CN104064407A - 微机电系统开关 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种微机电系统开关，包括：基底；微波传输线，设置在基底上；多通道条形极板的一端固定设置在基底上；信号功率分配过渡区与多通道条形极板的固定端相连，用于实现对多通道条形极板的功率分配；驱动电极设置在基底上且位于多通道条形极板的正下方，驱动电极上电时驱动多通道条形极板弯曲以使多通道条形极板与微波传输线接触而形成通路。本发明的微机电系统开关，功率容量大、可靠性高、结构简单。

Description

微机电系统开关

技术领域

本发明涉及微电子机械系统技术领域，尤其涉及一种微机电系统开关。

背景技术

微机电系统(Microelectromechanical Systems，MEMS)开关，是利用MEMS技术制作的一种射频开关，它通过微机械结构的运动，来控制射频信号的导通与断开。由于与传统的PIN及FET微波开关器件相比，射频MEMS开关不但具有高隔离度、低损耗、高线性度、低功耗、宽频带等极其优异的微波性能，同时具有批量制作、尺寸小、易于与先进的微波射频电路相集成的特点，是实现小型化、低成本、高性能的微波收发前端系统的关键技术，在卫星通讯、雷达、汽车、仪器等领域有着广泛的应用。但传统射频MEMS开关容量较低、可靠性较差。

对于射频MEMS开关，其功率容量是指使开关完成一定循环次数而不发生失效的输入功率极限，而可靠性则是指开关在一定功率条件下能正常工作的循环次数。因此，功率容量与可靠性密切相关。对于传统的利用金属—金属之间的直接接触来控制信号导通与断开的接触式射频MEMS开关，大功率下开关导通时的接触点金属微熔焊或者开关烧毁的热失效问题是制约其功率容量和可靠性的主要因素。解决接触点热失效问题最直接的方法即增加接触点个数，但在射频微波频段，随着频率的增加，电流的趋肤效应会越来越明显，使得电流集中在外围的接触点上，从而增加接触点个数的效果将大打折扣。此外，开关闭和时悬臂梁不能保证和每个接触点都良好的接触。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种功率容量大、可靠性高、结构简单的射频微电系统开关。

为了实现上述目的，本发明实施例的射频微电系统开关，包括：基底；微波传输线，所述微波传输线设置在所述基底上；多通道条形极板，所述多通道条形极板的一端固定设置在所述基底上；信号功率分配过渡区，所述信号功率分配过渡区与所述多通道条形极板的固定端相连，用于实现对所述多通道条形极板的功率分配；驱动电极，所述驱动电极设置在所述基底上且位于所述多通道条形极板的正下方，所述驱动电极上电时驱动所述多通道条形极板弯曲以使所述多通道条形极板与所述微波传输线接触而形成通路。

根据本发明实施例的微机电系统开关，采用多通道条型极板，加上驱动电压后多通道条型极板与微波传输线形成接触，这样不仅增加了功率容量，还保证了多通道条型极板与微波传输线接触的完整性，进而提高开关功率容量和可靠性。通过信号功率分配过渡区实现射频信号电流与功率的优化分配，进一步改善其功率容量和可靠性。

在一些示例中，所述多通道条形极板由至少三根固定端相连、自由端相互独立的悬臂梁组成。

进一步地，在一些示例中，所述悬臂梁在施加驱动电压时与所述微波传输线形成接触点。

进一步地，在一些示例中，所述接触点可设置在所述悬臂梁下表面或所述微波传输线上。

在一些示例中，所述悬臂梁的材料为金属。

在一些示例中，所述基底的材料为玻璃、陶瓷和高阻硅。

在一些示例中，所述微波传输线为共面波导或微带线结构。

在一些示例中，所述驱动电极与所述信号线的边界为直线或突出结构。

在一些示例中，所述信号功率分配过渡区通过锚点或设置在所述微波传输线上与所述多通道条形极板相连。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的微机电系统开关的结构框图；

图2是本发明一个实施例的微机电系统开关示意图；

图3是图2的俯视图；

图4是图3中的A-A’的剖面图；

图5是图2的前视图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

图1是根据本发明一个实施例的微机电系统开关的结构框图。如图1所示，本发明实施例的微机电系统开关，包括：基底100、微波传输线200、多通道条形极板300、信号功率分配过渡区400和驱动电极500。

其中，微波传输线200，设置在基底100上。多通道条形极板300的一端固定设置在基底100上。信号功率分配过渡区400与多通道条形极板300的固定端相连，用于实现对多通道条形极板300的功率分配。驱动电极500设置在基底100上且位于多通道条形极板300的正下方，驱动电极500上电时驱动多通道条形极板300弯曲以使多通道条形极板300与微波传输线200接触而形成通路。

具体地，在本发明的一个实施例中，多通道条形极板由至少三根固定端相连、自由端相互独立的条形细悬臂梁组成。此结构不仅能提供多信号通路，还保证了各根悬臂梁独立接触时接触部分的完整性，并降低了由于部分接触点失效而导致整个开关失效的风险，从而提高了开关的可靠性。悬臂梁的材料为金属，减小其在高频下的损耗。特别地，各根细悬臂梁尺寸和材料可以不同。由于高频下趋肤效应比较明显，流经外围悬臂梁的电流密度高于其流经内部悬臂梁的电流密度，因此可以通过调整各根悬臂梁的尺寸与材料来重新分配流经各悬臂梁的电流。

驱动电极500在多通道条型极板300的正下方用以同时控制该极板的多根细悬臂梁。当驱动电极500未施加驱动电压时，多通道条型极板300的细悬臂梁与微波传输线200断开，使开关为关闭状态。当驱动电极500上施加驱动电压时，多根金属细悬臂梁与驱动电极500之间产生静电力，使多根细悬臂梁同时弯曲后相互独立的与微波传输线200接触以提供多个电流信号通道，使开关为开启状态。多根细悬臂梁同时弯曲后相互独立的与微波传输线200接触，为了减小接触电阻，接触点可以在悬臂梁下表面或微波传输线200上。采用一个驱动电极控制多根细悬臂梁的这种新型结构，不仅增加了MEMS开关的功率容量，还保证了悬臂梁与微波传输线接触的完整性，并减小了由于一部分接触点失效导致整体开关失效的可能，进而提高了MEMS开关的可靠性，同时改进了MEMS开关的结构和尺寸。

在本发明的一个实施例中，基底100的材料可以为玻璃、陶瓷和高阻硅，这些材料的导电率较低，保证了传输射频信号时的低损耗特性。

在本发明的一个实施例中，微波传输线200为共面波导或微带线结构，设计过程中应使开关输入输出端口的特征阻抗与射频系统的特征阻抗尽量相等，以达到端口的匹配特性，特征阻抗一般为50欧姆。

在本发明的一个实施例中，多通道条型极板300自由端下方的驱动电极500与微波传输线200的边界是可以是直线，也可以是传统射频MEMS开关中为了提高其处于关闭状态时的隔离度而采取的突出结构，从而避免了采用牺牲孔的结构。

在本发明的一个实施例中，信号功率分配过渡区400可以通过锚点也可以不通过锚点直接连到微波传输线200上与多通道条型极板300相连，通过对信号功率分配过渡区400的结构设计实现对开关闭合时通过各个细悬臂梁以及接触点的射频信号的功率或电流分配，从而避免了由于高频下趋肤效应导致少部分接触点电流密度过高而引起的开关失效问题，提高了开关在高频下的功率容量。信号功率分配过渡区400可采用对结构和材料改进的方法进行设计。

进一步地，在本发明的一个具体示例中，如图2～图5所示，本发明实施例的MEMS开关包括：基底100以及在基底100之上的共面波导传输线的信号线201和地线202、多通道条型极板300、信号功率分配过渡区400和驱动电极500。其中，多通道是指由三根以上悬臂梁301构成的多条信号通道，多通道条型极板300由多根固定端相连的条型细悬臂梁301组成，每根细悬臂梁301各自与共面波导传输线信号线201形成接触，接触点600可以在悬臂梁301下表面或共面波导传输线信号线201上。信号功率分配过渡区400与多通道条型极板300相连，通过对该区域的结构设计实现对开关闭合时通过各个细悬臂梁301以及接触点600的射频信号的功率或电流分配，从而避免了由于高频下趋肤效应导致少部分接触点电流密度过高而引起的开关失效问题，提高了开关在高频下的功率容量。

基底100可以采用玻璃、陶瓷、高阻硅等材料。微波传输线200采用共面波导传输线信号线201和地线202结构。在这种情况下可以在共面波导传输线地线202上制作空气桥作为与驱动电极500相连的引线的通道，或者不制作空气桥而将引线埋置进基底100。驱动电极500在多通道条型极板300的正下方用以同时控制该极板的多根细悬臂梁301。当驱动电极500未施加驱动电压时，多通道条型极板的细悬臂梁301与共面波导传输线信号线201断开，使开关为关闭状态。当驱动电极500上施加驱动电压时，多根金属细悬臂梁301与驱动电极500之间产生静电力，使多根细悬臂梁301同时弯曲后相互独立的与共面波导传输线信号线201接触以提供多个电流信号通道，使开关为开启状态。

根据本发明实施例的微机电系统开关，采用多通道条型极板，加上驱动电压后多通道条型极板与微波传输线形成接触，这样不仅增加了功率容量，还保证了多通道条型极板与微波传输线接触的完整性，进而提高开关功率容量和可靠性。通过信号功率分配过渡区实现射频信号电流与功率的优化分配，进一步改善其功率容量和可靠性。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种微机电系统开关，其特征在于，包括：

基底；

微波传输线，所述微波传输线设置在所述基底上；

多通道条形极板，所述多通道条形极板的一端固定设置在所述基底上；

信号功率分配过渡区，所述信号功率分配过渡区与所述多通道条形极板的固定端相连，用于实现对所述多通道条形极板的功率分配；

驱动电极，所述驱动电极设置在所述基底上且位于所述多通道条形极板的正下方，所述驱动电极上电时驱动所述多通道条形极板弯曲以使所述多通道条形极板与所述微波传输线接触而形成通路。

2.根据权利要求1所述的微机电系统开关，其特征在于，所述多通道条形极板由至少三根固定端相连、自由端相互独立的悬臂梁组成。

3.根据权利要求2所述的微机电系统开关，其特征在于，所述悬臂梁在施加驱动电压时与所述微波传输线形成接触点。

4.根据权利要求3所述的微机电系统开关，其特征在于，所述接触点可设置在所述悬臂梁下表面或所述微波传输线上。

5.根据权利要求2所述的微机电系统开关，其特征在于，所述悬臂梁的材料为金属。

6.根据权利要求1所述的微机电系统开关，其特征在于，所述基底的材料为玻璃、陶瓷和高阻硅。

7.根据权利要求1所述的微机电系统开关，其特征在于，所述微波传输线为共面波导或微带线结构。

8.根据权利要求1所述的微机电系统开关，其特征在于，所述驱动电极与所述信号线的边界为直线或突出结构。

9.根据权利要求1所述的微机电系统开关，其特征在于，所述信号功率分配过渡区通过锚点或设置在所述微波传输线上与所述多通道条形极板相连。