CN109983556A - 具有近零冲击着陆的mems rf开关 - Google Patents

具有近零冲击着陆的mems rf开关 Download PDF

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Abstract

本公开总体涉及MEMS欧姆开关的设计，该设计提供MEMS器件可移动板在RF触头上的低冲击着陆和用于断开触头的高恢复力，以提高开关的寿命。该开关具有设置在开关器件偏心处的至少一个接触电极，并且还具有设置在开关器件中心附近的二次着陆立柱。与接触电极的RF触头相比，二次着陆立柱在衬底上方延伸到更大的高度，使得可移动板首先接触二次着陆立柱，并然后轻轻地着陆在RF触头上。在释放时，可移动板将在从二次着陆立柱脱离之前从RF触头脱离，并且由于高恢复力而具有更长的寿命。

Description

具有近零冲击着陆的MEMS RF开关
背景技术
技术领域
本公开的实施例总体涉及一种用于在宽电压操作范围内获得MEMS开关的接触电阻的良好可控性的技术。
相关技术的描述
MEMS欧姆开关包括可移动板，该可移动板通过对致动电极施加电压而移动。静电力使板朝向致动电极移动。一旦电极电压达到特定电压——通常称为吸合电压(snap-involtage)，系统就变得不稳定并且板朝向致动电极加速。该吸合电压部分地由MEMS器件的板的刚性确定。使MEMS欧姆开关在适度低的操作电压下操作——这将期望允许控制器的廉价CMOS集成——对于可移动板使用刚性腿是不可能的。
当板被向下致动时，板着陆在接触电极上，板与该接触电极进行欧姆接触。为了获得良好的欧姆接触电阻，通过对下拉电极施加足够高的电压，将板拉入以与接触电极的紧密接触。电压能够使板在位于下拉电极上方的介电层上具有额外的二次着陆。使板着陆在介电层上是器件操作的可靠性问题。二次着能够导致介电层的充电和致动电压的偏移。因此，可以存在附加的止挡块以防止板直接着陆在下拉电极上方的介电层上。
在典型的MEMS欧姆开关操作中，可移动板首先与接触电极(例如RF电极)进行接触，并且后续与附加的止挡块进行二次接触。由于吸合行为的不稳定性质，可移动板能够在致动时产生足够高的动量并且能够以高冲击能量撞击接触电极。高冲击能量能够导致接触磨损和接触电阻增长，这限制了器件的寿命。
一旦控制电极上的电压被足够减小，则板被释放并且理想地移动回到原始位置。释放电压通常低于吸合电压，这是由于当板靠近致动电极时的较高的静电力且由于板和接触表面之间的静摩擦。在典型的MEMS欧姆开关中，止挡块在释放时首先脱离，并且接触电极最后脱离。拉动接触电极的板的恢复力由MEMS欧姆开关的板的弹簧常数设定。如果恢复力不足够大，则板能够保持粘在接触电极上。
因此，本领域需要一种MEMS欧姆开关，其不会遭受在接触电极上的高冲击着陆，并且提供来自接触电极的高恢复力以便实现高寿命，同时仍然允许操作电压要适度低，以允许CMOS控制器的廉价集成。
发明内容
本公开总体涉及MEMS欧姆开关的设计，该设计提供MEMS器件可移动板在RF触头上的低冲击着陆和用于断开触头的高恢复力，以提高开关的寿命。该开关具有设置在开关器件偏心处的至少一个接触电极，并且还具有设置在开关器件中心附近的二次着陆立柱。与接触电极的RF触头相比，二次着陆立柱在衬底上方延伸到更大的高度，使得可移动板首先接触二次着陆立柱，并然后轻轻地着陆在RF触头上。在释放时，可移动板将在从二次着陆立柱脱离之前从RF接触脱离，并且由于高恢复力而具有更长的寿命。
在一个实施例中，MEMS欧姆开关300包括衬底101、MEMS桥、介电层202、中心止挡块314、RF触头306和附加的止挡块310；衬底101上设置有一个或更多个锚电极108、多个下拉电极104A-104C以及一个或更多个RF电极302、304；MEMS桥利用锚接触层208耦接到一个或更多个锚电极108；介电层202设置在一个或更多个下拉电极104A-104C上；中心止挡块314耦接到介电层202并且设置在MEMS桥的大致中心的下方；RF触头306耦接到一个或更多个RF电极302、304中的RF电极302；附加的止挡块310设置在介电层202上，其中附加的止挡块310设置在锚接触层208和RF触头306之间，并且其中RF触头306设置在附加的止挡块310和中心止挡块314之间。
一种操作MEMS欧姆开关300的方法包括：对多个下拉电极104A-104C中的一个或更多个施加电压；使MEMS桥移动第一距离以接触中心止挡块314；使MEMS桥移动第二距离以接触附加的止挡块310；以及使MEMS桥移动第三距离以接触RF触头306。
附图说明
以能够详细地理解本公开的上述特征的方式，参照实施例可以获得上面简要总结的本公开的更具体的描述，在附图中示出了实施例中的一些。然而，应当注意，附图仅示出了示例性实施例，并且因此不应被认为限制了本公开的范围，可以允许其他同等有效的实施例。
图1A是MEMS欧姆开关的示意性俯视图。
图1B是包括多个并联操作的MEMS欧姆开关的MEMS欧姆开关单元的示意性俯视图。
图1C是包括多个并联操作的MEMS欧姆开关单元的MEMS欧姆开关单元阵列的示意性俯视图。
图2A是MEMS欧姆开关的示意性横截面图。
图2B是图2A的MEMS欧姆开关的示意性横截面图，该MEMS欧姆开关正在被向下致动并撞击接触电极。
图2C是图2B的MEMS欧姆开关的示意性横截面图，该MEMS欧姆开关在最终状态中被向下致动到接触电极和附加的止挡块上。
图3A是根据一个实施例的MEMS欧姆开关的示意性横截面图。
图3B是图3A的MEMS欧姆开关的示意性横截面图，该MEMS欧姆开关在中心止挡块上被向下致动。
图3C是图3B的MEMS欧姆开关的示意性横截面图，该MEMS欧姆开关在中心止挡块和后止挡块上向下致动。
图3D是图3C的MEMS欧姆开关的示意性横截面图，该MEMS欧姆开关在最终状态中被向下致动到接触电极、中心止挡块和后止挡块上。
图4A是根据包括多个并联操作的改进型MEMS开关一个实施例的MEMS欧姆开关单元的示意性俯视图。
图4B是包括多个并联操作的MEMS欧姆开关单元的MEMS欧姆开关单元阵列的示意性俯视图。
为了便于理解，在可能的地方使用相同的附图标记来表示附图共有的相同的元件。可以预期的是，一个实施例的元件和特征可以有利地并入其他实施例中而无需进一步叙述。
具体实施方式
本公开总体涉及MEMS欧姆开关的设计，该设计提供MEMS器件可移动板在RF触头上的低冲击着陆和用于断开触头的高恢复力以提高开关的寿命。该开关具有设置在开关器件偏心处的至少一个接触电极，并且还具有设置在开关器件的中心附近的二次着陆立柱。与接触电极的RF触头相比，二次着陆立柱在衬底上方延伸到更大的高度，使得可移动板首先接触二次着陆立柱，并然后轻轻地着陆在RF触头上。在释放时，可移动板将在从二次着陆立柱脱离之前从RF触头脱离，并且由于高恢复力而具有更长的寿命。
图1A是MEMS欧姆开关100的示意性俯视图。欧姆开关100包括RF电极102、下拉电极104和锚电极108。在操作中，当足够高的电压被施加到下拉电极104时，MEMS欧姆开关100朝向RF电极102向下致动并且在RF电极102和锚电极108之间形成欧姆连接。
图1B是包括多个MEMS欧姆开关100的MEMS欧姆开关单元150的示意性俯视图。通过对下拉电极104施加足够高的电压，单元150中的所有MEMS开关100被同时开启。因为很多开关100并联操作，所以RF电极102和锚电极108之间的电阻减小。
图1C示出了MEMS欧姆开关单元阵列180的示意性俯视图。阵列180包括了多个并联操作的MEMS欧姆开关单元150。每个单元150的RF电极102在每个开关单元150的一端处连接在一起，而锚电极108在每个开关单元150的另一端处连接在一起。当所有单元150开启时，当与单个单元150相比时，发生在RF电极102和锚电极108之间的电阻的进一步减小。同时，因为许多开关100并联操作，所以与单个单元150相比，阵列180能够处理更多电流。
图2A示出了MEMS欧姆开关200的横截面图。MEMS欧姆开关200包括RF电极102、下拉电极104和位于衬底201上的锚电极108。下拉电极104覆盖有介电层202，以避免在下拉状态中MEMS欧姆开关可移动板和下拉电极104之间短路。用于介电层202的合适的材料包括硅基材料，硅基材料包括一氧化硅、二氧化硅、氮化硅和氮氧化硅。介电层202的厚度通常在50nm至150nm的范围内，以限制介电层202中的电场。在RF电极102顶上的是RF触头206，可移动板在下拉状态中与该RF触头206成欧姆接触。在锚电极108顶上的是锚触头208，可移动板(通常称为MEMS器件)被锚定到该锚触头208。用于触头206、208的合适材料包括Ti、TiN、TiAl、TiAlN、AlN、Al、W、Pt、Ir、Rh、Ru、RuO2、ITO和Mo及其组合。
附加的止挡块210位于锚触头208和RF触头206之间。更多的止挡块224位于止挡块210和RF触头206之间。可用于止挡块210、224的合适材料包括Ti、TiN、TiAl、TiAlN、AlN、Al、W、Pt、Ir、Rh、Ru、RuO2、ITO、Mo和硅基材料——例如，一氧化硅、二氧化硅、氮化硅和氮氧化硅及其组合。
可移动板或开关元件包括由导电层212、214组成的刚性桥，导电层212、214使用通孔阵列215结合在一起。导电层212、214和通孔215允许刚性板截面和柔性腿在将操作电压保持在可接受的水平的同时提供高的接触力。MEMS桥由形成在MEMS桥的下导电层212中的腿216和形成在MEMS桥的上导电层214中的腿218悬置。MEMS桥的上导电层214利用通孔220被锚定到锚中的MEMS桥的下导电层212。MEMS桥的下导电层212利用通孔222被锚定到锚触头208。因为这些腿216、218不像在MEMS桥中一样利用通孔215结合在一起，所以这些腿216、218的柔性仍然足够低以允许合理的操作电压(例如，25V到40V)以拉动MEMS桥与RF触头206和止挡块210、224进行接触，这允许CMOS控制器与电荷泵的廉价集成，以产生驱动MEMS器件的电压。
当MEMS欧姆开关被向下致动时，从RF触头206注入到MEMS桥中的电流通过MEMS桥和腿216、218在两个方向上流出到位于开关本体的任一侧上的锚电极108。
图2B示出了在动态吸合期间被向下致动时的MEMS欧姆开关200。由于吸合行为的不稳定性质，MEMS桥在高冲击的情况下与RF触头206接触，这可能产生接触磨损。
图2C示出了处于最终向下致动状态的MEMS欧姆开关200。MEMS桥与RF触头206和附加的止挡块210、224接触。如果止挡块210的高度足够高，则MEMS器件可以不接触止挡块224。那么止挡块224用作故障安全止挡块，以防止MEMS桥着陆在下拉电极104上方的介电层202上，这可能导致介电层202的充电和操作该器件的故障。
当下拉电极104上的电压减小时，止挡块210、224首先从MEMS桥脱离，然后该器件将处于图2B中所示的状态。在器件返回到图2A中所示的独立状态之前，RF触头206最后从MEMS桥脱离。来自RF触头206的拉离力由腿216、218的刚性设定。由于腿216、218设计成用于25V至40V的有限操作电压，因此腿216、218的恢复力受到限制，并且MEMS器件可能保持粘在RF触头206上，以导致器件故障。
图3A示出根据一个实施例的MEMS欧姆开关300的横截面图。该开关在RF触头上以近零冲击力操作，并且具有高的恢复力以在释放可移动板时断开接触，同时仍然在25V至40V的有限操作电压下操作开关300。
开关300包括RF电极302、304、下拉电极104A-104C和位于衬底101上的锚电极108。RF电极302、304各自设置在两个下拉电极104之间。具体地，RF电极302设置在中心下拉电极104A和边缘下拉电极104B之间。类似地，RF电极304设置在中心下拉电极104A和另一个边缘下拉电极104C之间。下拉电极104A-104C覆盖有介电层202，以避免在下拉状态中MEMS开关和下拉电极104A-104C之间短路。用于介电层202的合适材料包括硅基材料，硅基材料包括一氧化硅、二氧化硅、氮化硅和氮氧化硅。介电层202的厚度在50nm至150nm的范围内，以限制介电层202中的电场。在RF电极302顶上的是RF触头306，并且在RF电极304顶上的是RF触头308。在图3D中所示的最终下拉状态中，开关主体形成与两个RF触头306、308的欧姆接触。在锚电极108顶上的是锚触头208，MEMS器件被锚定到该锚触头208。用于触头306、308、208的合适材料包括Ti、TiN、TiAl、TiAlN、AlN、Al、W、Pt、Ir、Rh、Ru、RuO2、ITO和Mo及其组合。
中心止挡块314位于RF触头306、308之间的开关的中心附近以及MEMS桥的大致中心的下方。中心止挡块314在衬底101上方延伸比RF触头306、308更大的距离，使得在致动时，MEMS桥首先与中心止挡块314接触。在一个实施例中，中心止挡块314在衬底101的上方延伸与RF触头306、308相等的距离。附加的止挡块310、312设置在RF触头306、308和锚触头208之间。具体地，止挡块310设置在锚触头208和RF触头306之间。止挡块312设置在锚触头208和RF触头308之间。止挡块310、312在衬底101上方延伸比RF触头306、308更大的距离，使得在致动时，MEMS桥在与RF触头306、308接触之前与止挡块310、312接触。由于当MEMS桥正被向下致动时MEMS桥的弯曲，所以止挡块310、312也在衬底101上方延伸大于中心止挡块314的距离。可以用于止挡块310、312、314的合适材料包括硅基材料，该硅基材料包括一氧化硅、二氧化硅、氮化硅和氮氧化硅及其组合。
开关元件包括由导电层212、214组成的刚性桥，导电层212、214使用通孔阵列215结合在一起。导电层212、214和通孔215允许刚性板截面和柔性腿在将操作电压保持在可接受的水平的同时提供高的接触力。MEMS桥由形成在MEMS桥的下导电层212中的腿216和形成在MEMS桥的上导电层214中的腿218悬置。MEMS桥的上导电层214利用通孔220被锚定到锚中的下导电层212。MEMS桥的下导电层212利用通孔222被锚定到锚触头208。因为腿216、218不像在MEMS桥中一样利用通孔215结合在一起，所以这些腿的柔性仍然足够低以允许合理的操作电压以拉动MEMS桥与RF触头306、308和止挡块310、312、314进行接触。
当MEMS开关被向下致动时，从RF触头306注入到MEMS桥中的电流通过MEMS桥和RF触头308流出。设置RF触头306、308和止挡块310、312、314的厚度，使得在下拉致动时首先接合止挡块314，然后是止挡块310、312，且最后是RF触头306、308。
图3B示出了在动态吸合期间的向下致动的MEMS欧姆开关300。由于吸合行为的不稳定性质，MEMS桥在高冲击力的情况下与RF触头314接触。止挡块314包括介电材料并且因此，介电界面能够在没有损害的情况下承受重复冲击。注意到在图3B中所示的位置中，MEMS桥仍然与止挡块310、312和RF触头306、308间隔开。为了使MEMS欧姆开关300从图3A中所示的位置移动到图3B中所示的位置，将电压施加到拉入电极104A-104C中的一个或更多个，并且使MEMS桥移动第一距离，使得MEMS桥与止挡块314接触，但保持与止挡块310、312和RF触头306、308间隔开。
图3C示出了在着陆在止挡块310、312上之后的过了一时刻后的MEMS欧姆开关300。此时，因为需要更大的静电力来更进一步弯曲刚性MEMS桥，所以刚性MEMS桥不与RF触头306、308接触。随着下拉电极104A-104C上的电压上升到最终操作值，MEMS桥缓慢地在止挡块310、312和314之间弯曲，直到最终撞击RF触头306、308。为了使MEMS欧姆开关300从图3B中所示的位置移动到图3C中所示的位置，将附加的电压(或简单地继续施加电压以使MEMS桥移动到图3B中所示的位置)施加到拉入电极104A-104C中的一个或更多个，并且使MEMS桥移动第二距离，使得MEMS桥与止挡块314、310、312接触，但保持与RF触头306、308间隔开。
图3D示出了在下拉电极104A-104C上的电压已经上升到最终操作值之后在最终状态中的MEMS欧姆器件。如果RF触头306、308在衬底101上方的高度被设定的太低，则MEMS桥将示出当MEMS桥也着陆在RF触头306、308上时从止挡块310、312、314上的初始触地到最终状态的二次吸合行为。因为从图3C中的器件状态到图3D中的器件状态的行进距离非常有限，所以最终着陆对RF触头306、308的冲击相对于对中心止挡块314的初始冲击大大减小。如果RF触头306、308被设定的足够高，则MEMS桥在RF触头上的触地能够是平缓的并且不表现出二次吸合行为。在这种情况下的冲击由下拉电极104A-104C上的电压的斜率来设定。以这种方式，能够限制MEMS桥对RF触头306、308的冲击，这改善了接触表面的磨损。为了使MEMS欧姆开关300从图3C中所示的位置移动到图3D中所示的位置，将附加的电压(或简单地继续施加电压以使MEMS桥移动到图3C中所示的位置)施加到拉入电极104A-104C中的一个或更多个，并且使MEMS桥移动第二距离，使得MEMS桥与止挡块314、310、312和RF触头306、308接触。
当下拉电极104A-104C上的电压在释放MEMS桥时下降时，RF触头306、308首先从MEMS桥脱离，因为自然刚性的、在止挡块310、312和314之间弯曲的MEMS桥具有高的恢复力。高恢复力提供了破坏欧姆接触的鲁棒方式。随着下拉电极104A-104C上的电压继续下降，后续止挡块310、312和314从MEMS桥脱离，使器件返回到图3A的独立状态。
在操作期间，对RF触头306、中心止挡块314和附加的止挡块310、312在衬底101上方的高度进行设定，使得在增加下拉电极104A-104C上的电压时，MEMS桥首先与中心止挡块314接触，然后与附加的止挡块310、312接触，并然后与RF触头306、308接触，并且其中，在降低下拉电极104A-104C的电压时，MEMS桥首先从RF触头306、308脱离，并然后从附加的止挡块310、312脱离。此外，对RF触头306、308在衬底101上方的高度进行设定，使得在增加施加到下拉电极104A-104C的电压时，MEMS桥着陆在RF触头306、308上而不表现出吸合行为。
图4A是包括多个MEMS欧姆开关单元300的MEMS欧姆开关单元400的示意性俯视图。通过对下拉电极104A-104C施加足够高的电压，单元400中的所有MEMS开关300被同时开启。因为许多开关300并联操作，所以RF电极302和锚电极108之间的电阻减小。
图4B示出了MEMS欧姆开关单元阵列450的示意性俯视图。阵列450包括了多个并联操作的开关单元400。每个单元的RF电极302在每个开关单元400的一端处连接在一起，而RF电极304在每个开关单元400的另一端处连接在一起。当所有单元400开启时，发生在RF电极302和锚电极108之间的电阻的进一步减小。同时，因为许多开关300并联操作，所以总开关阵列450能够处理更多电流。
通过确保MEMS桥在着陆在RF触头上之前着陆在二次触头上，减少了对RF触头的冲击损坏。此外，这种布置确保MEMS桥具有更高的恢复力。
虽然前述针对本公开的实施例，但是在不脱离本公开基本范围的情况下可以设想本公开的其他和另外的实施例，并且本公开的范围由下面的权利要求确定。

Claims (15)

1.一种MEMS欧姆开关(300)，包括：
衬底(101)，其上设置有一个或更多个锚电极(108)、多个下拉电极(104A-104C)以及一个或更多个RF电极(302、304)；
MEMS桥，其利用锚接触层(208)耦接到所述一个或更多个锚电极(108)；
介电层(202)，其设置在一个或更多个下拉电极(104A-104C)上；
中心止挡块(314)，其耦接到介电层(202)并且设置在MEMS桥的大致中心的下方；
RF触头(306)，其耦接到所述一个或更多个RF电极(302、304)中的RF电极(302)；和
附加的止挡块(310)，其设置在介电层(202)上，其中所述附加的止挡块(310)设置在锚接触层(208)和RF触头(306)之间，并且其中，所述RF触头(306)设置在附加的止挡块(310)和中心止挡块(314)之间。
2.根据权利要求1所述的MEMS欧姆开关(300)，其中，所述MEMS桥在中心止挡块(314)和附加的止挡块(310)之间是刚性的。
3.根据权利要求1或2所述的MEMS欧姆开关(300)，其中，所述中心止挡块(314)在衬底(101)的上方延伸一距离，所述距离等于或大于RF触头(306)在衬底(101)上方延伸的距离。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的MEMS欧姆开关(300)，其中，所述附加的止挡块(310)在衬底(101)的上方延伸一距离，所述距离大于RF触头(306)在衬底(101)上方延伸的距离。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的MEMS欧姆开关(300)，还包括：
耦接到RF电极(304)的RF触头(308)。
6.根据权利要求5所述的MEMS欧姆开关(300)，其中，所述RF触头(308)设置在中心止挡块(314)和附加的锚接触层(208)之间。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的MEMS欧姆开关(300)，还包括：
设置在介电层(202)上的附加的止挡块(312)。
8.根据权利要求6所述的MEMS欧姆开关(300)，其中，所述附加的止挡块(312)设置在锚接触层(208)和中心止挡块(314)之间。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的MEMS欧姆开关(300)，其中，RF触头(306)、中心止挡块(314)和附加的止挡块(310)在衬底(101)上方的高度被设定成：使得在增加下拉电极(104A-104C)上电压时，MEMS桥首先与中心止挡块(314)接触，然后与附加的止挡块(310)接触，并然后与RF触头(306)接触，并且其中，在降低下拉电极(104A-104C)的电压时，所述MEMS桥首先脱离RF触头(306)。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的MEMS欧姆开关(300)，其中，RF触头(306)在衬底(101)上方的高度被设定成：使得在增加施加到下拉电极(104A-104C)的电压时，所述MEMS桥着陆在RF触头(306)上而不表现出吸合行为。
11.一种操作MEMS欧姆开关(300)的方法，其中，所述开关(300)包括：衬底(101)、MEMS桥、介电层(202)、中心止挡块(314)、RF触头(306)和附加的止挡块(310)；所述衬底(101)上设置有一个或更多个锚电极(108)、多个下拉电极(104A-104C)以及一个或更多个RF电极(302、304)；所述MEMS桥利用锚接触层(208)耦接到所述一个或更多个锚电极(108)；介电层(202)设置在一个或更多个下拉电极(104A-104C)上；中心止挡块(314)耦接到介电层(202)并且设置在MEMS桥的大致中心的下方；所述RF触头(306)耦接到所述一个或更多个RF电极(302、304)中的RF电极(302)；所述附加的止挡块(310)设置在介电层(202)上，其中，所述附加的止挡块(310)设置在锚接触层(208)和RF触头(306)之间，并且其中，所述RF触头(306)设置在附加的止挡块(310)和中心止挡块(314)之间，所述方法包括：
对所述多个下拉电极(104A-104C)中的一个或更多个施加电压；
使MEMS桥移动第一距离以接触中心止挡块(314)；
使MEMS桥移动第二距离以接触附加的止挡块(310)；以及
使MEMS桥移动第三距离以接触RF触头(306)。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，一旦MEMS桥已经移动第一距离，但在MEMS桥已经移动第二距离之前，MEMS桥与RF触头(306)和附加的止挡块(310)间隔开。
13.根据权利要求11和12中任一项所述的方法，其中，一旦MEMS桥已经移动第二距离，但在MEMS桥已经移动第三距离之前，MEMS桥与RF触头(306)间隔开。
14.根据权利要求11-13中任一项所述的方法，其中，一旦MEMS桥已经移动第二距离，则MEMS桥保持与中心止挡块(314)接触。
15.根据权利要求11-14中任一项所述的方法，其中，一旦MEMS桥已经移动第三距离，则MEMS桥保持与中心止挡块(314)和附加的止挡块(310)接触。
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