CN111508780B

CN111508780B - 一种单片集成多波段控制mems开关

Info

Publication number: CN111508780B
Application number: CN202010325794.4A
Authority: CN
Inventors: 黄镇; 郁元卫; 罗仁虎; 匡蕾; 姜理利; 王冬蕊
Original assignee: CETC 55 Research Institute
Current assignee: CETC 55 Research Institute
Priority date: 2020-04-23
Filing date: 2020-04-23
Publication date: 2022-04-15
Anticipated expiration: 2040-04-23
Also published as: CN111508780A

Abstract

本发明公开了一种单片集成多波段控制MEMS开关，衬底、三个串联接触式MEMS开关单元、信号传输线、波段控制单元、封帽；三个串联接触式MEMS开关单元、信号传输线和波段控制单元制作在衬底上，信号传输线将三个开关单元连接成一串两并的电路拓扑结构；3个开关单元的控制单元包括高阻值薄膜、连接金属线和控制焊盘，由3个控制电压组合完成多个波段MEMS开关功能；衬底与封帽形成密封腔体，将MEMS开关电路的可动结构封装在腔体内；三个串联接触式MEMS开关单元可分别由蟹型梁式、悬臂梁式开关结构中选择。本发明优化了宽频段下MEMS开关的插入损耗、提高了MEMS开关的隔离度，为相控阵雷达天线、通信装备等向小型化高性能发展提供了新的解决方案。

Description

一种单片集成多波段控制MEMS开关

技术领域

本发明涉及一种单片集成多波段控制MEMS开关，属于微机电系统技术领域。

背景技术

射频MEMS开关广泛应用于通信系统、雷达系统、反辐射探测、仪器仪表等领域，尤其是微波毫米波通信的干扰、抗干扰系统、谐波雷达、可重构天线等方向有明显的用途，是未来相控阵雷达天线、通信装备等向小型化高性能发展的使能技术，对系统的减重、降低体积、降低能耗起到了关键作用。

现行的串联接触式射频MEMS开关工作频段适合在18GHz以下工作，典型隔离度达到15-20dB，但由于关态电容的影响，在毫米波段，如40GHz频段，隔离度急剧恶化，典型的宽带MEMS串联开关的隔离度仅在10dB@35GHz，不能满足K-U波段(18-60GHz)电路的要求。

现行的的并联电容式MEMS开关适合在毫米波段工作，典型的隔离度达到20dB@35GHz，但这类开关的隔离态性能同下拉态电容与开关薄膜等效电感引起的谐振态所处的频段相关，工作频段不够宽，尤其是低频下隔离度远小于10dB,不能满足宽带射频电路的需求。

为了解决上述问题，需要提出一种新的单片集成多波段MEMS开关结构及其制作方法。突破多波段MEMS开关的宽带低插损、高隔离度设计、高可靠触点技术等制造以及晶圆级封装关键技术，解决现行串联接触式射频MEMS开关工作频段达不到U波段、高频段隔离度差和并联电容式开关工作频段窄、低频段隔离度差等问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种单片集成多波段控制MEMS开关，提高宽频段下开关的性能。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种单片集成多波段控制MEMS开关，包括衬底、第一至第三接触式MEMS开关单元、第一至第三波段控制电路、封帽，所述第一波段驱动电路均包括第一高阻薄膜电路和第一控制焊盘，第二波段驱动电路均包括第二高阻薄膜电路和第二控制焊盘，第三波段驱动电路均包括第三高阻薄膜电路和第三控制焊盘；

所述第一至第三接触式MEMS开关单元、第一至第三波段控制电路均制作在衬底上，第一接触式MEMS开关单元的上电极连接射频输入，下电极连接射频输出，第一接触式MEMS开关单元的下电极还连接第二接触式MEMS开关单元的下电极，第二接触式MEMS开关单元的上电极接地，第一接触式MEMS开关单元的下电极还连接第三接触式MEMS开关单元的下电极，第三接触式MEMS开关单元的上电极接地；所述第一控制焊盘经第一高阻薄膜电路连接第一接触式MEMS开关单元的驱动电极，第二控制焊盘经第二高阻薄膜电路连接第二接触式MEMS开关单元的驱动电极，第三控制焊盘经第三高阻薄膜电路连接第三接触式MEMS开关单元的驱动电极；所述衬底和封帽之间形成密封腔体，将第一至第三接触式MEMS开关单元、第一至第三高阻薄膜电路封装在密封腔体内；

当所述单片集成多波段控制MEMS开关工作在K波段时，对第一至第三控制焊盘分别对应施加单片集成多波段控制MEMS开关工作所需的高电压、零位电压、零位电压，第一接触式MEMS开关单元工作在On态模型，第二、第三接触式MEMS开关单元均工作在Off态模型，则单片集成多波段控制MEMS开关处于K波段通态；对第一至第三控制焊盘分别对应施加单片集成多波段控制MEMS开关工作所需的零位电压、零位电压、零位电压，第一、第二、第三接触式MEMS开关单元均工作在Off态模型，则单片集成多波段控制MEMS开关处于K波段断态；

当所述单片集成多波段控制MEMS开关工作在Ka波段时，对第一至第三控制焊盘分别对应施加单片集成多波段控制MEMS开关工作所需的高电压、零位电压、零位电压，第一接触式MEMS开关单元工作在On态模型，第二、第三接触式MEMS开关单元均工作在Off态模型，则单片集成多波段控制MEMS开关处于Ka波段通态；对第一至第三控制焊盘分别对应施加单片集成多波段控制MEMS开关工作所需的零位电压、高电压、零位电压，第二接触式MEMS开关单元工作在On态模型，第一、第三接触式MEMS开关单元均工作在Off态模型，则单片集成多波段控制MEMS开关处于Ka波段断态；

当所述单片集成多波段控制MEMS开关工作在U波段时，对第一至第三控制焊盘分别对应施加单片集成多波段控制MEMS开关工作所需的高电压、零位电压、零位电压，第一接触式MEMS开关单元工作在On态模型，第二、第三接触式MEMS开关单元均工作在Off态模型，则单片集成多波段控制MEMS开关处于U波段通态；对第一至第三控制焊盘分别对应施加单片集成多波段控制MEMS开关工作所需的零位电压、高电压、高电压，第一接触式MEMS开关单元工作在Off态模型，第二、第三接触式MEMS开关单元均工作在On态模型，则单片集成多波段控制MEMS开关处于U波段断态。

作为本发明的一种优选方案，所述衬底所用的材料为玻璃或高阻硅。

作为本发明的一种优选方案，所述第二、第三接触式MEMS开关单元相对于第一接触式MEMS开关单元对称设置。

作为本发明的一种优选方案，所述第一接触式MEMS开关单元选用蟹型梁式MEMS开关或悬臂梁式MEMS开关，第二接触式MEMS开关单元选用蟹型梁式MEMS开关或悬臂梁式MEMS开关，第三接触式MEMS开关单元选用蟹型梁式MEMS开关或悬臂梁式MEMS开关。

作为本发明的一种优选方案，所述第一接触式MEMS开关单元选用蟹型梁式MEMS开关，第二、第三接触式MEMS开关单元均选用悬臂梁式MEMS开关。

作为本发明的一种优选方案，所述密封腔体采用晶圆级封装技术进行密封。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明通过信号传输线将三个开关单元连接成一串两并的电路拓扑结构，在3个控制焊盘上施加不同的电压，实现多波段MEMS开关的导通和不同波段状态下的关断，达到了多波段MEMS开关的宽带低插损、高隔离度的要求，满足了K-U波段(18-60GHz)电路的要求。

2、本发明通过晶圆级封装技术，提高了单片集成多波段MEMS开关的可靠性。

附图说明

图1是本发明实施例所述单片集成多波段控制MEMS开关结构图。

图2是本发明实施例所述单片集成多波段控制MEMS开关电路原理示意图。

图3是本发明实施例所述单片集成多波段控制MEMS开关K波段仿真曲线，其中，(a)是隔离度，(b)是驻波比和插入损耗。

图4是本发明实施例所述单片集成多波段控制MEMS开关Ka波段仿真曲线，其中，(a)是隔离度，(b)是驻波比和插入损耗。

图5是本发明实施例所述单片集成多波段控制MEMS开关U波段仿真曲线，其中，(a)是隔离度，(b)是驻波比和插入损耗。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式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方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

如图1所示，为本发明一个实施例的单片集成多波段MEMS开关的结构示意图。单片集成多波段控制MEMS开关，包括衬底101、第一至第三接触式MEMS开关单元301-303、信号传输线201-202、波段控制电路、封帽401。

衬底101的材料为玻璃、高阻硅。

三个接触式MEMS开关单元301-303、信号传输线201-202和波段控制电路制作在衬底101上。

信号传输线201-202将三个开关单元301-303连接成一串两并的开关电路拓扑结构，第一开关单元301串联连接在开关电路中，第二开关单元302、第三开关单元303并联连接在开关电路中。

第一开关单元301选用高隔离度的蟹型梁式MEMS开关，第二开关单元302、第三开关单元303选用悬臂梁式MEMS开关，并对称设置于信号传输线202两侧，该设置方式信号的传输路径短，可提高开关单元的集成度、减小开关电路的插入损耗。

3个开关单元的波段控制电路，分别由独立的高阻薄膜电路304、控制焊盘305、306、307以及电路连接线构成，3个开关单元的高阻薄膜电路304分别接连到控制焊盘305-307。在3个控制焊盘305、306、307施加控制电压，施加高电压的开关单元在静电力的作用下，悬臂梁发生弯曲，开关单元中的触点与传输线进行信号连接，施加零电位的开关单元中的悬臂梁不发生弯曲；通过在3个控制焊盘305、306、307施加不同的控制电压组合完成多个波段MEMS开关功能。

密封腔体采用晶圆级封装技术，将衬底101与封帽401键合形成密闭腔体，将三个接触式MEMS开关单元封装在密封腔体内，信号传输线201、202的端口和控制焊盘305、306、307在密封腔体之外，用于连接外接的微波信号和控制信号。

如图2所示，为单片集成多波段控制MEMS开关的原理示意图，当单片集成多波段MEMS开关工作在K波段时，在控制焊盘305-307施加“HLL”，此处“H”代表MEMS开关工作时所需的高电压，“L”代表零位电压，第一开关单元301工作在On态模型，而302、303工作在Off态模型，则串并联开关处于K波段通态；当控制焊盘305-307施加“LLL”，第一开关单元301、第二开关单元302、第三开关单元303工作在Off态模型，则串并联开关处于K波段断态。

当单片集成多波段MEMS开关工作在Ka波段时，控制焊盘305-307施加“HLL”，第一开关单元301工作在On态模型，第二开关单元302、第三开关单元303工作在Off态模型，则串并联开关处于Ka波段通态；当控制焊盘305-307施加“LHL”，第一开关单元301、第三开关单元303工作在Off态模型，第二开关单元302工作在On态模型，则串并联开关处于Ka波段断态。

当单片集成多波段MEMS开关工作在U波段时，控制焊盘305-307施加“HLL”，第一开关单元301工作在On态模型，第二开关单元302、第三开关单元303工作在Off态模型，则串并联开关处于U波段通态；反之，当控制焊盘305-307施加“LHH”，第一开关单元301工作在Off态模型，第二开关单元302、第三开关单元303工作在On态模型，则串并联开关处于U波段断态。

如图3-图5所示，是单片集成多波段控制MEMS开关在不同控制状态的微波毫米波特性设计结果，图3为单片集成多波段控制MEMS开关在K波段的仿真曲线，图4为单片集成多波段控制MEMS开关在Ka波段的仿真曲线，图5为单片集成多波段控制MEMS开关在U波段的仿真曲线。从图3的(b)、图4的(b)、图5的(b)可以看出在焊盘305-307施加“HLL”，开关在K、Ka、U波段的损耗分别为-0.45dB、-0.55dB、-1.10dB；从图3的(a)可以看出，在焊盘305-307施加“LLL”，开关在K波段的隔离度为-33dB；从图4的(a)可以看出，在焊盘305-307施加“LHL”，开关在Ka波段的隔离度为-25dB；从图5的(a)可以看出，在焊盘305-307施加“LHH”，开关在U波段的隔离度为-19d B。

本发明的单片集成多波段控制MEMS开关通过3个控制焊盘305、306、307上施加不同的驱动电压组合，实现K～U波段MEMS开关的导通和不同波段状态下的关断。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims

1.一种单片集成多波段控制MEMS开关，其特征在于，包括衬底、第一至第三接触式MEMS开关单元、第一波段控制电路、第二波段控制电路、第三波段控制电路、封帽，所述第一波段驱动电路包括第一高阻薄膜电路和第一控制焊盘，第二波段驱动电路包括第二高阻薄膜电路和第二控制焊盘，第三波段驱动电路包括第三高阻薄膜电路和第三控制焊盘；

2.根据权利要求1所述单片集成多波段控制MEMS开关，其特征在于，所述衬底所用的材料为玻璃或高阻硅。

3.根据权利要求1所述单片集成多波段控制MEMS开关，其特征在于，所述第二、第三接触式MEMS开关单元相对于第一接触式MEMS开关单元对称设置。

4.根据权利要求1所述单片集成多波段控制MEMS开关，其特征在于，所述第一接触式MEMS开关单元选用蟹型梁式MEMS开关或悬臂梁式MEMS开关，第二接触式MEMS开关单元选用蟹型梁式MEMS开关或悬臂梁式MEMS开关，第三接触式MEMS开关单元选用蟹型梁式MEMS开关或悬臂梁式MEMS开关。

5.根据权利要求4所述单片集成多波段控制MEMS开关，其特征在于，所述第一接触式MEMS开关单元选用蟹型梁式MEMS开关，第二、第三接触式MEMS开关单元均选用悬臂梁式MEMS开关。

6.根据权利要求1所述单片集成多波段控制MEMS开关，其特征在于，所述密封腔体采用晶圆级封装技术进行密封。