微機電開關及其相關方法
【專利摘要】開關包括安置于基板上的梁電極。梁包括耦合至梁電極的至少一個錨部分、沿第一方向從至少一個錨部分延伸的第一梁部分以及沿與第一方向相反的第二方向從至少一個錨部分延伸的第二梁部分。第一控制電極安置于基板上，面向第一梁部分。第一接觸電極安置于基板上，面向第一梁部分。第二控制電極安置于基板上，面向第二梁部分。第一控制電極和第二控制電極耦合以形成柵極。第二接觸電極安置于基板上，面向第二梁部分。
【專利說明】微機電開關及其相關方法
【背景技術】
[0001]微機電系統(MEMS)裝置具有多種多樣的應用，并且，在商用產品中流行。MEMS裝置的一個類型是MEMS開關。典型的MEMS開關包括以陣列布置的一個或更多MEMS開關。MEMS開關非常適合于包括移動電話、無線網絡、通信系統以及雷達系統的應用。在無線裝置中，MEMS開關能夠用作天線開關、模式開關、發射/接收開關等。
[0002]典型的MEMS開關使用支撐在一端的電鍍金屬懸臂和布置在金屬懸臂的另一端的電接觸。控制電極定位在金屬懸臂的下面。將直流(“DC”)致動電壓施加于控制電極與金屬懸臂兩端，從而強迫金屬懸臂向下彎曲，并且，進行與底部信號蹤跡的電接觸。一旦建立電接觸，就將電路閉合，并且，電信號能夠通過金屬懸臂而傳遞至底部信號蹤跡。
[0003]MEMS開關的一個類型是MEMS射頻(RF)開關。MEMS RF開關由于其低的驅動功率特性和在射頻范圍內操作的能力而用于無線裝置。然而，在相當大的RF電壓施加于梁電極和接觸電極之間時，在MEMS RF開關內頻繁地出現問題。這樣的電壓可以耦合至控制電極上并使開關進行自致動。換句話說，由于高電壓RF信號而導致這些MEMS開關典型地遭受開關內的懸臂梁可能在“關”狀態下致動(自致動)的問題。從而，高電壓RF信號產生足以將開關梁下拉并引起故障的靜電力。

【發明內容】

[0004]根據本發明的一個示范性的實施例，公開了微機電系統(MEMS)開關。開關包括安置于基板上的梁電極。梁包括耦合至梁電極的至少一個錨部分、沿第一方向從至少一個錨部分延伸的第一梁部分以及沿與第一方向相反的第二方向從至少一個錨部分延伸的第二梁部分。第一控制電極安置于基板上，面向第一梁部分。第一接觸電極安置于基板上，面向第一梁部分。第二控制電極安置于基板上，面向第二梁部分。第一控制電極和第二控制電極耦合，以形成柵極。第二接觸電極安置于基板上，面向第二梁部分。
[0005]根據本發明的另一個示范性的實施例，公開了用于操作微機電系統(MEMS)開關的方法。該方法包括將致動電壓施加于柵極與梁電極之間，以將致動電壓相等地施加至控制電極和第二控制電極。第一控制電極、第二控制電極以及梁電極安置于基板上。第一控制電極和第二控制電極耦合以形成柵極。該方法還包括將梁的第一梁部分和第二梁部分從第一位置偏置至第二位置，使得第一梁部分的第一梁接觸部分和第二梁部分的第二梁接觸部分接觸分別安置在基板上的第一接觸電極和第二接觸電極。梁包括耦合至梁電極的錨部分。第一梁部分沿第一方向從錨部分延伸。第二梁部分沿與第一方向相反的第二方向從錨部分延伸。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0006]在參考附圖而閱讀以下的詳細的描述時，本發明的實施例的這些及其他的特征和方面將變得更好理解，其中，貫穿附圖，相同的字符表示相同的部分，其中:
圖1是根據本發明的示范性的實施例的用于對線圈系統的一個或更多表面線圈進行去率禹的微機電系統(MEMS)裝置的圖解表不；
圖2是根據本發明的示范性的實施例的具有MEMS開關系統的MEMS裝置的截面圖；
圖3是根據圖2的實施例的MEMS開關的圖解表不；以及 圖4是根據圖2的實施例的MEMS開關的圖解表不。
【具體實施方式】
[0007]根據本發明的實施例，公開了微機電系統(MEMS)開關。MEMS開關包括安置在基板上的梁電極。梁包括耦合至梁電極的錨部分。第一梁部分沿第一方向從錨部分延伸；并且，第二梁部分沿與第一方向相反的第二方向從錨部分延伸。第一控制電極和第一接觸電極安置在基板上，面向第一梁部分。第二控制電極和第二接觸電極安置在基板上，面向第二梁部分。根據某些具體的實施例，公開了用于操作MEMS開關的方法。
[0008]參考圖1，公開了用于對射頻(RF)裝置15中的線圈系統14的一個或更多表面線圈12進行去耦的微機電系統(MEMS)裝置10，例如，磁共振成像(MRI)系統。在本文中，應當注意到，雖然公開了 MRI系統，但在其他的實施例中，MEMS裝置10可以用于其他的應用。例如，在另一個實施例中，裝置15可以是雷達系統。在所說明的實施例中，MEMS裝置10允許切換以使一個或更多表面線圈12，具體地，射頻(RF)磁共振線圈隔離。在一個實施例中，在MRI發射操作的期間，MEMS裝置10可操作來對作為接收表面線圈而配置的表面線圈12進行去耦。在一個實施例中，MEMS裝置10在發射操作的期間處于斷開狀態，以將表面線圈12 (接收RF線圈)從線圈系統14去耦。MEMS裝置10在接收操作的期間處于閉合狀態，使得表面線圈12與所接收的MR信號共振并耦合，使得所接收的MR信號發射至RF接收器16。MEMS裝置10由開關控制器18控制，該開關控制器18將MEMS裝置10從斷開狀態切換至閉合狀態，反之亦然。在一些實施例中，在線圈系統14未被偏置時，MEMS裝置10處于常斷開的狀態(去耦的狀態)。然而，在其他的實施例中，在線圈系統14未被偏置時，MEMS裝置10處于常閉合的狀態。
[0009]在本文中，應當注意到，在其他的實施例中，MEMS裝置10可以與在不同的頻率下操作的不同的類型的磁共振表面線圈(在本文中也被稱為“表面線圈”)結合使用。表面線圈可以是單頻或雙頻(雙重地調諧的)RF線圈。一些實施例中的雙頻RF線圈包括同心線圈元件，該同心線圈元件被調諧為在不同的頻率下共振，例如，一個針對碳而共振，并且，一個針對質子而共振，即在碳和質子的拉莫爾頻率下共振，以引起碳原子和質子中的拉莫爾旋進。應當注意到，MEMS裝置10不限于僅耦合至接收表面線圈。例如，MEMS裝置10可以耦合至僅發射的線圈或發射/接收線圈的組合。
[0010]MEMS裝置10的各種實施例可以作為單模態或多模態磁共振成像系統的一部分而提供。MRI系統可以與諸如計算機斷層攝影(CO、正電子發射斷層攝影(PET)、單光子發射計算機斷層攝影(SPECT)的不同的類型的醫學成像系統和超聲系統或能夠生成特別是人類的圖像的任何其他系統組合。此外，各種實施例不限于用于對人類受試者進行成像的醫學成像系統，而是可以包括用于對非人類的對象、行李等進行成像的獸醫或非醫學系統。
[0011]MEMS裝置10可以耦合至一個或更多表面線圈12，例如，一個或更多接收表面線圈。在一個實施例中，單個MEMS裝置10可以耦合至每個表面線圈12。在另一個實施例中，單個MEMS裝置10可以耦合至多個表面線圈12。在具體的實施例中，單獨的MEMS裝置10可以耦合至每個表面線圈12。另外,MEMS裝置10可以被配置成對全部表面線圈12或所選擇的一些表面線圈12進行去耦。雖然表面線圈12可以以特定的布置說明，諸如內部線圈元件和外部元件形成一對環形線圈(雙頻或雙重地調諧的RF線圈元件),但是MEMS裝置10可以用于控制任何類型的MRI線圈，具體地，任何類型的磁共振接收表面線圈或發射表面線圈的去耦。應當注意到，MEMS裝置10不限于僅耦合至接收表面線圈。在一個實施例中，MEMS裝置10可以耦合至僅發射的線圈或發射/接收線圈的組合。
[0012]參考圖2，示出MEMS裝置10。在所說明的實施例中，MEMS裝置10包括MEMS開關20。MEMS裝置10包括基板22、梁24、梁電極26、第一和第二控制電極28、30以及第一和第二接觸電極32、34。在一些實施例中，可以使用多于一個基板。該背靠背的配置能夠舉例說明為一個基板或多個基板。
[0013]在所說明的實施例中，第一中間層36安置于基板22上。第一控制電極28經由第二中間層38而安置于第一中間層36上。第二控制電極30經由第三中間層40而安置在第一中間層36上。第一接觸電極32經由第四中間層42而安置在第一中間層36上。第二接觸電極34經由第五中間層44而安置于第一中間層36上。梁電極26經由第六中間層37而安置于第一中間層36上。在本文中，應當注意到，中間層的數量可能取決于應用而變化。
[0014]梁24包括錨部分46、第一梁部分48以及第二梁部分50。在一些實施例中，梁24可以包括多于一個錨部分，其中，錨部分互相電耦合。在所說明的實施例中，錨部分46經由第七中間層52而耦合至梁電極26。第一梁部分48沿第一方向54從錨部分46延伸，并且，第二梁部分50沿與第一方向54相反的第二方向56從錨部分46延伸。第一控制電極28和第一接觸電極32安置為面向第一梁部分48。第二控制電極30和第二接觸電極34安置為面向第二梁部分50。在所說明的實施例中，第一控制電極28和第二控制電極30被耦合以形成柵極58。柵極58是能夠驅動或偏置MEMS開關20以引起MEMS開關20中的梁24彎曲或偏轉使得通過MEMS開關20而提供電路徑(即，MEMS開關20的閉合狀態)的任何類型的電壓源，例如方波電壓源。種子層(seed layer)60形成于梁24上，面向梁電極26、第一和第二控制電極28、30、第一和第二接觸電極32、34以及第一中間層36。
[0015]梁24可以由不同的材料形成。例如，梁24可以由諸如金、金合金、鎳、鎳合金、鎢等的一個或更多不同的金屬形成。基板22可以包括硅、硅石、石英等，并且，中間層可以包括氮化硅、二氧化硅、粘附層等。電極26、28、30、32、34可以包括諸如金、鉬、鉭等的金屬。在具體的實施例中，電極26、28、30、32、34可以包括金屬氧化物。在本文中，應當注意到，在本文中公開的梁24、基板22以及電極26、28、30、32、34的成分不是包括一切的，并且，可能取決于應用而變化。可以使用涉及沉積、陽極化、構圖、蝕刻等的技術來制造MEMS開關20。
[0016]梁24的尺寸可能例如基于諸如需要多少力來使梁24彎曲或偏轉的具體的彎曲或偏轉要求而變化。梁24的尺寸和配置還可能基于用于使梁24偏轉的施加于柵極58與梁電極26之間的電壓。梁24的尺寸和配置還可能基于用于使梁24偏轉的柵極58的電壓。在本文中，應當注意到，MEMS開關20可以由不同的材料形成，并且，例如基于針對MEMS裝置20的特定的應用(例如，MRI系統應用)而使用不同的過程來確保裝置不影響環境而在特定的環境下適當地操作。
[0017]在一些實施例中，MEMS裝置10可以包括多個MEMS開關20，該MEMS開關20在耦合至表面線圈時，分別基于例如成像系統(例如，MRI系統)處于發射或接收模式而在斷開或閉合的狀態下操作。在一些實施例中，MEMS開關20可以串聯地耦合，以形成組。在某些實施例中，一套或一組MEMS開關20可以彼此并聯地耦合。
[0018]在未將致動電壓施加于柵極58與梁電極26之間時，第一梁部分48和第二梁部分50以這樣的方式安置在第一位置，使得第一梁部分48的第一梁接觸部分62和第二梁部分50的第二梁接觸部分64分別與第一接觸電極32和第二接觸電極34間隔開，被稱為“斷開狀態”。在將致動電壓施加于柵極58與梁電極26之間時，第一梁部分48和第二梁部分50以這樣的方式從第一位置偏置至第二位置，使得第一梁接觸部分62和第二梁接觸部分64分別接觸第一接觸電極32和第二接觸電極34，從而允許電流從第一和第二梁接觸部分62、64流動至第一和第二接觸電極32、34，被稱為“閉合狀態”。
[0019]如先前所討論的，MEMS RF開關由于其低功率特性和在射頻范圍內操作的能力而用于無線裝置。然而，如果將常規的三端MEMS開關提供至RF阻斷路徑中，則在開關的斷開狀態下，在接觸電極與控制電極之間生成電壓。由于接觸電極與梁電極之間的電容是和接觸電極與控制電極之間的電容相同的數量級而生成該電壓。如果開關阻斷與開關的選通電壓相比而相對較低的電壓，則該電壓可能不好。然而，在接觸電極與梁電極之間的RF電壓增大時，將在控制電極的兩端生成更大的電壓，這增大導致MEMS開關的損害的開關的自致動的風險。
[0020]根據本發明的實施例，兩個控制電極，即第一控制電極28和第二控制電極30耦合，以形成柵極58。第一控制電極28和第二控制電極30以這樣的方式配置，使得在將致動電壓施加于柵極58與梁電極26之間時，致動電壓相等地施加至第一控制電極28和第二控制電極30。這允許使用相同的選通信號的第一梁部分48和第二梁部分50的致動。
[0021 ] 參考圖3，說明根據圖2的實施例的包括背靠背的取向的MEMS開關20。在所說明的實施例中，MEMS開關20具有作為兩個三角形66、68而建模的對稱布置，每個三角形具有耦合至接觸電極32、34的三個電容器。三角形66具有指示柵極58與第一梁部分48之間的電容的第一電容器70、指示柵極58與第一接觸電極32之間的電容的第二電容器72以及指示第一梁部分48與第一接觸電極32之間的電容的第三電容器74。三角形68具有指示柵極58與第二梁部分50之間的電容的第四電容器76、指示柵極58與第二接觸電極34之間的電容的第五電容器78以及指示第二梁部分50與第二接觸電極34之間的電容的第六電容器80。
[0022]參考圖4，MEMS開關20包括根據圖2的實施例的背靠背的取向。在所說明的實施例中，MEMS開關20具有與圖3中示出的布置相似的布置。另外，開關20被建模為具有指示柵極58與梁電極26之間的電容的電容器82。
[0023]如在上文中所討論的，在MEMS開關20處于斷開狀態，使第一和第二梁部分48、50分別從第一和第二接觸電極32、34分開時，執行射頻信號阻斷。在MEMS開關20兩端生成的電壓包括弓I起在MEMS開關20兩端的每個電容跨接的電容耦合的高頻信號。結果，在這樣的配置中，梁電極26處的電壓等于第一和第二接觸電極32、34兩端的電壓的一半。假如電容相等，則柵極58處的電壓也等于第一和第二接觸電極32、34兩端的電壓的一半。作為這樣的配置的結果，防止開關20的自致動。
[0024]MEMS開關20的背靠背的配置允許兩個控制電極28、30 (在圖2中示出)之間的電通信。在一個實施例中，該電通信經由電阻器而進行，并且，在其他的實施例中，該電通信經由電容器和/或電感而無源地進行。在某些其他的實施例中，電通信使用控制邏輯來有源地進行。該電通信導致控制電極兩者處的相同的電壓，并且，柵極處的電壓與梁處的電壓相同。在開關20兩端的電容相等的條件下，即使存在大體上較高的射頻信號，在梁電極與柵極之間生成的電壓也接近零。示范性的MEMS開關20具有大于300伏特的可承受電壓(standoff voltage),以便在MEMS開關20處于斷開狀態時防止開關20的自致動。
[0025]根據本發明的某些實施例，第一梁部分與第一接觸電極之間和第二梁部分與第二接觸電極之間的電容相同。在一些實施例中，第一接觸電極與第一控制電極之間和第二接觸電極與第二控制電極之間的電容相同。在具體的實施例中，梁與柵極之間的電容是第一控制電極與第一接觸電極之間的電容的至少兩倍。
[0026]開關20的背靠背的配置的對稱性基于開關的布局、過程變異性以及組件配置。加到開關的一個或更多元件可能生成非對稱的配置，從而導致在開關的柵極與梁電極之間生成殘差電壓。在一個實施例中，能夠使用柵極與梁電極之間的電容器來無源地緩解該殘差電壓。在另一個實施例中，能夠使用控制邏輯來有源地緩解殘差電壓。如先前所討論的，示范性的開關可以包括一個或更多基板。
[0027]在本文中，應當注意到，MEMS開關的壽命可能基于在MEMS開關處于閉合狀態時，在接觸電極兩端生成的殘差電壓的量。這樣的電壓可以典型地被稱為“熱開關電壓”。在對開關進行致動之前去除RF電壓的應用中，由于低的斷開狀態電容和低的泄漏電流而導致殘差低頻或DC電壓仍然殘存于開關兩端的可能性。根據本發明的實施例，通過允許開關中的接觸電極和梁電極之間的電通信而緩解這樣的影響。該電通信能夠經由諸如電阻器、電感、二極管的無源部件或經由有源控制邏輯而進行。這樣的電通信在維持所要求的高頻阻斷的同時允許信號的低頻成分通過斷開的開關。
[0028]在一些實施例中，可以通過提供與開關20的第一和第二接觸電極32、34串聯的多個電容器而提高MEMS開關20的壽命。這些電容器促進使熱開關電壓和熱開關能量(即，在開關的閉合后立即傳遞的總電荷)兩者最小化。該實現方案在使開關20與柵極控制邏輯的影響隔離時特別地有利。
[0029]在一些實施例中，設想示范性的開關20的背靠背的配置的陣列。在這樣的實施例中，單個柵極58用于對串聯的開關20的陣列進行致動，從而不增加對額外的柵極的需要就允許柵極電壓的加倍。MEMS開關20的數量可能取決于具體的應用，例如MEMS開關20操作的環境而變化。例如，在磁性環境或RF環境下，MEMS開關20的數量可以基于電壓脈沖效應而確定，使得克服平衡電壓。具體地，基于RF平衡電壓，MEMS開關20的數量和配置可能變化，使得防止由于RF信號而導致的自致動。
[0030]雖然在本文中僅說明并描述本發明的某些特征，但所屬領域的技術人員將想到許多變型和改變。因此，要理解到，由于落在本發明的真實的實質之內，因而所附權利要求旨在涵蓋所有這樣的變型和改變。
【權利要求】
1.一種微機電系統(MEMS)開關，包括: 基板； 安置于所述基板上的梁電極； 梁，包括耦合至所述梁電極的至少一個錨部分、沿第一方向從所述至少一個錨部分延伸的第一梁部分以及沿與所述第一方向相反的第二方向從所述至少一個錨部分延伸的第二梁部分； 面向所述第一梁部分的安置于所述基板上的第一控制電極； 面向所述第一梁部分的安置于所述基板上的第一接觸電極； 面向所述第二梁部分的安置于所述基板上的第二控制電極；其中，所述第一控制電極和所述第二控制電極耦合以形成柵極；以及 面向所述第二梁部分的安置于所述基板上的第二接觸電極。
2.如權利要求1所述的MEMS開關，其中，所述第一梁部分包括第一梁接觸部分。
3.如權利要求2所述的MEMS開關，其中，所述第二梁部分包括第二梁接觸部分。
4.如權利要求3所述的MEMS開關，其中，在未將致動電壓施加于所述柵極與所述梁電極之間時，所述第一梁部分和所述第二梁部分安置于第一位置，使得所述第一梁接觸部分和所述第二梁接觸部分分 別與所述第一接觸電極和所述第二接觸電極間隔開。
5.如權利要求4所述的MEMS開關，其中，在所述致動電壓施加于所述柵極與所述梁電極之間時，所述第一梁部分和所述第二梁部分從所述第一位置偏置至第二位置，使得所述第一梁接觸部分和所述第二梁接觸部分分別接觸所述第一接觸電極和所述第二接觸電極。
6.如權利要求1所述的MEMS開關，其中，所述第一控制電極和所述第二控制電極被配置成相等地施加控制電壓至所述第一控制電極和所述第二控制電極。
7.如權利要求1所述的MEMS開關，其中，在所述MEMS開關處于斷開狀態時，所述MEMS開關具有大于300伏特的可承受電壓。
8.如權利要求1所述的MEMS開關，其中，所述第一梁部分與所述第一接觸電極之間以及所述第二梁部分與所述第二接觸電極之間的電容相同。
9.如權利要求1所述的MEMS開關，其中，所述第一接觸電極與第一控制電極之間以及所述第二接觸電極與所述第二控制電極之間的電容相同。
10.如權利要求1所述的MEMS開關，其中，所述梁與所述柵極之間的電容是所述第一控制電極與所述第一接觸電極之間的電容的至少兩倍。
11.如權利要求1所述的MEMS開關，還包括多個電容器至所述第一接觸電極、所述第二接觸電極的至少一個。
12.如權利要求1所述的MEMS開關，其中，所述MEMS開關包括MEMS射頻開關。
13.如權利要求1所述的MEMS開關，其中，所述MEMS開關安置在被配置成在射頻范圍內操作的裝置中。
14.如權利要求13所述的MEMS開關，其中，所述裝置包括磁共振成像系統，該磁共振成像系統包括單模態成像系統或多模態成像系統。
15.如權利要求14所述的MEMS開關，其中，所述MEMS開關布置成對所述磁共振成像系統的一個或更多射頻接收表面線圈、射頻發射表面線圈進行耦合和去耦。
16.如權利要求15所述的MEMS開關，其中，所述一個或更多射頻接收表面線圈和射頻發射表面線圈包括一個或更多單頻線圈或一個或更多雙頻線圈之一。
17.—種用于操作微機電系統(MEMS)開關的方法,包括: 將致動電壓施加于柵極與梁電極之間，以相等地施加所述致動電壓至控制電極和第二控制電極；其中，所述第一控制電極、所述第二控制電極以及所述梁電極安置于基板上；其中，所述第一控制電極和所述第二控制電極耦合以形成柵極 ； 將梁的第一梁部分和第二梁部分從第一位置偏置至第二位置，使得所述第一梁部分的第一梁接觸部分和所述第二梁部分的第二梁接觸部分分別接觸安置在所述基板上的所述第一接觸電極和所述第二接觸電極；其中，所述梁包括耦合至所述梁電極的錨部分，其中，所述第一梁部分沿第一方向從所述錨部分延伸；并且，所述第二梁部分沿與所述第一方向相反的第二方向從所述錨部分延伸。
18.如權利要求17所述的方法，包括在未將所述致動電壓施加于所述柵極與所述梁電極之間時，將所述第一梁部分和所述第二梁部分安置于第一位置，使得所述第一梁接觸部分和所述第二梁接觸部分分別與所述第一接觸電極和所述第二接觸電極間隔開。
19.如權利要求17所述的方法，還包括在所述MEMS開關處于斷開狀態時，防止所述MEMS開關的自致動。
【文檔編號】H01H59/00GK103959418SQ201280059325
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2012年10月25日 優先權日:2011年11月30日
【發明者】M.F.艾米 申請人:通用電氣公司