利用並聯的mems開關和固態開關的開關體系結構的製作方法
2023-05-12 04:35:16 1
專利名稱：利用並聯的mems開關和固態開關的開關體系結構的製作方法
技術領域：
本發明的實施例涉及開關，更具體地說，涉及包括與固態開關並聯組合的微機電系統開關的開關。
背景信息有許多應用要求快速的開關速度。例如對於多模式多頻帶蜂窩電話應用，例如GSM(全球移動通信系統)，GPRS(通用分組無線電業務)以及3G(第三代無線)，天線轉換器要將天線轉換到不同的頻帶並在發射(TX)和接收(RX)模式之間轉換。目前將固態開關用於此目的。雖然RF(射頻)MEMS開關金屬觸點串聯開關一般都具有好得多的插入損耗和隔離特性，但它們比固態開關慢得多。
參閱
圖1A和1B，圖中分別示出MEMS直插式懸臂梁金屬觸點串聯開關的側視圖和頂視圖。這種類型的MEMS開關可以用已知的MEMS製造工藝製造。
如圖所示，在襯底100上形成開關。可以在襯底100的一側形成金屬化的信號線102，並且可以在襯底100的第二側形成第二信號線104。懸臂梁106可以固定在第二信號線104上。在第一信號線102的上方懸臂梁106的下側形成凸塊(電極)108。可以在懸臂梁106的下方，在襯底100上激勵板110形成。通過在激勵導線112上加電壓使激勵板激勵，將懸臂梁106向下拉，導致凸塊108與第一信號線102電接觸。這接通了開關因而在第一信號線102和第二信號線104之間形成電信號通路。
對於TX/RX轉換，通常需要幾微秒的速度。MEMS開關為達到這個速度，開關結構(即懸臂梁106)最好是非常剛性的，使得機械諧振頻率很高。這也就是說開關所需的激勵電壓較高(40-100V)才能克服此剛性。在這種情況下，就需要高電壓驅動晶片。這種驅動晶片可以利用特殊的CMOS工藝製造以獲得此激勵電壓。這些常常很昂貴，增加了開關模塊的總成本。
附圖簡要說明圖1A和1B分別是MEMS開關的側視圖和頂視圖；圖2是繪製激勵電壓和開關速度的關係曲線並示出MEMS開關的間隙大小的示意圖；圖3是單刀雙擲天線開關的方框圖；圖4是將固態開關陣列用於TX模式而將單一固態開關用於RX模式的天線轉換器的方框圖；圖5是按照本發明一個實施例利用並聯的固態開關和MEMS開關的天線轉換器的方框圖；圖6是顯示在斜坡上升/下降期間以及在信號發射期間MEMS和固態開關序列的示意圖；圖7是說明RX到TX轉換序列的流程圖；圖8是說明TX到RX轉換序列的流程圖。
詳細說明固態開關和MEMS開關在某些開關應用中都具有優點和缺點。具體地說，使用半導體組件且沒有可動部分的高速固態開關速度很快但製造較昂貴。比起MEMS開關，它們工作所需的功率也較少。但固態開關往往比MEMS開關有較高的插入損耗。插入損耗是指在開關輸入和開關輸出之間信號所受到的功率損失。MEMS開關通常具有較小，也就是較好的插入損耗。但MEMS開關的製造成本較高且在高速應用時比固態開關要消耗更多的功率。
表1按照本發明的實施例對固態天線開關和MEMS RF(射頻)開關的特性做了比較。
表1 MEMS開關和固態開關的比較
如表所示，MEMS開關具有較好的插入損耗，但其代價是MEMS開關通常慢得多。事實上，MEMS開關可能太慢而不能應用於某些高速應用，例如天線轉換應用等。此外，如圖2所示，為了使MEMS開關更快，一般使它們更具剛性，於是需要更大的激勵電壓。在一些蜂窩電話中，最高的電壓是大約15V，用於顯示器。此外，許多CMOS工藝能夠生產15-20V，但通常不能再高很多。對於實際的間隙大小(0.5-1μm)(指的是凸塊108和接觸信號線觸點102之間的間隙)，15V激勵電壓的開關時間，即使不考慮開關的穩定時間，也比8μs大很多。
圖3是用於單頻帶GSM蜂窩電話的單刀雙擲天線轉換器300的簡單方框圖。開關310隻是在接收器314和發射器316之間轉換天線312。但當使用MEMS開關時，每個單一開關可能不能傳輸用於GSM發射的足夠的電流。
所以，如圖4所示，串聯開關陣列318用於發射(TX)，而單一開關320仍可以用於接收(RX)。而且，為了改善隔離，也可以使用分路開關322。為了改善隔離，當相應的分路開關318或320接通時，這些分路開關322或者將接收器314或者發射器316連接到地。
為了利用兩種開關的所需特徵，本發明的實施例提供一種利用並聯的MEMS開關和固態開關的體系結構。按照實施例，通過固態開關獲得較快的開關速度，通過MEMS串聯開關獲得較低的插入損耗，並通過MEMS分路開關獲得高的隔離。
參閱圖5，天線500通過多組並聯連接的MEMS開關(M)和固態開關(S)連接到或者接收器502或者發射器504。如圖所示，接收器502通過並聯連接的固態開關S506和MEMS開關M508連接到天線500。同理，發射器通過固態開關S510和與固態開關S510並聯連接的MEMS開關陣列M512連接到天線500。MEMS開關陣列M512包括多個MEMS開關(圖中示出6個以示說明，即M514-M519)，以便容納發射所需的較高電流。但在MEMS開關陣列中也可以使用較多或較少的開關，根據特定應用的發射電流而定。
為了改善接收器502的隔離特性，可以使用並聯電路，所述並聯電路包括最好是並聯連接的MEMS開關M520和固態開關S522，以便在接收器502與天線500斷開時將接收器502短路到地。同理，為了改善發射器504的隔離特性，也可以使用第二個並聯電路，它包括並聯連接的MEMS開關M524和固態開關S526，以便在發射器504與天線500斷開時將發射器504短路到地。
本發明實施例最簡單的形式可以包括連接到第一電氣裝置(在此例中為天線500)的第一觸點507和連接到第二電氣裝置(在此例中或者是接收器502或者是發射器504)的第二觸點509。將較快的開關例如固態開關S506連接在第一觸點507和第二觸點509之間。將較慢的開關例如機械(MEMS)開關M508以與所述固態開關S506並聯的形式連接在第一觸點507和第二觸點509之間。這種並聯的MEMS/固態開關配置利用了固態開關的快速轉換時間並且利用了MEMS開關改善的插入損耗和隔離特性。作為另一個優點，利用與MEMS開關並聯的固態開關改善了轉換操作期間系統的瞬時頻譜。
作為實例，參閱圖6，對於GSM/GPRS(全球移動通信系統/通用分組無線電業務)應用，發射功率的斜坡上升和下降周期為28μs。所以，原則上只要MEMS開關能在斜坡周期接通或斷開，利用MEMS開關就能滿足要求。對於28μs的轉換時間，MEMS開關的激勵電壓可以降到15V以下。15V以下的激勵電壓電源晶片可以用普通的CMOS工藝製造，因此生產成本比較經濟。而且對於這種激勵電壓範圍，可以利用蜂窩電話中已有的電壓源，因為顯示器一般使用15V左右的電壓。
但是，即使MEMS開關能以可接受的速度在可接受的激勵電壓下進行轉換，這些比較慢的MEMS開關仍會嚴重幹擾斜坡(上升/下降)周期的瞬時頻譜，這是不能接受的。這一缺點也要通過利用和MEMS開關並聯的固態開關來解決，使得快速的固態開關能覆蓋斜坡周期以避免瞬時頻譜的問題。由於僅在斜坡周期需要固態開關，然後它們就被斷開，低插入損耗的MEMS開關就覆蓋了數據發射期間，用於固態開關的大約90％的功率就可節省下來。所以本發明的實施例也可降低功耗。
利用圖5獲得的圖6顯示當將接收器502或發射器504轉接到天線500時在斜坡上升和下降期間固態轉換和MEMS轉換的曲線圖。對於GSM或增強型GSM應用，分配28μs用作斜坡上升和斜坡下降。這樣，只要MEMS轉換動作在此斜坡周期內能夠完成，所述開關配置就可適用。並聯的轉換較快的固態開關用來避免瞬時頻譜問題。因MEMS開關的通斷動作引起的幹擾不會顯著降低瞬時頻譜的質量，並可通過斜坡DAC(數/模變換器)中預失真進行補補償。所述預失真是用來對放大器的非線性進行補償的一種技術。功率放大器(PA)通常在其輸入和輸出之間具有某種非線性轉換功能。這種非線性應加以補償(在一定程度上)以符合頻譜發射的要求。所以，預失真可以認為是PA非線性的一種反演功能。
在此實例中，利用這種與固態開關並聯的MEMS開關結構，對MEMS開關的速度要求可降低，僅需在28μs內達到穩定狀態。如圖所示，MEMS開關和固態開關二者同時接通(即關閉)。MEMS開關在連接到天線的整個持續時間內保持接通狀態，負責進行信號發射。相反，固態開關僅在斜坡上升和斜坡下降期間被激勵。換句話說，在整個開關周期，固態開關僅被激勵28μs，而不是(2*28+542.8)μs，這將(固態開關的)總功耗降低了90％。在信號發射期間(542.8μs)，實現了MEMS開關的低插入損耗的優點。
圖7是說明當天線在接收器和發射器之間轉換時的轉換序列的流程圖。相反，圖8是說明當天線在發射器和接收器之間轉換時的轉換序列的流程圖。以有助於理解本發明實施例的方式，以依次進行的多個分立的方框的形式描述各種操作。但是不應該把描述它們的順序理解為這些操作必需按此順序進行，或操作必需以方框圖所示的順序進行。
參閱圖7，當天線500在接收器502和發射器504之間轉換時，在方框700，控制信號斷開M508(S506已處於斷開狀態)，S522和M520接通。在接通狀態時，M502在M508斷開時對接收器502提供較好的隔離。在方框702，控制信號接通S510和MEMS陣列M512，而S526被斷開(M524已處於斷開狀態)。在方框704，隔離開關S522斷開以節省功率，而隔離開關M520保持接通。最後，在方框706，S510在斜坡周期後斷開以節省功率，而MEMS陣列M512執行信號發射。
同理，圖8示出當使天線在發射器504和接收器502之間轉換時的轉換序列。在方框800，控制信號斷開MEMS陣列開關M512(S510已處於斷開狀態)，S526和M524接通，為發射器504提供改善的隔離。在方框802，控制信號接通S506和M508，將接收器502連接到天線500，隔離開關M520斷開(隔離開關M520已處於斷開狀態)。在方框804，發射器隔離開關S526斷開以節省功率，並且由M524提供隔離。最後，在方框806，在斜坡周期之後固態開關S506斷開以節省功率，而由MEMS開關M508執行從天線500到接收器502的信號傳輸。
已對本發明的實施例做了具體的圖示和/或說明。但是，應當指出，在不背離本發明的精神和範圍情況下，對本發明的各種修改和變更被以上的論述所覆蓋並且落在所附權利要求書的範圍內。
權利要求
1.一種開關電路，它包括連接到第一電氣裝置的第一觸點；連接到第二電氣裝置的第二觸點；連接在所述第一觸點和所述第二觸點之間的固態開關；連接在所述第一觸點和與所述固態開關並聯的所述第二觸點之間的機械開關。
2.如權利要求1所述的開關電路，其中所述機械開關包括連接在所述第一觸點和所述第二觸點之間的機械開關陣列。
3.如權利要求1所述的開關電路，其中還包括在所述第二觸點和地之間的並聯電路，所述並聯電路包括固態開關；以及與所述固態開關並聯的機械開關。
4.如權利要求1所述的開關電路，其中所述機械開關是微機電系統(MEMs)開關。
5.一種用於通信裝置的開關，它包括天線；接收器；發射器；第一開關電路，它將所述天線連接到所述接收器，所述第一開關電路包括固態開關；以及與所述固態開關並聯的機械開關；第二開關電路，它將所述天線連接到所述發射器，所述第二開關電路包括固態開關；以及與所述固態開關並聯的機械開關陣列。
6.如權利要求5所述的用於通信裝置的開關，其中還包括接收器並聯電路，它包括與機械開關並聯的固態開關，用於在所述第一開關電路處於斷開狀態時將所述接收器短路到地。
7.如權利要求6所述的用於通信裝置的開關，其中還包括發射器並聯電路，它包括與機械開關並聯的固態開關，用於在所述第二開關電路處於斷開狀態時將所述發射器短路到地。
8.如權利要求4所述的用於通信裝置的開關，其中所述機械開關包括微機電系統(MEMs)開關。
9.一種轉換方法，所述方法包括在兩個電氣裝置之間設置第一開關；設置與所述第一開關並聯的第二開關，所述第二開關比所述第一開關更快，所述第一開關在接通時具有斜坡上升周期，斷開時具有斜坡下降周期；接通所述第一開關；在所述斜坡上升周期期間接通所述第二開關，而在所述斜坡上升周期之後斷開所述第二開關；斷開所述第一開關；在所述斜坡下降周期期間接通所述第二開關，而在所述斜坡下降周期之後斷開所述第二開關。
10.如權利要求9所述的方法，其中還包括設置第一隔離開關；設置與所述第一隔離開關並聯的第二隔離開關，所述第二隔離開關比所述第一隔離開關更快，所述第一隔離開關在接通時具有斜坡上升周期；在所述第一開關和所述第二開關斷開時接通所述第一隔離開關和所述第二隔離開關；以及在所述第一隔離開關的所述斜坡上升周期之後斷開所述第二隔離開關。
11.如權利要求9所述的方法，其中所述第一開關包括微機電系統(MEMs)開關，而所述第二開關包括固態開關。
12.如權利要求10所述的方法，其中所述第一隔離開關包括微機電系統(MEMs)開關，而所述第二隔離開關包括固態開關。
13.如權利要求11所述的方法，其中所述第二開關包括第二開關陣列。
14.一種電路，它包括微機電系統(MEMs)開關；以及並聯連接到所述MEMs開關的固態開關。
15.如權利要求14所述的電路，其中所述電路將天線連接到發射器。
16.如權利要求14所述的電路，其中所述電路將天線連接到接收器。
17.如權利要求14所述的電路，其中所述電路將裝置短路到地。
18.如權利要求15所述的電路，其中所述MEMs開關包括MEMs開關陣列。
全文摘要
在轉換方案中，將機械MEMS開關與固態開關並聯。這種並聯的MEMS開關/固態開關配置利用了固態開關的快速開關速度並且利用了MEMS開關的改善的插入損耗和隔離特性。固態開關僅需在與較慢的MEMS開關相關聯的斜坡上升/下降周期期間受激勵，所以可節省功率。另一優點是利用與MEMS開關並聯的固態開關改善了轉換操作時系統的瞬時頻譜。
文檔編號H01P1/12GK1726571SQ200380106206
公開日2006年1月25日 申請日期2003年12月3日 優先權日2002年12月17日
發明者E·齊珀, Q·馬 申請人:英特爾公司