硅膜RF MEMS開關

杜國平，朱健,2，郁元衛,2，姜理利

(1.南京電子器件研究所，江蘇南京 210016；2.單片集成電路與模塊國家重點實驗室，江蘇 南京 210016)

硅膜RF MEMS開關

杜國平1，朱健1,2，郁元衛1,2，姜理利1

(1.南京電子器件研究所，江蘇南京 210016；2.單片集成電路與模塊國家重點實驗室，江蘇 南京 210016)

利用靜電驅動原理設計了一種新穎的射頻硅膜RF MEMS開關，其開關的優點在于：巧妙的運用CPW傳輸線的地線作為下電極，加大了開關驅動面積，減小了驅動電壓；利用硅膜作為結構層，利用硅本身優良的機械特性可提高開關的可靠性；具有靜電接觸式開關低頻隔離度的優點。通過流片得到了滿意的開關樣品，測試結果表明：在DC-6 GHz頻率范圍內，開關的插入損耗小于0.5 dB，隔離度大于30 dB。

射頻MEMS；開關；硅膜

射頻微機電系統（RF MEMS）是MEMS技術的一個重要應用領域之一，也是20世紀90年代以來MEMS領域的研究熱點。由于RF MEMS開關具有插入損耗低、隔離度高、線性度好、功耗低和體積小等優點，已經被認為替代傳統的PIN二極管、FET射頻開關的首選，在雷達、衛星通訊、個人無線通訊、測試等系統中具有很好的應用前景。近年來，人們對機電系統器件輕型化、小型化的需要，促使MEMS技術迅速發展，并隨著MEMS工藝水平的不斷成熟，使得MEMS開關取得了很大的發展。RF MEMS開關的分類眾多，根據梁的結構，MEMS開關可分為懸臂梁式開關和固支梁開關[1]；根據電路結構，MEMS開關有串聯結構和并聯結構；根據接觸類型，MEMS開關可分為電阻接觸式和電容耦合式；根據驅動原理，分為靜電驅動、電磁驅動、熱驅動和壓電驅動等；根據驅動方式，有橫向驅動[2，3]和縱向驅動等[4]。

本文介紹了一種新型的射頻硅膜RF MEMS開關，結構新穎，利用體硅工藝實現開關結構。整個梁結構采用機械性能優異的單晶硅作為材料，利用了Ansoft公司的HFSS軟件系統和ADS以及CoventorWare等軟件對開關進行了建模與仿真，通過多次流片以及工藝改進取得了較為滿意的結果。

1 開關的結構建模及性能仿真

1.1 開關的工作原理

開關的傳輸線制作在玻璃襯底上，與以往靜電驅動開關不同的是，本文所設計的開關巧妙的運用大面積的CPW傳輸線中的接地線作為下電極，并在硅梁的背面濺射金作為上電極。上電極通過硅梁引出并在鍵合時，通過局部的金金鍵合，與Pad相連并引出。當Pad上加高電位時，上電極和地線之間形成平板電容，在靜電力的驅動下，開關的硅梁向下運動，實現開關的導通。當電壓撤銷，開關梁在恢復力的作用下回到起始位置。

1.2 開關的工作原理

通過ADS、HFSS、ANSYS等仿真軟件對開關進行了建模，并從開關的射頻性能以及機械性能兩個方面著手，對開關的結構進行了優化設計。兼顧開關的插損、隔離度以及驅動電壓，設計合理的開關結構。

開關傳輸線匹配仿真仍然是運用ADS軟件中LineCalc工具，設置襯底為7740玻璃（εr=4.6），金為傳輸線、厚度為2 μm，介質的正切損耗為0.026。仿真結果如表1所示。

表1 CPW傳輸線的參數（C波段f0=5 GHz）

傳輸線設計結果：襯底厚度為500 μm，中心導線寬度120 μm，厚度為2 μm，間隙為20 μm，地線寬度為300 μm。

圖1 開關模型

應用HFSS仿真軟件建立三維模型如圖1所示。通過從開關插入損耗、隔離度、以及反射損耗3個重要性能指標考慮，經過優化設計。開關的傳輸線為2 μm厚，在CPW接口處為100 μm寬，中間區域為120 μm寬。地線在CPW接口處為350 μm寬，而凹陷區為300 μm寬。觸點的設計尤為關鍵，它的尺寸對射頻性能有著很大的影響，最終結合插入損耗以及隔離度兩方面的考慮：觸點的面積為π×52 μm2，觸點與傳輸線間隙為1 μm。

仿真結果如圖2、圖3所示，可以看見在DC-10GHz的頻率范圍內，開關具有較好的射頻性能：開關的插入損耗在6 GHz處為0.19 dB，開關的隔離度在DC-6 GHz處大于20 dB。

蔬菜品種不同，種植技術、病蟲害類型與防治辦法各有不同，為保證蔬菜種植后能夠維持綠色健康狀態，減少病蟲害的侵害，達到最佳的經濟效益，建議科學篩選蔬菜品種，為后期種植管理奠定基礎。篩選原則是首選適應性強、抗逆力強、生長迅速的蔬菜品種，在正式播種階段需要對種子、育苗進行消毒處理，然后科學播種，為蔬菜生長創造良好條件［3］。

圖2 導通態插損與反射損耗仿真結果

圖3 隔離態仿真結果

1.3 開關的工作原理

開關梁結構采用了Ansys仿真軟件進行了仿真，為降低梁的彈性系數，減小了驅動電壓，開關的梁采用了折疊結構，優化設計后如圖4所示。

圖4 結構層模型

在對開關梁結構的力電耦合仿真過程中，施加20 V的電壓后，結果如圖5所示。此時開關的位移基本滿足吸合導通的要求。實際的開關驅動電壓與工藝有很大的關系，因此開關的驅動電壓只能作為參考，根據經驗一般在1～1.5倍。

圖5 受力形變圖

通過模態分析可得：垂直方向的運動為第一模態，諧振頻率為10 822 Hz，如圖6所示。第二模態的諧振頻率為16 731 Hz，第三模態的諧振頻率為19 477 Hz，該3個模態的運動均在z軸方向，其余幾個模態的諧振頻率較大，為：31 552 Hz、50 663 Hz、72 202 Hz，對開關的影響較小，這里將不再作進一步的分析。通過模態分析，計算得到的該結構彈性系數K為337.6 N/m。

圖6 一階模態

微結構的彈性系數可由下式得到：

其中，f0為諧振頻率，m為有效質量。

在阻尼系數較小，且梁品質因數大于2的情況下，開關時間可近似表達為式：

當Vs=1.4 Vp時，開關時間約為38.5 μs。

2 流片結果與測試

流片過程采用南京電子器件研究所開發的體硅工藝，該開關在工藝過程中的難點較多，首先通過多次刻蝕確定硅梁的位置，由于硅梁和傳輸線只有幾個微米的間隙，控制好刻蝕深度是實現開關性能的重要步驟，我們利用臺階儀測試刻蝕深度，結果如圖7所示。

圖7 刻蝕深度測試

由圖可以看到，錨區最高處于濺射金層的高度差為2.2 μm，二氧化硅保護層的厚度為435 nm。與設計的尺寸基本吻合。

其次是開關在鍵合時的對準，由于開關的觸點和下面傳輸線的相對面積只有100 μm2左右，稍有偏離將導致開關觸點位置偏離傳輸線上方，開關也將失效。圖8是開關觸點和傳輸線的對準效果。

最終流片結果如圖9所示。

在Cascade探針臺上，使用Agilent 8510C網絡分析儀，對開關芯片進行了在片微波信號測試。結果如圖10、11所示，開關在DC-6 GHz的頻率范圍內，開關的隔離度大于30 dB，開關的插入損耗小于0.5 dB，開關的驅動電壓為30 V。

圖8 開關背面

圖9 開關流片結果

圖10 插入損耗測試結果

圖11 隔離度測試結果

與仿真結果進行對比，開關的隔離度基本符合設計的指標，但插入損耗有較大的變化，分析原因可能存在以下問題：（1）開關傳輸線的匹配與仿真結果有出入；（2）由于應力的存在導致開關的接觸與理想情況不符，導致接觸電阻較大。（3）開關驅動電壓基本符合設計的仿真結果，但同樣由于應力的存在，使得開關的驅動電壓略有上升。

3 結束語

本文設計的硅膜開關，結構新穎，通過設計仿真以及工藝制作，得到了初步的流片結果以及測試性能，使得對開關的設計研究有了更深的了解，為以后的工作提供了很好的參考。硅膜開關的驅動電壓與仿真結果接近，但在片測試結果與仿真結果有較大出入，分析原因在于傳輸線的匹配狀況與設計不符，主要原因在于開關使用頻段在DC-10 GHz，趨膚深度大，而這一參數并沒有在仿真過程中得到很好的反映。在進一步的設計中，將加厚傳輸線的厚度，避免低頻信號趨膚深度的影響。雖然流片結果依然存在一些問題，但對于以后的工作具有很大的指導意義，為下一步開關設計的改進打下了很好的基礎。

[1] DAI C L，PENG H J，LIU M C，et al.Design and fabrication of RF MEMS switch by the CMOS process[J]. Journal of Science and Engineering，2005，(8)3：197-202.

[2] LIU A.Q，PALEI W，TANG M，and A.ALPHONES. Microstrip Lateral RF MEMS Switch Integrated with Multi-Step CPW Transition[J].Journal of Semiconductor Technology and Science，VOL.7，NO.3，SEPTEMBER，2007：93-95.

[3] 范煒，郭會勇，施文典等.一種高性能橫向接觸式微機械RF開關的分析與設計[J].納米技術與精密工程，2006，4(1)：46-53.

[4] HYMAN D，SCHMITZ A，WARNEKE B，et al.GaAs-Compatible Surface-Micromachined RF MEMS Switches [J].Electronn Lett.1999；9(12)：520-522.

[5] 朱健，林金庭，林立強.DC-20GHz射頻MEMS開關[J].半導體學報，2001；22(6)：706-709.

Silicon-membrane RF MEMS Switch

DU Guoping1，ZHU Jian1，2，YU Yuanwei1，2，JIANG Lili1

(1.Nanjing Electronic Devices Institute，Nanjing 210016，China；2.Notional Key Lab of Science and Technology on Monolithic Integrated Circuits and Modules，Nanjing 210016，China)

A novel Silicon-membrane radio-frequency microelectromechanical system (RF MEMS) switch is presented,which is using electrostatic actuation.The comb structure was optimized by model configuration and simulation for mechanical performance and chip size decreasing.The area of the contact face was enlarged to reducing the contact resistance and the insertion loss.The advantages of the switch:the ground wire of CPW trasmission line is used as the electrode which increased the switch drive area,then reduce the drive voltage.the switch reliability can be improved by using silicone-membrane as a structural layer.it has high isolation at LF.We gained a good result by process. From DC to 6 GHz,the insertion loss is less than 0.5 dB and the isolation is larger than 30 dB.

RF MEMS；Switch；Silicon-membrane

TN605

A

1004-4507(2017)04-0030-05

杜國平（1985-），男，江蘇啟東人，碩士學位，工程師，主要研究方向為射頻MEMS器件設計與模塊電路應用。

2017-07-20