CN213184137U - 实现注入电荷静电驱动的单刀四掷集成开关芯片 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种实现注入电荷静电驱动的单刀四掷集成开关芯片，包括四组单刀四掷开关，所述的开关芯片由固定板和可动板键合构成，所述的两组驱动单元阵列通过实时控制电荷屏蔽，驱动悬挂四方板向固定板运动或离开固定极板运动，使单刀四掷开关处于接通状态或断开状态，完成单刀四掷开关的连通动作和关断动作。采用了本实用新型的实现注入电荷静电驱动的单刀四掷集成开关芯片，运用了新的注入电荷静电驱动原理，整个开关过程控制由IC系统电源完成，不需要更高的驱动电源，完全克服了电容型静电驱动需高电压驱动的固有缺陷，使静电驱动趋于更完善。也因此，本实用新型所设计的RF MEMS开关更具实用性、有更好的隔离度和有更好的可靠性。

Description

实现注入电荷静电驱动的单刀四掷集成开关芯片

技术领域

本实用新型涉及微电子机械系统领域，尤其涉及接触式RF MEMS开关芯片领域，具体是指一种实现注入电荷静电驱动的单刀四掷集成开关芯片。

背景技术

目前应用于RF MEMS开关大多是采用电容式静电驱动的。电容式静电驱动原理的最突出的优点是功耗低、结构简单、易与IC工艺相容、适合批量生产。然而，其最大的缺点是驱动电压高(20V～80V)，需要在系统中增加所必需的电荷泵部件来完成电源电压的提升(如ADI公司ADGM1304器件就同时封装了电荷泵芯片)，严重限制了其在RF MEMS开关中的应用发挥。而更严重的问题来自于高电压的使用所带来的系列可靠性问题。电容式静电驱动的静电力来自于对电容充电后在平行的两极板上累积的异种电荷产生的相互吸引力；而极板间的恢复力来自于悬挂极板的悬臂所产生的弹性力。在极板从平衡位置启动运动时，电容极板间距最大，电容最小，在同样的驱动电压下，极板上所充电荷量最少(Q＝CV)，产生的静电力最小。此时，唯有增加驱动电压来增大静电力。然而，在高电压驱动下，在两极板相互靠近过程中，由于间距减小，电容增大，极板上所充电荷量急剧增大(或者说，因静电力与极板间间距x呈1/x²关系)，静电力迅速增大。这造成两极板强力互撞，从而产生了两极板的黏联风险或\和增加了极板的碎裂等可靠性风险。为减小这些风险和增加恢复力，需要增大弹簧力；但反过来又需要增加驱动电压来启动极板运动。可见，两者的要求是矛盾的。而且，在较高的驱动电压下，易于造成介质的击穿；以及，在高压的反复作用下，因强场激发陷入介质内的电荷随时间积累而影响静电力的有效驱动等。再者，对于RF MEMS开关来说，其隔离度要求其平衡状态点的极板间距要足够大；但驱动电压降低却要求这个间距要小。这种特性需求的矛盾使得设计者只能以牺牲一方为代价来处理，严重限制了RF MEMS开关性能的发挥。由上述可知，所有述及的电容式静电驱动存在的缺陷均来自于电容式静电驱动原理本身，是其固有缺陷。如想要从根本上克服这些固有缺陷，需要从改变驱动原理本身入手。这就是本实用新型主要要解决的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种满足实用性好、隔离度高、可靠性好的实现注入电荷静电驱动的单刀四掷集成开关芯片。

为了实现上述目的，本实用新型的实现注入电荷静电驱动的单刀四掷集成开关芯片如下：

该实现注入电荷静电驱动的单刀四掷集成开关芯片，其主要特点是，所述的开关芯片包括四组单刀四掷开关，所述的开关芯片由固定板和可动板键合构成，所述的可动板和固定板均具有对称设计的键合框架，所述的可动板还包括通过对称型或风车型弹簧支撑的悬挂四方板，所述的可动板和固定板上具有对称分布的两组驱动单元阵列，即第一驱动单元组和第二驱动单元组，分别预先存有异种电荷和同种电荷，分别产生静电吸引力和静电排斥力，所述的两组驱动单元阵列通过实时控制电荷屏蔽，驱动悬挂四方板向固定板运动或离开固定极板运动，使单刀四掷开关处于接通状态或断开状态，完成单刀四掷开关的连通动作和关断动作。

较佳地，所述的驱动单元阵列包含驱动单元，驱动单元包括注入电荷极、注入电荷控制极、注入电荷存储极、电荷注入窗口和电荷注入控制窗口，电荷注入控制窗口设在注入电荷控制极与注入电荷存储极之间，电荷注入窗口设在注入电荷极与注入电荷存储极之间，所述的注入电荷极和注入电荷控制极构成驱动单元的屏蔽体；所述的开关芯片还包括MOS开关管，所述的注入电荷极和注入电荷控制极与相应的MOS开关管的一端相连，MOS开关管的另一端接地。

较佳地，所述的第一驱动单元组和第二驱动单元组的电荷存储极预先分别注入异种电荷或同种电荷；第一组驱动单元和第二组驱动单元连接的MOS开关管根据两组交错的时钟脉冲控制，电荷存储极分别在其注入电荷极感应出异种电荷或同种电荷，在两极板间产生静电吸引力或静电排斥力，驱动悬挂四方板向固定板运动或离开固定极板运动，使单刀四掷开关处于接通状态或断开状态。

较佳地，所述的可动板的悬挂四方板设有对称的驱动单元，即第一驱动单元和第三驱动单元，所述的固定板设有对称的驱动单元，即第二驱动单元和第四驱动单元，所述的第一驱动单元和第二驱动单元构成第一驱动单元组，第三驱动单元和第四驱动单元构成第二驱动单元组。

较佳地，所述的开关芯片通过电荷注入窗口和电荷注入控制窗口向驱动单元注入预设的电荷类型和足量的电荷。

较佳地，所述的可动板的悬挂四方板的外围四周布置有四个连续触点，所述的固定板在与可动板的连续触点对称的位置设有触点区，即开关信号的输入触点和四个输出触点及其连线，所述的单刀四掷开关由可动板上的连续触点及固定板上对称位置上的五个触点构成；在悬挂四方板往复运动时，所述的可动板的连续触点和固定板的触点区相互接触或相互断开。

较佳地，所述的悬挂四方板布置有小孔阵列。

较佳地，所述的可动板和固定板的键合框架上具有淀积的低温熔融介质，是黏联键合的介质材料。

较佳地，所述的开关芯片还包括键合玻璃板。

较佳地，所述的开关芯片还包括金属连线，由固定板内部引出至固定板的背面。

采用了本实用新型的实现注入电荷静电驱动的单刀四掷集成开关芯片，运用了新的注入电荷静电驱动原理，整个开关过程控制由IC系统电源完成，不需要更高的驱动电源，完全克服了电容型静电驱动需高电压驱动的固有缺陷，使静电驱动趋于更完善。也因此，本实用新型所设计的RF MEMS开关更具实用性、有更好的隔离度和有更好的可靠性。

附图说明

图1为本实用新型的实现注入电荷静电驱动的单刀四掷集成开关芯片的RF MEMS开关剖面结构示意图。

图2为本实用新型的极板间静电力Fe和5um行程耗时t与预先注入电荷密度Qi的关系示意图。

图3为本实用新型的可动板硅片的加工主要工艺的剖面示意图。

图4为本实用新型的固定板硅片的加工主要工艺的剖面示意图。

图5为本实用新型的第一键合工艺方案的工艺剖面示意图。

图6为本实用新型的第二键合工艺方案的工艺剖面示意图。

图7为本实用新型的实现注入电荷静电驱动的单刀四掷集成开关芯片的结构简图。

附图标记：

11 固定板

12 可动板

4 键合玻璃板

21 第一驱动单元

22 第二驱动单元

23 第三驱动单元

24 第四驱动单元

211 注入电荷控制极

212 注入电荷存储极

213 注入电荷极

31、32 风车型弹簧

51、52、53 小孔阵列

61、62、63、64 连续触点

71、72、73、74 键合框架

81、82 低温熔融介质层

91、92 金属连线

具体实施方式

为了能够更清楚地描述本实用新型的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。

本实用新型的该实现注入电荷静电驱动的单刀四掷集成开关芯片，其中包括四组单刀四掷开关，所述的开关芯片由固定板和可动板键合构成，所述的可动板和固定板均具有对称设计的键合框架，所述的可动板还包括通过对称型或风车型弹簧支撑的悬挂四方板，所述的可动板和固定板上具有对称分布的两组驱动单元阵列，即第一驱动单元组和第二驱动单元组，分别预先存有异种电荷和同种电荷，分别产生静电吸引力和静电排斥力，所述的两组驱动单元阵列通过实时控制电荷屏蔽，驱动悬挂四方板向固定板运动或离开固定极板运动，使单刀四掷开关处于接通状态或断开状态，完成单刀四掷开关的连通动作和关断动作。

作为本实用新型的优选实施方式，所述的驱动单元阵列包含驱动单元，驱动单元包括注入电荷极、注入电荷控制极、注入电荷存储极、电荷注入窗口和电荷注入控制窗口，电荷注入控制窗口设在注入电荷控制极与注入电荷存储极之间，电荷注入窗口设在注入电荷极与注入电荷存储极之间，所述的注入电荷极和注入电荷控制极构成驱动单元的屏蔽体；所述的开关芯片还包括MOS开关管，所述的注入电荷极和注入电荷控制极与相应的MOS开关管的一端相连，MOS开关管的另一端接地。

作为本实用新型的优选实施方式，所述的第一驱动单元组和第二驱动单元组的电荷存储极预先分别注入异种电荷或同种电荷；第一组驱动单元和第二组驱动单元连接的MOS开关管根据两组交错的时钟脉冲控制，电荷存储极分别在其注入电荷极感应出异种电荷或同种电荷，在两极板间产生静电吸引力或静电排斥力，驱动悬挂四方板向固定板运动或离开固定极板运动，使单刀四掷开关处于接通状态或断开状态。

作为本实用新型的优选实施方式，所述的可动板的悬挂四方板设有对称的驱动单元，即第一驱动单元和第三驱动单元，所述的固定板设有对称的驱动单元，即第二驱动单元和第四驱动单元，所述的第一驱动单元和第二驱动单元构成第一驱动单元组，第三驱动单元和第四驱动单元构成第二驱动单元组。

作为本实用新型的优选实施方式，所述的开关芯片通过电荷注入窗口和电荷注入控制窗口向驱动单元注入预设的电荷类型和足量的电荷。

作为本实用新型的优选实施方式，所述的可动板的悬挂四方板的外围四周布置有四个连续触点，所述的固定板在与可动板的连续触点对称的位置设有触点区，即开关信号的输入触点和四个输出触点及其连线，所述的单刀四掷开关由可动板上的连续触点及固定板上对称位置上的五个触点构成；在悬挂四方板往复运动时，所述的可动板的连续触点和固定板的触点区相互接触或相互断开。

作为本实用新型的优选实施方式，所述的悬挂四方板布置有小孔阵列。

作为本实用新型的优选实施方式，所述的可动板和固定板的键合框架上具有淀积的低温熔融介质，是黏联键合的介质材料。

作为本实用新型的优选实施方式，所述的开关芯片还包括键合玻璃板。

作为本实用新型的优选实施方式，所述的开关芯片还包括金属连线，由固定板内部引出至固定板的背面。

本实用新型的具体实施方式中，设计了一种采用注入电荷静电驱动原理驱动的、由四组单刀四掷集成的RF MEMS开关芯片。芯片由可动极板和固定极板键合构成。可动极板由键合框架及连接其上且用对称型或风车型弹簧支撑的四方板构成；而在固定板上同样设计有与之对称的图形。在四方板上外围四周和在固定板对称位置上，分别设计有四组开关触点区：每组在可动极板四方板上设计有一个连续触点；而在固定板对称位置处的触点区设计有一个输入触点和四个输出触点。每组构成一个单刀四掷开关。开关功能是采用注入电荷静电驱动原理完成的，实现的结构是：在悬挂的四方板内里及在固定板对应位置上设计有对称分布的两组驱动单元阵列：一组预先存储有异种电荷，为产生静电吸引力设置的；而另一组预先存储有同种电荷，为产生静电排斥力设置的。两组驱动单元通过选择屏蔽实时控制而实现注入电荷静电驱动完成开关的连通和关断动作。说明书附图中，fixed plate指固定板，movable plate指可动板。

本实用新型设计的RF MEMS开关芯片如图1所示。开关芯片内集成了四组单刀四掷RF MEMS开关。芯片由固定板11和可动板12构成。可动板是由连接在键合框架上，用对称或风车型弹簧(如31和32)支撑的悬挂四方板构成。而固定板上设计有与可动板完全对称的图形，但没有对应可动部件。

在连接在可动板上的悬挂四方板的外围四周布置有四个连续触点，如61和63；而对应每个连续触点，在固定板相应对称位置上设置着开关信号的一个输入触点和四个输出触点(如62和64)及它们对应的连线。所以，可动板上每个连续触点以及对应固定板上对称位置上的五个分离触点构成一组单刀四掷开关。而设计芯片共计集成了四组单刀四掷开关，它们随可动板上悬挂的四方板的往复运动同时做出同样的开关响应。在实际应用中，芯片可通过输入输出端口的并联数目的变化，实现单刀，双刀和四刀多掷等类型的开关。

在可动板上的悬挂四方板上也布置着小孔阵列51、52和53，用于可动板的释放和减小悬挂四方板运动时产生的空气阻尼，提高开关的响应速度。但在固定板上没有这种对应图形，只留有相应空间，以便保证其它图形的对称性。

在悬挂在可动板上的四方板上内里还布置有驱动单元阵列。驱动单元阵列由多个注入电荷驱动单元如21和23构成。每个驱动单元由注入电荷控制极211、注入电荷存储极212和注入电荷极213构成。而注入电荷控制极211和注入电荷极213又构成本驱动单元的屏蔽体。并且，在注入电荷控制极与注入电荷存储极之间设计有电荷注入控制窗口；以及在注入电荷极与注入电荷存储极之间设计有电荷注入窗口；电荷通过注入窗口，采用F-N隧道效应(Fowler-Nordheim tunneling)原理预先注入，并存储在注入电荷存储极上。同样，在固定板上设计有对称的驱动单元，如22和24。

驱动单元21和22是一对，在它们的电荷存储极上分别预先存有异种电荷。这组驱动单元的电荷注入控制极和电荷注入极分别通过两对MOS开关管连接到地，它们内部的存储极上预先存储的电荷被屏蔽；而当这两对开关管断开后(由时钟脉冲T1控制)，存储极上预先存储的电荷分别在它们的注入电荷极上感应出异种电荷，从而在两极板间产生静电吸引力，驱动可动极板上悬挂的四方板向固定板运动，促使两个极板上的触点互相接触，使RFMEMS开关处于接通状态。

而驱动单元23和24是另一对，分别在它们的电荷存储极上存有同种电荷。同样，这组存储单元的电荷注入控制极和电荷注入极分别通过另两对MOS开关管连接到地，它们内部的存储极上预先存储的电荷被屏蔽；而当这两对开关管断开后(由时钟脉冲T2控制；脉冲信号T2可为独立脉冲源，或由T1脉冲加倒向器产生)，存储极上预先存储的电荷分别在它们的注入电荷极上感应出同种电荷，从而在两极板间产生静电排斥力，驱动可动极板上悬挂的四方板做离开固定极板的运动，促使两个极板上的触点分开而产生足够的隔断，使RFMEMS开关处于断开状态。

时钟脉冲T1与时钟脉冲T2是相互交错关联的，由此，控制着极板间静电吸引力和静电排斥力交错产生，促使悬挂的四方板做往复运动，从而，完成集成的四组单刀四执RFMEMS开关的相应功能。

在可动板上还设计有键合框架，如71和73；而在固定板上同样也对称设计了键合框架，如72和74。在固定板键合框架上淀积的低温熔融介质层，如81和82，用于黏联键合的介质材料。键合玻璃板4是为封住可动板腔体开口，便于后续加工和开关结构的加固。设计芯片系统的金属连线，如91和92，全部经固定板体硅引出到固定板的背面。至此，已系统介绍了图1所示出的最终的采用注入电荷静电驱动原理驱动的、集成了四组单刀四掷RF MEMS开关的示意结构。

为不浪费可动板硅体空间，可不打开可动板腔体窗口，这样可动板背面可做它用。如果选择这种设计，那么，可动板加工需要预先释放可动部件，然后再与固定板键合，最终结构如图5(d)所示。这种设计会增加键合难度和影响键合良率，这需要在选择时做适当考虑。

本实用新型的四组单刀四掷的RF MEMS开关的结构是键合在一起的可动极板和固定极板。在两极板上，对应于固定在可动极板上且由弹簧悬挂的四方板位置，分别设置着交错对称分布的两组驱动单元阵列。其特征在于，对称驱动单元阵列通过预先注入电荷和选择屏蔽实时控制，驱动着悬挂四方极板往复运动，不断反复完成开关的连通和关断动作。

驱动单元的结构由电荷注入电极、电荷注入窗口、电荷存储电极、电荷注入控制窗口和电荷注入控制电极构成；同时，注入电极和注入控制电极又是该驱动单元的屏蔽体；注入电极和控制电极被引出，分别与相应的MOS开关管之一端连接，而这些MOS开关管的另一端与地相连。

注入电荷静电驱动：首先，出厂前，预先选择注入足量的异种或同种的电荷到两组驱动单元的存储极上；然后，两组交错时钟脉冲作用于连接的MOS开关管上，选择在两个极板上的不同对应驱动单元屏蔽体的接地与否，控制在两个极板上对应驱动单元的感应电荷的消亡或产生，从而，在两极板间产生静电吸引力或静电排斥力，驱动两极板相对往复运动。

驱动单元对称分布：在两个极板上对称分布着两对驱动单元组，分别用于预先存储足量的异种电荷或同种电荷；驱动单元组重复分布在两个极板上的设定区域，而构成驱动单元的二维阵列，以便产生足够的静电吸引力或静电排斥力。

电荷选择预先注入：在芯片加工完成后，需要通过从驱动单元阵列中含有的两对驱动单元组每个都分别引出其电荷注入电极和电荷注入控制电极，以F-N隧道效应为注入原理，通过每个驱动单元中的控制窗口和注入窗口，向指定驱动单元阵列区域注入设定的电荷类型和足量的电荷。

存储电荷的选择屏蔽：RF MEMS开关运行时，两组时钟脉冲交错控制着两组MOS开关晶体管的导通与关断，分别选择控制着两个驱动单元组的屏蔽体的接地和断开，并控制着在两极板上异种感生电荷或同种感生电荷的生成和消失，从而，在两极板间产生静电吸引力或静电排斥力，使两极板产生相互靠近和相互远离的往复运动。

集成四组单刀四掷的RF MEMS开关：在悬挂四方板的四周每边分别设置着触点区(连续触点)，当悬挂四方板往复运动时，和固定极板上对称位置的触点区(一个输入触点和四个输出触点)相互接触或相互断开，实现信号从输入触点分配到四个输出触点，完成信号的分配输出(互相接触时)和停止输出(互相断开时)。

本实用新型所设计的RF MEMS开关芯片的加工制造工艺分为三段：一是可动板硅片的加工；二是固定板硅片的加工；三是加工好的可动板硅片和固定板硅片的键合加工和引线布局。

可动板硅片的加工主要工艺的剖面如图3所示。首先，选用低阻(<0.1Ohm.cm)《100》双面抛光单晶硅片；热氧化约5000A～10000A+LTO(10000A～20000A)+增密处理，如图a所示。淀积厚多晶硅层(5000A～10000A)；可动板结构光刻，如图(b)所示。在所说可动板上加工有键合框架和由对称悬臂支撑或风车型悬臂支撑的四方平板；而在四方平板上，加工有驱动单元阵列、触点和减阻尼孔阵如MP-1等。结合CMP技术，再分别淀积三层多晶硅(每层厚度1500A～5000A)，主要通过各层多晶硅光刻，以形成注入电荷静电驱动单元二维阵列MP-2，如图(c)所示。在所说阵列的每个单元中，加工有电荷注入控制极MP-2/1、电荷存储极MP-2/2和电荷注入极MP-2/3。在电荷注入控制极和电荷存储极之间加工有电荷注入控制窗口(其中隔离热氧化层厚度100A～300A)；而在电荷存储极和电荷注入极之间设置有电荷注入窗口(其中隔离热氧化层厚度60A～150A)。然后，做可动部件结构定义光刻，如图(d)所示。为区隔可动部件，用LPCVD淀积氮化硅，厚度1500A～3000A，如图(e)所示。淀积金属AL或/和Au，光刻形成触点，如MP-3/1和MP-3/2；以及引出电极，如MP-4/1和MP-4/2，如图(f)所示。淀积腔体垫高层(形成键合框架)LTO，厚度10000A～30000A，并光刻LTO形成在可动板上的腔体结构，如MP-5/1和MP-5/2，如图(g)所示。用PECVD淀积氮化硅，厚度1500A～3000A，保护垫高层，并光刻打开可动部件释放窗口，如图(h)所示。最后，采用气相HF，通过减阻尼孔阵，释放可动部件，如图(i)所示。到此，可动板硅片加工完成。

固定板硅片的加工主要工艺的剖面如图4所示。同样，选用低阻(<0.1Ohm.cm)《100》双面抛光单晶硅片；热氧化约5000A～10000A+LTO(10000A～20000A}+增密处理，如图a)所示。结合CMP技术，分别淀积三层多晶硅(每层厚度1500A～5000A)，主要通过各层多晶硅光刻，以便形成注入电荷静电驱动单元二维阵列FP-1，如图(b)所示。在阵列中每个单元里加工有注入电荷控制极FP-1/1、电荷存储极FP-1/2和电荷注入极FP-1/3。在注入电荷控制极和电荷存储极之间加工有电荷注入控制窗口(其中隔离热氧化层厚度100A～300A)；而在电荷存储极和电荷注入极之间加工有电荷注入窗口(其中隔离热氧化层厚度60A～150A)。为保护固定板上的已加工好的图形，用LPCVD淀积氮化硅，厚度1500A～3000A，如图(c)所示。淀积金属AL或/和Au，光刻形成触点，如FP-2/1和FP-2/2；以及引出电极，如图(d)所示。淀积腔体垫高层LTO(形成键合框架)，厚度10000A～30000A，以及淀积玻璃粉(glassfrit)，并光刻LTO和frit形成在可动板上的腔体结构，如FP-3/1和FP-3/2，如图(e)所示。用双面光刻技术，光刻背面引线孔，如图(f)所示。至此，固定板硅片加工就完成了。

键合工艺的加工设计有两个方案：一是键合后形成密闭腔体的结构；二是键合后形成开放型腔体的结构。

第一方案：键合后形成密闭腔体的RF MEMS开关结构：

特点：结构牢固、占用空间小，但活动部件释放难，且因活动部件有可能受损，造成键合良率较低，在适宜大批量生产上需要提高键合良率。

第一键合工艺方案的工艺截面如图4所示。可动板硅片在释放了可动部件后，再与加工好的固定板硅片通过图形对准键合在一起。利用玻璃粉层的低温熔融特性，把腔体框架部分熔融联结起来，并把可动部件封闭在腔体之内，如图(a)所示。然后，应用类似TSV(硅通孔)技术，从固定板硅片背面，采用DRIE技术，沿接触孔窗口蚀穿固定板硅片，如图(b)所示；继续用干法刻蚀掉暴露出来的SiO2，直到碰到金属，如图(c)所示；淀积金属，并光刻pad图形，如图(d)所示。至此，完成封装工艺。

第二方案：键合后形成开放型腔体的RF开关结构：

特点：易键合，且后背开腔体易释放可动部件，键合加工良率会较高；但结构需加固，且可动板硅片背面不可它用。

第二键合工艺方案截面如图5所示。可动板硅片只加工到PECVD淀积氮化硅，且不做释放光刻，也不进行气相HF释放，但增加背面腔体窗口光刻，至此，可动板硅片就加工完成。再与加工好的固定板硅片通过图形对准键合在一起。利用玻璃粉层的低温熔融特性，把腔体框架部分熔融联结，如图(a)所示。然后，沿可动板硅片背面打开的腔体窗口，采用DRIE技术，从可动板硅片背面将腔体打开，将活动部件暴露出来，如图(b)所示。采用气相HF将暴露出来的SiO2腐蚀掉，暴露出氮化硅，如图(c)所示。采用干法刻蚀将可动板暴露出来的氮化硅膜刻蚀掉，可动部件释放完成，如图(d)所示。用薄的玻璃板做可动板背面的背封，同时起到结构加固和有利后续加工，如图(e)所示。最后，应用TSV(硅通孔)技术，从固定板硅片背面，采用DRIE技术，沿接触孔窗口蚀穿固定板硅片，如图(f)所示。继续用干法刻蚀掉暴露出来的SiO2，直到碰到金属，如图(g)所示。淀积金属，并光刻pad图形，如图(h)所示。至此，完成封装。

完成封装后，进行划片成单个芯片，并对芯片进行电荷的预注入(也可由客户根据自身应用的需要，可决定自己所需要的电荷预注入量，以调整RF开关的性能)和必要的测试，就获得了最终的采用注入电荷驱动原理驱动的、集成了四组单刀四掷RF MEMS开关芯片产品。

上述设计的加工工艺是基于批量化生产的，目的是要使本实用新型所设计芯片具有低成本，可广泛推广应用的优良产品。

本实用新型电荷预注入采用的是F-N隧道效应注入原理。图2是根据所设计的RF开关结构推导的近似解析方程估算的。横轴是预注入电荷密度，左侧纵轴是对应能产生的静电力；而右侧纵轴是悬挂方板做5um行程所需要耗费的时间。由图2可见，预注入电荷密度越大，所能产生的静电力越大，并且，做5um行程所需要耗费的时间也越短，可达微秒量级。可见，开关频率可由预注入电荷密度进行调节。这是注入电荷静电驱动原理的优点之一。较之电容型静电驱动，注入电荷静电驱动具有更好的性能，性能比较如表1所示。从表1可见，注入电荷静电驱动原理完全克服了电容型静电驱动原理存在的固有缺陷；同时，还基本保留了电容型静电驱动原理的所有优点。因此，注入电荷静电驱动，在MEMS中，会被发展成为一种更完善的驱动方法，它可使RF MEMS开关具有更好的性能。

表1电容型和注入电荷两种静电驱动特性比较

注：*电场强度E＝V/d：在电压V保持恒定条件下，当极板间距d趋近于0，那么E则趋于∞；

**电压V＝Q/C和C＝ε/d：在电荷Q保持恒定条件下，当极板间距d趋于0，那么，电容C趋于∞，因此，电压V趋于0；

***有如串联电容方法，但会致其它性能牺牲；

****可用弹簧参数调整、电荷注入量控制和屏蔽选择控制扩大。

采用了本实用新型的实现注入电荷静电驱动的单刀四掷集成开关芯片，运用了新的注入电荷静电驱动原理，整个开关过程控制由IC系统电源完成，不需要更高的驱动电源，完全克服了电容型静电驱动需高电压驱动的固有缺陷，使静电驱动趋于更完善。也因此，本实用新型所设计的RF MEMS开关更具实用性、有更好的隔离度和有更好的可靠性。

在此说明书中，本实用新型已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本实用新型的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (10)

1.一种实现注入电荷静电驱动的单刀四掷集成开关芯片，其特征在于，所述的开关芯片包括四组单刀四掷开关，所述的开关芯片由固定板和可动板键合构成，所述的可动板和固定板均具有对称设计的键合框架，所述的可动板还包括通过对称型或风车型弹簧支撑的悬挂四方板，所述的可动板和固定板上具有对称分布的两组驱动单元阵列，即第一驱动单元组和第二驱动单元组，分别预先存有异种电荷和同种电荷，分别产生静电吸引力和静电排斥力，所述的两组驱动单元阵列通过实时控制电荷屏蔽，驱动悬挂四方板向固定板运动或离开固定极板运动，使单刀四掷开关处于接通状态或断开状态，完成单刀四掷开关的连通动作和关断动作。

2.根据权利要求1所述的实现注入电荷静电驱动的单刀四掷集成开关芯片，其特征在于，所述的驱动单元阵列包含驱动单元，驱动单元包括注入电荷极、注入电荷控制极、注入电荷存储极、电荷注入窗口和电荷注入控制窗口，电荷注入控制窗口设在注入电荷控制极与注入电荷存储极之间，电荷注入窗口设在注入电荷极与注入电荷存储极之间，所述的注入电荷极和注入电荷控制极构成驱动单元的屏蔽体；所述的开关芯片还包括MOS开关管，所述的注入电荷极和注入电荷控制极与相应的MOS开关管的一端相连，MOS开关管的另一端接地。

3.根据权利要求2所述的实现注入电荷静电驱动的单刀四掷集成开关芯片，其特征在于，所述的第一驱动单元组和第二驱动单元组的电荷存储极预先分别注入异种电荷或同种电荷；第一组驱动单元和第二组驱动单元连接的MOS开关管根据两组交错的时钟脉冲控制，电荷存储极分别在其注入电荷极感应出异种电荷或同种电荷，在两极板间产生静电吸引力或静电排斥力，驱动悬挂四方板向固定板运动或离开固定极板运动，使单刀四掷开关处于接通状态或断开状态。

4.根据权利要求1所述的实现注入电荷静电驱动的单刀四掷集成开关芯片，其特征在于，所述的可动板的悬挂四方板设有对称的驱动单元，即第一驱动单元和第三驱动单元，所述的固定板设有对称的驱动单元，即第二驱动单元和第四驱动单元，所述的第一驱动单元和第二驱动单元构成第一驱动单元组，第三驱动单元和第四驱动单元构成第二驱动单元组。

5.根据权利要求2所述的实现注入电荷静电驱动的单刀四掷集成开关芯片，其特征在于，所述的开关芯片通过电荷注入窗口和电荷注入控制窗口向驱动单元注入预设的电荷类型和足量的电荷。

6.根据权利要求1所述的实现注入电荷静电驱动的单刀四掷集成开关芯片，其特征在于，所述的可动板的悬挂四方板的外围四周布置有四个连续触点，所述的固定板在与可动板的连续触点对称的位置设有触点区，即开关信号的输入触点和四个输出触点及其连线，所述的单刀四掷开关由可动板上的连续触点及固定板上对称位置上的五个触点构成；在悬挂四方板往复运动时，所述的可动板的连续触点和固定板的触点区相互接触或相互断开。

7.根据权利要求1所述的实现注入电荷静电驱动的单刀四掷集成开关芯片，其特征在于，所述的悬挂四方板布置有小孔阵列。

8.根据权利要求1所述的实现注入电荷静电驱动的单刀四掷集成开关芯片，其特征在于，所述的可动板和固定板的键合框架上具有淀积的低温熔融介质，是黏联键合的介质材料。

9.根据权利要求1所述的实现注入电荷静电驱动的单刀四掷集成开关芯片，其特征在于，所述的开关芯片还包括键合玻璃板。

10.根据权利要求1所述的实现注入电荷静电驱动的单刀四掷集成开关芯片，其特征在于，所述的开关芯片还包括金属连线，由固定板内部引出至固定板的背面。

Images