CN105742124B - 一种微机电系统开关 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种微机电系统开关，应用于共面波导缺陷地传输线，包括：第一桥梁、第二桥梁、第一外置电极和第二外置电极，其中，第一桥梁串联在信号线中，衬底上于第一桥梁的下方设置有下电极，下电极的上表面覆盖有介质层；第一外置电极通过高电阻连接线连接信号线，第二外置电极通过高电阻连接线连接地线；两个地线上对应于第一桥梁的两侧均设置有开口型的缺陷地结构，缺陷地结构上设置有第二桥梁，第二桥梁的两端分别设置在缺陷地结构的两侧；下电极通过短连接线连接到两侧的缺陷地结构内侧，第二桥梁与短连接线不接触。本发明实施例可以解决MEMS电容式开关应用于共面波导缺陷地传输线时插入损耗高的问题。

Description

一种微机电系统开关

技术领域

本发明涉及射频微机电系统技术领域，特别涉及一种微机电系统开关。

背景技术

随着通信技术的不断发展，电磁波从低频和高频范围逐渐发展到了射频和微波范围。传统的通信开关，如PIN二极管型开关在射频和微波领域使用时，存在插入损耗增高、隔离度降低等问题，而射频MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)开关相比于传统的开关，具有低插入损耗、高隔离度、低功率和低成本等优点，所以，射频MEMS开关被越来越多地应用在可调滤波器、天线、匹配网络等射频和微波领域。

共面波导传输线，又叫共面微带传输线，指在介质基片(即衬底)的一个面上制作出中心导体带作为信号线，并在紧邻中心导体带的两侧制作出导体平面形成两个地线。现有技术中，共面波导传输线中的缺陷地结构是指在上述地线上刻蚀出缺陷图案，MEMS电容式开关应用在共面波导缺陷地传输线中时，缺陷地结构能够实现MEMS电容式开关在不改变其开关梁结构的前提下，根据实际工作频段的需求调整射频性能，极大地提高开关设计灵活性。

但是，缺陷地结构区域导致了信号线的特征阻抗不连续，造成了阻抗失配，开关的插入损耗高。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种微机电系统开关，用以解决现有技术中，MEMS电容式开关应用于共面波导缺陷地传输线时插入损耗高的问题。

为达到上述目的，本发明实施例公开了一种微机电系统开关，应用于共面波导缺陷地传输线，所述共面波导缺陷地传输线包括设置在衬底上的信号线以及设置在所述信号线两侧的地线，所述开关包括：第一桥梁、第二桥梁、第一外置电极和第二外置电极，其中，

所述第一桥梁串联在所述信号线中，所述衬底上于所述第一桥梁的下方设置有下电极，所述下电极的上表面覆盖有介质层；

所述第一外置电极通过高电阻连接线连接所述信号线，所述第二外置电极通过高电阻连接线连接所述地线；

两个所述地线上对应于所述第一桥梁的两侧均设置有开口型的缺陷地结构，所述缺陷地结构上设置有所述第二桥梁，所述第二桥梁的两端分别设置在所述缺陷地结构的两侧；

所述下电极通过短连接线连接到两侧的所述缺陷地结构内侧，所述第二桥梁与所述短连接线不接触。

优选的，所述第二桥梁包括位于所述缺陷地结构两侧的两个锚区和两端分别固定在两个所述锚区上的桥膜。

优选的，所述第二桥梁为采用表面牺牲层工艺或体加工工艺制造的桥梁。

优选的，所述第一桥梁包括两个锚区和两端分别固定在两个所述锚区上的桥膜，所述第一桥梁上的桥膜与所述介质层的上表面之间存在空气间隙。

优选的，所述第一外置电极的电压高于所述第二外置电极的电压。

优选的，所述共面波导缺陷地传输线还包括设置在所述衬底的下表面的金属层。

优选的，所述缺陷地结构的形状为圆形、椭圆形和多边形中的任意一种。

优选的，所述高电阻连接线由多个串联在一起的方块电阻构成。

本发明实施例提供的一种微机电系统开关，该开关包括缺陷地结构上设置的第二桥梁，该第二桥梁的两端分别设置在开口型的缺陷地结构两侧，由于该第二桥梁的存在，缺陷地区域与中间传输线形成等效电容，提高了特征阻抗的匹配度，降低开关的插入损耗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中的共面波导缺陷地传输线的平面结构示意图；

图2为本发明实施例提供的应用于共面波导缺陷地传输线的一种微机电系统开关的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的安装有第二桥梁的共面波导缺陷地传输线的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了清楚起见，首先对本发明实施例所提供的一种微机电系统开关涉及的共面波导缺陷地传输线进行简单的介绍，本领域技术人员公知的是，共面波导缺陷地传输线是指地线3上设置有缺陷地结构的共面波导传输线，如图1所示的共面波导缺陷地传输线的平面结构示意图，共面波导缺陷地传输线包括衬底1以及衬底1正面设置的信号线2，信号线2两侧分别为两个地线3，图中的虚线框内的矩形缺陷图案即为缺陷地结构9。

本发明实施例提供的一种微机电系统开关，应用于共面波导缺陷地传输线，所述共面波导缺陷地传输线包括设置在衬底1上的信号线2以及设置在所述信号线2两侧的地线3，

如图2所示，所述开关包括：第一桥梁、第二桥梁、第一外置电极4和第二外置电极5。

其中，

所述第一桥梁串联在所述信号线2中，所述衬底1上于所述第一桥梁的下方设置有下电极6，所述下电极6的上表面覆盖有介质层7；

所述第一外置电极4通过高电阻连接线8连接所述信号线2，所述第二外置电极5通过高电阻连接线8连接所述地线3；

两个所述地线3上对应于所述第一桥梁的两侧均设置有开口型的缺陷地结构9，所述缺陷地结构9上设置有所述第二桥梁，所述第二桥梁的两端分别设置在所述缺陷地结构9的两侧；

所述下电极6通过短连接线10连接到两侧的所述缺陷地结构9内侧，所述第二桥梁与所述短连接线10不接触。

本领域技术人员可以理解的是，在没有设置上述第二桥梁的情况下，开口型的缺陷地结构9所在区域导致了传输线的特征阻抗不连续，造成了阻抗失配，故而增大了开关的插入损耗。

本发明实施例中的衬底1的材料可以是高阻硅、玻璃、氧化铝、砷化镓等绝缘或半绝缘材料。本领域技术人员公知的是，延伸到缺陷地结构9内部的短连接线，其与缺陷地结构9之间存在缝隙，缝隙中的射频电流使磁能量存储在短连接线10的终端部位(终端是指短连接线10与缺陷地结构9连接的地方)，磁能量产生了感抗。

例如，延伸到缺陷地结构10中短连接线9长度为l₁，宽度为l₂宽度为W，那么此处形成的电感值Lz由两部分构成，一是长度为l₁的短连接线形成的电感L_a，此部分电感值的计算方法为共面波导传输线单位电感值L与短连接线9长度l₁的乘积；二是由于磁能量存储等效的电感L_b，L_b等效为长度l₃(本领域技术人员可以理解的是，l₃与缺陷地结构沿电磁波传输方向的开口尺寸成正比)、宽度为l₂的短连接线形成的电感，此部分电感值等于共面波导传输线单位电感值L与缝隙长度l₃的乘积。

如图2和图3所示，本发明实施例中，所述第二桥梁包括位于所述缺陷地结构9两侧的两个锚区11和两端分别固定在两个所述锚区11上的桥膜12。应该说明的是，该第二桥梁的材质可以为金属或金属混合物，例如硅铝混合物。另外，所述第二桥梁为采用表面牺牲层工艺或体加工工艺制造的桥梁，牺牲层工艺和体加工工艺为现有技术中的制造工艺，具体的工艺过程本发明实施例不做详细介绍，当然，第二桥梁的加工工艺也并不限于上述两种加工工艺。

应该强调的是，本发明实施例中，短连接线10的高度可以等于地线3的高度。但是，当短连接线10的高度小于地线3的高度时，上述第二桥梁可以仅由桥膜12构成，桥膜12的两端固定在缺陷地结构9的两侧，此时同样满足第二桥梁与所述短连接线10不接触的条件。

同样应该说明的是，本发明实施例中，第二桥梁的长度方向平行于导体线的长度方向。

本发明实施例中，所述第一桥梁包括两个锚区11和两端分别固定在两个所述锚区11上的桥膜12，所述第一桥梁上的桥膜12与所述介质层7的上表面之间存在空气间隙。可以理解的是，第一桥梁是串联在信号线2中，所以信号线2被断开成两段，第一桥梁上的其中一个锚区11固定在信号线2的其中一段上，另一个锚区11固定在信号线2的另一段上。

应该说明的是，上述下电极6位于断开的两段信号线2之间，同时，下电极6不与信号线2接触。

本发明实施例中，所述第一外置电极4的电压高于所述第二外置电极5的电压。应该说明的是，只有当第一外置电极4与第二外置电极5之间存在足够的压差，第一桥梁的中部下移充分接触介质层7。

此外，本发明实施例中，所述共面波导缺陷地传输线还包括设置在所述衬底1的下表面的金属层13。应该强调的是，衬底1的下表面没有金属层13时，本发明实施例中所提及的共面波导缺陷地传输线属于典型的共面波导结构，而衬底1的下表面设置有金属层13时，本发明实施例中所提及的共面波导缺陷地传输线属于共面波导背敷金属结构，本发明实施例适用于上述两种结构。

应该说明的是，本发明实施例中，并不对该缺陷地的结构做限定，例如，所述缺陷地结构9的形状为圆形、椭圆形和多边形中的任意一种。另外，每个地线3上缺陷地结构9的数量也不限于一个。应该强调的是，每个缺陷地结构9上都应该设定一个第二桥梁。

本发明实施例中，所述高电阻连接线8由多个串联在一起的方块电阻构成。本领域技术人员可以理解的是，高电阻连接线8是由多个排列在一起的方块电阻组成，高电阻连接线8的电阻值就是所有方块电阻的电阻值之和。

应该说明的是，本发明实施例中，该开关可以看作一个电容、电感、电阻串联在一起的谐振电路，这个谐振电路并联到地线3。当第一外置电极4与第二外置电极5之间不存在压差时，第一桥梁没有下移，位于上态，第一桥梁与下电极6之间的电容通常为几十个fF(1fF等于10的负15次方法拉)，电感为几～几十个pH(皮亨)，此时的谐振点约为一百～几百GHz(吉赫)，因此，频率相对较低的信号(几十GHz以下)就可以实现在低插入损耗(小于1dB(Decibel，分贝))传输。

当第一外置电极4与第二外置电极5之间存在足够的压差，第一桥梁与下电极6之间存在等效静电力，第一桥梁下移，第一桥梁与介质层7接触后，由于有介质层7的存在，此时的电容值增大至几个pF(1pF等于10的负12次方法拉)，谐振电路的谐振点也变为几个～几十GHz，在谐振点以及附近频段，绝大部分的信号能量被耦合到地，故而形成了信号的阻断。

本发明实施例中，开关通断功能的实现与现有技术相同，此处不再详细介绍开关通断原理。应该说明的是。第一桥梁上的桥膜与介质层7完全接触才能够形成最大的下态电容，当然也可以不完全接触，这时开关的等效电容会小很多，开关的谐振频率会随之发生变化。

本方案中，该开关包括缺陷地结构9上设置的第二桥梁，该第二桥梁的两端分别设置在开口型的缺陷地结构9两侧，由于该第二桥梁的存在，缺陷地区域与中间传输线形成等效电容，提高了特征阻抗的匹配度，降低开关的插入损耗。

另外，本发明实施例中，第二桥梁加载在缺陷地结构9上方，对MEMS开关原有的机械性能没有丝毫影响。不改变原MEMS开关的尺寸，保证了器件的小型化。

示意图中的标号说明：

1、衬底；2、信号线；3、地线；4、第一外置电极；5、第二外置电极；6、下电极；7、介质层；8、高电阻连接线；9、缺陷地结构；10、短连接线；11、锚区；12、桥膜；13、金属层。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种微机电系统开关，应用于共面波导缺陷地传输线，所述共面波导缺陷地传输线包括设置在衬底上的信号线以及设置在所述信号线两侧的地线，其特征在于，所述开关包括：第一桥梁、第二桥梁、第一外置电极和第二外置电极，其中，

所述第一桥梁串联在所述信号线中，所述衬底上于所述第一桥梁的下方设置有下电极，所述下电极的上表面覆盖有介质层；

所述第一外置电极通过高电阻连接线连接所述信号线，所述第二外置电极通过高电阻连接线连接所述地线；

两个所述地线上对应于所述第一桥梁的两侧均设置有开口型的缺陷地结构，所述缺陷地结构上设置有所述第二桥梁，所述第二桥梁的两端分别设置在所述缺陷地结构的两侧；

所述下电极通过短连接线连接到两侧的所述缺陷地结构内侧，所述第二桥梁与所述短连接线不接触。

2.根据权利要求1所述的开关，其特征在于，所述第二桥梁包括位于所述缺陷地结构两侧的两个锚区和两端分别固定在两个所述锚区上的桥膜。

3.根据权利要求2所述的开关，其特征在于，所述第二桥梁为采用表面牺牲层工艺或体加工工艺制造的桥梁。

4.根据权利要求1所述的开关，其特征在于，所述第一桥梁包括两个锚区和两端分别固定在两个所述锚区上的桥膜，所述第一桥梁上的桥膜与所述介质层的上表面之间存在空气间隙。

5.根据权利要求1所述的开关，其特征在于，所述第一外置电极的电压高于所述第二外置电极的电压。

6.根据权利要求1所述的开关，其特征在于，所述共面波导缺陷地传输线还包括设置在所述衬底的下表面的金属层。

7.根据权利要求1所述的开关，其特征在于，所述缺陷地结构的形状为圆形、椭圆形和多边形中的任意一种。

8.根据权利要求1所述的开关，其特征在于，所述高电阻连接线由多个串联在一起的方块电阻构成。