置。即使仅使用可移动元件的有限数量的位置，这些组合也能将所产生的电容调整成多个数值。

适宜的是，可移动元件基本上为单个金属横梁，在这种情况下，第二与第三电极将相互连接，并呈现出相同电压。此处将弹性连接器实现为多个跨接线。这种最佳模式存在可选方式，首先是在使横梁与电极电绝缘并且在其表面上相互连接的基础上使用可移动元件。一种具体变型是使用压电材料作为横梁或横梁的一部分。另一种可选方式是使用电绝缘装置作为弹性连接器，并且可选择地还用作独立可移动部分。在独立可移动部分包括第三电极的情形中，可以使用引线接合法实现与其的接触。与其有关的特别适合的方式是使用分离的中间层，它允许限定电极和其他功能图案，从而使功能性和机械构造垂直分离。

按照另一实施例，所述可移动元件的可变形部分与主要部分分离。更具体而言，主要部分通过可变形部分与基片上的支撑体连接。这种分离的可变形部分的优点在于，使得设备对于基片与金属之间热膨胀系数的差异不敏感。在悬置体(k1)内部包含独立可以部分，保留了该悬置体的优点。

具体而言，该种设备设有一个或多个被连接的柔性元件，以便取决于移动在可移动元件上产生力，而且是处于可移动元件与基片上的一个或多个突起之间。这种柔性元件的使用本身是公知的，不过柔性元件与弹性连接器的独特组合被证明是一种有趣的结构，因为柔性元件与弹性连接器的机械力可以彼此加强，另外还是彼此平衡的。将柔性支撑体设置在可移动元件上电极的至少两个侧面上。这样就能够提供一种更加稳定和可靠的结构，对于比如振动和制造改变更不敏感。还可以用于获得更高弹簧常数，使设备对制造或操作期间的高温更不敏感。

本发明的MEMS设备最适合于(当然并非排他地)具有有限状态数量的电流或电容式开关，其中第一电极同时起到驱动电极的作用。可以改变第一位置下第一与第二电极之间的间隙。

本发明的设备还可以包括不止一个在基片上设有可移动元件和电极的微机电元件。这些元件可具有相同的设计，不过并非必须如此。在一个实施例中，在电极的尺寸上设计存在差异，从而提供不同的范围。在另一实施例中，在元件的不同功能上设计存在差异；一个元件例如构成阻抗匹配电路中的可变电容，而另一元件构成波段开关。

如果一个设备包括不止一个MEMS元件，则所说的间隙尺寸不必是相同的，而是可加以变化。此外，本发明的MEMS设备可以为双稳态型，其中第二电极可以在处于基片上的第一电极与处于基片上分离元件中的第三电极之间切换。而且在本实施例中，独立可移动部分最适于提供克服基片上的静态阻力的反作用力，但可以将其非排他地设计成提供提供克服分离元件上的静态阻力的反作用力。不过，第二电极与第二电极之间的接触表现出对静态阻力不灵敏。

本发明的设备适于包括诸如薄膜电容、电阻、电感、二极管等其他元件。这些元件将根据适合的且应用所需的任何设计而相互连接。发现如果在金属层中限定可移动元件，特别是如果存在中间金属层，则可将薄膜电容和电感集成到设备中。从而，在处于基片上的导电层中的电极与中间层之间限定薄膜电容。在这种情况下，将仅去除基片上面选定区域中的介电层，这在技术上是可行的。将在可移动元件的具有足够厚度以得到足够Q-因子的金属层中限定电感。

本发明的设备还设有晶体管电路。在这种情况下，该设备为集成电路，并将微机电元件限定为互连结构的一部分，甚至处于钝化层的顶面上。例如，可从US6,777,284了解互连结构中这种元件的集成。如果使用微机电元件作为谐振器或可变电容，则本实施例表现得尤为适宜。

按照本发明的第二方面，提供一种微机电设备，它具有基片、可移动元件、使可移动元件朝基片移动的驱动装置，其中可移动元件具有与该可移动元件的其余部分弹性连接的独立可移动部分。最好使所述独立可移动部分朝向基片突起，当独立可移动部分与基片相接触时，产生附加的回复力。在另一优选实施例中，存在一个或多个柔性元件，根据移动在可移动元件上产生回复力。

这样使得在一部分移动范围上，增大使可移动元件分离的回复力。在为适合具体应用而设计设备时赋予了附加的自由度。例如，可将所述范围的一部分设定为比如存在静态阻力危险的位置，或者在打开时最大延迟的位置、静电力最大的位置。与上面所述的使用制动器的非线性弹簧结构相比，使用独立可移动部分具有诸如可独立优化每个弹簧结构的优点。此外，如果不需要易于磨损和具有高应力级别的制动器，则可以增强长寿命期间的精度。此外，如果基片上具有更少的接触或锚定点，则更容易构造。

这一方面的其他特征有如参照第一方面所描述的那样。这所述这两个方面之间，主要区别在于驱动装置的存在。优选静电驱动设备，因为能够可靠地从而很容易按照工业化方式制造利用这种驱动原理的微机电设备。压电驱动装置具有驱动电压更低的优点。

本发明的第三方面提供一种微机电设备，它具有基片、可移动元件、使可移动元件朝向基片移动的驱动装置，其中所述基片具有与基片弹性连接的可移动部分，当该可移动部分与可移动元件接触时，朝向可移动部分的突起提供附加的回复力。

所述可移动部分还可以固定到基片，而非固定到可移动元件。这里比如通过基片与可移动部分之间的弹性层或压电层来实现弹性连接。作为选择，使所述可移动部分可具有悬臂结构。

作为一个附加特征，所述弹性连接器具有较柔性元件较大的弹簧常数。

作为另一个附加特征，将柔性支撑体设置在可移动元件的至少两个侧面上。这样就能够提供对于比如振动和制造改变更加不敏感的更加稳定和更可靠的结构。

作为另一个附加特征，在独立可移动部分的至少两个侧面上设置弹性连接器。这样就能够提供对于例如振动和制造改变更不敏感的更加稳定和可靠的结构。

本发明的再一方面包括使用所述设备进行切换。由于使用本发明的设备，可相当大地提高切换速度。

本发明的再一方面包括具有这种设备和至少一个半导体设备的模块。譬如本发明中微机电元件和设备，他们与单个晶体管相比确实较大。于是，他们适于结合诸如封装概念系统。存在多种模块概念，而且这些概念本身是公知的。一种感兴趣的改进是，在本发明的设备内的腔体中设置另一个半导体设备。具体来说，所述腔体是在基片中制造而成的。所述基片最好是半导体基片，当然也不排除玻璃或铝、聚合物、多层或其他基片。特别是至少部分地去除基片，使得半导体设备的背侧与散热片直接连接。适宜的是，从背侧削薄半导体设备，以便减小通过设备基片的热阻。本文引为参考文件的专利申请WO-IB2004/050863中描述了这样的模块。这种模块中所使用的半导体设备首先是用于本发明设备的驱动器。附加或可选择的半导体设备为例如功率放大器和无线电收发机，或者在使用谐振器的情况下为用于本发明设备的检测电路。在功率放大器模块的情况下，本发明的设备适于使用具有可变电容的阻抗匹配电路(作为一部分)和/或处于不同频带之间以及处于模块内发射和接收模式之间的开关。

本发明的其他方面包括具有这些设备的移动电话，以及在这种电话上提供通信服务的方法。认识到该改进型设备的最终目的是能够提供改进的通信服务。服务的价值有可能远大于设备的销售价值，在有些情况下可免费提供设备，从而所有价值都来自服务。

任何附加特征都可以彼此结合，并且可与本发明的任何方面结合。本领域技术人员显然清楚特别是与其他现有技术相比的其他优点。在不偏离本发明权利要求的范围的条件下可进行多种改变和变型。从而，应当清楚地理解，本发明的形式仅是说明性的，而非意在限制本发明的范围。现在将参照所附的示意图，通过示例描述如何实现本发明。

附图说明

以下将参照说明本发明优选实施例的附图，更好地理解本发明的特征。在附图中：

图1表示可从US2002/0149071获悉的结构；

图2表示第一实施例的结构示意图；

图3表示第二实施例的结构示意图；

图4表示具有与图3相应实施方式的设备平面图；

图5用剖面图和图表图表示与图4相应的设备；

图6表示第三实施例的示意图；

图7所示的曲线表示图6中所示k1、k2、g1和g2的多个值如何影响Vpi；

图8表示第四实施例的示意图；

图9表示与图8相应的设备的平面图；

图10用剖面图和图表图表示与图9相应的设备；

图11用剖面图和图表图表示该设备的第五实施例。

具体实施方式

以下针对特定实施例并参照某些附图描述本发明，但本发明不限于此，而仅由权利要求限制。所述附图仅是示意性的而非限定性的。在附图中，为了进行说明，可能夸大了部分元件的尺寸，并未按照比例绘出。当提及单数名词时，使用不定冠词或定冠词，例如“a”或“an”，“the”，除非特别指出，否则包括多个这种名词。

另外，说明书和附图中的术语第一、第二、第三等，用于在相同元件之间进行区分，并非必然用于描述连续顺序或时间顺序。应能理解，在适当情况下，所使用的术语是可以互换的，本文所述的本发明实施例能够按照除此处所描述或说明之外的其他顺序操作。

此外，说明书和附图中的术语顶部、底部、上面、下面等，用于描述的目的，并非必然用于描述相对位置。应能理解，在适当情况下，所使用的术语是可以互换的，本文所述的本发明实施例能够按照除此出所描述或说明之外的其他方位操作。

应予说明的是，权利要求中使用的术语“包括”不应当被解释为局限于其后所列出的装置，并不排除其他元件或步骤。从而，短语“包括装置A和B的设备”的范围应当不限于仅由部件A和B组成的设备。这表明，对于本发明来说，只是设备的相关部件为A和B。

作为参考，图1表示一种已知结构，其中可移动元件30在基片10上由柔性元件40支撑，用以将可移动元件弹性悬置在锚定或支撑元件20上。柔性元件具有制动器60形式的推斥元件，在可移动元件的移动期间当支撑可移动元件的柔性元件弹性变形预定的量时，使柔性元件的推斥力突然急剧增大。具有预定尺寸的推斥元件为设置在柔性元件和固定在基片上，且与柔性元件相对的静止元件之间的制动器。制动器可以被设置在静止元件的与柔性元件相对的位置处，从而当柔性元件弹性变形预定的量时，柔性元件的中部与制动器接触。此外，可以将制动器形成在柔性元件的与静止元件相对的中部，从而当柔性元件弹性变形预定的量时，制动器与静止元件接触。

产生静态阻力的一个原因是介电层的充电，导致有效电压发生偏移ΔV＝ρ_sz_d/ε_d，其中ρ_s为电介质中的表面电荷，z_d为电介质的厚度，ε_d为电介质的介电常数。如果充电电压大于开关的释放电压(即ΔV＞V_rel)，则发生静态阻力。因此，增大V_rel，则增大开关的可靠性。不过，对于传统的开关而言，(V_pI/V_rel)²＝4/27(C_down/C_up)²。从而，增大V_rel导致(通常不希望地)增大V_pI。图1的结构可减轻这一问题，不过具有明显的实际缺点。

图2中所示的第一实施例涉及具有双弹簧结构的MEMS设计，能够增大V_rel同时稍稍减小V_PI(即减小静态阻力)。传统的MEMS开关，包括分隔间隙g并且通过弹簧k悬置的两个电极e1和e2。并非具有单个顶部电极，用侧视图示意地表示的图2的设计具有由电连接，但通过弹簧k₂的形式的弹性连接器机械分离的两部分e2和e3组成的分段顶部电极。电极e₃是独立可移动部分的一个示例。电极e2和e3的面积分别为A₂和A₃。其包括处于基片10上的连续的底部电极e1。根据设备的用途，可以将所述可移动元件固定到比如反射镜、电开关触点或电容板等。

对V_pI的影响：

在所述实施例中，弹簧k₂的弹簧常数远大于弹簧k₁的弹簧常数。由于电极e3的有效弹簧常数比电极e1略小一点，牵引电压将稍小，不过如果k₂远大于k₁，则这种影响只是微乎其微的，可以忽略不计。实际可用于某些应用。

对V_rel的影响：

当通过向电极施加更高电压而迫使电极靠近在一起时(对于开关的应用，相当于开关的闭合状态)，顶部电极e2和e3的静电力与其面积成正比。当电极e2的面积A₂小于传统开关的面积(A₂+A₃)时，静电力也较小。与具有相同弹簧常数的传统开关相比，所提出的开关的电极e2具有更高的释放电压。一种对效果的著名估计方法是比较V_pi ²/V_rel ²与k₂/k₁。对于A₂＝A₃的情形，传统的单弹簧设备为一条直线，对于双弹簧设备来说为处于直线下而的曲线。对于k₂/k₁＝8，与传统开关相比，相对释放电压被增大大约40％，使得开关更加可靠。

其他结论：

双弹簧结构设计还将增大MEMS设备的打开速度，这是因为减小了静态阻力影响，并且有更多的力可用于使开关加速。这对于开关设备来说尤为重要。这种机制仅在打开动作的开始部分比较明显。如上所述，双弹簧结构能增大静电MEMS设备的可靠性。该设计可将比值V_pI/V_rel减小一个约1.4倍因子，可使MEMS设备的可靠性明显增加。

图3表示与图2类似的结构的示意图，不过具有在两侧支撑的可移动元件，以及在两侧上通过弹性连接支撑的独立可移动部分。这样可带来结构益处。电极的独立可移动部分e3被显示为处于相对电极e2的静止位置缩回的静止位置。这样有助于使电极部分e3具有更大的抵抗电极吸引以及抵抗静态阻力的分离力。

图4中表示与图3的结构相应的这种设备的设计平面图。表示出正方形电极e2，其具有若干孔以便在制造过程中蚀刻出间隙，并使空气流动以减小空气阻尼。表示出处于正方形每一边处的四个锚状物(41)。柔性支撑元件从每个锚状物朝向正方形可移动元件e2的每个角部延伸。例如由长度、厚度和材料种类来设定每一个的弹簧常数。独立可移动部分e3也是正方形的，并且位于电极e2的其余部分的中心处的正方形孔径中。在每个角部通过细长条形的弹性连接器，从孔径的每个角部到部分e3的相邻角部进行支撑。这些连接器比支撑元件短，从而将具有更高弹簧常数。部件e3还具有成规则图案的孔，以允许蚀刻和空气流动。底部电极e1在其他电极下面被很大程度地遮挡，并且应当与其他电极的组合具有相同形状。在该图形的顶部和底部具有接触区。

图5表示本发明设备100的示意剖面图，同时可以为许多其他剖面形式。该图表明，在基片10的顶部上有一层导电材料42，如Al的金属。在该层42中，限定处于基片10上的第一电极e1。该第一电极e1与可移动元件40分离空气隙60。通过沉积第一和第二绝缘层(它们可通过中间金属层而相互分隔)而形成该空气隙60。随后，为了获得可移动元件40中可使用的通孔，通过蚀刻去除绝缘层。可采用干蚀刻和湿蚀刻技术来去除牺牲层，如专利申请EP03104045.4(PHNL031310)和WO2004/037713-A1中所描述的。在这种情况下，可移动元件40包括导电材料，诸如铝或铝合金。不过，可使用诸如Cu和Ni之类的其他导电材料，并且可移动元件40并非必须是导电性的。可移动元件40包括对于基片40的支撑体41，主要部分80，根据本发明还包括独立可移动部分70。该独立可移动部分70通过弹性连接器k2与主要部分80连接。此外，在本实施例中可移动元件40包括柔性元件k1，不过并非必须如此。然而，优选弹性连接器k2具有比柔性元件k1更大的弹性模数，为此连接器装置k2和柔性元件k1的长度是主要参数。在导电可移动元件40的该示例中，连接器装置k2和柔性元件k1都被结合到金属层中。对于处理来说这样是有益的。此外，在本例中，主要部分80构成第二电极e2，独立可移动部分70构成第三电极e3。第一电极e1横向延伸，从而同时面对第二和第三电极e2，e3。此处，通过弹性连接器k2的移动，第三电极e3可独立移动，并且受第一电极e1的吸引。与第二电极e2相比，其更易于朝第一电极e1移动。

假设所述第三电极e3对于设备100的寿命具有有益的影响。MEMS设备的寿命主要取决于充电作用，不取决于金属疲劳或类似的材料性质。释放电压应当尽可能的高，以避免发生所述的充电作用，这正是第三电极、第二电极和第三导电层分别形成e2，e3，k1和k2的目的所在。

图6表示增大切换速度的另一实施例。MEMS开关的切换速度通常由于空气阻尼而大大减小。可通过施加更高的驱动电压而增大静电开关的闭合速度。不过，由于静电力通常是引力，打开速度完全由该结构的弹簧常数和空气阻尼决定。对于MEMS开关(其薄膜区域的尺寸通常远大于间隙距离)，主要的空气阻尼力为由下式给出的压膜阻尼力：

F_sfd＝b₀v/z³             (1)

其中，v是速度，z为电极之间的距离。一种减小空气阻尼影响的方法是在薄膜中设置孔，以减小常数b₀。

图6表示另一种方案，它使用标记结构，可对传统设计做出如下改进：通过增大使基片与可移动元件分离的弹簧力，从而有助于避免静态阻力，可增大打开速度并增大可靠性。包括增大V_rel同时使V_PI不受影响(即减小静态阻力)。

除了包括分隔间隙g₁且通过弹簧k₁悬置的两电极e1和e2的传统MEMS开关以外，开关还包括具有电极e2和称为“标记”的独立可移动部分的可移动元件。该标记通过弹簧k2形式的弹性连接器与顶部(或底部)电极相连，并与基片分隔间隙g2。标记突出到间隙中，从而间隙g2小于电极之间的间隙。不使用标记下面的接触区A作为电极，从而可稍稍增大设备面积。

对V_PI的影响：

传统上，控制牵引和释放的公式为：V_pI ²＝8k₁g₁ ³/(27Aε₀)和V_rel ²＝2g₁k₁Aε₀/C_down。首先，将讨论所提出的开关与传统开关的牵引和释放电压之间的差别。如果g₂大于g₁/3，则顶部薄膜的牵引电压V_PI将不受影响，从而在V_PI下，开关将闭合直至标记接触基片为止。此时，电极之间的间隙为g₁-g₂，并且开关的有效弹簧常数将为k₁+k₂。从牵引公式可以看出，只要：

         k₁g₁ ³＞(k₁+k₂)(g₁-g₂k₂/(k₁+k₂))³

则具有标记的结构的牵引电压将与不具有标记时相同。

图7表示k₁/(k₁+k₂)如何随g₂/g₁而变。如果例如g₂＝g₁/2且k₂＝k₁，则牵引电压不增大。图7中在线的右侧表示出不受标记影响的V_PI的区域。也就是说，在该区域中，本发明具有独立可移动部分的MEMS设备的V_PI，与不具有这种可移动部分的传统MEMS元件相同。注意，即使V_PI增大，V_PI/V_rel的比值依然受标记的有益影响。

对V_rel的影响：

标记使V_rel ²增大以下倍数：

$\frac{{V^2}_{\mathrm{rel}.\mathrm{stamp}}}{{V^2}_{\mathrm{rel}.\mathrm{conventional}}}=1+\frac{k_2}{k_1}(1-\frac{g_2}{g_1})---\left(2\right)$

从而，可以看出标记结构可增大MEMS结构的可靠性。如果例如g₂＝0.6g₁，且k₂＝9k₁，则由于标记释放电压将增大90％，同时牵引电压不受影响。

对速度的影响：

虽然所述标记将使开关在闭合动作期间稍微放慢，不过这种影响不是非常大，因为只有当开关基本闭合时标记的力才比较明显，而在该区域中静电力非常大，很容易补偿弹簧力。表明当电极靠在一起时闭合期间的开关速度最大。

打开时，在打开动作的第一阶段标记的打开力将非常有用，这是因为在该区域中空气阻尼力最大(参见公式(1))。表明典型开关花费打开时间的大约80％才行进间隙的最初20％，证明在开关动作的初始打开阶段，某些额外的力可能非常多地减少切换时间。如果g₂＝0.6g₁，且k₂＝9k₁，可以看出在闭合状态下弹簧力被增大4.6倍，这势必将相当大地增大开关速度，可将切换时间减小2-3倍。

如上所述，包含有标记结构的MEMS设备能够增大静电MEMS开关的速度和可靠性。希望这种新设计使速度增大超过2倍，并且使比值V_PI/V_rel减小约为2的因子，从而增大MEMS设备的稳定性。

图8中表示在两侧支撑有标记S的设备的示意图。图9中表示该设备的设计平面图。在图8中，在两侧通过弹性连接器k2来支撑标记。这些弹簧形式的连接器被锚定到可移动元件。可移动元件具有电极e2，其中间具有孔以定位标记S。如同前面那样，所述标记突起到间隙中，从而间隙g2小于电极处的间隙g1。基片上的电极e1在用作标记接触区的中间部分也具有间隙。可移动元件由固定到锚定点20的弹簧k1形式的柔性支撑体来支撑。图9表示具有相同结构的集成电路的平面图。其与图5相应，不过，所述标记是比电极的独立可移动部分更小的区域。所示的标记中没有用于减小空气阻尼的孔。如图所示，标记仅具有两个弹簧k2，而非4个。

图10用剖面图表示图8和9的设备。该图与图4类似，且在两幅附图中相同附图标记表示相同部分。此外，这仅是一个实施例，也可以将可移动元件40构造成不同。在本例中，独立可移动部分70朝向基片突出。在可移动元件40的金属层局部较厚和另一中间层50中的标记中形成该突起。如图10中所示，在标记50与基片10之间所产生的间距g2小于第一与第二电极e1，e2之间的间隙。此处，使用标记50而非独立可移动部分70作为电极，但它主要是具有机械作用。可知取代单个标记50，可具有多个标记，并且第二电极e2也可设有一个或多个标记。

图11用剖面图表示另一种设备。这种设备也与图10的设备类似，并且相同附图标记表示相同元件。此处，独立可移动部分70或者实际上是标记50起第三电极e3的作用，与基片10上的第四电极e4面对。如果使用第二对电极e3-e4作为电流开关，则该实施例非常适宜，而第一对电极e1-e2用作可变电容和/或激励器。然而，两对电极都可具有电容的作用。

可知该设备的优点是源于其在第二闭合位置时的姿态。通常，独立可移动部分70和可移动元件的主要部分(例如第二电极e2)都固定到基片上。从而，这两部分之间的弹性连接器k2处于压力下，并提供反作用力。在本例中，这是由于可移动元件在独立可移动部分具有朝向基片的突起。当两部分都被固定到基片上时，独立可移动部分相对于主要部分被向上推。弹性连接器承受所产生的压力，并提供抵制静态阻力的反作用力。

例如，可将上面任何实施例中所述的MEM设备包含到集成电路、诸如无线电话或无线移动计算设备的移动设备中。尽管针对可垂直于基片移动的元件进行了描述，就原理而言，运动可以是平行的或者具有平行分量。如上所述，MEM设备具有可移动元件(30)，一对使可移动元件移动的电极(e1，e2)，一个具有与各电极的其余部分连接的独立可移动部分的电极(e3)，以便对电极的牵引提供附加的阻力。这样可具有更高释放电压V_rel，从而减小静态阻力的风险。此外，可减小V_PI与V_rel的比值，从而更大范围的电压可被用于使可移动元件移动。这样就能够进行更快的切换。独立可移动部分的面积小于电极的其余部分，并且弹性连接器的弹簧常数大于柔性支撑体的弹簧常数。或者，可移动元件可具有弹性连接且朝向基片突起的可移动标记部分，以便当接触基片时为牵引提供附加的阻力。

从而，概括而言，本发明提供一种MEM设备，具有可移动元件30，一对使可移动元件移动的电极e1，e2，一个具有与各电极的其余部分连接的独立可移动部分的电极e3，以便对电极的牵引提供附加的阻力。这样可具有更高释放电压V_rel，从而减小静态阻力的风险。此外，可减小V_PI与V_rel的比值，从而更大范围的电压可被用于使可移动元件移动。这样就能够进行更快的切换。所述独立可移动部分的面积小于电极的其余部分，并且弹性连接器的弹簧常数大于柔性支撑体的弹簧常数。作为选择的方式，所述可移动元件可具有弹性连接且朝向基片突起的可移动标记部分，以便当接触基片时为牵引提供附加的阻力。

Claims (17)

1.一种微机电设备，它包括在基片上的第一电极(e1)，第二电极(e2)，所述第二电极(e2)是可移动元件的一部分，并且通过可移动元件的可变形部分(k1)的弹性形变，至少在第一与第二基本闭合的位置之间朝向和远离第一电极(e1)移动，在其第一位置时第二电极(e2)与第一电极(e1)分隔一定的间隙，

其中，所述可移动元件包括通过弹性连接器(k2)与可移动元件的主要部分连接的独立可移动部分，以致在第二电极处于其第二位置时，弹性连接器(k2)沿远离第一电极的方向在可移动元件上施加力。

2.如权利要求1所述的设备，其中，所述连接器比可变形部分(k1)具有更大的弹簧常数。

3.如权利要求1所述的设备，其中，所述弹性连接器被设置在独立可移动部分的至少两个侧面上。

4.如权利要求3所述的设备，其中，所述独立可移动部分在由主要部分围绕的至少三个侧面上。

5.如权利要求1所述的设备，其中，所述独立可移动部分朝向基片突起。

6.如权利要求1所述的设备，其中，一个第二独立可移动部分通过所述弹性连接器(k2)与主要部分连接。

7.如权利要求1所述的设备，其中，所述主要部分与可变形部分连接。

8.如权利要求6所述的设备，其中，所述可变形部分表现为一个或多个柔性元件(40，k1)。

9.如权利要求1或2所述的设备，其中，所述第三电极(e3)被设置成可移动元件的独立可移动部分的一部分，并在基片(10)上设置与第三电极面对的第四电极，从而形成第二对电极(e3，e4)。

10.如权利要求1所述的设备，其中，第一对电极(e1，e2)构成电流开关。

11.如权利要求1所述的设备，其中，所述可移动元件实质上由金属层构成，并且所述独立可移动部分与主要部分之间的弹性连接器(k2)被构造成至少一个跨接线。

12.一种微机电设备，它具有基片(10)、可移动元件、使可移动元件朝向基片移动的驱动装置(e1，e2)，其中，可移动元件具有与可移动元件的其余部分弹性连接的独立可移动部分(S)。

13.一种微机电设备，它具有基片(10)、可移动元件、使可移动元件朝向基片移动的驱动装置(e1，e2)，其中，基片具有与该基片弹性连接的可移动部分(S)，当可移动部分与可移动元件接触时，朝向可移动部分的突起提供附加的回复力。

14.一种集成电路，具有权利要求1、12或13所述的设备。

15.一种如权利要求1、12或13所述设备的操作方法，其中，通过取消驱动电压的施加，使第二电极远离第一电极移动。

16.一种无线通信设备，具有权利要求14中提出的集成电路。

17.一种在权利要求15的通信设备上提供通信服务的方法。

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