低壓驅(qū)動RF MEMS開關(guān)設(shè)計與模擬

摘 要:RF MEMS開關(guān)存在驅(qū)動電壓高、開關(guān)時間長等問題，利用ANSYS對電容式開關(guān)加以改進，設(shè)計扭轉(zhuǎn)臂杠桿與打孔電容膜相結(jié)合的新型開關(guān)。通過靜電耦合與模態(tài)分析的仿真，可以在理論上改善RF MEMS開關(guān)的射頻性能，并有工藝的可行性。

關(guān)鍵詞:RF MEMS開關(guān); ANSYS; 優(yōu)化設(shè)計; 驅(qū)動電壓

中圖分類號:TN95-34文獻標(biāo)識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)17-0111-02

Design and Simulation of Low-voltage Driving RF MEMS Switches

YAN Wei

(School of Electronics and Information Engineering， Nanjing University of Information ScienceTechnology， Nanjing 210044， China)

Abstract: As RF MEMS switches have shortcomings of high-voltage drive and long switching time， a new switch with reverse arm lever and punched capacitance membrane is designed by means of improving the capacitive switches with ANSYS. The RF performance of RF MEMS switches is improved theoretically by the simulation of electrostatic coupling and the modal analysis.The feasibility of the technique process is discussed.

Keywords: RF MEMS switch; ANSYS; optimization design; driving voltage

收稿日期:2010-05-20

0 引 言

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)上萬單元相控陣雷達的關(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)[1-2]。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。

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[3]。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[3-4]。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0.44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0 V電壓[5]。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[3]。5 V電壓下的開關(guān)形變約為0.2 μm左右，尚達不到低壓驅(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[3]。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[4，6]。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5 μs以下的電容式開關(guān)[5]，如圖2所示。

圖1 電容式開關(guān)模態(tài)分析圖

圖2 改進后的電容式開關(guān)

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，將扭轉(zhuǎn)臂杠桿與打孔電容膜相結(jié)合[3]，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Al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[7]，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100×30，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。

圖3 優(yōu)化后的RF MEMS開關(guān)模型

在ANSYS做靜電耦合與模態(tài)分析后利用ANSOFT HFSS對該開關(guān)進行3D電磁場仿真[8]，進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。考慮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[9-10]。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)的性能來達到加工條件。

4 結(jié) 語

本文主要從結(jié)構(gòu)上進行了創(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。

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