CN115377631A

CN115377631A - 一种射频mems开关

Info

Publication number: CN115377631A
Application number: CN202211131029.4A
Authority: CN
Inventors: 邓中亮; 周嘉莉; 杨福兴; 邓琨; 王钰程; 赖承祺
Original assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2022-09-16
Filing date: 2022-09-16
Publication date: 2022-11-22
Anticipated expiration: 2042-09-16
Also published as: CN115377631B

Abstract

本发明提供一种射频MEMS开关，该开关包括：衬底；共面波导传输线，形成于所述衬底上，用于传输射频信号，并作为开关结构的下极板；共面波导接地结构，形成于所述衬底上，以与所述共面波导传输线组成共面波导结构，用于射频信号的接地；开关金属梁，其横跨在所述共面波导传输线上方；介质层，置于所述开关金属梁和共面波导传输线之间，用于与开关金属梁和共面波导传输线形成电容结构；凹槽结构，其位于所述开关金属梁两侧的共面波导传输线内用于实现开关阻抗匹配；以及直流馈电结构，其用于为所述开关金属梁引入直流偏置电压。

Description

一种射频MEMS开关

技术领域

本发明涉及射频技术领域，尤其涉及一种能够在DC-60GHz频率范围内工作的大带宽的静电驱动的电容式射频MEMS开关。

背景技术

随着移动终端设备的发展与5G普及商用，无线频谱资源越来越紧张，现代电子信息系统正朝着可重构、高频段方向发展，移动终端的发展需要有更小型、更低功耗的射频器件。传统的开关、滤波器、移相器等器件体积大，限制了系统尺寸的缩小。射频前端的需求量呈现爆发式增长：在个人通讯方面，手机每增加一个频段就会新增约2个滤波器、1个功率放大器和1个天线开关；在电信基础设施方面，全球基站数量正在快速上升。在这两方面的需求带动下，射频器件的数量呈现爆发式增长。RF MEMS(Radio Frequency Micro-electro-mechanical system，射频微机电系统)开关是实现MEMS可调滤波器的基础器件，制约可调滤波器的发展，采用MEMS开关的可调滤波器能够大幅减少射频前端器件数量，实现通信系统小型化。利用RF MEMS开关代替可重构天线中的传统开关，能够有效解决传统开关功耗高、插入损耗大、隔离度低等难题，使得可重构天线具有体积小、重量轻等显著优势。在微波、毫米波范围内，RF MEMS开关与传统电路技术实现的开关相比具有插入损耗低、高隔离度、线性化好、尺寸小、易集成、功耗低、质量轻等显著优点。此外RF MEMS器件还有功耗低、低制作成本等优势而越来越受到人们的重视，成为备受关注的研究热点。

RF MEMS开关是MEMS技术应用的一个重要方面；RF MEMS开关由机械部分(执行)和电学部分两部分组成，机械运动部分的驱动力可以采用静电、静磁、压电、或电热原理来提供，机械部分的运动方式有横向和纵向两种，这取决与开关的设计，纵向运动方式的开关尺寸相对较小；电学部分有串联和并联两种排列方式，接触方式有金属-金属接触和电容式接触两种。分别采用不同的组合，至少可以构建出32(4×2×2×2)种不同的开关，开关的分类如下：

(1)按驱动方式的不同可以分为：静电驱动、电热驱动、磁驱动、压电驱动的RFMEMS开关；

(2)按运动方式的不同可以分为：横向、垂直RF MEMS开关；

(3)按电路结构不同可以分为：串联、并联RF MEMS开关；

(4)按梁结构不同可以分为：悬臂结构、固支结构的RF MEMS开关；

(5)按接触类型的不同可以分为：基于接触欧姆、电容式的RF MEMS开关。

RF MEMS器件体积相对较小，基本上无质量，对加速度不敏感，没有直流功耗，可以在低成本硅或玻璃衬底上制造，可以在无线通讯、卫星(通讯和雷达)、机载(通讯和雷达)、仪器等领域发挥巨大的作用。它能应用在移相器、滤波器、可调电容\电感、系统级可重构天线、微波收发系统中。

静电驱动的RF MEMS开关的高隔离度、低驱动电压、大带宽难以同时实现。虽然有许多设计在大带宽下实现了更好的隔离，但代价是使用10-40V的高下拉电压，且静电驱动开关的电压较高会导致难集成的问题；目前有几个降低驱动电压的方法，但相应的这些方法的应用会带来副作用，如隔离度减小，开关寿命减小等问题；与此同时，也有很多开关仅在较窄的带宽范围内能实现良好的射频性能，但很少有开关能在5G的所有频率下工作，并且静电驱动的RF MEMS开关的回波损耗不太理想，传输线射频信号传输效率较低。因此，需要发展开关的新设计理论及加工工艺，研究新型的开关设计方法，研究出大带宽、高隔离度、低驱动电压的开关，以满足射频技术发展的需求。

发明内容

鉴于此，本发明实施例提供了一种射频MEMS开关，能够利用在共面波导传输线上设计凹槽结构来解决在共面波导结构中直接集成开关导致的阻抗匹配问题，具有高隔离度、低驱动电压和良好的回波损耗的优点。

本发明提供了一种射频MEMS开关，该开关包括：

衬底；

共面波导传输线，形成于所述衬底上，用于传输射频信号，并作为开关结构的下极板；

共面波导接地结构，形成于所述衬底上，以与所述共面波导传输线组成共面波导结构，用于射频信号的接地；

开关金属梁，其横跨在所述共面波导传输线上方；

介质层，置于所述开关金属梁和共面波导传输线之间，用于与开关金属梁横和共面波导传输线形成电容结构；

凹槽结构，其位于所述开关金属梁两侧的共面波导传输线内用于实现开关阻抗匹配；以及

直流馈电结构，其用于为所述开关金属梁引入直流偏置电压，在所述开关金属梁上施加有所述直流偏置电压的状态下，所述开关金属梁处于使射频信号截止的下态位置；在所述开关金属梁上未施加所述直流偏置电压的状态下，所述开关金属梁处于允许射频信号通过的上态位置。

在本发明的一些实施例中，所述直流馈电部分包括：高阻线、高阻线保护介质层和直流偏压极板；

所述高阻线一端连接至所述共面波导传输线，另一端连接所述直流偏压极板；

所述高阻线保护介质于所述高阻线外部。

在本发明的一些实施例中，所述凹槽结构为交错式矩形凹槽结构或开口谐振环形凹槽结构。

在本发明的一些实施例中，所述共面波导传输线的位于开关金属梁下方的部分宽度收窄，所述共面波导接地结构在所述开关金属梁下方的部分包括向远离所述共面波导传输线的方向凹进的凹进部。

在本发明的一些实施例中，所述射频MEMS开关还包括锚点，用于将所述开关金属梁固定于所述共面波导接地结构。

在本发明的一些实施例中，所述衬底为高阻硅或蓝宝石材料；所述共面波导结构和所述开关金属梁的材料为金。

在本发明的一些实施例中，所述开关金属梁为相对于所述共面波导传输线的横向中心线对称且相对于所述共面波导传输线的纵向中心线对称的结构。

在本发明的一些实施例中，所述开关金属梁上开有一个或多个圆孔。

在本发明的一些实施例中，所述介质层为氮化硅材料层；所述高阻线为铬线。

在本发明的一些实施例中，所述共面波导传输线上表面与所述开关金属梁下表面之间的距离为1-4μm。

本发明提供的一种射频MEMS开关，能够利用在共面波导传输线上设计凹槽结构来解决在共面波导结构中直接集成开关导致的阻抗匹配问题，并对共面波导传输线部分收窄并设计缺陷地结构，实现开关的高隔离度；采用锚点固定开关金属梁，从而减小开关的弹性系数，降低驱动电压。使得射频MEMS开关具有大带宽、高隔离度、低驱动电压、低插入损耗、良好的回波损耗、直接集成在共面波导上、微型化等优点。

本发明的附加优点、目的，以及特征将在下面的描述中将部分地加以阐述，且将对于本领域普通技术人员在研究下文后部分地变得明显，或者可以根据本发明的实践而获知。本发明的目的和其它优点可以通过在说明书以及附图中具体指出的结构实现到并获得。

本领域技术人员将会理解的是，能够用本发明实现的目的和优点不限于以上具体所述，并且根据以下详细说明将更清楚地理解本发明能够实现的上述和其他目的。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1为本发明一实施例中一种射频MEMS开关的结构示意图。

图2为本发明一实施例中一种射频MEMS开关剖面示意图。

图3为本发明一实施例中一种射频MEMS开关版图。

图4为本发明一实施例中一种射频MEMS开关尺寸示意图。

图5为本发明一实施例中锚点示意图。

图6为本发明一实施例中开口谐振环样式的凹槽结构图：(a)示意图，(b)等效电路图。

图7为本发明一实施例中一种射频MEMS开关等效电路图。

图8为本发明一实施例中凹槽结构位置改变的对比仿真示意图。

图9为本发明一实施例中凹槽结构位置改变的对比实验仿真结果示意图。

图10为本发明一实施例中交错式矩形凹槽结构的射频MEMS开关示意图。

图11为本发明一实施例中在HFSS中进行的仿真对比实验模型图：(a)无凹槽结构的开关；(b)交错式矩形凹槽结构的开关；(c)开口谐振环样式凹槽结构的开关。

图12为本发明一实施例中对比实验S参数测量结果示意图。

附图标记说明：

1：衬底 2：共面波导传输线 3：共面波导接地线

4：介质层 5：开关金属梁 6：锚点

7：凹槽结构 8：高阻线 9：高阻线保护介质层

10：直流偏压极板

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。

在此，还需要说明的是，如果没有特殊说明，术语“连接”在本文不仅可以指直接连接，也可以表示存在中间物的间接连接。

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。

针对现有技术中高隔离度、低驱动电压和大带宽难以同时实现的问题，本发明提供了一种射频MEMS开关，能够利用在传输线上设计凹槽结构来解决在CPW(CoplanarWaveguide，共面波导)结构中直接集成开关导致的阻抗匹配问题，并对共面波导传输线部分收窄并设计缺陷地结构，实现开关的高隔离度；采用锚点固定开关金属梁，从而减小开关的弹性系数，降低驱动电压，使得射频MEMS开关具有大带宽、高隔离度、低驱动电压、低插入损耗、良好的回波损耗、直接集成在共面波导上、微型化等优点。

隔离度被定义为泄露到其他端口的射频信号的功率与输入功率的比值，单位可以是分贝(dB)；隔离度是衡量开关质量的一个指标，当开关合格时，端口之间隔离良好，信号泄露最小。

回波损耗是输入功率与反射功率之比，单位可以是分贝(dB)。

插入损耗是由于在传输系统中插入组件或者设备导致的负载功率的损失，表示为输入功率与传送到负载的功率之比，单位可以是分贝(dB)。

带宽用来标识传输信号所占有的频率宽度，这个宽度由传输信号的最高频率和最低频率决定，两者之差就是带宽值，因此又被称为信号带宽或者载频带宽，单位可以是赫兹(Hz)。

共面波导由在介质基片的一个面上制作出中心导体带，并紧邻中心导体带的两侧制作出导体平面构成，共面波导传播的是TEM波，没有截止频率。

图1为本发明一实施例中一种射频MEMS开关的结构示意图，图2为本发明一实施例中一种射频MEMS开关剖面示意图，图3为本发明一实施例中一种射频MEMS开关版图。结合如图1、图2和图3所示，本发明提供的射频MEMS开关包括：直流馈电结构、衬底和集成在衬底上的共面波导传输线、共面波导地线、开关金属梁、介质层及凹槽结构。衬底用于提供开关结构的介质，实现支撑和固定开关结构的作用；共面波导传输线，形成于衬底上，用于传输射频信号，并作为开关结构的下极板，并且共面波导传输线的位于开关金属梁下方的部分宽度收窄，而共面波导接地结构在所述开关金属梁下方的部分包括向远离所述共面波导传输线的方向凹进的凹进部，所述共面波导接地结构，形成于衬底上，以与共面波导传输线组成共面波导结构，用于射频信号的接地；开关金属梁横跨在共面波导传输线上方；介质层置于开关金属梁和共面波导传输线之间，用于与开关金属梁和共面波导传输线形成电容结构；凹槽结构位于开关金属梁两侧的共面波导传输线内用于实现开关阻抗匹配。直流馈电结构包括：高阻线、高阻线保护介质层和直流偏压极板，其用于为开关金属梁引入直流偏置电压，当无电压加载在直流偏压极板时，开关金属梁处于上态，此时射频信号通过；当直流电压加载在直流偏压极板上，开关金属梁处于高电压状态，被静电力拉到下态，与介质层接触，此时射频信号截止，通过控制下拉电极在零电压状态与高电压状态之间的切换来控制开关金属梁的上下移动，实现开关的通断；高阻线一端连接至所述共面波导传输线，另一端连接直流偏压极板，实现直流电压的引入，同时防止开关金属梁上的射频信号泄露至直流控制端的作用；高阻线保护介质覆盖在所述高阻线的上方，用于对高阻线的绝缘和保护。

在本发明一实施例中，如图1所示，其开关金属梁采用“工形”折叠梁，所述“工形”为相对于共面波导传输线的横向中心线对称且相对于共面波导传输线的纵向中心线对称的结构，采用“工形”折叠梁能够延长梁的尺寸，降低梁的弹性系数，从而降低驱动电压，而普通折叠式支撑梁的电感较大，会影响开关性能。为了减小射频开关的压膜阻尼，增大开关的速度，其开关金属梁上开有一个或多个圆孔，在本发明实施例中，其射频开关的开关金属梁上共开有15个圆孔，其15个圆孔仅为示例，本发明不仅限于此。

图4所示为本发明一实施例中一种射频MEMS开关尺寸示意图，所述开关的关键尺寸如表1所示，其中空气间隙高度是指共面波导传输线上表面与开关金属梁下表面之间的距离为1-4μm，该距离会因为开关金属梁高度的变化而改变；介质层由氮化硅制成，其厚度为0.15μm，电介质常数为7.6；共面波导的材质为金，其厚度为2μm；开关金属梁的材质也为金，其厚度为2μm；用于支撑和固定射频开关的衬底由高阻硅制成，也可以采用蓝宝石等其他合适做衬底的材质；用于防止开关金属梁上是射频信号泄露至直流控制端的高阻线的材质为铬。本发明所采用的梁结构有宽窄的变化以及将降低弹性系数的折叠部分放在共面波导接地上方来降低结构的电感，其中在共面波导接地上方的梁宽度为10μm，在共面波导传输线与接地之间空隙上方的梁宽度为20μm，梁电感主要取决于位于共面波导间隔上方梁的电感，部分梁的宽度对梁弹性系数的影响十分微小，可以忽略不计。

表1开关的尺寸

如上参数仅为示例，本发明并不限于此，还可以基于具体的应用场景进行合理的调整。

在本发明一实施例中，所述射频MEMS开关还包括锚点，如图5所示，锚点与开关制作时直接为一体结构，直接连接在共面波导接地面上，并将开关金属梁固定在共面波导接地结构上，如表1所示的锚点的长、宽、高分别为120μm、40μm、4μm。

在本发明一实施例中，射频MEMS开关通过施加偏置电压可以改变开关金属梁的高度，继而改变开关金属梁与传输线之间的电容，即保持传输线不受干扰，或将开关金属梁连接到地；当无偏置电压时，即开关处于上态位置，并联开关导致小的插入损耗，此时开关保持在通态；当施加偏压时，开关保持关闭状态即开关处于下状态位置，射频信号截止，开关具有很大的隔离度。

在本发明一实施例中，射频MEMS开关通过在共面波导传输线上挖去开口谐振环样式的凹槽结构，其示意图如图6(a)所示，可以实现共面波导结构插入电容开关后的阻抗匹配，从而提高开关的回波损耗，增大射频信号的传输效率。当射频信号通过凹槽单元结构时，其等效电路图如图6(b)所示，L_b、C_b分别是凹槽结构的等效电感和等效电容，可以通过调整凹槽单元结构的位置和尺寸来改变其电容电感；将开口谐振环样式的凹槽结构插入开关的等效电路图如图7所示，其中，C_p是凹槽结构与接地平面形成的等效电容，Z₁和Z₂分别是不同段传输线的等效阻抗，C_s是开关的等效电容，L_s是开关的等效电感，R_s是开关的等效阻抗。当无电压加载在直流偏压极板上时，开关处于上态，等效电容C_s的电容较小，射频信号正常通过共面波导传输线传输，开关处于闭合状态，开关具有很小的插入损耗；当给直流偏压极板加载直流电压时，开关金属梁下拉至介质层，开关电容值会增大30～100倍，开关处于下态，射频信号通过电容Cs接地，形成了微波频率的短路，传输线上的信号截止，开关处于断开状态，此时开关具有很大的隔离度。

图8为本发明一实施例中凹槽结构位置改变的对比仿真示意图，如图8所示，凹槽结构位置与开关金属梁中心点的距离用a来表示，并分别取a＝[110，160]μm进行仿真，来研究凹槽结构位置的改变对开关的等效电阻的改变，其对比实验仿真结果如图9所示，基于图9可以得到凹槽结构位置的改变会使开关金属梁距离改变，导致Z₁与Z₂大小发生改变，即凹槽结构位置的改变使不同段传输线的等效电阻发生改变，但对开关的S参数影响较小，S参数可表征电阻、电感、电容、PCB线等无源网络在高频下呈现的射频和微波等方面的特性的电气行为参数，此处开关的S参数例如可包括回波损耗、隔离度、插入损耗等，如图9所示，up态S12表示射频开关的插入损耗，当凹槽结构位置与开关金属梁中心点的距离a从110μm变化到140μm时，其射频开关的插入损耗基本保持不变；down态S12表示射频开关的隔离度，当凹槽结构位置与开关金属梁中心点的距离a从110μm变化到140μm时，其射频开关的隔离度基本不变，仅仅是谐振频率(如图9中down态S12的极小值点)发生微小偏移；up态S11表示射频开关的回波损耗，当凹槽结构位置与开关金属梁中心点的距离a从110μm变化到140μm，其射频开关的回波损耗仅有微小变化，并且其谐振频率也仅仅发生微小偏移。

在本发明一实施例中，凹槽结构的形状还可以采用交错式矩形凹槽结构，如图10所示。基于凹槽结构形状的改变对射频MEMS开关的影响，本发明在HFSS中进行了无凹槽结构、交错式矩形凹槽结构和开口谐振环样式凹槽结构的射频MEMS开关的S参数仿真，其仿真对比实验模型图分别如图11(a)、(b)、(c)所示，其对比实验结果如图12所示，基于图12的实验结果可得：有凹槽结构的开关改善了无凹槽结构的开关的回波损耗(如图12中up态的S11所示)，并且有交错式矩形凹槽结构的开关在26.5-40GHz(Ka波段)的回波损耗表示十分优异，但在50GHz时回波损耗已经达到-10dB，所以该结构不适合用于50GHz以上频段；而具有开口谐振环样式的凹槽结构的开关，其回波损耗也得到了明显改善，并且在DC-60GHz的回波损耗表现优于无凹槽结构和有交错式矩形凹槽结构的开关。

本发明提出的射频MEMS开关结构，能够在下拉电压为6.5V、频率范围为DC-60GHz的环境下工作，在30GHz具有良好的隔离度(低于-39dB)，具有良好的插入损耗(-0.1dB)和良好的回波损耗(-22.25dB)。本发明所提出的共面波导传输线凹槽结构能够实现传输线阻抗匹配，从而增大回波损耗，提高信号传输效率。其中，凹槽结构的等效电容与电感的值可以通过改变凹槽结构的位置、尺寸以及形状来调节。

本发明提供的一种射频MEMS开关，能够利用在传输线上设计凹槽结构来解决在共面波导结构中直接集成开关导致的阻抗匹配问题，并对共面波导传输线部分收窄并设计缺陷地结构，实现开关的高隔离度；采用锚点固定开关金属梁，从而减小开关的弹性系数，降低驱动电压，使得射频MEMS开关具有大带宽、高隔离度、低驱动电压、低插入损耗、良好的回波损耗、直接集成在共面波导上、微型化等优点。

需要明确的是，本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定配置和处理。为了简明起见，这里省略了对已知方法的详细描述。在上述实施例中，描述和示出了若干具体的步骤作为示例。但是，本发明的方法过程并不限于所描述和示出的具体步骤，本领域的技术人员可以在领会本发明的精神后，作出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序。

本发明中，针对一个实施方式描述和/或例示的特征，可以在一个或更多个其它实施方式中以相同方式或以类似方式使用，和/或与其他实施方式的特征相结合或代替其他实施方式的特征。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种射频MEMS开关，其特征在于，该开关包括：

衬底；

开关金属梁，其横跨在所述共面波导传输线上方；

介质层，置于所述开关金属梁和共面波导传输线之间，用于与开关金属梁和共面波导传输线形成电容结构；

2.根据权利要求1所述的射频MEMS开关，其特征在于，所述直流馈电部分包括：高阻线、高阻线保护介质层和直流偏压极板；

所述高阻线保护介质于所述高阻线外部。

3.根据权利要求1所述的射频MEMS开关，其特征在于，

所述凹槽结构为交错式矩形凹槽结构或开口谐振环形凹槽结构。

4.根据权利要求1所述的射频MEMS开关，其特征在于，所述共面波导传输线的位于开关金属梁下方的部分宽度收窄，所述共面波导接地结构在所述开关金属梁下方的部分包括向远离所述共面波导传输线的方向凹进的凹进部。

5.根据权利要求1所述的射频MEMS开关，其特征在于，所述射频MEMS开关还包括锚点，用于将所述开关金属梁固定于所述共面波导接地结构。

6.根据权利要求1所述的射频MEMS开关，其特征在于，

所述衬底为高阻硅或蓝宝石材料；所述共面波导结构和所述开关金属梁的材料为金。

7.根据权利要求1所述的射频MEMS开关，其特征在于，所述开关金属梁为相对于所述共面波导传输线的横向中心线对称且相对于所述共面波导传输线的纵向中心线对称的结构。

8.根据权利要求7所述的射频MEMS开关，其特征在于，所述开关金属梁上开有一个或多个圆孔。

9.根据权利要求2所述的射频MEMS开关，其特征在于，所述介质层为氮化硅材料层；所述高阻线为铬线。

10.根据权利要求1所述的射频MEMS开关，其特征在于，所述共面波导传输线上表面与所述开关金属梁下表面之间的距离为1-4μm。