欧姆接触式RF MEMS开关设计与仿真

2014年第33卷第2期 传感器与微系统(7 欧姆接触式向光 ，黄钦文 ，王蕴辉 (1电子元器件可靠性物理及其应用技术重点实验室。 广东广州530610；2中北大学信息与通信工程学院，山西太原030051) 摘要：利用表面微加工工艺设计了一种双悬臂梁支撑的欧姆接触式关的材料为 过对开关驱动电压的理论分析得出，悬臂梁的刚度越低，下拉电压就会越小；又因为刚度与悬臂梁厚度的 三次方呈比例，所以，降低刚度最有效的办法就是减少梁的厚度。通过对开关的性能仿真发现：开关的闭 合电压为44V；触点的接触力为2245振频率为255 关闭合时，触点接触后并非立即稳定， 而是要弹跳数次后才趋于稳定，此现象增加了开关从闭合到稳定的时间。驱动电压为5O，6O 跳时间分别为17494，6684 s，由此可见，通过适当增加电压可有效降低开关时间和由闭合到稳定的 时间。 关键词：欧姆接触；下拉电压；接触力；开关弹跳 中图分类号：献标识码：A 文章编号：1000014)02of F I in130610，230051， F is by is s a of on of is，he to is to of is to of of 4 V，245 N，of 55 is a of he 7494 0 V 684 s O V an to 引 言 微机械开关是最早开始研究的过 近2设计、制造、可靠性等方面都已取得了很 大的进展，是最有希望实现实际应用的。，具有插入损耗低、隔离度高、信号截止频率高以及功耗 小等优点。、信道选 择、可变滤波器、接收器等，可广泛用于雷达、汽车雷达、卫 星通信、无线通信等领域。 欧姆接触式开关在低频和直流时插入损耗很低，在 20一般用作串联开关。 E 最早提出了基于硅悬臂梁和薄为了在微波范围内追求更低的插入损 耗，常用金属材料来构成开关的机械结构。由于高的导电性和抗腐蚀性，并且易于变形，阻抗低，熔点高， 因此，成为本文中的开关结构采用双悬臂梁支撑，材料为 电驱动电压是且驱动电 压越低越好，但过低电压很可能导致开关其他性能减退，所 以，应综合考虑。谐振频率决定了开关动作的最高频率，只 收稿日期：2013金项目：电子元器件可靠性物理及其应用技术重点实验室开放基金资助项目(预研项目(第2期 李向光，等：欧姆接触式9 暑 毒 藿 图3驱动电压 大小在 N接触力也是模型中一个十分重要的参数。 由图4的结果可以看出：驱动电压为70触力为 22447 触力会随着电压的升高而升高， 并且可近似为线性关系。 锺 鲻 图4接触力 3 频率响应 对开关进行频率响应的分析在于找出开关的谐振频 率，谐振频率决定了开关动作的最高频率，只有在控制开关 的频率低于其谐振频率时，才不会影响开关的正常工作。 图5所示的结果是对开关进行1频率响应，频率为255 一12O 一140 量 一180 220 1U 1000 频率5频率响应 4 开关弹跳与开关时间 如图6(a)所示，开关从开始接触到稳定之前，会来回 弹跳多次，文献8中通过实验也观察到了该现象。弹跳是 由存储于变形的悬臂梁和接触材料中的能量引起的 J。它 会增加开关由闭合到稳定的时间，弹跳过程中有可能造成 粘附、接触材料的局部硬化和点状腐蚀等失效模式。压膜 阻尼是影响开关弹跳的一个重要因素。 开关闭合时，阻尼力的大小约为静电力大小的1351 。 开关的闭合时间很大程度上依赖于驱动电压，驱动电 压增大时会降低开关的闭合时问和由闭合到稳定的时间。 ： ： 600 500 之400 坦300 20 0 100 0 0 200 400 600 800 1000 1200 时间a)驱动电压U=50V，脉冲持续时间a)=50 V，t=550 s 2 g 1 毒0 整一 一2 200 400 600 800 间l,b)驱动电压冲持续时间t=550 s (b)=60 V，t=550 s 图6开关弹跳与开关时间 6(a)和(b)分别表示驱动电压为5O，60 况(驱动电压脉冲延迟为50 s)，由图可知，闭合时间为 312，2778 s，弹跳时间分别为17494，6684 此可 见，通过适当增加电压可以降低弹跳持续时间。但还应注 意的是，电压过高也可能会引起驱动极板间的电击穿，引起 失效。 4结论 本文通过对驱动电压的理论分析得到，悬臂梁的刚度 越低，下拉电压就会越小；又因为刚度与悬臂梁厚度的三次 方呈比例，所以，降低刚度最有效的办法就是减少梁的厚 度；但降低厚度又会使开关速度减慢，并且在释放工艺中更 易产生粘附现象，所以，应综合考虑多方面的因素。针对设 计的到开关的 闭合电压为44 V；触点的接触力为2245 振频率为 255 关闭合时，触点接触后并非立即稳定，而是要 弹跳数次后才趋于稳定，此现象增加了开关从闭合到稳定 的时间，并且在弹跳的过程中还有可能造成粘附、接触材料 的局部硬化和点状腐蚀等失效模式。驱动电压分别为5O， 604，6684 s，由此可见， 通过适当增加电压可有效降低开关时间和由闭合到稳定的 时间。但电压过高可能会造成驱动极板间的电击穿，引起 失效。 参考文献： 1，et F to 999，4：19232 003 (下转第97页) 第2期 赵宇洋，等：基于区域权函数理论的多电极电磁流量计电极设计 97 使得电磁流量计在水相体积流量测量的误差波动较严重。 4结论 本文介绍了基于区域权函数的多电极电磁流量计，针 对被测对象特性着重讨论了不同电极设计方案。实验表 明：对于单相非轴对称流，采用不锈钢平头电极的多电极电 磁流量计具备较高精度；对于固一液两相流，该流量计可以 提供管道测量截面的局部轴向速度信息，结合高精度的固 相含率测量手段，也将提高多电极电磁流量计的体积流量 测量精度。 参考文献： 1，A to 996，7：3542，994：1221 1224 3 ，of in a 、 ) (上接第89页) 3 Eon 979，23(4)：376 385 4o，e et of toF a u i 011，21(6)：15 王拮矗微系统设计与制造M北京：清华大学出版社， 2008 6 郭方敏，赖宗声，朱自强，等悬臂式制J半导体学报，2003，24(21)：11907 T， Su F 005，18(2)：215一 声 ) (上接第93页) 8 ， Yt of 012，18(4)：57389 X， H， H，et of )：J 012，107(3)： 11991O， D，et to of 012，668(1)：4411，et of 1983，9(3)：2514，et RI in a 009， 199(2)：1265徐立军，王亚，乔旭彤，等多对电极电磁流量计传感器电 极阵列设计J仪器仪表学报，2003，24：3356 Aof K：962 7赵宇洋，张涛，多电极电磁流量计转换器设计J 传感器与微系统，2012，31(6)：878 P， C，et in 999，10：249作者简介： 赵宇洋(1982一)，女，河北石家庄人，博士研究生，主要研究方 向为超声测量与电磁流量计。 ； 230 8 G，h G S M， T M et of a F J 005，15(1)：1769 of on of F 008 1O J， E， Gof of an F J i- 007，17(9)：1899作者简介： 李向光(1989一)