一種mems電容開關的制作方法
【專利摘要】一種MEMS電容開關，屬于電子科學【技術領域】。包含帶絕緣層的基底，信號傳輸線和兩側的地電極，信號傳輸線表面有介質層，介質層表面具有三個金屬覆蓋區，兩個地電極上分別具有一個固定錨點，兩個固定錨點支撐起驅動電極結構；驅動電極結構為“兩翼”型階躍結構，包括中間的第一驅動電極和兩翼的第二、三驅動電極，第一驅動電極兩側采用固支梁與固定錨點相連，第二、三驅動電極分別采用懸臂梁與第一驅動電極相連，第二、三驅動電極與信號傳輸線之間的距離大于第一驅動電極與信號傳輸線之間的距離；三個驅動電極的面積依次增大。本發明可實現3個工作頻段，并且具有插入損耗低、隔離度高、下拉電壓低的特點，可應用于射頻或微波通信系統中。
【專利說明】—種MEMS電容開關
【技術領域】
[0001]本發明屬于電子科學【技術領域】,涉及微機電系統（MEMS),尤其是一種MEMS電容開關。
技術背景
[0002]開關是射頻（RF)和微波通信系統中的基本部件，射頻微機電（RFMEMS)開關在射頻和微波組件級和系統級都有很大的應用空間。在組件級可以用射頻微機電（RFMEMS)開關構造壓控振蕩器、濾波器（電容開關，電感）和移相器等，是現代雷達和通信系統不可或缺的元件。射頻微機電（RFMEMS)開關相比于傳統的FET和PIN 二極管開關具有直流功耗小、插入損耗低、隔離度高、互調失真小、工作頻帶寬及低成本，易于集成等特點。
[0003]美國專利文獻US7，265，647B2公開了一種可調式MEMS電容開關，如圖I至圖3所示，該可調式MEMS電容開關在襯底基片110表面中間區域設置有金屬層108作為傳輸線，在傳輸線兩側分別具有金屬層104和106作為地電極（地電極104和106的高度超過傳輸線108的高度），在作為傳輸線的金屬層108表面覆蓋有介質層109，并在其中一條地電極106表面覆蓋有介質層402，在傳輸線108正上方設置三個懸梁結構112、120和122，三個懸梁結構橫跨傳輸線108，兩端分別置于兩個地電極表面，且與覆蓋絕緣介質層的電極形成可調電容。該結構加載一定的驅動電壓拉下傳輸線上方的開關梁來實現開關從up到down態的轉變。在down時，通過改變電極與懸梁間的可變電容以實現總電容的改變，使得開關有不同的諧振頻率，使得在不同頻段的獲得較高隔離度。但該結構所有的開關梁都置在同一平面，若開關梁和傳輸線之間的距離過小，則開關的up態電容較大，造成開關的插入損耗增大，如果增加開關梁與傳輸線之間的距離，由于驅動電壓與間距的平方關系，則開關的驅動電壓會急劇增大，除此之外，介質層的粗糙度對開關的射頻性能產生較大的影響，這些都將嚴重限制的RF MEMS開關的應用范圍。
【發明內容】
[0004]本發明提供一種可工作于3個頻段內的頻段可調式高隔離度/低插損MEMS電容開關，具有插入損耗低，隔離度高，下拉電壓低的特點，可應用于射頻或微波通信系統中。
[0005]本發明的技術方案如下：
[0006]一種MEMS電容開關，如圖3至圖5所示，包括一個表面具有絕緣層8的襯底7，在絕緣層8表面的中間位置具有導電材料制作的信號傳輸線9，在信號傳輸線9兩側的絕緣層8表面分別具有一條平行于信號傳輸線9的地電極13-1和13-2,在信號傳輸線9表面全層覆蓋有一層介質層10，在介質層10的表面設置有第一金屬覆蓋區11-2、第二金屬覆蓋區Il-I和第二金屬覆蓋區11-3,其中第一金屬覆蓋區11-2位于第二金屬覆蓋區11-1和第二金屬覆蓋區11-3之間；在第一地電極13-1表面設置有第一固定錨點12-1,在第二地電極13-2表面設置有第二固定錨點12-2，在第一固定錨點12-1和第二固定錨點12_2之間連接有一個驅動電極結構；所述驅動電極結構包括三個驅動電極，其中第一驅動電極4位于第一金屬覆蓋區11-2上方，第二驅動電極5位于第二金屬覆蓋區11-1上方，第三驅動電極6位于第三金屬覆蓋區11-3上方，且第一驅動電極4的面積小于第二驅動電極5的面積，第二驅動電極5的面積小于第三驅動電極6的面積，三個驅動電極的面積分別小于與之對應的金屬覆蓋層的面積；第一驅動電極4與信號傳輸線9兩側對應的兩個邊中，一邊采用第一固支梁1-1與第一固定錨點12-1相連，另一邊采用第二固支梁1-2與第二固定錨點12-2相連；第二驅動電極5與第一驅動電極4之間采用第一懸臂梁2相連，第三驅動電極6與第一驅動電極4之間采用兩個第二懸臂梁3相連；第二驅動電極5與第二金屬覆蓋區11-1之間的距離和第三驅動電極6與第三金屬覆蓋區11-3之間的距離相等，且大于第一驅動電極4與第一金屬覆蓋區11-2之間的距離。
[0007]本發明的工作原理是：
[0008]本發明提供的MEMS電容開關，具有三個驅動極板，其中第一驅動電極4為一個固支梁電極，第二驅動電極5和第三驅動電極6為位于固支梁電極“兩翼”的懸臂梁電極，其等效電路如圖6所示：信號傳輸線9、介質層10和第一金屬覆蓋區11-2構成固定電容Cl，信號傳輸線9、介質層10和第二金屬覆蓋區11-1構成固定電容C2,信號傳輸線9、介質層10和第三金屬覆蓋區11-3構成固定電容C3,第一金屬覆蓋區11-2與第一驅動電極4以及二者之間的空氣層構成可變電容Cl’，第二金屬覆蓋區11-1與第二驅動電極5以及二者之間的空氣層構成可變電容C2’，第三金屬覆蓋區11-3與第三驅動電極6以及二者之間的空氣層構成可變電容C3’;整個MEMS電容開關在Up態時，“兩翼”的懸臂梁驅動電極的存在相當于增大了驅動電極與信號線9之間的相對間距，減小了 Up態的電容，進而使整個MEMS電容開關的插入損耗降低。當在三個驅動電極上施加偏置電壓時（偏置下拉電壓實際施加在地電極與信號傳輸線之間，由于地電極與三個驅動電極是電氣相同的，所以偏置電壓也可以說是施加在三個驅動電極上），整個MEMS電容開關由Up態相Down態轉換：當施加的偏置電壓大于第一驅動電極4的下拉電壓時,第一驅動電極4被拉下來與第一金屬覆蓋區11-2相接觸，同時第一驅動電極4兩翼的第二驅動電極5和第三驅動電極6也被拉下一段距離(由于第一驅動電極4的面積小于第二驅動電極5的面積，第二驅動電極5的面積小于第三驅動電極6的面積，所以第一驅動電極4的下拉電壓小于第二驅動電極5的下拉電壓，第二驅動電極5的下拉電壓小于第三驅動電極6的下拉電壓），但并不與下面的金屬覆蓋區相接觸，此時整個MEMS電容開關處于第一 Down態（等效電路如圖7(a)所示，等效電容為電容Cl);繼續增加偏置電壓，當偏置電壓大于第二驅動電極5的下拉電壓時，第二驅動電極被拉下與第二金屬覆蓋區11-1相接觸，但第三驅動電極6仍未被完全拉下，此時整個MEMS電容開關處于第二 Down態（等效電路如圖7 (b)所示，等效電容為電容Cl和電容C2的并聯）；再繼續增加偏置電壓，當偏置電壓大于三驅動電極6的下拉電壓時，第三驅動電極6也被拉下與第三金屬覆蓋區11-3相接觸，此時整個MEMS電容開關處于第三Down態（等效電路如圖7(c)所示，等效電容為電容Cl、電容C2和電容C3的并聯）。由于整個MEMS電容開關具有三個Down態，對應三個不同的等效電容，進而能夠獲得三個不同的諧振頻率，使得整個MEMS電容開關可工作在三個不同的頻段內。另外，在固支梁電極被拉下后，兩翼的驅動電極相對信號傳輸線9的有效高度隨之降低，再分別對另外兩個電極施加驅動，即在完成一次驅動的基礎上，進行二次驅動，可大大的減小一次性驅動所需的電壓；在信號傳輸線9表面與各驅動電極相對應的絕緣介質層上覆蓋一層面積大于相應驅動電極面積的金屬覆蓋層，當各個驅動電極被拉下與金屬覆蓋層相接觸時，各驅動電極的有效面積轉化為各個金屬覆蓋層的面積，相當于增大了電容的相對面積，加大了電容值，提高了隔離度；同時，由于金屬覆蓋層的存在，只要驅動電極被拉至與金屬層的部分接觸，便等效于整個極板與金屬層接觸，無需整個驅動電極被完全拉下，能夠在提高開關電容比的同時大大降低驅動電壓。
[0009]在Down態時，驅動電極的下拉電壓Vp可以表述為：
[0010]
【權利要求】
1.一種MEMS電容開關，包括一個表面具有絕緣層（8)的襯底（7)，在絕緣層（8)表面的中間位置具有導電材料制作的信號傳輸線（9)，在信號傳輸線（9)兩側的絕緣層（8)表面分別具有一條平行于信號傳輸線（9)的地電極（13 -I和13 -2),在信號傳輸線（9)表面全層覆蓋有一層介質層（10)，在介質層（10)的表面設置有第一金屬覆蓋區（11 -2)、第二金屬覆蓋區（11-1)和第三金屬覆蓋區（11 _3)，其中第一金屬覆蓋區（11 -2)位于第二金屬覆蓋區（11 - 1)和第三金屬覆蓋區（11 - 3)之間；在第一地電極（13 - 1)表面設置有第一固定錨點（12 - 1)，在第二地電極（13 - 2)表面設置有第二固定錨點（12 - 2)，在第一固定錨點（12 - 1)和第二固定錨點（12 - 2)之間連接有一個驅動電極結構；所述驅動電極結構包括三個驅動電極，其中第一驅動電極（4)位于第一金屬覆蓋區（11 -2)上方，第二驅動電極（5)位于第二金屬覆蓋區（11 - 1)上方，第三驅動電極（6)位于第三金屬覆蓋區（11 -3)上方，且第一驅動電極（4)的面積小于第二驅動電極（5)的面積，第二驅動電極（5)的面積小于第三驅動電極（6)的面積，三個驅動電極的面積分別小于與之對應的金屬覆蓋層的面積；第一驅動電極（4)與信號傳輸線（9)兩側對應的兩個邊中，一邊采用第一固支梁（I-I)與第一固定錨點（12 - 1)相連，另一邊采用第二固支梁（1-2)與第二固定錨點（12-2)相連；第二驅動電極（5)與第一驅動電極（4)之間采用第一懸臂梁（2)相連，第三驅動電極(6)與第一驅動電極（4)之間采用兩個第二懸臂梁（3)相連；第二驅動電極（5)與第二金屬覆蓋區（11-1)之間的距離和第三驅動電極（6)與第三金屬覆蓋區（11 -3)之間的距離相等，且大于第一驅動電極（4)與第一金屬覆蓋區（11 - 2)之間的距離。
【文檔編號】H01H59/00GK104037027SQ201410298495
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年6月26日 優先權日:2014年6月26日
【發明者】鮑景富, 王秋蘋, 鄧迪, 杜亦佳 申請人:電子科技大學