專利名稱：五位射頻微機(jī)電式移相器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于射頻通信及微電子機(jī)械(MEMS)技術(shù)，特別是一種涉及五位分布式射 頻微機(jī)電結(jié)構(gòu)移相器，該移相器尤其適合用于射頻/微波等高頻波段。
背景技術(shù)：
移相器是通信系統(tǒng)設(shè)備中的基本部件，微波和毫米波移相器更是組成接收發(fā)機(jī)和 相控陣天線的關(guān)鍵部件。目前，傳統(tǒng)移相器主要采用鐵氧體材料、PIN二極管或FET開關(guān)來 實(shí)現(xiàn)，體積較大、功耗高，難以適應(yīng)現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)發(fā)展的要求。近年來，微電子機(jī)械系統(tǒng) (MEMS)技術(shù)的迅猛發(fā)展，促進(jìn)了射頻微機(jī)電(RF MEMS)移相器的發(fā)展，采用MEMS技術(shù)制得 的移相器具有低功耗、高品質(zhì)因數(shù)、高隔離度、與IC工藝兼容和體積小等特點(diǎn)。此類移相 器主要分為開關(guān)線型和分布式兩類，其中開關(guān)線型移相器是通過MEMS開關(guān)選通信號通道， 利用傳輸線延遲來實(shí)現(xiàn)移相功能，此類移相器與傳統(tǒng)移相器相比雖然具有低功耗、高品質(zhì) 因數(shù)、高隔離度、與IC工藝兼容的特點(diǎn)，但仍存在體積較大、工藝復(fù)雜、移相精度不高等缺 陷；分布式移相器則包括CPW(共面波導(dǎo))信號線、CPW地線及設(shè)于信號線上表面的絕緣層， MEMS金屬梁及其支撐，比例電容上極板、下極板，2-4個(gè)直流加載電極及與MEMS金屬梁之間 的連接導(dǎo)線，基片及設(shè)于其上的絕緣層；其工作原理是通過在MEMS梁上周期性加載驅(qū)動電 壓，利用電容的移相特性來實(shí)現(xiàn)移相功能；該分布式移相器雖然具有結(jié)構(gòu)較簡單、體積較小 的特點(diǎn)，但由于其金屬梁采用板體梁及固定支撐結(jié)構(gòu)，梁與對應(yīng)的信號線之間距離的變化 是依賴金屬梁的形變來實(shí)現(xiàn)，而板體金屬梁的彈性系數(shù)大，因此所需下拉的電壓高(20V 80V)、移相步進(jìn)亦較大、移相器位數(shù)也因此仍較低(僅2-4位)、移相精度差，難以與現(xiàn)有的 電子通信系統(tǒng)配套使用；而若要實(shí)現(xiàn)小步進(jìn)移相、提高移相器位數(shù)，就需要加大金屬梁的寬 度、增大其電容比，即需加大其體積，這又不利于其小型化；其直流偏置電壓通過直流加載 電極的正極及連接線直接加載于MEMS金屬梁上，而負(fù)極接于CPW信號線上，因而在MEMS金 屬梁上同時(shí)存在直流和交流信號，MEMS金屬梁會因交直流的串?dāng)_產(chǎn)生自激振蕩而失去移相 功能；此外，為實(shí)現(xiàn)高電容比，該移相器需將比例(補(bǔ)償)電容上、下極板的間距設(shè)置較近、 上極板與金屬梁則不能設(shè)于同一水平面，就需單獨(dú)對上極板采取電鍍工藝制作，這又增加 了制作的復(fù)雜性；因而該分布式移相器存在所需下拉的電壓高、移相步進(jìn)較大、移相位數(shù)及 移相精度較低，而可靠性較差，難以與現(xiàn)有的電子通信系統(tǒng)配套使用，不適應(yīng)現(xiàn)代無線通信 系統(tǒng)發(fā)展的要求等缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是研究設(shè)計(jì)一種五位射頻微機(jī)電式移相器，在實(shí)現(xiàn)360°移相的基 礎(chǔ)上，達(dá)到降低插入損耗及下拉電壓、減小移相的步進(jìn)幅度、有效提高移相器位數(shù)及移相精 度，避免MEMS金屬梁因交直流串?dāng)_產(chǎn)生的自激振蕩而失去移相功能，提高其可靠性，以適 應(yīng)現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)發(fā)展要求等目的。 本發(fā)明的解決方案是在已有的MEMS分布式移相器基礎(chǔ)上，在各開關(guān)單元內(nèi)增設(shè)偏置電極及其偏置導(dǎo)線，即采用含MEMS金屬梁及相應(yīng)的MEMS彈性懸臂梁，比例電容，偏置 電極及其導(dǎo)線，CPW信號線、地線在內(nèi)的元件及其電路組成的31個(gè)MEMS開關(guān)與5個(gè)加載電 極及其連接線組合形成五位移相結(jié)構(gòu)。其中為了防止MEMS金屬梁因交直流串?dāng)_而產(chǎn)生的 自激振蕩，在CPW信號線兩側(cè)對應(yīng)于MEMS金屬梁增設(shè)一對直流偏置電極、該偏置電極直接 通過連接導(dǎo)線與直流加載電極正極連接，并在偏置電極上設(shè)置絕緣層，而負(fù)極經(jīng)比例電容 下極板及MEMS彈性懸臂梁與MEMS金屬梁連接，即將原MEMS金屬梁與直流偏置電極的正極 連接改為與其負(fù)極連接、而正極則與直流偏置電極連接、使交直流隔離，而有效避免移相器 因MEMS金屬梁自激振蕩而失去移相功能，提高其可靠性；將各板體式金屬梁改為孔板式金 屬梁以減小壓膜阻尼和板體質(zhì)量，同時(shí)將原金屬梁兩端采用的剛性固定支撐改為采用MEMS 彈性懸臂梁作支撐以有效降低所需下拉的電壓，從而有效減小移相的步進(jìn)幅度，提高移相 器位數(shù)和移相精度，實(shí)現(xiàn)五位移相；此外，將比例(補(bǔ)償)電容的上極板與金屬梁設(shè)于同一 水平位置，以便采用微機(jī)械加工工藝實(shí)現(xiàn)上極板和金屬梁的整體制作，然后再進(jìn)行掩膜腐 蝕分離處理，既簡化其制作工藝、又維持其高電容比；本發(fā)明即以此實(shí)現(xiàn)其發(fā)明目的。因 此，本發(fā)明射頻微機(jī)電式移相器包括含CPW信號線、(CPW)地線及設(shè)于信號線上表面的絕緣 層，MEMS金屬梁及設(shè)于兩端的支撐，比例電容上極板、下極板在內(nèi)的元器件組成的MEMS開 關(guān)組，直流加載電極的正、負(fù)極及其連接導(dǎo)線，上表面設(shè)有絕緣層的基片，關(guān)鍵在于該移相 器為包含31個(gè)MEMS開關(guān)、5個(gè)直流加載電極組合而成的五位移相器，在CPW信號線兩側(cè)正 對各MEMS金屬梁的下方還增設(shè)有一對長度與對應(yīng)的金屬梁寬度相等的直流偏置電極、該 直流偏置電極直接與直流加載電極的正極連接、且在其上表面設(shè)置絕緣層，而MEMS金屬梁 則經(jīng)比例電容下極板及MEMS彈性懸臂梁與直流加載電極的負(fù)極連接；各開關(guān)中的MEMS金 屬梁均為孔板式金屬梁、其支撐為MEMS彈性懸臂梁，各比例(補(bǔ)償)電容的上極板與金屬 梁設(shè)于同一水平位置上；基片上的絕緣層牢固地覆蓋于基片上表面，直流偏置電極之間的 偏置導(dǎo)線及直流偏置電極與直流加載電極正極之間的連接導(dǎo)線均設(shè)于該絕緣層與基片之 間、比例電容下極板與直流加載電極負(fù)極之間的連接導(dǎo)線則設(shè)于該絕緣層內(nèi)，CPW信號線及 CPW地線、各比例電容下極板均通過設(shè)于其底部的連接導(dǎo)線緊固于基片的絕緣層上，各比例 電容上極板的兩端則分別通過支撐板固定于對應(yīng)的CPW地線上，而各直流偏置電極均通過 設(shè)于其底部的偏置導(dǎo)線緊固于基片上表面，各MEMS彈性懸臂梁的外端通過支撐桿固定于 對應(yīng)的比例電容下極板上、其內(nèi)端則分別與對應(yīng)金屬梁的四角固定成一體。
上述五位移相器，其移相結(jié)構(gòu)為90° 、45° 、22.5° 、11.25°和180° ，共32種移 相狀態(tài)。所述孔板式金屬梁長250-400 iim、寬80-110 y m、厚0. 5-3 y m，其上各孔的孔徑為 ①3-8 ii m、相鄰兩孔的中心距為6-12 ii m且相鄰兩孔間的間距不小于2 y m，最外側(cè)孔與金 屬梁側(cè)邊的距離不小于2. 5ym。所述MEMS彈性懸臂梁為波紋式懸臂梁或鶴腿式懸臂梁、曲 臂式懸臂梁。而所述比例電容的上極板與金屬梁設(shè)于同一水平位置上，其加工方法是采用 微機(jī)械加工將上極板和金屬梁整體制作、然后再進(jìn)行掩膜腐蝕分離處理，與下極板形成金 屬_空氣或絕緣層_金屬結(jié)構(gòu)的比例電容。 本發(fā)明由于采用31個(gè)含孔板式金屬梁及其彈性懸臂式支撐、對應(yīng)的比例電容、偏 置電極及其導(dǎo)線、以及CPW信號線、地線在內(nèi)的元件及其電路組成31個(gè)MEMS開關(guān)與5個(gè) 加載電極及其連接線組合形成五位移相結(jié)構(gòu)；直流偏置電極的設(shè)置有效避免了移相器因 MEMS金屬梁自激振蕩而失去移相功能，將各板體式金屬梁改為孔板式金屬梁不但減輕了板3/4頁
體質(zhì)量、降低了彈性系數(shù)，而且有利于釋放殘余應(yīng)力、減小壓膜阻尼，金屬梁兩端采用MEMS 彈性懸臂梁作支撐又可將所需下拉的電壓降至9V左右、僅為背景技術(shù)的9-45% ;采用排列 結(jié)構(gòu)為90° 、45° 、22.5° 、11.25°和180°的5位移相，不但實(shí)現(xiàn)了移相步進(jìn)為11. 25°的 小步進(jìn)、360°移相，移相狀態(tài)可達(dá)32種，而且每一位移相之間的相互影響小、反射損耗小、 移相精度最高可達(dá)3. 5° ;比例電容上極板與MEMS金屬梁設(shè)于同一高度，采用表面微機(jī)械 加工方法與下極板構(gòu)成比例電容，不但確保了高電容比，而且降低了加工難度。因而本發(fā)明 具有插入損耗及下拉電壓低、移相的步進(jìn)幅度小、移相器位數(shù)、移相精度及可靠性高，比例 電容的加工工藝簡單，可與現(xiàn)有的電子通信設(shè)備配套用于射頻/微波等高頻波段無線通信 系統(tǒng)等特點(diǎn)。


圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為S部位局部放大圖； [ooog] 圖3為A-A剖視圖(放大圖)； 圖4為本發(fā)明具體實(shí)施方式
(10GHz)五位移相器開關(guān)結(jié)構(gòu)及連接關(guān)系示意圖。
圖中:1.CPW信號線、1-1.絕緣層，2. CPW地線，3.基片、3-1.絕緣層，4.MEMS金屬 梁、4-1.孑L5-1.比例電容上極板、5-2.下極板、5-3.支撐板，6.懸臂梁、6_1.支撐桿，7-l. 直流加載電極正極、7-2.直流加載電極負(fù)極，8.直流偏置電極、8-1.絕緣層，9.偏置導(dǎo)線， 10-1.正極連接導(dǎo)線、10-2.負(fù)極連接導(dǎo)線。
具體實(shí)施例方式
以頻率為10GHz(X波段)的五位射頻微機(jī)電式移相器為例CPW信號線l(長X 寬X厚)5. 7cmX100iimX2iim、其上的絕緣層1-1為厚O. 35iim的二氧化硅(Si02)，兩 條CPW地線2(長X寬X厚)5. 7cmX400iimX2iim、兩地線兩端內(nèi)側(cè)與信號線1的間距 均為107iim，兩地線中部凹槽(長X深)為400iimX103iim ;為滿足lOGHz工作頻率要 求，MEMS金屬梁4(長X寬X厚)為320X94X1. Oii m，其上的孔4-1采用濕法刻蝕加 工、各孔的直徑均為①5i!m、各孔的橫向中心距9i!m、縱向中心距7iim，對應(yīng)的邊距分別 為4 ii m及2. 5 ii m，金屬梁4的下表面與絕緣層1-1上表面的初始間隙為2. 3 y m，比例電 容上極板5-l(長X寬)440X50iim、下極板5-2(長X寬)340 X 73 y m ;MEMS金屬梁4采 用波紋式懸臂梁，波紋槽(寬X深X厚)35X30X 1. Oii m、槽壁厚為10iim，支撐桿6-l 直徑①12iim、高2. 65iim、其下端固定于下極板5-2的上表面；兩直流偏置電極8(長X 寬X厚)94X50X2iim，其上的絕緣層8-1亦為厚O. 35ym的二氧化硅(Si02)，兩直流偏 置電極8與CPW信號線之間的距均為lOym;基片3采用高阻硅(Si)材料、(長X寬X 厚)6cmX1.2mmX400iim、其上的絕緣層3-1 二氧化硅(Si02)厚2 y m ;5個(gè)直流加載電極 7(長X寬X厚)分別為20X20X2iim、通過設(shè)于其下的偏置導(dǎo)線9緊固于基片3上；偏 置導(dǎo)線9，正、負(fù)極連接導(dǎo)線10-1、10-2 :(寬X厚)本實(shí)施方式均為40X0.5iim，前者設(shè)于 絕緣層3-l與基片3之間，后者則設(shè)于絕緣層3-l內(nèi)；移相結(jié)構(gòu)90。 、45° 、22.5° 、11.25° 和180°的排列結(jié)構(gòu)中，每一位的開關(guān)組的直流偏置電極均通過偏置導(dǎo)線相互連接，其中每 一位的開關(guān)組的最右側(cè)一個(gè)開關(guān)的兩個(gè)直流偏置電極通過連接導(dǎo)線10-1分別與直流加載
5電極的正極7-1連接，各比例電容下極板5-2通過連接導(dǎo)線10-2與直流加載電極的負(fù)極 7-2連接；附圖4即為本實(shí)施方式10GHz五位移相器開關(guān)結(jié)構(gòu)及連接關(guān)系示意圖。
上述CPW信號線1， CPW地線2， MEMS金屬梁4，比例電容上極板5_1及其支撐板 5-3，波紋式懸臂梁6及其支撐桿6-1 ，直流加載電極7-1 、 7-2，直流偏置電極8，偏置導(dǎo)線9， 正、負(fù)極連接導(dǎo)線10-1、10-2和比例電容下極板5-2，其材質(zhì)均為金(Au)膜；本實(shí)施方式移 相器采用微電子機(jī)械(MEMS)技術(shù)加工制作。
權(quán)利要求
一種五位射頻微機(jī)電式移相器，包括含CPW信號線、地線及設(shè)于信號線上表面的絕緣層，MEMS金屬梁及設(shè)于兩端的支撐，比例電容上極板、下極板在內(nèi)的元器件組成的MEMS開關(guān)組，直流加載電極的正、負(fù)極及其連接導(dǎo)線，上表面設(shè)有絕緣層的基片，其特征在于該移相器為包含31個(gè)MEMS開關(guān)、5個(gè)直流加載電極組合而成的五位移相器，在CPW信號線兩側(cè)正對各MEMS金屬梁的下方還增設(shè)有一對長度與對應(yīng)的金屬梁寬度相等的直流偏置電極、該直流偏置電極直接與直流加載電極的正極連接、且在其上表面設(shè)置絕緣層，而MEMS金屬梁則經(jīng)比例電容下極板及MEMS彈性懸臂梁與直流加載電極的負(fù)極連接；各開關(guān)中的MEMS金屬梁均為孔板式金屬梁、其支撐為MEMS彈性懸臂梁，各比例電容的上極板與金屬梁設(shè)于同一水平位置上；基片上的絕緣層牢固地覆蓋于基片上表面，直流偏置電極之間的偏置導(dǎo)線及直流偏置電極與直流加載電極正極之間的連接導(dǎo)線均設(shè)于該絕緣層與基片之間、比例電容下極板與直流加載電極負(fù)極之間的連接導(dǎo)線則設(shè)于該絕緣層內(nèi)，CPW信號線及CPW地線、各比例電容下極板均通過設(shè)于其底部的連接導(dǎo)線緊固于基片的絕緣層上，各比例電容上極板的兩端則分別通過支撐板固定于對應(yīng)的CPW地線上，而各直流偏置電極均通過設(shè)于其底部的偏置導(dǎo)線緊固于基片上表面，各MEMS彈性懸臂梁的外端通過支撐桿固定于對應(yīng)的比例電容下極板上、其內(nèi)端則分別與對應(yīng)金屬梁的四角固定成一體。
2. 按權(quán)利要求1所述五位射頻微機(jī)電式移相器，其特征在于所述五位移相器，其移相 結(jié)構(gòu)為90° 、45° 、22.5° 、11.25°和180° ，共32種移相狀態(tài)。
3. 按權(quán)利要求l所述五位射頻微機(jī)電式移相器，其特征在于所述孔板式金屬梁長 250-400 ii m、寬80-110 ii m、厚0. 5-3 ii m，其上各孔的孔徑為①3-8 y m、相鄰兩孔的中心 距為6-12i!m且相鄰兩孔間的間距不小于2ym，最外側(cè)孔與金屬梁側(cè)邊的距離不小于 2. 5 ii m。
4. 按權(quán)利要求1所述五位射頻微機(jī)電式移相器，其特征在于所述MEMS彈性懸臂梁為波 紋式懸臂梁或鶴腿式懸臂梁、曲臂式懸臂梁。
5. 按權(quán)利要求1所述五位射頻微機(jī)電式移相器，其特征在于所述比例電容的上極板與 金屬梁設(shè)于同一水平位置上，其加工方法是采用微機(jī)械加工將上極板和金屬梁整體制作、 然后再進(jìn)行掩膜腐蝕分離處理，與下極板形成金屬_空氣或絕緣層_金屬結(jié)構(gòu)的比例電容。
全文摘要
該發(fā)明屬于射頻通信及微機(jī)電技術(shù)中的五位射頻微機(jī)電式移相器，包含CPW信號線及其絕緣層、地線，MEMS孔板式金屬梁及彈性懸臂式支撐，比例電容，直流偏置電極及絕緣層，偏置導(dǎo)線組成的31個(gè)MEMS開關(guān)，5個(gè)直流加載電極及連接導(dǎo)線，帶絕緣層的基片。該發(fā)明因增設(shè)了直流偏置電極、有效避免了因MEMS金屬梁自激振蕩而失去移相功能的缺陷，采用孔板式金屬梁及彈性懸臂式支撐、又將所需下拉的電壓降至9V左右，不但實(shí)現(xiàn)了11.25。的小步進(jìn)、5位移相，移相狀態(tài)達(dá)32種，且反射損耗小、移相精度最高可達(dá)3.5。而具有插入損耗及下拉電壓低、步進(jìn)幅度小，移相器位數(shù)、移相精度及可靠性高，加工工藝較簡單，可與現(xiàn)代電子通信系統(tǒng)配套使用等特點(diǎn)。
文檔編號B81B7/00GK101694896SQ20091016795
公開日2010年4月14日 申請日期2009年10月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月21日
發(fā)明者張曉升, 杜亦佳, 鮑景富 申請人:電子科技大學(xué);