CN112735918A - 一种面内滑动的射频开关 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种面内滑动的射频开关，包括基底、滑动部件和至少一个弹性件，滑动部件设于基底上，且滑动部件在基底上运动，弹性件的一端固定于基底上，弹性件的另一端固定于滑动部件的一侧，且弹性件的伸缩方向与滑动部件的移动方向一致。本发明提供的面内滑动的射频开关，在滑动部件的端部设置弹性件，能够在滑动部件滑动并切换射频开关的开闭时起到缓冲的效果，对滑动部件的滑动位置进行限定，避免其在滑动时超出驱动区域，且能够避免滑动部件在运动时的冲击和碰撞，提高整个射频开关的可靠性。

Description

一种面内滑动的射频开关

技术领域

本发明属于结构超滑的技术领域，更具体地说，是涉及一种面内滑动的射频开关。

背景技术

射频开关是一种控制射频信号通道转换的基础核心电子元器件，被广泛应用于移动通信终端、自动化测试系统(ATE)、高性能相控阵雷达、卫星通信系统等先进电子装备中。随着移动通信技术迈向5G时代，工作频段将增加至超过40个，频率范围提升至3GHz-70GHz。在中、高频率多频段(20GHz-70GHz)信号传输中，为了减少不同频段信号之间的互相干扰，提高信号接收灵敏度，射频通讯系统对开关的线性度、隔离度、插入损耗等性能提出更加苛刻的要求。

RF MEMS射频开关与传统半导体开关相比，由于利用机械式切换来控制射频信号的通断，具有高线性度、低损耗、高隔离度等优异射频特性。尽管，RF MEMS开关有诸多优势，但是要实现大规模应用，亟待在可靠性方面取得突破。

申请号为CN111884644A的中国专利申请中，公开了一种并联RF-MEMS开关，其包括基底、驱动部件、绝缘层以及滑动部件，其中，所述驱动部件置于所述基底内部，所述驱动部件与所述基底表面平齐且保持纳米级平整；所述滑动部件具有充电电介质层，并具有原子级平整超滑面，滑动部件通过超滑面与绝缘层接触，并置于绝缘层之上；所述滑动部件能够被驱动在面内沿水平方向滑动，其主要通过在滑动部件的两侧实现电压差，使得滑动部件实现滑动，但是由于电压的驱动力较大，因此在射频开关切换过程中，可能会产生冲击和碰撞的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种面内滑动的射频开关，以解决现有技术中射频开关切换过程中，可能会产生冲击和碰撞的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种面内滑动的射频开关，包括基底、滑动部件和至少一个弹性件，所述滑动部件设于所述基底上，且所述滑动部件在所述基底上运动，所述弹性件的一端固定于所述基底上，所述弹性件的另一端固定于所述滑动部件上，且所述弹性件的伸缩方向与所述滑动部件的移动方向一致。

进一步地，所述弹性件的下表面高于所述基底，且所述弹性件不与所述基底相接触。

进一步地，所述基底上凸设有锚点，所述弹性件固定于所述锚点上。

进一步地，所述弹性件的数量至少为两个，且两个所述弹性件分别设于所述滑动部件的相对两侧。

进一步地，所述弹性件是微弹簧。

进一步地，所述滑动部件包括超滑片和设于所述超滑片上的电介质层，所述超滑片设于所述基底上，且所述基底的至少上表面为原子级光滑表面，所述超滑片与所述基底组成超滑副。

进一步地，还包括用于驱动所述滑动部件的驱动部件。

进一步地，所述驱动部件包括至少两个电极和连接所有所述电极的连接线。

进一步地，所述滑动部件与所述连接线之间构成单齿静电梳齿驱动结构。

进一步地，所述连接线是共面平行波导线。

本发明提供的面内滑动的射频开关的有益效果在于：

1、在滑动部件的端部设置弹性件，能够在滑动部件滑动并切换射频开关的开闭时起到缓冲的效果，对滑动部件的滑动位置进行限定，避免其在滑动时超出驱动区域，且能够避免滑动部件在运动时的冲击和碰撞，提高整个射频开关的可靠性。

2、滑动部件能够直接在基底上接触滑动，从而实现信号切换，相较于传统的垂直驱动结构，由于不存在悬空结构，在切换过程中，超滑片和基底之间为超滑接触，滑动部件在滑动时为无磨损、近零摩擦、无冲击的滑动，因此，该射频开关可彻底避免冲击损伤，同时克服由范德华力、表面张力等造成的粘附失效问题，显著提高射频开关的操作寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的面内滑动的射频开关的俯视结构示意图；

图2为本发明实施例提供的面内滑动的射频开关的立体结构示意图；

图3为本发明实施例提供的面内滑动的射频开关的局部剖视结构示意图；

图4为本发明实施例提供的面内滑动的射频开关的等效原理图；

图5为本发明实施例提供的面内滑动的射频开关的等效电路图。

其中，图中各附图标记：

1、基底；2、滑动部件；3、弹性件；4、锚点；5、驱动部件；11、绝缘层；21、超滑片；22、电介质层；51、电极；52、连接线。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”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装置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。

由于长期未能实现大尺度的超滑，近十多年来文献上常常将摩擦系数为千分之一量级或更低的现象，称作为“超滑”；而将最初的由于非公度接触导致的摩擦磨损几乎为零的现象，改称为“结构润滑”，本发明所指“超滑”特指由于非公度接触导致的摩擦磨损几乎为零的现象。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

请一并参阅图1至图3，现对本发明提供的面内滑动的射频开关进行说明。所述面内滑动的射频开关，包括基底1、滑动部件2和至少一个弹性件3，所述滑动部件2设于所述基底1上，且所述滑动部件2在所述基底1上运动，对于滑动部件2的驱动方式，其可以采用静电驱动、电磁驱动或其他驱动方式。

进一步地，请一并参阅图1至图3，作为本发明提供的面内滑动的射频开关的一种具体实施方式，所述弹性件3的一端固定于所述基底1上，所述弹性件3的另一端固定于所述滑动部件2的一侧，且所述弹性件3的伸缩方向与所述滑动部件2的移动方向一致，弹性件3能够在滑动部件2滑动并切换射频开关的开闭时起到缓冲的效果，对滑动部件2的滑动位置进行限定，避免其在滑动时超出驱动区域，且能够避免滑动部件2在运动时的冲击和碰撞，提高整个射频开关的可靠性。

优选地，弹性件3一般是悬空设置的，即弹性件3的下表面高于基底1，且弹性件3在运动的过程中不会与基底1相接触，避免弹性件3的运动对基底1造成剐蹭，从而影响基底1表面的平整性。

弹性件3的一端固定于滑动部件2上，另外一端需设置在相对于基底1固定的元件上，即凸设于基底1的锚点4，锚点4高出基底1的上表面，且锚点4分别和基底1和弹性件3固定连接，即能够避免弹性件3直接与基底1相接触，还可以避免破坏基底1的表面平整性。

优选的，弹性件3的数量一般至少为两个，且两个弹性件3分别设置在滑动部件2的两侧，两个弹性件3的长度方向均与滑动部件2的移动方向一致，且滑动部件2处于中间区域时，两侧的弹性件3同时处于拉伸状态、正常状态或压缩状态，两侧的弹性件3的弹性力一致，且作用力的方向相反，从而达到初始的平衡状态。当滑动部件2在驱动部件5的驱动下发生移动时，滑动部件2的单侧弹性作用力变大，能够在外部驱动力消失后迅速回位，能够保证其驱动速度。

优选的，位于滑动部件2同一侧的弹性件3的数量为两个，两个弹性件3分别作用于滑动部件2的两侧，能够保证滑动部件2受到作用力的平衡。

优选的，弹性件3一般采用微型弹簧，其材质可以选用金属材料制成。该弹簧一般为微型弹簧，其长度一般为微米或厘米级。弹簧可以采用压缩弹簧、拉伸弹簧或折叠弹簧等任一种，此处不作唯一具体限定。

进一步地，作为本发明提供的面内滑动的射频开关的一种具体实施方式，基底1的任一表面具有原子级粗糙表面，滑动部件2在该面上滑动。基底1一般包括高阻硅基底1和设于所述高阻硅基底1上表面的绝缘层11，滑动部件2在该绝缘层11上滑动，滑动部件2在滑动时为无磨损、近零摩擦、无冲击的滑动，因此，该射频开关可彻底避免冲击损伤，同时克服由范德华力、表面张力等造成的粘附失效问题，显著提高射频开关的操作寿命。

其中，滑动部件2包括超滑片21和设于所述超滑片21上的电介质层22，所述超滑片21设于所述基底1上，所述超滑片21与所述基底1组成超滑副，电介质层22设于超滑片21的表面，超滑片21一般采用HOPG超滑片21，该超滑片21的导电性能较差，在超滑片21的顶面采用电介质层22形成岛盖，能够实现底部驱动部件5的静电驱动。

优选的，电介质层22一般包括铝金属层和顶层镍金属层，铝金属层直接设于超滑片21的表面，顶层镍金属层设于铝金属层的表面。

进一步地，作为本发明提供的面内滑动的射频开关的一种具体实施方式，该射频开关还包括驱动部件5，驱动部件5用于驱动滑动部件2在基底1表面的水平滑动，其驱动方式为静电驱动。

优选的，驱动部件5包括至少两个电极51和连接所述电极51的连接线52，连接线52能够连接所有的电极51和外部的电源。当在地线与连接线52之间施加直流偏执时，滑动部件2在水平静电力作用下滑动至与连接线52重合，从而控制地线与连接线52间耦合电容的变化，实现射频信号的通断。

优选的，连接线52一般采用共面平行波导线，连接线52沉积在高阻硅基底1和绝缘层11之间，共面平行波导线是在基底1表面的金属膜带线，其具有两个接地电极51，且该接地电极51和中心带线相平行，滑动部件2设置在中心带线处，此时滑动部件2能够被驱动，且能够较好的避免外部因素的影响。

优选的，所述滑动部件2与所述连接线52之间构成单齿静电梳齿驱动结构，由于单齿静电梳齿驱动结构具有侧向不稳定性，能够驱动滑动部件2在基底1上滑动。当然，根据实际情况和具体实施例，连接线52还可以构成复合静电驱动结构，此处不作唯一具体限定。

当采用静电梳齿侧向驱动方式时，滑动部件2的电介质层22与驱动电极51间的电容可近似为平行极板电容，其等效电路图如图4所示。根据系统总静电能，然后利用卡式定理(能量原理)可以建立超滑开关水平驱动力的理论物理模型：

这里，F_e为水平静电力，ε₀为真空介电常数，ε_r为电介质层22相对介电常数，g为绝缘层11厚度，V为驱动电压，W为电极宽度。上述方程阐述了水平驱动力与电极51宽度、绝缘层11厚度、驱动电压的关系。假设弹性件3为线性变化关系，根据力学平衡条件可以得到超滑开关的静态激励电压：

这里，V_i为静态激励电压，k为悬浮弹簧刚度，x_i为侧向吸合行程。另外，根据平行极板电容公式以及电磁学理论，可以推导出侧向驱动静电开关的上/下态电容、电容比：

这里，w为等效电路谐振频率，请参阅图5，L为极板长度，R_s为开关内阻，Z₀为传导线阻抗。通过式(2)、(3)和(4)可以初步确定驱动电压、上态电容、电容比、隔离度以及插入损耗等性能参数与结构尺寸的关系，结合上述分析可知，采用静电梳齿侧向驱动方式能够实现滑动部件2的稳定驱动。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.面内滑动的射频开关，包括基底和滑动部件，所述滑动部件设于所述基底上，且所述滑动部件在所述基底上运动，其特征在于：还包括至少一个弹性件，所述弹性件的一端固定于所述基底上，所述弹性件的另一端固定于所述滑动部件上，且所述弹性件的伸缩方向与所述滑动部件的移动方向一致。

2.如权利要求1所述的面内滑动的射频开关，其特征在于：所述弹性件的下表面高于所述基底，且所述弹性件不与所述基底相接触。

3.如权利要求1所述的面内滑动的射频开关，其特征在于：所述基底上凸设有锚点，所述弹性件固定于所述锚点上。

4.如权利要求1所述的面内滑动的射频开关，其特征在于：所述弹性件的数量至少为两个，且两个所述弹性件分别设于所述滑动部件的相对两侧。

5.如权利要求1所述的面内滑动的射频开关，其特征在于：所述弹性件是微弹簧。

6.如权利要求1至5任一项所述的面内滑动的射频开关，其特征在于：所述滑动部件包括超滑片和设于所述超滑片上的电介质层，所述超滑片设于所述基底上，且所述基底的至少上表面为原子级光滑表面，所述超滑片与所述基底组成超滑副。

7.如权利要求1至5任一项所述的面内滑动的射频开关，其特征在于：还包括用于驱动所述滑动部件的驱动部件。

8.如权利要求7所述的面内滑动的射频开关，其特征在于：所述驱动部件包括至少两个电极和连接所有所述电极的连接线。

9.如权利要求8所述的面内滑动的射频开关，其特征在于：所述滑动部件与所述连接线之间构成单齿静电梳齿驱动结构。

10.如权利要求8所述的面内滑动的射频开关，其特征在于：所述连接线是共面平行波导线。

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