RF MEMS并聯(lián)開關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計及分析

許馬會，劉鳳麗，郝永平

(沈陽理工大學(xué)，a.CAD/CAM技術(shù)研究與開發(fā)中心;b.機械工程學(xué)院，沈陽 110159)

引言

RF MEMS開關(guān)是以傳統(tǒng)微電子為基礎(chǔ)發(fā)展起來的一種新興產(chǎn)物，是無線通訊領(lǐng)域的重要器件。它具有成本低、體積小、重量輕、可靠性高等優(yōu)點，在軍、民用領(lǐng)域和微波集成電路中具有廣泛的應(yīng)用前景［1-3］。按照傳統(tǒng)分類方法，RF MEMS可分為固定器件和可動器件。固定RF MEMS器件包括本體微機械加工傳輸線、濾波器和耦合器，可動RF MEMS器件包括開關(guān)、調(diào)諧器和可變電容［4］;按照在高頻毫米波電路的應(yīng)用來看，RF MEMS開關(guān)有兩種基本形式:并聯(lián)開關(guān)和串聯(lián)開關(guān)［5］。

本文所設(shè)計的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的懸臂梁開關(guān)結(jié)構(gòu)相似，但它比懸臂梁開關(guān)具有更快的恢復(fù)力、較高的開關(guān)速度、較長的開關(guān)壽命，還能防止粘附問題和介質(zhì)擊穿問題以及吸合之后兩邊的接觸端出現(xiàn)翹曲現(xiàn)象(懸臂梁開關(guān)如果結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計的不合理，開關(guān)吸合之后，在接觸端會出現(xiàn)翹曲現(xiàn)象);與目前射頻系統(tǒng)中所用的電控開關(guān)(PIN二極管或GaAs FET)相比，RF MEMS并聯(lián)開關(guān)采用微機械執(zhí)行方式，沒有半導(dǎo)體PN結(jié)或金屬半導(dǎo)體結(jié)，插入損耗很低(可小于0.2 dB，而PIN或FET的插入損耗總大于l dB)，隔離性能很好，互調(diào)失真極低［6］。

1 并聯(lián)開關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 基本原理

并聯(lián)開關(guān)的結(jié)構(gòu)如圖1。

此并聯(lián)開關(guān)是兩端固定的，梁和驅(qū)動電極之間形成一個電容，當(dāng)在梁和驅(qū)動電極之間加一偏置電壓時，在梁上就會產(chǎn)生一個下拉靜電力，當(dāng)偏置電壓的值達到驅(qū)動電壓的值時，梁迅速下落，和下電極緊密接觸，這時上下兩個接觸電極接觸，開關(guān)導(dǎo)通。圖2為并聯(lián)開關(guān)AA方向的斷開和閉合的剖視圖。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

并聯(lián)開關(guān)采用高電阻率(3000 Ω·cm)的硅襯底，相對介電常數(shù)εr=11.9，襯底厚度50 μm。同時為了減少傳輸線的導(dǎo)體損耗，選用金作為導(dǎo)體材料，金的電導(dǎo)率為4.1 ×107s/m，厚度為 1 μm，介質(zhì)層采用的是 SiO2。由于開關(guān)的吸合電壓不僅和開關(guān)的材料有關(guān)，而且還和開關(guān)的結(jié)構(gòu)尺寸、工藝過程緊密相關(guān)，因此本文通過分析開關(guān)的結(jié)構(gòu)尺寸，利用 CoventorWare軟件對 RF MEMES開關(guān)進行工藝設(shè)計，見表1。

圖1 并聯(lián)開關(guān)的仰視圖

圖2 并聯(lián)開關(guān)A－A方向的斷開和閉合的剖視圖

表1 開關(guān)的工藝步驟

為了保證吸合電壓不能過大(可能會造成開關(guān)失效)或過小(不易控制)，因此所設(shè)計的開關(guān)的吸合電壓控制在30 V左右，初定開關(guān)的尺寸見表2。

表2 開關(guān)的結(jié)構(gòu)尺寸 (單位:μm)

經(jīng)仿真分析，此時吸合電壓為16 V，不滿足要求。經(jīng)過反復(fù)驗算，最終確定開關(guān)的結(jié)構(gòu)尺寸見表3。

表3 開關(guān)的結(jié)構(gòu)尺寸 (單位:μm)

此開關(guān)的結(jié)構(gòu)主要由梁、驅(qū)動電極、接觸電極組成。其中在驅(qū)動電極上有一層介電層，為了避免開關(guān)作用時直流控制電壓的短路。

2 特性分析及影響因素

2.1 開關(guān)的準(zhǔn)靜態(tài)分析——吸合電壓分析

計算開關(guān)吸合電壓的方法很多:有采用簡單的一維平板假設(shè)進行計算［3］;當(dāng)考慮梁的彎曲之后的狀態(tài)時，有采用豎直平面的二維方法進行計算［7］;還有完全采用三維的有限元方法進行計算。采用一維方法最簡單，精度也相對較低，三維的方法最精確，也是最復(fù)雜的。為了在易用性和精度上都能達到要求，已經(jīng)有采用準(zhǔn)一維來計算開關(guān)的吸合電壓的方法問世［8-9］，也就是將二維的問題轉(zhuǎn)化為一維問題進行處理。

本文所介紹的并聯(lián)開關(guān)，計算吸合電壓所采用的是Coventor Ware軟件中的Saber系統(tǒng)仿真法和有限元分析法。

2.1.1 Saber系統(tǒng)仿真分析吸合電壓

根據(jù)第一部分所設(shè)計的開關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸，利用Coventor Ware軟件中的Saber進行系統(tǒng)級分析，結(jié)果如圖3所示。

當(dāng)極板間距為2 μm時，電壓達到26 V，懸臂梁和驅(qū)動極板發(fā)生吸合效應(yīng)，所以26 V為懸臂梁的吸合電壓。

2.1.2 有限元法分析吸合電壓

根據(jù)開關(guān)的結(jié)構(gòu)尺寸，利用CoventorWare軟件中的有限元分析吸合電壓。圖4為并聯(lián)開關(guān)的FEM模型。經(jīng)分析可以得出懸臂梁的吸合電壓，結(jié)果如圖5所示，吸合電壓大約在28 V左右。

圖3 系統(tǒng)級求解電壓與位移的關(guān)系曲線

圖4 并聯(lián)開關(guān)的FEM模型

圖5 有限元法求解電壓與位移的關(guān)系曲線

此次采用是 Manhattan bricks的網(wǎng)格類型，X、Y、Z的尺寸為10、10、8。如果將網(wǎng)格的劃分尺寸減為一半，仿真得出的吸合電壓只相差0.3 V，但仿真的時間是原來的8倍，所以在保證結(jié)果相差不超過1%的情況下，盡量將網(wǎng)格尺寸定大一些(結(jié)合開關(guān)的尺寸)。

上述兩種方法得出的吸合電壓結(jié)果相差2V。然后利用公式［10］:

其中k為彈性系數(shù)，A為驅(qū)動電極的正對面積，Vpi為開關(guān)的吸合電壓，ε0為極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，go為極板初始間距。此結(jié)構(gòu)中 k=5.2，A=31 200 μm2，εo=3.9，g0=2 μm，經(jīng)計算開關(guān)的吸合電壓Vpi≈23 V。從上述結(jié)果可以看出，利用公式計算出的結(jié)果與其他兩種方法得出的結(jié)果也有3～5 V的差距，但Saber(幾秒)比有限元(1小時以上)和公式法要快，所以在做系統(tǒng)仿真時一般會用Saber仿真，至于哪個更精確，還有待做實驗進一步確定。

2.2 動態(tài)特性分析

2.2.1 瞬態(tài)應(yīng)力分析

RF MEMS開關(guān)不僅要在閾值加速度可調(diào)范圍內(nèi)能夠安全可靠地工作，還要具有一定的抗過載能力。利用CoventorWare軟件中的Analyzer對RF MEMS開關(guān)進行瞬態(tài)動力學(xué)分析，在Z軸負方向施加周期為800 μs正弦波形，閾值加速度值為10000 g，其應(yīng)力分布如圖6所示。RF MEMS開關(guān)所受到最大應(yīng)力發(fā)生在兩端支撐梁錨區(qū)的根部，只要滿足這部分的應(yīng)力值小于材料的許用應(yīng)力，彈性元件就不會發(fā)生塑性形變，就能使RF MEMS開關(guān)實現(xiàn)抗過載保護。多晶硅的許用應(yīng)力:

其中，n為安全系數(shù)，一般取n=4～5。

圖6 瞬態(tài)應(yīng)力圖

2.2.2 均布載荷分析

利用CoventorWare軟件中的Analyzer對RF MEMS開關(guān)進行均布載荷分析，在梁的Z方向上加0.01MPa的均布載荷，由圖7可知，當(dāng)梁的最大偏移量達到4.2 um時，梁將發(fā)生斷裂。

2.3 影響開關(guān)吸合電壓的因素

影響開關(guān)吸合電壓的因素主要有開關(guān)的材料與尺寸［11］，下面用改變參數(shù)的寬度和長度來介紹尺寸對吸合電壓的影響。圖8為增大和減小左右兩端緊貼錨區(qū)兩個梁的寬度，吸合電壓的變化情況。

圖7 均布載荷圖

圖8 改變左右兩端緊貼錨區(qū)兩個梁的寬度

圖9為增大和減小左右兩端緊貼錨區(qū)兩個梁的寬度，吸合電壓的變化情況。

圖9 改變左右兩端緊貼錨區(qū)兩個梁的長度

圖10為增大和減小下驅(qū)動電極的長度，吸合電壓的變化情況。

圖10 改變驅(qū)動電極的長度

圖11為減小下接觸電極的長度，吸合電壓的變化情況。

圖11 改變下接觸電極的長度

圖12為減小隔斷部分兩個梁的長度，吸合電壓的變化情況。

圖12 改變隔斷部分兩個梁的長度

通過圖8～圖12仿真結(jié)果，可以得出以下結(jié)論:

(1)改變開關(guān)參數(shù)的長度和寬度對吸合電壓的影響是不一樣的，吸合電壓會隨著長度的增加而減小(減小而增大)，隨著寬度的增大而增大(減小而減小)。

(2)改變隔斷部分兩個梁的長度(下接觸電極的長度)，當(dāng)長度超過25 um(45 um)時，吸合電壓保持在26 V，不發(fā)生變化。

(3)吸合電壓不隨下接觸電極寬度的變化而變化。

(4)如果改變下驅(qū)動電極或隔斷部分兩個梁其中一個參數(shù)的寬度，另一個參數(shù)的寬度也將隨之變化，因此不能確定吸合電壓的變化情況。

3 結(jié)束語

本文在研究并聯(lián)開關(guān)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，進一步分析了開關(guān)的靜態(tài)特性和動態(tài)特性，以及影響吸合電壓的主要因素。通過對開關(guān)吸合電壓的分析，可以得出Saber系統(tǒng)分析法要比有限元法運算的速度快、效率高，因此Saber系統(tǒng)分析法是未來的發(fā)展趨勢。對于影響開關(guān)吸合電壓因素的分析可以得出，改變參數(shù)的不同結(jié)構(gòu)尺寸，對吸合電壓的影響是不同的。

[1] Yao J J.RF MEMS from a device perspective[J].Journal of Micomechanics and Microengineering,2000,10(4):R9-R38.

[2] Rebei G M.RF MEMS theory,design and technology[M].Hoboken,NJ:Wiley Interscience,2003.

[3] Santos H J D L.RF MEMS circuit design for wireless communications[M],Boston:Artech House,2002.

[4] Gabriel M Rebeiz.RE MEMS理論·設(shè)計·技術(shù)，MEMS開關(guān)的電磁模型[M].南京:東南大學(xué)出版社,2005.

[5] 嚴(yán)春早,許高斌,葉劉曉.RF MEMS開關(guān)的發(fā)展現(xiàn)狀[J].微納電子技術(shù),2008,45(11):647-653.

[6] 有德義,任波,郝永平.并聯(lián)電容式RF MEMS開關(guān)的系統(tǒng)級設(shè)計與分析[J].儀表技術(shù)與傳感器,2014(4):1-3.

[7] ElataD,BambergerH.On the dynamic pull-in of electrostatic actuators with multiple degrees of freedom and multiple voltage sources[J].Journal of Microelectromechanical Systems,2006,15(1):131-140.

[8] Chowdhury S,Ahmadi M,Miller W C.Pull-in voltage study of electrostatically actuated fixed-fixed beams using a VLSI on-chip interconnect capacitance model[J].Journal of Micromechanical Systems,2006,15(3):639-651.

[9] PamidighantamS,PuersR,BaertK,etal.Pull-in voltage analysis of electrostatically actuated beam structures with fixed-fixed and fixed-free end conditions[J].Journal of Micromechanicsand Microengineering,2002,12(4):458-464.

[10] 賈盟軍.硅微機械加速度開關(guān)技術(shù)研究[D].北京:中國科學(xué)院大學(xué),2007.

[11] 周光亞.RF MEMS開關(guān)的可靠性研究[D].洛陽:河南科技大學(xué),2013.