基于硅衬底的紧凑型MEMS电容式射频开关及制备方法 |
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| 申请号 | CN201610150763.3 | 申请日 | 2016-03-16 | 公开(公告)号 | CN105788971A | 公开(公告)日 | 2016-07-20 |
| 申请人 | 上海交通大学; | 发明人 | 张丛春; 李娟; 王岩磊; 赵小林; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供一种基于 硅 衬底的紧凑型MEMS电容式射频 开关 及制备方法，开关由 覆盖 绝缘介质的硅衬底、一段叉指式共面 波导 传输线、可动极板组成，叉指式共面波导传输线、可动极板都设在硅衬底上，可动极板在固定极板上方，同时固定极板也是叉指式共面波导传输线的 信号 线；信号线与外接射频 电路 连接，通过在可动极板和固定极板间加一偏置 电压 ，控制射频开关通断，从而控制外接 射频信号 通断；方法是在硅衬底上涂覆或沉积绝缘介质以隔离硅衬底与叉指式共面波导传输线，得到低插入损耗和高隔离度。本发明在硅衬底上覆盖介质层，有效减少硅衬底导致的损耗，以叉指式共面波导传输线作为传输路径，有效减小开关整体尺寸，方便调整传输线的结构参数。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种基于硅衬底的紧凑型MEMS电容式射频开关，其特征在于，所述开关包括：一段叉指式共面波导传输线(1)、可动极板(2)、硅衬底(3)和绝缘介质(4)，其中：绝缘介质(4)覆盖在硅衬底(3)上，叉指式共面波导传输线(1)和可动极板(2)均设置在覆盖有绝缘介质(4)的硅衬底(3)上，且可动极板(2)在叉指式共面波导传输线(1)中的固定极板(5)上方，同时固定极板(5)作为叉指式共面波导传输线(1)的信号线，该信号线与外接射频电路连接；在可动极板(2)和固定极板(5)之间设置一偏置电压，用以控制所述开关的通断，从而控制外接射频信号的接通与断开。 |
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| 说明书全文 | 基于硅衬底的紧凑型MEMS电容式射频开关及制备方法技术领域[0001] 本发明涉及一种微机电技术领域的射频器件，具体地说，是涉及一种集成在硅衬底上的紧凑型MEMS电容式射频开关及制备方法。 背景技术[0002] 开关是通信和雷达技术上的重要元件，基本类型主要有接触型、电容型等，其中电容开关的通断比和隔离度高。外界信号通过电容开关，实现射频电路的接通和断开。为了进一步提高电容开关的性能，在微机械加工技术发展的基础上，人们采用MEMS开关替代传统形式的开关，设计出了很多新型的电容开关，其中大多数设计都是采用微带线作为传输路径的，也有普通共面波导传输线做传输路径的。 [0003] 基于特定的应用和工程标准，MEMS结构有许多不同的形式。例如，MEMS可以以桥式结构的形式来实现。在桥式结构中，通过施加制动电压将桥(两端都被固定)拉向固定电极。通过静电力将可动电极拉向固定电极，通过静电力将可动电极拉向固定电极所需的电压被称为拉入电压。MEMS开关由于几乎完美的隔离性以及在高频率下的低插入损耗被广泛地使用。 [0004] MEMS开关通常是传输线和MEMS开关被分开构建，这可导致隔离度降低和寄生插入损耗增大。绝缘体上硅和互补金属氧化物半导体(CMOS)场效应晶体管(FET)在高频率下通常具有高插入损耗和差的隔离度。而且通常的MEMS电容式开关在石英衬底上用普通共面波导作为传输线，其不足在于不能与IC工艺兼容，且整体尺寸较大。此外，金属欧姆接触MEMS开关价格昂贵。 [0005] 经检索，申请号为CN200610039596.1的中国发明专利，该专利公开一种射频微电子机械双膜桥并联电容式开关及其制备方法，“使用双端固支梁作为开关膜桥，采用双层膜结构解决了由于射频高功率引起的自执行和自锁效应。具体的结构为:开关做在砷化镓衬底上；开关以共面波导为端口；开关桥是信号线的一部分，采用双端固支梁实现；在信号线开关桥的上方是共面波导地线的连接线，也是开关的地耦合线；在信号线开关桥的下方是直流控制电极；在直流电极以及地线连接线与开关桥相对的面上都长有一层氮化硅介质层。”该设计是基于砷化镓基底上的射频开关，基底价格昂贵，且共面波导结构不紧凑。 发明内容[0006] 本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种集成在硅衬底上的紧凑型MEMS电容式射频开关及制备方法，使其具有低插入损耗、高隔离度、小尺寸的特点。 [0007] 本发明是通过以下技术方案实现的： [0008] 根据本发明的一个方面，提供一种基于硅衬底的紧凑型MEMS电容式射频开关，所述开关包括：一段叉指式共面波导传输线、可动极板、硅衬底和绝缘介质，其中： [0009] 绝缘介质覆盖在硅衬底上，叉指式共面波导传输线和可动极板均设置在覆盖有绝缘介质的硅衬底上，且可动极板在叉指式共面波导传输线中的固定极板上方，同时固定极板作为叉指式共面波导传输线的信号线，该信号线与外接射频电路连接；在可动极板和固定极板间设置一偏置电压，用以控制所述开关的通断，从而控制外接射频信号的接通与断开。 [0010] 优选地，所述的叉指式共面波导传输线为周期性弯曲波导结构，有效缩小叉指式共面波导传输线的纵向尺寸，减小所述开关整体尺寸。 [0012] 优选地，所述的叉指式共面波导传输线包括：固定极板和第一地线、第二地线，其中：固定极板位于第一地线、第二地线中间，第一地线、第二地线、固定极板三者并行，且固定极板与第一地线、第二地线之间的距离始终相等。 [0013] 更优选地，所述固定极板即信号线上设有一层高介电常数(介电常数在9-500范围内)的绝缘层，用以提高所述开关的隔离度和通断比。 [0014] 根据本发明的另一个方面，提供一种基于硅衬底的紧凑型MEMS电容式射频开关的制备方法，所述方法包括： [0015] 第一步、在硅衬底上悬涂或者沉积一层绝缘介质； [0016] 第二步、在覆盖有绝缘介质的硅衬底上形成叉指式共面波导传输线，其中叉指式共面波导传输线包括固定极板和第一地线、第二地线，固定极板作为所述开关的信号线用于与外接射频电路连接； [0017] 第三步、利用悬涂法或气相沉积法，在第二步的固定极板上表面及第一地线、第二地线的部分表面形成绝缘层；并根据MEMS电容式射频开关的性能要求，调节第一地线、第二地线部分表面上绝缘层的大小和宽度。； [0018] 第四步、在第三步的固定极板上的绝缘层及第一地线、第二地线未覆盖绝缘层的表面之上形成牺牲层； [0019] 第五步、利用电镀方法，在第四步的牺牲层上形成桥式结构的可动极板； [0020] 第六步、在第五步的可动极板中形成通气孔，以暴露牺牲层，且通过通气孔除去牺牲层以形成空腔。 [0021] 优选地，第一步中，所述的绝缘介质选用PI、SiO2或SOG材料形成。 [0022] 优选地，第三步中，所述的绝缘层选用PI或SOG薄膜。 [0023] 优选地，第五步中，所述的可动极板选用电镀Ni再镀金形成，以提高所述开关的稳定性及使用寿命。 [0024] 与现有技术相比较，本发明的有益效果是： [0025] 本发明在硅衬底上集成制造紧凑型MEMS电容式射频开关，且通过在硅衬底上加一层绝缘介质层隔离硅衬底和叉指式共面波导传输线，降低损耗；采用叉指式共面波导传输线作为所述开关的传输路径，可以减小所述开关整体尺寸，布线简单，叉指式共面波导传输线的结构参数灵活；进一步的，在MEMS电容式射频开关的固定极板上沉积一层高介电常数的绝缘层，提高所述开关隔离度和通断比，MEMS电容式射频开关及其集成制造方法消除了MEMS欧姆开关或固态开关在循环期间的电阻增大和不敏感等问题。附图说明 [0026] 通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显： [0027] 图1是本发明一实施例的整体结构示意图； [0028] 图2是本发明一实施例的开关剖面示意图； [0029] 图3是本发明一实施例的叉指式共面波导传输线的结构示意图； [0030] 图中：1为叉指式共面波导传输线、2为可动极板、3为Si衬底、4为绝缘介质、5为固定极板、6为地线、7为地线、8为绝缘层、9为牺牲层、10为通气孔。 具体实施方式[0031] 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。 [0032] 如图1、图2所示，为本发明一实施例中基于硅衬底的紧凑型MEMS电容式射频开关的结构示意图，其中包括：一段叉指式共面波导传输线1、可动极板2、Si衬底3和绝缘介质4，其中：绝缘介质4覆盖在硅衬底3上，叉指式共面波导传输线1、可动极板2都设置在覆盖有绝缘介质4的Si衬底3上，且可动极板2在固定极板5上方，固定极板5作为叉指式共面波导传输线1的信号线；所述信号线与外接射频电路连接；在所述可动极板2和固定极板5之间设置一偏置电压，用以控制所述开关的通断，从而控制外接射频信号的接通与断开。 [0033] 当所述开关处于“关闭”状态，可动极板2处于初始位置，信号线上输入信号通过可动极板2作为输出信号；反之，当所述开关处于“开启”状态，这时可动极板2被致动，静电力将可动极板2拉向固定极板5，可动极板2与地线6、地线7短接，信号线上输入信号短接到两个地线6、地线7，无信号输出。 [0034] 如图3所示，在一实施例中，所述的叉指式共面波导传输线1，包括地线6、地线7和固定极板5，其中：所述固定极板5位于所述地线6与所述地线7中间；所述地线6、所述地线7、所述固定极板5三者并行，且所述固定极板5与所述地线6、所述地线7之间的距离始终相等。 [0035] 本实施例中，所述的地线6、地线7和固定极板5为采用掩膜电镀方法制备的金属条带，材料可以选择导电性良好的铜或银，并在铜或银的表面镀金以防氧化。地线6、地线7和固定极板5的厚度对所述开关的损耗有很明显的影响，所以可根据开关性能要求方便调整固定极板5的厚度。 [0036] 本实施例中，所述的Si衬底3对所述开关的性能有直接的影响，所述Si衬底3是半导体材料，并在所述Si衬底3上覆盖一层绝缘介质4，可以降低插入损耗、提高隔离度。 [0037] 在另一实施例中，提供一种上述基于硅衬底的紧凑型MEMS电容式射频开关的制备方法，具体步骤包括： [0038] 首先，在Si衬底3上形成Si衬底3的绝缘介质4，其中绝缘介质4可选用SiO2或SOG材料形成； [0039] 在上述绝缘介质4上形成叉指式共面波导传输线1，其中叉指式共面波导传输线1包括固定极板5和地线6、地线7，固定极板5也作为所述开关的信号线； [0040] 利用悬涂法，在上述固定极板5上表面以及地线6、地线7的部分表面形成绝缘层8，其中绝缘层8材料可选用PI材料形成；并可根据MEMS电容式射频开关的性能要求，调节地线6、地线7部分表面上绝缘层8的大小和宽度； [0041] 在上述固定极板5上的绝缘层8及地线6、地线7未覆盖绝缘层8的表面之上形成牺牲层9； [0042] 之后，利用电镀方法，在上述牺牲层9之上形成桥式结构形式的可动极板2，其中可动极板2可用电镀Ni再镀金构成，以提高所述开关的稳定性及使用寿命； [0043] 在上述可动极板2中形成一些通气孔10，以暴露所述牺牲层9，并通过通气孔10除去牺牲层9，形成空腔。 [0044] 在另一实施例中，基于硅衬底的紧凑型MEMS电容式射频开关的制备方法，具体步骤包括： [0045] 首先，在Si衬底3上形成Si衬底3的绝缘介质4，其中绝缘介质4可选用PI或SOG材料形成； [0046] 在上述绝缘介质4上形成叉指式共面波导传输线1，其中叉指式共面波导传输线1包括固定极板5和地线6、地线7，固定极板5也作为所述开关的信号线； [0047] 利用悬涂法或者气相沉积法，在上述固定极板5上表面及地线6、地线7的部分表面形成绝缘层8，其中绝缘层8材料可选用SOG薄膜；并可根据MEMS电容式射频开关的性能要求，调节地线6、地线7部分表面上绝缘层8的大小和宽度； [0048] 在上述固定极板5上的绝缘层8及地线6、地线7未覆盖绝缘层8的表面之上形成牺牲层9； [0049] 之后，利用电镀方法，在上述牺牲层9之上形成桥式结构形式的可动极板2，其中可动极板2可用电镀Ni再镀金构成，以提高所述开关的稳定性及使用寿命； [0050] 在上述可动极板2中形成一些通气孔10，以暴露所述牺牲层9，并通过通气孔10除去牺牲层9，形成空腔。 [0051] 本发明在硅衬底上集成制造叉指式共面波导传输线和MEMS电容式射频开关，且通过在硅衬底上加一层绝缘介质层隔离硅衬底和叉指式共面波导传输线，降低损耗；采用叉指式共面波导传输线作为所述开关的传输路径，可以减小所述开关整体尺寸，布线简单，叉指共面波导传输线的结构参数灵活。在所述开关的固定极板上沉积一层高介电常数的绝缘层，提高所述开关隔离度和通断比，MEMS电容式射频开关及其集成制造方法消除了MEMS欧姆开关或固态开关在循环期间的电阻增大和不敏感等问题。 |
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