（微电子学与固体电子学专业论文）rf+mems开关的设计与制作.pdf

山东大学硕上学位论文 摘要 随着m e m s 技术在2 0 世纪晚期的进步，已使得设计和制造r fm e m s 开关 成为可能。与半导体开关相比，m e m s 开关的损耗低、隔离度高和功率处理能 力强。随着独立衬底的m e m s 开关研究的深入，已在性能和价格两个方面取得 惊人的进步，m e m s 的微波器件及系统已经出现在市场上。 本论文提出了基于单晶硅梁的扭转摆结构r fm e m s 开关。开关的梁采用无 应力的单晶硅制作，可以解决开关中由于残余应力造成的变形问题；开关的机械 部分是一种翘板结构( 即扭转摆) ，可以解决传统开关的回复力不足引起的触点 粘连的问题。论文的主要工作有： 1 论文首先分析了现有的开关的优点和缺点，在国内首先提出了基于单晶 硅的扭转摆结构的开关，对于单晶硅的扭摆结构作了模态的分析，并且对其静力 学和动力学特性作了相应的理论建模，为开关的设计提供了理论依据。 2 论文提出了设计基于单晶硅扭转摆结构的两种不同驱动方式的开关t 静 电驱动开关和电磁驱动开关。对于静电驱动开关采用扭转摆结构可以降低其驱动 电压，设计的开关驱动电压小于5 v ，克服传统开关回复力不足而造成的触点粘 结问题。电磁驱动开关采用双线圈的推拉式驱动，可以降低驱动电流降低功耗， 同时保证比较大的驱动力( 大于2 5 州) 。论文同时对于开关的结构设计和优化作 了详细的讨论，并对于其电学特性作了分析，设计优化了共面波导传输线，利用 a n s o f th f s s 仿真开关的微波特性，静电驱动开关在4 0 g h z 时，隔离度优于2 0 d b ， 电磁驱动开关在4 0 g h z 时，隔离度优于- 4 0 d b 。 3 论文设计了开关的制造工艺流程并进行流片。设计了静电驱动开关的整 体工艺流程和具体的版图，并设计了电磁驱动开关的电磁驱动部分的整体工艺和 版图。研究讨论了开关制造中的i c p 刻蚀、牺牲层、互联线和体硅腐蚀等关键工 艺，并制造了一台可以用于牺牲层释放的二氧化碳超临界干燥释放设备。 4 对于开关测试流片结果和出现的问题进行了分析讨论，静电驱动开关在 2 0 g h z 时，隔离度为- 4 5 d b , 并对于超临界释放干燥设备中密封的问题和释放结 果作了分析和讨论。 关键词：r fm e m s 开关，损耗，隔离度，扭转摆结构，单晶硅 山东人学硕士学位论文 a b s t r a c t a d v a n c e si nm e m st e c h n o l o g yi nt h el a t et w e n t i e t hc e n t u r ym a d ep o s s i b l et h e d e s i g na n df a b r i c a t i o no fm i c r o m e c h a n i c a ls w i t c h e s m e m ss w i t c h e sh a v el o w r e s i s t i v el o s s ，n e g l i g i b l ep o w e rc o n s u m p t i o n ，g o o di s o l a t i o na n dh i 【g hp o w e rh a n d l i n g c a p a b i l i t yc o m p a r e d w i t hs e m i c o n d u c t o rs w i t c h e s t h e d e v e l o p m e n t o f s u b s t r a t e i n d e p e n d e n t m e m ss w i t c h e sc o u l di n t r o d u c ea f f o r d a b l em i c r o w a v e c o m p o n e n t sa n ds y s t e m si n t ot h em a r k e t p l a c e ，w i t had r a m a t i ci m p r o v e m e n ti nb o t h p e r f o r m a n c ea n dc o s t i nt h i st h e s i s ，at o r s i o n t y p er fm e m ss w i t c hi sp r o p o s e d t h es w i t c hu t i l i z e s s i n g l ec r y s t a ls i l i c o n 豁t h em o v a b l ep a r t st oi m p r o v er e s i d u a ls t r e s sd e f o r m a t i o no f t h ef i l m t h em e c h a n i c a lp a r to ft h es w i t c hu s e sat o r s i o ns e e s a wt os o l v et h ep r o b l e mo fc o n t a c t p o i n t s c o h e s i v ec o n n e c t i o ni nt r a d i t i o n a ls w i t c h t h em a i na c h i e v e m e n t so f t h i sw o r k a r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 i nt h ef i r s tp l a c e ，p a p e ra n a l y s e st h em e r i ta n ds h o r t a g eo fs e v e r a lt y p i c a l m e m ss w i t c h e s ，a n dan o v e ls e e s a wt y p es i n g l ec r y s t a ls i l i c o nb a s e ds w i t c hi sp r o p o s e d t h em e c h a n i c a ld y n a m i c s ，m e c h a n i c a ls h o c ka n dg r a v i t yo ft h es e e s a wt y p eb e a ma r e d i s c u s s e dt h e o r e t i c a l l yt oa n a l y z et h em e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h es e e s a wt y p e s w i t c h 2 t w od i f f e r e n td r i v em o d e l so ft h es e e s a wt y p es w i t c h e sa r ep r o p o s e di nt h i s t h e s i s ；t h e ya r et h ee l e c t r o s t a t i cs w i t c ha n dt h ee l e c t r o m a g n e t i cs w i t c h t h em e c h a n i c a l a n de 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 et w ot y p es w i t c h e sa r ea n a l y z e dt h e o r e t i c a l l y t h ea c t u a t i o nv o l t a g eo fe l e c t r o s t a t i cs w i t c hi sa b o u t5v o l t s ；t h ea c t u a t i o nc u r r e n ti s a b o u t10 0 m af o r t h ee l e c t r o m a g n e t i cs w i t c ha n dt h ed r i v e nf o r c ei sl a g e rt h a n2 51 x n d e s i g na n do p t i m i z e st h es t r u c t u r eo ft h es w i t c h e sa n dt h ec p w t r a n s m i s s i o nl i n e ，t h e s w i t c h e si st h e ne m u l a t e db ya n s o f lh f s s ，f o rt h ee l e c t r o s t a t i cs w i t c ht h ei s o l a t i o ni s m u c hb e t t e rt h a n - 2 0 d ba t4 0 g h z ，w h i l ef o re l e c t r o m a g n e t i cs w i t c ht h ei s o l a t i o ni s m u c hb e t t e rt h a n - 4 0 d ba t4 0 g h z 3 t h ep r o c e s s e sf o rt h es w i t c h e sa r ed e s i g n e da n df a b r i c a t e d s e v e r a lk e y p r o c e s s e sa r ed e v e l o p e da n dd i s c u s s e d ，s u c ha si c pe t c h i n g ，s a c r i f i c i a ll a y e rr e l e a s i n g , 山东大学硕十学位论文 i n t e r c o n n e c t i o np r o c e s sa n db u l ks i l i c o ne t c h i n g i no r d e rt oa p p l yt h es a c r i f i c i a ll a y e r r e l e a s i n g ，as u p e r c r i t i c a lp o i n tc a r b o nd i o x i d er e l e a s i n ge q u i p m e n ti sf a b r i c a t e d 4 t h ep r o b l e m si nt h ef a b r i c a t i o no ft h es w i t c h e sa r ea n a l y z e d ，t h ee l e c t r o s t a t i c s w i t c ha r et e s t e d ，t h ei s o l a t i o ni sa b o u t - 4 5 d ba t2 0 g h z ；i nt h ee n dt h i sp a p e rd i s c u s s t h er e s u l t so fs a c r i f i c i a ll a y e rr e l e a s i n g k e yw o r d s ：r fm e m ss w i t c h ，l o s s ，i s o l a t i o n ，s e e s a wt y p e ，s i n g l ec r y s t a ls i l i c o n i n 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 壅金：望 日 期：圣旦监：墨! 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：痉金：呈导师签名：叠兰日期：垄塑：一苎至 山东大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 课题研究背景 1 1 1m e m s 及r fm e m s 技术 微机电系统( 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 , 简称m e m s ) 指在微米量级 内设计和制造、集成了多种元件，并适于低成本大量生产的系统。m e m s 通常 由传感器、执行器、信息单元和通讯接口单元等组成。是在微电子技术的基础 上发展起来的，将常规集成电路工艺和微机械加工独有的特殊工艺相结合，可以 将传统集成电路工艺无法集成的一些大尺寸器件集成到微型系统中，为开发各种 性能更优、尺寸更小的器件和集微传感器、微处理器和微执行器于一体的微型系 统提供了可斛1 1 。 射频微机电系统( 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 f ls y s t e m ，简称 r fm e m s ) 是m e m s 技术的重要应用领域之一，也是二十世纪九十年代以来 m e m s 领域的研究热点。r fm e m s 用于射频和微波频率电路中的信号处理，是 一项将能对现有雷达和通讯中射频结构产生重大影响的技术。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波段。而目前的通讯系统中仍有大量不可 或缺的片外分立元件，例如电感、可变电容、滤波器、耦合器、移相器、开关阵 列等，成为限制系统尺寸进一步缩小的瓶颈。r fm e m s 技术的出现有望解决这 个难题。采用r fm e m s 技术制造的无源器件能够直接和有源电路集成在同一芯 片内，实现射频系统的片内高集成，消除由分立元件带来的寄生损耗，真正做到 系统的高内聚，低耦合，能显著提高系统的性能【2 】。 1 1 2r fm e m s 开关的研究意义 r fm e m s 器件主要可以分为两大类：一类称为无源m e m s ，其结构无可动 零件；另一类称为有源m e m s ，有可动结构，在电应力作用下，可动零件会发 生形变或移动。在r fm e m s 器件中目前最受关注的是r fm e m s 开关，是r f m e m s 器件中的核心器件。r fm e m s 开关是工作在射频到毫米波频率的微机械 开关，依靠机械移动实现对传输线的通断控制。表1 1 是f e t 、p i n 二极管与 r fm e m s 开关的性能上的比较，从表中可以看出r fm e m s 开关与传统的半导 山东人学硕士学位论文 体开关相比，具有以下优点【3 】： 1 ) 几乎是零损耗：静电驱动需要2 0 8 0 伏的电压，但是开关中电流很小， 几乎为零，这就造成了很低的能量损耗( 每个开关周期中消耗1 0 1 0 0 r t j 的能 量) 。 2 ) 非常高的隔离度：r fm e m s 串联开关由于在电极与传输线间存在实质 性的空气间隔，从而有很低的关态电容( 2 - - 4 f f ) ，在0 1 - 4 0 g h z 范围内有很高 的隔离度。 3 ) 低的插入损耗：消除了半导体中扩散电阻，极大地减少了器件的电阻损 耗，从而具有很小的插入损耗( 0 1 d b 在4 0 g h z ) 。 4 ) 低的互调分量：由于没有半导体的p n 结，开关的i v 呈现非常好的线性， 具有很低的互相调制分量。 5 ) 低成本：m e m s 开关是利用表面微机械技术制作的，可以制作在石英玻 璃、高阻硅、g a a s 基底等材料上。采用m e m s 中高度可重复的超微细生产技术， 利用生产硅片控制电路中的现有技术，可进行批量生产，降低成本。 表1 1f e t 、p i n 二极管与r fm e m s 开关的比较【1 j r fm e m s 开关功能强、用途广泛，不仅在射频电路、机械结构或传导器件 中应用广泛，另还在相控阵天线、x 波段的移相器、微波功率计、基于m e m s 的自适应重构天线、基于m e m s 的频率跳变天线中也有应用。开关在通信系统 中用途相当广泛，射频开关是雷达、电子对抗、通信等领域的重要控制元件。正 因为有了射频开关，整机才能完成收发、切换、闭塞、优选以及更复杂的功能。 2 山东大学硕l 上学位论文 1 2 研究现状 m e m s 开关的研究开始于1 9 7 9 年i b m 的k e p e t e r s o n 【4 1 ，是一种静电驱动 悬臂梁开关，这个开关虽然不是为射频应用设计的，但是为射频开关设计的起点。 随着m e m s 技术的进步，在2 0 世纪9 0 年代初期，美国l a r s o n 博士研制出微波 控制的m e m s 开关【5 1 。由于r fm e m s 开关在军民两方面应用的巨大潜力，近 十年的研究惊人增加，m o t o r o l a 、r o c k w e l l 、r a y t h e o n 、a d i 、t i 、h r l 、o m r o n 、 s a m s u n g 、n e c 、n o r t h r u pg r u m l t l a n 、s t - m i c r o e l e c t r o n i c s 等国际上知名的公司都 开展了相关的研发工作。 r fm e m s 开关由两个不同的部分组成：机械部分和电学部分。可以用静电、 电磁、压电或热原理等为机械部分提供驱动力。到目前为止，静电型开关和静磁 驱动开关可以用圆片级制造技术加工，在o 1 i o o g h z 范围内有高的可靠性。 开关的电学部分，可以采用串联或并联的方式排列，可以是金属金属接触或电 容式接触【1 1 。开关的机械部分结构主要有悬臂梁、桥膜和扭转摆三种。以下按照 这三种结构对开关的研究现状进行介绍，并对于三种结构开关的优缺点进行总 结，为设计开关指明了研究方向。 1 2 1 悬臂梁结构开关的研究现状 图1 2 1 1 是1 9 7 9 年i b m 的k e p e t e r s o n 研制的一种静电驱动串联型接触 式开关【4 】，是最早的悬臂梁结构开关。这种开关性能与制作工艺有较大的关系， 各项性能参数并不稳定。 图1 2 1 1 早期的悬臂梁接触式开关 图1 2 1 2 是1 9 9 5 年报道的一种静电驱动单刀单掷串联型接触式开关【6 】。该 开关采用g a a s 衬底，用金制作微波传输线和接触电极，采用p e c v d 的氧化硅 作为悬臂梁材料，以聚酰亚胺作为牺牲层材料，整个工艺过程的温度不超过 2 5 0 0 c ，可以和常规的g a a s 电路工艺相兼容，该开关在4 g h z 频段以下，插入 m 东学顿i 学位论空 损耗优于0 1 2 d b ，隔离度优于一5 0 d b ，开启电压2 8 4 0 v ，开关寿命大干65 x 1 0 ” 次。 鲞二l 誊“”。笺， l 图1 213h r l 的静电驱动串联型接触式开关 图1 214 是a d ( a n a l o gd # “c e s ) 公司于1 9 9 9 年研制的一种静电驱动串联型 接触式开关1 8 】。开关悬臂梁采用电镀工艺制作，厚度达7 9 p m ，这就得到大的 刚性结构和比较高的机械谐振频率悬臂梁与衬底之间的空气间隙仅为06 l m 牺牲层采用铜，湿法腐蚀工艺释放。这种开关开启电压较高( 6 0 8 0 v ) 但开关的速度很快，吸合时间约i 2 p s ，释放时间约2 3 p s 。开关的接触电阻 为1 15 n ，插入损耗约0 1 5 d b d c4 0 g h z ，蕊离度为4 0 d b 4 g h z 一 - 2 7 d b 4 0 g h z 。 m 末大学碗学位论文 r 网 l 遗：二，二、二1 图l2l _ 4 a d 公司研制的一种静电驱动串联型接触式开关 图1 2 】5 为台湾大学的c h a n g 等人在2 0 0 0 年研制的一种紧凑的静电驱动 d c 接触式m e m s 并联开关【9 】。开关制作在g a a s 衬底上，悬臂粱采用双层金属 制作，分别是0 5 1 j m 厚的a i 和0 1 t t m 厚的c r 由于a i 和c r 金属层问的残余应 力差，悬臂梁向上翘曲，改变着两层金属的厚度比例以及c r 金属层的位置可以 改变上翘的程度。采用非晶硅作为开关的牺牲层。开关采用c p w 微波传输线。 开关的开启电压约2 6 3 0 v 切换时间约1 0 m s ，插入损耗为05 d e 恼1 0 g h z ，隔 离度为一1 7 d b 1 0 g h z 。 、 、瓠 面矗_ 围1 215 台湾大学研制的一种d c 接触式m e m s 并联开关 1 2 2 桥麒式结构开关的研究现状 图1 22 1 是g o l d s m i t h 研究小组于1 9 9 6 年研制的静电驱动并联开关i 嘲。 0 5 i t m 厚的a l 膜梁悬挂在传输线的上方，间距为3 5 m ，。膜粱下的极板采用 钨合金，这样就可以得到非常光滑的介质层和大的电容比。开关的牺牲层是聚酰 亚胺，用氧等离子体刻蚀的方法释放。这种开关广范应用于x 波段和k 波段移 相器、开关电容组和可调滤波嚣。开关的开启电压为3 0 5 0 v ，隔离度为 m 东 学碰j 学论空 一2 0 d b 1 0 g h zr 3 5 d b 3 0 g h z 。 3cx li 拿翻匕：二 删i ， 图l22 1g o l d s m i t h 研究小组研制的静电驱动并联开关 图i 222 是o m r o n 公司在1 9 9 9 年制作的基于厚的单晶硅膜的串联型接触式 开关】。丌关采用静电驱动方式，开关的硅膜厚度为1 8 - 2 4 p m ，硅膜的面积为 1 6 0 0 p m x1 6 0 0 p r o 。由于没有轴向残余应力和纵向应力梯度，即使尺寸很大，硅 膜也不会没有弯曲。硅膜上制作有突起结构，可以防止膜和下拉极扳的直接接触， 不仅可以消除底电极和单晶硅硅薄膜间的粘连问题，还可以获得较大的接触力。 两个下拉电极制作在玻璃衬底上，每个下拉电电极的面积为8 0 0 p m x1 6 0 0 i l m ，如 此大的下拉电极使得开启电压较低( 1 5 2 0 v ) 。开关的接触电阻小于05 1 2 ，插 入损耗优于- 05 d b 2 g h zr 隔离度优于一4 4 d b 2 g h z 。 图12 22o m r o n 公司制作的基于厚的单晶硅膜的串联型接触式开关 图122 3 是2 0 0 0 年n l i n o 括大学报道的低压直接接触式并联开关i l “。通过 在膜锚区附近设计低弹性系数的窄支撑粱来获得低驱动电压结构。采用的是分离 式下拉极板。优点是可以容易的去除中间开关膜下的介质，获得金属- 金属接触 以及直流到毫米波频率内的高隔离度。开关的牺牲层采用聚酰亚胺。开关设计了 上拉电极，用于在开关没有驱动时将膜固定在u p 态降低了丌关的插入损耗。 丌关在d c 4 0 g h z 的频率范围内的插入损耗优于0l d b ，隔离度优于一2 5 d b 。 m 东太学域士学位论文 d k 目( b i 图1 2 2 3i l l i n o i s 大学报道的低压直接接触式并联开关 图1 2 , 2 4 是m l 血g 孤大学于2 0 0 0 年报道的一种低电压静电驱动的并联电容 开关”。开关的桥膜采用回纹结构的弹簧支撑，从而得到较低弹性系数，可以 有效地降低开启电压( 6 2 0 v ) ，不过开关的切换时间较长( 约2 0 4 0 p s ) 。低 弹性系数设计的开关对机械力非常敏感，例如对加速度、振动和布朗噪声。解决 这个问题的方法是在开关上方再制作一个上拉电极，当开关没有动作时，膜被固 定在u p 态。由于采用较宽的粱和小的c p w 尺寸，因而具有极低的插八损耗 ( - 0l d b 3 0 g h z ) ，隔离度在3 0 g h z 时优于2 5 d b 。 盖兰兰尘当 l ! ! ! ! 一 一1 图1 2 24m i c h i g a n 大学报道的一种低电压静电驱动的并联电容开关 图1 22 5 是m i c h i g a n 大学于2 0 0 1 年研制的低间距并联电容开关川。其上 电极在信号通道上，而下电极接地。上电极与下面的绝缘介质问距为1 5 2 2 岬l ， 采用这么小的间距开启电压下降为1 2 2 4 v ，并且保持了较大的弹性系数，具 有高的机械谐振频率和较短的开关时间且对振动不敏感。但是开关的电容比下 m 采大学顶学位论丘 降到2 0 4 0 。采用这种结构的开关u 丁以得到性能优异的丌关网络和移相器。丌 关的插入损耗00 3 d b 1 0 g h z o 0 5 d b 3 0 g h z ，隔离度- 3 0 d b 3 0 g h z 。 图l225m i c h i g a n 大学研制的低间距并联电容开关 图1 226 是r o c k w e l ls c i e n t i f i c 公司于2 0 0 1 年报道的一种静电驱动接触式 串联开关”。开关的上电极由两个下拉电极和折叠弹簧形成_ 蛤舞结构。牺牲层 采用聚酰亚胺，干法释放。在开关附近，微波传输线的宽度为2 0 4 0 u m ，间隙 为5 0 6 0 1 a m ，再加上小的接触面积和25 1 t i n 的间隙高度，得到的u p 态有效电 容值仅有l7 5 2 t f 。由此测得开关的隔离度优于- 5 6 d b ( 2 g h z ) 和- 3 0 d a ( 4 0 g h z ) 。 图1 226 r o c k w d ls c i e n t i f i c 公司的一种静电驱动接触式串联开关 123 扭转摆式结构开关的研究现状 h a h 等、c h i a o 等【”在2 0 0 0 年分别独立设计了静电驱动推拉式m e m s 串联 开关如图1 231 中a 和b 所示。丌关由扭转粱结构和可动平板组成，开关由两 个驱动电极，一个上拉极板和下拉极扳。在下拉位置，开关的工作情况和普通的 悬臂梁开关类似，如果在推拉扳上旅加电压，悬臂梁向上翘起。受到推一拉结构 中杠杆的作用，开关和传输线的间距至少增大为初始间距的两倍。推拉结构使用 低间距结构，可以得到相当低的驱动电压，而没有降低开关u p 卷隅离度( 因为 两倍问距) ，在u d 态位置，由于扭摆梁受到静电力作用，开关对机械振动和噪声 山东大学碰学位论文 不敏感。悬臂粱中间的弹性支撑结构具有高弯曲剐度和低扭转刚度。h a h 等人研 制的推拉串联开关利用了两个2 0 p m x 3 0 0 l * m ) ( 1 4 p m 扭转弹性结构，得到的下拉 上拉电压为6 2 0 v ( 1 岬间隙) 。对大接触区( 9 0 p m 9 0 p m ) ，开关的隔离度为 一3 0 d b ( 4 0 h z ) 如果推极板没有上拉电压，开关的隔离度将减少至- 1 7 d b ( 4 g h z ) 。 ( 劬曲) 图1 2 3l 静电驱动推拉式m e m s 串联开关 图1 2 3 2 是i 姬c r o l a b 公司开发的是一种门闩式开关i m ，这种开关一旦驱动 就不需要任何的偏置电压或电流。利用软磁舍金扭摆粱和永久磁铁来实现双稳 态。当平面螵旋线圈通入一定电流后，通电线圈产生的磁场与永磁铁的磁场相叠 加，从而改变产生的电磁力的大小，使右侧向下偏移，悬臂粱与右侧触点接触， 信号线导通。当通一反向电流时，改变电磁力使悬臂粱向左侧偏移。悬臂梁与 右侧触点断开接触。这种开关只需要在稳态切换时加电流或电压，功耗大大降低， 采用扭摆粱结构解决了单臂梁回复力小，器件疲劳，寿命短的缺点。目前这种开 关已用于手机等通讯设施中。开关功耗小于9 0 微焦，开启电压5 伏左右插入 损耗- 0 2 d b 5 g h z ，隔离度- 5 0 d e l 5 g h z 。 十十十千十 图l2 32m i c r o l a b 公司开发的是一种门闩式开关 山东大学硕士学位论文 图1 2 3 3 是国内上海交通大学丁桂甫等设计的一种永磁双稳态射频开判1 引， 可以获得2 0 p n 的接触力摆梁的横截面采用t 型结构，增加了梁的机械强度。利 用软磁合金扭摆梁和永久磁铁来实现双稳态，此结构相比于m i c r o l a b 公司开关的 结构来说在采用了多层线圈并且线圈中间增加了铁芯，可以产生大的驱动力，效 率比较高。开关周期为2 0 r t s ，插入损耗为一0 1l d b 3 g h z ，隔离度为- 4 3 a b 3 g h z 。 图1 2 3 3 上海交通大学丁桂甫等设计的永磁双稳态射频开关 1 2 4 开关研究现状总结 从开关的研究现状中可以看到，在实际研制中，r fm e m s 开关存在以下几 个方面的问题【3 】： 1 ) 应力变形：开关尺寸小，上下电极间距小，只有几个微米。当开关薄膜 存在内应力时，很容易出现变形，可能造成开关功能的失效，开关可靠性降低。 2 ) 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 - - - , 8 0 伏之间。 3 ) 相对较慢的开关速度：大多数m e m s 开关的开关时间大约为2 - - - 4 0 微妙， 约为半导体开关的1 0 0 0 倍。 4 ) 较低的可靠性：接近实用化的m e m s 开关的寿命是l 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，且周围气氛的湿度极低。 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。 根据m e m s 发展的现状和需要，有必要设计和改进r fm e m s 开关的结构和 工艺，克服以上几方面的问题，提高可靠性，提高r fm e m s 开关的应用范围， 满足射频微波领域的需要。 1 0 山东人学硕士学位论文 对于三种结构的开关，其中的主要特点可以总结如下： 悬臂梁开关总结 悬臂梁结构开关由于一端自由悬空，由于薄膜内部残余应力的影响会造成结 构的形变，影响开关的动作，会使开关的谐振频率产生偏移，静电驱动开关的下 拉电压发生显著变化，开关可靠性降低。开关大多采用三种形式来解决这种缺点， 一种是采用三明治结构如图1 2 1 3 中h r l 报道的静电驱动串联型接触式开关， 来补偿悬臂梁内部的应力；第二种是通过加厚薄膜和改善工艺来减少应力造成的 变形，如图1 2 1 。4 中a d 公司研制的串联型接触式开关；第三种是利用这种变 形来完成开关动作，主要通过采用双层结构内的不同应力差来使悬臂梁上翘，从 而设计出大弯曲和很低u p 态电容的开关，如图1 2 1 5 中台湾大学研制的d c 接 触式m e m s 并联开关。 由于开关大多数采用悬臂梁的自身弹性形变来驱动开关回复初始状态，悬臂 梁会因弹性系数小而造成回复力不够，很容易造成接触点的烧结现象和悬臂梁机 械疲劳引起开关失效现象。 桥膜结构开关总结 桥膜式结构采用两端固定的薄膜作为开关的机械结构，虽然薄膜开关的驱动 电压比悬臂梁开关的高，但是它的开关速度要比悬臂梁开关快。一般开关的谐振 频率为5 6 - l5 0 h k z 。 薄膜内的残余应力会影响薄膜的弹性系数，从而影响驱动电压。桥膜结构一 般采取两种方法来降低残余应力：一是在膜上开孔如图1 2 2 3 中i l l i n o i s 大学报 道的低压直接接触式并联开关，孔的存在释放了薄膜的部分残余应力，降低了结 构的杨氏模量，同时可以减小压膜阻尼，增加开关速度。二是采用无残余应力的 单晶硅，可以制作出尺寸大的硅膜，如图1 2 2 2 中o m r o n 公司制作的基于厚单 晶硅膜的串联型接触式开关。 桥膜式结构为了降低驱动电压，一般采用折叠弹簧结构以降低桥膜的弹性系 数，如图1 2 2 4 中m i c h i g a n 大学报道的低电压静电驱动的并联电容开关。 桥膜结构开关大多数是属于电容式开关如图1 2 2 1 和图1 2 2 5 ，由于绝缘 的介质层在开关处于闭合态时内部将产生很大的电场，会在介质层中产生电荷的 俘获和积累，最终导致开关失效，影响寿命的提高，尤其是驱动电压高的时候。 山东人学硕十学位论文 为此开发了许多分离式结构开关，驱动部分和电学部分隔离，可以容易的去除中 间开关膜下的介质，减少电荷的积累。如图1 2 2 3 和1 2 2 6 。 扭转摆式结构开关总结 扭转摆式开关由扭转梁结构和可动平板组成，采用推拉式驱动方式，可以解 决单臂梁回复力不足的问题，增加开关的可靠性和寿命。采用推拉式结构可以使 得接触点和传输线间距增大为初始位置的两倍，所以在保证高的隔离度前提下， 可以设计初始间距比较小的开关，从而降低驱动电压和电流。 但是开关的机械结构部分同样存在着应力变形问题，一方面可以通过优化工 艺来降低应力，但是增加了工艺的复杂性；另一方面可以通过优化梁的结构来实 现，如图1 2 3 3 。因此开关的残余应力的控制仍然是制约其发展的重要因素。 1 3 研究目标 通过对三种不同结构的开关研究现状进行比较可以看出扭转摆式结构的开 关在解决开关回复力不足和降低静电驱动开关的驱动电压等方面具有很大的优 越性。 为了解决开关的介质充电问题，采用信号传输线和驱动分离的结构，可以去 除介质层，从而解决介质带电的问题。 同时为了解决开关结构应力变形问题，采用没有残余应力的单晶硅作开关的 机械部分也是开关发展的一个重要方向。 本论文的研究目标是设计制作基于单晶硅的扭转摆式结构开关，开关的机械 部分采用没有残余应力的单晶硅制作成扭转摆的结构，可以解决开关的应力变形 和回复力不够造成开关触点粘结和失效的问题；电学部分采用串联接触式设计， 开关可以应用于直流到4 0 g h z 的频率范围。 1 4 研究内容 本论文设计了两种驱动方式的单晶硅扭摆结构r fm e m s 开关：静电驱动和 电磁驱动。其中静电驱动开关制作完成了驱动部分和电学部分，电磁开关设计制 作了电磁驱动结构部分。本论文着重分析了开关设计的方法和相应的工艺设计， 研究了开关的制作，并对其制造的关键工艺进行了研究。具体完成工作有： 1 2 山东大学硕士学位论文 1 讨论和分析了三种主要机械结构的开关的优缺点，提出制作扭摆结构的 开关的方案。对于扭摆梁的机械结构的运动模态作了仿真和理论分析，并对于动 力学和机械冲击的特性作了理论的计算和分析，为设计m e m s 开关作了理论的 铺垫。 2 设计了基于扭摆结构单晶硅梁的静电驱动开关，并对开关进行了流片制 作。分析了静电驱动开关的基本工作原理，对于扭摆式静电开关的力学特性和电 学特性作了分析，并且对于机械结构和共面波导传输线作了设计优化，用a n s o f f h f s s 仿真了开关的隔离度和插入损耗。 3 设计了双线圈驱动的电磁开关，对于开关的驱动部分进行流片制作。建 立并分析了开关的力学模型和电学特性，优化了开关的结构，设计优化了共面波 导传输线，仿真了开关的隔离度和插入损耗。 4 对于开关的制作工艺进行了讨论优化，主要有i c p 深硅槽刻蚀，牺牲层 工艺，互联线的制作工艺和体硅湿法腐蚀工艺。其中对于在牺牲层工艺的研究中， 设计制作了超临界二氧化碳干燥释放的设备，用于牺牲层的干燥释放。 山东大学硕士学位论文 第二章r fh e m s 开关的理论研究和设计优化 本章首先对于单晶硅扭摆梁结构进行建模，分析其静力学和动力学特性，为 r fm e m s 开关的设计提供理论依据；然后设计了两种驱动方式的单晶硅扭摆梁 r fm e m s 开关，并分别对它们进行理论模拟和优化设计；最后对于开关的微波 特性进行仿真模拟。 2 1 扭转摆式单晶硅梁的力学模型 圃 图2 1 1 扭摆结构图 本节首先对单晶硅扭摆梁结构建模，进行有限元模态分析，然后分析其静力 学和动力学特性。扭摆梁结构如图2 1 1 所示，图中l t 为扭臂的长度，b 为扭臂的 宽度，w 为平板梁的宽度，a 为扭转梁和平板梁的厚度，平板梁的长度等于2 l c + b 。 2 1 1 有限元模态分析 有限元是用来分析各种结构问题的强有力的工具，可以解决各种固体力学的 问题，在分析开关的结构力学方面具有很大的优越性。在m e m s 扭摆梁结构的分 析过程中，我们采用有限元分析方法，对其进行了模态分析。模态分析用于确定 扭摆梁的振动特性( 固有频率和振型) ，为进行静力学分析和瞬态动力学分析， 提供了参考依据。 图2 1 2 给出了对扭摆梁结构进行有限元的网格剖分的示意图，其中，在扭转 臂固定端加载约束条件，使得扭臂固定端的所有自由度为零。 结构尺寸为：= 4 9 0 i - t m ，w = 1 2 0 1 a m ，厶= 3 0 0 p r o ，b = 2 0 i _ t m ，a = 10 p m 。 梁材料为单晶硅，硅的泊松比y = o 2 7 8 ，密度0 = 2 3 3 x 1 0 3 k g m 一，硅的杨氏模 量e = i 9 0 x 1 0 p a 。利用有限元软件a n s y s 对以上尺寸的扭摆梁进行模拟分析，设 定模态数量和提取的模态数为5 。通过求解，可以得到硅梁的模态分析的频率和 1 4 山东大学硕士学位论文 振型方面的结果，如图2 1 3 和2 1 4 所示。 _ h 帅 i 帅e xo f d 日t 矗g e t go h 瑚瞎u l t sf l l e 蚌州+ - s 盯t i 睫聃聃l d t 印蛐璐t 口侧刖t i u e 11 g l u t 7 11l 23 7 3 4 2 122 37 4 8 8 8 133 49 5 9 3 g 14 噜 5b 1 1 8 3 1 e 拍l55 图2 1 2 网格剖分的示意图图2 1 3 模态分析的频率结果 从图2 1 4 中可以看出，扭摆结构的基本模态为围绕扭转梁扭转的运动模态， 反映了由于平板梁偏转带动扭转梁扭转的运动形式，其谐振频率为1 6 1 0 7 h z 。二 阶模态为沿着平板梁法线方向的弯曲的模态，三阶模态为垂直于平板梁表面法线 和扭转轴方向的弯曲模态，四阶模态为二三阶模态的结合。五阶状态为扭转梁的 弯曲和平板梁的弯曲的结合。本论文中设计的开关需要开关的基本运动模态为扭 转运动，同时在实际开关的设计中为了保证开关的可靠性，必须合理设计开关的 结构，使得基本模态和其它模态相差比较远，从而使得开关更容易维持在扭转模 态运动。 ( a ) 基本模态( b ) 二阶模态( c ) 三阶模态 ( d ) 四阶模态( e ) 五阶模态 图2 1 4 各模态的振型图 山东大学硕士学位论文 2 1 。2 梁的静力学特性分析 2 1 2 1 无应力单晶硅 1 应力引起的梁弯曲 在固支梁和悬臂梁淀积制作过程中，不可避免的会产生垂直方向上的应力梯 度。均匀梁的上下层不同的淀积条件会产生应力梯度，或者多层梁的每一层的残 余应力不同，也会产生应力梯度。在很多设计中，降低应力梯度是非常重要的， 这是因为应力梯度的存在使梁在释放后产生正向或负向弯曲【1 1 。如图2 1 5 所示。 25 。胃 f 艇譬& o 二 髫蕊翠 行， 冒甄窜 ： 图2 1 5 应力梯度对梁弯曲的影响( a ) 压应力；( b ) 张应力 由应力梯度引起的等效弯矩是 ：f 2w z t y ( z (21m ) d z ) 2 厶 z( 2 - ) 其中，w 为梁的宽度，z 为厚度方向的坐标，a ( z ) 为残余应力。对于线形残 余应力梯度r ，由残余应力引起的梁末端挠度为 ：一m12：堡(2-2az 2 - 2 ) = = j 2 e ，2 ，为梁的长度，i 为悬臂梁的转动惯量。 对于双层梁，两层的厚度分别为和乞，平均残余应力分别为q 和呸，可以 计算出梁的端点的弯曲量【1 1 & ：鼍【l _ 掣】( 2 - 3 ) t4 压 。 。 。 其中扛f l + 乞；e ：e i t i + e 2 t 2 。在实际应用中上下层的应力差必须控制在 六+ 厶 5 m p a 之内。 1 6 _ 山东大学硕士学位论文 2 单晶硅梁 单晶硅采用直拉法生长，本身无残余应力，硅的屈服强度为7 0 g p a ，利用单 晶硅的本身无应力的条件，可以制作出尺寸比较大的薄膜，同时可以抵消其上淀 积的薄膜的部分残余应力，从而可以制作出平坦结构的悬臂梁和扭摆梁结构。 利用有限元软t 牛a n s y s 对单晶硅梁上淀积金属来进行模拟： 对于引入1 0 m p a 内应力的单晶硅扭摆梁，其形变为图2 1 6 ：可以看出内应力 引起的形变最大值为0 1 微米。在无残余应力的单晶硅梁上淀积一层1 微米厚的 金，金的残余拉应力为1 0 m p a 时，单晶硅梁最大形变为0 3 7 微米。 图2 1 6 内应力造成扭摆梁的弯曲图2 1 7 金属应力造成的扭