微机电器件及其驱动方法 |
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| 申请号 | CN200780029558.0 | 申请日 | 2007-07-24 | 公开(公告)号 | CN101501805B | 公开(公告)日 | 2012-07-04 |
| 申请人 | 皇家飞利浦电子股份有限公司; | 发明人 | A·希尔格斯; | ||||
| 摘要 | 提出的本 发明 申请 描述了基于微 机电系统 MEMS技术的新颖结构的极小自 锁 定 开关 部件。常规的MEMS开关需要连续的控制 信号 ，以便获得期望的活动状态。所提出的发明仅需要短的 控制信号 ，例如脉冲，以便将该部件开启和/或关断。根据所提出的MEMS器件的扩展，可以忽略去控制信号上的RF噪声或反弹效应。这使得 电子 电路 的设计更容易且特别是更鲁棒，并且增强了功能。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种MEMS器件，包括可移动结构(30)、基底结构(10)、移动该可移动结构(30)的至少一个致动结构(100)、自锁定器件(200)、开启键(310)、关断键(320)、电源(400)，所述电源(400)能够经由经过该开启键(310)的第一导电通路与该致动结构(100)和该自锁定器件(200)电连接，该自锁定器件(200)能够经由该关断键(320)在该电源(400)和该致动结构(100)之间提供第二导电通路。 |
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| 说明书全文 | 微机电器件及其驱动方法技术领域背景技术[0002] 在US 2005/0244099 A1中，描述了一种悬臂(cantilevered)微机电开关阵列，其包括具有闭锁(latching)机制的柔性微机电开关。该开关包括基底层和柔性悬臂平台，该基底层具有导电迹线(trace)和至少一个触点，该柔性悬臂平台具有与所述基底层导电迹线和触点对准的导电迹线和至少一个触点；如果没有偏置被施加于所述导电迹线，则所述基底层和所述悬臂平台保持由分隔层间隔开，以及当偏置被施加于所述导电迹线时，所述基底层和所述悬臂平台保持在所述悬臂平台的一部分处机械接合；和闭锁或自锁定机制，用于在去掉所述偏置后保持所述悬臂平台与所述基底层机械接合。所述闭锁机制以在基底层上的具有闭锁电力触点的闭锁电力迹线(power trace)和具有闭锁迹线触点的闭锁迹线以及在柔性悬臂平台上的桥式触点为特征。闭锁触点迹线将电力传送到闭锁迹线，以使得只要合适的偏置被施加于闭锁电力迹线，该柔性悬臂平台就被保持在偏离位置，即使该偏置被从导电迹线上去掉也是如此。具有闭锁机制的该开关的缺陷在于，闭锁迹线不得不包括足够的导电材料区域来将开关保持在闭合状态，这增加了开关的尺寸。 发明内容[0003] 本发明的目的是提供具有改进的自锁定机制的微机电器件。该目的是通过如下MEMS器件来实现的，该MEMS器件包括可移动结构、基底结构、移动该可移动结构的至少一个致动结构、自锁定器件、开启键(on-key)、关断键(off-key)、电源，该电源可以经由经过该开启键的第一导电通路与该致动结构和自锁定器件电连接，该自锁定器件可以经由该关断键在该电源和致动结构之间提供可切换的第二导电通路。该可移动结构基本上具有两个稳定的状态。没有电力被提供给致动结构的第一状态和电力被提供给致动结构的第二状态。该开启键是例如为晶体管的开关器件，只要没有控制信号被提供给该开启键，该开启键就处于断开状态，只要控制信号被提供给该开启键，该开启键就处于闭合状态。该关断键是例如为晶体管的开关器件，只要没有控制信号被提供给该关断键，该关断键就处于闭合状态，只要控制信号被提供给该关断键，该关断键就处于断开状态。该开启键和关断键可以与该电源的相同端电连接。如果第一控制信号被提供给该开启键，则电力经由第一通路被提供给致动结构，且该可移动结构从第一状态变为第二状态。该自锁定器件，例如下面将要描述的逻辑电路或一对电极，其以断开的非导电状态和闭合的导电状态为特征，通过到该逻辑电路的第一控制信号直接启动或者通过该可移动结构从第一状态移动到第二状态间接启动，该自锁定器件从断开状态变为闭合状态。在闭合状态下，该自锁定器件启用单独的第二通路，用于将电力提供给该致动结构。在该第一控制信号被中断之后，该开启键被再次断开。由于电力经由关断键和自锁定器件被提供给致动结构，因此该可移动结构保持在第二状态。一旦该关断键借助该第二控制信号被断开且没有电力被提供给致动结构，该可移动结构就在可移动结构的弹力或者该可移动结构所附着的悬置体(suspension)的驱动下移回第一状态。另外，该自锁定器件通过传送到该逻辑电路的第二控制信号直接启动或者通过该可移动结构从第二状态移动到第一状态间接启动，从闭合状态变为断开状态。因此，即使第二控制信号被中断且关断键被再次闭合，也没有电力可以经由第二通路传送。与现有技术相反，将可移动结构保持在特定位置的致动不是由单独的电极组提供的。本发明使锁定MEMS器件的更简单的解决方案成为可能，从而使得能够小型化且节约成本。应用是可调MEMS谐振器或MEMS开关。在MEMS谐振器中，如果例如在MEMS谐振器结构的一个或多个悬置体中设置了一个或多个致动器件，则本发明可以用于调整MEMS谐振器结构的谐振频率。致动器件用于改变MEMS谐振器结构或悬置体的机械参数。在MEMS开关中，如果致动器件包括例如两个电极，如果施加电力则所述两个电极执行静电致动、导致所述两个电极之间的电容变化，则该致动器件可以用于传送例如RF信号。 [0004] 在本发明的另一个实施例中，该自锁定器件包括附着到该可移动结构的第一自锁定电极和附着到该基底结构的第二自锁定电极。如果该可移动结构处于第二状态，则这些自锁定电极彼此接触。经由该关断键，自锁定电极之间的物理接触使该电源和致动结构之间的第二导电通路闭合。仅需经由自锁定电极建立电接触使小的电极区域成为可能，因为电化接触(galvanic contact)基本上是由这些(自锁定)电极的表面粗糙度和施加于这些(自锁定)电极的力所确定的点接触。此外，在可移动结构从第一状态到第二状态的变化期间和第二状态中的致动通过由电源供电的致动结构来提供。由于相同的致动结构用于移动和保持该可移动结构，因此沿着可移动结构的力分布保持相同，然而在现有技术中，由于使用了不同的电极对，因此在移动期间和致动状态中力分布是不同的，这引起更高的开关设计复杂度。本发明还可以被用在MEMS开关中，其中自锁定电极附加地用于提供电化接触，以便传送电信号。使用自锁定电极和电接触来向致动结构和功能电极提供电力以传送例如RF信号，会导致附加的措施，如阻止电源通路中的RF信号的线圈，以及阻止信号通路中的DC偏置的电容器。 [0005] 在本发明的另一个实施例中，该MEMS器件还包括附着到该可移动结构的至少一个第一信号电极和附着到该基底结构的至少一个第二信号电极。附加的信号电极使得致动和信号传送分开，从而限制或阻止了不希望的干扰。此外，使适用于RF应用的电容性MEMS开关成为可能的介电材料可以覆盖至少一个所述信号电极。以下给出本领域技术人员配置这样的MEMS器件的已知选项的非最终列表： [0006] ●一个信号电极附着到该可移动结构，一个信号电极附着到该基底结构，或者有介电层附着到一个或两个电极上或者没有介电层附着到一个或两个电极上。附着到可移动结构上的信号电极将信号经由该可移动结构传送到其它器件。 [0007] ●一个信号电极附着到该可移动结构，两个信号电极附着到该基底结构。附着到该可移动结构的信号电极为附着到该基底结构的两个信号电极之间的信号提供桥(电化的电容性)。 [0008] ●两个信号电极附着到可移动结构，一个信号电极附着到基底结构。附着到基底结构的信号电极为附着到可移动结构的两个信号电极之间的信号提供桥(电化的电容性)。 [0009] 在本发明的另一个实施例中，开启键是n沟道场效应晶体管(例如，增强型MOSFET)，关断键是n沟道场效应晶体管(例如，耗尽型J-FET)。在没有任何控制信号的情况下，‘开启’-MOSFET保持非导通模式，而‘关断’-J-FET保持导通模式。MOSFET和J-FET的栅极可以经由电阻器连接到地。如果正的第一控制信号被送到n沟道MOSFET的栅极，则漏源沟道变为导通，从而激活致动结构。如果负的第二控制信号被送到n沟道J-FET的栅极，则漏源沟道被截止，从而使得致动结构失活。 [0010] 在本发明的另一个实施例中，该致动结构通过热变形来移动该可移动结构。该致动结构包括附着到该可移动结构的电阻性加热元件和布置在该电阻性加热元件之上或之下的热可变形结构，该热可变形结构例如是具有不同热膨胀系数的两个层的叠层(例如双金属)。一旦电力经由该开启键被传递到该电阻性加热元件，该电阻性加热元件就加热该两个层的叠层，使得叠层弯曲，将可移动结构从第一状态移动到第二状态。自锁定电极之间的接触被闭合，保证了电阻性加热元件的供电。通过激活关断键，电阻性加热元件的电源被切断，且叠层和可移动结构返回到第一位置。开启键和关断键的激活时段需适于热变形的惯性。 [0011] 在本发明的另一个实施例中，该致动结构通过电磁致动来移动该可移动结构。该致动结构可以包括附着到该可移动结构的第一线圈和附着到该基底结构的第二线圈。向该第一线圈和第二线圈提供电力引起电磁吸引，将该可移动结构从第一状态移动到第二状态。在致动结构的变型中，该第二线圈可以由永磁体来代替。可以增加另外的铁磁材料以便改善电磁致动结构。 [0012] 在本发明的另一个实施例中，该致动结构通过压电致动来移动该可移动结构。在压电驱动致动结构的第一实施例中，致动结构包括第一电极层、第二电极层和压电层(例如，由锆钛酸铅PZT制成)。该压电层夹在第一和第二电极层之间，并且可选地可以增加一个或多个结构层。向第一和第二电极层提供电力使压电层变形，该变形由第一和第二电极层之间的电场决定。基本上垂直于电场的压电层的变形可以用于移动可移动结构(称之为d31模式，d31是压电系数之一)。在压电驱动致动结构的第二实施例中，致动结构包括一个构造的电极层和压电层(可选地可以增加结构层)，该电极层包括至少两个电极。这两个电极附着到压电层的一个表面。向这两个电极提供电力使压电层变形，该变形由这两个电极之间的电场确定。基本上平行于该电场的压电层的变形(由于压电层的一般较高的介电常数)可以用于移动该可移动结构(称之为d33模式，d31是压电系数之一)。具有压电块致动器的其它实施例也是可能的。压电致动器结构基本上是电容器。如果关断键被激活，则为了将可移动结构移回第一状态，电容器必须被放电。如果关断键被激活，则电容器的特征可以在于特定的漏电流、连接这两个电极或两个电极层的电阻器或者短路该电容器的开关。根据MEMS器件的尺寸和设计，致动结构的电容可以相当高(例如，在10nF到100nF之间或者甚至更高)。电容器的漏电流需相当高，或者连接这两个电极或两个电极层的电阻器需相当低，以便在合理的时间段内对电容器进行放电。在这种情况下，只要可移动结构处于第二状态，那么漏电流和电阻器就会引起相当高的损耗。可以使用与连接电容器的电极或电极层的开启键相似的另外的开关以便减少损耗。该开关由第二控制信号控制，并且关断键一被激活就短路该电容器。这样的开关的一个实例是例如(增强型)n沟道MOSFET，其漏极和源极连接在电容器的电极或电极层之间。MOSFET处于其非导通模式，直到正的控制信号被送到栅极，这使得MOSFET切换到其导通模式。MOSFET的栅极可以经由电阻器连接到地。 [0013] 在本发明的另一个实施例中，致动结构通过静电致动来移动该可移动结构。该致动结构包括附着到该可移动结构的至少一个第一致动电极和附着到基底结构的至少一个第二致动电极。绝缘层可以覆盖一个或两个电极，以便防止短路。向第一和第二致动电极提供的电力导致附着到可移动结构的第一致动电极的静电吸引，从而使得可移动结构从第一状态移动到第二状态。与上述压电致动结构相比，静电致动结构是由第一和第二致动电极形成的电容器，且如果关断键被激活，则该电容器需被放电。可以用于使电容器放电的措施与结合压电致动结构描述的相同。 [0015] a)通过例如非稳态多谐振荡器的信号发生，其中可以根据附加电容器和电阻器的值的适当选择来调整开启和关断状态。 [0016] b)通过例如单稳态多谐振荡器的定时功能，其中可以根据附加的一个或多个电容器以及一个或多个电阻器的值的适当选择来选取开启状态(或关断状态)。 [0017] c)通过例如双稳态多谐振荡器的激活/失活功能，其中输入端口的信号定义了相关输出端的状态。 [0019] 本发明的另一个目的是提供驱动MEMS器件的方法，该MEMS器件包括可移动结构、基底结构、移动该可移动结构的至少一个致动结构、自锁定器件、开启键、关断键和电源，该方法包括步骤： [0020] -向开启键提供时间段(time period)t1的第一控制信号； [0021] -在时间段t1期间，经由经过该开启键的第一导电通路向致动结构提供电能； [0022] -在时间段t1期间，通过该致动结构将可移动结构从第一状态移动到第二状态； [0023] -在时间段t2期间，通过自锁定器件将可移动结构锁定在第二状态，该自锁定器件经由关断键在电源和致动结构之间提供第二导电通路；以及 [0024] -通过向关断键施加时间段t3的第二控制信号以断开自锁定器件来将可移动结构从第二状态释放到第一状态。时间段t1不得不持续直到可移动结构被锁定。当可移动结构被锁定时，时间段t2开始，如果可移动结构被释放，则时间段t2停止。在时间段t3期间，当第二控制信号被施加到关断键时，时间段t2的结尾到达。时间段t3需适于可移动结构和致动结构的惯性。为了确定时间段t1和t3，必须做一些最坏的预测估计(cast estimation)，这可能会引起用于第一和第二控制信号以及因而用于切换的时间段不必要地长。可以通过检测是否达到可移动结构的第二状态且可移动结构是否被锁定以及提供停止第一控制信号的反馈信号而调节时间段，来阻止这种现象。此外，可以检测可移动结构的释放，并且提供另外的反馈信号以停止该第二控制信号。如果该自锁定器件包括两个自锁定电极，则可以测量这些自锁定电极之间的电阻，以便定义触发反馈信号的阈值。 [0025] 下面将描述另外的特征，它们可以被结合在一起以及与任何所述方面结合。其它优点对本领域技术人员来说是显而易见的，特别是那些相对于其他现有技术的优点。在不脱离本发明的权利要求书的情况下，可以做出许多变化和修改。因此，应当清楚地理解，本发明的形式仅仅是说明性的，并不意在限制本发明的范围。附图说明 [0026] 下面将参照附图更详细地说明本发明，其中相同的附图标记指示相似的部件，其中： [0027] 图1示出了具有压电致动结构的本发明的第一实施例的主图； [0028] 图2示出了具有压电致动结构的本发明的第二实施例的主图； [0029] 图3示出了具有静电致动结构的本发明的第三实施例的主图； [0030] 图4示出了具有热激活致动结构的本发明的第四实施例的主图。 具体实施方式[0031] 图1示出了基本上由单个夹紧(clamped)梁形成的MEMS开关的主图，其中该梁包括压电材料，如锆钛酸铅(PZT)。由具有第一侧和第二侧的梁形成的可移动结构30在一侧通过支撑结构20被夹住。支撑结构20附着到基底结构10。可移动结构30在基底结构10上方基本上平行延伸，由此可移动结构30的第一侧面向基底结构10。第一致动电极120附着到可移动结构的第一侧，第二致动电极110附着到可移动结构30的第二侧。包括PZT的可移动结构30的一部分夹在形成致动结构100的第二致动电极110和第一致动电极120之间。此外，第一自锁定电极220和第一信号电极520附着到可移动结构的第一侧。第一自锁定电极面向附着到基底结构10的第二自锁定电极210。第一信号电极520面向附着到基底结构10的第二信号电极510。电源400的第一端口连接到地，相对于地提供正电压的电源400的第二端口连接到开启键310的第一端口和与开启键320并行切换的关断键320的第一端口。开启键310的第二端口电连接到第二致动电极和第一自锁定电极220。关断键320的第二端口电连接到第二自锁定电极210。第一致动电极120电连接到地。在起始位置，这些自锁定电极彼此分开。如果第一控制信号被提供给开启键310，则对于第一控制信号的持续时间，开启键310的第一端口和第二端口被电连接。电压被施加在第一致动电极120和第二致动电极110之间，使得夹在这些电极之间的压电材料变形，并且可移动结构30朝向基底结构10弯曲。在可移动结构的弯曲期间，第一自锁定电极220接触第二自锁定电极210，并且建立这两个自锁定电极之间的导电连接。只要没有提供第二控制信号，关断键320就在其第一和第二端口之间提供导电连接。自锁定电极之间的电接触在第二致动电极110和电源400的第二端口之间提供第二导电通路。在第一控制信号被中断以断开开启键310的第一端口和第二端口之间的导电通路之后，经由关断键和被短路的自锁定电极来施加第一和第二致动电极之间的电压。此外，可移动结构30的移动引起第一信号电极510和第二信号电极520处于电接触，RF信号可以经由该接触被传送。施加到关断键320的第二控制信号断开第二致动电极110和电源400之间的电连接。存储在第一致动电极120和第二致动电极110之间的电能经由连接这两个致动电极的电阻器600放电。可移动结构30移回起始位置，自锁定电极被分开。 [0032] 图2示出了本发明的另一个实施例的主图。MEMS开关的结构和电连接基本上与结合图1描述的实施例相同。开启键310通过n沟道场效应晶体管(增强型MOSFET)而具体化。关断键320通过n沟道场效应晶体管(耗尽型的J-FET)而具体化。在没有任何控制信号的情况下，MOSFET(开启键310)保持在非导通模式，J-FET(关断键320)保持在导通模式。MOSFET和J-FET的栅极可以经由电阻器连接到地。如果正的第一控制信号被送到n沟道MOSFET的栅极，则漏源沟道变为导通，从而激活致动结构。如果负的第二控制信号被送到n沟道J-FET的栅极，则漏源沟道被截止，以使该致动结构失活。与图1描绘的不同，第二信号电极510被电绝缘介电层530所覆盖。介电层530(例如SiO2、Si3N4)防止信号电极短路。在开关的闭合状态下，RF信号从一个信号电极电容性地耦合到另一个信号电极。在起始位置，附加间隙分开信号电极，几乎抑制了RF信号的耦合。使用晶体管使得能够由公知的MEMS技术来制造集成MEMS开关，所述MEMS技术例如牺牲层蚀刻和薄膜沉积技术，例如溶胶凝胶来沉积压电材料。可以使用公知的半导体技术来将例如晶体管集成到例如包括硅的基底结构中。 [0033] 图3示出了本发明的另一个实施例的主图。MEMS开关的结构和电连接与结合图1描述的实施例的基本相同。致动结构100包括附着到可移动结构30的第一电容性致动电极115和附着到基底结构10的第二电容性致动电极125。第二电容性致动电极由电绝缘的介电层140覆盖，以防止短路。可以用结合图1描绘的实施例描述的相同方式在致动电极之间施加电压。可移动结构30不必包括压电材料。另外，电阻器600由另外的放电键700来代替。放电键700提供由断开关断键320的第二控制信号触发的、第一电容性致动电极115和第二电容性致动电极125之间的电连接。由致动电极形成的电容器放电，且可移动结构移回第一位置。 [0034] 图4示出了本发明的另一个实施例的主图。MEMS开关的结构和电连接与结合图1描述的实施例基本相同。基本区别在于由电阻性加热元件形成的致动结构，如果由电源400经由开启键或经由关断键提供电流，则电阻性加热元件引起可移动结构30的热变形。与图1所示的实施例相反，不需要电阻器600，因为一旦不提供电流，电阻性加热元件就停止加热。 [0035] 结合图1-图4讨论的本发明也可以应用于包括由基底结构10上方的支撑结构悬挂的双夹紧梁或者例如碟形或方形板的MEMS开关。 [0036] 尽管结合特定实施例并参照特定附图描述了本发明，但是本发明不限于此，而是仅由权利要求书来限定。权利要求书中的任何附图标记不应当被理解为限制了其范围。所述的附图仅仅是示意性的且是非限制性的。在附图中，为了说明的目的，一些元件的尺寸可能被夸大，没有按照比例绘制。在本说明书和权利要求书中使用措词“包括”的地方，其不排除其它元件或步骤。除非有其它的特别说明，在当提及单数名词时使用了不定冠词或定冠词(例如“一”或者“一个”、“这个”)的地方，其包括该名词的复数形式。 [0037] 此外，说明书和权利要求书中的措词“第一”、“第二”、“第三”等用于区分相似的元件，不一定用于描述顺序或时间次序。应当理解，这样使用的术语在合适的情况下是可互换的，且这里描述的本发明的实施例能够以除了这里描述或示出的顺序之外的其它顺序进行操作。 [0038] 此外，说明书和权利要求书中的术语“顶部”、“底部”、“第一”、“第二”等用于描述的目的，不一定用于描述相对位置。应当理解，这样使用的术语在合适的情况下是可互换的，且这里描述的本发明的实施例能够以除了这里描述或示出的方位之外的其它方位进行操作。 |
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