轉的距離來確定彈簧回復力。 由于機械彈簧常數的值與有效長度的立方成比例，因此縮短有效長度大幅增加彈簧常數。 為了縮短懸臂的有效長度，在實施例中，接觸電極未被放置在懸臂的末端處。這種方法具有 為柵極電極分配空間以遠離懸臂的固支端而放置的額外益處，增加了靜電致動力的有效性 并降低了致動電壓。
[0057] 在實施例中，通過優(yōu)化接觸電極的位置，懸臂可以被設計為更具柔性，同時保持相 同的彈簧回復力以克服粘附力。這樣做時，可能使用較低的工作電壓來致動繼電器。圖7 包括根據本發(fā)明的實施例的（a)致動電壓與接觸電極位置比較的圖示700A以及（b)彈簧 回復力與接觸電極位置比較的圖示700B。參考圖7,接觸電極位置的策略性放置減小了致 動電壓并增加了彈簧回復力。在實施例中，類似的優(yōu)化方案被用于雙固支繼電器。
[0058] 在第三個方面中，根據本發(fā)明的另一個實施例，描述了具有非線性彈簧的機械邏 輯開關。作為示例，圖8包括根據本發(fā)明的實施例的具有機械停止件的非線性梁的示意圖 800和展示了在未增加致動電壓的情況下加大彈簧回復力的相對應的圖示802。在其它實 施例中，非線性彈簧的概念可以延伸到除了機械邏輯開關以外的器件（例如，存儲器件、功 率開關）。
[0059] 參考圖8，施加到懸臂系統的電壓引入了使電極較為靠近在一起的引力。所施加的 電壓還使機械系統進行了移動并引入了彈簧回復力。當靜電力和機械回復力平衡時，系統 處于均衡狀態(tài)。其中對于所有"間隙"靜電力大于機械力的電壓被稱為拉入電壓。在常規(guī) 繼電器系統下，靜電力與間隙距離的平方的倒數成比例增加，而彈簧回復力與間隙距離成 比例增加。當間隙是初始間隙距離的2/3時，出現拉入電壓。對于小于該距離的所有電極 距離，靜電力大于機械回復力。
[0060] 非線性彈簧類似于線性彈簧直到發(fā)生拉入的間隙距離為止。因此，拉入電壓并未 改變。然而，在拉入之后的距離，彈簧回復力非線性地增加，以使得在觸點處，機械彈簧回復 力大于線性系統的機械彈簧回復力。非線性彈簧可以通過多種系統來構建，包括引入一個 或多個機械停止件，以使得當懸臂碰到機械停止件時，有效懸臂長度縮短并且有效彈簧常 數增大。然而這種幾何結構引入了需要克服粘附的另一個界面，在實施例中，機械停止件被 放置于較靠近懸臂的固支端，以使得有效梁長度較短并且機械回復力較大。
[0061] 在實施例中，結合圖8所描述的幾何結構的額外益處是，將對電氣接觸的需求與 對機械接觸的需求分隔開。在傳統的懸臂繼電器幾何結構中，應當將電氣接觸表面最大化 以使得接觸電阻最小化。然而，將電氣接觸面積最大化還將增大不期望的粘附力。此外，具 有期望的電氣特性的金屬-金屬接觸還顯示高的粘附力。根據本發(fā)明的實施例，具有非線 性彈簧的幾何結構，可以對機械觸點的幾何結構和材料進行優(yōu)化以使得粘附力最小化，并 且在電氣觸點處的有效回復點遠遠大于傳統幾何結構的電氣觸點處的有效回復力。
[0062] 圖9是根據本發(fā)明的實施例例示了對（a)不具有機械停止件的懸臂與（b)具有機 械停止件的懸臂進行比較的示意圖900。參考圖9,描繪了當容許大的電氣接觸面積時，根 據使用機械停止件來優(yōu)化機械凸塊的粘附特性的優(yōu)勢。
[0063] 在圖10中示出了對典型的納繼電器系統的模擬，其包括示出了根據本發(fā)明的實 施例的針對具有機械凸塊的彈簧幾何結構的分析結果的圖示1000。懸臂梁具有300nm的 長度、10nm的寬度和10nm的高度。機械停止件被放置于離懸臂的固支邊緣100nm、150nm、 170nm以及200nm，并且在懸臂的中和平面下方5nm。分析結果示出，對于將機械停止件放置 在150nm和170nm處，在不增大拉入電壓的情況下，回復力增大。
[0064] 上面所描述的概念可以類似地被實施用于雙固支懸臂（也被稱為橋）。此外，若干 機械凸塊可以用于進一步優(yōu)化幾何結構，作為示例，圖11是根據本發(fā)明的實施例示出了使 用機械凸塊的非線性彈簧可能的幾何變化。
[0065] 在第四個方面中，根據本發(fā)明的另一個實施例，描述了用于互補型邏輯的一個或 多個器件。通過對比，圖6示出了利用根據圖2的兩個納米線繼電器（標記為P-繼電器和 N-繼電器）的互補型反向器的操作。兩個繼電器的所有柵極（M3和M4)電氣連接并且是反 相器的輸入，被標記為Vinl。繼電器與M5接觸，M5是反相器的輸出并被標記為Vout。"P" 繼電器（M2)連接到參考閉合狀態(tài)電壓，并且"N"繼電器（Ml)連接到參考斷開狀態(tài)電壓。對 每個繼電器的物理操作與圖2中的簡單繼電器開關類似。圖12是根據本發(fā)明的實施例例 示了互補型繼電器反相器的示意圖1200,其中（a)輸入斷開并且輸出閉合，以及（b)輸入閉 合并且輸出斷開。
[0066] 參考圖12(a)，具有斷開狀態(tài)電壓的輸入使得P-繼電器閉合（將輸出M5連接到 M2)并且N-繼電器斷開，導致輸出具有閉合狀態(tài)電壓（從輸入進行反相）。如在圖12(b)中 所示出的，具有閉合狀態(tài)電壓的輸入使得N-繼電器閉合（將輸出M5連接到Ml)并且P-繼 電器斷開，導致輸出具有斷開狀態(tài)電壓（從輸入進行反相）。在圖12中所示出的斷開狀態(tài) 對應于圖2(c)中的斷開狀態(tài)，但其還可以是圖2(a)中的斷開狀態(tài)。
[0067] 在實施例中，上面的優(yōu)勢包括：為反相器提供互補型版圖實現了器件的輸出在不 需要連接到電阻負載的情況下總是能被限定到參考電勢，將輸出連接到電阻負載可能是另 外的能量損失來源。這種行為類似于超過簡單的只有n型或只有p型的M0S反相器的典型 CMOS反相器。另外，在實施例中，有可能通過使用包含每個繼電器多個柵極的結構來制備只 有兩個繼電器的互補型NAND、N0R和XN0R。作為示例，圖13是根據本發(fā)明的實施例例示了 利用每個繼電器多個柵極（輸入）的互補型邏輯（a)NOR，（b)NAND，以及（c)XNOR繼電器。
[0068] 參考圖13,與傳統CMOS邏輯相比減小了復雜性。設計使用了不同尺寸的梁，以使 得可能采用一個或多個柵極來拉入繼電器。例如，對于N0R邏輯繼電器，連接到VDD的繼電 器具有大的彈簧常數（是剛性的）以使得需要來自Vinl與Vin2兩者的電勢差來接合，而 連接到GND的繼電器具有小的彈簧常數（是柔性的），因此其可以當Vinl或Vin2時接合。 因此，輸出只有當Vinl= 0并且Vin2 = 0時連接到VDD。對于其它場景，輸出連接到GND。 類似的方法用于NAND和XNOR。在實施例中，使用每個繼電器多個柵極的概念可以通過將所 有的輸入放置在梁下方來延伸到三個或更多個輸入，并且非反向邏輯（AND、OR、X0R)也是 類似的情形。
[0069] 根據本發(fā)明的另一個實施例，在第五個方面中，描述了抓放繼電器。作為示例，圖 14是根據本發(fā)明的實施例例示了在抓放結構中使用梁中所儲存的能量來減小致動電壓和 開關能量的優(yōu)勢的示意圖1400。圖15是根據本發(fā)明的實施例的抓放繼電器的時序圖1500 和相對應的示意圖1502。
[0070] 參考圖14和圖15,抓放繼電器結構可以包括單固支或雙固支懸臂梁，具有兩個柵 極，這兩個柵極在相反的方向上致動繼電器。結構還包括頂部和底部觸點，以使得當梁觸碰 到任一觸點時建立電流路徑。當機械繼電器被致動時，能量被儲存為梁中的勢能。在典型 的繼電器配置中，當繼電器進行開關時，所儲存的能量被耗散，以使得繼電器開關能量被計 算為儲存在梁中的能量。然而，在一個實施例中，雙柵極繼電器結構可以再用該能量中的大 部分能量。隨著將梁從一個觸點進行釋放，所儲存的勢能轉換成動能，這有助于使梁較靠近 相對的觸點，并且顯著地降低結構的開關能量和致動電壓。機械結構通常具有超過100的 "Q"因子，意味著每次振蕩有小于百分之1的能量被耗散，并且因此繼電器所儲存的能量中 的大多數能量可以被再用。要理解的是，當機械繼電器被致動時，機械繼電器由于其運動而 獲得動能。在典型的繼電器配置中，當繼電器進行開關時，該動能被耗散，并且其是繼電器 開關能量損失中的組成部分。在開關周期中，不是必須要"損失"繼電器中彈簧的彈性勢能， 而是損失動能。繼電器開關能量的其它組成部分是來自充電的容性能量，其在開關周期中 損失。
[0071] 用于提供梁處于初始狀態(tài)的相關聯的致動電壓和能量高于隨后的抓放操作。然 而，在實施例中，隨后的致動需要低得多的電壓。由于降低致動電壓可以有助于避開對納機 械繼電器來說是固有的"粘附特性"，因此彈簧可以被設計得較為剛性以具有足夠的彈簧回 復力，并且還具有低電壓致動用于隨后的致動。抓放繼電器可以在反相器或邏輯門器件中 使用。較低電壓的致動可以致使器件與前端CMOS工藝較為兼容。
[0072] 為了進一步的說明，圖16是根據本發(fā)明的實施例，根據針對單固支懸臂梁的抓放 策略對致動電壓的減小進行估計的圖示1600。VI是初始致動（以及如果不采用抓放機構 的隨后的致動）所需要的電壓，并且V2是用于"抓住"梁所需要的減小的電壓。
[0073] 在第六個方面中，根據本發(fā)明的另一個實施例，描述了具有斷開的源極的混合式 M0S-繼電器晶體管。作為示例，圖17是根據本發(fā)明的實施例例示了混合式M0S-繼電器晶 體管（a)處于禁用狀態(tài)，（b)其中M0S柵極被激活并形成反型溝道，以及（c)其中納米線與 源極接觸，啟用晶體管的不意圖1700。
[0074] 參考圖17,示出了混合式M0S繼電器，其中，常規(guī)M0S柵極（具有電壓Vg)和漏極 (具有電壓Vd)被放置在針對納米線的錨定區(qū)中。M0S柵極和漏極可以環(huán)繞納米線。在實 施例中，納米線是摻雜半導體，在M0S柵極下方的區(qū)域中具有相反摻雜（在圖17中示出了 P型摻雜）。在初始的斷開狀態(tài)，晶體管的源極并不連接到納米線。繼電器柵極（具有電壓 Vr)連接到參考電壓。然而，在實施例中，繼電器柵極是可選的并可以使用較大的源極區(qū)來 代替。
[0075] 再次參考圖17,為了將納米線連接到源極，啟用晶體管，將Vd設置為參考漏極電 壓，并將Vr設置為與Vd不同的參考電壓，例如地電壓。如在圖7 (b)中所示出的，設置Vg以 使得在MOS柵極下面的納米線中形成反型層。這種布置使得在繼電器柵極與源極之間形成 相對于納米線的電勢差。如在圖17(c)中所示出的，納米線朝向源極移動并接觸源極。接 觸創(chuàng)建了從源極到漏極的導電路徑。MOS柵極隨后可以用作典型的晶體管柵極。然而，如果 反型層被移除得太久，則納米線將從源極斷開。由于電氣開關可以發(fā)生得比機械動作快得 多，因此在實施例中，假設反型層存在超過臨界工作時間，則納米線依然連接到源極。
[0076] 為了將納米線從源極斷開，禁用晶體管，改變Vg以使得納米線中的下層反型層被 移除足夠長的一段時間。這使得納米線的電勢朝向源極和繼電器柵極的電勢移動（如果存 在的話）。由于電勢差被減小或移除，因而支撐納米線的力被減小或移除。因此，納米線移