CN117542702A - 一种石墨烯rf nems开关 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电子开关技术领域，具体涉及一种石墨烯RF NEMS开关，包括衬底、微波传输线、介电层和悬浮顶部电极石墨烯导电膜，所述衬底上方分布有微波传输线，所述微波传输线上方固定有介电层和悬浮顶部电极石墨烯导电膜，所述介电层上方垂直悬挂有顶部电极石墨烯导电膜。本发明的悬置梁为弹性二维薄层石墨烯材料，代替了传统的金属梁材料，实现了小尺寸、轻重量、低成本、低驱动电压、快速的响应时间，更少的电阻损耗、优异的RF性能和用于电路中更小的占用空间。本发明在高频下可实现低的插入损耗和高隔离度，并且作为介电层，可以避免在加工过程当中因驱动电压的升高导致的断裂变形的问题以及对于降低开关的驱动电压具有显著的成效。
Description
技术领域
本发明属于电子开关技术领域，具体涉及一种石墨烯RF NEMS开关。
背景技术
在无线通信中，射频(RF)应用显著增加了对高性能小型化器件的需求。RF微机电(MEMS)开关由于具有更高的高频性能和高线性度而优于固态开关。此外，基于静电驱动机制的MEMS开关消耗几乎为零的直流功率，成本低，并提供高隔离度和零插入损耗，使得它们适合于从移动通信到先进雷达系统的各种应用。然而，基于金属梁的RF MEMS开关虽然表现出良好的高频性能，但是，在高频下静摩擦和机械稳定性差，并且驱动电压高于当前集成电路技术的工作电压。
发明内容
针对上述金属梁的RF MEMS在高频下静摩擦和机械稳定性差，并且驱动电压高于当前集成电路技术的工作电压的技术问题，本发明提供了一种石墨烯RF NEMS开关，实现了小尺寸、轻重量、低成本、低驱动电压(0.41V)、快速的响应时间，更少的电阻损耗、优异的RF性能和用于电路中更小的占用空间。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种石墨烯RF NEMS开关，包括衬底、微波传输线、介电层和悬浮顶部电极石墨烯导电膜，所述衬底上方分布有微波传输线，所述微波传输线上方固定有介电层和悬浮顶部电极石墨烯导电膜，所述介电层上方垂直悬挂有顶部电极石墨烯导电膜。
所述微波传输线包括中心导体信号线和接地导体地线，所述中心导体信号线上固定有介电层，所述中心导体信号线作为驱动电极，所述介电层用于将开关与微波传输线的中心导体信号线进行直流隔离。
所述接地导体地线设置有两个，两个接地导体地线设置在中心导体信号线的两侧，所述顶部电极石墨烯导电膜的两端分别固定在两个接地导体地线上。
所述衬底采用高阻硅衬底、玻璃衬底、陶瓷衬底或砷化镓衬底。
所述介电层为薄层正方形结构，所述介电层的材料采用二氧化铪HfO2或氧化石墨烯GO，所述二氧化铪HfO2的介电常数为25，所述氧化石墨烯GO的介电常数为200。
所述微波传输线采用共面波导或微带线，所述微波传输线的材料采用金导体，所述微波传输线的电导率为4.56×107S/m。
所述悬浮顶部电极石墨烯导电膜为悬置梁，所述悬浮顶部电极石墨烯导电膜位于距中心导体信号线的0.02μm高度处，所述悬浮顶部电极石墨烯导电膜与介电层形成接触状态和分离状态。
所述悬浮顶部电极石墨烯导电膜处于向下状态时，所述介电层与悬浮顶部电极石墨烯导电膜接触，形成电容器结构。
所述所述悬浮顶部电极石墨烯导电膜为长方形结构，所述悬浮顶部电极石墨烯导电膜的材料为单层石墨烯或多层石墨烯。
所述衬底的尺寸为2×2×1μm，所述中心导体信号线的尺寸为0.5×2×0.02μm，所述接地导体地线的尺寸为0.5×2×0.05μm，所述介电层的尺寸为0.5×0.5×0.001μm，所述悬浮顶部电极石墨烯导电膜的尺寸为1×0.5×0.00034μm。
本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：
本发明提出的石墨烯RF NEMS开关的悬置梁为弹性二维薄层石墨烯材料，代替了传统的金属梁材料，实现了小尺寸(2×2×1.05μm)、轻重量、低成本、低驱动电压(0.41V)、快速的响应时间(5.42ps)，更少的电阻损耗、优异的RF性能和用于电路中更小的占用空间。
本发明提出的石墨烯RF NEMS开关在中心导体导体上使用薄介电层或具有高介电常数的电介质二氧化铪(HfO2)和氧化石墨烯(GO)材料。在高频下可实现低的插入损耗和高隔离度，并且作为介电层，可以避免在加工过程当中因驱动电压的升高导致的断裂变形的问题以及对于降低开关的驱动电压具有显著的成效。
本发明提出的石墨烯RF NEMS开关通过在底部驱动电极处施加不同的电压可实现“OFF”、“ON”状态。
本发明提出的石墨烯RF NEMS开关，对于单层和多层石墨烯梁，该开关在整个微波波段均表现出优越的RF性能，并且两种状态下的插入损耗与隔离度的变化几乎一直，这在实际的加工过程中，可以显著降低生产的挑战性。同时。对于单层石墨烯还具有非常低的吸合电压和高的开关速度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引申获得其它的实施附图。
本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
图1为本发明实施例的石墨烯RF NEMS开关的三维示意图；
图2为本发明实施例的石墨烯RF NEMS开关驱动电压为0V时处于“ON”状态的结构示意图；
图3为本发明实施例的石墨烯RF NEMS开关驱动电压为0.41V时处于“OFF”状态的结构示意图；
图4为本发明实施例的石墨烯RF NEMS开关的俯视图；
图5为本发明实施例的对于单层和多层石墨烯RF NEMS开关驱动电压为0.41V时的插入损耗示意图；
图6为本发明实施例的对于单层和多层石墨烯RF NEMS开关驱动电压为0.41V时的隔离度示意图；
其中：1为衬底，2为微波传输线，201为中心导体信号线，202为接地导体地线，3为介电层，4为悬浮顶部电极石墨烯导电膜。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制；基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式做进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体的连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
在本实施例中，如图1所示，石墨烯RF NEMS开关由衬底1、微波传输线2、介电层3以及悬浮顶部电极石墨烯导电膜4组成。其中，微波传输线2由中心导体信号线201及两侧接地导体地线202组成，厚度分别为T1，T2，T3，T4，T5。衬底1上方分布有微波传输线2，微波传输线2为共面波导CPW，或是为微带线，在其上方固定有介电层3和悬浮顶部电极石墨烯导电膜4。中心导体信号线201上固定有薄层正方形结构的介电层3，中心导体信号线201充当驱动电极，介电层3用于将开关与微波传输线的中心导体信号线201进行直流隔离。介质层3上方垂直悬挂有悬浮顶部电极石墨烯导电膜4，悬浮顶部电极石墨烯导电膜4为长方形结构，在该开关中被视为悬梁，悬置两侧固定于接地导体地线202上，悬浮顶部电极石墨烯导电膜4与底部的介电层3形成接触状态和分离状态。
如图2和图3所示，石墨烯RF NEMS开关在底部驱动电极处施加不同的电压时实现了“OFF”、“ON”状态。工作原理如下：
如图2所示，当在中心导体信号线201处施加的电压为0V时，悬浮顶部电极石墨烯导电膜4保持在未制动状态，与底部介电层不形成接触，具有非常小的上升状态电容，此时，开关处于“ON”状态，信号以零损沿中心导体信号线3传播。由于悬浮顶部电极石墨烯导电膜4与中心导体信号线201之间的正对面积可调，所以引入的对地电容值可调，因此可根据使用需求单独调节“ON”状态的对地电容值。
如图3所示，当在中心导体信号线201处施加的驱动电压为0.41V时，在驱动力的作用下，悬浮顶部电极石墨烯导电膜4被拉向下中心导体信号线201，且悬浮顶部电极石墨烯导电膜4和中心导体信号线201的空气间隙变为零，此时，介电层3与悬浮顶部电极石墨烯导电膜4接触，从而形成电容器结构。由于信号对地耦合反射，此时，开关处于“OFF”状态。其中“OFF”状态的电容值也可根据需求单独进行调节。
如图4所示，石墨烯RF NEMS开关中各尺寸参数可选择如下：衬底1为高阻硅衬底；或是为，玻璃衬底；或是为，陶瓷衬底；或是为，砷化镓衬底，单元结构的尺寸P×L×T1为2×2×1μm。微波传输线2为共面波导(CPW)，或是为微带线，材料为金导体，电导率为4.56×107S/m。中心导体信号线3的尺寸P×W×T3为0.5×2×0.02μm，接地导体地线202的尺寸P×M×T2为0.5×2×0.05μm，中心导体信号线201与接地导体地线202之间的宽度S为0.25μm，介电层4为薄层正方形结构，材料为二氧化铪(HfO2)，介电常数为25；或是为，氧化石墨烯(GO)，介电常数为200左右，单元结构的尺寸W×W×T4为0.5×0.5×0.001μm。悬浮顶部电极石墨烯导电膜4被视为悬梁，悬置梁位于距中心导体信号线201为g0＝0.02μm的高度处。
本实施例中，在中心导体导体上使用薄介电层或具有高介电常数的电介质被认为是实现开关的高电容比，因为高的电容比可实现低的插入损耗和高隔离度。该石墨烯RFNEMS开关选择二氧化铪(HfO2)作为电介质层的材料，可减少顶部电极石墨烯中的杂质散射，并且较高的介电常数和低的损耗正切角(tanγ＝0.0098)，导致高频下更好地开关性能；选择氧化石墨烯(GO)作为电介质层的材料，由于GO具有较低的弹性模量使其更柔韧，作为介电层，可以避免在加工过程当中因驱动电压的升高导致的断裂变形的问题以及对于降低开关的驱动电压具有显著的成效。
如图5所示，在1-140GHz的频率范围内计算了石墨烯RF NEMS开关驱动电压为0.41V时的S参数，该参数为开关在顶部电极保持在未制动状态时的S参数。其中，单层和多层石墨烯的插入损耗分别为0.0032-0.0153dB和0.003-0.0151dB。
如图6所示，在1-140GHz的频率范围内计算了石墨烯RF NEMS开关驱动电压为0.41V时的S参数，该参数为开关的顶部电极与底部驱动电极接触状态时的S参数。其中，单层和多层石墨烯的隔离度别为＞37.25dB和＞37.25dB。
由此可见，本发明提供的一种石墨烯RF NEMS开关，实现了小尺寸(2×2×1.05μm)、轻重量、低成本、低驱动电压(0.41V)、快速的响应时间(5.42ps)，更少的电阻损耗、优异的RF性能和用于电路中更小的占用空间，这些特性使得石墨烯RF NEMS开关适合用于从L波段到F波段的各种应用，如数据存储、通信应用、传感器和军事应用等方面。
尽管结合具体特征及其实施例对本发明进行了描述，显而易见的，可对其进行各种修改和组合。例如，上述衬底1的材料除了高阻硅衬底之外，也可采用玻璃衬底、陶瓷衬底和砷化镓衬底；介电层3的材料也可在二氧化铪(HfO2)，和氧化石墨烯(GO)之间做出改变。由此相应的，本书明书和附图仅仅是所附权利要求所界定的本发明的示例性说明，且视为已覆盖本发明范围内的任意和所有修改、变化、组合或等同物。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的范围。这样，倘若本发明的这些修改和变形属于本发明权利要求以及等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形在内。
Claims (10)
1.一种石墨烯RF NEMS开关，其特征在于：包括衬底(1)、微波传输线(2)、介电层(3)和悬浮顶部电极石墨烯导电膜(4)，所述衬底(1)上方分布有微波传输线(2)，所述微波传输线(2)上方固定有介电层(3)和悬浮顶部电极石墨烯导电膜(4)，所述介电层(3)上方垂直悬挂有顶部电极石墨烯导电膜(4)。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯RF NEMS开关，其特征在于：所述微波传输线(2)包括中心导体信号线(201)和接地导体地线(202)，所述中心导体信号线(201)上固定有介电层(3)，所述中心导体信号线(201)作为驱动电极，所述介电层(3)用于将开关与微波传输线的中心导体信号线(201)进行直流隔离。
3.根据权利要求2所述的一种石墨烯RF NEMS开关，其特征在于：所述接地导体地线(202)设置有两个，两个接地导体地线(202)设置在中心导体信号线(201)的两侧，所述顶部电极石墨烯导电膜(4)的两端分别固定在两个接地导体地线(202)上。
4.根据权利要求1所述的一种石墨烯RF NEMS开关，其特征在于：所述衬底(1)采用高阻硅衬底、玻璃衬底、陶瓷衬底或砷化镓衬底。
5.根据权利要求1所述的一种石墨烯RF NEMS开关，其特征在于：所述介电层(3)为薄层正方形结构，所述介电层(3)的材料采用二氧化铪HfO2或氧化石墨烯GO，所述二氧化铪HfO2的介电常数为25，所述氧化石墨烯GO的介电常数为200。
6.根据权利要求1所述的一种石墨烯RF NEMS开关，其特征在于：所述微波传输线(2)采用共面波导或微带线，所述微波传输线(2)的材料采用金导体，所述微波传输线(2)的电导率为4.56×107S/m。
7.根据权利要求2所述的一种石墨烯RF NEMS开关，其特征在于：所述悬浮顶部电极石墨烯导电膜(4)为悬置梁，所述悬浮顶部电极石墨烯导电膜(4)位于距中心导体信号线(201)的0.02μm高度处，所述悬浮顶部电极石墨烯导电膜(4)与介电层(3)形成接触状态和分离状态。
8.根据权利要求1所述的一种石墨烯RF NEMS开关，其特征在于：所述悬浮顶部电极石墨烯导电膜(4)处于向下状态时，所述介电层(3)与悬浮顶部电极石墨烯导电膜(4)接触，形成电容器结构。
9.根据权利要求1所述的一种石墨烯RF NEMS开关，其特征在于：所述所述悬浮顶部电极石墨烯导电膜(4)为长方形结构，所述悬浮顶部电极石墨烯导电膜(4)的材料为单层石墨烯或多层石墨烯。
10.根据权利要求2所述的一种石墨烯RF NEMS开关，其特征在于：所述衬底(1)的尺寸为2×2×1μm，所述中心导体信号线(201)的尺寸为0.5×2×0.02μm，所述接地导体地线(202)的尺寸为0.5×2×0.05μm，所述介电层(3)的尺寸为0.5×0.5×0.001μm，所述悬浮顶部电极石墨烯导电膜(4)的尺寸为1×0.5×0.00034μm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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