低压驱动的RF MEMS开关模拟设计

近年来射频微电子系统（RF MEMS）器件以其尺寸小、功耗低而受到广泛关注，特别是MEMS开关构建的移相器与天线，是实现上万单元相控阵雷达的关键技术，在军事上有重要意义。在 通信领域上亦凭借超低损耗、高隔离度、成本低等优势在手机上得到应用。然而RF MEMS开关普遍存在驱动电压高、开关时间长的问题，劣于FET场效应管开关和PIN二极管开关。相对于国外已取得的成果，国内的研究尚处于起步阶段。下 文将针对MEMS开关的缺陷做一些改进。

　　1 RF MEMS开关的一般考虑

　　当MEMS开关的梁或膜受静电力吸引向下偏移到一定程度时达到阈值电压，梁或膜迅速偏移至下极板，电压大小取决于材料参数、开关尺寸及结构。梁或膜的 材料需要比较好的杨氏模量与屈服强度，杨氏模量越大谐振频率就越高，保证工作的高速稳定及开关寿命；尺寸设计上要考虑静电驱动力的尺寸效应；结构的固有振 动频率则影响开关的最高工作速度。单从结构上看，降低驱动电压的途径为：降低极板间距；增加驱动面积；降低梁或膜的弹性系数。常见的结构有串、并联悬臂梁 开关、扭转臂开关和电容式开关，前三者为电阻接触式，金属与信号线外接触时存在诸如插入损耗大等很多问题，而电容接触式开关的绝缘介质也存在被击穿的问 题。有研究表明，所加电压越高开关的寿命越短，驱动电压的降低势必导致开关速度变慢，如何同时满足驱动电压和开关速度的要求是当前的困难所在。

　　2 RF MEMS开关的模拟与优化

　　对于电容式开关，驱动电压随着桥膜长度的增加而下降，桥膜残余应力越大驱动电压也越大。通常把杨氏张量78 GPa、泊松比O．44的Au作为桥膜材料，为获得好的隔离度要求开关有大的电容率，这里选介电常数为7．5的S3N4作为介质层，桥膜单元为 Solid98，加5 V电压，电介质为空气，下极板加O V电压。然后用ANSYS建模、划分网格、加载并求解静电耦合与模态分析。5 V电压下的开关形变约为O．2 μm左右，尚达不到低压驱动要求。提取开关前五阶模态如图1所示。

　　可见开关从低阶到高阶的共振频率越来越大，分别为79．9 kHz，130．3 kHz，258．8 kHz，360．7 kHz，505．6 kHz，一阶模态远离其他模态，即不容易被外界干扰，只有控制开关频率低于一阶模态的谐振频率才能保证其稳定工作。由于实际开关时间仍不理想，所以在膜上 挖孔以减小压缩模的阻尼，从而增加开关速度。虽然关态的电容比下降了，但孔可以减轻梁的重量，得到更高的力学谐振频率。最终的模型共挖了100个孔，并对 两端做了弯曲处理以降低驱动电压，仿真得到5 V电压下形变为1μm以上、稳定的开关时间在5μs以下的电容式开关，如图2所示。

　　考虑到电容式开关仍存在的介质击穿问题，这里对其结构加以改进，将扭转臂杠杆与打孔电容膜相结合，在减小驱动电压和提高开关速度的同时，又不影响电容 比，一定程度上抑制了电击穿。其工作原理是：push电极加电压时杠杆上抬，介质膜与接触膜间距离增大导致其耦合电容很小，信号通过传输线；pull电极 加电压时杠杆下拉，耦合电容变大，微波信号被反射。材料选择上仍以Au和S3N4为主，某些部分可用A1代替Au。结构与尺寸的设计上由超越方程与开关通 断下的电容方程得到估计值，下极板为25×25（单位制采用μMKSV，长度单位为μm，下同），其上附有绝缘介质层，孔为3．4×3．4，杠杆为 100x30，结构层为20×20，极板厚度为1。用ANSYS仿真得到图3所示结果。

　　在ANSYS做静电耦合与模态分析后利用ANSOFT HFSS对该开关进行3D电磁场仿真，进一步求得其插入损耗与隔离度，确定共面波导和接触膜的结构，从而完善开关的射频性能。建模时忽略开关的弯曲，定义 材料特性与空气辐射边界，利用wave port端口进行仿真，分别求解开态的插入损耗和关态的隔离度。介质层较薄时，开关在10 GHz附近具有良好的隔离度，且插入损耗在1 dB以下。

　　3 RF MEMS开关的制备工艺

　　合理选择生长介质膜的工艺对开关性能有很大影响，本文的RF MEMS开关需要在基底表面生长一层氮化硅膜，一般选择LP-CVD工艺，而介质膜则选择PECVD工艺为宜，金属膜的性能要求相对较低，用溅射方法即 可。考虑到基底要求漏电流与损耗尽可能小，选取高阻硅与二氧化硅做基底，后者保证了绝缘要求。金质信号线与下极板通过正胶剥离形成，电子束蒸发得到铝质上 极板。但从可行性考虑，部分方案的工艺实现对于国内的加工工艺尚有难度，只能牺牲微系统的性能来达到加工条件。

　　4 结语