[发明专利]一种具有穿孔结构的扭转式微机械开关

说明书

本发明公开了一种具有穿孔结构的扭转式微机械开关，包括：一个具有交错穿孔的扭转平板、两个扭转支撑梁、两个固定支撑、一个固定电极和基底。交错穿孔矩形平板和基底间施加驱动电压，扭转平板做扭转运动。以往的矩形板没有穿孔，无孔平板因为转动惯量大，挤压膜阻尼大，所以开关响应慢，能量损耗大，应用价值不高。本发明提出一种具有穿孔结构的扭转式微开关，这些孔降低平板转动惯量，使得器件响应更快。穿孔也降低了挤压膜阻尼，大大减小了阻尼力导致的时滞。本发明提出穿孔比0.45的矩形平板，挤压膜阻尼减小十倍以上，转动惯量降低20％，吸合电压仅升高10％。

技术领域

本发明涉及微机械电子系统(MEMS)领域，尤其涉及的是一种具有穿孔结构的扭转式微机械开关。

背景技术

扭转式矩形平板电容的是许多微机械开关的核心部分。这类微开关一般采用硅材料制造，它们体积小，结构简单，应用广泛。微开关的扭转矩形平板是上极板，基底是下极板，二者之间有输入电压。扭转平板是刚性的，它由扭转支撑梁支撑。扭转支撑梁在静电力矩作用下发生弹性扭转变形，并带动扭转平板以扭转支撑梁为旋转中心产生扭转位移。

当输入电压较小时，上下极板之间形成的静电力矩等于扭转支撑梁的扭转支撑反力矩，上极板扭转变形相对较小，上极板不与下极板接触。当输入电压增加到一个特定数值时，即静电力矩增大到刚刚超过扭转支撑梁的扭转支撑力矩时，可扭转的上极板一侧被拉向下极板，与下极板吸合在一起。在文献1(C.N.Nielson,G.Barbastathis,Dynamic pull-in of parallel-plate and torsional electrostatic MEMS actuactors,IEEE Journalof Microelectromechanical System,2006,15(4),pp.811-821.)中有如下记载：与这个吸合现象对应的电压被称为“吸合(Pull-in)电压”，对应的转角被称为“吸合(Pull-in)位置”，它是扭转平板最大机械转角的0.44倍。“吸合(Pull-in)电压”的表达式是式中，ε是介电常数，k是扭转刚度，g₀是驱动电压为零时的极板间隙，A＝LW是矩形平板面积，L和W矩形平板的长度(x方向尺寸)和宽度(y方向尺寸)。微机械开关就是利用这个“吸合现象”工作的。

在文献2(S.D.Senturia,Microsystem design,Kluwer academic publishers,2001)中记载：为了能用较小的驱动电压产生大的驱动力矩，器件的上极板(扭转极板)和下极板(固定极板)必须非常靠近。

在文献3(R.B.Darling,C.Hivick,J.Xu,Compact analytical modeling ofsqueeze film damping with arbitrary venting conditions using a Green’sfunction approach.SensorsActuators A.1998,70,pp32-41.)和文献4(P.Li,Y.Fang,AnAnalytical Model for Squeeze-Film Damping of Perforated Torsional MicroplatesResonators,Sensors,2015,15(4),pp7388-7411.)中记载在这种情况下，器件发生了“挤压膜阻尼效应”，即：当扭转极板向下运动时，间隙中的气体被压缩、被挤出。当扭转极板向上运动时，间隙中的气体被扩张，间隙周围的气体则被吸进间隙。这个效应使得间隙内外产生了压力差。这个压力差有阻尼效应。这个阻尼效应就是挤压膜阻尼。

微开关在输入电压作用下必须要能快速响应、时间滞后小、开速收敛到平衡位置。这就要求器件具备小的转动惯量和较小阻尼的。但是，当前的器件结构设计时，即没有考虑减小转动惯量，也忽略了器件的“挤压膜阻尼效应”。

发明内容

本发明目的在于针对现有技术的缺陷，提供一种可以同时降低挤压膜阻尼和转动惯量，具有穿孔结构的扭转式微机械开关。