專利名稱：微電子機(jī)械系統(tǒng)單元陣列的驅(qū)動(dòng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種包括微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)單元陣列的電子設(shè)備，所述陣列在其輸出具有多個(gè)狀態(tài)。
本發(fā)明還涉及一種微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)單元陣列的驅(qū)動(dòng)，所述陣列在其輸出具有多個(gè)狀態(tài)。
MEMS(micro-electro-mechanical-systems)技術(shù)被用于在無(wú)線應(yīng)用中開(kāi)發(fā)用于RF模塊的可調(diào)無(wú)源元件。MEMS技術(shù)已經(jīng)在類似傳感器和投影顯示的產(chǎn)品中被應(yīng)用。在RF電路的應(yīng)用降低功率消耗并提高無(wú)線通信系統(tǒng)的性能。尤其是，MEMS技術(shù)被應(yīng)用在集成RF前端電路中。
一個(gè)可行的RF-MEMS元件是一個(gè)具有彈性金屬上部電極的可變電容器。通過(guò)施加DC電壓，這個(gè)電極向下移動(dòng)，導(dǎo)致電容量隨電壓增加，直至電容量突然下降。該發(fā)生處的電壓被稱為Vclose。電容器可被用作可調(diào)電容器(V＜Vclose)或可開(kāi)關(guān)電容器(V＞Vclose)。后者也可被用作RF開(kāi)關(guān)。MEMS元件可使用表面微加工和IC兼容薄模技術(shù)制造。為了構(gòu)造可移動(dòng)部分，犧牲層被使用，該犧牲層位于構(gòu)造層下面、可選擇地被去除，從而創(chuàng)造了一種獨(dú)立式結(jié)構(gòu)。
MEMS技術(shù)可制造小的、重量輕的可調(diào)/可開(kāi)關(guān)的RF元件，其使半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)和變?nèi)荻O管在功耗、線性和介入損失上有突出表現(xiàn)。該技術(shù)可以與其他有源/無(wú)源元件集成用于可調(diào)RF模塊，呈現(xiàn)出提高的性能和緊湊。在RF前端電路中使用可調(diào)/可開(kāi)關(guān)元件，新的重新配置的RF收發(fā)器結(jié)構(gòu)可被設(shè)計(jì)用于當(dāng)前和下一代無(wú)線通信系統(tǒng)。使用此的例子是自適應(yīng)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。為了驅(qū)動(dòng)由N個(gè)MEMS單元制造的自適應(yīng)阻抗網(wǎng)絡(luò)，盡管N個(gè)控制電壓需要大量互聯(lián)和驅(qū)動(dòng)電子裝置(高電壓晶體管)。
WO99/43013涉及微型機(jī)械靜電繼電器，包括具有平坦基電極的至少一個(gè)基底層，還有源于轉(zhuǎn)片基底并作為平坦轉(zhuǎn)片電極的動(dòng)葉片，其中楔形空氣間隙被形成在基底層和所述動(dòng)葉片之間。進(jìn)一步電極層被形成在限定空氣間隙的至少一個(gè)表面上，以獲得具有關(guān)閉、打開(kāi)或位置對(duì)調(diào)的轉(zhuǎn)換特征。有用于每個(gè)單個(gè)繼電器的控制線，和以平行控制幾個(gè)繼電器的另一線。
US5880912公開(kāi)了使用MEMS技術(shù)的單片集成開(kāi)關(guān)電容堆，該能夠處理RF和毫米波段的GHz信號(hào)頻率，同時(shí)在寬調(diào)諧范圍上保持電容器電平的精確數(shù)字選擇。每個(gè)MEMS開(kāi)關(guān)包含被附連至基底并在地線和有間隙的信號(hào)線上方延伸的懸臂。電連接被形成在懸臂的底部，該底部被定位在信號(hào)線中的間隙上面并面向信號(hào)線中的間隙。懸臂上部的上部電極在地線上形成控制電容器結(jié)構(gòu)。電容器結(jié)構(gòu)，優(yōu)選以與懸臂大約同樣的高度被從基底懸浮下來(lái)的MEMS電容器，被錨定在基底并與MEMS開(kāi)關(guān)串連接。通過(guò)給上部電極施加電壓，MEMS開(kāi)關(guān)被激勵(lì)，產(chǎn)生將控制電容器結(jié)構(gòu)吸引向地線的靜電力，從而引起電連接以關(guān)閉信號(hào)線間隙并連接在一對(duì)輸出端之間的MEMS電容器結(jié)構(gòu)。集成MEMS開(kāi)關(guān)電容器對(duì)具有在它們的開(kāi)狀態(tài)和關(guān)狀態(tài)阻抗間的大范圍，從而顯示出優(yōu)良絕緣和介入損失特征。
在US5872489中，集成的可調(diào)電感網(wǎng)絡(luò)特征為大量使用由大量微機(jī)電(MEM)開(kāi)關(guān)制成的轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)的固定電感器，該固定電感器被制造在公共基底沿線。開(kāi)關(guān)可選擇地連接電感器，以形成具有具體電感值的電感網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)電感器被合適地配置時(shí)，可高精確度地設(shè)定電感值。優(yōu)選的MEM開(kāi)關(guān)引入非常小的阻抗，從而電感網(wǎng)絡(luò)具有高Q。MEM開(kāi)關(guān)和電感器可使用普通處理步驟被集成，減少與引線焊接和現(xiàn)有技術(shù)開(kāi)關(guān)聯(lián)系的寄生電容問(wèn)題，提高可靠性，并降低現(xiàn)有技術(shù)在設(shè)計(jì)上的空間、重量和功率要求。精確的可調(diào)高Q電感網(wǎng)絡(luò)被廣泛應(yīng)用，譬如在諧振電路中，其具有以指定預(yù)定頻率處為峰值的窄帶寬頻率響應(yīng)，可使高選擇性能低噪聲放大器成為可能，或者在振蕩電路中，以使可根據(jù)需要產(chǎn)生和改變振蕩的精確頻率。
本發(fā)明的目的是提供一種用于驅(qū)動(dòng)MEMS單元陣列的方法和一種包括在開(kāi)頭段中提到的這種陣列的設(shè)備，從而相互連接和驅(qū)動(dòng)電子裝置可實(shí)質(zhì)上被減少。
這個(gè)目的在設(shè)備中被實(shí)現(xiàn)，其中各個(gè)MEMS單元具有第一狀態(tài)和第二狀態(tài)，以及其中從第一至第二狀態(tài)的轉(zhuǎn)換受打開(kāi)電壓的影響，并且從第二至第一狀態(tài)的轉(zhuǎn)換受關(guān)閉電壓的影響，另外在這里，陣列包括用于單一控制電壓的輸入，該單一控制電壓被施加至所有MEMS單元，從而通過(guò)改變單一控制電壓來(lái)獲得陣列的各種狀態(tài)。
關(guān)于驅(qū)動(dòng)方法的目的被實(shí)現(xiàn)，其中單一控制電壓被施加至本發(fā)明陣列中的所有MEMS單元，該電壓被改變以獲得陣列的各種狀態(tài)。
依據(jù)本發(fā)明的設(shè)備中的RF-MEMS單元顯示了要求的轉(zhuǎn)換電壓的差異。通過(guò)調(diào)整列中所有RF MEMS單元的開(kāi)狀態(tài)和關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換電壓，陣列的所有可利用狀態(tài)可通過(guò)掃描依據(jù)預(yù)定計(jì)劃的單一控制電壓被操作。從而不必包括在其交叉點(diǎn)被配置MEMS單元的用于陣列的行和列。
本發(fā)明設(shè)備的重要優(yōu)點(diǎn)尤其是晶體管數(shù)量實(shí)質(zhì)上可被減少。這個(gè)優(yōu)點(diǎn)必須被著重考慮，因?yàn)槿魏蝹鹘y(tǒng)晶體管與MEMS設(shè)備相比以不同規(guī)模和以不同技術(shù)被制造。對(duì)于RF應(yīng)用，優(yōu)點(diǎn)在于在單一基底上配備有其他無(wú)源元件的MEMS單元，優(yōu)選地，基底具有高阻抗。然而，對(duì)于晶體管，具有低阻抗的基底被要求。假如離散晶體管被應(yīng)用，則晶體管數(shù)量的減少也是優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)檫@種驅(qū)動(dòng)晶體管需要能被合適地提供高電壓，譬如約30V，并且這種晶體管是昂貴的。
陣列中的狀態(tài)可被有利于用于各種目的。例如，狀態(tài)可是記憶狀態(tài)、邏輯狀態(tài)或顯示狀態(tài)。第一個(gè)應(yīng)用是在RF領(lǐng)域中，其中MEMS單元被作為各種電訊波段間的開(kāi)關(guān)使用，以及在其上的信號(hào)發(fā)送和接收。另一個(gè)應(yīng)用是作為離散的可調(diào)電容器的MEMS的使用。又一個(gè)應(yīng)用是具有電感器的REMS的使用，以使電感量可被設(shè)定。
在優(yōu)選具體實(shí)施例中，陣列包括各個(gè)具有特征磁滯曲線的第一和第二MEMS單元，以使打開(kāi)電壓不同于關(guān)閉電壓，并且第一MEMS單元的打開(kāi)電壓和控制電壓不同于第二MEMS單元的打開(kāi)電壓和控制電壓。因此，狀態(tài)的數(shù)量被相當(dāng)?shù)卦龃?。例如，該具體實(shí)施例使用MEMS電容器，其中打開(kāi)和關(guān)閉電壓可容易地被制成為具有足夠的差異，以產(chǎn)生磁滯現(xiàn)象。當(dāng)然可在陣列中有另一個(gè)MEMS單元，其關(guān)閉和打開(kāi)電壓并無(wú)差異或沒(méi)有實(shí)質(zhì)上的差異。
尤其優(yōu)選地是在電容量對(duì)控制電壓的操作表中，特征磁滯曲線具有不同寬度。這指的是，在同一陣列中，不但第一MEMS單元的打開(kāi)電壓不同于第二MEMS單元的打開(kāi)電壓，而且對(duì)于第一和第二MEMS單元，在打開(kāi)和關(guān)閉電壓之間的電壓間隙也是不同的。因此，第一MEMS單元的磁滯曲線完全位于第二MEMS單元的磁滯曲線之內(nèi)。
在另一個(gè)有利的具體實(shí)施例中，其增加了驅(qū)動(dòng)陣列的簡(jiǎn)易性，MEMS單元的特征磁滯曲線在操作表中是圍繞公共中心線居中的。這個(gè)特點(diǎn)允許建造MEMS單元陣列，以存儲(chǔ)邏輯狀態(tài)，其中每一個(gè)邏輯狀態(tài)間的距離等于另一個(gè)距離。
依據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，提供了具有懸浮、可移動(dòng)電極的靜電型的MEMS單元。這指的是，在陣列中的每個(gè)MEMS單元具有一個(gè)固定電極和一個(gè)可移動(dòng)電極，分別地通過(guò)關(guān)閉和打開(kāi)電壓的應(yīng)用，該可移動(dòng)電極可移動(dòng)的朝向和背離固定電極，以使固定和可移動(dòng)電極之間的距離在第一狀態(tài)中小于在第二狀態(tài)中?？梢苿?dòng)電極在這里實(shí)質(zhì)上是懸浮的平行于固定電極，并通過(guò)至少一個(gè)具有彈性系數(shù)的懸臂被錨定至支撐結(jié)構(gòu)，以及MEMS單元被配置有具有用于提供關(guān)閉和打開(kāi)電壓的激勵(lì)區(qū)域的激勵(lì)電極。MEMS單元可以是開(kāi)關(guān)，但可選擇地是可調(diào)電容器?？紤]到其穩(wěn)定性，優(yōu)選是可調(diào)電容器。
在另一個(gè)具體實(shí)施例中，陣列中第一和第二MEMS單元具有不同的特征磁滯曲線，在其中控制電極的至少一個(gè)激勵(lì)區(qū)域是不同的和/或懸臂的彈性系數(shù)是不同的。因此，使用機(jī)械裝置設(shè)置不同的特征曲線。通過(guò)機(jī)械特性調(diào)整MEMS單元的磁滯曲線是可能的。由靜電力匹配的彈性力隨位移增長(zhǎng)而增長(zhǎng)。各個(gè)單元可具有不同空間高度或不同的空間數(shù)量/布局。這可被用于調(diào)整磁滯曲線上升處的被稱為Vopen的電壓，而不影響磁滯曲線下降處的被稱為Vclose的電壓。通過(guò)同一因子√(k/A)使Vclose和Vopen的調(diào)整變化。參數(shù)k表示調(diào)整彈性系數(shù)和參數(shù)A表示激勵(lì)區(qū)域。
在另一個(gè)具體實(shí)施例中，至少一個(gè)具有介電常數(shù)的介電層位于固定電極和可移動(dòng)電極之間，以使MEMS單元是MEMS電容器，其電容器中第一狀態(tài)具有第一狀態(tài)電容量。再者，陣列中的第一和第二MEMS電容器具有不同特征磁滯曲線，在其中第一和第二MEMS電容器的第一狀態(tài)電容量是不同的。因此，使用化學(xué)裝置設(shè)置不同的特征曲線。
這種影響第一狀態(tài)電容量的化學(xué)裝置的例子包含合適的電容器區(qū)域；一定程度上介電層覆蓋固定電極，例如全部或僅僅一部分；確定空氣間隙的介電層的厚度和在固定和可移動(dòng)電極間空間的厚度；介電層的介電常數(shù)的變化；在介電層上部的第二可選擇圖案層的提供。
尤其優(yōu)選在不同的MEMS單元提供不同圖案修飾的第二層，因?yàn)槭褂米钌倭硗獾奶幚聿襟E可以實(shí)現(xiàn)。進(jìn)一步，非常適合結(jié)合在在晶片級(jí)上處理中，其中不僅MEMS單元，還有集成無(wú)源器件被制造以獲得無(wú)源電路。
對(duì)于介電常數(shù)的變化，幾個(gè)選擇被展現(xiàn)(open)。第一選擇是提供大量的具有不同介電常數(shù)的圖案介電材料(patterned dielectric material)。合適材料的例子是氮化硅和二氧化硅。另一個(gè)選擇是通過(guò)執(zhí)行注入步驟在介電層中提供電荷，其中注入劑量從一個(gè)MEMS單元到另一個(gè)MEMS單元變化而變化。這個(gè)的優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)在關(guān)閉和打開(kāi)電壓中實(shí)質(zhì)上的差異。由于注入，作為電壓因變量的電容量的狀態(tài)總體上被偏移。注入步驟實(shí)際上不能太復(fù)雜，由于無(wú)論如何使在基底中具有理想的摻雜級(jí)，例如，若有，則用于定義CMOS晶體管。
變化有效電場(chǎng)可代替介電常數(shù)的變化。例如，這通過(guò)在介電層上部應(yīng)用鐵電材料層來(lái)實(shí)現(xiàn)。從而，兩個(gè)打開(kāi)和關(guān)閉電壓、還有磁滯狀態(tài)被改變。
熟練技術(shù)人員將會(huì)理解，強(qiáng)烈優(yōu)選使用一個(gè)以上裝置，以獲得想要的不同打開(kāi)和關(guān)閉電壓。尤其是，兩個(gè)機(jī)械和化學(xué)裝置被使用。從而，陣列中不同打開(kāi)電壓的數(shù)量可被增長(zhǎng)至大約10個(gè)，優(yōu)選在3-7個(gè)的范圍。然而，所有打開(kāi)和關(guān)閉電壓是足夠地不同，以能夠打開(kāi)一個(gè)特定的MEMS單元。同樣地，額外處理步驟的數(shù)量被限制，例如，優(yōu)選少于5步，僅使用一個(gè)額外的照相平版印刷步驟。
進(jìn)一步，優(yōu)選的是，陣列中MEMS單元是并聯(lián)的。這允許所有MEMS單元被直接驅(qū)動(dòng)。用于單一控制電壓的輸入優(yōu)選是晶體管。這種晶體管可是離散晶體管。盡管，它也可是與驅(qū)動(dòng)電路被集成。
在另一個(gè)具體實(shí)施例中，設(shè)備包括多個(gè)MEMS單元陣列，各個(gè)陣列具有用于單一控制電壓的輸入。
再者，設(shè)備可是或包含具有電容器和如可調(diào)電容器的MEMS單元的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。這種可調(diào)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)是強(qiáng)烈優(yōu)選的，考慮在移動(dòng)通信裝備中可利用的通信波段的增長(zhǎng)數(shù)量，以及考慮至少一些這些波段是非常寬的的事實(shí)。具體地，在其中本發(fā)明被實(shí)施的這種阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)具有一個(gè)基本元件適于用于各種應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)選擇要求的阻抗變換，然后一個(gè)基本元件可被與應(yīng)用和環(huán)境一致地設(shè)置。這次機(jī)會(huì)可基于使用該設(shè)備呈現(xiàn)出的阻抗變換表來(lái)實(shí)現(xiàn)。在與可選擇的實(shí)施的對(duì)比中，本發(fā)明允許使用最小的可調(diào)電容器。
MEMS單元和電容器及電感器的組合的另一個(gè)應(yīng)用是例如用于電壓控制的振蕩器的自適應(yīng)LC電路。
體現(xiàn)了本發(fā)明特征的這些和各種其它的優(yōu)點(diǎn)和新穎性特點(diǎn)在附屬于此并形成其中部分的權(quán)利要求中被指出。然而，為了更好理解本發(fā)明、其優(yōu)點(diǎn)和通過(guò)其使用獲得的目的，將參考形成其中另一部分的附圖和附有的說(shuō)明和描述了本發(fā)明優(yōu)選的具體實(shí)施例的說(shuō)明內(nèi)容。


圖1顯示了作為控制電壓的因變量的MEMS電容器的測(cè)得的電容量；圖2顯示了3個(gè)電容器陣列中的MEMS電容器的隨后的轉(zhuǎn)換表(subsequentswitching scheme)。
圖3顯示了在兩個(gè)MEMS電容器陣列的轉(zhuǎn)換中使用記憶效應(yīng)的例子；圖4顯示了在三個(gè)MEMS電容器陣列的轉(zhuǎn)換中使用記憶效應(yīng)的例子；圖5顯示了通過(guò)增加彈性系數(shù)k來(lái)調(diào)整Vclose和Vopen的MEMS單元磁滯的差異；圖6顯示了在圖5所示單元上隨后電荷注入的效果；圖7顯示了調(diào)整三個(gè)電容陣列中的第一電容的磁滯的實(shí)際實(shí)施例；圖8顯示了調(diào)整三個(gè)電容陣列中的第二電容的磁滯的實(shí)際實(shí)施例；圖9顯示了通過(guò)三個(gè)電容陣列中的第三電容的電荷注入對(duì)磁滯的調(diào)整；
圖10顯示了MEMS開(kāi)關(guān)的例子；圖11顯示了圖12中沿A′-A″線的開(kāi)關(guān)的截面圖；和圖12顯示了開(kāi)關(guān)和A′-A″線的頂視圖，圖11的截面圖沿A′-A″線被顯示。
圖1顯示了作為控制電壓的因變量的MEMS電容器的測(cè)得的電容量。當(dāng)控制電壓增長(zhǎng)至Vclose時(shí)，電容器的上部電極消失，關(guān)閉電極間的空氣間隙，并且電容量上升。隨之，當(dāng)DC電壓下降時(shí)，電容器在Vopen處再次打開(kāi)以及電容量再次下降。每個(gè)MEMS單元在轉(zhuǎn)換電壓中呈現(xiàn)磁滯現(xiàn)象，即關(guān)閉空氣間隙要求的電壓(Vclose)不同于再次打開(kāi)要求的電壓(Vopen)。通過(guò)使用在N個(gè)MEMS單元的陣列的這種記憶效應(yīng)，N個(gè)MEMS開(kāi)關(guān)的陣列的所有2N個(gè)狀態(tài)可僅使用一個(gè)控制電壓被操作。
圖2顯示了電容量-電壓表，該表顯示了從V1到V2到V3的步驟。每個(gè)步驟用一個(gè)邏輯狀態(tài)表示。該例子顯示了由三個(gè)MEMS單元陣列表示的四個(gè)狀態(tài)。一般來(lái)說(shuō)，在N個(gè)開(kāi)關(guān)的陣列中，當(dāng)使用N個(gè)控制電壓時(shí)每個(gè)開(kāi)關(guān)獨(dú)立被驅(qū)動(dòng)。這產(chǎn)生2N個(gè)不同狀態(tài)，并需要大量連接和驅(qū)動(dòng)電子裝置。通過(guò)本發(fā)明，連接和驅(qū)動(dòng)電子裝置的非常巨大數(shù)量正好被減少。在這個(gè)例子中，應(yīng)用轉(zhuǎn)換陣列狀態(tài)的僅一個(gè)控制電壓，該陣列狀態(tài)通過(guò)對(duì)每個(gè)開(kāi)關(guān)經(jīng)由其機(jī)械參數(shù)的轉(zhuǎn)換電壓的調(diào)整，而不利用開(kāi)關(guān)的磁滯現(xiàn)象，使開(kāi)關(guān)在電源掃描期間隨之關(guān)閉，盡管產(chǎn)生只有N+1個(gè)不同狀態(tài)。
圖3顯示了包含兩個(gè)電容器的陣列的轉(zhuǎn)換例子，該轉(zhuǎn)換通過(guò)調(diào)整用于每個(gè)電容器的Vclose和Vopen至合適的(不同的)值。在這個(gè)陣列中，四個(gè)明顯狀態(tài)可被利用。當(dāng)記憶效應(yīng)被使用時(shí)，不僅控制電壓值，而且前面電壓掃描的形式確定MEMS陣列的狀態(tài)。例如，為實(shí)現(xiàn)01狀態(tài)，控制電壓被從V4至V2至V3掃描。在0和V2電壓處，陣列被復(fù)位。因此，從復(fù)位點(diǎn)開(kāi)始，每個(gè)狀態(tài)可使用預(yù)定電壓掃描被激活。
圖4顯示了三個(gè)MEMS單元的陣列，其依據(jù)與顯示在上面圖3中的同樣原理可表示8個(gè)不同狀態(tài)。如上所述，記憶效應(yīng)歸因于，不僅控制電壓值必需獲得一個(gè)狀態(tài)，而且前述電壓掃描的形式確定MEMS陣列的可實(shí)現(xiàn)的狀態(tài)。例如，為實(shí)現(xiàn)010狀態(tài)，控制電壓被從V6至V2至V4掃描。
圖5顯示了本發(fā)明的第一實(shí)際的具體實(shí)施例。圖5顯示了具有不同寬度的三個(gè)不同磁滯曲線。在本具體實(shí)施例中，通過(guò)彈性系數(shù)k調(diào)整電壓Vopen和Vclose(磁滯)。因此，在圖5中三個(gè)不同磁滯寬度的原因在于三個(gè)不同彈性系數(shù)k。如第二步驟，磁滯曲線具有如參考圖6說(shuō)明的偏移。
圖6顯示了單獨(dú)的各自MEMS單元的三個(gè)不同電容量-電壓曲線，其具有不同數(shù)量磁滯并且互相居中的。為了偏移電容量-電壓曲線，合適數(shù)量電荷注入被使用。電荷注入C1和C3具有同樣的極性。表1顯示了在每個(gè)步驟后每個(gè)電容器的各自Vopen和Vclose值。
表1在Vopen和Vclose(步驟1)的調(diào)整和磁滯曲線的偏移(步驟2)后，三個(gè)MEMS電容器的電壓值。
通過(guò)六種不同方法，可實(shí)現(xiàn)Vclose和Vopen的調(diào)整。
方法1使用彈性系數(shù)k和激勵(lì)區(qū)域A的調(diào)整。Vclose及Vopen通過(guò)同一因子√(k/A)改變，因此Vclose具有顯著地大于用于Vopen的大的絕對(duì)調(diào)整范圍。通過(guò)使用與MEMS電容器串聯(lián)的固定電容器可獲得類似效果，即電容電壓分配器。此后MEMS電容器上的有效電壓是(Cmems/(Cmems+Cfixed))*Vcontrol。
方法2改變電介質(zhì)層的有效介電常數(shù)εeff。對(duì)于給定控制電壓，在關(guān)閉狀態(tài)中上部電極上的靜電力隨εeff的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)。因此，可使用因子√(1/εeff)調(diào)整Vopen。Vclose也受此某種程度的影響。在第一電容器中關(guān)閉層、在第二電容器中的圖案層以及在第三電容器中的非介電層的使用也是可能的。此外，介電層厚度還有各自電容器之間空氣間隙的變化也是可能的。
方法3公開(kāi)了通過(guò)使用(絕緣)間隔在其關(guān)閉狀態(tài)中上部電極位移的變化。通過(guò)靜電力被匹配的彈力隨位移增長(zhǎng)而增長(zhǎng)。每個(gè)電容器可具有不同間隔高度或不同數(shù)量/位置的間隔。這可被用于調(diào)整Vopen，而使Vclose不受影響。
方法4使用電荷包含(介電)層取代介電層。這可通過(guò)在絕緣體(即SiO2)中離子注入來(lái)實(shí)現(xiàn)。被固定電荷將偏移Vopen和Vclose。根據(jù)V＝Q/C，Vclose的偏移將大于Vopen的偏移。當(dāng)在1pF0.1mm電容器上使用單價(jià)離子用于注入時(shí)，對(duì)于1V的電壓偏移需要1010個(gè)離子/cm2的劑量。通過(guò)構(gòu)造被充電層或?qū)嵤┦褂谜诠獍宓倪x擇注入可改變單個(gè)元件的電壓偏移。通過(guò)注入的極性、注入的位置(在底部電極上部附近)、以及外加電壓極性確定偏移是增加還是減少。
方法5使用鐵電材料以控制磁滯。
方法6使用不同彈性系數(shù)的MEMS電容器的錨定器。這引起影響Vopen的電容器的“角色偏移”樣(“role-off”-like)打開(kāi)。通過(guò)改變?cè)诟髯栽g的彈性系數(shù)的差異，Vopen被改變。
圖7、8和9顯示了依照為了改變彈性系數(shù)而使用不同數(shù)量的彈性元件或鉸鏈來(lái)調(diào)整圖5、6顯示的磁滯曲線的實(shí)際具體實(shí)施例。換言之，調(diào)整包括使用不同數(shù)量的彈性元件或鉸鏈的不同彈性系數(shù)的組合，以及在介電物質(zhì)中電荷注入。如圖5、6所示調(diào)整彈性系數(shù)。使用合適數(shù)量電荷注入的電容量-電壓曲線的偏移被顯示在圖7和圖9中。在C1和C3中電荷注入具有同樣的極性。使用不同極性的外部施加電壓(DC電壓)，激勵(lì)電壓分別地被增加和減小。圖7中的外部施加電壓不同于在圖9中的外部施加電壓。
圖10顯示了MEMS開(kāi)關(guān)的例子。該開(kāi)關(guān)被制造在不導(dǎo)電基底2上。導(dǎo)電底部電極4、6被裝配在基底2的上部。由不導(dǎo)電基底制造的梁10、11被裝配在基底2上。在激勵(lì)電容器12的底部電極和激勵(lì)電容器14的上部電極之間產(chǎn)生向下拉拽梁10、11的靜電力，該底部電極被裝配在不導(dǎo)電基底2上，該上部電極被裝配在梁10上。假如在電容器12和14之間的靜電力是足夠的強(qiáng)，則梁10、11被向下拉拽，并且8和4、8和6之間的連接被建立。假如14和12之間的靜電力減小，梁的彈力增加，從而開(kāi)關(guān)打開(kāi)8和4、8和6之間的連接。
圖11顯示了MEMS開(kāi)關(guān)的截面圖。在開(kāi)關(guān)制作的開(kāi)始，載體20被制造。在載體20的上部是鈍化層22。在鈍化層22的上部是介電層30、32和第一金屬層24、26、28。犧牲層34、36被裝配在介電層30、32的上部。第三金屬層40被裝配在第一金屬層24的上部，以及第三金屬層44被裝配在一金屬層28的上部。隔離層(PI)46被裝配在第三金屬層40的上部。隔離層(PI)48被裝配在犧牲層34、第三金屬層44的上部，以及部分在第三金屬層42的上部。第二金屬層38連接至第三金屬層42的底部。在第一金屬層26和第三金屬層44之間產(chǎn)生靜電力。假如靜電力向下拉拽包括部件38、42、44和48的錨定器，則此后在部件24和28之間建立電連接。在靜電力減小的情況下，所述錨定器上并打開(kāi)電連接。顯示在圖11中的開(kāi)關(guān)的截面圖對(duì)應(yīng)于A′-A″線。
圖12顯示了開(kāi)關(guān)的頂視圖。該視圖顯示每個(gè)開(kāi)關(guān)實(shí)際包括兩個(gè)單獨(dú)的被命名為A和被命名為B的開(kāi)關(guān)。圖12顯示與圖11中標(biāo)記為40的部件對(duì)應(yīng)的普通輸入50。第一金屬層52與圖11中的第一金屬層24對(duì)應(yīng)。開(kāi)關(guān)A的輸出66與圖11中的第三金屬層42對(duì)應(yīng)。開(kāi)關(guān)B的輸出與標(biāo)記為54的部件對(duì)應(yīng)。開(kāi)關(guān)B的輸出54也是第三金屬層。圖11的第一金屬層與圖12中的第一金屬層64對(duì)應(yīng)。部件56也是第一金屬層。圖12的地60也是第三金屬層，并且與圖11的標(biāo)記44相對(duì)應(yīng)。標(biāo)記為62的部件是開(kāi)關(guān)A的DC驅(qū)動(dòng)，以及標(biāo)記為58的部件是開(kāi)關(guān)B的DC驅(qū)動(dòng)。
對(duì)于每個(gè)開(kāi)關(guān)，靜電驅(qū)動(dòng)位于對(duì)應(yīng)于24、26、28的第一金屬層和對(duì)應(yīng)于40、42及44第三金屬層之間。在“標(biāo)準(zhǔn)”配置中，開(kāi)關(guān)處于所謂的打開(kāi)位置，即，沒(méi)有連接被建立。當(dāng)施加電壓時(shí)，位于對(duì)應(yīng)于24、26及28的第一金屬層和對(duì)應(yīng)于40、42及44的第三金屬層之間的靜電力向下拉拽第三金屬層。被連接至第三金屬層44且通過(guò)是隔離層(PI)48的鈍化層隔離的是也可制造在第三金屬層42中的第二部分。這部分可是個(gè)線圈。當(dāng)連接被建立時(shí)，第三金屬層部分42通過(guò)第二金屬層38延伸，以靠近第一金屬層24。即兩個(gè)開(kāi)關(guān)A和B的公共輸入50和驅(qū)動(dòng)62或58或二者之間的連接貫穿第三金屬層42、第二金屬層38部分和第一金屬層24被建立。
本文件包含的本發(fā)明的新的特征和優(yōu)點(diǎn)已在前面說(shuō)明中被提出。然而可以理解，這個(gè)公開(kāi)在許多方面僅是說(shuō)明。在不超出本發(fā)明的范圍的情況下，可以改變細(xì)節(jié)，尤其在部件的形狀、尺寸和布局方面。。當(dāng)然，本發(fā)明的范圍由附屬的權(quán)利要求的表述所確定。
權(quán)利要求
1.一種包括微電子機(jī)械系統(tǒng)單元陣列MEMS的電子設(shè)備，所述陣列在其輸出具有多個(gè)狀態(tài)，其中各個(gè)MEMS單元具有第一狀態(tài)和第二狀態(tài)，和其中從第一狀態(tài)向第二狀態(tài)的轉(zhuǎn)換受打開(kāi)電壓的影響，以及從第二狀態(tài)向第一狀態(tài)的轉(zhuǎn)換受關(guān)閉電壓的影響，和陣列包括用于被施加至所有MEMS單元的信號(hào)控制電壓的輸入，從而通過(guò)改變信號(hào)控制電壓來(lái)獲得陣列的各種狀態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的電子設(shè)備，其特征在于各個(gè)MEMS單元具有特征磁滯曲線，以使打開(kāi)電壓不同于關(guān)閉電壓，其一個(gè)MEMS單元的特征磁滯曲線和對(duì)應(yīng)的打開(kāi)和關(guān)閉電壓不同于另一個(gè)MEMS單元的特征磁滯曲線和對(duì)應(yīng)的打開(kāi)和關(guān)閉電壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中陣列中的MEMS單元并聯(lián)連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中陣列中的MEMS單元數(shù)量在2到10的范圍內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中用于信號(hào)控制電壓的輸入是晶體管。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，包括多個(gè)MEMS單元陣列，各個(gè)陣列具有用于信號(hào)控制電壓的輸入。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中陣列中的每個(gè)MEMS單元具有固定電極和可移動(dòng)電極，該可移動(dòng)電極可朝向和背離固定電極移動(dòng)，分別通過(guò)關(guān)閉和打開(kāi)電壓的應(yīng)用，以使在第一狀態(tài)中固定和可移動(dòng)電極之間的距離比在第二狀態(tài)中的小，可移動(dòng)電極實(shí)質(zhì)上懸浮平行于固定電極并且通過(guò)至少一個(gè)具有彈性系數(shù)的懸臂被錨定至支撐結(jié)構(gòu)上，MEMS單元被配備有用于提供關(guān)閉和打開(kāi)電壓的帶有激勵(lì)區(qū)域的激勵(lì)電極。
8.根據(jù)權(quán)利要求2的設(shè)備，其中陣列中的第一和第二MEMS單元具有不同特征磁滯曲線，在其中第一和第二MEMS單元的控制電極的激勵(lì)區(qū)域是不同的和/或懸臂的彈性系數(shù)是不同的。
9.根據(jù)權(quán)利要求7的設(shè)備，其中-至少一個(gè)具有介電常數(shù)的介電層位于固定電極和可移動(dòng)電極之間，以使MEMS單元是MEMS電容器，其中電容器第一狀態(tài)具有第一狀態(tài)電容量，和-陣列中的第一和第二MEMS電容器具有不同特征磁滯曲線，在其中第一和第二MEMS電容器的第一狀態(tài)電容量是不同的。
10.根據(jù)權(quán)利要求2的設(shè)備，其中設(shè)計(jì)一個(gè)MEMS單元與另一個(gè)MEMS單元不同的各自寬度的特征磁滯曲線，以使具有較小寬度的磁滯曲線被完全定位在具有下一個(gè)較大寬度的磁滯曲線的寬度內(nèi)。
11.根據(jù)權(quán)利要求2的設(shè)備，其中MEMS單元的特征磁滯曲線在操作表中是圍繞公共中心線居中的。
12.用于驅(qū)動(dòng)依據(jù)任何前述權(quán)利要求的微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)單元陣列的方法，其中單一控制電壓被施加在陣列中的MEMS單元的公共線，電壓被改變以獲得陣列的各種狀態(tài)。
全文摘要
用于驅(qū)動(dòng)微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)設(shè)備陣列的方法，所述陣列在其輸出具有多個(gè)邏輯或記憶狀態(tài)，其中MEMS設(shè)備被給予一個(gè)MEMS設(shè)備與另一MEMS設(shè)備不同的特征磁滯曲線，并且其中單一信號(hào)控制電壓被施加至所有MEMS設(shè)備，同時(shí)通過(guò)改變單一控制電壓獲得陣列的各種狀態(tài)。
文檔編號(hào)H01H59/00GK1723606SQ200380105502
公開(kāi)日2006年1月18日 申請(qǐng)日期2003年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月10日
發(fā)明者T·G·S·M·里克斯, M·馬特斯, J·T·M·范比克 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司