CN102074422A - 一种基于mems开关的开关阵列 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于MEMS开关的开关阵列，开关阵列包括基底和多个MEMS开关，基底上沿水平方向有一层或多层布线层，沿垂直方向有多个孔，填有导电材料，这些孔分别连接到不同的布线层；MEMS开关分布在基底上，在水平与垂直方向形成矩阵，矩阵的每行中各个开关的输入端分别通过连接到同一个布线层的孔，在该布线层中连接在一起；矩阵的每列中各个开关的输出端分别通过连接到同一个布线层的孔，在该布线层中连接在一起；每个开关的一个控制端均分别通过连接到同一个布线层的孔在该布线层中与地线连接在一起。本发明开关阵列可先组成开关阵列，之后再进行整体封装，这样就使得整体开关阵列的体积大大减小，适用性更加广泛。

Description

一种基于MEMS开关的开关阵列

技术领域

本发明涉及一种基于MEMS开关的开关阵列，属于微机械电子系统(MEMS)领域。

背景技术

开关可以在电路或者光回路中实现导通与断开两种工作状态，开关阵列主要是一系列的开关通过一定的组合形式来达到单个开关无法实现的功能。开关阵列的应用范围很广，例如空间，通信，射频，便携电子设备，汽车电子等领域。

传统的开关阵列由多个开关组成，其功能可以满足多数场合，但是由于传统意义上的开关多是机械式或者固体式，体积较大，因此缩小开关阵列的体积一直是个难题。近年来，随着微机械电子技术(MEMS)的发展，人们逐渐意识到利用MEMS技术来制造基于MEMS开关的开关阵列的可行性，并且也取得了一定的成果。其中，美国提出了一种微电磁开关的开关阵列，主要内容是采用微处理器、步进电机、译码器等部件来控制阵列化的驱动线圈达到控制开关阵列的目的，但是这种开关阵列的结构很复杂，导致布线复杂众多，增加了复杂程度，也加大了加工工艺的难度，实现起来较困难，且该开关阵列只能使用电磁型MEMS开关，通用性较差。现有技术中的其他关于MEMS开关阵列的研究，主要集中在阵列的形式上，并没有具体实现方式，且现有MEMS开关多为分体结构，这样使得开关阵列的体积难以进一步缩小，在对于开关阵列的体积要求极高的航天等领域，不再适用，需要一种体积更小的开关阵列满足技术的发展。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服传统开关阵列体积较大与基于MEMS技术的开关阵列布线复杂的缺点，为了实现开关阵列的微型化与高密度集成，本发明提出了一种基于M EMS开关的开关阵列。

本发明的技术解决方案是：

一种基于MEMS开关的开关阵列，所述MEMS开关具有输入端、输出端和两个控制端，所述开关阵列包括基底和多个MEMS开关，基底上沿水平方向有一层或多层布线层，沿垂直方向有多个孔，孔中填充有导电材料，所述沿垂直方向的多个孔分别连接到不同的布线层；MEMS开关分布在基底上，在水平与垂直方向形成矩阵，矩阵的每行中各个MEMS开关的输入端分别通过连接到同一个布线层的孔，在所述布线层中连接在一起；矩阵的每列中各个MEMS开关的输出端分别通过连接到同一个布线层的孔，在所述布线层中连接在一起；每个MEMS开关的一个控制端均分别通过连接到同一个布线层的孔在该布线层中与地线连接在一起；每个MEMS开关的另一个控制端均通过连接到同一个布线层的孔引到该布线层中，作为控制信号的连接端；

每个MEMS开关与基底之间可以是分体结构，也可以是一体成型，当MEMS开关与基底之间是分体结构时，所述MEMS开关与基底之间的电气连接方式为焊接或引线连接。

所述基底的材料可以为硅或者玻璃或者陶瓷或者砷化镓。

所述MEMS开关可以选用电磁型MEMS开关或者静电型MEMS开关。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

1、本发明提出的基于MEMS开关的开关阵列可以为分体结构，也可以为一体成型，一体成型是指所有MEMS开关在同一个基底上整体加工而成，MEMS开关与基底为一体；现有技术中一般为分体结构，这样需要先对MEMS开关进行封装，之后再组成阵列，这样使得整个开关阵列的体积较大；本发明一体成型的方式，可以使得先组成MEMS开关阵列，之后再进行整体封装，这样就使得整体开关阵列的体积大大减小，适用性更加广泛。

2、本发明的基于MEMS的开关阵列，通过在基底上打孔的方式，将基底表面上的MEMS开关的输入端、输出端和控制端分别通过孔中引到布线层中布线，这样使得MEMS开关的输出连线简单，仅仅通过充满导电材料的孔中即可，且本发明中可以将输入端、输出端、地和连接控制信号的控制端分别布在不同的布线层中，这样使得布线变得更加简单，引出线较少，接口简单，可以大大减小对上位机或者外围控制电路的压力而且电磁兼容性更好，不同电路之间没有影响，稳定性强。

3、本发明可以实现任意控制每个MEMS开关的导通与断开，且本发明中的MEMS开关可以选用单刀、双刀、电磁型、静电型等等各种MEMS开关，且基底材料可以选用硅、玻璃、陶瓷、砷化镓等材料，这样使得本发明开关阵列兼容性和通用性强。

附图说明

图1是电磁型MEMS开关结构示意图；

图2是本发明开关阵列原理示意图；

图3A是MEMS开关与基底焊接连接示意图；

图3B是MEMS开关与基底之间引线连接示意图；

图4A是本发明分体结构开关阵列连接方式结构示意图；

图4B是本发明分体结构开关阵列连接方式结构示意图；

图4C是本发明分体结构开关阵列连接方式结构示意图；

图5A是本发明一体结构开关阵列连接方式结构示意图；

图5B是本发明一体结构开关阵列连接方式结构示意图；

图5C是本发明一体结构开关阵列连接方式结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

如图1所示，为电磁型MEMS开关的结构示意图，电磁型MEMS开关包括平面线圈、支撑梁、活动电极、固定电极与基底等部分构成。其工作原理是：活动电极是一对对电极，MEMS开关不工作时二者之间不接触，开关处于断开状态，若平面线圈有电流通过时，产生的磁场会使活动电极产生一定的扭矩，在此扭矩作用下，活动电极会与基底上的两个固定电极同时接触，从而使得两个对电极接通，开关也即处于闭合状态。电磁型MEMS开关一般含有4个接线端，分别是两个控制端与输入输出端。

图1所示的电磁型MEMS开关是本发明的开关阵列中可以应用的一种MEMS开关，但是本发明的适用范围不仅仅是电磁型一种MEMS开关，也可以是静电型MEMS开关或者其他类型的MEMS开关，而且无论MEMS开关时单刀还是双刀都一样适用。

如图2、图3A、图4C所示，本发明开关阵列包括基底和多个MEMS开关，基底上沿水平方向有一层或多层布线层，沿垂直方向有多个孔，孔中填充有导电材料，所述沿垂直方向的多个孔分别连接到不同的布线层；MEMS开关分布在基底上表面，在水平与垂直方向形成矩阵，矩阵的每行中各个MEMS开关的输入端分别通过连接到同一个布线层的孔，在所述布线层中连接在一起，如图4C中的第一布线层；矩阵的每列中各个MEMS开关的输出端分别通过连接到同一个布线层的孔，在所述布线层中连接在一起，如图4C中的第二布线层；每个MEMS开关的一个控制端均分别通过连接到同一个布线层的孔在该布线层中与地线连接在一起；每个MEMS开关的另一个控制端均通过连接到同一个布线层的孔引到该布线层中，作为控制信号的连接端；MEMS开关的引出端可以全部引入到基底的同一个布线层中，也可以分别引入到不同的布线层，将输入端、输出端、地和连接控制信号的控制端分别布在不同的布线层中，这样使得布线变得更加简单，引出线较少，接口简单，可以大大减小对上位机或者外围控制电路的压力而且电磁兼容性更好，不同电路之间没有影响，稳定性强。

每个MEMS开关与基底之间可以是分体结构，也可以是一体成型，当MEMS开关与基底之间是分体结构时，所述MEMS开关与基底之间的电气连接方式为焊接或引线连接，当MEMS开关与基底之间是一体结构时，所有的MEMS开关均在同一个基底上加工而成，这样可以使得先组成开关阵列，再封装在一起，相比现有技术的先单个封装再组成阵列的方式，大大减小了整个阵列的体积。基底的材料可以为硅或者玻璃或者陶瓷或者砷化镓，MEMS开关可以选用电磁型MEMS开关或者静电型MEMS开关，或者其他类型的均可。

在图2所示的3×3的开关阵列中，输入线1-3与输出线1-3相交叉形成矩阵，在其交叉区域对应连接MEMS开关，于是3路输入和3路输出分别复用，通过对每一个开关的控制都可以达到对每一路输入到任意一路输出的选通。

根据MEMS开关与基底之间的关系，本发明所提出的开关阵列有两种结构方式，一种是MEMS开关是独立器件，其组成阵列后与基底实现连接如图4A、图4B和图4C所示；另外一种是MEMS开关本身就是在基底上加工制作而成如图5A、图5B和图5C所示。

在分体结构方式中，由于不同的MEMS开关具有不同的封装形式，因此MEMS开关与基底之间的电气连接方式也会不同，大体分为两种。一种是把封装好的器件焊接到基板上，同时实现电气与机械的连接(图3A所示)；一种是把器件机械粘接或焊接到基板上并通过引线键合实现电连接(图3B所示)。图3A所示的MEMS开关为独立器件，其与基板之间通过焊接的方式实现其机械固定，同时可通过基底通孔实现电气连接。图3B所示的MEMS开关亦为独立器件，将其用环氧树脂、软钎焊或者共晶焊接等方法与基板键合实现机械固定，另外通过引线实现电连接。

本发明开关阵列中包括上述焊接与引线连接两种电连接方式，为简单起见，下文中均举例性的以引线连接的连接方式来说明本发明具体的结构与实现方式。

如图4A所示的开关阵列，该开关阵列主要由MEMS开关、引线、基底组成。MEMS开关贴装在基底上面，基底上有通孔，通孔中填充导电性部件，MEMS开关的接线端与基底通孔之间通过引线连接，从而实现电信号互联。其中，MEMS开关的4个接线端全部通过通孔连接到基底底部。

如图4B所示的开关阵列，该开关阵列主要由MEMS开关、引线、基底组成。MEMS开关贴装在基底上面，基底上有通孔，通孔中填充导电材料，基底上部有一层布线层，MEMS开关的接线端与基底通孔之间通过引线连接，从而实现电信号互联。其中，MEMS开关的4个接线端中有2个接线端被连接到布线层上，另外2个通过通孔连接到基底的底部。

如图4C所示的开关阵列，该开关阵列主要由MEMS开关、引线、基底组成。MEMS开关贴装在基底上面，基底上有通孔，通孔中填充导电性部件，基底上部与下部各有一层布线层，MEMS开关的接线端与基底通孔之间通过引线连接，从而实现电信号互联。其中，MEMS开关的4个接线端中有2个接线端被连接到基底上部的第一布线层上，另外2个则通过通孔连接到基底底部第二布线层上。

需要说明的是，图4A、图4B和图4C所示的开关阵列中的MEMS开关，可以是静电型MEMS开关，也可以是电磁型MEMS开关或者其他类型的MEMS开关。另外，基底可以由任何可以作为基底的材料组成，比如硅、玻璃、陶瓷、砷化镓等，通孔中填充的导电材料可以是任何导电材料，比如金、银、铜、铝等。还有，由于图4B与图4C所示的开关阵列中的MEMS开关的4个接线端有两种不同的连接方式，采取的组合方式是输入输出端作为一组引出到同一层，控制端作为一组引出到同一层。在同一个开关阵列中，所有MEMS开关要求同样的引出方式与组合方式，但是，所有的MEMS开关的输入端要求必须引入到同一个布线层，输出端也要求引入到同一个布线层，同样的，两个控制端也分别要求引入到两个布线层中。总的来说就是MEMS开关的相同的输出端必须要引入到同一层布线层之中。

如图5A、图5B和图5C所示的开关阵列，与图4A、图4B和图4C所示的开关阵列不同的是其MEMS开关不是贴装在基底上，此开关阵列的全部MEMS开关在同一个基底上制作而成。此种开关阵列的MEMS开关可以是静电型MEMS开关、电磁型MEMS开关或者其他类型的MEMS开关。本文中以电磁型MEMS开关为例作图说明。

如图5A所示的开关阵列，该开关阵列由在同一个基底上制作的MEMS开关阵列组成。MEMS开关的所有结构器件均分布在基底上，基底上有通孔，通孔中填充导电材料，其中，有2个通孔直接连接到MEMS开关的输入输出端(即固定电极，图中仅显示出一个)上，另外2个通孔直接连接到MEMS开关的控制端(即平面线圈)上，4个通孔全部引到基底的底部。

如图5B所示的开关阵列，该开关阵列由在同一个基底上制作的MEMS开关阵列组成。MEMS开关的所有结构器件均分布在基底上，基底上部有第一布线层，下部有第二布线层，基底上有通孔，通孔中填充导电性部件，其中，有2个通孔直接连接到MEMS开关的输入输出端(即固定电极，图中仅显示出一个)上，通孔引出到第一布线层上，另外2个通孔直接连接到MEMS开关的控制端(即平面线圈)上，通孔引出到第二布线层上。

如图5C所示的开关阵列，该开关阵列由在同一个基底上制作的MEMS开关阵列组成。MEMS开关的所有结构器件均分布在基底上，基底上部有第一布线层，基底上有通孔，通孔中填充导电性部件，其中，有2个通孔直接连接到MEMS开关的输入输出端(即固定电极，图中仅显示出一个)上，通孔引出到第一布线层上，另外2个通孔直接连接到MEMS开关的控制端(即平面线圈)上，通孔引出到基底的底部。

基底可以由任何可以作为基底的材料组成，比如硅、玻璃、陶瓷、砷化镓等，通孔中填充的导电材料可以是任何导电材料，比如金、银、铜、铝等。还有，由于图5B与图5C所示的开关阵列中的MEMS开关的4个接线端有两种不同的连接方式，采取的组合方式是输入输出端作为一组引出到同一层，控制端作为一组引出到同一层。在同一个开关阵列中，所有MEMS开关要求同样的引出方式与组合方式。

Claims (3)

1.一种基于MEMS开关的开关阵列，所述MEMS开关具有输入端、输出端和两个控制端，其特征在于：所述开关阵列包括基底和多个MEMS开关，基底上沿水平方向有一层或多层布线层，沿垂直方向有多个孔，孔中填充有导电材料，所述沿垂直方向的多个孔分别连接到不同的布线层；MEMS开关分布在基底上，在水平与垂直方向形成矩阵，矩阵的每行中各个MEMS开关的输入端分别通过连接到同一个布线层的孔，在所述布线层中连接在一起；矩阵的每列中各个MEMS开关的输出端分别通过连接到同一个布线层的孔，在所述布线层中连接在一起；每个MEMS开关的一个控制端均分别通过连接到同一个布线层的孔在该布线层中与地线连接在一起；每个MEMS开关的另一个控制端均通过连接到同一个布线层的孔引到该布线层中，作为控制信号的连接端；

每个MEMS开关与基底之间可以是分体结构，也可以是一体成型，当MEMS开关与基底之间是分体结构时，所述MEMS开关与基底之间的电气连接方式为焊接或引线连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于MEMS开关的开关阵列，其特征在于：所述基底的材料为硅、玻璃、陶瓷或砷化镓。

3.根据权利要求1所述的一种基于MEMS开关的开关阵列，其特征在于：所述MEMS开关为电磁型MEMS开关或者静电型MEMS开关。

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