（微电子学与固体电子学专业论文）电容式rf+mems开关动态过程的电磁干扰研究.pdf

摘要 同传统的f e t 管和p i n 开关管相比，电容式r fm e m s 开关具有损耗低、直流功耗小、隔离度 高、易于集成等许多优点，其在微波及毫米波控制电路中具有广泛的应用前景。随着研究的深入以及 技术的发展，电容式r f m e m s 开关的可靠性理论越来越完善，但是仍然存在一些未解决的可靠性问题， 其中开关动态工作过程中的电磁干扰问题还没有人研究过。 电容式r fm e m s 开关在工作过程中，由于驱动电压的施加和撤消以及开关膜桥的上下运动， 电容极板间变化的电场会产生磁场，从而形成变化的电磁场，乃至向外辐射电磁波。另外这里产生 的变化电磁场可能会对开关共面波导( c p w ) 上的r f 信号产生影响，甚至也会对开关周围的高频 电路和器件产生电磁干扰影响，所以必须要对开关产生的电磁场进行建模分析才能确定其产生的电 磁干扰影响有多大。 本文首先对电容式r fm e m s 开关的等效电路研究，动态模型研究以及可靠性研究进行综述， 这是本文研究工作的基础。接着，本文对开关膜桥建立了一个准确的一维动态模型，包含了机械力， 静电力乃至空气阻尼力对膜桥运动的影响。并分析了膜桥在下拉阶段和秆放上升阶段的运动曲线， 发现膜桥的机械运动时间在l o f t s 量级，尤其在上升阶段中如果膜桥的品质因子高于一定值时，膜桥 会在初始位置附近发生阻尼振动现象。 在开关膜桥的动态运动模型的基础上，开关的驱动信号为方波信号时，可以把开关工作过程分 成四个阶段分别进行分析：( 1 ) 开关电容充电阶段；( 2 ) 膜桥下拉阶段；( 3 ) 开关电容放电阶段；( 4 ) 膜桥 被释放，恢复剑初始位置阶段。并通过麦克斯韦方程建立了各个阶段中产生的电磁场模型。从电磁 场模型中可以发现，充电阶段和下拉阶段产生的电磁场都是脉冲磁场( 脉冲宽度分别为1 4 8 1 0 4 邶 和0 7 坤) ，放电阶段的电磁场为高频谐振场( 本文中开关参数下，频率为2 9 3 4 g h z ，持续时间为1 3 2 x 1 0 。邺) ，而膜桥上升阶段由于没有驱动电压，因此该阶段的电磁场和电磁干扰非常小可以忽略。 从电磁场的量级上看，开关电容充电和放电阶段的量级最高，分别为1 0 6 a m 和1 0 4 a m ，而下拉阶段 的磁场量级相对较小为6 a m 。 通过单元面叠加法数值模拟验证了本文电磁场模型的正确性，其中开关极板内磁场的最大相对 误筹仅为8 6 。并且根据模型验证的结果和误差分析，对现有的电磁场模型作了进一步的修正和完 善，提高了其在开关电容极板之外的区域的准确性。 在建立的电磁场模型的基础上，本文还分析了开关产生的两种电磁干扰：传导干扰和辐射干扰。 在传导干扰中，干扰最为严重的是开关电容放电阶段对r f 信号产生了频率为2 9 3 4 g h z 的高频谐振 噪声信号，会严重影响r f 信号上加载的信息的准确性。而辐射干扰义包括磁场感应干扰和电磁波 辐射干扰，这两种都是开关可能会对周围电路和器件造成的电磁干扰。其中磁场感应干扰强度最大， 因为它是开关电容产生的磁场( 放电阶段和充电阶段的磁场强度分别高达1 0 6 a m 和1 0 4 a m ) 直接 造成的干扰，而电磁波辐射干扰是开关电容的边缘电场所产生的，相对较小，但是也不能忽略其对 开关周围高频电路的干扰影响。 最后提出了对开关设计的一些改进和建议：( 1 ) 驱动信号的优化，适当增加驱动信号的上升沿和 下降沿时间；( 2 ) 增加噪声过滤电路，可以过滤掉大部分的电磁干扰信号，不过对丁：和r f 信号频率 接近的高频噪声需要特殊的处理电路；( 3 ) 对开关进行封装，可以有效的对开关向往辐射的电磁干扰 波和外界传播进来的电磁干扰波进行衰减和屏蔽。通过采取这些措施，开关的电磁兼容性可以获得 极大的提高。 关键词：电容式r fm e m s 开关，动态过程，电磁场，电磁干扰 a b s t r a c t c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lf e ta n dp i nt r a n s i s t o rs w i t c h 嚣c a p a c i t i v er fm e m ss w i t c h e sh a v el o w p o w e rl o s s ，l o wd cp o w e rl o s s ，h i g hi s o l a t i o n ，e a s yt ob ei n t e g r a t e d , p e r f e c th i g hf r e q u e n c yb e h a v i o re t c a d v a n m g e s ，a n dt h e yw i l lb ew i d e l yu s e di nm i c r o w a v ea n dm i l l i m e t e r - w a v ec i r c u i t s a st h ed e v e l o p m e n t o ft e c h n o l o g y , t h er e l i a b i l i t yt h e o r yo fc a p a c i t i v er fm e m ss w i s hb e c o m m o r ea n dm o r ep e r f b c t b u t t h e r es t i l la r es o m er e l i a b i l i t yp r o b l e m sw h i c hh a v en o tb e e ns o l v e d ；e s p e c i a l l yt h ee l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e n c ei n d u c e dd u r i n gt h es w i t c h i n go f ac a p a c i t i v er fm e m ss w i t c hh a sn o tb e e ns t u d i e d d u r i n gt h es w i t c h i n go fac a p a c i t i v er fm e m ss w i t c l l b e c a u s eo ft h ea c t u a t i o nv o l t a g ea n dt h e m o v e m e n to f t h em e m b r a n eb r i d g e ，t h ev a i l a t i o n a le l e c t r i cf i l e db e t w e e nt h ep a r a l l e lp l a t e so f t h ec a p a c i t o rw i l l p r o d u c em a g n e t i cf i e l d t h e nf o r m i n gv a r i a t i o n a le l e c t r o m a g n e t i cf i e l d , e v e nt h e r ew i l lb ee l e c t r o m a g n e t i cw a v e r a d i a t e d i na d d i t i o n , t h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l dp r o d u c e dw i l la f f e c tt h er fs i g n a lt r a n s m i t t e di nt h ec p w ：a n di t a l s ow i l lp r o d u c ee l e c t r o m a g n e t i ci n t e f f e m n c e so nt h es u r r o u n d i n gr fc i r c u i t sa n dr fd e v i c e s s ot h em o d e lo f t h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l dp m d u db yt h es w i t c hm u s tb ed e v e l o p e d , a n dt h e na n a l y z et h ee l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e n c ee f f e c t t h es u m m a r yo f e q u i v a l e n tc i r c u i tr e s e a r c h , d y n a m i cm o d e l sa n dr e l i a b i l i t yr e s e a r c ho f t h ec a p a c i t i v e r fm e m ss w i t c hi sp r e s e n t e di nt h i sp a p e rf i r s t ；a l lt h er e s e a r c hw o r ko f t h i sp a p e ri sb a s ee l lt h i s t h e n , a na c c u r a t ed y n a m i cm o d e l ( o n ed i m e n s i o n ) o ft h em e m b r a n eb r i a g ei sd e v e l o p e d , w h i c hi n c l u d e st h e m e c h a n i c a lf o r c e ，e l e c t r o s t a t i ca g t a a t i o nf o r c ea n de v e nt h ea i rd a m p i n gf o r c eo nt h eb r i d g e a n dt h e m o v e m e n to f t h em e m b r a n eb r i d g ed u r i n gt h ep u u - d o w ns t a g ea n dr e l e a s es t a g ei sa n a l y z e d ；w ef o u n dt h a t t h em e c h a n i c a lm o v e m e n tt i m eo ft h eb r i d g ei so nt h eo r d e ro f1 0 p s e s p e c i a l l yd u r i n gt h eb r i d g er e l e a s e s t a g e ，w h e nt h eq u a l i t yf a c t o ro ft h eb r i d g ei sl a r g et h a nc e r t a i nv a l u e ，t h em e m b r a n eb r i d g ew i l ld a m p i n g v i b r a t en rt h ei n i t i a lp o s i t i o n ( u p - s t a t e ) b a s e do nt h ed y n a m i cm o d e lo ft h em e m b r a n eb r i a g e ，w h e nt h ea c t u a t i o ns i g n a lo ft h es w i s hi s s q u a r ew a v es i g n a l ，t h es w i t c h i n gp r o c e s sm a yb ed i v i d e di n t of o u rs t a g e s ：( 1 ) t h ec h a r g i n gs t a g eo ft h e s w i t c hc a p a c i t o r , ( 2 ) p u l l - d o w ns t a g eo ft h eb r i d g e ，( 3 ) d i s c h a r g i n gs t a g eo ft h es w i t c hc a p a c i t o r ，a n d ( 4 ) t h e r e l e a s es t a g eo ft h eb r i d g e am o d e lo ft h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l dp r o d u c e di ne a c hs t a g ei sd e v e l o p e db y u s i n gm a x w e l le q u a t i o n s ，i nt h ec h a r g i n gs t a g ea n dt h ep u l l - d o w ns t a g e ，t h e r ei sap u b ee l e c t r o m a g n e t i c f i e l dp r o d u c e db yt h es w i t c hf t h ep u l s ed u r a t i o ni sr e s p e c t i v e1 4 8 x l o 呻p sa n d0 7 p s ) t h ee l e c t r o m a g n e t i c f i e l dp r o d u c e di nt h ec h a r g i n gs t a g ei sah i g hf r e q u e n c yr e s o l l a n c ef i e l d ( b yt h ep a r a m e t e r so f t h i sp a p e r , t h e f r e q u e n c yi s2 9 3 4 g h za n dd u r a t i o ni s1 3 2 x 1 0 b u ti nt h er e l e a s es t a g e ，b e c a u s et h e r ei s1 1 0a c t u a t i o n v o l t a g e ，t h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l da n di n t e r f e r e n c ep r o d u c e di n t h i ss t a g ec a l lb ei g n o r e d f r o mt h ev a l u e o r d e ro f t h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l d , t h ev a l u eo r d e r si nc h a r g i n gs t a g ea n dd i s c h a r g i n gs t a g ea r ev e r yl a r g e , r e s p e c t i v e1 0 6 a ma n d1 0 4 a m ；a n dt h a ti np u l l - d o w ns t a g ei sr e l a t i v e l ys m a l lr i nt l l eo r d e ro f 6 a m ) 功ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l dm o d e li nt h i sp a p e ri sv e r i f i e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o u sr e l e m e n ta r e a s s u p e r p o s i t i o nm e t h o d ) ，a n dt h em a x i m u m r e l a t i v ee r r o ri so n l y8 6 b yt h ev e i l f yr e s u l to f t h em o d e la n d e r r o ra n a l y s i s t h em o d e lf o re l e c t r o m a g n e t i cf i e l dh a sb e e nc o r r e c t e da n dp e r f e c t e df i l r t h e r , a n dt h i s i m p r o v e dt h ev e r a c i t yo f t h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l dm o d e lo u t s i d et h ep a r a l l e lp l a t e so f t h es w i t c hc a p a c i t o r b a s eo nt h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l dm o d e ld e v e l o p e d t h i sp a p e ra l s oa n a l y z e dt w ok i n d so fe m i p r o d u c e db yt h es w i t c h ：c o n d u c t e di n t e r f e r e n c ea n dr a d i a t e di n t e r f e r e n c e i na l jt h ec o n d u e t e di n t e r f e r e n c e s ， t h e r ew i l lb eah i g hf r e q u e n c y ( 2 9 3 4 g h z ) r e s o n a n c en o i s ep r o d u c e do nt h er fs i g n a ld u r i n gt h e d i s c h a r g i n gs t a g eo ft h es w i t c hc a p a c i t o r ；a n dt h en o i s ew i l lg r e a t l ya f f e c tt h ea c c u r a c yo ft h em e s s a g e w h i c hl o a d e do nt h er fs i g n a l t h er a d i a t e di n t e r f e r e n c ei n c l u d e sm a g n e t i ci n d u c t i o ni n t e r f e r e n c ea n d e l e c t r o m a g n e t i cw a v er a d i a t i o ni n t e r f e r e n c e a n dt h e s et w ok i n d so fi n t e r f e r e n c ew i nb ep r o d u c e db yt h e s w i t c ho nt h ec i r c u i t sa n dd e v i c e sa r o u n d e s p e c i a l l yt h ee f f e c to f m a g n e t i ci n d u c t i o ni n t e r f e r e n c ei sg r e a t e r i i t h a nt h eo t h e rr a d i a t e di n t e r f e r e n c e ，b e c a u s et h ev a l u eo r d e ro f t h em a g n e t i cf i e l dp r o d u c e db yt h es w i t c h a c h i e v e s r e s p e c t i v e l o * a ma n d1 0 4 a mi nt h e c h a r g i n gs t a g ea n dd i s c h a r g i i l gs t a g e ，b u t t h e e l e c t r o m a g n e t i cw a v er a d i a t i o ni n t e r f e r e n c ei sr a d i a t e db yt h ef r i n g i n ge l e c t r i cf i e l do f t h es w i t c hw h i c hi s r e l a t i v e l ys m a l l ，o nt h eo t h e rs i d ei t se f f e c tt ot h er f c i r c u i t sa r o u n dc a nn o tb ei g n o r e dy e t f i n a l l y , s o m ei m p r o v e m e n t sa n ds u g g e s t i o nt ot h ed e s i g no f c a p a c i t i v er fm e m ss w i t c h e sa r eg i v e n ： ( 1 ) o p t i m i z et h ea c t u a t i o ns i g n a l ，i n c r e a s et h er i s i n ge d g ea n dt r a i l i n ge d g et i m eo ft h ea c t u a t i o ns i g n a l p r o p e r l y ；( 2 ) a d dt h en o i s ef i l t e r i n gc i r c u i t st ot h es w i t c hs y s t e m ，w h i c hw i l lf i l t e rm o s to ft h ee m is i g n a l b u tf o rh i g hf r e q u e n c yn o i s e ( i t sf r e q u e n c yi nt h er a n g eo f r fs i g m l ) t h e r ew i l ln e e ds p e c i a lf i l t e r i n gc i r c u i t ( 3 ) p a c k a g i n go ft h es w i t c h e sc a nw e a k e na n df i l t e rt h ee m ip r o d u c e db ys w i t c hi t s e l fa n dt h ee m if r o m t h eo u t s i d e b yt h e s eo p t i m i z a t i o n s ，t h ee m co f t h es w i t c hw i l lb ei m p r o v e dg r e a t l y k e y w o r d s ：c a p a c i t i v er fm e m ss w i t c h , d y l l a m i c $ e l e c l r o m a g n e t i ef i e l d , e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e i l l 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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，也不包含为获得东南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。 研究生签名：盔逊日期： 东南大学学位论文使用授权声明 亏3 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：姓导 第一章绪论 第一章绪论 m e m s ( m i c r o - e l e c t r o n i c - m e c h a n i c a ls y s t e m s ，可以译为微电子机械系统) 技术的起源可以追溯 到上世纪5 0 6 0 年代，最初贝尔实验窒发现了硅和锗的压阻效应，从而导致了硅基m e m s 传感器 的诞生和发展”j 。七十年代，美国学者提出了基于硅半导体材料的微机械的设想。到了1 9 8 8 年，美 国加州大学伯克利分校m u l l e r 研究小组发表的转子直径为6 0 4 l o o u m 的硅静电马达在当时引起了轰 动。于是到1 9 8 9 年，n s f 召开的研讨会上首次提出了m e m s 一词，从此m e m s 一词渐渐成为了一 个世界性的学术用语，m e m s 技术的研究开发也日益成为国际上的一个热点【2 】。 m e m s 的特点和优点是体积小、重量轻、性能稳定，通过i c 等工艺可批量生产，成本低，性 能一致性好，功耗低，谐振频率高，响应时间短，综合集成度高，具有多种能量转化、传输等功能， 包括力、热、声、磁及化学、生物能等。m e m s 技术的目标是把信息获取、处理和执行一体化地集 成在起，使之成为真止的信息处理系统，因此它对信息技术的革命意义是不言而喻的。对于传统 的“机械学”来说，m e m s 技术不仅为其打开了“微尺寸”新领域大门，也是真正实现机电一体化 的开始。所以，m e m s 被认为是微电子技术的又一次革命，对2 l 世纪的科学技术、生产方式和人 类生活质量都会有深远的影响。 目前，m e m s 已逐渐从实验室的探索走向产业化的轨道，具有非常好的市场前景，目前的大量 产品包括汽车加速度计，压力、化学、流量传感器等以及微光谱仪、一次性血压计等【4 】。 1 1r f m e m s 开关 随着m e m s 技术的发展，m e m s 器件在微波射频电路中得到了广泛的应用。射频m e m s 器件 分有源和无源两类，无源器件包括本体微机械加工的传输线、滤波器和耦合器；有源器件包括开关、 谐调器和可变电容。跟其它同类器件相比，它们不仅尺寸小，并且功耗也更小，并具有优异的性能。 其中r fm m s 开关是主要的研究器件之一。它可以用于各种射频电路和相控阵天线中，将对雷达、 卫星通讯、智能天线、个人移动通信、蓝牙技术等的发展产生重大的影响”。 1 1 1i 心m e m s 开关的特点 r f m m s 开关从1 9 7 9 年p e t e r s e n 设计的静电驱动金属悬臂梁开关嘲开始己取得了很大的发展， 出现了多种形式的开关 7 - ”】。由于移动通信等相关产业的高速发展对m m i c 器件提出了更高的性能 要求。作为微波信号变换的关键器件微波开关，m e m s 开关以其固有的低功耗、低插入损耗和 低交叉调制损耗等特性，将会大量应用在通信领域【1 “。 目前在通信领域，使h j 较多的是传统的m e s f e t 开关和p i n 二极管开关。与它们相比，r f m e m s 开关具有其显著的优点i l 目： ( 1 ) 近于0 的功耗：尽管静电驱动需要2 0 8 0 v 的的电压，但他们并不消耗电流，因此功耗 很低，大约每开关循环消耗l o 1 0 0 n j 。 ( 2 ) 高隔离度：在o 1 4 0 g h z 隔离度优丁：4 0 d b ，这是由开关的电容决定的。 ( 3 ) 低插入损耗：直到1 0 0 g i - i z 插入损耗可 o 2 d b ，由于减小了欧姆接触中的接触电阻和扩 散电阻，显著的降低了器件的欧姆损耗，高电导率的金属能以极低的损耗传输微波信号。 ( 4 )线性好，互调积小，比f e t 和p i - n 二级管好3 0 d b ，这是由于消除了半导体结引起的w 东南大学硕士学位论文 。 非线性，显著的减小了开关的谐波分量和互调分量，并提高了r f m e m s 开关的能量处 理能力。 ( 5 ) 工作频带宽。 ( 6 ) 成本低：可应用表面微机械加工制作于高阻硅、g a a s 、q u a r t z 、l 睁r e x 和l t c c 衬底上， 可与c m o s 工艺兼容并也可与高速电子器件集成。 但是r fm e m s 开关也有其缺点： ( 1 ) 相对较低的速度，大多数m e m s 开关的开关速度为2 4 0 u s 。 ( 2 ) 功率处理存在缺陷，大多数m e m s 开关不能处理大于2 0 5 0 m w 的功率。能很可靠的 处理o 2 1 0 w 的m e m s 开关目前还未出现，功率处理大多受电流密度限制。 ( 3 ) 相对商的驱动电压，静电m e m s 开关一般需要2 0 8 0 v 的电压驱动，因此在便携通信 系统中需要电压提升转换器芯片。 ( 4 ) 可靠性：成熟的m e m s 开关为0 ，11 0 b i l l i o n 循环，而许多系统需要2 0 2 0 0 b i l l i o n 循环， 电容式开关主要受限于驱动电极中的绝缘层电荷，而金属接触开关主要受限于接触金属 间的界面问题。 随着对r f m e m s 开关研究的深入，一些新的开关结构以及工艺将会被提出，用于改进这些不足 之处。 1 1 2r fm e m s 开关的分类 经过近三十年的研究和发展，r fm e m s 开关种类繁多。根据驱动机制可以分为：静电力驱动， 压电驱动，热驱动和磁驱动。其中静电力驱动是r fm e m s 开关中最为常见和使用展多的一种驱动 机制。图1 1 展示了采用上述四种驱动机制实现的悬臂粱r fm e m s 开关”4 1 。 ( c )( d ) 图1 1 四种驱动机制的悬臂梁r fm e m s 开关14 】： ( a ) 静电力驱动，( b ) 压电驱动，( c ) 热驱动和( d ) 磁驱动 静电力驱动的r fm e m s 开关具有较低的功率损耗，而且制作简单，与i c 工艺兼容，与平面微带 传输线易集成，并具有快速响应速度( 微秒餐级) 。其缺点是由于开关的空气间隔较大，导致驱动电 压较高。采用压电驱动机制的r fm e m s 开关具有相对较好的稳定性以及驱动接近线性的优点，另外 2 第一章绪论 它还可以同时具有低驱动电压和大的空气间隔。不过其最大的缺点是技术比较复杂，在实际中很少 采用这种方式，有报道的压电驱动的开关只有几个i l “。熟驱动的r fm e m s 开关的优点有低驱动电压， 制备工艺流程简单，不足之处是响应速度低( 高达几百微秒) 以及功耗高，所以采用热驱动机制的 开关也是鲜有报道。在磁驱动机制中采用的是电流，当电流在可接受的m a 量级范围内，磁驱动器所 能获得的最大驱动力要比静电力驱动高。 这几种驱动机制都有自己的优缺点，可以针对不同的要求采用不同的驱动机制。不过已报道的 r fm e m s 开关中采用静电力驱动机制较多。 而在静电力驱动的i 心m e m s 开关中，主要有两大类：悬臂梁开关( 直接接触式) 和电容式膜开 关( 如图1 2 所示) 。 一， 叫“ ( a ) m e m b r a n eb r i d g e ( ” 图1 2 两种开关的结构示意图： f a ) 悬臂梁式r fm e m s 开关，( b ) 电容式r fm e m s 开关 同直接接触式悬臂梁开关相比，由于电容式开关有较大的接触面积，能够处理相对较大的r f 功率( 1 0 0 5 0 0 m w ) 。而且电容式开关具有相对较小的“d o w n ”态电容( 2 5 p f ) ，冈此它们在6 g h z 以上高频一f 作性能较好，而直接接触式开关工作频率要比电容式低一些。此外由于直接接触式开关 会发生金属与金属的接触退化现象，从而大大限制了开关的寿命，另一方面这种金属与金属的直接 接触也导致开关的直流功耗急剧增加。 由此可见电容式r fm e m s 开关相比于其他各种开关具有众多优点，也成为r fm e m s 开关研 究中的重点。因此本文的研究对象是电容式r fm e m s 开关。 1 1 3 电容式r fm e m s 开关的工作方式 o vm t h n b r a n e b r i d g t ( b ) 3 东南大学硕士学位论文 图l _ 3 电容式r f m e m s 开关的两种状态：f a ) u p 态，( b ) d o w n 态 典型的电容式r fm e m s 开关的结构如图1 3 所示。一层金属薄膜桥两端固定在地线上，并悬 浮在c p w 的中心导体上，同时膜桥下的中心导体上覆盖了一层绝缘介质( 氮化硅) 。无外加电压 时，开关的电容很小，这样一个加载在c p w 的中心导体一端的高频( r f ) 信号能够传播到另一端， 开关处于“开”态，也称之为“u p ”态( 如图3 a 所示) 。当一个直流电压加在c p w 中心导体和周 围的接地板之间时，由于静电引力作用，金属桥被拉下与绝缘介质层相接触形成一个大电容。r f 信 号被耦合至地线，开关处于“关”态，也称之为“d o w n ”态( 如图3 b 所示) 。 器件工作的一些重要参数：用来把桥拉下来的p u l l - i n 电压( ) 以及桥被拉下来后用来保持这 一状态的最小电压p u l l - o u t 电压( ) ( y 品 ) 。这两个电压值取决于开关的结构，通常为 2 0 - 8 0 v ，而只有几伏左右”o 。关态与开态的开关电容比值，通常为8 0 - 一1 0 0 左右，电容比值越 大，则开关的高频工作特性越好。插入损耗和隔离度分别是当开关“开”态时，开关传输信号的损 失：以及当开关“关”态时，在开关输出端泄漏的信号值。定义为：1 0 f d 反p p ，) 。相比于传统的 半导体开关( 如m o s f e t 和p i n 二极管开关) ，电容式r fm e m s 开关具有高隔离度和低插入损耗 的良好特性。 1 2 电容式r fm e m s 开关研究综述 前面提到同传统的f e t 管和p i n 开关管相比，电容式r fm e m s 开关具有损耗低、直流功耗小、 隔离度高、易于集成等许多优点，其在微波及毫米波控制电路中具有广泛的应用前景。虽然对m e m s 开关研究已经有了二十多年了，但是目前它商业化却仍然被器件的工作稳定性问题阻碍着，因此进 一步完善开关的理论研究，从而改进开关的可靠性成为至关重要的任务。 1 2 1 开关的等效电路研究 研究、设计和使用m e m s 开关，首先都必须知道开关的等效电路，而这是取决于其物理结构的。 已经有不少文献【“”1 研究了电容式r fm e m s 开关的电学特性，最后得到等效电路结构都惊人的一 致，如图1 4 所示。 图t 4 电容式r fm e m s 开关的等效电路 整个开关的阻抗表达式为 乙= + 扛一去 其中j k 为膜桥电阻，厶为膜桥电感，g 为膜桥与共面波导所形成可变电容，开关的各个电学参数 可以通过全波模拟分析以及s 参数计算可以得到 4 第一章绪论 当阻抗表达式( 1 1 ) 中虚部为0 时，开关处于谐振状态，由此可以得到开关的谐振频率1 乃为 矗2 而1 ( 2 ) 以及在不同的工作频率范围时开关阻抗可以近似为 1 2 2 开关的动态模型综述 乙= j 厍1 荔 ( 1 3 ) 在整个开关结构中，发生运动的只有金属膜桥，也正是由于膜桥的上下运动实现了开关的两种 状态：“开”态和“关”态。因此开关的动态模型实际上也就是对膜桥的上下运动进行研究分析。 开关的可变电容结构是由上极板( 两端崮定的膜桥) 和下极板( 共面波导的中心导体) 构成， 其中上极板膜桥是可动的。目前研究这种极板运动的文献比较多，有m e m s 开关的，也有上下极板 尺寸都相同的振荡器、可变电容，但是它们的原理和运动方程都是相同的，所以这里列举的例子并 不局限于m e m s 开关。 首先介绍膜桥的二维动态模型，这类模型均是采用了关于空间坐标的四次偏导以及关于时间的 二次偏导的偏微分运动方程来描述膜桥或极板的运动。美国人t 蚯- r a n h s u 在其书1 2 0 1 中讲到，双端固 定梁的振动方程可以由下式来表示： 掣十掣= 。 n 。， 其中口= e ，e 是梁的弹性模量，是惯性矩，y 是粱单位长度的质量。这个方程描述的是不 考虑空气阻尼力以及其他各种外界力时梁的上下自由运动。不少文献均是在这个方程的基础上加入 各种外力的影响，例如空气阻尼力( 也叫s q u e e z e - f i l m d a m p i n g ，压膜效应) 和静电力，就可以准确 地描述实际膜桥的运动情况了，代表性文献有【2 l “j 。 膜桥的这种四次偏微分运动方程的边值问题求解相当复杂，每篇文献的求解方法都各不相同， 大致可以分为两种：得到运动方程后根据边值条件编写求解算法，然后通过专门的计算软件来得到 位移曲线结果田1 ( 如图1 5 a 所示) ：根据运动方程，把膜桥分成n 个部分，采用有限元法进行计算 得到位移曲线结果田】( 如图1 5 b 所示) 。 5 东南大学硕士学位论文 ? o ： m ( a ) 图1 5 ( a ) 梁的最大位移与施加的电压二次方的关系曲线圆 ( b ) 有限元法模拟得到的膜桥运动曲线图田1 l y j m d g 蝴等人口5 根据膜桥的运动方程在c ( v e n 妞软件中采用系统级仿真得到了膜桥的三维变形 (a)(b) 图1 6 ( a ) 整个系统的结构组成；( b ) 在1 0 0 伏的驱动电压时，膜桥的准静态形状 前面介绍的膜桥二维和三维动态模型在工作量以及计算量上都很大，都是作为一个专门的课题进行研 究的。下面将介绍膜桥的一维动态模型。 美国人t a i - r a n h s u 在其书中【2 6 】讲到的质量块一弹簧系统中，根据牛顿第二定律就可就出质量块 的运动方程，而众多文献中膜桥的一维动态模型都是在这个运动方程的基础上扩展而来。 j y “、 珊竺兰掣+ 克r ( f ) = 0( 1 5 ) 疵 其中方程( 1 5 ) 左边第一项表示膜桥的惯性力，第二项表示的是膜桥受到的机械恢复力，如果加入静 电力和空气阻尼力，运动方程就可以更加准确的描述膜桥的运动了。这类研究的代表文献有慨2 7 - 2 9 j 。 膜桥的一位动态模型相比其二维和三维模型，复杂稃度和计算量人人降低了，但同时义保证了 模豫的准确性。因此本论文采用膜桥的一维模型来分析开天的动态过程，在保证模型准确性的基础 上降低了课题研究中前序上作的复杂度，从而把研究重点放在电磁场模型的建立上。 6 第一章绪论 1 2 3 电容式r fm e m s 开关失效机制 理论上电容式r f m e m s 开关的寿命比欧姆接触式开关的寿命要长得多，因为电容式r f m e m s 开关没有发生金属与金属的接触退化现象，而正是退化大大限制了电阻接触式开关的寿命。然而早 期的实验表明，电容式开关的可靠性并没有其想象中的那么高，有许多开关设计者刚开始所没有意 料到的问题影响了开关的寿命【3 0 ”】。不过在发现这些问题并加以改进之后，电容式r fm e m s 开关 的寿命得到了大大提高( 超过了l o ”开关次数t 3 2 3 ) 。 从开关的工作次数来看失效原因【3 3 】 在前一千次开关过程中发生失效：主要是由于制备过程中的残余渣滓，潮湿，颗粒以及封装缺 陷所导致； 在百万次开关过程中发生失效：是由于开关电介质的电荷积累所导致，它会引起p u l l - i n 和 p u l l - o u t 电压的变化。 在更高的千亿次开关后发生失效：这时机械缺陷才会影响到开关的工作。 从开关的工作方式来看，电容式r fm e m s 开关有两种工作方式：膜桥进行“开关”时没有加 载r f 信号，称之为冷开关；膜桥进行“开关”时加载了r f 信号，称之为热开关。开关分别在这 两种工作方式下时，其可靠性是不一样【“删。例如在冷开关的器件中，主要的失效问题是r f 白执 行的失效( 通常自执行电压减小了) ；而在热开关的器件中，可能会有r f 信号的电压足够大以至于 使得膜桥在拉下后不能恢复到u p 态( 自锁) 。 下面归纳了开关的可能失效模式及机3 堑t 3 1 , 3 7 1 ： 机械破裂：薄膜桥的材料由于内部应力超过断裂强度致使桥断裂，这和材料的应力、剪应力、 应变、弹性模量、断裂强度以及制备工艺有关。 表面黏附：薄膜桥底部表面和电介质的顶部表面相接触时，由于范德瓦尔斯力而彼此会粘附在 一起。此外由于电介质上会有电荷积累，其产生的静电力也会导致薄膜桥与电介质相粘连而使开关 失效。 磨损：由于薄膜桥和电介质的在“开关”过程相互撞击，会导致薄膜桥的表面疲劳，严重时会 导致桥的断裂。 电介质中电荷积累：开关在工作过程中，薄膜桥的底部和电介质的顶部界面处会有电荷被捕获， 而且在电介质内部也有电荷被陷阱捕获( 见图1 7 ) 。电荷的积累会导致开关的电学特性发生改变， 严重时会导致开关的失效。 (a)(” 图1 ，7 ( a ) 在界面处被捕获的电荷；( b ) 在电介质内部的捕获效应 环境导致的失效：可能导致的环境因素主要有振动、冲击、潮湿、辐射、微粒、温度变化、静 电放电等。 1 2 4 介电电荷和可靠性模型研究综述 如果开关的这些可靠性问题得不到解决或者改善，将会影响到其商业应用，所以现在不少科技 工作者们对电容式r f m e m s 开关的电介质充电而导致的可靠性这个问题进行了研究。 r e i d