CN213043664U - 一种面内滑动式并联电容射频开关 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提出了一种基于结构超滑的面内滑动式并联电容射频开关。包括基底、驱动部件、绝缘层以及滑动部件，当在滑动部件与驱动部件之间施加驱动电压时，驱动部件与滑动部件之间形成较大的电容，传输截止；当在滑动部件与另一驱动部件之间施加驱动电压时，驱动电极与滑动部件在垂直方向上无正对面积，电容很小，射频信号可实现基本无损耗传输。
Description
技术领域
本新型属于射频微机电系统开关(RF MEMS Switch)的技术领域，具体涉及一种面内滑动式并联电容射频开关。
背景技术
随着雷达和无线通信技术的发展，小体积、低功耗、高性能、多功能的射频设备成为无线电领域的发展趋势，射频器件朝着微型化和集成化的方向发展，MEMS开关应运而生，RF MEMS开关已逐渐取代传统的GaAs FET开关，成为射频开关(RF Switch)的发展方向。RFMEMS开关相较于传统开关具有更低的插入损耗、更高的隔离度、更好的线性度、更低的功耗、更小的体积等优点，并且能够很容易的与IC电路集成，具有广阔的应用前景。目前，现有的RF MEMS开关从驱动方式上主要有静电驱动机制、热驱动机制、电磁驱动机制、压电驱动机制等几种。
RF MEMS静电开关作为一种基础性电子元器件，与传统的P-I-N二极管开关和FET场效应晶闸管开关相比，具有低功耗、低插入损耗、低串扰、高隔离度、高线性度等特性，被认为是最重要的MEMS器件之一。特别地，随着近年来5G通讯系统、雷达系统、卫星通讯系统、高性能射频芯片系统的高速发展，工业界对底层RF射频开关器件的功耗、可靠性、隔离度、线性度、功率处理能力等提出了更高的要求，比如在5G系统中具有载波聚合功能的LTE-A天线开关必须满足IIP3＝90dBm的要求，而RF-MEMS射频开关是唯一能够达到IIP3>90dBm的一种开关。由于传统的固态半导体开关(P-I-N和FET)依靠掺杂载流子传导以及接触势垒的存在，开关表现出较差的品质因数(Ron×Coff)且在关断状态下存在漏电流，这严重影响开关的插入损耗、隔离度、线性度，使得这类开关不适合高频射频信号的切换。RF MEMS静电开关依靠机械式接触传导射频信号，信号线之间存在物理隔离，因此具有低功耗(nj)、低插入损耗、高的隔离度和线性度，这能大幅降低无线通讯系统、雷达探测系统、卫星系统的能耗和成本，提高射频信号传输的保真度，显著提升系统的综合性能。其研制及应用已成为无线通讯(5G)系统、雷达系统、卫星系统等先进电子装备的关键技术。
相比于广泛应用的半导体射频开关，尽管RF MEMS静电开关有诸多优势，但是机械接触式的通断方式却带来可靠性方面的严重问题。RF MEMS静电开关的触点或绝缘层容易在高速的碰撞中发生损伤，致使导通电阻增大，进而引起较强的热效应，造成器件失效，同时绝缘层的损伤也会加剧表面电荷的积累，当电荷积累量超过临界值时，开关将出现自静电吸附失效；接触触点在断开瞬间发生的电弧放电可造成触点材料熔融，引起接触电阻显著增大甚至触点与传导线直接黏连；高能量功率通过开关时会在上下触点或极板间耦合出足够的静电力，使得开关发生自锁吸合，通常RF MEMS静电开关的处理功率在1W以下，而半导体开关却能达到1-10W。上述是影响RF MEMS可靠性及应用领域的主要原因之一，相比传统的半导体开关，RF MEMS静电开关的使用寿命要低两个数量级以上。另外，目前IC集成电路系统中使用的标准电压都低于5V，而RF MEMS静电开关的驱动电压普遍在10V-80V之间，这也是为什么RF-MEMS静电开关很少在手机无线通讯系统中运用的原因之一。综上所述，提高功率处理能力、降低驱动电压、改善可靠性是RF-MEMS静电开关进一步发展亟待解决的关键性问题。
结构超滑技术研究的是两种或同种材料之间的无摩擦、无磨损滑动现象，最初的研究仅限于纳米尺度的超滑现象，比如多臂同轴碳纳米管之间的超滑、纳米探针与二维材料之间的超滑等。2013年，郑泉水教授第一次在微米尺度发现HOPG(Highly OrientedPyrolytic Graphite)片层材料之间的超滑现象，这标志着超滑从基础研究过渡到可应用化的技术研究过程。本新型依据结构超滑原理，提出了一种面内滑动式并联电容射频开关，可降低驱动电压且极大提高开关的使用寿命和功率处理能力。
发明内容
本新型根据超滑结构与平整异质基底之间的低摩擦、无磨损的面内滑动运动，提出了一种基于结构超滑的面内滑动式并联电容射频开关。包括基底、驱动部件、绝缘层以及滑动部件，当在滑动部件与驱动部件之间施加驱动电压时，滑动部件在水平方向静电力的作用下滑动至驱动部件上，此时，驱动部件与滑动部件之间形成较大的电容，射频信号几乎被全部反射，传输截止；当在滑动部件与另一驱动部件之间施加驱动电压时，滑动部件在水平方向静电力的作用下滑动至另一驱动部件之上，此时前一驱动电极与滑动部件在垂直方向上无正对面积，电容很小，射频信号可实现基本无损耗传输。
具体来说，本新型提供的面内滑动式并联电容射频开关通过以下方案实现：
一种面内滑动式并联电容射频开关，包括基底、驱动部件、绝缘层以及滑动部件，其特征在于：所述滑动部件具有超滑面，所述绝缘层具有原子级光滑表面，所述滑动部件通过所述超滑面与绝缘层的原子级光滑表面接触；所述滑动部件能够被所述驱动部件驱动，并能改变所述滑动部件与所述驱动部件的相对位置。
进一步的，所述滑动部件能够被驱动在面内沿水平方向滑动，通过调整驱动部件与滑动部件垂直面内重叠与分离实现开关。
进一步地，所述驱动部件包括多个驱动部件，优选地，驱动部件包括第一驱动部件、第二驱动部件。
进一步地，所述驱动部件包括驱动电极。
进一步地，所述滑动部件选自石墨，优选为HOPG。
进一步地，所述基底选自绝缘材料或者半导体材料。
进一步地，所述半导体材料优选为高组硅；所述绝缘材料优选自SiO2、SiC、蓝宝石、云母等。
进一步地，所述绝缘层优选自氧化硅层。
进一步地，所述绝缘层厚度为纳米级。
进一步地，所述绝缘层厚度优选为2-50纳米。
进一步地，所述驱动部件驱动滑动部件在面内沿水平方向滑动的驱动方式为静电驱动。
本新型利用从下至上依次为驱动部件、绝缘层、滑动部件的三明治结构，实现滑动部件在平整绝缘层表面的面内极低摩擦力无磨损滑动；当在断开状态时，滑动部件与驱动部件之间的电容极小，使得射频信号几乎没有损耗；当在关上状态时，滑动部件与驱动部件由于纳米级后的绝缘层，构成较大的电容，射频信号完全被反射。通过设置电压控制时序来控制射频开关的通断。
因此，本新型由于摩擦力极低且无磨损，可以实现较低的驱动电压、极高的使用寿命和功率处理能力，有望突破制约RF MEMS静电开关寿命的一个主要障碍，推进其实用化进程，促进国内无线通讯系统(5G)、高性能相控阵雷达以及卫星通讯系统等相关电子装备研究的跨越式发展。
附图说明
图1为本新型并联电容射频开关导通状态示意图；
图2为本新型并联电容射频开关导通状态俯视图；
图3为本新型并联电容射频开关阻断状态示意图；
图4为本新型并联电容射频开关阻断状态俯视图；
图5为本新型并联电容射频开关工作模式图。
附图标记：1.HOPG超滑片，2.绝缘层，3.基底，4.第一驱动电极，5.第二驱动电极
具体实施方式
下面结合附图对本新型的实施例作进一步的说明：
本发明所述的超滑片，是现有技术中超滑副的一部分，现有的超滑副两个接触的超滑表面间，相对滑动时摩擦力几乎为零，摩擦系数小于千分之一，磨损为零。
如图1所示，所述面内滑动式并联电容射频开关由高阻硅基底3、第一驱动电极4、第二驱动电极5、纳米级绝缘层2、HOPG超滑片1组成。所述第一驱动电极4和第二驱动电极5嵌入于基底3中；所述基底3和第一驱动电极4、第二驱动电极5的表面平齐并保持原子级平整或纳米级平整；所述绝缘层2覆盖在第一驱动电极4和第二驱动电极5之上，用于HOPG超滑片与第一驱动电极4、第二驱动电极5之间的绝缘，绝缘层2的厚度控制在2nm-50nm之间，使得第一驱动电极4、第二驱动电极5与超滑片1之间有的间隙足够小，以确保激励电压较小。将所述HOPG超滑片1放置于绝缘层之上，其初始位置正对第一驱动电极4，由于所述HOPG超滑片具有原子级平整超滑面，可在绝缘层2表面以极低摩擦力无磨损滑动，同时，不会因电极上的电荷积累而发生粘附失效，能够实现超长寿命。
所述面内滑动式并联电容射频开关的工作流程如下：图1为射频开关处于导通状态，此时HOPG超滑片1与第一驱动电极5之间由于在垂直方向无重叠面积，电容接近为零，射频信号可全部通过，无反射损耗。当在HOPG超滑片1与第一驱动电极5之间施加驱动电压时，HOPG超滑片1受到侧向静电力的作用向左滑动至第一驱动电极5的上方，由于绝缘层2的厚度为纳米级，HOPG超滑片1与第二驱动电极5之间构成较大的电容，射频信号完全被反射，传输截止，如图3所示。当在HOPG超滑片1与第一驱动电极4之间施加驱动电压时，HOPG超滑片1受到水平方向向右的静电力滑动至第一驱动电极4的上方，如图1所示，此时第二驱动电极5与HOPG超滑片1在垂直方向上无正对面积，电容趋近于零，射频信号可无损耗传输通过。
以上所述仅为本新型的较佳实施方式，本新型的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本新型所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。
Claims (9)
1.一种面内滑动式并联电容射频开关，包括基底、驱动部件、绝缘层以及滑动部件，其特征在于：所述滑动部件具有超滑面，所述绝缘层具有原子级光滑表面，所述滑动部件通过所述超滑面与绝缘层的原子级光滑表面接触；所述滑动部件能够被所述驱动部件驱动，并能改变所述滑动部件与所述驱动部件的相对位置。
2.根据权利要求1所述的面内滑动式并联电容射频开关，其特征在于：所述滑动部件能够被驱动在面内沿水平方向滑动，通过调整驱动部件与滑动部件垂直面内重叠与分离实现开关。
3.根据权利要求1所述的面内滑动式并联电容射频开关，其特征在于：所述驱动部件至少包括第一驱动部件、第二驱动部件。
4.根据权利要求1-3任一项所述的面内滑动式并联电容射频开关，其特征在于：所述驱动部件包括驱动电极。
5.根据权利要求1-3任一项所述的面内滑动式并联电容射频开关，其特征在于：所述滑动部件是超滑片。
6.根据权利要求1-3任一项所述的面内滑动式并联电容射频开关，其特征在于：所述基底是绝缘基底或者半导体基底。
7.根据权利要求1-3任一项所述的面内滑动式并联电容射频开关，其特征在于：所述绝缘层厚度为1-100纳米。
8.根据权利要求7所述的面内滑动式并联电容射频开关，其特征在于：所述绝缘层的厚度为2-50纳米。
9.根据权利要求1-3任一项所述的面内滑动式并联电容射频开关，其特征在于：所述滑动部件的被驱动方式为静电驱动。
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| CN202021212378.5U CN213043664U (zh) | 2020-06-28 | 2020-06-28 | 一种面内滑动式并联电容射频开关 |
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Publications (1)
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| CN111884644A (zh) * | 2020-06-28 | 2020-11-03 | 深圳清华大学研究院 | 一种基于结构超滑的并联rf mems开关 |
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2020
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| CN111884644B (zh) * | 2020-06-28 | 2024-04-19 | 深圳清华大学研究院 | 一种基于结构超滑的并联rf mems开关 |
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