一种MEMS接触式开关及其制备方法与流程

本发明属于微机电传感器领域，具体涉及一种mems接触式开关及其制备方法。

背景技术：

电子开关在电子和通信领域具有广泛的应用。相比于晶体管开关，mems开关的插入损耗小、隔离度高、线性度好，因此越来越受到人们的关注。

传统的mems开关分为接触式和非接触式两种，其驱动方式通常以静电驱动和热驱动为主。1999年，p.m.zavracky（人名）等人提出一种静电驱动的mems接触式开关，其体积小，功耗低，接触电阻小，工作频率可以达到100khz。2002年，j.b.rizk（人名）等人提出一种静电驱动的mems电容式开关，其工作频率为0.5–6ghz，电容比为20:1。2007年，jiweihuang（人名）等人提出一种热驱动的接触式开关，利用热驱动实现横向金属触点接触，其工作频率为0～8ghz，具有较好的射频性能。

无论是静电驱动还是热驱动，传统的mems开关都存在机械可动部件，因此机械损伤是失效的主要原因。对于接触式开关，由于接触触点反复受到冲击，因此极易发生材料磨损和机械粘连，造成开关的失效。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种无机械可动部件的mems接触式开关，通过温度控制实现开关通断：降温造成毛细冷凝，使得输入电极和输出电极在毛细沟道中的冷凝水和开关材料帮助下完成电接触，实现电流传输。升温造成水分子蒸发，开关材料层表现出绝缘特性，使得开关断开。

为了实现上述的目的，本发明提出一种mems接触式开关及其制备方法，具体方案如下：

一种mems接触式开关，所述mems接触式开关包括：

帕尔贴制冷器；

开关材料层，所述开关材料层设置在所述帕尔贴制冷器的上表面；

传输电极层，所述传输电极层覆盖所述帕尔贴制冷器及所述开关材料层的上表面；

毛细沟道，所述毛细沟道形成在所述开关材料层的上表面并分隔所述传输电极层；

封装管帽，所述封装管帽覆盖所述传输电极层，形成封有定量水气的密闭腔。

可选地，所述帕尔贴制冷器包括：

第一陶瓷基板；

第一电极阵列，所述第一电极阵列设置在所述第一陶瓷基板上；

热电偶阵列，所述热电偶阵列设置在所述第一电极阵列上；

第二电极阵列，所述第二电极阵列设置在所述热电偶阵列上；

第二陶瓷基板，所述第二陶瓷基板设置在所述第二电极阵列上。

可选地，所述热电偶阵列由p型掺杂的碲化铋材料和n型掺杂的碲化铋材料交替排列形成。

可选地，所述第一电极阵列的左右两侧的电极为所述帕尔贴制冷器的输入端或者输出端。

可选地，所述开关材料层在干燥条件下具有绝缘性，在结露条件下具有导电性。

可选地，所述开关材料层为氧化石墨烯或掺有氢氧化钾杂质的聚乙烯醇。

可选地，所述封装管帽通过密封胶粘接在所述传输电极层的表面。

本发明还提出一种mems接触式开关的制备方法，包括以下步骤：

选择帕尔贴制冷器作为衬底；

在所述帕尔贴制冷器的上表面制备开关材料层；

形成覆盖所述开关材料层的电极层，并刻蚀所述电极层形成传输电极层及间隔所述传输电极层的毛细沟道；

在所述传输电极层表面密封封装管帽，形成封有定量水气的密闭腔。

可选地，所述开关材料层为氧化石墨烯或掺有氢氧化钾杂质的聚乙烯醇。

可选地，所述密封封装管帽在25℃和50%相对湿度条件下完成。

本发明具有以下有益效果：

本发明将mems开关与帕尔贴制冷器集成。开关中没有可动机械部件，没有材料磨损和机械粘连问题。开关的接触可靠性高，易于使用，且不易损坏。

附图说明

一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1为本发明其中一实施例的mems接触开关的剖面结构示意图；

图2为本发明其中一实施例的mems接触开关的制备工艺示意图。

图中：1、第一陶瓷基板，2、第一电极阵列，3、热电偶阵列，4、第二电极阵列，5、第二陶瓷基板，6、开关材料层，7、传输电极层，8、环氧密封胶，9、封装管帽，10、毛细沟道，11、空腔。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。以下各个实施例的划分是为了描述方便，不应对本发明的具体实现方式构成任何限定，各个实施例在不矛盾的前提下可以相互结合相互引用。

实施例1

参见图1，本发明提出一种mems接触式开关，包括堆叠的帕尔贴制冷器以及形成在该制冷器上方的开关结构。具体地，

帕尔贴制冷器包括：

第一陶瓷基板1；

第一电极阵列2，所述第一电极阵列设置在所述第一陶瓷基板1上；

热电偶阵列3，所述热电偶阵列3设置在所述第一电极阵列2上；热电偶阵列例如由p型掺杂的碲化铋材料和n型掺杂的碲化铋材料交替排列形成。

第二电极阵列4，所述第二电极阵列4设置在所述热电偶阵列3上；

第二陶瓷基板5，所述第二陶瓷基板5设置在所述第二电极阵列4上；

开关材料层6，设置在所述帕尔贴制冷器的上表面，即第二陶瓷基板5的上表面；开关材料层6例如选择某些二维材料（如氧化石墨烯）或者某些固体聚合物电解质（如掺有氢氧化钾杂质的聚乙烯醇），在干燥条件下，开关材料层6具有良好的绝缘性。在结露条件下，开关材料层6遇水后具有良好的导电性。

传输电极层7，覆盖所述帕尔贴制冷器及所述开关材料层6的上表面；被毛细沟道10分隔成两部分，分别作为传输电流的输入电极和输出电极。

封装管帽9覆盖在传输电极上，下设有空腔11，将定量的水气密封在空腔11中。

封装管帽9例如通过环氧密封胶8粘接在结构表面，密封时的环境条件为25℃和50%相对湿度。

帕尔贴制冷器，也叫热电制冷器或者温差制冷器，利用了帕尔贴效应；本实施例中，帕尔贴制冷器的热电偶阵列3由p型掺杂的碲化铋材料和n型掺杂的碲化铋材料交替排列形成。控制电流由第一电极阵列2的左右两端引入，当电流方向不同时，在热电偶结点将产生吸热和放热现象，及当第一陶瓷基板1的表面升温时，第二陶瓷基板5的表面就降温，改变电流方向，则吸热和放热行为相反。

本发明所提出的mems接触式开关的工作原理如下：

根据开尔文公式，平面上的饱和蒸气压pws和弯曲液面上的饱和蒸气压pwsr存在如下关系：

其中，r为弯曲液面的曲率半径。

由于传输电极层的材料亲水，毛细沟道中的液面将为凹液面，因此，对于毛细沟道，r为负值，所以：

pwsr<pws

也就是说，毛细沟道中，更易发生冷凝，这被称作毛细冷凝效应。当外部湿度环境一定时，加载适当的控制电流使得帕尔贴制冷器上方的元件局部降温，毛细沟道中形成冷凝水。开关材料层6遇水导电，使得开关处于接通状态；如果将控制电流反向，使得帕尔贴制冷器上方的元件局部升温，毛细沟道中的水分子蒸发，开关材料层6被烘干，表现出绝缘特性，则开关处于关断状态。

实施例2

本发明还提出一种针对实施例1mems接触式开关的制作方法：

如图2所示：包括如下步骤：

s1:选择帕尔贴制冷器作为衬底；

s2:在所述帕尔贴制冷器的上表面制备开关材料层；

s3:形成覆盖所述开关材料层的电极层，并刻蚀所述电极层形成传输电极层及间隔所述传输电极层的毛细沟道；

s4:在所述传输电极层表面密封封装管帽，形成封有定量水气的密闭腔。

具体地，首先选取由第一陶瓷基板1、第一电极阵列2、热电偶阵列3、第二电极阵列4、第二陶瓷基板5组成的商用帕尔贴制冷器作为衬底。帕尔贴制冷器的热电偶阵列3由p型掺杂的碲化铋材料和n型掺杂的碲化铋材料交替排列形成。

接着，在第二陶瓷基板5的上表面通过转移制备氧化石墨烯材料层，并光刻图形化、干法刻蚀形成开关材料层6。

然后，通过蒸发工艺淀积金属金并光刻图形化、干法刻蚀形成传输电极层7和毛细沟道10。

最后，在温度为t且水气分压为pw的条件下，将热固成型的封装管帽9通过环氧密封胶8粘接在结构表面，形成封有定量水气的密封腔11。则毛细沟道10中水气冷凝的临界温度为，其中a，m和tn，k为经验参数。

mems开关与帕尔贴制冷器集成。开关中没有可动机械部件，没有材料磨损和机械粘连问题。开关的接触可靠性高，易于使用，且不易损坏。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

技术特征：

1.一种mems接触式开关，其特征在于，所述mems接触式开关包括：

帕尔贴制冷器；

开关材料层，所述开关材料层设置在所述帕尔贴制冷器的上表面；

传输电极层，所述传输电极层覆盖所述帕尔贴制冷器及所述开关材料层的上表面；

毛细沟道，所述毛细沟道形成在所述开关材料层的上表面并分隔所述传输电极层；

封装管帽，所述封装管帽覆盖所述传输电极层，形成封有定量水气的密闭腔。

2.根据权利要求1所述的一种mems接触式开关，其特征在于，所述帕尔贴制冷器包括：

第一陶瓷基板；

第一电极阵列，所述第一电极阵列设置在所述第一陶瓷基板上；

热电偶阵列，所述热电偶阵列设置在所述第一电极阵列上；

第二电极阵列，所述第二电极阵列设置在所述热电偶阵列上；

第二陶瓷基板，所述第二陶瓷基板设置在所述第二电极阵列上。

3.根据权利要求2所述的一种mems接触式开关，其特征在于，所述热电偶阵列由p型掺杂的碲化铋材料和n型掺杂的碲化铋材料交替排列形成。

4.根据权利要求2或3所述的一种mems接触式开关，其特征在于，所述第一电极阵列的左右两侧的电极为所述帕尔贴制冷器的输入端或者输出端。

5.根据权利要求1所述的一种mems接触式开关，其特征在于，所述开关材料层在干燥条件下具有绝缘性，在结露条件下具有导电性。

6.根据权利要求5所述的一种mems接触式开关，其特征在于，所述开关材料层为氧化石墨烯或掺有氢氧化钾杂质的聚乙烯醇。

7.根据权利要求1所述的一种mems接触式开关，其特征在于，所述封装管帽通过密封胶粘接在所述传输电极层的表面。

8.一种根据权利要求1-7任一项所述的mems接触式开关的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

选择帕尔贴制冷器作为衬底；

在所述帕尔贴制冷器的上表面制备开关材料层；

形成覆盖所述开关材料层的电极层，并刻蚀所述电极层形成传输电极层及间隔所述传输电极层的毛细沟道；

在所述传输电极层表面密封封装管帽，形成封有定量水气的密闭腔。

9.根据权利要求8所述的mems接触式开关的制备方法，其特征在于，所述开关材料层为氧化石墨烯或掺有氢氧化钾杂质的聚乙烯醇。

10.根据权利要求8所述的mems接触式开关的制备方法，其特征在于，所述密封封装管帽在25℃和50%相对湿度条件下完成。

技术总结

本发明提出一种MEMS接触式开关及其制备方法，包括：帕尔贴制冷器；设置在所述帕尔贴制冷器的上表面的开关材料层；覆盖所述帕尔贴制冷器及所述开关材料层的上表面的传输电极层；形成在所述开关材料层的上表面并分隔所述传输电极层的毛细沟道；覆盖所述传输电极层，形成封有定量水气的密闭腔的封装管帽。本发明将MEMS开关与帕尔贴制冷器集成。开关中没有可动机械部件，没有材料磨损和机械粘连问题。开关的接触可靠性高，易于使用，且不易损坏。