具有直插式MEMS开关的多通道继电器组合件的制作方法
背景技术：
本发明的方面一般涉及用于切换的装置，且更具体地，涉及包含供在射频应用中使用的多个直插式微机电系统（mems）开关结构的多通道继电器组合件。
射频（rf）应用中的“理想的”开关的有抱负的技术规范保持为近似地：高隔离（截止状态的电容（c截止））=0ff；高线性度（iip2和iip3→∞；中等或更高的功率操控（100mw-1kw）；在大的频率范围内没有插入损耗（r导通=0ω）；并且没有dc功率消耗。
在接近这一理想的rf开关的成功被证实为难懂的。虽然大并且昂贵且过时的技术，但机电继电器仍然为在执行得良好的rf开关的相当地成功的尝试。其他类型的rf开关技术包括p-i-n二极管和gaasfet开关。这些也具有关于某些rf应用的缺点。
最近，尝试了以基于压电、静电、热或静磁设计的致动器来使用微机电系统（mems）技术。使用mems提供机械继电器的低成本制作连同一些技术性能益处的混合。rfmems开关使用微机械移动来达到一个或多个rf线路中的开路或短路。
因此，存在对于如下的rf应用开关的进行的需要：解决用于高执行开关的rf共同体（community）中的技术目标的一些（如果不是所有的话）连同解决其他目标，例如便于可制造性。
技术实现要素：
根据实施例，欧姆rfmems继电器包含：衬底，其具有第一电容耦合csub；第一致动元件和第二致动元件，其串联电耦合，由此定义第一通道，其中，第一致动元件和第二致动元件配置成被独立地致动，进一步其中，第一致动元件和第二致动元件具有第二电容耦合c间隙；第一通道上的中点，其与第一致动元件和第二致动元件电气通信；以及至少一个锚，其与衬底机械地耦合，并且支承第一致动元件和第二致动元件中的至少一个。
根据另一实施例，静电控制欧姆rfmems继电器包含：输入；rf传输线，将输入与至少一个输出连接；衬底，其具有第一电容耦合csub；第一致动元件和第二致动元件，其在rf传输线上串联电耦合，其中，第一致动元件和第二致动元件配置成被独立地致动，进一步其中，第一致动元件和第二致动元件具有第二电容耦合c间隙；rf传输线上的中点，其与第一致动元件和第二致动元件电气通信，其中，中点的电势充当选通信号的公共参考；至少一个锚，其与衬底机械地耦合，并且支承第一致动元件和第二致动元件中的至少一个，其中，比csub/c间隙=r，其中，r<10，进一步其中，继电器配置成在第一闭合位置和第二打开位置中操作，其中：第一闭合位置包含将输入和至少一个输出电连接；并且，第二打开位置包含使输入和至少一个输出电断开。
根据另一实施例，欧姆rfmems继电器包含：输入端口；多个第一mems开关，其定义第一切换组，第一切换组与输入端口电气通信，由此定义各自从多个第一mems开关中的每个引导的多个通道；以及至少一个出口端口，其沿着远离第一开关组的多个信道中的每个，并且与输入端口电气通信。
根据另一实施例，欧姆rfmems继电器包含：衬底，具有第一电容耦合csub；第一致动元件和第二致动元件，其串联电耦合，由此定义第一通道，其中，第一致动元件和第二致动元件配置成同时地操作，进一步其中，第一致动元件和第二致动元件具有第二电容耦合c间隙；第一通道上的中点，其与第一致动元件和第二致动元件电气通信；以及至少一个锚，其与衬底机械地耦合，并且支承第一致动元件和第二致动元件中的至少一个。
附图说明
在参考附图来阅读下面的详细描述时，本发明的这些及其他特征、方面以及优点将变得更好理解，其中，在附图通篇中，相似的字符表示相同的零件，其中：
图1a是根据示范性的实施例的多通道继电器组合件的一部分的示意顶视图；
图1b是根据另一示范性的实施例的多通道继电器组合件的一部分的示意顶视图；
图2是图1a和/或图1b中的多通道继电器组合件的该部分的沿着线2-2的侧视图（sideelevationview）；
图3是根据另一示范性的实施例的多通道继电器组合件的一部分的示意侧视图；
图4a-4c是根据三个示范性的实施例的多通道继电器组合件的部分的侧视图的电气图；
图5a和图5b是根据其他示范性的实施例的多通道继电器组合件的一部分的示意侧视图；
图6是根据示范性的实施例的多通道继电器组合件的一部分的示意顶视图；
图7是根据另一示范性的实施例的多通道继电器组合件的一部分的示意顶视图；
图8是图6中的多通道继电器组合件的该部分的沿着线8-8的端视图（endelevationview）；以及
图9是沿着根据另一示范性的实施例的多通道继电器组合件的一部分的端视图。
图10是沿着根据另一示范性的实施例的多通道继电器组合件的一部分的端视图。
图11是沿着根据另一示范性的实施例的多通道继电器组合件的示意平面图。
具体实施方式
参考附图，在下文中详细地描述本发明的示例实施例，其中，在附图通篇中，相同的参考数字表示相同的零件。这些实施例中的一些实施例可以解决上文的需要及其他需要中的一些需要。
除非另有定义，否则本文中所使用的技术术语和科学术语具有如由本领域普通技术人员关于目前公开的主题而普遍地理解那样的相同的含义。如本文中所使用的术语“第一”、“第二”等不表示任何顺序、数量或重要性，而宁可说是，用来将一个元件与另一个元件区分开。术语“一”、“一个”以及“该”不表示数量的限制，而宁可说是，表示存在至少一个所引用的项目，并且，除非另有注释，否则术语“前面”、“后面”、“底部”和/或“顶部”仅为了便于描述而使用，而不限于任一个位置或空间取向。
如果公开了范围，则针对相同的组件或性质的所有的范围的端点为包括的，并且，可独立地组合（例如，“高达大约2.5mm”的范围包括“大约0mm至大约2.5mm”的范围的端点和所有的中值等）。结合数量而使用的所修改的“大约”包括规定值，并且具有由上下文所规定的含义（例如，包括与具体的数量的测量相关联的误差度）。因此，通过术语“大约”而修改的值不一定仅限于所指定的精确值。
在下面的详细描述中，阐明许多具体细节，以便提供本发明的各种实施例的透彻的理解。然而，本领域技术人员将理解到，可以不利用这些具体细节来实践本发明的实施例，本发明不限于所描绘的实施例，并且，在各种备选的实施例中，可以实践本发明。在其他实例中，未详细地描述众所周知的方法、规程以及组件。
此外，各种操作可以描述为以有助于理解本发明的实施例的方式执行的多个离散的步骤。然而，描述的顺序不应当被解释为暗示这些操作需要以它们被呈现的顺序执行，也不暗示这些操作甚至是顺序相关的。此外，短语“在一个实施例中”的重复使用虽然它可能指同一实施例，但不一定如此。最后，除非另有指示，否则如本申请中所使用的术语“包含”、“包括”、“具有”等及其有词尾变化的形式意图为同义的。
术语mems通常指能够通过微制作技术而将许多在功能上截然不同的元件（例如，机械元件、机电元件、传感器、致动器以及电子设备）集成于公共的衬底上的微米量级的结构。然而，预期目前可在mems装置中获得的许多技术和结构将可在只不过几年中经由基于纳米技术的装置（例如，在大小上可以小于100纳米的结构）而获得。因此，虽然在本文献通篇中描述的示例实施例可以指基于mems的切换装置，但认为实施例应当被广义地解释，并且，应当不仅仅限于微米级装置，除非另外限制与此。
具有共同的受让人的与mems技术有关的文献包括美国专利号7928333（代理人案号234422-1）；8354899（代理人案号238794-1）；8610519（代理人案号229968-1）；以及8779886（代理人案号238789-1）。据此将这些文献通过引用全部地合并。
本发明的实施例包含多通道继电器组合件，其具有用于rf应用的直插式mems开关。从rf输入端口，能够接通/切断多个输出，以确保通道隔离以及所选择的（即，接通的）通道的良好的插入损耗。通过在接近于rf输入端口的组合件中提供附加开关，从而在使rf泄漏最小化的同时，在预期的方向上传播rf信号。
已发现，本发明的实施例提供某些优点，包括例如更好的插入损耗、更低的扩散泄漏以及更低的回波损耗。具体地，设计方法提供对高功率应用的性能改进。
图1a和图1b是图示mems开关的两个实施例的自顶而下视图的示意图。图1a是其中致动元件被同时地激活的实施例；图1b是其中致动元件可以被独立地激活的实施例。图2是如所示地跨截面线2而截取的图1a和图1b的mems开关10的横截面图。在所图示的实施例中，mems开关10由在下方的衬底12支承。衬底12给mems开关提供支承，并且可以表示由例如硅、锗或熔融硅石形成的刚性衬底，或衬底12可以表示诸如由例如聚酰亚胺形成的柔性衬底。此外，衬底12可能为传导的，或可能为绝缘的。在其中衬底12是传导的实施例中，附加电隔离层（未示出）可以被包括在衬底12与mems开关触点、锚以及栅极（在下文中描述）之间，以避免这类组件之间的电气短路。
mems开关10包括第一触点15（有时被称为源极或输入触点）、第二触点17（有时被称为漏极或输出触点）以及可移动致动器23。在一个实施例中，可移动致动器23为传导的，并且可以由任何传导材料或合金形成。在一个实施例中，触点（15、17）可以作为负载电路的一部分而电耦合在一起，并且可移动致动器23可以起作用以便当对开关进行致动时，使电流从第一触点15传递至第二触点17。如图2中所图示的，可移动致动器23可以包括配置成进行与第一触点15的电气连接的第一致动元件21和配置成进行与第二触点17的电气连接的第二致动元件22。在一个实施例中，可以取决于施加至每个致动元件的吸引力而对第一致动元件和第二致动元件独立地进行致动（参见例如图1b）。在另一实施例中，在致动期间，可以同时地将第一致动元件和第二致动元件朝向衬底12吸引（在下文中进一步描述）（参见例如图1a）。在一个实施例中，第一致动元件和第二致动元件整体地形成为共享相同的锚（anchor）区域且为导电的致动元件的相对端。在备选的实施例中，第一致动元件和第二致动元件可以通过附加内部或外部电气连接而电耦合。通过将第一致动元件和第二致动元件作为相同的可移动致动器的一部分来集成，由此，可以消除外部连接，从而降低装置的总体电感，并且使与衬底的电容耦合最小化。
如图1a、图1b以及图2中所图示的，可以通过一个或多个锚18而支承可移动致动器23（包括第一致动元件21和第二致动元件22）且将其与衬底12机械地耦合。在一个实施例中，可移动致动器23还可以与一个或多个锚18电耦合。在其中单个锚18用来支承第一致动元件21和第二致动元件22两者的实施例中，可以期望锚18（在延伸在第一触点与第二触点之间的方向上）足够宽，使得与一个致动元件相关联的任何应变或预应力不传递或机械地耦合至第二致动元件。此外，在其中单个锚18用来支承第一致动元件21和第二致动元件22两者的实施例中，可移动致动元件之间的固定材料的距离可以大于可移动元件的组合的长度。
图1a中的mems开关10包括共栅极16，共栅极16由单个栅极驱动器6控制，并且配置成同时地对第一致动元件21和第二致动元件22两者赋予吸引力。与此形成对照，图1b中的mems开关10包括两个栅极16a、16b，栅极16a、16b各自由其自身的相应的栅极驱动器6a、6b个别地控制，并且配置成对第一致动元件21和第二致动元件22独立地赋予吸引力。这种吸引力可以体现为静电力、磁力、压阻力或力的组合。在静电致动开关中，栅极16可以电气地引用（reference）至开关参考14，在图1a和图2中，当开关处于闭合状态中时，开关参考14处于与可移动致动器23的传导路径相同的电势。在磁致动开关中，施加诸如电压的选通信号，以改变材料的磁状态，以便提供或消除驱动可移动元件的磁场的存在。类似地，能够将诸如电压的选通信号施加至跨越可移动元件的压阻材料，以引起致动。在磁致动和压阻致动这两种情况下，选通信号不造成可移动元件之间的静电吸引力，且因此不需要引用至可移动元件。
在一个实施例中，栅极驱动器6包括功率供应输入（未示出）和控制逻辑输入，控制逻辑输入提供用于改变mems开关的致动状态的手段。在一个实施例中，选通电压引用至可移动致动元件21和22，并且两个触点与相应的可移动元件之间的差分电压实质上是相等的。在一个实施例中，mems开关10可以包括在触点与开关参考14之间耦合的电阻或电容分级网络（gradingnetwork）（未示出），以便将开关参考14维持于比开关的自致动电压更小的电势。
通过在mems开关10中共享公共选通信号，从而将在第一致动元件与第二致动元件之间共享可能另外超过常规的mems开关的致动电压的大致动电压。例如，在图1a和图2的mems开关10中，如果200v的电压跨第一触点15和第二触点17放置，并且开关参考14被分级至100v，则第一触点15与第一致动元件21之间的电压将为大约100v，而第二触点17与第二致动元件22之间的电压也将为大约100v。
在图2中，mems开关10进一步包括盖25，在包括致动元件21和致动元件22两者的mems开关10的组件周围，盖25与衬底12一起形成气密密封。通常，在单个衬底上形成许多mems开关。然后，这些开关被覆盖且分离(singulated)或切块。在一个实施例中，mems开关10的第一及第二致动元件和共栅极16被形成且覆盖于单个管芯（die）上。通过在单个盖内包括第一致动元件和第二致动元件，从而有可能增大mems开关的隔绝电压，而并未实质上增大开关覆盖面积。例如，能够有效地使开关的隔绝电压加倍，而整体开关覆盖面积仅比单个开关的覆盖面积稍稍增大。
图3是图示其中使第一致动元件和第二致动元件以距离“d”物理地分离的mems开关的一个实施例的示意图。如所示，mems开关40可以包括由第一锚48a支承的第一致动元件41和由第二锚48b支承的第二致动元件42。在备选的实施例中，在维持致动元件之间的分离的同时，第一致动元件41和第二致动元件42可以由单个锚支承。在所图示的实施例中，第一致动元件和第二致动元件可以各自包括电偏压组件47，通过隔离区域46而使电偏压组件47与相应的致动元件的传导路径49隔离。电偏压组件47可以表示在mems光刻制作过程中作为致动元件的一部分而形成的传导层或轨迹，或配置成对相应的致动元件赋予机械力的压阻材料。在一个实施例中，每个致动元件41和42的传导路径49可以通过电气连接或第一通道45而电耦合。虽然未示出，但还可以如关于mems开关10而描述那样覆盖mems开关40。如将在本文中讨论的，在实施例中，可以使距离“d”延长，使得mems开关40在各种组合中放置成彼此远离。即，一个或多个通道、衬底和/或开关40两者的材料的唯一选择连同mems开关40及在其间的各种一个或多个通道45的取向的组合导致用于rf应用的改进的多通道继电器组合件。
共同参考图3和图4a-4c，继电器组合件40、110、210、310可以包含具有第一电容耦合csub的衬底12。至少第一致动元件41、140、240、340和第二致动元件42、140、240、340串联电连接，以便定义第一通道45、130、230、330。第一致动元件41、140、240、340和第二致动元件42、140、240、340配置成被独立地致动，或配置成当引用至公共控制信号时，同时地操作。第一致动元件41、140、240、340和第二致动元件42、140、240、340具有第二电容耦合c间隙或cg。至少一个锚48a、48b、120、220、320与衬底12机械地耦合，并且支承第一致动元件41、140、240、340和第二致动元件42、140、240、340中的至少一个。
如图4a-4c中所示出，轨迹至衬底的电容示出为cs2，并且开关至衬底的电容示出为cs1。在实施例中，cs1=cs2，而在其他实施例中，cs1≠cs2。跨间隙的致动元件的电容耦合示出为cg。
参考图5a和图5b，图示其他mems开关10的实施例。如所描绘的，图5a中的mems开关10具有共享公共锚或公共锚电势的两个致动元件41、42，并且，有时被称为“背对背的”配置。与此形成对照，图5a中的mems开关10具有单个致动元件41。
参考图6和图7，第一通道430、530上的中点（示出为“点”）与第一致动元件420和第二致动元件520电气通信。组合件配置为欧姆rfmems继电器。中点的电势可以充当选通信号的公共参考。选通信号可以配置成一次激活一个或多个致动元件。即，可以同时地或独立地激活mems开关420、520。
材料或材料的组合和/或组合件的配置是这样的，以致于比csub/c间隙=r，例如（suchthan）r<10。在一些实施例中，r能够小于1。
返回参考图4b和图4c，继电器组合件210、310可以包含沿着第一通道230、330的参考隔离235、335。在实施例中，参考隔离可以进一步包含开关340（图4c）。
参考图6和图7，继电器组合件410、510可以包含具有串联的两个或多个开关420的单个（第一）通道430，或如图7中所示的，可以存在以并联配置的多个通道530，其中，每个通道530具有串联的多个开关520。如所描绘的，通道530共享并联的公共通道512。
共同参考图8-10，实施例610、410、710可以具有各种第一通道630、430、730和衬底12的配置。应当注意到，在所描绘的其他图中的一些图中，仅为了清楚的目的而未示出各种接地通道或线路（参见例如图6、图7、图11）。应当注意到，为了清楚的目的，未示出信号与地轨迹之间的电隔离。能够通过两个薄膜层以及通过使用绝缘衬底来实现隔离。图8-10示出可获得的各种接地配置。图8例如描绘共面波导配置。如所示，信号通道630具有位于信号通道630的任一侧上的两个共面地线635，其全都共同地位于衬底12上。类似地，图10示出接地共面波导配置，其中，两个地线735与信号通道730共面。实施例710具有位于衬底12的下方的附加地层13。图8描绘具有微带配置的实施例410。如所示，信号通道430位于衬底上，而地层13位于衬底的下方。
参考图11，描绘根据本发明的实施例而配置的多通道继电器组合件810的示意顶视图。多通道继电器组合件810可以包含rf输入或输入端口860和多个出口端口或端口850，由此定义多个通道830。多个通道830中的每个将包括定位于rf输入860与端口850之间的距离处的至少一个mems开关820。为了提供组合件810中的改进的插入损耗和良好的隔离（例如，处于12ghz>30db）两者，已发现，多个mems开关820中的每个应当定位成尽可能地接近于rf输入端860。例如，在实施例中，mems开关820与rf输入860之间的距离应当为≤λ/4。mems开关820包含如本文中所讨论的任何合适的mems开关实施例以及任何现在已知的或以后开发的mems技术的开关。
除了使rf输入860与mems开关820之间的距离最小化之外，本发明的某些实施例中的另一特征为要在各自从rf输入860和mems开关820以及在端口850之外延伸的多个信道830之间之间具有对称性。即，每个通道长度的距离应当在每个通道中期望具有相等或大致相等的长度。虽然期望对称性维持跨所有的通道的等效的性能，但不要求对称性，并且能够针对插入损耗和隔离两者的轻微的不一致性两者而权衡对称性。
组合件810可以通常用于rf应用（例如，mhz-ghz）。此外，mems开关820通常如此定位，以至于mems开关820的锚“面”向rf输入860。
参考图11中所示出的具体实施例，组合件810包括第一切换组811，第一切换组811包含多个mems开关820（例如，四个）。第一切换组811与输入端口860电气通信。可以将整个组合件100集成于单个整体式壳体中。整个4掷（throw）组合件100的壳体的尺寸可以为例如大约1.2mm宽。至少一个通道830从第一切换组811中的多个第一mems开关820中的每个延伸。
应当显而易见的是，虽然在图11中的第一切换组811中示出四个mems开关820，但在不背离本发明的方面的情况下，其他配置是可能的。可能存在与所示出的数量不同的数量的mems开关820。mems开关820的数量可能满足或超过所提供的通道830的数量。
进一步参考图11中所示出的具体实施例，组合件810示出16掷组合件810，16掷组合件810具有十六个通道830，其各自具有每个通道的两个mems开关820。整个组合件810可以容纳于壳体或装置中。整个16掷组合件810的壳体的尺寸可以例如为大约1.2mm宽。应当显而易见的是，虽然在图11中示出总计二十个mems开关820，但在不背离本发明的方面的情况下，其他配置是可能的，可能存在与所示出的数量不同的数量的mems开关820。mems开关820的数量应当满足或超过通道830的数量。
如所示，组合件810包含第一切换组811和多个第二切换组812。从第一mems组811延伸的是四个通道830，其各自延伸至第二切换组812。切换组811、812中的每个包含多个（例如，四个）mems开关820，mems开关820最终经由通道830而引导至输出端口850。因而，第一切换组811中的第一四个mems开关820可以定位成尽可能地接近于rf输入860。从第一四个mems开关820中的每个延伸的每个信道830延伸至第二切换组812和在远处延伸到输出端口850。因而，第一组mems开关820集成至第一mems组811中。在所示出的实施例中，第二组mems开关820集成至四个分离的mems组812中。每个通道830构造成具有相等或大致相等的长度。如所示，通道830构造成对称或大致对称。
此外，如从每个输出端口850延伸的虚线
如本文中所讨论的，在某些实施例中，通道830可以为双向的。因此，应当注意到，虽然本文中所图示的实施例可以示出与多个出口端口850连接的单个rf输入860（例如，1至4、1至16等），但由于欧姆mems继电器的双向能力，其他配置是可能的。例如，在某些实施例中，单个rf输入860能够为出口端口，而多个出口端口850能够为输入。因而，在某些实施例中，组合件810可以由与单个出口端口连接的多个输入组成（例如，4至1、16至1等）等。
c间隙或从梁（beam）至轨迹的电容耦合能够跨通道从大约3变化至大约20ff。仅经由说明，各种设计的c间隙能够包括：大约4.4ff的单梁的spst；大约7.0ff的双梁的spst；大约9.0ff的三梁的spst；以及大约11.0ff的四梁的spst。
梁的数量可能从1变化至大约20。
衬底12可以由具有低介电常数和高电阻的任何合适的材料或材料的组合组成。例如，合适的衬底可以包含诸如硅、聚酰亚胺、石英、熔融硅石、玻璃、蓝宝石、氧化铝等的材料。通常，衬底可以具有介电常数∈<20。在其他实施例中，介电常数∈<10。在实施例中，衬底12可以包括涂层或多个涂层。例如，si3n4的涂层位于si层上，由此形成衬底12。
根据实施例，欧姆rfmems继电器包含：衬底，其具有第一电容耦合csub；第一致动元件和第二致动元件，其串联电耦合，由此定义第一通道，其中，第一致动元件和第二致动元件配置成被独立地致动，进一步其中，第一致动元件和第二致动元件具有第二电容耦合c间隙；第一通道上的中点，其与第一致动元件和第二致动元件电气通信；以及至少一个锚，其与衬底机械地耦合，并且支承第一致动元件和第二致动元件中的至少一个。
根据另一实施例，静电控制式欧姆rfmems继电器包含：输入；rf传输线，其将输入与至少一个输出连接；衬底，其具有第一电容耦合csub；第一致动元件和第二致动元件，其在rf传输线上串联电耦合，其中，第一致动元件和第二致动元件配置成被独立地致动，进一步其中，第一致动元件和第二致动元件具有第二电容耦合c间隙；rf传输线上的中点，其与第一致动元件和第二致动元件电气通信，其中，中点的电势充当选通信号的公共参考；至少一个锚，其与衬底机械地耦合，并且支承第一致动元件和第二致动元件中的至少一个，其中，比csub/c间隙=r，其中，r<10，进一步其中，继电器配置成在第一闭合位置和第二打开位置中操作，其中：第一闭合位置包含将输入和至少一个输出电连接；并且第二打开位置包含使输入和至少一个输出电断开。
根据另一实施例，欧姆rfmems继电器包含：输入端口；多个第一mems开关，定义第一切换组，第一切换组与输入端口电气通信，由此定义各自从多个第一mems开关中的每个引导的多个通道；以及至少一个出口端口，其沿着远离第一开关组的多个信道中的每个，并且与输入端口电气通信。
根据另一实施例，欧姆rfmems继电器包含：衬底，其具有第一电容耦合csub；第一致动元件和第二致动元件，其串联电耦合，由此定义第一通道，其中，第一致动元件和第二致动元件配置成同时地操作，进一步其中，第一致动元件和第二致动元件具有第二电容耦合c间隙；第一通道上的中点，其与第一致动元件和第二致动元件电气通信；以及至少一个锚，其与衬底机械地耦合，并且支承第一致动元件和第二致动元件中的至少一个。
虽然在本文中仅图示且/或描述了本发明的某些特征，但本领域技术人员将想到许多修改和改变。虽然讨论个别的实施例，但本发明涵盖所有的那些实施例的全部组合。理解到，所附权利要求意图涵盖如落入本发明的意图内的所有的这类变型和改变。
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