低壓驅動的RF MEMS開關設計與模擬

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注，特別是MEMS開關構建的移相器與天線，是實現(xiàn)上萬單元相控陣雷達的關鍵技術，在軍事上有重要意義。在通信領域上亦憑借超低損耗、高隔離度、成本低等優(yōu)勢在手機上得到應用。然而RF MEMS開關普遍存在驅動電壓高、開關時間長的問題，劣于FET場效應管開關和PIN二極管開關。相對于國外已取得的成果，國內的研究尚處于起步階段。下文將針對MEMS開關的缺陷做一些改進。

　　1 RF MEMS開關的一般考慮

　　當MEMS開關的梁或膜受靜電力吸引向下偏移到一定程度時達到閾值電壓，梁或膜迅速偏移至下極板，電壓大小取決于材料參數(shù)、開關尺寸及結構。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)定及開關壽命；尺寸設計上要考慮靜電驅動力的尺寸效應；結構的固有振動頻率則影響開關的最高工作速度。單從結構上看，降低驅動電壓的途徑為：降低極板間距；增加驅動面積；降低梁或膜的彈性系數(shù)。常見的結構有串、并聯(lián)懸臂梁開關、扭轉臂開關和電容式開關，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，而電容接觸式開關的絕緣介質也存在被擊穿的問題。有研究表明，所加電壓越高開關的壽命越短，驅動電壓的降低勢必導致開關速度變慢，如何同時滿足驅動電壓和開關速度的要求是當前的困難所在。

　　2 RF MEMS開關的模擬與優(yōu)化

　　對于電容式開關，驅動電壓隨著橋膜長度的增加而下降，橋膜殘余應力越大驅動電壓也越大。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有大的電容率，這里選介電常數(shù)為7．5的S3N4作為介質層，橋膜單元為Solid98，加5 V電壓，電介質為空氣，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電壓下的開關形變約為O．2 μm左右，尚達不到低壓驅動要求。提取開關前五階模態(tài)如圖1所示。

　　可見開關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)遠離其他模態(tài)，即不容易被外界干擾，只有控制開關頻率低于一階模態(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，從而增加開關速度。雖然關態(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動電壓，仿真得到5 V電壓下形變?yōu)?μm以上、穩(wěn)定的開關時間在5μs以下的電容式開關，如圖2所示。

　　考慮到電容式開關仍存在的介質擊穿問題，這里對其結構加以改進，將扭轉臂杠桿與打孔電容膜相結合，在減小驅動電壓和提高開關速度的同時，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，介質膜與接觸膜間距離增大導致其耦合電容很小，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。結構與尺寸的設計上由超越方程與開關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），其上附有絕緣介質層，孔為3．4×3．4，杠桿為 100x30，結構層為20×20，極板厚度為1。用ANSYS仿真得到圖3所示結果。

　　在ANSYS做靜電耦合與模態(tài)分析后利用ANSOFT HFSS對該開關進行3D電磁場仿真，進一步求得其插入損耗與隔離度，確定共面波導和接觸膜的結構，從而完善開關的射頻性能。建模時忽略開關的彎曲，定義材料特性與空氣輻射邊界，利用wave port端口進行仿真，分別求解開態(tài)的插入損耗和關態(tài)的隔離度。介質層較薄時，開關在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開關的制備工藝