專利名稱：利用并聯(lián)的mems開關(guān)和固態(tài)開關(guān)的開關(guān)體系結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實(shí)施例涉及開關(guān)，更具體地說，涉及包括與固態(tài)開關(guān)并聯(lián)組合的微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)的開關(guān)。
背景信息有許多應(yīng)用要求快速的開關(guān)速度。例如對(duì)于多模式多頻帶蜂窩電話應(yīng)用，例如GSM(全球移動(dòng)通信系統(tǒng))，GPRS(通用分組無線電業(yè)務(wù))以及3G(第三代無線)，天線轉(zhuǎn)換器要將天線轉(zhuǎn)換到不同的頻帶并在發(fā)射(TX)和接收(RX)模式之間轉(zhuǎn)換。目前將固態(tài)開關(guān)用于此目的。雖然RF(射頻)MEMS開關(guān)金屬觸點(diǎn)串聯(lián)開關(guān)一般都具有好得多的插入損耗和隔離特性，但它們比固態(tài)開關(guān)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(diǎn)串聯(lián)開關(guān)的側(cè)視圖和頂視圖。這種類型的MEMS開關(guān)可以用已知的MEMS制造工藝制造。
如圖所示，在襯底100上形成開關(guān)?？梢栽谝r底100的一側(cè)形成金屬化的信號(hào)線102，并且可以在襯底100的第二側(cè)形成第二信號(hào)線104。懸臂梁106可以固定在第二信號(hào)線104上。在第一信號(hào)線102的上方懸臂梁106的下側(cè)形成凸塊(電極)108?？梢栽趹冶哿?06的下方，在襯底100上激勵(lì)板110形成。通過在激勵(lì)導(dǎo)線112上加電壓使激勵(lì)板激勵(lì)，將懸臂梁106向下拉，導(dǎo)致凸塊108與第一信號(hào)線102電接觸。這接通了開關(guān)因而在第一信號(hào)線102和第二信號(hào)線104之間形成電信號(hào)通路。
對(duì)于TX/RX轉(zhuǎn)換，通常需要幾微秒的速度。MEMS開關(guān)為達(dá)到這個(gè)速度，開關(guān)結(jié)構(gòu)(即懸臂梁106)最好是非常剛性的，使得機(jī)械諧振頻率很高。這也就是說開關(guān)所需的激勵(lì)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(qū)動(dòng)芯片。這種驅(qū)動(dòng)芯片可以利用特殊的CMOS工藝制造以獲得此激勵(lì)電壓。這些常常很昂貴，增加了開關(guān)模塊的總成本。
附圖簡要說明圖1A和1B分別是MEMS開關(guān)的側(cè)視圖和頂視圖；圖2是繪制激勵(lì)電壓和開關(guān)速度的關(guān)系曲線并示出MEMS開關(guān)的間隙大小的示意圖；圖3是單刀雙擲天線開關(guān)的方框圖；圖4是將固態(tài)開關(guān)陣列用于TX模式而將單一固態(tài)開關(guān)用于RX模式的天線轉(zhuǎn)換器的方框圖；圖5是按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例利用并聯(lián)的固態(tài)開關(guān)和MEMS開關(guān)的天線轉(zhuǎn)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(hào)發(fā)射期間MEMS和固態(tài)開關(guān)序列的示意圖；圖7是說明RX到TX轉(zhuǎn)換序列的流程圖；圖8是說明TX到RX轉(zhuǎn)換序列的流程圖。
詳細(xì)說明固態(tài)開關(guān)和MEMS開關(guān)在某些開關(guān)應(yīng)用中都具有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。具體地說，使用半導(dǎo)體組件且沒有可動(dòng)部分的高速固態(tài)開關(guān)速度很快但制造較昂貴。比起MEMS開關(guān)，它們工作所需的功率也較少。但固態(tài)開關(guān)往往比MEMS開關(guān)有較高的插入損耗。插入損耗是指在開關(guān)輸入和開關(guān)輸出之間信號(hào)所受到的功率損失。MEMS開關(guān)通常具有較小，也就是較好的插入損耗。但MEMS開關(guān)的制造成本較高且在高速應(yīng)用時(shí)比固態(tài)開關(guān)要消耗更多的功率。
表1按照本發(fā)明的實(shí)施例對(duì)固態(tài)天線開關(guān)和MEMS RF(射頻)開關(guān)的特性做了比較。
表1 MEMS開關(guān)和固態(tài)開關(guān)的比較
如表所示，MEMS開關(guān)具有較好的插入損耗，但其代價(jià)是MEMS開關(guān)通常慢得多。事實(shí)上，MEMS開關(guān)可能太慢而不能應(yīng)用于某些高速應(yīng)用，例如天線轉(zhuǎn)換應(yīng)用等。此外，如圖2所示，為了使MEMS開關(guān)更快，一般使它們更具剛性，于是需要更大的激勵(lì)電壓。在一些蜂窩電話中，最高的電壓是大約15V，用于顯示器。此外，許多CMOS工藝能夠生產(chǎn)15-20V，但通常不能再高很多。對(duì)于實(shí)際的間隙大小(0.5-1μm)(指的是凸塊108和接觸信號(hào)線觸點(diǎn)102之間的間隙)，15V激勵(lì)電壓的開關(guān)時(shí)間，即使不考慮開關(guān)的穩(wěn)定時(shí)間，也比8μs大很多。
圖3是用于單頻帶GSM蜂窩電話的單刀雙擲天線轉(zhuǎn)換器300的簡單方框圖。開關(guān)310只是在接收器314和發(fā)射器316之間轉(zhuǎn)換天線312。但當(dāng)使用MEMS開關(guān)時(shí)，每個(gè)單一開關(guān)可能不能傳輸用于GSM發(fā)射的足夠的電流。
所以，如圖4所示，串聯(lián)開關(guān)陣列318用于發(fā)射(TX)，而單一開關(guān)320仍可以用于接收(RX)。而且，為了改善隔離，也可以使用分路開關(guān)322。為了改善隔離，當(dāng)相應(yīng)的分路開關(guān)318或320接通時(shí)，這些分路開關(guān)322或者將接收器314或者發(fā)射器316連接到地。
為了利用兩種開關(guān)的所需特征，本發(fā)明的實(shí)施例提供一種利用并聯(lián)的MEMS開關(guān)和固態(tài)開關(guān)的體系結(jié)構(gòu)。按照實(shí)施例，通過固態(tài)開關(guān)獲得較快的開關(guān)速度，通過MEMS串聯(lián)開關(guān)獲得較低的插入損耗，并通過MEMS分路開關(guān)獲得高的隔離。
參閱圖5，天線500通過多組并聯(lián)連接的MEMS開關(guān)(M)和固態(tài)開關(guān)(S)連接到或者接收器502或者發(fā)射器504。如圖所示，接收器502通過并聯(lián)連接的固態(tài)開關(guān)S506和MEMS開關(guān)M508連接到天線500。同理，發(fā)射器通過固態(tài)開關(guān)S510和與固態(tài)開關(guān)S510并聯(lián)連接的MEMS開關(guān)陣列M512連接到天線500。MEMS開關(guān)陣列M512包括多個(gè)MEMS開關(guān)(圖中示出6個(gè)以示說明，即M514-M519)，以便容納發(fā)射所需的較高電流。但在MEMS開關(guān)陣列中也可以使用較多或較少的開關(guān)，根據(jù)特定應(yīng)用的發(fā)射電流而定。
為了改善接收器502的隔離特性，可以使用并聯(lián)電路，所述并聯(lián)電路包括最好是并聯(lián)連接的MEMS開關(guān)M520和固態(tài)開關(guān)S522，以便在接收器502與天線500斷開時(shí)將接收器502短路到地。同理，為了改善發(fā)射器504的隔離特性，也可以使用第二個(gè)并聯(lián)電路，它包括并聯(lián)連接的MEMS開關(guān)M524和固態(tài)開關(guān)S526，以便在發(fā)射器504與天線500斷開時(shí)將發(fā)射器504短路到地。
本發(fā)明實(shí)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(diǎn)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(fā)射器504)的第二觸點(diǎn)509。將較快的開關(guān)例如固態(tài)開關(guān)S506連接在第一觸點(diǎn)507和第二觸點(diǎn)509之間。將較慢的開關(guān)例如機(jī)械(MEMS)開關(guān)M508以與所述固態(tài)開關(guān)S506并聯(lián)的形式連接在第一觸點(diǎn)507和第二觸點(diǎn)509之間。這種并聯(lián)的MEMS/固態(tài)開關(guān)配置利用了固態(tài)開關(guān)的快速轉(zhuǎn)換時(shí)間并且利用了MEMS開關(guān)改善的插入損耗和隔離特性。作為另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，利用與MEMS開關(guān)并聯(lián)的固態(tài)開關(guān)改善了轉(zhuǎn)換操作期間系統(tǒng)的瞬時(shí)頻譜。
作為實(shí)例，參閱圖6，對(duì)于GSM/GPRS(全球移動(dòng)通信系統(tǒng)/通用分組無線電業(yè)務(wù))應(yīng)用，發(fā)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(guān)能在斜坡周期接通或斷開，利用MEMS開關(guān)就能滿足要求。對(duì)于28μs的轉(zhuǎn)換時(shí)間，MEMS開關(guān)的激勵(lì)電壓可以降到15V以下。15V以下的激勵(lì)電壓電源芯片可以用普通的CMOS工藝制造，因此生產(chǎn)成本比較經(jīng)濟(jì)。而且對(duì)于這種激勵(lì)電壓范圍，可以利用蜂窩電話中已有的電壓源，因?yàn)轱@示器一般使用15V左右的電壓。
但是，即使MEMS開關(guān)能以可接受的速度在可接受的激勵(lì)電壓下進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這些比較慢的MEMS開關(guān)仍會(huì)嚴(yán)重干擾斜坡(上升/下降)周期的瞬時(shí)頻譜，這是不能接受的。這一缺點(diǎn)也要通過利用和MEMS開關(guān)并聯(lián)的固態(tài)開關(guān)來解決，使得快速的固態(tài)開關(guān)能覆蓋斜坡周期以避免瞬時(shí)頻譜的問題。由于僅在斜坡周期需要固態(tài)開關(guān)，然后它們就被斷開，低插入損耗的MEMS開關(guān)就覆蓋了數(shù)據(jù)發(fā)射期間，用于固態(tài)開關(guān)的大約90％的功率就可節(jié)省下來。所以本發(fā)明的實(shí)施例也可降低功耗。
利用圖5獲得的圖6顯示當(dāng)將接收器502或發(fā)射器504轉(zhuǎn)接到天線500時(shí)在斜坡上升和下降期間固態(tài)轉(zhuǎn)換和MEMS轉(zhuǎn)換的曲線圖。對(duì)于GSM或增強(qiáng)型GSM應(yīng)用，分配28μs用作斜坡上升和斜坡下降。這樣，只要MEMS轉(zhuǎn)換動(dòng)作在此斜坡周期內(nèi)能夠完成，所述開關(guān)配置就可適用。并聯(lián)的轉(zhuǎn)換較快的固態(tài)開關(guān)用來避免瞬時(shí)頻譜問題。因MEMS開關(guān)的通斷動(dòng)作引起的干擾不會(huì)顯著降低瞬時(shí)頻譜的質(zhì)量，并可通過斜坡DAC(數(shù)/模變換器)中預(yù)失真進(jìn)行補(bǔ)補(bǔ)償。所述預(yù)失真是用來對(duì)放大器的非線性進(jìn)行補(bǔ)償?shù)囊环N技術(shù)。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(zhuǎn)換功能。這種非線性應(yīng)加以補(bǔ)償(在一定程度上)以符合頻譜發(fā)射的要求。所以，預(yù)失真可以認(rèn)為是PA非線性的一種反演功能。
在此實(shí)例中，利用這種與固態(tài)開關(guān)并聯(lián)的MEMS開關(guān)結(jié)構(gòu)，對(duì)MEMS開關(guān)的速度要求可降低，僅需在28μs內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。如圖所示，MEMS開關(guān)和固態(tài)開關(guān)二者同時(shí)接通(即關(guān)閉)。MEMS開關(guān)在連接到天線的整個(gè)持續(xù)時(shí)間內(nèi)保持接通狀態(tài)，負(fù)責(zé)進(jìn)行信號(hào)發(fā)射。相反，固態(tài)開關(guān)僅在斜坡上升和斜坡下降期間被激勵(lì)。換句話說，在整個(gè)開關(guān)周期，固態(tài)開關(guān)僅被激勵(lì)28μs，而不是(2*28+542.8)μs，這將(固態(tài)開關(guān)的)總功耗降低了90％。在信號(hào)發(fā)射期間(542.8μs)，實(shí)現(xiàn)了MEMS開關(guān)的低插入損耗的優(yōu)點(diǎn)。
圖7是說明當(dāng)天線在接收器和發(fā)射器之間轉(zhuǎn)換時(shí)的轉(zhuǎn)換序列的流程圖。相反，圖8是說明當(dāng)天線在發(fā)射器和接收器之間轉(zhuǎn)換時(shí)的轉(zhuǎn)換序列的流程圖。以有助于理解本發(fā)明實(shí)施例的方式，以依次進(jìn)行的多個(gè)分立的方框的形式描述各種操作。但是不應(yīng)該把描述它們的順序理解為這些操作必需按此順序進(jìn)行，或操作必需以方框圖所示的順序進(jìn)行。
參閱圖7，當(dāng)天線500在接收器502和發(fā)射器504之間轉(zhuǎn)換時(shí)，在方框700，控制信號(hào)斷開M508(S506已處于斷開狀態(tài))，S522和M520接通。在接通狀態(tài)時(shí)，M502在M508斷開時(shí)對(duì)接收器502提供較好的隔離。在方框702，控制信號(hào)接通S510和MEMS陣列M512，而S526被斷開(M524已處于斷開狀態(tài))。在方框704，隔離開關(guān)S522斷開以節(jié)省功率，而隔離開關(guān)M520保持接通。最后，在方框706，S510在斜坡周期后斷開以節(jié)省功率，而MEMS陣列M512執(zhí)行信號(hào)發(fā)射。
同理，圖8示出當(dāng)使天線在發(fā)射器504和接收器502之間轉(zhuǎn)換時(shí)的轉(zhuǎn)換序列。在方框800，控制信號(hào)斷開MEMS陣列開關(guān)M512(S510已處于斷開狀態(tài))，S526和M524接通，為發(fā)射器504提供改善的隔離。在方框802，控制信號(hào)接通S506和M508，將接收器502連接到天線500，隔離開關(guān)M520斷開(隔離開關(guān)M520已處于斷開狀態(tài))。在方框804，發(fā)射器隔離開關(guān)S526斷開以節(jié)省功率，并且由M524提供隔離。最后，在方框806，在斜坡周期之后固態(tài)開關(guān)S506斷開以節(jié)省功率，而由MEMS開關(guān)M508執(zhí)行從天線500到接收器502的信號(hào)傳輸。
已對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例做了具體的圖示和/或說明。但是，應(yīng)當(dāng)指出，在不背離本發(fā)明的精神和范圍情況下，對(duì)本發(fā)明的各種修改和變更被以上的論述所覆蓋并且落在所附權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種開關(guān)電路，它包括連接到第一電氣裝置的第一觸點(diǎn)；連接到第二電氣裝置的第二觸點(diǎn)；連接在所述第一觸點(diǎn)和所述第二觸點(diǎn)之間的固態(tài)開關(guān)；連接在所述第一觸點(diǎn)和與所述固態(tài)開關(guān)并聯(lián)的所述第二觸點(diǎn)之間的機(jī)械開關(guān)。
2.如權(quán)利要求1所述的開關(guān)電路，其中所述機(jī)械開關(guān)包括連接在所述第一觸點(diǎn)和所述第二觸點(diǎn)之間的機(jī)械開關(guān)陣列。
3.如權(quán)利要求1所述的開關(guān)電路，其中還包括在所述第二觸點(diǎn)和地之間的并聯(lián)電路，所述并聯(lián)電路包括固態(tài)開關(guān)；以及與所述固態(tài)開關(guān)并聯(lián)的機(jī)械開關(guān)。
4.如權(quán)利要求1所述的開關(guān)電路，其中所述機(jī)械開關(guān)是微機(jī)電系統(tǒng)(MEMs)開關(guān)。
5.一種用于通信裝置的開關(guān)，它包括天線；接收器；發(fā)射器；第一開關(guān)電路，它將所述天線連接到所述接收器，所述第一開關(guān)電路包括固態(tài)開關(guān)；以及與所述固態(tài)開關(guān)并聯(lián)的機(jī)械開關(guān)；第二開關(guān)電路，它將所述天線連接到所述發(fā)射器，所述第二開關(guān)電路包括固態(tài)開關(guān)；以及與所述固態(tài)開關(guān)并聯(lián)的機(jī)械開關(guān)陣列。
6.如權(quán)利要求5所述的用于通信裝置的開關(guān)，其中還包括接收器并聯(lián)電路，它包括與機(jī)械開關(guān)并聯(lián)的固態(tài)開關(guān)，用于在所述第一開關(guān)電路處于斷開狀態(tài)時(shí)將所述接收器短路到地。
7.如權(quán)利要求6所述的用于通信裝置的開關(guān)，其中還包括發(fā)射器并聯(lián)電路，它包括與機(jī)械開關(guān)并聯(lián)的固態(tài)開關(guān)，用于在所述第二開關(guān)電路處于斷開狀態(tài)時(shí)將所述發(fā)射器短路到地。
8.如權(quán)利要求4所述的用于通信裝置的開關(guān)，其中所述機(jī)械開關(guān)包括微機(jī)電系統(tǒng)(MEMs)開關(guān)。
9.一種轉(zhuǎn)換方法，所述方法包括在兩個(gè)電氣裝置之間設(shè)置第一開關(guān)；設(shè)置與所述第一開關(guān)并聯(lián)的第二開關(guān)，所述第二開關(guān)比所述第一開關(guān)更快，所述第一開關(guān)在接通時(shí)具有斜坡上升周期，斷開時(shí)具有斜坡下降周期；接通所述第一開關(guān)；在所述斜坡上升周期期間接通所述第二開關(guān)，而在所述斜坡上升周期之后斷開所述第二開關(guān)；斷開所述第一開關(guān)；在所述斜坡下降周期期間接通所述第二開關(guān)，而在所述斜坡下降周期之后斷開所述第二開關(guān)。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中還包括設(shè)置第一隔離開關(guān)；設(shè)置與所述第一隔離開關(guān)并聯(lián)的第二隔離開關(guān)，所述第二隔離開關(guān)比所述第一隔離開關(guān)更快，所述第一隔離開關(guān)在接通時(shí)具有斜坡上升周期；在所述第一開關(guān)和所述第二開關(guān)斷開時(shí)接通所述第一隔離開關(guān)和所述第二隔離開關(guān)；以及在所述第一隔離開關(guān)的所述斜坡上升周期之后斷開所述第二隔離開關(guān)。
11.如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述第一開關(guān)包括微機(jī)電系統(tǒng)(MEMs)開關(guān)，而所述第二開關(guān)包括固態(tài)開關(guān)。
12.如權(quán)利要求10所述的方法，其中所述第一隔離開關(guān)包括微機(jī)電系統(tǒng)(MEMs)開關(guān)，而所述第二隔離開關(guān)包括固態(tài)開關(guān)。
13.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述第二開關(guān)包括第二開關(guān)陣列。
14.一種電路，它包括微機(jī)電系統(tǒng)(MEMs)開關(guān)；以及并聯(lián)連接到所述MEMs開關(guān)的固態(tài)開關(guān)。
15.如權(quán)利要求14所述的電路，其中所述電路將天線連接到發(fā)射器。
16.如權(quán)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(quán)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(quán)利要求15所述的電路，其中所述MEMs開關(guān)包括MEMs開關(guān)陣列。
全文摘要
在轉(zhuǎn)換方案中，將機(jī)械MEMS開關(guān)與固態(tài)開關(guān)并聯(lián)。這種并聯(lián)的MEMS開關(guān)/固態(tài)開關(guān)配置利用了固態(tài)開關(guān)的快速開關(guān)速度并且利用了MEMS開關(guān)的改善的插入損耗和隔離特性。固態(tài)開關(guān)僅需在與較慢的MEMS開關(guān)相關(guān)聯(lián)的斜坡上升/下降周期期間受激勵(lì)，所以可節(jié)省功率。另一優(yōu)點(diǎn)是利用與MEMS開關(guān)并聯(lián)的固態(tài)開關(guān)改善了轉(zhuǎn)換操作時(shí)系統(tǒng)的瞬時(shí)頻譜。
文檔編號(hào)H01P1/12GK1726571SQ200380106206
公開日2006年1月25日 申請(qǐng)日期2003年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月17日
發(fā)明者E·齊珀, Q·馬 申請(qǐng)人:英特爾公司