专利名称：一种微波/射频微机械开关及其制备方法
技术领域：
本发明属于电子技术领域，特别涉及微波/射频器件领域。
背景技术：
随着微波或射频通讯技术快速发展，为提高子系统、整机的性能和集成度，降低成本，对微波/射频无源器件有着迫切的需求。微机械(MEMS)微波/射频器件是最近MEMS领域的研究热点，它充分利用了微电子和微机械技术的优势，将微机械技术运用于微波/射频领域，成为一类新型的微波/射频元件。微波/射频微机械开关和传统的微波元件如PIN微波开关相比，具有低损耗、高隔离、体积小、制造成本低、易于与IC兼容和可靠性高等优点[见文献1～5]。微波/射频微机械开关的执行机制有两种静电作用和电磁作用。静电作用的优点是无需工作电流，因而功耗低，但执行电压高，通常大于20V[见文献4，6]。电磁作用的优点是执行电压低，但需要较大的工作电流，因而功耗较大。目前正在试用的大多为静电驱动型微波/射频微机械开关，如图1所示，其驱动电压高、响应时间长(毫秒级)[7]，限制了子系统集成度的进一步提高及其应用领域，因此开展低电流、低电压驱动型微波/射频微机械开关研究对系统的小型化、集成化有着十分重要的意义。
磁致伸缩效应由于具有大形变(几百ppm)、低驱动电压(毫伏级)、大的机电转换效率、高的响应速度(纳秒级)以及非接触式驱动等优点，因而在MEMS中有着广阔的应用前景[见文献7～9]。目前，人们已利用材料较高的磁致伸缩应变系数，制作出了各类MEMS伺服器，如精密定位装置、微型马达、流体控制系统(微泵、微阀等)。磁致伸缩薄膜材料具有优异的低驱动电压及高的响应速度等特点，将该薄膜材料应用于微波/射频微机械开关，就发明人所知，国内外未见相关报道。
MEMS and Si-micromachined components for low power，high frequencycommunications systems.IEEE MTT-S Digest TU4C0-6，1998331-333.中文译名“用于低功率、高频率通讯系统的MEMS和Si微细加工元件”，该文主要讨论了用于低功率、高频率通讯系统的MEMS和Si微细加工元件的制备、加工和特性。
Performance of low-loss RF MEMS capacitive switches[J].IEEE Microwaveand Guided Wave Letters，8(8)，1998269-271.中文译名“低损耗射频MEMS电容开关的性能研究”。该文主要讨论了静电型射频MEMS电容开关的特性、优点。
Micromachined low-loss microwave switches[J]，IEEE of MicromechanicalSystems，8(2)，1999129-1333.中文译名“低损耗微波开关的微细加工”，该文只要论述了微波开关的微细加工方法。
Measurement and modeling of surface micromachined，electrostaticallyactuated micro-switches[A].Proc IEEE Transducers 97[C]，19971145-1148.中文译名“静电型微开关的表面微细加工建模与测量”，该文主要讨论了静电型微开关的表面微细加工建模与性能测量。
Contact physics of gold microcontacts for MEMS switches[J].IEEE Transon Components and Packaging Technology，22(3)，1999.中文译名“MEMS开关的金微接触的接触物理学”，该文主要讨论了金对MEMS开关的物理性质影响。
微机械微波/射频开关的制备和功能测量研究，Semiconductor Technology，Vol.27(111)，200211-14，该文主要论述了静电型微机械微波/射频开关的制备与性能的测量方法。
A fast，robust and simple 2-D micro-optical scanner based on contactlessmagnetostrictive actuation，IEEE of Micromechanical Systems，2000715-720.中文译名“一种基于磁致伸缩致动的无接触式、快速、持久、简单二维微光扫描仪”，该文只要讨论了基于磁致伸缩致动微光扫描仪的制备、性能。
No-linear actuation of cantilevers using giant magnetostrictive thinfilms，Ultrasonics，No.38，200064-66.中文译名“巨磁致伸缩薄膜悬臂梁的非线性致动”，该文主要讨论了磁致伸缩薄膜悬臂梁的本征共振特性。
超磁致伸缩薄膜材料及其应用，中国有色金属学报，vol.10(增刊1)，2000266-269.该文主要论述了磁致伸缩薄膜材料的研究现状及其特性，在微泵、超声直线马达、传感器中的应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种微波/射频微机械开关及其制备方法，采用本发明方法制备的微波/射频微机械开关具有低驱动电压及高的响应速度等特点。
本发明提供的一种微波/射频微机械开关(如图2所示)，它包括锚位1，基底2，信号线5，悬臂梁6，接触金属层7，信号线8，其特征是它还包括外加磁场导线9、磁致伸缩层10；在基底2上为锚位1、外加磁场导线9以及信号线5和8平行排列；悬臂梁6的固定端在锚位1上，悬空部分位于外加磁场导线9以及信号线5和8正上方；磁悬臂梁6上为致伸缩层10；接触金属层7位于悬臂梁6悬空部分的正下方。
需要说明的是，基底2可采用氧化铝陶瓷片、氮化硅等绝缘材料；悬臂梁6可采用硅、氮化硅等高强度材料；接触金属层7可采用金、银、铂等导电性良好的金属；外加磁场导线9可采用金、银、铂等导电性良好的金属；信号线5和8可采用金、银、铂等导电性良好的金属；磁致伸缩层10可以采用TbFe(铽铁)、TbDyFe(铽镝铁)磁致伸缩薄膜，也可以采用TbFe/Fe(铽铁/铁)、TbDyFe/Fe(铽镝铁/铁)磁致伸缩多层膜。
本发明提供的一种微波/射频微机械开关的工作原理为通过外加磁场导线通入直流电，产生沿悬臂梁水平方向的水平磁场，磁致伸缩薄膜在外加磁场作用下产生水平方向的伸长变形，引起悬臂梁向下弯曲接通信号线，导通微波信号，实现信号的开；当外加磁场电流切断后，磁致伸缩效应消失，悬臂梁恢复原状，微波信号不能导通，实现信号的关。
本发明的微波/射频微机械开关的制备方法，其特征是它包括下面的步骤步骤1采用光刻法在基底2上形成信号线5和8、外加磁场导线9模形，如图a所示；步骤2通过磁控溅射法沉积一层金、银或铂等导电性良好的金属，如图b所示；步骤3采用丙酮浸泡剥离形成信号线5和8、外加磁场导线9，如图c所示；步骤4采用光刻法在基底2上形成锚位1模形，如图d所示；步骤5通过磁控溅射法沉积一层硅或氮化硅，如图e所示；步骤6采用丙酮浸泡剥离形成锚位1，如图f所示；步骤7采用甩胶的办法涂覆微机械用有机牺牲层，如图g所示；步骤8采用光刻法在牺牲层上形成接触金属层7模形，如图h所示；步骤9通过磁控溅射法沉积一层金、银或铂等导电性良好的金属，如图i所示；步骤10采用丙酮浸泡剥离形成接触金属层7，如图j所示；步骤11采用光刻法形成悬臂梁6模形，如图k所示；步骤12通过磁控溅射法沉积硅或氮化硅等悬臂梁材料，如图l所示；步骤13通过磁控溅射法沉积一层TbFe、TbDyFe、TbFe/Fe、TbDyFe/Fe等磁致伸缩薄膜或磁致伸缩多层膜，如图m所示；步骤14采用丙酮浸泡剥离形成悬臂梁6和磁致伸缩层10，如图n所示；步骤15采用牺牲层材料专用去除液浸泡去除牺牲层，如图o所示；经过上述步骤后，就可以制备出本发明的磁致伸缩型微波/射频微机械开关。
本发明的磁致伸缩型微波/射频微机械开关具有驱动电压低、响应时间短的特点。
图1传统的静电型微波/射频微机械开关结构示意图1-锚位，2-基底，3-顶电极，4-地线，5-信号线，6-悬臂梁，7-接触金属层，8-信号线；图2本发明的磁致伸缩型微波/射频微机械开关结构示意图1-锚位，2-基底，5-信号线，6-悬臂梁，7-接触金属层，8-信号线，9-外加磁场导线，10-磁致伸缩层；图3磁致伸缩型微波/射频微机械开关制备工艺流程示意图其中，图a是光刻形成信号线5和8、外加磁场导线9模形示意图；图b是通过磁控溅射法沉积一层金、银或铂等导电性良好的金属示意图；图c是浸泡剥离形成信号线5和8、外加磁场导线9示意图；图d是采用光刻法在基底2上形成锚位1模形示意图；图e是通过磁控溅射法沉积一层硅或氮化硅示意图；图f是采用丙酮浸泡剥离形成锚位1示意图；图g是采用甩胶的办法涂覆微机械用有机牺牲层示意图；图h是采用光刻法在牺牲层上形成接触金属层7模形示意图；图i是通过磁控溅射法沉积一层金、银或铂等导电性良好的金属示意图；图j是采用丙酮浸泡剥离形成接触金属层7示意图；图k是采用光刻法形成悬臂梁6模形示意图；图l是通过磁控溅射法沉积硅或氮化硅等悬臂梁材料示意图；图m是通过磁控溅射法沉积一层TbFe、TbDyFe磁致伸缩薄膜或TbFe/Fe、TbDyFe/Fe磁致伸缩多层膜示意图；图n是采用丙酮浸泡剥离形成悬臂梁6和磁致伸缩层10示意图；图o是采用牺牲层材料专用去除液浸泡去除牺牲层示意图。
具体实施例方式
在基底20×20×0.5mm3氧化铝陶瓷片上制作微波/射频开关阵列(1)采用20×20×0.5mm3氧化铝陶瓷片作为基底，经清洗后光刻形成信号线、外加磁场导线模形，溅射一层0.5μm厚的金，经剥离形成信号线、外加磁场导线；(2)采用光刻法在基底上形成锚位模形，通过磁控溅射法沉积一层2.5μm厚的硅，经剥离形成锚位；(3)通过甩胶法在基底上涂覆2μm厚的微机械用PiRLIII聚酰亚胺牺牲层；(4)在牺牲层上通过光刻形成接触金属层图形，溅射一层0.1μm厚的金，经剥离形成接触金属层；(5)通过光刻形成悬臂梁图形，依次溅射一层20μm厚的硅和2μm厚的TbDyFe磁致伸缩薄膜层，经剥离形成悬臂梁、磁致伸缩薄膜层；(6)采用PiRLIII聚酰亚胺牺牲层材料专用去胶液去除牺牲层，释放悬臂梁；光刻胶选用AZ-9260微机械用厚胶，通过控制甩胶的加速度和线速度来控制光刻胶的厚度。
开关的关键尺寸锚位100×100μm2；外加磁场导线20μm宽；信号线20μm宽，中间间距30μm宽；接触金属层50×50μm2；悬臂梁100×50μm2。
权利要求
1.一种微波/射频微机械开关，它包括锚位(1)，基底(2)，信号线(5)，悬臂梁(6)，接触金属层(7)，信号线(8)，，其特征是它还包括外加磁场导线(9)、磁致伸缩层(10)；在基底(2)上为锚位(1)、外加磁场导线(9)以及信号线(5)和(8)平行排列；悬臂梁(6)的固定端在锚位(1)上，悬空部分位于外加磁场导线(9)以及信号线(5)和(8)正上方；磁悬臂梁(6)上为磁致伸缩层(10)；接触金属层(7)位于悬臂梁(6)悬空部分的正下方。
2.根据权利要求1所述的一种微波/射频微机械开关，其特征是所述的磁致伸缩层10可以采用TbFe(铽铁)磁致伸缩薄膜、TbDyFe(铽镝铁)磁致伸缩薄膜，也可以采用TbFe/Fe(铽铁/铁)磁致伸缩多层膜、TbDyFe/Fe(铽镝铁/铁)磁致伸缩多层膜。
3.据权利要求1所述的一种微波/射频微机械开关，其特征是所述的外加磁场导线9可采用金、银、铂等导电性良好的金属。
4.根据权利要求1所述的一种微波/射频微机械开关，其特征是所述的一种微波/射频微机械开关的制备方法，包括下面的步骤步骤1采用光刻法在基底2上形成信号线5和8、外加磁场导线9模形；步骤2通过磁控溅射法沉积一层金、银或铂等导电性良好的金属；步骤3采用丙酮浸泡剥离形成信号线5和8、外加磁场导线9示；步骤4采用光刻法在基底2上形成锚位1模形；步骤5通过磁控溅射法沉积一层硅或氮化硅；步骤6采用丙酮浸泡剥离形成锚位1；步骤7采用甩胶的办法涂覆微机械用有机牺牲层；步骤8采用光刻法在牺牲层上形成接触金属层7模形；步骤9通过磁控溅射法沉积一层金、银或铂等导电性良好的金属；步骤10采用丙酮浸泡剥离形成接触金属层7；步骤11采用光刻法形成悬臂梁6模形；步骤12通过磁控溅射法沉积硅或氮化硅等悬臂梁材料；步骤13通过磁控溅射法沉积一层TbFe、TbDyFe、TbFe/Fe、TbDyFe/Fe等磁致伸缩薄膜或磁致伸缩多层膜；步骤14采用丙酮浸泡剥离形成悬臂梁6和磁致伸缩层10；步骤15采用牺牲层材料专用去除液浸泡去除牺牲层。
全文摘要
本发明提供的一种微波/射频微机械开关，它包括锚位1，基底2，信号线5，悬臂梁6，接触金属层7，信号线8，外加磁场导线9，磁致伸缩层10，其特征是它还包括磁致伸缩层10；在基底2上为锚位1、外加磁场导线9以及信号线5和8平行排列；悬臂梁6的固定端在锚位1上，悬空部分位于外加磁场导线9以及信号线5和8正上方；磁悬臂梁6上为磁致伸缩层10；接触金属层7位于悬臂梁6悬空部分的正下方。本发明的磁致伸缩型微波/射频微机械开关具有驱动电压低、响应时间短的特点。
文档编号H01H59/00GK1624846SQ20031011107
公开日2005年6月8日 申请日期2003年12月3日 优先权日2003年12月3日
发明者张万里, 蒋洪川, 彭斌, 张文旭, 杨仕清, 张金平 申请人:电子科技大学