一种新型电极驱动结构及MEMS开关

一种新型电极驱动结构及mems开关
技术领域
1.本技术涉及射频器件技术领域，特别是涉及一种新型电极驱动结构及mems开关。


背景技术：

2.rf mems(radio frequency micro-electro-mechanical system，射频微机电系统)开关具有高线性度、低损耗、高隔离度等优异特性，广泛应用在移动通信终端及系统、卫星通信系统、高性能相控阵雷达等领域。
3.现有的rf mems电容开关，驱动部件设置在基底的内部，滑动部件设置在基底上方，通过底部的驱动部件形成的压差驱动滑动部件的运动。由于驱动部件设置在基底的内部，驱动部件和滑动部件之间会由于静电吸合作用，驱动部件朝向基底具有较大的力，使得驱动部件驱动滑动部件需要更大的驱动力，且可能导致静电击穿。
4.因此，如何解决上述技术问题应是本领域技术人员重点关注的。


技术实现要素：

5.本技术的目的是提供一种新型电极驱动结构及mems开关，以更小的驱动力实现更快的驱动速度。
6.为解决上述技术问题，本技术提供一种新型电极驱动结构，包括：
7.基底；
8.设于所述基底上表面的滑动部件；
9.用于驱动所述滑动部件的驱动部件，且驱动部件的位置不低于所述基底的上表面，所述驱动部件驱动所述滑动部件在所述基底的上表面滑动。
10.可选的，所述的新型电极驱动结构中，所述驱动部件位于所述滑动部件的两侧。
11.可选的，所述的新型电极驱动结构中，所述驱动部件位于所述滑动部件的上方；
12.相应的，还包括设于所述基底上表面且与所述驱动部件连接的支撑部件。
13.可选的，所述驱动部件设于所述滑动部件的两端，且所述滑动部件于所述驱动部件之间运动。
14.可选的，所述的新型电极驱动结构中，所述支撑部件为绝缘部件。
15.可选的，所述的新型电极驱动结构中，所述支撑部件和所述驱动部件为一体式驱动部件。
16.可选的，所述的新型电极驱动结构中，所述驱动部件包括两个驱动组件，每个所述驱动组件包括至少两个驱动电极。
17.可选的，所述的新型电极驱动结构中，所述驱动组件包括三个所述驱动电极。
18.可选的，所述的新型电极驱动结构中，所述滑动部件与所述基底上表面之间超滑接触。
19.可选的，所述的新型电极驱动结构中，所述滑动部件包括至少一个超滑片。
20.可选的，所述的新型电极驱动结构中，所述基底上表面的预设区域为超滑面，其中
所述预设区域为整个上表面区域或者所述滑动部件往复滑动的区域。
21.本技术还提供一种mems开关，所述mems开关包括上述任一种所述的新型电极驱动结构。
22.本技术所提供的一种新型电极驱动结构，包括基底；设于所述基底上表面的滑动部件；用于驱动所述滑动部件的驱动部件，且驱动部件的位置不低于所述基底的上表面，所述驱动部件驱动所述滑动部件在所述基底的上表面滑动。
23.可见，本技术的驱动结构中滑动部件设置在基底的上表面，驱动部件的位置不低于基底的上表面，即驱动部件并不设置在基底内部，驱动部件在驱动滑动部件在基底上表面滑动时，驱动部件和滑动部件之间的力并不会施加在滑动部件朝向基底的方向上，滑动部件在更小的驱动力作用下就可以实现更快速地驱动。
24.本技术还提供一种mems开关。
附图说明
25.为了更清楚的说明本技术实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
26.图1为本技术实施例所提供的一种新型电极驱动结构的侧视图；
27.图2为本技术实施例所提供的另一种新型电极驱动结构的侧视图；
28.图3为本技术实施例所提供的另一种新型电极驱动结构的侧视图；
29.图4为本技术实施例所提供的一种新型电极驱动结构的俯视图；
30.图5为本技术实施例所提供的一种新型电极驱动结构的正视图；
31.图6为驱动部件包括两个驱动电极时新型电极驱动结构的俯视图；
32.图7为驱动部件包括两个驱动电极时新型电极驱动结构的侧视图；
33.图8为图6中新型电极驱动结构的等效电路图；
34.图9滑动部件在水平方向的受力与滑动部件右侧边缘和右侧驱动电极左侧边缘的距离的关系图；
35.图10滑动部件在垂直平方向的受力与滑动部件右侧边缘和右侧驱动电极左侧边缘的距离的关系图。
具体实施方式
36.为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本技术作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，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，都属于本技术保护的范围。
37.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是本实用新型还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似推广，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。
38.正如背景技术部分所述，现有的rf mems电容开关，驱动部件设置在基底的内部，
滑动部件设置在基底上方，通过底部的驱动部件形成的压差驱动滑动部件的运动。由于驱动部件设置在基底的内部，驱动部件和滑动部件之间会由于静电吸合作用，驱动部件朝向基底具有较大的力，使得驱动部件驱动滑动部件需要更大的驱动力，且可能导致静电击穿。
39.有鉴于此，本技术提供了一种新型电极驱动结构，请参考图1和图2，新型电极驱动结构包括：
40.基底1；
41.设于所述基底1上表面的滑动部件2；
42.用于驱动所述滑动部件2的驱动部件3，且驱动部件3的位置不低于所述基底1的上表面，所述驱动部件3驱动所述滑动部件2在所述基底1的上表面滑动。
43.需要说明的是，本技术中的新型电极驱动结构还包括传输部件，传输部件的类型可以为电容式，或者接触式等，本技术不做限定，传输部件的具体设置已为本领域技术人员所熟知，此处不再详细赘述。
44.基底1包括但不限于硅基底、氧化硅基底、氮化硅基底、等常用的绝缘基底。
45.本技术中对驱动部件3的设置位置不做具体限定，下面分别进行阐述。
46.作为一种可实施方式，所述驱动部件3位于所述滑动部件2的两侧，如图1所示，驱动部件3同样设置在基底1的上表面。驱动部件3从滑动部件2的两侧对滑动部件2进行驱动。
47.作为另一种可实施方式，所述驱动部件3位于所述滑动部件2的上方；相应的，还包括设于所述基底1上表面且与所述驱动部件3连接的支撑部件4，如图2所示。
48.进一步的，本技术中对支撑部件4不做具体限定，可自行设置。可选的，所述支撑部件4为绝缘部件，此时支撑部件4仅仅起到支撑驱动部件3的作用，驱动部件3从滑动部件2的上方对滑动部件2进行驱动。或者，所述支撑部件4和所述驱动部件3为一体式驱动部件3，驱动部件3从滑动部件2的上方和侧方同时对滑动部件2进行驱动。
49.作为另一种可实施方式，所述驱动部件设于所述滑动部件的两端，且所述滑动部件于所述驱动部件之间运动，如图3所示。
50.本技术的驱动结构中滑动部件2设置在基底1的上表面，驱动部件3的位置不低于基底1的上表面，即驱动部件3并不设置在基底1内部，驱动部件3在驱动滑动部件2在基底1上表面滑动时，驱动部件3和滑动部件2之间的力并不会施加在滑动部件2朝向基底1的方向上，减小驱动部件3驱动滑动部件2的驱动力，加快滑动部件2的驱动。
51.请参考图4，图4为本技术实施例所提供一种新型电极驱动结构的俯视图。在上述实施例的基础上，在本技术的一个实施例中，所述驱动部件3包括两个驱动组件，每个所述驱动组件包括至少两个驱动电极。例如，所述驱动组件包括两个驱动电极，或者所述驱动组件包括三个所述驱动电极，或者驱动电极包括更多个驱动电极，具体的电极数量可以根据需要自行设置。
52.当驱动组件中包括两个驱动电极时，滑动部件2在驱动部件3的驱动下可以实现单次驱动，请参考图5新型电极驱动结构的正视图，此时，滑动部件2的长度l小于驱动电极的宽度we和两个驱动电极之间的间距de之和；当驱动组件中包括三个驱动电极时，滑动部件2在驱动部件3的驱动下可以实现往复驱动；当驱动组件中包括更多个驱动电极时，滑动部件2在驱动部件3的驱动下可以实现连续驱动。
53.多个驱动电极从左端向右端延伸排布，滑动部件2处于左端，从左开始，在左端的
前两个相邻驱动电极之间施加偏压，滑动部件2在驱动力的作用下向右侧滑动一定距离，然后在第二个和第三个驱动电极之间施加偏压，滑动部件2在驱动力的作用下再次向右侧滑动一定距离，以此类推，不断的在相邻的两个驱动电极之间施加偏压，实现滑动部件2的连续驱动。
54.需要强调的是，驱动部件3的驱动方式并不限于电驱动，例如，还可以采用磁驱动、光驱动等等。
55.为了减小滑动部件2在基底1上表面滑动时的摩擦力，在上述任一实施例的基础上，在本技术的一个实施例中，所述滑动部件2与所述基底1上表面之间超滑接触。超滑接触是指发生相对滑动的两个接触表面之间的摩擦力几乎为零，磨损为零。滑动部件2的下表面和基底1的上表面两者中至少一个为单晶二维界面，单晶二维界面为原子级平整的表面，另一个范德华表面。原子级平整的表面指粗糙度小于1nm的表面。
56.可选的，所述滑动部件2包括至少一个超滑片。超滑片的材料优选为石墨片或者其他具有超滑面的材料，优选为下表面附着有石墨、单层/少层石墨烯等具有超滑性质的材料。优选为下表面附着有石墨、单层/少层石墨烯等具有超滑性质的材料。超滑片的厚度一般为100nm至10μm，超滑片的尺寸一般为1μm至20μm。
57.当超滑片的数量为多个时，各个超滑片的高度和底面积可以相同或者不同，连接层可以将多个高度或底面积相同或不同的超滑片组装的厚度一致，且所有超滑片的超滑面一致。
58.可选的，所述基底1上表面的预设区域为超滑面，其中所述预设区域为整个上表面区域或者所述滑动部件2往复滑动的区域。
59.下面对本技术新型电极驱动结构可以实现滑动部件的驱动进行阐述说明。
60.请参考图6和图7，以驱动部件包括两个驱动电极为例，滑动部件与右侧驱动电极在水平方向上的距离为零。
61.滑动部件侧面与左侧驱动电极之间的电容分别记为c
11
和c
14
，且c
11
＝c
14
，滑动部件上表面与左侧驱动电极之间的电容分别为c
12
和c
13
，且c
12
＝c
13
，c
11
、c
12
、c
13
和c
14
的计算公式如下：
[0062][0063][0064]
式中，ε0为真空介电常数，εr为相对介电常数，l为滑动部件的长度，de为两个驱动电极之间的距离，hg为滑动部件的厚度，d1为滑动部件的宽度，g为滑动部件与驱动电极之间的距离，le为滑动部件与驱动电极重叠区域的长度。
[0065]
电容c
11
、c
12
、c
13
和c
14
之间为并联关系，则左侧驱动电极与滑动部件之间的电容c1为：
[0066]
c1＝c
11
c
12
c
13
c
14
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0067]
同理，右侧驱动电极与滑动部件之间的电容c2为：
[0068]
c2＝c
21
c
22
c
23
c
24
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0069]
其中，c
21
、c
22
、c
23
和c
24
的计算公式如下：
[0070][0071][0072]
图6中两个驱动电极与滑动部件的等效电路图如图8所示，其中，c1为左侧驱动电极与滑动部件之间的电容，c2为右侧驱动电极与滑动部件之间的电容，两个驱动电极连接驱动电源，其上都具备一定偏压，因此在图8中被等效为两个电源，另外，设这两个电源的负极电位为0，滑动部件上的电势为u0，两个驱动电极对应的电势分别为u1、u2，两个电容对应的电荷分别为q1、q2，则可得：
[0073][0074][0075]
q1 q2＝0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0076]u1-u2＝δv
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0077]
静电能e
t
：
[0078][0079]
则根据公式(1)至(11)可以得到滑动部件在x、y方向的受力分别为：
[0080][0081][0082]fx
可优化参数：
[0083]
g∈(0.2，1.2),le∈(0，3),d1∈(5，10),de∈(1，5)。
[0084]
对于图7中的新型电极驱动结构，无需优化的参数为：l＝6μm，hg＝0.5μm，δv＝200v，ε0εr＝8.85
×
10
12f·
m-1
，需优化的参数：d1∈[5,20],g∈[0.5,1.5],le∈[0,2.5],de∈[1,6]，当x＝0.1时，带入公式(12)中，则：
[0085][0086]
变成求解最优化问题，求f
x|x＝0.1
最大值max(f
x|x＝0.1
)，s.t.d1∈[5,20],g∈[0.5,1.5],le∈[0,2.5],de∈[1,5]，求解得到：当de＝1μm，le＝2.5μm，g＝0.5μm，d1＝5μm时，f
x|x＝0.1
取得最大值，f
x|x＝0.1
＝1.73μn，此时，f
x
和fy与x的关系图分别如图9和图10所示。图9中，横坐标为x，纵坐标为f
x’随着x的增大，f
x
逐渐减小；图10中，横坐标为x，纵坐标为f
y’随着x的增大，fy先增大后减小。
[0087]
本技术还提供一种mems开关，所述mems开关包括上述任一实施例所述的新型电极
驱动结构。
[0088]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0089]
以上对本技术所提供的新型电极驱动结构及mems开关进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本技术的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本技术的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术原理的前提下，还可以对本技术进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本技术权利要求的保护范围内。