CN102324344A - 一种带有可双向推拉的梳齿单元的射频微机械开关 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有可双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、下端口和菱形细长梁；驱动部件包括四组梳齿结构、中心锚区和侧锚区；在每组梳齿结构中，第一固定梳齿单元的固定梳齿、移动梳齿单元中的移动梳齿、第二固定梳齿单元的固定梳齿顺序重复分布；移动梳齿单元的移动可以使菱形细长梁上端部和上端口贴合、下端部和下端口贴合、左端部和左地线分离、右端部和右地线分离，或者使菱形细长梁的上端部和上端口分离、下端部和下端口分离、左端部和左地线贴合、右端部和右地线贴合。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

一种带有可双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，涉及一种带有可双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：提供一种带有可双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：

一种带有可双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、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菱形细长梁；左地线、右地线、上端口和下端口分别固定连接在衬底上；菱形细长梁的上端部和上端口相对，并且上端部和上端口之间有间隙，菱形细长梁的下端部和下端口相对，并且下端部和下端口之间有间隙，菱形细长梁的左端部和左地线相对，并且左端部和左地线之间有间隙，菱形细长梁的右端部和右地线相对，并且右端部和右地线之间有间隙；所述的驱动部件包括处于悬空状态的四组梳齿结构，以及固定连接在衬底上并且位于菱形细长梁内部的中心锚区和四个侧锚区；四个侧锚区分布在中心锚区的四周；每组梳齿结构分布在相邻的两个侧锚区之间，每组梳齿结构包括设有固定梳齿的第一固定梳齿单元和第二固定梳齿单元、设有移动梳齿的移动梳齿单元、弹性梁；在每组梳齿结构中，第一固定梳齿单元和第二固定梳齿单元分别固定连接在相邻的两个侧锚区相对的侧壁上，移动梳齿单元固定连接在弹性梁上，并且第一固定梳齿单元的固定梳齿、移动梳齿单元中的移动梳齿、第二固定梳齿单元的固定梳齿顺序重复分布；弹性梁的底端固定连接在中心锚区上，弹性梁的顶端固定连接在菱形细长梁的端部，并且在弹性梁的底端和移动梳齿单元之间设置有弹性结构；移动梳齿单元的移动可以使菱形细长梁上端部和上端口贴合、下端部和下端口贴合、左端部和左地线分离、右端部和右地线分离，或者使菱形细长梁的上端部和上端口分离、下端部和下端口分离、左端部和左地线贴合、右端部和右地线贴合。

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。在关态时，两种机制决定了射频微机械开关的隔离度，一个是断开的信号线间的寄生电容。寄生电容越大，隔离度越小。在关态下，寄生电容与菱形细长梁与上端口之间距离，和菱形细长梁与下端口之间的间距之和成反比。本技术方案采用推拉的方式运动，比仅采用推或仅采用拉的方式运动，信号线间距要大一倍。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。另一个决定射频微机械开关的隔离度的机制是信号线与地线间的电阻大小，电阻越小，隔离度越大。关态时，菱形细长梁的左端部、右端部分别和左地线、右地线贴合，有效的减小了信号线与地线间的电阻值。现有射频微机械开关的关态都只是用到其中一个隔离机制，而本技术方案则同时用到以上两个隔离机制，因此其关态时的隔离度比现有开关要大大提高。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，驱动部件位于菱形细长梁之间，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，由于菱形细长梁处于悬空，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、菱形细长梁23、上端部231、下端部232、左端部233、右端部234、接触梁235、左地线3、右地线4、中心锚区5、梳齿结构6、第一固定梳齿单元61、移动梳齿单元62、第三固定梳齿单元63、弹性梁64、回形弹性结构641、侧锚区7、第一侧锚区71、第二侧锚区72、第三侧锚区73、第四侧锚区74。

 

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，一种带有可双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，以及菱形细长梁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。菱形细长梁23处于悬空状态，即菱形细长梁23不与衬底1接触。菱形细长梁23的上端部231和上端口21相对，并且上端部231和上端口21之间有间隙。菱形细长梁23的下端部232和下端口22相对，并且下端部232和下端口22之间有间隙。菱形细长梁23的左端部233和左地线3相对，并且左端部233和左地线3之间有间隙。菱形细长梁23的右端部234和右地线4相对，并且右端部234和右地线4之间有间隙。在射频微机械开关处于关态下，菱形细长梁23的上端部231和上端口21之间有间隙，菱形细长梁23的下端部232和下端口22之间有间隙，同时菱形细长梁23的左端部233和左地线3之间贴合，菱形细长梁23的右端部234和右地线4之间贴合。在射频微机械开关处于开态下，菱形细长梁23的上端部231和上端口21贴合，菱形细长梁23的下端部232和下端口22贴合，同时菱形细长梁23的左端部233和左地线3之间有间隙，菱形细长梁23的右端部234和右地线4之间有间隙。菱形细长梁23呈菱形，所以其移动是相对的，即当上端部231和下端部232向外延伸时，左端部233和右端部234向内收缩；当左端部233和右端部234向外延伸时，上端部231和下端部232向内收缩。驱动部件包括中心锚区5、四个侧锚区7和处于悬空状态的四组梳齿结构6。中心锚区5和四个侧锚区7位于菱形细长梁23内部，并且固定连接衬底1上。四个侧锚区7分布在中心锚区5的四周，形成第一侧锚区71、第二侧锚区72、第三侧锚区73和第四侧锚区74。相邻的两个侧锚区7之间分布一组梳齿结构6。每组梳齿结构6包括第一固定梳齿单元61、第二固定梳齿单元63、移动梳齿单元62和弹性梁64。第一固定梳齿单元61和第二固定梳齿单元63均设有固定梳齿。移动梳齿单元62设有移动梳齿。在每组梳齿结构6中，第一固定梳齿单元61和第二固定梳齿单元63分别固定连接在相邻的两个侧锚区7相对的侧壁上。因为有四个侧锚区7，所以有四组梳齿结构6。移动梳齿单元62固定连接在弹性梁64上，并且第一固定梳齿单元61的固定梳齿、移动梳齿单元62中的移动梳齿、第二固定梳齿单元63的固定梳齿顺序重复分布。这样，在同一组梳齿结构6中，由于第一固定梳齿单元61的固定梳齿和第二固定梳齿单元63的固定梳齿分布在移动梳齿单元62中的移动梳齿的两侧，所以它们对移动梳齿单元62中的移动梳齿施加的作用力的方向是相反的。弹性梁64的底端固定连接在中心锚区5上，弹性梁64的顶端固定连接在菱形细长梁23的端部。在弹性梁64的底端和移动梳齿单元62之间设置有弹性结构641。该弹性结构641的形式可以有多样，图1中的弹性结构641是在弹性梁64上设置两个弹性回形结构，当然也可以在弹性梁64 上设置一个或两个以上的弹性回形结构。无论弹性回形结构的数量是多少，它们都位于弹性梁64的底端和移动梳齿单元62之间。因为设置有该弹性结构641，所以弹性梁64具有一定弹性，即有一定的伸缩量。因为菱形细长梁23固定连接在弹性梁64上，所以利用弹性梁64的移动，可以带动菱形细长梁23的移动。因为弹性梁64上设置有移动梳齿单元62，所以弹性梁64可以随移动梳齿单元62的移动而移动。移动梳齿单元62的移动可以使菱形细长梁23产生两种形变效果，一种是菱形细长梁23的上端部231和上端口21贴合、下端部232和下端口22贴合、左端部233和左地线3分离、右端部234和右地线4分离；另一种是使菱形细长梁23的上端部231和上端口21分离、下端部232和下端口22分离、左端部233和左地线3贴合、右端部234和右地线4贴合。射频微机械开关处于关态下，细长梁23的上端部231和上端口21之间有间隙，下端部232和下端口22之间有间隙，同时菱形细长梁23的左端部233和左地线3之间贴合，右端部234和右地线4之间贴合。射频微机械开关处于开态下，细长梁23的上端部231和上端口21贴合，下端部232和下端口22贴合，同时菱形细长梁23的左端部233和左地线3之间有间隙，右端部234和右地线4之间有间隙。

上述结构的带有可双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中心锚区5和侧锚区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、菱形细长梁23，最后用深硅刻蚀的方法刻出梳齿结构6。

上述结构的射频微机械开关的工作原理是：通过改变梳齿结构6中的固定梳齿单元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。因为菱形细长梁23和移动梳齿单元62固定连接，所以菱形细长梁23可以随移动梳齿单元62的运动而移动，最终得到双向推拉的效果。具体的工作过程是：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，因此将直流偏置电压的电位加载到中心锚区5和两个相对的侧锚区7上，例如第一侧锚区71和第三侧锚区73，或者第二侧锚区72和第四侧锚区74。在图1所示的结构中，当中心锚区5、第一侧锚区71和第三侧锚区73上加偏置电压，第二侧锚区72和第四侧锚区74不加偏执电压时，中心锚区5、第一侧锚区71和第三侧锚区73上的高电位和菱形细长梁23通过梳齿结构6产生静电力。具体来说，位于第一侧锚区71和第二侧锚区72之间的梳齿结构6中的移动梳齿向上移动，位于第三侧锚区73和第四侧锚区74之间的梳齿结构6中的移动梳齿向下移动，位于第二侧锚区72和第三侧锚区73之间的梳齿结构6中的移动梳齿向左移动，位于第四侧锚区74和第一侧锚区71之间的梳齿结构6中的移动梳齿向右移动，也就是说，菱形细长梁23的上端部231和下端部232向外侧延伸，菱形细长梁23的上端部231可以和上端口21贴合，下端部232可以和下端口22贴合；而菱形细长梁23的左端部233和右端部234向内侧收缩。这四组静电力在纵向实现推的功能，在横向实现拉的功能，使菱形细长梁23中上端部231和上端口21贴合，下端部232和下端口22贴合，同时左端部233和左地线3分离，右端部234和右地线分离，使射频、微波信号得以传输。当中心锚区5、第二侧锚区72和第四侧锚区74上加偏置电压，第一侧锚区71和第三侧锚区73不加偏执电压时，中心锚区5、第二侧锚区72和第四侧锚区74上的高电位和菱形细长梁23通过梳齿结构6产生静电力。具体来说，位于第一侧锚区71和第二侧锚区72之间的梳齿结构6中的移动梳齿向下移动，位于第三侧锚区73和第四侧锚区74之间的梳齿结构6中的移动梳齿向上移动，位于第二侧锚区72和第三侧锚区73之间的梳齿结构6中的移动梳齿向右移动，位于第四侧锚区74和第一侧锚区71之间的梳齿结构6中的移动梳齿向左移动，也就是说，菱形细长梁23的上端部231和下端部232向内收缩，使菱形细长梁23的上端部231和上端口21分离，下端部232和下端口22分离；而菱形细长梁23的左端部233和右端部234向外侧延伸。这四组静电力在横向实现推的功能，在纵向实现拉的功能，使菱形细长梁23中上端部231和上端口21分离，下端部232和下端口22分离，同时左端部233和左地线3贴合，右端部234和右地线贴合，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。在关态时，两种机制决定了射频微机械开关的隔离度，一个是断开的信号线间的寄生电容。寄生电容越大，隔离度越小。在关态下，寄生电容与菱形细长梁23与上端口21之间距离，和菱形细长梁23与下端口22之间的间距之和成反比。本技术方案采用推拉的方式运动，比仅采用推或仅采用拉的方式运动，信号线间距要大一倍。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。另一个决定射频微机械开关的隔离度的机制是信号线与地线间的电阻大小，电阻越小，隔离度越大。关态时，菱形细长梁23的左端部233、右端部234分别和左地线3、右地线4贴合，有效的减小了信号线与地线间的电阻值。现有射频微机械开关的关态都只是用到其中一个隔离机制，而本技术方案则同时用到以上两个隔离机制，因此其关态时的隔离度比现有开关要大大提高。同时，利用梳齿结构6作为射频微机械开关的驱动部件，梳齿结构6的高深宽比，执行电压较低。另外，驱动部件位于菱形细长梁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，由于菱形细长梁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，所述的菱形细长梁23的上端部231的顶面、下端部232的底面、左端部233的左面、右端部234的右面分别设置有接触梁235。为了使得菱形细长梁23的上端部231和上端口21能够很好的贴合或者分离，在上端部231的顶面设置接触梁235。同样，在下端部232的底面设置接触梁235，使得下端部232和下端口22能够很好的贴合或者分离，在左端部233的左面设置接触梁235，使得左端部233和左地线3能够很好的贴合或者分离，在右端部234的右面设置接触梁235，使得右端部234和右地线4能够很好的贴合或者分离。

进一步，在所述的每组梳齿结构6中，第一固定梳齿单元61、第二固定梳齿单元63和移动梳齿单元62具有相同数量的梳齿。这样，有利于排布梳齿。

Claims (3)

1.一种带有可双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菱形细长梁（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；菱形细长梁（23）的上端部（231）和上端口（21）相对，并且上端部（231）和上端口（21）之间有间隙，菱形细长梁（23）的下端部（232）和下端口（22）相对，并且下端部（232）和下端口（22）之间有间隙，菱形细长梁（23）的左端部（233）和左地线（3）相对，并且左端部（233）和左地线（3）之间有间隙，菱形细长梁（23）的右端部（234）和右地线（4）相对，并且右端部（234）和右地线（4）之间有间隙；

所述的驱动部件包括处于悬空状态的四组梳齿结构（6），以及固定连接在衬底（1）上并且位于菱形细长梁（23）内部的中心锚区（5）和四个侧锚区（7）；四个侧锚区（7）分布在中心锚区（5）的四周；每组梳齿结构（6）分布在相邻的两个侧锚区（7）之间，每组梳齿结构（6）包括设有固定梳齿的第一固定梳齿单元（61）和第二固定梳齿单元（63）、设有移动梳齿的移动梳齿单元（62）、弹性梁（64）；在每组梳齿结构（6）中，第一固定梳齿单元（61）和第二固定梳齿单元（63）分别固定连接在相邻的两个侧锚区（7）相对的侧壁上，移动梳齿单元（62）固定连接在弹性梁（64）上，并且第一固定梳齿单元（61）的固定梳齿、移动梳齿单元（62）中的移动梳齿、第二固定梳齿单元（63）的固定梳齿顺序重复分布；弹性梁（64）的底端固定连接在中心锚区（5）上，弹性梁（64）的顶端固定连接在菱形细长梁（23）的端部，并且在弹性梁（64）的底端和移动梳齿单元（62）之间设置有弹性结构（641）；移动梳齿单元（62）的移动可以使菱形细长梁（23）上端部（231）和上端口（21）贴合、下端部（232）和下端口（22）贴合、左端部（233）和左地线（3）分离、右端部（234）和右地线（4）分离，或者使菱形细长梁（23）的上端部（231）和上端口（21）分离、下端部（232）和下端口（22）分离、左端部（233）和左地线（3）贴合、右端部（234）和右地线（4）贴合。

2.按照权利要求1所述的带有可双向推拉的梳齿单元的射频微机械开关，其特征在于，所述的菱形细长梁（23）的上端部（231）的顶面、下端部（232）的底面、左端部（233）的左面、右端部（234）的右面分别设置有接触梁（235）。

3.按照权利要求1所述的带有可双向推拉的梳齿单元的射频微机械开关，其特征在于，在所述的每组梳齿结构（6）中，第一固定梳齿单元（61）、第二固定梳齿单元（63）和移动梳齿单元（62）具有相同数量的梳齿。

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