RF MEMS 开关的设计与优化

1.摘要

射频微机电系统(RF MEMS)是MEMS技术的一大重要应用领域，也是20世纪90年代至今研究MEMS技术各领域中飞速发展的热点。射频微机械开关体积小，功耗低，且插入损耗、隔离度等微波性能均远优于传统的PIN和MOSFET开关, 因此在雷达、卫星通信、个人无线通信、测试仪器等系统中有很好的应用前景。本论文对应用于X频段的并联电容式RF MEMS开关进行了深入的研究。

本论文从机械性能、微波性能两方面入手，对开关的设计与制作等进行了较详尽的分析和研究，建立了开关的静力学模型，分析得到了开关的结构尺寸以及材料特性等参数对开启电压的影响；基于开关的动力学模型，使用Matlab/Simulink工具分析了开关上电极的瞬态时间响应特性。介绍了高频电磁场仿真设计方法，建立了并联电容式RF MEMS开关的等效电路模型，使用ADS软件得到RLC对插入损耗和隔离度的影响。

本文设计了一种三螺旋结构的RF MEMS开关，即上电极中心及两端各为螺旋结构，从而增加了上电极的等效电感，减小了谐振频率，从而在较低的频段下实现了较好的隔离度。主要研究了开态时的插入损耗以及关态时的隔离度。使用Ansoft HFSS软件对绝缘介质层厚度、上下电极之间的空气层厚度和上电极尺寸进行了仿真与优化。在X频段，开关开态时的插入损耗小于0.47dB；关态时的隔离度优于-26.42dB。中心频率处开关开态的插入损耗为-0.35dB，开关关态时的隔离度为-31.98dB。

2. 设计内容

2.1开关动力学理论模型

在进行模型分析之前，首先做如下假设：

1. 主要是研究上电极中部与下电极正对部分的动作情况，忽略其它部分的运动。
2. 上下电极间的气体在响应过程中看成绝热气体，并且假设下拉过程和回复过程的时间间隔较大，从而使上电极两端的气体能够达到平衡。同时假设阻尼系数 b 在下拉和回复过程中均保持不变。

2.2 开关的动力学模型的 Matlab/Simulink 仿真Simulink 仿真状态方程的系统结构图

2.3开关响应时间仿真结果和讨论

仿真中应用的开关结构和材料参数相关代码如下：

E=70e+9;

L=[200e-6 250e-6 300e-6 350e-6];

w=87e-6;

h=1.2e-6;

e0=8.854187e-12;

er=7;

Derlta=10e+6;

l2=150e-6;

g0=[1.5e-6 2.0e-6 2.5e-6 3.0e-6];

gj=0.3e-6;

lambt=0.33;

R=0.5;

u=1.845e-5;

A=l2*w;

K=[0 0 0 0];

for i=1:4K(i)=(32*E*h^3*w)/L(i)^3+(8*Derlta*(1-lambt)*h*w)/L(i);

end;

B=[0 0 0 0];

for i=1:4B(i)=(3*u*A^2)/(2*pi*g0(i)^3);

End;

kMatrix=K; %k值矩阵

bMatrix=B; %b值矩阵

t=zeros(4,4,250); %声明33255矩阵，保存不同k、b值时的时间采样点y=zeros(4,4,250); %声明3*3*255矩阵，保存不同k、值时的位移采样点for i=1:4 %循环3次，计算不同k值的输出结果k=kMatrix(i); %设定k值for j=1:4 %循环3次，计算不同b值的输出结果

b=bMatrix(j); %设定b值

G0=g0(j);

sim('myswitch.mdl'); %开始仿真运行“myswitch.mdl”原理图文件length(i,j)=size(tout,1); %计算采样点的长度，因为每次运行后采样点数目不一样

t(i,j,1:length(i,j))=tout; %保存第（i，j）次的时间采样点

y(i,j,1:length(i,j))=yout(:,2); %保存第（i，j）次的位移采样点

，yout(:,2)中的2为位移输出端口号

end; %结束第二层循环

end; %结束第一层循环

figure(1) %画相同k值，不同b值下位移图

for i=1:4 %3个k值，画3个比较图

subplot(2,2,i); %画k=kMatrix(i)时的比较图

hold on; %开画图保持title(['g:displacement(k=',num2str(kMatrix(i)),'N/m)']);

%图标题plot(squeeze(t(i,1,1:length(i,1))),squeeze(y(i,1,1:length(i,1))),'b-.',squeeze(t(i,2,1:length(i,2))),squeeze(y(i,2,1:length(i,2))),'g- ',squeeze(t(i,3,1:length(i,3))),squeeze(y(i,3,1:length(i,3))),'r',squeeze(t(i,4,1:length(i,4))),squeeze(y(i,4,1:length(i,4))),'y- ');

%不同b值的3条曲线，squeeze是将矩阵降维，不用此函数程序无法运行legend(['b=',num2str(bMatrix(1))],['b=',num2str(bMatrix(2))],['b=',num2str(bMatrix(3))],['b=',num2str(bMatrix(4))]); %曲线标注holdoff;

%关保持

end; %结束循环

figure(2) %画相同b值，不同k值下位移图

for j=1:4 %3个b值，画3个比较图

subplot(2,2,j); %画b=bMatrix(j)时的比较图hold on; %开画图保持title(['g:displacement(b=',num2str(bMatrix(j)),')']);

%图标题plot(squeeze(t(1,j,1:length(1,j))),squeeze(y(1,j,1:length(1,j))),squeeze(t(2,j,1:length(2,j))),squeeze(y(2,j,1:length(2,j))),squeeze(t(3,j,1:length(3,j))),squeeze(y(3,j,1:length(3,j))),squeeze(t(4,j,1:length(4,j))),squeeze(y(4,j,1:length(4,j))));

%不同k值的3条曲线，squeeze是将矩阵降维，不用此函数程序无法运行legend(['k=',num2str(kMatrix(1)),'N/m'],['k=',num2str(kMatrix(2)),'N/m'],['k=',num2str(kMatrix(3)),'N/m'],['k=',num2str(kMatrix(4)),'N/m']);

%曲线标注holdoff;%关保持end;

开关的直流偏置电压波形

等效弹性系数 k 对开关响应时间的影响

等效阻尼系数 b 对开关响应时间的影响

综上所述，通过设计较高等效弹性系数的上电极结构、减小阻尼系数，可以获得高速响应的 MEMS 开关。但是，一般情况下高速响应和低开启电压是一对矛盾，设计时应该折衷考虑。在 60V 电压驱动，在常温常压大气环境下，开关具有约 4.5μs 的下拉时间和约 13.5μs 的回复时间。

3. 开关结构的微波性能分析与设计

开态时，输入信号的损耗包括两部分，一部分是共面波导的损耗，另一部分是信号从电容泄漏到地而产生的损耗。因此，降低共面波导的损耗有利于减小开关的插入损耗。图 3.3 所示是使用 Agilent ADS 软件对处于开态时的 RF MEMS 开关的等效电路仿真后得到的插入损耗变化图。图中，根据经典值来选取参考值，图 3.3 中，选取Ls=6pH，Rs=0.2Ω，Cu=0.05pF，0.1pF，0.15pF，可以看出开态的电容大小对开关的插入损耗影响很大，插入损耗随着电容的增大而增大。而且随着频率的增加，插入损耗逐渐增大。

并联电容式开关在开态时的插入损耗

并联电容式开关在关态时的隔离度

当开关处于开态时，电容越大，插入损耗也就越大。开关处于关态时，电感、电容对开关谐振频率影响很大，当电感增大或者电容增大时，开关谐振频率会随之降低，而且使得开关在相对较低的频率下具有好的隔离性能；而电阻主要影响开关谐振频率附近的关态隔离度，电阻越小，输入信号的对地阻抗越小，因此隔离度越好。

4. RF MEMS 开关设计

X 频段并联电容式开关结构示意图

开关采用硅作为衬底材料，相对介电常数为 11.9；下电极采用 Si3N4 作为绝缘介质，相对介电常数为 7；采用 Au 作为传输线材料，电导率为 4.1×107S/m；采用 Al作为金属悬臂梁，电导率为 3.8×107S/m。最后确定的尺寸为绝缘介质层厚度 td=0.3μm，上电极与下电极之间空气层厚度 g=3μm，上电极宽度 w=40μm 和上电极螺旋结构间距 m=15μm，其插入损耗和隔离度如图 4-5(a)(b)所示。在 X 频段范围内，插入损耗为-0.24dB~-0.47dB，隔离度优于-26.42dB。在中心频率的插入损耗为-0.35dB，隔离度为-31.98dB。