專利名稱：采用電熱驅動的彎曲橫梁雙穩(wěn)態(tài)微機電開關的制作方法
技術領域：
一種微機電系統(tǒng)(MEMS)開關，尤其是一種采用低驅動電壓操作的MEMS開關。
背景技術：
微機電系統(tǒng)(MEMS)是一種微型器件，其采用微型制造技術在一個公共襯底上將機械元件和電元件集成一體。所述的電元件通常采用公知的集成電路制造技術制造而成。所述的機械元件典型地采用光刻以及其他的相關工藝完成微機械加工而制造，其中襯底的部分(例如硅片)可以被選擇性地蝕刻掉或是被添加新的材料和結構層。MEMS器件包括驅動器，傳感器，開關，加速計以及調制器。
MEMS開關(也就是觸頭，繼電器，分路器等等)相對于傳統(tǒng)的固態(tài)開關(例如場效應晶體管(FET)開關)具有其內在的優(yōu)越性，其具有較高的功效，較低的插入損耗以及極好的隔離性。然而，MEMS開關通常較固態(tài)開關慢。這一局限性使得MEMS開關不可以用在要求亞微秒轉換的技術中，例如在高速無線通信裝置中在發(fā)射和接收之間轉換天線。
有一種天線裝置，其中的MEMS開關是很重要的，這是由于MEMS開關的相對低的插入損耗。這樣的一個裝置是在一個智能天線裝置中，該智能天線裝置涉及在無線通信裝置中的多個天線間的轉換。智能天線轉換裝置通常根據(jù)系統(tǒng)的要求需要轉換速度在毫秒到秒之間。
現(xiàn)有技術中的一種MEMS開關包括一個連接件，其被稱作“橫梁”，該“橫梁”由電熱偏轉或是被彎曲。該彎曲的橫梁與一個或多個電觸頭接合，由此在觸頭之間建立起電連接。
圖1和1A示出了一個現(xiàn)有技術的MEMS開關10，其包括一個橫梁12，該橫梁12由電熱彎曲。橫梁12由一個高熱膨脹導體14和一個低熱膨脹電介質16組成。導體14和電介質16的相對的兩端由支柱18A、18B固定著。
圖1A中示出了MEMS開關10的驅動。電壓施加在橫梁12上，這樣電流流過橫梁12，更多的電流流過低電阻導體14。當電流流過橫梁12時(如圖1A中的箭頭A所示)，這樣在橫梁12中產(chǎn)生電阻熱，電阻熱引起橫梁12熱膨脹。導體14和電介質16熱膨脹之間的較大差異使得橫梁12朝著導體14的一側向外彎曲。隨著橫梁12的彎曲，安裝在橫梁12上的接觸螺樁20與觸頭22A、22B接合，這樣可以在觸頭22A和22B之間傳輸信號(如圖1A中的箭頭B所示)采用電熱偏轉橫梁的一個優(yōu)點是，在操作過程中開關需要一個相對低的驅動電壓。然而，當MEMS開關處于驅動位置時，為了維持橫梁中的電阻熱則需要持續(xù)的消耗能量。
圖2示出了另一個現(xiàn)有技術的MEMS開關30，該開關包括一橫梁32，橫梁32的相對的兩端被固定到支柱34A、34B上。橫梁32以承受壓應力的方式固定在支柱34A、34B上。該壓應力使得橫梁32彎曲。橫梁32需要保持在彎曲狀態(tài)，以使得MEMS開關30得以正確地操作。
一個橫向的驅動電極36臨近橫梁32在橫梁沒有被壓應力彎曲時所處的平面放置，橫梁32的這個平面被稱作中間位置，在圖2中用線38示出。施加到橫向的驅動電極36上的電壓產(chǎn)生一靜電力，該靜電力朝向橫梁32的中間位置向上或是向下拉動橫梁32。橫梁32的慣性使得橫梁越過它的中間位置到達另一邊，在另一邊橫梁32與觸頭(未示出)電連接使得信號在兩個觸頭之間通過。
MEMS開關30不需要任何的能量用以將橫梁32保持在上或是下的位置上。MEMS開關30的一個缺點是，通常靜電驅動需要較大的驅動電壓，尤其是當靜電驅動用于操作一個彎曲的橫梁時。


圖1示出了現(xiàn)有技術中的MEMS開關，其包括該開關處于打開位置的電熱橫梁。
圖1A示出了圖1中的MEMS開關，激活了電熱橫梁使得該開關處于閉合位置。
圖2示出了現(xiàn)有技術中的另一種類型的MEMS開關，其包括一個彎曲的橫梁，該橫梁由靜電力操作。
圖3A示出了MEMS開關的一個示例性的實施例，其中沒有驅動電壓作用到開關上，MEMS開關處于關閉狀態(tài)。
圖3B示出的是圖3A中的MEMS開關處于打開狀態(tài)，驅動電壓施加到開關的第一電熱驅動器上。
圖3C示出的是圖3A中的MEMS開關處于打開狀態(tài)，并且沒有驅動電壓施加到開關的第一電熱驅動器上。
圖3D示出的是圖3A中的MEMS開關處于閉合狀態(tài)，并且驅動電壓施加到開關的第二電熱驅動器上。
圖4A示出的是圖3A-3D中的MEMS開關中的橫梁，該橫梁處于收緊狀態(tài)。
圖4B示出的是圖4A中的橫梁處于放松狀態(tài)。
圖5示出的是用在圖3A-3D的MEMS開關中的另一種橫梁。
圖6A示出的是用在圖3A-3D的MEMS開關中的另一種橫梁，其中橫梁處于收緊狀態(tài)。
圖6B示出的是圖6A中的橫梁處于放松狀態(tài)。
圖6C示出的是由于驅動力的作用橫梁被彎曲后的圖6A-6B中的橫梁。
圖7A示出的是用在圖3A-3D的MEMS開關中的另一種橫梁。
圖7B示出的是由于驅動力的作用橫梁彎曲后的圖7A中的橫梁。
圖8是一個示意性的電路圖，示出了在無線通信裝置中的圖3A-3D中的MEMS開關。
在附圖中，相同的參考數(shù)字表示相同的部件。
具體實施例方式
在下面的描述中，參考附圖，示出了一些示例性的實施例。對這些實施例給予了充分的詳述，這使得本領域技術人員可以實現(xiàn)本發(fā)明。在沒有脫離本發(fā)明范圍的情況下也可以采用其他實施例，以及進行結構、邏輯和電學上的變化。
圖3A、3B、3C和3D中示出了一種微機電系統(tǒng)(MEMS)開關50，其包括一個橫梁52，一個第一電熱驅動器54以及一個第二電熱驅動器56。橫梁52具有一個第一側58和一個第二側60。
第一電熱驅動器54包括一個第一螺樁62，當電流流過第一電熱驅動器54時，該第一螺樁向橫梁52的第一側58施加一個作用力。另外，第二電熱驅動器56包括一個第二螺樁64，當電流流過第二電熱驅動器56時，該第二螺樁向橫梁52的第二側60施加一個作用力。驅動器54，56可以通過焊接墊或是其他傳統(tǒng)的方式連接到電路上，這樣電路可以把電流提供給驅動器54，56。
在一些實施例中，MEMS開關50還包括傳輸線66，其包括至少一對電隔離的觸頭67A、67B。觸頭67A、67B可以通過焊接墊或是其他傳統(tǒng)的方式連接到電路上。在第一電熱驅動器54施加一作用力給橫梁52，進而操作橫梁52抵住觸頭67A、67B后，橫梁52與觸頭67A、67B電連接。當電流流過第二電熱驅動器56時，第二電熱驅動器56施加一作用力給橫梁52，進而使得橫梁52與觸頭67A、67B分開。
在圖3A、3B、3C和3D中的樣品實施例中，橫梁52的相對的兩端被固定到支柱68A、68B上。橫梁52是處在一個壓應力下，這樣橫梁52被彎曲。
圖3A示出的是當沒有驅動電壓作用到驅動器54、56上時，開關處于閉合狀態(tài)的MEMS開關50。如圖3B所示，通過在第一電熱驅動器54上施加一個驅動電壓而將MEMS開關50打開。驅動電壓在驅動器54中產(chǎn)生電流，這在驅動器54中引起電阻熱。
第一電熱驅動器54的相對的兩端被固定到支柱69A、69B，并且在一些實施例中，第一電熱驅動器是由一個高熱膨脹導體70和一個低熱膨脹電介質71組成的。由于導體70和電介質71之間在熱膨脹上的差異，所述的電阻熱引起第一電熱驅動器54在導體70的一側向外彎曲。
由于第一電熱驅動器54的彎曲，第一電熱驅動器向橫梁52施加一作用力，這一作用力足夠使橫梁52朝向它的中間位置移動。橫梁52在沒有受壓應力因而沒有彎曲時所占據(jù)的位置被稱作中間位置，該位置在圖3B中由線72示出。橫梁52的慣性使得橫梁52通過它的中間位置到達另一側，在另一側橫梁52與觸頭67A、67B電連接，這樣使得信號可以在觸頭67A、67B之間通過。在一些實施例中，第一電熱驅動器54持續(xù)地與橫梁52接合著，而在另一些實施例中，第一電熱驅動器54在橫梁52通過其中間位置后就不再與橫梁52接合了。
圖3C示出了MEMS開關50處于打開狀態(tài)并且沒有驅動電壓作用到驅動器54、56上的情況。如圖3D所示，通過在第二電熱驅動器56上施加一驅動電壓，將MEMS開關50關閉。驅動電壓在驅動器56中產(chǎn)生電流，這在驅動器56中引起電阻熱。
第二電熱驅動器56的相對的兩端被固定到支柱79A、79B，并且類似的由一高熱膨脹導體80和一低熱膨脹電介質81組成。由于導體80和電介質81之間在熱膨脹上的差異，所述的電阻熱引起第二電熱驅動器56在導體80的一側向外彎曲。
由于第二電熱驅動器56的彎曲，第二電熱驅動器向橫梁52施加一作用力，這一作用力足夠使橫梁52離開觸頭67A、67B朝向它的中間位置移動。橫梁52的慣性使得其通過中間位置到達另一側，在另一側當需要再一次打開MEMS開關50時橫梁52可以與第一電熱驅動器54接合。
在一些實施例中，第二電熱驅動器56持續(xù)地與橫梁52接合著，而在另一些實施例中，第二電熱驅動器56在橫梁52通過其中間位置后就不再與橫梁52接合了。一旦橫梁52通過中間位置，壓應力將使得橫梁52向外彎曲離開觸頭67A、67B。當橫梁52與觸頭67A、67B接合時，驅動器54、56和橫梁52之間的接觸會干擾觸頭67A、67B之間通過橫梁52傳輸?shù)男盘枴?br> 圖4A示出了在采用光刻以及其他的相關步驟完成微機械加工而制造成的橫梁52處于一種收緊狀態(tài)，其中有的部分可被選擇性地蝕刻掉或是被添加新的材料和結構層。作為制作過程的一部分，橫梁52被釋放，這樣橫梁52僅僅通過支撐物68A、68B固定。橫梁52朝著支柱68A、68B向外膨脹以將橫梁52置于壓應力下。該壓應力足以使橫梁52彎曲(參見圖4B)。彎曲的臨界壓力是 其中l(wèi)和t在圖4A中示出，E取決于橫梁52的材料。橫梁52可以是任何一種材料或是多種材料結合而成。圖5示出了橫梁100的一個例子，其中橫梁100處于收緊狀態(tài)，并且包括一個被導電體104覆蓋的電介質102。導電體104便于在隔離的觸頭之間傳輸信號，這些隔離的觸頭在含有橫梁100的MEMS開關的操作期間通過橫梁100變?yōu)殡娺B接。
另一個實施例的橫梁110可以被用在MEMS開關50中，如圖6A、6B和6C中所示。橫梁110在圖6A中處于收緊狀態(tài)在圖6B中處于放松狀態(tài)。橫梁110在放松前后具有相同的弧度，這樣橫梁110就不承受壓應力。MEMS開關50包括橫梁110，在MEMS開關50的操作過程中第一和第二電熱驅動器54、56中的其中之一使得橫梁110彎曲，這樣橫梁110偏斜成一個相對的弧形(參見圖6C)。橫梁110然后被第一和第二驅動器54、56中的另一個施加作用力，返回到它的最初的弧形，即不受力狀態(tài)。
圖7A和圖7B示出了一個類似的實施例的橫梁120。如圖7A所示，當橫梁120放松時，橫梁120與橫梁110的弧形是類似的。橫梁120包括兩個延長件121A、121B，這兩個延長件中的每一個的相對的兩端固定到支柱122A、122B。延長件121A的中間部分由一個支撐件123固定到延長件121B的中間部分。
圖8示出了一個基于MEMS的無線通信系統(tǒng)800的示意性的電路圖，其包括MEMS開關830、840。在所示出的示例性的實施例中，MEMS開關830和840與上述的MEMS開關50是一樣的。MEMS開關830，840相對于傳統(tǒng)固態(tài)開關(例如，場效應晶體管(FET)開關)具有其內在的優(yōu)越性，包括較高的功效，較低的插入損耗以及極好的隔離性。MEMS開關830、840適合于一些不要求亞微秒轉換的無線通信裝置中在發(fā)射和接收之間轉換天線810。
系統(tǒng)800包括用于接收信號814以及發(fā)射信號820的天線810。MEMS開關830、840通過一個分支電路844電連接到天線810，該分支電路包括一個第一支線846和一個第二支線848。在操作過程中，電壓電源控制器912可選擇性地激活MEMS開關830和840，使得接收到的信號814可以從天線810傳輸?shù)诫娮咏邮掌?30以處理，同時由電子發(fā)射器940產(chǎn)生的發(fā)射信號820可以傳送到天線810以用于發(fā)射。
如上所述，當橫梁52從各自的觸頭67A、67B上分開時，MEMS開關830、840是斷開的。MEMS開關830、840可以通過選擇性地向各自的第一電熱驅動器54，也就是每個MEMS開關830、840中的第一電熱驅動器施加驅動電壓而單獨打開。給第一電熱驅動器54施加驅動電壓使得每一個第一電熱驅動器54彎曲。
由于每一個MEMS開關830、840中的第一電熱驅動器54的彎曲，第一電熱驅動器向橫梁52施加一作用力，該作用力足以使橫梁52彎曲。當橫梁52彎曲時，其與觸頭67A、67B電連接，這樣對應的信號814、820中所期望的那一個信號將沿著所對應的第一或是第二支線846、848在觸頭67A、67B之間通過。
每個MEMS開關830、840通過選擇性地向各自的第二電熱驅動器56施加驅動電壓而斷開，這樣第二電熱驅動器56彎曲，并且向各個橫梁52施加一作用力，該作用力足以使橫梁52彎曲而離開觸頭67A、67B。在一個示例性的實施例中，電壓電源控制器912包括一個邏輯電路，其可選擇性地向每個MEMS開關830、840中的驅動器54、56提供電壓，在該MEMS開關830、840中可以選擇性地激勵(activation)以及去激勵(deactivation)MEMS開關830、840。
此外，系統(tǒng)800包括電連接到MEMS開關830的電子接收器930，以及電連接到MEMS開關840的電子發(fā)射器940。
在此示例性的實施例中描述的MEMS開關可以用在插入損耗為很重要參數(shù)的智能天線裝置中。智能天線裝置涉及無線通信裝置中的多個天線間的轉換。天線轉換經(jīng)常被用在信號變化的無線通信裝置中。
上述的MEMS開關提供了一種用于應用的可能解決方案，其中具有低驅動電壓和低能量損耗的MEMS開關是所希望的。該MEMS開關給設計者在研發(fā)包括MEMS開關的電子裝置中提供了多種選擇，該電子裝置例如計算機系統(tǒng)，高速開關，繼電器，分路器，表面聲波開關，光闌以及傳感器。通過上面的描述，對本領域技術人員來說，許多其他的實施例將是顯而易見的。
權利要求
1.一種微機電系統(tǒng)(MEMS)開關，包括具有第一側和第二側的橫梁；第一電熱驅動器，當電流從所述第一電熱驅動器流過時其向橫梁的第一側施加一作用力；以及第二電熱驅動器，當電流從所述第二電熱驅動器流過時其向橫梁的第二側施加一作用力。
2.根據(jù)權利要求1中的MEMS開關，其中所述第一電熱驅動器包括第一螺樁，其與橫梁的第一側接合，以及所述第二電熱驅動器包括第二螺樁，其與橫梁的第二側接合。
3.根據(jù)權利要求1中的MEMS開關，還包括傳輸線，該傳輸線包括至少一對電絕緣的觸頭，當電流流過所述第一電熱驅動器時，橫梁和觸頭電連接。
4.根據(jù)權利要求3中的MEMS開關，其中當電流流過所述第二電熱驅動器時，所述第二電熱驅動器使得橫梁與觸頭分開。
5.根據(jù)權利要求3中的MEMS開關，其中當橫梁與傳輸線中的觸頭電連接時，所述第一電熱驅動器不與橫梁接合。
6.根據(jù)權利要求5中的MEMS開關，其中除非電流流過第二電熱驅動器，否則當橫梁與傳輸線中的觸頭電連接時，所述第二電熱驅動器不與橫梁接合。
7.根據(jù)權利要求1中的MEMS開關，其中橫梁的相對的兩端被固定到支柱上。
8.根據(jù)權利要求7中的MEMS開關，其中橫梁在壓應力下被彎曲。
9.根據(jù)權利要求7中的MEMS開關，其中橫梁是弧形的。
10.根據(jù)權利要求9中的MEMS開關，其中當所述第一電熱驅動器向橫梁施加作用力時，橫梁彎曲。
11.根據(jù)權利要求1中的MEMS開關，其中每一個所述第一和第二電熱驅動器都包括一個高熱膨脹導體和一個低熱膨脹電介質。
12.根據(jù)權利要求11中的MEMS開關，其中每一個所述第一電熱驅動器和第二電熱驅動器的相對的兩端都固定到支柱上。
13.根據(jù)權利要求12中的MEMS開關，其中當電流流過第一電熱驅動器時，第一電熱驅動器彎曲，當電流流過第二電熱驅動器時，第二電熱驅動器彎曲。
14.根據(jù)權利要求1中的MEMS開關，其中橫梁包括被導電體覆蓋的電介質。
15.一種微機電系統(tǒng)(MEMS)開關，包括具有第一側和第二側的橫梁；第一電熱驅動器，其每一端固定到一支柱上，所述第一電熱驅動器包括高熱膨脹導體和低熱膨脹電介質，當電流從第一電熱驅動器流過時，第一電熱驅動器彎曲并向橫梁的第一側施加一作用力；第二電熱驅動器，其每一端固定到一支柱上，所述第二電熱驅動器包括高熱膨脹導體和低熱膨脹電介質，當電流從第二電熱驅動器流過時，第二電熱驅動器彎曲并向橫梁的第二側施加一作用力；以及傳輸線，其包括至少一對電絕緣的觸頭，當電流流過所述第一電熱驅動器時，第一電熱驅動器將橫梁電連接到觸頭上，以及當電流流過所述第二電熱驅動器時，第二電熱驅動器使橫梁從觸頭上分開。
16.根據(jù)權利要求15中的MEMS開關，其中橫梁的相對的兩端被固定到支柱上。
17.根據(jù)權利要求16中的MEMS開關，其中橫梁在壓應力下彎曲。
18.一種通信系統(tǒng)，包括第一MEMS開關，該第一MEMS開關包括具有第一側和第二側的橫梁；第一電熱驅動器，當電流從第一電熱驅動器流過時第一電熱驅動器向橫梁的第一側施加一作用力；以及第二電熱驅動器，當電流從第二電熱驅動器流過時第二電熱驅動器向橫梁的第二側施加一作用力；以及第二MEMS開關，該第二MEMS開關包括具有第一側和第二側的橫梁；第一電熱驅動器，當電流從第一電熱驅動器流過時第一電熱驅動器向橫梁的第一側施加一作用力；以及第二電熱驅動器，當電流從第二電熱驅動器流過時第二電熱驅動器向橫梁的第二側施加一作用力；以及電壓電源控制器，其電連接到所述第一和第二驅動器上以選擇地驅動所述第一和第二MEMS開關。
19.根據(jù)權利要求18中的通信系統(tǒng)，其中所述第一和第二MEMS開關電連接到天線，其中所述第一MEMS開關電連接到電子接收器，該電子接收器用于接收和處理天線接收到的第一信號，所述第二MEMS開關電連接到電子發(fā)射器，該電子發(fā)射器用于生成由天線發(fā)射的第二信號。
20.根據(jù)權利要求18中的通信系統(tǒng)，其中所述第一MEMS開關和第二MEMS開關中的每一個橫梁均是在壓應力下彎曲。
全文摘要
一種微機電系統(tǒng)(MEMS)，其包括第一電熱驅動器，第二電熱驅動器以及具有第一側和第二側的橫梁。當電流從所述第一電熱驅動器流過時，第一電熱驅動器向橫梁的第一側施加一作用力，以及當電流從所述第二電熱驅動器流過時，第二電熱驅動器向橫梁的第二側施加一作用力。
文檔編號H01H61/00GK1675728SQ03819285
公開日2005年9月28日 申請日期2003年8月13日 優(yōu)先權日2002年8月14日
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