一种X型上电极式MEMS单刀六掷开关

一种x型上电极式mems单刀六掷开关
技术领域
1.本发明属于射频mems技术领域，具体涉及一种x型上电极式mems单刀六掷开关。


背景技术：

2.现代无线通信领域中对器件小型化、多信道、宽频带的需求推动着射频mems技术的进步。基于射频mems技术的器件（如，开关、滤波器、延时器和衰减器等）在插入损耗、线性度、可靠性、体积等方面具有突出的优势，被大量应用于雷达扫描、电子对抗、卫星通讯、微波测试等领域。
3.单刀多掷开关可以与多个器件集成实现多通道、可调控、多功能的微波集成电路，逐渐成为军事和民用领域的理想选择，在这一发展趋势的推动下，单刀多掷开关也面临着新的机遇和挑战。一方面，传统射频开关多采用pin管进行研制，可得到隔离度高、功率容量大、开启电压小的单刀多掷开关，但这种pin开关的缺点是尺寸大、功耗高、插入损耗大且线性度较差，例如，2016年四川大学设计的一款紧凑型结构的pin二极管单刀九掷开关，该开关隔离度和切换时间性能兼优，但插入损耗较大，尺寸超过28cm2，且工作频段仅有800mhz。相对而言，mems开关可以很好的改善以上问题，提高射频系统信号的利用率。
4.另一方面，单刀多掷开关在mems领域内实现高频段、低插损、高隔离功能的多为双掷或四掷开关，性能优越的多通道（单刀六掷及以上）mems开关相对较少，例如，2015年利摩日大学提出的一种射频mems单刀七掷开关工作频段仅在dc~10ghz之间，且隔离度较小。综上，射频mems单刀多掷开关仍具有迫切地应用需求和广阔的研究空间。


技术实现要素：

5.针对上述传统单刀多掷开关尺寸大、插入损耗高、隔离度低、工作频率低且线性度较差的技术问题，本发明提供了一种x型上电极式mems单刀六掷开关，该开关的工作频率可覆盖l~ka波段，既具有较好的射频性能，又能满足小型化和多信道需求，同时兼具较高的可靠性。
6.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
7.一种x型上电极式mems单刀六掷开关，包括衬底、微波传输线、开关组件、空气桥，所述微波传输线设置在衬底上，所述微波传输线包括输入信号线、功分器、输出信号线和地线，所述输入信号线设置有一条，所述输出信号线设置有六条，所述输入信号线与功分器连接，所述功分器通过开关组件与输出信号线连接。
8.所述开关组件包括上电极、第一下电极、第二下电极、驱动电极、引线、第一锚点、第一触点组、第二触点组，所述上电极通过第一锚点固定在衬底上，所述第一下电极的末端连接在功分器上，所述第一下电极的顶端固定有第一触点组，所述第二下电极的末端连接输出信号线，所述第二下电极的顶端固定有第二触点组，所述上电极位于驱动电极、第一触点组和第二触点组的上方。
9.所述上电极为x型结构，所述上电极包括直板结构和直角弯曲梁结构，所述直板结
构的端角与直角弯曲梁结构的始端固定连接；所述直板结构上设置有释放孔，所述释放孔包括条状释放孔和方形释放孔，所述方形释放孔以阵列形式展开，横向为7排，纵向为2列；两个所述条状释放孔横向对称设置在方形释放孔阵列的两侧；所述直角弯曲梁结构由三个矩形条连接而成，所述矩形条呈90度回折固连，所述直角弯曲梁结构末端连接第一锚点。
10.所述第一下电极、第二下电极均设置在衬底表面，所述第一下电极、第二下电极的末端与输出信号线、功分器连接处采用漏斗型渐变结构，所述第一下电极、第二下电极的顶端为半圆形结构，所述功分器的各端口以圆盘为中心均匀展开。
11.所述驱动电极、引线均固定在衬底表面，所述驱动电极设置在第一下电极和第二下电极之间，所述驱动电极与直板结构的中部正对，所述驱动电极与引线电性连接，所述驱动电极通过引线施加驱动电压。
12.所述第一触点组、第二触点组分别固定在第一下电极和第二下电极顶端，所述第一触点组、第二触点组位于直板结构纵向两端的正下方，所述第一触点组和第二触点组均包括三个圆形触点，所述三个圆形触点围绕第一下电极和第二下电极顶端的半圆形侧边均匀排布。
13.所述输入信号线的末端设有输入端口，所述输出信号线的末端设有输出端口，所述输出端口依次顺时针排列，所述输出端口分别为一端口、二端口、三端口、四端口、五端口和六端口。
14.所述衬底的表面设有地线，所述地线以输入信号线、输出信号线和引线为轮廓零散分布在周围。
15.所述空气桥包括第一空气桥、第二空气桥、第三空气桥，所述第一空气桥、第二空气桥、第三空气桥分别通过第二锚点、第三锚点、第四锚点固定在地线上，所述第一空气桥架设在输入信号线上方，所述第二空气桥架设在相邻两条引线的上方，所述第三空气桥紧邻开关组件的上电极。
16.所述第二锚点和第四锚点均为两个一组固定空气桥，第三锚点为三个一组固定空气桥。
17.本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：
18.本发明的开关上电极采用x型双端固支梁结构，锚点与直板结构通过直角弯曲梁连接，间接增加上电极长度，降低了梁的弹性系数，进而减小驱动电压。开关上电极的释放孔一方面降低直板结构的弹性刚度和开关形变过程中的空气阻尼，提高开关的切换速度，另一方面在工艺制造过程中，释放孔的存在可以使牺牲层释放更加充分，提高开关的可靠性。本发明开关的下电极顶端采用半圆形结构，末端连接有漏斗型过渡带，通过减小耦合电容提高开关隔离度。此外，开关设有三个圆形触点，使电流分布更加均匀，有效改善开关失效问题。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引申获得其它的实施附图。
20.本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
21.图1为本发明单刀六掷开关整体结构图；
22.图2为本发明开关组件结构俯视图；
23.图3为本发明开关组件结构侧视图；
24.图4为本发明下电极、触点及驱动电极结构俯视图；
25.图5为本发明圆形触点组结构图；
26.图6为本发明x型上电极结构图；
27.图7为本发明单刀六掷开关剥离上电极、第一锚点和空气桥的全景俯视图；
28.图8为本发明单刀六掷开关一端口导通的插入损耗示意图；
29.图9为本发明单刀六掷开关一端口导通时，其他端口隔离度示意图；
30.图10为本发明单刀六掷开关二端口导通的插入损耗示意图；
31.图11为本发明单刀六掷开关二端口导通时，其他端口隔离度示意图；
32.图12为本发明单刀六掷开关三端口导通的插入损耗示意图；
33.图13为本发明单刀六掷开关三端口导通时，其他端口隔离度示意图。
34.其中：1为衬底，2为输入信号线，201为输入端口，3为功分器，4为输出信号线，401为一端口，402为二端口，403为三端口，404为四端口，405为五端口，406为六端口，5为上电极，6为第一下电极，7为第二下电极，8为驱动电极，9为引线，10为第一锚点，11为第一触点组，12为第二触点组，13为直板结构，131为条状释放孔，132为方形释放孔，14为直角弯曲梁结构，15为地线，16为第一空气桥，17为第二空桥，18为第三空气桥，19为第二锚点，20为第三锚点，21为第四锚点。
具体实施方式
35.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制；基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
36.下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式做进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
37.术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本技术的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
38.在本技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体的连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是
两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
39.在本实施例中，如图1、图7所示，包括衬底1、微波传输线、开关组件、空气桥，微波传输线设置在衬底1上，其中微波传输线包括输入信号线2、功分器3、输出信号线4和地线15，输入信号线2有一条，输出信号线4有六条，且输入信号线1与功分器3相连，再而功分器3通过开关组件与输出信号线4相通。从整体看，该单刀六掷开关一端输入，六端输出，呈树状分布，环形散射，端口间夹角均匀，由位于中央的圆形功分器连接，并由各支路的开关组件控制支路信号通断。
40.进一步，如图1-4所示，开关组件包括上电极5、第一下电极6、第二下电极7、驱动电极8、引线9、第一锚点10、第一触点组11、第二触点组12，上电极5通过第一锚点10固定在衬底1上；第一下电极6的末端连接功分器3，顶端固定有第一触点组11。第二下电极7的末端连接输出信号线4，顶端固定有第二触点组12；上电极5位于驱动电极8、第一触点组11、第二触点组12的上方一定间距处。
41.进一步，优选的，如图6所示，上电极5整体结构呈x型，包括直板结构13和直角弯曲梁结构14，直板结构13的端角与直角弯曲梁结构14的始端固定连接。该上电极5属于双端固支梁结构，当给驱动电极8施加电压时，直板结构13发生弯曲变形，当电压达到阈值，直板结构13两端与触点紧密接触，开关导通。直角弯曲梁结构14通过增加上电极长度和向内的张力，降低了梁的弹性系数，进而减小驱动开关所需的静电力。
42.进一步，优选的，如图2、图6所示，直板结构13的尺寸为124μm
×
65μm，直板结构13上设置有释放孔，包括条状释放孔131和方形释放孔132，方形释放孔132以阵列形式展开，横向为7排，纵向为2列，每个释放孔的边长为6μm，间距为8μm；两个条状释放孔131横向对称设置在方形释放孔132阵列的两侧，大小为105μm
×
6μm，条状释放孔131相距31μm。增加释放孔，一方面降低直板结构13的弹性刚度和开关形变过程中的空气阻尼，提高开关的切换速度；另一方面在工艺制造过程中，释放孔的存在可以使牺牲层释放更加充分，提高开关的可靠性。
43.进一步，直角弯曲梁结构14由三个宽度为13μm，长度分别为28μm、28μm、32μm的矩形条连接而成，矩形条呈90度回折固连，直角弯曲梁结构14末端连接第一锚点10。
44.进一步，优选的，如图4所示，第一下电极6、第二下电极7均设置在衬底1表面，第一下电极6、第二下电极7与上电极5的正对面积为289μm2，第一下电极6、第二下电极7末端与输出信号线4、功分器3连接处采用漏斗型渐变结构，第一下电极6、第二下电极7顶端采用半径为10μm的半圆形结构。半圆形结构减小了上下电极的正对面积，加之漏斗型过渡带，有效减小上下电极间的耦合电容，开关隔离度得以提高。
45.进一步，如图7所示，驱动电极8、引线9均固定在衬底1表面，驱动电极8置于第一下电极6和第二下电极7之间，驱动电极8与直板结构13的中部正对，驱动电极8与引线9电连接，驱动电极8通过引线9施加驱动电压。
46.进一步，优选的，如图4、5所示，第一触点组11、第二触点组12分别固定在第一下电极6、第二下电极7顶端，第一触点组11、第二触点组12位于直板结构13纵向两端的正下方，所述第一触点组11和第二触点组12均包括三个半径为2.5μm的圆形触点，所述三个圆形触点围绕第一下电极6、第二下电极7顶端的半圆形侧边均匀排布。传统方形触点的尖角会产
生高电流密度，导致开关功率处理能力降低，相对之下，圆形触点电流分布更加均匀。再者三个触点并联，可通过减小接触电阻降低插入损耗，又能避免触点温度过高造成的微溶现象。
47.进一步，如图7所示，输入信号线2对应输入端口201，输出信号线4对应输出端口，输出端口依次顺时针排列，记为一端口401、二端口402、三端口403、四端口404、五端口405和六端口406。位于对称位置的端口其射频性能十分相近。一端口401、六端口406与输入端口201呈锐角，造成损耗较大，因此射频性能略差于其他端口。
48.进一步，衬底1的表面设有地线15，地线15以输入信号线2、输出信号线4和引线9为轮廓零散分布在周围。
49.进一步，空气桥包括第一空气桥16、第二空气桥17、第三空气桥18，第一空气桥16、第二空气桥17、第三空气桥18分别通过第二锚点19、第三锚点20、第四锚点21固定于地线15上，第一空气桥16架于输入信号线上方，第二空气桥17架于相邻两条引线9的上方，第三空气桥18紧邻开关组件的上电极5。设置空气桥用于改善地线的不规则、不连续性造成的影响。
50.进一步，功分器3的各端口以圆盘为中心均匀展开。
51.进一步，第一锚点10用于固定上电极，第二锚点19、第三锚点20、第四锚点21用于固定空气桥，第二锚点19和第四锚点21均为两个一组固定空气桥，第三锚点20为三个一组固定空气桥。
52.本实施例的工作原理为：通过引线9给驱动电极8施加驱动电压，上电极5在静电力的作用下，逐渐向下弯曲产生形变，当电压达到阈值，直板结构13两端与触点接触，开关处于闭合状态，可实现信号选通；当驱动电压撤去时，上电极5将由于弹性力恢复到初始的位置，上电极5脱离触点，开关处于断开状态，不能实现信号选通。每路输出分支均置有一个开关组件，工作时通过控制驱动电压来满足任意支路选通。
53.图8、图9、图10为本实施例单刀六掷开关的一端口401、二端口402、三端口403的插入损耗。六端口406与一端口401对称，五端口405与三端口403对称，四端口404与二端口402对称，对称端口的插入损耗值相近，因此可以得出x型上电极式mems单刀六掷开关的插入损耗满足≤0.3 db@26.5 ghz、≤2.27 db@40 ghz。
54.本实施例单刀六掷开关的一端口401闭合时，其他端口的隔离度如图11所示；本发明单刀六掷开关的二端口402闭合时，其他的隔离度如图12所示；本发明单刀六掷开关的三端口403闭合时，其他的隔离度如图13所示；同理，由对称关系分析法可知，x型上电极式mems单刀六掷开关的隔离度满足≥37 db@26.5 ghz、≥29 db@40 ghz。
55.上面仅对本发明的较佳实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，各种变化均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种x型上电极式mems单刀六掷开关，其特征在于：包括衬底（1）、微波传输线、开关组件、空气桥，所述微波传输线设置在衬底（1）上，所述微波传输线包括输入信号线（2）、功分器（3）、输出信号线（4）和地线（15），所述输入信号线（2）设置有一条，所述输出信号线（4）设置有六条，所述输入信号线（2）与功分器（3）连接，所述功分器（3）通过开关组件与输出信号线（4）连接。2.根据权利要求1所述的一种x型上电极式mems单刀六掷开关，其特征在于：所述开关组件包括上电极（5）、第一下电极（6）、第二下电极（7）、驱动电极（8）、引线（9）、第一锚点（10）、第一触点组（11）、第二触点组（12），所述上电极（5）通过第一锚点（10）固定在衬底（1）上，所述第一下电极（6）的末端连接在功分器（3）上，所述第一下电极（6）的顶端固定有第一触点组（11），所述第二下电极（7）的末端连接输出信号线（4），所述第二下电极（7）的顶端固定有第二触点组（12），所述上电极（5）位于驱动电极（8）、第一触点组（11）和第二触点组（12）的上方。3.根据权利要求2所述的一种x型上电极式mems单刀六掷开关，其特征在于：所述上电极（5）为x型结构，所述上电极（5）包括直板结构（13）和直角弯曲梁结构（14），所述直板结构（13）的端角与直角弯曲梁结构（14）的始端固定连接；所述直板结构（13）上设置有释放孔，所述释放孔包括条状释放孔（131）和方形释放孔（132），所述方形释放孔（132）以阵列形式展开，横向为7排，纵向为2列；两个所述条状释放孔（131）横向对称设置在方形释放孔（132）阵列的两侧；所述直角弯曲梁结构（14）由三个矩形条连接而成，所述矩形条呈90度回折固连，所述直角弯曲梁结构（14）末端连接第一锚点（10）。4.根据权利要求2所述的一种x型上电极式mems单刀六掷开关，其特征在于：所述第一下电极（6）、第二下电极（7）均设置在衬底（1）表面，所述第一下电极（6）、第二下电极（7）的末端与输出信号线（4）、功分器（3）连接处采用漏斗型渐变结构，所述第一下电极（6）、第二下电极（7）的顶端为半圆形结构，所述功分器（3）的各端口以圆盘为中心均匀展开。5.根据权利要求2所述的一种x型上电极式mems单刀六掷开关，其特征在于：所述驱动电极（8）、引线（9）均固定在衬底（1）表面，所述驱动电极（8）设置在第一下电极（6）和第二下电极（7）之间，所述驱动电极（8）与直板结构（13）的中部正对，所述驱动电极（8）与引线（9）电性连接，所述驱动电极（8）通过引线施加驱动电压。6.根据权利要求2所述的一种x型上电极式mems单刀六掷开关，其特征在于：所述第一触点组（11）、第二触点组（12）分别固定在第一下电极（6）和第二下电极（7）顶端，所述第一触点组（11）、第二触点组（12）位于直板结构（13）纵向两端的正下方，所述第一触点组（11）和第二触点组（12）均包括三个圆形触点，所述三个圆形触点围绕第一下电极（6）和第二下电极（7）顶端的半圆形侧边均匀排布。7.根据权利要求1所述的一种x型上电极式mems单刀六掷开关，其特征在于：所述输入信号线（2）的末端设有输入端口（201），所述输出信号线（4）的末端设有输出端口，所述输出端口依次顺时针排列，所述输出端口分别为一端口（401）、二端口（402）、三端口（403）、四端口（404）、五端口（405）和六端口（406）。8.根据权利要求1所述的一种x型上电极式mems单刀六掷开关，其特征在于：所述衬底（1）的表面设有地线（15），所述地线（15）以输入信号线（2）、输出信号线（4）和引线（9）为轮廓零散分布在周围。
9.根据权利要求1所述的一种x型上电极式mems单刀六掷开关，其特征在于：所述空气桥包括第一空气桥（16）、第二空气桥（17）、第三空气桥（18），所述第一空气桥（16）、第二空气桥（17）、第三空气桥（18）分别通过第二锚点（19）、第三锚点（20）、第四锚点（21）固定在地线（15）上，所述第一空气桥（16）架设在输入信号线（2）上方，所述第二空气桥（17）架设在相邻两条引线（9）的上方，所述第三空气桥（18）紧邻开关组件的上电极（5）。10.根据权利要求9所述的一种x型上电极式mems单刀六掷开关，其特征在于：所述第二锚点（19）和第四锚点（21）均为两个一组固定空气桥，第三锚点（20）为三个一组固定空气桥。

技术总结
本发明属于射频MEMS技术领域，具体涉及一种X型上电极式MEMS单刀六掷开关，包括衬底、微波传输线、开关组件、空气桥，所述微波传输线设置在衬底上，所述微波传输线包括输入信号线、功分器、输出信号线和地线，所述输入信号线设置有一条，所述输出信号线设置有六条，所述输入信号线与功分器连接，所述功分器通过开关组件与输出信号线连接。本发明的开关上电极采用X型双端固支梁结构，锚点与直板结构通过直角弯曲梁连接，间接增加上电极长度，降低了梁的弹性系数，进而减小驱动电压。下电极顶端采用半圆形结构，与信号线连接处采用漏斗型渐变结构，两种结构均可以减小上、下电极之间的耦合电容，提高开关的隔离度。另外，三个圆形触点并联，接触电阻变小，电流密度更均匀，从而达到改善插入损耗、提升开关功率容量的目的。提升开关功率容量的目的。提升开关功率容量的目的。


技术研发人员：吴倩楠 陈玉 李孟委 湛永鑫
受保护的技术使用者：中北大学
技术研发日：2023.02.17
技术公布日：2023/7/11