CN104021995A - 基于静电斥力的电容式射频mems开关 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于静电斥力驱动的电容式RFMEMS开关，涉及微机电系统（MEMS）领域，特别是射频微机电开关（RFMEMS）的应用。该发明设计的射频微机电开关包括可动桥膜部分、固定驱动电极部分和传输线基底部分，工作时在固定驱动电极部分中两端固定电极上接电源正极，将在可动桥膜周围产生一个不均匀电场，此不均匀电场使得可动桥膜受力远离固定电极并向上移动，最终与悬于可动桥膜上方的信号传输线接触，实现开关接通。本发明提出的基于静电斥力的电容式RFMEMS开关可以从根本上解决传统依靠静电引力工作时导致的介质层中电荷积累问题，从而在很大程度上提高开关的可靠性。

Description

基于静电斥力的电容式射频MEMS开关

技术领域

本发明涉及微机电系统（MEMS）技术领域，特别是电容式射频微机电开关（RF MEMS），具体为一种基于静电斥力的电容式RF MEMS开关。

背景技术

射频微机电系统（RF MEMS）是MEMS技术加工的RF产品，RF MEMS具有价格低、体积小、重量轻、可靠性高等优点，并且能与传统的IC技术相兼容，其中RF MEMS开关相对于传统的PIN和FET开关以其低插损、高隔离度、高线性度、低功耗低成本和宽频带等优点成为航空、雷达和无线通讯领域中最基础、最关键、最具应用前景的RF MEMS器件。

在RF MEMS开关技术中，RF MEMS开关分很多类，按照开关结构分为悬臂梁式、桥式和扭臂式。按照驱动原理分为静电驱动、热驱动、电磁驱动和压电驱动等方式，静电驱动式又分为电阻接触式和电容耦合式，其中电容耦合式RF MEMS开关因其驱动电压小、结构简单等优点更是得到了广泛的研究。

传统的静电驱动电容式RF MEMS开关包括衬底部分、共面波导线部分和驱动电极部分，其中驱动电极部分由上电极和下电极组成，上电极材料是柔性的金薄膜并架于两侧的地线上，下电极为信号传输线。工作原理是往上下电极施加直流偏置电压，通过静电力作用改变上电极与下电极之间的距离，从而改变他们之间的电容，以此实现对射频信号的通断。例如工作时，向驱动电极部分中上下电极施加一直流偏置电压，此偏置电压在上下电极上产生的静电力将会使上电极柔性膜弯曲下拉并最终与下电极上的介质层接触，由于上下电极之间初始间距较大，电容很小，射频信号会沿着信号线传递，但随着他们之间距离的减小，电容将会变大，此时射频信号就会通过金膜被耦合到地线，实现开关闭合。相反，当撤去偏置电压后，由于自身的弹性恢复力，上电极将回到初始位置，上下电极间距增大，电容减小，射频信号就不会耦合到地线而是继续沿信号线传输，实现开关断开。

上述传统基于静电引力的RF MEMS开关的优点是驱动电压低、功耗低、插损低、隔离度高且在制作工艺上也很易于实现，因此成本相对较低。

但是，尽管电容式RF MEMS开关有上述诸多优点，然而时至今日，可靠性问题依然是其大规模商业化的瓶颈，其中影响可靠性最大的因素就是在开关工作时发生的不可逆转的“粘连”失效，而“粘连”失效则是由开关介质层中电荷积累（也称“介质充电”）所造成的。因此，研究一种可以减少甚至彻底消除电荷积累问题的RF MEMS开关将会大大提高开关可靠性，进而实现大规模的商业化。

发明内容

本发明为了解决依靠静电引力驱动的电容式RF MEMS开关中所存在的电荷积累问题，提出了一种基于静电斥力的新型电容式RF MEMS开关，此开关利用静电斥力使得上电极可动桥膜弯曲并与信号传输线接触实现开关闭合断开，由于在开关闭合时，可动桥膜和信号传输线上并未施加电压，所以在两者接触时没有漏电流通过，进而从根本上不会发生电荷积累现象，很大程度上提高了开关的可靠性。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种基于静电斥力的电容式射频MEMS开关，包括上表面加工有氧化层的衬底，所述衬底的上表面两侧平行分布有地线a和地线b；所述衬底的上表面沿地线长度方向架设有信号传输线；所述信号传输线的下方设有具有弹性的可动桥膜，所述可动桥膜的两端分别支撑于地线a和地线b上，所述可动桥膜的上表面中部设有介质层，当可动桥膜受力向上弯曲形变后，其上的介质层与信号传输线的下表面接触；所述衬底的上表面中部固定设有并排分布的驱动电极a、驱动电极b及驱动电极c，所述驱动电极a、驱动电极b及驱动电极c均与位于两侧的地线a和地线b平行、且位于可动桥膜的下方。

工作时，位于两侧的驱动电极a和驱动电极c接电源正极，位于中间的驱动电极b和可动桥膜接电源负极。电源接通后产生偏置电压，该偏置电压将会在中间驱动电极b和可动桥膜的周围产生不均匀电场，可动桥膜在此电场中将会受力向上弯曲形变并远离驱动电极b，其上表面的介质层将与其上方的信号传输线的部分下表面相接触，之后射频信号就会通过可动桥膜从信号传输线被耦合至地线a和地线b上，此时开关处于闭合状态；相反，当撤掉此偏置电压后，可动桥膜在自身弹性恢复力的作用下回到初始位置（即恢复常态），由于他们之间距离的增大，电容就会减小，射频信号就不会被耦合到地线a和地线b，而是继续沿信号传输线传递，此时开关断开。

由上述可见，基于静电斥力原理的RF MEMS开关在其整个工作过程中，相互接触的可动桥膜和信号传输线上并未施加任何电压，所以在他们相互接触时不存在电势差，也就不会产生漏电流，从根本上杜绝了电荷积累现象的发生，因此，很大程度上提高了开关工作时的可靠性，为其大规模的商业化提供了有力保障。

此外，由于本发明属于静电驱动型RF MEMS开关，同样具有一般静电驱动型RF MEMS开关的优点，例如插入损耗低、隔离度高、功耗低、线性度高、结构简单等。

本发明设计合理，提出的这种基于静电斥力的RF MEMS开关，利用新的驱动原理，采用新的开关结构，彻底解决了传统因静电引力而产生的介质层中电荷积累问题，大幅提高了RF MEMS开关的可靠性。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是图1的纵向剖视图。

图3是图2的A-A剖视图。

图4是驱动电极在衬底上表面的分布示意图。

图5是驱动电极加正电压后，周围的电场分布示意图。

图中，1-衬底，2-氧化层，3-地线a，4-地线b，5a-输入电极a，5b-支撑电极b，5c-悬空电极c，5d-支撑电极c，5e-输出电极e，6a-中间梁a，6b-支撑臂b，6c-支撑臂c，7a-支撑梁a，7b-支撑梁b，7c-支撑梁c，7d-支撑梁d，8-驱动电极a，9-驱动电极b，10-驱动电极c，11-介质层。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。

一种基于静电斥力的电容式射频MEMS开关，包括上表面加工有氧化层2的衬底1，所述衬底1的上表面两侧平行分布有地线a 3和地线b 4；所述衬底1的上表面沿地线长度方向架设有信号传输线，所述信号传输线的下方设有具有弹性的可动桥膜，所述可动桥膜的两端分别支撑于地线a 3和地线b 4上，所述可动桥膜的上表面中部设有介质层11，当可动桥膜受力向上弯曲形变后，其上的介质层11与信号传输线的下表面接触；所述衬底1的上表面中部固定设有并排分布的驱动电极a 8、驱动电极b 9及驱动电极c 10，所述驱动电极a 8、驱动电极b 9及驱动电极c 10均与位于两侧的地线a 3和地线b 4平行、且位于可动桥膜的下方。

具体实施时，如图1所示，衬底1上采用热氧化方法生成二氧化硅氧化层2；共面波导线由地线a、地线b及信号传输线构成，其中地线a和地线b相隔一定距离平行分布在氧化层2上表面的两侧；固定电极部分由驱动电极a、驱动电极b和驱动电极c组成 ，其中驱动电极c在图1中并未标出，三个驱动电极互相平行的分布在氧化层2上表面中间部分，其中驱动电极a和驱动电极c用来接电源正极，驱动电极b接电源负极；可动桥膜由呈工字型连接的支撑臂b、中间梁a和支撑臂c构成；支撑梁a和支撑梁b固定在地线a上表面并分别与支撑臂b和支撑臂c的一端连接，支撑梁c和支撑梁d固定在地线b上表面并分别与支撑臂b和支撑臂c的另一端连接，这样，工字型的可动桥膜的四个角端部支撑于地线a和地线b上，可动桥膜是开关工作的主要部件，材料是金，呈工字型且有良好的延展性，工作时受到静电力作用可发生弯曲。介质层11沉积在可动桥膜的中间梁a上表面的中间部分，材料可以是氮化硅或高介电常数材料如PZT（压电陶瓷）等。信号传输线分为五部分，即输入电极a、支撑电极b、悬空电极c、支撑电极d和输出电极e，他们依次相互连接，在实际加工中也是分别被加工出来，中间部分的悬空电极c被支撑电极b和支撑电极d支撑并悬于可动桥膜的上方，输入电极a和输出电极e则是固定在氧化层2上用作射频信号的输入端和输出端。可动桥膜的材料是金，悬于驱动电极和信号传输线之间，工作原理则是通过改变可动桥膜的中间梁a和信号传输线的悬空电极c之间的距离，进而改变他们之间的电容，最终实现信号传输线上射频信号的通断。具体来说，当在固定的驱动电极a和驱动电极c上接电源正极时，这个偏置电压会在驱动电极a、驱动电极b、驱动电极c和可动桥膜组成的驱动结构周围产生一个不均匀的电场，在此不均匀电场的作用下，可动桥膜将受力向上发生弯曲并远离驱动电极b，从而使其与信号传输线之间距离减小直到相互接触，随着距离的减小，电容将会增大，这时信号传输线上的射频信号将会被耦合至地线a和地线b上，实现开关闭合。相反，当撤去驱动电极a和驱动电极c上的电压后，可动桥膜由于自身的弹性恢复力的作用，将回到其初始位置，随着桥膜和信号线之间距离的增大，电容将会减小，此时射频信号就不会被耦合到地线上去，而是继续沿信号传输线传输，开关断开。

如图2、3所示，图中信号传输线两端的输出电极a和输出电极b沉积在氧化层2上表面，所述输入电极a和输出电极e位于同一直线上、且与位于两侧的地线a和地线b平行，所述输入电极a和输出电极e分别与地线a和地线b的距离也相等。支撑电极b和支撑电极d用于支撑中间部分悬空电极c，悬空电极c做成桥型并悬于可动桥膜上方，即悬空电极c与位于两侧的地线a和地线b平行。所述可动桥膜的中间梁a位于悬空电极c的正下方、且二者平行；所述介质层11位于中间梁a的上表面中部；所述驱动电极b位于中间梁a的正下方。在常态下，可动桥膜的中间梁a与信号传输线的悬空电极c不接触，当向开关加正电压后，由于可动桥膜6材料是金，就会向上发生弯曲并最终与上方的悬空电极c的下表面接触，之后信号传输线上的射频信号就会沿着可动桥膜被耦合到地线a和地线b上，开关闭合。当需要断开开关时，只要将原先加在驱动电极a和驱动电极c上的偏置电压撤掉，电场便会消失，之后可动桥膜在其自身的弹性恢复力的作用下回到初始位置，由于可动桥膜和信号传输线之间距离增大，电容变小，信号线上的射频信号就不会通过桥膜流到地线a和地线b上，而是继续沿信号传输线继续传递。

如图4所示，地线a和地线b位于氧化层2上表面的两侧；衬底上表面中间是三个平行分布的长条固定电极，所述驱动电极a、驱动电极b和驱动电极c之间的间距相等，材料一般采用金属金。开关工作时，驱动电极a和驱动电极c接电源正极，中间驱动电极b接电源负极，由于都是固定在衬底上的，所以受力也不会发生移动。

如图5所示，驱动电极a和驱动电极b加正电压后，周围的电场分布图可以看出此电场是不均匀电场，可动桥膜左右电场大小相同，受力一样，上表面电场明显比下表面大，所以可动桥膜上表面受的力比下表面大，合力向上，故可动桥膜在合力的作用下远离驱动电极b向上运动，与悬空电极c的下表面接触。

与传统的依靠静电引力的电容式RF MEMS开关相比，本发明提出的基于静电斥力的电容式RF MEMS开关，在工作时，由于相互接触的信号传输线和可动桥膜之间不存在电势差，所以不会存在漏电流，也就不会产生电荷积累现象，可以说从根本上解决了传统RF MEMS开关因电荷积累而导致的“粘连”失效问题，很大程度上提高了开关工作可靠性。而且相比于传统静电引力的RF MEMS开关，本发明提出的开关亦有结构简单，成本低且易于制造加工等优点。

本发明提出了一种新型的基于静电斥力的电容式RF MEMS开关，以上所述仅为本发明的一个实施例，是对本发明的目的、结构及工作原理的进一步详细说明。应注意的是，上述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡任何技术人员在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、变动和改良等，均应受到本发明的保护。

Claims (9)

1.一种基于静电斥力的电容式射频MEMS开关，包括上表面加工有氧化层（2）的衬底（1），所述衬底（1）的上表面两侧平行分布有地线a（3）和地线b（4）；所述衬底（1）的上表面沿地线长度方向架设有信号传输线；

其特征在于：所述信号传输线的下方设有具有弹性的可动桥膜，所述可动桥膜的两端分别支撑于地线a（3）和地线b（4）上，所述可动桥膜的上表面中部设有介质层（11），当可动桥膜受力向上弯曲形变后，其上的介质层（11）与信号传输线的下表面接触；所述衬底（1）的上表面中部固定设有并排分布的驱动电极a（8）、驱动电极b（9）及驱动电极c（10），所述驱动电极a（8）、驱动电极b（9）及驱动电极c（10）均与位于两侧的地线a（3）和地线b（4）平行、且位于可动桥膜的下方。

2.根据权利要求1所述的基于静电斥力的电容式射频MEMS开关，其特征在于：所述信号传输线包括位于衬底（1）上表面、且分别位于可动桥膜两侧的输入电极a（5a）和输出电极e（5e），所述输入电极a（5a）和输出电极e（5e）位于同一直线上、且与位于两侧的地线a（3）和地线b（4）平行，所述输入电极a（5a）和输出电极e（5e）分别固连有支撑电极b（5b）和支撑电极d（5d），所述支撑电极b（5b）和支撑电极d（5d）上支撑有与位于两侧的地线a（3）和地线b（4）平行的悬空电极c（5c）。

3.根据权利要求2所述的基于静电斥力的电容式射频MEMS开关，其特征在于：所述输入电极a（5a）分别与地线a（3）和地线b（4）的距离相等；同理，所述输出电极e（5e）分别与地线a（3）和地线b（4）的距离相等。

4.根据权利要求3所述的基于静电斥力的电容式射频MEMS开关，其特征在于：所述可动桥膜包括呈工字型连接的支撑臂b（6b）、中间梁a（6a）和支撑臂c（6c），所述支撑臂b（6b）的两端分别通过支撑梁b（7b）和支撑梁d（7d）支撑在地线a（3）和地线b（4）上，所述支撑臂c（6c））的两端分别通过支撑梁a（7a）和支撑梁c（7c）支撑在地线a（3）和地线b（4）上；所述中间梁a（6a）位于悬空电极c（5c）的正下方、且二者平行；所述介质层（11）位于中间梁a（6a）的上表面中部；所述驱动电极b（9）位于中间梁a（6a）的正下方。

5.根据权利要求4所述的基于静电斥力的电容式射频MEMS开关，其特征在于：所述氧化层（2）为二氧化硅氧化层。

6.根据权利要求5所述的基于静电斥力的电容式射频MEMS开关，其特征在于：所述介质层（11）的材料是氮化硅或高介电常数材料PZT。

7.根据权利要求6所述的基于静电斥力的电容式射频MEMS开关，其特征在于：所述可动桥膜的材料是金。

8.根据权利要求7所述的基于静电斥力的电容式射频MEMS开关，其特征在于：所述驱动电极a（8）、驱动电极b（9）和 驱动电极c（10）之间的间距相等。

9.根据权利要求8所述的基于静电斥力的电容式射频MEMS开关，其特征在于：所述驱动电极a（8）、驱动电极b（9）和驱动电极c（10）的材料均是金。