低驅(qū)動(dòng)電壓RFMEMS開關(guān)設(shè)計(jì)過程中的有限元分析

伍文昌，胡宜芬

（信陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車學(xué)院，河南信陽464000）

低驅(qū)動(dòng)電壓RFMEMS開關(guān)設(shè)計(jì)過程中的有限元分析

伍文昌，胡宜芬

（信陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車學(xué)院，河南信陽464000）

介紹了RF MEMS開關(guān)的工作原理和基本結(jié)構(gòu)，給出采用Ansys有限元分析方法仿真RF MEMS開關(guān)的流程及方案。對一種新型的低驅(qū)動(dòng)電壓RF MEMS開關(guān)，使用Ansys有限元軟件進(jìn)行分析：靜態(tài)分析求解開關(guān)的下拉電壓，動(dòng)態(tài)分析得到開關(guān)時(shí)間，并給出該開關(guān)的應(yīng)用實(shí)例。

RF MEMS開關(guān)；Ansys有限元；低驅(qū)動(dòng)電壓；開關(guān)時(shí)間

目前，射頻微機(jī)電系統(tǒng)（RF MEMS）的研究方向大致分為兩類：MEMS開關(guān)和MEMS諧振器。RF MEMS開關(guān)系統(tǒng)的研究主要涉及MEMS開關(guān)、可調(diào)濾波器、移相器、可調(diào)匹配網(wǎng)絡(luò)、微執(zhí)行器和可重構(gòu)天線。相比傳統(tǒng)的半導(dǎo)體二極管和場效應(yīng)管構(gòu)成的開關(guān)及可調(diào)器件，RF MEMS開關(guān)系統(tǒng)具有插損低、功耗低、線性度高且易于集成的優(yōu)點(diǎn)［1］，但是在驅(qū)動(dòng)電壓和開關(guān)速度上依然有差距。文中介紹了使用Ansys分析RF MEMS器件的基本方法，并對筆者所在團(tuán)隊(duì)所設(shè)計(jì)的一種新型低驅(qū)動(dòng)電壓RF MEMS開關(guān)在驅(qū)動(dòng)電壓和開關(guān)時(shí)間方面進(jìn)行有限元分析。

1　低驅(qū)動(dòng)電壓RF MEMS開關(guān)實(shí)例

1.1RF MEMS開關(guān)的工作原理

本文研究的RF MEMS開關(guān)，全稱為RF MEMS并聯(lián)電容耦合型開關(guān)，主要由CPW共面波導(dǎo)傳輸線、絕緣介質(zhì)層、低耗基底以及可動(dòng)金屬極板MEMS可動(dòng)開關(guān)梁構(gòu)成，如圖1所示。由圖1可見，RF MEMS開關(guān)梁本身是一個(gè)可動(dòng)極板，開關(guān)梁下方的傳輸線為一個(gè)極板，當(dāng)兩者之間施加上偏置電壓之后，就形成一個(gè)平行板電容器。開關(guān)梁的錨點(diǎn)連接在共面波導(dǎo)CPW的地線上，在受到靜電力時(shí)，上極板被向下吸附，當(dāng)它下拉到最低端時(shí)，開關(guān)電容值可達(dá)到初始狀態(tài)的30～100倍，此時(shí)，電容使微波信號在傳輸線和地線間短路（此時(shí)為down態(tài)，即開關(guān)的關(guān)態(tài)）；而未施加偏置電壓時(shí)，MEMS梁與傳輸線間電容值很小，信號傳輸正常（此時(shí)為up態(tài)，即開關(guān)的開態(tài)）［2］。

圖1　RF MEMS并聯(lián)電容耦合式開關(guān)原理示意圖

1.2低驅(qū)動(dòng)電壓RF MEMS開關(guān)梁設(shè)計(jì)

RF MEMS開關(guān)與半導(dǎo)體開關(guān)相比有很多優(yōu)點(diǎn)，但還有如下兩個(gè)方面需要改進(jìn)。

1）RF MEMS開關(guān)所需驅(qū)動(dòng)電壓遠(yuǎn)大于半導(dǎo)體開關(guān)。以美國Raytheon公司為例，其研發(fā)出的不同尺寸的商用RF MEMS電容式開關(guān)，驅(qū)動(dòng)電壓分布范圍為35～60 V［2-3］。

2）MEMS開關(guān)梁被釋放后，由于金屬梁的振蕩效應(yīng)，其開關(guān)速度低于半導(dǎo)體開關(guān)。

為了改進(jìn)RF MEMS開關(guān)這兩個(gè)方面的性能。筆者所在的電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院RF MEMS設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)通過技術(shù)分析，設(shè)計(jì)出了一種新型的具有低驅(qū)動(dòng)電壓和較短的開關(guān)時(shí)間的RF MEMS開關(guān)梁［4-5］，并應(yīng)用于“X波段五位數(shù)字移相器”中。

圖2是低驅(qū)動(dòng)電壓RF MEMS開關(guān)梁結(jié)構(gòu)示意圖，開關(guān)與信號傳輸線間隙為3 μm，如圖1（b）所示。設(shè)計(jì)該結(jié)構(gòu)需要分析以下幾個(gè)方面的問題：1）分析所需最小的驅(qū)動(dòng)電壓和MEMS開關(guān)梁彈性系數(shù)k的關(guān)系，即在不同彈性系數(shù)情況下，開關(guān)梁所需的驅(qū)動(dòng)電壓；2）分析開關(guān)梁長度、寬度、驅(qū)動(dòng)面積與所需驅(qū)動(dòng)電壓之間的關(guān)系；3）分析開關(guān)梁厚度與彈性系數(shù)之間的關(guān)系；4）分析電容比（開關(guān)的開態(tài)和關(guān)態(tài)）與間隙高度的關(guān)系。

圖2　新型低驅(qū)動(dòng)電壓梁結(jié)構(gòu)圖

圖2所示的低驅(qū)動(dòng)電壓RF MEMS開關(guān)的開關(guān)時(shí)間約為85 μs，開關(guān)梁的下拉電壓（可將開關(guān)梁吸附到下極板的最小的偏置電壓）［3］為6.0 V。在實(shí)際應(yīng)用中，為確?？煽啃?，要求驅(qū)動(dòng)電壓為下拉電壓的1.4倍，即8.4 V，該電壓遠(yuǎn)低于Raytheon公司的MEMS開關(guān)所需的驅(qū)動(dòng)電壓。需要注意的是，由于工藝水平的不同，殘余應(yīng)力的大小會(huì)對驅(qū)動(dòng)電壓的大小產(chǎn)生不同的影響。

2　使用有限元軟件Ansys輔助設(shè)計(jì)與仿真

圖3所示流程的前三步是建模過程，即盡可能建立與實(shí)際設(shè)計(jì)相吻合的模型，并對其中的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算和設(shè)定。這里需考慮MEMS開關(guān)結(jié)構(gòu)的約束、施加載荷的大小和空氣阻尼等因素所造成的影響。為使問題簡化，可先假設(shè)開關(guān)為真空封裝的環(huán)境，然后再單獨(dú)分析空氣阻尼、殘余應(yīng)力等對器件性能的影響。

圖3　有限元軟件Ansys分析RF MEMS開關(guān)流程圖

2.1使用有限元軟件對RF MEMS開關(guān)的靜態(tài)仿真

根據(jù)圖3所示的流程進(jìn)行有限元靜態(tài)分析，主要分析需施加多大的電壓，才能將MEMS金屬梁下拉到底部，實(shí)現(xiàn)開關(guān)的關(guān)態(tài)（down態(tài)）。

圖4為Ansys輸出MEMS梁位移矢量圖，各部分灰度的差異表示該部位相對于初始位置的位移，位移值可通過與圖中標(biāo)有位移值的灰度條對比讀出。當(dāng)偏置電壓為5.8 V時(shí)，MEMS金屬開關(guān)梁僅下拉了0.89 μm；而偏置電壓為6.0 V時(shí)，開關(guān)梁完全下拉，開關(guān)梁中心部分被下拉到與傳輸線上的絕緣介質(zhì)層相接觸［4-5］。

圖4　低驅(qū)動(dòng)電壓RF MEMS開關(guān)梁位移矢量圖

2.2使用有限元軟件對RF MEMS開關(guān)的動(dòng)態(tài)仿真

動(dòng)態(tài)仿真的目的在于分析求解RF MEMS電容式開關(guān)的開關(guān)時(shí)間，而開關(guān)時(shí)間的概念涉及兩個(gè)部分：一是開關(guān)的閉合時(shí)間，即當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓施加到開關(guān)上之后，開關(guān)完全下拉到底部以實(shí)現(xiàn)開關(guān)關(guān)閉的時(shí)間；二是開關(guān)的釋放時(shí)間，即移去驅(qū)動(dòng)電壓之后，開關(guān)恢復(fù)到穩(wěn)定的導(dǎo)通狀態(tài)的時(shí)間。前者的分析較為容易，而后者就比較復(fù)雜。這是因?yàn)镸EMS梁被釋放之后，并不會(huì)立即恢復(fù)到初始狀態(tài)的位置并且保持穩(wěn)定，而是由于慣性，在初始穩(wěn)定位置上下振蕩。這個(gè)振蕩會(huì)對信號傳輸產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致信號轉(zhuǎn)換時(shí)間被迫延長。

我們使用圖3所示的建模流程進(jìn)行仿真，注意更改仿真為動(dòng)態(tài)仿真，并調(diào)整載荷和載荷步（載荷步涉及到載荷調(diào)整的階段和時(shí)間）。我們通過先在MEMS開關(guān)梁上施加偏置電壓，經(jīng)過一段時(shí)間后移除偏置電壓的方式設(shè)置載荷步，然后在開關(guān)梁的中心位置選取一個(gè)采樣點(diǎn)，使用Ansys分析施加驅(qū)動(dòng)電壓前、施加期間以及移除驅(qū)動(dòng)電壓后該點(diǎn)的位移情況，以分析開關(guān)梁的開關(guān)閉合時(shí)間和釋放時(shí)間。開關(guān)被釋放后，其振蕩范圍縮小到不再對信號傳輸產(chǎn)生明顯影響的時(shí)刻，即可認(rèn)為開關(guān)釋放時(shí)間結(jié)束，而不必要求以開關(guān)完全穩(wěn)定下來的時(shí)刻作為釋放時(shí)間的截止點(diǎn)。

圖5為開關(guān)閉合及釋放時(shí)間的示意圖［6］。由圖5可以看出：開關(guān)從初始位置（位移為0的平衡位置）移動(dòng)到最低點(diǎn)所需的時(shí)間很短，約為11 μs；而開關(guān)的釋放時(shí)間較長，開關(guān)梁雖然在25 μs時(shí)即到達(dá)初始位置，但卻并沒有靜止下來，而是繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)，隨后持續(xù)振蕩，一直到約87 μs的位置，振蕩幅度才可忽略，也就是說，該MEMS開關(guān)的釋放時(shí)間約為76 μs。

圖5　RF MEMS開關(guān)梁開關(guān)時(shí)間示意圖

3　低驅(qū)動(dòng)電壓RF MEMS開關(guān)的應(yīng)用

圖6所示為使用于移相器上的MEMS開關(guān)梁。X波段五位數(shù)字移相器由RF MEMS設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)，中國工程物理研究院（綿陽九院）加工完成。

圖7為MEMS X波段五位數(shù)字移相器，該移相器在施加驅(qū)動(dòng)電壓后，可以實(shí)現(xiàn)不同移位的up和down態(tài)。其在X（8～12 GHz）波段性能優(yōu)良：插入損耗低于-0.845 dB，回波損耗始終在-21.6～-19.8 dB范圍內(nèi)（驅(qū)動(dòng)與非驅(qū)動(dòng)兩種狀態(tài)差異不大）。

移相器可以實(shí)現(xiàn)在0°～348.75°內(nèi)，32種相移狀態(tài)［6-8］。它由0°/11.25°、0°/22.5°、0°/45°、0°/90°和0°/180°五位構(gòu)成，各個(gè)位所包含的移相單元（即為MEMS開關(guān)梁）數(shù)目依次為1、2、4、8、16，每一位中的移相單元都連接在同一個(gè)偏置焊盤上，五位狀態(tài)的不同組合可實(shí)現(xiàn)32種相移狀態(tài)。例如，第四位0°/90°和第五位0°/ 180°中的MEMS開關(guān)梁被施加偏置電壓而下拉到down態(tài)時(shí)，就可實(shí)現(xiàn)270°相移［5，9］。

圖6　X波段五位數(shù)字移相器上的MEMS開關(guān)梁結(jié)構(gòu)

圖7　射頻微機(jī)電X波段五位數(shù)字移相器

4　結(jié)束語

RF MEMS開關(guān)具有插入損耗低、隔離度高、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，且便于與單片微波電路集成。使用RF MEMS移相器替代傳統(tǒng)微波移相器，提高了相控陣?yán)走_(dá)、衛(wèi)星通信、移動(dòng)通信設(shè)備的抗干擾能力和靈敏度，降低了設(shè)備重量、功耗及成本。

本文設(shè)計(jì)了一種新型低驅(qū)動(dòng)電壓RF MEMS開關(guān)，并將其應(yīng)用于X波段五位數(shù)字移相器中，設(shè)計(jì)出擁有低驅(qū)動(dòng)電壓、低插損耗、小型化和低功耗的MEMS參考文獻(xiàn)：

移相器。通過有限元仿真，證明了所設(shè)計(jì)的RF MEMS開關(guān)結(jié)構(gòu)良好，能夠在較低的驅(qū)動(dòng)電壓下完成開關(guān)過程，并具有較短的開關(guān)時(shí)間。

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【責(zé)任編輯梅欣麗】

Design and Simulation of a Low Voltage RF MEMS Switch

WU Wenchang，HU Yifen
（Automotive College，Xinyang Vocational and Technical College，Xinyang 464000，China）

This paper first introduced the principle of RF MEMS switch，then，the simulation of RF MEMS switch by using Ansys finite element analysis method.It carried out the static analysis to solve the drop-down voltage and the dynamic analysis of the switching time.Finally，it cited an example of the low driving voltage RF MEMS switch.

RF MEMS switch；Ansys finite element；low-driving voltage；switching time

TN402

A

2095-7726（2015）09-0053-03

2015-05-12

伍文昌（1984-），男，河南信陽人，講師，碩士，研究方向：射頻微機(jī)電系統(tǒng)。