CN102403561B - 微电子机械悬臂梁开关式微波功率耦合器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明的微电子机械悬臂梁开关式微波功率耦合器不但具有低损耗、高隔离度和良好的方向性，而且该微波功率耦合器具有紧耦合和松耦合两种工作状态。该结构以砷化镓为衬底，具有两个MEMS悬臂梁结构，它位于主微带线和过渡微带线之间的空隙中，其MEMS悬臂梁的锚区与主微带信号线相连接；悬臂梁下方具有驱动电极，在驱动电极上覆盖氮化硅介质层；在悬臂梁自由端下方具有带凸点的过渡微带信号线，且其凸点上没有氮化硅介质层。通过控制MEMS悬臂梁结构有无驱动电压，使MEMS悬臂梁处于DOWN或UP态，实现主微带线和过渡微带线是否形成电气连接，从而该微波功率耦合器实现紧耦合或松耦合状态。

Description

微电子机械悬臂梁开关式微波功率耦合器及其制备方法

技术领域

本发明提出了微电子机械悬臂梁开关式微波功率耦合器及其制备方法，属于微电子机械系统(MEMS)的技术领域。

背景技术

兰格耦合器是用于微波功率分配或功率组合的无源器件，与基于耦合线的定向耦合器相比，具有更高的耦合因数。兰格耦合器是一种具有方向性的四端口功率耦合器件，它具有输入端口、直通输出端口、耦合输出端口以及隔离端口。传统的兰格耦合器采用多个并联平行的传输线，达到充分利用边缘杂散场，实现更加紧的电磁耦合。然而对于这样的器件，一旦制造完成，其主要性能参数将不会改变。随着微波集成电路相关技术的提高，现代电子通讯系统朝着芯片面积越来越小，功能越来越多的方向发展，这就不仅要求耦合器具有高的隔离度、好的方向性和低的损耗，而且需要其实现不同工作模式。近年来，随着MEMS技术的快速发展，并对MEMS悬臂梁结构进行了深入的研究，使基于MEMS技术实现上述功能的悬臂梁开关式微波功率耦合器成为可能。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种基于MEMS技术的悬臂梁开关式微波功率耦合器及其制备方法，通过设计不同长度的主副微带线和其之间的距离，可根据要求设计微波功率耦合器的耦合度；通过控制MEMS悬臂梁的驱动电压，使该微波功率耦合器实现紧耦合和松耦合两种状态。

技术方案：本发明的微电子机械悬臂梁开关式微波功率耦合器以带背金的砷化稼为衬底，在衬底上设有微带信号线（Microstrip）、MEMS悬臂梁结构、空气桥和终端隔离电阻：

在砷化镓衬底背面有一层金属，其用于实现微带线结构的共地面，采用金材料构成。

微带信号线用于传输微波信号，生长在砷化镓衬底上，是构成耦合器的主要结构，微波信号通过平行微带信号线之间的边缘形成耦合。耦合器的四个端口均由微带信号线构成，其包括输入端口、直通输出端口、耦合输出端口以及隔离端口。所述的输入端口和直通输出端口位于主微带信号线上，而所述的耦合输出端口和隔离端口位于副微带信号线上。通过设计平行微带信号线的长度、宽度以及平行微带线间的距离，可以根据要求设计该耦合器在松耦合工作状态下的耦合度；微带线结构是由在砷化镓衬底背面作为公共地的金属和在衬底上微带信号线组成，其中微带信号线采用金材料构成。

该微波功率耦合器包含两个相同的可动的MEMS悬臂梁结构，其属于串联直接接触式MEMS开关的范畴。悬臂梁的锚区与主微带信号线相连接；悬臂梁下方具有驱动电极，在驱动电极上覆盖氮化硅介质层，驱动电极由引线与压焊块相连接；在悬臂梁自由端下方具有带凸点的过渡微带信号线，且其凸点上没有氮化硅介质层。通过控制悬臂梁下方的驱动电极有无驱动电压来控制该悬臂梁是否处于DOWN或UP状态，从而实现该微波功率耦合器的紧耦合或松耦合工作状态。MEMS悬臂梁、驱动电极、引线和压焊块均采用金材料构成。

终端电阻被连接到该微波功率耦合器的隔离端口，完全吸收当微波功率耦合器因输入端失配而从主微带信号线耦合到副微带信号线上隔离端口处的微波功率；当该耦合器的输入端匹配时，在任何频率处耦合到副微带信号线隔离端上的微波功率为零，即该耦合器完全隔离，这时被副微带信号线耦合出的一定比例微波功率完全由副线的耦合输出端输出。终端隔离电阻采用氮化钽材料构成。

空气桥用于跨接被孤立的耦合微带线和过渡微带信号线，其空气桥和耦合微带线均采用金材料构成。

在机械结构上，微带信号线、MEMS悬臂梁、MEMS悬臂梁的锚区、驱动电极、空气桥、被孤立的耦合微带线、引线以及压焊块制作在同一块砷化镓衬底上。

本发明的微电子机械悬臂梁开关式微波功率耦合器是一个四端口微波器件，输入端口与直通输出端口之间由主微带信号线相连接，耦合输出端口与隔离端口由副微带信号线相连接，在这些副线的间隙中有相对孤立的耦合微带线，且与上述主副微带线相互平行；该孤立的耦合微带线通过空气桥与过渡微带线实现电气连接，其与副微带线形成交叉指型几何结构。微波信号从主微带线的输入端口进入，当输入端口匹配时，一部分功率被副微带线耦合输出，剩余功率从主微带线的直通端口输出，连接到副微带线隔离端的终端电阻没有吸收到被副微带线耦合出来的微波功率，即该耦合器完全隔离；但当输入端口不匹配时，除被耦合到副微带线耦合输出端处的微波功率和由主微带线直通端输出的微波功率外，此时副微带线隔离端口也存在一部分微波功率，则连接到该隔离端口的终端电阻将吸收这部分微波功率。当该微波功率耦合器处于紧耦合状态时，由副微带线和被孤立的耦合微带线构成的交叉指耦合部分把主微带线上传输的微波功率较多地耦合到副微带线上；然而当该耦合器处于松耦合状态时，靠近主微带线的那条副微带线把主微带线上传输的微波功率相对较少地耦合到副微带线上。该微波功率耦合器具有两个相同的MEMS悬臂梁结构，它们分别位于主微带线与过渡微带线之间；当MEMS悬臂梁下方的驱动电极不施加驱动电压时，悬臂梁的自由端不接触到过渡微带线的凸点，即MEMS悬臂梁处于UP态，此时主微带线不通过过渡微带线与被孤立的耦合微带线形成电气连接，所以一定比例的微波功率仅通过靠近主微带线的那条副微带线耦合，即该微波功率耦合器处于松耦合工作状态，在主微带线输入端口进入的微波信号中有相对较少的微波功率被耦合到副微带线上；当在驱动电极上施加驱动电压时，悬臂梁被下拉接触到过渡微带线的凸点，即MEMS悬臂梁处于DOWN态，此时主微带线通过过渡微带线与被孤立的耦合微带线形成电气连接，所以由副微带线和被孤立的耦合微带线形成的交叉指型结构均从主微带线耦合微波功率，即该微波功率耦合器处于紧耦合工作状态，在主微带线输入端口进入的微波信号中有相对较多的微波功率被耦合到副微带线上。如果主微带线和副微带线的长度均等于四分之一波长，当MEMS悬臂梁处于UP态，副微带线的耦合输出端口的最大微波功率可达到3dB；当MEMS悬臂梁处于DOWN态，副微带线的耦合输出端口的最大微波功率可达到6dB。

微电子机械悬臂梁开关式微波功率耦合器的制备方法为：

1）准备砷化镓衬底：选用半绝缘的砷化镓衬底；

2）光刻：去除不制作凸点地方的光刻胶；

3）刻蚀，形成带凸点形状的砷化镓衬底；

4）光刻：去除将要保留氮化钽地方的光刻胶；

5）溅射氮化钽，其厚度为1μm；

6）剥离；

7）光刻：去除将要保留第一层金的地方的光刻胶；

8）蒸发第一层金，其厚度为0.3μm；

9）剥离，初步形成微带信号线、MEMS悬臂梁的锚区、引线以及压焊块和完全形成过渡微带信号线上的凸点和驱动电极；

10）反刻氮化钽，形成由副微带线隔离端相连接的终端隔离电阻；

11）淀积氮化硅：用等离子体增强型化学气相淀积法工艺（PECVD）生长1000Å厚的氮化硅介质层；

12）光刻并刻蚀氮化硅介质层：保留在MEMS悬臂梁下方驱动电极和空气桥下方副微带信号线上的氮化硅；

13）淀积并光刻聚酰亚胺牺牲层：在砷化镓衬底上涂覆1.6μm厚的聚酰亚胺牺牲层，要求填满凹坑，聚酰亚胺牺牲层的厚度决定了MEMS悬臂梁以及空气桥的高度；光刻聚酰亚胺牺牲层，仅保留MEMS悬臂梁和空气桥下方的牺牲层；

14）蒸发钛/金/钛，其厚度为500/1500/300Å：蒸发用于电镀的底金；

15）光刻：去除要电镀地方的光刻胶；

16）电镀金，其厚度为2μm；

17）去除光刻胶：去除不需要电镀地方的光刻胶；

18）反刻钛/金/钛，腐蚀底金，完全形成MEMS悬臂梁、空气桥、微带信号线、引线以及压焊块；

19）将砷化镓衬底减薄至100μm；

19）衬底背面干法刻蚀制作通孔；

20）在该砷化镓衬底背面蒸发一层金，形成微带线的共地面；

21）释放聚酰亚胺牺牲层：显影液浸泡，去除MEMS悬臂梁和空气桥下的聚酰亚胺牺牲层，去离子水稍稍浸泡，无水乙醇脱水，常温下挥发，晾干。

有益效果：本发明的微电子机械悬臂梁开关式微波功率耦合器不但具有低损耗、高隔离度和良好的方向性，而且通过控制MEMS悬臂梁的驱动电压使该微波功率耦合器能够实现紧耦合和松耦合两种工作状态。

附图说明

图1是微电子机械悬臂梁开关式微波功率耦合器的示意图；

图2是该微波功率耦合器的MEMS悬臂梁结构的俯视图；

图3是该微波功率耦合器的MEMS悬臂梁结构的A-A剖面图；

图中包括：输入端口1，直通输出端口2，耦合端口3，隔离端口4，主微带信号线5，副微带信号线6，过渡微带信号线7，过渡微带线上的凸点8，MEMS悬臂梁9，MEMS悬臂梁的锚区10，驱动电极11，引线12，压焊块13，氮化硅介质层14，空气桥15，终端隔离电阻16，通孔17，砷化镓衬底18，背金19，孤立的耦合微带线20。

具体实施方案

本发明的微电子机械悬臂梁开关式微波功率耦合器的具体实施方案如下：

在砷化稼衬底18上设有主微带信号线5，副微带信号线6，过渡微带信号线7，过渡微带线上的凸点8，MEMS悬臂梁9，MEMS悬臂梁的锚区10，驱动电极11，引线12，压焊块13，氮化硅介质层14，空气桥15，终端隔离电阻16以及孤立的耦合微带线20；在衬底18下形成一个通孔17和在衬底背面有一层背金19：

在砷化镓衬底18背面有一层金属19，其用于实现微带线结构的共地面，采用金材料构成。

微带信号线用于传输微波信号，生长在砷化镓衬底18上，是构成耦合器的主要结构，微波信号通过平行微带信号线之间的边缘形成耦合。耦合器的四个端口均由微带信号线构成，其包括输入端口1、直通输出端口2、耦合输出端口3以及隔离端口4。所述的输入端口1和直通输出端口2位于主微带信号线5上，而所述的耦合输出端口3和隔离端口4位于副微带信号线6上。通过设计平行微带信号线的长度、宽度以及平行微带线间的距离，可以根据要求设计该耦合器在松耦合工作状态下的耦合度；微带线结构是由在砷化镓衬底18背面作为公共地的金属19和在衬底18上微带信号线组成，其中微带信号线采用金材料构成。

该微波功率耦合器包含两个相同的可动的MEMS悬臂梁9结构，其属于串联直接接触式MEMS开关的范畴。悬臂梁的锚区10与主微带信号线5相连接；悬臂梁9下方具有驱动电极11，在驱动电极11上覆盖氮化硅介质层14，驱动电极11由引线12与压焊块13相连接；在悬臂梁9自由端下方具有带凸点8的过渡微带信号线7，且其凸点8上没有氮化硅介质层14。通过控制悬臂梁9下方的驱动电极11有无驱动电压来控制该悬臂梁9是否处于DOWN或UP状态，从而实现该微波功率耦合器的紧耦合或松耦合工作状态。MEMS悬臂梁9、MEMS悬臂梁的锚区10、驱动电极11、引线12和压焊块13均采用金材料构成。

终端电阻16被连接到该微波功率耦合器的隔离端口4，完全吸收当微波功率耦合器因输入端1失配而从主微带信号线5耦合到副微带信号线6上隔离端口4处的微波功率；当该耦合器的输入端1匹配时，在任何频率处耦合到副微带信号线6隔离端4上的微波功率为零，即该耦合器完全隔离，这时被副微带信号线6耦合出的一定比例微波功率完全由副线的耦合输出端3输出。终端隔离电阻16采用氮化钽材料构成。

空气桥15用于跨接被孤立的耦合微带线20和过渡微带信号线7，其空气桥15和耦合微带线20均采用金材料构成。

在机械结构上，微带信号线、MEMS悬臂梁9、MEMS悬臂梁的锚区10、驱动电极11、空气桥15、终端隔离电阻16、引线12、孤立的耦合微带线20以及压焊块13制作在同一块砷化镓衬底上。

本发明的微电子机械悬臂梁开关式微波功率耦合器是一个四端口微波器件，输入端口1与直通输出端口2之间由主微带信号线5相连接，耦合输出端口3与隔离端口4由副微带信号线6相连接，在这些副线6的间隙中有相对孤立的耦合微带线20，且与上述主副微带线6相互平行；该孤立的耦合微带线20通过空气桥15与过渡微带线7实现电气连接，其与副微带线6形成交叉指型几何结构。微波信号从主微带线5的输入端口1进入，当输入端口1匹配时，一部分功率被副微带线6耦合输出，剩余功率从主微带线5的直通端口2输出，连接到副微带线5隔离端4的终端电阻16没有吸收到被副微带线6耦合出来的微波功率，即该耦合器完全隔离；但当输入端口1不匹配时，除被耦合到副微带线6耦合输出端3处的微波功率和由主微带线5直通端输出2的微波功率外，此时副微带线6隔离端口4也存在一部分微波功率，则连接到该隔离端口的终端电阻16将吸收这部分微波功率。当该微波功率耦合器处于紧耦合状态时，由副微带线6和被孤立的耦合微带线20构成的交叉指耦合部分把主微带线5上传输的微波功率较多地耦合到副微带线6上；然而当该耦合器处于松耦合状态时，靠近主微带线的那条副微带线6把主微带线5上传输的微波功率相对较少地耦合到副微带线6上。该微波功率耦合器具有两个相同的MEMS悬臂梁9结构，它们分别位于主微带线5与过渡微带线7之间；当MEMS悬臂梁9下方的驱动电极11不施加驱动电压时，悬臂梁9的自由端不接触到过渡微带线7的凸点8，即MEMS悬臂梁9处于UP态，此时主微带线5不通过过渡微带线7与被孤立的耦合微带线20形成电气连接，所以一定比例的微波功率仅通过靠近主微带线的那条副微带线6耦合，即该微波功率耦合器处于松耦合工作状态，在主微带线5输入端口1进入的微波信号中有相对较少的微波功率被耦合到副微带线6上；当在驱动电极11上施加驱动电压时，悬臂梁9被下拉接触到过渡微带线的凸点8，即MEMS悬臂梁9处于DOWN态，此时主微带线5通过过渡微带线7与被孤立的耦合微带线20形成电气连接，所以由副微带线6和被孤立的耦合微带线20形成的交叉指型结构均从主微带线5耦合微波功率，即该微波功率耦合器处于紧耦合工作状态，在主微带线5输入端口1进入的微波信号中有相对较多的微波功率被耦合到副微带线6上。如果主微带线5和副微带线6的长度均等于四分之一波长，当MEMS悬臂梁9处于UP态，副微带线的耦合输出端口3的最大微波功率可达到3dB；当MEMS悬臂梁9处于DOWN态，副微带线的耦合输出端口3的最大微波功率可达到6dB。

微电子机械悬臂梁开关式微波功率耦合器的制备方法为：

1）准备砷化镓衬底18：选用半绝缘的砷化镓衬底；

2）光刻：去除不制作凸点8地方的光刻胶；

3）刻蚀，形成带凸点形状的砷化镓衬底18；

4）光刻：去除将要保留氮化钽地方的光刻胶；

5）溅射氮化钽，其厚度为1μm；

6）剥离；

7）光刻：去除将要保留第一层金的地方的光刻胶；

8）蒸发第一层金，其厚度为0.3μm；

9）剥离，初步形成微带信号线、MEMS悬臂梁的锚区10、引线12以及压焊块13，和完全形成过渡微带信号线上的凸点8和驱动电极11；

10）反刻氮化钽，形成由副微带线隔离端4相连接的终端隔离电阻16；

11）淀积氮化硅：用等离子体增强型化学气相淀积法工艺（PECVD）生长1000Å厚的氮化硅介质层；

12）光刻并刻蚀氮化硅介质层14：保留在MEMS悬臂梁9下方驱动电极11和空气桥15下方副微带信号线6上的氮化硅；

13）淀积并光刻聚酰亚胺牺牲层：在砷化镓衬底18上涂覆1.6μm厚的聚酰亚胺牺牲层，要求填满凹坑，聚酰亚胺牺牲层的厚度决定了MEMS悬臂梁9以及空气桥15的高度；光刻聚酰亚胺牺牲层，仅保留MEMS悬臂梁9和空气桥15下方的牺牲层；

14）蒸发钛/金/钛，其厚度为500/1500/300Å：蒸发用于电镀的底金；

15）光刻：去除要电镀地方的光刻胶；

16）电镀金，其厚度为2μm；

17）去除光刻胶：去除不需要电镀地方的光刻胶；

18）反刻钛/金/钛，腐蚀底金，完全形成MEMS悬臂梁9、空气桥15、微带信号线、引线12以及压焊块13；

19）将砷化镓衬底18减薄至100μm；

19）衬底18背面干法刻蚀制作通孔17；

20）在该砷化镓衬底18背面蒸发一层金，形成微带线的共地面19；

21）释放聚酰亚胺牺牲层：显影液浸泡，去除MEMS悬臂梁9和空气桥15下的聚酰亚胺牺牲层，去离子水稍稍浸泡，无水乙醇脱水，常温下挥发，晾干。

区分是否为该结构的标准如下：

本发明的微电子机械悬臂梁开关式微波功率耦合器，在该微波功率耦合器处于紧耦合状态时，通过由副微带线6与被孤立的耦合微带线20构成的交叉指型将主微带线5上微波功率按一定比例较多地耦合到副微带线6中去；然而当该耦合器处于松耦合状态时，靠近主微带线的那条副微带线6把主微带线5上传输的微波功率相对较少地耦合到副微带线6上；通过控制MEMS悬臂梁结构有无驱动电压，使MEMS悬臂梁处于DOWN或UP态，从而该微波功率耦合器实现紧耦合或松耦合状态。

满足以上条件的结构即视为本发明的微电子机械悬臂梁开关式微波功率耦合器。

Claims (2)

1.一种微电子机械悬臂梁开关式微波功率耦合器，其特征在于：以带背金的砷化稼为衬底：在砷化镓衬底（18）背面有一层金属，其用于实现微带线结构的共地面，采用金材料构成，在砷化稼衬底（18）上，设有微带信号线：主微带信号线（5），副微带信号线（6），过渡微带信号线（7），耦合微带信号线（20），以及MEMS悬臂梁（9），空气桥（15）和终端隔离电阻（16），该结构具有两个相同的MEMS悬臂梁（9），其MEMS悬臂梁（9）的锚区（10）与主微带信号线（5）相连接；MEMS悬臂梁（9）下方具有驱动电极（11），在驱动电极（11）上覆盖氮化硅介质层（14），驱动电极（11）由引线（12）与压焊块（13）相连接；在MEMS悬臂梁（9）自由端下方具有带凸点（8）的过渡微带信号线（7），且其凸点（8）上没有氮化硅介质层（14）。

2.根据权利要求1所述的微电子机械悬臂梁开关式微波功率耦合器，其特征在于终端隔离电阻（16）被连接到副微带信号线（6）的隔离端口（4），该终端隔离电阻（16）的另一端通过通孔（17）与砷化镓衬底（18）背面的背金（19）相连接；空气桥（15）用于跨接被副微带信号线（6）完全包围但不相连的耦合微带信号线（20）和过渡微带信号线(7)，空气桥(15)下方的副微带信号线（6）被氮化硅介质层（14）覆盖。

3.一种如权利要求1所述的微电子机械悬臂梁开关式微波功率耦合器的制备方法，其特征在于制备方法为：

1）准备砷化镓衬底（18）：选用半绝缘的砷化镓衬底；

2）光刻：去除不制作凸点（8）地方的光刻胶；

3）刻蚀，形成带凸点形状的砷化镓衬底（18）；

4）光刻：去除将要保留氮化钽地方的光刻胶；

5）溅射氮化钽，其厚度为1μm；

6）剥离；

7）光刻：去除将要保留第一层金的地方的光刻胶；

8）蒸发第一层金，其厚度为0.3μm；

9）剥离，初步形成主微带信号线（5）、副微带信号线（6）、过渡微带信号线（7）、耦合微带信号线（20）、MEMS悬臂梁的锚区（10）、引线（12）以及压焊块（13），和完全形成过渡微带信号线（7）上的凸点（8）和驱动电极（11）；

10）反刻氮化钽，形成由副微带信号线（9）隔离端口（4）相连接的终端隔离电阻（16）；

11）淀积氮化硅介质层：用等离子体增强型化学气相淀积法工艺（PECVD）生长1000Å厚的氮化硅介质层；

12）光刻并刻蚀氮化硅介质层（14）：保留在MEMS悬臂梁（9）下方驱动电极（11）和空气桥（15）下方副微带信号线（6）上的氮化硅介质层；

13）淀积并光刻聚酰亚胺牺牲层：在砷化镓衬底（18）上涂覆1.6μm厚的聚酰亚胺牺牲层，要求填满凹坑，聚酰亚胺牺牲层的厚度决定了MEMS悬臂梁（9）以及空气桥（15）的高度；光刻聚酰亚胺牺牲层，仅保留MEMS悬臂梁（9）和空气桥（15）下方的聚酰亚胺牺牲层；

14）蒸发钛/金/钛，其厚度为500/1500/300Å：蒸发用于电镀的底金；

15）光刻：去除要电镀地方的光刻胶；

16）电镀金，其厚度为2μm；

17）去除光刻胶：去除不需要电镀地方的光刻胶；

18）反刻钛/金/钛，腐蚀底金，完全形成MEMS悬臂梁（9）、空气桥（15）、主微带信号线（5）、副微带信号线（6）、过渡微带信号线（7）、耦合微带信号线（20）、引线（12）以及压焊块（13）；

19）将砷化镓衬底（18）减薄至100μm；

20）砷化镓衬底（18）背面干法刻蚀制作通孔（17）；

21）在该砷化镓衬底（18）背面蒸发一层金，形成主微带信号线（5）、副微带信号线（6）、过渡微带信号线（7）、耦合微带信号线（20）的背金（19）；

22）释放聚酰亚胺牺牲层：显影液浸泡，去除MEMS悬臂梁（9）和空气桥（15）下的聚酰亚胺牺牲层，去离子水稍稍浸泡，无水乙醇脱水，常温下挥发，晾干。

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