CN1842884B

CN1842884B - 一种mems开关及其计算机系统

Info

Publication number: CN1842884B
Application number: CN038192861A
Authority: CN
Inventors: Q·马
Original assignee: Intel Corp
Current assignee: Intel Corp
Priority date: 2002-08-14
Filing date: 2003-08-13
Publication date: 2010-12-15
Anticipated expiration: 2023-08-13
Also published as: JP4076536B2; EP1529300B1; DE60317680D1; US6972650B2; CN1842884A; US20050083158A1; TWI307676B; TW200404734A; EP1529300A1; JP2005536029A; US6850133B2; US20040032705A1; WO2004017350A1; AU2003269961A1; MY134267A

Abstract

一种微机电系统(MEMS)开关，包括：信号触点(78)、激励电极(76)和当将电压提供给激励电极时接合信号触点的梁(80)。信号触点包括第一部分和第二部分。激励电极位于信号触点的第一和第二部分之间。

Description

一种MEMS开关及其计算机系统

技术领域

本发明涉及微机电系统(MEMS)，具体地涉及具有改进了的电极排列的MEMS开关。

背景技术

微机电系统(MEMS)是一种微型装置，其利用微型制造技术将机械和电元件(electrical element)集成在公用衬底上。利用公知的集成电路制造技术形成电元件，利用选择性地微型机械加工部分衬底的光刻技术制造机械元件。经常将附加层附加到衬底上，然后对其进行微型机械加工，直到MEMS装置达到所希望的结构为止。MEMS装置包括致动器、传感器、开关、加速度计和调制器。

MEMS开关相对于传统的固态开关如场效应晶体管开关具有固有优点。这些优点包括低插入损耗和极好的隔离性。但是，MEMS开关通常比固态开关要慢得多。该速度限制妨碍了MEMS开关在需要亚微秒级开关的特定技术如无线通信技术中的应用。

一种MEMS开关包括悬挂的连接部件，或者梁，通过激励激励电极而使其发生静电偏斜。偏斜后的梁接合一个或多个电触点，以建立绝缘触点之间的电连接。在一端锚固而在另一端悬在触点上方的梁被称为悬臂梁。在相对的两端都锚固并且悬在一个或多个电触点上方的梁被称为桥形梁。

图1-3说明了一种现有技术中的MEMS开关10，其包括桥形梁12。梁12由结构部分14和挠曲部分16构成。MEMS开关10进一步包括一对激励电极18A、18B和一对信号触点20A、20B，它们都安装到底座22上。

梁12安装到底座22，以使得梁12的挠曲部分16悬在激励电极18A、18B和信号触点20A、20B的上方。只有将电压提供给激励电极18A、18B时信号触点20A、20B才进行电接触。如图2中所示，提供电压给激励电极18A、18B使得梁12的挠曲部分16向下移动，直到挠曲部分16上的隆起21接合信号触点20A、20B以便电连接信号触点20A、20B。在其它类型的MEMS开关中，信号触点20A、20B始终进行电连接，使得当梁12接合信号触点20A、20B时梁12起旁路的作用。

与MEMS开关10有关的一个缺点是，在梁12上的隆起21和形成信号触点20A、20B的焊盘之间存在非常大的电阻。隆起21和信号触点20A、20B之间这个相当大的电阻导致在MEMS开关10中产生过多的插入损耗。

图4和5说明了另一种现有技术中的MEMS开关30，其包括桥形梁32。MEMS开关30与图1中的MEMS开关10相似的是，MEMS开关30还包括由结构部分34和挠曲部分36构成的梁32。类似地，MEMS开关30包括一对激励电极38A、38B和一对信号触点40A、40B，它们都安装到底座42上。梁32的挠曲部分36悬在激励电极38A、38B和信号触点40A、40B的上方，使得当将电压提供给激励电极38A、38B时，挠曲部分36上的多个隆起41向下移动以接合信号触点40A、40B。

MEMS开关30试图通过利用梁32上更多的隆起41来克服与MEMS开关10有关的电阻问题。附加额外的隆起的缺点是，实际上只有少数几个隆起41与信号触点20A、20B建立了很好的电接触。剩下的隆起与信号触点20A、20B的电接触情况很差，或者甚至都不接合信号触点20A、20B。因此，MEMS开关30仍具有相当大的插入损耗。

图6和7说明了一种更新的现有技术中的MEMS开关50，其包括桥形梁52。MEMS开关50与图1-4中的MEMS开关10、30相似的是，MEMS开关50也包括由结构部分54和挠曲部分56构成的梁52。MEMS开关50包括位于底座66的表面61下方的激励电极58。激励电极58在都安装到底座66上的一对信号触点60A、60B的下方延伸。信号触点60A、60B包括从各自的主体63延伸出来的突出部分62。梁52的挠曲部分56悬在突出部分62的上方，使得当激励电极58提供电压时，挠曲部分56上的多个隆起65向下移动，以接合突出部分62。

当将电压提供给激励电极58时，通过将激励电极58设置在突出部分62的下面而用拉力包围住了每个隆起65。在每个信号触点60A、60B上的突出部分62之间的空间进一步增强了由激励电极58产生的力的包围效果。

在MEMS开关50的工作过程中，包围每个隆起65的拉力有利于每个隆起65和信号触点60A、60B之间的接触。在隆起65和信号触点60A、60B之间的改进了的接触将MEMS开关50中的插入损耗最小化。

与MEMS开关50有关的一个缺点是，与其它的MEMS开关相比，在激励电极58和梁52之间具有更大的距离。在激励电极58和梁52之间的增大了的距离需要提供给激励电极58大得多的激励电压，以操作梁52。增大了的激励电压是人们所不希望有的，这是因为需要更多的设备和/或功率来操作MEMS开关50。当将MEMS开关用在由电池进行供电的便携式电子装置中时，必须要附加的装置和功率是特别麻烦的。

发明内容

本发明提供一种MEMS开关，包括：信号触点，所述信号触点包括输入触点、输出触点以及将所述输入触点和所述输出触点电连接的片段；位于所述片段之间的激励电极；和当将电压提供给激励电极时接合信号触点的梁，其中所述片段至少部分位于梁下方。

本发明还提供一种计算机系统，包括：总线；耦合到总线的存储器；耦合到总线的控制器，所述控制器为键盘、鼠标、光标运动球、游戏控制器、麦克风、声音识别装置或将信息输入到所述计算机系统内的其它任何装置中之一；和耦合到总线的电子组件，该电子组件包括具有信号触点的MEMS开关，所述信号触点包括输入触点和输出触点以及将所述输入触点和所述输出触点电连接的片段，所述MEMS开关还包括激励电极和当将电压提供给激励电极时接合信号触点的梁，所述激励电极位于信号触点的所述片段之间，其中所述片段至少部分位于梁下方。

附图说明

图1说明了一种现有技术中的MEMS开关。

图2说明了工作中的图1所示的现有技术的MEMS开关。

图3是一些部分被移走并用阴影示出的图1所示现有技术的MEMS开关的顶视图。

图4说明了另一种现有技术中的MEMS开关。

图5是一些部分被移走并用阴影示出的图4所示现有技术的MEMS开关的顶视图。

图6说明了另一种现有技术中的MEMS开关。

图7是一些部分被移走并用阴影示出的图6所示现有技术的MEMS开关的顶视图。

图8说明了一种MEMS开关。

图9是一些部分被移走并用阴影示出的图8所示MEMS开关的顶视图。

图10说明了另一种MEMS开关。

图11是一些部分被移走并用阴影示出的图10所示MEMS开关的顶视图。

图12说明了另一种MEMS开关。

图13是一些部分被移走并用阴影示出的图12所示MEMS开关的顶视图。

图14是包含至少一个MEMS开关的电子系统的方框图。

具体实施方式

在接下来的详细说明中参考了为了说明而示出具体实施例的附图。对这些实施例进行了足够详细地描述，以使得本领域的技术人员能够实践本发明的这些实施例。可以应用其他的实施例，和/或用其他的实施例对所说明的实施例做出改变。

图8和9示出了MEMS开关70。MEMS开关70包括具有上表面74的衬底72。衬底72可以是芯片的一部分，或者是其它任何电子装置。激励电极76和信号触点78形成在衬底72的上表面74上。激励电极76和信号触点78经由衬底72中的导电轨迹或者通过其它传统装置与其它电子元件进行电连接。

开关70进一步包括桥形梁80，桥形梁80具有被结构部分84支撑在两个末端的挠曲部分82。应注意，在可供选择的实施例中，梁80以悬臂方式悬在衬底72上方。梁80悬在激励电极76上方，从而在激励电极76和梁80之间具有一缝隙77。缝隙77所具有的尺寸使得激励电极76与梁80进行静电联系。

梁80悬在信号触点78的至少一部分的上方，以使得缝隙77也处于梁80和信号触点78之间。在一个实施例中，缝隙77在任何地方都是从0.5到2微米。

MEMS开关70通过提供给激励电极76的电压来进行操作。该电压在激励电极76和梁80之间产生吸引静电力，该力使梁80朝激励电极76偏斜。梁80朝衬底72移动直到梁80上的隆起81接合信号触点78为止，以在梁80和信号触点78之间建立电连接。在某些实施例中，梁80直接接合信号触点78。

激励电极76位于信号触点78的至少两个部分之间，以使得通过激励电极76产生的吸引力包围每个隆起81周围的更多的面积。在某些实施例中，激励电极76位于信号触点78的第一部分和第二部分之间。用通过激励电极76产生的吸引力包围每个隆起81周围的更多的面积有利于在开关70工作期间使每个隆起81都与信号触点78接合。此外，激励电极76和梁80之间的缝隙77相对较小，使得只需要相对较低的激励电压来操作开关70。

在图8和9中所说明的示例性实施例中，信号触点78包括输入触点85A和输出触点85B。每个输入和输出触点85A、85B都包括主体86，主体86具有从各自的主体86延伸出的突出部分87。突出部分87位于梁80下方，与隆起81对准。

激励电极76包括外焊盘90，外焊盘90在信号触点78的两侧、位于梁80的下方。外焊盘90通过内焊盘91连接在一起，内焊盘91在输入和输出触点85A、85B上的突出部分87之间延伸。

虽然所示的输入和输出触点85A、85B具有三个从每个主体86延伸出的突出部分87，但可以有任意多个突出部分从主体86延伸出来。此外，在某些实施例中，突出部分可以只从一个主体86延伸出来。

图10和11说明了另一种MEMS开关100。MEMS开关100包括梁110，其与上述的梁80相似。信号触点102安装到衬底104的上表面103上。该信号触点包括输入触点106和输出触点108。输入和输出触点106、108通过至少部分位于梁110下方的片段107连接在一起。

梁110通过激励电极112发生静电偏斜，以使得梁110上的隆起113接合信号触点102上的片段107，以建立梁110和信号触点102之间的电连接。当梁110与信号触点102接合时，梁110作为经过信号触点102的任意电信号的旁路。激励电极112包括内焊盘114B和外焊盘114A，每个内焊盘114B都位于信号触点102上的一对片段107之间，外焊盘114A位于片段107外侧。在其它的示例性实施例中，信号触点102包括两个片段，激励电极112包括在这两个片段之间的信号焊盘。

内和外焊盘114A、114B通过位于衬底104的上表面103下方的连接焊盘115电耦合在一起。连接焊盘115在内和外焊盘114A、114B和片段107下方延伸。通孔116将连接焊盘115电耦合到内和外焊盘114A、114B。由于连接焊盘115也位于梁110下方，所以连接焊盘115在MEMS开关100的工作期间补充由内和外焊盘114A、114B所提供的驱动力。

图12和13说明了另一种MEMS开关130。MEMS开关130包括梁140，其与上述梁80、110相似。信号触点132安装到衬底134的上表面133上。信号触点132包括输入触点136和输出触点138。输入和输出触点136、138通过至少部分位于梁110下方的片段137连接在一起。

梁140通过激励电极142进行静电偏斜，以使得梁140直接接合信号触点132，以建立梁140和信号触点132之间的电连接。激励电极142包括位于片段137外侧的外焊盘144A，以及每个都位于信号触点132上唯一的一对片段137之间的内焊盘144B。

内和外焊盘144A、144B通过连接焊盘145电耦合在一起，连接焊盘145位于衬底134的上表面133下方。内焊盘144B只有一部分位于片段137之间，这是因为片段137在焊盘144A、144B平面的上方被稍微地升高了。由于信号触点132内的片段137稍微高于构成激励电极142的焊盘144A、144B，所以不需要在梁140上形成隆起。

可以通过电介质层149覆盖住输入和输出触点136、138以及内和外焊盘144A、144B。当MEMS开关130作为高频容性旁路开关时附加电介质层149是特别有效的。在其它示例性实施例中，电介质层149可以只覆盖住信号触点132和/或激励电极142的一部分。

在任何实施例中，任何激励电极的高度都可以小于任何信号触点的高度，以使得当梁偏斜时该梁不会接合激励电极。激励电极和信号触点可以被设置成垂直于梁的纵向轴，平行于梁的纵向轴，或者具有便于进行有效开关的任何结构。梁也可以具有任何形状，只要该形状适合于特定应用即可。

MEMS开关提供了高效率、低插入损耗以及极好的隔离性。上述MEMS开关或可替换物中的任意一种都非常理想，这是因为它们都容易集成到衬底上，该衬底可以是另一种装置如滤波器或CMOS芯片的一部分。该高度集成的MEMS开关减小了功率损耗、寄生效应、尺寸和成本。

图14是电子系统150的方框图，该电子系统150包含至少一个MEMS开关151，如图7-13中所说明的MEMS开关70、100、130。电子系统150可以是计算机系统，其包括系统总线152，以电连接电子系统150的各种元件。系统总线152可以是单独的总线或者任何总线的组合。

MEMS开关151可以是被耦合到系统152的电子组件153的一部分。在一个实施例中，电子组件153包括可以是任何类型的处理器156。如本文中所用到的，处理器意味着任意一种电路，例如，但并不限于，微处理器、微控制器、图形处理器或数字信号处理器。

可以包括在电子组件153中的其他类型的电路是用于无线电装置如移动电话、寻呼机、便携式计算机、双向无线电装置和类似电子系统中的常规电路或专用集成电路，如通信电路。

电子系统150也可以包括外部存储器160，外部存储器160可依次包括一个或多个适用于特定应用的存储元件，如随机存取存储器(RAM)形式的主存储器162，一个或多个硬盘驱动器164，和/或处理可移动媒体166，如软盘、致密光盘(CD)和数字化视频光盘(DVD)的一个或多个驱动器。

电子系统150还可以包括显示装置168、扬声器169和控制器170，该控制器例如键盘、鼠标、光标运动球、游戏控制器、麦克风、声音识别装置或将信息输入到电子系统150内的其它任何装置。

可以用多种不同的形式来实现MEMS开关151，包括电子仪器组件、电子系统、计算机系统、构造电子仪器组件的一种或多种方法以及构造包括插件的电子组件的一种或多种方法。

图7-13仅是代表性的，不必按比例制图。其中的某些部分可能被放大，而其他部分可能被缩小。

Claims

1.一种MEMS开关，包括：

信号触点，包括输入触点、输出触点以及将所述输入触点和所述输出触点电连接的片段；

位于所述片段之间的激励电极；和

当将电压提供给所述激励电极时接合所述信号触点的梁，

其中所述片段至少部分位于所述梁下方。

2.如权利要求1的MEMS开关，其中所述梁是桥形梁。

3.如权利要求1的MEMS开关，其中所述输入触点通过所述片段电连接到所述输出触点，且所述激励电极包括内焊盘与外焊盘，其中所述外焊盘位于所述片段外侧，而所述内焊盘各自位于所述信号触点上的一对片段之间。

4.如权利要求1的MEMS开关，其中所述激励电极包括位于所述信号触点的两个片段之间且所述梁下方的内焊盘，以及位于所述信号触点的两个片段外侧所述梁下方的至少一个外焊盘。

5.如权利要求4的MEMS开关，其中所述内焊盘电连接到每个外焊盘。

6.如权利要求5的MEMS开关，还包括衬底，使得所述信号触点位于所述衬底的表面上。

7.如权利要求6的MEMS开关，其中所述内焊盘和所述至少一个外焊盘通过位于所述衬底表面下方的连接焊盘电耦合。

8.如权利要求7的MEMS开关，其中所述内焊盘和所述至少一个外焊盘通过通孔电耦合到所述连接焊盘。

9.一种计算机系统，包括：

总线；

耦合到所述总线的存储器；

耦合到所述总线的控制器，其中所述控制器为键盘、鼠标、光标运动球、游戏控制器、麦克风、声音识别装置或将信息输入到所述计算机系统内的其它任何装置中之一；和

耦合到所述总线的电子组件，所述电子组件包括具有信号触点的MEMS开关，所述信号触点包括输入触点和输出触点以及将所述输入触点和所述输出触点电连接的片段，所述MEMS开关还包括激励电极和当将电压提供给所述激励电极时接合所述信号触点的梁，所述激励电极位于所述信号触点的所述片段之间，

其中所述片段至少部分位于所述梁下方。

10.如权利要求9的计算机系统，其中所述梁是桥形梁。

11.如权利要求9的计算机系统，其中所述输入触点通过所述片段电连接到所述输出触点，且所述激励电极包括内焊盘和外焊盘，其中所述外焊盘位于所述片段外侧，而所述内焊盘各自位于所述信号触点的一对片段之间。

12.如权利要求9的计算机系统，其中所述激励电极包括位于所述信号触点的两个片段之间且所述梁下方的内焊盘，以及位于所述信号触点的两个片段外侧所述梁下方的至少一个外焊盘。

13.如权利要求12的计算机系统，其中所述内焊盘电连接到每个外焊盘。

14.如权利要求13的计算机系统，还包括衬底，使得所述信号触点位于所述衬底的表面上。

15.如权利要求14的计算机系统，其中所述内焊盘和所述至少一个外焊盘通过位于所述衬底表面下方的连接焊盘电耦合。

16.如权利要求15的计算机系统，其中所述内焊盘和所述至少一个外焊盘通过通孔电耦合到所述连接焊盘。