诸如开关或继电器之类的微机电装置可以供传统的机电装置选择使 用。使用传统的半导体方法建立起来的微机电装置的优点是可编程性和减 小的尺寸，这样能够具有更小的形状系数以及相应地减小了功率消耗、响 应时间并降低了成本。
使用传统的微机电开关和继电器的一个应用是电信交换连接装置。在 这些应用中，微机电开关或继电器可能被接合到一个位置几周或几年的时 间。众所周知，例如在微机电开关和继电器的元件中发现的，在外力作用 下的金属在外力去除时呈现出了永久的变形。这种现象称作机械蠕变 (mechanical creep)。如果由机械蠕变造成的变形足够大，例如从微机电开 关或继电器的伸展的封闭物上发现的，则微机电开关或继电器可能会随着 时间的过去而不能用。
在电信工业中寻求装置有15-20年的使用寿命的可靠性需求是常见 的。基于电信工业的这种需求以及金属微机电开关和继电器的固有机械蠕 变，传统的微机电装置不可能满足电信工业的需要。
因此，现有技术中所需的就是例如在电信工业中寻求的会满足长期可 靠性需求的微机电开关或继电器。

在一个实施方式中，本发明提供了一种双向微机电元件。在该实施方 式中，所述双向微机电元件包括具有自由端和第一端的冷柱，所述第一端 连接到冷柱锚定件。所述冷柱锚定件连接到基板。第一柱对通过自由端拴 紧件连接到冷柱并且配置成在被加热从而达到比所述冷柱的温度更高的 温度时伸长。第二柱对位于所述冷柱的与第一柱对相对的一侧上并且由所 述自由端拴紧件连接到所述第一柱对和所述冷柱。所述第二柱对配置成在 被加热从而到达所述的更高的温度时伸长。
在另一个实施方式中，提供了一种微机电开关。在该实施方式中，所 述微机电开关包括单向微机电元件，该单向微机电元件包括具有第一自由 端和第一端的第一冷柱，所述第一端连接到第一冷柱锚定件。所述第一冷 柱锚定件连接到基板。第一柱对由第一自由端拴紧件连接到所述第一冷柱 并且配置成当被加热从而达到比所述第一冷柱的温度更高的温度时伸长。 第一末端连接到所述第一冷柱的所述自由端。双向微机电元件可转换地连 接到所述单向微机电元件，该双向微机电元件包括具有第二自由端和第一 端的第二冷柱，所述第一端连接到第二冷柱锚定件。所述第二冷柱锚定件 连接到所述基板。第二柱对由第二自由端拴紧件连接到所述第二冷柱并且 配置成当被加热从而达到比所述第二冷柱的温度更高的温度时伸长。第三 柱对位于所述第二冷柱的与所述第二柱对相对的一侧上并且由所述第二 自由端拴紧件连接到所述第二柱对和所述第二冷柱。所述第三柱对配置成 在被加热从而到达所述的更高的温度时伸长。
在另一个实施方式中提供了一种消除具有双向元件的微机电装置的 机械蠕变的方法。在该特定实施方式中，该方法包括使双向元件沿第一方 向移动到第一位置，然后判断所述双向元件在所述第一位置上是否已经达 到预定时间量。基于所述判断，如果所述双向元件在所述第一位置上已经 达到预定的时间量，那该方法通过使所述双向元件沿与所述第一方向相反 的第二方向移动到第二位置而继续。
前面已经概述了本发明的特征以便于本领域的技术人员可以更好的 理解本发明的如下的详细描述。本发明的形成本发明权利要求的主题的附 加特征将在下文中描述。本领域的技术人员应该认识到，他们可以容易地 将所披露的原理和特定实施方式用作设计或修改其他结构的基础来实现 与本发明相同的目的。本领域技术人员还应该认识到，这些等价的结构没 有脱离本发明的精神实质和范围。
附图说明
为了更全面地理解本发明，现做出结合附图的以下描述的介绍，其中：
图1图示了根据本发明的原理构造的双向微机电元件的一个实施方式 的示意图；
图2图示了根据本发明的原理构造的双向微机电元件的一个实施方式 的示意图；
图3图示了根据本发明的原理构造的双向微机电开关的一个实施方式 的示意图；以及
图4图示了使用本发明的技术的消除具有双向元件的微机电装置的机 械蠕变的方法的一个实施方式的流程图。

图1图示了一种双向微机电元件100，其包括冷柱110、第一柱对120、 第二柱对130和自由端拴紧件140。在一些实施方式中，冷柱110可以具 有可变宽度，即锥形柱，或者可以具有两个或多个具有不同宽度的部分。 所述冷柱110具有连接到冷柱锚定件112的第一端和自由端114。冷柱110 的自由端114由常用装置连接到自由端拴紧件140。冷柱锚定件112通过 常用装置连接到基板(未示出)。所述冷柱110一般由诸如镍之类的金属 制成。双向微机电元件100的一部分位于基板中的沟槽上方(未示出)。
第一柱对120与冷柱110平行并且由两个平行的构件构成，即第一柱 构件122和第二柱构件124，它们每个都具有第一和第二端。每个平行构 件的第一端连接到锚定件。第一柱构件122的第一端连接到第一锚定件 126，第二柱构件124的第一端连接到第二锚定件128。第一锚定件126 和第二锚定件128通过常用装置连接到基板。第一柱构件122和第二柱构 件124的第二端相连以形成一个闭环。第一柱构件122和第二柱构件124 相连的第二端通过常用装置连接到自由端拴紧件140。第一柱构件122和 第二柱构件124一般均由诸如镍之类的金属制成。
第二柱对130与冷柱110平行并且由两个平行的构件构成，即第三柱 构件132和第四柱构件134，它们每个都具有第一和第二端。每个平行构 件的第一端连接到锚定件。第三柱构件132的第一端连接到第三锚定件 136，第四柱构件124的第一端连接到第四锚定件138。第三锚定件136 和第四锚定件138通过常用装置连接到基板。第三柱构件132和第四柱构 件134的第二端相连以形成一个闭环。第三柱构件132和第四柱构件134 相连的第二端以常用方式连接到自由端拴紧件140。第三柱构件132和第 四柱构件134一般均由诸如镍之类的金属制成。在其他实施方式中，柱对 可以不与冷柱平行或者不是彼此平行。此外，在其他实施方式中，柱构件 可以具有可变宽度，即锥形柱构件，可以具有两个或多个不同宽度的部分， 或者可以具有不同的形状/结构。
自由端拴紧件140机械连接：冷柱110的自由端114；第一柱对120 的第一柱构件122和第二柱构件124的第二端；和第二柱对130的第三柱 构件132和第四柱构件134的第二端。所述自由端拴紧件140一般由(通 常整个是由)绝缘材料制成。在一些实施方式中，绝缘体是诸如“SU-8” 的感光性树脂材料。SU-8是基于环氧树脂SU-8的负环氧型近紫外线感光 性树脂(来自于壳牌化学)。应该注意的是根据设计需求同样可以使用其 他感光性树脂。其他可行的适合材料包括聚酰亚胺、旋转涂布玻璃(spin on glass)或者其他聚合物。此外，将不同的材料结合也是可行的。分别在冷柱 110以及第一和第二柱对120和130上方设置自由端拴紧件140是有利的， 因为其允许使用上面提到的材料，从而在拴紧件材料上提供了更多的弹性 和更大的可靠性。
第一柱对120和第二柱对130在第一柱构件122、第二柱构件124、 第三柱构件132或第四柱构件134其中一个的第一端上均可以具有应变消 除器。在一个如图1中图示出的实施方式中，在第一柱构件122的第一端 上存在应变消除器125，在第四柱构件134的第一端上存在应变消除器 135。这些应变消除器降低了第一柱对120和第二柱对130的刚度。当然， 包括应变消除器的其他结构也是可行的。在一些实施方式中，可以不同地 设置或成型应变消除器，或者可以不使用应变消除器。
每个柱对120，130还可以包括沿着柱对120，130在柱构件锚定件126， 128，136，138与自由端拴紧件之间的任意点上设置的至少一个柱对拴紧 件。图1图示了一个实施方式，其中第一柱对120包括由常用装置横向设 置并沉积在第一柱构件122和第二柱构件124的第一端上的柱对拴紧件 150。图1的实施方式还图示了第二柱对130的第三柱构件132和第四柱 构件134的第一端上横向设置并按常规沉积的柱对拴紧件152。柱对拴紧 件150，152是绝缘拴紧件，它们一般是如上所述用于自由端拴紧件140 的感光性树脂。
此外，在图1中图示出的实施方式中，至少一个附加的拴紧件160可 以横跨第一柱对120、冷柱110和第二柱构件130横向设置并按常规沉积 的、位于自由端拴紧件140与冷柱锚定件112之间。因此，还有，所述附 加的拴紧件一般是如上所述用于自由端拴紧件140和柱对拴紧件150，152 的感光性树脂。附加的拴紧件160机械连接第一柱对120、冷柱110和第 二柱对130以便于在偏转时，它们相对于彼此保持它们的相对位置。
连接到冷柱的自由端114上的是末端170。末端170一般是由诸如金 之类的导电金属制成的，并且利用常用技术连接到冷柱110的自由端114。 正如图1的实施方式中所图示出的，末端170具有单个尖端172。在其他 实施方式中，在末端170的端部上可以存在多于一个的尖端172。
图2图示了具有与图1的双向微机电构件100相同的双向微机电构件 200的一个实施方式。双向构件200包括冷柱210、第一柱对220、第二柱 对230和机械连接所述冷柱210、第一柱对220和第二柱对230的自由端 拴紧件240。所述冷柱210、第一柱对220和第二柱对230按常规经由如 图1的实施方式中图示出的锚定件连接到基板(未示出)。第一柱对220 和第二柱对230配置成在被加热时伸长。当任一个柱对加热到高于所述冷 柱210的温度时，一端锚定到基板上、位于基板中的沟槽上方的并且由自 由端拴紧件240机械连接的双向构件200将会偏转，因为被加热的柱对会 比所述冷柱210膨胀的多。
在图2中示出的实施方式中，当第一柱对220被加热到比所述冷柱210 和第二柱对230的温度高的温度时，双向构件200将会沿箭头290示出的 方向偏转。相反，当第二柱对230被加热到比冷柱210和第一柱对220的 温度高的温度时，双向元件200将会沿箭头280示出的方向偏转。在图1 和2中图示出的实施方式中，柱对的加热是通过使电流从柱对的一个柱构 件进入从另一个柱构件流出来完成的。例如，从第一柱对220的第一柱构 件进入从第二柱构件流出的电流将会使第一柱对220加热并伸长，双向元 件200将会沿箭头290示出的方向偏转(因为：自由端拴紧件240机械连 接冷柱210、第一柱对220和第二柱对230；冷柱210、第一柱对220和第 二柱对230被锚定到基板；并且双向构件200的一部分位于基板中的允许 双向元件200平行于所述基板运动的沟槽上方)。本领域技术人员将会理 解的是，双向元件200可以用作离面(out-of-plane)结构，其中双向元件的 偏转是朝向基板或远离基板。
图3图示了微机电开关300的一个实施方式。所述微机电开关300包 括双向元件302和单向元件304，所述双向元件302是图1中图示出的实 施方式的双向元件100。所述微机电开关300可以用于替代目前使用的传 统微机电开关。除了传统微机电开关的功能之外，所述微机电开关300包 括两个锁紧位置的附加功能。此外，所述微机电开关300提供了对机械蠕 变的补偿。
在图示出的实施方式中，单向元件304包括冷柱310和柱对320。所 述冷柱310具有第一端和自由端314，所述第一端连接到冷柱锚定件312。 所述冷柱310的自由端314按常规连接到自由端拴紧件340。所述冷柱锚 定件312按常规连接到基板(未示出)。所述冷柱310一般是由诸如镍之 类的金属制成的。所述单向元件304的一部分位于基板中的沟槽上方(未 示出)。
所述柱对320平行于所述冷柱310并且由两个平行构件组成，即第一 柱构件322和第二柱构件324，它们每个都具有第一和第二端。第一柱构 件322的第一端按常规连接到第一锚定件326，第二柱构件324的第一端 按常规连接到第二锚定件328。第一锚定件326和第二锚定件328通过常 用装置连接到基板。第一柱构件322和第二柱构件324的第二端相连接以 形成一个闭环。第一柱构件322和第二柱构件324相连的第二端通过常用 装置连接到自由端拴紧件340。第一柱构件322和第二柱构件324一般均 由诸如镍之类的金属制成。
自由端拴紧件340机械连接冷柱310的自由端314以及第一柱构件 322和第二柱构件324的第二端。与图1中图示出的实施方式的自由端拴 紧件140类似，所述自由端拴紧件340一般是由诸如SU-8的感光性树脂 制成的。
柱对320在第一柱构件322或第二柱构件324其中一个的第一端上可 以具有应变消除器(未示出)。与图1中图示出的实施方式的应变消除器 135类似，所述应变消除器(未示出)降低了柱对320的刚度。柱对320 可以包括沿着柱对320在柱构件锚定件326，328与自由端拴紧件340之 间的任意点上由常用装置横向设置并沉积的至少一个柱对拴紧件350。所 述柱对拴紧件350一般是如上所述用于绝缘拴紧件340的感光性树脂。
此外，在图3中图示出的实施方式中，可以横跨柱对320和冷柱310 在冷柱310的第一端314与常温锚定件312之间横向设置并按常规沉积的 至少一个附加的拴紧件360。因此，还有，所述附加的拴紧件360一般是 如上所述用于自由端拴紧件340的感光性树脂。
连接到冷柱310的自由端314的是第一末端370。第一末端370一般 是由诸如金之类的导电金属制成的，并且利用传统技术连接到冷柱310的 自由端314。第一末端370具有两个尖端372。在其他实施方式中，在第 一末端元件370的端部上可以存在单个尖端372或者多个尖端372。第一 末端元件370可以与双向微机电元件302的第二末端元件376可换向地连 接。
与图2中的所描述的实施方式类似，单向元件304的柱对320配置成 在被加热时伸长。当柱对320被加热到高于冷柱310的温度时，一端锚定 到基板的、位于基板中的沟槽上方并由绝缘拴紧件340机械连接的单向构 件304将会偏转，因为加热后的柱对320会比冷柱310膨胀的多。当柱对 320被加热到高于冷柱310的温度时，单向微机电构件304将会远离双向 微机电构件302偏转。柱对320的加热是通过使电流从第一柱对320的第 一柱构件322进入从第二柱构件324流出来完成的，从而使柱对320加热 并伸长。
在一些实施方式中，双向元件302可以以离面(out-of-plane)结构实施。 在这些实施方式中，所述双向元件302不是沿着与基板平行的方向运动而 是沿着朝向或远离基板的方向运动。对于这些实施方式，所述双向元件302 与单向元件304是不可以可转向地连接的，而是转接到可以在一个不同平 面或几个平面中的触点上。例如，所述触点可以在基板上或者在基板上方 的一层或几层上。还有，在这些实施方式中，使冷柱运动的机制除了邻接 的机械连接的加热柱对的膨胀之外，还可以是其它机制，例如静电或电容 性机制。根据本发明构造的双向元件可以用在正如在2001年12月的IEEE 微波杂志中Gabriel M.Rebeiz等所写的名称是“RF MEMS开关和开关电 路”(RF MEMS Switches and Switch Circuits)的论文中所披露的RF微机 电开关中，该论文的全文通过引用并入于此。
图4图示了根据本发明的原理实施的、减小具有双向元件的微机电装 置中的蠕变的方法400的一个实施方式。该方法400开始于步骤405，旨 在减小具有双向元件的微机电装置中的蠕变。
开始之后，在步骤410中向微机电装置的单向元件施加电流以使该单 向元件远离其初始位置移动。所述电流可以施加到单向元件的柱对上以使 单向元件的冷柱从初始位置移动并远离微机电装置的双向元件。在将电流 施加到单向元件以使其远离其初始位置移动之后，然后在步骤415中向微 机电装置的双向元件施加电流以使其沿远离其初始位置的第一方向移动 到第一位置。所述电流可以施加到双向元件的柱对上以使双向元件的冷柱 从初始位置移动。然后在步骤420中停止向单向元件施加电流，这允许单 向元件回到其初始位置。这可以通过将电流从单向元件的柱对上移除来完 成。一旦停止向单向元件施加电流以使其回到其初始位置，在步骤425中 停止向微机电装置的双向元件施加电流。这可以通过将电流从双向元件的 柱对上移除来完成。
在步骤425中，在停止向双向元件施加电流之后，双向元件试图移动 回到其初始位置。但是，单向元件的末端的尖端通过接触双向元件的末端 的尖端来阻止双向元件回到其初始位置。在施加电流时被移动的双向元件 的尖端接触单向元件的尖端，这阻止双向元件回到其初始位置的。在该位 置上，双向元件被变形，在单向元件与双向元件之间形成了电接触。单向 元件的尖端、末端和冷柱是导电的，并且与双向元件的水平移动的导电的 尖端、末端和冷柱接触。在该位置上，形成了可以携带通过微机电装置的 电信号的导电路径。
在许多应用中，例如电信应用，或许需要诸如开关或继电器之类的微 机电装置在一段延长的时间期限内保持在关闭位置上，大约几周到几个 月。众所周知，在外力作用下足够的时间之后的金属在外力移除时会呈现 出导致机械蠕变的永久变形。在一般的诸如开关或继电器之类的微机电装 置中，开关元件必须运动以进行工作的总距离可以大约为数微米。如果该 微机电装置保持在一个位置上足够长的时间，由于机械蠕变而导致的开关 元件的错位可能约为3-4微米，而且可能大至足以使微机电装置不能操作。 照这样，基于使微机电装置变为不能操作之前将双向元件保持在一个位置 上的最长时间建立了预定时间。因此，该方法400进入到步骤430并且判 断微机电开关保持在一个位置上是否达到了所述预定时间。在发生足够的 使微机电开关变为不能操作的变形量之前可以将微机电开关的双向元件 保持在一个位置上的所述预定时间是以历史数据(historical data)和许多要 素为基础的，例如：微机电开关的设计，比如开关元件必须移动的总距离、 构成双向元件和单向元件的材料、双向和单向元件的尺寸等等；微机电装 置的环境温度。本领域的技术人员可以理解的是存在其他的参数来帮助确 定将双向元件保持在一个位置上的最长时间的。与微机电开关相关联的控 制器可以存储或访问上面提到的与微机电开关相关的参数，并且判定所述 预定时间发生的时间。所述控制器可以是传统的电连接到微机电开关的单 向和双向元件的装置。
在步骤430中，如果开关保持在一个位置上已经达到了所述预定时间， 那该方法进行到步骤435，在步骤435中向单向元件施加电流，以远离单 向元件的初始位置和双向元件移动单向元件。在一些实施方式中，可以将 电流施加到双向元件上以在进行到步骤435之前帮助断开与单向元件的接 触。如果所述开关保持在一个位置上还没有达到所述预定时间，则该方法 400回到步骤430。一旦将电流施加到单向元件以使其远离其初始位置移 动，则在步骤440中施加电流以使双向元件沿相反的方向移动，并且使末 端元件的相对于该末端元件的第一尖端水平位移的第二尖端移动越过单 向元件的尖端。一旦向双向元件施加电流，则在步骤445中停止向单向元 件施加电流，这允许单向元件回到其初始位置。
在步骤445中，在停止向单向元件施加电流之后，然后在步骤450中 停止向双向元件施加电流。与步骤425中类似，双向元件试图回到其初始 位置。再次，当相对于双向元件的末端的第一尖端水平位移的双向元件的 末端的第二尖端接触单向元件的尖端时，单向元件的末端的尖端阻止双向 元件回到其初始位置，停止了双向元件的移动。在该位置上，双向元件被 在相反的方向上变形并且消除了在先前的位置上如果保持在一个位置上 足够时间时在双向元件中引起的机械蠕变。如以前一样，双向元件的冷柱、 末端和尖端以及单向元件的冷柱、末端和尖端电连接并且形成了传递通过 微机电装置的电信号的电路。
在将双向元件移动到相对的位置上之后，该方法回到步骤430并且如 以前一样继续。用来完成同样地单向和双向元件的末端的尖端的用来同样 地完成消除由这些元件的长期变形引起的机械蠕变的其他结构也在本发 明的范围之内但是这里没有描述。
尽管已经对本发明进行了详细的描述，但是本领域的技术人员应该理 解的是，在不脱离本发明在其最宽泛形式中的精神实质和范围的前提下， 他们可以做出各种改变、替代和变更。