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      集成方式的rfmems開關(guān)的制作方法

      文檔序號:6851769閱讀:129來源:國知局
      專利名稱:集成方式的rf mems開關(guān)的制作方法
      技術(shù)領(lǐng)域
      本發(fā)明涉及了射頻技術(shù)和微機電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system,MEMS)技術(shù)領(lǐng)域。確切地說,本發(fā)明涉及了采用微機電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)研制的射頻(radio frequency,RF)開關(guān)。
      背景技術(shù)
      射頻微機電系統(tǒng)(RF MEMS)開關(guān)是無線通信等電子電路系統(tǒng)的基本元件之一,在雷達探測、無線通信等方面的應(yīng)用十分廣泛。RF MEMS開關(guān)具有多種驅(qū)動方式,包括靜電驅(qū)動、電磁驅(qū)動、熱電驅(qū)動、壓電驅(qū)動和形狀記憶合金驅(qū)動等,其中靜電驅(qū)動因其結(jié)構(gòu)簡單、易加工且便于與IC工藝兼容得到廣泛的關(guān)注。與傳統(tǒng)的FET或PIN二極管構(gòu)成的固態(tài)開關(guān)相比,靜電驅(qū)動的RF MEMS開關(guān)具有插入損耗低、電功率耗散小、隔離度高和線性度好等特點。
      按結(jié)構(gòu)方式,RF MEMS開關(guān)可分為膜橋式和懸臂梁開關(guān)。膜橋式開關(guān)結(jié)構(gòu)緊湊,但驅(qū)動電壓很大,膜橋回復(fù)時間長,且受制造過程殘余應(yīng)力影響。懸臂梁開關(guān)一端固定另一端自由懸空,殘余應(yīng)力影響小。懸臂梁式的開關(guān)普遍應(yīng)用于單刀多擲的多口開關(guān)系統(tǒng)。但傳統(tǒng)的懸臂梁開關(guān)有一些尚未解決的問題如圖1A所示的單一傳輸線的懸臂梁開關(guān)電極4(施力點)位于支撐點2及開關(guān)接觸點5之間,屬于費力省時型杠桿。如圖1B所示,若將電極4移至開關(guān)接觸點5之外,則屬于省時費力型杠桿。而且在懸臂梁接觸電極時,無法使開關(guān)接觸點5與傳輸線上的接觸點6a和6b有效接觸。
      如圖1C所示的共面波導傳輸線的懸臂梁開關(guān)s為共面波導線。由于存在共面?zhèn)鬏斁€的地線,使得電極4往支撐點2靠近。若使施力臂長度不變,則支撐點2勢必往外移動,如此一來整個晶片面積增加。另外,在開關(guān)切下時懸臂梁末端接觸點8a、5和8b無法與共面波導線上的點7a、6a、6b和7b有效地接觸,因而使其開關(guān)的隔離度或插入損耗變差。
      此外,圖1A、圖1B、圖1C這三種開關(guān)都存在共同的缺陷,即自由懸空的懸臂梁受到來自于機械特性方面缺點的影響,由于一端懸空,在使用中會產(chǎn)生不受控制的機械振動,這將對開關(guān)的RF性能產(chǎn)生不利影響。單個懸臂梁開關(guān)結(jié)構(gòu)由于其接觸端的內(nèi)在扭轉(zhuǎn),無法保證懸臂梁上的橋接電極與襯底上的傳輸線始終線性接觸,這類開關(guān)會表現(xiàn)出一種非對稱的電氣特性,并且,由于接觸阻力的存在,會減慢操作速度,限制這些RF MEMS開關(guān)的工作效率。這些開關(guān)容易受制造和使用過程中產(chǎn)生的雜質(zhì)的污染。

      發(fā)明內(nèi)容
      本發(fā)明的目的之一是提供一種應(yīng)用于高速靜電驅(qū)動的集成方式的微機電射頻(RF MEMS)開關(guān)。該開關(guān)較好地解決了現(xiàn)有技術(shù)存在的各種缺陷,能夠提高開關(guān)速度,改善開關(guān)的穩(wěn)定性,并且改善開關(guān)的RF性能,同時降低了加工的復(fù)雜度。
      本發(fā)明的另一個目的是提供一種RF MEMS開關(guān),它能在使用過程中抵抗外界污染物。
      為實現(xiàn)以上目的,本發(fā)明提供了一種開關(guān),包括MEMS襯底及設(shè)置在該MEMS襯底上的第一固定驅(qū)動電極;鍵合到該MEMS襯底上的RF襯底及設(shè)置到RF襯底上的第二固定驅(qū)動電極和RF信號傳導單元;設(shè)置在MEMS襯底上的可移動開關(guān)結(jié)構(gòu),可在MEMS襯底和RF襯底之間上下運動,實現(xiàn)RF信號通路的接通和斷開。
      根據(jù)本發(fā)明的RF MEMS開關(guān),RF信號傳導單元采用共面波導傳輸線,減少了高頻信號的干擾,而且驅(qū)動電極在共面波導傳輸線兩側(cè),避免了驅(qū)動電極的驅(qū)動信號對高頻信號的干擾。可移動開關(guān)結(jié)構(gòu)進一步包含兩個相同的懸臂梁,平行分布于共面波導傳輸線的兩側(cè);可移動單元,連接兩懸臂梁末端的支板;設(shè)置在可移動單元正上方的可移動橋接電極,隨懸臂梁末端支板在MEMS襯底和RF襯底之間的上下運動而靠近或遠離RF信號傳輸線,實現(xiàn)RF信號的斷開或?qū)ā?br> 根據(jù)本發(fā)明的RF MEMS開關(guān),該開關(guān)為一并聯(lián)開關(guān)器件,當可移動橋接電極靠近RF信號傳輸線而被設(shè)置在RF信號斷開位置時,RF信號通路被斷開;當可移動橋接電極遠離信號傳輸線而被設(shè)置在RF信號導通位置時,RF信號通路被接通。RF信號通路的接通和斷開是通過可移動橋接電極與RF信號傳輸線所面對的電容的變化實現(xiàn)的。在可移動橋接電極上包含兩個突起部分,當可移動橋接電極靠近RF信號傳輸線時,突起部分首先與RF信號傳輸線的接地線接觸。
      根據(jù)本發(fā)明的RF MEMS開關(guān),在懸臂梁末端支板的上下方都設(shè)置了可移動驅(qū)動電極,與RF襯底和MEMS襯底上的固定驅(qū)動電極對應(yīng),構(gòu)成“上拉-下拉”式驅(qū)動電極。上方的驅(qū)動電極和下方的驅(qū)動電極具有單獨控制線。
      根據(jù)本發(fā)明的RF MEMS開關(guān),該開關(guān)采用獨特的加工制造方式,將上方的RF部分和下方的MEMS部分進行獨立加工制造,改善了上拉電極板加工可靠性的問題,并以封裝技術(shù)來降低工藝復(fù)雜度。
      根據(jù)本發(fā)明的RF MEMS開關(guān),MEMS部分和RF部分采用密封鍵合方式整合,它能在使用過程中抵抗外界污染物。


      圖1A是現(xiàn)有的單一傳輸線的懸臂梁開關(guān)示意圖。
      圖1B是現(xiàn)有的另一種單一傳輸線的懸臂梁開關(guān)示意圖。
      圖1C是現(xiàn)有的共面波導傳輸線的懸臂梁開關(guān)示意圖。
      圖2A是本發(fā)明的實施例的MEMS部分的俯視圖。
      圖2B是圖2A中沿A-A′線的剖視圖。
      圖2C是本發(fā)明的實施例的MEMS部分的空間三維示意圖。
      圖3A是本發(fā)明的實施例的RF信號傳導單元和驅(qū)動電極示意圖。
      圖3B是本發(fā)明的實施例去除絕緣薄膜后RF信號傳導單元和驅(qū)動電極示意圖。
      圖3C是本發(fā)明的實施例的RF信號傳導單元的絕緣薄膜示意圖。
      圖4A是本發(fā)明的實施例沿圖2A中B-B′線的剖視圖。
      圖4B是本發(fā)明的實施例去除一部分鍵合基座的側(cè)視圖。
      具體實施例方式
      現(xiàn)在結(jié)合附圖描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例。圖中,因為結(jié)構(gòu)的對稱性,相同結(jié)構(gòu)形狀功能的元件用同一數(shù)字符號表示,各元件在數(shù)字后加a、b、c等英文字母區(qū)分。
      本發(fā)明是一種應(yīng)用于高速靜電驅(qū)動且能抵抗外界污染物的RF MEMS開關(guān)。
      根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例,該開關(guān)包含MEMS部分50和RF部分40。參考本發(fā)明的優(yōu)選實施例的示意圖,其中,圖2A是MEMS部分的俯視圖,圖2B是圖2A中A-A′方向的剖視圖,圖2C是本發(fā)明的優(yōu)選實施例的MEMS部分的三維結(jié)構(gòu)示意圖。圖3A為本發(fā)明的優(yōu)選實施例的RF部分的RF信號傳導單元示意圖,圖3B為去除絕緣薄膜后RF信號傳導單元和驅(qū)動電極示意圖,圖3C為設(shè)置在金屬傳輸線及驅(qū)動電極上的絕緣薄膜示意圖。
      本發(fā)明優(yōu)選實施例的RF MEMS開關(guān),MEMS部分包括MEMS襯底51,設(shè)置在該MEMS襯底上的第一固定驅(qū)動電極84(84a和84b),及設(shè)置在MEMS襯底上的可移動開關(guān)結(jié)構(gòu)65,其中設(shè)置在該可移動開關(guān)結(jié)構(gòu)上的橋接電極56可在MEMS襯底51和RF襯底41之間上下運動,實現(xiàn)RF信號通路的接通和斷開。RF部分40,其鍵合到MEMS部分50上,包括RF襯底41,設(shè)置到RF襯底41上的第二固定電極44(44a和44b)和共面波導傳輸線46(46a、46b和46c)。
      下部的MEMS襯底51優(yōu)選硅為材料,在MEMS襯底51上設(shè)置了所述的第一固定驅(qū)動電極84a、84b。設(shè)置在所述MEMS襯底51上的可移動開關(guān)結(jié)構(gòu)65,包含兩個相同的懸臂梁53a和53b,平行分布于共面波導傳輸線46的兩側(cè);可移動單元55,連接兩懸臂梁末端的支板57a和57b;可移動橋接電極56,設(shè)置在可移動單元55正上方,隨懸臂梁末端支板57a和57b在MEMS襯底和RF襯底之間的上下運動而靠近或遠離RF信號傳輸線,實現(xiàn)RF信號的斷開或?qū)?。可移動開關(guān)結(jié)構(gòu)65另外具有多個可移動電極,包括第一可移動驅(qū)動電極64(64a和64b)和第二可移動驅(qū)動電極54(54a和54b)。第一可移動驅(qū)動電極64a(64b)設(shè)置在懸臂梁53a(53b)末端的可移動支板57a(57b)的下方,與第一固定驅(qū)動電極84a(84b)垂直對準、方向相對,用作下驅(qū)動電極,且第一可移動驅(qū)動電極64a(64b)的表面和第一固定驅(qū)動電極84a(84b)的表面至少有一個沉積了絕緣薄膜87a(87b);第二可移動驅(qū)動電極54a(54b)設(shè)置在懸臂梁53a(53b)末端的可移動支板57a(57b)的上方,與第二固定驅(qū)動電極44a(44b)垂直對準、方向相對,用作上驅(qū)動電極,且第二可移動驅(qū)動電極54a(54b)的表面和第二固定驅(qū)動電極44a(44b)的表面至少有一個沉積了絕緣薄膜47a(47b)。所述的第一固定驅(qū)動電極84a(84b)、所述的第一可移動電極64a(64b)、所述的可移動支板57a(57b)、所述的第二可移動電極54a(54b)及所述的第二固定驅(qū)動電極44a(44b)垂直對準。
      RF襯底優(yōu)選具有高電阻率的半導體,包括高阻硅、III-V族化合物半導體以降低高頻信號的損耗。設(shè)置在RF襯底上的RF信號傳導單元可為共面波導線也可為微帶線,優(yōu)選共面波導線以減少干擾。在RF基底上形成RF共面波導傳輸線46a、46c和46b及第二固定驅(qū)動電極44a、44b。其中,所述的平行波導46a和46b與地線連接,它們不與所述的中心波導線46c相接觸,對所述的中心波導線46c中傳輸?shù)母哳l信號起到屏蔽的作用,減少高頻信號的干擾。設(shè)置在RF襯底上的所述的第二固定驅(qū)動電極44a、44b為上拉驅(qū)動電極的地電極。
      根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例,在所述的可移動單元55正上方包含可移動橋接電極56,在所述的可移動橋接電極56的表面和所述的共面波導中心線46c所面對的表面中至少一個表面設(shè)置了絕緣薄膜,以防止RF信號傳導單元的中心傳輸線46c與橋接電極56的金屬接觸。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例,絕緣薄膜48設(shè)置在共面波導中心線46c上與所述的橋接電極56相對的表面,且在可移動橋接電極56的表面設(shè)置了兩個突起部分49a、49b,使得49a、49b分別與信號地電極46a、46b金屬接觸,以增大開關(guān)隔離狀態(tài)的電容,從而提高射頻開關(guān)的隔離度。
      根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例,在MEMS襯底上包含多個控制電極58(58a和58b)、66(66a和66b)和86(86a和86b)。用來控制第一可移動電極64a(64b)的控制電極66a(66b)穿過MEMS襯底連接到金屬錨62a(62b)上,金屬錨62a(62b)通過設(shè)置在懸臂梁53a(53b)下表面的金屬線與第一可移動電極64a(64b)電連接。同樣,用來控制第二可移動電極54a(54b)的控制電極58a(58b)穿過MEMS襯底連接到金屬錨59a(59b)上,金屬錨59a(59b)通過設(shè)置在懸臂梁53a(53b)上表面的金屬線與第二可移動電極54a(54b)電連接。用來控制第一固定驅(qū)動電極84a(84b)的控制電極86a(86b)穿過MEMS襯底與第一固定驅(qū)動電極84a(84b)電連接。另外,在RF襯底上包含用來控制第二固定驅(qū)動電極44(44a和44b)的控制電極42(42a和42b),控制電極42a(42b)穿過RF襯底與第二固定驅(qū)動電極44a(44b)電連接。
      所述的RF襯底41通過基座60鍵合到所述MEMS襯底51上。該鍵合進一步包括密封環(huán)鍵合和非密封環(huán)鍵合的一種,將所述的RF襯底41和所述的MEMS襯底51整合為一體。其中,所述的密封環(huán)鍵合使所述的RF襯底41上的所有元件和所述的MEMS襯底51上的所有元件與外界環(huán)境隔離,以避免外界污染物的影響;所述的非密封環(huán)鍵合使所述的RF襯底41上的所有元件和所述的MEMS襯底51上的所有元件與外界環(huán)境接觸,無法抵抗外界污染物的影響。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中,采用所述的密封環(huán)鍵合方式,以避免外界污染物的影響。
      根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例,RF信號的傳導功能是這樣實現(xiàn)的當在所述的第一可移動驅(qū)動電極64a和第一固定驅(qū)動電極84a之間、第一可移動驅(qū)動電極64b和第一固定驅(qū)動電極84b之間同時施加直流電壓,在所述的可移動驅(qū)動電極64a和64b上產(chǎn)生向下的靜電力,可移動支板57a、57b同時向下運動,可移動支板57a、57b的向下運動帶動所述可移動單元55向下運動,當橋接電極56遠離RF信號傳導單元而被設(shè)置在信號接通位置時,RF信號傳導單元的RF信號通路被接通;當在所述的第二可移動驅(qū)動電極54a和第二固定驅(qū)動電極44a之間、第二可移動驅(qū)動電極54b和第二固定驅(qū)動電極44b之間同時施加直流電壓,在所述的可移動驅(qū)動電極54a和54b上產(chǎn)生向上的靜電力,可移動支板57a、57b同時向上運動,可移動支板57a、57b的向上運動帶動所述可移動單元55向上運動,當橋接電極靠近RF信號傳導單元而被設(shè)置在信號斷開位置時,RF信號傳導單元的RF信號通路被斷開。
      根據(jù)本發(fā)明的RF MEMS開關(guān),為一并聯(lián)開關(guān)器件,通過改變橋接電極56與共面波導傳輸線的電容實現(xiàn)RF信號傳導單元的RF信號通路的導通和斷開。當橋接電極56遠離RF信號傳導單元時,由于橋接電極與RF信號傳導單元間的間距大且橋接電極不接地,此時電容很??;當橋接電極56靠近RF信號傳導單元時,設(shè)置于橋接電極56上的突起部分首先與RF信號傳導單元的地線接觸,此時橋接電極與RF信號傳導單元間的電容很大。。
      與傳統(tǒng)的懸臂梁式RF MEMS開關(guān)相比,本發(fā)明的開關(guān)采用集成方式,將MEMS部分和RF部分獨立加工再鍵合,具有上拉和下拉兩個驅(qū)動電極,降低了驅(qū)動電壓,加快了開關(guān)的切換速度。由于開關(guān)具有上下兩個獨立的驅(qū)動電極,可通過控制加載電壓的極性和大小,有效避免開關(guān)的自鎖或由“磁滯”現(xiàn)象引起的釋放時間的延長,同時可增加靜電力加快橋接電極位置狀態(tài)的改變,從而加快RF信號的導通/斷開速度。
      權(quán)利要求
      1.一種RF MEMS開關(guān),所述開關(guān)包括MEMS部分,包括一MEMS襯底,設(shè)置在該MEMS襯底上的第一固定電極,及設(shè)置在MEMS襯底上的可移動開關(guān)結(jié)構(gòu),其中設(shè)置在該可移動開關(guān)結(jié)構(gòu)上的橋接電極可在MEMS襯底和RF襯底之間上下運動,實現(xiàn)RF信號通路的接通和斷開;鍵合到MEMS部分的RF部分,包括一RF襯底及設(shè)置到該RF襯底上的第二固定電極和RF信號傳導單元。
      2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的RF MEMS開關(guān),其特征在于所述的開關(guān)進一步包括設(shè)置在所述的RF襯底上的共面波導線,該共面波導線包括傳輸信號的中心波導線和位于兩側(cè)的接地線,RF MEMS開關(guān)是用來接通或斷開該中心波導線中信號通路的并聯(lián)開關(guān)器件,具有利用可移動橋接電極和RF信號傳導單元之間電容的變化實現(xiàn)RF信號接通和斷開的功能。
      3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的RF MEMS開關(guān),所述的可移動開關(guān)結(jié)構(gòu)進一步包括一對懸臂梁、連接懸臂梁末端支板的可移動單元和設(shè)置在該可移動單元正上方的可移動橋接電極,其特征在于所述的MEMS部分和所述的RF部分鍵合后,所述的一對懸臂梁平行對稱分布在所述RF信號傳導單元兩側(cè),且所述的懸臂梁上下方都設(shè)有金屬電極以便于單獨控制。
      4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的RF MEMS開關(guān),其特征在于所述的可移動橋接電極進一步包括多個突起部分,當可移動橋接電極靠近RF信號傳輸線時,突起部分首先與RF信號傳輸線的接地線接觸,以便于橋接電極與地更充分地接觸,提高射頻通路斷開狀態(tài)的隔離度。
      5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的RF MEMS開關(guān),所述的金屬電極用作可移動驅(qū)動電極,進一步包括設(shè)置在所述懸臂梁正下方的第一可移動驅(qū)動電極和設(shè)置在所述懸臂梁正上方的第二可移動驅(qū)動電極,其特征在于該設(shè)置于所述懸臂梁正下方的第一可移動驅(qū)動電極表面和所述的第一固定驅(qū)動電極表面具有間距且其中至少一個表面上包含絕緣薄膜;該設(shè)置于所述懸臂梁正上方的第二可移動驅(qū)動電極表面和所述的第二固定驅(qū)動電極表面具有間距且其中至少一個表面上包含絕緣薄膜。
      6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的RF MEMS開關(guān),其特征在于所述的所有驅(qū)動電極,包括固定驅(qū)動電極和可移動驅(qū)動電極,位于所述的RF信號傳導單元兩側(cè),以避免干擾到高頻信號;所述的第一固定驅(qū)動電極和第一可移動驅(qū)動電極給所述的懸臂梁提供向下的靜電力,使所述的橋接電極遠離所述的RF信號傳導單元;所述的第二固定驅(qū)動電極和第二可移動驅(qū)動電極給所述的懸臂梁提供向上的靜電力,使所述的懸臂梁向所述的RF信號傳導單元靠近。
      7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的RF MEMS開關(guān),其特征在于采用封裝方式鍵合,該鍵合進一步包括密封環(huán)鍵合和非密封環(huán)鍵合的一種,將所述的RF襯底和所述的MEMS襯底整合為一體。
      8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的RF MEMS開關(guān),其特征在于所述的密封環(huán)鍵合使所述的RF襯底上的所有元件和所述的MEMS襯底上的所有元件與外界環(huán)境隔離,以避免外界污染物的影響;所述的非密封環(huán)鍵合使所述的RF襯底上的所有元件和所述的MEMS襯底上的所有元件與外界環(huán)境接觸,無法抵抗外界污染物的影響。
      全文摘要
      一種基于微機電系統(tǒng)技術(shù)的射頻開關(guān),包含微機械(MEMS)部分和射頻(RF)部分,實現(xiàn)開關(guān)功能的可移動開關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)置在MEMS襯底上,采用MEMS部分和RF部分獨立加工再將MEMS襯底與RF襯底對準鍵合在一起的方式。開關(guān)包含多個可移動電極,具有上拉和下拉兩種驅(qū)動狀態(tài)。根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案,開關(guān)的切換速度快、驅(qū)動電壓低、穩(wěn)定性好。采用獨立加工再鍵合的方式,降低了工藝的復(fù)雜度,同時可抵抗外界污染物。
      文檔編號H01P1/10GK1716492SQ20051007484
      公開日2006年1月4日 申請日期2005年6月7日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月7日
      發(fā)明者萬江文, 周玉嬌 申請人:北京郵電大學
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