CN102243940A - 折梁屈曲射频微开关 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种折梁屈曲射频微开关，主要解决现有开关的驱动电压高、响应时间长、损耗高等问题。本发明包括：调节电极对(31，32)、固定机座(33)、驱动电极对(34，35)和外构架(39)，其中：外构架(39)的内壁上固结有微梁(36)和折梁(38)，折梁(38)采用多个矩形弯曲结构，微梁(36)采用纵横弯曲屈曲变形结构，折梁(38)位于微梁(36)的两端，且为一体结构；固定机座(33)与外构架(39)的两端设有导向机构(37)；调节电极对(31，32)采用梳齿状结构，且上下对称。本发明具有低电压、高频响应、高隔离度、低损耗的优点，可用于射频收发电路、微波集成电路、雷达天线T/R组件、射频双工电路中。

Description

折梁屈曲射频微开关

技术领域

本发明属于电子器件技术领域，特别涉及射频微开关，可用于微波集成电路、射频收发电路和雷达天线T/R组件等领域。

技术背景

屈曲射频微开关，是由微机械技术加工而成，基于折梁纵横弯曲理论，突破射频微开关单向加载的传统观念，利用折梁在屈曲变形中的弹性能量释放和刚度变化而表现出的突跳特性，将弹性力转变为驱动力，实现射频微开关高隔离度、低损耗、低电压和高频响应的目的。它具有体积小、可靠性高、结构简单等特点，因此在射频收发电路、微波集成电路、雷达天线T/R组件和射频双工电路等领域中，具有强烈需求。

2008年东南大学MEMS重点实验室在[RF MEMS开关吸合电压的分析，董乔华，廖小平，黄庆安，黄见秋，东南大学MEMS***重点实验室，半导体学报，第29卷第1期，2008年1月，163-169]提出的两端固结静电力驱动的射频微开关，如图1所示。其中微梁11通过固结点12固定而悬于接地板13和信号板14上方，外接电路分别连接于微梁11和信号板14上。当微梁11和信号板14间加有电压时，微梁11在静电力作用下向下移动而同信号板14接触，从而实现外接电路间的闭合。这种射频开关存在以下问题：

1)由于在微梁11和信号板14之间需要加33V的高电压，因而开关存在烧蚀危险。

2)微梁11和信号板间空隙太小，导致射频开关隔离度太低。

2010年California大学San Diego分校在[Rashed Mahameed，Gabriel M.Rebeiz，Electrical and Computer Engineering Department，University of California at San Diego，A High-Power Temperature-StableElectrostatic RF MEMS Capacitive Switch Based on a ThermalBuckle-Beam Design，JOURNAL OFMICROELECTROMECHANICAL SYSTEMS，VOL.19，NO.4，2010，816-826]中提出了一种静电驱动热屈曲型高功率射频开关，如图2所示。这种射频开关的锚点23固定于固点25上，上极板21通过微梁22连接于锚点23上。上极板21和下极板24连接外接电路。当外接电压作用于微梁22上时，微梁22受热膨胀屈曲变形，上极板21向下移动，同下极板24接触，外接电路导通，开关闭合。

虽然这种结构提高了射频开关的隔离度，但是又存在如下问题：

1)驱动电压过高，达到40V。

2)响应时间过长，开关频率过低。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提供一种折梁屈曲射频微开关，以减小驱动电压，提高响应频率。

为实现上述目的，本发明的微开关包括：调节电极对、固定机座、驱动电极对和外构架，其中：外构架的内壁上固结有微梁和折梁；固定机座的两端设有导向机构，用于限制微梁的左右摆动；调节电极对采用梳齿状结构。

所述微梁和折梁为一体结构，且折梁位于微梁的两端。该折梁采用多个矩形弯曲结构，以减小折梁的刚度；该微梁采用纵横弯曲屈曲变形结构，以实现低压大变形驱动。

本发明具有如下优点：

1)本发明由于在外构架的内壁上固结有微梁和折梁，微梁和折梁的轴向总长度L’与外构架的内壁长度L之比为101∶100，使微梁和折梁预先获得轴向挤压屈曲势能，因此减小了驱动电压；

2)本发明由于调节电极对采用梳齿状结构，可以通过调整调节电极电压，使微梁在变形前达到欧拉临界载荷而处于“微弯平衡”状态，从而减小驱动电压；

3)本发明由于折梁采用多个矩形弯曲结构，以减小折梁的刚度，从而减小驱动电压，提高响应频率；

4)本发明由于采用微梁纵横弯曲屈曲变形结构，突破单向加载的传统观念，减小了驱动电压与变形时间，实现微开关低压大变形驱动、提高响应频率；

5)本发明由于在固定机座的两端设有导向机构，限制了微梁的左右摆动，从而保证折梁变形对称；

6)本发明微开关相对于现有其它微开关，部件数量少，且均采用硅材料，成本低，易于加工实现。

附图说明

图1为现有两端固结射频微开关结构图；

图2为现有恒温静电驱动屈曲型射频微开关结构图；

图3为本发明折梁屈曲射频微开关结构图。

具体实施方式

参照图3，本发明的微开关主要由调节电极对31和32、固定机座33、驱动电极对34和35、检测电极对38和39、微梁36、折梁38、导向机构37和外构架39组成，整个结构上下对称，材料采用硅材料。

微梁36和折梁38为一体结构，且折梁38位于微梁36的两端，两端折梁38均采用多个矩形弯曲结构，且上下对称，以减小折梁的刚度。微梁36和折梁38通过压焊方式固结在外构架39的内壁上，微梁36采用纵横弯曲屈曲变形结构，以实现低压大变形驱动。通过合理设计微梁36和折梁38的轴向总长度L’与外构架39内壁长度L之比为101∶100，使微梁36和折梁38预先获得轴向挤压力。调节电极对31和32采用梳齿状结构，固定在微梁36上，且上下对称。该调节电极对31和32通过压焊方式与外部调节电路相连，通过外部调节电路的调节，实施对微梁36两端同步控制，使微梁36和折梁38达到欧拉临界载荷，维持“微弯平衡”状态，同时避免微梁36长期处于受载状态，减小微梁断裂危险，延长微开关的使用寿命。

导向机构37固定在固定机座33与外构架39的两端，用于限制微梁36的左右摆动，保证折梁38屈曲变形对称，避免二次屈曲变形发生。驱动电极对34和35是由固定机座33中部右侧与微梁36左侧表面沉积的金膜形成，该驱动电极对34和35通过压焊方式与外部调节电路相连。在驱动电极对34和35上施加驱动电压，从而产生横向力实现微梁36纵横弯曲屈曲变形。本发明突破目前微开关单向加载的传统观念，利用微梁和折梁组合变形的能量释放和刚度变化而表现出的“突跳”特性，使存储的轴向势能快速释放，将弹性力转变为驱动力。外构架39中部左侧表面沉积有金膜作为固定检测电极40，微梁36右侧沉积有金膜作为可动检测电极41。当微梁36和折梁38达到欧拉临界载荷时，维持“微弯平衡”状态，在驱动电极对34和35上施加驱动电压，从而产生横向力实现微梁36纵横弯曲屈曲大变形，使可动检测电极41与固定检测电极40接触，完成检测电极与外接电路接通功能，从而实现射频微开关高隔离度、低损耗、高频率和低驱动电压要求。

本发明的工作原理如下：

在非工作状态下，调节电极对31和32两端电压为0，驱动电极对34和35两端电压为0，微梁36处于直线状态，固结在外构架39上的折梁38受到轴向预压载荷。由于上下导向机构37的限位，保证微梁36处于垂直直线状态，微开关保持断开状态，如图3实线所示。

在工作状态下，通过外部调节电路调节电极对31和32的两端电压，使微梁36轴向载荷达到欧拉载荷临界值，微梁36处在“微弯平衡”状态，再通过外部驱动电路在驱动电极34和35两端施加驱动电压，由于微梁36已处在“微弯平衡”状态，此时非常小的驱动电压产生的电场力，就导致微梁36向右侧产生快速的屈曲大变形，使可动检测电极41与固定检测电极40接触，微开关处于闭合状态，实现外接检测电路的连通，如图3虚线所示。

Claims (7)

1.一种折梁屈曲射频微开关，包括：调节电极对(31，32)、固定机座(33)、驱动电极对(34，35)和外构架(39)，其特征在于：固定机座(33)与外构架(39)的两端设有导向机构(37)，用于限制微梁的左右摆动；外构架(39)的内壁上固结有微梁(36)和折梁(38)，该微梁(36)和折梁(38)为一体结构，且折梁(38)位于微梁(36)的两端；调节电极对(31，32)采用梳齿状结构，固定在微梁(36)上，且上下对称。

2.根据权利要求2所述的射频微开关，其特征在于折梁(38)采用多个矩形弯曲结构，以减小折梁的刚度。

3.根据权利要求2所述的射频微开关，其特征在于微梁(36)采用纵横弯曲屈曲变形结构，以实现低压大变形驱动。

4.根据权利要求1所述的射频微开关，其特征在于；微梁(36)和折梁(38)的轴向总长度L’与外构架(39)的内壁长度L之比为101∶100，以使微梁(36)和折梁(38)通过压焊固结在外构架(39)内壁，获得轴向挤压力。

5.根据权利要求1所述的射频微开关，其特征在于微梁(36)的左侧和固定机座(33)的右侧表面均淀积有金膜层，两金膜层形成驱动电极(34，35)，该驱动电极通过压焊方式与外部驱动电路相连。

6.根据权利要求1所述的射频微开关，其特征在于固定机座(33)、外构架(39)、微梁(36)和折梁(38)均为硅材料。

7.根据权利要求1所述的射频微开关，其特征在于调节电极对(31，32)通过压焊方式与外部调节电路相连，且同步控制，保证微梁(36)维持“微弯平衡”状态。

Images