（电磁场与微波技术专业论文）毫米波mems开关和mems移相器的研究.pdf

硕士论文毫米波目 目5 开关和加 山5 移相器的研究 ab s t r a c t n o w 以 坛 y s，rf 州 e ms枉 沈 hno l o gy 悦 com es more and刃 n o 优 以 加 解 ti ve ln the couunumc ation爪ld.s 初tch isone ofthe lnost面po比 劝 t el e m e n tsinrf c ir c u l 仁 劝 记 殉9 on rf m e m s卿 tch 雨thl o win se tt i o n 一 1 0 5 5 ， 场 沙 i solat i o n ，l ow a c t u a t i o n v o lta g e h as 比叨比 岭h o tt 0 p i cs.b 助 ed on 州 e mss 侧招 氏 the 州 e msph哪 shi丘 e rh as n a n y 叫招 栩 叮 d ing per fo n 们 旧 叮 c e s ，s u c h asb ro adb and ， io wfo ss， 画巨曲示别 戒 1 呱 t h e r e fo r e ， 触 m e ms p 抽 阴 shift erh a s a briili ant 加rs ps 以 i v e inrf c ir c u i t ap p l l c at l 叭 es pec i ally in a n t c n n aa n 旧 y t 巨 s thes i s 加 火 邸m e ms， 浑 1叻 胡dm 卫 msp ha 朋 shift ero f “ b asic毛 戈 hno l o gy rese ar c h on珑lli m e t e r- w a v e a nt e n n a 八 刀 习 y 侧t h m e m sasa 榔已 廿 曲object. it s ets o ut 丘 。 mth e 朗权 . l engine e n n gapp l icat i o 氏加 仕 。 d ucing 明ddesi g n ln gt w ok 山 dsof五 4 e ms 5 俪tc b e s an d th r e e 侧 比 dso f m e ms p h 搜 犯5 苗 ft 曰 rs . t 七 e section ofme ms s 嫩忱 h in tr odu c esc a p 翻ti vem e ms s hi 坦 t 别 vi t c h and m e ta l 一 c o n 晓 t c aj 吐 il cverme ms 价 5 5 幼此， inc1 u d in g the b as i c th eo ri esand p ri n c 1 p l es ， t e c hdi q u e 脚del ine， p r o cessnows and 卿 e 司如 山 山ofm 已 赴 招tore a 远. s o r o e s c b e m e s 眼 p utfo rwaj 月 ， w hi chc an1 0 w e 了 面ven voltageofcap ac iti veme ms s h unt s 州tch and 眼 used fo r re fe r enc e ofth e desi gnofm e ta 1 一叨n 恤 c t c 即t l l e v e 了 州 田 ms s e r ie s 绷 tch. t h e ， c t i o n ofh 伍ms p ha 阴shift e r di s c u se s s 侧t c hed 一 line m e ms p b ase shin er ， d i strib u t e d m e m s p ha 阴shin erand re nec t 目m e m s p 肠e shin e r 初ththeir b as icth e 。 血s an d 匆 比 d s of丘 t o rsofdesi gn. d e si gnand s 如川 成 运 g l s c 肚 n edo ut涵e r 如pert 吨 th e ， 的 t c h m ode l . t h enac cordingtoth e p r oj e cttaxg e 丸 m et al 一 c o n 仁 t c an石 l e v e r m e ms se ri ess 幼tch 朋d r e 月 即 抚 d m e ms p b as e shin er眼 口 。 沈 ss ed. 丁 七 e m “ ” 峨 pe月 b m旧 口 c e iss i 而lar to the s 如u lat i onperfon 刀 目 n c e ， exc ept s o m e erto rsofa fe wmea s u 国 e d a ta . b utit can al re ady satis fythe d e m 即d ofthe e n g n e e n 月 9 即p lica t i o n. b e c ause o f re s 苗 比o nso f 在 姗 口 y co n d i t i ons， the re ， 当 ” h o f 面s p ro b l e mi s 抓1 1 s ta y ing ata m ore s hallow level ， sothe th es isp uts fo p 丹 山 月the d in 沈 t i o n todo m o 民re se arch and 血velo p ofthe p r o bl e m . its ets m attin g for the 加 时 h e r stud y and re ， 当 叮 c h of面s to pi c. k e y w o rds : rf 州 ems ， m i l l i m e t e r 一w a v e ，s w 讹hes ， phas e s hi n e rs 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果， 尽我所知， 在 本学位论文中， 除了加以标注和致谢的部分外， 不包含其他人己经发 表或公布过的研究成果， 也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。 与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名: 妒 夕 年 加/ 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档， 可以 借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容， 可以向 有关部门或机构送 交 并 授 权其 保存、 借阅 或 上网 公 布 本 学 位论 文 的 部 分 或全部内 容 。 衬 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名: 词年 湘阳 硕士论文毫米波日 日 巧开关和m 四5 移相器的研究 1绪论 随着社会的发展和科技的进步， 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小型化、 轻量化、多功能化、 低功耗化、 低成本化且能与信号处 理电路集成的平面结构的新型器件， 并希望能援盖包括微波、 毫米波和亚毫米波在内 的宽频频段。 而微机械加工技术的出 现， 使人们能够把微机械结构和微电子电路集成 在 一 起 构 成 单 片 集 成 系 统 ， 即 微电 子 机 械 系 统( m i c r o e l e c t r o m e c h ani c a l s y s t e m s ， 简称m ems)。 施m s 技术是通过微电子技术和精密机械加工技术相互融合而形成的微电 子与机械融为一体的系统. 从广义上讲， m e m s 是指集微型传感器、 微型执行器、 信号 处理器和控制电路、 接口电路、 通信系统以及电 源于一体的微机电系统. 他是在微电 子技术基础上发展起来的多学科交叉的前沿性研究领域， 是当前为世界瞩目 的重大科 技领域。 地m s 技术代表了微集成系统的最高水平， 它可以与微波与毫米波前端子系统 的其它平面部件集成在一 起， 还可以 通过单片微波集成电路( m ic ro贾 ave 枷nol i t h i c i n t e 盯a t e dc i r c u i t s ， 姗i c )技术构成三维多层电路( t h r e ed i !n e n s i o n a lmul t i 一 pla y e rcir c 由t)， 使得系统整机结构更加紧凑，因而被应用在各类体积、 重量、 功耗及可靠性严格受限的场合， 如通信、 雷达、制导、电子对抗、空间技术及测量等 系 统 中 川 . m e 初 5的发展开辟了一个全新的技术领域和产业.眨m s 技术及其产品的增长速度 非常迅猛。面对这一诱人的 技术与产业， i ntel、 ri、 a nal og d evi ce 等世界著名的 半导体厂商纷纷宣布，将投资 研究与开发mem s 技术和产业。可以毫不夸张地说， 世 界 将进入她m s 时代12， 。 甚至可以 预言， 拢m s 技术即 将引发r f/微波无线系统的 革命， 从元件、电路到系统都将发生重大变革。 射 频 微电 子 机 械 系 统( r a d i o f r e q u e n c ， m i c r o e l e c t ro施c 随 n i c a 1 s y s t e m ， 简 称r f班m s ) 是m e m s 技术的一个分支，也是二十世纪九十年代以来施略领域的研究 热点。 随着信息时代的到来， 数据的处理、 存储和传输技术的地位越来越重要， 高集 成密度的多功能、 小型化、 低成本的无线电终端将是通信技术的主要发展方向， 而目 前的通信系统中 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、 祸合器、 移相器、开关阵列等， 成为限制系统尺寸进一步缩小的瓶颈。rf施ms技术 的出现有望解决这个难题。 采用rfm e m s 工艺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度集成，消除由分立元件带来的寄生损耗， 真正做到系统的高内聚， 低祸合，能显著提高系统的性能. 毫米波波段是寻的雷达、 电子战及空间电 子技术等国防军事应用的主要频段， 而 微电 子机械系统是实 现毫米波波段新概念 现代微型 武器以 及航天系统微小化器件的 重要途径， 成为当前国防武器信息战的首选技术 . . 硕士论文毫米波m 口5 开关和协 州 5 移相器的研究 施m s 技术在微波方面的运用可以以 几种不同的 方式分类， 不同 类型的 m e 毗器件可 提供不同类型的功能， 所有的m e m s 器件除了传统的电子功能外， 在电路的物理结构方 面提供了一定量的机械灵活性。 班m s 分为有源和无源两类。 无源器件包括本体微机械 加工的传输线、 滤波器和祸合器。 有源m e 抽 5 器件包括开关、 移相器、 调谐器和可变电 容。 1 . irf 犯 1 5 开关研究概况 rf 眨m s 开关是无线通讯领域的 重要器件，也是毗昭 技术在射频领域应用最成 功的器件之一，现已成为mem s 研究的重点之一。rf m e m s开关的重要意义在于其能 够降低插入损耗，提高隔离度和改进线性性能等方面的巨大潜力。作为施m s的主要 器件之一， m e m s 开关在微波集成电路中有着广阔的应用前景，利用me脂开关可制作 移相器、开关式滤波器、开关阵列等，应用于雷达、卫星通信、无线通信等系统中。 例如，毫米波精确制导系统中，弹体共面天线阵列通过砚m s开关实现信号的通断和 转换。 此外在武装直升机毫米波相控阵雷达系统的t /r组件中， 就可以 利用m e m s 开 关实现电控的数字衰减器和数字移相器以及信号的通断和转换提高雷达性能. 1 . 1 . irp 施m s 开关的发展 rfm 即 5 开 关 研究最 早可以 追 溯 到 p et erso n ts 于 1 9 79 年 研制的 0 . 35四厚、 金 属 包 覆的静电悬臂梁式微机械开关。 此后，由于工艺的限制，没有再取得进展。直到90 年代， r f m 既5 开关才获得t巨 大发展。1 9 9 1 年l a r s o n ，制作t 旋转式开关.1 9 9 5 年， y aov1 采用表面微加工工艺制作了 悬臂梁开关。 1 9 96年gol d s 耐t hla 研制出 低阐 值的膜 开关， 降低了 开关的驱动电压， 提高开关的 稳定性和能 量处理能力. 1 9 98年p ach ecol 设 计了 螺 旋型 悬臂式和大 激励板的 m e m s 开 关结 构。 2 o 00 年， d ooy oungh ahl0j 等人通过 使用扭矩弹性梁和杠杆作用， 采用推拉结构， 可动部分使用可以进行应力补偿的s i n x (2 00叻) 一蒸发的 t i / a u(20/ 50哑) 一电 镀 a 。 (l . 1 四) 的多层结构， 总厚度1 . 4 阿 ， 获 得静电驱动电压小于sv的射频开关，且隔离度得到很大的提高。 目 前 研究得最多的是电 容祸合并联式开关。如 g old s mith固 等制作的电 容式射频 开关， 开关由 3 0 0 fun厚的 ai薄膜悬梁构成， 极间距为2 卿4 卿 ， 开关驱动电 压为 l o v 一 5 0 v 、 插入损耗为0 . 1 3 d b 、 截jt状态隔离 度为1 1 d b 。 j a ey . p a r k ， ， 等人研制出以 srti伪，为介质材料的电容式开关，其最低驱动电压仅为sv，在i o g hz时插入损耗为 0 . 08db， 在sg hz时隔离度为 4 2 db. 朱 健圈 等人已 研制出 射频施” 5 开 关驱动电 压约为 2 0 v ， 在“ 开” 态下dc一2 叱h z 带宽的 插入损耗小于0 . 1 6 9 d b ;“ 关” 态下在1 4 一1 8 g h z 时隔离大于13db，在1820ghz 时隔离 大于1 6 db， 本器件为国内 首只研制成功的宽带 射频m e m s 开关。 r a yth e o n 实验室研制的并联开关代表当今最高水平， 典型性能为: 驱 硕士论文毫米波 m 四5 开关和现峪 移相器的研究 动电 压3 o v ， 开 关延 迟l o p s ， 在a o 洲 2 时， 插入 损 耗 小 于 0 . z d a ， 隔 离 度大 于 4 o d b ， 。 电容式射频施m s 开关结构相对较简单， 开关的通断是由关断与导通状态的电容比 c */c 叩 决 定 的 ， 比 值 越 大 ， 开 关 性 能 越 好 由 于 开 关 中 存 在 祸 合电 容 ， 所以 电 容 式 射频m ems 开关在低频下性能较差。 其次 还有金属 一 金属 接 触串 联 式开 关的 报 道， 如 丫 ao川 等采用2 柳 的 5 1 02 作为结 构 层、金薄膜为触点的悬臂式结构制作m 阴5 射频开关， 其最小驱动电压为2 8y、工作频 率范围为1 00mhz 一4ghz. 插入损耗为 0 . ll db、电隔离度大于s o db. 茅惠兵洲等人研制 出以金作共平面波导和触点，以p ecvd生长的氮化硅为悬臂梁，聚肤亚胺为牺牲层的 触 点 式 开 关， 其 执 行电 压为 z s v ， 开 关的 响 应 时 间 小 于 z m s 。 r o c k ，e l l s c i e n c e c e n t e r 实验室研制的串 联开关代表了当今最高水平: 驱动电 压3 0v， 开关延迟1 0 p s ， 在3 o g hz 时 插入 损 耗 0 . z d b ， 隔 离 度大 于 s o d b ， ， 。 金属一金属接触串联式射频肥溺开关是通过触点与下电极的接触与否来控制信 号的通断， 可靠性较高。 且用接触式射频她m s 开关可以容易地实现单刀双掷， 构成射 频中的移相器阵列或相控阵列。 国内 主要有南京电 子器件研究所12.幻 、 东南大学明、 华东师范大学叫、 上海交通 大学11.等正在对射频m e m s 开关的理论和制作工艺进行研究。 1 . 1 . zrf 班m s 开关与 传统开关比 较 衍ash提出了一种mesfet开关模型， 描述了 施s f et器件物理和r f 开关行为之间的 关系。 施sfet开关是三端器件， 其中栅极偏压控制着开关的状态。 固有的栅源和漏栅 电容以及器件寄生量限制了高频频段f et开关的性能。在典型的开关模式下，当负的 栅 源 偏 压 幅 度 大 于 加 断 电 压 气 ( 即 心 卜 阵 ) ， 沟 道 域 的 自 由 电 荷 载 流 子 完 全 被 耗 尽 ， fet 可以看作电阻器和电容器的串并联，产生高阻抗。当零偏置栅极电压加到栅极终 端时， 沟 道 区 域 是 打 开 的 ， 对于电 流小 于 饱 和 沟 道电 流锰， f et 可以 看作 一 个线 性电 阻 器， f et开关处于低的阻 抗状态l9.回 。 pin 二极管结构是两边分别重掺杂的 p+型和n+型半导体，中间夹一层电阻率很高 的 本 征半 导 体工 层。 p in 二 极管的 模型可以 从 一些文 献中 获得阁 . rf m e 溺开关是利用静电吸附力来控制悬梁或悬臂的上、下运动从而实现开、关 特性，从而消除了半导体中的pn结和rf器件中的金属一半导体结。它与传统的 fet 或 pi n 二 极管开 关相比， 优点 是圈: 1 、 消除了 由 欧 姆接触引 起的电阻 损 耗， 同 时 传输 rf 信号的高电导率金属结构使传输损耗减小;2 、消除了由半导体结所引起的1 一 v 非线 性，改善了rf器件的失真特性，提高电源控制能力;3 、由于rfm e m s 开关在静电下工 作，基本上没有静电流，其功率消耗近似于零。表1 . 1 . 1 对三种类型的开关作了直观 的比较。 j 硕士论文毫米波m 圈5 开关和班 】 5 移相嚣的 研究 1 . zr f孤 】 5 移相器研究概况 随着相控阵雷达、 微波通信、 卫星通信以 及微波测量技术等方面的发展， 微波移 相器的应用日 益广泛。 例如， 在相控阵雷达中， 相控阵天线有几千个单元， 每一个单 元都要有一 个移相器. 最简单的线性相控阵 列如图1 . 2 . 1 所示圆.阵列中每个单元都 有移相器， 相位可在(0 一2 们之间调整。 用电控方式调节移相器， 可改变天线孔径上 的相位分布，实现波束在空间扫描。 图1 . 2 . 1 相位扫描阵列 1 . 2 . irf 施m s 移相器的发展 移相器的发展始于上世纪的60年代， 主要是受开发多功能、 高性能相控阵雷达需 求的推动。 当时由于对人造卫星等各种飞行器进行监视、 跟踪、 编目的需要日 益增加， 并且在复杂环境中提取更多的信息， 这就要求雷达具有多功能、 多目 标、高精度、 扫 描速度快、 波束控制灵活、 抗干扰能力强等战略相控功能。 移相器在1 9 60年一1 9 90 年间取得了快速发展， 产生了以开关线型、 分布式、 3 db定向祸合器型为代表的一批 移相器，用于雷达和通信系统。目 前开发的多数m e m s 移相器是基于己有的设计类型， 将m e m s 开关取代传统的固态开关而成， 但其性能却得到了 较大的改善， 在任一频率下， 尤其是s ghz 12o ghz 时，rf m e m s 移相器的损耗都很小。例如3 位m e m s 移相器，在 10ghz 14ghz 时的平均插入损耗为一 0 . g db， 与利用f et开关的移相器相比降低了 3 db 4 d b o 最近几年， 美国国 防部报告提出t “ 先进雷达新概念( a d v anc e d r a d a r c o n c e p t ) ” 的思想。 该思想主要利用施m s 开关制作移相器构成相控阵天线， 实现电 控扫描， 设计 出 毫米波m e m s 雷达寻的 器( t h em e m se l e c t r o n i c a 1 l ys t e e r a b l ea n t e n n as e e k e r ， m e 抽 s e s a s e e k e r)，从而克服了 传统导引头所采用的平面阵列天线。目 前美国国防部 于1 999 年开始进行的l cc即项目中，就是以 mem s esa seeker为重点攻克目 标，以m e ms 硕士论文毫米波m 四5 开关和姗 州 5 移相器的研究 开关制作移相器来实现波束可控技术。 据报道， 其导弹系统是将ka波段相控阵天线安 装在直径6 英寸的弹体上面， 采用了6 00多个m 既5 移相器， 雷达峰值功率为30瓦。 韩国 目 前所开展的此课题研究是由 浦项工业大学翩ic试验室与美国空军试验室联合开发 毫米波相控阵雷达系统中的毫米波(k a 波段) 收发模块， 其4 位rf眨m s 移相器的插入损 耗在3 拐hz时为2 . 2 5db ，回波损耗低于一 巧d 氏 国内在毫米波波段相控阵雷达的研究领域还处于起步阶段，尚无正式产品问世。 国外已经研究开发出基于m 阴5 毫米波相控阵雷达寻的器，特别是近几年在i e ee m t t 系列国际会议上面有多篇相关于毫米波m 阴5 移相器的研究论文发表。 1 . 2 . zrf mi 绷5 移相器与传统移相器比较 目 前传统的移相器主要基于铁氧体材料、 pin 二极管和场效应晶体管f et开关， 靠 改变传输线的电长度或切换不同的低通或高通滤波器来实现要求的相移。 他们都有各 自 的优缺点，其中铁氧体移相器， 具有体积小， 重量轻的优点， 但是也有着成本高， 复杂性和受频率限制等缺点， 因而阻碍了它在军事和卫星移动通信方面的使用。 半导 体移相器，通常可分为p in二极管和f et三极管两种。p in二极管移相器体积小、质量 轻，但是射频损耗较大;f et移相器实际上不消耗直流功率，但是前端插入损耗大， 随着应用频率向 毫米波高频段方向 发展， 功耗随之增加。 例如资料报道的四位移相器， 在1 2 1 8g h z 时损耗大约为4 6 db， 在3 5 g h z 时达到8 g d b 。各种传统移相器的工作 原理、优缺点及工作频段比较如表1 . 2 . 1 所示。 表 1 . 2 . 1 传统移相器的比较 名字工作原理优点缺点工作频段 铁氧体改变传播常数低插入损耗 高功率 成本高 复杂 k a 波段以 上 pin 二极管 汇 馨 ， 成本低 灵巧 高插入损耗 较低的额定功率 x 波段以下 尸 场效应晶体管由栅极偏置电 压开关控制 快速开关( ns) 较 低直流功耗 高插入损耗 较低的 额定功率 k 波段以下 移相器是馈电系统中一个关键微波元件。它可以 在高频实现也可以 在中频实现; 可以用连续式移相器，也可以用数字式移相器。 在5 、l 和p 相控阵中高频数字式移 相器大多由p in开关二极管实现， c 、 x 和ku波段多采用铁氧体器件来实现。 但是到 了毫米波段， 上述实现移相器的方式已经不再适用， 当频率升高到此波段后， 其天线 阵元的间距非常小， 布局不合理将影响到功率容量、 栅瓣增加等一系列问题，因此要 研发更高性能的移相器，就必须降低损耗，减小体积，拓宽频带等等. 应用m e m s 技 6 硕士论文毫米波日 四5 开关和犯 酬 5 移相器的研究 术，研究和开发基于m e m s 工艺的毫米波移相器可大大减小体积和重量，特别适合航 天武器使用。m e m s移相器以其隔离度好、插入损耗低、控制电路耗能低、工作频带 宽、 功率容量大、 加工成本低在许多电子系统得到了 越来越广泛的应用， 在雷达、 通 信、电子对抗及其航天航空电子系统上其作用更加突出。 1 . 2 . 3毫米波况m s 移相器研究的必要性 在现代战争中精确制导武器发挥的作用越来越大， 制导系统正向着高精度， 高速 度， 抗干扰， 特别是小型化的方向发展. 从机械式的扫描雷达已逐步发展到了 相控阵 雷达， 尤其是对毫米波段的相控阵天线的小型化的研究对各国的科研人员来说都是一 个崭新的课题， 它包含了 一些关键的技术难题， 这项技术的成熟将对国防工业的发展 起到巨大的推动作用. 移相器是相控阵系统中最重要的部分， 一般情况下要占据整个系统一半左右的成 本. 而传统微波移相器在广泛应用的同时， 也暴露了其自 身的缺点， 微波技术的许多 领域正迫切需要性能更佳的新型移相器.随着微机械元件的研究的深入， m e ms技术 广泛应用于微波领域， 可使微波器件和电路的结构和性能发生根本性改变。 本文在研 究m e m s 开关的基础上研究m e ms移相器，该器件具有频带宽、 损耗小、 成本低、 超小型 化、 易于与ic、 姗ic电路集成等特点， 其研制对现代雷达和通信系统的发展具有重要 的意义。 1 . 3 本文主要工作 本论文主要由两大部分组成， 一是毫米波段晚m s 开关的 研究， 二是基于m e 材 5 开关 的毫米波段m ems 移相器的研究。 对于毫米波段m e ms开关部分，主要包括理论研究、数值模拟和实验测试三部分。 理论研究部分从闽值电压着手， 并结合了前人在实验中总结的m 阴5 开关制作工艺和失 效分析。 数值模拟部分采用hfss软件对m 阴5 开关进行数值计算和模拟， 设计了毫米波 段电容藕合型和金属接触型眨粥开关。实验测试部分通过对制作的金属接触式m e m s 开关进行相关的一些测试， 并与仿真结果相比较， 在开关时间、 插入损耗、 隔离度和 电压驻波比方面都取得了令人满意的结果。 对于毫米波段m e ms移相器部分， 在介绍m e m s 开关的基础上， 讨论三种类型的 m e m s 移相器原理， 并考虑设计的要点和难点， 借助软件设计了开关线型和反射型m e ms移相 器， 然后比 较他们的优缺点， 选择更适合于天线阵列的反射型m e m s 移相器进行工艺流 片。 本论文共分为四章，内容安排如下: 第一章 作为论文的绪论部分， 对m e 略、 施m s 开关、 m e m s 移相器做了简要的介绍， 硕士论文毫米波翻 四5 开关和姗 5 移相器的研究 概述了它们的发展情况、与传统器件相比的优缺点以 及本论文研究的必要性和重要 性。 第二章 讨论了流路开关的原理，进而对于制备过程进行了论述，并且对一些失 效现象做了归纳。 对于m e m s 开关的设计， 综合考虑多种影响因素， 最后用h f ss软件对 开关进行仿真和优化， 并通过工艺流片、 测试， 把仿真结果和实测结果进行比较验证 和讨论。 第三章 分别介绍了 三种m e m s 移相器的工作原理及其设计过程中要考虑的各种因 素，并进行了研究和设计，尤其制备了更适合于天线阵列的反射型幼 阳5 移相器。 第四章 对全文的工作进行总结，并对下一步的工作提出几点建议。 本论文的工作具体为: 1 、高隔离度，低插入损耗电容祸合型m e m s 开关的设计; 2 、高隔离度，低插入损耗金属接触型m e m s 开关的设计和制备; 3 、低插入损耗开关线型0 一: m e m s 移相器的设计; 4 、一位分布式m 即5 移相器的设计; 5 、低插入损耗反射型0 一: m e m s 移相器的设计和制备。 1 . 4 本章小结 本章对微机械系统的基本概念、 特征做了简要介绍， 并对其在射频通信领域的应 用前景做了概述。在此基础上，重点论述了rf 挑m s 开关和视m s 移相器的发展和研 究现状， 并与传统开关和移相器进行了原理、 优缺点、 工作频段等方面的比较，从而 得出研究m e m s 开关和m e ms移相器的必要性。 以此为背景， 本章总结了本论文主要研 究内容。 硕士论文毫米波翻 口5 开关和业日 5 移相器的 研究 2毫米波m e m s 开关 本章将分类讨论常用的两种 幼 e m s开关:金属接触型和电容祸合型，着重从设计 角度详细介绍m e m s 开关的工作原理和制作工艺， 并进行相关的失效分析和设计考虑。 尤其对于金属接触型池ms 开关，结合软件进行设计仿真，并给出样品测试结果。 微波开关的主要指标有以下几个方面: 1 、工作频带 开关的工作频带是指开关的技术指标下降到允许边值时的频率范围. 本文的开关 都是工作在毫米波频段的。 2 、插入损耗与隔离度 开关在导通时衰减不为零， 称为正向插入损耗， 开关在断开时其衰减也非无穷大， 称为隔离度， 二者是衡量开关优劣的主要指标， 一般希望开关的插入损耗小， 且隔离 度大。 3 、开关时间 开关从截止转变为导通状态， 以及从导通转变为截止状态都需要一个过程而非瞬 间能够完成的，在导通时信号输出从 1 既增加到9 叽，或者在截止时信号输出从9 既 减少到1 既所需要的时间称为开关时间。 4 、承受功率 ( 功率容量) 在给定的工作条件下， 微波开关能够承受的最大输入功率。 他与电路类型( 串联 或并联)、 工作状态 ( 连续波或脉冲) 及散热条件等有关。一般来说， 开关的功率损 坏机理有两种， 一种是电压击穿 ( 常见于脉冲功率)， 另一种是热烧毁 ( 常见于连续 波)。 5 、电压驻波系数 电压驻波系数仅仅反映端口 输入、 输出匹配情况。 端口电压驻波系数最小， 开关 的插入损耗不一定最小; 但是插入损耗最小的开关其驻波系数肯定最小。 2 . irp 班 绷 5 开关的工作原理 一般而言， rfm e ms开关可以 按照接触方式和机械结构的 类型来进行分类。从接 触方式考虑， rf m e m s 开 关 包括两 种 类型: 金属 接 触型川 和电 容祸合型幼 。 按照 机 械 结构类型划分，rfm e 粥开关主要可以 分为微悬臂梁开关、薄膜开关、旋转开关。其 在广泛的研究中有着不同的实际表现形式。 下面按接触方式不同来介绍两种类型的 开 关。 金属接触型开关和电容祸合型开关分别对应于连接式( series) 和分流式( shuno， 如图2 . 1 . 1 所示。 硕士论文毫米波鱿 四5 开关和地璐移相器的 研究 裂行为;不管对于宏观还是微观，它总是可靠性研究中需要考虑的一个重要方面. 一般而言， 断裂现象多发生在端部附近， 这说明微结构在加载情况下最大应力出 现在端部附近， 这在软件仿真中很明显的可以看出. 但要对此类失效进行针对性的改 进设计时， 工艺流程后微结构中固有的残余应力， 将加剧材料中的应力积聚， 影响材 料的断裂失效行为。 另一 方面通常所知的材料性质在微观级别上常常不再能完全适用划 ， 而且制备过 程中产生局部缺陷、 内在的残余应力以及由于反复操作所引起的疲劳效应， 所以断裂 行为的预测将不能如预期那般可以由宏观理论简单的加以预测进而加以预防控制， 还 需要对于施ms中所采用的材料性能的 进一步了 解和加工工艺的不断成熟冈。 2 . 3 . 2粘着失效 微电 子 机械系统中 存在着一 种 特有的 现 象，即 粘 着问 题， 也叫作粘附问 题， 。 rf m e ms 通常采用的表面硅加工方法， 先在牺牲层上形成微结构， 然后腐蚀牺牲层 释放结构. 由 这种工艺加工得到的 微结构侧向 尺寸为1 冬5 00四 ， 厚度为0 . 1 至几个微 米， 上层结构与衬底间的间隙为 0 . 1 2阿 。 在这种类型的微构件中， 一方面长细比 使 得结构非常柔软， 另一方面微结构中很高的比表面积。 加之微构件间非常的接近， 这 样表面力作用非常重要，就为微构件中粘着的发生提供了条件。 粘着现象在由表面加工工艺制备的me ms 器件中非常显著， 即使在体硅工艺制备 的器件中，由于很高的比表面积， 表面效应的影响依然突出， 仍然有粘着发生的可能 性. 当界面间的吸引力大于微结构变形的恢复力时， 粘着行为发生。由于h 4 e ms 器件 尺寸的微小化， 重力和其它的体作用力的影响变得越来越无关紧要， 微结构中高的比 表面积使表面作用力变得非常重要，并且在粘着发生中起着主导性作用。rf m e m s 中强烈的表面作用力是因为存在于微结构尺寸上的界面间的作用力， 典型的主要包括 毛细力刘 、范德华力州 、静电 力，l 和化学作用力， 后者包括氢键键合作用。 毛细力在表面力中居于主导地位， 所以对于表面为亲水性材料的微结构在高的相 对湿度条件下时， 毛细力将是表面间吸引力的主要组成部分， 决定着微构件的粘着与 否。 另一方面当两个表面非常近时， 范德华力和静电力将变得很重要， 故一般在比较 粘着力和结构恢复力时， 这三种作用力都需要加以 考虑。 由 于表面间的典型距离到了 几十纳米的量级， 所以结构表面的粗糙情形对表面力的影响将十分显著， 需要加以考 虑“ 侧。 对于防止和降 低粘着的途径中 们 ， 采用恐水性的表面材料， 可以 避免表面 上水膜的形成进而消除毛细力. 在rf 州 e ms 开关的设计中就考虑了这一点。 降低静 电吸引力的措施是让两个表面导通，从而可以让表面上积累的电荷得到有效的释放. 间隙对范德华力的影响最为强烈，所以 有意 的增加结构接触表面的粗糙度，将能明 显的降低范德华力的强度，这里的rf州 e ms 开关的研究因为处于起始阶段， 所以许 l 8 硕士论文毫米波姗 】 5 开关和呱 】 5 移相器的研究 多有益的方案还有待于进一步的研究、运用。 2 . 3 . 3残余应力和应力 梯度引起的失效 通常认为薄膜内的残余应力包括热应力和内应力两种。 热应力是由于薄膜的和衬 底材料热膨胀系数的差异引起的， 所以也被称之为热失配应力。内应力也称为本征应 力，它的起因比较复杂，现在有一种观点认为它是由晶格失配引起的。 在开关结构经过高 温键合而后再恢复到常温时， 由 热应力所贡献的是压的 残余应 力。由 于rf m e m s 开关的工艺还不成熟， 对残余应力有贡献的其它因素在这里将会呈 现一种不稳定形式，有的地方大，有的地方小。 而由此压残余应力和应力梯度导致 的失效模式对于不同结构的rf m e 粥开关表现为不同的行为。 2 . 4毫米波沁 绷 5 开关的设计 施璐开关的设计希望有尽可能低的插入损耗， 尽可能高的隔离度， 以 及高的开关 速 度和尽 可能 低的 驱 动电 压钊 . 插入损耗主要 是由 mem s 开关的阻 抗失 配以 及梁 金属的 欧姆损耗和接触电阻损耗引起。 梁到衬底的距离决定了寄生电容的大小， 同时还将影 响隔离度。 为了减少寄生电容应该增大梁与衬底间距， 但这样可能超过梁能承受的最 大偏移 ( 因为最大偏移值和材料强度成反比关系) 。 降低寄生电容的要求与低的驱动 电压和高的开关速度是相抵触的。 所以， 眨略开关的设计应该是要综合考虑毫米波频 段的电性能、材料特性、机械结构、驱动电压和工艺等方面因素，使其达到最佳。 2 . 4 . 1 毫米波频段考虑 作为构成毫米波无源、 有源器件和单片集成电 路的基础， 传输线是实现m e ms毫米 波电路的基本单元。 对于毫米波单片集成电路来说， 传统微带平面传输线结构在毫米 波段将呈现出极大的衰减特性、 随着频率的增加， 损耗急剧增大， 导致微带传输线的 q 值大幅度下降. 目前常用的传输线有微带线和共面波导传输线(c pw) 。 c pw的信号线与地电极平面 位于同一平面上， 所以便于并联连接外接元件构成混合集成电路。 此外， 它还有一个 独特的性质， 即其特性阻抗与基片的厚度几乎无关。 因此， 可以利用低损耗高介电常 数的材料作基片来减小电路的纵向尺寸。这对于宽带微波集成电路来说是特别重要 的 。 共 平 面 波 导 采 用 高 介 电 常 数 凡 的 基 片 ， 以 保 证 波 导 内 的 波 长 人 小 于自 由 空 间 波 长， 从而使电 磁场集中在介质和空气的分界面附 近， 大部分的射频能量储存于介质中， 从而降低了传输线的损耗。与微带线相比，共面波导传输线有很多优点: 传输模式为 准t em模:高频传输特性可以 和微带线相比， 甚至有时能 超越后者7 ， ;导体电极和地 线电 极处于同 一平面， 安 装串 联或并 联形 式的 元 件都不需要 在基片上 钻孔 或开 槽网 . 正是由 于具有低损耗、 低色散、 宽频带的显著 特点， 共面波导在rfm e m s 系统， hm工 c 、 i 9 硕士论文毫米波m 叫5 开关和呱 组 5 移相器的 研究 姗ic 和毫米波电路中都得到广泛的应用。 2 . 4 . 2材料考虑 确定阐值电压、 谐振频率、 最大偏移距离的材料参数分别是弹性模量、 屈服强度 和介电常数。表2 . 4 . 1 列出了一些主要薄膜材料的特性叫。 表2 . 4 . 1 不同薄膜材料的特性 种类材料弹性模量( 即a)屈服程度( g p a )相对介电常数 陶瓷类 t s 召 0 与6 02 52 5 5 1 伍7 28 . 43 . 9 4 5 1 扎1 3 0l 47 a i 众5 3 01 5 . 41 0 金属类 a ll6 10 . 3 2 a l7 00 . 1 7 c r1 8 00 . 3 6 n i2 0 70 . 0 6 半导体 s i1 9 07 . 01 3 . 5 金刚石c 1 0 4 05 3 . 05 ， 7 注释:基于薄膜不同的生长/ 沉积/ 结构/ 退火类型，上面的值可能有所变化 由 式 (2 . 1 0) 和(2 . 1 8) 可 知 吃oc 在 ， 所 以 低 的 弹 性 模 量 对 应 着 相 对 低 的 闽 值 电 压， 而屈服强度对应着结构的最大应力允许范围. 低的弹性系数设计， 使开关的驱动 电 压降低， 但开关时间加长， 在开关释放时， 由于低的弹性恢复力， 使开关易受下电 极表面状态、 湿度和杂质影响;高的弹性系数设计， 使开关的驱动电压增加，开关时 间短， 弹性恢复力大， 共振频率高.比较表2 . 4 . 1 中列出的几种典型金属类薄膜材料 的力学特性， au不仅具有较低的弹性模量， 而且屈服强度也较高， 是梁和电极的适合 材料。 此外， 材料的疲劳可靠性使器件的使用寿命受到限 制。 作为长寿命设计， 微结构 应该在比屈服强度小的多的应力水平上操作。 疲劳寿命可以通过降低缺陷和减小结构 的应变幅度，降低缺陷主要是减少裂纹、晶界、 掺杂物和微孔的数量。 减小结构应变 幅度也即减小可动平板和基底间的初始间距. 既然晶界可以 产生诱发疲劳实效的应力 集中，所以 无定形微结构和多晶微结构相比将更适合于长寿命的疲劳循环操作。 2 . 4 . 3机械考虑 除了 材料上的考虑外， 器件的性能也依赖于开关尺寸的优化。 通过设计不同 几何 2 0 硕士论文毫米波m 四5 开关和班m s 移相器的研究 结构的开关，降低结构的 有效弹性常数，可以 得到较低的驱动电 压洞幻 。 m e m s 开关的设计关键在于梁的设计。 考虑到梁由多种材料构成， 当一层材料层淀 积在另一种不同材料上， 根据以下几个因素将显示出张应力或压应力: 结合机制， 衬 底温度， 热膨胀系数的差别， 和边界条件等. 随着连续淀积， 材料层的厚度和边界条 件的变化会引起应力的变化， 这会导致一个应力梯度。 通过一个横截面的平均应力被 消除了， 但应力梯度依然存在， 这个应力梯度会导致材料的卷曲。 在假设没有空气阻力和滞后影响时， 那么开关的最大速率在理论上等于偏转的谐 振频率， 开关速度与偏转的幅度相关联， 低的驱动电 压 ( 对应着低的偏转幅度) 也意 味着低的开关速度. 考虑到施加的电 压是足够大和迅速的， 那么空气的阻尼作用会变 得较明显。因此， 改变梁的几何形状， 可以 在降低应力和应力梯度的同时降低驱动电 压并提高开关的寿命。 比如在桥面开微孔， 可以 减小空气阻力和桥面质量及降低其弹 性达到降低驱动电压的目 的。 2 . 4 . 4驱动电压考虑 挽粥 开关的驱动电压是很重要的评价参数.从前面的原理分析可以知道，开关 的驱动电压与很多因素有关，这些因素包括: 上下电极之间的距离，上电极的厚度， 上电极的材料，上电极的应力状态和上电极的形状等。 为了获得低驱动电压的开关， 可以考虑减少上下电极之间的距离。由于静电力与 两电极之间的间距平方成反比， 因此该距离的减小对降低开启电压是很有效的。 但是 如果上下电极之间的距离过小， 即使开关未吸合也有相当部分信号祸合到地， 会导致 开关的 插入损耗明 显增加。 通常将开关的上下电 极之间的距离设计为2 4 四 . 如果开关采用更薄的上电极， 其等效弹性系数会明显下降， 这也可以获得更低的 驱动电压。但此方法也有局限性，因为过薄的上电极会增加导体的电阻( 尤其是当厚 度小于两倍趋肤深度时，这种影响更加明显) ，从而导致开关的隔离度下降;而且过 薄的上电极的机械强度和抗疲劳性能也会大大下降，对开关的使用寿命有不良 影响。 通常将开关的上电极厚度设计为3 6 卿 。 采用杨氏 模量较低、 电导率较高的金属材料作为上电极材料， 可以获得驱动电 压 较低、 隔离度较高的开关. 还可以 采用特殊的上电 极形状来获得较低的等效杨氏 模量. 2 . 4 ， 5电容祸合型视m s 开关的设计 首先利用软件a d s ( a d v a n c e d d