低壓驅(qū)動RF MEMS開關(guān)設(shè)計與模擬--用于MEMS開關(guān)缺陷的改進(jìn) - 全文

近年來射頻微電子系統(tǒng)(RF MEMS)器件以其尺寸小、功耗低而受到廣泛關(guān)注，特別是MEMS開關(guān)構(gòu)建的移相器與天線，是實現(xiàn)上萬單元相控陣?yán)走_(dá)的關(guān)鍵技術(shù)，在軍事上有重要意義。在通信領(lǐng)域上亦憑借超低損耗、高隔離度、成本低等優(yōu)勢在手機上得到應(yīng)用。然而RF MEMS開關(guān)普遍存在驅(qū)動電壓高、開關(guān)時間長的問題，劣于FET場效應(yīng)管開關(guān)和PIN二極管開關(guān)。相對于國外已取得的成果，國內(nèi)的研究尚處于起步階段。下文將針對MEMS開關(guān)的缺陷做一些改進(jìn)。

1 RF MEMS開關(guān)的一般考慮
    當(dāng)MEMS開關(guān)的梁或膜受靜電力吸引向下偏移到一定程度時達(dá)到閾值電壓，梁或膜迅速偏移至下極板，電壓大小取決于材料參數(shù)、開關(guān)尺寸及結(jié)構(gòu)。梁或膜的材料需要比較好的楊氏模量與屈服強度，楊氏模量越大諧振頻率就越高，保證工作的高速穩(wěn)定及開關(guān)壽命；尺寸設(shè)計上要考慮靜電驅(qū)動力的尺寸效應(yīng)；結(jié)構(gòu)的固有振動頻率則影響開關(guān)的最高工作速度。單從結(jié)構(gòu)上看，降低驅(qū)動電壓的途徑為：降低極板間距；增加驅(qū)動面積；降低梁或膜的彈性系數(shù)。常見的結(jié)構(gòu)有串、并聯(lián)懸臂梁開關(guān)、扭轉(zhuǎn)臂開關(guān)和電容式開關(guān)，前三者為電阻接觸式，金屬與信號線外接觸時存在諸如插入損耗大等很多問題，而電容接觸式開關(guān)的絕緣介質(zhì)也存在被擊穿的問題。有研究表明，所加電壓越高開關(guān)的壽命越短，驅(qū)動電壓的降低勢必導(dǎo)致開關(guān)速度變慢，如何同時滿足驅(qū)動電壓和開關(guān)速度的要求是當(dāng)前的困難所在。

2 RF MEMS開關(guān)的模擬與優(yōu)化
    對于電容式開關(guān)，驅(qū)動電壓隨著橋膜長度的增加而下降，橋膜殘余應(yīng)力越大驅(qū)動電壓也越大。通常把楊氏張量78 GPa、泊松比O．44的Au作為橋膜材料，為獲得好的隔離度要求開關(guān)有大的電容率，這里選介電常數(shù)為7．5的S3N4作為介質(zhì)層，橋膜單元為Solid98，加5 V電壓，電介質(zhì)為空氣，下極板加O V電壓。然后用ANSYS建模、劃分網(wǎng)格、加載并求解靜電耦合與模態(tài)分析。5 V電壓下的開關(guān)形變約為O．2 μm左右，尚達(dá)不到低壓驅(qū)動要求。提取開關(guān)前五階模態(tài)如圖1所示。

可見開關(guān)從低階到高階的共振頻率越來越大，分別為79．9 kHz，130．3 kHz，258．8 kHz，360．7 kHz，505．6 kHz，一階模態(tài)遠(yuǎn)離其他模態(tài)，即不容易被外界干擾，只有控制開關(guān)頻率低于一階模態(tài)的諧振頻率才能保證其穩(wěn)定工作。由于實際開關(guān)時間仍不理想，所以在膜上挖孔以減小壓縮模的阻尼，從而增加開關(guān)速度。雖然關(guān)態(tài)的電容比下降了，但孔可以減輕梁的重量，得到更高的力學(xué)諧振頻率。最終的模型共挖了100個孔，并對兩端做了彎曲處理以降低驅(qū)動電壓，仿真得到5 V電壓下形變?yōu)?μm以上、穩(wěn)定的開關(guān)時間在5μs以下的電容式開關(guān)，如圖2所示。

    考慮到電容式開關(guān)仍存在的介質(zhì)擊穿問題，這里對其結(jié)構(gòu)加以改進(jìn)，將扭轉(zhuǎn)臂杠桿與打孔電容膜相結(jié)合，在減小驅(qū)動電壓和提高開關(guān)速度的同時，又不影響電容比，一定程度上抑制了電擊穿。其工作原理是：push電極加電壓時杠桿上抬，介質(zhì)膜與接觸膜間距離增大導(dǎo)致其耦合電容很小，信號通過傳輸線；pull電極加電壓時杠桿下拉，耦合電容變大，微波信號被反射。材料選擇上仍以Au和S3N4為主，某些部分可用A1代替Au。結(jié)構(gòu)與尺寸的設(shè)計上由超越方程與開關(guān)通斷下的電容方程得到估計值，下極板為25×25(單位制采用μMKSV，長度單位為μm，下同)，其上附有絕緣介質(zhì)層，孔為3．4×3．4，杠桿為100x30，結(jié)構(gòu)層為20×20，極板厚度為1。用ANSYS仿真得到圖3所示結(jié)果。

在ANSYS做靜電耦合與模態(tài)分析后利用ANSOFT HFSS對該開關(guān)進(jìn)行3D電磁場仿真，進(jìn)一步求得其插入損耗與隔離度，確定共面波導(dǎo)和接觸膜的結(jié)構(gòu)，從而完善開關(guān)的射頻性能。建模時忽略開關(guān)的彎曲，定義材料特性與空氣輻射邊界，利用wave port端口進(jìn)行仿真，分別求解開態(tài)的插入損耗和關(guān)態(tài)的隔離度。介質(zhì)層較薄時，開關(guān)在10 GHz附近具有良好的隔離度，且插入損耗在1 dB以下。

3 RF MEMS開關(guān)的制備工藝
    合理選擇生長介質(zhì)膜的工藝對開關(guān)性能有很大影響，本文的RF MEMS開關(guān)需要在基底表面生長一層氮化硅膜，一般選擇LP-CVD工藝，而介質(zhì)膜則選擇PECVD工藝為宜，金屬膜的性能要求相對較低，用濺射方法即可?？紤]到基底要求漏電流與損耗盡可能小，選取高阻硅與二氧化硅做基底，后者保證了絕緣要求。金質(zhì)信號線與下極板通過正膠剝離形成，電子束蒸發(fā)得到鋁質(zhì)上極板。但從可行性考慮，部分方案的工藝實現(xiàn)對于國內(nèi)的加工工藝尚有難度，只能犧牲微系統(tǒng)的性能來達(dá)到加工條件。

4 結(jié)語
    本文主要從結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了創(chuàng)新，通過計算機輔助設(shè)計仿真分析得到了理論解，一定程度上滿足了設(shè)計初衷，但在工藝上還不成熟。更低的驅(qū)動電壓和更高的開關(guān)頻率仍是亟待解決的問題，另外如何保證實際產(chǎn)品的可靠性、實用性也是未來的研究重點。