微開關器件及其製造方法

2023-07-15 16:30:31 1

專利名稱：微開關器件及其製造方法
路器和地觸點連接的第二位置之間移動。才 EP1J26，596，該線-地隔離開 關和斷路器都包含在金屬外殼中，並且隔離裝置設置在設備的輸入和輸出 端處。
上述的已知的裝置是非常緊湊、有效、安全和可靠的。然而，申請人 的目的是提供一種三極裝置，該三極裝置特別是用於中壓或高壓開關配電 拒，對於裝置的每一極，該三極裝置包括能夠執行線路隔離功能的隔離開 關和能夠執行斷路功能的斷路器，該裝置能完全安全地被維護人員從配電 櫃容易地取出來。取出的速度和容易程度對於保持幹擾時間至最小是最重 要的。確保操作人員的安全也是此類型裝置必不可少的特點。
EP0 543 683公開了一種多極負栽斷路開關，對於每一極，其包絲裝 抽空的球形物的絕緣套管，該套管包括在第一末端與球形物的第一端連接 並被設計為與第一導線配合的第一觸點，和在第二末端與球形物的第二端 連接並被設計為與第二導線配合的第二觸點，該套管與覆蓋用於操作球形 物的公共軸的普通金屬部件構成整體，其由包含在與部件構成整體的櫃中 的積^/致動。

發明內容
通過具有權利要求1中描述的特徵的三極裝置和具有獨立權利要求9 的特徵的配電拒可以實現上述目的和更多的目的。各個從屬權利要求詳細 說明了本發明的更多有益特徵。
根據第一方面，4^供一種用於安裝在電力變電站的配電根中的三極裝 置。該三極裝置包括
0空氣絕緣的三極隔離開關，其被配置為扭J亍將電線從配電拒隔離的 功能，和
ii)三極斷路器，其被配置為執行線路保護功能。該三極裝置的特4iE4
於
a) 它還包括由絕,料製成的外殼，所述三極斷路器至少部分^M皮收 容在該外殼的內部；
b) 三極斷路器包括三個真空斷路器模塊，而三極隔離開關包括三個單 極隔離開關設備，其中每一個單極隔離開關設備又包括觸點，該觸點可從 工作位置線，l^動i^斷開位置；性電極；並釆用絲網印刷工藝或點膠工藝在氧化釕電極表面製備樹脂微突點陣以
代替傳統隔膜。
6. 根據權利要求5所述鉭釕混合式電解電容器的製備方法，其特徵在於， 採用高比容鉭粉作為原料，通過稱料一成型一燒結一賦能製備出具有純度高、比 表面積大、漏電小和結構強度髙的片狀鉭電極來。首先將純度99.9%以上的鉭粉 與2%樟腦有機溶劑摻混.溶解，埋入鉭引線加壓成型。鉭塊脫模後先行在5x10 —5毫米汞柱真空條件下，35(TC 40(TC溫度條件下預燒。然後在1800 200(TC高 溫真空燒結，使粉粒與鉭引線溶融粘結。燒結工藝完成後在0. 1%嫌酸電解液中氧 化賦能，賦能電壓為25V，賦能溫度為80°C，賦能過程結東後電極表面形成TaA 電解氧化膜。
7. 根據權利要求5所述鉭釕混和式電解電容器的製備方法，其特徵在於，氧 化釕陰極所述前驅體反應液的組成為三氯化釘、三氯化銥與鈥酸四丁脂按照 0. 4mol/L : 0. 2mol/L : 0. 4 mol/L比例混合溶解在異丙醇有機溶劑中。將經過表 面糙化處理的鈦金屬基體放置於混合液中充分浸漬後取出於80'C烘乾IO分鐘， 然後送入38(TC氧化爐進行燒結處理12分鐘。完成燒結後重複浸漬、烘乾、燒結 的過程28次，最後將電極在38(TC氧化爐中燒結4小時並完成電極製備。
8.根據權利要求5所述鉭釕混和式電解電容器的製備方法，其特徵在於， 釆用電極表面的樹脂微突支撐體代替了傳統的電極間隔膜。通過絲網印刷工藝將 182型SMT貼片膠均勻的刷塗在絲網的表面，待SMT貼片膠充分滲透過絲網小格 在電極表面形成突起後撤去絲網，將電極於12(TC加熱4小時實現固化。或採用 自動化點膠機將181型SMT貼片膠直接按照程序設定點在電極表面，然後將電極 於12(TC條件下加熱4小時實現固化。或採用微機電加工中的光刻膠工藝，在活 性電極表面甩塗一層聚醯亞胺光刻膠，在光刻膠上進行圖形化繪製點陣圖形，經 過顯影、除膠等過程洗除微突支撐點之間的光刻膠，使電極表面形成聚醯亞胺微 突點陣，對聚醯亞胺進行1小時12(TC高溫亞胺化固化處理後形成穩定的微突點 陣結構。射或氣相沉積工藝，以在預定表面上沉積預定的導電材料，然後將沉積層圖案化以形成接觸電極43。這樣通過薄膜形成技術形成的接觸電極43往往會 產生一些內部應力。內部應力常常造成可移動部42在接觸電極、43粘附的位 置或者該位置附近隨同接觸電極43發生變形，如圖30(a)-(b)誇張所示。這種 變形導致各器件之間在接觸電極43朝著接觸電極44A、44B的方向上出現較 大的差異(即波動)。接觸電極43在朝著接觸電極44A、 44B的方向上有大的波動，導致為了 實現微開關器件X4的閉合狀態，要施加在驅動電極45上的電勢就更高。這 是因為必須設定足夠高的驅動電壓來確保器件正常工作，而不管假定範圍內 接觸電極43的方向程度如何。因此，從降低器件驅動電壓的角度出發，不 希望接觸電極43 (可移動接觸電極)在朝著接觸電極44A、 44B (固接接觸 電極)的方向上有大的波動。發明內容基於上述背景提出本發明。因此，本發明的一個目的是提供一種微開關 器件，其能夠抑制可移動接觸電極在朝著固接接觸電極的方向上的波動。本 發明的另一目的是提供製造這種微開關器件的方法。本發明的第一方案提供一種微開關器件。這種微開關器件包括固定部、 可移動部、可移動接觸電極、第一固接接觸電極、第二固接接觸電極以及驅 動機構。可移動部包括第一表面以及與第一表面相對的第二表面，並且可移 動部設置為從它固定於固定部的固接端起水平地延伸。可移動接觸電極設置 在可移動部的第一表面上，並且包括第一接觸部和第二接觸部。接合到固定 部的第一固接接觸電極包括第三接觸部，即使器件處於斷開狀態(關斷狀態) 下第三接觸部也能夠與可移動接觸電極的第一接觸部相接觸。同樣也接合到 固定部的第二固接接觸電極包括第四接觸部，第四接觸部設置為與可移動接 觸電極的第二接觸部相面對。驅動機構使可移動部移動或產生彈性變形，使 得第二接觸部與第四接觸部相接觸。在上述微開關器件中，在斷開狀態(關斷狀態)下可移動接觸電極的第 一接觸部能夠與第一固接接觸電極的第三接觸部相接觸。在此斷開狀態(即 保持第一接觸部與第三接觸部相接觸)下，與第一接觸部和第三接觸部彼此間隔開的情況相比，可移動接觸電極(或者上面形成有這一接觸電極的可移 動部)因電極中產生的內部應力而變形的自由度被降低。因為這個特性，本 發明的微開關器件適於抑制可移動接觸電極在相對於第一、第二固接接觸電 極的方向上的波動。抑制可移動接觸電極的方向上的波動有助於降低微開關 器件的驅動電壓。根據本發明的第二方案，上述第一接觸部和第二接觸部永久性相連接。 通過此配置，能夠有效地抑制可移動接觸電極在相對於第一、第二固接接觸 電極的方向上的波動。優選地，可移動接觸電極可包括第一突出部，第一突出部包括第一接觸 部。此外，可移動接觸電極可包括第二突出部，第二突出部包括第二接觸部， 並且第二突出部的突出長度短於第一突出部的突出長度。這種結構有利於在 器件的斷開狀態下獲得可移動接觸電極的第一接觸部與固接接觸電極的第 三接觸部之間暫時或永久的接觸狀態。優選地，第一固接接觸電極可包括第三突出部，第三突出部包括第三接 觸部，而第二固接接觸電極可包括第四突出部，第四突出部包括第四接觸部， 並且第四突出部的突出長度短於第三突出部的突出長度。這種結構有利於在 器件的斷開狀態下使第一接觸部與第三接觸部相接觸。優選地，在可移動部的第一表面上，可移動接觸電極與固接端在預定偏 移方向上間隔開，此外，第一接觸部與第二接觸部在與所述偏移方向交叉的 方向上間隔開。驅動機構包括位於可移動部的第一表面上的驅動力產生區 域，所述驅動力產生區域的重心距離可移動接觸電極的第二接觸部比距離第 一接觸部更近。這種結構有利於降低器件的驅動電壓。優選地，可移動部的固接端與可移動接觸電極的第一接觸部之間的距離 不同於固接端與第二接觸部之間的距離。例如，固接端與第二接觸部之間的 距離可小於固接端與第一接觸部之間的距離。可移動部可為彎曲結構。優選 地，驅動力產生區域的重心和第二接觸部可位於經過固接端的長度中點和第 一接觸部與第二接觸部之間的中點的虛線的同一側。這種結構有利於降低器 件的驅動電壓。優選地，根據本發明的微開關器件可包括靜電驅動機構作為上述驅動機 構，其中該靜電驅動機構可包括可移動驅動電極和固接驅動電極，可移動驅動電極設置在可移動部的第一表面上，固接驅動電極具有與可移動驅動電極 相對的部分並且接合到固定部。優選地，驅動機構可包括由第一電極層、第二電極層以及壓電層構成的 多層結構，所述第一龜極層設置在可移動部的第一表面上，所述壓電層設置 在所述第一電極層與所述第二電極層之間。本發明的微開關器件可包括這樣 的壓電驅動機構作為驅動機構。優選地，驅動機構可包括由多個材料層構成的多層結構，所述多個材料 層設置在可移動部的第一表面上，各個材料層具有不同的熱膨脹係數。本發 明的微開關器件可包括這樣的熱式驅動機構作為驅動機構。本發明的第三方案提供製造根據本發明第一方案的微開關器件的方法。 該方法包括以下步驟在襯底上形成可移動接觸電極；在襯底上形成犧牲層，使犧牲層覆蓋可移動接觸電極；在犧牲層中對應於可移動接觸電極的位置形 成第一凹部和第二凹部，第二凹部比第一凹部淺；形成第一固接接觸電極， 使得第一固接接觸電極填充第一凹部，並且具有經由犧牲層與可移動接觸電 極相對的部分；形成第二固接接觸電極，使得第二固接接觸電極填充第二凹 部，並且具有經由犧牲層與可移動接觸電極相對的部分;以及去除犧牲層。 本發明的第四方案提供製造根據本發明第二方案的微開關器件的方法。 該方法包括以下步驟在襯底上形成所述可移動接觸電極；在襯底上形成犧 牲層，使犧牲層覆蓋可移動接觸電極；在犧牲層中對應於可移動接觸電極的 位置形成通孔和凹部，通孔部分地暴露可移動部；形成第一固接接觸電極， 使得第一固接接觸電極填充通孔，並且具有經由犧牲層與可移動接觸電極相 對的部分；形成第二固接接觸電極，第二固接接觸電極填充凹部，並且具有 經由犧牲層與可移動接觸電極相對的部分;以及去除犧牲層。


圖1是示出根據本發明第一實施例的微開關器件的平面圖； 圖2是圖1所示的微開關器件的部分平面圖； 圖3是沿著圖1中的線m-in的剖視圖； 圖4是沿著圖1中的線IV-IV的剖視圖； 圖5是沿著圖1中的線V-V的剖視圖；圖6以剖視圖示出圖1所示的微開關器件的製造工藝的步驟； 圖7以截面示出圖6所示的步驟後續的製造步驟； 圖8以截面示出圖7所示的步驟後續的製造步驟； 圖9以截面示出圖8所示的步驟後續的製造步驟；圖10是示出根據本發明第一實施例的微開關器件的一個變型的平面圖; 圖11是沿著圖10中的線XI-XI的剖視圖；圖12是示出根據本發明第一實施例的微開關器件的另一變型的平面圖。圖13是沿著圖12中的線xm-xm的剖視圖；圖14是示出根據本發明第二實施例的微開關器件的平面圖；圖15是沿著圖14中的線XV-XV的剖視圖； 圖16是沿著圖14中的線XVI-XVI的剖視圖；圖17以截面示出圖14所示的微開關器件的製造工藝的步驟； 圖18是示出根據本發明第三實施例的微開關器件的平面圖；圖19是示出圖18所示的微開關器件的平面圖，其中省略了一些部分；圖20是沿著圖18中的線XX-XX的剖視圖；圖21是沿著圖18中的線XXI-XXI的剖視圖；圖22是沿著圖18中的線XXII-XXII的剖視圖；圖23示出圖1所示的微開關器件的一個變型；圖24示出圖1所示的微開關器件的另一變型；圖25是示出傳統微開關器件的平面圖；圖26是示出圖25所示的微開關器件的平面圖，其中省略了一些部分； 圖27是沿著圖25中的線XXVII-XXVII的剖視圖； 圖28是沿著圖25中的線XXVIII-XXVIII的剖視圖； 圖29是沿著圖25中的線XXIX-XXIX的剖視圖；以及 圖30以截面示出上面形成有接觸電極的傳統可移動部怎樣變形(以誇 張的方式繪出)。
具體實施方式
圖1至圖5示出根據本發明第一實施例的微開關器件XI。圖1是示出 微開關器件X1的平面圖，圖2是微開關器件X1的部分平面圖。圖3至圖510分別是沿著圖i中的線ni-m、 iv-iv和v-v的剖視圖。微開關器件xi包括基部襯底si、固定部11、可移動部12、接觸電極13、接觸電極對14A、 14B (在圖2中用點劃線表示)、驅動電極15以及驅 動電極16 (在圖2中用點劃線表示)。固定部ll經由間隔層17接合到基部襯底S1，如圖3至圖5所示。固定 部11由矽材料例如單晶矽形成。構成固定部11的矽材料優選具有不小於 1000&cm的電阻率。間隔層17例如由二氧化矽形成。如圖1、圖2和圖5所示，可移動部12包括第一表面12a和第二表面 12b以及固接端12c和自由端12d，固接端12c固定於固定部11 ，並且可移 動部12設置為從固接端12a起沿著基部襯底Sl延伸，且經由縫18被固定 部ll圍繞。可移動部12的厚度T(如圖3、圖4所示)例如為不大於15,。 如圖2所示，可移動部12的長度Li例如為650iim至1000jmi，長度L2例如 為20(Him至400|im。縫18的寬度例如為1.5|am至2.5(im。可移動部12例如 由單晶矽形成。如圖2所示，接觸電極13為可移動接觸電極，並且位於可移動部12的 第一表面12a上靠近自由端12d的位置(換而言之，接觸電極13與可移動 部12的固接端12c有一定距離)。接觸電極13包括接觸部13a，、 13b'。為 使附圖清楚起見，在圖2中用實心圓表示接觸部13a'、 13b'。接觸電極13 的厚度例如為0.5)im至2.0,。這樣的厚度範圍有利於降低接觸電極13的電 阻。接觸電極13由適當的導電材料形成，並且具有多層結構，所述多層結 構例如包括Mo底層和設置在Mo底層上的Au層。接觸電極14A、 14B分別為第一固接接觸電極和第二固接接觸電極。接 觸電極14A、 14B各自直立地形成在固定部ll上，並具有向下的突出部14a 或14b，如圖3和圖5所示。突出部14a的末端(下端)充當接觸部14a'， 接觸部14a，設置為與接觸電極13上的接觸部13a'相接觸。突出部14b的末 端充當接觸部14b，，接觸部14b，設置為與接觸電極13上的接觸部13b，相對。 突出部14a的突出長度大於突出部14b的突出長度。例如，突出部14a的突 出長度為1lam至4)im，而突出部14b的突出長度可以為0.8iam至3.8iim，但 總是小於突出部14a的突出長度。經由某一內部連線(未示出)，接觸電極 14A、 14B連接到要開關的預定電路。接觸電極14A、 14B可由與接觸電極13相同的材料形成。如圖2所示，驅動電極15設置為在可移動部12以及固定部11的一部 分上延伸。驅動電極15的厚度例如為0.5pm至2|im。驅動電極15可由Au 形成。驅動電極16用於在其與驅動電極15之間的空間中產生靜電引力(驅動 力)，並且形成為通過使其各端部連接到固定部11而跨設在驅動電極15上， 如圖4所示。驅動電極16的厚度例如為不小於15^m。驅動電極16通過導 體接地(未示出)。驅動電極16可由與驅動電極15相同的材料形成。圖6至圖9為示出與圖3和圖4所示微開關器件XI相同的部分的剖視 圖，並示出其製造工藝。在此工藝中，首先製備圖6(a)所示的材料襯底S1，。 材料襯底S1，為絕緣體上矽(SOI)襯底，並且具有多層結構，所述多層結構 包括第一層101、第二層102以及夾在中間的中間層103。本實施例中，例 如，第一層101的厚度為15 (im，第二層102的厚度為5105 |im，中間層103 的厚度為4pm。第一層101例如由單晶矽形成，待處理成為固定部ll和可 移動部12。第二層102例如由單晶矽形成，待處理成為基部襯底S1。中間 層103例如由二氧化矽形成，待處理形成間隔層17。然後，在第一層101上形成導體層104，如圖6(b)所示。例如，進行濺 射工藝，以在第一層101上沉積Mo，再在Mo層上沉積Au。 Mo層的厚度 例如為30nm， Au層的厚度例如為500nm。然後，進行光刻工藝，以在導體層104上形成抗蝕劑圖案105、 106，如 圖6(c)所示。抗蝕劑圖案105的圖案形狀與接觸電極13對應。抗蝕劑圖案 106的圖案形狀與驅動電極15對應。參照圖7(a)，利用抗蝕劑圖案105、 106作為掩模，在導體層104上進行 蝕刻工藝，由此在第一層101上形成接觸電極13和驅動電極15。此工藝中 例如可採用離子銑(ion milling)工藝(通過Ar離子進行的物理蝕刻)。在 隨後對金屬材料的蝕刻工藝中也可以採用離子銑工藝。將抗蝕劑圖案105、 106去除之後，在第一層101上進行蝕刻工藝，形 成縫18，如圖7(b)所示。具體而言，進行光刻工藝，由此在第一層101上形 成預定的抗蝕劑圖案，之後利用該抗蝕劑圖案作為掩模在第一層101上進行 各向異性蝕刻工藝。這裡可採用反應離子蝕刻工藝。在此階段，固定部11和可移動部12形成為預定的圖案。然後，在材料襯底Sl，的第一層101上形成犧牲層107，以覆蓋縫18， 如圖7(c)所示。犧牲層107的適合材料包括二氧化矽。形成犧牲層107的適 合方法包括等離子體CVD工藝和濺射工藝。參照圖8(a)，在犧牲層107上對應於接觸電極13的位置形成凹部107a、 107b。具體而言，進行光刻工藝，由此在犧牲層107上形成預定的抗蝕劑圖 案，之後利用該抗蝕劑圖案作為掩模在犧牲層107上進行蝕刻工藝。這裡可 採用溼法蝕刻工藝。對於溼法蝕刻工藝，可採用緩衝氫氟酸(BHF)作為蝕 刻液。隨後在犧牲層107上進行的蝕刻工藝也可以採用BHF。凹部107a用 於形成接觸電極14A的突出部14a。凹部107a的底部與接觸電極13之間的 距離，也就是犧牲層107在凹部107a與接觸電極13之間的厚度例如為不大 於12pm。在圖8(a)以及後續的附圖中，犧牲層107在凹部107a與接觸電極 13之間的厚度被誇大。凹部107b用於形成接觸電極14B的突出部14b，並 且比凹部107a淺。然後，將犧牲層107圖案化，以形成孔107c、 107d、 107e，如圖8(b) 所示。具體而言，進行光刻工藝，由此在犧牲層107上形成預定的抗蝕劑圖 案，之後利用該抗蝕劑圖案作為掩模在犧牲層107上進行蝕刻工藝。這裡可 採用溼法蝕刻工藝。孔107c、 107d分別用於暴露固定部ll上要接合接觸電 極14A、 14B的區域。孔107e用於暴露固定部11上要接合驅動電極16的區 域。 ；在設置了犧牲層107的材料襯底sr的表面上形成用於導電的底層(未示出)後，形成抗蝕劑圖案108，如圖8(c)所示。例如，可通過濺射工藝沉 積厚度為50 nm的Mo，然後在Mo層上沉積厚度為500 nm的Au來形成底 層。抗蝕劑圖案108包括對應於接觸電極14A、 14B的孔108a、 108b以及對 應於驅動電極16的孔108c。參照圖9(a)，形成接觸電極14A、 14B以及驅動電極16。具體而言，進 行電鍍工藝，以在底層上在通過孔107a至107e以及孔108a至108c而暴露 的區域生長Au。然後，通過蝕刻去除抗蝕劑圖案108，如圖9(b)所示。之後，通過蝕刻 去除底層用於電鍍的暴露部分。這些去除步驟可採用溼法蝕刻工藝。參照圖9(c)，去除犧牲層107以及一部分中間層103。具體而言，在犧 牲層107和中間層103上進行溼法蝕刻工藝。通過此蝕刻工藝，首先去除犧 牲層107，然後去除中間層103在對應於縫18的位置及其附近的部分。在可 移動部12的整體與第二層102之間形成適當的間隙後停止上述蝕刻工藝。 這樣，中間層103的剩餘部分充當間隔層17。此外，第二層102構成基部襯 底S1。通過上述工藝，可移動部12產生翹曲並向接觸電極14A、 14B移動，如 圖9(c)誇張所示。在如上形成的驅動電極15中要承受由於形成工藝而產生的 內部應力，該內部應力導致驅動電極15以及與之接合的可移動部12產生翹 曲。具體而言，可移動部12產生變形或翹曲，使得可移動部12的自由端12d 偏移而更接近接觸電極14。結果是，可移動部12產生變形，直到接觸電極 13的接觸部13a，與接觸電極14A的突出部14a上的接觸部14a，相互接觸。 優選地，突出部14a形成為具有足夠的長度，使得壓力作用在相互接觸的接 觸部13a'、 14a'之間。然後，若有必要則進行溼法蝕刻，以去除底層粘附在接觸電極14A、 14B 以及驅動電極16下表面的殘餘物(例如Mo層)，之後進行超臨界乾燥工藝 (supercritical drying process)，以乾燥整個器件。採用超臨界乾燥工藝能夠 有效地避免可移動部12粘附在基部襯底Sl上的粘附現象。通過上述工藝可獲得微開關器件XI。上述方法允許逋過電鍍在犧牲層 107上以足夠厚度形成接觸電極14A、14B(包括與接觸電極13相對的部分)。 因此，上述方法能夠以足夠厚度形成接觸電極對14A、 14B以獲得希望的低 電阻。以足夠厚度形成的接觸電極14A、 14B有利於降低微開關器件X1的 插入損耗。在這樣製造的微開關器件X1中，當向驅動電極15施加電勢時，則在驅 動電極15、 16之間產生靜電引力。當施加的電勢足夠高時，則可移動部12 移動或發生彈性變形，直到接觸電極13的接觸部13a'與接觸電極14B的突 出部14b上的接觸部14b，相互接觸。這就是微開關器件XI進入閉合狀態的 方式。在閉合狀態下，接觸電極13充當接觸電極對14A、 14B之間的電橋， 由此允許電流在接觸電極14A、 14B之間流過。開關的這種閉合動作能夠實 現例如高頻信號的接通狀態。另一方面，當微開關器件X1處於閉合狀態時，如果切斷給驅動電極15的電勢，就會消除驅動電極15、 16之間的靜電引力作用，導致可移動部12 恢復其自然狀態，從而使接觸電極13的接觸部13b'與接觸電極14B的突出 部14b上的接觸部14b，分離。這就是微開關器件X1進入斷開狀態的方式， 如圖3和圖5所示。在斷開狀態下，接觸電極對14A、 14B電隔離，從而阻 止電流在接觸電極14A、 14B之間流過。開關的這種斷開動作能夠實現例如 高頻信號的關斷狀態。通過上述閉合動作，處於這種斷開狀態下的微開關器 件XI能夠再次切換到閉合狀態或者接通狀態。在微開關器件X1中，在斷開狀態(關斷狀態)下接觸電極13的接觸部 13b，與接觸電極14A的突出部14a上的接觸部14a，相互接觸。與接觸部13a，、 14a，不接觸而是相隔一定距離的情況相比，在微開關器件XI配置為形成這 種斷開狀態的接觸電極13以及接觸電極13所接合的可移動部12中，由於 接觸電極13的內部應力而產生的變形的自由度被降低。因此，微開關器件 XI能夠抑制接觸電極13 (可移動接觸電極)在朝著接觸電極14A、 14B (固 接接觸電極)的方向上的波動。抑制接觸電極13在朝著接觸電極14A、 14B 的方向上的波動，有助於降低微開關器件X1的驅動電壓。在微開關器件X1中，代替接觸電極14A、 14B的突出部14a、 14b，接 觸電極13可包括第一突出部和第二突出部，第一突出部向接觸電極14A突 出，即使在器件的斷開狀態下也與接觸電極14A相接觸，而第二突出部向接 觸電極14B突出，突出的程度為在器件的斷開狀態下第二突出部不會到達接 觸電極14B。為了製造這種結構的微開關器件XI，例如可以在參照圖7(b) 所述的工藝後在接觸電極13上形成第一突出部和第二突出部，之後可通過 參照圖7(c)所述的工藝形成犧牲層107，以覆蓋第一突出部和第二突出部。 在這種情況下，不形成參照圖8(a)所述的凹部107a、 107b。圖io和圖ii示出微開關器件xr，其為微開關器件xi的一個變型。圖 io是示出微開關器件xr的平面圖，圖ii是沿著圖io中的線xi-xi的剖視圖。微開關器件xr包括基部襯底si、固定部ii、可移動部i2、接觸電極13、接觸電極對14A、 14B以及壓電驅動單元21。與微開關器件X1的不同 之處在於，微開關器件X1'包括壓電驅動單元21，壓電驅動單元21取代驅動電極15、 16作為驅動機構。壓電驅動單元21包括驅動電極21a、 21b以及夾在中間的壓電層21c。 驅動電極21a、 2lb都具有多層結構，所述多層結構包括例如Ti底層和Au 主層。驅動電極21b通過導體接地(未示出)。壓電層21c由壓電材料形成， 所述壓電材料具有在被施加電場時發生變形(反壓電效應)的特性。這樣的 壓電材料包括PZT (PbZr03和PbTi03的固溶體)、摻雜Mn的ZnO、 ZnO 以及A1N。例如，驅動電極21a、 21b的厚度為0.55 pim，而壓電層21c的厚 度為1.5 pim。通過如此配置的壓電驅動單元21的操作，能夠實現微開關器 件X1'的閉合動作。根據本發明的微開關器件可採用壓電驅動單元21作為驅動機構。在根 據後續實施例的微開關器件中，也可以採用壓電驅動單元21作為驅動機構。圖12和圖13示出微開關器件X1"，其為微開關器件X1的另一變型。圖12是示出微開關器件xr，的平面圖，圖13是沿著圖12中的線xm-xm的剖視圖。微開關器件X1"包括基部襯底S1、固定部ll、可移動部12、接觸電極 13、接觸電極對14A、 14B以及熱驅動單元22。與微開關器件X1的不同之 處在於，微開關器件X1"包括熱驅動單元22，熱驅動單元22取代驅動電極 15、 16作為驅動機構。熱驅動單元22為熱式驅動機構，並且包括熱膨脹係數不同的熱電極22a、 22b。熱電極22a設置為直接接觸可移動部12，並且熱電極22a的熱膨脹系 數比熱電極22b大。熱驅動單元22設置為在供電時熱電極22a、 22b產生熱， 由此發生熱膨脹。熱電極22a例如由Au、 Fe合金或者Cu合金形成。熱電 極22b例如由Al合金形成。根據本發明的微開關器件可採用熱驅動單元22作為驅動機構。在根據 後續實施例的微開關器件中，也可以採用熱驅動單元22作為驅動機構。圖14至圖16示出根據本發明第二實施例的微開關器件X2。圖14是示 出微開關器件X2的平面圖，圖15和圖16分別是沿著圖14中的線XV-XV、 XVI-XVI的剖視圖。微開關器件X2包括基部襯底Sl、固定部11、可移動部12、接觸電極 13、接觸電極對14B、 14C以及驅動電極15、 16。與微開關器件X1的不同之處在於，微開關器件X2包括接觸電極14C而不是接觸電極14A。接觸電極14C為第一固接接觸電極，直立地形成在固定部11上，並包 括突出部14c，如圖15所示。突出部14c的末端部分充當接觸部14c，，接觸 部14c，與接觸電極13上的接觸部13a，接合。經由內部連線(未示出)，接 觸電極14C連接到要開關的預定電路。接觸電極14C可由與接觸電極13相 同的材料形成。微幵關器件X2的其餘部分與微開關器件XI具有類似的接 結構。為了製造這種結構的微開關器件X2，利用與參照圖8(a)所述的微開關器 件X1所採用的相同的製造工藝，在犧牲層107中形成凹部或通孔107a，如 圖17(a)所示。然後，通過參照圖9(a)所述的工藝，在通孔107a中形成突出 部14c，同時也形成接觸電極14C，如圖17(b)所示。與對於微開關器件X1 的製造工藝所述的步驟類似地，執行其餘的步驟。在微開關器件X2中，當向驅動電極15施加電勢時，則驅動電極15、 16之間產生靜電引力。當施加的電勢足夠高時，則可移動部12移動或發生 彈性變形，直到接觸電極13的接觸部13b，與接觸電極14B的突出部14b上 的接觸部14b'相互接觸。這就是微開關器件X2進入閉合狀態的方式。在閉 合狀態下，接觸電極13充當接觸電極對14B、 14C之間的電橋，由此允許電 流在接觸電極14B、 14C之間流過。開關的這種閉合動作能夠實現例如高頻 信號的接通狀態。另一方面，當微開關器件X2處於閉合狀態時，如果切斷給驅動電極15 的電勢，就會消除驅動電極15、 16之間的靜電引力作用，導致可移動部12 恢復其自然狀態，從而使接觸電極13的接觸部13b'與接觸電極14B的突出 部14b上的接觸部14b'分離。這就是微開關器件X2進入斷開狀態的方式， 如圖15所示。在斷開狀態下，接觸電極對14B、 14C電隔離，從而阻止電流 在接觸電極14B、 14C之間流過。開關的這種斷開動作能夠實現例如高頻信 號的關斷狀態。通過上述閉合動作，處於這種斷開狀態下的微開關器件X2 能夠再次切換到閉合狀態或者接通狀態。在微開關器件X2中，在斷開狀態(關斷狀態)下接觸電極13的接觸部 13b，與接觸電極14C的突出部14c上的接觸部14c，相互接觸。與接觸部13a，、 14c，不接觸而是相隔一定距離的情況相比，在微開關器件X2配置為形成這200810001293.X說明書第14/18頁種斷開狀態的接觸電極13以及接觸電極13所接合的可移動部12中，由於接觸電極13的內部應力而產生的變形的自由度被降低。因此，微開關器件 X2能夠抑制接觸電極13 (可移動接觸電極)在朝著接觸電極14B、 14C (固 接接觸電極)的方向上的波動。抑制接觸電極13在朝著接觸電極14B、 14C 的方向上的波動，有助於降低微開關器件X2的驅動電壓。圖18至圖22示出根據本發明第三實施例的微開關器件X3。圖18是示 出微開關器件X3的平面圖，圖19是微開關器件X3的部分平面圖。圖20 至圖22分別是沿著圖18中的線XX-XX、 XXI-XXI、 XXII-XXII的剖視圖。微開關器件X3包括基部襯底S3、固定部31、可移動部32、接觸電極 33、接觸電極對34A、 34B (圖19中未示出)、驅動電極35以及驅動電極 36 (圖19中未示出)。固定部31經由間隔層37接合到基部襯底S3，如圖20至圖22所示。固 定部31由矽材料例如單晶矽形成。構成固定部31的矽材料優選具有不小於 1000Q.cm的電阻率。間隔層37例如由二氧化矽形成。如圖18、圖19和圖22所示，可移動部32包括第一表面32a和第二表 面32b以及固接端32c和自由端32d，固接端32c固定於固定部31，並且可 移動部32設置為從固接端32a起沿著基部襯底S3延伸，且經由縫38被固 定部31圍繞。可移動部32例如由單晶矽形成。如圖19所示，接觸電極33為可移動接觸電極，並且位於可移動部32 的第一表面32a上靠近自由端32d的位置(換而言之，接觸電極33與可移 動部32的固接端32c有一定距離)。接觸電極33包括接觸部33a'、 33b'。 為了附圖的清楚起見，在圖19中用實心圓表示接觸部33a'、 33b'。接觸電極 33由適當的導電材料形成，具並且有多層結構，所述多層結構例如包括Mo 底層和設置在Mo底層上的Au層。接觸電極34A、 34B分別為第一固接接觸電極和第二固接接觸電極，它 們均形成在周定部31上，並具有向下的突出部34a、 34b，如圖20和圖22 所示。突出部34a的末端部分充當接觸部34a，，而接觸部34a'可以設置為與 接觸電極33上的接觸部33a，相接觸，如同根據第一實施例的微開關器件XI 中接觸部14a，與接觸部13a，相接觸；或者設置為與接觸電極33上的接觸部 33a，接合，如同根據第二實施例的微開關器件X2中接觸部14c'與接觸部13c'18接合。突出部34b的末端部分充當接觸部34b'，設置為與接觸電極33上的 接觸部33b'相對。突出部34a的突出長度大於突出部34b的突出長度。經由 內部連線(未示出)，接觸電極34A、 34B連接到要開關的預定電路。接觸 電極34A、 34B可由與接觸電極33相同的材料形成。如圖19所示，驅動電極35設置為在可移動部32以及固定部31的一部 分上延伸。驅動電極35可由Au形成。驅動電極36用於在其與驅動電極35之間的空間產生靜電引力(驅動 力)，並且形成為通過其各端部連接到固定部31而跨設在驅動電極35上， 如圖21所示。驅動電極36通過導體接地(未示出)。驅動電極36可由與 驅動電極35相同的材料形成。驅動電極35、 36構成微開關器件X3的靜電驅動機構，並且包括位於可 移動部32的第一表面32a上的驅動力產生區域R，如圖19所示。如圖21 所示，驅動力產生區域R為驅動電極35與驅動電極36相對的區域。在微開關器件X3中，可移動部32的形狀不對稱，如圖19所示。例如， 可移動部32以這樣一種方式不對稱，使得其重心與接觸電極33的接觸部 33b'位於虛線Fi的同一側，其中虛線Fi經過可移動部32的固接端32c和接 觸電極33的接觸部33a'。此外，在微開關器件X3中，接觸電極33的接觸 部33a，、 33b，的位置(也就是接觸電極34A、 34B的接觸部34a，、 34b，的位 置)以及由驅動電極35、 36構成的驅動機構中驅動力產生區域R的位置也 不對稱。例如，驅動力產生區域R的重心C距離接觸電極33的接觸部33b， 比距離接觸部33a，更近。可移動部32的固接端32c與接觸電極33的接觸部 33 b'之間的距離大於固接端32c與接觸電極33的接觸部33a'之間的距離。 驅動力產生區域R的重心C與接觸部33b'位於虛線F2的同一側，其中虛線 F2經過可移動部32的固接端32c的長度中點Pi和接觸電極33的接觸部33a，、 33b'之間的中點P2。在這樣構造的微開關器件X3中，當向驅動電極35施加電勢時，則驅動 電極35、 36之間產生靜電引力。當施加的電勢足夠高時，則可移動部32移 動或發生彈性變形，直到接觸電極33的接觸部33b，與接觸電極34B的突出 部34b上的接觸部34b，相互接觸。這就是微開關器件X3進入閉合狀態的方 式。在閉合狀態下，接觸電極33充當接觸電極對34A、 34B之間的電橋，由此允許電流在接觸電極34A、 34B之間流過。開關的這種閉合動作能夠實現例如高頻信號的接通狀態。另一方面，當微開關器件X3處於閉合狀態時，如果切斷給驅動電極35 的電勢，就會消除驅動電極35、 36之間的靜電引力作用，導致可移動部32 恢復其自然狀態，從而使接觸電極33的接觸部33b'與接觸電極34B的突出 部34b上的接觸部34b'分離。這就是微開關器件X3進入斷開狀態的方式， 如圖20和圖22所示。在斷開狀態下，接觸電極對34A、 34B電隔離，從而 阻止電流在接觸電極34A、 34B之間流過。開關的這種斷開動作能夠實現例 如高頻信號的關斷狀態。通過上述閉合動作，處於這種斷開狀態下的微開關 器件X3能夠再次切換到閉合狀態或者接通狀態。在微開關器件X3中，在斷開狀態(關斷狀態)下接觸電極33的接觸部 33b，與接觸電極34A的突出部34a上的接觸部34a，相互接觸或者相互接合。 與接觸部33a，、 34a，不接觸或者不接合而是相隔一定距離的情況相比，在微 開關器件X3配置為形成這種斷開狀態的接觸電極33以及接觸電極33所接 合的可移動部32中，由於接觸電極33的內部應力而產生的變形的自由度被 降低。因此，微開關器件X3能夠抑制接觸電極33 (可移動接觸電極)在朝 著接觸電極34A、 34B (固接接觸電極)的方向上的波動。抑制接觸電極33 在朝著接觸電極34A、 34B的方向上的波動，有助於降低微開關器件X3的 驅動電壓。當微開關器件X3從斷開狀態向閉合狀態轉變時，主要是可移動部32從 驅動力產生區域R向固接端32c延伸的區域會發生扭轉變形。這種變形可以 認為是由於施加在驅動力產生區域R的重心C上的力使得可移動部32繞著 用虛線Fi表示的固定軸或旋轉軸旋轉所致，其中虛線Fi經過可移動部32的 固接端32c和接觸電極33、 34A之間的接觸點，如圖19所示。優選地，驅 動力產生區域R的重心C的位置距離接觸電極33的接觸部33b，比距離接觸 部33a'更近，因為這種配置能夠確保在驅動力產生區域R的重心C(作用點) 與上述軸(虛線F。之間提供長距離。驅動力產生區域R的重心C (作用點) 與上述軸之間的距離越遠，當可移動部32發生變形直到接觸電極33與接觸 電極34B (更確切地說，是突出部34b和接觸部34b')相互接觸時在驅動力 產生區域R的重心C產生越大的力矩，這使得能夠降低為了實現閉合狀態必須由驅動機構(驅動電極35、 36)產生的最小驅動力(最小靜電引力)。最小驅動力越小，為了實現閉合狀態必須施加至驅動機構的最小電壓越低。因此，微開關器件X3適於降低為了實現閉合狀態而施加至驅動機構的驅動電壓。如上所述，微開關器件X3具有在可移動部32的形狀、接觸電極33的 接觸部33a，、 33b，的位置(即接觸電極34A、 34B的接觸部34a'、 34b，的位 置)以及由驅動電極35、 36構成的驅動機構中驅動力產生區域R的位置這 些方面不對稱的結構。例如，可移動部32以這樣一種方式不對稱，使得其 重心與接觸電極33的接觸部3315，位於虛線？1的同一側，其中於虛線FJ聖過 可移動部32的固接端32c和接觸電極33的接觸部33a，。驅動力產生區域R 的重心C距離接觸電極33的接觸部33b，比距離接觸部33a，更近。可移動部 32的固接端32c與接觸電極33的接觸部33 b，之間的距離大於固接端32c與 接觸電極33的接觸部33a，之間的距離。驅動力產生區域R的重心C與接觸 部33b，位於虛線F2的同一側，其中虛線F2經過可移動部32的固接端32c的 長度中點Pi和接觸電極33的接觸部33a'、 33b'之間的中點P2。這種不對稱 的結構有利於確保在可移動部32上驅動力產生區域R的重心C (作用點) 與上述固定軸(虛線F》之間的距離足夠遠。如圖23(a)所示，可移動部32可以彎曲。如圖23(a)所示的可移動部32 包括在固接端32c處直接固定於固定部31的區域32A，區域32A在與可移 動部32的主要延伸方向M垂直的方向上延伸。如上所述，在可移動部32具有彎曲結構的實例中，在微開關器件X3從 斷開狀態變為閉合狀態的"接通"轉變過程中，經由固接端32c連接到固定 部31的區域32A (在圖23(b)中如箭頭Al所示)主要產生彎曲變形。對於 該閉合動作，可假定力作用在驅動力產生區域R的重心C上，由此使得可移 動部32繞著用虛線表示的固定軸或旋轉軸旋轉，其中所述虛線經過可移動 部32的固接端32c和接觸電極33、 34A之間的接觸點。有利的是，與通過圖19所示的由可移動部32進行的閉合動作(在這種 情況下可移動部32在從驅動力產生區域R至固接端32c的區域發生扭轉變 形)相比，通過區域32A的彎曲進行的閉合動作需要驅動機構(驅動電極 35、 36)產生的驅動力更小。鑑於此，根據此變型的可移動部32的彎曲結構有助於降低為了實現微開關器件X3的閉合狀態而施加至驅動機構的驅動 電壓。如圖24(a)所示，可移動部32可具有另一種彎曲結構。如圖24 (a)所示 的可移動部32包括在固接端32c處直接固定於固定部31的區域32B，區域 32 B在與可移動部32的主要延伸方向M交叉的方向上延伸。在可移動部32這樣彎曲的情形下，在微開關器件X3從斷開狀態向閉合 狀態的轉變過程中，主要是可移動部32在固接端32c處固定到固定部31的 區域32B產生彎曲變形，在圖24(b)中如箭頭A2所示。對於該閉合動作，仍 可假定力作用在驅動力產生區域R的重心C上，由此使得可移動部32繞著 用虛線表示的固定軸或旋轉軸旋轉，其中所述虛線經過可移動部32的固接 端32c和接觸電極33、 34A之間的接觸點。根據上述變型的彎曲區域32B的閉合動作，同樣有利於降低由驅動機構 (驅動電極35、 36)產生的驅動力。此外，與圖23所示的變型相比，此變 型有利於確保在驅動力產生區域R的重心C (作用點)與固定軸或旋轉軸之 間提供更長的距離以進行閉合動作。因此，將力施加在驅動力產生區域R的 重心C上時能夠產生更大的力矩，這有利於由驅動機構(驅動電極35、 36) 產生更小的驅動力(靜電引力)就能夠使接觸電極33與接觸電極34B (突 出部34b和接觸部34b')相互接觸。總而言之，根據此變型的可移動部32 的彎曲結構有助於降低為了實現微開關器件X3的閉合狀態而施加至驅動機 構的驅動電壓。
權利要求
1、一種微開關器件，包括固定部；可移動部，包括第一表面以及與所述第一表面相對的第二表面，所述可移動部包括固定到所述固定部的固接端；可移動接觸電極，設置在所述可移動部的第一表面上，並且包括第一接觸部和第二接觸部；第一固接接觸電極，包括與所述可移動接觸電極的第一接觸部相接觸的第三接觸部，所述第一固接接觸電極接合到所述固定部；第二固接接觸電極，包括與所述可移動接觸電極的第二接觸部相面對的第四接觸部，所述第二固接接觸電極接合到所述固定部；以及驅動機構，用於移動所述可移動部，使所述第二接觸部與所述第四接觸部相接觸。
2、 如權利要求1所述的微開關器件，其中，所述可移動接觸電極的第 一接觸部與所述第一固接接觸電極的第三接觸部相連接。
3、 如權利要求1所述的微開關器件，其中，所述可移動接觸電極包括 第一突出部和第二突出部，所述第一突出部包括所述第一接觸部，所述第二 突出部包括所述第二接觸部，所述第二突出部的突出長度短於所述第一突出 部的突出長度。
4、 如權利要求1所述的微開關器件，其中，所述第一固接接觸電極包 括第三突出部，所述第二固接接觸電極包括第四突出部，所述第三突出部包 括所述第三接觸部，所述第四突出部包括所述第四接觸部，所述第四突出部 的突出長度短於所述第三突出部的突出長度。
5、 如權利要求1所述的微開關器件，其中，在所述可移動部的第一表 面上，所述可移動接觸電極與所述固接端在偏移方向上間隔開，所述第一接 觸部與所述第二接觸部在與所述偏移方向交叉的方向上間隔開，所述驅動機 構包括位於所述可移動部的第一表面上的驅動力產生區域，所述驅動力產生 區域的重心距離所述可移動接觸電極的第二接觸部比距離所述第一接觸部 更近。
6、 如權利要求5所述的微開關器件，其中，所述可移動部的固接端與 所述可移動接觸電極的第一接觸部之間的距離不同於所述固接端與所述第 二接觸部之間的距離。
7、 如權利要求5所述的微開關器件，其中，所述可移動部具有彎曲結構。
8、 如權利要求5所述的微開關器件，其中，所述驅動力產生區域的重 心和所述第二接觸部位於虛線的同一側，所述虛線經過所述固接端的長度中 點和所述第一接觸部與所述第二接觸部之間的中點。
9、 如權利要求1所述的微開關器件，其中，所述驅動機構包括可移動 驅動電極和固接驅動電極，所述可移動驅動電極設置在所述可移動部的第一 表面上，所述固接驅動電極接合到所述固定部並且具有與所述可移動驅動電 極相對的部分。
10、 如權利要求1所述的微開關器件，其中，所述驅動機構包括由第一 電極層、第二電極層以及壓電層構成的多層結構，所述第一電極層設置在所 述可移動部的第一表面上，所述壓電層設置在所述第一電極層與所述第二電 極層之間。
11、 如權利要求1所述的微開關器件，其中，所述驅動機構包括由多個 材料層構成的多層結構，所述多個材料層設置在所述可移動部的第一表面 上，所述多個材料層中的各個材料層具有不同的熱膨脹係數。
12、 一種微開關器件的製造方法，所述微開關器件包括固定部；可移 動部，包括第一表面以及與所述第一表面相對的第二表面，所述可移動部包 括固定到所述固定部的固接端；可移動接觸電極，設置在所述可移動部的第 一表面上，並且包括第一接觸部和第二接觸部；第一固接接觸電極，包括與 所述可移動接觸電極的第一接觸部相接觸的第三接觸部，所述第一固接接觸 電極接合到所述固定部；以及第二固接接觸電極，包括與所述可移動接觸電 極的第二接觸部相面對的第四接觸部，所述第二固接接觸電極接合到所述固 定部;所述製造方法包括以下步驟 在襯底上形成所述可移動接觸電極；在所述襯底上形成犧牲層，使所述犧牲層覆蓋所述可移動接觸電極；在所述犧牲層中對應於所述可移動接觸電極的位置形成第一凹部和第 二凹部，所述第二凹部比所述第一凹部淺；形成所述第一固接接觸電極，所述第一固接接觸電極填充所述第一凹部，並且具有經由所述犧牲層與所述可移動接觸電極相對的部分；形成所述第二固接接觸電極，所述第二固接接觸電極填充所述第二凹部，並且具有經由所述犧牲層與所述可移動接觸電極相對的部分；以及 去除所述犧牲層。
13、 一種微開關器件的製造方法，所述微開關器件包括固定部；可移 動部，包括第一表面以及與所述第一表面相對的第二表面，所述可移動部包 括固定到所述固定部的固接端；可移動接觸電極，設置在所述可移動部的第 一表面上，並且包括第一接觸部和第二接觸部；第一固接接觸電極，包括與 所述可移動接觸電極的第一接觸部相連接的第三接觸部，所述第一固接接觸 電極接合到所述固定部；以及第二固接接觸電極，包括與所述可移動接觸電 極的第二接觸部相面對的第四接觸部，所述第二固接接觸電極接合到所述固 定部；所述製造方法包括以下步驟 在襯底上形成所述可移動接觸電極；在所述襯底上形成犧牲層，使所述犧牲層覆蓋所述可移動接觸電極；在所述犧牲層中對應於所述可移動接觸電極的位置形成通孔和凹部，所 述通孔部分地暴露所述可移動部；形成所述第一固接接觸電極，所述第一固接接觸電極填充所述通孔，並 且具有經由所述犧牲層與所述可移動接觸電極相對的部分；形成所述第二固接接觸電極，所述第二固接接觸電極填充所述凹部，並 且具有經由所述犧牲層與所述可移動接觸電極相對的部分；以及去除所述犧牲層。
全文摘要
一種微開關器件及其製造方法，所述微開關器件包括固定部；可移動部；第一電極，具有第一觸點和第二觸點；第二電極，具有與第一觸點相接觸的第三觸點；以及第三電極，具有與第二觸點相對的第四觸點。在製造微開關器件的過程中，在襯底上形成第一電極，再在襯底上形成犧牲層以覆蓋第一電極。然後，在犧牲層中對應於第一電極的位置形成第一凹部和較淺的第二凹部。形成第二電極，第二電極具有經由犧牲層與第一電極相對的部分並且填充第一凹部。形成第三電極，第三電極具有經由犧牲層與第一電極相對的部分並且填充第二凹部。然後去除犧牲層。
文檔編號H01H59/00GK101226856SQ20081000129
公開日2008年7月23日 申請日期2008年1月17日 優先權日2007年1月18日
發明者三島直之, 上田知史, 中谷忠司, 米澤遊, 阮俊英 申請人:富士通株式會社