一种MEMS电容开关

摘要

一种MEMS电容开关，属于电子科学技术领域。包含带绝缘层的基底，信号传输线和两侧的地电极，信号传输线表面有介质层，介质层表面具有三个金属覆盖区，两个地电极上分别具有一个固定锚点，两个固定锚点支撑起驱动电极结构；驱动电极结构为“两翼”型阶跃结构，包括中间的第一驱动电极和两翼的第二、三驱动电极，第一驱动电极两侧采用固支梁与固定锚点相连，第二、三驱动电极分别采用悬臂梁与第一驱动电极相连，第二、三驱动电极与信号传输线之间的距离大于第一驱动电极与信号传输线之间的距离；三个驱动电极的面积依次增大。本发明可实现3个工作频段，并且具有插入损耗低、隔离度高、下拉电压低的特点，可应用于射频或微波通信系统中。

权利要求

1.一种微机械系统电容开关，包括一个表面具有绝缘层(8)的衬底(7)，在绝缘层(8)表面的中间位置具有导电材料制作的信号传输线(9)，在信号传输线(9)两侧的绝缘层(8)表面分别具有一条平行于信号传输线(9)的第一地电极(13‐1)和第二地电极(13‐2)，在信号传输线(9)表面全层覆盖有一层介质层(10)；

其特征在于：

在介质层(10)的表面设置有第一金属覆盖区(11‐2)、第二金属覆盖区(11‐1)和第三金属覆盖区(11‐3)，其中第一金属覆盖区(11‐2)位于第二金属覆盖区(11‐1)和第三金属覆盖区(11‐3)之间；在第一地电极(13‐1)表面设置有第一固定锚点(12‐1)，在第二地电极(13‐2)表面设置有第二固定锚点(12‐2)，在第一固定锚点(12‐1)和第二固定锚点(12‐2)之间连接有一个驱动电极结构；所述驱动电极结构包括三个驱动电极，其中第一驱动电极(4)位于第一金属覆盖区(11‐2)上方，第二驱动电极(5)位于第二金属覆盖区(11‐1)上方，第三驱动电极(6)位于第三金属覆盖区(11‐3)上方，且第一驱动电极(4)的面积小于第二驱动电极(5)的面积，第二驱动电极(5)的面积小于第三驱动电极(6)的面积，三个驱动电极的面积分别小于与之对应的金属覆盖区的面积；第一驱动电极(4)与信号传输线(9)两侧对应的两个边中，一边采用第一固支梁(1‐1)与第一固定锚点(12‐1)相连，另一边采用第二固支梁(1‐2)与第二固定锚点(12‐2)相连；第二驱动电极(5)与第一驱动电极(4)之间采用第一悬臂梁(2)相连，第三驱动电极(6)与第一驱动电极(4)之间采用两个第二悬臂梁(3)相连；第二驱动电极(5)与第二金属覆盖区(11‐1)之间的距离和第三驱动电极(6)与第三金属覆盖区(11‐3)之间的距离相等，且大于第一驱动电极(4)与第一金属覆盖区(11‐2)之间的距离。

说明书

一种MEMS电容开关

技术领域

[0001] 本发明属于电子科学技术领域，涉及微机电系统(MEMS)，尤其是一种MEMS电容开关。技术背景

[0002] 开关是射频(RF)和微波通信系统中的基本部件，射频微机电(RF MEMS)开关在射频和微波组件级和系统级都有很大的应用空间。在组件级可以用射频微机电(RF MEMS)开关构造压控振荡器、滤波器(电容开关,电感)和移相器等,是现代雷达和通信系统不可或缺的元件。射频微机电(RF MEMS)开关相比于传统的FET和PIN二极管开关具有直流功耗小、插入损耗低、隔离度高、互调失真小、工作频带宽及低成本，易于集成等特点。

[0003] 美国专利文献US7,265,647B2公开了一种可调式MEMS电容开关，如图1至图3所示，该可调式MEMS电容开关在衬底基片110表面中间区域设置有金属层108作为传输线，在传输线两侧分别具有金属层104和106作为地电极(地电极104和106的高度超过传输线108的高度)，在作为传输线的金属层108表面覆盖有介质层109，并在其中一条地电极106表面覆盖有介质层402，在传输线108正上方设置三个悬梁结构112、120和122，三个悬梁结构横跨传输线108，两端分别置于两个地电极表面，且与覆盖绝缘介质层的电极形成可调电容。该结构加载一定的驱动电压拉下传输线上方的开关梁来实现开关从up到down态的转变。在down时，通过改变电极与悬梁间的可变电容以实现总电容的改变，使得开关有不同的谐振频率，使得在不同频段的获得较高隔离度。但该结构所有的开关梁都置在同一平面，若开关梁和传输线之间的距离过小，则开关的up态电容较大，造成开关的插入损耗增大，如果增加开关梁与传输线之间的距离，由于驱动电压与间距的平方关系，则开关的驱动电压会急剧增大，除此之外，介质层的粗糙度对开关的射频性能产生较大的影响，这些都将严重限制的RF MEMS开关的应用范围。

发明内容

[0004] 本发明提供一种可工作于3个频段内的频段可调式高隔离度/低插损MEMS电容开关，具有插入损耗低，隔离度高，下拉电压低的特点，可应用于射频或微波通信系统中。

[0005] 本发明的技术方案如下：

[0006] 一种MEMS电容开关，如图3至图5所示，包括一个表面具有绝缘层8的衬底7，在绝缘层8表面的中间位置具有导电材料制作的信号传输线9，在信号传输线9两侧的绝缘层8表面分别具有一条平行于信号传输线9的地电极13-1和13-2，在信号传输线9表面全层覆盖有一层介质层10，在介质层10的表面设置有第一金属覆盖区11-2、第二金属覆盖区11-1和第三金属覆盖区11-3，其中第一金属覆盖区11-2位于第二金属覆盖区11-1和第三金属覆盖区11-3之间；在第一地电极13-1表面设置有第一固定锚点12-1，在第二地电极
13-2表面设置有第二固定锚点12-2，在第一固定锚点12-1和第二固定锚点12-2之间连接有一个驱动电极结构；所述驱动电极结构包括三个驱动电极，其中第一驱动电极4位于第一金属覆盖区11-2上方，第二驱动电极5位于第二金属覆盖区11-1上方，第三驱动电极6位于第三金属覆盖区11-3上方，且第一驱动电极4的面积小于第二驱动电极5的面积，第二驱动电极5的面积小于第三驱动电极6的面积，三个驱动电极的面积分别小于与之对应的金属覆盖层的面积；第一驱动电极4与信号传输线9两侧对应的两个边中，一边采用第一固支梁1-1与第一固定锚点12-1相连，另一边采用第二固支梁1-2与第二固定锚点12-2相连；第二驱动电极5与第一驱动电极4之间采用第一悬臂梁2相连，第三驱动电极6与第一驱动电极4之间采用两个第二悬臂梁3相连；第二驱动电极5与第二金属覆盖区11-1之间的距离和第三驱动电极6与第三金属覆盖区11-3之间的距离相等，且大于第一驱动电极
4与第一金属覆盖区11-2之间的距离。

[0007] 本发明的工作原理是：

[0008] 本发明提供的MEMS电容开关，具有三个驱动极板，其中第一驱动电极4为一个固支梁电极，第二驱动电极5和第三驱动电极6为位于固支梁电极“两翼”的悬臂梁电极，其等效电路如图6所示：信号传输线9、介质层10和第一金属覆盖区11-2构成固定电容C1，信号传输线9、介质层10和第二金属覆盖区11-1构成固定电容C2，信号传输线9、介质层10和第三金属覆盖区11-3构成固定电容C3，第一金属覆盖区11-2与第一驱动电极4以及二者之间的空气层构成可变电容C1’，第二金属覆盖区11-1与第二驱动电极5以及二者之间的空气层构成可变电容C2’，第三金属覆盖区11-3与第三驱动电极6以及二者之间的空气层构成可变电容C3’；整个MEMS电容开关在Up态时，“两翼”的悬臂梁驱动电极的存在相当于增大了驱动电极与信号线9之间的相对间距，减小了Up态的电容，进而使整个MEMS电容开关的插入损耗降低。当在三个驱动电极上施加偏置电压时(偏置下拉电压实际施加在地电极与信号传输线之间，由于地电极与三个驱动电极是电气相同的，所以偏置电压也可以说是施加在三个驱动电极上)，整个MEMS电容开关由Up态相Down态转换：当施加的偏置电压大于第一驱动电极4的下拉电压时，第一驱动电极4被拉下来与第一金属覆盖区11-2相接触，同时第一驱动电极4两翼的第二驱动电极5和第三驱动电极6也被拉下一段距离(由于第一驱动电极4的面积小于第二驱动电极5的面积，第二驱动电极5的面积小于第三驱动电极6的面积，所以第一驱动电极4的下拉电压小于第二驱动电极5的下拉电压，第二驱动电极5的下拉电压小于第三驱动电极6的下拉电压)，但并不与下面的金属覆盖区相接触，此时整个MEMS电容开关处于第一Down态(等效电路如图7(a)所示，等效电容为电容C1)；继续增加偏置电压，当偏置电压大于第二驱动电极5的下拉电压时，第二驱动电极被拉下与第二金属覆盖区11-1相接触，但第三驱动电极6仍未被完全拉下，此时整个MEMS电容开关处于第二Down态(等效电路如图7(b)所示，等效电容为电容C1和电容C2的并联)；再继续增加偏置电压，当偏置电压大于三驱动电极6的下拉电压时，第三驱动电极6也被拉下与第三金属覆盖区11-3相接触，此时整个MEMS电容开关处于第三Down态(等效电路如图7(c)所示，等效电容为电容C1、电容C2和电容C3的并联)。由于整个MEMS电容开关具有三个Down态，对应三个不同的等效电容，进而能够获得三个不同的谐振频率，使得整个MEMS电容开关可工作在三个不同的频段内。另外，在固支梁电极被拉下后，两翼的驱动电极相对信号传输线9的有效高度随之降低，再分别对另外两个电极施加驱动，即在完成一次驱动的基础上，进行二次驱动，可大大的减小一次性驱动所需的电压；在信号传输线9表面与各驱动电极相对应的绝缘介质层上覆盖一层面积大于相应驱动电极面积的金属覆盖层，当各个驱动电极被拉下与金属覆盖层相接触时，各驱动电极的有效面积转化为各个金属覆盖层的面积，相当于增大了电容的相对面积，加大了电容值，提高了隔离度；同时，由于金属覆盖层的存在，只要驱动电极被拉至与金属层的部分接触，便等效于整个极板与金属层接触，无需整个驱动电极被完全拉下，能够在提高开关电容比的同时大大降低驱动电压。

[0009] 在Down态时，驱动电极的下拉电压VP可以表述为：

[0010] 其中k为驱动电极和支撑梁组成结构的弹性系数，ε0为真空介电常数，W为信号传输线9的宽度，w为驱动电极的宽度，h为驱动电极与信号传输线之间的距离。

[0011] 开关的工作在开态(up态)时，S21参数表示的插入损耗为：

[0012]

[0013] 开关工作在关态(down态)时，若开关工作频率远离于其谐振频率，由于开关的电感值L一般为皮亨量级，电容C为皮法量级，所以1/jωC远大于jωL，因此开关的S21参数主要由开关的关态(down态)电容值Cdown决定，关态时，S21参数表示的开关隔离度为：

[0014]

[0015] 综上所述，本发明提供的MEMS电容开关具有以下有益效果：

[0016] 本发明提供的MEMS电容开关采用固支驱动电极与悬臂驱动电极相结合的结构，两种电极处于不同的水平高度的，形成一种“两翼”型阶跃结构，而传统的开关极板都处于同一水平面上，这使得本发明提供的MEMS电容开关减小了up态电容，进而减小插入损耗，同时因为使用多次下拉过程，降低了下拉电压，缓解了插入损耗与驱动电压之间的矛盾。同时，本发明提供的MEMS电容开关在信号传输线9表面的介质层10上增加了与三个驱动电极对应的金属覆盖层，相当于增加了电容极板间的相对面积，增大了down态电容，提高了隔离度，同时能有效降低下拉电压。

附图说明

[0017] 图1为美国专利文献US7,265,647B2公开的MEMS电容开关俯视结构示意图。

[0018] 图2为美国专利文献US7,265,647B2公开的MEMS电容开关在图1中的A-A连线剖视结构示意图。

[0019] 图3为本发明提供的MEMS电容开关的俯视结构示意图。

[0020] 图4为本发明提供的MEMS电容开关在图3中A-A连线剖视结构示意图。

[0021] 图5为本发明提供的MEMS电容开关在图3中B-B连线剖视结构示意图。

[0022] 图6为本发明提供的MEMS电容开关Up态等效电路图。

[0023] 图7(a)为本发明提供的MEMS电容开关第一Down态等效电路图。

[0024] 图7(b)为本发明提供的MEMS电容开关第二Down态等效电路图。

[0025] 图7(c)为本发明提供的MEMS电容开关第三Down态等效电路图。

[0026] 图8为本发明提供的MEMS电容开关Up态的插入损耗仿真测试结果。

[0027] 图9为本发明提供的MEMS电容开关Down态隔离度仿真测试结果。

具体实施方式

[0028] 一种MEMS电容开关，如图3至图5所示，包括一个表面具有绝缘层8的衬底7，在绝缘层8表面的中间位置具有导电材料制作的信号传输线9，在信号传输线9两侧的绝缘层8表面分别具有一条平行于信号传输线9的地电极13-1和13-2，在信号传输线9表面全层覆盖有一层介质层10，在介质层10的表面设置有第一金属覆盖区11-2、第二金属覆盖区11-1和第三金属覆盖区11-3，其中第一金属覆盖区11-2位于第二金属覆盖区11-1和第三金属覆盖区11-3之间；在第一地电极13-1表面设置有第一固定锚点12-1，在第二地电极
13-2表面设置有第二固定锚点12-2，在第一固定锚点12-1和第二固定锚点12-2之间连接有一个驱动电极结构；所述驱动电极结构包括三个驱动电极，其中第一驱动电极4位于第一金属覆盖区11-2上方，第二驱动电极5位于第二金属覆盖区11-1上方，第三驱动电极6位于第三金属覆盖区11-3上方，且第一驱动电极4的面积小于第二驱动电极5的面积，第二驱动电极5的面积小于第三驱动电极6的面积，，三个驱动电极的面积分别小于与之对应的金属覆盖层的面积；第一驱动电极4与信号传输线9两侧对应的两个边中，一边采用第一固支梁1-1与第一固定锚点12-1相连，另一边采用第二固支梁1-2与第二固定锚点12-2相连；第二驱动电极5与第一驱动电极4之间采用第一悬臂梁2相连，第三驱动电极6与第一驱动电极4之间采用两个第二悬臂梁3相连；第二驱动电极5与第二金属覆盖区11-1之间的距离和第三驱动电极6与第三金属覆盖区11-3之间的距离相等，且大于第一驱动电极
4与第一金属覆盖区11-2之间的距离。

[0029] 上述方案中，各部分尺寸如下：

[0030] 信号传输线9的长×宽×厚为1㎜×100μm×2μm、绝缘介质层10为厚度为0.35μm、材料为氮化硅(Si3N4)，两条地电极12-1、12-2的长×宽×厚为1㎜×60μm×2μm，第一驱动电极4的长×宽×厚为40μm×60μm×2μm，两个固支梁1-1、1-2的长×宽×厚为60μm×10μm×2μm，第二驱动电极5的长×宽×厚为
60μm×60μm×2μm，悬臂梁2或3的长×宽×厚为60μm×10μm×2μm，第三驱动电极6的长×宽×厚为100μm×60μm×2μm，第一驱动电极4与信号传输线9的间距为2μm，第二与第三驱动电极与信号传输线9的间距为6μm，三个金属覆盖层的厚度为
0.05μm，第一金属覆盖层的长×宽为100μm×100μm，第二、三金属覆盖层的长×宽为
400μm×100μm。

[0031] 开关的性能参数仿真结果如图8和图9所示，该MEMS电容开关在30GHz内可工作于3个频段内，且各频段的插损皆小于0.25dB，隔离度均高于37dB。