[发明专利]密封的整体式微机电系统开关

说明书

本申请是中国专利申请No.03818694.2的分案申请。

技术领域

本发明一般地涉及电气开关的技术领域，更具体而言，涉及微机电系统(MEMS)开关。

背景技术

射频(RF)开关在微波和毫米波传输系统中被广泛用于天线切换应用，包括波束形成相控阵列天线。一般而言，与机械开关相比较，这种切换应用目前使用半导体固态电气开关，例如砷化镓(GaAs)MESFET(金属半导体场效应晶体管)或者PIN型二极管。这种半导体固态电气开关还在蜂窝电话中广泛用于在发送和接收之间进行切换。

当RF信号频率超过约1GHz时，固态开关在“On”状态下(即当电信号通过该开关时)会受到很大的插入损失，而在“Off”状态下(即当开关阻止电信号的传输时)会受到很差的电隔离。MEMS开关在这两个特性上相对于固态装置表现出明显的优点，尤其是对于接近或超过1GHz的RF频率。

美国专利No.5,994,750、6,069,540和6,535,091都公开了这样的MEMS开关，其中一对共轴扭杆、一个销或者一对柔性枢轴分别支撑基本上平坦且刚性的梁或者叶片，以绕扭杆、销或者柔性枢轴建立的轴转动。在所有三个专利中，共轴扭杆对、销或者柔性枢轴对分别将基本上平坦且刚性的梁或者叶片支撑在衬底上方一个小距离处。美国专利No.5,994,750(简称“′750专利”)公开了从梁向外突出并分别定位到一对支撑部件的扭杆末端单独将梁支撑到玻璃衬底上方的小距离处。美国专利No.6,069,540(简称“′540专利”)和美国专利6,535,091(简称“′091专利”)两者分别将销或者位于柔性枢轴处的上、下支点置于梁或叶片与衬底之间，以在其间维持一定间隔。

在′750专利的示例中，梁仅延伸到扭杆的一侧，因此在接通由此所设置的电气开关时，梁绕扭杆的转动等效于门在其枢轴上摆动的运动。或者，在′540和′091专利两者中，各自的梁或者叶片在从销或者柔性枢轴对向外的两个方向上延伸。因此在这两个专利各自公开的结构中，在接通电气开关时，梁或者叶片绕销或者柔性枢轴对所建立的轴的转动类似于杠杆的运动。在所有三个专利中，电磁引力引起实现开关接通的转动。

省略′750专利的文字和附图中出现的大量制造细节，其在第一示例中公开了形成其梁的材料最初是作为单片p型硅衬底的一部分开始的，该衬底携带有n型扩散层，硼离子被注入该扩散层以形成p⁺表面层。也就是说，n型扩散层将p⁺表面层与p型硅衬底分隔开。在梁的制造期间，刻蚀去除p型硅衬底，仅留下p⁺表面层和n型扩散层的材料以形成梁。类似地，扭杆的制造去除了n型扩散层的材料，仅留下p⁺表面层的材料来形成扭杆。后续处理形成铝支撑部件，其跨在形成扭杆末端的p⁺表面层材料和相邻的玻璃衬底之间。

′540专利公开了为了减小开关插入损失以及提高敏感性，其梁优选地和该梁绕其转动的销一样全都用金属形成。具体而言，′540专利公开了梁可以用在与大多数半导体工艺相比都较低的温度下所电镀的镍(Ni)形成。′540专利公开了不仅其全金属梁相对于已知的SiO₂或者合成金属硅梁降低了插入损失，而且这种配置还提高了三阶截距点，以提供增大的动态范围。在一对金电极和一对场极电极(field plate)之间分别施加的电势产生实现梁绕金属销的转动的静电力，所述一对金电极沉积在玻璃衬底最接近金属梁的一侧上，而所述一对场极电极布置在玻璃衬底离梁最远的相反侧上。

′091专利公开的MEMS开关中所包括的叶片用相对刚性的材料形成，例如在金属种晶层上的电镀金属、蒸镀金属或电介质材料。薄的柔性金属枢轴将叶片的相反两侧连接到从低损失微波绝缘或半绝缘衬底向外突出的金框架。衬底可以用石英、氧化铝、蓝宝石、金属基板低温烧结陶瓷(LTCC-M)、GaAs或者高阻抗硅制造。以此方式配置，叶片和枢轴布置在衬底上方，并且柔性枢轴将叶片电耦合到框架。可以是平的或起伏不平的枢轴允许叶片绕枢轴线转动，该枢轴线平行于衬底并且在下支点上方。在衬底上邻近叶片处形成回拉和下拉电极，其可以用例如氮化硅(Si₃N₄)的绝缘体封装。施加到下拉或者回拉电极上的电势分别接通或者断开MEMS开关。