关的微波特性及其多物理耦合场研究.pdf

9 08 0 1 3 中图分类- 号： 磷糍： 单位代号：i i 帅 学甘：0 3 7 2 0 9 7 5 上海大学 硕士学位论文 l 题l 容性r fm e m s 膜开关的微波l 旧i 特性及其多物理耦合场研究i 作者李越飞 学科专业电磁场与微波技术 导师杨雪霞副教授 完成臼期2 0 0 6 年1 月 上海大学硕士学位论文 摘要 射频微机电系统( r f m e m s ) 器件以其优良的微波特性，以及多功能、低功耗、 线性和低成本等优点，正成为近年来无线通信领域的研究热点，r fm e m s 开关是 通信系统中的关键器件之一。 本文主要作了三方面的工作。首先，采用m e m s 开关微波等效电路的概念及 分析方法，建立了感性可调) , i e m s 电容性膜开关的“关”态谐振频率选择模型和 “开”态阻抗匹配模型，推导出关于“开”态阻抗匹配与“关”态谐振频率的 统一公式，并对x 波段m e m s 电容性膜开关做了具体分析。 其次，基于以上模型，论述了宽带双膜桥开关的设计原理及实现。通过t 形与z 形的“开”态阻抗匹配，显著地降低了开关的反射损耗。通过“关”态 谐振频率的控制，在开关的频响阻带内产生两个传输零点，明显提高了开关的 带宽，并保持了其高隔离度特性，而且有一定程度的小型化。 最后，介绍了她m s 器件的多物理耦合场仿真的方法与理论，在综述了国内外 常用的一些建立宏模型的方法与理论的基础上，利用新型的网格划分的方法，建 立了v h d l 语言描述的m e m s 开关宏模型，并给出其电场一磁场耦合的模拟仿真结 果，在m e m s 器件的多物理耦合场协同仿真及m e m sc a d 方面做了探索与尝试。 关键词：微机电系统( m e m s ) ，容性r fm e m s 开关，共面波导，隔离度，插入损 耗，多物理耦合 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t r a d i of r e q u e n c ym i c r o - e l e c t r o - m e c h a n i c a ls y s t e m s ( r fm e m s ) d e v i c e sh a v eb e e n i n c r e a s i n gi np o p u l a r i t yi nw i t l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sd u e t ot h e g o o dm i c r o w a v e p e r f o r m a n c e sa n dm u l t i f u n c t i o n ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，l i n e a r i t y , l o wc o s t r fm e m s s w i t c h e sa r eo n eo f k e yp a r t si nm o d e lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s t h ei l i a i nc o n t e n t so f t h et h e s i si n c l u d e f i r s t l y ，t h ed o w n - s t a t er e s o n a n c ec h o i c em o d e la n du p - s t a t ei m p e d a n c em a t c h i n gm o d e lo f i n d u c t i v e l y - t u n e dm e m ss h u n t - c a p a c i t i v e s w i t c h e sh a v e b e e np r e s e n t e db ya n a l y z i n g e l e c t r o m a g n e t i cc h a r a c t e r i s t i c s o fm i c r o w a v ee q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e l s t h eu n i f o r m f o r m u l a so fd o w n - s t a t er e s o n a n c ea n du p - s t a t ei m p e d a n c em a t c h i n gh a v eb e e no b t a i n e d s m i u l t a n e n u s l y t h er fm e m sc a p a c i t i v es w i t c hf o rxb a n db a s e do nt h o s ee q u i v a l e n t m o d e l sh a sb e e ni n v e s t i g a t e dh id e t a i l s e c o n d l y ，b a s e do na b o v ea n a l y t i cm o d e l s ，t h ed e s i g np r i n c i p l eo ft h eb r o a d - b a n dr f m e m ss w i t c hw i t hd o u b l e - m e m b r a n e sh a sb e e nr e s e a r c h e d t h el o wu p - s t a t el c t u t nl o s sh a s b e e nr e a l i z e db yta n da ri m p e d a n c em a t c h i n gm o d e l s t h eh i g hi s o l a t i o na n db r o a db a n d c h a r a c t e r i s t i c sh a v eb e e no b t a i n e db yd e s i g n i n gt h er e s o n a n tf r e q u e n c yo ft h em e m ss w i t c h i nt h ed o w n - s t a t ep o s i t i o nt ot w ot r a n s m i s s i o nz e r o s t h i st e c h n i q u el i m i t st h ec a p a c i t i v ea l e a o ft h em e m ss w i t c ht oam e c h a n i c a l l ya c c e p t a b l es i z ea n dr e a l i z e sm i n i a t t n - i z a t i o na ta e e r t a i ne x t e n t f i n a l l y , m e t h o d o l o g i e sf o rm o d e l i n go fm e m sd e v i c e sm u l t i - p h i s i c a l - d o m a i n sc o u p i n g s i m u l a t i o nh a v eb e e nd e s c r i b e d a p p l y i n gt h en e wm e s h - d e s c r i b e dm e t h o d ，t h em a c r o m o d e l o fm e m ss w i t c h e sh a v eb e e nm o d e l e db yv h d ll a n g u a g eb a s e do nt h eu s u a lm a c r o - m o d e l b u i l d i n gm e t h o dw i t hs o m ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l dc o u p l i n gr e s u l t sh a v i n gb e e na c h i e v e d s o m ev a l u b l er e s e a r c h e sh a v e b e e n d o n eo nm u l t i - p h y s i c a l - d o m a i n s c o u p l i n g c o - o p e r a t i o ns i m u l a t i o na n dm e m sc a d k e y w o r d s ：m e m s ( m i c r o - e l e c t r o - m e c h a n i c a ls y s t e m ) ，c a p a c i t i v er fm e m ss w i t c h ， c p w ，i s o l a t i o n ，r e t u r n - l o s s ，m u l f i - p h y s i c a l - d o m a i n sc o u p l i n g 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签轹铡篁日 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅：学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：事拶 导师签名： l i i 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 微机电系统恤m s ) 介绍 微电子机械系统( m i c r oe l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s 简称m e m s ) 简称微 机电系统，是近年来高速发展的高新科学技术。m e m s 是一种集成微电子和微机 械、具有微观尺寸的不动或可动部件的装置。1 9 5 9 年，美国物理学家r f e y m a n n 提出制造微型机械的设想 1 。1 9 6 2 年，第一个硅微型压力传感器问世 2 。其 后，微梁、微齿轮等微型机械相继开发成功。1 9 8 8 年，美国加州大学伯克利分 校研制出直径6 0 1 2 0 胛的硅微型静电电机 3 ，引起了人们的极大关注。1 9 8 9 年，n s f 召开的研讨会上的总结报告中提出“将微电子技术应用于电子和机械 系统”，自此m e m s 成为一个新的学术术语( 4 。 m e m s 是在微电子技术基础上发展起来的具有多学科交叉和渗透的新兴学 科。它涉及电子工程、机械工程、材料工程、信息工程、物理学、化学、光学， 以及生物医学等学科和技术领域。它不仅具有微电子的信息获取与处理能力， 而且兼有动作信息的执行能力。它包括声、光、热、力、电、磁、化学、生物 等传感方式，加之微能源、微驱动、微处理系统的综合，组成千差万别实用化、 产业化的微型集成器件与系统。 m e m s 对未来的科学技术、生产方式和人类生产质量都将产生深远的影响， 被认为是关系到国家科学技术发展、国防安全和经济繁荣的关键技术。m e m s 技 术的发展将极大地促进各类产品的微型化、集成化与便携化，并能成数量级地 提高器件与系统的功能密度、信息密度与互连密度，大幅度地节能、节材。它 将广泛地应用于国防、航空、航天、生物医学、制造业、交通、农业、环保以 及家庭。m e m s 技术引起了世界各国科学界、产业部门和政府部门的高度重视， 被列入各国高技术发展规划，已经成为当今科技热点之一。 自第一个微马达问世以后的短短数年内，在美国政府巨额经费的资助下， 包括麻省理工大学、加州大学伯克利分校、斯坦福大学、i b m 、a t t 等三十余 所大学、国家实验室和民间试验机构都投入到这个项目的研究中，推动了m e m s 上海大学硕士学位论文 的迅速发展 5 。日本、欧洲各国也对i 蛐e m s 高度重视。其中日本通产省自1 9 9 1 年度开始实施为期l o 年，总投资2 5 0 亿日元的“微型机械技术”大型研究开发 计划。德国从1 9 9 4 年到1 9 9 9 年的微系统计划每年投资6 0 0 0 万美元 6 3 。 我国从8 0 年代末开始了m e m s 的研究，在时间上同国外差距不大，但主要 以跟踪国外研究为主，涉及硅微型压力传感器、微型电机、微型泵等。在m e m s 微型传感器、执行器等方面已有一些成果，在新原理微器件、通用微器件，以 及初步应用等方面获得了较大的进展 7 ，8 。 m e m s 技术与射频技术相结合产生了射频微电子系统( r fm e m s ) 这一新概 念。r fm e m s 器件是近年出现的新研究领域，将对射频微波技术产生重大的影 响。所谓r fm e m s 就是利用m e m s 技术制作各种用于无线通信的射频器件或系统， 可以认为，r fm e m s 是指在射频系统中用m e m s 技术实现的，用于低频、中频、 普通无线电波直到微波、毫米波频段信号的产生与处理的元器件或电路。相对 于其他的m e m s 器件及系统研究，未来的射频与微波系统更加复杂，在要求更加 灵活的同时，又要求体积小、重量轻和功耗低。一方面，从制作技术上来说， 可实现片上集成化( o n c h i pi n t e g r a t i o n ) 是r fm e m s 技术发展的最初动力； 另一方面，从应用上来说，随着信息社会的进步，现代和将来的射频微波系统， 向移动通信手机、因特网电子商务无线接入系统、蓝牙系统及全球定位系统的 无线数据传输链路等发展方向。对小型化、轻量化、多功能化、低功耗化和低 成本化方面的要求不断提高和日益迫切。而r fm e 惦器件的高度集成化、微型 化和智能化，成倍地提高射频微波器件和系统的功能密度、信息密度和互连密 度，并大幅度地降低器件和系统的功耗，恰好满足现代射频微波系统的上述要 求，这便构成了r fm e m s 技术发展的根本动力 9 。 1 2r fm e m s 器件概述 民用和军用的通信系统都要求器件具有小型化、低功耗、多功能和高可靠性 等性能。对电路的功耗、电磁兼容( e m c ) 的严格要求，增加了电路设计的复杂 性，提高了制造成本和增加了系统的重量。譬如，在一个平台上，要求收发信机 同时工作时不相互干扰，就必须高度重视系统e m c 的设计。通常是在发射和接收 上海大学硕士学位论文 端同时采用滤波技术以避免相互干扰。如今一般采用的方法是，利用许多 g a a s f e t 、p i n 一- 极管和变容管的组合，以获得所要求的开关、滤波和调谐功能。 这种方法的缺点是，功耗高、可靠性低和成本高。采用r fm e m s 贝t j 可能克服上述 缺点 1 0 - 1 4 。 随着信息时代的来临，在无线通信领域，特别是在移动通信和卫星通信领域， 正迫切需要一些低功耗、超小型化且能与信号处理电路集成的平面结构的新型器 件，并希望能覆盖包括微波、毫米波和亚毫米波在内的宽频频段。自从2 0 世纪2 0 年代提出超外差结构的无线电收发机的概念以来，通信事业有了很大的发展，但 收发机的基本结构没有很大的变化，这主要是由于超外差结构简单实用，但更主 要的原因是缺少新的高频器件，而r fm e m s 技术为开发无线应用的新型收发机带 来了新的途径。 图1 1 为基于i e m s 技术的手持无线通信系统r f 模块原理图，r fm e m s 技术的应 用会显著提高部件性能，并实现片上集成化。例如：m e m s 制造技术可以选择性地 去除衬底材料，既能制造出悬置式的无源器件，也能制造出大截面面积结构的无 源器件，这为突破无源器件的性能极限提供了全新的技术手段。片上开关的直流 蠢画疆 图1 ir fm e m s 技术在手持无线系统中的应用 上海大学硕士学位论文 功耗为零、开关功耗为纳焦耳、阀值电压低于5 伏：另外，可实现高q 值的电感器、 电容器和可变电容器；高度稳定的振荡器以及高性能滤波器等，从而为高性能射 频微波系统的研发奠定坚实的基础。 r f i e m s 的研究目标是把半导体有源器件、微加工元件和m e m s 器件集成到一 块芯片上或微系统上，从而实现单芯片上的射频系统。由于r fm e m s 跨越电子和 机械等多个专业领域，其功能的实现都是通过多种物理作用相互耦合作用，因此 对r fm e m s 器件的研究必须综合考虑电磁一结构等多物理现象的作用，研究与建 立r fm e m s 器件多物理耦合分析方法对于r fm e m s 多物理场耦合机理的分析有非常 重要的意义。 r fm e m s 器件包括无源r fm e m s 器件和有源r fm e m s 器件 1 5 ，无源m e m s 器件包括微机械传输线 1 6 、微机械电感 1 3 ，1 7 ，1 8 、微机械滤波器 1 9 等； 有源m e m s 器件包括开关 2 0 一3 9 、调谐器、可变电容 4 0 等。当前基于m e m s 的 电感器、移相器、天线等射频元器件已取得实质性的进展。 1 2 1r fm e m s 天线 天线是无线通信系统中不可或缺的重要部件。微机械加工方法已经用于不 同频段的平面或三维天线之中，以提高天线的效率或缩小天线的尺寸。对于无 线通信来说，研制用于0 9 4 g h z 波段的微小型天线有着重要的意义，由于这 一波段的应用涉及w l a n ( 9 0 0 m h z 2 4 g h z ) ，g p s ( 1 5 g h z ) 和b l u e t o o t h ( 2 4 0 h z ) 等。如果不采用小型化设计，这一波段的天线的物理尺寸将大得难以接受。m e m s 技术在天线方面的应用分两个不同频段。是在毫米波及其更高频段，为了高 速传输数据，工作在毫米波的微波器件、电路和辐射体必须集成为一体，但是 由于衬底的存在，天线带宽和辐射能力受限。m e m s 技术可以让偶极子和槽型天 线悬空于介电薄膜上，实现自由空间辐射 4 a ；或者通过各向异性腐蚀在天线 附近制作微型的喇叭型辐射体，提高辐射的方向性 4 2 。二是在普通微波频段， 此时如果让薄膜悬空，天线的尺寸将很大无法实用。m e m s 技术则可以通过在天 线下的介电薄膜上开孔等方法，调节器介电常数，来提高天线效率 4 3 。特别 是可以通过将衬底腐蚀掉一部分，或使之具有适当的通i l 分布的办法，让其等 4 上海大学硕士学位论文 效介电常数调节到所希望的值。这样频率为1 2 1 3 g h z 的微带天线的效率可以 从5 5 增加到8 5 4 4 。 1 2 2r fm e m s 高q 值电感器 常规片上平面电感器存在着令人困扰的寄生参数。这些寄生参数使其q 值 和自谐振频率严重劣化。采用m e m s 加工技术制造的电感器可以大幅度地减小寄 生参数，达到分立电感器的性能水平。这种微机械电感器是一种悬置式元件， 其螺旋线下方的衬底材料已被去除。这方面的一种典型产品在6 1 8 g h z 的频率 范围内，其q 值为6 2 8 ，电感值为l h b 1 3 。除了体微机械加工技术之外，表 面微机械加工技术同样可以用来在衬底上制造螺旋电感器。其中一种典型电感 器在8 4 g h z 频率下，q 值为2 5 1 ，电感值为2 3 h he 1 8 。 1 2 3r fm e m s 可变电容器 可变电容器通常是实现电路单片集成的一大障碍。引起这一问题的原因较 多，尤其以可变电容器工艺与i c 工艺不相兼容这一点影响较大。这使得集成可 变电容器的特性变差。例如，q 值和自谐振频率都比较小。 m e m s 可变电容器有平板型和叉指型两大类别。平板型可变电容器的上下 极板之间设置有悬浮弹簧。悬浮弹簧使上极板以一定的距离置于下极板的上方。 上下极板间的距离随外加电压在极板间产生的静电作用力大小的不同而改变。 当外加电压改变时，极板间距发生变化，电容量也随之变化，从而达到电容量 可调的目的。目前，平板型可变电容器已达到如下的性能指标 4 5 ：在1 g b z 频率下，标称电容量为2 0 5 p f ，q 值为2 0 ；调谐范围达1 5 ：l ，调谐电压范围 为0 4 v ，自谐振频率大于5 g h z 。叉指型可变电容器的两个极板均呈梳状，其 指条相互交叉。通过调节交叉指条相互间的耦合程度，使极板的有效面积发生 变化并改变电容量的大小。叉指型可变电容器目前达到的性能水平如下 4 6 1 ： 在5 0 0 g h z 频率下，标称电容量为5 1 9 p f ，q 值为3 4 ；调谐范围达2 0 0 ，调谐 电压范围为2 1 4 v ，对应5 1 9 p f 电容量的自谐振频率为5 g h z ，以三阶互调产物 度量的线性度大于5 0 d b m 。 上海大学硕士学位论文 1 2 4r fm e l d s 传输线 同传输线有关的大多数性能参数，如频率分散、插入损耗等，都与其衬底 或介质的性质有着十分密切的关系。采用m e m s 技术制造的薄膜微带传输线、共 面微屏蔽传输线、正面腐蚀共面波导和微机械波导，大幅度降低了衬底的不良 影响 1 6 。在薄膜微带线中，传输线制作在介电常数接近于1 的薄膜上，并借 助背面工艺技术，以体腐蚀的方法将传输线下面的衬底材料去除掉。薄膜微带 线的缺点在于缺乏固有的接地面。共面微屏蔽传输线具有包含接地面的地一信号 一地的结构，克服了薄膜微带线的缺点，其加工技术也是背面工艺技术。正面腐 蚀共面波导不采用复杂的背面工艺技术而是通过正面钝化层的腐蚀窗口在传输 线下生成凹槽来制得的。微机械波导采用微机械加工技术和晶片键合技术制造， 可以把尺寸做得很小，而且加工精度很高。这是常规机械加工技术无法实现的。 文献 1 6 中，在硅衬底上利用m e m s 技术制作的方形波导，其插入损耗已经达 到0 0 4 d b 波长( 频率范围7 5 - 1 1 0 g h z ) ，可与传统的商业化的波导的性能相比 ( 0 0 2 4 d b 波长) ，但尺寸只有传统波导的1 4 。 1 2 5r f d e m s 开关 近年来，对r fm e m s 开关的研究异常活跃。这主要是因为移动通信等相关产 业的高速发展对m m i c 器件提出了更高的性能要求。在r fm e m s 技术研究领域中， 作为微波信号变换的关键器件，r fm e m s 开关以其固有的低功耗、低插入损耗和 低交叉调制损耗等特性，在微波频域展现出巨大的应用前景。r fm e m s 开关利用 力学运动来控制射频信号传输的通与断，一般用于高频平面和相控阵天线，对雷 达、卫星通信、智能天线、个人移动通信、蓝牙技术等领域，可以集成在各种衬 底上，包括带有有源半导体器件的衬底，这大大增加了人们对射频m e m s 开关的研 究兴趣。此外，r fm e m s 器件还易于与电路单片集成、成本低等一系列优势，与 传统的半导体开关相比，由于结构上消除了金属一半导体结和p n 结，m e m s 开关具 有如下优点1 - 2 4 ： 1 ) 几乎是零能量损耗：静电驱动需要电压，但是在开关的周期里需要电流很 上海大学硕士学位论文 小，这导致很低的能量损耗。 2 ) 高隔离度：r fm e m s 串联开关制作时中间留有空气带，因此有很低的“关” 态电容( 2 - - 4 f f ) ，在0 卜一4 0 g h z 范围内有很高的隔离度。 3 ) 低插入损耗：r fm e m s 串联和并联开关在4 0 g h z 范围内有很低的插入损耗 ( 一0 1d b ) 。 4 ) 低互相调制分量：m e m s 开关是高度线性器件，具有很低的互相调制分量。 5 ) 低成本：m e l d s 开关是利用表面微机械技术来制作的，可以在石英玻璃上、 高阻硅、砷化镓基底上大规模制作。但是，m e m s 开关在设计试验阶段的馏片成本 非常高昂，在一定的程度上为m e m s 开关在早期的设计试验阶段造成了障碍。 根据不同的分类原则，m e m s 开关可以作如下分类： i ) 根据驱动原理：m e m s 开关可以分为静电驱动、电磁驱动、热驱动和压电 驱动。 2 ) 根据驱动方式：m e m s 开关有横向驱动、纵向驱动和通过m e m 铰链实现的 由横向驱动转化为纵向驱动。 3 ) 根据接触类型：m e m s 开关可分为电阻接触式( 金属一金属直接接触) 和 电容耦合式。 4 ) 根据接入的电路结构：m e m s 开关有串联和并联结构。 5 ) 根据开关梁的结构：m e m s 开关主要分为悬臂梁开关和膜开关。 大多数m e m s 开关最常用的驱动方法是静电驱动，静电驱动开关仅需要几微瓦 的能量损耗，偏置网络简单，电极尺寸小，膜层薄，相对短的开关时间，为将来 集成于i c 电路创造了条件 2 5 。 射频开关是雷达、电子对抗、通信领域的重要控制元件。正是由于有了它， 整机才能完成收发、切换、闭塞、优选以及更复杂的功能。对于一个多频段的通 信终端来说，要求滤波器同时具有窄的带宽，高的选择性、宽的调谐能力以及低 的插入损耗是非常困难甚至是不可能的。在此情况下，只有利用开关将整个频域 分成若干独立频段再通过滤波器进行选择。当频率高于g h z 时，由于传统的有源 器件开关( 如p i n ) 往往会出现高插入损耗和低隔离度等问题，因而研制用于g h z 的m e m s 微波开关是一个研究热点。 上海大学硕士学位论文 1 3r fm e m s 开关研究现状 最早的m e m s 开关是p e t e r s o n 于1 9 7 9 年研制的0 3 s e n n 厚，金属包覆的静电悬 臂梁式的微机械开关 2 5 。1 9 9 1 年l a r s o n 制作了旋转传输线式开关 2 6 。1 9 9 5 年，y a o 和c h a n g 锖u 作了以g a a s 为衬底，s 0 2 为悬臂梁的表面微机械开关 2 7 。1 9 9 5 年，g o l d s m i t h 等人制作了低驱动电压的膜式开关 2 8 ，2 9 。1 9 9 7 年，s c h i e l e r 等人在低温下利用聚酞亚胺作为牺牲层，制作了弯曲悬臂梁的微机械开关 3 0 。 1 9 9 8 年，p a c h e c o 等人制作了螺旋状平板作为上电极的微机械低驱动电压的r f m e m s 开关的设计与模拟开关 3 1 。低驱动电压m e m s 开关的设计与模拟是制作低驱 动电压升关的基础，直接关系到开关的应用范围。b a l a r a n t a n p 等人通过改变两 端支撑梁的形状，设计与制作出以又为衬底，c u 为上电极，驱动电压为9 v 的m e m s 开关 3 2 。p a r k 等人设计与制作出8 v 的开关 3 3 。p e r o u l i s 等人以& r ￥0 3 为介电 层，通过改变开关的传输线、两端支撑部分的几何形状，设计与制作出以n i 作为 上电极，驱动电压为6 v 的m f 2 “s 开关 3 4 。 自上世纪9 0 年代开始，电磁仿真软件成为r fm e m s 开关设计的有效工具。 这些商业软件有i e 3 d 4 7 ，s o n n e t 公司基于矩量法的2 5 维电磁场仿真软件 s o n n e t 4 8 ，a n s o f t 公司基于有限元方法的三维电磁场仿真软件h f s s 4 9 和电磁场仿真工具包m a x w e l l3 de 5 0 3 ，m e m c a d ，以及a n s y s 等软件。在r fm e m s 开关的设计中，模拟仿真程序已成为一种基本工具。 目前采用的专业电路设计软件可以完成i c 电路的综合设计、分析，但不能 模拟结构、力、热、流体等非电路特性，因此一旦涉及到m e m s 系统，使用便受 到限制。为了解决这一难题，从1 9 9 9 - - 2 0 0 0 年起国外研究人员开始从事研究基 于硬件描述语言( h d l - - h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 的m e m s 器件模型， 最终如常规i c 电路设计那样实现m e m s 系统的协同仿真 5 1 - 5 2 。 r fm e m s 开关功能的实现，都是通过热、电、磁、机械运动和变形等物理 性质之间的转换来完成的。这过程中必然发生材料结构的多种物理性质之间 的相互耦合，或者两种以上。随着构件的微型化，微型构件的力学性质也可能 出现很大变化，传统的应力变形和动力学分析己不适应m e m s 的设计了。另外， 上海大学硕士学位论文 由于m e m s 结构的复杂性，在力学、热学和电学的耦合效应作用下，常常使集成 电路和集成系统失效。对于较弱的耦合，在不影响问题许可精度的前提下，可 忽略其耦合效应：但是对于较强的耦合，则必须考虑其耦合效应。这样一来，物 质的状态空间必须由更多的参数才能确定。除变形外，还可能有电位移、磁场 强度以及温度等，而且它们在状态空间中所处的“地位”完全和变形一样，这 就使得我们必须结合力学、电磁学和热学等多个物理领域的知识来描述物质的 变形和动力学特点 5 3 。 其中计算机辅助设计( c a d ) 是微系统设计的有力工具。c a d 设计工具应包括： 器件的模拟、系统的教验、优化、掩膜版设计、过程优化等，还应建立混合的机 械、热和电气模型，进一步还应考虑所涉及的物理、化学效应进行更加综合的描 述和分析。与宏观系统的c a d 设计工具相比，目前为微系统开发的c a d 还不能很好 的满足上述要求e 5 4 - 5 6 。hu a n g 等人通过改变开关的形状，以a u 作为上电极， 用a n s y s 软件设计与模拟出低驱动电压的m e m s 开关 3 5 。g u o 等人分别以高阻硅、 多孔硅、石英为衬底，a m i o 0 4 为上电极，用a n s y s 软件模拟开关的静电力、驱动 电压、杨氏模量，设计与制作出驱动电压为5 v 的开关 3 6 。低驱动电压m e m s 开关 的设计与模拟，主要是通过改变开关的形状和材料，设计出低弹性系数的开关。 m u l d a v i n 等人利用i e 3 d ，s o n n e t ，h f s s 软件模拟了电容式开关的电容、电感和电 流分布 3 7 。w o n g 等人利用m a x w e l lq 3 d 软件模拟开关的电容、用h f s s 软件模拟 开关的插入损耗和隔离度、用m e m c a d 软件模拟开关的电阻 3 8 。h u a n g 等人利用 m e m c a d 软件模拟开关的电容、驱动电压、刚度系数 3 9 。r a y t h e o n 实验室研制的 并联开关代表当今最高水平，典型性能为：驱动电压为3 0 v ，开关延迟1 0 ，d ，在 3 0 g h z 时，插入损耗小于0 2 d b ，隔离度大于4 0 d b 。串联开关低频端的隔离度较 高，r s c 代表了串联开关的当今最高水平：驱动电压3 0 v ，开关延迟1 0 心，在3 g h z 时插入损耗小于0 2 d b ，隔离度大于5 0 d b 2 4 。 在各种r fm e m s 开关中，两种静电驱动的开关以其良好的微波特性与简单的 结构形式受到广泛的关注，即静电驱动串联接触式开关与静电驱动并联电容性膜 开关。 上海大学硕士学位论文 1 3 1m e m s 串联接触式开关 图1 2 为典型的静电驱动串联接触式开关，当直流驱动电压超过开关的阀 值电压时，悬臂梁自由端的触点和信号输出端相接触，开关闭合，信号导通。 根据相关的微波测试，串联接触式开关的插入损耗随着信号频率的增加而增加： 隔离度随着频率的增加而减小。在通常情况下，串联接触式开关应用的频率范 围是d c i o g h z 。串连接触式开关在1 g h z 时的隔离度高达5 0 一6 0d b ，随着频率 的增加，隔离度下降，到2 0 g h z 时，隔离度下降到2 0 3 0 d b 。插入损耗在4 g h z 以下均低于0 1 d b ( 良好的金属接触) 。悬臂梁开关最大的优点是，在相同结 构尺寸和材料下，开关具有较低的阀值电压，但这是以开关机械谐振频率为代 价的，而且，电阻接触式开关通过两金属表面的直接接触来传输微波信号，这 种工作方式至少会带来两方面的不利后果：一方面，导线间的接触电阻不但会 增加开关的插入损耗，而且会随着开关次数的增多而逐渐增大，这导致开关的 接触电阻超过额定值，开关失效；另一方面，由于金属直接接触而引入的静摩 擦力、微连接和驱动开关的静电力大小相当，这会导致开关工作不稳定或过早 的时效。因此，串联接触式开关不适用于高速开关领域。 1 3 2 脏m s 并联电容式开关 1 9 9 6 年，g o l d s m i t h 设计和测试了薄膜偏转电容式射频开关 2 4 。和相应的 图1 2 静电驱动串联接触式开关 1 0 上海大学硕士学位论文 电阻式开关相比，电容式开关的一个重要的优点就是利用电极板上的绝缘层来最 大限度地减小静摩擦力的影响，使得开关工作稳定。图1 3 中，被称作“桥”的 金属薄膜，悬于中间导线上面，两端固定于共面波导的地线上。在中间导线( 信 号线) 上淀积有一层介质膜。要实现对开关的电压驱动，需要在膜“桥”与下电 极之间施加直流电压，产生的静电引力将膜桥下拉至绝缘层上。绝缘层的作用有 两个，一是阻挡了桥和中间导体间的静磨擦，消除了微焊接；二是在两触点之间 提供了低阻抗的通道。在衬底的上表面和双端固定梁的下表面都淀积有导电层， 构成平行板电容器 5 7 1 。外加的驱动电压作用在固支梁和底电极之间，极板间 的静电力将使固支梁向下偏移。这种梁的变形可用偏移量d ( x ) 来描述。当梁偏移 到某一特定位置、通常为初始间距的1 3 - 一1 2 之间，力的平衡被打破，金属膜迅 速地塌陷到下极板( 下极板上覆盖有绝缘层) 。当外加电压小于开关的阀值电压 时，信号线和地平面间的耦合电容很小，微波信号以极低的插入损耗通过开关， 开关导通；当外加电压大于开关的阀值电压时，信号线和地平面间的耦合电容很 大，微波信号基本被反射，开关截止。 目前，对r fm e m s 开关的研究主要都集中在开关梁的结构设计和力学分析上 5 8 ，5 9 ，基于开关的电磁特性的研究，尤其是开关高频阻抗匹配分析的研究与验 证比较少。大部分r fm e m s 电容性膜开关的“关”态电容为p f 级，“关”态谐振频 率2 0 - 5 0 g h z ，只有在i o g h z 以上才具有低差损、高隔离( 2 0 d b ) 的优点，某些通 信系统需要更低的工作频率。所以，设计合适的结构形式、几何参数、选择合适 的谐振频率和介质膜的控制，是高隔离度r fm e m s 电容性膜开关设计制作的关键。 图1 3 静电驱动m e m s 并联电容式开关 上海大学硕士学位论文 南京m e m s 微系统研究所已经生产出具有高隔离度的h t e m s 双模桥开关的成品 6 0 ， 但是其插入损耗过大，而且其制造采用了比较难以实现的高介电常数介质( b s t ) ， 其介电常数已经超过了1 0 0 ；本论文采用常规的介质材料，真正实现了具有低插 入损耗、高隔离度的m e m s 电容性膜开关的设计与理论研究。 文献 6 1 建立了x 波段m e m s 膜开关的“开”态阻抗分析模型，但是其“关” 态谐振频率已严重偏离了x 波段。可见，实现开关“开”态阻抗匹配的同时。对 “关”态谐振频率的控制十分的重要。具有感性可调结构的m e t e s 电容性膜开关的 提出为这一难题提供了解决方案。本文通过对感性可调m e m s 电容性膜开关等效电 路模型的电磁特性分析，建立了开关的“关”态谐振频率选择模型和“开”态阻 抗匹配模型。同时给出了基于这两种模型设计x 波n m e m s 开关的“关”态隔离度 与“开”态反射损耗的电路仿真结果，与电磁场全波仿真结果吻合较好。本文从 微波等效电路的角度提出高性能感性可调m e m s 电容性膜开关的设计方法，具有较 高的实际应用价值。 1 4 本论文的研究内容 基于r fm e m s 开关在射频系统中的诸多潜在应用，如多波段通信系统中的 天线接收和信号滤波通路选择，智能天线等。本文对感性可调r fm e m s 电容性 膜开关进行深入研究，设计应用频段低于i o g h z 的r fg e m s 电容性膜开关，虽 然串联接触式开关能达到这一目的，但是电容性膜开关与串联接触式开关相比 具有稳定性高与有效周期长等优点；同时因为电容性膜开关的带宽很窄，通过 双膜结构的设计实现此类开关的宽带特性。 本文提出将单膜结构的m e m s 电容型模开关设计与其相对应的电路设计相结 合，实现“关”态的谐振频率可调的设计方法。由于m e l d s 电容性膜开关的隔离度 随频率的增高而增高，采用双膜结构甚至三膜结构，可以使微波信号得到多重隔 离，达到提高开关隔离度的目的。考虑到工艺、芯片尺寸等因素，采用双膜结构的 m e m s 电容性开关是提高隔离度及其他综合性能最佳的选择，文本将单膜m e ) i s 电容 性开关的“关”态谐振频率的可调设计方法应用于双膜结构的m e m s 电容性开关设 计，在提高开关隔离度的同时又实现了此类开关的宽频带特性。 2 上海大学硕士学位论文 同时，对于r fm e m s 开关，其插入损耗是衡量开关高频特性的重要指标。射频 e 峪开关器件结构和工作机理决定了m e m s 开关具有优越的高频特性因此，i d e t i s 开关的微波设计中，开关的“开”态阻抗匹配问题成为微机械开关设计的重要问 题因此，在“关”态隔离频率选择的基础上如何实现“开”态的阻抗匹配也是我 们研究的一个重点。另外，对r fm e m s 开关的多物理耦合场仿真方法进行研究。 本论文是以作者攻读硕士学位期间承担课题的工作为基础，分为五章： 第一章，绪论，概述国内外r fm e m s 器件和电路的研究现状和进展。 第二章，利用高频电磁场分析软件h f s s 与电路设计软件a d s 分析m e m s 电 容性膜开关的等效电路、电磁模型，系统提出此类开关的等效电路参数的提取 方法。 第三章，采用在m e m s 开关等效电路的概念及分析方法，对m e m s 电容性膜 开关的结构进行设计与仿真，包括共面波导传输线的分析与设计，并从信号传 输的角度论述了电路微波阻抗匹配的机理和定性的分析方法，建立感性可调 m e m s 电容性膜开关的“关”态谐振频率选择模型和“开”态阻抗匹配模型，推 导出“开”态阻抗匹配与“关”态的谐振频率控制的统一公式，并对x 波段m e m s 电容性膜开关做了具体分析。进一步提出将电路设计应用到双膜开关的设计， 从而产生传输零点，改善开关频率选择特性。 第四章，基于感性可调m e b t s 电容性膜开关的“关”态谐振频率选择模型和 “开”态阻抗匹配模型，论述了宽带双膜桥开关的设计原理及实现方法，应用 电路设计的概念，给出了相应的等效电路，并通过t 形与z 形的“开”态阻抗 匹配，显著地降低了开关的插入损耗特性。通过“关”态谐振频率的控制，在 开关的频响阻带内产生两个的传输零点，明显提高了开关的带宽，而且有一定 程度的小型化。 第五章，介绍t m e b l s 器件的多物理耦合场仿真的方法与理论，针对静电驱动 m e l d s 器件的特点，在综述国内外常用的一些建立宏模型的方法与理论的基础上， 采用新型的网格划分的方法，建立t v h d l 语言描述的m e m s 开关宏模型，并给出其 电场一磁场耦合的模拟结果，在m e m s 器件的多物理耦合场协同仿真及m e m sc a d 方面做了探索与尝试。 上海大学硕士学位论文 第二章r fm e m s 电容性膜开关的建模与参数提取 关于射频( r a d i of r e q u e n c y ) 以前较为普遍的观点是介于l o o k h z 到l o o e q z 之间的频率，但是现在它的含义更为广泛，包括r f ，微波和毫米波频段( 1 0 0 1 ( h z 到3 0 0 g h z ) 。没有一个开关可以工作在整个频带，所以r f 开关是根据不同的应 用在特定的频段设计的。在r f 应用中，r fm e m s 开关和传统的r f 开关相比具 有如下的优点：隔离度好，插入损耗低；控制电路能耗低；工作频带宽，功率 容量大。 电容性膜开关在微波和毫米波电路中以其优越的高频特性、极低的直流功 耗表现出巨大应用前景。本文将在前人研究的基础上，对射频微机械开关的微 波特性进行深入的研究，利用高频分析软件分析m e m s 开关的等效电路、电磁模 型，提出m e m s 电容性膜开关等效电路参数的提取方法。首先，介绍开关的重要 性能指标，它们是不同开关相互比较的依据。 2 1r fm e m s 开关的技术指标 在理想条件下，开关是控制射频信号或连接高频信号的器件。开关的技术 指标有工作频带、驻波比、正向插入损耗、反向隔离度、瞬变时间、切换速度、 功率容量、控制电压范围、l d b 功率压缩点、三阶交调系数等 1 0 ，1 4 。其中， 工作频带是设计r fm e m s 开关需要首先考虑的问题；驻波比衡量开关与传输线 间的阻抗匹配情况；三阶交调系数衡量开关的非线性度；功率容量是指开关所 能处理的最大功率。下面简要介绍r fm e m s 开关的关键的技术指标。 2 1 i 隔离度 开关在断开时，输出端的“关”态功率与“开”态功率之比， 的隔离度，用躜”表示： s z d t o w n 一- - i p o f f 4 定义为开关 ( 2 一l a ) 上海大学硕士学位论文 通常用分