CN1252771C

CN1252771C - 一种微型扭转式单刀双置射频开关结构及制作方法

Info

Publication number: CN1252771C
Application number: CN 03151462
Authority: CN
Inventors: 黄蓉; 焦继伟; 王跃林
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2003-09-29
Filing date: 2003-09-29
Publication date: 2006-04-19
Anticipated expiration: 2023-09-29
Also published as: CN1529336A

Abstract

本发明涉及一种微型扭转式单刀双置射频开关结构及制作方法，其特征在于：(1)MEMS部件和RF传输部分有共同的衬底；(2)射频传输线分别位于驱动电极的两侧；(3)可动部分悬空在射频信号线和驱动电极的正上方，可动部分是由扭转质量块和两个扭转梁构成的；(4)两根扭转梁位于扭转质量块的正中间沿中轴线方向，驱动电极分别在扭转质量块中轴线的两侧。本发明通过淀积，光刻，刻蚀等简单的微机械表面加工技术，制作出低驱动电压的对两条射频信道进行可靠的单选的单刀双置的开关。此结构具有低驱动电压和良好的可靠性的特点，应用于射频通信系统和无线通信系统中以实现性能好、工艺简单、可以批量生产的微机械的射频器件。

Description

一种微型扭转式单刀双置射频开关结构及制作方法

技术领域

本发明涉及到一种射频通信应用中的器件，更确切的说涉及一种微型扭转式单刀双置射频开关结构及制作方法，主要用于射频系统的对两个信号通路的单一选择，从而实现对系统传输或是接受两种工作模态的控制。属于微电子机械领域。

背景技术

目前随着社会的发展，人们对于信息量的需求也日益增加。这也导致了射频网络的高速发展，射频技术也得到了广泛的关注。由于微机械技术的诸多优点，被不断的应用于各个领域之中。微机械技术有望在通信系统中，特别是个人通信和无线通信系统中产生巨大的影响。例如可以通过微机械技术来制造天线阵列，空间雷达系统，混频器，射频开关，相移器，微加工的传输线和波导，高品质因子的电感，可变电容等等器件。微电子机械技术通过氧化、光刻、刻蚀等加工工艺，制作的器件具有体积小，精度高，便于大批量的集成化生产等优点，在今后的通信传输网中有很大的潜在应用，它已经成为目前研究和开发的重点。

在整个通信网络中，射频开关处于十分基础的地位。微机械技术制作的射频开关因为隔离度高，插入损耗小，功耗低等优点而备受关注。在射频系统中，通过对两条通道的选择来实现对信号进行发射或是接受的控制。这就需要单刀双置射频开关来控制两条微波传输线。被人们所熟知的微机械射频开关大都是利用悬臂梁或是空气桥的结构，在静电力或是电磁力的作用下，通过上下的机械运动，达到对射频传输线导通或是截止的控制效果。但是普遍存在驱动电压过大，不能保证同时对两个信道可靠的单选作用。利用质量块在较低的驱动电压的作用下也能发生扭转的现象，且质量块的两边必定是相向运动的效果，能很好的使以上提到的问题得到很好的解决。

已经提出的相关技术中，有利用在可动电极与驱动电极之间足够大的静电力的作用，可动电极通过上下运动直到与驱动电极贴合，基本原理示意图如图1所示，专利号为6426687的美国专利简要示意图如图2所示。它是由MEMS结构层1和RF结构层2两大块通过键合的手段共同构成的。在结构层1中，采用在MEMS的衬底3上制作驱动电极4，5以及可动部件6。其中驱动电极4，5都是由金属层和电介质层组成。而可动部件6是一个金属层和电介质膜构成的复合膜结构。作为RF部分的射频传输线的共面波导7是制作在RF衬底8上面。将MEMS部分9，10和RF部分11，12通过键合的手段结合起来。就以上结构来讲，存在一下几点问题：

首先，需要制作的结构层数较多，所以开关的制作工艺非常复杂。

其次，将MEMS部件和RF部件分别作在不同的衬底上必将考虑两者的组合，键合工艺要求较高，成品率不高，成本高，不便于大规模生产。

再则，作为可动部件6，在静电力的作用下，进行上下的运动，在保证器件良好的可靠性的同时则要求有着较高的驱动电压。在要求较低的驱动电压的情况下，器件的开关可靠性将会受到很大的影响。这就将严重的妨碍它与整个射频系统之间的兼容。

然后，该结构只能用于对一条信道的控制，要对双信道进行控制时，则需要两个器件同时工作，这将导致成本的增高。

最后，开关的开关速度主要是依靠电介质层的机械弹性来实现的。所以开关的速度的进一步提高受到了很大的限制。

发明内容

鉴于上述U.S.P642687提供的结构复杂且只能用于同一条信道的控制缺点，本发明的目的在于提供一种微型扭转式单刀双置射频开关结构及制作方法其特征如下：

(1)本发明中一条以上射频传输线和驱动电极直接制作于衬底上，MEMS部件和RF传输部分有共同的衬底。射频传输线分别位于驱动电极的两侧。可动部分悬空在射频信号线和驱动电极的正上方。可动部分是由扭转质量块和两个扭转梁构成的。梁和质量块都是金属和电介质材料构成的复合膜。两根扭转梁位于扭转质量块的正中间沿中轴线方向。驱动电极分别在扭转质量块中轴线的两侧。

(2)本发明主要利用MEMS技术表面工艺中薄膜的生长与刻蚀工艺。在衬底上直接淀积金属，刻蚀出多条射频传输线和驱动电极的图形。淀积牺牲层，在牺牲层上淀积电介质膜，淀积金属膜，在金属层上刻蚀出可动部分电极的图形。以金属层图形为掩膜，刻蚀电介质层的图形。掏空牺牲层，释放结构。

(3)可动部件的运动方式是扭转。可动部件的主要运动模态是扭转模态。

(4)一个扭转的可动部件可同时用于对两个射频信道的控制。

(5)可动部件采用的是金属和电介质的复合膜结构。

(6)射频信道可以采用共面波导形式或是微波传输带的形式。

(7)多个开关串联起来可以组成开关阵列。

(8)金属层的图形是刻蚀电介质层图形时的掩膜。

(9)射频信道和MEMS的衬底为同一衬底，衬底上挖坑。

本发明基于MEMS技术制作的射频开关器件，采用在硅片上的薄膜淀积和刻蚀工艺，制作出开关的可动部件以及射频传输线。可动部件为一质量块，在低驱动电压作用下发生扭转，以控制两条平面波导型的射频通道，从而实现可靠的选通作用。

(1)采用比较成熟的MEMS表面加工技术，淀积和刻蚀工艺，避免使用键合工艺，在一块衬底上同时设计制造出MEMS可动部件以及RF传输部件，最后实现工艺步骤简单，容易控制，便于双稳态的微机械射频开关的大批量生产。

(2)通过可动部件的运动方式采用微型扭转来代替上下的运动方式，以降低驱动电压，同时保证器件开关的可靠性。从而可以解决由于射频开关驱动电压过高所带来的与射频系统匹配的问题。

(3)利用同一个可动部件来同时控制两条信道，有利于减小器件的面积和体积。可以达到进一步降低生产成本的目的。

(4)通过两条信道的单选特性，有利于提高开关的开关速度。

(5)工艺简单，成本低，制作的精度高，便于大批量生产。

附图说明

下面结合图例来说明：

图1(a)：已有技术的原理截面图。

图1(b)：美国专利号为6426687结构剖面图。

图2：本发明的电路结构图。

图3(a)：本发明涉及的两路射频信道和选通驱动电极在衬底上三维示意图。

图3(b)：本发明涉及的两路射频信道和选通驱动电极在衬底上俯视图。

图3(c)：本发明涉及的扭转梁型开关可动部件三维示意图。

图3(d)：本发明涉及的扭转梁型开关可动部件沿PP’断面的截面图。

图4(a)：扭转式单刀双置射频开关的三维示意图。

图4(b)：扭转式单刀双置射频开关断面QQ’的截面图。

图5：本发明制作工艺流程图。

图6：实施例1俯视图。

图7(a)：实施例2俯视图。

图7(A)，图7(B)，图7(C)图7(D)分别为实施例断面AA’，BB’，CC’，DD’的截面图。

图1(a)是己有技术的原理截面图。23是衬底。22是电介质材料的结构块。24是衬底上的固定电极。25是射频传输线。26和27分别是可动部分的电极。28可动部分的电介质膜。当在24和27之间不存在电势差的时候，射频信号通过25传播，开关闭合。当在24和27之间存在电势差足够大的时候，可动部件被吸向衬底，当25与26贴合的时候，射频信号线被短路，开关断开。图1(b)是美国专利号为6426687的剖面图。它利用可动部件6的在静电力作用下、上运动，来达到对射频线路7导通或是截止的控制。

图2是本发明的电路结构图。该结构图是整个射频信号处理网络的简要示意图。在需要接受信号的时候，通过天线选择开关来控制，信号从天线1或是天线2中被接受。被接受的信号通过带通滤波器来滤出所需要的频段。通过发送/接受电路选择开关来送到射频接受电路进一步处理信号。在需要发送信号的时候，信号来自射频发送电路，通过选择发送电路的开关将信号发送至天线选择开关来选择发送天线。

图3(a)和图3(b)分别是本发明涉及的两路射频信道和选通驱动电极在衬底上三维示意图和俯视图。205和206是射频信号的传输线。201和204是两路信号通道。202和203分别是信道206和205的选通驱动电极。图3(c)和图3(d)分别是本发明涉及的扭转梁型开关可动部件三维示意图和从’方向的截面图。其中302是一个金属膜，303是电介质膜。301是两个容易发生扭转的梁，它也是由金属层和电介质层共同构成。001是固定端。302淀积在303上面，302和303都通过301与外框架在001处连接。当质量块受到外力作用时，对扭转梁力矩不为零的时候，质量块会发生扭转。由电介质膜303和金属膜302构成的复合膜有两个优点：一是电介质膜的存在使得只有射频信号被短路，不会造成直流导通，减小了功耗；二是相对纯金属膜而言，复合膜有较大的刚度，以及较快的响应速度。

图4(a)和图4(b)分别是扭转式单刀双置射频开关的三维示意图和沿QQ’截面的剖面图。401是基体材料，例如高阻硅等；201是第一个射频信号的传输线，204是第二个射频信号的传输线；202是第二路射频信号选择的驱动电极；203是第一路射频信号选择的驱动电极；201，202，203，204都基于401，且在一个平面内。301，302，303构成的复合结构悬空于该平面。

工作原理：当驱动电极(202)其中一个上加上电压的时候，与接地的上极板金属层(301)之间存在电势差，在静电力作用下会绕着结构块301(扭转梁)发生扭转。当驱动电压足够大的时，质量块运动直到碰到传输线(201)。此时，这一路的射频信号因为电容接地而被短路。相对而言的另一条信道中的射频信号可以从信道204通过。实现了对第二路信号的选通作用。从而可以通过控制加载的驱动电压达到对两路射频信号进行单一通过的选择作用。

图5是器件的制作工艺流程图。

器件具体工艺步骤如下：

1.在衬底材料上淀积金属层；

2.光刻并刻蚀出驱动电极和射频传输线的图形；

3.淀积牺牲层材料；

4.光刻并刻蚀出牺牲层的图形；

5.在牺牲层上淀积电介质层。

6.在电介质层上再次淀积金属层；

7.光刻并刻蚀出可动电极的图形。

8.以金属层的图形为掩膜，直接刻蚀出电介质层图形；

9.掏空牺牲层释放结构。

具体实施方式

实施例1

两路移相器的选择开关。

俯视图如图6所示。其中701和704分别是不同相移大小的移相器1和移相器2；702和703分别是驱动电极1和驱动电极2；705和707是两根扭转梁；706是扭转质量块。质量块706和两个扭转转梁705，707都是由电介质和金属构成的复合结构。当在702(驱动电极1)上施加偏压时，706会绕着705和707旋转，直到与701贴合。此时移相器1不工作，移相器2对信号起到相移的作用；同样，在在驱动电极2上施加偏压时，移相器2不工作，移相器1对信号起到相移的作用。可以通过在不同的驱动电极上施加偏压，达到选取使得信号发生不同相移的目的。

实施例2

多个射频开关组合成对多个射频信道的选通。

结构的俯视图如图7(a)所示。图中是3个开关的组合，可以按同样的方式来根据需要进行n个开关的组合。分别从AA’，BB’，CC’，DD’端可以看到结构的剖面图分别如图7中(A)，(B)，(C)，(D)所示。剩下的开关都是同样的结构。

衬底401为晶向为(100)方向的硅片，驱动电极和射频信道的材料都为铬/金，扭转质量块和扭转梁都为氮化硅和铬/金构成的复合膜结构。

具体工艺步骤为：

1.氧化硅片。

2.光刻并在硅片上腐蚀出坑。

3.淀积铬/金，并刻蚀出信道和驱动电极的图形。

4.淀积牺牲层材料并刻蚀出图形。

5.在牺牲层上淀积氮化硅。

6.在氮化硅上淀积铬/金，并刻蚀出铬/金的图形。

7.以铬金的图形作为掩膜，刻蚀氮化硅。

8.在背面淀积铬/金，构成微带线。

9.掏空牺牲层，释放结构。

Claims

1.一种微型扭转式单刀双置射频开关，包括驱动电极，质量块和射频传输线，其特征在于1)微电子机械系统部件和射频传输线有共同的衬底；(2)射频传输线分别位于驱动电极的两侧；(3)可动部分悬空在射频传输线和驱动电极的正上方，可动部分是由扭转质量块和两个扭转梁构成的；(4)两根扭转梁位于扭转质量块的正中间沿中轴线方向，驱动电极分别在扭转质量块中轴线的两侧。

2.按权利要求1所述的微型扭转式单刀双置射频开关，其特征在于所述的可动部分的主要运动模态是扭转模态，一个扭转的可动部件同时用于对两个射频传输线的控制。

3.按权利要求1所述的微型扭转式单刀双置射频开关，其特征在于射频传输线采用共面波导形式或微波传输带形式。

4.按权利要求1所述的微型扭转式单刀双置射频开关，其特征在于可动部分采用的是金属和电介质的复合膜结构。

5.制作如权利要求1所述的微型扭转式单刀双置射频开关的方法，其特征在于利用微电子机械系统薄膜生长与刻蚀工艺，在衬底上直接淀积金属，刻蚀出多条射频传输线和驱动电极的图形；淀积牺牲层并刻蚀牺牲层图形，在牺牲层上淀积电介质膜，淀积金属膜，在金属层上刻蚀出驱动电极的图形，以金属层图形为掩膜，刻蚀电介质层的图形，掏空牺牲层，释放结构。