CN108352263A - Mems rf应用的esd保护 - Google Patents

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Abstract

本公开总体上涉及将MEMS本征技术与用于RF应用的现有固态技术中专门设计的固态ESD保护电路相结合。在MEMS器件中使用ESD保护在集成方面具有一定的复杂性，这可能被一些人视为缺点。然而，对于插入损耗、绝缘性和线性的总体性能水平的净收益超过了这些缺点。

Description

MEMS RF应用的ESD保护
本公开的背景
技术领域
本公开的实施例总体上涉及一种用于降低静电放电(ESD)风险的微机电系统(MEMS)装置。
相关技术的描述
已经针对射频电信中的应用设计和制造了包括MEMS技术的装置，其中，在制造过程(例如组装)期间和装置的典型使用条件(例如暴露于带电的人体)下都存在静电放电的风险。特别地，诸如开关和可调谐电容器等部件被用于实现现有技术的无线装置中的可重配置模拟和混合信号电路。
ESD保护装置和电路是实现电子部件和电路的固态技术的重要部分。当应用于射频部件时，这些解决方案带来显著的性能损失。当使用标准ESD保护技术时，诸如插入损耗、隔离度、线性度等关键度量显著降低。当应用于实现诸如开关和可变电容器等射频部件时，MEMS技术可以实现前所未有的性能水平。但是传统的ESD保护技术会使这种性能降低到不可接受的水平。
业界需要新的ESD解决方案，以用于能够保持高水平RF性能的基于MEMS的部件。
发明内容
本公开总体上涉及将MEMS本征技术与用于RF应用的现有固态技术中专门设计的固态ESD保护电路相结合。在MEMS器件中使用ESD保护在集成方面具有一定的复杂性，这可能被一些人视为缺点。然而，对于插入损耗、绝缘性和线性的总体性能水平的净收益超过了这些缺点。
在一个实施例中，一种装置包括与公共RF电极并联连接的多个MEMS器件，其中，所述MEMS器件被电性地设置在所述RF电极与地之间；以及在所述RF电极与地之间并联地耦接到所述多个MEMS器件的第一ESD器件。
在另一个实施例中，一种装置包括与公共第一RF电极并联连接的多个MEMS器件，其中，所述MEMS器件被电性地设置在所述第一RF电极和第二RF电极之间；以及耦接在所述第二RF电极与地之间的第一ESD器件。
在另一个实施例中，一种装置包括与第一RF电极并联连接的多个MEMS器件，其中，每个MEMS器件具有相应的第二电极；以及耦接在所述第一RF电极与地之间的ESD器件。
在另一个实施例中，一种装置包括SOI半导体管芯；耦接到所述管芯的多对连接焊盘；以及耦接在每对连接焊盘中的连接焊盘之间的ESD器件。
在另一个实施例中，一种装置包括并联连接在第一RF电极和第二RF电极之间的多个MEMS器件；耦接在所述第一RF电极与地之间的第一ESD器件；以及耦接在所述第二RF电极与地之间的第二ESD器件。
在另一个实施例中，一种装置包括第一RF电极；多个第二RF电极，其中，在每个第二RF电极和所述第一RF电极之间存在开关；耦接在每个第二RF电极与每个开关之间的第一ESD器件；耦接在每个开关与所述第一RF电极之间的第二ESD器件；以及耦接在地与每个第一ESD器件和第二ESD器件之间的第三ESD器件。
附图说明
为了能够详细理解本公开的上述特征，可以通过参考实施例来得到对上文简要概述的本公开的更具体的描述，实施例中的一些在附图中示出。然而，应该理解，附图仅示出了本公开的典型实施例并且因此不被认为是对本公开范围的限制，因为本公开可以允许其他等效的实施例。
图1A是欧姆MEMS开关的示意性俯视图。
图1B是包含多个并联操作的MEMS开关的欧姆开关单元的示意性俯视图。
图1C是包含多个并联操作的开关单元的欧姆开关阵列的示意性俯视图。
图2是根据一个实施例的MEMS欧姆开关的示意性横截面图。
图3A-3G示例性示出了耦接到MEMS器件的RF电极的ESD的几个实施例。
图4示出了根据一个实施例的单个管芯上的多个ESD元件。
图5示出了根据另一实施例的单个管芯上的多个ESD元件。
图6A和图6B示出了架构的两个示例，在该架构中，使用利用内部浮动公共节点实现的同一ESD电路来对可变电容器(调谐器)和四极开关进行ESD保护。
图7示出了根据一个实施例的用于ESD保护的级联电路。
为了便于理解，在适当情况下，使用相同的附图标记来表示附图所共有的相同元素。应预期的是，在没有具体记载的情况下，在一个实施例中公开的元素可以有益地用于其它实施例。
具体实施方式
本公开总体上涉及将MEMS本征技术与用于RF应用的现有固态技术中专门设计的固态ESD保护电路相结合。在MEMS器件中使用ESD保护在集成方面具有一定的复杂性，这可能被一些人视为缺点。然而，对于插入损耗、绝缘性和线性的总体性能水平的净收益超过了这些缺点。
图1A是欧姆MEMS开关100的示意性俯视图。开关100包含RF电极102、下拉电极104和锚电极106。当将足够高的电压施加到下拉电极104时，MEMS开关被向下致动并且在RF电极102和锚电极106之间形成欧姆连接。
图1B是包含多个MEMS开关100的欧姆开关单元110的示意性俯视图。通过在下拉电极104上施加足够高的电压，来同时接通单元110中的所有MEMS开关100。由于许多开关是并联操作的，所以RF电极102和锚电极106之间的电阻减小。
图1C示出欧姆开关阵列的示意性俯视图。它包含许多并联操作的开关单元110。每个单元的RF电极102在每个开关单元110的一端处连接在一起，同时锚电极106在每个开关单元110的另一端处连接在一起。当所有单元导通时，这导致RF电极102与锚电极106之间的电阻的进一步减小。同时，由于许多开关是并联操作的，因此总开关阵列可以处理更多电流。
图2示出了欧姆MEMS开关200的横截面图。本公开描述了一种改善MEMS腿悬架和锚的电流处理能力的方法。MEMS开关200包含位于衬底202上的RF电极102、下拉电极104和锚电极106。下拉电极104被介电层204覆盖，以避免在下拉状态下MEMS开关与下拉电极104之间的短路。用于电绝缘或介电层204的合适材料包括硅基材料，包括氧化硅、二氧化硅、氮化硅和氮氧化硅。层204的厚度通常在50nm至150nm的范围内以限制介电层中的电场。RF电极102上面是RF接触部206，开关体在下拉状态下形成到RF接触部206的欧姆接触。锚电极106上面是锚接触部208，MEMS器件被锚固到锚接触部208。用于接触层206、208的典型材料包括Ti、TiN、TiAI、TiAIN、AIN、AI、W、Pt、Ir、Rh、Ru、RuO2、ITO和Mo及其组合。
开关元件包含由导电层210、212组成的刚性桥，使用通孔阵列214将导电层210、212结合在一起。这允许刚性板部分和柔性腿提供高的接触力，同时将工作电压保持在可接受的水平。MEMS桥由形成在下层210中的腿216和形成在MEMS桥的上层212中的腿218悬置。MEMS桥的上层通过通孔220锚固到MEMS的下层。MEMS桥的下层通过通孔222锚固到锚接触部208。当MEMS开关被向下致动时从RF接触部206注入到MEMS桥中的电流通过MEMS桥在两个方向上流出，去往位于开关体的任一侧的锚电极106。通过在MEMS桥的两个层210、212，而不是仅在单个层中使用腿216、218，改善了开关的电流处理。由于这些腿不像在MEMS桥中那样与通孔214结合在一起，因此这些腿的柔性仍然足够低，以允许合理的工作电压来拉动MEMS桥210、212与RF接触部206接触。
在MEMS桥之上有介电层224，该介电层224被金属上拉电极226覆盖，该金属上拉电极226用于将MEMS拉至顶部以实现断开状态。介电层224避免了在向上致动状态下MEMS桥和上拉电极226之间的短路，并限制了电场以实现高可靠性。将器件移动到顶部有助于减小断开状态下开关到RF电极102的电容。腔的顶部还包含额外的介电层228以实现机械强度。该腔用介电层230密封，介电层230填充用于去除在制造期间存在的牺牲层的刻蚀释放孔232。介电层230进入刻蚀释放孔232并且为锚中的MEMS桥的上层212提供进一步的机械支撑，同时还密封腔以使得腔中存在低压环境。用于顶部介电层228、230的合适材料包括硅基材料，包括氧化硅、二氧化硅、氮化硅和氮氧化硅。
用于上拉电极226的同一导电层也在234处用在腔的侧面，其中，该导电层在236处连接到MEMS桥的顶层212，在位置238处连接到MEMS桥的底层210，并且连接到锚接触部208。因此该侧壁电连接提供了从MEMS桥210、212到与MEMS桥通孔220、222并联的锚接触部208的电流路径，并且提高了MEMS锚的电流处理能力。
在本公开中，从架构角度，公开了用于将单元ESD保护元件与MEMS可调电容器或开关相结合的一系列拓扑结构。取决于部件和引脚，将一个或更多个ESD保护元件插入并适当连接，以便避免MEMS开关元件内的破坏性电压和电流。图3A-3G举例说明了几种可能。
以在损耗、绝缘性和线性方面提供最佳性能的固态技术(例如绝缘体上硅(SOI))实现ESD保护元件。实现的ESD电路是无源的(即不需要电源)，因为ESD电路应该利用由ESD事件提供的能量“导通”。在正常的应用条件下，就非常小的电容和漏电流而言，ESD电路为本征MEMS电路提供最小的负载量。
如图4所示，多个ESD元件可以被包含在单个管芯上。在对于特定的待保护MEMS器件需要多少ESD元件方面，单个管芯上的多个ESD元件允许一定的灵活性。从集成的角度，部件包括用于MEMS本征部分和SOIESD保护电路的单独衬底。这些被结合在同一个微型封装中。采用这种方法，同一个ESD电路可以在许多不同的部件中被重新利用，降低了成本和复杂性。
在不同的新颖实施方式中，ESD电路架构使得可以使用相同的ESD芯片来保护很多种产品。这种增加的灵活性是通过在ESD电路芯片中设置内部“浮动”节点来提供的。最终MEMS器件中的任何一对节点都可以通过连接到如图5所示的ESD芯片的任何一对IO来被保护。
图6A和图6B示出了架构的两个示例，在该架构中，使用利用内部浮动公共节点实现的同一ESD电路来对可变电容器(调谐器)和四极开关进行ESD保护。
另外，公开了实现时间控制以防止在IEC ESD事件期间ESD IC过快导通和烧毁。例如，下面示出了提供ESD保护电路导通之前所需的时间延迟的电容级联，避免了IEC ESD事件中常见的大又非常快的电流尖峰损坏电路，如图7所示。
通过一起使用ESD保护和MEMS本征技术，对于插入损耗、绝缘性和线性的整体性能水平大大提高。
尽管上述内容针对本公开的实施例，但是可以在不偏离本公开的基本范围的情况下设计本公开的其他和进一步的实施例，并且本发明的范围由下文的权利要求确定。

Claims (13)

1.一种装置，包括：
与公共RF电极并联连接的多个MEMS器件，其中，所述MEMS器件电性地设置在所述RF电极与地之间；以及
在所述RF电极与地之间并联地耦接到所述多个MEMS器件的第一ESD器件。
2.一种装置，包括：
与公共第一RF电极并联连接的多个MEMS器件，其中，所述MEMS器件电性地设置在所述第一RF电极与第二RF电极之间；以及
耦接在所述第二RF电极与地之间的第一ESD器件。
3.如权利要求2所述的装置，还包括在所述第一RF电极与所述第二RF电极之间并联地耦接到所述多个MEMS器件的第二ESD器件。
4.如权利要求3所述的装置，还包括连接在地与所述第一RF电极之间的第三ESD器件。
5.如权利要求2所述的装置，还包括连接在地与所述第一RF电极之间的第二ESD器件。
6.一种装置，包括：
与第一RF电极并联连接的多个MEMS器件，其中，每个MEMS器件具有相应的第二电极；以及
耦接在所述第一RF电极与地之间的ESD器件。
7.根据权利要求6所述的装置，其中，每个MEMS器件包括并联耦接在所述第一RF电极与所述相应的第二RF电极之间的第二ESD器件。
8.根据权利要求7所述的装置，其中，每个MEMS器件包括耦接在所述第二RF电极与地之间的第三ESD器件。
9.根据权利要求6所述的装置，其中，每个MEMS器件包括耦接在所述第二RF电极与地之间的第二ESD器件。
10.一种装置，包括：
SOI半导体管芯；
耦接到所述管芯的多对连接焊盘；以及
耦接在每对连接焊盘中的连接焊盘之间的ESD器件。
11.一种装置，包括：
SOI半导体管芯；
耦接到所述管芯的多个连接焊盘；
耦接到所述管芯的浮动公共节点；
耦接在每个连接焊盘和所述浮动公共节点之间的ESD器件。
12.一种装置，包括：
并联连接在第一RF电极和第二RF电极之间的多个MEMS器件；
耦接在所述第一RF电极与地之间的第一ESD器件；以及
耦接在所述第二RF电极与地之间的第二ESD器件。
13.一种装置，包括：
第一RF电极；
多个第二RF电极，其中，在每个第二RF电极和所述第一RF电极之间存在开关；
耦接在每个第二RF电极与每个开关之间的第一ESD器件；
耦接在每个开关与所述第一RF电极之间的第二ESD器件；以及
耦接在地与每个第一ESD器件和所述第二ESD器件之间的第三ESD器件。
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