CN107393767A - 一种t型双悬臂梁式单刀双掷开关 - Google Patents

Abstract

一种T型双悬臂梁式单刀双掷开关，主要结构由衬底、微波传输线、驱动电极、上电极、下电极、固定锚点和空气桥组成，微波传输线和驱动电极设置在衬底上，上电极为双悬臂梁、中间锚点支撑左右各一个悬臂梁结构，下电极采用带弹性梁的单触点、双触点、三触点，从力学方面讲，可减小上电极因静电力作用快速下拉时对下电极产生的撞击力，起到缓冲作用，从而保护触点和上电极，可增强有效接触，避免弱接触带来的烧蚀和粘连，当在第一驱动电极上施加驱动电压时，上电极在静电力的作用下发生下拉至与触点接触，此时开关处于导通状态，第二驱动电极上方的上电极翘起，既增大了开关的隔离度，防止了上下电极之间的自吸合，同时也增强了开关寿命和微波性能。

Description

一种T型双悬臂梁式单刀双掷开关

技术领域

本发明属于射频MEMS技术领域，具体涉及一种T型双悬臂梁式单刀双掷开关。

背景技术

射频MEMS开关是二十世纪九十年代以来MEMS领域的研究热点，射频MEMS单刀单掷开关是微波电路的基本器件，作用是控制传输系统中微波信号的通断，主要应用于微波信号源用的脉冲调制器、衰减器、移相器、T/R组件中。

目前，对射频MEMS开关开展研究的机构主要有中电集团十三所、中电集团五十五所、清华大学微电子所、东南大学、中科院电子所、中北大学等单位。例如中国科学院微电子研究所设计了一种新型电磁驱动推拉式射频MEMS开关，采用无应力的单晶硅扭转梁结构，当开关线圈无外加电流时，开关A、B处于断开状态，给线圈施加正向电流时，在梁A端施加拉力，B端施加推力，开关A处于开态，B处于断态，当给线圈施加反向电流时，A、B两端产生相反的力，此时，A处于断态，B处于开态，此射频MEMS开关在工作时，整个器件都需要置于均匀磁场中，磁力线垂直穿过Au线圈，从而增大了射频MEMS开关工作的复杂度，又如中电五十五所公开了一种含有鲨齿式触点系统的射频MEMS开关(申请号：CN201010584317.6)，其鲨齿式触点系统包含高低两组触点，每组触点包含两个高度一致的触点，但在制作时高度很难达到完全一致，使得同一组的两个触点中会有一个虚接，减小了开关的寿命。

单刀双掷开关上电极采用双悬臂梁，中间锚点支撑左右各一个悬臂梁的结构，其外形简单规则，方便特征阻抗匹配，在工艺加工中容易实现，适用于批量化生产，进而提高了开关的成品率，下电极采用带弹性梁的单触点、双触点、三触点，从力学方面讲，可以减小上电极在静电力作用下快速下拉时对下电极产生的撞击力，起到缓冲作用，从而保护触点和上电极，从电学方面讲，可以增强有效接触，避免弱接触带来的烧蚀和粘连，当在第一驱动电极上施加驱动电压时，上电极在静电力的作用下发生下拉至与触点接触，此时开关处于导通状态，第二驱动电极上方的上电极翘起，既增大了开关的隔离度，防止了上下电极之间的自吸合，同时也增强了开关寿命和微波性能。

发明内容

本发明的目的就是针对传统单刀单掷开关的不足，设计了一种T型双悬臂梁式单刀双掷开关，此单刀双掷开关一方面可以增大开关的隔离度，防止上下电极之间的自吸合，另一方面还可以实现开关两路间的切换。

本发明的具体技术方案如下：

本发明主要结构由：衬底、微波传输线、驱动电极、上电极、下电极、固定锚点和空气桥组成；输入信号线2、第一输出信号线3、第二输出信号线4、第一地线5、第二地线6、第一驱动电极16、第二驱动电极17设置在衬底1上，在输入信号线2的上面设有第一固定锚点7，在第一固定锚点7的上面设有上电极14，上电极结构14开孔15，在上电极14的自由端下面对称设置第一触点20、第二触点21，在第一输出信号线3的上面设有第二固定锚点8，在第二固定锚点8的上面设有第一弹性梁18，在第一弹性梁18的上面设有第一触点20，在第二输出信号线4的上面设有第三固定锚点9，在第三固定锚点9的上面设有第二弹性梁19，在第二弹性梁19的上面设有第二触点21，在第一地线5的直角转角处设有第四固定锚点10、第五固定锚点11，在第二地线6的两侧对称设置第六固定锚点12、第七固定锚点13，在第四固定锚点10、第七固定锚点13之间设有第一空气桥22，在第四固定锚点10、第五固定锚点11之间设有第二空气桥23，在第五固定锚点11、第六固定锚点12之间设有第三空气桥24，在所述第一驱动电极16上施加驱动电压时，所述上电极14与所述第一驱动电极16之间产生静电力，使得上电极下拉至与第一触点20接触，此时，所述射频MEMS开关处于闭合状态，在所述第一驱动电极16上未施加驱动电压时，所述上电极14与所述第一触点20相互断开，此时，所述射频MEMS开关处于断开状态。

所述衬底1为长方体结构。

所述输入信号线2、第一输出信号线3、第二输出信号线4、第一地线5、第二地线6、第一驱动电极16、第二驱动电极17设置在衬底1上。

所述的第一固定锚点7、第二固定锚点8、第三固定锚点9、第四固定锚点10、第五固定锚点11、第六固定锚点12、第七固定锚地13为立方体结构，结构一样，都使用金材料制作。

所述上电极14为双悬臂梁，中间锚点支撑左右各一个悬臂梁结构，在上电极自由端下面对称设有第一触点20、第二触点21。在第一触点的下面设有第一弹性梁18，在第二触点的下面设有第二弹性梁19。

所述上电极14开孔，所述释放孔15直径6-10μm，形成释放孔15阵列，所述释放孔15阵列设置为3-4排，释放孔间距10-20μm。

所述第一驱动电极16、第二驱动电极17等距分布在输入信号线2的两侧。

所述第一弹性梁18、第二弹性梁19为金属结构，设置在第一触点20、第二触点21的下面。

所述第一空气桥22、第二空气桥23、第三空气桥24为直板型结构，第一空气桥22通过第四固定锚点10、第七固定锚点13所固定，第二空气桥23通过第四固定锚点10、第五固定锚点11所固定，第三空气桥通过第五固定锚点11、第六固定锚点12所固定，所述第一空气桥22与所述第一地线5、第二地线6构成可允许引线通过的空间。

有益效果：

本发明与传统的单刀单掷开关相比具有明显的优势，所述射频MEMS开关，其下电极采用带有弹性梁的单触点、双触点、三触点，弹性梁通过固定锚点固定在微波传输线上，弹性梁上分别设有触点，从力学方面讲，可以减小上电极因静电力作用快速下拉时对下电极产生的撞击力，起到缓冲作用，从而保护触点和上电极，从电学方面讲，可以增强有效接触，避免弱接触带来的烧蚀和粘连，本发明有效地改善了传统双触点虚接引起的可靠性问题，当在第一驱动电极上施加驱动电压时，上电极在静电力的作用下发生下拉至与触点接触，此时开关处于导通状态，第二驱动电极上方的上电极翘起，既增大了开关的隔离度，防止了上下电极之间的自吸合，同时也增强了开关寿命和微波性能。

附图说明

图1为本发明实施例所述单刀双掷开关整体结构图；

图2为本发明实施例所述单刀双掷开关整体结构俯视图；

图3为本发明实施例所述单刀双掷开关整体结构侧视图；

图4为本发明实施例所述开关组件结构图；

图5为本发明实施例所述开关组件结构俯视图；

图6为本发明实施例所述开关组件结构侧视图；

图7为本发明实施例所述微波传输线结构图；

图8为本发明实施例所述微波传输线结构俯视图；

图9为本发明实施例所述带弹性梁的长方体单触点结构图；

图10为本发明实施例所述带弹性梁的长方体单触点结构俯视图；

图11为本发明实施例所述带弹性梁的半球体单触点结构图；

图12为本发明实施例所述带弹性梁的半球体单触点结构俯视图；

图13为本发明实施例所述带弹性梁的圆锥体单触点结构图；

图14为本发明实施例所述带弹性梁的圆锥体单触点结构俯视图；

图15为本发明实施例所述带双弹性梁的长方体双触点结构图；

图16为本发明实施例所述带双弹性梁的长方体双触点结构俯视图；

图17为本发明实施例所述带双弹性梁的半球体双触点结构图；

图18为本发明实施例所述带双弹性梁的半球体双触点下电极结构俯视图；

图19为本发明实施例所述带双弹性梁的圆锥体双触点结构图；

图20为本发明实施例所述带双弹性梁的圆锥体双触点结构俯视图；

图21为本发明实施例所述双悬臂梁，中间锚点支撑左右各一个悬臂梁结构图；

图22为本发明实施例所述双悬臂梁，中间锚点支撑左右各一个悬臂梁结构俯视图；

附图说明：1、衬底，2、输入信号线，3、第一输出信号线，4、第二输出信号线，5、第一地线，6、第二地线，7、第一固定锚点，8、第二固定锚点，9、第三固定锚点，10、第四固定锚点，11、第五固定锚点，12、第六固定锚点，13、第七固定锚点，14、上电极，15、释放孔，16、第一驱动电极，17，第二驱动电极，18、第一弹性梁，19、第二弹性梁，20、第一触点，21、第二触点，22、第一空气桥，23、第二空气桥，24、第三空气桥，25、第三触点，26、第四触点，27、第三弹性梁，28、第四弹性梁，29、第八固定锚点，30、第九固定锚点，31、第一引线，32、第二引线，33、第四空气桥。

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，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组合或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。另外，本发明实施例的描述过程中，所有图中的“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等器件位置关系，均以图1为标准。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下结合附图对本发明做进一步说明：

如图1、2、3所示为整体结构图、俯视图及侧视图，所述实施例提供一种T型双悬臂梁式单刀双掷开关，所述射频MEMS开关包括衬底，所述衬底1为导电率低的立方体结构，衬底1的材料为玻璃、陶瓷和高阻硅，此类的导电率较低，保证了传输射频信号时的低损耗特性。

输入信号线2、第一输出信号线3、第二输出信号线4、第一地线5、第二地线6、第一驱动电极16、第二驱动电极17设置在衬底1上，在输入信号线2的上面设有第一固定锚点7，在第一固定锚点7的上面设有上电极14，上电极14开孔15，在上电极14的自由端下面对称设置第一触点20、第二触点21，在第一输出信号线3的上面设有第二固定锚点8，在第二固定锚点8的上面设有第一弹性梁18，在第一弹性梁18的上面设有第一触点20，在第二输出信号线4的上面设有第三固定锚点9，在第三固定锚点9的上面设有第二弹性梁19，在第二弹性梁19的上面设有第二触点21，在第一地线5的直角转角处设有第四固定锚点10、第五固定锚点11，在第二地线6的两侧对称设置第六固定锚点12、第七固定锚点13，在第四固定锚点10、第七固定锚点13之间设有第一空气桥22，在第四固定锚点10、第五固定锚点11之间设有第二空气桥23，在第五固定锚点11、第六固定锚点12之间设有第三空气桥24。

如图4、5、6所示，所述开关组件包括上电极14、下电极、第二固定锚点8、第三固定锚点9、第一驱动电极16、第二驱动电极17，下电极包括第一弹性梁18、第二弹性梁19、第三弹性梁27、第四弹性梁28、第一触点20、第二触点21、第三触点25、第四触点26，所述上电极14设置在第一输出信号线3、第二输出信号线4接近交叉结构的端面上，所述上电极14通过所述第二固定锚点8、第三固定锚点9固定在所述第一输出信号线3、第二输出信号线4上。

所述上电极14为双悬臂梁的导电体结构，由于所述微波传输线为共面波导或微带线结构，特征阻抗是共面波导的重要参数。在制造工艺过程中要求使开关输入输出端口的特征阻抗与射频系统的特征阻抗相等，以达到端口的匹配特性。

所述上电极14在静电力作用下发生下拉至与第二弹性梁19、第四弹性梁28通过第二触点21、第四触点26相互接触，导致T型双悬臂梁式单刀双掷开关的第二开关组件导通，所述触点的形状为长方体、圆锥体、半球体中的一种但不局限于这三种。

所述下电极采用带弹性梁的单触点、双触点、三触点结构，所述弹性梁的个数与触点的个数一致。

所述T型双悬臂梁式上电极14上开若干个释放孔15，形成释放孔15阵列，每个释放孔15直径大小为6-10μm，释放孔间距为10-20μm，与传统悬臂梁带转角的上电极结构相比，所述上电极14到第一地线5、第二地线6的间距更容易匹配，工艺加工中更容易实现。

如图7、8所示，为微波传输线结构图、俯视图，所述第一输出信号线3、第二输出信号线4处于同一直线上，并与所述输入信号线2相互垂直设置，形成“T”字形结构。

如图9、10、15、16所示为带弹性梁的长方体单触点、双触点结构，触点设置在弹性梁的上面。

如图11、12、17、18所示为带弹性梁的半球体单触点、双触点结构，触点设置在弹性梁的上面。

如图13、14、19、20所示为带弹性梁的圆锥体单触点、双触点结构，触点设置在弹性梁的上面。

如图21、22所示为T型双悬臂梁，中间锚点支撑左右各一个悬臂梁，长方形直板型上电极开释放孔。

在信号线交叉处设置所述开关组件，所述第一地线5为直角转角结构，所述第二地线6为直线形结构，所述第一地线5等间距设置在所述输入信号线2、第一输出信号线3、第二输出信号线4的直角转角处，第二地线设置在第一输出信号线3、第二输出信号线4构成的直线形结构的一侧。

在T型双悬臂梁式单刀双掷开关制作工艺中，采用干法释放牺牲层，其主要步骤是使用氧离子体对其进行轰击，在没有释放孔15的情况下O₂无法与牺牲层充分接触；增加上述释放孔阵列之后可以使其与牺牲层更加充分的接触。

所述上电极14开孔，形成释放孔15阵列，以提高牺牲层释放效率，同时可以减小电极上下运动的空气阻尼，提高开关速度。

发明原理：

应用本发明所述射频MEMS开关，当在第一驱动电极16上施加驱动电压时，上电极在静电力的作用下发生下拉至与第一触点20接触，此时开关处于闭合状态，当在第一驱动电极16上未施加驱动电压时，上电极14与第一触点20断开，此时开关处于断开状态。

在本发明中所述上电极14为T型双悬臂梁，中间锚点支撑左右各一个悬臂梁结构，与传统开关上电极结构相比，其外形简单规则，方便上电极14与第一地线5、第二地线6的特征阻抗匹配。在工艺加工中易于实现，适用于批量化生产，提高了开关的成品率，本发明还采用带弹性梁的单触点、双触点、三触点结构，可以有效地改善同一弹性梁上双触点虚接引起的可靠性问题，增强了开关接触特性，减小了弱接触，避免开关烧蚀和粘连，增强开关寿命和微波性能。

对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，在不脱离本发明的原理与精神的情况下，对实施方式所进行的改变、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种T型双悬臂梁式单刀双掷开关，其特征在于，所述单刀双掷开关包括：

衬底，所述衬底为具有微波传输线的基座承载体，所述微波传输线包括输入信号线、输出信号线及地线；

上电极，所述上电极为双悬臂梁结构，所述双悬臂梁通过中间固定锚点设置在所述微波传输线上，水平两端延伸于所述衬底水平上方；

两个下电极，任意所述下电极均包括至少一个带有弹性梁的触点结构，所述触点分别置于所述上电极两端部的下方；

两个驱动电极，两个所述驱动电极分别置于所述输入信号线与输出信号线之间；

所述上、下电极通过固定锚点固定在微波传输线上。

2.根据权利要求1所述的一种T型双悬臂梁式单刀双掷开关，其特征在于，任意所述下电极的弹性梁结构数量为至少两个时，同一下电极的悬臂梁并行排列设置；

所述弹性梁的个数与触点的个数一致；

所述悬臂梁一端通过固定锚点固定在所述微波传输线上，另一端面向上电极的表面上设置有所述触点。

3.根据权利要求1所述的一种T型双悬臂梁式单刀双掷开关，其特征在于，所述触点的形状包括但不限于长方体、圆锥体、半球体。

4.根据权利要求1所述的一种T型双悬臂梁式单刀双掷开关，其特征在于，所述上电极面向驱动电极的部分设置有释放孔阵列；

所述释放孔阵列包括多个呈阵列状布置的释放孔；

所述释放孔阵列包括3-4排；按所述信号线的长度方向排列，任意一排的释放孔数量为6-10个；

所述释放孔直径大小为6-10μm，每排或每列任意相近两个释放孔之间间距为10-20μm。

5.根据权利要求1所述的一种T型双悬臂梁式单刀双掷开关，其特征在于，所述衬底的材料包括但不限于玻璃、陶瓷或高阻硅。

6.根据权利要求1所述的一种T型双悬臂梁式单刀双掷开关，其特征在于，所述地线等距分别设置在所述信号线的两侧。

所述信号线与所述地线均为长方体。

7.根据权利要求6所述的一种T型双悬臂梁式单刀双掷开关，其特征在于，所述单刀双掷开关还包括三个空气桥；

其中两个所述空气桥分别架设在所述T型双悬臂梁两个端部周侧；

另一个所述空气桥架设在连接T型双悬臂梁的输入信号线周侧。

8.根据权利要求7所述的一种T型双悬臂梁式单刀双掷开关，其特征在于，两个所述空气桥通过所述固定锚点固定架设于所述输出信号线和地线的上方；

另一个所述空气桥通过所述固定锚点固定架设于所述输入信号线和地线的上方；

还有一个空气桥通过所述固定锚点固定在所述地线上。