CN100568719C - 用于表面声波切换的微型机电装置和方法 - Google Patents

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Abstract

揭示了用于表面声波(SAW)切换的微型机电系统(MEMS)装置和方法。该装置包括具有隔开的输入和输出SAW变换器的压电基板。MEMS开关设置于输入和输出SAW变换器之间。MEMS开关具有与基板之上或上方形成的一个或多个致动电极电磁连通的可变形部件。该可变形部件可变形以机械地接触基板以偏移或吸收由输入SAW变换器产生的SAW。

Description

用于表面声波切换的微型机电装置和方法
技术领域
本发明的领域涉及微型机电系统(MEMS)，尤其涉及用于表面声波(SAW)切换的MEMS装置和方法。
背景技术
滤波器和开关常组合用于电子装置中。例如，在蜂窝电话中，射频(RF)信号由天线检测，被转换成电信号，随后进行处理。为了处理信号，需要开关来将RF天线切换到装置接收侧上的滤波器，或者切换到装置发送侧上的滤波器。此外，需要开关来在频率信道之间改变。在多数电子装置中，开关是晶体管的形式。电子技术领域中已知的是，电信号受到由于通过切换和滤波器电路引起的“插入损耗”。
SAW装置用于特定电子应用中作为谐振器和滤波器。在SAW滤波器中，电信号被输入到压电基板上形成的输入SAW变换器。输入电信号通常具有相对较宽的频率范围。但是，输入SAW变换器形成仅具有较窄频率范围的SAW。随后，SAW在基板上行进并由输出SAW变换器检测。输出SAW变换器仅响应于较窄的SAW频率范围，进一步提升信号滤波。随后，所检测的SAW被转换成输出电信号，它具有比输入电信号更窄的频率范围。
MEMS开关也用于选择电子应用中。MEMS开关的一个实例是电容器分路开关，它包括膜形式的顶部电极和传输线形式的底部电极。操作中，当直流(DC)致动电压应用于顶部电极(膜)和底部电极(传输线)上时，膜被偏转以形成与传输线的电介质层的物理接触。这使得电路短路到接地，从而切断行进通过传输线的信号的传输。
当前，MEMS和SAW器件两者都用于各种电子装置中，作为谐振器、滤波器和开关。但是，使用SAW和/或MEMS装置切换和滤波的一般方法包括在电域中切换和在声域中滤波。由于有关的插入损耗，该方法趋向于是低效率的。不幸地，由于缺乏有效的基于声的开关，当前缺乏可选方案。
发明内容
本发明提供了一种用于表面声波切换的微型机电装置，其包括：
压电基板，它具有隔开的输入和输出表面声波(SAW)变换器；微型机电系统(MEMS)开关，它设置于输入和输出SAW变换器之间，MEMS开关具有可变形部件，它可变形以机械地接触所述压电基板以改变由输入SAW变换器产生的SAW；以及致动电极，它被设置成电磁地啮合所述可变形部件。
另一方面，本发明还提供了一种用于表面声波切换的方法，该方法包括：
产生输入表面声波(SAW)以沿基板表面行进；用致动电极电磁地啮合微型机电系统(MEMS)开关的可变形部件；以及通过使所述MEMS开关的可变形部件接触所述基板表面来选择性地改变所述输入SAW。
附图说明
图1是具有含两个电极部件的致动电极的MEMS切换装置的一般实例性实施例的示意性平面图；
图2是与图1所示的相似的MEMS切换装置的另一个一般实例性实施例的示意性平面图，除了致动电极包括位于可变形部件之下的单个电极部件；
图3A是图1的MEMS切换装置的实例性实施例的示意性平面图，其中MEMS开关包括含栅格层的可变形部件；
图3B是图3A的MEMS开关的可变形部件的剖视图，更详细地说明了结构层和栅格层；
图3C是图3A的MEMS开关的特写平面图，说明了采用四个致动电极的实例性实施例；
图4A是图1的MEMS切换装置的实例性实施例的示意性平面图，其中MEMS开关包括含吸收体层的可变形部件；以及
图4B是图4A的MEMS开关的可变形部件的剖视图，更详细地说明了结构层和吸收体层。
具体实施方式
在本发明实施例的以下详细描述中，参考形成其一部分的附图，其中通过其中可以实施本发明实施例的说明性实施例的方式示出。足够详细地描述这些实施例以使得本技术领域内的熟练技术人员能够实施，且可以理解，也可以使用其它实施例且可以进行变化而不背离其范围。因此，以下的详细描述不是限制性的，且本发明实施例的范围仅由所附权利要求书限定。
图1是MEMS切换装置100的一般实例性实施例的示意性平面图。装置100包括输入SAW变换器112和输出SAW变换器114，每一个都形成于压电基板118的上表面117之上或上方。输入SAW变换器112包括交叉指型排列的电极指124和126的第一和第二组120和122。同样，输出SAW变换器114包括交叉指型排列的电极指132和134的第一和第二组128和130。
在实例性实施例中，电极指组120和122采用光刻和薄膜工艺由金属膜制成，包括蚀刻或脱离(lift-off)技术。在输入SAW变换器112的实例性实施例中，每个电极指124和126的宽度W1和相邻电极指之间的间隔S1是微米或亚微米等级。同样，在输出SAW变换器114的实例性实施例中，每个电极指132和134的宽度W2和相邻电极指之间的间隔S2是微米或亚微米等级。
输入和输出SAW变换器112和114限定SAW路径137，SAW在该SAW路径上行进。SAW路径137被限定为输入和输出SAW变换器之间的基板表面117的区域。SAW路径137的宽度与SAW变换器的宽度基本相同，从而SAW路径基本由SAW变换器的尺寸和间隔限定并覆盖SAW变换器之间的区域。
电信号(例如，电压)源140经由线路141和142耦合到输入SAW变换器112的电极指组120和122，并用于驱动输入SAW变换器。在实例性实施例中，电信号源140是电子元件或装置，诸如RF天线或放大器。此外，电子元件或装置144经由线路145和146电耦合到输出SAW变换器114的电极指128和130。在实例性实施例中，电子元件或装置144是放大器(例如，低噪声放大器)、电子滤波器或者模拟信号处理芯片。或者，电子装置144包括某些或所有这些(或类似的)元件。
装置100进一步包括形成于输入SAW变换器112和输出SAW变换器114之间的压电基板118上的MEMS开关150。MEMS开关150包括链接到上表面117处的基板118的支座160。支座160支持可变形部件166，它适于机械地接触SAW路径137内的上表面117。在实例性实施例中，可变形部件166是横梁。在另一个实例性实施例中，可变形部件166是膜。
MEMS开关150包括基板表面117上形成的致动电极170。设置致动电极170，以便与可变形部件166电磁连通。特别是，致动电极170被设计和配置成在将电信号(例如，电压信号)施加到致动电极上时用足够的强度电磁啮合可变形部件166以使可变形部件变形和接触基板上表面117。
致动电极170可以由一个或多个电极元件构成。例如，在图1所示的实例性实施例中，致动电极170由两个侧致动电极元件170A和170B构成，它们被设置在上表面117上可变形部件166之下并邻近于支座160。在实例性实施例中，电极元件170A和170B完全位于SAW路径137外侧。在另一个实例性实施例中，构成电极170的电极元件至少部分位于SAW路径137的外侧。
在图2所示的另一个实例性实施例中，MEMS开关150的致动电极170包括单个电极部件170A，它位于SAW路径137内直接位于可变部件166之下的基板上表面117上。致动电极部件170A是导电的，且在实例性实施例中，包括诸如Cr的耐磨金属，或者包括诸如掺杂钻石的绝缘体。为了在致动电极上通过时使SAW能量的损耗最小，与输入SAW210的波长相比，致动电极170A应相对较薄和均匀。
经由线路188耦合到MEMS开关150和致动电极170的是致动电信号(例如，电压)源190，它周期性地启动(例如，激活或“打开”)MEMS开关以使可变形部件166变形，从而可变形部件选择性地与SAW路径137内的一部分基板上表面117机械接触和从其移除。
继续参考图1，装置100如下工作。电信号源140在电极指124和126的组120和122之间施加输入电信号200。这形成压电基板118中的周期应变，从而形成在基板表面117上并在SAW路径137内行进的输入SAW210。电极指宽度W1、电极指间隔S1、电极指124和126的交叉指型图案的频率内容以及所施加的输入电信号200的频率内容确定输入SAW210的幅值和相位。输入SAW传播通过基板118的上表面117到达MEMS开关150。
当MEMS开关150处于第一状态时，可变形部件166不与基板表面117接触。这允许SAW210在可变形部件之下传播并通过MEMS开关而不被干扰。输入SAW210继续沿基板表面117传播，直到它达到输出SAW变换器114，在这里它被转换成输出电信号220。随后，通过电子装置144进一步处理输出电信号220。
当MEMS开关150经由来自电信号源190的电信号226被切换成第二状态时，致动电极170电磁啮合并吸引可变形部件166。这使得可变形部件变形并与基板上表面117接触。在装置100的一个实施例中，可变形部件166偏移大部分或基本全部的输入SAW210，从而形成被偏移的SAW230。该偏移防止大部分或基本全部的输入SAW210到达输出SAW变换器114。
此外，在实例性实施例中，被偏移的SAW230由吸收部分240随意吸收，该吸收部分240驻留在基板上表面117之上或上方并被设置成截取被偏移的SAW。用于吸收部件240的实例性材料包括硅氧烷和基于硅氧烷的材料，诸如可从Dow-Corning，Inc.获得的RTV-3145。
在以下更详细地讨论的另一个实例性实施例中，可变形部件166包括吸收体层，它吸收大部分或基本全部的输入SAW210，从而防止输入SAW210到达输出SAW变换器114。
MEMS开关150的选择性致动使得可变形部件166以允许装置100作为声开关工作的方式与输入SAW210相互作用并修改之。以下将更详细地阐述装置100的一般实例性实施例的几个具体实例性实施例。
具有栅格的MEMS开关
图3A是图1的MEMS切换装置100的一般实例性实施例的一个实例性实施例的示意性平面图。图3B是图3A的装置100的可变形部件166的剖视图。在本实例性实施例中，可变形部件166包括具有下表面256的结构层254。形成于下表面256上的是栅格层260，它具有含栅格间隔SG的栅格线262。结构层254和栅格层260两者都可以由大量材料制成。在实例性实施例中，结构层254包括诸如Ni，Au，Ti或Al的金属，而栅格层260包括金属、涂覆金属的电介质、氮化物、碳化物或诸如SiO2的氧化物。
在实例性实施例中，栅格层260以相对于轴线A1的角度θ定向。这使得输入SAW210沿与轴线A1相交的(假想)轴线A2偏移。在实例性实施例中，吸收体240沿轴线A2以截取和吸收被偏移的SAW230。在实例性实施例中，定向角度θ使得输入SAW210的偏移按直角产生，即从而轴线A1和A2形成90度。
实现特定偏移方向所需的特殊的栅格角度θ取决于输入和偏移SAW210和230的速度。考虑入射SAW210的速度VI和被偏移的SAW230的速度VD。由于压电晶体基板118的各向异性，速度VD可以与VI不同。栅格层260的间隔P由P＝VISinθ/f确定，其中f是入射SAW210的频率。按直角偏移的条件由tanθ＝VI/VD给出。此外，在实例性实施例中，栅格线的数目以及栅格间隔SG被选择为最大地反射入射SAW210。
图3C是图3A的MEMS开关的特写平面图，它包括其上附着了悬浮部件272并连接到可变形部件166的四个支座160。此外，MEMS开关的致动电极170包括基板表面117上的四个致动电极部件170A、170B、170C和170D，其排列于可变形部件166之下靠近可变形部件的四个边角。该结构允许增加可变形部件166的柔性，同时还提供空间来容纳多个致动电极。
图3A的在MEMS切换装置100的操作中，在第一状态下，可变形部件166不与基板上表面117相接触。这允许输入SAW210直接传播到输出SAW变换器114。但是，当MEMS开关150经由来自致动电信号源190的电信号226被切换到第二状态时，致动电极部件170A、170B、170C和170D电磁啮合可变形部件116，使得可变形部件变形并与基板上表面117接触。这允许可变形部件的栅格层截取和偏移大部分或基本全部的输入SAW210。
在实例性实施例中，被偏移的SAW230由吸收部件240随意吸收。该偏移和吸收提供输出SAW变换器114和输入SAW变换器112的选择性隔离，这是实施切换操作所必须的。
具有吸收体层的MEMS开关
图4A是图1的一般实例性MEMS切换装置100的另一个实例性实施例的示意性平面图。图4B是可变形部件166的特写剖视图。
在图4A的装置100中，可变形部件166是膜状的并包括含下表面306的结构层304以及形成于结构层下表面上的含下表面312的吸收体层310。吸收体层310由能吸收SAW的材料制成。吸收体层310的实例性实施例包括聚合物或者软金属。
在特定的实例性实施例中，构成吸收体层310的材料能破坏或污染基板118。在这种情况中，任选的实例性实施例包括薄衬垫层316，它形成于下表面312上方以保护上表面117不受来自吸收体层310的破坏或污染。薄衬垫层316由与构成基板118的材料相容的材料制成，在实例性实施例中，包括与构成基板118的材料相同的材料。
此外，在实例性实施例中，基板上表面117包括任选的薄保护层(未示出)以保护在下面的电极或压电基板本身。
在图4A的MEMS切换装置100的工作中，当MEMS开关150处于第一状态时，可变形部件166不接触基板表面117。这允许输入SAW210直接传播通过MEMS开关150并到达输出SAW变换器114。但是，当MEMS开关150经由来自致动电信号源190的电信号226致动时，致动电极170A和170B电磁啮合可变形部件166，使其变形并与基板上表面117机械接触。这允许可变形部件166在吸收体层310中截取和吸收大部分或基本全部输入SAW。该吸收提供输出SAW变换器114和输入SAW变换器112的选择性隔离，这是实施切换操作所必须的。
虽然已结合较佳实施例描述了本发明，但可以理解，这是非限制性的。相反，其旨在覆盖所有可选方案、修改和等效物，如所附权利要求书中限定的本发明实施例的精神和范围内所包括的那样。

Claims (28)

1.一种用于表面声波切换的微型机电装置，其特征在于，包括：
压电基板，它具有隔开的输入和输出表面声波变换器；
微型机电系统开关，它设置于压电基板上并在输入和输出表面声波变换器之间，微型机电系统开关具有可变形部件，它可变形以机械地接触所述压电基板以改变由输入表面声波变换器产生的表面声波；以及
致动电极，它被设置成电磁地啮合所述可变形部件，其中所述致动电极在基板的表面上，可变性部件之下。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，可变形部件适于偏移表面声波。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，可变形部件进一步包括适于偏移表面声波的栅格层。
4.如权利要求2所述的装置，其特征在于，进一步包括吸收体，它形成于压电基板之上或上方并被设置成吸收被偏移的表面声波。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，可变形部件包括适于吸收表面声波的吸收体层。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，致动电极被设置于可变形部件之下的压电基板表面上并沿连接输入和输出表面声波变换器的轴线。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，致动电极包括两个或更多致动电极部件，它们被设置于可变形部件之下的压电基板表面上并至少部分在由输入和输出表面声波变换器限定的表面声波路径的外部。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，进一步包括第一电信号源，它电耦合到输入表面声波变换器。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，进一步包括第二电信号源，它电耦合到微型机电系统开关。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，进一步包括一电耦合到输出表面声波变换器的电子装置。
11.如权利要求1所述的装置，其中：
所述输入和输出表面声波变换器位于所述压电基板的表面上；
所述微型机电系统开关被固定到所述输入和输出表面声波变换器之间的压电基板上；
所述可变形部件可变形以接触所述压电基板表面，以及
所述致动电极位于所述压电基板的表面上。
12.如权利要求1所述的装置，其特征在于，进一步包括；
第一电信号源，它电耦合到输入表面声波变换器；以及
第二电信号源，它电耦合到微型机电系统开关。
13.如权利要求1所述的装置，其特征在于，致动电极位于由输入和输出表面声波变换器限定的表面声波路径内。
14.如权利要求1所述的装置，其特征在于，致动电极包括两个或更多致动电极部件，其位于由输入和输出表面声波变换器限定的表面声波路径之外。
15.一种用于表面声波切换的方法，其特征在于，包括：
产生输入表面声波以沿基板表面行进，其中微型机电系统开关设置于压电基板上并在输入和输出表面声波变换器之间；
用致动电极电磁地啮合微型机电系统开关的可变形部件，其中所述致动电极在基板的表面上，可变性部件之下；以及
通过使所述微型机电系统开关的可变形部件接触所述基板表面来选择性地改变所述输入表面声波。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，还包括通过将栅格接触到所述基板表面来偏移所述输入表面声波以形成被偏移的表面声波，其中所述栅格是所述可变形部件的一部分。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括吸收所述被偏移的表面声波。
18.如权利要求15所述的方法，其特征在于，还包括用吸收体层吸收所述输入表面声波，其中所述吸收体层是所述可变形部件的一部分。
19.如权利要求15所述的方法，其中电磁地啮合可变形部件包括通过将致动电信号提供给所述致动电极来电磁啮合可变形部件而致动微型机电系统开关，其中致动电极驻留在基板表面上并在由输入和输出表面声波变换器限定的表面声波路径中的可变形部件之下。
20.如权利要求15所述的方法，其中电磁地啮合可变形部件包括通过将致动电信号提供给致动电极来电磁啮合可变形部件而致动微型机电系统开关，其中致动电极具有至少部分位于由输入和输出表面声波变换器限定的表面声波路径之外的两个或更多部件。
21.如权利要求15所述的方法，其特征在于，产生输入表面声波包括将输入电信号提供给输入表面声波变换器。
22.如权利要求15所述的方法，还包括当可变形部件不与基板接触时，用输出表面声波变换器检测输入表面声波。
23.如权利要求22所述的方法，还包括：
用输出表面声波变换器形成输出电信号；以及
处理该输出电信号。
24.如权利要求15所述的方法，其中电磁地啮合可变形部件包括电磁啮合驻留在基板上的微型机电系统开关的可变形部件以使得可变形部件与输入表面声波相互作用并改变所述输入表面声波。
25.如权利要求15所述的切换方法，其中选择性地改变表面声波的包括吸收和偏移输入表面声波之一。
26.如权利要求15所述的切换方法，其特征在于，产生输入表面声波的步骤包括将输入电信号提供给输入表面声波变换器。
27.如权利要求15所述的切换方法，还包括提供电信号给致动电极以电磁啮合和变形所述可变形部件以使得所述可变形部件接触基板表面。
28.如权利要求15所述的切换方法，还包括吸收被偏移的表面声波。
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