DE102018116914B4

DE102018116914B4 - Elektromagnetisch betätigter mikroelektromechanischer schalter und verfahren zum steuern eines mems-schalters

Info

Publication number: DE102018116914B4
Application number: DE102018116914.0A
Authority: DE
Inventors: Check F. Lee; Sean Brennan
Original assignee: Analog Devices International ULC
Current assignee: Analog Devices International ULC
Priority date: 2017-07-17
Filing date: 2018-07-12
Publication date: 2024-04-25
Anticipated expiration: 2038-07-13
Also published as: CN109273326B; US20190019644A1; CN109273326A; US10825628B2; JP2019021631A; DE102018116914A1; JP6703046B2

Abstract

MEMS-Schalter (100) (MEMS - mikroelektromechanisches System), aufweisend:einen Balken (9);eine unter dem Balken (9) liegende Spule (17), die zum Induzieren eines Stroms in dem Balken (9) ausgebildet ist; undeine unter dem Balken (9) liegende Gate-Elektrode (15), wobei die Spule (17) die Gate-Elektrode umgibt.

Description

GEBIET
Offenbarte Ausführungsformen betreffen Schalter für mikroelektromechanische Systeme (MEMS).
HINTERGRUND
Schalter werden dazu verwendet, Verbindungen in elektrischen Schaltungen herzustellen oder zu unterbrechen. Ein typischer MEMS-Schalter weist einen freitragenden Balken, der mit einer Signalquelle gekoppelt ist, auf. Das freie Ende des Balkens wird zum Öffnen und Schließen des Schalters betätigt. Wenn der Schalter geschlossen ist, passiert das Signal von der Signalquelle durch den Balken, und wenn der Schalter geöffnet ist, ist der Signalpfad unterbrochen. In der Regel weist der Schalter einen geöffneten Standardzustand auf, wenn keine Kraft an den freitragenden Balken angelegt ist. Zum Schließen des Schalters wird eine elektrostatische Kraft angelegt.
DE 601 20 167 T2 betrifft eine optische Schaltvorrichtung und ein Verfahren zum Betrieb der optischen Schaltvorrichtung.
EP 1 876 614 A2 betrifft eine Vorrichtung zur Steuerung des elektrischen Stromflusses und ein elektrisches Kontaktmaterial.
KURZFASSUNG
Ein mikroelektromechanischer Schalter verwendet elektrostatische Anziehung, um einen Balken zu einem Kontakt anzuziehen, und elektromagnetische Abstoßung, um den Balken aus dem Kontakt auszurücken und davon abzustoßen. Die elektrostatische Anziehung wird durch eine Gate-Elektrode erzeugt. Die elektromagnetische Abstoßung wird zwischen dem Balken und einer auf der gleichen Seite des Balkens wie der Kontakt positionierten Magnetspule erzeugt. Die Magnetspule erzeugt ein magnetisches Feld, das einen Strom in dem Balken induziert, der die Magnetspule abstößt. Die Gate-Elektrode und die Magnetspule können koplanar sein oder sich in verschiedenen Ebenen befinden. Eine Schaltung kann auch eine spulenförmige Struktur betreiben, die in Abhängigkeit von der Konfiguration als die Gate-Elektrode und die Magnetspule wirkt.
Gemäß der Erfindung wird ein MEMS-Schalter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 bereitgestellt.
Bei einer anderen Ausführungsformen weist ein MEMS-Schalter einen Balken und eine unter dem Balken liegende Spule auf, wobei die Spule zum Induzieren eines Stroms in dem Balken ausgebildet ist.
Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zum Steuern eines MEMS-Schalters mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12 bereitgestellt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es werden unter Bezugnahme auf die folgenden Figuren verschiedene Aspekte und Ausführungsformen der Anmeldung beschrieben. Es sollte auf der Hand liegen, dass die Figuren nicht zwangsweise maßgeblich gezeichnet sind. In mehreren Figuren erscheinende Objekte werden in allen Figuren, in denen sie erscheinen, mit der gleichen Bezugszahl bezeichnet.

1A ist eine Ansicht eines MEMS-Schalters (MEMS - mikroelektromechanisches System) in einem geöffneten Zustand von der linken Seite gemäß einer Ausführungsform;
1B ist eine Ansicht des MEMS-Schalters von 1A in einem geschlossenen Zustand von der linken Seite;
2 ist ein Ablaufdiagramm des MEMS-Schalters von 1A gemäß einer nicht einschränkenden Ausführungsform;
3 ist eine schematische Schaltungsdarstellung der Spule und des Balkens des MEMS-Schalters von 1A;
4A ist eine perspektivische Seitenansicht eines MEMS-Schalters, bei dem eine Spule über einer Gate-Elektrode positioniert ist, von links oben gemäß einer anderen Ausführungsform;
4B ist eine perspektivische Seitenansicht eines MEMS-Schalters, bei dem mehrere Spulen neben einer Gate-Elektrode positioniert sind, von links oben gemäß einer anderen Ausführungsformen;
5A-5C veranschaulichen alternative Konfigurationen der Spule und des Gates eines MEMS-Schalters gemäß alternativen nicht einschränkenden Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung;
6 ist eine perspektivische Seitenansicht eines MEMS-Schalters von links oben gemäß einer anderen Ausführungsform;
7 ist ein Schaltschema der Spulen- und Gate-Konfiguration des MEMS-Schalters von 6;
8A ist ein Schaltschema der Spulen- und Gate-Konfiguration des MEMS-Schalters von 6 zum Zeitpunkt t = 0; und
8B ist ein Schaltbild der Spulen- und Gate-Konfiguration des MEMS-Schalters von 6 zum Zeitpunkt t > 0.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Aspekte der vorliegenden Anmeldung stellen MEMS-Schalter (MEMS - mikroelektromechanisches System) bereit, die zumindest teilweise unter Verwendung einer elektromagnetischen Kraft betätigt werden. Zum Beispiel kann der Schalter unabhängig von der Art und Weise, auf die der Schalter geschlossen wird, unter Verwendung einer elektromagnetischen Kraft geöffnet werden. Die Erfinder haben erkannt, dass MEMS-Schalter, die einen freitragenden Balken aufweisen, der allein mit einer elektrostatischen Kraft betätigt wird, - wobei der Schalter durch Anlegen der elektrostatischen Kraft geschlossen wird und durch Entfernen der elektrostatischen Kraft geöffnet wird - mit verschiedenen Nachteilen behaftet sein können. Zum einen kann das freie Ende des Balkens trotz Entfernens der elektrostatischen Kraft in einem Versuch, den Schalter zu öffnen, aufgrund von Haftreibung mit dem darunterliegenden elektrischen Kontakt in Kontakt bleiben, so dass der Schalter in einem geschlossenen Zustand bleibt. Ferner können die freitragenden Balken erweichen, wenn sie über längere Zeiträume in einer gekrümmten Position gehalten werden. MEMS-Schalter, die durch Entfernen einer elektrostatischen Kraft geöffnet werden, stützen sich auf ein federartiges Wiederherstellungsverhalten des freitragenden Balkens, um den Balken in einen nicht verformbaren Zustand zurückzubringen, wodurch der Schalter geöffnet wird. Ein Erweichen des Balkenmaterials infolge des Haltens des Schalters in einem geschlossenen, verformten (oder gekrümmten) Zustand für längere Zeiträume kann sich negativ auf das Vermögen des Balkens, in seinen nicht gekrümmten Zustand zurückzukehren, auswirken, ein Phänomen, das manchmal als Kriechkraft bezeichnet wird. Somit öffnet sich der Schalter möglicherweise nicht ordnungsgemäß.
Angesichts des Obigen, stellen Aspekte der vorliegenden Anmeldung MEMS-Schalter bereit, die unter Verwendung von elektromagnetischer Kraft zum selektiven Abstoßen eines freitragenden Balkens von dem Kontaktpad betrieben werden. Durch Platzieren einer elektromagnetischen Spule unter den Balken kann eine elektromagnetische Kraft erzeugt und zum selektiven Betätigen eines Balkens verwendet werden, selbst wenn er an dem Kontakt hängenbleibt oder sich der Balken verformt hat. Dies gewährleistet, dass ein Schalter, nachdem er sich über einen längeren Zeitraum in einem geschlossenen Zustand befunden hat, abgeschaltet werden kann.
Die Verwendung einer elektromagnetischen Kraft zum Betätigen eines MEMS-Schalters kann mit anderen Betätigungstechniken kombiniert werden. Zum Beispiel können elektrostatische Techniken mit den elektromagnetischen Techniken kombiniert werden. Als ein Beispiel kann ein MEMS-Schalter unter Verwendung einer elektrostatischen Kraft geschlossen und in einem geschlossenen Zustand gehalten werden und kann dann durch Entfernen der elektrostatischen Kraft und Anlegen einer elektromagnetischen Abstoßungskraft geöffnet werden. Somit kann die Aktivierung und Deaktivierung des Schalters durch getrennte (oder „verschiedene“) Mechanismen erreicht werden. Es sind auch andere Betriebsszenarien möglich.
Aspekte der vorliegenden Anmeldung stellen einen MEMS-Schalter mit einer unter dem freien Ende eines freitragenden mikrobearbeiteten Balkens liegenden Betätigungsstruktur bereit, wobei die Betätigungsstruktur als eine Spule geformt ist und sowohl als eine elektromagnetische Spule als auch eine elektrische Platte betreibbar ist. Die Spulenstruktur kann mit einer elektrischen Schaltung gekoppelt sein, die, wenn sie in einem Zustand ausgebildet ist, die Spule als eine elektromagnetische Spule zum Erzeugen einer elektromagnetischen Kraft betreibt. Wenn sie in einem anderen Zustand ausgebildet ist, kann die elektrische Schaltung die Spule als eine leitende Platte zur Erzeugung einer elektrostatischen Kraft betreiben. Somit kann in einem MEMS-Schalter gemäß einigen Aspekten der vorliegenden Anmeldung eine kombinierte elektromagnetische/elektrostatische Betätigungsstruktur bereitgestellt werden.
Es sollte auf der Hand liegen, dass einige Ausführungsformen in der vorliegenden Beschreibung zwar MEMS-Schalter mit freitragendem Balken betreffen, die Offenbarung aber nicht darauf beschränkt ist und verschiedene andere MEMS-Schalterkonfigurationen einen oder mehrere der hier beschriebenen Aspekte, wie zum Beispiel die Verwendung von elektromagnetischer Abstoßung zum selektiven Betätigen des MEMS-Schalters, verwenden können. Somit können MEMS-Schalter mit freitragendem Balken, Wipp-MEMS-Schalter oder andere MEMS-Schalter eingesetzt werden.
1A zeigt ein nicht einschränkendes Beispiel für einen MEMS-Schalter mit freitragendem Balken, der eine elektromagnetische Spule zum Erzeugen einer Abstoßungskraft zum Öffnen des Schalters aufweist. Der MEMS-Schalter 100 wird in 1A in einem geöffneten Zustand gezeigt. Der geöffnete Betriebszustand kann einen „AUS“-Zustand des Schalters darstellen, obgleich auf der Hand liegen sollte, dass diese Terminologie nicht einschränkend ist.
Der MEMS-Schalter 100 weist einen freitragenden Balken 9 auf, der durch einen Anker 7 an einem Substrat 11 angebracht ist. Der freitragende Balken 9 weist ein freies Ende 8 auf, das durch einen Spalt G von dem darunterliegenden Substrat getrennt ist. Ein elektrischer Kontakt 25 ist auf einer Unterseite des zu dem Substrat 11 weisenden Balkens 9 an dem freien Ende 8 des freitragenden Balkens angeordnet. Ein elektrischer Kontakt 13, eine Gate-Elektrode 15 und eine Spule 17 sind unter dem Balken 9 auf dem Substrat 11 angebracht (oder darauf hergestellt). Es wird auch eine HF-Signalquelle (HF - Hochfrequenz) 27 bereitgestellt, die auf irgendeine geeignete Weise zur Bereitstellung eines HF-Signals, wie weiter unten beschrieben, mit dem freitragenden Balken 9 gekoppelt sein kann.
Das Substrat 11 kann aus irgendeinem geeigneten Material gebildet sein. Bei einigen Ausführungsformen ist das Substrat 11 aus einem Isoliermaterial wie Glas, Kunststoff oder einem Polymer gebildet. Bei einigen Ausführungsformen kann das Substrat 11 ein Halbleitersubstrat, wie zum Beispiel ein Siliziumsubstrat oder ein SOI-Substrat (SOI - Silizium auf einem Isolator) sein.
Der freitragende Balken 9 kann aus irgendeinem geeigneten Material gebildet sein. Bei einer Ausführungsform ist der Balken 9 aus einem leitenden Material, wie zum Beispiel einem Metall oder einer Metalllegierung, gebildet. Somit kann der Balken 9 selbst bei mindestens einigen Ausführungsformen eine Elektrode darstellen, die das HF-Signal von der HF-Signalquelle 27 leiten kann. Bei einer anderen Ausführungsformen ist der Balken 9 aus einem Isoliermaterial, wie zum Beispiel einem Kunststoff- oder Polymermaterial, gebildet und weist eine daran angebrachte oder darin ausgebildete Elektrode auf. Jegliche solche Elektrode kann eine elektrostatische und/oder elektromagnetische Betätigung des Balkens gestatten, wenn das Balkenmaterial selbst nicht leitend ist. Wie zuvor beschrieben worden ist, kann der freitragende Balken als eine Feder wirken. Das Material des Balkens 9 kann teilweise zur Bereitstellung eines gewünschten federartigen Verhaltens ausgewählt werden. Zum Beispiel kann der Balken 9 eine Federkonstante von zwischen 200-6000 N/m aufweisen.
Der freitragende Balken 9 kann eine beliebige geeignete Form und beliebige geeignete Abmessungen aufweisen. Bei einigen Ausführungsformen weist der freitragende Balken 9 eine gleichförmige Dicke T1 entlang seiner Länge L1 auf. Bei anderen Ausführungsformen kann sich der freitragende Balken 9 an einem Ende verjüngen. Bei einer Ausführungsform weist der Balken 9 eine Länge L1 auf, die (in einer Richtung in die und aus der Seite in 1A) größer als seine Breite ist. Zum Beispiel können die Abmessungen des Balkens so sein, dass die Länge L1 von 100-700 µm beträgt, die Breite von 50-500 µm beträgt und die Dicke T1 von 1-15 µm beträgt, obgleich auch andere Bereiche für jegliche dieser Abmessungen möglich sind.
Der Spalt G kann beliebige geeignete Abmessungen aufweisen. Es sollte auf der Hand liegen, dass der Spalt variabel ist, da er besteht, wenn der Schalter geöffnet ist, aber nicht besteht, wenn der Schalter geschlossen ist. Wenn sich der freitragende Balken in einem neutralen (nicht durchgebogenen) Zustand befindet, kann der Spalt G 0,5 µm, 5 µm, 50 µm, 100 µm, 200 µm, irgendeinen Wert zwischen 0,5 µm und 200 µm betragen oder irgendein anderer geeigneter Abstand sein.
Obgleich 1A ein Beispiel für einen MEMS-Schalter mit einem einzigen freitragenden Balken 9 veranschaulicht, weisen alternative Ausführungsformen mehrere Balken oder „Finger“ auf. Ein Beispiel wird weiter unten in Verbindung mit den 4A-4B beschrieben. Die Anzahl der eingesetzten Balken ist nicht einschränkend, da verschiedene Aspekte der vorliegenden Anmeldung für MEMS-Schalter mit einem oder mehreren Balken gelten.
Der Anker 7 kann aus irgendeinem geeigneten Material gebildet sein. Bei einigen Ausführungsformen weist der Anker 7 das gleiche Material wie das Substrat 11 auf. Bei anderen Ausführungsformen weist der Anker 7 das gleiche Material wie der freitragende Balken 9 auf. Bei noch weiteren Ausführungsformen können der Anker 7, der freitragende Balken 9 und das Substrat 11 aus getrennten Materialien gebildet sein, die durch Mikrobearbeitungstechniken oder andere Mechanismen auf geeignete Weise gekoppelt sind.
Der elektrische Kontakt 25 kann aus einem leitenden Material, wie zum Beispiel einem Metall oder einer Metalllegierung, gebildet sein. Bei einer Ausführungsform besteht der Kontakt 25 aus einer Gold-Chrom-Legierung. Bei einer Ausführungsform ragt der Kontakt 25 von der Oberfläche des Balkens 9 (zum Beispiel als eine auf einer Oberfläche des Balkens 9 ausgebildete Materialschicht) vor, während der Kontakt 25 bei anderen Ausführungsformen mit der Oberfläche des Balkens 9 bündig ist. Bei jenen Ausführungsformen, bei denen der MEMS-Schalter mehrere Balken oder Finger aufweist, können mehrere elektrische Kontakte 25 vorgesehen sein. Zum Beispiel können ein oder mehrere der Balken einen elektrischen Kontakt aufweisen.
Die Gate-Elektrode 15 und die Spule 17 (die hier als Alternative auch als „Spirale“ bezeichnet werden kann) sind leitend und können aus irgendwelchen geeigneten leitenden Materialien gebildet sein. Zum Beispiel können die Gate-Elektrode 15 und die Spule 17 aus Metall, Metalllegierungen oder anderen leitenden Materialien gebildet sein. Geeignete Beispiele umfassen Aluminium, Kupfer, Ruthenium, Polysilizium oder andere Materialien, die üblicherweise für die Verarbeitung von Metalloxidhalbleitern (MOS-Verarbeitung) verwendet werden. Bei einigen Ausführungsformen werden Materialien verwendet, die eine Leitfähigkeit von über 10.000 S/m aufweisen. Bei einigen Ausführungsformen können die Gate-Elektrode 15 und die Spule 17 aus dem gleichen Material gebildet sein, zum Beispiel aus einer gemeinsamen Metallschicht auf dem Substrat 11 gebildet sein. Wie weiter unten beschrieben wird, kann die Spule 17 zur Erzeugung eines elektromagnetischen Felds durch Anlegen eines Stroms daran verwendet werden. Somit kann das Material der Spule 17 zur Bereitstellung eines gewünschten Zeitkonstantenverhaltens ausgewählt werden. Zum Beispiel kann die Spule 17 bei einigen Ausführungsformen so ausgewählt werden, dass sie eine Zeitkonstante in einem Bereich von 0,5 ns - 5 µs, einschließlich jeglichen Werts innerhalb dieses Bereichs, hat.
Die Gate-Elektrode 15 und die Spule 17 können irgendeine geeignete Konfiguration bezüglich einander aufweisen. In dem nicht einschränkenden Beispiel von 1A sind die Gate-Elektrode 15 und Spule 17 verschiedene elektrische Strukturen. Bei alternativen Ausführungsformen, wie zum Beispiel der in 6 gezeigten, kann eine Betätigungsstruktur eingesetzt werden, die eine kombinierte Gate-Elektrode und Spule darstellt. Bei der Ausführungsform von 1A sind die Gate-Elektrode 15 und die Spule 17 koplanar, obgleich auch Alternativen möglich sind, wie zum Beispiel die unten in Verbindung mit den 5B-5C beschriebenen. Bei einer Ausführungsform umgibt die Spule 17 die Gate-Elektrode 15. Als Alternative können sich die Spule 17 und die Gate-Elektrode 15 nebeneinander befinden. Bei einigen Ausführungsformen können die Spule 17 und/oder die Gate-Elektrode 15 segmentiert sein, und die verschiedenen Segmente können auf irgendeine geeignete Weise bezüglich einander angeordnet sein. Ein Beispiel wird weiter unten in Verbindung mit 4B beschrieben.
Die Gate-Elektrode 15 und die Spule 17 können durch jeweilige Quellen oder Versorgungen angetrieben werden oder damit verbunden sein. Zum Beispiel kann eine erste Spannungsversorgung mit der Gate-Elektrode 15 und eine zweite Spannungsversorgung mit der Spule 17 verbunden sein. Die Versorgungen können On-Chip- oder Off-Chip-Versorgungen sein.
Der Kontakt 13 kann eine auf dem Substrat 11 angebrachte leitfähige Leitung sein. Bei einer Ausführungsform ist die leitfähige Leitung eine Mikrowellenübertragungsleitung, die unterbrochen sein kann, wenn der Kontaktpunkt 25 nicht die unterbrochenen Teile zum Schließen des Schaltkreises verbindet. Bei einer Ausführungsform besteht der Kontakt 13 aus dem gleichen Material wie der Kontakt 25, obgleich auch verschiedene Materialien verwendet werden können.
Die HF-Signalquelle 27 kann irgendeine geeignete Signalquelle sein und kann sich an irgendeiner geeigneten Stelle zur Bereitstellung eines HF-Signals für den Balken 9 befinden. Bei einigen Ausführungsformen kann sich die HF-Signalquelle auf dem Substrat 11 befinden, obgleich sich die Signalquelle bei anderen Ausführungsformen außerhalb des Chips befinden kann. Die HF-Signalquelle kann mit dem Anker 7 verbunden sein, um das HF-Signal für den Balken 9 bereitzustellen, wenn der Anker 7 aus einem leitenden Material gebildet ist, oder es kann ein getrennter elektrischer Pfad, zum Beispiel eine elektrische Bahn, zu dem Balken 9 vorgesehen sein.
Der MEMS-Schalter 100 kann eine mikrogefertigte Struktur sein, wobei die Bauteile unter Verwendung von Mikrofertigungstechniken auf dem Substrat 11 ausgebildet sind. Zum Beispiel können die Bauteile des MEMS-Schalters 100 unter Verwendung von Abscheidung und/oder Ätzen und/oder Lithographie und/oder anderen geeigneten Techniken gefertigt sein.
1A zeigt den MEMS-Schalter in einem geöffneten Zustand, wenn sich der freitragende Balken 9 in einer neutralen Position befindet. 1B veranschaulicht den MEMS-Schalter in einem geschlossenen Zustand. Der geschlossene Betriebszustand kann einen „EIN“-Zustand darstellen, obgleich auf der Hand liegen sollte, dass diese Terminologie nicht einschränkend ist. In diesem Zustand ist der freitragende Balken 9 zu dem Substrat 11 durchgebogen (oder „verformt“ oder „gekrümmt“), so dass sich die Kontakte 13 und 25 berühren.
Der Betrieb des MEMS-Schalters 100 wird in Verbindung mit 2 beschrieben und kann eine Kombination aus elektrostatischer und elektromagnetischer Betätigung aufweisen. Im Allgemeinen kann der Betrieb Schließen des Schalters 100 durch Durchbiegen des Balkens 9 zu dem Substrat 11 unter Verwendung einer mit der Gate-Elektrode 15 erzeugten elektrostatischen Kraft und Geschlossenhalten des Schalters durch fortgesetztes Anlegen der elektrostatischen Kraft aufweisen. Der Schalter 100 kann durch Abschalten der elektrostatischen Kraft und Anlegen einer elektromagnetischen Abstoßungskraft unter Verwendung der Spule 17 geöffnet werden. Weitere Details werden unten beschrieben.
1A veranschaulicht wieder den Schalter 100 in einem geöffneten Zustand. Auf 2 Bezug nehmend, kann ein Verfahren 200 zum Betrieb des Schalters 100 in Schritt 202 Schließen des Schalters 100 durch Kontaktieren des freitragenden Balkens 9 mit dem elektrischen Kontakt 13 durch elektrostatisches Anziehen des freitragendem Balkens 9 zu dem elektrischen Kontakt 13 aufweisen. An die Gate-Elektrode 15 wird eine Spannung angelegt, um den Balken 9 elektrostatisch zu dem darunterliegenden Kontakt 13 anzuziehen. Die mit der Gate-Elektrode 15 gekoppelte Spannungsquelle kann sich auf dem Substrat 11 oder außerhalb des Chips befinden und kann entweder manuell oder automatisch selektiv gesteuert werden. Durch Anlegen einer Spannung an die Gate-Elektrode 15 kann die Gate-Elektrode 15 ein elektrisches Feld E erzeugen, wie in 1A gezeigt, das zu der elektrostatischen Anziehung zwischen dem Balken 9 und der Gate-Elektrode 15 führt. Das elektrische Feld führt zu einer an den Balken 9 angelegten Kraft, die ein Schwenken des Balkens 9 in Richtung a um das an dem Anker 7 fixierte Ende bewirkt. Es kann eine geeignete Spannung an die Gate-Elektrode 15 angelegt werden, um eine elektrostatische Kraft zu erzeugen, die dazu ausreicht, den elektrischen Kontakt 25 in Kontakt mit dem elektrischen Kontakt 13 zu bringen, wodurch der Schaltkreis geschlossen wird. Der sich ergebende geschlossene Zustand wird in 1B veranschaulicht.
Nach dem Schließen wird der Schalter 100 durch fortgesetztes Anlegen einer elektrostatischen Kraft von der Gate-Elektrode 15 geschlossen gehalten. Im geschlossenen Zustand kann das HF-Signal von der HF-Signalquelle durch den Balken 9 zu dem elektrischen Kontakt 13 passieren. Der Schalter kann so lange wie gewünscht geschlossen gehalten werden.
Der Schalter 100 kann durch Verwendung einer durch die Spule 17 erzeugten elektromagnetischen Abstoßungskraft geöffnet werden, was Schritt 204 des Verfahrens 200 entspricht. Das heißt, in Schritt 204 kann die an die Gate-Elektrode 15 angelegte Spannung abgeschaltet werden, wodurch das Anlegen der elektrostatischen Kraft beendet wird, und es kann unter Verwendung einer geeigneten Stromquelle, die sich auf dem Substrat 11 oder außerhalb des Chips befindet, ein Strom an die Spule 17 angelegt werden. Das Anlegen eines Stroms an die Spule 17 erzeugt ein magnetisches Feld B21, wodurch ein Strom i23 in dem freitragenden Balken 9 induziert wird. An die Spule 17 kann ein Strom im Gegenuhrzeigersinn angelegt werden, wodurch ein zu dem Balken 9 weisendes magnetisches Feld 21 erzeugt wird, was somit gemäß dem Lenz'schen Gesetz einen Strom 23 im Uhrzeigersinn in dem Balken 9 induziert. Das dem induzierten Strom 23 zugehörige magnetische Feld kann das freie Ende des Balkens 9 in Schritt 206 des Verfahrens 200 gemäß der in 1B gezeigten Drehrichtung b von dem elektrischen Kontakt 13 abstoßen, wodurch der Balken 9 von dem elektrischen Kontakt 13 gelöst wird und der Schalter dadurch geöffnet wird.
Der an die Spule 17 angelegte Strom kann irgendeine geeignete Größe und Dauer haben. Zum Beispiel kann der angelegte Strom eine Größe haben, die dazu ausreicht, eine ausreichende Abstoßungskraft zur Überwindung von Haftreibung des Balkens 9 an dem elektrischen Kontakt 13 zu erzeugen. Zum Beispiel induziert der transiente Strom zu der Spule Strom in dem leitenden Balken, der wiederum eine Abstoßungskraft von 100-1000 µN zwischen dem Balken und der Spule erzeugt. Der Strom kann nur vorübergehend an die Spule 17 angelegt werden, lange genug, um den Balken 9 von dem elektrischen Kontakt 13 zu lösen. Nach dem Lösen kann die Wiederherstellungskraft des Balkens 9 selbst den Schalter im geöffneten Zustand halten, so dass keine elektromagnetische Kraft mehr angelegt werden muss. In diesem Sinne kann die elektromagnetische Kraft als ein Impuls, den Balken 9 in seine neutrale Position zurück „anzustoßen“, angelegt werden.
Die Schritte des Verfahrens 200 können so oft wie gewünscht wiederholt werden. Bei einigen Ausführungsformen kann der Schalter in einer kurzen Dauer wiederholt geschlossen und geöffnet werden. Bei anderen Ausführungsformen kann der Schalter für eine längere Dauer (zum Beispiel Minuten, Stunden, einen Tag, Monate oder sogar Jahre) in einem geschlossenen Zustand gehalten und selten geöffnet werden. Es sind auch andere Arten des Betriebs möglich.
3 zeigt ein Schaltschema des MEMS-Schalters 100 gemäß einer Ausführungsform. Die Magnetspule 17 kann als eine Schaltung mit einem Kondensator Cx in Reihe mit einem Widerstand R₁ und einer Drosselspule L₁ dargestellt werden. Die Elektrode des freitragenden Balkens 9 kann als eine einen Widerstand R₂ und eine Drosselspule L₂ aufweisende Schaltung dargestellt werden. Bei einer Ausführungsform können L₁ und L₂ die gleiche oder verschiedene Induktivitäten aufweisen. Bei einer anderen Ausführungsformen können L₁ und L₂ die gleiche oder eine unterschiedliche Anzahl von Windungen aufweisen. Wenn der Kondensator Cx geladen ist, kann er sich entladen und einen Strom I₁ erzeugen, der die Drosselspule L₁ durchfließt, um ein magnetisches Feld zu erzeugen. Das magnetische Feld bewirkt, dass die Drosselspule L₁ mit einem Kopplungskoeffizienten k mit der Drosselspule L₂ gekoppelt wird, wodurch ein Strom I₂ erzeugt wird, der gemäß dem Lenz'schen Gesetz der Änderung des magnetischen Felds entgegengesetzt ist. Wie zuvor in Verbindung mit den 1A-1B und 2 beschrieben, erzeugt der induzierte Strom (zum Beispiel der Strom I₂) ein magnetisches Feld, das den Balken 9 von der Spule 17 abstößt.
4A zeigt einen MEMS-Schalter 400 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung. Der MEMS-Schalter 400 weist ein Substrat 111, einen freitragenden Balken 109, einen elektrischen Kontakt 113, eine Gate-Elektrode 115 und ein Spule 117 auf. Ein Kontakt 123 kann an dem Balken 109 positioniert sein und ein HF-Signal führen. Diese Bauteile können aus beliebigen der zuvor bezüglich der entsprechenden Bauteile von 1A beschriebenen Materialien gebildet sein.
In dem Beispiel von 4A weist der Balken 109 mehrere Finger 125 auf. Die Finger 125 können alle die gleiche Länge haben, oder sie können verschiedene Längen haben. Bei der gezeigten Ausführungsform weist der Balken 109 zwei Finger 125 auf. Jeder Finger 125 kann eine daran angebrachte Elektrode haben. Es sind jedoch auch alternative Ausführungen möglich. Bei einigen Ausführungsformen haben zum Beispiel einer, aber weniger als alle, der Finger einen freitragenden Balken mit einem zugehörigen elektrischen Kontakt.
4A veranschaulicht ein nicht einschränkendes Beispiel für eine relative Konfiguration einer Gate-Elektrode und einer getrennten Spule eines MEMS-Schalters. In diesem Beispiel überlagert die Spule 117 die Gate-Elektrode 115, wobei beide auf dem Substrat 111 unterhalb des freien Endes des freitragenden Balkens 109 gebildet sind. In diesem Beispiel weist die Spule 117 eine einzige Lage aus mehreren Windungen auf und nimmt im Wesentlichen die gleiche Oberfläche (oder Grundfläche) auf dem Substrat 111 wie die Gate-Elektrode 115 ein. Es sind jedoch auch Alternativen möglich, wie zum Beispiel, dass die Gate-Elektrode eine größere Oberfläche als die Spule einnimmt, oder umgekehrt. Obgleich die Spule 117 bei der veranschaulichten Ausführungsform über der Gate-Elektrode 115 angeordnet ist, ist auch die alternative Konfiguration mit der Gate-Elektrode zwischen der Spule 117 und dem freitragenden Balken 109 möglich.
Bei einer Ausführungsform sind die Gate-Elektrode 115 und die Magnetspule 117 aus dem gleichen leitenden Material, wie zum Beispiel Kupfer, Silber oder einer leitenden Legierung, gebildet. Bei einer anderen Ausführungsform sind die Gate-Elektrode 115 und die Magnetspule 117 aus verschiedenen Materialien gebildet.
Der MEMS-Schalter 400 kann auf die zuvor in Verbindung mit 2 beschriebene Weise betrieben werden. Das heißt, der Schalter 400 kann durch Anlegen einer elektrostatischen Kraft an den freitragenden Balken 109 unter Verwendung der Gate-Elektrode 115 geschlossen werden und kann durch Abschalten der elektrostatischen Kraft und Anlegen einer elektromagnetischen Abstoßungskraft unter Verwendung der Spule 117 geöffnet werden.
4B zeigt eine Alternative zu dem MEMS-Schalter von 4A. In 4B weist der MEMS-Schalter 402 zwei Spulen 117 auf, die auf beiden Seiten der Gate-Elektrode 115 angeordnet sind. Das heißt, die Gate-Elektrode ist zwischen den beiden Spulen 117 positioniert. Bei einer Ausführungsform befinden sich die eine oder die mehreren Spulen 117 auf beiden Seiten der Gate-Elektrode 115, die auf die Mitte des Balkens 109 ausgerichtet ist. Bei einer anderen Ausführungsform befinden sich die eine oder die mehreren Spulen 117 auf einer einzigen Seite der Gate-Elektrode 115. Obgleich 4B zwei getrennte Spulen 117 veranschaulicht, sollte auf der Hand liegen, dass die beiden veranschaulichten Spulen bei einigen Ausführungsformen Teile einer einzigen Spule darstellen können. Somit liefern Aspekte der vorliegenden Anmeldung MEMS-Schalter mit Spulen, die zwei oder mehr Teile aufweisen, welche zur Erzeugung einer Abstoßungskraft zum Öffnen eines MEMS-Schalters positioniert sind.
Weitere alternative Konfigurationen von Gate-Elektroden und Spulen über die in den 4A-4B veranschaulichten hinaus sind möglich. Obgleich 4B eine zwischen Spulen angeordnete Gate-Elektrode veranschaulicht, weist eine alternative Konfiguration zum Beispiel eine Spule auf, bei der mehrere Teile auf der gleichen Seite einer Gate-Elektrode angeordnet sind. Eine andere alternative Konfiguration weist mehrere Gate-Elektroden 115 auf. Es können zum Beispiel mehrere Gate-Elektroden auf einander gegenüberliegenden Seiten einer Spule angeordnet sein. Bei Ausführungsformen mit mehreren Gate-Elektroden 115 oder Magnetspulen 117 kann eine einzige Spannungsquelle zur Versorgung der Gate-Elektrode 115 oder der Magnetspulen 117 verwendet werden. Bei einer anderen Ausführungsform können mehrere Spannungsquellen zur Versorgung der Gate-Elektroden 115 oder der Magnetspulen 117 verwendet werden, und die Spannungsquellen können unter Verwendung eines Zeitsteuersystems gesteuert werden.
Wie beschrieben worden ist, sind verschiedene Konfigurationen zur Positionierung einer Gate-Elektrode bezüglich einer Spule eines MEMS-Schalters möglich. Die 5A-5C veranschaulichen verschiedene nicht einschränkende Beispiele.
5A veranschaulicht ein Beispiel für eine Gate-Elektrode 115, die in einer Ebene mit der Spule 117 liegt (oder „koplanar“ damit ist). Bei einer Ausführungsform umgibt die Magnetspule 117 die Gate-Elektrode 115. Bei einer anderen Ausführungsform kann die Gate-Elektrode 115 die Magnetspule 117 umgeben.
5B veranschaulicht ein nicht einschränkendes Beispiel, in dem die Spule 117 eine oder mehrere Lagen aufweisen kann. Die Verwendung eines mehrlagigen Ansatzes, wie gezeigt, kann das Erzielen einer größeren Spulenlänge gestatten, die mit einer einlagigen Struktur, die die gleiche Grundfläche aufweist, erhalten werden kann. Zum Beispiel kann die Länge der in 5B gezeigten Spule 117 zwischen 0,5-10 mm liegen. Jede der einen oder mehreren Lagen kann die gleiche Anzahl von Windungen oder eine variierende Anzahl von Windungen aufweisen. Wenn die Spule eine mehrlagige Struktur ist, kann die Spule 117 eine Lage, die koplanar mit der Gate-Elektrode 115 ist, sowie eine Lage entweder über oder unter der Gate-Elektrode 115 aufweisen.
5C veranschaulicht ein nicht einschränkendes Beispiel, in dem die Spule 117 eine oder mehrere unter der Gate-Elektrode 115 positionierte Windungen aufweist. Bei einer anderen Ausführungsformen ist die Magnetspule 117 über der Gate-Elektrode 115 positioniert.
In jeglichen der Beispiele der 5A-5C können die Lagen der Spule 117 als Ovale, Rechtecke oder irgendeine andere Form geformte Windungen aufweisen. Bei einer Ausführungsform besteht die Spule 117 aus Draht, der eine Dicke von zwischen 0,1-2 µm hat.
Wie oben beschrieben, wird gemäß einem Aspekt der vorliegenden Anmeldung ein MEMS-Schalter mit einer Betätigungsstruktur oder einem Bauteil, die bzw. das als eine kombinierte Gate-Elektrode und Spule wirkt, bereitgestellt. 6 veranschaulicht ein nicht einschränkendes Beispiel. Der MEMS-Schalter 600 weist viele der gleichen Bauteile wie der zuvor beschriebene MEMS-Schalter 400 auf. Somit werden jene Bauteile hier nicht erneut ausführlich beschrieben. Der MEMS-Schalter 600 unterscheidet sich jedoch insofern, als er ein Betätigungsbauteil 131 aufweist, das als eine kombinierte Gate-Elektrode und Spule wirkt. Das Betätigungsbauteil 131 kann für eine gewisse Zeitspanne als Gate-Elektrode betrieben werden, um eine elektrostatische Kraft (zum Beispiel zum Schließen des Schalters 600 durch Anziehen des freitragenden Balkens 109) und für eine andere Zeitspanne als Spule zum Erzeugen einer elektromagnetischen Kraft (zum Beispiel zum Öffnen des Schalters 600 durch Abstoßen des freitragendem Balkens 109) betrieben werden kann. Wie gezeigt, kann das Betätigungsbauteil 131 als eine Spule geformt sein. Es kann auf geeignete Weisen zum Erhalt der beiden verschiedenen Betriebsmodi, wie unten in Verbindung mit 7 beschrieben, mit einer Schaltung elektrisch koppelbar sein.
7 zeigt ein Schaltbild 700, das das Betätigungsbauteil 131 aufweist und zum Betrieb des Betätigungsbauteils 131 sowohl als Gate-Elektrode als auch als Spule geeignet ist. In diesem nicht einschränkenden Beispiel umfasst die Schaltung 700 einen Widerstand R_C, einen Kondensator C₁, eine Ladungspumpe V, einen Schalter S₁, der eine (in der Figur durch 1 und 2 bezeichnete) erste und zweite Position aufweist, und einen Schalter S₂, der eine (in der Figur durch 1 und 2 bezeichnete) erste und zweite Position aufweist. Bei einer Ausführungsform kann die Schaltung die Schalter S₁ und S₂ in der ersten Position in einem Anfangszustand (t = 0) aufweisen, und die Schalter können in ihre jeweilige zweite Position in einen verschiedenen Zustand geschaltet werden. Der Betrieb der Schaltung 700 kann den 8A und 8B, die die den beiden Betriebszuständen (oder Betriebsmodi) entsprechenden Schaltbilder veranschaulichen, entnommen werden.
Bei der in 8A gezeigten Konfigurationen kann die Schaltung 700 das Betätigungsbauteil 131 als eine Gate-Elektrode betreiben. Das heißt das Betätigungsbauteil 131 ist mit dem Knoten zwischen V und R_C gekoppelt und empfängt somit eine konstante Spannung. Somit erzeugt das Betätigungsbauteil 131 ein elektrisches Feld, das eine elektrostatische Kraft auf den Balken 109 ausübt. Ferner wird der Kondensator C₁ geladen.
8B veranschaulicht die sich ergebende Schaltung, wenn die Schalter S1 und S2 der Schaltung 700 in ihren jeweiligen zweiten Zustand geschaltet sind. Hier umfasst die Schaltung einen Widerstand R₁, einen Kondensator C₁ und eine Drosselspule L₁, die das Betätigungsbauteil 131 darstellen. Bei dieser Konfiguration entlädt sich der Kondensator C₁, wodurch ein Strom durch die Drosselspule L₁, bereitgestellt wird, der ein magnetisches Feld erzeugt. Bei einer Ausführungsform bleibt die Schaltung 700 so lange in dieser Konfiguration, bis der Kondensator C₁ vollständig entlädt. Bei einer anderen Ausführungsform bewegt die Schaltung die Schalter S₁, S₂ in die erste Konfiguration, wenn der Kondensator C₁ nur teilweise entladen ist. Bei einer Ausführungsform weist der Widerstand R_C Werte zwischen 10 k-100 MΩ auf, weist der Kondensator Werte zwischen 1 n-100 µF auf und kann die Ladungspumpe eine Spannung zwischen 30-150 V anlegen.
Das Schalten der Schaltung 700 kann auf einem Schaltplan oder auf einem Ladungsaufbau basieren. Bei einer Ausführungsform weist die Schaltung 700 ein Tastverhältnis auf, das bewirkt, dass die Schaltung 700 zwischen der ersten und der zweiten Schaltungsstellung der Schalter S₁, S₂ wechselt. Bei einer zweiten Ausführungsform kann die Schaltung 700 dahingehend ausgebildet sein, nach dem vollständigen Laden des Kondensators C₁ zwischen dem ersten und dem zweiten Modus zu schalten, und kann dahingehend ausgebildet sein, nach dem vollständigen Entladen des Kondensators C₁ zurückzuschalten. Bei einer anderen Ausführungsform kann die Schaltung 700 dahingehend zeitgesteuert sein, zu schalten, wenn der Kondensator C₁ vollständig lädt und entlädt.
Bei einer Ausführungsform arbeitet die Schaltung 131 in jeder Konfiguration ein Mal, und der Kondensator C₁ kann dahingehend ausgebildet sein, sich teilweise zu entladen, bevor sich die Schalter S₁, S₂ in die zweite Stellung bewegen. Als Alternative dazu können der Kondensator C₁ und die Ladungspumpe V durch eine Spannungsquelle, wie zum Beispiel eine Batterie, das Stromversorgungsnetz oder eine Thevenin-Schaltung, ersetzt werden.
Bei einer anderen Ausführungsform schaltet Schaltung 700 zwischen jeder Konfiguration, und der Kondensator C₁ lädt und entlädt sich vollständig während jedes Schaltzyklus. Die Zeit zwischen dem Schalten ist anwendungsabhängig und kann von 5 µs bis Jahre reichen.
Die Ladungspumpe V ist eine durch ein Steuersystem geregelte Gleichstromspannungsquelle. Steuerungen für das System können manuelle Verbindung der Schaltung 700 oder Verwendung eines Steuersystems zum Regeln der Schaltung 700 aufweisen.
Die Schaltung 700 kann auf irgendeine geeignete Weise implementiert sein. Bei einigen Ausführungsformen sind die Bauteile der Schaltung 700 auf dem Substrat 111 ausgebildet. Bei alternativen Ausführungsformen sind ein oder mehr der Bauteile der Schaltung 700 außerhalb des Chips ausgebildet. Somit sind verschiedene Konfigurationen möglich.
Obgleich die obigen Ausführungsformen einen einzigen freitragenden Balken 109, wie zum Beispiel einen einpoligen Einschalter, beschreiben, kann ein elektromagnetisch betätigter Schalter auch in anderen Schaltungsarten angewandt werden, die unter anderem einpolige Umschalter und zweipolige Einschalter, aber nicht darauf beschränkt, aufweisen. Obgleich die obigen Ausführungsformen das Schließen eines Schalters mit einer elektrostatischen Kraft und das Öffnen des Schalters mit einer elektromagnetischen Kraft beschreiben, ist es zusätzlich dazu auch möglich, den Schalter mit einer elektromagnetischen Kraft zu schließen und den Schalter mit einer elektrostatischen Abstoßungskraft zu öffnen.
Die Begriffe „ungefähr“ und „ca.“ können dahingehend verwendet werden, bei einigen Ausführungsformen innerhalb von ±20% eines Zielwerts zu bedeuten, bei einigen Ausführungsformen innerhalb von ±10% eines Zielwerts zu bedeuten, bei einigen Ausführungsformen innerhalb von ±5% eines Zielwertes zu bedeuten und doch bei anderen Ausführungsformen innerhalb von ±2% eines Zielwerts zu liegen. Die Begriffe „ungefähr“ und „ca.“ können den Zielwert beinhalten.

Claims

MEMS-Schalter (100) (MEMS - mikroelektromechanisches System), aufweisend: einen Balken (9); eine unter dem Balken (9) liegende Spule (17), die zum Induzieren eines Stroms in dem Balken (9) ausgebildet ist; und eine unter dem Balken (9) liegende Gate-Elektrode (15), wobei die Spule (17) die Gate-Elektrode umgibt.
MEMS-Schalter (100) nach Anspruch 1, wobei die Spule (17) mit einer Schaltung (700) gekoppelt ist, und die Schaltung (700) zum Betreiben der Spule (17) als eine Elektrode durch Anlegen einer konstanten Spannung oder als eine Drosselspule durch Bereitstellen eines Stroms durch die Spule (17) ausgebildet werden kann.
MEMS-Schalter (100) nach Anspruch 2, wobei die Schaltung (700) einen Kondensator (C1) aufweist, der mit der Spule (17) gekoppelt ist und eine Kapazität zwischen 1nF-100 µF aufweist.
MEMS-Schalter (100) nach Anspruch 3, wobei der Kondensator (C1) die Schaltung (700) zumindest teilweise antreibt.
MEMS-Schalter (100) nach Anspruch 2, wobei die Schaltung (700) eine Ladungspumpe (V) aufweist, die eine Spannung von 30-150 V bereitstellt.
MEMS-Schalter (100) nach Anspruch 2, wobei die Schaltung einen ersten Schalter (S1, S2) und einen zweiten Schalter (S1, S2) aufweist.
MEMS-Schalter (100) nach Anspruch 6, wobei der erste Schalter (S1, S2) und der zweite Schalter (S1, S2) eine erste Stellung und eine zweite Stellung haben, die dem Betrieb der Schaltung als die Elektrode oder die Drosselspule entsprechen.
MEMS-Schalter (100) nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei die Spule (17) aus einem leitenden Material mit einer Leitfähigkeit von über 10.000 S/m gebildet ist.
MEMS-Schalter (100) nach Anspruch 1, ferner aufweisend eine erste Quelle, die zum Antrieb der Spule (17) zur Erzeugung eines magnetischen Felds ausgebildet ist, und eine zweite Quelle, die zum Antrieb der Gate-Elektrode ausgebildet ist.
MEMS-Schalter (100) nach Anspruch 1 oder 9, wobei sich die Spule (17) auf einem unter dem Balken (9) liegenden Substrat (11) neben der Gate-Elektrode (15) befindet.
MEMS-Schalter (100) nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Spule (17) eine mehrlagige Spule ist, die auf mehreren Ebenen eines unter dem Balken (9) liegenden Substrats (11) positionierte Leiterbahnen aufweist.
Verfahren zum Steuern eines MEMS-Schalters (100), aufweisend: elektrostatisches Anziehen eines mikrogefertigten, freitragenden Balkens (9) zu einem darunterliegenden elektrischen Kontakt unter Verwendung einer unter dem mikrogefertigten, freitragenden Balken (9) liegenden Gate-Elektrode (15); und magnetisches Abstoßen des mikrogefertigten, freitragenden Balkens (9) von dem darunterliegenden elektrischen Kontakt, indem durch Erzeugen eines ersten Magnetfelds mit einer unter dem Balken (9) positionierten Spule (17) ein Strom in dem Balken (9) induziert wird, wobei die Spule (17) die Gate Elektrode (15) umgibt.
Verfahren nach Anspruch 12, ferner aufweisend alternatives Antreiben der Spule (17) als eine Gate-Elektrode oder als eine Drosselspule.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, ferner aufweisend leitendes Koppeln eines Hochfrequenzsignals mit dem mikrogefertigten, freitragenden Balken (9).
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei die Verwendung der Gate-Elektrode (15) und das Erzeugen des ersten magnetischen Felds mit der Drosselspule Verwenden einer gleichen spulenförmigen Struktur, die in verschiedenen Konfigurationen elektrisch gekoppelt ist, aufweist.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Erzeugen eines ersten magnetischen Felds mit der Spule (17) Entladen eines Kondensators durch die Spule (17) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 16, ferner aufweisend Laden des Kondensators bei gleichzeitiger Verwendung der Gate-Elektrode (15).