Design and Fabrication of a Ultra Wideband Capacitance MEMS Switch

DONG Ziqiang，ZHAO Botao，SHI Guochao

(The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang 050081，China)

Design and Fabrication of a Ultra Wideband Capacitance MEMS Switch

DONG Ziqiang*，ZHAO Botao，SHI Guochao

(The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang 050081，China)

Based on the consideration of high performance in RF MEMS devices，an ultra wideband capacitance MEMS switch is reported，the fabricated switch keeps properties of high isolation，low insertion and ultra wideband. The switch is designed carefully by using ADS and HFSS software，and the fabrication processes are presented.The testing results show that the switch provides high isolation performance at 12.5 GHz～50 GHz，which is better than 20 dB.Its insertion loss is better than 0.3 dB@12.5～35 GHz，and is better than 0.5 dB@45 GHz.Meanwhile，its return loss is better than 20 dB，and the value of pull-in voltage is between 45V to 55V.

electronic warfare;RF MEMS switch;ultra wideband;dual beam;capacitance

隨著武器裝備的發展，現代電子對抗系統對大寬帶與自適應等特性方面的需求越來越顯著［1-3］。同時，艦載、機載、星載等微波、毫米波電路對微波器件的小型化、低功耗、低成本、高集成度、高性能等方面提出了較高的要求，傳統平面集成電路工藝已經很難同時滿足這些指標［4］。RF MEMS技術能夠很好的解決上述問題，并能夠滿足電子對抗系統多頻段、低損耗、高隔離、可重構等性能指標的要求［5］。同時，由于MEMS技術是基于半導體工藝技術發展而來，因此與集成電路具有較好的兼容性，具備低功耗、批量化生產、高精度、低成本等特點。利用三維封裝技術對RF MEMS器件進行組合封裝，能夠實現小型化、高性能的射頻微系統［6］。

現代電子對抗系統通常需要在較大頻帶范圍內對信號進行偵測和干擾，因此就要求其硬件設備具有較大的使用帶寬。目前，國內多家機構針對RF MEMS方向開展了大量研究工作，研制了多種RF MEMS開關［7-10］，并利用RF MEMS開關形成了濾波器、移相器、可重構網絡等高性能微波組件［11-12］。

對于并聯電容式MEMS開關而言，拓展其工作帶寬的主要難點在于如何在保證開關插入損耗指標符合要求的前提下，增大開關的隔離度指標。由于電容式MEMS開關的開關膜橋與信號線之間的電容量是影響開關上述性能的主要因素，因此一般情況是通過提高開關關、開兩種狀態下的電容比來增大開關的使用帶寬。但不論是通過優化電路結構還是選用高介電常數的介質層材料，對該電容比的提高都比較有限，不能夠達到較理想的效果。雙膜橋式MEMS開關由于具有雙重隔離的特點，因此能夠在不改變開關電容比的前提下，實現較好的隔離特性，有助于拓展開關的使用帶寬。清華大學［13］和中電55所［14］之前均針對雙膜橋式MEMS開關進行了研制，制備的MEMS開關獲得了較好的隔離度指標，但其工作重點均只針對在一定頻段范圍內獲得高隔離特性，未對拓展開關的使用帶寬進行進一步研究?；谏鲜隹紤]和分析，本文利用雙膜橋的設計結構，研制了一種超寬帶MEMS開關，使得該開關能夠在保證插入損耗指標符合要求的前提下，獲得較好的隔離度性能，進而用于對使用帶寬進行拓展。文中分析了開關的理論模型，進行了開關結構和制備工藝的設計，并進行芯片流水，最后給出了開關的性能測試結果。

研制的雙膜橋式MEMS開關芯片如圖1所示，開關整體尺寸1 mm×1 mm，電路部分采用共面波導(CPW)結構形式，上下兩端為微波地平面，中心為微波信號傳輸線，開關的金屬膜橋兩端通過錨區固定于CPW的微波地上，金屬膜橋中心橫跨微波信號傳輸線，懸浮于其上高度約2 μm，信號線上制備有一層絕緣介質。每個金屬膜橋下端均制備有兩個與微波信號傳輸線物理隔離的直流驅動電極，工作時驅動電極施加直流電壓，在其與膜橋之間生成靜電力對金屬膜橋進行吸引驅動。這種交直流隔離的設計很好的解決了驅動信號與微波信號之間的干擾問題。

圖1 雙膜橋式超寬帶MEMS開關芯片照片

1 開關設計

由于MEMS開關芯片尺寸較小，其傳輸線特征尺寸一般在100 μm以下，因此可以用集總參數模型對其微波特性進行描述，圖2為雙膜橋式MEMS開關的等效電路模型。其中，共面波導由兩部分組成，外側CPW1和CPW4為芯片輸入/輸出端口的共面波導，波導阻抗與端口阻抗相同(=50 Ω)，CPW3和CPW4為與金屬膜橋相鄰的共面波導，波導阻抗與金屬膜橋進行50 Ω阻抗匹配。R、L、C分別為金屬膜橋的等效電阻、等效電感和等效電容。通過計算最后確定CPW1和CPW4尺寸為G/S/G=53/90/ 53，CPW2和CPW3尺寸為G/S/G=270/60/270。

圖2 雙膜橋式MEMS開關原理模型

當未在驅動電極上施加直流偏置電壓時，開關膜橋與驅動電極之間沒有靜電力，金屬膜橋無形變，開關處于開態，此時金屬膜橋與信號傳輸線之間形成開態平板電容CUP。開態時開關等效電感和等效電阻均較小，開關微波特性主要由開態電容CUP決定，此電容由平板電容和邊緣電容共同組成，一般邊緣電容取平板電容的40%，因此開態電容表達式為:

其中，ε0為空氣的介電常數，ω和W為金屬膜橋與信號傳輸線交疊區域的寬、長，g0為金屬膜橋的初始懸浮高度，td為絕緣介質層的厚度，εr為絕緣介質層的介電常數。當驅動電極施加直流偏置電壓后，開關膜橋與電極之間形成靜電力，金屬膜橋受到靜電吸引向下發生形變;當驅動電壓達到“Pull-in”電壓時，金屬膜橋迅速塌陷至絕緣介質層表面，與介質層實現緊密貼合，開關處于關態。此時，金屬膜橋與信號傳輸線之間的電容為關態電容CDOWN，開關隔離度指標主要由關態電容CDOWN決定，其表達式為:

開關兩態的電容比可表示為:

開關開態回波損耗表達式為:

開關隔離度表達式為:

利用ADS軟件，本文對單膜橋和雙膜橋的MEMS開關的隔離度特性進行了仿真，圖3為仿真曲線。從仿真結果可見，雙膜橋式MEMS開關隔離度指標由單膜橋式的17 GHz～38 GHz使用頻段拓展到12.5 GHz～50 GHz使用頻段，并在50 GHz以上頻段也有較大的應用空間。可見雙膜橋式MEMS開關由于雙重隔離特性，隔離度指標較單膜橋式有了較大幅度的改善，由此也大大拓寬了其應用帶寬。設計利用ADS軟件對開關的電學參數進行了計算，并利用HFSS軟件進行了三維模型仿真，最終確定了開關的金屬膜橋尺寸。

圖3 雙模橋和單膜橋結構開關隔離度仿真

2 芯片制備

該雙膜橋式MEMS開關選用高阻硅基底作為襯底材料，制備工藝如下所述:①利用熱氧化工藝在硅基襯底表面熱氧化制備二氧化硅層，作為襯底絕緣層;②利用濺射和電鍍工藝制備Cr/Au金屬層后經過刻蝕完成CPW傳輸線的圖形化;③利用PECVD工藝制備氮化硅介質層，然后利用RIE工藝進行刻蝕完成介質層的圖形化;④利用旋涂工藝制備聚酰亞胺犧牲層，并光刻出犧牲層的形狀;⑤濺射并電鍍制備金屬膜橋及其錨區;⑥犧牲層干法釋放，最終完成整個MEMS開關的制備流程。

制備完成后，利用布魯克DektakXT型臺階儀和VK-8710型激光形貌儀對芯片的表面形貌進行了測試，圖4為激光形貌測試圖，其中顏色反應芯片結構的變形情況，顏色越深，說明該部分高度越大。由三維形貌測試結果可得:芯片開關金屬膜橋厚約2 μm，金屬膜橋與微波信號傳輸線間距平均值約2 μm。由于金屬膜橋是利用濺射和電鍍工藝制備完成，由此就引入金屬膜橋內部各金屬膜層之間的應力匹配問題。該MEMS開關金屬膜橋通過調節工藝參數進行應力匹配，制備完成后膜橋略微呈現張應力，該應力引起膜橋中心區域稍許存在拱起狀態，導致中心區域高度略大于金屬膜橋的整體懸浮高度，此高度偏差經測試在0.3 μm以下。開關金屬膜橋整體平整度保持較好，經測試存在的微小形變未對開關的微波特性和機械性能產生較明顯影響。

圖4 開關表面形貌測試圖

3 性能測試

研制的超寬帶雙膜橋式MEMS開關利用CASCADE Summit 11K型微波探針臺和R＆S ZAV50型矢量網絡分析儀對回波損耗、插入損耗、隔離度和驅動電壓進行了測試，圖5～圖6為該開關的插入損耗和隔離度測試曲線。

圖5 開關插入損耗測試曲線

圖6 開關隔離度測試曲線

從測試結果可以看出，該開關可應用于12.5 GHz～50 GHz頻段;插入損耗典型值為0.3 dB@ 12.5～35 GHz，優于0.5 dB@45 GHz;回波損耗優于30 dB@12.5～35 GHz，優于20 dB@35～50 GHz;隔離度優于35 dB@42.5～50 GHz，優于20 dB @其他頻段。開關驅動電壓介于45 V～55 V之間。目前，普通的單膜橋式MEMS開關在40G Hz以上頻段范圍隔離度均達不到應用要求，本文研制的雙膜橋式MEMS開關，在保證回波損耗和插入損耗指標的前提下，大大提高了開關在高頻段的隔離度指標，拓展了使用帶寬，有利于提高電子對抗設備的整體性能。

4 結論

本文提出的雙膜橋式MEMS開關通過特殊設計，實現了大寬帶指標的要求，通過在共面波導傳輸線上制備兩個開關膜橋結構，實現在關態時微波信號的雙重隔離，極大地提高了在高頻段(40～50GHz)范圍開關的隔離度指標，并在應用頻段內得到了較好的插入損耗指標和回波損耗指標。該開關能夠用于電子對抗設備中，極大提高電子對抗設備微波性能，并有助于減小設備的體積、重量，增強靈活性。

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董自強(1982-)，男，工程師，博士，主要研究方向為RF MEMS技術，zqdong1982 @163.com;

趙博韜(1985-)，男，助理工程師，碩士，主要研究方向為微波電路與系統，zhaobotao@163.com;

石國超(1987-)，男，助理工程師，碩士，主要研究方向為微波電路與系統，shiguochao@163.com。

一種超寬帶MEMS開關的研制

董自強*，趙博韜，石國超
(中國電子科技集團公司第五十四研究所，石家莊050081)

MEMS射頻器件，特別是超寬帶器件，對其中的射頻器件提出了寬帶指標的要求。以此為背景，在理論分析的基礎上設計了一種應用于12.5 GHz～50 GHz頻帶的超寬帶雙膜橋式MEMS開關，該開關具備低損耗、高隔離度等特點，文中給出了開關的制備工藝，并進行流水完成了芯片制備。經測試，該開關在設計頻段內，回波損耗優于20 dB，插入損耗典型值0.3 dB @12.5～35 GHz，優于0.5 dB@45 GHz，隔離度全頻段優于20 dB，驅動電壓在45 V～55 V之間。

電子對抗;RF-MEMS開關;超寬帶;雙膜橋;電容式

TN974;TM564

A

1004－1699(2014)03－0312－04

2014-01-09修改日期:2014-03-07

C:1180;2575;2180B

10.3969/j.issn.1004－1699.2014.03.007