微机电开关及其相关方法
【专利摘要】开关包括安置于基板上的梁电极。梁包括耦合至梁电极的至少一个锚部分、沿第一方向从至少一个锚部分延伸的第一梁部分以及沿与第一方向相反的第二方向从至少一个锚部分延伸的第二梁部分。第一控制电极安置于基板上，面向第一梁部分。第一接触电极安置于基板上，面向第一梁部分。第二控制电极安置于基板上，面向第二梁部分。第一控制电极和第二控制电极耦合以形成栅极。第二接触电极安置于基板上，面向第二梁部分。
【专利说明】微机电开关及其相关方法
【背景技术】
[0001]微机电系统(MEMS)装置具有多种多样的应用，并且，在商用产品中流行。MEMS装置的一个类型是MEMS开关。典型的MEMS开关包括以阵列布置的一个或更多MEMS开关。MEMS开关非常适合于包括移动电话、无线网络、通信系统以及雷达系统的应用。在无线装置中，MEMS开关能够用作天线开关、模式开关、发射/接收开关等。
[0002]典型的MEMS开关使用支撑在一端的电镀金属悬臂和布置在金属悬臂的另一端的电接触。控制电极定位在金属悬臂的下面。将直流(“DC”)致动电压施加于控制电极与金属悬臂两端，从而强迫金属悬臂向下弯曲，并且，进行与底部信号踪迹的电接触。一旦建立电接触，就将电路闭合，并且，电信号能够通过金属悬臂而传递至底部信号踪迹。
[0003]MEMS开关的一个类型是MEMS射频(RF)开关。MEMS RF开关由于其低的驱动功率特性和在射频范围内操作的能力而用于无线装置。然而，在相当大的RF电压施加于梁电极和接触电极之间时，在MEMS RF开关内频繁地出现问题。这样的电压可以耦合至控制电极上并使开关进行自致动。换句话说，由于高电压RF信号而导致这些MEMS开关典型地遭受开关内的悬臂梁可能在“关”状态下致动(自致动)的问题。从而，高电压RF信号产生足以将开关梁下拉并引起故障的静电力。
【发明内容】
[0004]根据本发明的一个示范性的实施例，公开了微机电系统(MEMS)开关。开关包括安置于基板上的梁电极。梁包括耦合至梁电极的至少一个锚部分、沿第一方向从至少一个锚部分延伸的第一梁部分以及沿与第一方向相反的第二方向从至少一个锚部分延伸的第二梁部分。第一控制电极安置于基板上，面向第一梁部分。第一接触电极安置于基板上，面向第一梁部分。第二控制电极安置于基板上，面向第二梁部分。第一控制电极和第二控制电极耦合，以形成栅极。第二接触电极安置于基板上，面向第二梁部分。
[0005]根据本发明的另一个示范性的实施例，公开了用于操作微机电系统(MEMS)开关的方法。该方法包括将致动电压施加于栅极与梁电极之间，以将致动电压相等地施加至控制电极和第二控制电极。第一控制电极、第二控制电极以及梁电极安置于基板上。第一控制电极和第二控制电极耦合以形成栅极。该方法还包括将梁的第一梁部分和第二梁部分从第一位置偏置至第二位置，使得第一梁部分的第一梁接触部分和第二梁部分的第二梁接触部分接触分别安置在基板上的第一接触电极和第二接触电极。梁包括耦合至梁电极的锚部分。第一梁部分沿第一方向从锚部分延伸。第二梁部分沿与第一方向相反的第二方向从锚部分延伸。
【专利附图】
【附图说明】
[0006]在参考附图而阅读以下的详细的描述时，本发明的实施例的这些及其他的特征和方面将变得更好理解，其中，贯穿附图，相同的字符表示相同的部分，其中:
图1是根据本发明的示范性的实施例的用于对线圈系统的一个或更多表面线圈进行去率禹的微机电系统(MEMS)装置的图解表不；
图2是根据本发明的示范性的实施例的具有MEMS开关系统的MEMS装置的截面图；
图3是根据图2的实施例的MEMS开关的图解表不；以及 图4是根据图2的实施例的MEMS开关的图解表不。
【具体实施方式】
[0007]根据本发明的实施例，公开了微机电系统(MEMS)开关。MEMS开关包括安置在基板上的梁电极。梁包括耦合至梁电极的锚部分。第一梁部分沿第一方向从锚部分延伸；并且，第二梁部分沿与第一方向相反的第二方向从锚部分延伸。第一控制电极和第一接触电极安置在基板上，面向第一梁部分。第二控制电极和第二接触电极安置在基板上，面向第二梁部分。根据某些具体的实施例，公开了用于操作MEMS开关的方法。
[0008]参考图1，公开了用于对射频(RF)装置15中的线圈系统14的一个或更多表面线圈12进行去耦的微机电系统(MEMS)装置10，例如，磁共振成像(MRI)系统。在本文中，应当注意到，虽然公开了 MRI系统，但在其他的实施例中，MEMS装置10可以用于其他的应用。例如，在另一个实施例中，装置15可以是雷达系统。在所说明的实施例中，MEMS装置10允许切换以使一个或更多表面线圈12，具体地，射频(RF)磁共振线圈隔离。在一个实施例中，在MRI发射操作的期间，MEMS装置10可操作来对作为接收表面线圈而配置的表面线圈12进行去耦。在一个实施例中，MEMS装置10在发射操作的期间处于断开状态，以将表面线圈12 (接收RF线圈)从线圈系统14去耦。MEMS装置10在接收操作的期间处于闭合状态，使得表面线圈12与所接收的MR信号共振并耦合，使得所接收的MR信号发射至RF接收器16。MEMS装置10由开关控制器18控制，该开关控制器18将MEMS装置10从断开状态切换至闭合状态，反之亦然。在一些实施例中，在线圈系统14未被偏置时，MEMS装置10处于常断开的状态(去耦的状态)。然而，在其他的实施例中，在线圈系统14未被偏置时，MEMS装置10处于常闭合的状态。
[0009]在本文中，应当注意到，在其他的实施例中，MEMS装置10可以与在不同的频率下操作的不同的类型的磁共振表面线圈(在本文中也被称为“表面线圈”)结合使用。表面线圈可以是单频或双频(双重地调谐的)RF线圈。一些实施例中的双频RF线圈包括同心线圈元件，该同心线圈元件被调谐为在不同的频率下共振，例如，一个针对碳而共振，并且，一个针对质子而共振，即在碳和质子的拉莫尔频率下共振，以引起碳原子和质子中的拉莫尔旋进。应当注意到，MEMS装置10不限于仅耦合至接收表面线圈。例如，MEMS装置10可以耦合至仅发射的线圈或发射/接收线圈的组合。
[0010]MEMS装置10的各种实施例可以作为单模态或多模态磁共振成像系统的一部分而提供。MRI系统可以与诸如计算机断层摄影(CO、正电子发射断层摄影(PET)、单光子发射计算机断层摄影(SPECT)的不同的类型的医学成像系统和超声系统或能够生成特别是人类的图像的任何其他系统组合。此外，各种实施例不限于用于对人类受试者进行成像的医学成像系统，而是可以包括用于对非人类的对象、行李等进行成像的兽医或非医学系统。
[0011]MEMS装置10可以耦合至一个或更多表面线圈12，例如，一个或更多接收表面线圈。在一个实施例中，单个MEMS装置10可以耦合至每个表面线圈12。在另一个实施例中，单个MEMS装置10可以耦合至多个表面线圈12。在具体的实施例中，单独的MEMS装置10可以耦合至每个表面线圈12。另外,MEMS装置10可以被配置成对全部表面线圈12或所选择的一些表面线圈12进行去耦。虽然表面线圈12可以以特定的布置说明，诸如内部线圈元件和外部元件形成一对环形线圈(双频或双重地调谐的RF线圈元件),但是MEMS装置10可以用于控制任何类型的MRI线圈，具体地，任何类型的磁共振接收表面线圈或发射表面线圈的去耦。应当注意到，MEMS装置10不限于仅耦合至接收表面线圈。在一个实施例中，MEMS装置10可以耦合至仅发射的线圈或发射/接收线圈的组合。
[0012]参考图2，示出MEMS装置10。在所说明的实施例中，MEMS装置10包括MEMS开关20。MEMS装置10包括基板22、梁24、梁电极26、第一和第二控制电极28、30以及第一和第二接触电极32、34。在一些实施例中，可以使用多于一个基板。该背靠背的配置能够举例说明为一个基板或多个基板。
[0013]在所说明的实施例中，第一中间层36安置于基板22上。第一控制电极28经由第二中间层38而安置于第一中间层36上。第二控制电极30经由第三中间层40而安置在第一中间层36上。第一接触电极32经由第四中间层42而安置在第一中间层36上。第二接触电极34经由第五中间层44而安置于第一中间层36上。梁电极26经由第六中间层37而安置于第一中间层36上。在本文中，应当注意到，中间层的数量可能取决于应用而变化。
[0014]梁24包括锚部分46、第一梁部分48以及第二梁部分50。在一些实施例中，梁24可以包括多于一个锚部分，其中，锚部分互相电耦合。在所说明的实施例中，锚部分46经由第七中间层52而耦合至梁电极26。第一梁部分48沿第一方向54从锚部分46延伸，并且，第二梁部分50沿与第一方向54相反的第二方向56从锚部分46延伸。第一控制电极28和第一接触电极32安置为面向第一梁部分48。第二控制电极30和第二接触电极34安置为面向第二梁部分50。在所说明的实施例中，第一控制电极28和第二控制电极30被耦合以形成栅极58。栅极58是能够驱动或偏置MEMS开关20以引起MEMS开关20中的梁24弯曲或偏转使得通过MEMS开关20而提供电路径(即，MEMS开关20的闭合状态)的任何类型的电压源，例如方波电压源。种子层(seed layer)60形成于梁24上，面向梁电极26、第一和第二控制电极28、30、第一和第二接触电极32、34以及第一中间层36。
[0015]梁24可以由不同的材料形成。例如，梁24可以由诸如金、金合金、镍、镍合金、钨等的一个或更多不同的金属形成。基板22可以包括硅、硅石、石英等，并且，中间层可以包括氮化硅、二氧化硅、粘附层等。电极26、28、30、32、34可以包括诸如金、钼、钽等的金属。在具体的实施例中，电极26、28、30、32、34可以包括金属氧化物。在本文中，应当注意到，在本文中公开的梁24、基板22以及电极26、28、30、32、34的成分不是包括一切的，并且，可能取决于应用而变化。可以使用涉及沉积、阳极化、构图、蚀刻等的技术来制造MEMS开关20。
[0016]梁24的尺寸可能例如基于诸如需要多少力来使梁24弯曲或偏转的具体的弯曲或偏转要求而变化。梁24的尺寸和配置还可能基于用于使梁24偏转的施加于栅极58与梁电极26之间的电压。梁24的尺寸和配置还可能基于用于使梁24偏转的栅极58的电压。在本文中，应当注意到，MEMS开关20可以由不同的材料形成，并且，例如基于针对MEMS装置20的特定的应用(例如，MRI系统应用)而使用不同的过程来确保装置不影响环境而在特定的环境下适当地操作。
[0017]在一些实施例中，MEMS装置10可以包括多个MEMS开关20，该MEMS开关20在耦合至表面线圈时，分别基于例如成像系统(例如，MRI系统)处于发射或接收模式而在断开或闭合的状态下操作。在一些实施例中，MEMS开关20可以串联地耦合，以形成组。在某些实施例中，一套或一组MEMS开关20可以彼此并联地耦合。
[0018]在未将致动电压施加于栅极58与梁电极26之间时，第一梁部分48和第二梁部分50以这样的方式安置在第一位置，使得第一梁部分48的第一梁接触部分62和第二梁部分50的第二梁接触部分64分别与第一接触电极32和第二接触电极34间隔开，被称为“断开状态”。在将致动电压施加于栅极58与梁电极26之间时，第一梁部分48和第二梁部分50以这样的方式从第一位置偏置至第二位置，使得第一梁接触部分62和第二梁接触部分64分别接触第一接触电极32和第二接触电极34，从而允许电流从第一和第二梁接触部分62、64流动至第一和第二接触电极32、34，被称为“闭合状态”。
[0019]如先前所讨论的，MEMS RF开关由于其低功率特性和在射频范围内操作的能力而用于无线装置。然而，如果将常规的三端MEMS开关提供至RF阻断路径中，则在开关的断开状态下，在接触电极与控制电极之间生成电压。由于接触电极与梁电极之间的电容是和接触电极与控制电极之间的电容相同的数量级而生成该电压。如果开关阻断与开关的选通电压相比而相对较低的电压，则该电压可能不好。然而，在接触电极与梁电极之间的RF电压增大时，将在控制电极的两端生成更大的电压，这增大导致MEMS开关的损害的开关的自致动的风险。
[0020]根据本发明的实施例，两个控制电极，即第一控制电极28和第二控制电极30耦合，以形成栅极58。第一控制电极28和第二控制电极30以这样的方式配置，使得在将致动电压施加于栅极58与梁电极26之间时，致动电压相等地施加至第一控制电极28和第二控制电极30。这允许使用相同的选通信号的第一梁部分48和第二梁部分50的致动。
[0021 ] 参考图3，说明根据图2的实施例的包括背靠背的取向的MEMS开关20。在所说明的实施例中，MEMS开关20具有作为两个三角形66、68而建模的对称布置，每个三角形具有耦合至接触电极32、34的三个电容器。三角形66具有指示栅极58与第一梁部分48之间的电容的第一电容器70、指示栅极58与第一接触电极32之间的电容的第二电容器72以及指示第一梁部分48与第一接触电极32之间的电容的第三电容器74。三角形68具有指示栅极58与第二梁部分50之间的电容的第四电容器76、指示栅极58与第二接触电极34之间的电容的第五电容器78以及指示第二梁部分50与第二接触电极34之间的电容的第六电容器80。
[0022]参考图4，MEMS开关20包括根据图2的实施例的背靠背的取向。在所说明的实施例中，MEMS开关20具有与图3中示出的布置相似的布置。另外，开关20被建模为具有指示栅极58与梁电极26之间的电容的电容器82。
[0023]如在上文中所讨论的，在MEMS开关20处于断开状态，使第一和第二梁部分48、50分别从第一和第二接触电极32、34分开时，执行射频信号阻断。在MEMS开关20两端生成的电压包括弓I起在MEMS开关20两端的每个电容跨接的电容耦合的高频信号。结果，在这样的配置中，梁电极26处的电压等于第一和第二接触电极32、34两端的电压的一半。假如电容相等，则栅极58处的电压也等于第一和第二接触电极32、34两端的电压的一半。作为这样的配置的结果，防止开关20的自致动。
[0024]MEMS开关20的背靠背的配置允许两个控制电极28、30 (在图2中示出)之间的电通信。在一个实施例中，该电通信经由电阻器而进行，并且，在其他的实施例中，该电通信经由电容器和/或电感而无源地进行。在某些其他的实施例中，电通信使用控制逻辑来有源地进行。该电通信导致控制电极两者处的相同的电压，并且，栅极处的电压与梁处的电压相同。在开关20两端的电容相等的条件下，即使存在大体上较高的射频信号，在梁电极与栅极之间生成的电压也接近零。示范性的MEMS开关20具有大于300伏特的可承受电压(standoff voltage),以便在MEMS开关20处于断开状态时防止开关20的自致动。
[0025]根据本发明的某些实施例，第一梁部分与第一接触电极之间和第二梁部分与第二接触电极之间的电容相同。在一些实施例中，第一接触电极与第一控制电极之间和第二接触电极与第二控制电极之间的电容相同。在具体的实施例中，梁与栅极之间的电容是第一控制电极与第一接触电极之间的电容的至少两倍。
[0026]开关20的背靠背的配置的对称性基于开关的布局、过程变异性以及组件配置。加到开关的一个或更多元件可能生成非对称的配置，从而导致在开关的栅极与梁电极之间生成残差电压。在一个实施例中，能够使用栅极与梁电极之间的电容器来无源地缓解该残差电压。在另一个实施例中，能够使用控制逻辑来有源地缓解残差电压。如先前所讨论的，示范性的开关可以包括一个或更多基板。
[0027]在本文中，应当注意到，MEMS开关的寿命可能基于在MEMS开关处于闭合状态时，在接触电极两端生成的残差电压的量。这样的电压可以典型地被称为“热开关电压”。在对开关进行致动之前去除RF电压的应用中，由于低的断开状态电容和低的泄漏电流而导致残差低频或DC电压仍然残存于开关两端的可能性。根据本发明的实施例，通过允许开关中的接触电极和梁电极之间的电通信而缓解这样的影响。该电通信能够经由诸如电阻器、电感、二极管的无源部件或经由有源控制逻辑而进行。这样的电通信在维持所要求的高频阻断的同时允许信号的低频成分通过断开的开关。
[0028]在一些实施例中，可以通过提供与开关20的第一和第二接触电极32、34串联的多个电容器而提高MEMS开关20的寿命。这些电容器促进使热开关电压和热开关能量(即，在开关的闭合后立即传递的总电荷)两者最小化。该实现方案在使开关20与栅极控制逻辑的影响隔离时特别地有利。
[0029]在一些实施例中，设想示范性的开关20的背靠背的配置的阵列。在这样的实施例中，单个栅极58用于对串联的开关20的阵列进行致动，从而不增加对额外的栅极的需要就允许栅极电压的加倍。MEMS开关20的数量可能取决于具体的应用，例如MEMS开关20操作的环境而变化。例如，在磁性环境或RF环境下，MEMS开关20的数量可以基于电压脉冲效应而确定，使得克服平衡电压。具体地，基于RF平衡电压，MEMS开关20的数量和配置可能变化，使得防止由于RF信号而导致的自致动。
[0030]虽然在本文中仅说明并描述本发明的某些特征，但所属领域的技术人员将想到许多变型和改变。因此，要理解到，由于落在本发明的真实的实质之内，因而所附权利要求旨在涵盖所有这样的变型和改变。
【权利要求】
1.一种微机电系统(MEMS)开关，包括: 基板； 安置于所述基板上的梁电极； 梁，包括耦合至所述梁电极的至少一个锚部分、沿第一方向从所述至少一个锚部分延伸的第一梁部分以及沿与所述第一方向相反的第二方向从所述至少一个锚部分延伸的第二梁部分； 面向所述第一梁部分的安置于所述基板上的第一控制电极； 面向所述第一梁部分的安置于所述基板上的第一接触电极； 面向所述第二梁部分的安置于所述基板上的第二控制电极；其中，所述第一控制电极和所述第二控制电极耦合以形成栅极；以及 面向所述第二梁部分的安置于所述基板上的第二接触电极。
2.如权利要求1所述的MEMS开关，其中，所述第一梁部分包括第一梁接触部分。
3.如权利要求2所述的MEMS开关，其中，所述第二梁部分包括第二梁接触部分。
4.如权利要求3所述的MEMS开关，其中，在未将致动电压施加于所述栅极与所述梁电极之间时，所述第一梁部分和所述第二梁部分安置于第一位置，使得所述第一梁接触部分和所述第二梁接触部分分 别与所述第一接触电极和所述第二接触电极间隔开。
5.如权利要求4所述的MEMS开关，其中，在所述致动电压施加于所述栅极与所述梁电极之间时，所述第一梁部分和所述第二梁部分从所述第一位置偏置至第二位置，使得所述第一梁接触部分和所述第二梁接触部分分别接触所述第一接触电极和所述第二接触电极。
6.如权利要求1所述的MEMS开关，其中，所述第一控制电极和所述第二控制电极被配置成相等地施加控制电压至所述第一控制电极和所述第二控制电极。
7.如权利要求1所述的MEMS开关，其中，在所述MEMS开关处于断开状态时，所述MEMS开关具有大于300伏特的可承受电压。
8.如权利要求1所述的MEMS开关，其中，所述第一梁部分与所述第一接触电极之间以及所述第二梁部分与所述第二接触电极之间的电容相同。
9.如权利要求1所述的MEMS开关，其中，所述第一接触电极与第一控制电极之间以及所述第二接触电极与所述第二控制电极之间的电容相同。
10.如权利要求1所述的MEMS开关，其中，所述梁与所述栅极之间的电容是所述第一控制电极与所述第一接触电极之间的电容的至少两倍。
11.如权利要求1所述的MEMS开关，还包括多个电容器至所述第一接触电极、所述第二接触电极的至少一个。
12.如权利要求1所述的MEMS开关，其中，所述MEMS开关包括MEMS射频开关。
13.如权利要求1所述的MEMS开关，其中，所述MEMS开关安置在被配置成在射频范围内操作的装置中。
14.如权利要求13所述的MEMS开关，其中，所述装置包括磁共振成像系统，该磁共振成像系统包括单模态成像系统或多模态成像系统。
15.如权利要求14所述的MEMS开关，其中，所述MEMS开关布置成对所述磁共振成像系统的一个或更多射频接收表面线圈、射频发射表面线圈进行耦合和去耦。
16.如权利要求15所述的MEMS开关，其中，所述一个或更多射频接收表面线圈和射频发射表面线圈包括一个或更多单频线圈或一个或更多双频线圈之一。
17.—种用于操作微机电系统(MEMS)开关的方法,包括: 将致动电压施加于栅极与梁电极之间，以相等地施加所述致动电压至控制电极和第二控制电极；其中，所述第一控制电极、所述第二控制电极以及所述梁电极安置于基板上；其中，所述第一控制电极和所述第二控制电极耦合以形成栅极 ； 将梁的第一梁部分和第二梁部分从第一位置偏置至第二位置，使得所述第一梁部分的第一梁接触部分和所述第二梁部分的第二梁接触部分分别接触安置在所述基板上的所述第一接触电极和所述第二接触电极；其中，所述梁包括耦合至所述梁电极的锚部分，其中，所述第一梁部分沿第一方向从所述锚部分延伸；并且，所述第二梁部分沿与所述第一方向相反的第二方向从所述锚部分延伸。
18.如权利要求17所述的方法，包括在未将所述致动电压施加于所述栅极与所述梁电极之间时，将所述第一梁部分和所述第二梁部分安置于第一位置，使得所述第一梁接触部分和所述第二梁接触部分分别与所述第一接触电极和所述第二接触电极间隔开。
19.如权利要求17所述的方法，还包括在所述MEMS开关处于断开状态时，防止所述MEMS开关的自致动。
【文档编号】H01H59/00GK103959418SQ201280059325
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2012年10月25日 优先权日:2011年11月30日
【发明者】M.F.艾米 申请人:通用电气公司