一種耐沖擊硅梁mems復(fù)合開關(guān)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種耐沖擊硅梁MEMS復(fù)合開關(guān)，包括起承載作用的玻璃片與作為可動結(jié)構(gòu)層的硅片，并采用陽極鍵合工藝將玻璃片和硅片鍵合為一體。該硅梁MEMS復(fù)合開關(guān)由兩個驅(qū)動方向相反的側(cè)向運動的硅梁MEMS子開關(guān)和一個公共接觸塊串聯(lián)組成，能夠保證在加速度小于20000g條件下保持斷開狀態(tài)，在加速度小于8000g的條件下保持閉合狀態(tài)。本發(fā)明解決了MEMS開關(guān)在大沖擊力的作用下出現(xiàn)閉合現(xiàn)象，為MEMS開關(guān)在高沖擊條件下的應(yīng)用提供了新的解決方案。
【專利說明】一種耐沖擊硅梁MEMS復(fù)合開關(guān)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種復(fù)合開關(guān)，特別是一種耐沖擊硅梁MEMS復(fù)合開關(guān)。
【背景技術(shù)】
[0002]作為RF系統(tǒng)最基本元件，MEMS開關(guān)結(jié)合了常規(guī)機械開關(guān)的優(yōu)良射頻特性和微電子批量生產(chǎn)的優(yōu)勢，具備低插入損耗、高隔離度、寬帶寬(0.1GHz?120GHz)、極低互調(diào)失真、近零驅(qū)動功耗、低成本集成能力，具有其極廣闊的應(yīng)用前景。但是由于MEMS開關(guān)含有可動結(jié)構(gòu)，在受到高沖擊時，MEMS開關(guān)的機械可動結(jié)構(gòu)(懸臂梁、固支梁等)在外界沖擊力的作用下將產(chǎn)生振動。如果沖擊足夠大，使梁與觸點相接處，造成開關(guān)成導(dǎo)通狀態(tài)，將會使系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)錯誤信號，對設(shè)備安全性和穩(wěn)定性造成極大危害。MEMS開關(guān)在高沖擊條件下的閉合現(xiàn)象已成為MEMS開關(guān)在產(chǎn)品化設(shè)計和實際應(yīng)用中面臨的最大問題。
[0003]針對在高沖擊下MEMS開關(guān)的閉合問題，傳統(tǒng)MEMS開關(guān)的解決方案是增加梁的彈性系數(shù)，提高梁對外界沖擊的穩(wěn)定性，但這一方案的副效應(yīng)是驅(qū)動電壓隨著梁的彈性系數(shù)的增加而顯著升高，以及因此而產(chǎn)生的觸點壽命、梁的使用壽命和介質(zhì)層電荷注入等諸多問題，使得這一方案可行性大打折扣。因此，設(shè)計出一種切實可行的、能夠在高沖擊條件下不會發(fā)生閉合情況的MEMS開關(guān)對MEMS開關(guān)的應(yīng)用顯得至關(guān)重要。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]發(fā)明目的:本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有的MEMS開關(guān)在高沖擊條件下出現(xiàn)閉合現(xiàn)象的問題。
[0005]
【發(fā)明內(nèi)容】
:本發(fā)明的技術(shù)方案如下:一種耐沖擊硅梁MEMS復(fù)合開關(guān)，該MEMS復(fù)合開關(guān)包括玻璃承載片和位于玻璃承載片上的兩個完全相同但驅(qū)動方向相反的硅梁。
[0006]作為優(yōu)化，所述兩個硅梁具有相同的諧振頻率和模態(tài)等特性，且相互平行。
[0007]作為優(yōu)化，兩硅梁之間設(shè)置一個公共接觸塊。
[0008]作為優(yōu)化，所述玻璃承載片上設(shè)置有驅(qū)動電壓偏置線和介質(zhì)層。
[0009]作為優(yōu)化，所述硅片包括結(jié)構(gòu)層和錨區(qū)，結(jié)構(gòu)層包括微波地、微波端口、驅(qū)動電極和驅(qū)動電壓輸入端。
[0010]作為優(yōu)化，所述硅梁與驅(qū)動電極之間由成“由”字形的阻擋塊隔離，阻擋塊包括阻擋塊錨區(qū)和由阻擋塊錨區(qū)伸出來的阻擋觸點。
[0011]作為優(yōu)化，結(jié)構(gòu)層采用低微波損耗的高阻材料，結(jié)構(gòu)層各個部分經(jīng)干法刻蝕工藝刻蝕透。
[0012]作為優(yōu)化，錨區(qū)尺寸在DRIE釋放結(jié)構(gòu)層尺寸上向內(nèi)縮進。
[0013]工作原理:當施加驅(qū)動電壓時，兩個硅梁受靜電力驅(qū)動同時與公共接觸塊接觸，開關(guān)閉合形成微波信號通路，MEMS復(fù)合開關(guān)成導(dǎo)通狀態(tài)。當驅(qū)動電壓為70V時，開關(guān)能夠在垂直于梁方向上SOOOg加速度作用下保持閉合狀態(tài)。在開關(guān)無驅(qū)動電壓驅(qū)動并受到外界沖擊時，由于開關(guān)閉合方向相反，在20000g加速度的作用下一個子開關(guān)向公共接觸塊方向運動導(dǎo)通，另一個子開關(guān)背向公共接觸塊方向運動斷開，此時MEMS復(fù)合開關(guān)成斷開狀態(tài)。
[0014]若開關(guān)受到瞬間高沖擊且突然消失，兩個子開關(guān)的梁受恢復(fù)力作用各自處于振動狀態(tài)。若兩個子開關(guān)的梁劇烈振動并同時與公共接觸塊發(fā)生接觸，則會造成復(fù)合開關(guān)出現(xiàn)瞬間的導(dǎo)通狀態(tài)。針對這一隱患，本發(fā)明中兩個子開關(guān)被設(shè)計成完全一致，具有相同的諧振周期T。由于兩子開關(guān)的梁在擺動過程中各自路徑不同，故兩開關(guān)的梁與公共接觸塊碰撞存在時間差A(yù)t。由于兩個子開關(guān)具有相同的諧振周期，各自與公共接觸塊的碰撞之間的時間差A(yù)t將會保持不變。因此，兩子開關(guān)不會在沖擊過后出現(xiàn)同一時間都與公共接觸塊碰撞而造成瞬間導(dǎo)通現(xiàn)象。進一步考慮在實際應(yīng)用中的空氣阻尼和碰撞的動能損耗，開關(guān)可動結(jié)構(gòu)與公共接觸塊碰撞次數(shù)非常有限，進一步保證整個復(fù)合開關(guān)在沖擊后不會存在瞬間導(dǎo)通現(xiàn)象。
[0015]有益效果:本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比:本發(fā)明通過在耐沖擊硅梁MEMS復(fù)合開關(guān)上設(shè)計兩個完全相同但驅(qū)動方向相反的硅梁解決了 MEMS開關(guān)在高沖擊條件下出現(xiàn)的閉合現(xiàn)象，為MEMS開關(guān)在高沖擊條件下的應(yīng)用提供了新的解決方案并且在實現(xiàn)上述功能的前提下，該發(fā)明設(shè)計不增加MEMS開關(guān)制備的工藝難度，能夠保證RF MRMS開關(guān)小體積、低成本的優(yōu)點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明的正面俯視示意圖；
[0017]圖2是本發(fā)明的背面俯視(錨區(qū)結(jié)構(gòu))示意圖；
[0018]圖3是本發(fā)明在沖擊條件下工作示意圖；
[0019]圖4是本發(fā)明的工藝流程圖。
【具體實施方式】
[0020]如圖1所示，本發(fā)明包括:微波端口 101、102，子MEMS開關(guān)的梁103a、103b，子MEMS開關(guān)的驅(qū)動電極104a、104b，阻擋塊105a、105b，公共接觸塊106，微波信號地107，驅(qū)動電壓輸入端108，玻璃片109，驅(qū)動電壓偏置線1010，Si3N4絕緣保護層1011。
[0021]如圖2所示，本發(fā)明從底部俯視(錨區(qū)結(jié)構(gòu))如下:微波端口錨區(qū)201、202，子MEMS開關(guān)的驅(qū)動電極錨區(qū)204a、204b，阻擋塊錨區(qū)205a、205b，公共接觸塊錨區(qū)206，微波地錨區(qū)207，驅(qū)動電壓輸入端錨區(qū)208。
[0022]兩個硅梁具有相同的諧振頻率和模態(tài)等特性，且相互平行。并且于兩硅梁之間設(shè)置一個公共接觸塊。驅(qū)動電壓偏置線和介質(zhì)層設(shè)置于玻璃承載片上。硅梁與驅(qū)動電極之間由成“由”字形的阻擋塊隔離，阻擋塊包括阻擋塊錨區(qū)和由阻擋塊錨區(qū)伸出來的阻擋觸點。結(jié)構(gòu)層采用高阻硅，GaAs，SiC等低微波損耗的高阻材料，結(jié)構(gòu)層各個部分經(jīng)DRIE等干法刻蝕工藝刻蝕透。錨區(qū)尺寸在DRIE釋放結(jié)構(gòu)層尺寸上向內(nèi)縮進。
[0023]如圖3所示，在外界沖擊作用下，本發(fā)明工作原理描述如下:當開關(guān)受到外界沖擊(如圖中箭頭方向所示)時，子開關(guān)梁103a向遠離公共接觸塊向運動，呈斷開狀態(tài)；子開關(guān)梁103b向公共接觸塊方向運動，與公共接觸塊接觸呈導(dǎo)通狀態(tài)。若此時有微波信號由端口102進入本發(fā)明的MEMS復(fù)合開關(guān)，信號由端口 102通過子開關(guān)梁103b到達公共接觸塊，但此時子開關(guān)梁103a呈斷開態(tài)，信號無法通過，故整個復(fù)合開關(guān)成斷開狀態(tài)。當外加沖擊瞬間消失，子開關(guān)梁103a在恢復(fù)力作用下，向公共接觸塊方向運動；子開關(guān)梁103b在恢復(fù)力作用下，向遠離公共接觸塊方向運動。若梁103a在恢復(fù)力作用下與公共接觸塊接觸；而梁103b在恢復(fù)力作用下達到離公共接觸塊最遠點后，再在梁的恢復(fù)力作用下向公共接觸塊方向運動，并與公共接觸塊發(fā)生二次接觸。若兩子開關(guān)在此過程中同時接觸公共接觸塊，則復(fù)合開關(guān)有可能發(fā)生瞬間導(dǎo)通狀態(tài)。針對此隱患，本發(fā)明中將兩子開關(guān)設(shè)計成完全一致，使其具有相同的諧振周期T。由于兩開關(guān)的梁103a、103b與公共接觸塊碰撞存在時間差A(yù)t，當兩個子開關(guān)具有相同的諧振周期，各自與公共接觸塊的接觸之間的時間差A(yù)t將會保持不變。因此，兩子開關(guān)不會出現(xiàn)在同一時間都與公共接觸塊碰撞而造成瞬間導(dǎo)通現(xiàn)象。進一步考慮在實際應(yīng)用中的空氣阻尼和碰撞的動能損耗，開關(guān)可動結(jié)構(gòu)與公共接觸塊碰撞次數(shù)非常有限，進一步保證整個復(fù)合開關(guān)在沖擊后不會存在瞬間導(dǎo)通現(xiàn)象。
[0024]如圖4所示，本發(fā)明的工藝流程包括:(a)玻璃承載片上制備薄膜電阻、驅(qū)動電壓電路和介質(zhì)層；(b)在硅片正面DRIE刻蝕形成錨區(qū)和驅(qū)動電壓接觸點；(c)陽極鍵合，將硅片和玻璃承載片鍵合在一起；(d)硅片背面減薄至硅結(jié)構(gòu)層厚度(刨除錨區(qū)厚度)為20um?60um ；(e) DRIE刻蝕釋放結(jié)構(gòu)；(f)濺射Au，形成微波信號傳輸線。
【權(quán)利要求】
1.一種耐沖擊硅梁MEMS復(fù)合開關(guān)，其特征在于，該MEMS復(fù)合開關(guān)包括玻璃承載片和位于玻璃承載片上的兩個完全相同但驅(qū)動方向相反的硅梁。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耐沖擊硅梁MEMS復(fù)合開關(guān)，其特征在于，所述兩個硅梁具有相同的諧振頻率和模態(tài)等特性，且相互平行。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耐沖擊硅梁MEMS復(fù)合開關(guān)，其特征在于，兩硅梁之間設(shè)置一個公共接觸塊。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耐沖擊硅梁MEMS復(fù)合開關(guān)，其特征在于，所述玻璃承載片上設(shè)置有驅(qū)動電壓偏置線和介質(zhì)層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耐沖擊硅梁MEMS復(fù)合開關(guān)，其特征在于，所述硅片包括結(jié)構(gòu)層和錨區(qū)，結(jié)構(gòu)層包括微波地、微波端口、驅(qū)動電極和驅(qū)動電壓輸入端。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的耐沖擊硅梁MEMS復(fù)合開關(guān)，其特征在于，所述硅梁與驅(qū)動電極之間由成“由”字形的阻擋塊隔離，阻擋塊包括阻擋塊錨區(qū)和由阻擋塊錨區(qū)伸出來的阻擋觸點。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的耐沖擊硅梁MEMS復(fù)合開關(guān)，其特征在于，結(jié)構(gòu)層采用低微波損耗的高阻材料，結(jié)構(gòu)層各個部分經(jīng)干法刻蝕工藝刻蝕透。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的耐沖擊硅梁MEMS復(fù)合開關(guān)，其特征在于，錨區(qū)尺寸在DRIE釋放結(jié)構(gòu)層尺寸上向內(nèi)縮進。
【文檔編號】H01H59/00GK103745890SQ201410000459
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2014年1月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月2日
【發(fā)明者】梅迪 申請人:中國電子科技集團公司第五十五研究所