梁形开关结构及制造方法

这里提供的实施例总的说涉及到诸如微机电系统(MEMS)等的开 关，如MEMS开关(即，接触器、继电器、分路器等)。MEMS是利用微 加工技术将机械和电气元件集成在一个公用衬底上的微型装置。这些 电气元件通常是采用熟知的集成电路加工技术形成的。机械元件通常 是采用光刻和其它相关工艺进行微加工制成的，其中一个衬底(如硅 晶片)的一些部分被选择性地刻蚀掉，或者被加进一些新的材料和结 构层。MEMS装置包括致动器、传感器、开关、加速器和调制器。

图1是一个基本为直梁的示意图；

图2是一个弯曲梁的示意图；

图3是一个弯曲梁的示意图；

图4是一个弯曲梁的示意图；

图5是一个弯曲梁的示意图；

图6的曲线表示非对称弯曲梁的几何形状及相应的力-位移关系；

图7是一个对称双稳定状态梁的势能-位移和力-位移关系示意 图；

图8是从三角关系压缩弯曲梁所要求的图解计算示意图；

图9是一个弯曲梁的示意图；

图10是一个弯曲梁的示意图；

图11是一个弯曲梁的示意图；

图12是一个弯曲梁的示意图。

开关在MEMS中有许多应用。在微流体学中，可以利用开关来开 启和关闭一个阀，或者把流动导向两个管道中的一个内。在光学中， 可以用开关把光线引至不同的波导(标准的光学开关)内，或者将一 些通道加入WDM系统(光学加-减多路复用器)内和从该系统中断开。 这种理想的开关几乎不消耗功率，在断电时能保留它的状态，具有可 重复的状态，而且不会磨损或疲劳。可以将采用双稳定梁的开关设计 得满足所有这些特征。

这里提供的各种典型实施例不把梁制成已位移的状态(“预先成 型”)，而是先加工一个直梁而后弯曲(“后弯曲”)。弯曲可以通过手 工用单个探头或探头卡来做，或利用集成致动器通过电来实现。梁的 一端或两端固定在一个梁的支撑结构和一些支座上，这些支座可以使 梁受压缩时沿轴线移动而不旋转。其结果是任何长度和宽度的组合将 产生一个具有两个对称稳定状态的梁。这样一来，梁可以根据各状态 之间的理想距离及在各状态间转换时需要多大的力来选择，而不是看 一种特定组合是否能产生两种稳定状态。

更具体来说，如图1所示，典型实施例包括一个直线或基本直线 的梁102，它被顶部和底部支座100、104固定在适当的位置。图1中 梁102处于非弯曲状态，然后利用图3和4所示的可调节压缩器300、 400，经压缩(沿图2中箭头200的方向)使梁102朝一侧或另一侧 弯曲，压缩器可以是楔形或凸轮形结构。

不同的典型实施例还提供一个调节梁102的压缩的方法，以便调 整梁102的弯曲量。在压缩过程中，可调节压缩器(300、400)与梁 102接触并对梁102的一端施力。压缩之后梁102可以在第一弯曲状 态(朝着一侧)和第二弯曲状态(朝着相反的另一侧)之间运动。第 一弯曲状态和第二弯曲状态构成离图1所示非弯曲状态的相等而相反 的弯曲运动。

为了在两种状态间转换梁102，可以采用一个或几个致动器204 将梁102推至足够远，使得梁102能自己走完至第二稳定状态的路程。 致动器204在第一弯曲状态和第二弯曲状态间推动梁102。因为梁102 是对称的，所以致动器204只在梁102运动时被致动，且一旦被致动 器所致动，梁102保持在第一弯曲状态或第二弯曲状态。另外，由 于梁102开始时是作为基本为直的元件102(见图1)形成的，故需 要一个相等的力来使梁102运动至第一弯曲状态和第二弯曲状态，因 而梁102被认为是“双稳定”的。

一旦梁102被弯曲，它就被使用一个致动器或类似的装置在两状 态之间的运动。例如，各典型实施例可以采用移动一个冲击臂的热致 动器，该冲击臂与梁102相碰撞，并将它推至另一种状态。此热致动 器一般是一个“V形”致动器。尽管尺寸不大，但该热致动器能产生 很大的力，故很有用。该热致动器204具有一个稍微偏离(倾斜约1°) 的几乎为直线的梁，故当电流流过它而被加热时梁容易朝所希望的方 向弯曲。也可以采用其它类型的致动器204完成驱动，如梳形驱动器、 平行板驱动器、刻擦驱动器、冲击驱动器、U型热致动器、或磁驱动 器。

如图5所示，MEMS弯曲梁开关可包含一个处在梁一端的可调节压 缩器400，它将梁压缩到弯曲状态。图5的实施例还包含一些挠性元 件502(例如，弹簧、挠性硅梁等)，将梁102连至顶端支座100。可 调节压缩器400可与产生水平运动的任何类型线性调节机构(如螺丝、 致动器等)相连接。楔形块或凸轮400将水平运动转换成向下运动。 更广泛而言，楔形块或凸轮400将第一方向的运动转换成近似沿垂直 第一方向的运动。这样可以比用沿平行于梁102长度方向运动的单纯 线性致动器300更精确地控制压缩。

大范围的驱动可以用多种类的任意一种线性调整机构500(如致 动器)来提供。这可以包括电容性驱动器(如“梳形驱动器”)、热致 动器、冲击驱动致动器、刻擦驱动致动器、或磁致动器。最佳致动器 的选择取决于它要推动的力、所需运动范围、板上电子器件能否处理 高电压或大电流等因素。

如图5所示，当楔形块400被推向右侧时，它在弯曲梁102的顶 部推动。如上所述，梁102通过挠性元件502与支座100相连，支座 间的距离足够远，故更可能产生平移运动而不是旋转。楔形块400的 斜度相当平缓，故当保持弯曲梁102的弹簧502短而不易弯曲时，则 将楔形块楔到位所需要的力保持足够均匀。也可以不用致动器来推动 楔形块或凸轮块400，而用手来推动它(例如，通过探头卡来推动或 用螺丝500来调整)。手工装配这些装置可能不总是一种有效的途径， 不过应采用在适当位置具有抓手的定制探头卡，这样装配可能变成很 经济的批量加工。

图4中支座100可以被推动以压缩梁，且运动后可以固定在被压 缩的位置(采用任何熟知的方法，如粘接、连附，紧固等)，或者也 可以利用挠性元件502使梁的压缩可以在任何时候调节和/或重新调 节。这样梁的弯曲量在制造过程中、在安装一个MEMS开关时的制造 后、或维修已在使用中的MEMS开关时都可以调节。

根据各状态之间的距离和所需的力，可以改变力的施力点。若所 需的力大且各状态间的距离小，可以采用较短而不易弯曲的致动器， 用它推动开关梁102的中央。若二状态间距离太大，且所需的致动器 将会太大，则可如图3所示转而采用一对致动器204，将梁102推至 离它中央相等的距离。所需的位移将较小，但所需的力将较大。例如， 若力的施力点处在中央和支座之间的半途中，则致动器204所需推动 的距离约为在中央所需运动量的一半，而所需的力则约大一倍。

因此，为了放大小位移、大力量致动器204的运动，可以将致动 器204的力加在远离梁102的中央(此处位移较小)和/或在每一侧 采用多个致动器，如图3所示。可以加上一些机械档块206，使得开 关状态位置精确到光刻和刻蚀的允许误差，从而补偿由于梁宽变化所 造成的梁的偏斜的偶然改变。为避免混乱并更清楚地显示各实施例的 突出特征，我们没有在所有各图中都标出致动器204和档块206。

各典型实施例提供一种能在两种状态之间运动的开关，而且不加 动力就可以保持这些状态。与此相反，基于非对称预成型弯曲梁的开 关是按两种稳定状态的一种加工的，其中第二弯曲状态近似与第一弯 曲状态相反。这样的梁在一种状态下的应力为0，而弯曲状态将有相 当大的应力。这类梁是非对称的。因此只有某些几何形状的非对称梁 能工作。倘若非对称弯曲梁在移动至希望的第二状态时具有过大的弯 曲应力(当梁太短和/或太宽时就会是这种情况)，则第二状态可能不 存在，或者变成这种状态所需的力太大，以至实际上无法实现。

因而，对于非对称梁，两种状态的应力将是不同的，因为加工的 第一状态的应力为0，且弯曲状态要求梁弯曲。这种缺乏对称性意味 着一种状态存在并不保证另一种状态也存在。只有某些几何形状的非 对称梁能给出第二稳定状态，这意味对问题有一种额外的限制，而它 在这里提供的实施例的对称情况下是不存在的。除了能选出梁的几何 形状使得它们给出各状态间的理想距离和势能壁垒外(如同此处的实 施例所能进行的)传统的方法还必须测试每一种非对称梁的几何形状 以验证第二种状态是可以达到的。

图6是一些力的曲线，它表明对于一个给定的长度，只有某些梁 的横截面才产生第二稳定状态。图中的力是在所示位移量下梁上所有 力的总和。标明“2*5”的曲线代表一个2μm宽5μm高的梁。当梁移 动5μm(0.005μm)时力仍然为正，表明这个力将把梁推回到它从0位 移开始的地方。在约15μm位移处力变成0，表示这是一个平衡点，但 是离开那一点在任一方向的任何微小位移都将引起一个力，把它推得 离那一点更远，因而这是一个不稳定的平衡(就象一个处在山顶上的 球)。在约19μm位移处力又回到0，但在这里任何微小的位移将引起 一个力，把梁带回到平衡状态(就象一个处在谷底的球)。注意对另 外两个横截面，力的曲线从不向下返回经过0，因此没有第二平衡状 态。

这里提供的各种典型实施例在梁上产生的应力小于非对称弯曲 梁。在非对称弯曲梁中，应力从第一状态下的0变成第二状态下的应 力最大值。而不象这里的实施例的各种对称结构中是从-1/2应力最大 值变成+1/2应力最大值。另外，对于这里所述的各种实施例，仅当致 动器204转换梁102时需要动力。例如，V形梁热致动器只要求加热 电流流动约1-2毫秒。假设电压为15V P-P，电流为30mA (P＝I*V＝0.45W)，持续时间为2毫秒，则用来转换梁的总能量小于1 毫焦耳。

可能影响梁102对称性的一个因素是梁中的应力。因此，基本上 为直线的梁102是用单晶硅等无应力材料构成，它们不象多晶硅，没 有固有应力。应力也可以由具有不同热膨胀系数材料的温度变化而引 起。为避免热应力问题，该装置可以与热电冷却器一起包装，以维持 适当的温度。

每个稳定状态(第一或第二)的位置取决于硅如何可再现地弯曲。 业已证明单晶硅具有完美的弹性。它象玻璃一样易碎，而且在屈服点 之前碎裂，这正好达到它的失效点。因此第二状态的位置是可高度再 现的。但是，梁102的实际位置可能未精确到某些精确对准装置(如 波导)所要求的程度。例如，梁102的位置取决于梁102的宽度，后 者可能有约5％以下的变化。所以要加上一些机械档块206以强迫梁102 停止在正确的位置。由于档块处在与梁102本身同样的光掩模层上， 挡块的位置可精确到1/10μm以下。

因为典型的MEMS开关的运动完全是梁102的弯曲，此开关没有 零件在一起磨擦，故不会产生磨损。致动器与开关相碰，故在那个区 域可能有磨损，但这并不影响任一种状态的位置。随时间减小的任何 致动器位移可以通过在开始时使位移大一些来补偿。因为梁102是“突 然移动”并在接近第二状态时离开致动器，故额外大的致动器位移不 会有任何坏处。

因而，如上所述，这里的各种典型实施例不把非对称梁制成偏移 位置(“预成型”)，而是利用一个在弯曲后不要求动力的机构压缩一 个直线梁使它在加工后弯曲(“后弯曲”)。这种弯曲可以通过单个探 头或探头卡用手来做，或利用集成致动器以电器方式来完成。梁的一 端或两端固定在梁的支撑结构和支座上，后者可以在轴线上移动时避 免旋转。其结果是任何长度和宽度的组合都将因对称性而产生具有两 种稳定状态的梁。

图7所示为对称双稳定弯曲梁102的势能(U)和力(F)曲线。 各状态间位垒的高度应该足够大，以防止因芯片贴近等因素可能引起 的偶然的状态变化。各状态之间的距离取决于梁102的几何形状及梁 102在加工后弯曲过程中压缩了多少。

在一个实例中，梁将被压缩到使各状态间的距离为0-15μm。假定 梁为800μm长，要求的各状态间的距离为14μm，图8表示压缩如何 逼近。直角三角形各边的长度可利用式a2+b2＝c2计算，此处c为斜边， a和b为直角三角形的直角边。当梁弯曲时，可认为形成两个直角三 角形，每个三角形的斜边为400μm。真实的形状将是倒圆的而不是弯 折的，但这将是一个好的一次近似。在此例中，整个梁的运动希望是 14μm，且它的一半是从直线中央位置到一条边。因此，两个直角三角 形中每一个的一边为7μm。如图8的计算所示，每个直角三角形的另 一边为399.939μm。因此，梁两端间的距离必须减小0.122μm((400- 399.939)*2＝0.122)，以使梁朝一边弯曲7μm。其结果是，为达到离 中央未弯曲位置弯曲7μm，只需要梁有很小的压缩量(约1/10μm(例 如0.122μm))。

这样小的位移量用一个典型的系统(假定各机构零件间有2-3μm 的标准设计空间要求)是很难实现和维持的。因此，这里的一些实施 例采用楔形块或凸轮400将一个方向的大幅度运动转换成一个近似垂 直方向的细小运动，这要根据楔形块的宽度和凸轮的半径变化有多快 来确定。

其它的一些实施例可防止弯曲梁102的中心点在梁被压缩时产生 移动。首先，梁102的两端，而不光是一端，可以利用每一端的楔形 块400来移动，如图9所示。这样可保持对称性，但却增加了系统的 复杂性和尺寸。

另一个实施例可防止弯曲梁的中心点因对设计进行修改或移动零 件而移动，使得一旦因弯曲而移动时最终达到所需的位置。例如，若 固定在一端的500μm长的梁102(见图4和5)需要压缩10μm，这将 使最大梁偏移点移动5μm，因为它是处在梁的中央，而梁现在是490μm 长而不是500μm。因此，若打算让致动器推到最大偏移点上，则它们 必须置于离固定端245μm(490/2)处。

如果只用一个梁，梁102可能在变成所希望的第二状态过程中突 然移动成S形模式(如图10所示)，或者如果稳定的话甚至停留在那 种S形模式。图11中的实施例通过采用两个梁150、152避免了这种 情形，这两个梁用一个处在垂直于梁150、152位置的基本刚性的梁154 在中央相连接。刚性梁154的存在提供了一个边界条件，使得梁的中 心必须是0斜率，从而防止“S形”模式的形成。

为使双梁形状正确地弯曲，两个梁的弯曲应该相同。前面的实施 例是通过把两个梁连至相同的活动零件而做到这一点，因此两个梁共 用一个或两个支座156，如图11所示。这样一来两个梁150、152就 无法独立弯曲。在另一种如图12所示的实施例中，可以采用单独的 活动支座160、162，但移动支座160、162的致动器500与两个可调 节的压缩器172相连接。因此如图12所示，使梁弯曲的楔形块172 被刚性连在一起，所以它们被同一个致动器500所推动。

致动器204的数目和位置(见图3)还可确定梁是否通过一次弯 曲模式或通过较高次弯曲模式来转换状态。在单梁102转换的情况下， 如果各个力是加在背离梁102中心的方向而且是同时加上的，则不容 易形成S形模式。如果一个致动器先于另一个致动器被触发，则有利 于S-形模式的形成，这样易于减小转换状态所需的总合力。

在采用稳定梁的应用中，应考虑到系统的要求来确定单梁还是双 梁结构最有利。即使在一种应用内(如平面波导光学开关)，最佳的 结构也与设计有关，而且通常要采取折衷的办法。例如，一个带活动 波导平台和与单个双稳定梁的一边相连的致动器(见图5)的平面波 导开关，其设计容易将固定波导连至活动平台，梁的压缩机构也比较 简单。

虽然以上说明是结合各种典型实施例进行的，但本专业技术人员 显然知道，可以作许多替换、修改和改变。因而，本申请将包括依据 其思路和范畴的所有此类替换、修改和改变。