（微电子学与固体电子学专业论文）低驱动电压rf+mems电容开关的设计.pdf

哈尔滨理丁大学1 = 学硕士学位论文 低驱动电压r fm e m s 电容开关的设计 摘要 r fm e m s 开关是微波信号变换的关键器件之一，与传统的f e t 场效应 管和p i n 二极管开关相比，具有低插入损耗和能量损耗、高隔离度以及能 够与现有的微波毫米波电路进行单片集成等优点，越来越受到人们的关注。 目前r fm e m s 开关存在驱动电压高等方面不足，国内外正致力于研究降低 开关驱动电压的方法。本文应用有限元分析软件i n t e u i s u i t e 和c s t 设计三 种r fm e m s 电容开关结构，并对其静态力学性能和微波特性进行了研究。 本文设计了铰链支撑结构及多驱动电极结构电容开关，驱动电压分别为 8 v 和7 v ，与普通电容开关驱动电压1 4 v 相比明显降低。仿真结果表明， 多驱动电极和铰链支撑结构可有效降低开关驱动电压，多驱动电极结构具有 强度高、可靠性好及抗震动性好等方面优势。 仿真结果表明，膜桥材料和尺寸对铰链支撑结构r fm e m s 电容开关驱 动电压有显著影响，相同尺寸a u 膜开关的驱动电压比a l 膜的驱动电压 高：在a l 膜桥结构中，宽度相同时，长度增加，开关驱动电压减小。本文 选择杨氏模量较小的a l 膜作为上电极材料，结构优化参数为长2 8 0 u m ，宽 1 6 0 t 工m 。 本文设计的串联结构r fm e m s 电容开关，可降低插入损耗，提高隔离 度。在9 g h z 1 6 g h z 频率范围内，隔离度大于2 0 d b ，在谐振频率l5 g h z 处隔离度最大，达到3 5 d b ；在o g h z 1 5 g h z 频率范围内，插入损耗小于 l d b ，具有良好微波特性。 本文所设计的三种r fm e m s 电容开关结构合理，可显著降低驱动电压 和插入损耗，提高隔离度，研究成果为新型r fm e m s 电容开关设计提供了 理论依据。 关键词r fm e m s 开关；驱动电压；插入损耗；隔离度 d e s i g no fl o w a c t u a t e dv o l t a g er fm e m s c a p a c i t i v es w i t c h e s a b s t r a c t r fm e m ss w i t c hh a sb e e nak e ye l e m e n ti nt h ef i l e do fm i c r o w a v es i g n a l c o n t r 0 1 m e m ss w i t c h e sh a v es e v e r a la d v a n t a g e so v e rp i nd i o d ea n df e t s w i t c h e ss u c ha sl o wi n s e r t i o nl o s s ，h i 曲i s o l a t i o n ，e x c e l l e n tc o m p a t i b i l i t yw i t h c u r r e n tm i c r o w a v ea n dr a i n w a v ec i r c u i t b e c a u s eo f t h o s es i g n i f i c a n ta d v a n t a g e s m e n t i o n e da b o v e ，r fm e m ss w i t c hi si n c r e a s i n g l yu n d e rf o c u s h o w e v e r ，t h e r e a r es o m ed i s a d v a n t a g e ss u c ha sh i g h a c t u a t e dv o l t a g ea n ds oo nf o rr fm e m s s w i t c h e s t h em e a n st od e c r e a s et h ea c t u a t e dv o l t a g ea r eb e i n gs t u d i e da th o m e a n da b r o a d i nt h i sp a p e r , t h r e ek i n d so fr fm e m ss w i t c h e sa r ed e s i g n e da n d s t u d i e di ns t a t i cm e c h a n i c sc h a r a c t e r i s t i c sa n dm i c r o w a v ec h a r a c t e r i s t i e sb y u s i n gi n t e l l i s u i t ea n dc s t s o f t w a r e t h ec a p a c i t i v es w i t c h e sw i t ht h es t r u c t u r e so fs e r p e n t i n es u p p o r t sa n d a d d i t i o n a le l e c t r o d e s 。w h o s ea c t u a t e dv o l t a g e sa r er e s p e c t i v e l y8 va n d7 v , a r e d e s i g n e di nt h i sp a p e r w h e r e a s ，t h ea c t u a t e dv o l t a g eo fc o m m o nc a p a c i t i v e s w i t c hi s14 v t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tb o t ho fs t r u c t u r e sc a nd e c r e a s ee f f e c t i v e l y t h ea c t u a t e dv o l t a g e a l t h o u g hb o t ho ft h e mc a ng e ti d e n t i c a le f f e c t ，i n c r e a s i n g a d d i t i o n a le l e c t r o d e sh a sa d v a n t a g e so fh i g hs t r u c t u r es t r e n g t h 、g o o dr e l i a b i l i t y a n da n t i q u i v e r t h er e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h a tt h ea c t u a t e dv o l t a g eo fs w i t c h e si si n f l u e n c e d b ym a t e r i a la n ds i z eo fm e m b r a n e 。b r i d g e t h ea c t u a t e dv o l t a g eo f a um e m b r a n e b r i d g es w i t c hi sh i g l l e rt h a na 1m e m b r a n e b r i d g es w i t c h ，w h i c hi st h es a m e i n c h a sa um e m b r a n e b r i d g e t h ea c t u a t e dv o l t a g eo f a 1m e m b r a n e - b r i d g es w i t c hw i l l d e c r e a s ew i t ht h el e n g t ho fm e m b r a n eb r i d g ei n c r e a s i n go nc o n d i t i o nt h a ti t s w i d t hi ss a m e i nt h i sp a p e r , a lm e m b r a n ei sc h o s e na su p p e re l e c t r o d ea n di t s i m p r o v e dp a r a m e t e r sa r et h a tl e n g t hi s2 8 0 i - t ma n d w i d t hi s16 0 9 m t h es e r i e sc a p a c i t i v er fm e m ss w i t c hd e s i g n e di nt h i sp a p e rc a nr e d u c e i n s e r t i o nl o s sa n di n c r e a s ei s o l a t i o n ，w h i c hp o s s e s s e sa ne x c e l l e n tm i c r o w a v e i i - 哈尔滨理t 人学t 学硕j j 学位论文 p e r f o r m a n c e i t si s o l a t i o ni sh i g h e rt h a n2 0d bf r o m9 g h zt o1 6 g h za n dg e t st o m a x i m u m3 5 d ba t15 g h z i t si n s e r t i o nl o s si sm o r et h a nld b t h er e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h a tt h es t r u c t u r e so fs w i t c h e sd e s i g n e di nt h i s p a p e ra r ea p p r o p r i a t ea n dc a no b v i o u s l yr e d u c et h ea c t u a t e dv o l t a g e ，w h i c h p r o v i d eat h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h en o v e lr fm e m sc a p a c i t i v es w i t c hd e s i g n k e y w o r d sr fm e m ss w i t c h ，i n s e r t i o nl o s s ，i s o l a t i o n ，a c t u a t e d - v o l t a g e i i i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文低驱动电压r fm e m s 电容开 关的设计，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独 立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含 他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：兰己奎 日期： o8 1 1 三 多月ld 同 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 低驱动电压r fm e m s 电容开关的设计系本人在哈尔滨理工大学攻读硕 士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨 理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了 解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关 部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大 学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部 分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密曰。 ( 请在以上相应方框内打4 ) 作者签名：丝乙藿 导师签名： 岛臻 l 1 日期： 口8 年弓月l d 日 日期：2 棚g 年3 月fd 日 堕尘鎏矍三查兰三兰堡! 兰垡堡兰 1 1r f m e m s 简介 第1 章绪论 r fm e m s 足指用于射频无线通信系统中的m e m s ，是通信系统对更高频 率的需求产牛的。r fm e m s 器件与其对应的半导体同畚器件相比，具有功耗 小，线性度高，能代替离散、非芯片组件( 开关、电容、电感) ，易于实现单片 集成、能实现批量生产、降低生产费用、工艺复杂度以及芯片尺寸的特点。 在过去的十年里，微机械加工工艺促进了射频微机电系统的发展，大大缩 小了通信系统的体积，提高了可靠性与效率、延长了寿命，并降低了功耗。其 创新在于，将电磁理论与微机械制作技术相结合，以硅材料为主，并适当采用 其他功能材料和新的工艺，进行新结构、新器件的研究，为进一步研制基于 m e m s 技术的单芯片无线通信系统打下良好基础。 r fm e m s 技术主要包含三个方面：k fm e m s 开关、可变电容电感、谐 振器等基本器件；移相器、滤波器、v c o 等组件：单片接收机、变波速雷 达、相控阵天线等应用系统。 1 1 1 基本r f m e m s 器件 1 r fm e m $ 电感电感器是影响谐振电路、阻抗匹配网络、低噪声放大 器和滤波器等系统的关键元件。常规的片上平面电感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，而采用微机械加工技术制 图i - i 徽电感的s e m 图 f i g a 一1 t h e s e m p i c t u r e o f m i 堕垒堡堡三查兰三兰堡圭兰些兰兰 造的m e m s 电感器可以改进电路的增益、功耗、相位噪声等性能参数，大幅 度减小寄生参数，达到分立电感器的性能水平。如图1 - 1 所示是一种悬置式 电感元件，其q 值在频率为l8 g h z 时为3 8 ，电感值为1 4 n i l 。 2 r fm e m s 电容可变电容是调谐电路的重要基础元件，可调匹配电 路、压控振荡器是调谐电路的典型例子。但是可变电容器通常是实现惟片集成 电路的一大障碍，引起这个问题的原因很多，最突出的是传统可变电容器工艺 与i c 工艺不兼容，使得集成可变电容器的特性变差。随着r fm e m s 技术的 应用，这一问题得到了根本解决。m e m s 可变电容有两种基本类型：平面型和 梳状型。平面型可变电容器的上极板足悬空的，如图l - 2 所示t 上下极板间的 距离随外加电压的太小而改变，可变电容器的电容随之改变，从而实现电容可 调的目的。梳状型可变电容的两个极板均呈梳状，其面板相互交叉，如图1 - 3 所示，通过调节交叉面的重合程度，改变正对面积来实现电容大小的改变。 图1 - 2 平面型微电容 幽1 - 3 梳状型微电容“ f i 9 1 - 2 t h e p l a r m i p t a r i f i g 1 3 t h ec o m b m i a p a c i t a n c e 3 r fm e m s 开关r em e m s 开关是微波信号变换的关键元素，与传统 的p i n 二极管及f e t 开关相比，具有插入损耗小、隔离度高、线性度良好、 驱动功耗小、工作频带宽、加工成本低等特点，使其在微波电路中有着不可替 代的地位删，本文将重点设计r fm e m s 电容开关。 4 r fm e m s 谐振器采用m e m s 技术可以制造高q 值谐振器，其优势 在于可实现单片集成。常见的谐振嚣有纵向运动和横向运动两种。如图1 - 4 所 示是一种横向运动型谐振器，这种谐振器是通过激励梳状结构件来产生谐振， 目前其q 值可达到5 0 0 0 以上。这种微机械谐振器具有谐振频率稳定、选频特 l ；滨目t 学i m 学位论女 性好的特点，主要应用在滤波器中 图1 4 横向震动微谐振器 f i g1 4 t h e h 枷v e m e q u i v e r 懈o n a t o r 1 1 2 基本r f m e m s 组件 1 r fm e m s 滤波器微电子机械滤波器是基于高o 值微谐振器的r f m e m s 组件，如圈l 一5 所示主要应用于信号处理。它的特点是信噪比 高、选频特性好、温度和实效特性稳定、工作频带比较窄。另外，采用高o 值 的电容和电感也可以实现单片滤波器，而且随着电容、电感自谐振频率和o 值 的提高，插入损耗和工作带宽有了较大改善。 图1 - 5 微电于机械谵渡器 f i g1 - 5 t h e m i c r o - e l t r o n i c s m 。c h “】k 。 2 r fm e m s 移相器将r fm e m s 技术应用于微波领域可使微波器件 和电路的结构和性能发生根本性改变。利片jr fm e m s 技术制作的移相器与传 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 路集成等特点，因此r fm e m s 移相器的研究对现代雷达和通信系统具有十分 重要的意义。其基本原理是：在共面波导传输线上周期性的加载具有高电容比 的m e m s 桥，增加共面波导与地之间的分布电容，使共面波导传输线成为一 日渍理1 上学l 学十学位论女 个慢性系统，起到相位延迟的作用”。在线e 施加个静电偏压，在静电力的 作用下，拉下m e m s 桥，改变电容大小，引起传输线参数变化，从而改变电 磁波的相位。在共面波导上悬挂m e m s 电容，传输损耗小，在毫米波频段有 卓越的性能。如图l 一6 和图1 7 所示是两种典型的p , fm e m s 移相器，移相器 主要用在相控阵天线中，通过电子计算机控制移相器改变天线孔径k 的相位分 布来实现波速扫描，即电子扫描。 目l 石r f m e m e 模拟移相器 f i g1 - 6 t h e r f m e m sa n a l o g p h a s es h i f l 踊 蔫熏聚嘲礴塑群繁毒骥 3 专毒每一、j 爿 毒睡耘毒塞- 、- 鼍j 、毛焉a 兰岳、二j 三三三三三寻 幽l 一7r f m e m e 数字移相器o ” f i g i 7 t h e r f m e m sd i g i t a l p h ms h i f t e r s 1 1 3r f m e m s 压控振荡器v c o 现代通信系统迫切需要压控振荡器，辱管在单片集成射频收发机上做了大 量的工作，但压控振荡器仍然无法集成到芯片上，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。随着微机械加工的发展，r f m e m s 技术使得压控振荡器集成在芯片上成为现实。如图1 8 所示的r f m e m s 压控振荡器v c o 2 “，是采用m e m s 电调可变电容实现的。由于m e m s 哈尔滨理工大学工学硕j ：学位论文 电容、电感可以实现较高的o 值，因此相应的v c o 的相位噪音较低。压控振 荡器主要应用在锁相环中，与锁相器、滤波器一起构成基本的锁相环，起到频 率跟踪作用。 嚣 麓蟛 心l l 图1 - 8r fm e m s 压控振荡器 f i g 1 - 8r fm e m sv o l t a g ec o n t r o l l e do s c i l l a t o r 1 2r em e m s 开关的研究意义 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。微机 械加工技术的出现，使得微机械结构和微电子电路能够集成在一起，构成单片 集成系统，即微电子机械系统( m e m s ) 。这一技术发展很迅速，己经进入防御 和通讯领域的应用，以r fm e m s 开关为例。 ( 1 ) 防御领域：以r fm e m s 开关技术为基础，可研制r fm e m s 移相 器、r fm e m s 智能天线、t r 等模块，是实现上万单元相控阵天线的关键技 术，对雷达预警、战术战略侦查、卫星组网和制导等军事领域均有重要意义。 ( 2 ) 通信领域：i 强m e m s 开关器件具有低功耗、集成化的独特优点，将 在手机等移动通信设备上得到广泛应用。 r fm e m s 开关是指工作在射频到毫米波频率范围内的微机械开关，利用 力学运动来控制射频信号传输的通与断。m e m s 开关与传统的半导体开关相 比，具有如下优点： ( 1 ) 几乎是零损耗。大部分开关采用静电驱动技术，静电驱动需要电压， 但是在开关工作周期里需要的电流很小，因此能量损耗很低( 在每个开关周期 哈尔滨理丁大学t 学硕一j j 学位论文 的能量损耗是1 0 , - , 1 0 0 n j ) 。 ( 2 ) 隔离度高。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 1 - 4 0 g h z 范围内有很高的隔离度。 ( 3 ) 插入损耗低。r fm e m s 串联和并联开关在o 1 0 0 g z 范围内有很低的 插入损耗( 0 1 d b ) 。 ( 4 ) 互相调制分量低。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 ) 成本低。m e m s 开关是利用表面微机械技术制作的，可以在石英玻 璃、高阻硅、砷化镓基底上制作。 然而，r fm e m s 开关普遍存在驱动电压高的问题，静电驱动m e m s 开关 需要3 0 - - 8 0 v 的驱动电压，当在移动通讯系统中应用时，就需要利用电压向上 变换器将输入很低的控制电压提升到所需的驱动电压。同时，大多数r f m e m s 开关的切换时间为几微秒到几十微秒，速度慢，不适用于需要更高切换 速度的通讯和雷达系统。表1 一l 所示为r fm e m s 开关与传统f e t 场效应管开 关和p i n 二极管开关的性能比较。 表1 - 1f e t 、p i nd i o d e 和静电r fm e m s 开关的比较 t a b l el 一1c o m p a r eo ff e t 、p i na n dr fm e m ss w i t c h 参数 r f m 旧m sp f e t 电压【v 】 2 0 8 0士3 53 5 电流【m a 】 03 2 0o 功耗【m w 】 o 0 5 o ，l5 1 0 00 0 5 加1 开关时间 1 3 0 0 p s l 1 0 0 n s1 1 0 0 n s c l i p ( 串联) 【f f 】 l 一64 0 一8 07 0 1 4 0 n s 氏( 串联) 0 5 - - - 22 4钆6 屯容比4 0 - - 5 0 01 0n a 截止频率 t h z 】 2 0 8 0l 40 5 2 隔离度( i 1 0 g h z ) 非常高高中 隔离度( 1 0 - - 4 0 g h z ) 非常高中低 隔离度( 6 啦l0 0 g h z )赢中无 损耗( 1 1 0 0 g h z ) d b 】 o 0 5 加2o 3 1 20 4 一也5 功率处理能力【w 】 l l o i o g h z ) 的隔离度比较小。 综上所述，欧姆接触式适用于d c - 1 0 g h z 。 1 3 2 电容耦合式开关研究现状 电容耦合式开关分为串联型和旁路型。串连型电容耦合式开关优势不明 显，这方面的研究和报道很少。下面我们只重点介绍旁路型电容耦合式开关的 研究现状。 图1 - 1 7 所示为典型的旁路型电容耦合式开关的示意图。这种开关直接做在 共面波导传输线上，中间的信号线同时也兼作下拉电极，上电极两端固支并与 地线相连，下拉电极的顶部有一层绝缘介质，防止开关吸合后造成直流短路。 当在信号线和地线之自j 施加一个合适的直流电压后，上电极被静电力吸下来， 贴在绝缘层上，形成金属介质金属的电容结构，通过这个电容，将信号耦合 到地线。 a 地线信号线地线 上电极绝缘层 a a 圈1 1 7 旁路型电容耦合式开关的示意图 f i g1 1 7 t h es k e t c h m a po f s h u n t c a p a c i t i v es w i t c h 图1 - 1 8 是1 9 9 6 年g o l d s m i t h 等人研制的电容耦合式m e m s 开关哪。为了 获得平滑的介质层表面，该开关采用钨合金作为下电极，然后淀积了约1 0 0 r i m 的氮化硅。牺牲层的材料是光刻胶，用氧气等离子体刻蚀的方法释放。上电极 是溅射的0 5 r t m 的铝。开关的开启电压为3 0 5 0 v ，隔离度为2 0 d b 1 0 g h z ， 3 5d b 3 0 g h z 图1 1 9 为m i c h i g a n 大学研制的一种具有折叠弹簧结构的电容耦合式开关 3 8 1 。它的上电极通过四角上的折叠弹簧悬挂在介质层上方。折叠弹簧结构使得 堂 啥尔滨理工大学工学硕上学位论文 上电极的等效弹性系数很小，有效地降低了开启电压约( 6 - 2 0 0 ，不过开关的 切换时间较长，约2 0 4 0 p s 。开关在1 4 0 g h z 频率范围内插入损耗小于o 1 d b ，隔离度2 5 d b 3 0 g h z 。 图1 1 9 具有折叠弹簧结构的电容耦合式开关 f i g 1 1 9 1 k c a p a c i t i v es w i t c h w i t h t h es e r p e n t i n es u p p o r t s 图1 2 0 是韩国l g 公司研制的高变容比电容耦合式开关口”。采用折叠弹簧 结构以降低开启电压( 8 1 5 7 ) 。介质层的材料选用了高介电常数的s t q ( 钛酸 锶1 ，理论上变容比可以达到3 0 0 0 ，实际上由于介质表面粗糙等原因，变容比 为6 0 0 - - 7 0 0 。开关的谐振频率为3 5 g h z ，隔离度为2 6 9 0 0 m h z ， 4 0 国5 g h z ，3 0 1 0 g h z 。在1 0 0 m h z - 1 0 g h z 频率范围内插入损耗小于0 1 d b 。 至此，我们可以对电容耦合式开关做出以下总结： ( 1 ) 采用金属介质金属结构的容性接触，不能用于直流信号的切换； 哈尔滨理丁人学t 学顾士学位论文 ( 2 ) 通常是采取将信号耦合到地线的方式来隔断信号。 图l 一2 0l g 公司研制的电容耦合式开关 f i g 1 2 0t h ec a p a c i t i v es w i t c hs t u d i e db yl gc o m p a n y 1 4 本论文的主要研究内容 本论文主要针对影响r fm e m s 开关性能的驱动电压、插入损耗、隔离度 等参数进行深入研究。在全面考虑微波特性、材料特性与机械特性的基础上， 设计铰链支撑结构、多电极结构、串联结构的r fm e m s 电容开关。主要内容 如下。 ( 1 ) 简要介绍r fm e m s ，并概述r fm e m s 开关的国内外研究进展及本 论文的研究背景和主要工作。 ( 2 ) 介绍r fm e m s 开关的性能指标和m e m s 技术基本加工工艺，并着重 分析了两种典型r fm e m s 开关的结构构造以及在射频波段的工作原理。 ( 3 ) 分析r fm e m s 开关的静态力学特性和电磁特性。在静态力学特性 中，分析了两端固定梁的弹性系数及其影响因素，并推导开关驱动电压的理论 公式；在电磁特性中，分析了开关在不同状态时的电容值、电容比及提高电容 比的方法。 ( 4 ) 建立三种不同r fm e m s 电容开关结构，并详细介绍制作工艺和结构 参数。 ( 5 ) 仿真了r fm e m s 电容开关的驱动电压、插入损耗和隔离度。 哈尔滨理r t 大学工学硕上学位论文 第2 章r fm e m s 开关设计理论基础 r fm e m s 开关性能用驱动电压、切换时间、插入损耗和隔离度等参数表 征。在一定程度上，高驱动电压可以减少开关的接通时间，但会降低开关寿 命，合理的驱动电压是开关设计中首先要考虑的因素；同时，开关的插入损耗 及隔离度是衡量r fm e m s 开关性能的重要参数。合理的开关结构和尺寸是实 现性能良好开关的关键，本章重点介绍r fm e m s 开关参数、基本结构及工作 原理。 2 1r fm e m s 开关简介 2 1 1r fm e m s 开关参数 开关的主要性能参包括：驱动电压、切换时间、插入损耗、隔离度、电容 比 4 0 l 。 1 驱动电压驱动电压越大，功耗也越大，而在移动终端使用电池供电， 电量非常有限，所以在为移动终端设计开关时，应该严格控制功耗，要尽可能 的减小驱动电压。驱动电压的大小取决于开关结构和可动梁的使用材料。通过 合理设计开关结构、选择适当的材料来获得低功耗设计。 2 切换时间开关速度是衡量r fm e m s 开关性能的重要指标。开关速度 是由开关的切换时间决定的，切换时间越短，开关速度越快。从输入电信号到 开关的机械构件动作至预定位置所需要的时间即为切换时问。开关切换时间与 开关的结构特点、材料特性、工作环境等都有关系，在设计中要想通过计算得 到切换时问是几乎不可能的。但是根据切换时间的定义可以通过实验测得开关 的切换时问，在没有制作样品之前也可以通过软件仿真得到切换时间。 3 插入损耗理想串联开关在连通状态下的插入损耗应该为零。但是当开 关串联在射频传输线上时，由于开关自身的体电阻、开关自身电感、开关金属 触点与传输线之间接触电阻的存在，实际的串联开关在接通射频传输线的同 时，将对传输线路引入插入损耗，带来额外的信号衰减和功率消耗。由于移动 通信系统射频前端接受的射频信号常常很微弱，而且在进入放大电路前对噪声 非常敏感，所以在设计应用到射频前端的开关时，尤其应该认真考虑通过优化 设计来减小开关插入损耗。 哈尔滨理工大学t 学硕： ：学位论文 4 隔离度隔离度代表了开关在断开状态时两段射频线路之间的耦合情 况。理想串联开关在断开状态隔离度应该无穷大，即断开的两段射频线路之间 没有电磁耦合出现。但是由于传输线导体与其它导体之间串联电容和寄生电容 的存在，实际开关的隔离度不为无穷大。如果隔离度太低将使传输信号出现串 码，降低通信质量，所以在设计应用到移动通信系统中的开关时必须考虑尽可 能的提高隔离度。 5 电容比电容比是衡量r fm e m s 电容开关性能重要的指标。它是指 “d o w n ”态电容值与“u p ”态电容值之比。理想条件下要求“u p ”态时电容值为 零，“d o w n ”态时电容值为无穷大，所以要求电容比越大越好。 2 1 2r fm e m s 开关分类 根据不同的分类方法，r fm e m s 开关有不同的分类：按不同的致动机理 可分为静电开关、压电开关、形状记忆合金开关等；按照接触方式可分为电阻 ( 金属一金属) 触点开关( r e s i s t i v et y p e ) 和 容耦合型( c 印a c i t i v et y p e ) ；按电路结构 可分为串联( s e r i e st y p e ) 和旁路型( s h u n tt y p e ) ，如图2 1 所示。 a ) 串联型 b ) 旁路型开关 a ) t h es e r i e s - t y p es w i t c hb ) t h es h u n t - t y p es w i t c h 图2 1r fm e m s 开关示意图f 4 1 1 f i g 2 - 1t h es k e t c hm a po fr fm e m ss w i t c h 电阻触点开关通过金属金属间的接触达到导通的目的，适用于低频段。 开关在未接触时处于断开状态，在接触时处于导通状态。对于电容耦合型开关 而言，在可动金属板与其正对的传输线上有一层薄电介质层和空气间隙，通过 静电驱动来调节空气隙的大小，进而实现开关在“u p ”( 通路) 和“d o w n ( 断开) 状态的转换。当没有施加电压时，开关是导通的，此时可动金属板没有形变， 由于可动金属板和信号线之间的间距相当大，两者之间的耦合电容就比较小， 微波信号以很低的插入损耗通过开关；当上下极板间施加电压时，静电引力使 可动极板向下偏移直到与传输线上的绝缘介质层紧密接触，两者之间的耦合电 容变得很大，使微波信号几乎全反射，这样传输到射频输出端的微波信号就变 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 得很小，开关处于断开状态，对于这种类型的开关，关开状态的电容比是一 个重要的参数。由于它的电容耦合本质，电容耦合开关只适用于高频应用，寿 命比金属接触型开关要长。 虽然有很多的分类方式，但是由于静电致动开关通常采用与i c 工艺相兼 容的表面微机械加工技术进行制造，且静电作用无需工作电流，功耗极低，因 而在首先考虑节省功耗的无线通讯系统中成为首选。下面着重介绍在静电驱动 下的两种常见射频m e m s 开关的基本工作原理及基本结构 2 2 电容式开关工作原理及基本结构 r fm e m s 电容开关基本结构如图2 - 2 所示，主要包括c p w 共面波导传输 线、锚点( 支撑立柱) 、可动金属板和绝缘介质膜。绝缘介质膜很薄，一般位于 c p w 传输线上面或者可动金属板下面，其作用：一是可以避免传输线和上电 极问的直接接触，构成电容；二是可以减小上下结构接触中的粘着力和形成微 型焊接的可能性。 图2 - 2 电容式r f m e m s 开关示意图 f i g 2 - 2t h es k e t c hm a po ft h ec a p a c i t i v es w i t c h 当开关无加偏置电压时，开关电容很小，如式( 2 1 ) 所示。此时，微波信号 从“桥”下的信号线边沿几乎无衰减地通过，开关呈“u p ”态( 通路) 。 = 丽8 0 a ( 2 - 1 ) 其中，劭是可动金属板与绝缘介质间空气隙的初始距离，么是可动金属板 与下电极的交叉面积，幻是绝缘介质膜的厚度，pd 是空气的介电常数，f ，是 绝缘介质膜材料的相对介电常数。 当开关加上偏置电压后，静电力牵引可动金属板向介质移动，改变中间的 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 空气隙大小，从而改变电容。当可动金属板下拉到与底部介质膜层紧密接触 时，忽略边沿效应电容值为： 硼= 掣( 2 - 2 ) d 在这种状态下，串接在信号通道和地线之间电容值变大，使高频信号耦合 至地线，几乎没有射频电流输出至信号线输出端，开关处于 d o w n 态( 断开) 。 2 3 接触式开关工作原理及基本结构 接触式r fm e m s 开关可分为两端固定、中间悬空的“桥”式结构和一端固 定、一端悬空的“悬臂梁”式结构。虽然它们在构造上存在很大差异，但工作原 理基本一样，都是在无偏置电压时，即可动金属“桥”或悬臂梁未被驱动，处于 悬空状态，信号线是断开的，因此信号无法从输入端传到输出端。当加上偏置 电压后，可动金属板或悬臂梁在静电力的作用下向下运动，直到与接触金属接 触，将信号线导通，信号可以无衰减地输出。下面分别介绍一下两种接触式开 关的工作原理。 1 两端固定桥式开关的工作原理两端固定桥式接触式射频开关的基本结 构是：由共面波导传输线( 中央信号线是断开的，如图2 3a ) 所示、锚点( 支撑 立柱) 、可动的金属板、紧靠信号线两旁的底电极以及覆盖在底电极上面的绝 缘介质膜组成。 当没有外加偏置电压时，可动金属板( 上电极) 处于悬空状态，没有和信号 线上的接触金属接触，信号线是断开的，所以微波信号无法从开关中通过，因 此微波信号呈“断开”态，如图2 3b ) 所示；当两极加上偏置电压后，在静电 力的作用下，上电极被拉下与信号线上的接触金属紧密结合，将信号线接通， 信号可以从开关中无衰减地通过。 接触金属 ? 溯麓嘲豳曩飘警豳麓翻黼 地线底电极信号线悬浮桥氮化硅 a ) 共面波导传输线中的信号线b ) 桥式接触式r fm e m s 开关 a ) t h ec p ws i g n a lf i n eb ) t h er fm e m ss w i t c hc o n t a c t e db yb r i d g e 图2 3 桥式r fm e m s 开关的工作原理 f i g 2 - 3t h ep r i n c i p l eo f b r i d g e - t y p ec o n t a c tr fm e m s s w i t c h 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 2 悬臂梁式开关的工作原理悬臂梁接触式r fm e m s 开关的基本结构 是：由一端固定、另一端悬空的金属悬臂梁、传输线( 与悬臂梁正对的部分是 断开的) 、紧靠信号线旁的底电极以及覆盖在底电极上的绝缘介质膜( 避免底电 极与上电极直接接触而短路) 组成，如图2 4 所示。设计时，底电极应紧靠信号 线，作用是尽可能让加载的作用力集中在悬臂梁的末端，来减少悬臂梁的弹性 系数，降低开关驱动电压。 j 一1 二二二鬈”? m ， - 曩霭p 图2 4 悬臂梁接触式r f m e m s 开关 f i g 2 - 4t h ec a n t i l e v e rc o n t a c tr fm e m s s w i t c h 两极间没有加偏置电压时，悬臂梁悬空，没有与信号线接触，由于信号线 是断开的，因此信号无法从开关中通过，呈“断开”状态；在两电极加上偏置 电压后，在静电力作用下，悬臂梁被拉下与信号线紧密接触，将信号线导通， 信号几乎无衰减地从信号线中通过，微波信号呈“导通”状态。 2 4 本章小结 本章介绍了r fm e m s 开关的性能指标和分类。并着重分析了两种典型 r fm e m s 开关( 电容式和接触式r fm e m s 开关) 的结构构造以及在射频波段 的工作原理。 ( 1 ) 一个性能良好的r fm e m s 开关应该具有低的驱动电压、插入损耗和 高的隔离度。 ( 2 ) 电容式开关是通过改变开关在u p s t a t e 和d o w n s t a t e 时的电容来切换 信号，传输和切断信号的效果取决于在d o w n s t a t e 和u p s t a t e 时的电容比，电 容比越大( 大于1 0 0 ) ，效果越好。 ( 3 ) 接触式开关是靠金属与信号线接触实现信号切换，传输信号的质量主 要受接触金属的电阻影响，若接触电阻过大会导致信号严重衰减；开关切断信 号效果受金属桥或悬臂梁在断开偏置电压后能否回复到原来位置的影响。 哈尔滨理t 大学t 学硕士学位论文 第3 章r fm e m s 开关的静态力学 特性和电磁特性 r fm e m s 开关的驱动电压与梁弹性系数有关系，弹性系数越小开关驱动 电压越小；梁弹性系数的大小与载荷在梁上所施加的位置有关，所以有必要研 究梁弹性系数和载荷分布的关系，实现驱动电压低的r fm e m s 开关。如何提 高r fm e m s 开关在“d o w n ”态和“u p ”态时的电容比是提高其微波性能的关 键。本章重点介绍两端固定梁弹性系数、开关驱动电压和开关在“d o w n ”态、 “u p ”态的电容。 3 1r fm e m s 开关的静态力学特性 推导两端固定梁的弹性系数是理解r fm e m s 开关静态力学特性的第一 步。本节主要推导了两端固定梁的弹性系数。并讨论了弹性系数奸n m ) 、残余 应力o ( p a ) 、梁上开孔对开关性能的影响以及根据开关的一维集总模型推导开 关的驱动电压公式。 大部份r fm e m s 器件是小变形的，所以其力学行为可认为是线性的： f = 一后g 。由于两端固定梁的弹性系数( k = k + k 。) 较高，并且容易加工，所 以在m e m s 器件中被广泛使用。两端固定梁的弹性系数分成两部分：一部分 是k ，由材料特性决定，如杨氏模量e ( p a ) 和转动惯量i ( m 4 ) ，另一部分是k 。， 由残余应力0 ( e a ) 决定。 3 1 1 载衙位置对弹性系数的影响 在两端固定梁上a n 载一个集中作用力p 州) ，如图3 - 1 ，其弹性系数可以根 据梁的形变量与施加载荷的位置关系得到。 梁的形变量与施加载荷的位置关系可以推导如下嗍 豇磐d x = 膨a + 心x ( 石口) ( 3 - 1 ) y = m a x 2 + r a x 3 ( 2 e 16 e i x 口)( 3 2 ) 。 ， 、， 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 鸩= 一下p a ( ，一口) 2 ( 3 - 3 ) e = ( ，一口) 2 ( ，t 2 口) ( 3 - 4 ) 其中，是梁的长度，m a ( n 朋) 和兄( 忉分别是梁左端的作用力矩和所受到 的垂直方向的作用力，i 是转动惯量，对矩形横截面，= w ，其中w 和t 分 别是梁的宽度和厚度。 也( 图3 - 1 集中垂直载荷p 作用下的固支梁 f i g 3 - 1t h eb e a mu n d e rc o n c e n t r a t e dv e r t i c a ll o a dp 在m e m s 应用中，加载基本上沿着梁分布的，用梁中心位置的挠度来决 定梁的弹性系数。把x = 1 2 及( 3 3 ) 、( 3 4 ) 代a ( 3 2 ) 式，可以得到集中载荷加在 梁上a 点处梁中心的挠度。从而，利用叠加原理可以求出分布加载时的挠曲 量。 y2 志( 广一6 1 2 a + 9 1 a 2 - 4 a 3 ) ( 3 - 5 ) ( 1 ) 加载均匀分布在整个梁上( 如图3