專利名稱：一種微機(jī)電開(kāi)關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微機(jī)電開(kāi)關(guān)，更具體地，涉及一種微機(jī)電開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
微機(jī)電開(kāi)關(guān)用在微波頻率范圍內(nèi)的各種用途。微機(jī)電開(kāi)關(guān)通常是一端或兩端帶有支撐件的桿。支撐件一般在襯底表面的上面延伸或是與襯底表面平齊，即，微機(jī)電開(kāi)關(guān)一般設(shè)置在襯底表面的上面或是在襯底中。桿作為平行板電容器中一個(gè)極板。被稱作促動(dòng)電壓的電壓施加在桿和開(kāi)關(guān)底座上作為電容器另一極板的促動(dòng)電極之間。在開(kāi)關(guān)閉合階段，或在常開(kāi)開(kāi)關(guān)的接通狀態(tài)下，促動(dòng)電壓施加足夠大的靜電吸引力到桿上，克服桿的剛性。由于靜電吸引力的結(jié)果，桿撓曲而與開(kāi)關(guān)底座上的接觸電極連接，從而使開(kāi)關(guān)閉合。當(dāng)促動(dòng)電壓取消時(shí)，桿將返回其自然狀態(tài)而斷開(kāi)與接觸電極的連接，從而使開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。一種基本的微機(jī)電開(kāi)關(guān)是單刀單擲開(kāi)關(guān)。桿從斷開(kāi)到閉合或從閉合到斷開(kāi)的變化具有內(nèi)在不穩(wěn)定性而只是在到達(dá)某一點(diǎn)之前是可以控制的。比如，當(dāng)閉合時(shí)，由于施加到開(kāi)關(guān)上的促動(dòng)電壓的作用，桿逐漸而可預(yù)見(jiàn)地變形直至到達(dá)某一點(diǎn)。超過(guò)這一點(diǎn)后將失去控制，桿的工作變得不穩(wěn)定，使桿向下跳到促動(dòng)電極上。這種行為對(duì)簡(jiǎn)單的通/斷操作是適用的，但是如果想要避免不受控制地彈跳到促動(dòng)電極上，即如果想要控制桿的運(yùn)動(dòng)時(shí)，通常是不能滿足要求的，因此微機(jī)電開(kāi)關(guān)有改進(jìn)的余地。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是要提供一種控制微機(jī)電開(kāi)關(guān)的桿的運(yùn)動(dòng)的方法。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是要提供一種包括能夠預(yù)見(jiàn)地控制的桿的微機(jī)電開(kāi)關(guān)。
本發(fā)明的還有一個(gè)目的是要提供一種微機(jī)電的連續(xù)可變電容。
本發(fā)明的還有一個(gè)目的是要提供一種微機(jī)電動(dòng)力傳感器。
本發(fā)明的還有一個(gè)目的是要提供一種帶有可連續(xù)控制的桿的微機(jī)電開(kāi)關(guān)。
本發(fā)明的還有一個(gè)目的是要提供一種可靠的機(jī)電開(kāi)關(guān)。
本發(fā)明的上述目的是通過(guò)帶有可連續(xù)控制的桿的微機(jī)電開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)在靠近桿投影處但在桿投影外邊增設(shè)促動(dòng)電極使桿可連續(xù)控制。桿垂直投影到促動(dòng)電極的平面上。通過(guò)將促動(dòng)電極設(shè)置在桿的旁邊而不是在桿的下面，促動(dòng)電極可以連續(xù)控制桿從靜止位置移動(dòng)到完全促動(dòng)狀態(tài)。
本發(fā)明的上述目的還可以通過(guò)一種微機(jī)電開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，這種微機(jī)電開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)包括第一開(kāi)關(guān)支撐件和帶有第一端及第二端的開(kāi)關(guān)桿，所述開(kāi)關(guān)桿的第一端支承在第一開(kāi)關(guān)支撐件上。根據(jù)本發(fā)明，這種微機(jī)電開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)還包括與開(kāi)關(guān)桿的投影隔開(kāi)的第一移位促動(dòng)電極，所述投影在與第一移位促動(dòng)電極相同的平面上。使得能夠通過(guò)施加連續(xù)可變的促動(dòng)電壓到移位促動(dòng)電極上來(lái)連續(xù)控制桿間隙。
在某些實(shí)施例中，可以將第一移位促動(dòng)電極的至少一部分布置在開(kāi)關(guān)桿的第二端處。在其它一些實(shí)施例中，可以適當(dāng)?shù)貙⒌谝灰莆淮賱?dòng)電極的至少一部分與開(kāi)關(guān)桿的縱軸平行。微機(jī)電開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)還可以適當(dāng)?shù)匕ㄅc第一促動(dòng)電極基本上布置在同一個(gè)平面內(nèi)的第二移位促動(dòng)電極，所述第二移位促動(dòng)電極與開(kāi)關(guān)桿的投影隔開(kāi)，至少有一部分與開(kāi)關(guān)桿的縱軸平行，并與第一促動(dòng)電極隔開(kāi)所述開(kāi)關(guān)桿的投影。在某些實(shí)施例中，微機(jī)電開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)還包括第二開(kāi)關(guān)支撐件，開(kāi)關(guān)桿的第二端支承在第二開(kāi)關(guān)支撐件上，即，屬于橋式的。在其它一些實(shí)施例中可以構(gòu)成懸臂式開(kāi)關(guān)。
微機(jī)電開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)還可以包括至少部分與開(kāi)關(guān)桿的投影重合的信號(hào)電極、和/或至少部分與開(kāi)關(guān)桿的投影重合的促動(dòng)電極、和/或布置在微機(jī)電開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)的開(kāi)關(guān)桿上的第一電容器極板，以及布置在微機(jī)電開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)的底座上并對(duì)著第一電容器極板的第二電容器極板。
本發(fā)明的上述目的還可以通過(guò)包括第一接頭和第二接頭的連續(xù)可變電容器來(lái)實(shí)現(xiàn)，這種可變電容器包括根據(jù)上述任何實(shí)施例的微機(jī)電開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)，包括第一和第二電容器極板，其中第一接頭連接在第一電容器極板上，而第二接頭連接在第二電容器極板上。在某些應(yīng)用中，通過(guò)偏壓第一和/或第二移位促動(dòng)電極可以使可控可變電容器的開(kāi)關(guān)桿偏移。
本發(fā)明的上述目的還可以通過(guò)電容量由控制電壓控制的可控可變電容器來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種可控可變電容器包括根據(jù)上述任何可變電容器實(shí)施例的連續(xù)可變電容器，其中控制電壓連接在第一和/或第二移位促動(dòng)電極上。
本發(fā)明的上述目的還可以通過(guò)一種包括桿測(cè)量元件的微機(jī)電開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)的桿測(cè)量裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)，這種桿測(cè)量裝置可包括在惠斯通電橋中。這種測(cè)量裝置包括根據(jù)上述任何實(shí)施例的第一連續(xù)可變電容器，并作為桿測(cè)量元件，而所測(cè)量的桿是開(kāi)關(guān)桿。在某些應(yīng)用中所述裝置還可以包括根據(jù)上述任何實(shí)施例的第二連續(xù)可變電容器，作為惠斯通電橋中桿測(cè)量元件的參考元件。
本發(fā)明的上述目的還可以通過(guò)測(cè)量流經(jīng)動(dòng)力信號(hào)電極的動(dòng)力的動(dòng)力測(cè)量單元來(lái)實(shí)現(xiàn)。動(dòng)力測(cè)量單元包括根據(jù)上述任何實(shí)施例的微機(jī)電開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)的桿測(cè)量裝置，其中動(dòng)力信號(hào)電極至少有一部分布置在微機(jī)電開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)的桿測(cè)量裝置測(cè)量的桿下面。
通過(guò)提供根據(jù)本發(fā)明的微機(jī)電開(kāi)關(guān)線路，可以獲得比現(xiàn)有技術(shù)的微機(jī)電開(kāi)關(guān)更優(yōu)越之處。本發(fā)明的主要目的是提供一種能連續(xù)控制微機(jī)電開(kāi)關(guān)元件中桿間隙的方法。這通過(guò)提供一種移位促動(dòng)電極來(lái)實(shí)現(xiàn)，這種移位促動(dòng)電極的任何部分都不在所述微機(jī)電開(kāi)關(guān)的桿的下面。通過(guò)改變移位促動(dòng)電極離開(kāi)桿的距離，可以得到桿間隙與移位促動(dòng)電極電壓關(guān)系的不同控制特性。這將使微機(jī)電開(kāi)關(guān)元件的應(yīng)用擴(kuò)大到模擬控制和測(cè)量裝置，如連續(xù)可變電容器，可以作為測(cè)量裝置也可作為可控電容器。本發(fā)明易于實(shí)現(xiàn)，而且在制造方面也不需要有任何特別注意的地方。
通過(guò)下面的詳細(xì)介紹將使本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)變得更加清楚。
現(xiàn)在將參考以下附圖來(lái)更加詳細(xì)地介紹本發(fā)明，所介紹的實(shí)例是說(shuō)明性的而非限制性的，其中圖1A-1B示出了橋式微機(jī)電開(kāi)關(guān)；圖2A-2B示出了懸臂式微機(jī)電開(kāi)關(guān)；圖3示出了橋式微機(jī)電開(kāi)關(guān)的可連續(xù)控制桿；圖4示出了懸臂式微機(jī)電開(kāi)關(guān)的可連續(xù)控制的桿；圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的微機(jī)電開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)的第一個(gè)實(shí)施例；圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的微機(jī)電開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)的第二個(gè)實(shí)施例；圖7示出了圖6中微機(jī)電開(kāi)關(guān)的頂視圖；圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的微機(jī)電開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)；圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的許多不同的促動(dòng)電極構(gòu)造的桿位置與促動(dòng)電壓的關(guān)系；圖10示出了根據(jù)本發(fā)明的用于動(dòng)力傳感器的一種適當(dāng)?shù)幕菟雇姌蚪Y(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式
為了理解根據(jù)本發(fā)明的方法和裝置，現(xiàn)在將結(jié)合圖1A至10來(lái)介紹本發(fā)明的某些實(shí)例。
圖1A和1B示出了一種橋式微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)開(kāi)關(guān)，包括由兩個(gè)支撐件104、106支承的桿100。MEMS開(kāi)關(guān)可以如圖1A和1B中所示，帶有在襯底199上面的支撐件104、106，即支撐件104、106從襯底199突出，在這種情況下，襯底199與開(kāi)關(guān)底座重合。另外，MEMS開(kāi)關(guān)也可以通過(guò)在桿下面的襯底中形成凹部來(lái)制造，其中桿的一端或兩端由周圍的襯底支承。在這樣的MEMS開(kāi)關(guān)中，開(kāi)關(guān)底座將不與襯底重合，而是位于桿下面的凹部底部。
MEMS開(kāi)關(guān)中的促動(dòng)電極109往往與信號(hào)電極結(jié)合在一起，尤其是用于高頻率時(shí)，因?yàn)榇藭r(shí)很容易將通常使用的直流促動(dòng)電壓與信號(hào)分開(kāi)。單刀單擲開(kāi)關(guān)可以分為兩種基本類型，即常開(kāi)(NO)和常閉(NC)的。常開(kāi)型的當(dāng)處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，即當(dāng)不存在促動(dòng)電壓時(shí)，不能將任何信號(hào)從其輸入端傳導(dǎo)到輸出端。常開(kāi)型的只有當(dāng)處于活動(dòng)狀態(tài)時(shí)，即當(dāng)有促動(dòng)電壓存在時(shí)，才將信號(hào)從其輸入端傳導(dǎo)到輸出端。常閉型的是當(dāng)處于靜止?fàn)顟B(tài)，而非活動(dòng)狀態(tài)時(shí)將信號(hào)從其輸入端傳導(dǎo)到輸出端。這些不同類型的MEMS開(kāi)關(guān)可以用許多方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。
常開(kāi)型的MEMS開(kāi)關(guān)可以通過(guò)直接在桿的下面分割信號(hào)電極來(lái)實(shí)現(xiàn)，即在信號(hào)電極形成一間隙，使得當(dāng)MEMS開(kāi)關(guān)活動(dòng)時(shí)，桿下面的導(dǎo)電表面跨接在間隙上。當(dāng)MEMS開(kāi)關(guān)不活動(dòng)時(shí)，信號(hào)通路斷開(kāi)，而當(dāng)MEMS開(kāi)關(guān)活動(dòng)時(shí)，信號(hào)通路接通。
常閉型的MEMS開(kāi)關(guān)可以通過(guò)使與信號(hào)電極接觸的至少一部分桿接地來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)MEMS開(kāi)關(guān)不活動(dòng)時(shí)，信號(hào)通路接通，因此將傳遞任何所需要的信號(hào)。當(dāng)MEMS開(kāi)關(guān)活動(dòng)時(shí)，信號(hào)電極將接地，因此使信號(hào)通路斷開(kāi)。
可以與信號(hào)電極結(jié)合在一起的促動(dòng)電極109布置在位于開(kāi)關(guān)底座上的桿100的下面，在這種MEMS開(kāi)關(guān)中，開(kāi)關(guān)底座與襯底199重合。當(dāng)沒(méi)有促動(dòng)電壓施加在促動(dòng)電極109上時(shí)，桿100處于如圖1A所示的靜止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)有促動(dòng)電壓施加在促動(dòng)電極109和桿100之間時(shí)，作用在桿100上的力將使桿沿力的方向移動(dòng)到促動(dòng)電極109上，如圖1B中所示彎曲的桿101。
如前面所提到的，桿100、101的移動(dòng)是不穩(wěn)定的，而且這種移動(dòng)在桿100、101的整個(gè)彎曲過(guò)程中與促動(dòng)電壓的關(guān)系也不是預(yù)先確定的。在從靜止?fàn)顟B(tài)到達(dá)某一彈跳點(diǎn)之前，即在總彎曲量g0的最初大約30％之內(nèi)，促動(dòng)電壓與彎曲量之間存在預(yù)見(jiàn)的關(guān)系。當(dāng)電壓增大使彎曲超過(guò)彈跳點(diǎn)時(shí)，桿將不受控制地彈跳到促動(dòng)電極上。因此只能在g0的不到大約30％的范圍內(nèi)對(duì)桿100進(jìn)行連續(xù)控制。這意味著傳統(tǒng)的MEMS開(kāi)關(guān)只適合于用作具有兩種截然不同的狀態(tài)即接通和斷開(kāi)狀態(tài)的開(kāi)關(guān)。
圖2A示出了一種襯底299上基本懸臂式N/MEMS開(kāi)關(guān)。這種MEMS開(kāi)關(guān)包括由單個(gè)支撐件204固定在促動(dòng)/信號(hào)電極209上面的桿200。其他方面的基本功能與上述基本橋式MEMS開(kāi)關(guān)相同。桿201同樣是經(jīng)過(guò)30％的受控運(yùn)動(dòng)，然后彈跳到促動(dòng)電極上，如圖2B所示。
有幾種方法可解決這個(gè)問(wèn)題。在第一個(gè)實(shí)例中，如圖3所示，將一個(gè)或兩個(gè)促動(dòng)電極309放在襯底399中的凹部308、310內(nèi)。單獨(dú)的信號(hào)電極312位于凹部308、310中的促動(dòng)電極309向上到桿300距離的大約三分之二處。因此在這個(gè)實(shí)例中由兩個(gè)支撐件304、306支承的桿300與信號(hào)電極312的相對(duì)位置自始至終都可以通過(guò)促動(dòng)電壓來(lái)控制。這種類型的MEMS開(kāi)關(guān)應(yīng)十分小心地構(gòu)造，使得彈跳點(diǎn)位于信號(hào)電極312的下面，即在信號(hào)電極312的促動(dòng)電極309一側(cè)。桿朝促動(dòng)電極309彎曲距離的最初大約30％被利用，即在桿300到達(dá)彈跳點(diǎn)之前，信號(hào)電極312將碰到桿300。這種類型的MEMS開(kāi)關(guān)的缺點(diǎn)是可控彎曲距離較小或到促動(dòng)電極的距離太大，而且可能較難達(dá)到高產(chǎn)品合格率，因?yàn)樵谥圃鞎r(shí)很難將信號(hào)電極準(zhǔn)確地布置在彈跳點(diǎn)的上面并同時(shí)盡可能地接近促動(dòng)電極。
在第二個(gè)實(shí)例中，如圖4所示，懸臂式MEMS開(kāi)關(guān)帶有由一個(gè)支撐件404支承的伸長(zhǎng)桿400。這種MEMS開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)桿的可控制移動(dòng)的原理是，將襯底499上的促動(dòng)電極409和信號(hào)電極412分開(kāi)。促動(dòng)電極409和信號(hào)電極412在伸長(zhǎng)桿400的下面分開(kāi)，因此當(dāng)桿400到達(dá)信號(hào)電極412時(shí)，桿400沒(méi)有到達(dá)在促動(dòng)電極409上面的彈跳點(diǎn)。在這個(gè)實(shí)例中，信號(hào)電極412和促動(dòng)電極409之間的杠桿比率為大約3∶1，即開(kāi)關(guān)變得對(duì)促動(dòng)電壓的變化十分靈敏，因此在促動(dòng)電極409上面桿的小移動(dòng)“放大”成為在信號(hào)電極412上面大得多的桿移動(dòng)。除了對(duì)促動(dòng)電壓太過(guò)靈敏之外，這種伸長(zhǎng)桿在制造時(shí)也存在很大困難。
為了進(jìn)一步改進(jìn)微機(jī)電開(kāi)關(guān)和進(jìn)一步增加微機(jī)電開(kāi)關(guān)的應(yīng)用領(lǐng)域，發(fā)明了一種可控制微機(jī)電開(kāi)關(guān)的桿彎曲的新方法。根據(jù)本發(fā)明，在桿投影的外邊靠近桿投影處設(shè)置至少一個(gè)稱作移位促動(dòng)電極的促動(dòng)電極，替代在所述桿下面即在桿投影內(nèi)的普通促動(dòng)電極或額外增設(shè)。投影是所述桿在與移位促動(dòng)電極相同的平面上的表示。投影可以說(shuō)成桿從靜止位置的平面到移位促動(dòng)電極平面的一種垂直運(yùn)動(dòng)。無(wú)論桿受驅(qū)動(dòng)移動(dòng)多少，這樣布置的移位促動(dòng)電極永遠(yuǎn)不會(huì)碰到所述桿，即桿不會(huì)朝促動(dòng)電極彎曲，最起碼不會(huì)出現(xiàn)當(dāng)桿碰到移位促動(dòng)電極平面時(shí)，桿碰到移位促動(dòng)電極的情況。如前面所提到的，移位促動(dòng)電極可以取代傳統(tǒng)的促動(dòng)電極或是作為傳統(tǒng)促動(dòng)電極的補(bǔ)充。傳統(tǒng)的促動(dòng)電極使微機(jī)電開(kāi)關(guān)具有可靠的通/斷功能，以及/或者是移位促動(dòng)電極的補(bǔ)充以適當(dāng)?shù)貙U移動(dòng)到信號(hào)電極上，而在桿和信號(hào)電極之間形成可靠的接觸。
根據(jù)本發(fā)明的微機(jī)電開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)可以適當(dāng)?shù)卦O(shè)置電容器極板/電極，其中一個(gè)設(shè)置在桿上或是與桿整體形成，而另一個(gè)適當(dāng)?shù)卦O(shè)置在與移位促動(dòng)電極相同的平面上。這將使微機(jī)電開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)成為由移位促動(dòng)電極控制的連續(xù)可變電容。還可以偏置移位促動(dòng)電極，使桿移動(dòng)到要測(cè)量的信號(hào)的小變化可引起桿大移動(dòng)的位置，這種移動(dòng)可通過(guò)電容器電極來(lái)測(cè)量。
圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的微機(jī)電開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)的第一個(gè)實(shí)施例。根據(jù)第一個(gè)實(shí)施例的微機(jī)電開(kāi)關(guān)設(shè)在襯底/開(kāi)關(guān)底座599上，并包括帶有相應(yīng)桿支撐件504的懸臂桿500和沿桿500的延伸方向布置在桿500的邊緣線590以外的移位促動(dòng)電極595。這種微機(jī)電開(kāi)關(guān)還可以包括桿500下面的信號(hào)電極512。線590垂直于桿500的平面并在桿500的邊緣，因此桿500在移位促動(dòng)電極595平面上的投影不會(huì)越過(guò)線590。根據(jù)本發(fā)明的移位促動(dòng)電極也不會(huì)越過(guò)線590，即投影將在線590的一側(cè)，而移位促動(dòng)電極將在線590的另一側(cè)。根據(jù)第一個(gè)實(shí)施例的移位促動(dòng)電極可以直接在桿的延伸方向上，或是如圖5中所示與桿的延伸方向垂直。
圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的微機(jī)電開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)的第二個(gè)實(shí)施例。圖6是沿襯底/開(kāi)關(guān)底座699上的微機(jī)電開(kāi)關(guān)的桿600的延伸方向的視圖。第二個(gè)實(shí)施例可只包括一個(gè)移位促動(dòng)電極，如第一移位促動(dòng)電極695，也可包括兩個(gè)移位促動(dòng)電極，如第一移位促動(dòng)電極695和第二移位促動(dòng)電極696。根據(jù)第二個(gè)實(shí)施例，一個(gè)或兩個(gè)促動(dòng)電極695、696平行于桿的延伸方向，且分別布置在桿600的第一邊緣線691以外和桿600的第二邊緣線692以外。
圖7是圖6中微機(jī)電開(kāi)關(guān)的頂視圖，帶有桿700、第一移位促動(dòng)電極795和第二移位促動(dòng)電極796。
圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的襯底899上的微機(jī)電開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)。移位促動(dòng)電極895從構(gòu)成桿800的投影邊緣的線890側(cè)向位移835。桿800在靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)的桿間隙834為g0。桿的彎曲量取決于桿800的彈性常數(shù)、桿800和移位促動(dòng)電極895之間間隙的介電常數(shù)、有效面積、以及桿800和移位促動(dòng)電極895之間的電壓。所述有效面積又取決于桿800的幾何形狀、移位促動(dòng)電極895的幾何形狀、以及桿800和移位促動(dòng)電極895之間的空間關(guān)系，而這種空間關(guān)系在大多數(shù)情況下又將構(gòu)成唯一的可用變量即側(cè)向位移835。
圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的許多不同的促動(dòng)電極構(gòu)造的桿位置/彎曲與促動(dòng)電壓的關(guān)系。圖中示出了移位促動(dòng)電極的許多不同側(cè)向位移量的桿間隙g的刻度系數(shù)920與促動(dòng)電極電壓的刻度系數(shù)921的關(guān)系。第一側(cè)向位移量的第一條電壓與間隙的關(guān)系曲線940的有效位移量是最大桿間隙g0的大約0％。有效位移量在一定程度上取決于移位促動(dòng)電極的位移量，但更涉及到有效面積，如上面所介紹的。第二條電壓與間隙的關(guān)系曲線941是第二側(cè)向位移量時(shí)的曲線，該有效位移量大約是最大桿間隙g0的25％。第三條電壓與間隙的關(guān)系曲線942是第三側(cè)向位移量時(shí)的曲線，該有效位移量大約是最大桿間隙g0的50％。第四條電壓與間隙的關(guān)系曲線943是第四側(cè)向位移量時(shí)的曲線，該有效位移量大約是最大桿間隙g0的75％。第五條電壓與間隙的關(guān)系曲線944是第五側(cè)向位移量時(shí)的曲線，該有效位移量大約是最大桿間隙g0的100％。第六條電壓與間隙的關(guān)系曲線945是第六側(cè)向位移量時(shí)的曲線，該有效位移量大約是最大桿間隙g0的125％?？梢钥闯?，移位促動(dòng)電極移得越遠(yuǎn)，即相對(duì)有效面積變得越小時(shí)，對(duì)于同樣的桿彎曲必須有越大的促動(dòng)電壓。同時(shí)，促動(dòng)電壓的平方與桿間隙之間的關(guān)系可以用線性方程，即具有常數(shù)斜率的直線來(lái)描述。
如前面所提到的，根據(jù)本發(fā)明的MEMS開(kāi)關(guān)適合于用作動(dòng)力傳感器。通過(guò)移動(dòng)移位促動(dòng)電極，使促動(dòng)電壓與桿位置的關(guān)系曲線具有非常陡的部分，如第三條電壓與間隙的關(guān)系曲線942，于是可以偏置移位促動(dòng)電極，使桿到達(dá)曲線陡立部分中間或附近的適當(dāng)工作點(diǎn)948。于是動(dòng)力傳感器將達(dá)到很高的靈敏度和較大的測(cè)量范圍。測(cè)量是通過(guò)測(cè)量桿的位置，確切地說(shuō)是桿偏離工作點(diǎn)948的位置來(lái)進(jìn)行。通過(guò)在桿上增加一電容器極板并在開(kāi)關(guān)底座上增加一對(duì)應(yīng)的電容器極板，使得電容量可隨桿的運(yùn)動(dòng)而變化，就可以適當(dāng)?shù)販y(cè)量桿的位置和/或偏移。
圖10示出了用于根據(jù)本發(fā)明的如動(dòng)力傳感器中桿耦合可變電容的一種惠斯通電橋結(jié)構(gòu)。
惠斯通電橋包括惠斯通電橋的電源輸入端1047、給出桿位置值的信號(hào)輸出端1048、桿間隙/位置測(cè)量元件1081、桿間隙測(cè)量參考元件1085、以及第一電橋元件1083和第二電橋元件1087。桿間隙測(cè)量參考元件1085與桿間隙/位置測(cè)量元件1081最好是相同類型，但其設(shè)置在類似未使用MEMS開(kāi)關(guān)上。第一個(gè)電橋元件1083和第二電橋元件1087最好是同一種類型的。位置測(cè)量元件1081包括在要測(cè)量位置的桿上的第一電極板，和在第一電極板下面的第二電極板，因此形成電容量隨桿的位置而變化的電容器。
本發(fā)明的基本原理是通過(guò)一個(gè)或多個(gè)移位促動(dòng)電極來(lái)連續(xù)改變MEMS開(kāi)關(guān)中桿的位置/彎曲。移位促動(dòng)電極的移位方式可使得它們不會(huì)位于所述桿的下面。MEMS開(kāi)關(guān)還可以包括桿下面的信號(hào)電極、和/或用于比如通/斷操作的附加促動(dòng)電極、和/或桿位置測(cè)量元件如電容器極板。根據(jù)本發(fā)明的MEMS開(kāi)關(guān)可用于首選連續(xù)可變桿的各種應(yīng)用中，如連續(xù)可變電容器和動(dòng)力傳感器。
本發(fā)明并不限于上述實(shí)施例，可以在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)變化和改進(jìn)。
標(biāo)記表圖1.橋式微機(jī)電開(kāi)關(guān)100 桿，101 促動(dòng)的桿，104 第一桿支撐件，106 第二桿支撐件，109 促動(dòng)/信號(hào)電極，199 襯底/開(kāi)關(guān)底座。
圖2.懸臂式微機(jī)電開(kāi)關(guān)200 懸臂桿，201 促動(dòng)的桿，204 桿支撐件，209 促動(dòng)/信號(hào)電極，299 襯底/開(kāi)關(guān)底座。
圖3.橋式微機(jī)電開(kāi)關(guān)的可連續(xù)控制桿300 桿，304 第一桿支撐件，306 第二桿支撐件，308 第一促動(dòng)電極凹部，309 促動(dòng)電極，310 第二促動(dòng)電極凹部，312 信號(hào)電極，399 襯底。
圖4.懸臂式微機(jī)電開(kāi)關(guān)的可連續(xù)控制桿400 延伸的懸臂桿，404 桿支撐件，409 促動(dòng)電極，412 信號(hào)電極，499 襯底/開(kāi)關(guān)底座。
圖5.根據(jù)本發(fā)明的微機(jī)電開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)的第一個(gè)實(shí)施例500 懸臂桿，504 桿支撐件，512 可能的信號(hào)電極，590 桿的邊緣線，595 移位促動(dòng)電極，599 襯底/開(kāi)關(guān)底座。
圖6.根據(jù)本發(fā)明的微機(jī)電開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)的第二個(gè)實(shí)施例600 桿，691 第一促動(dòng)電極側(cè)的桿的第一邊緣線，692 第二促動(dòng)電極側(cè)的桿的第二邊緣線，695 第一移位促動(dòng)電極，696 第二移位促動(dòng)電極，
699 襯底/開(kāi)關(guān)底座。
圖7.圖6中微機(jī)電開(kāi)關(guān)的頂視圖700 桿，795 第一移位促動(dòng)電極，796 第二移位促動(dòng)電極。
圖8.根據(jù)本發(fā)明的微機(jī)電開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)800 桿，834 從開(kāi)關(guān)底座到桿的距離，桿間隙g0，835 從桿的邊緣線到促動(dòng)電極的距離，即促動(dòng)電極的側(cè)向位移量，890 桿的邊緣線，895 移位促動(dòng)電極，899 襯底/開(kāi)關(guān)底座。
圖9.根據(jù)本發(fā)明的許多不同的促動(dòng)電極構(gòu)造的桿位置與促動(dòng)電壓的關(guān)系，920 桿間隙g的刻度系數(shù)，921 促動(dòng)電極電壓的刻度系數(shù)，940 第一側(cè)向位移量時(shí)的電壓與間隙的關(guān)系曲線，941 第二側(cè)向位移量時(shí)的電壓與間隙的關(guān)系曲線，942 第三側(cè)向位移量時(shí)的電壓與間隙的關(guān)系曲線，943 第四側(cè)向位移量時(shí)的電壓與間隙的關(guān)系曲線，944 第五側(cè)向位移量時(shí)的電壓與間隙的關(guān)系曲線，945 第六側(cè)向位移量時(shí)的電壓與間隙的關(guān)系曲線，948 動(dòng)力傳感器的適當(dāng)工作點(diǎn)。
圖10.用于根據(jù)本發(fā)明的動(dòng)力傳感器的一種惠斯通電橋結(jié)構(gòu)，1047 電橋電源輸入，1048 電橋信號(hào)輸出，1081 桿間隙測(cè)量元件，
1083 第一電橋元件，1084 桿間隙測(cè)量參考元件，1087 第二電橋元件。
權(quán)利要求
1.一種微機(jī)電開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)，包括第一開(kāi)關(guān)支撐件和帶有第一端及第二端的開(kāi)關(guān)桿，所述開(kāi)關(guān)桿的第一端支承在所述第一開(kāi)關(guān)支撐件上，其特征在于，所述微機(jī)電開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)還包括第一移位促動(dòng)電極，與所述開(kāi)關(guān)桿的投影隔開(kāi)，所述投影位于與所述第一移位促動(dòng)電極相同的平面上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微機(jī)電開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第一移位促動(dòng)電極至少部分布置在所述開(kāi)關(guān)桿的第二端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微機(jī)電開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第一移位促動(dòng)電極至少部分與所述開(kāi)關(guān)桿的縱軸平行。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的微機(jī)電開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述微機(jī)電開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)還包括第二移位促動(dòng)電極，與所述第一促動(dòng)電極基本上布置在同一個(gè)平面內(nèi)，所述第二移位促動(dòng)電極與所述開(kāi)關(guān)桿的投影隔開(kāi)，至少有一部分與所述開(kāi)關(guān)桿的縱軸平行，并與所述第一促動(dòng)電極隔開(kāi)所述開(kāi)關(guān)桿的投影。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的微機(jī)電開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述微機(jī)電開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)還包括第二開(kāi)關(guān)支撐件，所述開(kāi)關(guān)桿的第二端支承在所述第二開(kāi)關(guān)支撐件上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任何一項(xiàng)所述的微機(jī)電開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述微機(jī)電開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)還包括至少部分與所述開(kāi)關(guān)桿的所述投影重合的信號(hào)電極。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任何一項(xiàng)所述的微機(jī)電開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述微機(jī)電開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)還包括至少部分與所述開(kāi)關(guān)桿的所述投影重合的促動(dòng)電極。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任何一項(xiàng)所述的微機(jī)電開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述微機(jī)電開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)還包括布置在所述開(kāi)關(guān)桿上的第一電容器極板；布置在所述微機(jī)電開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)的底座上對(duì)著所述第一電容器極板的第二電容器極板。
9.連續(xù)可變電容器，包括第一接頭和第二接頭，其特征在于，所述可變電容器包括根據(jù)權(quán)利要求8所述的微機(jī)電開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)，且所述第一接頭連接在所述第一電容器極板，而所述第二接頭連接在所述第二電容器極板。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的連續(xù)可變電容器，其特征在于，通過(guò)偏壓所述第一移位促動(dòng)電極可使所述可控可變電容器的開(kāi)關(guān)桿偏移。
11.一種電容量由控制電壓控制的可控可變電容器，其特征在于，所述可控可變電容器包括根據(jù)權(quán)利要求9所述的連續(xù)可變電容器，且控制電壓連接在所述第一移位促動(dòng)電極上。
12.一種微機(jī)電開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)的桿測(cè)量裝置，包括桿測(cè)量元件，其特征在于，所述測(cè)量裝置包括作為桿測(cè)量元件的根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的第一連續(xù)可變電容器，且測(cè)量的桿是所述開(kāi)關(guān)桿。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的微機(jī)電開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)的桿測(cè)量裝置，其特征在于，所述裝置還包括惠斯通電橋，所述桿測(cè)量元件是電橋元件。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的微機(jī)電開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)的桿測(cè)量裝置，其特征在于，所述裝置還包括根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的第二連續(xù)可變電容器，作為所述惠斯通電橋中所述桿測(cè)量元件的參考元件。
15.一種用來(lái)測(cè)量流經(jīng)動(dòng)力信號(hào)電極的動(dòng)力的動(dòng)力測(cè)量單元，其特征在于，所述動(dòng)力測(cè)量單元包括根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的微機(jī)電開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)的桿測(cè)量裝置，且所述動(dòng)力信號(hào)電極至少有一部分布置在所述微機(jī)電開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)的桿測(cè)量裝置測(cè)量的桿的下面。
全文摘要
一種帶有可連續(xù)控制桿的微機(jī)電開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)。通過(guò)在靠近桿投影處但在桿投影外增設(shè)的促動(dòng)電極可連續(xù)控制桿。桿垂直投影到促動(dòng)電極的平面上。通過(guò)將促動(dòng)電極設(shè)置在桿的旁邊而不是在桿的下面，促動(dòng)電極可以連續(xù)控制桿從靜止位置移動(dòng)到完全促動(dòng)狀態(tài)。
文檔編號(hào)B81B3/00GK1500062SQ02807853
公開(kāi)日2004年5月26日 申請(qǐng)日期2002年3月20日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月2日
發(fā)明者P·哈爾比約爾納, P 哈爾比約爾納 申請(qǐng)人:艾利森電話股份有限公司