用于保护诸如MEMS开关的开关的方法和装置，以及包括该保护装置的MEMS开关

摘要

提供一种用于保护MEMS开关的方法和装置。该方法和装置通过在MEMS开关在打开和关闭之间切换期间减少对流经其电流的脆弱性而改进MEMS开关的完整性，反之亦然。保护电路提供围绕所述MEMS组件的并联路径，被称为分流器。然而，当不需要它们时，分流电路内的组件本身可从分流器移除。当开关应该在断开状态时，这样改进分流器的电性能。

说明书

交叉参考相关申请

本专利申请请求于2014年7月2日提交的、标题为“MethodofandApparatusforProtectingaSwitch,SuchasaMEMSSwitch,andtoaMEMSSwitchIncludingSuchaProtectionApparatus”并声明PadraigL.Fitzgerald为发明者[从业者文件2906/143]的美国临时专利申请号62/020156的优先权，其公开内容全部并入本文作为参考。

技术领域

本公开涉及用于在其操作过程中保护MEMS开关的方法和装置，以及包括该保护方法和装置的MEMS开关。

背景技术

作为替代继电器和场效应晶体管的可靠小尺寸开关，MEMS开关日益普及。，MEMS开关是非常小的，并当处于打开状态时具有低的插入损耗和高阻抗。然而，在一般情况下，当没有电流流过开关或开关两端没有电压时，MEMS开关仅操作以在打开和关闭之间改变状态，或反之亦然。这是为了避免MEMS开关内的电弧，这可损坏开关触点的材料。如上所述，MEMS开关的尺寸非常小，当处于打开位置时触点往往仅由一微米左右分隔。电弧可导致开关的轮廓以这样的方式变化：开关可能成为永久导通或损坏，使得它成为永久的打开电路。

发明内容

期望便于在更大范围的设备和应用中使用MEMS开关。为此，和打开以及关闭开关设备的损害相关的潜在问题将得以解决。

本公开涉及一种保护开关的方法。在开关的开闭操作期间实施保护。保护包括提供并联开关的可控分路路径。在开关的打开和关闭操作期间，分路路径可被操作以提供并联开关的电流通路。有利地，分流路径包括串联至少一个机械开关的至少一个固态开关，诸如晶体管。

优选地，所述开关是微机电系统开关。MEMS开关可以被集成在电路封装内。有利地，至少一个机械开关是进一步的MEMS开关。结果，物理上较小的组合仍然可以提供。在使用中，当不需要时，至少一个机械开关可被操作以从所述分流路径断开固态开关。结果，与固态开关相关联的寄生元件可以从电路去除，从而产生更好的关闭状态性能。

本公开内容还涉及一种MEMS开关的保护方法，其中分流路径设置并联MEMS开关。分路路径包括至少一个另外的MEMS开关。所述至少一个另外的MEMS开关可以设置并联另外的分路(其可以是无源元件或有源元件)，以便限制电压变化横跨所述至少一个另外的MEMS开关，和/或与关联限流元件，例如电阻，例如以电阻器、晶体管或组件的组合的形式。

本公开还涉及一种MEMS开关，其具有第一开关节点和第二开关节点。该MEMS开关被设置关联保护电路。保护电路被布置以选择性地提供在所述MEMS开关的第一和第二交换节点之间的低阻抗路径。该保护电路包括第一保护电路MEMS开关，和组件，用于围绕第一保护电路MEMS开关的开关转换限制电压跨过或电流通过所述第一保护MEMS开关。

在本公开的另一个方面，提供一种保护电路，其中提供一个或多个电感器，以减少通过分路晶体管的高频信号传播。电感器和分路晶体管形成具有高阻滤波器特性的可控分流路径。这个减少了通过分路路径的高频信号的信号传播。

该保护电路可设置在和MEMS开关的同一基板或管芯上。替代地，保护电路可以部分或全部设置在进一步的管芯或基板上，也可以设置金属丝键或其它互连结构以链接所述保护电路和开关。

有源组件(诸如，放大器)可用于临时驱动保护电路中的一个或多个开关任一侧的电压为大致相同的值，以便减少这些开关上的开关应力。

附图说明

现在将参考附图仅通过示例的方式描述本公开的实施例，其中：

图1是MEMS开关的横截面；

图2是和保护电路相关联的MEMS开关的电路图；

图3是示出在MEMS开关的打开和闭合操作期间图2的电路的信号的时序图；

图4示出和MEMS开关关联的的第二保护电路的实施例；

图5示出图4的配置的时序图；

图6示出与MEMS开关关联的保护电路的另一实施例；

图7示出开关网络的另一实施例，其中多个信号中的一个或多个可以被连接到输出节点，开关网络关联保护电路；

图8示出图7的开关网络的平面图如实施在集成电路中；

图9示出开关和保护电路的另一实施例；

图10示出本公开的另一实施例；

图11示出本公开的另一实施例；

图12示出本发明的另一个实施例；

图13示出使用二极管以形成固态开关的另一个实施例；和

图14示出其中放大器应用均衡开关的任一侧上电位的实施例。

具体实施方式

图1是MEMS(微机电系统)开关的实施例的示意图，一般表示为1。MEMS开关的该说明仅通过背景的方式给出，并不意在限制本公开的教导于特定的MEMS开关配置。开关1被形成于衬底2上。衬底2可以是半导体，诸如硅。硅衬底可以是由诸如Czochralski、CZ、过程或浮区处理工艺形成的晶片。CZ过程不太昂贵并产生硅基板，它物理上比使用浮区方法得到的更稳健，但浮区提供具有较高电阻率的硅，更适合在高频电路中使用。

硅基板可任选地由未掺杂的多晶硅的层4覆盖。多晶硅层4用作载流子寿命杀手。这使得能够改善CZ硅的高频性能。

电介质层6(其可以是氧化硅(一般的，SiO2))形成在基片2和任选的多晶硅层4上。介电层6可形成在两个阶段，使得金属层可沉积、掩蔽和蚀刻以形成导体10、12和14中。然后沉积电介质6的第二阶段可以执行，以便形成在图1所示的结构中，其中导体10、12和14嵌入在电介质层6内。

介电层6的表面具有由相对耐磨导体提供的第一开关触点20，所述相对耐磨导体形成在层6的一部分上。第一开关触点20由一个或多个通孔22的方式连接到导体12。同样，控制电极23可以形成在导体14的上方，并通过一个或多个通孔24电连接到它。

开关构件32的支撑30也形成在电介质层6上。支撑30包括沉积在层6的选定部分上的脚区域34，使得脚区域34被沉积在导体10上。脚区域34通过一个或多个通孔36的方式连接到导体10。

在典型的MEMS开关中，导体10、12和14可以由金属制成，诸如铝或铜。通孔可以由铝、铜、钨或任何其它合适的金属或导电材料制成。第一开关触点20可以是任何合适的金属，但通常选择铑，因为它是硬磨损。为了便于处理，该控制电极可以由和第一开关触点20或脚区域34相同的材料制成。脚部区域34可以由金属制成，诸如金。

支承件30还包括至少一个直立部40，例如以延伸远离所述介电层6的表面的壁或多个塔的形式。

开关元件32形成可移动的结构，其从直立部40的最上部分延伸。开关元件32通常(但不一定)提供作为悬臂，其在从支撑30朝着第一开关触点20的第一方向(如在图1中方向A示出)上延伸。开关元件20的端部42延伸过第一开关触点32并携带依赖触点44。直立部分40和开关构件32可以由和脚区域34的相同材料制成。

在本实施例中，MEMS结构由盖结构50保护，其被接合到所述介电层6或其他合适结构的表面，以包围开关元件32和第一开关触点20。合适的接合技术是本领域技术人员所熟知的。

正如前面提到的，本公开的教导不限于任何特定的MEMS开关设计。因此，教导同样例如适合于在上下移动(或跷跷板)开关设计中使用。

开关1可应用代替继电器和固态晶体管开关，诸如FET开关。该领域中很多从业者已经采用FET使用的术语。因此，导体10可被称为源极，导体12可被称为漏极，和导体23形成连接到栅极端子14的栅极。源极和漏极可以互换而不影响开关的操作。

使用中，驱动电压从连接到栅极端子的驱动电路施加到栅极23。栅极23和开关元件32之间的电位差例如引起栅极23的表面的正电荷吸引可动开关部件32的下表面的负电荷。这引起施加将开关元件32拉向基板2的力被施加。该力将引起开关件弯曲，使得依赖触点44接触第一开关触点20。

在实践中，开关被过度驱动，以便相对牢固地保持触点44抵靠第一开关触点20。

如果它被切换而电压存在两端或电流流过，该MEMS开关可使得它的性能劣化。该问题已经在过去被确认，并且该领域技术人员已试图通过提供和MEMS开关1并联的固态开关来解决该问题。尽管该固态开关有利于保护MEMS开关，它们具有引入相对大的寄生电容的不良后果。MEMS开关的已知优点之一是当处于关闭(即开)开关状态时的高隔离度。提供表现寄生电容的并联半导体开关(诸如，MOSFET)提供交换机周围的寄生信号路径，这降低其关闭状态性能。发明者认识到关闭状态的性能可以通过提供另外的装置(例如，进一步的MEMS开关)恢复，当不需要提供开关保护时，它可用于从MEMS开关1的端子切换或更准确地断开半导体开关。这样的布置示意性示出在图2中，其中主开关元件(指定为1和相对于前述图1描述)分别提供在第一和第二开关节点10和12之间的可控开关路径。然而，开关1进一步关联保护电路70，该保护电路70包括第一保护电路MEMS开关72、第二保护电路MEMS开关74和半导体开关76。第一保护电路MEMS开关72具有连接到第一开关节点10的第一端子82，以及连接到半导体开关76的电流流动节点的第二端子84。当半导体开关76包括一个或多个FET设备时，则电流流动端子可以是漏极或源极半导体开关。如图2所示，第一保护电路MEMS开关72可以具有与它平行的分流电阻85。分流电阻85可以是大值电阻器，以便提供横跨第一保护电路开关72的小电流路径，用于其节点或端子82和84的任一个的电压趋于均衡。大的电阻(例如，如下所示的1兆欧姆)表示半导体开关76的寄生泄漏是非常小的。然而，根据与MEMS开关1相关的电路的带宽和的性能，可提供更小值的电阻85。

类似地，第二保护电路MEMS开关74具有连接到第二开关端子12的第一端子92，以及连接到半导体开关76的第二电流端的第二端子94，并且可以具有与它并联的电阻95。因此，当第一和第二保护电路MEMS开关72和74都处于导通状态，并且半导体开关76处于低阻抗状态时，则保护电路70形成开关节点10和12之间的分流器，从而使主开关1被操作，使得信号可以被应用到或从它的栅极23(图1)去除，以便使得开关元件32移动。在变型中，电阻85和95可以通过相应电阻和串联晶体管的组合来代替。这使得并联电阻是可变的。如果电阻器被连接到开关节点10和12，则和其他晶体管相关的寄生元件基本上无法从节点10和12看到。

图3示出标记为A，B和C的开关控制信号，其被施加到第一开关1以及第一和第二保护电路开关72和74的栅极，以及半导体开关76的栅极或其它控制端子。如在图3所示，期望在时刻S_ON打开开关1并在时刻S_OFF将其关闭。提前时间S_ON，开关控制信号C被首先断言。这导致第一和第二保护电路MEMS开关闭合，从而引入半导体开关76到围绕开关1的旁路通路。当半导体开关76处于非导通状态时，没有电流此时应该发生通过第一和第二保护电路MEMS开关，并因此它们不用经受开关损坏。此外，提供高阻抗分流电阻器85表示此时没有或很少寄生电容被充电。接着，晶体管开关76通过触发信号B开启。因此，分路路径连接节点10和12。在合适的保护时间信号A被断言以闭合开关1之后，则信号B和C可以被去除。如图3所示，在信号C被解除断言之前，信号B中被除去，但其他开关方案是可能的。当希望在时刻SOFF关闭开关1时，在将半导体开关76切换为导通状态之前，重复该过程，信号C被断言以关闭第一和第二保护电路MEMS开关。一旦分路已经重新建立，则信号A可以除去，从而允许开关1打开。然后，晶体管76通过去除信号B变为高阻抗，并且一旦电流流动已经停止，信号C被除去，从而分别打开第一和第二保护电路MEMS开关72和74。如图2所示，响应于“开关状态”信号，开关信号A、B和C可以由开关控制器98提供。

图4示出图2所示的布置的变型。第一和第二保护电路MEMS开关72和74仍如前所述提供，并连接到节点10和12，但每个保护电路的MEMS开关现在串联连接到公共节点110的相应固态开关102和100。开关102和100可以形成或可以是半导体开关阵列的一部分。如前所述，半导体开关100和102可以是场效应晶体管基于开关。和以前一样，第一和第二保护电路MEMS开关72和74可以设置有各自的分流电阻85。分流电阻器可以是较大的值，如在图4中表示。

图5示出图4所示的结构的驱动信号图。可以看出，如前面关于图3所述的，信号A、B和C可以被断言以及被解除断言。

图6示出本公开的另一个实施例，如前所述，其中MEMS开关1在第一和第二开关端子10和12之间延伸。然而，现在只有单个MEMS保护电路开关130提供在保护电路70中。开关130可以相似或相同于开关1，或者可以是小的开关，因为它常见于提供具有多个开关触点的MEMS开关1，以便保持接触电阻较低。MEMS保护电路开关130串联连接在第一和第二开关的节点10和12之间的电阻132和134。基于设计者对于在节点10和12之间发生的电压的了解，电阻132和134需要进行选择，以便平衡使用组件130、132和134形成低阻抗分流路径的需要和当操作时避免开关130的瞬时现象。然而，电阻器132和134操作，以及和开关130相关的寄生电容，或其周围形成的实际电容，以衰减和减少开关电流的幅值。这种结构的控制方案类似于相对于图3所述，除了现在的信号B不再提供，因为没有半导体开关。因此，分路开关的控制信号提前于改变主开关1的开关状态被断言，并在操作开关1之后解除断言。

本文中所描述的装置可用于多个开关。图7表示其中两个MEMS开关被指定150和170的情形，所述两个MEMS开关前文相关于图1描述的类型的主开关。分别响应于提供给第一和第二MEMS开关150和170的栅极的相应开关控制信号G1和G2，每个主开关150和170可以被打开和关闭。这些开关150中的第一个延伸在指定T1为的第一输入端和指定T3的输出端之间。第二开关170延伸在指定T2为第二输入端和指定为T3的输出端之间。应当指出，任何这些终端可是不明确的终端，并且可仅代表电路节点，并且任何终端能够在输入和输出之间进行交换，或者是双向的。T1被连接到并联第一保护MEMS开关154的第一电阻器152，其依次连接到电路节点156。类似的电阻器172和MEMS开关174被提供关联于第二开关170和第二端子T2。电阻器172和MEMS开关174形成在第二端子和节点176之间延伸的路径。进而，在本实施例中，第三端子T3连接到另一个电阻182和第三保护MEMS开关184。电阻器182和MEMS开关164形成第三端子和节点186之间延伸的通路。第一晶体管158连接在节点156和186之间。第二晶体管178连接在节点176和186之间。晶体管158以及开关154和184可被控制，以提供开关150周围的分流路径。类似地，晶体管178以及开关174和184提供开关170周围的可控分流路径。

可认为，电阻152、172和182将必须是如前文所述的较大值的组件，但是这可能并非如此。电阻器152、172和182可被选择为端接组件，以便提供RF传输线或其它信号路径中的合适终端阻抗。这可以通过提供一个或多个另外的晶体管来实现(未示出)，以选择性地连接节点156、176或186到接地平面或信号线。因此，尽管终端阻抗将取决于开关是否打开或关闭而变化，但相比于如果不提供电阻不会大幅变化。因此，信号反射的潜在问题可以通过提供信号终止在同一时间来缓解。这种额外的晶体管的操作需要被正确地分阶段为保护开关和晶体管158和178。电阻器还允许寄生电容放电。如图7所示的该安排的布局的平面图中示出图8中，但组件182和184都在此配置中被删去。

此外，还能够提供一种有源组件，以便驱动穿过主开关1或每个保护开关的电压，以减少跨过开关的电压差。图9示出如图6所示布置的修改，其中放大器190被设置成强制跨越开关130电压为较低的值。这种安排是基于节点10表示输入和节点12表示输出的隐含了解。有源电路(诸如，放大器190)可提供关联于其它的实施例。因此，有源电路可以布置以驱动在节点12的电压以匹配节点10，和节点94以匹配图2所示布置的节点12。

图10示出进一步的实施例，其中半导体开关200(这里显示为并联连接开关1的FET)具有和它串联的电感201和202。电感器201和202允许晶体管以提供DC和低频分量的低阻抗电流通路，同时阻断高频信号的传播。这使得在MEMS开关1被操作之前，晶体管均衡在开关1的电压，或至少大部分的工作。任选的，第二MEMS开关130可以提供并联开关1。它可以作为进一步的保护开关，使得当开关1在打开和关闭之间切换时始终关闭。这保护开关1的触头免受损坏，因此，它保持低的导通电阻。事实上，在某些情况下，可接受只提供并联于开关1的一个或多个保护MEMS开关130，使得当开关1被操作时一个或多个开关130关闭。这保持开关1的触头处于良好状态，使得它们提供低的导通电阻。当开关1闭合时，所述或每个附加开关130也可以提供额外的信号路径。MEMS开关1和130可以提供在集成电路中。电感器201和202以及晶体管200可被提供在芯片上或芯片外。

图11示出进一步的实施方式，这是根据图2的实施例和其中电阻85和95已被省略。这提供了简化的电路。

图12示出根据图2和11的进一步变化，其中放大器和/或电压跟随器220和222都引入分别并联保护电路的MEMS开关72和74。放大器/电压跟随只需要刚好在闭合开关72和74(而晶体管76是关闭的)之前通电。因此，它们只驱动电流以充电和开关72和74相关联的任何寄生电容，并可以被制成非常低的功率设备。放大器220和222的线性、频率响应和偏移不是特别关键的，并且因此它们不需要消耗太多的空间或功率。

图13示出基于图4的另一实施例，其中保护开关72被插入在节点10和电路300之间。类似地，开关74插入在节点12和电路302之间。开关72和74可具有与它们并联的电阻85的和95，而这些可具有相当高的值。

电路300和302是相同的，因此只对电路300进行详细说明。该保护开关72的端子被连接到节点310，其表示第一二极管312的阴极和第二二极管314的阳极。第一二极管312的阳极被连接到开关316，开关316可操作以将阳极连接到正电源V_DD或到本地接地。第二二极管314的阴极被连接到开关318，其可操作以将它连接到负电源VSS或局部接地。

在使用中，两个开关72和74为常开，以及开关316和318分别连接到VDD和VSS。当需要打开或关闭开关1时，开关顺序开始，其中开关72和74被关闭。然后，开关316和318被操作，以将它们各自的二极管连接到本地接地。该操作拉节点310到地面，或靠近地面。相同的顺序发生在电路302中，所以在整个开关1的电压差减小到零，或接近零伏特。当合适时，开关1然后可以打开或关闭。一旦发生这种情况，开关316和318返回到其初始条件，以便在V_DD和V_SS之间的反向偏置配置中连接二极管。然后开关72和74被打开。

图14示出可以在情况下使用的变形，其中通过该开关的电流可以由电压跟随器330提供。任选地通过开关332，电压跟随器具有连接到节点10的输入端和连接到节点12的输出。电压跟随器方式具有可以被禁用的输出级，以便将其放置在高阻抗状态。在使用中并如果开关332被设置，然后正常开关332被打开，和电压跟随器被禁用，其输出为高阻抗。在开关顺序中，开关332可以关闭，以便连接电压跟随器的输出到节点12。电压跟随器然后可以被激活，使得它迫使节点12上的电压匹配节点10的电压。然后，开关1可被打开或关闭。然后，电压跟随器可以被禁用，以及最后开关332打开。

MEMS开关1和它的保护电路70适于提供在集成电路封装中。多个MEMS开关以及它们相关的保护电路也可以提供在单一的开关封装配置中，无论有或没有额外的电子装置。该MEMS开关可形成在管芯中，其可以是集成电路封装内携带其他组件的相同管芯，或者可以是单独的管芯，以便提供增强的隔离。当选择单独的管芯时，它不必是半导体，并且可以是经选择用于其优异高阻抗特性的其它基材，例如玻璃。如本领域技术人员所熟知的，多个管芯可以在单个IC封装内提供。在进一步的变化中，额外的保护开关或分流晶体管不需要形成在MEMS开关1的同一封装中。然而，有利的是，该MEMS开关在MEMS开关1设置在同相同封装72和74中，如果需要的话，图2的晶体管76例如可以设置为单独的组件。合适的低电阻的半导体开关是可商购的，例如来自模拟设备的组件ADG1401。该开关具有约1欧姆的电阻。

本文描述的实施例可用于许多开关应用，其中，信号完整性和良好的隔离是必需的。MEMS开关可以显示出长期的工作生活和经历数以百万计开关操作。本发明实施例也可以用于(但不限于)通信、监测和控制系统。

权利要求此处可在本文中呈现以单依赖格式。然而，可以理解，如果该配置在技术上是可行的，每个权利要求可多个取决于所提供的相同类型的任一权利要求。

如上所述本发明的实施例旨在是仅示例性的；许多变化和修改对于熟练的技术人员将是显而易见的。所有这些变化和修改都旨在处于本发明的范围之内，由任何所附权利要求限定。