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                              低壓驅動RF MEMS開關設計與模擬

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                              近年來射頻微電子系統(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、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。常見的結構有串、并聯懸 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 RIF MEMS開關的模擬與優化 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、劃分網格、加載并求解靜電耦合與模態分析。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,一階模態遠離其他模態,即不容易被外界 干擾,只有控制開關頻率低于一階模態的諧振頻率才能保證其穩定工作。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電壓下形變為1μm以上、穩定的開關時間在5μs以下的電容式開關. 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。 在ANSYS做靜電耦合與模態分析后利用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,分別求解開態的插入損耗和關態的隔離度。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 合理選擇生長介質膜的工藝對開關性能有很大影響,本文的RF MEMS開關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??紤]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。金質信號線 與下極板通過正膠剝離形成,電子束蒸發得到鋁質上極板。但從可行性考慮,部分方案的工藝實現對于國內的加工工藝尚有難度,只能犧牲微系統的性能來達到 加工條件。 4 結語 本文主要從結構上進行了創新,通過計算機輔助設計仿真分析得到了理論解,一定程度上滿足了設計初衷,但在工藝上還不成熟。更低的驅動電壓和更高的開關 頻率仍是亟待解決的問題,另外如何保證實際產品的可靠性、實用性也是未來的研究重點。
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