CN101640317A - 含mems开关的谐振频率可重构的天线及其制作 - Google Patents

Abstract

一种含MEMS(微电子机械)开关的谐振频率可重构的天线及其制作，属于微波和微电子交叉的技术领域。用MEMS工艺和IC工艺，通过衬底的清洗和热氧化、电镀金层、电镀增加第一～第四桥墩的高度、淀积氮化硅薄膜、涂敷牺牲层、蒸发铝硅合金膜、腐蚀铝硅合金膜、去除牺牲层和焊接垫片九个步骤，将该天线制作在一片10mm×10mm的高阻硅片上。该天线有体积微小，结构紧凑，利用MEMS开关实现天线的频率重构和频率重构时天线在各个谐振频率的辐射方向图不发生改变的优点，该天线的制备方法有基于微电子加工平台、工艺简单，加工精度高、能与IC集成、成本低和适于批量生产的优点。该天线适于作雷达相控制目标搜索与跟踪天线、机械或弹载天线、抗干扰的GPS定位天线，特别适用于射频器件集成，为未来移动通讯的发展做出贡献。

Description

含MEMS开关的谐振频率可重构的天线及其制作

技术领域

本发明涉及一种含MEMS(微电子机械)开关的谐振频率可重构的天线及其制作，确切说，涉及一种利用MEMS开关和IC工艺来实现天线谐振频率的重构，属于微波和微电子交叉的技术领域。

背景技术

可重构天线的特点是同一天线或阵列通过动态改变其物理结构或尺寸，使其具有多个天线的功能，相当于多个天线共用一个物理口径。现有的可重构天线为实现工作频率的电调特性，采用PIN开关二极管、FET等开关器件来改变天线的谐振长度，从而改变天线的谐振频率。这些可重构天线的频率电调特性对开关器件的特性非常敏感，频率重构时，辐射方向图容易发生改变。这些可重构天线多制作在印刷电路板(PCB)上，功耗和体积较大，难于集成。

MEMS开关可使射频、微波、毫米波器件和电路的结构及其特性有一个根本性的改变，其突出特点：低损耗、高隔离度、体积小、制造成本低、易于和IC、MMIC集成，而且MEMS开关的偏置网络能够广泛应用于大型的天线阵列中，不会干扰或劣化天线的辐射方向图，也不消耗功率。综上，MEMS开关是制作可重构天线的理想元件。本发明采用MEMS开关来实现天线的重构，这种技术既能够实现天线的谐振频率的改变，也能够使天线的辐射方向图在可调的各个谐振点不发生改变。

发明内容

本发明要解决的第一个技术问题是推出一种含MEMS开关的谐振频率可重构的天线，该天线有体积微小，结构紧凑，利用MEMS开关实现天线的频率重构和频率重构时天线在各个谐振频率的辐射方向图不发生改变的优点。

为解决上述的技术问题，本发明采用以下的技术方案。该天线是用MEMS工艺和IC工艺构建在高阻硅片衬底上的共平面波导的含MEMS开关的谐振频率可重构的天线。

现结合附图详细描述本发明的技术方案。一种含MEMS开关的谐振频率可重构的天线，其特征在于，含衬底3，第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七金膜60、61、62、63、64、65、66，第一、第二、第三主辐射缝隙40、41、42，第一、第二、第三、第四旁支缝隙50、51、52、53，第一、二MEMS开关1、2，信号/偏压输入垫80和第一、第二接地垫90、91，衬底3是高阻硅片，中心轴0是衬底3的中心轴线，衬底3的一个表面上沉积有第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七金膜60、61、62、63、64、65、66，第一金膜60布列在中心轴0的两边，第一金膜60的左半部分以中心轴0为对称轴与第一金膜60的右半部分对称，第六金膜65、第四金膜63、第三金膜62和第七金膜66、第五金膜64、第二金膜61分别布列在中心轴0的两边，第一主辐射缝隙40夹在第四金膜63和第六金膜65之间，第二主辐射缝隙41夹在第一金膜60、第六金膜65和第七金膜66之间，第三主辐射缝隙42夹在第五金膜64和第七金膜66之间，第一、第二、第三主辐射缝隙40、41、42分别与第四金膜63、第一金膜60和第五金膜64的顶端连接，第二主辐射缝隙41布列在中心轴0的两边，第二主辐射缝隙41的左半部分以中心轴0为对称轴与第二主辐射缝隙41的右半部分对称，第一主辐射缝隙40和第三主辐射缝隙42分别布列在中心轴0的两边，第一旁支缝隙50夹在第三金膜62和第四金膜63之间，第二旁支缝隙51夹在第二金膜61和第五金膜64之间，第三旁支缝隙52夹在第一金膜60和第四金膜63之间，第四旁支缝隙53夹在第一金膜60和第五金膜64之间，第一旁支缝隙50、第四旁支缝隙53和第二旁支缝隙51、第三旁支缝隙52分别布列在中心轴0的两边，第一MEMS开关1含第一、二桥墩20、21、第一桥膜10和第一偏压垫30，第一桥膜10以悬于第一偏压垫30上方的方式跨接在第一桥墩20和第二桥墩21之间，第二MEMS开关2含第三、四桥墩22、23、第二桥膜11和第二偏压垫31，第二桥膜11以悬于第二偏压垫31上方的方式跨接在第三桥墩22和第四桥墩23之间，第一偏压垫30和第二偏压垫31的表面上分别淀积有第一氮化硅薄膜70和第二氮化硅薄膜71，第一MEMS开关1和第二MEMS开关2分别布列在中心轴0的两边，信号/偏压输入垫80位于第一金膜60的底端，第一接地垫90和第二接地垫91分别位于第三金膜62和第二金膜61的底端，第一接地垫90和第二接地垫91分别布列在中心轴0的两边，第六金膜65、第四金膜63、第三金膜62、第一旁支缝隙50、第四旁支缝隙53、第一MEMS开关1和第一接地垫90以中心轴0为对称轴分别与第七金膜66、第五金膜64、第二金膜61、第二旁支缝隙51、第三旁支缝隙5、第二MEMS开关2和第二接地垫91对称。

本发明的技术方案的进一步特征在于，所述的高阻硅片的尺寸、厚度和电阻率分别为10mm×10mm、525μm和3000Ω·cm，第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七金膜60、61、62、63、64、65、66的厚度为2μm，第一桥膜10和第二桥膜11是铝硅合金膜，所述的铝硅合金膜的厚度和含硅量分别为0.7μm～0.9μm和4％，第一～第四桥墩20～23的高度为2μm。

本发明要解决的第二个技术问题是推出一种制备所述天线的方法。

为解决上述的技术问题，本发明采用以下的技术方案，现结合附图详加说明。

一种含MEMS开关的谐振频率可重构的天线的制备方法，其特征在于，以高阻硅片作为衬底3，整个制备过程采用与硅片微波集成电路工艺兼容的工艺，具体工艺步骤：

第一步衬底3的清洗和热氧化

先用一号液，再用二号液清洗衬底3，一号液的配方为27％NH₄OH∶30％H₂O₂∶去离子水的重量比＝1∶2∶5，二号液的配方为37％HCl∶30％H₂O₂∶去离子水＝1∶2∶8，然后采用热氧化方法，在衬底3的一个表面上生长二氧化硅层，厚度为1μm；

第二步电镀金层

在第一步生长的二氧化硅层上电镀金层，厚度为2μm，作为第一～第七金膜60～66、第一～第四桥墩20～23和第一、第二偏压垫30、31，夹在第一～第七金膜60～66之间的未镀金区域为第一～第三主辐射缝隙40～42和第一～第四旁支缝隙50～53；

第三步电镀增加第一～第四桥墩20～23的高度

在经第二步处理的衬底3上的第一～第四桥墩20～23位置处电镀金层，使第一～第四桥墩20～23的高度增加至2μm；

第四步淀积氮化硅薄膜

在第一、第二偏压垫30、31的表面上淀积氮化硅薄膜，厚度为300nm，分别作为第一、第二氮化硅薄膜70、71，在第一、第二偏压垫30、31的表面上形成绝缘层；

第五步涂敷牺牲层

在经第四步处理的衬底3上涂敷牺牲层，厚度为2μm，以保留第一、第二偏压垫30、31上的第一、第二氮化硅薄膜70、71上的牺牲层的方式进行光刻，去除衬底3上的牺牲层；

第六步蒸发铝硅合金膜

将经第五步处理的衬底3置于5×10^-5Torr的真空度下，淀积铝硅合金膜，铝硅合金膜的厚度为0.7μm～0.9μm，铝硅合金膜的含硅量为4％；

第七步腐蚀铝硅合金膜

对经第六步处理的衬底3进行腐蚀铝硅合金膜的处理，以保留第一MEMS开关1和第二MEMS开关2上的铝硅合金膜的方式腐蚀掉衬底3上的铝硅合金膜，未腐蚀的铝硅合金膜就是第一桥膜10和第二桥膜11，第一桥膜10跨接在第一桥墩20和第二桥墩21之间，第二桥膜11跨接在第三桥墩22和第四桥墩23之间；

第八步去除牺牲层

用等离子体刻蚀去除经第七步处理的衬底3上的第一、第二偏压垫30、31上的第一、第二氮化硅薄膜70、71上的牺牲层，使第一桥膜10和第二桥膜11分别悬于第一偏压垫30和第二偏压垫31的上方；

第九步焊接垫片

将第一接地垫90、信号和偏压输入垫80和第二接地垫91分别焊接在第三金膜62、第一金膜60和第二金膜61的底端，至此所述天线的制作全部完成。

本发明的技术方案的进一步特征在于，所述的高阻硅片的尺寸、厚度和电阻率分别为10mm×10mm、525μm和3000Ω·cm。

与背景技术相比，本发明有以下突出特点：

1、本发明利用高阻硅片作为天线的衬底，结构紧凑，利用MEMS开关替代传统的PIN开关二极管、变容二极管、FET等开关器件实现天线的谐振频率重构，结构简单，尺寸小，仅10mm×10mm，此外，硅材料的机械强度和散热性能好，基于微电子加工平台，制备工艺简单，兼有加工精度高和能与IC集成的优势，适合于批量生产和降低成本，为下一代无线通讯电路与天线集成的工艺奠定基础。

2、本发明的天线能够实现在频率为13.1GHz和12.3GHz两个频点的重构，在该两个频点处，该天线具有相似的辐射方向图和较低的反射损失。

附图说明

图1是本发明的含MEMS开关的谐振频率可重构的天线的结构示意图。

图2本发明的含MEMS开关的谐振频率可重构的天线的S₁₁参数图形：(1)两个MEMS开关处于开态；(2)两个MEMS开关处于关态。

图3当两个MEMS开关处于开态时本发明的含MEMS开关的谐振频率可重构的天线的辐射方向图：(1)E面；(2)H面。

具体实施方式

在上述的发明内容中，已经对本发明的两个技术方案作了详细的解释，该两个方案就是具体的实施方式，即实施例。为避免重复，此处仅罗列本发明的含MEMS开关的谐振频率可重构的天线的工作原理。

本发明的天线的结构示意图，见附图1。考虑到对于多单元天线，相邻天线之间的耦合也必需最小，共平面波导反馈的狭缝具有较大的带宽，好的阻抗匹配，较低的辐射损失和互相耦合，容易与微波单片集成电路集成于一体等明显的优点。再者，在现在的通讯***中，需要利用开关实现天线的重构，以提高天线的辐射能力，因此开关是至关重要的电路元件。本发明将具有理想的开关特性，高开关比、高隔离度和低***损耗的微电子机械(MEMS)开关加在第一～第三主辐射缝隙40～42之间：第一MEMS开关1跨接在第一主辐射缝隙40和第二主辐射缝隙41之间，第二MEMS开关2跨接在第二主辐射缝隙41和第三主辐射缝隙42之间。使用的开关主要构成为以CPW作为信号传输线，两端接地的第一、第二桥膜10、11悬于第一、第二偏压垫30、31的上方，通过MEMS开关对称地改变辐射缝隙长度以实现天线的谐振频率的改变，并且MEMS开关的对称加载对于天线馈点的选择相对比较容易。开关所需的直流偏压经由信号/偏压输入垫80馈加，这样，直流偏压输入端和天线信号输入端可共用一个信号/偏压输入垫80，使天线的结构得到了简化。

信号源通过信号/偏压输入垫80加载到天线上，信号通过第一、第二、第三主辐射缝隙40、41、42及其下方的第一、第二、第三、第四旁支缝隙50、51、52、53切断传导电流，产生位移电流激励场，向空间辐射电磁波。偏压源一端通过信号/偏压输入垫80加载，经由第一金膜60施加在第一、第二偏压垫30、31上，偏压源另一端经第一接地垫90或第二接地垫91施加，经由第二、第三、第六、第七金膜61、62、65、66和第一～四桥墩20～23施加在第一、第二桥膜10、11上。当未施加偏压，即偏压源的电压为0V时，第一、第二桥膜10、11未下拉，天线的谐振频率由第一、第二、第三主辐射缝隙40、41、42的缝隙长度之和决定。当偏压源的施加电压为35V时，第一、第二桥膜10、11下拉，分别与第一、第二偏压垫30、31紧贴，由于第一、第二偏压垫30、31上有第一、第二氮化硅薄膜70、71，因此偏压源不会被短路，但第一、第二桥膜10、11与第一、第二偏压垫30、31之间的分布电容却大大增大。对于微波信号而言，形成的大电容相当于使桥膜与偏压垫短路，天线的谐振频率仅由第二主辐射缝隙41的缝隙长度决定。天线的谐振频率由式(1)确定，

f_r＝＝c/[2s(ε_r)]^1/2(1)

式中，f_r为天线的谐振频率(单位：GHz)，c为光速(单位：米/秒)，ε_r为硅片的介电常数，s为辐射谐振缝隙总长度(单位：米)。由式(1)知，天线的谐振频率f_r是辐射谐振缝隙总长度s的函数。MEMS开关的动作改变了辐射谐振缝隙总长度s，使天线的谐振频率f_r随之改变。

这种MEMS开关的谐振频率可重构的天线的优点在于：能产生双向辐射。用宽缝的第一、第二、第三主辐射缝隙40，41，42作为辐射元，天线的谐振带宽较宽；寄生辐射和表面波激励均较弱，对天线辐射效率的减小影响较小；天线整体形状呈三角形，这样结构紧凑，有助于减少衬底3的面积；为了获得宽的频带，在三个主辐射缝隙的下方增加了第三、第四旁支缝隙52、53。当第一、第二桥膜10、11下拉时，测得天线的谐振频率为13.1GHz，当第一、第二桥膜10、11未下拉时，测得天线的谐振频率为12.3GHz，见图2，因此实现了天线的谐振频率的可重构，并且此两个频点的辐射方向图很相似，见图3。从辐射方向图可以看出，辐射特性测试表明天线的3dB轴比带宽约为0.6％，增益为5dB，天线为全向辐射，从方向图曲线可以看出，其半功率波瓣宽度2θ_0.5，大约在±45°，辐射特性优良。

本发明主要用来制备含MEMS开关的谐振频率可重构的天线，有助于减少相控阵雷达***的射频元件数目和缩小天线的尺寸。本发明使用在相控天线阵列中，可以实现天线的多频带、宽带、小尺寸、不同的辐射场等。本发明制作的含MEMS开关的谐振频率可重构的天线的应用领域或潜在的应用领域为雷达相控制目标搜索与跟踪天线、机械或弹载天线、抗干扰的GPS定位天线。可重构天线的性能使其可能支持下一代卫星与陆上应用的通讯、智能标签和模糊雷达等革命性的变化。再者，本发明的含MEMS开关的谐振频率可重构的天线可用于射频器件集成，为未来移动通讯的发展做出贡献。

Claims (4)

1、一种含MEMS开关的谐振频率可重构的天线，其特征在于，含衬底(3)，第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七金膜(60、61、62、63、64、65、66)，第一、第二、第三主辐射缝隙(40、41、42)，第一、第二、第三、第四旁支缝隙(50、51、52、53)，第一、二MEMS开关(1、2)，信号/偏压输入垫(80)和第一、第二接地垫(90、91)，衬底(3)是高阻硅片，中心轴(O)是衬底(3)的中心轴线，衬底(3)的一个表面上沉积有第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七金膜(60、61、62、63、64、65、66)，第一金膜(60)布列在中心轴(O)的两边，第一金膜(60)的左半部分以中心轴(O)为对称轴与第一金膜(60)的右半部分对称，第六金膜(65)、第四金膜(63)、第三金膜(62)和第七金膜(66)、第五金膜(64)、第二金膜(61)分别布列在中心轴(O)的两边，第一主辐射缝隙(40)夹在第四金膜(63)和第六金膜(65)之间，第二主辐射缝隙(41)夹在第一金膜(60)、第六金膜(65)和第七金膜(66)之间，第三主辐射缝隙(42)夹在第五金膜(64)和第七金膜(66)之间，第一、第二、第三主辐射缝隙(40、41、42)分别与第四金膜(63)、第一金膜(60)和第五金膜(64)的顶端连接，第二主辐射缝隙(41)布列在中心轴(O)的两边，第二主辐射缝隙(41)的左半部分以中心轴(O)为对称轴与第二主辐射缝隙(41)的右半部分对称，第一主辐射缝隙(40)和第三主辐射缝隙(42)分别布列在中心轴(O)的两边，第一旁支缝隙(50)夹在第三金膜(62)和第四金膜(63)之间，第二旁支缝隙(51)夹在第二金膜(61)和第五金膜(64)之间，第三旁支缝隙(52)夹在第一金膜(60)和第四金膜(63)之间，第四旁支缝隙(53)夹在第一金膜(60)和第五金膜(64)之间，第一旁支缝隙(50)、第四旁支缝隙(53)和第二旁支缝隙(51)、第三旁支缝隙(52)分别布列在中心轴(O)的两边，第一MEMS开关(1)含第一、二桥墩(20、21)、第一桥膜(10)和第一偏压垫(30)，第一桥膜(10)以悬于第一偏压垫30上方的方式跨接在第一桥墩20和第二桥墩21之间，第二MEMS开关(2)含第三、四桥墩(22、23)、第二桥膜(11)和第二偏压垫(31)，第二桥膜(11)以悬于第二偏压垫(31)上方的方式跨接在第三桥墩(22)和第四桥墩(23)之间，第一偏压垫(30)和第二偏压垫(31)的表面上分别淀积有第一氮化硅薄膜(70)和第二氮化硅薄膜(71)，第一MEMS开关(1)和第二MEMS开关(2)分别布列在中心轴(O)的两边，信号/偏压输入垫(80)位于第一金膜(60)的底端，第一接地垫(90)和第二接地垫(91)分别位于第三金膜(62)和第二金膜(61)的底端，第一接地垫(90)和第二接地垫(91)分别布列在中心轴(O)的两边，第六金膜(65)、第四金膜(63)、第三金膜(62)、第一旁支缝隙(50)、第四旁支缝隙(53)、第一MEMS开关(1)和第一接地垫(90)以中心轴(O)为对称轴分别与第七金膜(66)、第五金膜(64)、第二金膜(61)、第二旁支缝隙(51)、第三旁支缝隙(5)、第二MEMS开关(2)和第二接地垫(91)对称。

2、根据权利要求1所述的含MEMS开关的谐振频率可重构的天线，其特征在于，所述的高阻硅片的尺寸、厚度和电阻率分别为10mm×10mm、525μm和3000Ω·cm，第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七金膜(60、61、62、63、64、65、66)的厚度为2μm，第一桥膜(10)和第二桥膜(11)是铝硅合金膜，所述的铝硅合金膜的厚度和含硅量分别为0.7μm～0.9μm和4％，第一～第四桥墩(20～23)的高度为2μm。

3、权利要求1所述的含MEMS开关的谐振频率可重构的天线的制备方法，其特征在于，以高阻硅片作为衬底(3)，整个制备过程采用与硅片微波集成电路工艺兼容的工艺，具体工艺步骤：

第一步衬底(3)的清洗和热氧化

先用一号液，再用二号液清洗衬底(3)，一号液的配方为27％NH₄OH∶30％H₂O₂∶去离子水的重量比＝1∶2：5，二号液的配方为37％HCl∶30％H₂O₂∶去离子水＝1∶2∶8，然后采用热氧化方法，在衬底(3)的一个表面上生长二氧化硅层，厚度为1μm；

第二步电镀金层

在第一步生长的二氧化硅层上电镀金层，厚度为2μm，作为第一～第七金膜(60～66)、第一～第四桥墩(20～23)和第一、第二偏压垫(30、31)，夹在第一～第七金膜(60～66)之间的未镀金区域为第一～第三主辐射缝隙(40～42)和第一～第四旁支缝隙(50～53)；

第三步电镀增加第一～第四桥墩(20～23)的高度

在经第二步处理的衬底3上的第一～第四桥墩(20～23)位置处电镀金层，使第一～第四桥墩(20～23)的高度增加至2μm；

第四步淀积氮化硅薄膜

在第一、第二偏压垫(30、31)的表面上淀积氮化硅薄膜，厚度为300nm，分别作为第一、第二氮化硅薄膜(70、71)，在第一、第二偏压垫(30、31)的表面上形成绝缘层；

第五步涂敷牺牲层

在经第四步处理的衬底(3)上涂敷牺牲层，厚度为2μm，以保留第一、第二偏压垫(30、31)上的第一、第二氮化硅薄膜(70、71)上的牺牲层的方式进行光刻，去除衬底(3)上的牺牲层；

第六步蒸发铝硅合金膜

将经第五步处理的衬底(3)置于5×10^-5Torr的真空度下，淀积铝硅合金膜，铝硅合金膜的厚度为0.7μm～0.9μm，铝硅合金膜的含硅量为4％；

第七步腐蚀铝硅合金膜

对经第六步处理的衬底(3)进行腐蚀铝硅合金膜的处理，以保留第一MEMS开关(1)和第二MEMS开关(2)上的铝硅合金膜的方式腐蚀掉衬底(3)上的铝硅合金膜，未腐蚀的铝硅合金膜就是第一桥膜(10)和第二桥膜(11)，第一桥膜(10)跨接在第一桥墩(20)和第二桥墩(21)之间，第二桥膜(11)跨接在第三桥墩(22)和第四桥墩(23)之间；

第八步去除牺牲层

用等离子体刻蚀去除经第七步处理的衬底(3)上的第一、第二偏压垫(30、31)上的第一、第二氮化硅薄膜(70、71)上的牺牲层，使第一桥膜(10)和第二桥膜(11)分别悬于第一偏压垫(30)和第二偏压垫(31)的上方；

第九步焊接垫片

将第一接地垫(90)、信号和偏压输入垫(80)和第二接地垫(91)分别焊接在第三金膜(62)、第一金膜(60)和第二金膜(61)的底端，至此所述天线的制作全部完成。

4、根据权利要求3所述的含MEMS开关的谐振频率可重构的天线的制备方法，其特征在于，所述的高阻硅片的尺寸、厚度和电阻率分别为10mm×10mm、525μm和3000Ω·cm。

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