CN114758928A

CN114758928A - 一种直板型实用化射频mems开关

Info

Publication number: CN114758928A
Application number: CN202210442525.5A
Authority: CN
Inventors: 李孟委; 吴倩楠; 刘秋慧; 张一飞; 王莉
Original assignee: North University of China
Current assignee: North University of China
Priority date: 2017-07-24
Filing date: 2017-07-24
Publication date: 2022-07-15
Also published as: CN107437482A

Abstract

一种直板型实用化射频MEMS开关，主要结构由衬底、微波传输线、驱动电极、下电极、触点、上电极、固定锚点、空气桥、释放孔组成，微波传输线、驱动电极和下电极设置在衬底上，驱动电极位于上电极的下方，上电极为直板型结构，在上电极开孔，形成释放孔阵列，上电极的固定端通过固定锚点固定在微波传输线上，在下电极上设有单触点，本发明采用直板型上电极结构，具有简单实用、方便阻抗匹配的优点，在工艺加工中易于实现，适用于批量化生产，提高了开关的成品率，本发明还采用单触点结构，可以有效地改善双触点虚接引起的可靠性问题，增强了开关接触特性，减小了弱接触，避免开关烧蚀和粘连，使开关的寿命得到较大的提高。

Description

一种直板型实用化射频MEMS开关

本申请是母案名称为“一种直板型实用化射频MEMS开关”的发明专利的分案申请；母案申请的申请号为：CN201710605260.5；母案申请的申请日为：2017.07.24。

技术领域

本发明属于射频MEMS技术领域，具体涉及一种直板型实用化射频MEMS开关。

背景技术

射频MEMS开关具有插损小、功耗低、成本低、线性度高等卓越的优点，既可以用于可重构电路中，包括衰减器、移相器、滤波器和天线等，也可用于子***中，包括信号路径选择、发射/接收(T/R)组件和波束成型天线阵列等。射频MEMS开关能够在很大程度上减小可重构***的尺寸、重量以及成本，成为21世纪一项不可或缺的重要技术。

目前国***频MEMS开关的研究机构主要有中电集团十三所、中电集团五十五所、清华大学、北京大学、东南大学、中北大学等单位。例如东南大学公开了一种热驱动RFMEMS开关(申请号：CN201510453346.1)，采用锁扣式开关结构，通过V形梁锁扣驱动悬臂梁，使得悬臂梁尾端的锁钩与另一悬臂梁尾端的锁钩相互配合发生锁扣，完成开关的导通或断开操作。清华大学设计的射频MEMS开关，采用一端固定另一端自由的非规则球拍型上电极结构，通过控制金属臂的运动，完成金属-金属触点间的导通或断开操作，从而完成信号的开关操作。但这两种开关的上电极结构相对复杂、工艺加工难度较大，容易降低开关的成品率。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术的不足，设计一种直板型实用化射频MEMS开关，以提高开关的成品率。

本发明的具体技术方案如下：

本发明提供一种直板型实用化射频MEMS开关，主要结构由衬底、微波传输线、驱动电极、下电极、触点、上电极、固定锚点、空气桥、释放孔组成；微波传输线，驱动电极4和下电极5设置在衬底1上，驱动电极4位于上电极12的下方，上电极12为直板型结构，在上电极12开孔，形成释放孔阵列，上电极12的固定端通过第一固定锚点8固定在微波传输线上，在下电极5上设有单触点9。

所述衬底1为长方体结构。

所述射频MEMS开关组件包括传递信号的微波传输线，控制信号通断的上电极12，驱动电极4、触点9、第一固定锚点8、第二固定锚点10、第三固定锚点11、及空气桥14。

所述直板型上电极12为长方体结构，并固定设置在所述微波传输线上方。

所述上电极12开孔，所述释放孔13直径大小为6-10μm，形成释放孔阵列。所述释放孔阵列包括3-4排，按照所述信号线的长度方向排列，任意一排的释放孔数量为6-10个；释放孔间距为10-20μm。

在所述上电极12下方位置处，对应设置所述驱动电极4。

所述微波传输线固定设置在所述衬底1上面，所述微波传输线包括至少一条信号线及至少两条地线。

所述信号线设置在所述衬底1的中央位置，所述第一地线2、及第二地线7平行分置在所述第一信号线3、及第二信号线6两侧。

所述第一信号线3、及第二信号线6中间位置断开形成断口，并将两段信号线界定为第一信号线3、及第二信号线6。

所述上电极12设置在所述断口上方。

在所述第一信号线3接近断口端处，通过所述第一固定锚点8固定设置所述上电极12，所述上电极12与所述第一信号线3形成悬臂结构。

在所述第二信号线6接近断口端处，设置所述触点9，所述触点9个数是一个，并位于所述下电极5的上方。所述触点9的形状为长方体、半球体或者圆锥体中的一种。

所述空气桥14是长方形结构，并所述空气桥14通过所述第二固定锚点10、及第三固定锚点11固定所述第二地线7上，所述空气桥14与所述第二地线7构成可允许引线通过的空间。

本发明相对于现有技术取得了以下有益效果：

本发明与背景技术相比具有明显的先进性，其上电极为长方体结构，与传统开关上电极结构相比，其外形简单规则，方便上电极与共面波导地线之间的特征阻抗匹配,在工艺加工中易于实现，适用于批量化生产，提高了开关的成品率。本发明还采用单触点结构有效地改善了双触点虚接引起的可靠性问题，增强了开关接触特性，减小了弱接触，避免开关烧蚀和粘连，使开关的寿命得到较大的提高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为所述射频MEMS开关的整体结构图；

图2为所述射频MEMS开关的整体结构俯视图；

图3为所述射频MEMS开关的开关结构图；

图4为所述射频MEMS开关的开关结构俯视图；

图5为所述射频MEMS开关的开关结构主视图；

图6为所述射频MEMS开关的上电极结构图；

图7为所述射频MEMS开关的上电极结构俯视图；

图8为所述射频MEMS开关的长方体触点结构图；

图9为所述射频MEMS开关的长方体触点结构俯视图；

图10为所述射频MEMS开关的半球体触点结构图；

图11为所述射频MEMS开关的半球体触点结构俯视图；

图12为所述射频MEMS开关的圆锥体触点结构图；

图13为所述射频MEMS开关的圆锥体触点结构俯视图；

图14为所述射频MEMS开关的空气桥结构图；

图15为所述射频MEMS开关的空气桥结构俯视图；

图16为所述射频MEMS开关的空气桥结构主视图。

图中所示，附图标记清单如下：

1、衬底，2、第一地线，3、第一信号线，4、驱动电极，5、下电极，6、第二信号线，7、第二地线，8、第一固定锚点，9、触点，10、第二固定锚点，11、第三固定锚点，12、上电极，13、释放孔，14、空气桥，15、引线。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组合或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。另外，本发明实施例的描述过程中，所有图中的“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等器件位置关系，均以图1为标准。

以下结合附图对本发明做进一步说明：

如图1、2所示，为本发明实施例的整体结构图及俯视图，该实施例提供了一种直板型上电极结构的射频MEMS开关，所述射频MEMS开关包括衬底1，微波传输线，驱动电极4，上电极12，触点9，第一固定锚点8，第二固定锚点10，第三固定锚点11，空气桥14，释放孔13。所述衬底1作为所述射频MEMS开关的载体结构，承载所述微波传输线，驱动电极4，上电极12，触点9，第一固定锚点8，第二固定锚点10，第三固定锚点11，空气桥14，释放孔13,在所述驱动电极4施加驱动电压时，所述上电极12与所述驱动电极4之间产生静电力，使得上电极12朝向所述微波传输线方向产生弯曲，与所述微波传输线接触，此时，所述射频MEMS开关处于开启状态；在所述驱动电极4未施加驱动电压时，所述上电极12与所述微波传输线相互断开，此时，所述射频MEMS开关处于关闭状态。

所述衬底1为长方体结构，在所述衬底1的表面设置所述微波传输线，所述射频MEMS开关包括衬底1，微波传输线，驱动电极4，上电极12，触点9，第一固定锚点8，第二固定锚点10，第三固定锚点11，空气桥14，释放孔13。所述微波传输线包括第一信号线3、第二信号线6、第一地线2、及第二地线7。所述第一信号线3、及第二信号线6位于所述衬底1中心位置处，并垂直于所述衬底1底边，两条所述第一地线2、及第二地线7分别设置在所述第一信号线3、及第二信号线6两侧，并与所述第一信号线3、及第二信号线6的距离一样。

所述衬底1的材料为玻璃、陶瓷和高阻硅，由于此类的导电率较低，保证了传输射频信号时的低损耗特性。

所述第一信号线3、及第二信号线6中间位置，即与所述衬底1中心位置重合处断开，形成断口，所述断口将所述微波传输线分为两段，在此界定为第一信号线3及第二信号线6，所述断口内设置驱动电极4，即所述驱动电极4固定设置在所述衬底1的中心位置处。

所述第一信号线3接近所述断口端面上设置上电极12，所述第一信号线3与所述上电极12端通过所述第一固定锚点8固定设置，所述直板型上电极12为长方体结构，由于所述微波传输线为共面波导结构，特征阻抗是共面波导的重要参数。在制备工艺过程中要求使开关输入输出端口的特征阻抗与射频***的特征阻抗相等，以达到端口的匹配特性。

如图3、4、5所示，所述直板型上电极12设计为长方体结构，工艺简单，容易实现，并且减小了辐射损耗。

例如特征阻抗为50欧姆，计算得出共面波导第一信号线3、及第二信号线6宽度或共面波导第一信号线3、及第二信号线6与第一地线2、及第二地线7的间距，获得共面波导的结构尺寸，从而进行所述射频MEMS开关。

如图6-7所示，所述上电极12开孔，每个释放孔13直径大小为6-10μm，形成释放孔阵列，所述释放孔阵列包括3-4排，按照所述信号线的长度方向排列，任意一排的释放孔数量为6-10个；释放孔间距为10-20μm。与非规则球拍型上电极结构相比，所述上电极12到第一地线2、及第二地线7的间距更容易匹配，工艺加工中更容易实现。

在所述射频MEMS开关制作工艺中，采用干法释放牺牲层，其主要步骤是使用氧等离子体对其进行轰击，在没有释放孔13的情况下氧气无法与牺牲层充分接触；增加上述释放孔阵列之后可以使其与牺牲层更加充分的接触，仅实验组数据获得，该组的每个释放孔13直径大小为8μm，形成释放孔阵列，释放孔13可以设置3排，释放孔间距为10-20μm。

所述上电极12结构开孔，形成释放孔阵列，以提高牺牲层释放效率，同时可以减小电极板上下运动的空气阻尼，提高开关速度。

如图8、9所示，所述上电极12接近所述第二信号线6的一端下表面设置所述触点9，所述上电极12有与第二信号线6通过所述触点9导通连接，所述触点9个数是一个，并设置在所述下电极5上。如图10、11、12、13所示，所述触点9的形状为长方体、半球体或者圆锥体中的一种。

如图14、15、16所示，所述空气桥14通过所述第二固定锚点10、第三固定锚点11固定所述地线7上。所述空气桥14是长方体结构，两端固定在第二固定锚点10、第三固定锚点11上面，两个固定锚点分别固定在微波传输线的第二地线7的两端，方便引线15通过，有利于提高开关的小型化。

发明原理是：应用本发明所述射频MEMS开关，当驱动电极4未施加驱动电压时，上电极12与微波传输线的第一信号线3、及第二信号线6的触点9断开，使开关为关闭状态。当驱动电极4上施加驱动电压时，随着电压增加，上电极12与驱动电极4之间的静电力也随之增大，使上电极12弯曲后与微波传输线的第一信号线3、及第二信号线6的触点9接触，使开关为开启状态。在本发明中所述直板型上电极12为长方体结构，与传统开关上电极12结构相比，其外形简单规则，方便上电极12与共面波导第一地线2、及第二地线7的特征阻抗匹配。在工艺加工中易于实现，适用于批量化生产，提高了开关的成品率，本发明还采用单触点9结构，可以有效地改善双触点虚接引起的可靠性问题，增强了开关接触特性，减小了弱接触，避免开关烧蚀和粘连，使开关的寿命得到较大的提高。

综上，本发明中一种直板型实用化射频MEMS开关，其外形简单规则，方便上电极与共面波导地线之间的特征阻抗匹配；在工艺加工中易于实现，适用于批量化生产，进而提高了开关的成品率。

以上所举实施例为本发明的较佳实施方式，仅用来方便说明本发明，并非对本发明作任何形式上的限制，任何所属技术领域中具有通常知识者，若在不脱离本发明所提技术特征的范围内，利用本发明所揭示技术内容所作出局部更动或修饰的等效实施例，并且未脱离本发明的技术特征内容，均仍属于本发明技术特征的范围内。

Claims

1.一种直板型实用化射频MEMS开关，其特征在于，所述开关包括：

衬底，所述衬底的表面具有微波传输线，所述微波传输线包括第一信号线和第二信号线，所述第一信号线和所述第二信号线的中间位置形成有断口；

上电极，所述上电极的固定端通过第一固定锚点固定在所述第一信号线上，所述上电极的中部及另一端延伸于所述衬底水平上方；

下电极，所述下电极的上表面上设置有单触点，所述单触点置于所述上电极的另一端下方，且所述下电极与所述第二信号线连接；

驱动电极，所述驱动电极设置在所述衬底上表面中心处，且所述驱动电极置于所述上电极下方，所述上电极对应所述驱动电极的位置处开设有释放孔阵列；

当所述驱动电极施加驱动电压时，能够使所述上电极弯曲，与所述单触点接触；当所述驱动电极未施加驱动电压时，所述上电极与所述单触点断开。

2.根据权利要求1所述的一种直板型实用化射频MEMS开关，其特征在于，所述上电极为长方形结构。

3.根据权利要求1或2所述的一种直板型实用化射频MEMS开关，其特征在于，所述释放孔阵列包括多个呈阵列状布置的释放孔；

所述释放孔阵列包括3-4排所述释放孔，按照所述信号线的长度方向排列，任意一排所述释放孔的数量为6-10个；

所述释放孔的直径大小为6-10μm，每排或每列任意相邻的两个所述释放孔之间间距为10-20μm。

4.根据权利要求1所述的一种直板型实用化射频MEMS开关，其特征在于，所述微波传输线还包括第一地线和第二地线，所述第一地线和所述第二地线分别设置于所述所述上电极及所述下电极的两侧。

5.根据权利要求4所述的一种直板型实用化射频MEMS开关，其特征在于，所述第二地线分为两段，两段所述第二地线之间通过空气桥连接；所述空气桥的两端分别通过第二固定锚点以及第三固定锚点与两段所述第二地线固定。

6.根据权利要求1所述的一种直板型实用化射频MEMS开关，其特征在于，所述衬底的材料为玻璃、陶瓷或高阻硅。

7.根据权利要求1所述的一种直板型实用化射频MEMS开关，其特征在于，所述第二信号线接近所述驱动电极的一端平齐延伸出所述下电极，所述下电极朝向所述上电极的表面上固定设置所述单触点。

8.根据权利要求4或5所述的一种直板型实用化射频MEMS开关，其特征在于，所述第一信号线、所述第二信号线、所述第一地线以及所述第二地线均为长方体，且所述第一地线以及所述第二地线等距分别设置在所述第一信号线以及所述第二信号线的两侧。

9.根据权利要求5所述的一种直板型实用化射频MEMS开关，其特征在于，在所述第二地线与所述驱动电极距离最短的位置处设置所述空气桥。

10.根据权利要求1所述的一种直板型实用化射频MEMS开关，其特征在于，所述单触点形状包括但不限于长方体、半球体或圆锥体。