CN108109882B - 一种射频微机械开关及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种射频微机械开关，包括：基底、设置在基底上的导通部，以及悬置于基底上方的第一接触部和第二接触部；导通部包括固定在基底上的固定电极、第一延伸臂及第二延伸臂；第一延伸臂上设置有第一驱动电极，以及与第一接触部正对的第一电连接部；第二延伸臂上设置有第二驱动电极，以及与第二接触部正对的第二电连接部；固定电极接地时，通过在第一驱动电极和第二驱动电极上分别施加相反的电压，分别驱动第一延伸臂与第二延伸臂朝相反的方向运动，实现第一电连接部与第一接触部、以及第二电连接部与第二接触部的导通或断开。本发明实施方式提供的射频微机械开关，能够减小插入损耗，提高高频段的隔离度和功率处理能力。

Description

一种射频微机械开关及其制作方法

技术领域

本发明涉及电子器件领域，特别涉及一种射频微机械开关及其制作方法。

背景技术

随着微波或射频通讯技术快速发展，为提高子系统、整机的性能和集成度，对微波/射频微机械开关有着迫切的需求。微波/射频微机械开关和传统的微波元件如场效应晶体管、铁氧体或PIN二极管相比，具有工作频率高、功耗较小、插入损耗小、隔离度高等优点。微波/射频微机械开关的执行机制有两种：静电作用和电磁作用。目前研究较多且比较成熟的是静电驱动金属接触式微机械开关，开关结构主要包括三个部分，分别是悬臂梁或悬浮膜桥、驱动电极、微波导通线。

发明人发现现有技术中至少存在如下问题：现有技术中的静电驱动射频微机械开关插入损耗较大，且在高频段的隔离度和功率处理能力不佳，限制了子系统集成度的进一步提高及其应用领域。因此，有必要提供一种新的射频微机械开关的结构来解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种射频微机械开关，其能减小插入损耗，提高射频微机械开关高频段的隔离度和功率处理能力。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种射频微机械开关，包括：基底，以及设置在所述基底上的信号部和接地部，所述信号部与所述接地部相互绝缘；

所述信号部包括形成在所述基底表面的信号主体以及自所述信号主体朝远离所述信号主体方向延伸并悬置于所述基底上方的信号触点，所述信号触点包括与所述基底正对的第一接触部以及连接所述第一接触部与所述信号主体的第一连接臂；

所述接地部包括贴设在所述基底表面的接地主体以及自所述接地主体朝远离所述接地主体方向延伸且悬置于所述基底上方的接地触点，所述接地触点包括与所述基底正对的第二接触部以及连接所述第二接触部与所述接地主体的第二连接臂；

所述射频微机械开关还包括：设置在所述基底上的导通部，所述导通部分别与所述信号主体及所述接地主体间隔设置，所述导通部包括固定在所述基底上的固定电极以及分别自所述固定电极朝所述信号主体方向延伸的第一延伸臂及朝所述接地主体方向延伸的第二延伸臂；

所述第一延伸臂靠近所述固定电极的一端设置有第一驱动电极，所述第一延伸臂远离所述第一驱动电极的一端悬置于所述基底上方且具有与所述第一接触部正对的第一电连接部；

所述第二延伸臂靠近所述固定电极的一端设置有第二驱动电极，所述第二延伸臂远离所述第二驱动电极的一端悬置于所述基底上方且具有与所述第二接触部正对的第二电连接部；

所述固定电极接地时，通过在所述第一驱动电极和第二驱动电极上分别施加相反的电压，分别驱动所述第一延伸臂与所述第二延伸臂以带动所述第一电连接部与所述第二电连接部朝靠近或远离所述基底的方向运动，实现所述第一电连接部与第一接触部、以及所述第二电连接部与所述第二接触部的导通或断开，所述第一电连接部与所述第二电连接部的运动方向相反。

本发明的实施方式提供了一种上述射频微机械开关的制造方法，包括以下步骤：

在硅片表面沉积绝缘介质层；

在所述绝缘介质层上沉积下电极金属层、压电膜和上电极金属层；

蚀刻所述下电极金属层、所述压电膜和所述上电极金属层，形成悬臂梁；

蚀刻所述悬臂梁所在区域边缘处的所述绝缘介质层；

在所述硅片上电镀金属层，蚀刻所述金属层，形成微波信号传输线、固定电极、驱动电极以及环形导通部；

在所述导通部上方电镀金属层，形成用于连接所述微波信号传输线与所述导通部的金属接触结构；

蚀刻所述悬臂梁下方的二氧化硅层，以去除部分二氧化硅。

本发明实施方式相对于现有技术而言，在射频微机械开关闭合时，第一电连接部与第一接触部接触良好，第二电连接部与所述第二接触部远离，导通部与接地部之间的距离更远，减小了开关的插入损耗；在射频微机械开关断开时，第一电连接部与第一接触部远离，导通部与信号部之间的耦合电容降低，并且第二电连接部与所述第二接触部接触良好，将耦合的无用射频信号导入接地部，实现射频微机械开关在高频段较好的隔离度和功率处理能力。

另外，两个所述接地部间隔设置在所述基底上，所述信号部设置在所述接地部之间并与所述接地部之间形成间隔，所述信号部包括相互间隔的第一信号部与第二信号部，所述固定电极包括固定在所述第一信号部与所述第二信号部之间的支撑座以及设置在所述支撑座上的电极片，所述第一延伸臂自所述支撑座分别朝所述第一信号部与第二信号部延伸，所述第二延伸臂自所述支撑座分别朝两个所述接地部延伸。

另外，所述导通部还包括自所述第一电连接部朝相邻所述第二电连接部延伸的弹力臂，所述第一电连接部与所述第一驱动电极绝缘，所述第二电连接部与所述第二驱动电极绝缘。

另外，所述第一电连接部与每一相邻所述第二电连接部之间均形成所述弹力臂；所述弹力臂与所述第一电连接部及所述第二电连接部共同围成环形结构，所述弹力臂为导电弹力臂。

另外，所述弹力臂为弧形，所述固定电极位于所述环形结构的中心位置。如此设置，使得弹力臂在射频微机械开关的断开、闭合的过程中，承受的应力比较小，从而可以采用较小的驱动电压。

另外，所述基底上设置有绝缘介质层，所述信号部、所述接地部及所述导通部均设置在所述绝缘介质层上。如此设置，将所述导通线与所述悬臂梁隔离，从而避免将所述悬臂梁通电时的电信号传导至所述导通线而对所述导通线造成干扰。

另外，所述第一延伸臂与所述第二延伸臂分别包含与所述驱动电极电连接的压电材料层。

附图说明

图1是本发明第一实施方式中的射频微机械开关的立体结构示意图；

图2是沿图1中A-A的剖面图；

图3是本发明第二实施方式中的射频微机械开关的制备方法的流程图；

图4是本发明第三实施方式中的射频微机械开关的加工流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本发明而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本发明各权利要求所要求保护的技术方案。

本发明的第一实施方式涉及一种射频微机械开关100，如图1、图2所示，包括基底11、信号部12、接地部13和导通部14，信号部12、接地部13和导通部14均设置在基底11上，信号部12与接地部13相互绝缘；

信号部12包括形成在基底11表面的信号主体121以及自信号主体121朝远离信号主体121方向延伸并悬置于基底11上方的信号触点122，信号触点122包括与基底11正对的第一接触部1221以及连接第一接触部1221与信号主体121的第一连接臂1222；

接地部13包括贴设在基底11表面的接地主体131以及自接地主体131朝远离接地主体131方向延伸且悬置于基底11上方的接地触点132，接地触点132包括与基底11正对的接地触点1321以及连接接地触点1321与接地主体131的第二连接臂1322；

导通部14分别与信号主体121及接地主体131间隔设置，导通部14包括固定在基底11上的固定电极141以及分别自固定电极141朝信号主体121方向延伸的第一延伸臂142及朝接地主体131方向延伸的第二延伸臂143；

第一延伸臂142靠近固定电极141的一端设置有第一驱动电极144，第一延伸臂142远离第一驱动电极144的一端悬置于基底11上方且具有与第一接触部1221正对的第一电连接部1421；

第二延伸臂143靠近固定电极141的一端设置有第二驱动电极145，第二延伸臂143远离第二驱动电极145的一端悬置于基底11上方且具有与接地触点1321正对的第二电连接部1431；

固定电极141接地时，通过在第一驱动电极144和第二驱动电极145上分别施加相反的电压，分别驱动第一延伸臂142与第二延伸臂143以带动第一电连接部1421与第二电连接部1431朝靠近或远离基底11的方向运动，实现第一电连接部1421与第一接触部1221、以及第二电连接部1431与接地触点1321的导通或断开，第一电连接部1421与第二电连接部1431的运动方向相反。

本发明实施方式相对于现有技术而言，在射频微机械开关100闭合时，第一电连接部1421与第一接触部1221接触良好，第二电连接部1431与接地触点1321远离，导通部14与接地部13之间的距离更远，减小了开关的插入损耗；在射频微机械开关100断开时，第一电连接部1421与第一接触部1221远离，导通部14与信号部12之间的耦合电容降低，并且第二电连接部1431与接地触点1321接触良好，将耦合的无用射频信号导入接地部13，实现射频微机械开关100在高频段较好的隔离度和功率处理能力。同时，第一延伸臂142和第二延伸臂143共用一个固定电极141电极，简化了射频微机械开关100的结构，能够节约原料，降低成本，并且有利于射频微机械开关100的小型化。

具体的说，两个接地部13间隔设置在基底11上，信号部12设置在接地部13之间并与接地部13之间形成间隔，信号部12包括相互间隔的第一信号部123与第二信号部124，固定电极141包括固定在第一信号部123与第二信号部124之间的支撑座1411以及设置在支撑座上的电极片1412，第一延伸臂142自支撑座分别朝第一信号部123与第二信号部124延伸，第二延伸臂143自支撑座分别朝两个接地部13延伸。

本实施方式中，第一电连接部1421位于第一接触部1221与基底11之间，第二电连接部1431位于接地触点1321与基底11之间。具体的说，当第一延伸臂142带动第一电连接部1421朝远离基底11的方向运动，当第二延伸臂143带动第二电连接部1431朝靠近基底11的方向运动时，射频微机械开关100导通；当第一延伸臂142带动第一电连接部1421朝靠近基底11的方向运动，当第二延伸臂143带动第二电连接部1431朝远离基底11的方向运动时，射频微机械开关100深度断开。

值得一提的是，导通部14还包括自第一电连接部1421朝相邻第二电连接部1431延伸的弹力臂146，第一电连接部1421与第一驱动电极144绝缘，第二电连接部1431与第二驱动电极145绝缘。进一步的，第一电连接部1421与每一相邻第二电连接部1431之间均形成弹力臂146；弹力臂146与第一电连接部1421及第二电连接部1431共同围成环形结构，弹力臂146为导电弹力臂146。

优选的，弹力臂146为弧形，固定电极141位于环形结构的中心位置。通过将弹力臂146设置为弧形，使得弹力臂146在射频微机械开关100的断开、闭合的过程中，承受的应力比较小，从而可以采用较小的驱动电压。

可以理解的是，弹力臂146也可以为其他任意形状，例如，方框型、矩形或圆形等，均可以达到本实施方式的技术效果。

另外，基底11上设置有绝缘介质层15，信号部12、接地部13及导通部14均设置在绝缘介质层15上。如此设置，将导通线与悬臂梁隔离，从而避免将悬臂梁通电时的电信号传导至导通线而对导通线造成干扰。

另外，第一延伸臂142与第二延伸臂143分别包含与驱动电极电连接的压电材料层147。

值得一提的是，信号部12、接地部13、导通部14的材料包括但不限于金、铜、铝、镍、钨等；基底11的材料包括但不限于高阻硅、陶瓷、聚合物或玻璃等；支撑座1411的材料包括但不限于高阻硅、陶瓷、聚合物或玻璃等；绝缘介质层15的材料包括但不限于二氧化硅、多晶硅、氮化硅或聚合物等；压电材料层147的材料包括但不限于AlN、ZnO、或PZT等。

本发明的第二实施方式提供了一种射频微机械开关100的制备方法，如图3至4所示，包括：

S10：在硅片表面沉积绝缘介质层。

如图(a)所示，具体的说，在步骤S10中，先分别用酸性清洗液和碱性清洗液清洗硅基片，之后再用去离子水将硅基片冲洗干净；接着利用低压化学气相沉积设备在硅基片的正面上淀积厚度为0.1～2μm的绝缘介质层。绝缘介质层的材料为二氧化硅和氮化硅，二氧化硅层厚度为0.1μm左右，氮化硅层厚度在1μm以上。

S11：在绝缘介质层上沉积下电极金属层、压电膜和上电极金属层。

如图(b)所示，具体的说，在步骤S11中，首先利用真空蒸镀设备或溅射设备在绝缘介质层上依次制备0.01～0.5μm厚度的Ti和Pt层，形成Ti/Pt下电极复合层；然后在下电极的表面上利用溶液旋涂法或溅射设备制备0.01～2μm厚度的PZT压电膜层，然后在700℃的条件下进行退火极化。

S12：蚀刻下电极金属层、压电膜和上电极金属层，形成悬臂梁。

如图(c)所示，具体的说，在步骤S12中，首先使用光刻胶将压电驱动悬臂梁所在的区域保护起来，然后使用氩离子研磨设备对未覆盖光刻胶的金属/压电层/金属三层材料区域进行刻蚀，直到露出绝缘介质层表面为止。为了露出悬臂梁中心位置处的下电极，先使用氩离子研磨设备去除中心区域的金属上电极，再使用成分为H2O:HCl:HF(2:1:0.04)的刻蚀液对PZT压电材料进行刻蚀，直到露出底部金属电极为止。

S13：蚀刻悬臂梁所在区域边缘处的绝缘介质层。

如图(d)所示，具体的说，在步骤S13中，使用反应离子刻蚀设备对悬臂梁所在区域边缘处的绝缘介质层进行刻蚀，形成宽度5～10μm的缝隙，将压电驱动悬臂梁与射频传输线结构隔开。

S14：在硅片上电镀金属层，蚀刻金属层，形成微波信号传输线、固定电极、驱动电极以及环形导通部。

如图(e)所示，具体的说，在步骤S14中，首在硅片正面上涂光刻胶，光刻曝光，留出需要电镀的区域图形；再将硅片放入电镀设备中电镀2～3μm的金层或者先电镀2～3μm的镍层，再在镍表面溅射0.5μm的金层。光刻胶剥离后在硅片表面形成微波信号传输线，压电驱动悬臂梁的直流驱动金属电极，以及悬臂梁自由端的金属接触块。

S15：在导通部上方电镀金属层，形成用于连接微波信号传输线与导通部的金属接触结构。

如图(f)所示，具体的说，在步骤S15中，首先在硅片正面涂覆厚度约为2μm的聚酰亚胺层，此聚酰亚胺层的厚度决定了微波信号接触电极与下方金属接触块之间的间隔，然后通过光刻去除接触电极锚区所在的聚酰亚胺层，接着在聚酰亚胺层的表面涂覆光刻胶，光刻显影，形成所需要的接触电极形状。然后将硅片放入电镀设备中电镀2～3μm的金层。先用丙酮溶液剥离形成所需要的接触电极结构，然后用显影液溶解接触电极下方的聚酰亚胺牺牲层，并用无水乙醇脱水，形成所需要的金属接触结构。

S16：蚀刻悬臂梁下方的二氧化硅层，以去除部分二氧化硅。

如图(g)所示，具体的说，在步骤S16中，将硅基片放入XeF2干法硅刻蚀设备中对悬臂梁底部的硅层进行刻蚀，刻蚀深度为10μm左右。刻蚀完成后将硅基片放入低浓度的氢氟酸溶液中去除悬臂梁下方的二氧化硅层，完成开关悬臂梁结构的释放。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (7)

1.一种射频微机械开关，包括基底，以及设置在所述基底上的信号部和接地部，所述信号部与所述接地部相互绝缘，其特征在于，

所述信号部包括形成在所述基底表面的信号主体以及自所述信号主体朝远离所述信号主体方向延伸并悬置于所述基底上方的信号触点，所述信号触点包括与所述基底正对的第一接触部以及连接所述第一接触部与所述信号主体的第一连接臂；

所述接地部包括贴设在所述基底表面的接地主体以及自所述接地主体朝远离所述接地主体方向延伸且悬置于所述基底上方的接地触点，所述接地触点包括与所述基底正对的第二接触部以及连接所述第二接触部与所述接地主体的第二连接臂；

所述射频微机械开关还包括：设置在所述基底上的导通部，所述导通部分别与所述信号主体及所述接地主体间隔设置，所述导通部包括固定在所述基底上的固定电极以及分别自所述固定电极朝所述信号主体方向延伸的第一延伸臂及朝所述接地主体方向延伸的第二延伸臂；

所述第一延伸臂靠近所述固定电极的一端设置有第一驱动电极，所述第一延伸臂远离所述第一驱动电极的一端悬置于所述基底上方且具有与所述第一接触部正对的第一电连接部；

所述第二延伸臂靠近所述固定电极的一端设置有第二驱动电极，所述第二延伸臂远离所述第二驱动电极的一端悬置于所述基底上方且具有与所述第二接触部正对的第二电连接部；

所述第一延伸臂与所述第二延伸臂分别包含与所述驱动电极电连接的压电材料层；所述固定电极接地时，通过在所述第一驱动电极和第二驱动电极上分别施加相反的电压，分别驱动所述第一延伸臂与所述第二延伸臂以带动所述第一电连接部与所述第二电连接部朝靠近或远离所述基底的方向运动，实现所述第一电连接部与第一接触部、以及所述第二电连接部与所述第二接触部的导通或断开，所述第一电连接部与所述第二电连接部的运动方向相反。

2.根据权利要求1所述的射频微机械开关，其特征在于，两个所述接地部间隔设置在所述基底上，所述信号部设置在所述接地部之间并分别与两个所述接地部形成间隔，所述信号部包括相互间隔的第一信号部与第二信号部，所述固定电极包括固定在所述第一信号部与所述第二信号部之间的支撑座以及设置在所述支撑座上的电极片，所述第一延伸臂自所述支撑座分别朝朝所述第一信号部与第二信号部延伸，所述第二延伸臂自所述支撑座分别朝两个所述接地部延伸。

3.根据权利要求1或2所述的射频微机械开关，其特征在于，所述导通部还包括自所述第一电连接部朝相邻所述第二电连接部延伸的弹力臂，所述第一电连接部与所述第一驱动电极绝缘，所述第二电连接部与所述第二驱动电极绝缘。

4.根据权利要求3所述的射频微机械开关，其特征在于，所述第一电连接部与每一相邻所述第二电连接部之间均形成所述弹力臂；所述弹力臂与所述第一电连接部及所述第二电连接部共同围成环形结构，所述弹力臂为导电弹力臂。

5.根据权利要求4所述的射频微机械开关，其特征在于，所述弹力臂为弧形，所述固定电极位于所述环形结构的中心位置。

6.根据权利要求3所述的射频微机械开关，其特征在于，所述基底上设置有绝缘介质层，所述信号部、所述接地部及所述导通部均设置在所述绝缘介质层上。

7.一种如权利要求1-6任一项所述的射频微机械开关的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

在硅片表面沉积绝缘介质层；

在所述绝缘介质层上沉积下电极金属层、压电膜和上电极金属层；

蚀刻所述下电极金属层、所述压电膜和所述上电极金属层，形成悬臂梁；

蚀刻所述悬臂梁所在区域边缘处的所述绝缘介质层；

在所述硅片上电镀金属层，蚀刻所述金属层，形成微波信号传输线、固定电极、驱动电极以及环形导通部；

在所述导通部上方电镀金属层，形成用于连接所述微波信号传输线与所述导通部的金属接触结构；

蚀刻所述悬臂梁下方的二氧化硅层，以去除部分二氧化硅。