CN102117946A

CN102117946A - 采用弹片接触的射频微机电系统开关及其制备方法

Info

Publication number: CN102117946A
Application number: CN2009102444415A
Authority: CN
Inventors: 李志宏; 刘博�
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2009-12-31
Filing date: 2009-12-31
Publication date: 2011-07-06
Anticipated expiration: 2029-12-31
Also published as: CN102117946B

Abstract

本发明涉及一种采用弹片接触的射频微机电系统开关及其制备方法，属于电子电路技术和微机电系统技术领域。本发明目的在于改善静电驱动接触式射频微机电系统开关的功率处理能力和可靠性。为达到上述目的，本发明提供一种射频微机电系统开关，包括锚区、悬臂梁、静电驱动电极，所述开关包括至少一套接触装置；所述接触装置包括弹片触点、固定触点以及凹点；所述弹片触点位于所述固定触点上方；所述凹点设置于所述弹片触点上。依照本发明所提供的射频开关，在改进触点材料的基础上，结合增大接触面的结构，增大接触力和接触面积，减小接触电阻，进而增大开关的功率处理能力并提高开关的可靠性。

Description

采用弹片接触的射频微机电系统开关及其制备方法

技术领域

本发明属于电子电路技术和微机电系统技术领域，具体涉及一种采用弹片接触的射频微机电系统开关及其制备方法。

背景技术

射频微机电系统开关是一种用于射频领域的微型继电器，采用微机电系统加工技术制造。和传统电磁继电器相比，它的体积小、质量轻；和固态电子开关相比，由于具有低功耗、高线性度、高隔离度和低插入损耗等优点，从而更接近于理想开关。在通讯及其它微波系统中，它的应用潜力巨大，尤其适用于卫星开关网络。由于在太空等恶劣环境中，辐射会导致固态电子开关的介质层损伤，从而使开关失效，而全金属的射频微机电系统开关由于没有介质层，所以可以避免这一问题的发生；传统电磁继电器虽然也可以使用，但是其质量和体积是射频微机电系统开关的上千甚至上万倍，从而不具备良好的实用性。因此，如果可以使用射频微机电系统开关代替现有的电磁继电器，可以大大降低的卫星质量，同时也节省了卫星的发射成本。

静电驱动式射频微机电系统开关以其体积小、无直流功耗、开关时间短等特点，尤其适用于相控阵天线、开关网络等应用场合。其中，开关长期使用的可靠性和功率处理能力是其能否产业化应用的重要前提，而射频微机电系统开关的可靠性与其处理功率关系密切，随着处理功率能量升高，可靠性会产生相应的下降。

对于接触式射频微机电系统开关而言，提高其处理功率能力和可靠性的关键在于触点。金是人们常用的接触材料，在所有金属中，它具有最低的电阻率，但是它的熔点和硬度相对较低。人们从微观的角度探讨了开关触点失效的原因，发现对于金-金接触式开关来说，处理大功率时，过高的电流密度产生微电弧，使触点局部的材料转移，触点熔化，最终导致开关失效。因此，人们研究了其它的触点材料，例如高熔点贵金属和合金等，但始终存在改用其它贵金属材料会使触点的电阻增大的问题。

发明内容

本发明目的在于针对现有技术中的问题，改善静电驱动接触式射频微机电系统开关的触点性能，从而改善该开关的功率处理能力和可靠性。

为达到上述目的，本发明提供了一种采用弹片接触的射频微机电系统开关，包括锚区、悬臂梁及静电驱动电极，所述开关包括至少一套接触装置；

所述接触装置包括弹片触点、固定触点以及用于增大所述弹性触点与所述固定触点的接触面积的凹点；

所述弹片触点位于所述固定触点上方；

所述凹点设置于所述弹片触点上。

所述开关采用全金属材料制成；其中，

所述弹片触点、凹点以及固定触点采用金、铂族金属、铂金合金或金镍合金制造。

所述开关还可以包括两套、四套或八套所述接触装置；

所述两套、四套或八套接触装置均呈平行方向设置。

此外，本发明还提供一种采用弹片接触的射频微机电系统的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：在玻璃衬底或高阻硅衬底上，刻蚀加工出不少于一套凹槽结构；

步骤2：在所述凹槽结构上方淀积第一层牺牲层，在所述第一层牺牲层上刻蚀弹片触点凹槽；

步骤3：在所述第一层牺牲层上方淀积第二层牺牲层，在所述第二层牺牲层前端刻蚀锚区及输入端窗口；

在所述第二层牺牲层后端刻蚀输出端窗口；

步骤4：在所述第二层牺牲层后端制备弹片触点结构；

步骤5：在所述第二层牺牲层前端电镀金，形成锚区、输入端及悬臂梁；

步骤6：腐蚀所述第一层牺牲层及第二层牺牲层，释放所述开关结构。

所述步骤1中，所述凹槽结构的数量可为两套、四套或八套。

所述步骤1中，每套所述凹槽结构包括位于所述玻璃衬底或高阻硅衬底中间位置的第一凹槽、前端位置的第二凹槽以及后端位置的第三凹槽；

所述步骤1具体包括如下步骤：

步骤1.1：在所述玻璃衬底或高阻硅衬底中间位置刻蚀加工出第一凹槽；

在所述第一凹槽内填充硅化铬或硅化钽，形成静电驱动电极。

步骤1.2：在所述玻璃衬底或高阻硅衬底前端及后端位置刻蚀加工出第二及第三凹槽；

在所述第二凹槽内填充金、铂族金属、铂金合金或金镍合金材料，形成锚区及输入端的基底部分；

在所述第三凹槽内填充金、铂族金属、铂金合金或金镍合金材料，形成固定触点及输出端的基底部分。

所述步骤1中，所述第一、第二及第三凹槽深度均为

所述步骤2中，采用铜、铝或镍金属淀积第一层牺牲层；

所述步骤3中，采用铜、铝或镍金属淀积第二层牺牲层。

所述步骤4中，在所述第二层牺牲层后端剥离形成弹片触点，同时在其中心采用金、铂族金属、铂金合金或金镍合金材料刻蚀形成弹片凹点。

本发明针对现有技术中接触式开关的触点问题，采用金、铂族金属、铂金合金或金镍合金制作触点材料，在改进触点材料的基础上，结合增大接触面的的结构，增大接触力和接触面积，减小接触电阻，进而增大开关的功率处理能力并提高开关的可靠性。依照本发明所提供的射频开关，可以处理从直流到40GHz的信号；由于采用静电驱动方式驱动，具备低功耗、体积小等特点；由于采用全金属结构，降低辐射对器件的影响，适用于卫星等在太空中使用的系统；采用金属牺牲层表面微机械加工方法，可以与IC集成，加工方法简单，易于实现批量化生产。

附图说明

图1为本发明技术方案所提供的射频微机电系统开关的正面示意图；

图2为本发明技术方案所提供的射频微机电系统开关的侧面示意图；

图3为本发明技术方案所提供的射频微机电系统开关采用两触点结构的示意图；

图4为本发明技术方案所提供的射频微机电系统开关采用四触点结构的的示意图；

图5为本发明技术方案所提供的射频微机电系统开关采用八触点结构的的示意图；

图6-12为本发明技术方案所提供的射频微机电系统开关的制备工艺流程示意图；

其中，1：锚区；2：悬臂梁；3：弹片触点；4：凹点；

5：静电驱动电极；6：固定触点；7：输入端；8：输出端；

9：玻璃衬底或高阻硅衬底；10：输出端基座部分；

11：输入端基座部分；12：第一牺牲层；

13：弹性触点凹槽；14：第二牺牲层；

15：输出端窗口；16：输入端窗口。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例1

本实施例具体描述本发明技术方案所提供的射频微机电系统开关的结构特征。

如图1及图2所示，所述射频微机电系统开关，包括锚区1、悬臂梁2、静电驱动电极5，所述开关包括至少一套接触装置；

所述接触装置包括弹片触点3、固定触点6以及凹点4；

所述弹片触点3位于所述固定触点6上方；

所述凹点4设置于所述弹片触点3上。

所述凹点4用于增大所述弹性触点3与所述固定触点6的接触面积。

所述开关采用全金属材料制成；其中，

所述弹片触点3、凹点4以及固定触点6采用金、铂族金属、铂金合金或金镍合金制造。

实施例2

本实施例具体描述本发明技术方案所提供的射频微机电系统开关包括两套接触装置的结构特征。

如图3所示，所述射频微机电系统开关包括锚区1、悬臂梁2、静电驱动电极5及两套接触装置；所述每套接触装置与前述实施例1中描述的接触装置相同；所述两套接触装置呈平行方向设置。

实施例3

本实施例具体描述本发明技术方案所提供的射频微机电系统开关包括四套接触装置的结构特征。

如图4所示，所述射频微机电系统开关包括锚区1、悬臂梁2、静电驱动电极5及四套接触装置；所述每套接触装置与前述实施例1中描述的接触装置相同；所述四套接触装置呈平行方向设置。

实施例4

本实施例具体描述本发明技术方案所提供的射频微机电系统开关包括八套接触装置的结构特征。

如图5所示，所述射频微机电系统开关包括锚区1、悬臂梁2、静电驱动电极5及八套接触装置；所述每套接触装置与前述实施例1中描述的接触装置相同；所述八套接触装置呈平行方向设置。

综合上述实施例1-4，射频信号从信号输入端7输入，从信号输出端8输出。当在静电驱动电极5上施加通常为30-150V的驱动电压时，悬臂梁2被静电吸引，使得弹片触点3与固定触点6接触，开关闭合，射频信号从输入端7传输到输出端8。由于采用弹片触点，触点产生弹性形变增加了接触力，同时增大了接触面积，由点接触变成凹点的整个面接触；而且由于采取两套、四套或八套接触装置，使得弹性触点3与所述固定触点6的接触面积得到进一步加大，进一步增大开关处理功率的能力。同理，采用三套、五套、六套或七套，或更多套数的接触装置的方案也可视为本发明技术方案所提供的手段。

实施例5

本实施例具体描述本发明技术方案所提供的射频微机电系统开关的制备方法。

所述方法包括如下步骤：

步骤1：在玻璃衬底或高阻硅衬底9上，刻蚀加工出不少于一套凹槽结构；

如图1及图3-5所示所述凹槽结构的数量可为两套、四套或八套。

所述凹槽结构包括位于所述玻璃衬底或高阻硅衬底中间位置的第一凹槽、前端位置的第二凹槽以及后端位置的第三凹槽；

所述步骤1具体包括如下步骤：

步骤1.1：如图6所示，在所述玻璃衬底或高阻硅衬底9中间位置刻蚀加工出第一凹槽；

在所述第一凹槽内填充硅化铬或硅化钽，形成静电驱动电极5。

步骤1.2：如图7所示，在所述玻璃衬底或高阻硅衬底9前端及后端位置刻蚀加工出第二及第三凹槽；

在所述第二凹槽内填充金、铂族金属、铂金合金或金镍合金材料，形成锚区及输入端的基底部分11；

在所述第三凹槽内填充金、铂族金属、铂金合金或金镍合金材料，形成固定触点6及输出端的基底部分10。

所述第一、第二及第三凹槽深度均为

步骤2：如图8所示，在所述三个凹槽上方采用铜、铝或镍金属淀积淀积第一层牺牲层12，在所述第一层牺牲层上刻蚀弹片触点凹槽13；

步骤3：如图9所示，在所述第一层牺牲层12上方采用铜、铝或镍金属淀积淀积第二层牺牲层14，在所述第二层牺牲层14前端刻蚀锚区及输入端窗口16；

在所述第二层牺牲层14后端刻蚀输出端窗口15；

步骤4：如图10所示，在所述第二层牺牲层14后端制备弹片触点结构，具体表述为：在所述第二层牺牲层14后端剥离形成弹片触点3，同时在其中心采用金、铂族金属、铂金合金或金镍合金材料刻蚀形成弹片凹点4；

步骤5：如图11所示，在所述第二层牺牲层14前端电镀金，形成锚区1、输入端7及悬臂梁2；

步骤6：腐蚀所述第一层牺牲层12及第二层牺牲层14，释放所述开关结构。

综上所述，本发明针对现有技术中接触式开关的触点问题，采用金、铂族金属、铂金合金或金镍合金制作触点材料，在改进触点材料的基础上，结合增大接触面的的结构，增大接触力和接触面积，减小接触电阻，进而增大开关的功率处理能力并提高开关的可靠性。依照本发明所提供的射频开关，可以处理从直流到40GHz的信号；由于采用静电驱动方式驱动，具备低功耗、体积小等特点；由于采用全金属结构，降低辐射对器件的影响，适用于卫星等在太空中使用的系统；采用金属牺牲层表面微机械加工方法，可以与IC集成，加工方法简单，易于实现批量化生产。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种采用弹片接触的射频微机电系统开关，包括锚区、悬臂梁及静电驱动电极，其特征在于，所述开关包括至少一套接触装置；

所述弹片触点位于所述固定触点上方；

所述凹点设置于所述弹片触点上。

2.如权利要求1所述的射频微机电系统开关，其特征在于，所述开关采用全金属材料制成；其中，

3.如权利要求1或2中所述的射频微机电系统开关，其特征在于，所述开关包括两套、四套或八套所述接触装置；

4.如权利要求3所述的射频微机电系统开关，其特征在于，所述两套、四套或八套接触装置均呈平行方向设置。

5.一种采用弹片接触的射频微机电系统的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

在所述第二层牺牲层后端刻蚀输出端窗口；

步骤4：在所述第二层牺牲层后端制备弹片触点结构；

6.如权利要求5所述的射频微机电系统开关的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，所述凹槽结构的数量可为两套、四套或八套。

7.如权利要求5所述的射频微机电系统开关的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，每套所述凹槽结构包括位于所述玻璃衬底或高阻硅衬底中间位置的第一凹槽、前端位置的第二凹槽以及后端位置的第三凹槽；

所述步骤1具体包括如下步骤：

8.如权利要求5所述的射频微机电系统开关的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，所述第一、第二及第三凹槽深度均为

9.如权利要求5所述的射频微机电系统开关的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，采用铜、铝或镍金属淀积第一层牺牲层；

所述步骤3中，采用铜、铝或镍金属淀积第二层牺牲层。

10.如权利要求5所述的射频微机电系统开关的制备方法，其特征在于，所述步骤4中，在所述第二层牺牲层后端剥离形成弹片触点，同时在其中心采用金、铂族金属、铂金合金或金镍合金材料刻蚀形成弹片凹点。