CN110137634A - 一种k型单刀四掷射频mems开关 - Google Patents

Abstract

本发明属于射频MEMS领域，具体涉及一种K型单刀四掷射频开关。一种K型单刀四掷开关，主要由衬底、微波传输线、驱动电极、上电极、下电极、固定锚点和触点组成，微波传输线和驱动电极设置在衬底上，上电极为直板型结构，下电极采用带弹性梁的双触点。微波传输线采用K型结构功分器将输入信号功率分成四个均等的信号进行输出。从微波传输角度来讲，K型结构更为高效，改善了电流的平滑流动，提高了开关各支路之间的传输性能。由此设计的单刀四掷开关插损较小，隔离度等性能更好。此外，悬臂梁上所开的释放孔有效的减少了整个悬臂梁受到的应力，大大提高了开关的隔离度。

Description

一种K型单刀四掷射频MEMS开关

技术领域

本发明属于射频MEMS领域，具体涉及一种K型单刀四掷射频MEMS 开关。

背景技术

射频MEMS开关作为一种微型电子元器件，是高频通信系统中的关键部件，通过外部驱动来控制信号的通断。与传统半导体开关相比，具有频率高、损耗低、体积小、寿命高、易于集成等卓越的优点。它可以广泛应用在各种射频、微波和毫米波通讯系统中，对高速率无线通信系统有着重要意义。

射频MEMS开关按其信号处理方式可以分为单刀单(多)掷开关和单(多)刀单掷开关。单刀单(多)掷开关通过控制一路信号从一路或多路进行输出，单(多)刀单掷开关通过控制一路或多路信号从一路进行输出。其中单刀单(多)掷开关作为多比特移相器、天线等电子元器件的关键单元，近年来备受各研究机构的关注。目前，对单刀四掷开关开展研究的机构主要有电子科技大学、南京理工大学、中电13所、南京电子技术研究所、中国船舶重工集团第723研究院等。例如南京电子技术研究所设计了一款RF MEMS单刀四掷矩形开关，此开关由一个五端口的微带线与四个电阻接触式、串联型悬臂梁开关组成，存在结构复杂、插损差、驱动电压高等问题。

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，设计了一种适用于0-20GHz的K型单刀四掷开关。既可以实现减小开关体积、减小插入损耗又可以实现开关四路切换功能。

本发明的具体技术方案如下：一种K型单刀四掷射频开关，所述 K型单刀四掷射频开关包括：

至少一个提供支撑支撑基础的衬底；

至少一组设置在衬底表面的微波传输组件；

所述微波传输组件包括用于传输信号的信号线单元、设置在信号线单元周侧的地线单元、设置在所述信号线单元下方的驱动电极；

所述信号线单元包括输入信号线、输出信号线、K型信号线，述 K型信号线为一个圆盘体，在所述圆盘体的外周侧等角度延伸出至少五个条形端口，所述条形端口包括用于输入信号线连接的信号线输入端口、相邻于信号输入端口两侧的近端口、及相对于信号输入端口的远端口；

所述信号线输入端口、近端口、及远端口等角度设置在圆盘体外周侧，构成放射状的K型结构，所述信号输入端口与输入信号线相对设置，所述近端口、远端口分别与输出信号线相对设置。

进一步地，所述输出信号线对应K型信号线界定为近端口输出信号线、远端口输出信号线；

所述近端口输出信号线、远端口输出信号线对应所述近端口、及远端口分别设置用于触发开合的悬臂梁；

所述悬臂梁一端通过锚点固定设置所述近端口输出信号线、远端口输出信号线上，另一端悬空延伸至所述K型信号线端部的上方。

进一步地，所述K型信号线为一个圆盘体，在所述圆盘体的外周侧延伸出五个条形端口，两个近端口与输入信号线呈90°夹角，远端口与两个近端口呈45°角。

进一步地，所述信号线输入端口、近端口、及远端口沿K型信号线径向方向向外延伸出至少两个触点，两个所述触点相互平行设置，并始终位于所述悬臂梁下方位置。

进一步地，所述悬臂梁上设置有释放孔阵列。

进一步地，所述衬底对应所述悬臂梁的悬空位置固定设置有驱动电极。

进一步地，所述驱动电极面向悬臂梁的一面设置一层氮化硅介质层。

进一步地，所述地线单元包括：第一地线、第二地线、第三地线；

两个所述第一地线分别设置在所述输入信号线与两个近端口输出线的夹角处；

两个所述第二地线分别设置在一个近端口输出线与一个远端口输出线的夹角处；

所述第三信号线位于两个远端口输出线的夹角处。

进一步地，所述第一地线上架有两个空气桥。

进一步地，所述释放孔阵列包括若干个呈阵列状布置的释放孔，所述释放孔阵列由排数为3-5，列数为6-10的释放孔构成；

所述释放孔直径大小为8-10μm，任意两个相邻释放孔之间距离为15-25μm。

本发明的有益效果在于，应用本发明所述K型单刀四掷射频开关，主要由K型结构功分器与单刀单掷开关组合构成，具有结构简单，体积小，插入损耗小等优点。从微波传输角度来讲，K型结构更为高效，改善了电流的平滑流动，提高了开关各支路之间的传输性能。K型单刀四掷开关的四个悬臂梁上所开释放孔，既减小了插入损耗又增大了隔离度，同时也提高了开关的寿命。在工作频率范围内有着较强的实用性，可实现射频MEMS开关的高度集成和DC-20GHz的四通道选通。

与传统单刀四掷开关相比具有明显的优势，所述K型单刀四掷开关具有四个悬臂梁组成的对称结构，既减小了插入损耗又增大了隔离度，于此也增强了开关的寿命和微波性能。在0-20GHz，有着优越的实用性。可实现DC-20GHz的四通道选通，实现了射频MEMS开关的高度集成。

附图说明

图1为本发明实施例所述K型单刀四掷开关整体结构图；

图2为本发明实施例所述K型单刀四掷开关整体结构俯视图；

图3为本发明实施例所述K型信号线结构图；

图4为本发明实施例所述开关组件开通状态结构图；

图5为本发明实施例所述开关组件断开状态结构图；

图6为本发明实施例所述悬臂梁的结构图；

图7本发明的开关近端口插入损耗仿真图；

图8本发明的开关近端口隔离度仿真图；

图9本发明的开关远端口插入损耗仿真图；

图10本发明的开关远端口隔离度仿真图；

附图说明：：1-衬底，2-输入信号线，3-近端口输出信号线，4- 远端口输出信号线，5-第一地线，6-第二地线，7-第三地线，8-K型信号线，9-近端口，10-远端口，11-触点，12-悬臂梁，13-驱动电极，14-介质层，15-释放孔,16-锚点，17-空气桥，18-引线，19-空气桥支点。

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1-6所示为本实施例提供一种K型单刀四掷开关，所述K型单刀四掷开关包括用于提供支撑基础的衬底1、及设置在所述衬底1 上的微波传输组件。

如图1、2所示，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，此类导电率较低，保证了传输射频信号时的低损耗特性。

所述微波传输组件包括对称设置的信号线单元、设置在信号线单元周侧的地线单元、及设置在所述信号线单元下方的驱动电极13。

所述驱动电极13与引线18相连。当通过所述引线18向所述驱动电极13施加驱动电压时，所述悬臂梁12与所述驱动电极13之间产生静电力，使得悬臂梁12朝所述触点11方向发生弯曲并与触点 11接触，此时射频MEMS开关处于开启状态；在所述驱动电极13未施加驱动电压时，所述上电极11与所述触点相互断开，此时，所述射频MEMS开关处于关闭状态。

所述信号线单元包括：输入信号线2、近端口输出信号线3、远端口输出信号线4、K型信号线8。

所述输入信号线2、所述近端口输出信号线3和所述远端口输出信号线4分别设置在所述衬底1上表面的四周，所述输入信号线2、所述近端口输出信号线3、及所述远端口输出信号线4朝向衬底1中心方向的一端分别连接所述K型信号线8；

如图3所示，所述K型信号线8为一个圆盘体，在所述扁圆盘体的外周侧延伸出五个条形端口，两个近端口9与输入信号线2呈90°夹角，远端口10与两个近端口9呈45°夹角，其中一个用于与输入信号线2连接的界定为信号线输入端口，而与所述信号线输入端口两侧相邻的条形端口界定为近端口9，而与信号线输入端口相对、并与近端口9相邻的条形端口界定为远端口10。所述近端口9和远端口 10沿K型信号线8径向方向向外延伸出至少两个触点11，两个所述触点11相互平行设置；

如图6所示，所述近端口输出信号线3和所述远端口输出信号线 4靠近K型信号线8的一侧各设置一悬臂梁12，所述悬臂梁12一端由锚点16固定在所述近端口输出信号线3和所述远端口输出信号线 4上，所述悬臂梁13另一端悬空延伸至所述K型信号线8端部的上方。所述悬臂梁12上设置有释放孔15阵列。

所述释放孔15阵列包括多个呈阵列状布置的释放孔15，所述释放孔阵列包括3-5排，6-10列；所述释放孔直径大小为8-10μm，任意两个相近释放孔之间距离为15-25μm。

如图4、5所述信号线输入线2与信号线输入端口直接连接，用于将外部信号输入，所述近端口输出信号线3与所述近端口9对应设置，并在接近所述近端口9的一端设置锚点16，在所述锚点16上方固定设置悬臂梁12，所述悬臂梁12相反于锚点16的一端位于所述近端口9的触点11的正上方位置；

所述远端口输出信号线4与所述远端口10对应设置，并在接近所述远端口10的一端设置锚点16，在所述锚点16上方固定设置悬臂梁12，所述悬臂梁12相反于锚点16的一端位于所述远端口10的触点11的正上方位置；

在所述衬底1的上表面对应所述悬臂梁12的正下方位置处，固定设置驱动电极13，所述驱动电极13面向悬臂梁12的一面设置一层介质层14。当驱动电极13上未施加驱动电压，驱动电极13不作用，悬臂梁12与触点11分离，开关处于断开状态。当驱动电压作用在驱动电极13上时，驱动电极13作用产生静电力使得悬臂梁12发生形变，从而与电极接触点11相接触，则开关处于开通状态。

所述介质层14材料包括氮化硅和氧化铪，此类材料相对介电常数较高，保证悬臂梁12与驱动电极13的隔离度。

所述地线单元包括：第一地线5、第二地线6、第三地线7。

两个所述第一地线5分别设置在所述输入信号线2与两个近端口输出线3的夹角处；

两个所述第二地线分别设置在一个近端口输出线3与一个远端口输出线4的夹角处；

所述第三信号线位于两个远端口输出线4的夹角处。

所述第一地线5和第二地线6上各有一个空气桥17，空气桥17 通过空气桥支点19架置在引线18的上方。

如图7所示为所设计开关近端口的插入损耗。从中可以看出K型单刀四掷开关在0-20Ghz的频率范围内，近端口的插入损耗约为 0.28dB。

如图8所示为所设计开关近端口的隔离度。从中可以看出K型单刀四掷开关在0-20Ghz的频率范围内，近端口的隔离度约为24.59dB。

如图9所示为所设计开关远端口的插入损耗。从中可以看出K型单刀四掷开关在0-20Ghz的频率范围内，远端口的插入损耗约为0.48dB。

如图10所示为所设计开关远端口的隔离度。从中可以看出K型单刀四掷开关在0-20Ghz的频率范围内，远端口的隔离度约为

21.62dB。

应用本发明所述K型单刀四掷射频开关，主要由K型结构功分器与单刀单掷开关组合构成，具有结构简单，体积小，插入损耗小等优点。从微波传输角度来讲，K型结构功分器的各支路之间的隔离度更好，平衡度高。由此设计的单刀四掷开关插损较小，各路幅值和相位一致性更好。K型单刀四掷开关具有四个对称的悬臂梁，既减小了插入损耗又增大了隔离度，同时也提高了开关的寿命。在工作频率范围内有着较强的实用性，可实现射频MEMS开关的高度集成和DC-20GHz 的四通道选通。

与传统单刀四掷开关相比具有明显的优势，所述K型单刀四掷开关具有四个悬臂梁组成的对称结构，既减小了插入损耗又增大了隔离度，于此也增强了开关的寿命和微波性能。在0-20GHz，有着优越的实用性。可实现DC-20GHz的四通道选通，实现了射频MEMS开关的高度集成。

Claims (9)

1.一种K型单刀四掷射频开关，其特征在于，所述K型单刀四掷射频开关包括：

至少一个提供支撑基础的衬底；

至少一组设置在衬底表面的微波传输组件；

所述微波传输组件包括用于传输信号的信号线单元、设置在信号线单元周侧的地线单元、设置在所述信号线单元下方的驱动电极；

所述信号线单元包括输入信号线、输出信号线、K型信号线，所述K型信号线为一个圆盘体，在所述圆盘体的外周侧等角度延伸出至少五个条形端口，所述条形端口包括用于输入信号线连接的信号线输入端口、相邻于信号输入端口两侧的近端口、及相对于信号输入端口的远端口；

所述信号线输入端口、近端口、及远端口等角度设置在圆盘体外周侧，构成放射状的K型结构，所述信号输入端口与输入信号线相对设置，所述近端口、远端口分别与输出信号线相对设置。

2.根据权利要求1所述一种K型单刀四掷射频开关，其特征在于，所述输出信号线对应K型信号线界定为近端口输出信号线、远端口输出信号线；

所述近端口输出信号线、远端口输出信号线对应所述近端口、及远端口分别设置用于触发开合的悬臂梁；

所述悬臂梁一端通过锚点固定设置所述近端口输出信号线、远端口输出信号线上，另一端悬空延伸至所述K型信号线端部的上方。

3.根据权利要求1所述一种K型单刀四掷射频开关，其特征在于，所述K型信号线为一个圆盘体，在所述圆盘体的外周侧延伸出五个条形端口，两个近端口与输入信号线呈90°夹角，远端口与两个近端口呈45°角。

4.根据权利要求3一种K型单刀四掷射频开关，其特征在于，所述信号线输入端口、近端口、及远端口沿K型信号线径向方向向外延伸出至少两个触点，两个所述触点相互平行设置，并始终位于所述悬臂梁下方位置。

5.根据权利要求2所述一种K型单刀四掷射频开关，其特征在于，所述悬臂梁上设置有释放孔阵列。

6.根据权利要求2所述一种K型单刀四掷射频开关，其特征在于，所述衬底对应所述悬臂梁的悬空位置固定设置有驱动电极。

7.根据权利要求6一种K型单刀四掷射频开关，其特征在于，所述驱动电极面向悬臂梁的一面设置一层氮化硅介质层。

8.根据权利要求2一种K型单刀四掷射频开关，其特征在于，所述地线单元包括第一地线、第二地线、第三地线；

两个所述第一地线分别设置在所述输入信号线与两个近端口输出线的夹角处；

两个所述第二地线分别设置在一个近端口输出线与一个远端口输出线的夹角处；

所述第三信号线位于两个远端口输出线的夹角处。

9.根据权利要求5一种K型单刀四掷射频开关，其特征在于，所述释放孔阵列包括若干个呈阵列状布置的释放孔，所述释放孔阵列由排数为3-5，列数为6-10的释放孔构成；

所述释放孔直径大小为8-10μm，任意两个相邻释放孔之间距离为15-25μm。