CN100336148C - 增大压电传感器的行程的方法和利用该方法的mems开关 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及增大压电传感器的行程的方法，和利用压电传感器的增大了的行程的MEMS开关。该MEMS开关具有利用杠杆原理的增大装置。根据本发明，提供了一种MEMS开关，其能够使用低于5V的相对低的电压，降低功耗和插损，提高隔离度，并且可广泛应用于如PCS、无线LAN等无线通信。
Description
技术领域
本发明涉及使用压电传感器的MEMS开关，更具体地，本发明涉及增大压电传感器的行程(travel)的方法和利用压电传感器的增大的行程的MEMS开关。
背景技术
传统上，微机电系统(MEMS)开关根据所使用的激励器(actuator)可以分为四种类型，例如动力静电(dynamo-electrostatic)型、热膨胀型、动力电磁(dynamo-electromagnetic)型和压电型，而根据开关方向，其可以分为两种类型，例如垂直接触型和侧向接触型。
首先，动力静电型的MEMS开关使用弯曲表面电极类型或者梳状驱动类型，这是如今被主要开发的。这种类型的MEMS开关利用的原理是当将不同极性的电压施加至两个电极(一个为固定电极，另一个为与固定电极间隔开的可移动电极)时，这两个电极接触的原理。通常，这种类型的开关制造的过程并不困难；但是，由于需要至少几十伏电压，因此其额外地需要使用一用于提高电压以适用目前的射频装置的芯片，由此增加了制造成本。这种开关的移动速度根据其结构在1至200秒的范围之内。
其次，动力电磁型的MEMS开关利用通过线圈结构形成磁场的电磁理论。这种类型的开关可以通过约5伏的相对较低的电压进行操作，但是当这种开关的结构变得复杂和巨大时，其功耗将达到数百mW。
热膨胀型的MEMS开关利用固体或液体材料的体积随温度升高而膨胀的原理。约5伏的相对较低的电压同样能够驱动这种类型的开关，但这种开关对于环境温度非常敏感，其功耗达数百mW，而且关键是其移动速度过慢，为几十微秒。
压电型MEMS开关利用压电材料在被施加以电压时体积膨胀的原理。这种类型的开关在上述方法中具有最迅速的移动速度(100纳秒至1秒)，但是当其驱动时可能传送最大的功率，而且，尽管其可以利用相对较低的电压驱动，其应变最大可为材料长度的0.1％，因此，使用这种MEMS开关的不利之处在于其行程长度不超过几十或者几百纳米。
就此而论，操作电压的升高意味着在难于采用移动式光学通信装置或者个人通信服务，或者因使用升压装置需要额外的成本。
程度较高的功耗意味着减少了诸如PCS、便携式电脑等移动装置每一次充电的工作周期。数据通信的速度被加速得越多，对具有迅速的移动速度的器件的需要增加得就越多。另外，在诸如PCS、便携式电脑、WLAN等RF应用中，已完成了各种关于将所有器件集成在一个芯片上的研究，本领域的技术人员的兴趣在于具有相对较小面积的MEMS器件。
MEMS是一种将计算机与安装在半导体芯片上的非常小的机械装置例如传感器、阀、齿轮、反光镜和驱动器等结合的技术，其被用作汽车安全气囊中的振动加速器，而且MEMS装置包括机械装置的一部分已经被制造的非常小的硅芯片上的微电路。
MEMS的示例性应用包括用于跟踪快运包裹服务并检测中间包裹处理过程的GPS传感器；安装在具有大量微小辅助副翼的飞机机翼上的用于根据飞机机翼的表面阻力变化检测气流并对气流做出反应的传感器；能够在20毫微秒的速度下将光学信号交换至单独通路的光交换装置。
如上所述，尽管因实现了降低电压和功耗以及升高了移动速度，压电型的MEMS开关几乎可以解决上述问题，但是由于5伏以下的电压的行程长度太小，因此其不可能应用于堵如光学开关、RF开关、滤光器等可变光学装置。
总之，本发明提供一种方法，该方法增大压电材料行程长度的同时仍然使用利用压电材料的移动机理。
发明内容
本发明提供一种增大压电材料行程长度的方法，以将上述压电材料的优势发挥至极限并解决行程长度方面的不利之处。
本发明的一个目的在于提供一种增大压电材料行程长度的方法，和通过将纳米级的行程长度增大到至少约10倍以将其用作开关装置，来利用压电材料增大的行程长度的MEMS开关。
本发明的另一个目的在于提供一种使用用于增大压电材料的行程长度的装置的MEMS开关，其中电极为侧向接触型，因为和垂直方向相比，压电材料的开关操作对于侧向方面具有相对高的转换压力及刚性。
本发明的核心技术是通过在其利用由激励器施加的电势差驱动压电材料时采用杠杆原理，并通过采用侧向接触型增加开关的刚性和转换压力，来增大压电材料的行程，并通过采用侧向接触型来提高开关的刚性和转换压力的技术。
根据本发明，可以将压电材料的行程长度增大约十倍，以实现将其用作开关装置并实现以线性MEMS开关替换诸如pin二极管或者MOSFET等非线性半导体装置，由此减少所使用的用于线性特性的滤波器的数量，并提升隔离和插损性能。
如上所述，根据本发明，无线LAN等所使用的开关为非线性半导体装置，例如pin二极管或者MOSFET。
如果能够以线性MEMS开关代替它，则可以减少滤波器的使用量和功耗，并提升隔离和插损性能。
如上所述，MEMS开关根据所使用的激励器可以分为四种类型，例如动力静电型、热膨胀型、动力电磁型和压电型，而根据开关方向，其可以分为两种类型，例如垂直接触型和侧向接触型(参考：Lee，Hoyoung，RFMEMS Switch，Korean ElectronicsTechnology Institute，Electronic Information Center，2002/G.M.Rebeiz和J-B.Muldavin，RF MFA4S switches and switch circuits，IEEE Microwave magazine，59-71页，2001年12月/Elliott R.Brown，RF-MEMS Switches for reconfigurable integrated circuits，IEEE Trans.on Microwave theory and tech，v.46，n.11.1998年11月)。
传统上，在根据开关方法的分类当中，因为用于侧向接触开关的侧向电极在目前的半导体加工方面存在困难，因此当前最常用的MEMS开关为垂直接触型。
随着侧向电极的制造技术正得到越来越多的发展，本发明采用侧向接触型开关。使用侧向电极的原因在于其具有比垂直电极更高的转换压力和刚性(参考：Ezekiel J.J.Kruglick，Kristofer S.J.Pister，Lateral MEMS microcontact considerations，J.of MEMS，v.8，n.3，1999年9月/Ignaz Schiele和Bemd Hillerich，Comparison oflateral and vertical switches for application as microrelays，J.Micromech.Microeng.，146-150页，1999年)。
附图说明
本发明的优选实施例的上述及其他特征、方面和优点将在随后参照附图的详细说明中更完整地描述。其中：
图1为显示本发明的用于增大压电传感器的行程长度的装置的平面视图。
具体实施方式
下面，结合附图说明增大压电传感器的行程的方法及其MEMS开关。
如图1所示，本发明的MEMS开关具有一端包括第一电极p的压电传感器10，一端与压电传感器10连接的激励器11，以及用于增大压电传感器10的行程的装置12，装置12在其一端包括而对第一电极的第二电极P，装置12与激励器11的另一端连接，而且装置12的另一端与传感器10的另一端弹性连接。
增大压电传感器10的行程的方法包括下列步骤：
首先，通过施加电势差使压电传感器10缩短，
其次，通过增大装置12增大传感器的行程，
第三，通过将开关电极安装至压电材料的侧向边接触电极P，转换侧向接触开关。
本发明的方法的上述步骤具体说明如下。
首先，压电传感器10缩短步骤利用的是在通过激励器11向压电材料施加电势差时压电材料缩短的现象。在具有最大应变率约0.1％的传统压电材料的情况下，长度为100纳米的压电材料具有0.1纳米的应变位移。
因此，压电材料的应变位移成为驱动力的基础，并且需要上述应变位移被增大至足够的水平。
第二，在增大步骤中，应变位移通过具有杠杆的移动增大装置12被增大。由于该位移过小以致无法在例如滤光器、光学开关等可变光学装置中使用，而且用于较大位移的相对大的压电传感器的使用将导致MEMS开关优势丢失，因此需要在较小的结构中增大位移。因此，本发明提供了行程增大装置，其利用杠杆原理能够提供至少10倍的行程增大。
第三，在转换步骤中，当通过激励器11将电荷施加至压电传感器10时，开关随着侧向电极P彼此接触变为“开”。当电荷从压电传感器10中消除时，侧向接触部分被杠杆的弹性恢复力分开，由此使得开关变为“关”。
如上文所述，本发明提供了一种MEMS开关，其能够利用低于5V的相对低的电压，降低功耗，实现具有出色的线性特性的MEMS开关，实现具有高隔离和低插损的开关，并且可广泛应用于如PCS、无线LAN等无线通信。
虽然上文仅描述了本发明的具体实施例，但本领域的技术人员将意识到在权利要求书的范围内可以做出各种变型。
Claims (2)
1.一种MEMS开关，包括：
一端具有第一电极的压电传感器；
一端连接至所述压电传感器的激励器；
用于增大所述压电传感器的行程的装置，该装置包括位于该装置一端的面向所述第一电极的第二电极，并且该装置连接至所述激励器的另外一端，且该装置的另外一端弹性连接至所述传感器的另外一端。
2.根据权利要求1的MEMS开关，其中所述增大装置具有位于其近端的侧向电极。
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