CN109346381A - 一种带有上浮栅结构的梯形射频mems开关 - Google Patents

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刘泽文
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Abstract

本发明涉及一种带有上浮栅结构的梯形射频MEMS开关，属于射频微电子机械系统(RFMEMS)和通信技术领域。本发明采用梯形的悬臂梁结构，通过在悬臂梁三角形外边框内沿信号方向设置一个或多个横梁，降低开关制作的工艺复杂度，并可通过调整悬臂梁的弹性系数，调节开关的驱动电压。相比于已有的静电驱动式MEMS开关，本发明在悬臂梁下方设置由隔离层和电荷充电层共同组成的浮栅结构，通过对浮栅结构预充电，降低并调节开关在工作状态下驱动电压，提高开关的可靠性和使用寿命。本发明的射频MEMS开关，可以与其他MEMS器件兼容制作，应用在移动终端等通信领域。

Description

一种带有上浮栅结构的梯形射频MEMS开关
技术领域
本发明涉及一种带有上浮栅结构的梯形射频MEMS开关，属于射频微电子机械系统(RF MEMS)和通信技术领域。
背景技术
微电子机械系统(以下简称MEMS)通常是指可以批量制造的，集微结构、微传感器、微执行器以及信号处理和控制电路于一体的器件或者系统，其特征尺寸一般在0.1-100μm范围，采用表面微加工技术完成工艺制作。
射频MEMS开关是典型的MEMS器件之一，可应用于高性能的数字控制元件(例如R-、L-、C-集总元件和延迟线，阻抗变换等)、可重构电路(例如衰减器、移相器、滤波器、天线等)以及子系统(例如信号路径选择、发射/接收(T/R)组件、波束成型天线阵列等)。传统可集成的有源开关包括二极管(PIN)、场效应管(FET)开关等。PIN的直流功耗不可忽略，基于FET的器件虽然几乎不消耗直流功耗，但会在前端引入极大损耗。而工作在微波到毫米波频段的射频MEMS开关则利用机械运动，实现信号传输通路的断开或闭合，几乎不消耗直流功率，且关态隔离度很高，开态插入损耗小、线型度高，广泛应用在通信等领域中。
射频MEMS开关有多种驱动方式，例如静电式驱动、静磁式驱动、热电式驱动、压电式驱动等。其中，静电驱动的MEMS开关具有工作频带宽、直流功耗小、电极尺寸小、开关速度快等特点，是最常用的驱动方式。静电驱动方式通过在开关悬臂梁(即上电极)和下电极之间施加直流驱动电压，使悬臂梁受到静电力的作用向下电极靠近至吸合，实现开关闭合。上悬臂梁的制作通常需要牺牲层工艺，而释放传统的平面悬臂梁时，悬臂梁下方的牺牲层刻蚀速度较慢，且完全刻蚀干净所需时间较长，影响开关的可靠性。同时，为获得足够吸合的静电力，开关所需的驱动电压通常较高，难以在实际应用在手机终端等场景中。而且，为了保持开关的闭合状态，需要一直对开关施加较高的驱动电压，这一过程会加速开关失效，降低开关使用寿命。
发明内容
本发明的目的是提出一种带有浮栅结构的梯形射频MEMS开关，采用梯形的悬臂梁结构，通过在悬臂梁三角形外边框内沿信号方向设置一个或多个横梁，降低开关制作的工艺复杂度，调节开关的驱动电压。在悬臂梁下方设置由隔离层和电荷充电层组成的浮栅结构，通过对浮栅结构预充电，降低开关在工作状态下驱动电压，提高开关的可靠性和使用寿命，满足通信等领域中开关对低驱动电压、高可靠性、可一体化集成等应用需求。
本发明提出的带有浮栅结构的梯形射频MEMS开关，衬底、两根信号传输线、两根地线、空气桥、悬臂梁、下电极、隔离层和电荷存储层；所述的两根信号传输线对称置于衬底上，所述的下电极置于两根信号传输线之间；所述的悬臂梁的一端通过锚点柱固定在一根信号传输线的上方，悬臂梁的另一端悬臂横跨在下电极的上方，到达另一根信号传输线端部的上方，另一根信号传输线的该端部设置有接触点；所述的隔离层和电荷存储层组成一个浮栅结构，该浮栅结构置于悬臂梁的下表面，其中的电荷存储层与下电极相对；所述的两根地线对称置于两根信号传输线两侧的衬底上，其中的一根地线在中间断开；所述的空气桥通过锚点柱架在地线中间断开处的上方；所述的下电极引出线置于衬底上，下电极引出线的一端与下电极相连接，与下电极相连接后的下电极引出线从空气桥下方穿出。
本发明提出的带有浮栅结构的梯形射频MEMS开关，其优点是：
1、本发明的MEMS开关中，采用梯形的悬臂梁结构，通过在悬臂梁三角形外边框内沿信号方向设置一个或多个横梁，形成通孔，能够提高牺牲层释放的刻蚀速度和质量，降低工艺复杂度。相比于条形悬臂梁，能够减小刻蚀牺牲层释放悬臂梁时产生的应力，提高开关的可靠性。同时，本发明可以通过改变梯形结构中横梁的宽度和数量，改变悬臂梁和下电极的正对面积，从而调节开关的驱动电压；通过改变梯形悬臂梁外侧三角形结构的形状和尺寸，调节悬臂梁的弹性系数，从而调节驱动电压。
2、相比于传统静电驱动式MEMS开关，本发明在悬臂梁下方设置由隔离层和电荷充电层组成的浮栅结构，通过对浮栅结构预充电，降低开关在工作状态下驱动电压，并能通过控制预充电条件调节开关的驱动电压，提高开关的可靠性和使用寿命。
附图说明
图1为本发明的带有上浮栅结构的梯形射频MEMS开关的俯视图。
图2为图1所示的梯形射频MEMS开关的三维视图。
图3为图1的所示的梯形射频MEMS开关的A-A剖视图。
图4为图3所示的梯形射频MEMS开关的经A-A剖视后的三维视图。
图5为图1所示的梯形射频MEMS开关的B-B剖视图。
图6为图5所示的梯形射频MEMS开关的经B-B剖视后的三维视图。
图7是本发明梯形射频MEMS开关的工作状态图。
图1-图7中，1是衬底，2是信号传输线，3是地线，4是空气桥，5是悬臂梁，6是下电极，7是隔离层，8是电荷存储层，9是锚点柱，10是接触点，11是下电极引出线。
具体实施方式
本发明提出的带有浮栅结构的梯形射频MEMS开关，其结构如图1和图2所示。包括衬底1、两根信号传输线2、两根地线3、空气桥4、悬臂梁5、下电极6、隔离层7和电荷存储层8。两根信号传输线2对称置于衬底1上，下电极6置于两根信号传输线2之间，如图3和图4中所示。悬臂梁5的一端通过锚点柱9固定在一根信号传输线2的上方，悬臂梁9的另一端悬臂横跨在下电极6的上方，到达另一根信号传输线2端部的上方，另一根信号传输线的该端部设置有接触点10。隔离层7和电荷存储层8组成一个浮栅结构，该浮栅结构置于悬臂梁5的下表面，其中的电荷存储层8与下电极6相对，如图5和图6所示。两根地线3对称置于两根信号传输线2两侧的衬底上，其中的一根地线在中间断开，如图6中所示。空气桥4通过锚点柱架在地线中间断开处的上方。下电极引出线11置于衬底1上，下电极引出线11的一端与下电极6相连接，与下电极相连接后的下电极引出线11从空气桥4的下方穿出。
本发明提出的带有浮栅结构的梯形射频MEMS开关，其中的衬底厚度大于100μm，衬底的材料可以是具有高频低损耗特性的高阻硅或者其他材料。其中的信号传输线和地线的材料可以是具有低损耗特性的金或者其他金属等导电材料，信号传输线的宽度以及信号传输线和地线之间的间距，都可以因开关的工作频率范围而不同。
本发明梯形射频MEMS开关中的悬臂梁，其端部梯形平面结构，外侧轮廓是三角形，内部沿信号传输方向可以设置一条或者多条横梁，形成多个通孔。空气桥、锚点柱和悬臂梁的材料相同，可以是金或者其他导电材料。
本发明梯形射频MEMS开关中的隔离层，设置在悬臂梁下方，与下电极垂直相对，它的材料为绝缘材料。电荷存储层设置在隔离层下方，它的材料可以是氧氮氧、强电介质和驻极体等材料。
以下结合附图，详细说明本发明的工作原理：
如图所示，衬底1上设置有信号传输线2和地线3共同组成的共面波导传输线。信号传输线2上设置有锚点柱9，连接信号传输线2和悬臂梁5。衬底1上还设置有下电极6。下电极6的引出线部分从两段地线3之间穿过，这两段地线3通过锚点柱9和空气桥4实现连接。悬臂梁5下方正对下电极6的区域设置有隔离层7和电荷存储层8组成的浮栅结构。在悬臂梁5和下电极6之间施加强电压时，悬臂梁5中激发出的电荷，因隧穿效应穿过隔离层7，到达并存储在所述电荷存储层8中。强电压撤去后，电荷充电层8因处于绝缘状态，仍能够保持电荷，从而使悬臂梁5与下电极6之间形成预充电压。在悬臂梁5和下电极6之间施加与预充电电压同方向的驱动电压，悬臂梁5受到预充电压和驱动电压叠加产生的静电驱动力，向靠近下电极的方向移动，当叠加电压达到阈值时，悬臂梁和接触点接触，如图7所示，此时实现MEMS开关的闭合。当驱动电压撤去后，悬臂梁收到的静电力减小，向远离下电极的方向移动，与接触点分开，实现MEMS开关的断开。根据上述工作原理，本发明能够降低MEMS开关在实际工作中的驱动电压，并能通过控制预充电压的大小来调节驱动电压的大小。
本发明的梯形射频MEMS开关中，采用梯形结构的悬臂梁，以优化开关的制作工艺，并实现开关驱动电压的调节，其原因是：MEMS开关悬臂梁的释放加工，需要采用牺牲层刻蚀工艺，将悬臂梁等悬空结构制作出来。如图所示，悬臂梁5的结构，能够提高牺牲层释放的刻蚀速度和质量。相比于已有技术中的长条形悬臂梁，能够减小刻蚀牺牲层释放悬臂梁时产生的应力，提高开关的可靠性。同时，本发明可以通过改变悬臂梁5梯形结构中横梁的宽度和数量，改变悬臂梁和下电极6的正对面积，从而调节开关的驱动电压；通过改变梯形悬臂梁5外轮廓三角形的形状和尺寸，调节悬臂梁5的弹性系数，从而调节驱动电压。
本发明的梯形射频MEMS开关能够降低开关驱动电压的原因是：首先，通过在悬臂梁 5和下电极6之间施加充电高电压，使悬臂梁5上激发的电荷因隧穿机制穿过隔离层7注入到电荷存储层8。电荷存储层8与外界绝缘，存储电荷后能够保持电荷，从而实现并保持悬臂梁5和下电极6之间的预充电，电压为V1。完成预充电后，在悬臂梁5和下电极6 之间施加驱动低电压V2，悬臂梁5受到驱动电压与预充电电压叠加(V1+V2)产生的静电力，向靠近下电极6的方向移动，直至悬臂梁5和设置在另一侧信号传输线上的接触点 10接触，实现开关的闭合参见图3。当驱动电压撤去后，悬臂梁5受到的静电力减小，向远离下电极6的方向移动，实现开关的断开。采用上述原理的开关，相比于没有浮栅结构的MEMS开关，驱动电压值降低了V1；同时，可以通过控制预充电压V1，调节驱动电压 V2。

Claims (1)

1.一种带有浮栅结构的梯形射频MEMS开关，其特征在于包括衬底、两根信号传输线、两根地线、空气桥、悬臂梁、下电极、隔离层和电荷存储层；所述的两根信号传输线对称置于衬底上，所述的下电极置于两根信号传输线之间；所述的悬臂梁的一端通过锚点柱固定在一根信号传输线的上方，悬臂梁的另一端悬臂横跨在下电极的上方，到达另一根信号传输线端部的上方，另一根信号传输线的该端部设置有接触点；所述的隔离层和电荷存储层组成一个浮栅结构，该浮栅结构置于悬臂梁的下表面，其中的电荷存储层与下电极相对；所述的两根地线对称置于两根信号传输线两侧的衬底上，其中的一根地线在中间断开；所述的空气桥通过锚点柱架在地线中间断开处的上方；所述的下电极引出线置于衬底上，下电极引出线的一端与下电极相连接，与下电极相连接后的下电极引出线从空气桥下方穿出。
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