CN113394059B - 一种基于rf mems开关的多刀多掷开关 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于RF MEMS开关的多刀多掷开关，包括：衬底；设置在衬底上且级联的两个MEMS单刀多掷开关；MEMS单刀多掷开关包括若干信号线、地线、若干上电极、若干驱动电极、功分器和若干空气桥。该多刀多掷开关通过将两个MEMS单刀多掷开关级联，不仅可以减小器件的插入损耗，提高了器件的隔离度，减小了器件的尺寸，扩宽了器件的工作频率，而且可以实现多通道信号的选通功能。
Description
技术领域
本发明属于射频MEMS技术领域，具体涉及一种基于RF MEMS开关的多刀多掷开关。
背景技术
射频MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)开关是一种MEMS无源器件，其主要工作原理是通过驱动电极控制上电极的断开与闭合，从而控制信号是否导通。RF(Radio Frequency，射频)MEMS开关较传统的机械式和电子式(分为PIN和FET两种)开关而言，具有体积小、质量轻、功耗低、插损小、隔离度高、频带宽、线性度好和集成度高等优点，便于和微波器件进行集成，比如移相器、滤波器、天线等，能够实现多种功能。
国内射频MEMS开关的研究机构包括清华大学、西北工业大学、中电集团十三所、中电集团五十五所等单位。清华大学公布的一种射频MEMS开关及其形成方法中利用悬臂梁作为上电极，采用铜薄膜加石墨烯作为开关触点，有效解决金金接触产生高温导致开关失效的问题；中电集团五十五所公布了一种单片集成多波段控制MEMS开关，该开关具有三个串联接触式MEMS开关组成，可以实现单通道信号导通。
目前，国内暂无机构公布基于MEMS技术的多刀多掷开关的研究。对于现有的MEMS开关研究，都只能实现单通道信号导通，无法实现多通道信号选通功能。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于RF MEMS开关的多刀多掷开关。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基于RF MEMS开关的多刀多掷开关，包括：
衬底；
设置在所述衬底上且级联的两个MEMS单刀多掷开关；
所述MEMS单刀多掷开关包括若干信号线、地线、若干上电极、若干驱动电极、功分器和若干空气桥，其中，所述若干信号线和所述若干驱动电极均分布于所述衬底的表面，所述地线位于所述衬底上且设置在所述若干信号线的两侧以及所述驱动电极的周侧，所述功分器设置在所述衬底上，所述功分器包括若干第一分支和第二分支，所述若干第一分支和所述第二分支形成星型结构，所述若干第一分支与每条所述信号线连接，两个所述MEMS单刀多掷开关通过所述第二分支连接，每个所述驱动电极的端部位于每条所述信号线和所述功分器之间，每个所述上电极设置在所述功分器上且同时位于每条所述信号线和每个所述驱动电极的上方，两个所述MEMS单刀多掷开关通过所述功分器连接，每个所述空气桥位于所述地线表面且横跨所述信号线。
在本发明的一个实施例中，所述若干信号线的数量、所述若干上电极的数量、所述若干驱动电极的数量均为4个。
在本发明的一个实施例中，所述信号线在所述空气桥的横跨位置处采用弯折结构。
在本发明的一个实施例中，所述上电极包括上电极悬臂梁、第一锚点、至少两个触点和第一释放孔阵列，其中，
所述第一锚点设置在所述功分器上，所述至少两个触点间隔设置在所述信号线上，所述上电极悬臂梁设置在所述第一锚点上且位于所述触点的上方，所述第一释放孔阵列分布在所述上电极悬臂梁上。
在本发明的一个实施例中，所述第一释放孔阵列包括多个呈阵列分布的第一释放孔，所述第一释放孔阵列的排数为1～6排，列数为1～8列，每行或每列所述第一释放孔的间距为4-8μm，每个所述第一释放孔的直径为4-10μm。
在本发明的一个实施例中，所述驱动电极包括电极、引出线和焊盘，其中，
所述电极位于所述信号线的端部和所述功分器之间且位于所述悬臂梁的下方；
所述引出线的一端连接所述电极，另一端连接所述焊盘。
在本发明的一个实施例中，所述电极为凸字形结构，所述凸字形结构的凸出部分位于所述触点之间。
在本发明的一个实施例中，所述空气桥包括固支悬臂梁、第二锚点、第三锚点和第二释放孔阵列，其中，
所述第二锚点设置在所述地线上且位于所述信号线的一侧，所述第三锚点设置在所述地线上且位于所述信号线的另一侧，所述固支悬臂梁设置在所述第二锚点和所述第三锚点上以横跨所述信号线，所述第二释放孔阵列分布在所述固支悬臂梁上。
在本发明的一个实施例中，所述第二释放孔阵列包括多个呈阵列分布的第二释放孔，所述第二释放孔阵列的排数为1～6排，列数为1～12列，每行或每列所述第二释放孔的间距为6-10μm，每个所述第二释放孔的直径为6-10μm。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明的多刀多掷开关通过将两个MEMS单刀多掷开关级联，不仅可以减小器件的插入损耗，提高了器件的隔离度，减小了器件的尺寸，扩宽了器件的工作频率，而且可以实现多通道信号的选通功能。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于RF MEMS开关的多刀多掷开关的整体结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种基于RF MEMS开关的多刀多掷开关的整体结构俯视图；
图3为本发明实施例提供的一种基于RF MEMS开关的多刀多掷开关中开关结构的示意图；
图4为本发明实施例提供的一种基于RF MEMS开关的多刀多掷开关中开关结构的俯视图；
图5为本发明实施例提供的一种基于RF MEMS开关的多刀多掷开关中上电极悬臂梁的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的一种驱动电极的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的一种功分器的结构示意图；
图8为本发明实施例提供的一种基于RF MEMS开关的多刀多掷开关中空气桥的结构示意图；
图9为本发明实施例提供的一种基于RF MEMS开关的多刀多掷开关中空气桥的俯视图；
图10为本发明实施例提供的一种基于RF MEMS开关的四刀四掷开关的原理图；
图11为本发明实施例提供的一种基于RF MEMS开关的四刀四掷开关的插入损耗仿真结果图；
图12为本发明实施例提供的一种基于RF MEMS开关的四刀四掷开关的隔离度仿真结果图；
图13为本发明实施例提供的一种基于RF MEMS开关的四刀四掷开关的驻波比仿真结果图。
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
请参见图1和图2，图1为本发明实施例提供的一种基于RF MEMS开关的多刀多掷开关的整体结构示意图，图2为本发明实施例提供的一种基于RF MEMS开关的多刀多掷开关的整体结构俯视图。该基于RF MEMS开关的多刀多掷开关包括衬底10和两个MEMS单刀多掷开关20，两个MEMS单刀多掷开关20设置在衬底10上，且两个MEMS单刀多掷开关20级联。
每个MEMS单刀多掷开关20包括若干信号线21、地线22、若干上电极23、若干驱动电极24、功分器25和若干空气桥26。其中，若干信号线21和若干驱动电极24均分布于衬底10的表面，信号线21的数量与驱动电极24的数量相同，一条信号线21对应一条驱动电极24，每条驱动电极24驱动一条信号线21；地线22设置在若干信号线21的两侧，信号线21从地线22中引出，将其两侧的地线22隔断，同时，地线22设置在驱动电极24的周侧，将驱动电极24的一端包围住，从而驱动电极24两侧的地线22处于连通状态；功分器25设置在衬底10上且与每条信号线21的端部相距一定距离，也就是说，功分器25设置在所有信号线21的端部以与每条信号线21均相距一定距离；每个驱动电极24的端部位于每条信号线21的端部和功分器25之间，驱动电极24与信号线21的端部、与功分器25之间均相距一定距离，即驱动电极24与信号线21、功分器25均不接触；上电极23的数量与信号线21的数量、驱动电极24数量相同，每个上电极23对应一条信号线21和一个驱动电极22，每个上电极23设置在功分器25上且同时位于每条信号线21和每个驱动电极24的上方；两个MEMS单刀多掷开关20通过功分器25连接；每个空气桥26位于地线22表面且横跨信号线21，从而空气桥26将信号线21两侧的地线22连接。
具体地，衬底10作为多刀多掷开关的载体结构，承载两个MEMS单刀多掷开关20；衬底10的形状为长方体，其材料包括但不限于陶瓷、玻璃及高阻硅等。信号线21、地线22、上电极23、驱动电极24、功分器25和空气桥26的材料包括但不限于金、铝及铂等。
信号线21、驱动电极24、上电极23的数量为至少两个，例如2个、3个、4个等；本实施例中，信号线21、驱动电极24、上电极23的数量均为4个。进一步地，信号线21在空气桥26的横跨位置处采用弯折结构，以使得多条信号线21的端部均指向功分器25。
在一个具体实施例中，地线22等间距分布在信号线21的两侧，即地线22的边缘与信号线21的边缘之间的距离均是相等的。
请参见图3、图4和图5，图3为本发明实施例提供的一种基于RF MEMS开关的多刀多掷开关中开关结构的示意图，图4为本发明实施例提供的一种基于RF MEMS开关的多刀多掷开关中开关结构的俯视图，图5为本发明实施例提供的一种基于RF MEMS开关的多刀多掷开关中上电极悬臂梁的结构示意图。
本实施例中，上电极23和驱动电极24共同形成了开关结构。
其中，上电极23包括上电极悬臂梁231、第一锚点232、至少两个触点233和第一释放孔阵列234，其中，第一锚点232设置在功分器25上，至少两个触点233间隔设置在信号线21的表面上，每条信号线21上都设置有触点233，上电极悬臂梁231设置在第一锚点232上且位于触点233的上方，第一释放孔阵列234分布在上电极悬臂梁231上。
本实施例中，采用多个触点233可以有效增强上电极23与触点233之间的接触，避免MEMS开关由于虚结引起的可靠性问题，触点233的数量越多，MEMS开关的可靠性越高；然而，触点233的数量越多，器件的尺寸越大，因此，综合考虑MEMS开关的可靠性和器件尺寸，触点233的数量优选为2个，即采用双触点结构。具体地，触点233的形状包含但不仅限于长方体、圆柱体、半球体、圆锥体等。
在一个具体实施例中，第一释放孔阵列234包括多个呈阵列分布的第一释放孔，第一释放孔阵列234的排数为1～6排，列数为1～8列，每行或每列第一释放孔的间距为4-8μm，每个第一释放孔的直径为4-10μm。
请参见图5和图6，图6为本发明实施例提供的一种驱动电极的结构示意图。驱动电极24包括电极241、引出线242和焊盘(pad)243，其中，电极241位于信号线21的端部和功分器25之间且位于悬臂梁231的下方；引出线242的一端连接电极241，另一端连接焊盘(pad)243，实现电极241和焊盘(pad)243的互连；地线22位于引出线242的两侧且将焊盘(pad)243包围起来，从而使得驱动电极24两侧的地线共地。
具体地，焊盘(pad)243为长方形结构。电极241可以为长方体，也可以为凸字形结构。优选地，电极241为凸字形结构，凸字形结构的凸出部分位于两个触点233之间。可以理解的是，当触点233采用双触点结构时，两个触点233下方的信号线为凹字形结构，此时凸字形电极241的凸出部分与凹字形结构凹凸匹配。电极241采用凸字形结构可以增大驱动电极的面积，降低驱动电压。
请参见图7，图7为本发明实施例提供的一种功分器的结构示意图。功分器25包括若干第一分支251和第二分支252，若干第一分支251和第二分支252形成星型结构，若干第一分支251与若干信号线21一一对应，两个MEMS单刀多掷开关20通过第二分支252连接。
本实施例中，第一分支251的数量与信号线21的数量相同，每条信号线21对应一第一分支251，多个第一分支251和第二分支252共同形成星型结构；具体地，相邻两个分支形成的夹角可以相等，也可以不等，优选地，相邻两个分支之间形成的夹角相等。例如，当信号线21的数量为4条时，第一分支的数量也为4个，4个第一分支251和第二分支252共同形成星型结构，相邻两个分支之间的夹角为72°。
进一步，两个MEMS单刀多掷开关20通过第二分支252连接，使得两个MEMS单刀多掷开关20形成镜像结构。
请参见图8和图9，图8为本发明实施例提供的一种基于RF MEMS开关的多刀多掷开关中空气桥的结构示意图，图9为本发明实施例提供的一种基于RF MEMS开关的多刀多掷开关中空气桥的俯视图。空气桥26包括固支悬臂梁261、第二锚点262、第三锚点263和第二释放孔阵列264，其中，第二锚点262设置在地线22上且位于信号线21的一侧，第三锚点263设置在地线22上且位于信号线21的另一侧，固支悬臂梁261设置在第二锚点262和第三锚点263上以横跨信号线21，第二释放孔阵列264分布在固支悬臂梁261表面上。
本实施例中，在地线表面设置横跨信号线的空气桥，将被信号线隔断的地线连接起来，实现地线的共地。
在一个具体实施例中，驱动电极24和第二分支252的上方可以设置空气桥26，也可以不设置空气桥26，优选的驱动电极24和第二分支252的上方不设置空气桥26。
在一个具体实施例中，第二释放孔阵列264包括多个呈阵列分布的第二释放孔，第二释放孔阵列264的排数为1～6排，列数为1～12列，每行或每列第二释放孔的间距为6-10μm，每个第二释放孔的直径为6-10μm。
请参见图10，图10为本发明实施例提供的一种基于RF MEMS开关的四刀四掷开关的原理图。以四刀四掷开关为例，此时每个MEMA单刀多掷开关中信号线21的数量、上电极23的数量、驱动电极24的数量、第一分支251的数量均为4个，其中一个MEMA单刀多掷开关的4条信号线21作为射频信号RF in 的4个输入端即Port1、Port2、Port3、Port4，另一个MEMA单刀多掷开关的4条信号线21作为4个输出端Port5、Port6、Port7、Port8，输出射频信号RFout 。
具体地，当驱动电极24施加驱动电压时，所述某一路上电极23受到静电力的作用，使得上电极23向信号线21方向弯曲，并与触点233接触，此时，某一位MEMS开关处于导通状态；当分别向四刀四掷开关两侧驱动电极24分别施加驱动电压时，四刀四掷开关处于导通状态，输入信号由开关导通的通路输出；当撤去驱动电压时，上电极24复位，MEMS开关处于断开状态。
请参见图11，图11为本发明实施例提供的一种基于RF MEMS开关的四刀四掷开关的插入损耗仿真结果图。由图11可以看出，在DC～26.5GHz频率范围内，其插入损耗优于1.19dB。
请参见图12，图12为本发明实施例提供的一种基于RF MEMS开关的四刀四掷开关的隔离度仿真结果图。由图12可以看出，在DC～26.5GHz频率范围内，其隔离度优31.75dB。
请参见图13，图13为本发明实施例提供的一种基于RF MEMS开关的四刀四掷开关的驻波比仿真结果图。由图13可以看出，在DC～26.5GHz频率范围内，其驻波比小于1.7。
本实施例的多刀多掷开关通过将两个MEMS单刀多掷开关级联，触点采用多触点结构，上电极悬臂梁通过第一锚点固定在信号线上，结合星型功分器，实现了基于MEMS的四刀四掷开关的设计；采用MEMS开关作为器件的主体，可以有效减小器件的插入损耗，提高器件的隔离度，减小器件的尺寸，扩宽器件的工作频率，而将两个MEMS单刀多掷开关级联，可以实现多通道信号的选通功能。
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)
1.一种基于RF MEMS开关的多刀多掷开关，其特征在于，包括：
衬底(10)；
设置在所述衬底(10)上且级联的两个MEMS单刀多掷开关(20)；
所述MEMS单刀多掷开关(20)包括若干信号线(21)、地线(22)、若干上电极(23)、若干驱动电极(24)、功分器(25)和若干空气桥(26)，其中，所述若干信号线(21)和所述若干驱动电极(24)均分布于所述衬底(10)的表面，所述地线(22)位于所述衬底(10)上且设置在所述若干信号线(21)的两侧以及所述驱动电极(24)的周侧，所述功分器(25)设置在所述衬底(10)上，所述功分器(25)包括若干第一分支(251)和第二分支(252)，所述若干第一分支(251)和所述第二分支(252)形成星型结构，所述若干第一分支(251)与每条所述信号线(21)连接，两个所述MEMS单刀多掷开关(20)通过所述第二分支(252)连接，每个所述驱动电极(24)的端部位于每条所述信号线(21)和所述功分器(25)之间，每个所述上电极(23)设置在所述功分器(25)上且同时位于每条所述信号线(21)和每个所述驱动电极(24)的上方，两个所述MEMS单刀多掷开关(20)通过所述功分器(25)连接，每个所述空气桥(26)位于所述地线(22)表面且横跨所述信号线(21)。
2.根据权利要求1所述的基于RF MEMS开关的多刀多掷开关，其特征在于，所述若干信号线(21)的数量、所述若干上电极(23)的数量、所述若干驱动电极(24)的数量均为4个。
3.根据权利要求1所述的基于RF MEMS开关的多刀多掷开关，其特征在于，所述信号线(21)在所述空气桥(26)的横跨位置处采用弯折结构。
4.根据权利要求1所述的基于RF MEMS开关的多刀多掷开关，其特征在于，所述上电极(23)包括上电极悬臂梁(231)、第一锚点(232)、至少两个触点(233)和第一释放孔阵列(234)，其中，
所述第一锚点(232)设置在所述功分器(25)上，所述至少两个触点(233)间隔设置在所述信号线(21)上，所述上电极悬臂梁(231)设置在所述第一锚点(232)上且位于所述触点(233)的上方，所述第一释放孔阵列(234)分布在所述上电极悬臂梁(231)上。
5.根据权利要求4所述的基于RF MEMS开关的多刀多掷开关，其特征在于，所述第一释放孔阵列(234)包括多个呈阵列分布的第一释放孔，所述第一释放孔阵列(234)的排数为1～6排，列数为1～8列，每行或每列所述第一释放孔的间距为4-8μm，每个所述第一释放孔的直径为4-10μm。
6.根据权利要求4所述的基于RF MEMS开关的多刀多掷开关，其特征在于，所述驱动电极(24)包括电极(241)、引出线(242)和焊盘(243)，其中，
所述电极(241)位于所述信号线(21)的端部和所述功分器(25)之间且位于所述悬臂梁(231)的下方；
所述引出线(242)的一端连接所述电极(241)，另一端连接所述焊盘(243)。
7.根据权利要求6所述的基于RF MEMS开关的多刀多掷开关，其特征在于，所述电极(241)为凸字形结构，所述凸字形结构的凸出部分位于所述触点(233)之间。
8.根据权利要求1所述的基于RF MEMS开关的多刀多掷开关，其特征在于，所述空气桥(26)包括固支悬臂梁(261)、第二锚点(262)、第三锚点(263)和第二释放孔阵列(264)，其中，
所述第二锚点(262)设置在所述地线(22)上且位于所述信号线(21)的一侧，所述第三锚点(263)设置在所述地线(22)上且位于所述信号线(21)的另一侧，所述固支悬臂梁(261)设置在所述第二锚点(262)和所述第三锚点(263)上以横跨所述信号线(21)，所述第二释放孔阵列(264)分布在所述固支悬臂梁(261)上。
9.根据权利要求8所述的基于RF MEMS开关的多刀多掷开关，其特征在于，所述第二释放孔阵列(264)包括多个呈阵列分布的第二释放孔，所述第二释放孔阵列(264)的排数为1～6排，列数为1～12列，每行或每列所述第二释放孔的间距为6-10μm，每个所述第二释放孔的直径为6-10μm。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| TA01 | Transfer of patent application right | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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