專利名稱：：電熱驅動的面內雙穩態射頻微開關的制作方法
技術領域：
：本發明涉及的是一種微機電系統
技術領域：
的裝置，具體是一種電熱驅動的面內雙穩態射頻微開關。
背景技術：
：近些年來，射頻微機電系統技術(RFMEMS)已經在民用和軍用方面都展現出巨大的潛力，其中的一個很重要的領域就是RFMEMS開關。就目前常見的開關而言，以晶體管和二極管為主的半導體開關，功率容量低，電阻損耗高，并且截止頻率進一步提高的速度正在逐漸減緩；電子機械開關的功率容量大，但是功耗大，工作速度相當慢，并且只能在低頻段使用。而RFMEMS開關既綜合了半導體開關和機械開關的優點，又克服了他們的缺點；電阻損耗低，隔離度非常高，功率容量大，而功耗小到可以忽略。在MEMS開關中，無功耗實現穩態保持正在成為大家日益追逐的一個目標。與利用磁路鎖定相比，新穎的機械閉鎖結構不管在工藝制備還是器件復雜性上都具有明顯的優點。靜電驅動是MEMS開關中目前使用最普遍的驅動形式，然而靜電驅動一般需要幾十伏的驅動電壓，這與目前互補式金屬氧化物半導體(CMOS)標準的控制電壓不匹配。而利用電熱驅動，驅動電壓一般不超過5V，與CMOS標準相兼容，并且同等條件下開關的接觸力最大。此外，機械閉鎖結構一般需要較大的驅動力，熱驅動的能量密度最高，驅動力最大，因此最適合作為機械閉鎖結構的致動形式。經過對現有技術的檢索發現，Joo-YoungChoi等人在EKC2008ProceedingsoftheEU-KoreaConferenceonScienceandTechnology(1998年歐洲抓韓國科技會議論文集第135-142頁)上發表"RFMEMSswitchusingsiliconcantilevers"(利用硅懸臂梁實現的射頻微機電系統開關)的一篇文章。該文獻中報道了一種面外硅懸臂梁結構，該結構具有彈簧單元和閉鎖機構，在受到外部熱膨脹力驅動下能夠實現雙穩態，并且穩態保持不需要持續功耗。利用這種結構他們成功地制備了一個熱力驅動的RFMEMS雙穩態開關，并且具有出色的RF特性。但是該開關需要額外的外部組裝，體積很大，開關響應非常慢，因而不適合大規模批量生產，并且過慢的開關速率也限制了它的實際應用。進一步檢索發現，MedeaCesarDegbe等人在InternationalSymposiumonSignals,SystemsandFlectronics，2007(2007年信號、系統和電子國際研討會論文集547-550頁)上發表了"Designofaradio-frequencybistableswitchusingathermalactuationonadielectricmembrane"(—種利用熱驅動的在介質薄膜上制備的射頻雙穩態開關的設計)。該文獻設計了兩個帶有金屬觸點的懸臂梁，通過不同的交疊順序，觸點處于不同的位置，從而能夠通斷在介質薄膜上的信號線。雖然這種設計貌似簡單，但是顯然不適合利用微機械加工技術實現一體的集成制造，并且對于裝配的精度要求非常高；另外，在最初始狀態中懸臂梁已經一直處于受力狀態，器件的疲勞壽命受到很大影響。
發明內容本發明針對現有技術存在的上述不足，提供一種電熱驅動的面內雙穩態射頻微開關，利用一對閉鎖觸頭實現機械鎖定，穩態保持時不需要持續功耗。同時充分發揮電熱驅動器驅動力大、位移功率密度高、便于集成制造的優勢，用作本開關機械閉鎖結構的致動形式。該開關結構簡單，適于一體制造，具有可預見的RF特性，存在批量制造和實際應用的可能。本發明是通過以下技術方案實現的，本發明包括電熱驅動機構、機械閉鎖機構和信號轉換機構，其中電熱驅動機構位于機械閉鎖機構的正下方，機械閉鎖機構與信號轉換機構相連接。所述的電熱驅動機構包括主驅動器電極、電熱主驅動器、副驅動器電極和電熱副驅動器，其中主驅動器電極與電熱主驅動器相連，副驅動器電極與電熱副驅動器相連，電熱主驅動器和電熱副驅動器的末端分別正對機械閉鎖機構相對設置并不相接觸。所述的信號轉換機構包括柔性桿、接觸頭和信號線，其中柔性桿的一端與機械閉鎖機構相連，另一端與接觸頭相連，接觸頭與信號線相對設置且不相接觸。所述的機械閉鎖機構包括兩個固定錨、主懸臂梁、副懸臂梁、主閉鎖觸頭和副閉鎖觸頭，其中主懸臂梁的外端和副懸臂梁的外端分別與兩個固定錨相連接，主懸臂梁的內端和副懸臂梁的內端分別與主閉鎖觸頭和副閉鎖觸頭相連接，主閉鎖觸頭與信號轉換機構相連，主閉鎖觸頭與副閉鎖觸頭相對設置且不相接觸。本發明工作時，通過對主驅動器電極施加脈沖電信號，電熱主驅動器受熱膨脹實現縱向運動，從而推動主懸臂梁運動，主閉鎖觸頭向上推動副閉鎖觸頭。兩閉鎖觸頭相互作用，并在主懸臂梁的梁向形成一個力分量，彈簧結構使得懸臂梁的梁向和縱向剛度都大為減少，因而該懸臂梁有旋轉和壓縮的傾向，從而讓主閉鎖觸頭能夠更容易地撥開副閉鎖觸頭，減小了對熱驅動器驅動力的要求。在主懸臂梁運動的同時，柔性桿也做縱向運動，接觸頭壓合信號線。當電熱主驅動器回復時，主懸臂梁也有回復運動的趨勢，但是副閉鎖觸頭對其起到阻礙作用。主閉鎖觸頭的弧形扣合在副閉鎖觸頭上，兩個懸臂梁搭接在一起形成穩態結構。在柔性桿的調節作用下，接觸頭一直壓合在信號線上，實現了開關"開"的功能。同理，當對副驅動器電極施加脈沖電信號時，副閉鎖觸頭撥開主閉鎖觸頭，主懸臂梁返回初始位置，接觸頭也隨之與信號線脫離，開關"斷開"。與目前基于MEMS技術制備的射頻微開關相比，本發明具有顯著的技術優勢。首先，本發明能夠利用現有的微機械加工技術完全實現集成制造，不需要額外的裝配，有利于實現批量制造。其次，本發明采用面內的運動方式，占用空間小，滿足平面化生產和應用的要求。另外，利用機械鎖定實現穩態保持，僅在狀態切換的過程中需要能量輸入，從而顯著降低了開關功耗。最后，采用了電熱驅動機構、機械閉鎖機構和信號轉換機構各個功能單元分列設計的思路，開關的整體設計不會受某個部件的優化改動而影響。比如在改進信號轉換機構傳輸線設計提高開關RF特性的同時，不會影響開關的其他部分。圖1為本發明立體結構示意圖；圖2為本發明正面俯視圖；圖3為實施例的信號轉換機構立體結構示意圖中1主驅動器電極、2V型陣列電熱主驅動器、3副驅動器電極、4V型陣列電熱副驅動器、5固定錨、6主懸臂梁、7主閉鎖觸頭、8副閉鎖觸頭、9副懸臂梁、10柔性桿、11接觸頭、12信號線、13絕緣電介質層。具體實施例方式下面對本發明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施例。如圖1所示，本實施例包括主驅動器電極1、電熱主驅動器2、副驅動器電極3、電熱副驅動器4、固定錨5、主懸臂梁6、主閉鎖觸頭7、副閉鎖觸頭8、副懸臂梁9、柔性桿10、接觸頭11、信號線12和絕緣電介質層13，其中主驅動器電極1與電熱主驅動器2相連，副驅動器電極3與電熱副驅動器4相連，電熱主驅動器2和電熱副驅動器4的末端分別正對主懸臂梁6和副懸臂梁9相對設置并不相接觸，主懸臂梁6的外端和副懸臂梁9的外端分別與兩個固定錨5相連接，主懸臂梁6的內端和副懸臂梁9的內端分別與主閉鎖觸頭7和副閉鎖觸頭8相連接，主閉鎖觸頭7與柔性桿10相連，主閉鎖觸頭7與副閉鎖觸頭8相對設置且不相接觸，柔性桿10的另一端與接觸頭11相連，接觸頭11與信號線12相對設置且不相接觸。所述的電熱主驅動器2和電熱副驅動器4均為多個單晶硅V型電熱驅動器的陣列組合。陣列設計能夠提高該開關驅動部分的驅動力，從而保證了主閉鎖觸頭7能夠順利推過副閉鎖觸頭8。所述的主懸臂梁6和副懸臂梁9的外端均有一段S型彈簧，S型彈簧的寬度為50微米左右。S型彈簧的存在能夠降低該懸臂梁的梁向剛度，使得梁在受到梁向作用力時有壓縮的傾向，并且彈簧結構的存在使得該懸臂梁的轉動更加容易，而剛性懸臂梁部分又保證了懸臂梁該部分在受到驅動力作用時仍然具有一定的剛度，不會發生彎折等現象。所述的主閉鎖觸頭7以及副閉鎖觸頭8的寬度均小于主懸臂梁以及副懸臂梁的寬度，寬度從50微米左右漸變為10微米左右。所述的接觸頭11的初始位置與信號線12的縱向最短間隔為5微米。所述的接觸頭11為矩形結構的絕緣體塊，其端面沉積有金元素層。所述的信號線12為射頻傳輸線，并且位于絕緣電介質層13上面。如圖2所示，所述的主懸臂梁6和副懸臂梁9副懸臂梁在橫向都存在9的傾角，9的角度為1030度。這種設計降低了主閉鎖觸頭7推過副閉鎖觸頭8的難度，并且減小了主副閉鎖觸頭相互鎖定時結構的彈性回復力對機械穩定性的不利影響。主懸臂梁6和副懸臂梁9剛性懸臂梁部分都具有較大的剛度，并且剛性懸臂梁部分的寬度是漸變的，寬度從200微米左右漸變為50微米左右。所述的主閉鎖觸頭7與副閉鎖觸頭8的橫截面為形狀相同的弧形結構，其縱向最短間隔為25微米，橫向重疊距離為510微米，并且弧形結構的開口方向一致。弧形的設計有利于主閉鎖觸頭7在受力時滑過副閉鎖觸頭8，而在鎖定狀態時，兩弧形彼此相扣，提高了此時依靠結構的彈性回復力打開該機械鎖定的難度，確保了該開關的機械穩定性。柔性桿10連接主懸臂梁6和接觸頭11，負責將主懸臂梁6的作用力傳遞給接觸頭11，在機械鎖定狀態柔性桿中的作用力即是該開關的接觸力。所述的柔性桿10為具有彈簧結構的金屬條，該柔性桿10的寬度小于主懸臂梁6以及副懸臂梁9的寬度，寬度為1030微米。彈簧結構的存在降低了桿向的剛度，使得柔性桿10能夠更加容易被壓縮。同時柔性桿10的寬度較小，這樣對主懸臂梁6的影響較小，保證了在開關的工作過程中柔性桿io僅起了一個調節位移的作用，而不對開關的驅動力以及閉鎖結構有更高的要求。如圖3所示，接觸頭11是絕緣材料矩形塊，在靠近信號線12—側的前端面沉積有金元素。金的化學性質十分穩定，不易被氧化或者腐蝕，并且具有出色的電導率，從而能夠顯著降低開關的接觸電阻和插入損耗。接觸頭11正對著信號線12的開口，并且接觸頭11的橫向長度大于信號線12的開口長度，使得接觸頭11能夠在受到推動時壓合信號線12。接觸頭11與信號線12保持一定距離，這個距離必須保證主懸臂梁6與副懸臂梁9實現機械鎖定時接觸頭11仍然能夠有效壓合信號線，并且此時柔性桿10中的彈性回復力又不足以打開該機械鎖定。因此這個距離是本開關設計的核心，必須和V型陣列電熱主副驅動器、主副閉鎖觸頭的空間布局相匹配。權利要求一種電熱驅動的面內雙穩態射頻微開關，包括電熱驅動機構、機械閉鎖機構和信號轉換機構，其特征在于電熱驅動機構位于機械閉鎖機構的正下方，機械閉鎖機構與信號轉換機構相連接；所述的電熱驅動機構包括主驅動器電極、電熱主驅動器、副驅動器電極和電熱副驅動器，其中主驅動器電極與電熱主驅動器相連，副驅動器電極與電熱副驅動器相連，電熱主驅動器和電熱副驅動器的末端分別正對機械閉鎖機構相對設置并不相接觸；所述的信號轉換機構包括柔性桿、接觸頭和信號線，其中柔性桿的一端與機械閉鎖機構相連，另一端與接觸頭相連，接觸頭與信號線相對設置且不相接觸。2.根據權利要求1所述的電熱驅動的面內雙穩態射頻微開關，其特征是，所述的機械閉鎖機構包括兩個固定錨、主懸臂梁、副懸臂梁、主閉鎖觸頭和副閉鎖觸頭，其中主懸臂梁的外端和副懸臂梁的外端分別與兩個固定錨相連接，主懸臂梁的內端和副懸臂梁的內端分別與主閉鎖觸頭和副閉鎖觸頭相連接，主閉鎖觸頭與信號轉換機構相連，主閉鎖觸頭與副閉鎖觸頭相對設置且不相接觸。3.根據權利要求1所述的電熱驅動的面內雙穩態射頻微開關，其特征是，所述的電熱主驅動器和電熱副驅動器均為多個單晶硅V型電熱驅動器的陣列組合。4.根據權利要求1所述的電熱驅動的面內雙穩態射頻微開關，其特征是，所述的主懸臂梁和副懸臂梁的外端均有一段S型彈簧，S型彈簧的寬度為50微米左右。5.根據權利要求1所述的電熱驅動的面內雙穩態射頻微開關，其特征是，所述的主懸臂梁和副懸臂梁的剛性懸臂梁部分寬度是漸變的，寬度從200微米左右漸變為50微米左右。6.根據權利要求1所述的電熱驅動的面內雙穩態射頻微開關，其特征是，所述的主懸臂梁和副懸臂梁的剛性懸臂梁部分在橫向都存在一個傾角，這個傾角為1030度。7.根據權利要求1所述的電熱驅動的面內雙穩態射頻微開關，其特征是，所述的主閉鎖觸頭與副閉鎖觸頭的橫截面為形狀相同的弧形結構，其縱向最短間隔為25微米，橫向重疊距離為510微米，弧形部分的寬度從50微米左右漸變為10微米左右。8.根據權利要求1所述的電熱驅動的面內雙穩態射頻微開關，其特征是，所述的柔性桿為具有彈簧結構的金屬條，該柔性桿的寬度小于主懸臂梁以及副懸臂梁的寬度，寬度為1030微米。全文摘要一種微機電
技術領域：
的電熱驅動的面內雙穩態射頻微開關，包括電熱驅動機構、機械閉鎖機構和信號轉換機構，其中電熱驅動機構位于機械閉鎖機構的正下方，機械閉鎖機構與信號轉換機構相連接。本發明利用一對閉鎖觸頭實現機械鎖定，穩態保持時不需要持續功耗。同時充分發揮電熱驅動器驅動力大、位移功率密度高、便于集成制造的優勢，用作本開關機械閉鎖結構的致動形式。該開關結構簡單，適于一體制造，具有可預見的RF特性，存在批量制造和實際應用的可能。文檔編號H01P1/10GK101719575SQ20101030023公開日2010年6月2日申請日期2010年1月13日優先權日2010年1月13日發明者丁桂甫,吳義伯,毛勝平,湯俊,汪紅申請人:上海交通大學