用于微机电系统(MEMS)器件的锚固件 【技术领域】
本发明涉及用于将器件固定在基底上的锚固件，尤其涉及用于将微机电系统(MEMS)器件固定在基底上的锚固件。
背景技术
在许多领域中都会应用到微机电系统(MEMS)器件，例如在通信、检测、光学、微射流技术和材料特性测量等领域。在通信领域，MEMS无线电频率(RF)开关和可变MEMS电容器用于可调RF滤波器电路中。MEMS无线电频率开关和MEMS电容器比固态变容二极管具有几个方面的优势，包括较高的开/关电容比和较高品质因子。
MEMS器件通常通过锚固件固定至基底。传统锚固件的“足印”面积相对于设计准则和加工限制最大化，以保证将MEMS器件适当地附着在基底上。锚固件必须具有足够强度，以承受弯曲或伸缩MEMS器件产生的作用在锚固件上的应力。传统锚固件的缺点是，锚固件的强度是通过增加锚固件的“足印”面积而提高的，这样就带来了增加MEMS器件总体尺寸的不利结果，或者会给MEMS器件带来另外的设计限制。另一个缺点是，传统锚固件中的单一破裂能够沿着锚固件的长度方向传播，导致锚固件的机械故障。
【发明内容】
本发明提供了一种锚固件系统，用于将MEMS器件的基部固定至基底上，所述锚固件系统包括多个锚固件来取代使其“足印”面积最大化的传统锚固件。通过将所述锚固件系统分割成多个较小锚固件，本发明能够增加锚固件系统地总体强度。
根据本发明一个实施例制成的MEMS结构包括悬挂在基底上的柔性梁和连接至所述梁每个末端的基部。每个基部通过连接至所述基底的多个锚固件支撑在基底上。每个锚固件沿其离开基底支撑各个基部的侧面还包括锚腿。
在一个实施例中，每个基部的锚固件位于远离所述梁与基部之间的界面。这样做可以使由梁弯曲或伸缩产生的应力远离锚固件，从而使所述锚固件不容易发生机械故障。
在另一个实施例中，锚固件的锚腿制成沿较好侧壁阶梯覆盖层方向比沿较差侧壁阶梯覆盖层方向更长。这样做可以在使用金属沉积加工来制造锚固件时增加锚固件系统的总体强度，所述金属沉积加工在一个方向上提供比另一个方向上更好的侧壁阶梯覆盖层。
通过结合附图对本发明进行说明，本发明的其他目的和特征将变得更为清楚。
【附图说明】
图1A是根据本发明实施例的MEMS气桥(air-bridge)结构的俯视图，其中梁在两端由多个锚固件附件支撑；
图1B是图1A所示MEMS结构沿线段1B-1B’的横截面图；
图1C是图1A所示MEMS结构沿线段1C-1C’的横截面图；
图2是显示了根据本发明实施例的MEMS气桥结构的示意性加工流程；
图3A是根据本发明实施例的MEMS结构的俯视图，其中梁在一端由多个锚固件附件支撑，另一端自由；
图3B是图3A所示MEMS结构沿线段3B-3B’的横截面图；
图3C是图3A所示MEMS结构沿线段3C-3C’的横截面图；
图4是根据本发明实施例的MEMS结构的俯视图和两个横截面图，其中一个横截面图说明了静电激励下的MEMS结构；
图5是传统MEMS结构的俯视图和两个横截面图，其中一个横截面图说明了静电激励下的MEMS结构；
图6(a)至图6(f)是根据本发明实施例的由六个锚固件结构支撑的基部的俯视图；
图7(a)至图7(f)是根据本发明实施例的由六个以上锚固件结构支撑的基部的俯视图。
【具体实施方式】
请参看图1A至图1C，MEMS气桥结构10包括悬挂在基底35上的柔性梁15(“顶部电极”)。梁15优选由具有良好柔韧性、较高电导率和易于沉积特征的金属制成。适合用于梁15的金属包括但不局限于金和银。也可以采用其他材料，例如多晶硅。梁15在每一端连接至矩形基部25。每个基部25由连接至基底35表面的多个微钉锚固件30支撑在基底35上。每个微钉锚固件30沿离开基底35支撑基部25的四个侧面包括锚腿32。锚固件30的位置远离梁15与每个基部25之间的界面45。其重要性将在下面进行说明。
MEMS气桥结构10可以用于实现MEMS无线电频率开关，其在梁15的中心部分下面的基底35上包括底部电极40。无线电频率开关在“关”状态中打开并在“开”状态中闭合。在“关”状态中，无线电频率开关利用梁15与基底35上的底部电极40之间的间隙而打开。在“开”状态中，偏压施加在无线电频率开关上以产生静电力，所述静电力向下弯曲梁15的中心部分以与底部电极40相接触，从而闭合开关。为了获得无线电频率开关的高品质因子，顶部电极15和/或底部电极40可以在MgO基底上由薄膜高温超导体(HTS)材料制成。薄膜HTS材料目前是按照常规方法形成的并可以购买到，例如参看R.B.Hammond等的“Epitaxial Tl2Ca1Ba2Cu2O8 ThinFilms With Low 9.6GHz Surface Resistance at High Power and above 77K”，Appl.Phy.Lett.，Vol.57，pp.825-27，1990。
图2显示了用于根据本发明实施例的MEMS气桥结构10的示意性制造流程。为了易于讨论，底部电极被省略。在步骤(a)中，设置基底35。所述基底可以但不局限于由MgO或者硅制成。在步骤(b)中，牺牲层110沉积在基底35上。牺牲层110可以是任何适合的材料，例如光致抗蚀剂、聚酰亚胺或者氧化物。牺牲层110在制造过程中为梁15和相关基部25提供支撑。在步骤(c)中，牺牲层110被形成图案以在暴露基底35的表面的牺牲层110中形成通路120。在步骤(d)中，金属层130沉积在牺牲层110和通路120上。金属层130可以通过电镀、溅射或者电子束(e-beam)沉积法进行沉积。在步骤(e)中，金属层130形成图案以形成梁15、连接至梁15每个末端的基部25和锚固件30。在步骤(f)中，牺牲层110被除去，以利用诸如蚀刻等适当的方法释放梁15。
在图2中，沉积在通路120的垂直侧壁上的金属形成锚固件30的锚腿32。图2显示了一种理想状态，其中锚固件30的锚腿32与基部25和梁15具有相同厚度。但是，在实践中，许多金属沉积技术(例如电子束沉积法和溅射)在水平表面上比在垂直或者大角度表面上提供更好的阶梯覆盖层。结果，锚腿32的厚度可以比基部25和梁15的厚度薄很多。
对于某些金属沉积技术，垂直侧壁阶梯覆盖层通常在一个方向上比在另一个方向上更有效。在图1A至图1C所示实例中，侧壁阶梯覆盖层在方向B上比在方向C上更有效(在图1A中用箭头B和C表示)。沿图1C中的线段1C-1C’获取的横截面显示了沿方向B朝向的锚腿32的横截面。图1C显示沿方向B朝向的锚腿32具有相对较好的阶梯覆盖层。沿图1B中的线段1B-1B’获取的横截面显示了沿方向C朝向的锚腿32的横截面。图1B显示沿方向B朝向的锚腿32具有相对较差的阶梯覆盖层。结果，沿方向B朝向的锚腿32较厚，因此在此特殊实例中比沿方向C朝向的锚腿32更坚固。
为了增加锚固件30的总体强度，本发明使沿较好侧壁阶梯覆盖层(方向B)方向的锚腿32的长度lB比沿较差侧壁阶梯覆盖层(方向C)方向的锚腿32的长度lC更长。这样，沿较好侧壁阶梯覆盖层方向的锚腿32的长度被最大化，而沿较差侧壁阶梯覆盖层方向的锚腿32的长度被最小化。
根据本发明的多个锚固件与使锚固件的“足印”面积最大化的传统锚固件系统相比能提供几个优点。一个优点是锚固件30的锚腿32的结合长度在沿较好阶梯覆盖层方向上比占据相同面积的传统较大锚固件大很多。例如，在图1A中，对于每个基部25的锚腿32沿较好侧壁阶梯覆盖层(方向B)方向的结合长度通过将沿方向B朝向的全部锚腿32长度累加而建立。在这种情况下，对于每个基部25的锚腿32沿较好侧壁阶梯覆盖层(方向B)方向的结合长度是18lB。通过对比，与对于每个基部25的多个锚固件30占据相同面积的单个传统较大锚固件的锚腿结合长度沿方向B大约是2lB。结果，根据本发明的多个锚固件30的结合长度比传统大锚固件的强度大很多，而且不需要基部面积比传统锚固件大。当金属沉积加工用于制造锚固件30时，上述特征特别有利，所述金属沉积加工沿一个方向并沿另一个方向提供更好的侧壁阶梯覆盖层。
本发明的另一个优点是锚固件的位置远离梁15与基部25之间的界面45。这一点非常重要，因为锚腿32与基部25之间的渡越区在锚固件30中形成易于发生机械故障的弱点。因为本发明的锚固件30的位置远离梁15与基部25之间的界面45，梁15弯曲或者伸缩产生的应力不会在锚固件30的弱点处产生，而是集中在梁15与基部25之间的界面45上。这种现象示于图4中，图4显示了处于静电激励下的根据本发明的MEMS结构10。静电激励向下弯曲梁15以与底部电极40相互接触。梁15弯曲产生的应力发生在梁15与基部25之间的界面45上，并远离锚固件30的弱点。相反，图5显示了传统锚固件80，其中锚固件80的弱点连接至梁15。在这种情况下，梁15弯曲产生的应力发生在传统锚固件80的弱点上，这加重了锚固件80的弱点并增加了发生机械故障的可能性。在本发明中，梁15弯曲产生的应力发生的位置远离锚固件30，从而锚固件的弱点不受梁15弯曲的影响。这减小了锚固件30的应力，从而改善了MEMS结构10的可靠性。
本发明的另一个优点是，其中一个锚固件30的破裂不会传播至其他锚固件30。这是因为锚固件30相互分开。因此，如果一个锚固件30由于破裂而发生故障，其他锚固件30不受影响。另一个方面，在传统大锚固件中，锚固件中的破裂沿着锚固件长度方向传播，导致整个锚固件系统发生故障。
梁15还可以只在一端锚定，而在另一端自由。特别地，请参看图3A至图3C，MEMS结构70可以用于实现MEMS无线电频率开关，在梁15的末端(即自由端)下面的基底35上包括底部电极40。在“关”状态，无线电频率开关借助梁15与底部电极40之间形成的间隙而打开。在“开”状态，偏压施加在无线电频率开关上以产生静电力，所述静电力向下弯曲梁15的末端以接触底部电极40，从而闭合开关。图3A至图3C所示MEMS结构还可用于实现可变MEMS电容器，在梁15下面的基底35上包括固定底部电极40。虽然在图3B中梁15为直的，可变MEMS电容器的梁通常但不必须为从锚定端向上弯曲。在运转中，可变MEMS电容器的电容通过改变时间在电容器上的偏压而变化。所施加的偏压在梁15上产生静电力，相对于基底35上的底部电极40弯曲梁15，从而改变梁15与底部电极40之间的间隙。这进而改变了MEMS电容器的电容。
根据本发明的六个示例性锚固件结构示于图6(a)至图6(f)中，这些图显示了有六锚固件结构支撑的基部150的俯视图。每个基部150通过折叠弹簧160连接至梁155。折叠弹簧160通常用于使梁易于弯曲，从而需要较小静点激励来向下拉所述梁。本领域普通技术人员可以理解，折叠弹簧160使可选择的，梁155可以直接连接至基部150。
图6(a)显示了一个锚固件结构的俯视图，其中基部150由紧密间隔矩形锚固件165支撑。矩形锚固件165的锚腿的结合长度、进而结合强度比与矩形锚固件165具有相同基部面积的传统单个大锚固件大很多。图(a)所示锚固件结构可以用于金属沉积加工，所述金属沉积加工提供均匀的侧壁阶梯覆盖层。
图6(b)显示了另一个锚固件结构的俯视图，其中梁基部150由两行矩形锚固件170支撑。每个锚固件170的锚腿制成为在水平方向比在垂直方向更长(相对于所述俯视图)。这种锚固件结构增加了锚固件170对于沉积加工的强度，所述沉积加工提供在垂直方向上比在水平方向上提供更好的侧壁阶梯覆盖层。图6(c)显示了包括单列较长矩形锚固件175的锚固件结构。
图6(f)显示了另一个锚固件结构的俯视图，其中基部150由三行矩形锚固件180支撑。每个锚固件180的锚腿制成在水平方向上比在垂直方向更长(相对于俯视图)。这种锚固件结构增加了锚固件180对于沉积加工的强度，所述沉积加工提供在在水平方向上比垂直方向上提供更好的侧壁阶梯覆盖层。
图6(d)显示了包括三行六边形锚固件190的锚固件结构。图6(e)显示了包括两行八边形锚固件185的锚固件结构。
图6(a)至图6(f)说明了根据本发明的示意性锚固件结构并且不是穷举性的。本领域普通技术人员可以理解，图6(a)至图6(f)所示锚固件结构可以包括任何数量的锚固件和任何行数。
根据本发明的六个以上示意性锚固件结构示于图7(a)至图7(f)中，其示出了由六个锚固件结构制成的基部250的俯视图。每个基部250直接连接至梁260。本领域普通技术人员可以理解，每个梁260还可以利用折叠弹簧连接至基部250。图7(a)说明了包括两行十字锚固件265的锚固件结构。图7(b)说明了包括两行小椭圆形锚固件270的锚固件结构。图7(c)说明了包括一行长椭圆形锚固件275的锚固件结构。图7(d)说明了包括两行圆形锚固件280的锚固件结构。圆形和椭圆形锚固件的优点是使应力集中点最小化，所述应力集中点否则的话可能沿锚固件周长的拐角上发生。图7(e)说明了包括两行对角十字锚固件285的锚固件结构。图7(f)说明了包括三行宽椭圆形锚固件290的锚固件结构。
尽管对本发明的一些实施例进行了展示和说明，本领域技术人员可以理解，在不偏离本发明的原理和实质的情况下，可对这些实施例进行改变。例如，根据本发明的多个锚固件系统不局限于说明书中所述MEMS器件，原则上可以用于将其他MEMS器件固定在基底上。例如，根据本发明的锚固件系统可以用于锚定许多MEMS激励器器件，例如热激励器、磁激励器、梳状驱动激励器、无线电频率和直流开关、无线电频率和直流继电器和可变电容器(可变电抗器)。另外，根据本发明的锚固件系统还可以用于锚定许多MEMS传感器器件，包括电容性传感器、共振传感器和加速计。因此，本发明的范围仅由其权利要求及其等同物所限定。