（机械电子工程专业论文）低驱动电压并联电容式rf+mems开关设计与优化.pdf

摘要 摘要 m e m s 微波开关是利用m e m s 技术形成的新的射频电路元件，与传统的 半导体开关器件相比具有插入损耗低、隔离度大、线性度好等优点，研究m e m s 微波开关对雷达系统和通信设备中的射频( r f ) 结构具有重要现实意义。 本文着重研究应用于k u 波段和k 波段的并联电容式r fm e m s 开关，使 用a n s y s 和a n s o f ih h s 软件对开关进行仿真分析，优化开关结构。本文以保证 开关的射频性能为前提，以降低开关的驱动电压为目的，对开关结构进行优化 设计。 本文首先分析r fm e m s 开关的工作原理，总结开关设计的要点，在深入 研究共面波导( c p w ) 影响因素的基础上，进行共面波导设计，将特性阻抗匹配 到5 0 q 。本文建立了开关在静电力作用下的力学模型，分析两端固支梁的弹性 系数，分析了四种传统的开关结构，设计出一种新型r fm e m s 开关。使用 a n s y s 软件对所设计的开关进行机电耦合仿真分析，进行了固支结构、曲折梁 和开孔的优化设计。通过固支结构分析，总结了固支结构各个尺寸对开关变形 的影响，合理地分配固支结构的尺寸，优化了开关的结构；通过曲折梁分析， 总结了曲折梁各个尺寸对开关变形的影响，并据此优化了开关的结构；通过开 孔分析，认为开孔对开关变形具有较大影响，得到了开关开孔设计的基本规则。 最后，使用a n s o f ih f s s 软件对开关进行全波电磁场分析，分析了介质层对开关 射频性能的影响，发现使用薄介质层能提高开关的隔离度，使用高介电材料的 介质能提高r fm e m s 开关在低频段的隔离度，对开关进行了射频性能优化。 本文设计的r fm e m s 开关参数是：开关的驱动电压为5 3 5 v ，开关的一 阶频率为6 0 5 0 0 h z ，开关时间f 。= 6 9 芦，开关工作在1 0 g h z 一3 0 g h z ，开关的开 态插入损耗为一0 0 5 d b 一一0 2 d b ，开关的关态隔离度为一2 0 d b 一一4 2 d b 。这一开 关驱动电压低，开关时间比较短，射频性能优越。 关键词r fm e m s 开关；驱动电压；插入损耗；隔离度；有限元分析 a b s t r a c t a b s t r a c t m e m sm i c r o w a v es w i t c hi san e wr fc i r c u i tc o m p o n e n t ，w h i c ha d o p t s m e m st e c h n o l o g y c o m p a r i n gw i t ht r a d i t i o n a ls e m i c o n d u c t o rs w i t c h ，i th a st h e m e r i to fl o wi n s e r t i o nl o s s ，h i g hi s o l a t i o na n dg o o dl i n e a r i t y i th a sp r a c t i c a l s i g n i f i c a n c et or e s e a r c ho nr fm e m sm i c r o w a v es w i t c hf o rr a d a rs y s t e ma n dr f s t r u c t u r eo fc o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h i sp a p e rr e s e a r c h e dac a p a c i t i v es h u n tr fm e m ss w i t c hu s e di nk b a n da n d k u b a n d ，a n du s e da n s y sa n da n s o f th f s st os i m u l a t et h es w i t c ha n do p t i m i z ei t s s t r u c t u r e s t h ep a p e ro p t i m i z e di t ss t r u c t u r e si no r d e rt or e d u c et h ea c t u a t i o n v o l t a g ei nt e r m so fp r o m i s i n gt h er fp e r f o r m a n c e f i r s t ，t h i sp a p e ra n a l y z e dt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fac a p a c i t i v es h u n tr f m e m ss w i t c ha n ds u m m a r i z e dt h ed e s i g np o i n t so ft h es w i t c h o nt h ef o u n d a t i o n o ff u r t h e rs t u d y i n gt h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so fc p w ，c p ww a sd e s i g n e da n dt h e c h a r a c t e r i s t i ci m p e d a n c em a t c h e d5 0q t h i sp a p e re s t a b l i s h e dt h em e c h a n i c a l m o d e lo ft h es w i t c hp o w e r e db yt h ee l e c t r o s t a t i cf o r c e sa n da n a l y z e dt h ee l a s t i c i t y c o e f f i c i e n to ff i x e d f i x e db e a m s t h i sp a p e rc o m p a r e df o u rt r a d i t i o n a ls w i t c h e sa n d c r e a t e dan e ws t r u c t u r es w i t c h t h e ns i m u l a t i o na n da n a l y s i s o nt h e e l e c t r o m e c h a n i c a lc o u p l i n gm o d e lo ft h es w i t c hw a sp e r f o r m e d ；t h ef i x e d f i x e d s t r u c t u r e ，t o r t u o u sb e a m sa n dt h eh o l e sw e r eo p t i m i z e d t h r o u g ha n a l y z i n gt h e f i x e d f i x e ds t r u c t u r e ，t h i sp a p e rs u m m a r i z e dt h ee f f e c to fs e v e r a ls i z e so nt h e d e f o r m a t i o no ft h es w i t c h ，r a t i o n a l l yd i s t r i b u t e dt h es i z e so ft h ef i x e d f i x e d s t r u c t u r ea n do p t i m i z e dt h es t r u c t u r e t h r o u g ha n a l y z i n gt h et o r t u o u sb e a m ，t h e p a p e rs u m m a r i z e dt h ee f f e c to fs e v e r a ls i z e so nt h ed e f o r m a t i o na n dt h es t r u c t u r e w a so p t i m i z e dh e r e b y t h r o u g ha n a l y z i n gt h eh o l e s ，i tw a sb e l i e v e dt h a to p e n i n g h o l e si nt h es w i t c hc o u l da f f e c tt h ed e f o r m a t i o na n dt h eb a s i cr u l e so fd e s i g n i n gt h e h o l e sw e r es u m m a r i z e d f i n a l l y ，t h ep a p e rp e r f o r m e df u l lw a v ee l e c t r o m a g n e t i c f i e l d a n a l y s i su s i n gt h e s o f t w a r ea n s o f th f s sa n ds t u d i e dt h ee f f e c to ft h e d i e l e c t r i cl a y e ro nt h er fp e r f o r m a n c eo ft h es w i t c h i ti sf o u n d e dt h a tu s i n gt h i n i i i 山东大学硕士学位论文 d i e l e c t r i cc a ni m p r o v et h ei s o l a t i o na n du s i n gt h eh i g hd i e l e c t r i cc o n s t a n tm a t e r i a l c a ni m p r o v et h ei s o l a t i o ni nl o w e rb a n d t h ep r o p e r t i e so ft h es w i t c ha r ef o l l o w i n g ：t h es w i t c h sa c t u a t i o nv o l t a g ei s 5 3 5 v ；o n eo r d e rf r e q u e n c yi s6 0 5 0 0 h z t h et y p i c a ls h u n ts w i t c hi se x c e l l e n ta n d c a p a b l eo fp r o v i n g 一0 0 5 一一0 2 d bi n s e r t i o nl o s sa n d - 2 0 一- 4 2 d bi s o l a t i o ni nt h e f r e q u e n c yr a n g e10 - 30 g h z k e y w o r d sr fm e m ss w i t c h ；a c t u a t i o nv o l t a g e ；i n s e r t i o nl o s s ；i s o l a t i o n ；f e a i v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对 本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 血丛红 日期：丕! z ：兰：生 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守 论文作者签名：互复丛丝期：出。 第一章绪论 1 1 微机电系统概述 第一章绪论 微电子机械系统( m i c r oe l e c t r o - m e c h a n i c a ls y s t e m s 简称m e m s ) 简称微 机电系统，是近年来高速发展的高新科学技术。一般认为，微电子机械系统是 以微电子、微机械及材料科学为基础，研究、设计、制造具有特定功能的微型 装置，包括微传感器、微执行器和微系统等。它涉及微电子学、机械学、材 料学、力学、声学、光学、热学、生物医学、电子信息等各种学科，在通信、 通讯、航空、航天、生物、医疗、环保、工业控制等领域都有广泛的应用前景。 1 9 6 2 年，第一个硅微型压力传感器问世乜1 。其后，微梁、微齿轮等微型机 械相继开发成功。1 9 8 8 年，美国加州大学伯克利分校研制出直径6 0 - 1 2 0 , u r n 的 硅微型静电电机口1 ，引起了人们的极大关注。1 9 8 9 年，美国国家自然科学基金 会n s f 召开的研讨会上的总结报告中提出“将微电子技术应用于电子和机械系 统”。 完整的m e m s 是由微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、通讯接口 和电源等部件组成的一体化的微型器件系统。其目标是把信息获取、处理和执 行集成在一起，组成多功能的微型系统，完成大尺寸机电系统所不能完成的任 务，也可以嵌入大尺寸系统中，从而大幅度地提高系统的自动化、智能化和可 靠性水平。正如集成电路技术把带入信息时代一样，m e m s 会给人类社会带来 另一次技术革命，它将对2 1 世纪的科学技术、生产方式和人类生活质量产生深 远的影响h 1 ，因而被认为是关系到国家科技发展、国防安全和经济繁荣的关键 技术。 自第一个微马达问世以后的短短数年内，在美国政府巨额经费的资助下， 包括麻省理工学院、加州大学伯克利分校、斯坦福大学、i b m 、a t & t 等三十余 所大学、国家实验室和民间试验机构都投入到这个项目的研究中，推动了 m e m s 的迅速发展畸3 。日本、欧洲各国也对m e m s 高度重视。其中日本通产省 自1 9 9 1 年度开始实施为期1 0 年，总投资2 5 0 亿日元的“微型机械技术 大型 研究开发计划。德国从1 9 9 4 年到1 9 9 9 年的微系统计划每年投资6 0 0 0 万美元。 山东大学硕士学位论文 美国是开展m e m s 最早的国家，在国际上其m e m s 研究一直处于领先地 位。日本和德国在m e m s 研究方面也处于国际领先的水平。国内开展m e m s 研究比较早的单位有上海微系统所( 原上海冶金所) ，哈尔滨工业大学以及东南 大学1 。我国从8 0 年代末开始了m e m s 的研究，在时间上同国外差距不大， 但主要以跟踪国外研究为主，涉及硅微型压力传感器、微型电机、微型泵等。 在m e m s 微型传感器、执行器等方面已有一些成果，在新原理微器件、通用微 器件，以及初步应用等方面获得了较大的进展。 1 2r fm e m s 开关的研究背景 随着信息时代的来临，在无线通信领域，特别是在移动通信和卫星通信领 域，正迫切需要一些低功耗、超小型化且能与信号处理电路集成的平面结构的 新型器件，并希望能覆盖微波、毫米波和亚毫米波在内的宽频频段口1 。m e m s 技术与射频技术的结合产生了r f ( r a d i o f r e q u e n c y ) m e m s 这一新概念。所 谓r fm e m s 就是利用m e m s 技术制作用于无线通讯的射频器件或射频系统， 可以认为，r fm e m s 是指在射频系统中用m e m s 技术实现的，用于低频、中 频、普通无线电波直到微波、毫米波频段信号的产生与处理的元器件或电路。 r fm e m s 器件包括无源r fm e m s 器件和有源r fm e m s 器件盯1 。无源 m e m s 器件包括微机械传输线随1 、微机械电感旧q 、微机械滤波器n 2 1 等；有源 m e m s 器件包括开关、调谐器、可变电容n 3 3 等。 r fm e m s 器件在微波频率范围，由于它具有好的隔离度、低的插入损耗， 可以代替微波通信系统里的g a a s 开关，使得它具有更低的能量损耗和更长的 寿命。同时r fm e m s 器件可用于低噪音、低能耗电路；便携式的无线通讯系 统；天线系统和高性能的仪器系统。r fm e m s 器件已经表现出可与传统电路 技术实现的器件相比拟、甚至更为优越的性能。此外，r fm e m s 器件还具有 易于与电路单片集成、成本低等一系列优势，因此受到世界各国的重视。未来 的研究，除了使现有器件成熟和实用化外，将集中在已有的电感、电容等无源 器件集成在同一衬底上，或将无源器件和有源电路进行集成。它们有潜力的应 用领域包括：雷达系统、无线通讯系统、卫星系统等n 钔。图1 - 1 是r fm e m s 在便携式无线系统中的应用。 第一章绪论 图1 - 1 三带m e m s 无线电话系统的前端设计u 副 在r fm e m s 中，目前最受关注的主要器件是微机械开关。近年来，对射 频微机械开关和移相器的研究异常活跃n 氐h 1 。r fm e m s 开关是工作在射频到 毫米波频率范围内的微机械开关，利用力学运动来控制射频信号传输的通与断。 其主要应用领域有：防御应用的雷达系统、自动雷达、卫星通信系统、无线电 通信系统、仪器系统等。r fm e m s 开关与传统的半导体开关p i n 、f e t 开关 相比有很多优点，如表1 - 1 所示。r fm e m s 开关与p i n 开关相比，具有如下 优点n ： ( 1 ) 几乎是零能量损耗，静电驱动需要电压，但是开关在周期里需要的电流 很小，这导致很低的能量损耗( 在每个开关周期是1 0 1 0 0 n j 的能量损耗) 。 ( 2 ) 高的隔离度：r fm e m s 串联开关制作时中间留有空气带，因此有很低 的关态电容( 2 - 4 f f ) ，在0 1 - 4 0 g h z 范围内有很高的隔离度。 ( 3 ) 低的插入损耗：r fm e m s 串联和并联开关在4 0 g h z 范围内有很低的 插入损耗。 ( 4 ) 低的互相调制分量：m e m s 开关是高度线性器件，具有很低的互相调 制分量。 ( 5 ) 低的成本：m e m s 开关是利用表面微机械技术来制作的，可以在石英 玻璃上、高阻硅、g a a s 基地上制作。 山东大学硕士学位论文 表卜1r fm e m s 和f e t 、p i n 开关性能比较n 8 r fm e m s 开关在通信系统中用途相当广泛，射频开关是雷达、电子对抗、 通信等领域的重要控制元件。正是由于有了它，整机才能完成收发、切换、闭 塞、优选以及更复杂的功能。例如对于一个多频道的通信终端来说，要求滤波 器同时具有窄的带宽，高的选择比、宽的调谐能力以及低的插入损耗是非常困 难甚至不可能的。在此情况下，只有利用开关将整个频域分成若干独立频段在 通过滤波器进行选择。当频率高于g h z 时，由于传统的有源器件开关( 如p i n ) 往往会出高插入损耗和低隔离度等问题，因而研制用于g h z 的m e m s 微波开 关是一个研究热点n 9 1 。 1 3r fm e m s 的研究现状 r fm e m s 开关按照驱动原理来分，可分为静电驱动、电磁驱动、热驱动 和压电驱动。静电驱动开关仅需要几微瓦的能量损耗，偏置网络简单，电极尺 寸小，膜层薄，相对短的开关时间，为将来集成于i c 电路创造了条件。所以文 献上报导的大部分r fm e m s 开关是采用静电驱动。 最早的m e m s 开关是p e t e r s o n 心们于1 9 7 9 年研制的0 3 5 朋厚，金属包覆的 静电悬臂梁式的微机械开关。1 9 9 1 年l a r s o n 心制作了旋转传输线式开关。1 9 9 5 4 一 第章绪论 年，y a o 和c h a n g 制作了低驱动电压的膜式开关嘲。1 9 9 6 年g o l d s m i t h c ”1 研制 出低阈值的膜开关，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 9 7 年，s c h i e l e r 汹1 等人在低温下利用聚酞亚胺作为牺牲层，制作了弯曲 悬臂粱的微机械开关。1 9 9 8 年，p a c h e c o 。”等人制作了螺旋状平板作为上电极 的微机械低驱动电压的r fm e m s 开关的设计与模拟开关。 目前研究得最多的是并联电容式开关。如g o l ds m i t h 1 等制作的电容式射 频开关，开关由3 0 0 n m 厚的a l 薄膜悬梁构成，极间距为2 a n 4 a n ，开关驱 动电压为1 0 v 5 0 v 。插入损耗为0 1 3 d b ，截止状态隔离度为1 i d b 。j a ey p a r k m l 等人研制出以s r t i o ；，为介质材料的电容式开关，其最低驱动电压仅为 8 v 在1 0 0 h z 时插入损耗为0 0 8 d b ，在5 g h z 时隔离度为4 2d b 。朱健o ”等人 已研制出射频m e m s 开关驱动电压约为2 0 v ，在“开4 态下d c 2 0 g h z 带宽 的插入损耗小于0 1 6 9 d b ；“关”态下在1 4 1 8 g i - i z 时隔离度大于1 3 d b 在1 8 2 0 0 h z 时隔离度大于1 6 d b ，本器件为国内首只研制成功的宽带射频m e m $ 开 关。r a y t h 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：驱动 电压3 0 v ，开关延迟1 0 ，在3 0 g h z 时，插入损耗小于o 2 d b ，隔离度大于 4 0 d b 。如图卜2 所示。 图卜2r a y t h e o nm e m s 并联电容开关显微照片 低驱动电压m e m s 开关的设计与模拟是制作低驱动电压开关的基础，直接 关系到开关的应用范围。b a l a r a m a n 等人通过改变两端支撑梁的形状，设计制 作了驱动电压为9 v 的m e m s 开关o “。p a r k 等人设计与制作出驱动电压8 v 的 开关“。p e r o u l i s 等人以s r t i 0 3 为介电层，通过改变开关的传输线、两端支撑 部分的几何形状，设计与制作出以n i 作为上电极，驱动电压为6 v 的m e m s 山东大学硕士学位论文 开关臼们。表卜2 是近几年来国际上电容式开关的研究进展。 表卜2 国际上电容式开关( 静电驱动) 的研究进展n 5 1 公司电压 v 开关时间 us 寿命 1 0 9 循环 r a y t h e o n l i n c o l nl a b n o r t h r u pg r u m m a n d a i m l e rb e n z b o s c h i m e c ( 比利时) l g ( 韩国) 。 4 2 0 4 2 0 4 8 1 0 - - - 2 0 l o 2 0 1 0 2 0 3 0 4 0 m i c h i g a n ( a n na r b o r ) ，l i m o g e s ( f r a n c e ) ，s e o u l 大学n a t i o n a l ( k o r e a ) ，c a l i f o r n i a ( s a n t ab a r b a r a ) ，n a n y a n g t e c h n o l o g i c a l ( s i n g a p o r e ) ，n a t i o n a lt a i w a n ( c h i n a ) 。 注：a 已有低功率( 1 l o m w ，4 声) 和中功率( 2 0 0 m w ，2 0 p s ) 的设计。 b 由于时间限制，测试中_ l e ，或在2 0 0 2 年9 月仍在进行中。 c 由于使用了高g ，介质，因此是低频电容式开关。 然而，现在r fm e m s 开关普遍存在的问题是驱动电压过高一2 1 ，静电 m e m s 开关需要3 0 - 8 0 v 的驱动电压，当在移动通讯系统中应用时，就需要利 用电压向上变换器将输入很低的控制电压提升到所需的驱动电压；同时，大多 数r fm e m s 开关的开关时间为几微秒到几十微秒，m e m s 开关的速度慢，某 些通讯和雷达系统需要更快的开关。 在实验室的环境里得到驱动电压为3 0 8 0 v 的r fm e m s 开关是比较容易 的，而移动电话、自动车辆、类似的无线器件却需要更低的驱动电压。另外， g o l ds m i t h 3 1 等人已证实电容式微机械开关的寿命与驱动电压有很大的关系， 驱动电压每下降5 7 v ，开关的寿命可延长1 0 年。因此，降低m e m s 开关的驱 动电压，不但可以扩大m e m s 开关的应用范围，而且可以明显增强开关的性能。 低驱动电压的开关能应用于单片式微波集成电路，开关可以在不需要利用向上 变换器将输入很低的控制电压提升到所需3 0 8 0 v 的驱动电压的情况下，就能 直接应用到通讯系统中。 为了降低开关的驱动电压，人们通过改变开关的形状和材料，设计各种形 铲胪 o 2 6 一 一 一 m 5 0 0 0 o 0 4 7 5 5 5 2 5 o 5 5 5 o 3 5 3 3 3 1 第一苹绪论 状的低驱动电压的电容式开关。本课题就是通过优化开关的几何结构来降低开 关的驱动电压，设计出一种低驱动电压的开关结构，并对开关的射频性能来分 析，综合保证开关各方面的性能。 1 4 本论文的主要研究内容 第一章系统掌握m e m s 系统发展现状、趋势以及应用领域，在此基础上对 r fm e m s 开关的相关知识进行研究，从而确定本文的研究内容。 第二章分析几种类型的r fm e m s 开关，着重研究并联式r fm e m s 开关 的工作原理，在此基础上深入研究共面波导( c p w ) 的损耗的影响因素，进行共 面波导的设计，对开关进行特性阻抗匹配，匹配到5 0 q 。 第三章建立开关的力学模型，根据有限元的方法，使用a n s y s 软件对开关 进行机电耦合模拟，并进行模拟结果验证。研究几个传统形式的开关结构，对 这些开关优缺点进行分析，综合考虑，提出一种新型低驱动电压的开关结构。 第四章对第三章提出的开关结构，使用a n s y s 软件分析固支结构、曲折梁、 开孔等结构对开关变形的影响，总结出开关各个尺寸与开关变形的关系。根据 分析结果，对开关进行结构优化，最后得到开关的驱动电压，频率和开关时间 等性能参数。 第五章针对第三章和第四章设计的开关结构，使用a n s o f th f s s 软件对开关 进行了全波电磁场分析，分析介质层对开关射频性能的影响，对开关在低频段 的隔离度进行优化设计。 第二章r fm e m s 开关c p w 设计 2 1 引言 第二章r fm e m s 开关c p w 设计 r fm e m s 开关是指在射频系统中用于低频、中频、普通无线电波直到微 波、毫米波频段信号的产生与处理的m e m s 元器件或电路。r fm e m s 开关作 为射频系统中重要的元件，越来越受到大家的重视。 r fm e m s 开关有很多性能指标，其中最重要的三个是驱动电压、隔离度 还有插入损耗。深入研究r fm e m s 开关，对进行r fm e m s 开关的设计有很 大的帮助。r fm e m s 开关的共面波导( c p w ) 尺寸，会影响到开关总体尺寸 的确立和射频性能，因此，合理地设计c p w ，对于提高开关的性能有重要的意 义。本章在深入研究r fm e m s 开关的基础上，进行c p w 的设计。 2 2r fm e m s 开关 一般而言，r fm e m s 开关可以按照接触方式和机械结构的类型来进行分 类。r fm e m s 开关按照接触方式可分为金属接触乜2 1 和电容耦合型4 1 ，分别如 图2 - 2 和图2 - 1 所示。按照机械结构类型划分，r fm e m s 开关主要可以分为 微悬臂梁开关、薄膜开关、旋转开关。金属接触开关通过金属一金属间的接触达 到导通的目的，适用于低频段。开关在未接触时处于断开状态，在接触时处于 导通状态。对于电容耦合型开关而言，在可动金属板与其正对的传输线上有一 层薄电介质层和空气间隙，通过静电驱动来调节空气间隙的大小，进而达到在 “上”( 通路) 和“下”( 断开) 状态时的开关转换。当没有施加电压时，开关 是导通的，此时可动金属板没有形变。由于可动金属板和信号线之间的问距相 当大，两者之间的耦合电容就很小，微波信号以很低的插入损耗通过开关；当 上、下极板问施加电压时，静电引力使可动金属板向下偏移直到与传输线的绝 缘介质紧密接触，两者之间的耦合电容变得很大，使微波信号几乎全反射，这 样传输到射频输出端的微波信号就变得很小，开关处于断开状态。 ：銮查：翟老：兰兰吝 闰2 一l 电容耦台式r fm e m s 开关”1 似蕾m 捷每耳置状j s 幽2 - 2 金属接触式开关 r f 在高频毫米波电路的应用有两种基本的开关形式：串联开关和并联开 关，如图2 3 和2 4 所示。 图2 - 3 串联开关示意圈图2 - 4 并联开关示意图 理想的串联开关，当不加偏置电压时( 开关处于u d 态) ，传输线呈现开路； 当加上偏置电压时( 开关处在d o w n 卷) ，传输线呈现短路。理想的串联开关在 u p 态时有无限大的隔离度，在d o w n 态时没有插入损耗。m e m s 串联开关广泛 应用于0 卜4 0 g h z 。并联丌关并联在传输线和地之间，根据所加偏置电压，或 者使传输线不受干扰，或者连接到地。理想的并联开关在未加偏置电压时( u p 第二覃r f m e m s 开关c p w 设计 态) ，呈现出零插入损耗，而在加了偏置电压后( d o w n 态) ，则有无限大的隔离 度。并联开关适用于更高的频率( 5 1 0 0 g h z ) 。 2 3 并联电容式r fm e m s 工作原理 电容耦合型开关是在金属膜和下面传输线间有一层薄电介质层和空气间 隙，通过静电驱动的机械运动调节空气间隙的大小，进而达到在“上 ( 导通) 和“下( 截止) 状态的开关切换，由于它的电容耦合本质，电容耦合型开关主 要应用于高频应用口副。 一般说来，电容型r fm e m s 开关包括不同结构的传输线、铰链、可移动 的平板和介质膜，如图2 - 5 和图2 - 6 所示。介质膜很薄，一般位于基底的传输 线上面或者可动平板的下面，其作用一是可以避免传输线和上电极间的直接接 触，构成电容；二可以减小上下结构接触中的粘着力和形成微型焊接的可能性， 在施加偏置电压的情况下，静电力牵引可动的平板向基底移动，改变中间的空 气间隙的大小，从而改变电容，电容值可以计算如下： c ： 丝鱼 ( 2 1 ) g ( x ，f ) + h d 6 d 其中，彳为可动平板的面积，g ( x ，t ) 为可动平板和基地间的距离，饬是介 质膜的厚度，f 。为空气的介电常数，是介质膜材料的相对介电常数。在未驱 动时，开关位于导通的“开 状态，电容为 c ：生 ( 2 2 ) l 妒2i 丽 忆吃 这里，g 。是可动平板和基底间的初始距离。当被驱动时，可动的平板向下 运动至和基底接触，达到截止状态即“关”状态，这时电容的计算如下 c 。：坐血 ( 2 3 ) l 棚2 一 l z 一， r i d 所以，截止导通时电容的比率表示如下： 垒：盟 ( 2 4 ) c嶝hd 山东大学硕士学位论文 r s !r s l 图2 5m e m s 开关示意图图2 - 6r fm e m s 开关等效电路图 2 4r fm e m s 开关的设计要点 设计m e m s 开关要考虑两个重要性能：力学和电学性能，两者之间有着相 互制约的关系。力学性能主要是指开关的驱动电压，电学性能中，开关的开态 插入损耗和关态的隔离度是主要指标。 2 4 1 影响r fm e m s 开关射频性能的因素分析 m e m s 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引。 在开关的设计中，首先要进行开关的传输线的设计。开关的插入损耗是由 阻抗不匹配引起的，要达到行波匹配，要求传输线的特性阻抗为5 0q 。 传输线的特性阻抗由以下因素决定：( 1 ) 共面波导传输线c p w 的尺寸( 2 ) 共面波导传输线的材料和厚度( 3 ) 基底材料及其厚度。 开关的隔离度一般是由开关的电容率比决定的，电容率越大，开关的隔离 度就会越高。开关的电容率由介质膜的介电常数、厚度以及可动金属板与介质 膜的距离决定的。一般情况，介质膜的选择是很有限的，其厚度也不是任意减 小，因此，改变电容率，自由度比较大的是改变可动金属板与介质膜间的距离。 但是可动金属板到介质膜间的距离也受到其他因素限制，过大的间距，虽然能 提高电容率，但会造成驱动电压快速增大，降低开关的可靠性和应用范围。因 此，在开关的设计中，需要统筹兼顾开关的射频性能和开关的驱动电压之间的 关系。 第二章r f m e m s 开关c p w 设计 2 4 2 影响r fm e m s 开关驱动电压的因素分析 m e m s 开关的下拉电压是使开关下弯到距下接触面2 3 桥高处的电压， 一般公式为b 7 1 ： 。 巧= ( 2 - 5 ) 这里k 为弹性系数，9 0 为开关与底部电极的缝隙，4 为电极面积 由下拉电压的公式( 2 5 ) 可知，减小圪的措施有：( 1 ) 减小弹性系数；( 2 ) 降低开关与底部电极的缝隙( 3 ) 增大电极面积。 由于结构紧凑是优先要考虑的，并且采用m e m s 技术的目的就是要获得小 型化，所以，增加面积是不切实际的。而减小开关与底部电极之间的缝隙，由 于r f 信号的反射损耗与缝隙尺寸紧密相关，也受到了限制。最可行的是第三 种方法臼8 1 ，因为弹簧的设计不会对体积、质量和r f 特性带来过大的影响。 本文就通过优化开关的几何结构来达到降低开关驱动电压的目的。由于在 开关的设计中，各部份的尺寸存在着相互制约的因素，因此，首先设计出开关 的传输线的尺寸，在进行开关的几何尺寸设计。 2 5 共面波导设计 2 5 1 共面波导 传输线是微波集成电路( m i c ) 不可缺少的电路单元，它的结构设计是r f m e m s 开关设计中需要考虑的主要问题之一。在r f 频段，普通的线不能用来 传输信号。一般采用“传输线”来把能量从一点传输到另一点。为了在高频传 输线上避免信号的反射，传输线要求达到特性阻抗匹配，如在所有的电路传输 线上，特性阻抗都设计为5 0q ，可以把信号线和地线通过绝缘层隔开设计在特 定的结构上面就可以达到口引。传输线h 们一般有微带传输线和共面波导线 ( c p w ) 。 微带线是由厚度为t ，宽度为w 的导带与接地板构成，其间填充有厚度为 h 的介质基片。微带线的优点是可以使电路中的分离元件连接更加容易，开放 结构使指电磁场不是仅仅分布在绝缘介质中，也分布在空气中。 山东大学硕士学位论文 共面波导是微波传输线的一种，它于1 9 6 9 年首先由w e n c p 提出n 。共 面波导是在介质基片上由中心导带连同一侧的两接地面构成，如图2 - 7 所示。 共面波导是一种表面带条传输 线。它是由金属薄膜带条和两条 位于其紧邻两侧的平行延伸的接 地电极( 接地面) 所形成，带条 和地电极均在介质基片的同一个 表面上。其中，g ，是衬底材料的 相对介电常数，日是衬底的高 度，丁是传输线的厚度，形是中 转 l b i c l e c t 戤c 豫 im 1 一 图2 - 7 共面波导传输线示意图 心导带的宽度，g 是中心导带与接地面的距离。这种结构，由于中心导带与接 地面位于同一平面内，因此对于需要并联安置的元器件是很方便的，在m m i c 中共面波导结构正得到广泛的应用。将共面波导应用于m m i c 中，增加了电路 设计的灵活性，并改善了某些功能电路的性能。 共面波导的优点就是信号线和地线都在介质基片的单面，接地的元器件就 不需要穿孔，对于表面贴装的元器件很理想。m e m s 膜开关的金属膜或者悬臂 梁开关的悬臂梁一般都是距共面波导上方几微米通过激励产生位移。另外一个 优点是可以改变信号线的宽度以符合元器件的连接而且保持其特性阻抗不变。 2 5 2 阻抗匹配原则 合理的共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，可以减小传输线的特征阻抗。 基本的阻抗匹配理论，基本电路如图2 - 8 所示，u 。为信号源电压，r 。为 信号源内阻，r ，为负载电阻。任何形式的电路都可以等效为这个简单形式。我 们的目标是使信号源的功率尽可能多的送入负载r ，也就是说，使信号源的输 出功率尽可能的大。 第二章r fm e m s 开关c p w 设计 图2 8 基本电路图 在这个简单的电路中，输出功率与电路元件之间存在以下关系g p o = 1 2 r l = 尚心 ( 2 - 6 ) 令 r = k r s ( 2 7 ) z ：孥 ( 2 8 ) r 。 则 p o 高只 ( 2 - 9 ) 可见，信号源的输出功率取决于u s 、r s 和心。在信号源给定的情况下， 输出功率取决于负载电阻与信号源内阻之比k 。 由公式( 2 9 ) 可知，当r = r s 时可获得最大输出功率，此时为阻抗匹配 状态。无论负载电阻大于还是小于信号源内阻，都不可能使负载获得最大功率。 由于测试设备的阻抗一般为5 0 q ，因此，在设计c p w 传输线的时候，也 设计为5 0 q 的特性阻抗m 3 。 2 5 3 开关损耗的影响因素 影响m e m s 开关损耗的因素主要有导体损耗、介质损耗、辐射损耗等。对 于平面传输线来说，由于激励场任何时候都试图把自己的一部分功率分配到介 质中去，因而就带来了介质损耗问题。介质损耗主要源于与介质相关的正切损 耗，它是由于介质没有能力跟上电场的变化而及时对其进行充电所造成的。介 质损耗的量度单位为d b 2 。平面传输还要遇到沿长度方向或因局部不连续所产 生的寄生辐射。如果能够将传输线设计成只工作在主模，就可以使损耗减至最 山东大学硕士学位论文 小。但是，由于电路的不连续，要对辐射进行控制是很困难的。在微带电路中， 可通过减少介质材料厚度来降低介质损耗和辐射损耗。 在这之前需确定共面波导上金属条带的厚度，为了使得开关的结构紧凑， 采用比较小的共面波导尺寸。这里选用金作为共面波导金属，选电导率 ( 3 0 0 0 9 2 c m ) ，相对介电常数为1 1 9 的高阻硅作为衬底。衬底材料选用的是绝 缘材料，所有的绝缘介质都不是零导电率的。各种衬底材料的属性如表2 - 1 所示。 表2 1 材料特性参数表 电磁波在越大电导率的介质基片上，其损耗越大。正切损耗参数( t a l l 万) 描 述介质基片的损耗特性，正切损耗取决于材料的纯度。定义为： t a n 8 = 2 0 6 ，矿 ( 2 1 0 ) 公式( 2 1 0 ) 中，仃是绝缘材料电导率( s m ) ，占，是介电常数，y 是频率。 在微波频段，电流强度在导体表面呈现极大值，并随着进入导体的深度而 呈指数衰减，这就是人们熟知的趋肤深度。各种金属材料的趋肤深度如表2 - 2 所示。由此而产生的热损耗和功率损耗，统称为欧姆损耗。趋肤深度艿，可表 示为： j = ( 去 - ( 2 - 1 1 ) 第二章r fm e m s 开关c p w 设计 公式( 2 11 ) 中常用的测量单位是d b c m 。在式中，w = 2 矿，为辐射频率， 和盯分别为媒介的导磁率和导电率。导电率= 以x 。，其中，纵和鳓分别 为媒介的相对磁导率和真空的导磁率，公式( 2 1 1 ) 可变为： 万( 丽2 i = i l l j ( 2 - 1 2 ) 其中：风= 4 石x l o 。7n a 2 表2 2 各种导体在1 0 g h z 时的趋肤深度比较 以金为例，在f = i o g h z 时，代入公式( 2 1 2 ) 得： 艿= 1 2 赤o o i = ( 磊而丽丽i 点而可丽) = 0 7 8 朋 当衬底厚度变为电小时，导体损耗将成为主要损耗。而当金属面层的厚度 增加到多倍趋肤深度时，该项损耗则会减少。 在1 0 g h z 下，金的趋肤深度为0 7 8 o n ，为了减小损耗，共面波导线的厚 度至少是其导体趋肤深度的3 倍，这里，选择金的厚度为2 o n 。 2 5 4 共面波导( c p w ) 计算 为了减小开关的尺寸，本文选择比较小的波导尺寸，这这里，选择 w = 8 0 o n ，厚度t = 2 a m ，用t r a n s m i s s i o nl i n ec a l c u l a t o r 计算共面波导尺寸， 如图2 9 所示： 当至态辇圭竺墼 舌差i 兰孟手鬲尸叵重看羞鎏童董互手隶盍重圃 黧目圄1 “羚i 篡目目= 鼍= 1 l 竺竺竺垦= = = 生= 兰j l 竺竺竺垦= = = 堕= 生一 一c ，e 二二 匝 舌“l”一，叵1 e 圈j ”l p n 州“ 皂_ 竺生j 虹j2 枷m 唧”_ m qc h 巳型生一【! 宝肿m 。l c “u - 一，e ! ! ：j e j ! ! ! ! ! j。，w ，e ! ! ：刍e i 二 ! ! ! ! j w m 匹互m ，m e e ：曼兰墓己豳熏煮兰基圜