CN1723606A - 微电子机械系统单元阵列的驱动 - Google Patents

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Abstract

用于驱动微电子机械系统(MEMS)设备阵列的方法，所述阵列在其输出具有多个逻辑或记忆状态，其中MEMS设备被给予一个MEMS设备与另一MEMS设备不同的特征磁滞曲线，并且其中单一信号控制电压被施加至所有MEMS设备，同时通过改变单一控制电压获得阵列的各种状态。

Description

微电子机械系统单元阵列的驱动
本发明涉及一种包括微电子机械系统(MEMS)单元阵列的电子设备，所述阵列在其输出具有多个状态。
本发明还涉及一种微电子机械系统(MEMS)单元阵列的驱动，所述阵列在其输出具有多个状态。
MEMS(micro-electro-mechanical-systems)技术被用于在无线应用中开发用于RF模块的可调无源元件。MEMS技术已经在类似传感器和投影显示的产品中被应用。在RF电路的应用降低功率消耗并提高无线通信系统的性能。尤其是，MEMS技术被应用在集成RF前端电路中。
一个可行的RF-MEMS元件是一个具有弹性金属上部电极的可变电容器。通过施加DC电压，这个电极向下移动，导致电容量随电压增加，直至电容量突然下降。该发生处的电压被称为Vclose。电容器可被用作可调电容器(V＜Vclose)或可开关电容器(V＞Vclose)。后者也可被用作RF开关。MEMS元件可使用表面微加工和IC兼容薄模技术制造。为了构造可移动部分，牺牲层被使用，该牺牲层位于构造层下面、可选择地被去除，从而创造了一种独立式结构。
MEMS技术可制造小的、重量轻的可调/可开关的RF元件，其使半导体开关和变容二极管在功耗、线性和介入损失上有突出表现。该技术可以与其他有源/无源元件集成用于可调RF模块，呈现出提高的性能和紧凑。在RF前端电路中使用可调/可开关元件，新的重新配置的RF收发器结构可被设计用于当前和下一代无线通信系统。使用此的例子是自适应阻抗匹配网络。为了驱动由N个MEMS单元制造的自适应阻抗网络，尽管N个控制电压需要大量互联和驱动电子装置(高电压晶体管)。
WO99/43013涉及微型机械静电继电器，包括具有平坦基电极的至少一个基底层，还有源于转片基底并作为平坦转片电极的动叶片，其中楔形空气间隙被形成在基底层和所述动叶片之间。进一步电极层被形成在限定空气间隙的至少一个表面上，以获得具有关闭、打开或位置对调的转换特征。有用于每个单个继电器的控制线，和以平行控制几个继电器的另一线。
US5880912公开了使用MEMS技术的单片集成开关电容堆，该能够处理RF和毫米波段的GHz信号频率，同时在宽调谐范围上保持电容器电平的精确数字选择。每个MEMS开关包含被附连至基底并在地线和有间隙的信号线上方延伸的悬臂。电连接被形成在悬臂的底部，该底部被定位在信号线中的间隙上面并面向信号线中的间隙。悬臂上部的上部电极在地线上形成控制电容器结构。电容器结构，优选以与悬臂大约同样的高度被从基底悬浮下来的MEMS电容器，被锚定在基底并与MEMS开关串连接。通过给上部电极施加电压，MEMS开关被激励，产生将控制电容器结构吸引向地线的静电力，从而引起电连接以关闭信号线间隙并连接在一对输出端之间的MEMS电容器结构。集成MEMS开关电容器对具有在它们的开状态和关状态阻抗间的大范围，从而显示出优良绝缘和介入损失特征。
在US5872489中，集成的可调电感网络特征为大量使用由大量微机电(MEM)开关制成的转换网络的固定电感器，该固定电感器被制造在公共基底沿线。开关可选择地连接电感器，以形成具有具体电感值的电感网络，当电感器被合适地配置时，可高精确度地设定电感值。优选的MEM开关引入非常小的阻抗，从而电感网络具有高Q。MEM开关和电感器可使用普通处理步骤被集成，减少与引线焊接和现有技术开关联系的寄生电容问题，提高可靠性，并降低现有技术在设计上的空间、重量和功率要求。精确的可调高Q电感网络被广泛应用，譬如在谐振电路中，其具有以指定预定频率处为峰值的窄带宽频率响应，可使高选择性能低噪声放大器成为可能，或者在振荡电路中，以使可根据需要产生和改变振荡的精确频率。
本发明的目的是提供一种用于驱动MEMS单元阵列的方法和一种包括在开头段中提到的这种阵列的设备，从而相互连接和驱动电子装置可实质上被减少。
这个目的在设备中被实现，其中各个MEMS单元具有第一状态和第二状态，以及其中从第一至第二状态的转换受打开电压的影响，并且从第二至第一状态的转换受关闭电压的影响，另外在这里，阵列包括用于单一控制电压的输入，该单一控制电压被施加至所有MEMS单元，从而通过改变单一控制电压来获得阵列的各种状态。
关于驱动方法的目的被实现，其中单一控制电压被施加至本发明阵列中的所有MEMS单元，该电压被改变以获得阵列的各种状态。
依据本发明的设备中的RF-MEMS单元显示了要求的转换电压的差异。通过调整列中所有RF MEMS单元的开状态和关状态转换电压，阵列的所有可利用状态可通过扫描依据预定计划的单一控制电压被操作。从而不必包括在其交叉点被配置MEMS单元的用于阵列的行和列。
本发明设备的重要优点尤其是晶体管数量实质上可被减少。这个优点必须被着重考虑，因为任何传统晶体管与MEMS设备相比以不同规模和以不同技术被制造。对于RF应用，优点在于在单一基底上配备有其他无源元件的MEMS单元，优选地，基底具有高阻抗。然而，对于晶体管，具有低阻抗的基底被要求。假如离散晶体管被应用，则晶体管数量的减少也是优点，因为这种驱动晶体管需要能被合适地提供高电压，譬如约30V，并且这种晶体管是昂贵的。
阵列中的状态可被有利于用于各种目的。例如，状态可是记忆状态、逻辑状态或显示状态。第一个应用是在RF领域中，其中MEMS单元被作为各种电讯波段间的开关使用，以及在其上的信号发送和接收。另一个应用是作为离散的可调电容器的MEMS的使用。又一个应用是具有电感器的REMS的使用，以使电感量可被设定。
在优选具体实施例中，阵列包括各个具有特征磁滞曲线的第一和第二MEMS单元，以使打开电压不同于关闭电压，并且第一MEMS单元的打开电压和控制电压不同于第二MEMS单元的打开电压和控制电压。因此，状态的数量被相当地增大。例如，该具体实施例使用MEMS电容器，其中打开和关闭电压可容易地被制成为具有足够的差异，以产生磁滞现象。当然可在阵列中有另一个MEMS单元，其关闭和打开电压并无差异或没有实质上的差异。
尤其优选地是在电容量对控制电压的操作表中，特征磁滞曲线具有不同宽度。这指的是，在同一阵列中，不但第一MEMS单元的打开电压不同于第二MEMS单元的打开电压，而且对于第一和第二MEMS单元，在打开和关闭电压之间的电压间隙也是不同的。因此，第一MEMS单元的磁滞曲线完全位于第二MEMS单元的磁滞曲线之内。
在另一个有利的具体实施例中，其增加了驱动阵列的简易性，MEMS单元的特征磁滞曲线在操作表中是围绕公共中心线居中的。这个特点允许建造MEMS单元阵列，以存储逻辑状态，其中每一个逻辑状态间的距离等于另一个距离。
依据本发明的优选实施例，提供了具有悬浮、可移动电极的静电型的MEMS单元。这指的是，在阵列中的每个MEMS单元具有一个固定电极和一个可移动电极，分别地通过关闭和打开电压的应用，该可移动电极可移动的朝向和背离固定电极，以使固定和可移动电极之间的距离在第一状态中小于在第二状态中。可移动电极在这里实质上是悬浮的平行于固定电极，并通过至少一个具有弹性系数的悬臂被锚定至支撑结构，以及MEMS单元被配置有具有用于提供关闭和打开电压的激励区域的激励电极。MEMS单元可以是开关，但可选择地是可调电容器。考虑到其稳定性，优选是可调电容器。
在另一个具体实施例中，阵列中第一和第二MEMS单元具有不同的特征磁滞曲线，在其中控制电极的至少一个激励区域是不同的和/或悬臂的弹性系数是不同的。因此，使用机械装置设置不同的特征曲线。通过机械特性调整MEMS单元的磁滞曲线是可能的。由静电力匹配的弹性力随位移增长而增长。各个单元可具有不同空间高度或不同的空间数量/布局。这可被用于调整磁滞曲线上升处的被称为Vopen的电压，而不影响磁滞曲线下降处的被称为Vclose的电压。通过同一因子√(k/A)使Vclose和Vopen的调整变化。参数k表示调整弹性系数和参数A表示激励区域。
在另一个具体实施例中，至少一个具有介电常数的介电层位于固定电极和可移动电极之间，以使MEMS单元是MEMS电容器，其电容器中第一状态具有第一状态电容量。再者，阵列中的第一和第二MEMS电容器具有不同特征磁滞曲线，在其中第一和第二MEMS电容器的第一状态电容量是不同的。因此，使用化学装置设置不同的特征曲线。
这种影响第一状态电容量的化学装置的例子包含合适的电容器区域；一定程度上介电层覆盖固定电极，例如全部或仅仅一部分；确定空气间隙的介电层的厚度和在固定和可移动电极间空间的厚度；介电层的介电常数的变化；在介电层上部的第二可选择图案层的提供。
尤其优选在不同的MEMS单元提供不同图案修饰的第二层，因为使用最少另外的处理步骤可以实现。进一步，非常适合结合在在晶片级上处理中，其中不仅MEMS单元，还有集成无源器件被制造以获得无源电路。
对于介电常数的变化，几个选择被展现(open)。第一选择是提供大量的具有不同介电常数的图案介电材料(patterned dielectric material)。合适材料的例子是氮化硅和二氧化硅。另一个选择是通过执行注入步骤在介电层中提供电荷，其中注入剂量从一个MEMS单元到另一个MEMS单元变化而变化。这个的优点是可以实现在关闭和打开电压中实质上的差异。由于注入，作为电压因变量的电容量的状态总体上被偏移。注入步骤实际上不能太复杂，由于无论如何使在基底中具有理想的掺杂级，例如，若有，则用于定义CMOS晶体管。
变化有效电场可代替介电常数的变化。例如，这通过在介电层上部应用铁电材料层来实现。从而，两个打开和关闭电压、还有磁滞状态被改变。
熟练技术人员将会理解，强烈优选使用一个以上装置，以获得想要的不同打开和关闭电压。尤其是，两个机械和化学装置被使用。从而，阵列中不同打开电压的数量可被增长至大约10个，优选在3-7个的范围。然而，所有打开和关闭电压是足够地不同，以能够打开一个特定的MEMS单元。同样地，额外处理步骤的数量被限制，例如，优选少于5步，仅使用一个额外的照相平版印刷步骤。
进一步，优选的是，阵列中MEMS单元是并联的。这允许所有MEMS单元被直接驱动。用于单一控制电压的输入优选是晶体管。这种晶体管可是离散晶体管。尽管，它也可是与驱动电路被集成。
在另一个具体实施例中，设备包括多个MEMS单元阵列，各个阵列具有用于单一控制电压的输入。
再者，设备可是或包含具有电容器和如可调电容器的MEMS单元的阻抗匹配网络。这种可调阻抗匹配网络是强烈优选的，考虑在移动通信装备中可利用的通信波段的增长数量，以及考虑至少一些这些波段是非常宽的的事实。具体地，在其中本发明被实施的这种阻抗匹配网络具有一个基本元件适于用于各种应用的优点。通过选择要求的阻抗变换，然后一个基本元件可被与应用和环境一致地设置。这次机会可基于使用该设备呈现出的阻抗变换表来实现。在与可选择的实施的对比中，本发明允许使用最小的可调电容器。
MEMS单元和电容器及电感器的组合的另一个应用是例如用于电压控制的振荡器的自适应LC电路。
体现了本发明特征的这些和各种其它的优点和新颖性特点在附属于此并形成其中部分的权利要求中被指出。然而，为了更好理解本发明、其优点和通过其使用获得的目的，将参考形成其中另一部分的附图和附有的说明和描述了本发明优选的具体实施例的说明内容。
图1显示了作为控制电压的因变量的MEMS电容器的测得的电容量；
图2显示了3个电容器阵列中的MEMS电容器的随后的转换表(subsequentswitching scheme)。
图3显示了在两个MEMS电容器阵列的转换中使用记忆效应的例子；
图4显示了在三个MEMS电容器阵列的转换中使用记忆效应的例子；
图5显示了通过增加弹性系数k来调整Vclose和Vopen的MEMS单元磁滞的差异；
图6显示了在图5所示单元上随后电荷注入的效果；
图7显示了调整三个电容阵列中的第一电容的磁滞的实际实施例；
图8显示了调整三个电容阵列中的第二电容的磁滞的实际实施例；
图9显示了通过三个电容阵列中的第三电容的电荷注入对磁滞的调整；
图10显示了MEMS开关的例子；
图11显示了图12中沿A′-A″线的开关的截面图；和
图12显示了开关和A′-A″线的顶视图，图11的截面图沿A′-A″线被显示。
图1显示了作为控制电压的因变量的MEMS电容器的测得的电容量。当控制电压增长至Vclose时，电容器的上部电极消失，关闭电极间的空气间隙，并且电容量上升。随之，当DC电压下降时，电容器在Vopen处再次打开以及电容量再次下降。每个MEMS单元在转换电压中呈现磁滞现象，即关闭空气间隙要求的电压(Vclose)不同于再次打开要求的电压(Vopen)。通过使用在N个MEMS单元的阵列的这种记忆效应，N个MEMS开关的阵列的所有2N个状态可仅使用一个控制电压被操作。
图2显示了电容量-电压表，该表显示了从V1到V2到V3的步骤。每个步骤用一个逻辑状态表示。该例子显示了由三个MEMS单元阵列表示的四个状态。一般来说，在N个开关的阵列中，当使用N个控制电压时每个开关独立被驱动。这产生2N个不同状态，并需要大量连接和驱动电子装置。通过本发明，连接和驱动电子装置的非常巨大数量正好被减少。在这个例子中，应用转换阵列状态的仅一个控制电压，该阵列状态通过对每个开关经由其机械参数的转换电压的调整，而不利用开关的磁滞现象，使开关在电源扫描期间随之关闭，尽管产生只有N+1个不同状态。
图3显示了包含两个电容器的阵列的转换例子，该转换通过调整用于每个电容器的Vclose和Vopen至合适的(不同的)值。在这个阵列中，四个明显状态可被利用。当记忆效应被使用时，不仅控制电压值，而且前面电压扫描的形式确定MEMS阵列的状态。例如，为实现01状态，控制电压被从V4至V2至V3扫描。在0和V2电压处，阵列被复位。因此，从复位点开始，每个状态可使用预定电压扫描被激活。
图4显示了三个MEMS单元的阵列，其依据与显示在上面图3中的同样原理可表示8个不同状态。如上所述，记忆效应归因于，不仅控制电压值必需获得一个状态，而且前述电压扫描的形式确定MEMS阵列的可实现的状态。例如，为实现010状态，控制电压被从V6至V2至V4扫描。
图5显示了本发明的第一实际的具体实施例。图5显示了具有不同宽度的三个不同磁滞曲线。在本具体实施例中，通过弹性系数k调整电压Vopen和Vclose(磁滞)。因此，在图5中三个不同磁滞宽度的原因在于三个不同弹性系数k。如第二步骤，磁滞曲线具有如参考图6说明的偏移。
图6显示了单独的各自MEMS单元的三个不同电容量-电压曲线，其具有不同数量磁滞并且互相居中的。为了偏移电容量-电压曲线，合适数量电荷注入被使用。电荷注入C1和C3具有同样的极性。表1显示了在每个步骤后每个电容器的各自Vopen和Vclose值。
表1：在Vopen和Vclose(步骤1)的调整和磁滞曲线的偏移(步骤2)后，三个MEMS电容器的电压值。
  初始   步骤1后(图5)   步骤2后(图6)
Vopen(V) Vclose(V) Vopen(V)   Vclose(V) Vopen(V)   Vclose(V)
  C1   1   6   1   6   2.45   35
  C2   1   6   5   30   5   30
  C3   1   6   10   60   8.25   25
通过六种不同方法，可实现Vclose和Vopen的调整。
方法1使用弹性系数k和激励区域A的调整。Vclose及Vopen通过同一因子√(k/A)改变，因此Vclose具有显著地大于用于Vopen的大的绝对调整范围。通过使用与MEMS电容器串联的固定电容器可获得类似效果，即电容电压分配器。此后MEMS电容器上的有效电压是(Cmems/(Cmems+Cfixed))*Vcontrol。
方法2改变电介质层的有效介电常数εeff。对于给定控制电压，在关闭状态中上部电极上的静电力随εeff的增长而增长。因此，可使用因子√(1/εeff)调整Vopen。Vclose也受此某种程度的影响。在第一电容器中关闭层、在第二电容器中的图案层以及在第三电容器中的非介电层的使用也是可能的。此外，介电层厚度还有各自电容器之间空气间隙的变化也是可能的。
方法3公开了通过使用(绝缘)间隔在其关闭状态中上部电极位移的变化。通过静电力被匹配的弹力随位移增长而增长。每个电容器可具有不同间隔高度或不同数量/位置的间隔。这可被用于调整Vopen，而使Vclose不受影响。
方法4使用电荷包含(介电)层取代介电层。这可通过在绝缘体(即SiO2)中离子注入来实现。被固定电荷将偏移Vopen和Vclose。根据V＝Q/C，Vclose的偏移将大于Vopen的偏移。当在1pF0.1mm电容器上使用单价离子用于注入时，对于1V的电压偏移需要1010个离子/cm2的剂量。通过构造被充电层或实施使用遮光板的选择注入可改变单个元件的电压偏移。通过注入的极性、注入的位置(在底部电极上部附近)、以及外加电压极性确定偏移是增加还是减少。
方法5使用铁电材料以控制磁滞。
方法6使用不同弹性系数的MEMS电容器的锚定器。这引起影响Vopen的电容器的“角色偏移”样(“role-off”-like)打开。通过改变在各自元件之间的弹性系数的差异，Vopen被改变。
图7、8和9显示了依照为了改变弹性系数而使用不同数量的弹性元件或铰链来调整图5、6显示的磁滞曲线的实际具体实施例。换言之，调整包括使用不同数量的弹性元件或铰链的不同弹性系数的组合，以及在介电物质中电荷注入。如图5、6所示调整弹性系数。使用合适数量电荷注入的电容量-电压曲线的偏移被显示在图7和图9中。在C1和C3中电荷注入具有同样的极性。使用不同极性的外部施加电压(DC电压)，激励电压分别地被增加和减小。图7中的外部施加电压不同于在图9中的外部施加电压。
图10显示了MEMS开关的例子。该开关被制造在不导电基底2上。导电底部电极4、6被装配在基底2的上部。由不导电基底制造的梁10、11被装配在基底2上。在激励电容器12的底部电极和激励电容器14的上部电极之间产生向下拉拽梁10、11的静电力，该底部电极被装配在不导电基底2上，该上部电极被装配在梁10上。假如在电容器12和14之间的静电力是足够的强，则梁10、11被向下拉拽，并且8和4、8和6之间的连接被建立。假如14和12之间的静电力减小，梁的弹力增加，从而开关打开8和4、8和6之间的连接。
图11显示了MEMS开关的截面图。在开关制作的开始，载体20被制造。在载体20的上部是钝化层22。在钝化层22的上部是介电层30、32和第一金属层24、26、28。牺牲层34、36被装配在介电层30、32的上部。第三金属层40被装配在第一金属层24的上部，以及第三金属层44被装配在一金属层28的上部。隔离层(PI)46被装配在第三金属层40的上部。隔离层(PI)48被装配在牺牲层34、第三金属层44的上部，以及部分在第三金属层42的上部。第二金属层38连接至第三金属层42的底部。在第一金属层26和第三金属层44之间产生静电力。假如静电力向下拉拽包括部件38、42、44和48的锚定器，则此后在部件24和28之间建立电连接。在静电力减小的情况下，所述锚定器上并打开电连接。显示在图11中的开关的截面图对应于A′-A″线。
图12显示了开关的顶视图。该视图显示每个开关实际包括两个单独的被命名为A和被命名为B的开关。图12显示与图11中标记为40的部件对应的普通输入50。第一金属层52与图11中的第一金属层24对应。开关A的输出66与图11中的第三金属层42对应。开关B的输出与标记为54的部件对应。开关B的输出54也是第三金属层。图11的第一金属层与图12中的第一金属层64对应。部件56也是第一金属层。图12的地60也是第三金属层，并且与图11的标记44相对应。标记为62的部件是开关A的DC驱动，以及标记为58的部件是开关B的DC驱动。
对于每个开关，静电驱动位于对应于24、26、28的第一金属层和对应于40、42及44第三金属层之间。在“标准”配置中，开关处于所谓的打开位置，即，没有连接被建立。当施加电压时，位于对应于24、26及28的第一金属层和对应于40、42及44的第三金属层之间的静电力向下拉拽第三金属层。被连接至第三金属层44且通过是隔离层(PI)48的钝化层隔离的是也可制造在第三金属层42中的第二部分。这部分可是个线圈。当连接被建立时，第三金属层部分42通过第二金属层38延伸，以靠近第一金属层24。即两个开关A和B的公共输入50和驱动62或58或二者之间的连接贯穿第三金属层42、第二金属层38部分和第一金属层24被建立。
本文件包含的本发明的新的特征和优点已在前面说明中被提出。然而可以理解，这个公开在许多方面仅是说明。在不超出本发明的范围的情况下，可以改变细节，尤其在部件的形状、尺寸和布局方面。。当然，本发明的范围由附属的权利要求的表述所确定。

Claims (12)

1、一种包括微电子机械系统单元阵列MEMS的电子设备，所述阵列在其输出具有多个状态，其中各个MEMS单元具有第一状态和第二状态，和其中从第一状态向第二状态的转换受打开电压的影响，以及从第二状态向第一状态的转换受关闭电压的影响，和
阵列包括用于被施加至所有MEMS单元的信号控制电压的输入，从而通过改变信号控制电压来获得阵列的各种状态。
2、根据权利要求1的电子设备，其特征在于各个MEMS单元具有特征磁滞曲线，以使打开电压不同于关闭电压，其一个MEMS单元的特征磁滞曲线和对应的打开和关闭电压不同于另一个MEMS单元的特征磁滞曲线和对应的打开和关闭电压。
3、根据权利要求1的设备，其中阵列中的MEMS单元并联连接。
4、根据权利要求1的设备，其中阵列中的MEMS单元数量在2到10的范围内。
5、根据权利要求1的设备，其中用于信号控制电压的输入是晶体管。
6、根据权利要求1的设备，包括多个MEMS单元阵列，各个阵列具有用于信号控制电压的输入。
7、根据权利要求1的设备，其中阵列中的每个MEMS单元具有固定电极和可移动电极，该可移动电极可朝向和背离固定电极移动，分别通过关闭和打开电压的应用，以使在第一状态中固定和可移动电极之间的距离比在第二状态中的小，可移动电极实质上悬浮平行于固定电极并且通过至少一个具有弹性系数的悬臂被锚定至支撑结构上，MEMS单元被配备有用于提供关闭和打开电压的带有激励区域的激励电极。
8、根据权利要求2的设备，其中阵列中的第一和第二MEMS单元具有不同特征磁滞曲线，在其中第一和第二MEMS单元的控制电极的激励区域是不同的和/或悬臂的弹性系数是不同的。
9、根据权利要求7的设备，其中
-至少一个具有介电常数的介电层位于固定电极和可移动电极之间，以使MEMS单元是MEMS电容器，其中电容器第一状态具有第一状态电容量，和
-阵列中的第一和第二MEMS电容器具有不同特征磁滞曲线，在其中第一和第二MEMS电容器的第一状态电容量是不同的。
10、根据权利要求2的设备，其中设计一个MEMS单元与另一个MEMS单元不同的各自宽度的特征磁滞曲线，以使具有较小宽度的磁滞曲线被完全定位在具有下一个较大宽度的磁滞曲线的宽度内。
11、根据权利要求2的设备，其中MEMS单元的特征磁滞曲线在操作表中是围绕公共中心线居中的。
12、用于驱动依据任何前述权利要求的微电子机械系统(MEMS)单元阵列的方法，其中单一控制电压被施加在阵列中的MEMS单元的公共线，电压被改变以获得阵列的各种状态。
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