低压驱动RF MEMS开关设计与模拟

近年来射频微电子系统(RF MEMS)器件以其尺寸小、功耗低而受到广泛关注，特别是MEMS开关构建的移相器与天线，是实现上万单元相控阵雷达的关键技术，在军事上有重要意义。在通信领域上亦凭借超低损耗、高隔离度、成本低等优势在手机上得到应用。然而RF MEMS开关普遍存在驱动电压高、开关时间长的问题，劣于FET场效应管开关和PIN二极管开关。相对于国外已取得的成果，国内的研究尚处于起步阶段。下文将针对MEMS开关的缺陷做一些改进。

1 RF MEMS开关的一般考虑
    当MEMS开关的梁或膜受静电力吸引向下偏移到一定程度时达到阈值电压，梁或膜迅速偏移至下极板，电压大小取决于材料参数、开关尺寸及结构。梁或膜的材料需要比较好的杨氏模量与屈服强度，杨氏模量越大谐振频率就越高，保证工作的高速稳定及开关寿命；尺寸设计上要考虑静电驱动力的尺寸效应；结构的固有振动频率则影响开关的最高工作速度。单从结构上看，降低驱动电压的途径为：降低极板间距；增加驱动面积；降低梁或膜的弹性系数。常见的结构有串、并联悬臂梁开关、扭转臂开关和电容式开关，前三者为电阻接触式，金属与信号线外接触时存在诸如插入损耗大等很多问题，而电容接触式开关的绝缘介质也存在被击穿的问题。有研究表明，所加电压越高开关的寿命越短，驱动电压的降低势必导致开关速度变慢，如何同时满足驱动电压和开关速度的要求是当前的困难所在。

2 RIF MEMS开关的模拟与优化
    对于电容式开关，驱动电压随着桥膜长度的增加而下降，桥膜残余应力越大驱动电压也越大。通常把杨氏张量78 GPa、泊松比O．44的Au作为桥膜材料，为获得好的隔离度要求开关有大的电容率，这里选介电常数为7．5的S3N4作为介质层，桥膜单元为Solid98，加5 V电压，电介质为空气，下极板加O V电压。然后用ANSYS建模、划分网格、加载并求解静电耦合与模态分析。5 V电压下的开关形变约为O．2 μm左右，尚达不到低压驱动要求。提取开关前五阶模态如图1所示。
    可见开关从低阶到高阶的共振频率越来越大，分别为79．9 kHz，130．3 kHz，258．8 kHz，360．7 kHz，505．6 kHz，一阶模态远离其他模态，即不容易被外界干扰，只有控制开关频率低于一阶模态的谐振频率才能保证其稳定工作。由于实际开关时间仍不理想，所以在膜上挖孔以减小压缩模的阻尼，从而增加开关速度。虽然关态的电容比下降了，但孔可以减轻梁的重量，得到更高的力学谐振频率。最终的模型共挖了100个孔，并对两端做了弯曲处理以降低驱动电压，仿真得到5 V电压下形变为1μm以上、稳定的开关时间在5μs以下的电容式开关，如图2所示。
 

考虑到电容式开关仍存在的介质击穿问题，这里对其结构加以改进，将扭转臂杠杆与打孔电容膜相结合，在减小驱动电压和提高开关速度的同时，又不影响电容比，一定程度上抑制了电击穿。其工作原理是：push电极加电压时杠杆上抬，介质膜与接触膜间距离增大导致其耦合电容很小，信号通过传输线；pull电极加电压时杠杆下拉，耦合电容变大，微波信号被反射。材料选择上仍以Au和S3N4为主，某些部分可用A1代替Au。结构与尺寸的设计上由超越方程与开关通断下的电容方程得到估计值，下极板为25×25(单位制采用μMKSV，长度单位为μm，下同)，其上附有绝缘介质层，孔为3．4×3．4，杠杆为100x30，结构层为20×20，极板厚度为1。用ANSYS仿真得到图3所示结果。
 

在ANSYS做静电耦合与模态分析后利用ANSOFT HFSS对该开关进行3D电磁场仿真，进一步求得其插入损耗与隔离度，确定共面波导和接触膜的结构，从而完善开关的射频性能。建模时忽略开关的弯曲，定义材料特性与空气辐射边界，利用wave port端口进行仿真，分别求解开态的插入损耗和关态的隔离度。介质层较薄时，开关在10 GHz附近具有良好的隔离度，且插入损耗在1 dB以下。

3 RF MEMS开关的制备工艺
    合理选择生长介质膜的工艺对开关性能有很大影响，本文的RF MEMS开关需要在基底表面生长一层氮化硅膜，一般选择LP-CVD工艺，而介质膜则选择PECVD工艺为宜，金属膜的性能要求相对较低，用溅射方法即可。考虑到基底要求漏电流与损耗尽可能小，选取高阻硅与二氧化硅做基底，后者保证了绝缘要求。金质信号线与下极板通过正胶剥离形成，电子束蒸发得到铝质上极板。但从可行性考虑，部分方案的工艺实现对于国内的加工工艺尚有难度，只能牺牲微系统的性能来达到加工条件。