CN112332049B - 移相器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种移相器及其制备方法，属于移相器技术领域，其可至少部分解决现有的移相器的开关的驱动电压较高的问题。本发明的一种移相器，包括：衬底；地线，位于衬底上；信号线，位于衬底上；第一电极，位于衬底上，且位于地线和信号线之间，地线与第一电极之间具有间隔，信号线与第一电极之间具有间隔；介质层，位于第一电极和信号线远离衬底的一侧；至少一个第二电极，位于地线远离衬底的一侧，在第一方向上第一电极和信号线在衬底上的投影位于第二电极在衬底上的投影中，第一方向为平行于地线指向信号线的方向，第二电极与介质层之间具有间隔，第二电极的一端与地线连接。

Description

移相器及其制备方法

技术领域

本发明属于移相器技术领域，具体涉及一种移相器及其制备方法。

背景技术

随着信息时代迅速发展，具备高集成、小型化、多功能以及低成本的无线终端逐渐成为通信技术的发展趋势。在通信和雷达应用中，移相器是必不可少的关键组件。传统的移相器主要包括铁氧体移相器和半导体移相器，其中铁氧体移相器有较大的功率容量，且插入损耗比较小、但工艺复杂、制造成本昂贵、体积庞大等因素限制了其大规模应用；半导体移相器体积小，工作速度快，但功率容量比较小，功耗较大，工艺难度高。

现有技术的微机电系统(MEMS，Micro-Electro-Mechanical System)移相器相比于传统移相器在插损、功耗、体积与成本等方面均具有明显优势，在无线电通讯和微波技术等领域应用受到了广泛关注。然而，对于MEMS移相器，开关的驱动电压较高是阻碍其实用化的主要原因。

发明内容

本发明至少部分解决现有的MEMS移相器的开关的驱动电压较高的问题，提供一种降低开关的驱动电压较的移相器。

解决本发明技术问题所采用的技术方案是一种移相器，包括：衬底；地线，位于所述衬底上；信号线，位于所述衬底上；第一电极，位于所述衬底上，且位于所述地线和所述信号线之间，所述地线与所述第一电极之间具有间隔，所述信号线与所述第一电极之间具有间隔；介质层，位于所述第一电极和所述信号线远离所述衬底的一侧；至少一个第二电极，位于所述地线远离所述衬底的一侧，所述介质层位于所述第二电极与所述第一电极之间以及所述第二电极与信号线之间，在第一方向上所述第一电极和所述信号线在所述衬底上的投影位于所述第二电极在所述衬底上的投影中，所述第一方向平行于地线指向所述信号线的方向，所述第二电极与所述介质层之间具有间隔，所述第二电极的一端与所述地线连接。

进一步优选的是，每个所述第二电极具有多个释放孔。

进一步优选的是，多个所述释放孔阵列排布。

进一步优选的是，每个所述第二电极包括连接部和与所述连接部连接的悬梁部，所述连接部与所述地线连接，且所述连接部用于将所述悬梁部支撑，以使所述悬梁部位于所述介质层远离所述衬底的一侧。

进一步优选的是，，多个所述释放孔位于所述悬梁部。

进一步优选的是，所述第二电极的数量为多个，多个所述第二电极沿第二方向间隔排布，所述第二方向与所述第一方向垂直。

进一步优选的是，多个所述第二电极分为第一类和第二类，所述第一类中的每个所述第二电极对应第一相位角，所述第二类中的每个所述第二电极对应第二相位角，所述第二相位角小于所述第一相位角。

进一步优选的是，所述地线包括第一子地线和第二子地线，所述信号线、所述第一电极位于所述第一子地线和第二子地线之间，所述第一类的第二电极与所述第一子地线连接，所述第二类的第二电极与所述第二子地线连接。

解决本发明技术问题所采用的技术方案是，基于上述的移相器，所述方法包括：在衬底上形成地线、信号线和第一电极，所述第一电极位于所述地线极和所述信号线之间，所述地线与所述第一电极之间具有间隔，所述信号线与所述第一电极之间具有间隔；在第一电极和信号线远离所述衬底的一侧形成介质层；形成第二电极，在第一方向上所述第一电极和所述信号线在所述衬底上的投影位于所述第二电极在所述衬底上的投影中，所述第一方向平行于地线指向所述信号线的方向，所述第二电极与所述介质层之间具有间隔，所述第二电极的一端与所述地线连接。

进一步优选的是，所述形成第二电极包括：在位于所述地线、介质层远离所述衬底一侧形成牺牲层，在所述牺牲层形成通孔，所述通孔与至少部分所述地线对应；在所述牺牲层远离所述衬底一侧形成第二电极，所述第二电极通过所述通孔与所述地线连接；除去所述牺牲层。

解决本发明技术问题所采用的技术方案是，包括上述的移相器。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明的实施例的一种移相器的侧视结构示意图；

图2为本发明的实施例的一种移相器的俯视结构示意图；

图3为本发明的实施例的一种移相器的俯视；

图4为本发明的实施例的一种移相器的俯视

图5a至5d为本发明的实施例的一种移相器的制备过程各个步骤的结构示意图；

图6为本发明的实施例的一种移相器的制备过程的流程示意图；

其中，附图标记为：1、衬底；2、地线；21、第一子地线；22、第二子地线；3、信号线；4、第一电极；5、介质层；6、第二电极；61、释放孔；62、连接部；63、悬梁部；7、牺牲层；8、直流偏置点。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

在本发明中，两结构“同层设置”是指二者是由同一个材料层形成的，故它们在层叠关系上处于相同层中，但并不代表它们与基底间的距离相等，也不代表它们与基底间的其它层结构完全相同。

在本发明中，“构图工艺”是指形成具有特定的图形的结构的步骤，其可为光刻工艺，光刻工艺包括形成材料层、涂布光刻胶、曝光、显影、刻蚀、光刻胶剥离等步骤中的一步或多步；当然，“构图工艺”也可为压印工艺、喷墨打印工艺等其它工艺。

以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，在图中可能未示出某些公知的部分。

在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如部件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。

实施例1：

如图1至图6所示，本实施例提供一种移相器，包括：衬底1、地线2、信号线3、第一电极4(驱动电极)、介质层5、至少一个第二电极6。

其中，地线2，位于衬底1上。

信号线3，位于衬底1上。

第一电极4，位于衬底1上，且位于地线2和信号线3之间，地线2与第一电极4之间具有间隔，信号线3与第一电极4之间具有间隔。

介质层5，位于第一电极4和信号线3远离衬底1的一侧。

至少一个第二电极6，位于地线2远离衬底1的一侧，介质层5位于第二电极6与第一电极4之间以及第二电极6与信号线3之间，在第一方向(如图2中所示的x方向)上第一电极4和信号线3在衬底1上的投影位于第二电极6在衬底1上的投影中，第一方向为平行于地线2指向信号线3的方向，第二电极6与介质层5之间具有间隔，第二电极6的一端与地线2连接。

其中，地线2、第一电极4、信号线3依次间隔排列在衬底1上，形成共面波导传输线(CPW)，且地线2、第一电极4、信号线3可为同层设置。即，共面波导传输线沉积在衬底1上，介质层5覆盖于信号线3和第一电极4，第二电极6位于共面波导传输线的上方，且第二电极6的一端固定在地线2上，第二电极6的另一端为自由端，悬空在信号线3和第一电极4的上方。需要说明的是，本实施例的移相器具体为微机电系统(MEMS，Micro-Electro-MechanicalSystem)移相器。

本实施例的移相器的工作原理具体为：通过在第二电极6和第一电极4之间施加偏置电压差来改变第二电极6的高度，即改变第二电极6的自由端与介质层5之间的距离。当第二电极6未接入偏置电压(驱动电压)时，第二电极6的自由端保持正常状态，天线的高频信号经过移相器时无相位变化；当第二电极6接入偏置电压(驱动电压)后，第二电极6的自由端在偏置电压作用下高度发生变化，如高度降低，从而改变共面波导传输线的分布电容，使共面波导传输线成为一个慢波系统，达到相位延迟的目的。

本实施例的移相器中，第二电极6的一端固定在地线2上，第二电极6的另一端为自由端，悬空在信号线3和第一电极4的上方，与现有技术的移相器(第二电极6的两端均与底线连接)相比，本实施例中的第二电极6单端固定的结构具有体积小、弹性系数小的特点，从而较小的驱动电压即可使得第二电极6的自由端发生位移，进而使得该移相器所需的驱动电压较低。

优选的，每个第二电极6具有多个释放孔61。

其中，也就是说第二电极6中靠近自由端的位置具有多个释放孔61，释放孔61可以是多个小的通孔。

第二电极6的多个释放孔61不仅可以释放第二电极6的部分残余应力，从而降低杨氏模量，进而进一步降低驱动电压，而且还有利于在制备第二电极6过程中的牺牲层7能够充分释放，从而降低第二电极6的制备难度。

具体的，多个释放孔61阵列排布，如图2所示，多个释放孔61阵列排布的方孔。

需要说明的是，多个释放孔61阵列排布的形状和排布方式不仅限于上述所列举的，还可以是其他适合的形状和排布方式。

优选的，每个第二电极6包括连接部62和与连接部62连接的悬梁部63，连接部62与地线2连接，且连接部62用于将悬梁部63支撑，以使悬梁部63位于介质层5远离衬底1的一侧。

其中，也就是说第二电极6近似呈L型，两个相互垂直的边分别为连接部62和悬梁部63，这样使得连接部62将悬梁部63支撑，以使悬梁部63位于介质层5远离衬底1的一侧。

需要说明的是，第二电极6的形状也可是其他适合的形状，此处不一一列举。

优选的，多个释放孔61位于悬梁部63。

其中，由于在驱动电压的作用下，会使得悬梁部63发生形变，即靠近或者远离介质层5，因此将释放孔61设置在悬梁部63可最大可能的发挥释放孔61的作用，同时，由于悬梁部63是需要连接部62的支撑而悬在空中的，释放孔61的设置可以减小悬梁部63的重量，从而保证连接部62的支撑效果。

优选的，第二电极6的数量为多个，多个第二电极6沿第二方向(如图3中的y所示)间隔排布，第二方向与第一方向垂直。

其中，如图3所示，地线2、信号线3和第一电极4均为条状电极，且平行第二方向；而第二电极6的悬梁部63也呈条状，且多个第二电极6沿第二方向间隔排布，相当于每个第二电极6的悬梁部63与第一方向平行。

需要说明的是，具有一个第二电极6的移相器一般无法达到360°移相，因此需要设置多个第二电极6，并对多个第二电极6进行组合以达到0-360°移相范围。

具体的，传统的N位移相器由2^N-1个第二电极6构成，以5位移相器为例，移相器由31个第二电极6级联构成，按照移相器的位态可分为5组，其中11.25°位对应1个第二电极6，22.5°位对应2个第二电极6，45°位对应4个第二电极6，90°位对应8个第二电极6，180°位对应16个第二电极6，以形成5个MEMS开关，每一组的第二电极6均并联连接。

对于MEMS移相器，其开关电容比Cr是决定移相器相移量的关键参数，移相器单位长度的相移量随电容比的增加呈指数增加。Cr可表示为：

其中C_d为开关的关态电容，C_u为开关的开态电容，εr为介质层5的相对介电常数，g₀为悬梁部63和介质层5之间的初始距离，td为介质层5的厚度。所以可以通过增加悬梁部63的高度g₀或减小介质层5的厚度td来增大电容比，从而增大相移量。根据上述原理，可以通过设计不同的第二电极6和介质层5并进行优化组合来减少第二电极6的总数。

优选的，多个第二电极6分为第一类和第二类，第一类中的每个第二电极6对应第一相位角，第二类中的每个第二电极6对应第二相位角，第二相位角小于第一相位角。

其中，也就是说每个第二电极6对应相位角度可以不相同，例如，第一类的每个第二电极6对应的相位角可相同，但是第二类的第二电极6对应的相位角小于第一类的第二电极6对应的相位角。

这样第二电极6可以进行优化组合，可实现移相器的位数转换，形成更多相位的MEMS开关。

如图3所示，11.25°位、22.5°位的MEMS开关采用结构相同的第二电极6，其单个第二电极6的相移量为11.25°，因此11.25°位对应1个第二电极6，22.5°位对应2个第二电极6，即两个相位的第二电极6的数目分别为1和2。

针对45°位、90°位、180°位的MEMS开关，为了减少第二电极6的总数，45°位、90°位、180°位的MEMS开关可采用另一种结构，即通过增加第二电极6的悬梁部63的高度g₀或减小介质层5的厚度t_d使单个第二电极6相移量为22.5°，因此，45°位、90°位、180°位对应的第二电极6的数目分别为2、4、8。这样五位移相器只需要17个第二电极6，与传统结构的31个第二电极6(微桥)相比，第二电极6数目可减少45％，有助于降低成本、提升移相器成品率。

又例如，第一相位角为22.5°，即第一类的第二电极6对应22.5°，则22.5°位、45°位、90°位、180°位的MEMS开关对应的第二电极6的数量为1、2、4和8；第二相位角为11.25°，即第二类的第二电极6对应的11.25°，这样可以将第二相位角的第二电极6分别于与22.5°位、45°位、90°位、180°位的MEMS开关中的至少一个进行组合，从而可增加多个不同相位的MEMS开关。

优选的，第二类中的每个第二电极6对应的相位角不同。

其中，由于第二类的每个第二电极6对应的相位角不同，第二电极6可以进行更多的组合，以最少的第二电极6的数量组合形成最多的不同相位的MEMS开关。

例如，传统4位移相器所需的15个第二电极6固定在地线2上，即22.5°位、45°位、90°位、180°位MEMS开关采用结构相同的第二电极6，其单个第二电极6的相移量为22.5°，因此第二电极6的数目分别为1、2、4和8。当4位移相器直流偏置点列的直流偏置点8均未接入偏置电压时，高频信号通过移相器时无相位变化；当分别对22.5°位、45°位、90°位、180°位MEMS开关相对应的偏置点加载偏置电压后，与该直流偏置点8相对应的所有MEMS开关的高度发生变化，高频信号通过移相器时相位将分别改变22.5°、45°、90°、180°位。

而本实施例的移相器中，如图4所示，在上述4位移相器的基础上，通过不同MEMS开关的组合。具体的，第二类中的两个第二电极6分别对应的5.625°位和11.25°位。当对11.25°位第二电极6相对应的偏置点加载偏置电压后，高频信号通过移相器时相位将改变11.25°，通过与地线2上分布的4位MEMS开关进行组合，可将4位移相器转换为5位移相器。在此基础上，通过对5.625°位的直流偏置点8加载偏置电压，还可将5位移相器转换为6位移相器，以实现移相器从0°～337.5°共64个状态的相移，即22.5°位、45°位、90°位、180°位、5.625°位和11.25°位MEMS开关中至少两个的任意组合。

这种设计不仅可以实现移相器位数转换，还明显减少了第二电极6的数量，不仅有效缩短了移相器的长度和面积，而且提高了移相器可靠性、降低了移相器的封装难度和制造成本。

需要说明的是，当移相器中具有多个第二电极6，则移相器中也相应具有多个直流偏置点8，此时需要通过绝缘层将地线2与直流偏置点8之间绝缘，即可以在地线2上设置一层覆盖地线2的绝缘层(图中未示处)。

优选的，地线2包括第一子地线21地线2和第二子地线22地线2，信号线3、第一电极4位于第一子地线21地线2和第二子地线22地线2之间，第一类的第二电极6与第一子地线21地线2连接，第二类的第二电极6与第二子地线22地线2连接。

其中，也就是说第一类的第二电极6与第二类的第二电极6分别连接不同的地线2。

这样可以避免第一类的第二电极6与第二类的第二电极6之间的相互干扰，从而保证移相器的各个MEMS开关的性能。

实施例2：

如图1至图6所示，本实施例提供一种移相器的制备方法，基于实施例1中的移相器，方法包括：

S11、如图5a所示，在衬底1上形成地线2、信号线3和第一电极4，第一电极4位于地线2和信号线3之间，地线2与第一电极4之间具有间隔，信号线3与第一电极4之间具有间隔。

具体的，可首先在衬底1上形成金属层，在对该金属层进行图案化处理，以同时形成地线2、第一电极4、信号线3。

其中，地线2、第一电极4、信号线3依次间隔排列在衬底1上，形成共面波导传输线(CPW)。

S12、如图5b所示，在第一电极4和信号线3远离衬底1的一侧形成介质层5。

其中，介质层5可将信号线3和第一电极4的暴露表面全部覆盖。

需要说明的是，介质层5可为绝缘介质层5。

S13、形成第二电极6，在第一方向上第一电极4和信号线3在衬底1上的投影位于第二电极6在衬底1上的投影中，第一方向平行于地线2指向信号线3的方向，且第二电极6与介质层5之间具有间隔，第二电极6的一端与地线2连接。

具体的，形成第二电极6包括：

S131、如图5c所示，在位于地线2、介质层5远离衬底1一侧形成牺牲层7，在牺牲层7形成通孔，通孔与至少部分地线2对应。

S132、如图5d所示，在牺牲层7远离衬底1一侧形成第二电极6，第二电极6通过通孔与地线2连接。

S133、如图1所示，除去牺牲层7。

此外，第二电极6和地线2的连接还可采用键合工艺，即将地线2与第二电极6的悬梁部63进行键合。

本实施例的移相器中，第二电极6的一端固定在地线2上，第二电极6的另一端为自由端，悬空在信号线3和第一电极4的上方，与现有技术的移相器(第二电极6的两端均与底线连接)相比，本实施例中的第二电极6单端固定的结构具有体积小、弹性系数小的特点，从而较小的驱动电压即可使得第二电极6的自由端发生位移，进而使得该移相器所需的驱动电压较低。

需要说明的是，本实施例的移相器其具有频带宽、损耗小、成本低、超小型化、易于与集成电路(IC、MMIC)集成等优点，可应用于微电子、材料、力学、化学、机械学诸多学科领域。

应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (11)

1.一种移相器，其特征在于，包括：

衬底；

地线，包括第一子地线和第二子地线，所述第一子地线和第二子地线均位于所述衬底上；

信号线，位于所述衬底上；

第一电极，位于所述衬底上，且位于所述第一子地线和所述信号线之间，所述第一子地线与所述第一电极之间具有间隔，所述信号线与所述第一电极之间具有间隔；

介质层，位于所述第一电极和所述信号线远离所述衬底的一侧；

至少一个第二电极，位于所述第一子地线远离所述衬底的一侧，所述介质层位于所述第二电极与所述第一电极之间以及所述第二电极与信号线之间，其中，所述第二电极在所述衬底上的正投影与所述第二子地线在所述衬底上的正投影无交叠；在第一方向上所述第一电极和所述信号线在所述衬底上的投影位于所述第二电极在所述衬底上的投影中，所述第一方向平行于所述第一子地线指向所述信号线的方向，所述第二电极与所述介质层之间具有间隔，所述第二电极的一端与所述第一子地线连接。

2.根据权利要求1所述的移相器，其特征在于，每个所述第二电极具有多个释放孔。

3.根据权利要求2所述的移相器，其特征在于，多个所述释放孔阵列排布。

4.根据权利要求2所述的移相器，其特征在于，每个所述第二电极包括连接部和与所述连接部连接的悬梁部，所述连接部与所述地线连接，且所述连接部用于将所述悬梁部支撑，以使所述悬梁部位于所述介质层远离所述衬底的一侧。

5.根据权利要求4所述的移相器，其特征在于，多个所述释放孔位于所述悬梁部。

6.根据权利要求1所述的移相器，其特征在于，所述第二电极的数量为多个，多个所述第二电极沿第二方向间隔排布，所述第二方向与所述第一方向垂直。

7.根据权利要求6所述的移相器，其特征在于，多个所述第二电极分为第一类和第二类，所述第一类中的每个所述第二电极对应第一相位角，所述第二类中的每个所述第二电极对应第二相位角，所述第二相位角小于所述第一相位角。

8.根据权利要求7所述的移相器，其特征在于，所述第二类中的每个所述第二电极对应的相位角不同。

9.根据权利要求7所述的移相器，其特征在于，所述信号线、所述第一电极位于所述第一子地线和第二子地线之间，所述第一类的第二电极与所述第一子地线连接，所述第二类的第二电极与所述第二子地线连接。

10.一种移相器的制备方法，其特征在于，基于权利要求1至9中任意一项所述的移相器，所述方法包括：

在衬底上形成第一子地线、第二子地线、信号线和第一电极，所述第一电极位于所述第一子地线和所述信号线之间，所述第一子地线与所述第一电极之间具有间隔，所述信号线与所述第一电极之间具有间隔；

在第一电极和信号线远离所述衬底的一侧形成介质层；

形成第二电极，所述第二电极在所述衬底上的正投影与所述第二子地线在所述衬底上的正投影无交叠，在第一方向上所述第一电极和所述信号线在所述衬底上的投影位于所述第二电极在所述衬底上的投影中，所述第一方向平行于所述第一子地线指向所述信号线的方向，所述第二电极与所述介质层之间具有间隔，所述第二电极的一端与所述第一子地线连接。

11.根据权利要求10所述的移相器的制备方法，其特征在于，所述形成第二电极包括：

在位于所述地线、介质层远离所述衬底一侧形成牺牲层，在所述牺牲层形成通孔，所述通孔与至少部分所述地线对应；

在所述牺牲层远离所述衬底一侧形成第二电极，所述第二电极通过所述通孔与所述地线连接；

除去所述牺牲层。

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