專利名稱：一種基于mems開關(guān)的開關(guān)陣列的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于MEMS開關(guān)的開關(guān)陣列，屬于微機械電子系統(tǒng)(MEMS)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
開關(guān)可以在電路或者光回路中實現(xiàn)導通與斷開兩種工作狀態(tài)，開關(guān)陣列主要是一 系列的開關(guān)通過一定的組合形式來達到單個開關(guān)無法實現(xiàn)的功能。開關(guān)陣列的應用范圍很 廣，例如空間，通信，射頻，便攜電子設(shè)備，汽車電子等領(lǐng)域。傳統(tǒng)的開關(guān)陣列由多個開關(guān)組成，其功能可以滿足多數(shù)場合，但是由于傳統(tǒng)意義 上的開關(guān)多是機械式或者固體式，體積較大，因此縮小開關(guān)陣列的體積一直是個難題。近年 來，隨著微機械電子技術(shù)(MEMQ的發(fā)展，人們逐漸意識到利用MEMS技術(shù)來制造基于MEMS 開關(guān)的開關(guān)陣列的可行性，并且也取得了一定的成果。其中，美國提出了一種微電磁開關(guān)的 開關(guān)陣列，主要內(nèi)容是采用微處理器、步進電機、譯碼器等部件來控制陣列化的驅(qū)動線圈達 到控制開關(guān)陣列的目的，但是這種開關(guān)陣列的結(jié)構(gòu)很復雜，導致布線復雜眾多，增加了復雜 程度，也加大了加工工藝的難度，實現(xiàn)起來較困難，且該開關(guān)陣列只能使用電磁型MEMS開 關(guān)，通用性較差?，F(xiàn)有技術(shù)中的其他關(guān)于MEMS開關(guān)陣列的研究，主要集中在陣列的形式上， 并沒有具體實現(xiàn)方式，且現(xiàn)有MEMS開關(guān)多為分體結(jié)構(gòu)，這樣使得開關(guān)陣列的體積難以進一 步縮小，在對于開關(guān)陣列的體積要求極高的航天等領(lǐng)域，不再適用，需要一種體積更小的開 關(guān)陣列滿足技術(shù)的發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是克服傳統(tǒng)開關(guān)陣列體積較大與基于MEMS技術(shù)的開關(guān) 陣列布線復雜的缺點，為了實現(xiàn)開關(guān)陣列的微型化與高密度集成，本發(fā)明提出了一種基于M EMS開關(guān)的開關(guān)陣列。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種基于MEMS開關(guān)的開關(guān)陣列，所述MEMS開關(guān)具有輸入端、輸出端和兩個控制 端，所述開關(guān)陣列包括基底和多個MEMS開關(guān)，基底上沿水平方向有一層或多層布線層，沿 垂直方向有多個孔，孔中填充有導電材料，所述沿垂直方向的多個孔分別連接到不同的布 線層；MEMS開關(guān)分布在基底上，在水平與垂直方向形成矩陣，矩陣的每行中各個MEMS開關(guān) 的輸入端分別通過連接到同一個布線層的孔，在所述布線層中連接在一起；矩陣的每列中 各個MEMS開關(guān)的輸出端分別通過連接到同一個布線層的孔，在所述布線層中連接在一起； 每個MEMS開關(guān)的一個控制端均分別通過連接到同一個布線層的孔在該布線層中與地線連 接在一起；每個MEMS開關(guān)的另一個控制端均通過連接到同一個布線層的孔引到該布線層 中，作為控制信號的連接端；每個MEMS開關(guān)與基底之間可以是分體結(jié)構(gòu)，也可以是一體成型，當MEMS開關(guān)與基 底之間是分體結(jié)構(gòu)時，所述MEMS開關(guān)與基底之間的電氣連接方式為焊接或引線連接。所述基底的材料可以為硅或者玻璃或者陶瓷或者砷化鎵。
所述MEMS開關(guān)可以選用電磁型MEMS開關(guān)或者靜電型MEMS開關(guān)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是1、本發(fā)明提出的基于MEMS開關(guān)的開關(guān)陣列可以為分體結(jié)構(gòu)，也可以為一體成型， 一體成型是指所有MEMS開關(guān)在同一個基底上整體加工而成，MEMS開關(guān)與基底為一體；現(xiàn)有 技術(shù)中一般為分體結(jié)構(gòu)，這樣需要先對MEMS開關(guān)進行封裝，之后再組成陣列，這樣使得整 個開關(guān)陣列的體積較大；本發(fā)明一體成型的方式，可以使得先組成MEMS開關(guān)陣列，之后再 進行整體封裝，這樣就使得整體開關(guān)陣列的體積大大減小，適用性更加廣泛。2、本發(fā)明的基于MEMS的開關(guān)陣列，通過在基底上打孔的方式，將基底表面上的 MEMS開關(guān)的輸入端、輸出端和控制端分別通過孔中引到布線層中布線，這樣使得MEMS開關(guān) 的輸出連線簡單，僅僅通過充滿導電材料的孔中即可，且本發(fā)明中可以將輸入端、輸出端、 地和連接控制信號的控制端分別布在不同的布線層中，這樣使得布線變得更加簡單，引出 線較少，接口簡單，可以大大減小對上位機或者外圍控制電路的壓力而且電磁兼容性更好， 不同電路之間沒有影響，穩(wěn)定性強。3、本發(fā)明可以實現(xiàn)任意控制每個MEMS開關(guān)的導通與斷開，且本發(fā)明中的MEMS開 關(guān)可以選用單刀、雙刀、電磁型、靜電型等等各種MEMS開關(guān)，且基底材料可以選用硅、玻璃、 陶瓷、砷化鎵等材料，這樣使得本發(fā)明開關(guān)陣列兼容性和通用性強。


圖1是電磁型MEMS開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明開關(guān)陣列原理示意圖；圖3A是MEMS開關(guān)與基底焊接連接示意圖；圖;3B是MEMS開關(guān)與基底之間引線連接示意圖；圖4A是本發(fā)明分體結(jié)構(gòu)開關(guān)陣列連接方式結(jié)構(gòu)示意圖；圖4B是本發(fā)明分體結(jié)構(gòu)開關(guān)陣列連接方式結(jié)構(gòu)示意圖；圖4C是本發(fā)明分體結(jié)構(gòu)開關(guān)陣列連接方式結(jié)構(gòu)示意圖；圖5A是本發(fā)明一體結(jié)構(gòu)開關(guān)陣列連接方式結(jié)構(gòu)示意圖；圖5B是本發(fā)明一體結(jié)構(gòu)開關(guān)陣列連接方式結(jié)構(gòu)示意圖；圖5C是本發(fā)明一體結(jié)構(gòu)開關(guān)陣列連接方式結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細的描述如圖1所示，為電磁型MEMS開關(guān)的結(jié)構(gòu)示意圖，電磁型MEMS開關(guān)包括平面線圈、 支撐梁、活動電極、固定電極與基底等部分構(gòu)成。其工作原理是活動電極是一對對電極， MEMS開關(guān)不工作時二者之間不接觸，開關(guān)處于斷開狀態(tài)，若平面線圈有電流通過時，產(chǎn)生的 磁場會使活動電極產(chǎn)生一定的扭矩，在此扭矩作用下，活動電極會與基底上的兩個固定電 極同時接觸，從而使得兩個對電極接通，開關(guān)也即處于閉合狀態(tài)。電磁型MEMS開關(guān)一般含 有4個接線端，分別是兩個控制端與輸入輸出端。圖1所示的電磁型MEMS開關(guān)是本發(fā)明的開關(guān)陣列中可以應用的一種MEMS開關(guān)， 但是本發(fā)明的適用范圍不僅僅是電磁型一種MEMS開關(guān)，也可以是靜電型MEMS開關(guān)或者其他類型的MEMS開關(guān)，而且無論MEMS開關(guān)時單刀還是雙刀都一樣適用。如圖2、圖3A、圖4C所示，本發(fā)明開關(guān)陣列包括基底和多個MEMS開關(guān)，基底上沿水 平方向有一層或多層布線層，沿垂直方向有多個孔，孔中填充有導電材料，所述沿垂直方向 的多個孔分別連接到不同的布線層；MEMS開關(guān)分布在基底上表面，在水平與垂直方向形成 矩陣，矩陣的每行中各個MEMS開關(guān)的輸入端分別通過連接到同一個布線層的孔，在所述布 線層中連接在一起，如圖4C中的第一布線層；矩陣的每列中各個MEMS開關(guān)的輸出端分別通 過連接到同一個布線層的孔，在所述布線層中連接在一起，如圖4C中的第二布線層；每個 MEMS開關(guān)的一個控制端均分別通過連接到同一個布線層的孔在該布線層中與地線連接在 一起；每個MEMS開關(guān)的另一個控制端均通過連接到同一個布線層的孔引到該布線層中，作 為控制信號的連接端；MEMS開關(guān)的引出端可以全部引入到基底的同一個布線層中，也可以 分別引入到不同的布線層，將輸入端、輸出端、地和連接控制信號的控制端分別布在不同的 布線層中，這樣使得布線變得更加簡單，引出線較少，接口簡單，可以大大減小對上位機或 者外圍控制電路的壓力而且電磁兼容性更好，不同電路之間沒有影響，穩(wěn)定性強。每個MEMS開關(guān)與基底之間可以是分體結(jié)構(gòu)，也可以是一體成型，當MEMS開關(guān)與 基底之間是分體結(jié)構(gòu)時，所述MEMS開關(guān)與基底之間的電氣連接方式為焊接或引線連接，當 MEMS開關(guān)與基底之間是一體結(jié)構(gòu)時，所有的MEMS開關(guān)均在同一個基底上加工而成，這樣可 以使得先組成開關(guān)陣列，再封裝在一起，相比現(xiàn)有技術(shù)的先單個封裝再組成陣列的方式，大 大減小了整個陣列的體積?；椎牟牧峡梢詾楣杌蛘卟ＡЩ蛘咛沾苫蛘呱榛?，MEMS開關(guān) 可以選用電磁型MEMS開關(guān)或者靜電型MEMS開關(guān)，或者其他類型的均可。在圖2所示的3X3的開關(guān)陣列中，輸入線1-3與輸出線1_3相交叉形成矩陣，在 其交叉區(qū)域?qū)B接MEMS開關(guān)，于是3路輸入和3路輸出分別復用，通過對每一個開關(guān)的 控制都可以達到對每一路輸入到任意一路輸出的選通。根據(jù)MEMS開關(guān)與基底之間的關(guān)系，本發(fā)明所提出的開關(guān)陣列有兩種結(jié)構(gòu)方式，一 種是MEMS開關(guān)是獨立器件，其組成陣列后與基底實現(xiàn)連接如圖4A、圖4B和圖4C所示；另 外一種是MEMS開關(guān)本身就是在基底上加工制作而成如圖5A、圖5B和圖5C所示。在分體結(jié)構(gòu)方式中，由于不同的MEMS開關(guān)具有不同的封裝形式，因此MEMS開關(guān)與 基底之間的電氣連接方式也會不同，大體分為兩種。一種是把封裝好的器件焊接到基板上， 同時實現(xiàn)電氣與機械的連接(圖3A所示)；一種是把器件機械粘接或焊接到基板上并通過 引線鍵合實現(xiàn)電連接(圖:3B所示)。圖3A所示的MEMS開關(guān)為獨立器件，其與基板之間通 過焊接的方式實現(xiàn)其機械固定，同時可通過基底通孔實現(xiàn)電氣連接。圖3B所示的MEMS開 關(guān)亦為獨立器件，將其用環(huán)氧樹脂、軟釬焊或者共晶焊接等方法與基板鍵合實現(xiàn)機械固定， 另外通過引線實現(xiàn)電連接。本發(fā)明開關(guān)陣列中包括上述焊接與引線連接兩種電連接方式，為簡單起見，下文 中均舉例性的以引線連接的連接方式來說明本發(fā)明具體的結(jié)構(gòu)與實現(xiàn)方式。如圖4A所示的開關(guān)陣列，該開關(guān)陣列主要由MEMS開關(guān)、引線、基底組成。MEMS開 關(guān)貼裝在基底上面，基底上有通孔，通孔中填充導電性部件，MEMS開關(guān)的接線端與基底通孔 之間通過引線連接，從而實現(xiàn)電信號互聯(lián)。其中，MEMS開關(guān)的4個接線端全部通過通孔連 接到基底底部。如圖4B所示的開關(guān)陣列，該開關(guān)陣列主要由MEMS開關(guān)、引線、基底組成。MEMS開關(guān)貼裝在基底上面，基底上有通孔，通孔中填充導電材料，基底上部有一層布線層，MEMS開 關(guān)的接線端與基底通孔之間通過引線連接，從而實現(xiàn)電信號互聯(lián)。其中，MEMS開關(guān)的4個 接線端中有2個接線端被連接到布線層上，另外2個通過通孔連接到基底的底部。如圖4C所示的開關(guān)陣列，該開關(guān)陣列主要由MEMS開關(guān)、引線、基底組成。MEMS開 關(guān)貼裝在基底上面，基底上有通孔，通孔中填充導電性部件，基底上部與下部各有一層布線 層，MEMS開關(guān)的接線端與基底通孔之間通過引線連接，從而實現(xiàn)電信號互聯(lián)。其中，MEMS開 關(guān)的4個接線端中有2個接線端被連接到基底上部的第一布線層上，另外2個則通過通孔 連接到基底底部第二布線層上。需要說明的是，圖4A、圖4B和圖4C所示的開關(guān)陣列中的MEMS開關(guān)，可以是靜電型 MEMS開關(guān)，也可以是電磁型MEMS開關(guān)或者其他類型的MEMS開關(guān)。另外，基底可以由任何可 以作為基底的材料組成，比如硅、玻璃、陶瓷、砷化鎵等，通孔中填充的導電材料可以是任何 導電材料，比如金、銀、銅、鋁等。還有，由于圖4B與圖4C所示的開關(guān)陣列中的MEMS開關(guān)的 4個接線端有兩種不同的連接方式，采取的組合方式是輸入輸出端作為一組引出到同一層， 控制端作為一組引出到同一層。在同一個開關(guān)陣列中，所有MEMS開關(guān)要求同樣的引出方式 與組合方式，但是，所有的MEMS開關(guān)的輸入端要求必須引入到同一個布線層，輸出端也要 求引入到同一個布線層，同樣的，兩個控制端也分別要求引入到兩個布線層中?？偟膩碚f就 是MEMS開關(guān)的相同的輸出端必須要引入到同一層布線層之中。如圖5A、圖5B和圖5C所示的開關(guān)陣列，與圖4A、圖4B和圖4C所示的開關(guān)陣列不 同的是其MEMS開關(guān)不是貼裝在基底上，此開關(guān)陣列的全部MEMS開關(guān)在同一個基底上制作 而成。此種開關(guān)陣列的MEMS開關(guān)可以是靜電型MEMS開關(guān)、電磁型MEMS開關(guān)或者其他類型 的MEMS開關(guān)。本文中以電磁型MEMS開關(guān)為例作圖說明。如圖5A所示的開關(guān)陣列，該開關(guān)陣列由在同一個基底上制作的MEMS開關(guān)陣列組 成。MEMS開關(guān)的所有結(jié)構(gòu)器件均分布在基底上，基底上有通孔，通孔中填充導電材料，其中， 有2個通孔直接連接到MEMS開關(guān)的輸入輸出端(即固定電極，圖中僅顯示出一個)上，另 外2個通孔直接連接到MEMS開關(guān)的控制端(即平面線圈)上，4個通孔全部引到基底的底 部。如圖5B所示的開關(guān)陣列，該開關(guān)陣列由在同一個基底上制作的MEMS開關(guān)陣列組 成。MEMS開關(guān)的所有結(jié)構(gòu)器件均分布在基底上，基底上部有第一布線層，下部有第二布線 層，基底上有通孔，通孔中填充導電性部件，其中，有2個通孔直接連接到MEMS開關(guān)的輸入 輸出端(即固定電極，圖中僅顯示出一個)上，通孔引出到第一布線層上，另外2個通孔直 接連接到MEMS開關(guān)的控制端(即平面線圈)上，通孔引出到第二布線層上。如圖5C所示的開關(guān)陣列，該開關(guān)陣列由在同一個基底上制作的MEMS開關(guān)陣列組 成。MEMS開關(guān)的所有結(jié)構(gòu)器件均分布在基底上，基底上部有第一布線層，基底上有通孔，通 孔中填充導電性部件，其中，有2個通孔直接連接到MEMS開關(guān)的輸入輸出端(即固定電極， 圖中僅顯示出一個)上，通孔引出到第一布線層上，另外2個通孔直接連接到MEMS開關(guān)的 控制端(即平面線圈)上，通孔引出到基底的底部?；卓梢杂扇魏慰梢宰鳛榛椎牟牧辖M成，比如硅、玻璃、陶瓷、砷化鎵等，通孔中 填充的導電材料可以是任何導電材料，比如金、銀、銅、鋁等。還有，由于圖5B與圖5C所示的 開關(guān)陣列中的MEMS開關(guān)的4個接線端有兩種不同的連接方式，采取的組合方式是輸入輸出端作為一組引出到同一層，控制端作為一組引出到同一層。在同一個開關(guān)陣列中，所有MEMS 開關(guān)要求同樣的引出方式與組合方式。
權(quán)利要求
1.一種基于MEMS開關(guān)的開關(guān)陣列，所述MEMS開關(guān)具有輸入端、輸出端和兩個控制端， 其特征在于所述開關(guān)陣列包括基底和多個MEMS開關(guān)，基底上沿水平方向有一層或多層 布線層，沿垂直方向有多個孔，孔中填充有導電材料，所述沿垂直方向的多個孔分別連接到 不同的布線層；MEMS開關(guān)分布在基底上，在水平與垂直方向形成矩陣，矩陣的每行中各個 MEMS開關(guān)的輸入端分別通過連接到同一個布線層的孔，在所述布線層中連接在一起；矩陣 的每列中各個MEMS開關(guān)的輸出端分別通過連接到同一個布線層的孔，在所述布線層中連 接在一起；每個MEMS開關(guān)的一個控制端均分別通過連接到同一個布線層的孔在該布線層 中與地線連接在一起；每個MEMS開關(guān)的另一個控制端均通過連接到同一個布線層的孔引 到該布線層中，作為控制信號的連接端；每個MEMS開關(guān)與基底之間可以是分體結(jié)構(gòu)，也可以是一體成型，當MEMS開關(guān)與基底之 間是分體結(jié)構(gòu)時，所述MEMS開關(guān)與基底之間的電氣連接方式為焊接或引線連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于MEMS開關(guān)的開關(guān)陣列，其特征在于所述基底的材 料為硅、玻璃、陶瓷或砷化鎵。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于MEMS開關(guān)的開關(guān)陣列，其特征在于所述MEMS開 關(guān)為電磁型MEMS開關(guān)或者靜電型MEMS開關(guān)。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種基于MEMS開關(guān)的開關(guān)陣列，開關(guān)陣列包括基底和多個MEMS開關(guān)，基底上沿水平方向有一層或多層布線層，沿垂直方向有多個孔，填有導電材料，這些孔分別連接到不同的布線層；MEMS開關(guān)分布在基底上，在水平與垂直方向形成矩陣，矩陣的每行中各個開關(guān)的輸入端分別通過連接到同一個布線層的孔，在該布線層中連接在一起；矩陣的每列中各個開關(guān)的輸出端分別通過連接到同一個布線層的孔，在該布線層中連接在一起；每個開關(guān)的一個控制端均分別通過連接到同一個布線層的孔在該布線層中與地線連接在一起。本發(fā)明開關(guān)陣列可先組成開關(guān)陣列，之后再進行整體封裝，這樣就使得整體開關(guān)陣列的體積大大減小，適用性更加廣泛。
文檔編號H01H59/00GK102074422SQ20101062382
公開日2011年5月25日 申請日期2010年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月31日
發(fā)明者孫建, 李慧娟, 苑京立 申請人:航天時代電子技術(shù)股份有限公司