CN2657214Y - 硅基级联式mems移相器 - Google Patents

Abstract

一种硅基级联式MEMS移相器，属于微电子机械和微波通讯器件技术领域。背景技术的级联式MEMS移相器，插入损耗低，移相范围大，下拉电压较高。本实用新型的硅基级联式MEMS移相器，不仅插入损耗小、移相范围大，而且下拉电压低。本实用新型的技术方案是在已有的硅基级联式MEMS移相器上，部分加宽金属弹性桥4的桥面宽度和选用合适的金属弹性桥4的构成材料。本实用新型的硅基级联式MEMS移相器还有寿命长，易于与其他元器件集成，体积小，易于制造，生产成本低的优点。

Description

硅基级联式MEMS移相器

                       技术领域

本实用新型涉及一种硅基级联式MEMS移相器，属微电子机械和微波通讯器件技术领域。

                       背景技术

MEMS移相器(MEMS Phase Shifter)广泛应用于现代雷达、无线通信、微波测量等系统中，是这些系统中的关键部件之一。在一个典型的相控阵天线系统中，每一个天线单元都需要一个移相器，通过移相器改变天线孔径上的相位分布来实现波束在空间扫描。同时移相器还可以用来改变电磁波的极化方式，以及应用在无线通信领域中。

采用MEMS技术实现的移相器具有损耗小、成本低、超小型化、易于与其他电路集成等突出优点。近年来随着MEMS技术的蓬勃发展，人们对微波MEMS移相器的研究越来越多，其中多数采用在共面波导(Coplanar Waveguide，CPW)传输线上加载MEMS开关电容的结构来实现相移的。如IEEE报道，2000年Andrea Borgioli等人在玻璃衬底上制备的级联式MEMS移相器，插入损耗低，移相范围大，但下拉电压较高，约为70V，此移相器所采用的结构如图1所示。

                       发明内容

本实用新型要解决的技术问题是推出一种硅基级联式MEMS移相器，该移相器不仅插入损耗小、移相范围大，而且下拉电压低。

本实用新型的技术方案是在已有的硅基级联式MEMS移相器上，部分加宽金属弹性桥4的桥面宽度和选用合适的金属弹性桥4的构成材料。

现结合附图详细说明本实用新型的技术方案。一种硅基级联式MEMS移相器，由信号线1、地线2、薄膜3、金属弹性桥4、衬底5、缓冲层6和空气间隙7组成，薄膜3是氮化硅薄膜，衬底5是高阻硅片，缓冲层6是二氧化硅薄膜，缓冲层6热生长在衬底5上，信号线1和两根地线2淀积在缓冲层6上，信号线1和两根地线2组成共面波导传输线，薄膜3覆盖在信号线1上，多至十三个金属弹性桥4以悬浮在信号线1上方的方式整齐地横跨在两根地线2之间，金属弹性桥4、空气间隙7和薄膜3构成了信号线1与地线2之间的加载电容，其特征在于，金属弹性桥4桥面的中部宽度大于该桥桥面其它部分的宽度。

本实用新型进一步特征在于，构成金属弹性桥4的材料是含硅4％的铝硅合金。

工作原理。当直流电压未加在地线2和信号线1之间时，由金属弹性桥4-空气间隙7-薄膜3-信号线1构成了它们之间的开态电容C_on，即信号通过开关时的电容，与平行板电容相似，电容值较低，约为fF数量级。当直流电压加在地线2和信号线1之间时，金属弹性桥4在静电引力作用下使空气间隙7的高度发生变化。当所加的直流电压足够大时，静电引力将金属弹性桥4下拉至与薄膜3紧密接触，“金属弹性桥4-薄膜3-信号线1”的三层结构构成电容值较大的关态电容C_off，约为pF数量级。

使金属弹性桥4被拉下时所加的直流电压称为下拉电压，大小为：

$V_p=\sqrt{\frac{8k}{27{\mathrm{\ϵ}}_{0}A}{g}_0^3}---\left(V\right)$

其中，k为金属弹性桥4的弹性系数，ε₀是真空介电常数，g₀为初始桥高，A是上下电极的面积。

$k=\frac{32{\mathrm{Et}}^{3}w}{L^3}+\frac{8\mathrm{\σ}(1-v)\mathrm{tw}}{L}---(N/m)$

其中E、v分别是金属弹性桥4材料的杨氏模量和泊松比，w、t为金属弹性桥4的宽度和厚度，L是金属弹性桥4的长度，σ是金属弹性桥4的内部剩余应力。

分析可知，降低初始桥高g0和减薄金属弹性桥4的厚度可以有效降低下拉电压，但降低桥高会减小开态和关态的电容比值，减少相移量。金属弹性桥4太薄容易在拉下时被折断，影响移相器的可靠性，所以应综合考虑各个因素。在保证选用的金属弹性桥4材料可靠性的前提下，还应尽量选用泊松比大、杨氏模量小的材料。含硅4％的铝硅合金就是合适的构成金属弹性桥4的材料。

与背景技术相比，本实用新型有以下突出效果：

1、移相范围大，插入损耗小，下拉电压低，寿命长。移相器的起始驱动电压为8V，下拉电压不超过25V，移相范围为0-360°，所有金属弹性桥4的同步振动寿命为10⁶。

2、硅衬底易于与其他元器件集成。

3、体积小，易于制造，生产成本低。

                       附图说明

图1是背景技术所涉及的级联式MEMS移相器的结构俯视图。

图2是本实用新型所涉及的级联式MEMS移相器的结构俯视图。

图3是图2中A-A’截面结构示意图。三图中，1是信号线，2是地线，3是薄膜，4是金属弹性桥，5是衬底，6是缓冲层，7是空气间隙。与图1相比，本实用新型的结构的突出特点在于采用加宽电极的金属弹性桥4的结构，即部分增加信号线1上方金属弹性桥4桥面的宽度，这样可以增加上下电极的面积，而不会改变电容的比值，所以本实用新型在获得图1移相器相同移相性能的同时，具有更低的下拉电压值和改善的综合性能。

                      具体实施方式

实施例。

一种具有上述结构的硅基级联式MEMS移相器，衬底5为ρ＞4000Ωcm的高阻硅片，衬底5的厚度为300μm，缓冲层6是厚度为2μm的二氧化硅层，信号线1和地线2的宽度分别为100μm和66μm，金属弹性桥4的长度介于250μm～300μm，空气间隙7的高度为3μm，其特征在于，金属弹性桥4的桥面宽度和中部桥面宽度分别为24μm和42μm，金属弹性桥4的厚度为0.5～1μm。

Claims (3)

1.一种硅基级联式MEMS移相器，由信号线(1)、地线(2)、薄膜(3)、金属弹性桥(4)、衬底(5)、缓冲层(6)和空气间隙(7)组成，薄膜(3)是氮化硅薄膜，衬底(5)是高阻硅片，缓冲层(6)是二氧化硅薄膜，缓冲层(6)热生长在衬底(5)上，信号线(1)和两根地线(2)淀积在缓冲层(6)上，信号线(1)和两根地线(2)组成共面波导传输线，薄膜(3)覆盖在信号线(1)上，多至十三个金属弹性桥(4)以悬浮在信号线(1)上方的方式整齐地横跨在两根地线(2)之间，金属弹性桥(4)、空气间隙(7)和薄膜(3)构成了信号线(1)与地线(2)之间的加载电容，其特征在于，金属弹性桥(4)桥面的中部宽度大于该桥桥面其它部分的宽度。

2.根据权利要求1所述的硅基级联式MEMS移相器，其特征在于，构成金属弹性桥(4)的材料是含硅4％的铝硅合金。

3.根据权利要求1或2所述的硅基级联式MEMS移相器，其特征在于，衬底(5)为ρ＞4000Ωcm的高阻硅片，衬底(5)的厚度为300μm，缓冲层(6)是厚度为2μm的二氧化硅层，信号线(1)和地线(2)的宽度分别为100μm和66μm，金属弹性桥(4)的长度介于250μm～300μm，空气间隙(7)的高度为3μm，金属弹性桥(4)的桥面宽度和中部桥面宽度分别为24μm和42μm，金属弹性桥(4)的厚度为0.5～1μm。

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