CN115662846A - 高隔离度低启动电压串联接触式双臂悬梁mems开关 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高隔离度低启动电压串联接触式双臂悬梁MEMS开关，包括衬底、及第一CPW传输线、第二CPW传输线、第三CPW传输线、第一悬臂开关结构与第二悬臂开关结构，第三CPW传输线设在衬底上且位于第一CPW传输线与第二CPW传输线之间的位置；第一悬臂开关结构的一端与第一CPW传输线相连，另一端与第三CPW传输线的一端相连；第二悬臂开关结构的一端与第二CPW传输线相连，另一端与第三CPW传输线的另一端相连。本发明应用于微电子机械领域，通过降低上电极和驱动电极的间隙有效降低驱动电压的同时，还通过串联单悬臂开关两级级联的方式实现了高隔离度，使MEMS开关能更好地支撑射频系统的应用。

Description

高隔离度低启动电压串联接触式双臂悬梁MEMS开关

技术领域

本发明涉及射频微电子机械系统技术领域，具体是一种高隔离度低启动电压串联接触式双臂悬梁MEMS开关。

背景技术

射频开关凭借其独特的优越性被广泛地运用于集成电路设计等诸多领域,在集成电路设计方面，射频开关的高隔离度可以降低元件之间性能的相互影响，从而提高集成电路的效果，而低驱动电压则可以减低消耗功率，从而减低集成电路的设计成本。射频开关因为其控制微波信号通道转换的作用，被经常用于射频通路的设计，起着至关重要的作用。此外，射频开关还被运用在卫星通信系统或集线器中，作为信号转换单元使用。

目前，集成电路中广泛应用的开关电路是传统的射频MEMS开关，这种类型的开关采用单悬梁臂结构，其结构如下图1所示。该开关包含电路衬底001、与其他射频电路连接的输入/输出端CPW传输线002、驱动电极003、上电极004、两电极间的绝缘层005、导通时上下点极的接触点006。开关工作时，驱动电极上的电压信号作为控制信号控制开关的通断。驱动电压为0时，上电极与接触点分离，两边的CPW传输线断开，即开关处于断开的状态；当驱动电压逐渐增大时，由于引力上电极的右端逐渐靠近接触点；当驱动电压达到开关闭合电压时，上电极的右端与接触点接触，左右CPW传输线连接在一起，开关处于闭合状态；当驱动电压消失时，开关上电极右端再次向上拉起回复原状，开关再次断开。

对于射频开关而言，最重要的性能参数是隔离度、插入损耗、回波损耗以及驱动电压。于图1中的单悬臂MEMS开关而言，驱动电压控制开关的通断，而开关的性能主要由电极参数决定。上电极与驱动电极之间的距离要足够大，通过“上电极-接触点”耦合路径耦合的信号弱，才能使开关断开时两端CPW传输线之间的耦合尽量小，方可实现开关断开时的高隔离度。然而，上电极与驱动电极之间距离的增大又会带来其它问题，如上电极与接触点接触所需的驱动电压大幅增大，导致开关闭合时的驱动电压过大，而减少驱动电极与上电极的间隙，虽然可有效降低驱动电压，但是输入端与输出端的隔离度会随之大幅降低。传统的单悬臂MEMS开关的驱动电压可达到10V甚至更高，才能获得高隔离度，其驱动电路复杂，难以同时实现高隔离度与低驱动电压。

发明内容

针对上述现有技术中传统的单悬臂射频MEMS开关驱动电压较高的问题，本发明提供一种高隔离度低启动电压串联接触式双臂悬梁MEMS开关，可同时实现高隔离度与低驱动电压，使设计的射频MEMS开关能更好地支撑射频系统的应用。

为实现上述目的，本发明提供一种高隔离度低启动电压串联接触式双臂悬梁MEMS开关，包括衬底以及间隔设在所述衬底上的第一CPW传输线与第二CPW传输线；

还包括第三CPW传输线、第一悬臂开关结构与第二悬臂开关结构，所述第三CPW传输线设在所述衬底上且间隔位于所述第一CPW传输线与所述第二CPW传输线之间的位置；

所述第一悬臂开关结构的一端与所述第一CPW传输线相连，所述第一悬臂开关结构的另一端与所述第三CPW传输线的一端相连；

所述第二悬臂开关结构的一端与所述第二CPW传输线相连，所述第二悬臂开关结构的另一端与所述第三CPW传输线的另一端相连。

在其中一个实施例，所述第一悬臂开关结构包括第一锚点、第一驱动电极、第一上电极与第一接触点；

所述第一驱动电极设在所述衬底上，且所述第一驱动电极间隔位于所述第一CPW传输线与所述第三CPW传输线之间；

所述第一锚点设在所述第一CPW传输线上朝向所述第三CPW传输线的一端，所述第一接触点位于所述第三CPW传输线上朝向所述第一CPW传输线的一端；

所述第一上电极的一端与所述第一锚点相连，另一端位于所述第一接触点的正上方，且所述第一驱动电极位于所述第一上电极中部的正下方。

在其中一个实施例，所述第二悬臂开关结构包括第二锚点、第二驱动电极、第二上电极与第二接触点；

所述第二驱动电极设在所述衬底上，且所述第二驱动电极间隔位于所述第二CPW传输线与所述第三CPW传输线之间；

所述第二锚点设在所述第二CPW传输线上朝向所述第三CPW传输线的一端，所述第二接触点位于所述第三CPW传输线上朝向所述第二CPW传输线的一端；

所述第二上电极的一端与所述第二锚点相连，另一端位于所述第二接触点的正上方，且所述第二驱动电极位于所述第二上电极中部的正下方。

在其中一个实施例，所述第一悬臂开关结构还包括第一绝缘层，所述第二悬臂开关结构还包括第二绝缘层；

所述第一绝缘层设在所述第一驱动电极与所述第一上电极之间，所述第二绝缘层设在所述第二驱动电极与所述第二上电极之间。

在其中一个实施例，所述MEMS开关为左右对称结构，且对称部分的物理结构以及尺寸参数均相同。

在其中一个实施例，所述第一驱动电极与所述第二驱动电极的驱动电压设计过程为：

当驱动电极施加驱动电压时，上电极的受力为静电力与形变机械回复力的共同作用；

所述静电力F_e为：

式中，V为驱动电极施加的驱动电压，C(g)为驱动电极与上电极之间间隙为g时两电极间的距离，ε为空气介电常数，A为驱动电极与上电极级的正对面积；

所述形变机械回复力F₀为：

F₀＝kx

式中，k为上电极自由端的弹性系数，x为上电极自由端的位移；

当所述静电力与所述形变机械回复力一致时，可得到此时的驱动电压为：

式中，g₀为驱动电极与上电极之间的初始间隙；

定义

时对应的电压为临界驱动电压，可得到驱动电压为：

式中，V_p为所述第一上电极或所述第二上电极的驱动电压，E为所述第一上电极或所述第二上电极材料的杨氏模量，t为所述第一上电极或所述第二上电极材料的厚度，w为所述第一上电极或所述第二上电极的宽度，l为所述第一上电极或所述第二上电极的长度。

在其中一个实施例，所述第一驱动电极、所述第二驱动电极、所述第一CPW传输线、所述第二CPW传输线与所述第三CPW传输线均由铜制成；

所述第一上电极与所述第二上电极均由金制成。

在其中一个实施例，所述衬底由石英、GaN或GaAs制成。

本发明提供的一种高隔离度低启动电压串联接触式双臂悬梁MEMS开关，通过将两个电极间隙减小的单悬臂MEMS开关串联得到串联接触式双臂悬梁MEMS开关，通过降低上电极和驱动电极的间隙有效降低驱动电压的同时，还通过串联单悬臂开关两级级联的方式实现了高隔离度，使设计的射频MEMS开关能更好地支撑射频系统的应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为现有技术中传统射频MEMS开关的结构示意图；

图2为本发明实施例中MEMS开关的断开状态的结构示意图；

图3为本发明实施例中MEMS开关的闭合状态的结构示意图；

图4为本发明实施例中静电力和形变机械回复力示意图；

图5为本发明实施例中临界驱动电压随两电极之间间隙的变化示意图；

图6为本发明实施例中示例的MEMS开关尺寸示意图；

图7为本发明实施例中开关在断开状态下的仿真结果图；

图8为本发明实施例中开关在闭合状态下的仿真结果图。

附图标号：

电路衬底001、与其它射频电路连接的输入/输出端CPW传输线002、驱动电极003、上电极004、两电极间的绝缘层005、导通时上下点极的接触点006；

衬底1、第一CPW传输线2、第二CPW传输线3、第三CPW传输线4、第一锚点501、第一驱动电极502、第一上电极503、第一接触点504、第一绝缘层505、第二锚点601、第二驱动电极602、第二上电极603、第二接触点604、第二绝缘层605。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其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至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

如图2-3所示为本实施例公开的一种高隔离度低启动电压串联接触式双臂悬梁MEMS开关，包括衬底1以及间隔设在衬底1上的第一CPW传输线2、第二CPW传输线3，其中，第一CPW传输线2与第二CPW传输线3用于与其它射频电路的输入/输出端电连接。该MEMS开关还包括第三CPW传输线4、第一悬臂开关结构与第二悬臂开关结构，具体地：

第三CPW传输线4设在衬底1上且间隔位于第一CPW传输线2与第二CPW传输线3之间的位置，即第三CPW传输线4与第一CPW传输线2、第二CPW传输线3之间均具有间隔，且第三CPW传输线4与第一CPW传输线2之间的间隔长度等于第三CPW传输线4与第二CPW传输线3之间的间隔长度。第一悬臂开关结构的一端与第一CPW传输线2相连，第一悬臂开关结构的另一端与第三CPW传输线4的一端相连；第二悬臂开关结构的一端与第二CPW传输线3相连，第二悬臂开关结构的另一端与第三CPW传输线4的另一端相连。

第一悬臂开关结构包括第一锚点501、第一驱动电极502、第一上电极503、第一接触点504与第一绝缘层505。第一驱动电极502固定设在衬底1上，且第一驱动电极502间隔位于第一CPW传输线2与第三CPW传输线4之间，即第一驱动电极502与第一CPW传输线2、第三CPW传输线4之间均具有间隔。第一锚点501固定设在第一CPW传输线2上且靠近第三CPW传输线4的位置，第一接触点504固定设在第三CPW传输线4上且靠近第一CPW传输线2的位置，第一上电极503的一端与第一锚点501相连，另一端位于第一接触点504的正上方，且第一驱动电极502位于第一上电极503中部的正下方。第一绝缘层505设在第一驱动电极502与第一上电极503之间，在具体实施过程中，第一绝缘层505固定覆盖在第一驱动电极502的顶部。

第二悬臂开关结构包括第二锚点601、第二驱动电极602、第二上电极603、第二接触点604与第二绝缘层605。第二驱动电极602固定设在衬底1上，且第二驱动电极602间隔位于第二CPW传输线3与第三CPW传输线4之间，即第二驱动电极602与第二CPW传输线3、第三CPW传输线4之间均具有间隔。第二锚点601固定设在第二CPW传输线3上且靠近第三CPW传输线4的位置，第二接触点604固定设在第三CPW传输线4上且靠近第二CPW传输线3的位置，第二上电极603的一端与第二锚点601相连，另一端位于第二接触点604的正上方，且第二驱动电极602位于第二上电极603中部的正下方。第二绝缘层605设在第二驱动电极602与第二上电极603之间，在具体实施过程中，第二绝缘层605固定覆盖在第二驱动电极602的顶部。

本实施例中，衬底1采用集成电路通用衬底1，例如由石英、GaN或GaAs等材料制成。第一驱动电极502、第二驱动电极602、第一CPW传输线2、第二CPW传输线3与第三CPW传输线4均由铜制成，第一上电极503与第二上电极603均由金制成，第一绝缘层505与第二绝缘层605采用Si₃N₄等绝缘材料制成。

本实施例中的MEMS开关为左右对称结构，且对称部分的物理结构以及尺寸参数均相同，其工作原理为：

当开关工作时，第一驱动电极502、第二驱动电极602上完全相等的两个电压信号作为控制信号控制开关的通断。第一驱动电极502、第二驱动电极602的驱动电压为0时，第一上电极503与第一接触点504完全分离且第二上电极603与第二接触点604完全分离，使第一CPW传输线2与第二CPW传输线3之间处于断开状态，即开关处于断开的状态，开关断开状态结构如图2所示；当第一驱动电极502、第二驱动电极602上两个完全相同的驱动电压逐渐同步增大时，由于引力作用，第一上电极503的右端(即第一上电极503的自由端)、第二上电极603的左端(即第二上电极603的自由端)逐渐以相同程度分别靠近第一接触点504、第二接触点604；当第一驱动电极502、第二驱动电极602上两个完全相同的驱动电压达到开关闭合电压时，第一上电极503的右端以及第二上电极603的左端分别与第一接触点504、第二接触点604同时接触，第一CPW传输线2与第二CPW传输线3通过第一上电极503、第一接触点504、第三CPW传输线4、第二接触点604、第二上电极603连接在一起，开关处于闭合状态，开关闭合状态结构如图3所示；当第一驱动电极502、第二驱动电极602上的两个驱动电压同时消失时，第一上电极503的右端和第二上电极603的左端再次向上拉起回复原状，开关再次断开。

由于采用了双单悬臂开关两级级联的方式，因此可以大幅减小上电极与驱动电极之间的间隙，上电极与接触点接触所需要的驱动电压也随之大幅减小。此时，更小的驱动电压便足以驱动开关进入闭合状态。在没有驱动电压时，上电极与接触点距离较近，结构中单个开关通过“上电极-接触点”耦合路径耦合的信号相对单悬臂要强。但是对于本实施例中提出的对称双臂悬梁整体结构而言，通过“上电极-接触点-上电极”耦合路径耦合的信号还是相当弱的，即开关两个端口的隔离度仍然很高。综合上述分析，本发明设计的双臂悬梁MEMS开关在实现低驱动电压的同时，可以实现高隔离度，使之在射频应用中具有更加广阔的应用前景。

本实施例中，对于第一驱动电极502与第二驱动电极602的驱动电压设计过程为：

当驱动电极施加驱动电压时，上电极的受力为静电力与形变机械回复力的共同作用，即如图4所示；

静电力F_e为：

式中，V为驱动电极施加的驱动电压，C(g)为驱动电极与上电极之间间隙为g时两电极间的距离，ε为空气介电常数，A为驱动电极与上电极级的正对面积；

形变机械回复力参考胡克定律来计算，即形变机械回复力F₀为：

F₀＝kx

式中，

为采用集中载荷于自由端对应弹性系数，E为上电极材料的杨氏模量，t为上电极材料的厚度，w为上电极的宽度，l为上电极的长度，x为上电极自由端的位移；

当静电力与形变机械回复力一致时，可得到此时的驱动电压为：

式中，g₀为驱动电极与上电极之间的初始间隙；

定义

时对应的电压为临界驱动电压，可得到不同尺寸面积所对应的驱动电压为：

式中，V_p为第一驱动电极502或第二驱动电极602的驱动电压。由此可见，为减少驱动电压，可通过减少驱动电极与上电极之间的间隙、上电极厚度，或增加驱动电极与上电极之正对长度两种方法来实现。图5显示的临界驱动电压随驱动电极与上电极之间间隙的变化示意图，仿真时采用1.5um厚、材料为金的上电极，上电极与驱动电极正对的长度为170um。由图5可知，当g＝2.5um时，临界驱动电压约为6.5V；当g＝0.5um时，临界驱动电压约为0.5V。

下面结合仿真示例对本发明中的MEMS作出进一步说明。

如图6所示，该仿真示例中，衬底1的厚度为100um，第一CPW传输线2、第二CPW传输线3的厚度均为1.5um，第一上电极503、第二上电极603的长度均为320um，第一上电极503、第二上电极603的厚度均为1.5um，第一上电极503与第一驱动电极502正对的长度、第二上电极603与第二驱动电极602正对的长度均为170um，第一绝缘层505、第二绝缘层605的厚度均为0.5um，第一锚点501、第二锚点601的高度均为2um，第一接触点504、第二接触点604的高度均为0.5um，第一驱动电极502、第二驱动电极602的厚度均为1.5um。第一上电极503与第一驱动电极502之间的间隙h、第二上电极603与第二驱动电极602之间的间隙h为2.5um或0.5um。

由于本发明中的MEMS开关为互易器件，所以其S参数矩阵具有对称性。在闭合状态下，S21/S12表示开关在闭合状态下的传输特性，S11与S22分别表示开关在闭合状态下两个端口的反射特性；在断开状态下，S21/S12表示开关在断开状态下的隔离度，S11与S22分别表示开关在断开状态下两个端口的反射特性。

开关在断开状态下的仿真结果如图7所示。由图7所示的仿真结果可知：在2-18GHz频段内，当间隙h＝2.5um，开关的S21小于-15dB，说明开关在断开状态下具备高隔离度。

开关在闭合状态下的仿真结果如图8所示。由图8所示的仿真结果可知：在2-18GHz频段内，当间隙h＝0.5um时，开关的S21大于-0.39dB，说明开关在闭合状态下具有极小的插入损耗；S11小于-17.5dB，说明开关在闭合状态下具有极小的回波损耗。

上述两个状态下的仿真结果说明，本发明设计的串联接触式双臂悬梁MEMS开关具有良好的开关特性。较小的上下电极间隙又可以实现低驱动电压。所以，本发明设计的串联接触式双臂悬梁MEMS开关具备低驱动电压、高隔离度等良好的开关特性，适用于集成电路设计、射频微波系统等领域。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种高隔离度低启动电压串联接触式双臂悬梁MEMS开关，包括衬底以及间隔设在所述衬底上的第一CPW传输线与第二CPW传输线；

其特征在于，还包括第三CPW传输线、第一悬臂开关结构与第二悬臂开关结构，所述第三CPW传输线设在所述衬底上且间隔位于所述第一CPW传输线与所述第二CPW传输线之间的位置；

所述第一悬臂开关结构的一端与所述第一CPW传输线相连，所述第一悬臂开关结构的另一端与所述第三CPW传输线的一端相连；

所述第二悬臂开关结构的一端与所述第二CPW传输线相连，所述第二悬臂开关结构的另一端与所述第三CPW传输线的另一端相连。

2.根据权利要求1所述的高隔离度低启动电压串联接触式双臂悬梁MEMS开关，其特征在于，所述第一悬臂开关结构包括第一锚点、第一驱动电极、第一上电极与第一接触点；

所述第一驱动电极设在所述衬底上，且所述第一驱动电极间隔位于所述第一CPW传输线与所述第三CPW传输线之间；

所述第一锚点设在所述第一CPW传输线上朝向所述第三CPW传输线的一端，所述第一接触点位于所述第三CPW传输线上朝向所述第一CPW传输线的一端；

所述第一上电极的一端与所述第一锚点相连，另一端位于所述第一接触点的正上方，且所述第一驱动电极位于所述第一上电极中部的正下方。

3.根据权利要求2所述的高隔离度低启动电压串联接触式双臂悬梁MEMS开关，其特征在于，所述第二悬臂开关结构包括第二锚点、第二驱动电极、第二上电极与第二接触点；

所述第二驱动电极设在所述衬底上，且所述第二驱动电极间隔位于所述第二CPW传输线与所述第三CPW传输线之间；

所述第二锚点设在所述第二CPW传输线上朝向所述第三CPW传输线的一端，所述第二接触点位于所述第三CPW传输线上朝向所述第二CPW传输线的一端；

所述第二上电极的一端与所述第二锚点相连，另一端位于所述第二接触点的正上方，且所述第二驱动电极位于所述第二上电极中部的正下方。

4.根据权利要求2所述的高隔离度低启动电压串联接触式双臂悬梁MEMS开关，其特征在于，所述第一悬臂开关结构还包括第一绝缘层，所述第二悬臂开关结构还包括第二绝缘层；

所述第一绝缘层设在所述第一驱动电极与所述第一上电极之间，所述第二绝缘层设在所述第二驱动电极与所述第二上电极之间。

5.根据权利要求3或4所述的高隔离度低启动电压串联接触式双臂悬梁MEMS开关，其特征在于，所述MEMS开关为左右对称结构，且对称部分的物理结构以及尺寸参数均相同。

6.根据权利要求5所述的高隔离度低启动电压串联接触式双臂悬梁MEMS开关，其特征在于，所述第一驱动电极与所述第二驱动电极的驱动电压设计过程为：

当驱动电极施加驱动电压时，上电极的受力为静电力与形变机械回复力的共同作用；

所述静电力F_e为：

式中，V为驱动电极施加的驱动电压，C(g)为驱动电极与上电极之间间隙为g时两电极间的距离，ε为空气介电常数，A为驱动电极与上电极级的正对面积；

所述形变机械回复力F₀为：

F₀＝kx

式中，k为上电极自由端的弹性系数，x为上电极自由端的位移；

当所述静电力与所述形变机械回复力一致时，可得到此时的驱动电压为：

式中，g₀为驱动电极与上电极之间的初始间隙；

定义

时对应的电压为临界驱动电压，可得到驱动电压为：

式中，V_p为所述第一上电极或所述第二上电极的驱动电压，E为所述第一上电极或所述第二上电极材料的杨氏模量，t为所述第一上电极或所述第二上电极材料的厚度，w为所述第一上电极或所述第二上电极的宽度，l为所述第一上电极或所述第二上电极的长度。

7.根据权利要求3或4所述的高隔离度低启动电压串联接触式双臂悬梁MEMS开关，其特征在于，所述第一驱动电极、所述第二驱动电极、所述第一CPW传输线、所述第二CPW传输线与所述第三CPW传输线均由铜制成；

所述第一上电极与所述第二上电极均由金制成。

8.根据权利要求3或4所述的高隔离度低启动电压串联接触式双臂悬梁MEMS开关，其特征在于，所述衬底由石英、GaN或GaAs制成。

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