CN1716492A - 集成方式的rf mems开关 - Google Patents

Abstract

一种基于微机电系统技术的射频开关，包含微机械(MEMS)部分和射频(RF)部分，实现开关功能的可移动开关结构设置在MEMS衬底上，采用MEMS部分和RF部分独立加工再将MEMS衬底与RF衬底对准键合在一起的方式。开关包含多个可移动电极，具有上拉和下拉两种驱动状态。根据本发明的技术方案，开关的切换速度快、驱动电压低、稳定性好。采用独立加工再键合的方式，降低了工艺的复杂度，同时可抵抗外界污染物。

Description

集成方式的RF MEMS开关

                          技术领域

本发明涉及了射频技术和微机电系统(micro-electro-mechanical system，MEMS)技术领域。确切地说，本发明涉及了采用微机电系统(MEMS)技术研制的射频(radio frequency，RF)开关。

                          背景技术

射频微机电系统(RF MEMS)开关是无线通信等电子电路系统的基本元件之一，在雷达探测、无线通信等方面的应用十分广泛。RF MEMS开关具有多种驱动方式，包括静电驱动、电磁驱动、热电驱动、压电驱动和形状记忆合金驱动等，其中静电驱动因其结构简单、易加工且便于与IC工艺兼容得到广泛的关注。与传统的FET或PIN二极管构成的固态开关相比，静电驱动的RF MEMS开关具有插入损耗低、电功率耗散小、隔离度高和线性度好等特点。

按结构方式，RF MEMS开关可分为膜桥式和悬臂梁开关。膜桥式开关结构紧凑，但驱动电压很大，膜桥回复时间长，且受制造过程残余应力影响。悬臂梁开关一端固定另一端自由悬空，残余应力影响小。悬臂梁式的开关普遍应用于单刀多掷的多口开关系统。但传统的悬臂梁开关有一些尚未解决的问题：

如图1A所示的单一传输线的悬臂梁开关：电极4(施力点)位于支撑点2及开关接触点5之间，属于费力省时型杠杆。如图1B所示，若将电极4移至开关接触点5之外，则属于省时费力型杠杆。而且在悬臂梁接触电极时，无法使开关接触点5与传输线上的接触点6a和6b有效接触。

如图1C所示的共面波导传输线的悬臂梁开关：s为共面波导线。由于存在共面传输线的地线，使得电极4往支撑点2靠近。若使施力臂长度不变，则支撑点2势必往外移动，如此一来整个晶片面积增加。另外，在开关切下时悬臂梁末端接触点8a、5和8b无法与共面波导线上的点7a、6a、6b和7b有效地接触，因而使其开关的隔离度或插入损耗变差。

此外，图1A、图1B、图1C这三种开关都存在共同的缺陷，即自由悬空的悬臂梁受到来自于机械特性方面缺点的影响，由于一端悬空，在使用中会产生不受控制的机械振动，这将对开关的RF性能产生不利影响。单个悬臂梁开关结构由于其接触端的内在扭转，无法保证悬臂梁上的桥接电极与衬底上的传输线始终线性接触，这类开关会表现出一种非对称的电气特性，并且，由于接触阻力的存在，会减慢操作速度，限制这些RF MEMS开关的工作效率。这些开关容易受制造和使用过程中产生的杂质的污染。

                          发明内容

本发明的目的之一是提供一种应用于高速静电驱动的集成方式的微机电射频(RF MEMS)开关。该开关较好地解决了现有技术存在的各种缺陷，能够提高开关速度，改善开关的稳定性，并且改善开关的RF性能，同时降低了加工的复杂度。

本发明的另一个目的是提供一种RF MEMS开关，它能在使用过程中抵抗外界污染物。

为实现以上目的，本发明提供了一种开关，包括：MEMS衬底及设置在该MEMS衬底上的第一固定驱动电极；键合到该MEMS衬底上的RF衬底及设置到RF衬底上的第二固定驱动电极和RF信号传导单元；设置在MEMS衬底上的可移动开关结构，可在MEMS衬底和RF衬底之间上下运动，实现RF信号通路的接通和断开。

根据本发明的RF MEMS开关，RF信号传导单元采用共面波导传输线，减少了高频信号的干扰，而且驱动电极在共面波导传输线两侧，避免了驱动电极的驱动信号对高频信号的干扰。可移动开关结构进一步包含：两个相同的悬臂梁，平行分布于共面波导传输线的两侧；可移动单元，连接两悬臂梁末端的支板；设置在可移动单元正上方的可移动桥接电极，随悬臂梁末端支板在MEMS衬底和RF衬底之间的上下运动而靠近或远离RF信号传输线，实现RF信号的断开或导通。

根据本发明的RF MEMS开关，该开关为一并联开关器件，当可移动桥接电极靠近RF信号传输线而被设置在RF信号断开位置时，RF信号通路被断开；当可移动桥接电极远离信号传输线而被设置在RF信号导通位置时，RF信号通路被接通。RF信号通路的接通和断开是通过可移动桥接电极与RF信号传输线所面对的电容的变化实现的。在可移动桥接电极上包含两个突起部分，当可移动桥接电极靠近RF信号传输线时，突起部分首先与RF信号传输线的接地线接触。

根据本发明的RF MEMS开关，在悬臂梁末端支板的上下方都设置了可移动驱动电极，与RF衬底和MEMS衬底上的固定驱动电极对应，构成“上拉-下拉”式驱动电极。上方的驱动电极和下方的驱动电极具有单独控制线。

根据本发明的RF MEMS开关，该开关采用独特的加工制造方式，将上方的RF部分和下方的MEMS部分进行独立加工制造，改善了上拉电极板加工可靠性的问题，并以封装技术来降低工艺复杂度。

根据本发明的RF MEMS开关，MEMS部分和RF部分采用密封键合方式整合，它能在使用过程中抵抗外界污染物。

                          附图说明

图1A是现有的单一传输线的悬臂梁开关示意图。

图1B是现有的另一种单一传输线的悬臂梁开关示意图。

图1C是现有的共面波导传输线的悬臂梁开关示意图。

图2A是本发明的实施例的MEMS部分的俯视图。

图2B是图2A中沿A-A′线的剖视图。

图2C是本发明的实施例的MEMS部分的空间三维示意图。

图3A是本发明的实施例的RF信号传导单元和驱动电极示意图。

图3B是本发明的实施例去除绝缘薄膜后RF信号传导单元和驱动电极示意图。

图3C是本发明的实施例的RF信号传导单元的绝缘薄膜示意图。

图4A是本发明的实施例沿图2A中B-B′线的剖视图。

图4B是本发明的实施例去除一部分键合基座的侧视图。

                        具体实施方式

现在结合附图描述本发明的优选实施例。图中，因为结构的对称性，相同结构形状功能的元件用同一数字符号表示，各元件在数字后加a、b、c等英文字母区分。

本发明是一种应用于高速静电驱动且能抵抗外界污染物的RF MEMS开关。

根据本发明的优选实施例，该开关包含MEMS部分50和RF部分40。参考本发明的优选实施例的示意图，其中，图2A是MEMS部分的俯视图，图2B是图2A中A-A′方向的剖视图，图2C是本发明的优选实施例的MEMS部分的三维结构示意图。图3A为本发明的优选实施例的RF部分的RF信号传导单元示意图，图3B为去除绝缘薄膜后RF信号传导单元和驱动电极示意图，图3C为设置在金属传输线及驱动电极上的绝缘薄膜示意图。

本发明优选实施例的RF MEMS开关，MEMS部分包括：MEMS衬底51，设置在该MEMS衬底上的第一固定驱动电极84(84a和84b)，及设置在MEMS衬底上的可移动开关结构65，其中设置在该可移动开关结构上的桥接电极56可在MEMS衬底51和RF衬底41之间上下运动，实现RF信号通路的接通和断开。RF部分40，其键合到MEMS部分50上，包括：RF衬底41，设置到RF衬底41上的第二固定电极44(44a和44b)和共面波导传输线46(46a、46b和46c)。

下部的MEMS衬底51优选硅为材料，在MEMS衬底51上设置了所述的第一固定驱动电极84a、84b。设置在所述MEMS衬底51上的可移动开关结构65，包含：两个相同的悬臂梁53a和53b，平行分布于共面波导传输线46的两侧；可移动单元55，连接两悬臂梁末端的支板57a和57b；可移动桥接电极56，设置在可移动单元55正上方，随悬臂梁末端支板57a和57b在MEMS衬底和RF衬底之间的上下运动而靠近或远离RF信号传输线，实现RF信号的断开或导通。可移动开关结构65另外具有多个可移动电极，包括第一可移动驱动电极64(64a和64b)和第二可移动驱动电极54(54a和54b)。第一可移动驱动电极64a(64b)设置在悬臂梁53a(53b)末端的可移动支板57a(57b)的下方，与第一固定驱动电极84a(84b)垂直对准、方向相对，用作下驱动电极，且第一可移动驱动电极64a(64b)的表面和第一固定驱动电极84a(84b)的表面至少有一个沉积了绝缘薄膜87a(87b)；第二可移动驱动电极54a(54b)设置在悬臂梁53a(53b)末端的可移动支板57a(57b)的上方，与第二固定驱动电极44a(44b)垂直对准、方向相对，用作上驱动电极，且第二可移动驱动电极54a(54b)的表面和第二固定驱动电极44a(44b)的表面至少有一个沉积了绝缘薄膜47a(47b)。所述的第一固定驱动电极84a(84b)、所述的第一可移动电极64a(64b)、所述的可移动支板57a(57b)、所述的第二可移动电极54a(54b)及所述的第二固定驱动电极44a(44b)垂直对准。

RF衬底优选具有高电阻率的半导体，包括高阻硅、III-V族化合物半导体以降低高频信号的损耗。设置在RF衬底上的RF信号传导单元可为共面波导线也可为微带线，优选共面波导线以减少干扰。在RF基底上形成RF共面波导传输线46a、46c和46b及第二固定驱动电极44a、44b。其中，所述的平行波导46a和46b与地线连接，它们不与所述的中心波导线46c相接触，对所述的中心波导线46c中传输的高频信号起到屏蔽的作用，减少高频信号的干扰。设置在RF衬底上的所述的第二固定驱动电极44a、44b为上拉驱动电极的地电极。

根据本发明的优选实施例，在所述的可移动单元55正上方包含可移动桥接电极56，在所述的可移动桥接电极56的表面和所述的共面波导中心线46c所面对的表面中至少一个表面设置了绝缘薄膜，以防止RF信号传导单元的中心传输线46c与桥接电极56的金属接触。根据本发明的优选实施例，绝缘薄膜48设置在共面波导中心线46c上与所述的桥接电极56相对的表面，且在可移动桥接电极56的表面设置了两个突起部分49a、49b，使得49a、49b分别与信号地电极46a、46b金属接触，以增大开关隔离状态的电容，从而提高射频开关的隔离度。

根据本发明的优选实施例，在MEMS衬底上包含多个控制电极58(58a和58b)、66(66a和66b)和86(86a和86b)。用来控制第一可移动电极64a(64b)的控制电极66a(66b)穿过MEMS衬底连接到金属锚62a(62b)上，金属锚62a(62b)通过设置在悬臂梁53a(53b)下表面的金属线与第一可移动电极64a(64b)电连接。同样，用来控制第二可移动电极54a(54b)的控制电极58a(58b)穿过MEMS衬底连接到金属锚59a(59b)上，金属锚59a(59b)通过设置在悬臂梁53a(53b)上表面的金属线与第二可移动电极54a(54b)电连接。用来控制第一固定驱动电极84a(84b)的控制电极86a(86b)穿过MEMS衬底与第一固定驱动电极84a(84b)电连接。另外，在RF衬底上包含用来控制第二固定驱动电极44(44a和44b)的控制电极42(42a和42b)，控制电极42a(42b)穿过RF衬底与第二固定驱动电极44a(44b)电连接。

所述的RF衬底41通过基座60键合到所述MEMS衬底51上。该键合进一步包括密封环键合和非密封环键合的一种，将所述的RF衬底41和所述的MEMS衬底51整合为一体。其中，所述的密封环键合使所述的RF衬底41上的所有元件和所述的MEMS衬底51上的所有元件与外界环境隔离，以避免外界污染物的影响；所述的非密封环键合使所述的RF衬底41上的所有元件和所述的MEMS衬底51上的所有元件与外界环境接触，无法抵抗外界污染物的影响。在本发明的优选实施例中，采用所述的密封环键合方式，以避免外界污染物的影响。

根据本发明的优选实施例，RF信号的传导功能是这样实现的：

当在所述的第一可移动驱动电极64a和第一固定驱动电极84a之间、第一可移动驱动电极64b和第一固定驱动电极84b之间同时施加直流电压，在所述的可移动驱动电极64a和64b上产生向下的静电力，可移动支板57a、57b同时向下运动，可移动支板57a、57b的向下运动带动所述可移动单元55向下运动，当桥接电极56远离RF信号传导单元而被设置在信号接通位置时，RF信号传导单元的RF信号通路被接通；

当在所述的第二可移动驱动电极54a和第二固定驱动电极44a之间、第二可移动驱动电极54b和第二固定驱动电极44b之间同时施加直流电压，在所述的可移动驱动电极54a和54b上产生向上的静电力，可移动支板57a、57b同时向上运动，可移动支板57a、57b的向上运动带动所述可移动单元55向上运动，当桥接电极靠近RF信号传导单元而被设置在信号断开位置时，RF信号传导单元的RF信号通路被断开。

根据本发明的RF MEMS开关，为一并联开关器件，通过改变桥接电极56与共面波导传输线的电容实现RF信号传导单元的RF信号通路的导通和断开。当桥接电极56远离RF信号传导单元时，由于桥接电极与RF信号传导单元间的间距大且桥接电极不接地，此时电容很小；当桥接电极56靠近RF信号传导单元时，设置于桥接电极56上的突起部分首先与RF信号传导单元的地线接触，此时桥接电极与RF信号传导单元间的电容很大。。

与传统的悬臂梁式RF MEMS开关相比，本发明的开关采用集成方式，将MEMS部分和RF部分独立加工再键合，具有上拉和下拉两个驱动电极，降低了驱动电压，加快了开关的切换速度。由于开关具有上下两个独立的驱动电极，可通过控制加载电压的极性和大小，有效避免开关的自锁或由“磁滞”现象引起的释放时间的延长，同时可增加静电力加快桥接电极位置状态的改变，从而加快RF信号的导通/断开速度。

Claims (8)

1、一种RF MEMS开关，所述开关包括：

MEMS部分，包括：一MEMS衬底，设置在该MEMS衬底上的第一固定电极，及设置在MEMS衬底上的可移动开关结构，其中设置在该可移动开关结构上的桥接电极可在MEMS衬底和RF衬底之间上下运动，实现RF信号通路的接通和断开；

键合到MEMS部分的RF部分，包括：一RF衬底及设置到该RF衬底上的第二固定电极和RF信号传导单元。

2、根据权利要求1所述的RF MEMS开关，其特征在于：所述的开关进一步包括设置在所述的RF衬底上的共面波导线，该共面波导线包括传输信号的中心波导线和位于两侧的接地线，RF MEMS开关是用来接通或断开该中心波导线中信号通路的并联开关器件，具有利用可移动桥接电极和RF信号传导单元之间电容的变化实现RF信号接通和断开的功能。

3、根据权利要求1所述的RF MEMS开关，所述的可移动开关结构进一步包括一对悬臂梁、连接悬臂梁末端支板的可移动单元和设置在该可移动单元正上方的可移动桥接电极，其特征在于：所述的MEMS部分和所述的RF部分键合后，所述的一对悬臂梁平行对称分布在所述RF信号传导单元两侧，且所述的悬臂梁上下方都设有金属电极以便于单独控制。

4、根据权利要求3所述的RF MEMS开关，其特征在于：所述的可移动桥接电极进一步包括多个突起部分，当可移动桥接电极靠近RF信号传输线时，突起部分首先与RF信号传输线的接地线接触，以便于桥接电极与地更充分地接触，提高射频通路断开状态的隔离度。

5、根据权利要求3所述的RF MEMS开关，所述的金属电极用作可移动驱动电极，进一步包括设置在所述悬臂梁正下方的第一可移动驱动电极和设置在所述悬臂梁正上方的第二可移动驱动电极，其特征在于：

该设置于所述悬臂梁正下方的第一可移动驱动电极表面和所述的第一固定驱动电极表面具有间距且其中至少一个表面上包含绝缘薄膜；

该设置于所述悬臂梁正上方的第二可移动驱动电极表面和所述的第二固定驱动电极表面具有间距且其中至少一个表面上包含绝缘薄膜。

6、根据权利要求5所述的RF MEMS开关，其特征在于：

所述的所有驱动电极，包括固定驱动电极和可移动驱动电极，位于所述的RF信号传导单元两侧，以避免干扰到高频信号；

所述的第一固定驱动电极和第一可移动驱动电极给所述的悬臂梁提供向下的静电力，使所述的桥接电极远离所述的RF信号传导单元；

所述的第二固定驱动电极和第二可移动驱动电极给所述的悬臂梁提供向上的静电力，使所述的悬臂梁向所述的RF信号传导单元靠近。

7、根据权利要求1所述的RF MEMS开关，其特征在于：采用封装方式键合，该键合进一步包括密封环键合和非密封环键合的一种，将所述的RF衬底和所述的MEMS衬底整合为一体。

8、根据权利要求7所述的RF MEMS开关，其特征在于：

所述的密封环键合使所述的RF衬底上的所有元件和所述的MEMS衬底上的所有元件与外界环境隔离，以避免外界污染物的影响；

所述的非密封环键合使所述的RF衬底上的所有元件和所述的MEMS衬底上的所有元件与外界环境接触，无法抵抗外界污染物的影响。

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