[发明专利]微致动器和锁定开关

说明书

技术领域

本发明涉及对微动开关，如继电器特别有用的微致动器，更具体 地，涉及使用这种微致动器的锁定微动开关的阵列。

发明背景

微机电系统(MEMS)是使用标准的半导体工艺建立的非常小的 可动机械结构。MEMS可设置为用作适用于许多种应用的致动器。这 些致动器通常具有几百微米的长度，且常常具有仅几十微米的宽度。 MEMS致动器通常构造和设置为悬臂的形式，其具有附连到衬底上的 一端，以及可以在至少两个位置之间移动的相对的自由端，其中一个 位置是中间位置，其它的位置是偏转位置。

MEMS致动器的一个可行的用途是将其构造为开关。这些开关可 为锁定开关，即继电器。这些开关由至少一个致动器构成。在多个致 动器的情况下，它们顺次运作，以便将其各部分其中之一连接或释放 到另一相配合的致动器上的类似部分上。因为它们都非常小，所以可 将大量的MEMS开关设置在单个芯片上。

MEMS开关具有很多优点。尤其它们很廉价，并且如人们注意到 的那样是非常小的。通常情况下，其耗电量极小且其响应时间极短， 举例来说，关闭或打开MEMS开关的完整序列可能仅仅为几毫秒。

典型的致动器基于一对臂，其中一个是所谓的“冷”臂，另一个是 所谓的“热”臂，两者都在一端处锚接到衬底上的层，并且在其相对端 处刚性地连在一起。注意，热臂通常是自其开口端处的两个锚部延伸 的开口端细线环，且在其封闭端处延伸到大约冷臂的端部。另外，通 常，冷臂和热臂是电隔绝的。开关触点通常附连到冷臂上，且位于梁 被连接的位置附近

通过在被称作“锚垫”的成对端子之间施加电势差使臂开始偏转， 其将热臂锚接到衬底上。这是用于致动器的控制信号。该电势差在热 臂中引起通过焦耳加热而升高其温度的电流。取决于所使用的材料， 这种加热最终导致热臂的一部分收缩或伸长。目前，用于热臂的首选 材料是镍合金，因为其有大的热膨胀系数，合理的导电性，且易于利 用电镀技术来处理。假设冷臂未被有意加热且因此尺寸不会变化，则 所产生的热臂和冷臂的梁的尺寸上的差异(在加热前最初尺寸相同)将 在臂被连接的端部处产生横向位移。

致动器可具有一个或多个热臂以及一个或多个冷臂，这取决于设 计。这种致动器设置成以便形成可以选择性地打开和关闭的开关。

在2002年6月18日授予Wood等人的美国专利6,407,478中公开 了一个示例性的这种致动器，其通过引用而以类似于在本文中完整地 阐述的方式结合在本文中。Wood等人还公开了使用具有对温度响应 的一个或多个梁部件的微机电器件的简化开关和开关阵列。例如，微 机电器件包括第一梁部件和第二梁部件，它们具有连接在锚部上的相 应的第一端，并且例如在其与该锚部相对的端部附近连接在一起。通 过使第一梁部件和第二梁部件连接在一起，它们形成环路。第一梁部 件和第二梁部件通过第一拴系锚部(tether anchor)而连接到绝缘拴系件 上。该微机电器件还包括第三梁部件，其具有连接到锚部上的第一端， 并且通过第二拴系锚部而连接到绝缘拴系件上。第一梁部件和第二梁 部件中的至少一个梁部件构造成当将第一梁部件和/或第二梁部件加 热到高于第三梁部件的温度时可伸长。因此，第一梁部件和第二梁部 件形成热臂，而第三梁部件为冷臂。通过用两个梁部件携带控制电流 来加热这两个梁部件中的一个或二者，微机电器件可使由第一梁部件 和第二梁部件限定的控制信号路径与由第三梁部件限定的负载信号 路径电隔离开。这种致动器在本领域中被称为“热致致动器”。

微机电闭锁开关，即继电器，可利用附连到衬底上的一对开关触 头和上述第一致动器和第二致动器来形成。第一致动器具有连接到衬 底上的第一端，且具有连接到其上的触头。第一致动器还包括附连到 该触头上的第一突出部。第一致动器可操作，以响应于电流而偏转； 第二致动器具有连接到衬底上的第一端，并且具有连接到其上的第二 突出部。第二致动器可操作，以响应于电流而偏转。第一致动器和第 二致动器定位成使得当第一突出部在成对的开关触点和第二突出部 之间与第二突出部相接合时，该触点与该对开关触点电连接。此外， 当第二突出部在该对开关触点和第一突出部之间与第一突出部相接 合时，该触点不与该对开关触点电连接。这种继电器的阵列可类似地 形成于单个衬底上。