CN107424875A - 一种十字型单刀三掷开关 - Google Patents

Abstract

一种十字型的单刀三掷开关，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T型直板型结构，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，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

一种十字型单刀三掷开关

技术领域

本发明属于射频MEMS技术领域，具体涉及一种十字型单刀三掷开关。

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控制电路的基本器件，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。如中国电子科技集团公司第四十研究所公开了一种射频同轴单刀三掷开关，主要由射频接口、射频传输结构、推动系统、电磁系统和输入控制系统组成，当不加电状态时，J1-J2常闭，因此当J1-J3通或者J1-J4通时必须给控制J1-J2的线圈和J1-J3(J1-J4)的线圈同时供电来保证J1-J4通，J1-J2断，此开关结构复杂，工艺加工难度大，降低了开关的成品率。

十字型单刀三掷开关上电极采用T型直板型结构，在上电极开孔，形成释放孔阵列，结构简单，方便阻抗匹配，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，设计了一种十字型单刀三掷开关既可以增大开关的隔离度，防止上下电极之间的自吸合，又可以实现开关三路切换功能。

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、第三输出信号线5，第一地线6、第二地线7、第三地线8、第四地线9、第一驱动电极10、第二驱动电极11、第三驱动电极12固定在衬底1上，在输入信号线2与第一输出信号线3、第二输出信号线4、第三输出信号线5的交叉处设置第一固定锚点13，在第一固定锚点13的上面设置上电极21，在上电极21开释放孔22，在上电极21的自由端下面对称设置第一触点23、第二触点24、第三触点25，在第一输出信号线3的上面设置第三固定锚点15，在第三固定锚点15的上面设置第一悬臂梁27，在第二输出信号线4的上面设置第二固定锚点14，在第二固定锚点14的上面设置第二悬臂梁26，在第三输出信号线5的上面设置第四固定锚点16，在第四固定锚点16的上面设置第三悬臂梁28，在第一地线6上设置第六固定锚点18、第七固定锚点19、第八固定锚点20、第十二固定锚点42，在第二地线7的上面设置第十三固定锚点43、第十四固定锚点44，在第三地线8的上面设置第十五固定锚点45、第十六固定锚点46、第十七固定锚点47、第十八固定锚点48，在第四地线上设置第十九固定锚点49、第二十固定锚点50、第二十一固定锚点51，在第五固定锚点17、第六固定锚点18之间设置空气桥28，在第七固定锚点19、第八固定锚点20设置空气桥33，在第十二固定锚点42、第十三固定锚点43之间设置空气桥29，在第十四固定锚点44、第十五固定锚点45之间设置空气桥30，在第十六固定锚点46、第十七固定锚点47之间设置空气桥34，在第十八固定锚点48、第十九固定锚点49之间设置空气桥31，在第二十固定锚点50、第二十一固定锚点51之间设置空气桥32，在所述第一驱动电极10上施加驱动电压时，所述上电极21与所述第一驱动电极10之间产生静电力，使得上电极下拉至与第一触点23接触，此时，所述射频MEMS开关处于导通状态，在所述第一驱动电极21上未施加驱动电压时，所述上电极21与所述第一触点23相互断开，此时，所述射频MEMS开关处于断开状态。

所述的第一固定锚点13、第二固定锚点14、第三固定锚点15、第四固定锚点16、第五固定锚点17、第六固定锚点18、第七固定锚点19、第八固定锚点20、第十二锚点42、第十三锚点43、第十四锚点44、第十五锚点45、第十六锚点46、第十七锚点47、第十八锚点48、第十九锚点49、第二十锚点50、第二十一锚点51设置在微波传输线上，为立方体结构。

所述上电极21为T型直板型结构，在上电极21的下面对称设置第一驱动电极10、第二驱动电极11、第三驱动电极12，在上电极21自由端的下面对称设置第一触点23、第二触点24、第三触点25，在第一触点23的下面设置第一悬臂梁27，在第二触点24的下面设置第二悬臂梁26，在第三触点25的下面设置第三悬臂梁28。

所述第一地线6、第四地线9等距分布在输入信号线2的两侧，第二地线7、第三地线8等距分布在第二输出信号线4的两侧。

所述第一驱动电极10、第二驱动电极11、第三驱动电极12设置在上电极21的下方。

所述第一引线55与第一驱动电极10相连，第二引线56与第二驱动电极11相连，第三引线57与第三驱动电极12相连。

所述第一悬臂梁26、第二悬臂梁27、第三悬臂梁28为金属结构，设置在触点的下方。

所述第一空气桥29、第二空气桥30、第三空气桥31、第四空气桥32、第五空气桥52、第六空气桥53、第七空气桥54为直板型结构，通过固定锚点所固定，起到平衡地线阻抗和允许引线通过的作用。

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三掷开关整体结构图；

图2为本发明实施例所述单刀三掷开关整体结构俯视图；

图3为本发明实施例所述单刀三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为本发明实施例微波传输线结构图；

图8为本发明实施例微波传输线结构侧视图；

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T型直板型上电极结构图；

图22为本发明实施例所述T型直板型上电极结构俯视图；

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、第三输出信号线，6、第一地线，7、第二地线，8、第三地线，9、第四地线，10、第一驱动电极，11、第二驱动电极，12、第三驱动电极，13、第一固定锚点，14、第二固定锚点，15、第三固定锚点，16、第四固定锚点，17、第五固定锚点，18、第六固定锚点，19、第七固定锚点，20、第八固定锚点，21、上电极，22、释放孔，23、第一触点，24、第二触点，25、第三触点，26、第一悬臂梁，27第二悬臂梁，28、第三悬臂梁，29、第一空气桥，30、第二空气桥，31、第三空气桥，32、第四空气桥，33、第四触点，34、第五触点，35、第六触点，36、第四弹性梁，37、第五弹性梁，38、第六弹性梁，39、第九锚点，40、第十锚点，41、第十一锚点，42、第十二锚点，43、第十三锚点，44、第十四锚点，45、第十五锚点，46、第十六锚点，47、第十七锚点，48、第十八锚点，49、第十九锚点，50、第二十锚点，51、第二十一锚点，52、第五空气桥，53、第六空气桥，54、第七空气桥，55、第一引线，56、第二引线，57、第三引线。

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所示为本发明实施例所述单刀三掷开关整体结构图、俯视图及侧视图，所述实施例提供一种十字型单刀三掷开关，所述单刀三掷开关包括衬底1，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。

所述单刀三掷开关还包括开关组件、输入信号线2，第一输出信号线3、第二输出信号线4、第三输出信号线5，第一地线6、第二地线7、第三地线8、第四地线9、第一驱动电极10、第二驱动电极11、第三驱动电极12固定在衬底1上，在输入信号线2与第一输出信号线3、第二输出信号线4、第三输出信号线5的交叉处设置第一固定锚点13，在第一固定锚点13的上面设置上电极21，在上电极21开释放孔22，在上电极21的自由端下面对称设置第一触点23、第二触点24、第三触点25，在第一输出信号线3的上面设置第三固定锚点15，在第三固定锚点15的上面设置第一悬臂梁27，在第二输出信号线4的上面设置第二固定锚点14，在第二固定锚点14的上面设置第二悬臂梁26，在第三输出信号线5的上面设置第四固定锚点16，在第四固定锚点16的上面设置第三悬臂梁28，在第一地线6上设置第六固定锚点18、第七固定锚点19、第八固定锚点20、第十二固定锚点42，在第二地线7的上面设置第十三固定锚点43、第十四固定锚点44，在第三地线8的上面设置第十五固定锚点45、第十六固定锚点46、第十七固定锚点47、第十八固定锚点48，在第四地线上设置第十九固定锚点49、第二十固定锚点50、第二十一固定锚点51，在第五固定锚点17、第六固定锚点18之间设置空气桥28，在第七固定锚点19、第八固定锚点20设置空气桥33，在第十二固定锚点42、第十三固定锚点43之间设置空气桥29，在第十四固定锚点44、第十五固定锚点45之间设置空气桥30，在第十六固定锚点46、第十七固定锚点47之间设置空气桥34，在第十八固定锚点48、第十九固定锚点49之间设置空气桥31，在第二十固定锚点50、第二十一固定锚点51之间设置空气桥32。

如图4、5、6所示为图4为本发明实施例所述开关组件结构图、俯视图及侧视图，所述开关组件包括上电极21、下电极、第二固定锚点14、第三固定锚点15、第四固定锚点16、第一驱动电极10、第二驱动电极11、第三驱动电极12，下电极包括第一悬臂梁26、第二悬臂梁27、第三悬臂梁28、第一触点23、第二触点24、第三触点25，所述上电极21设置在第一输出信号线3、第二输出信号线4、第三输出信号线5接近交叉结构的端面上，所述上电极21通过所述第二固定锚点14、第三固定锚点15、第四固定锚点16固定在第一输出信号线3、所述第二输出信号线4、第三输出信号线5上。

所述上电极21为T型的导电体结构，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。

所述直板型上电极21上开若干个释放孔22，形成释放孔22阵列，每个释放孔直径大小为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21到第一地线6、第二地线7、第三地线8、第四地线9的间距更容易匹配，工艺加工中更容易实现。

如图7、8所示为本发明实施例微波传输线结构图及侧视图，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、第三输出信号线5相互垂直设置，形成“十”字形结构。

所述第一地线6、第二地线7、第三地线8、第四地线9为直角转角结构，分布在输入信号线2、第一输出信号线3、第二输出信号线4、第三输出信号线5的两侧。

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型直板型结构，上电极开释放孔。

在十字型单刀三掷开关制作工艺中，采用干法释放牺牲层，其主要步骤是使用O₂plasma对其进行轰击，在没有释放孔的情况下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，仅实验组数据获得，该组的每个释放孔直径大小为8μm，，释放孔可以设置4排，每排9个，可实现牺牲层最优释放。

当在第一驱动电极10上施加驱动电压时，上电极21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。

发明原理：

应用本发明所述射频MEMS开关，当在第一驱动电极10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23接触，此时开关处于闭合状态，当在第一驱动电极10上未施加驱动电压时，上电极21与第一触点23断开，此时开关处于断开状态。

在本发明中所述上电极21为T型直板型结构，与传统开关上电极结构相比，其外形简单规则，方便上电极21与第一地线6、第二地线7、第三地线8、第四地线9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 (7)

1.一种十字型的单刀三掷开关，其特征在于，所述单刀三掷开关包括：

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，所述上电极具有三个沿水平方向的延伸端，三个所述延伸端整体呈“T”型布置，并任意一个所述延伸端为直板型结构，所述上电极固定端通过固定锚点设置在所述微波传输线上，三个所述延伸端延伸于所述衬底水平上方；

三个下电极，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延伸端的下方；

三个驱动电极，三个所述驱动电极分别置于输入信号线与输出信号线之间；

所述上、下电极固定端均通过固定锚点固定在所述微波传输线上。

2.根据权利要求1所述的一种十字型的单刀三掷开关，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相互并行排列；

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所述的一种十字型的单刀三掷开关，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所述的一种十字型的单刀三掷开关，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，任意相近两个释放孔之间间距为10-20μm。

5.根据权利要求1所述的一种十字型的单刀三掷开关，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所述的一种十字型的单刀三掷开关，其特征在于，所示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1所述的一种十字型的单刀三掷开关，其特征在于，所述单刀三掷开关还包括7个空气桥；

其中三个所述空气桥分别架设在所述单刀三掷开关的输出信号线和地线的上方；

另一个所述空气桥架设在所述单刀三掷开关的输入信号线和地线的上方；

还有三个空气桥架设在所述地线上方。