增大壓電傳感器的行程的方法和利用該方法的mems開關的製作方法
2023-10-11 19:18:09 2
專利名稱：增大壓電傳感器的行程的方法和利用該方法的mems開關的製作方法
技術領域：
本發明涉及使用壓電傳感器的MEMS開關，更具體地，本發明涉及增大壓電傳感器的行程(travel)的方法和利用壓電傳感器的增大的行程的MEMS開關。
背景技術：
傳統上，微機電系統(MEMS)開關根據所使用的激勵器(actuator)可以分為四種類型，例如動力靜電(dynamo-electrostatic)型、熱膨脹型、動力電磁(dynamo-electromagnetic)型和壓電型，而根據開關方向，其可以分為兩種類型，例如垂直接觸型和側向接觸型。
首先，動力靜電型的MEMS開關使用彎曲表面電極類型或者梳狀驅動類型，這是如今被主要開發的。這種類型的MEMS開關利用的原理是當將不同極性的電壓施加至兩個電極(一個為固定電極，另一個為與固定電極間隔開的可移動電極)時，這兩個電極接觸的原理。通常，這種類型的開關製造的過程並不困難；但是，由於需要至少幾十伏電壓，因此其額外地需要使用一用於提高電壓以適用目前的射頻裝置的晶片，由此增加了製造成本。這種開關的移動速度根據其結構在1至200秒的範圍之內。
其次，動力電磁型的MEMS開關利用通過線圈結構形成磁場的電磁理論。這種類型的開關可以通過約5伏的相對較低的電壓進行操作，但是當這種開關的結構變得複雜和巨大時，其功耗將達到數百mW。
熱膨脹型的MEMS開關利用固體或液體材料的體積隨溫度升高而膨脹的原理。約5伏的相對較低的電壓同樣能夠驅動這種類型的開關，但這種開關對於環境溫度非常敏感，其功耗達數百mW，而且關鍵是其移動速度過慢，為幾十微秒。
壓電型MEMS開關利用壓電材料在被施加以電壓時體積膨脹的原理。這種類型的開關在上述方法中具有最迅速的移動速度(100納秒至1秒)，但是當其驅動時可能傳送最大的功率，而且，儘管其可以利用相對較低的電壓驅動，其應變最大可為材料長度的0.1％，因此，使用這種MEMS開關的不利之處在於其行程長度不超過幾十或者幾百納米。
就此而論，操作電壓的升高意味著在難於採用移動式光學通信裝置或者個人通信服務，或者因使用升壓裝置需要額外的成本。
程度較高的功耗意味著減少了諸如PCS、可攜式電腦等移動裝置每一次充電的工作周期。數據通信的速度被加速得越多，對具有迅速的移動速度的器件的需要增加得就越多。另外，在諸如PCS、可攜式電腦、WLAN等RF應用中，已完成了各種關於將所有器件集成在一個晶片上的研究，本領域的技術人員的興趣在於具有相對較小面積的MEMS器件。
MEMS是一種將計算機與安裝在半導體晶片上的非常小的機械裝置例如傳感器、閥、齒輪、反光鏡和驅動器等結合的技術，其被用作汽車安全氣囊中的振動加速器，而且MEMS裝置包括機械裝置的一部分已經被製造的非常小的矽晶片上的微電路。
MEMS的示例性應用包括用於跟蹤快運包裹服務並檢測中間包裹處理過程的GPS傳感器；安裝在具有大量微小輔助副翼的飛機機翼上的用於根據飛機機翼的表面阻力變化檢測氣流並對氣流做出反應的傳感器；能夠在20毫微秒的速度下將光學信號交換至單獨通路的光交換裝置。
如上所述，儘管因實現了降低電壓和功耗以及升高了移動速度，壓電型的MEMS開關幾乎可以解決上述問題，但是由於5伏以下的電壓的行程長度太小，因此其不可能應用於諸如光學開關、RF開關、濾光器等可變光學裝置。
總之，本發明提供一種方法，該方法增大壓電材料行程長度的同時仍然使用利用壓電材料的移動機理。
發明內容
本發明提供一種增大壓電材料行程長度的方法，以將上述壓電材料的優勢發揮至極限並解決行程長度方面的不利之處。
本發明的一個目的在於提供一種增大壓電材料行程長度的方法，和通過將納米級的行程長度增大到至少約10倍以將其用作開關裝置，來利用壓電材料增大的行程長度的MEMS開關。
本發明的另一個目的在於提供一種使用用於增大壓電材料的行程長度的裝置的MEMS開關，其中電極為側向接觸型，因為和垂直方向相比，壓電材料的開關操作對於側向方面具有相對高的轉換壓力及剛性。
本發明的核心技術是通過在其利用由激勵器施加的電勢差驅動壓電材料時採用槓桿原理，並通過採用側向接觸型增加開關的剛性和轉換壓力，來增大壓電材料的行程，並通過採用側向接觸型來提高開關的剛性和轉換壓力的技術。
根據本發明，可以將壓電材料的行程長度增大約十倍，以實現將其用作開關裝置並實現以線性MEMS開關替換諸如pin二極體或者MOSFET等非線性半導體裝置，由此減少所使用的用於線性特性的濾波器的數量，並提升絕緣和插入損失的性能。
如上所述，根據本發明，無線LAN等所使用的開關為非線性半導體裝置，例如pin二極體或者MOSFET。
如果能夠以線性MEMS開關代替它，則可以減少濾波器的使用量和功耗，並提升絕緣和插入損失的性能。
如上所述，MEMS開關根據所使用的激勵器可以分為四種類型，例如動力靜電型、熱膨脹型、動力電磁型和壓電型，而根據開關方向，其可以分為兩種類型，例如垂直接觸型和側向接觸型(參考Lee，Hoyoung，RFMEMS Switch，Korean ElectronicsTechnology Institute，Electronic Information Center，2002/G.M.Rebeiz和J-B.Muldavin，RF MFA4S switches and switch circuits，IEEE Microwave magazine，59-71頁，2001年12月/Elliott R.Brown，RF-MEMS Switches for reconfigurable integrated circuits，IEEE Trans.on Microwave theory and tech，v.46，n.11.1998年11月)。
傳統上，在根據開關方法的分類當中，因為用於側向接觸開關的側向電極在目前的半導體加工方面存在困難，因此當前最常用的MEMS開關為垂直接觸型。
隨著側向電極的製造技術正得到越來越多的發展，本發明採用側向接觸型開關。使用側向電極的原因在於其具有比垂直電極更高的轉換壓力和剛性(參考Ezekiel J.J.Kruglick，Kristofer S.J.Pister，Lateral MEMS microcontact considerations，J.of MEMS，v.8，n.3，1999年9月/Ignaz Schiele和Bernd Hillerich，Comparison oflateral and vertical switches for application as microrelays，J.Micromech.Microeng.，146-150頁，1999年)。
本發明的優選實施例的上述及其他特徵、方面和優點將在隨後參照附圖的詳細說明中更完整地描述。其中圖1為顯示本發明的用於增大壓電傳感器的行程長度的裝置的平面視圖。
具體實施例方式
下面，結合
增大壓電傳感器的行程的方法及其MEMS開關。
如圖1所示，本發明的MEMS開關具有一端包括第一電極P的壓電傳感器10，一端與壓電傳感器10連接的激勵器11，以及用於增大壓電傳感器10的行程的裝置12，裝置12在其一端包括面對第一電極的第二電極P，裝置12與激勵器11的另一端連接，而且裝置12的另一端與傳感器10的另一端彈性連接。
增大壓電傳感器10的行程的方法包括下列步驟首先，通過施加電勢差使壓電傳感器10縮短，其次，通過增大裝置12增大傳感器的行程，第三，通過將開關電極安裝至壓電材料的側向邊接觸電極P，轉換側向接觸開關。
本發明的方法的上述步驟具體說明如下。
首先，壓電傳感器10縮短步驟利用的是在通過激勵器11向壓電材料施加電勢差時壓電材料縮短的現象。在具有最大應變率約0.1％的傳統壓電材料的情況下，長度為100納米的壓電材料具有0.1納米的應變位移。
因此，壓電材料的應變位移成為驅動力的基礎，並且需要上述應變位移被增大至足夠的水平。
第二，在增大步驟中，應變位移通過具有槓桿的移動增大裝置12被增大。由於該位移過小以致無法在例如濾光器、光學開關等可變光學裝置中使用，而且用於較大位移的相對大的壓電傳感器的使用將導致MEMS開關優勢丟失，因此需要在較小的結構中增大位移。因此，本發明提供了行程增大裝置，其利用槓桿原理能夠提供至少10倍的行程增大。
第三，在轉換步驟中，當通過激勵器11將電荷施加至壓電傳感器10時，開關隨著側向電極P彼此接觸變為「開」。當電荷從壓電傳感器10中消除時，側向接觸部分被槓桿的彈性恢復力分開，由此使得開關變為「關」。
如上文所述，本發明提供了一種MEMS開關，其能夠利用低於5V的相對低的電壓，降低功耗，實現具有出色的線性特性的MEMS開關，實現具有較低的絕緣和插入損失的開關，並且可廣泛應用於如PCS、無線LAN等無線通信。
雖然上文僅描述了本發明的具體實施例，但本領域的技術人員將意識到在權利要求書的範圍內可以做出各種變型。
權利要求
1.一種增大壓電傳感器的行程的方法，包括下列步驟通過施加電勢差使該壓電傳感器收縮；通過增大裝置增大該傳感器的行程；以及通過接觸所述增大裝置的電極來轉換一接觸開關。
2.根據權利要求1的方法，其中所述增大裝置具有位於其近端的一側向電極。
3.一種MEMS開關，包括一端具有第一電極的壓電傳感器；一端連接至所述壓電傳感器的激勵器；用於增大所述壓電傳感器的行程的裝置，該裝置包括位於其一端的面向所述第一電極的第二電極，並連接至所述激勵器的另外一端，且該裝置的另外一端彈性連接至所述傳感器的另外一端。
4.根據權利要求3的MEMS開關，其中所述增大裝置具有位於其近端的側向電極
全文摘要
本發明涉及增大壓電傳感器的行程的方法，和利用壓電傳感器的增大了的行程的MEMS開關。該MEMS開關具有利用槓桿原理的增大裝置。根據本發明，提供了一種MEMS開關，其能夠使用低於5V的相對低的電壓，降低功耗、絕緣和插入損失，並且可廣泛應用於如PCS、無線LAN等無線通信。
文檔編號B81B3/00GK1551275SQ20041003229
公開日2004年12月1日 申請日期2004年3月31日 優先權日2003年3月31日
發明者崔鬥善, 李澤旻, 諸太珍, 黃璟玹 申請人:韓國機械研究院