專利名稱：一種微型扭轉式單刀雙置射頻開關結構及制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及到一種射頻通信應用中的器件，更確切的說涉及一種微型扭轉式單刀雙置射頻開關結構及制作方法，主要用于射頻系統(tǒng)的對兩個信號通路的單一選擇，從而實現(xiàn)對系統(tǒng)傳輸或是接受兩種工作模態(tài)的控制。屬于微電子機械領域。
背景技術：
目前隨著社會的發(fā)展，人們對于信息量的需求也日益增加。這也導致了射頻網絡的高速發(fā)展，射頻技術也得到了廣泛的關注。由于微機械技術的諸多優(yōu)點，被不斷的應用于各個領域之中。微機械技術有望在通信系統(tǒng)中，特別是個人通信和無線通信系統(tǒng)中產生巨大的影響。例如可以通過微機械技術來制造天線陣列，空間雷達系統(tǒng)，混頻器，射頻開關，相移器，微加工的傳輸線和波導，高品質因子的電感，可變電容等等器件。微電子機械技術通過氧化、光刻、刻蝕等加工工藝，制作的器件具有體積小，精度高，便于大批量的集成化生產等優(yōu)點，在今后的通信傳輸網中有很大的潛在應用，它已經成為目前研究和開發(fā)的重點。
在整個通信網絡中，射頻開關處于十分基礎的地位。微機械技術制作的射頻開關因為隔離度高，插入損耗小，功耗低等優(yōu)點而備受關注。在射頻系統(tǒng)中，通過對兩條通道的選擇來實現(xiàn)對信號進行發(fā)射或是接受的控制。這就需要單刀雙置射頻開關來控制兩條微波傳輸線。被人們所熟知的微機械射頻開關大都是利用懸臂梁或是空氣橋的結構，在靜電力或是電磁力的作用下，通過上下的機械運動，達到對射頻傳輸線導通或是截至的控制效果。但是普遍存在驅動電壓過大，不能保證同時對兩個信道可靠的單選作用。利用質量塊在較低的驅動電壓的作用下也能發(fā)生扭轉的現(xiàn)象，且質量塊的兩邊必定是相向運動的效果，能很好的使以上提到的問題得到很好的解決。
已經提出的相關技術中，有利用在可動電極與驅動電極之間足夠大的靜電力的作用，可動電極通過上下運動直到與驅動電極貼合，基本原理示意圖如圖1所示，專利號為6426687的美國專利簡要示意圖如圖2所示。它是由MEMS結構層1和RF結構層2兩大塊通過鍵合的手段共同構成的。在結構層1中，采用在MEMS的襯底3上制作驅動電極4，5以及可動部件6。其中驅動電極4，5都是由金屬層和電解質層組成。而可動部件6是一個金屬層和電介質膜構成的復合膜結構。作為RF部分的射頻傳輸線的共面波導7是制作在RF襯底8上面。將MEMS部分9，10和RF部分11，12通過鍵合的手段結合起來。就以上結構來講，存在一下幾點問題首先，需要制作的結構層數(shù)較多，所以開關的制作工藝非常復雜。
其次，將MEMS部件和RF部件分別作在不同的襯底上必將考慮兩者的組合，鍵合工藝要求較高，成品率不高，成本高，不便于大規(guī)模生產。
再則，作為可動部件6，在靜電力的作用下，進行上下的運動，在保證器件良好的可靠性的同時則要求有著較高的驅動電壓。在要求較低的驅動電壓的情況下，器件的開關可靠性將會受到很大的影響。這就將嚴重的妨礙它與整個射頻系統(tǒng)之間的兼容。
然后，該結構只能用于對一條信道的控制，要對雙信道進行控制時，則需要兩個器件同時工作，這將導致成本的增高。
最后，開關的開關速度主要是依靠電解質層的機械彈性來實現(xiàn)的。所以開關的速度的進一步提高受到了很大的限制。

發(fā)明內容
鑒于上述U.S.P642687提供的結構復雜且只能用于同一條信道的控制缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種微型扭轉式單刀雙置射頻開關結構及制作方法其特征如下(1)本發(fā)明中一條以上射頻傳輸線和驅動電極直接制作于襯底上，MEMS部件和RF傳輸部分有共同的襯底。射頻傳輸線分別位于驅動電極的兩側。可動部分懸空在射頻信號線和驅動電極的正上方。可動部分是由扭轉質量塊和兩個扭轉梁構成的。梁和質量塊都是金屬和電解質材料構成的復合膜。兩根扭轉梁位于扭轉質量塊的正中間沿中軸線方向。驅動電極分別在扭轉質量塊中軸線的兩側。
(2)本發(fā)明主要利用MEMS技術表面工藝中薄膜的生長與刻蝕工藝。在襯底上直接淀積金屬，刻蝕出多條射頻傳輸線和驅動電極的圖形。淀積犧牲層，在犧牲層上淀積電解質膜，淀積金屬膜，在金屬層上刻蝕出可動部分電極的圖形。以金屬層圖形為掩膜，刻蝕電解質層的圖形。掏空犧牲層，釋放結構。
(3)可動部件的運動方式是扭轉?？蓜硬考闹饕\動模態(tài)是扭轉模態(tài)。
(4)一個扭轉的可動部件可同時用于對兩個射頻信道的控制。
(5)可動部件采用的是金屬/電解質的復合膜結構。
(6)射頻信道可以采用共面波導形式或是微波傳輸帶的形式。
(7)多個開關串聯(lián)起來可以組成開關陣列。
(8)金屬層的圖形是刻蝕電解質層圖形時的掩膜。
(9)射頻信道和MEMS的襯底為同一襯底，襯底上挖坑。
本發(fā)明基于MEMS技術制作的射頻開關器件，采用在硅片上的薄膜淀積和刻蝕工藝，制作出開關的可動部件以及射頻傳輸線。可動部件為一質量塊，在低驅動電壓作用下發(fā)生扭轉，以控制兩條平面波導型的射頻通道，從而實現(xiàn)可靠的選通作用。
(1)采用比較成熟的MEMS表面加工技術，淀積和刻蝕工藝，避免使用鍵合工藝，在一塊襯底上同時設計制造出MEMS可動部件以及RF傳輸部件，最后實現(xiàn)工藝步驟簡單，容易控制，便于雙穩(wěn)態(tài)的微機械射頻開關的大批量生產。
(2)通過可動部件的運動方式采用微型扭轉來代替上下的運動方式，以降低驅動電壓，同時保證器件開關的可靠性。從而可以解決由于射頻開關驅動電壓過高所帶來的與射頻系統(tǒng)匹配的問題。
(3)利用同一個可動部件來同時控制兩條信道，有利于減小器件的面積和體積?？梢赃_到進一步降低生產成本的目的。
(4)通過兩條信道的單選特性，有利于提高開關的開關速度。
(5)工藝簡單，成本低，制作的精度高，便于大批量生產。


下面結合圖例來說明圖1(a)已有技術的原理截面圖。
圖1(b)美國專利號為6426687結構剖面圖。
圖2本發(fā)明的電路結構圖。
圖3(a)本發(fā)明涉及的兩路射頻信道和選通驅動電極在襯底上三維示意圖。
圖3(b)本發(fā)明涉及的兩路射頻信道和選通驅動電極在襯底上俯視圖。
圖3(c)本發(fā)明涉及的扭轉梁型開關可動部件三維示意圖。
圖3(d)本發(fā)明涉及的扭轉梁型開關可動部件沿PP’斷面的截面圖。
圖4(a)扭轉式單刀雙置射頻開關的三維示意圖。
圖4(b)扭轉式單刀雙置射頻開關斷面QQ’的截面圖。
圖5本發(fā)明制作工藝流程圖。
圖6實施例1俯視圖。
圖7(a)實施例2俯視圖。
圖7(A)，圖7(B)，圖7(C)圖7(D)分別為實施例斷面AA’，BB’，CC’，DD’的截面圖。
圖1(a)是已有技術的原理截面圖。23是襯底。22是電解質材料的結構塊。24是襯底上的固定電極。25是射頻傳輸線。26和27分別是可動部分的電極。28可動部分的電解質膜。當在24和27之間不存在電勢差的時候，射頻信號通過25傳播，開關閉合。當在24和27之間存在電勢差足夠大的時候，可動部件被吸向襯底，當25與26貼合的時候，射頻信號線被短路，開關斷開。圖1(b)是美國專利號為6426687的剖面圖。它利用可動部件6的在靜電力作用下、上運動，來達到對射頻線路7導通或是截止的控制。
圖2是本發(fā)明的電路結構圖。該結構圖是整個射頻信號處理網絡的簡要示意圖。在需要接受信號的時候，通過天線選擇開關來控制，信號從天線1或是天線2中被接受。被接受的信號通過帶通濾波器來濾出所需要的頻段。通過發(fā)送/接受電路選擇開關來送到射頻接受電路進一步處理信號。在需要發(fā)送信號的時候，信號來自射頻發(fā)送電路，通過選擇發(fā)送電路的開關將信號發(fā)送至天線選擇開關來選擇發(fā)送天線。
圖3(a)和圖3(b)分別是本發(fā)明涉及的兩路射頻信道和選通驅動電極在襯底上三維示意圖和俯視圖。205和206是射頻信號的傳輸線。201和204是兩路信號通道。202和203分別是信道206和205的選通驅動電極。圖3(c)和圖3(d)分別是本發(fā)明涉及的扭轉梁型開關可動部件三維示意圖和AA’方向的截面圖。其中302是一個金屬膜，303是電解質膜。301是兩個容易發(fā)生扭轉的梁，它也是由金屬層和電介質層共同構成。001是固定端。302淀積在303上面，302和303都通過301與外框架在001處連接。當質量塊受到外力作用時，對扭轉梁力矩不為零的時候，質量塊會發(fā)生扭轉。由電解質膜303和金屬膜302構成的復合膜有兩個優(yōu)點一是電解質膜的存在使得只有射頻信號被短路，不會造成直流導通，減小了功耗；二是相對純金屬膜而言，復合膜有較大的剛度，以及較快的響應速度。
圖4(a)和圖4(b)分別是扭轉式單刀雙置射頻開關的三維示意圖和沿BB’截面的剖面圖。401是基體材料，例如高阻硅等；201是第一個射頻信號的傳輸線，204是第二個射頻信號的傳輸線；202是第二路射頻信號選擇的驅動電極；203是第一路射頻信號選擇的驅動電極；201，202，203，204都基于401，且在一個平面內。301，302，303構成的復合結構懸空于該平面。
工作原理當驅動電極(202)其中一個上加上電壓的時候，與接地的上極板金屬層(301)之間存在電勢差，在靜電力作用下會繞著結構塊301(扭轉梁)發(fā)生扭轉。當驅動電壓足夠大的時，質量塊運動直到碰到傳輸線(201)。此時，這一路的射頻信號因為電容接地而被短路。相對而言的另一條信道中的射頻信號可以從信道204通過。實現(xiàn)了對第二路信號的選通作用。從而可以通過控制加載的驅動電壓達到對兩路射頻信號進行單一通過的選擇作用。
圖5是器件的制作工藝流程圖。
器件具體工藝步驟如下1.在襯底材料上淀積金屬層；2.光刻并刻蝕出驅動電極和射頻傳輸線的圖形；3.淀積犧牲層材料；
4.光刻并刻蝕出犧牲層的圖形；5.在犧牲層上淀積電介質層。
6.在電解質層上再次淀積金屬層；7.光刻并刻蝕出可動電極的圖形。
8.以金屬層的圖形為掩膜，直接刻蝕出電介層圖形；9.掏空犧牲層釋放結構。
具體實施例方式
實施例1兩路移相器的選擇開關。
俯視圖如圖7所示。其中701和704分別是不同相移大小的移相器1和移相器2；702和703分別是驅動電極1和驅動電極2；705和707是兩根扭轉梁；706是扭轉質量塊。質量塊706和兩個扭轉轉梁705，707都是由電解質和金屬構成的復合結構。當在702(驅動電極1)上施加偏壓時，706會繞著705和707旋轉，直到與701貼合。此時移相器1不工作，移相器2對信號起到相移的作用；同樣，在在驅動電極2上施加偏壓時，移相器2不工作，移相器1對信號起到相移的作用。可以通過在不同的驅動電極上施加偏壓，達到選取使得信號發(fā)生不同相移的目的。
實施例2多個射頻開關組合成對多個射頻信道的選通。
結構的俯視圖如圖7(a)所示。圖中是3個開關的組合，可以按同樣的方式來根據需要進行n個開關的組合。分別從AA’，BB’，CC’，DD’端可以看到結構的剖面圖分別如圖7中(A)，(B)，(C)，(D)所示。剩下的開關都是同樣的結構。
襯底401為晶向為(100)方向的硅片，驅動電極和射頻信道的材料都為鉻/金，扭轉質量塊和扭轉梁都為氮化硅和鉻/金構成的復合膜結構。
具體工藝步驟為1.氧化硅片。
2.光刻并在硅片上腐蝕出坑。
3.淀積鉻/金，并刻蝕出信道和驅動電極的圖形。
4.淀積犧牲層材料并刻蝕出圖形。
5.在犧牲層上淀積氮化硅。
6.在氮化硅上淀積鉻/金，并刻蝕出鉻/金的圖形。
7.以鉻金的圖形作為掩膜，刻蝕氮化硅。
8.在背面淀積鉻/金，構成微帶線。
9.掏空犧牲層，釋放結構。
權利要求
1.一種微型扭轉式單刀雙置射頻開關，包括驅動電報，質量塊和RF傳輸線，其特征在于1)MEMS部件和RF傳輸部分有共同的襯底；(2)射頻傳輸線分別位于驅動電極的兩側；(3)可動部分懸空在射頻信號線和驅動電極的正上方，可動部分是由扭轉質量塊和兩個扭轉梁構成的；(4)兩根扭轉梁位于扭轉質量塊的正中間沿中軸線方向，驅動電極分別在扭轉質量塊中軸線的兩側。
2.按權利要求1所述的微型扭轉式單刀雙置射頻開關，其特征在于所述的可動部的主要運動模態(tài)是扭轉模態(tài)，一個扭轉的可動部件同時用于對兩個RF信道的控制。
3.按權利要求1所述的微型扭轉式單刀雙置射頻開關，其特征在于射頻信道或采用共面波導形式或微波傳輸帶形式。
4.按權利要求1所述的微型扭轉式單刀雙置射頻開關，其特征在于可動部件采用的是金屬/電解質的復合膜結構。
5.按權利要求1所述的微型扭轉式單刀雙置射頻開關制作方法，其特征在于利用MEMS薄膜生長與刻蝕工藝，在襯底上直接淀積金屬，刻蝕出多條射頻傳輸線和驅動電極的圖形；淀積犧牲層，在犧牲層上淀積電解質膜，淀積金屬膜，在金屬層上刻蝕出可動部分電極的圖形。以金屬層圖形為掩膜，刻蝕電解質層的圖形。掏空犧牲層，釋放結構。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種微型扭轉式單刀雙置射頻開關結構及制作方法，其特征在于(1)MEMS部件和RF傳輸部分有共同的襯底；(2)射頻傳輸線分別位于驅動電極的兩側；(3)可動部分懸空在射頻信號線和驅動電極的正上方，可動部分是由扭轉質量塊和兩個扭轉梁構成的；(4)兩根扭轉梁位于扭轉質量塊的正中間沿中軸線方向，驅動電極分別在扭轉質量塊中軸線的兩側。本發(fā)明通過淀積，光刻，刻蝕等簡單的微機械表面加工技術，制作出低驅動電壓的對兩條射頻信道進行可靠的單選的單刀雙置的開關。此結構具有低驅動電壓和良好的可靠性的特點，應用于射頻通信系統(tǒng)和無線通信系統(tǒng)中以實現(xiàn)性能好、工藝簡單、可以批量生產的微機械的射頻器件。
文檔編號H01H59/00GK1529336SQ0315146
公開日2004年9月15日 申請日期2003年9月29日 優(yōu)先權日2003年9月29日
發(fā)明者黃蓉, 焦繼偉, 王躍林, 黃 蓉 申請人:中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所, 中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究