CN101276708A

CN101276708A - 一种静电推拉式单晶硅梁射频微机电系统开关

Info

Publication number: CN101276708A
Application number: CNA2007100648796A
Authority: CN
Inventors: 刘茂哲; 景玉鹏; 陈大鹏; 欧毅; 叶甜春
Original assignee: Institute of Microelectronics of CAS
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp; Institute of Microelectronics of CAS
Priority date: 2007-03-28
Filing date: 2007-03-28
Publication date: 2008-10-01
Anticipated expiration: 2027-03-28
Also published as: CN101276708B

Abstract

本发明涉及射频微机电系统技术领域，公开了一种静电推拉式单晶硅梁射频微机电系统开关，包括开关可动部分和开关不可动部分；所述开关可动部分由SOI的顶层单晶硅形成，在该开关可动部分两端的上侧面分别有下电极和接触点；所述开关不可动部分与SOI顶层单晶硅固定连接，在开关不可动部分两端的下侧面与所述开关可动部分下电极对应的位置有上电极，在开关不可动部分两端的下侧面与所述开关可动部分接触点对应的位置有传输线；通过分别给两端的上电极和下电极之间加电压，使上电极与下电极形成推拉式结构，进而接触或断开传输线与接触点，实现开关动作。利用本发明，降低了驱动电压，增加了开关的寿命，使RF MEMS产品化成为可能。

Description

一种静电推拉式单晶硅梁射频微机电系统开关

技术领域

本发明涉及微电子技术中的微机电系统(MEMS)应用中的射频(RF)MEMS技术领域，尤其涉及一种静电推拉式单晶硅梁射频微机电系统开关。

背景技术

射频微机电系统(RF MEMS)开关在开关网络、低噪声低功耗电路、便携式无线系统、相控阵雷达中应用十分广泛，与传统的FET或PIN二极管构成的固体开关相比，静电驱动的RF MEMS开关具有截至频率高、插入损耗低、隔离度高和线性度好等特点。

RF MEMS开关由机械部分和电学部分构成，可用静电、静磁、压电或者热原理为机械运动提供驱动力。开关的电学部分，可以用串联或者并联方式排列，可以是金属-金属接触或者电容式接触。其中静电驱动因其零直流功耗、开关时间短、结构简单、易加工且便于与IC工艺兼容得到国际上广泛的关注。

MEMS开关的研究工作，始于1979年IBM公司的K.E.PETERSEN，三十多年来科研工作者陷于薄膜工艺的迷径。薄膜的变形，低传输能力及其物理特性一致性低的致命弱点，使得研究成绩斐然，产品化却难于登天。

2002年，日本欧姆龙公司绝缘体上硅(SOI)玻璃键合继电器让人耳目一新。RF MEMS开关继电器一直是军用通讯设备发展的关键，美国日本等国家在RF MEMS开关方面一直有很高的军费渗透。

静电驱动RF MEMS开关的研究一直是企业界追捧的热点，因为静电驱动具有零直流功耗、开关时间短、结构简单、易加工且便于与IC工艺兼容使得其产品化成为可能，但是制约其发展的主要问题是驱动电压高，薄膜应力变形和寿命短而不能达到工业界的要求。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的一个目的在于提供一种静电推拉式单晶硅梁射频微机电系统开关，以解决现有技术存在的缺陷，降低驱动电压，增加开关的寿命。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种静电推拉式单晶硅梁射频微机电系统开关，该射频微机电系统开关包括开关可动部分和开关不可动部分；

所述开关可动部分由绝缘体上硅(SOI)的顶层单晶硅形成，在该开关可动部分两端的上侧面分别有下电极和接触点；

所述开关不可动部分与SOI顶层单晶硅固定连接，在开关不可动部分两端的下侧面与所述开关可动部分下电极对应的位置有上电极，在开关不可动部分两端的下侧面与所述开关可动部分接触点对应的位置有传输线；

通过分别给两端的上电极和下电极之间加电压，使上电极与下电极形成推拉式结构，进而接触或断开传输线与接触点，实现开关动作。

上述方案中，所述开关可动部分为单晶硅梁，该单晶硅梁通过采用体硅加工工艺刻蚀SOI顶层的单晶硅形成，使该单晶硅梁与顶层单晶硅分离，形成推拉式跷跷板结构。

上述方案中，所述下电极和接触点通过蒸发或溅射工艺形成在开关可动部分两端的上侧面。

上述方案中，所述上电极和传输线采用厚膜电镀工艺形成在开关不可动部分两端的下侧面，且传输线采用共面波导传输线形式保证信号不被干扰。

上述方案中，所述SOI顶层单晶硅厚度为10μm，中间二氧化硅层厚度为2μm，下层衬底硅厚度为300μm。

上述方案中，所述静电推拉式单晶硅梁射频微机电系统开关采用背面镂空工艺释放开关整个结构，并采用低温玻璃键合工艺进行封装，减少工艺的复杂度。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、利用本发明，采用体硅加工工艺刻蚀单晶硅梁形成可动“跷跷板”结构，由于采用“跷跷板”结构使得接触点和传输线间距增大为初始间距的两倍，因此得到同样的隔离度可允许驱动电极之间的低间距，从而得到较低的驱动电压。

2、利用本发明，开关为接触式开关，RF信号通路的接通和断开是通过上下电极加电压的变化实现的，在悬臂梁两端设置驱动电极，与上电极对应，两端的驱动电极相对于开关的通断构成“上拉一下拉”式驱动电极。两端的驱动电极分别加电压。采用这样的结构解决了开关失效、寿命短的问题。

3、利用本发明，RF信号传导单元采用共面波导传输线，减少了高频信号的干扰。悬臂梁可动部分在静电力的作用下上下运动而接触或者断开传输线，实现开关的通断。

4、利用本发明，开关能在较小的间隙获得优异的隔离度，选用SOI材料做为衬底，本结构采用的SOI尺寸为：上层单晶硅10微米，中间二氧化硅2微米，下层硅300微米。利用SOI活性层优良的机械特性解决薄膜应力变形，材料物理特性差的弱点。

5、利用本发明，与现有的静电驱动RF MEMS开关相比，驱动电压大大降低，插入损耗低，使用双驱动电极通过静电驱动形成“上拉一下拉”结构保证开关工作次数，开关寿命得到大幅度提高，使RF MEMS产品化成为可能。

6、利用本发明，采用SOI无应力的单晶硅做为悬臂梁增加工作次数，传输线采用共面波导传输线形式保证信号不被干扰，采用厚膜工艺电镀上电极和传输线，背面镂空工艺释放开关整个结构；采用低温玻璃键合工艺进行封装，减少工艺的复杂度。

7、利用本发明，采用SOI上层10微米厚的单晶硅制作可动结构，单晶硅无应力，可以做出大尺寸不弯曲的结构，同时利用无应力的单晶硅悬臂梁来抵消制作于其上金属层的应力降低悬臂梁弯曲变形，本结构同时克服了单臂梁回复力小的致命弱点，开关次数增大。

附图说明

图1是现有技术中静电驱动单臂梁开关处于关态(off)的结构示意图；

图2是现有技术中静电驱动单臂梁开关处于开态(on)的结构示意图；

图3是本发明提供的静电推拉式单晶硅梁RF MEMS开关中下电极和触点的俯视图；

图4是本发明提供的静电推拉式单晶硅梁RF MEMS开关的俯视图；

图5是本发明提供的静电推拉式单晶硅梁RF MEMS开关所采用的SOI衬底示意图；

图6是图4的A-A’方向剖面图；

图7是图4的B-B’方向剖面图；

图8是本发明提供的静电推拉式单晶硅梁RF MEMS开关的一端空间三维示意图；

图9是本发明提供的静电推拉式单晶硅梁RF MEMS开关的完整空间三维示意图；

其中，1为传输线，2为接触点，3为上电极，4为下电极，5为单臂梁，6为衬底，7为释放槽，8为下电极，9为接触区，10为引线孔，11为传输线，12为上电极，13为锚区，14为上层单晶硅，15为二氧化硅中间层，16为下层硅衬底，17为基板。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1和图2所示，图1是现有技术中静电驱动单臂梁开关处于关态(off)的结构示意图，图2是现有技术中静电驱动单臂梁开关处于开态(on)的结构示意图。当上电极3和下电极4之间电压为0时，传输线1和接触点2断开，开关处于off态；当在上电极3和下电极4之间加足够的驱动电压时，传输线1和接触点2闭合，开关处于on态。

本发明提供的静电推拉式单晶硅梁RF MEMS开关基于上述工作原理，但采用的创新结构解决了单臂梁存在的驱动电压高，薄膜应力变形和寿命短的问题。

本发明提供的静电推拉式单晶硅梁RF MEMS开关，详细结构如示意图3至图9所示，包括开关可动部分和开关不可动部分。所述开关可动部分由绝缘体上硅SOI的顶层单晶硅形成，在该开关可动部分两端的上侧面分别有下电极和接触点。所述开关不可动部分与SOI顶层单晶硅固定连接，在开关不可动部分两端的下侧面与所述开关可动部分下电极对应的位置有上电极，在开关不可动部分两端的下侧面与所述开关可动部分接触点对应的位置有传输线。通过分别给两端的上电极和下电极之间加电压，使上电极与下电极形成推拉式结构，进而接触或断开传输线与接触点，实现开关动作。

由图3可以看出，通过释放槽7使可动的单晶硅梁形成，在梁的两端溅射下电极8和接触点9，并且通过引线孔10给下电极8加驱动电压。由图4可以看出，上电极12和传输线11形成共面波导传输线(CPW)，保证信号不被干扰。上电极通过锚点13固定在基板17上，通过图6的剖面图可以可以看到其厚度。图5为选用衬底的示意图，其中上层单晶硅厚度为10μm，中间二氧化硅层厚度为2μm，下层衬底硅厚度为300μm。

由图6和图7可以看出，当在上电极12和下电极8之间加驱动电压时，可动梁在上下极板的静电力作用下上拉使得接触点9与传输线11闭合，RF MEMS开关导通；此时驱除驱动电压在另一端上电极和下电极之间加驱动电压，使得可动梁下拉使得接触点9和传输线11断开，RF MEMS开关断开。

图8和图9为本发明结构的空间三维示意图，为了能清晰的表达本结构，图8只在一端画了上电极12和传输线11，本图也可以看出可动部分与基板17的分离从而形成了翘翘板结构使得驱动电极所需的间距变小，驱动电压降低，而且解决了恢复力不足的问题，使开关寿命大幅度提高。

上述开关可动部分为单晶硅梁，该单晶硅梁通过采用体硅加工工艺刻蚀SOI顶层的单晶硅形成，且该单晶硅梁与SOI中间层分离，形成推拉式跷跷板结构。本发明通过刻蚀SOI上层单晶硅成为开关的可动部分，即单晶硅梁，使之可以在SOI中间层和上电极之间活动。

上述下电极和接触点通过蒸发或溅射工艺形成在开关可动部分两端的上侧面。

上述上电极和传输线采用厚膜电镀工艺形成在开关不可动部分两端的下侧面，且传输线采用共面波导传输线形式保证信号不被干扰。

在可动单晶硅梁的两端分别溅射下电极和接触点，传输线和上电极固定在不可动部分的单晶硅梁基板上。通过给上下电极加电压，用静电力吸合传输线和接触点。

该静电推拉式单晶硅梁射频微机电系统开关采用背面镂空工艺释放开关整个结构，并采用低温玻璃键合工艺进行封装，减少工艺的复杂度。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1. 一种静电推拉式单晶硅梁射频微机电系统开关，其特征在于，该射频微机电系统开关包括开关可动部分和开关不可动部分；

所述开关可动部分由绝缘体上硅SOI的顶层单晶硅形成，在该开关可动部分两端的上侧面分别有下电极和接触点；

2. 根据权利要求1所述的静电推拉式单晶硅梁射频微机电系统开关，其特征在于，所述开关可动部分为单晶硅梁，该单晶硅梁通过采用体硅加工工艺刻蚀SOI顶层的单晶硅形成，使该单晶硅梁与顶层单晶硅分离，形成推拉式跷跷板结构。

3. 根据权利要求1所述的静电推拉式单晶硅梁射频微机电系统开关，其特征在于，所述下电极和接触点通过蒸发或溅射工艺形成在开关可动部分两端的上侧面。

4. 根据权利要求1所述的静电推拉式单晶硅梁射频微机电系统开关，其特征在于，所述上电极和传输线采用厚膜电镀工艺形成在开关不可动部分两端的下侧面，且传输线采用共面波导传输线形式保证信号不被干扰。

5. 根据权利要求1所述的静电推拉式单晶硅梁射频微机电系统开关，其特征在于，所述SOI顶层单晶硅厚度为10μm，中间二氧化硅层厚度为2μm，下层衬底硅厚度为300μm。

6. 根据权利要求1所述的静电推拉式单晶硅梁射频微机电系统开关，其特征在于，该静电推拉式单晶硅梁射频微机电系统开关采用背面镂空工艺释放开关整个结构，并采用低温玻璃键合工艺进行封装，减少工艺的复杂度。