CN113381139B - 一种k~d波段宽频射频mems开关 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种K~D波段宽频射频MEMS开关,包括:衬底(1)、地线(2)、信号线(3)、上电极组件(4)、至少两个驱动电极(5)、至少两条驱动引线(6)和至少两个空气桥组件(7),其中,所述信号线(3)为渐变型信号线,所述渐变型信号线的中间段信号线的宽度小于两端信号线的宽度。该开关由地线和信号线共同形成渐变型微波传输线结构,可以有效提高开关工作带宽,降低插入损耗,提高隔离度,使得开关在18GHz~184GHz的范围内,有着优越的射频性能,提高了开关的微波性能。
Description
技术领域
本发明属于电子元器件领域,具体涉及一种K~D波段宽频射频MEMS开关。
背景技术
射频MEMS(Micro-Electro-Mechanical System,微机电系统)开关是一类控制信号通断的重要电子元器件,在无线通信系统、卫星、雷达以及测试设备中发挥着巨大的作用。随着现代科技技术的发展,对通信系统的高集成度、小型化、低功耗以及宽频段的需求越来越迫切,传统的开关已不能充分适应小型化、高度集成、低功耗、低插损、高隔离度的需求。射频MEMS开关因其突出的低插损、高隔离度、低损耗、小体积、宽频带等优势,已成为目前研究热点之一。
目前国内对射频MEMS开关开展研究的机构主要有清华大学、中电五十五所、中电十三所、中北大学、北京微电子技术研究所、东南大学等。清华大学设计了一种串联接触式球拍型悬臂梁射频MEMS开关,此开关包括衬底、隔离层、驱动电极以及共面波导传输线,当驱动电极未施加驱动电压时,金属悬梁臂与开关接触点断开,使开关为关闭状态,当驱动电极施加驱动电压时,金属悬梁臂与驱动电极之间产生静电力,使金属悬梁臂弯曲后与开关接触点接触,使开关为开启状态;该射频MEMS开关通过控制悬臂梁的状态,实现金属-金属触点间的导通与断开,从而完成信号的通断。
然而,目前国内外射频MEMS开关的工作频段最高仅达60GHz,工作频段相对较低,且无法同时满足低插损、高隔离度、宽频带的需求。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题,本发明提供了一种K~D波段宽频射频MEMS开关。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现:
本发明实施例提供了一种K~D波段宽频射频MEMS开关,包括:衬底、地线、信号线、上电极组件、至少两个驱动电极、至少两条驱动引线和至少两个空气桥组件,其中,
所述地线、所述信号线、所述至少两个驱动电极、所述至少两条驱动引线均设置在所述衬底上;所述地线平行设置在所述信号线的两侧,所述信号线为渐变型信号线,所述渐变型信号线的中间段信号线的宽度小于两端信号线的宽度;所述上电极组件设置在所述地线上且横跨所述中间段信号线;所述至少两个驱动电极分布在所述信号线的两侧且所述至少两个驱动电极均位于所述上电极组件的下方;所述至少两条驱动引线与所述至少两个驱动电极一一对应连接且所述驱动引线贯穿所述地线;所述空气桥组件设置在所述地线上且横跨所述驱动引线。
在本发明的一个实施例中,所述信号线包括长方形信号线和偶数个梯形信号线,其中,
所述偶数个梯形信号线对称分布在所述长方形信号线的两侧且位于所述长方形信号线的端部;
所述地线靠近所述信号线的一侧开设有偶数个第一梯形开口以与所述信号线的形状凹凸匹配。
在本发明的一个实施例中,所述信号线两侧的所述地线上均设有第二梯形开口和至少两个长方形开口,所述第二梯形开口用于容纳所述至少两个驱动电极,所述至少两个长方形开口均贯穿所述地线以容纳所述至少两条驱动引线。
在本发明的一个实施例中,所述上电极组件设置在所述中间段信号线垂直方向的中央位置处。
在本发明的一个实施例中,所述上电极组件包括第一固定锚点、第二固定锚点、上电极和释放孔阵列,其中,
所述第一固定锚点设置在所述信号线一侧的所述地线上,所述第二固定锚点设置在所述信号线另一侧的所述地线上;
所述上电极的一端位于所述第一固定锚点上,另一端位于所述第二固定锚点上以横跨所述信号线;
所述释放孔阵列分布在所述上电极上。
在本发明的一个实施例中,所述上电极上的释放孔阵列分布区域的宽度大于无释放孔阵列分布区域的宽度。
在本发明的一个实施例中,所述释放孔阵列包括多个呈阵列分布的释放孔,所述释放孔阵列的排数为1~8排,列数为1~10列,相邻两个所述释放孔的距离为15~25μm,每个所述释放孔的直径为8-15μm。
在本发明的一个实施例中,所述信号线正对所述上电极组件的表面、所述驱动电极的表面和所述驱动引线的表面均设置有介质层。
在本发明的一个实施例中,所述空气桥组件包括第三固定锚点、第四固定锚点和空气桥,其中,
所述第三固定锚点设置在所述地线上且位于所述驱动引线的一侧,所述第四固定锚点设置在所述地线上且位于所述驱动引线的另一侧;
所述空气桥的一端位于所述第三固定锚点上,另一端位于所述第四固定锚点上以横跨所述驱动引线。
与现有技术相比,本发明的有益效果:
本发明射频MEMS开关中的信号线采用渐变型结构,地线也随之形成渐变型结构,二者共同形成渐变型微波传输线结构,可以有效提高开关工作带宽,降低插入损耗,提高隔离度,使得开关在18GHz~184GHz的范围内,有着优越的射频性能,提高了开关的微波性能。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种K~D波段宽频射频MEMS开关的整体结构示意图;
图2为本发明实施例提供的一种K~D波段宽频射频MEMS开关的另一视角示意图;
图3为本发明实施例提供的一种微波传输线的结构示意图;
图4为本发明实施例提供的一种K~D波段宽频射频MEMS开关的侧视结构示意图;
图5为本发明实施例提供的一种空气桥的结构示意图;
图6a-图6b为本发明实施例提供的一种K~D波段宽频射频MEMS开关的S参数仿真图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述,但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
请参见图1和图2,图1为本发明实施例提供的一种K~D波段宽频射频MEMS开关的整体结构示意图,图2为本发明实施例提供的一种K~D波段宽频射频MEMS开关的另一视角示意图,该K~D波段宽频射频MEMS开关包括:衬底1、地线2、信号线3、上电极组件4、至少两个驱动电极5、至少两条驱动引线6和至少两个空气桥组件7。
其中,地线2、信号线3、至少两个驱动电极5、至少两条驱动引线6均设置在衬底1上;地线2平行设置在信号线3的两侧,信号线3为渐变型信号线,渐变型信号线的中间段信号线的宽度小于两端信号线的宽度;上电极组件4设置在地线2上且横跨中间段信号线;至少两个驱动电极5分布在信号线3的两侧且每个驱动电极5均位于上电极组件4的下方;至少两条驱动引线6与至少两个驱动电极5一一对应连接且驱动引线6贯穿地线2;空气桥组件7设置在地线2上且横跨驱动引线6。
可以理解的是,信号线3可以设置在衬底1的中央位置,其两侧均分布有地线2,地线2的边缘与信号线3的边缘之间相距有一定间距,且为保证阻抗匹配,该间距会随着信号线宽度的变化而变化,因此地线2的形状随着信号线3形状的变化而变化,当信号线3的边缘凸出时,地线2的相应位置处则凹陷,二者凹凸匹配以保证对应的阻抗匹配;当信号线3为中间段信号线的宽度小于两端信号线的宽度的渐变型结构时,地线2形成中间段宽度大于两端宽度的渐变型结构,二者共同形成渐变型结构的微波传输线。
进一步地,信号线3采用渐变型信号线结构,其可以由三段长方形信号线依次连接形成I字型,其中两端长方形信号线的宽度大于中间长方形信号线的宽度,在宽长方形信号线与窄长方形信号线之间无过渡线;也可以由五段信号线依次连接形成,其两端为两段宽度较大的长方形信号线,中间为一段宽度较小的长方形信号线,在宽长方形信号线与窄长方形信号线之间采用梯形信号线进行过渡连接;也可以由长方形信号线和分布在长方形信号线两侧的梯形信号线形成,其中,梯形信号线位于长方形信号线的两端;本实施例的渐变型信号线的结构并不限于此,只要形成中间段信号线的宽度小于两端信号线的宽度的结构即可。
进一步地,驱动电极5的数量至少为2个,多个驱动电极5分布在信号线3的两侧且均位于上电极组件4的下方;优选的,多个驱动电极5对称分布在信号线3的两侧以保证上电极组件4受力均匀。在图2中,驱动电极5的数量为2个,相应的,驱动引线6的数量为2条,2个驱动电极5在信号线3的两侧均匀分布,以保证上电极组件4受力均匀。
至少两个空气桥组件7分布在信号线3两侧的地线2上,每个空气桥组件7横跨驱动引线6以将驱动引线6两侧的地线共地。
本实施例的MEMS开关采用渐变型结构的微波传输线,有效提高了开关工作带宽,降低了插入损耗,提高了隔离度,使得开关在18GHz-184GHz的范围内有着优越的射频性能,提高了开关的微波性能。
请参见图3,图3为本发明实施例提供的一种微波传输线的结构示意图,微波传输线包括地线2和信号线3,信号线3包括长方形信号线31和偶数个梯形信号线32。
其中,偶数个梯形信号线32对称分布在长方形信号线31的两侧且位于长方形信号线31的端部;地线2的靠近信号线3的一侧开设有偶数个第一梯形开口21以与信号线3的形状凹凸匹配。
具体地,偶数个梯形信号线32可以分布在长方形信号线31的同一侧,形成轴对称,相应的,地线2上的第一梯形开口21开设在信号线3一侧的地线2上以与信号线3的形状凹凸匹配;偶数个梯形信号线32也可以分布在长方形信号线31的两侧,形成中心对称,相应的,地线2上的第一梯形开口21开设在信号线3两侧的地线2上以与信号线3的形状凹凸匹配。进一步地,由上述信号线3和地线2形成渐变型微波传输线满足器件端口阻抗匹配的要求。
在图3中,信号线3由一个长方形信号线31和四个梯形信号线32形成,四个梯形信号线32均匀分布在长方形信号线31的两侧且位于长方形信号线31的端部,此时,在信号线3两侧的地线2分别设有两个与梯形信号线32凹凸匹配的第一梯形开口21,并且,地线2与信号线3之间等间距设置且相互平行。
在一个具体实施例中,地线2的上设有第二梯形开口22和至少两个长方形开口23,第二梯形开口22用于容纳至少两个驱动电极5,至少两个长方形开口23贯穿地线2以容纳至少两条驱动引线6。
具体的,由于驱动电极5位于上电极组件4的下方,因此,容纳驱动电极5的第二梯形开口22也位于上电极组件4的下方,也就是第二梯形开口22开设在与中间段信号线对应的地线上。进一步的,一个驱动电极5对应连接一条驱动引线6,因此,第二梯形开口22的边侧设置有长方形开口23以为驱动引线6提供通过的空间。当驱动电极5的数量为多个时,多个驱动电极5均设置在一个第二梯形开口22中,多个驱动电极5所对应的多条驱动引线6分别设置在多个长方形开口23中。
本实施例改变地线结构,在地线上开设第二梯形开口,将驱动电极设置在第二梯形开口处,增大了驱动电极的大小,可有效增加上电极与驱动电极的正对面积,降低驱动电压。
在一个具体实施例中,上电极组件4可以设置在中间段信号线垂直方向的任意位置处;例如,图1中上电极组件4设置在中间段信号线垂直方向的中央位置处。
请结合参见图1和图4,图4为本发明实施例提供的一种K~D波段宽频射频MEMS开关的侧视结构示意图,上电极组件4包括第一固定锚点41、第二固定锚点42、上电极43和释放孔阵列44。其中,第一固定锚点41设置在信号线3一侧的地线2上,第二固定锚点42设置在信号线3另一侧的地线2上;上电极43的一端位于第一固定锚点41上,另一端位于第二固定锚点42上以横跨信号线3;释放孔阵列44分布在上电极43上。具体的,在地线2临近信号线3的两侧上方分别设置第一固定锚点41和第二固定锚点42,上电极43的两端通过第一固定锚点41和第二固定锚点42实现与地线2的连接。
具体地,上电极43上,释放孔阵列分布区域的宽度大于无释放孔阵列区域的宽度,使得上电极43近似呈倒十字型;例如,释放孔阵列44分布在上电极43的中间区域处,则中间区域的宽度大于两端区域的宽度,从而使得上电极43呈倒十字型。
本实施例设置释放孔阵列分布区域的宽度大于无释放孔阵列区域的宽度,可以减小开关的驱动电压,提高器件性能。
具体地,释放孔阵列44包括多个呈阵列分布的释放孔,释放孔阵列44的排数为1~8排,列数为1~10列,相邻两个释放孔的距离为15~25μm,每个释放孔的直径为8-15μm。
在一个具体实施例中,信号线3正对上电极组件的表面、驱动电极5的表面和驱动引线6的表面均设置有介质层8,即在上电极43正对的信号线3的表面设置有一介质层8,在驱动电极5面向上电极43的一面设置有一层介质层8,驱动引线6的上方也设置有一层介质层8。具体地,介质层8的材料包括氮化硅或氧化铪,此类材料相对介电常数较高,可以保证上电极43与驱动电极5的隔离度。
请参见图5,图5为本发明实施例提供的一种空气桥的结构示意图,空气桥组件7包括第三固定锚点71、第四固定锚点72和空气桥73。其中,第三固定锚点71设置在地线2上且位于驱动引线6的一侧,第四固定锚点72设置在地线2上且位于驱动引线6的另一侧;空气桥73的一端位于第三固定锚点71上,另一端位于第四固定锚点72上以横跨驱动引线6。
具体地,驱动引线6设置在长方形开口23中,因此,在长方形开口23两侧的地线2上分别设置第三固定锚点71和第四固定锚点72,第三固定锚点71和第四固定锚点72通过空气桥73实现连接。
空气桥组件7的将驱动引线6两侧的地线2进行连接以实现共地,其数量与长方形开口23的数量一致。
本实施例的MEMS开关的工作流程为:通过驱动引线6向驱动电极5施加驱动电压;当驱动电极5上未施加驱动电压,驱动电极5不作用,上电极43与信号线3分离,射频信号导通,开关处于“导通”状态;当驱动电压作用在驱动电极5上时,驱动电极5作用产生静电力使得上电极43发生形变,从而与信号线3相接触,射频信号线3与地线2相连,开关处于“关断”状态;通过控制施加在驱动引线6上的驱动电压,实现信号的选通功能。
请参见图6a-图6b,图6a-图6b为本发明实施例提供的一种K~D波段宽频射频MEMS开关的S参数仿真图。图6a为使用有限元仿真软件得到的射频MEMS开关的插入损耗仿真图,从图6a中可以看出随着工作频率的增大,插入损耗性能逐渐变差,在18GHz~184GHz工作频段内插入损耗小于1.5dB。图6b为使用有限元仿真软件得到的射频MEMS开关的隔离度仿真图,从图6b中可以看出在18GHz~184GHz工作频段内隔离度大于20dB。
本发明的射频MEMS开关中采用渐变型微波传输线结构,可以有效提高开关工作带宽,降低插入损耗,提高隔离度;同时,改变地线结构,增大了驱动电极的大小,从而增大了驱动电极与上电极的正对面积,降低了驱动电压;二者使得开关具有简单实用、宽工作带宽(18GHz~184GHz)、低插入损耗(-0.22dB@184GHz)、高隔离度(-30.0dB@184GHz)、低驱动电压的优点,提高了开关的微波性能,且在工艺加工中易于实现。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明,不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干简单推演或替换,都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种K~D波段宽频射频MEMS开关,其特征在于,包括:衬底(1)、地线(2)、信号线(3)、上电极组件(4)、至少两个驱动电极(5)、至少两条驱动引线(6)和至少两个空气桥组件(7),其中,
所述地线(2)、所述信号线(3)、所述至少两个驱动电极(5)、所述至少两条驱动引线(6)均设置在所述衬底(1)上;所述地线(2)平行设置在所述信号线(3)的两侧,所述信号线(3)为渐变型信号线,所述渐变型信号线的中间段信号线的宽度小于两端信号线的宽度;所述上电极组件(4)设置在所述地线(2)上且横跨所述中间段信号线;所述至少两个驱动电极(5)分布在所述信号线(3)的两侧且所述至少两个驱动电极(5)均位于所述上电极组件(4)的下方;所述至少两条驱动引线(6)与所述至少两个驱动电极(5)一一对应连接且所述驱动引线(6)贯穿所述地线(2);所述空气桥组件(7)设置在所述地线(2)上且横跨所述驱动引线(6);
所述地线(2)上设有第二梯形开口(22),所述第二梯形开口(22)用于容纳所述至少两个驱动电极(5);
所述上电极组件(4)中的上电极(43)呈倒十字型。
2.根据权利要求1所述的K~D波段宽频射频MEMS开关,其特征在于,所述信号线(3)包括长方形信号线(31)和偶数个梯形信号线(32),其中,
所述偶数个梯形信号线(32)对称分布在所述长方形信号线(31)的两侧且位于所述长方形信号线(31)的端部;
所述地线(2)靠近所述信号线(3)的一侧开设有偶数个第一梯形开口(21)以与所述信号线(3)的形状凹凸匹配。
3.根据权利要求1所述的K~D波段宽频射频MEMS开关,其特征在于,所述地线(2)上设有至少两个长方形开口(23),所述至少两个长方形开口(23)均贯穿所述地线(2)以容纳所述至少两条驱动引线(6)。
4.根据权利要求1所述的K~D波段宽频射频MEMS开关,其特征在于,所述上电极组件(4)设置在所述中间段信号线垂直方向的中央位置处。
5.根据权利要求1所述的K~D波段宽频射频MEMS开关,其特征在于,所述上电极组件(4)包括第一固定锚点(41)、第二固定锚点(42)、上电极(43)和释放孔阵列(44),其中,
所述第一固定锚点(41)设置在所述信号线(3)一侧的所述地线(2)上,所述第二固定锚点(42)设置在所述信号线(3)另一侧的所述地线(2)上;
所述上电极(43)的一端位于所述第一固定锚点(41)上,另一端位于所述第二固定锚点(42)上以横跨所述信号线(3);
所述释放孔阵列(44)分布在所述上电极(43)上。
6.根据权利要求5所述的K~D波段宽频射频MEMS开关,其特征在于,所述上电极(43)上的释放孔阵列分布区域的宽度大于无释放孔阵列区域的宽度。
7.根据权利要求5所述的K~D波段宽频射频MEMS开关,其特征在于,所述释放孔阵列(44)包括多个呈阵列分布的释放孔,所述释放孔阵列(44)的排数为1~8排,列数为1~10列,相邻两个所述释放孔的距离为15~25μm,每个所述释放孔的直径为8-15μm。
8.根据权利要求1所述的K~D波段宽频射频MEMS开关,其特征在于,所述信号线(3)正对所述上电极组件(4)的表面、所述驱动电极(5)的表面和所述驱动引线(6)的表面均设置有介质层(8)。
9.根据权利要求1所述的K~D波段宽频射频MEMS开关,其特征在于,所述空气桥组件(7)包括第三固定锚点(71)、第四固定锚点(72)和空气桥(73),其中,
所述第三固定锚点(71)设置在所述地线(2)上且位于所述驱动引线(6)的一侧,所述第四固定锚点(72)设置在所述地线(2)上且位于所述驱动引线(6)的另一侧;
所述空气桥(73)的一端位于所述第三固定锚点(71)上,另一端位于所述第四固定锚点(72)上以横跨所述驱动引线(6)。
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