CN103518248A

CN103518248A - Rf mems交叉点式开关及包括rf mems交叉点式开关的交叉点式开关矩阵

Info

Publication number: CN103518248A
Application number: CN201280016575.1A
Authority: CN
Inventors: 克里斯托夫·帕瓦若
Original assignee: Delfmems SAS
Current assignee: Delfmems SAS
Priority date: 2011-03-28
Filing date: 2012-03-20
Publication date: 2014-01-15
Also published as: US20140009244A1; WO2012130664A1; CA2823973A1; SG193261A1; PL2506282T3; ZA201305325B; US9048523B2; EP2506282B1; MX2013011270A; JP5774193B2; EP2506282A1; KR20140003474A; IL227548A0; JP2014512643A; RU2013147496A; BR112013023017A2; HRP20130938T1; ES2436644T3; AU2012234514A1; HK1177323A1

Abstract

一种RF MEMS交叉点式开关（1），包括第一传输线（10）和与第一传输线交叉的第二传输线（11）以及开关元件（12）；第一传输线（10）包括两个隔开的传输线部分（100、101），并且开关元件将所述两个隔开的传输线部分（100、101）永久电连接；第二传输线（11）在两个隔开的传输线部分（100、101）之间与第一传输线（10）交叉；该RF MEMS交叉点式开关（1）进一步包括用于至少在第一位置与第二位置之间致动开关元件（12）的致动装置（121），在第一位置中开关元件（12）将第一传输线（10）的所述两个隔开的传输线部分（100、101）电连接并且将第一传输线（10）与第二传输线（11）电断开，在第二位置中开关元件（12）将第一传输线（10）的所述两个隔开的传输线部分（100、101）电连接并且还将两个传输线（10、11）电连接在一起。

Description

RF MEMS交叉点式开关及包括RF MEMS交叉点式开关的交叉点式开关矩阵

技术领域

本发明涉及射频（RF）微机电***（MEMS）的领域。在本领域中，本发明涉及一种新颖的RF MEMS交叉点式开关（switch，切换器），并且涉及包括多个交叉点式开关的新颖MxN交叉点式开关矩阵，其中M是行传输线的数量并且N是列传输线的数量。

现有技术

RF信号的选定路径（routing，布线）可以通过使用适于例如将M个信号输入端口映入N个信号输出端口内的RF MEMS交叉点式开关矩阵来实现。MxN交叉点式开关矩阵包括形成信号输入端口的M行（或列）传输线以及与行（或列）传输线横向交叉并且形成输出端口的N列（或行）传输线。通过简单地使RF MEMS交叉点式装置切换到接通状态（ON-state，开启状态），矩阵的任何列传输线都能电连接到任何行传输线。交叉点式开关矩阵是在早期电话***中历史地使用的简单的体系构造，并且可以有利地在任何电信***中使用以用于为RF信号选定路径。

美国专利6888420公开了一种包括三个开关元件的交叉点式装置。图2示出了所述美国专利6888420中公开的交叉点开关矩阵的实例并且包括具有用于每个交叉点的三个开关元件S1、S2、S3的所述特定交叉点式装置。

现有技术的此实施具有为每个交叉点使用三个开关元件S1、S2、S3（图2）的主要缺点。每个开关元件，无论其技术是什么，都具有对于本领域技术来说相当低的接通状态电阻。但是参照图2，在行RFIN1与列RFOUT₄之间的连接遇到七次导通电阻，这使***损失急剧增加。此外，行传输线与列传输线之间的开关元件S1不利地增加了交叉点式开关装置的笨重性。

本发明的目的

本发明的目的是提出一种用于交叉点式开关矩阵应用等的新颖RFMEMS开关交叉点，所述RF MEMS开关交叉点使得对于通过交叉点式开关矩阵等进行路径选定的RF信号能够实现较低的***损失。所述新颖RFMEMS开关交叉点还是紧凑的，并且使大的开关阵列能够通过减少数量的开关进行构造，由此简化了控制。

本发明的概要

通过权利要求1的RF MEMS交叉点式开关来实现此目的。

在本发明的RF MEMS交叉点式开关中，可以有利地仅使用一个开关元件，这极大地减少了在开关矩阵应用中的用于RF信号的***损失。此外，与美国专利6888420中公开的交叉点式装置相比，本发明的RFMEMS交叉点式开关可以以更紧凑的方式简单构造。

更特别地并且可选地，本发明的RF MEMS交叉点式开关可以包括权利要求2至11的可选特征中的任一个。

本发明还涉及一种RF MEMS开关矩阵，该开关矩阵包括多行传输线、以及与行传输线交叉的多列传输线，所述矩阵在每个交叉点处包括权利要求1的RF MEMS交叉点式开关。

附图的简要描述

在阅读下面通过非穷竭与非限定实例的方式作出的详细的描述以后，并且参照附图，本发明的特征和优点将显得更加清楚，在附图中：

-图1是交叉点式开关矩阵的实例，

-图2是特别在美国专利6888420中的现有技术中公开的交叉点式开关矩阵的实施的实例，

-图3是本发明的RF MEMS欧姆交叉点式开关的第一实施方式的俯视图，

-图4A是当开关处于断开状态（OFF-State，关闭状态）时沿着平面IV-IV的图3的RF MEMS欧姆交叉点式开关的横截面视图，

-图4B是当开关处于接通状态时沿着平面IV-IV的图3的RF MEMS欧姆交叉点式开关的横截面视图，

-图5是本发明的RF MEMS电容交叉点式开关的实施方式的俯视图，

-图6A是当开关处于断开状态时沿着平面VI-VI的图5的RF MEMS电容交叉点式开关的横截面视图，

-图6B是当开关处于接通状态时沿着平面VI-IVI的图5的RF MEMS电容交叉点式开关的横截面视图。

具体描述

参照图1，MxN交叉点式开关矩阵包括形成RF信号路径的M行传输线RF-Ri以及与行传输线交叉并且形成RF信号路径的N列传输线RF-C_j。在两个传输线的每个交叉点处，矩阵包括RF MEMS交叉点式开关SW_i,j。

图3、图4A和图4B示出了实施本发明的RF MEMS欧姆交叉点式开关1的实例，其可以用作制造图1中的交叉点式开关矩阵的每个交叉点式开关SW_i,j。

参照图3，交叉点式开关1包括行传输线10与列传输线11，每个传输线10、11都适于使RF信号传输通过交叉点式开关1。当交叉点式开关1在图1的矩阵中实施为交叉点式开关SW_i,j时，交叉点式开关的行传输线10形成行传输线RF-R_i的一部分，并且交叉点式开关的列传输线11形成列传输线RF-C_j的一部分。

所述行与列传输线10、11通过使用传统显微机械加工技术（即体积或表面）形成在基板S的表面上。基板S例如是硅晶片、绝缘体上硅、蓝宝石上硅、砷化镓、氮化镓、玻璃、石英、氧化铝或用于制造半导体器件任何其他材料。基板S可以另外地但不是必要地由绝缘材料薄层所覆盖，所述绝缘材料薄层例如由氮化硅、二氧化硅、氧化铝或用于制造微电子器件的任何其他介电层制成。

行传输线10包括两个隔开的传输线部分100、101。

列传输线11形成非中断的RF信号路径，并且在两个隔开的传输线部分100、101之间与行传输线10交叉。

更具体地说，在图3的实例中，列传输线11由两个导体件110、111，以及将两个导体件110、111永久连接在一起的具有较小宽度的中心导体件112制成。

在图3、图4A和图4B的特定实例中，传输线10与11是CPW（共平面波导）线，但是本发明不限于此特定技术，而且传输线还可以例如是接地共平面波导、微带线、狭槽线、带线、共轴线、波导或任何其他类型的传输线。

RF MEMS交叉点式开关1包括开关12。所述开关12包括将行传输线10的所述两个隔开的传输线部分100、101永久电连接的开关元件120。此开关元件120由此与所述两个隔开的传输线部分100、101形成构成非中断的RF信号路径的行传输路线10。

开关12还包括用于在下文称作断开状态的第一位置与下文称作接通状态的第二位置之间致动开关元件120的致动装置121。

在断开状态中，当开关元件120仍然将行传输线10的所述两个隔开的传输线部分101、102电连接时，交叉点式开关的两个传输线10、11电断开。

在接通状态中，开关元件120仍然将行传输线10的所述两个隔开的传输线部分101、102电连接，并且还电连接两个传输线10、11。

在图3、图4A和图4B的特定实施方式中，开关元件120由柔性膜片（membrane，隔膜，膜）120a构成，该膜片由两个支柱120b支撑并且在行传输线10的两个隔开的传输线部分100、101之间形成桥。还在膜片120a上方设有机械止动件120c。柔性膜片120a未在两端处锚定，而是在其弯曲移动期间能相对于支柱120b自由地滑动。在欧洲专利申请EP-A-1705676中已经详细地描述了此种类型的柔性且自由的开关膜片。

参照图4A，致动装置121是包括形成在开关膜片120a下方的基板S中的埋藏电极121a与121b的静电致动装置。每个电极121a与121b都由介电层121c所覆盖，以便避免开关膜片120a与电极121a、121b之间的任何欧姆接触。在另一个实施方式中，每个电极121a和121b都未被介电层覆盖，而是通过适当的机械装置通过空气、气体或真空分离的薄层而与开关膜片120a分开，以便避免开关膜片120a与电极121a、121b之间的任何欧姆接触。电极121a定位在支柱120b的外部，在开关膜片120a的两端的下方，并且用于在图4A的断开状态位置中致动开关膜片120a。电极121b定位在支柱120b之间，并且用于在图4B的接通状态位置中致动开关膜片120a。

尽管优选地是使用静电致动装置121，然而本发明不限于此特定的电致动技术，而是也可以使用例如电磁、压电或电热致动的其他电致动技术。

断开状态-图4

将直流信号施加在外电极121a上。这些电极121a由此形成吸引膜片120a的两端的静电力并且其在图4A的断开状态位置中使柔性膜片120a向上弯曲。

在此断开位置中，柔性膜片120a与两个支柱120b金属-金属电接触。这两个支柱120b与柔性膜片120a是行传输线10的一部分，并且与两个隔开的传输线部分100、101形成未中断的RF信号。

例如通过使用金属支柱120b（例如，由铝、金、或任何其他传导性合金制成的支柱）并且通过使用金属性膜片120a（例如，由铝、或金、或铜或任何传导性合金制成的膜片，或者其与支柱120a接触的面是金属性的膜片120a）来实现支柱120b与柔性膜片120a之间的金属-金属电接触（欧姆接触）。

在断开状态位置中，柔性膜片120a不与列传输线11接触，该列传输线在柔性膜片下方与行传输线10交叉。行传输线10与列传输线11由此电断开。RF信号能通过行传输线10选定路径，而不能在列传输线11中重定向，反之亦然。

接通状态-图4B

将DC信号施加在内电极121b上。这些电极121b由此形成吸引膜片120a中心部分的静电力，并且其在图4B的接通状态位置中使柔性膜片120a向下弯曲。

在此接通状态位置中，与断开状态位置中一样，柔性膜片120a与两个支柱120b仍然金属-金属电接触。但是与断开状态位置相比，在打开状态位置中柔性膜片120a也处于与列传输线11的中心部分112金属-金属电接触。行传输线10由此通过膜片120a与列传输线11电连接。施加在行传输线10上的RF信号由此从行传输线10选定路径到列传输线11，并且反之亦然。

例如通过使用金属性膜片120a（例如由铝、或金或任何传导性合金制成的膜片，或者其与中心部分112接触的面是金属性的或者包括一个或多个金属性接触区域的膜片120a），并且通过使用其与膜片接触的面是金属性的或者包括一个或多个金属性接触区域的中间部分112，来实现柔性膜片120a与列传输线11的中心部分112之间的金属-金属电接触（欧姆接触）。

在膜片与列传输线11之间可以实现一个或多个金属-金属接触。更具体地说，膜片120a的适于与列传输线11接触的面可以包括一个或多个金属性接触凹部等，并且/或者列传输线11的适于与膜片120a接触的面可以包括一个或多个金属性接触结构。

参照图1的交叉点式开关矩阵，在每个交叉点处都包括本发明的RFMEMS交叉点式开关SW_i,j，行传输线RF-Ri的全部RF MEMS交叉点式开关SW_i,j在接通状态或断开状态位置中形成非中断的RF信号路径，并且列传输线RF-C_j的全部RF MEMS交叉点式开关SW_i,j在接通状态或断开状态位置中形成非中断的RF信号路径。为了为RF信号选定路径，例如从行传输线RF-R₁的输入到列传输线RF-C₄的输出，在线RF-R₁与RF-C₄之间的交叉处的交叉点式开关SW_1,4在其接通位置中被致动，并且此信号仅与开关元件120的接通状态电阻相遇一次，而不是在图2中描述的现有技术的实施的情形中的七次。由此有利地减小用于信号的***损失，并且本发明使得能够有效地扩展交叉点矩阵到高的MxN个数。由于与现有技术（图2）的解决方案相比，用于一个交叉点式开关的开关元件的数量也以系数3减少，因此还极大地提高了生产产量，并且还极大地简化了通过驱动电路进行的矩阵控制。

本发明不限于使用未锚定的柔性开关膜片120a，但开关元件可以是能够至少在前述的接通状态位置与断开状态位置中被致动的任何可动开关元件。特别地，尽管优选地是使用柔性开关元件，但是开关元件不必须是柔性的。开关元件还可以在一个或多个位置处锚定到基板。具体地说，开关元件可以在两端处锚定到基板，由此形成桥。开关元件还可以仅在一端处锚定到基板，并且在此情形中形成为悬臂式开关。

本发明不限于欧姆开关，而还可以通过电容开关实现。

图5、图6A和图6B示出了本发明的RF MEMS交叉点式电容开关。此RF MEMS交叉点式电容开关通过使用其顶表面由薄的介电绝缘层112’所覆盖的较宽宽度的中心导体件112，由此在膜片的接触区域中形成金属-绝缘体-金属结构，而基本上与图3、图4A和图4B的RF MEMS交叉点欧姆开关不同。通过下面的公式给出此开关的电容值C：

C = \frac{ϵ_{0} . ϵ_{r} . S}{h}

其中

ε₀是真空介电常数，ε_r是介电绝缘层相对介电常数，h是介电绝缘层的厚度，并且S是介电绝缘层的面积。

薄的介电绝缘层112’可以是诸如例如由氮化硅、二氧化硅或氧化铝制成的固体材料。薄的介电绝缘层112’还可以通过真空、或者通过气体层（空气或任何气体）所取代。

Claims

1.一种RF MEMS交叉点式开关（1），包括第一传输线（10）和与所述第一传输线交叉的第二传输线（11）并且包括开关元件（12），其中所述第一传输线（10）包括两个隔开的传输线部分（100、101），并且所述开关元件将所述两个隔开的传输线部分（100、101）永久电连接，其中所述第二传输线（11）在所述两个隔开的传输线部分（100、101）之间与所述第一传输线（10）交叉，所述RF MEMS交叉点式开关（1）进一步包括用于至少在第一位置与第二位置之间致动所述开关元件（12）的致动装置（121），在所述第一位置中所述开关元件（12）将所述第一传输线（10）的所述两个隔开的传输线部分（100、101）电连接并且将所述第一传输线（10）与所述第二传输线（11）电断开，在所述第二位置中所述开关元件（12）将所述第一传输线（10）的所述两个隔开的传输线部分（100、101）电连接并且还将所述两个传输线（10、11）电连接在一起。

2.根据权利要求1所述的RF MEMS交叉点式开关，其中所述开关元件（12）包括柔性膜片（120a）。

3.根据权利要求2所述的RF MEMS交叉点式开关，其中所述柔性膜片（120a）由至少一个支柱（120b）支撑，并且所述膜片（120a）和所述至少一个支柱（120b）形成所述第一传输线（10）的一部分。

4.根据权利要求3所述的RF MEMS交叉点式开关，其中所述柔性膜片（120a）是未锚定的并且能在其弯曲运动期间相对于所述至少一个支柱（120b）自由地滑动。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的RF MEMS交叉点式开关，其中所述开关元件（12）被锚定到所述基板。

6.根据权利要求5所述的RF MEMS交叉点式开关，其中所述开关元件（12）在两端处被锚定到所述基板并且形成桥。

7.根据权利要求5所述的RF MEMS交叉点式开关，其中所述开关元件（12）仅在一端处锚定到所述基板并且形成悬臂式开关元件。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的RF MEMS交叉点式开关，其中所述致动装置适于使所述开关元件（12）向下弯曲到与所述第二位置相对应的向下受力状态。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的RF MEMS交叉点式开关，其中所述致动装置适于使所述开关元件（12）向上弯曲到与所述第一位置相对应的向上受力状态。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的RF MEMS交叉点式开关，其中所述开关元件（12）适于提供与所述第二传输线（11）的欧姆接触。

11.根据权利要求1至9中任一项所述的RF MEMS交叉点式开关，其中所述开关元件（12）适于提供与所述第二传输线（11）的电容耦合。

12.一种RF MEMS开关矩阵，包括多个行传输线（RF-R_i）、以及与所述行传输线交叉的多个列传输线（RF-C_j），并且在每个交叉点处包括根据权利要求1至11中任一项所述的RF MEMS交叉点式开关（SW_i,j）。

13.根据权利要求12所述的RF MEMS开关矩阵的使用，以用于为RF信号选定路径。