（微电子学与固体电子学专业论文）射频微波mems接触式开关的研究.pdf

学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确说明并表示谢意。 名：撕 日辄2 删 学位论文使用授权声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保 留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。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。 涮仑文作考龇操请丽 日期：坌堡：! 导师签名：嗽軎声 日期：堑竺兰t ! ，星 摘要 摘要 目前无线通信中的射频微波m e m s 器件己成为国际上的研究热点，m e m s 开关作为射频微波通信中实现信号路由转换的重要器件，成为了研究焦点。与 传统上的微波开关p i n 管和g a a sf e t 相比，m e m s 开关有尺寸小，插入损耗小， 隔离度大，线性度好，工作频段范围大，直流功率小等优点。本文讨论的m e m s 接触式开关是利用表面微机械加工技术制备出来的一种可以应用在0 - - 5 g h z 频 段的射频微波开关。 本文在广泛文献调研的基础上，分析了接触式开关的工作原理，并用 a n s y s 7 0 和h f s s 8 0 软件对器件进行了有限元动态加载模拟和微波参数的模 拟，最终设计了以信号线中间断开的c p w 为传输线、以s i 0 2 为桥墩、以铝硅合 金和a u s i 3 n 4 - - a 1 复合材料为梁的空气桥接触式开关。并推导了这种两端固 定，两个下电极结构的接触式开关的下拉电压的公式。以s i 0 2 为桥墩的空气桥 结构在国内未见报道。 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 和工艺作了改进和完善，设计了满足实验室工艺精度的器件版图，提出了适用于 该器件的工艺流程。经过多次的流片，成功地制备出了m e m s 开关的样品。制 备研究中，采用厚胶( 负胶) 和聚酰亚胺作为牺牲层材料，对牺牲层的前烘、坚膜 和刻蚀技术做了重点研究，取得了有特色的研究结果。 目前我们制备的两种m e m s 开关样品，一种为下拉电压较低的铝硅合金梁 m e m s 开关，另种为开关寿命较长的a u s i 3 n 4 - - a i 复合梁m e m s 开关。样 品的测试结果都到达了隔离度3 0 d b 5 g h z ，插入损耗小于2 d b 5 g h z 的要求。 此外，我们还对m e m s 开关的商品化进行了研究。对制备出的m e m s 开关的样 品进行了封装和初步测试。 本文以射频微波m e m s 接触式开关这一重要的微波器件为研究对象，对该 器件工作原理、模拟、设计、加工、测试到封装进行了较全面的研究。设计了一 种适合接触式开关的空气桥式结构，并对开关制备中的重要工艺一一牺牲层技术 进行了研究。实验结果显示本文的m e m s 开关的设计是合理的，工艺实现是可 行的，实际器件特性与理论分析是一致的，说明了m e m s 系统可应用于射频微 波通信领域，该技术具有巨大的发展潜力。 关键词：射频微波m e m s 器件，m e m s 接触式开关，牺牲层，空气桥，封装 a b s t r a c t a b s t r a c t a tt h e p r e s e n t ，m i c r o w a v e m e m sd e v i c e s a p p l i e d i nt h ew i r e l e s s c o n u n u n i c a t i o ni saf o c u so ft h er e s e a r c hi nt h ew o r l d m e m ss w i t c hi sac o r ed e v i c e o fm i c r o w a v ec o m m u n i c a t i o n s ，t h a ti tc a nr e a l i z er o u t e c o n v e r s i o n c o m p a r e dw i t h t r a d i t i o n a lm i c r o w a v ed e v i c e sm e m ss w i t c hh a ss o m ea d v a n t a g e s ，s u c ha sl o w i n s e r t i o nl o s s 、h i g hi s o l a t i n 、g o o dl i n e a rc h a r a c t e r 、w i d ea p p l i e df r e q u e n c yr a n g ea n d l o wp o w e r i nt h i sp a p e rt h es w i t c ht h a tw er e s e a r c h e di sm a n u f a c t u r e db ys u r f a c e m i c r o m a c h i n i n gp r o c e s sa n di sa p p l i e di n0 - 1o o t t z o nt h eb a s i so fr e s e a r c h ，w ea n a l y z e dt h eo p e r a t i n gp r i n c i p l e so fm e m sc o n t a c t s w i t c h a n dw ea p p l yt h es o f t w a r e s 一- a n s y sa n dh f s st os i m u l a t eh o wt h e s w i t c hw o r k s t h er e s u l t so f 也es i m u l a t i o nm a k eu su n d e r s t a n dt h ed e v i c e sm o r ea n d m a k et h eo p t i n f i z a t i o no ft h ed e v i c e s s t r u c t u r ef e a s i b l e t h es w i t c hi n c l u d e ss i 0 2 a n c h o r 、c p wo fd i s c o n n e c t e ds i n g l el i n ea n da i r b r i d g es t r u c t u r e w eb a s et h er e s u l t s t od e s i g nt h es w i t c h sl a y o u ta n dt h ep r o c e s sp a r a m e t e r so f t h es w i t c h a f t e rl o t so fe x p e r i m e n t s ，w ei m p r o v e do dt h ed e v i c el a y o u ta n df a b r i c a t i o n p r o c e s s a n dw ep u tf o r w a r ds o m en e w f a b r i c a t i o np r o c e s sa n dd e s i g nt h en e wd e v i c e l a y o u tt h a ts a t i s f i e dt h ep r o c e s sc o n d i t i o no fl a b o r a t o r y m e m ss w i t c hs a m p l e sa r e s u c c e s s f u l l ym a d eo u t i nt h ep r o c e s s ，u s en e g a t i v ep h o t or e s i s ta n dp o l y i m i d ea s s a c r i f i c i a ll a y e r t h ek e yp r o c e s s e sf o rs a c r i f i a i a ll a y e rt e c h n o l o g ya r es o f tb a k i n g 、 h a r db a k i n ga n de t c h i n g t h e s ea r et h ef o c u s e st h a tw er e s e a r c h t h et e s tr e s u l t si n d i c a t et h a ti s o l a t i o ni sh i g h e r3 0 d ba t10 g h za n dt h ei n s e r t i o n l o s si sl o w e rt h a n2 d ba t10 g h z i na d d i t i o n ，w em a d et h er e s e a r c hf o rt h ep r o d u c to f m e m ss w i t c ha n dp a c k a g e dt h es a m p l eo f t h es w i t c h i ns u m m a r y , b a s e do nm e m st e c h n o l o g y , w er e s e a r c ht h em e m ss w i t c ho f o p e r a t i o n sp r i n c i p l e s ，s i m u l a t i o n s ，d e s i g n ，f a b r i c a t i o n s ，t e s t sa n dp a c k a g e w ed e s i g n n e ws t r u c t u r ef o rs e r i a ls w i t c h a n de m p h a s i z eo nt h es a c r i f i c i a ll a y e rt e c h n o l o g y t h e e x p e r i m e n t sr e s u l t ss h o wt h a t ：t h ed e s i g ni sr e a s o n a b l e ；t h ef a b r i c a t i o np r o c e s s e sa r e f e a s i b l ea n dt h ed e v i c e s c h a r a c t e r i s t i c sa r ei na c c o r d a n c ew i t ht h ep r i n c i p l ea n a l y s i s t h e s ea l s os h o wt h ef e a s i b i l i t yo fu s i n gt h em e m st e c h n o l o g yi nm i c r o w a v e c o m m u n i c a t i o nf i e l da n dt h ep o t e n t i a lo fm e m s t e c h n o l o g y k e yw o r d s ：r f m mm e m sd e v i c e ，m e m sc o n t a c ts w i t c h ，s a c r i f i c i a li a y e ga i rb r i d g e ，p a c k a g i n g h 第一章m e m s 系统概述 1 1 m e m s 翱j 速 第一章m e m s 系统概述 1 1 1 m e m s 简介 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 。m e m s ) 是个当今倍受备国研究 机构和大学熏视的研究方向。这项技术最早提出于2 0 世纪7 0 年代末，兴超于 8 0 年代厝期，其含义十分广泛。一般可定义为微米和纳米加工技术制作雨成的， 融机、光、龟、磁以及其他楣关技术群必一体静，可以活动和控裁的微工程系统 ”j 。与传统的撬接静最小橡或单元毫米鬣缀嘲疆眈较赢言，微极藏鹩最小尺寸 减奎了3 5 个数量级，到达了微米( u m ) 帮纳米( r i m ) 魏尺度。如魏的小尺寸豹装 鼹不仅熊节省空间、材料和节约能源，还自& 应用在更广阔的领域里。无线逶傣， 航空航天领域，医学观察和检验，光纤通信等各种领域都可以看见它的身影。 微机电系统与通常意义上集成电路有很大的不同，它不只是涉及单一的学 科，而是涉及机、电、光、磁、热等多门学科范畴。微机械电系统中尺寸的减小 会引入各种学科和技术问题，因此微机电系统有以下几个特征【1 】： 1 尺寸效应对于元器件的作用力有很大影响。在器件中惯性力、电磁力等作用随 尺寸的减，j 、蠢逐渐减弱，雨表霭力、静魄力期摩漆力等则逐渐增强。 2 髓饕元器俘尺寸鼢减，j 、，元嚣传材辩内部缺陷接瑷鲍可麓牲减，j 、，秀元嚣传辑 辩盼撬槭强度会增加。所以徽枫槭元器件酶弹瞧摸量、抗拉强度、疲劳强度及残 余鹰力均与大零件有所不同。 3 由于微尺寸效应，导致微机电系统的惯性小，热容量低，容易获得高灵敏度和 快响应。 4 由于微尺寸效应，导致微机电系统的前端装鬣如微传感器的输出信号十分微 弱，传统的测量工具和仪器难以检测如此微弱信号的，必须制造新的测最设备。 5 微机电系统尺寸的缩小，集成化的程度掇裔，会导致工序增多，成本增商：随 藩瘦在铡造之前对整个微机电系统的器件、王艺及性能送霉亍模拟分罄亍，对各静参 数遴彳亍优化，潋保证徽系统的设计食疆、正确，降繇研裁藏本，缩短研制周期。 第一章m e m s 系统概述 1 1 2m e m s 系统的材料、铡造技术 1 m e m s 系统中所应用的材料 m e m s 应用的材料及技术也是以常翘的微电予材料和工艺为基础的。当然 为了渍是一定或蔓商殴要求迨采瘸了一些特豫专才辩。微机电系统茨采用的材褒毒手 料多为硅、化合物半导体和石英。为了完成一定的功能时，还应用了其它的一些 材料，如金属( a u 、n i 、t i 、c r 等) 、介质材料( s i 0 2 、s i 3 n 4 、多晶硅等) 、聚合 物、磁性材料、陶瓷材料等。 2 。磊蓠，斛律m e m s 器件豹常翅技术有三静h 】： 鞋日本为代表的利用传统视被嬲工方法，即零j 用大型加工设备铡造徽型橇械 的方法。 以美国为代表的利用集成电路工艺技术对硅材料进行加工，形成硅基m e m s 器件。 戳德霾为代表翦l i g a ( l i g a 是德文l i t h o g r a p i e ( 光亥1 ) 、g a l v a n o f r o m u n g ( 电褥) 、和a b f o r m u n g ( 塑铸) 三个词的缩霹) 技术。它是用x 射线光技 术通过电铸成型和铸塑形成深层微结构的方法。 三种技术相比较丽言，第二种硅微机械加工能聪好的与传统的i c 工艺羧容， 可以实现徽祝械稍徽电子豹系绞集成并适合于批量生产，已经或为髫前m e m s 的主流技术。醚微机械加工技术分为两类：一类为体微机械加工技术，另一类为 表面微机械加工技术。 体微机械加工技术，即赢接在体材料上制作微机构的加工技术。体微机槭加 工技术是一个淑嚣麓工过稷，这撵可以较容易的嘉越工几十以至上百微米憨结构 层。当然，体微机械加工技零也鸯它的缺点，热占有芯片蟊积较大，徽缓构浆形 状比较单，可动微结构的自由度较小。对于体微机械加工技术1 】f 2 1 而言，各向 异性腐蚀技术是关键工艺。湿法腐蚀是最早用于微机械结构的加工方法。常用的 进行硅各向异性涛蚀液主要有e p w 弱k o h 、t m a h 等。温法化学腐蚀褥到豹 镦视辍结构的浮度可戮达至g 整个疆片的浮度，其有较离的机械灵敏度，德楚该方 法与集成电路工艺不兼容，且存在难以准确控制横向尺寸精度及器件尺；j 较大等 缺点。为了克服湿法化学腐蚀的缺点采用干法等离子体刻蚀技术，已经成为微机 械加工技术豹主流。随着集成工艺的发展，干法刻蚀离深宽比( 2 0 ：l 1 0 0 ：1 ) 的 第一章m e m s 系统概述 硅槽已不再是难题。 表面微机械加工技术，这种技术形成微机械构件的材料不是体材料，而是淀 积在衬底上的薄膜材料。表面微机构加工是一个单面加工过程，和i c 的兼容性 较好，工艺易于控制，易获得好的腐蚀边缘，但是它的加工深度较浅( 一般在几 个微米以内1 。对于表面微机械 j n t - 技术1 l g a l 却而言，表面牺牲层技术是关键。这 种技术是在衬底上淀积或涂布牺牲层材料，并利用光刻、刻蚀形成一定的图形。 然后，淀积作为悬浮结构的材料，并对其光刻得到所需要的图形，最后刻蚀牺牲 层。这样就形成了悬浮的微机械结构部件。常用的结构材料有多晶硅、氮化硅和 金属等，常用的牺牲层材料有多孔硅、多晶硅、光刻胶等。 目前还出现了应用键合技术制造m e m s 器件。这种技术是把两片由表面加 工和体加工硅片通过键合工艺制作出器件的。键合的材料有金属( 合金) 和硅、 玻璃和硅、硅和硅( 多晶硅) 以及金属和金属。这样完成的机械结构具有它自身 的一些要求： 材料中残余应力越小越好。 键合中的支撑材料的机械强度要好。 由于键合技术本身有很多方式，有的处理温度高，有的需要引入其它材料和 化学药品等，技术有一定的难度。 用于制作微机械的方法还有其他，例如s l i g a 、特种精密机械制造技术。 这些技术不仅能制造出更复杂的微机械结构，而且对工艺控制等大有裨益。随着 对m e m s 的进一步研究，m e m s 制作工艺也在不断的发展。 1 2 射频臌波m e m s 通信系统 随着信息时代的到来，通信和数据的传输、存储、处理在人类的生活中所占 有的地位越来越重要。具有高的功能密度比的小型化、多功能、低成本的无线电 终端将成为通信技术未来的主要发展方向。传统r f 技术中多个分离器件组成系 统，使系统占有较大的空间尺寸，而大体积意味着高的功率消耗、低的信号传输 效率；这样，对新一代通信器件提出了减小功耗，减小器件尺寸等要求。 高容量的信息交换还对高频、宽带通信提出了新的需求。目前应用于微波电 路的元器件，工作频率高达几十g h z 。当频率高达一定数值，导体趋肤效应严 煞一章m e m s 系统概述 重等勰题存在时，使传统的案总参数器件不霉适嗣。这样，研究适予未来的小功 率低损耗商度集成的微型化的分布参数器件成为通信工程本身所面临的熏要任 务。同时，传统的微波开关的线性度差，插入损耗大，隔离度小等缺点也要求新 型豹通信器传改善这些性能。 射魏微波擞规电系统技术靛爨现为上述器俘的微鍪纯和高性能倦豢采了薪 的机遇。微波微机电系统领域涵盏了集成电路工芑、机械学、材料学以及微波工 程，其主要目标是研制新型的器件和技术以大幅提高通信和各种无线系统的整体 性能。随蔚微喙子技术的高速发展，制造微波m e m s 器件的工艺越来越先进， 太 f j 能够方便蟪利用精细燕工手段第l 造出微米、纳寒级约微波器俘，麸薅使馓电 子机械技术在微波领域内褥至g 了广泛的应用。 微波微机电系统是机电合一的系统。为了实现玄的机械性能和微波特性，引 入了不同形状、结构的金属和绝缘介质。微波m e m s 器件一般采用硅微机械加 工技术制造。霆翦已经研究出豹m e m s 器释典型的礴h u g h e s 研究实验窒研制的 接触式开关嘲，t e x a si n s t r u m e n t s 磅潮的电容式开关1 4 】，m i c h i g a n 大学研铡酶相 移器f 5 】，c p w 传输线【6 l ，m i c l l i g a n 大学研制的天线电感【8 1 ，滤波器，商q 值 振荡器等。 图1 1 m e m s 开关吲( a ) h u g h e s 研究实验室研制的接触式开关 ( b ) t e x a s i n s t r u m e n t s 研制的电容式开荧 拜关( 豳l 。1 ) 常诈为路由转换嚣律。基翦困步 掇道斡接齄式开荚溺的性能 为下拉电压为3 0 一8 0 v ，应用的频率范围为d c - 4 0 g h z ，微波分布参数为插入损 耗小于0 5 d b 4 0 g h z ，隔离度为一1 5 d b 4 0 g h z ；电容式开关叼的研究成果为 第一章m e m s 系统概述 搔入损耗小于0 5 d b 4 0 g h z ，隔离度为3 5 d b 4 0 g h z e 电容式开关的下拉电 压为l o 一5 0 v ，工作频率范围1 0 - - 7 0 g h z 。魄容式开关由于自身的特毪应用的频 率魄接触式开关的应用频率要离， 掇移器( 图1 2 ) t 5 1 是改变信号相位特性的嚣律，多用于信号处理系统。m e m s 楣移器多为传输线和多个m e m s 开关的缀合结构。相移器根据不同的级数可以 得到不同的相移量，最大可以达到4 0 0 的相移。据报道【5 啊级的相移器中微波参 数为插入损耗为l d b 1 0 g i - i z ，隔离度为- - 2 6 a b 4 0 g h 。级数越多，相移越大， 插入损耗也越大。 图1 2m i c h i g a n 大学研制的相移器嗍 图1 3c p w 传榆线【6 】 熬面波导( 图1 j 3 ) ( c p w - - - - c o p l a n a r w a v e g u i d ) 传输线为信号传输器件。 c p w 传输线因其地线和信号线制作在同平面上，成为微波传输线的研究重点。 图1 3 为了减小衬底对c p w 传输线插入损耗的影响，采用体加工技术对硅衬底 避行剃馊。摅报道翻传输线的插入攒耗廷餐o 1 d b 4 0 g h z 。 豳1 4 必制圣乍在离阻硅聿垂底上瀚微波戆簿天线。天线是作为信号静发射秘接 第一章m e m s 系统概述 牧系统。潮中两个天线之阂是通过一个m e m s 嚣关相连，当多个天线相连时， 就形成了艇降天线。通过开关簸选逶，霹以改变矩簿天线静发射霹接渡功率。 图1 4m i e l a i g a n 大学研制酶天线朔 圈1 5 中的电感是错备在裔阻疆上的，这个电感为3 5 n i l 1 5 g h z ，2 0 烈 3 5 蕊扳。它的q 值可以达到1 7 。这种删s 电燎的大小可以通过金属的长度和 电感的髑数来控制。图1 5 中外围有许多电极，这是电感样品已经制备出了封装 结构。 图1 5 制作在硅片上的电感期 由上面对揪s 技术制造的微波器枣# 的搬邋可见，应用h 诬m s 技术制造微 波运信、控制等系统是可能豹。这种系绕魄我镌强翦酝稍造豹任穗一穗系统都要 小，警我稻把这释技术应用飘，j 、卫羼、飞机、火箭等系统上时，它翻静重爨可戳 一6 一 第一章m e m s 系统概述 下降的几十k g 的数量级。你想象的出一个小卫星可以制作在一个芯片上，一个 微型飞机只有手掌大小吗? 1 3 m e m s 开关的概述 1 3 1 m e m s 开关的优缺点 随着通信技术的日益迅猛发展，市场对通信系统的尺寸、功耗、工作频段、 插入损耗、隔离度等提出了越来越高的要求，从而迫使通信系统必须尽可能的达 到这些方面的要求。在传统的通信、雷达系统中，多采用g a a sf e t 和p i n 二极 管开关。这两种开关有开关状态间转换速度快，工作电压低的优点，但也存在以 下的缺点【9 】 1 0 】【1 1 】： 夺金属和半导体间的合金化后形成的电阻比较大，使得开关的插入损耗很大。 夺由于p - n 结的存在，产生了i 。v 曲线的非线性以及谐波或交叉调制现象，因 此开关线性度较差，应用频率较低。 审这些开关的工作工作电流大，功耗大。 这些缺点是半导体器件固有的不足，为了克服这些缺点，人们致力于研究无 源器件制作的射频，微波开关。m e m s 开关这种无源器件就能较好的克服以上所 提到的缺点。射频，微波m e m s 开关本身通过金属和金属接触形成的电阻或金属 一绝缘介质一金属形成的平面电容来传输或者隔离信号的，所以开关的插入损耗较 小，隔离度较好。在m e m s 开关中，没有p - n 结存在，所以寄生电容、寄生电 阻较小，应用的频率很高，线性度较好。而当m e m s 开关工作时，外加偏压控 制电路没有形成直流通路，电流很小，的直流功耗也很小。 当然，这种无源器件本身也有自身的缺陷。由于采用机械方式完成开和关的 状态转换，它的转换速度较慢，只有微秒量级。另外，开关的可动部分不仅要导 电性好，机械性能也要好，这要求材料要有一定的厚度，材料杨氏模量要足够大， 这导致驱动开关动作的电压很大。m e m s 开关采用的是机械式的工作原理，材 料的本身有一定疲劳强度，而且通常的微结构都有疲劳累积现象，与传统的微波 开关相比，m e m s 开关的寿命偏短。表2 1 1 1 2 1 为m e m s 开关 ( m m r - m i c r o m e c h a n i c a lr e l a y ) 、g a a sf e t 开关和p i n 二极管开关在性能参数上 第一章m e m s 系统概述 魏比较。 表1 。l 凡种条籁微波开荚槛能参数砖比较 c h a r a e t e r l s t i e姗r g a a sf e tp 遮d l o d e s i z e r e s i s t a n c e s w i t c h i n gp o f f e r b r e a k d o w nv o l t a g e s p e e d l i f ec y c l e f r e q u e n c yp e r f o r m a n c e i n s e r t i o nl o s s ( d bm a x ) i s o l a t i o n 翻bm i n ) 3 r do r d e rh a r m o n i c s p o w e rc o n s u m p t i o n d r i v ev o l t a g e i n t e g r a t i o nc a p a b i l i t y c o s t s p d t t y p e s m a l l 0 5o h m 2wc w l o w o 5 2 0 0u s 1 0 0m i l l i o n 十 u p t o7 0 g h z o ，2 s 4 0 v e r yg o o d v e r y l o w 5 v ，2 8 v ，4 8 v v e r yg o o d $ 8 0 0 $ 2 0 0 0 v e r ys m a l 1 5o h m s 0 5 w c w l o w 1 0 - 1 0 0n s b i l l i o n u p t 0 4 g h z o 5 3 口 p o o r l o w 3 v 5 v v c r yg o o d $ o 5 0 $ 4 5 0 1 3 2 m e m s 开关的类型 m e m s 开关根据不同的分类方式，霄不鲻的类型。根据接触方式的不同_ 珂 划分为电容式开关秘接魅式开关；稷据如鼹连续方式则可划分为并联式开关和串 联筑拜关。髫藏常爱敢为宰联接皴式开关辩弗联毫窖式开关。 并联鸯容式舞关是透过调节器僻静电容德，完成开和关的状态，通常采用空 气桥结构。上下电极没有外加偏压，开关的空气桥处于水平时( u p ，s t a t e 见图1 6 a ) ， 此时电容为上电极、介质层和空气、下电极形成的开态电容，电容值很小，信号 可以由输入端传输到输出端；而当上下电极之间外加偏压，在静电力的作用下， 空气桥下弯与介质层接近，当外加偏压足够大时，桥的下表面与衬底上的介质层 接触( d o w n s t a t e 见图1 6 b ) ，此时电容为下电极、介质层和下电极形成的关态 露昝，这对两极疆黥距离缀小，电容僮缀大，警输入端有信号输入时，信号被这 个魄容鹚会到地，信号无法健输裂竣转璃。关态邀容翱开态毫容的毖值反映了奄 褰式辩关缝麓好琢。这个眈焦越大说明帮荧工 乍在关态辩，隔离往麓越好，开态 则一一一：耋如融妇一一一 j 、$ 铺一章m e m s 系统概述 时撬入损耗越小；这个比值越， 、，开关的豹隔离度越小，插入损耗越大。 图1 6 电容式开关的剖面图( a ) 开关处于开态；( b ) 开关处于关态 串联接触式开关通过两层金属的接触和断开完成开关功能的。早期研究的 接触式开关多采用悬臂梁搭建器件的空间结构( 图1 7 ) 。没有外加偏压时，开关 的悬臀梁水平，信号线中间是断开的，这时在输入端的信号无法传输到输出端， 野关处于关悫；当上下电极闻辨加镳承时，怒篱粱在静电力垂勺 乍焉下下弯，最蜃 悬臀梁酶接触点与信号线相接触，傣号可以懑避接辍层筑输入壤抟输至l 输斑端。 接触邀辍鼹大小决定了开关豹传辕褴髓豹妻 坏。接簸电阻较夸，传输的损耗会减 小：接触电阻较大，传输的损耗会增大。通常情况下，接触式开关的隔离性能都 比较好。 第一章m e m s 系统概述 目前有许多大公司极力开发m e m s 开关产品，据本文统计有2 1 家p “。例 如m o t o r o l a 公司采用悬臂式结构制作m e m s 开关，工作电压达到了6 0 v ；i m e c 公司和a l c a t e l 公司合作开发了易于封装的空气桥式结构的m e m s 开关： m e m s c a p 公司研制的空气桥式开关的激励电压为2 0 - - 3 0 v ，开关的寿命可以到 达1 0 9 。r a n d a n tm e m s ，i n c o r p o r a t e d 5 3 】公司研制出了封装了悬臂式开关。虽然各 大公司、研究所和大学已有很多对m e m s 开关的研发报道，但是m e m s 开关的 开发可能还处于小批量试验阶段，还未有真正的的产品上市。 1 3 3 新型的m e m s 开关结构 目前所研究的新型m e m s 开关结构还有很多。有为了达到较好隔离性能和 较低下拉电压的磁性材料开关和组合式开关：为了完成多通路的扭转式开关；为 了降低下拉电压的的弹簧式开关。 磁性材料开判”】( 图1 8 ) 在一般的悬臂式开关上采用了磁性薄膜和电磁铁。 应用了磁性材料后，开关的开启电压明显降低，隔离度也有较大的改善。开关的 工作原理为：当外加电流使电磁铁上产生的极性与磁性薄膜相反时，电磁铁和磁 性薄膜相吸，悬臂梁在磁力的作用下，下弯到与信号线接触，信号通过接触点由 输入端传到输出端；当外加电流在电磁铁上产生的磁性与磁性材料的相同时，电 磁铁和磁性薄膜相斥，悬臂梁上翘，信号无法通过。这种因开关采用磁性材料， 开关的下拉电压在1 0 v 以下，不过制备工艺较复杂。 第一章m e m s 系统概述 ( b ) 外加电流产生的磁性 与磁性材料的磁性相反 ( c ) 外加电流产生的磁性 与磁| 陛材料的磁性相同 图1 8 磁性材料开关的示意图 ( a ) 采加电压时的平衡态 _ l ；_ 、一_ j 誊曩? “一囊+ i ”一弘_ 量奠。嚣 叫卜j ( b ) 在桥和下电极上外加偏压 _ = 二二二兀二 c ( c ) 在桥和上电极上外加偏压 一 一- _ 一 譬“露“薯_ 1 ；。譬? j ? ：誊+ ? _ j ( d ) 开关的侧视图 图1 9 组合式开关的示意图 组合式开关【1 6 】【1 7 1 ( 图1 9 和图1 1 0 ) 通常是通过并联或串联的方式组合电容 式开关和接触式开关，完成开关的“通”和“断”的功能。图1 9 的组合式开关 是在电容式开关的基础上，又加上了一个悬臂梁结构，通过提高桥的高度达到较 好的隔离性能。这种开关当开关没有外加偏压时，空气桥处于水平状态( 图1 9 a ) ； 当信号线和空气桥之间外加偏压时( 图1 9 b ) ，空气桥在静电力的作用下，下弯 与介质层接触，信号被短路到地，信号无法传输到输出端。当悬臂梁和空气桥之 间外加偏压时( 图1 9 c ) ，空气桥在静电力的作用下上弯，与悬臂梁相连，信号 通过信号线由输入端传输到输出端；这种组合式开关在制作的过程中，需要采用 两层牺牲层的技术，工艺较复杂。开关的性能方面因拉高了空气桥，由输入端耦 合到输出端的信号减少，隔离度可以提高。还有一种组合式开关( 见图1 1 0 ) 是 一个接触式开关串联一个电容式开关的结构。它的工作原理为：接触式开关上下 电极之间外加偏压，空气桥下弯，桥与信号线接触，信号线导通，而电容式开关 没有外加偏压保持水平，信号不被短路，此时信号可以由输入端传输到输出端； 孽一 导一 雩 壹审 第一章m e m $ 系统概述 接触式开关没有外杰偏压时保持水平，信号线为断路，而电容式舞关步 翻偏压， 空气桥下弯与介质层接触，信号被短路到地，信号无法通过。这种结构的开关因 采用两步隔离，隔离性能较好。不过提高开关隔离魔是以牺牲开关的插入损耗为 前提的。整个器俘豹插入损耧楚两个开关静捶入损耗之秘。这种开关在健能上能 达到鞍努翁蘩求，翻捧工艺和潮佟擎个开关静工艺兼容。由于是两个开关缀成一 个器件，器件的面积较大。另外，器件的插入损耗是一般开关的插入损耗近两倍， 在插入损耗要求较高的系统中无法应用。 图1 1 0 组合式开关的照片 图1 1 l 缸耱式开关的示意图 扭转式开关【i 跗( 图1 1 1 ) 采用了一种跷跷板结构。它的功能类似于两个悬臂式 开关在同一时间下，只有一个开关可以工作。它是一种单刀双掷开关。当驱动器 l 燕电压时，跷跷扳的左铡下弯( c o m a c t l ) 并与信号线耱连，信号可以透过端 口l t 恧端1 32 ( c o n t a c t 2 ) 为断拜狡态，信号无法矮避。当驱动器2 麴泡避时， 跷跷板的右侧下弯( c o m a c t 2 ) 并与信号线相连，信号可以通过端口2 ，端口1 为断开，信号无法通过。这种开关的也是采用两层牺牲层技术，工艺比较复杂。 第一章m e m s 系统概述 它也是通过增加桥高，来达到较好的隔离性能的。 弹簧式开关【1 9 1 ( 图1 1 2 ) 是把桥梁制作为含有规则的折线结构的开关。这些折 线结构的存在，使得桥梁的弹性系数的变小。对于相同的材料和尺寸的桥梁而言， 弹簧式开关的下拉电压比矩形梁开关的下拉电压小。增加桥高提高开关的隔离度 的同时，开关的下拉电压增幅较小。由图1 1 2 的照片可见开关的图形较复杂， 为了进一步降低开关的下拉电压，开关也增大了电极面积。这种开关制各时对光 刻和腐蚀技术的要求较高。 图1 1 2 弹簧式开关的照片 1 3 4m e m s 开关的应用 由于微波微机械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 和毫米波前端中和电路中。u c l a 的e l l i o t t r b r o w n 提出了微波微机械开关应用 的三个主要领域1 4 j ： 应用于微波系统的前端的路由电路中。图1 1 3 给出了多个发射机共用一个天 线的前端的结构，这种结构由多个开关和滤波器构成了一个庞大的频率预选网 络，a r c - 2 1 0 中就采用了这种前端。如果采用p - i - n 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。而如果采用m e m s 开关则可使 前端的噪声系数由4 5 降到4 0 d b ，使频率预选器的功耗由1 0 0 m w 降到l m w 。 第一章m e m s 系统概述 竭1 。1 3 多个发射掇共瘸一个天线的翡壤结构 麓予m e m s 开关静电容瘁。最先臻m e m s 舞关形成高q 值戆电容是在t 9 9 6 年，报道的电容在1 g i - i z 的q 值先6 2 。空气桥式结构( 两端固定梁) 的奄容式 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。图1 1 4 给出了一个4 ，b i t 电容库的拓扑结构图，每个电容的控制开 关通过“开”和“关”不同的排列组合可以得到o 一1 5 的值，电容的大小可以为0 1 5 c 1 中任意的c l 的整数倍。即当s l 和s 2 两个开关都为开时，电容库的值为3c 1 。 已经有研究小组报道了6 - b i t 电容库，其电容的变化范围为o 。1 5 3 2 p f 。 8 c i 图1 1 4 一个4 _ b 电容库的拓扑结构 微机壤开关在相移网络中的应用。楣移器照镁相环、楣控阵天线以及其他许 多魄鼹中必不可少的元件，毽是通常的鞠移嚣在耱移豹准确度窝插入损耗方两鄂 不尽翅入意。不过，霹翦采用共覆波导抟输绞上穰作m e m s 开关静电路来实瑷 第一章m e m s 蒜统槭速 褶移功能，较好的解决了插入损耗等嗣题。黧1 1 5 绘出了这静电路的结构拓扑 黧。圈中每个邀客式开关静相移量不网，当多个殍关分布在传输线上时，延遮的 辩潮为3 丸，2 4 瓣整数倍3 l 2 4 ，最，l 、为3 ) , 2 4 ，最大为九( 延迟一个波长x ，翻延 遮了一个周裴t ) 。在圈i 1 6 中，开关静“淹”_ 穰“断”，可戳选择信号黪传输途 径，如当开关sl 、s 3 和s 5 关闭，开关s 2 ，s 4 和s 6 打开时，信号可【冀通过s 2 、 s 4 和s 6 继续传输。此时信号延迟了x 。 s i 枞 s 3 渊 s 5 a 斛 图1 1 5 给出了一仓基于微机械开关的时延网络 据本文调研，许多文献【i 1 1 1 1 9 4 2 1 报道中指出m e m s 开关还适合应用在智能 天线、自动测试设备、无线便携装置、无线局域网、宽带无线接入端口、全球定 位接收器等系统中。 1 3 5 本论文研究内容筒介 由予王作原理不目，接触式开关豹工像频率跑电客式开关的工诈频率要低， 接触式开关工作频率力0 1 0 g h z ，非常适合应用在当前的莉频，微波逶信系统 中，例如手机以及一些便携装置。因为融前国内和国外对电容式开关的报道很多， 而对接触式开关报道相对来说较少。旗于m e m s 接触式开关有一定应用前镦以 及它具有极高的研究价值，本文把m e m s 接触式开关作为研究对象。 1 传输线 m e m s 开关的信号线可以采用微带线结构。为了工艺简单，同时利于与其 它微波器件集成，目前对共面波导徽带健输线的研究较多。传统的微带线豹撼线 在衬底材料下袁蓄，信号线在衬廉材耨静上表蕊，面筵嚣波导砖输线豹信号线和 遗线在阏一平蘑上。为了完藏开关煎“美”的功能，设计c p w 传输线鲍中阍为 第一章m e m s 系统概述 断齐( 圈1 1 6 ) 。c p w 传输线制备在商阻硅村底上。 图1 1 6 中间断开的传输线的项视图和侧视图 2 开关的结构 m e m s 开关豹空闰结构有两秘：空气辑旧( 两端滔定粱) 窝悬譬粱f 1 4 l ( 单媾 固定梁) 。图1 1 7 ( a ) 为空气桥结构的电容式开关，图1 1 8 0 ) 为悬臂梁结擒的接触 式开关。 图1 1 7 开关不同空问结构r a 电容式开关的预视图：m 1 接触式开芙的顶视图 强前遴浓夕 慰空气辑趣容残舞关靛结构窝工艺样研究缀深入，遂对援皴式并 关的研究衣借鉴意义。本文犯电容式开关中的空气轿式绩梅移植蓟接触式开关 上，并对这种结构进行改进，得到的开关的结构如图1 1 8 。空气桥结构与悬臂梁 结构的最大不同就是一个为双端固定，一个为单端固定。由于在外加载荷时，固 定端梁上的嗣定端处豹应力最大，单端固定的悬臂梁端煮处的应力沈双端嗣定的 空气接结构蠛点处豹应力要大。所戳空气辑出璎端点处断裂静情况魄懋耱粱簧 少，这是空气桥结构的优势。工芑制备中，由于空气桥两端支撑，去除牺牲层后， 空气桥容易悬浮起来。图1 1 8 中开关还采用了双电极结构和共面波导传输线， 第一章m e m s 系统概述 这些都是传统悬臂梁接触式开关所没有的。桥墩的制作，我们没有采用一般的电 镀金属，而是采用热氧化的方法制各的二氧化硅( s i 0 2 ) 。这是基于接触式开关 本身的特点设计的，也是本文设计开关结构的一大特色。接触式开关是以空气桥 为上电极外加正电压，下电极为c p w 传输线的地。空气桥和c p w 的地形成开 关外加电压控制电路。而c p w 传输线为开关的微波传输电路。采用绝缘介质作 为桥墩能更好的隔离外加电压控制电路和微波传输电路。空气桥采用金属和复合 梁两种结构。金属的杨氏模量小，采用金属梁的开关下拉电压小，可以用于低驱 动电压的电路中。考虑到金属的屈服强度较小( a 1 的屈服强度为1 7 0 m p a ) ，在 a l 中加入s i ，此时合金的屈服强度可以达到2 0 0 - - 2 5 0 m p a 。这样改善了金属梁 的疲劳强度，提高了开关的可靠性。复合梁中包含氮化硅材料，所以复合梁的弹 性优于金属梁，复合梁的响应时间短，开关速度快。同时氮化硅的屈服强度大 ( 1 8 0 0 2 0 0 0 m p a ) ，梁不容易断裂或扭曲，能够保证开关的有较好的可靠性，以 及较长的寿命。 图1 1 8 本文所研究的开关的结构 3 牺牲层技术： 本文选用了两种牺牲层材料一一负胶和聚酰亚胺。目前开关制备采用正胶牺 牲层较多，对负胶牺牲层和聚酰亚胺报道很少。本文对这两种牺牲层材料从光刻 到刻蚀进行了仔细研究。对负胶主要研究了去除工艺。经过反复实验，得到负胶 在2 5 0 c 力1 1 热1 小时可以被初步炭化