电热驱动的面内双稳态射频微开关制造技术

一种微机电技术领域的电热驱动的面内双稳态射频微开关，包括：电热驱动机构、机械闭锁机构和信号转换机构，其中：电热驱动机构位于机械闭锁机构的正下方，机械闭锁机构与信号转换机构相连接。本发明专利技术利用一对闭锁触头实现机械锁定，稳态保持时不需要持续功耗。同时充分发挥电热驱动器驱动力大、位移功率密度高、便于集成制造的优势，用作本开关机械闭锁结构的致动形式。该开关结构简单，适于一体制造，具有可预见的ＲＦ特性，存在批量制造和实际应用的可能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是一种微机电系统
的装置，具体是一种电热驱动的面内双稳态射频微开关。
技术介绍
近些年来，射频微机电系统技术(RF MEMS)已经在民用和军用方面都展现出巨大 的潜力，其中的一个很重要的领域就是RF MEMS开关。就目前常见的开关而言，以晶体管和 二极管为主的半导体开关，功率容量低，电阻损耗高，并且截止频率进一步提高的速度正在 逐渐减缓；电子机械开关的功率容量大，但是功耗大，工作速度相当慢，并且只能在低频段 使用。而RF MEMS开关既综合了半导体开关和机械开关的优点，又克服了他们的缺点；电阻 损耗低，隔离度非常高，功率容量大，而功耗小到可以忽略。 在MEMS开关中，无功耗实现稳态保持正在成为大家日益追逐的一个目标。与利 用磁路锁定相比，新颖的机械闭锁结构不管在工艺制备还是器件复杂性上都具有明显的优 点。静电驱动是MEMS开关中目前使用最普遍的驱动形式，然而静电驱动一般需要几十伏的 驱动电压，这与目前互补式金属氧化物半导体(CMOS)标准的控制电压不匹配。而利用电热 驱动，驱动电压一般不超过5V，与CMOS标准相兼容，并且同等条件下开关的接触力最大。此 外，机械闭锁结构一般需要较大的驱动力，热驱动的能量密度最高，驱动力最大，因此最适 合作为机械闭锁结构的致动形式。 经过对现有技术的检索发现，Joo-Young Choi等人在EKC2008 Proceedings of theEU-Korea Conference on Science and Technology (1998年欧洲抓韩国科技会议论文 集第135-142页)上发表RF MEMS switch using silicon cantilevers(利用硅悬臂梁 实现的射频微机电系统开关)的一篇文章。该文献中报道了一种面外硅悬臂梁结构，该结 构具有弹簧单元和闭锁机构，在受到外部热膨胀力驱动下能够实现双稳态，并且稳态保持 不需要持续功耗。利用这种结构他们成功地制备了一个热力驱动的RF MEMS双稳态开关， 并且具有出色的RF特性。但是该开关需要额外的外部组装，体积很大，开关响应非常慢，因 而不适合大规模批量生产，并且过慢的开关速率也限制了它的实际应用。 进一步检索发现，Medea Cesar Degbe等人在International Symposium on Signals, Systems and Flectronics， 2007 (2007年信号、系统和电子国际研讨会论文 集547-550页)上发表了 Design of a radio-frequency bistable switch using a thermalactuation on a dielectric membrane(—种利用热驱动的在介质薄膜上制备的 射频双稳态开关的设计)。该文献设计了两个带有金属触点的悬臂梁，通过不同的交叠顺 序，触点处于不同的位置，从而能够通断在介质薄膜上的信号线。虽然这种设计貌似简单， 但是显然不适合利用微机械加工技术实现一体的集成制造，并且对于装配的精度要求非常 高；另外，在最初始状态中悬臂梁已经一直处于受力状态，器件的疲劳寿命受到很大影响。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术存在的上述不足，提供一种电热驱动的面内双稳态射频微开 关，利用一对闭锁触头实现机械锁定，稳态保持时不需要持续功耗。同时充分发挥电热驱动器 驱动力大、位移功率密度高、便于集成制造的优势，用作本开关机械闭锁结构的致动形式。该 开关结构简单，适于一体制造，具有可预见的RF特性，存在批量制造和实际应用的可能。 本专利技术是通过以下技术方案实现的，本专利技术包括电热驱动机构、机械闭锁机构和 信号转换机构，其中电热驱动机构位于机械闭锁机构的正下方，机械闭锁机构与信号转换 机构相连接。所述的电热驱动机构包括主驱动器电极、电热主驱动器、副驱动器电极和电热副驱动器，其中主驱动器电极与电热主驱动器相连，副驱动器电极与电热副驱动器相连，电热主驱动器和电热副驱动器的末端分别正对机械闭锁机构相对设置并不相接触。所述的信号转换机构包括柔性杆、接触头和信号线，其中柔性杆的一端与机械 闭锁机构相连，另一端与接触头相连，接触头与信号线相对设置且不相接触。 所述的机械闭锁机构包括两个固定锚、主悬臂梁、副悬臂梁、主闭锁触头和副闭锁触头，其中主悬臂梁的外端和副悬臂梁的外端分别与两个固定锚相连接，主悬臂梁的内端和副悬臂梁的内端分别与主闭锁触头和副闭锁触头相连接，主闭锁触头与信号转换机构相连，主闭锁触头与副闭锁触头相对设置且不相接触。 本专利技术工作时，通过对主驱动器电极施加脉冲电信号，电热主驱动器受热膨胀实 现纵向运动，从而推动主悬臂梁运动，主闭锁触头向上推动副闭锁触头。两闭锁触头相互作 用，并在主悬臂梁的梁向形成一个力分量，弹簧结构使得悬臂梁的梁向和纵向刚度都大为 减少，因而该悬臂梁有旋转和压縮的倾向，从而让主闭锁触头能够更容易地拨开副闭锁触 头，减小了对热驱动器驱动力的要求。在主悬臂梁运动的同时，柔性杆也做纵向运动，接触 头压合信号线。当电热主驱动器回复时，主悬臂梁也有回复运动的趋势，但是副闭锁触头对 其起到阻碍作用。主闭锁触头的弧形扣合在副闭锁触头上，两个悬臂梁搭接在一起形成稳 态结构。在柔性杆的调节作用下，接触头一直压合在信号线上，实现了开关开的功能。同 理，当对副驱动器电极施加脉冲电信号时，副闭锁触头拨开主闭锁触头，主悬臂梁返回初始 位置，接触头也随之与信号线脱离，开关断开。 与目前基于MEMS技术制备的射频微开关相比，本专利技术具有显著的技术优势。首 先，本专利技术能够利用现有的微机械加工技术完全实现集成制造，不需要额外的装配，有利于 实现批量制造。其次，本专利技术采用面内的运动方式，占用空间小，满足平面化生产和应用的 要求。另外，利用机械锁定实现稳态保持，仅在状态切换的过程中需要能量输入，从而显著 降低了开关功耗。最后，采用了电热驱动机构、机械闭锁机构和信号转换机构各个功能单元 分列设计的思路，开关的整体设计不会受某个部件的优化改动而影响。比如在改进信号转 换机构传输线设计提高开关RF特性的同时，不会影响开关的其他部分。附图说明 图1为本专利技术立体结构示意图； 图2为本专利技术正面俯视图； 图3为实施例的信号转换机构立体结构示意 图中1主驱动器电极、2V型阵列电热主驱动器、3副驱动器电极、4V型阵列电热副 驱动器、5固定锚、6主悬臂梁、7主闭锁触头、8副闭锁触头、9副悬臂梁、10柔性杆、11接触 头、12信号线、13绝缘电介质层。具体实施例方式下面对本专利技术的实施例作详细说明，本实施例在以本专利技术技术方案为前提下进行 实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施 例。 如图1所示，本实施例包括主驱动器电极1、电热主驱动器2、副驱动器电极3、电 热副驱动器4、固定锚5、主悬臂梁6、主闭锁触头7、副闭锁触头8、副悬臂梁9、柔性杆10、接 触头11、信号线12和绝缘电介质层13，其中主驱动器电极1与电热主驱动器2相连，副驱 动器电极3与电热副驱动器4相连，电热主驱动器2和电热副驱动器4的末端分别正对主 悬臂梁6和副悬臂梁9相对设置并不相接触，主悬臂梁6的外端本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电热驱动的面内双稳态射频微开关，包括：电热驱动机构、机械闭锁机构和信号转换机构，其特征在于：电热驱动机构位于机械闭锁机构的正下方，机械闭锁机构与信号转换机构相连接；所述的电热驱动机构包括：主驱动器电极、电热主驱动器、副驱动器电极和电热副驱动器，其中：主驱动器电极与电热主驱动器相连，副驱动器电极与电热副驱动器相连，电热主驱动器和电热副驱动器的末端分别正对机械闭锁机构相对设置并不相接触；所述的信号转换机构包括：柔性杆、接触头和信号线，其中：柔性杆的一端与机械闭锁机构相连，另一端与接触头相连，接触头与信号线相对设置且不相接触。

【技术特征摘要】
一种电热驱动的面内双稳态射频微开关，包括电热驱动机构、机械闭锁机构和信号转换机构，其特征在于电热驱动机构位于机械闭锁机构的正下方，机械闭锁机构与信号转换机构相连接；所述的电热驱动机构包括主驱动器电极、电热主驱动器、副驱动器电极和电热副驱动器，其中主驱动器电极与电热主驱动器相连，副驱动器电极与电热副驱动器相连，电热主驱动器和电热副驱动器的末端分别正对机械闭锁机构相对设置并不相接触；所述的信号转换机构包括柔性杆、接触头和信号线，其中柔性杆的一端与机械闭锁机构相连，另一端与接触头相连，接触头与信号线相对设置且不相接触。2. 根据权利要求1所述的电热驱动的面内双稳态射频微开关，其特征是，所述的机械 闭锁机构包括两个固定锚、主悬臂梁、副悬臂梁、主闭锁触头和副闭锁触头，其中主悬臂 梁的外端和副悬臂梁的外端分别与两个固定锚相连接，主悬臂梁的内端和副悬臂梁的内端 分别与主闭锁触头和副闭锁触头相连接，主闭锁触头与信号转换机构相连，主闭锁触头与 副闭锁触头相对设置且不相接触。3. 根据权利要求1所述的电热驱动的面内双稳态射频微开关，其特征是，所述的电...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪红，毛胜平，吴义伯，汤俊，丁桂甫，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]