一種高功率射頻MEMS開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)*

寧朝東 吳倩楠 王俊強(qiáng) 李孟委

（1.中北大學(xué)儀器與電子學(xué)院 太原 030051）（2.中北大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院 太原 030051）

（3.中北大學(xué)微系統(tǒng)集成研究中心 太原 030051）（4.中北大學(xué)半導(dǎo)體與物理學(xué)院 太原 030051）

1 引言

伴隨著5G 通信和物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來(lái)，無(wú)線(xiàn)通信設(shè)備對(duì)功耗和結(jié)構(gòu)復(fù)雜度的要求越來(lái)越高。射頻前端接收器和基站天線(xiàn)等射頻通信也對(duì)射頻器件提出了更嚴(yán)格的要求，如：小體積、低損耗和高功率容量。射頻微機(jī)電（microelectro mechanical system，MEMS）開(kāi)關(guān)［1］作為可控制微波信號(hào)的器件，在無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，同時(shí)也是使移相器、衰減器等MEMS器件實(shí)現(xiàn)高功率需求的關(guān)鍵［2～7］。

2011年，北京大學(xué)劉博研制了一款鉑金接觸的MEMS 開(kāi)關(guān)［8］，開(kāi)關(guān)的插入損耗＞20dB@20GHz，驅(qū)動(dòng)電壓為50V，功率容量為150mA，此開(kāi)關(guān)存在驅(qū)動(dòng)電壓偏高的問(wèn)題；2012年，UCSD 大學(xué)研制了一款蟹型金釕接觸的MEMS 開(kāi)關(guān)［9］，該開(kāi)關(guān)在0～8GHz頻段內(nèi)，插入損耗＜0.4dB，隔離度＞10dB，功率容量為5W×108，此開(kāi)關(guān)存在工作頻段窄的問(wèn)題；2014年，東南大學(xué)韓磊團(tuán)隊(duì)研制了一款橫向驅(qū)動(dòng)的MEMS 開(kāi)關(guān)［10］，該開(kāi)關(guān)的插入損耗＜0.6dB@10GHz，隔離度＞45dB@10GHz，功率容量為1.3W；2016年，Griffith 大學(xué)研制一款橫向驅(qū)動(dòng)的六觸點(diǎn)MEMS 開(kāi)關(guān)［11］，該開(kāi)關(guān)在0～6GHz頻段內(nèi)，插入損耗＜0.9GHz，隔離度＞29dB，功率容量為2W×107，也存在工作頻段窄的問(wèn)題。

針對(duì)目前射頻MEMS開(kāi)關(guān)存在工作頻段窄、功率容量低、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一款低損耗、寬帶寬、高功率的多觸點(diǎn)MEMS開(kāi)關(guān)。

2 功率型射頻MEMS開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)

2.1 射頻MEMS開(kāi)關(guān)原理

目前射頻MEMS 開(kāi)關(guān)依據(jù)電路接入方式可以劃分為串聯(lián)和并聯(lián)［12～14］；按照結(jié)構(gòu)方式可以劃分為單端固支梁式和雙端固支梁式。串聯(lián)接觸式MEMS 開(kāi)關(guān)是單端固支梁MEMS 開(kāi)關(guān)，通過(guò)給單端固支梁下方的驅(qū)動(dòng)電極施加電壓來(lái)控制開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通和斷開(kāi)。當(dāng)電極有電壓，單端固支梁向下彎曲，開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，處于“up”態(tài)［15］；當(dāng)電極無(wú)電壓，單端固支梁無(wú)形變，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，處于“down”態(tài)。并聯(lián)接觸式開(kāi)關(guān)是雙端固支梁，通過(guò)給信號(hào)線(xiàn)和地線(xiàn)之間的驅(qū)動(dòng)電極施加電壓來(lái)控制開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通和斷開(kāi)。當(dāng)電極有電壓，雙端固支梁中部向下彎曲，開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，處于“up”態(tài)；當(dāng)電極無(wú)電壓，雙端固支梁沒(méi)有形變，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，處于“down”態(tài)。

圖1 串聯(lián)接觸式MEMS開(kāi)關(guān)工作原理圖

串聯(lián)接觸射頻MEMS 開(kāi)關(guān)的等效電路模型如圖2 所示，其中CPW1 為輸入輸出端口的阻抗，CPW2 為上電極的阻抗，Rc為開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)上電極與信號(hào)線(xiàn)之間的接觸電阻，Cs 為開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)上電極與信號(hào)線(xiàn)之間的耦合電容。

圖2 射頻MEMS開(kāi)關(guān)等效電路模型

圖3 四觸點(diǎn)射頻MEMS開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)圖

2.2 射頻MEMS開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文采用介電常數(shù)為4.0的氧化硅玻璃為功率型射頻MEMS 開(kāi)關(guān)的襯底，500μm 的SiNx作為功率型射頻MEMS 開(kāi)關(guān)的介質(zhì)層。本文對(duì)射頻MEMS開(kāi)關(guān)的基地材料、觸點(diǎn)數(shù)目以及上電極結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真優(yōu)化，設(shè)計(jì)出一款低損耗、高功率的射頻MEMS開(kāi)關(guān)。

3 功率容量分析

射頻MEMS 開(kāi)關(guān)的功率容量主要受開(kāi)關(guān)接觸點(diǎn)產(chǎn)熱的影響。電流流經(jīng)接觸點(diǎn)的接觸電阻會(huì)產(chǎn)生大量的焦耳熱，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)接觸點(diǎn)的溫度上升。當(dāng)開(kāi)關(guān)接觸點(diǎn)的溫度超過(guò)接觸點(diǎn)的軟化溫度時(shí)，接觸點(diǎn)處容易發(fā)生微熔焊，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)的失效。本文設(shè)計(jì)了一種四觸點(diǎn)型的射頻MEMS開(kāi)關(guān)，通過(guò)增加開(kāi)關(guān)接觸點(diǎn)的數(shù)目降低電流流經(jīng)每個(gè)接觸點(diǎn)的電流大小，進(jìn)而降低開(kāi)關(guān)接觸點(diǎn)焦耳熱的產(chǎn)生，從而提高開(kāi)關(guān)的功率容量。

根據(jù)傅里葉導(dǎo)熱定律和電路歐姆定律，對(duì)直流電流流經(jīng)接觸點(diǎn)時(shí)接觸點(diǎn)處的溫度進(jìn)行了推導(dǎo)，在穩(wěn)定的平衡狀態(tài)下的熱傳導(dǎo)的情況下，有

其中ρ為接觸材料的電阻率，λ為接觸材料的熱導(dǎo)率，為溫度的平均值。

由Weidemann-Franz law定律，可以得

將式（1）和式（2）結(jié)合起來(lái)，可得

其中TΘ、T0的單位為K，分別接觸點(diǎn)處的溫度和金屬遠(yuǎn)端的溫度；U的單位為V，表示接觸點(diǎn)兩側(cè)的電壓降；L為洛倫茲常數(shù)。

在特征阻抗為Z0的開(kāi)關(guān)中，有功率為P 的射頻信號(hào)通過(guò)開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)，此時(shí)流經(jīng)觸點(diǎn)的電流為

觸點(diǎn)兩端的電壓為

將式（4）和式（5）代入式（3），可得

在射頻MEMS開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，由于射頻信號(hào)的趨膚效應(yīng)會(huì)電流趨向于觸點(diǎn)的表面，導(dǎo)致電流流過(guò)的橫截面積小于熱可以流經(jīng)的橫截面積。因此，式（6）求得的溫度TΘ是開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)溫度的上限。當(dāng)射頻MEMS開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)的溫度超過(guò)觸點(diǎn)的軟化溫度時(shí)，觸點(diǎn)就會(huì)軟化，甚至發(fā)生微熔焊，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)的失效。

由式（6）可知：射頻MEMS 開(kāi)關(guān)的輸入功率與接觸電阻的平方成反比。要想提高射頻MEMS 開(kāi)關(guān)的功率容量，就要降低射頻MEMS開(kāi)關(guān)的接觸電阻。

射頻MEMS開(kāi)關(guān)接觸電阻的計(jì)算公式為

式中，ρ為接觸點(diǎn)的電阻率，n為觸點(diǎn)數(shù)目，H 為觸點(diǎn)的材料硬度，F(xiàn)c為觸點(diǎn)的接觸力。由式（7）可知，降低射頻MEMS 開(kāi)關(guān)接觸電阻的方式是增加觸點(diǎn)的數(shù)目和提高觸點(diǎn)的接觸力。

4 結(jié)構(gòu)分析

本文設(shè)計(jì)一種串聯(lián)接觸式的四觸點(diǎn)射頻MEMS 開(kāi)關(guān)。重點(diǎn)研究了不同材料的基地和不同結(jié)構(gòu)的上電極對(duì)射頻MEMS開(kāi)關(guān)的影響，進(jìn)而設(shè)計(jì)出射頻性能最佳的射頻MEMS開(kāi)關(guān)。

4.1 襯底材料的選擇

射頻性能和功率容量是衡量MEMS 開(kāi)關(guān)射頻性能的重要指標(biāo)。為提高M(jìn)EMS 開(kāi)關(guān)的射頻性能和功率容量的影響，我們研究了不同襯底對(duì)射頻MEMS開(kāi)關(guān)射頻性能和功率容量的影響。表1列舉了不同襯底材料及其介電常數(shù)。我們對(duì)不同襯底材料的MEMS 開(kāi)關(guān)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖4 所示，襯底介電常數(shù)為4.0 的射頻MEMS 開(kāi)關(guān)插入損耗最小，隔離度度最大，同時(shí)該射頻MEMS 開(kāi)關(guān)由插入損耗生成的熱量更低，有利于提高射頻MEMS開(kāi)關(guān)的功率容量。因此，本文選用介電常數(shù)為4.0的石英玻璃片作為射頻MEMS開(kāi)關(guān)的襯底。

表1 不同襯底材料的介電常數(shù)

圖4 射頻MEMS開(kāi)關(guān)參數(shù)仿真圖

4.2 上電極結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了兩種不同結(jié)構(gòu)的上電極，一種為直板型上電極，另一種為球拍型上電極。文中對(duì)兩種上電極末端分別施加一個(gè)垂直向下的靜電力，大小為3μN(yùn)。圖5 為利用COMSOL 軟件對(duì)這兩種上電極進(jìn)行力學(xué)性能仿真圖，從圖5（a）可以看出，直板型上電極末端位移為2.15μm；從圖5（b）可以看出，球拍型上電極末端位移為3.97μm。本文設(shè)計(jì)的射頻MEMS 開(kāi)關(guān)導(dǎo)通需要上電極末端位移達(dá)到1.9μm。將圖5（a）和（b）的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，可知：球拍型上電極末端位移達(dá)到1.9μm 所需要的靜電力更小，更適合作為射頻MEMS開(kāi)關(guān)的上電極。此外，球拍型上電極能夠提高射頻MEMS開(kāi)關(guān)犧牲層的釋放速率，還能保證射頻MEMS開(kāi)關(guān)錨點(diǎn)處的犧牲層完全釋放干凈，提高射頻MEMS開(kāi)關(guān)的成品率。

圖5 直板型上電極和球拍型上電極力學(xué)性能仿真圖

圖6 串聯(lián)接觸式MEMS開(kāi)關(guān)S參數(shù)仿真結(jié)果

5 性能分析

5.1 射頻特性分析

本文通過(guò)利用電磁仿真軟件HFSS 對(duì)射頻MEMS 開(kāi)關(guān)的射頻特性進(jìn)行仿真優(yōu)化，設(shè)計(jì)出了射頻特性最佳的MEMS 開(kāi)關(guān)。從圖7 可以看出，在L～K 波段內(nèi)，該四觸點(diǎn)射頻MEMS 開(kāi)關(guān)插入損耗≤0.13dB，隔離度≥27.56dB。

圖7 射頻MEMS開(kāi)關(guān)工藝流程

5.2 功率容量分析

射頻MEMS 開(kāi)關(guān)上電極與觸點(diǎn)之間的接觸力對(duì)功率容量有重要影響。接觸力越大，接觸電阻越小，開(kāi)關(guān)的功率容量越高。射頻MEMS開(kāi)關(guān)上電極與觸點(diǎn)之間接觸力Fc的計(jì)算公式為

式中，F(xiàn)e為靜電力；Δg 為懸臂梁上電極的末端位移，為2.2μm；g1為信號(hào)導(dǎo)通時(shí)上電極與下拉電極的間隙，為1.3μm；g0為信號(hào)斷開(kāi)時(shí)上電極與下拉電極的間隙，為3.5μm，由式（8）可知，射頻MEMS 開(kāi)關(guān)上電極的彈性系數(shù)越大，上電極和觸點(diǎn)之間接觸力Fc越大。射頻MEMS 開(kāi)關(guān)上電極彈性系數(shù)的計(jì)算公式為

式中，E 為材料的楊氏模量，為78GPa；w 為梁的寬度，為2×20μm；t 為梁的厚度，為2μm；l 為梁的長(zhǎng)度，為100μm，由式（9）計(jì)算可知，球拍型上電極的彈性系數(shù)為6.24N/m；由式（8）計(jì)算可知，球拍型上電極與觸點(diǎn)之間的接觸力為9.7μN(yùn)；由式（7）計(jì)算可知，每個(gè)觸點(diǎn)的接觸電阻為0.6Ω

對(duì)于雙觸點(diǎn)的開(kāi)關(guān)而言，總接觸電阻的阻值為0.3Ω，經(jīng)過(guò)計(jì)算，雙觸點(diǎn)射頻MEMS 開(kāi)關(guān)在理想條件下功率容量為0.5W；對(duì)于四觸點(diǎn)射頻MEMS 開(kāi)關(guān)而言，總接觸電阻的阻值為0.15Ω，經(jīng)過(guò)計(jì)算，雙觸電的開(kāi)關(guān)在理想條件下功率容量為2.08W。本文設(shè)計(jì)的射頻MEMS開(kāi)關(guān)為雙通道四觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)，故該開(kāi)關(guān)的總接觸為0.15Ω，功率容量為2.08W。

6 工藝流程設(shè)計(jì)

為了確保MEMS開(kāi)關(guān)的射頻性能和功率容量，達(dá)到MEMS開(kāi)關(guān)實(shí)用化的目的，本文依據(jù)微納加工技術(shù)設(shè)計(jì)了MEMS開(kāi)關(guān)的加工流程。

具體工藝流程如下：步驟（a）：清洗石英玻璃片；步驟（b）：PECVD 沉積400nm 的SiNx，利用RIE刻蝕得到凸點(diǎn)；步驟（c）：利用濺射技術(shù)在BF33片子濺射Al，并通過(guò)刻蝕得到下拉電極；步驟（d）：PECVD沉積500nm的SiNx隔離層；步驟（e）：利用濺射技術(shù)濺射Ti/Au 種子層，電鍍腐蝕得到開(kāi)關(guān)信號(hào)傳輸線(xiàn)；步驟（f）：Pad開(kāi)窗；步驟（g）：旋涂PI，固化，形成犧牲層；步驟（h）：利用干法刻蝕得到開(kāi)關(guān)錨點(diǎn)；步驟（i）：電鍍上電極步驟（j）：RIE 刻蝕PI，釋放犧牲層，制得MEMS 開(kāi)關(guān)。

7 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)射頻MEMS 開(kāi)關(guān)功率容量問(wèn)題進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了一款低損耗、寬帶寬、高功率的四觸點(diǎn)射頻MEMS開(kāi)關(guān)。文中對(duì)襯底的材料、上電極的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，從而提升射頻MEMS開(kāi)關(guān)的功率容量和射頻性能。經(jīng)仿真和計(jì)算，該MEMS開(kāi)關(guān)在L～K波段內(nèi)，插入損耗≤0.2dB，隔離度≥27dB，功率容量為2.08W，滿(mǎn)足射頻前端接收器、基站天線(xiàn)等射頻通信對(duì)MEMS開(kāi)關(guān)高功率容量、高隔離的要求。