公开的实施方案涉及用于微机电系统(mems)的开关。
背景技术：
开关用于建立或断开电路中的连接。典型的mems开关包括耦合到信号源的悬臂式梁(beam)。梁的游离端被致动以打开和关闭开关。当开关闭合时，来自信号源的信号通过梁，当开关打开时，信号路径断开。通常，当没有力施加到悬臂式梁时，开关具有默认打开状态。施加静电力来关闭开关。
技术实现要素：
微机电开关使用静电引力将梁朝着触点拉开，并且电磁斥力拉开，从而使触点脱离并排斥梁。静电引力由栅极电极产生。电磁排斥产生于梁与位于与触点相同侧的磁性线圈之间。磁线圈产生磁场，其在梁中感应出排斥磁线圈的电流。栅极电极和磁性线圈可以共面或在不同的平面中。取决于配置，电路也可以操作线圈形结构作为栅极电极和磁性线圈。
在一个实施方案中，提供mems开关，包括：梁；在所述梁下面的栅极电极；和线圈，在所述梁下面并配置为在所述梁中感应电流。
在另一实施方案中，mems开关包括：梁；和在所述梁下面的线圈，其中线圈被配置为在梁中感应电流。
在另一实施方案中，提供控制mems开关的方法。该方法包括：使用在微制造的悬臂式梁下面的栅极电极，静电吸引所述微制造的悬臂式梁朝向下面的电触点。通过使用位于所述梁下面的线圈产生第一磁场从而在所述梁中感应电流，使微制造的悬臂式磁场从所述下面的电触点磁性排斥。
附图说明
将参考以下附图来描述本申请的各个方面和实施例。应该理解的是，附图不一定按比例绘制。出现在多个图中的项目在它们出现的所有图中用相同的参考数字表示。
图1a是根据一个实施例的处于打开状态的微机电系统(mems)开关的左侧正视图；
图1b是处于闭合状态的图1a的mems开关的左侧正视图；
图2是根据非限制性实施例的图1a的mems开关的操作流程图；
图3是图1a的mems开关的线圈和梁的示意电路图。
图4a是根据另一实施例的mems开关的顶部左侧透视图，其中线圈位于栅极电极上方；
图4b是根据另一实施例的mems开关的顶部左侧透视图，其中多个线圈被定位为邻近栅极电极；
图5a-5c示出了根据本申请的可选非限制性实施例的mems开关的线圈和栅极的可选配置；
图6是根据另一实施例的mems开关的左上侧透视图；
图7是图6的mems开关的线圈和栅极配置的示意性电路图；
图8a是在时间t＝0时图6的mems开关的线圈和栅极配置的示意性电路图；
图8b是在时间t>0时图6的mems开关的线圈和栅极配置的示意图。
具体实施方式
本申请的多个方面提供了至少部分地使用电磁力来致动的微机电系统(mems)开关。例如，开关可以使用电磁力打开，而不管开关闭合的方式如何。本发明人已经认识到，具有仅用静电力驱动的悬臂式梁mems开关-通过施加静电力闭合开关并且通过去除静电力打开开关-可以具有各种缺点。首先，尽管在试图打开开关时除去了静电力，但由于静摩擦，梁的自由端可能仍然与下面的电触点接触，使得开关保持闭合状态。此外，悬臂式梁可以长时间保持在弯曲位置时软化。通过去除静电力而打开的mems开关依靠悬臂式梁的的恢复性弹簧状态以使梁返回到非变形状态，从而打开开关。由于将开关长时间保持在闭合、变形(或弯曲)的状态，导致材料软化可能会对梁返回其未弯曲状态的能力产生负面影响，这种现象有时被称为蠕变力。因此，交换机可能无法正常打开。
鉴于以上所述，本申请的各方面提供了mems开关，其使用电磁力来操作以选择性地将悬臂式梁从接触垫排开。通过在梁下面放置电磁性线圈，可以产生电磁力并用于选择性地启动梁，即使它粘在触点上或梁变形了。这确保了在长时间处于关闭状态之后可以关闭开关。
使用电磁力驱动mems开关可以与其他致动技术结合使用。例如，静电技术可以与电磁技术结合。作为一个例子，可以使用静电力将mems开关闭合并保持在闭合状态，然后可以通过去除静电力和施加排斥电磁力来打开mems开关。因此，开关的激活和去激活可以通过单独的(或“不同的”)机制来实现。其他操作场景也是可能的。
本申请的多个方面提供了一种mems开关，其具有位于悬臂式微加工梁的自由端下方的致动结构，致动结构被成形为线圈并且可用作电磁线圈和电气板。线圈结构可以连接到电路，该电路当被配置成一种状态时将线圈作为电磁线圈来操作以产生电磁力。当以另一种状态配置时，电路可以将线圈作为导电板来操作，以产生静电力。因此，根据本申请的一些方面，可以在mems开关中提供组合的电磁/静电致动结构。
应该认识到，虽然这里将一些实施例描述为涉及悬臂式梁mems开关，但是本公开不限于此，各种其他mems开关配置可以利用本文所述的一个或多个方面，例如使用电磁斥力来选择性地致动mems开关。因此，可以采用悬臂式梁、跷跷板式或其他mems开关。
图1a示出了悬臂式梁mems开关的非限制性示例，该开关具有用于产生排斥力以打开开关的电磁线圈。在图1a中示出mems开关100处于打开状态。操作的打开状态可以表示开关的“关闭”状态，但应该理解，该术语不是限制性的。
mems开关100包括悬臂式梁9，该悬臂式梁9通过锚7安装到基板11上。悬臂式梁9具有自由端8，该自由端8通过间隙g与下面的基板隔开。电触点25设置在悬臂式梁9的自由端8，在面向基板11的梁的下侧。电触点13、栅极电极15和线圈17安装在基板11上(或制造在基板11上)，在梁9下方。还提供了一个射频(rf)信号源27，并且可以以任何合适的方式连接到悬臂式梁9以向梁提供rf信号，如下面进一步描述的。
基板11可以由任何合适的材料形成。在一些实施方案中，基板11由诸如玻璃、塑料或聚合物的绝缘材料形成。在一些实施方案中，基板11可以是半导体基板，例如硅基板或绝缘体上硅(soi)基板。
悬臂式梁9可以由任何合适的材料形成。在一个实施方案中，梁9由诸如金属或金属合金的导电材料形成。因此，在本发明的至少一些实施例中，梁9本身可以表示能够传导来自rf信号源27的rf信号的电极。在另一实施方案中，梁9由绝缘材料形成，例如塑料或聚合物材料，并且具有安装到其上或形成在其中的电极。当梁的材料本身不导电时，任何这样的电极都可以允许梁的静电和/或电磁致动。如前所述，悬臂式梁可能充当弹簧。梁9的材料可能部分被选中以提供所需的类似弹簧的行为。例如，梁9的弹簧常数可能在200-6000n/m之间。
悬臂式梁9可以有任何合适的形状和尺寸。在一些实施方案中，悬臂式梁9沿其长度l1具有均匀的厚度t1。在其他实施方案中，悬臂式梁9可以在一端渐缩。在一个实施方案中，梁9的长度l1大于其宽度(在图1a中进入和离开页面的方向)。例如，梁的尺寸可以是长度l1在100-700μm之间，宽度在50-500μm之间，并且厚度t1在1-15μm之间，尽管这些尺寸中的任何一个的其他范围都是可能的。
间隙g可以具有任何合适的尺寸。应该意识到，间隙是可变的，因为它在开关断开时存在，但在开关闭合时不存在。当悬臂式梁处于中性(未偏转)状态时，间隙g可以是0.5μm、5μm、50μm、100μm、200μm、0.5μm和200μm之间的任何值或另一适当距离。
尽管图1a示出了具有单悬臂式梁9的mems开关的示例，但是替代实施例包括多个梁或“指”。下面结合图4a-4b进一步描述示例。所采用的梁的数量不是限制性的，因为本申请的各个方面可以适用于具有一个或多个梁的mems开关。
锚7可以由任何合适的材料形成。在一些实施方案中，锚7包括与基板11相同的材料。在其他实施方案中，锚7包括与悬臂式梁9相同的材料。在其他实施方案中，锚7、悬臂式梁9、基板11可以由分开的材料形成，适当地通过微机械加工技术或其他机制耦合。
电触点25可以由诸如金属或金属合金的导电材料形成。在一个实施方案中，触点25是金-铬合金。在一个实施方案中，触点25从梁9的表面突出(例如，作为形成在梁9的表面上的材料层)，而在其他实施方案中，触点25与梁9表面齐平。在其中mems开关包括多个梁或指的那些实施例中，可以提供多个电触点25。例如，其中一个或多个梁可以包括电触点。
栅极电极15和线圈17(其在本文中可以被替代地称为“螺旋”)是导电的并且可以由任何合适的导电材料形成。例如，栅极电极15和线圈17可以由金属、金属合金或其他导电材料形成。合适的例子包括铝、铜、钌、多晶硅或通常用于金属氧化物半导体(mos)加工的其他材料。在一些实施方案中，使用导电率大于10,000s/m的材料。在一些实施方案中，栅极电极15和线圈17可以由相同的材料形成，例如由基板11上的公共金属层形成。如将在下面进一步描述的，线圈17可以用于产生通过向其施加电流而产生电磁场。因此，可以选择线圈17的材料以提供期望的时间常数行为。例如，在一些实施例中，线圈17可以被选择为具有在.5ns-5μs范围内的时间常数，包括该范围内的任何值。
栅极电极15和线圈17可以具有相对于彼此的任何合适的构造。在图1a的非限制性示例中，栅极电极15和线圈17是不同的电气结构。在交替实施方案中，如图6所示，可采用表示组合栅极电极和线圈的致动结构。在图1a的实施例中，栅极电极15和线圈17是共面的，尽管替代方案也是可能的，例如下面结合图5b-5c描述的那些。在一个实施方案中，线圈17围绕栅极电极15。或者，线圈17和栅极电极15可以并排。在一些实施方案中，线圈17和/或栅极电极15可以是分段的，并且各个分段可以以任何合适的方式相对于彼此布置。下面结合图4b进一步描述一个例子。
栅极电极15和线圈17可以由相应的电源或电源驱动或连接到相应的电源或电源。例如，第一电压源可以连接到栅极电极15并且第二电压源可以是线圈17。电源可以是片上或片外的。
触点13可以是安装在基板11上的导电线。在一个实施方案中，导电线是微波传输线，除非接点25连接断开部分以完成电路，否则该微波传输线可能会断开。在一个实施方案中，触点13与触点25的材料相同，尽管可以使用不同的材料。
rf信号源27可以是任何合适的信号源，并且可以位于任何合适的位置以向梁9提供rf信号。在一些实施方案中，rf信号源可以位于基板11上，尽管在信号源的其他实施例中可以位于芯片外。当锚7由导电材料形成时，rf信号源可以连接到锚7以提供rf信号给梁9，或者可以向梁9提供单独的电路径(例如，电迹线)。
mems开关100可以是微制造结构，其中使用微制造技术在基板11上形成组件。例如，mems开关100的组件可以使用沉积、蚀刻、光刻或其他合适技术中的至少一种来制造。
图1a示出了当悬臂式梁9处于中立位置时处于打开状态的mems开关。图1b示出了处于关闭状态的mems开关。关闭的操作状态可以表示开关的“接通”状态，但应该理解，该术语不是限制性的。在这种状态下，悬臂式梁9朝向基板11偏转(或“变形”或“弯曲”)，使得触点13和25接触。
结合图2描述mems开关100的操作，并且可以包括静电和电磁致动的组合。通常，操作可以涉及通过使用由栅极电极15产生的静电力使梁9向基板11偏转来闭合开关100，并且通过继续施加静电力来保持开关闭合。可以通过关闭静电力并且使用线圈17施加排斥电磁力来打开开关100。下面描述进一步的细节。
再次，图1a示出处于打开状态的开关100。参考图2，操作开关100的方法200可包括在阶段202通过将悬臂式梁9静电吸引到电触点13而使悬臂式梁9接触电触点13来闭合开关100。电压被施加到栅极电极15以静电吸引梁9朝向下面的触点13。连接到栅极电极15的电压源可以位于基板11上或芯片外，并且可以选择性地控制手动或自动。通过向栅极电极15施加电压，栅极电极15可以产生如图1a所示的电场e，该电场e导致在梁9和栅极电极15之间的静电吸引。电场产生力被施加到梁9，导致梁9绕着固定到锚7的端部在方向a上枢转。可以向栅极电极15施加合适的电压以产生足够的静电力，以使电触点25与电触点13接触，从而完成电路。图1b显示了最终的关闭状态。
一旦关闭，开关100可以通过继续施加来自栅极电极15的静电力而保持关闭。当关闭时，来自rf信号源的rf信号可以通过梁9到电触点13。开关可以按照期望的那样保持关闭。
与方法200的阶段204一致，开关100可以使用线圈17产生的排斥电磁力打开。也就是说，在阶段204，施加到栅极电极15的电压可以被关断，因此结束静电力和电流可以利用位于基板11上或芯片外的合适的电流源施加到线圈17。向线圈17施加电流将产生磁场b21，从而在悬臂式梁9感应出电流i23。例如，可以将逆时针电流施加到线圈17上，从而产生指向梁9的磁场21，并且因此根据楞次定律，在梁9中引起顺时针方向的电流23。与感应电流23相关联的磁场可以根据图1b中所示的旋转方向b在方法200的阶段206处从电触点13排斥梁9的自由端，从而从电触点13分离梁，从而打开开关。
施加到线圈17的电流可以具有任何合适的大小和持续时间。例如，所施加的电流可以具有足以产生足够的排斥力的量值以克服对电触点13的梁9的静摩擦。例如，通过线圈的瞬态电流在导电的梁的电流中感应电流，其继而产生梁与线圈之间100-1000μn的斥力。电流可以暂时地施加到线圈17上，足够长以将梁9从电触点13分离。一旦分离，梁9自身的恢复力可以将开关保持在打开状态，使得电磁不需要进一步施加力。从这个意义上讲，电磁力可以作为冲击来将梁9“踢”回中立位置。
方法200的阶段可以根据需要经常重复。在一些实施方案中，开关可以在短时间内重复关闭和打开。在其他实施方案中，交换机可以在延长的持续时间(例如，几分钟、几小时、几天、几个月甚至几年)内保持在关闭状态，并且不经常打开。其他的操作方式也是可能的。
图3示出了根据一个实施例的mems开关100的示意性电路表示。磁性线圈17可以被模拟为具有与电阻器r1和电感器l1串联的电容器cx的电路。悬臂式梁9的电极可以被模拟为包括电阻器r2和电感器l2的电路。在一个实施方案中，l1和l2可以具有相同或不同的电感。在另一实施方案中，l1和l2可以具有相同或不同的匝数。当电容器cx充电时，它可以放电并产生通过电感器l1的电流i1以产生磁场。磁场使电感器l1以耦合系数k耦合到电感器l2，根据楞次定律产生反对磁场变化的电流i2。如前面结合图1a-1b和2所述，感应电流(例如电流i2)产生排斥线圈17上的梁9的磁场。
图4a示出了根据本申请的一个实施例的mems开关400。mems开关400包括基板111、悬臂式梁109、电触点113、栅极电极115和线圈117。触点123可以位于梁109上并承载rf信号。那些部件可以由之前关于图1a的相应部件描述的任何材料形成。
在图4a的示例中，梁109包括多个指状物125。指状物125可以全部具有相同的长度或者可以具有不同的长度。在所示的实施例中，梁109包括两个指状物125。每个指状物125可以具有安装到其上的电极。然而，替代结构是可能的。例如，在一些实施例中，悬臂式梁的一个但不是全部的指具有相关的电触点。
图4a示出mems开关的栅极电极和单独线圈的相对配置的非限制性示例。在这个例子中，线圈117覆盖栅极电极115，两者都形成在悬臂式梁109的自由端下方的基板111上。在这个例子中，线圈117包括单层多匝，并且与栅极电极115一样在基板111上占据基本相同的表面积(或印迹)。然而，替代方案也是可能的，例如栅极电极占据比线圈更大的表面积，反之亦然。尽管所示实施例具有设置在栅极电极115上方的线圈117，但是备选配置也是可能的，具有线圈117和悬臂式梁109之间的栅极电极。
在一个实施方案中，栅极电极115和磁性线圈117由相同的导电材料如铜，银或导电合金形成。在另一实施方案中，栅极电极115和磁性线圈117由不同的材料形成。
mems开关400可以以前面结合图2描述的方式操作。也就是说，可以通过使用栅极电极115向悬臂式梁109施加静电力来闭合开关400，并且可以通过关闭静电力并使用线圈117施加排斥电磁力断开开关400。
图4b示出了图4a的mems开关的替代。在图4b中，mems开关402具有布置在栅极电极115两侧的两个线圈117。也就是说，栅极电极位于两个线圈117之间。在一个实施方案中，一个或多个线圈117在栅极电极115的任一侧上，栅极电极115与梁109的中间对齐。在另一实施方案中，一个或多个线圈117位于栅极电极115的单侧上。尽管图4b示出了两个单独的线圈117，但应该理解的是，在一些实施例中，所示出的两个线圈可以代表单个线圈的部分。因此，本申请的各方面提供了具有线圈的mems开关，其中两个或更多个部分被定位成产生用于打开mems开关的排斥力。
除了图4a-4b所示的那些之外，栅极电极和线圈的其他替代配置也是可能的。例如，尽管图4b示出了设置在线圈之间的栅极电极，但是备选配置具有线圈，其具有设置在栅极电极的同一侧上的多个部分。另一可选配置具有多个栅极电极115。例如，多个栅极电极可以布置在线圈的相对侧上。在具有多个栅极电极115或磁性线圈117的实施例中，可使用单个电压源来为栅极电极115或磁性线圈117供电。在另一实施方案中，可使用多个电压源给栅极电极115或磁性线圈117供电，并且可以使用定时系统来控制电压源。
如上所述，用于相对于mems开关的线圈定位栅极电极的各种配置是可能的。图5a-5c示出了各种非限制性示例。
图5a示出了与线圈117在同一平面(或“共面”)中的栅极电极115的示例。在一个实施方案中，磁性线圈117围绕栅极电极115。在另一实施方案中，栅极电极115可以围绕磁性线圈117。
图5b示出了线圈117可以具有一个或多个层的非限制性示例。使用如图所示的多层方法可以实现比使用具有相同覆盖区的单层结构可以获得的更长的线圈长度。例如，图5b中所示的线圈117的长度可以在0.5-10mm之间。一个或多个层中的每一层可以具有相同的匝数或不同的匝数。当线圈是多层结构时，线圈117可具有与栅极电极115共面的一层以及栅极电极115上方或下方的一层。
图5c示出了非限制性示例，其中线圈117包括位于栅极电极115下方的一个或多个匝。在另一实施方案中，磁性线圈117位于栅极电极115上方。
在图5a-5c的任何示例中，线圈117的层可以包括形状为椭圆形、矩形或任何其他形状的匝。在一个实施方案中，线圈117由厚度在0.1-2μm之间的导线构成。
如上所述，根据本申请的一个方面，提供了一种mems开关，其具有作为组合栅极电极和线圈工作的致动结构或部件。图6示出了非限制性示例。如前所述，mems开关600包含许多与mems开关400相同的组件。因此，这些组件在这里不再详细描述。然而，mems开关600的不同之处在于其具有可用作组合栅极电极和线圈的致动部件131。致动部件131可以在一段时间内作为栅极电极工作以产生静电力(例如，通过吸引悬臂式梁109来关闭开关600)，并且在不同的时间段内作为线圈工作以产生电磁力(例如，通过排斥悬臂式梁109来打开开关600)。如所示出的，致动部件131可以被成形为线圈。它可以以合适的方式电耦合到电路以获得两种不同的操作模式，如下面结合图7所描述的。
图7示出了包括致动部件131并且适于将致动部件131作为栅极电极和线圈两者来操作的电路700的示意图。在该非限制性示例中，电路700包括电阻器rc、电容器c1、电荷泵v、具有第一位置和第二位置(在图中由1和2表示)的开关s1、具有第一和第二位置(在图中由1和2表示)的开关s2。在一个实施方案中，电路可以在初始状态(t＝0)中具有处于第一位置的开关s1和s2，并且开关可以以不同状态切换到它们各自的第二位置。图8a和8b可以理解电路700的操作，图8a和8b示出了对应于两种操作状态(或模式)的电路表示。
在图8a所示的配置中，电路700可以将致动部件131操作为栅极电极。也就是说，致动部件131耦合到v和rc之间的节点并因此接收恒定电压。致动部件131因此产生在梁109上施加静电力的电场。并且，电容器c1被充电。
图8b示出了当电路700的开关s1和s2切换到它们各自的第二状态时的结果电路。这里，电路包括电阻器r1，电容器c1和表示致动部件131的电感器l1。在该配置中，电容器c1放电，提供通过电感器l1的电流，该电感器产生磁场。在一个实施方案中，电路700保持这种配置，直到电容器c1完全放电。在另一实施方案中，当电容器c1仅部分放电时，电路将开关s1、s2移至第一配置。在一个实施方案中，电阻rc的值在10k-100mω之间，电容值在1n-100μf之间，电荷泵可以施加30-150v的电压。
电路700的切换可以基于定时安排或电荷累积。在一个实施方案中，电路700具有使电路700在开关s1、s2的第一和第二开关位置之间交替的占空比。在第二实施例中，电路700可以被配置为在电容器c1完全充电之后在第一和第二模式之间切换，并且可以被配置为在电容器c1完全放电之后切换回。在另一实施方案中，当电容器c1完全充电和放电时，电路700可以定时切换。
在一个实施方案中，电路131在每个配置中操作一次，并且电容器c1可以被配置为在开关s1、s2移动到第二位置之前部分放电。或者，电容器c1和电荷泵v可以由诸如电池、电力干线或thevenin电路的电压源代替。
在另一实施方案中，电路700在每个配置之间切换，并且电容器c1在每个切换周期期间完全充电和放电。切换之间的时间取决于应用，可能从5μs到几年不等。
电荷泵v是由控制系统调节的直流电压源。系统的控制可以包括手动连接电路700或使用控制系统来调节电路700。
电路700可以以任何合适的方式来实现。在一些实施方案中，电路700的组件形成在基板111上。在交替实施方案中，电路700的一个或多个组件形成在芯片外。因此，各种配置是可能的。
尽管上述实施例描述了单悬臂式梁109，例如在单极单掷开关中，但电磁致动开关也可应用于其他开关类型，包括但不限于单刀双掷开关和双刀单掷开关等等。另外，尽管上述实施例描述了利用静电力闭合开关并利用电磁力打开开关，但也可以利用电磁力关闭开关并且利用排斥静电力打开开关。
在一些实施方案中，术语“大约”和“约”可以用于表示在目标值的±20％内、在一些实施方案中表示在目标值的±10％内、在一些实施方案中表示在目标值的±5％内、在一些实施方案中表示在目标值的±2％内。术语“大约”和“约”可以包括目标值。