X波段MEMS分布式移相器開關機電性能研究

摘 要:介紹一種應用于X波段MEMS分布式移相器的新型單元開關。MEMS分布式移相器具有高品質因數、低插損、低功耗和高隔離度的優點，但由于傳統MEMS開關采用固支梁結構，彈性系數過大，下拉電壓過高，無法與傳統電子系統相兼容，大大限制了其應用和發展。基于此設計一種新型單元開關，采用彈性彎曲結構取代傳統固支梁結構，并在MEMS金屬梁上刻蝕釋放孔，極大降低了單元開關的彈性系數，從而實現了超低下拉電壓6 V。通過理論分析，給出MEMS開關彈性系數、下拉電壓的解析公式，并使用ANSYS進行了仿真分析。

關鍵詞:X波段; 射頻微機電; 分布式移相器; 機電耦合性能

中圖分類號:TN911 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)13-0001-03

Research on Electro-mechanical Performance of Switch for

MEMS Distributed Phaser Working in X Band

ZHANG Xiao-sheng1， BAO Jing-fu1， DU Yi-jia1， LI Ren-feng2

(1. Electronics Engineering College， University of Electronic Science and Technology of China， Chengdu 611731， China;

2. China Academy of Engineering Physics， Mianyang 621900， China)

Abstract: A novel switch used in X-band MEMS distributed phase shifter is presented. The conventional MEMS switches with clamped beam are limited by high driven voltage due to its large elastic coefficient though they have some excellent merits， such as high quality factor， low loss， low power consumption and high isolation，. A novel basic switch which employs the elastic bending structure instead of conventional clamped beam is designed to decline the driven voltage. Some small release holes are sculptured in the MEMS beam to reduce the elastic coefficient rapidly and achieve the low driven voltage(6 V). The elastic coefficient and analytical equations of the driven voltage for MEMS switch are given after theoretical analysis. The simulation analysis are performed with the software ANSYS.

Keywords: X-band; MEMS; distributed phase shifter; electromechanical coupling performance

0 引 言

移相器是無線通信系統中的基本部件，是構成相控陣雷達、微波毫米波接收發機的關鍵單元，其品質因數、插損和移相精度都對整個系統具有重大影響。傳統的移相器，通常采用鐵氧體材料、PIN管和FET構成[1-2]，開關速度快，移相精度高，但是功耗較大，品質因數和插損性能隨頻率增大而降低，無法滿足快速發展的無線通信系統需求。

RF-MEMS(Ratio Frequency Micro-electro-mechanical System)是將新興的MEMS技術應用于射頻電路中所形成的交叉學科。MEMS本身具有直流零功耗(理論上)、低插損、高品質因數Q和高隔離度的優點[3-4]，因此RF-MEMS一經提出，就獲得了國內外諸多學者的關注，成為了學術研究熱點，發展迅速。RF-MEMS移相器品質因數很高，損耗較低，在8～100 GHz范圍內性能更加優越。同時，由于MEMS開關處于up態時電容值很小，所以相比于傳統移相器具有更寬的帶寬。此外，MEMS移相器功耗極低，這符合電子系統發展中的小型化低耗能的要求。

1 RF-MEMS移相器分類

RF-MEMS移相器從工作原理上可以分為兩大類:線型移相器、分布式移相器。其中線型移相器是通過MEMS開關選通信號通道，利用傳輸線延遲來實現移相功能;分布式移相器是通過周期性加載MEMS梁，利用電容的移相特性來實現移相功能。線型移相器根據具體結構的不同，又可分為三類:反射型移相器、開關線型移相器和負載線型移相器[5]，其中開關線型移相器最為常用，結構示意圖如圖1所示。

開關線型移相器具有高移相精度，相移隨頻率線性增加，但是占用面積較大。而分布式移相器具有良好的寬帶性能，尺寸較小，對工藝要求不高，隨頻率的增大，分布式移相器的優勢愈發明顯[6]。分布式移相器結構示意圖如圖2所示。

圖1 開關線型移相器結構示意圖(3 b)

圖2 分布式移相器結構及其單元開關等效電路模型

由圖2可知，MEMS分布式移相器是由跨接在CPW兩根地線之間的多個相同的MEMS梁構成的，因此MEMS梁就是其基本單元，也是設計的核心和關鍵所在。目前文獻中已報道的MEMS分布式移相器的下拉電壓在20～80 V之間[7]，明顯高于傳統電子系統的供電電壓，不利于MEMS分布式移相器的集成和兼容。為此，設計一種新型MEMS分布式移相器開關，該新型單元開關采用彈性彎曲結構取代傳統固支梁，并在MEMS金屬梁上刻蝕釋放孔，極大降低了單元開關的彈性系數，從而實現了低下拉電壓6 V。

2 新型MEMS開關設計

MEMS開關的激勵方式主要有熱、靜磁力和靜電力[8-9]，其中前兩種方式結構復雜，不易于實現，本文所設計的MEMS開關采用靜電力驅動。在MEMS梁下方，CPW信號線兩側，等間距放置兩個靜電驅動電極施加靜電力。當加載直流驅動電壓時，MEMS梁受到靜電力牽引，被吸合到CPW信號線上，這樣MEMS梁-絕緣層-CPW信號線就構成了電容C1(down態);當釋放直流驅動電壓后，MEMS梁不再受到靜電力，將在機械回復力作用下發生形變，回復原始狀態，這樣MEMS梁-空氣-絕緣層-CPW信號線就構成了電容C2(up態)。周期性加載直流驅動電壓，則MEMS梁在up和down態之間周期性變換，則CPW信號線上周期性加載C1和C2，由于C1和C2的電容值不同，因而利用電容的移相特性，實現了移相功能。

傳統的MEMS開關采用固支梁結構，開關彈性系數大，導致下拉電壓過高，因此本文設計了一種彈性彎曲結構，如圖3所示。

圖3 新型MEMS梁結構示意圖

G.K.Fedder已經給出了這種結構的彈性系數的近似公式[5] :

k≈48GJl2aGJEIla+lbn3

(1)

式中:G為轉矩模量;I為轉動慣量;J為轉矩常數;la為彈性彎曲結構的長度;lb為彈性彎曲結構的跨度;n為彈性彎曲結構的彎曲個數。

已知MEMS開關下拉電壓公式為[5]:

Vp=8k27ε0Wwg30

(2)

式中:ε0為真空介電常數;W為驅動電極總寬度;w為MEMS梁寬度;g0為MEMS梁與驅動電極之間的初始間隙。

3 機電耦合性能仿真結果及分析

將式(1)代入式(2)即可求出下拉電壓Vp。根據圖2(b)單元開關等效電路模型，設計MEMS梁使其工作于X波段，具體尺寸為w=94 μm，g0=23 μm，W=100 μm，la=35 μm，lb=30 μm，n=3。使用ANSYS軟件仿真可得Vp=8 V，仿真結果如圖4所示。

圖4 8 V電壓驅動下，MEMS開關仿真結果圖

為進一步減小MEMS開關彈性系數，降低其下拉電壓，同時也為了利于工藝設計，在MEMS開關上設計了小直徑(D=5 μm) 的釋放孔。釋放孔可以釋放梁的部分殘余應力，減小其壓膜阻尼，同時孔的存在還使梁的質量減小，產生更高的力學諧振頻率，故而可以實現超低下拉電壓。仿真結果顯示其下拉電壓僅為6 V。具體結構和仿真結果如圖5所示。

工藝對MEMS器件性能影響很大，通常微米量級的尺寸誤差，就可能導致其性能極大地惡化，為此，仿真了MEMS梁厚度和下拉電壓之間的關系，如圖6所示。

圖5 改進型MEMS開關仿真結果位移矢量圖

圖6 MEMS梁厚度和下拉電壓關系曲線

對傳統電子系統而言，常用系統電源為33 V，5 V和12 V。以12 V為例，當要求所設計的MEMS分布式移相器驅動電壓為12 V，若MEMS梁厚度的工藝誤差水平為20%，則根據圖6可知MEMS梁厚度為17 μm時，下拉電壓約為12 V，故實際設計中，為保證實現設計目標，MEMS梁厚度設計為小于等于14 μm。

4 結 語

提出了一種應用于X波段的MEMS分布式移相器的新型開關，通過彈性彎曲結構的設計，充分降低了MEMS開關的彈性系數;并在MEMS金屬梁上刻蝕釋放孔，減小其壓膜阻尼并釋放部分殘余應力，從而實現了6 V的超低下拉電壓。本文給出了彈性系數和

下拉電壓的解析公式，運用ANSYS軟件進行了仿真，并分析了梁厚度和下拉電壓的關系曲線，對實際的工程設計有一定的指導意義。

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