CN213877967U - 面内滑动式加热射频开关 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种面内滑动式加热射频开关，包括基底、驱动部件、绝缘层、加热层以及滑动部件，绝缘层设于基底上，且绝缘层具有原子级平整，驱动部件设于基底内部，滑动部件的底面具有超滑面，滑动部件通过超滑面与绝缘层接触，并置于绝缘层之上，驱动部件驱动滑动部件在绝缘层上滑动。滑动部件能够在驱动部件的驱动下滑动，加热层能够朝向绝缘层上传递热量，使得绝缘层和滑动部件之间的摩擦力经加热后进一步的降低，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。

Description

面内滑动式加热射频开关

技术领域

本实用新型涉及射频微机电系统开关的技术领域，具体涉及一种面内滑动式加热射频开关。

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。其中，结构超滑技术是指非公度接触导致的摩擦磨损几乎为零的现象，但是结构超滑状态下仍可能存在一定的摩擦，如何更进一步的降低摩擦力，提高RF-MEMS静电开关是需要解决的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种面内滑动式加热射频开关，以解决现有技术中采用结构超滑技术的的RF-MEMS开关仍存在一定摩擦力的技术问题。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：提供一种面内滑动式加热射频开关，包括基底、驱动部件、绝缘层以及滑动部件，所述绝缘层设于所述基底上，且所述绝缘层具有原子级平整表面，所述驱动部件设于所述基底内部，所述滑动部件的底面具有超滑面，所述滑动部件通过所述超滑面与所述绝缘层的表面接触，并置于所述绝缘层之上，其特征在于：还包括对所述绝缘层加热的加热层，所述驱动部件驱动所述滑动部件在所述绝缘层上滑动。

进一步地，所述加热层设于所述基底的底部。

进一步地，所述加热层包括若干个加热电阻，所述加热电阻的位置与所述驱动部件的位置相交错。

进一步地，还包括设于所述加热层底部的散热层。

进一步地，所述散热层采用多孔材料制成；或者，所述散热层包括支撑架和设于所述支撑架之间的至少一个空腔。

进一步地，所述加热层和所述基底之间还设有介电层。

进一步地，所述介电层的厚度分别为1-100纳米。

进一步地，所述滑动部件的被驱动方式为电荷驱动。

进一步地，所述滑动部件的顶部具有充电介质层，且所述驱动部件至少包括第一驱动电极和第二驱动电极，且所述第一驱动电极和所述第二驱动电极之间具有电压差。

本实用新型提供的面内滑动式加热射频开关的有益效果在于：与现有技术相比，本实用新型面内滑动式加热射频开关，绝缘层和超滑面之间超滑接触，滑动部件能够在驱动部件的驱动下滑动，在基底的底部设置加热层，加热层能够经基底朝向绝缘层上传递热量，使得绝缘层和滑动部件之间的摩擦力经加热后进一步的降低，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。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的面内滑动式加热射频开关的结构示意图。

附图标记说明：

1、基底；2、驱动部件；3、绝缘层；4、滑动部件；5、加热层；6、散热层；7、缓冲层；8、介电层；21、第一驱动电极；22、第二驱动电极；41、超滑面；42、充电介质层。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

由于长期未能实现大尺度的超滑，近十多年来文献上常常将摩擦系数为千分之一量级或更低的现象，称作为“超滑”；而将最初的由于非公度接触导致的摩擦磨损几乎为零的现象，改称为“结构润滑”，本发明所指“超滑”特指由于非公度接触导致的摩擦磨损几乎为零的现象。

本实用新型所述的超滑面，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。

此外，下面所描述的本实用新型不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

请一并参阅图1，现对本实用新型提供的面内滑动式加热射频开关进行说明。所述面内滑动式加热射频开关，包括基底1、驱动部件2、绝缘层3、滑动部件4和加热层5，驱动部件2一般设置在基底1的内部，基底1一般选自绝缘材料或者半导体材料，半导体材料优选为高阻硅，绝缘材料一般优选为二氧化硅、碳化硅、蓝宝石或者云母等。

所述绝缘层3设于所述基底1上，且所述绝缘层3具有原子级平整，使得具有超滑面41的滑动部件4能够与绝缘层3之间实现超滑接触，并达到零摩擦的滑动，其中，绝缘层3的材质一般选择氧化硅，绝缘层3的厚度一般比较薄，一般为纳米级，其厚度一般为1至100纳米，优选的，绝缘层3的厚度为2至50纳米。所述驱动部件2设于所述基底1内部，所述滑动部件4的底面具有超滑面41，所述滑动部件4通过所述超滑面41与所述绝缘层3接触，并置于所述绝缘层3之上，所述驱动部件2驱动所述滑动部件4在所述绝缘层3上滑动。

其中，所述滑动部件4的底面具有超滑面41，其一般可以采用HOPG石墨片制成，滑动部件4通过该超滑面41与绝缘层3相接触，滑动部件4能够在驱动部件2的驱动下实现极低摩擦的滑动。滑动部件4的顶部还设有充电介质层42，该充电介质层42的内部具有一定量的电荷，使得滑动部件4能够被电荷所驱动。

基底1的底部还设置有加热层5，加热层5发出的温度可以经基底1传递至绝缘层3，使得绝缘层3和滑动部件4的接触面的温度升高，此时绝缘层3和滑动部件4之间的摩擦力可以进一步的降低，相对滑动时摩擦力可以几乎为零，摩擦系数远小于千分之一，磨损为零。

加热层5能够提高绝缘层3的温度，其温度一般为100至200度，其加热方式可以为电加热，其通过在加热层5内均匀的布置加热丝或加热电阻，且加热丝和加热电阻的设置需要规避驱动部件2的位置，避免其直接对驱动部件2进行加热，导致驱动部件2的寿命降低。

另外，为了更进一步地提高整个驱动部件2的寿命，其可以选用耐高温的驱动部件2，例如采用铜材质制成的导线和电极，其受到温度的影响较小，不会对驱动部件2的性能和使用寿命产生影响。

其中，加热层5发出的温度不仅可以传递至绝缘层3，还可以传递给驱动部件2，如果加热层5的温度过高，则驱动部件2也会被加热并影响整个驱动部件2的使用寿命，因此需要在基底1和加热层5之间设置缓冲层7和介电层8，优选的，缓冲层7设于介电层8的下方；其中缓冲层7和介电层8的位置还可以调整，此处不作唯一限定。

优选的，所述缓冲层7和所述介电层8可以采用两种不同的材料制成，其厚度较薄，缓冲层7和介电层8的厚度一般分别为1-100纳米，优选为2-50纳米。

优选的，还设置有隔热层(图未示)，该隔热层位于基底1的底部或基底1的内部，且该隔热层的位置与驱动部件2相正对，能够隔绝加热层5的温度，避免其直接传递至驱动部件2上。

优选的，加热层5的底部还设置有散热层6，避免加热层5发出的温度向下传递，并影响底层材料的环境温度和使用寿命，且通过散热层6还可以加速加热层5的散热，避免加热温度过高。

优选的，散热层6可以直接采用多孔材料制成，例如多晶硅材料，该多孔材料的内部具有若干个通孔，能够加速的实现散热。

其中，散热层6还可以采用大空腔的结构实现空气的散热，其包括支撑架，支撑架可以采用环形的支撑或者单个的支撑块，该环形的支撑架或支撑块均设于散热层6的下方，且该环形的支撑架内部还可以形成较大的空腔用于散热，能够避免加热层5的热量直接传递至下方的器件。

优选的，为了保证更好的散热效率，加热电阻或加热丝的正下方是空腔，其余地方可以布置支撑架，能够达到更好的散热效果。且支撑架的下方可以采用导热材料制成，能够扩大散热面，并加快散热效率。

对于驱动部件2，驱动部件2的主要作用在于驱动滑动部件4在绝缘层3的表面滑动，其驱动方式一般采用电荷驱动的方式，电荷驱动具有驱动稳定性高的优点。

其中，在滑动部件4的顶部设置充电介质层42，充电介质层42的内部冲有一定量的电荷，驱动部件2包括第一驱动电极21和第二驱动电极22，第一驱动电极21和第二驱动电机可以通过导线相连通，且第一驱动电极21和第二驱动电极22之间具有电压差，可以通过在滑动部件4的两侧形成容差，而驱动滑动部件4的移动。

作为本实用新型的可替换实施例，可以通过调整驱动电极数量、排布以及滑动部件4的尺寸，实现滑动部件4的面内连续滑动。

作为本实用新型的可替换实施例，缓冲层7和介电层8可以为同一种材料制成，例如二氧化硅或氮化硅等材料，且该二氧化硅或氮化硅材料层同时具有缓冲层7和介电层8的功能；缓冲层7和介电层8也可以采用两种不同的材料制成，例如一个为二氧化硅材料，另一个为氮化硅材料，此处不作唯一具体限定。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型创造的保护范围之中。

Claims (9)

1.面内滑动式加热射频开关，包括基底、驱动部件、绝缘层以及滑动部件，所述绝缘层设于所述基底上，且所述绝缘层具有原子级平整表面，所述驱动部件设于所述基底内部，所述滑动部件的底面具有超滑面，所述滑动部件通过所述超滑面与所述绝缘层的表面接触，并置于所述绝缘层之上，其特征在于：还包括对所述绝缘层加热的加热层，所述驱动部件驱动所述滑动部件在所述绝缘层上滑动。

2.如权利要求1所述的面内滑动式加热射频开关，其特征在于：所述加热层设于所述基底的底部。

3.如权利要求2所述的面内滑动式加热射频开关，其特征在于：所述加热层包括若干个加热电阻，所述加热电阻的位置与所述驱动部件的位置相交错。

4.如权利要求1所述的面内滑动式加热射频开关，其特征在于：还包括设于所述加热层底部的散热层。

5.如权利要求4所述的面内滑动式加热射频开关，其特征在于：所述散热层采用多孔材料制成；或者，所述散热层包括支撑架和设于所述支撑架之间的至少一个空腔。

6.如权利要求2所述的面内滑动式加热射频开关，其特征在于：所述加热层和所述基底之间还设有介电层。

7.如权利要求6所述的面内滑动式加热射频开关，其特征在于：所述介电层的厚度分别为1-100纳米。

8.如权利要求1至7任一项所述的面内滑动式加热射频开关，其特征在于：所述滑动部件的被驱动方式为电荷驱动。

9.如权利要求8所述的面内滑动式加热射频开关，其特征在于：所述滑动部件的顶部具有充电介质层，且所述驱动部件至少包括第一驱动电极和第二驱动电极，且所述第一驱动电极和所述第二驱动电极之间具有电压差。

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