本發明涉及微機電系統，具體涉及一種mems開關結構及其制備方法。

背景技術：

1、微機電系統(micro-electro-mechanical?system，簡稱mems)開關是一種利用微細加工技術制造的微型機械開關，具有體積小、重量輕、易于集成化、控制能量低等優點，目前已被廣泛應用于通信、傳感器、醫療設備等領域，在未來有著廣闊的發展前景。

2、mems開關的閉合載荷是其一項重要指標，較大的閉合載荷會增加開關的控制難度，限制其應用環境。相關技術中常用的降低閉合載荷的方法是通過增加承載外部沖擊的懸臂梁的長度或者減薄懸臂梁的厚度，使得懸臂梁在受到較小閉合載荷下即可發生形變與電極連通，從而形成導電回路，但增加懸臂梁的長度會增加開關裝置的橫向尺寸，長度很長的懸臂梁在長期使用后可靠性難以保證，減薄懸臂梁的厚度同樣會降低懸臂梁的使用可靠性。

技術實現思路

1、有鑒于此，本發明提供了一種mems開關結構及其制備方法，以解決現有mems開關無法兼顧降低閉合載荷和保證使用可靠性的問題。

2、第一方面，本發明提供了一種mems開關結構，包括：基座、器件層和電極層，器件層包括支撐結構和主體結構，支撐結構的一端固定于基座上，另一端固定主體結構，以使主體結構懸空于基座的表面；主體結構包括梁體結構、開關觸點和質量塊，梁體結構折疊設置且一端與支撐結構相連接，開關觸點設置在梁體結構遠離支撐結構的另一端；質量塊設置在梁體結構上相對靠近開關觸點的一側；電極層設置在基座的表面，包括間隔設置的輸入電極和輸出電極；在梁體結構處于形變狀態下，開關觸點連通輸入電極和輸出電極。

3、有益效果：本發明中折疊設置的梁體結構和質量塊共同構成了承接外部載荷的開關結構的敏感結構，當梁體結構在受到自上而下的外部沖擊時，在其剛度和強度下會發生彎曲形變，使得開關觸點朝向電極層偏移，同時接觸輸入電極和輸出電極，進而連通輸入電極和輸出電極形成導電回路，mems開關閉合；當外部沖擊消失，梁體結構復位，開關觸點遠離輸入電極和輸出電極，導電回路斷開，mems開關斷開。相較傳統的具有單梁懸臂梁的mems開關結構，本發明的mems開關結構的梁體結構設置為折疊梁，保證梁體結構的橫向尺寸較小；折疊設置的梁體結構和質量塊共同構成了開關結構的敏感結構，有效降低需要施加的外部載荷，在有效降低了mems開關結構的閉合載荷的同時，提高了梁體結構的可靠性以及開關結構的使用壽命。

4、在一種可選的實施方式中，梁體結構包括：

5、第一梁，第一梁的第一端設置開關觸點；

6、第二梁，第二梁與第一梁相平行；

7、第三梁，第三梁設置于第一梁的第二端，且連接第一梁與第二梁；

8、第四梁，第四梁的一端與第二梁遠離第三梁的一端相固定，且另一端與支撐結構相連接；第四梁與第二梁之間具有預設夾角。

9、有益效果：本發明中折疊設置的梁體結構包括相互平行設置的第一梁和第二梁，且第一梁和第二梁中同側的一端通過第三梁相連接，整個梁體結構通過第四梁與支撐結構相連接。梁體結構在不增加橫向尺寸的前提下，承受閉合載荷的長度為第一梁程度和第二梁長度的疊加，因此來可以有效減小閉合載荷，同時設置第三梁連接第一梁和第二梁有助于形成受力均衡的整體結構，梁體結構整體穩定性高，提高開關結構的開閉效率和使用壽命。此外，在第二梁受到第一梁傳遞的沖擊力向下彎折時，第四梁相對于支撐結構會發生扭轉，進一步降低了梁體結構在與輸入電極和輸出電極形成導電回路所需的閉合載荷。

10、在一種可選的實施方式中，支撐結構包括第一支撐部和第二支撐部，且分別位于梁體結構的兩側；

11、第一梁包括懸臂梁，懸臂梁的第一端連接所述開關觸點；

12、第二梁包括第一側梁和第二側梁，第一側梁和第二側梁分別位于懸臂梁的兩側，且與懸臂梁相平行；

13、第三梁包括連接梁，連接梁與懸臂梁的第二端連接，且連接第一側梁遠離第一支撐部的一端以及第二側梁遠離第二支撐部的一端；

14、第四梁包括第一扭轉梁和第二扭轉梁，第一扭轉梁一端連接第一側梁，且另一端連接第一支撐部；第二扭轉梁一端連接第二側梁，且另一端連接第二支撐部。

15、有益效果：本發明的梁體結構中，第一梁直接承受外部沖擊，第一側梁和第二側梁分別設置在第一梁的兩側與第一支撐部和第二支撐部連接，并通過第三梁實現對第一梁的支撐，因此，當第一梁受到外部沖擊時，第三梁與兩側的第一側梁和第二側梁也同時作為受力梁，承受載荷的長度同樣為第一梁和第二梁的疊加長度，此外，第一扭轉梁和第二扭轉梁進一步增強了梁體結構在受到外部載荷時的彎曲形變，在第一梁的雙側設置側梁有助于平衡受力，在梁體結構的橫向尺寸未增加的前提下，梁體結構的受力均衡性增強，在保證較小閉合載荷的前提下，開關結構的可靠性大大提高。

16、在一種可選的實施方式中，懸臂梁的寬度為l1，第一側梁和第二側梁的寬度均為l2，則懸臂梁的寬度與第一側梁和第二側梁的寬度之間關系為：l1/6＜l2＜l1。

17、有益效果：在第一梁的兩側分別設置第一側梁和第二側梁的前提下，設置第一側梁和第二側梁的寬度的最大值要小于第一梁的寬度，以保證第一梁在承受外部沖擊時能夠產生足夠的整體向下的位移，使得開關觸點快速與輸入電極和輸出電極可靠接觸，同時設置第一側梁和第二側梁的寬度的最小值要大于第一梁寬度的1/6，以避免第一側梁和第二側梁對第一梁的支撐不足，導致第一側梁和第二側梁在開關裝置受到諸如碰撞等誤差沖擊時發生形變，從而帶動第一梁上的開關觸點與輸入電極和輸出電極接觸，形成不必要的開關閉合，降低開關結構的可靠性。

18、在一種可選的實施方式中，主體結構還包括：配重塊，配重塊設置在梁體結構相對遠離開關觸點的一側上。

19、有益效果：本發明的器件層包括梁體結構、在梁體結構一端設置的開關觸點、設置在梁體結構上靠近所述開關觸點的位置處的質量塊、以及設置在梁體結構遠離開關觸點一側的配重塊，設置配重塊整體降低懸空設置的器件層與基座表面之間的間隙，從而可以降低需要施加的外部載荷，快速實現開關觸點和輸入電極和輸出電極之間的接觸，從而完成mems開關結構的閉合。

20、在一種可選的實施方式中，還包括：多個貫穿基座設置的導電結構，導電結構適于連通電極層與外部電源。

21、有益效果：在基座中形成導電結構，實現穿過基座的垂直電氣互聯，提高mems開關結構的集成度。

22、在一種可選的實施方式中，電極層還包括：

23、第一電極，至少部分的第一電極位于質量塊與基座之間；

24、第二電極，至少部分的第二電極位于配重塊與基座之間；

25、第三電極，與支撐結構相連接，第三電極適于電連通器件層。

26、有益效果：本發明在質量塊下方的基座表面設置第一電極，在配重塊下方的基座表面設置第二電極，在支撐結構的旁側設置與支撐結構相連接的第三電極，使得相互間隔的器件層和電極層之間形成電容控制結構，輔助調節主體結構與基座表面之間的間距，降低所需的閉合載荷。具體地，通過控制質量塊與第一電極之間的靜電力以及配重塊與第二電極之間的靜電力，在靜電力作用下可以通過梁體結構中第二梁的變形使得主體結構整體下降，同時降低了梁體結構中的第一梁在外部沖擊下的彎曲形變，使得開關結構在外部沖擊下閉合時，開關觸點能夠更好地與輸入電極和輸出電極接觸，接觸面積增大，連接可靠性增強。

27、在一種可選的實施方式中，還包括：蓋板，蓋板固定設置在基座上，且蓋板在靠近基座的一側設置有凹槽，以容置器件層和電極層。

28、有益效果：在基座的上表面一側設置具有凹槽的蓋板，與基座共同將器件層和電極層圍合起來，實現對器件層和電極層的有效防護，進而提高mems開關結構的可靠性和使用壽命。

29、第二方面，本發明還提供一種mems開關結構的制備方法，包括：提供基座；在基座的一側表面上形成電極層，電極層包括間隔設置的輸入電極和輸出電極；在基座的一側表面上形成器件層，器件層包括支撐結構和主體結構，支撐結構的一端固定于基座上，另一端固定主體結構，以使主體結構懸空于基座的表面，主體結構包括梁體結構、開關觸點和質量塊，梁體結構折疊設置且一端與支撐結構相連接，開關觸點設置在梁體結構遠離支撐結構的另一端，質量塊設置在梁體結構上相對靠近開關觸點的一側；在梁體結構處于形變狀態下，開關觸點連通輸入電極和輸出電極。

30、有益效果：通過上述制備工藝得到具有折疊設置的梁體結構和質量塊的器件層，梁體結構和質量塊共同構成了承接外部載荷的開關結構的敏感結構；梁體結構在受到自上而下的外部沖擊時，在其剛度和強度下會發生彎曲形變，使得開關觸點朝向電極層偏移，同時接觸輸入電極和輸出電極，進而連通輸入電極和輸出電極形成導電回路，mems開關閉合；當外部沖擊消失，梁體結構復位，開關觸點遠離輸入電極和輸出電極，導電回路斷開，mems開關斷開。相較傳統的具有單個懸臂梁的mems開關結構，本實施例的mems開關結構中，梁體結構設置為折疊梁，保證梁體結構的橫向尺寸較小；折疊設置的梁體結構和質量塊共同構成了開關結構的敏感結構，有效降低需要施加的外部載荷，在有效降低了mems開關結構的閉合載荷的同時，提高了梁體結構的可靠性以及開關結構的使用壽命。

31、在一種可選的實施方式中，在提供基座之后，且在基座的一側表面上形成電極層之前，還包括：形成多個貫穿基座的通孔；在多個通孔內填充導電材料以形成多個導電結構，導電結構適于連通電極層與外部電源；

32、在基座的一側表面上形成電極層包括：在基座的表面上形成具有鏤空區域的第一掩模層；在第一掩模層上沉積電極材料，部分的電極材料通過鏤空區域形成于基座的表面；去除第一掩模層，以在鏤空區域露出的基座的表面形成包括輸入電極、輸出電極、第一電極、第二電極和第三電極的電極層；

33、在基座的一側表面上形成器件層包括：提供初始器件層，初始器件層包括相對設置的第一表面和第二表面，第一表面包括第一區域和第一區域之外的第二區域；對初始器件層的第一區域進行刻蝕，以在第二區域形成凸出于第一區域的支撐結構；將形成有支撐結構的初始器件層固定于基座上，初始器件層的第一表面朝向基座設置，且支撐結構與第三電極相連接；在初始器件層的第二表面一側進行刻蝕，以形成主體結構，主體結構包括梁體結構、開關觸點、質量塊和配重塊，質量塊與至少部分的第一電極相對應，配重塊與至少部分的第二電極相對應；

34、在基座的一側表面上形成器件層之后，還包括：在基座上設置蓋板，蓋板靠近基座的一側形成凹槽，以容置器件層和電極層。

35、有益效果：在基座內部形成導電結構，實現穿過基座的垂直電氣互聯，提高mems開關結構的集成度。通過和第一掩模層在基座表面形成器件層，使得形成的各個電極之間相對隔離，保證電極之間的絕緣性。首先在初始器件層上形成支撐結構，之后再將具有支撐結構的初始器件層固定在基座上形成主體結構，有助于提高加工效率，減少對位誤差。在基座的上表面一側設置具有凹槽的蓋板，蓋板與基座共同將器件層和電極層圍合起來，實現對器件層和電極層的有效防護，進而提高mems開關結構的可靠性和使用壽命。