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(dǎo)傳輸線的懸臂梁開關(guān)s為共面波導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)單元采用共面波導(dǎo)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(dǎo)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?？梢苿娱_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(dǎo)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(dāng)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(dāng)可移動橋接電極遠離信號傳輸線而被設(shè)置在RF信號導(dǎo)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(dāng)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)單元示意圖，圖3B為去除絕緣薄膜后RF信號傳導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(zhǔn)、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(zhǔn)、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(zhǔn)。
RF襯底優(yōu)選具有高電阻率的半導(dǎo)體，包括高阻硅、III-V族化合物半導(dǎo)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(dǎo)單元可為共面波導(dǎo)線也可為微帶線，優(yōu)選共面波導(dǎo)線以減少干擾。在RF基底上形成RF共面波導(dǎo)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(dǎo)46a和46b與地線連接，它們不與所述的中心波導(dǎo)線46c相接觸，對所述的中心波導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)功能是這樣實現(xiàn)的當(dāng)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(dāng)橋接電極56遠離RF信號傳導(dǎo)單元而被設(shè)置在信號接通位置時，RF信號傳導(dǎo)單元的RF信號通路被接通；當(dāng)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(dāng)橋接電極靠近RF信號傳導(dǎo)單元而被設(shè)置在信號斷開位置時，RF信號傳導(dǎo)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(dǎo)傳輸線的電容實現(xiàn)RF信號傳導(dǎo)單元的RF信號通路的導(dǎo)通和斷開。當(dāng)橋接電極56遠離RF信號傳導(dǎo)單元時，由于橋接電極與RF信號傳導(dǎo)單元間的間距大且橋接電極不接地，此時電容很??；當(dāng)橋接電極56靠近RF信號傳導(dǎo)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(dǎo)單元的地線接觸，此時橋接電極與RF信號傳導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)線，該共面波導(dǎo)線包括傳輸信號的中心波導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dāng)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(zhǔn)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(xué)