具有受控的电极关断状态位置的MEMS器件

申请号 CN200780045825.3 申请日 2007-12-10 公开(公告)号 CN101558006A 公开(公告)日 2009-10-14
申请人 NXP股份有限公司; 发明人 彼得·G·斯滕肯;
摘要 本 发明 涉及MEMS器件,其包括:第一 电极 和第二电极,第二电极借助于悬挂结构而悬起并距第一电极一定距离。MEMS器件还包括至少一个 变形 电极。当通过变形电极施加静电变形 力 时,第二电极和悬挂结构之一或这二者能够塑性变形。这样,可消除在制造不同的器件或操作单个器件期间出现的第二电极的关断状态 位置 的改变。
权利要求

1.一种微机电系统器件,以下被称作MEMS器件(100),其 包括:
衬底上的第一电极(102),
第二电极(106),其处于没有开关被施加到第二电极的关断 状态位置,第二电极借助于悬挂结构(108)而悬起并距第一电极一 定距离,并且当通过第一电极施加了开关力时第二电极能够以弹性方 式切换到接通状态位置,以及
至少一个变形电极(112.1至112.4),
其中,当通过至少一个变形电极将静电变形力施加到第二电极 (106)和悬挂结构(108)之一或施加到这二者时,第二电极和悬挂 结构之一或这二者能够塑性变形。
2.如权利要求1所述的MEMS器件,其中,悬挂结构(108) 包括至少一个弹簧(108.1至108.4),并且其中,当通过所述至少一 个变形电极(112.1至112.4)施加变形力时,所述弹簧能够塑性变形。
3.如权利要求2所述的MEMS器件,其中,弹簧(108.1至108.4) 的数量对应于变形电极(112.1至112.4)的数量,并且其中,弹簧和 变形电极被以一对一的结构彼此相关地布置。
4.如权利要求2所述的MEMS器件,其中,弹簧包括
5.如权利要求1所述的MEMS器件,其中,第二电极具有可 通过暴露于热能而被降低的屈服应力
6.如权利要求1所述的MEMS器件,其中,至少一个变形电 极(112.1至112.4)与第一电极相同,或者与第一电极(102)直接 电连接。
7.如权利要求1所述的MEMS器件,包括一个或多个突出,所 述一个或多个突出到达存在于各个悬挂结构之下并在悬挂结构与变形 电极之间的间隙。
8.如权利要求1所述的MEMS器件,其包括至少一个变形控制 接触元件(1006),该至少一个变形控制接触元件与至少一个变形电 极相连接以将变形电极与外部调节装置(1200)相连接。
9.如权利要求1所述的MEMS器件,其包括两个电容测量接触 元件(1008),这两个电容测量接触元件分别与第一电极和第二电极 相连接,用于将第一电极和第二电极与外部测量装置(1200)相连接 以确定第一量,该第一量取决于由处于关断状态的第一电极和第二电 极所形成的结构的关断状态电容。
10.一种电子装置,包括如权利要求1所述的MEMS器件,所述 的MEMS器件与集成电路(1002,1004)相连接。
11.如权利要求10所述的电子装置(1000),包括变形控制单元 (1002),该变形控制单元与至少一个变形电极(112.1至112.4)相 连接,并且被构造来产生变形电压并把变形电压提供给至少一个变形 电极。
12.如权利要求10所述的电子装置(1000),包括变形控制单元 (1002),该变形控制单元与第一电极和第二电极相连接,并且被构 造来确定第一量的值,所述第一量取决于由处于关断状态的第一电极 和第二电极所形成的结构的关断状态电容。
13.一种用于对MEMS器件(100)的悬挂电极的关断状态位置 进行调节的调节装置(1200),包括被构造来产生预定的变形电压的 变形控制单元(1202)、以及被构造来将变形电压提供给外部MEMS 器件(1000)的外部变形控制接触元件(1006)的输出单元(1204)。
14.一种制造如权利要求1所述的MEMS器件的方法(1300), 包括以下步骤:
将变形电压施加给至少一个变形电极(1308),因此使第二电极 塑性变形,直到第二电极达到了目标关断状态位置。
15.一种操作权利要求10所述的电子装置的方法(1100),包括 以下步骤:
将变形电压施加给至少一个变形电极(1108),因此使包括在所 述电子装置中的MEMS器件的第二电极塑性变形,直到达到了第一量 的目标值。

说明书全文

技术领域

发明涉及一种微机电系统器件,以下称作MEMS器件。本发 明还涉及一种包括与集成电路相连接的MEMS器件的电子装置、一 种制造MEMS器件的方法、以及一种用来对包括与集成电路相连接 的MEMS器件的电子装置进行操作的方法。

背景技术

US2005/0162806A1公开了一种在射频(RF)条件下工作的 MEMS器件。该MEMS器件包括第一电极和可变形第二电极。第二 电极可通过暴露于热能环境下而塑性变形。这样,MEMS器件的电 特性可被调节。可变形第二电极还可弹性变形以调节电特性。
在制造MEMS器件过程中,在悬起的第二电极中会出现应, 这导致第二电极中出现通常所不期望的塑性变形。这种不期望的应力 和塑性变形的众多原因中的一个是,MEMS器件的热膨胀系数与 MEMS器件的衬底的热膨胀系数不同。其后,在制造或封装工艺中 高温步骤导致了应力。不同材料的层也可导致应力,这些层与MEMS 器件接触并且在沉积后具有不同平的应力。已经观察到应力还由毛 管力导致,毛管力在MEMS器件制造过程中的湿法处理步骤之后对 MEMS器件进行烘干期间产生。而且,应力还会由沿着第二电极的 液流或气流导致。
在操作MEMS器件的过程中,应力会作为器件上的高致动作用 力或接触力的结果、MEMS器件及其衬底间存在不同热膨胀系数的 情况下的热循环的结果、或蠕变的结果而出现。蠕变被公知为这样一 种趋势:材料塑性变形以释放比屈服应力水平低而长时间施加的应 力。屈服应力水平是材料开始塑性变形的应力水平。塑性变形是响应 于所施加的力而发生的不可逆的形状改变。

发明内容

根据本发明的第一方面,提供一种MEMS器件,其包括:
第一电极,
第二电极,其处于没有开关力被施加到第二电极的关断状态位 置,第二电极借助于悬挂结构而悬起并距第一电极一定距离,并且当 通过第一电极施加了开关力时第二电极能够以弹性方式切换到接通 状态位置,以及
至少一个变形电极。
当通过至少一个变形电极将静电变形力施加到第二电极和悬挂 结构之一或施加到这二者时,第二电极和悬挂结构之一或这二者能够 塑性变形。
MEMS器件的第二电极的不期望的塑性变形导致了开路电容 (open capacitance)的改变,开路电容在此也被称作关断状态电容。 关断状态电容取决于第一电极和第二电极之间的距离。由于第二电极 的塑性变形改变了第一电极和第二电极之间的距离,因此其改变了 MEMS器件的开路电容。而且,在存在第二电极的不期望的塑性变 形的情况下,弹性吸合和释放(即,弹性开关)第二电极所需的电压 不同于所期望的目标值。因此,术语“弹性开关”指的是在不改变第 二电极的关断状态位置的操作期间第二电极的典型的吸合和释放运 动。
在MEMS器件制造完成之后的小变形通常不是问题。然而,制 造工艺的小改变可能导致在相同设计(例如,在相同的晶片上或不同 的晶片上)的不同MEMS器件之间存在很大不同。
本发明的第一方面的MEMS器件通过提供了至少一个变形电极 和以下结构而克服了这种不同,所述结构是,当通过所述至少一个变 形电极对第二电极和第二电极的悬挂结构之一或这二者施加静电变 形力时,第二电极和第二电极的悬挂结构之一或这二者能够弹性变 形。因此,在本发明的MEMS器件中,能够借助对第二电极的塑性 变形产生影响的静电力来调节第二电极的关断状态位置。
这为US2005/0162806A1中所述的通过施加热能来实现第二电 极的塑性变形的MEMS器件提供了有利的可选技术。能够以更好的 精度来控制用于第二电极的塑性变形的静电力。因此,在本发明的 MEMS器件中可实现更高精度的塑性变形。尤其是,因为能够在纳 秒甚至皮秒内非常快速地执行电开关,所以能够以非常高的精度控制 通过所述至少一个变形电极施加静电变形力的持续时间。相反,施加 热能伴随有较长且因此难以被控制的时间常数。用于第二电极的塑性 变形的静电力的第二个优点是比使用热能的变形消耗了更少的能量
与US2005/0162806A1中所公开的MEMS器件相比,本发明的 MEMS器件还实现了允许使用简单的第二电极结构。为了在施加热 能时实现期望的塑性变形,US2005/0162806A1必须需要由具有热膨 胀系数不同的层的层序列制造的第二电极,而本发明的MEMS器件 中不需要如此。这将在对以下实施例的描述的上下文中进一步阐明。
在下文中将描述本发明的第一方面的MEMS器件的实施例。除 非另外明确地声明,所述实施例能够彼此结合。
在一个实施例中,悬挂结构包括至少一个弹簧。当通过所述至 少一个变形电极施加变形力时,所述至少一个弹簧能够塑性变形。将 塑性变形集中在悬挂结构上允许施加相当低的静电力来实现塑性变 形。优选地是,弹簧被以机械方式通过一个锚固定到衬底上。
而且,对于在悬挂结构中使用一个以上的弹簧的实施例,弹簧 数量优选地对应于变形电极的数量。该实施例的弹簧和变形电极被以 一对一的结构彼此相关的布置,以允许通过各个被分配的变形电极来 精确控制每个弹簧的变形。选择变形电极的位置,从而允许通过施加 适当的静电力来使各个弹簧塑性变形。
可通过将适当的电压施加到变形电极来设置所期望的变形力的 量。在可选实施例中,可通过对变形电极的位置和尺寸进行精确设计 来设置所期望的变形力的量。在此情况下,变形将取决于变形电极上 的电压超过特定值之后的变形电极上的电压。该实施例的优点是只需 要较低精度的电压控制。
第二电极或悬挂结构在通过至少一个变形电极施加静电变形力 时的塑性可变形能力意味着使用了在施加静电力时可变形的材料。用 于悬挂结构(尤其用于弹簧)的适当材料是Al。铝具有相对低的 屈服应力值。因此,铝能够容易地塑性变形。而且,铝具有高电导率。 而且,具有其它材料的铝合金,例如具有0-10的重量百分比的的 AlCu合金具有这些良好的特性。
在另一实施例中使用和铝不同的金属。可根据期望的屈服应力 值且根据期望的电导率来选择该金属。而且,不同金属的合金可被用 于悬挂结构,尤其是用于弹簧。本领域技术人员已知其它适当的材料。 例如,Cu、Ni、Au和Ag。
本发明的第一方面的MEMS器件的另一实施例包括布置在第一 电极和第二电极之间的电介质。通过在第一电极和第二电极之间提供 电介质,与仅在第一电极和第二电极之间使用气隙的实施例相比, MEMS器件的电容可提高。如果电介质材料的材料特定介电常数大 于空气的介电常数,即,大于大约为1的介电常数,则电容随着电介 质材料的材料特定介电常数提高。该电介质尤其可被用于MEMS变 容二极管。而且,该电介质可防止第一电极和第二电极彼此接触。该 电介质防止了直流电流流动,但是将传递高频RF电流。这对于维持 位于闭合状态下的电极之间的直流致动电压是必需的。
所述电介质例如可以是电介质层。在一个实施例中,电介质层 沉积在第一电极上。在该实施例中,优选地是,第二电极在距该电介 质层一定距离的关断状态位置和与电介质层直接接触的接通状态位 置之间可弹性变形。与电介质直接接触的接通状态位置允许在针对给 定MEMS结构的接通状态下实现最大可能电容。在另一实施例中, 电介质层沉积在第一电极和变形电极二者之上。类似地,电介质可防 止悬挂结构与变形电极之间出现直流电流。
在一些实施例中,本发明的第一方面的MEMS器件的第二电极 可由单层制造。注意,单层结构是有利的选择,但不是本发明的MEMS 器件的要求。单层结构是有利的,这是因为单层结构易于制造,并且 因为单层结构对由于在器件工作期间环境温度变化而导致的器件工 作期间的弹性变形或塑性变形不太敏感。
在一个实施例中,第二电极由于暴露于热能而能够附加地变形。 在该实施例中,热能和电能的组合可被用于实现期望的变形。例如, 可通过施加热能来提供比第二电极的屈服应力的量低的机械应力的 基本量。其后,可通过变形电极施加附加应力量作为静电力,因此仅 当同时施加了这两种力才会超过屈服应力的量。这样,保持了上述通 过施加静电力来使第二电极塑性变形的优点。该实施例具有进一步的 优点,即,使第二电极暴露于热能来降低其屈服应力。在高温下,金 属的屈服应力通常降低。如果之后第二电极同时被施加静电力,则只 需要较少的静电力来超过屈服应力。
在US2005/0162806A1中公开了如何通过使第二电极暴露于热 能来实现塑性变形的细节,US2005/0162806A1以引用的方式并入本 文。尤其是,具有热膨胀系数不同的不同材料层的第二电极的层状结 构是有用的。例如可通过将电流或电流脉冲施加到第二电极来加热第 二电极。
在一个实施例中,至少一个变形电极与第一电极相同。换言之, 第一电极和变形电极形成了一个部分。可选地,至少一个变形电极与 第一电极直接电连接。在该实施例中,应该注意用来产生开关力的致 动电压未导致塑性变形。仅当施加比用来施加开关力的致动电压更高 的电压时才应该达到第二电极的屈服应力。
相反,在具有一个或多个与第一电极分开的变形电极的实施例 中,可选择相同数量级的变形电压作为用来施加开关力的致动电压, 该致动电压在此也被称作操作电压。有利的是降低了可能在高电压下 出现的电荷注入或击穿。
注意,因为所施加的静电力总是有吸引力的,所以在没有进一步 的措施的情况下,该方法不适于降低电容或提高吸合电压。为了解决 该问题,一个实施例具有一个或多个突出,所述一个或多个突出到达 间隙,换言之,到达了存在于各个悬挂结构之下的悬挂结构和变形电 极之间的空间。在一个实施例中所述突出被放置在悬挂结构底部。在 存在电介质层的一个实施例中,所述突出可达到电介质层和悬挂结构 之间的空间。
在本发明的上下文中所述突出的功能如下:如果对变形电极施加 了适当的变形电压,则悬挂结构将首先接触所述突出。如果变形电压 进一步提高,则悬挂结构将围绕所述突出弯曲或在所述突出之间弯曲, 并且最终将变形。通过选择悬挂结构和所述突出的适当的位置和几何 结构,悬挂结构可在适当的方向上弯曲以降低电容或提高吸合电压。 因此,即使静电力总是有吸引力的,此方法也允许通过将适当的变形 电压施加到变形电极来控制开路电容的下降和吸合电压的提高。这可 被用于消除工作、加热、或加工期间的电容提高效应。
在一个实施例中该结构被用于在两个方向上(向着较高的值和向 着较低的值)提供对电容和吸合电压的调整能力。在低于使所述突出 变得有效的阈值电压的变形电压区间中,电容可提高。在变形电压的 阈值以上,电容可降低。
根据本发明的第二方面,提供一种电子装置,该电子装置包含与 集成电路相连接的根据本发明的第一方面或其实施例中的MEMS器 件。
第二方面的电子装置的优点与本发明的第一方面的MEMS器件 的优点相对应。
以下将描述电子装置的实施例。如前所述,除非另外明确地声明, 实施例能够彼此结合。
在一个实施例中,本发明的第二方面的电子装置包含一个变形控 制单元。该变形控制单元与第一电极相连接并且被构造来产生变形电 压,并把变形电压提供给至少一个变形电极。该实施例也允许在电子 装置工作期间调节第二电极的关断状态位置。因此,可纠正在电子装 置工作期间可能出现的不期望的变形,例如由于热循环而产生的变形。 因此,电子装置具有被精确控制且电参数(诸如,关断状态(或开路状 态)电容和吸合电压)可靠的MEMS器件。
在被提供作为具有变形控制单元的前一段落的实施例的可选实施 例或附加实施例的另一实施例中,电子装置包括变形控制单元,该变 形控制单元与第一电极和第二电极相连接,并且被构造来确定取决于 由处于关断状态的第一电极和第二电极所形成的结构的关断状态电容 的第一量的值。该实施例具有这样的优点,即,可基于被确定的第一 量的值来以高精度确定所需要的塑性变形量。在一个实施例中,电子 装置的变形控制单元被构造来将被确定的第一量的值通知到外部调节 装置。在另一实施例中,变形控制单元被构造来在内部提供被确定的 第一量的值。因此,该实施例的电子装置形成了与前一段落的电子装 置的组合。确定第一量的值和调节第二电极的关断状态位置允许必需 的调节,而不必使用电子装置之外的装置形式的额外工具。然而,要 注意的是,还可在不确定关断状态电容的情况下确定第一量的值和调 节第二电极的关断状态位置。对于某些应用,足够地是将第二电极的 关断状态位置复位。在以下对图7至图9的讨论中将示出:施加适当 的变形电压将导致第二电极变形到独立于之前的关断状态位置的某一 关断状态位置。
在另一实施例中,变形控制单元被构造来将变形电压设置为与第 一量的目标值和所确定的第一量的值之间的差成比例。为此,变形控 制单元例如可包含振荡器电路,振荡器电路包含有作为电容的MEMS 器件且在第一量的期望值或目标值处共振。在该示例中,可基于振荡 器的输出信号幅度来调节变形电压,并且当环形振荡器的输出信号幅 度低于共振期间出现的最大输出信号幅度时,变形电压获得了较大值。
MEMS器件形成了功能模的一部分,其它参数还可被用作变形 处理的反馈。例如,在功率放大器前端,可通过施加适当的变形电压 来优化输出功率效率。
由于在封装过程中会导致不期望的变形,所以在一个实施例中提 供具有至少一个变形控制接触元件的电子装置是有用的,该至少一个 变形控制接触元件与至少一个变形电极相连接以将变形电极与外部调 节装置相连接。这样,可通过封装后的非常简单的过程来消除根据本 发明的第二方面的不同电子装置间的变化和展开。
如果在通过外部调节装置施加变形电压之前期望更详细的信息, 那么,电子装置可被装配有两个电容测量接触元件。电容测量接触元 件分别与第一电极和第二电极相连接,并且用于将它们与外部测量装 置相连接以确定第一量,该第一量取决于由处于关断状态的第一电极 和第二电极所形成的结构的关断状态电容。
根据本发明的第三方面,提供一种调节装置来调节MEMS器件的 悬挂电极即第二电极的关断状态位置。调节装置包括变形控制单元, 其被构造来产生预定的变形电压。调节装置还包含输出单元,输出单 元被构造来将变形电压提供给MEMS器件的外部变形控制接触元件。
本发明的当前方面的调节装置可以用于消除在制造和封装根据本 发明的之前的方面的电子装置或MEMS器件时出现的变化和展开。
在一个实施例中,调节装置包括测量单元,其被构造来确定第一 量的值,该第一量的值取决于处于关断状态位置的外部MEMS器件的 第一电极和第二电极所形成的构造的关断状态电容。
根据本发明的第四方面,用于制造本发明第一方面或其实施例之 一的MEMS器件的方法包括这样的步骤:将变形电压施加到至少一个 变形电极,从而塑性形成第二电极,直到第二电极达到目标关断状态 位置。本发明的当前方面的方法允许降低或消除制造期间在不同的 MEMS器件之间的变化和展开。
在不同的实施例中,在封装MEMS器件的步骤之前或之后,执行 施加变形电压的步骤。在封装步骤的热负荷足够低的情况下,可在封 装步骤之前施加变形电压。在该实施例中,MEMS器件不需要被提供 变形控制接触元件,该变形控制接触元件帮助将封装器件中的针脚或 焊盘之类的接触元件的数量保持得较低。然而,在封装步骤期间的热 应力可导致在不同的MEMS器件中出现不期望的变形或关断状态位置 的展开的情况下,优选地是在封装之后施加变形电压。
在一个实施例中,在施加变形电压之前执行这样的步骤:确定第 一量的电流值,该第一量取决于处在关断状态位置的MEMS器件的第 一电极和第二电极所形成的结构的关断状态电容。
根据本发明的第五方面,提供一种用于操作根据本发明的第二方 面的电子装置的方法。该方法包括这样的步骤:将变形电压施加到至 少一个变形电极,从而使包括在电子装置中的MEMS器件的第二电极 塑性变形,直到达到第一量的目标值。
本发明的第五方面的方法允许根据MEMS器件的期望的开路电 容或吸合电压来对第二电极的关断状态位置进行复位或调节。
在一个实施例中,操作电子装置的方法包括确定第一量的电流值, 该第一量取决于处在关断状态位置的MEMS器件的第一电极和第二电 极所形成的结构的关断状态电容。该实施例规定了测试MEMS器件以 确定是否需要施加变形电压。还允许确定要被施加的变形电压的最适 当的值。
在一个实施例中,通过外部电压源产生变形电压,并将变形电压 施加到变形电极。
在另一实施例中,通过包括在电子装置中的电压源来产生变形电 压,并将变形电压施加到变形电极。
还在从属权利要求中定义了本发明的实施例。应该理解,权利要 求1的MEMS器件和权利要求11的电子装置具有在从属权利要求中限 定的类似的和/或相同的实施例。
附图说明
以下将参照附图来更详细地描述本发明,其中:
图1示出了根据本发明的实施例的MEMS器件的示意性俯视 图;
图2至图4示出了作为概念证明的在不同状态下以静电方式致 动两个被夹住的条的有限元件仿真的结果;
图5和图6是示出了MEMS器件的电容与施加到图2至图4的 结构中的变形电极上的电压的相关性图表;
图7和图8示出了作为概念的另一证明的在不同状态下以静电 方式致动两个被夹住的条的有限元件仿真的结果;
图9示出了用于图7和图8所示的结构的与图5和图6的图表 相类似的图表;
图10示出了根据本发明的实施例的电子装置的示意图;
图11示出了用于操作电子装置的方法的实施例;
图12示出了调节装置的实施例;以及
图13示出了制造根据本发明的实施例的MEMS器件的方法的 实施例。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的实施例的MEMS器件100的示意性俯 视图。该MEMS器件布置在衬底(未示出)之上。该MEMS器件100 包括布置在衬底上的第一电极102。第一电极在此还被称作底电极。 底电极102可与用来通过开关线104施加开关电压的内部电压源或外 部电压源相连接。第二电极106在此还被称作顶电极,其被布置在底 电极102之上。顶电极106借助于悬挂结构108悬起并距底电极一定 距离,悬挂结构108包括四个弹簧108.1至108.4。这四个弹簧由两 个U形铝片形成,这两个U形铝片被布置在顶电极106的相对横向 边106.1和106.2上。U的底部由各个锚结构110.1和110.2支撑。该 锚结构110.1和110.2也由铝制成。锚结构110.1和110.2被布置在 大约为第一电极的横向扩展的中心,该横向扩展等于U形悬挂结构 的横向扩展。
更明确地说,悬挂结构108的U形是矩形U形。悬挂结构108 用它们的顶侧附到顶电极106。注意,可在一个步骤中制造顶电极、 悬挂结构108、和锚110.1和110.2。MEMS器件还具有四个变形电 极112.1至112.4,它们被布置在四个弹簧108.1至108.4的各个部 之下。变形电极112.1至112.4被布置在衬底上并且在横向上距底电 极102一定的距离。可通过相应的变形控制线114、116、118、和120 来将变形电压施加给变形电极112.1至112.4。在本实施例中,全部 变形控制线以相同的电压并行操作,并且因此彼此连接。在另一实施 例中,变形控制线彼此独立地工作,并且因此未彼此连接。
底电极102和顶电极106在横向上为正方形。在本实施例中, 底电极被覆盖有电介质层(未示出)。注意,不需要存在电介质层。 取决于所期望的应用可忽略电介质层。
当通过开关线104将开关电压施加到底电极102时,可将有吸 引力的静电开关力施加到顶电极106。由于可通过四个弹簧108.1至 108.4而弹性变形,顶电极106能够朝着底电极移动。底电极和顶电 极之间的吸引力导致与顶电极耦接的四个弹簧108.1至108.4的可逆 弹性变形。
只要将开关电压施加到底电极102,顶电极106就保持在距底电 极102一个特定距离的关断状态位置。顶电极106的关断状态位置确 定了关断状态电容,也被称作MEMS器件的开路电容,众所周知, 平板电容器的电容与平板之间的距离成反比。在本情况下,平板分别 与顶电极106和底电极102相对应。与底电极102相关的顶电极106 的关断状态位置还确定了MEMS器件的吸合电压。吸合电压可被描 述为使顶电极106与底电极102的顶部的电介质层相接触的必须被施 加的最小电压。这样的描述应用于电压从0向上升压缓慢的情况。如 果电压例如作为阶梯函数被非常快地施加,则开关在低于上述吸合电 压的电压下可能已经闭合。
如在本说明书中早先所述,与底电极102相关的顶电极106的 关断状态位置,即,两个电极之间的距离,可由于制造期间的小工艺 变化而在不同MEMS器件之间改变。所述关断状态位置还可由于操 作期间的不同效应而在单个器件中随时间变化,所述不同效应诸如器 件上的高致动或接触力、高速冲击、在器件的不同结构的元件中的热 膨胀系数存在失配时的热循环、以及蠕变。通过将适当的变形电压施 加到变形电极112.1至112.4,可校正或消除顶电极106的关断状态 位置的这种不期望的变化。以下将参照图2至9来更详细地进行说明。
以下描述将同时参考图2至图6。图2至4示出了作为概念证明 的在不同状态下以静电方式致动两个被夹住的条的有限元件仿真的 结果。图5和图6是示出了MEMS器件的电容与施加到图2至图4 的结构中的变形电极上的电压的相关性的图表。
图2至图6代表了通过以静电方式致动两个被夹住的条的有限 元件仿真而实现的概念的证明,两个被夹住的条对应于悬挂结构 108。所使用的材料参数为:所述条由具有杨氏模量Y=70GPa,泊松 比v=0.33,屈服应力=30MPa的铝,条长度=390微米,条宽度=400 微米,条厚度=2.6微米,间隙(到底电极的距离)=1微米,以及作 为电介质层的1微米的SiN的材料制成。为了仿真起见,采用切线 模量ETiso=25MPa的各向同性硬化模型。假定是连续的底电极和理想 的夹持。
注意,前述材料参数中的一些稍微偏离了铝(Al)的材料参数。 然而,当使用铝的实际屈服应力和切线模量时导出了性质上相当和同 样有用的结果。
图2示出了在其原始关断状态位置的仿真的条206。图3示出了 当向底电极(图2至图4中未示出)施加了25V的致动电压时的条 206的形状。如图所示,条被塑性变形,并且从其关断状态位置移动 大约1微米。
注意,图2至图4仅示出了条的横向伸展的一半。这些图中未 示出的另一半的动作对应于仅以镜像部分示出的部分。
图4示出了当将致动电压从25V降低回0V时的图2和图3的 条。而且,条206与其图2中的原始形状相比被示出了实际形状。如 从图中清楚可见,条已经塑性变形并且没有返回到其最初位置。
该动作也被反映在图5和图6二者的图表中,在图2至图4的 内容中描述的用于仿真的电容器结构的开路电容C被作为从0V进到 25V并且回到0V的电压循环期间的致动电压Vact的函数而被计算。 该循环的方向在图5和图6的按箭头方向的曲线中示出。为了在此讨 论,更重要的是在施加了25V的电压之后,该结构的电容曲线与致 动电压的向上弯曲相比较被移位到较高的电容值。在最大致动电压为 30V的情况下,该效应是更加清晰可见的。在此情况下,在返回到 0V之后,与电压循环之前的大约1.2pF相比,开路电容大约为1.8pF。
图7和图8示出了作为概念的另一证明的在不同状态下以静电 方式致动两个被夹住的条的有限元件仿真的结果。图9示出了用于图 7和图8所示的结构的与图5和图6的图表相类似的图表。
在图7至图9的图形表示之下的仿真的基本参数等同于用于图2 至图6的基本参数。然而,与图2的情况下相比,对于本情况,示出 了条206最初的塑性变形。这可能是由于早先描述的加工或操作条件 而导致的。图8示出了从0V进到25V并且回到0V的电压循环之后 的条206的位置。如从图8和图4可见,电压循环之后的条206的塑 性变形基本上是相同的。这意味着电压循环之后的塑性变形某种程度 上是独立于最初的塑性变形的。即,最终的塑性变形不涉及条206 最初是否处在塑性变形的形状。该效应消除了由于不同器件之间的制 造工艺的不同导致的最初的变形。独立于最初的变形的情况,可通过 施加适当的变形电压来使最初的变形成为相同的变形状态。
图10示出了根据本发明的实施例的电子装置1000的示意图。 图10的简化的框图基于图1的实施例,并且使用了用于底电极102 和变形电极112.1至112.4的相同的开关图。另外,电子装置1000 具有变形控制单元1002。变形控制单元1002与变形电极112.1至 112.4相连接。变形控制单元1002被构造来产生变形电压,并把变形 电压提供给变形电极112.1至112.4。
图10所示的电子装置还包含测量单元1004,测量单元1004与 第一电极和第二电极相连接(为了简化图示,图10中未示出与第二 电极的连接),并且被构造来确定第一量的值,该第一量取决于处在 关断状态位置(即,当未施加开关电压时)的底电极102和顶电极 106所形成的结构的关断状态电容。变形电压的电压量在第一实施例 中被预设为固定值。在此实施例中,不需要测量单元1004。以下将 参照图11来详细描述图10的电子装置1000的操作。
图11示出了用于操作电子装置的方法的实施例。图11中的操 作方法1100具有第一步骤1102,在该步骤中,操作MEMS器件。 在下一步骤中,测量单元1104确定第一量的值,该第一量取决于由 底电极102和顶电极106所形成的结构的关断状态电容。该第一量例 如是吸合电压。在步骤1106中将测量结果与所期望的目标值相比较。 如果测量结果等于目标值或在距目标值的预定偏离间隔内,则在步骤 1102中继续对MEMS器件的操作。如果其偏离目标值,则在步骤1108 施加变形电压,之后重复测量步骤1104。在仍然未达到目标值的情 况下,可以提高的变形电压来重复施加目标电压的步骤。在施加变形 电压的步骤之后达到目标值的情况下,在步骤1102继续正常操作。
将图11中的流程图简单描述如下:
步骤1102:操作MEMS器件
步骤1104:确定开路电容
步骤1106:确定的开路电容=目标?
步骤1108:施加变形电压。
图12是示出了调节装置的实施例的简化框图。图12的调节装 置1200具有变形控制单元1202,变形控制单元1202结合了图10的 电子装置的变形控制单元1002和测量单元1004二者的功能。然而, 调节装置是在制造电子装置或MEMS器件的过程中被使用的单独的 装置,以便调节顶电极的关断状态位置,并且因此调节MEMS器件 的开路电容和吸合电压。提供一个输出单元1204,其被构造来将由 变形控制单元所产生的变形电极应用于与图10的电子装置相类似被 封装的电子装置的针脚或接触焊盘。提供测量接口1206,测量接口 1206用于连接到第一电极和第二电极以在它们之间施加电压,并且 具有相应的输入端以检测测量吸合电压期间的MEMS器件的响应。 注意,图12的调节装置中不需要提供通过吸合电压测量开路电容的 功能。其也可被省略。还有其它方式来测量开路电容。
图13示出了制造电子装置的方法的实施例。制造方法1300具 有第一步骤1302,在该步骤期间,制造电子装置的MEMS器件和电 子电路。可使用已知的工艺技术来进行制造。在步骤1302之后,以 芯片的形式或彼此连接的多个芯片的形式来提供电子装置。其后在步 骤1304封装该芯片或多个芯片。在可选的步骤1306,测量电子电路 的开路电容或吸合电压。在该步骤中,可确定制造出的装置是否全部 适合用来操作。在步骤1306之后可将不适当的装置归类。如果装置 被确定为适当的装置,则其趋向于被用作调节装置,调节装置将变形 电压施加到变形电极以调节顶电极的关断状态位置。
将图13中的方法简单描述如下:
步骤1302:制造MEMS器件和电路
步骤1304:封装
步骤1306:确定开路电容
步骤1308:施加变形电压
尽管已经参照附图和前面的描述详细说明和描述了本发明,但 是,这些说明和描述应该被认为是说明性的和示例性的,而非限制性 的;本发明不限于所述实施例。
在实践所要求保护的本发明时,本领域技术人员可通过研究附 图、说明书和所附权利要求来理解和实现所公开的实施例的其他变 型。
在权利要求中,动词“包括”不排除其他元件或步骤,并且不 定冠词“一个”不排除多个。单个单元可充满权利要求中所引用的若 干项的功能。在互不相同的从属权利要求中引用某些措施的事实并不 意味着不能使用这些措施的组合来获得优点。
在权利要求中的标号不应该被理解为限制保护范围。
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