CN102730620B

CN102730620B - 用于提高mems装置可靠性的系统和方法

Info

Publication number: CN102730620B
Application number: CN201210107782.XA
Authority: CN
Inventors: M·F·艾米; J·A·约诺蒂; C·F·凯梅尔; 髙宇轩
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2011-03-31
Filing date: 2012-04-05
Publication date: 2016-12-14
Anticipated expiration: 2032-04-05
Also published as: US8638093B2; DE102012102727A1; CN102730620A; DE102012102727B4; US20120249261A1

Abstract

本发明涉及用于提高MEMS装置可靠性的系统和方法。一种微机电系统(MEMS)装置，其在一个实施例中包括采用背对背配置互相耦合的至少两个MEMS开关。对应于第一和第二MEMS开关的第一和第二悬置元件电耦合。此外，配置对应于第一和第二MEMS开关的第一和第二触点使得第二悬置元件和第二触点之间的差分电压近似等于第一悬置元件和第一触点之间的差分电压。该MEMS装置包括至少一个致动器，其耦合于第一和第二悬置元件中的一个或多个来致动第一和第二悬置元件中的一个或多个。在一个示例中，该MEMS装置包括一个或多个无源元件，其耦合于第一和第二MEMS开关中的一个或多个。

Description

用于提高MEMS装置可靠性的系统和方法

技术领域

本技术的实施例大体上涉及开关装置，并且更特别地涉及用于提高微机电系统(MEMS)的性能的方法和系统。

背景技术

MEMS是在微型密封封装件中尺寸一般在微米至毫米之间的机电装置。由MEMS装置能实现的接近零功耗、小的尺寸、高的隔离、开关速度、线性度、低畸变和低的插入损耗使它们理想地用于多个应用空间中的实现。因此，MEMS装置发现广泛的用途，例如在压力传感器、致动器、显示器、陀螺仪、生物传感器和各种射频(RF)传输电路。

采用微开关形式的常规的MEMS装置可包括能移动的致动器，例如朝静止电触点移动的悬梁。特别地，该能移动的致动器在典型地安置在该能移动的致动器下方的衬底上的栅极驱动器的影响下移动。最后，该栅极驱动器采用静电、静磁、压电和/或热设计，用于提供便于该能移动的致动器的自由端朝静触点移动来完成电路的致动力。

然而，当断开或闭合MEMS开关时，MEMS开关的极其高的隔离和极其低的“导通电阻”引起急剧的状态变化。这样的剧烈的电转变可引起跨触点的能量转移，从而引起MEMS开关损坏或故障，这进而降低系统性能。因此，为了减轻这样的状况，某些方法描述了使用功率分流器(power diverter)和有源电路用于降低在MEMS开关断开或闭合期间跨MEMS触点耦合的能量。然而，这样的方法典型地是昂贵的并且可能不适于某些应用环境。

另一个减轻技术采用使电流暂时绕行进入二次电通路的特定电路配置。这样的技术尽管在使MEMS开关对于流动电流断开时是有用的，但可能不适合用于其中在开关的断开和闭合期间只有有限的电流可用的应用。通过示例，在用于例如磁共振成像(MRI)系统的磁共振(MR)线圈等装置的接收和发送电路中，开关两端的电压在操作开关期间当传输脉冲是关断时大大减少。然而，MR系统中的环绕梯度场可由于磁和静电耦合而在MR线圈上感应电压。因此，这些梯度场可使例如大约1伏(V)的电压跨MEMS开关的触点出现。这样的电压的接通和切断使MEMS开关受到压力，通常导致MEMS开关和/或MR系统的损坏或故障。

发展通过降低在MEMS开关的断开和闭合期间跨触点耦合的能量来极大提高MEMS可靠性的方法和系统，这是可取的。另外，需要有提供高的隔离但防止尤其在易于发生强电磁场、电压和电流浪涌以及快速瞬变的应用环境中的自致动或故障的MEMS开关配置。

发明内容

根据本系统的方面，公开了微机电系统(MEMS)装置。该MEMS装置包括采用背对背配置互相耦合的至少两个MEMS开关。最后，对应于第一MEMS开关的第一悬置元件耦合于第二悬置元件，其对应于第二MEMS开关。此外，配置对应于第一MEMS开关的第一触点和对应于第二MEMS开关的第二触点使得该第二悬置元件和该第二触点之间的差分电压近似等于该第一悬置元件和该第一触点之间的差分电压。此外，MEMS装置包括至少一个致动器，其耦合于该第一悬置元件和该第二悬置元件中的一个或多个来致动该第一悬置元件和该第二悬置元件中的一个或多个。另外，MEMS装置包括一个或多个无源元件，其耦合于第一和第二MEMS开关中的一个或多个，其中该一个或多个无源元件降低在MEMS装置的状态转变期间的能量转移。

根据本系统的另一个方面，提出耦合于至少一个发送和接收电路的MEMS装置。该MEMS装置包括采用背对背配置互相耦合的至少两个MEMS开关，其中该MEMS装置的阻抗作为频率的函数而变化。该MEMS装置进一步包括一个或多个无源元件，其耦合于MEMS开关中的至少一个以在MEMS装置的状态转变期间从MEMS开关中的该至少一个接收电能转移。

根据本技术的另外的方面，描述了在发送和接收电路中提高MEMS装置的可靠性的方法。该方法包括使多个MEMS开关采用背对背配置互相耦合。此外，提供一个或多个无源元件。另外，该一个或多个无源元件耦合于这些多个MEMS开关中的至少一个以在这些多个MEMS开关中的至少一个的状态转变期间从这些多个MEMS开关中的该至少一个接收电能转移。

附图说明

当下列详细说明参照附图(其中类似的符号在整个附图中代表类似的部件)阅读时，本发明的这些和其他特征、方面和优势将变得更好理解，其中：

图1A是图示根据本技术的方面的包括耦合于一个或多个MR线圈的MEMS装置的MR系统的实施例的示意图；

图1B是图示根据本技术的方面的耦合于无源旁路电路的MEMS开关的一个实施例的示意图；

图2是描绘根据本技术的方面的MEMS装置的示范性配置的示意图；

图3是描绘根据本技术的方面的提高MEMS装置的可靠性的示范性方法的流程图；

图4是描绘根据本技术的方面的在采用背对背配置配置的MEMS开关的实施例的闭合期间感应的电压的图形表示；

图5是描绘根据本技术的方面的在MEMS开关(其除采用背对背配置配置外还包括无源元件)的另一个实施例的闭合期间感应的电压的图形表示。

具体实施方式

下列说明提出用于提高MEMS性能和可靠性的系统和方法。特别地，本文图示的某些实施例描述了用于在例如MR系统等发送和接收电路中使用的示范性MEMS开关配置。尽管下列说明在MR成像的背景下提出要求保护的MEMS配置，本技术可在各种其他电路和系统中实现来获得高的隔离，同时通过降低在MEMS开关的断开和闭合期间跨触点耦合的能量来防止自致动或故障。通过示例，本技术可在牵涉例如移动电话、磁共振波谱(MRS)、计算机断层摄影(CT)和无线电通信等发送和接收装置的其他开关应用中实现。适于实践本系统和技术的各种实现的示范性环境在下列部分中参照图1A描述。

图1A图示MR系统100，其包括耦合于MR线圈104的MEMS装置102。在一个实施例中，该MR线圈104包括，例如射频(RF)发送线圈和/或RF接收(表面)线圈，其在MR系统100中以一个或多个频率操作。尽管图1A图示单个MR线圈104，在某些实施例中，MR线圈104可实现作为MR线圈阵列，其具有一个或多个线圈元件来提供单频或多频MR操作。此外，在某些实施例中，MR线圈104包括回路中的一个或多个电容器105、107和/或一个或多个电感器(未示出)。典型地，电容器105、107的电容影响MR线圈104的共振频率。因此，在一个示范性实现中，电容器105、107具有调谐到大约64MHz或大约128MHz的共振频率，其取决于MR系统100中的对应的磁场强度。另外，MEMS装置102包括一个或多个MEMS开关，其在一个或多个期望的位置处(例如，贴近MR线圈104中的电容器105、107中的一个)耦合于MR线圈104来允许开关以使MR线圈104隔离。

因此，在其中MR线圈104采用接收RF线圈配置操作的实施例中，MEMS装置102在发送操作期间可处于断开状态并且在接收操作期间处于闭合状态。然而，在备选实施例中，MEMS装置102的特定状态和对应的开关操作可取决于特定电路设计和/或应用要求。最后，MR系统100可包括开关控制106，其基于特定要求使MEMS装置102在断开和闭合状态之间开关。

通过示例，在发送操作期间，开关控制106可使MEMS装置102开关到断开状态以在选择应用到患者的RF发送信号之前使MR线圈104从RF接收器108去耦合。此外，在接收操作期间，开关控制106使MEMS装置102开关到闭合状态用于使MR线圈104耦合于RF接收器108以能够探测对应于患者中的所得激励的MR信号。探测到的MR信号进而可被传送到耦合于MR系统100的处理系统(未示出)用于进一步处理、图像重构和/或显示。从而，MEMS装置102集成到MR系统100用于在MR发送和/或接收操作期间使RF发送和/或接收线圈高效地去耦合。

然而，在MR系统100内包括常规的MEMS开关可引起严重的电压耦合问题。特别地，在发送操作期间，MEMS开关自身可起到与对应于MR线圈104的电容器(未示出)串联而加入的小的电容的作用。该小的电容连同包括在MEMS开关中用于防止磁畸变的任何额外的电阻可引起跨MEMS开关102的触点的例如大约1伏(V)数量级的电压耦合。这样的电压的接通和切断可导致MEMS装置102和/或MR系统100的损坏或故障。

因此，在一个实施例中，MEMS装置102包括采用“背对背”配置耦合在一起的至少两个MEMS开关110、112。如本文使用的，术语“背对背”指特定的MEMS配置，其中MEMS开关110、112的相应的致动元件(未示出)在对应的锚和栅极处耦合在一起。在一个示例中，配置背对背MEMS使得这些致动元件互相机械地耦合。在另外的示例中，单个锚用于支撑背对背MEMS开关的致动元件。在某些实施例中，MEMS装置102进一步包括一个或多个无源元件114、116用于给予MEMS装置110、112额外的保护。对此，该一个或多个无源元件114、116可分别跨MEMS开关110、112并联耦合。特别地，该一个或多个无源元件114、116通过接收在状态转变期间跨MEMS开关110、112的触点转移的电能的至少一部分来保护MEMS开关110、112。

在某些实施例中，MEMS装置102进一步包括一个或多个无源元件114、116用于给予MEMS开关110、112额外的保护。最后，该一个或多个无源元件114、116可分别跨MEMS开关110、112并联耦合。特别地，该一个或多个无源元件114、116通过接收在状态转变期间跨MEMS开关110、112的触点转移的电能的至少一部分来保护MEMS开关110、112。

从而，特别在存在高功率信号而开关时，在图1A中图示的MEMS装置102的实施例缓解了“热开关”并且提高MEMS装置的可靠性。甚至在高隔离环境中操作时提供可靠的性能的MEMS装置的示范性配置参照图2更详细地描述。

参照图1B，描绘了背对背MEMS配置的一个示例。在该示例中，MEMS装置102包括单个驱动器118，其控制第一MEMS开关110和第二MEMS开关112。第一和第二MEMS开关110、112电耦合于无源旁路电路132。第一MEMS开关110包括第一梁元件120，其受到第一栅极122的影响而在该第一梁元件120和第一触点124之间建立连接。第二MEMS开关112包括第二梁元件126，其受到第二栅极128的影响而在该第二梁元件126和第二触点130之间建立连接。在该示例中的第一MEMS开关110和第二MEMS开关耦合于无源旁路电路132，其由每个耦合于相应的MEMS开关110、112的两个无源元件组成。在该示例中，无源旁路电路132包括用于第一MEMS开关110的第一电阻器134和用于第二MEMS开关112的第二电阻器136。应该理解，在该示例中，无源旁路电路中的无源元件是电阻元件134、136而其他无源元件包括电感器。

无源旁路电路132通过接收在状态转变期间跨MEMS开关110、112的触点转移的电能的至少一部分来保护MEMS开关110、112。当操作MEMS开关110、112时，无源元件134、136没有改变状态并且从而不依赖于开关状态。

图2图示用于在采用高隔离配置操作的发送-接收系统中使用的MEMS装置202(与图1的MEMS装置102相似)的示范性配置的示意表示200。为了说明目的，本实施例描述了在例如图1的MR系统100等MR系统(未示出)中使用MEMS装置202作为开关子系统。因此，图2图示与MR线圈204集成的MEMS装置202。特别地，MEMS装置202与MR线圈204集成以在MR发送或接收操作期间使开关控制能够用于隔离MR线圈204。因此，MR线圈204可包括，例如一个或多个射频(RF)发送线圈和/或RF接收线圈，其在MR系统中以一个或多个频率操作。

如先前指出的，处于断开状态的常规的MEMS开关可当其耦合于MR线圈时有效地起到小的电容的作用。该小的电容使MR线圈204中的最大电流降到例如大约150毫安(mA)的期望最大线圈电流值以下。此外，某些常规的MEMS开关配置包括额外的电阻，用于确保跨MEMS电路的不同段分布的电阻值，进而防止磁场畸变。然而，使用这样的常规的MEMS开关配置来代替目前预想的MEMS装置202的设计，可导致电压耦合问题，从而导致常规的MEMS开关的可持续对峙电压(standoffvoltage)降低。

因此，为了缓解常规设计的问题，在一个实施例中，MEMS装置202实现作为采用背对背配置互相耦合的一对MEMS开关206和208。如先前指出的，该背对背配置对应于耦合在一起以便允许共享致动电压的至少两个MEMS开关的设置。尽管图2只图示采用串联配置耦合在一起的单对MEMS开关206和208，MEMS开关的具体数量可基于应用要求而变化。通过示例，在磁或RF环境中，MEMS装置的数量可基于对应的电压脉冲效应而确定以防止由于MR RF信号而引起的自致动。此外，MEMS开关可基于特定电路设计和/或最终使用应用采用串联、并联或串-并联配置连接和/或采用MEMS阵列连接。

在一个实施例中，当采用背对背配置耦合在一起时，MEMS装置202包括对应于MEMS开关206的第一悬置元件或第一梁210，其电耦合于第二悬置元件或第二梁212，该第二悬置元件或第二梁212对应于MEMS开关208。在一个实施例中，该第一和第二梁210、212可在物理上分开并且可包括导电材料或合金。然而，在备选实施例中，该第一和第二梁210、212可一体式形成作为共享相同的锚区的致动元件的相对的端，从而消除任何外部连接并且降低MEMS装置202的整个电感。因此，在某些实施例中，MEMS装置202包括一个或多个锚(未示出)，其支撑第一和第二梁210、212并且使第一和第二梁210、212机械耦合于基础衬底(未示出)，该基础衬底支撑MEMS开关206、208。

此外，分别对应于第一和第二MEMS开关206、208的第一和第二梁210、212可个别致动或同时致动以分别与第一触点214和第二触点216电接触。在一个实施例中，该第一触点214作为源极或输入触点操作并且该第二触点216作为漏极或输出触点操作。另外，该第一和第二触点214、216可电耦合作为负载电路(未示出)的部分，其中当致动MEMS开关206、208时第一和第二梁210、212起到从第一触点214传递电流到第二触点216的作用。

对此，MEMS装置202包括致动器(栅极驱动器)218，其耦合于第一梁210和/或第二梁212来致动第一梁210和/或第二梁212。特别地，在一个实施例中，MEMS开关对206、208由给予第一和第二梁210、212致动力的单个栅极驱动器218供电。通过示例，该栅极驱动器218可给予静电、静磁和/或压电力以便于第一和第二梁210、212的自由端朝第一和第二触点214、216移动来完成电路。

因此，在某些实施例中，栅极驱动器218可包括电源和控制逻辑输入，用于基于应用要求改变MEMS开关206、208的致动状态。此外，栅极电压可成为第一和第二梁210、212的参考使得第二梁212与第二触点216之间的差分电压大致上等于第一梁210与第一触点214之间的差分电压。

具体地，在一个实施例中，背对背配置的对称性允许共享跨MEMS开关206和208的总电压使得梁210、212中任一个与对应的栅极端子220、222之间的电压只是总电压的大约一半。具体地，背对背配置的对称性允许栅极端子220到第一MEMS开关206的触点214的电容与从栅极端子222到第二MEMS开关208的触点216的电容大致上匹配。电容匹配进而导致栅极端子220、222处的电压与梁210、212处的电压一致，从而没有导致跨MEMS开关206、208的电压耦合或导致跨MEMS开关206、208的可忽略的电压耦合。通过示例，如果跨第一和第二触点214、216放置200V电压，并且开关参考级别为100V，第一触点214与第一梁210之间的电压以及第二触点216与第二梁212之间的电压将只是大约100V。

然而，在某些实施例中，MEMS装置202的两半之间的电容可大致上不相等，从而导致一些能接受的公差。在这样的实施例中，能接受的公差值取决于可以在栅极端子220、222处出现的允许电压、栅极端子220、222对于触点214、216以及梁210、212对于触点214、216的整体不对称性和MR系统的对峙电压和频率。因此，在示范性MR应用中，其中跨MEMS开关阵列的电压能够是大约500V，将需要大约20％的不对称性以在栅极端子220、222上给予大约100V电压用于MEMS装置202的自致动。

从而，背对背配置的对称性允许大的对峙电压(其可否则超过常规的MEMS开关的对峙电压)在第一和第二梁210、212之间大致上平分或以期望的比例划分来保护MEMS装置202。在某些实施例中，通过在单个盖或覆盖物(未示出)内包括第一和第二梁210、212来增加MEMS开关206、208的对峙电压而大致上没有增加开关占据面积来进一步保护MEMS装置202。

MEMS开关206、208从而向采用背对背配置的MR系统提供可靠的性能。如先前指出的，MEMS开关206、208可在发送脉冲序列期间处于断开状态并且在接收脉冲序列期间处于闭合状态。因此，MEMS开关206、208在MR接收和发送操作期间提供低的导通电阻(例如在平行阵列中小于大约0.1欧姆)以及高的关断隔离(例如小于大约500毫微微法拉(fF))。MEMS开关206、208的高的关断隔离和低的导通电阻在接收脉冲序列期间提供对于MR线圈204的良好的信噪比，同时在发送脉冲序列期间降低MR线圈204中的杂散电流。

然而，高的关断隔离和低的导通电阻在MEMS开关206、208的断开和闭合状态之间引起急剧的状态变化。特别地，在某些示范性实现中，由于来自栅极驱动器218的电容耦合，MEMS开关206、208可在这样的电转变期间经历明显的电压跳变(voltage kick)。当集成在MR线圈204内时，在发送脉冲期间跨MEMS开关206、208的典型的电压可具有大约200V数量级。然而，发送脉冲在MEMS开关206、208的断开和闭合期间关断，从而导致MEMS开关206、208上的电压大大减少。

理想地，如果在MEMS开关206、208的断开和闭合期间发送脉冲关断，则在闭合时跨MEMS开关206、208将没有电压或存储的能量。然而，在MR系统实现中，环绕MR线圈204的梯度场(未示出)可以由于磁和静电耦合而在MR线圈204上感应电压。具体地，这些梯度场可使跨MEMS开关206、208的第一和第二触点214、216出现例如大约1V数量级的杂散电压。该数量级的电压的接通和切断可使MEMS开关206、208受到压力或用别的方式引起MEMS开关206、208的损坏。

在一个实施例中，可通过优化MEMS开关206、208的阻抗来防止或减轻这样的杂散电压的耦合以不仅在发送脉冲期间能够高隔离，而且为梯度场提供泄漏通路。然而，在MR系统中，对应于发送脉冲的频率是大约64或128MHz，这取决于磁场的大小，而梯度场的频率是10至100kHz的数量级。因此，为了在高频率维持跨MEMS开关206、208的高隔离，对应的电容仍需要保持是小的。

对此，在一个实施例中，MEMS装置202包括一个或多个无源元件224、226，其分别耦合于MEMS开关206、208。不像在常规的MEMS开关中使用保护性的有源电路，无源元件224、226未采用任何功率或控制信号用于绕过在MEMS状态转变期间跨MEMS开关206、208耦合的能量。此外，在某些实施例中，无源元件224、226的阻抗在MEMS开关206、208以低频率断开时比MEMS开关206、208的阻抗小并且在高频率时比MEMS开关206、208的阻抗高。在一个示例中，阈值频率是大约10MHz并且采用无源元件使得无源元件224、226的阻抗在高频率(例如大于大约10MHz的那些等)时比MEMS开关206、208的阻抗高。相似地，采用无源元件使得无源元件224、226的阻抗在低于大约10MHz的频率时比MEMS开关206、208的阻抗低。

因此，无源元件224、226可包括，例如一个或多个电感器和/或电阻器，其采用串联和/或并联配置耦合于MEMS开关206、208以在高频率值提供高隔离并且在低频率值提供泄漏通路。电阻器可以有利地用作无源元件224、226，这是因为对应的寄生电容不影响MEMS装置202的RF阻断性能。相似地，因为电感器不具有能够在MR系统的磁场中饱和的芯，电感器可有利地用作MR系统中的无源元件224、226。此外，在某些实施例中，可基于对应于MEMS装置202和/或MR系统的一个或多个参数选择无源元件224、226的具体特性，例如形状、尺寸、材料和/或磁特性。通过示例，该一个或多个参数可包括峰值电压、峰值电流、期望的额定电压、寄生电容、尺寸、到开关元件的接近度以及对应于MEMS装置和/或MR线圈204的能量吸收特性。

一般，MR线圈204包括高品质因子回路，其包括跨MR线圈204的段的电容中断，例如由图1的电容器105、107提供的那些。即使当发送脉冲关断时，这些电容器可允许在低频率(例如，在阈值频率以下)跨MR线圈204的杂散电压耦合。杂散电压耦合的可能性由于MEMS开关206、208的非常低的电容(例如，大约300fF)和非常低的泄漏电流(例如，＜1微微安(pA))而被进一步提高。

因此，在一个实施例中，无源元件224、226包括一个或多个电感器，其跨耦合于MR线圈204的MEMS开关206、208作用。这些电感式的无源元件224、226的阻抗随着频率在MR操作期间增加而增加，从而引起跨MEMS装置202的更大的隔离。然而，在低频MR操作期间，电感式的无源元件224、226起到“短路”的作用，以相对于MEMS开关202的较低阻抗操作，从而允许RF信号的低频分量跨电感式的无源元件224、226“短路”。电感式的无源元件224、226从而防止在闭合期间跨MEMS开关206、208出现杂散电压。具体地，当被带至期望的频率范围的任一个极端(例如对应于MR操作或当开关宽带电信号时)时，电感式的无源元件224、226消除跨MEMS开关206、208的直流(DC)电压。

然而，在备选实施例中，无源元件224、226包括一个或多个电阻器，其并联耦合于MEMS开关206、208作为旁路。对此，电阻性无源元件224、226可大小适于使得在高频率的阻抗没有压倒MEMS开关206、208的极低的电容，但有效地减少在低频率的杂散电压。通过示例，选择具有10至100千欧姆数量级的电阻的电阻性无源元件224、226来与以大约128MHz的频率操作的MEMS开关206、208的有效电阻匹配。该附加电阻降低了由梯度场在低频率感应的杂散电压的耦合，从而保护MEMS开关206、208免于周期性损坏。此外，电阻性无源元件224、226提供非磁性和低成本选择用于优化RF环境(例如当连接到MR线圈204时)中的MEMS装置202的阻抗。

在MEMS开关206、208的背对背配置中包括无源元件224、226从而减少了周期性损坏。特别地，在某些示范性实施例中，看到目前预想的采用背对背配置耦合并且包括无源元件的MEMS开关206、208的配置提供开关寿命周期十倍的提高。根据本技术的方面的用于提高MEMS开关的可靠性和性能的示范性方法参照图3-5详细地论述。

特别地，图3图示流程图300，其描绘了用于提高例如图1-2的MEMS装置102、202等MEMS装置的可靠性的示范性方法。此外，在图3中，该示范性方法图示为采用逻辑流程图的框的集合。在这些框中描绘各种操作来说明在示范性方法的不同阶段大体上执行的功能。描述示范性方法的顺序不意在解释为限制，并且可采用任何顺序组合任何数量的描述的框来实现本文公开的示范性方法或等同的备选方法。另外，某些框可从示范性方法删除或增加有具有附加功能性的附加框而不偏离本文描述的主旨的精神和范围。为了论述的目的，示范性方法将参照图1的元件描述。

在RF应用中使用MEMS开关允许极其低的导通电阻和极其高的关断隔离，从而导致高的系统性能。根据本技术的方面，例如MR系统中等的RF系统内的MEMS开关的性能可通过采用背对背配置中的MEMS开关并且包括优化对应的阻抗的一个或多个无源元件而进一步提高。因此，在步骤302，多个MEMS开关(例如图2的MEMS开关206、208)在具有共享栅极电压的背对背配置中互相耦合。对此，在一个实施例中，MEMS开关可包括连接到至少第一和第二悬置元件(第一和第二梁)的单个栅极驱动器。然而，备选实施例可包括超出单个的耦合于MEMS开关的栅极驱动器。栅极驱动器包括，例如方波电压源，其驱动MEMS开关或使MEMS开关偏置来使第一和/或第二梁朝第一或第二触点致动以便通过MEMS开关建立电通路。

因此，在一个实施例中，栅极驱动器的正触点通过电阻器连接到MEMS开关的每个的梁端子。此外，栅极驱动器的负触点通过另一个电阻器连接到MEMS开关的每个的栅极端子。从而在MR系统中经由到一个或多个MR线圈(例如图2的MR线圈204)的连接采用共栅极配置中耦合在一起的MEMS开关来提供可靠的开关性能。

通过图示，当集成在MR线圈内时，在发送脉冲期间跨MEMS开关的典型的电压可具有大约200V的数量级。背对背配置的对称性允许在发送操作期间在第一和第二梁之间共享该电压。然而，该发送脉冲在MEMS开关的断开和闭合期间可以“关断”，从而导致MEMS开关上的电压大大减少。尽管，当发送脉冲关断时，理想地跨MR线圈将没有存储能量，然而实际上，环绕MR线圈的梯度场可由于电容耦合而在MR线圈上感应电压。特别地，MEMS开关可在这样的电转变期间经历明显的电压跳变，从而导致MEMS开关的压力、损坏或故障。

因此，在步骤304，提供一个或多个无源元件作为跨MEMS开关的旁路。特别地，选择该一个或多个无源元件使得这些无源元件的阻抗作为MR操作频率的函数而变化。对此，该一个或多个无源元件包括，例如电感器、电阻器和/或电容器。此外，可基于例如峰值电压、峰值电流、期望的额定电压、寄生电容、尺寸、到开关元件的接近度以及对应于MEMS装置和/或MR系统的能量吸收特性等一个或多个参数选择这些无源元件的一个或多个特性。特别地，可定制无源元件的具体特性使得在高频率的阻抗没有压倒MEMS开关的极其低的电容，但有效地降低在低频率的跨MEMS开关耦合的能量。通过示例，可选择具有在感兴趣频率的50kOhms阻抗的电阻器/电感器来作为跨MEMS开关的旁路操作。

在步骤306，选择的无源元件耦合于多个MEMS开关中的至少一个来接收当MEMS开关从闭合状态变成断开状态时(或反之亦然)的电能转移。具体地，在一个实施例中，无源元件采用串联配置跨MEMS开关耦合来接收当闭合时跨MEMS开关耦合的能量的至少一部分。在高频发送操作期间，无源元件的阻抗可随着操作频率的增加而增加，从而引起跨MEMS开关的更大的隔离。然而，在低频接收操作期间，无源元件允许跨无源元件的信号的低频分量的短路。

因此，无源元件通过允许MEMS开关接通进入更低的功率(或没有功率)状态(其中可以维持MEMS开关的可靠性)而缓解“热开关”。此外，在描述使用电阻性无源元件的实施例中，对应于无源元件的附加电阻明显地降低在状态转变期间跨MEMS开关的能量耦合，从而提高开关寿命周期。特别地，在采用无源元件的示范性实现中，开关寿命周期可提高到十倍。当MEMS开关除采用背对背配置外还包括无源元件时由MEMS开关实现的某些示范性性能特性将参照图4和5更详细地描述。

如本文详述的，由于MR系统中的瞬态场引起的电容耦合可感应跨MEMS开关的一定量的电压。图4图示另一个图形表示402，其描绘了在MEMS开关的闭合期间没有借助于无源元件感应的模拟电压404。在模拟序列中，栅极电压在闭合MEMS开关的5μsec持续时间内爬升到大约120V。然而，这样的栅极电压可跨MEMS开关耦合超出20V，这导致开关触点处的压力或损坏，从而降低MEMS开关的寿命。

因此，在目前预想的MEMS装置的配置中，例如在图2中图示的，一个或多个无源元件跨MEMS开关耦合来接收在闭合时跨MEMS开关产生的耦合电压的至少一部分的转移。此外，MR发送和接收序列的另一个示范性周期(例如参照图4描述的)用于模拟当耦合于MR线圈时的MEMS开关的操作，这些MEMS开关除采用背对背配置配置外还包括一个或多个无源元件。

特别地，采用具有10至100千欧姆数量级的电阻的电阻器来与以大约128MHz的频率操作的MEMS开关的有效电阻匹配。示出该附加电阻来降低由梯度场在较低频率感应的电压耦合，从而保护MEMS开关免于周期性损坏。具体地，图5图示通过包括跨MEMS开关的电阻器作为无源旁路元件实现的性能提高。

此外，图5图示图形表示502，其描绘了在除采用背对背配置耦合外还包括无源元件的MEMS开关的闭合期间感应的电压504。特别地，该图形表示502描绘了简单通过添加并联电阻器在MEMS开关的闭合时感应的电压504下降至大约0.01倍。

在上文公开的系统和方法描述了在RF环境中使用具有优化阻抗和可靠性的MEMS装置。对此，该MEMS装置包括多个采用背对背配置耦合的MEMS开关并且包括一个或多个无源旁路元件。如由图5的图形表示证实的，使用采用背对背配置的MEMS开关以及无源旁路远看明显地降低了在状态转变期间跨MEMS开关的能量转移，从而大体上提高了开关寿命周期。使用本MEMS装置从而提供了高效的开关性能，同时提高MR系统的健康和安全性。

尽管本技术的示范性实施例在MR系统中的微米尺寸的MEMS装置的背景下描述，将意识到也可预想在其他RF环境中在更大或例如基于纳米技术的装置等更小的装置中使用对应于要求保护的MEMS装置的技术和结构。

尽管本文仅图示和描述本发明的某些特征，本领域内技术人员将想到许多修改和改变。因此，要理解附上的权利要求规定涵盖所有这样的修改和改变，它们落入本发明的真正精神内。

元件列表

Claims

1.一种微机电系统MEMS装置，包括：

至少两个MEMS开关，其采用背对背配置互相耦合；

对应于第一MEMS开关的第一悬置元件，其电耦合于第二悬置元件，所述第二悬置元件对应于第二MEMS开关；

对应于所述第一MEMS开关的第一触点和对应于所述第二MEMS开关的第二触点，其被配置使得所述第二悬置元件和所述第二触点之间的差分电压近似等于所述第一悬置元件和所述第一触点之间的差分电压；

至少一个致动器，其耦合于所述第一悬置元件和所述第二悬置元件中的一个或多个来致动所述第一悬置元件和所述第二悬置元件中的一个或多个；以及

一个或多个无源元件，其耦合于第一和第二MEMS开关中的一个或多个，其中所述一个或多个无源元件配置成降低在所述MEMS装置的状态转变期间的能量转移。

2.如权利要求1所述的MEMS装置，其中所述一个或多个无源元件包括一个或多个并联耦合于所述MEMS装置的电感器。

3.如权利要求1所述的MEMS装置，其中所述一个或多个无源元件包括一个或多个并联耦合于所述MEMS装置的电阻器。

4.如权利要求1所述的MEMS装置，其耦合于磁共振(MR)线圈、高隔离环境和射频阻断通路中的一个或多个，其中所述 MEMS装置的阻抗作为对应频率的函数而变化。

5.如权利要求1所述的MEMS装置，其中所述一个或多个无源元件单独或分别耦合于以下部件中的一个或多个：所述第一悬置元件和所述第一触点，以及所述第二悬置元件和所述第二触点；从而使得所述一个或多个无源元件配置成对于在高频值的射频分量相对于所述MEMS开关增加阻抗，以及对于在低频值的射频分量相对于所述MEMS开关减少阻抗。

6.一种耦合于至少一个发送和接收电路的微机电系统MEMS装置，其包括：

至少两个MEMS开关，其采用背对背配置互相耦合，其中所述MEMS装置的阻抗作为频率的函数而变化；

一个或多个无源元件，其耦合于所述MEMS开关中的至少一个以在所述MEMS装置的状态转变期间从所述MEMS开关中的所述至少一个接收电能转移。

7.如权利要求6所述的MEMS装置，其中采用背对背配置互相耦合的多个MEMS开关中的一个或多个包括：

第一悬置元件，其电耦合于第二悬置元件；

第一触点和第二触点，其被配置使得所述第二悬置元件和所述第二触点之间的差分电压近似等于所述第一悬置元件和所述第一触点之间的差分电压；以及

致动器，其耦合于所述第一悬置元件和所述第二悬置元件中的一个或多个来致动所述第一悬置元件和所述第二悬置元件中的一个或多个。

8.一种在发送和接收电路中提高MEMS装置的可靠性的方法，其包括：

采用背对背配置使多个MEMS开关互相耦合；

提供一个或多个无源元件；以及

使所述一个或多个无源元件耦合于所述多个MEMS开关中的至少一个以在所述多个MEMS开关中的至少一个的状态转变期间从所述多个MEMS开关中的所述至少一个接收电能转移。

9.一种微机电系统MEMS装置，其包括：

至少两个互相电耦合的MEMS开关，其中所述MEMS开关采用背对背配置，所述背对背配置具有使所述MEMS开关的致动器元件机械耦合的单个锚；

耦合于所述MEMS开关的无源旁路电路，其包括耦合于所述MEMS开关的无源元件，其中所述无源元件的一个端耦合于相应的MEMS开关的触点并且所述无源元件的另一个端耦合于相应的MEMS开关的梁，其中一个或多个无源元件配置成降低在所述MEMS装置的状态转变期间的能量转移，并且其中所述无源元件不依赖于开关状态；以及

单个栅极驱动器，其电耦合于所述MEMS开关来改变所述MEMS开关的开关状态。

10.如权利要求9所述的MEMS装置，其中所述无源元件包括一个或多个并联耦合于所述MEMS装置的电感器、一个或多个并联耦合于所述MEMS装置的电阻器或其组合。