RF MEMS并聯(lián)開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析

許馬會(huì)，劉鳳麗，郝永平

(沈陽(yáng)理工大學(xué)，a.CAD/CAM技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)中心;b.機(jī)械工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110159)

引言

RF MEMS開(kāi)關(guān)是以傳統(tǒng)微電子為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的一種新興產(chǎn)物，是無(wú)線通訊領(lǐng)域的重要器件。它具有成本低、體積小、重量輕、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，在軍、民用領(lǐng)域和微波集成電路中具有廣泛的應(yīng)用前景［1-3］。按照傳統(tǒng)分類方法，RF MEMS可分為固定器件和可動(dòng)器件。固定RF MEMS器件包括本體微機(jī)械加工傳輸線、濾波器和耦合器，可動(dòng)RF MEMS器件包括開(kāi)關(guān)、調(diào)諧器和可變電容［4］;按照在高頻毫米波電路的應(yīng)用來(lái)看，RF MEMS開(kāi)關(guān)有兩種基本形式:并聯(lián)開(kāi)關(guān)和串聯(lián)開(kāi)關(guān)［5］。

本文所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的懸臂梁開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)相似，但它比懸臂梁開(kāi)關(guān)具有更快的恢復(fù)力、較高的開(kāi)關(guān)速度、較長(zhǎng)的開(kāi)關(guān)壽命，還能防止粘附問(wèn)題和介質(zhì)擊穿問(wèn)題以及吸合之后兩邊的接觸端出現(xiàn)翹曲現(xiàn)象(懸臂梁開(kāi)關(guān)如果結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)的不合理，開(kāi)關(guān)吸合之后，在接觸端會(huì)出現(xiàn)翹曲現(xiàn)象);與目前射頻系統(tǒng)中所用的電控開(kāi)關(guān)(PIN二極管或GaAs FET)相比，RF MEMS并聯(lián)開(kāi)關(guān)采用微機(jī)械執(zhí)行方式，沒(méi)有半導(dǎo)體PN結(jié)或金屬半導(dǎo)體結(jié)，插入損耗很低(可小于0.2 dB，而PIN或FET的插入損耗總大于l dB)，隔離性能很好，互調(diào)失真極低［6］。

1 并聯(lián)開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 基本原理

并聯(lián)開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)如圖1。

此并聯(lián)開(kāi)關(guān)是兩端固定的，梁和驅(qū)動(dòng)電極之間形成一個(gè)電容，當(dāng)在梁和驅(qū)動(dòng)電極之間加一偏置電壓時(shí)，在梁上就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)下拉靜電力，當(dāng)偏置電壓的值達(dá)到驅(qū)動(dòng)電壓的值時(shí)，梁迅速下落，和下電極緊密接觸，這時(shí)上下兩個(gè)接觸電極接觸，開(kāi)關(guān)導(dǎo)通。圖2為并聯(lián)開(kāi)關(guān)AA方向的斷開(kāi)和閉合的剖視圖。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

并聯(lián)開(kāi)關(guān)采用高電阻率(3000 Ω·cm)的硅襯底，相對(duì)介電常數(shù)εr=11.9，襯底厚度50 μm。同時(shí)為了減少傳輸線的導(dǎo)體損耗，選用金作為導(dǎo)體材料，金的電導(dǎo)率為4.1 ×107s/m，厚度為 1 μm，介質(zhì)層采用的是 SiO2。由于開(kāi)關(guān)的吸合電壓不僅和開(kāi)關(guān)的材料有關(guān)，而且還和開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)尺寸、工藝過(guò)程緊密相關(guān)，因此本文通過(guò)分析開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)尺寸，利用 CoventorWare軟件對(duì) RF MEMES開(kāi)關(guān)進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，見(jiàn)表1。

圖1 并聯(lián)開(kāi)關(guān)的仰視圖

圖2 并聯(lián)開(kāi)關(guān)A－A方向的斷開(kāi)和閉合的剖視圖

表1 開(kāi)關(guān)的工藝步驟

為了保證吸合電壓不能過(guò)大(可能會(huì)造成開(kāi)關(guān)失效)或過(guò)小(不易控制)，因此所設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)的吸合電壓控制在30 V左右，初定開(kāi)關(guān)的尺寸見(jiàn)表2。

表2 開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)尺寸 (單位:μm)

經(jīng)仿真分析，此時(shí)吸合電壓為16 V，不滿足要求。經(jīng)過(guò)反復(fù)驗(yàn)算，最終確定開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)表3。

表3 開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)尺寸 (單位:μm)

此開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)主要由梁、驅(qū)動(dòng)電極、接觸電極組成。其中在驅(qū)動(dòng)電極上有一層介電層，為了避免開(kāi)關(guān)作用時(shí)直流控制電壓的短路。

2 特性分析及影響因素

2.1 開(kāi)關(guān)的準(zhǔn)靜態(tài)分析——吸合電壓分析

計(jì)算開(kāi)關(guān)吸合電壓的方法很多:有采用簡(jiǎn)單的一維平板假設(shè)進(jìn)行計(jì)算［3］;當(dāng)考慮梁的彎曲之后的狀態(tài)時(shí)，有采用豎直平面的二維方法進(jìn)行計(jì)算［7］;還有完全采用三維的有限元方法進(jìn)行計(jì)算。采用一維方法最簡(jiǎn)單，精度也相對(duì)較低，三維的方法最精確，也是最復(fù)雜的。為了在易用性和精度上都能達(dá)到要求，已經(jīng)有采用準(zhǔn)一維來(lái)計(jì)算開(kāi)關(guān)的吸合電壓的方法問(wèn)世［8-9］，也就是將二維的問(wèn)題轉(zhuǎn)化為一維問(wèn)題進(jìn)行處理。

本文所介紹的并聯(lián)開(kāi)關(guān)，計(jì)算吸合電壓所采用的是Coventor Ware軟件中的Saber系統(tǒng)仿真法和有限元分析法。

2.1.1 Saber系統(tǒng)仿真分析吸合電壓

根據(jù)第一部分所設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸，利用Coventor Ware軟件中的Saber進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)分析，結(jié)果如圖3所示。

當(dāng)極板間距為2 μm時(shí)，電壓達(dá)到26 V，懸臂梁和驅(qū)動(dòng)極板發(fā)生吸合效應(yīng)，所以26 V為懸臂梁的吸合電壓。

2.1.2 有限元法分析吸合電壓

根據(jù)開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)尺寸，利用CoventorWare軟件中的有限元分析吸合電壓。圖4為并聯(lián)開(kāi)關(guān)的FEM模型。經(jīng)分析可以得出懸臂梁的吸合電壓，結(jié)果如圖5所示，吸合電壓大約在28 V左右。

圖3 系統(tǒng)級(jí)求解電壓與位移的關(guān)系曲線

圖4 并聯(lián)開(kāi)關(guān)的FEM模型

圖5 有限元法求解電壓與位移的關(guān)系曲線

此次采用是 Manhattan bricks的網(wǎng)格類型，X、Y、Z的尺寸為10、10、8。如果將網(wǎng)格的劃分尺寸減為一半，仿真得出的吸合電壓只相差0.3 V，但仿真的時(shí)間是原來(lái)的8倍，所以在保證結(jié)果相差不超過(guò)1%的情況下，盡量將網(wǎng)格尺寸定大一些(結(jié)合開(kāi)關(guān)的尺寸)。

上述兩種方法得出的吸合電壓結(jié)果相差2V。然后利用公式［10］:

其中k為彈性系數(shù)，A為驅(qū)動(dòng)電極的正對(duì)面積，Vpi為開(kāi)關(guān)的吸合電壓，ε0為極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，go為極板初始間距。此結(jié)構(gòu)中 k=5.2，A=31 200 μm2，εo=3.9，g0=2 μm，經(jīng)計(jì)算開(kāi)關(guān)的吸合電壓Vpi≈23 V。從上述結(jié)果可以看出，利用公式計(jì)算出的結(jié)果與其他兩種方法得出的結(jié)果也有3～5 V的差距，但Saber(幾秒)比有限元(1小時(shí)以上)和公式法要快，所以在做系統(tǒng)仿真時(shí)一般會(huì)用Saber仿真，至于哪個(gè)更精確，還有待做實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步確定。

2.2 動(dòng)態(tài)特性分析

2.2.1 瞬態(tài)應(yīng)力分析

RF MEMS開(kāi)關(guān)不僅要在閾值加速度可調(diào)范圍內(nèi)能夠安全可靠地工作，還要具有一定的抗過(guò)載能力。利用CoventorWare軟件中的Analyzer對(duì)RF MEMS開(kāi)關(guān)進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，在Z軸負(fù)方向施加周期為800 μs正弦波形，閾值加速度值為10000 g，其應(yīng)力分布如圖6所示。RF MEMS開(kāi)關(guān)所受到最大應(yīng)力發(fā)生在兩端支撐梁錨區(qū)的根部，只要滿足這部分的應(yīng)力值小于材料的許用應(yīng)力，彈性元件就不會(huì)發(fā)生塑性形變，就能使RF MEMS開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)抗過(guò)載保護(hù)。多晶硅的許用應(yīng)力:

其中，n為安全系數(shù)，一般取n=4～5。

圖6 瞬態(tài)應(yīng)力圖

2.2.2 均布載荷分析

利用CoventorWare軟件中的Analyzer對(duì)RF MEMS開(kāi)關(guān)進(jìn)行均布載荷分析，在梁的Z方向上加0.01MPa的均布載荷，由圖7可知，當(dāng)梁的最大偏移量達(dá)到4.2 um時(shí)，梁將發(fā)生斷裂。

2.3 影響開(kāi)關(guān)吸合電壓的因素

影響開(kāi)關(guān)吸合電壓的因素主要有開(kāi)關(guān)的材料與尺寸［11］，下面用改變參數(shù)的寬度和長(zhǎng)度來(lái)介紹尺寸對(duì)吸合電壓的影響。圖8為增大和減小左右兩端緊貼錨區(qū)兩個(gè)梁的寬度，吸合電壓的變化情況。

圖7 均布載荷圖

圖8 改變左右兩端緊貼錨區(qū)兩個(gè)梁的寬度

圖9為增大和減小左右兩端緊貼錨區(qū)兩個(gè)梁的寬度，吸合電壓的變化情況。

圖9 改變左右兩端緊貼錨區(qū)兩個(gè)梁的長(zhǎng)度

圖10為增大和減小下驅(qū)動(dòng)電極的長(zhǎng)度，吸合電壓的變化情況。

圖10 改變驅(qū)動(dòng)電極的長(zhǎng)度

圖11為減小下接觸電極的長(zhǎng)度，吸合電壓的變化情況。

圖11 改變下接觸電極的長(zhǎng)度

圖12為減小隔斷部分兩個(gè)梁的長(zhǎng)度，吸合電壓的變化情況。

圖12 改變隔斷部分兩個(gè)梁的長(zhǎng)度

通過(guò)圖8～圖12仿真結(jié)果，可以得出以下結(jié)論:

(1)改變開(kāi)關(guān)參數(shù)的長(zhǎng)度和寬度對(duì)吸合電壓的影響是不一樣的，吸合電壓會(huì)隨著長(zhǎng)度的增加而減小(減小而增大)，隨著寬度的增大而增大(減小而減小)。

(2)改變隔斷部分兩個(gè)梁的長(zhǎng)度(下接觸電極的長(zhǎng)度)，當(dāng)長(zhǎng)度超過(guò)25 um(45 um)時(shí)，吸合電壓保持在26 V，不發(fā)生變化。

(3)吸合電壓不隨下接觸電極寬度的變化而變化。

(4)如果改變下驅(qū)動(dòng)電極或隔斷部分兩個(gè)梁其中一個(gè)參數(shù)的寬度，另一個(gè)參數(shù)的寬度也將隨之變化，因此不能確定吸合電壓的變化情況。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文在研究并聯(lián)開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析了開(kāi)關(guān)的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性，以及影響吸合電壓的主要因素。通過(guò)對(duì)開(kāi)關(guān)吸合電壓的分析，可以得出Saber系統(tǒng)分析法要比有限元法運(yùn)算的速度快、效率高，因此Saber系統(tǒng)分析法是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。對(duì)于影響開(kāi)關(guān)吸合電壓因素的分析可以得出，改變參數(shù)的不同結(jié)構(gòu)尺寸，對(duì)吸合電壓的影響是不同的。

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