基於可變彈性模量複合薄膜梁的多路射頻微機電開關的製作方法

2023-07-08 19:08:41 2

本發明屬於微機電技術領域，涉及一種多路射頻微機電開關，具體涉及一種基於可變彈性模量複合薄膜梁的多路射頻微機電開關，適用於無線通信領域。

技術背景

射頻微機電開關是現在絕大部分通信設備中不可或缺的基本部件，它主要通過微機械機構的運動來實現射頻信號的導通與斷開。具有隔離度高、插入損耗低、工作頻帶寬以及功耗低、高線性度等優點，非常適用於現代無線通信技術發展的要求。

目前根據射頻開關對射頻信號的控制作用方式，可以分為串聯接觸式和並聯電容式兩種。串聯接觸式主要由懸臂梁、下拉電極、傳輸線和絕緣介質層四部分組成。下拉電極不加電壓時，開關處於開態，信號無法通過。當在下拉電極加上足夠的電壓時，懸臂梁懸空的一端與斷開的信號線接觸。此時傳輸線連通，開關處於關態，信號得以通過。並聯電容式主要包括共面波導、介質層和微梁。當不加電壓時，並聯阻抗很大，電容很小，信號將從傳輸線傳輸，開關處於開態。當加上電壓時，並聯阻抗最小，電容很大，高頻信號將通過這個電容接地，從而實現開關的關態。但是目前的並聯電容式射頻微機電開關主要採用靜電驅動。但是普遍存在一定的「誤執行」現象，且需要克服較大的彈性恢復力才能使開關處於「關態」，因此使得所需驅動電壓大，開關響應時間長。

例如申請公開號為cn105845513a，名稱為「一種基於石英基底共面波導的石墨烯射頻機械開關」的專利申請，公開了一種基於石英基底共面波導的石墨烯射頻機械開關，其結構如圖1所示，石墨烯薄膜1和氮化硼介質層2組成複合梁，梁的兩端分別與兩條共面波導地線3接觸，共面波導信號線4位於複合梁結構懸空部分正下方，共面波導結構位於石英基底5上。雖然這種結構射頻微機電開關可降低插入損耗，增大隔離度，但存在以下問題：

1)開關由「開態」變換為「關態時，需要克服較大的彈性恢復力；

2)無法避免誤操作導致的「誤執行」現象；

3)只能實現對單路信號傳輸的控制。

技術實現要素：

本發明的目的在於克服上述技術現有的缺陷，提出了一種基於可變彈性模量複合薄膜梁的多路射頻微機電開關，旨在實現對多路信號傳輸的控制，同時避免「誤執行」現象，並降低開關由「開態」變換為「關態」時微梁的彈性恢復力。

為實現上述目的，本發明採取的技術方案為：

一種基於可變彈性模量複合薄膜梁的多路射頻微機電開關，包括驅動電極1、複合薄膜梁2、基底3、射頻傳輸線4和地線5，所述基底3縱向的兩端設置有錨點；所述射頻傳輸線4至少有三條，並排固定在基底3的上表面，用於實現多種信號的傳輸；所述地線5固定在底座3兩端的錨點上；所述複合薄膜梁2由自上而下層疊的第一介質層21、導電層22和第二介質層23複合而成，其兩端固定在地線的表面，且導電層22的兩端與地線5接觸；所述驅動電極1由並排固定在複合薄膜梁2上表面的至少三個驅動電極單元組成；所述射頻傳輸線4和導電層2均採用二維單層碳原子材料；所述介質層2採用記憶性材料。

上述基於可變彈性模量複合薄膜梁的多路射頻微機電開關，所述複合薄膜梁2，其縱向中軸線與基底3的縱向中軸線重合。

上述基於可變彈性模量複合薄膜梁的多路射頻微機電開關，所述並排固定在複合薄膜梁2上表面的至少三個驅動電極單元，驅動電極單元採用鈦酸鉍鈉基無鉛壓電陶瓷材料，且相鄰驅動電極單元之間的距離相等。

上述基於可變彈性模量複合薄膜梁的多路射頻微機電開關，所述射頻傳輸線4，採用石墨烯材料，且與基底3的縱向中軸線垂直。

上述基於可變彈性模量複合薄膜梁的多路射頻微機電開關，所述導電層22，採用石墨烯材料。

上述基於可變彈性模量複合薄膜的多路射頻微機電開關，所述介質層(21)，採用形狀記憶聚合物。

本發明與現有技術相比，具有以下優點：

1)本發明採用的複合薄膜梁由自上而下層疊的第一介質層、導電層和第二介質層複合而成，其彈性模量可變，當開關由「開態」變換為「關態」時，彈性模量銳減，複合薄膜梁快速變形，當開關由「關態」變換為「開態」時，彈性模量劇增，複合薄膜梁快速恢復變形，縮短了開關的響應時間。

2)本發明在複合薄膜梁的表面並排固定有多個驅動電極單元，在實現開關的「關態」時，需要驅動電極施加正向電壓的同時複合薄膜梁的導電層也導電；在實現開關的「開態」時，需要驅動電極施加正向電壓的同時複合薄膜梁的導電層斷電，避免了現有技術的「誤執行」現象。

3)本發明由通過給複合薄膜梁表面不同的驅動單元施加一定的電壓，可以實現複合薄膜梁不同位置的大變形，使其與對應位置的射頻傳輸線接觸，可以實現對多路信號傳輸的控制。

4)本發明由於複合薄膜梁的介質層採用可降解的形狀記憶聚合物，驅動電極採用了鈦酸鉍鈉基無鉛壓電陶瓷，具有綠色環保的特性。

附圖說明

圖1為現有基於石英基底共面波導的石墨烯射頻機械開關的整體結構示意圖；

圖2為本發明的整體結構示意圖。

圖3為本發明的具體實施例工作過程結構示意圖。

具體實施方式

以下結合附圖和具體實施例，對本發明作進一步的詳細描述。

參照圖2，基於可變彈性模量複合薄膜梁的多路射頻微機電開關，包括驅動電極1、複合薄膜梁2、基底3、射頻傳輸線4和地線5。

所述射頻傳輸線4均採用石墨烯材料，石墨烯的高導電、高導熱特性可以減少接觸面處的電荷積累、降低溫度，降低局部電荷密度，從而減小射頻傳輸線導致的靜電擾動力。通過沉積工藝在基底3上形成三條射頻傳輸線，並排固定在基底3的上表面。則這三條射頻傳輸線可以實現對8種信號的傳輸控制，這8種信號分別為：001、000、010、011、101、100、110、111；三條射頻傳輸線的距離不能過小，否則射頻傳輸線之間會發生串擾現象。

所述驅動電極1材料均選用鈦酸鉍鈉基無鉛壓電陶瓷，該種材料具有大的電致應變，施加很低的驅動電壓以後會迅速產生大的變形量，有助於是實現開關的「開態」和「關態」，滿足射頻微機電開關高隔離度、低插入損耗的要求。因基底3上布置有三條射頻傳輸線，複合薄膜梁2與每條射頻傳輸線接觸時需要兩個驅動電極單元進行驅動，所以複合薄膜梁表面共並排粘接有六個驅動電極單元。

所述複合薄膜梁2由自上而下層疊的第一介質層21、導電層22和第二介質層23複合而成，兩端通過熱壓印技術壓印在矽基底3的錨點上。第一介質層介質層21和第二介質層23均採用形狀記憶聚合物，形狀記憶聚合物彈性模量可隨溫度發生變化，當溫度達到玻化溫度時，其彈性模量會銳減，當溫度低於玻化溫度時，其彈性模量會劇增，有助於實現開關的快速「閉合」和「斷開」。導電層23採用石墨烯材料，石墨烯具有高導熱性、高載流子特性，通電以後溫度會迅速上升，可將自身熱量傳遞給第一介質層21和第二介質層23，有助於介質層快速升溫。又因石墨烯為二維單層碳原子層，具有良好的柔韌性，因此複合薄膜梁2的彈性模量可隨第一介質層21和第二介質層23的彈性模量變化而變化。利用幹法刻蝕使導電層圖形化，介質層21沉積在導電層表面，介質層23通過準分子雷射納米壓印技術壓印於導電層22表面，最終形成一個複合薄膜梁。

所述基底3縱向的兩端設置有錨點，材料採用矽材料，通過幹法刻蝕使其圖形化，

所述地線5通過剝離工藝形成於基底3兩端的錨點上，材料選用金。

以下結合「011」這種信號說明本發明射頻微機電開關的工作原理：

開關在初始狀態下，複合薄膜未與基底的三條射頻傳輸線接觸。當三條射頻傳輸線均通高頻交流信號以後，三條射頻傳輸線從左至右的狀態為「111」。但此時對於「011」這種信號，開關處於一種「斷開」狀態，因此實現「011」這種信號傳輸時的開關狀態即為「閉合」狀態。

開關由「斷開」變化為「閉合」時，只需要複合薄膜梁與最左側的一條射頻傳輸線接觸即可。

當開關由「斷開」變化為「閉合」時，最左側的兩個驅動電極單元施加正向驅動電壓，此時施加有正向驅動電壓的驅動電極單元會對複合薄膜梁的左側產生向下的驅動力。同時給複合薄膜梁中的導電層通電，導電層溫度會迅速上升，並將自身熱量傳遞給第一介質層和第二介質層。當第一介質層和第二介質層溫度達到玻化溫度時，其彈性模量會銳減。又因導電層具有良好的柔韌性，所以整個複合薄膜梁的彈性模量會隨著第一介質層和第二介質層的彈性模量銳減而降低。因驅動電極施加很低的驅動電壓以後會迅速產生大的變形量。因而複合薄膜梁的左側在施加有正向驅動電壓的驅動電極向下驅動力作用下，會迅速向下運動，與基底上的最左側的射頻傳輸線接觸,其結構示意圖如圖3所示。最左側的射頻傳輸線與介質層和導電層形成一個電容較大的電容器，從而將最左側的一條射頻傳輸線上的高頻交流信號通過導電層隔離至地線，實現開關的「閉合」，即此時通過該開關的信號為「011」。

當需要實現開關的「斷開」時，先給導電層斷電，此時導電層的溫度會迅速下降，介質層的溫度也會下降，當第一介質層和第二介質層溫度低於玻化溫度以後，其彈性模量會劇增，相應的複合薄膜梁的彈性模量也會劇增。同時給左側的2個驅動電極施加反向驅動電壓，複合薄膜梁在第一介質層和第二介質層的彈性恢復力和施加有反向驅動電壓的驅動電極向上的驅動力共同作用下，迅速彈起，恢復到變形前的狀態，實現開關的「斷開」。

以上描述僅是本發明的一個具體實例，不構成對本發明的任何限制，顯然對於本領域的專業人員來說，在了解了本發明內容和原理後，都可能在不背離本發明原理、結構的情況下，進行形式和細節上的各種修正和改變，但是這些基於本發明思想的修正和改變仍在本發明的權利要求保護範圍之內。