因此，本发明的一个目的是基于电信号的感应耦合和解耦提供感 应MEMS开关。
另一个目的是通过将开关信号的路径与用来操作器件的控制电 路分开，来隔离控制信号与开关的信号，提供感应MEMS开关。
再一个目的是提供具有在关断状态超过常规开关的关断状态隔 离的感应MEMS开关，处于关断状态的常规开关在6GHz只能提供大 约50dB的隔离。
又一个目的是提供可以以各种多极多掷方式构成并且由许多 MEMS线性或旋转驱动系统控制的感应MEMS开关。
另一个目的是提供能够可靠地进行“热开关”，即，在额定功率下 工作的同时开关，的感应MEMS开关。可以在1瓦、5瓦直到电路的 其它部分可以承受的任何值下实现开关，因为开关是非接触的，因此 没有拉弧或触点的熔接。
再一个目的是提供可靠地工作，而在信号路径中没有可能导致拉 弧、熔接或材料转移和退化的DC电位或物理接触点的感应MEMS 开关。
另一个目的是提供在更高的频率下增加其效率的感应MEMS开 关，当信号频率增加时，允许减小线圈的尺寸，通过开关元件之间的 磁场耦合实现效率的增加，由此在更高的频率下提供更好的插入损耗 特性，而不会相应的降低隔离性能。
本发明的另一个目的是提供实现阻抗匹配的开关/变压器组合。 通过适当选择感应开关各部分的电感，可以独立调节开关的输入和输 出阻抗。该调节允许同时进行阻抗匹配和开关。可以利用变压器的特 殊结构产生单端到双端变换器或平衡-不平衡变换器(balun： BALanced-UNbalaced(平衡-不平衡))，在单个器件中提供开关和信 号转换。
另一个目的是提供可以使用CMOS兼容工艺和材料制造的感应 MEMS开关。
在本发明的一个方案中，通过固定线圈与可移动线圈之间的感应 耦合和解耦实现信号的开关。随着可移动线圈对准或不对准固定线圈 实现开关。
金属厚度4μm，线匝宽度10μm并且外径150μm的构成开关的 一个元件的四匝螺旋电感与直接在上方或下面的另一个类似的螺旋磁 耦合，产生大约0.85的耦合系数。当如上所述构成这些螺旋时，在 13GHz下实现6.6dB的开关闭合插入损耗和65dB的开关打开隔离。 通过在开关的两个端口之间增加外部调谐电容调谐到低于13GHz的 频率实现出色的开关通断比。同样，金属厚度4μm，线匝宽度10μm 并且外径150μm的构成开关的一个元件的一匝半螺旋电感与直接在 上方或下面的另一个类似的螺旋磁耦合，产生大约0.85的耦合系数。 当这样构成螺旋时，在25GHz下实现10dB的开关闭合插入损耗和 60dB的开关打开隔离。通过在开关的两个端口之间增加外部调谐电容 调谐到低于25GHz的频率实现出色的开关通断比。
在本发明的另一个方案中，本MEMS开关解决了已知的开关触 点的静摩擦、拉弧和熔接问题，因为在开关元件之间没有物理接触， 所以消除了所有问题。线圈简单的以非常接近的方式对准，从而感应 耦合可以在一个和另一个之间传递信号。根据该特性，MEMS开关容 易以全功率并且显然比常规MEMS开关更大的功率进行开关(热开 关)。
通过改变固定或可移动线圈的数量，和/或通过改变线圈的几何 结构和可移动元件的相应位移，实现多开关结构。另外，因为驱动电 路完全独立于开关电路，所以能够实现控制信号和开关信号路径的完 全隔离。
附图说明
通过以下结合附图对本发明优选实施例的详细介绍，本发明的这 些和其它目的、方案和优点将变得显而易见。
图1和2示出了现有技术MEMS开关的剖面和顶视图的示意图。
图3示出了本发明的第一实施例，其中可移动电感模块绕枢轴销 旋转，感应耦合和解耦一组线圈与另一组线圈。还示出了梳状驱动器， 示出了一种可能的工作方式。图3示出了处于解耦方式下的开关位置， 以更好的观察固定线圈。
图4是与图3所示相同的器件，但是充分旋转，以示出根据本发 明耦合可移动电感到固定电感的方式。
图5是可移动线圈方案的顶视图。定界符A-A示出了图6中使 用的剖面图。
图6是穿过图5的A-A的剖面图。还示出了下面基板的相关部 分，包括固定线圈40和50，枢轴孔和器件围绕旋转的枢轴销。
图7是同一个器件沿不同定界符B-B的另一个顶视图，将在图8 所示的剖面中使用。
图8示出了穿过定界符B-B的图7的器件的剖面，示出了用来连 接可移动线圈的元件的更好的透视图。
图9示出了枢轴移动到一个可移动线圈内部的方案。还示出了线 圈耦合到固定线圈40，以提供多掷开关。
图10示出了在移动支杆的一端用线圈构成的MEMS开关。
图11是图10的扩展，提供增加的功能作为多极开关。
图12示出了使用用于多位置MEMS开关的旋转驱动的方案。
图13示出了线性(或齿条)和传动齿轮驱动，为本发明的MEMS 开关提供横向运动的方案。
图14是完全封闭的空腔封装在图3到5中所示的开关的剖面图。
图15示出了图14的MEMS开关，示出了增加的上线圈组，以 增强功能。
图16是MEMS器件的另一个实施例的顶视图，示出了单匝线圈， 并且在器件的可移动部分中只需要一层布线。
图17示出了图16所示器件从定界符C-C看的剖面图。
图18和19示出了制造用于要求更苛刻的应用中的移动线圈的多 个方案的能力。
图20示出了能够同时耦合多于两对线圈的方案。
图21示出了如何使用单个线圈构成开关/平衡-不平衡变换器 (balun)组合。
图22示出了处于耦合状态的图21所示的同一个开关/平衡-不平 衡变换器。
图23示出了线性方案的顶视图，其中垂直于基板平面构成线圈。
图24示出了图23所示器件的剖面图，示出了在MEMS开关的 可移动元件内如何构成可移动线圈。
图25是类似于图23所示的更复杂的可移动线圈方案的另一个顶 视图。
图26是图25所示MEMS开关的剖面图。
图26A示出了图25和26所示三维线圈方案的透视图。
本发明的详细介绍
现在参考示出优选实施例的附图更全面地介绍本发明。
图3是第一实施例的示意图，以最简单的形式示出了本发明。由 绕枢轴销70旋转的可移动电感20和30的基板、平台或模块15构成 的可移动线圈组件10，所述旋转将可移动线圈20和30与定位在平台 15上方或下面的第二基板上的固定线圈40和50电感耦合和解耦。虽 然也可以使用同样有效的其它驱动系统，但是梳状驱动器8和9为组 件提供驱动能力，以示出一种操作方式。后续附图将示出在两个位置 定位的器件，以便更好的说明可移动线圈相对于固定线圈的相对位置。
两个电感20和30通过导体25和35连接从而使电路闭合，从而 在一个线圈中感应的任何电流将流过另一个线圈。枢轴销70穿过孔 75(在图6中更详细地示出)。在下伏基板7上定位电感40和50(在 图6中示出)，并且连接到需要开关机构的其它电路，比如功率放大 器、接收器和天线。
实现旋转的机制不是本实施例的要素。本领域的从业人员容易认 识到，许多MEMS开关适于为器件提供所需的移动。例如，在Yao 等人介绍简单梳状驱动器制造方法的题为“Method of Fabricating Suspended Single Crystal Silicon MEMS devices”的美国专利No. 6,074,890中，或者在Levitan等人的题为“Micro-electromechanical system actuator for extended linear motion”的美国专利No.6,465,929 中可以找到这种器件的例子。这两个文献通过引用被结合在本申请中。
图4示出了图3的MEMS开关旋转到线圈感应耦合的位置，即， 可移动电感20与固定电感40耦合，同时可移动电感30与固定电感 50耦合。这样，注入到线圈40中的信号可以感应传送到线圈20。电 信号传送到线圈30，线圈30又与线圈50感应耦合。由此，例如来自 发送器功率放大器的电信号加到线圈40，信号流过器件到达线圈50， 线圈50可以连接到例如天线。应当注意，附加的线圈可以是组件的一 部分，以实现附加的功能。这将在下文中参考图9-10、13和18-20说 明。
图5是组件10的顶视图，分别示出了线圈20和30以及它们各 自的内部和外部线圈连接35和25。还示出了将在下文中参考图6使 用的定界符A-A。
图6是沿图5的线A-A的剖面图。这里示出了包含固定线圈(可 能还包含其它相关电路(为了清楚起见未示出))的下基板7。在基 板7上构成围绕枢轴销70的凸肩80。凸肩提供必要的间隙，以允许 器件10移动。凸肩的高度确定该间隙，并且在一定程度上确定线圈耦 合的效率。取决于特定的应用，凸肩的厚度在1000左右到超过2μm。 枢轴销70在凸肩区域中，其尺寸由器件10能够自由移动而不会粘接 或明显摇摆的能力确定。枢轴的直径应当足以提供必要的机械可靠性， 并由此确定大小。其直径还受材料的选择和工艺能力的影响。同样， 设计器件10中的孔75以适合枢轴销，从而形成所需的移动范围而不 会粘接。确定枢轴的高度，以符合器件10的厚度。例如，如果器件 10为3μm厚，则枢轴将占据厚度的绝大部分，以便可靠地保持器件。 最好，使枢轴稍稍高于器件10的厚度，从而枢轴接触上凸肩85(参 见图14)，以封闭和保持器件。
图7是从由用在图8中的定界符B-B定义的不同位置看器件10 的可移动部分的顶视图。
图8是从定界符B-B看图7的剖面图。具体示出了线圈和用于制 造形成真正的螺旋电感所需的多层结构的间柱60之间的上连接35。 这样，线圈20和30的内端互相连接。在线圈的同一层上建立外连接 25，因此，不需要间柱。应当注意，该方案并不是唯一可行的。下文 中介绍的图16和17将示出仅使用一层布线构成的线圈。
图9示出了本发明的第二实施例，其中枢轴70向器件10的移动 部分的一端移动，并且在线圈40和50旁边结合另外的固定线圈42 和45。这示出了实现多掷方案的一个方法。在所示方案中，输出线圈 30可以耦合到固定线圈42、45和50中的任一个。通过固定线圈40 到线圈20的耦合提供到可移动线圈的输入。因为枢轴销70位于线圈 20的中心，所以当器件10旋转时保持到40的感应耦合，如图9A所 示，其中梳状驱动器13啮合，并且器件逆时针旋转，同时线圈42与 30重叠，形成感应耦合。
图10示出了本发明的再一个实施例，其中在支杆11的一端构成 可移动线圈20和30。当移动它们时，它们相对于固定线圈40、42和 50成对的耦合和解耦。图10示出了器件10处于耦合到固定线圈42 和40的位置。图10A示出了由梳状驱动器13顺时针旋转之后的器件 10，线圈42解耦，由此允许线圈40和50分别与20和30耦合。
图11示出了本发明的另一个实施例，其中扩展图10的实施例以 包括多个可移动线圈组，以形成多极多掷开关。使用图10所示结构的 对称结构，复制图10的线圈排列，其中固定线圈42A、40A和50A 分别耦合到连接到支杆11上并且绕枢轴销70旋转的移动线圈20A和 30A。图11示出了线圈20和30分别感应耦合到42和40的器件。同 时，线圈20A和30A分别感应耦合到42A和40A。在图11A中，示 出了在由驱动器13顺时针旋转之后处于互补位置的同一个器件。在该 位置，示出了线圈20和30分别耦合到40和50，同时线圈20A和30A 分别耦合到40A和50A。
图12示出了本发明的又一个实施例，其中由旋转驱动器(未示 出)驱动可移动线圈器件10，以提供多模式开关。该应用例如对于移 动电话的波段开关特别有利。驱动器在本领域中是公知的，并且例如 在Vegan的题为“High Performance Integrated micro-actuator”的美 国专利No.6,404,599中进行了全面介绍。图12示出了线圈20和30 分别耦合到固定线圈42和42A的器件10。图12A示出了当器件10 顺时针旋转时，线圈20和30分别耦合到40和40A。该顺时针旋转进 一步移动器件，从而20和30分别耦合到50和50A。旋转可以沿顺时 针方向进一步扩展而形成其它组合，或者在该点尼转，重复所述移动 线圈20和30相对于各固定线圈的耦合和解耦。可以通过本领域中目 前公知的许多方式赋予器件10旋转运动。
图13是本发明的另一个实施例，其中器件10由轨道16或导槽 约束，并且通过线性驱动器或如图所示使用齿条17和传动齿轮18横 向移动。所示器件仅包括一个固定线圈42和两个可移动线圈。也可以 在器件10下面(或上面)靠近固定线圈42引入其它线圈(类似于图 15中的40A和50A)，这里为了清楚起见没有示出所有这些线圈。当 器件10来回移动时，与定位在器件下面或上面的各个固定线圈耦合和 解耦。在Capurso等人的题为“MEMS ink-jet nozzle cleaning and closing mechanism”的美国专利No.6,305,779中介绍了齿条和传动齿 轮MEMS器件的例子，在这里引入作为参考。
图14是为了可靠性的目的完全封装起来的完成器件的剖面图。 在下介质层7构成下固定线圈40和50。另外，在同一个层7上建立 下凸肩80，并且用与共面的介质层90相同的材料制造。在介质层90 内形成空腔12，提供移动器件10所需的空间。上介质层100封闭器 件10，并且，如图所示，通过与枢轴销70接触的上凸肩85，为结构 提供更多的机械支撑。
图15类似于图14，但是前者示出了如何通过在上介质层100中 引入额外的线圈40A和50A得到额外的功能。
图16是采用消除对间柱(例如，图8中的60)的需要的更简单 的一层布线方案的器件10的顶视图。本实施例简化了器件10的结构， 但不能使用螺旋电感，因此只能用于特定的应用。定界符C-C提供图 17所示剖面图的基准。
图17是图16的定界符C-C所示结构的剖面图。该图可以与之 前介绍的说明需要螺旋电感的多层布线的图8相比较。
图18是利用与固定线圈30相关的多个移动器件10和10A的本 发明的又一个实施例。可以在结构的不同层形成这些器件，从而如图 19所示移动它们，形成超过两个电感的同时垂直耦合。图18示出了 处于解耦状态的可移动线圈10和10A，图19示出了处于耦合状态的 图18的器件。
图20示出了包含多于两个线圈的感应开关的结构，三角形基板 绕枢轴销70旋转。在本实施例中，图示了线圈20、21和30分别与线 圈56、41和51耦合。图示的未对准仅仅是为了说明的目的。如果器 件顺时针旋转，则线圈20、21和30分别与线圈40、50和55对准。
图21示出了处于解耦状态的感应MEMS开关，其中使用单个可 移动线圈提供开关/平衡-不平衡变换器组合。如上所述，通过在感应 开关内的适当位置提供不同的电感值，允许在实现开关功能的同时实 现阻抗匹配和平衡-不平衡变换器功能。
图22示出了处于耦合状态的图21的同一个器件。可移动线圈/ 平衡-不平衡变换器20A同时与两个电感40和50耦合。
图23是线性方案的顶视图，其中垂直于基板10的平面或者竖直 地构成固定线圈和可移动线圈。
图24示出了图23的可移动线圈方案10的剖面，说明了如何在 可移动元件10中构成可移动线圈。图24A更详细地示出了垂直线圈 的结构。以多层的形式制造该结构，用层A形成电感环的底部。该过 程类似于标准镶嵌线路层。层B包含环中的外部和内部垂直导体部分， 以及水平内部导体，类似于提供通孔和互连线路的双镶嵌结构。层C 包含垂直环的上部和完成线圈的上水平导体，同样与双镶嵌结构相同。 层D只是还具有封装和保护金属的功能的上部绝缘层。
图25是类似于图23所示的更复杂的可移动线圈方案的另一个顶 视图，而图26是图25所示结构的剖面图，其中以垂直三维结构的线 圈20和30代替前面介绍的水平二维线圈。图26A示出了图25和26 所示三维线圈方案的透视图。以类似于图24介绍的方式构成该方案， 其中就象在镶嵌和双镶嵌工艺中通常所作的那样将线圈的各段构成在 多层中。
本发明的感应MEMS开关在更高的频率下显示出更高效率，从 而随着信号频率的增加，允许减小线圈的尺寸。通过开关元件之间的 磁场耦合实现效率的提高。该磁场耦合在更高的频率下提供更好的插 入损耗特性，而不会相应的降低隔离性能。在更高的频率下有效的操 作与典型的金属到金属和容性开关在更高的频率下由于处于开关打开 状态下隔离性能的降低引起的性能不断下降形成对比。典型的金属到 金属开关只能可靠地工作在2到3GHz的频率范围内，而本发明可以 在直到25GHz的频率下可靠的工作。(在更高的频率下有效的操作与 典型的金属到金属和容性开关在更高的频率下由于处于开关打开状态 下隔离性能的降低引起的性能不断下降形成对比。)
本发明的另一个优点在于构成开关/变压器组合，用于建立阻抗 匹配的能力。通过适当选择感应开关各部分的电感，可以独立调节开 关的输入和输出阻抗。该调节允许同时实现阻抗匹配和开关。可以利 用特殊结构的变压器，产生单端到双端转换器或平衡-不平衡变换器， 在单个器件中同时提供开关和信号转换。
虽然结合优选实施例介绍了本发明，但是应当理解，根据上述介 绍，许多替代、修改和变型对于本领域的技术人员是显然的。因此， 本发明试图包含所有落入附带权利要求的精神和范围内的这种替代、 修改和变型。这里所述或附图所示的所有内容应当理解为说明性而不 是限定性的。