TWI302335B - Collapsible contact switch - Google Patents

Description

1302335 ~ . 九、發明說明： 【發明所屬之技彳持領域】 本發明係有關於可潰塌接觸開關。 L先前技袖r】 5 發明背景 射頻(RF)開關廣泛地被使用於行動電話以及其他攜帶 式通訊裝置中。它們被使用以切換在發送和接收模式之間 的通訊以及用於在多模式/頻帶之無線電頻率範圍之間的 •切換。它們同時也可被整合於可調式濾波器、收發機、相 10移器以及智慧型天線。RF開關之插入損耗位準直接地影響 使用該開關之任何裝置（例如，手機、無線本地區域網路、 以及寬頻無線存取裝置）的範圍以及電池之壽命。 傳統固態RF開關，例如，電子式控制之坤化鎵((^八§) FETS和PIN二極體，時常遭受高的插入損耗。微機電系統 15 (MEMS)為主的RF開關可提供較低插入損耗之操作。 MEMS開關所需求的特點是高接觸力，例如，較大於 2〇〇μΝ’以便達成低接觸電阻，以及因此經由開關有通過 更多電流之效能以供用於較高功率處理能力。靜電致動廣 泛地被使用於需要高切換率之應用中，例如，於1〇叩或較 2〇少之等級上。習見的開關一般需要多於60伏特（V)之致動^ 壓以便得到20_等級之接觸力。試圖在f見的開關^ 較低的致動電壓(例如，於20V之等級上)達成此類的高接觸 力，將導致高功率消耗並且可能損害開關接觸點，因而縮 短開關之使用期。 1302335 【發明内容】 本發明揭露一種裝置，其包含：一接觸開關，該接觸 開關包含：具有一底部致動電極之底部電極結構；以及具 有一頂部致動電極和一個或多個定位器之頂部電極結構， 5 當開關是在潰塌狀態時，該定位器能夠在頂部電極和底部 電極之間保持一預定間隙。 圖式簡單說明 關於本發明之主題是在說明最後部份明確地被指出以 及清晰地申請之專利範圍。但是，關於本發明操作之機構 10 和方法，與其目的、特點和優點，將可於讀取附圖同時參 考下面的詳細說明時而更有效地被了解，其中： 第1圖是展示具有依據本發明實施範例之一個或更多 個開關之切換配置的通訊裝置部件之分解圖。 第2A圖是展示依據本發明實施範例之接觸開關的頂部 15 分解圖； 第2B、2C、2D和2E圖是展示依據第2A圖之實施範例 而在四個分別的操作位置之接觸開關之側面分解截面圖； 第3 A圖是展示依據本發明另一實施範例之接觸開關的 頂部分解圖； 20 第3B、3C、3D和3E圖是展示依據第3A圖之實施範例 而在四個分別的操作位置之接觸開關之側面分解截面圖； 第4圖是揭示依據本發明實施範例之模擬開關被施加 電壓的函數之接觸力的分解圖示； 第5A圖是展示依據本發明另一實施範例之開關的頂部 1302335 顰 * 分解圖； 第5B圖是展示依據第5A圖實施範例之開關的側部截 面分解圖； 第6 A圖是展示依據本發明進一步開關實施範例之頂部 5 分解圖； 第6B圖是展示依據第6A圖實施範例之開關的側部截 面分解圖； 第7A圖是展示依據本發明另一實施範例之開關的頂部 ® 分解圖； 10 第7B圖是展示依據第7A圖實施範例之開關的側部截 面分解圖； 第8A圖是展示依據本發明另一實施範例之開關的頂部 分解圖；以及 第8B圖是展示依據第8A圖實施範例之開關的側部截 15 面分解圖。 將了解到，為簡易且清楚地展示，圖形中展示之元件 ^ 不必定按比率繪製。例如，為清楚起見一些元件尺度可相 對於其他元件被放大。進一步地，當考慮適當時，在圖形 之間的參考號碼可被重複以指示對應或類似的元件。 20 【實施方式】 較佳實施例之詳細說明 於下面的詳細說明中，許多特定細節被說明以便提供 本發明完全的了解。但是熟習本技術者應了解，本發明可 以被實施而不必這些特定之細節。於其他實例中，為不使 1302335 本餐明叉混淆，不詳細地說明習知的方法、步驟、構件以 及電路。 應了解，本發明可以可被使用於多種應用中。雖然本 I明並不受這方面之限制，此處揭示之MEMS裝置和技術 5可被使用於許多裝置中，例如，無線電、移動式通訊裝置、 多杈式/頻帶無線電、可調式濾波器、無線電收發機、相移 杰以及智慧型天線。有意地被包含在本發明範園内之系 統，僅作為範例，包含有無線通訊站以及無線本地區域網 ’路。

10 雖然本發明並不受此方面之限制，此處揭示之MEMS 裝置和技術可被使用於任何其他應用中，例如，可以被使 用於自動系統中之直流中繼器。 應了解到，此處使用之專門名詞“頂部，，和“底部，，僅用 於展不目的’以展不某些構件之相對定位或位置，及/或指 15示第一組和第二組構件。此處使用之專門名詞“頂部，，和“底 Φ 部”不必定是指示“頂部”構件在“底部，，構件之上面，就其方 向及/或構件而論’其可能在空間中被翻轉、被轉動、被移 動、以對肖線方位或位置被安置、水平地絲直地被安置、 或相似地被修改。 20 帛1圖分解地展示依據本發明實施範例之包含-切換 配置14〇的通訊裝置刚前面部分。裝置酬可以包含用以傳 送和接收信號之天線110。雖然本發明範圍並不受此方面之 限制，可以使用各型式天線之天線110，可以包含，但是不 受限於内部天線、雙極天線、全方向天線、單極天線、端 1302335 % 點饋送天線、圓形極化天線、微條天線、多樣性天線以及 其類似者。切換配置140可選擇地連接天線110至發送器 120(其可產生利用天線110被發送之信號），或連接至接收器 13〇(其可處理利用天線110所接收之信號）。 5 配置140可包含開關150和160,以分別地選擇連接天線 110至發送器120以及接收器130。裝置100同時也可包含開 關控制器170，其能夠，例如，控制開關15〇及/或開關16〇 之操作，以拴緊在發送器120和130之間至天線11〇的連接。 依據示本發明實施範例，·任一開關150和160或兩者皆可包 10含一靜電可潰塌接觸開關，如下面之詳細說明，其允許以 高速率緊緊地拴牢在發送器12〇和130之間至天線11〇的連 接。如下面之詳細說明，開關150和160之結構以相對的低 笔壓、低功率消耗及/或大的接觸力而引動開關的操作，其 所有皆可能導致開關15〇和160延長其使用期。 15 A習本技術者應了解到，在上面說明之具有共用發送/ 接收天線的通訊裝置僅是包含依據本發明實施例之可潰塌 開關的一個裝置範例。將可進一步地了解，使用此類可潰 塌開關之任何型式的裝置、系統或方法也在本發明範圍之 内。 20 轉至第2A-2E圖，其分解地展示依據本發明實施範例之 開關2〇〇。第2A圖展示在四個分別的操作位置之開關2〇〇的 頂部圖且第2B-2E圖展示側部截面圖。雖然本發明範圍並不 受此方面之限制，開關200之頂層250可包含三部份：至少 一個支撐樑205，其可具有一低彈性常數k，例如，在5〇N/m 1302335 和150N/m之間；一頂部電極220,其可以是相對地大且剛性 的；以及一接觸樑230，其可具有一高彈性常數k，例如， 在5000N/m和15000N/m之間。一個或多個定位器222可被配 置在頂部電極220底下，以及一頂部電氣接觸點，例如，一 接觸凸處232，可被配置在接觸樑23〇底下。一個或多個電 氣隔離島212可被配置在底部電極21〇上，例如，直接地在 頂層定位器222底下，並且-底部電氣接觸點，例如，一接 觸金屬犯，可被配置錢觸凸處232底下之底部電極21〇 上。 10 應了解到’於此處’了頁部電極220和定位器222可整體 地被稱為“頂部電極結構，，並且例如，可卩包含電極22〇和定 位器222兩者之結構和功能性的單—元件形式地被製作。更 進-步地’底部電極21G和隔離島212於此處可整體地被稱 可包含電極210和隔離島212 為“底部電極結構’，並且例如 15兩者之結構和功能性的單一元件形式地被製作。

如下面之討論’第2Αίσ2Β圖展示之開關設計範例，當 反應於被施加在頂部電極220和底部電極21〇之^相對地 低之致動電壓時，可允許樑2〇5偏斜，而導致在接觸凸處η2 和接觸金屬215之間的高接觸力。 2〇 第2C圖和第2D圖展示， 致動電壓的範例之側部截面 開關200反應於一相對地低之 圖。第2C圖展示，頂部電極220 反應於-相對地低之致動電壓（例如，下面第4圖之比較分 解圖所展示之電壓）而可如何地朝向底部電極训而被拖 拉。低彈性常數樑205，可大致地承受所有的偏斜強度直至 1302335 接觸凸處232在點207與接觸金屬215接觸為止。第2D圖展示 在相對地低之致動電壓繼續施加之下，經由低彈性常數樑 205之一強的向下偏斜以及接觸樑23〇之一輕微的向上偏 斜，開_0可如何地潰。雖然本發明並不受此範例之限 5制，但由於定位器222以及電氣隔離島212,所需要的間隔， 例如Ο.ίμιη，是可被保持在頂部電極21〇和底部電極22〇之 間。接觸樑230之偏斜可導致在接觸凸處232和接觸金屬215 之間的高接觸力。由於在完全地潰塌狀態之接觸樑23〇的最 後偏斜，使在凸處232和金屬犯之間的最後接觸點可自 10啟始接觸之點207而稍微地被偏移。 應注意到，接觸樑230之偏斜可導致大的接觸力，並且 自點207至點208的接觸偏移可能高或然率地導致接觸凸處 232穿透表面污染層（不被展示），其通常可能在接觸金屬215 及/或接觸凸處232之上產生。這二種效應，可能導致能夠 15保持高電流轉移特性以及長的接觸使用期之高度可靠的切 換開關。依據本發明實施範例，定位器222和電氣隔離島212 分別地在頂部和底部電極22〇和21〇之間保持空氣間隙，並 且這空氣間隙可消除在電極之間的介電質充電，此是習見 的潰塌開關時常遭遇之問題。 2〇 f2E圖中’展示在開隨塌之後以及在低致動電壓被 私除之後，範例開關2〇〇的側部截面圖。由於樑2〇5和樑23〇 兩者之偏斜強度的緩和，致動電壓之移除可能導致開關2〇〇 之頂層250自開關200之底部電極21〇被分離。 應>主意到，因為在頂層250和底部電極21〇之間僅有一 1302335 % 所遭受之接觸力。 第3E圖展示在開關潰塌之後且在致動電壓被移除之後 的範例開關之側部截面圖。雖然本發明範圍並不受此方面 之限制，除了下面將討論的差異之外，第3E圖展示自底部 5電極310之頂層350的分離可以是相似於第注圖之展示。-電 氣隔離島之不存在，可能分別地導致在頂部和底部電極^ 和1〇之間的較小間隙，當開關300是在其潰場狀態時，可能 導致高彈性常數接觸樑330之較強的偏斜，並且因此，一曰 致動電壓被移除則接觸樑330之分離將更快。 10 轉至第4圖，其展示一分解圖而揭示作為依據本發明實 施範例之模擬潰塌開關被施加電壓的函數之接觸力。第*圖 上方曲線410展示在依據本發明實施範例設計之模擬開關 (例如’第2圖展示之型式）的頂部和底部接觸點之間的接觸 力。接觸力展示在不同致動電Μ的潰塌開關狀態。曲線41〇 15清楚地展示一相對高的接觸力，即使對於非f低的致動電 壓亦然，例如，對於20V之致動電壓的3〇〇μΝ。第4圖下方 曲線420展示來自習見接通接觸開關之所預期的接觸力。在 曲線和420之間的比較清楚地展示在顯著較高致動電壓 之習見開關的一顯著較低之接觸力。 20 轉至第认和沾圖，該分解圖展示依據本發明另一實施 範例之開關500。第5Α圖展示開關5〇〇之頂部圖且第5Β圖展 示其側部截面圖。雖然本發明範圍並不受此方面之限制，、 除了下面將說明的差異之外，第5圖展示之開關的結構和摔 作-般可以是相似於第2圖展示的那些開關。第5圖展示之 13 1302335 警 撐樑705以及一相對大的且剛性的頂部電極72〇。接觸凸产 732可被配置在頂部電極72〇之下，例如，接近電極邊緣处 直接地在底部接觸金屬715上面，而金屬715可被配置在底 部致動電極710上。電氣隔離島712可被配置在底部電極71〇 5上，並且可以直接地被置放在定位器722底下，其可以被配 置在頂部電極720之下。 第7圖展示之開關操作一般是相似於第2圖之開關。被 • 施加在頂部電極720和底部電極71〇之間的致動電壓可能導 致低k樑705之偏斜並且開關700之潰塌可能導致在接觸凸 !〇處732和接觸金屬715之間的接觸。於潰塌狀態之頂部和底 邠電極720和710之間的間隙大小，以及在接觸凸處乃2和接 觸金屬715之間的接觸力，可能受到定位器722和隔離島712 尺寸的影響。 轉至第8A和8B圖，該分解圖展示依據本發明另一實施. 5範例之開關800。第8A圖展示開關800之頂部圖並且第8]8圖 鲁展示其側部截面圖。雖然本發明範圍並不受此方面之限 制’除了下面將說明的差異之外，帛8圖展示之開_結構 和操作一般可以是相似於第2圖展示的那些開關。第8圖展 不之開關頂層850可以包含二部分：一具有低彈性常數化之 2〇支撐樑805以及一相對大的且剛性的頂部電極820。接觸凸 處832可被配置在頂部電極82〇之下，例如，接近電極邊緣， 直接地在底部接觸金屬815上面，而金屬815可被配置在底 部致動電極810上。定位器822可被配置在頂部電極82〇之 1302335 第8圖展示之開關操作_般是相似於第2圖之開關。被 施加在頂部電極820和底部電極81〇之間的致動電壓可能導 致低k樑805之偏斜並且開_Q之潰塌可能導致在接觸凸 處832和接觸金屬815之間的麟。於潰塌狀態之頂部和底 5部電極820和請之間的間隙大小’以及在接觸凸處奶和接 觸金屬815之間的接觸力，可能受到定位器822尺寸之影響。 熟習本技術者應了解到，依據本發明可能有許多另外 關關實_和製作4面之實施_僅展林據本發明 實施例的開關之-些可能的變化並且不欲限制本發明之範 10 疇。 雖然本發明某些特點已於此處被展示且被說明，熟習 本技術者應明白，本發明將可有許多的修改、替代、變化 以=其等效者。因此，應了解，所附加之申請專利範圍將 涵蓋本發明真正的精神之内的所有此類之修改和變化。 15 【囷式簡單說明】 第1圖是展示具有依據本發明實施範例之一個或更多 個開關之切換配置的通訊裝置部件之分解圖。 第2 A圖是展示依據本發明實施範例之接觸開關的頂部 分解圖； ' 2〇 細、％、21)和则是展示依據第2_之實施範例 而在四個分別的操作位置之接觸開關之側面分解截面圖； 第3A圖是展示依據本發明另一實施範例之接觸開關的 頂部分解圖； 第3B、3C、3D和3E圖是展示依據第3A圖之實施範例 17 ⑧ 1302335 而在四個分別的操作位置之接觸開關之側面分解截面圖； 第4圖是揭示依據本發明實施範例之模擬開關被施加 電壓的函數之接觸力的分解圖示； 第5A圖是展示依據本發明另一實施範例之開關的頂部 5 分解圖； 第5 B圖是展示依據第5 A圖實施範例之開關的側部截 面分解圖； 第6A圖是展示依據本發明進一步開關實施範例之頂部 分解圖； 10 第6B圖是展示依據第6A圖實施範例之開關的側部截 面分解圖； 第7A圖是展示依據本發明另一實施範例之開關的頂部 分解圖； 第7B圖是展示依據第7A圖實施範例之開關的側部截 15 面分解圖； 第8A圖是展示依據本發明另一實施範例之開關的頂部 分解圖；以及 第8 B圖是展示依據第8 A圖實施範例之開關的側部截 面分解圖。 20 【主要元件符號說明】 100…裝置 110…天線 120…發送器 130…接收器 140···切換配置 150…開關 160…開關 170···開關控制器 200…開關 205···支撐樑 18 1302335

207…接觸點 208…最後接觸點 210···底部電極 212···電氣隔離島 215···接觸金屬 220···頂部電極 222···定位器 230…接觸樑 232…接觸凸處 300…開關 305…支撐樑 308…接觸點 310…底部電極 315…接觸金屬 320…頂部電極 322…定位器 330…接觸樑 332…接觸凸處 350…頂層 410…上方曲線 420…下方曲線 500…開關 505…支撐樑 510…底部致動電極 512…電氣隔離島 515…底部接觸金屬 520…頂部電極 522···定位器 532…接觸凸處 550···開關頂層 600…開關 605…支撐樑 615···接觸金屬 620…頂部電極 622···定位器 632…接觸凸處 650···開關頂層 700…開關 705…支撐樑 712…電氣隔離島 715…接觸金屬 720…頂部電極 722…定位器 732…接觸凸處 750…開關頂層 800…開關 805…支撐樑 810…致動電極 815…接觸金屬 820…頂部電極 822···定位器 832…接觸凸處 850···開關頂層 19

Claims (1)

1. • 1302335

   15

   20 2. 年i*月j“修(更)正本 第94106797號專利申請案申請專利範面修正本π年5月 十、申請專利範圍·· h ~種接觸開關裝置，其包含： 一接觸開關，該接觸開關包含： -底部電極結構，其包含—底部致動電極； 一頂部電極結構，其包含： 一大體上剛性的頂部致動電極； 個或多個置放在該頂部致動電極上之定位 器，當該開較在潰塌狀態時，該定位器能夠在頂 部致動電極和底部致動電極之間保持—預定間隙； 一非剛性支撐樑，係可操作地結合至該底部電 極結構以支撐該頂部致動電極； 一非剛性接觸樑，储合至該頂部致動電極且 遠離該支撐樑；以及 六置双隹该接觸樑上J 該開關在—關閉狀態時，其可與一位於該底部驾 結構的第二職接觸點電氣連接，其中當該㈣ _:態時，該接觸樑被偏斜，且其中該接觸携 彈性吊數係大於該切樑的彈力常數。 專利範圍第1項之裝置，其中至少_牛頓之 子保持在該等第—和第二電氣接觸點之間，以回 部和底部結構之間少於4〇伏特之一致動· 利範圍第1項之μ，其中當該開關是在該 知狀悲時，該等定位器之至少一定位器能夠接觸該底 20 1302335 電極。 4. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該底部電極結構包 含一個或多個電氣隔離島，且其中當該開關是在該潰塌 狀態時，該等定位器之至少一個能夠接觸該等隔離島之 5 至少一隔離島。 5. —種接觸開關系統，其包含： 具有至少一個接觸開關之一切換配置，該接觸開關 包含=

   一底部電極結構，其包含一底部致動電極； 一頂部電極結構，其包含： 一大體上剛性的頂部致動電極；以及 一個或多個置放在該頂部致動電極上之定位 器，當該開關是在潰塌狀態時，該定位器能夠在頂 部致動電極和底部致動電極之間保持一預定間 隙；以及 一非剛性支撐樑，係可操作地結合至該底部電 極結構以支撐該頂部致動電極； 一非剛性接觸樑，係結合至該頂部致動電極且 遠離該支撐樑；以及 一第一電氣接觸點，其置放在該接觸樑上且當 該開關在一關閉狀態時，其可與一位於該底部電極 結構的第二電氣接觸點電氣連接；以及 一開關控制器，其能夠控制該至少一個接觸開關之 操作，其中當該開關在閉關狀態時，該接觸樑被偏斜， 21 1302335 且其中該接_的彈性常數係大於該支撐樑的彈力常 數。 6.如申請專利範圍第5項之系统 塌狀態時，該等定位器之至少 電極。 ’其中當該開關是在該潰 一定位器能夠接觸該底部 申月專仙圍第5項之系統，其中該底部電極結構包 3 士们或夕個電氣隔離島，其中當該開關是在該潰塌狀 態時，該等定位H之至少_個_接觸該等隔離島之至 少一隔離島。 10 15

   20 申月專圍第5項之系統，其中至少刚微牛頓之接 觸力被保持在該等第—和第二電氣接觸點之間，以回應 在該等頂部和底部結構之間少㈣伏特之—致動電壓。 9· 一種接觸開關裝置，其包含·· /、有頂朴底部電極結構之—接觸開關，該開關能 夠被切換至-潰塌閉合狀態，其中與該頂部結構結合的 第一電乳接觸點是和與該底部結構結合的第二電氣接 觸點接觸，其中該頂部結構與該底部結構接觸，其中在 該頂部和底雜構的其他部份之間保持—預定間隙，且 其T至少100微牛頓之接觸力被保持在該等第—和第二 電氣接觸點之間’以回應在該等頂部和底部結構之間少 於40伏特之一致動電壓。 10·如申請專利範圍第9項之裝置，其中該頂部電極結 括一頂部致動電極及一或多個定位器。 U.如申請專利範圍第9項之裝置，其中該底部電極結構包 22 1302335

   10 15

   20 括一底部致動電極及一或多個電氣隔離島。 12. —種無線裝置，其包含： 一天線；以及 一切換配置，其包含第一和第二接觸開關，該第一 開關能夠連接該天線與一發送器，並且該第二開關能夠 連接該天線與一接收器，其中該等接觸開關之至少一個 是一可潰塌開關，該可潰塌開關包含： 具有一底部致動電極之底部電極結構；及 一頂部電極結構，其包含： 一大體上剛性的頂部致動電極； 一個或多個置放在該頂部致動電極上的 定位器，當該開關是在潰塌狀態時，該等定位 器能夠在頂部致動電極和底部致動電極之間 保持一預定間隙； 一非剛性支撐樑，係可操作地結合至該底 部電極結構以支撐該頂部致動電極； 一非剛性接觸樑，係結合至該頂部致動電 極且遠離該支撐樑；以及 一第一電氣接觸點，其置放在該接觸樑上 且當該開關在一關閉狀態時，其可與一位在該 底部電極結構的第二電氣接觸點電氣連接，其 中當該開關在該開關狀態時，該接觸樑被偏 斜，且其中該接觸樑之彈性常數係大於該支撐 樑的彈力常數。 23 1302335 13. 如申請專利範圍第12項之無線裝置，其中當該可潰塌開 關是在該潰塌狀態時，該等定位器之至少一定位器能夠 接觸該底部電極。

   10 14. 如申請專利範圍第12項之無線裝置，其中該底部電極結 構包含一個或多個電氣隔離島，其中當該可潰塌開關是 在該潰塌狀態時，該等定位器之至少一定位器能夠接觸 該等隔離島之至少一個。 15. 如申請專利範圍第12項之無線裝置，其中至少100微牛 頓之接觸力被保持在該等第一和第二電氣接觸點之 間，以回應在該等頂部和底部結構之間較少於40伏特之 一致動電壓。

   24 130233拿 94106797號專利申請案圖式修正本96.12· 1/10 月專日修(更)正水. 100 140

   170 1302335

   2/10

   ^ 2Α®

   第2B圖 210 250 1302335 3/10

   15 ^205 230^ ΤΓ ΤΓ ΤΓ 第2Ε蹰. 1302335 4/10

   第3A圖 500 ·

   第3B圖 510 1302335

   5/10

   300

   9

   500-

   第3E圖 '1302335 豢 ％

   10 VOLTAGE (V) 40 5001302335 7/10

   500

   第5B圖 510 1302335

   第6A圖

   600

   第6B圖 1302335 飄

   第7A圖

   700

   第7B圖 1302335 矗

   第8A圖

   800

   第8B圖