“星”型射頻MEMS四刀四擲開關(guān)的設(shè)計(jì)*

張世義， 王姍姍， 吳倩楠， 余建剛， 王 宇， 李孟委

(1.中北大學(xué) 南通智能光機(jī)電研究院，江蘇 南通 226000；2.中北大學(xué) 儀器與電子學(xué)院，山西 太原 030051； 3.中北大學(xué) 前沿交叉科學(xué)研究院，山西 太原 030051)

0 引 言

射頻(radio frequency,RF)微電子機(jī)械系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system,MEMS)技術(shù)是指利用MEMS技術(shù)實(shí)現(xiàn)RF器件的設(shè)計(jì)、加工，使之具備對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行處理、控制的功能[1]。與傳統(tǒng)元器件相比，RF MEMS開關(guān)具有工作頻帶寬、插入損耗低、隔離度高、尺寸小、容易加工等優(yōu)勢(shì)。MEMS開關(guān)作為RF MEMS器件中的一個(gè)典型的元器件，是利用MEMS技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的通斷控制[2]，人們常將MEMS開關(guān)與具有特定功能的MEMS單元進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)具備多功能、高效率、可重構(gòu)的MEMS器件，可應(yīng)用在航天航空、衛(wèi)星通信及國(guó)防等軍事領(lǐng)域及微波測(cè)試、環(huán)境監(jiān)測(cè)、電子設(shè)備等民用領(lǐng)域中[3～5]。

目前，為了滿足通信及測(cè)試領(lǐng)域?qū)EMS開關(guān)多通道、低插損、小體積且高穩(wěn)定性等指標(biāo)的需求，就需要設(shè)計(jì)具備高性能的多通道MEMS開關(guān)，例如單刀多擲開關(guān)(single pole multiple throw switch,SPMT)，多刀多擲開關(guān)(multiple pole multiple throw switch,MPMT)等。而MPMT相較于SPMT開關(guān)來(lái)說(shuō)，具有整體尺寸小、插入損耗小、集成度高的優(yōu)勢(shì)，可結(jié)合各種功能器件實(shí)現(xiàn)多重功能，應(yīng)用于通信、雷達(dá)及測(cè)試系統(tǒng)中。而常見(jiàn)的MPMT普遍采用PIN管、射頻同軸繼電器及場(chǎng)效應(yīng)管等作為核心器件，相較于MEMS開關(guān)，普遍存在工作頻帶窄、插入損耗高、尺寸較大等問(wèn)題[6]。例如，2017年電子科技大學(xué)電子采用PIN開關(guān)作為主體，通過(guò)兩個(gè)電源組合控制，設(shè)計(jì)了一種具有小尺寸、低插損、高隔離度的雙刀三擲開關(guān)(double-pole three throw,DT3T)，該雙刀三擲開關(guān)插入損耗低于0.4 dB，隔離度大于30 dB[7]，具有良好的性能，但是其工作頻帶為300～800 MHz，工作頻帶較窄。2016年，韓國(guó)忠南大學(xué)通過(guò)65 nm CMOS技術(shù)設(shè)計(jì)了一種頻帶為57～66 GHz的高頻雙刀雙擲開關(guān)(double-pole double-throw,DPDT)，該開關(guān)整體插損小于3.3 dB，整體尺寸為0.108 mm2，可應(yīng)用于60 GHz寬帶通信系統(tǒng)[8]。但是該開關(guān)具有插損較大的缺點(diǎn)。2015年，中國(guó)電子科技集團(tuán)第41研究所設(shè)計(jì)了一種工作頻率為DC～26.5 GHz的DPDT開關(guān)，插損優(yōu)于1 dB，隔離度優(yōu)于70 dB[9]。雖然該開關(guān)在工作頻帶內(nèi)具有良好的射頻性能，但是開關(guān)的通道較少，僅可以實(shí)現(xiàn)4位信號(hào)轉(zhuǎn)換功能。同年，廣東工業(yè)大學(xué)利用不同工藝方案設(shè)計(jì)了一種雙刀五擲開關(guān)(DP5T)，該開關(guān)工作頻帶為DC～0.3 GHz，插入損耗分別優(yōu)于0.65 dB和0.52 dB，隔離度分別優(yōu)于25.7 dB和24.1 dB，該器件整體尺寸分別為1.3 mm×0.7 mm和1.33 mm×0.7 mm[10]，然而，該多刀多擲開關(guān)工作頻帶較窄，無(wú)法應(yīng)用于更高頻的通信領(lǐng)域。

本文針對(duì)當(dāng)前多刀多擲開關(guān)存在的體積較大、工作頻帶較窄、插入損耗較大、隔離度較高且通道數(shù)量較少等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種“星”型MEMS四刀四擲開關(guān)(four pole four throw switch,4P4T)，通過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化功分器及上電極的結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了具有16位信號(hào)選通功能的4P4T模型，解決了當(dāng)前多刀多擲存在的問(wèn)題，為多通道信號(hào)通信及微波測(cè)試的信號(hào)選通設(shè)計(jì)提供了一種技術(shù)方法。

1 工作原理

RF MEMS開關(guān)組成部分包括襯底、CPW、懸臂梁、錨點(diǎn)、驅(qū)動(dòng)電極、觸點(diǎn)等，其中開關(guān)上電極通過(guò)錨點(diǎn)與信號(hào)線連接，并置于驅(qū)動(dòng)電極正上方，屬于懸臂梁結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)電極位于上電極正下方，在驅(qū)動(dòng)電極表面覆蓋有SiNx絕緣層[11]。圖1為MEMS開關(guān)工作原理圖。當(dāng)Pad外接一穩(wěn)定直流電壓時(shí)，開關(guān)懸臂梁因受到靜電力向下運(yùn)動(dòng)，并與觸點(diǎn)相接觸，RF MEMS開關(guān)導(dǎo)通，信號(hào)沿著CPW的信號(hào)線通過(guò)；當(dāng)直流電壓移除時(shí)，懸臂梁所受靜電力歸零，因彈性作用力上彈，斷開與觸點(diǎn)的連接，RF MEMS開關(guān)斷開，信號(hào)無(wú)法通過(guò)[12]。

圖1 MEMS開關(guān)工作原理

本文利用HFSS仿真軟件，建立了RF MEMS 4P4T理論模型，它是由兩個(gè)MEMS單刀四擲開關(guān)(single pole four throw switch,SP4T)級(jí)聯(lián)而成，每一路輸入及輸出端由一個(gè)獨(dú)立的MEMS開關(guān)控制信號(hào)的的通斷，通過(guò)8個(gè)MEMS開關(guān)的自由組合，理論上可以實(shí)現(xiàn)16種不同的信號(hào)輸入輸出方式。工作原理圖如圖2所示。

圖2 MEMS 4P4T開關(guān)工作原理

2 結(jié)構(gòu)分析

2.1 星形功分器設(shè)計(jì)

功分器是將一路輸入信號(hào)按照一定的原則分配為多路輸出信號(hào)或?qū)⒍嗦份斎胄盘?hào)轉(zhuǎn)換為一路輸出信號(hào)的射頻器件[13]，廣泛應(yīng)用于MEMS多擲開關(guān)中。本文設(shè)計(jì)了三種功分器結(jié)構(gòu)，分別為齒型、K型及星型功分器，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。三種功分器結(jié)構(gòu)均為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，四個(gè)輸出端均勻分布在功分器兩側(cè)，采用空氣橋結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)信號(hào)線的共地處理，K型功分器相鄰輸出端之間夾角為60°，星型功分器相鄰輸出端之間夾角為72°。這三種功分器襯底材料均采用玻璃襯底，共面波導(dǎo)材料采用金。

圖3 三種功分器結(jié)構(gòu)示意

插入損耗是表征功分器微波性能的主要因素[14]，本文利用HFSS仿真軟件，對(duì)三種功分器進(jìn)行建模，并對(duì)其相同條件下的插入損耗進(jìn)行仿真，圖4為插損仿真結(jié)果對(duì)比圖，在頻率為DC～26.5 GHz內(nèi)，星型、K型及齒型功分器的插入損耗分別優(yōu)于0.146,0.334,0.609 dB。在三種結(jié)構(gòu)中，星型功分器的插入損耗較小，且四個(gè)端口間插損之差小于0.019 dB，具有較好的一致性。齒型及K型功分器插入損耗較大的原因?yàn)樾盘?hào)在通過(guò)功分器輸出端拐角處時(shí)，由于拐角處具有較大的電容，引起電荷聚集，導(dǎo)致阻抗匹配失衡，使得信號(hào)發(fā)生損耗[15]。

圖4 功分器插入損耗對(duì)比

2.2 MEMS SP4T結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的四刀四擲開關(guān)是由兩個(gè)單刀四擲開關(guān)級(jí)聯(lián)而成，通過(guò)切換開關(guān)的通斷狀態(tài)控制信號(hào)的輸入與輸出。相較于MEMS SPST，SP4T具備處理多路信號(hào)的能力。圖5為MEMS SP4T的結(jié)構(gòu)示意。

圖5 SP4T的結(jié)構(gòu)示意

該MEMS單刀四擲開關(guān)襯底材料為BF33玻璃，其表面CPW及上電極結(jié)構(gòu)均為金。其中上電極采用直板型結(jié)構(gòu)，相較于其他結(jié)構(gòu)的上電極，直板型上電極具有應(yīng)力小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單及易于加工等優(yōu)點(diǎn)。SP4T功分器采用星型功分器，射頻信號(hào)輸入端及4個(gè)輸出端均勻分布在星型功分器的四周，為了進(jìn)一步減小功分器對(duì)器件插損的影響，將星型功分器輸入輸出端交叉處改為圓角結(jié)構(gòu)。此外，由于SP4T的拐角可能會(huì)對(duì)器件性能，尤其是插入損耗帶來(lái)一定的影響，因此，本文對(duì)拐角結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真及優(yōu)化，最終選用了圓角結(jié)構(gòu)替代傳統(tǒng)直角結(jié)構(gòu)，進(jìn)而降低器件的損耗。

通過(guò)對(duì)SP4T進(jìn)行建模、仿真及優(yōu)化，得到了SP4T的插損、隔離度及駐波比等射頻性能，其結(jié)果如圖6所示。在DC～26.5 GHz范圍內(nèi)，其插損優(yōu)于1.33 dB，隔離度優(yōu)于12.68 dB，駐波比小于1.7。

圖6 SP4T S參數(shù)仿真結(jié)果

2.3 RF MEMS 4P4T結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)RF MEMS 4P4T是由2個(gè)SP4T鏡像級(jí)聯(lián)而成，4個(gè)輸入端與輸出端均勻分布于器件的兩側(cè)。結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。襯底材料為BF33玻璃，其相對(duì)介電常數(shù)為4.6，相較于高阻硅襯底，BF33玻璃襯底具有價(jià)格較低、插損低的優(yōu)點(diǎn)，且玻璃襯底為透明材料，在后期懸臂梁犧牲層釋放工藝過(guò)程中，可以在不破壞懸臂梁結(jié)構(gòu)的情況下監(jiān)測(cè)到犧牲層釋放情況。RF MEMS開關(guān)的四刀四擲開關(guān)的幾何參數(shù)如表1所示。

表1 4P4T 尺寸一覽表

圖7 MEMS 4P4T結(jié)構(gòu)示意

MEMS開關(guān)上電極采用直板型結(jié)構(gòu)，為了有效降低驅(qū)動(dòng)電壓，減小應(yīng)力，縮短工藝過(guò)程中犧牲層釋放時(shí)間，在上電極表面陣列排布著7組正方形釋放孔；驅(qū)動(dòng)電極分布在單刀四擲開關(guān)的周圍，為方便后期測(cè)試施加電壓，將驅(qū)動(dòng)電

極進(jìn)行引出，外接長(zhǎng)方形Pad；為實(shí)現(xiàn)地線的共地功能，在地線表面分布有若干個(gè)杠鈴形空氣橋，空氣橋采用直板結(jié)構(gòu)，通過(guò)兩側(cè)固支錨點(diǎn)實(shí)現(xiàn)空氣橋的懸空結(jié)構(gòu)，同時(shí)，空氣橋表面排布有10組正方形釋放孔陣列結(jié)構(gòu)。相較于SP4T觸點(diǎn)采用一個(gè)觸點(diǎn)的結(jié)構(gòu)，4P4T采用雙觸點(diǎn)結(jié)構(gòu)，可有效增大開關(guān)上電極與觸點(diǎn)的接觸面積，降低插入損耗，增強(qiáng)開關(guān)的可靠性。

3 4P4T的模擬結(jié)果

本文采用有限元仿真軟件HFSS對(duì)RF MEMS 4P4T進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真及優(yōu)化，得到了插入損耗、隔離度及駐波比仿真結(jié)果，如圖8所示。其中，圖8(a)～(c)分別為插入損耗、隔離度及駐波比仿真結(jié)果。由結(jié)果可知，當(dāng)工作頻率為DC～26.5 GHz時(shí)，4P4T的插入損耗均優(yōu)于1.19 dB，隔離度優(yōu)于31.75 dB，駐波比均小于1.7。

圖8 SP4T S參數(shù)仿真結(jié)果

表 2為近幾年MPMT與本文設(shè)計(jì)的4P4T的對(duì)比，與近幾年報(bào)道的多刀多擲開關(guān)相比，本文提出將MEMS開關(guān)引入到多刀多擲開關(guān)結(jié)構(gòu)中，減小了器件的整體尺寸，降低了器件的插入損耗，提高了器件的隔離度，增加了器件的可調(diào)通道數(shù)。

表2 MPMT開關(guān)的比較

4 結(jié) 論

本文分析了當(dāng)前多刀多擲開關(guān)的發(fā)展現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一種“星”型的射頻MEMS 4P4T，設(shè)計(jì)的器件由兩個(gè)SP4T級(jí)聯(lián)而成，上電極采用直板型結(jié)構(gòu)，利用開關(guān)的信號(hào)選通功能實(shí)現(xiàn)不同狀態(tài)和不同通道信號(hào)切換的功能。由仿真結(jié)果表明：在DC～26.5 GHz內(nèi)，本文開關(guān)具有工作頻帶寬、體積小、插入損耗低、隔離度高的特點(diǎn)，可應(yīng)用于通信、微波測(cè)試及導(dǎo)航系統(tǒng)等。