专利摘要

一种硅基金属触头自锁定MEMS开关，包括制作有三个驱动器的基板，第二执行器、第三驱动器与第一执行器垂直设置，且第二执行器、第三驱动器相对应第一执行器对称分布，第一执行器驱动第一可动触头动作，第二执行器、第三执行器驱动第一限位杆和第二限位杆动作，第一限位杆、第二限位杆和第一可动触头的连接座两侧的齿形槽配合，第一可动触头的前方和第二、第三可动触头配合；可动触头由上下两层构成硅和金属的复合结构，下层为硅结构层，利用干法刻蚀的侧向侵蚀现象得到上宽下窄的结构，可动触头接触时实际上为上层的金属表面的接触；可动触头在未接触时开关电路断开，接触时开关电路导通；本发明具有可靠性高、接触电阻低等特点。

权利要求

1.一种硅基金属触头自锁定MEMS开关，包括基板(10)，其特征在于：基板(10)上制作有第一执行器(20)、第二执行器(30)和第三驱动器(40)，第二执行器(30)、第三驱动器(40)与第一执行器(20)垂直设置，且第二执行器(30)、第三驱动器(40)相对应第一执行器(20)对称分布，第一执行器(20)驱动开关的第一可动触头(21)动作，第二执行器(30)、第三执行器(40)驱动第一限位杆(31)、第二限位杆(41)动作，第一限位杆(31)、第二限位杆(41)和第一可动触头(21)的连接座的两侧配合，第一可动触头(21)的前方和第二可动触头(50)、第三可动触头(60)配合，第二可动触头(50)、第三可动触头(60)制作在基板(10)上；

所述的第一可动触头(21)由第一上层(21a)和第一下层(21b)构成，第一下层(21b)为硅结构层，利用干法刻蚀的侧向侵蚀现象得到上宽下窄的结构，在第一下层(21b)上电铸有金属的第一上层(21a)，形成硅和金属的复合结构；第二可动触头(50)和第三可动触头(60)具有与第一可动触头(21)相同的结构，由第二上层(60a)和第二下层(60b)构成，第二下层(60b)为利用干法刻蚀的侧向侵蚀现象得到的上宽下窄结构，在第二下层(60b)上电铸有金属的第二上层(60a)，形成硅和金属的复合结构；第一可动触头(21)与第二可动触头(50)、第三可动触头(60)接触时实际上为第一上层(21a)和第二上层(60a)的金属表面的接触，第一触头(21)与第二可动触头(50)、第三可动触头(60)在未接触时开关电路断开，接触时开关电路导通；

第一执行器(20)的前端通过连接座连接第一可动触头(21)，连接座的两侧设有第一齿形槽(24a)、第二齿形槽(24b)、第三齿形槽(24c)、第四齿形槽(24d)，第一齿形槽(24a)、第四齿形槽(24d)位于同一侧，第三齿形槽(24c)、第二齿形槽(24b)位于同一侧，第一齿形槽(24a)和第二齿形槽(24b)对称，第三齿形槽(24c)、第四齿形槽(24d)对称；

所述的第一齿形槽(24a)、第二齿形槽(24b)、第三齿形槽(24c)、第四齿形槽(24d)分别与第一限位杆(31)和第二限位杆(41)配合实现开关的状态自锁定：当第一齿形槽(24a)、第二齿形槽(24b)和第一限位杆(31)、第二限位杆(41)配合时保持开关断开，当第三齿形槽(24c)、第四齿形槽(24d)和第一限位杆(31)、第二限位杆(41)配合时保持开关接通。

2.根据权利要求1所述的一种硅基金属触头自锁定MEMS开关，其特征在于：所述的基板(10)为正方形，采用SOI材料，边长6000μm以内，基板(10)的衬底层(11)制作有四个背腔，其中第一背腔(11a)位于第一执行器(20)的下方，第二背腔(11b)位于第二执行器(30)的下方，第三背腔(11c)位于第三执行器(40)的下方，第四背腔(11d)位于第一可动触头(21)、第二可动触头(50)、第三可动触头(60)下方。

3.根据权利要求1所述的一种硅基金属触头自锁定MEMS开关，其特征在于：所述的第一执行器(20)为V型梁阵列结构，V型梁阵列结构的两端分别与第二锚点(12b)和第三锚点(12c)连接。

4.根据权利要求3所述的一种硅基金属触头自锁定MEMS开关，其特征在于：所述的第二执行器(30)和第三执行器(40)为和第一执行器(20)形状和尺寸相同的V型梁阵列结构，并且成面对面对称分布；第二执行器(30)的前端是第一限位杆(31)，第三执行器(40)的前端是第二限位杆(41)，第二执行器(30)两端分别与第一锚点(12a)和第二锚点(12b)连接，第三执行器(40)两端分别与第三锚点(12c)和第四锚点(12d)连接。

5.根据权利要求1所述的一种硅基金属触头自锁定MEMS开关，其特征在于：所述的第二可动触头(50)、第三可动触头(60)分别通过第一柔性梁(51)、第二柔性梁(61)支撑在第五锚点(13a)、第六锚点(13b)上。

6.根据权利要求1所述的一种硅基金属触头自锁定MEMS开关，其特征在于：所述的第一下层(21b)上电铸有30-40μm的金属镍作为第一上层(21a)，第二下层(60b)上电铸有30-40μm的金属镍作为第二上层(60a)。

说明书

技术领域

本发明属于微型机械电子MEMS开关技术领域，具体涉及一种硅基金属触头自锁定MEMS开关。

背景技术

开关是自动控制电路中的一个关键部件，其在电路中的主要功能是自动调节、安全保护、转换电路等，MEMS开关将机电开关机构与微加工工艺相结合，为微型化，集成化和低功耗设计提供了广阔的发展空间，为高性能电路系统的发展提供了有效的方案。在国防武器、航空航天等应用场合通常要求MEMS开关可靠性高，接触阻抗小，功耗低，同时还要求其体积小、重量轻、响应快等。

热驱动MEMS执行器依据固体材料的热膨胀效应制得，其结构种类包括线膨胀结构、双变体结构、V型梁结构等，这些开关的常见结构层分为金属结构和硅结构两大类，其中金属结构具有较低的电阻值，驱动电压小但是不易加工，成本高；硅结构属于半导体，具有较高的电阻值可兼做加热器，但是触头的接触阻抗大，驱动电流小。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提出一种硅基金属触头自锁定MEMS开关，将硅结构和金属触头相结合，采用双稳态机理实现开关状态的自锁定，具有可靠性高、接触电阻低、功耗小、成本低等特点。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种硅基金属触头自锁定MEMS开关，包括基板10，基板10上制作有第一执行器20、第二执行器30和第三驱动器40，第二执行器30、第三驱动器40与第一执行器20垂直设置，且第二执行器30、第三驱动器40相对应第一执行器20对称分布，第一执行器20驱动开关的第一可动触头21动作，第二执行器30、第三执行器40驱动第一限位杆31和第二限位杆41动作，第一限位杆31、第二限位杆41和第一可动触头21的连接座的两侧配合，第一可动触头21的前方和第二可动触头50、第三可动触头60配合，第二可动触头50、第三可动触头60制作在基板10上。

所述的第一可动触头21由第一上层21a和第一下层21b构成，其中第一下层21b为硅结构层，利用干法刻蚀的侧向侵蚀现象得到上宽下窄的结构，在第一下层21b上电铸有金属的第一上层21a，形成硅和金属的复合结构；第二可动触头50和第三可动触头60具有与第一可动触头21相同的结构，由第二上层60a和第二下层60b构成，第二下层60b为利用干法刻蚀的侧向侵蚀现象得到的上宽下窄结构，在第二下层60b上电铸有金属的第二上层60a，形成硅和金属的复合结构。第一可动触头21与第二可动触头50、第三可动触头60接触时实际上为第一上层21a和第二上层60a的金属表面的接触，第一触头21与第二可动触头50、第三可动触头60在未接触时开关电路断开，接触时开关电路导通。

所述的基板10为正方形，采用SOI材料，边长6000μm以内，基板10的衬底层11制作有四个背腔，其中第一背腔11a位于第一执行器20的下方，第二背腔11b位于第二执行器30的下方，第三背腔11c位于第三执行器40的下方，第四背腔11d位于第一可动触头21、第二可动触头50、第三可动触头60下方。

所述的第一执行器20为V型梁阵列结构，第一执行器20的前端通过连接座连接第一可动触头21，连接座的两侧设有第一齿形槽24a、第二齿形槽24b、第三齿形槽24c、第四齿形槽24d，第一齿形槽24a、第四齿形槽24d位于同一侧，第三齿形槽24c、第二齿形槽24b位于同一侧，第一齿形槽24a和第二齿形槽24b对称，第三齿形槽24c、第四齿形槽24d对称；所述的V型梁阵列结构的两端分别与第二锚点12b和第三锚点12c连接。

所述的第二执行器30和第三执行器40为和第一执行器20形状和尺寸相同的V型梁阵列结构，并且成面对面对称分布；第二执行器30的前端是第一限位杆31，第三执行器40的前端是第二限位杆41，第二执行器30两端分别与第一锚点12a和第二锚点12b连接，第三执行器40两端分别与第三锚点12c和第四锚点12d连接。

所述的第二可动触头50和第三可动触头60分别通过第一柔性梁51和第二柔性梁61支撑在第五锚点13a和第六锚点13b上。

所述的第一齿形槽24a、第二齿形槽24b、第三齿形槽24c、第四齿形槽24d分别与第一限位杆31和第二限位杆41配合实现开关的状态自锁定：当第一齿形槽24a、第二齿形槽24b和第一限位杆31、第二限位杆41配合时保持开关可靠地断开，当第三齿形槽24c、第四齿形槽24d和第一限位杆31、第二限位杆41配合时保持开关可靠地接通。

所述的第一下层21b上电铸有30-40μm的金属镍作为第一上层21a，第二下层60b上电铸有30-40μm的金属镍作为第二上层60a。

与传统机械开关相比，本发明的优点为：

第一可动触头21与第二可动触头50、第三可动触头60的上层电铸30-40μm的金属镍，当开关闭合时为金属触头表面的接触，接触阻抗小，因此接通时电流信号明显。

第一齿形槽24a、第二齿形槽24b、第三齿形槽24c、第四齿形槽24d分别与第一限位杆31和第二限位杆41配合可实现开关的闭合和断开两个状态的自锁定，使开关电路能可靠地断开和导通，结构简单，接触力大。同时，基于双稳态原理的开关结构极大降低了系统的功耗。

将热电效应与MEMS开关技术相结合，驱动位移大，有效减小了器件的体积和重量。

附图说明

图1为本发明的结构立体示意图。

图2为本发明的结构俯视示意图。

图3为图2的A向局部剖视放大图，其中图(a)为第一可动触头21和第二可动触头50、第三可动触头60未接触的示意图，图(b)第一可动触头21和第二可动触头50、第三可动触头60接触的示意图。

图4为本发明开关状态切换的示意图，图(a)为第一可动触头21与第二可动触头50、第三可动触头60未接触状态图，图(b)为限位杆31和限位杆41向外运动图，图(c)为第一可动触头21向前运动图，图(d)为限位杆31和限位杆41向内变形恢复图，图(e)为第一可动触头21向后变形恢复图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

参照图1，一种硅基金属触头自锁定MEMS开关，包括基板10，基板10上制作有第一执行器20、第二执行器30和第三驱动器40，第二执行器30、第三驱动器40与第一执行器20垂直设置，且第二执行器30、第三驱动器40相对应第一执行器20对称分布，第一执行器20驱动开关的第一可动触头21动作，第二执行器30、第三执行器40驱动第一限位杆31和第二限位杆41动作，第一限位杆31、第二限位杆41和第一可动触头21的连接座的两侧配合，第一可动触头21的前方和第二可动触头50、第三可动触头60配合，第二可动触头50、第三可动触头60制作在基板10上。

所述的基板10为正方形，采用SOI材料，边长6000μm以内，基板10的衬底层11制作有四个背腔，其中第一背腔11a位于第一执行器20的下方，第二背腔11b位于第二执行器30的下方，第三背腔11c位于第三执行器40的下方，第四背腔11d位于第一可动触头21、第二可动触头50、第三可动触头60下方。

参照图2，所述的第一执行器20为V型梁阵列结构，第一执行器20的前端通过连接座连接第一可动触头21，连接座的两侧设有第一齿形槽24a、第二齿形槽24b、第三齿形槽24c、第四齿形槽24d，第一齿形槽24a、第四齿形槽24d位于同一侧，第三齿形槽24c、第二齿形槽24b位于同一侧，第一齿形槽24a和第二齿形槽24b对称，第三齿形槽24c、第四齿形槽24d对称；所述的V型梁阵列结构的V型梁端部分别与第二锚点12b和第三锚点12c连接，当第二锚点12b和第三锚点12c之间通入一路驱动电压U1时，第一V型执行器20驱动第一可动触头21产生向前的输出位移。

所述的第二执行器30和第三执行器40为和第一执行器20形状和尺寸相同的V型梁阵列结构，并且成面对面对称分布；第二执行器30的前端是第一限位杆31，第三执行器40的前端是第二限位杆41，第二执行器30两端分别与第一锚点12a和第二锚点12b连接，第三执行器40两端分别与第三锚点12c和第四锚点12d连接；当第一锚点12a和第二锚点12b之间、第三锚点12c和第四锚点12d之间同时通入二路驱动电压U2和三路驱动电压U3时，第二执行器30和第三执行器40分别驱动第一限位杆31和第二限位杆41产生互相背离的输出位移。

所述的第二可动触头50和第三可动触头60分别通过第一柔性梁51和第二柔性梁61支撑在第五锚点13a和第六锚点13b上。

参照图3(a)，所述的第一可动触头21由第一上层21a和第一下层21b构成，其中第一下层21b为硅结构层，由于硅结构具有50μm的厚度，刻蚀时存在侧向侵蚀现象，使得其侧壁具有斜度，得到上宽下窄的第一下层21b，利用干法刻蚀的这个特点，在第一下层21b上电铸有30-40μm的金属镍作为第一上层21a，形成硅和金属的复合结构；第二可动触头50和第三可动触头60具有与第一可动触头21相同的结构，由第二上层60a和第二下层60b构成，第二下层60b为利用干法刻蚀的侧向侵蚀现象得到的上宽下窄结构，第二下层60b上电铸有30-40μm的金属镍作为第二上层60a，形成硅和金属的复合结构；参照图3(b)，第一可动触头21与第二可动触头50、第三可动触头60接触时实际上为第一上层21a和第二上层60a的金属表面的接触，有效降低了接触电阻；第一触头21与第二可动触头50、第三可动触头60在未接触时开关电路断开，接触时开关电路导通。

所述的第一齿形槽24a、第二齿形槽24b、第三齿形槽24c、第四齿形槽24d分别与第一限位杆31和第二限位杆41配合实现开关的状态自锁定：当第一齿形槽24a、第二齿形槽24b和第一限位杆31、第二限位杆41配合时保持开关可靠地断开，当第三齿形槽24c、第四齿形槽24d和第一限位杆31、第二限位杆41配合时保持开关可靠地接通。

本发明的工作原理为：

参照图4(a)，所述的第一可动触头21与第二可动触头50、第三可动触头60尚未接触，开关处于常开状态；参照图4(b)，二路驱动电压U2和三路驱动电压U3变为高电平，驱动第一限位杆31和第二限位杆41向外背离运动；参照图4(c)，二路驱动电压U2和三路驱动电压U3保持不变，一路驱动电压U1变为高电平，驱动第一可动触头21向前移动，其位移大于与第二可动触头50、第三可动触头60的间隙，因此第一可动触头21推动柔性梁51和柔性梁61上的第二可动触头50和第三可动触头60一起向前移动，开关闭合；参照图4(d)，二路驱动电压U2和三路驱动电压U3变为低电平，两个限位杆回到初始位置，一路驱动电压U1保持不变；参照图4(e)，一路驱动电压U1变为低电平，第一可动触头21向后恢复变形，第二可动触头50、第三可动触头60跟随第一可动触头21回弹一部分，由于限位杆31和限位杆41的阻挡，并没有完全恢复到初始位置，并且第一可动触头21和第二可动触头50、第三可动触头60之间保持较大的接触力，完成开关由常开到常闭的转换。

本发明中的电热驱动MEMS开关不同于传统的开关结构，该开关有以下特点：一、第一可动触头21与第二可动触头50、第三可动触头60的上层电铸30-40μm的金属镍，当开关闭合时为金属触点的接触，接触阻抗小，因此接通时电流信号明显；二、基于双稳态原理的开关结构能实现闭合和断开状态的自锁定，极大降低了系统的功耗，接触具有高可靠性；三、将热电效应与MEMS开关技术相结合，基板使用SOI，易于加工和集成，有效减小器件体积和重量。

一种硅基金属触头自锁定MEMS开关专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。