CN1845281A - 三态射频开关 - Google Patents
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Abstract
一种三态射频微机电系统开关，包括：第一井，其形成在第一基板上；形成第一间隙的第一输入信号线和第一输出信号线；与第一井中的信号线隔绝的射频接地；形成在第一井中的第一驱动电极；具有第二井和第三井的第二基板；在第二基板中的第二井和第三井之间形成分界的分界栏；第二输入信号线和第二输出信号线、第三输入信号线和第三输出信号线，分别形成第二间隙和第三间隙；与在第二井和第三井中的信号线隔绝射频接地；第二驱动电极和第三驱动电极；隔膜，其设置在第一基板和第二基板之间，以在第一、第二及第三间隙之上穿过，并具有分别与其上的第一间隙、第二间隙和第三间隙相对的第一金属焊盘、第二金焊盘和第三金属焊盘。
Description
技术领域
本发明涉及三态锁存射频(RF)开关，特别是，在三态中锁定一种状态的射频微型机电系统(MEMS-micro electo-mechanical system)开关。
背景技术
射频(RF)微型机电系统(MEMS)器件可以应用在通信，雷达和无线局域网(WLAN)技术等方面。RF MEMS器件包括微加工(micromachined)电容、电感、RF开关、移相器和可调振荡器等。这些器件比用从前技术制作的器件具有更好的性能。例如，与一个常规的FET场效应管或镓砷PIN二极管开关(GaAs PIN diode switch)比较，RF MEMS开关具有如低插入损耗、优良的信号分离、高线性度和低互调性等特点。特别是，RF MEMS开关在高射频范围如在高于几千兆赫(GHz)的射频范围时显示了优异的特性。
同时，互补金属氧化物半导体(CMOS)制造和封装技术可以减少制作RFMEMS器件的成本。CMOS电路和RF MEMS器件可以易于集成在单一芯片上。大多数RF MEMS开关在低温下用表面微加工工艺和体微加工工艺加工。
RF开关有一或两个输出信号对应于一个输入信号。此外，如果输入电压取消，则RF开关返回它们的初始状态，而信号线断开。
在使用传统的RF开关的情况下，为了实现三个输出信号对应于一个输入信号，需要把二个二输出信号的RF开关相连接，因而增加了器件的复杂度。
因此，出现了对具有三个输出信号对应一个输入信号的新型的RF开关的需求。
另外，也需一种即使一个输入电压取消，也能保持输出信号，具有闭锁机构的RF开关，用以维持输出信号的稳定。
发明内容
本发明提供具有三个输出信号的三态射频(RF)开关。
同时本发明还提供输出信号被锁定的三态RF开关。
根据本发明的一个方面，其所提供的三态RF开关包括：第一井，其形成在第一基板上；在第一井中的第一输入信号线和第一输出信号线，它们彼此间形成第一间隙；射频接地，其与第一井中的各个信号线隔绝；第一驱动电极，其形成在第一井中；第二基板，其具有对应于该第一基板上的第一井的第二井和第三井；分界栏(post bar)，其在第二基板中的第二井和第三井之间形成边界；第二输入信号线和第二输出信号线，第三输入信号线和第三输出信号线，它们分别在第二井和第三井中形成第二间隙和第三间隙；射频接地，其与在第二井和第三井中的各个信号线隔绝；第二驱动电极和第三驱动电极，它们分别形成在第二井和第三井中；隔膜，其设置在第一基板和第二基板之间，以在第一、第二及第三间隙之上跨过，并具有分别与其上的第一间隙、第二间隙和第三间隙相对的第一金属焊盘、第二金属焊盘和第三金属焊盘。
隔膜可以形成有预定的压应力。
隔膜可锁定在三个状态中的任一状态，三个状态包括：第一状态，第一金属焊盘触及形成第一间隙的信号线；第二状态，第二金属焊盘触及形成第二间隙的信号线；第三状态，第三金属焊盘触及形成第三间隙的信号线。
隔膜可以包括金属层及在金属层其上和其下的介电层。
第一至第三输入信号线由射频信号线划分而成。
当隔膜的第二金属焊盘或第三金属焊盘与第二间隙或第三间隙接触时，隔膜由分界栏形成波浪形状。
分界栏的高度与第二井的高度基本上相同。
附图说明
参照附图，通过对示范性实施例的详细描述，本发明上述及其它的特点从而将变得更为显见，其中：
图1是图解根据本发明的实施例的RF开关结构的示意图；
图2是沿着图1的II-II线剖取的截面视图，图解了图1中RF开关的第一状态；
图3是图解图2中隔膜的示范例的截面视图；
图4是图解图1中RF开关的第二状态的截面视图；
图5是图解图1中RF开关的第三状态的截面视图；
图6是图解通过仿真图1中RF开关的驱动电压同初始应力的关系所获得的结果的图线；
图7A到图7H是解释根据本发明另一个实施例制作三态RF开关的方法的截面视图。
具体实施方式
图1是示意性透视图，示出了根据本发明的一个实施例的RF开关的结构。参见图1，RF开关的输入信号线分成第一到第三输入信号线112、212和312，并且在该输入信号线112，212和312和三条输出信号线110、210和310之间形成第一到第三间隙G1、G2和G3。第一输出信号线110和第二及第三输出信号线210和310位于不同的高度。
在第一输出信号线110和另二条输出信号线210和310之间，形成横跨第一到第三间隙G1、G2和G3的隔膜400。在该隔膜400上分别形成对应于该第一至第三间隙G1、G2和G3的第一到第三金属焊盘411、412和413，同时金属焊盘411、412和413能够在对应的输入信号线和输出信号线之间传输电能。隔膜400将稍后描述。
图2是沿着图1的II-II线剖取的截面视图，它图解了不能容易地表明在图1上的基板、分界栏、射频接地及驱动电极。
参见图1和图2，在下基板100上形成第一井102，并且在第一井102的底部形成第一输出信号线110。射频接地120排列在该第一输出信号线110的两边。另外，在射频接地120的外部形成了第一驱动电极130。
形成第二井202和第三井203的上基板200设置在下基板100之上。在第二井202和第三井203之间的边界上形成了分界栏350。第二输出信号线210、射频接地220和第二驱动电极230形成在第二井202的底部上，同时第三输出信号线310、射频接地320和第三驱动电极330形成在第三井203的底部上。分界栏350的高度与第二井202的高度可以基本上相同。
隔膜400安装在下基板100和上基板200之间。如图1所示的图解，隔膜400在输入信号线和输出信号线之间横跨了三个间隙G1、G2和G3。压应力可以施加到该隔膜400上。即如同图2所示的图解，隔膜400可以向下弯曲，并且可以触及到第一间隙G1(图2的第一输出信号线110)。在此状态下，即使电压未施加到第一驱动电极130，该状态(即第一状态，稍后将会说明)仍将维持。就是说，隔膜400锁定在第一状态。即使当该膜400改变到另一个状态，锁定状态也将维持，下面将会说明。
图3是截面视图，图解了图2中隔膜400的一个实例。参见图3，隔膜400可以包括一个中间金属层402和分别形成在中间金属层402的上面和下面的介电层404和406。第一到第三金属焊盘411、412和413可以分别形成在对应于第一至第三间隙G1、G2和G3的位置。这些金属焊盘触及对应的间隙，并在对应的输入信号线和输出信号线之间传输电能。
虽然驱动电极在本实施例中与信号线设置在同一平面上，但本发明不限于此。这些驱动电极可以设置在信号线之下。
根据本发明的另一个实施例，现在将详细描述RF开关的操作。
第一状态
如果牺牲层在加工过程中去除(该过程将在后面描述)，隔膜400由于压应力的作用，会向下方弯曲，则第一金属焊盘411连接第一输入信号线112和第一输出信号线110。如果一个预定的下拉电压施加到第一驱动电极130，则隔膜400将由其自身和第一驱动电极130之间的静电力而从后面将描述的第二或第三状态而弯曲。即使施加到第一驱动电极130的电压取消，该隔膜400仍维持在第一状态。这个锁定功能出自于隔膜400的压应力。
第二状态
如果预定的下拉电压施加到处在第一状态的RF开关的第二驱动电极230，则隔膜400将由于其自身和第二驱动电极230之间的静电力弯曲，并朝向该第二驱动电极230，如图4所示的图解。在这种情况下，第二金属焊盘412连接第二输入信号线212和第二输出信号线210并产生电流。隔膜400由于分界栏350而形成波浪形状。即使输入电压取消，在第二状态的RF开关维持在第二状态不变。
第三状态
如果预定的下拉电压施加到处在第一状态或第二状态的RF开关的第三驱动电极330，由于第三驱动电极330和隔膜400之间的静电力，隔膜400会朝向第三驱动电极330的方向弯曲，如图5的图解。在这种情况下，第三金属焊盘413连接第三输入信号线312和第三输出信号线310并产生电流。因为在第三状态的该RF开关具有锁定功能，即使该输入电压取消，该RF开关仍维持在第三状态。
图6用图表说明，根据本发明通过仿真RF开关的驱动电压同初始应力的关系，所获得的结果。参见图6，隔膜400长600μm，厚度1μm以及杨氏模量(Young’s modulus)是200GPa，并且驱动电极和隔膜400之间的间隙是3-4μm。由此可以确定其阈值电压随着初始压缩应力增加而增加。为了减少阈值电压，隔膜400的长度应该增加，厚度应该减少，并且要求隔膜400具有一个较低的弹性常数和减少初始的压应力。
图7A到7H的截面视图，解释了根据本发明的另一种实施例制作一个三态RF开关的方法。本实施例的元件应用了与前述实施例相同的标号，因此详细的描述将略去。
下层结构的制作
参见图7A，第一井102的深度大约2μm，通过蚀刻形成在下基板100上。下基板100可以是硅、砷化镓(GaAs)、石英或玻璃等。
参见图7B，铝或铬/金金属沉积在第一井102上，然后构图，以便形成第一输入信号线112(参考图1)和第一输出信号线110、射频接地120以及第一驱动电极130。
参见图7C，牺牲层105旋涂于下基板100上，以填充第一井102，然后蚀刻和整平(planarized)。牺牲层105可以是光致抗蚀剂(photoresist)、聚酰亚胺(polyimide)或硅氧化物(silicon oxide)。
参见图7D，金属材料沉积在牺牲层105上，然后构图案，以便在牺牲层105上形成第一金属焊盘411。接着，第一介质层404、金属层402和第二介质层406连续地被堆叠在牺牲层105和下基板100上。接着，给堆叠结构构图，以便隔膜400形成为预定的宽度。随后，第二金属焊盘412和第三金属焊盘413形成在隔膜400上。
第一和第二介电层404和406可以由硅氧化物或硅氮化物形成，金属层402由铝或金形成。另外，第一至第三金属焊盘411、412和413可以由铝形成。
预定的压应力施加到沉积隔膜400的材料上。压应力取决于沉积条件，例如，沉积温度、沉积率和源气体。另外，压应力部分地取决于隔膜400的材料。由于压力施加到隔膜400上，故隔膜400弯向一边。
参见图7E，如果使用湿蚀刻或等离子灰化去除牺牲层105，隔膜400弯向下方并维持在第一状态。在这种情况下，隔膜400的第一金属焊盘411位于第一输入信号线112和第一输出信号线110之间的第一个间隙G1(参见图1)。
上层结构制作
参见图7F，第二井202和第三井203各深约2μm，其通过蚀刻形成在上基板200上。分界栏350形成在第二井202和第三井203之间的分界上。上基板200可由硅、砷化镓(GaAs)、石英或玻璃等制成。
分界栏350可以是岛型，同时第二井202和第三井203可以形成为一个井。
参见图7G，铝或铬/金金属沉积在第二和第三井202和203，然后构图以便形成第二和第三条输入信号线212和312，第二和第三条输出信号线210和310，射频接地220和320，还有第二和第三驱动电极230和330。
上层结构和下层结构的结合
参见图7H，下基板100和上基板200彼此结合，因而制成一个三态RF开关。
如上所述，根据本发明在三态RF开关中，提供了三条输出信号线对应一条输入信号线，并且其结构简单。另外，由于该三态RF开关有锁定功能，即使所施加的电压取消，锁定状态仍会维持。
尽管本发明参照示范性实施例已经进行详细示出和描述，但是本领域的技术人员会认识到，在其上进行的形式上和细节上的各种变化都不能脱离如所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。
Claims (7)
1、一种三态射频开关，包括：
第一井，其形成在第一基板上；
在该第一井中的第一输入信号线和第一输出信号线，它们彼此间形成第一间隙；
第一射频接地，其在该第一井中与该些信号线隔绝；
第一驱动电极，其形成在该第一井中；
第二基板，其具有对应于该第一基板上的该第一井的第二井和第三井；
分界栏，其在该第二基板中的该第二井和第三井之间形成边界；
第二输入信号线和第二输出信号线，以及第三输入信号线和第三输出信号线，它们分别在该第二井和该第三井中形成第二间隙和第三间隙；
第二射频接地，其与在该第二井和该第三井中的该些信号线隔绝；
第二驱动电极和第三驱动电极，它们分别形成在该第二井和该第三井中；和
隔膜，其设置在该第一基板和该第二基板之间，以横跨该第一间隙、该第二和第三间隙，并且其上具有第一金属焊盘、第二金属焊盘和第三金属焊盘，分别与该第一间隙、该第二间隙和该第三间隙相对。
2、如权利要求1所述的三态射频开关，其中该隔膜形成有预定的压应力。
3、如权利要求1所述的三态射频开关，其中该隔膜锁定在三态中任一状态，该三个状态包括：
第一状态，该第一金属焊盘触及形成该第一间隙的该些信号线；
第二状态，该第二金属焊盘触及形成该第二间隙的该些信号线；
第三状态，该第三金属焊盘触及形成该第三间隙的该些信号线。
4、如权利要求1所述的三态射频开关，其中该隔膜包括金属层和形成在该金属层其上和其下的介电层。
5、如权利要求1所述的三态射频开关，其中该第一至第三输入信号线由射频信号线划分而成。
6、如权利要求1所述的三态射频开关，其中，当该隔膜的该第二金属焊盘或该第三金属焊盘接触该第二间隙或该第三间隙时，该隔膜由分界栏形成波浪形状。
7、如权利要求1所述的三态射频开关，其中该分界栏的高度与该第二井的高度基本上相同。
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