一種L～U 波段RF MEMS 單刀十擲開關的設計?

湛永鑫 吳倩楠 陳 玉 郭宏磊 李孟委

（1.中北大學儀器與電子學院 太原 030051）（2.中北大學前沿交叉科學研究院 太原 030051）（3.中北大學半導體與物理學院 太原 030051）

1 引言

射頻MEMS（Radio Frequency Micro-Electro-Mechanical System，RF MEMS）技術是指利用微電子機械系統技術，設計加工出具有處理射頻和微波頻率電路中信號功能的器件［1～2］。由于利用RF MEMS 技術設計的單刀多擲開關（single-pole multi-throw switch，SPMT）顯示出優越的射頻性能，其逐漸成為實現射頻器件（如濾波器、延時器、諧振器）多通道、可調控等功能的理想選擇［3～5］。

當前絕大多數單刀多擲開關（8 擲以上）的工作頻段均低于20GHz，在高頻段的工作性能仍有較大研究空間。2014 年中國科學院上海高等研究院設計的SP8T開關，在0～2.4 GHz頻段內各通道的插入損耗≤1dB 且隔離度≥35dB［6］，該開關存在工作頻段低，頻段范圍窄的問題。2015 年，美國加州大學團隊提出的SP11T 開關［7］，在0.1GHz～10GHz頻段內各通道隔離度在17dB～50dB，插入損耗在0.3dB～1.7dB，該開關存在工作頻段低，且各端口射頻性能差異大的問題。2017 年印度理工學院電子應用研究中心設計了一種SP10T 開關［8］，在DC～12 GHz頻段內其插損≤1.5 dB，隔離度≥16.3dB，該開關存在工作頻段低，且隔離度較低的問題。2018年印度理工學院又設計了一種SP8T 開關［9］，在0～40GHz的頻段內各通道隔離度大于13.6dB，插入損耗＜2.16dB，該開關存在隔離度低的問題。

針對以上單刀多擲開關的問題，本文介紹了一種工作范圍在1GHz～60GHz 的寬頻帶RF MEMS 單刀十擲開關。通過對SP10T 開關傳輸線結構和上電極結構的優化，達到減少信號損耗、提高隔離度和降低下拉電壓的目的。該單刀十擲開關的設計思路為1GHz～60GHz 頻段內微波器件多路信號選通提供了參考方案。

2 結構設計

本文利用HFSS 軟件構建單刀十擲開關模型。該模型采用共面波導線（Coplanar waveguide，CPW），信號通道一入十出，通道呈傘型分布，相鄰通道間夾角為32.727272°，由位于中央的圓盤型功率分配器連接［10］，通過對不同開關施加驅動電壓選擇相應通道導通，開關結構如圖1所示，SP10T開關的結構參數如表1 所示。為具體展示本器件優勢，以下著重從兩部分進行闡述，分別是開關上電極結構和傳輸線結構。

表1 單刀六擲開關的結構參數

圖1 單刀六擲開關結構示意圖

2.1 三角形上電極設計

本文采用串聯接觸式RF MEMS 開關，開關上電極為懸臂梁結構，即上電極的一端由錨點固定在信號線上、另一端懸于觸點上方。通過對懸臂梁下方驅動電極施加電壓，使上電極在靜電力的作用下產生位移致信號導通［11］。由RF MEMS的相關理論可知，使開關閉合導通的驅動電壓［12］為

式中k 表示開關上電極的彈性系數；E 表示材料楊氏模量；w 表示上電極寬度，l 表示上電極長度，t 表示上電極厚度，A 表示開關上電極與下電極正對驅動面積；g0表示上電極和下電極的初始間距；ε0表示空氣相對介電常數。從上述公式可以看出，驅動電壓與彈性系數成正比，與驅動面積成反比。

目前多數開關采用矩形的直板式上電極［13］，如圖2（a）所示。由于在降低驅動電壓方面降低懸臂梁彈性系數比增大局部驅動面積更有效［12］，因此本文采用三角形上電極結構，如圖2（b）所示。該結構通過減小懸臂梁寬度降低彈性系數，并在上極板開若干個開孔，從而減小開關下拉的空氣阻尼［14］，以獲得更低的驅動電壓。另外，在上極板開孔有利于開關工藝加工中犧牲層的釋放。與傳統上電極相比，該結構前端金屬接觸面積遠小于傳輸線寬度，較小接觸面積會減少金屬間的粘附，增加接觸壓力，提供了更好的隔離。

圖2 兩種上電極結構示意圖

為了驗證優化后的三角形上電極結構易于下拉，采用COMSOL軟件在兩種上電極上施加等同的壓力，仿真結果如圖3 所示，直板型上電極位移量為0.8μm，三角形上電極位移量為2.64μm。結果表明三角形上電極結構相對于直板型上電極結構更易下拉，利用上述公式，計算可得懸臂梁等效彈性系數為5.32N/m，三角形上電極驅動電壓為13V。

圖3 同等壓力下不同結構位移示意圖

為了驗證三角形上電極結構可以提高開關隔離度，采用HFSS 軟件對兩種結構的開關進行仿真對比，結果如圖4所示。可以看出，在1GHz～60GHz頻率范圍內，三角形上電極結構能有效提高開關隔離度。

圖4 不同上電極結構的插入損耗性能

2.2 漸進傳線設計

SPMT開關由于其單通道輸入多通道輸出的特性，在器件內部會出現CPW 傳輸結構不連續的情況，這種不連續情況極易產生槽線模式，通常采取架設空氣橋的方法進行抑制［15］。又因空氣橋與下方信號線形成平行板結構會引入并聯電容，進而使用階躍補償結構來減輕這種寄生效應［16］，如圖5（a）所示。

圖5 兩種傳輸結構示意圖

階躍補償結構雖可以抑制寄生電容，但信號線寬度驟減處會產生直角電荷集聚效應，且寬度的改變會使得傳輸線不匹配，影響傳輸線的射頻性能。針對此情況，本文采取漸進傳輸線設計，如圖5（b）所示。漸進傳輸線設計即在階躍補償結構處對進行45°切角，且增加窄信號線兩側地線的寬度，維持傳輸線匹配。

為了驗證漸進傳輸線結構對傳輸線的射頻性能的優化，采用HFSS 軟件對兩種傳輸結構進行仿真。圖6 為兩種結構回波阻耗仿真結果的對比，可以看出，漸進傳輸線設計具有良好的回波阻耗性能，可在內部CPW 傳輸結構不連續的射頻器件中運用。

圖6 不同傳輸結構的回波阻耗性能仿真

3 仿真結果

本文使用HFSS軟件對單刀十擲開關模型單通道導通情況下，導通端口的插入損耗值和余下端口的隔離度進行仿真，圖7（a）～（j）為十個端口依次導通的仿真結果。從圖中不難得出，在1～GHz60GHz頻段內，port1 和port2 端口的插入損耗<2dB，port3～port10 端口的插入損耗均≤0.59dB，所有端口的隔離度≥30dB。縱觀圖7（a）～（j）的數據顯示，通道越靠近輸入端，通道導通的插入損耗結果越差，其中port1 的插入損耗最大為1.97dB@60GHz，port 6 的插入損耗最小為0.38dB@60GHz。單端口導通余下端口的隔離度均在30.64dB@60GHz～37.22dB@60GHz。

圖7 單刀十擲開關S參數仿真結果圖

如表2 所示，通過對本文與現有單刀多擲開關的性能對比可以看出，目前已有的不同種類單刀多擲開關存在工作頻段低、頻段范圍窄、隔離度低的問題。相比之下，本文所設計的RF MEMS SP10T開關，不僅開關彈性系數小易于驅動，且在1GHz～60GHz 頻段內有著良好的隔離度和插入損耗性能。雖然本文開關各端口射頻性能的一致性有待提高，但綜合比較而言，本文設計的單刀十擲開關具有較大的性能優勢和較高的應用潛力。

表2 SPMT開關射頻性能對比

4 工藝設計

為了進一步實現單刀十擲開關的實用化，本文根據微納表面制造技術，對開關的工藝流程進行設計，并展開詳細說明。開關襯底選用500um厚的純石英玻璃，CPW 結構及開關上電極均采用電鍍Au完成。工藝方案采用6 層掩膜（分別標記為#1-#6），經6次光刻完成，具體流片過程如圖8所示。

圖8 工藝制作流程示意圖

1）備片。將晶片放入石英方舟中，將石英方舟浸入有機溶液中，直至溶液完全浸沒晶片，清洗后的晶片用等離子水反復沖洗三次，后用氮氣槍吹干，備片完成。

2）凸點制作。將晶片表面沉積一層500um 的Si3N4隔離層，后用#1 光刻板進行光刻顯影，最后將晶片刻蝕后形成凸點。

3）驅動電極制作。將晶片濺射一層500μm 的金屬Al，后用#2 光刻板進行光刻顯影，最后將晶片放入無機溶劑進行濕法腐蝕，沖洗吹干。

4）CPW 制作。將晶片表面沉積一層400μm 的Si3N4隔離層，再先后濺射50um 金屬Ti 和150μm 金屬Au，后用#3光刻板進行光刻顯影，將光刻后的晶片放入電鍍箱進行CPW 電鍍，CPW 高度為2μm。最后將電鍍好的晶片放入無機溶劑濕法腐蝕，沖洗吹干。

5）Pad 開窗。用#4 光刻板進行光刻顯影，后對Pad表面的Si3N4進行刻蝕，最后對晶片沖洗吹干。

6）錨點制備。對晶片進行犧牲層旋涂，旋涂高度為3um，待犧牲層預固化。用#5光刻板進行光刻顯影，后將晶片放入氮氣烘箱固化犧牲層，完成此步驟。

7）電鍍上電極。將晶片表面濺射一層150μm金屬Au 作為電鍍種子層，再用#6 光刻板進行光刻顯影，完成后將晶片放入電鍍箱進行上電極電鍍，電鍍厚度為2μm，最后把電鍍好的晶片放入無機溶劑濕法腐蝕，沖洗吹干。

8）釋放犧牲層。采用氧等離子體干法刻蝕犧牲層，釋放得到SP10T開關。

9）劃片。犧牲層釋放完成后，通過Disco 切割機用軟刀按照切割標記完成晶片的裂片，至此樣品制作完成。

5 結語

本文提出的傘型單刀十擲開關主要利用三角形上電極結構和漸進傳輸線結構的設計，使得開關驅動電壓為13V，器件隔離度滿足≥30dB@60 GHz，輸入端兩側輸出端口的插入損耗<2dB，其余端口插入損耗≤0.59dB，且整體尺寸為0.85mm×0.85mm×0.5mm。雖然器件各端口射頻性能的一致性有待提高，但綜合性能優于目前其他單刀多擲開關。最后對單刀十擲開關加工流程進行設計，為進一步實現單刀十擲開關的制造提供了可能。該器件體積小、頻帶寬、多通道的特點以及優越的射頻性能在日后為無線通信系統、雷達系統和儀器測量系統等對射頻性能要求高的領域提供一種技術方法。