CN101329968B - 一种电磁驱动推拉式射频微机电系统开关 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微机电系统(MEMS)应用中的射频微机电系统(RFMEMS)技术领域，公开了一种电磁驱动推拉式RF MEMS开关，该射频微机电系统开关包括扭摆梁开关可动部分、电磁驱动部分和传输线部分，在电磁驱动部分的平面线圈加电流产生的磁场与电磁驱动部分的永磁体产生的磁场相叠加，改变整体磁场的方向，驱动扭摆梁开关可动部分动作，接通或断开扭摆梁开关可动部分与传输线部分，实现触点通断。利用本发明，提高了开关寿命，解决了现有电磁驱动RF MEMS开关存在的缺陷，降低了功耗，改善了开关的稳定性，降低了加工的复杂度。

Description

一种电磁驱动推拉式射频微机电系统开关

技术领域

本发明涉及微机电系统(MEMS)应用中的射频微机电系统(RFMEMS)技术领域，尤其涉及一种电磁驱动推拉式RF MEMS开关。

背景技术

在微机电系统制造技术中，RF MEMS是用光刻技术制作的小型化机械器件，用于射频和微波频率电路中的信号处理，是一项将能对现有雷达和通信中射频结构产生重大影响的新技术。

目前，在RF MEMS技术主要研究领域中，适用于RF系统的有调谐电容、感应器、滤波器和微机械开关。其中最常见的射频MEMS控制元件，被认为是核心器件的微波传输线开关。MEMS开关与目前的射频系统中所用的电控开关(PIN二极管或GaAs FET)不同，它没有半导体pn结或金属半导体结，靠机械移动实现对信号传输线的开/断控制，能在高频段维持很高的绝缘指标，插入损耗很低(可小于0.2dB，而PIN或FET的插入损耗总大于1dB)，隔离性能很好，互调失真极低，因此与PIN等半导体控制元件相比，其使用截止频率高得多(有时是后者的数倍)。因此RF MEMS开关，是提供低插损、高隔离、高线性、低功耗的新一代开关元件。

RF MEMS开关由机械部分(执行)和电学部分(驱动)构成。开关的电学部分可以用串联或者并联方式排列，可以是金属接触或电容接触。驱动方式有静电，电磁，压电或者热原理。相对于其他驱动方式，电磁驱动有以下特点：驱动力大，驱动距离远可以达几百微米；驱动电压低，小于5伏，控制电路简单，便于器件集成；开关动作大，可以达到很高的隔离度；响应速度快，可以缩短开关时间。

如图1、图2和图3所示，图1为传统的镍铁单臂梁电磁驱动开关的结构示意图，图2为传统的镍铁单臂梁电磁驱动开关接通时的示意图，图3为传统的镍铁单臂梁电磁驱动开关断开时的示意图。当线圈2中通过足够大的电流时，将会产生一个磁通。所产生的磁通大部分集中于线圈平面的中心，这样有利于增大引力，保证扭摆梁3获得足够的形变，以使线圈所产生的磁场足以驱动继电器开关的动作。这样上部镍铁扭摆梁3将会被磁化，从而弯曲与接触电极1接触，这时继电器闭合如图2所示。当驱动电流被切断时，扭摆梁依靠自身的弹力将会复位，从而继电器断开如图3所示。

但是，传统的电磁驱动RF MEMS开关持续消耗能量，能耗较大，开关时间较长，而且结构复杂，加工难度大制作工艺复杂。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种电磁驱动推拉式RFMEMS开关，以解决现有电磁驱动RF MEMS开关存在的缺陷，降低功耗，改善开关的稳定性，降低加工的复杂度。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种电磁驱动推拉式射频微机电系统开关，该射频微机电系统开关包括扭摆梁开关可动部分7、电磁驱动部分和传输线部分8，在电磁驱动部分的平面线圈加电流产生的磁场与电磁驱动部分的永磁体产生的磁场相叠加，改变整体磁场的方向，驱动扭摆梁开关可动部分7动作，接通或断开扭摆梁开关可动部分7与传输线部分8，实现触点通断；其中，扭摆梁开关可动部分7上表面的两端分别有一个金触点5，电磁驱动部分包括与硅衬底背面结合在一起的永磁体12和扭摆梁上表面两侧的双线圈6，双线圈6采用溅射工艺在扭摆梁开关可动部分7上表面金触点5的内侧溅射金制作而成，双线圈6通过金属的空气桥9相连。

上述方案中，所述扭摆梁开关可动部分7采用在硅衬底11上生长一层氮化硅10，并通过刻蚀氮化硅和背面镂空硅衬底制作而成。

上述方案中，所述永磁体12为永磁铁。

上述方案中，所述传输线部分8采用电镀金在扭摆梁开关可动部分7的两侧上方架空形成。

上述方案中，所述传输线部分8为共面波导传输线，由三根金电镀线组成，左右两根是地线，中间一根传输信号用，采用接触式接通信号。

(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，在硅衬底上生长的氮化硅制作出的扭摆结构梁，由于氮化硅自身杨氏模量比较大，结构强度很大，不容易变形，氮化硅扭摆梁结构两端线圈加电压驱动恢复克服了传统RF MEMS开关回复力小的致命弱点。扭摆梁制作成“跷跷板”结构，可以在减小驱动电压的情况下增加恢复力，从而提高了开关寿命，同时氮化硅作为背面镂空释放梁结构的阻挡层，解决了现有电磁驱动RF MEMS开关存在的缺陷，降低了功耗，改善了开关的稳定性，降低了加工的复杂度。

2、利用本发明，溅射金作双电磁线圈，简化了线圈的制作工艺，线圈通电时在永磁场下受力大小相等方向相反，对扭摆梁来说左右受的力大小相等方向相反，用单层平面线圈工艺实现了双层线圈的作用，可以减小驱动电压的情况下保证扭摆梁动作。

3、利用本发明，采用电镀金在氮化硅扭摆梁的两侧上方架空形成共面波导传输线，减少高频信号的干扰，而且电磁驱动部分与共面波导传输线隔离，避免驱动部分的电磁信号对高频信号的干扰。

4、利用本发明，采用小于5伏的电压驱动电磁线圈产生电磁力驱动可动部分动作，从而简化了驱动电路，易于与其它器件集成。

附图说明

图1为传统的镍铁单臂梁电磁驱动开关的结构图；

图2为传统的镍铁单臂梁电磁驱动开关接通时示意图；

图3为传统的镍铁单臂梁电磁驱动开关断开时示意图；

图4为本发明提供的电磁驱动推拉式RF MEMS开关剖面的结构示意图；

图5为本发明提供的电磁驱动推拉式RF MEMS开关上表面(未加传输线)的结构示意图；

图6为本发明提供的电磁驱动推拉式RF MEMS开关上表面的结构示意图；

图7为本发明提供的电磁驱动推拉式RF MEMS开关侧面的结构示意图；

图8为本发明提供的电磁驱动推拉式RF MEMS开关整体的结构示意图；

图中1.传输线下接触点，2.通电螺旋线圈，3镍铁单臂梁，4梁上金触点，5.扭摆梁梁上金触点，6.金的螺旋线圈，7.氮化硅扭摆梁，8.共面波导传输线，9.金属桥，10.氮化硅层，11.硅衬底，12.永磁铁。

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。

本发明提供的这种电磁驱动推拉式RF MEMS开关，采用的创新结构，解决了传统镍铁单臂梁因内应力弯曲变形，单臂梁恢复力不够和开关寿命短的问题。

如图4所示，图4为本发明提供的电磁驱动推拉式RF MEMS开关剖面的结构示意图，该射频微机电系统开关包括扭摆梁开关可动部分7、电磁驱动部分和传输线部分8，在电磁驱动部分的平面线圈加电流产生的磁场与电磁驱动部分的永磁体产生的磁场相叠加，改变整体磁场的方向，驱动扭摆梁开关可动部分7动作，接通或断开扭摆梁开关可动部分7与传输线部分8，实现触点通断，控制共面波导传输线信号的传播。

上述扭摆梁开关可动部分7采用在硅衬底11上生长一层氮化硅10，并通过刻蚀氮化硅和背面镂空硅衬底制作而成。

上述扭摆梁开关可动部分7上表面的两端分别有一个金触点5。

上述电磁驱动部分包括与硅衬底背面结合在一起的永磁体12和扭摆梁上表面两侧的双线圈6。上述永磁体12为永磁铁。

上述双线圈6采用溅射工艺在扭摆梁开关可动部分7上表面金触点5的内侧溅射金制作而成，双线圈6通过金属的空气桥9相连，当双线圈6通过一定量的电流时，电流在两个线圈中绕向相反，左右两个线圈产生的磁场方向相反，在相同永磁体的磁场下，左右两个线圈受力大小相等方向相反，对扭摆梁的两端分别产生推力和拉力，从而使扭摆梁动作。

上述传输线部分8采用电镀金在扭摆梁开关可动部分7的两侧上方架空形成。

上述传输线部分8为共面波导传输线，由三根金电镀线组成，左右两根是地线，中间一根传输信号用，采用接触式接通信号。

从图5可以看出，在氮化硅扭摆梁7上表面左右两端溅射金来形成两个平面线圈6，双线圈通过金属的空气桥9相连，当线圈通过一定量的电流时，电流在两个线圈中绕向相反，左右两个线圈产生的磁场方向相反，在相同永磁体12的磁场下，左右两个线圈受力大小相等方向相反，会对扭摆梁的两端分别产生推力和拉力，从而使扭摆梁动作。

从图6和图7可以看出，采用电镀金在氮化硅扭摆梁的两侧上方架空形成共面波导传输线8，传输线有三根金电镀线组成，左右两根是地线，中间一根传输信号用，采用接触式接通信号。

从图4和图8可以看出，线圈通入一定电流后，扭摆梁受到左右两边的推拉力作用，氮化硅的上触点5与共面波导传输线8接触，传输线导通，右侧断开。

采用溅射金制作成双线圈简化了制作工艺，双线圈通过金属的空气桥相连，当线圈通过一定量的电流时，电流在两个线圈中绕向相反，左右两个线圈产生的磁场方向相反，在相同永磁体的磁场下，左右两个线圈受力大小相等方向相反，会对扭摆梁的两端分别产生推力和拉力，从而使扭摆梁动作。对扭摆梁来说左右受的力大小相等方向相反，相当于在扭摆梁的一端加了两个线圈来驱动，加大了驱动力，用单层平面线圈工艺实现了双层线圈的作用，加比较小的驱动电压就可以使扭摆梁动作。

双电磁线圈通电后将受到大小相等方向相反的力作用，对扭摆梁来说，左右两个部分也将受到大小相等方向相反的力作用，从而使跷跷板结构梁动作，使其上触点与共面波导传输线的触点接触，接通传输线，使信号得以传播。

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 (5)

1.一种电磁驱动推拉式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扭摆梁开关可动部分(7)、电磁驱动部分和传输线部分(8)，在电磁驱动部分的平面线圈加电流产生的磁场与电磁驱动部分的永磁体产生的磁场相叠加，改变整体磁场的方向，驱动扭摆梁开关可动部分(7)动作，接通或断开扭摆梁开关可动部分(7)与传输线部分(8)，实现触点通断；

其中，扭摆梁开关可动部分(7)上表面的两端分别有一个金触点(5)，电磁驱动部分包括与硅衬底背面结合在一起的永磁体(12)和扭摆梁上表面两侧的双线圈(6)，双线圈(6)采用溅射工艺在扭摆梁开关可动部分(7)上表面金触点(5)的内侧溅射金制作而成，双线圈(6)通过金属的空气桥(9)相连。

2.根据权利要求1所述的电磁驱动推拉式射频微机电系统开关，其特征在于，所述扭摆梁开关可动部分(7)采用在硅衬底(11)上生长一层氮化硅(10)，并通过刻蚀氮化硅和背面镂空硅衬底制作而成。

3.根据权利要求1所述的电磁驱动推拉式射频微机电系统开关，其特征在于，所述永磁体(12)为永磁铁。

4.根据权利要求1所述的电磁驱动推拉式射频微机电系统开关，其特征在于，所述传输线部分(8)采用电镀金在扭摆梁开关可动部分(7)的两侧上方架空形成。

5.根据权利要求4所述的电磁驱动推拉式射频微机电系统开关，其特征在于，所述传输线部分(8)为共面波导传输线，由三根金电镀线组成，左右两根是地线，中间一根传输信号用，采用接触式接通信号。

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