可開關(guān)電容器的制造方法
【專利摘要】一種可開關(guān)電容器，具有：電介質(zhì)；一對(duì)電極，所述電極中的第一電極在其上具有所述電介質(zhì)，并且當(dāng)所述可開關(guān)電容器處于非致動(dòng)狀態(tài)時(shí)，所述電極中的第二撓性電極被懸置在所述電介質(zhì)上方；和，頂板，其設(shè)置在所述電介質(zhì)和所述第二撓性電極之間并且被連接到參考電勢(shì)。當(dāng)所述可開關(guān)電容器被靜電驅(qū)動(dòng)到致動(dòng)狀態(tài)時(shí)，所述電極中的所述第二電極接觸所述頂板，并且，當(dāng)所述可開關(guān)電容器返回到所述非致動(dòng)狀態(tài)時(shí)，在所述頂板上的電荷被放電到所述參考電勢(shì)。
【專利說明】
可開關(guān)電容器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本公開內(nèi)容一般地涉及可開關(guān)電容器，更具體地涉及用于在微波傳輸線的輸入部分和輸出部分之間選擇性耦合或分離微波信號(hào)的可開關(guān)電容器。

【背景技術(shù)】
[0002]如本領(lǐng)域中所知，有時(shí)需要在微波傳輸線的輸入部分和輸出部分之間提供開關(guān)。用于完成該功能的一種裝置是射頻(RF)微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)開關(guān)。這種現(xiàn)存類型的開關(guān)通常具有基底，在該基底上具有兩個(gè)間隔開的導(dǎo)電立柱。該開關(guān)包括可開關(guān)電容器，其在設(shè)置在立柱的底部之間但是與立柱的底部電隔離的基底上具有導(dǎo)電部分(例如，可開關(guān)電容器的下電極)。該下電極被一層固體的電介質(zhì)材料覆蓋。撓性導(dǎo)電隔膜(例如，可開關(guān)電容器的上電極)在立柱的頂部之間延伸，并且具有電連接到立柱的頂部的其端部，由此該撓性導(dǎo)電隔膜的中心部分被懸置在下電極的上方。微波傳輸線的輸入部分被耦合到第一和第二電極中的一個(gè)上，并且，在傳輸線上的輸出部分被耦合到傳輸線中的另一個(gè)上。
[0003]RF信號(hào)通常被施加到輸入部分上，并且通過開關(guān)被電容耦合到輸出部分上。更具體地，該開關(guān)包括在上電極和下電極之間耦合的可開關(guān)電壓電源，用于在第一電極和第二電極之間(即，在下電極和上電極之間)產(chǎn)生可開關(guān)靜電力。該可開關(guān)靜電力改變第一和第二電極之間的間隔，因此根據(jù)可開關(guān)偏置電壓電源產(chǎn)生的電壓可選擇地切換開關(guān)的電容。
[0004]更具體地，在沒有由可開關(guān)電壓電源產(chǎn)生的電壓的情況下(即，在非致動(dòng)或者無(wú)致動(dòng)的狀態(tài)下)，第二撓性電極在低電容狀態(tài)下在第一電極和固體電介質(zhì)層兩者上方隔開。為了致動(dòng)所述開關(guān)，可開關(guān)電壓電源被連接在第一和第二電極之間。該偏置電壓在第一和第二電極上產(chǎn)生了靜電電荷，并且該電荷使得第一和第二電極被互相靜電吸附。該吸附使得第二撓性電極的中心部分朝向第一電極向下運(yùn)動(dòng)，并且接觸固體電介質(zhì)層的頂部；這是開關(guān)的致動(dòng)位置或者高電容狀態(tài)。
[0005]在開關(guān)的該致動(dòng)狀態(tài)下，在第一和第二電極之間的間隔小于在非致動(dòng)狀態(tài)下的間隔。因此，在致動(dòng)狀態(tài)下，在第一和第二電極之間耦合的電容顯著地大于在非致動(dòng)狀態(tài)下的電容。因此，在致動(dòng)狀態(tài)下，通過第一和第二電極中的一個(gè)行進(jìn)的RF信號(hào)以其整體電容耦合到沿著第一和第二電極中的另一個(gè)行進(jìn)的信號(hào)。
[0006]為了使得開關(guān)非致動(dòng)，DC偏置電壓被關(guān)閉。第二撓性電極的固有彈性然后返回到其初始位置，其表示開關(guān)的非致動(dòng)狀態(tài)。因?yàn)樵诘谝缓偷诙姌O之間耦合的電容比在非致動(dòng)狀態(tài)下低得多，所以通過第一和第二電極中的一個(gè)行進(jìn)的RF信號(hào)與沿著第一和第二電極中的另一個(gè)行進(jìn)的信號(hào)進(jìn)行小的電容耦合或者沒有電容耦合。
[0007]本發(fā)明人已經(jīng)意識(shí)到，在有些應(yīng)用中，需要在用于高能應(yīng)用的第二撓性電極上具有高的下拉電壓，因?yàn)槿绻吕妷禾停敲碦F微波信號(hào)本身能致動(dòng)開關(guān)，這是不需要的效果。如果在傳統(tǒng)的RFMEMS開關(guān)上的下拉電壓增加，那么當(dāng)MEMS開關(guān)被關(guān)閉時(shí)(即，處于致動(dòng)狀態(tài)時(shí))，這會(huì)增加固體電介質(zhì)中的電場(chǎng)強(qiáng)度。這會(huì)導(dǎo)致固體電介質(zhì)擊穿或者固體電介質(zhì)的過充電，其能導(dǎo)致第二撓性電極的“靜摩擦”，該“靜摩擦”能使得撓性隔膜甚至在DC偏置電壓被關(guān)閉并且開關(guān)返回到非致動(dòng)狀態(tài)之后還保持位于下部或者關(guān)閉位置。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]根據(jù)本發(fā)明，提供了一種可開關(guān)電容器，其具有:固體電介質(zhì)；一對(duì)電極，電極中的第一電極在其上具有固體電介質(zhì)，當(dāng)可開關(guān)電容器處于非致動(dòng)狀態(tài)時(shí)，電極中的第二撓性電極懸置在固體電介質(zhì)上方；和，設(shè)置在固體電介質(zhì)和第二撓性電極之間并且被連接到參考電勢(shì)上的頂板。該頂板被耦合到參考電勢(shì)上。當(dāng)可開關(guān)電容器被靜電驅(qū)動(dòng)到致動(dòng)狀態(tài)時(shí)，電極中的第二撓性電極接觸頂板，并且，當(dāng)可開關(guān)電容器返回到非致動(dòng)狀態(tài)時(shí)，在頂板上的電荷被放電到參考電勢(shì)。
[0009]在一個(gè)實(shí)施例中，提供了一種開關(guān),具有:固體電介質(zhì)；一對(duì)電極，所述電極中的第一電極在其上具有所述固體電介質(zhì)，并且當(dāng)所述可開關(guān)電容器處于非致動(dòng)狀態(tài)時(shí)，所述電極中的第二撓性電極被懸置在所述固體電介質(zhì)上方；和帶孔的金屬的或者阻抗的頂板，其設(shè)置在所述固體電介質(zhì)和所述第二撓性電極之間并且被連接到參考電勢(shì)。金屬的或者阻抗的頂板制造成具有多個(gè)孔，固體電介質(zhì)通過所述多個(gè)孔暴露。該結(jié)構(gòu)包括可開關(guān)電壓電源，其在所述第一電極和所述第二電極之間耦合，用于在所述第一電極和所述第二電極之間產(chǎn)生可開關(guān)靜電力，以在致動(dòng)狀態(tài)和所述非致動(dòng)狀態(tài)之間靜電驅(qū)動(dòng)所述電容器。當(dāng)所述可開關(guān)電容器被靜電驅(qū)動(dòng)到所述致動(dòng)狀態(tài)時(shí)，所述電極中的所述第二電極接觸所述頂板。當(dāng)該情況發(fā)生時(shí)，頂板和第二電極等電勢(shì)，因而在它們之間不存在靜電力。靜電力通過頂板上的孔保持在頂板和下電極之間。施加到上電極上的力是施加電壓和孔的組合面積的函數(shù)。此處的優(yōu)勢(shì)是陷入到頂板下方的電荷被頂板屏蔽，并且不影響撓性第二電極的致動(dòng)電壓。如果在被致動(dòng)時(shí)，固體電介質(zhì)在頂板有孔的地方俘獲電荷，那么該電荷會(huì)是最少并且不足夠抑制第二電極。一旦釋放了第二電極，那么保留在頂板下方的固體電介質(zhì)中的任何電荷都會(huì)在頂板處終止，因而第二電極會(huì)僅參照頂板的電勢(shì)，而不是固體電介質(zhì)內(nèi)部的電荷。放電路徑設(shè)置在頂板的無(wú)孔部分和參考電勢(shì)之間，以在可開關(guān)電容器返回到非致動(dòng)狀態(tài)時(shí)使得頂板上的電荷去除。
[0010]在一個(gè)實(shí)施例中，設(shè)置一種開關(guān)系統(tǒng)，具有:基底；微波傳輸線，具有輸入部分和輸出部分；和設(shè)置在所述基底上的可開關(guān)電容器。該電容器包括:固體的電介質(zhì)；一對(duì)電極，所述電極中的第一電極在其上具有所述固體電介質(zhì)，并且當(dāng)所述可開關(guān)電容器處于非致動(dòng)狀態(tài)時(shí)，所述電極中的第二撓性電極被懸置在所述固體電介質(zhì)上方，并且，其中，當(dāng)所述電容器被切換到致動(dòng)狀態(tài)時(shí)，所述電極中的所述第二撓性電極被靜電驅(qū)動(dòng)朝向所述第一電極；和頂板，其設(shè)置在所述固體電介質(zhì)和所述第二撓性電極之間并且被連接到參考電勢(shì)。可開關(guān)電壓電源，其在所述第一電極和所述第二電極之間耦合，用于在所述第一電極和所述第二電極之間產(chǎn)生可開關(guān)靜電力，以在所述致動(dòng)狀態(tài)和所述非致動(dòng)狀態(tài)之間靜電驅(qū)動(dòng)所述電容器。電壓電源在致動(dòng)電壓和較低的非致動(dòng)電壓之間切換。當(dāng)所述可開關(guān)電容器被靜電驅(qū)動(dòng)到所述致動(dòng)狀態(tài)時(shí):在所述輸入部分上的微波能量通過所述可開關(guān)電容器被耦合到所述輸出部分上；并且所述電極中的所述第二電極接觸所述頂板，并且在電極的第二電極上的電荷被放電到低于可開關(guān)電壓電源的致動(dòng)電壓的電壓，由此限制了跨越固體電介質(zhì)層的電壓。
[0011]在一個(gè)實(shí)施例中，頂板是阻抗的，電路設(shè)置成加熱阻抗頂板。
[0012]在一個(gè)實(shí)施例中，電路包括阻抗頂板。
[0013]在下面的附圖和說明書中說明了本發(fā)明的一個(gè)或者多個(gè)實(shí)施例的細(xì)節(jié)。從說明書和附圖，并且從權(quán)利要求書中，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)勢(shì)會(huì)變得顯而易見。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是根據(jù)本發(fā)明的開關(guān)系統(tǒng)的俯視圖；
[0015]圖2A是根據(jù)本發(fā)明的圖1的開關(guān)系統(tǒng)的截面概略圖；
[0016]圖2B是在圖1的開關(guān)系統(tǒng)的開關(guān)中使用的頂板的俯視圖；
[0017]圖2C是圖1的開關(guān)系統(tǒng)處于打開或者非致動(dòng)狀態(tài)中的示意圖；
[0018]圖2D是圖1的開關(guān)系統(tǒng)處于關(guān)閉或者致動(dòng)狀態(tài)中的示意圖；
[0019]圖3是根據(jù)本發(fā)明的替代實(shí)施例的開關(guān)系統(tǒng)的圖1的開關(guān)系統(tǒng)的截面概略圖，該開關(guān)系統(tǒng)處于非致動(dòng)狀態(tài)；
[0020]圖3A是處于致動(dòng)狀態(tài)下的圖3的開關(guān)系統(tǒng)的截面概略圖；
[0021]圖3B是圖3A的開關(guān)系統(tǒng)的放大更具體的截面概略圖，開關(guān)處于如圖3A所示的致動(dòng)狀態(tài)下；和
[0022]圖4是根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的開關(guān)系統(tǒng)的截面概略圖。
[0023]在各附圖中的同樣的參考標(biāo)記表示同樣的元件。

【具體實(shí)施方式】
[0024]現(xiàn)在參照?qǐng)D1和2A，示出了開關(guān)系統(tǒng)10，其具有:絕緣基底12 ;微波傳輸線14，此處例如為在基底12的一個(gè)表面上(此處為上表面)具有條形導(dǎo)體線路16并且在基底12的相對(duì)表面上(即，背面)具有接地平面導(dǎo)體18的微波傳輸線。應(yīng)該理解，其它類型的微波傳輸線也可以使用，例如，共面波導(dǎo)(CPW)，其中接地平面導(dǎo)體18會(huì)與條形導(dǎo)體線路16處于同一表面上。在任一,清況下，微波傳輸線14的傳輸線14的輸入部分19的條形導(dǎo)體線路16被連接到一對(duì)導(dǎo)電的垂直延伸立柱中的一個(gè)22上，微波傳輸線14的輸出部分20的條形導(dǎo)體線路16被連接到所述一對(duì)導(dǎo)電的垂直延伸立柱中的另一個(gè)24上。
[0025]開關(guān)系統(tǒng)10包括設(shè)置在基底12上的可開關(guān)電容器26。該電容器26包括:固體電介質(zhì)28，此處例如為氮化硅；一對(duì)電極30，32，電極中的第一電極30接地到接地平面18上并且在其上具有電介質(zhì)28，當(dāng)開關(guān)系統(tǒng)10(即，開關(guān)電容器26)處于非致動(dòng)狀態(tài)下時(shí)，第二撓性電極32由導(dǎo)電立柱22，24通過空氣懸置在電介質(zhì)28上方，如圖2A和2B所示，并且，其中當(dāng)開關(guān)系統(tǒng)10 (即，開關(guān)電容器26)被切換到致動(dòng)狀態(tài)下時(shí)，第二撓性電極32朝向第一電極30被向下靜電驅(qū)動(dòng)，如圖2D所示。
[0026]頂板40(圖2B)設(shè)置在電介質(zhì)28和第二撓性電極32之間在電介質(zhì)28 (圖2A)上。頂板40通過電阻器50 (圖1和2A)被連接到參考電勢(shì)，此處為接地(GND)。頂板40可以是導(dǎo)體材料，例如為金，或者可以為電阻材料，例如為氧化錫，這將在下面進(jìn)行說明，該頂板在其中形成有排列的孔41，如圖2B所示。頂板40的使用增加了開關(guān)中的電容，因?yàn)槿绻麤]有頂板，撓性電極32不能在電介質(zhì)28上方在整個(gè)區(qū)域上進(jìn)行緊密接觸。更具體而言，對(duì)于撓性電極32的一些部分而言，小的氣隙可能存在于撓性電極32和電介質(zhì)28之間，這導(dǎo)致在致動(dòng)位置在最大電容上的減少。該RF MEMS電路10的附帶益處是，由于頂板40和電介質(zhì)28之間的緊密接觸，當(dāng)開關(guān)被閉合時(shí)在MEMS電容上的預(yù)期增加。
[0027]該撓性電極32此處例如為0.1到Ium數(shù)量級(jí)厚度的鋁，頂板40此處例如為具有0.01到Ium厚度的鋁或者TiW，電介質(zhì)28此處例如為0.1到0.5um厚度的氮化硅，下電極30此處例如為0.1到Ium的厚度。當(dāng)處于如圖2D所示的致動(dòng)狀態(tài)時(shí)頂板40與撓性電極32之間的接觸面積57可以在從10x10到>500x500的范圍內(nèi)。通常，是約100x100。孔41可以是矩形或者正方形或者圓形。在立柱22，24在支撐撓性電極32的兩端上的分開距離可以是例如在約50和500um的寬度之間的任何數(shù)值，或者更大；通常為約300um。在頂板40上的孔41直徑為l-25um之間的任意值，間隔開5_25um。
[0028]偏置電壓電源42是在第二電極32和接地端之間通過電阻器44耦合的可開關(guān)偏置電壓電源，如圖所示。該可開關(guān)電壓電源42可以是正、負(fù)或者交流電壓電源。在該實(shí)施例中，該可開關(guān)或者脈沖電壓電源42在其輸出43處在接地電壓和正電壓之間切換，由此在第一電極30和第二電極32之間產(chǎn)生可開關(guān)靜電力，用于在如圖2D所示的致動(dòng)狀態(tài)(當(dāng)電源42相對(duì)于接地端在輸出43處產(chǎn)生正電勢(shì)時(shí))和如圖2C所示的非致動(dòng)狀態(tài)(S卩，當(dāng)電壓電源42在輸出43處產(chǎn)生接地電壓時(shí))之間靜電地驅(qū)動(dòng)開關(guān)10 (即，可開關(guān)電容器26)。注意到，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)慣例，使用并且設(shè)置與輸入部分19和/或輸出部分20串聯(lián)的未示出的直流阻隔電容器，以使得脈沖電壓電源42與傳輸線絕緣。
[0029]當(dāng)可開關(guān)電容器26處于非致動(dòng)狀態(tài)時(shí)(即，第二電極32與頂板40分離開，如圖2B或者2C所示)，在輸入部分19上的微波能通過開關(guān)10被耦合到輸出部分20上。另一方面，當(dāng)可切換電容器26處于致動(dòng)狀態(tài)時(shí)，如圖2D所示，在輸入部分19上的微波能與輸出部分20脫開耦合，并且通過接地的第一電極30通到接地端。當(dāng)可開關(guān)電容器被靜電驅(qū)動(dòng)到致動(dòng)狀態(tài)時(shí)，電極中的第二撓性電極接觸頂板，并且，當(dāng)可開關(guān)電容器返回到非致動(dòng)狀態(tài)時(shí)，在頂板40上的電荷從頂板40放電到參考電勢(shì)。
[0030]更特別地，設(shè)置在電介質(zhì)28上的頂板40通過高值電阻器50被連接到參考電勢(shì)，此處為接地電勢(shì)。連接到頂板40上的電阻器50的電阻足夠高，以防止顯著的RF或者直流電流在第二撓性電極32和頂板40之間流動(dòng)到參考電勢(shì)，此處為接地電勢(shì)。電阻器50的該高值電阻，例如為兆歐姆，確保在頂板40和第二撓性電極32之間沒有當(dāng)開關(guān)被致動(dòng)時(shí)可能使得頂板40和第二撓性電極32熔合的電弧電流。在電介質(zhì)28上的頂板40可以是好的導(dǎo)體，例如為金或者鋁，或者為電阻材料，例如為鈦的氧氮化物。對(duì)于頂板40使用電阻材料能進(jìn)一步減少由于當(dāng)?shù)诙闲噪姌O32與頂板40進(jìn)行接觸時(shí)的電弧而失效的可能性。
[0031]現(xiàn)在參照?qǐng)D2C，當(dāng)頂部電極32開始接收足夠的正電壓時(shí)(即，來自電源42的電壓相對(duì)于地而言變成正值)，靜電場(chǎng)53建立在電極32和頂板40之間，除了存在孔41的位置之外(即，頂板的沒有孔的部分)。在存在孔41的位置，靜電場(chǎng)54建立在成對(duì)的電極30，32之間。靜電場(chǎng)54比靜電場(chǎng)53具有更大的量值，并且兩個(gè)靜電場(chǎng)都迫使電極32向下朝向電極30，直到頂部撓性隔膜與頂板40的沒有孔的部分進(jìn)行接觸。
[0032]在該初始致動(dòng)之后，由電源42產(chǎn)生的電壓還是高的。注意到，在電極32和頂板40的無(wú)孔或者接觸部分57之間一旦它們接觸就不存在靜電場(chǎng)53 (圖2C);但是，靜電場(chǎng)54保留在一對(duì)電極30，32之間,注意到,該靜電場(chǎng)54在量值上也顯著增加，因?yàn)橐粚?duì)電極30，32之間的距離已經(jīng)減少。這些靜電場(chǎng)54負(fù)責(zé)保持切換結(jié)構(gòu)26處于致動(dòng)狀態(tài)。在成對(duì)的電極30，32之間不進(jìn)行接觸，由此限制了電荷傳送。此時(shí)，頂板40的無(wú)孔部分和電極32電勢(shì)相同。所有的電壓通過大的電阻器50和44都下降，由此維持電荷在電極32上并且由此維持電場(chǎng)54。
[0033]當(dāng)電壓電源42被切換到在輸出43處產(chǎn)生接地電勢(shì)時(shí)，電場(chǎng)54(圖2D)被去除。由于使得通過使用頂板40存在的充電場(chǎng)44處的面積最小，留在電介質(zhì)28上的任何殘余電荷被最小化。沒有足夠的靜電力，電極32就恢復(fù)到其之前的向上的位置，如圖2C所示。通過使得任何殘余電荷場(chǎng)線在頂板40處在電介質(zhì)中終止，通過電阻器50被連接到接地端上的頂板40也防止致動(dòng)電壓的任何改變，因而頂板40的電壓不受陷入電荷的影響，更重要的是，在頂板40和撓性電極32之間的電場(chǎng)53和靜電力不受頂板40下方的電介質(zhì)28中的陷入電荷的影響。
[0034]再次參照?qǐng)D2D，注意到，當(dāng)開關(guān)處于致動(dòng)狀態(tài)下，電流從電源43通過電阻器44、通過撓性電極32、通過頂板40、通過電阻器50并且返回到接地端。在頂板40和接地端之間的電壓等于輸出43處的電壓乘以電阻器50的電阻值與電阻器50的電阻值和電阻器43的電阻值之和的比率R。只要第二撓性電極32高于并且不接觸電介質(zhì)28頂部的頂板40，那么跨越第二撓性電極32和電介質(zhì)28之間的氣隙、以及跨越第二撓性電極32和頂板40之間的氣隙就存在全電勢(shì)，由此施加最大力，以關(guān)閉開關(guān)10。
[0035]更特別地，當(dāng)開關(guān)10被關(guān)閉時(shí)，即第二撓性電極32在電介質(zhì)28頂部的點(diǎn)P處(圖2D)接觸頂板40時(shí)，跨越電介質(zhì)28的電壓壓降與比率R成比例，該比率R是分流電阻器50的量值與包括分流電阻器的偏壓電路中的總電阻(即，電阻器44的電阻和電阻器50的電阻之和)的比率。因此，直流電路提供了電壓分配器，并且電阻器50的分流電阻越低，跨越電介質(zhì)28的施加電壓越低。例如，如果分流電阻50的量值等于在第二撓性電極偏壓電路60中的電阻44的量值，那么跨越電介質(zhì)的電壓會(huì)以半數(shù)降低，而電源42的全電壓仍然可用于關(guān)閉開關(guān)10。必要的是，只要施加了第二撓性電極偏壓60，那么跨越電介質(zhì)的最終電壓就足夠抑制第二撓性電極32。雖然采用本發(fā)明已經(jīng)消除了由于在電介質(zhì)28中存儲(chǔ)的電荷導(dǎo)致的靜摩擦的開關(guān)失效，但是跨越電介質(zhì)28的電壓的降低提供了一個(gè)附加好處:增加了由于電介質(zhì)擊穿引起失效的平均時(shí)間。
[0036]當(dāng)撓性電極32返回到上部位置時(shí)(S卩，當(dāng)脈沖去除時(shí))，從頂板40通過大電阻器50到地的放電路徑使得頂板40上的電荷去除。這是重要的，因?yàn)槲覀冃枰谙乱粋€(gè)“打開”脈沖之前頂板40被放電到地面電勢(shì)。否則，在電極32和頂板40之間的靜電場(chǎng)53在頂板40上方的氣隙中被減少。該電場(chǎng)與頂板40電勢(shì)和撓性電極32電勢(shì)之間的差成比例。需要的是，該電壓(即，電勢(shì))差在致動(dòng)開始是最大值，因?yàn)檫@兩個(gè)電極40，32之間的分離最大，這降低了電場(chǎng)；即，該電場(chǎng)是由氣隙間隔分配的這個(gè)電勢(shì)差。
[0037]也注意到，當(dāng)撓性電極32返回到上部位置或者非致動(dòng)狀態(tài)時(shí)(即，當(dāng)脈沖被去除時(shí))，通過大電阻器50從頂板40到地的放電路徑也使得固體電介質(zhì)28中的電荷被去除。但是，在頂板40下部的電荷不是非常重要，因?yàn)樗豁敯?0靜電屏蔽(遮蔽)。在電介質(zhì)28中的該電荷由頂板40的電介質(zhì)接觸側(cè)上的電荷彌補(bǔ)，并且由于在頂板40下面的電介質(zhì)28中的電荷，沒有凈電場(chǎng)會(huì)在頂板40上方的氣隙中延伸。在頂板40上方的氣隙中的電場(chǎng)總是由撓性電極32和頂板40之間電勢(shì)上的差確定。重要的是，在頂板40中的孔41下方的電介質(zhì)28上的電荷的確影響氣隙場(chǎng)，因而影響在撓性電極32上的力；8卩，在這些氣隙區(qū)域中頂板40的靜電屏蔽沒有或者極小。在頂板40和接地端(GND)之間通過電阻器50的放電路徑可能會(huì)使得對(duì)于孔中固體電介質(zhì)沒有被去除的情況而言是重要的該電荷放電。隨著電荷慢慢地運(yùn)動(dòng)跨過電介質(zhì)28表面并且通過電介質(zhì)28的塊體，可以把頂板40孔41看作電荷的收集點(diǎn)。
[0038]電阻器50的電阻值與電阻器50的電阻值和電阻器43的電阻值之和的比率R會(huì)取決于系統(tǒng)的其它參數(shù)。更特別地，如果需要跨過電介質(zhì)28的非常低的電壓，那么比率R應(yīng)該是低的或者處于0.7和0.3之間。確定脈沖信號(hào)在撓性電極32處多快出現(xiàn)的開關(guān)10的“電阻”乘以電容(RC)時(shí)間常數(shù)(此處“電阻”是電阻器43的電阻值)可確定連接到撓性電極32上的電阻器43多大。通常，電阻器43的該電阻應(yīng)該小到足夠滿足充電時(shí)間常數(shù)，但應(yīng)該大到足夠使得脈沖供應(yīng)不會(huì)在系統(tǒng)中引起大的電流尖刺。同樣地，連接到頂板40上的電阻器50會(huì)確定頂板40放電多快,等于它的RC時(shí)間常數(shù)。記住，頂板40應(yīng)該在下一個(gè)“打開”脈沖之前被放電。另一方面，電阻器43不能太小，或者撓性電極32的電壓在與頂板40接觸之后不會(huì)大到足夠“抑制”隔膜電極32。對(duì)于不同的系統(tǒng)應(yīng)用，這些電阻器的最優(yōu)數(shù)值可不同。
[0039]從供入到輸入部分19上的RF/微波信號(hào)的角度來看，當(dāng)開關(guān)10處于致動(dòng)狀態(tài)時(shí)(圖2D)由電介質(zhì)28提供的電容會(huì)使得開關(guān)10關(guān)閉時(shí)的高值分流電阻50有效地短路，使得電阻器50在微波性能上的影響最小。當(dāng)開關(guān)10不需要地被關(guān)閉時(shí)，分流電阻50會(huì)增加第二撓性電極32偏壓供應(yīng)42的功率消耗，但是，在有些情況下如果可以提高開關(guān)壽命，那么這可能是值得的。
[0040]換言之，當(dāng)撓性電極32處于下部位置時(shí)，它根據(jù)電阻器50的電阻值與電阻器50的電阻值和電阻器43的電阻值之和的比率R使得頂板40充電到一定電壓。這使得電極4下方的電介質(zhì)28充電；但是，在頂板40下方的電荷被頂板40靜電屏蔽，因而不會(huì)影響電極40和撓性電極32之間的電場(chǎng)，由此不會(huì)影響撓性隔膜電極32上的力。在下部位置，撓性電極32也使得在頂板40中的孔41 (圖2B)的下方的電介質(zhì)28充電。當(dāng)電壓電源42被降低到接地電壓以釋放撓性電極32時(shí)，電阻器50在撓性電極32處于上部位置時(shí)使得頂板40上的電荷通過電阻器54被放電到地。但是，停留在電介質(zhì)28的沒有被頂板40覆蓋的部分(即，電介質(zhì)28的通過孔41暴露的部分)上的電荷不會(huì)立即放電，并且能長(zhǎng)時(shí)間保留。這些電荷在電壓電源42被降低到接地之后能使得撓性電極32停留或者粘附到頂板40上，或者當(dāng)電壓電源42從接地值增加到正值時(shí)防止撓性電極32下降。通過電阻器50接地的頂板40為這些電介質(zhì)電荷提供了使得它們釋放到地上的最終路徑，與標(biāo)準(zhǔn)RF MEMS相比，使得充電問題顯著減小，標(biāo)準(zhǔn)RF MEMS沒有接地的頂板40，因而沒有除去能減少標(biāo)準(zhǔn)RF MEMS的操作壽命的這些電荷的便利方式。此外，如果頂板足夠厚，使得撓性電極32不會(huì)通過孔41物理地接觸電介質(zhì)28，那么在孔41下部的電介質(zhì)中存儲(chǔ)的電荷會(huì)極少。
[0041]現(xiàn)在參照?qǐng)D3和3A，此處電介質(zhì)28在頂板40中的孔41下方，即，與其對(duì)準(zhǔn)，設(shè)置有孔80。通過使得電介質(zhì)28的在頂板40中的孔41下方的部分去除，當(dāng)撓性電極32從下部位置釋放時(shí)，最終的氣隙不能存儲(chǔ)任何電荷，因此沒有殘余電荷當(dāng)它在下部時(shí)用于保持撓性電極32，或者防止它隨后關(guān)閉。這會(huì)從影響RF MEMS操作完全地消除電介質(zhì)28充電。
[0042]應(yīng)該理解，如圖1所示，在撓性電極32上有孔78。因此，應(yīng)該注意到，在頂板40中的孔41應(yīng)該從在撓性電極32上的孔78并且從頂板40上的孔41偏移。因而在圖3B中更加清晰地示出了，圖3的開關(guān)在圖3B中示出為處于關(guān)閉或者致動(dòng)位置。
[0043]現(xiàn)在參照?qǐng)D4，示出了開關(guān)系統(tǒng)10。此處，頂板40是有阻抗的，并且電路設(shè)置用于加熱該阻抗的頂板40。該電路包括:在接地端和電阻器50之間耦合的電壓電源90 ;如上指出，電阻器50被連接到頂板40上；此處在頂板40的一端處連接；和，連接到頂板40的相對(duì)端部上并且然后連接到接地端上的電阻器92，如圖所示。此處，在電介質(zhì)29上的頂板40由阻抗材料制成，它可被用于稍微地加熱第一電極30，由此使得濕氣陷入用于開關(guān)10的封裝體(未示出)中，以使得會(huì)進(jìn)一步降低由于第二撓性電極32的濕氣引起的靜摩擦的封裝體的冷卻部分移動(dòng)到頂板40。對(duì)于這種情況，附加的電阻器92為由電壓電源90提供的加熱電流提供了射頻(rf)隔離電流路徑。由頂板40對(duì)于下部電介質(zhì)28的加熱也可能增加電介質(zhì)28通過分流電阻器50放電的速率，由此減少第二撓性電極32靜摩擦。由頂板40對(duì)電介質(zhì)28的加熱也增加了在頂板40中的孔41區(qū)域下的電介質(zhì)電荷在電介質(zhì)28中移動(dòng)以及通過分流電阻器50放電的速率，由此進(jìn)一步地減少了撓性電極32的靜摩擦。
[0044]阻抗頂板40的使用能被用于提高第二撓性電極32當(dāng)它處于與頂板40接觸時(shí)，即，處于下部或者致動(dòng)位置時(shí)的溫度，以降低第二撓性電極32的下拉電壓。對(duì)于這種應(yīng)用情況，該下拉電壓(即，由電源42提供的致動(dòng)電壓)會(huì)被有目的地設(shè)置成比圖2A中高，并且對(duì)于阻抗頂板40的加熱會(huì)被用于使得該下拉電壓降低到所需值，由此彌補(bǔ)由于加工變動(dòng)引起的下拉電壓上的變動(dòng)。如果RF MEMS電路的溫度能獨(dú)立地被確定，那么隨著開關(guān)由于環(huán)境或者RF功率耗散而升溫，該方法可被用于彌補(bǔ)在下拉電壓上的自然減少。對(duì)于這種應(yīng)用情況，由電源供應(yīng)到阻抗頂板40上的功率會(huì)隨著封裝體溫度的增加而減少，由此維持恒定的第二撓性電極32的溫度和下拉電壓。應(yīng)該指出，通過簡(jiǎn)單地使用與MEMS開關(guān)10相鄰的阻抗材料作為加熱器，也能獲得對(duì)于加熱的阻抗頂板40提及的優(yōu)勢(shì)，但是，期望的是，在加熱被改變時(shí)和第二撓性電極32響應(yīng)時(shí)兩者之間的時(shí)間延遲會(huì)更大。
[0045]已經(jīng)說明了本發(fā)明的各個(gè)特征，現(xiàn)在應(yīng)該知道，根據(jù)本發(fā)明的可開關(guān)電容器包括:固體電介質(zhì)；一對(duì)電極，該電極中的第一電極在其上具有固體電介質(zhì)，當(dāng)該可開關(guān)電容器處于非致動(dòng)狀態(tài)時(shí)，該電極中的第二撓性電極懸置在固體電介質(zhì)上方；設(shè)置在固體電介質(zhì)和第二撓性電極之間并且連接到參考電勢(shì)上的頂板，其中，該可開關(guān)電容器被靜電驅(qū)動(dòng)到致動(dòng)狀態(tài)，電極中的第二撓性電極接觸頂板，當(dāng)該可開關(guān)電容器返回到非致動(dòng)狀態(tài)時(shí)，在頂板上的電荷被放電到參考電勢(shì)。該可開關(guān)電容器也包括一個(gè)或者多個(gè)下面的特征:其中，頂板在其中具有孔，其中，電極中的第二電極在其中具有孔，并且，其中，在頂板中的孔與在電介質(zhì)中的孔對(duì)齊；其中，電極中的第二電極在其中具有孔，并且，其中，在電極中的第二電極中的孔與在頂板中的孔偏置；其中，電路包括頂板；并且，其中頂板是阻抗的，并在其中具有孔，其中，電極中的第二電極在其中具有的孔與在頂板中的孔偏置。
[0046]也應(yīng)該知道，根據(jù)本發(fā)明的開關(guān)包括:固體電介質(zhì)；一對(duì)電極，該電極中的第一電極在其上具有固體電介質(zhì)，當(dāng)可開關(guān)電容器處于非致動(dòng)狀態(tài)時(shí)，該電極中的第二撓性電極懸置在電介質(zhì)上方；設(shè)置在電介質(zhì)和第二撓性電極之間并且連接到參考電勢(shì)的頂板；和，在第一電極和第二電極之間耦合的可開關(guān)電壓電源，用于在第一電極和第二電極之間產(chǎn)生可開關(guān)靜電力，以在致動(dòng)狀態(tài)和非致動(dòng)狀態(tài)之間靜電驅(qū)動(dòng)開關(guān)；并且，其中，當(dāng)開關(guān)被靜電驅(qū)動(dòng)到致動(dòng)狀態(tài)時(shí)，電極中的第二電極接觸頂板，并且，當(dāng)開關(guān)返回到非致動(dòng)狀態(tài)時(shí)，頂板上的電荷從頂板被放電到參考電勢(shì)。該開關(guān)也包括一個(gè)或者多個(gè)下面的特征:其中頂板是阻抗的；其中，頂板在其中具有孔，并且，其中電極中的第二電極在其中具有孔，并且，其中，在頂板中的板與在電介質(zhì)中的孔對(duì)齊；其中，電極中的第二電極在其中具有孔，并且，其中，在電極中的第二電極中的孔與在頂板中的孔偏置；其中，頂板是阻抗的，并且包括用于加熱頂板的電路；其中，該電路包括頂板；其中，當(dāng)電極中的第二電極接觸頂板時(shí)，跨越電介質(zhì)的電壓在一點(diǎn)處被及時(shí)地降低；其中，固體的電介質(zhì)在其中具有孔；其中，該頂板在其中具有的孔與在固體電介質(zhì)中的孔對(duì)齊；并且，其中，電極中的第二電極在其中具有孔，其與在頂板中的孔偏置。
[0047]也應(yīng)該知道，根據(jù)本發(fā)明的一種開關(guān)系統(tǒng)，包括:基底；微波傳輸線，具有輸入部分和輸出部分；設(shè)置在所述基底上的可開關(guān)電容器；該電容器包括:電介質(zhì)；一對(duì)電極，所述電極中的第一電極在其上具有所述電介質(zhì)，并且當(dāng)所述可開關(guān)電容器處于非致動(dòng)狀態(tài)時(shí)，所述電極中的第二撓性電極被懸置在所述電介質(zhì)上方，并且，其中，當(dāng)所述電容器被切換到致動(dòng)狀態(tài)時(shí)，所述電極中的所述第二撓性電極被朝向所述第一電極靜電驅(qū)動(dòng)；和頂板，其設(shè)置在所述電介質(zhì)和所述第二撓性電極之間并且被連接到參考電勢(shì)；可開關(guān)電壓電源，其耦合在所述第一電極和所述第二電極之間，用于在所述第一電極和所述第二電極之間產(chǎn)生可開關(guān)靜電力，以在所述致動(dòng)狀態(tài)和所述非致動(dòng)狀態(tài)之間靜電驅(qū)動(dòng)所述電容器；其中，當(dāng)所述可開關(guān)電容器被靜電驅(qū)動(dòng)到所述致動(dòng)狀態(tài)時(shí)；在所述輸入部分上的微波能量通過所述可開關(guān)電容器被耦合到所述輸出部分上；并且所述電極中的所述第二電極接觸所述頂板；并且其中，當(dāng)所述可開關(guān)電容器返回到所述非致動(dòng)狀態(tài)時(shí)，在所述頂板上的電荷被放電到所述參考電勢(shì)。
[0048]已經(jīng)說明了本發(fā)明的多個(gè)實(shí)施例。但是，會(huì)理解，不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下可進(jìn)行各種變形。因此，其它實(shí)施例落入下面的權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種可開關(guān)電容器，包括: 固體電介質(zhì)； 一對(duì)電極，所述電極中的第一電極在其上具有所述固體電介質(zhì)，并且當(dāng)所述可開關(guān)電容器處于非致動(dòng)狀態(tài)時(shí)，所述電極中的第二撓性電極被懸置在所述固體電介質(zhì)上方； 頂板，其設(shè)置在所述固體電介質(zhì)和所述第二撓性電極之間并且被連接到參考電勢(shì)，并且， 其中，所述可開關(guān)電容器被靜電驅(qū)動(dòng)到致動(dòng)狀態(tài)，所述電極中的所述第二撓性電極接觸所述頂板，并且，當(dāng)所述可開關(guān)電容器返回到所述非致動(dòng)狀態(tài)時(shí)，在所述頂板上的電荷被放電到所述參考電勢(shì)。
2.—種開關(guān)，包括: 固體電介質(zhì)； 一對(duì)電極，所述電極中的第一電極在其上具有所述固體電介質(zhì)，并且當(dāng)所述可開關(guān)電容器處于非致動(dòng)狀態(tài)時(shí)，所述電極中的第二撓性電極被懸置在所述電介質(zhì)上方； 頂板，其設(shè)置在所述電介質(zhì)和所述第二撓性電極之間并且被連接到參考電勢(shì)，和， 可開關(guān)電壓電源，其耦接在所述第一電極和所述第二電極之間，用于在所述第一電極和所述第二電極之間產(chǎn)生可開關(guān)靜電力，以在致動(dòng)狀態(tài)和所述非致動(dòng)狀態(tài)之間靜電驅(qū)動(dòng)所述開關(guān)；并且 其中，當(dāng)所述開關(guān)被靜電驅(qū)動(dòng)到所述致動(dòng)狀態(tài)時(shí)，所述電極中的所述第二電極接觸所述頂板，并且，當(dāng)所述開關(guān)返回到所述非致動(dòng)狀態(tài)時(shí)，在所述頂板上的電荷從所述頂板被放電到所述參考電勢(shì)。
3.一種開關(guān)系統(tǒng)，包括: 基底； 微波傳輸線，具有輸入部分和輸出部分； 設(shè)置在所述基底上的可開關(guān)電容器；該電容器包括: 電介質(zhì)； 一對(duì)電極，所述電極中的第一電極在其上具有所述電介質(zhì)，并且當(dāng)所述可開關(guān)電容器處于非致動(dòng)狀態(tài)時(shí)，所述電極中的第二撓性電極被懸置在所述電介質(zhì)上方，并且，其中，當(dāng)所述電容器被切換到致動(dòng)狀態(tài)時(shí)，所述電極中的所述第二撓性電極被靜電驅(qū)動(dòng)朝向所述第一電極；和 頂板，其設(shè)置在所述電介質(zhì)和所述第二撓性電極之間并且被連接到參考電勢(shì)， 可開關(guān)電壓電源，其耦接在所述第一電極和所述第二電極之間，用于在所述第一電極和所述第二電極之間產(chǎn)生可開關(guān)靜電力，以在所述致動(dòng)狀態(tài)和所述非致動(dòng)狀態(tài)之間靜電驅(qū)動(dòng)所述電容器； 其中，當(dāng)所述可開關(guān)電容器被靜電驅(qū)動(dòng)到所述致動(dòng)狀態(tài)時(shí): 在所述輸入部分上的微波能量通過所述可開關(guān)電容器被耦合到所述輸出部分上；并且 所述電極中的所述第二電極接觸所述頂板；并且 其中，當(dāng)所述可開關(guān)電容器返回到所述非致動(dòng)狀態(tài)時(shí)，在所述頂板上的電荷被放電到所述參考電勢(shì)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可開關(guān)電容器，其特征在于，所述頂板在其中具有孔，并且，其中，所述電極的所述第二電極在其中具有孔，并且，其中，在所述頂板上的所述孔與所述電介質(zhì)中的所述孔對(duì)齊。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的可開關(guān)電容器，其特征在于，所述電極的所述第二電極在其中具有孔，并且，其中，在所述電極的所述第二電極中的孔與所述頂板中的所述孔偏置。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的開關(guān)，其特征在于，所述頂板是阻抗的。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的開關(guān)，其特征在于，所述頂板在其中具有孔，并且，其中，所述電極中的所述第二電極在其中具有孔，并且，其中，在所述頂板中的所述孔與所述電介質(zhì)中的所述孔對(duì)齊。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的開關(guān)，其特征在于，所述電極中的所述第二電極在其中具有孔，并且，其中，在所述電極中的所述第二電極中的所述孔與所述頂板中的所述孔偏置。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的開關(guān)，其特征在于，所述頂板是阻抗的，并且包括用于加熱所述頂板的電路。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的開關(guān)，其特征在于，所述電路包括所述頂板。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可開關(guān)電容器，其特征在于，所述頂板是阻抗的。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的可開關(guān)電容器，其特征在于，所述電路包括所述頂板。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可開關(guān)電容器，其特征在于，所述頂板是阻抗的，并且在其中具有孔，并且，其中，所述電極中的所述第二電極在其中具有孔，其與在所述頂板中的所述孔偏置。
14.一種可開關(guān)電容器，包括: 固體電介質(zhì)； 一對(duì)電極，所述電極中的第一電極在其上具有所述固體電介質(zhì)，并且當(dāng)所述可開關(guān)電容器處于非致動(dòng)狀態(tài)時(shí)，所述電極中的第二撓性電極被懸置在所述固體電介質(zhì)上方； 阻抗的頂板，其設(shè)置在所述固體電介質(zhì)和所述電極中的所述第二電極之間；并且 其中，所述可開關(guān)電容器被靜電驅(qū)動(dòng)到致動(dòng)狀態(tài)，所述電極中的所述第二撓性電極接觸所述頂板，并且，當(dāng)所述可開關(guān)電容器返回到所述非致動(dòng)狀態(tài)時(shí)，在所述頂板上的電荷被放電到所述參考電勢(shì)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的可開關(guān)電容器，其特征在于，所述頂板在其中具有孔。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的可開關(guān)電容器，其特征在于，包括用于加熱所述阻抗頂板的電路。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的可開關(guān)電容器，其特征在于，所述電路包括所述頂板。
18.根據(jù)權(quán)利要求2所述的可開關(guān)電容器，其特征在于，跨越所述電介質(zhì)的電壓在所述電極中的所述第二電極接觸所述頂板時(shí)及時(shí)地在一點(diǎn)處被降低。
19.根據(jù)權(quán)利要求2所述的可開關(guān)電容器，其特征在于，所述固體電介質(zhì)在其中具有孔；其中，所述頂板在其中具有孔，其與所述固體電介質(zhì)中的所述孔對(duì)齊。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的可開關(guān)電容器，其特征在于，所述電極中的所述第二電極在其中具有孔，其與所述頂板中的所述孔偏置。
【文檔編號(hào)】H01H59/00GK104488049SQ201280074863
【公開日】2015年4月1日 申請(qǐng)日期:2012年11月29日 優(yōu)先權(quán)日:2012年7月24日
【發(fā)明者】F·J·莫里斯, C·B·穆迪, A·馬爾澤斯基 申請(qǐng)人:雷聲公司