CN104916502A - 一种横向双梁的dc接触式串联mems开关 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电子科学技术领域，提供一种横向双梁的DC接触式串联MEMS开关，包括带绝缘介质层的基底，绝缘介质层上的两个横向可移动悬臂梁及其对应的第一驱动电极、第二驱动电极、开关焊盘、电极焊盘；所述两个横向可移动悬臂梁下方悬空且高度位于同一水平面，其固定端分别通过支撑锚点固定于绝缘层上对侧位置、自由端部分交叠且不接触；所述第一驱动电极设置作用于横向可移动悬臂梁中点；所述第二驱动电极设置对应于横向可移动悬臂梁自由端端点。本发明通过两组电极对两个悬臂梁的控制，使开关具有更低的驱动电压和更高的隔离度，并降低了开关时间，使之具有更好的实用性及开关性能。

Description

一种横向双梁的DC接触式串联MEMS开关
技术领域
本发明属于电子科学技术领域，涉及射频微机电系统(RF MEMS)器件设计制造，特别涉及横向直接接触式MEMS开关的设计、制造。
背景技术
开关是实现微波信号和高频信号变换的关键器件之一，目前在射频/微波电路中大量使用的一般是场效应晶体管(FET)、铁氧体材料或PIN二极管等半导体开关。但是这类开关工作频段一般较低、功耗大、插入损耗大、隔离度低，且由于存在P-N节或金属-半导体节，所以开关存在由半导体节引起的固有非线性特性。
RF MEMS开关是无线通讯领域的重要器件,也是MEMS技术在射频领域应用最成功的器件之一,现已成为MEMS研究的重点之一。RF MEMS开关的重要意义在于其能够降低插入损耗,提高隔离度和改进线性性能等方面的巨大潜，且MEMS开关具有小尺寸的特点，为相控阵雷达、微波毫米波接收发机等系统小型化提供了实现可能。
目前研究较广且比较成熟的是纵向的静电驱动直接接触式单刀双掷MEMS开关，具有三个主要组成部分：即悬臂梁部分，开关下电极板部分，驱动电极部分。当开关处于断开状态时，悬臂梁未下拉，射频信号不导通，当开关处于导通状态时，悬臂梁被拉下，射频信号导通。而横向静电驱动的直接接触式MEMS开关其主要优势在是一次光刻的步骤内，能完成执行器、接触区、导线通路和支撑结构的制作，同时横向驱动也容易获得反向机械力，且横向驱动开关的机械刚度很大，可用普通的湿法腐蚀工艺释放。但和纵向驱动开关相比，横向开关更长更厚，因此开关时间也较长，且需要施加的驱动电压也更大。
发明内容
本发明的目的是针对背景技术中存在的问题和缺陷，提供一种横向双梁的DC接触式串联MEMS开关，通过两组电极对两个悬臂梁的控制，使开关具有更低的驱动电压和更高的隔离度，并降低了开关时间，使之具有更好的实用性及开关性能。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种横向双梁的DC接触式串联MEMS开关，包括带绝缘介质层的基底，绝缘介质层上的两个横向可移动悬臂梁及其对应的第一驱动电极、第二驱动电极、开关焊盘、电极焊盘；其特征在于，所述两个横向可移动悬臂梁下方悬空且高度位于同一水平面，其固定端分别通过支撑锚点固定于绝缘层上对侧位置、自由端部分交叠且不接触；所述第一驱动电极设置作用于横向可移动悬臂梁中点；所述第二驱动电极设置对应于横向可移动悬臂梁自由端端点。
本发明中，第一驱动电极、第二驱动电极分别通过馈线连接对应电极焊盘，各电极与横向可移动悬臂梁接触面还设置有表面绝缘层；支撑锚点通过微带线连接对应开关焊盘。
所述横向可移动悬臂梁的尺寸：悬臂梁长为100至400微米、宽为4至8微米、两悬臂梁间的横向距离为2至8微米。
所述带绝缘介质层的基底在横向可移动悬臂梁下方对应位置开设空腔，使悬臂梁下方悬空，便于悬臂梁横向移动。
本发明中，所述基底采用高阻硅材料，所述绝缘介质层和表面绝缘层均为二氧化硅绝缘层，所述横向可移动悬臂梁和第一、第二驱动电极均采用低阻硅材料。
在实际工作中，本发明横向双梁的DC接触式串联MEMS开关的工作状态分为“开”态(导通)和“关”态(断开或隔离态)。开关由初始状态(即两组驱动电极均未通电时的状态)到“开”态，需给第一驱动电极施加直流驱动电压，此时第二驱动电极不施加直流驱动电压，使可移动悬臂梁受第一驱动电极的静电力作用而相向运动至相互接触，此时开关处于导通状态。开关由初始状态到“关”态，需给第二驱动电极施加直流驱动电压，此时第一驱动电极不施加直流驱动电压，使可移动悬臂梁受第二驱动电极的静电力作用而相离运动至与第二驱动电极表面的绝缘层相接触，此时开关处于隔离状态。开关在“开”态和“关”态之间转换时，均需要从现在所处状态回到初始状态，再切换到另一种状态，即需要先给所有电极断电之后再重新给不同电极上电。
本发明提供的横向双梁的DC接触式串联MEMS开关采用一对在水平方向上具有交叠的悬臂梁和两组驱动电极组成，在两组电极的配合下，两悬臂梁相向运动至接触开关导通，两悬臂梁相离运动至接触到电极表面绝缘层开关处于隔离态。相比于现有横向静电驱动的直接接触式MEMS开关，若在电极均为通电即原始状态时本发明中两悬臂梁间的初始距离与已有横向静电驱动的直接接触式MEMS开关悬臂梁到接触点的距离相等，则易知本发明的驱动电压将只有已有横向静电驱动的直接接触式MEMS开关驱动电压的一半，而隔离度将接近已有横向静电驱动的直接接触式MEMS开关隔离度的两倍。由此可知，本发明提供开关具有更低的驱动电压和更高的隔离度，并能够有效降低开关时间，使之具有更好的实用性及开关性能；同时，本发明开关采用常规MEMS加工方法制作，能够实现高精度、大批量加工，降低了封装难度和生产成本。
附图说明
图1为本发明横向双梁的DC接触式串联MEMS开关结构立体示意图；
图2为本发明横向双梁的DC接触式串联MEMS开关结构俯视示意图；
图3为图2的A-B半剖视放大图；
图中，1-1为硅基底，1-2为氧化硅绝缘层、2-4和5-4为可移动悬臂梁，2-1和5-1为其支撑锚点、4-3和7-3为第一驱动电极、3-3和6-3为第二驱动电极、3-4、4-4、6-4和7-4为相应驱动电极表面绝缘层、2-3和5-3为开关焊盘、3-1、4-1、6-1和7-1为各电极焊盘。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步详细说明。本实施例提供横向双梁的DC接触式串联MEMS开关结构如图1、图2、图3所示：
本实施例中：基底1-1尺寸为(长×宽×厚)440×720×70um，材料为高阻硅；基底中心对应于悬臂梁下方开设尺寸为(长×宽×厚)160×450×70um的空腔，由体硅刻蚀工艺得到；
基底表面介质绝缘层1-2材料为二氧化硅，厚度为1um；
开关横向可移动悬臂梁2-4和5-4尺寸为(长×宽×厚)265×6×40um，材料为低阻硅；开关支撑锚点2-1和5-1尺寸为(长×宽×厚)100×100×40um，材料为低阻硅；横向可移动悬臂梁2-4和5-4对应设置在空腔上(即下方悬空)，两支撑锚点分别设置在矩形空腔的两条宽边侧(对侧)，两个悬臂梁2-4和5-4的固定端固定于支撑锚点，自由端部分交叠、横向距离为6um；
第一驱动电极4-3、7-3和第二驱动电极3-3、6-3尺寸为(长×宽×厚)190×40×40um，材料为低阻硅；第一驱动电极4-3、7-3分别对应设置于悬臂梁5-4、7-4的中点端，横向距离为6um；第二驱动电极3-3、6-3分别对应设置于悬臂梁7-4、5-4的自由端，横向距离为6um；第一驱动电极和第二驱动电极表面绝缘层3-4、4-4、6-4和7-4厚为1um，材料为二氧化硅；
开关焊盘2-3和5-3尺寸为(长×宽×厚)65×65×15um，材料为金(Au)；对应通过微带线2-2、5-2分别与支撑锚点2-1、5-1连接；
各电极焊盘3-1、4-1、6-1和7-1尺寸为(长×宽×厚)65×65×15um，材料为金(Au)；对应通过馈线3-2、4-2、6-2和7-2与第二驱动电极3-3、第一驱动电极4-1、第二驱动电极6-3、第一驱动电极7-3连接；
本实施例按常规MEMS方法制作、封装即可。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征除了互相排斥的特征外，均可以任何方式组合。

Claims (6)

1.一种横向双梁的DC接触式串联MEMS开关，包括带绝缘介质层的基底，绝缘介质层上的两个横向可移动悬臂梁及其对应的第一驱动电极、第二驱动电极、开关焊盘、电极焊盘；其特征在于，所述两个横向可移动悬臂梁下方悬空且高度位于同一水平面，其固定端分别通过支撑锚点固定于绝缘层上对侧位置、自由端部分交叠且不接触；所述第一驱动电极设置作用于对应横向可移动悬臂梁中点；所述第二驱动电极设置对应于对应横向可移动悬臂梁自由端端点。
2.按权利要求1所述横向双梁的DC接触式串联MEMS开关，其特征在于，所述第一驱动电极、第二驱动电极分别通过馈线连接对应电极焊盘；支撑锚点通过微带线连接对应开关焊盘。
3.按权利要求1所述横向双梁的DC接触式串联MEMS开关，其特征在于，所述第一驱动电极、第二驱动电极与横向可移动悬臂梁接触面还设置有表面绝缘层，绝缘层材料为二氧化硅绝缘层。
4.按权利要求1所述横向双梁的DC接触式串联MEMS开关，其特征在于，所述横向可移动悬臂梁的尺寸：悬臂梁长为100至400微米、宽为4至8微米、两悬臂梁间的横向距离为2至8微米。
5.按权利要求1所述横向双梁的DC接触式串联MEMS开关，其特征在于，所述带绝缘介质层的基底在横向可移动悬臂梁下方对应位置开设空腔，使悬臂梁下方悬空，便于悬臂梁横向移动。
6.按权利要求1-5任一所述横向双梁的DC接触式串联MEMS开关，其特征在于，所述基底采用高阻硅材料，所述绝缘介质层为二氧化硅绝缘层，所述横向可移动悬臂梁和第一、第二驱动电极均采用低阻硅材料。
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