射頻微機電并聯(lián)電容式開關(guān)的參數(shù)性能分析

甄可龍 ,呂善偉 ,張 巖 ,黃廣君

(1.北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院,北京 100191;2.河南科技大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,河南洛陽 471003)

0 前言

基于微細加工技術(shù)的RFMEMS開關(guān)和傳統(tǒng)的半導(dǎo)體開關(guān)器件相比,具有低功耗、高隔離度、低插入損耗、高線性度、工作頻帶寬、制備成本低等優(yōu)點[1],并且在制作工藝上較容易實現(xiàn)集成化和小型化[2],在微波及毫米波領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

從國內(nèi)外RFMEMS開關(guān)研究現(xiàn)狀來看,對串聯(lián)接觸式RFMEMS開關(guān)研究較多[3],而對應(yīng)用頻率較高(大于20 GHz)的并聯(lián)電容式RFMEMS開關(guān)研究較少,且研究焦點集中于開關(guān)應(yīng)力、驅(qū)動電壓、開關(guān)速度、可靠性以及封裝技術(shù)等方面,較少有從理論上分析等效電路參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化對 MEMS開關(guān)傳輸性能影響的研究。在文獻[4]中,對串聯(lián)MEMS開關(guān)的等效電路模型參數(shù)做了初步研究;在文獻[5-6]中,用HFSS分析了串聯(lián)接觸式懸臂梁開關(guān)的結(jié)構(gòu)參數(shù)對電磁性能影響,但此種開關(guān)結(jié)構(gòu)在毫米波段插入損耗較大。

在RFMEMS開關(guān)器件設(shè)計過程中,等效電路參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化對其微波特性有著顯著影響,尤其在電尺寸進一步縮短的毫米波應(yīng)用領(lǐng)域。本文利用ADS和HFSS等工具軟件,對RFMEMS并聯(lián)電容式開關(guān)進行微波特性仿真[7-8],分析了MEMS開關(guān)等效電路參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化對 MEMS開關(guān)電磁性能的影響,該研究能夠?qū)撩撞ǘ蔚牟⒙?lián)電容式RFMEMS開關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計,以及參數(shù)的優(yōu)化提供方法和參考。

1 RFMEMS電容式開關(guān)的結(jié)構(gòu)模型及等效電路

并聯(lián)電容式MEMS開關(guān)由共面波導(dǎo)CPW中央傳輸線、可移動金屬膜橋和絕緣介質(zhì)薄膜構(gòu)成,如圖1所示。在金屬膜橋和CPW傳輸線之間加上驅(qū)動電壓,金屬膜橋在靜電引力作用下,可以上下移動。介質(zhì)膜很薄,位于共面波導(dǎo)傳輸線上面,可以避免CPW中央傳輸線和金屬膜橋直接接觸,同時能減小上下結(jié)構(gòu)在接觸中的粘著力。

圖1 并聯(lián)電容式RFMEMS開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖

并聯(lián)電容式MEMS開關(guān)的等效電路如圖2所示,在傳輸線和地線之間并聯(lián)了電容C、電感L和電阻R,其中,并聯(lián)電容可以當作由金屬膜橋和CPW傳輸線構(gòu)成的平板電容器。當MEMS開關(guān)沒有被施加驅(qū)動電壓時,金屬膜橋不受外力作用保持平直狀態(tài),在忽略邊緣效應(yīng)情況下[9-10],此時等效并聯(lián)電容值如式(1),即:

圖2 RFMEMS開關(guān)等效電路原理圖

其中,g0是可動金屬膜橋和基底之間的初始距離;S為可移動金屬膜橋面積;td為介質(zhì)膜厚度;ε0為空氣的介電常數(shù);εr是介質(zhì)膜的相對介電常數(shù)。此時開關(guān)電容很小,微波信號可以由共面波導(dǎo)傳輸線幾乎沒有衰減地通過,MEMS開關(guān)呈現(xiàn)“導(dǎo)通”狀態(tài)。

隨著偏置電壓的逐漸增大,在靜電引力作用下,可動金屬膜橋逐漸下移,直到和底部的介質(zhì)膜緊密接觸,MEMS開關(guān)的等效并聯(lián)電容值為式(2),即:

此時,跨接于信號線與地線之間開關(guān)電容變得很大,幾乎將CPW傳輸線上的微波信號全部耦合至地線,CPW傳輸線輸出端幾乎沒有信號輸出,MEMS開關(guān)處于“關(guān)閉”狀態(tài)。

2 RFMEMS開關(guān)等效電路模型的微波特性仿真分析

針對于圖2所示MEMS開關(guān)的等效電路模型,采用 ADS軟件對開關(guān)等效電路的導(dǎo)通、閉合狀態(tài)分別進行仿真,分析等效電路中各等效參數(shù)對MEMS開關(guān)性能的影響和制約關(guān)系。

為方便分析,MEMS開關(guān)的等效電路參數(shù)初始值取毫米波頻段的典型參考值:電容值Con=35 fF (導(dǎo)通狀態(tài)),Coff=2.8 pF(關(guān)閉狀態(tài));電感參數(shù)值L=8 pH;電阻參數(shù)值R=0.25Ω。

經(jīng)計算可得:MEMS開關(guān)在導(dǎo)通狀態(tài)下諧振頻率fon=322 GHz,在關(guān)閉狀態(tài)下諧振頻率foff=36 GHz。

2.1 導(dǎo)通狀態(tài)下等效電路的微波特性仿真

圖3a為不同電容值下的RF MEMS開關(guān)掃描特性曲線,保持L=8 pH,R=0.25Ω不變,C分別取20 fF、40 fF、60 fF、80 fF;圖3b為不同電感值下的RF MEMS開關(guān)掃描特性曲線,保持Con=35 fF,R= 0.25Ω不變,L分別取4 pH、8 pH、12 pH、16 pH。

圖3 導(dǎo)通狀態(tài)下參量掃描特性曲線

由圖3可以看出:在導(dǎo)通狀態(tài)下,所考察的頻率范圍遠遠低于諧振頻率(約322GHz),MEMS開關(guān)處于容性狀態(tài),此時參數(shù)電容值的變化對開關(guān)插入損耗影響較大,電感參數(shù)對開關(guān)的影響相對較小;當參數(shù)電容值保持一定,插入損耗隨著頻率升高而增加;當工作頻率一定,插入損耗隨著參數(shù)電容值的增大而增大。

2.2 關(guān)閉狀態(tài)下等效電路的微波特性仿真

圖4a為不同電容值下的RF MEMS開關(guān)掃描特性曲線,保持L=8 pH,R=0.25Ω不變,C分別取2 pF、4 pF、6 pF、8 pF;圖4b為不同電感值下的RFMEMS開關(guān)掃描特性曲線,保持Coff=2.5 pF,R=0.25 Ω不變,L分別取4 pH、8 pH、12 pH、16 pH。

圖4 關(guān)閉狀態(tài)下參量掃描特性曲線

由圖4可以看出:關(guān)閉狀態(tài)時,考察的頻率范圍和MEMS開關(guān)的諧振頻率(約36GHz)相接近,此時等效電容和電感參數(shù)對開關(guān)的插入損耗影響極大,此外還影響著諧振頻率點。

3 RFMEMS開關(guān)的電磁特性仿真

用三維電磁仿真軟件HFSS對給定CPW加載式MEMS開關(guān)進行仿真分析,定性地研究RF MEMS開關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化對開關(guān)微波性能的影響。

設(shè)定共面波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)參數(shù)G/W/G分別為60μm/110μm/60μm,其中,G為地線與CPW中央導(dǎo)帶之間距離;W為中央導(dǎo)帶寬度。整個模型結(jié)構(gòu)建立在 100μm厚的GaAs基板上,共面波導(dǎo)及開關(guān)金屬板均選用金為材料,開關(guān)下的介質(zhì)薄膜選用SiN材料。

下面通過改變 MEMS開關(guān)的長、寬、高等結(jié)構(gòu)參數(shù),分別仿真分析開關(guān)在導(dǎo)通狀態(tài)和關(guān)閉狀態(tài)的微波傳輸特性。

3.1 不同開關(guān)寬度的電磁特性仿真

當MEMS開關(guān)長度固定為470μm時,不同的開關(guān)寬度對開關(guān)特性的影響曲線見圖5。

圖5 開關(guān)寬度對開關(guān)特性的影響曲線

由圖5可以看出:在導(dǎo)通狀態(tài)下,隨著開關(guān)寬度的增大,等效電路的并聯(lián)電容也隨之增大,更多的信號能量反射回輸入端,插入損耗增大;在關(guān)閉狀態(tài)時,隨著寬度增大,等效電容增加,插入損耗變化更大,在高頻段,寬度變化對開關(guān)的反射損耗影響較小。

3.2 不同開關(guān)長度的電磁特性仿真

當MEMS開關(guān)寬度固定為80μm時,不同的開關(guān)長度對開關(guān)特性的影響曲線見圖6。

圖6 開關(guān)長度對開關(guān)特性的影響曲線

由圖6可以看出:開關(guān)長度主要影響MEMS開關(guān)中的等效電感。開關(guān)處于開通狀態(tài)時,對信號傳輸影響很小;關(guān)閉狀態(tài)時,隨著開關(guān)長度的增大,等效電感值逐漸增加,諧振頻率點逐漸降低,插入損耗變動較大。

3.3 不同開關(guān)高度的電磁特性仿真

當開關(guān)寬度固定為 40μm,長度 230μm時,開關(guān)高度對開關(guān)特性的影響見圖7。

圖7 開關(guān)高度對開關(guān)特性的影響

由圖7可以看出:在開關(guān)導(dǎo)通狀態(tài),高度和等效電容參數(shù)成反比,高度增加,電容值降低,插入損耗減小。當高度增加到一定值后,對開關(guān)插入損耗變化漸趨緩慢,高度的影響漸漸不再明顯,此時,RF MEMS開關(guān)近似為理想CPW傳輸線。

4 結(jié)論

在分析RF MEMS開關(guān)工作原理基礎(chǔ)上,對RFMEMS并聯(lián)電容式開關(guān)的等效電路參數(shù)和結(jié)構(gòu)模型參數(shù)進行了微波特性研究,經(jīng)仿真結(jié)果表明:和導(dǎo)通狀態(tài)下相比,在關(guān)閉狀態(tài)下的等效電容和電感參數(shù)對于MEMS開關(guān)插入損耗特性的影響要更加強烈,兩者可相差 10倍左右;導(dǎo)通狀態(tài)下,等效電容參數(shù)對開關(guān)性能的影響起決定性作用,等效電感參數(shù)的影響可忽略不計。同樣,結(jié)構(gòu)參數(shù)對關(guān)閉狀態(tài)的MEMS開關(guān)的插入損耗特性影響較大,對導(dǎo)通狀態(tài)影響較小;在導(dǎo)通狀態(tài)下,開關(guān)寬度參數(shù)對于開關(guān)的插入損耗特性影響較大,長度和高度參數(shù)影響較小;當高度參數(shù)達到一定值后,對開關(guān)特性的影響可忽略不計。

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