微机电开关用在微波频率范围内的各种用途。微机电开关通常 是一端或两端带有支撑件的杆。支撑件一般在衬底表面的上面延伸 或是与衬底表面平齐，即，微机电开关一般设置在衬底表面的上面 或是在衬底中。杆作为平行板电容器中一个极板。被称作促动电压 的电压施加在杆和开关底座上作为电容器另一极板的促动电极之 间。在开关闭合阶段，或在常开开关的接通状态下，促动电压施加 足够大的静电吸引力到杆上，克服杆的刚性。由于静电吸引力的结 果，杆挠曲而与开关底座上的接触电极连接，从而使开关闭合。当 促动电压取消时，杆将返回其自然状态而断开与接触电极的连接， 从而使开关断开。一种基本的微机电开关是单刀单掷开关。杆从断 开到闭合或从闭合到断开的变化具有内在不稳定性而只是在到达某 一点之前是可以控制的。比如，当闭合时，由于施加到开关上的促 动电压的作用，杆逐渐而可预见地变形直至到达某一点。超过这一 点后将失去控制，杆的工作变得不稳定，使杆向下跳到促动电极上。 这种行为对简单的通/断操作是适用的，但是如果想要避免不受控制 地弹跳到促动电极上，即如果想要控制杆的运动时，通常是不能满 足要求的，因此微机电开关有改进的余地。

本发明的目的是要提供一种控制微机电开关的杆的运动的方 法。
本发明的另一个目的是要提供一种包括能够预见地控制的杆的 微机电开关。
本发明的还有一个目的是要提供一种微机电的连续可变电容。
本发明的还有一个目的是要提供一种微机电动力传感器。
本发明的还有一个目的是要提供一种带有可连续控制的杆的微 机电开关。
本发明的还有一个目的是要提供一种可靠的机电开关。
本发明的上述目的是通过带有可连续控制的杆的微机电开关结 构来实现的。通过在靠近杆投影处但在杆投影外边增设促动电极使 杆可连续控制。杆垂直投影到促动电极的平面上。通过将促动电极 设置在杆的旁边而不是在杆的下面，促动电极可以连续控制杆从静 止位置移动到完全促动状态。
本发明的上述目的还可以通过一种微机电开关结构来实现，这 种微机电开关结构包括第一开关支撑件和带有第一端及第二端的开 关杆，所述开关杆的第一端支承在第一开关支撑件上。根据本发明， 这种微机电开关结构还包括与开关杆的投影隔开的第一移位促动电 极，所述投影在与第一移位促动电极相同的平面上。使得能够通过 施加连续可变的促动电压到移位促动电极上来连续控制杆间隙。
在某些实施例中，可以将第一移位促动电极的至少一部分布置 在开关杆的第二端处。在其它一些实施例中，可以适当地将第一移 位促动电极的至少一部分与开关杆的纵轴平行。微机电开关结构还 可以适当地包括与第一促动电极基本上布置在同一个平面内的第二 移位促动电极，所述第二移位促动电极与开关杆的投影隔开，至少 有一部分与开关杆的纵轴平行，并与第一促动电极隔开所述开关杆 的投影。在某些实施例中，微机电开关结构还包括第二开关支撑件， 开关杆的第二端支承在第二开关支撑件上，即，属于桥式的。在其 它一些实施例中可以构成悬臂式开关。
微机电开关结构还可以包括至少部分与开关杆的投影重合的信 号电极、和/或至少部分与开关杆的投影重合的促动电极、和/或布置 在微机电开关结构的开关杆上的第一电容器极板，以及布置在微机 电开关结构的底座上并对着第一电容器极板的第二电容器极板。
本发明的上述目的还可以通过包括第一接头和第二接头的连续 可变电容器来实现，这种可变电容器包括根据上述任何实施例的微 机电开关结构，包括第一和第二电容器极板，其中第一接头连接在 第一电容器极板上，而第二接头连接在第二电容器极板上。在某些 应用中，通过偏压第一和/或第二移位促动电极可以使可控可变电容 器的开关杆偏移。
本发明的上述目的还可以通过电容量由控制电压控制的可控可 变电容器来实现。这种可控可变电容器包括根据上述任何可变电容 器实施例的连续可变电容器，其中控制电压连接在第一和/或第二移 位促动电极上。
本发明的上述目的还可以通过一种包括杆测量元件的微机电开 关结构的杆测量装置来实现，这种杆测量装置可包括在惠斯通电桥 中。这种测量装置包括根据上述任何实施例的第一连续可变电容器， 并作为杆测量元件，而所测量的杆是开关杆。在某些应用中所述装 置还可以包括根据上述任何实施例的第二连续可变电容器，作为惠 斯通电桥中杆测量元件的参考元件。
本发明的上述目的还可以通过测量流经动力信号电极的动力的 动力测量单元来实现。动力测量单元包括根据上述任何实施例的微 机电开关结构的杆测量装置，其中动力信号电极至少有一部分布置 在微机电开关结构的杆测量装置测量的杆下面。
通过提供根据本发明的微机电开关线路，可以获得比现有技术 的微机电开关更优越之处。本发明的主要目的是提供一种能连续控 制微机电开关元件中杆间隙的方法。这通过提供一种移位促动电极 来实现，这种移位促动电极的任何部分都不在所述微机电开关的杆 的下面。通过改变移位促动电极离开杆的距离，可以得到杆间隙与 移位促动电极电压关系的不同控制特性。这将使微机电开关元件的 应用扩大到模拟控制和测量装置，如连续可变电容器，可以作为测 量装置也可作为可控电容器。本发明易于实现，而且在制造方面也 不需要有任何特别注意的地方。
通过下面的详细介绍将使本发明的其它优点变得更加清楚。
附图说明
现在将参考以下附图来更加详细地介绍本发明，所介绍的实例 是说明性的而非限制性的，其中：
图1A-1B示出了桥式微机电开关；
图2A-2B示出了悬臂式微机电开关；
图3示出了桥式微机电开关的可连续控制杆；
图4示出了悬臂式微机电开关的可连续控制的杆；
图5示出了根据本发明的微机电开关结构的第一个实施例；
图6示出了根据本发明的微机电开关结构的第二个实施例；
图7示出了图6中微机电开关的顶视图；
图8示出了根据本发明的微机电开关结构的细节；
图9示出了根据本发明的许多不同的促动电极构造的杆位置与 促动电压的关系；
图10示出了根据本发明的用于动力传感器的一种适当的惠斯通 电桥结构。

为了理解根据本发明的方法和装置，现在将结合图1A至10来 介绍本发明的某些实例。
图1A和1B示出了一种桥式微机电系统(MEMS)开关，包括 由两个支撑件104、106支承的杆100。MEMS开关可以如图1A和1B 中所示，带有在衬底199上面的支撑件104、106，即支撑件104、106 从衬底199突出，在这种情况下，衬底199与开关底座重合。另外， MEMS开关也可以通过在杆下面的衬底中形成凹部来制造，其中杆 的一端或两端由周围的衬底支承。在这样的MEMS开关中，开关底 座将不与衬底重合，而是位于杆下面的凹部底部。
MEMS开关中的促动电极109往往与信号电极结合在一起，尤 其是用于高频率时，因为此时很容易将通常使用的直流促动电压与 信号分开。单刀单掷开关可以分为两种基本类型，即常开(NO)和 常闭(NC)的。常开型的当处于静止状态时，即当不存在促动电压 时，不能将任何信号从其输入端传导到输出端。常开型的只有当处 于活动状态时，即当有促动电压存在时，才将信号从其输入端传导 到输出端。常闭型的是当处于静止状态，而非活动状态时将信号从 其输入端传导到输出端。这些不同类型的MEMS开关可以用许多方 式来实现。
常开型的MEMS开关可以通过直接在杆的下面分割信号电极来 实现，即在信号电极形成一间隙，使得当MEMS开关活动时，杆下 面的导电表面跨接在间隙上。当MEMS开关不活动时，信号通路断 开，而当MEMS开关活动时，信号通路接通。
常闭型的MEMS开关可以通过使与信号电极接触的至少一部分 杆接地来实现。当MEMS开关不活动时，信号通路接通，因此将传 递任何所需要的信号。当MEMS开关活动时，信号电极将接地，因 此使信号通路断开。
可以与信号电极结合在一起的促动电极109布置在位于开关底 座上的杆100的下面，在这种MEMS开关中，开关底座与衬底199 重合。当没有促动电压施加在促动电极109上时，杆100处于如图1A 所示的静止状态。当有促动电压施加在促动电极109和杆100之间 时，作用在杆100上的力将使杆沿力的方向移动到促动电极109上， 如图1B中所示弯曲的杆101。
如前面所提到的，杆100、101的移动是不稳定的，而且这种移 动在杆100、101的整个弯曲过程中与促动电压的关系也不是预先确 定的。在从静止状态到达某一弹跳点之前，即在总弯曲量g0的最初 大约30％之内，促动电压与弯曲量之间存在预见的关系。当电压增 大使弯曲超过弹跳点时，杆将不受控制地弹跳到促动电极上。因此 只能在g0的不到大约30％的范围内对杆100进行连续控制。这意味 着传统的MEMS开关只适合于用作具有两种截然不同的状态即接通 和断开状态的开关。
图2A示出了一种衬底299上基本悬臂式N/MEMS开关。这种 MEMS开关包括由单个支撑件204固定在促动/信号电极209上面的 杆200。其他方面的基本功能与上述基本桥式MEMS开关相同。杆201 同样是经过30％的受控运动，然后弹跳到促动电极上，如图2B所示。
有几种方法可解决这个问题。在第一个实例中，如图3所示， 将一个或两个促动电极309放在衬底399中的凹部308、310内。单 独的信号电极312位于凹部308、310中的促动电极309向上到杆300 距离的大约三分之二处。因此在这个实例中由两个支撑件304、306 支承的杆300与信号电极312的相对位置自始至终都可以通过促动 电压来控制。这种类型的MEMS开关应十分小心地构造，使得弹跳 点位于信号电极312的下面，即在信号电极312的促动电极309一 侧。杆朝促动电极309弯曲距离的最初大约30％被利用，即在杆300 到达弹跳点之前，信号电极312将碰到杆300。这种类型的MEMS 开关的缺点是可控弯曲距离较小或到促动电极的距离太大，而且可 能较难达到高产品合格率，因为在制造时很难将信号电极准确地布 置在弹跳点的上面并同时尽可能地接近促动电极。
在第二个实例中，如图4所示，悬臂式MEMS开关带有由一个 支撑件404支承的伸长杆400。这种MEMS开关实现杆的可控制移 动的原理是，将衬底499上的促动电极409和信号电极412分开。 促动电极409和信号电极412在伸长杆400的下面分开，因此当杆400 到达信号电极412时，杆400没有到达在促动电极409上面的弹跳 点。在这个实例中，信号电极412和促动电极409之间的杠杆比率 为大约3∶1，即开关变得对促动电压的变化十分灵敏，因此在促动电 极409上面杆的小移动“放大”成为在信号电极412上面大得多的 杆移动。除了对促动电压太过灵敏之外，这种伸长杆在制造时也存 在很大困难。
为了进一步改进微机电开关和进一步增加微机电开关的应用领 域，发明了一种可控制微机电开关的杆弯曲的新方法。根据本发明， 在杆投影的外边靠近杆投影处设置至少一个称作移位促动电极的促 动电极，替代在所述杆下面即在杆投影内的普通促动电极或额外增 设。投影是所述杆在与移位促动电极相同的平面上的表示。投影可 以说成杆从静止位置的平面到移位促动电极平面的一种垂直运动。 无论杆受驱动移动多少，这样布置的移位促动电极永远不会碰到所 述杆，即杆不会朝促动电极弯曲，最起码不会出现当杆碰到移位促 动电极平面时，杆碰到移位促动电极的情况。如前面所提到的，移 位促动电极可以取代传统的促动电极或是作为传统促动电极的补 充。传统的促动电极使微机电开关具有可靠的通/断功能，以及/或者 是移位促动电极的补充以适当地将杆移动到信号电极上，而在杆和 信号电极之间形成可靠的接触。
根据本发明的微机电开关结构可以适当地设置电容器极板/电 极，其中一个设置在杆上或是与杆整体形成，而另一个适当地设置 在与移位促动电极相同的平面上。这将使微机电开关结构成为由移 位促动电极控制的连续可变电容。还可以偏置移位促动电极，使杆 移动到要测量的信号的小变化可引起杆大移动的位置，这种移动可 通过电容器电极来测量。
图5示出了根据本发明的微机电开关结构的第一个实施例。根 据第一个实施例的微机电开关设在衬底/开关底座599上，并包括带 有相应杆支撑件504的悬臂杆500和沿杆500的延伸方向布置在杆500 的边缘线590以外的移位促动电极595。这种微机电开关还可以包括 杆500下面的信号电极512。线590垂直于杆500的平面并在杆500 的边缘，因此杆500在移位促动电极595平面上的投影不会越过线 590。根据本发明的移位促动电极也不会越过线590，即投影将在线 590的一侧，而移位促动电极将在线590的另一侧。根据第一个实施 例的移位促动电极可以直接在杆的延伸方向上，或是如图5中所示 与杆的延伸方向垂直。
图6示出了根据本发明的微机电开关结构的第二个实施例。图6 是沿衬底/开关底座699上的微机电开关的杆600的延伸方向的视图。 第二个实施例可只包括一个移位促动电极，如第一移位促动电极 695，也可包括两个移位促动电极，如第一移位促动电极695和第二 移位促动电极696。根据第二个实施例，一个或两个促动电极695、 696平行于杆的延伸方向，且分别布置在杆600的第一边缘线691以 外和杆600的第二边缘线692以外。
图7是图6中微机电开关的顶视图，带有杆700、第一移位促动 电极795和第二移位促动电极796。
图8示出了根据本发明的衬底899上的微机电开关结构的细节。 移位促动电极895从构成杆800的投影边缘的线890侧向位移835。 杆800在静止状态时的杆间隙834为g0。杆的弯曲量取决于杆800 的弹性常数、杆800和移位促动电极895之间间隙的介电常数、有 效面积、以及杆800和移位促动电极895之间的电压。所述有效面 积又取决于杆800的几何形状、移位促动电极895的几何形状、以 及杆800和移位促动电极895之间的空间关系，而这种空间关系在 大多数情况下又将构成唯一的可用变量即侧向位移835。
图9示出了根据本发明的许多不同的促动电极构造的杆位置/弯 曲与促动电压的关系。图中示出了移位促动电极的许多不同侧向位 移量的杆间隙g的刻度系数920与促动电极电压的刻度系数921的 关系。第一侧向位移量的第一条电压与间隙的关系曲线940的有效 位移量是最大杆间隙g0的大约0％。有效位移量在一定程度上取决于 移位促动电极的位移量，但更涉及到有效面积，如上面所介绍的。 第二条电压与间隙的关系曲线941是第二侧向位移量时的曲线，该 有效位移量大约是最大杆间隙g0的25％。第三条电压与间隙的关系 曲线942是第三侧向位移量时的曲线，该有效位移量大约是最大杆 间隙g0的50％。第四条电压与间隙的关系曲线943是第四侧向位移 量时的曲线，该有效位移量大约是最大杆间隙g0的75％。第五条电 压与间隙的关系曲线944是第五侧向位移量时的曲线，该有效位移 量大约是最大杆间隙g0的100％。第六条电压与间隙的关系曲线945 是第六侧向位移量时的曲线，该有效位移量大约是最大杆间隙g0的 125％。可以看出，移位促动电极移得越远，即相对有效面积变得越 小时，对于同样的杆弯曲必须有越大的促动电压。同时，促动电压 的平方与杆间隙之间的关系可以用线性方程，即具有常数斜率的直 线来描述。
如前面所提到的，根据本发明的MEMS开关适合于用作动力传 感器。通过移动移位促动电极，使促动电压与杆位置的关系曲线具 有非常陡的部分，如第三条电压与间隙的关系曲线942，于是可以偏 置移位促动电极，使杆到达曲线陡立部分中间或附近的适当工作点 948。于是动力传感器将达到很高的灵敏度和较大的测量范围。测量 是通过测量杆的位置，确切地说是杆偏离工作点948的位置来进行。 通过在杆上增加一电容器极板并在开关底座上增加一对应的电容器 极板，使得电容量可随杆的运动而变化，就可以适当地测量杆的位 置和/或偏移。
图10示出了用于根据本发明的如动力传感器中杆耦合可变电容 的一种惠斯通电桥结构。
惠斯通电桥包括：惠斯通电桥的电源输入端1047、给出杆位置 值的信号输出端1048、杆间隙/位置测量元件1081、杆间隙测量参考 元件1085、以及第一电桥元件1083和第二电桥元件1087。杆间隙 测量参考元件1085与杆间隙/位置测量元件1081最好是相同类型， 但其设置在类似未使用MEMS开关上。第一个电桥元件1083和第二 电桥元件1087最好是同一种类型的。位置测量元件1081包括在要 测量位置的杆上的第一电极板，和在第一电极板下面的第二电极板， 因此形成电容量随杆的位置而变化的电容器。
本发明的基本原理是通过一个或多个移位促动电极来连续改变 MEMS开关中杆的位置/弯曲。移位促动电极的移位方式可使得它们 不会位于所述杆的下面。MEMS开关还可以包括杆下面的信号电极、 和/或用于比如通/断操作的附加促动电极、和/或杆位置测量元件如电 容器极板。根据本发明的MEMS开关可用于首选连续可变杆的各种 应用中，如连续可变电容器和动力传感器。
本发明并不限于上述实施例，可以在所附权利要求的范围内变 化和改进。
标记表
图1.桥式微机电开关
100  杆，
101  促动的杆，
104  第一杆支撑件，
106  第二杆支撑件，
109  促动/信号电极，
199  衬底/开关底座。
图2.悬臂式微机电开关
200  悬臂杆，
201  促动的杆，
204  杆支撑件，
209  促动/信号电极，
299  衬底/开关底座。
图3.桥式微机电开关的可连续控制杆
300  杆，
304  第一杆支撑件，
306  第二杆支撑件，
308  第一促动电极凹部，
309  促动电极，
310  第二促动电极凹部，
312  信号电极，
399  衬底。
图4.悬臂式微机电开关的可连续控制杆
400  延伸的悬臂杆，
404  杆支撑件，
409  促动电极，
412  信号电极，
499  衬底/开关底座。
图5.根据本发明的微机电开关结构的第一个实施例
500  悬臂杆，
504  杆支撑件，
512  可能的信号电极，
590  杆的边缘线，
595  移位促动电极，
599  衬底/开关底座。
图6.根据本发明的微机电开关结构的第二个实施例
600  杆，
691  第一促动电极侧的杆的第一边缘线，
692  第二促动电极侧的杆的第二边缘线，
695  第一移位促动电极，
696  第二移位促动电极，
699  衬底/开关底座。
图7.图6中微机电开关的顶视图
700  杆，
795  第一移位促动电极，
796  第二移位促动电极。
图8.根据本发明的微机电开关结构的细节
800  杆，
834  从开关底座到杆的距离，杆间隙g0，
835  从杆的边缘线到促动电极的距离，即促动电极的侧向位移 量，
890  杆的边缘线，
895  移位促动电极，
899  衬底/开关底座。
图9.根据本发明的许多不同的促动电极构造的杆位置与促动电 压的关系，
920  杆间隙g的刻度系数，
921  促动电极电压的刻度系数，
940  第一侧向位移量时的电压与间隙的关系曲线，
941  第二侧向位移量时的电压与间隙的关系曲线，
942  第三侧向位移量时的电压与间隙的关系曲线，
943  第四侧向位移量时的电压与间隙的关系曲线，
944  第五侧向位移量时的电压与间隙的关系曲线，
945  第六侧向位移量时的电压与间隙的关系曲线，
948  动力传感器的适当工作点。
图10.用于根据本发明的动力传感器的一种惠斯通电桥结构，
1047  电桥电源输入，
1048  电桥信号输出，
1081  杆间隙测量元件，
1083  第一电桥元件，
1084  杆间隙测量参考元件，
1087  第二电桥元件。