MEMS射頻同軸線的仿真與工藝研究

高榮惠，趙 龍，崔建利，張斌珍

（中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原030051）

0 引 言

隨著射頻（RF）、微波技術(shù)的迅速發(fā)展，國(guó)際上諸多知名科研機(jī)構(gòu)和高校都將RF MEMS視為重點(diǎn)研究方向.RF MEMS技術(shù)中多采用的是平面電路技術(shù)，其中的射頻、微波信號(hào)傳輸及器件互聯(lián)多采用微帶、共面波導(dǎo)、帶狀線等平面?zhèn)鬏斁€［1］，當(dāng)集成度較高時(shí)，這些傳輸、互聯(lián)技術(shù)就暴露出諸多弊端：插入損耗與線間耦合較大、功率容量小、色散嚴(yán)重等，很難進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)射頻和微波電子系統(tǒng)的小型化與微型化，嚴(yán)重限制了其在微型射頻／微波電子系統(tǒng)中的應(yīng)用.

同軸傳輸線結(jié)構(gòu)緊湊、低損耗和低色散的特性使得其在射頻微波無(wú)源電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域迅猛發(fā)展，微機(jī)電系統(tǒng)加工技術(shù)的研究進(jìn)展也為矩形同軸線的應(yīng)用提供了充足的機(jī)會(huì)［2-3］.美國(guó)國(guó)防部先進(jìn)研究項(xiàng)目局一直在大力資助企業(yè)和高校進(jìn)行三維射頻和微波集成通用平臺(tái)的搭建，互聯(lián)技術(shù)主要采用的就是同軸傳輸線，目前他們已實(shí)現(xiàn)了部分基于同軸傳輸線的射頻微波器件在三維片上的集成.Novotronics公司所加工的四通道MMIC平臺(tái)和天線饋電網(wǎng)絡(luò)中微波器件的設(shè)計(jì)與互聯(lián)也均采用的是同軸傳輸線［4］.

為了提高通信系統(tǒng)的傳輸能量，減小系統(tǒng)尺寸，微波器件的尺寸變得越來越小，作為信號(hào)傳輸?shù)闹匾緩?，射頻系統(tǒng)也逐漸向微型化轉(zhuǎn)變.微型射頻同軸線可以實(shí)現(xiàn)微集成射頻器件的互聯(lián)，亦可實(shí)現(xiàn)多層射頻集成模塊的互聯(lián)，其作為基礎(chǔ)器件是射頻系統(tǒng)不可或缺的部分，受到越來越多的的關(guān)注.國(guó)內(nèi)部分研究單位和高校開展了基于LIGA和準(zhǔn)LIGA工藝的RF MEMS器件三維微加工方面［5-7］的研究，但目前國(guó)內(nèi)對(duì)于以同軸互聯(lián)的射頻和微波器件以及三維PCB平臺(tái)的設(shè)計(jì)和制造方面的三維微加工技術(shù)的研究工作還處于初級(jí)階段.

本文旨在設(shè)計(jì)一種以SU-8方形柱作為襯底、全空氣填充的微型射頻同軸線，并采用UV-LIGA工藝進(jìn)行結(jié)構(gòu)的加工.與采用電鍍銅工藝實(shí)現(xiàn)全金屬結(jié)構(gòu)的射頻同軸線相比，該微型同軸線采用的工藝方法是在SU-8上實(shí)現(xiàn)傳輸線的金屬化，克服了因?yàn)殂~鍍層太厚引起的結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生龜裂，不平整，且厚度不易控制等缺陷，具有介質(zhì)損耗小、輻射損耗小、無(wú)色散、帶寬大和抗干擾性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)射頻和微波電子系統(tǒng)的微型化、一體化、低成本與高性能建立了基礎(chǔ).

1 設(shè)計(jì)與仿真

同軸線主要傳輸無(wú)色散的TEM波，也可能傳播有色散的TE波和TM波.實(shí)際應(yīng)用中主要以TEM模為傳輸模式，主動(dòng)抑制TE模和TM模.

考慮到在實(shí)際微結(jié)構(gòu)加工中，曲面加工還十分困難，而直角結(jié)構(gòu)則相對(duì)方便，所以微結(jié)構(gòu)的同軸線一般是方形同軸線.利用復(fù)變函數(shù)中的保角變換法可確定方形同軸線設(shè)計(jì)中特性阻抗Z0，介電常數(shù)εr以及邊長(zhǎng)比a／b（其中a為方形同軸線內(nèi)導(dǎo)體外邊長(zhǎng)，b為方形同軸線外導(dǎo)體的內(nèi)邊長(zhǎng)）之間的關(guān)系.其計(jì)算公式［8-9］為

通常同軸線采用的特性阻抗有兩種：50Ω和75Ω.其中75Ω的特性阻抗常用作有線電視系統(tǒng)通信，射頻通信系統(tǒng)同軸線則采用50Ω的特性阻抗.故此處Z0取值50Ω；空氣介電常數(shù)εr取值1.代入Z0和εr，可計(jì)算得到b／a值約為2.5.如圖1所示為方形同軸線截面示意圖.根據(jù)實(shí)際工藝條件，可加工尺寸范圍為50～1 000μm，本設(shè)計(jì)中a取值200μm，b取值500μm.擬采用RffS ZVA40網(wǎng)絡(luò)分析儀和探針測(cè)試臺(tái)對(duì)微型同軸線進(jìn)行測(cè)量，為了便于測(cè)量，同軸線需要設(shè)計(jì)成如圖2所示上端開口的效果.通過HFSS電磁仿真軟件進(jìn)行模型建立與仿真.

圖1 同軸線截面內(nèi)外導(dǎo)體尺寸示意圖 Fig.1 Section diagram of inner and outer conductor size of coaxial line

圖2 同軸線測(cè)試效果圖 Fig.2 Test diagram of coaxial line

設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮微型同軸線內(nèi)導(dǎo)體支撐問題，結(jié)合微型同軸線UV-LIGA加工工藝［10-11］，在加工過程中采用MICROCHEM公司的SU-8光刻膠［12-13］作為同軸線支撐襯底，所以模型建立時(shí)在中心同軸下面加了一層SU-8作為支撐層（按照設(shè)計(jì)要求，該SU-8支撐層高度為1 5 0μm）.如圖3所示為改進(jìn)后的微型同軸線模型.對(duì)支撐襯底的寬度進(jìn)行參數(shù)掃描設(shè)置，范圍為200～500μm，每隔20μm取一個(gè)值；掃頻范圍設(shè)為30～50 GHz，其他項(xiàng)默認(rèn)不變，對(duì)該模型進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化仿真.仿真完成后對(duì)38 GHz處的回波損耗S11和插入損耗S12進(jìn)行分析得到如圖4所示的S參數(shù)隨襯底寬度變化的關(guān)系圖.從圖中可看出雖然插入損耗S12隨著襯底寬度變化不大，但回波損耗S11受襯底寬度變化較為明顯，且在200μm處S11最小.故確定襯底寬度200μm為最優(yōu)參數(shù).

圖3 優(yōu)化后的同軸線模型 Fig.3 Model of optimized coaxial line

圖4 S參數(shù)隨襯底寬度變化的關(guān)系圖 Fig.4 Relation graph between S parameter and substrate width

圖5 全空氣填充同軸線仿真曲線 Fig.5 Simulation diagram of coaxial line filled with air

利用HFSS電磁仿真軟件對(duì)全空氣填充的同軸線進(jìn)行仿真，調(diào)出S參數(shù)結(jié)果報(bào)告，并和上面優(yōu)化的帶有SU-8支撐襯底的同軸線S參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖5所示，可以看出：理想狀況下全空氣填充的同軸傳輸線，38 GHz時(shí)S11在-40 dB以下，回波損耗非常小，而S12參數(shù)為-0.13 dB；而進(jìn)行優(yōu)化后的同軸線中心頻率略有偏移，但38 GHz時(shí)S11依然在-30 dB以下，回波損耗非常??；S12參數(shù)則為-0.2 d B，表明能量在傳輸過程中損耗很小.仿真結(jié)果表明，有了聚合物支撐的同軸傳輸線對(duì)于信號(hào)的傳播影響較小，優(yōu)化后的S參數(shù)都達(dá)到了匹配傳輸線的要求.雖然這些都是理想值，但仿真結(jié)果證明該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較合理.

2 加工工藝

同軸傳輸線加工制造工藝過程主要分為三部分：①中心同軸線襯底的加工；②中心同軸的制作加工；③同軸蓋子的加工.工藝流程如圖6所示.

圖6 微型同軸線加工流程圖 Fig.6 Process flow chart of micro coaxial line

具體制作過程如下：

1）備片：為了增強(qiáng)感光膠和基片的黏附力，防止脫膠情況的發(fā)生，勻膠前必須保證基片的清潔.采用丙酮，無(wú)水乙醇，去離子水等依次對(duì)基片進(jìn)行徹底的清洗，將基片放置在烘臺(tái)上加熱到120℃進(jìn)行脫水處理10 min；

2）同軸襯底：首先準(zhǔn)備一片硅基片，濺射一層100 nm的銀層并電鍍一層金屬銅.根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，需要在中心同軸底部加工一層150μm的襯底作為支撐層.在金屬覆蓋的硅基片上以2 400 r／min的轉(zhuǎn)速進(jìn)行勻膠，均勻涂覆一層150μm的SU-8光刻膠，依次進(jìn)行前烘、掩膜光刻、后烘；

3）中心同軸：為了便于測(cè)試，需要設(shè)計(jì)成如圖2所示的結(jié)構(gòu).在SiO2基片上用SU-8光刻膠依次加工200μm厚的中心同軸和300μm的凸臺(tái)，最后顯影即得到需要的結(jié)構(gòu)；再將帶有中心同軸的SiO2基片浸入BOE中2 h，將剝離的同軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行濺射、電鍍得到金屬層；

4）同軸蓋子制作：同軸線結(jié)構(gòu)需要封閉式結(jié)構(gòu)，鑒于測(cè)試要求，蓋子需要做成如圖2所示底座開口的結(jié)構(gòu)，在SiO2基片上用SU-8光刻膠依次加工150μm厚的底座和350μm高的側(cè)壁.用BOE剝離結(jié)構(gòu).

3 封裝與測(cè)試

3.1 同軸線的封裝

用電鍍工藝對(duì)制作出的同軸線蓋子部分金屬化.首先將樣品傾斜放置在磁控濺射機(jī)（Cressington308R）卡盤上濺射金屬種子層，濺射過程中卡盤連續(xù)旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)側(cè)壁均勻的涂層.通過控制時(shí)間，沉積100 nm的Ag金屬種子層.接著進(jìn)行電鍍，由于銅的導(dǎo)電率為5.8×107s／m，在38 GHz時(shí)，計(jì)算趨膚深度為1.07μm.設(shè)置合適的電鍍參數(shù)，確保鍍層厚度大于3倍的趨膚深度，即濺射4 μm左右的Ag層并對(duì)鍍層表面進(jìn)行拋光，確保金屬層表面光滑整潔，避免因粗糙產(chǎn)生額外的介質(zhì)損耗，達(dá)到較好的傳輸性能.

設(shè)計(jì)采用嵌入的方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)之間的結(jié)合與封裝：

1）襯底加工完成后在襯底上面以及外側(cè)分別加工兩道側(cè)壁作為中心同軸的卡子，可以使中心同軸完成后能夠精確地置于襯底設(shè)計(jì)的位置；

2）在襯底兩側(cè)加工兩道側(cè)壁，使側(cè)壁距襯底兩邊的距離為200μm，這樣當(dāng)同軸蓋子（側(cè)壁厚50μm）加工完成后可以精確嵌入其中，實(shí)現(xiàn)同軸蓋子和樣品的組裝.將三部分結(jié)合并組裝后得到整體結(jié)構(gòu)如圖7所示.

圖7 同軸線整體結(jié)構(gòu)圖 Fig.7 Structure diagram of coaxial line

3.2 測(cè)試過程與結(jié)果分析

用RffS ZVA40網(wǎng)絡(luò)分析儀和探針測(cè)試臺(tái)對(duì)封裝好的同軸線主要參數(shù)進(jìn)行測(cè)試.測(cè)試時(shí)，三個(gè)探針分別接觸到同軸線的內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體，中間的探針接觸中心同軸，兩側(cè)的探針分別接觸蓋子波導(dǎo)口兩側(cè).測(cè)試結(jié)果如圖8所示.結(jié)果顯示頻率在38 GHz時(shí)，回波損耗S11在-30 dB以下，插入損耗S12為-0.3 d B.所加工的微型射頻同軸線S參數(shù)與仿真結(jié)果相比相差不大，故該微型射頻同軸線設(shè)計(jì)方案比較合理，傳輸性能較好，可用于高性能射頻和微波電路中.由于同軸線三部分的結(jié)合和組裝都是在顯微鏡下手動(dòng)完成的，對(duì)于傳輸線這種精密器件，組裝過程中微米級(jí)的誤差都可能影響其性能，例如，操作過程中產(chǎn)生的受力不均所造成的器件彎曲，組裝過程中器件各部分之間的磨損都會(huì)使其性能與理想情況有所偏離，所以對(duì)于同軸射頻傳輸線的工藝方法有待進(jìn)一步分析和研究.

圖8 SU-8襯底同軸線測(cè)試結(jié)果圖 Fig.8 Test diagram of coaxial line with SU-8 substrate

4 結(jié) 論

本文提出了一種新型的微型同軸線的MEMS加工工藝.通過對(duì)同軸線結(jié)構(gòu)的仿真分析得出該方法制作的MEMS同軸線具有帶寬大、介質(zhì)損耗小、輻射損耗小和抗干擾強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可適用于高性能射頻和微波電路.對(duì)微型同軸線的加工驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的可行性，并測(cè)得頻率在38 GHz時(shí)，回波損耗S11在-30 d B以下，插入損耗S12為-0.3 dB，該測(cè)試參數(shù)能夠滿足工程需要.但由于本加工工藝不能一體化完成結(jié)構(gòu)的加工，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果和仿真理想結(jié)果存在一定的誤差，需要進(jìn)一步研究相關(guān)的MEMS加工工藝，保證結(jié)構(gòu)的可靠性和實(shí)用性.

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