CN201414121Y - 介电可调射频微机电系统电容开关 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种介电可调射频微机电系统电容开关，包括：置于衬底材料(1)上的第一电极(2)、第二电极(3)、及位于所述第一电极(2)和第二电极(3)之间的第三电极(4)，所述的第一电极(2)上设有一可活动的悬臂(5)，所述的第二电极(3)上设有一介电材料层(6)，所述的第三电极(4)上设有一绝缘材料层(7)。本实用新型的技术方案还可以主要采用置于衬底材料(1)上的五个电极及连接于两个电极上的金属桥的方式来实现。本实用新型能够实现电容持续可调模拟性，同时能够有效防止介电材料的击穿。

Description

介电可调射频微机电系统电容开关

技术领域

本实用新型涉及一种电容开关，特别是涉及一种介电可调射频微机电系统电容开关。

背景技术

由于低插入损耗、高隔离、高线性和低功率消耗等优点，传统砷化镓场效应三极管和二级管在射频和微波通信系统中已于15年前开始被引入。它们提供了应用于下一代宽带、无线、智能通信及雷达系统中的新的射频电路的新思路。目前许多研究人员已专注于用射频微机电系统开关设计开发小尺寸、低功耗和低成本的射频和微波电路。微机电系统开关已经被应用于不同的射频电路，例如可调微波滤波器，可调变相器，可调天线以及可调匹配网络。然而在降低成本的要求下，当今民用和军事工业极需具有高度可调性的微波和毫米波技术。

可调式电容是实现毫米波系统的关键器件，为了满足市场需求，最近有人开发了在铝或者多晶硅上用微机械技术制造的微机械可调电容，其具有相当高的质量因子。同时，一种具有很大调节范围的三碟结构也被报道。目前通常有两种方法可以用于制造此类器件。第一种方法是改善材料的性质，另外一种物理方法是控制介电材料的面积或者距离来改变电容。虽然此类可调式电容的调节范围非常大并且损耗很小，但是此类开关存在着桥层和底层金属接触后就无法调节的缺点。

实用新型内容

本实用新型的目的在于改进上述现有技术中的不足而提供一种介电可调射频微机电系统电容开关。

本实用新型的目的通过以下技术方案来实现：

一种介电可调射频微机电系统电容开关，包括：置于衬底材料上的第一电极、第二电极、及位于所述第一电极和第二电极之间的第三电极，所述的第一电极上设有一可变形的悬臂，所述的第二电极上设有一介电材料层，所述的第三电极上设有一绝缘材料层。所述的悬臂包括与第一电极连接的竖直部分，可变形的金属膜臂。

本实用新型的目的还可以通过以下技术方案来实现：

一种介电可调射频微机电系统电容开关，还可以这样来实现，其包括：置于衬底材料上的第一组电极，所述的第一组电极之间连接有一金属桥，且所述的第一组电极之间设有用于提供驱动电压的第二组电极，所述的第二组电极之间设有用于和第一组电极形成回路的电极，且此电极上设有一介电材料层。第二组电极上各设有一绝缘材料层，金属桥包括和第一组电极分别连接的竖直部分及活动的金属膜臂。

以上介电材料层采用的是铁电材料，且其厚度小于1微米。例如是钛酸锶钡或掺钇铌酸锌铋。钛酸锶钡可为BaxSr1-xTiO3，x值处于0.1到0.9之间，x值还可优选处于0.4到0.6之间。

开关利用静电场原理工作，当在驱动电极和与顶层电极相连的底层电极间施加直流电压时，正负电荷将分别聚集在顶层电极和驱动电极表面，并产生静电吸引力，随着施加的直流电压逐渐增加，顶层电极在静电力的作用下将向底层电极移动并最终形成直接接触，这样就在顶层电极和底层电极间就形成了一个大电容(由于底层电极上的介电材料层的作用)，反之，在顶层电极和底层电极间的电容就非常小。大电容在高频电路中就相当于短路，小电容在高频电路中相当于开路。

本实用新型的优点在于：

采用的铁电材料高介电常数大大增强了开关的高频性能，开关设计含有独立的驱动电极，能够实当开关的金属膜臂可与底层金属接触时电容持续可调，并能够有效防止介电材料的击穿。

附图说明

图1为本实用新型实施例1电容开关的开合状态；

图2为本实用新型实施例1电容开关的关闭状态；

图3为本实用新型实施例2电容开关的关闭状态；

图4为本实用新型实施例2电容开关的关闭状态；

图5-图9为本实用新型实施例1中电容开关的制作步骤；

图10为本实用新型实施例1中的开关在关闭状态的电容-电压测试结果；

图11为本实用新型实施例1中开关在关闭状态的S参数的测试结果；

图12为本实用新型实施例1中开关在开合状态的S参数的测试结果；

图13为本实用新型实施例1中用钛酸锶钡作为介电层和用氮化硅作为介电层的开关的S参数比较。

具体实施方式

实施例1

图1和2为一种介电可调射频微机电系统电容开关，包括：置于衬底材料1上的第一电极2，用于接地，使得电容开关从开合到关闭的第二电极3、用作电压驱动的第三电极4，第一电极2上设有一可变形的悬臂5，第二电极3上设有一介电材料层6，第三电极4上设有一绝缘材料层7。

电容开关的衬底材料1可采用蓝宝石或硅。例如导电材料铂在衬底材料1上形成电极第一电极2、第二电极3和第三电极4，第一电极2和第三电极3之间形成电容回路。第三电极4上的绝缘材料层7用于防止金属膜臂52和第三电极4之间的电学短路，同时由于绝缘材料层7有一定的厚度可在第三电极4和金属膜臂52之间传送电磁场。

悬臂5包括与第一电极2连接的竖直部分51及可活动的金属膜臂52，金属膜臂52未和第二电极3、第三电极4连接时为“开合”或“上”的状态，如图1所示。金属膜臂52和第二电极3、第三电极4连接时为“关闭”或“下”的状态，如图2所示，此时在金属膜臂52，介电材料层6，第二电极3之间形成一个电容。

驱动电压加在第三电极4上，第一电极2接地。作为驱动电极的第三电极4一般通过与其连接的大电阻8和射频电路隔离开，当开关处于“开合”状态时，开关在悬臂5和绝缘材料层7间形成非常小的电容，当第三电极4加载驱动电压时，悬臂5将在电磁场引起的静电力作用下变形弯曲，直到接触到绝缘材料层7、介电材料层6，这时形成一个金属-绝缘层-金属的大电容。

图5至9描述了悬臂式开关的制造过程。衬底层金属可以是铂或者其他金属。如图5所示，对于很难通过湿法腐蚀来定义的金属，底层金属如钛/铂(200/1000埃)可以通过拔起工艺在衬底上来制造。然后沉积并刻蚀好高介电常数的材料如钛酸锶钡，钛酸锶钡可以通过氢氟酸腐蚀形成介电材料层6。

如图6所示，通过等离子体增强化学气相沉积方法生长2000埃氮化硅层，刻蚀并用活性离子腐蚀法或者其他方法形成绝缘材料层7。

如图7所示，旋转涂敷刻蚀2微米厚的牺牲层10’以形成空腔。牺牲层材料可以是氧化硅，光刻胶及其他材料。

如图8所示，通过电子蒸镀或其他方法生长金属籽层11’。

如图9所示，在11’上光刻，电镀并形成悬臂5。

通过干法或者湿法除去牺牲层并形成如图1和2所示的开关。

此工艺可以用于同时制造很多微机电系统开关，并其也可以和其他器件一起集成制造。

实施例2

图3和4为一种介电可调射频微机电系统电容开关，包括：置于衬底材料1上的一组电极21、22，所述电极21、22间连接有一金属桥23，所述的电极21、22之间设有用于做驱动电极的电极24、25，所述的电极24、25之间设有用于和电极21、22形成回路的电极26，所述的电极24、25上各设有一绝缘材料层220，所述的电极26上设有一电容介电层240。金属桥23包括和电极21、22分别连接的竖直部分230及可活动的金属膜臂231。当金属膜臂231未和电极26连接时为“开合”或“上”的状态，如图3所示；当金属膜臂231和电极26连接时为“关闭”或“下”的状态，如图4所示。

驱动电极一般和开关连接的射频电路隔离开，一般通过使用和驱动电极相连的大电阻来实现。当开关处在开合状态时，开关在金属膜臂231和底层电极26间形成非常小的电容，一旦通过驱动电极24、25施加电压，金属膜臂231将在电磁场引起的静电力作用下弯曲变形，直到接触到介电材料层，这时将形成一个金属/绝缘层/金属的大电容。

以上实施例中所述的介电材料常选用高介电常数材料如钛酸锶钡，可以大大增加开关在“关闭”状态时的电容。高介电材料还可为BaxSr1-xTiO3，其中x值处于0.1到0.9之间，最好处于0.4到0.6之间。其他的铁电材料如掺钇铌酸锌铋和其他人造介电材料都可以使用。对于不可调的微机电系统电容式开关，不可调的介电材料如氮化硅，氧化硅也可以作为介电材料层6。

图10为本实用新型中的悬臂式开关在关闭状态下的可调性和电容电压测量结果。当应用的电压从1到5伏时，电容值从130pF降到71.2pF。调节范围达到182％。测试的质量因子是260。通过改变开关接触面积，可以得到不同的电容范围。图11和图12显示了开关在开合和关闭状态下的S参数测量结果。开关开合状态下，插入损耗在20GHz和40GHz下分别是0.3和0.4dB，反向损耗在20GHz下是25dB。

当本实用新型中的悬臂式开关处于关闭状态时，插入损耗在40GHz下小于0.6dB，反向损耗从DC到20GHz大于20dB。插入损耗相对较大是因为开关的信号线比较薄，通过提高底层金属的厚度可以改善损耗。

图13为分别使用钛酸锶钡薄膜和氮化硅作为介电材料的悬梁式开关的性能比较。由于钛酸锶钡薄膜用于远高于氮化硅的介电常数，使用钛酸锶钡薄膜的开关具有远优于使用氮化硅的开关的返回损耗。

本实用新型中的开关可以用于各种电子应用。可以用于信号延迟线，可调滤波器和移相器。其可以用于优化器件功能和调整频率或者带宽。如果使用多个开关可以实现器件中更多的功能改变。

Claims (12)

1、一种介电可调射频微机电系统电容开关，其特征在于，包括：置于衬底材料(1)上的第一电极(2)、第二电极(3)、及位于所述第一电极(2)和第二电极(3)之间的第三电极(4)，所述的第一电极(2)上设有一可变形的悬臂(5)，所述的第二电极(3)上设有一介电材料层(6)，所述的第三电极(4)上设有一绝缘材料层(7)。

2、根据权利要求1所述的一种介电可调射频微机电系统电容开关，其特征在于：所述的悬臂(5)包括与第一电极(2)连接的竖直部分(51)，可活动的金属膜臂(52)。

3、根据权利要求1所述的一种介电可调射频微机电系统电容开关，其特征在于：所述的介电材料层采用的是铁电材料，且其厚度小于1微米。

4、根据权利要求3所述的一种介电可调射频微机电系统电容开关，其特征在于：所述的铁电材料采用的是钛酸锶钡或掺钇铌酸锌铋。

5、根据权利要求4所述的一种介电可调射频微机电系统电容开关，其特征在于：所述钛酸锶钡为BaxSr1-xTiO3，其中x值处于0.1到0.9之间。

6、根据权利要求5所述的一种介电可调射频微机电系统电容开关，其特征在于：所述的钛酸锶钡为BaxSr1-xTiO3，其中x值处于0.4到0.6之间。

7、一种介电可调射频微机电系统电容开关，其特征在于，包括：置于衬底材料(1)上的一组电极(21)、(22)，所述电极(21)、(22)间连接有一金属桥(23)，所述的电极(21)、(22)之间设有用于做驱动电极的电极(24)、(25)，所述的电极(24)、(25)之间设有用于和电极(21)、(22)形成回路的电极(26)，所述的电极(24)、(25)上各设有一绝缘材料层(220)，所述的电极(26)上设有一电容介电层(240)。

8、根据权利要求7所述的一种介电可调射频微机电系统电容开关，其特征在于：所述的金属桥(23)包括和电极(21)、(22)分别连接的竖直部分(230)及可变形的金属膜臂(231)。

9、根据权利要求8所述的一种介电可调射频微机电系统电容开关，其特征在于：所述的介电材料层采用的是铁电材料，且其厚度小于1微米。

10、根据权利要求9所述的一种介电可调射频微机电系统电容开关，其特征在于：所述的铁电材料采用的是钛酸锶钡或掺钇铌酸锌铋。

11、根据权利要求10所述的一种介电可调射频微机电系统电容开关，其特征在于：所述钛酸锶钡为BaxSr1-xTiO3，其中x值处于0.1到0.9之间。

12、根据权利要求11所述的一种介电可调射频微机电系统电容开关，其特征在于：所述的钛酸锶钡为BaxSr1-xTiO3，其中x值处于0.4到0.6之间。

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