（微电子学与固体电子学专业论文）基于硅衬底的新型射频微机械开关.pdf

基于硅衬底的新型射频微机械开关 摘要 射频开关是射频通信网络中最基本的器件之一，本文提出了一种新型基于硅衬 底的新型射频微机械开关，介绍了射频微机械开关的设计原理和器件结构，提出了 器件的近似力学分析模型，分析和优化器件的插入损耗和驱动电压参数，介绍了器 件的制作工艺，最后给出器件的测试结果。具体内容包括： 介绍了各种射频微机械器件，特别是射频微机械开关。通过与其他传统射频开 关的比较，总结了射频微机械开关具有结构简单、插入损耗小、工艺容差大、有利 于降低成本和提高成品率等优势。基于此，我们在设计中采用了静电驱动式射频微 机械开关结构。 详细分析了插入损耗与器件结构的关系，在此基础上提出了新型的射频传输线 基于可动膜射频微机械开关的结构。通过大幅度的减小射频传输线的陈底厚度，可 以达到降低插入损耗的目的。为了实现射频传输线的薄衬底结构，根据共面波导的 设计思想，设计了腔体式共面波导型射频微机械开关。 给出了器件制作的完整的工艺流程，重点介绍了牺牲层的填充以及平整化等器 件制作的关键微机械表面加工工艺，并根据射频微机械开关的特殊要求确定了相应 的工艺参数，最后给出了器件的扫描电镜照片。 给出了相应的测试结果，并对测试结果进行了分析。在普通电阻率( 4 _ 8 q c r n ) 的硅片上，采用表面微机械加工技术制作出体积大小为：1 0 0 0 6 0 0 3 0 0 “m 3 的射频 开关，驱动电压为3 5 v 。在射频信号频率为5 0 m h z 到1 0 g h z 的范围内，该开关的 插入损耗低于2 d b ，隔离度高于4 0 d b 。 关键词：微电子机械系统；射频开关：共面波导 an o v e lr a d i of r e q u e n c y ( i 强) m e m ss w i t c h b a s e do ns i l i c o n h f e r a b s t r a c t ar fs w i t c hi soneo ft h eb a s i cd e v i c e si nt h ew h o l er fc o m m u n i c a t i o nn e t w o r ka n o v e lr fm e m ss w i t c h e sh a sb e e nc a r r i e do u tb a s e do ns i l i c o nw a f e r i nt h i st h e s i s ，t h e p r i n c i p l eo fd e s i g na n dt h es t r u c t u r eo fr fm e m ss w i t c h e sh a v ea l s ob e e ni n t r o d u c e d a tt h es a m et i m e t h ea p p r o x i m a t em e c h a n i c a lm o d e lo fd e v i c e sh a sb e e np u tf o r w a r d b a s e do nt h e s e b o t hp u l l i nv o l t a g ea n di n s e r t i o nl o s sh a v eb e e na n a l y z e da n do p t i m i z e d l a t e r , t h ef a b r i c a t i o nf l o wh a sb e e nd e c i d e d a n dl a s t l yt h et e s tr e s u l th a sb e e ng i v e no u t t h ed e t a i l sa r eg i v e na sf u l l o w s ： f i r s t l y , i nt h ef i r s tc h a p t e r , m a n yk i n d so fr fm e m sd e v i c e sh a v eb e e ni n t r o d u c e d e s p e c i a l l yr fm e m ss w i t c h e s c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lr fs w i t c h e s r fm e m s s w i t c h e sh a v es i m p l e rs t r u c t u r e 1 0 w e ri n s e r t i o n1 0 s sa n dh i g h e rf a b r i c a t i o nt o l e r a t i o n ， w h i c hw i l lb e n e f i tr e d u c i n gc o s tm a d i n c r e a s i n gp r o d u c t i v i t y a f t e ra n a l y s i s ，t h es t m c t n r e d r i v e nb ys t a t i ce l e c t r i c i t yh a sb e e na d o p t e d t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es t r u c t u r eo fd e v i c e sa n di n s e r t i o n1 0 s sh a sb e e n d e v e l o p e di nd e t a i l sa c c o r d i n gt ot h a t ah o v e lr fm e m ss t r u c t u r eh a sb e e nb r o u g h t o u t w h i c hi st h er ft r a n s m i s s i o nl i n eb u i l to nam o v a b l em e m b r a n e b yr e d u c i n gt h e t h i c k n e s so fd i e l e c t r i co ft h er ft r a n s m i s s i o nl i n el a r g e l y , j tw i l lb e n e f i tt oe a r nj o w i n s e r t i o n 】o s s i no r d e rt or e a l i z et h i nd i e l e c t r i cs t r u c t u r eo ft h et r a n s m i s s i o n1 i n ea n d c o m b i n e dt h ep r i n c i p l eo f t h ed e s i g no f c p w ac a v i t ys t r u c t u r eh a sa l s ob e e ns t u d i e d t h es i l i c o ns u r f a c em i c r o f a b r i c a t i o np r o c e s sw a sd e v e l o p e da n de m p h a t i c a l l y i n t r o d u c e ds e v e r a lk e ys u r f a c em i c o r f a b r i c a t i o nt e c h n o l o g i e ss u c ha sh o wt of i l li nt h e s a c r i f i c i a l1 a y e ra n dh o wt om a k ei ts m o o t h t h ep a r a m e t e r so ft h ef a b r i c a t i o np r o c e s s h a v eb e e nd e c i d e d t h es w i t c hh a sb e e nf a b r i c a t e ds u c c e s s f u l l ya n dt h er e s u l th a sb e e n s h o w na st h ep i c t u r et a k e nb ys e m t h er fp e r f o f i n a n c eo ft h es w i t c hh a sb e e nt e s t e db yt h em i c r o w a v en e t w o r ka n d a n a l y z e d b a s e do nt h en o n t l a ls i l i c o nw a f e rw i t ht h er e s i s t i v i t yo f4 8 f 2 c m t h es w i t c hi s f a b r i c a t e d b y s u r f a c e m i c r o m a c h i n i n gt e c l m o l o g y , w i t ht h ed i m e n s i o no f 1 0 0 0 x 6 0 0 x 3 0 0 b t m 3t h ep u l li nv o l t a g ei sa b o u t3 5 va n di nt h ef r e q u e n c yr a n g eo f 5 0 m h zt o1o g h z t h ei n s e r t i o n1 0 s si s1 0 w e rt h 柚2 d ba n dt h ei s o l a t i o ni sb e t t e rt h a n 4 0 d b k e yw o r d ：m i c r o e l e c t r o - m e c h a n i c a l s y s t e m ( m e m s ) ；r a d i of r e q u e n c y ( r f ) s w i t c h ；c o p l a n a r w a v e g u i d e ( c p w ) ； 基于硅科底的新型射凝微机械开关 1 1 微电子机械系统 第一章引言 微电子机械系统( 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 ) 又称微机械或微系统， 是指用微机械加工技术制作的包括微传感器、微执行器、微能源等微机械基本部分以 及高性能的电子集成线路组成的微机电器件与装置。简单讲，微电子机械系统是一种 集成了微电子电路和微机械驱动器的微小器件或装置，它可根据电路信息的指令，控 制驱动器实现机械操作；还可以利用传感器接收外部信息，将转换出来的信号经电路 处理放大，再由致动器变为机械操作，去执行命令。微电子机械系统是一种获取、处 理信息和执行机械操作的集成器件。 相对传统的机电系统而言，微电子机械系统的主要特点是： 器件微型化、集成化、尺寸达到微米量级； 功能多样化、智能化； 能耗低、灵敏度高、工作效率高； 典型的m e m s 系统与外界相互作用的示意图如图1 1 所示。 i 力卜斗 1 一 一 【。一 微执 广。 i 声 7传 一 信号处理 - i 竺r 感行 器 器 陌汁一1 r 医订一 与其他微系统的通讯 图1 1 典型的m e m s 系统与外部世界相互作用的示意图 m e m s 技术是在微电子技术的基础上发展起来的，微电子技术的诞生是以晶体管 的发明作为标志的。自1 9 4 7 年的s c h o c k l e y 、b a r d e e n 和b r a t t a i n 发明晶体管到现在， 微电子技术在一一系列的创新工作的推动下，一直按照墨尔定律的规则高速发展。集成 电路技术( i c ) 已经经历了小规模集成( s s i ) 、中规模集成( m s i ) 、大规模集成( l s i ) 、朝 大规模集成( v l s i ) 等阶段。 中国科学院上海微系统与信息技术研冤所硕士学位论文 第一章引言 当前，信息技术的发展方向是多媒体( 智能化) 、网络化和个体化( 移动式) 。而 且，计算机、通讯和消费电子正在溶为一体。人们要求电子信息系统获取、存储海量 信息，以极高的速度精确地、可靠地传输、处理这些信息，并及时地把有用信息显示 出来或加以利用。无论从微型化还是从性能价格比上发展看来，信息获取( 传感) 技 术和信息执行技术，即所谓的“外部设备”技术已经成为发展的瓶颈；它们与“主机” 的接口也成为阻碍处理速度的关键。m e m s 技术的目标是把信息获取、处理和执行 一体化地集成在一起，使之成为真正的系统。对于传统的“机械学”来说，m e m s 技术不仅打开了“微尺度”新领域的大门，也是真正实现机电一体化的开始。 自1 9 5 3 年发现半导体压阻效应以来，m e m s 技术的发展己有近4 0 年的历史，大 致可以分为三个阶段”j ： ( 1 ) 初级阶段： m e m s 起源于二十世纪五六十年代的硅半导体技术。1 9 5 3 年，c h 盯1 e ss s m i t h ( c a s ei n s t i t u t eo ft e c h n o l o g y ) 博士研究了半导体的压阻效应，并于次年发表了 p i e z o r e s i s i t i v ee f f e c ti ng e r m a n i u ma n ds i l i c o n 。以后，出现了利用硅平面工艺 技术制造的基于硅压阻效应的压力传感器，这是最早的m e m s 器件。 ( 2 ) 中级发展阶段： 基于七八十年代的硅微电子集成技术的m e m s 技术，逐渐形成了自己的工艺 技术体系。 二十世纪七八十年代，半导体技术朝着微电子集成发向迅猛发展。借助微电子 集成技术的发展，m e m s 技术也取得了很大的进步。各种传感技术有了很大 的发展，同时出现了集成传感器，这个被认为是真正的m e m s 器件。1 9 8 7 年， 美国加州伯克利分校( u c b e r k e l e y ) 年i 用微机械加工技术制作出了世界上第一 个微静电马达，马达转予的直径约为1 0 0 9 m 。这又是m e m s 发展的有一个里 程碑，引起了世界各国对微机械研究的关注。这段时间里还研制出了许多微机 械零件和器件。同时还发展了一些与硅平面技术不同的m e m s 三维微加工技 术，例如体硅腐蚀加工技术、牺牲层技术、高深宽比反应离子刻蚀( r i e ) 技术、 键合技术和l i g a 技术等，再结合相关的硅平面加工技术，就基本形成了一套 较为完备的m e m s 工艺技术体系。 ( 3 ) 高级发展时期： 到了9 0 年代，已经出现了由多个子系统复合组成的相当复杂的m e m s 器件， 微机械已经进入了系统集成的水平。例如智能传感器、微型扫描隧道显微镜 ( s t m ) 等微型仪器及微型姿态测控系统( m i m e ) 等。 虽然m e m s 技术取得了很大的进步，但m e m s 技术的发展面临许多问题。除了 少数的m e m s 产品进入商品化外，相当一部分的m e m s 研究依然停留在实验室阶段。 目前，m e m s 发展面临的困难主要表现在以下几个方面川： ( 1 ) m e m s 基础理论的研究： 虽然m e m s 器件比宏观器件小很多，但是并没有进入物理层面上的微观范畴 而是介于宏观和微观之间。 尺度效应是m e m s 中许多物理现象不同于宏观现象的个非常重要的原因， 中国科学院上海微系统与信息技术研究所硕士举住论文 基于硅衬底的瓤型射频微机械开关 其主要特征是【2 1 ： a ) 微构件材料的物理特性的变化； b ) 在传统理论中常常被忽略的表面力将起主导作用； c ) 某些微观尺度短程力所具有的长程作用效应以及其引起的表面效应将在微 构件尺度起重要作用； d ) 微摩擦与微润滑机制对微机械尺度的依赖性以及传热与燃烧对微机械尺度 的制约： e ) 随着尺寸的减小，表面积与体积之比相对增加，因而热传导、化学反应等 的速度加快。 目前在m e m s 理论基础研究方面已经取得了一些进展，但还不系统。除了微 摩擦学等分支外，大多是结合具体材料和器件的研制过程进行的。 ( 2 ) m e m s 中材料科学： 材料对m e m s 器件的结构和特性都有极大的影响，因此材料的研究对m e m s 来说是十分重要的。 目前，m e m s 材料科学研究的主要方向是： a ) 研究与认识已有材料在新形态下的性质，例如研究材料的微观特性； b ) 开发与研制新材料。 新材料的出现往往会导致新器件的产生，或大大提高和改善原器件的性能， 因此新材料研究永远是具有生命力的。 ( 3 ) m e m s 中设计技术： 和成熟的i cc a d 相比，m e m s 的设计是非常复杂的，这主要是由于： a ) m e m s 涉及多种学科，因此要求具备的知识基础很宽； b ) m e m s 所涉及的领域，还有许多规律与现象还不能被人们了解和认识， 即基础理论不充分； c ) 微机械种类很多，即使在同一神类中，其结构、功能也是于差万别， 因此很难用统一的模式来规范其设计。 m e m s 设计技术的现状是： a ) 没有一种成熟的设计技术； b ) 设计仿真工具不完善； c ) 主要借助于经验进行设计； 1 2 微9 r i m 技术 典型的m e m s 制造技术包括硅基体微机械制造技术( b u l km i c r o m a c h i n i n g ) 、硅基 表面微机械制造技术( s u r f a c em i c r o m a c h i n i n g ) 和成型技术( m o l d i n g ) 。 1 2 1 体硅微机械加工技术( b u l km i c r o m a c h i n i n g ) 体硅微机械加工是选择去掉硅衬底，对体硅进行三维加工，形成微机械元件的一 种工艺( 图1 2 ) 。该技术是采用化学腐蚀的方法来对硅片进行微机械9 h i 。常用的有 各向同性和各向异性两种。硅片的晶向对腐蚀有决定性的作用。不同的腐蚀液也对不 同的晶向的硅片有不同的腐蚀速率。在硅的特定表面，化学腐蚀要快数十倍或上百倍。 各向同性腐蚀液主要有e d p 、k o h 和t m a h 。从加工深度来讲，适合于数百微米以 内的腐蚀加工。 中国科学院上海微东统与信息技术研究所硕士学拉论文 第一章引言 图1 _ 2 通过湿法腐蚀进行加工得到的各种三维结构l 3 体硅微机械加工是较为直接的工艺，它的特点是不需要精密的加工设备，其不足 是加工用的腐蚀剂与集成电路或集成电路加工设备不兼容；尽管有这些不足，体硅微 机械加工技术目前还是最广泛采用的微机械加工技术。 1 。2 2 表面硅微机械加工技术( s u r f a c em i c r o m a c h i n i n g ) 表面硅微机械m i 技术是另一种十分重要的微机械加工技术，其过程是在硅片上 淀积一层牺牲层材料，然后再淀积一层结构材料，腐蚀掉牺牲层后，结构材料即悬空， 这样可形成各种微机械结构。 图1 。3 典型的硅表面加t 步骤口 中国科学院上海微系统与信息技术研究所硕士学位论文 基于硅村底的新型射频微机械开关 表面微机械技术可以分为干法腐蚀牺牲层和湿法腐蚀牺牲层两种。采用干法腐蚀 方法的牺牲层材料有聚酰亚铵和光刻胶，结构材料主要是金属。采用干法腐蚀对硅片 上的其他器件影响较小，但横向腐蚀尺寸有限，比较难做大尺寸的微机械结构。采用 湿法腐蚀的材料有多晶硅、硅、p s g 、a 1 和c r 等，结构材料有多晶硅等。湿法腐蚀 对牺牲层有很高的选择性，横向腐蚀的尺寸基本没有限制，可在很大的范围内获得不 同尺寸的微机械结构，但是腐蚀牺牲层时如何保护其他器件不被腐蚀是个大问题。 表面硅微机械加工使得微机械器件完全制作在晶片的表面而不必穿透晶片表面。 它的重要优点是与常规集成电路加工的兼容性，所加工的器件是利用标准集成电路薄 膜淀积和图形成形技术来制作的。表面微机械表面微机械与c m o s 工艺有更好的兼容 性，其主要优点是能制作集成m e m s ，即实现在同一基体上制作微结构和微电子电路， 称为c m o s - - m e m s 。这样能减小尺寸、电子噪声( e l e c t r o n i cn o i s e ) 和系统能量需 求，同时简化后续封装( p a c k a g i n g ) 和装配( a s s e m b l y ) ”工艺。根据m e m s 部分和 c m o s 部分加工的顺序，可分为p r e c m o s ，i n t e r m e d i a t e c m o s 和p o s t c m o s ”。另一 个优点是器件可以做得很小，比体硅微机械加工的器件要小很多，且不影响器件特性。 表面硅微机械加工的缺点是这种技术本身属于二维平面工艺，限制了设计的灵活性。 1 2 3 成型技术( m o l d i n g ) 成型技术中最重要的一种是l i g a 技术。l i g a 是德文( l i t h o g r a p h i e g a l v a n o f o r m u n g a b f o r m u n g ) 的缩写，意思是光刻、电铸、注塑。它是由德国k a r l s r u h e 原子能研究所于1 9 8 2 年开发成功的。l i g a 技术是应用x 射线进行曝光并辅以电铸成 型的一种崭新的微机械加工方法。基本步骤如图卜4 所示。 图1 4l i g a 加工技术的主要步骤9 其特点是可以加工出深宽比较大的微结构，并且使用的材料非常广泛。但是由于 需要专用的同步辐射光源，加工成本昂贵，与微电子工艺兼容性差，所以其应用受到 了很大的限伟9 。 中国科学院上海微系统与信息技术研究所硕士学位论文 第一章引言 1 2 4m e m s 封装技术( m e m sp a c k a g i n g ) 集成电路的封装技术目前已经十分成熟，相应的设备也很完善。m e m s 的封装却大 大滞后于器件的研究。两者的封装有相同之处，也有很大的不同。i c 封装的主要目 的是确保电子器件的机械强度、气密性及芯片和管脚之间可靠的电连接；而m e m s 器 件由于含有各种微机械结构，并需要与除电信号之外的物理量作用，所以m e m s 的封 装问题较为复杂，需要根据不同器件的特点和要求来解决，应在器件设计的时候就给 予充分的考虑，尚无标准化的封装方法。现在，这一个问题开始得到人们的重视。已 有多种封装形式出现，其中引人注目的是可以大大降低封装成本的芯片级( s o c ) 或硅 片级封装的研究。 1 3 射频微机械系统与射频微机械开关 射频微机械系统( r fm e m s ) 是目前m e m s 器件研究的一个热点，并将对射 频微波技术产生重大的影响。一方面，从制作技术上说，可集成化( o n 。c h i p i n t e g r a t i o n ) 是r fm e m s 技术发展的最初动力：另一方面，随着信息社会的进步， 现代和将来的射频微波系统，对小型化、多功能化、低功耗和低成本化方面的要求 不断的提高。而r fm e m s 器件的高度集成化、微型化和智能化，能成倍地提高射 频微波器件和系统的功能密度、信息密度和互连密度，并大幅度的降低了器件和系 统的功耗，恰好满足现代射频微波系统的要求。这构成了r fm e m s 技术发展的根 本动力。 在r fm e m s 中，r fm e m s 开关处在十分基础的地位，它是最早应用的射频 m e m s 器件。作为微波信号变换的关键器件一微波开关，m e m s 开关以其固有的低功 耗、低插入损耗等特性，在射频微波领域表现出巨大的应用前景。 1 3 1 与传统射频开关技术的比较 p i n 二极管、g a a sm e s f e t s 、肖特基二极管、机电阵列开关等都广泛的被用作 射频开关的组件。m e m s 开关和这些半导体开关像比较而言，由于在结构上消除了 金属。半导体和p n 结，具有如下优点： ( 1 ) 消除了欧姆接触中的接触电阻和扩散电阻，极大的减小了器件的电阻损 耗； ( 2 ) 高电导率的金属结构有助于低损耗的传输微波信号； ( 3 ) 具有较高的开关电容比，在通常的结构尺寸下，m e m s 开关的开关电容 比约为2 0 1 0 0 ； ( 4 ) 静电驱动的r fm e m s 开关具有极低的直流功耗，典型的瞬态功耗为1 0 n j ； ( 5 ) 几乎能在任何衬底上制作； 然而，m e m s 开关还存在一些缺点。这些缺点的在一定程度上限制了m e m s 开 关的应用范围，主要表现在以下几点： ( i ) 相对较慢的开关速度 中国科学院上海微系统与信息技术研克所硕士学4 - 5 _ 论l 基卡硅衬底的新型射频微机械开关 大多数m e m s 开关的开关时间大约为2 - 4 0 “s ，约为半导体开关的1 0 0 0 倍； ( 2 ) 较低的功率处理能力。 大多数的m e m s 开关传输的信号功率被限制在2 0 5 0 m w 之间。 ( 3 ) 较高的驱动电压； 为了可靠的传输信号，静电驱动m e m s 开关的驱动电压通常在2 0 8 0 v 之间。 ( 4 ) 较低的可靠性； 接近实用化的m e m s 开关的寿命是1 一l o o 亿次循环。这和许多系统要求的 2 0 0 2 0 0 0 亿次开关循环还存在较大的差距。 ( 5 ) 封装问题； m e m s 开关要求封装在惰性气体中，且周围气氛的湿度耍极低。这将导致较 高的封装成本，且封装技术本身会影响m e m s 开关的可靠性。 1 3 2 悬臂梁型微机械开关 1 9 7 9 年，p e t e r s o n 报道了第个悬臂梁式的微机械射频开关1 4 。采用体微机械加 工工艺制作这种器件的流程图如图1 7 所示。 选择( 1 0 0 ) 晶向的硅片作为衬低材料。在带有掩埋p + 层和较轻掺杂外延层的硅 片上生长热s i 0 2 层，它的厚度将决定悬臂梁和p + 层之间的距离。接着在s i 0 2 层上淀 积c f f a u 导电层，作为开关的上电极。淀积两层光刻胶并形成图形，形成不同高度的 牺牲层，这将决定上下电极之间的高度差。然后溅射c r a u 层，作为电镀a u 的种子层。 使用光刻胶作为部分电镀的掩膜，电镀a u 。去除电镀掩膜用的光刻胶后，用腐蚀液 去除c r a u 种子层。最后去除牺牲层，释放结构，形成活动的悬臂梁。 p e t e r s o n 设计的微机械射频开关的结构尺寸为：s i 0 2 层厚度是0 3 5 i a m ，c r a u 层 的厚度是4 0 n m ，外延硅的厚度是5 7 “m ，悬臂梁的长度为7 5 p m 。测试结果为：开关 速度为4 0 l s ，闽值电压约为6 0 v ，开关的接触电阻约为5 q 。 匠墅五玉习臣= 圈匿星要圈 二 硅p + 掩埋层 牺牲层光刻胶 c d a u 层 s i 0 2 层 幽】5 采用体微机械加_ r t 艺制作静电悬臂梁开关的简要流程图 中国科学院上海微系统与信息技术研究所硕士学住论文 第一章引言 随着微加工技术的进步，越来越多的设计者利用表面微加工工艺制作了低阂值的 悬臂梁开关。j a s o n y a oe ta l 【5 峙艮道了一种悬臂梁式金一金接触式的微机械射频开关， 如图1 6 所示。 图1 6 悬臂粱式射频开关的草图6 1 图1 7 悬臂梁式的射频开关的插入损耗和隔离度6 1 上图所示的射频开关需要的驱动电压为2 8 v ，开关速度为3 0 郴。由s 5 0 2 制成的 悬臂梁经过了应力测试，在6 5 x 1 0 1 0 次开关循环之后，没有观测到材料疲劳的现象。 最大的电流承载能力微2 0 0 m a 。开关的直流电阻约为0 2 2 q 。图1 7 中显示了在 1 0 0 m h z 到4 g h z 的范围内，开关的插入损耗和隔离度大小。 另外h y m a ne ta 1 报道了一种基于g a a s 衬底的悬臂梁式的射频开关( 图1 。8 ) 。他 对开关的模型进行了有限元分析。开关速度约为5 0 9 s ，驱动电压为2 5 v ，空气中的 共振频率为5 0 k h z 。从直流到4 0 g h z 的频段范围内，隔离度优于2 7 r i b ，插入损耗为 0 2 d b 。没有信号通过的时候，器件至少可以1 0 9 次工作循环。有信号通过时，器件 可以有1 0 6 次工作循环。有1 0 m a 的直流电流流过接触点。 图1 8 基于g a a s 衬底的悬臂梁式射频开关7 1 c h a n ge ta l i s 的文章中描述了种基于g a a s 衬底的双压电晶片悬臂粱式的射频 开关( 图1 9 ) 。它是通过电容耦合达到丌关断开的目的。在1 0 g h z 的条件下，插入 损耗 射频微机械开关的工艺设计、制作及测试 在微机械开关结构设计的基础上，本文对r fm e m s 开关进行了版图的设计和 工艺设计。通过了多次的流片实验，不仅制作出了优良的微机械开关，而且还验 证了工艺设计的正确性和合理性。为研究表面微机械加工工艺提供了有益的制作 经验。利用惠普网络矢量分析仪测试平台，初步测试了微机械开关的高频特性。 根据m e m s 开关的直流设计、微波设计和工艺流程设计，研制出了硅衬底上的m e m s 开关。s 参数表明，驱动电压为3 5 v ，在射频信号频率为5 0 m h z 到i o g h z 的范围内， 该开关的插入损耗低于2 d b ，隔离度高于一4 0 d b 。 参考文献 1 李志坚，周润德，u l s i 器件电路与系统北京：科学出版社，2 0 0 0 5 3 6 5 5 8 2 张威，张大成，王阳元，m e m s 概况及发展趋势，微纳电子技术，2 0 0 2 ( 1 ) ：2 2 2 7 3 。s e r g e jf a t i k o wa n du r i c hr e m b o l d ，m i c r o s y s t e r nt e c h n o l o g ya n dm j c 2 o r o b o t i e s ， s p r i n g e r v e r l a gb e r l i nh e i d e l b e r g ，l9 9 7 4 k e p e t e r s o n ，”m i c r o m e c h a n i c a lm e m b r a n es w i t c h e so ns i l i c o n ”，i b mj o u r n a lo f r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t ，v 0 1 2 3 ，n o 4 ，j u l y1 9 7 9 ，p p3 7 6 3 8 5 5 j jy a oa n dm fc h a n g “as u r f a c em i c r o m a c h i n e dm i n i a t u r es w i t c hf o r t e l e c o m m u n i c a t i o na p p l i c a t i o nw i t hs i n g l ef r e q u e n c yf r o md cu pt o4g h z ” p r o c e e d i n g s o fi n t e r n a t i o n a ls o l i d s t a t es e n s o r sa n da c t u a t o r s c o n f e r e n c e ( t r a n s d u c e r l 9 5 ) ，s t o c k h o l m ，s w e d e n ，2 5 2 9j u n e1 9 9 5 ，p p7 4 3 7 4 6 6 b ed u e w e g jm w i s o n ，d a w i n i c ka n dp d f r a n z o n 仇 e m s b a s e dc a p a c k o ra r r a y s f o rp r o g r a m m a b l ei 1 1 t e l c o n n e c ta n dr fa p p l i c a t i o n s ”p r o c e e d i n g s2 0 t ha n n i v e r s a r y c o n f e r e l l c eo na d v a n c e dr e s e a r c hi nv l s i ，a t l a n t a ，g a ，u s a ，2 1 2 4m a r c hl9 9 9 ，p p 中固科学院上海微系统与信息技术研究所硕士学位论文 基于硅衬底的新型射频微机械开关 3 6 9 一7 7 7 d h y r n a n ，j l a m ，b w a r r l e k e ，as c h r n i t z ，t y h s u ，j b r o w n ，j s c h a f f n e r , a ，w a l s t o n ，r y l 0 0 ，m m e h r e g a n ya n dj l e e ”s u r f a c em i c r o m a c h i n e dr fm e m ss w i t c h e so ng a a s s u b s t r a t e s ”，i m j r fa n dm i c r o w a v ec a e 1 9 9 9 ，p p3 4 8 3 6 1 8 c c h a n ga n dp c h a n g ”i n n v a t i v em i c r o m a c h i n e dm i c r o w a v es w i t c hw i t hv e r yl o w i n s e r t i o nl o s s ”p r o c e e d i n g so ft h e1 0 t hi n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo ns o l i d s t a t e s e n s o r sa n da c t u a t o r s ( t r a n s d u c e r 9 9 ) ，s e n d a i ，j a p a n ，p pl8 3 0 3 3 9 p m z a v r a c k y , s m a j u m d e ra n dn e m c g r u e r , ”m i c r o m e c h a n i c a ls w i t c h e sf a b r i c a t e d u s i n gn i c k e ls u r f a c em i c r o m a c h i n g ”j m e m s m a r c h19 9 7 1o i s c h i e i e ，b h i l l e r i c h ，f k o z l o w s k ia n dce v e r s ，”m i c r o m a c h i c a l r e l a y w i t h e l e c t r o s t a t i ca c t u a t i o n ”，p r o c e e d i n g so fi n t e r n a t i o n a ls o l i d s t a t es e n s o r sa n d a c t u a t o r sc o n f e r e n c e ( t r a n s d u c e r 9 7 ) ，c h i c a g o ，j i ，u s a ，1 6 1 9j u n e1 9 9 7 ，v 0 1 2 ，p p 1 1 6 5 - 8 1 1 ，m 一a g r e t t i l a t p t h i e b a u d n f d e r o o i j a n dc l i n d e l ”e l e c t r o s t a t i c p o l y s i l i c o n m i c r o r e l a y si n t e g r a t e dw i t hm o s f e t s p r o c e e d i n g so f19 9 4i e e ew o r k s h o po n 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 s ，o i s o ，j a p a n ，2 5 2 8j a n19 9 4 ，p p9 7 12 j d r a k e ，h ，j e m l a n ，b l u t z e a n d m s t u b e r , ”a n e 1 e c 扛o s t a t i c a l l y a c t u a t e d m i c r o r e l a y ”d i g e s to ft e c h n i c a lp a p e r so ft h e 8 t hi n t e m a t i o n a lc o n f e r e n c eo n s o l i d 、s t a t es e n s o r sa n da c t u a t o r s ( t r a n s d u c e r s 9 5 ) e u r o s e n s o ri x ，s t o c k h o l m ，s w e d e n ， j u n e1 9 9 5 p p3 2 9 一b 1 0 13 s r o ya n dm m c h r e g a n n ”d e s i g n f a b r i c a t i o na n dc h a r a c t e r z a t i o no ne l e c t r o s t a t i c m i c r o r e l a y s ”p r o c e e d i n g so ft h ec o n f e r e n c eo nm i c r o m a c h i n e dd e v i c e sa n d c o m p o n e n t s ，s p s y m p o s i u mo nm i c m m a c h i n i n ga n dm i c r o f a b r i c a t i o n ，a u s t i n ， t x ，u s a ，1 9 9 5 ，p p 6 4 1 4 s r o y a n d m m c h r e g a n y , ”m i c r o f a b r i c a t e dr e l a y su s i n g n i c k e ls u r f a c e m i c r o m a c h i n g ”，p r o c e e d i n g s o ft h e s y m p o s i u m o nm i c r o s t r u c t u r e sa n d m i c r o f a b r i c a t e ds y s t e m s ，18 8 t hm e e t i n go ft h ee l e c t r o c h e m i c a ls o c i e t y ，c h i c a g o ， i i u s a1 9 9 5 ，p p 2 1 4 1 5 s r o ya n dm m c h r e g a n y , ”f a b r i c a t i o no f e l e c t r o s t a t i cn i c k e lm i c r o r e l a y su s i n gn i c k e l s u r f a c e m i c r o m a c h i n i n g ”p r o c e e d i n g so ft h e 19 9 5i e e em e m sw o r k s h o p a m s t e r d a m ，t h en e t h e r l a n d s ，19 9 5 ，p p3 5 3 16 k g o l d m a na n dm m e h r e g a n y , ”an o v e lm i c r o m e c h a n i c a lt e m p e r a t u r em e m o r y s e n s o r ”d i g e s to ft b c l m i c a lp a p e r so ft h e8 t h n t e m a t i o n a lc o n f e r e n c eo ns o l i d s t a t e s e n s o r sa n da c t u a t o r s ( t r a n s d u c e r 9 5 ) 一e u r o s e n s o r si x ，s t o c k h o l m ，s w e d e nj u n e19 9 5 ， v 0 1 2 p p1 3 2 一1 3 5 17 。s m a j u m d e r , n e m c g n l e r , r m z a v r a c k y , ( 3 c a