專利名稱：基于熱驅(qū)動放大的串聯(lián)射頻微電子機械開關(guān)及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及基于熱驅(qū)動放大的串聯(lián)射頻微電子機械開關(guān)，包括熱驅(qū)動臂、放大 臂、接觸塊、隔離塊、放大臂固定端和熱驅(qū)動臂固定端，其中兩根熱驅(qū)動臂相互平行且一端 與放大臂的一端固定連接，兩根熱驅(qū)動臂的另一端分別與兩塊熱驅(qū)動臂固定端相連接，放 大臂近熱驅(qū)動臂的一端與放大臂固定端相連接，放大臂的另一端與隔離塊相連接，隔離塊 與兩塊接觸塊相對設(shè)置。所述的放大臂的加工長度為250-500 ii m，厚度為10-30 y m，寬度為10-20 y m ;
所述的熱驅(qū)動臂的加工長度為500-800iim，厚度為10-30 y m，單臂寬度為 10-20 ii m，該熱驅(qū)動臂在驅(qū)動信號接入電極輸入的電流作用下發(fā)熱伸長；
所述的熱驅(qū)動臂上設(shè)有防短路塊，該防短路塊設(shè)置于兩根熱驅(qū)動臂之間確保熱驅(qū) 動臂之間不相接觸，其長度為50-800 ii m，厚度為40-50 y m，寬度為50-80 y m，可以防止過 大變形時兩臂短路，同時可以增加熱驅(qū)動臂的穩(wěn)定性，所述防短路塊由SU8膠制成；
所述的隔離塊的加工長度為60-80 ii m，厚度為40-50 y m，寬度為30-50 y m，隔離 塊為SU8膠制成； 所述的放大臂與熱驅(qū)動臂相連的位置設(shè)有卸荷槽，該卸荷槽的中心距離放大臂固 定端20-50 ii m，寬度為8 ii m，用于降低驅(qū)動力矩； 所述的隔離塊上設(shè)有兩個連接觸頭，該連接觸頭與兩塊接觸塊的位置相對應(yīng)，其 間隙距離為3-8 ii m，由觸頭的移動實現(xiàn)射頻信號的導(dǎo)通與截止；所述的連接觸頭的加工長度為50-80 iim，厚度為10-30 y m，寬度為30-50 y m。
本發(fā)明涉及上述基于熱驅(qū)動放大的串聯(lián)射頻微電子機械開關(guān)的制備方法，包括以 下步驟 步驟1 :清洗基片并烘干，在基片表面濺射鉻銅底膜層，然后通過光刻電鑄法，在
底膜層上分別制備得到射頻電路層、驅(qū)動電路層和犧牲層； 所述的基片是指低射頻損耗微波基片； 所述的鉻銅底膜層是指厚度為50-150nm的鉻銅金屬； 所述的射頻電路層、驅(qū)動電路層和犧牲層均為銅制成，其高度均為5-10ym;
步驟2 :采用光刻電鑄法在犧牲層上的中央位置制備得到熱驅(qū)動臂、放大臂和聯(lián) 接觸頭，然后采用濕法刻蝕去除鉻銅底膜層中的銅； 所述的熱驅(qū)動臂、放大臂和聯(lián)接觸頭均由鐵鎳合金制成，其高度為10-30 iim;
步驟3 :在犧牲層上的熱驅(qū)動臂中心位置和放大臂與接觸頭連接位置光刻SU8膠 分別制成隔離塊和防短路塊； 所述的隔離塊和防短路塊的高度均為40-50 ii m ; 步驟4 :在種子層上的犧牲層位置光刻正膠制成保護(hù)層； 步驟5 :采用濕法刻蝕銅犧牲層； 步驟6 :依次去除光刻膠保護(hù)層和鉻銅底膜層中的鉻，制成基于熱驅(qū)動放大的串
聯(lián)射頻微電子機械開關(guān)。 所述的保護(hù)層的厚度為10 ii m ;
所述的濕法刻蝕是指采用氨水加雙氧水溶液(溶液配比氨水雙氧水水=
2:i: io)，去除鉻銅底膜層中的銅和在種子層上的鎳梁位置處的銅犧牲層。 利用本發(fā)明制造的基于熱驅(qū)動放大的串聯(lián)射頻MEMS開關(guān)優(yōu)點在于 (1)將具有熱伸縮效應(yīng)的材料加工為"U"型結(jié)構(gòu)作為熱驅(qū)動臂，可以增加電阻，進(jìn)
而增加電熱效應(yīng)；同時，"U"型熱驅(qū)動臂結(jié)構(gòu)可以在不降低電阻的條件下增加驅(qū)動力。另
外，"U"型熱驅(qū)動臂結(jié)構(gòu)也便于驅(qū)動信號的輸入。以往"V"型結(jié)構(gòu)需要在梁兩端輸入信號，
需要較大的空間放置驅(qū)動回路。而"U"型結(jié)構(gòu)只需要在一個方向上放置驅(qū)動回路，節(jié)省了空間。 (2)采用SU8膠隔離驅(qū)動信號和射頻信號，防止射頻信號泄漏引起信號衰減，并防 止驅(qū)動信號損壞射頻器件。 (3)熱驅(qū)動臂加放大臂結(jié)構(gòu)可以避免"V"型梁結(jié)構(gòu)的較高的內(nèi)應(yīng)力。為獲得較高 的位移放大倍數(shù)，"V"型梁結(jié)構(gòu)中兩臂的夾角幾乎接近180度，這極大的增加了驅(qū)動時的內(nèi) 應(yīng)力，極易將兩邊的固定點損壞。采用熱驅(qū)動臂加放大臂結(jié)構(gòu)，熱驅(qū)動臂的內(nèi)應(yīng)力僅為驅(qū)動 放大臂的反作用力，其值遠(yuǎn)小于"V"型梁因為兩臂在幾乎同一方向伸長時引起的內(nèi)應(yīng)力。
(4)SU8膠防短路塊可以設(shè)計為完全包裹加熱臂，這可以增強加熱臂部分的穩(wěn)定 性。穩(wěn)定性的增加將改善由于加熱臂驅(qū)動時本身彎曲導(dǎo)致的驅(qū)動性能下降。因為這會影 響開關(guān)散熱，降低開關(guān)速度，因此，在開關(guān)頻率要求不高的場合，可以使用此方案增加熱驅(qū) 動臂的驅(qū)動性能。 (5)相比于其他方案，本發(fā)明工藝更加簡單。以銅做犧牲層，可以實現(xiàn)犧牲層、驅(qū)動 回路與射頻器件同時加工。熱驅(qū)動臂直接在犧牲層、驅(qū)動回路和射頻器件上加工，只需一次 濺射種子層金屬。 (6)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)簡單，加工工藝均為基本的MEMS工藝，因此可以保證較高的成 品率，和較低的加工成本。


圖1為實施例1及實施例2中開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為實施例3中開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為本發(fā)明流程圖。
具體實施例方式
下面對本發(fā)明的實施例作詳細(xì)說明，本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行 實施，給出了詳細(xì)的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實施 例。 實施例1 如圖1所示，本實施例包括熱驅(qū)動臂1、放大臂2、接觸塊4、隔離塊5、放大臂2固 定端和熱驅(qū)動臂1固定端，其中兩根熱驅(qū)動臂1相互平行且一端與放大臂2的一端固定連 接，兩根熱驅(qū)動臂1的另一端分別與兩塊熱驅(qū)動臂1固定端相連接，放大臂2近熱驅(qū)動臂1 的一端與放大臂2固定端相連接，放大臂2的另一端與隔離塊5相連接，隔離塊5與兩塊接 觸塊4相對設(shè)置。
本實施例中連接觸頭3長度50 ii m，寬度30 y m ;熱驅(qū)動臂1長度500 y m ;放大臂 2長度250 m ;厚度均為10 m，各部分線條寬均為10 y m ;防短路塊6長度為50 y m，厚度為 40 ii m，寬度50咖；SU8隔離塊5長度為60 y m，厚度為40 y m，寬度30 y m ;間隙距離3 y m。
所述的放大臂2與熱驅(qū)動臂1相連的位置設(shè)有卸荷槽9，該卸荷槽9的中心距離放 大臂固定端20 m，寬度為8 m，用于降低驅(qū)動力矩；
如圖3所示，本實施例通過以下方式進(jìn)行制備 1.采用低射頻損耗微波基片IO，用丙酮及去離子水分別超聲清洗基片10，在 18(TC真空爐中烘干3小時；濺射20nm鉻11和30nm銅12金屬種子層；之后，甩正性光刻膠 AZ4620 10iim，用含有射頻電路、驅(qū)動電路、犧牲層的掩膜板，采用德國Karl Suss公司MA6 光刻機曝光，曝光時間為70秒，顯影時間為90秒；然后，電鑄10 ii m厚的銅13，形成射頻器 件、驅(qū)動電路、犧牲層，之后使用丙酮去膠； 2.甩正性光刻膠AZ4903， 20 y m，用含有熱驅(qū)動臂1、放大臂2、連接觸頭3的掩膜 板，采用德國Karl Suss公司MA6光刻機曝光，曝光時間為200秒，顯影時間為400秒；然后 電鑄lOym厚鐵鎳合金14，形成熱驅(qū)動臂1、放大臂2、連接觸頭3等部分熱驅(qū)動臂1長度 500 ii m ;放大臂2長度250 y m ;連接觸頭3長度50 y m，之后使用丙酮去膠，使用氨水加雙氧 水溶液去銅種子層； 3.甩負(fù)性SU8光刻膠15， 40 y m，用含有隔離塊5、防短路塊6的掩膜板，采用德國 KarlSuss公司MA6光刻機曝光，曝光時間為180秒，顯影時間為900秒；制備隔離塊5長度 為60 ii m，厚度為40 ii m，寬度30咖、防短路塊6長度為50 y m，厚度為40 y m，寬度50um ;
4.甩正性光刻膠16， 10 ii m，用含有保護(hù)圖形的掩膜板，采用德國Karl Suss公司 MA6光刻機曝光，曝光時間為70秒，顯影時間為90秒；露出犧牲層部分，保護(hù)射頻電路和驅(qū) 動電路； 5.使用氨水加雙氧水溶液濕法刻蝕銅犧牲層，刻蝕時間3小時； 6.使用丙酮去正膠保護(hù)層，使用鐵氰化鉀加氫氧化鈉溶液去鉻種子層，其質(zhì)量比
為鐵氰化鉀氫氧化鈉水=3 : 2 : ioo。 實施例2 如圖2所示，本實施例包括熱驅(qū)動臂1、放大臂2、接觸塊4、隔離塊5、放大臂2固 定端和熱驅(qū)動臂1固定端，其中兩根熱驅(qū)動臂1相互平行且一端與放大臂2的一端固定連 接，兩根熱驅(qū)動臂1的另一端分別與兩塊熱驅(qū)動臂1固定端相連接，放大臂2近熱驅(qū)動臂1 的一端與放大臂2固定端相連接，放大臂2的另一端與隔離塊5相連接，隔離塊5與兩塊接 觸塊4相對設(shè)置。本實施例中連接觸頭3長度80 ii m，寬度50 ;熱驅(qū)動臂1長度800 y m ;放大臂2 長度500 ii m ;厚度均為30 ii m，各部分線條寬均為20 y m ;防短路塊6長度為50 y m，厚度為 50 ii m，寬度80咖；SU8隔離塊5長度為80 y m，厚度為50 y m，寬度50咖；間隙距離8 y m。
所述的放大臂2與熱驅(qū)動臂1相連的位置設(shè)有卸荷槽9，該卸荷槽9的中心距離放 大臂固定端50 ii m，寬度為8 ii m，用于降低驅(qū)動力矩； 本實施例中器件結(jié)構(gòu)同實施例l，可參照圖1。各部分尺寸參數(shù)均為較大值。較大 的尺寸參數(shù)可以增加開關(guān)的驅(qū)動能力，獲得更大的連接觸頭3移動距離，同時，也會使開關(guān) 的整體尺寸增加。
如圖3所示，本實施例的加工工藝如下 1.采用低射頻損耗微波基片IO，用丙酮及去離子水分別超聲清洗基片10，在 18(TC真空爐中烘干3小時；濺射30nm鉻11和120nm銅12金屬種子層；之后，甩正性光刻 膠AZ4620 10ym，用含有射頻電路、驅(qū)動電路、犧牲層的掩膜板，采用德國Karl Suss公司 MA6光刻機曝光，曝光時間為70秒，顯影時間為90秒；然后，電鑄10 ii m厚的銅13，形成射 頻器件、驅(qū)動電路、犧牲層，之后使用丙酮去膠； 2.甩正性光刻膠AZ4903， 30 y m，用含有熱驅(qū)動臂1、放大臂2、連接觸頭3的掩膜 板，采用德國Karl Suss公司MA6光刻機曝光，曝光時間為300秒，顯影時間為600秒；然后 電鑄30ym厚鐵鎳合金14，形成熱驅(qū)動臂1、放大臂2、連接觸頭3等部分熱驅(qū)動臂1長度 800 ii m ;放大臂2長度500 y m ;連接觸頭3長度80 y m，之后使用丙酮去膠，使用氨水加雙氧 水溶液去銅種子層； 3.甩負(fù)性SU8光刻膠15， 50 y m，用含有隔離塊5、防短路塊6的掩膜板，采用德國 KarlSuss公司MA6光刻機曝光，曝光時間為200秒，顯影時間為1080秒；制備隔離塊5長 度為80 ii m，厚度為50 ii m，寬度50um、防短路塊6長度為50 y m，厚度為50 y m，寬度80um ;
4.甩正性光刻膠16， 10 ii m，用含有保護(hù)圖形的掩膜板，采用德國Karl Suss公司 MA6光刻機曝光，曝光時間為70秒，顯影時間為90秒；露出犧牲層部分，保護(hù)射頻電路和驅(qū) 動電路； 5.使用氨水加雙氧水溶液濕法刻蝕銅犧牲層，刻蝕時間3小時； 6.使用丙酮去正膠保護(hù)層，使用鐵氰化鉀加氫氧化鈉溶液去鉻種子層，其質(zhì)量比
為鐵氰化鉀氫氧化鈉水=3 : 2 : ioo。 實施例3 連接觸頭3長度80 ii m，寬度50 ;熱驅(qū)動臂1長度800 y m ;放大臂2長度500 y m ; 厚度均為30 ii m，各部分線條寬均為20 ii m ;防短路塊6長度為800 y m，厚度為50 y m，寬 度80咖;SU8隔離塊5長度為80 ii m，厚度為50 y m，寬度50 y m ;支點距離50 y m ;間隙距離 8 ii m。 如圖2所示，本實施例中，開關(guān)的結(jié)構(gòu)與實施例2基本相同。不同的地方是防短路 塊6包裹住整個加熱臂，可以增強加熱臂的穩(wěn)定性，防止加熱臂受力變形。另外這將使開關(guān) 散熱速度降低，其結(jié)果是開關(guān)導(dǎo)通的速度加快，開關(guān)關(guān)斷的速度降低。
如圖3所示，本實施例的加工工藝如下 1.采用低射頻損耗微波基片IO，用丙酮及去離子水分別超聲清洗基片10，在 18(TC真空爐中烘干3小時；濺射30nm鉻11和120nm銅12金屬種子層；之后，甩正性光刻 膠AZ4620，10iim，用含有射頻電路、驅(qū)動電路、犧牲層的掩膜板，采用德國Karl Suss公司 MA6光刻機曝光，曝光時間為70秒，顯影時間為90秒；然后，電鑄10 ii m銅13，形成射頻器 件、驅(qū)動電路、犧牲層，之后使用丙酮去膠； 2.甩正性光刻膠AZ4903， 30 y m，用含有熱驅(qū)動臂1、放大臂2、連接觸頭3的掩膜 板，采用德國Karl Suss公司MA6光刻機曝光，曝光時間為300秒，顯影時間為600秒；然后 電鑄30ym厚鐵鎳合金14，形成熱驅(qū)動臂1、放大臂2、連接觸頭3等部分熱驅(qū)動臂1長度 800 ii m ;放大臂2長度500 y m ;連接觸頭3長度80 y m，之后使用丙酮去膠，使用氨水加雙氧 水溶液去銅種子層；
3.甩負(fù)性SU8光刻膠15， 50 y m，用含有隔離塊5、防短路塊6的掩膜板，采用德國 KarlSuss公司MA6光刻機曝光，曝光時間為200秒，顯影時間為1080秒；制備隔離塊5長度 為80 ii m，厚度為50 ii m，寬度50um、防短路塊6長度為800 y m，厚度為50 y m，寬度80咖；
4.甩正性光刻膠16， 10 ii m，用含有保護(hù)圖形的掩膜板，采用德國Karl Suss公司 MA6光刻機曝光，曝光時間為70秒，顯影時間為90秒；露出犧牲層部分，保護(hù)射頻電路和驅(qū) 動電路； 5.使用氨水加雙氧水溶液濕法刻蝕銅犧牲層，刻蝕時間3小時； 6.使用丙酮去正膠保護(hù)層，使用鐵氰化鉀加氫氧化鈉溶液去鉻種子層，其質(zhì)量比
為鐵氰化鉀氫氧化鈉水=3 : 2 : ioo。 性能指標(biāo)對比上述實施例中制得的樣品功率消耗約為170mW，而采用現(xiàn)有技術(shù) 所制備的各種樣品功率消耗可達(dá)250mW。可見，實施例功率消耗明顯低于現(xiàn)有技術(shù)所制備的 樣品，分析表明采用"U"形熱驅(qū)動臂加放大臂結(jié)構(gòu)可以明顯節(jié)省功耗。
權(quán)利要求
一種基于熱驅(qū)動放大的串聯(lián)射頻微電子機械開關(guān)，其特征在于，包括熱驅(qū)動臂、放大臂、接觸塊、隔離塊、放大臂固定端和熱驅(qū)動臂固定端，其中兩根熱驅(qū)動臂相互平行且一端與放大臂的一端固定連接，兩根熱驅(qū)動臂的另一端分別與兩塊熱驅(qū)動臂固定端相連接，放大臂近熱驅(qū)動臂的一端與放大臂固定端相連接，放大臂的另一端與隔離塊相連接，隔離塊與兩塊接觸塊相對設(shè)置。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于熱驅(qū)動放大的串聯(lián)射頻微電子機械開關(guān)，其特征是，所述的熱驅(qū)動臂的加工長度為500-800 ii m，厚度為10-30 y m，單臂寬度為10-20 y m，該熱驅(qū) 動臂在驅(qū)動信號接入電極輸入的電流作用下發(fā)熱伸長。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于熱驅(qū)動放大的串聯(lián)射頻微電子機械開關(guān)，其特征是，所 述的熱驅(qū)動臂上設(shè)有防短路塊，該防短路塊設(shè)置于兩根熱驅(qū)動臂之間確保熱驅(qū)動臂之間不 相接觸，其長度為50-800 ii m，厚度為40-50 y m，寬度為50-80 y m，可以防止過大變形時兩 臂短路，同時可以增加熱驅(qū)動臂的穩(wěn)定性，所述防短路塊由SU8膠制成。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的基于熱驅(qū)動放大的串聯(lián)射頻微電子機械開關(guān)，其特征是， 所述的放大臂與熱驅(qū)動臂相連的位置設(shè)有卸荷槽，該卸荷槽的中心距離放大臂固定端 20-50 ii m，寬度為8 ii m，用于降低驅(qū)動力矩。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于熱驅(qū)動放大的串聯(lián)射頻微電子機械開關(guān)，其特征是，所 述的隔離塊上設(shè)有兩個連接觸頭，該連接觸頭與兩塊接觸塊的位置相對應(yīng)，其間隙距離為 3-8 ii m，由觸頭的移動實現(xiàn)射頻信號的導(dǎo)通與截止。
6. —種根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于熱驅(qū)動放大的串聯(lián)射頻微電子機械開關(guān)的制備方 法，其特征在于，包括以下步驟步驟1 :清洗基片并烘干，在基片表面濺射鉻銅底膜層，然后通過光刻電鑄法，在底膜 層上分別制備得到射頻電路層、驅(qū)動電路層和犧牲層；步驟2 :采用光刻電鑄法在犧牲層上的中央位置制備得到熱驅(qū)動臂、放大臂和聯(lián)接觸 頭，然后采用濕法刻蝕去除鉻銅底膜層中的銅；步驟3 :在犧牲層上的熱驅(qū)動臂的中心位置和放大臂與接觸頭連接位置光刻SU8膠分 別制成隔離塊和防短路塊；步驟4 :在種子層上的犧牲層位置光刻正膠制成保護(hù)層；步驟5 :采用濕法刻蝕銅犧牲層；步驟6 :依次去除光刻膠保護(hù)層和鉻銅底膜層中的鉻，制成基于熱驅(qū)動放大的串聯(lián)射 頻微電子機械開關(guān)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于熱驅(qū)動放大的串聯(lián)射頻微電子機械開關(guān)的制備方法，其 特征是，所述的濕法刻蝕是指采用氨水加雙氧水溶液，去除鉻銅底膜層中的銅和在種子層 上的銅犧牲層。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于熱驅(qū)動放大的串聯(lián)射頻微電子機械開關(guān)的制備方法，其特征是，所述的氨水加雙氧水溶液是指溶液配比為氨水雙氧水水=2 : i : io。
全文摘要
一種射頻微機電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)領(lǐng)域的基于熱驅(qū)動放大的串聯(lián)射頻微電子機械開關(guān)，包括熱驅(qū)動臂、放大臂、接觸塊、隔離塊、放大臂固定端和熱驅(qū)動臂固定端，其中兩根熱驅(qū)動臂相互平行且一端與放大臂的一端固定連接，兩根熱驅(qū)動臂的另一端分別與兩塊熱驅(qū)動臂固定端相連接，放大臂近熱驅(qū)動臂的一端與放大臂固定端相連接，放大臂的另一端與隔離塊相連接，隔離塊與兩塊接觸塊相對設(shè)置。本發(fā)明具有尺寸小，開關(guān)行程大，驅(qū)動電壓低，射頻信號與驅(qū)動電流隔離，工藝簡單，成品率高等優(yōu)點。
文檔編號H01P1/10GK101694895SQ20091030914
公開日2010年4月14日 申請日期2009年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月30日
發(fā)明者朱軍, 胡志軍, 陳翔, 陳迪, 黃闖 申請人:上海交通大學(xué);