Электростатический мэмс ключ

Изобретение относится к микроструктурным микроэлектромеханическим системам. Электростатический микроэлектромеханический ключ содержит кремниевый кристалл со сформированным подвижным электродом в виде консоли с выполненными в ней симметричными щелевидными отверстиями, образующими гибкие поддерживающие балки разной длины, перпендикулярные друг другу, и подложку, на которой размещен, по меньшей мере, один неподвижный электрод и токовые шины, соединенную с кремниевым кристаллом с образованием зазора между подвижным и неподвижным электродами, причем подвижный электрод снабжен шунтом, закорачивающим токовые шины при контакте и расположенным со смещением относительно центра в сторону от свободного края подвижного электрода. Технический результат заключается в уменьшении напряжения управления МЭМС ключом и увеличении максимально допустимого тока коммутации. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к микроструктурным микроэлектромеханическим системам (МЭМС). Изобретение может быть использовано в качестве коммутационного устройства для приборов с маломощными источниками питания, например, такими как автономные станции мониторинга окружающей среды и промышленных объектов, аэрокосмической техники, бортовой аппаратуры.

Известно электростатическое микрореле по патенту США US 6396372 (МПК H01H 57/00, опубликован 26.11.2002 г.), состоящее из подложки, на которой расположены неподвижные электроды и токовые шины, и подвижной части, расположенной с некоторым зазором от неподвижной части, включающей подвижные электроды, закрепленные к неподвижной части гибкими балками, и шунт, закорачивающий токовые шины. Опорные балки в расположены таким образом, что при этом упругость подвижного электрода распределена равномерно.

К недостаткам устройства-прототипа относятся: значительное напряжение управления микрореле, возможность слипания шунта и токовых шин при коммутировании тока.

Наиболее близкой по совокупности существенных признаков к предлагаемому изобретению является конструкция МЭМС ключа, описанная в заявке США US 20060290443 (МПК H01P 1/10, опубликовано 28.12.2006 г.). Известный по этому патенту МЭМС ключ состоит из подложки, выполненной из диэлектрического или полупроводникового материала, на которой расположены управляющий электрод, высокочастотный электрод и один из концов подвижного электрода, подвижная часть которого расположена параллельно поверхности управляющего электрода с зазором между ними. Указанные электроды выполнены из электропроводящих материалов (полупроводники и металлы). В описанной конструкции предложен подвижный электрод с переменной силой упругости вдоль его длины. Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого изобретения, являются подвижный электродом в виде консоли с гибкими поддерживающими балками, и подложка, на которой размещен, по меньшей мере, один неподвижный электрод и токовые шины, соединенная с кремниевым кристаллом с образованием зазора между подвижным и неподвижным электродами, причем подвижный электрод снабжен шунтом, закорачивающим токовые шины при контакте.

Недостатками данного технического решения являются: высокое управляющее напряжение и низкий максимально допустимый ток коммутации.

Задачей изобретения является разработка электростатического МЭМС ключа с более низким управляющим напряжением и большим максимально допустимым током коммутации.

Технический результат заключается в уменьшении напряжения управления МЭМС ключом и увеличении максимально допустимого тока коммутации.

Для достижения вышеуказанного технического результата электростатический МЭМС ключ содержит кремниевый кристалл со сформированным подвижным электродом в виде консоли с выполненными в ней симметричными щелевидными отверстиями, образующими гибкие поддерживающие балки разной длины, перпендикулярные друг другу, и подложку, на которой размещен, по меньшей мере, один неподвижный электрод и токовые шины, соединенную с кремниевым кристаллом с образованием зазора между подвижным и неподвижным электродами, причем подвижный электрод снабжен шунтом, закорачивающим токовые шины при контакте и расположенным со смещением относительно центра в сторону от свободного края подвижного электрода. В качестве подложки используется кремниевая или металлическая плата, а неподвижные электроды изолированы.

От прототипа МЭМС ключ отличается тем, что в подвижном электроде в виде консоли выполнены симметричные щелевидные отверстия, образующие гибкие поддерживающие балки разной длины, перпендикулярные друг другу, а шунт, расположенный на подвижном электроде, смещен относительно центра в сторону от свободного края подвижного электрода. Как и в прототипе подвижный электрод в предложенном изобретении имеет переменную упругость. В отличие от прототипа, поддерживающие подвижный электрод балки выполнены таким образом, что распределение переменной упругости по консоли подвижного электрода обеспечивает меньшее напряжение притягивания и большую силу отрыва шунта от токовых шин при выключении напряжения. Шунт, расположенный на подвижном электроде, смещен относительно центра в сторону от свободного края подвижного электрода, т.е. к более упругой части подвижного электрода.

При приложении смещения на электроды, под действием электростатических сил расстояние между электродами сначала начинает уменьшаться в области более гибкого края подвижного электрода (свободного края подвижного электрода). Далее этот процесс распространяется на остальную часть подвижного электрода. Область в районе шунта соединяется с неподвижным электродом в конце процесса включения. При выключении шунт отсоединяется от силовых шин упругой частью подвижного электрода. Изобретение позволяет, с одной стороны, уменьшить напряжение управления ключом, а, с другой стороны, обеспечить достаточную упругость конструкции для размыкания шунта от токовых шин.

Совокупность признаков, характеризующих изобретение, позволяет изготовить МЭМС ключ с более низким управляющим напряжением и большим максимально допустимым током коммутации.

Изобретение поясняется чертежами, где

на фиг.1 - схема электростатического МЭМС ключа, вид сверху,

на фиг.2 - схема электростатического МЭМС ключа, разрез А-А по фиг.1,

на фиг.3 - фотография кремниевого кристалла МЭМС ключа размером 6×7 мм (вид со стороны монтажа кристалла на печатную плату).

Электростатический МЭМС ключ содержит кремниевый кристалл 1 со сформированным подвижным электродом 2, снабженным шунтом 3. Подложку 4, на которой размещен, по меньшей мере, один неподвижный электрод 5 и токовые шины 6 (фиг. 1, 2).

Подвижный электрод 2 выполнен в виде консоли с выполненными в ней симметричными щелевидными отверстиями ⊥-образной формы, образующими гибкие поддерживающие балки 7 и 8 разной длины, перпендикулярные друг другу. Подвижный электрод 2 снабжен шунтом 3, закорачивающим токовые шины 6 при контакте и расположенным со смещением относительно центра в сторону от свободного края подвижного электрода 2. В качестве подложки 4 используется кремниевая или металлическая плата. Неподвижные электроды 5 изолированы от подложки 4 диэлектрическим слоем.

Технология изготовления такого ключа состоит из двух этапов: изготовление кремниевого кристалла и соединение этого кристалла с печатной платой, на которой сформированы неподвижные электроды. Цикл изготовления кремниевого кристалла содержит ряд стандартных операций, применяемых в технологии микроэлектронных приборов: формирование маски для анизотропного травления кремния и исходной мембраны для последующего создания подвижного электрода; локальное травление мембраны для создания выступов под шунты и создания поддерживающих гибких балок, формирования металлизации под шунты толщиной 1 мкм и локальное сквозное травление кремниевой мембраны с образованием подвижной части электрода. Таким образом, формируется подвижный электрод с шунтом, закрепленный с помощью гибких балок на несущей части кристалла.

Для увеличения теплоотвода целесообразно применять печатные платы с металлическим основанием. Можно использовать платы на алюминиевой основе толщиной 2 мм с изоляционным слоем толщиной 150 мкм на основе композитов. В качестве металлизации можно использовать медь толщиной 35 мкм со слоями никеля 2,5÷5 мкм и золота 0,1÷0,25 мкм, нанесенного иммерсионным способом. В качестве подложки можно использовать платы типа Т-111 фирмы Totking с разрешением токопроводящих шин и зазоров между элементами не менее 250 мкм.

Шины толщиной около 40 мкм и шириной 250 мкм позволяют пропускать ток до 5 А, что в большинстве случаев является достаточным для питания устройств средней мощности.

Поверхность металлизации печатных плат, в отличие от напыленных слоев металла на кремний или стекло, имеет существенную шероховатость. Измерения показали, что шероховатость гальванической металлизации на текстолите составляла 4÷5 мкм, а металлизации с иммерсионным золотом на плате с металлическим основанием 2÷3 мкм. Из-за возникновения межмолекулярных сил взаимодействия на гладких поверхностях электроды трудно разъединяются, что приводит к необходимости делать искусственную шероховатость в виде выступов, например на кремниевом электроде. В предлагаемом изобретении вследствие использования в качестве подложки печатных плат подвижные кремниевые электроды можно делать гладкими.

На фиг.3 представлена фотография кремниевого кристалла МЭМС ключа размером 6×7 мм (вид со стороны монтажа кристалла на печатную плату). Подвес подвижного электрода 2 с помощью балок 7, 8 к несущей части осуществлен несимметричным образом относительно одной из осей, таким образом подвижный электрод имеет неравномерную упругость. Более гибкая область подвижного электрода 2 расположена дальше от замыкающего шунта 3 и соединяется с несущей частью кристалла 1 более длинными и гибкими балками 7. Область расположения шунта 3 расположена ближе к коротким и жестким балкам 8 крепления подвижного электрода 2.

Изготовленные экспериментальные образцы кремниевых кристаллов МЭМС ключей имели площадь подвижного электрода 5×4 мм и толщину мембраны 15 мкм. Толщина золотого шунта составляла 1 мкм при ширине 0,5 мм. При обеспечении расстояния между электродами 3÷4 мкм расчетные данные показывали величину управляющего напряжения 35÷50 B. Экспериментальные образцы МЭМС ключей подвергались испытанию током нагрузки 3,0 А, при этом они оставались работоспособными. Следует отметить, что согласно нормативам ОСТ В 11 0998-99 по максимально допустимой плотности тока металлизированных дорожек данный ток является максимально допустимым для используемого шунта.

1. Электростатический микроэлектромеханический ключ, содержащий кремниевый кристалл со сформированным подвижным электродом в виде консоли с выполненными в ней симметричными щелевидными отверстиями, образующими гибкие поддерживающие балки разной длины, перпендикулярные друг другу, и подложку, на которой размещен, по меньшей мере, один неподвижный электрод и токовые шины, соединенную с кремниевым кристаллом с образованием зазора между подвижным и неподвижным электродами, причем подвижный электрод снабжен шунтом, закорачивающим токовые шины при контакте и расположенным со смещением относительно центра в сторону от свободного края подвижного электрода.

2. Электростатический микроэлектромеханический ключ по п.1, отличающийся тем, что в качестве подложки используется кремниевая или металлическая плата, а неподвижные электроды изолированы.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области микроэлектроники - устройствам микросистемной техники, выполненным по технологиям микрообработки кремния, и может выполнять роль исполнительного элемента датчиковой аппаратуры в части измерения параметров перемещения, ускорения, температуры, механической силы, массы, электрической мощности, потока, освещенности и влажности. Техническим результатом заявленного изобретения является: - совмещение в одной конструкции датчиков различных физических величин, в частности: перемещения, ускорения, температуры, механической силы, массы, электрической мощности, потока, освещенности и влажности; - возможность функционирования в условиях открытого космоса и устойчивость к жестким температурным условиям эксплуатации; - возможность изготовления датчика групповыми методами по стандартным технологиям микрообработки кремния и механообработки элементов конструкции; - широкие возможности по унификации и созданию типоразмерного ряда датчиков с различными пределами измерения необходимых физических величин; - возможность подстройки датчика за счет активного режима работы; - применение в качестве датчика обратной связи для систем на основе подвижных термомеханических микроактюаторов. Технический результат достигается тем, что микросистемный емкостной датчик измерения физических величин включает: - основание из диэлектрического материала, - один или более исполнительных элементов в виде подвижных термомеханических микроактюаторов, расположенных на основании; при этом над слоем полиимида подвижных термомеханических микроактюаторов на боковых противоположных гранях кремниевых канавок, заполненных полиимидом, сформированы металлические обкладки конденсатора, параллельно соединенные между собой проводниками, идущими вдоль подвижного хвостовика термомеханического микроактюатора до его основания; на основании и/или внутри основания сформированы металлизированные дорожки для электрического контакта к площадкам подвижного термомеханического микроактюатора, выполненным с возможностью измерения емкости между обкладками сформированного на подвижном термомеханическом микроактюаторе конденсатора.

Многофункциональная сенсорная микроэлектромеханическая система (МЭМС) предназначена для использования в газоанализаторах, в медицине в качестве биосенсоров, в микроэлектронике и других высокотехнологичных областях для контроля технологических процессов.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к датчикам давления на основе тонкопленочных нано- и микроэлектрических систем (НиМЭМС), предназначенных для использования в системах управления, контроля и диагностики объектов длительного функционирования.

Изобретение относится к способу изготовления составного микромеханического компонента, сочетающему процессы глубокого реактивного ионного травления и литографии, гальванопластики и формования.

Изобретение относится к преобразующим элементам устройств для проведения инерциальных измерений. .

Использование: для изготовления трехмерных микромеханических структур на кремниевой пластине. Сущность изобретения заключается в том, что способ защиты углов трехмерных микромеханических структур на кремниевой пластине с кристаллографической ориентацией (100) при глубинном анизотропном травлении в водном растворе гидрооксида калия KОН включает формирование масочного рисунка с элементами защиты углов, примыкающими к исходной части топологической маски вблизи точки пересечения сторон защищаемого чипа или трехмерной микроструктуры на пластине и продолжающимися за пределы исходной части маски, при котором для защиты выпуклых углов чипа или трехмерной микроструктуры формируют масочный рисунок с элементами Т-образной формы, содержащей продольную и поперечную части, причем травление проводят до тех пор, пока кремниевые элементы, сформированные в области маски защиты углов, не стравятся в процессе анизотропного химического травления до границы исходной топологической области жесткого центра микромеханической структуры, продольные части двух соседних Т-образных элементов защиты перпендикулярны друг другу, причем размеры изготовляемых трехмерных микромеханических структур определяют из определенных условий. Технический результат: обеспечение возможности расширения номенклатуры трехмерных микромеханических структур или чипов, улучшения линейности преобразовательной характеристики и повышения нагрузочной способности первичных преобразователей. 4 ил., 1 табл.
Наверх