CN117317543A - 基于共用复合梁的小型太赫兹mems单刀四掷开关 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于共用复合梁的小型太赫兹MEMS单刀四掷开关，属于射频MEMS技术领域。其基于整体梁的单刀四掷开关由微带主馈线、分叉过渡结构、低损耗开关结构和微带输出线组成。MEMS开关由金属‑介质整体复合梁形成高隔离度对称结构，结合鹤形臂与共用折合臂使开关具有极小型化尺寸和低下拉电压，通过底部电极和共用梁金属部分之间电势差产生的静电力吸附，使梁的相应部分下拉，梁上金属触点使相应微带输出线导通；当其中一路MEMS开关线路导通，而其它线路MEMS开关断开时，即完成信号传递。该可重构开关由四个非对称单刀单掷开关单元通过对称紧凑排布而成，在超宽频带内具有高隔离度，在DC‑350GHz频段内通路反射系数小于‑15dB，带内插损小于1.8dB，隔离度大于15dB。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于共用复合梁的小型化太赫兹MEMS单刀四掷开关，主要应用在太赫兹频段的射频系统，属于射频MEMS技术领域。
背景技术
基于MEMS微机电结构的射频开关，由于其工作带宽宽、隔离度高、插入损耗小等优势，在覆盖微波频段的卫星通信前端、宽带网络系统以及雷达系统中具有广泛且重要的应用需求。世界范围内关于低频微波段MEMS开关的研究比较多，主要可分为悬臂梁开关与固支梁开关，高功率开关与低功率开关，单刀单掷开关与单刀多掷开关等多个门类。其中单刀多掷开关可以在使用开关梁数目最少的情况下完成射频信号通路的切换，为简化控制电路设计提供了新的维度，并实现了切换通路的小型化；但MEMS单刀多掷开关的缺点是高频截止频率较低，小型化困难，力学结构稳定性影响大。现今关于太赫兹频段MEMS开关的研究成果较少，太赫兹频段的单刀多掷MEMS开关则仍未有研究发表，射频性能和力学结构整体设计难度大；已出现的高频MEMS开关往往需要较大的梁尺寸才有较为理想的射频性能，结构往往简单，且高频通过性不理想。例如美国弗吉尼亚大学N.Scott Barker等人于2011年研制出的基于悬臂梁的直接接触式单刀四掷MEMS开关可覆盖至75GHz，并基于此开关研发了基于切换线的高频移相器，但该开关在75GHz处回波损耗仅13dB。随后2016年SelinTolunay Wipf在IEEE Microwave and Wireless Components Letters发表了利用SiGeBiCMOS工艺制备的D波段单刀双掷MEMS开关的论文，论文所述开关在140GHz可以实现1.42dB的插入损耗和54.5dB的隔离度，但是在170GHz隔离度将恶化到18.25dB，插入损耗也随之变大。N.Scott Barker等人在2022年又利用硅和熔融石英设计了基于共面波导的太赫兹悬臂梁开关；而工作在高频太赫兹的MEMS单刀多掷开关则仍未真正实现。
由于当前太赫兹MEMS开关存在结构尺寸较大、高频隔离度差、损耗大的缺点，目前难以达到在天线等射频器件上应用的要求。而太赫兹频段的MEMS开关目前还没有与单刀多掷小型化相关的研究出现。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明设计是基于共用复合梁的小型太赫兹MEMS单刀四掷开关，可以满足太赫兹频段射频通路切换的要求。所设计的开关具有小型化、截止频率高、插入损耗低、隔离度较高等特点。
为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
基于共用复合固支梁的小型化太赫兹MEMS单刀四掷开关，包括微带一级馈线1，梯形突出分叉结构2、电压偏置线组、异形MEMS开关和微带二级馈线20、21、22、23；
所述梯形突出分叉结构2主要由T型结功分器和两个梯形件构成，其中，两个梯形件与T型结功分器的两个末端一一对应；所述梯形件的下底边紧贴于T型结功分器末端的一侧，两个梯形件位于T型结功分器的同一侧且均与T型结功分器的输入端异侧；
所述微带一级馈线的输出端与T型结功分器的输入端连接；T型结功分器的末端和梯形件的上底边均通过异形MEMS开关与微带二级馈线一一连接，且异形MEMS开关与微带二级馈线一一对应；
四个异形MEMS开关共用同一弹性介质膜桥7，每一异形MEMS开关上的金属桥状通路和下拉金属梁均位于弹性介质膜桥的下表面；所述弹性介质膜桥和下拉金属梁均通过对应的金属桥墩支撑并悬空，且下拉金属梁的下方设有下拉电极；所述电压偏置线组与对应的下拉电极和金属桥墩连接；所述金属桥状通路的两端分别用于连接微带一级馈线和微带二级馈线；
属同一异形MEMS开关上的金属桥状通路和下拉金属梁相邻并且无接触。
进一步的，通过梯形件连接的微带二级馈线的初始段与微带一级馈线平行，与T型结功分器末端连接的微带二级馈线与微带一级馈线垂直；
其中，两个通过梯形件连接的微带二级馈线均弯折135°，且背离设置。
进一步的，所述金属桥状通路上方的弹性介质膜桥部分与金属桥状通路的长边垂直。
进一步的，两个与梯形件对应的异形MEMS开关共用下拉金属桥，共用下拉金属桥为日字型结构；
两个与T型结功分器对应的异形MEMS开关的下拉金属桥均为口字型结构。
进一步的，采用高频低损耗介质材料为衬底；采用耐腐蚀低电阻率金属材料作为金属梁；采用低弹性系数的化合物介质材料作为介质膜桥；金属梁通过牺牲层技术制得，介质膜桥与金属梁紧密粘合，使得介质膜桥可通过金属梁下拉力带动。
进一步的，所述微带一级馈线、微带二级馈线和电压偏置线组共同组成米字构型。
与现有技术相比，本发明的优势在于：
a)本发明可实现太赫兹频段四路射频信号切换，避免了单刀单掷、双掷开关的级联引入额外损耗和失配问题；
b)本发明开关结构尺寸小，远小于传统MEMS开关，可轻易以高密度集成到射频系统中；
c)本发明在太赫兹宽频带上性能稳定，插入损耗小，开关隔离度高，适用性广泛且加工难度不大。
附图说明
图1是本发明实施例的开关部分平面结构图；
图2是本发明实施例的下拉结构斜视图；
图3是本发明实施例的工艺侧视图；
图4是本发明实施例的开关板整体结构示意图；
图5是本发明实施例的1状态S参数曲线图；
图6是本发明实施例的2状态S参数曲线图；
具体实施方式
下面结合附图1-6和实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
本实施例主要包括微带一级馈线1，梯形突出分叉结构2，金属桥状通路3、4、5、6，共用介质梁(弹性介质膜桥)7，共用金属梁8，独立下拉金属梁9、10，金属桥墩11、12、13、14、15，下拉电极16、17、18、19，微带二级馈线20、21、22、23，电压偏置线组24、25、26、27。通过分别对电压偏置线组24、25、26、27施加电压可以使相应下拉电极与金属梁间具有电势差，从而产生下拉静电力，分开控制四个MEMS开关线路的通断(对金属桥状通路两端的连接)；四个非对称MEMS开关结构基本相同，位置关于微带一级馈线1轴对称，开关一端连接一级馈线，一端连接二级馈线，该开关结构通过共用复合梁支撑结合，实现整体小型化。梯形突出分叉结构2由T型结功分器与两个梯形构成，将四个非对称MEMS开关在不同方向空间中分开，在保证开关结构放置空间的同时减小射频性能的损失；微带二级馈线21、22首先与微带一级馈线1平行，然后偏转45°角分离；微带二级馈线20、23与微带一级馈线1垂直。
MEMS单刀多掷开关有独特的机电结构，包括共用介质梁7和共用金属梁8。共用介质梁覆盖了四个异形MEMS开关结构，分别在结构两端对金属梁进行结构支撑，异形MEMS结构体现在固支梁一端为复合鹤形臂，另一端为介质材料倾斜折合臂，两臂均可设计为共用结构，实现开关整体结构小型化的同时使各个开关互不影响；在金属梁共用的情况下，两鹤形臂组成“日”字形，电压偏置线组可共用接地线；所述开关的微带一级馈线、二级馈线与电压偏置线组共同组成“米”字构型。
所述的单刀四掷开关中四个异形MEMS开关结构相同，沿一级馈线轴对称放置。以其中一个开关为例，均包括金属桥墩13、弹性金属膜桥8、弹性介质膜桥7、下拉电极18、金属桥状通路5和电压偏置线26。弹性金属膜桥8与下拉电极18在垂直基板方向上大面积重合。弹性介质膜桥膜桥7为非对称结构，且主要由介质支撑，弹性金属膜桥8和金属桥状通路5均位于弹性介质膜桥7下层，均与弹性介质膜桥7紧密结合，弹性金属膜桥8和金属桥状通路5互不接触。由介质材料构成的倾斜折合臂，靠近金属桥状通路一端末尾有45度拐角，使该末尾与桥状通路的长边垂直。
下面作更具体的说明：
以附图1所示的开关部分结构为例，关键的单刀四掷结构由微带一级馈线1，梯形突出分叉结构2，金属桥状通路3、4、5、6，共用介质梁(弹性介质膜桥)7，共用金属梁8，独立下拉金属梁9、10，金属桥墩11、12、13、14、15，下拉电极16、17、18、19，微带二级馈线20、21、22、23，电压偏置线组24、25、26、27组成。
其中四个异形MEMS开关沿一级馈线以轴对称的方式放置；共用介质梁7覆盖了全部四个异形MEMS开关结构，为一体化设计，介质梁和金属梁通过各个金属桥墩提供支撑；每个异形MEMS开关均由鹤形臂和倾斜折合臂构成，鹤形臂一端为介质-金属混合梁，折合臂一端为单介质梁，臂形状的应力差异弥补了下拉电极在一侧可能导致的结构异常形变；金属桥状通路是介质梁7上独立的金属结构，下表面有金属触点，负责信号传递；由介质材料构成的倾斜折合臂，靠近金属桥状通路一端末尾有45度拐角，使该末尾与桥状通路的长边垂直；倾斜折合臂及其桥墩被两个异形MEMS结构共用。此外，位于对称轴上的两个异形MEMS开关还共用介质-金属鹤形臂，由一个金属桥墩13提供支撑，形成“日”字形的稳定结构，方便实现开关结构的小型化。
MEMS开关下拉结构如附图2所示，以其中一个开关结构为例，其利用直流电压驱动，金属桥墩13和下拉电极17位置上各有一条高阻线用于施加电势差。当施加电压到电压偏置线组25上，由氧化硅或其它介质材料制成的弹性介质膜桥7的一段结构被金属静电力下拉，金属桥状通路4上的接触点连接微带二级馈线21和梯形突出分叉结构2，该开关部分即导通；当电压被置零，金属静电力释放，介质膜桥7由弹性力恢复，开关即断开。四个MEMS开关结构的其中一个导通，其余均断开时，该状态为一个工作状态，所以该单刀四掷开关共四个工作状态，分别对应四路太赫兹信号导通。
图3描述了该MEMS单刀多掷开关的一部分剖面结构，在组成材料方面，开关采用高频低损耗介质材料为衬底，如BT基板、高阻硅、石英等；采用耐腐蚀低电阻率金属材料作为金属梁，如铜、金等；采用低弹性系数的化合物介质材料作为介质梁，如二氧化硅等。金属梁通过牺牲层技术制得，介质梁与金属梁紧密粘合，使得介质结构可通过金属结构下拉力带动。为避免金属梁下拉后与下拉电极接触短路，下拉电极上均覆盖一层化合物隔离层。该实施例提出的层叠方案可获得低下拉力的稳定MEMS开关结构。
用于性能测试的MEMS单刀多掷开关板如附图4所示，
当在偏压pad 28与29两端施加电压时，相应MEMS开关结构导通而其余三个断开，太赫兹电流将从微带一级馈线1流入，而从微带二级馈线20流出；由于此时其余偏压pad30-34上没有电压差，其余微机电开关结构断开，此时只有极微弱的电流从21、22、23三个微带二级馈线流出。图中可直观看出四个电压偏置线组与五条微带馈线共同组成了“米”字构型，该图形关于微带一级馈线延伸方向轴对称。各个一级馈线与二级馈线均连接特定频段的GSG探针pad 35-39，通过接地过孔将微带线转换成接地共面波导传输线，用于开关射频性能测试。
开关结构和二级馈线的分布均会对开关性能产生影响，其中：
内部结构尺寸会对可重构单刀四掷开关的性能产生重要影响，具体表现为：
a)金属通路宽度43、44影响开关的阻抗匹配程度，因此宽度43过大或过小会使得开关导通带宽过小甚至阻抗失配；
b)金属通路长度44影响开关的开路隔离度，槽长和辐射结构尺寸共同确定天线的工作频带；
c)介质梁折合臂长度46用于调节下拉状态的下拉电压与开关响应时间；
在构成开关板时，附图4显示的二级馈线构型会对各切换状态的性能产生重要影响，具体表现为：
d)二级馈线20-23的倾斜角度影响开关切换到该路时的匹配和损耗水平；
e)二级馈线21与22的间距，以及二级馈线的最终走向均会显著影响天线端口匹配和工作带宽；
f)梯形突出分叉结构长度40和宽度41直接影响高频单刀多掷开关的射频性能，其取值过大和过小均会导致开关各切换状态性能一致性变差，或整体变差。
以附图2、4为例的典型单刀四掷开关由开关结构、偏压pad28-34和GSG探针pad35-39组成，GSG探针pad的尺寸限制了二级微带馈线的走向与分布，并且其匹配带宽最终限制了所测试的开关的工作频带。设计合理的探针pad对开关测试性能有影响，但不影响其实际应用性能。在实际系统应用中二级微带馈线的长度减小，则其射频性能会进一步提升。
因此选择合理的扇出形式和二级微带馈线对提升太赫兹单刀多掷开关性能具有重要意义，开关最终结构参数是综合优化的结果。
该基于共用复合梁的小型太赫兹MEMS单刀四掷开关在这里选择一种尺寸组合进行实施例说明，(以下数据单位为微米)：
当图1结构的尺寸为：
结构40＝30，结构41＝30，结构42＝45；
当图2结构的尺寸为：
结构43＝7，结构44＝25，结构45＝41，结构46＝28；
当图3结构的尺寸为：
结构47＝1710，结构48＝2100；
高频低损耗介质衬底总厚度为50，开关金属桥状通路4与衬底高度差为1.8，微带线和金属地的金属层厚度为1。
此时基于共用复合梁的太赫兹MEMS单刀四掷开关的反射系数仿真图为：
图5中显示的是该基于共用复合梁的太赫兹MEMS单刀四掷开关在开关通路4导通时的端口S参数曲线，开关通路4对应GSG探针pad 37。结果显示了该开关在200-350GHz的频率范围内的传输损耗、端口反射与隔离度。在205GHz以上频率，S(35,35)小于-15dB，即输入端pad 35处回波损耗大于15dB；S(37,35)在340GHz以下频率大于-2dB，即输入输出端传输损耗小于2dB；其余三条曲线为不导通的端口处的输入输出端隔离度，均在15dB以上。
图6中显示的是该基于共用复合梁的太赫兹MEMS单刀四掷开关在开关通路3导通时的端口S参数曲线，开关通路3对应GSG探针pad 36。在300GHz以下频率，S(35,35)小于-15dB，即输入端pad 35处回波损耗大于15dB；S(36,35)在300GHz以下频率大于-2.4dB，即输入输出端传输损耗小于2.4dB；其余三条曲线为不导通的端口处的输入输出端隔离度，均在15dB以上。
可见，通过小型化设计的太赫兹MEMS单刀四掷开关，可以实现205-300GHz太赫兹频段的射频通道切换。上述结果受到了GSG探针pad的带宽影响，实际开关结构在DC-350GHz频段内回波损耗大于15dB，带内插损小于1.8dB，隔离度大于15dB。
上述仅为一个例子，若想得到不同工作频段下的MEMS单刀四掷开关，可以根据具体实施方式调整不同参数，如可以调整金属通路长度与宽度、二级馈线的倾斜角度以及二级馈线的间距来调整工作频率，调整传输损耗以及调节阻抗匹配等；该开关还可通过其他MEMS工艺实现。
Claims (6)
1.基于共用复合梁的小型太赫兹MEMS单刀四掷开关，其特征在于，包括微带一级馈线(1)，梯形突出分叉结构(2)、电压偏置线组、异形MEMS开关和微带二级馈线(20、21、22、23)；
所述梯形突出分叉结构(2)主要由T型结功分器和两个梯形件构成，其中，两个梯形件与T型结功分器的两个末端一一对应；所述梯形件的下底边紧贴于T型结功分器末端的一侧，两个梯形件以同一朝向分别位于T型结功分器的两输出端；
所述微带一级馈线的输出端与T型结功分器的输入端连接；T型结功分器的末端和梯形件的上底边均通过异形MEMS开关与微带二级馈线一一连接，且异形MEMS开关与微带二级馈线一一对应；
四个异形MEMS开关共用同一弹性介质膜桥(7)，每一异形MEMS开关上的金属桥状通路和下拉金属梁均位于弹性介质膜桥的下表面；所述弹性介质膜桥和下拉金属梁均通过对应的金属桥墩支撑并悬空，且下拉金属梁的下方设有下拉电极；所述电压偏置线组与对应的下拉电极和金属桥墩连接；所述金属桥状通路的两端分别用于连接微带一级馈线和微带二级馈线；
属同一异形MEMS开关上的金属桥状通路和下拉金属梁相邻并且无接触。
2.根据权利要求1所述的基于共用复合梁的小型太赫兹MEMS单刀四掷开关，其特征在于，通过梯形件连接的微带二级馈线的初始段与微带一级馈线平行，与T型结功分器末端连接的微带二级馈线与微带一级馈线垂直；
其中，两个通过梯形件连接的微带二级馈线均弯折135°，且背离设置。
3.根据权利要求1所述的基于共用复合梁的小型太赫兹MEMS单刀四掷开关，其特征在于，所述金属桥状通路上方的弹性介质膜桥部分与金属桥状通路的长边垂直。
4.根据权利要求1所述的基于共用复合梁的小型太赫兹MEMS单刀四掷开关，其特征在于，两个与梯形件上底边对应的异形MEMS开关共用下拉金属桥，共用下拉金属桥为日字型结构；
两个与T型结功分器输出端对应的异形MEMS开关的下拉金属桥均为口字型结构。
5.根据权利要求1所述的基于共用复合梁的小型太赫兹MEMS单刀四掷开关，其特征在于，采用高频低损耗介质材料为衬底；采用耐腐蚀低电阻率金属材料作为金属梁；采用低弹性系数的化合物介质材料作为介质膜桥；金属梁通过牺牲层技术制得，介质膜桥与金属梁紧密粘合，使得介质膜桥可通过金属梁下拉力带动。
6.根据权利要求1所述的基于共用复合梁的小型太赫兹MEMS单刀四掷开关，其特征在于，所述微带一级馈线、微带二级馈线和电压偏置线组共同组成米字构型。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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