CN107293449B - 基于可变弹性模量复合薄膜梁的多路射频微机电开关 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于可变弹性模量复合薄膜梁的多路射频微机电开关，旨在实现对多路信号传输的控制，同时避免“误执行”现象，并降低开关由“开态”变换为“关态”时膜桥的弹性恢复力。包括驱动电极、复合薄膜梁、基底、射频传输线和地线，射频传输线并排固定在基底的上表面；地线固定在底座两端的锚点上；复合薄膜梁由自上而下层叠的第一介质层、导电层和第二介质层复合而成，其两端固定在地线的表面，且导电层的两端与地线接触；驱动电极由并排固定在复合薄膜梁上表面的至少三个驱动电极单元组成。本发明开关响应时间短，驱动电压低，满足射频微机电开关高隔离度、低插入损耗的要求，同时具有绿色环保的特性。可用于现代无线通信领域。

Description

基于可变弹性模量复合薄膜梁的多路射频微机电开关

技术领域

本发明属于微机电技术领域，涉及一种多路射频微机电开关，具体涉及一种基于可变弹性模量复合薄膜梁的多路射频微机电开关，适用于无线通信领域。

技术背景

射频微机电开关是现在绝大部分通信设备中不可或缺的基本部件，它主要通过微机械机构的运动来实现射频信号的导通与断开。具有隔离度高、插入损耗低、工作频带宽以及功耗低、高线性度等优点，非常适用于现代无线通信技术发展的要求。

目前根据射频开关对射频信号的控制作用方式，可以分为串联接触式和并联电容式两种。串联接触式主要由悬臂梁、下拉电极、传输线和绝缘介质层四部分组成。下拉电极不加电压时，开关处于开态，信号无法通过。当在下拉电极加上足够的电压时，悬臂梁悬空的一端与断开的信号线接触。此时传输线连通，开关处于关态，信号得以通过。并联电容式主要包括共面波导、介质层和微梁。当不加电压时，并联阻抗很大，电容很小，信号将从传输线传输，开关处于开态。当加上电压时，并联阻抗最小，电容很大，高频信号将通过这个电容接地，从而实现开关的关态。但是目前的并联电容式射频微机电开关主要采用静电驱动。但是普遍存在一定的“误执行”现象，且需要克服较大的弹性恢复力才能使开关处于“关态”，因此使得所需驱动电压大，开关响应时间长。

例如申请公开号为CN105845513A，名称为“一种基于石英基底共面波导的石墨烯射频机械开关”的专利申请，公开了一种基于石英基底共面波导的石墨烯射频机械开关，其结构如图1所示，石墨烯薄膜1和氮化硼介质层2组成复合梁，梁的两端分别与两条共面波导地线3接触，共面波导信号线4位于复合梁结构悬空部分正下方，共面波导结构位于石英基底5上。虽然这种结构射频微机电开关可降低插入损耗，增大隔离度，但存在以下问题：

1)开关由“开态”变换为“关态时，需要克服较大的弹性恢复力；

2)无法避免误操作导致的“误执行”现象；

3)只能实现对单路信号传输的控制。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术现有的缺陷，提出了一种基于可变弹性模量复合薄膜梁的多路射频微机电开关，旨在实现对多路信号传输的控制，同时避免“误执行”现象，并降低开关由“开态”变换为“关态”时微梁的弹性恢复力。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于可变弹性模量复合薄膜梁的多路射频微机电开关，包括驱动电极1、复合薄膜梁2、基底3、射频传输线4和地线5，所述基底3纵向的两端设置有锚点；所述射频传输线4至少有三条，并排固定在基底3的上表面，用于实现多种信号的传输；所述地线5固定在底座3两端的锚点上；所述复合薄膜梁2由自上而下层叠的第一介质层21、导电层22和第二介质层23复合而成，其两端固定在地线的表面，且导电层22的两端与地线5接触；所述驱动电极1由并排固定在复合薄膜梁2上表面的至少三个驱动电极单元组成；所述射频传输线4和导电层2均采用二维单层碳原子材料；所述介质层2采用记忆性材料。

上述基于可变弹性模量复合薄膜梁的多路射频微机电开关，所述复合薄膜梁2，其纵向中轴线与基底3的纵向中轴线重合。

上述基于可变弹性模量复合薄膜梁的多路射频微机电开关，所述并排固定在复合薄膜梁2上表面的至少三个驱动电极单元，驱动电极单元采用钛酸铋钠基无铅压电陶瓷材料，且相邻驱动电极单元之间的距离相等。

上述基于可变弹性模量复合薄膜梁的多路射频微机电开关，所述射频传输线4，采用石墨烯材料，且与基底3的纵向中轴线垂直。

上述基于可变弹性模量复合薄膜梁的多路射频微机电开关，所述导电层22，采用石墨烯材料。

上述基于可变弹性模量复合薄膜的多路射频微机电开关，所述介质层(21)，采用形状记忆聚合物。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1)本发明采用的复合薄膜梁由自上而下层叠的第一介质层、导电层和第二介质层复合而成，其弹性模量可变，当开关由“开态”变换为“关态”时，弹性模量锐减，复合薄膜梁快速变形，当开关由“关态”变换为“开态”时，弹性模量剧增，复合薄膜梁快速恢复变形，缩短了开关的响应时间。

2)本发明在复合薄膜梁的表面并排固定有多个驱动电极单元，在实现开关的“关态”时，需要驱动电极施加正向电压的同时复合薄膜梁的导电层也导电；在实现开关的“开态”时，需要驱动电极施加正向电压的同时复合薄膜梁的导电层断电，避免了现有技术的“误执行”现象。

3)本发明由通过给复合薄膜梁表面不同的驱动单元施加一定的电压，可以实现复合薄膜梁不同位置的大变形，使其与对应位置的射频传输线接触，可以实现对多路信号传输的控制。

4)本发明由于复合薄膜梁的介质层采用可降解的形状记忆聚合物，驱动电极采用了钛酸铋钠基无铅压电陶瓷，具有绿色环保的特性。

附图说明

图1为现有基于石英基底共面波导的石墨烯射频机械开关的整体结构示意图；

图2为本发明的整体结构示意图。

图3为本发明的具体实施例工作过程结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步的详细描述。

参照图2，基于可变弹性模量复合薄膜梁的多路射频微机电开关，包括驱动电极1、复合薄膜梁2、基底3、射频传输线4和地线5。

所述射频传输线4均采用石墨烯材料，石墨烯的高导电、高导热特性可以减少接触面处的电荷积累、降低温度，降低局部电荷密度，从而减小射频传输线导致的静电扰动力。通过沉积工艺在基底3上形成三条射频传输线，并排固定在基底3的上表面。则这三条射频传输线可以实现对8种信号的传输控制，这8种信号分别为：001、000、010、011、101、100、110、111；三条射频传输线的距离不能过小，否则射频传输线之间会发生串扰现象。

所述驱动电极1材料均选用钛酸铋钠基无铅压电陶瓷，该种材料具有大的电致应变，施加很低的驱动电压以后会迅速产生大的变形量，有助于是实现开关的“开态”和“关态”，满足射频微机电开关高隔离度、低插入损耗的要求。因基底3上布置有三条射频传输线，复合薄膜梁2与每条射频传输线接触时需要两个驱动电极单元进行驱动，所以复合薄膜梁表面共并排粘接有六个驱动电极单元。

所述复合薄膜梁2由自上而下层叠的第一介质层21、导电层22和第二介质层23复合而成，两端通过热压印技术压印在硅基底3的锚点上。第一介质层介质层21和第二介质层23均采用形状记忆聚合物，形状记忆聚合物弹性模量可随温度发生变化，当温度达到玻化温度时，其弹性模量会锐减，当温度低于玻化温度时，其弹性模量会剧增，有助于实现开关的快速“闭合”和“断开”。导电层23采用石墨烯材料，石墨烯具有高导热性、高载流子特性，通电以后温度会迅速上升，可将自身热量传递给第一介质层21和第二介质层23，有助于介质层快速升温。又因石墨烯为二维单层碳原子层，具有良好的柔韧性，因此复合薄膜梁2的弹性模量可随第一介质层21和第二介质层23的弹性模量变化而变化。利用干法刻蚀使导电层图形化，介质层21沉积在导电层表面，介质层23通过准分子激光纳米压印技术压印于导电层22表面，最终形成一个复合薄膜梁。

所述基底3纵向的两端设置有锚点，材料采用硅材料，通过干法刻蚀使其图形化，

所述地线5通过剥离工艺形成于基底3两端的锚点上，材料选用金。

以下结合“011”这种信号说明本发明射频微机电开关的工作原理：

开关在初始状态下，复合薄膜未与基底的三条射频传输线接触。当三条射频传输线均通高频交流信号以后，三条射频传输线从左至右的状态为“111”。但此时对于“011”这种信号，开关处于一种“断开”状态，因此实现“011”这种信号传输时的开关状态即为“闭合”状态。

开关由“断开”变化为“闭合”时，只需要复合薄膜梁与最左侧的一条射频传输线接触即可。

当开关由“断开”变化为“闭合”时，最左侧的两个驱动电极单元施加正向驱动电压，此时施加有正向驱动电压的驱动电极单元会对复合薄膜梁的左侧产生向下的驱动力。同时给复合薄膜梁中的导电层通电，导电层温度会迅速上升，并将自身热量传递给第一介质层和第二介质层。当第一介质层和第二介质层温度达到玻化温度时，其弹性模量会锐减。又因导电层具有良好的柔韧性，所以整个复合薄膜梁的弹性模量会随着第一介质层和第二介质层的弹性模量锐减而降低。因驱动电极施加很低的驱动电压以后会迅速产生大的变形量。因而复合薄膜梁的左侧在施加有正向驱动电压的驱动电极向下驱动力作用下，会迅速向下运动，与基底上的最左侧的射频传输线接触,其结构示意图如图3所示。最左侧的射频传输线与介质层和导电层形成一个电容较大的电容器，从而将最左侧的一条射频传输线上的高频交流信号通过导电层隔离至地线，实现开关的“闭合”，即此时通过该开关的信号为“011”。

当需要实现开关的“断开”时，先给导电层断电，此时导电层的温度会迅速下降，介质层的温度也会下降，当第一介质层和第二介质层温度低于玻化温度以后，其弹性模量会剧增，相应的复合薄膜梁的弹性模量也会剧增。同时给左侧的2个驱动电极施加反向驱动电压，复合薄膜梁在第一介质层和第二介质层的弹性恢复力和施加有反向驱动电压的驱动电极向上的驱动力共同作用下，迅速弹起，恢复到变形前的状态，实现开关的“断开”。

以上描述仅是本发明的一个具体实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于可变弹性模量复合薄膜梁的多路射频微机电开关，其特征在于，包括压电驱动电极(1)、复合薄膜梁(2)、基底(3)、射频传输线(4)和地线(5)，所述基底(3)纵向的两端设置有锚点；所述射频传输线(4)至少有三条，并排固定在基底(3)的上表面，用于实现多种信号的传输；所述地线(5)固定在基底(3)两端的锚点上；所述复合薄膜梁(2)由自上而下层叠的第一介质层(21)、导电层(22)和第二介质层(23)复合而成，其两端固定在地线(5)的表面，且导电层(22)的两端与地线(5)接触；所述压电驱动电极(1)由并排固定在复合薄膜梁(2)上表面的至少三个驱动电极单元组成；所述射频传输线(4)和导电层(22)均采用二维单层碳原子材料；所述介质层(21)采用形状记忆聚合物。

2.根据权利要求1所述基于可变弹性模量复合薄膜梁的多路射频微机电开关，其特征在于，所述复合薄膜梁(2)，其纵向中轴线与基底(3)的纵向中轴线重合。

3.根据权利要求1所述基于可变弹性模量复合薄膜梁的多路射频微机电开关，其特征在于，所述并排固定在复合薄膜梁(2)上表面的至少三个驱动电极单元，驱动电极单元采用钛酸铋钠基无铅压电陶瓷材料，且相邻驱动电极单元之间的距离相等。

4.根据权利要求1所述基于可变弹性模量复合薄膜梁的多路射频微机电开关，其特征在于，所述射频传输线(4)，采用石墨烯材料，且与基底(3)的纵向中轴线垂直。

5.根据权利要求1所述基于可变弹性模量复合薄膜梁的多路射频微机电开关，其特征在于，所述导电层(22)，采用石墨烯材料。