[发明专利]基于静电斥力的电容式射频MEMS开关

说明书

技术领域

本发明涉及微机电系统（MEMS）技术领域，特别是电容式射频微机电开关（RF MEMS），具体为一种基于静电斥力的电容式RF MEMS开关。

背景技术

射频微机电系统（RF MEMS）是MEMS技术加工的RF产品，RF MEMS具有价格低、体积小、重量轻、可靠性高等优点，并且能与传统的IC技术相兼容，其中RF MEMS开关相对于传统的PIN和FET开关以其低插损、高隔离度、高线性度、低功耗低成本和宽频带等优点成为航空、雷达和无线通讯领域中最基础、最关键、最具应用前景的RF MEMS器件。

在RF MEMS开关技术中，RF MEMS开关分很多类，按照开关结构分为悬臂梁式、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，静电驱动式又分为电阻接触式和电容耦合式，其中电容耦合式RF MEMS开关因其驱动电压小、结构简单等优点更是得到了广泛的研究。

传统的静电驱动电容式RF MEMS开关包括衬底部分、共面波导线部分和驱动电极部分，其中驱动电极部分由上电极和下电极组成，上电极材料是柔性的金薄膜并架于两侧的地线上，下电极为信号传输线。工作原理是往上下电极施加直流偏置电压，通过静电力作用改变上电极与下电极之间的距离，从而改变他们之间的电容，以此实现对射频信号的通断。例如工作时，向驱动电极部分中上下电极施加一直流偏置电压，此偏置电压在上下电极上产生的静电力将会使上电极柔性膜弯曲下拉并最终与下电极上的介质层接触，由于上下电极之间初始间距较大，电容很小，射频信号会沿着信号线传递，但随着他们之间距离的减小，电容将会变大，此时射频信号就会通过金膜被耦合到地线，实现开关闭合。相反，当撤去偏置电压后，由于自身的弹性恢复力，上电极将回到初始位置，上下电极间距增大，电容减小，射频信号就不会耦合到地线而是继续沿信号线传输，实现开关断开。

上述传统基于静电引力的RF MEMS开关的优点是驱动电压低、功耗低、插损低、隔离度高且在制作工艺上也很易于实现，因此成本相对较低。

但是，尽管电容式RF MEMS开关有上述诸多优点，然而时至今日，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时发生的不可逆转的“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问题的RF MEMS开关将会大大提高开关可靠性，进而实现大规模的商业化。

发明内容

本发明为了解决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，提出了一种基于静电斥力的新型电容式RF MEMS开关，此开关利用静电斥力使得上电极可动桥膜弯曲并与信号传输线接触实现开关闭合断开，由于在开关闭合时，可动桥膜和信号传输线上并未施加电压，所以在两者接触时没有漏电流通过，进而从根本上不会发生电荷积累现象，很大程度上提高了开关的可靠性。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种基于静电斥力的电容式射频MEMS开关，包括上表面加工有氧化层的衬底，所述衬底的上表面两侧平行分布有地线a和地线b；所述衬底的上表面沿地线长度方向架设有信号传输线；所述信号传输线的下方设有具有弹性的可动桥膜，所述可动桥膜的两端分别支撑于地线a和地线b上，所述可动桥膜的上表面中部设有介质层，当可动桥膜受力向上弯曲形变后，其上的介质层与信号传输线的下表面接触；所述衬底的上表面中部固定设有并排分布的驱动电极a、驱动电极b及驱动电极c，所述驱动电极a、驱动电极b及驱动电极c均与位于两侧的地线a和地线b平行、且位于可动桥膜的下方。

工作时，位于两侧的驱动电极a和驱动电极c接电源正极，位于中间的驱动电极b和可动桥膜接电源负极。电源接通后产生偏置电压，该偏置电压将会在中间驱动电极b和可动桥膜的周围产生不均匀电场，可动桥膜在此电场中将会受力向上弯曲形变并远离驱动电极b，其上表面的介质层将与其上方的信号传输线的部分下表面相接触，之后射频信号就会通过可动桥膜从信号传输线被耦合至地线a和地线b上，此时开关处于闭合状态；相反，当撤掉此偏置电压后，可动桥膜在自身弹性恢复力的作用下回到初始位置（即恢复常态），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地线a和地线b，而是继续沿信号传输线传递，此时开关断开。