CN102543592B - Mems开关 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种MEMS开关，其中，在衬底上方设置至少第一、第二和第三信号线，每条信号线端接于连接区。下部致动电极结构位于衬底上方。可移动接触电极悬置于连接区上方，以实现或断开三个连接区中至少两个连接区之间的电接触，上部致动电极结构设置在下部致动电极上方。对三条或更多条信号线的使用使得能够实现对称的致动力和/或使得能够利用单个可移动电极实现多种开关功能。

Description

MEMS开关

技术领域

本发明涉及一种MEMS开关，具体地涉及一种MEMS流电开关。

背景技术

MEMS流电开关(galvanic switch)包括第一电极结构和可移动元件，第一电极结构存在于衬底上，可移动元件至少部分地叠加(overlie)在第一电极结构上。通过施加致动电压，可移动元件可以在第一和第二位置之间朝着衬底移动，从而提供静电吸引。

在第一位置，可移动元件与衬底分离开一定间隙。可移动元件包括面对第一电极结构的第二电极。在第二位置(闭合开关)，第一和第二电极彼此机械和物理接触。

这种类型的现有MEMS开关可以使用静电致动，其中由致动驱动电压产生的静电力使开关闭合(close)。备选类型使用压电致动，其中驱动信号使压电梁变形。本发明特别涉及一种静电开关。

静电流电MEMS开关是有前途的器件。静电流电MEMS开关通常具有四个端子：信号输入端、信号输出端和两个致动端子，致动端子之一通常保持为地电势。通过改变另一个致动端子上的电压，产生向下拉动可移动结构的静电力。如果该电压足够高，则一个或多个接触凹座(dimple)电极将触碰，并且将在两个信号端子之间提供流电连接。

图1和图2示出了根据现有设计原理设计的MEMS流电开关的一种可能设计。

在图1中，交叉阴影图案是底部电极层。这限定了信号输入电极10、信号输出电极12和下部致动电极焊盘18a。如所示出的，致动电极焊盘18a接地。

顶部电极层限定了可移动接触元件16和第二致动电极18b，其中向第二致动电极18b施加控制信号(“DC作用(DC act)”)。

第二致动电极18b具有与接地致动焊盘18a重叠的较大区域，使得可以产生较大的静电力。然而，因为顶部致动电极18b和可移动接触元件16由相同的层构成，在可移动接触元件16周围提供了空间。另外，致动电极和信号线的重叠是不期望的，如以下进一步解释的。

图2A和2B在沿图1的垂直线得到的截面图中示出了器件的两个版本。相同的部件赋予相同的参考数字。图2A和2B附加地示出了衬底结构2和可移动接触元件16下方的间隙20。如图2A所示，可以用电绝缘层覆盖致动电极18的一侧，或者如示出了附加绝缘层22的图2B所示，可以用电绝缘层覆盖致动电极的两侧。

通过可移动接触电极实现了信号输入电极和信号输出电极之间的连接，其中如图2所示，可移动接触电极具有两个接触凹座21。流电MEMS开关在接通时可以实现小于0.5Ohm的低阻抗Ron，流电MEMS开关在关断时可以以小寄生电容(Coff＜50fF)实现高隔离度(isolation)。典型的尺寸是致动电极18外径50至200μm。

按照众所周知的方式制造器件，其中牺牲刻蚀限定了间隙20。

静电致动的流电MEMS开关典型地包括圆形悬置隔膜，圆形悬置隔膜具有中心部分，中心部分在向下偏转(deflect)时连接两个RF信号电极。器件提供单个信号路径，致动电极被分割为位于RF信号电极的相对侧上的两个相等部分。这如图1所示。

申请人已经考虑了流电MEMS开关的备选结构，其中用椭圆(oval)形状来代替图1的圆形形状。椭圆形状的主要目的是在与RF电极平行的轴上机械地加强悬置隔膜。在致动期间，比圆形器件相比，隔膜横跨该轴偏转更小。这赋予了器件较低的致动电压、较大的工作范围(在16和12接触闭合与开关的致动电极18拉入(pull-in)之间的电压范围)以及较大的最大可实现接触力。

这种方法的缺点在于需要RF电极相对较长，这引起附加的不需要的串联电阻。

现有设计的另一个缺点在于需要许多MEMS开关以实现更复杂的切换功能。

本发明针对现有MEMS开关设计的这些缺点。

发明内容

根据本发明的第一方面，提出了一种如权利要求1所述的MEMS开关。

这种设计具有多于四个的信号线(以及相应的连接区)，但是具有单个可移动电极以形成信号线之间的连接。

这限定了单刀单掷(single pole single throw)开关，但是单刀单掷开关具有四条信号线以提供对称的致动力。

至少下部致动电极结构被分割成多于两个部分。致动电极部分可以均匀散布在悬置隔膜的区域周围，使得致动期间的隔膜变形更加对称，但是不需要伸长的信号线或电极。

在(没有由本申请的权利要求覆盖的)其他设计中，多于两个RF信号电极的存在还使得器件能够执行附加功能。具体地，致动电极段(segment)可以被单独致动，从而使用户可以选择在致动期间连接哪些电极。这种设计可以被设计用作n刀m掷开关。

在(没有由本申请的权利要求覆盖的)另一个示例中，开关包括四条信号线，其中可移动电极根据操作哪些致动电极部分而可倾斜，开关用于实现或断开任意选定的相邻信号线对之间的电接触。

这提供了一种更加通用(versatile)的开关，其中可以实现四种可能的开关功能。

在(没有由本申请的权利要求覆盖的)另一个示例中，开关包括四条信号线，其中可移动接触电极包括与一对相邻信号线相关联的第一接触部分以及与另一对信号线相关联的第二接触部分，其中可移动电极根据操作哪些致动电极部分而可倾斜，开关用于选择性地实现或断开一对信号线和/或另一对信号线之间的电接触。

这种设计可以用作双刀单掷开关，即使只存在一个受控的可移动电极。

在(没有由本申请的权利要求覆盖的)另一个示例中，开关包括三条信号线，其中可移动电极根据操作哪些致动电极部分而可倾斜，开关用于选择性地实现或断开一条信号线与另外两条信号线中的一条或另一条信号线之间的电接触。

这种设计使得能够形成单刀双掷开关。

在(没有由本申请的权利要求覆盖的)另一组示例中，下部致动电极结构包括与每一条信号线相关联的可独立驱动的致动电极，并且其中可移动电极包括板(plate)，其中板的区可独立驱动为与关联的连接区相接触，使得可以通过可移动接触电极将任意一条信号线与任意其他信号线相连。

这种结构甚至更加通用，其中可以按照非常具有适应性的方式互连大量的电极线(例如6条或以上)。

例如，信号线可以被配置为使得连接区形成为闭合形状，其中信号线从封闭形状向外延伸，可移动电极板的中心部分包括固定的锚定区，使得电极板的可移动部分包括边缘区。形状可以包括矩形或正多边形。

这种设计通常可以用于n刀m掷开关，其中可以按照任意结构配置信号线，并且可以按照需要分割可移动电极。

附图说明

将参考附图进一步地说明本发明器件的这些和其他方面，其中：

图1示出了现有流电压电MEMS开关的平面图；

图2示出了图1开关的截面图；

图3以示意性的形式示出了开关的配置以及所提出的对布局的修改；

图4以示意性的形式示出了本发明的开关的示例；

图5用于示出图4的设计的优点；

图6以示意性的形式示出了开关的另外两个示例；

图7和图8用于示出图6的设计之一的操作特性；

图9以示意性的形式示出了开关的另一示例；

图10以示意性的形式示出了开关的另一示例；

图11以示意性的形式示出了开关的另一示例；以及

图12以示意性的形式示出了开关的另一示例。

具体实施方式

本发明提出了一种MEMS开关，其中在衬底上方(over the substrate)设置至少第一、第二和第三信号线，每一条信号线端接(terminate)于连接区。在一个实施例中，信号线包括均匀地成角度地隔开的径向连接线，下部致动电极包括在径向连接线之间的弓形部分，弓形部分一起具有由径向信号线中断的圆形外部形状(circular out shape)。这提供了对称的致动力，还使得能够实现多种可能的开关功能。在另一个版本中，可移动接触电极悬置于连接区上方以实现或者断开至少两个连接区之间的电接触，可移动电极包括板，其中板的区可独立驱动为与关联连接区相接触，使得可以通过可移动接触电极将任意一条信号线与任意其他信号线相连。这提供了一种通用的设计。

以下附图出了多种MEMS开关布局。已经简化了所有的附图，使得只示出了相关的细节，具体地示出了信号线形状、致动电极形状和接触设计。另外的实现细节是标准的，例如，如参考图1和图2进一步描述的。

在图3和以下附图中，分割的弓形阴影区域(arcuate hatched area)18表示致动电极。为了简单起见，单个参考符号18用于表示两个致动电极18a和18b。致动电极存在于固定到衬底的下层(如图1中可以看出的，与信号线10由相同的层构成)和形成悬置隔膜的顶层。因此，区18旨在表示下部致动电极和上部致动电极两者的形状。附图只是示意性的，上部电极和下部电极不必须形状相同，尽管在上部电极和下部电极之间的重叠提供致动力。径向线10表示RF信号电极(并且径向线10可以是RF输入线或RF输出线)；径向线10只存在于下层中。从图2的截面图中可以最清楚的看出，中心区域中的点(dot)21表示与RF电极接触的凹座。凹座通过与图1的接触元件16相对应的中心圆形或椭圆形区16彼此电连接。凹座和圆形/椭圆形区都只存在于悬置隔膜上。

通过在下层上的致动电极和上层上的致动电极之间施加电势差，致动器件。悬置隔膜向下偏转，并且凹座与RF信号电极接触。这闭合了开关。

图3示出了现有的MEMS器件。右侧的器件是基本的圆形开关，而左侧的器件表示具有上述椭圆形状的修改。

图4示出了本发明开关的第一示例。

该版本具有两个凹座21，并且是单刀单掷开关。尽管存在四条信号线，但这些信号线成对耦合，使得横跨开关只存在一条信号路径(即单刀)。这种设计是单掷的，其中实现接触或者断开接触。

信号线包括均匀地角度隔开的径向连接线。这意味着存在四个致动电极部分，这四个致动电极部分形状为圆形的扇形，并且夹在相邻径向连接线10之间。总体外部形状是圆形。

当致动器件时，一对信号线与另一对信号线电连接。

图5示出了有限元(Finite Element)仿真的结果，该结果表明隔膜的偏转是精密地圆形对称的(circular symmetric)(如同心环所表示的，同心环表示等高区域)。在图5中示出了致动电极18，但是没有示出RF电极。用中心处的圆表示凹座21。在向下触碰(touchdown)时(即当最初接触时)，如左图所示，环是圆形；而当拉入时(在进一步致动超出最初触碰之后)，如右图所示，环变形。

这表明了由于凹座的存在而导致的隔膜的弯曲。

作为示例，已经将根据本发明的设计性能与相应的传统设计进行了比较，只改变了电极布局(即，将图4的设计与图3的右图进行比较，其中，层厚度相同，材料相同，并且圆形致动电极的外径相同)。

在以下结果中，Vt是第一接触所要求的电压，Vpi是最终拉入电压，Range是Vpi和Vt之差(其中Vt是首次接触时的电压，Vpi是由于拉入而导致致动电极塌陷(collapse)时的电压)，Fc，max是最大接触力。

图3的设计给出了以下的值：

Vt＝59.2V

Vpi＝64.6V

Range＝5.4V

Fc，max＝68μN

图4的设计给出了以下的值：

Vt＝50.6V

Vpi＝58.5V

Range＝7.9V

Fc，max＝93μN

这种仿真示出了新设计的优点，因为增加了接触力，减小了拉入电压，并且增大了范围(Vpi-Vt)。小的缺点在于回复力(restoring force)减小了15％。这对于器件的正确操作是无害的，因为回复力具有更大的裕度。

图4的结构按照与传统开关类似的方式起作用，其中存在两种可能的设置：连接接触区或不连接接触区。

在其他示例中，通过使用三条或更多条信号线以及共享的可移动电极，使得开关更加通用。具体地，开关可以具有三种或者更多种设置，例如：(i)信号线连接的第一配置；(ii)信号线连接的不同的第二配置；以及(iii)没有信号线连接。

例如，前两种配置可以包括从三条(或更多条)信号线中选出的信号线对之间的连接。这意味着前两种配置使得至少一条的信号线未连接。为了实现这多种配置，单个可移动电极需要能够按照不同的方式闭合。在以下示例中，作为闭合功能的一部分，可移动电极能够倾斜，使得可以限定不同的闭合配置。

图6示出了两个另外的示例。左图示出了设计为实现任意对相邻RF信号电极之间的接触的开关。为此目的，可以独立地调节每一个致动电极18上的电压。然后可移动电极将沿所需方向朝着所操作的致动电极段的中心倾斜。

在这种设计中，每一条信号线端接于其自己的电极。电极排列成环形。可移动电极包括触点，所述触点具有覆盖电极环的接触区域。根据可移动电极如何倾斜，可移动电极可以连接任意相邻的电极对。

右图示出了开关，开关可以根据如何连接致动电极来同时或独立地切换两个平衡的RF信号。

在这种设计中，每一条信号线再次端接于其自己的电极。电极排列成环形。可移动电极包括触点，所述触点具有两个分离的接触区域16a、16b。每一个接触区域可以将关联的一对电极连接在一起或不连接在一起。根据两个接触区域如何倾斜，这两个接触区域可以连接一对电极、或者连接另一对电极、或者连接这两对电极。这有效地起到了两个独立的单刀单掷开关的作用，从而形成了双刀单掷开关。

图7示出了对于图6设计的仿真结果。图7示出了示出了利用一个电压V_A驱动的一个电极(A)和利用另一个电压V_B驱动的另外三个电极(B)。

利用开关的四个象限上适当地选择的电压序列，可以使任意组的相邻凹座着落(land)。

在图7的图中，曲线70是施加至单个电极A的电压V_A，曲线72是施加至由三个电极B组成的电极组的电压V_B。接触凹座编号为C1至C4，相应的力是FC1至FC4。

右侧的图示出了在仿真中所有电极上的电压倾斜上升(ramp up)到50伏特，足以使所有四个凹座向下触碰。随后，进一步增大致动电极A上的电压，同时减小电极B上的电压。

图8示出了在所有四个凹座上得到的接触力的曲线。

可以在凹座C1和C2上具有较高的接触力，而在凹座C3和C4上具有(几乎)为零的接触力。

可以基于器件的独立部件的尺寸和形状以及施加至致动电极的信号序列，来优化性能。

更多的变化也是可能的。

例如，图9示出了单刀双掷开关。

在这种设计中，存在三条信号线10。每一条信号线端接于其自己的电极。电极排列成环形。可移动电极包括触点，所述触点具有覆盖电极环的接触区域。根据可移动电极如何倾斜，可移动电极可以连接任意相邻的电极对。因此，可以将一个输入电极与作为输出的另两条信号线中的任一条相连，从而给出了单刀双掷功能。

以上示例提供了针对单个开关的信号线和致动电极设计。本发明还提出了以下设计：以组合的紧凑设计的形式提供多个开关元件，具体地共享可移动电极的多个开关元件。因此，共享可移动电极的概念同样适用于三条或更多信号线，但是信号线并不分布在下部致动电极组之间；而是每一条信号线具有其自己的下部致动电极，例如只被单个的关联信号线中断的圆形致动电极。可以将每一条这种信号线和致动电极看作是开关元件，并且在开关元件之间共享可移动电极。

因此，每一个开关元件具有可独立驱动的致动电极18和单个的关联信号线10。

共享的可移动接触电极(同样，悬置于信号线的连接区上方)包括板。板的区可独立地驱动为与关联的连接区相接触，使得可以通过可移动接触电极将任意一条信号线与任意其他信号线相连。

图10示出了第一示例，可以用于实现多刀多掷开关。

在该图中，区域100中存在顶部金属和底部金属，使得不存在悬置隔膜。这限定了电极区。在该区域中，两个金属层永久性地彼此相连。这限定了中央锚定区，以及外围区是可移动部分。

器件具有6个RF电极线10，每一个RF电极线具有其自己的悬置隔膜和相应的致动电极18。六个凹座21全都根据中心区域通过顶部金属以及通过低欧姆下部金属彼此相连。

当向任一组两个致动电极施加电压时，在相应的RF信号电极之间实现连接。实质上，可移动电极102可以变形，使得可以使不同的区与关联的信号线相接触。

这种变体不局限于6个电极，也不局限于其矩形的形状。在图11中示出了六边形备选方案。

在图12中示出了备选实现方式，其中附加的信号线103与电极区100直接电连接，从而产生了单刀六掷设计。这种实现方式具有以下优点：当电信号从电极103流向任意输出电极线10时(不同于在两条信号线10之间传播)，电信号只需要通过单个接触区域21而不是通过两个接触区域21。因此降低了阻抗和损耗。也可以通过将附加信号线103与可移动接触区16相连来将这种实现方式用于图3、4、6、9、10和11。

这些设计使得能够实现多刀设计(不同的信号线可以是不同电路的一部分)和/或多掷设计(一条信号线可以与从其他信号线中选出的信号线相连)。

如果连接了所有的接触凹座，则不能独立地操作用于多掷开关的不同电路。然而，可以通过将可移动电极分割为不同的电学分离区来创建一般的n刀m掷开关，其中一个区用于开关的一个刀(pole)，与每一个区相关联的多条信号线产生了所需个数的掷。也可以通过对几种建议的开关器件进行组合来创建一般的n刀m掷开关。

制造上述开关设计的制造步骤对于本领域普通技术人员而言是常规工艺，并且与现有技术的区别仅在于所选择的构图。在所描述的器件和图3的器件之间，在工艺上一个区别在于，可以有利地包括多出一个的隔离电介质层。该层使得在不使两个金属层接触的情况下使这两个金属层相交叉，还可以防止致动电极18和信号电极10之间的直接接触。这有助于芯片上各个独立电极的电连接。该额外的层不是基本的，然而该层可以简化开关设计和互连布局，并且该层可以提高可靠性，这是由于防止了图2中电极18和12之间的直接接触。该层是图2中的层22。可以将这种开关结构倒置(upside down)在衬底的顶部上，使得可移动部分变为固定的，而一些固定部分变成可移动的。

本发明对于流电开关(模拟开关、RF开关、高功率开关、高带宽数字开关)特别感兴趣。

各种其他修改对于本领域普通技术人员而言是清楚明白的。

Claims (4)

1.一种MEMS开关，包括：

衬底(2)；

至少第一、第二和第三信号线(10)，在衬底上方，每一条信号线端接于连接区(21)；

下部致动电极结构，在衬底上方；

可移动接触电极(16)，悬置于连接区(21)上方，用于实现或断开至少两个连接区之间的电接触；以及

上部致动电极结构，设置在下部致动电极结构上方，

其中，信号线(10)包括四条径向连接线，四条径向连接线在其连接区处连接为两对，下部致动电极结构包括在径向连接线之间的弓形部分，所述弓形部分一起具有由径向连接线中断的圆形外部形状，下部致动电极结构包括与每一条信号线相关联的可独立驱动的致动电极；

其中开关用于实现或断开两对径向连接线之间的电接触。

2.根据权利要求1的开关，其中径向连接线均匀地成角度地隔开。

3.根据任一前述权利要求的开关，其中上部致动电极结构和可移动接触电极(16)由相同的层构成。

4.根据权利要求1的开关，其中下部致动电极结构和信号线(10)由相同的层构成。