具有双致动器和共栅极的MEMS微型开关 |
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| 申请号 | CN200810188423.5 | 申请日 | 2008-12-22 | 公开(公告)号 | CN101465243B | 公开(公告)日 | 2015-02-04 |
| 申请人 | 通用电气公司; | 发明人 | C·F·凯梅尔; X·王; M·F·艾米; K·苏布拉马尼安; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及具有双 致动器 和共栅极的MEMS微型 开关 。根据本发明的一个方面，提供了一种MEMS开关(10，30，40)。MEMS开关(10，30，40)包括：衬底(12)，电耦接在一起的第一致动元件(21，41)和第二致动元件(22，42)，与衬底(12)机械耦接并且 支撑 第一致动元件(21，41)和第二致动元件(22，42)中的至少一个的 固定器 (18)，以及被配置来使得第一致动元件(21，41)和第二致动元件(22，42)致动的栅极 驱动器 (6)。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种MEMS开关(10，30，40)，包括： |
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| 说明书全文 | 具有双致动器和共栅极的MEMS微型开关技术领域背景技术[0002] 微机电系统(MEMS)是在微型密封封装中尺寸一般从微米到毫米的机电装置。微型开关形式的MEMS装置具有可移动致动器，有时被称为可移动电极，通过在可移动致动器下面的衬底上布置的栅极驱动器(也被称为栅极或衬底电极)的影响向固定电接触移动。可移动致动器可以是柔性梁，在所施加的诸如静电吸引、磁吸引和排斥、或者热致胀差之类力作用下弯曲，使得梁的自由端和固定接触之间的间隙关闭。如果在梁的自由端和固定接触之间存在足够大的电压差，那么所得到的静电力会使得梁自致动，而无需由栅极驱动器提供任何栅控信号。在某些电流切换应用中，这种自致动会引起开关或下游系统的灾难性故障。 [0003] 因此，希望设计一种在避免自致动的同时能抵挡(hold off)增加的电压量的MEMS开关。 发明内容[0004] 根据本发明的一个方面，提供了一种MEMS开关。该MEMS开关包括：衬底，电耦接在一起的第一致动元件和第二致动元件，与衬底机械耦接并且支撑第一致动元件和第二致动元件中的至少一个的固定器，以及被配置来使得第一致动元件和第二致动元件致动的栅极驱动器。 [0005] 根据本发明的另一方面，提供了一种MEMS开关阵列。该MEMS开关阵列包括第一MEMS开关和以串联或者并联布置方式电耦接到第一MEMS开关的第二MEMS开关。第一开关包括衬底，电耦接在一起的第一致动元件和第二致动元件，与衬底机械耦接并且支撑第一致动元件和第二致动元件中的至少一个的固定器，以及被配置来使得第一致动元件和第二致动元件致动的第一栅极驱动器。第二MEMS开关包括电耦接在一起的第三致动元件和第四致动元件，与衬底机械耦接并且支撑第三致动元件和第四致动元件中的至少一个的第二固定器，以及被配置来使得第三致动元件和第四致动元件独立于第一致动元件和第二致动元件而致动的第二栅极驱动器。 [0006] 根据本发明的又一方面，提供了第二MEMS开关阵列。该MEMS开关包括衬底，电耦接在一起的第一致动元件和第二致动元件，与衬底机械耦接并且支撑第一致动元件和第二致动元件中的至少一个的固定器，被配置来使得第一致动元件和第二致动元件致动的栅极驱动器，以及其被布置在MEMS开关上并且与衬底一起形成密封的开关罩。附图说明 [0007] 在参考附图来阅读下面具体描述时将会更好地理解本发明的这些和其他特征、方面以及优点，其中在全部附图中相同的标号代表了相似的部件，其中： [0008] 图1是示出了具有增强的断电压(voltage standoff)能力的MEMS开关的一个实施例的示意图； [0009] 图2是图1的MEMS开关的横截面图； [0010] 图3是根据本发明一个实施例的具有电偏置部件的MEMS开关的示意图； [0011] 图4是示出了MEMS开关的一个实施例的示意图，其中第一致动元件和第二致动元件在物理上是分离的。 [0012] 图5是示出了MEMS开关的一个替代实施例的示意图，其中第一致动元件和第二致动元件在物理上是分离的；以及 [0013] 图6是示出了根据本发明一个实施例的两个或多个MEMS开关的阵列的示意图。 [0014] 附图标记 [0015] 6栅极驱动器 [0016] 10MEMS开关 [0017] 12衬底 [0018] 14开关基准 [0019] 15接触 [0020] 16栅极 [0021] 17接触 [0022] 18固定器 [0023] 21第一致动元件 [0024] 22第二致动元件 [0025] 23可移动致动器 [0026] 25罩 [0027] 30MEMS开关 [0028] 36隔离区 [0029] 37导电路径 [0030] 39电偏置部件 [0031] 40MEMS开关 [0032] 41第一致动元件 [0033] 42第二致动元件 [0034] 45电连接 [0035] 46隔离区 [0036] 47导电路径 [0037] 48a第一致动元件固定器 [0038] 48b第二致动元件固定器 [0039] 49电偏置部件 [0040] 50MEMS开关 [0041] 51第一致动元件 [0042] 52第二致动元件 [0043] 55接触 [0044] 56栅极 [0045] 57接触 [0046] 58固定器 [0047] 60MEMS开关阵列 [0048] 61电流源 [0049] 66栅极驱动器 具体实施方式[0050] 根据本发明的实施例，描述了具有增强的断电压能力(也被称为抵挡能力)的MEMS开关。在下面的详细描述中，提出了各种特定细节以提供对本发明各个实施例的彻底理解。然而，本领域技术人员将会理解在没有这些特定细节的情况下也可以实现本发明的实施例，本发明并不限于所描述的实施例，并且本发明可以采取多种替代实施例来实现。在其他情况下，没有详细描述公知方法、过程和部件。 [0051] 而且，各种操作可以被描述为多个分离的步骤，这些步骤是以有助于理解本发明实施例的方式执行的。然而，描述的顺序不应该被解释为暗指这些操作需要以它们被展示的顺序来执行，也并不暗指它们还与顺序有关。而且，措辞“在一个实施例中”的重复使用并不必需是指相同实施例，尽管它可以指相同的实施例。最后，如在本申请中使用的术语“包含”、“包括”、“具有”等，以及它们的变换形式意指同义词，除非另外指出。 [0052] 术语MEMS一般是指微型结构，可以通过微型制作技术将诸如机械元件、机电元件、传感器、致动器和电子线路之类的多样的功能不同的元件集成在公共衬底上。然而，预想的是MEMS装置中当前可用的许多技术和结构会在几年以后可用于基于纳米技术的装置，例如，尺寸上可能小于100纳米的结构。因此，即使贯穿本文档所描述的示例实施例可能是指基于MEMS的开关装置，但是认为实施例应该加以宽泛地解释，并且不应该仅限于微米大小的装置，除非另外限制于此。 [0053] 图1是示出了具有增强的断电压能力的MEMS开关的一个实施例的示意图。图2是截取图1所示截面线2的图1的MEMS开关10的横截面图。在所示的实施例中，MEMS开关10由下面的衬底12支撑。衬底12给MEMS开关提供支撑并且可以表示由例如硅或锗形成的刚性衬底，或者衬底12例如可以表示诸如由聚酰亚胺形成的柔性衬底。而且，衬底12可以是导电的或者可以是绝缘的。在衬底12是导电的实施例中，额外的电隔离层(未示出)可以包括在衬底12和MEMS开关接触、固定器和栅极(以下将要描述)之间以避免在这样的部件之间的电短路。 [0054] MEMS开关10包括第一接触15(有时被称为源极或输入接触)、第二接触17(有时被称为漏极或输出接触)和可移动致动器23。在一个实施例中，可移动致动器23是导电的，并且可以由任何导电材料或合金形成。在一个实施例中，接触(15，17)可以作为负载电路的一部分电耦接在一起，并且可移动致动器23可以起到在开关致动时将电流从第一接触15传递到第二接触17的功能。如图2所示，可移动致动器23可以包括配置成与第一接触15电连接的第一致动元件21，和配置成与第二接触17电连接的第二致动元件22。在一个实施例中，第一致动元件和第二致动元件彼此电耦接，然而，它们仍然可以根据施加到每个致动元件的吸引力独立地致动。在一个实施例中，在致动期间第一致动元件和第二致动元件可以同时被吸引朝向衬底12(下文将进一步描述)。在一个实施例中，第一致动元件和第二致动元件被集成地形成为，共用相同的固定区域并且是导电的致动元件的相对端。在替代实施例中，第一致动元件和第二致动元件可以通过额外的内部或外部电连接而电耦接。通过把第一致动元件和第二致动元件集成为相同的可移动致动器的一部分，可以去除外部连接，从而减小装置的总电感。 [0055] 如图1和图2所示，可移动致动器23(包括第一致动元件21和第二致动元件22)可以由一个或多个固定器18支撑并且与衬底12机械耦接。在一个实施例中，可移动致动器23还可以与(多个)固定器18电耦接。在使用单个固定器18来支撑第一致动元件21和第二致动元件22两者的实施例中，可能希望的是固定器18足够宽(在第一接触和第二接触之间延伸的方向上)，使得与一个致动元件相关联的任何张力或者固有应力并不传递到第二致动元件或者不与第二致动元件在机械上耦合。而且，在使用单个固定器18来支撑第一致动元件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。 [0056] 根据本发明的一个方面，MEMS开关10包括共栅极16，其由单个栅极驱动器6控制并且被配置成在第一致动元件21和第二致动元件22两者上同时施加吸引力。这样的吸引力可以被实施为静电力、磁力、压阻力或者作为力的组合。在静电致动的开关中，栅极16可以以开关基准14作为电基准，图1和图2中的开关基准14处于与可移动致动器23的导电路径相同的电势。在磁致动的开关中，施加诸如电压之类的栅控信号改变材料的磁状态，以提供或消除驱动可移动元件的磁场的存在。类似的，可以将诸如电压之类的栅控信号施加到跨可移动元件的压阻材料以导致致动。在磁致动和压阻致动两者的情况下，栅控信号不会在可移动元件之间产生静电吸引力，因此不需要以可移动元件作为基准。 [0057] 在一个实施例中，栅极驱动器6包括电源输入(未示出)和控制逻辑输入，控制逻辑输入提供了改变MEMS开关的致动状态的装置。在一个实施例中，栅控电压以可移动致动元件21和22作为基准，并且两个接触和各自的可移动元件之间的电压差基本相等。在一个实施例中，MEMS开关10可以包括耦接在接触与开关基准14之间的电阻性分级网络(resistive grading network)(未示出)，以将开关基准14保持在小于开关的自致动电压的电势处。 [0058] 通过在MEMS开关10中共用公共的栅控信号，在第一致动元件和第二致动元件之间将会分享，否则的话可能超过了用于传统MEMS开关的致动电压的大致动电压。例如，在图1和图2的MEMS开关10中，如果在跨第一接触15和第二接触17分配了200v的电压，并且开关基准17被分级到100v，那么第一接触15与第一致动元件21之间的电压将近似为100v，而第二接触17与第二致动元件22之间的电压也将近似为100v。 [0059] 在图2中，MEMS开关10还包括罩25，在包括致动元件21和22两者的MEMS开关10的部件周围，与衬底12形成密封。典型地，许多MEMS开关形成在单个衬底上。随后这些开关被加罩、形成单个或者切割。在一个实施例中，在单个裸片上形成MEMS开关10的第一致动元件和第二致动元件以及共栅极16并且加罩。通过在单个罩中包括第一致动元件和第二致动元件，有可能增加MEMS开关的断电压，而不会显著增加开关占用区域(footprint)。例如，开关的断电压有效地可以加倍，然而整个开关占用区域仅比单个开关占用区域略微有所增加。 [0060] 图3是根据本发明另一实施例的MEMS开关30的示意图。在所示实施例中，MEMS开关30与MEMS开关10基本类似，然而，MEMS开关30的可移动致动器还包括通过隔离区域36与可移动致动器23的导电路径37电隔离的电偏置部件39。电偏置部件39可以表示在MEMS光刻制作工艺中形成为可移动致动器的一部分的导电层或导电迹线。在另一实施例中，电偏置部件39可以表示被配置来在可移动致动器23上施加机械力的压阻材料。在一个实施例中，电偏置部件39可以以栅极16作为电基准。在这样的实施例中，MEMS开关30的致动电压将与跨可移动电极的导电路径(例如，跨第一接触和第二接触)的电压无关，并且因此会增加超过开关的正常的断开能力。尽管未示出，但是也可以如针对MEMS开关10所述，给MEMS开关30加罩。 [0061] 图4是示出MEMS开关的一个实施例的示意图，其中第一致动元件和第二致动元件在物理上是分离的。如图所示，MEMS开关40可以包括由第一固定器48a支撑的第一致动元件41和由第二固定器48b支撑的第二致动元件42。在替代实施例中，第一致动元件41和第二致动元件42可以由单个固定器支撑，同时保持致动元件之间的分离。在所示实施例中，第一致动元件和第二致动元件的每一个都可以包括，由隔离区域46与各自的致动元件的导电路径47电隔离的电偏置部件49。同MEMS开关30一样，电偏置部件49可以表示在MEMS光刻制作工艺中作为致动元件的一部分形成的导电层或导电迹线，或者被配置来在各自的致动元件上施加机械力的压阻材料。在一个实施例中，致动元件41和42每一个的导电路径47可以通过电连接45电耦接。尽管未示出，但是也可以如针对MEMS开关10和30所述，给MEMS开关40加罩。 [0062] 图5是示出MEMS开关的一个替代实施例的示意图，其中第一致动元件和第二致动元件在物理上是分离的。如图所示，MEMS开关50可以包括由单个固定器58支撑的第一致动元件51和第二致动元件52。同前面所述MEMS开关一样，第一致动元件51和第二致动元件52可以共同致动来根据来自栅极56的信号所产生的吸引力分别与接触55和57电接触。同MEMS开关10、30和40一样，MEMS开关50还可以包括罩25，在各MEMS部件上，与衬底12一起形成密封。 [0063] 图6是示出了根据本发明一个实施例的两个或多个MEMS开关的阵列60的示意图。在所示实施例中，每个MEMS开关10都包括可移动致动器23，包括根据共栅极16的致动状态而致动的第一致动元件和第二致动元件(未示出)。在一个实施例中，MEMS开关阵列60中的每个MEMS开关10都由单独的栅极驱动器66控制。反过来，每个栅极驱动器66控制在给定MEMS开关10的第一致动元件和第二致动元件之间共用的共栅极16的致动状态。 在所示实施例中，两个MEMS开关10的阵列60被示出为串联电耦接，其中第一MEMS开关10的输出接触17与相邻的MEMS开关10的输入接触15相连。然而，这些或者额外的MEMS开关还可以根据最终用途应用以并联或者串并组合方式电耦接。在一个实施例中，MEMS阵列 60可以被用作适合于来自电流源61的直流电的无电弧中断的断电装置的一部分。为了获得针对诸如无电弧电流中断的特定应用的希望的电压额定值，MEMS开关阵列60中的MEMS开关10可以以串联、并联以及串/并方式操作地耦接，以获得希望的电压和电流划分效果。 |
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