CN101202369B - 一种小型化mems开关线移相器 - Google Patents

Abstract

本发明是一种小型化MEMS开关线移相器，包括MEMS开关、参考相移位传输线、相位延迟传输线、开关偏置线、背面接地层、介质衬底、微波接地端子、微机械通孔。优点：通过高阻抗分布式元件、集总元件和微机械通孔微波接地形成的相位延迟传输网络，保持了传输通道低插损性能，减小移相器大相移单元位传输线的芯片面积；减小移相器小相移单元位延时线所占的芯片面积；减小芯片面积；通过选择小型化设计的MEMS开关，如内禀式悬臂梁MEMS开关，使MEMS开关所占芯片面积最小化；微波信号和开关驱动信号隔离，保持MEMS开关和移相器宽带性能，MEMS开关偏置电路所占芯片面积最小；微机械通孔技术，使芯片上微波接地设计简单方便，并最大程度上减小芯片的面积。

Description

一种小型化MEMS开关线移相器

技术领域

本发明涉及一种微机电系统(MEMS)移相器，用于电扫描相控阵阵列(ESA)天线系统，特别是采用MEMS开关的一种小型化、低损耗和开关线型的移相器微波电路。

背景技术

电扫描相控阵天线用电子方法实现天线波束指向在空间的转动或扫描，包含多个天线单元，每个天线单元设置一个移相器，通过移相器改变天线阵内相邻单元之间的信号相位差，即可改变天线波束最大值的指向，实现天线波束在空间相控扫描。对于宽带相控阵天线和共形相控阵天线，实时延线(TTD)或时间延迟单元(TDU)是必须的硬件设备。因此移相器是相控阵天线关键器件。

MEMS开关具有低插损、高隔离、宽带、高线性及静电驱动近零驱动功耗的特点，基于MEMS开关的移相器，实现原理同使用PIN管开关二极管实现的固态移相器相类似，包括DMTL(分布式MEMS传输线)、反射线、开关线和开关网络型四种类型。

传统的开关线移相器结构，如图1所示为1个单元位移相器，通过MEMS开关选择2个不同电长度的传输通道中的1条，电长度的差θ₂-θ₁对应于相移值。通过不同相移单元位的级联，如一个级联4位的数字移相器，可实现16个不同的相移状态。如果每一位移相器中两个传输线段的时延相差为τ的整数倍，如τ，2τ，3τ，……，则该电路就形成实时延延迟线(TTD)即时间延迟单元(TDU)，因此利用MEMS移相器有利于实现高性能宽带电扫描相控阵天线。

但传统的开关线MEMS移相器，大相移位传输线长度长，占据了较大的芯片面积，未充分利用空间，不利于单片集成，不利于降低器件的成本，也给后续天线单元的集成化带来困难。

在移相器电路中，微波接地和开关驱动是必须的。MEMS移相器使用共面波导(CPW)传输线结构，信号线与地线处于介质衬底表面，可方便地实现接地功能，但地线占据了芯片大量的面积。有的MEMS移相器采用微带线作为传输路径，使用四分之一波长扇形环实现微波接地功能，这一方面占据了较大的芯片面积，同时器件的适用带宽有限。有的MEMS开关驱动也使用四分之一波长高阻抗线实现，这一方面占据了较大的芯片面积，另一方面，由于适用带宽的限制造成了MEMS移相器性能的降低。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的问题和缺点，提出一种MEMS开关线移相器，具有小型化、低损耗、宽频带、高相移精度和实时延的特点。

本发明的技术解决方案：包括MEMS开关、参考相移位传输线、相位延迟传输线、开关偏置线、背面接地层以及介质衬底，在MEMS开关、参考相移位传输线、相位延迟传输线、微波接地端子和开关偏置线都布置在介质衬底上，介质衬底的背面金属层作为接地层，微机械通孔贯穿介质衬底，微机械通孔侧壁布满金属，微波接地端子通过微机械通孔连接背面接地层，参考相移位传输线和相位延迟传输线构成两条电长度不等的传输通道，参考相移位传输线是一段带有阻抗匹配网络的微带线构成的参考相移位传输网络，相位延迟传输线是一段连接有集总元件和与微机械通孔相连的微波接地端子的微带线构成的相位延迟传输网络，开关偏置线与MEMS开关相连，以控制MEMS开关选择所需的相位延迟电路，获得相移或者时延。

所述MEMS开关，其结构形式是悬臂梁、桥、膜形式，使用表面牺牲层工艺或者体微机械工艺在介质衬底上制作，主体结构包括RF信号线、锚区、桥结构、触点、下驱动电极，通过静电激励，拉动悬臂向下驱动接触RF信号线，使微波信号导通。很显然，也可以使用其他类型的MEMS开关。

所述参考相移位传输网络，是一段带有阻抗匹配网络的微带线，通过在介质衬底的上表面沉积有金属并刻蚀形成，厚度0.3～10微米。

所述相位延迟传输网络，是一段连接有集总元件和与微机械通孔相连的微波接地端子的微带线，通过在介质衬底的上表面沉积有金属并刻蚀形成，厚度0.3～10微米。集总元件包括交指形电容、金属-绝缘层-金属(MIM)电容和金属-空气-金属(MAM)电容中的一种或几种形式，也可以是电容组的形式。在低相移位态，也可以是一段带有阻抗匹配网络的微带线。

所述开关偏置线，是一段高阻薄膜电阻线，通过薄膜溅射等沉积工艺并刻蚀形成，厚度50～300纳米，方块电阻500～2000欧姆/方块。

所述背面接地层，是在介质衬底背面沉积一层金属层，厚度在微米量级。

所述介质衬底可以是绝缘材料，如氧化铝、玻璃、石英、微波陶瓷材料等，也可以是半绝缘材料，如高阻硅，在半绝缘材料的正面或双面沉积一层绝缘层，如高阻硅表面热氧化一层二氧化硅薄膜，可防止芯片表面不相连的线路之间的电气连接。

所述微机械通孔，贯穿整个介质衬底，使用深反应离子刻蚀(DRIE)而成，孔径在数十微米到数百微米量级，优选地为30～500微米，通孔侧壁布满金属，厚度3～15微米，或整个通孔填满金属，实现介质衬底上表面接地端子与背面接地层电气连接，形成近理想的微波接地。很显然，也可以使用湿法腐蚀工艺或者干法刻蚀和湿法腐蚀结合的工艺完成。

所述金属是钛金、铬金、铂金、钛铂金、铬铂金、金、铜或铝中的任一种。

所述绝缘层是二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氧化铝、五氧化二钽等薄膜材料中的任一种，厚度在亚微米量级。

所述高阻薄膜电阻是铬-硅、铬-氧化硅、钨-硅、钛-钨-硅、镍-铬通过溅射形成薄膜，也可以是气相淀积低掺杂多晶硅薄膜。

所述的开关线型移相器，通过不同相移设计的单元位移相器，按所占芯片面积，有选择的优化级联布局，通过参考相移位传输网络和相位延迟传输网络间隔排列方式布局，通过大相移位单元位和小相移单元位间隔排列方式布局，可以获得小型化的n(n一般为2、3、4、5、6)位数字开关线移相器。

所述相位延迟传输线，特性阻抗为Z₀(一般是50Ω)、电长度为θ₀(如45°、90°、180°)的传输线，通过网络变换，等效为T型或Π型网络，可以缩小芯片面积，假设等效成串联电感为L_t、并联电容为C_t的Π型网络，则

电感 $L_t=\frac{Z_0}{\mathrm{\ω}}\sin {\mathrm{\θ}}_0$

电容 $C_t=\frac{1}{\mathrm{\ω}{Z}_0}\mathrm{tg}\left(\frac{{\mathrm{\θ}}_0}{2}\right)$

其中ω为移相器工作角频率。

并联电容C_t分解为电容C₀和C₁的并联电路，C₁＝C_t-C₀，由串联电感L_t、并联电容为C₁组成的Π型网络，通过网络变换，等效为特性阻抗为Z、电长度为θ的传输线，则

特性阻抗 $Z=\frac{\mathrm{\ω}{L}_t}{\sin \mathrm{\θ}}=\frac{\sin \mathrm{\θ}}{\mathrm{\ω}(C_t-C_0)(1+\cos \mathrm{\θ})}$

电长度 $\mathrm{\θ}=\arccos (1-{\mathrm{\ω}}^2{L}_t(C_t-C_0))$

通过上述网络变换，把相位延迟传输线(Z₀、θ₀)等效为高阻抗传输线(Z、θ)两端并联电容为C₀到地的Π型网络。当采用微带线作为传输线时，传输线宽度越窄，其特性阻抗越高，传输线长度越短，其电长度就小，由于集总元件C₀面积很小，因此采用上述方法，高相移位态的相位延迟传输网络长度和宽度都减少，使移相器芯片面积减小许多。

本发明的优点：与现有技术相比，提供的MEMS开关线移相器具有以下优点：

(1)通过高阻抗分布式元件、集总元件和微机械通孔微波接地形成的相位延迟传输网络，保持了传输通道低插损性能，同时有效减小移相器大相移单元位传输线的芯片面积。

(2)通过传输线折叠结构，结合阻抗匹配网络设计，最大限度地减小移相器小相移单元位延时线所占的芯片面积。

(3)级联并通过参考相移位传输网络和相位延迟传输网络间隔排列方式布局，来最大限度地减小芯片面积。

(4)级联并通过移相器大相移单元位和小相移单元位间隔排列的连接方式，来最大限度地减小芯片面积。

(5)通过选择小型化设计的MEMS开关，如内禀式悬臂梁MEMS开关，使MEMS开关所占芯片面积最小化。

(6)通过采用高电阻率的薄膜电阻线作为MEMS开关的偏置电路，一方面使微波信号和开关驱动信号隔离，保持MEMS开关和移相器的宽带性能，另一方面MEMS开关偏置电路所占的芯片面积最小。

(7)通过微机械通孔技术，使芯片上微波接地设计简单、方便，并最大程度上减小芯片的面积。

附图说明

图1是传统的开关线移相器示意图

图2是本发明所述MEMS移相器示意图

图3是本发明所述MEMS移相器结构示意图

图4是本发明实施例所述单元位移相器三维结构示意图

图5是本发明实施例所述MEMS开关三维结构示意图

图6是本发明实施例所述4位MEMS移相器级联结构示意图

具体实施方式

下面结合结构附图和实施例对本发明作进一步的说明。

对照图1，其结构主要包括微波开关、参考相移位传输线Z₀，θ₁、相位延迟传输线Z₀，θ₂，微波输入信号通过微波开关的通断选择两条传输通道的一条，电长度的差θ₂-θ₁对应于移相器的相移值。

对照图2，其结构是包括MEMS开关101、参考相移位传输网络102、相位延迟传输网络103、开关偏置线104、105、背面接地层、微机械通孔107、微波接地端子109以及介质衬底108。MEMS开关101、参考相移位传输网络102、相位延迟传输网络103、微波接地端子109和开关偏置线104、105都布置在介质衬底108上，介质衬底108的背面金属层作为背面接地层，微机械通孔107贯穿介质衬底108，把背面接地层同衬底上表面微波接地端子109相连。参考相移位传输网络102和相位延迟传输网络103构成两条电长度不等的传输通道。开关偏置线104、105与MEMS开关101相连，连接到控制端子114以控制MEMS开关101选择所需的相位延迟电路，获得相移或者时延。为了保证移相器在低插损的前提下缩小芯片所占面积，参考相移位传输网络102采用较高阻抗传输线110和开路短截线111构成的Π型网络，调节开路短截线111的特性阻抗和电长度，可以得到微波信号在参考相移位传输态102时的最佳的阻抗匹配特性。相位延迟传输网络103采用较高阻抗传输线112、集总电容113和与微机械通孔107相连的接地端子109构成的m＝2级串联的Π型网络，设定集总电容113参数，调节传输线112的特性阻抗和电长度参数，可以得到微波信号在相位延迟传输态103时的最佳的阻抗匹配特性。

对照图3，其结构是包括MEMS开关101、相位延迟传输网络103、开关偏置线105、背面接地层106、微机械通孔107、微波接地端子109和介质衬底108组成。微机械通孔107贯穿介质衬底108，把背面接地层106同衬底108上表面微波接地端子109相连。MEMS开关101主体结构包括RF信号线201a、201b、锚区202、桥结构204、触点205、下驱动电极206，通过静电激励，拉动悬臂204向下驱动触点205接触RF信号线201b，使微波信号导通。在下驱动电极206上淀积一层介质薄膜207，可以防止桥结构204下拉时与下驱动电极206间的短路。当然也可以使用其他结构类型的MEMS开关。相位延迟传输网络103包括较高阻抗传输线112、集总电容113和与微机械通孔107相连的接地端子109构成的T型或Π型网络。图示集总电容113用MIM电容实现，与传输线112的通过空气桥210连接。当然交指形电容、MAM电容以及分布式电容都适合作为集总电容在本发明的MEMS移相器中应用。

对照图4，其结构是包括MEMS开关101、参考相移位传输网络102、相位延迟传输网络103、开关偏置线104、105、115、背面接地层106、微机械通孔107、微波接地端子109以及介质衬底108。MEMS开关101、参考相移位传输网络102、相位延迟传输网络103、微波接地端子109和开关偏置线104、105、115都布置在介质衬底108上，介质衬底108的背面金属层作为背面接地层106，微机械通孔107贯穿介质衬底108，把背面接地层106同衬底108上表面微波接地端子109相连。在微波信号输入输出端连接开关偏置线115到接地端子117，构成MEMS开关101激励电压的参考地电位。开关偏置线104、105与MEMS开关101的驱动电极相连，连接到控制端子114以控制MEMS开关101选择所需的相位延迟电路，获得相移或者时延。参考相移位传输网络102采用较高阻抗传输线110和开路短截线111构成的Π型网络。相位延迟传输网络103采用高阻抗传输线112、集总电容113和与微机械通孔107相连的微波接地端子109构成的m＝4级串联的Π型网络，并使用开路短截线116优化MEMS移相器的匹配性能。

对照图5，可用于图4描述的MEMS开关101，是一种内禀式悬臂梁结构MEMS开关，包括RF信号线201a、201b、锚区202、双U形梁203结构、上电极204、触点205、下驱动电极206、介质薄膜层207以及介质衬底108，上电极规则排布阻尼孔209阵列，可以降低MEMS开关结构阻尼系数，提高MEMS开关的机械性能。通过静电激励，向下拉动悬臂203、204，触点205接触RF信号线201b，使微波信号导通。由于MEMS开关悬臂结构203、204直接在传输线201a、201b上方数微米，宽度同传输线201a、201b相当，因此所占芯片面积极小。

对照图6，其结构是包括有2个MEMS开关构成的单刀双掷开关(MEMSSP2T)、参考相移位传输网络(参考态0°)、相位延迟传输网络(延迟态22.5°、45°、90°、180°)，通过传输通道的选择，如全部选择参考态的传输通路，移相器的相位状态为0，如全部选择延迟态的传输通路，移相器的相位状态为15，则两态之间的相位差或者说MEMS移相器的相移是337.5°(22.5°+45°+90°+180°)。交替选择参考态和延迟态组成的传输通道，则移相器可实现16态、步进22.5°、最大相移337.5°的4位数字移相器。由于移相器大相移单元位所占芯片面积大，通过参考态(0°)和延迟态(45°、90°、180°、22.5°)间隔排列，在信号输入输出端口选用小相移态(22.5°、45°)，优化单元位移相器级联方式，可最大限度地减小4位移相器的芯片面积。当然按照上述级联途径，也可以得到的小型化5位或6位MEMS数字移相器。

结合图4和图5，本发明所述实例实施一提供的小型化MEMS开关线移相器过程如下：选择高阻硅作为介质衬底108，热氧化后沉积100nm厚的Cr-SiO薄膜，形成开关偏置线104、105、115。金属化并刻蚀，形成参考相移位传输网络102中120μm宽较高阻抗传输线110和开路短截线111；形成相位延迟传输网络103中的60μm宽的高阻抗传输线112、叉指电容113、微波接地端子109和开路短截线116；形成开关控制端子114；形成MEMS开关101RF信号线201a、201b和下驱动电极206；形成微波输入输出共面波导接口的信号线和地线117。涂覆2μm厚牺牲层，先后刻蚀触点205和锚区202图形，金属化，形成MEMS开关101的锚区202、双U形梁203结构、带有阻尼孔209的上电极204和触点205。其中上电极204宽度为120μm。介质衬底108背面减薄抛光至250μm，深反应离子刻蚀DRIE，形成垂直的微机械通孔107，孔径100μm。背面金属化形成背面接地层。去除牺牲层，释放MEMS开关101梁结构。

利用本发明的MEMS移相器，通过图6所示的4位MEMS移相器级联结构，在高阻硅衬底上，实现的X波段MEMS移相器芯片尺寸为4.6mm×2.9mm，是同频段传统设计的MEMS开关线移相器芯片面积的1/3。通过电磁场仿真和有限元仿真，MEMS移相器在整个X波段(8～12GHz)，16态相移的平均插损小于1.5dB，反射损耗优于15dB。MEMS移相器具有优良的线性相移特性，在10GHz频率，16态相位误差优于±2.5°。MEMS开关的激励电压从20V变化到60V，开关的触点与微波信号电极相连，但开关悬臂梁结构不发生下榻，即开关的上极板和驱动电极不会接触，因此实现了宽驱动电压的MEMS开关设计，或者说提高了MEMS移相器工艺的误差容量。MEMS移相器在X波段内有平坦的群延时特性，时延步进7ps，形成了时间延迟单元TDU。

Claims (4)

1.一种小型化MEMS开关线移相器，包括MEMS开关、参考相移位传输线、相位延迟传输线、开关偏置线、背面接地层以及介质衬底，其特征在MEMS开关、参考相移位传输线、相位延迟传输线、微波接地端子和开关偏置线都布置在介质衬底上，介质衬底的背面金属层作为背面接地层，微机械通孔贯穿介质衬底，微机械通孔侧壁布满金属，微波接地端子通过微机械通孔连接背面接地层，参考相移位传输线和相位延迟传输线构成两条电长度不等的传输通道，参考相移位传输线是一段带有阻抗匹配网络的微带线构成的参考相移位传输网络，相位延迟传输线是一段连接有集总元件和与微机械通孔相连的微波接地端子的微带线构成的相位延迟传输网络，开关偏置线与MEMS开关相连，以控制MEMS开关选择所需的相位延迟电路，获得相移或者时延，所述微机械通孔，贯穿整个介质衬底，孔径30-500微米，通孔侧壁布满金属，厚度3-15微米，或整个通孔填满金属，实现接地端子与背面接地层电气连接，形成微波接地。

2.根据权利要求1所述的一种小型化MEMS开关线移相器，其特征是所述MEMS开关，是金属-金属直接接触的MEMS开关，包括RF信号线、锚区、桥结构、触点、下驱动电极，通过静电激励，拉动悬臂向下驱动触点接触RF信号线，使微波信号导通。

3.根据权利要求1所述的一种小型化MEMS开关线移相器，其特征在于，所述集总元件包括交指形电容、金属-绝缘层-金属(MIM)电容和金属-空气-金属(MAM)电容中的一种或几种形式。

4.根据权利要求1所述的一种小型化MEMS开关线移相器，其特征在于，所述开关偏置线，是一段高阻薄膜电阻线，厚度50-300纳米，方块电阻500欧姆/方块-2000欧姆/方块。

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