CN110389480B - 电致变色开关 - Google Patents

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Abstract

公开并要求保护一种电致变色(EC)开关。该EC开关包括在接地平面上由介电区域分隔开的EC区域和电解质区域。被配置为发送RF信号的微带与EC区域相邻且电接触。导电焊盘与电解质区域相邻并且偏置线将微带耦合到电解质区域。施加在接地平面与导电焊盘之间以及导电焊盘与偏置线之间的电压对微带进行开关。该EC开关可以被包含于各种各样的RF设备内，RF设备例如为衰减器、移相器以及天线。

Description

电致变色开关
技术领域
各种示例实施例总体上涉及射频(RF)电路并且更具体地涉及RF开关。
背景技术
射频(RF)开关在用于在各种频带中对信号进行切换的许多应用中被使用。RF开关的目的之一例如是接通或关断特定信号路径。使用RF开关的应用包括例如通信系统、波导开关以及测试系统。
电致变色材料是允许通过施加电压来控制其光学和/或电气性质的材料。
发明内容
示例实施例包含开关，该开关包括：电致变色区域，该电致变色区域导电地被耦合到用于传输信号的部件；用于提供离子的电压控制的部件，该电压控制的部件导电地被耦合到用于传输信号的部件；以及用于将电致变色区域与用于提供离子的部件分离的部件。
另外实施例包含开关，该开关包括：接地平面层；电致变色区域，该电致变色区域与接地平面层相邻；用于将离子提供到电致变色区域的部件，该部件与接地平面层相邻；用于施加电压的部件，该施加电压的部件与用于提供离子的部件相邻；用于将电致变色区域与用于提供离子的部件分离的部件；用于传输信号的部件，用于传输信号的部件与电致变色区域相邻；用于将用于传输信号的部件耦合到用于提供离子的部件的部件；其中，开关由在接地平面层与用于施加电压的部件之间的第一电压、以及在用于施加电压的模块与用于将用于传输信号的部件耦合到用于提供离子的部件的部件之间的第二电压控制。
在以上实施例中的任一个中，电致变色区域包括第一变色层和第二变色层。
在另外实施例中，电致变色区域包括第一变色层与第二变色层之间的导电层。
在以上实施例中的任一实施例中，第一变色层和第二变色层是过渡金属氧化物，例如，第一变色层可以是氧化钨(WO3)，以及第二变色层可以是氧化镍(NiO)。
在以上实施例中的任一实施例中，用于提供离子的部件可以是铌酸锂(LiNbO3)。
在以上实施例中的任一实施例中，开关包括在用于耦合的部件与电致变色区域的至少一部分之间的电压不活动基板，并且电压不活动基板和用于分离的部件可以是例如二氧化硅(SiO2)。
在另外实施例中，第一电压和第二电压小于大约10V。
另一实施例包含射频(RF)设备，该RF设备包括以上开关实施例中的任何中的至少一个。
在另外实施例中，RF包含例如移相器、天线阵列或者衰减器。
附图说明
现在将参考附图来描述一些示例实施例，在附图中：
图1示出了电致变色(EC)开关的立体图。
图2示出了图1的EC开关的一部分的放大视图。
图3示出了并入图1的EC开关的可变衰减器的示例。
图4示出了并入图1的EC开关的天线阵列架构的示例。
图5示出了并入图1的EC开关的反射型移相器(RTPS)的示例。
图6示出了并入图1的EC开关的RTPS的另一示例。
具体实施方式
电致变色材料在电压存在的情况下呈现光学和/或电气性质的可逆变化。电致变色单元的示例包括一个或多个电致变色(EC)层和被夹在导电层之间的含离子电解质层。在非致动状态中，一个或多个EC层是非导电的并且充当绝缘体。电解质层在致动和非致动两种状态中都是非导电的。在导电层之间施加DC偏置电压时，来自电解质层的离子被驱逐并且随后通过嵌入的过程被注入到一个或多个EC层中，这改变EC层的基本特性。针对EC和电解质材料的特定组合，EC层在DC偏置电压被施加时变得导电。
图1图示了用于在RF应用中使用的电致变色(EC)开关100的实施例。接地平面层102用作EC开关100的基板。接地平面层102由导电材料形成(例如，金、氧化铟锡(ITO)、氧化锌(ZnO)或导电聚合物)。两个主要区域被形成在接地平面层102上。第一个是EC区域104，其包括如结合图2而被更详细地解释的至少两个层。第二个是电解质区域106。电解质区域106用作将被注入到EC区域104中的可用离子的储槽。在实施例中，电解质区域106由铌酸锂(LiNbO3)形成，但是任何满足显示不同的离子和电子传导率的要求(针对离子，大约为σI>10-7S/cm，并且针对电子，大约为σE<10-10S/cm(西门子每厘米))的电解质可以被使用。EC区域104和电解质区域106由介电间隔器108分隔开。在实施例中，介电间隔器108是二氧化硅(SiO2)但是任何DC偏置电压不活动材料可以被使用。
微带线110将RF信号从开关100的一侧发送到另一侧并且被安装在EC区域104上。尽管图1出于说明的目的将微带线110示出为具有RF输入和RF输出，但是任一端可以根据需要用于输入或输出。DC偏置线112将微带线110连接到电解质区域106。在实施例中，DC偏置线112可以被安装在与介电间隔器108相似或相同的DC偏置电压不活动基板114上，以便避免在锂离子到达微带线110之前锂离子从DC偏置线112扩散到EC区域104中。导电焊盘116被形成在电解质区域106上。在实施例中，微带线110、DC偏置线112以及导电焊盘116由导电材料(例如，金、银、铜、或者氧化铟锡(ITO))形成。
在图2中示出了图1的一部分的放大视图。类似的附图标记在两个附图中指代类似的部分。在实施例中，EC区域104被示出为包括三层，第一变色层202、可选的导电层204以及第二变色层206。在示例实施例中，变色层202和206是过渡金属氧化物，例如分别是氧化钨(WO3)和氧化镍(NiO)。在其他代表性实施例中，变色层202可以由例如氧化钛(TiO2)、三氧化钼(MoO3)、五氧化二钽(Ta2O5)或者五氧化二铌(Nb2O5)形成，而变色层206可以由例如三氧化二铬(Cr2O3)、二氧化锰(MnO2)、二氧化铁(FeO2)、二氧化钴(CoO2)、二氧化铑(RhO2)或者二氧化铱(IrO2)形成。导电层204是可选的并且被用于调节开关100的操作特性，如将在下面更详细地解释的。导电层204可以由例如氧化铟锡形成，但是几乎任何导电材料可以被使用。
在操作中，RF信号在开关100的一侧上进入微带线110并且在另一侧上离开，如图1所示。在不存在任何DC偏置电压的情况下，微带线110表现为简单的传输线。
如图1所示的两个DC偏置电压可以在EC开关100的操作中被使用。第一偏置电压Vdc1被施加在导电焊盘116与接地平面102之间以便将电解质区域106中的锂离子设置为处于运动。出于描述本发明的目的，电解质区域106将被描述为具有锂离子的铌酸锂(LiNbO3)，但是本领域普通技术人员将理解，该描述可适用于满足以上描述的条件的任何电解质。Vdc1的值取决于电解质层106的厚度但是一般小于10V。
一旦处于运动中，在导电焊盘116与DC偏置线112之间施加第二偏置电压Vdc2时，这些离子移动通过DC偏置线112到RF微带线110中，在RF微带线110，它们被注入到变色层202和206(图2)中。在实施例中，Vdc2一般小于10V。Vdc2的施加使得锂离子嵌入到变色层202和206中使得变色层202和206变得导电，其通过导体204(如果存在的话)将微带线110与接地平面层102短路。使微带线110短路防止RF信号沿着微带线110的传输。反转DC偏置电压的极性导致脱嵌。换言之，锂原子从变色层202和206中移动出来，通过DC偏置线112并且返回到电解质区域106，使得微带线110再次表现为传输线。如图1和图2所示，偏置线112是单条线。在备选实施例中，偏置线112可以采取其他形式，例如，装载有例如电容器或RF扼流圈的线。
如以上所描述的EC开关具有若干技术优点，包括针对不同应用定制开关特性。例如，开关速度可以通过调节变色层的厚度或者通过增大暴露于电解质区域的导电焊盘的大小而被增大。
在实施例中，EC区域104的变色层202和206的厚度大约为50-500nm，然而，这些层的厚度可以被改变以适应具体开关应用和设备大小要求。与变色层的情况一样，可选的导电层204的厚度也可以被改变以适应具体开关应用和设备大小要求。在实施例中，导电层204小于5微米厚。在一些实施例中，诸如当期望减小EC区域104的总体厚度时，导电层204可以被消除。备选地，EC区域104的总体厚度通过增大导电层204的厚度而被改变，使得例如其与任何外部电路的其余部分兼容。在备选实施例中，例如，在设备开关速度不太重要的情况下，EC区域104的总体厚度可以代替地通过增大变色层202和206的厚度而被增大。
变色层202和206的厚度取决于期望的操作特性。变色层202和206在DC偏置电压被施加时的离子嵌入后改变它们的特性，并且因此，这些层越厚，发起它们从介电层到导体的迁移需要越大数量的离子。这反过来可能要求以电解质区域106的形式的更大的离子源增大设备的大小并且可能影响其速度。
EC开关的额外性能特性可以通过调节变色层202的厚度而被调谐。在实施例中，变色层202由氧化钨(WO3)形成，其当在施加DC偏置电压时的嵌入时是相对差的导体，具有大约3x10-3(Ω.cm)的典型电阻率值。在一些实施例中，使用薄WO3层，例如，小于100nm，对于与导电层204一起的变色层202可以是有利的，因为传导相对于接地平面102是垂直的。在这种情况下，变色层202的较低传导率对整个分层结构的性能没有不利影响。
变色层206可以与变色层202具有相似的高度。变色层206用于执行DC偏置极性灵敏度的目的，其允许开关100被接通和关断。当开关100接通时，微带线110被短路并且没有信号被传输。在不存在变色层206的情况下，开关100将能够被接通，然而，其可能不能被关断，因为，不管DC偏置电源的极性如何，来自电解质区域106的离子都将不受阻碍地流入变色层202中。在正DC偏置电源的情况下，离子将从顶部电极(微带线110)流入到变色层202中，并且在负DC偏置电源的情况下，离子将从底部电极(接地平面102)流入到变色层202中
在实施例中，电解质区域106的厚度可以等于变色层202和206以及可选的导电层204的总和，同时提供足够大表面积以包含引发变色层202和206的介电-导体转变所需要的足够离子。
EC开关100的开关特性(包括例如动态范围)的进一步调节也可以被调节。开关的动态范围被理解为其接通状态与关断状态之间的比率。为了确定动态范围，在开关处于关断状态时测量插入损耗。理想情况下，这是尽可能低的；然而，其受开关的整个基板的介电参数影响。接下来，一旦开关被接通就测量插入损耗。理想情况下，该插入损耗应当是尽可能高的。两个插入损耗之间的差异是动态范围。ED开关100的动态范围可以通过调节变色层和被夹着的导体(如果存在的话)的厚度而被调节。另外，功率处理可以由EC区域104的总体厚度来确定。在实施例中，当EC区域104较厚时，由于基板中降低的能量密度，其可以处理更高功率的信号。与动态范围一样，功率处理也可以通过改变EC层和被夹着的导体(如果存在的话)的厚度而被调节。
以上指示的参数决不是穷尽的，因为诸如操作频率的其他参数可以被类似地调节。例如，对于以较低频率操作的设备，由于不希望有杂散电容，EC开关的实施例可以具有较厚的EC区域104。在备选实施例中，以较高频率操作的设备将使用较薄的EC区域104以用于EC开关。以包括p波频率和mm波频率的RF频率操作的所有设备的厚度根据它们对应的波长而被测量，因此确保它们具有相同的“电气”厚度。然而，RF设备还可以以诸如毫米或英寸的标准测量单位来测量。在低频率处，波长大，指示这样的设备从标准视角来看是较厚的。因此，可以提供不同的实施例而不通过改变导电层204的高度而影响其他参数。
可以被调节的另一参数是EC开关的速度。该参数取决于可用的锂离子的数量，即，电解质区域106的大小以及变色层202和206的高度。通常，变色层202和206的高度越低并且锂离子的储槽越大，EC开关的速度越大。
并入EC开关的设备的实施例被示出在图3中，该图描绘了可变衰减器300，特别是反射型衰减器。3-dB耦合器302是将输入信号拆分成两个等同功率分量但是具有90°相位差的设备。3dB耦合器还可以被称为例如混合耦合器或者正交耦合器。耦合器302具有四个端口304、306、308和310。为了在衰减器中使用，耦合器302接收IN端口304处的输入信号并将输出信号提供到OUT端口310。
偏置电路312被耦合到端口306和308。偏置电路312包括分别被耦合到端口306和308的连续DC偏置控制的EC开关314和316。EC开关314和316分别通过终端电阻器318和320被耦合到地。在实施例中，电阻器318和320大约是50欧姆，但是匹配总体系统阻抗的任何值可以被使用。端口306被耦合到开关314的微带线110(图1)的一端，同时电阻器318耦合到其相对端。同样地，端口308被耦合到开关316的微带线110的一端，同时电阻器320耦合到其相对端。
图3的衰减器300的操作如下：
1.当在开关314和316上不存在DC偏置电压时，它们处于关断状态并且因此衰减器300处于关断状态，因为开关304是活动部件并且在开关上没有DC偏置意味着它们呈现开路。取决于各种部件中的损耗，通过耦合器302从IN端口304影响活动部件的RF功率中的全部或大多数被反射朝向OUT端口310。
2.当在开关314和316上存在足够的DC偏置电压时，它们处于接通状态并且因此衰减器300处于接通状态。如以上所解释的，将DC偏置电压施加到在开关314和316导致每个开关中的微带线110(图1)将被短路到接地。影响开关314和316的所有RF功率现在被耗散在终端电阻器318和320上使得没有RF功率到达OUT端口310。
3.当不存在足够的DC偏置电压来完全激活开关314和316时，衰减器300处于中间状态。进入IN端口304中的RF功率的一部分现在由终端电阻器318和320以及开关314和316的寄生电阻消耗，同时其余部分被反射朝向OUT端口310。在实施例中，开关314和316可以被单独地或者作为对来控制。在其他实施例中，单个电解质区域可以由两个开关共享，但是在该实施例中，两个开关将同时被接通/关断。
在图4中示出了并入一个或多个EC开关的设备的另一示例实施例。代表性天线阵列架构400包括四个天线402、404、406和408。天线的数目和类型可以取决于系统的应用而变化。天线402、404、406和408的馈电网络包括功率分配器/划分器410，其接收输入RF信号。该输入信号被拆分并发送到功率分配器/划分器412和414。输入信号在功率分配器/划分器416、418、420和422之间被进一步拆分。从该功率分配器集合，信号行进到被连接到天线402、404、406和408的天线馈电线的EC开关424、426、428和430。该架构使用EC开关424、426、428和430以通过如以上所解释地施加DC偏置来接通或关断每个天线。尽管图4的天线阵列架构被示出具有功率分配器/划分器的馈电网络，但是可以使用任何类型的方向性耦合器或用以在多个输出之间划分RF信号的其他设备。
在图5中示出了使用并入一个或多个EC开关的设备的另一示例实施例，其描绘了包括反射型移相器(RTPS)500。图5描绘了具有开关和电容器的可变RTPS，其中特定相位状态可以通过对合适的开关的致动或者两个支路中的开关的组合来选择。反射型移相器是对称设备，意味着开关需要在图5的右手边的两个支路中成对地被接通或关断。电容器的对被示出为包括电容器502和504的Cr1、包括电容器510和512的Cr2一直到包括电容器518和520的Crn。电容器对的数目取决于设备的具体应用。
反射型移相器500通过选择由耦合器526提供期望水平的相移所需要的合适电容器集合来操作。这通过致动合适的开关来完成。例如，如果期望的相移是ΔΦ1并且该相移可以通过使用被指示为502和504的Cr1的电容器组来达成，然后该支路中的开关506和508被激活(接通)，而其他开关保持处于非致动状态(关断)。如果在另一实例中，需要ΔΦ2的相移并且这不可以使用单个电容器集合来达成，则可能可以使用电容器集合(诸如分别被耦合到开关514和518的、被指示为502和504的Cr1以及被指示为510和512的Cr2)的组合来达成这样的期望水平的相移。在这样的情况下，与这些电容器集合相对应的开关506、508、514和518被致动(接通)同时其他的开关保持非致动(关断)。
在其他应用中，代替如图5中所示的单个电容器Cr1…Cm，可能期望具有如图6中的600处所示的电容器(Cr1…Cm)和电感器(Lr1…Lm)的并联连接或串联连接。与图5类似，开关606、608、614、616、622和624分别将电容器602、604、610、612、618和620连接到3-dB耦合器626。在图6中描绘了具有电容器和电感器的串联连接628、620、632、634、636和638的情形。并联连接将使每个电容器和电感器并联地被耦合到对应的开关。该配置将使操作频率的范围变窄，但是其将增加可达成的相移量。
在图5和图6两者中，尽管示出了3dB耦合器，但是这些图中的设备可以以包括例如混合或正交耦合器的许多不同的形式而被实现。
如果被使用并且除非另有陈述，否则术语“上”、“下”、“前”、“后”、“上方”、“下方”以及类似的这种术语不应被理解为将实施例限制于特定定向。相反，这些术语仅仅在相对的基础上被使用。

Claims (15)

1.一种开关(100)，包括：
接地平面层(102)；
电致变色区域(104)，所述电致变色区域与所述接地平面层(102)相邻；
电解质区域(106)，所述电解质区域与所述接地平面层相邻；
电压不活动区域(108)，所述电压不活动区域与所述接地平面层相邻并且在所述电致变色区域与所述电解质区域之间；
微带线(110)，所述微带线与所述电致变色区域相邻；以及
电压控制的偏置线(112)，所述电压控制的偏置线将所述微带线耦合到所述电解质区域，其中将电压施加到所述偏置线使得所述微带线被短路到所述接地平面层。
2.根据权利要求1所述的开关，其中所述电致变色区域还包括第一变色层(202)和第二变色层(206)。
3.根据权利要求2所述的开关，其中所述电致变色区域还包括所述第一变色层与所述第二变色层之间的导电层(204)。
4.根据权利要求2所述的开关，其中所述第一变色层和所述第二变色层是过渡金属氧化物。
5.根据权利要求4所述的开关，其中所述第一变色层是氧化钨(WO3)。
6.根据权利要求4所述的开关，其中所述第二变色层是氧化镍(NiO)。
7.根据权利要求1所述的开关，其中所述电解质区域是铌酸锂(LiNbO3)。
8.根据权利要求1所述的开关，还包括在所述电压控制的偏置线与所述电致变色区域的至少一部分之间的电压不活动基板。
9.根据权利要求8所述的开关，其中所述电压不活动区域和所述电压不活动基板是二氧化硅(SiO2)。
10.根据权利要求1所述的开关，还包括与所述电解质区域相邻的导电焊盘(116)，其中所述开关由被施加在所述接地平面层与所述导电焊盘之间的第一电压以及被施加在所述导电焊盘与所述电压控制的偏置线之间的第二电压来控制。
11.根据权利要求10所述的开关，其中所述第一电压和所述第二电压小于10V。
12.一种射频(RF)设备，包括用于对RF信号进行切换的至少一个开关，所述至少一个开关还包括：
接地平面层；
电致变色区域，所述电致变色区域与所述接地平面层相邻；
电解质区域，所述电解质区域与所述接地平面层相邻；
电压不活动区域，所述电压不活动区域与所述接地平面层相邻并且在所述电致变色区域与所述电解质区域之间；
微带线，所述微带线与所述电致变色区域相邻；以及
电压控制的偏置线，所述电压控制的偏置线将所述微带线耦合到所述电解质区域，其中将电压施加到所述偏置线使得所述微带线被短路到所述接地平面层。
13.根据权利要求12所述的射频(RF)设备，其中所述射频(RF)设备包括移相器。
14.根据权利要求12所述的射频(RF)设备，其中所述射频(RF)设备包括天线阵列。
15.根据权利要求12所述的射频(RF)设备，其中所述射频(RF)设备包括衰减器。
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