專利名稱：微電子機械裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微電子機械裝置。
背景技術(shù)：
在形成井的過程中，要進行許多不同類型的操作，包括鉆井、測井、完井和生產(chǎn)的步驟。使用多種不同類型的裝置來執(zhí)行期望的操作。這些裝置的例子包括射孔槍用來執(zhí)行打孔操作，流控制裝置用來控制液體流量(噴射或生產(chǎn))，封隔器用來隔離井的不同區(qū)域，以及其它的裝置。
激活這些裝置的激活機構(gòu)包括機械、液壓和電激活機構(gòu)。為了電激活井下裝置，將電源連接到井下裝置上。在井下模塊的表面或者井下模塊之中，這一般是使用開關(guān)來完成的。開關(guān)最初處于打開狀態(tài)，用于將電源與井下裝置隔離。當需要激活時，開關(guān)閉合用于為井下裝置提供電源。
在井眼的應(yīng)用中，一種由氣體放電管制成的開關(guān)，也即通常所說的火花隙開關(guān)，這種開關(guān)是觸發(fā)型或過壓型開關(guān)。觸發(fā)型開關(guān)使用外部激勵來閉合或激活開關(guān)。當橫跨開關(guān)的電壓水平超過閾值時過壓型開關(guān)被激活。
有些開關(guān)使用在其每端具有電極的充氣管。為了使開關(guān)傳導(dǎo)電流，或者應(yīng)用觸發(fā)電壓于第三電極，或者在過壓狀態(tài)下強制導(dǎo)通開關(guān)。由于典型的充氣管放電開關(guān)以管狀幾何排列，因相對長的導(dǎo)電路徑長度，它通常與相對高的電感相連。同樣，充氣管的管狀不允許開關(guān)的總尺寸適宜地減小。此外，充氣管開關(guān)很難組裝并且很難與其它元件集成。
另一類開關(guān)包括爆炸沖擊開關(guān)。該沖擊開關(guān)使用具有頂部導(dǎo)體層、中心絕緣層和底部導(dǎo)體層的扁平柔性電纜構(gòu)造而成。引爆該頂部層的少量爆炸物，導(dǎo)致絕緣層在兩個導(dǎo)體層之間形成傳導(dǎo)電離路徑。這種開關(guān)的一種變形是“圖釘”開關(guān)，其中使用銳利的金屬釘刺透絕緣層，用以將頂部導(dǎo)體層和底部導(dǎo)體層電連接。圖釘開關(guān)類似于爆炸開關(guān)卻不可靠，因為當它穿透孔時，“圖釘”可能僅僅將絕緣層沿著其彎曲，以至于該圖釘不能在兩個導(dǎo)體層之間進行連接。
開關(guān)也可用于其它應(yīng)用和其它的領(lǐng)域，例如在軍事、醫(yī)藥、制造、通信、計算機、消費電子產(chǎn)品、建筑、爆破、地震和采礦應(yīng)用中保護電子元件，快速分流危險電壓和對地電流沖擊，以激活電氣裝置，或者初始化爆炸裝置。許多這種開關(guān)具有如上所述的各種缺點。

發(fā)明內(nèi)容
概括地說，根據(jù)一個實施例，本裝置包括具有微電子機械元件的開關(guān)，該微電子機械元件包括容納電介質(zhì)元件的密封腔以及密封腔內(nèi)的導(dǎo)體。設(shè)置該導(dǎo)體使得應(yīng)用電壓高于預(yù)定電壓而引起電介質(zhì)元件的擊穿從而提供導(dǎo)體間的導(dǎo)電路徑。
概括地說，根據(jù)另一實施例，開關(guān)包括至少2個導(dǎo)體和納米管電子發(fā)射器以形成該至少2個導(dǎo)體間的至少部分的導(dǎo)電路徑。
從下列說明、附圖及技術(shù)方案中，其它的特征和實施例將顯而易見。


圖1示出了用于井眼中的下井儀器串的實施例。
圖2A是根據(jù)圖1中實施例的下井儀器串中可用的爆炸箔引發(fā)器(EFI)觸發(fā)電路的示意圖。
圖2B示出圖2A中的EFI觸發(fā)電路的側(cè)視圖。
圖3示出包括微電子機械釘?shù)奈⑿烷_關(guān)的實施例。
圖4A-4B示出具有被易碎元件限制的電極的微型開關(guān)的另一實施例。
圖5還示出具有平行板和響應(yīng)于施加的電流而可毀掉的介質(zhì)層的微型開關(guān)的另一實施例。
圖6示出包括雙穩(wěn)元件的微型開關(guān)的另一實施例。
圖7A-7D還示出包括容納介質(zhì)氣體的腔室的微型開關(guān)的另一實施例。
圖8示出包括可動電極的微型開關(guān)的另一實施例。
圖9是根據(jù)另一實施例的微型開關(guān)的橫截面視圖，其中包括火花隙以及確定部分火花隙的橫賂隔開導(dǎo)體。
圖10是圖9中微型開關(guān)的頂部視圖。
圖11是微型開關(guān)的另一實施例，它類似于圖9中的微型開關(guān)，除了將觸發(fā)電極添加到圖11中的微型開關(guān)中。
圖12是根據(jù)另一實施例的微型開關(guān)的橫截面視圖，其中提供的介質(zhì)層具有形成火花隙的有限開口。
圖13是另一種微型開關(guān)的橫截面視圖，除了包括提供的觸發(fā)電極，其類似于圖12中的微型開關(guān)。
圖14是圖13中微型開關(guān)的頂部視圖。
圖15是根據(jù)另一不同實施例的微型開關(guān)的橫截面視圖，其中使用了納米管電子發(fā)射器。
圖16是根據(jù)另一實施例的微型開關(guān)的橫截面視圖。
圖17示出形成在支撐結(jié)構(gòu)上的納米管電子發(fā)射器。
具體實施例方式
在下列描述中，給出許多細節(jié)以提供對本發(fā)明的理解。然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解沒有這些細節(jié)也可以實現(xiàn)本發(fā)明從描述的實施例得到許多變形或修改也是可能的。例如，盡管提出了用于井眼的微型開關(guān)的參考，這種微型開關(guān)(或其它類型的微型電子機械開關(guān)裝置)可用于其它的應(yīng)用，例如地震、礦業(yè)、軍事、醫(yī)藥、制造、通信、計算機、消費電子、建筑和爆破等等。
正如這里使用的，術(shù)語“上”和“下”；“上部”和“下部”；“向上”和“向下”；“上面”和“下面”以及其它類似的術(shù)語，表明了在該說明書中使用的給定點或給定元件之上或之下的相對位置，用以更清楚地描述本發(fā)明的一些實施例。然而，當應(yīng)用的裝置和方法使用于偏離或水平的井中，或者當這種裝置位于偏離或水平的方向時，這些術(shù)語可指左到右、右到左或其它適當?shù)年P(guān)系。
參考圖1，包括射孔槍15作為一實例的測井下井儀10向下穿過位于井眼8中的管道7，其中管道7沿著外殼9排列。封隔器6設(shè)置在管道7和外殼9之間，用來隔離管道外殼環(huán)面。測井下井儀10在載體12上運行，其中可以是鋼絲繩、平直管線、管道或其它載體。某種類型的載體12(例如鋼絲繩)可包括一個或更多的電導(dǎo)體13，通過電導(dǎo)體13可將電源和信號與測井下井儀10進行連通。如圖1所示的射孔槍15包括多個聚能射孔彈20。在一個實施例中，這種聚能射孔彈20可以使用引發(fā)器(initiator)裝置22來引爆，該引發(fā)器裝置22可被從井表面發(fā)出的命令激活，該命令以電信號的形式發(fā)送到載體12中的一個或更多的電導(dǎo)體13?？蛇x擇地，該命令為壓力脈沖命令或液壓命令。引發(fā)器裝置22可被信號電激活，該信號通過一個或更多電線24傳導(dǎo)。
測井下井儀10的其它工具包括封隔器、閥、塞、切割機或其它裝置。因而，在這些其它工具中，發(fā)自井表面的命令可激活控制模塊來調(diào)整封隔器，打開和關(guān)閉閥，或者開動或釋放其它裝置。為了激活測井下井儀10中的裝置，提供開關(guān)將電信號或電源與裝置相連。例如，為了將爆炸物啟動，引發(fā)器裝置22可包括開關(guān)和爆炸箔引發(fā)器(EFI)電路。
根據(jù)一些實施例，開關(guān)可包括基于微電子機械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的微電子機械元件。MEMS元件包括由輸入能量(電能或其它類型的能量)驅(qū)動而可移動的機械元件。MEMS元件是以微型制造技術(shù)形成的微觀尺度的元件，其包括在半導(dǎo)體襯底(例如硅襯底)上的顯微機械加工。在顯微機械加工的工序中，各種不同的蝕刻和圖案形成步驟可用于形成期望的微型機械零件。MEMS元件的一些優(yōu)點在于它們占用的空間小、所需的功率相對低、相對堅固并且相對便宜。
根據(jù)其它實施例的開關(guān)由微電子技術(shù)制成，其類似于那些用于制造集成電路裝置的開關(guān)。正如這里使用的，以MEMS或其它微電子技術(shù)形成的開關(guān)一般稱之為“微型開關(guān)”。這些微型開關(guān)中的元件稱之為“微型元件”，一般為以MEMS或微電子技術(shù)形成的元件。一般而言以MEMS技術(shù)實現(xiàn)的開關(guān)或裝置稱之為“微電子機械開關(guān)”。
在一實施例中，微型開關(guān)可與其它元件集成，例如啟動爆炸物的EFI電路。集成元件容納在更小的封裝中，在井眼中能夠達到更有效的空間利用。正如這里所使用的，如果元件形成在相對小尺寸的封裝中放置的公用支撐結(jié)構(gòu)上，或彼此接近地安裝，這些元件稱之為“集成的”。因此，例如，微型開關(guān)可在與EFI電路相同的支撐結(jié)構(gòu)上制造，用于提供因低效串聯(lián)電阻(ESR)和低效串聯(lián)電感(ESL)而更有效的開關(guān)。微型開關(guān)也可形成在具有其它元件的共用襯底上以達到更有效的封裝。
參考圖2A，根據(jù)一實施例，電容放電單元(CDU)包括儲能電容器202，其可充電以觸發(fā)電壓電平。電容器202提供本地能量源以供激活能量。電容器202連接到微型開關(guān)204，其可被觸發(fā)電壓Vtrigger或觸發(fā)電流Itrigger激活到閉合或?qū)顟B(tài)。當開關(guān)204閉合時，激活能量耦合到EFI電路206來激活EFI206。
EFI電路一般包括連接到電流源的金屬箔，例如儲能電容器202。具有極小寬度的縮小的頸部形成于箔中，絕緣層置于包括頸部的箔的一部分上。當施加合適的大電流通過箔的頸部時，該頸部會爆炸或蒸發(fā)。這導(dǎo)致小部分材料，稱之為錠殼(flyer)，從絕緣層剪切除掉。接著該錠殼穿過套筒撞擊爆炸物以引爆。
圖2A描述的電路的側(cè)視圖顯示于圖2B中。電容器202安裝在襯底216的第一表面210上，而微型開關(guān)204和EFI206安裝在襯底216的相反面212上?？蛇x擇地，電容器202可安裝在與微型開關(guān)204或EFI206的同一表面上。電容器202、微型開關(guān)204和EFI206通過導(dǎo)電路徑或軌跡而電連接在一起，其布線在襯底216上。
在其它實施例中，可使用其它類型的電激活引發(fā)器來代替EFI206，例如爆炸橋(EBW)引發(fā)器，半導(dǎo)體橋(SCB)引發(fā)器等等。同樣，可選擇地，可使用其它類型的本地能量源來代替電容器202。在此討論的微型開關(guān)也可用于其它的井下應(yīng)用，例如控制裝置、傳感器裝置、模擬和數(shù)字電路以及數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)?？蛇x擇地，微型開關(guān)可用于地震、采礦或其它應(yīng)用。
下面描述了微型開關(guān)的各種實施例。這些微型開關(guān)在圖2A的CDU中是可用的，或可選擇地，它們可用于將電源和其它類型的元件相連，無論用于井下環(huán)境或另外的應(yīng)用(例如，地震或采礦)。
參考圖3，根據(jù)實施例，MEMS開關(guān)300被MEMS釘302所激活。在這個實施例中，MEMS釘302取代了在一些傳統(tǒng)的圖釘開關(guān)中使用的圖釘致動器。開關(guān)300包括頂部和底部導(dǎo)體層304和308，將絕緣層306夾在中間。每個導(dǎo)體304和308可以由金屬或一些其它合適的導(dǎo)體材料形成。絕緣層306可包括聚合物材料，例如聚酰亞胺薄膜。MEMS釘302可置于頂部導(dǎo)體層304上。當被激活時，例如通過施加具有預(yù)定振幅的觸發(fā)電壓Vtrigger，致動器303釋放MEMS釘302以穿過層304和306而與底部導(dǎo)體層308接觸。這樣電耦合頂部和底部導(dǎo)體304和308以激活開關(guān)300。因此，電導(dǎo)體層304可由驅(qū)動電壓Vdrive驅(qū)動，而電導(dǎo)體層308連接到被激活的元件(例如，圖2中的EFI電路206)。
在一實施例中，預(yù)成型孔307已經(jīng)存在于MEMS釘302可穿過的層304和306中。在另一實施例中，MEMS釘302具有尖銳端以刺穿層304和306而到達層308。
在一種結(jié)構(gòu)中，致動器303包括可動的支撐元件315，其以擴大的凸緣部分312支撐釘302。支撐元件315允許釘302在從釘?shù)耐咕壊糠?12撤出時進入孔307。支撐元件315可在MEMS齒輪機構(gòu)303的驅(qū)動下作徑向運動。當接通電源時，MEMS齒輪機構(gòu)303從釘302徑向縮回支撐元件315，以使其落入孔307中而電連接導(dǎo)體304和308。在可選擇的結(jié)構(gòu)中，可使用MEMS齒輪機構(gòu)303來驅(qū)動釘302進入孔307，而不用縮回對釘302的支撐。
構(gòu)成微型開關(guān)300的層結(jié)構(gòu)可形成在襯底310上，其可以是半導(dǎo)體、絕緣體或其它襯底。在一例中，襯底310可以是硅襯底。半導(dǎo)體層308首先沉積在襯底310上，接著是絕緣層306和下一導(dǎo)體層304。孔307可通過各向異性蝕刻而穿過層304和306成型。包括釘302和致動器303的MEMS結(jié)構(gòu)可形成在孔307之上的導(dǎo)體層304的頂部上。
參考圖4A-4B，根據(jù)另一實施例，微型開關(guān)500包括第一襯底502和第二襯底504。第一襯底502和形成于其上的層實際上顛倒顯示于圖4A-4B。在形成微型開關(guān)500中，兩個襯底502和504獨立成型，一個襯底顛倒翻轉(zhuǎn)面對另一個襯底。
絕緣層506(例如，亞硝酸鹽或SxNy層)形成在襯底502的表面上。導(dǎo)體線510(例如，使用金屬，如鋁、鎳、金、銅、鎢或鈦制造的金屬層)形成在絕緣層506上。多個系鏈516，每個由半導(dǎo)體材料如選定電阻率的摻雜硅制成，接著可形成在支撐導(dǎo)體盤514的襯底502上，其中導(dǎo)體盤514可由金屬如鋁、鎳、金、銅、鎢或鈦制成。在系鏈516和盤514之間的觸點處，系鏈516連接到導(dǎo)體盤514。當承受相對大的電流時，系鏈516會解體或破裂以允許導(dǎo)體盤514穿過間隙515落下并與形成在襯底504上的導(dǎo)體層512相接觸。因此，更有效的是，系鏈516為易碎元件，其響應(yīng)于施加的電壓或電流而分裂。
如圖4B所示，系鏈盤514具有彎曲的部分517以允許它電連接于形成于襯底502上的粘接墊519。粘接墊519可與導(dǎo)引針接觸，例如，其給系鏈導(dǎo)體盤514提供驅(qū)動電壓Vdrive。系鏈516與導(dǎo)體線510接觸，其可依次連接到承受觸發(fā)電流Itrigger的另一粘接墊521。
操作時，導(dǎo)體盤514被驅(qū)動電壓Vdrive所驅(qū)動。當微型開關(guān)500閉合(或啟動)時，通過導(dǎo)體線510施加觸發(fā)電流Itrigger，其至少破碎或解體系鏈516的一部分。這允許導(dǎo)體盤514(其處于驅(qū)動電壓Vdrive)落下并與導(dǎo)體層512接觸，由此驅(qū)動電壓V0達到驅(qū)動電壓Vdrive。導(dǎo)體層512(和電壓V0)可與一個待激活的裝置相連，例如圖2中的EFI電路206。
參考圖5，還有另一個微型開關(guān)600的實施例，其包括兩個平行盤602和604，在兩個平行盤之間具有介質(zhì)層610。介質(zhì)層是電絕緣層。介質(zhì)層610的介電特性可通過電能以觸發(fā)電壓或電流的形式來調(diào)節(jié)，從而在兩個導(dǎo)電盤602和604之間提供導(dǎo)電路徑。導(dǎo)體線606可形成在導(dǎo)體盤604之上，其中在線606和導(dǎo)體盤604之間具有絕緣層607。分離導(dǎo)體盤602和604的介質(zhì)層610可以是介電固體、液體或固體。當被供以觸發(fā)電流時，線606引起介質(zhì)層610擊穿并在導(dǎo)體盤602和604之間提供了導(dǎo)電路徑。
操作時，驅(qū)動電壓Vdrive施加于導(dǎo)體盤602，且導(dǎo)體盤604與一裝置耦合而使其被激活。當觸發(fā)電流Itrigger施加于線606，介質(zhì)層610擊穿并且電壓Vdrive導(dǎo)通了從導(dǎo)體盤602到另一導(dǎo)體盤604的導(dǎo)電路徑，其將電壓V0升高到驅(qū)動電壓Vdrive。
參考圖6，根據(jù)另一實施例的微型開關(guān)700包括雙穩(wěn)微電子機械開關(guān)700。該開關(guān)700包括接觸盤706，當施加驅(qū)動電壓Vdrive時，其保持在中性位置(即靜態(tài)位置)。接觸盤706基本位于盤702和704之間的中間平面上。將每一個盤702和704驅(qū)動到Vdrive以保持接觸盤706在它的中性位置。當希望啟動微型開關(guān)700時，將觸發(fā)電壓Vtrigger加到盤702或704之一，以將電壓增加到Vdrive+Vtrigger。這產(chǎn)生靜電力而引起開關(guān)中的不平衡，其移動盤706以與盤704接觸。接觸盤706在其基底端附著到支撐柱710。在一實施例中，接觸盤706和支撐柱整體以金屬形成以提供懸臂。該懸臂適于受靜電力的作用而彎曲。當懸臂盤706與盤704接觸時，電壓Vdrive+Vtrigger傳到懸臂盤706。
參考圖7A-7D，圖解示出微型開關(guān)800的另一實施例。圖7A是微型開關(guān)800的分解側(cè)面視圖，其包括上襯底802和下襯底804。結(jié)構(gòu)可形成于每個襯底802和804上。圖7B示出下襯底804的頂部視圖，并且圖7C示出上襯底802的底部視圖。導(dǎo)體盤806和上介質(zhì)層810沉積在上襯底802上。下導(dǎo)體盤808形成在下襯底804上，并且下介質(zhì)層812形成在下導(dǎo)體盤808上。此外，觸發(fā)電極814形成在介質(zhì)層812上。
如圖7C所示，切掉介質(zhì)層810一部分以形成一個窗口，將上導(dǎo)體盤806暴露在外。類似地，如圖7B所示，切掉介質(zhì)層812一部分以形成一個窗口，將下導(dǎo)體盤808暴露在外。
如圖7A所示，上襯底802翻轉(zhuǎn)到一個顛倒位置。當上襯底802和下襯底804以及附著結(jié)構(gòu)彼此電接觸時，獲得圖7D的結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的制造可在充滿惰性氣體(例如氬)的腔室中完成，使得形成間隙816從而使兩個襯底802和804一起也充滿惰性氣體。間隙816也可充滿另外的氣體，如氮、氦、氖、氙、氧、空氣或其它氣體。間隙816也可以充滿不同氣體的混合物?？蛇x擇地，間隙816可充滿另一介電元件，例如液體或固體電介質(zhì)。該介電材料選擇用以在應(yīng)用預(yù)定的電壓或電流觸發(fā)信號下會擊穿。
操作時，施加觸發(fā)電壓到觸發(fā)導(dǎo)體盤814，以擊穿間隙816中的絕緣體而提供上導(dǎo)體盤806和下導(dǎo)體盤808之間的導(dǎo)電路徑，由此閉合微型開關(guān)800。
參考圖8，根據(jù)另一實施例，MEMS開關(guān)400可包括被間隙420和422隔離的電觸頭404、406、408和410。觸頭404和406與線416和418分別電耦合，與電極412和414分別端接。電極412和414可與相應(yīng)的元件電接觸，例如能量源以及被能量源激活的裝置。當觸頭408和410被驅(qū)動部件402向下移動時，觸頭404和406分別傾斜鄰接觸頭408和410。例如，驅(qū)動部件402可通過施加觸發(fā)電壓而被移動。當觸頭404、406、408和410彼此接觸時，在電極412和414之間建立了導(dǎo)電路徑。驅(qū)動部件402的運動可使用MEMS齒輪(未示出)而完成。
觸頭404、406、408和410可由金屬或一些其它導(dǎo)電材料形成。開關(guān)400可形成在半導(dǎo)體襯底上，例如硅。
圖9示出根據(jù)另一實施例的微型開關(guān)900。該微型開關(guān)900與圖7A-7D中描述的微型開關(guān)類似，包括含有電絕緣或電介質(zhì)材料(即氣體、液體或固體)的間隙902(稱之為火花隙)。更有效地，根據(jù)一實施例，微型開關(guān)中的間隙902包括密封腔。在另一實施例中，間隙902沒有密封，而是暴露于微型開關(guān)900所在的工具或封裝的其它部分。
如果火花隙902充滿氣體，該氣體可包括氮、氬、氦、氙、氧、氖、空氣或一些氣體的混合物。不像圖7A-7D(其中導(dǎo)電盤806和808垂直設(shè)置，如圖7D所示，與火花隙816的任一側(cè)相對)中描述的結(jié)構(gòu)，圖9中的微型開關(guān)900使用側(cè)面排列的導(dǎo)體904和906。每個導(dǎo)體904和906是形成在電絕緣支撐結(jié)構(gòu)(襯底910)上的導(dǎo)電盤。在每個導(dǎo)體904和906的側(cè)面907和908之間提供了火花隙902的部分。襯底910可由電絕緣或電介質(zhì)材料，如陶瓷、硅、玻璃等制成，其中導(dǎo)體904和906形成在該襯底910上。
蓋912設(shè)置在導(dǎo)體904和906的至少部分及襯底910上。密封元件914和916設(shè)置在蓋912的下表面和導(dǎo)體904和906的上表面。實施例中提供的密封元件914和916使用火花隙902中的氣體或液體。在實施例中也可省去密封元件914和916而使用火花隙902中的固體電介質(zhì)。
除了導(dǎo)體904和906的側(cè)面907和908之間的區(qū)域之外，火花隙902還包括密封元件914和916之間、以及蓋912的下面與導(dǎo)體904和906的上表面之間的區(qū)域。
導(dǎo)體904連接到一個輸入電壓源，而導(dǎo)體906連接到一個當微型開關(guān)900閉合而被激活的部件。在圖2A例子的上下文中，微型開關(guān)900的輸入電壓源由電容器202提供，而微型開關(guān)900的輸出(導(dǎo)體206)連接到EFI206。一般而言，微型開關(guān)900將輸入電能源連接到被輸入電能激活的部件，其中微型開關(guān)900響應(yīng)于輸入電能超過預(yù)定閾值(例如大于預(yù)定電壓)而構(gòu)成閉合(導(dǎo)通火花隙902)。
為了激活微型開關(guān)900，將充分高的輸入電壓施加給導(dǎo)體904。施加電壓大于預(yù)定電壓閾值電平使得火花隙902中氣體電離(擊穿)，這引起電能通過微型開關(guān)從一導(dǎo)體904轉(zhuǎn)移到另一導(dǎo)體906。在某些實施例中，擊穿發(fā)生處的預(yù)定電壓電平大約是700伏特。因此，應(yīng)用大于或等于700伏特的輸入電壓以引起氣體擊穿。相對高的擊穿電壓適用于井的應(yīng)用，也適用于地震和采礦的應(yīng)用。擊穿電壓是所使用氣體的類型和壓力、跨越火花隙的導(dǎo)體間的距離和以下列出的其它要素的函數(shù)。
火花隙902中電介質(zhì)氣體擊穿根據(jù)隨機過程發(fā)生。隨機過程會根據(jù)(1)充電建立處的導(dǎo)體904和906的表面粗糙度或表面缺陷、(2)非局部的充電累積和(3)微型開關(guān)使用前檢測的表面變化或剝蝕損傷而變化。這些不確定性引起了電離放電的端點的確切位置的可變性，其影響通過火花隙902的電弧路徑長度。這相應(yīng)會引起放電電壓的精確值的不確定性。同時，導(dǎo)體和其它材料表面或之內(nèi)的污染物例如水汽、化學(xué)雜質(zhì)或污染物，也會導(dǎo)致可變的放電電壓。此外，電介質(zhì)氣體中存在由氣體自身內(nèi)的雜質(zhì)或污染物以及氣體分子的隨機運動和溫度引起的可變性。
電介質(zhì)氣體的可變性可由許多方法來使之穩(wěn)定，例如將放射性物質(zhì)包括在火花隙902之內(nèi)或周圍。放射性物質(zhì)的存在以一種更確定和可預(yù)知的運動(即，β(beta)粒子發(fā)射的電離輻射或激發(fā))激發(fā)分子。作為一例，少量放射性氣體，例如氚，可混入火花隙902中的氣體。可選擇地，固體放射性物質(zhì)可定點在火花隙902之內(nèi)或之外。例如，放射性物質(zhì)包括鉻、釷、鉀、鈾、鎳的同位素或包含豐富比例的這些物質(zhì)的礦物質(zhì)；例如，釷礦(Th(SiO4))，云母鈾礦或某些巖鹽(KCl)。適當少量的釷或鉀(或自然產(chǎn)生的礦物或包含豐富比例的這些物質(zhì)的巖鹽)具有在可接受的范圍內(nèi)的有限放射能的額外效果，所述范圍能夠足以免除環(huán)境條例中特殊的運輸和處理需求。
圖10是微型開關(guān)900的頂部視圖。在該視圖中，假設(shè)蓋912是透明的，以至于可以看見蓋912下面的結(jié)構(gòu)。每個導(dǎo)體904和906分別具有彎曲側(cè)面930和932。導(dǎo)體904和906彎曲的幾何形狀(側(cè)面930和932)定位在導(dǎo)體904和906的放電點，以提高橫越火花隙902的電弧路徑的可預(yù)計性。正如圖10中所描述的，導(dǎo)體904和906的彎曲側(cè)面930和932橫越火花隙902的部分而互相面對。可代替的或除使用放射性物質(zhì)之外，導(dǎo)體904和906的彎曲側(cè)面930和932可以用于減少導(dǎo)體904和906放電點的可變性。
圖11示出微型開關(guān)920的另一實施例，其實質(zhì)在配置上類似于圖9中描述的微型開關(guān)900(微型開關(guān)920的元件與微型開關(guān)900相同的元件，具有相同的附圖標記)。微型開關(guān)920的區(qū)別在于提供有觸發(fā)電極，示于可選的位置922A、922B或922C。為了有效地操作可提供觸發(fā)電極922A、922B和922C中的僅僅一個?？蛇x擇地，提供觸發(fā)電極922A、922B和922C中的多于一個。觸發(fā)電極922B位于火花隙902中，并形成在各個導(dǎo)體904和906的側(cè)面907和908之間的襯底910的表面。觸發(fā)電極922A置于蓋912的上表面(火花隙902外面)。觸發(fā)電極922C置于襯底910的下表面，也在火花隙902外面。
操作時，給導(dǎo)體904施加電壓。施加給導(dǎo)體904的電壓低于擊穿電壓，這將引起火花隙902中氣體的電離。為激活微型開關(guān)920，施加一電壓脈沖給觸發(fā)電極922(922A、922B和922C中一個或更多電極)。該電壓脈沖引起火花隙902中容納氣體的擊穿，由此允許電流在導(dǎo)體904和906之間流過。在可選擇的實施例中，可以使用電介質(zhì)液體或固體來代替火花隙902中的氣體。
減少橫越火花隙導(dǎo)體的放電點位置的可變性的另一種穩(wěn)定性技術(shù)是提供有限的開口，例如圖12中描述的微型開關(guān)940的有限開口942和944。微型開關(guān)940包括導(dǎo)體946和948，其為形成在襯底950上的導(dǎo)電盤。此外，固體介質(zhì)層952(在介質(zhì)層952上形成有開口942和944)設(shè)置在導(dǎo)體946和948上。介質(zhì)層952的中間部分向下延伸以充滿導(dǎo)體946和948各自的側(cè)面954和956之間的區(qū)域。蓋958設(shè)置在介質(zhì)層952和導(dǎo)體946和948的結(jié)構(gòu)上方。密封元件958和959設(shè)置在蓋957和介質(zhì)層952之間，以為火花隙941中的電介質(zhì)氣體或電介質(zhì)液體提供密封，火花隙941由蓋957、密封元件958和959以及導(dǎo)體946和948形成。
微型開關(guān)940中的火花隙941被部分地充滿固體介質(zhì)層952。設(shè)置在介質(zhì)層952中的開口942和944提高了導(dǎo)體946和948上放電點的可預(yù)計性。
操作時，如果給導(dǎo)體946施加足夠大的電壓，氣體發(fā)生電離導(dǎo)致放電路徑從導(dǎo)體946穿過開口942延伸。放電路徑穿過在介質(zhì)層952之上但在蓋957之下的火花隙941的空間，并穿過另一個開口944到達另一導(dǎo)體948。
圖13示出另一微型開關(guān)960，除了在部分介質(zhì)層952確定的空間中設(shè)置了觸發(fā)電極962以外，其余與圖12中的微型開關(guān)940相同。為了操作微型開關(guān)960，在導(dǎo)體948上施加電壓，該電壓維持在低于火花隙941中的電介質(zhì)氣體或液體的擊穿電壓的電平。電壓脈沖施加在觸發(fā)電極962上而引起火花隙941中的電介質(zhì)氣體或液體的擊穿。
圖14示出圖13中描述的微型開關(guān)960的頂部視圖。如圖14所述，為了描述起見，假設(shè)蓋957和介質(zhì)層952是透明的，使得這些層下的結(jié)構(gòu)可以看見。該頂部視圖示出開口942和944的位置，以及在導(dǎo)體946和948之間延伸的觸發(fā)電極962的位置。導(dǎo)體946和948具有橫越火花隙941的部分而彼此面對的彎曲側(cè)面947和949。
根據(jù)另一實施例，如圖15中所描述的，微型開關(guān)970使用納米管電子發(fā)射器972和974?？蛇x擇地，可以使用放射性的同位素電子發(fā)射器代替納米管電子發(fā)射器。除了在微型開關(guān)970中增加了納米管電子發(fā)射器972和974，微型開關(guān)970在結(jié)構(gòu)上類似于圖12中的微型開關(guān)940。納米管電子發(fā)射器972和974形成在各導(dǎo)體946和948表面上的各個開口942和944中。納米管電子發(fā)射器972和974有助于穩(wěn)定位置并提高穿過火花隙941的放電路徑的可預(yù)計性。實際上，納米管電子發(fā)射器作為微型發(fā)光桿起作用。納米管的端部集中并加強了局部電場梯度，由此激發(fā)附近的氣體分子的電離。從納米管電子發(fā)射器的端部非常容易發(fā)射電子。納米管電子發(fā)射器972和974也是導(dǎo)電性的，并形成在導(dǎo)體946和948上，使得納米管電子發(fā)射器972和974分別與導(dǎo)體946和948電接觸。
碳納米管(CNT)是石墨片的無縫管。納米管基本上是非常小的管，其具有原子標度的壁厚。例如，CNT是一個其壁由碳分子形成的管，其中壁厚可以是一個分子厚度。CNT首次被發(fā)現(xiàn)是作為多層同軸管(即，多壁碳納米管，MWCNT)。隨后，在存在過渡金屬催化劑情況下制各單壁碳納米管(SWCNT)。本發(fā)明的實施例可使用SWCNT、MWCNT或二者的混合物。在應(yīng)用中CNT已經(jīng)表現(xiàn)出了具有希望的電勢，例如，這些應(yīng)用包括，毫微級電子裝置、高強度材料、電子場發(fā)射、掃描探測顯微鏡方法和氣體存儲。
合成CNT的主要方法包括碳的激光消融、石墨桿的放電電弧和碳氫化合物的化學(xué)汽相淀積(CVD)。在這些方法中，已發(fā)現(xiàn)與光刻法結(jié)合的CVD是制備各種CNT裝置中最通用的。在CVD方法中，過渡金屬催化劑沉積在期望圖型的硅片上，其使用光刻法接著采用蝕刻來成型。具有催化劑沉積的硅片接著被放置在爐子中，爐中存在汽相混合物，例如二甲苯和二茂鐵。在催化劑沉積時，碳納米管典型地沿垂直于襯底表面的方向增長。現(xiàn)在可以通過商業(yè)渠道購買到各種碳納米管材料和裝置，包括分子毫微系統(tǒng)(Palo Alto，CA)和Bucky，美國(Houston，TX)。
其它的CVD方法包括在二氧化硅(SiO2)和硅表面上制備碳納米管而不使用過渡金屬催化劑。根據(jù)這些方法，通過光刻法和蝕刻將二氧化硅(SiO2)區(qū)域成型在硅片上。接著在CVD或等離子體增強的CVD(PECVD)工序中碳納米管在二氧化硅(SiO2)區(qū)域上生長。這些方法允許生產(chǎn)不同形狀的碳納米管束?？筛鶕?jù)該方法制備適合本發(fā)明實施例的碳納米管。
如上所述，碳納米管具有獨特的物理和電特性。作為電子場發(fā)射器，碳納米管具有低加工功能、持久性和熱穩(wěn)定性的特性。因此，基于CNT的電子場發(fā)射器可在相對低的電壓下被驅(qū)動。此外，在操作裝置期間產(chǎn)生的該裝置與氣體反應(yīng)的耐化學(xué)性得到改進，由此增加了發(fā)射器的壽命。
具有納米管電子發(fā)射器972和974，通過利用納米管電子發(fā)射器的有效而穩(wěn)定的電子發(fā)射特性提供了火花隙941的可靠點火。在一實施例中，納米管電子發(fā)射器是碳納米管電子發(fā)射器?？蛇x擇地，可使用硼納米管電子發(fā)射器。從納米管電子發(fā)射器的端部很容易發(fā)射電子。
圖16還示出另一微型開關(guān)，除了設(shè)置了介質(zhì)層980(在導(dǎo)電盤806的表面)和介質(zhì)層982(在導(dǎo)電盤808的表面)以外，其它與圖7D中的微型開關(guān)相同。每個介質(zhì)層980和982包括開口，其中分別設(shè)置了納米管電子發(fā)射器984和986。納米管電子發(fā)射器984和986提供了更可預(yù)計的橫越火花隙816的電弧路徑。
圖17示出在每個導(dǎo)體946和948(圖15)上設(shè)置的多個納米管電子發(fā)射器的結(jié)構(gòu)。納米管電子發(fā)射器可以均勻并精確定位在每個導(dǎo)體946和948上。當與出現(xiàn)在金屬或其它電導(dǎo)性電極上的微米級的表面缺陷相比時，在毫微米級的高度均勻?qū)е铝思{米管電子發(fā)射器的電子電勢設(shè)計或擊穿閾值電壓非常精密的公差。
納米管電子發(fā)射器定向成使得它們最長的尺寸與電場排列成行，這提供了優(yōu)越的性能。納米管電子發(fā)射器還可用于分別在附圖9、11和13中描述的微型開關(guān)900、920和960。
所公開的各種微型開關(guān)的好處包括下列各項。一般而言，微型開關(guān)能夠以相對小的部件實施，由于減小的電阻和電感而提高了開關(guān)的效率。而且，一些微型開關(guān)可與其它元件集成，例如儲能電容器，以及其它裝置，例如EFI電路，以形成減小尺寸的全面封裝。由于避免了一些傳統(tǒng)開關(guān)中使用的爆炸或機械驅(qū)動，提高了開關(guān)的可靠性和安全性。
根據(jù)有限個實施例已公開了本發(fā)明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將從中作出許多修改和變形。附加的權(quán)利要求旨在概括所有這些修改和變形，使其落入本發(fā)明真實的精神和范圍內(nèi)。例如，可以使用其它的運用微型元件的開關(guān)結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種裝置，包括包含微電子機械元件的開關(guān)，該微電子機械元件包括容納電介質(zhì)元件的密封腔；以及密封腔中的導(dǎo)體，其中設(shè)置該導(dǎo)體使得施加高于預(yù)定電壓時引起電介質(zhì)元件的電離擊穿以在導(dǎo)體間提供導(dǎo)電路徑。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中密封腔容納了氬、氖、氦、氙、氮、氧和空氣中的至少一種。
3.如權(quán)利要求2所述的裝置，其中密封腔容納了氬、氖、氦、氙、氮、氧和空氣中的至少任意兩種的混合物。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，還包括襯底和蓋，其中導(dǎo)體設(shè)置在襯底上，其中蓋、襯底和導(dǎo)體確定了該密封腔。
5.如權(quán)利要求4所述的裝置，其中微電子機械裝置還包括在蓋表面和導(dǎo)體表面之間提供的密封元件以提供密封腔。
6.如權(quán)利要求4所述的裝置，其中的電介質(zhì)元件包括電介質(zhì)氣體和電介質(zhì)液體中的至少一種。
7.如權(quán)利要求6所述的裝置，其中的微電子機械元件還包括形成在密封腔中導(dǎo)體上的介質(zhì)層，該介質(zhì)層具有多個鄰接相應(yīng)導(dǎo)體的開口，以提供從導(dǎo)體穿過密封腔中容納的電介質(zhì)氣體和電介質(zhì)液體中至少一種的放電路徑。
8.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中微電子機械元件還包括置于密封腔中導(dǎo)體上的納米管電子發(fā)射器。
9.如權(quán)利要求8所述的裝置，其中納米管電子發(fā)射器包括碳納米管電子發(fā)射器。
10.如權(quán)利要求8所述的裝置，其中納米管電子發(fā)射器包括硼納米管電子發(fā)射器。
11.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中每個導(dǎo)體具有彎曲的側(cè)面，該導(dǎo)體的彎曲側(cè)面橫越部分密封腔而彼此面對。
12.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中微電子機械元件還包括接收脈沖信號以引起密封腔中電介質(zhì)元件擊穿的觸發(fā)電極。
13.如權(quán)利要求12所述的裝置，其中的觸發(fā)電極在密封腔中。
14.如權(quán)利要求12所述的裝置，其中觸發(fā)電極在密封腔之外，但在鄰近密封腔處。
15.如權(quán)利要求1所述的裝置，還包括與開關(guān)電連接的引發(fā)器。
16.如權(quán)利要求15所述的裝置，還包括本地能量源以提供開關(guān)的預(yù)定電壓。
17.如權(quán)利要求15所述的裝置，其中的引發(fā)器包括爆炸箔引發(fā)器、爆炸橋引發(fā)器和半導(dǎo)體橋引發(fā)器中的至少一種。
18.如權(quán)利要求1所述的裝置，還包括襯底，導(dǎo)體形成于襯底表面上，其中至少部分密封腔在導(dǎo)體的側(cè)面之間。
19.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中電介質(zhì)元件包括電介質(zhì)氣體和電介質(zhì)液體中的至少一種。
20.如權(quán)利要求19所述的裝置，還包括開關(guān)所在的外殼，該外殼為密封腔提供密封。
21.如權(quán)利要求1所述的裝置，還包括鄰近開關(guān)的放射性物質(zhì)以提高電介質(zhì)元件電離擊穿的可預(yù)計性。
22.如權(quán)利要求21所述的裝置，其中在密封腔中提供放射性物質(zhì)。
23.如權(quán)利要求21所述的裝置，其中的放射性物質(zhì)包括鉻、釷、鉀、鈾、鎳以及含有一定比例的鉻、釷、鉀、鈾和鎳的礦物中的至少一種。
24.如權(quán)利要求21所述的裝置，其中的放射性物質(zhì)包括釷、鈾和巖鹽中的至少一種。
25.一種開關(guān)，包括電導(dǎo)體；和導(dǎo)體間的電介質(zhì)材料，其中每個導(dǎo)體具有彎曲的側(cè)面，該導(dǎo)體的彎曲側(cè)面橫越電介質(zhì)材料而彼此面對。
26.如權(quán)利要求25所述的裝置，其中的電導(dǎo)體和電介質(zhì)材料是微電子機械元件。
27.如權(quán)利要求26所述的裝置，還包括容納電介質(zhì)材料的密封腔，該電介質(zhì)材料包括氣體。
28.一種開關(guān)，包括導(dǎo)體；導(dǎo)體間的電介質(zhì)材料；以及電連接到至少一個導(dǎo)體的納米管電子發(fā)射器，其中電介質(zhì)材料適于響應(yīng)于提供給至少一個導(dǎo)體所施加的電能而擊穿，以提供導(dǎo)體間的導(dǎo)電路徑。
29.如權(quán)利要求28所述的裝置，其中的電介質(zhì)材料包括氣體。
30.如權(quán)利要求29所述的裝置，還包括容納氣體的密封腔。
31.如權(quán)利要求30所述的裝置，還包括配置在密封腔中導(dǎo)體上的介質(zhì)層，該介質(zhì)層具有暴露相應(yīng)導(dǎo)體的開口。
32.如權(quán)利要求31所述的裝置，其中的納米管電子發(fā)射器配置在介質(zhì)層的至少一個開口中，并與至少一個導(dǎo)體電接觸。
33.一種激活元件的方法，包括提供具有微電子機械元件的開關(guān)，該微電子機械元件包括容納電介質(zhì)氣體和電介質(zhì)液體中至少一種的密封腔，以及密封腔中的導(dǎo)體；給至少一個導(dǎo)體施加輸入電壓，引起該電介質(zhì)氣體和電介質(zhì)液體中至少一種的擊穿，以使得導(dǎo)電路徑在導(dǎo)體間延伸；并且通過開關(guān)將輸入電壓電連接到元件。
34.如權(quán)利要求33所述的方法，其中將輸入電壓電連接到該元件包括將輸入電壓電連接到井裝置。
35.如權(quán)利要求33所述的方法，其中將輸入電壓電連接到該元件包括將輸入電壓電連接到爆炸裝置。
36.如權(quán)利要求33所述的方法，其中將輸入電壓電連接到該元件包括將輸入電壓電連接到爆炸箔引發(fā)器、爆炸橋引發(fā)器和半導(dǎo)體橋引發(fā)器中的至少一種。
37.一種開關(guān)，包括至少兩個導(dǎo)體；以及納米管電子發(fā)射器，以形成至少兩個導(dǎo)體間的至少部分的導(dǎo)電路徑。
38.如權(quán)利要求37所述的開關(guān)，還包括適于電離的電介質(zhì)元件，其響應(yīng)于輸入能量而電離，以提供導(dǎo)電路徑的另一部分。
39.如權(quán)利要求38所述的開關(guān)，還包括至少另一個納米管電子發(fā)射器。
40.一種方法，包括激活一種具有導(dǎo)體以及納米管電子發(fā)射器和放射性同位素電子發(fā)射器中至少一種的開關(guān)；通過導(dǎo)電路徑而導(dǎo)通導(dǎo)體間的電流，其中包括納米管電子發(fā)射器和放射性同位素電子發(fā)射器中的至少一種。
41.如權(quán)利要求40所述的方法，還包括將爆炸裝置耦合到開關(guān)。
42.如權(quán)利要求40所述的方法，還包括運行一種工具，該工具包括進入井中的開關(guān)，其中激活開關(guān)包括當工具在井中時激活開關(guān)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種裝置，其包括含有微電子機械元件的開關(guān)，該微電子機械元件包括容納電介質(zhì)元件的密封腔和密封腔中的導(dǎo)體。設(shè)置該導(dǎo)體使得高于預(yù)定電壓的電壓施加到至少一個導(dǎo)體上，引起電介質(zhì)元件的電離擊穿而在導(dǎo)體間提供了導(dǎo)電路徑。在另一實施例中，開關(guān)包括納米管電子發(fā)射器或放射性同位素電子發(fā)射器。
文檔編號H01H1/00GK1677597SQ20051006973
公開日2005年10月5日 申請日期2005年2月16日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月13日
發(fā)明者N·C·萊爾切, J·E·布洛克斯, A·F·范納魯索 申請人:施盧默格控股有限公司