RF MEMS開關的設計分析

石國超，紀學軍

(中國電子科技集團公司電子第五十四研究所，河北石家莊 050081)

0 引言

進一步減小體積和重量、降低功耗、提高可靠性、多功能化以及具備高速的切換能力，是目前無線通信領域中射頻裝置的發展趨勢。為了滿足以上要求，射頻元件應該以微型化和集成化為設計目標，同時電容、電感、振蕩器和濾波器還應該具有足夠高的Q值，傳輸線(波導)、開關等在阻抗匹配、插入損耗和隔離度方面也應滿足一定的要求。

MEMS 技術［1］與射頻 (Radio Frequency，RF)技術的結合為上述難題的解決帶來了新的機遇。RF MEMS器件與傳統的射頻元器件相比，具有低插損、線性、寬帶、低功耗和體積小等優點。目前，國際上已經對RF MEMS器件進行了20多年的研究，技術和工藝相對成熟，其中開關等成熟的產品已推向市場。國內自90年代以來，也開展了十幾年的研究，然而，開關和濾波器等可動RF MEMS產品一直處于樣品和實驗室階段。

1 RF MEMS開關

1.1 RF MEMS開關的結構類型

RF MEMS開關按照機械結構劃分為懸臂梁開關和固支梁開關;按照開關在射頻電路中的連接方式分為串聯式和并聯式;而按照開關接觸方式又可劃分為電容耦合式開關和歐姆接觸式開關［2］;按照驅動機制可分為靜電驅動、電磁驅動、熱驅動、壓電驅動和形狀記憶合金驅動等。最常見的是靜電執行機制開關，這也是目前最成熟的RF MEMS開關。各種驅動機制各有優劣，具體選擇應從實際應用出發，選擇最符合實際需求的驅動機制。

1.2 性能比較

MEMS開關與目前射頻系統中所用的半導體開關(PIN二極管或MESFET)不同，它沒有半導體PN節或金屬半導體結，MEMS開關與PIN二極管開關和MESFET開關的主要性能比較如表1［3］所示。

表1 3類開關主要性能比較

由表1可以看出，RF MEMS開關具有很大的潛在優勢:

①幾乎是零功耗:靜電驅動需要20～80 V的電壓，但是開關中電流很小，幾乎為零，這就造成了很低的能量損耗(每個開關周期中消耗10～100 nJ的能量);

②非常高的隔離度:RF MEMS串聯開關由于在電極與傳輸線間存在實質性的空氣間隔，從而有很低的關態電容(2～4 fF)，在0.1～40 GHz范圍內有很高的隔離度;

③低的插入損耗:由于MEMS開關不具備半導體中擴散電阻，極大地減少了器件的電阻損耗，從而具有很小的插入損耗(0.1 dB在40 GHz);

④低的互調分量:由于沒有半導體的PN結，MEMS開關的I-V呈現非常好的線性，具有很低的互相調制分量;

⑤低成本:MEMS開關是利用表面微機械技術制作的，可以制作在石英玻璃、高阻硅和GaAs基底等材料上。采用MEMS的超微細生產技術，結合CMOS標準制備工藝，可進行批量化、低成本生產。

2 RF MEMS開關的設計

2.1 開關設計與微波特性分析

本文設計的電容式并聯開關結構電路采用共面波導(Coplanar Waveguide，CPW)結構，開關為固支梁結構，其錨區分別固定于CPW的2個地平面上，固支梁高于CPW傳輸線上方2 μm。

如圖1(a)所示，當開關處于“開態”時，梁與傳輸線之間的開態電容較小，對射頻信號形成開路。如圖1(b)所示，當開關處于“關態”時，位于傳輸線上接觸部分的Si3N4介質層一方面能夠隔離直流電壓，另一方面可以產生較大的閉態電容，對射頻信號形成短路。

圖1 開關的2種工作狀態

圖2為并聯開關的等效電路模型，其中Z0為CPW傳輸線輸入輸出特征阻抗;C為開關梁與傳輸線間的電容，它隨開關的工作狀態而改變;L與RS分別為開關梁的等效電感和電阻。開關的諧振頻率f0為:

圖2 開關等效電路模型

2.2 開關的機械特性分析

當在開關梁與傳輸線中心導體之間施加直流偏置電壓時，由于梁受到靜電力作用，使其離開初始平衡位置向下運動。當直流偏置電壓達到閾值電壓時，開關下降到上下電極初始間距的約2/3處進入不穩定狀態［4］，此時開關會被迅速吸引致閉合，即發生“pull-in”現象。其中，閾值電壓表達式為:

式中，k為彈性系數，

g0為開關與底部電極的縫隙;A為電極面積，為平行板面積即膜寬w和信號線寬度W的積;L為膜的長度;E為膜的楊氏彈性模量;t為膜的厚度;σ為殘余應力;ν為泊松比。

3 微制造工藝

微機械加工工藝是制作MEMS結構的基礎。因此在MEMS設計中，首先需要考慮加工工藝的可行性。當加工工藝與MEMS功能之間存在矛盾時，往往是犧牲MEMS的功能，修改設計來保證制造性。微機械加工技術主要分為:以光刻、化學刻蝕為主要工藝手段的硅基體微加工和表面微加工;以X光深光刻、電鑄制模為主要工藝手段的非體硅微加工。本設計主要是使用硅表面微加工工藝。

表面微加工以硅片等作基底，通過淀積與光刻形成多層薄膜圖形，再刻蝕去除其中的犧牲層，保留犧牲層上面的結構圖形的加工方法。在基片上有淀積的薄膜，它們被有選擇地保留或者去除，形成所需的圖形。本設計中采用表面微加工技術形成RF MEMS開關中的電極、信號線、絕緣介質膜和固支梁等結構圖形。開關的微制造工藝簡要流程如圖3所示。

圖3 開關加工流程

主要工藝步驟如下:

①利用熱氧化工藝，在硅襯底上形成厚度為1 μm的氧化層，降低微波信號的損耗;

②濺射一層鈦鎢金種子層，涂厚膠光刻后，電鍍形成如圖所示的Au共面波導結構，傳輸線厚度為2 μm;

③利用PECVD方法制備一層厚度為1000 ?的Si3N4電介質層并利用干法刻蝕進行圖形化處理，只留下剛好覆蓋住CPW傳輸線的部分;

④ 旋涂一層厚度為2 μm的光刻膠(厚膠)，光刻形成犧牲層圖形;

⑤再次利用電鍍工藝制備厚度為2 μm的Al梁，其中梁的兩端與共面波導兩側接地面相接觸;

⑥利用丙酮去除光刻膠，并在超臨界設備中進行固支梁的釋放。

4 結果與討論

下面使用HFSS軟件對開關的微波傳輸性能進行分析。CPW材料為Au，開關梁材料為Al。表2給出了仿真過程中開關的材料特性與結構參數。

表2 開關與電路參數描述

結構開關的S參數隨頻率變化的曲線如圖4所示。由圖4(a)可以看出，開關處于“關態”時的隔離度，在 20～40 GHz相對較寬的頻帶內優于-20 dB，其中在諧振點30 GHz時，可以達到-95 dB;由圖4(b)可以看出，開關處于“開態”時的插入損耗，在40 GHz前插入損耗優于 -0.3 dB，30 GHz前插入損耗優于-0.1 dB。

圖4 S參數仿真結果

利用ConventorWare軟件對開關梁的“pull-in”電壓進行的仿真如圖5所示。由結果可得開關梁位移隨上極板與下極板間電勢差的變化曲線。從圖中可以看出，當施加電壓達到約45 V時，開關梁出現“pull-in”現象，致使開關閉合。

圖5 電極電勢差與開關梁位移的變化曲線

5 結束語

上述設計的開關，射頻性能良好，仿真結果表明:在20～40 GHz相對較寬的頻帶內的隔離度優于-20 dB，在40 GHz前插入損耗優于 -0.3 dB，并且根據所設計的工藝步驟，可加工實現。但是，Gold Smith等人［6］已證實電容式微機械開關的壽命與驅動電壓有很大的關系，驅動電壓每下降5～7 V，開關的壽命可延長10年。通過降低開關梁的彈性系數［6］(設計折合梁、變截面梁等梁結構)，能夠有效地降低開關的閥值電壓，進而獲得較低的驅動電壓以提高開關的壽命。但是低彈性系數梁的回彈力也較低，因此梁的可靠性也受到影響?；谶@些因素，具有低彈性系數、高可靠性的開關是接下來研究的主要方向。 ■

［1］黃慶安，廖小平.RF MEMS理論·設計·技術［M］.南京:東南大學出版社，2005.

［2］GOLDSMITH C L， YAO Z， ESHELMAN S， et al.Performance of Low-loss RF MEMS Capacitive Swutches［J］.IEEE Microwave Guided Wave Lett.，1998，8(8):269-271.

［3］HUANGJ M，LIEW K M，WONG C H，et a1.Mechanical Design and Optimization of Capacitive Micromachined Switch［J］.Sensors and Actuators A ，2001，93(3):273-285.

［4］鄭維彬.基于砷化鎵襯底的低閥值X波段射頻微機械開關［D］.南京:東南大學，2003:35-38.

［5］REBEIZG M，MOLDAVIAN J B.RF MEMS Switches and Switch Circuits［J］.IEEE Microwave Magazine，2001，2(4):59-71.

［6］孫建海.RF MEMS開關器件的制作及研究［D］.北京:中科院電子學研究所，2006:46-50.