一种基于电润湿驱动原理的射频开关装置及其制备方法与流程

本发明属于射频电路及开关领域，涉及基于电润湿原理的微流控技术及液体对高频电磁场能量的吸收作用，具体涉及一种基于电润湿驱动原理的射频开关装置及其制备方法。

背景技术：

近些年来，射频电路在如物联网、通讯系统等领域得到飞速发展。射频开关作为射频电路的控制部件也备受瞩目，常用射频开关主要包含晶体管开关和微机械开关两大类。晶体管开关虽开关速度快，但存在导通电阻大、断开电阻小、适用功率小等缺点；而微机械开关虽然电阻开关比性能较好，但存在开关速度慢、机械损耗大、接触电阻大灯缺点。

利用液体金属制作射频开关的思路近来被广泛关注，但可用液态金属如水银、铟镓合金等存在毒性高、易氧化、材料兼容性差等问题。为此，使用水溶液等液体材料制作射频开关变得极为有意义。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于电润湿驱动原理的射频开关装置及其制备方法，该装置解决了现有技术存在传统的二极管开关或微机械开关的制备困难、磨损损耗等问题，能够通过电润湿效应控制液滴的位置，进而控制射频电路的通断。

为了达到上述目的，本发明提供了一种基于电润湿驱动原理的射频开关装置，该装置包含：下极板，上极板，置于所述的下极板和上极板之间的液滴。

其中，所述的下极板包含：依次设置的第一衬底、驱动电极层、介质层、射频电极层和第一疏水层。

其中，所述的上极板包含：依次设置的第二衬底、接地电极和第二疏水层。

其中，所述的液滴置于第一疏水层与第二疏水层之间。

所述的驱动电极层包含：n个电气隔离的驱动电极；所述的射频电极层包含m个电气隔离的射频电极；m和n为自然数，n≥2，m≥1，n≥m。

当所述的液滴处于任意一个射频电极正上方时，该射频电极处于断开状态；当液滴未处于某一个射频电极正上方时，该射频电极处于导通状态。

所述的第一衬底和第二衬底均采用绝缘材料。

所述的介质层为高介电常数材料，该高介电常数材料包含：CEP、SU-8及五氧化二钽中的任意一种或两种以上。

所述的第一疏水层和第二疏水层均采用疏水材料，该疏水材料包含：特氟龙、氟树脂中的任意一种或两种。

所述的接地电极采用导电透明材料。

所述的液滴为极性分子溶液。

所述的液滴包含：水、水溶液、乙醇中的任意一种或两种以上。

本发明还提供了一种所述的基于电润湿驱动原理的射频开关装置的制备方法，该方法包含：

步骤1：制备下极板：在第一衬底表面形成薄膜，通过光刻刻蚀或剥离的方法形成驱动电极层，再依次制备介质层、射频电极层及第一疏水层；

步骤2，制备上极板：在第二衬底表面形成薄膜，通过光刻刻蚀或剥离的方法形成接地电极，再在接地电极上制备第二疏水层；

步骤3，将液滴放置在驱动电极上方，将上极板、下极板组装形成所述的基于电润湿驱动原理的射频开关装置。

本发明提供的基于电润湿驱动原理的射频开关装置及其制备方法，解决了现有技术存在传统的二极管开关或微机械开关的制备困难、磨损损耗等问题，具有以下优点：

（1）本发明采用水溶液等代替水银或铟镓合金等液态金属，利用水溶液对电磁波吸收作用使射频开关装置工作，克服了毒性高、易氧化等缺点；

（2本发明的溶液吸收电磁能量不需要与射频电极直接接触，避免了电化学副产物或污染；

（3）本发明通过设计驱动电极、射频电极及二者相对位置等方法对开关效果实现调控，简单易行。

附图说明

图1为本发明的基于电润湿驱动原理的射频开关装置的剖面图。

图2为本发明的基于电润湿驱动原理的射频开关装置的俯视图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

如图1所示，为本发明基于电润湿驱动原理的射频开关装置的剖面图，该装置包含：下极板100，上极板200，置于所述的下极板100和上极板200之间的液滴D。

其中，下极板100包含：依次设置的第一衬底105、驱动电极层104、介质层103、射频电极层102和第一疏水层101。

其中，上极板200包含：依次设置的第二衬底203、接地电极202和第二疏水层201。

其中，液滴D置于第一疏水层101与第二疏水层201之间。液滴D是指能够用于电润湿原理驱动的液滴，其为极性分子溶液，该极性分子溶液包含（但不限于）：水、水溶液或乙醇中的任意一种或两种以上，液滴D应保证其对高频电磁能量的吸收效果。

驱动电极层104包含：n个电气隔离的驱动电极；所述的射频电极层（102）包含m个电气隔离的射频电极；m和n为自然数，n≥2，m≥1，n≥m。优选地，射频电极层102通过介质层103进行电隔绝。

上述驱动电极和射频电极数量不一定相同，每个射频电极对应一个驱动电极，且驱动电极的数量不少于射频电极数量，射频电极最少有一个。当射频电极为一个时，为了实现断开和导通两种状态至少需要两个驱动电极。当射频电极的数量m大于1时，若不考虑射频电极全部导通的情况时，驱动电极数量同样为m；若考虑射频电极全部导通的情况，应至少有一个不对应射频电极的驱动电极，当液滴位于该电极上方时，没有任何一个射频电极被液滴覆盖，该数量关系从附图2中可以表现出来。

上述射频电极为射频电路中的天线、导线或电极中的任意一种或两种以上。当液滴D处于任意一个射频电极正上方时，该射频电极处于断开状态；当液滴D未处于某一个射频电极正上方时，该射频电极处于导通状态。当液滴D处于某一个射频电极上方时，其内部的极性分子在高频电磁场作用下振动，大量吸收电磁场能量并将其转化为系统的内能，进而使得液滴D下方的该射频电极中传输的电磁信号被大幅衰减，达到断开的效果。

上述驱动电极和射频电极可以是平面电极也可以是立体电极，以实现其功能为准则。

第一衬底105和第二衬底203均采用绝缘材料。用作衬底的材料并不固定，只要绝缘即可。

介质层103采用具有一定介电常数与抗击穿能力的不导电物质，优选地，介质层103采用高介电常数且抗击穿能力强的物质，更优选地，该高介电常数材料包含：CEP（传统脂环族环氧树脂）、SU-8及五氧化二钽中的任意一种或两种以上。SU-8是一种负性、环氧树脂型、近紫外线光刻胶。

第一疏水层101和第二疏水层201均采用疏水材料，优选地，该疏水材料为能够降低液滴表面张力的材料，更优选地，疏水材料包含：特氟龙（Teflon）、氟树脂中的任意一种或两种。

接地电极202也是作为驱动电极，接地电极202和驱动电极层104上的驱动电极原则上可以由任何导电材料组成，但为了简化芯片制作工艺，优选地，采用与射频电极一致的材料。

为了扩展芯片功能集成，优选地，接地电极202采用导电透明材料，导电透明材料包含：氧化铟锡（ITO）、掺铝的氧化锌（AZO）中的任意一种或两种以上。

本发明的所有电极的大小、间隔及个数并不限定，本说明书仅以一定数目及规格的电极为例；说明书附图只为原理性示意图，并不精确反应电极的位置及排布。

本发明的射频开关装置的工作原理，具体如下：

如图2所示，为本发明的基于电润湿驱动原理的射频开关装置的俯视图，第1个驱动电极1041和第2个驱动电极1043上方分别为第1个射频电极1021和第2个射频电极1022，驱动电极层和射频电极层之间通过介质层103隔离。

当第3个驱动电极1042施加电压，且第1个驱动电极1041和第2个驱动电极1043接地时，液滴D在电润湿作用下被驱动至第3个驱动电极1042上方，此时第1个射频电极1021和第2个射频电极1022处于导通状态。

当第1个驱动电极1041施加电压，且第3个驱动电极1042和第2个驱动电极1043接地时，液滴D在电润湿作用下被驱动至第1个驱动电极1041上方，第1个射频电极1021处于断开状态，而第2个射频电极1022处于导通状态。

当第2个驱动电极1043施加电压，且第1个驱动电极1041和第3个驱动电极1042接地时，液滴D在电润湿作用下被驱动至第2个驱动电极1043上方，第2个射频电极1022处于断开状态，而第1个射频电极1021处于导通状态。

当第1个驱动电极1041和第2个驱动电极1043施加电压，且第3个驱动电极1042接地时，液滴D在电润湿作用下被驱动至第1个驱动电极1041和第2个驱动电极1043上方，第1个射频电极1021和第2个射频电极1022均处于断开状态。此时，液滴D有两种情况，具体如下：

第一种情况：第3个驱动电极1042和液滴D足够大，此时液滴D中部收缩两侧延展，同时覆盖第1个驱动电极1041和第2个驱动电极1043，液滴D变形成为哑铃状而并不断开；

第二种情况：第3个驱动电极1042和液滴D相对较小，则第1个驱动电极1041和第2个驱动电极1043通过电润湿作用对液滴D施加朝向两侧的拉力，将其拉断成两个液滴，分别位于第1个驱动电极1041和第2个驱动电极1043的表面。

上述仅为本发明的原理性说明，允许在不影响其功能性的前提下对器件结构及用途进行改进与拓展。

上述施加电压是指在实施液滴操控时，对应电极的电压被置成不为0以使电润湿驱动能够发生。上述接地是指在实施液滴操控时，对应电极的电压被置成0或与0足够接近。上述射频电极导通是指对应射频电极能够低损耗地将电信号由一端传输至另一端。上述射频电极断开是指对应射频电极无法将电信号由一端传输至另一端，或传输过程损耗极大，使得后端无法有效接收。

本发明还提供了一种基于电润湿驱动原理及水溶液对电磁波吸收作用的射频开关装置的制备方法，该方法包含：

步骤1：制备下极板100：在第一衬底105表面形成薄膜，通过光刻刻蚀或剥离的方法形成驱动电极层104，再依次制备介质层103、射频电极层102及第一疏水层101；

步骤2，制备上极板200：在第二衬底203表面形成薄膜得到接地电极202，再在接地电极202上制备第二疏水层201；

步骤3，将液滴D放置在驱动电极上方，将上极板100、下极板200组装形成所述的基于电润湿驱动原理的射频开关装置。

在步骤1中，在第一衬底105表面形成的薄膜为金属薄膜，其通过采用旋涂、蒸发、溅射等工艺制备；介质层103和第一疏水层101均通过旋涂、物理溅射、化学气相沉积、蒸发等方法制备；射频电极层102是通过旋涂、蒸发、溅射成膜等方法先制备金属薄膜，再通过光刻刻蚀或剥离等方法得到。

在步骤2中，在第二衬底203表面形成的薄膜为金属薄膜，其通过采用旋涂、蒸发、溅射等工艺制备；第二疏水层201通过旋涂、溅射等方法制备。

将本发明的基于电润湿驱动原理的射频开关装置与其他微流控及射频器件相结合后，采用数字微流控操作方法即可自动化实现射频电路的开关和操纵。

综上所述，本发明提供的基于电润湿驱动原理的射频开关装置及其制备方法，该装置采用水溶液降低了毒性，而且通过电润湿效应控制液滴的位置，进而控制射频电路的通断，具有设计新颖、控制简单、自动化程度高等特点，极大地拓展了微流控及射频开关等技术的应用范围。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。