CN1938807A - 可弯折接触开关 - Google Patents

Abstract

本发明的实施例描述了接触开关，该接触开关可以包括底电极结构和顶电极结构，底电极结构包括底驱动电极，顶电极结构包括顶驱动电极和一个或多个当开关在弯折状态时能保持顶电极和底电极之间的预先确定的间隙的止动件。

Description

可弯折接触开关

背景技术

射频(RF)开关广泛地应用于移动电话和其他便携通信设备中。它们用于在发射和接收模式之间切换通信以及在多模式/频带无线电装置中在频率范围之间切换。它们也可以整合在可调滤波器、收发机、相移器和智能天线中。RF开关的插入损失的程度直接地影响使用该开关的任何设备例如手机、无线局域网和宽带无线接入设备的范围和电池的寿命。

传统的固态RF开关，例如电气控制的GaAs场效应晶体管和PIN二极管经常受到高插入损失的损害。基于RF开关的微电子机械系统(MEMS)可以提供在较低的插入损失下的操作。

在MEMS开关的希望的特征是高接触力，例如大于200微牛的力，以实现低接触电阻，且因此为较高的功率处理能力而实现使更多的电流通过开关的能力。在要求高开关速度的应用中，例如在10微秒或更短的时间量级，静电驱动被广泛地使用。常规的开关一般地要求高于60伏特(V)的驱动电压，以获得200微牛量级的接触力。在常规开关内在较低的驱动电压下，例如在20V的量级的电压下试图实现如此高的接触力将导致高的功率消耗且可能损坏开关的接触点，因此缩短了开关的有效寿命。

附图说明

被视为本发明的主题特别地被指出且在说明书的结论部分清楚地要求。然而，关于操作的组织和方法，本发明连同它的目的、特征和优点可以通过参考如下详细描述且同时阅读附图被最好地理解，各图为：

图1为合并了开关装置的通信设备的部分的示意性的图示，开关装置包括一个或多个根据本发明的典型实施例的开关；

图2A为根据本发明的典型实施例的接触开关的示意性的顶视图的图示；

图2B、2C、2D和2E为根据图2A中的典型实施例的接触开关在四个各自的操作位置的示意性的、侧视图的、截面图的图示；

图3A为根据本发明的另一个典型实施例的接触开关的示意性的、顶视图的图示；

图3B、3C、3D和3E为根据图3A中的典型实施例的接触开关在四个各自的操作位置的示意性的、侧视图的、截面图的图示；

图4为描绘了接触力作为根据发明的典型实施例的模拟开关的施加的电压的函数的曲线图的示意性的图示；

图5A为根据本发明的另一个典型实施例的开关的示意性的、顶视图的图示；

图5B为根据图5A的典型实施例的开关的示意性的、截面侧视图的图示；

图6A为根据本发明的进一步的典型实施例的开关的示意性的、顶视图的图示；

图6B为根据图6A的典型实施例的开关的示意性的、截面侧视图的图示；

图7A为根据本发明的附加的典型实施例的开关的示意性的、顶视图的图示；

图7B为根据图7A的典型实施例的开关的示意性的、截面侧视图的图示；

图8A为根据本发明的再另一个的典型实施例的开关的示意性的、顶视图的图示；和

图8B为根据图8A的典型实施例的开关的示意性的、截面侧视图的图示。

为图示简化和清晰将认识到在图中所示的元件不必需地按比例绘制。例如元件的一些的尺寸可以相对于其他元件为清晰而夸大。进一步地，被认为适当之处参考数字将在图中重复以指示相应的或类似的元件。

具体实施方式

在如下的详细描述中，阐明了多个特定的细节以提供对本发明的彻底的理解。然而对本领域中的技术人员将理解的是本发明可以不带有这些特定的细节而实施。在其他的情况下，熟知的方法、程序、部件和电路将不详细地描述以不使本发明模糊。

应该理解的是本发明可以用于多种应用。虽然本发明不限制在此方面，但是此处披露的MEMS设备和技术可以用在许多例如无线电装置、移动通信设备、多模式/频带无线电装置、可调滤波器、收发机、相移器和智能天线的仪器中。意图于包括在本发明的范围内的系统仅通过例子的方式包括无线通信站和无线局域网。

虽然本发明不限制在此方面，但是在此披露的MEMS设备和技术可以用在任何其他的应用中，例如直流继电器，它例如可以用在汽车系统中。

将认识到的是术语“顶”和“底”可以在此仅为示例的目的用于阐明一些部件的相对定位或放置，和/或指示第一和第二部件。此处所使用的术语“顶”和“底”不是必需指示“顶”部件在“底”部件上方，同样地方向和/或部件可以倒转、旋转、在空间移动、放置在对角取向或位置、水平地或垂直地放置、或类似地修改。

图1示意性地图示了合并了根据本发明的典型实施例的开关装置140的通信设备100的前端。设备100可以包括用于发送和接收信号的天线110。虽然本发明的范围不限制在此方面，但是可以用于天线110的天线的类型可以包括但不限制于内部天线、偶极天线、全向天线、单极天线、端馈天线、圆形极化天线、微条天线和分集天线等。开关装置140可以选择性地将天线连接到可产生被天线110发射的信号的发射器120，或将天线连接到可处理由天线110接收到的信号的接收器130。

装置140可以包括开关150和160，以选择性地分别连接天线110到发射器120和接收器130。设备100也可以包括能控制开关150和/或开关160的操作的开关控制器170，例如在发射器120和130之间转换到天线110的连接。开关150和160任一或二者可以包括根据本发明的典型实施例的静电可弯折接触开关，如在下文中详细地描述，该接触开关允许高速地在发射器120和130之间转换到天线110的连接。如在下文中详细地描述，开关150和160的结构使得开关能以相对地低的电压、低的功率消耗和/或大的接触力操作，所有这些导致开关150和160的寿命的延长。

本领域技术人员将认识到，如上的对具有共用发射/接收天线的通信设备的描述仅是合并了根据本发明的实施例的可弯折开关的设备的一个例子。将进一步地认识到，任何类型的使用了此可弯折开关的设备、系统或方法也在本发明的范围内。

转到图2A-2E，示出了根据本发明的典型实施例的开关200的示意性图示。图2A示出了顶视图而图2B-2E示出了开关200在四个各自的操作位置的截面侧视图。虽然本发明的范围不限制于此方面，但是开关200的顶层250可以包括三部分：至少一个支撑梁205，它可以具有低的弹簧常数k，例如在50N/m和150N/m之间；顶电极220，它可以相对地大且刚硬；和接触梁230，它可以具有高的弹簧常数k，例如在5000N/m和15000N/m之间。一个或多个止动件222可以布置在顶电极220下方，且顶电触点，例如接触窝232可以布置在接触梁230下方。在底电极210上可以布置一个或多个电绝缘区，例如直接在顶层止动件222下方，且底电触点，例如接触金属215可以在接触窝232下方布置在底电极210上。

将认识到，顶电极220和止动件222可以在此一起地被称为“顶电极结构”且可以实现为例如合并了电极220和止动件222的结构和功能的单一元件的形式。此外，底电极210和绝缘区212可以在此一起地被称为“底电极结构”且可以实现为例如合并了电极210和绝缘区212的结构和功能的单一元件的形式。

如下文中将讨论，在图2A和2B中所图示的典型的开关的设计可以允许梁205响应于施加在顶电极220和底电极210之间的相对地低的驱动电压而偏转，导致在接触窝232和接触金属215之间高的接触力。

图2C和图2D示出了典型的开关200响应于相对地低的驱动电压的截面侧视图。图2C图示了顶电极220如何可响应于相对地低的驱动电压而被拉向底电极210，驱动电压例如为在以下图4的示意性比较曲线图所示出的电压。低弹簧常数梁205可以大体上承载所有偏转力，直至接触窝232与接触金属215在点207处接触。图2D示出了开关200在连续施加相对地低的驱动电压下如何可通过低弹簧常数梁205的强的向下偏转且通过接触梁230的略微向上的偏转而弯折。由于止动件222和电绝缘区212，例如0.1微米的希望的间隙可以在顶电极210和底电极220之间保持，虽然本发明决不限制于此例子。接触梁230的偏转可以导致在接触窝232和接触金属215之间的高的接触力。在窝232和金属215之间的最终接触点208可以略微地从最初实现接触的点207处位移开，因为接触梁230在完全地弯折状态下的最终偏转。

应该注意到，接触梁230的偏转可以导致大的接触力，且接触点从点207到点208的位移可以导致接触窝232穿透表面污染层(未示出)的高的可能性，此表面污染层可能随时间在接触金属215和/或接触窝232上产生。这两个效应可以导致高度可靠的开关，它能维持高的电流转移特性和长的接触寿命。根据本发明的典型实施例，止动件222和电绝缘区212分别维持了顶电极220和底电极210之间的气隙，且此气隙可以消除电极之间的电介质充电，这是在常规弯折式开关中经常遇到的问题。

在图2E中，示出了在开关弯折后和在低驱动电压移除后的典型的开关200的截面侧视图。驱动电压的移除可以因为在梁205和梁230内偏转力的松弛而导致开关200的顶层250从开关200的底电极210分离。

应该注意的是，因为在顶层250和底电极210之间仅存在数个物理接触点，开关200可以以“拉动”动作切换为断开而带有相对地低的例如因为带电或物理接触的静摩擦效应。进一步地，因为物理止动件222在电极210和220之间保留了气隙，所以预计设备将经历较小的空气阻尼，且因此所得到的断开速度可以相对地高。

转到图3，示出了根据本发明的开关300的另一个典型实施例。虽然本发明的范围不限制在此方面，但是在图3中所图示的开关的构造和操作可以大体上类似于那些在图2中图示的开关，除去如下将描述的差异。在图3的典型实施例中示出的设计大体上与图2中的设计相同，不同在于图3中的开关300不包括直接在止动件322下方的电绝缘区，如在图2中的开关200中所示。此差异通过图3B中的截面侧视图清晰地示出。当开关300位于其弯折状态时，不存在电绝缘区可以导致分别在顶电极320和底电极310之间窄的气隙，因为止动件322向下直接承载在底电极310上。

在图3C和图3D中示出了典型的开关响应于相对地低的驱动电压的截面侧视图。图3C图示了最初的偏转而图3D图示了以类似于那些如上分别参考图2C和图2D所描述的方式的开关的弯折。虽然本发明的范围不限制在此方面，但是在图3中所图示的开关的偏转和弯折可以大体上类似于那些在图2中所示的偏转和弯折，不同在于分别在顶电极320和顶电极310之间得到的间隙。不存在电绝缘区可以导致较小的间隙且因此导致不同的最终接触点308和在接触窝322和接触金属315之间的不同接触力，此力可以大于在图2中的开关200中遇到的接触力。

在图3E中示出了当开关弯折后且当驱动电压移除后的典型的开关的截面侧视图。虽然本发明的范围不限制在此方面，但是在图3E中所示的顶层350从底电极310的分离可以类似于在图2E中所示的分离，不同在于如下将讨论的差异。当开关300在其弯折状态下可以导致分别在顶电极320和底电极310之间的较小的间隙的不存在电绝缘区可以导致高弹簧常数接触梁330更强的偏转，且因此导致一旦移除驱动电压接触梁330更快的分离。

转到图4，示出了描绘了接触力作为根据本发明的典型实施例的模拟弯折开关的施加的电压的函数的曲线图的示意图示。在图4中的顶曲线410示出了在根据本发明的典型实施例所设计的模拟开关的顶接触点和底接触点之间的接触力，该典型实施例例如为图2中所示的类型。接触力示出为在不同驱动电压下弯折的开关状态。曲线410清晰地示出了即使对于非常低的驱动电压的相对地高的接触力，例如对于20V电压的300微牛。图4中的下部曲线420示出了从常规的拉入接触开关中预期的接触力。曲线410和420之间的比较清晰地示出了对于常规开关在显著地更高的驱动电压下显著地更低的接触力。

转到图5A和图5B，示出了根据本发明的另一个典型实施例的开关500的示意性图示。图5A示出了开关500的顶视图而图5B示出了开关500的截面侧视图。虽然本发明的范围不限制在此方面，但是图5中所图示的开关的构造和操作可以大体上类似于图2中所示的开关的那些构造和操作，除去如下将描述的差异。在图5中所示的开关的顶层550可以包括两部分：至少一个具有低弹簧常数k的支撑梁505和相对地大且刚硬的顶电极520。接触窝532可以布置在顶电极520下，例如靠近低k梁505和电极520之间的接缝而直接在底接触金属515上方，接触金属515可以布置在底驱动电极510上。电绝缘区512可以布置在底电极510上，且可以直接地定位在止动件522下方，止动件522可以布置在顶电极520下。

在图5中所图示的开关的操作大体上类似于图2中的开关的操作。施加在顶电极520和底电极510之间的驱动电压可以导致低k梁505的偏转和开关500的弯折，这可以导致在接触窝532和接触金属515之间的接触。在弯折状态下，在顶电极520和底电极510之间的间隙的尺寸，以及在接触窝532和接触金属515之间的接触强度可以受到止动件522和绝缘区512的尺寸的影响。一旦移除驱动电压，止动件522左侧的接触窝532的位置可以影响低弹簧常数梁505的导致断开力的非线性偏转，此力可能高于在图2和图3中所示的典型实施例中的力，例如断开力大约为100N。这可以导致顶电极510从底电极520更快地断开，且因此改善了开关的断开性能。

转到图6A和图6B，示出了根据本发明另一个典型实施例的开关600的示意性图示。图6A示出了开关600的顶视图而图6B示出了开关600的截面侧视图。虽然本发明的范围不限制在此方面，但是在图6中所图示的开关的构造和操作可以大体上类似于那些在图2中所示出的开关的构造和操作，除去如下将描述的差异。在图6中示出的开关的顶层650可以包括两部分：至少一个具有低弹簧常数k的支撑梁605和相对地大且刚硬的顶电极620。接触窝632可以布置在顶电极600下，例如靠近低k梁605和电极620的之间的接缝而直接在底接触金属615上方，接触金属615可以布置在底驱动电极610上。止动件622可以布置在顶电极620下。

在图6中所图示的开关的操作大体上类似于图2中的开关的操作。施加在顶电极620和底电极610之间的驱动电压可以导致低k梁605的偏转和开关600的弯折，这可以导致在接触窝632和接触金属615之间的接触。在弯折状态下，在顶电极620和底电极610之间的间隙的尺寸，以及在接触窝632和接触金属615之间的接触强度可以受到止动件622的尺寸的影响。一旦移除驱动电压，止动件622左侧的接触窝632的位置可以影响低弹簧常数梁605的导致断开力的非线性偏转，此力可能高于在图2和图3中所示的典型实施例中的力，例如断开力大约为120N。这可以导致顶电极610从底电极620更快地断开，且因此改善了开关的断开性能。

转到图7A和图7B，示出了根据本发明另一个典型实施例的开关700的示意性图示。图7A示出了开关700的顶视图而图7B示出了开关700的截面侧视图。虽然本发明的范围不限制在此方面，但是在图7中所图示的开关的构造和操作可以大体上类似于那些在图2中所示出的开关的构造和操作，除去如下将描述的差异。在图7中示出的开关的顶层750可以包括两部分：具有低弹簧常数k的支撑梁705和相对地大且刚硬的顶电极720。接触窝732可以布置在顶电极720下，例如靠近电极的边缘而直接在底接触金属715上方，接触金属715可以布置在底驱动电极710上。电绝缘区712可以布置在底电极710上，且可以直接定位在止动件722下方，止动件722可以布置在顶电极720下。

在图7中所图示的开关的操作大体上类似于图2中的开关的操作。施加在顶电极720和底电极710之间的驱动电压可以导致低k梁705的偏转和开关700的弯折，这可以导致在接触窝732和接触金属715之间的接触。在弯折状态下，在顶电极720和底电极710之间的间隙的尺寸，以及在接触窝732和接触金属715之间的接触强度可以受到止动件722和绝缘区712的尺寸的影响。

转到图8A和图8B，示出了根据本发明另一个典型实施例的开关800的示意性图示。图8A示出了开关800的顶视图而图8B示出了开关800的截面侧视图。虽然本发明的范围不限制在此方面，但是在图8中所图示的开关的构造和操作可以大体上类似于那些在图2中所示出的开关的构造和操作，除去如下将描述的差异。在图8中示出的开关的顶层850可以包括两部分：具有低弹簧常数k的支撑梁805和相对地大且刚硬的顶电极820。接触窝832可以布置在顶电极820下，例如靠近电极边缘而直接在底接触金属815上方，接触金属815可以布置在底驱动电极810上。止动件822可以布置在顶电极820下。

在图8中所图示的开关的操作大体上类似于图2中的开关的操作。施加在顶电极820和底电极810之间的驱动电压可以导致低k梁805的偏转和开关800的弯折，这可以导致在接触窝832和接触金属815之间的接触。在弯折状态下，在顶电极820和底电极810之间的间隙的尺寸，以及在接触窝832和接触金属815之间的接触强度可以受到止动件822的尺寸的影响。

本领域技术人员将认识到，可以存在许多附加的根据本发明的开关的实施例和实现。上述的典型实施例仅例证了数个可能的根据本发明的实施例的开关的变化且不意图于以任何方式限制本发明的范围。

虽然本发明的某些特征已经在此图示且描述，许多修改、替代、变化和等价物现在将使本领域技术人员明白。因此需要理解的是附带的权利要求书意图于覆盖所有这些落在本发明的实际精神内的修改和变化。

Claims (25)

1.一种设备，其包括：

接触开关，其包括：

包括了底驱动电极的底电板结构；和

包括了顶驱动电极和一个或多个当所述的开关在弯折状态时能保持所述的顶电极和所述的底电极之间的预先确定的间隙的止动件的顶电极结构。

2.如权利要求1所述的设备，其中当所述的开关在所述的弯折状态下时所述的止动件的至少一个能接触所述的底电极。

3.如权利要求1所述的设备，其中所述的底电极结构包括一个或多个电绝缘区，其中当所述的开关在所述的弯折状态下时所述的止动件的至少一个能接触所述的绝缘区的至少一个。

4.如权利要求1所述的设备，包括与所述的顶电极相关且具有通常低的弹簧常数的支撑梁。

5.如权利要求1所述的设备，其中所述的顶电极通常为刚硬的。

6.如权利要求1所述的设备，其中所述的开关包括当所述的开关在闭合状态下时能与第二电触点电连接的第一电触点。

7.如权利要求6所述的设备，其中所述的第一电触点定位在与所述的顶电极相关的接触梁上。

8.如权利要求7所述的设备，其中所述的接触梁的弹簧常数大于与所述的顶电极相关的支撑梁的弹簧常数。

9.如权利要求6所述的设备，其中所述的第一电触点定位在所述的顶电极上希望的位置。

10.如权利要求9所述的设备，其中所述的希望的位置基于所述的开关的断开时间周期而确定。

11.一种系统，其包括：

包括至少一个接触开关的开关装置，接触开关包括：

包括了底驱动电极的底电极结构；和

包括了顶驱动电极和一个或多个当所述的开关在弯折状态时能保持所述的顶电极和所述的底电极之间的预先确定的间隙的止动件的顶电极结构；和

能控制所述的至少一个接触开关的操作的开关控制器。

12.如权利要求11所述的系统，其中当所述的开关在所述的弯折状态下时所述的止动件的至少一个能接触所述的底电极。

13.如权利要求11所述的系统，其中所述的底电极结构包括一个或多个电绝缘区，其中当所述的开关在所述的弯折状态下时所述的止动件的至少一个能接触所述的绝缘区的至少一个。

14.如权利要求11所述的系统，其中所述的开关包括与所述的顶电极相关且具有通常低的弹簧常数的的支撑梁。

15.如权利要求11所述的系统，其中所述的开关包括当所述的开关在闭合状态下时能与第二电触点电连接的第一电触点。

16.如权利要求15所述的系统，其中所述的第一电触点定位在与所述的顶电极相关的接触梁上。

17.一种设备，其包括：

包括顶电极结构和底电极结构的接触开关，所述的开关能切换到弯折的闭合状态，其中与所述的顶结构相关的第一电触点和与所述的底结构相关的第二电触点接触，其中所述的顶结构与所述的底结构接触，且其中在所述的顶结构和底结构的其他部分之间保持了预先确定的间隙。

18.如权利要求17所述的设备，其中所述的顶电极结构包括顶驱动电极和一个或多个止动件。

19.如权利要求17所述的设备，其中所述的底电极结构包括底驱动电极和一个或多个电绝缘区。

20.如权利要求17所述的设备，其中响应于在所述的顶结构和所述的底结构之间的小于40伏特的驱动电压，至少为100微牛的接触力保持在所述的第一电触点和所述的第二电触点之间。

21.一种无线设备，其包括：

天线；和

包括第一和第二接触开关的开关装置，所述的第一开关能连接所述的天线和发射器，且所述的第二开关能连接所述的天线和接收器，

其中所述的接触开关的至少一个为可弯折开关，其包括：

包括了底驱动电极的底电极结构；和

包括了顶驱动电极和一个或多个当所述的可弯折开关在弯折状态时能保持所述的顶电极和所述的底电极之间的预先确定的间隙的止动件的顶电极结构。

22.如权利要求21所述的无线设备，其中当所述的可弯折开关在所述的弯折状态下时所述的止动件的至少一个能接触所述的底电极。

23.如权利要求21所述的无线设备，其中所述的底电极结构包括一个或多个电绝缘区，其中当所述的可弯折开关在所述的弯折状态下时所述的止动件的至少一个能接触所述的绝缘区的至少一个。

24.如权利要求21所述的无线设备，其中所述的可弯折开关包括与所述的顶电极相关且具有通常低弹簧常数的支撑梁。

25.如权利要求21所述的无线设备，其中所述的可弯折开关包括当所述的开关在闭合状态下时能与第二电触点电连接的第一电触点。

Images