CN103762123A

CN103762123A - 一种静电驱动双稳态rfmems开关

Info

Publication number: CN103762123A
Application number: CN201410026910.7A
Authority: CN
Inventors: 田文超; 陈志强; 扈江磊
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Xidian University
Priority date: 2014-01-21
Filing date: 2014-01-21
Publication date: 2014-04-30

Abstract

本发明公开了一种静电驱动双稳态RFMEMS开关，其包括：硅衬底，硅衬底设置有上电极、中间电极、两个下电极、两端固支梁和馈线；中间电极设置在上电极和下电极之间，由两端固支梁固定；在上电极和中间电极之间设置有碳化硅绝缘层；两个下电极中间位置设置有馈线，馈线顶部设置碳化硅绝缘层；两个下电极下表面两端设置有地线。本发明的开关避免电路中具有较大有效电压时，引起中间调节电极受到吸引力而造成信号的隔离，避免了开关的“自驱动”，提高了开关的稳定性。从而，电路所能承载的功率得到提高。

Description

一种静电驱动双稳态RFMEMS开关

技术领域

本发明属于电子领域，涉及一种静电驱动双稳态RFMEMS开关。

背景技术

静电驱动双稳态RFMEMS开关，是由微机电（MEMS）技术加工而成。基于传统单稳态RFMEMS开关的纵横加载理论，突破传统静电驱动单稳态RFMEMS开关只有一个稳定状态缺点，通过在中间电极上方增加上电极，从而在信号隔离的过程中，上电极施加与下电极相反的电压，产生向下的静电力，促进信号的隔离。当下电极未施加电压时，若在上电极和中间电极之间施加电压，则中间电极在恢复至平衡位置的基础上，同时受到向上的静电引力，从而实现信号的传输。由于在上电极和中间电极施加有电压，中间电极产生向上的引力，所以，馈线信号电压对中间电极的影响减弱，从而避免了开关“自驱动”造成信号的隔离，获得比较稳定的状态。提高了外电路所能加载的电压值。该开关为电容式开关。

2011年南京电子器件研究所侯智吴、朱锋等[毫米波串联接触式RFMEMS开关的设计与制造，侯智吴、朱锋等，固体电子学研究与进展，2012，32（2）:141-144.]提出了一种毫米波串联接触式RFMEMS开关，如图1所示。该RFMEMS开关由五部分组成，镀金硅衬底（13），输入信号线（11），输出信号线(14)，触点支撑结构(13)，接触电极(15)。当两个接触电极发生接触时，开关实现导通。这种开关存在以下问题：

1）由于该开关为接触式开关，只有一种稳定状态。

2）所能承受的电压值有限，太大的电压将导致开关的击穿烧毁。

2011年深圳市电连精密技术有限公司的黄金亮申请发明了一种RFMEMS开关[一种RFMEMS开关，黄金亮，申请号：201120223024.5]，如图2所示。其中，开关在开孔（17）处不受外界机械加载的情况下，由基座（20）和支撑结构（21）组成的弹性结构触点（18）在机构弹性的作用下与固定端子（19）相接触，实现开关的导通。当在开孔（17）处施加机械载荷时，弹性结构受力产生纵向位移，实现开关的断开。

该开关存在以下缺点：触点（18）和固定结构（19）的接触不稳定，开关不具有双稳态控制。

发明内容

为了克服现有RFMEMS开关存在的缺陷，本发明一种静电驱动双稳态RFMEMS开关，其包括：

硅衬底，硅衬底设置有上电极、中间电极、两个下电极、两端固支梁和馈线；

中间电极设置在上电极和下电极之间，由两端固支梁固定；

在上电极和中间电极之间设置有碳化硅绝缘层；

两个下电极中间位置设置有馈线，馈线顶部设置碳化硅绝缘层；两个下电极下表面两端设置有地线。

当在所述下电极和中间电极之间施加电压时，在静电力作用下，所述下电极接触触点和所述中间电极形成接触，所述下电极和所述中间调节电极之间的电容值增大，耦合程度增强，实现对信号的隔离；此时，若在所述上电极施加和所述下电极相反的电压时，可以对所述中间电极施加向下的力，从而降低下电极的驱动电压；当所述下电极未施加电压时，所述上电极在自身弹性作用下恢复至中间平衡位置，信号实现导通；当在所述上电极和所述中间电极之间施加电压时，所述上电极对所述中间电极产生向上的引力，所述中间电极向上弯曲，信号导通，同时增大了信号和中间电极之间的隔离，提高了传输质量。所述馈线和下电极分开，实现了大功率控制。所述馈线和地线之间的距离较大，增加了信号和地线之间的串扰。

在上述技术方案的基础上，所述上电极镀金层上具有一个碳化硅接触触点。

在上述技术方案的基础上，所述中间电极位于所述上电极和所述下电极之间。

在上述技术方案的基础上，所述的中间电极和所述下电极在施加外电压时，由于静电力的作用，二者之间的电容减小，耦合程度增强，实现信号的隔离。

在上述技术方案的基础上，在所述下电极和所述中间电极施加电压的同时，也可以在所述上电极上施加于所述下电极相反的电压，对所述中间电极产生向下的力，促进信号的隔离，降低下电极的驱动电压。

在上述技术方案的基础上，所述下电极和所述中间电极之间未施加电压，中间电极在自身弹性的作用下，恢复至平衡位置，信号正常传输。

在上述技术方案的基础上，在所述下电极和所述中间电极之间未施加电压时，可以在所述上电极和所述中间电极之间施加电压，从而对所述中间电极产生向上的静电引力，所述中间电极弯曲，减小所述馈线“自驱动”造成的影响。

在上述技术方案的基础上，由于所述下电极馈线“自驱动”造成的影响得到减弱，电路可以承载更高的功率。

在上述技术方案的基础上，由于上电极对于中间电极的影响，从而形成了双稳态，提高了开关的稳定性。

在上述技术方案的基础上，所述馈线和所述下电极分离，从而提高电路所能承受的功率。

在上述技术方案的基础上，所述馈线和所述地线之间距离较大，可以减小所述馈线和所述地线之间的串扰，提高信号传输质量。

在上述技术方案的基础上，下电极的驱动电压可以得到降低，从而减小开关的功耗。

本发明有益效果是，在实现信号隔离时，在下电极和中间电极施加电压的同时，也可以在上电极施加与下电极相反的电压，对中间电极产生向下的斥力，促进信号的隔离，降低下电极的驱动电压。在实现信号导通时，下电极未施加电压，中间电极在自身弹性的作用下，恢复至平衡位置，信号正常传输。在此过程中，可以在上电极和中间电极之间施加电压，中间电极在上电极引力的作用下，向上弯曲，增大和下电极以及馈线之间的距离，减小馈线“自驱动”造成的影响。此即为开关的双稳态，由于减小了“自驱动”效应，中间电极受到馈线上电压信号的影响减弱，从而避免了开关的不稳定，能够获得稳定的导通状态，从而实现了开关的双稳态。在此基础上，馈线信号对中间电极造成的影响减弱，从而提高了电路的功率。由于馈线和下电极分开，因此电路所能承载的功率得到提高。馈线和地线之间的距离较大，从而减小了二者的串扰。

附图说明

图1为本发明现有技术示意图；

图2为本发明另一现有技术示意图；

图3为本发明一种静电驱动双稳态RFMEMS开关结构图；

其中：1是由硅结构组成的外构架；2是上电极，由金组成；3是碳化硅绝缘层；4是中间电极上接触点，6是上电极的下接触点，都是由金组成；5是两端固支梁，由硅组成；7是馈线顶部的碳化硅绝缘层；8是馈线，由金组成；9是下电极，由金组成；10是地线，由金组成。

具体实施方式

下面结合附图和实施，对本发明进一步说明。

本发明为一种静电驱动双稳态RFMEMS开关，其包括硅衬底1，所述硅衬底1作为所述上电极2的载体，并用来承载其它结构与器件，同时提供一绝缘基底。

当需要隔离信号时，在下电极9和中间电极下表面6处施加电压，在静电力的作用下，中间电极和馈线8之间的距离减小直至接触到碳化硅介电层7，耦合电容增大，实现对信号的隔离。

同时，在上述隔离信号的过程中，也可以在上电极2施加与下电极9相反的电压，从而对中间电极产生向下的斥力，促进对于信号的隔离，降低下电极9的驱动电压。

当需要进行信号导通时，不需要在下电极9和中间电极的下表面65之间施加电压，中间电极在硅固支梁5自身弹性的作用下，恢复至平衡位置，实现信号的导通。

同时，在上述信号导通过程中，可以在上电极2和中间电极的上表面4施加电压，中间电极在静电力的作用下，向上弯曲，增大和馈线8之间的距离，减小耦合电容，提高开关的稳定状态。

由于在信号导通的过程中，馈线8上具有信号，其有效电压会对中间电极的下表面6产生一定的静电引力，若该有效电压足够大，则会导致信号的隔离，即所谓的“自驱动”。因此，在上电极2处施加电压，可以为中间电极提供向上的拉力，减小因馈线信号而造成的“自驱动”现象，提高电路的功率。

由于馈线8和下电极9相分离，因此可以实现较高的信号传输功率。

由于馈线8和地线10之间的距离较大，从而减小了馈线和地线之间信号的串扰，提高了信号传输质量。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员,在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims

1.一种静电驱动双稳态RFMEMS开关，其特征在于，其包括：

中间电极设置在上电极和下电极之间，由两端固支梁固定；

在上电极和中间电极之间设置有碳化硅绝缘层；

2.如权利要求1所述开关，其特征在于：

当在所述下电极和中间电极之间施加电压时，在静电力的作用下，所述馈线接触触点和所述中间电极形成接触，所述下电极和所述中间调节电极之间的电容值增大，耦合程度增强，实现对信号的隔离；此时，若在所述上电极施加和所述下电极相反的电压时，对所述中间电极施加向下的力，从而降低下电极的驱动电压；当所述下电极未施加电压时，所述上电极在自身弹性作用下恢复至中间平衡位置，信号实现导通；当在所述上电极和所述中间电极之间施加电压时，所述上电极对所述中间电极产生向上的引力，所述中间电极向上弯曲，信号导通，同时增大了信号和中间电极之间的隔离；所述馈线和下电极分开，实现了大功率控制。

3.如权利要求2所述开关，其特征在于：所述上电极下表面设置有金电镀层，金电镀层上含有碳化硅接触触点，使所述上电极和所述中间电极之间形成非直接接触，开关形成电容耦合。

4.如权利要求2所述开关，其特征在于：所述中间电极的上下表面都设置有金电镀层。

5.如权利要求2所述开关，其特征在于：所述两个下电极中间，有一个硅凸起，它与两个下电极相分离，其上有一层金作为馈线，构成信号通路。

6.如权利要求2所述开关，其特征在于：所述两个下电极的上表面设置有金电镀层，金电镀层上面刻蚀有一层碳化硅绝缘层。

7.如权利要求2所述开关，其特征在于：所述中间电极和所述上电极金属触点之间的距离大于和所述下电极馈线之间的距离。

8.如权利要求2所述开关，其特征在于：所述下电极和中间电极在外部施加电压的情况下，由于静电力的作用，二者之间的距离减小，电容值变大，耦合增强，实现对信号的隔离；在所述上电极和所述中间电极施加电压的同时，或者在所述上电极施加于所述下电极相反的电压，从而所述上电极对所述中间电极产生向下的静电斥力，减小下电极的驱动电压。

9.如权利要求2所述开关，其特征在于：所述下电极和中间电极在外部施加电压的情况下，由于静电力的作用，二者之间的距离减小，电容值变大，耦合增强，实现对信号的隔离；当所述下电极未施加电压时，所述中间电极在本身的弹性下，恢复至平衡位置，信号正常传输。

10.如权利要求2所述开关，其特征在于：所述下电极和中间电极在外部施加电压的情况下，由于静电力的作用，二者之间的距离减小，电容值变大，耦合增强，实现对信号的隔离；当所述下电极未施加电压时，所述中间电极在本身的弹性下，恢复至平衡位置，信号正常传输；当所属下电极未施加电压时，可以在所述上电极和所述中间电极之间施加电压，从而对所述中间电极产生向上的吸引力，所述中间电极向上弯曲。