（通信与信息系统专业论文）低驱动电压k波段电容耦合式rf+mems开关设计.pdf

西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 r fm e m s 开关作为微波信号和高频信号控制的关键器件，与传统的p 二极管开关和f e t 开关相比，具有插入损耗小、隔离度高、驱动功耗小、加 工成本低等优点，在军、民用领域有广泛的应用价值。但目前r fm e m s 开 关存在的一个主要问题是驱动电压过高，不能满足现代通信系统的发展要 求。低驱动电压k 波段电容耦合式盯m e m s 开关的设计、仿真与加工制备 是本课题的主要研究内容。 论文分析了电容式射频开关的工作原理，推导了开关驱动电压的理论公 式，设计了四种不同结构的空气桥电容式开关，并使用m e m sc a d 软件 c o v e n t o r w 打e 和高频电磁场仿真软件h f s s ，对开关模型进行了机电耦合仿 真和微波性能仿真。开关以共面波导为传输线，s i 0 2 为桥墩，s i 3 n 4 为绝缘介 质层，以铝硅合金为梁。空气桥膜包含双驱动电极，采用弹性折叠梁作为支 撑结构。仿真结果表明，开关的驱动电压小于3 v ，满足低驱动电压的设计目 标。开关在k 波段插入损耗小于0 4d b ，隔离度大于1 7 d b 。 在多次改版、流片的基础上，围绕制备工艺中的一些关键技术，对器件 版图和加工工艺作了改进和完善。经过多次流片，成功制各了低驱动电压k 波段电容耦合式i 江m e m s 开关原理样品。 关键词：l m e m s射频开关 低驱动电压设计微加工 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t r fm e m ss w i t c hh a sb e e nk e ye l e m e n ti nt h ef i e l do fm i c r o w a v e 锄d m m - w a v es i g n a lc o m r 0 1 c o m p a r e i n gw i t hp i nd i o d es w i t c ho rf e ts w i t c h ， m e m ss w i t c h e sh a v es e v e r a la d 、j ：a n t a g e ss u c ha sl o wi n s e r t i o n l o s s ，h i g h i s o l a t i o n ，l o wp o w e rc o n s 啪p t i o n 趾dl o wm 加u f a c t u r ec o s t b e c a u s eo ft h e s e s i g n i f i c a n ta d v a n t a g e s ，r fm e m ss w i t c hi sv e r yv a l u a b l ei nm i l i t a 巧a n dc i v i l a p p l i c a t i o na r e a s b u ta tp r e s e n tt h em a i np r o b l e mo fr fm e m ss w i t c hi st h a ti t s t h r e s h o l dv o l t a g ei st o oh i g ht om e e tt h ed e m a n do ft h ed e v e l o p m e n t o fm o d e r nc o m m u n i c a t i o n s y s t e m s t h ed e s i g n ，s i m u l a t i o na n d f a b r i c a t i o no fl o wt h r e s h o l dv o l t a g ek - b a n d c a p a c i t i v er fm e m s s w i t c ha r et h em a i nc o n t e n to ft h ist h e s i s o nt h eb a s i so f al o to f r e s e a r c h ，t h eo p e r a t i n gp r i n c i p l e so f c a p a c i t i v er f m e m ss w i t c ha r ea n a l y z e da n dt h ef o r m u l af o rt h et h r e s h o l dv o l t a g e o fm e m ss w i t c hi sd e d u c e d f o u rd i f f e r e n ts t r u c t u r ec a p a c i t i v es w i t c h e s a r ed e s i g n e d m e m sc a ds o f t w a r ec o v e n t o r w a r ea n dm i c r o w a v e c a ds o f t w a r eh f s sa r e a p p l y e d t os i m u l a t em e c h a n i c a la n d 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 so ft h es w i t c h e sr e s p e c t i v e l y t h e s w i t c h e si n c l u d ec o p l a n a rw a v e g u i d ea sd i s c o n n e c t e ds i g n a l l i n e ， s i 0 2a n c h o r ，s i 3 n 4d i e l e c t r i cl a y e ra n da l u m i n u m s i l i c o na n o yb e a m t h e s w i t c hb e a mc o n s i s t so fd o u b l ed r i v ee l e c t r o d e sa n d s u s p e n d e d m e t a i l i cm e m b r a n es u p p o r t e db yf l e x i b l es e r p e n t i n es p r i n g so v e rt h e c o p l a n a rw a v e g u i d e s i m u j a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h e t h r e s h o l dv o l t a g e so ft h es w i t c h e sa r el o w e rt h a n3 v ，w h i c hh a s a c h i e v e dg o a lo ft h ed e s i g n t h ei n s e r t i o nl o s so fu ps t a t ei sl o w e r t h a n0 4 d ba n dt h ei s o l a t i o no fd o w ns t a t ei sh i g h e rt h a nl7 d bi n k b a n d a r e rl o t so fe x p e r i m e n t s ，t h ed e v i c el a y o u ta n dt h ef a b r i c a t i o np r o c e s s 盯e i m p r o v e do n m e m ss w i t c hp r o t o t y p e sa r es u c c e s s f u l l ym a d eo u t k e y - o r d s ：l 己fm e m s ；r fs w i t c h ；l o wt h r e s h 0 1 dv o l t a g e ； d esig n ；m i c r o f a b r i c a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，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 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西南科技大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的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。 签名：刎佐 日期：砌占9 侈 关于论文使用和授权的说明 本人完全了解西南科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文的复印件，允许该论文被查阅和借阅；学校可以公布该论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：钏佐 导师签名五彩喀日期：纵付够谚 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 1绪论 1 1r fm e m s 技术特点及基本的r fm e m s 器件 目前，信息技术已走上多媒体、网络化、智能化的道路，微电子信息处 理已经向系统级芯片集成发展pm 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 ， 微电子机械系统) 技术的研究开发兴起于二十世纪八十年代中期，是集微机 械、微传感器、微执行器、信号处理、智能控制等技术于一身的一门研究领 域。它以常规的集成电路加工工艺为基础，开发出一系列m e m s 专用工艺， 例如：体硅工艺、晶片键合、深刻蚀、牺牲层技术等。m e m s 技术的特点和 优点是体积小，重量轻，性能稳定，可通过i c 工艺批量生产，成本低，性能 一致性好，功耗低，集成度高等。 r fm e m s ( 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 ，射频微电 子机械系统) 是m e m s 技术的一个分支，也是二十世纪九十年代以来m e m s 领域的研究热点。随着信息时代的到来，数据的存储、处理和传输技术的地 位也越来越重要，高集成密度的小型化、多功能、低成本的无线电终端将是 通信技术的主要发展方向。而目前的通信系统中，仍然有大量的片外分立元 件，例如电感、可变电容、滤波器、移相器、开关阵列等，成为电子系统尺 寸进一步缩小的瓶颈。r fm e m s 技术的出现可望解决这个难题。 一到目前为止，l 强m e m s 技术主要包含三个方面： r fm e m s 开关、 可变电容，、电感，、谐振器等基本器件；滤波器n ”、移相器、v c o ( v 0 l t a g e c o n t r o l l e do s c i l l a t o r ，电压控制振荡器) 等基本组件；单片接收机、 变波束雷达、相控阵天线等应用系统。 基本的r fm e m s 器件包括r fm e m s 射频开关、r fm e m s 电感、r f m e m s 可变电容、r fm e m s 谐振器等。射频开关是高频信号变换和传输的 关键元件，其性能直接影响着系统的最终性能。如果在微波系统中采用传统 集成电路中使用的晶体管开关，由于p n 结的存在，会产生一定程度的i v 非线性；如果使用外置分立开关，又存在体积和功耗过大和切换速度慢的问 题。i 江m e m s 开关具有低功耗、低损耗和线性度好等优点，适用于微波系 统的前端电路中。盯m e m s 电感器是调谐电路、阻抗匹配网络、低噪声放 大器和滤波器等系统中的关键元件。常规片上平面电感存在着寄生参数，这 些寄生参数使其q 值和和自谐振频率严重劣化。而采用体微机械加工技术制 造的m e m s 电感器可以改进这些电路的增益、功耗、相位噪声等性能参数， 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 页 大幅度减小寄生参数，达到分立电感器的性能水平。可变电容器是调谐电路 的重要基础元件。但可变电容器通常是实现电路单片集成的一大障碍，重要 原因之一就是传统的可变电容器工艺与i c 工艺不兼容，使得集成可变电容器 的性能变差。这一问题随着i 讧m e m s 技术的发展而得到了解决。采用m e m s 技术可制造高q 值的谐振器，且能够单片集成。 基本的l 讧m e m s 组件包括r fm e m s 滤波器，r fm e m s 移相器，v c o 等。l 江m e m s 滤波器是基于高q 值微谐振器的组件，主要用于信号处理。 它的优点是信噪比高，选频特性好，有稳定的温度和时效特性，但工作频带 比较窄。r fm e m s 移相器与传统的移相器相比，具有频带宽、损耗小、成 本低、可批量生产、易于与i c 电路集成等优点。v c o 是现代通信系统中必 不可少的组件。研究人员在单片集成r f 收发机上做了大量的工作，v c o 仍 然无法集成到芯片上。其主要原因是高q 值的电感、p n 变容二极管无法与 标准的硅工艺兼容。随着l 强m e m s 技术发展，v c o 集成在芯片上成为可能。 l 强m e m s 应用系统举例： 1 基于l 强m e m s 开关的天线。天线是将微波在传输线和空间之间转换 的设备。在天线中，主要是用i 强m e m s 开关改变天线的频率和波束特性。 目前取得的成果一般体现在两个方面，一是获得简化结构的相控阵天线，二 是获得可变频率、波束特性的天线，使一个天线获得多个天线的功能。 一2 r fm e m s 单片收发机。由i 江m e m s 开关、电感、可变电容、谐振 器等基本器件以及高q 值的滤波器、v c o 等基本组件构成，可望实现单片 集成，在提高性能的同时，大大降低体积和成本。 1 2r fm e m s 射频开关的应用背景与研究意义 l 讧m e m s 射频开关是微波信号和高频信号变换的关键元件，与传统的 p i n 二极管开关和f e t 开关相比，具有插入损耗小、隔离度高、驱动功耗小、 加工成本低等优点，在军、民用领域有广泛的应用价值。表1 1 n ，对比了r f m e m s 开关与p i n 二极管开关二f e t 开关的性能。 i 江m e m s 开关良好的微波特性使其可以广泛的应用于各种射频、微波 和毫米波前端电路中。u c l a ( u n i v e r s i t yo f c a l i f o m i aa tl o sa n g e l e s ，加利 福尼亚州立大学洛杉矶分校) 的研究表明，r fm e m s 开关目前主要有以下 三个应用领域伸1 ： 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 页 表卜1 r f _ e m s 开关与p i n 二极管开关和f e t 开关的性能对比 t a bie 1 1t h ec h ara c t eris tic so fr f _ e _ ss _ it c hc o m p are dwit hpin d i o d ea n d f e ts w it c h 1 微波系统的前端路由电路。在多个发射机共用一个天线的前端结构 中，由多个开关和滤波器构成了一个庞大的频率预选网络。采用p 烈二极管 开关需要消耗几十毫瓦的功率，并且隔离度不能达到预期的效果。采用 m e m s 开关则可使前端的噪声系数由4 5 d b 降到4 0 d b ，频率预选器的功耗 由1 0 0 m w 降到1 m w 。 一一一一一 2 基于m e m s 开关的电容库。最先用m e m s 开关形成高q 值的电容是 在1 9 9 6 年，报道的电容在1 g h z 的q 值为6 2 。空气桥式结构( 双端固支梁) 的电容式开关的关态和开态的电容比一般大于1 0 0 ，因此用电容式m e m s 开 关制作电容库成为可能。 3 相移网络。移相器是锁相环、相控阵天线以及其他许多电路中必不可 少的元件，但是通常的移相器在相移的准确度和插入损耗方面不尽如人意。 采用共面波导传输线上制作m e m s 开关的电路来实现相移功能，较好地解决 了插入损耗等问题。 r fm e m s 开关大部分采用静电驱动口1 ，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，开关时间较短。然而，目前 l 江m e m s 开关普遍存在的问题是驱动电压过高，静电m e m s 开关需要 3 0 8 0 v 的驱动电压。而移动通信设备的工作电压一般都很低，如手机的工作 电压在3 3 v 左右。用于移动通信设备时，需要用电压向上变换器将很低的输 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 页 入电压提升到所需的驱动电压；同时，大多数r fm e m s 开关的开关速度为 几微秒到几十微秒，而通信系统大多需要速度更快的开关。 目前在实验室环境中得到驱动电压为3 0 8 0 v 的r fm e m s 开关是比较 容易的，而开关的应用要求其驱动电压更低。另外，有研究表明，电容式 m e m s 开关的寿命与驱动电压有很大关系，驱动电压每下降5 7 v ，开关的 寿命可延长1 0 年。因此，设计低驱动电压的l 讧m e m s 开关，可以在不需要 向上变换器的情况下使开关直接应用到通信系统中，并且能够获得很长的使 用寿命。 1 3r fm e m s 射频开关的研究现状 1 3 1r fm e m s 开关的分类 根据开关梁的结构，r fm e m s 开关主要有悬臂梁和双端固支梁两种结 构；根据接入电路的结构，可分为串联开关和并联开关；根据接触类型，可 分为欧姆接触式开关和电容耦合式开关：根据驱动原理，可分为静电驱动开 关、电磁驱动开关、热驱动开关和压电驱动开关等：根据驱动方向，可分为 横向驱动开关和纵向驱动开关。 1 3 2r fm e m s 开关国内外研究现状 m e m s 开关的研究始于i b m 的k e p e t e r s o n ，从1 9 8 0 年开始应用于低 频波段，但在相当一段长时间内，m e m s 开关仍局限于实验室内。1 9 9 1 年， 在美国d a 认( d e f e n s ea d v a n c e dr e s e a r c hp r o j e c t sa g e n c y ) 项目的支持下， h u 曲e sr e s e 2 u f c hl a b s 的l a ql a r s o n 等人设计了最早的应用于微波波段的 m e m s 开关。到2 0 0 4 年，世界上有超过1 0 0 个单位从事i 江m e m s 技术研究。 下面是一些欧姆接触式r fm e m s 开关实例： 图1 1 是r o c k w e l ls c i e n c ec e n t e r 于2 0 0 1 年报道的一种串联型欧姆接 触式开关。该开关的上电极不再是简单的单悬臂梁，而是具有两个下拉电极 和折叠梁的复杂结构。上电极用四个锚点固定在衬底上，牺牲层采用聚酰亚 胺，氧气等离子体干法释放。该开关的接触电阻小于2 q ，驱动电压约为6 0 v ， 隔离度 5 6 d b 2 g h z ， 3 0 d b 4 0 g h z 。 图1 2 ，是m i c h i g a n 大学2 0 0 1 年研制出的一种全金属串联型欧姆接触式 开关。该开关将上电极设计成用四个小悬臂固定，并有两个下拉电极。驱动 电压为3 0 4 0 v ，接触电阻为0 5 2 q ，隔离度为3 5 d b 4 g h z ，2 0 d b 1 6 g h z 。 西南科技大学硕士研究生学位论文第j 页 图卜3 l l n c 0 1n 实验室研制的串联型欧姆接触开关 f 1g1 _ 3t h e s 。r i 洲o n t a c tr fm e _ ss - l t c hf a brc 8 t e db yl in c o lnl a b 西南科技大学硕士研究生学位论文第6 页 陶1 4 足川i n o i s 人学在2 0 0 0 年报道的一种单刀双掷并联型欧姆接触式 丌关。它把金属触点与接触电极党全分开，采用非固定的铰链式金属膜片作 为金属触点。有两个下拉电极，面积都是8 0 0 1 0 0 u m 。驱动电压为8 15 v ， 膜片拉下后会将信号旁路到地。该开关主有上拉电极，可以在需要时通过静 电力把金属膜片吸附在上极板上，从而降低了开关的插入损耗。开关的插入 损耗在1 0 0 m h z 一4 0 g h z 范围内均小于01 d b ，隔离度在1 0 0 m h z 4 0 g h z 范 围内均大于2 5 d b 。 图1 4 i n 大学研制的铰链式欧姆接触开关 f ig1 4 t h eh in g n t a c tr fm e m s t c hde v e io p edb y i | n o is u i t v 与欧姆接触式外关类似，电容耦台式开关也分串联型和并联型。但串联 鹎电容耦合式开关性能优势不明显，这方面的研究和报道较少。下面是一些 并联型电容耦合式开关实例。 图1 5 “是cg o l d s m “h 等人在1 9 9 5 2 0 0 0 年问研发出的一种电容并联式 丌关。为了获得平滑的介质层表面，采用钨合盒作为下电极，然后沉积了约 1 0 0 0 a 的氮化硅。采用聚酰亚胺牺牲层，采取等离子干法释放牺牲层。开关 驱动电压为3 0 5 0 v ，电容率比为8 0 一1 2 0 ，插入损耗为00 7 d b ( 1 0 4 0 g h z ) ， 隔离度为2 0 d b 1 0 g h z ，3 5 d b _ 盈3 0 0 h z 。这种行关已j j 于x 波段和k 波段的 滤波器中。 圈1 6 为m i c h i g a n 大学2 0 0 1 年研制的一种线内电容耦合式开关。其上 电极在信号通道上，下电极接地。上电极是一层o8 1 u m 的a u ，与f 面绝 缘介质之间的距离为15 22 u m 。该开关的驱动电压为1 2 2 4 v ，插入损耗为 o0 3 d b l o g h z ，o0 5 d b 3 0 g h z 。隔离度为3 0 d b 3 0 g h z 。 塑 西南科技大学硕士研究生学位论文第7 页 图卜6钱内电客耦合式开关 f 。g1 6t h 一| i a p a c f t fv er fm e m s8 w i t c hf a b a t e dbym l c h i g a n u n i v e r s i t v 很多用本大公司也投入巨资研究r fm e m s 。2 0 0 2 年，o m r o n 公司推出 r 一个体积较大的开关产品，如图1 7 ”所示。研究人员利用s o i 硅片，将 上层单晶硅作为结构层反向键台到玻璃圆片上，完成了高性能开关的制作。 该开关驱动电压小于2 0 v ，开关寿命大于1 07 ：，开关时间为03 m s ，工作频 率在0 8 g h z 的范围，能够满足第五代移动通讯的要求。r 本村田制作所、 松下网络开发本部、三菱电机公司等都相继发布了r fm e m s 开关产品引m 。 国内在科技都、教育部、总装备部、中国科学院、国家自然科学基金委 员会等f 管部门的支持r ，从事r fm e m s 器件开发的有北京大学、清华大 学、华东师范大学、重庆大学、中国电子科技集团公司j 3 所、5 5 所、中科 院l 海微系统所等单位，但基本上都停留在实验室阶段。以下是国内相关的 些研究成果。1 西南科技大学硕士研究生学位论文第8 页 图卜70 mr o n 公司研制的r fm e 惦开关 f lg1 7t h er fm e m s tc h f abr lc a t e db yo mr o nl t dc orp ora t lo n 中国电子科技集团公司5 5 所开发了种s 波段双模桥r f m e m s 开关” 其驱动电压未见报道，插入损耗为o5 d b 4 g h z ，隔离度为4 0 d b 4 g h z 。 图l m 是台湾大学研制的并联型弯曲粱欧姆接触式开关。衬底材料为 g a a s ，弯曲上翘的上电极是在蒸发出的层05 u m 厚的a lr ，再蒸发出一 层0 1 u m 厚的c r ，山于a l 层和c r 层的应力梯度不同，导致电极的上翘。可 以通过改变两层金属的厚度比例束改变电极的上翘程度。丌关的驱动电压为 2 6 3 0 v ，开关速度约为1 嘶s 插入损耗为05 d b 1 0 g h z ，隔离度为 1 7 d b 1 0 0 h z 。 图卜8台湾大学研制的弯益梁欧姆接触式开关 f l g1 8 t h ec e d b e o n t a c tr f e m ss - l t chf a b a t e db yt a i u n l s i t v 清华大学报道过一种高介电常数介质的并联型电容耦合式丌关”1 ，驱动 电压为2 3 v ，具它性能参数未给出。华东师范大学报道过一种并联型电容耦 合式开关一，驱动电压为2 5 v ，在1 4 0 0 h z 范围内，插入损耗约为1 d b ，隔 离度为1 0 d b 。 目前研究的新型m e m s 开关结构中，有隔离性能较好、下拉电压较低的 西南科技大学硕士研究生学位论文第9 页 磁性材料开关和组合式开关，可完成多通路切换的扭转式开关以及低下拉电 压的弹簧式开关等。弹簧式开关的桥梁制作成规则的折叠梁结构，以降低桥 梁的弹性系数，因此对于相同材料和尺寸的桥梁，弹簧式开关的下拉电压比 矩形梁开关要小。在增加桥梁悬浮高度提高开关隔离度的同时，开关的下拉 电压增幅较小。但开关的图形较复杂，而且为了进一步降低开关的下拉电压， 开关也增大了电极面积。这种开关的制备，对光刻和腐蚀工艺的要求较高。 目前市场上已经有一些欧美和日本厂商提供r fm e m s 开关产品。表 1 2 n ”是一些市售的m e m s 开关产品的基本性能参数。 表卜2商业化的_ e m s 开关基本性能参数表 t a bie 1 2t h eb a sicp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r sd a t eo fb u sin e s s _ e m ss wit c h e s 1 4本文主要工作及内容安排 本文研究工作受中国工程物理研究院科学技术发展基金重点项目 2 0 0 7 a 0 5 0 0 l 资助，针对l 讧m e m s 开关应用中驱动电压过高的关键问题，本 论文的主要工作是： ( 1 ) 以开关的一维力学集总模型为理论基础，对r fm e m s 开关的驱动 电压进行了理论推导，分析了降低开关驱动电压的方法。 ( 2 ) 分析了开关的几何结构参数对驱动电压的影响。设计了四种结构不 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 0 页 同的电容式r fm e m s 开关，、利用m e m sc a d 软件c o v e n t o r w a r e 建立了开 关的机电耦合仿真模型，对开关的驱动电压和各阶模态频率进行了数值仿真 计算。 ( 3 ) 研究了开关的集总c l r 等效电路模型，分析了开关等效c l r 参数 与开关几何结构参数的关系，及其对开关微波性能的影响。利用高频电磁场 仿真软件h f s s 建立了开关的微波性能仿真模型，在0 4 0 g h z 范围内对开关 的插入损耗和隔离度性能进行了数值仿真计算。 ( 4 ) 研究了开关的微制造工艺，设计了开关的加工工艺流程及加工版图， 并获得了开关原理样品。 本文主要章节内容安排如下： 第一章绪论。介绍了r fm e m s 技术的特点、基本器件， r fm e m s 射频开关的应用背景、研究意义以及国内外的研究现状。说明了论文的主要 工作和内容安排。 第二章开关设计基础及设计仿真软件介绍。介绍r fm e m s 射频开关的 技术指标，设计制作流程，开关传输线结构的设计及欧姆接触式开关与电容 耦合式开关的工作原理；简要介绍了辅助设计、数值仿真所使用的工具软件 c o v e n t o r w a r e 和h f s s 。 第三章开关的力学模型与机电耦合仿真分析。根据开关的一维力学集 总模型推导了开关驱动电压的理论计算公式。根据理论分析和现有的工艺条 件，设计了四种不同结构的低驱动电压r fm e m s 电容耦合式开关，利用 m e m sc a d 软件c o v e n t o r w a r e 进行了机电耦合仿真。 一 第四章开关的电磁模型与微波性能仿真分析。分析了开关的集总c l r 等效电路模型，揭示了开关集总c l r 参数与开关几何结构参数的关系及其对 开关微波性能的影响。利用高频电磁场仿真软件h f s s 对设计的四种m e m s 开关进行了全波仿真分析。 第五章开关的微加工工艺。介绍了开关的制作工艺流程，包括工艺步 骤、基本的工艺参数等，讨论了几个关键工序的工艺要点。设计了开关的加 工版图，制备得到了低驱动电压k 波段电容耦合式r fm e m s 开关的原理样 口 日口。 结论总结了论文的主要工作，取得的研究成果，指出了后续研究方向。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 1 页 2 开关设计基础及设计仿真软件介绍 介绍了r fm e m s 射频开关的主要技术指标如驱动电压、开关速度、插 入损耗和隔离度等，介绍了微波信号传输线的设计原理和要点，分析了欧姆 接触式开关与电容耦合式开关的结构以及工作原理，并对设计中使用的 m e m s 设计仿真专用软件c o v e n t o rw 打e 和高频电磁场仿真软件h f s s 进行 了简单介绍。 2 1r fm e m s 射频开关技术指标 一般来说，射频是指1 0 0 k h z 3 0 0 g h z 的频段瞳”。根据r fm e m s 开关应 用的不同，应设计于特定工作频段，其主要技术指标有： ( 1 ) 驱动电压。当加在开关上下电极间的电压由零开始逐渐增大时， 使开关梁由静止到开始向下运动所需的电压称为开启电压；当开关梁向下偏 移到初始距离的大约2 3 处时，其所受到的静电力就会大于梁的刚度所引起 的回复力，梁迅速偏移到下极板。将使开关梁偏移到初始距离的2 3 处所加 的电压称为下拉电压，也称为阈值电压。开启电压和下拉电压合称驱动电压。 驱动电压的大小不仅和开关的材料参数有关，而且与开关的结构和尺寸和结 构紧密相关。 ( 2 ) 渡越时间。对通过开关的射频信号的电压包络线而言，指射频电 压从1 0 上升到9 0 或从9 0 下降到1 0 所需的时间。 ( 3 ) 开关速度。指当开关控制线上的输入电压发生改变时，在开关的 输出端有反应所需要的时间。开关速度包括驱动器传输延迟时间和渡越时 间，定义为从控制电压的5 0 到射频电压的9 0 ( 上升时间) 或1 0 ( 下降 时间) 所需的时间，如图2 1 ”所示。 ( 4 ) 开关寿命。开关在正常工作条件下所能正常工作的最低次数称为 开关寿命。一般要求5 0 0 0 一3 5 0 0 0 次，通常要求1 0 0 0 0 次，较高的要求是5 0 0 0 0 5 0 0 0 0 0 次。 ( 5 ) 功率容量。功率容量包括额定电压、额定电流、额定功率，指开 关在正常工作时允许通过的电压、电流及负载功率。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 2 页 耄 哪。r - 伊o h 一 叼一 厂一| ：一 一l * - o 图2 1开关速度 f i g 2 1 t h es p e e do ft h em e m ss w i t c h ( 6 ) 插入损耗与隔离度。开关存在一定数值的电抗及损耗电阻，因此 开关电路在导通时衰减不为零，称为插入损耗；在断开时衰减也不是无穷大， 称为隔离度。性能良好的开关应该是插入损耗较小而隔离度较大。插入损耗 定义为开关处于导通状态时传输到负载的实际功率与输入功率之比，通常用 d b 作为单位，如下式： 插入损耗= l0 l g ( p o u t p i n ) 隔离度定义为开关处于断开状态时信号衰减的功率与输入功率之比，如 下式： 隔离度= 1o l g ( p 。一p o n ) 其他表征r fm e m s 开关性能的参数还很多，如机械谐振频率、频率截 止点等。 2 2开关的设计制作流程 一个性能良好的m e m s 开关通常需要多轮的设计、加工才能获得。由于 m e m s 设计、工艺的多样性，很难形成固定的工艺库。设计者通常要改进目 前的微电子工艺来形成自己的m e m s 工艺。图2 2 为i um e m s 开关的一般 研究开发流程。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 3 页 图2 2_ e m s 开关的研究开发流程 r fm e m s 开关的制作工艺主要有：表面硅微机械加工工艺和体硅微机械 加工工艺憎”。表面微机械加工工艺是利用薄膜淀积、光刻和腐蚀方法在衬底 表面组建微机械结构，其关键是腐蚀掉牺牲层，形成三维的微机械结构。表 面硅微机械加工工艺与集成电路工艺兼容，便于与集成电路集成和大批量生 产。 体硅微机械加工工艺就是通过对硅衬底内部进行腐蚀得到在衬底内部所 要求的结构，如悬臂梁、沟、槽等。腐蚀方法可以是湿法腐蚀或者是干法腐 蚀( 等离子腐蚀) 。体微机械加工工艺的优点是获得的结构几何尺寸较大，机 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 4 页 械性能好，缺点是与集成电路工艺不易兼容。 根据工艺条件，r fm e m s 开关在模型设计中需要确定的尺寸有：单元图 形最大尺寸、最小线宽，不同掩膜图形的最小覆盖等。 开关的模型设计和工艺设计完成后，需对设计模型进行机电耦合仿真和 微波性能仿真。机电耦合仿真使用c o v e n t o r 公司的m e m sc a d 软件 c o v e n t o r w a r e ，微波性能仿真使用a n s o f t 公司的高频电磁场仿真软件h f s s 。 如果仿真结果是开关性能不能满足要求，则需修改设计。 如果仿真结果较为理想，则可进行开关的工艺制作。制作出的样品需要 测试的主要参数有：驱动电压、开关速度、插入损耗、隔离度、开关寿命等。 如果测试数据不理想，则需要分析样品，完善工艺和设计。如果测试结果较 好，则可进行芯片的封装，完成r f m s 开关的制作。 2 3传输线设计 本节主要讨论微机械开关电路部分设计的一些问题，为后续设计提供理 论依据。衬底和传输线的材料选择，尺寸的设计，是i 江m e m s 开关设计中 最基本的问题。恰当的材料选择和尺寸的优化设计可以使r fm e m s 开关获 得更好的性价比、更长的工作寿命及更便捷的加工艺流程。 为避免信号在高频传输线上的反射，传输线必须要达到阻抗匹配的要求， 所以高频微波不能采用普通的金属线进行传播。为了满足阻抗匹配的要求， 往往把信号线和地线通过绝缘层隔开设计在特定的结构上来形成传输线。一 般采用的传输线为c p w ( c o p l a n a rw a v e g u i d e ，共面波导) 传输线， 如图2 3 所示。共面波导线是一种表面带状传输线，由薄膜金属线( 信号线) 和两条位于其两侧的平行延伸的接地线( 接地面) 构成，信号线和接地线都 在基底的同一个面上，基底表面有一层介质层。其中，为基底材料的介电 常数，h 是基底高度，t 是传输线厚度，h 为缓冲介质层厚度，w 是信号线宽 度，g 是信号线与接地线之间的距离。共面波导的优点是信号线和接地线都 在衬底的同一个面上，接地的元器件不需要穿孔。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 5 页 接地线 接地线 信号线 r 图2 3共面波导传输线示意图 f i g 2 3 t h es c h e m a t i cm a po fc o pla n ar- a v e g ujd e l 讧m e m s 开关的传输线和电极制作在绝缘基底上，但实际上绝缘材料 不可能是零电导率的，因此高频信号会通过基底辐射产生损耗。同时信号在 传输线中的传播也会有损耗。 高频信号在传输线中传播的损耗主要有导体损耗、介质损耗、辐射损耗 三部分幢2 2 ” ( 1 ) 导体损耗：由于传输线本身有一定的电抗及损耗电阻，在信号传输 过程中对信号有一定的损耗。选用电阻率较小的金属可以减小传输线的导体 损耗。本设计选用电阻率较小的金( 2 2 1 0 西q c m ) 作为传输线材料。 ( 2 ) 介质损耗：在微波、毫米波波段需考虑的一个问题是趋肤效应。趋 肤效应是指交变电流特别是高频电流有靠近导线表面流动的趋势。高频交变 电流密度从导体表面到内部呈指数下降，当导体内部的电流密度下降到表面 电流的1 e 时的距离定义为趋肤深度艿，其公式为： 艿= 1 厮 ( 2 1 ) 式中，f 为信号频率，“为传输线导体材料的磁导率，o 为传输线导体的电导 率。 趋肤效应减小了电流传导的有效横截面积，使导体的电阻增大。理论上， 传输线厚度至少为导体材料趋肤深度的3 倍时，趋肤效应引起的损耗已经很 小。由于工艺的限制和传输线厚度对后续工艺的影响，一般厚度低于2 m ， 本设计根据工艺可行性，设计为l “m 。 ( 3 ) 辐射损耗：在微波、毫米波波段，寄生模引起的辐射损耗很大，特 别是对于高介电常数的衬底材料。辐射损耗主要决定于衬底的厚度、衬底材 料的介电常数以及传输线的横截面积。选择介电常数较小的衬底材料，可以 减小辐射损耗。本设计选用电阻率 1 0 0 0 q c m 的高阻硅作为衬底材料，并且 旧 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 6 页 在高阻硅表面上生长一层l “m 的氧化层，以减小辐射损耗。 共面波导应在阻抗匹配的情况下工作，否则传输性能会大大降低，所以 设计时必须考虑共面波导的特征阻抗。对于在硅氧化层上制作的共面波导， 其单位长度电容由三部分组成他们： c = c c p + c t c b ( 2 2 ) 式中，c 。p 是直接在硅上制作的同尺寸无厚度共面波导的单位长度电容，c 。 是考虑了金属电极的厚度后侧壁面积带来的电容增量，c b 是当部分硅衬底被 替换成氧化层后电容的减少量。运用保角变号法得到它们的表达式幢】 啦器 ( 2 3 ) g ：堡逝兰出型曼堕些幽 ( 2 4 ) 斌4 g r ) + o 1 2 5 0 g ) 2 g = 2 6 l s 一， 1 + 也( 6 3 一七) 2 】l i l 【l + ( 6 4 办) g 】 ( 2 5 ) 式中，岛为真空介电常数，七= 形“形+ 2 g ) ，七= ( 1 一酽) 1 佗，a i = o 4 9 2 5 4 ， a 2 = o 0 1 7 0 9 ，a 3 = o 2 1 9 1 8 ，a 4 = 0 1 0 3 5 7 ，b l - 0 9 2 9 ，b 2 = 0 0 5 4 6 ，b 3 = 1 3 4 4 5 ， b 4 = 5 0 9 9 6 9 ，k 是第一类完全椭圆积分。 如果相同尺寸的共面波导放置在自由空间中，单位长度电容为他】 c o 吨器+ l t j 一一 ( 2 _ 6 ) 则共面波导特征阻抗可表示为： 和赢 眈。7 1 c 、【，【，n 式中，c 为电磁波在自由空间的传播速度，即光速。 由上可知，对共面波导的特征阻抗影响最大的因素是信号线宽度w 和信 号线与地线之间的间距g 。为了使共面波导阻抗与测试设备相匹配( 5 0 q ) ， 用传输线阻抗计算软件t x l i n e 辅助设计共面波导的各个结构参数，得到：信 号线宽度w = l o o p m ，信号线与地线之间的间距g = 6 0 p m ，衬底厚度h = 4 0 0 p m ， 缓冲介质层厚度h = l p m ，信号线厚度t - l p m ，特征阻抗z 。= 5 0 q 。 2 4开关的工作原理 2 4 1欧姆接触式开关的工作原理 欧姆接触式开关主要有两种结构：悬臂梁结构和桥结构。其工作原理相 西南科技大学硕士研究生学位论文第17 页 同：在上下电极间无偏置电压时，悬臂梁或可动的金属桥未被驱动，由于信 号线是断开的，信号无法从输入端传输到输出端；在上下电极间加上偏置电 压后，静电力将可动的金属桥或悬臂梁拉下，直到与信号线上的接触金属接 触，此时信号线导通，信号几乎无衰减地从输出端输出。图2 4 为悬臂梁结 构欧姆接触式开关的工作原理示意图。 欧姆接触式开关的特点：利用金属触点形成欧姆接触，因此欧姆接触式 开关的传输线中间是断开的；插入损耗比较低，且随频率的升高增加缓慢； 隔离度随频率的升高下降很快，高频下( 1 0 g h z ) 的隔离度比较小，因此适 用于d c 1 0 g h z 频段。 厂 i ，l 厂 下电极 衬底 a ) 关态 a )“0 f f s t a t e b ) 开态 目“0 n s t a t e 图2 4悬臂梁接触式开关工作原理示意图 f i g 2 4 t h es c h e m a t i cd i a g r a mo fc o n t a c tc a n t ii e v e r _ e m ss w i t c h 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 8 页 2 4 2电容耦合式开关的工作原理 如图2 5 所示，并联型电容耦合式l 讧m e m s 开关是在共面波导传输线 的基础上，放置一个与接地线相连的悬空金属桥膜作为上电极，因此又称为 空气桥式开关。共面波导传输线中间不断开，接地线兼作下电极。信号线上 表面有一层绝缘介质层，绝缘介质层有两个作用：避免底电极与上电极直接 接触，这样上电极、介质层和下电极构成了一个平板电容：减小上下电极接 触时粘着形成微焊接的可能。 金属桥膜 锚点 引广天义hl 夕l l，一nr 一一i 拣 i 接地线 信号线 绝缘介质层 村底 a ) 开态 a )“u p s t a t o 金属桥膜 锚点 b ) 关态 b )“d o _ n s t a t e 图2 5空气桥电容式开关示意图 f i g 2 5 t h es c h e m a t km a po f b ri d g ec a