CN102201298A

CN102201298A - 一种带有可纵向推拉的梳齿单元的射频微机械开关

Info

Publication number: CN102201298A
Application number: CN2011101399091A
Authority: CN
Inventors: 王立峰; 黄庆安; 宋竞; 韩磊
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2011-05-27
Filing date: 2011-05-27
Publication date: 2011-09-28
Anticipated expiration: 2031-05-27
Also published as: CN102201298B

Abstract

本发明公开了一种带有可纵向推拉的梳齿单元的射频微机械开关，包括衬底、共面波导传输线和驱动部件，共面波导传输线包括信号线、左地线和右地线，信号线包括上端口、下端口和两根细长梁；细长梁通过弹性结构固定连接在下端口顶面，细长梁的顶端与上端口的底面有间隙；驱动部件包括上锚区、下锚区、上梳齿结构和下梳齿结构；上梳齿结构和下梳齿结构均分别包括固定梳齿单元和移动梳齿单元；下梳齿结构中的固定梳齿和移动梳齿分布顺序与上梳齿结构中的固定梳齿和移动梳齿分布顺序相反；移动梳齿单元的移动可以使细长梁的顶端和上端口的底面贴合或者分离。该结构的射频微机械开关可以提高隔离度，降低执行电压。

Description

一种带有可纵向推拉的梳齿单元的射频微机械开关

技术领域

本发明涉及一种射频微机械开关，具体来说，涉及一种带有可纵向推拉的梳齿单元的射频微机械开关。

背景技术

现有的射频开关包括接触式开关和电容式开关。接触式开关的一般结构是：采用静电或其它驱动方式控制信号线的接触或断开，达到控制开关通断的效果，其隔离度决定于断开部分的寄生电容。对于一端断开的开关来说，随着频率的上升，寄生电容迅速增大，导致开关的隔离度随之迅速减小，增大其断开部分的距离可以有效的提高隔离度。电容式开关的一般结构是：采用静电驱动方式控制膜桥的运动，达到改变跨接在信号线和地线之间的电容的大小的效果，来控制信号的通断。与一般接触式开关相比，电容式开关在较高频率时能表现出较高的隔离度，其隔离度决定于膜桥的寄生电阻。但是，由于趋肤效应，随着频率的上升，电容式开关中的寄生电阻迅速增大，导致开关的隔离度随之迅速减小。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种带有可纵向推拉的梳齿单元的射频微机械开关，以提高在关态时的射频微机械开关的隔离度，降低射频微机械开关的执行电压。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种带有可纵向推拉的梳齿单元的射频微机械开关，包括衬底、共面波导传输线和驱动部件；所述的共面波导传输线包括信号线和位于信号线左右两侧的左地线和右地线，信号线分别与左地线和右地线之间留有间隙；信号线包括呈纵向布置的上端口和下端口，以及处于悬空状态的相对的两根细长梁；左地线、右地线、上端口和下端口分别固定连接在衬底上；细长梁的下部通过弹性结构固定连接在下端口顶面的边缘，细长梁的顶端与上端口的底面有间隙；所述的驱动部件包括上锚区、下锚区、两组上梳齿结构和两组下梳齿结构；上锚区和下锚区呈纵向固定连接在衬底上，并且位于两根细长梁之间；上梳齿结构和下梳齿结构均处于悬空状态，并且每组上梳齿结构和每组下梳齿结构均分别包括设有固定梳齿的固定梳齿单元和设有移动梳齿的移动梳齿单元；在每组上梳齿结构和每组下梳齿结构中，固定梳齿和移动梳齿从上向下交叉分布，并且固定梳齿和移动梳齿之间有间隙；两组上梳齿结构位于上锚区的两侧，在每组上梳齿结构中，固定梳齿单元水平固定连接在上锚区的侧壁上，移动梳齿单元水平固定连接在细长梁上；两组下梳齿结构位于下锚区的两侧，其中固定梳齿单元水平固定连接在下锚区的侧壁上，移动梳齿单元水平固定连接在细长梁上，下梳齿结构中的固定梳齿和移动梳齿分布顺序与上梳齿结构中的固定梳齿和移动梳齿分布顺序相反；移动梳齿单元的移动可以使细长梁的顶端和上端口的底面贴合或者分离。

有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：

1.射频微机械开关具有在关态时隔离度高、执行电压低的优点。当射频微机械开关处于关态时，采用推拉式的可动信号线，即细长梁与上端口之间的间隙，要比以单方向运动的间隙大一倍，减小了关态时的寄生电容值，其结果是本技术方案的射频微机械开关结构提高了关态时射频微机械开关的隔离度。在关态时，射频微机械开关的寄生电容的大小决定了其隔离度的大小。寄生电容越大，隔离度越小。而寄生电容的大小是与细长梁与上端口之间的间距成反比的。在关态下，细长梁与上端口之间的的间距,采用推拉的方式运动，比仅采用推或仅采用拉的方式运动，要大一倍。这样，在关态下，采用推拉的方式运动，比仅采用推或仅采用拉的方式运动，寄生电容也要小一倍。因此，本技术方案的射频微机械开关有效的提高了关态时开关隔离度。同时，利用梳齿结构作为射频微机械开关的驱动部件，梳齿结构的高深宽比，执行电压较低。

2.芯片的面积小。本技术方案中，驱动部件位于两组细长梁之间，即位于射频微机械开关的信号线内部。相对与驱动部件设置在信号线外部，本技术方案中的芯片面积较小，节约了制作原料。

3. 减小射频、微波信号的***损耗。本技术方案中，当射频微机械开关处于开态时，由于细长梁处于悬空，减小了衬底的损耗，从而减小了射频、微波信号的***损耗。

附图说明

图1是本发明的俯视图。

图2是图1中的A-A剖视图。

图中有：衬底1、信号线2、上端口21、下端口22、细长梁23、弹性结构231、左地线3、右地线4、上锚区5、上梳齿结构6、固定梳齿单元61、移动梳齿单元62、下锚区7、下梳齿结构8、限位梁9。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体的说明。

如图1和图2所示，本发明的一种带有可纵向推拉的梳齿单元的射频微机械开关，包括衬底1、共面波导传输线和驱动部件。共面波导传输线用于传输射频、微波信号。共面波导传输线包括信号线2、左地线3和右地线4。左地线3和右地线4位于信号线2左右两侧，并且信号线2分别与左地线3和右地线4之间留有间隙。信号线2包括呈纵向布置的上端口21和下端口22，以及两根细长梁23。左地线3、右地线4、上端口21和下端口22分别固定连接在衬底1上。上端口21位于下端口22的上方，并且上端口21和下端口22之间有空隙。上端口21和下端口22用于信号线2中的信号输出和输入。如果上端口21是信号输入端，那么下端口22就是信号输出端。如果上端口21是信号输出端，那么下端口22就是信号输入端。两根细长梁23都处于悬空状态，即细长梁23不与衬底1接触。细长梁23的下部通过弹性结构231固定连接在下端口22顶面的边缘，细长梁23的顶端与上端口21的底面有间隙。因为细长梁23的下部设有弹性结构231，所以细长梁23可以沿纵向移动。弹性结构231的形式可以有多样，图1中的弹性结构231是在细长梁23的下部的一段向内突起，在细长梁23的下部形成一弹性凹槽。当然也可以在细长梁23的下部设有两个或两个以上的弹性凹槽。无论弹性凹槽的数量是多少，它们都位于下梳齿结构8的下方，即弹性结构231位于下梳齿结构8的下方。在射频微机械开关处于关态下，细长梁23的顶端和上端口21之间有间隙。驱动部件包括上锚区5、下锚区7、两组上梳齿结构6和两组下梳齿结构8。上锚区5和下锚区7呈纵向固定连接在衬底1上，并且位于两根细长梁23之间。上梳齿结构6和下梳齿结构8均处于悬空状态。每组上梳齿结构6包括设有固定梳齿的固定梳齿单元61和设有移动梳齿的移动梳齿单元62。每组下梳齿结构8包括设有固定梳齿的固定梳齿单元61和设有移动梳齿的移动梳齿单元62。在每组上梳齿结构6和每组下梳齿结构8中，固定梳齿和移动梳齿从上向下交叉分布，并且固定梳齿和移动梳齿之间有间隙。两组上梳齿结构6位于上锚区5的两侧，在每组上梳齿结构6中，固定梳齿单元61水平固定连接在上锚区5的侧壁上，移动梳齿单元62水平固定连接在细长梁23上。两组下梳齿结构8位于下锚区7的两侧，其中固定梳齿单元61水平固定连接在下锚区7的侧壁上，移动梳齿单元62水平固定连接在细长梁23上。这样，连接在细长梁23上的移动梳齿单元62可以带动细长梁23向上移动，实现推的功能；或者带动细长梁23向下移动，实现拉的功能。移动梳齿单元62和固定梳齿单元61具有相同数量的梳齿，有利于移动梳齿单元62和固定梳齿单元61的排布。下梳齿结构8中的固定梳齿和移动梳齿分布顺序与上梳齿结构6中的固定梳齿和移动梳齿分布顺序相反。这样，上梳齿结构6和下梳齿结构8可以一个实现推的功能，一个实现拉的功能。移动梳齿单元62的移动可以使细长梁23的顶端和上端口21的底面贴合或者分离，实现开关的开态与关态的功能。

上述结构的带有可纵向推拉的梳齿单元的射频微机械开关的制作过程是：首先刻蚀出硅片背面的上锚区5和下锚区7，并将硅片背面与衬底1进行阳极键合，然后在键合片的硅片正面刻蚀出共面波导的形状，接着溅射金属层并刻蚀，得到共面波导结构的信号线2、左地线3、右地线4和细长梁23，最后用深硅刻蚀的方法刻出上梳齿结构6和下梳齿结构8。

上述结构的射频微机械开关的工作原理是：通过改变固定梳齿单元61和移动梳齿单元62之间的间隙大小，可以控制移动梳齿单元62的运动方向。因为细长梁23上设置有弹性结构231，所以细长梁23在纵向具有一定的伸缩量。当固定连接在细长梁23上的移动梳齿单元62向上移动时，细长梁23也会向上移动，以至细长梁23和上端口21之间可以从分离状态变成贴合状态；当固定连接在细长梁23上的移动梳齿单元62向下移动时，细长梁23也会向下移动，以至细长梁23和上端口21之间可以从贴合状态变成分离状态，并且此时它们分离的间距要比自由状态时的大一倍，从而最终得到纵向推拉的效果。

上述结构的射频微机械开关的具体的工作过程是：在如图1所示的结构中，将射频、微波信号连接到共面波导的上端口21和下端口22，信号线2默认为直流零电位。将直流偏置电压的电位加载到上锚区5上，而下锚区7不加载电位。当上锚区5上加偏置电压时，上锚区5上的高电位和细长梁23通过上梳齿结构6产生静电力，此静电力在纵向上产生向上的拉力，使得固定在细长梁23上的移动梳齿单元62向上移动，最终使细长梁23和上端口21贴合，使射频、微波信号得以传输。将直流偏置电压的电位加载到下锚区7上，而上锚区5不加载电位。当下锚区7上加偏置电压时，下锚区7上的高电位和细长梁23通过下梳齿结构8产生静电力，此静电力在纵向上产生向下的拉力，使得固定在细长梁23上的移动梳齿单元62向下移动，最终使细长梁23和上端口21分离，阻断了射频、微波信号的传输。

上述结构的射频微机械开关具有在关态时隔离度高、执行电压低的优点。当射频微机械开关处于关态时，采用推拉式的可动信号线，细长梁23和上端口21底面之间的间隙，要比以单方向运动的间隙大一倍，减小了关态时的寄生电容值，其结果是本技术方案的射频微机械开关结构提高了关态时射频微机械开关的隔离度。在关态时，射频微机械开关的寄生电容的大小决定了其隔离度的大小。寄生电容越大，隔离度越小。而寄生电容的大小是与细长梁23和上端口21之间的间距成反比的。在关态下，细长梁23和上端口21之间的间距,采用纵向推拉的方式运动，比仅采用推或仅采用拉的方式运动，要大一倍。这样，在关态下，采用纵向推拉的方式运动，比仅采用推或仅采用拉的方式运动，寄生电容也要小一倍。因此，本技术方案的射频微机械开关有效的提高了关态时开关隔离度。同时，利用上梳齿结构6和下梳齿结构8作为射频微机械开关的驱动部件，上梳齿结构6和下梳齿结构8的高深宽比，执行电压较低。另外，驱动部件位于两根细长梁23之间，即位于射频微机械开关的信号线2内部，减小了芯片的面积。当射频微机械开关处于开态时，由于细长梁23处于悬空，减小了衬底1的损耗，从而减小了射频、微波信号的***损耗。

进一步，所述的带有可纵向推拉的梳齿单元的射频微机械开关，还包括限位梁9，该限位梁9连接在两根细长梁23的上部，并且位于上锚区5的上方。增加设置限位梁9，可以对两根细长梁23的上部定位，避免其在移动过程中发生偏移，不能和上端口21接触。

Claims

1.一种带有可纵向推拉的梳齿单元的射频微机械开关，其特征在于，包括衬底（1）、共面波导传输线和驱动部件；

所述的共面波导传输线包括信号线（2）和位于信号线（2）左右两侧的左地线（3）和右地线（4），信号线（2）分别与左地线（3）和右地线（4）之间留有间隙；信号线（2）包括呈纵向布置的上端口（21）和下端口（22），以及处于悬空状态的相对的两根细长梁（23）；左地线（3）、右地线（4）、上端口（21）和下端口（22）分别固定连接在衬底（1）上；细长梁（23）的下部通过弹性结构（231）固定连接在下端口（22）顶面的边缘，细长梁（23）的顶端与上端口（21）的底面有间隙；

所述的驱动部件包括上锚区（5）、下锚区（7）、两组上梳齿结构（6）和两组下梳齿结构（8）；上锚区（5）和下锚区（7）呈纵向固定连接在衬底（1）上，并且位于两根细长梁（23）之间；上梳齿结构（6）和下梳齿结构（8）均处于悬空状态，并且每组上梳齿结构（6）和每组下梳齿结构（8）均分别包括设有固定梳齿的固定梳齿单元（61）和设有移动梳齿的移动梳齿单元（62）；在每组上梳齿结构（6）和每组下梳齿结构（8）中，固定梳齿和移动梳齿从上向下交叉分布，并且固定梳齿和移动梳齿之间有间隙；两组上梳齿结构（6）位于上锚区（5）的两侧，在每组上梳齿结构（6）中，固定梳齿单元（61）水平固定连接在上锚区（5）的侧壁上，移动梳齿单元（62）水平固定连接在细长梁（23）上；两组下梳齿结构（8）位于下锚区（7）的两侧，其中固定梳齿单元（61）水平固定连接在下锚区（7）的侧壁上，移动梳齿单元（62）水平固定连接在细长梁（23）上，下梳齿结构（8）中的固定梳齿和移动梳齿分布顺序与上梳齿结构（6）中的固定梳齿和移动梳齿分布顺序相反；移动梳齿单元（62）的移动可以使细长梁（23）的顶端和上端口（21）的底面贴合或者分离。

2.按照权利要求1所述的带有可纵向推拉的梳齿单元的射频微机械开关，其特征在于，还包括限位梁（9），该限位梁（9）连接在两根细长梁（23）的上部，并且位于上锚区（5）的上方。