CN1961397A - 用于防止微机电开关中的自启动的机制 - Google Patents

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Abstract

根据一个实施例，公开了一种微机电(MEMS)开关。所述MEMS开关包括衬底、安装在所述衬底上的底电极、安装在所述底电极上的顶电极、安装在所述衬底上的启动电极以及耦合到所述启动电极的电阻器。只要所述开关被开启，所述电阻器就防止所述启动电极上的自启动。

Description

用于防止微机电开关中的自启动的机制
技术领域
本发明一般涉及微机电系统(MEMS)，并且，本发明尤其涉及MEMS开关。
背景技术
微机电系统(MEMS)装置具有广泛的应用，并且在商业产品中很普遍。一类MEMS装置是MEMS射频(RF)开关。典型的MEMS RF开关包括以RF开关阵列排列的一个或多个MEMS开关。由于MEMSRF开关的低功率特性和在射频范围内工作的能力，对于无线装置而言，MEMS RF开关是理想的。MEMS RF开关显示出它们在蜂窝电话、无线计算机网络、通信系统、以及雷达系统中有应用前途。在无线装置中，MEMS RF开关能被用作天线开关、模式开关、以及发射/接收开关。
然而，MEMS RF开关经常出现问题。MEMS开关通常会遭受由于高电压RF信号而导致所述开关内的启动电极可以在“关”状态下启动(自启动)的问题。因此，高电压RF信号产生足够的静电力来减弱开关波束并引起故障。
由于电容耦合，MEMS开关还可能遭遇通过启动电极/电容器到地的额外的插入损耗(IL)，其大大地降低了所述装置的RF性能(例如，从0.3dB到＞1dB)。
附图说明
通过以下给出的详细描述和本发明各种实施例的附图，将会更加充分地理解本发明。然而，附图不应被看作把本发明限制到特定的实施例，而仅是用于解释和理解。
图1例示了无线通信系统的一个实施例；
图2例示了RF MEMS开关的一个实施例；
图3是例示了作为电阻值的函数的电压降的一个实施例的示图；
图4例示了RF MEMS开关的另一个实施例；
图5是例示了作为电阻值的函数的通过启动电极的插入损耗的一个实施例的示图；
图6是例示了由于电阻器导致的RC时间延迟的一个实施例的示图；和
图7例示了具有集成的启动电阻器的MEMS开关的顶视图的一个实施例。
具体实施方式
描述了一种用于防止MEMS开关中的自启动的机构。在说明书中提及的“一个实施例”或“实施例”意味着结合所述实施例描述的特定特征、结构、或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。在说明书不同位置中的短语“在一个实施例中”的出现不必都涉及同一实施例。
在下面的描述中，阐述许多细节。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，在没有这些具体细节的情况下也可以实践本发明。在其他情况下，为了避免混淆本发明，以方框图形式而不是详细地示出公知的结构和装置。
图1是无线通信系统100的一个实施例的方框图。系统100包括用于发射和接收信号的天线110。系统100还包括电压源控制器120、接收机130、发射机140、以及电耦合到天线110的MEMS开关150。
电压源控制器120电连接到MEMS开关150。在一个实施例中，电压源控制器120包括用于为MEMS开关150内的启动电极(没有被示出)选择性地供给电压以选择性地启动开关150的逻辑电路。接收机130处理经由天线110在系统100上接收的信号。发射机140产生将要从系统100发射的信号。
在工作期间，系统100接收和发射无线信号。这是通过下述来实现的，即电压源控制器120选择性地启动MEMS开关150，以便开关150耦合到接收机130，从而所接收的信号能被从天线110发射给接收机130来进行处理，以及开关150耦合到发射机140，从而由发射机140产生的发射信号能够被传递到天线110来进行发射。
图2例示了RF MEMS开关150的一个实施例，其中，开关150处于“关”状态。开关150包括衬底/电介质205，成层在衬底205上的底电极210，以及安装在底电极210上的顶电极215和220。电极215和220携带从开关150接收或发射的高电压RF信号(“Vs”)。具体地，电极220是50Ω传输线，用于只要接触区225闭合就发射信号。
还包括启动电极230。启动电极230被安装在衬底205上，并在变成充电(或启动)时允许信号从电极215传递到电极220。当开关150处于“关”状态时，高电压RF信号能直接把它的电压Vs加到耦合到启动电极230的电容器(Ca)(例如，启动电容器)上，以及在接触区225中的电容器(Cb)(例如，接触电容器)上。
尽管RF信号处于高频，但是该信号的RMS值可以提供足够的DC力来向下移动顶电极215，使得在启动电极230引起自启动。接触区225被最小化以减少Cb，从而即使具有高电压，在接触区也不会产生足够的力。
根据一个实施例，当启动为“关”时，电阻器(Ra)耦合在启动电极230和地之间。所述电阻器消除了用于启动电极230上的自启动的电势。在一个实施例中，所述电阻器具有足够高的电阻(例如，20kΩ)，使得所述电阻器中的阻抗远大于与RF信号对应的电容器Ca的阻抗。因此，在电容器Ca之间存在最小RF电压降。由于Ra的高阻抗，大部分电压降将会被转移到Ra上。因此，因为在启动电极230上存在少许或没有高电压，所以开关150的自启动将不会发生，或至少是很少可能发生。
图3是例示对于2GHz RF信号、并且峰值Vs＝33.6V，作为电阻器Ra值的函数的在电容器Ca和Cb上的电压降的一个实施例的示图。对于启动电容器Ca，电容在皮法(pF＝1e-12F)范围内。如果只使用50欧姆的负载电阻，则在电容器Ca上看到高电压降(～20V)。当负载电阻是20kΩ～60kΩ时，在电容器Ca上的电压大大地减少(＜＜1V)。
这个结果表明合适的启动电阻器Ra能有效地消除由于高电压RF信号引起的自启动。值得注意的是，在接触区的电容器Cb上同样可以预期到所述高RF电压。然而，如上所讨论，可以通过减少重叠面积以获得低静电力来克服在这种情况下的自启动。
图4例示了RF MEMS开关150的一个实施例，其中，开关150处于“开”状态。在RF信号和DC地之间的高阻抗最小化了信号耦合/损失。在没有电阻器的情况下，RF信号将会完全通过接触区。然而，由于启动电极Ca’在高频时的低阻抗，RF信号可以通过启动电极Ca’很容易地发射到地。由于加入更多的RF插入损耗，该电容器耦合引起部分RF信号损失并降低了装置的RF性能(例如，较少的信号通过接触区)。这种通过启动电极的插入损耗量取决于闭合的开关(或并联的多个开关)的总电容量。当并联使用几个开关时，该损失高达几个dB，导致了高Ca’(总Ca’＞1pF)。
图5是例示了作为电阻值Ra的函数的通过启动电极230的插入损耗的一个实施例的示图。如图5所示，当具有低启动电阻(例如，＜100Ω)时，插入损耗非常高。可以预料的是，Ca’越高，插入损耗越大。当电阻在20kΩ或更高的范围内时，该插入损耗大大地减少(＜0.02dB)。因此，当足够高的电阻被加入到启动电极230时，插入损耗被最小化了。
图6是例示了与电阻器Ra相关联的RC时间延迟的一个实施例的示图。典型地，MEMS开关的机械响应(例如，切换速度)在10us范围内。因此，来自所述电阻器的启动信号时间延迟将要远小于物理切换速度(例如，0.5us)。当总启动电容Ca’为6pF时，为了快速启动，启动电阻器将会是70kΩ或更低。然而，为了将自启动和动作插入损耗最小化，启动电阻器的电阻将会是20kΩ或更高。因此，最佳的启动电阻在20kΩ-70kΩ的范围内。
图7例示了具有集成启动电阻器的MEMS开关150的顶视图的一个实施例。根据一个实施例，通过使用多晶硅驱动电极将启动电阻器750与电极230集成在一起。在这个实施例中，由具有高掺杂剂的多晶硅构成所述驱动电极，以对启动电荷分布实现良好的传导。
此外，同一个多晶硅层的特定区域可以以低注入剂量进行掺杂来实现如图7所示的足够的电阻。在其他实施例中，可以实现不同的集成方法。例如，可以由任何金属代替高传导的多晶硅电极，并可以由任何其他电阻器代替聚乙烯电阻器。
鉴于在阅读了上述描述后，对本领域的普通技术人员而言，本发明的许多改变和修改无疑将是显而易见的，因此应该理解的是，作为举例说明所示出和描述的任何特定的实施例决不能被认为是限制性的。因此，对各个实施例细节的引用不是意在限制权利要求的范围，所述权利要求本身仅记载了被认为是本发明的那些特征。

Claims (18)

1、一种微机电(MEMS)开关，包括：
衬底；
底电极，其安装在所述衬底上；
顶电极，其安装在所述底电极上；
启动电极，其安装在所述衬底上；以及
电阻器，其耦合到所述启动电极，用于防止所述启动电极上的自启动。
2、如权利要求1所述的开关，还包括耦合到所述启动电极的电容器，其中，所述电阻器的阻抗大于所述电容器的阻抗。
3、如权利要求2所述的开关，其中，所述电阻器的阻抗的范围在20kΩ与70kΩ之间。
4、如权利要求2所述的开关，其中，只要所述开关闭合，所述电阻器就防止通过所述启动电极的插入损耗。
5、如权利要求1所述的开关，其中，所述电阻器经由多晶硅驱动电极与所述启动电极集成在一起。
6、如权利要求5所述的开关，其中，所述驱动电极由较高掺杂剂的多晶硅构成，以实现对启动电荷分布的充分传导。
7、一种无线通信系统，包括：
接收机，用于接收高电压RF信号；
发射机，用于发射所述高电压RF信号；以及
微机电(MEMS)开关，其耦合到所述接收机和所述发射机，其具有：
启动电极；以及
电阻器，其耦合到所述启动电极，用于只要所述开关开启，就防止所述启动电极上由于所述高电压RF信号引起的自启动。
8、如权利要求7所述的系统，其中，所述MEMS开关还包括耦合到所述启动电极的电容器，其中，所述电阻器的阻抗大于所述电容器的阻抗。
9、如权利要求7所述的系统，其中，只要所述开关闭合，所述电阻器就防止通过所述启动电极的插入损耗。
10、如权利要求7所述的系统，还包括耦合到所述MEMS开关的电压源控制器。
11、一种方法，包括：
在微机电(MEMS)开关的衬底上安装启动电极；并且
将所述启动电极与多晶硅驱动电极集成在一起，以形成耦合到所述启动电极的电阻器，所述电阻器用于防止所述启动电极上的自启动。
12、如权利要求11所述的方法，还包括：
在所述衬底上安装底电极；并且
在所述底电极上安装顶电极。
13、一种无线通信系统，包括：
接收机，用于接收高电压RF信号；
发射机，用于发射所述高电压RF信号；
微机电(MEMS)开关，其耦合到所述接收机和所述发射机，其具有：
启动电极；以及
电阻器，其耦合到所述启动电极，用于只要所述开关开启，就防止所述启动电极上由于所述高电压RF信号引起的自启动；以及
全向天线，其耦合到所述MEMS开关。
14、如权利要求13所述的系统，其中，所述MEMS开关还包括耦合到所述启动电极的电容器。
15、如权利要求14所述的系统，其中，所述电阻器的阻抗大于所述电容器的阻抗。
16、如权利要求14所述的系统，其中，所述电阻器的阻抗的范围在20kΩ与70kΩ之间。
17、如权利要求13所述的系统，其中，只要所述开关闭合，所述电阻器就防止通过所述启动电极的插入损耗。
18、如权利要求13所述的系统，还包括耦合到所述MEMS开关的电压源控制器。
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