一种双稳态单晶硅梁射频微机电系统开关技术方案

本发明专利技术涉及射频微机电系统技术领域，公开了一种双稳态单晶硅梁射频微机电系统开关，该射频微机电系统开关包括电磁驱动部分和悬臂梁可动部分，电磁驱动部分和悬臂梁可动部分采用对准键合方式结合在一起；电磁驱动部分具有铁心铁壳和永磁体，通过在平面线圈加电流产生的磁场与永磁体的磁场相叠加来改变整体磁场的方向，从而使悬臂梁可动部分动作，实现触点通断。利用本发明专利技术，该射频微机电系统开关工作电压比较低，驱动力大，工作次数高，功耗比较低，接触电阻小隔离度高，控制电路简单，适用于较大功率射频通讯电路。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及微电子技术中的微机电系统(MEMS)应用中的射频(RF) MEMS
，尤其涉及一种双稳态单晶硅梁射频微机电系统开关。
技术介绍
在微机电系统制造技术中，射频微机电系统(RFMEMS)幵关是用 光刻技术制作的小型化机械器件，用于射频和微波频率电路中的信号处 理，是一项将能对现有雷达和通信中射频结构产生重大影响的新技术。目前，在RFMEMS技术主要研究领域中，适用于RF系统的有调谐 电容、感应器、滤波器和微机械开关。其中最常见的射频MEMS控制元 件，被认为是核心器件的微波传输线开关。RFMEMS幵关与目前的射频 系统中所用的电控开关(PIN 二极管或GaAsFET)不同，它没有半导体pn 结或金属半导体结，靠机械移动实现对信号传输线的开/断控制，能在高 频段维持很高的绝缘指标，插入损耗很低(可小于0.2dB，而PIN或FET的 插入损耗总大于ldB)，隔离性能很好，互调失真极低，因此与PIN等半导 体控制元件相比，其使用截止频率高得多(有时是后者的数倍)。因此RF MEMS开关，是提供低插损、高隔离、高线性、低功耗的新一代开关元 件。RFMEMS开关由机械部分(执行)和电学部分(驱动)构成。开关 的电学部分可以用串联或者并联方式排列，可以是金属接触或电容接触。 驱动方式有静电，电磁，压电或者热原理。相对于其他驱动方式，电磁驱 动有以下特点驱动力大，驱动距离远可以达几百微米；驱动电压低，小 于5伏，控制电路简单，便于器件集成；开关动作大，可以达到很高的隔 离度；响应速度快，可以缩短开关时间。如图l、图2和图3所示，图l是传统的镍铁单臂梁电磁驱动开关的结构 示意图，图2是传统的镍铁单臂梁电磁驱动开关接通时的示意图，图3是传统的镍铁单臂梁电磁驱动开关断开时的示意图。当线圈2中通过足够大的 电流时，将会产生一个磁通。所产生的磁通大部分集中于线圈平面的中心， 这样有利于增大引力，保证悬臂梁3获得足够的形变，以使线圈所产生的 磁场足以驱动继电器开关的动作。这样上部镍铁悬臂梁3将会被磁化，从 而弯曲与接触电极l接触，这时继电器闭合如图2所示。当驱动电流被切断时，悬臂梁依靠自身的弹力将会复位，从而继电器断开如图3所示。但是，传统的电磁驱动RFMEMS开关持续消耗能量，能耗较大， 开关时间较长，而且结构复杂，加工难度大制作工艺复杂。
技术实现思路
(一) 要解决的技术问题有鉴于此，本专利技术的一个目的在于提供一种双稳态单晶硅梁射频微机 电系统开关，以解决现有电磁驱动RF MEMS开关存在的缺陷，降低功 耗，改善开关的稳定性，降低加工的复杂度。(二) 技术方案为达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的一种双稳态单晶硅梁射频微机电系统开关，该射频微机电系统开关包 括电磁驱动部分和悬臂梁可动部分，电磁驱动部分和悬臂梁可动部分采用 对准键合方式结合在一起；电磁驱动部分具有铁心铁壳和永磁体，通过在 平面线圈加电流产生的磁场与永磁体的磁场相叠加来改变整体磁场的方 向，从而使悬臂梁可动部分动作，实现触点通断。优选地，所述电磁驱动部分包括硅衬底12，电磁线圈13，镍铁合金 的铁心和铁壳11和永磁体14，电磁线圈13位于镍铁合金铁心和铁壳11 之间，通过多层电镀金形成方形结构；两个镍铁合金的铁心和铁壳11分 别位于电磁驱动部分的左右两边，铁心和铁壳通过电镀形成；永磁体14 装配在硅衬底12的背面。优选地，所述电磁驱动部分上表面的两端分别进一步包括一射频传输 单元IO，采用电镀金形成共面波导传输线，减少高频信号的干扰，而且电 磁驱动部分与共面波导传输线隔离，避免驱动部分的电磁信号对高频信号的干扰。优选地，所述电磁线圈13为采用电镀方式形成的双层平面驱动线圈， 被镍铁合金的铁心和铁壳11包围，减少漏磁，增加电磁吸力，使悬臂梁 动作幅度大，从而提高开关的隔离度。优选地，所述电磁线圈13的形状为方形，厚度为IO微米，宽度为10 微米。优选地，所述镍铁合金的铁心和铁壳11采用电镀方式形成，其厚度为30微米。优选地，所述永磁体14为永磁铁。优选地，所述悬臂梁可动部分包括扭摆梁7，镍铁合金层6和金触点 5，扭摆梁7为单晶硅制作成的跷跷板结构，在扭摆梁7的一侧对称的淀 积有两个镍铁合金层6，在镍铁合金层6靠近跷跷板结构两端的部分对称 的淀积有两个金触点5，当扭摆梁7动作时通过金触点5与传输线触点的 接触来实现信号的接通。优选地，所述由单晶硅制作成的跷跷板结构的扭摆梁7厚度为20微 米，在减小驱动电压的情况下增加恢复力，提高开关寿命。优选地，所述镍铁合金层6淀积在扭摆梁7上，保证电磁驱动部分的 磁感线通过镍铁合金层6形成磁通路，从而吸引扭摆梁动作。优选地，所述金触点5与所述射频传输单元10在电磁驱动部分和悬 臂梁可动部分对准键合时位置对应。优选地，所述镍铁合金层6与所述镍铁合金的铁心和铁壳11在电磁 驱动部分和悬臂梁可动部分对准键合时位置对应。优选地，所述金触点5淀积在扭摆梁7上表面的两端，当扭摆梁7动 作时通过金触点5与射频传输单元10中共面波导传输线触点的接触来实 现信号的接通。优选地，所述镍铁合金的铁心和铁壳11与所述镍铁合金层6形成左 右两个磁回路，所述永磁体14提供一定的磁动势，两个铁心电磁线圈13 绕向相反；通电流后，电磁线圈13产生的磁场与永磁体14的磁场相叠加，从而 改变产生的电磁力的大小；当通入的控制电流使左侧的电磁线圈13产生的磁场与永磁体14产生 的磁场正向叠加时，使左侧气隙处磁通增大，吸引力增大，吸引扭摆梁7 上镍铁合金层6下移，而右侧情况相反，结果使左端拉下右端翘起从而左侧传输线导通，右侧断开；断电后，靠永磁体14产生的磁通维持此状态；电磁线圈13通入相反方向的电流后，将会使左端翘起右端下移，右侧传输线导通，左侧断开。 (三)有益效果从上述技术方案可以看出，本专利技术具有以下有益效果1、 利用本专利技术，由于采用了永磁体，下移的触点无需驱动器持续出 力，此时的磁作用力同时提供触点接触的压力，使开关的接入电阻维持在 较低的值，因此稳定开关的状态不需要维持电压，从而降低了功耗，又解 决了电磁驱动的散热问题。2、 利用本专利技术，采用对准键合工艺将电磁驱动部分和悬臂梁可动部分结合在一块装配永磁体以后，实现了双稳态，稳态保持无需功耗，从而 减小功耗。3、 利用本专利技术，悬臂梁可动部分的扭摆梁有20微米厚的单晶硅制作成跷跷板结构，可以在减小驱动电压的情况下增加恢复力，从而提高 开关寿命。4、 利用本专利技术，镍铁合金层淀积在扭摆梁上，来保证驱动部分的磁 感线通过镍铁层形成磁通路，从而吸引扭摆梁动作；金触点淀积在扭摆梁 上表面的两端，当扭摆梁动作时通过金触点与传输线触点的接触来实现信 号的接通。并且无应力的单晶硅做成扭摆结构的悬臂梁，可以克服薄膜应 力变形的缺点，同时采用扭摆式结构解决了单臂梁回复力不够开关寿命短 的缺点，同时釆用键合工艺可以克服传统释放牺牲层使悬臂梁与下层粘连 的问题。5、 利用本专利技术，射频传输单元在电磁驱动部分上表面的两端，采用 电镀金形成共面波导传输线，减少了高频信号的干扰，而且驱动部分与共 面波导传输线隔离，避免了驱动部分的电磁信号对高频信号的干扰。6、 利用本专利技术，单晶硅扭摆梁部分采用20微米厚的单晶硅制作，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双稳态单晶硅梁射频微机电系统开关，其特征在于，该射频微机电系统开关包括电磁驱动部分和悬臂梁可动部分，电磁驱动部分和悬臂梁可动部分采用对准键合方式结合在一起；电磁驱动部分具有铁心铁壳和永磁体，通过在平面线圈加电流产生的磁场与永磁体的磁场相叠加来改变整体磁场的方向，从而使悬臂梁可动部分动作，实现触点通断。

【技术特征摘要】
1. 一种双稳态单晶硅梁射频微机电系统开关，其特征在于，该射频微机电系统开关包括电磁驱动部分和悬臂梁可动部分，电磁驱动部分和悬臂梁可动部分采用对准键合方式结合在一起；电磁驱动部分具有铁心铁壳和永磁体，通过在平面线圈加电流产生的磁场与永磁体的磁场相叠加来改变整体磁场的方向，从而使悬臂梁可动部分动作，实现触点通断。2、 根据权利要求1所述的双稳态单晶硅梁射频微机电系统开关，其 特征在于，所述电磁驱动部分包括硅衬底(12)，电磁线圈(13)，镍铁合 金的铁心和铁壳(11)和永磁体(14)，电磁线圈(13)位于镍铁合金铁 心和铁壳(11)之间，通过多层电镀金形成方形结构；两个镍铁合金的铁 心和铁壳(11)分别位于电磁驱动部分的左右两边，铁心和铁壳通过电镀 形成；永磁体(14)装配在硅衬底(12)的背面。3、 根据权利要求2所述的双稳态单晶硅梁射频微机电系统开关，其 特征在于，所述电磁驱动部分上表面的两端分别进一步包括一射频传输单 元(10)，采用电镀金形成共面波导传输线，减少高频信号的干扰，而且 电磁驱动部分与共面波导传输线隔离，避免驱动部分的电磁信号对高频信 号的干扰。4、 根据权利要求2所述的双稳态单晶硅梁射频微机电系统开关，其 特征在于，所述电磁线圈(13)为釆用电镀方式形成的双层平面驱动线圈，被镍 铁合金的铁心和铁壳(11)包围，减少漏磁，增加电磁吸力，使悬臂梁动 作幅度大，从而提高开关的隔离度；所述电磁线圈(13)的形状为方形，厚度为IO微米，宽度为IO微米； 所述镍铁合金的铁心和铁壳(11)采用电镀方式形成，其厚度为30 微米；所述永磁体(14)为永磁铁。5、 根据权利要求1所述的双稳态单晶硅梁射频微机电系统开关，其 特征在于，所述悬臂梁可动部分包括扭摆梁(7)，镍铁合金层(6)和金 触点(5)，扭摆梁(7)为单晶硅制作成的跷跷板结构，在扭摆梁(7)的一侧对称的淀积有两个镍铁合金层(6)，在镍铁合金层(6...

【专利技术属性】
技术研发人员：李全宝，景玉鹏，陈大鹏，欧毅，叶甜春，
申请(专利权)人：中国科学院微电子研究所，
类型：发明
国别省市：11[]