专利名称：一种双稳态单晶硅梁射频微机电系统开关的制作方法
技术领域：
本发明涉及微电子技术中的微机电系统(MEMS)应用中的射频(RF) MEMS技术领域，尤其涉及一种双稳态单晶硅梁射频微机电系统开关。
背景技术：
在微机电系统制造技术中，射频微机电系统(RFMEMS)幵关是用 光刻技术制作的小型化机械器件，用于射频和微波频率电路中的信号处 理，是一项将能对现有雷达和通信中射频结构产生重大影响的新技术。目前，在RFMEMS技术主要研究领域中，适用于RF系统的有调谐 电容、感应器、滤波器和微机械开关。其中最常见的射频MEMS控制元 件，被认为是核心器件的微波传输线开关。RFMEMS幵关与目前的射频 系统中所用的电控开关(PIN 二极管或GaAsFET)不同，它没有半导体pn 结或金属半导体结，靠机械移动实现对信号传输线的开/断控制，能在高 频段维持很高的绝缘指标，插入损耗很低(可小于0.2dB，而PIN或FET的 插入损耗总大于ldB)，隔离性能很好，互调失真极低，因此与PIN等半导 体控制元件相比，其使用截止频率高得多(有时是后者的数倍)。因此RF MEMS开关，是提供低插损、高隔离、高线性、低功耗的新一代开关元 件。RFMEMS开关由机械部分(执行)和电学部分(驱动)构成。开关 的电学部分可以用串联或者并联方式排列，可以是金属接触或电容接触。 驱动方式有静电，电磁，压电或者热原理。相对于其他驱动方式，电磁驱 动有以下特点驱动力大，驱动距离远可以达几百微米；驱动电压低，小 于5伏，控制电路简单，便于器件集成；开关动作大，可以达到很高的隔 离度；响应速度快，可以缩短开关时间。如图l、图2和图3所示，图l是传统的镍铁单臂梁电磁驱动开关的结构 示意图，图2是传统的镍铁单臂梁电磁驱动开关接通时的示意图，图3是传统的镍铁单臂梁电磁驱动开关断开时的示意图。当线圈2中通过足够大的 电流时，将会产生一个磁通。所产生的磁通大部分集中于线圈平面的中心， 这样有利于增大引力，保证悬臂梁3获得足够的形变，以使线圈所产生的 磁场足以驱动继电器开关的动作。这样上部镍铁悬臂梁3将会被磁化，从 而弯曲与接触电极l接触，这时继电器闭合如图2所示。当驱动电流被切断时，悬臂梁依靠自身的弹力将会复位，从而继电器断开如图3所示。但是，传统的电磁驱动RFMEMS开关持续消耗能量，能耗较大， 开关时间较长，而且结构复杂，加工难度大制作工艺复杂。发明内容(一) 要解决的技术问题有鉴于此，本发明的一个目的在于提供一种双稳态单晶硅梁射频微机 电系统开关，以解决现有电磁驱动RF MEMS开关存在的缺陷，降低功 耗，改善开关的稳定性，降低加工的复杂度。(二) 技术方案为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的一种双稳态单晶硅梁射频微机电系统开关，该射频微机电系统开关包 括电磁驱动部分和悬臂梁可动部分，电磁驱动部分和悬臂梁可动部分采用 对准键合方式结合在一起；电磁驱动部分具有铁心铁壳和永磁体，通过在 平面线圈加电流产生的磁场与永磁体的磁场相叠加来改变整体磁场的方 向，从而使悬臂梁可动部分动作，实现触点通断。优选地，所述电磁驱动部分包括硅衬底12，电磁线圈13，镍铁合金 的铁心和铁壳11和永磁体14，电磁线圈13位于镍铁合金铁心和铁壳11 之间，通过多层电镀金形成方形结构；两个镍铁合金的铁心和铁壳11分 别位于电磁驱动部分的左右两边，铁心和铁壳通过电镀形成；永磁体14 装配在硅衬底12的背面。优选地，所述电磁驱动部分上表面的两端分别进一步包括一射频传输 单元IO，采用电镀金形成共面波导传输线，减少高频信号的干扰，而且电 磁驱动部分与共面波导传输线隔离，避免驱动部分的电磁信号对高频信号的干扰。优选地，所述电磁线圈13为采用电镀方式形成的双层平面驱动线圈， 被镍铁合金的铁心和铁壳11包围，减少漏磁，增加电磁吸力，使悬臂梁 动作幅度大，从而提高开关的隔离度。优选地，所述电磁线圈13的形状为方形，厚度为IO微米，宽度为10 微米。优选地，所述镍铁合金的铁心和铁壳11采用电镀方式形成，其厚度为30微米。优选地，所述永磁体14为永磁铁。优选地，所述悬臂梁可动部分包括扭摆梁7，镍铁合金层6和金触点 5，扭摆梁7为单晶硅制作成的跷跷板结构，在扭摆梁7的一侧对称的淀 积有两个镍铁合金层6，在镍铁合金层6靠近跷跷板结构两端的部分对称 的淀积有两个金触点5，当扭摆梁7动作时通过金触点5与传输线触点的 接触来实现信号的接通。优选地，所述由单晶硅制作成的跷跷板结构的扭摆梁7厚度为20微 米，在减小驱动电压的情况下增加恢复力，提高开关寿命。优选地，所述镍铁合金层6淀积在扭摆梁7上，保证电磁驱动部分的 磁感线通过镍铁合金层6形成磁通路，从而吸引扭摆梁动作。优选地，所述金触点5与所述射频传输单元10在电磁驱动部分和悬 臂梁可动部分对准键合时位置对应。优选地，所述镍铁合金层6与所述镍铁合金的铁心和铁壳11在电磁 驱动部分和悬臂梁可动部分对准键合时位置对应。优选地，所述金触点5淀积在扭摆梁7上表面的两端，当扭摆梁7动 作时通过金触点5与射频传输单元10中共面波导传输线触点的接触来实 现信号的接通。优选地，所述镍铁合金的铁心和铁壳11与所述镍铁合金层6形成左 右两个磁回路，所述永磁体14提供一定的磁动势，两个铁心电磁线圈13 绕向相反；通电流后，电磁线圈13产生的磁场与永磁体14的磁场相叠加，从而 改变产生的电磁力的大小；当通入的控制电流使左侧的电磁线圈13产生的磁场与永磁体14产生 的磁场正向叠加时，使左侧气隙处磁通增大，吸引力增大，吸引扭摆梁7 上镍铁合金层6下移，而右侧情况相反，结果使左端拉下右端翘起从而左侧传输线导通，右侧断开；断电后，靠永磁体14产生的磁通维持此状态；电磁线圈13通入相反方向的电流后，将会使左端翘起右端下移，右侧传输线导通，左侧断开。 (三)有益效果从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果1、 利用本发明，由于采用了永磁体，下移的触点无需驱动器持续出 力，此时的磁作用力同时提供触点接触的压力，使开关的接入电阻维持在 较低的值，因此稳定开关的状态不需要维持电压，从而降低了功耗，又解 决了电磁驱动的散热问题。2、 利用本发明，采用对准键合工艺将电磁驱动部分和悬臂梁可动部分结合在一块装配永磁体以后，实现了双稳态，稳态保持无需功耗，从而 减小功耗。3、 利用本发明，悬臂梁可动部分的扭摆梁有20微米厚的单晶硅制作成"跷跷板"结构，可以在减小驱动电压的情况下增加恢复力，从而提高 开关寿命。4、 利用本发明，镍铁合金层淀积在扭摆梁上，来保证驱动部分的磁 感线通过镍铁层形成磁通路，从而吸引扭摆梁动作；金触点淀积在扭摆梁 上表面的两端，当扭摆梁动作时通过金触点与传输线触点的接触来实现信 号的接通。并且无应力的单晶硅做成扭摆结构的悬臂梁，可以克服薄膜应 力变形的缺点，同时采用扭摆式结构解决了单臂梁回复力不够开关寿命短 的缺点，同时釆用键合工艺可以克服传统释放牺牲层使悬臂梁与下层粘连 的问题。5、 利用本发明，射频传输单元在电磁驱动部分上表面的两端，采用 电镀金形成共面波导传输线，减少了高频信号的干扰，而且驱动部分与共 面波导传输线隔离，避免了驱动部分的电磁信号对高频信号的干扰。6、 利用本发明，单晶硅扭摆梁部分采用20微米厚的单晶硅制作，单 晶硅自身无应力，可以做出大尺寸不弯曲的结构；同时利用无应力的单晶硅悬臂梁来抵消镍铁层的应力，从而降低了悬臂梁弯曲变形，单晶硅扭摆梁结构两端加电压驱动恢复克服了传统RFMEMS开关回复力小的致命弱 点，开关寿命增大。7、 利用本发明，电磁驱动部分采用电镀双层平面驱动线圈，线圈厚 度10微米宽度10微米，电镀30微米厚的镍铁合金的铁心和外壳，可以 使漏磁大大减少，增加电磁吸力，从而可以减小驱动电压。
图1是传统的镍铁单臂梁电磁驱动开关的结构示意图； 图2是传统的镍铁单臂梁电磁驱动开关接通时的示意图； 图3是传统的镍铁单臂梁电磁驱动幵关断开时的示意图； 图4为本发明提供的双稳态单晶硅梁RF MEMS开关的结构示意图； 图5为本发明提供的双稳态单晶硅梁RF MEMS开关中电磁驱动部分 的结构示意图；图6为本发明提供的双稳态单晶硅梁RF MEMS开关中电磁驱动部分 的剖面图；图7为本发明提供的双稳态单晶硅梁RFMEMS开关中悬臂梁可动部 分的结构示意图；图8为本发明提供的双稳态单晶硅梁RFMEMS开关中悬臂梁可动部 分的剖面图；图9为本发明提供的双稳态单晶硅梁RFMEMS开关整体的剖面图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实 施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。本发明提供的这种双稳态单晶硅梁RF MEMS开关，是基于图l、图 2和图3所示传统的镍铁单臂梁电磁驱动开关的实现原理制作的，但采用 的创新结构，解决了传统镍铁单臂梁因内应力弯曲变形，单臂梁恢复力不够和开关寿命短的问题，同时减小了功耗。如图4所示，图4为本发明提供的双稳态单晶硅梁RF MEMS开关的 结构示意图，该射频微机电系统幵关包括电磁驱动部分和悬臂梁可动部分，电磁驱动部分和悬臂梁可动部分采用对准键合方式结合在一起；电磁驱动部分具有铁心铁壳和永磁体，通过在平面线圈加电流产生的磁场与永 磁体的磁场相叠加来改变整体磁场的方向，从而使悬臂梁可动部分动作， 实现触点通断。如图5所示，图5为本发明提供的双稳态单晶硅梁RFMEMS开关中 电磁驱动部分的结构示意图。该电磁驱动部分包括硅衬底12，电磁线圈 13，镍铁合金的铁心和铁壳11和永磁体14，电磁线圈13位于镍铁合金铁 心和铁壳11之间，通过多层电镀金形成方形结构；两个镍铁合金的铁心 和铁壳11分别位于电磁驱动部分的左右两边，铁心和铁壳通过电镀形成； 永磁体14装配在硅衬底12的背面。所述电磁驱动部分上表面的两端分别进一步包括一射频传输单元10， 采用电镀金形成共面波导传输线，减少高频信号的干扰，而且电磁驱动部 分与共面波导传输线隔离，避免驱动部分的电磁信号对高频信号的干扰。所述电磁线圈13为采用电镀方式形成的双层平面驱动线圈，被镍铁 合金的铁心和铁壳11包围，减少漏磁，增加电磁吸力，使悬臂梁动作幅 度大，从而提高开关的隔离度。所述电磁线圈13的形状为方形，厚度为10微米，宽度为10微米。所述镍铁合金的铁心和铁壳11采用电镀方式形成，其厚度为30微米。 电镀30微米厚的镍铁合金的铁心和外壳11，可以使漏磁大大减少，增加 电磁吸力，从而可以减小驱动电压。所述永磁体14 一般为永磁铁。为进一步详细说明本发明提供的双稳态单晶硅梁RF MEMS开关中电 磁驱动部分的结构，图6示出了本发明提供的双稳态单晶硅梁RF MEMS 开关中电磁驱动部分的剖面图。如图7所示，图7为本发明提供的双稳态单晶硅梁RF MEMS开关中 悬臂梁可动部分的结构示意图。该悬臂梁可动部分采用电磁驱动的方式， 包括扭摆梁7，镍铁合金层6和金触点5，扭摆梁7为单晶硅制作成的跷跷板结构，在扭摆梁7的一侧对称的淀积有两个镍铁合金层6，在镍铁合 金层6靠近跷跷板结构两端的部分对称的淀积有两个金触点5，当扭摆梁7动作时通过金触点5与传输线触点的接触来实现信号的接通。所述由单晶硅制作成的跷跷板结构的扭摆梁7厚度为20微米，单晶 硅自身无应力，可以做出大尺寸不弯曲的结构；同时利用无应力的单晶硅 悬臂梁来抵消镍铁合金层6的应力，从而降低悬臂梁弯曲变形，单晶硅扭 摆梁结构两端加电压驱动恢复克服了传统RFMEMS开关回复力小的致命 弱点，从而提高开关寿命。所述镍铁合金层6淀积在扭摆梁7上，保证电磁驱动部分的磁感线通 过镍铁合金层6形成磁通路，从而吸引扭摆梁动作。所述金触点5与所述射频传输单元10在电磁驱动部分和悬臂梁可动 部分对准键合时位置对应。所述镍铁合金层6与所述镍铁合金的铁心和铁壳11在电磁驱动部分 和悬臂梁可动部分对准键合时位置对应。所述金触点5淀积在扭摆梁7上表面的两端，当扭摆梁7动作时通过 金触点5与射频传输单元10中共面波导传输线触点的接触来实现信号的 接通。为进一步详细说明本发明提供的双稳态单晶硅梁RF MEMS开关中悬 臂梁可动部分的结构，图6示出了本发明提供的双稳态单晶硅梁RFMEMS 开关中悬臂梁可动部分的剖面图。本发明提供的这种双稳态单晶硅梁RFMEMS开关具体的驱动过程如 下所述镍铁合金的铁心和铁壳11与所述镍铁合金层6形成左右两个磁 回路，所述永磁体14提供一定的磁动势，两个铁心电磁线圈13绕向相反。 通电流后，电磁线圈13产生的磁场与永磁体14的磁场相叠加，从而改变 产生的电磁力的大小。当通入的控制电流使左侧的电磁线圈13产生的磁 场与永磁体14产生的磁场正向叠加时，使左侧气隙处磁通增大，吸引力 增大，吸引扭摆梁7上镍铁合金层6下移，而右侧情况相反，结果使左端 拉下右端翘起从而左侧传输线导通，右侧断开。断电后，靠永磁体14产 生的磁通维持此状态。电磁线圈13通入相反方向的电流后，将会使左端 翘起右端下移，右侧传输线导通，左侧断开。另外，图9还示出了本发明提供的双稳态单晶硅梁RF MEMS开关整体的剖面图。从图9可以看出，采用对准键合工艺将电磁驱动部分和单晶硅扭摆梁 部分结合在一块装配永磁体14以后，可以实现双稳态，稳态保持无需功 耗，从而减小功耗。左侧线圈通入一定电流后，通电线圈产生的磁场与永 磁铁的磁场相叠加，从而改变产生的电磁力的大小，从而使左侧向下偏移， 使单晶硅梁的上触点与下面的共面波导传输线接触，左侧传输线导通，右、'以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行 了迸一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而 已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修 改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1. 一种双稳态单晶硅梁射频微机电系统开关，其特征在于，该射频微机电系统开关包括电磁驱动部分和悬臂梁可动部分，电磁驱动部分和悬臂梁可动部分采用对准键合方式结合在一起；电磁驱动部分具有铁心铁壳和永磁体，通过在平面线圈加电流产生的磁场与永磁体的磁场相叠加来改变整体磁场的方向，从而使悬臂梁可动部分动作，实现触点通断。
2、 根据权利要求1所述的双稳态单晶硅梁射频微机电系统开关，其 特征在于，所述电磁驱动部分包括硅衬底(12)，电磁线圈(13)，镍铁合 金的铁心和铁壳(11)和永磁体(14)，电磁线圈(13)位于镍铁合金铁 心和铁壳(11)之间，通过多层电镀金形成方形结构；两个镍铁合金的铁 心和铁壳(11)分别位于电磁驱动部分的左右两边，铁心和铁壳通过电镀 形成；永磁体(14)装配在硅衬底(12)的背面。
3、 根据权利要求2所述的双稳态单晶硅梁射频微机电系统开关，其 特征在于，所述电磁驱动部分上表面的两端分别进一步包括一射频传输单 元(10)，采用电镀金形成共面波导传输线，减少高频信号的干扰，而且 电磁驱动部分与共面波导传输线隔离，避免驱动部分的电磁信号对高频信 号的干扰。
4、 根据权利要求2所述的双稳态单晶硅梁射频微机电系统开关，其 特征在于，所述电磁线圈(13)为釆用电镀方式形成的双层平面驱动线圈，被镍 铁合金的铁心和铁壳(11)包围，减少漏磁，增加电磁吸力，使悬臂梁动 作幅度大，从而提高开关的隔离度；所述电磁线圈(13)的形状为方形，厚度为IO微米，宽度为IO微米； 所述镍铁合金的铁心和铁壳(11)采用电镀方式形成，其厚度为30 微米；所述永磁体(14)为永磁铁。
5、 根据权利要求1所述的双稳态单晶硅梁射频微机电系统开关，其 特征在于，所述悬臂梁可动部分包括扭摆梁(7)，镍铁合金层(6)和金 触点(5)，扭摆梁(7)为单晶硅制作成的跷跷板结构，在扭摆梁(7)的一侧对称的淀积有两个镍铁合金层(6)，在镍铁合金层(6)靠近跷跷板 结构两端的部分对称的淀积有两个金触点(5)，当扭摆梁(7)动作时通过金触点(5)与传输线触点的接触来实现信号的接通。
6、 根据权利要求5所述的双稳态单晶硅梁射频微机电系统开关，其特征在于，所述由单晶硅制作成的跷跷板结构的扭摆梁(7)厚度为20微米，在 减小驱动电压的情况下增加恢复力，提高开关寿命；所述镍铁合金层(6)淀积在扭摆梁(7)上，保证电磁驱动部分的磁 感线通过镍铁合金层(6)形成磁通路，从而吸引扭摆梁动作。
7、 根据权利要求3或5所述的双稳态单晶硅梁射频微机电系统幵关， 其特征在于，所述金触点(5)与所述射频传输单元(10)在电磁驱动部 分和悬臂梁可动部分对准键合时位置对应。
8、 根据权利要求2或5所述的双稳态单晶硅梁射频微机电系统开关， 其特征在于，所述镍铁合金层(6)与所述镍铁合金的铁心和铁壳(11)在电磁驱 动部分和悬臂梁可动部分对准键合时位置对应；所述金触点(5)淀积在扭摆梁(7)上表面的两端，当扭摆梁(7) 动作时通过金触点(5)与射频传输单元(10)中共面波导传输线触点的 接触来实现信号的接通。
9、 根据权利要求2或5所述的双稳态单晶硅梁射频微机电系统开关， 其特征在于，所述镍铁合金的铁心和铁壳(11)与所述镍铁合金层(6) 形成左右两个磁回路，所述永磁体(14)提供一定的磁动势，两个铁心电 磁线圈(13)绕向相反；通电流后，电磁线圈(13)产生的磁场与永磁体(14)的磁场相叠加， 从而改变产生的电磁力的大小；当通入的控制电流使左侧的电磁线圈(13)产生的磁场与永磁体(14) 产生的磁场正向叠加时，使左侧气隙处磁通增大，吸引力增大，吸引扭摆 梁(7)上镍铁合金层(6)下移，而右侧情况相反，结果使左端拉下右端 翘起从而左侧传输线导通，右侧断开；断电后，靠永磁体(14)产生的磁通维持此状态；电磁线圈(13)通入相反方向的电流后，将会使左端翘起右端下移， 右侧传输线导通，左侧断开。
全文摘要
本发明涉及射频微机电系统技术领域，公开了一种双稳态单晶硅梁射频微机电系统开关，该射频微机电系统开关包括电磁驱动部分和悬臂梁可动部分，电磁驱动部分和悬臂梁可动部分采用对准键合方式结合在一起；电磁驱动部分具有铁心铁壳和永磁体，通过在平面线圈加电流产生的磁场与永磁体的磁场相叠加来改变整体磁场的方向，从而使悬臂梁可动部分动作，实现触点通断。利用本发明，该射频微机电系统开关工作电压比较低，驱动力大，工作次数高，功耗比较低，接触电阻小隔离度高，控制电路简单，适用于较大功率射频通讯电路。
文档编号H01H51/01GK101276705SQ20071006487
公开日2008年10月1日 申请日期2007年3月28日 优先权日2007年3月28日
发明者叶甜春, 景玉鹏, 李全宝, 毅 欧, 陈大鹏 申请人:中国科学院微电子研究所