[发明专利]基于MEMS金属桥换能元结构由常断向常通状态转换双稳态开关

说明书

技术领域：

本发明涉及的是一种基于MEMS金属桥换能元结构由常断向常通状态转换双稳态开关(OFF-ON)，具体的说是一种采用微机电系统(MEMS)加工工艺加工的，由于顶层金属桥换能元起爆引发桥区金属液化飞溅，造成下层断开的电极间短路，从而由常断向常通状态转换(OFF-ON)的一次性开关。 

背景技术：

随着微机电系统(MEMS)设计加工技术的不断进步，基于MEMS技术设计、加工的微继电器/微开关得到了快速的发展并被广泛应用于射频(RF)通信、消费类电子产品及其他领域。传统的微开关中一般都由可动部件在电压、电流或其他外界的激励(如力、磁等)下产生横向、纵向、法向或旋转运动，进入到不同位置上来控制开关的通断。大多的微继电器/微开关不是双稳态的，这就意味着其中至少一种状态的维持需要通过不断地对开关提供能量来完成。虽然已经出现了部分双稳态的开关，但技术依然不成熟，且存在可动部件，不适合某些在某些恶劣环境如高冲击环境或长期储存后依然可以工作的需要，有可能造成在一些极端条件下开关工作不稳定(如高过载、高冲击、高旋转环境)。由此开发出一种避免了以上缺点的一种基于MEMS金属桥换能元结构由常断向常通状态转换双稳态开关(OFF-ON)。该开关由平面工艺加工而成，与CMOS工艺相兼容，无可动件，具有成本低、易于集成的特点。 

发明内容：

本发明的目的是提供一种基于微机电系统(MEMS)表面加工工艺或金属半导体氧化物集成电路工艺(CMOS工艺)的应用金属桥换能元起爆瞬间对其周边结构层的破坏作用与桥区金属液化飞溅效应，使得常断结构被飞溅金属液体连通并便于与其他硅基微机电系统或CMOS电路进行单片集成的由常断向常通状态转换(OFF-ON)一次性双稳态开关。 

本发明的目的是这样实现的：OFF-ON开关包括硅基底；首层绝缘层；预计被连通的金属导线层；第二层绝缘层；金属桥层；第三层绝缘层；表面焊盘层。其特征是：一种在金属桥换能元起爆瞬间对其周边结构层的破坏与桥区金属液化飞溅效应共同作用下由常断向常通状态转换(OFF-ON)的一次性MEMS开关，在硅片表面氧化或淀积绝缘层；然后在绝缘层表面淀积开关导线层，之后通过光刻刻蚀出导线及电极区形状，导线层中的两电极区交错排布但不相连；在导线层上表面淀积绝缘层，并光刻通孔；之后在第二层绝缘层上蒸镀或溅射金属桥层并刻蚀出桥区形状，并确保桥区位于导线层电极区的正上方；最后在上表面淀积绝缘层以保护芯片结构并进行表面金属化形成焊盘。其装配特征是：导线层位于第一绝缘层与第二绝缘层之间，并通过绝缘层与硅衬底及金属桥层实现电气隔离，导线层的电气连接通过通孔的方式与表面对应焊盘连接或通过内部连线方式与其他集成电路区域连接；金属桥层位于第二绝缘层与第三绝缘层之间，桥区位于导线层电极区的止上方；焊盘区中的焊盘位于第三绝缘层表面不影响开关结构的区域。 

本发明还可以包括这样一些结构特征： 

1、所述的OFF-ON开关中的导线层也可以掺杂多晶硅材料制成，也可以是由淀积在第一绝缘层表面的其他导电非金属材料构成； 

2、所述的OFF-ON开关中的基底材料是硅基半导体材料<100>或硅基半导体材料<110>； 

微机电系统(MEMS)加工工艺使用光刻、干法/湿法刻蚀和化学气相沉积等技术在批量制造微系统或微结构上有明显优势。本发明通过对常断导线材料及电极结构的选择，开关结构制造工艺的设计，金属桥尺寸、结构的优化和对层间绝缘层厚度的优化。使其在开关表面金属桥被引爆后，金属桥将第二绝缘层破坏露出导线层电极区，同时金属桥破坏飞溅后的金属液体将散布在电极区表面并凝固，连接断开的电极，使导线层导通，OFF-ON开关得以实现。此结构整体厚度小于0.5mm表面尺寸小于2×2mm²。同时通过MEMS工艺加工制作的一次性开关可以与其他电路结构在同一硅基底上集成，以达到系统集成的目的。此种开关的主要优点可以归结为： 

1、当OFF-ON开关处于常断状态时电阻无穷大没有漏电流； 

2、有钝化层保护，机构简单可靠可以长期储存； 

3、在保持常断或常通的过程中没有能量消耗； 

4、与集成电路工艺兼容可以与电路进行芯片级集成。 

由于开关在状态转换时需要的工作电压工作电流较大，在进行MEMS系统整体设计时可以针对所需电流的大小来设计电路中互联线的材料与线宽，电极的形式可以根据芯片的整体需要设计。 

附图说明：