基于静电斥力和引力混合驱动的射频MEMS开关

摘要

本发明提出了一种静电斥力和引力混合驱动的新型RFMEMS开关，是一种新型的电容式微机械开关。该开关沿传输线方向等间距的设置了三个固定电极在传输线的下方。当对上下方的固定电极同时施加工作电压时，下方的固定电极在可动桥膜周围形成了不均匀电场，产生静电斥力；上方的固定电极则产生一个静电场，处于其中的可动桥膜受到静电引力。可动桥膜在静电引力和静电斥力的共同作用下，远离下方固定电极并向上移动，最终与悬于可动桥膜上方的信号传输线接触来实现开关的接通。本发明解决了传统依靠静电引力工作时发生的电荷积累的问题，而且也一定程度上解决了依靠静电斥力工作时的高电压问题，在提高开关的可靠性的同时增强了开关的实用性。

说明书

技术领域

本发明涉及微机电系统（MEMS）领域，具体涉及电容式射频微机电开关（RF MEMS），特别是一种基于静电斥力和引力的新型RF MEMS开关。

背景技术

微电子机械系统（Micro-Electro-Mechanical System），简称MEMS，是将微电子技术与机械工程融合到一起的一种工业技术，它具有成本低、体积小、重量轻、可靠性高等优点。它的操作范围在微米范围内，通常来讲，大部分微机电设备的尺寸通常介于20微米到一毫米之间。微机电系统内部通常包含一个微处理器和若干获取外界信息的微型传感器。正如我们现在所知，在这种尺寸范围下，经典物理基本定律通常不适用。而且由于微机电系统相当大的表面积/体积比，诸如静电和浸润等表面效应要比惯性和比热等体效应大很多，这也是本发明采用静电力作为开关的驱动源的主要原因。此外，该开关还涉及到了射频技术（Radio Frequency），简称RF。而RF MEMS开关就是MEMS技术在RF领域的其中一种典型应用，它是微波信号和高频信号变换的关键元件，相较于传统开关，RF MEMS开关有如下优点：1功耗低；2高隔离度；3插入损耗低；4互调分量低；5成本低。

在RF MEMS开关技术中，有几种比较流行的分类方法，按照开关结构可以分为悬臂梁式、桥式和扭臂式。按照驱动原理分为静电驱动、热驱动、电磁驱动和压电驱动等方式，其中静电驱动式又可以分为电阻接触式和电容耦合式，其中电容式RF MEMS开关因其驱动电压小、结构简单等优点更是得到了学术界广泛的认可和大规模的投入研究，是当今最流行的RF MEMS开关种类之一。

但是，尽管电容式RF MEMS开关有上述诸多优点，然而时至今日，长期可靠性问题依然是其大规模商业化的瓶颈，其中影响可靠性最大的因素就是在开关工作中发生的不可逆转的“粘连”失效，而“粘连”失效则是由开关介质层中电荷积累（也称“介质充电”）所造成的。因此，研究一种可以减少甚至彻底消除电荷积累的RF MEMS开关将会大大提高开关可靠性，进而实现其大规模的商业化应用。

发明内容

本发明为了解决传统依靠静电引力驱动的电容式RF MEMS开关中所存在的电荷积累问题，提供了一种基于静电斥力和引力混合驱动的新型射频开关。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种基于静电引力和斥力混合驱动的射频MEMS开关，包括衬底，所述衬底上覆盖有氧化层，所述氧化层上表面的两侧分别设置有第一接地线和第二接地线，所述第一接地线和第二接地线之间架设有可动桥膜；所述氧化层上表面中部并排设置有与可动桥膜方向一致的第一固定电极、第二固定电极和第三固定电极，所述第二固定电极位于可动桥膜的正下方，所述第一固定电极和第三固定电极位于第二固定电极的两侧；所述氧化层上表面设置有与接地线方向一致、且横跨可动桥膜的信号传输线，所述可动桥膜上位于信号传输线下方的位置设有介质层。

工作时，第一固定电极和第三固定电极上加相同的正电压，第二固定电极上不加任何电压，该正电压将会在第二固定电极和可动桥膜的周围产生不均匀电场，产生静电斥力，使可动桥膜受力向上；同时将信号传输线接正电压，产生静电场，在此电场范围内可动桥膜将会受向上的静电引力，在静电斥力和静电引力混合驱动下，可动桥膜向上移动远离第二固定电极，其上介质层的上表面将与上方的信号传输线的下表面相接触，之后射频信号就通过可动桥膜从信号传输线上被耦合至第一接地线和第二接地线上，此时开关处于闭合状态；相反，当撤掉第一、三固定电极以及信号传输线上的电压后，此时可动桥膜在受到自身弹性恢复力的作用下回到初始位置，由于他们之间距离的增大，电容就会减小，射频信号就不会被耦合到接地线而是继续沿信号传输线传递，此时开关断开。

本发明解决了传统依靠静电引力驱动的电容式RF MEMS开关中所存在的电荷积累问题，传统的基于静电斥力的电容式RF MEMS开关在传输线的方向上有间隔的设置了固定驱动电极部分，三个固定电极与可动桥膜所形成的结构在通电情况下产生了电荷不均匀分布电场，由此在固定电极与可动桥膜之间产生了静电斥力；此外，在传输信号线上施加了正电压，利用了传统静电引力的驱动形式，在一定范围内形成了静电场，可动桥膜也受到了静电引力，因此，此开关在静电斥力和静电引力的混合驱动下，可动桥膜弯曲并使之向上运动，直至与信号传输线接触实现开关闭合断开，由于在开关闭合时，在固定驱动电极处施加了电压，产生了静电斥力，分担了传统静电引力单独驱动时的电压压力，最大程度上将电容式RF MEMS开关中所存在的电荷积累以及产生相应的漏电流控制到了阈值以下，使得产生的电荷积累和产生的漏电流最大可能上不影响开关的使用，很大程度上提高了开关的可靠性。我们知道，传统的静电斥力开关驱动电压过大，以至于无法广泛推广应用，本发明为了克服这一局限条件，创造性的在静电斥力开关的基础上反其道而行之引入了静电引力，通过在传输线上施加电压，形成一个静电场，而可动桥膜在此电场范围内受到向上的静电引力，在静电引力和静电斥力的混合驱动下，不仅能最大程度上解决电荷积累问题，也根本上降低了驱动电压，为它的推广除去了最大的障碍。

同理，通过开关的工作过程可以知道，这种静电斥力和引力混合驱动的新型RF MEMS开关在其整个工作过程中，相互接触的可动桥膜和信号传输线虽然有一定驱动电压，但是，由于有静电斥力分担了传统的静电引力的电压负担，使信号传输线和可动桥膜之间的电势差降低到产生可靠性问题的阈值电势差以下，从而很大程度上抑制了电荷积累现象的发生；同时，对比单独使用静电斥力驱动的RF MEMS开关，该发明对此传输信号线施加于一定的电压，形成静电场并且在静电场范围内可动桥膜受到静电引力，构成开关基于静电斥力和引力的混合驱动，由于要形成静电斥力需要相对较大的驱动电压，因此，混合驱动很大程度上降低了单纯依靠静电斥力驱动所需电压，在提高了开关可靠性的同时，极大的降低了开关的驱动电压，为MEMS开关的大规模商业化应用提供了有力保障。

本发明设计合理，属于静电驱动型RF MEMS开关，同样具有一般静电驱动型RF MEMS开关的优点，例如插入损耗低、隔离度高、功耗低、线性度高、结构简单且成本较低等。

附图说明

图1是本发明RF MEMS开关的结构示意图。

图2是本发明RF MEMS开关的剖面图。

图3是图2的A-A断面图。

图4是本发明RF MEMS开关中基底的结构示意图。

图5是本发明RF MEMS开关中基底上设置可动桥膜的示意图。

图6是本发明RF MEMS开关在工作时电压施加示意图。

图中，1-第一接地线，2-第二接地线，3a-输入端，3b-第一支撑臂，3c-中间臂，3d-第二支撑臂，3e-输出端，4-第一固定电极，5-第二固定电极，6-第三固定电极，7a-第一支撑梁，7b-横梁，7c-第二支撑梁，8-介质层，9-氧化层，10-衬底。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。

基于静电斥力和引力混合驱动的RF MEMS开关分别利用静电斥力和静电引力的驱动原理，吸收这两种驱动方式的优点，用混合驱动的方式构建出新的开关结构，最大程度上解决了传统因静电引力而产生的介质层中电荷积累问题和传统基于静电斥力而产生的驱动电压过大的问题，大幅提高了RF MEMS开关的可靠性。

如图1所示，一种基于静电斥力和引力混合驱动新型的RF MEMS开关包括衬底10和氧化层9，共面波导线由接地线和信号传输线构成，其中第一接地线1和第二接地线2用于在开关闭合时将射频信号耦合至地，平行分布在氧化层9上表面的两侧边；固定驱动电极部分由第一、二、三固定电极4、5、6组成 ，三个固定电极互有一定间隔平行且固定分布在氧化层9上表面。可动桥膜包括具有弹性的横梁7b，所述横梁7b的两端分别通过第一支撑梁7a和第二支撑梁7c支撑在第一接地线1和第二接地线2上。信号传输线由五部分构成，分别为输入端3a、第一支撑臂3b、中间臂3c、第二支撑臂3d、输出端3e，他们相互连接，共同作为信号线来传递射频信号，在加工中也是分别被加工出来，中间臂3c的两端分别被第一支撑臂3b和第二支撑臂3d支撑并悬于可动桥膜的中间梁7b上，输入端3a和输出端3e则是固定在氧化层9上，用作射频信号的输入端和输出端。介质层8沉积在可动桥膜上表面的中间部分（位于信号传输线的正下方）；材料可以是氮化硅或高介电常数材料如PZT等。

具体来说，当位于第二固定电极5两侧的第一固定电极4和第二固定电极6上施加相同的正电压时，这个正电压就会在第一、二、三固定电极4、5、6和横梁7b组成的结构周围产生一个不均匀电场，在此不均匀电场的作用下，可动桥膜的横梁7就会受到向上的静电斥力；同时对于上方的信号传输线施加正电压，形成静电场，在静电场范围内，可动桥膜受到向上的静电引力，在静电斥力和静电引力的混合驱动之下，可动桥膜的横梁7向上发生弯曲，从而使中间臂3c和横梁7b之间距离减小，直到介质层8最终与上方的中间臂3c的下表面相互接触，随着距离的减小，电容将会增大，这时信号传输线上的射频信号将会被耦合至第一接地线1和第二接地线2上，实现开关闭合。相反，当撤去第一、三固定电极4、6和信号传输线的电压后，可动桥膜的横梁7b在自身弹性恢复力的作用下，回到其初始位置，随着可动桥膜和信号传输线之间距离的增大，电容将会减小，此时射频信号就不会被耦合到地线上去，而是继续沿信号传输线继续传输，开关断开。

如图2所示，信号传输线由五部分组成，一方面是为了可以更好地说明结构，另一方面在实际加工中也是分别被加工的，信号传输线的两端即输入端3a和输出端3e是沉积在氧化层9上表面，信号传输线的第一支撑臂3b和第二支撑臂3d用来支撑中间臂3c，这样中间臂3c悬于（跨过）可动桥膜的中间梁7b；氧化层9的中间有三个平行分布的固定电极。

如图3所示，开关包括衬底10和氧化层9，氧化层9是二氧化硅；第一接地线1和第二接地线2位于氧化层9上表面的两侧，用于在开关闭合时将射频信号引到地；可动桥膜材料是金，在开关被加偏置电压后，中间梁7b将受力向上弯曲并最终使介质层8与其上方信号传输线的中间臂3c下表面接触，之后信号传输线上的射频信号就会通过可动桥膜被引到第一接地线1和第二接地线2上，实现开关闭合。当需要断开开关时，只要将原先加在固定电极和信号传输线上的电压撤掉，电场便会消失，之后可动桥膜在其自身弹性恢复力的作用下回到初始位置，由于可动桥膜和信号线之间距离增大，电容变小，信号线上的射频信号就不会通过桥膜流到第一接地地线1和第二接地线2上，而是继续沿信号传输线继续传递。

如图4所示，固定驱动电极部分包括三个平行放置在氧化层9上表面的第一、二、三固定电极4、5、6，其间距相等，材料一般是金。开关工作时，只往其中第一、三固定电极4、6上加电压，第二固定电极5并不加任何电压，由于都是固定在衬底10上的，所以受力也不会发生移动。

如图5所示，可动桥膜横跨在第一接地线1和第二接地线2上，其正下方为第二固定电极5。

如图6所示，工作时对图中所示的左右两边的第一固定电极4和第三固定电极6施加正电压，将第二固定电极5和可动桥膜接地，形成不均匀电场产生静电斥力；对最上方的信号传输线施加正电压，产生静电场，在一定范围内可动桥膜受到静电引力，所以在静电斥力和静电引力的混合驱动下，可动桥膜向上移动。

 与传统的依靠静电引力的电容式RF MEMS开关相比，本发明提出的静电斥力和引力混合驱动的新型RF MEMS开关，在工作时，相互接触的可动桥膜和信号传输线虽然有一定电势差，但是，由于静电斥力分担了传统静电引力的电压负担，使信号传输线和可动桥膜之间的电势差最大限度的降低到会产生电荷积累现象的阈值以下，从而很大程度上抑制了电荷积累现象的发生，提高了开关工作可靠性；同时相比于传统的基于静电斥力的电容式RF MEMS开关，由于引入了静电引力与静电斥力混合驱动，有效降低了需要维持静电斥力所需的较高的驱动电压，为RF MEMS开关的大规模应用创造了条件，极大的提高了开关的商业应用价值。

此外，相比于传统静电引力的RF MEMS开关和传统的基于静电斥力的电容式RF MEMS开关，本发明提出的开关结构简单，成本低且易于制造加工。

以上所述仅为本发明的一个实施例，是对本发明的目的、结构及工作原理的进一步详细说明。应注意的是，上述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡任何技术人员在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、变动和改良等，均应受到本发明的保护。