RF MEMS開關(guān)的設(shè)計分析

石國超，紀學(xué)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(lǐng)域中射頻裝置的發(fā)展趨勢。為了滿足以上要求，射頻元件應(yīng)該以微型化和集成化為設(shè)計目標，同時電容、電感、振蕩器和濾波器還應(yīng)該具有足夠高的Q值，傳輸線(波導(dǎo))、開關(guān)等在阻抗匹配、插入損耗和隔離度方面也應(yīng)滿足一定的要求。

MEMS 技術(shù)［1］與射頻 (Radio Frequency，RF)技術(shù)的結(jié)合為上述難題的解決帶來了新的機遇。RF MEMS器件與傳統(tǒng)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(yōu)點。目前，國際上已經(jīng)對RF MEMS器件進行了20多年的研究，技術(shù)和工藝相對成熟，其中開關(guān)等成熟的產(chǎn)品已推向市場。國內(nèi)自90年代以來，也開展了十幾年的研究，然而，開關(guān)和濾波器等可動RF MEMS產(chǎn)品一直處于樣品和實驗室階段。

1 RF MEMS開關(guān)

1.1 RF MEMS開關(guān)的結(jié)構(gòu)類型

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

1.2 性能比較

MEMS開關(guān)與目前射頻系統(tǒng)中所用的半導(dǎo)體開關(guān)(PIN二極管或MESFET)不同，它沒有半導(dǎo)體PN節(jié)或金屬半導(dǎo)體結(jié)，MEMS開關(guān)與PIN二極管開關(guān)和MESFET開關(guān)的主要性能比較如表1［3］所示。

表1 3類開關(guān)主要性能比較

由表1可以看出，RF MEMS開關(guān)具有很大的潛在優(yōu)勢:

①幾乎是零功耗:靜電驅(qū)動需要20～80 V的電壓，但是開關(guān)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(guān)周期中消耗10～100 nJ的能量);

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

③低的插入損耗:由于MEMS開關(guān)不具備半導(dǎo)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(diào)分量:由于沒有半導(dǎo)體的PN結(jié)，MEMS開關(guān)的I-V呈現(xiàn)非常好的線性，具有很低的互相調(diào)制分量;

⑤低成本:MEMS開關(guān)是利用表面微機械技術(shù)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(chǎn)技術(shù)，結(jié)合CMOS標準制備工藝，可進行批量化、低成本生產(chǎn)。

2 RF MEMS開關(guān)的設(shè)計

2.1 開關(guān)設(shè)計與微波特性分析

本文設(shè)計的電容式并聯(lián)開關(guān)結(jié)構(gòu)電路采用共面波導(dǎo)(Coplanar Waveguide，CPW)結(jié)構(gòu)，開關(guān)為固支梁結(jié)構(gòu)，其錨區(qū)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(guān)處于“開態(tài)”時，梁與傳輸線之間的開態(tài)電容較小，對射頻信號形成開路。如圖1(b)所示，當開關(guān)處于“關(guān)態(tài)”時，位于傳輸線上接觸部分的Si3N4介質(zhì)層一方面能夠隔離直流電壓，另一方面可以產(chǎn)生較大的閉態(tài)電容，對射頻信號形成短路。

圖1 開關(guān)的2種工作狀態(tài)

圖2為并聯(lián)開關(guān)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(guān)梁與傳輸線間的電容，它隨開關(guān)的工作狀態(tài)而改變;L與RS分別為開關(guān)梁的等效電感和電阻。開關(guān)的諧振頻率f0為:

圖2 開關(guān)等效電路模型

2.2 開關(guān)的機械特性分析

當在開關(guān)梁與傳輸線中心導(dǎo)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(guān)下降到上下電極初始間距的約2/3處進入不穩(wěn)定狀態(tài)［4］，此時開關(guān)會被迅速吸引致閉合，即發(fā)生“pull-in”現(xiàn)象。其中，閾值電壓表達式為:

式中，k為彈性系數(shù)，

g0為開關(guān)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(yīng)力;ν為泊松比。

3 微制造工藝

微機械加工工藝是制作MEMS結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。因此在MEMS設(shè)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(shè)計來保證制造性。微機械加工技術(shù)主要分為:以光刻、化學(xué)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(shè)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(jié)構(gòu)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(shè)計中采用表面微加工技術(shù)形成RF MEMS開關(guān)中的電極、信號線、絕緣介質(zhì)膜和固支梁等結(jié)構(gòu)圖形。開關(guān)的微制造工藝簡要流程如圖3所示。

圖3 開關(guān)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(dǎo)結(jié)構(gòu)，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(zhì)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(dǎo)兩側(cè)接地面相接觸;

⑥利用丙酮去除光刻膠，并在超臨界設(shè)備中進行固支梁的釋放。

4 結(jié)果與討論

下面使用HFSS軟件對開關(guān)的微波傳輸性能進行分析。CPW材料為Au，開關(guān)梁材料為Al。表2給出了仿真過程中開關(guān)的材料特性與結(jié)構(gòu)參數(shù)。

表2 開關(guān)與電路參數(shù)描述

結(jié)構(gòu)開關(guān)的S參數(shù)隨頻率變化的曲線如圖4所示。由圖4(a)可以看出，開關(guān)處于“關(guān)態(tài)”時的隔離度，在 20～40 GHz相對較寬的頻帶內(nèi)優(yōu)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(guān)處于“開態(tài)”時的插入損耗，在40 GHz前插入損耗優(yōu)于 -0.3 dB，30 GHz前插入損耗優(yōu)于-0.1 dB。

圖4 S參數(shù)仿真結(jié)果

利用ConventorWare軟件對開關(guān)梁的“pull-in”電壓進行的仿真如圖5所示。由結(jié)果可得開關(guān)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(guān)梁出現(xiàn)“pull-in”現(xiàn)象，致使開關(guān)閉合。

圖5 電極電勢差與開關(guān)梁位移的變化曲線

5 結(jié)束語

上述設(shè)計的開關(guān)，射頻性能良好，仿真結(jié)果表明:在20～40 GHz相對較寬的頻帶內(nèi)的隔離度優(yōu)于-20 dB，在40 GHz前插入損耗優(yōu)于 -0.3 dB，并且根據(jù)所設(shè)計的工藝步驟，可加工實現(xiàn)。但是，Gold Smith等人［6］已證實電容式微機械開關(guān)的壽命與驅(qū)動電壓有很大的關(guān)系，驅(qū)動電壓每下降5～7 V，開關(guān)的壽命可延長10年。通過降低開關(guān)梁的彈性系數(shù)［6］(設(shè)計折合梁、變截面梁等梁結(jié)構(gòu))，能夠有效地降低開關(guān)的閥值電壓，進而獲得較低的驅(qū)動電壓以提高開關(guān)的壽命。但是低彈性系數(shù)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(shù)、高可靠性的開關(guān)是接下來研究的主要方向。 ■

［1］黃慶安，廖小平.RF MEMS理論·設(shè)計·技術(shù)［M］.南京:東南大學(xué)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(guān)［D］.南京:東南大學(xué)，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(guān)器件的制作及研究［D］.北京:中科院電子學(xué)研究所，2006:46-50.