Design and Fabrication of a Ultra Wideband Capacitance MEMS Switch

DONG Ziqiang，ZHAO Botao，SHI Guochao

(The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang 050081，China)

Design and Fabrication of a Ultra Wideband Capacitance MEMS Switch

DONG Ziqiang*，ZHAO Botao，SHI Guochao

(The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang 050081，China)

Based on the consideration of high performance in RF MEMS devices，an ultra wideband capacitance MEMS switch is reported，the fabricated switch keeps properties of high isolation，low insertion and ultra wideband. The switch is designed carefully by using ADS and HFSS software，and the fabrication processes are presented.The testing results show that the switch provides high isolation performance at 12.5 GHz～50 GHz，which is better than 20 dB.Its insertion loss is better than 0.3 dB@12.5～35 GHz，and is better than 0.5 dB@45 GHz.Meanwhile，its return loss is better than 20 dB，and the value of pull-in voltage is between 45V to 55V.

electronic warfare;RF MEMS switch;ultra wideband;dual beam;capacitance

隨著武器裝備的發(fā)展，現(xiàn)代電子對抗系統(tǒng)對大寬帶與自適應(yīng)等特性方面的需求越來越顯著［1-3］。同時(shí)，艦載、機(jī)載、星載等微波、毫米波電路對微波器件的小型化、低功耗、低成本、高集成度、高性能等方面提出了較高的要求，傳統(tǒng)平面集成電路工藝已經(jīng)很難同時(shí)滿足這些指標(biāo)［4］。RF MEMS技術(shù)能夠很好的解決上述問題，并能夠滿足電子對抗系統(tǒng)多頻段、低損耗、高隔離、可重構(gòu)等性能指標(biāo)的要求［5］。同時(shí)，由于MEMS技術(shù)是基于半導(dǎo)體工藝技術(shù)發(fā)展而來，因此與集成電路具有較好的兼容性，具備低功耗、批量化生產(chǎn)、高精度、低成本等特點(diǎn)。利用三維封裝技術(shù)對RF MEMS器件進(jìn)行組合封裝，能夠?qū)崿F(xiàn)小型化、高性能的射頻微系統(tǒng)［6］。

現(xiàn)代電子對抗系統(tǒng)通常需要在較大頻帶范圍內(nèi)對信號(hào)進(jìn)行偵測和干擾，因此就要求其硬件設(shè)備具有較大的使用帶寬。目前，國內(nèi)多家機(jī)構(gòu)針對RF MEMS方向開展了大量研究工作，研制了多種RF MEMS開關(guān)［7-10］，并利用RF MEMS開關(guān)形成了濾波器、移相器、可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)等高性能微波組件［11-12］。

對于并聯(lián)電容式MEMS開關(guān)而言，拓展其工作帶寬的主要難點(diǎn)在于如何在保證開關(guān)插入損耗指標(biāo)符合要求的前提下，增大開關(guān)的隔離度指標(biāo)。由于電容式MEMS開關(guān)的開關(guān)膜橋與信號(hào)線之間的電容量是影響開關(guān)上述性能的主要因素，因此一般情況是通過提高開關(guān)關(guān)、開兩種狀態(tài)下的電容比來增大開關(guān)的使用帶寬。但不論是通過優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)還是選用高介電常數(shù)的介質(zhì)層材料，對該電容比的提高都比較有限，不能夠達(dá)到較理想的效果。雙膜橋式MEMS開關(guān)由于具有雙重隔離的特點(diǎn)，因此能夠在不改變開關(guān)電容比的前提下，實(shí)現(xiàn)較好的隔離特性，有助于拓展開關(guān)的使用帶寬。清華大學(xué)［13］和中電55所［14］之前均針對雙膜橋式MEMS開關(guān)進(jìn)行了研制，制備的MEMS開關(guān)獲得了較好的隔離度指標(biāo)，但其工作重點(diǎn)均只針對在一定頻段范圍內(nèi)獲得高隔離特性，未對拓展開關(guān)的使用帶寬進(jìn)行進(jìn)一步研究?；谏鲜隹紤]和分析，本文利用雙膜橋的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，研制了一種超寬帶MEMS開關(guān)，使得該開關(guān)能夠在保證插入損耗指標(biāo)符合要求的前提下，獲得較好的隔離度性能，進(jìn)而用于對使用帶寬進(jìn)行拓展。文中分析了開關(guān)的理論模型，進(jìn)行了開關(guān)結(jié)構(gòu)和制備工藝的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行芯片流水，最后給出了開關(guān)的性能測試結(jié)果。

研制的雙膜橋式MEMS開關(guān)芯片如圖1所示，開關(guān)整體尺寸1 mm×1 mm，電路部分采用共面波導(dǎo)(CPW)結(jié)構(gòu)形式，上下兩端為微波地平面，中心為微波信號(hào)傳輸線，開關(guān)的金屬膜橋兩端通過錨區(qū)固定于CPW的微波地上，金屬膜橋中心橫跨微波信號(hào)傳輸線，懸浮于其上高度約2 μm，信號(hào)線上制備有一層絕緣介質(zhì)。每個(gè)金屬膜橋下端均制備有兩個(gè)與微波信號(hào)傳輸線物理隔離的直流驅(qū)動(dòng)電極，工作時(shí)驅(qū)動(dòng)電極施加直流電壓，在其與膜橋之間生成靜電力對金屬膜橋進(jìn)行吸引驅(qū)動(dòng)。這種交直流隔離的設(shè)計(jì)很好的解決了驅(qū)動(dòng)信號(hào)與微波信號(hào)之間的干擾問題。

圖1 雙膜橋式超寬帶MEMS開關(guān)芯片照片

1 開關(guān)設(shè)計(jì)

由于MEMS開關(guān)芯片尺寸較小，其傳輸線特征尺寸一般在100 μm以下，因此可以用集總參數(shù)模型對其微波特性進(jìn)行描述，圖2為雙膜橋式MEMS開關(guān)的等效電路模型。其中，共面波導(dǎo)由兩部分組成，外側(cè)CPW1和CPW4為芯片輸入/輸出端口的共面波導(dǎo)，波導(dǎo)阻抗與端口阻抗相同(=50 Ω)，CPW3和CPW4為與金屬膜橋相鄰的共面波導(dǎo)，波導(dǎo)阻抗與金屬膜橋進(jìn)行50 Ω阻抗匹配。R、L、C分別為金屬膜橋的等效電阻、等效電感和等效電容。通過計(jì)算最后確定CPW1和CPW4尺寸為G/S/G=53/90/ 53，CPW2和CPW3尺寸為G/S/G=270/60/270。

圖2 雙膜橋式MEMS開關(guān)原理模型

當(dāng)未在驅(qū)動(dòng)電極上施加直流偏置電壓時(shí)，開關(guān)膜橋與驅(qū)動(dòng)電極之間沒有靜電力，金屬膜橋無形變，開關(guān)處于開態(tài)，此時(shí)金屬膜橋與信號(hào)傳輸線之間形成開態(tài)平板電容CUP。開態(tài)時(shí)開關(guān)等效電感和等效電阻均較小，開關(guān)微波特性主要由開態(tài)電容CUP決定，此電容由平板電容和邊緣電容共同組成，一般邊緣電容取平板電容的40%，因此開態(tài)電容表達(dá)式為:

其中，ε0為空氣的介電常數(shù)，ω和W為金屬膜橋與信號(hào)傳輸線交疊區(qū)域的寬、長，g0為金屬膜橋的初始懸浮高度，td為絕緣介質(zhì)層的厚度，εr為絕緣介質(zhì)層的介電常數(shù)。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電極施加直流偏置電壓后，開關(guān)膜橋與電極之間形成靜電力，金屬膜橋受到靜電吸引向下發(fā)生形變;當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓達(dá)到“Pull-in”電壓時(shí)，金屬膜橋迅速塌陷至絕緣介質(zhì)層表面，與介質(zhì)層實(shí)現(xiàn)緊密貼合，開關(guān)處于關(guān)態(tài)。此時(shí)，金屬膜橋與信號(hào)傳輸線之間的電容為關(guān)態(tài)電容CDOWN，開關(guān)隔離度指標(biāo)主要由關(guān)態(tài)電容CDOWN決定，其表達(dá)式為:

開關(guān)兩態(tài)的電容比可表示為:

開關(guān)開態(tài)回波損耗表達(dá)式為:

開關(guān)隔離度表達(dá)式為:

利用ADS軟件，本文對單膜橋和雙膜橋的MEMS開關(guān)的隔離度特性進(jìn)行了仿真，圖3為仿真曲線。從仿真結(jié)果可見，雙膜橋式MEMS開關(guān)隔離度指標(biāo)由單膜橋式的17 GHz～38 GHz使用頻段拓展到12.5 GHz～50 GHz使用頻段，并在50 GHz以上頻段也有較大的應(yīng)用空間?？梢婋p膜橋式MEMS開關(guān)由于雙重隔離特性，隔離度指標(biāo)較單膜橋式有了較大幅度的改善，由此也大大拓寬了其應(yīng)用帶寬。設(shè)計(jì)利用ADS軟件對開關(guān)的電學(xué)參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，并利用HFSS軟件進(jìn)行了三維模型仿真，最終確定了開關(guān)的金屬膜橋尺寸。

圖3 雙模橋和單膜橋結(jié)構(gòu)開關(guān)隔離度仿真

2 芯片制備

該雙膜橋式MEMS開關(guān)選用高阻硅基底作為襯底材料，制備工藝如下所述:①利用熱氧化工藝在硅基襯底表面熱氧化制備二氧化硅層，作為襯底絕緣層;②利用濺射和電鍍工藝制備Cr/Au金屬層后經(jīng)過刻蝕完成CPW傳輸線的圖形化;③利用PECVD工藝制備氮化硅介質(zhì)層，然后利用RIE工藝進(jìn)行刻蝕完成介質(zhì)層的圖形化;④利用旋涂工藝制備聚酰亞胺犧牲層，并光刻出犧牲層的形狀;⑤濺射并電鍍制備金屬膜橋及其錨區(qū);⑥犧牲層干法釋放，最終完成整個(gè)MEMS開關(guān)的制備流程。

制備完成后，利用布魯克DektakXT型臺(tái)階儀和VK-8710型激光形貌儀對芯片的表面形貌進(jìn)行了測試，圖4為激光形貌測試圖，其中顏色反應(yīng)芯片結(jié)構(gòu)的變形情況，顏色越深，說明該部分高度越大。由三維形貌測試結(jié)果可得:芯片開關(guān)金屬膜橋厚約2 μm，金屬膜橋與微波信號(hào)傳輸線間距平均值約2 μm。由于金屬膜橋是利用濺射和電鍍工藝制備完成，由此就引入金屬膜橋內(nèi)部各金屬膜層之間的應(yīng)力匹配問題。該MEMS開關(guān)金屬膜橋通過調(diào)節(jié)工藝參數(shù)進(jìn)行應(yīng)力匹配，制備完成后膜橋略微呈現(xiàn)張應(yīng)力，該應(yīng)力引起膜橋中心區(qū)域稍許存在拱起狀態(tài)，導(dǎo)致中心區(qū)域高度略大于金屬膜橋的整體懸浮高度，此高度偏差經(jīng)測試在0.3 μm以下。開關(guān)金屬膜橋整體平整度保持較好，經(jīng)測試存在的微小形變未對開關(guān)的微波特性和機(jī)械性能產(chǎn)生較明顯影響。

圖4 開關(guān)表面形貌測試圖

3 性能測試

研制的超寬帶雙膜橋式MEMS開關(guān)利用CASCADE Summit 11K型微波探針臺(tái)和R＆S ZAV50型矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對回波損耗、插入損耗、隔離度和驅(qū)動(dòng)電壓進(jìn)行了測試，圖5～圖6為該開關(guān)的插入損耗和隔離度測試曲線。

圖5 開關(guān)插入損耗測試曲線

圖6 開關(guān)隔離度測試曲線

從測試結(jié)果可以看出，該開關(guān)可應(yīng)用于12.5 GHz～50 GHz頻段;插入損耗典型值為0.3 dB@ 12.5～35 GHz，優(yōu)于0.5 dB@45 GHz;回波損耗優(yōu)于30 dB@12.5～35 GHz，優(yōu)于20 dB@35～50 GHz;隔離度優(yōu)于35 dB@42.5～50 GHz，優(yōu)于20 dB @其他頻段。開關(guān)驅(qū)動(dòng)電壓介于45 V～55 V之間。目前，普通的單膜橋式MEMS開關(guān)在40G Hz以上頻段范圍隔離度均達(dá)不到應(yīng)用要求，本文研制的雙膜橋式MEMS開關(guān)，在保證回波損耗和插入損耗指標(biāo)的前提下，大大提高了開關(guān)在高頻段的隔離度指標(biāo)，拓展了使用帶寬，有利于提高電子對抗設(shè)備的整體性能。

4 結(jié)論

本文提出的雙膜橋式MEMS開關(guān)通過特殊設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了大寬帶指標(biāo)的要求，通過在共面波導(dǎo)傳輸線上制備兩個(gè)開關(guān)膜橋結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)在關(guān)態(tài)時(shí)微波信號(hào)的雙重隔離，極大地提高了在高頻段(40～50GHz)范圍開關(guān)的隔離度指標(biāo)，并在應(yīng)用頻段內(nèi)得到了較好的插入損耗指標(biāo)和回波損耗指標(biāo)。該開關(guān)能夠用于電子對抗設(shè)備中，極大提高電子對抗設(shè)備微波性能，并有助于減小設(shè)備的體積、重量，增強(qiáng)靈活性。

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董自強(qiáng)(1982-)，男，工程師，博士，主要研究方向?yàn)镽F MEMS技術(shù)，zqdong1982 @163.com;

趙博韜(1985-)，男，助理工程師，碩士，主要研究方向?yàn)槲⒉娐放c系統(tǒng)，zhaobotao@163.com;

石國超(1987-)，男，助理工程師，碩士，主要研究方向?yàn)槲⒉娐放c系統(tǒng)，shiguochao@163.com。

一種超寬帶MEMS開關(guān)的研制

董自強(qiáng)*，趙博韜，石國超
(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，石家莊050081)

MEMS射頻器件，特別是超寬帶器件，對其中的射頻器件提出了寬帶指標(biāo)的要求。以此為背景，在理論分析的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于12.5 GHz～50 GHz頻帶的超寬帶雙膜橋式MEMS開關(guān)，該開關(guān)具備低損耗、高隔離度等特點(diǎn)，文中給出了開關(guān)的制備工藝，并進(jìn)行流水完成了芯片制備。經(jīng)測試，該開關(guān)在設(shè)計(jì)頻段內(nèi)，回波損耗優(yōu)于20 dB，插入損耗典型值0.3 dB @12.5～35 GHz，優(yōu)于0.5 dB@45 GHz，隔離度全頻段優(yōu)于20 dB，驅(qū)動(dòng)電壓在45 V～55 V之間。

電子對抗;RF-MEMS開關(guān);超寬帶;雙膜橋;電容式

TN974;TM564

A

1004－1699(2014)03－0312－04

2014-01-09修改日期:2014-03-07

C:1180;2575;2180B

10.3969/j.issn.1004－1699.2014.03.007