CN101197226A - 低阈值电压静电型微继电器 - Google Patents

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许高斌
何晓雄
李洋
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Abstract

本发明涉及低阈值电压静电型微继电器。它包括可动梳齿和固定梳齿、折叠弹簧梁、多级梳齿连接梁，对应的可动梳齿上的叉齿与固定梳齿的叉齿之间形成平板电容，当施以电激励时，可动梳齿带动多级梳齿连接梁发生横向位移，使触点与电路中固定电极接触，在电激励撤消时，折叠弹簧梁的弹性回复力使多级梳齿连接梁带动触点复位。本发明通过并联梳齿级数和增加叉齿数目来降低微继电器的阈值电压，解决了现有技术中静电型微继电器驱动电压高、难与工作电路电压兼容的问题，其阈值电压可降至5V，使得该静电型微继电器的驱动电压可以与普通电子电路的工作电压相兼容，使得在普通电子电路的工作电压下实现可靠的开关行为。

Description

低阈值电压静电型微继电器
技术领域
本发明涉及微电子机械***中使用的静电型微继电器。
背景技术
继电器作为一种基本的机电元件广泛地应用于各种电力保护、仪器仪表和自动控制***中。在国防、航空航天器和各种地面控制设备中，也需要使用各种规格的继电器，这种场合对它们的要求除动作可靠、闭合时电流大、漏电流小、接触阻抗小外，有时还要求其体积小、重量轻、响应速度快、寿命长等。
微型继电器的发展是伴随MEMS技术而发展的，国外从1978年开始研究和制造微型继电器。同传统的机电型继电器相比，微机械继电器具有尺寸小、功耗低、高容量和可集成等优点。微型继电器驱动方式可以采用热、电磁、静电等多种激励方式。由于静电驱动具有功耗低、结构简单、工艺兼容性好等优点，多数的微型继电器采用了静电驱动方式。
静电型微继电器采用静电致动原理，以静电力作为触点吸合的驱动力，而静电力的产生则是以电场的形式存在的。最早的静电型微继电器的报道是在1979年，这种器件采用了金属触点以减小接触电阻和增大负载能力。至此以后利用CMOS工艺的多晶硅静电型微继电器陆续有见报道，但其触点负载能力仅有10mA左右，驱动电压在30V至400V之间。随后其它类型通过选择触点材料，以降低触点接触电阻的静电型微继电器开始有见报道，其触点寿命达到了108次，但其驱动电压依然很高。最新报道的静电型微继电器的驱动电压为24V，可控制200mA的负载电流。然而，由于难以与普通电子电路的工作电压相兼容，因此降低驱动电压，成为静电型微继电器发展和实用化的主要技术难题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种低阈值电压静电型微继电器，该微继电器的阈值电压可降至5V，使得该静电型微继电器的驱动电压可以与普通电子电路的工作电压相兼容。
本发明所采用的技术方案是：
低阈值电压静电型微继电器包括压焊块、可动梳齿和固定梳齿、触点、隔离栅、折叠弹簧梁、多级梳齿连接梁、隔离墙、衬底，其中，
压焊块，用于施加电激励；
两个以上可动梳齿并联，两个以上固定梳齿并联，可动梳齿和固定梳齿数目相等并且间隔排列，形成级联的梳齿结构，可动梳齿上具有两个以上的叉齿，固定梳齿上具有两个以上的叉齿，对应的可动梳齿上的叉齿与固定梳齿上的叉齿数目相等且间隔排列成交错状，之间形成平板电容，提供微继电器横向驱动的静电驱动力；
可动梳齿通过多级梳齿连接梁连接，形成并联梳齿结构，整个可动部件再通过折叠弹簧梁与压焊块连接；
多级梳齿连接梁的一端通过隔离栅连接触点，可动梳齿与固定梳齿在电激励作用下产生的静电驱动力可使多级梳齿连接梁带动触点一起发生横向位移，使触点与电路中固定电极接触，在电激励撤消时，折叠弹簧梁的弹性回复力使多级梳齿连接梁带动触点复位；
固定梳齿直接与隔离墙内侧的硅片结构连接；
可动梳齿连接的折叠弹簧梁的两端附着在隔离墙内侧的硅片结构上；
隔离墙通过阻断压焊块和衬底之间的电接触，实现集成电路和微继电器的电隔离，隔离墙外侧的衬底作为整个微继电器结构的支架。
本发明的积极效果是：
通过并联梳齿驱动电极的级数和驱动电极上叉齿的数目来降低微继电器的阈值电压，该微继电器的阈值电压可降至5V，使得该静电型微继电器的驱动电压可以与普通电子电路的工作电压相兼容。从而使得该微继电器在普通电子电路的工作电压下就可以实现可靠的开关行为，同时可以减小接触电阻，增大触点负载电流。结构中的折叠弹簧梁用来支撑该继电器的可动部件，提供继电器开关操作时的弹性回复力，同时抑制了以前静电型继电器开关动作时可能出现的扭转现象。利用现有的Post-CMOS工艺制作出较大的驱动电极电容，从而获得较大的静电驱动力，可与集成电路制作工艺兼容，从而实现了***集成，解决了目前静电型微继电器实用化的主要技术难题。同时，其制作所采用的Post-CMOS工艺，制作工艺简单，可与集成电路制造在同一芯片上，实现***集成。本发明解决了目前静电型微继电器的实用化存在的主要技术难题，适合在实际控制电路中使用。
附图说明
图1是本发明实施例结构的俯视图。
图2是本发明实施例结构的剖视图(A-A剖面)。
图3是本发明实施例梳齿单元结构的三维结构视图。
图4是本发明实施例的梳齿与连接梁整体结构三维视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
低阈值电压静电型微继电器包括压焊块101、可动梳齿102和固定梳齿103、触点104、隔离栅105、折叠弹簧梁106、多级梳齿连接梁107、隔离墙108、衬底201，其中，压焊块101，用于施加电激励；两个以上可动梳齿102并联，两个以上固定梳齿103并联，可动梳齿和固定梳齿数目相等并且间隔排列，形成级联的梳齿结构，可动梳齿上具有两个以上叉齿301，固定梳齿上具有两个以上叉齿302，对应的可动梳齿上的叉齿301与固定梳齿上的叉齿302数目相等且间隔排列成交错状，之间形成平板电容，提供微继电器横向驱动的静电驱动。
可动梳齿102通过多级梳齿连接梁107连接，形成并联梳齿结构，整个可动部件再通过折叠弹簧梁106与压焊块101连接；多级梳齿连接梁107的一端通过隔离栅105连接触点104。隔离栅105保证了驱动电路与接触电路的电隔离。触点104并没有直接挂接在多级梳齿连接梁107上，而是通过由绝缘介质构成的隔离栅105与多级梳齿连接梁107相连的。可动梳齿102与固定梳齿103在电激励作用下产生的静电驱动力可使多级梳齿连接梁107带动触点104一起发生横向位移，使触点104与电路中固定电极接触，在电激励撤销时，折叠弹簧梁106的弹性回复力使多级梳齿连接梁107带动触点104复位。
固定梳齿103直接与隔离墙108内侧的硅片结构连接在一起，可动梳齿102连接在折叠弹簧梁106上，同时折叠弹簧梁106的两端也都附着在隔离墙108内侧的硅片结构上。隔离墙108通过阻断压焊块101和衬底201之间的电接触，实现集成电路和微继电器的电隔离。衬底201的作用是，一方面为制作附加的集成电路的提供空间，另一方面是在使用Post-COMS工艺制作微继电器时作为整个结构的支架使用，见图1、图2、图3和图4。
工作原理：此微继电器利用可动梳齿102和固定梳齿103上的叉齿的相互交错形成多个小的平板电容，这样当在可动梳齿102和固定梳齿103之间施加激励电压时，这些平板电容就可以提供微继电器闭合时所需的静电驱动力，使多级梳齿连接梁107发生横向位移，带动触点104发生位移，触点104表面通过溅射工艺附着有接触材料金(Au)，这样触点104就可以作为可动接触电极，在多级梳齿连接梁107带动下与工作电路中的固定电极发生电接触，进而使工作电路导通。当电激励撤消时，利用折叠弹簧梁106发生弹性形变时产生的弹性回复力做为微继电器断开时所需的回拉力，多级梳齿连接梁107在折叠弹簧梁106的弹性回复力的作用下会带动触点104回到初始位置，使触点104与固定电极断开，进而使工作电路可靠断开。
本发明采用Post-COMS工艺，一种将CMOS电路与体硅MEMS器件单片集成的方法，其制作工艺步骤如下：
(1)在硅片上采用标准CMOS工艺完成集成电路部分的制作；
(2)在硅片上淀积钝化层保护集成电路部分；
(3)采用深反应离子刻蚀技术，形集成电路和微继电器的隔离槽以及淀积电隔离栅的的隔离槽，在所述的隔离槽内填充电绝缘介质，使得集成电路和微继电器实现电隔离，同时形成微继电器的触点电隔离栅。
(4)在所述的硅片背面做掩膜，腐蚀硅，直至暴露出所述的隔离槽底部的所述填充介质；
(5)在所述硅片正面实现CMOS电路与微继电器的连接通孔；
(6)溅射铝，光刻腐蚀得到铝掩膜图形和微继电器结构与电路的连线，以及压焊块和触点金属。
(7)合金处理，用铝作掩膜，释放微继电器结构。

Claims (1)

1.低阈值电压静电型微继电器，包括压焊块[101]、可动梳齿[102]和固定梳齿[103]、触点[104]、隔离栅[105]、折叠弹簧梁[106]、多级梳齿连接梁[107]、隔离墙[108]、衬底[201]，其特征在于：
压焊块[101]，用于施加电激励；
两个以上可动梳齿[102]并联，两个以上固定梳齿[103]并联，可动梳齿和固定梳齿数目相等并且间隔排列，形成级联的梳齿结构，可动梳齿上具有两个以上叉齿[301]，固定梳齿上具有两个以上叉齿[302]，对应的可动梳齿上的叉齿[301]与固定梳齿上的叉齿[302]数目相等且间隔排列成交错状，之间形成平板电容，提供微继电器横向驱动的静电驱动力；
可动梳齿[102]通过多级梳齿连接梁[107]连接，形成并联梳齿结构，整个可动部件再通过折叠弹簧梁[106]与压焊块[101]连接；
多级梳齿连接梁[107]的一端通过隔离栅[105]连接触点[104]，可动梳齿[102]与固定梳齿[103]在电激励作用下产生的静电驱动力可使多级梳齿连接梁[107]带动触点[104]一起发生横向位移，使触点[104]与电路中固定电极接触，在电激励撤销时，折叠弹簧梁[106]的弹性回复力使多级梳齿连接梁[107]带动触点[104]复位；
固定梳齿[103]直接与隔离墙[108]内侧的硅片结构连接；
可动梳齿[102]连接的折叠弹簧梁[106]的两端附着在隔离墙[108]内侧的硅片结构上；
隔离墙[108]通过阻断压焊块[101]和衬底[201]之间的电接触，实现集成电路和微继电器的电隔离，隔离墙外侧的衬底[201]作为整个微继电器结构的支架。
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