（微电子学与固体电子学专业论文）通信mems射频接触式开关的设计与制作技术研究.pdf

摘要 摘要 自约十年前开始，微机械开关的研究倍受关注，至今r fm e m s 开关已经进 入了小批量商业试用产品阶段。r f m e m s 开关由于其尺寸小、分量轻、低损耗、 高隔离而在无线通信领域有广泛的应用前景。从己报道的文献中看，全面介绍开 关模拟仿真设计及工艺分析的较少。对此，本文以串并联接触式r fm e m s 开 关为重点进行了研究，完成的主要工作如下： 1 提出了版图设计工具与有限元仿真工具相结合的方法，可以解决在仿真 软件中绘制三维复杂仿真模型的困难，较好的解决了复杂模型带来的大数据量问 题。使用有限元软件a n s y s 对四类典型的m e m s 开关( 串联桥式、并联桥式、 串联悬臂梁式、并联悬臂梁式) 进行力学性能的对比分析。模拟了不同桥长的谐 振频率以及三种不同桥墩形状的桥式开关的下拉情况，找出弹性系数最小的开 关。使用高频电磁场分析软件h f s s 对四类开关进行l - 1 0 g h z 的微波性能的对比 分析。 2 设计了用表面微机械加工技术来制作开关的详细工艺流程，并对制作过 程中最为关键的聚酰亚胺牺牲层工艺做了重点实验研究，寻找到较为合适的温度 处理和腐蚀条件，得到良好的效果。对样品进行观测和研究，寻找版图和工艺中 存在问题。 3 本文从版图、工艺、材料选择来改进设计，重点旨在降低开关的下拉电 压，提高开关的可靠性。改进的方法包括电镀桥墩，改进桥梁的形状，在信号线 上和桥背面接触的地方设计触点，以期获得较小的开关时间和减小接触的粘附。 4 流片得到的样品最后测试结果：开关下拉电压约为2 8 v ：1 - 1 0 g h z 并联 式开关的插入损耗在o 0 5 d b ，隔离度为3 5 4 5 d b ，而串联式开关的插入损耗 o 5 1 5 d b ，隔离度在4 0 7 0 d b 。经测试，m e m s 开关寿命达7 0 万次。 亚胺 关键词： r fm e m s 接触式开关，有限元分析，下拉电压，s 参数，聚酰 英文摘要 a b s t r a c t a r o u n d10y e a ra g o ，al o to fa t t e n t i o ns t a r t e dt ob ed r a w nt ot h e r e s e a r c ho fm e m ss w i t c h e s e v e ns i n c et h e n r fm e m ss w i t c hh a s f o u n di t sg r e a ta p p l i c a t i o ni nt h ea r e ao fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sd u et o i t ss m a l ls i z e ，l i g h tw e i g h t ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o na n dh i g hi s o l a t i o n h o w e v e r , t h e r ea r en o tm a n ya r t i c l e sw h i c hh a v et h o r o u g h l yi n t r o d u c e d s i m u l a t i o n ，d e s i g na n df a b r i c a t i o np r o c e s so f t h es w i t c h e sf r o ma 1 1t h o s e r e f e r e n c e s t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h ed e s i g na n df a b r i c a t i o no fr f m e m sc o n t a c ts w i t c h e s t h em a i nc o n t r i b u t i o n sa r ea sf o l l o w s ： am e t h o do fc o m b i n i n gt h el a y o u td e s i g ns o f t w a r ew i t h3 df i n i t e e l e m e n t a n a l y s i s ( f e a ) s o f t w a r e i s p r e s e n t e d w h i c hc a ns o l v et h e p r o b l e m o f d r a w i n g3 dc o m p l i c a t e d m o d e l si na n a l y s i ss o f t w a r e t h es w i t c hm e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c s a r e c o m p a r e db yu s i n g a n s y s t h er e a ls w i t c hm o d e l sa r es i m u l a t e da f t e rt h ep r o b l e mo ft h e m a s sd a t ai n d u c e d b yc o m p l i c a t e d m o d e i si ss o l v e d t h em o d e l f r e q u e n c i e so f d i f f e r e n tl e n g t hb r i d g e sa n dt h r e es w i t c h e sw i t hd i f f e r e n t h i n g es h a p e sa r es i m u l a t e d t h es w i t c hw i t ht h el e a s ts p r i n gc o n s t a n t i s f o u n da sw e l l t h es w i t c he l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c sf r o m1 - 1 0 g h za r ea l s o s i m u l a t e d u s i n g h f s s 。 n ef a b r i c a t i o np r o c e s si sd e s i g n e du s i n gs u r f a c es i l i c o nf a b r i c a t i o n t e c h n o l o g i e s m a n ye x p e r i m e n t s o nt h es a c r i f i c i a l l a y e ri n c l u d i n g s p i n n i n ga n de t c h i n ga r ee x p l o r e d t h es u i t a b l et e m p e r a t u r ea n de t c h i n g c o n d i t i o n sa r ef o u n d o b s e r v a t i o n sa n dr e s e a r c h e sa r ed o n et of i n dt h e p r o b l e m s i n l a y o u td e s i g n a n df a b r i c a t i o np r o c e s s t h ei m p r o v e m e n t f o c u s e so n d e c r e a s i n g t h ea c t u a t i o nv o l t a g ea n d i m p r o v i n gr e l i a b i l i t y t w ol a y o u t sa r ed r a w na n dt h ep r o t o t y p eo ft h ef i r s t l a y o u t i s f a b r i c a t e d t e s t i n g a n dm e a s u r e m e n tr e s u l t ss h o wt h a t t h es w i t c h s a c t u a t i o nv o l t a g ei sa b o u t2 8 va n dt h eb e s tl i f et i m ei s7 0 0 ，0 0 0c y c l e s t h e t y p i c a ls h u n ts w i t c hi sc a p a b l eo fp r o v i n gl e s st h a no 5 d bi n s e r t i o n l o s sa n d35 d b 4 5 d bi s o l a t i o ni nt h ef r e q u e n c yr a n g el i o g h z t h e s e r i e ss w i t c hp r o v i d e so 5 d b 1 5 d bi n s e r t i o nl o s s a n d4 0 d b 7 0 d b i s o l a t i o n k e y w o r d s ：灯m e m sc o n t a c ts w i t c h ，f e a ，a c t u a t i o nv o l t a g e ，s p a r a m e t e r , p o l y i m i d e i i 隆瑾瑾硕士学位论文答辩委员会成员名单 【姓名职称单位备注 杨平雄教授华东师范大学主席 石艳玲副教授华东师范大学 李刚副教授华东师范大学 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。 学位论文授权使用声明 本人完全了鳃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菲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。 学位论文作者签名：陈瑾j 碴 导师签名 易二粤 协夕 日期：2 。o r j 6 ，日期：耻多 第一章引言 1 1 课题的背景和意义 第一章引言 微机电系统( 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 ) 技术是近二十年来 发展起来的一个新兴的技术领域。它起源于6 0 年代的微电子工艺技术，是指用 半导体技术制作的微型电子机械器件、装置与系统f 】1 1 2 1 。从广义上讲，m e m s 是 集微型传感器、微执行器、信号处理、控制电路等于一体的完整微型机电系统。 应用领域主要有力学传感器、光、流体、生物和无线通信。微机电系统具有体积 小、重量轻、多功能以及可批量生产成本低等特点，在人们对信息采集和处理精 度和速度要求日益提高的今天，它在民用和军用领域都具有广阔的应用前景和巨 大的应用潜力。 微机械的最小尺寸已到达微米( g m ) n 纳米( n m ) 的尺度，可以大大减少系统的 体积，微机械加工的部件可以实现切换功能、路由功能和信号处理功能，并且其 传输损耗要比普通元件小，或性能更佳。一个传统收发通信系统的r f 部分至少 有6 项功能因使用m e m s 器件而受益引，见图l 一1 。这些器件在减小系统体积、 减轻系统重量以及提高系统效率等方面起了很大作用。对于大量应用于射频和微 波频段的无源分立元件，这种替换将大大减小芯片面积。因此采用m e m s 器件 来代替传统的射频元件，来减小版图尺寸，是射频技术发展的一个必然趋势。当 然，如果寄望于大量使用r f m e m s 器件，尤其是在手机和各种便携式终端中， 需要改进的仍有制作技术的兼容、功耗、可靠性、以及集成封装等等。 图1 - 1 一个传统无线收发系统 r fm e m s 开关是最早在射频及微波领域应用的m e m s 器件4 1 ，其它类型的 第一章弓l 占 微波开关还有传统的g a a sf e t 和p i n 二极管开关。后两种开关有开和关的状态 间转换速度快，工作电压低的优点，但是也存在着以下缺点：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：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，因此应用的频段也不是很 高；工作电流较大，使得功率损耗较大，开关的隔离度不高。这些缺点导致了传 统开关在要求日益严格的现代无线通信中将不能很好的工作。而r f m e m s 开关 与之相比，则有低插入损耗、高隔离度、高线性度等优点。 r fm e m s 开关还是构成其它m e m s 微波器件，例如可变电容、滤波器、 移相器、振荡器甚至天线的基础【5j 【“。例如空气桥式结构( 两端固定梁) 的电容 式开关的关态和开态的电容比一般大于1 0 0 ，利用电容式m e m s 开关制作电容 库，将开关做成一定的拓扑网络结构，通过控制开关的“开”与“关”，可以得 到不同的电容；m e m s 移相器的主要结构是在共面波导传输线上，周期性地加 载若干m e m s 开关，通过改变开关的桥高，从而改变传输线的分布电容，以及 传输线的传播常数、特性阻抗等，以达到改变相移量的目的；可重构天线则是由 天线阵列和开关网络组成，通过控制开关网络，来达到天线的不同工作频率。 r fm e m s 开关的这些优点，促使人们研究使它真正应用到无线通信系统中 去。 1 2r fm e m s 开关的研究状况 近几年来，各种m e m s s e 艺的开发和使用，为m e m s 开关的研制提供了良 好的条件，各种新的m e m s 开关结构层出不穷，既可作为单独开关使用也可和 其它元件组合后形成复合器件，如移相器、可重构天线、滤波器等等。 r fm e m s 开关根据不同的分类方式，有不同的类型。根据接触方式不同可 划分为电容式开关和接触式开关，电容式开关一般用于1 0 1 0 0 g h z 的频率范围， 而接触式开关因为具有很小的接触电阻可以用于更低的频率；根据电路连接方式 可划分为并联式开关和串联式开关：根据驱动方式可划分为静电驱动，热驱动， 电磁驱动，热一静电混合驱动1 7j ，较为常见的即是静电驱动。 1 2 1 静电驱动方式 1 、电容式开关 r a y t h e o n 公司在较早的时期( 1 9 9 5 2 0 0 0 期间) 研制了m e m s 电容式并联 开关吼图1 2 为该开关的实物图。这类开关可以应用于x 和k 波段移相器、可 调滤波器等中。下拉电压为3 0 5 0 v ，开关电容比为8 0 1 2 0 ，1 0 4 0 g h z 的插入损 第一章号【言 耗为o 0 7 d b ，1 0 g h z 时的隔离度为2 0 d b ，3 0 g h z 时的隔离度为3 5 d b 。 图1 - 2r a y t h e o n 公司的m e m s 电容式并联开关 m i c h i g a n 大学研制的电容式并联开关如图1 3 9 1 。在桥墩处采用了回形的支 撑梁，下拉电极位于信号线两侧的两个大面积电极。它的下拉电压要小的多，为 6 - 1 2 v 。但是由于这种开关的弹性系数非常低，对外界环境的影响非常敏感，因 此开关还采用了上拉电极，在开关未被驱动时，上拉电压将可动膜维持在开态。 这种开关的微波特性也相当优秀，在1 3 0 g h z 的情况下，插入损耗低于o 1 d b ， 3 0 g h z 时隔离度为2 5d b 。 ( a )c o ) 图1 - 3 m i c h i g a n 大学研制的低下拉电压的电容式并联开关 ( a ) s e m 图( b ) 具有上拉电极的剖视图 2 、接触式开关 金属接触型开关可以使用在d c 一6 0 g h z 的频率范围，可应用于自动化测试 设备、智能天线、多模式开关网络、手机或便携手持通信系统、以及普通的射频 开关系统中。接触式开关应用广泛的优点，促使更多的公司对其进行研究。 第一章引言 r o c k w e l ls c i e n t i f i c 的开关为串联接触式开关，使用了双下拉电极，桥膜材 料为氮化物金，下拉电压为7 0 8 0 v ，低于5 0 g h z 时插入损耗为0 1 0 2 d b ，4 g h z 时隔离度为4 5 d b ，4 0 g h z 为2 5 d b 。良好的开关性能，已经促使其使用在x 一波 段和k a 一波段的移相器中，图1 - 4 是r o c k w e l l 的开关和移相器f l o 。 ( a )( b ) 图1 - 4r o c k - w e n 公司的( a 接触式开关( b ) 移相器 r a d a n t m e m s 公司的开关为接触式的悬臂梁型在线式开关，如图1 5 。下拉 电压在4 0 1 2 0 v 之间。单刀单掷的开关在0 - - 3 8 g h z 频率范围内插入损耗 o 5 d b ，回波损耗 一2 0d b ，在1 0 g h z 和4 0 g h z 时隔离度分别为2 0 d 1 3 和1 3 d 1 3 。 对于移动电话应用，在2 g h z 时的典型值为插入损耗 2 3 d b 。 组合开关之后可以得到更低的插入损耗和更高的隔离度。在冷开关的可靠性测试 下，有1 0 ”次寿命。r a d a n tm e m s 公司采用硅片级封装的形式，将开关的可动 部分封装在硅片的空腔内，封装后如图1 - 5 f c ) 1 1 1 1 o ( b ) 第一章引言 ( c ) 图1 5r a d a n tm e m s 公司的接触式悬臂粱型开关 ( a ) 示意图( b ) s e m 图( c ) 封鬟后实物图 t e r a v i c t a 公司的开关结构与r a d a n tm e m s 公司类似，频率为7 g h z 时插入 损耗 5 0d b t l 2 1 。 第一章引言 ( a ) ( c ) 图i - 7 德国d a i m l e r c h r y s l e rr e s e a r c hc e n t e r 的开关 ( a ) 欧姆接触式开关( b ) 电容式开关( c ) 两种开关串联，适用于大频率范围 1 2 2 热电驱动方式 热电驱动方式对于静电驱动的开关，所需要的电压要低。意法半导体( s n 公司使用o 2 5 m mb i c m o s 技术制造了集成于电路内的高性能射频( r f ) 开关，即 采用了热电驱动的方式。开关的梁使用两种不同热膨胀系数的介质材料，两层材 料中加入了导电发热的电阻层，通入低电压带来的电流之后，这个介质梁由于电 阻产生的热能而发生弯曲，当弯曲至与下面接触时，停止电流，簏加低电压实现 静电保护，来维持开关的下拉状态。这个开关需要2 v 以下的2 0 m a 电流，持续 时间大约2 0 0 1 x s ，产生激化能8 。第一批原型实现静电保护需要1 5 v 电压，不 过，随着横梁材料的应力控制提高，这个电压预计会降低到i o v 。r f 特性描述 显示，在人们关心的2 g h z 频率下，插入损耗( 0 1 8 d b ) 和隔离( 5 7 d b ) 特性十分优 第一章引言 异。可靠性方面，测试证实反复开关次数可达1 亿次以上 1 3 。图1 - 8 为该开关的 版图和执行示意图【h l 。 ( a )【b ) 圈1 8 意法半导体( s t ) 公司的热电驱动式开关( a ) 版图( b ) 执行示意图 另外，制作热电驱动开关的还有b e r k e l e ys e n s o r a c t u a t o r c e n t e r ，见图1 - 9 。 该开关的下拉电压为2 5 3 5 v ，响应时间测试为3 0 0 9 s ，最高的动作频率在 2 i k h z ，可以处理的射频电流大约为5 0 m a ，功耗为6 0 1 0 0 m w ，低于5 0g h z 的插入损耗为o ，l d b ，在4 0g h z 的隔离度为2 0 d b t ”】。 ( a )( b ) 图1 - 9b e r k e l e ys e n s o ra n d a c t u a t o r c e n t e r 制作的热电驱动式开关 ( a ) 示意图( b ) s e m 图 另外还有很多公司也拥有制造r fm e m s 开关的技术。例如m i c r o l a b ， m e m s c a p ，t r o n i c sm s t 等等。尽管如此，以上各公司和研究机构还处于样 品或小批量试验阶段。 各公司开关的特点和各性能指标总结如下： 第一章引言 表1 - 1 国外各机构开关的各性能对比 开关分类研究机构下拉电压插入损耗隔离度 应用频段技术特点 静电驱动r a c t h e o n 3 0 5 0 v 2 0 0 0 q c m 的高阻硅衬底，并且在高阻硅上向 生长一层厚约1 脚的氧化层，来减少辐射损耗。 3 在微波、毫米波频段还需考虑的另一个问题是趋肤效应。趋肤效应是指 交变电流特别是高频电流有靠近导线表面流动的趋势。高频交流电电流密度从表 面向内部指数下降，当电流密度下降至表面电流的1 e 时的距离定义为趋肤深度 占，其表达式为占；1 厮，其中，f 为信号频率，为传输线导体的磁导率， 玎为传输线导体的电导率。利用趋肤效应来减小c p w 线的传输损耗，可以将 c p w 线的金属加厚，使得高频电磁场主要在良导体中传播，从而减小损耗。图 2 。是不同材料随频率变化的趋肤深度曲线图拉6 1 。考虑到：e 艺的限制和传输线厚 度对后续工艺的影响，厚度低于2 b r n 适宜。 s k i no e p t hf o r v a r i o u sm e t a l sv s f r e q u e n c y 心 虬 蕊 遗斗三奠、，。l l ， l = 三 1 1 f r e q u e n c y ( g h z ) 0 a i * a g a u c u o t h e r 除了以上可以通过材料选择的方法来减小传输损耗之外，共平面传输线的： 寸和空气桥的合理设计，使传输线的特征阻抗与测试设备的特征阻抗相竺竺：。9 1 ，j 、传输线的反射损耗，也可减小传输损耗。特别是对于接触式开关，降低接触电 本章总结了设计一个良好性能的m e m s 开关的流程，并通过结合版图警i ! 赡戮薹篙黧篙鬻鬈嚣慧篡蔫 拉电压和弹性系数的计算公式，介绍了影响开关性能包拈影“1 qr 担咀雎制飒种 邶 叫 拍 抛 们 们 嘶 协c2u_暑鲁a0 c p s 第二章r fm e m s 接触式开关的设计基础 几个因素。 1 5 - 第三章r fm e m s 接触式开关的设计和仿真 第三章r fm e m s 接触式开关的设计和仿真 3 1r fm e m s 开关的基本结构 本文设讨均为金属接触式开关，按照电路的连接方式来分，有串联和并联两 种。所谓串联，就是c p w 的信号线中间为断开，桥在未下拉的状态下，信号是 受隔断的，当桥受静电驱使下拉与信号线相接触时，信号线呈导通状态；并联则 正好相反，由于信号线中间并未断开，因此，桥在未下拉时，信号是导通的，而 下拉时，信号则由信号线通过接触点引入地线，这样信号就被隔断。两种开关的 电路连接示意图如下图3 1 ： s w i t c h _ ( 二= ) = 一 r f i n 。( a )驾 上 ( b ) 图3 - 1 ( a ) 串联式( b ) 并联式开关的电路连接示意图 从图3 ，l 可以看出两种开关各自的优势所在。串联式开关在开态( 开关未下 拉) 时，c p w 的信号线本身是断开的，隔离度较高，但由于开关关态( 下拉) 时，金属与金属的接触处有一定接触电阻的存在，导体损耗较大，导致插入损耗 较大；而并联式开关在开态时，信号线本身未断开，插入损耗比较小，但是信号 线与桥形成的电容，会随着频率的增大使插入损耗增大，在关态时，并联开关的 隔离度较小。 本文设计了四种类型的开关：并联桥式开关、串联桥式开关、并联悬臂梁开 关和串联悬臂梁开关。桥式开关采用双电极下拉的方式，以共平面波导作为传输 线。所有开关都采用控制路与传输路分开的方式尽量减少控制信号对高频传输信 号的影响。示意图见图3 2 。 第三章r fm e m s 接触式开关的设计和仿真 图3 2 四类开关示意图 ( a ) 并联桥式开关( b ) 串联桥式开关( c ) 并联悬臂粱开关( d ) 串联悬臂梁开关 3 2r fm e m s 开关设计的几个关键尺寸 设计所需要确定的主要尺寸有c p w 共面波导的尺寸、桥长、桥宽、桥厚、 电极面积。最先应该确定的是c p w 共面波导的尺寸，它的尺寸确定之后，桥长 的最小尺寸也基本确定：其次确定桥宽，桥的宽度在信号线尺寸确定的情况下， 代表着接触面积，耦合面积等等，它的尺寸设计尽量提高开关的微波性能，当然 开关的力学性能，也就是下拉电压也是确定宽度的依据；桥厚根据工艺和材料的 选择，一般采用l ，电极面积在这里不予考虑，因为它受桥宽和c p w 尺寸的 限制，在这两项确定后，尽可能大，这样来减小下拉电压。 共面波导的示意图如图3 3 所示。其中，是衬底材料的介电常数，h 是衬 底的高度，t 是传输线的厚度，w 是中心导带的宽度，g 是中心导带与接地面的 距离。第二章中讲过设计合理的共平面传输线和空气桥的尺寸，使传输线的特征 阻抗与测试设备的特征阻抗相匹配，可以减小传输线的反射损耗，也可减小传输 损耗。图中的各个参数均影响到传输线的特征阻抗。使用传输线阻抗计算软件 t x l i n e 来设计共平面波导的各个参数，使传输线阻抗与测试设备的特征阻抗相 匹配( 5 0 q ) 。 第三章r fm e m s 接触式开关的设计和仿真 图3 - 3 共面波导传输线示意图 另外，并联式开关由于电容耦合的作用，会在频率增大时使插损增大，所以 桥宽不宣太宽；但是桥的宽度越宽，隔离度越高，因此对于并联式开关来说这是 一个需要折中考虑的参数。串联式开关在开态时，由于信号线中间断开，因此电 容耦合效应很小；关态的时候，尽量减小接触电阻是确定桥宽的依据，一般说来 增大接触面积可以减小接触电阻，但是太大的接触面积又容易使桥下拉的时候产 生粘附。这些因素在设计的时候要综合考虑。 3 3n f m e m s 开关仿真 由于r fm e m s 开关是三维立体结构，是在共面波导传输线的基础上构建 的，其结构参数之间又是相互制约的，给开关设计带来很大困难，因此有必要进 行仿真设计与分析。对三维立体结构的仿真，主要采用有限元法【2 ”，把物理结 构分割成不同大小、不同类型的区域，这些区域统称为单元，根据不同分析学科， 推导出每一个单元的作用力方程，组集成整个结构的系统方程，最后求解该系统 方程。求解该方程，就可以得到结构的近似解。 离散化是有限元方法的基础。必须依据结构的实际情况，决定单元的类型、 数目、形状、大小以及排列方式。这样做的目的是：将结构分割成足够小的单元， 使得简单位移模型能足够近似地表示精确解。同时，又不能太小，否则计算量很 大。 对开关的力学仿真，采用的是大型有限元通用软件a n s y s ，可以进行多物 理场的耦合分析，适合做开关的下拉电压分析| 2 8 l ：微波性能仿真则是a n s o f t 公司的三维高频电磁场仿真软件h f s s ，可以得到结构的s 参数 2 。 对开关的主要预期的目标有：低下拉电压，快速响应时间，以及良好的可靠 性和成品率。结合这个预期目标，仿真的主要内容有：比较不同桥墩形状的弹性 系数，比较串联开关不同的接触面积对微波性能的影响，比较信号线不同的断开 距离对微波性能的影响，研究接触面积小对串联式开关重要程度，比较双边悬臂 粱和单边悬臂梁的微波性能。 第三章r fm e m s 接触式开关的设计和仿真 3 4r fm e m s 开关的力学仿真 3 4 1 仿真难点以及解决方法 使用有限元分析软件，首先遇到的难题就是网格划分。对于有限元分析的方 法，网格划分太粗会使计算误差太大，太细则会使数据量过于庞大，并且要求一 个单元的各边边长相差不能太大，这样才能保证运算结果的准确性。 由于模型中桥膜的厚度只有1 p - m ，而桥宽和桥长则都要大于1 0 0 1 1 m ，为了保 证单元的有效性1 3 0 1 ，单元显然必须依照桥厚的尺寸来划分，也就是单元的边长 很小，这样在网格划分的时候带来了大量的数据：而且为了减小开关动作时的压 膜阻尼效应，也为了有助于牺牲层的去除彻底，在桥膜上设计了边长约i l 的 方形孔，这样整体不规则的图形对于计算机的仿真更是带来了庞大的运算量，大 大减慢了仿真的速度。在c p u 主频速度为2 g h z ，内存容量为2 6 4m 的计算机 上，尝试使用软件智能划分，划分出将近1 0 万个单元数，需要仿真几个小时到 一天的时间，并且程序经常出错。 为了减少运算量，必须要重新考虑网格划分所采用的单元，以及划分的方法， 以期获得规则划分，数量合适的单元。选择使用s o l i d l 2 2 单元，形状为八面体， 并且可以退化成四面体，使用s w e e pm e s h 的方式，可获得划分规则的单元。利 用开关对称的特点，对空气桥式的开关采用1 4 轴对称仿真，对悬臂梁式采用】2 轴对称仿真，也就是加载轴对称约束，对开关采取分析一半甚至四分之一的仿真， 这样可以大大减少软件需要处理的数据量。 3 , 42r fm e m s 开关谐振频率的仿真 由前面公式( 2 1 ) 知弹性系数k 对下拉电压有很大的影响 频率_ 厂如公式( 3 1 ) 表示： 户上2 n v 匹m 而开关的谐振 ( 3 1 ) 也就是说弹性系数k 与谐振频率有关，谐振频率越大，则弹性系数越大。当 开关受静电驱使下拉时，下拉时间如式( 3 2 ) 表示1 3 副 t ：3 6 7 当( 3 - 2 ) o 当撤去下拉电压时，开关则由于回复力而弹回，这个弹回的时间则是跟开关 本身的弹性系数有关，弹性系数越大则所需的回复时间越少。设计了几种不同长 度的桥式和悬臂梁结构，来比较谐振频率的高低。使用a n s y s 软件的模态分析 第三章r fm e m s 接触式开关的设计和仿真 求解各自的第一谐振频率。下图3 - 4 中绘出了谐振频率与可动膜长度的关系图。 由于悬臂粱式开关相当于桥式开关的一半，因此设计桥式的长度从4 5 0 3 0 0 u m ， 悬臂梁则从2 2 5 1 5 0 9 m 。 e 0 苜 王 诗即 罴 鞲 翔 、 厂二i 焉i l 一一旦辟孽昔i 一一 。 可动雎长腰l u r e ) 图3 4 不同类型开关的谐振频率与可动膜长度的关系对比图 由图3 - 4 中可以看出，同类型( 桥式或悬臂梁式) 开关，谐振频率随长度的 增加而降低，也就是弹性系数在降低；而对非同类型开关来说，也就是对比桥式 开关和悬臂梁开关，桥式的长度普遍要比悬臂梁的长一倍，但谐振频率却更高。 相对丽言桥式开关拥有的回复力更大，粘附的可能性也就更低，这个结论有待于 实验证明。 为了得到尽量小的下拉电压，对于桥式开关，设计了三种在靠近桥墩处不同 形状的桥，将不同的开关编号为a 1 、a 2 、a 3 如图3 5 所示。 a 1 a 2 第三章r fm e m s 接触式开关的设计和仿真 图3 5 桥式开关的三种不同支撑的桥墩形状 表3 - 1 是各开关的第一谐振频率。图3 - 6 是a 1 一阶模态的振动形式，两端 固定，中间往复振动，与开关工作时的状态一致。 表3 - 1各式开关的第一模态频率 i 开关编号 a 1a 2a 3 l 谐振频率( r d 4 z ) 5 0 75 8 44 5 5 图3 - 6a 1 一阶模态振动图 由于三种并联桥式开关的桥长与桥宽尺寸一致，只是在连接桥墩处形状设计 不同，因此