（测试计量技术及仪器专业论文）高隔离度射频微机电开关的研究.pdf

摘要 摘要 微机电系统( m e m s ) 是国际上近二十年来新兴的一项热门技术。射频微机械 系统( r fm e m s ) 是目前m e m s 期间研究的一个热点，并将对射频微波技术 产生重大的影响。一方面，从制作技术上说，可集成化是r fm e m s 技术发展的 最初动力；另一方面，随着信息社会的进步，现代和将来的射频微波系统，对 小型化、多功能化、低功耗和低成本化方面的要求不断提高。而r f mems 器件的高度集成化、微型化和智能化，能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，并大幅度降低了器件和系统的功耗，恰好满足现 代射频微波系统的要求。这构成了rfm ems技术发展的根本动力。 射频( r f ) m e m s 器件可以认为是用m e m s 技术实现的、用于从低频到红外线 以下频段信号的产生与处理的微型化可集成器件，这其中就包括了微机电射频开 关。从1 9 7 1 年第一个射频开关被制作出来至今，射频开关的研发已经取得了很 大的进展。理想的射频开关应具有高的隔离度和数百万次的循环使用寿命。本课 题的任务就是设计并制作一种这样的开关。 本论文对高隔离射频开关的结构进行了设计、分析和讨论，并详细论述了制 作过程中的工艺步骤。 全文共分为四章： 第一章介绍了开关的参数、分类、一些典型开关的性能和制作工艺，最后还 谈到了开关设计中要考虑到的某些问题。 第二章设计了一种新型的悬臂梁结构的高隔离度金属接触式开关，并模拟了 开关的驱动电压和悬臂梁变形之间的关系曲线。分析和比较了悬臂梁结构、桥结 构和四边固支的壳结构开关的固有频率，及驱动中产生的最大应力大小和应力分 布。 第三章设计了四边固支壳结构、电极嵌入式开关的模版和工艺流程，确定使 用材料和最适合的制备方法。制备开关并论述了几个在制作过程中遇到的问题及 解决办法。 第四章对整个论文进行总结。 摘要 关键词：微机电开关、高隔离度、硅、制造工艺 a b s t r a c t a b s t r a c t m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a is y s t e m ( m e m s ) t e c h n o l o g yh a sb e e nd e v e l o p i n gf o r a b o u tt w od e c a d e s i th a sb e e ni n t e g r a t e di n t om a n ye x i s t i n gd e s i g n s ，i n c l u d i n gr a d i o f r e q u e n c y ( r e ) m i c r o s w i t c h e s a se a r l ya s19 71 ，w h e nt h ef i r s tr fs w i t c h e sw e r e b u i l tu s i n gc o m m e r c i a lt e c h n o l o g i e s ，i t sd e s i g n sh a v ed e v e l o p e da n di m p r o v e d d r a m a t i c a l l y r e c e n t l y ，r f m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a l s y s t e m s w i t c h e sh a v e b e e n e n v i s a g e dt ob ep e r f e c td e v i c e sf o rs u c haw i d er a n g eo fc o m m e r c i a la n dm i l i t a r y c o m m u n i c a t i o na p p l i c a t i o n sw i t hp o r t a b l es i z e sa n dw i d e - b a n dr e c o n f i g u r a b i l i t y o w i n gt ot h e i ro u t s t a n d i n gp e r f o r m a n c es u c ha sh i g hl i n e a r i t y , h i g hq u a l i t yf a c t o r , l o w l o s s ，a n dl o wp o w e rc o n s u m p t i o n t h en e w e s ts w i t c h e st h a ta r ef a b r i c a t e da n dt e s t e d t o d a y , u s i n gm e m st e c h n o l o g y , o p e r a t ea tr a d i o ，e v e nm i c r o w a v ef r e q u e n c y a n o p t i m a lr fm e m ss w i t c hi so n ew i t hh i g hi s o l a t i o na n do p e r a t i o n a ll i f eo fm i l l i o n s o fc y c l e s t h i sw o r ko ft h et h e s i si sa i m e da td e v e l o p i n gas w i t c hw i t hn e a ro p t i m a l p e r f o r m a n c e d e t a i l sr e g a r d i n gt h ed e s i g no fr fm e m ss w i t c h e sf o ri m p r o v i n gi s o l a t i o na n d r e l i a b i l i t ya r ea d d r e s s e d i na d d i t i o n ，d e t a i l e dp r o c e s s i n gt e c h n i q u e sa n df a b r i c a t i o n c o n c e r n i n gr fm e m s s w i t c h e sa r ei n v e s t i g a t e d t h e p e r f o r m a n c eo f t h i st h e s i si sa sf o ll o w i n g ： c h a p t e r1 ，t h e s w i t c h p a r a m e t e r s ，c l a s s i f i c a t i o n ，t y p i c a lf a b r i c a t i o n ， p e r f o r m a n c e sa n dd e s i g nc o n s i d e r a t i o n sa r ei n t r o d u c e d c h a p t e r2 ，an e wt y p eo fh i g hi s o l a t i o nm e t a lt om e t a lc o n t a c ts w i t c hw i t h c a n t i l e v e rb e a mi sp r e s e n t e d t h er e l a t i o nb e t w e e nt h ep u l l d o w nv o l t a g ef o rt h e s w i t c h e sa c t u a t i o na n dt h ec u r v eo ft h ec a n t i l e v e rb e a mi ss i m u l a t e d t h en a t u r a l f r e q u e n c ya n ds t r e s sd i s t r i b u t i o no fs o m em i c r o s w i t c h e sw i t hd i f f e r e n ts t r u c t u r e sa r e a l s oa n a l y z e d c h a p t e r3 ，f a b r i c a t i o na n dp r o c e s sd e s i g n so f t h em e t a lt om e t a lc o n t a c ts e r i e s r fm e m ss w i t c h e sw i t hd i a p h r a g ms t r u c t u r ea n de l e c t r o d e sf i x e di nt h es u b s t r a t ea r e d e v e l o p e da n dd i s c u s s e d v a r i o u sp r o c e s sa n df a b r i c a t i o nd e s i g ni s s u e sa r ea l s o a d d r e s s e di nt h i sc h a p t e r a b s t r a c t c h a p t e r4 ，t h ec o n t r i b u t i o nf r o mt h i sr e s e a r c hi sd i s c u s s e da n ds o m es u g g e s t i o n s f o rt h ef u t u r er e s e a r c ha r ep r e s e n t e d k e y w o r d s ：m e m ss w i t c h ，h i g hi s o l a t i o n ，s i l i c o n ，f a b r i c a t i o np r o c e s s v 厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在 文中以明确方式标明。本人依法享有和承担由此论文产生的权利 和责任。 声明人( 签名) ：桥论论 刎年a 月吖日 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦 门大学有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸 质版和电子版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允 许论文进入学校图书馆被查阅，有权将学位论文的内容编入有关 数据库进行检索，有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密 的学位论文在解密后适用本规定。 本学位论文属于 1 、保密() ，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密) ( 请在以上相应括号内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 前疹殄 硐回惰 第一章 第一章引言 1 1 射频微机电开关的应用范围及优势 微电子机械系统( m i c r oe l e c t r om e c h a n i c a ls y s t e m ，m e m s ) 又称为微机械系 统，是指用微机械加工技术制作的包括微传感器、微执行器、微能源等微机械基 本部分以及高性能的电子集成线路组成的微机电器件与装置。简单讲，微电子机 械系统是一种集成了微电子电路和微机械驱动器的微小器件或装置，它可根据电 路信息的指令，控制驱动器实现机械操作；还可以利用传感器接收外部信息，将 转换出来的信号经电路处理放大，再由制动器变成机械操作，去执行命令。为电 子机械系统是一种获取、处理信息和执行机械操作的集成器件。 射频微机械系统( r fm e m s ) 是目前m e m s 期间研究的一个热点，并将对 射频微波技术产生重大的影响。一方面，从制作技术上说，可集成化是r fm e m s 技术发展的最初动力：另一方面，随着信息社会的进步，现代和将来的射频微 波系统，对小型化、多功能化、低功耗和低成本化方面的要求不断提高。而r f m e m s 器件的高度集成化、微型化和智能化，能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，并大幅度降低了器件和系统的功耗，恰 好满足现代射频微波系统的要求。这构成了r fm e m s 技术发展的根本动力。 在r fm e m s 中，r fm e m s 开关处在十分基础的地位，它是最早应用的r f m e m s 器件。m e m s 加工技术实现了在微米尺度下机械和电子的整合，借助于 现有的集成电路工艺，能大规模生产，产品一致性好、成本低。因此从理论上讲， 微机械开关同时具有了机械式继电器接触电阻小、s s r 体积小的优点，便于集成。 其潜在用途包括： 个人通信：移动电话、p d a 、便携式计算机的数据交换； 车载机载收发机和卫星通信终端，g p s 接收机； 军事应用领域的通信系统、小型相控阵雷达、无线传感器网络等。 1 2 什么是射频微机电开关 1 2 1 射频微机电开关的概念 第一章 射频微机电开关是一种特殊的微机械开关，应用于射频到毫米波频段( 0 1 一l0 0 g h z ) 2 l 。 在整个电磁波谱中用于通信传输的范围3 k h z 到1 0 g h z 。射频开关的有关参 数分别有：隔离度、插入损耗、传输时间、传输速度、驱动电压、寿命、共振频 率等。 隔离度 隔离度指的是当开关处于o f f 状态时，输出端的信号。单位是d b ，定义如 式( 1 1 ) 所示： 1 0xl o g ( p 呷p 。)( 1 1 ) 式中p 孵和p 洲分别表示的是开关在o f f 和o n 的状态时传输的能量。在理想情况 下，隔离度为- o o d b 。 插入损耗： 插入损耗是指开关在o n 的状态下，信号传输的损耗。单位为d b , 定义如式 ( 1 2 ) 所示： 1 0 l o g ( p 唧p 。) ( 1 2 ) 式中p 鲫和p 。分别表示的是开关在o f f 和o n 的状态时传输的能量。在理想情况 下，隔离度为o d b o 传输时间： 在0 n 的状态，输出从1 0 变化到9 0 需要的时间。或是在o f f 状态，输出 从9 0 变化到1 0 需要的时间。如图1 1 所示。 9 0 哆r l ) 1 p - _ - h - “n ；i l i n l i n - 厂 o - 刁 2 ： ，k ，- i 一 i 、。o c 。o 擎5 l p c u 图1 1 传输时间和开关的速度 2 -崎4_l_务一薯乎-孑 _善盘薯一一a曩南_蚺一o1一掌o。 第一章 开关速度： 输出电压发生变化时输出端的相应时间。开关时间总是比输出时间长，如图 1 1 所示。 驱动电压： 开关状态由0 n 转换到o f f ，或是由o f f 转换到o n ，需要的电压。 1 2 2 开关种类 r fm e m s 开关一般可分为三类，根据的是它的信号通道、几何结构和电 路结构。 图1 2r fm e m s 开关的分类 1 ) 根据信号通道的不同可分为电容式( 金属一绝缘层一金属) 和接触式( 金 属一金属) m ，。电容式开关采用的是一层很薄的绝缘物质把两个接触电极分开， 当开关驱动的时候，这层绝缘层可防止金属的直接接触。这种薄膜型的微机械射 频开关的可动部件是一层薄的金属膜，在静电场中静电力的作用下移动。典型的 薄膜式开关的截面图如图1 3 所示。薄膜悬空于衬底上约4 v m 高度处。在第一层 金属层上面的电解质层氮化硅的厚度约0 1 u m 。在没有施加驱动电压的时候，由 于上下金属层间的空气间隙，薄膜开关呈现高阻。当施加了驱动电压的时候，上 下电极之间形成静电场。在静电力的作用下，薄膜发生弯曲。当它与下电极接触 时，形成电容短路。开关的开关比是由开关的开关状态下的电容值共同决定的。 尽管这种结构的开关在开关的时候有物理上的接触，但是由于是不同种材料( 导 体和绝缘体) ，并且在接触的地方没有电流流过，所以粘滞的问题就没那么明显 第一童 了。与电介质接触的薄膜的粗糙度对电容值的大小有很大的影响。当上下电极之 间的间隙逐渐减小到原始距离的2 1 3 时，薄膜会与下电极贴含。同时，小尺_ 的 薄膜有较高的驱动电压。但是与悬臂粱开关比较向占，薄膜式开关具有更高的升 黄速度。空气中的谐振频率大约是5 6 1 5 0 k h z 。 金属一金属接触式开关采用金属的物理接触获得低的接触电阻和低得插入损 耗m ；。 图13 典型的薄膜开关的截面图 2 1 根据电路结构的不同可分为并联式和串联式。串联式的悬臂梁开芙的示 意图如罔14 所示，梁栅之间的静电引力是悬臂粱发生偏转，在漏源信号线间生 成微波通路。 图l5 并联式悬臂粱开关示意图 第一章 3 ) 根据驱动方式的不同可分为：静电力驱动、热点驱动、电磁力驱动、压 电驱动。 最常用的方式是静电力驱动，这也是m e m s 开关设计中最广泛的一种驱动机 制，为将来集成于i c 电路创造了条件，到目前为止，只有静电力驱动方式的开关 可以工作在0 1 1 0 0c h z 波段且同时具有较高的可靠性【1 4 】。静电力驱动是在结构上 采用两块分开一定距离的极板，当施加驱动电压时，极板在电场力的作用下发生 变形，实现开关的闭合。电场力的大小是场强的平方函数，驱动电压的大小与极 板间的间距成线形关系。静电驱动存在的主要困难是开关间距与驱动电压之间的 矛盾，考虑到耐压和隔离度，极板的间距不能太小，但此时的驱动电压又太高。 为了克服这一点，出现了变截面悬臂梁、应力预变形悬臂梁等多种结构，一定程 度上解决了驱动电压过高的问题。同时，由于结构尺寸的限制，电场力驱动为开 关的负载电流都很小，可以广泛应用于小电流场合。 传统的机械式电磁继电器采用电磁力驱动，由于电磁力大小与距离成非线性 关系，当接近接触时，电磁力呈指数增加，最终实现稳定的接触，因此非常适合 驱动开关。同时由于电磁力的产生与磁场的建立之间不存在延迟，因此这种驱动 方式能提供较快的开关时间。然而在m e m s 领域，由于器件尺寸和材料的特殊 性，很难再硅片上制作足够圈数的三维线圈，虽然可以加大驱动电流弥补，但仍 存在工艺负载、制作成本高等缺点，因此电磁驱动在微开关领域并未广泛采用。 热电驱动采用两种热膨胀系数不同的材料，通过电发热产生变形实现开关的 闭合。在m e m s 领域，热驱动元件的体积都很小，热容量很小，因此能实现开 关的快速动作。 1 3 金属接触式微机电开关的制造及性能 1 3 1 制造 金属接触式微开关的制作会比标准的电容式开关复杂些，因为需要设计接触 区域及接触金属。而且驱动电极必须和接触金属分离，这就要增加额外的模板。 以下是两款2 0 0 4 年研发的金属接触式开关。 整个制作工艺过程如下：首先用湿法氧化一层l 蚴厚的二氧化硅在( 1 0 0 ) 晶 向的p 型硅基底上在二氧化硅上淀积一层0 3 u m 厚的铝和0 2 “d i n 厚的金作为 第一章 甲面共波导的传输线。接下束用p e c v d 法在底电檄上生长一层0 2 岫厚的二 氧化硅。这层二氧化硅是用来防止) f 关工作时直流控制信号发生短路。涂覆上1 们厚的光刻胶作为牺牲层。光刻扣开悬臂粱的窗口。先后淀秘错( 00 2u r n ) ，金 ( 02 删，和铝( 0 3u r n ) 用来制作悬臂粱， 紧接着进行湿法刻蚀。金作为开关 的接触金属，不容易被氧化。在丙酮溶液中溶解掉牺牲层，然后在异丙醇中冲洗。 湿法刻蚀o0 2 叩的铬，以便于金和金的接触。在最后的冲洗中不使用去离子水， 是为了要防止悬臂梁的塌陷及粘连的发生。 如图16 所示，开关的驱动电压是15 r ，最快的开断时间是6 0 u s 插入损耗 在3 06 h z 时是一01 8 以在低频时隔离度是一5 0 嘏在3 06 h z i 时逐渐降低到- 3 0 d b o 彳 奠基寒 图i6 微开关示意图” 如图17 所示，这种开关有两个粱上粱和下粱，它们的材料都是金。下面 的这个两端固史的粱厚度为07u # l ，长度为3 2 0 i 胛，宽度为2 0 埘，距离平而 苁波导线的高度为2 蜘。这个下梁的两个固支点和平面共波导线是相连的，第 二个粱即上梁位于下粱上方5 5u 1 处，和基底没有连接，f r 和下梁的中间位置 连接。虽然上粱为1 ) b 长，但却很硬，因为它是由厚度为i3 3 的金构成的。 制作时先在基底上淀积00 2 5 09 叩的铬盒井在上面制作图形，形成 5 0 1 8 0 1 5 0 的平面共波导线和底电极。p e c v d 淀积0 3 唧厚的氯化硅，紧接着用 干注r i e _ r _ - 艺形成图形。这层绝缘层丰要起保护避免驱动层和上梁发生接触的作 用。第一层牺牲层以35 k r p m 的转速被涂敷在摹片上并制作出图形。用18 0 c 的 温度在烘盘上烘烤3 5m l n 以防止在后续的工艺中该牺牲层中有气体溢出。下一 步是f 粱的淀积和形成图形，这层粱是由o7u m 厚的低应力的金制成的，梁的 第一童 两端被固支在平面共波导上。第二层牺牲层以3 5 k z p m 的转速被涂覆上并制作出 图形在1 5 0 c 的烘箱中一个小时候后，这晨光刻胶的厚度为5 5 删。一层很薄 的低应力的金溅射在该层牺牲层的上方。这层金属1 3 删厚形成坚硬的上梁。 最后一步就是去除牺牲层，并用传统的超临界二氧化碳工艺上t 燥器件叫。 u h 3 ls u b n r 1 日 5 f i 图i7 施加电压前后的开关示意图 1 3 2 性能 如图l8 所示：这种金属接触式的射频微机电开关是由静电力直接驱动，但 导致开关接触的力是悬臂梁的叫复力。接触电阻和驱动力之间没有关系，只受粱 残余应力的影响。开关的插入损耗经测量为在2 曲时0 0 5d b , 开关在开态的 射频接触电阻为0 5 口。在2 6 t t z 和4 0 埘，闭合状态下的隔离度分别为3 8 凹 和13 胡【| i 。 图1 8 已制成的开关的照片 采用s i o g i 艺的单晶硅的射频微机械开关，如图19 所示。单晶硅的射频微 机电开关和传统的金属开关项比较，能获得比较高的产量和稳定可靠的特性。这 第一章 种开关采用玻璃上的硅工艺制造的。采用s l o g 基底比采用s o l 基底，能人大降 低制造成本。这种开关是制作在平面其波导线上，并采用静电力驱动。经过测试， 下拉电压为1 9 v ，对2 0 个样品进行测试，测得其中1 8 个样品的下拉电压的大小 和平均电压的大小相比较，l 下变化幅度小于1 5 。在上电极i 。制作腐蚀通孔， 使开关的速度提高了。测得开断时间分别为2 5 时和1 3 “s 经过1 0 8 次开断试 验后没有发生粘连问题，但是接触电阻从原来的o5 0 h m 提高到1o h m 。对成品 丌关的射频特性从0g f l z 到3 0g l t z 进行测量，其中4 个样品的隔离度和插入损 耗在2g t i z 时分别为一3 8 出到一3 9 出和一0 18d b 到一02 出【l “。 d f 括“i 口“p a r i s 佃p 舻r 撕l f 州“， 图1 9 硅开关的示意图i 8 种低驱动电压，大接触力的射频微开关如图11 0 所示：这种金属接触式 开关使用一种悬臂梁结构，下拉电极在悬臂粱末端，开关接触触头杜悬臂粱中部。 这样一来驱动电压可以大大降低，但却可以保证很大的接触力和回复力。模拟结 果显示理想情况下每次触头接触时产生的接触力将大于2 0 0 洲，回复力将大于 1 15 洲。经捌试驱动电压为2 0 倒3 0r ，射频隔离度为2 9 出，插入损耗在2 e 时为02d 8m ， 第一童 薄膜为s 形的低驱动电压高隔离度的直流到射频的微机电丌关的图片如图 li l 所示，这是一种串联的静电力驱动的开关，它依靠s 形可变形薄膜在顶电极 和底电极之间上下移动实现触头的接触和开关的开断。有别于大多数微机电系 统的开关，这种设计可以使驱动电压不受开关问隙高度的影响，从而大大降低驱 动电压。使得更大面积的开关触头接触变得可能，可以降低插入损耗，并在关态 获得高的隔离度。电压为1 2 时可以扣开开关，电压为15 8 v 时开关的金属触 头闭合。尽管这种开关的触头接触区域面积为3 5 0 0 u j ，但是开关间隙为1 4 2 珊 时，在26 h z 和1 5g h z f i i ，隔离度分别为一4 5 凹和一3 0d 毋。 图il l 开关组装前的项部和底部图片i ” l4 微机电开关和半导体开关和场效应管开关的比较 p i n 二极管、( ；a a sm e s f e t s 、肖特基二极管、机电阵列开关等都广泛的被用 作射频开关的组件。m e m s 开关和这些半导体开关相比较而言，由于在结构上消 除了金属半导体和p n 结，具有如下优点： 1 ) 消除，欧姆接触中的接触电阻和扩散电阻，极大地减d , t 器件的电阻损 第一章 耗； 2 ) 高电导率的金属结构有助于低损耗的传输微波信号； 3 ) 具有较高的开关电容比，在通常的结构尺寸下，m e m s 开关的开关电容比 约为2 0 1 0 0 ； 4 ) 静电驱动的r fm e m s 开关均有极低的直流功耗，典型的瞬态功耗为 1 0 办 5 ) 几乎能在任何衬底上制作。 然而，m e m s 开关还存在一些缺点，这些缺点在一定程度上限制了m e m s 开关的应用范围，主要表现在以下几点： 1 ) 比较慢的开关速度，大多数m e m s 开关的开关时间大约是2 姻到4 0 u s ， 约为半导体开关的1 0 0 0 倍； 2 ) 较低的功率处理能力，大多数的m e m s 开关的传输的信号功率被限制在 2 0 5 0 r o w 之间； 3 ) 较高的驱动电压，为了可靠的传输信号，静电驱动m e m s 开关的驱动电 压通常在2 0 v - 8 0 v 之间； 4 ) 较低的可靠性，接近使用化的m e m s 开关的寿命是1 1 0 0 亿次循环。这 和许多系统要求的2 0 0 2 0 0 0 亿次开关循环还存在较大的差距。 5 ) 封装问题，m e m s 开关要求封装在惰性气体中，且周围气体的湿度要极低， 这将导致较高的封装成本，且封装技术本身会影响m e m s 开关的可靠性。 1 5 微机电开关的可靠性问题 微机电开关如果要长期使用可靠性是主要要考虑的问题，并且这也是目前研 究的主要方向。 金属金属直接接触的微开关的可靠性取决于接触区的金属。由于大电流的 流过导致接触区域的变形和接触压强的减小。导致对地电阻变大和隔离度变差。 接触区域的问题并不是在短时间内发生的，变形发生在最后的近千次开关工作循 环中。开关接触电阻的提高可能是由于触头表面形态的改变或者触头表面生长了 一层很薄的绝缘层的缘故1 2 1 1 。 对于电容式的微机电开关，主要的可靠性问题在于粘连问题，发生在项电极 1 0 第一蠹 和覆盖在底电极上的绝缘层之间。失效是由于绝缘层材料的电荷注入引起的。这 种电荷注入和开关的驱动电压有直接的关系j 。驱动电压每降低6 h 开关寿命提 高近f 倍。而驱动电压往往和开关的几何尺寸、机械特性和残余应力有关。机l u 模拟分析和在芯片上的试验对于改善开关的设计是非常重要的 对下上述两种开关射频功率对其可靠性的将产生报大的影响。优化设计的 微梁的机械失效( 金属或结构) 并不是主要的问题，因为这些粱一般在7 5 3 5 0 u m 长，并且变形在】一4 u z z 】l , q 。实际上报多微机械开关经过1 0 0 亿扶的循环试验并没 有发现在粱固支端的机械失效吲。 1 6 设计开关时要考虑的问题 在通常射频开关的设计中，2 - 4 的间隙时必要的，为的是减小在丌关关态 的时候的寄生电容。这直接导致丫静电力驱动的m e m s 开关的驱动电压在 2 0 一】0 0 y 之间。为了减小电阻损耗，可以采用一层比较厚的金。信号线的宽度小 可能有太大的改动而调整厚度的幅度会比较大些，因为较宽的信号线会导致插 入损耗变大和隔离度变差这是由于提高了信号线间的耦台电容的缘故。信号线 间的耦台电容可咀通过提高金信号线和基底上悬臂粱下方的二氧化硅面上的金 接触电阻的间隙的大小来降低。然而这样做的后果是提高了驱动电压。如果间隙 固定，可以提高极板面积的方法来降低驱动电压。但是这又提高丫悬空机构的质 量，又会降低开关速度。图11 2 是各个参数之间关系的示意图。 图l1 2 设计r f m e m s 开关时各个参数之间的关系图 第一章 1 7 本论文的主要研究工作 用微加工技术制作的射频无源器件，其最大的优点是易于实现片上集成，这 为进一步降低系统的功耗、改善系统的性能提供了技术支持。在射频微波系统 中，射频微机械的结构从本质上决定了其优越的高频特性，因而射频微机械器件 变现出极大的应用前景。这是射频微机械器件研究的根本动力。 本论文的主要任务有： 1 ) 设计新型的高隔离度的金属接触式开关。 2 ) 模拟悬臂梁变形和驱动电压之间的关系曲线分析不同结构下梁的自然 频率和应力分布情况。 3 ) 设计工艺过程模板，在玻璃基底上制作腔体结构的金属接触开关，并解 决开关制作过程中所遇到的难点。 镕章 第二章射频微机电开关的模型及设计 欧姆接触式的r f m e m s 开关最早由p e t e r s o n 于1 9 7 9 0 1 l 印实现。其后，又相 继有z a v r a c k 和m o r r i s o n 。1 9 8 4 1 3 2 1 年，y a o 和c h a n g 于1 9 9 5 1 3 3 埠p ) 及l a r s o n 与 1 9 9 1 1 “埠实现。大多数射频开关采用静电力驱动其优势在于能量损耗低，在 静电力驱动下的活动部分可采用悬臂粱结构、桥结构和腔体结构。在设计中，高 隔离度，低驱动电压是要考虑的重要方面。在这一章中，我们将介绍一种新型的 高隔离度的射频微机电开关。 2 1 问题定义 e 口0 i 二；乏j 一 图2i 传统的射频开关的示意图 典型的静电驱动的欧姆接触式开关的示意图如图21 所不，它是由悬臂粱、 顶电极、底电极、接触金属构成的，当驱动电压施加到电极板上时，在静电力的 驱动下，极板带动悬臂梁向下弯曲，在末端的触头发生接触实现开关的导通。 当悬臂粱从它的平衡位置被继续往下拉时，鹰力就在梁t 进行丫累积。当驱 动电压消失时，这个应力就和静电力相平衡，这个力就把悬臂梁拉回到它原先的 位置。这个由于应力在悬臂粱中积累而产生的力就叫弹性力或回复力，它的作用 就是把悬臂粱回复到它初始位置。 一旦驱动电压过大，上下极板就会接触，极板表面就会发生粘连，而且是非 常紧密地粘连，就算驱动电压消失，电极也无法再分开，结构开关短路了。 在我们设计的射频开关中，电极和绝缘层被嵌入到开关的基体中，电极的表 面加上一层绝缘层，因此即便在开关动作过程中，上下绝缘层发生接触，在驱动 电压消失时，它们也能分开，田此开关粘连的问题得以解决。 e 2 2 理论分析 _ _ r 一生一二 才可 # m * 镕ev m “ 图22 高隔离度射频开关的示意图 模拟射频微机电开关变形的动态过程是一个十分复杂的工作，由于结构的变 形和电场力变化的耦合，给数值计算带来很大的挑战。在这里，我们采用增量迭 代法计算悬粱的变形，并用m a t l a b 软件进行模拟。 高隔离度射频微机电开关的示意图如图2 2 所示，结构中包括了顶电极、底 电极、硼扩散硅、玻璃、二氧化硅和金属触头。 从微开关的t 作原理可知，微开关是利用电场力使得悬臂梁技生变形，实现 触点的接触，亦即仵对应的电极区域作用着连续分布的电场力，如图23 所示。 在变形的初始时刻，微开关的上下驱动电极可以看成是一个平板电容，通过 计算带电平板电容器两极板发牛移动时能量的变化，可以间接地计算出电容器平 板间的作用力。当电压施加在上下极板上时，平板电容器的两个板板带有符号相 反的电荷，它们之间的引力为f 。 u ：品 十自劭；：q ( h e + 2 h 3 ) ( 2 - ” s ? ， c 为两电极曰的电容，“为两电极问施加的电压 。：里： ! 三垦 ( 2 2 ) 船+ 2 舡 w 为电容所储存的能量 w ：竺：堡型：( 2 3 ) 2 2 ( h s ，+ 2 h j ) 第_ 章 工 图2 3 施加在悬臂梁上的初始静电力 把两极板拉开h 所做的功f a h ，等于电势能的变化矿 f ：坐：坐：兰生鱼竺： 一= 一= 一= = 一 a hd h 2 ( 办+ 2 呜) 2 ( 2 - 4 ) 肋两极板间的引力，是相对介电常数，s 。真空介电常数，j 极板的 面积，h 二氧化硅层之间的间隙，h 3 二氧化硅层的厚度，“极板上施加的电压的 大小，v ( x ) 悬臂梁的偏移量由方程( 2 4 ) ，我们得到方程( 2 - 5 ) f = 万淼2 2 单位面积上的电场力为 = 面看2 静2 研 图2 4 单位集中力施加在悬臂梁上的示意图 ( 2 - 5 ) ( 2 6 ) 我们可以看到，当悬臂梁的变形发生变化，上下电极之间的间隙也发生变化， 因此电场力g o ) 也相应地发生变化，随着梁的变形，上下两驱动电极的间距随之 变小，这将导致电场强度在上下电极间分布不均匀，电场力也不再是均布载荷， 电场力的大小不仅取决于电场力的位置还取决于位于羚点处的变形挠度1 ， ) ，可 第_ 章 见，分布力g ，不仅匙的函数，同时又是地) 的函数。 所以我们采用增量迭代法 来进行计算【2 3 3 0 】。把b d 段的梁分成聊个小段，每小段的长度为生竺，作用在某 段c 位置上的集中载荷为g i ： 铲示锚2 豫2 陋7 ， h h h z 图2 5 截面i i 如图2 5 所示，p 为i 中性层的曲率半径，c 为中性层到顶面的距离，为截 面正应力，仃，矿：盯，分别代表s t 层、金属层、s i o ：层的正应力，e - 、e 。、e s 分别代表 s 。、金属、s i o ：的弹性模量 占= 上盯= e 上 pp ( 2 - 8 ) 盯。= e 。上盯：= e 。上o r 。= e 。y ( 2 9 ) ppp 在纯弯曲的情况下，截面左侧的外力只有对z 轴的力偶，所以平行于x 轴的内 力应为0 ，a ，a 。a 。分别代表硅、金属、二氧化硅的横截面面积。 l 仃- 刎+ ：盯：d a + l 盯，幽= 0 吾l 埘+ 告l ：删+ 号l 删= o l 删呐呜叫 l ：删= h 2 b ( 等+ 一c ) l 弘朗= h 3 b ( - 等+ 啊+ 一c ) 1 6 ( 2 - 1 0 ) ( 2 一1 1 ) ( 2 - 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) ( 2 - 1 4 ) 第一章 最后得到a b 、b c 、c d 段上的挠度为： 肾哿x ( 0 ，a ) ( 2 - 1 5 ) 肾智+ c 2 x + b x ( a ，x i )( 2 - 1 6 ) v 3 q = c 3 x + d 3z ( x i ，l )( 2 - 1 7 ) 絮2 + 譬2 + 骈+ 确忽+ 鸟他+ 骂锨9 仁鬲葛再订一( 2 - 1 8 ) = 鲁嘲( c 一马2 1 2 ” 7 厶= 等啦卜+ 针 厶= 警地( 啊+ 红+ 譬叫2 ( e i ) 。= 巨+ 置厶+ 色厶 ( 2 - 1 9 ) ( 2 - 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) 这里截面b c 的抗弯刚度是( e d l ，c 中性层的高度，h l ，h 2 ，h 3 分别是硅，金 属，二氧化硅的厚度，e l ，易，e 3 分别为硅，金属，二氧化硅的弹性模量 ，五，3 分 别为硅，金属，二氧化硅对中性轴的惯性矩，如图2 5 所示。 第二二章 把g l ，q 2 ，q m 单独作用下的悬臂梁的变形量相叠加就可得到最终的悬臂 梁变形。 当梁开始接触到下接触电极时，此时可看成是一端固支，一端简支的梁，解 除支座并用f 力代替，分别计算p 和q 单独作用下梁的挠度，再把它们进行叠加， 因为在支座处梁的挠度为零，便可求出q 力。如图2 6 所示。 图2 6 一端简支一端固支的悬臂梁示意图 用同样阴刀纭，我1 l j 口j 以计舁出征p 作用刀、削忌臂采父彤更o l 仃- 刎+ l 仃，幽= 0 缸删+ 等l 删= o l 删娟+ 如弘( 半叫 l 删= h 3 b ( 等+ ”一c ) v l p - - 等x ( o a ) 配：px2(3l-x)2p + c 2 x + d 2x ( a ，b ) 6 ( e i ) l 2 一7 v 3 p - = 等+ c 3 x + b x ( b ，l ) 一 e 。盟竽+ 易譬+ e m 鸲) 归l e 而了h 寿瓦f 一 。( + 2 ) + 岛吃 1 8 ( 2 - 2 3 ) ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) ( 2 - 2 8 ) ( 2 2 9 ) ( 2 - 3 0 ) 第二章 = 等笋+ 6 ( 啊圳( c 一半) 2 厶7 = 鲁懒( 啊+ 坞+ 鲁叫2 ( e 1 ) ：= 最+ 马厶 c 2 = p a c 薯一争簖 卟( 争器 jz i 止 i 也1 g = p 击叫驴争簖 b = 叩去+ f 2 a - r 3 x j ，丽( e ) , - ( e ) 2 ( 2 3 1 ) ( 2 3 2 ) ( 2 - 3 3 ) ( 2 - 3 4 ) ( 2 3 5 ) ( 2 - 3 6 ) ( 2 - 3 7 ) 这里a bf r 覃l c d 段的抗弯刚度为( 叨2 c 是到中性层的距离，分别为硅 和二氧化硅到中性轴的惯性矩，如图2 7 所示。 图2 7 截面i 1 9 z 第二章 最后得到梁的弯曲变形为： v l 。1 ，l q - v l p 石( 0 ，口) v 2 = v 2 q v 2 p x ( a ，x i ) v 3 = v 3 q v 2 p x 佛剀 v 4 = v 3 q 叫3 p x c o , l ) 这里是在作g 用力下的变形，这里是在作尸用力下的变形。 采用增量迭代法的方法如下： 图2 8 悬臂梁计算示意图 ( 2 - 3 8 ) ( 2 - 3 9 ) ( 2 - 4 0 ) ( 2 - 4 1 ) 1 计算出在第一个集中力q 。作用下梁上n 个点的变形( v mv ，。，v 协v ，。) 2 修正出在此饶曲变形下对应的第二个作用点上的力q 。 3 计算出q 。作用下梁上n 个点的变形( v ：。，v z z ，v z s v z 。) 4 计算出此时梁的总变形量( v 。+ v ：，v 1 。+ v 2 2 ，v 。+ v 。、v l 。+ v 2 。) 5 修正出在此变形基础上的第三个作用点上的力q 。 6 计算出q 。作用下梁上n 个点的变形( v 。，v 驼，v 。v 。) 7 计算出此时梁的总变形量( v l l + v 2 l + v 3 l ，v 1 2 + v 2 2 + v 3 2 ，v 1 3 + v 2 3 + v 3 3 、v l 。+ v 2 。+ v 3 。) 8 当v 。t 时接触到下触头，此时计算到q 。步 9 计算q 。作用下悬臂端支反力p 1 0 计算悬臂端支反力作用下梁上n 个点的变形( v 山v 啦v 炉v 印) 1 1 此时梁上n 个点的总变形( v l l + v 2 l + v t l - - v p l ，v 1 2 + v 2 2 + v t z - v r 口，v l 。+ v 2 n + v t n _ v 肌) 1 2 修正出在此变形基础上第t + 1 个作用点上的力q 。及对应的悬臂端支反力 1 3 计算出在这两力作用下的梁变形 第二章 1 4 依次计算下去直到m 个力全部加载下去为止 悬臂梁计算流程图如下所示： 开始 i 设勤哦卅姒 t 讹额燃第叶巢叻g = 厂 ，刀 i 巩邺炒炉 溉i 作翮卅响拇毗1u t i - - - i + l , r e = m - - 1 t 修鼬励砜 t n y t t 计算戡鹗敲吸力 i 谢院勋悯珩价慨k ”v m ， 黼i 作舸附憔蝴，” i 涝蝴鬈鼍吧嘞”鬈吃吆 t m n - l , i - - i + l 图2 9 悬臂梁计算流程图 v 俪磁场砜 t n r l 吐是劭嘣浇 n y t 结束 给出一个具体的计算实例和结果： 假设悬臂梁长度l = io o u m ，宽度= 4 0 u r n ，h l = 2 u m ，h z = o 5 u r n ，h 3 = o 5 u r n ， u = 14 0ka = 2 0 u m ，b = 7 0 u m ，h = - i 2 u r n 用m a t l a b 进行模拟，在驱动电压为1 4 0 的条件下，我们得到悬臂梁的变形 图，如图2 1 0 所示。 2 1 第章 图2 1 01 4 0 v 电压下的悬臂梁变形曲线 2 3 设计优化 结果显示必须要在很高的驱动电压下( 1 4 0 v ) ，静电力才能使悬臂梁发生足 够的弯曲变形，开关的触头才能发生接触，但在实际的使用中，如此高的驱动电 压是不允许的。 在微机电开关中，驱动电压每降低6 v , 开关的寿命就会提高十倍。但驱动 电压过小( 5 0 功是以牺牲开关的触头接触力，和回复力为代价的。一般情况下， 驱动电压在2 5 5 0 v 之间是比较合适的。 在改进的开关设计中，我们依旧把电极板和绝缘层嵌入基体。以下我们就来 讨论