一種射頻mems單刀雙擲開關的制作方法
【專利摘要】一種射頻MEMS單刀雙擲開關，屬于電子科學【技術領域】。采用可移動金屬懸臂梁，其一端通過金屬錨點與信號輸入端相連，中間具有吸合電極板，遠端為下拉電極板；沿懸臂梁中心軸線兩側分別設置第一、第二驅動電極和信號輸出端；開關工作時，第一驅動電極先施加偏置電壓，使得吸合電極板受靜電力作用而移動，然后同側第二驅動電極施加偏置電壓，使得遠端下拉電極板被拉下導致兩個電接觸點與同側的射頻信號輸出端相接觸。本發(fā)明提供的開關在斷開狀態(tài)時兩個第二驅動電極板都不在懸臂梁垂直投影區(qū)域以內，有效減少了開關斷開狀態(tài)的耦合電容，增加了開關的隔離度，同時開關在斷開狀態(tài)下金屬懸臂梁和基底之間距離可做得更小，從而有效降低了開關驅動電壓。
【專利說明】一種射頻MEMS單刀雙擲開關

【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于電子科學【技術領域】，涉及射頻微機電系統(tǒng)(RF MEMS)器件設計制造，特別涉及直接接觸式單刀雙擲MEMS開關的設計、制造。

【背景技術】
[0002]開關是實現(xiàn)微波信號和高頻信號變換的關鍵器件之一，目前在射頻/微波電路中大量使用的一般是場效應晶體管(FET)、鐵氧體材料或PIN二極管等半導體開關。但是這類開關工作頻段一般較低、功耗大、插入損耗大、隔離度低，且由于存在P-N節(jié)或金屬-半導體節(jié)，所以開關存在由半導體節(jié)引起的固有非線性特性。
[0003]電調天線是現(xiàn)今基站天線的主流，相對于FET天線，MET和RET天線因為能通過系統(tǒng)控制輻射波束的方向，便于網路規(guī)劃和實時調節(jié)，得到了如今主流運營商的廣泛應用。而目前整個移動通信系統(tǒng)里面，改變相位的器件都是基于模擬域的模擬移相器，模擬移相器的缺點主要有兩個方面:一是調節(jié)不便，需要人工調節(jié)或者額外的電機配置數(shù)據；二是反應時間慢，在調節(jié)過程中信號可能受到干擾或者甚至是中斷。近年來，射頻MEMS開關迅速發(fā)展，得到廣泛關注。MEMS開關具有小尺寸、低插損、高隔離度、高線性度以及與IC工藝兼容的特點，為相控陣雷達、微波毫米波接收發(fā)機、陣列天線等系統(tǒng)小型化提供了實現(xiàn)可能。若將傳統(tǒng)電調天線中采用的機械結構模擬域相位控制轉換為基于MEMS開關線性移相方式的數(shù)字域相位控制，則可以實現(xiàn)電調天線的無機械傳動，全數(shù)字域控制射頻信號；相位偏差小，可精確調整波束；反應時間短；更適合于多頻多極化智能天線等諸多優(yōu)點。目前研究較廣且比較成熟的是靜電驅動直接接觸式單刀雙擲MEMS開關，具有三個主要組成部分:即懸臂梁部分，開關下電極板部分，驅動電極部分。當開關處于斷開狀態(tài)時，懸臂梁未下拉，射頻信號不導通，當開關處于導通狀態(tài)時，懸臂梁被拉下，射頻信號導通。但傳統(tǒng)的直接接觸式單刀雙擲MEMS開關下電極板位于懸臂梁垂直投影區(qū)域之內，上下兩電極板之間存在較大重疊面積，造成不必要的耦合電容，降低了單刀雙擲MEMS開關在斷開時的隔離度，限制了MEMS開關在高頻段工作的性能。
[0004]同時，傳統(tǒng)的采用靜電驅動MEMS開關一般都需要較高的驅動電壓(通常大于20V)才能使懸臂梁下拉，如果通過降低支撐梁彈性系數(shù)來減小驅動電壓，但低彈性系數(shù)的支撐梁下拉后，由于梁的回復力變小，開關由導通狀態(tài)切換至斷開狀態(tài)時，梁恢復到初始位置所需的時間變長，所以這種通過改變MEMS開關懸臂梁支撐結構的方法雖然降低了驅動電壓但卻犧牲了開關的切換速度。


【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明提供一種射頻MEMS單刀雙擲開關，該開關能夠有效降低金屬懸臂梁和開關下電極板之間的耦合電容，同時使開關在斷開狀態(tài)下金屬懸臂梁和基底之間距離變小，實現(xiàn)MEMS開關高隔離度和低驅動電壓的目的。
[0006]本發(fā)明技術方案如下:
[0007]一種射頻MEMS單刀雙擲開關，如圖1至圖3所示，包括:
[0008]介質基板I，在介質基板背面設置有金屬接地層1-1 ;
[0009]一個金屬懸臂梁2，所述金屬懸臂梁2 —端通過一個金屬錨點2-1固定于介質基板I表面，中間段具有一個垂直于介質基板I表面的吸合電極板2-2,遠端為一平行于介質基板I表面的下拉電極板2-3 ;沿金屬懸臂梁中心軸線左右兩側的介質基板I表面分別設置有第一驅動電極和3第二驅動電極5 ;第一驅動電極3與金屬懸臂梁2中間段的吸合電極板2-2的位置相對應，由第一驅動電壓輸入端3-1、第一驅動電壓連接用微帶線3-2和第一驅動電極板3-3順序連接而成，其中第一驅動電極板3-3表面具有絕緣層3-4 ;第二驅動電極5與金屬懸臂梁2遠端的下拉電極板2-3位置相對應，由第二驅動電壓輸入端5-1、第二驅動電壓連接用微帶線5-2和第二驅動電極板5-3順序連接而成；
[0010]—個射頻信號輸入端2-5和兩個射頻信號輸出端7和8,其中射頻信號輸入端2-5通過一段射頻信號輸入用微帶線2-4與金屬錨點2-1相連，兩個射頻信號輸出端設置于金屬懸臂梁2遠端兩側；
[0011]所述射頻MEMS單刀雙擲開關工作時，金屬懸臂梁2中心軸線同側的第一驅動電極3和第二驅動電極5先后施加直流偏置電壓，而另一側的第一驅動電極3和第二驅動電極5不工作。當射頻信號需從射頻信號輸入端2-5輸入，從左側射頻信號輸出端8輸出時:左側第一驅動電極3先施加直流偏置電壓，使得金屬懸臂梁2中間段的吸合電極板2-2受到左側第一驅動電極的靜電力作用而向左移動并與左側第一驅動電極3的電極板3-3表面的絕緣層3-4相接觸，然后左側第二驅動電極5施加直流偏置電壓，使得金屬懸臂梁2遠端的下拉電極板2-3被拉下，導致下拉電極板2-3上設置的兩個電接觸點9-1和9-2與左側射頻信號輸出端8相接觸。當射頻信號需從射頻信號輸入端2-5輸入，從右側射頻信號輸出端7輸出時:右側第一驅動電極3先施加直流偏置電壓，使得金屬懸臂梁2中間段的吸合電極板2-2受到右側第一驅動電極的靜電力作用而向右移動并與右側第一驅動電極3的電極板3-3表面的絕緣層3-4相接觸，然后右側第二驅動電極5施加直流偏置電壓，使得金屬懸臂梁2遠端的下拉電極板2-3被拉下，導致下拉電極板2-3上設置的兩個電接觸點9-1和9-2與右側射頻信號輸出端7相接觸；
[0012]當所述射頻MEMS單刀雙擲開關處于斷開狀態(tài)時:第一、第二驅動電極均不施加直流偏置電壓時，金屬懸臂梁2中間段的吸合電極板2-2處于中間位置，遠端下拉電極板2-3彈起，電接觸點9-1和9-2與射頻信號輸出端7和8不相接觸。
[0013]上述技術方案中:金屬接地層1-1、金屬懸臂梁2及其錨點2-1、第一驅動電極3、第二驅動電極5的材料是Au，電接觸點9-1和9-2材料為Au、Al、Cu或Pt，介質基板I的材料是半絕緣高阻硅或石英。
[0014]本發(fā)明的技術方案不同于已有懸臂梁式直接接觸單刀雙擲RF MEMS開關采用兩個懸臂梁作為射頻信號導通路徑，而只采用了單個可移動懸臂梁構成單刀雙擲MEMS開關，開關在斷開狀態(tài)時兩個第二驅動電極板都不在懸臂梁垂直投影區(qū)域以內，有效減少了開關在斷開時的耦合電容，增加了開關的隔離度，同時因為增加了釋放犧牲層的釋放空間，降低了工藝難度，使開關在斷開狀態(tài)下金屬懸臂梁和基底之間距離可做得更小，有效降低開關驅動電壓，從而實現(xiàn)其發(fā)明目的。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明提供的射頻MEMS單刀雙擲開關立體結構不意圖；
[0016]圖2為本發(fā)明提供的射頻MEMS單刀雙擲開關的俯視圖；
[0017]圖3為圖2中A-A’連線剖視圖(放大圖)。
[0018]圖中，I是介質基板，1-1是介質基板背面接地層，2是金屬懸臂梁，2-1是金屬錨點，2-2是金屬懸臂梁上吸合電極，2-3是金屬懸臂梁上的下拉電極板，2-4是射頻信號輸入用微帶線，2-5是射頻信號輸入端，3是第一驅動電極，3-1是第一驅動電壓輸入端，3-2是第一驅動電壓連接用微帶線，3-3是第一驅動電極板，3-4是第一驅動電極板表面絕緣層，5是第二驅動電極，5-1是第二驅動電壓輸入端，5-2是第二驅動電壓連接用微帶線，5-3是第二驅動電極板，7是右側射頻信號輸出端，8是左側射頻信號輸出端。

【具體實施方式】
[0019]一種射頻MEMS單刀雙擲開關，如圖1至圖3所示，包括:
[0020]介質基板I，在介質基板背面設置有金屬接地層1-1 ;
[0021 ] 一個金屬懸臂梁2，所述金屬懸臂梁2 —端通過一個金屬錨點2-1固定于介質基板I表面，中間段具有一個垂直于介質基板I表面的吸合電極板2-2,遠端為一平行于介質基板I表面的下拉電極板2-3 ;沿金屬懸臂梁中心軸線左右兩側的介質基板I表面分別設置有第一驅動電極和3第二驅動電極5 ;第一驅動電極3與金屬懸臂梁2中間段的吸合電極板2-2的位置相對應，由第一驅動電壓輸入端3-1、第一驅動電壓連接用微帶線3-2和第一驅動電極板3-3順序連接而成，其中第一驅動電極板3-3表面具有絕緣層3-4 ;第二驅動電極5與金屬懸臂梁2遠端的下拉電極板2-3位置相對應，由第二驅動電壓輸入端5-1、第二驅動電壓連接用微帶線5-2和第二驅動電極板5-3順序連接而成；
[0022]一個射頻信號輸入端2-5和兩個射頻信號輸出端7和8，其中射頻信號輸入端2_5通過一段射頻信號輸入用微帶線2-4與金屬錨點2-1相連，兩個射頻信號輸出端設置于金屬懸臂梁2遠端兩側；
[0023]所述射頻MEMS單刀雙擲開關工作時，金屬懸臂梁2中心軸線同側的第一驅動電極3和第二驅動電極5先后施加直流偏置電壓，而另一側的第一驅動電極3和第二驅動電極5不工作。當射頻信號需從射頻信號輸入端2-5輸入，從左側射頻信號輸出端8輸出時:左側第一驅動電極3先施加直流偏置電壓，使得金屬懸臂梁2中間段的吸合電極板2-2受到左側第一驅動電極的靜電力作用而向左移動并與左側第一驅動電極3的電極板3-3表面的絕緣層3-4相接觸，然后左側第二驅動電極5施加直流偏置電壓，使得金屬懸臂梁2遠端的下拉電極板2-3被拉下，導致下拉電極板2-3上設置的兩個電接觸點9-1和9-2與左側射頻信號輸出端8相接觸。當射頻信號需從射頻信號輸入端2-5輸入，從右側射頻信號輸出端7輸出時:右側第一驅動電極3先施加直流偏置電壓，使得金屬懸臂梁2中間段的吸合電極板2-2受到右側第一驅動電極的靜電力作用而向右移動并與右側第一驅動電極3的電極板3-3表面的絕緣層3-4相接觸，然后右側第二驅動電極5施加直流偏置電壓，使得金屬懸臂梁2遠端的下拉電極板2-3被拉下，導致下拉電極板2-3上設置的兩個電接觸點9-1和9-2與右側射頻信號輸出端7相接觸；
[0024]當所述射頻MEMS單刀雙擲開關處于斷開狀態(tài)時:第一、第二驅動電極均不施加直流偏置電壓時，金屬懸臂梁2中間段的吸合電極板2-2處于中間位置，遠端下拉電極板2-3彈起，電接觸點9-1和9-2與射頻信號輸出端7和8不相接觸。
[0025]其中介質基板I的長X寬X厚尺寸為2600X 1440X250um、材料為高阻硅，背面接地層1-1材料為金(Au)、厚度為2um，射頻信號輸入端2-1、射頻信號輸出端7和8的長X寬X厚尺寸為500 X 500 X 2um、材料為金(Au)，第一驅動電壓輸入端3_1和第二驅動電壓輸入端5-1的長X寬X厚尺寸為200X120X2um，第一驅動電極板表面絕緣層3-4的厚度為lum，第一驅動電極板3-3的長X寬X厚尺寸為40 X 40 X 163um，第二驅動電極板5-3的長X寬X厚尺寸為200 X 160 X 2um，金屬懸臂梁2的長X寬X厚尺寸為1283X80X2um，懸臂梁中間段吸合電極2-2的長X寬X厚尺寸為100 X 80 X lOOum，遠端下拉電極板2-3的長X寬X厚尺寸為500X200X2um，電接觸點9_1和9_2的長X寬X厚尺寸為2X2X2um，材料為金(Au)、鋁(Al)、銅(Cu)或鉬(Pt)。本實施方式金屬懸臂梁2在開關斷開狀態(tài)時與介質基板I之間的距離為5um、第一驅動電極板3-3與金屬懸臂梁上吸合電極2-2的距離為185um，第二驅動電極板5-3與金屬懸臂梁遠端下拉電極板之間的垂直距離為70um。本實施方式按常規(guī)方法制作、封裝即可。
【權利要求】
1.一種射頻MEMS單刀雙擲開關，包括: 介質基板(I)，在介質基板背面設置有金屬接地層(1-1); 一個金屬懸臂梁(2)，所述金屬懸臂梁(2) —端通過一個金屬錨點(2-1)固定于介質基板(I)表面，中間段具有一個垂直于介質基板(I)表面的吸合電極板(2-2),遠端為一平行于介質基板(I)表面的下拉電極板(2-3);沿金屬懸臂梁中心軸線左右兩側的介質基板(I)表面分別設置有第一驅動電極(3)和第二驅動電極(5);第一驅動電極(3)與金屬懸臂梁(2)中間段的吸合電極板(2-2)的位置相對應，由第一驅動電壓輸入端(3-1)、第一驅動電壓連接用微帶線(3-2)和第一驅動電極板(3-3)順序連接而成，其中第一驅動電極板(3-3)表面具有絕緣層(3-4);第二驅動電極(5)與金屬懸臂梁(2)遠端的下拉電極板(2-3)位置相對應，由第二驅動電壓輸入端(5-1)、第二驅動電壓連接用微帶線(5-2)和第二驅動電極板(5-3)順序連接而成； 一個射頻信號輸入端(2-5)和兩個射頻信號輸出端(7和8)，其中射頻信號輸入端(2-5)通過一段射頻信號輸入用微帶線(2-4)與金屬錨點(2-1)相連，兩個射頻信號輸出端設置于金屬懸臂梁(2)遠端兩側； 所述射頻MEMS單刀雙擲開關工作時，金屬懸臂梁(2)中心軸線同側的第一驅動電極(3)和第二驅動電極(5)先后施加直流偏置電壓，而另一側的第一驅動電極(3)和第二驅動電極(5)不工作； 當射頻信號需從射頻信號輸入端(2-5)輸入，從左側射頻信號輸出端(8)輸出時:左側第一驅動電極(3)先施加直流偏置電壓，使得金屬懸臂梁(2)中間段的吸合電極板(2-2)受到左側第一驅動電極的靜電力作用而向左移動并與左側第一驅動電極(3)的電極板(3-3)表面的絕緣層(3-4)相接觸，然后左側第二驅動電極(5)施加直流偏置電壓，使得金屬懸臂梁(2)遠端的下拉電極板(2-3)被拉下，導致下拉電極板(2-3)上設置的兩個電接觸點(9-1和9-2)與左側射頻信號輸出端(8)相接觸； 當射頻信號需從射頻信號輸入端(2-5)輸入，從右側射頻信號輸出端(7)輸出時:右側第一驅動電極(3)先施加直流偏置電壓，使得金屬懸臂梁(2)中間段的吸合電極板(2-2)受到右側第一驅動電極的靜電力作用而向右移動并與右側第一驅動電極(3)的電極板(3-3)表面的絕緣層(3-4)相接觸，然后右側第二驅動電極(5)施加直流偏置電壓，使得金屬懸臂梁(2)遠端的下拉電極板(2-3)被拉下，導致下拉電極板(2-3)上設置的兩個電接觸點(9-1和9-2)與右側射頻信號輸出端(7)相接觸； 當所述射頻MEMS單刀雙擲開關處于斷開狀態(tài)時:第一、第二驅動電極均不施加直流偏置電壓時，金屬懸臂梁(2)中間段的吸合電極板(2-2)處于中間位置，遠端下拉電極板(2-3)彈起，電接觸點(9-1和9-2)與射頻信號輸出端(7和8)不相接觸。
2.根據權利要求1所述的射頻MEMS單刀雙擲開關，其特征在于，金屬接地層(1-1)、金屬懸臂梁(2)及其錨點(2-1)、第一驅動電極(3)、第二驅動電極(5)的材料是Au，電接觸點(9-1和9-2)材料為Au、Al、Cu或Pt，介質基板(I)的材料是半絕緣高阻硅或石英。
3.根據權利要求2所述的射頻MEMS單刀雙擲開關，其特征在于，介質基板(I)的長X寬X厚尺寸為2600X1440X250um、材料為高阻硅，背面接地層(1_1)材料為Au、厚度為2um，射頻信號輸入端(2-1)、射頻信號輸出端(7和8)的長X寬X厚尺寸為.500 X 500 X 2um、材料為Au,第一驅動電壓輸入端(3_1)和第二驅動電壓輸入端(5_1)的長X寬X厚尺寸為200 X 120 X 2um，第一驅動電極板表面絕緣層(3_4)的厚度為lum，第一驅動電極板(3-3)的長X寬X厚尺寸為40X40X163um，第二驅動電極板(5_3)的長X寬X厚尺寸為200X160X2um，金屬懸臂梁(2)的長X寬X厚尺寸為1283X80X2um，懸臂梁中間段吸合電極(2-2)的長X寬X厚尺寸為100X80X100um，遠端下拉電極板(2-3)的長X寬X厚尺寸為500X200X2um，電接觸點(9_1和9_2)的長X寬X厚尺寸為2X2X2um，材料為Au、Al、Cu或Pt ;金屬懸臂梁(2)在開關斷開狀態(tài)時與介質基板(I)之間的距離為5um、第一驅動電極板(3-3)與金屬懸臂梁上吸合電極(2-2)的距離為185um，第二驅動電極板(5-3)與金屬懸臂梁遠端下拉電極板之間的垂直距離為70um。
【文檔編號】H01H59/00GK104183425SQ201410439204
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年8月29日 優(yōu)先權日:2014年8月29日
【發(fā)明者】鮑景富, 黃裕霖, 鄧迪, 李昕熠, 王強, 王彬 申請人:電子科技大學