开关结构与材料选择新型开,结构包含金材料共面波导传输线和电磁微驱动器两个部分。以通电铜驱动线圈驱动悬臂梁,从而操纵金属触点实现对共面波导传输线的通/断控制;以永磁体双向偏置的并联磁回路实现开关的无功耗通/断状态维持。微加工软磁材料形成的梁结构既可用于实现器件的运动功能,又是磁回路的一部分,从而简化了器件结构。这里悬臂梁采用了横截面是“T”形的结构,目的是在保证悬臂梁刚度的前提下尽可能降低悬臂梁的质量,从而有利于提高器件的响应速度。与H1Ren等人提出的双稳态电磁型微驱动器有所不同的是:这里的微驱动器利用了集成的平面型铜线圈而不是用手工绕制的铜双螺线管结构,从而更有利于器件的集成加工制作;利用了扭梁的扭转而不是悬梁的弯曲实现开关的动作,辅以向两个方向水平伸展的双臂结构,将会比单臂悬梁在相同的驱动条件下得到更大的位移,工作状态会更为稳定。
微驱动器的下磁路主要用于汇集磁通并形成导磁通道,因此需要选用高导磁率的软磁材料,其中坡莫合金最具有实用性,特别是电沉积的坡莫合金薄膜。电沉积的坡莫合金膜不但有相对的高饱和磁通密度和磁导率、较小的矫顽力,而且可以借助掩膜电镀方便地实现选择性沉积,在基体表面形成需要的衬底和磁通道,是微加工工艺最为成熟的一种软磁材料。在悬臂梁和扭梁的材料选择上,既要考虑磁通的要求,又要同时兼顾机械性能和微加工的可行性,能满足这些要求的最具可能的材料仍然是电沉积的软磁材料坡莫合金。永磁体对矫顽力的要求并不高,多种永磁材料都可以胜任,关键是要能实现效果良好的掩膜电镀。平面线圈的各匝导线间及线圈层与下磁通路之间需要用绝缘材料填充隔离,并用以使铜导线与空气隔绝,防止导线氧化。绝缘材料影响并决定微驱动器的允许温升和使用寿命,同时还将影响开关的微波性能。绝缘材料的选用应从其介电强度、绝缘电阻、介电损耗及加工工艺的兼容性等几个方面考虑。Al2O3由于具有优秀的绝缘性能、容易用溅射方法制备而被选用作RFMEMS开关器件内的绝缘材料。
加工工艺新型RFMEMS开关的工艺制作利用了UV2LIGA技术。相对于经典LIGA技术而言,UV2LIGA技术以紫外光源和简单的铬掩膜版分别代替成本费用昂贵的X光源和特制的3D微结构掩膜版,这大大降低了器件制作的工艺成本,缩短了加工周期。电磁型MEMS开关的制作涉及多种材料和多层结构的叠加结合,因此电镀种子层采用Cr/Cu复合金属层膜,即在电镀基体上先溅射粘附性能好的Cr层20nm,再溅射用作电镀种子层的Cu金属层60nm.
低应力坡莫合金的电镀残余应力是坡莫合金用于MEMS中的一个主要问题。电沉积物中的残余应力问题由来已久,在电镀技术的早期就得到了人们的关注。用于MEMS器件的电镀坡莫合金,其残余应力将会引起器件结构的变形、降低器件疲劳寿命、加剧腐蚀及腐蚀开裂,已成为限制许多微型磁器件功能的一个主要影响因素。在本设计中,坡莫合金制作的悬臂梁是细长的悬空结构,悬梁末端与衬底的空气间隙是闭合磁路的一部分,必须严格控制。张应力会造成悬梁上翘使气隙增大,结果是使漏磁增加;压应力会使悬梁下弯,使工作气隙减小,位移行程达不到要求,或者下弯到两端粘附到衬底上。这两种情况都会引起器件功能失效。经过实验对比分析,确定了低浓度的镀液体系,以减少电镀坡莫合金的应力,电镀条件如所示。最终实验结果是通过叠层制造的细长悬臂梁的内应力得到了有效控制,在悬臂梁长度为700μm的情况下,使悬臂梁因应力引起的梁末端形变小于2μm,可以满足设计的要求。
在外加磁场和缓慢电沉积的条件下,从稀浓度氯化物镀液体系中获得的CoNiMnP镀层,具有相对较高的矫顽力和磁能积,并具有较强的各向异性。对于叠层微加工来说,电镀永磁体对内应力要求较高,内应力较大时不仅会造成镀层的明显裂纹,严重时会导致在后续加工中镀层与基体的脱离。研究发现,镀液体系对镀层内应力的影响很大,即使化学成份接近的镀层,不同镀液沉积的样品也会有显著差异;一些在通常电镀体系中被公认会导致内应力增加的成份,比如氯离子,在多元磁性材料电镀中并不一定如此。经过对多种镀液体系的比较研究,最后确定了一种在稀溶液中、强磁场环境中、低电流密度沉积永磁体的工艺体系,电镀配方和电镀条件如所示,电镀的永磁体磁能积可以达到10kJ/m3以上,累积40μm的镀层在后续加工过程中并没有出现裂纹和脱落现象。
悬梁的制备悬梁结构需要借助于牺牲层技术来实现。牺牲层技术也叫分离层技术,即利用不同材料在同一种腐蚀液(或腐蚀气)中腐蚀速率的差异,选择性地将结构图形与衬底之间的材料(即牺牲层材料)刻蚀去掉,进行结构的释放,形成空腔上膜或其它悬空结构。牺牲层是MEMS应用中的关键技术,是传统IC工艺与MEMS加工技术的一个重要区别,已成为MEMS技术研究领域中的一个主要热点。用于结构悬空的牺牲层材料的选取,首先要考虑满足牺牲层材料的有别于结构图形的可选择性的刻蚀去掉,要有高的刻蚀选择率,以保证结构的其它部位不被明显地损伤;其次要有高的刻蚀速率;释放后的悬空结构还要无变形,具备必需的活动空间。对于已报道的用作牺牲层材料的金属(如Ti,Al,Cu和Cr)和非金属(如磷硅玻璃、SiO2),其在材料覆盖、图形化及牺牲层溶解上都相对困难。
结论
利用UV2LIGA技术,通过对主要材料坡莫合金和永磁体的电镀优化,利用光刻胶作为牺牲层、借助于分层刻蚀和逐步替换的湿法释放技术,实现了电磁型RFMEMS开关的多种非硅材料和多元结构形式的一体化集成加工。另外对制备的开关进行的测试分析表明,开关实现了双稳态电磁驱动,开关的响应时间不到20μs,具有相对高的响应速度;开关在3GHz频率时插入损耗小于0112dB,隔离度大于42dB,具有良好的微波信号控制性能。

















