X波段MEMS分布式移相器開關(guān)機(jī)電性能研究

摘 要:介紹一種應(yīng)用于X波段MEMS分布式移相器的新型單元開關(guān)。MEMS分布式移相器具有高品質(zhì)因數(shù)、低插損、低功耗和高隔離度的優(yōu)點(diǎn)，但由于傳統(tǒng)MEMS開關(guān)采用固支梁結(jié)構(gòu)，彈性系數(shù)過(guò)大，下拉電壓過(guò)高，無(wú)法與傳統(tǒng)電子系統(tǒng)相兼容，大大限制了其應(yīng)用和發(fā)展。基于此設(shè)計(jì)一種新型單元開關(guān)，采用彈性彎曲結(jié)構(gòu)取代傳統(tǒng)固支梁結(jié)構(gòu)，并在MEMS金屬梁上刻蝕釋放孔，極大降低了單元開關(guān)的彈性系數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)了超低下拉電壓6 V。通過(guò)理論分析，給出MEMS開關(guān)彈性系數(shù)、下拉電壓的解析公式，并使用ANSYS進(jìn)行了仿真分析。

關(guān)鍵詞:X波段; 射頻微機(jī)電; 分布式移相器; 機(jī)電耦合性能

中圖分類號(hào):TN911 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)13-0001-03

Research on Electro-mechanical Performance of Switch for

MEMS Distributed Phaser Working in X Band

ZHANG Xiao-sheng1， BAO Jing-fu1， DU Yi-jia1， LI Ren-feng2

(1. Electronics Engineering College， University of Electronic Science and Technology of China， Chengdu 611731， China;

2. China Academy of Engineering Physics， Mianyang 621900， China)

Abstract: A novel switch used in X-band MEMS distributed phase shifter is presented. The conventional MEMS switches with clamped beam are limited by high driven voltage due to its large elastic coefficient though they have some excellent merits， such as high quality factor， low loss， low power consumption and high isolation，. A novel basic switch which employs the elastic bending structure instead of conventional clamped beam is designed to decline the driven voltage. Some small release holes are sculptured in the MEMS beam to reduce the elastic coefficient rapidly and achieve the low driven voltage(6 V). The elastic coefficient and analytical equations of the driven voltage for MEMS switch are given after theoretical analysis. The simulation analysis are performed with the software ANSYS.

Keywords: X-band; MEMS; distributed phase shifter; electromechanical coupling performance

0 引 言

移相器是無(wú)線通信系統(tǒng)中的基本部件，是構(gòu)成相控陣?yán)走_(dá)、微波毫米波接收發(fā)機(jī)的關(guān)鍵單元，其品質(zhì)因數(shù)、插損和移相精度都對(duì)整個(gè)系統(tǒng)具有重大影響。傳統(tǒng)的移相器，通常采用鐵氧體材料、PIN管和FET構(gòu)成[1-2]，開關(guān)速度快，移相精度高，但是功耗較大，品質(zhì)因數(shù)和插損性能隨頻率增大而降低，無(wú)法滿足快速發(fā)展的無(wú)線通信系統(tǒng)需求。

RF-MEMS(Ratio Frequency Micro-electro-mechanical System)是將新興的MEMS技術(shù)應(yīng)用于射頻電路中所形成的交叉學(xué)科。MEMS本身具有直流零功耗(理論上)、低插損、高品質(zhì)因數(shù)Q和高隔離度的優(yōu)點(diǎn)[3-4]，因此RF-MEMS一經(jīng)提出，就獲得了國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者的關(guān)注，成為了學(xué)術(shù)研究熱點(diǎn)，發(fā)展迅速。RF-MEMS移相器品質(zhì)因數(shù)很高，損耗較低，在8～100 GHz范圍內(nèi)性能更加優(yōu)越。同時(shí)，由于MEMS開關(guān)處于up態(tài)時(shí)電容值很小，所以相比于傳統(tǒng)移相器具有更寬的帶寬。此外，MEMS移相器功耗極低，這符合電子系統(tǒng)發(fā)展中的小型化低耗能的要求。

1 RF-MEMS移相器分類

RF-MEMS移相器從工作原理上可以分為兩大類:線型移相器、分布式移相器。其中線型移相器是通過(guò)MEMS開關(guān)選通信號(hào)通道，利用傳輸線延遲來(lái)實(shí)現(xiàn)移相功能;分布式移相器是通過(guò)周期性加載MEMS梁，利用電容的移相特性來(lái)實(shí)現(xiàn)移相功能。線型移相器根據(jù)具體結(jié)構(gòu)的不同，又可分為三類:反射型移相器、開關(guān)線型移相器和負(fù)載線型移相器[5]，其中開關(guān)線型移相器最為常用，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

開關(guān)線型移相器具有高移相精度，相移隨頻率線性增加，但是占用面積較大。而分布式移相器具有良好的寬帶性能，尺寸較小，對(duì)工藝要求不高，隨頻率的增大，分布式移相器的優(yōu)勢(shì)愈發(fā)明顯[6]。分布式移相器結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖1 開關(guān)線型移相器結(jié)構(gòu)示意圖(3 b)

圖2 分布式移相器結(jié)構(gòu)及其單元開關(guān)等效電路模型

由圖2可知，MEMS分布式移相器是由跨接在CPW兩根地線之間的多個(gè)相同的MEMS梁構(gòu)成的，因此MEMS梁就是其基本單元，也是設(shè)計(jì)的核心和關(guān)鍵所在。目前文獻(xiàn)中已報(bào)道的MEMS分布式移相器的下拉電壓在20～80 V之間[7]，明顯高于傳統(tǒng)電子系統(tǒng)的供電電壓，不利于MEMS分布式移相器的集成和兼容。為此，設(shè)計(jì)一種新型MEMS分布式移相器開關(guān)，該新型單元開關(guān)采用彈性彎曲結(jié)構(gòu)取代傳統(tǒng)固支梁，并在MEMS金屬梁上刻蝕釋放孔，極大降低了單元開關(guān)的彈性系數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)了低下拉電壓6 V。

2 新型MEMS開關(guān)設(shè)計(jì)

MEMS開關(guān)的激勵(lì)方式主要有熱、靜磁力和靜電力[8-9]，其中前兩種方式結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易于實(shí)現(xiàn)，本文所設(shè)計(jì)的MEMS開關(guān)采用靜電力驅(qū)動(dòng)。在MEMS梁下方，CPW信號(hào)線兩側(cè)，等間距放置兩個(gè)靜電驅(qū)動(dòng)電極施加靜電力。當(dāng)加載直流驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，MEMS梁受到靜電力牽引，被吸合到CPW信號(hào)線上，這樣MEMS梁-絕緣層-CPW信號(hào)線就構(gòu)成了電容C1(down態(tài));當(dāng)釋放直流驅(qū)動(dòng)電壓后，MEMS梁不再受到靜電力，將在機(jī)械回復(fù)力作用下發(fā)生形變，回復(fù)原始狀態(tài)，這樣MEMS梁-空氣-絕緣層-CPW信號(hào)線就構(gòu)成了電容C2(up態(tài))。周期性加載直流驅(qū)動(dòng)電壓，則MEMS梁在up和down態(tài)之間周期性變換，則CPW信號(hào)線上周期性加載C1和C2，由于C1和C2的電容值不同，因而利用電容的移相特性，實(shí)現(xiàn)了移相功能。

傳統(tǒng)的MEMS開關(guān)采用固支梁結(jié)構(gòu)，開關(guān)彈性系數(shù)大，導(dǎo)致下拉電壓過(guò)高，因此本文設(shè)計(jì)了一種彈性彎曲結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 新型MEMS梁結(jié)構(gòu)示意圖

G.K.Fedder已經(jīng)給出了這種結(jié)構(gòu)的彈性系數(shù)的近似公式[5] :

k≈48GJl2aGJEIla+lbn3

(1)

式中:G為轉(zhuǎn)矩模量;I為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;J為轉(zhuǎn)矩常數(shù);la為彈性彎曲結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度;lb為彈性彎曲結(jié)構(gòu)的跨度;n為彈性彎曲結(jié)構(gòu)的彎曲個(gè)數(shù)。

已知MEMS開關(guān)下拉電壓公式為[5]:

Vp=8k27ε0Wwg30

(2)

式中:ε0為真空介電常數(shù);W為驅(qū)動(dòng)電極總寬度;w為MEMS梁寬度;g0為MEMS梁與驅(qū)動(dòng)電極之間的初始間隙。

3 機(jī)電耦合性能仿真結(jié)果及分析

將式(1)代入式(2)即可求出下拉電壓Vp。根據(jù)圖2(b)單元開關(guān)等效電路模型，設(shè)計(jì)MEMS梁使其工作于X波段，具體尺寸為w=94 μm，g0=23 μm，W=100 μm，la=35 μm，lb=30 μm，n=3。使用ANSYS軟件仿真可得Vp=8 V，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 8 V電壓驅(qū)動(dòng)下，MEMS開關(guān)仿真結(jié)果圖

為進(jìn)一步減小MEMS開關(guān)彈性系數(shù)，降低其下拉電壓，同時(shí)也為了利于工藝設(shè)計(jì)，在MEMS開關(guān)上設(shè)計(jì)了小直徑(D=5 μm) 的釋放孔。釋放孔可以釋放梁的部分殘余應(yīng)力，減小其壓膜阻尼，同時(shí)孔的存在還使梁的質(zhì)量減小，產(chǎn)生更高的力學(xué)諧振頻率，故而可以實(shí)現(xiàn)超低下拉電壓。仿真結(jié)果顯示其下拉電壓僅為6 V。具體結(jié)構(gòu)和仿真結(jié)果如圖5所示。

工藝對(duì)MEMS器件性能影響很大，通常微米量級(jí)的尺寸誤差，就可能導(dǎo)致其性能極大地惡化，為此，仿真了MEMS梁厚度和下拉電壓之間的關(guān)系，如圖6所示。

圖5 改進(jìn)型MEMS開關(guān)仿真結(jié)果位移矢量圖

圖6 MEMS梁厚度和下拉電壓關(guān)系曲線

對(duì)傳統(tǒng)電子系統(tǒng)而言，常用系統(tǒng)電源為33 V，5 V和12 V。以12 V為例，當(dāng)要求所設(shè)計(jì)的MEMS分布式移相器驅(qū)動(dòng)電壓為12 V，若MEMS梁厚度的工藝誤差水平為20%，則根據(jù)圖6可知MEMS梁厚度為17 μm時(shí)，下拉電壓約為12 V，故實(shí)際設(shè)計(jì)中，為保證實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)，MEMS梁厚度設(shè)計(jì)為小于等于14 μm。

4 結(jié) 語(yǔ)

提出了一種應(yīng)用于X波段的MEMS分布式移相器的新型開關(guān)，通過(guò)彈性彎曲結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，充分降低了MEMS開關(guān)的彈性系數(shù);并在MEMS金屬梁上刻蝕釋放孔，減小其壓膜阻尼并釋放部分殘余應(yīng)力，從而實(shí)現(xiàn)了6 V的超低下拉電壓。本文給出了彈性系數(shù)和

下拉電壓的解析公式，運(yùn)用ANSYS軟件進(jìn)行了仿真，并分析了梁厚度和下拉電壓的關(guān)系曲線，對(duì)實(shí)際的工程設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

[1]LU L H， LIAO Y T. A 4 GHz phase shifter MMIC in 018 μm CMOS [J]. IEEE Microwave and Wireless Components Letters， 2005， 15(10): 694-696.

[2]ABBOSH A M. Ultra-wideband phase shifters[J]. IEEE Transaction on Microwave Theory and Techniques， 2007， 55(9): 1935-1941.

[3]LEE S， PARK J H， KIM H T， et al. Low-loss analog and digital reflection-type MEMS phase shifters with 13 bandwidth[J]. IEEE Transaction on Microwave Theory and Techniques， 2004， 52(1): 211-219.

[4]REBEIZ G M， TAN G L， Hayden J S. RF MEMS phase shifters[J]. IEEE Microwave Magazine， 2002， 3(2): 72-81.

[5]REBEIZ G M. RF MEMS 理論#8226;設(shè)計(jì)#8226;技術(shù)[M].黃慶安，廖小平，譯.南京:東南大學(xué)出版社，2005.

[6]MCFEETORS G， OKONIEWSKI M. Distributed MEMS analog phase shifter with enhanced tuning[J]. IEEE Microwave and Wireless Components Letters， 2006， 16(1): 34-36.

[7]HE X J， WU Q， JIN B S， et al. Investigation of design and vibration modes of low-voltage driven RF MEME capacitive switch for millimeter distributed phase shifter [C] // IEEE Region 10 Annual International Conference， Hong Kong:[ s.n.] ， 2006: 1-3.

[8]李全寶.RF MEMS開關(guān)的設(shè)計(jì)與制作[D].濟(jì)南:山東大學(xué)，2008.

[9]孫建海.RF MEMS開關(guān)器件的制作及研究[D].北京:中國(guó)科學(xué)院研究生院，2006.

[10]劉桂林，張志文.基于DSP的MEMS陀螺儀信號(hào)處理平臺(tái)的設(shè)計(jì)[ J] .現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，32(9):127-129.