专利名称：射频微机电系统开关的制作方法
背景技术：
1.发明领域本发明涉及用于监视雷达扫描器或其它装置的RF电路模块组装的射频微机电系统(RF-MEMS)开关。
2.相关技术的描述作为射频信号如毫米波和微波信号用的开关装置的例子，例如在非专利文献1，即由IEEE学生会员J.B.Muldavin撰写题为“高绝缘CPW MEMS分流开关一第一部分模型化”(IEEE Transactions on Microwave Theory Techniques，第48卷，第6期，1045-1052页，2000年6月)中揭示了一种分流RF-MEMS开关(分流开关装置)。
这种类型的RF-MEMS开关包括一配置在衬底上RF信号传导单元。面对RF信号传导单元至少一部分的电极也设置在衬底上。在这种RF-MEMS开关中，利用静电引力把电极向衬底移动或从衬底移开，来改变电极和RF信号传导单元之间的电容。
例如，减少设置在RF信号传导单元上的信号线和可移动电极之间的间距会增加信号线和可移动电极之间的电容，从而断开信号线的RF信号的传导。相反，增加设置在RF信号传导单元上的信号线和可移动电极之间的间距会减少信号线和可移动电极之间的电容，从而导通信号线的RF信号的传导。换句话说，在此RF-MEMS开关，通过移动可移动电极来改变可移动电极和信号线之间的电容便可导通和断开RF信号传导单元的RF信号的传导。
但是，由于现有的RF-MEMS开关只包括一个配置只有单个可移动电极的开关器件，因此，存在着开关的插入损耗和回程损耗不能足够地降低和开关的绝缘特性不能充分地改善的可能性。
发明概述为了克服上述问题，本发明的较佳实施例提供了一种可足够地降低开关的插入损耗和回程损耗和充分地改善开关的绝缘特性的RF-MEMS开关。
根据本发明的较佳实施例的RF-MEMS开关包括一衬底、一设置在衬底上的RF信号导通单元、多个可移动电极、电极之间在RF信号导通单元的信号传导方向上有间距且间距安排在RF信号导通单元的上面，和一使多个可移动电极同时向接近或离开RF信号导通单元的相同方向移动的可移动电极移动单元。当所有可移动电极由可移动电极移动单元向离开RF信号导通单元的方向移动至信号被导通的位置时，RF信号导通单元的RF信号的导通被导通。当所有可移动电极由可移动电极移动单元向接近RF信号导通单元的方向移动至信号被断开的位置时，RF信号导通单元的RF信号的导通被断开。夹在可移动电极之间的RF信号导通单元的电气长度被确定，当可移动电极设置在信号被导通的位置时，使包括RF信号在内的组合信号在面对可移动电极的RF信号导通单元位置处所反映的振幅小于每个信号在面对可移动电极的RF信号导通单元位置处所反映的振幅。
根据本发明的另一个较佳实施例的RF-MEMS开关包括一衬底、一设置在衬底上的RF信号导通单元、一设置在衬底上与衬底之间有间距且至少面对RF信号导通单元的一部分的可移动元件、设置在可移动元件上且面对RF信号导通单元的多个可移动电极，和一使用静电引力使可移动元件向接近或离开衬底的方向移动的可移动元件移动单元。在RF信号导通单元的信号传导方向上多个可移动电极设置成电极之间有间距。位于多个可移动电极之间的RF信号导通单元定义为具有小于或等于RF信号导通单元的导通RF信号的约四分之一的波长的传输线，因为多个可移动电极之间的RF信号导通单元具有大于系统阻抗的特性阻抗。
根据本发明的另一个较佳实施例的RF-MEMS开关包括一衬底，一设置在衬底上的RF信号导通单元，元件之间在RF信号导通单元的信号传导方向上有间距、设置在衬底上与衬底有间距且至少面对RF信号导通单元的一部分的多个可移动元件，设置在相应可移动元件上且面对RF信号导通单元的多个可移动电极，和一使用静电引力使可移动元件向接近或离开衬底的方向移动的可移动元件移动单元。位于多个可移动电极之间的RF信号导通单元定义的具有小于或等于RF信号导通单元的导通RF信号的约四分之一的波长的传输线，因为多个可移动电极之间的RF信号导通单元具有大于系统阻抗的特性阻抗。
根据本发明的一个较佳实施例，由于在RF信号导通单元的信号传导方向上，多个可移动电极设置成电极之间有间距，所以获得以下效果。当所有可移动电极设置在信号被导通的位置时，在面对可移动电极的RF信号导通单元位置处所反映的RF信号被组合。例如，待组合在一起的具有相反相位的二个反映信号在组合时将相互抵消。这样，包括该反映信号的组合信号的振幅为零。因此，夹在可移动电极之间的RF信号导通单元的电气长度(位于可移动电极之间的RF信号导通单元的电气长度)被确定，当可移动电极设置在信号被导通的位置时，使包括RF信号在内的组合信号在面对可移动电极的RF信号导通单元位置处所反映的振幅小于每个信号在面对可移动电极的RF信号导通单元位置处所反映的振幅。这样，当RF信号导通单元的RF信号的导通被导通时，RF信号所反映信号的振幅(能量)就减少。因此，回程损耗降低，RF-MEMS开关的特性得到改善。
根据本发明的一个较佳实施例，建立一使用静电引力为可在接近或离开衬底上的RF信号导通单元方向上移动的可移动元件，使得设置在可移动元件上的多个可移动电极设置成在RF信号导通方向上电极之间有间距。位于多个可移动电极之间的RF信号导通单元定义了具有小于或等于RF信号导通单元的导通RF信号的约四分之一的波长的传输线，使得位于多个可移动电极之间的RF信号导通单元具有大于系统阻抗的特性阻抗。这样，开关的插入损耗和回程损耗被降低，绝缘特性得到改善。
而且，配置包含多个电极的一可移动元件的RF-MEMS开关消耗非常小功率进行工作。另外，这种类型的RF-MEMS开关的成本只比配置包含一个电极的一可移动元件的RF-MEMS开关稍稍高一些。然而，开关的特性大大地改善。
再者，一开关可配置多个可移动元件，而每个可移动元件配置一可移动电极。在这种情况下，可容易地改善可移动元件的显示控制的精度。这样，开关的特性进一得到改善。
而且，由于包含高电阻率半导体的可移动元件可具有低频信号和直流信号的电极的功能，所以，可移动元件自身就具有可移动元件移动单元的电极的功能。这样，不需要为该可移动元件移动单元的可移动元件再提供电极，从而简化RF-MEMS开关的结构和制造工艺。同样，包含高电阻率半导体的可移动元件具有非常低的RF信号的介电损耗，从而降低了信号损耗。
再者，绝缘薄膜最好设置在RF信号导通单元和可移动电极表面的至少一个表面。在这种情况下，RF信号导通单元和可移动电极受到保护。同样，由于RF信号导通单元和可移动电极相互不接触，可确保防止因RF信号导通单元和可移动电极的接触而造成的信号损耗。
再者，RF信号导通单元可为一共面线，或为一微带线，RF-MEMS开关可以是一分流开关器件。在这种情况下，分流开关器件的导通或断开在共面线或微带线中RF信号导通的操作可以非常低的插入损耗、低回程损耗和高绝缘来进行。
再者，RF-MEMS开关可通过分离或直接接触可移动电极和相互面对的RF信号导通单元的至少一个部分，来导通或断开RF信号导通单元的信号的导通。在这种情况下，由于没有采用LC谐振，故可获得具有宽带绝缘特性而与RF信号频率无关的开关。
再者，可独立地设计用于为RF信号导通单元和可移动电极之间提供电容的可移动电极和可移动元件移动单元。这样，增加了电极设计中的灵活性。
本发明的上述和其它元件、特性、特点和优点，从对较佳实施例的下述说明并结合附图将变得显而易见。
附图的简要说明
图1A和1B表示根据本发明的第一较佳实施例的RF-MEMS开关。
图2A和2B是根据本发明的第一较佳实施例的RF-MEMS开关的可移动元件的结构的说明图。
图3A和3B是模型图，示意性地表示定义根据本发明的第一较佳实施例的RF-MEMS开关的可移动开关和共面线位置关系的例子。
图4A、4B、4C和4D是利用构成根据本发明的第一较佳实施例的RF-MEMS开关的可移动电极和共面线的等效电路图，说明根据本发明的第一较佳实施例的RF-MEMS开关的工作的例子。
图5是一图表，表示当信号通过时插入损耗的频率特性的例子，用于解释根据本发明的第一较佳实施例的结构所获得的优点。
图6是一图表，表示当信号通过时回程损耗的频率特性的例子，用于解释根据本发明的第一较佳实施例的结构所获得的优点。
图7是一图表，表示当信号阻断时绝缘的频率特性的例子，用于解释根据本发明的第一较佳实施例的结构所获得的优点。
图8是一图表，表示把其与玻璃的频率和介电损耗之间关系作比较，高电阻率半导体的频率和介电损耗(tanδ)之间关系的例子。
图9是用于解释根据本发明的第一较佳实施例的RF-MEMS开关的例图。
图10A和10B是用于解释一种类型的开关工作例子的等效电路图，在此类型开关中，RF信号导通单元的RF信号的导通可通过分离或直接接触可移动电极和RF信号传导单元来接通和断开。
图11A和11B是解释配置只有一个可移动电极的RF-MEMS开关的结构的例子的例图。
图12A和12B是模型图，表示配置在图11所示的可移动元件上的可移动电极和共面线之间的位置关系的例子。
图13A和13B是具有图11A所述结构的RF-MEMS开关的可移动电极和共面线的等效图。
图14A和14B是用于解释把具有图11A和12A所述结构的RF-MEMS开关的信号导通接通或断开的示意图。
较佳实施例的详细描述现在将结合附图描述本发明的较佳实施例。
图1A是平面示意图，显示了根据本发明的第一较佳实施例的RF-MEMS开关1。图1B是沿图1A中线A-A’所取的剖面示意图。
根据本发明的第一较佳实施例的RF-MEMS开关1组装成一RF电路，定义为共面线的开关器件。RF-MEMS开关1最好包括一衬底2(例如，硅衬底或兰宝石衬底)和形成在衬底2上、定义为一RF信号导通单元的一共面线3(共面波导(CPW)线)。该共面线3是用来传输RF信号的线，并包括一个信号线3s和二根接地线3g1和3g2。该信号线3s设置在接地线3g1和3g2之间，但不与它们相接触。该信号线3s和接地线3g1和3g2最好由例如金或其它合适材料构成的导电薄膜组成。该信号线3s和接地线3g1和3g2的厚度设置为所需的厚度。例如，该厚度最好约为2微米。例如，在第一较佳实施例中，至少约为5兆赫的RF信号在共面线3中流动。
一上部构件4(例如，玻璃衬底)设置在衬底2上面，构件和衬底之间有间距。上部构件4用其之间的固定单元5(5a和5b)固定在衬底2上。可移动元件6设置在衬底2和上部构件4之间的空间中。该可移动元件6与共面线3的上部相分离，并面向信号线3s和共面线3的接地线3g1和3g2的某些部分。可移动元件6用设置在其中间的横杆7(7a和7b)和支承器8(8a和8b)支撑，使得该可移动元件6能向接近或离开衬底2的方向移动。
可移动元件6最好是一框架，由例如用金(Au)或其它合适材料组成的导电薄膜定义的二个可移动电极10(10a和10b)，设置在该可移动元件6的衬底2的一侧的表面上。可移动电极10a和10b设置在共面线3的信号导通方向(信号线3s的纵向方向)上，其中间有间距。图2A是设置在衬底2上面的可移动元件连同横杆7(7a和7b)和支承器8(8a和8b)的结构的透视示意图。图2B是沿图2A中线A-A’所取的剖面示意图。
图3A是一简化的例图，表示从上部构件看到的可移动元件6、可移动电极10(10a和10b)和共面线3的位置关系。图3B是一例图，表示从侧面看到的可移动电极10(10a和10b)和共面线3的位置关系。如图3A和3B中所示，可移动电极10(10a和10b)设置成穿过共面线3的接地线3g1、信号线3s和接地线3g2，并其中间有间距地面对信号线3s和接地线3g1和3g2。
虽然信号线3s和接地线3g1和3g2的宽度和它们之间的间距没有特别限制，但是，例如在图3A中，夹在可移动电极10a和10b之间的区域中的信号线3s和接地线3g1之间的间距的宽度W1和信号线3s和接地线3g2之间的间距的宽度W3，用W1＝W3＝约41微米来表示，夹在可移动电极10a和10b之间的区域中的信号线3s的宽度W2，用W2＝约30微米来表示。相反，没有夹在可移动电极10a和10b之间的区域中的信号线3s和接地线3g1之间的间距的宽度W4和信号线3s和接地线3g2之间的间距的宽度W6，用W4＝W6＝约31微米来表示，没有夹在可移动电极10a和10b之间的区域中的信号线3s的宽度W5，用W5＝约50微米来表示。因此，在第一较佳实施例中，夹在可移动电极10a和10b之间的区域中的信号线3s的宽度小于没有夹在可移动电极10a和10b之间的区域中的信号线3s的宽度。同样，在RF-MEMS开关1中信号线3s的整个长度最好为2毫米。
如图1B所示，在第一较佳实施例中，保护绝缘薄膜11设置在可移动电极10a和10b的表面。例如，绝缘薄膜11最好由诸如氮化硅或其它合适材料的绝缘材料组成。绝缘薄膜11是非常薄的薄膜，其厚度约为如0.1微米。
上部构件4包括在面对可移动元件6的部分中的一凹口4a，面对可移动元件6的固定电极12(12a和12b)设置在凹口4a的内表面上。通孔13a、13b和13c设置在上部构件4的表面。通孔13a和13b从上部构件4的表面分别延伸至固定电极12a和12b。通孔13c从上部构件4的表面延伸至支承器8b。电极极板14a、14b和14c设置在上部构件4的表面，并分别与通孔13a、13b和13c相连。
在第一较佳实施例中，可移动元件6最好由高电阻率半导体构成。高电阻率半导体对RF信号(例如，大约为或大于5兆赫的信号)起着绝缘体的作用，对低频信号(例如，大约为或小于100千赫的信号)和直流信号起着一电极的作用。在第一较佳实施例中，定义可移动元件6的高电阻率半导体具有的电阻率的范围从大约1,000欧姆厘米至大约10,000欧姆厘米。在第一较佳实施例中，横杆7和支承器8最好由相同材料构成。
作为高电阻率半导体的例子的高电阻率硅，具有下列介电损耗(tanδ)特性。如图8中实线所示，在较高的频率，由玻璃构成的绝缘体的介电损耗随着频率增加而增加。相反，虽然高电阻率硅在较高频率时起着绝缘体的作用，但是高电阻率硅的介电损耗随着频率的增加而降低，如图8中实线A所示。在图8中，实线A代表具有约为2,000欧姆厘米电阻率的高电阻率硅的值。实线a包围的区域的值是实验值，其它为参考值。实线B代表的值是Pyrex(注册商标)玻璃的参考值。
在第一较佳实施例中，至少约5兆赫的RF信号在共面线3中流动，由高电阻率半导体构成的可移动元件6相对于RF信号的介电损耗相等于或优于由绝缘体构成的可移动元件的介电损耗特性。
如上所述，在第一较佳实施例中，由于由高电阻率半导体构成的可移动元件6自身对直流信号(DC电压)起着一电极的作用，所以，可移动元件6和固定电极12a和12b定义了用作移动该可移动元件6的可移动元件移动单元。更具体地说，经由电极极板14a、14b和114c和通孔13a、13b和13c在可移动元件6和固定电极12(12a和12b)之间施加一外部直流电压，产生可移动元件6和固定电极12之间的静电引力。如图1B中的箭头B所示，可移动元件6由此静电引力向着固定电极12被吸引。因此，在可移动元件6和固定电极12之间产生的静电引力移动该可移动元件6。换句话说，在第一较佳实施例中，可移动元件6和固定电极12定义了一可移动元件移动单元，用来把可移动电极10a和10b同时移动接近或离开共面线3。
同样，在第一较佳实施例中，当在可移动元件6和固定电极12(12a和12b)之间没有施加外部直流电压时，可移动电极10上的绝缘薄膜11与共面线3相接触或邻近共面线3。当可移动电极10上的绝缘薄膜11与共面线3相接触或邻近共面线3时，可移动电极10和共面线3之间的间距几乎相等于绝缘薄膜11的厚度(例如，0.1微米)，从而增加可移动电极10和共面线3之间的电容。
例如，如图11A和11B所示，已知RF-MEMS开关配置只有一个可移动电极10。图11A是一透视示意图，表示在配置只有一个可移动电极10的现有RF-MEMS开关中设置在衬底2上的可移动元件6连同横杆7(7a和7b)和支承器8(8a和8b)的结构的例子。图11B是沿图11A中线A-A’所取的剖面示意图。
一个可移动电极10和共面线3的位置关系示于图12A的平面图、图12B的侧视图和图14A的透视图。同样，图13A是图12B所示可移动电极10和共面线3的等效电路图。在图中，C1代表可移动电极10和接地线3g1之间的电容，C2代表可移动电极10和接地线3g2之间的电容，C3代表可移动电极10和信号线3s之间的电容。同样，LS1和RS1分别代表在接地线3g1处的可移动电极10的电感和电阻。LS2和RS2分别代表在接地线3g2处的可移动电极10的电感和电阻。
图13A所示的等效电路用示于图13B(图14B)的系统结构图来表示。电容C用方程式，C＝1/((1/C1+C2)+(1/C3))来计算，电感LS用方程式，LS＝1/((1/LS1)+(1/LS2))来计算，电阻RS用方程式，RS＝1/((1/RS1)+(1/RS2))来计算。
当把注意力仅放在根据第一较佳实施例的RF-MEMS开关1中的可移动电极10中的一个电极，可移动电极10中的一个电极和共面线3的等效电路用如上所述来表示。但是，由于二个可移动电极10(10a和10b)设置成其中间在第一较佳实施例的共面线3的信号传导方向上有间距，所以，可移动电极10a和10b和共而线3的等效电路用图4A中所示来表示。
根据第一较佳实施例的RF-MEMS开关1设计成，可移动电极10和共面线3中间的电容C的增加使得图4A中所示等效电路中串联LC谐振频率f大体相等于在信号线3s中流动的RF信号的频率(换句话说，f＝1/{2π(LS·CDOWN)}，其中，CDOWN代表当可移动电极10降低时的等效串联电容；而可移动电极10和共而线3中间的电容C的增加是由可移动元件6向衬底2降低造成可移动电极10和共面线3中间的间距的减少而引起的。通常，如图11A所示的只配置一个可移动开关的现有RF-MEMS开关设计成如图13B所示的等效电路的相同方式。
结果是当可移动电极10降低时，从信号线3s通过可移动电极10观看接地侧，LC电路的阻抗(可移动电极10附近的共面线3的信号线3s和接地之间的阻抗)减少到一很小值，如RS＝约0.1至约1欧姆。换句话说，从信号线3s通过可移动电极10观看接地侧，出现等同于短路的状态。因此，共面线3的传导RF信号如在图4B中等效电路图中箭头D所示的面向可移动电极10的共面线3处被反射，共面线3的RF信号的传导被断开。
同样，在离开衬底2方向上移动可移动元件6，即向上移动可移动元件6且增加可移动电极10和共面线3之间的间距达例如接近3微米，就减少可移动电极10和共面线3之间的电容C，从而从信号线3s通过可移动电极10观看接地侧会极大地增加阻抗。换句话说，从信号线3s通过可移动电极10观看接地侧，出现等同于开路的状态。因此，共面线3的信号传导被接通，如图4C中等效电路图中箭头U所示那样。
换句话说，在根据第一较佳实施例的RF-MEMS开关1中，当可移动电极10移动接近共面线3而处在信号被断开的位置时，共面线3中的RF信号在面向可移动电极10处被反射，断开RF信号的传导。同样，当可移动电极10移动离开共面线3而处在信号被接通的位置时，共面线3中的RF信号在面向可移动电极10处被反射，共面线3的RF信号的传导被接通。
在第一较佳实施例中，位于二个可移动电极10a和10b之间的共面线3定义为长度小于或等于共面线3的传导RF信号的四分之一波长的传输线，因为位于二个可移动电极10a和10b之间的共面线3提供高于系统阻抗的特性阻抗。因此，位于二个可移动电极10a和10b之间的共面线3定义了一匹配电路。
更具体地说，位于二个可移动电极10a和10b之间的共面线3之间的特性阻抗和线长度可进行优化设计，以更加方便地传送信号，即在可移动电极10上升时，根据下列方程式极大地减少反射。
Z1＝Z0/sinθ(1)1/(ωCUP)-ωLS＝Z0/cosθ (2)其中，Z0表示系统阻抗。θ表示位于二个可移动电极10a和10b之间的共面线3的电气长度，并在θ约为90度时获得λ/4(λ表示共面线3的传导RF信号的波长)。同样，ω表示共面线3的传导RF信号的角频率。CUP表示当位于可移动电极10a和10b上升时位于二个可移动电极10a和10b中每根电极的等效串联电容。LS表示可移动电极10a和10b中每根电极的等效串联阻抗。
换句话说，在第一较佳实施例中，考虑到当可移动电极10a和10b上升时位于二个可移动电极10a及10b和共面线3之间的电容，位于二个可移动电极10a和10b之间的共面线3的长度设计成，当可移动电极10a和10b上升时(当可移动电极10处在信号被接通的位置)，位于二个可移动电极10a和10b之间的共面线3的电气长度大体等于共面线3的传导RF信号的波长λ的四分之一或在期望的误差之内。这里，位于可移动电极10a和10b之间的共面线3的电气长度不同于它们的物理长度。电气长度是共面线3的传导RF信号的电气长度，根据共面线3的传导RF信号的频率而变化。同样，可移动电极10a及10b和共面线3之间的电容C(CUP)受位于可移动电极10a和10b之间的共面线3的电气长度的影响。因此，位于可移动电极10a和10b之间的共面线3的电气长度，由于C(CUP)的卷入，大于位于可移动电极10a和10b之间的共面线3的物理长度。
在第一较佳实施例中，由于考虑到可移动电极10a及10b和共面线3的电容C(CUP)，位于可移动电极10a和10b之间的共面线3的电气长度(在此为夹在可移动电极10a和10b中间的共面线3的电气长度)被设定为大体等于共面线3的传导RF信号的波长的四分之一或在期望的误差之内，所以，当可移动电极10a和10b上升时，RF信号的反射就极大地降低。这是下列原因造成的。
由于当可移动电极10a和10b上升时(当共面线3的传导RF信号接通时)，可移动电极10a及10b和共面线3之间产生非常小的电容CUP，故共面线3的传导RF信号的一部分被位于共面线3位置处的可移动电极10a和10b反射，如图4C中箭头d所示。在第一较佳实施例中，由于设置来二个可移动电极10a和10b，当RF信号在从可移动电极10a往可移动电极10b的方向上传送，在面向可移动电极10b的共面线3位置处反射的RF信号(被反射的信号Sb)朝可移动电极10a方向返回，使RF信号(被反射的信号Sb)与在面向可移动电极10a的共面线3位置处反射的RF信号(被反射的信号Sa)相混合。
在第一较佳实施例中，由于位于可移动电极10a和10b之间的共面线3的电气长度大体等于共面线3的传导RF信号的波长的四分之一，被反射信号Sb在被反射信号Sb和被反射信号Sa混合过程中超前约λ/2。换句话说，当被反射信号Sa具有如图4D中实线Sa所示的波形，与被反射信号Sa相混合的被反射信号Sb具有如图4D中实线Sb所示的波形。被反射信号Sb具有与被反射信号Sa大体相反的相位。因此，被反射信号Sa和Sb，在相互混合时相互抵消，以致混合信号的振幅近似为零。
因此，由于在根据第一较佳实施例的RF-MEMS开关1中设置了二个可移动电极10a和10b，且位于可移动电极10a和10b之间的共面线3的电气长度大体等于第一实施例中的传导RF信号的波长的四分之一，故在共面线3的RF信号的传导接通时，相混合被反射信号的振幅，与现有的包含只有一个可移动电极10的RF-MEMS开关和在开关中只产生如图14A中箭头D所示的一个反射信号的情况相比由于被反射信号Sa和Sb相混合而极大地减少。
现结合图3A上面优化设计的一个特殊例子。其中，Z0＝50欧姆(如信号线3s的线宽W5为约50微米，信号线3s和接地线3g1之间的间距的宽度W4和信号线3s和接地线3g2之间的间距的宽度W6为约31微米)，θ＝53度(如位于可移动电极10a和10b之间的信号线3s的长度I2为约232微米，射频信号的频率为约76.5兆赫)，Z1＝63欧姆(如位于可移动电极10a和10b之间的信号线3s的线宽W2为约30微米，信号线3s和接地线3g1之间的间距的宽度W1和信号线3s和接地线3g2之间的间距的宽度W3为约41微米)，I1＝844微米，IS＝924微米，RS＝0.25欧姆，CUP＝20fF和LS＝43.28pH。在此例中，RF信号的频率和插入损耗之间的关系用图5中特性曲线表示，RF信号的频率和回程损耗之间的关系用图6中特性曲线表示。这里，图3A是示意图，图3A中的I1、I2和I3的长度与上述值不相对应。
图5和图6中特性曲线b分别表示只配置了一个可移动电极10的图11中所示的现有RF-MEMS开关的插入损耗的频率特性和回程损耗的频率特性。特性曲线b是在如上所述的条件下获得的，即Z0＝50欧姆，RS＝0.25欧姆，CUP＝20fF和LS＝43.28pH，而图11中所示的长度I1和I2设定为I1＝1,000微米和I2＝1,000微米。
如图5和图6所示，在根据第一较佳实施例的RF-MEMS开关1中，同时移动多个可移动电极10(10a和10b)，与现有的包含只有一个可移动电极10的RF-MEMS开关和在开关相比，极大地消除了输入至共面线3的以76.5兆赫为中心的RF信号的波长的回程损耗，并也极大地减少了插入损耗。
而且，在第一较佳实施例中，当可移动电极10a和10b降低时，信号被阻断。图7中的特性曲线a代表绝缘特性。相反，图7中的特性曲线b代表现有的包含只有一个可移动电极10的RF-MEMS开关的绝缘特性。如特性曲线a和b所示，与现有的包含只有一个可移动电极10的RF-MEMS开关相比，根据第一较佳实施例的RF-MEMS开关1极大地改善了绝缘特性。这里，图7中所示的特性曲线a和b分别表示在图5和图6中所示的特性曲线a和b的相同条件下获得的绝缘特性，而CDOWN＝100fF条件除外。
如上所述，根据第一较佳实施例的RF-MEMS开关1极大地降低了开关的插入损耗和回程损耗，并极大地改善来开关的绝缘特性。
同样，在第一较佳实施例中，支撑配置二个可移动电极10的可移动元件的横杆7和支承器8的结构可用与现有的包含只有一个可移动电极10的RF-MEMS开关的结构相类似的方式构成。同样，通过用极大降低的功率消耗同时操作可移动电极10a和10b来实现接通和断开。
再者，在第一较佳实施例中，可移动元件6最好包括一高电阻率半导体。这样，可移动元件6自身如上所述构成了可移动元件移动单元的一电极。因此，无需在可移动元件6上提供一电极来构成可移动元件移动单元，从而简化了RF-MEMS开关1的结构和制造工艺。因此，RF-MEMS开关1的成本极大地降低。
包括一高电阻率半导体的可移动元件6也构成RF信号的绝缘体，可移动元件6的介电损耗小于或等于绝缘体的介电损耗，这就减少了RF信号的传播损耗。近年来，信号的频率已增加。由较高频率范围(参看图8在实线B)的绝缘体组成的可移动元件的介电损耗的增加，使可移动元件不利地增加了信号的传播损耗。相反，由于根据第一较佳实施例的可移动元件6包括高电阻率半导体，可移动元件6的介电损耗随着信号频率的增加而减少(参看图8中实线B)。这样，通过增加信号的频率，可减少由于可移动元件6的传播损耗。因此，根据第一较佳实施例的结构在将来会变得更有用。
如果共面线3和可移动电极10(10a和10b)相互直接耦合，虽然能提供一具有宽带绝缘特性的开关而与RF相互的频率无关，但是，通过添加至电阻RS的接触电阻组件，电阻RS会增加，从而使信号损耗也增加。相反，在第一较佳实施例中，由于共面线3和可移动电极10(10a和10b)通过其中间的电容相互耦合，故消除了共面线3和可移动电极10(10a和10b)之间的接触电阻，从而极大地抑制了信号损耗。
现在将说明本发明的第二较佳实施例。在第二较佳实施例说明中，与第一较佳实施例相同的元件用相同的标号，并在此省略对那些相同元件的说明。
在第二较佳实施例中，省略了如图1所示用于传导地把可移动元件6连接至其外侧的通孔13c和电极极板14c。采用了这种结构，可移动元件6为电气地浮动。根据第二较佳实施例的结构除这点例外之外，与第一较佳实施例的结构相类似。因此，获得了与第一较佳实施例相类似的优点。同样，省略了通孔13c和电极极板14c的根据第二较佳实施例的结构，比根据第一较佳实施例的结构更简单，因而降低了制造成本。
现在将说明本发明的第三较佳实施例。在第三较佳实施例说明中，与第一和第二较佳实施例相同的元件用相同的标号，并在此省略对那些相同元件的说明。
本发明的第三较佳实施例，如图9所示，固定电极12被设置在可移动元件6的下面。换句话说，固定电极12设置在衬底2上使其面向可移动元件6的一部分。虽然在第一较佳实施例和第二较佳实施例中设置了图1B中所示的上构件4以便在可移动元件6上配置固定电极12，在第三较佳实施例中省略了构件4，因为固定电极12设置在衬底2上面。同样，在第三较佳实施例中，可移动元件6经由替代上构件4的固定单元16(16a和16b)用该单元之间配置的横杆7(7a和7b)固定在衬底2上面。
在第三较佳实施例中，由于固定电极12设置在衬底2上，施加在可移动元件6和固定电极12之间的直流电吸引可移动元件6向衬底2方向。这样，当在可移动元件6和固定电极12之间的不施加直流电压时，在可移动电极10上的绝缘薄膜11和共面线3之间提供了间距，且可移动电极10上升，如图9所示。这减少了可移动电极10和共面线3之间的电容，因而共面线3的RF信号的传导被接通。当在可移动元件6和固定电极12之间的施加直流电压时，吸引可移动元件6向衬底2方向，且可移动电极10下降。这就增加了可移动电极10和共面线3之间的电容，因而共面线3的RF信号的传导被断开。
在第三较佳实施例中，省略了图1B所示的上构件4，因而简化了第三较佳实施例的结构和制造过程。
虽然在第三较佳实施例中省略了上构件4，即使如在第三较佳实施例中那样在衬底2上设置了固定电极12，但是，可以如在第一较佳实施例和第三较佳实施例中那样，配置上构件4和固定单元5以保护可移动元件6并气密封接配置可移动元件6的区域。
本发明不局限于第一较佳实施例至第三较佳实施例，其它的实施例是可能的。例如，虽然在第一较佳实施例和第二较佳实施例中，在衬底2的两侧配置了把上构件4固定在衬底2上面的固定单元5，但不特别局限于固定单元5的结构。例如，该固定单元5可设置在衬底2的四侧，使配置可移动元件6的区域被固定单元5包围。希望采用这种结构的固定单元5，且配置上构件4以气密封接设置可移动元件6的区域。
虽然在第一较佳实施例至第三较佳实施例中，共面线配置成RF信号传导单元，但是，可配置例如微带线作为RF信号传导单元。
虽然在上述每个较佳实施例中，使用高电阻率硅作为构成可移动元件6的高电阻率半导体，但是，可移动元件6可由例如砷化镓或它合适的材料组成的高电阻率的半导体来构成。
此外，可移动元件6可由对RF信号具有绝缘性能半导体或由绝缘体构成。在这种情况下，例如，可移动电极20可设置在面向固定电极12的位置处，如图9中虚线所示。可移动电极20和固定电极12起着借助施加在固定电极12和可移动电极20之间直流电压而产生的静电引力把可移动元件6向固定电极12移动的可移动元件移动单元的作用。同样，可移动元件移动单元和可移动元件6起着把所有可移动电极10(10a和10b)同时向接近或离开共面线3的方向移动的可移动电极移动单元的作用。
再者，虽然在第一较佳实施例至第三较佳实施例中，在可移动电极10上设置了绝缘薄膜11，但是，绝缘薄膜11可配置在面向可移动电极10的共面线3的部分上。或者，绝缘薄膜11可配置在相互面对的可移动电极10的表面和共面线表面上。
此外，虽然在第一较佳实施例至第三较佳实施例中，可移动元件6配置了二个可移动电极10，但是，可移动元件6可配置三根或更多的可移动电极10。或者，通过设置每个可移动元件由一个可移动电极10构成的多个可移动元件6，使多个可移动电极10之间在RF信号传导单元的信号传导方向上有间距地排列。此外，通过设置每个可移动元件由多个可移动电极10构成的多个可移动元件6，使多个可移动电极10之间在RF信号传导单元的信号传导方向上有间距地排列。当配置了三个以上的可移动电极10，夹在可移动电极10之间的RF信号传导单元的电气长度以下述方式设定，即在面向可移动电极10的RF信号传导单元的位置中反射的RF信号的混合信号的振幅，小于在面向可移动电极10的RF信号传导单元的位置中反射的每个信号的振幅。
同样，虽然在第一较佳实施例至第三较佳实施例中使用了分流开关，但是，通过使共面线3的RF信号传导单元和相互面向的可移动电极10相分离或至少一部分直接接触，RF信号传导单元的RF信号的传导可被接通或断开。在这种情况下，设置二个可移动电极10a和10b的RF-MEMS开关的等效电路分别由图10A和10B表示。
换句话说，图10A所示的等效电路表示可移动电极10a和10b直接接触共面线3(可移动电极10a和10b设置在信号被断开的位置)的状态。在这种情况下，共面线3的信号线3s经由可移动电极10a和10b直接接地短路。这样，RF信号在与可移动电极10a和10b相接触的共面线3的位置处被反射，如图10A中箭头D所示，且共面线3的RF信号的传导被断开。
图10B所示的等效电路表示可移动电极10a和10b与共面线3有间距，即可移动电极10a和10b设置在信号被断开的位置的状态。在这种情况下，可移动电极10a和10b和共面线3之间的电容CUP变小，当从信号线3s通过可移动电极10a和10b观看接地时，出现等同于开路的状态。这样，共面线3的RF信号的导通被接通。如上所述，当可移动电极10a和10b上升时，可移动电极10a和10b直接接触共面线3的这种开关和根据第一较佳实施例至第三较佳实施例的分流开关处于相同状态。
在可移动电极10a和10b直接接触共面线3的情况下，可移动电极10a和10b之间的间距、当可移动电极10a和10b设置在信号被接通的位置时可移动电极10a和10b和共面线3之间的间距和夹在可移动电极10a和10b之间的共面线3的长度在下述状况下被设定，即夹在可移动电极10a和10b之间的共面线3的电气长度大体等于，如第一较佳实施例至第三较佳实施例中，当可移动电极10a和10b设置在信号被接通的位置时共面线3的传导RF信号的波长λ的四分之一。因而，即使可移动电极10(10a和10b)与共面线3直接接触的这种开关，如第一较佳实施例至第三较佳实施例那样，也减少插入损耗和回程损耗。这里，即使可移动电极10与共面线3直接接触的这种开关，其频率特性大体保持恒定绝缘，与共面线3的传导RF信号的频率无关，如图7中虚线表示的特性曲线c所示。可移动电极10与共面线3直接接触的这种开关通过设置多个可移动电极10来改善绝缘。
本发明不局限于上述较佳实施例中的每个实施例，并可在权利要求书中所述的范围内进行各种修改。恰当地把不同较佳实施例中的每个例子中所揭示的技术特点组合而成的实施例包括在本发明的技术范围内。
权利要求
1.一种RF-MEMS开关，所述开关包括一衬底；设置在该衬底上的RF信号传导单元；多个可移动电极，其之间在RF信号传导单元的信号传导方向上有间距，且设置在RF信号传导单元的上面；和可移动电极，用来把多个可移动电极同时向接近或离开RF信号传导单元的方向移动；其特征在于，当所有的多个可移动电极由可移动电极移动单元在离开RF信号传导单元的方向上移动而被设置在信号接通的位置时，RF信号传导单元的RF信号的传导被接通；当所有的多个可移动电极由可移动电极移动单元在接近RF信号传导单元的方向上移动而被设置在信号断开的位置时，RF信号传导单元的RF信号的传导被断开；和夹在多个可移动电极之间的RF信号传导单元的电气长度为以下状态，即当多个可移动电极设置在信号接通的位置时，在面向多个可移动电极的RF信号传导单元位置处所反射的由RF信号组成的混合信号的振幅小于在面向多个可移动电极的RF信号传导单元位置处反射的每个信号的振幅。
2.如权利要求1所述的RF-MEMS的开关，其特征在于，所述多个可移动电极包括一对可移动电极，且当该对可移动电极由可移动电极移动单元被设置在信号接通的位置，夹在该对可移动电极之间的RF信号传导单元的电气长度大体相等于RF信号传导单元所传导的RF信号的波长的四分之一。
3.如权利要求1所述的RF-MEMS的开关，其特征在于，所述开关进一步包括设置在RF信号传导单元表面和可移动电极表面中至少一个表面上的绝缘薄膜，RF信号传导单元的表面面向着可移动电极的表面。
4.如权利要求1所述的RF-MEMS的开关，其特征在于，所述RF信号传导单元包括共面线和微带线中的一种，RF-MEMS开关是用来接通或断开共面线或微带线信号的传导的分流开关器件，具有利用可移动电极和RF信号传导单元之间电容的变化作为RF信号传导单元的功能。
5.如权利要求1所述的RF-MEMS的开关，其特征在于，所述RF-MEMS开关是一种分流开关器件，通过分离或直接接触相互面对的可移动电极的一部分和RF信号传导单元的方式之一，来接通或断开RF信号传导单元的信号的传导。
6.一种RF-MEMS开关，所述开关包括一衬底；设置在该衬底上的RF信号传导单元；可移动元件，设置在衬底上面，相互之间有间距，且面对RF信号传导单元的至少一部分；设置在可移动元件上面且面对RF信号传导单元的多个可移动电极；和可移动元件移动单元，用来使可移动元件向接近或离开RF信号传导单元的方向移动；其特征在于，多个可移动电极以相互之间有间距在RF信号传导单元的信号传导方向上被设置；和位于多个可移动电极之间的RF信号传导单元定义为传输线，其长度小于或等于RF信号传导单元的传导信号的波长的四分之一，使位于多个可移动电极之间的RF信号传导单元具有大于系统阻抗的特性阻抗。
7.如权利要求6所述的RF-MEMS的开关，其特征在于，所述开关进一步包括设置在衬底上且面对可移动元件一部分的固定电极，其中，可移动元件包括定义为RF信号的绝缘体和低频信号和直流信号的电极的高电阻率半导体，且固定电极和可移动元件定义为可移动元件移动单元，该可移动元件移动单元利用施加在固定电极和可移动元件之间的直流电压所产生的静电引力使可移动元件向固定电极方向移动。
8.如权利要求6所述的RF-MEMS的开关，其特征在于，所述开关进一步包括其之间有间距的面向可移动元件的顶部部分的上构件，和设置在上构件上、面向可移动元件的至少一部分的固定电极，其中，可移动元件包括定义为RF信号的绝缘体和低频信号和直流信号的电极的高电阻率半导体，且固定电极和可移动元件定义为可移动元件移动单元，该可移动元件移动单元利用施加在固定电极和可移动元件之间的直流电压所产生的静电引力使可移动元件向固定电极方向移动。
9.如权利要求6所述的RF-MEMS的开关，其特征在于，所述RF信号传导单元包括共面线和微带线中的一种，RF-MEMS开关是一种用来接通或断开共面线或微带线信号传导的分流开关器件，利用可移动电极和RF信号传导单元之间的电容变化起着RF信号传导单元的作用。
10.如权利要求6所述的RF-MEMS的开关，其特征在于，所述RF-MEMS开关是一种分流开关器件，通过离开和直接接触互相面向的可移动电极的至少一部分和RF信号传导单元，接通或断开RF信号传导单元的信号的传导。
11.如权利要求6所述的RF-MEMS的开关，其特征在于，所述开关进一步包括设置在衬底上且面向可移动元件的一部分的固定电极，和设置在与固定电极相对应的可移动元件的位置处用来移动可移动电极的可移动元件，其中，可移动元件包括对RF信号具有具有性能的半导体或绝缘体，移动可移动电极的可移动元件和固定电极定义为可移动元件移动单元，利用施加在固定电极和移动可移动电极的可移动元件之间的直流电压所产生的静电引力使可移动元件向固定电极方向移动。
12.一种RF-MEMS开关，所述开关包括一衬底；设置在该衬底上的RF信号传导单元；多个可移动电极，其之间在RF信号传导单元的信号传导方向上有间距，且其之间有间距地设置在衬底的上面，并面对RF信号传导单元的至少一部分；可移动元件，设置在相应可移动元件上，并面对RF信号传导单元；和可移动元件移动单元，利用静电引力使可移动元件向接近或离开RF信号传导单元的方向移动；其特征在于，位于多个可移动电极之间的RF信号传导单元定义为传输线，其长度小于或等于RF信号传导单元的传导信号的波长的四分之一，使位于多个可移动电极之间的RF信号传导单元具有大于系统阻抗的特性阻抗。
13.如权利要求12所述的RF-MEMS的开关，其特征在于，所述可移动元件包括多个可移动电极，所述多个电极以其之间在RF信号传导单元的信号传导方向上有间距地被设置。
14.如权利要求12所述的RF-MEMS的开关，所述开关进一步包括设置在衬底上且面对可移动元件一部分的固定电极，其特征在于，可移动元件包括定义为RF信号的绝缘体和低频信号和直流信号的电极的高电阻率半导体，且固定电极和可移动元件定义为可移动元件移动单元，该可移动元件移动单元利用施加在固定电极和可移动元件之间的直流电压所产生的静电引力使可移动元件向固定电极方向移动。
15.如权利要求12所述的RF-MEMS的开关，所述开关进一步包括其之间有间距的面向可移动元件的顶部部分的上构件，和设置在上构件上、面向可移动元件的至少一部分的固定电极，其特征在于，可移动元件包括定义为RF信号的绝缘体和低频信号和直流信号的电极的高电阻率半导体，且固定电极和可移动元件定义为可移动元件移动单元，该可移动元件移动单元利用施加在固定电极和可移动元件之间的直流电压所产生的静电引力使可移动元件向固定电极方向移动。
16.如权利要求12所述的RF-MEMS的开关，其特征在于，所述开关进一步包括设置在RF信号传导单元和可移动电极的表面中至少一个表面的绝缘薄膜，RF信号传导单元的表面面对着可移动电极表面。
17.如权利要求12所述的RF-MEMS的开关，其特征在于，所述RF信号传导单元包括共面线和微带线中的一种，RF-MEMS开关是一种用来接通或断开共面线或微带线信号传导的分流开关器件，利用可移动电极和RF信号传导单元之间的电容变化起着RF信号传导单元的作用。
18.如权利要求12所述的RF-MEMS的开关，其特征在于，所述RF-MEMS开关是一种分流开关器件，通过离开和直接接触互相面向的可移动电极的至少一部分和RF信号传导单元，接通或断开RF信号传导单元的信号的传导。
19.如权利要求12所述的RF-MEMS的开关，所述开关进一步包括设置在衬底上且面向可移动元件的一部分的固定电极，和设置在与固定电极相对应的可移动元件的位置处用来移动可移动电极的可移动元件，其特征在于，可移动元件包括对RF信号具有绝缘性能的半导体或绝缘体，移动可移动电极的可移动元件和固定电极定义为可移动元件移动单元，利用施加在固定电极和移动可移动电极的可移动元件之间的直流电压所产生的静电引力使可移动元件向固定电极方向移动。
全文摘要
一种RF－MEMS开关包括其之间在RF信号传导单元的RF信号传导的方向上有间距地设置在该RF信号传导单元上面的多个可移动电极。该开关设置了可移动电极移动单元，用来使所有可移动电极同时向接近或离开RF信号传导单元的相同方向移动。夹在可移动电极之间的RF信号传导单元的电气长度用以下状态设定，当可移动电极从离开RF信号长度单元方向移动且RF信号传导单元的信号传导被接通时，使得由包含在面向可移动电极的RF信号传导单元位置处反射的信号的混合信号的振幅小于在面向可移动电极的RF信号传导单元位置处反射的每个信号的振幅。
文档编号H01H59/00GK1519875SQ200310122590
公开日2004年8月11日 申请日期2003年12月12日 优先权日2002年12月12日
发明者川合浩史 申请人:株式会社村田制作所