TW201545185A - 用於射頻微機電系統開關之整合電容式耦合偏壓電路 - Google Patents

用於射頻微機電系統開關之整合電容式耦合偏壓電路 Download PDF

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Abstract

一種可切換電容，其包含有一第一電極；在該第一電極上的一電介質層；一第二電極，其被配置成在一停止狀態中會被懸掛在該電介質層上方的一未偏向位置上，並在一啟動狀態中偏向該第一電極以回應在該等兩電極之間的一電壓差，在該啟動狀態中在該第二電極和該電介質層之間的一間隙會小於在該停止狀態中一對應的間隙；以及一具有一第一和第二端的電容，該第一端被電氣耦合到該等電極中之一，並配置成在該啟動狀態中當該第二電極偏向該第一電極時可降低在該等二電極之間的該電壓差，其中在該等電極之間的該電壓差對應於被橫跨施加在該電容的該第二端與該等第一和第二電極中之另一的一偏壓電壓。

Description

用於射頻微機電系統開關之整合電容式耦合偏壓電路 發明領域
本發明的實施例係涉及可切換電容，更具體地說，係涉及可切換電容其被使用來在一微波傳輸線之一輸入部分和一輸出部份之間選擇性地耦合或去耦合一微波信號。
發明背景
有時候，最好可在一微波傳輸線的一輸入部分和一輸出部份之間提供一開關。執行這種功能的一種裝置係一種射頻(RF)微機電系統(MEMS)開關。一實例係在2012年7月24日所申請，標題為「Switchable Capacitor」之美國專利申請(美國申請第13/556,273號)中所揭露的該可切換電容，該申請的全部內容茲在此處被引入作為參考。該RF MEMS開關通常具有一基底，在該基底上有兩個間隔開的導電柱。該開關包含有一可切換電容，該電容具有在該基底上的一導電部分(例如，該可切換電容的一底部電極)，該導電部分被設置在該等柱體的該等底部之間，但與其電氣地隔離。該底部電極被覆蓋有一層某種固體電介質材料。 一可伸縮的(例如，彈性的)導電膜(例如，該可切換電容的該頂部電極)在該等柱體的該等頂部之間做延伸，因此具有末端被電氣連接到其，從而使該可伸縮導電膜的一中央部分被懸浮在該底部電極之上方。一微波傳輸線的一輸入部分被耦合到該等頂部和底部電極其中之一的一端，而該微波傳輸線的一輸出部分被耦合到該等頂部和底部電極其中之一的另外一端。在一些實例中，一微波傳輸線的一輸入部分可被耦合到該等頂部和底部電極其中之一，而該傳輸線的一輸出部分可被耦合至該等頂部和底部電極中的另外一個。
該開關包括一可切換電壓源，被耦合在該頂部和底部電極之間，用以在該等兩個電極之間產生一可切換的靜電力。該可切換靜電力會改變該等兩個電極之間的該間隔，並因此可根據由該可切換偏壓電壓源所產生的一電壓來選擇性地切換(例如，修改)該開關的該電容。透過一下拉電壓，其產生足夠吸引性的靜電力以使得該等頂部和底部電極可彼此更為靠近，該開關從一低電容狀態(例如，斷開狀態)到一高電容狀態(例如，閉合狀態)的致動可被推動。
在一些應用中，諸如高功率應用中，理想的情況是在該頂部、可伸縮電極處具有一高下拉電壓，因為如果該下拉電壓過低，該RF信號本身就可以激活該開關，這是一種不理想的效果。如果在一傳統RF MEMS開關上的該下拉電壓被增加，當該MEMS開關被閉合時(即，處於該啟動狀態)這將會增加在該固體電介質中的電場強度。這可能會 導致固體電介質崩潰或該固體電介質的過度充電從而導致該第二、可伸縮電極的「黏滯力」，其可使得該可伸縮膜保持在該停止狀態中的該向下或閉合位置上。
所期望的係為一種偏壓方案，其可降低該電介質所經歷的該電場強度，從而提高(例如，增加)該RF MEMS開關的耐久性，而不影響其致動響應度。
發明概要
本發明實施例的一方面係針對提高射頻(RF)的微機電系統(MEMS)開關的該耐久性(例如，增加該無故障平均時間)，方式係藉由在一啟動狀態期間(例如，致動狀態)降低該開關的該電介質所經歷的該電場強度。
本發明實施例的層面涉及一種整合電容式耦合偏壓電路用於啟動/停止一RF MEMS開關，其具有一對彼此間隔開的電極，其中該電路被配置成在一啟動階段期間當該等電極彼此靠近時可降低跨越電極對的一電壓。
根據本發明的一實施例，提供了一種可切換電容，其包含有：一第一電極；在該第一電極上的一電介質層；一第二電極，其被配置成在一停止狀態中會被懸掛在該電介質層上方的一未偏向位置，並在一啟動狀態中偏向該第一電極以回應在該等第一和第二電極之間的一電壓差，在一啟動狀態中在該第二電極和該電介質層之間的一間隙會小於在一停止狀態中一對應的間隙；以及一個電容，其具有一第一端和一第二端，在該第一端被電氣耦合 到該等第一和第二電極的其中一個，並配置成在該啟動狀態中當該第二電極偏向該第一電極時可降低在該等第一和第二電極之間的該電壓差，其中在該等第一和第二電極之間的該電壓差對應於被橫跨施加在該電容的該第二端與該等第一和第二電極之另一個間的一偏壓電壓。
該第二電極在該啟動狀態中可碰觸該電介質層，並在該停止狀態中返回到該未偏向位置。
該第二電極可包含有被配置成在該啟動狀態中朝向該電介質層彎曲並碰觸於其的一可伸縮膜。
該第二電極可包含有被配置成在該啟動狀態中不會偏移超出其彈性範圍的一彈性膜。
該電容可以被配置成當該切換電容從該停止狀態到該啟動狀態做轉變同時該偏壓電壓基本上恆定在一開啟值時，可降低在該等第一和第二電極之間的該電壓差。
在該等第一和第二電極之間的一初始電壓差可以高於或約等於被橫跨施加在該等第一和第二電極間的一下拉電壓以從該停止狀態轉變到該啟動狀態。
該電容可被配置成降低在該等第一和第二電極之間的該電壓差，從該初始電壓差降低到在該啟動狀態中的一較低電壓。該較低電壓可約等於50%的該下拉電壓。
在該等第一和第二電極之間的該初始電壓差可在該等第一和第二電極之間產生一靜電力足以靜電式地驅動該可切換電容於一啟動狀態和該停止狀態之間。
該電容的一電容值可約等於該可切換電容處於 一啟動狀態中之一有效電容值的50%。
該第一電極可被配置為發送一射頻(RF)信號。
一偏壓電壓源可以產生一偏壓電壓，而該偏壓電壓源可透過一電阻被耦合到該電容，該電阻器被配置成可隔離該RF信號與該偏壓電壓。
根據本發明的一實施例，提供了一種開關，其包含有：一第一電極；在該第一電極上的一電介質層；一第二電極，其被配置成在一停止狀態中會被懸掛在該電介質層上方的一未偏向位置，並在一啟動狀態中會朝向該第一電極偏移，在該啟動狀態中在第二電極和該電介質層之間的一間隙會小於在該停止狀態中一對應的間隙；被耦合在該等第一和第二電極之間的一偏壓電壓源並被配置成可在該等第一和第二電極之間產生一電壓差以靜電式地驅動該開關於一啟動狀態和該停止狀態之間；以及一電容其被電氣耦合到該等第一和第二電極的其中之一，並配置成在該啟動狀態中當該第二電極偏向該第一電極時可降低在該等第一和第二電極之間的該電壓差。
在該等第一和第二電極之間的該電壓差可在該等第一和第二電極之間產生一可切換的靜電力以靜電式地驅動該開關於一啟動狀態和該停止狀態之間。
該第二電極在該啟動狀態中可碰觸該電介質層，並在該停止狀態中返回到該未偏向位置。
該電容可被配置成降低在該等第一和第二電極之間的該電壓差，從大於或約等於一下拉電壓的一電壓降 低到處於該啟動狀態中的一較低電壓。
該電容可以被配置成當該切換電容從該停止狀態到該啟動狀態做轉變同時該偏壓電壓基本上恆定在一開啟值時，可降低在該等第一和第二電極之間的該電壓差。
根據本發明的一實施例，提供了一種交換系統，其包含有：一基底；具有一輸入部分和一輸出部分並被配置成可傳送微波能量的一微波傳輸線；在該基底上的一可切換電容並被耦合在該微波傳輸線的該等輸入和輸出部分之間，該可切換電容包含有：被耦合在該微波傳輸線的該等輸入和輸出部分的第一電極；在該第一電極上的一電介質層；一第二電極，其被配置成在一停止狀態中會被懸掛在該電介質層上方的一未偏向位置，並在一啟動狀態中會朝向該第一電極偏移以回應在該等第一和第二電極之間的一電壓差，在該啟動狀態中在該第二電極和該電介質層之間的一間隙會小於在該停止狀態中一對應的間隙；以及一電容其被電氣耦合到該等第一和第二電極的其中之一，並被配置成在該啟動狀態中當該第二電極偏向該第一電極時可降低在該等第一和第二電極之間的該電壓差；以及被耦合到該可切換電容的一偏壓電壓源並被配置成可在該等第一和第二電極之間產生一電壓差以靜電式地驅動該開關於一啟動狀態和該停止狀態之間；其中在該啟動狀態中，在該輸入部分的該微波能量透過該可切換電容被耦合到該輸出部分，其中在該停止狀態中，在該輸入部分的該微波能量透過該可切換電容從該輸出部分被去除耦合。
100‧‧‧微波開關
102‧‧‧RF MEMS開關
104‧‧‧第一電極
104a‧‧‧輸入部分
104b‧‧‧輸出部分
106‧‧‧第二電極
106a‧‧‧可伸縮膜
106b‧‧‧兩個柱體
110‧‧‧電介質層
114‧‧‧基底
120‧‧‧電容
130‧‧‧開關驅動器
132‧‧‧偏壓電壓源
134‧‧‧阻抗
300‧‧‧曲線圖
以下的詳細描述被考慮時係結合以下的附圖，其中類似的元件係以相同的標號來參照，藉由參考到其本發明的這些和其他的特徵及優點將可得到更佳的理解。這些附圖不應被解釋為侷限了本發明，而旨在僅為示例性的說明而已。
圖1根據本發明的一說明性實施例係一微波開關系統的透視圖，其包括一微波開關和一可切換偏壓電壓源。
圖2A-2C根據本發明的一說明性實施例係圖1之該微波開關分別在停止和啟動狀態時的一剖視圖。
圖3根據本發明的一說明性實施例係一曲線圖，其展示出當該開關閉合且在一停止狀態與一啟動狀態之間做轉變時，橫跨該RF MEMS開關之電壓的變化。
較佳實施例之詳細說明
結合該等附圖在以下進行闡述之詳細描述旨在作為一系統和方法其說明性實施例的一種描述以根據本發明來製造一MEMS開關，並不旨在表示本發明可被實現或使用的唯一形式。該描述闡述了與該所示實施例相連結之本發明的該等特徵。然而，可被理解的是，相同或等價的功能和結構可由不同的實施例來實現，該等實施例也被意圖被包含在本發明的該精神和範疇之內。如在本文中別處所提及的，類似元件號碼被用來表示類似的元件或功能。術語「基本上」、「大約」、和類似的術語被使用作為近似的 術語，而不是作為特定程度的術語，並被意圖解釋在測量或計算的值中該固有的變異，其會由本領域的普通技術人員所體認。此外，如在本文中所使用的，當一組件被稱為在另一組件之「上」時，它可以是直接在另一組件之上或是其他組件也可以存在於其間。此外，當一組件被稱為是「被連接」到或「被耦合」到另一組件時，它可被直接附接到另一組件或者中介組件可以存在於其間。
本發明涉及一種可切換電容(例如，一種射頻(RF)微機電系統(MEMS)開關)，其具有整合電容式耦合偏壓電路用於在一微波傳輸線的一輸入部分和一輸出部分之間選擇性的耦合或去耦合一微波信號。
根據本發明的一實施例，該整合電容式耦合偏壓電路控制(如，降低)在該開關之該對電極之間的一電壓差，當在一啟動階段中該等電極彼此接近來耦合在該等輸入和輸出部分之間的微波信號時。在一實施例中，該電壓差的減小可降低(例如，阻止)該RF MEMS開關之該電介質層該崩潰的可能性和/或減少黏滯力的發生，從而增加了該開關在故障之前的平均時間。
圖1根據本發明的一說明性實施例係一微波開關系統的透視圖，其包括一微波開關和一可切換的偏壓電壓源。
根據本發明的一實施例，一開關系統包括一微波開關(例如，一可切換電容)100和用以電氣驅動(例如，切換)該微波開關100的一開關驅動器130。該微波開關100包含有 一RF MEMS開關102和耦合(例如，以串聯方式)到該RF MEMS開關102的一電容(例如，串聯電容)120。該開關驅動器130包括一偏壓電壓源(例如，一種可切換電壓源)132和耦合(例如，以串聯方式)到該微波開關100的一阻抗(例如，一電阻)134。在一實例中，該偏壓電壓源132係透過在該等第一和第二電極104和106之間的該電阻134和電容120來耦合。
在一實施例中，該RF MEMS開關102包括一對導電電極，該第一電極(例如，該底部電極)104，和該第二電極(例如，該頂部電極)106，一形成在該第一電極104上並在該對電極之間的一電介質層110，以及該等兩個電極被形成在其上的一絕緣基底。該電介質層可以包括氮化矽、二氧化矽、氧化鉿、鋇鋯鈦酸鹽(BZT)、和/或類似物。該可伸縮(例如，可彎曲的或彈性的)膜106a，其包含有該第二電極106的該頂部，由兩個柱體(例如，垂直延伸柱體)106b被懸掛在該電介質層110之上(例如，在一未偏向、最小應力、靜止的位置中)，形成在該電介質層110上的一間隙。該等兩個電極104和106以及該電介質層110形成一電容，其象徵性地在圖1中被示出為CMEMS。
在一實例中，該可伸縮膜(例如，彈性膜)106a係由一導電材料所製成，諸如鋁，並且具有一厚度約為0.1微米至1微米；該電介質層110包括氮化矽、二氧化矽、氧化鉿、鋇鋯鈦酸鹽(BZT)、和/或類似物，並且具有一厚度約為0.1微米至0.5微米；以及第一電極104係由一導電材料所 製成，諸如金或一種鎢鈦合金(例如，TiW，其係一種90%的鎢(W)和10%的鈦(Ti)的合金)，並且具有一厚度約為0.1微米至1微米。
根據本發明的實施例，無論該等第一和第二電極104和106可以用作一傳輸線來傳輸微波能量(例如，一RF信號)。然而，為了說明的目的，在下文中假設該第一電極104充當該微波傳輸線。一RF信號可被施加到該輸入部分104a，並且可透過該RF MEMS開關102被耦合(例如，直接耦合)到該傳輸線的一輸出部分104b。
根據一實施例，該偏壓電壓源132係一可切換偏壓電壓源132，其被耦合在該等第一和第二電極104和106之間，透過一電阻134和一電容120。該可切換電壓源132可以輸出一電壓VA其要么係一正或負的直流(DC)電壓或是一交流(AC)電壓。在一實施例中，該可切換電壓源(例如，脈衝式的電壓源)132在其輸出端於零和一正電壓之間做切換，從而在該等第一和第二電極104和106之間產生一可切換的靜電力以靜電式地驅動該微波開關100(例如，RF MEMS開關102)在該等啟動和停止狀態之間做來回。舉例來說，當該偏壓電壓源132施加一正電壓VA跨越該RF MEMS開關102的該對電極時，該微波開關100進入一種啟動狀態(例如，一種致動狀態)，並且當該偏壓電壓源132施加一電壓其小於一保持電壓(例如，該下拉電壓的1/3至1/2)，該微波開關100會進入一種停止狀態(例如，一種未致動狀態)。該保持電壓被定義為維持該RF MEMS開關102處於該啟動狀 態所需的該最小電壓。在一些實施例中，該下拉電壓可以約為15V至約40V，而該保持電壓可約為5V至20V。在一實例中，該微波開關100的該下拉時間可以大約為一微秒而該釋放時間可以是一至數微秒。
圖2A-2C根據本發明的一說明性實施例係圖1之該微波開關100從一停止狀態進展到一啟動狀態時的剖視圖。
根據一實施例，為了啟動(例如，致動)該RF MEMS開關102，該偏壓電壓源132在該等第一和第二電極104和106之間產生一電壓差。該電壓差在該電極對上產生靜電電荷，其會致使該等第一和第二電極104和106可被靜電地彼此吸引。一旦橫跨在該等電極104和106上的該電壓差超過一臨界值(例如，一吸合電壓)時，該吸引力會導致該第二電極106(例如，該可伸縮膜106a)的該中心部分往下移動(例如，偏向或彎曲)朝向該第一電極104(如在圖2B中所示)，並且，舉例來說，觸碰到該電介質層110的該頂部(如在圖2C中所示)。在一實例中，該可伸縮膜106a的該偏向係在該膜的該彈性範圍內。
當該可伸縮膜106a被往下偏移，並且碰觸到該電介質材料110(如在圖2C中所示)，該碰觸區域範圍可從10×10(微米)2到大於500×500(微米)2(例如，可以為100×100(微米)2)。在一實例中，該可伸縮膜106a的該偏向，即使與該電介質材料110碰觸時，是在該膜106a的該彈性範圍內。
在一實施例中，為了停止(例如，去致動)該開關，橫跨該電極對的該DC偏壓電壓被降低到低於一保持電壓(例如，維持該可伸縮膜的該偏向處於該啟動狀態所需的一最小電壓)。一旦該電位差下降到低於該保持電壓時，該第二電極106的該固有彈性可把該可伸縮膜106a還原至其原始懸掛位置(例如，一未偏向、最小應力、靜止的位置)，它代表該開關的停止狀態(如在圖2A中所示)。
在該停止狀態中，在該等第一電極104和第二電極106(例如，該可伸縮膜106a)之間的該間距大於在該啟動狀態中的間距，因此，在停止狀態中在該等第一和第二電極104和106之間的該電容性耦合會比在該啟動狀態中要低(例如，顯著地較低)。其結果是，透過該等第一和第二電極104和106其中之一(例如，該第一電極104)的該RF信號行進會經歷很少或不會電容式耦合到該等第一和第二電極104和106中的另外一個(例如，電極106)，其，舉例來說，可以是在一RF接地。舉例來說，在該停止狀態中，在該輸入部104a之所有或幾乎所有的微波能量會透過該第一電極104被傳輸到該輸出部分104b。
反過來說，在該啟動狀態下，在該等第一電極104和第二電極106(例如，該可伸縮膜106a)之間的該間距會小於在該停止狀態中的間距。因此，在該啟動狀態下，在該等第一和第二電極104和106之間的該電容性耦合會比在該停止狀態中要顯著地大。因此，在該啟動狀態下，透過該等第一和第二電極104和106其中之一的該RF信號最初的行 進(例如，從該第一電極104的該輸入部分104a到該輸出部分104b)會被電容式耦合(例如，本質上地耦合)到該等第一和第二電極104和106的另外一個(例如，該第二電極106)。舉例來說，在一實施例中，其中該第二電極106被耦合到一參考電壓，諸如接地電壓，在該輸入部分104a之該微波能量的全部或一部分會被傳遞到該第二電極106(例如，透過該接地的第二電極106被傳遞到接地)，而在該輸入部分104a之該微波能量會很少或幾乎沒有量會出現在該輸出部分104b。
根據一實施例，當該可伸縮膜(例如，該彈性膜)106a接近該第一電極104而該RF MEMS開關102從一低電容狀態(例如，斷開狀態或停止狀態)到一高電容狀態(例如，閉合狀態或啟動狀態)做轉變時，只需要較小的電壓以維持該可伸縮膜在其偏向位置上。因此，為了保持該RF MEMS開關102在其閉合狀態所需要的該電壓會小於(例如，顯著地小於)該致動電壓(例如，吸合電壓)。舉例來說，該保持電壓可約為5V至20V，而該致動電壓可以是約為15V至40V。
在特定的應用中，諸如高功率應用中，最好可以在該第二電極106(例如，該可伸縮膜106a)有一高的下拉電壓，因為如果該下拉電壓過低，該微波信號本身就可以啟動該RF MEMS開關102，這是一種不理想的結果。舉例來說，該高的下拉電壓可約在50V至80V之間。沒有該電容120的話，如果在RF MEMS開關102上的該下拉電壓被增加 的話，當該開關102被閉合(即，處於該啟動狀態中)時，在該電介質層中的該電場強度110會增加。這可能會導致固體電介質崩潰或該固體電介質的過度充電，其會能導致該第二電極106的「黏滯力」，其可能會導致該可伸縮膜106a即使是在該停止狀態中也會保持在向下或閉合的位置上。此外，當在一RF MEMS電路不使用該電容120時，用以切換該RF MEMS到該閉合狀態之該偏壓電壓透過電阻(例如，總集在一起成為電阻134)被施加來把該RF電路隔離於該偏壓電路，在一充電時間之後在該閉合狀態中在該RF MEMS開關102上該所得的偏壓會是把該開關扳到該閉合狀況所需的該全部電壓。這個高電壓會導致故障之前平均時間的降低，其可以，舉例來說，約在1分鐘至數天之間。
根據本發明的一實施例，該微波開關100利用一電容(例如，固定的電容)120串聯於一個或多個電阻(在下文，簡稱為電阻134)以施加偏壓到該RF MEMS開關102。該電阻134用來隔離該RF電路與該偏壓電路。在幾個時間常數之後，如由在該偏壓電路(例如，偏壓電壓源132)中的該等電容和電阻來決定的，該施加的電壓被分壓在該電容120和該MEMS切換電容之間，根據以下的表示式：VMEMS=Cseries/(Cseries+CMEMS)*VApplied (1)
其中Cseries係該偏壓電路電容的該電容值，CMEMS係該RF MEMS開關102的該電容值，VApplied係由該偏壓電壓源132所施加該偏壓電壓(例如，DC偏壓電壓)的大小而VMEMS係在該RF MEMS開關102的該等第一和第二電極104 和106之間的該偏壓電壓(例如，DC偏壓)。
在該停止狀態中，其中該RF MEMS開關102的該可伸縮膜(例如，彈性膜)係在該上面或懸掛位置上，在該可伸縮膜106a和該電介質層110之間的該間隙係為它的最大值(例如，最大操作值)，而CMEMS可以是在它的最小值。因此，對於一給定VApplied，VMEMS處於其最大值。然而，由於該可伸縮膜106a在該啟動狀態下會偏向該電介質層110，在該等電極之間的該間隔被減小(例如，最小化)而該CMEMS增加，導致在VMEMS和在該電介質層110中該所得電場強度的一種降低。因此，藉由在該啟動階段期間逐漸遞降低跨越該RF MEMS開關102的該電壓，該串聯電容120會將低(例如，防止)一種電介質崩潰和/或黏滯力的發生的機率，並且提高了該MEMS裝置到故障之前的平均時間。
圖3根據本發明的一說明性實施例係一曲線圖300，其展示出當該開關閉合且在一停止狀態與一啟動狀態之間做轉變時，橫跨該RF MEMS開關之電壓的變化。該橫軸表示在該可伸縮膜106a和該電介質層110該頂部表面之間的間隙(例如，間隔)，而該垂直軸表示橫跨該RF MEMS開關之該等第一和第二電極104和106間的電壓，以該偏壓電壓源132之該施加電壓的百分比來表示。
根據一實施例，該RF MEMS開關102的該電容CMEMS係，舉例來說，在一未偏狀態(例如，停止狀態)中約為50fF，並且，舉例來說，在一偏壓狀態或觸碰狀態(例如，啟動狀態)中約為1pF，約有20的高低電容值比率。該電容 CMEMS係可取決於，舉例來說，該電介質層110的該材料、該電介質層110的該厚度、以及該頂部膜106a的該面積。舉例來說，在該停止狀態中CMEMS可約為0.1pF到50pF，而處於啟動狀態中CMEMS可約為10fF到200fF。在一實施例中，該電容Cseries約等於該RF MEMS開關102在該高電容狀態或閉合狀態中的該電容值，並且為，舉例來說，1pF。
在一實例中，其中CMEMS在一停止狀態下約為50fF而處於該啟動狀態中約為1pF，且Cseries近似等於處於一啟動狀態中的CMEMS，當該開關係處於該低電容狀態且該偏壓電壓被首先施加時，在該RF MEMS開關102的該等第一和第二電極104和106之間的該電壓約為95%的該施加電壓VApplied。當VApplied被調整成一值其略高於該RF MEMS開關102之該下拉電壓時(例如，當0.95 * VApplied>吸合電壓時)，該開關開始閉合(例如，變成啟動的)。當該可伸縮膜106a向下移向該電介質層110時，在這兩個之間的間隙(例如，間隔)會減小，並且，結果為，CMEMS逐漸地增加並且VMEMS逐漸地減小。當該RF MEMS開關102被完全地閉合時(例如，完全地關閉或在該觸碰點)，橫跨該RF MEMS開關102的電壓被減少到約為該施加電壓VApplied的一半。只要VApplied被選擇為使得VApplied的一半大於或等於該RF MEMS開關102的該保持電壓(例如，維持該可伸縮膜106a在其彎曲或啟動位置上所需的該最小電壓)時，該RF MEMS開關102將會穩定地保持在該啟動狀態中。
因此，利用該串聯電容120使得在該開關102被啟 動時跨越該等第一和第二電極104和106的電壓可以減少(例如，顯著減少)，這減輕了電壓崩潰或黏滯力的可能性，並增加了(例如，顯著地增加)該MEMS裝置在故障之前的該平均時間。
此外，儘管當該可伸縮膜(例如，彈性膜)106a移向該第一電極(例如，該底部電極)104時在該RF MEMS開關102兩端電壓會降低，但該電場會繼續增加，保證了該靜電力將繼續推動該可伸縮膜106a朝向該第一電極104前進。另外，根據一實施例，隨著該可移動膜位置在該MEMS電壓中的該自動變化係獨立於在該DC偏壓中的任何變化，該變化源自於修改該偏壓電壓源132的該DC偏壓脈衝，並由此改善了該DC偏壓電壓源132電路的該簡單性。
根據一實施例，該串聯電容120與該微波開關100以及該DC偏壓電路130的該整合可以在沒有任何額外的RF MEMS加工步驟的情況下來實現，因為當前RF MEMS製造過程允許電容被製造在上述討論的範圍內，而成為該RF MEMS整合電路的一部分。
根據本發明的一實施例，一單一串聯電容120可被使用於與多個MEMS開關一起使用。該串聯電容120的該尺寸可以被調整(例如，增加)以負責該等多個MEMS開關之該等效電容值的增加。然而，在這樣的實施例中，在該等MEMS開關之一個或多個兩端的該最大電壓可能瞬間會高於期望，因為在該等多個MEMS開關的該啟動時間中可能會不匹配(例如，每一個彈性膜用來達到一閉合狀態所需時間的不匹配)。根據另一實施例，該等許多MEMS開關的每 一個在它們的偏壓線路中可能具有一各別對應的串聯電容。這樣的一種結構可以解決由於使用一單一共享串聯電容所產生的該電壓尖峰。
本領域的普通技術人員將可了解的是以上的教導不僅適用於圖示於圖1和圖2A-2C中的該RF MEMS開關，但也適用於任何其他開關配置，只要其中一可調節電容被形成在一對電極之間，該對電極在回應一控制偏壓信號時會朝向彼此偏向。
儘管本發明已經詳細描述了說明性的實施例以及其特定的引用，本文所描述的實施例並不意圖要窮舉一切或把本發明限制在該揭露之確切形式的範圍中。本發明所屬領域和技術的習知技藝者將會理解的是，在該描述之組裝和操作的結構和方法中可實現出改變和變化，但並無有意義地脫離本發明之該等原理、精神、和範疇，其正如以下的權利請求項以及其等價物所提出的。
100‧‧‧微波開關
102‧‧‧RF MEMS開關
104‧‧‧第一電極
104a‧‧‧輸入部分
104b‧‧‧輸出部分
106‧‧‧第二電極
106a‧‧‧可伸縮膜
106b‧‧‧兩個柱體
110‧‧‧電介質層
114‧‧‧基底
120‧‧‧電容
130‧‧‧開關驅動器
132‧‧‧偏壓電壓源
134‧‧‧阻抗

Claims (18)

  1. 一種可切換電容，其包含有：一第一電極；在該第一電極上的一電介質層；一第二電極，其被配置成在一停止狀態中會被懸掛在該電介質層上方的一未偏向位置上，並在一啟動狀態中會朝向該第一電極偏移以回應在該等第一和第二電極之間的一電壓差，在該啟動狀態中在該第二電極和該電介質層之間的一間隙會小於在一停止狀態中一對應的間隙；以及一電容，其具有一第一端和一第二端，該第一端被電氣耦合到該等第一和第二電極中之一，並配置成在該啟動狀態中當該第二電極偏向朝向該第一電極時可降低在該等第一和第二電極之間的該電壓差，其中在該等第一和第二電極之間的該電壓差對應於一被橫跨施加在該電容之該第二端與該等第一和第二電極中之另一的偏壓電壓。
  2. 如請求項1之可切換電容，其中該第二電極在該啟動狀態中可碰觸該電介質層，並在該停止狀態中返回到該未偏向位置。
  3. 如請求項1之可切換電容，其中該第二電極包含有被配置成在該啟動狀態中朝向該電介質層彎曲並碰觸於其的一可伸縮膜。
  4. 如請求項1之可切換電容，其中該第二電極包含有被配置成在該啟動狀態中不會偏移超出其彈性範圍的一彈性膜。
  5. 如請求項1之可切換電容，其中該電容被配置成當該切換電容從該停止狀態到該啟動狀態做轉變同時該偏壓電壓基本上恆定於一開啟值時，可降低在該等第一和第二電極之間的該電壓差。
  6. 如請求項1之可切換電容，其中在該等第一和第二電極之間的一初始電壓差係高於或約等於一下拉電壓，其被橫跨施加在該等第一和第二電極以從該停止狀態轉變到該啟動狀態。
  7. 如請求項6之可切換電容，其中該電容被配置成降低在該等第一和第二電極之間的該電壓差，從該初始電壓差降低到在該啟動狀態中的一較低電壓。
  8. 如請求項7之可切換電容，其中該較低電壓係約等於50%的該下拉電壓。
  9. 如請求項7之可切換電容，其中在該等第一和第二電極之間的該初始電壓差可在該等第一和第二電極之間產生一靜電力足以靜電式地驅動該可切換電容於一啟動狀態和該停止狀態之間。
  10. 如請求項1之可切換電容，其中該電容的一電容值本質上等於在一啟動狀態中在該等第一和第二電極之間的一有效電容值。
  11. 如請求項1之可切換電容，其中該第一電極被配置為發 送一射頻(RF)信號。
  12. 如請求項11之可切換電容，其中一偏壓電壓源產生該偏壓電壓，以及其中該偏壓電壓源透過一電阻被耦合到該電容，該電阻器被配置成可隔離該RF信號與該偏壓電壓。
  13. 一種開關，其包含有：一第一電極；在該第一電極上的一電介質層；一第二電極，其被配置成在一停止狀態中會被懸掛在該電介質層上方的一未偏向位置上，並在一啟動狀態中會朝向該第一電極偏移，在該啟動狀態中在第二電極和該電介質層之間的一間隙會小於在該停止狀態中一對應的間隙；被耦合在該等第一和第二電極之間的一偏壓電壓源並被配置成可在該等第一和第二電極之間產生一電壓差以靜電式地驅動該開關於一啟動狀態和該停止狀態之間；以及一電容其被電氣耦合到該等第一和第二電極中之一，並配置成在該啟動狀態中當該第二電極偏向該第一電極時可降低在該等第一和第二電極之間的該電壓差。
  14. 如請求項13之開關，其中在該等第一和第二電極之間的該電壓差可在該等第一和第二電極之間產生一可切換靜電力以靜電式地驅動該開關於一啟動狀態和該停止狀態之間。
  15. 如請求項13之開關，其中該第二電極在該啟動狀態中碰觸該電介質層，並在該停止狀態中返回到該未偏向位置。
  16. 如請求項13之開關，其中該電容被配置成降低在該等第一和第二電極之間的該電壓差，從大於或約等於一下拉電壓的一電壓降低到在該啟動狀態中的一較低電壓。
  17. 如請求項13之開關，其中該電容被配置成當該切換電容從該停止狀態轉變到該啟動狀態同時該偏壓電壓基本上恆定於一開啟值時，可降低在該等第一和第二電極之間的該電壓差。
  18. 一種開關系統，其包含有：一基底；一微波傳輸線，其具有一輸入部分和一輸出部分並被配置成可傳送微波能量；在該基底上的一可切換電容並被耦合在該微波傳輸線的該等輸入和輸出部分之間，該可切換電容包含有：一第一電極，其被耦合到該微波傳輸線的該等輸入和輸出部分；在該第一電極上的一電介質層；一第二電極，其被配置成在一停止狀態中會被懸掛在該電介質層上方的一未偏向位置上，並在一啟動狀態中會朝向該第一電極偏移以回應在該等第一和第二電極之間的一電壓差，在該啟動狀態中在該第二電極 和該電介質層之間的一間隙會小於在該停止狀態中一對應的間隙；以及一電容，其被電氣耦合到該等第一和第二電極中之一，並被配置成在該啟動狀態中當該第二電極偏向該第一電極時可降低在該等第一和第二電極之間的該電壓差；以及被耦合到該可切換電容的一偏壓電壓源並被配置成可在該等第一和第二電極之間產生一電壓差以靜電式地驅動該開關於一啟動狀態和該停止狀態之間，其中在該啟動狀態中，在該輸入部分的該微波能量透過該可切換電容被耦合到該輸出部分，以及其中在該停止狀態中，在該輸入部分的該微波能量會由該可切換電容從該輸出部分被去除耦合。
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102016206208B4 (de) 2016-04-13 2021-07-29 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Elektromechanisches bauteil, elektromechanische bauteilanornung, verfahren zur detektion einer potentialdifferenz mit einem elektromechanischen bauteil und verfahren zur funktionsprüfung des elektromechanischen bauteils
CN114825665B (zh) * 2022-05-19 2024-06-07 东南大学 一种近零功耗rf mems传感唤醒系统

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6100477A (en) 1998-07-17 2000-08-08 Texas Instruments Incorporated Recessed etch RF micro-electro-mechanical switch
US6738600B1 (en) 2000-08-04 2004-05-18 Harris Corporation Ceramic microelectromechanical structure
DE60219712T2 (de) 2001-04-19 2008-02-28 Interuniversitair Microelektronica Centrum Vzw Herstellung von integrierten abstimmbaren/umschaltbaren passiven Mikro- und Millimeterwellenmodulen
US6803534B1 (en) * 2001-05-25 2004-10-12 Raytheon Company Membrane for micro-electro-mechanical switch, and methods of making and using it
US6791441B2 (en) * 2002-05-07 2004-09-14 Raytheon Company Micro-electro-mechanical switch, and methods of making and using it
US7102472B1 (en) 2004-05-06 2006-09-05 Northrop Grumman Corporation MEMS device
JPWO2006011239A1 (ja) * 2004-07-29 2008-05-01 株式会社日立メディアエレクトロニクス 容量型ｍｅｍｓ素子とその製造方法、及び高周波装置
US7474171B2 (en) * 2005-06-01 2009-01-06 Raytheon Company Method and apparatus for reducing dielectric charging in MEMS structures
US8368491B2 (en) * 2010-04-22 2013-02-05 Raytheon Company Systems and methods for providing high-capacitance RF MEMS switches
US20130299328A1 (en) 2012-05-14 2013-11-14 Raytheon Company Micro electro mechanical system (mems) microwave switch structures
US9151723B2 (en) * 2012-05-16 2015-10-06 Oxfordian, Llc 3D RF MEMS biosensor for multiplexed label free detection
US9281128B2 (en) * 2012-07-24 2016-03-08 Raytheon Company Switchable capacitor

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