五位射频微机电式移相器的制作方法

专利名称：五位射频微机电式移相器的制作方法
技术领域：
本发明属于射频通信及微电子机械(MEMS)技术，特别是一种涉及五位分布式射 频微机电结构移相器，该移相器尤其适合用于射频/微波等高频波段。
背景技术：
移相器是通信系统设备中的基本部件，微波和毫米波移相器更是组成接收发机和 相控阵天线的关键部件。目前，传统移相器主要采用铁氧体材料、PIN二极管或FET开关来 实现，体积较大、功耗高，难以适应现代无线通信系统发展的要求。近年来，微电子机械系统 (MEMS)技术的迅猛发展，促进了射频微机电(RF MEMS)移相器的发展，采用MEMS技术制得 的移相器具有低功耗、高品质因数、高隔离度、与IC工艺兼容和体积小等特点。此类移相 器主要分为开关线型和分布式两类，其中开关线型移相器是通过MEMS开关选通信号通道， 利用传输线延迟来实现移相功能，此类移相器与传统移相器相比虽然具有低功耗、高品质 因数、高隔离度、与IC工艺兼容的特点，但仍存在体积较大、工艺复杂、移相精度不高等缺 陷；分布式移相器则包括CPW(共面波导)信号线、CPW地线及设于信号线上表面的绝缘层， MEMS金属梁及其支撑，比例电容上极板、下极板，2-4个直流加载电极及与MEMS金属梁之间 的连接导线，基片及设于其上的绝缘层；其工作原理是通过在MEMS梁上周期性加载驱动电 压，利用电容的移相特性来实现移相功能；该分布式移相器虽然具有结构较简单、体积较小 的特点，但由于其金属梁采用板体梁及固定支撑结构，梁与对应的信号线之间距离的变化 是依赖金属梁的形变来实现，而板体金属梁的弹性系数大，因此所需下拉的电压高(20V 80V)、移相步进亦较大、移相器位数也因此仍较低(仅2-4位)、移相精度差，难以与现有的 电子通信系统配套使用；而若要实现小步进移相、提高移相器位数，就需要加大金属梁的宽 度、增大其电容比，即需加大其体积，这又不利于其小型化；其直流偏置电压通过直流加载 电极的正极及连接线直接加载于MEMS金属梁上，而负极接于CPW信号线上，因而在MEMS金 属梁上同时存在直流和交流信号，MEMS金属梁会因交直流的串扰产生自激振荡而失去移相 功能；此外，为实现高电容比，该移相器需将比例(补偿)电容上、下极板的间距设置较近、 上极板与金属梁则不能设于同一水平面，就需单独对上极板采取电镀工艺制作，这又增加 了制作的复杂性；因而该分布式移相器存在所需下拉的电压高、移相步进较大、移相位数及 移相精度较低，而可靠性较差，难以与现有的电子通信系统配套使用，不适应现代无线通信 系统发展的要求等缺陷。

发明内容
本发明的目的是研究设计一种五位射频微机电式移相器，在实现360°移相的基 础上，达到降低插入损耗及下拉电压、减小移相的步进幅度、有效提高移相器位数及移相精 度，避免MEMS金属梁因交直流串扰产生的自激振荡而失去移相功能，提高其可靠性，以适 应现代无线通信系统发展要求等目的。 本发明的解决方案是在已有的MEMS分布式移相器基础上，在各开关单元内增设偏置电极及其偏置导线，即采用含MEMS金属梁及相应的MEMS弹性悬臂梁，比例电容，偏置 电极及其导线，CPW信号线、地线在内的元件及其电路组成的31个MEMS开关与5个加载电 极及其连接线组合形成五位移相结构。其中为了防止MEMS金属梁因交直流串扰而产生的 自激振荡，在CPW信号线两侧对应于MEMS金属梁增设一对直流偏置电极、该偏置电极直接 通过连接导线与直流加载电极正极连接，并在偏置电极上设置绝缘层，而负极经比例电容 下极板及MEMS弹性悬臂梁与MEMS金属梁连接，即将原MEMS金属梁与直流偏置电极的正极 连接改为与其负极连接、而正极则与直流偏置电极连接、使交直流隔离，而有效避免移相器 因MEMS金属梁自激振荡而失去移相功能，提高其可靠性；将各板体式金属梁改为孔板式金 属梁以减小压膜阻尼和板体质量，同时将原金属梁两端采用的刚性固定支撑改为采用MEMS 弹性悬臂梁作支撑以有效降低所需下拉的电压，从而有效减小移相的步进幅度，提高移相 器位数和移相精度，实现五位移相；此外，将比例(补偿)电容的上极板与金属梁设于同一 水平位置，以便采用微机械加工工艺实现上极板和金属梁的整体制作，然后再进行掩膜腐 蚀分离处理，既简化其制作工艺、又维持其高电容比；本发明即以此实现其发明目的。因 此，本发明射频微机电式移相器包括含CPW信号线、(CPW)地线及设于信号线上表面的绝缘 层，MEMS金属梁及设于两端的支撑，比例电容上极板、下极板在内的元器件组成的MEMS开 关组，直流加载电极的正、负极及其连接导线，上表面设有绝缘层的基片，关键在于该移相 器为包含31个MEMS开关、5个直流加载电极组合而成的五位移相器，在CPW信号线两侧正 对各MEMS金属梁的下方还增设有一对长度与对应的金属梁宽度相等的直流偏置电极、该 直流偏置电极直接与直流加载电极的正极连接、且在其上表面设置绝缘层，而MEMS金属梁 则经比例电容下极板及MEMS弹性悬臂梁与直流加载电极的负极连接；各开关中的MEMS金 属梁均为孔板式金属梁、其支撑为MEMS弹性悬臂梁，各比例(补偿)电容的上极板与金属 梁设于同一水平位置上；基片上的绝缘层牢固地覆盖于基片上表面，直流偏置电极之间的 偏置导线及直流偏置电极与直流加载电极正极之间的连接导线均设于该绝缘层与基片之 间、比例电容下极板与直流加载电极负极之间的连接导线则设于该绝缘层内，CPW信号线及 CPW地线、各比例电容下极板均通过设于其底部的连接导线紧固于基片的绝缘层上，各比例 电容上极板的两端则分别通过支撑板固定于对应的CPW地线上，而各直流偏置电极均通过 设于其底部的偏置导线紧固于基片上表面，各MEMS弹性悬臂梁的外端通过支撑杆固定于 对应的比例电容下极板上、其内端则分别与对应金属梁的四角固定成一体。
上述五位移相器，其移相结构为90° 、45° 、22.5° 、11.25°和180° ，共32种移 相状态。所述孔板式金属梁长250-400 iim、宽80-110 y m、厚0. 5-3 y m，其上各孔的孔径为 ①3-8 ii m、相邻两孔的中心距为6-12 ii m且相邻两孔间的间距不小于2 y m，最外侧孔与金 属梁侧边的距离不小于2. 5ym。所述MEMS弹性悬臂梁为波纹式悬臂梁或鹤腿式悬臂梁、曲 臂式悬臂梁。而所述比例电容的上极板与金属梁设于同一水平位置上，其加工方法是采用 微机械加工将上极板和金属梁整体制作、然后再进行掩膜腐蚀分离处理，与下极板形成金 属_空气或绝缘层_金属结构的比例电容。 本发明由于采用31个含孔板式金属梁及其弹性悬臂式支撑、对应的比例电容、偏 置电极及其导线、以及CPW信号线、地线在内的元件及其电路组成31个MEMS开关与5个 加载电极及其连接线组合形成五位移相结构；直流偏置电极的设置有效避免了移相器因 MEMS金属梁自激振荡而失去移相功能，将各板体式金属梁改为孔板式金属梁不但减轻了板3/4页
体质量、降低了弹性系数，而且有利于释放残余应力、减小压膜阻尼，金属梁两端采用MEMS 弹性悬臂梁作支撑又可将所需下拉的电压降至9V左右、仅为背景技术的9-45% ;采用排列 结构为90° 、45° 、22.5° 、11.25°和180°的5位移相，不但实现了移相步进为11. 25°的 小步进、360°移相，移相状态可达32种，而且每一位移相之间的相互影响小、反射损耗小、 移相精度最高可达3. 5° ;比例电容上极板与MEMS金属梁设于同一高度，采用表面微机械 加工方法与下极板构成比例电容，不但确保了高电容比，而且降低了加工难度。因而本发明 具有插入损耗及下拉电压低、移相的步进幅度小、移相器位数、移相精度及可靠性高，比例 电容的加工工艺简单，可与现有的电子通信设备配套用于射频/微波等高频波段无线通信 系统等特点。


图1为本发明结构示意图；
图2为S部位局部放大图； [ooog] 图3为A-A剖视图(放大图)； 图4为本发明具体实施方式
(10GHz)五位移相器开关结构及连接关系示意图。
图中:1.CPW信号线、1-1.绝缘层，2. CPW地线，3.基片、3-1.绝缘层，4.MEMS金属 梁、4-1.孑L5-1.比例电容上极板、5-2.下极板、5-3.支撑板，6.悬臂梁、6_1.支撑杆，7-l. 直流加载电极正极、7-2.直流加载电极负极，8.直流偏置电极、8-1.绝缘层，9.偏置导线， 10-1.正极连接导线、10-2.负极连接导线。
具体实施例方式
以频率为10GHz(X波段)的五位射频微机电式移相器为例CPW信号线l(长X 宽X厚)5. 7cmX100iimX2iim、其上的绝缘层1-1为厚O. 35iim的二氧化硅(Si02)，两 条CPW地线2(长X宽X厚)5. 7cmX400iimX2iim、两地线两端内侧与信号线1的间距 均为107iim，两地线中部凹槽(长X深)为400iimX103iim ;为满足lOGHz工作频率要 求，MEMS金属梁4(长X宽X厚)为320X94X1. Oii m，其上的孔4-1采用湿法刻蚀加 工、各孔的直径均为①5i!m、各孔的横向中心距9i!m、纵向中心距7iim，对应的边距分别 为4 ii m及2. 5 ii m，金属梁4的下表面与绝缘层1-1上表面的初始间隙为2. 3 y m，比例电 容上极板5-l(长X宽)440X50iim、下极板5-2(长X宽)340 X 73 y m ;MEMS金属梁4采 用波纹式悬臂梁，波纹槽(宽X深X厚)35X30X 1. Oii m、槽壁厚为10iim，支撑杆6-l 直径①12iim、高2. 65iim、其下端固定于下极板5-2的上表面；两直流偏置电极8(长X 宽X厚)94X50X2iim，其上的绝缘层8-1亦为厚O. 35ym的二氧化硅(Si02)，两直流偏 置电极8与CPW信号线之间的距均为lOym;基片3采用高阻硅(Si)材料、(长X宽X 厚)6cmX1.2mmX400iim、其上的绝缘层3-1 二氧化硅(Si02)厚2 y m ;5个直流加载电极 7(长X宽X厚)分别为20X20X2iim、通过设于其下的偏置导线9紧固于基片3上；偏 置导线9，正、负极连接导线10-1、10-2 :(宽X厚)本实施方式均为40X0.5iim，前者设于 绝缘层3-l与基片3之间，后者则设于绝缘层3-l内；移相结构90。 、45° 、22.5° 、11.25° 和180°的排列结构中，每一位的开关组的直流偏置电极均通过偏置导线相互连接，其中每 一位的开关组的最右侧一个开关的两个直流偏置电极通过连接导线10-1分别与直流加载
5电极的正极7-1连接，各比例电容下极板5-2通过连接导线10-2与直流加载电极的负极 7-2连接；附图4即为本实施方式10GHz五位移相器开关结构及连接关系示意图。
上述CPW信号线1， CPW地线2， MEMS金属梁4，比例电容上极板5_1及其支撑板 5-3，波纹式悬臂梁6及其支撑杆6-1 ，直流加载电极7-1 、 7-2，直流偏置电极8，偏置导线9， 正、负极连接导线10-1、10-2和比例电容下极板5-2，其材质均为金(Au)膜；本实施方式移 相器采用微电子机械(MEMS)技术加工制作。
权利要求
一种五位射频微机电式移相器，包括含CPW信号线、地线及设于信号线上表面的绝缘层，MEMS金属梁及设于两端的支撑，比例电容上极板、下极板在内的元器件组成的MEMS开关组，直流加载电极的正、负极及其连接导线，上表面设有绝缘层的基片，其特征在于该移相器为包含31个MEMS开关、5个直流加载电极组合而成的五位移相器，在CPW信号线两侧正对各MEMS金属梁的下方还增设有一对长度与对应的金属梁宽度相等的直流偏置电极、该直流偏置电极直接与直流加载电极的正极连接、且在其上表面设置绝缘层，而MEMS金属梁则经比例电容下极板及MEMS弹性悬臂梁与直流加载电极的负极连接；各开关中的MEMS金属梁均为孔板式金属梁、其支撑为MEMS弹性悬臂梁，各比例电容的上极板与金属梁设于同一水平位置上；基片上的绝缘层牢固地覆盖于基片上表面，直流偏置电极之间的偏置导线及直流偏置电极与直流加载电极正极之间的连接导线均设于该绝缘层与基片之间、比例电容下极板与直流加载电极负极之间的连接导线则设于该绝缘层内，CPW信号线及CPW地线、各比例电容下极板均通过设于其底部的连接导线紧固于基片的绝缘层上，各比例电容上极板的两端则分别通过支撑板固定于对应的CPW地线上，而各直流偏置电极均通过设于其底部的偏置导线紧固于基片上表面，各MEMS弹性悬臂梁的外端通过支撑杆固定于对应的比例电容下极板上、其内端则分别与对应金属梁的四角固定成一体。
2. 按权利要求1所述五位射频微机电式移相器，其特征在于所述五位移相器，其移相 结构为90° 、45° 、22.5° 、11.25°和180° ，共32种移相状态。
3. 按权利要求l所述五位射频微机电式移相器，其特征在于所述孔板式金属梁长 250-400 ii m、宽80-110 ii m、厚0. 5-3 ii m，其上各孔的孔径为①3-8 y m、相邻两孔的中心 距为6-12i!m且相邻两孔间的间距不小于2ym，最外侧孔与金属梁侧边的距离不小于 2. 5 ii m。
4. 按权利要求1所述五位射频微机电式移相器，其特征在于所述MEMS弹性悬臂梁为波 纹式悬臂梁或鹤腿式悬臂梁、曲臂式悬臂梁。
5. 按权利要求1所述五位射频微机电式移相器，其特征在于所述比例电容的上极板与 金属梁设于同一水平位置上，其加工方法是采用微机械加工将上极板和金属梁整体制作、 然后再进行掩膜腐蚀分离处理，与下极板形成金属_空气或绝缘层_金属结构的比例电容。
全文摘要
该发明属于射频通信及微机电技术中的五位射频微机电式移相器，包含CPW信号线及其绝缘层、地线，MEMS孔板式金属梁及弹性悬臂式支撑，比例电容，直流偏置电极及绝缘层，偏置导线组成的31个MEMS开关，5个直流加载电极及连接导线，带绝缘层的基片。该发明因增设了直流偏置电极、有效避免了因MEMS金属梁自激振荡而失去移相功能的缺陷，采用孔板式金属梁及弹性悬臂式支撑、又将所需下拉的电压降至9V左右，不但实现了11.25。的小步进、5位移相，移相状态达32种，且反射损耗小、移相精度最高可达3.5。而具有插入损耗及下拉电压低、步进幅度小，移相器位数、移相精度及可靠性高，加工工艺较简单，可与现代电子通信系统配套使用等特点。
文档编号B81B7/00GK101694896SQ20091016795
公开日2010年4月14日 申请日期2009年10月21日 优先权日2009年10月21日
发明者张晓升, 杜亦佳, 鲍景富 申请人:电子科技大学;