CN1436357A - 微机械元件的控制方法及配置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微机械元件的控制。特别是本发明涉及微机械开关的控制。按照控制至少一个微机械元件的方法，一个第一控制信号和一个第二控制信号被传递给微机械元件。第二控制信号被设置为将微机械元件置于激活态，第一控制信号被设置为将微机械元件保持在激活态。用于控制至少一个微机械元件(402)的配置，包括至少一个用于产生至少一个第一控制信号和一个第二控制信号的装置，用于提升至少第二控制信号电压电平的装置，以及将第一控制信号和已提升电压电平的第二控制信号传递给微机械元件的装置。通过本发明，较低的电压电平可以用于微机械领域。

Description

微机械元件的控制方法及配置

发明背景

1、发明领域

本发明涉及微机械元件。本发明特别涉及微机械元件的控制，例如微机械电容性的或电流的开关，或微动继电器，微机械光学开关，双稳态可调电容器或电容器组，或其他双稳态或多状态微机械致动器等。

2、微机械元件

微电子设备的趋势是朝向更高集成度方向发展，微机械领域的发展趋势也是如此。因此，专门用于微电子用途的微机械元件需要更高程度的集成，其原因是在电子应用方面需要越来越小的元件。通过采用微机械元件，例如微机械开关或微动继电器，可以得到很多好处。例如，可以减小器件的尺寸并降低制造成本。还有其他优点将在后面以实例说明。

下面就微机械开关作更加详尽的描述。微机械开关属于微机械元件的范畴，而微机械元件将来会得到广泛应用。微机械开关可以用于一些令人颇感兴趣的场合，例如射频电路。采用微机械结构，特别在射频电路中，其优点在于插入损耗低(低于0.5dB)而且隔离好(超过30dB)。微机械开关的另一个优点是微机械开关结构可以集成在单块集成电路中。图1a-c表示一般采用的微机械开关三种不同的基本结构。图1a所示为微机械悬臂开关。图1b所示为连接传输线部分的微机械悬臂开关。图1c表示一个微机械桥式开关。

微机械开关的操作由连接到开关电极的控制信号进行控制。微机械开关通过控制信号来改变其状态。目前一般通过静电或电压控制进行操作的微机械开关的主要缺点是所需控制电压往往在10-30V的范围内。这种电压比用于开关操作的现有工艺水平的(Bi)CMOS器件中所用的电源电压大很多。此外，开关延迟和必需的控制电压电平基本上是互相影响的，即更快的开关时间需要更高的机械谐振频率，从而需要更坚固的机械结构。然而，更坚固的机械结构使必需的控制电压电平更高。3、微机械开关中开关动力学理论

微机械元件，尤其是微机械开关，其开关特性及动作在很多方面类似于传统的机械继动器。由于这一原因，微机械开关的操作可以用简化的活塞模型进行模型化。

平板电容器的电容器极板之间的静电力如下： $F=-\frac{\∂W}{\∂x}=-\frac{\∂}{\∂x}\left(\frac{1}{2}{\mathrm{CU}}^2\right)=-\frac{\∂}{\∂x}\left(\frac{Q^2}{2C}\right)---\left(1\right)$ $\⇔F=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{AU}}^2}{2{(g_0-x)}^2}=\frac{Q^2}{2{\mathrm{\ϵ}}_{0}A}$ 此处，W是储存于电容C中的能量，U是电压差，Q是电荷，x是位移，g₀是电容器极板之间的原有间隙。

图2表示用于微机械开关的简化活塞式模型。该模型包括模型本体(mass)，弹簧，减振器，平板电容器结构，以及可选绝缘移动限制器203。当静电力施加于活塞式结构的固定电极202及移动件201之间时，电极之间产生静电引力。在机械弹簧力和静电力之间产生一个平衡力： $\mathrm{\ΣF}=F_{\mathrm{electric}}+F_{\mathrm{owchanical}}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{AU}}^2}{2{(g_0-x)}^2}-\mathrm{kx}=0,---\left(2\right)$ 其中，g₀是电容器极板之间的原有间隙，x是从静止位置的位移，U是电容器极板之间的电位差，κ是弹簧系数，A是电容器面积，ε₀是介电系数。

图2的模型非常近似于电压控制的微机械电容器、开关或继电器。当机械力不能再支持电力时，系统就不能保持稳定。当合力(∑F)及力的导数之和( $\frac{\∂}{\∂x}\left(\mathrm{\ΣF}\right)$ )都为零时就会出现这种情况。当偏转为

      x＝g₀/3，                   (3)并且当电压等于 $U_{\mathrm{pull}-\mathrm{in}}=\sqrt{\frac{{8\mathrm{kg}}_0^3}{27{\mathrm{\ϵ}}_{0}A}}.----\left(4\right)$ 时，活塞结构就会被接通(pull-in)或压扁，与结构的尺寸无关。

从图2中可以看到，绝缘块203可设置在电极202上，从而限制接通时电极间的最小距离。

压扁之后，间隙减小后的数值决定于固定电极表面上的这些机械限制器的高度h_bump。为了放电开关，电极间的电压必须减小到使机械力能够再次补偿电力。于是可以得出释放电压的值 $U_{\mathrm{release}}=\sqrt{\frac{2\·k\·(g_0-h_{\mathrm{bump}})\·h_{\mathrm{bump}}^2}{{\mathrm{\ϵ}}_{0}A}}.---\left(5\right)$

释放电压显然小于接通电压。例如，对于100nm高的限制器，释放电压大约是接通电压的10％。因此，即使需要高电压才能形成接通，但只需要低得多的电压就可使电极保持接通状态。

图3a表示微机械开关的典型电压-偏转特性曲线。可移动结构向固定电极偏转直到接通发生。当电压降低到释放电压以下时，结构松弛，回到机械力和电力的平衡位置。一般来说，也可以设计为具有多个状态的结构。图3b表示带有两个不同的稳定接通状态的系统示例，第一激活(闭合)状态306和第二激活(闭合)状态307。

公式(1)意味着如果可以控制电容器的电荷，而不是控制电容器两端的电压，则可以避免接通的不稳定性，因为由恒定电荷产生的力是不随偏转而改变的。在文献中已知有几种装置实现了电荷控制，并且微机械结构的电荷控制已由实验证明。这方面的优点表现在调谐范围大了很多。

如不用恒定电压或恒定电荷，也可以用交流电压或电流控制微机械结构的偏转。当施加正弦电流通过电容器时，电容器的电荷q表现为 $\stackrel{.}{q}={\hat{i}}_{\∝}\sin {\mathrm{\ω}}_{\∝}t$ $\⇒q=\frac{{\hat{i}}_{\∝}}{{\mathrm{\ω}}_{\∝}}(1-{\cos \mathrm{\ω}}_{\∝}t)+q_0,---\left(6\right)$ 其中，

是交流电流的幅度，ω_ac是频率。为了进一步分析，可将初始电荷q₀设为0。如果交流电流的频率大于机械谐振频率，则力的直流分量为 $F_{\mathrm{dc}}\≈\frac{{\hat{i}}_{\∝}^2}{2{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{A\ω}}_{\∝}^2}.---\left(7\right)$

将交流电压信号转化为实际交流电流的一种简单方法是采用LC谐振电路。微机械元件电容量的一般范围是：1pF～30pF。交流电压输入信号通过电容器转化为交流电流。在LC谐振电路的帮助下，可以在电容器上得到很高幅度的振荡电流或电荷。谐振电路谐振时，电流幅度取决于LC谐振电路的品质因数Q。在优选装置中，谐振电路的Q值应超过10。

如果LC谐振电路应用于开关控制，由通过电感器的交流信号控制的微机械元件的开关延迟取决于几个参数：

τ_switch＝τ_switch(Q_m，f₀，U_pull-in，U_control，f₁，Q_s，f_LC)   (8)其中，f₀是机械谐振频率，Q_m是机械品质因数，U_pull-in是接通电压，f_LC是LC谐振电路在没有微机械元件的偏转的初始状态的谐振频率，Q_s是LC谐振电路的品质因数，U_control和f₁分别是控制电压的电平及频率。

为了使开关延迟最佳化，机械品质因数需要兼顾两方面的因素，既要高到足以使运动足够快，又要小到足以抑制第一次接触后的开关反跳。机械品质因数的最佳值大约为0.05～0.5。这可以通过合适的开关结构设计以及调节周围气体的压力来达到。

开关时间和机械谐振频率成反比。所需的开关时间愈少，机械结构就应该愈加坚固。根据公式(3)，这就使得接通电压越高，而且触发微机械双稳态元件所需的电压电平越高。

开关延迟还取决于控制信号的幅度和频率。此外，谐振电路的谐振频率f_LC及控制信号频率f₁之间的匹配也将对该力及开关延迟产生影响。注意，谐振电路的谐振频率f_LC在开关操作期间不是恒定的：当微机械结构的电容间隙越窄，谐振频率f_LC就越低，并且不与信号频率f₁匹配。

图3c表示开关延迟随电谐振频率(f_LC)或机械谐振频率(f_m)与信号频率f₁之比的变化。增加信号频率f₁，可以缩短开关延迟。最佳信号频率比机械谐振频率高100～1000倍。图3d表示开关延迟随谐振电路谐振频率f_LC与控制信号频率f₁之比的变化。把控制信号频率f1设置为大约低于初始谐振电路谐振频率f_LC1-3％，可以得到最小开关延迟。

发明内容

本发明的目的是提出一种以实用方式控制微机械元件的方法及微机械元件的配置。同时，本发明的目的是在控制微机械元件操作时，减轻所述各种问题。

本发明的目的通过至少采用两个控制信号来实现，一个用来将微机械元件设置为激活(闭合)态，另一个用来使微机械元件保持在激活(闭合)态。激活态一般为接通状态。

本发明的目的也可以替换为将两个控制信号结合成一个单独的信号来实现。这种配置的优点是可以降低使微机械元件保持在接通状态所需的电压电平。其结果可以使功率消耗最小化，并且不需要复杂的直流-直流转换电路来产生更高的电压电平。附带的好处是，本发明的配置简单易行。

用于控制至少一个微机械元件的方法的特征在于—微机械元件至少用一个第二控制信号设置为激活状态，并且—微机械元件至少用一个第一控制信号保持在所述激活状态。

用于控制至少一个微机械元件的配置的特征在于该配置包含至少—用于产生至少一个第一控制信号和一个第二控制信号的装置，—用于提高至少所述第二控制信号的电压电平的装置，—用于将该第一控制信号及带有提高的电压电平的所述第二控制信号传送给微机械元件的装置。

按照本发明，应对微机械元件设置一个控制电路。该控制电路至少包括一个至少接收两个控制信号并至少产生一个输出信号的配置。第一控制信号用来在微机械元件处于激活或导通时保持其状态。微机械元件用第二控制信号设置为激活态。单独采用第二控制信号或者采用第一控制信号与第二控制信号之和，可以很便利地使微机械元件改变其状态。

最好是第一控制信号是恒定电压信号，第二控制信号是交流信号，例如正弦信号，脉冲信号，或脉冲序列信号。

作为代替方法，两个信号可以是不同频率的交流信号。两个信号可以替换为具有不同脉冲宽度或不同脉冲密度的脉冲信号。两个信号可以替换为两个信号的结合，每个都具有所有上述信号特性。怎样选择有利的控制信号将在图5a-h中叙述。

最好是至少有一个信号的频率可以使微机械元件Cs产生电谐振或机械谐振。

按照本发明，用一个LC谐振电路在电容性微机械元件上瞬时产生高幅度振荡电流或电荷，其持续时间长到足以使双稳态微机械元件的状态发生改变。

本发明可以应用于例如包含电接触的微机械开关，微机械电容性开关，双稳态微机械电容器或电容器组，微机械光学开关，或任何电容性受控双稳态或多状态微机械致动器。

附图说明

图1a-c表示各种微机械开关结构，

图2表示一个简化微电机系统的活塞结构，

图3a表示微机械电容性元件的典型电压-偏转特性曲线，

图3b表示三种状态电容性结构的电压-电容量特性曲线，

图3c表示开关延迟随电谐振频率或机械谐振频率与信号频率之比的变化，

图3d表示开关延迟随谐振电路谐振频率与控制信号谐振频率之比的变化，

图4a-e表示本发明的基本原理，

图5a-h表示控制微机械元件的信号波形，

图6a-d表示用于控制微机械元件的本发明的实施方案，

图7a-b表示用于控制微机械元件的本发明的实施方案，

图8a-b表示用于控制多重微机械开关的本发明的实施方案，

图9表示按照本发明的方法的简化流程图，

图10a-b表示基板上控制电极的设置，

图11表示基板上LC电路的设置，和

图12表示微机械元件操作的瞬态模拟。

在叙述本发明背景时已对图1、2及3a-d进行了说明。

发明详述

图4a-e表示了本发明的基本原理，这是本发明的核心。在这些图中，电容器Cs代表微机械元件402，例如微机械开关或微动继电器或其他此类元件。微机械元件用一个或几个控制信号进行控制。用于控制微机械元件的控制信号的典型波形见图5a-h。控制活动可理解为将微机械元件设置为激活态，使微机械元件保持在激活态，以及将微机械元件设置为非激活态。

正如在图5a和5b中所见到的，控制信号可以是使微机械元件改变其状态的脉冲序列。同样，在采用至少两个控制信号的情况下，信号可以结合为一个如图5c和5d所示的叠加信号，或者如图5e所示的调幅(AM)信号，或者如图5f所示的调频(FM)信号，或者如图5g所示的脉冲宽度调节(PWM)信号，或者如图5h所示的脉冲密度调节(PDM)信号。

对于本领域熟练技术人员来说，很明显地，上述波形可以是正弦波，或者是脉冲波形，或者是二者的结合。例如，图5c中波形的触发部分可以很方便地用正弦波代替脉冲序列。同样，按照本发明，扫频波形可以用来控制微机械元件。

按照本发明，所用控制信号频率最好是微机械元件的机械谐振频率的次谐波频率。控制信号频率也可以是电谐振电路的次谐波频率，这一点将在后面更详细地说明。

在至少有两个控制信号U_trig和U_hold的情况下，基本思想是通过至少第二控制信号U_trig和第一控制信号U_hold，使微机械元件改变其状态，通过第二控制信号U_trig使之保持新状态。没有任何控制信号时，使微机械元件回到非激活态。

其次我们考察本发明实施方案的操作，见图4a-e，同时注意控制信号的波形，见图5a-h。按照图4a所示的本发明的第一实施方案，通过对求和装置401中的第一和第二控制信号求和而进行操作。控制信号之和用来提高C_s的接通电压的电平，从而使微机械元件402从原有状态改变为接通状态。接通状态可以仅用第一控制信号U_hold来保持，因为保持在接通状态所需的电压大大低于达到接通状态所需的电压。这种配置的优点是无需在整个接通期间对微机械元件施加高电压电平。其结果是，电子设备简化，而且功率消耗降低。一种较好的和并信号见图5d，但是信号也可以用图10a中的设置，以机械方法求和，这一点将在后面详细说明。

按照图4a中本发明的第二实施方案，单独使用第二控制信号U_trig足以产生接通效应。在这种情况下不需要对控制信号求和。但是为了单独使用U_hold保持接通状态，至少在U_trig信号结束之前最好要把第一控制信号U_hold传递给微机械元件。在这种情况下，也可以如图10a所示，以机械方法对信号求和。

本发明的第三实施方案，见图4b，包括求和装置401，电感器403，以及仍然以电容器C_s为代表的微机械元件402。用图4b所示的装置，可以在微机械元件上产生高幅度电压。可以将第一控制信号U_hold，例如直流电压信号，以及第二控制信号U_trig，例如小幅度高频正弦信号或脉冲序列信号，传递给求和装置401。

求和装置401的输出加到LC电路403、402。由于有LC电路输出信号的谐振增益，这一LC谐振电路可以用来产生通过电容器的高幅度振荡电流或电荷。LC电路至少包括一个电感量为L的电感器403，LC电路的电容为C。电容C最好就是微机械元件的本征电容Cs。电容也可设置为微机械元件的外部分量，可以理解为是和微机械元件在同一个基板上的电容器，只是在微机械元件的外部，或者甚至和微机械元件在不同的基板上。

求和装置401的输出信号频率最好差不多就是产生输出信号增益的LC电路的谐振频率。为了获得最佳开关延迟，求和装置401的输出信号频率最好比LC谐振电路的初始谐振频率低1-6％。

对于熟练技术人员来说，很明显地，如果第一控制信号是直流电压信号，输出信号的频率由第二控制信号的频率决定。

对于熟练技术人员来说，次谐波频率也可以用作控制信号，这一点也是很明显的。

按照本发明，放大的输出信号导致微机械元件产生状态变化。一般来说，借助LC电路，输出的交流信号或叠加的交流信号的幅度可以提高到足以达到导致接通态所需的电压电平。利用LC电路，交流电压信号转变为开关电容中的交变电荷。此电荷将产生使微机械元件改变其状态的单向力分量。在图4a所示的装置中，相应的求和控制信号采用地作为终端电压。在图4b所示的装置中，以端电压V_t作为终端。对于本领域熟练技术人员来说，很明显地，端电压V_t可以是任何适宜的电压，例如地或直流保持电压。此外，显然这同样可以适用于所有其他所示电路，尽管为了清晰的原因，它们在图示中都以地作为端电压。

图4c表示的本发明的第四实施方案包括由输入端U_in驱动的电感器403和电容器402。另外所示电路包括电容量为C_p的附加电容器404，这个电容器可以是有意添加的电容器，也可以是电路中的任意寄生电容。当电路设置在预期频率下谐振时，电容器404可用在以L和C_s+C_p全部电容组成的LC电路中。

图4d表示本发明的第五实施方案。输入信号U_in使微机械元件进入接通状态并保持在接通状态，直到信号U_in消除。但是如果在Cs上有任何剩余电荷，微机械元件将在接通态保持一段时间。在前面图4c所示电路上添加了开关装置405，以释放电容器402上的剩余电荷，电容器402代表微机械元件，因此加快了关断时间。关断时间受电容器402极板间剩余电压的影响，这一点由图12中无量纲偏转电压的拖尾边缘证明，将在后面详细讨论。借助开关405释放电容器402，将大大降低微机械元件402的关断延迟。

图4e表示本发明的第六实施方案，其中前述实施方案中的U_in信号换用固定的直流电压V_t，V_t可以很好地用作保持电压V_hold。场效应管(FET)406用来形成V_t通过电感器403供给的牵引电流。FET开关406的操作可通过向FET406的栅级加入U_control脉冲信号进行控制。触发期间，FET406在LC电路的谐振频率处或靠近谐振频率处被施加脉冲，使电容器极板上的电压达到必需的接通电压。触发后，流过电感器403的直流保持电压V_t足以使开关402保持在激活接通态。V_t撤销后，微机械元件释放。

另一方面，如果电压V_t本身不足以保持微机械元件402在接通(激活)态，电压V_t可通过向FET406的栅极以较低的重复率或频率加入短时的U_control脉冲信号来增大。其优点是在这种情况下，不需要为释放微机械元件而撤销电压V_t。

有利的是，较低的重复频率是微机械元件中形成的LC电路的电谐振频率的次谐波，或者是微机械元件的机械谐振频率的次谐波。

当想要从接通态释放微机械元件402时，为了使电容C_s放电，可向FET开关406传送附加的短暂脉冲，于是减少了开关关断延迟时间。

图6a表示本发明的一个实施方案，包括提供电压或波形602的控制器601，电感403，微机械元件402。控制器供给U_in信号602，以驱动LC谐振电路。微机械元件的操作和第四、第五实施方案所说明的相同。

在有关图6a所示装置的第一实用实施方案中，控制器601对微机械元件提供所需的U_in信号602。该实施方案适用于开关关断延迟时间不重要的情况，因为微机械元件C_s的剩余电荷必须通过电感释放，这将减慢工作循环。

在有关图6a所示装置的第二实用实施方案中，控制器601对微机械元件提供所需的U_in信号602，但是为了减少开关关断延迟时间，控制器601也对放电开关405的放电控制信号603进行控制。

图6b表示本发明的一个实施方案，包括控制器611，用来控制电源开关613及高速工作开关406，后者最好是FET开关。半导体开关通常在引起由电感器403和电容器402组成的序列谐振电路的电谐振的频率下工作。该电路的工作原理在参照图4e介绍本发明的第六实施方案时曾加以说明。

在有关图6b所示装置的第一实用实施方案中，电源开关613被删减，或者可以视为处于连续开通的状态。在这种情况下，通过操纵控制开关406并利用电源电压V_t及由电容器402和电感器403组成的LC电路的电谐振而产生的电源信号，控制器401将产生触发信号和保持信号。

在有关图6b所示装置的第二实用实施方案中，控制器611操纵电源开关613关断电源。正如图6b所示，电源电压U_in此时最好就是保持电压V_t。在这种情况下，控制器需要操纵开关406，并利用电源电压V_t及由电容器402和电感器403组成的LC电路的电谐振，以便产生对微机械元件402的触发电压。

在有关图6b所示装置的第三实用实施方案中，电源开关关断以后控制开关406瞬间开通，或者另一种情况，控制开关406仍然导通时电源关断了。因此，如前所述，控制开关又起放电开关的作用，以减少微机械元件C_s的关断延迟。

图6c表示本发明的一个实施方案，这一实施方案不采用前面展示的谐振电路谐振以获得触发电压。图6c的电路类似于直流-直流转换器，或者叫作升压增高转换器。电压增高电路包括将电流导入电感器403的半导体开关626，以及将负载隔开的二极管634，此项负载仅包括微机械元件402。在传统的直流-直流转换器中，用一个较大的储存电容器收集电荷，但在本实施方案中，微机械元件402的电容C_s既是负载又是储存电容器。按照本实施方案，直流-直流转换器只需要产生由微机械开关的电容C_s收集的电荷，因此尽管很简单并且功率低，但可以很快地动作。二极管624防止通过转换器放电。因此第一开关元件626用来增大电压，达到触发所需的接通电压。第二开关元件625用于对微机械元件402的电容性电荷进行放电。放电最好只在二极管624不导通时发生。用信号623可以控制开关元件625，完成放电，从而使电容器的电荷至地放电。

在按照图6c所示装置的第一实用实施方案中，如果设置了由控制器621控制的电源开关613，则保持电压很可以方便地通过电感器403和二极管701。

在按照图6c所示装置的第二实用实施方案中，没有电源开关613，或者电源开关613不由控制器621控制，而连续处于开通状态。在这种情况下，控制器621需要在可变的重复率或可变的脉冲宽度下操纵开关626，从而产生微机械元件402的触发电压和保持电压。

图6d表示本发明的一个实施方案，采用反馈网络来引起自谐振，而不用有源控制器。引起自谐振的放大式反馈相移网络，可以通过由U_trig控制信号操纵的信号631来开启或关闭。采用该实施方案的优点是在驱动信号频率和LC电路的谐振频率之间不存在频率不匹配的问题。

在按照图6d所示装置的第一实用实施方案中，采用一个单独的控制信号来触发微机械元件进入接通状态。这一实施方案没有设置保持电压。在不需要考虑装置效率的情况下，可以采用这种方法。其优点是可以采用简单一线控制的接通。其缺点是由于没有设置单独的保持电压，接通电压必须在整个期间都处于激活态。

在按照图6d所示装置的第二实用实施方案中，采用了分开的控制信号来提供保持电压，并且采用分开的控制线来断开用于自谐振的正反馈，在这种情况下仅仅在接通时需要正反馈。

图7a表示本发明的一个实施方案，包括用于驱动LC电路402和403的放大级703，具有输入U_hold和U_trig的控制器701，以及电源电压V_cc。控制器701用单线702控制放大级703。有利的是，保持电压V_t也是放大级703的电源电压。

根据按照图7a所示装置的第一实用实施方案，采用图5b中举例所示的控制信号，经过控制线702，对放大级703进行控制。因此，控制线702可以保持在电压电平Vt，使微机械元件维持在激活态；或者空置在地电平，使微机械元件402放电或者振荡；或者保持在LC电路402、403的谐振频率附近，使微机械元件402进入接通状态。

按照关于图7a所示装置的第二实用实施方案，电压V_t的电压低于另一个电源电压V_cc。最好是接地；而在此情况下，给放大器的输入信号就是图5a所示的控制信号。

按照关于图7a所示装置的第三实用实施方案，采用电压Vt不足以使微机械元件维持在接通状态，控制器701经过控制线702，使用图5e或5f所示的调幅或者是脉冲宽度调节波形，控制触发电压和保持电压。这些波形的频率或者其任何次谐波波形的倍数处于或靠近LC电路402、403的谐振频率。

图7b表示本发明的一个实施方案，包括用于驱动LC电路402和403的自振荡放大级703，具有输入U_hold和U_trig的控制器701，以及电源电压V_cc。借助于反馈电容器705，设置了从电感器403的反馈路径。控制器701用单线702控制放大级703。有利的是，保持电压V_t也是放大级703的电源电压。为了通过反馈电容器705，将相移反馈信号传给放大级，设置了一个磁性耦合线圈，或者最好是在电感器403上取一个中间抽头706。在图7b中，电感器403绕组的一端连接到电源电压V_t，另一端连接到反馈电容器C_fb，中间抽头连接到微机械元件的一个电极；但是在熟练技术人员看来，显然中间抽头也可以连接到电源电压V_t，电感器403的端头可以分别连接到反馈电容器C_fb和谐振电路的电容C_s。按照图7b的电路或者所叙述的变型，可以有效地形成众所周知的Hartley振荡器，并且如果放大器在谐振频率处提供增益，电路将与适当选择的元件振荡。

在按照图7b所示装置的第一实用实施方案中，如果不需要产生单独的保持电压，则控制器701是不必要的。只要通过接地或者其他阻止反馈信号的方法，防止反馈信号影响放大器703，就能够防止自振荡。其优点是采用简单的单线控制，但是效率降低了，因为在整个时间内，即使保持电压较低也应该足够了，而微机械元件不必要地还要处于接通状态。

在按照图7b所示装置的第二实用实施方案中，控制器701设置为也提供保持电压。产生触发电压的自振荡仅在微机械元件402接通期间是激活的。控制器701，通过控制输出放大器到适当的直流电平，同时终止维持自振荡所需的反馈信号，来提供保持电压。做到这一点的简单方法如下：当控制器701的输出处于高阻抗状态时，采用高阻抗控制704，容许反馈信号到达放大器703，此法见图7b。当控制器输出不论是高或低时，反馈信号704都被阻止，不能到达放大器703。有一个输出电平用来控制放大器的输出，对微机械元件402提供直流保持电压；另一个输出电平，亦即闲置电平，则使微机械元件释放。该实施方案的优点在于只用一根信号线，仅仅用直流信号电平，就可以获得对微机械元件的全面控制。

图8a-b表示本发明的一个实施方案，此方案可用于需要控制几个微机械元件402的环境中。图8a-b中，微机械元件以电容器402表示。微机械元件由求和元件401进行控制，借助开关803和804，可以将第一控制信号U_hold和第二控制信号U_trig以选择路径的方式发送到求和元件401中去。保持开关803可以很方便地用来提供放电功能，以加快释放延迟。

在涉及图8a所示装置的第一实用实施方案中，第二控制信号U_trig是由第一控制信号U_hold及电压转换装置801形成的。有一种可能，即第一控制信号U_hold是直流电压，这一信号是通过直流转换器直流-直流转换而来，用于产生第二控制信号U_trig，后者也是直流电压。因此，第二控制信号U_trig的直流电压电平转化为比第一控制信号U_hold的电压电平更高的电平。第二控制信号U_trig由储存电容器802收集，储存电容器802设置在电压转换器装置801和地之间。求和元件401的控制信号的选择由开关装置803、804控制，在此优选实施方案中开关装置803、804为FET开关。第一控制信号U_hold的选择控制由开关装置803实现。第二控制信号U_trig以相同的方式由开关装置804进行选择。有利的是，控制开关装置804的信号是交流电压信号，此信号使开关装置804交替处于导通态和非导通态。微机械元件的接通，或者由第一控制信号U_hold与第二控制信号U_trig共同实现或者由第二控制信号U_trig单独实现。

在按照图8b所示装置的第二实用实施方案中，采用单独的U_trig电源805。对于本领域熟练技术人员来说，显然电压转换器装置805可以是直流电源或者是其他转换器。例如，可以将任何适当的直流或交流信号供给求和元件401。

在图8a-b中仅显示了两个微机械元件和控制电路，但是对于本领域熟练技术人员来说，显然多少个微机械元件和控制电路都可以。微机械元件也可以彼此不同，这表示产生接通效应所需的电压电平，对于不同的转换器的需要，或者对开关803和804采用不同开关时间的需要，可以是不同的。

上述实施方案已经公开了微机械元件的控制情况。控制电路所有的实施方案都采用电信号。特别是，为了放大控制信号效应，大多数实施方案所公开的装置都偏向于采用LC谐振。除了采用LC谐振增强第二控制信号U_trig之外，另一种可能是偏向于微机械元件本身的机械谐振。将第二控制信号的谐波频率与微机械元件结构的机械谐振相匹配就可以做到这一点。但是这就要求机械结构的Q值要高。实际上，这意味着为了使干扰最小化，微机械结构必须在真空里工作。

一般可以说，控制微机械元件的配置至少包括产生至少第一控制信号和第二控制信号的装置。例如，这些装置可以是电压转换器。甚至一个电池也适合于这一目的。按照本发明，这类配置至少包括提升第二控制信号的电压电平的装置。此种装置也可以是普通的电压转换器电路，尤其是在把一定的电压电平提升到较高的电压电平时可以用这种装置。另一种可能是提升至少第二控制信号的电压电平的装置可以包括组成LC电路的电感器和电容器。此处可能利用微机械元件的本征电容器。电感器和电容器也可以是分立元件。按照本发明的配置，另外还包括将已提升电压电平的第一控制信号和第二控制信号作用于微机械元件的装置。这些装置举例来说有求和电路，用于把第一控制信号和第二控制信号加在一起，并且用于把信号之和传递给微机械元件。对于本领域熟练技术人员来说，显然至少第二控制信号的电压电平的提升可以在装置把信号传递给微机械元件之前或之后完成。这一点取决于控制电路的实现。

图9用简化的流程图来表示本发明的方法。在第一级850，产生第一控制信号U_hold和第二控制信号U_trig。第一控制信号U_hold例如可直接由电源电压产生。第二控制信号U_trig例如可由第一控制信号U_hold产生。在步骤851，为了改变微机械元件的状态，将第一控制信号U_hold和第二控制信号U_trig加到微机械元件上。新状态是微机械元件的触发态或接通态。按照本发明的第一实施方案，接通状态是用其自身的第二控制信号U_trig实现的。按照本发明的另一个实施方案，需要用第一控制信号U_hold和第二控制信号U_trig之和在微机械元件中产生接通效应。在下一级852中，第二控制信号U_trig的传送被中止，而用第一控制信号U_hold来维持微机械元件的新状态。对于本领域熟练技术人员来说，显然第一控制信号U_hold必须高于释放电压，这样才能维持接通状态。撤销第一控制信号U_hold后，微机械元件可以释放回到其初始态。第一控制信号U_hold和第二控制信号U_trig作用于微机械元件之前可以先被放大。进行放大的一种可能的方式是采用LC谐振电路。另一种可能是利用微机械元件的机械谐振。缓冲器或放大器也可以用于放大控制信号或者产生自振荡。

图10a和10b表示安装在一个基板上的控制配置的实用装置。正如在图10a和10b中可以见到的，在本发明的这些实施方案中，用于将两个控制信号作用于微机械元件900的电极901和902是互相隔开的。

在图10a中，微机械元件900是一个微机械开关，在控制信号传递到电极901和902时用来改变微机械元件的状态。按照本发明，第一控制信号U_hold被设置到第一电极901，第二控制信号U_trig被设置到第二电极902。第二控制信号U_trig最好是一个短时高压脉冲，其电压高到足以和第一控制信号U_hold一起产生接通效应。当接通效应出现时，第二控制信号U_trig就可以撤销了，此后仅由第一控制信号U_hold来维持接通状态。第一控制信号U_hold和第二控制信号U_trig也可以采用同一电极传递给微机械元件。

图10b表示与图10a所示同一类型的配置。此处用谐振电路获得短时高压，谐振电路设置在第二控制信号U_trig电路中。谐振电路由电感器L和微机械元件的本征电容形成。第二控制信号U_trig的频率最好略(1-6％)高于谐振电路的谐振频率。借助于谐振电路，第二控制信号U_trig的电压电平可以被提升，直到足以产生接通效应。

按照本发明，控制电极至少部分被电介质层覆盖，以防止所述控制电极与微机械元件之间的电接触。

图11表示微机械元件的实用设计。其中一个开关和一个环形电感(toroidal inductance)在一起，环形电感提供谐振电路的电感量，其中控制电极的电容C_s和杂散电容一起构成LC电路的全部电容。环形电感最好设置为带有磁芯，以减小尺寸，并且减小漏电感。

图11表示一种实施方案，其中环形电感和微机械元件集成到同一个基板951上。图11所示的配置包括微机械元件402，信号衰减器953，控制电极952。在这个优选实施方案中，仅设置了一个用于控制微机械元件402操作的控制电极952。按照本发明，也可能采用多个电极进行控制。控制信号通过控制信号衰减器954加到基板上。信号通过环形电感955加到微机械元件402。环形电感955最好设置在磁芯956周围。如前所述，借助于电感器955和微机械元件402的本征电容，控制信号的电压电平可以提升到产生接通效应所需的电压电平。基板951可以是硅晶片，微机械元件402和电感器955集成于其上。有一种可能性是采用硼硅酸盐玻璃作为基板。基板也可以用聚合物制成。所用电感器最好是围绕磁芯设置的三维螺线管或环形线圈。磁芯956最好是具有高介电常数。电感器955和微机械元件也可以不集成在同一个基板上。按照这种实施方案，电感器是一个位于微机械元件之外的大体积元件。

当本发明应用于带有集成在同一个基板上的电感器的微机械开关时，电感器的实际电感值在100nH到10000nH之间，Q因数在1～20MHz频率范围内必须大于10。机械谐振Q因数取决于所希望的开关时间，但是应在0.01～0.5之间。

图12表示微机械元件结构偏转的瞬态模拟，在此情况下，微机械元件是一个开关。X轴是时间刻度，没有量纲；Y轴表示微机械元件结构的偏转及相应的接通电压。第一曲线998表示第一和第二控制信号之和。第二曲线表示微机械开关的偏转。电压首先上升到第一控制信号的电压电平，第一控制信号是保持电压。当时刻50时，第二控制信号传递到电极，引起微机械元件的接通效应。第二控制信号在大约10时间单位时被激活。接通态由第一控制信号保持直到时刻150。可以看出，采用本发明的配置，可以用低电压电平保持接通态，只有接通电压的十分之一。

在说明书中展示了各种不同类型的配置，通过这些配置，可以对诸如开关之类的微机械元件的操作进行控制。到目前为止，还没有涉及所用零件或元件的实际值。为了明确配置的技术特征，例如，微机械元件的机械谐振频率f₀可以为10～200kHz。机械品质因数Q_m为0.05～0.5。接通电压U_pull-in为10～30V，微机械开关的本征电容为1～30pF。所用电感器的电感量最好是100nH～10μH。LC谐振电路的品质因数Q最好大于10，而谐振电路谐振频率f_LC为1～200MHz。产生第二控制信号U_trig的交流电压源的幅度约为接通电压U_pull-in的0.1～0.2倍，一般大约为1～3V。交流信号的频率为1～200MHz。产生第一控制信号的直流电压源，所产生的电压的幅度约为接通电压U_pull-in的0.1～0.2倍，一般大约为1～3V。对于本领域熟练技术人员来说，上述数值显然只是举例，对本发明并不造成任何限制。

为了减小复杂性并降低成本，微机械元件的控制最好采用低电压。在此已展示了微机械元件控制的新发明及实用方法。这些微机械元件可以是开关、继电器、或其他任何类型用于电学和光学开关的微机械元件。目前微机械元件广泛应用于通讯领域。例如，微机械元件应用于移动台，在移动台中很多地方需要开关，特别是双频带或双模移动台。

在前述装置中，零件和装置可以用其他操作基本相同的元件代替。

以上参照各种实施方案对本发明进行了说明。然而，本发明显然不受这些实施方案的限制，而是包括本发明的思想和以下权利要求的构思和范围之内的所有可能的实施方案。

Claims (40)

1、用于控制至少一个微机械元件的方法，其特征在于

——至少用一个第二控制信号将微机械元件设置为激活态，并且

——至少用一个第一控制信号将微机械元件保持在所述激活态。

2、如权利要求1的方法，其特征在于激活态为接通状态。

3、如权利要求1的方法，其特征在于第二控制信号是短时电压脉冲。

4、如权利要求1的方法，其特征在于第二控制信号是短时正弦信号。

5、如权利要求1的方法，其特征在于第二控制信号是短时脉冲序列。

6、如权利要求1的方法，其特征在于第二控制信号是扫频波形。

7、如权利要求1的方法，其特征在于第一控制信号是恒定电压信号。

8、如权利要求1的方法，其特征在于用第一控制信号与第二控制信号之和将微机械元件设置为激活态。

9、如权利要求8的方法，其特征在于所述信号之和包括具有不同幅度的信号。

10、如权利要求8的方法，其特征在于所述信号之和包括具有不同频率的信号。

11、如权利要求8的方法，其特征在于所述信号之和包括具有不同工作循环的信号。

12、如权利要求8的方法，其特征在于所述信号之和包括具有不同脉冲密度的信号。

13、如权利要求1的方法，其特征在于第二控制信号的幅度大于第一控制信号的幅度。

14、如权利要求13的方法，其特征在于用谐振电路提升第二控制信号的幅度。

15、如权利要求14的方法，其特征在于第二控制信号的频率比谐振电路的电谐振频率低0-6％。

16、如权利要求1的方法，其特征在于第二控制信号的谐波频率基本上与微机械元件的机械谐振频率相同。

17、如权利要求1的方法，其特征在于第二控制信号的谐波频率基本上与微机械元件的电谐振频率相同。

18、用于控制至少一个微机械元件(402)的配置，其特征在于所述配置至少包括

——用于产生至少第一控制信号和第二控制信号的装置，

——用于提升至少所述第二控制信号的电压电平的装置，

——用于将所述第一控制信号和所述已提升电压电平的第二控制信号馈送给微机械元件的装置。

19、如权利要求18的配置，其特征在于用于产生至少第一控制信号和第二控制信号的装置包含至少一个电压转换器电路。

20、如权利要求19的配置，其特征在于电压转换器电路包括至少

——连接到直流电压源的电感器，

——带有本征电容的微机械元件，

——用于防止所述微机械元件的所述电容器放电的二极管，

——用于控制所述电感器和所述二极管之间电压的第一开关元件，

——用于对所述微机械元件的所述电容(402)重新设置电荷的第二开关元件(803)。

21、如权利要求18的配置，其特征在于用来提升至少所述第二控制信号的电压电平的装置包括至少一个谐振电路。

22、如权利要求21的配置，其特征在于谐振电路包括一个电感器和微机械元件的电容。

23、如权利要求22的配置，其特征在于所述电容是微机械元件固有的。

24、如权利要求22的配置，其特征在于所述电容在微机械元件的外部。

25、如权利要求22的配置，其特征在于电感器和微机械元件集成在同一块基板上。

26、如权利要求25的配置，其特征在于基板是硅晶片。

27、如权利要求25的配置，其特征在于基板是用硼硅酸盐玻璃制成的。

28、如权利要求25的配置，其特征在于基板是用石英制成的。

29、如权利要求25的配置，其特征在于基板是用聚合物制成的。

30、如权利要求22的配置，其特征在于电感器是三维螺线管。

31、如权利要求22的配置，其特征在于电感器是三维环形线圈。

32、如权利要求22的配置，其特征在于电感器有一个高介电系数芯。

33、如权利要求22的配置，其特征在于电感器是微机械元件之外的大体积零件。

34、如权利要求21的配置，其特征在于谐振电路至少包括

——连接到直流电压源的电感器，

——带有本征电容的微机械元件，

——控制所述微机械元件的所述本征电容放电的开关元件。

35、如权利要求21的配置，其特征在于谐振电路由一个放大级驱动。

36、如权利要求35的配置，其特征在于放大级由来自谐振电路的反馈信号控制。

37、如权利要求18的配置，其特征在于将第一控制信号和已提升电压电平的第二控制信号传递给微机械元件的装置包括一个求和元件，用于对所述第一控制信号和所述第二控制信号求和。

38、如权利要求18的配置，其特征在于将第一控制信号和第二控制信号馈送给微机械元件的装置至少包括一个控制电极。

39、如权利要求18的配置，其特征在于将第一控制信号和第二控制信号馈送给微机械元件的装置至少包括用于所述第一和所述第二控制信号的两个分开的控制电极。

40、如权利要求38或39的配置，其特征在于所述控制电极至少部分为电介质层覆盖，以防止所述控制电极和微机械元件之间的电接触。

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