專利名稱：介電可調(diào)射頻微機(jī)電系統(tǒng)電容開(kāi)關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種電容開(kāi)關(guān)，特別是涉及一種介電可調(diào)射頻微機(jī)電系 統(tǒng)電容開(kāi)關(guān)。
背景技術(shù)：
由于低插入損耗、高隔離、高線性和低功率消耗等優(yōu)點(diǎn)，傳統(tǒng)砷化鎵場(chǎng)
效應(yīng)三極管和二級(jí)管在射頻和微波通信系統(tǒng)中己于15年前開(kāi)始被引入。它 們提供了應(yīng)用于下一代寬帶、無(wú)線、智能通信及雷達(dá)系統(tǒng)中的新的射頻電路 的新思路。目前許多研究人員已專注于用射頻微機(jī)電系統(tǒng)開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)小尺 寸、低功耗和低成本的射頻和微波電路。微機(jī)電系統(tǒng)開(kāi)關(guān)已經(jīng)被應(yīng)用于不同 的射頻電路，例如可調(diào)微波濾波器，可調(diào)變相器，可調(diào)天線以及可調(diào)匹配網(wǎng) 絡(luò)。然而在降低成本的要求下，當(dāng)今民用和軍事工業(yè)極需具有高度可調(diào)性的 微波和毫米波技術(shù)。
可調(diào)式電容是實(shí)現(xiàn)毫米波系統(tǒng)的關(guān)鍵器件，為了滿足市場(chǎng)需求，最近有 人開(kāi)發(fā)了在鋁或者多晶硅上用微機(jī)械技術(shù)制造的微機(jī)械可調(diào)電容，其具有相 當(dāng)高的質(zhì)量因子。同時(shí)， 一種具有很大調(diào)節(jié)范圍的三碟結(jié)構(gòu)也被報(bào)道。目前 通常有兩種方法可以用于制造此類器件。第一種方法是改善材料的性質(zhì)，另 外一種物理方法是控制介電材料的面積或者距離來(lái)改變電容。雖然此類可調(diào) 式電容的調(diào)節(jié)范圍非常大并且損耗很小，但是此類開(kāi)關(guān)存在著橋?qū)雍偷讓咏?屬接觸后就無(wú)法調(diào)節(jié)的缺點(diǎn)。
實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于改進(jìn)上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足而提供一種介電可調(diào) 射頻微機(jī)電系統(tǒng)電容開(kāi)關(guān)。
本實(shí)用新型的目的通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)一種介電可調(diào)射頻微機(jī)電系統(tǒng)電容開(kāi)關(guān)，包括置于襯底材料上的第一 電極、第二電極、及位于所述第一電極和第二電極之間的第三電極，所述的 第一電極上設(shè)有一可變形的懸臂，所述的第二電極上設(shè)有一介電材料層，所 述的第三電極上設(shè)有一絕緣材料層。所述的懸臂包括與第一電極連接的豎直 部分，可變形的金屬膜臂。
本實(shí)用新型的目的還可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)
一種介電可調(diào)射頻微機(jī)電系統(tǒng)電容開(kāi)關(guān)，還可以這樣來(lái)實(shí)現(xiàn)，其包括 置于襯底材料上的第一組電極，所述的第一組電極之間連接有一金屬橋，且 所述的第一組電極之間設(shè)有用于提供驅(qū)動(dòng)電壓的第二組電極，所述的第二組 電極之間設(shè)有用于和第一組電極形成回路的電極，且此電極上設(shè)有一介電材 料層。第二組電極上各設(shè)有一絕緣材料層，金屬橋包括和第一組電極分別連 接的豎直部分及活動(dòng)的金屬膜臂。
以上介電材料層采用的是鐵電材料，且其厚度小于l微米。例如是鈦酸
鍶鋇或摻釔鈮酸鋅鉍。鈦酸鍶鋇可為BaxSrl-xTi03, x值處于0.1到0.9之間， x值還可優(yōu)選處于0.4到0.6之間。
開(kāi)關(guān)利用靜電場(chǎng)原理工作，當(dāng)在驅(qū)動(dòng)電極和與頂層電極相連的底層電極 間施加直流電壓時(shí)，正負(fù)電荷將分別聚集在頂層電極和驅(qū)動(dòng)電極表面，并產(chǎn) 生靜電吸引力，隨著施加的直流電壓逐漸增加，頂層電極在靜電力的作用下 將向底層電極移動(dòng)并最終形成直接接觸，這樣就在頂層電極和底層電極間就 形成了一個(gè)大電容(由于底層電極上的介電材料層的作用)，反之，在頂層 電極和底層電極間的電容就非常小。大電容在高頻電路中就相當(dāng)于短路，小 電容在高頻電路中相當(dāng)于開(kāi)路。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于
采用的鐵電材料高介電常數(shù)大大增強(qiáng)了開(kāi)關(guān)的高頻性能，開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)含有 獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電極，能夠?qū)嵁?dāng)開(kāi)關(guān)的金屬膜臂可與底層金屬接觸時(shí)電容持續(xù)可 調(diào)，并能夠有效防止介電材料的擊穿。

圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例1電容開(kāi)關(guān)的開(kāi)合狀態(tài)；
圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例1電容開(kāi)關(guān)的關(guān)閉狀態(tài)；
圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例2電容開(kāi)關(guān)的關(guān)閉狀態(tài)；
圖4為本實(shí)用新型實(shí)施例2電容開(kāi)關(guān)的關(guān)閉狀態(tài)；
圖5-圖9為本實(shí)用新型實(shí)施例1中電容開(kāi)關(guān)的制作步驟；
圖IO為本實(shí)用新型實(shí)施例1中的開(kāi)關(guān)在關(guān)閉狀態(tài)的電容-電壓測(cè)試結(jié)果；
圖11為本實(shí)用新型實(shí)施例1中開(kāi)關(guān)在關(guān)閉狀態(tài)的S參數(shù)的測(cè)試結(jié)果；
圖12為本實(shí)用新型實(shí)施例1中開(kāi)關(guān)在開(kāi)合狀態(tài)的S參數(shù)的測(cè)試結(jié)果；
圖13為本實(shí)用新型實(shí)施例1中用鈦酸鍶鋇作為介電層和用氮化硅作為介
電層的開(kāi)關(guān)的S參數(shù)比較，
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1
圖l和2為一種介電可調(diào)射頻微機(jī)電系統(tǒng)電容開(kāi)關(guān)，包括置于襯底材 料1上的第一電極2，用于接地，使得電容開(kāi)關(guān)從開(kāi)合到關(guān)閉的第二電極3、 用作電壓驅(qū)動(dòng)的第三電極4，第一電極2上設(shè)有一可變形的懸臂5，第二電 極3上設(shè)有一介電材料層6，第三電極4上設(shè)有一絕緣材料層7。
電容開(kāi)關(guān)的襯底材料1可采用藍(lán)寶石或硅。例如導(dǎo)電材料鉑在襯底材料 l上形成電極第一電極2、第二電極3和第三電極4，第一電極2和第三電 極3之間形成電容回路。第三電極4上的絕緣材料層7用于防止金屬膜臂 52和第三電極4之間的電學(xué)短路，同時(shí)由于絕緣材料層7有一定的厚度可 在第三電極4和金屬膜臂52之間傳送電磁場(chǎng)。
懸臂5包括與第一電極2連接的豎直部分51及可活動(dòng)的金屬膜臂52， 金屬膜臂52未和第二電極3、第三電極4連接時(shí)為"開(kāi)合"或"上"的狀 態(tài)，如圖1所示。金屬極3之間形成一個(gè)電容。
驅(qū)動(dòng)電壓加在第三電極4上，第一電極2接地。作為驅(qū)動(dòng)電極的第三電 極4一般通過(guò)與其連接的大電阻8和射頻電路隔離開(kāi)，當(dāng)開(kāi)關(guān)處于"開(kāi)合" 狀態(tài)時(shí)，開(kāi)關(guān)在懸臂5和絕緣材料層7間形成非常小的電容，當(dāng)?shù)谌姌O4 加載驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，懸臂5將在電磁場(chǎng)引起的靜電力作用下變形彎曲，直到接 觸到絕緣材料層7、介電材料層6，這時(shí)形成一個(gè)金屬-絕緣層-金屬的大電 容。
圖5至9描述了懸臂式開(kāi)關(guān)的制造過(guò)程。襯底層金屬可以是鉑或者其他 金屬。如圖5所示，對(duì)于很難通過(guò)濕法腐蝕來(lái)定義的金屬，底層金屬如鈦/ 鉬(200A000埃)可以通過(guò)拔起工藝在襯底上來(lái)制造。然后沉積并刻蝕好高介 電常數(shù)的材料如鈦酸鍶鋇，鈦酸鍶鋇可以通過(guò)氫氟酸腐蝕形成介電材料層6。
如圖6所示，通過(guò)等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積方法生長(zhǎng)2000埃氮化硅 層，刻蝕并用活性離子腐蝕法或者其他方法形成絕緣材料層7。
如圖7所示，旋轉(zhuǎn)涂敷刻蝕2微米厚的犧牲層10'以形成空腔。犧牲層
材料可以是氧化硅，光刻膠及其他材料。
如圖8所示，通過(guò)電子蒸鍍或其他方法生長(zhǎng)金屬籽層11'。 如圖9所示，在ll，上光刻，電鍍并形成懸臂5。 通過(guò)干法或者濕法除去犧牲層并形成如圖1和2所示的開(kāi)關(guān)。 此工藝可以用于同時(shí)制造很多微機(jī)電系統(tǒng)開(kāi)關(guān)，并其也可以和其他器件
一起集成制造。
實(shí)施例2
圖3和4為一種介電可調(diào)射頻微機(jī)電系統(tǒng)電容開(kāi)關(guān)，包括置于襯底材 料1上的一組電極21、 22，所述電極21、 22間連接有一金屬橋23，所述的 電極21、 22之間設(shè)有用于做驅(qū)動(dòng)電極的電極24、 25，所述的電極24、 25 之間設(shè)有用于和電極21、 22形成回路的電極26，所述的電極24、 25上各 設(shè)有一絕緣材料層220，所述的電極26上設(shè)有一電容介電層240。金屬橋23包括和電極21、 22分別連接的豎直部分230及可活動(dòng)的金屬膜臂231。 當(dāng)金屬膜臂231未和電極26連接時(shí)為"開(kāi)合"或"上"的狀態(tài)，如圖3所 示；當(dāng)金屬膜臂231和電極26連接時(shí)為"關(guān)閉"或"下"的狀態(tài)，如圖4 所示。
驅(qū)動(dòng)電極一般和開(kāi)關(guān)連接的射頻電路隔離開(kāi)， 一般通過(guò)使用和驅(qū)動(dòng)電極 相連的大電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)開(kāi)關(guān)處在開(kāi)合狀態(tài)時(shí)，開(kāi)關(guān)在金屬膜臂231和底層 電極26間形成非常小的電容， 一旦通過(guò)驅(qū)動(dòng)電極24、 25施加電壓，金屬膜 臂231將在電磁場(chǎng)引起的靜電力作用下彎曲變形，直到接觸到介電材料層， 這時(shí)將形成一個(gè)金屬/絕緣層/金屬的大電容。
以上實(shí)施例中所述的介電材料常選用高介電常數(shù)材料如鈦酸鍶鋇，可以 大大增加開(kāi)關(guān)在"關(guān)閉"狀態(tài)時(shí)的電容。高介電材料還可為BaxSrl-xTi03,其 中x值處于O.l到0.9之間，最好處于0.4到0.6之間。其他的鐵電材料如摻 釔鈮酸鋅鉍和其他人造介電材料都可以使用。對(duì)于不可調(diào)的微機(jī)電系統(tǒng)電容 式開(kāi)關(guān)，不可調(diào)的介電材料如氮化硅，氧化硅也可以作為介電材料層6。
圖IO為本實(shí)用新型中的懸臂式開(kāi)關(guān)在關(guān)閉狀態(tài)下的可調(diào)性和電容電壓測(cè) 量結(jié)果。當(dāng)應(yīng)用的電壓從1到5伏時(shí)，電容值從130pF降到71.2pF。調(diào)節(jié)范 圍達(dá)到182%。測(cè)試的質(zhì)量因子是260。通過(guò)改變開(kāi)關(guān)接觸面積，可以得到 不同的電容范圍。圖11和圖12顯示了開(kāi)關(guān)在開(kāi)合和關(guān)閉狀態(tài)下的S參數(shù)測(cè) 量結(jié)果。開(kāi)關(guān)開(kāi)合狀態(tài)下，插入損耗在20GHz和40GHz下分別是0.3和 0.4dB，反向損耗在20GHz下是25dB。
當(dāng)本實(shí)用新型中的懸臂式開(kāi)關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，插入損耗在40GHz下 小于0.6dB，反向損耗從DC到20GHz大于20dB。插入損耗相對(duì)較大是因 為開(kāi)關(guān)的信號(hào)線比較薄，通過(guò)提高底層金屬的厚度可以改善損耗。
圖13為分別使用鈦酸鍶鋇薄膜和氮化硅作為介電材料的懸梁式開(kāi)關(guān)的 性能比較。由于鈦酸鍶鋇薄膜用于遠(yuǎn)高于氮化硅的介電常數(shù)，使用鈦酸鍶鋇 薄膜的開(kāi)關(guān)具有遠(yuǎn)優(yōu)于使用氮化硅的開(kāi)關(guān)的返回?fù)p耗。
8本實(shí)用新型中的開(kāi)關(guān)可以用于各種電子應(yīng)用?？梢杂糜谛盘?hào)延遲線，可 調(diào)濾波器和移相器。其可以用于優(yōu)化器件功能和調(diào)整頻率或者帶寬。如果使 用多個(gè)開(kāi)關(guān)可以實(shí)現(xiàn)器件中更多的功能改變。
權(quán)利要求1、一種介電可調(diào)射頻微機(jī)電系統(tǒng)電容開(kāi)關(guān)，其特征在于，包括置于襯底材料(1)上的第一電極(2)、第二電極(3)、及位于所述第一電極(2)和第二電極(3)之間的第三電極(4)，所述的第一電極(2)上設(shè)有一可變形的懸臂(5)，所述的第二電極(3)上設(shè)有一介電材料層(6)，所述的第三電極(4)上設(shè)有一絕緣材料層(7)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種介電可調(diào)射頻微機(jī)電系統(tǒng)電容開(kāi)關(guān)，其 特征在于所述的懸臂(5)包括與第一電極(2)連接的豎直部分(51)， 可活動(dòng)的金屬膜臂(52)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種介電可調(diào)射頻微機(jī)電系統(tǒng)電容開(kāi)關(guān)，其 特征在于所述的介電材料層采用的是鐵電材料，且其厚度小于l微米。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種介電可調(diào)射頻微機(jī)電系統(tǒng)電容開(kāi)關(guān)，其特征在于所述的鐵電材料采用的是鈦酸鍶鋇或摻釔鈮酸鋅鉍。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種介電可調(diào)射頻微機(jī)電系統(tǒng)電容開(kāi)關(guān)，其 特征在于所述鈦酸鍶鋇為BaxSrl-xTi03,其中x值處于0.1到0.9之間。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種介電可調(diào)射頻微機(jī)電系統(tǒng)電容開(kāi)關(guān)，其 特征在于所述的鈦酸鍶鋇為BaxSrl-xTi03,其中x值處于0.4到0.6之間。
7、 一種介電可調(diào)射頻微機(jī)電系統(tǒng)電容開(kāi)關(guān)，其特征在于，包括置于 襯底材料(1)上的一組電極(21) 、 (22)，所述電極(21) 、 (22)間 連接有一金屬橋(23)，所述的電極(21) 、 (22)之間設(shè)有用于做驅(qū)動(dòng)電 極的電極(24) 、 (25)，所述的電極(24) 、 (25)之間設(shè)有用于和電極(21) 、 (22)形成回路的電極(26)，所述的電極(24) 、 (25)上各設(shè) 有一絕緣材料層(220)，所述的電極(26)上設(shè)有一電容介電層(240)。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種介電可調(diào)射頻微機(jī)電系統(tǒng)電容開(kāi)關(guān)，其 特征在于所述的金屬橋(23)包括和電極(21) 、 (22)分別連接的豎直部分(230)及可變形的金屬膜臂(231)。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種介電可調(diào)射頻微機(jī)電系統(tǒng)電容開(kāi)關(guān)，其特征在于所述的介電材料層釆用的是鐵電材料，且其厚度小于l微米。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種介電可調(diào)射頻微機(jī)電系統(tǒng)電容開(kāi)關(guān)，其特征在于所述的鐵電材料采用的是鈦酸鍶鋇或摻釔鈮酸鋅鉍。
11、 根據(jù)權(quán)利要求10所述的一種介電可調(diào)射頻微機(jī)電系統(tǒng)電容開(kāi)關(guān)， 其特征在于所述鈦酸鍶鋇為BaxSrl-xTi03，其中x值處于0.1到0.9之間。
12、 根據(jù)權(quán)利要求11所述的一種介電可調(diào)射頻微機(jī)電系統(tǒng)電容開(kāi)關(guān)， 其特征在于所述的鈦酸鍶鋇為BaxSrl-xTi03,其中x值處于0.4到0.6之間。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種介電可調(diào)射頻微機(jī)電系統(tǒng)電容開(kāi)關(guān)，包括置于襯底材料(1)上的第一電極(2)、第二電極(3)、及位于所述第一電極(2)和第二電極(3)之間的第三電極(4)，所述的第一電極(2)上設(shè)有一可活動(dòng)的懸臂(5)，所述的第二電極(3)上設(shè)有一介電材料層(6)，所述的第三電極(4)上設(shè)有一絕緣材料層(7)。本實(shí)用新型的技術(shù)方案還可以主要采用置于襯底材料(1)上的五個(gè)電極及連接于兩個(gè)電極上的金屬橋的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。本實(shí)用新型能夠?qū)崿F(xiàn)電容持續(xù)可調(diào)模擬性，同時(shí)能夠有效防止介電材料的擊穿。
文檔編號(hào)H03K17/00GK201414121SQ20092010890
公開(kāi)日2010年2月24日 申請(qǐng)日期2009年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月10日
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