CN102280316A - 一种双驱动电极射频微机电开关 - Google Patents

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该发明属于射频通信及微电子机械元器件中带双驱动电极的射频微机电(RF MEMS)开关。包括开关基座，设于基座上的绝缘层，带输入、输出微带线、固定电极和应力释放孔的悬臂式开关键组件，设于绝缘层上且正对悬臂式开关键下方的吸合电极及正对悬臂式开关键上方设置的回位电极，壳体。该发明在悬臂式开关键的厚度为2μm，吸合、回位电压都为40V的条件下，悬臂式开关键与固定电极吸合的时间为1μs、而断开时的回位时间仅为3μs，其开关速度较背景技术成倍、甚至成十倍地提高。因而具有开关速度快，性能及结构稳定、可靠，驱动电压低等特点。克服了传统的单电极驱动RF MEMS开关存在开关结构与开关速度之间相互制约、限制了开关性能提高等弊病。

Description

一种双驱动电极射频微机电开关
技术领域
本发明属于射频通信及微电子机械(MEMS)元器件设计制造领域，特别是涉及一种带双驱动电极的射频微机电(RF MEMS)开关的设计、制造。
背景技术
射频开关是通信系统中常用的基本部件，它起着连接信号或切换信号的作用。传统的射频开关主要用PIN二极管或FET(场效应管)来实现，其缺点是消耗功率较大，线性度较差，难以适应现代无线通信系统发展的要求。
近年来，RF MEMS(射频微机电系统)开关发展迅猛，得到了广泛的关注。RF MEMS开关是一种工作在射频到毫米波频段(0.1-100GHz)的微型机械(电)开关，相比于PIN二极管和FET开关具有尺寸小、低功耗、高品质因数、高隔离度、高线性度以及批量制作成本低等特点。此类RF MEMS开关包括基座，设于基座上的绝缘层，带输入、输出微带线、固定电极和应力释放孔的悬臂式开关键组件，设于绝缘层上且正对悬臂式开关键下方的吸合电极；而该类RF MEMS开关的主要缺点是驱动电压较高(40-100V)、而开关的速度较低(10μs～100μs)。近几年，许多采用低直流电压驱动的RF MEMS开关结构被相继提出，但并没有改变传统RF MEMS开关单电极驱动(吸合)结构及工作方式，因此只能采用通过改变MEMS悬臂式开关键支撑结构的方法来降低悬臂式开关键的弹性系数、进而减小驱动电压；这种方法虽然可在一定程度上降低驱动电压、但又存在弹性回位力变小；工作时具有低弹性系数的MEMS薄膜悬臂式开关键在电极的作用下、与固定电极吸合以后，因薄膜式悬臂的弹性回复力较小，所以在去掉吸合电压以后、即需断开时因其悬臂式开关键回位(恢复到初始的位置)的能力弱、加之薄膜悬臂式开关键在第一次回到初始位置后并不会停止运动，而是会继续进行阻尼振动(，经过一段时间后才能静止)，因而所需回位的时间长(几十微秒)，这样就限制了RF MEMS开关的开关速度。即此类单电极驱动RF MEMS开关存在或驱动电压较低但开关速度慢、或开关速度达到要求但却需要高的驱动电压；因此传统结构的单电极驱动RFMEMS开关存在开关结构与开关速度之间相互制约的矛盾，使低驱动电压和高开关速度这两方面性能要求始终无法同时达到，因而限制了RF MEMS开关性能的进一步提高等缺陷。
发明内容
本发明的目的是针对背景技术存在的缺陷，研究设计一种双驱动电极射频微机电开关，在提高RF MEMS开关速度的同时、降低其驱动电压，以达到进一步提高RF MEMS开关的性能及其稳定性，实现低驱动电压和高开关速度等目的。
本发明的解决方案是针对背景技术存在的缺陷，在传统悬臂式RF MEMS开关的基础上，在正对悬臂式开关键的上方增设一回位电极、以有效提高悬臂式开关键断开时的回位速度，从而实现其发明目的。因而，本发明双驱动电极射频微机电开关包括开关基座，设于基座上的绝缘层，带输入、输出微带线、固定电极和应力释放孔的悬臂式开关键组件，设于绝缘层上且正对悬臂式开关键下方的吸合电极，壳体；关键在于在正对悬臂式开关键的上方还设有一回位电极，该回位电极的两端分别通过支撑脚与开关基座上的绝缘层固定、其中一个支撑脚与该回位电极的直流偏置导线连接，而悬臂式开关键组件、吸合电极仍按传统方式固定于基座上的绝缘层上，并通过壳体密封式封装成一体。
上述吸合电极上表面距悬臂式开关键的距离为2.5-5μm，回位电极的下表面距悬臂式开关键的距离0.5-1.5μm。
本发明双驱动电极射频微机电开关在工作时，在吸合电极直流偏置线4-1给吸合电极4加载直流电压(此时回位电极1不加载直流电压)时，MEMS薄膜悬臂式开关键2受吸合电极4向下的静电力作用而将悬臂式开关键2与固定电极3吸合(接触)，RF MEMS开关即处于导通状态；当需断开电路时，在撤销吸合电极4上所加载电压的同时、对回位电极1加载直流电压，此时、MEMS薄膜悬臂式开关键2在受到本身回位弹性力和回位电极1施加的静电吸引力的双重作用下、迅速断开电路，加之薄膜悬臂式开关键2在回位电极1的引力作用下几乎不产生振动，因而确保了电路断开迅速、稳定。本发明当薄膜悬臂式开关键2的厚度为2μm、吸合、回位电压都为40V的条件下，悬臂式开关键2与固定电极3吸合的时间为1μs、而断开时的回位时间仅为3μs，其开关速度较背景技术成倍、甚至成十倍地提高。因而本发明具有开关速度快，性能及结构稳定、可靠，驱动电压低等特点。
附图说明
图1为本发明RF MEMS开关结构示意图(剖视图)；
图2为图1的A-A视图。
图中：1.回位电极、1-1.(回位)电极支撑脚、1-2.偏置导线，2.悬臂式开关键、2-1.应力释放孔、2-2.偏置导线，3.固定电极，4.吸合电极、4-1.偏置导线，5.绝缘层，6.基座。
具体实施方式
MEMS薄膜悬臂式开关键2、微带线2-2、回位电极1、吸合电极4、回位电极的直流偏置线1-2和吸合电极的直流偏置线4-1均采用金(Au)制作；各偏置导线1-2、2-2、4-1(厚×宽)均为2×5μm；薄膜式悬臂式开关键2(长×宽×厚)为300×100×2μm，其上的应力释放孔2-1采用湿法刻蚀技术制作、直径为10μm；回位电极1(长×宽×厚)为500×200×3μm、其中两端与绝缘层5固定连接的电极支撑脚1-1(长×宽×厚)为120×200×3μm；吸合电极4(长×宽×厚)为200×100×2μm；基座6采用高阻硅(Si)、厚度为300μm；绝缘层5采用二氧化硅(SiO2)材料制作、厚度为1μm；本实施方式吸合电极1的上表面与悬臂式开关键2的距离为3μm、回位电极1的下表面与悬臂式开关键2的距离为1μm；本实施方式按常规方法制作、封装即成。
本实施方式工作时：在吸合、回位电压都为40V的条件下，薄膜悬臂式开关键2与固定电极3吸合的时间为1μs、而断开时的回位时间仅为3μs，且稳定、可靠。

Claims (2)

1.一种双驱动电极射频微机电开关，包括开关基座，设于基座上的绝缘层，带输入、输出微带线、固定电极和应力释放孔的悬臂式开关键组件，设于绝缘层上且正对悬臂式开关键下方的吸合电极，壳体；其特征在于在正对悬臂式开关键的上方还设有一回位电极，该回位电极的两端分别通过支撑脚与开关基座上的绝缘层固定、其中一个支撑脚与该回位电极的直流偏置导线连接，而悬臂式开关键组件、吸合电极仍按传统方式固定于基座上的绝缘层上，并通过壳体密封式封装成一体。
2.按权利要求1所述双驱动电极射频微机电开关，其特征在于所述吸合电极上表面距悬臂式开关键的距离为2.5-5μm，回位电极的下表面距悬臂式开关键的距离0.5-1.5μm。
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