一種mems電容開關(guān)的制作方法
【專利摘要】一種MEMS電容開關(guān)，屬于電子科學(xué)【技術(shù)領(lǐng)域】。包含帶絕緣層的基底，信號傳輸線和兩側(cè)的地電極，信號傳輸線表面有介質(zhì)層，介質(zhì)層表面具有三個金屬覆蓋區(qū)，兩個地電極上分別具有一個固定錨點(diǎn)，兩個固定錨點(diǎn)支撐起驅(qū)動電極結(jié)構(gòu)；驅(qū)動電極結(jié)構(gòu)為“兩翼”型階躍結(jié)構(gòu)，包括中間的第一驅(qū)動電極和兩翼的第二、三驅(qū)動電極，第一驅(qū)動電極兩側(cè)采用固支梁與固定錨點(diǎn)相連，第二、三驅(qū)動電極分別采用懸臂梁與第一驅(qū)動電極相連，第二、三驅(qū)動電極與信號傳輸線之間的距離大于第一驅(qū)動電極與信號傳輸線之間的距離；三個驅(qū)動電極的面積依次增大。本發(fā)明可實現(xiàn)3個工作頻段，并且具有插入損耗低、隔離度高、下拉電壓低的特點(diǎn)，可應(yīng)用于射頻或微波通信系統(tǒng)中。
【專利說明】—種MEMS電容開關(guān)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電子科學(xué)【技術(shù)領(lǐng)域】,涉及微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS),尤其是一種MEMS電容開關(guān)。
技術(shù)背景
[0002]開關(guān)是射頻（RF)和微波通信系統(tǒng)中的基本部件，射頻微機(jī)電（RFMEMS)開關(guān)在射頻和微波組件級和系統(tǒng)級都有很大的應(yīng)用空間。在組件級可以用射頻微機(jī)電（RFMEMS)開關(guān)構(gòu)造壓控振蕩器、濾波器（電容開關(guān)，電感）和移相器等，是現(xiàn)代雷達(dá)和通信系統(tǒng)不可或缺的元件。射頻微機(jī)電（RFMEMS)開關(guān)相比于傳統(tǒng)的FET和PIN 二極管開關(guān)具有直流功耗小、插入損耗低、隔離度高、互調(diào)失真小、工作頻帶寬及低成本，易于集成等特點(diǎn)。
[0003]美國專利文獻(xiàn)US7，265，647B2公開了一種可調(diào)式MEMS電容開關(guān)，如圖I至圖3所示，該可調(diào)式MEMS電容開關(guān)在襯底基片110表面中間區(qū)域設(shè)置有金屬層108作為傳輸線，在傳輸線兩側(cè)分別具有金屬層104和106作為地電極（地電極104和106的高度超過傳輸線108的高度），在作為傳輸線的金屬層108表面覆蓋有介質(zhì)層109，并在其中一條地電極106表面覆蓋有介質(zhì)層402，在傳輸線108正上方設(shè)置三個懸梁結(jié)構(gòu)112、120和122，三個懸梁結(jié)構(gòu)橫跨傳輸線108，兩端分別置于兩個地電極表面，且與覆蓋絕緣介質(zhì)層的電極形成可調(diào)電容。該結(jié)構(gòu)加載一定的驅(qū)動電壓拉下傳輸線上方的開關(guān)梁來實現(xiàn)開關(guān)從up到down態(tài)的轉(zhuǎn)變。在down時，通過改變電極與懸梁間的可變電容以實現(xiàn)總電容的改變，使得開關(guān)有不同的諧振頻率，使得在不同頻段的獲得較高隔離度。但該結(jié)構(gòu)所有的開關(guān)梁都置在同一平面，若開關(guān)梁和傳輸線之間的距離過小，則開關(guān)的up態(tài)電容較大，造成開關(guān)的插入損耗增大，如果增加開關(guān)梁與傳輸線之間的距離，由于驅(qū)動電壓與間距的平方關(guān)系，則開關(guān)的驅(qū)動電壓會急劇增大，除此之外，介質(zhì)層的粗糙度對開關(guān)的射頻性能產(chǎn)生較大的影響，這些都將嚴(yán)重限制的RF MEMS開關(guān)的應(yīng)用范圍。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提供一種可工作于3個頻段內(nèi)的頻段可調(diào)式高隔離度/低插損MEMS電容開關(guān)，具有插入損耗低，隔離度高，下拉電壓低的特點(diǎn)，可應(yīng)用于射頻或微波通信系統(tǒng)中。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0006]一種MEMS電容開關(guān)，如圖3至圖5所示，包括一個表面具有絕緣層8的襯底7，在絕緣層8表面的中間位置具有導(dǎo)電材料制作的信號傳輸線9，在信號傳輸線9兩側(cè)的絕緣層8表面分別具有一條平行于信號傳輸線9的地電極13-1和13-2,在信號傳輸線9表面全層覆蓋有一層介質(zhì)層10，在介質(zhì)層10的表面設(shè)置有第一金屬覆蓋區(qū)11-2、第二金屬覆蓋區(qū)Il-I和第二金屬覆蓋區(qū)11-3,其中第一金屬覆蓋區(qū)11-2位于第二金屬覆蓋區(qū)11-1和第二金屬覆蓋區(qū)11-3之間；在第一地電極13-1表面設(shè)置有第一固定錨點(diǎn)12-1,在第二地電極13-2表面設(shè)置有第二固定錨點(diǎn)12-2，在第一固定錨點(diǎn)12-1和第二固定錨點(diǎn)12_2之間連接有一個驅(qū)動電極結(jié)構(gòu)；所述驅(qū)動電極結(jié)構(gòu)包括三個驅(qū)動電極，其中第一驅(qū)動電極4位于第一金屬覆蓋區(qū)11-2上方，第二驅(qū)動電極5位于第二金屬覆蓋區(qū)11-1上方，第三驅(qū)動電極6位于第三金屬覆蓋區(qū)11-3上方，且第一驅(qū)動電極4的面積小于第二驅(qū)動電極5的面積，第二驅(qū)動電極5的面積小于第三驅(qū)動電極6的面積，三個驅(qū)動電極的面積分別小于與之對應(yīng)的金屬覆蓋層的面積；第一驅(qū)動電極4與信號傳輸線9兩側(cè)對應(yīng)的兩個邊中，一邊采用第一固支梁1-1與第一固定錨點(diǎn)12-1相連，另一邊采用第二固支梁1-2與第二固定錨點(diǎn)12-2相連；第二驅(qū)動電極5與第一驅(qū)動電極4之間采用第一懸臂梁2相連，第三驅(qū)動電極6與第一驅(qū)動電極4之間采用兩個第二懸臂梁3相連；第二驅(qū)動電極5與第二金屬覆蓋區(qū)11-1之間的距離和第三驅(qū)動電極6與第三金屬覆蓋區(qū)11-3之間的距離相等，且大于第一驅(qū)動電極4與第一金屬覆蓋區(qū)11-2之間的距離。
[0007]本發(fā)明的工作原理是：
[0008]本發(fā)明提供的MEMS電容開關(guān)，具有三個驅(qū)動極板，其中第一驅(qū)動電極4為一個固支梁電極，第二驅(qū)動電極5和第三驅(qū)動電極6為位于固支梁電極“兩翼”的懸臂梁電極，其等效電路如圖6所示：信號傳輸線9、介質(zhì)層10和第一金屬覆蓋區(qū)11-2構(gòu)成固定電容Cl，信號傳輸線9、介質(zhì)層10和第二金屬覆蓋區(qū)11-1構(gòu)成固定電容C2,信號傳輸線9、介質(zhì)層10和第三金屬覆蓋區(qū)11-3構(gòu)成固定電容C3,第一金屬覆蓋區(qū)11-2與第一驅(qū)動電極4以及二者之間的空氣層構(gòu)成可變電容Cl’，第二金屬覆蓋區(qū)11-1與第二驅(qū)動電極5以及二者之間的空氣層構(gòu)成可變電容C2’，第三金屬覆蓋區(qū)11-3與第三驅(qū)動電極6以及二者之間的空氣層構(gòu)成可變電容C3’;整個MEMS電容開關(guān)在Up態(tài)時，“兩翼”的懸臂梁驅(qū)動電極的存在相當(dāng)于增大了驅(qū)動電極與信號線9之間的相對間距，減小了 Up態(tài)的電容，進(jìn)而使整個MEMS電容開關(guān)的插入損耗降低。當(dāng)在三個驅(qū)動電極上施加偏置電壓時（偏置下拉電壓實際施加在地電極與信號傳輸線之間，由于地電極與三個驅(qū)動電極是電氣相同的，所以偏置電壓也可以說是施加在三個驅(qū)動電極上），整個MEMS電容開關(guān)由Up態(tài)相Down態(tài)轉(zhuǎn)換：當(dāng)施加的偏置電壓大于第一驅(qū)動電極4的下拉電壓時,第一驅(qū)動電極4被拉下來與第一金屬覆蓋區(qū)11-2相接觸，同時第一驅(qū)動電極4兩翼的第二驅(qū)動電極5和第三驅(qū)動電極6也被拉下一段距離(由于第一驅(qū)動電極4的面積小于第二驅(qū)動電極5的面積，第二驅(qū)動電極5的面積小于第三驅(qū)動電極6的面積，所以第一驅(qū)動電極4的下拉電壓小于第二驅(qū)動電極5的下拉電壓，第二驅(qū)動電極5的下拉電壓小于第三驅(qū)動電極6的下拉電壓），但并不與下面的金屬覆蓋區(qū)相接觸，此時整個MEMS電容開關(guān)處于第一 Down態(tài)（等效電路如圖7(a)所示，等效電容為電容Cl);繼續(xù)增加偏置電壓，當(dāng)偏置電壓大于第二驅(qū)動電極5的下拉電壓時，第二驅(qū)動電極被拉下與第二金屬覆蓋區(qū)11-1相接觸，但第三驅(qū)動電極6仍未被完全拉下，此時整個MEMS電容開關(guān)處于第二 Down態(tài)（等效電路如圖7 (b)所示，等效電容為電容Cl和電容C2的并聯(lián)）；再繼續(xù)增加偏置電壓，當(dāng)偏置電壓大于三驅(qū)動電極6的下拉電壓時，第三驅(qū)動電極6也被拉下與第三金屬覆蓋區(qū)11-3相接觸，此時整個MEMS電容開關(guān)處于第三Down態(tài)（等效電路如圖7(c)所示，等效電容為電容Cl、電容C2和電容C3的并聯(lián)）。由于整個MEMS電容開關(guān)具有三個Down態(tài)，對應(yīng)三個不同的等效電容，進(jìn)而能夠獲得三個不同的諧振頻率，使得整個MEMS電容開關(guān)可工作在三個不同的頻段內(nèi)。另外，在固支梁電極被拉下后，兩翼的驅(qū)動電極相對信號傳輸線9的有效高度隨之降低，再分別對另外兩個電極施加驅(qū)動，即在完成一次驅(qū)動的基礎(chǔ)上，進(jìn)行二次驅(qū)動，可大大的減小一次性驅(qū)動所需的電壓；在信號傳輸線9表面與各驅(qū)動電極相對應(yīng)的絕緣介質(zhì)層上覆蓋一層面積大于相應(yīng)驅(qū)動電極面積的金屬覆蓋層，當(dāng)各個驅(qū)動電極被拉下與金屬覆蓋層相接觸時，各驅(qū)動電極的有效面積轉(zhuǎn)化為各個金屬覆蓋層的面積，相當(dāng)于增大了電容的相對面積，加大了電容值，提高了隔離度；同時，由于金屬覆蓋層的存在，只要驅(qū)動電極被拉至與金屬層的部分接觸，便等效于整個極板與金屬層接觸，無需整個驅(qū)動電極被完全拉下，能夠在提高開關(guān)電容比的同時大大降低驅(qū)動電壓。
[0009]在Down態(tài)時，驅(qū)動電極的下拉電壓Vp可以表述為：
[0010]
【權(quán)利要求】
1.一種MEMS電容開關(guān)，包括一個表面具有絕緣層（8)的襯底（7)，在絕緣層（8)表面的中間位置具有導(dǎo)電材料制作的信號傳輸線（9)，在信號傳輸線（9)兩側(cè)的絕緣層（8)表面分別具有一條平行于信號傳輸線（9)的地電極（13 -I和13 -2),在信號傳輸線（9)表面全層覆蓋有一層介質(zhì)層（10)，在介質(zhì)層（10)的表面設(shè)置有第一金屬覆蓋區(qū)（11 -2)、第二金屬覆蓋區(qū)（11-1)和第三金屬覆蓋區(qū)（11 _3)，其中第一金屬覆蓋區(qū)（11 -2)位于第二金屬覆蓋區(qū)（11 - 1)和第三金屬覆蓋區(qū)（11 - 3)之間；在第一地電極（13 - 1)表面設(shè)置有第一固定錨點(diǎn)（12 - 1)，在第二地電極（13 - 2)表面設(shè)置有第二固定錨點(diǎn)（12 - 2)，在第一固定錨點(diǎn)（12 - 1)和第二固定錨點(diǎn)（12 - 2)之間連接有一個驅(qū)動電極結(jié)構(gòu)；所述驅(qū)動電極結(jié)構(gòu)包括三個驅(qū)動電極，其中第一驅(qū)動電極（4)位于第一金屬覆蓋區(qū)（11 -2)上方，第二驅(qū)動電極（5)位于第二金屬覆蓋區(qū)（11 - 1)上方，第三驅(qū)動電極（6)位于第三金屬覆蓋區(qū)（11 -3)上方，且第一驅(qū)動電極（4)的面積小于第二驅(qū)動電極（5)的面積，第二驅(qū)動電極（5)的面積小于第三驅(qū)動電極（6)的面積，三個驅(qū)動電極的面積分別小于與之對應(yīng)的金屬覆蓋層的面積；第一驅(qū)動電極（4)與信號傳輸線（9)兩側(cè)對應(yīng)的兩個邊中，一邊采用第一固支梁（I-I)與第一固定錨點(diǎn)（12 - 1)相連，另一邊采用第二固支梁（1-2)與第二固定錨點(diǎn)（12-2)相連；第二驅(qū)動電極（5)與第一驅(qū)動電極（4)之間采用第一懸臂梁（2)相連，第三驅(qū)動電極(6)與第一驅(qū)動電極（4)之間采用兩個第二懸臂梁（3)相連；第二驅(qū)動電極（5)與第二金屬覆蓋區(qū)（11-1)之間的距離和第三驅(qū)動電極（6)與第三金屬覆蓋區(qū)（11 -3)之間的距離相等，且大于第一驅(qū)動電極（4)與第一金屬覆蓋區(qū)（11 - 2)之間的距離。
【文檔編號】H01H59/00GK104037027SQ201410298495
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年6月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月26日
【發(fā)明者】鮑景富, 王秋蘋, 鄧迪, 杜亦佳 申請人:電子科技大學(xué)