CN108648964A - 一种基于无释放孔上电极结构的射频mems开关 - Google Patents

Abstract

一种基于无释放孔上电极结构的射频MEMS开关，包括：衬底；微波传输线和驱动电极，微波传输线包括信号线和地线，微波传输线中部设有断口，驱动电极设置在断口处；设置在微波传输线上的上电极、下电极组件和空气桥，上电极一端与一侧的信号线连接，下电极组件与另一侧的信号线连接，上电极另一端悬空设置在驱动电极上方并延伸至下电极组件上方，空气桥连通地线；及一罩设上述各组件的封装帽。本发明有益效果在于，无需设计释放孔，具有简单实用、方便阻抗匹配、低插入损耗、高隔离度、低驱动电压的优点，适用于批量化生产，提高了开关的成品率，封装帽可以防止微波信号以辐射的形式泄露，可微波屏蔽，有助于开关微波性能的提升。

Description

一种基于无释放孔上电极结构的射频MEMS开关

技术领域

本发明属于电子元器件领域，具体涉及一种基于无释放孔上电极结构的射频MEMS开关。

背景技术

射频MEMS开关是利用MEMS技术制作的一种微波开关，通过金属－金属接触或者金属－绝缘介质－金属形成的电容来传输或者隔离微波信号。与传统的固态电子器件相比，具有插损小、功耗低、成本低、线性度高等优点，可以广泛应用于手机通信、航空航天、雷达、天线等领域中。

目前，国际上已经有成熟的射频MEMS开关产品推向市场，国内还处于样机研制阶段。国内射频MEMS开关的研究机构主要有中电集团十三所、中电集团五十五所、清华大学、北京大学、东南大学、中北大学等单位。当前国外射频MEMS开关的工作频率可达60GHz，但在40GHz以上频段开关性能较差。而国内射频MEMS开关主要集中在DC-40GHz，从事40-60GHz射频MEMS开关的研究指标较低，在DC-60GHz频段低插入损耗和高隔离度无法同时满足，在高频段，通常选择并联开关来实现，无法保证低频段的性能，且无法同时满足低插入损耗、高隔离度、低驱动电压的需求。

因此提出一种基于无释放孔上电极结构的射频MEMS开关，无需设计释放孔，具有简单实用、方便阻抗匹配、低插入损耗、高隔离度、低驱动电压的优点，可以用在低于10GHz和高于40GHz的工作频率。

发明内容

本发明的目的是：提供一种基于无释放孔上电极结构的射频MEMS开关，解决现有射频MEMS开关高插入损耗、低隔离度、高驱动电压的问题。

本发明的具体技术方案如下：

一种基于无释放孔上电极结构的射频MEMS开关，包括：

提供支撑基础的衬底；

设置在所述衬底上的微波传输线和驱动电极，所述微波传输线包括信号线和地线，所述微波传输线中部设有断口，所述驱动电极设置在所述断口处；

设置在微波传输线上的上电极、下电极组件和空气桥，所述上电极一端与一侧的信号线连接，所述下电极组件与另一侧的信号线连接，上电极另一端悬空设置在所述驱动电极上方并延伸至下电极组件上方，所述空气桥连通所述地线；

及一罩设上述各组件的封装帽。

进一步的，所述上电极设置在所述信号线上并位于断口的相反于所述下电极组件一侧，所述上电极由两长片和两短片组成，两所述长片平行设置，一所述短片两端分别与两长片的中部连接，另一所述短片两端分别与两长片同一侧的端部连接形成封口端，所述上电极整体呈一端封口的“H”形，所述上电极相反于所述封口端的一端为开口端，所述上电极封口端与该侧信号线连接，所述上电极开口端悬空并延伸至所述下电极组件上方。

进一步的，所述微波传输线包括：至少一条信号线和至少两条地线，所述信号线设置在所述衬底的中央位置，所述地线与所述信号线平行设置并分别位于所述信号线两侧。

进一步的，所述信号线和地线中间位置断开形成断口，所述信号线和地线中部的断口共同形成一用于设置所述驱动电极的容纳空间，所述信号线和地线上靠近断口处均设置有固定锚点。

进一步的，所述地线的断口处上设置所述空气桥，所述空气桥分别连接所述地线断口两侧的固定锚点，将所述地线导通。

进一步的，所述下电极组件设置在所述信号线上并位于断口相反所述上电极一侧，所述下电极组件包括：下电极、触点、弹性梁，所述下电极设置在所述信号线上，所述下电极靠近断口一端并排设置有两个固定锚点，两个所述弹性梁平行设置，每个固定锚点分别与一所述弹性梁一端连接，所述弹性梁向断口方向延伸，所述弹性梁末端设置所述触点，每个所述触点分别对应一所述长片。

进一步的，所述驱动电极设置在所述信号线和地线中部的断口形成的容纳空间内，并位于所述信号线断口处，所述驱动电极位于所述上电极下方，所述驱动电极通过引线与外部连通。

进一步的，所述触点的形状为长方体、半球体或者圆锥体中的一种。

本发明有益效果在于，采用本发明上电极结构，由于上电极面积较小，且上电极的两根长片(悬臂梁)之间的形成一个较大面积的孔，因此无需设计释放孔，就可以使气体从上电极的两侧及两根长片(悬臂梁)之间所开的孔流出，进而可以减小极板上下运动的空气阻尼，提高开关速度，具有简单实用、方便阻抗匹配、低插入损耗(-0.7dB@60GHz)、高隔离度(-20dB@60GHz)、低驱动电压(低于25V)的优点，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，而且封装帽的设计可以防止微波信号以辐射的形式泄露，起到微波屏蔽的作用，有助于开关微波性能的提升。

附图说明

图1为所述射频MEMS开关的整体结构图；

图2为所述射频MEMS开关的微波传输线与驱动电极结构图；

图3为所述射频MEMS开关的未封装结构图；

图4为所述射频MEMS开关的下电极组件结构图；

图5为所述射频MEMS开关的上电极、下电极驱动电极结构图；

图6为所述射频MEMS开关的插入损耗仿真图；

图7为所述射频MEMS开关的隔离度仿真图；

图8为所述射频MEMS开关的驱动电压仿真图。

图中所示，附图标记清单如下：

1-衬底，2-微波传输线，3-驱动电极，4-下电极，5-触点，6-上电极，7-固定锚点，8-空气桥，9-弹性梁，10-封装帽，21-地线，22-信号线。

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。

以下结合附图对本发明做进一步说明：

如图1、2、3所示，为本发明实施例的整体结构图及未封装结构图，该实施例提供了一种基于无释放孔上电极结构的射频MEMS开关，包括：

提供支撑基础的衬底1；

设置在所述衬底1上的微波传输线2和驱动电极3，所述微波传输线2包括信号线22和地线21，所述微波传输线2中部设有断口，所述驱动电极3设置在所述断口处；

设置在微波传输线2上的上电极6、下电极组件和空气桥8，所述上电极6一端与一侧的信号线22连接，所述下电极组件与另一侧的信号线22连接，上电极6另一端悬空设置在所述驱动电极3上方并延伸至下电极组件上方，所述上电极6与下电极组件通过驱动电极3控制接触与断开从而控制信号线22的通断，所述空气桥8连通所述地线21；

及一罩设上述各组件的封装帽10

如图2、3所示，所述微波传输线2包括：至少一条信号线22和至少两条地线21，所述信号线22设置在所述衬底1的中央位置，所述地线21与所述信号线22平行设置并分别位于所述信号线22两侧。在本实施例中采用一条信号线22和两条地线21。

所述信号线22和地线21中间位置断开形成断口，所述信号线22和地线21中部的断口共同形成一用于设置所述驱动电极3的容纳空间，所述信号线22和地线21上靠近断口处均设置有固定锚点7。

如图3所示，所述地线21的断口处上设置所述空气桥8，所述空气桥8分别连接所述地线21断口两侧的固定锚点7，从而将所述地线21导通，空气桥8下方的空间便于驱动电极3的引线引出。

如图3、4、5所示，所述下电极组件设置在所述信号线22上并位于断口的其中一侧，所述下电极组件包括：下电极4、触点5、弹性梁9，所述下电极4设置在所述信号线22上并位于断口的其中一侧，即相反于上电极6的一侧，所述下电极4靠近断口一端并排设置有两个固定锚点7，两个所述弹性梁9平行设置，每个固定锚点7分别与一所述弹性梁9一端连接，所述弹性梁9向断口方向延伸，所述弹性梁9末端设置所述触点5。所述下电极4采用带有双弹性梁9的双触点5结构，所述弹性梁9上分别设有所述触点5，并通过所述触点5控制信号的导通或关闭。所述触点5的形状为长方体、半球体或者圆锥体中的一种。在其他实施情况下，也可使用下电极4替代作为该侧的信号线22。

如图3、5所示，所述上电极6设置在所述信号线22上并位于断口的相反于下电极组件一侧，即位于的断口的另外一侧，所述上电极6由两长片61和两短片62组成，两所述长片61平行设置，一所述短片62两端分别与两长片61的中部连接，另一所述短片62两端分别与两长片61同一侧的端部连接形成封口端，所述上电极6整体呈一端封口的“H”形，所述上电极6相反于所述封口端的一端为开口端，所述上电极6近似呈型。所述上电极6封口端与该侧信号线22上的固定锚点7连接，所述上电极6开口端悬空并延伸至所述弹性梁9上方，两所述长片61分别对应一弹性梁9上的触点5。由于上电极面积较小，且上电极的两根长片(悬臂梁)之间的形成一个较大面积的孔，因此无需设计释放孔，就可以使气体从上电极的两侧及两根长片(悬臂梁)之间所开的孔流出，进而可以减小极板上下运动的空气阻尼，提高开关速度。

所述驱动电极3设置在所述信号线22和地线21中部的断口形成的容纳空间内，并位于所述信号线22断口处，所述驱动电极3位于所述上电极6下方，所述驱动电极3通过引线与外部连通。驱动电极3上表面覆盖一层介质层，防止其与上电极6发生粘连；

所述下电极4采用带有双弹性梁9的双触点5结构，弹性梁9通过固定锚点7固定在信号线22的一个断口处，双弹性梁9上分别设有触点5，触点5与上电极6开口端相配合接触；驱动电极3通电后，使上电极6的活动端向下弯曲与触点5接触导通，当触点5与上电极6的一端接触，则信号线22导通，该开关工作；

所述封装帽10通过键合材料固定在衬底1正上方，防止微波信号以辐射的形式泄露，起到微波屏蔽的作用。

所述衬底1作为所述双弹性梁9触点5结构的射频MEMS开关的载体结构，承载所述微波传输线2，当通过引线向所述驱动电极3施加驱动电压时，所述上电极6与所述驱动电极3之间产生静电力，使得上电极6朝向所述微波传输线2方向产生弯曲，与所述触点5接触，此时，所述射频MEMS开关处于开启状态；当所述驱动电极3未施加驱动电压时，所述上电极6与所述触点5相互断开，此时，所述射频MEMS开关处于关闭状态。

如图6所示，使用HFSS有限元仿真软件得到本发明射频MEMS开关的插入损耗仿真图，从中可以看出随着工作频率的增大，插入损耗性能逐渐变差，在60GHz频率时插入损耗小于0.7dB。

如图7所示，使用HFSS有限元仿真软件得到本发明射频MEMS开关的隔离度仿真图，从中可以看出随着工作频率的增大，隔离度性能逐渐变差，在60GHz频率时隔离度大于20dB。

如图8所示，为本发明射频MEMS开关的驱动电压仿真图，从中可以看出随着驱动电压的增大，所述基于型上电极结构的射频MEMS开关上电极6与下电极4之间的位移逐渐减小，在靠近25V驱动电压时位移减为零，此时本发明射频MEMS开关被驱动，处于闭合状态。

发明原理是：应用本发明所述射频MEMS开关，当驱动电极3未施加驱动电压时，上电极6与触点5断开，使开关为关闭状态。当驱动电极3上施加驱动电压时，随着电压增加，上电极6与驱动电极3之间的静电力也随之增大，使上电极6弯曲后与触点5接触，使开关为开启状态。

本发明有益效果在于，采用本发明上电极结构，由于上电极面积较小，且上电极的两根长片(悬臂梁)之间的形成一个较大面积的孔，因此无需设计释放孔，就可以使气体从上电极的两侧及两根长片(悬臂梁)之间所开的孔流出，进而可以减小极板上下运动的空气阻尼，提高开关速度，具有简单实用、方便阻抗匹配、低插入损耗(-0.7dB@60GHz)、高隔离度(-20dB@60GHz)、低驱动电压(低于25V)的优点，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，而且封装帽的设计可以防止微波信号以辐射的形式泄露，起到微波屏蔽的作用，有助于开关微波性能的提升。

Claims (8)

1.一种基于无释放孔上电极结构的射频MEMS开关，其特征在于，包括：

提供支撑基础的衬底；

设置在所述衬底上的微波传输线和驱动电极，所述微波传输线包括信号线和地线，所述微波传输线中部设有断口，所述驱动电极设置在所述断口处；

设置在微波传输线上的上电极、下电极组件和空气桥，所述上电极一端与一侧的信号线连接，所述下电极组件与另一侧的信号线连接，上电极另一端悬空设置在所述驱动电极上方并延伸至下电极组件上方，所述空气桥连通所述地线；

及一罩设上述各组件的封装帽。

2.根据权利要求1所述的射频MEMS开关，其特征在于，所述上电极设置在所述信号线上并位于断口的相反于所述下电极组件一侧，所述上电极由两长片和两短片组成，两所述长片平行设置，一所述短片两端分别与两长片的中部连接，另一所述短片两端分别与两长片同一侧的端部连接形成封口端，所述上电极整体呈一端封口的“H”形，所述上电极相反于所述封口端的一端为开口端，所述上电极封口端与该侧信号线连接，所述上电极开口端悬空并延伸至所述下电极组件上方。

3.根据权利要求1所述的射频MEMS开关，其特征在于，所述微波传输线包括：至少一条信号线和至少两条地线，所述信号线设置在所述衬底的中央位置，所述地线与所述信号线平行设置并分别位于所述信号线两侧。

4.根据权利要求3所述的射频MEMS开关，其特征在于，所述信号线和地线中间位置断开形成断口，所述信号线和地线中部的断口共同形成一用于设置所述驱动电极的容纳空间，所述信号线和地线上靠近断口处均设置有固定锚点。

5.根据权利要求4所述的射频MEMS开关，其特征在于，所述地线的断口处上设置所述空气桥，所述空气桥分别连接所述地线断口两侧的固定锚点，将所述地线导通。

6.根据权利要求2所述的射频MEMS开关，其特征在于，所述下电极组件设置在所述信号线上并位于断口相反所述上电极一侧，所述下电极组件包括：下电极、触点、弹性梁，所述下电极设置在所述信号线上，所述下电极靠近断口一端并排设置有两个固定锚点，两个所述弹性梁平行设置，每个固定锚点分别与一所述弹性梁一端连接，所述弹性梁向断口方向延伸，所述弹性梁末端设置所述触点，每个所述触点分别对应一所述长片。

7.根据权利要求4所述的射频MEMS开关，其特征在于，所述驱动电极设置在所述信号线和地线中部的断口形成的容纳空间内，并位于所述信号线断口处，所述驱动电极位于所述上电极下方，所述驱动电极通过引线与外部连通。

8.根据权利要求6所述的射频MEMS开关，其特征在于，所述触点的形状为长方体、半球体或者圆锥体中的一种。