W波段直板型電容式MEMS開關設計*

曹釬龍, 吳倩楠, 韓路路, 王 宇, 李孟委

(1.中北大學南通智能光機電研究院,江蘇 南通 226000；2.中北大學 儀器與電子學院,山西 太原 030051；3.中北大學前沿交叉科學研究院,山西 太原 030051)

0 引 言

隨著6G通信、物聯網技術、衛星通信的發展,新一代通信系統和測試系統對射頻前端的工作頻率、系統體積、功耗等性能提出更高的要求[1,2]。射頻微機電系統(radio frequency MEMS,RF MEMS)開關具有插入損耗低、隔離度高、功耗低、線性度好等優點,能夠滿足新一代微波通信系統、測試系統等對電子元器件應用的需求,在通信系統、自動化測試等領域具有廣泛的應用前景[3～6]。

單刀雙擲開關作為射頻系統控制信道選擇的重要元器件,其性能對系統整體工作性能具有重要的影響。為了滿足射頻前端對高頻器件的需求,研究人員對高頻開關進行了研究[7]。2019年,印度電子工程研究所提出了一種多頻段工作的電容式單刀雙擲開關,其中心工作頻率為9.4,11.6,25.2 GHz,隔離度大于30 dB[8]。2020年,俄羅斯南方聯邦大學提出了一種電容式單刀雙擲開關[9],工作頻率在24～34 GHz,在中心頻率29 GHz處隔離度大于53 dB,插入損耗小于1 dB。2020年,中北大學一種工作頻段K～D波段的電容式單刀單擲開關[10,11],在中心頻率90 GHz處隔離度33 dB。但是這些開關存在工作頻率低、隔離度低的問題,難以滿足高頻系統對器件的應用需求。

針對通信系統等中射頻前端對元器件工作頻率、插入損耗、隔離度等性能的需求,本文設計了一種工作頻段在W波段的單刀雙擲開關,能夠滿足衛星通信、物聯網技術、測試系統等射頻前端對元器件工作性能的要求。

1 電容式RF MEMS開關工作原理

雙擲開關是實現射頻前端信號切換的重要電子元器件,其在射頻前端中的作用如圖1所示[7]。射頻前端的天線收發信號時,通過單刀雙擲開關對信道進行選擇,與本振信號進行混頻處理后放大,之后進行中頻信號的分析處理。因此，單刀雙擲開關在射頻前端進行信號選擇中具有重要作用,其性能對信號質量具有重要影響。

RF MEMS開關根據導通方式的不同[11，12],分為電阻接觸式和電容耦合式兩種。電阻接觸式開關在低頻和直流狀態下,具有較低的插入損耗和隔離度。然而電容耦合式利用耦合電容的特性,在高頻段具有更低的插入損耗[13,14]。因此,為了滿足射頻系統對開關高頻工作的性能要求,本設計開關形式采用電容耦合式。電容耦合式開關在電極表面覆蓋一層介電層,在開關上、下電極接觸時,形成接觸電容,將高頻信號耦合到輸出電極,實現信號的導通與斷開,其工作原理如圖2所示。

圖2 電容式開關工作原理

電容耦合式MEMS開關在靜電力的驅動實現信號的耦合,其上電極與信號線等效為可變電容。當開關處于斷開狀態時,信號進行端口傳輸,其電容值可計算得

(1)

電容耦合式MEMS開關在靜電力驅動實現信號的耦合,其上電極與信號線接觸,與介電層形成電容,此時等效電容發生變化,信號耦合到接地端[15,16]。此時，當開關處于閉合狀態時,其電容值可計算得

(2)

同時，為了保證開關具有良好的信號傳輸性能,其電容比應約為40～80,這樣保證開關具有好的射頻傳輸性能。

2 開關結構設計

本文設計的單刀雙擲開關結構由襯底、信號傳輸線、功分器、驅動電極、介電層、上電極等部分組成。采用共面波導(coplanar wave-guide,CPW)形式進行射頻信號的傳輸,端口阻抗匹配設計為50 Ω(G/W/G為75 μm/10 μm/75 μm),滿足測試系統對端口阻抗的需求。所設計單刀雙擲開關整體結構如圖3所示。

圖3 電容式單刀雙擲RF MEMS開關結構

開關采用表面微加工技術制備,為了減少由于襯底對高頻信號的損耗,設計中采用相對介電常數較小的硼磷硅玻璃(BFF33),相對介電常數4.6,厚度為500 μm。由于金(Au)具有良好的信號傳輸性能,采用薄膜工藝制備Au作為結構層材料,其厚度為2 μm。開關上電極采用雙端固支梁結構,通過在梁的表面增加圓形釋放孔,其直徑為8 μm,從而減少制備過程中容易引入的結構應力。所設計開關結構參數如表1所示。

表1 并聯電容式MEMS開關結構參數 μm

從圖3中可以看出,本設計開關采用對稱結構設計,信號從端口1輸入時,通過靜電力控制端口2或端口3的上電極,從而控制端口之間信號傳輸。由于電容式RF MEMS開關的射頻性能與開關電容比有關,因此,本文重點研究了影響開關電容比的介電層材料、空氣間隙等因素對開關性能的影響。

3 RF MEMS開關仿真結果

本文構建了電容式單刀雙擲射頻MEMS開關的結構模型,利用HFSS電磁波仿真軟件對射頻單刀雙擲MEMS開關的性能進行數值仿真計算,重點研究優化了開關電容比的介電層材料、空氣間隙等因素對開關射頻影響,設計得到了工作頻段寬、隔離度優的RF MEMS單刀雙擲開關。

3.1 介電層對開關性能的影響

高頻信號在不同的電容中具有不同的傳輸性能,電容是影響其傳輸性能的重要因素。并聯式開關中介電層對開關電容是決定開關電容比的重要因素,因此本文研究了氮化硅(Si3N4,相對介電常數7)、二氧化硅(SiO2,相對介電常數4)、單晶硅薄膜(Si,相對介電常數11.9)等介電層材料對開關射頻性能的影響。利用HFSS仿真軟件對不同介電常數材料進行了數值仿真分析,其結果如圖4所示。

圖4 射頻性能與介電層材料之間的關系

從圖4中可以看出,采用介電常數較大的介電層能夠有效提高開關電容比,從而降低插入損耗,提高其隔離度,因此，在開關設計中應該采用介電常數較高的薄膜作為電容式開關的介電層。

3.2 空氣間隙對開關性能的影響

空氣間隙是開關處于斷開狀態時,影響其電容值的重要因素,對高頻信號的傳輸具有重要影響。圖5為不同空氣間隙對開關射頻性能的影響。從圖中可以看出,所設計開關在空氣間隙為2 μm時,插入損耗插入損耗小于1.7 dB,隔離度大于40 dB,因此開關結構設計中空氣間隙為2 μm。

圖5 空氣間隙對開關射頻性能的影響

采用單晶硅薄膜作為介電層材料,同時優化開關電極之間的空氣間隙后,通過HFSS數值計算后的仿真結果如圖6所示,從圖中可以看出,在80～100 GHz范圍內,開關插入損耗小于1.7 dB,開關隔離度大于40 dB。

圖6 開關射頻性能優化仿真結果

3.3 開關工作表面電流分布

當端口1輸入射頻信號時,將端口2開關開啟,端口3閉合,通過HFSS仿真可知,其表面電流分布如圖7所示,從圖中可以看出,端口電流在開關閉合處,通過開關上電極耦合到信號線接地端子,從而保證開關處于高隔離狀態。同時為了避免信號之間的干擾,在開關同時工作時,端口2和端口3之間具有較大的隔離度,能夠有效地減小射頻前端收發天線之間的信號串擾,保證信號的完整性。由圖7可知,電磁耦合處電流強度為8.93×101A/m,使信號能夠得到有效隔離,從而提高開關性能。

圖7 開關表面電流分布

表2為所設計的單刀雙擲開關與已發表成果的對比。已前期的成果相比,本文設計單刀雙擲開關具有工作頻率高、頻帶寬、隔離度高等優點。

表2 射頻MEMS開關的比較

4 RF MEMS開關工藝制備

采用微機械表面加工工藝制備所設計的單刀雙擲開關,通過薄膜工藝制備開關結構。考慮到開關工作過程中常見的接觸點失效現象,如接觸點材料轉移、接觸點污染等,設計中采用TiW合金材料作為接觸點材料,增加開關的工作壽命,同時選用SiO2為犧牲層,采用氣相刻蝕技術,減少有機材料的污染,以提高開關工作可靠性。

如圖8所示，所設計工藝流程：a.清洗襯底表面雜質后,利用等離子增強化學氣相沉積技術(plasma enhanced chemical vapor deposition,PECVD)制備200 nm Si3N4薄膜,作為絕緣層,避免器件發生電擊穿現象。b.采用磁控濺射技術,制備500 nm鋁(Al)作為開關靜電驅動電極。c.使用微電鍍工藝制備厚度2 μm的開關信號線,用于射頻信號的傳輸。d.采用低壓化學氣相沉積技術(low pressure chemical vapor deposition,LPCVD)制備3 μm的SiO2作為犧牲層,同時沉積Si薄膜作為介電層。e.采用為電鍍工藝制備2 μm的Au作為開關上電極。f.利用HF作為釋放氣體進行結構的釋放,最終得到單刀雙擲RF MEMS開關。

圖8 單刀雙擲射頻MEMS開關工藝流程

5 結 論

針對衛星通信、物聯網等射頻前端對高頻電子器件的需求,設計了一種工作在W波段的直板型電容式射頻MEMS單刀雙擲開關。該開關采用靜電驅動方式,具有工作頻段寬、隔離度高、尺寸小等特點,仿真結果表明:在80～100 GHz范圍內,其插入損耗小于1.7 dB,隔離度大于40 dB,具有良好的射頻性能、較小的體積,能夠滿足衛星通信、射頻測試系統等領域對新一代電子元器件性能的需求,為推動射頻探測系統向更高頻段發展具有重要的意義。