[發(fā)明專利]閉鎖電熱雙穩(wěn)態(tài)微開關(guān)

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200910308026.1
• 申請(qǐng)日: 2009-09-30
• 公開（公告）號(hào): CN101661853A
• 公開（公告）日: 2010-03-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 丁桂甫;毛勝平;吳義伯;汪紅;王娟
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海交通大學(xué)
• 主分類號(hào): H01H61/00
• 分類號(hào): H01H61/00;H01H1/00;B81B7/02
• 代理公司: 上海交達(dá)專利事務(wù)所
• 代理人: 王錫麟;王桂忠

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及的是一種微機(jī)電技術(shù)領(lǐng)域的裝置，具體是一種閉鎖電熱雙穩(wěn)態(tài)微開關(guān)。

背景技術(shù)

隨著個(gè)人無線通信系統(tǒng)的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)的基于二極管及晶體管技術(shù)制備的非易失性器件由于比較差的電絕緣性和高的插入損耗，已經(jīng)越來越不能滿足GHz波段射頻電路的要求。基于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)制備的微繼電器或開關(guān)類器件具有出色的電絕緣性、低的插入損耗和高的截止頻率。基于MEMS技術(shù)制備的微繼電器或開關(guān)類器件中，首先是一個(gè)驅(qū)動(dòng)形式的選擇。目前，MEMS中常見的驅(qū)動(dòng)方式包括靜電驅(qū)動(dòng)、電磁驅(qū)動(dòng)、壓電驅(qū)動(dòng)、熱驅(qū)動(dòng)等。這幾種驅(qū)動(dòng)方式各有優(yōu)點(diǎn)，但也都存在著某些問題。采用靜電驅(qū)動(dòng)往往結(jié)構(gòu)簡單，便于集成，但是需要較高的輸入電壓，因而帶來了一個(gè)高功耗和散熱困難的問題，同時(shí)微小尺度下器件也容易被擊穿而失效。電磁驅(qū)動(dòng)的工作電壓一般很低，但是由于尺度效應(yīng)的存在，電磁力會(huì)隨著尺寸的減小而顯著降低，并且通常具有繞組線圈，體積較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制備困難。壓電驅(qū)動(dòng)對(duì)于材料的要求很高，結(jié)構(gòu)中必須具備壓電體，目前壓電體的淀積，圖形化，以及與現(xiàn)有的集成電路工藝集成都存在很大困難。熱驅(qū)動(dòng)在常規(guī)尺度下，加熱和散熱都很慢，因而響應(yīng)很慢，但是在微觀下，由于尺度的減小，熱驅(qū)動(dòng)的響應(yīng)速度顯著提高。同時(shí)熱驅(qū)動(dòng)的工作電壓很低，產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力很大，有時(shí)能夠達(dá)到毫牛級(jí)，并且能夠很好地與現(xiàn)有的集成電路工藝集成。

微繼電器或開關(guān)類器件的另一個(gè)核心問題是穩(wěn)態(tài)保持的設(shè)計(jì)。通過磁路鎖定是目前廣泛采用的一種無持續(xù)功耗穩(wěn)態(tài)保持策略，但是需要淀積軟磁路和永磁體，這給器件制備帶來了很大困難，同時(shí)也不利于與集成電路工藝集成。因而目前大部分基于MEMS技術(shù)制備的微繼電器或開關(guān)類器件都需要持續(xù)功耗以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)保持，尋找一種無功耗實(shí)現(xiàn)雙穩(wěn)態(tài)的機(jī)制已經(jīng)成為目前MEMS研究中的一大熱點(diǎn)。

經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，Xi-Qing?Sun等人在IEEE：Proc.11th?Annual?Int.Workshop?on?MicroElectro?Mechanical?Systems(1998年美國電子工程師和電氣工程師協(xié)會(huì)第11屆微機(jī)電系統(tǒng)年度國際研討會(huì)154-159頁)上發(fā)表“A?bistable?microrelay?basedon?two-segment?multimorph?cantilever?actuators”(“一種基于兩端多層膜懸臂梁驅(qū)動(dòng)器的雙穩(wěn)態(tài)繼電器”)該文獻(xiàn)提供了一種利用表面微加工技術(shù)制備的雙穩(wěn)態(tài)繼電器，該繼電器由兩段多層膜懸臂梁驅(qū)動(dòng)器組成，兩段驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)方向正好相反。通過一個(gè)阻擋塊構(gòu)成閉鎖結(jié)構(gòu)，使得在穩(wěn)態(tài)保持過程中不再需要施加實(shí)際功耗。這種器件看似簡單，但是兩段多層膜懸臂梁驅(qū)動(dòng)器的尺寸和材料選擇都必須經(jīng)過準(zhǔn)確的計(jì)算，從而正好與阻擋塊相扣而保持穩(wěn)態(tài)，而這一點(diǎn)是十分困難的。其次，必須對(duì)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器分別施加不同的精確匹配的時(shí)序脈沖才能完成一個(gè)周期的運(yùn)作，這就要求有復(fù)雜的外部控制電路。

Troy?Gomm等人在Journal?of?Micromechanics?and?Microengineering(《微機(jī)械與微工程》2002年第12期257-264頁)上發(fā)表“In-plane?linear?displacement?bistablemicrorelay”(“面內(nèi)線性位移雙穩(wěn)態(tài)繼電器”)。該文獻(xiàn)提供了一種線性位移雙穩(wěn)態(tài)機(jī)制，這種機(jī)制利用兩個(gè)疊加式V型梁實(shí)現(xiàn)雙向驅(qū)動(dòng)，兩端固定支撐的彎曲梁作為穩(wěn)態(tài)保持機(jī)構(gòu)。該器件具有很大的失效電壓(＞475V)以及非常快的響應(yīng)時(shí)間(340μs)，但是考慮到V型梁驅(qū)動(dòng)器在冷卻后會(huì)自動(dòng)回復(fù)，因此在這種微繼電器中具有一種活塞結(jié)構(gòu)，這對(duì)現(xiàn)有的微加工技術(shù)是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。

Jin?Qiu等人在Journal?of?Microelectromechanical?systems(《微機(jī)電系統(tǒng)》2005年第5期第14卷1099-1109頁)上發(fā)表“A?bulk-micromachined?bistable?relay?withU-Shaped?thermal?actuators”(“一種體微加工技術(shù)制備的帶有U型熱驅(qū)動(dòng)器的雙穩(wěn)態(tài)繼電器”)，該文獻(xiàn)中利用兩個(gè)冷熱臂電熱驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行雙向驅(qū)動(dòng)，利用兩端固定支撐的彎曲梁形成雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)的穩(wěn)態(tài)保持。雖然這種設(shè)計(jì)中驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了分離，從而大大簡化了器件的結(jié)構(gòu)，但是借助深刻蝕制備的微彎曲梁在沒有預(yù)置應(yīng)力的情況下原位形態(tài)難以精確保持，熱驅(qū)動(dòng)力和彈性力之間的匹配十分復(fù)雜和困難。同時(shí)，彎曲梁在反復(fù)扭曲使用后容易疲勞損傷，導(dǎo)致器件壽命有限。

發(fā)明內(nèi)容