雙膜橋微波MEMS開(kāi)關(guān)

1、雙膜橋微波MEMS開(kāi)關(guān)朱健1,2,郁元衛(wèi)2,陸樂(lè)2,賈世星2,張龍2(11東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程系,江蘇南京210096;21南京電子器件研究所,江蘇南京210016)摘要:介紹了一種雙膜橋微波MEMS開(kāi)關(guān),給出了開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法,建立了開(kāi)關(guān)的仿真模型,使用硅表面微機(jī)械工藝制造了雙膜橋開(kāi)關(guān)樣品,其主要結(jié)構(gòu)為硅襯底上制作CPW金屬傳輸線電極和介質(zhì)層,然后制作具有微電感結(jié)構(gòu)的金屬膜橋,提高了開(kāi)關(guān)隔離度。利用HFSS軟件仿真的結(jié)果表明,該開(kāi)關(guān)在微波低頻段(36GHz)有著很好的隔離性能。研制的開(kāi)關(guān)樣品在片測(cè)試的電性能指標(biāo)為:插損小于0.3dB,隔離度大于40dB,驅(qū)動(dòng)電壓小于24V。關(guān)鍵詞:微機(jī)

2、電系統(tǒng);射頻開(kāi)關(guān);高隔離度中圖分類號(hào):TB43;TM564文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):167124776(2003)07/0820382203TwomembranemicrowaveMEMSswitchesZHUJian1,2,YUYuan2wei2,LULe2,JIAShi2xing2,ZHANGLong2(1.Dept.ofInstrumentScience&Engineering,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China;2.NanjingElectronicDevicesInstitute,Nanjing210016,China)Abstract:Th

3、edesign,optimizationandsimulationmodelformicrowaveMEMSmembraneswitcheswithtwo2bridge,whichisbasedonsurfacemicromachiningfabricationarepresented.Themajorpro2cessesconsistoffabricatingCPWtransmissionlinesanddielectriclayeronsiliconsubstrate,thenfabri2catinginductivelymetalbridge.Theapproachistodesigna

4、high2isolationMEMSswitchwithdualin2ductively2tunedbridgemembranes.TheresultsimulatedbyHFSSdemonstratesthatitprovideshigh2isolationperformanceat36GHz.On2wafermeasurementresultsareasfollows:insertionloss0.3dB,isolation40dBandtheappliedvoltage24V.Keywords:MEMS;RFswitch;high2isolation1引言射頻MEMS開(kāi)關(guān)與常規(guī)的PIN二

5、極管、FET開(kāi)關(guān)和射頻繼電器相比,具有低插損、高隔離度、寬帶(0.1120GHz)、極低互調(diào)失真、近零驅(qū)動(dòng)功耗和低成本集成能力1等優(yōu)點(diǎn)。在射頻應(yīng)用場(chǎng)合,設(shè)計(jì)師們最關(guān)心的是dB和Q值,用微機(jī)械加工的射頻元件能滿足這些要求,有望降低整機(jī)成本。MEMS開(kāi)關(guān)有直流接觸式開(kāi)關(guān)、容性串聯(lián)型開(kāi)關(guān)及容性并聯(lián)型開(kāi)關(guān)。利用MEMS開(kāi)關(guān)可制作移相器、開(kāi)關(guān)式濾波器、開(kāi)關(guān)陣列、可重構(gòu)天線等,應(yīng)用于雷達(dá)、衛(wèi)星1通信、無(wú)線通信、儀器等系統(tǒng)中。收稿日期:2003205215MEMS膜橋開(kāi)關(guān)使用了傳輸線上加載電容的原理,通過(guò)上下電極間的靜電力進(jìn)行控制,使電容在數(shù)十fF(關(guān)態(tài))和幾pF(開(kāi)態(tài))之間跳變,其插入損耗和隔離性能取決于

6、開(kāi)態(tài)和關(guān)態(tài)的電容2。大部分MEMS膜橋開(kāi)關(guān)的關(guān)態(tài)諧振頻率2050GHz1,3,所以該類開(kāi)關(guān)在10GHz以上頻段才具有低插損、高隔離(20dB)的優(yōu)點(diǎn)。本文介紹了采用雙膜橋結(jié)構(gòu)以達(dá)到高隔離的微波MEMS膜橋開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)、工藝制作及測(cè)試結(jié)果。2設(shè)計(jì)與優(yōu)化理論分析表明,容性單膜橋開(kāi)關(guān)的反射損耗及微納電子技術(shù)2003年第7/8期MicronanoelectronicFechnology/JulyAugust2003382 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.隔離度表示如下1:開(kāi)態(tài)反射損耗:22|S1

7、1|=4(1)關(guān)態(tài)隔離:C2dZ02(ff0)(2)圖2開(kāi)關(guān)3D模型圖|S21|=2Z0Z022(f=f0)(ff0)22式中Cu為開(kāi)態(tài)電容;Z0為傳輸線的特性阻抗;Cd為關(guān)態(tài)電容,RS為膜橋等效電阻;L為膜橋總等效電感;f0為關(guān)態(tài)諧振頻率,f0=1/2Cd。設(shè)計(jì)合適的膜橋結(jié)構(gòu)形式、幾何參數(shù)、選擇合適的諧振頻率和介質(zhì)膜的控制,是提高M(jìn)EMS膜橋開(kāi)關(guān)隔離度的關(guān)鍵。單膜橋開(kāi)關(guān)的隔離度隨頻率的增高而增高,采用雙橋結(jié)構(gòu)甚至三橋結(jié)構(gòu),可以使微波信號(hào)得到多重隔離,達(dá)到提高開(kāi)關(guān)隔離度的目的?？紤]到工藝、芯片尺寸等因素,為提高M(jìn)EMS膜橋開(kāi)關(guān)在微波低頻段的隔離性能,采用了雙膜橋結(jié)構(gòu)和引入微電感結(jié)構(gòu)這些措施設(shè)計(jì)

8、了一種新穎的開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu),見(jiàn)圖1。膜橋深入接地部位形成微電感,其作用為降低關(guān)態(tài)諧振頻率f0。圖3單橋與雙橋開(kāi)關(guān)關(guān)態(tài)比較圖4雙橋開(kāi)關(guān)開(kāi)態(tài)特性采用優(yōu)化設(shè)計(jì)的MEMS雙膜橋開(kāi)關(guān),同傳統(tǒng)的單膜橋開(kāi)關(guān)性能4比較如圖5。可見(jiàn)單膜橋開(kāi)關(guān)在微波高頻段(10GHz以上)具有高隔離(20dB)的優(yōu)點(diǎn),而采用雙膜橋結(jié)構(gòu)和引入微電感結(jié)構(gòu)這些措施,設(shè)計(jì)的MEMS開(kāi)關(guān)在微波低頻段(36GHz)圖1MEMS開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)圖利用ADS軟件的Linecalc工具,選用高阻硅作m和襯底,確定了CPW導(dǎo)線的寬度和間隔為120m。應(yīng)用Ansoft公司的HFSS(HighFrequency75StructureSimulator)軟件對(duì)膜橋開(kāi)關(guān)

9、進(jìn)行三維電磁場(chǎng)分析,建立的三維仿真模型見(jiàn)圖2。開(kāi)關(guān)使用單膜橋結(jié)構(gòu)與雙膜橋結(jié)構(gòu)的關(guān)態(tài)性能比較如圖3所示。由仿真結(jié)果可知,雙膜橋開(kāi)關(guān)的隔離度在諧振頻率附近頻段提高10dB以上。雙膜橋開(kāi)關(guān)的開(kāi)態(tài)性能如圖4所示。由仿真結(jié)果可知,雙膜橋開(kāi)關(guān)的插損和反射特性同單膜橋開(kāi)關(guān)差異不明顯。就有著很好的隔離性能。圖5優(yōu)化設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)MEMS開(kāi)關(guān)性能比較有關(guān)靜電激勵(lì)、膜橋機(jī)械結(jié)構(gòu)方面的設(shè)計(jì)參見(jiàn)MicronanoelectronicFechnology/JulyAugust2003微納電子技術(shù)2003年第7/8期383 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd.

10、All rights reserved.文獻(xiàn)1,2,3。3工藝制作使用硅表面微機(jī)械工藝制造了雙膜橋開(kāi)關(guān)樣品,其主要結(jié)構(gòu)為硅襯底上制作CPW金屬傳輸線電極和介質(zhì)層,然后制作具有微電感結(jié)構(gòu)的金屬膜橋?？傮w的流程同制造單膜橋開(kāi)關(guān)的工藝過(guò)程類似2,其中去犧牲層,釋放膜橋結(jié)構(gòu)是關(guān)鍵技術(shù)。工藝步驟如下:m氧化層高阻硅(3000cm)襯底熱氧化1濺射W并進(jìn)行濕法腐蝕形成CPW傳輸線、下電極及地線濺射Ta2O5形成介質(zhì)膜電鍍形成橋柱旋轉(zhuǎn)涂敷光刻膠形成犧牲層濺射和濕法腐蝕形成Al膜上電極層去除犧牲層釋放膜橋。圖7樣品測(cè)試結(jié)果5結(jié)論設(shè)計(jì)和研制的MEMS膜橋開(kāi)關(guān),采用導(dǎo)電性能好的金屬材料和微波性能優(yōu)化設(shè)計(jì),獲得低損

11、耗的微波傳輸結(jié)構(gòu),降低開(kāi)關(guān)的插入損耗,獲得良好的匹配性能。主要通過(guò)改變膜橋結(jié)構(gòu)形式,采用雙膜橋結(jié)構(gòu),使微波信號(hào)得到雙重隔離,達(dá)到提高開(kāi)關(guān)隔離度的目的。通過(guò)對(duì)膜橋結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料、上下電極間隙的優(yōu)化,可降低開(kāi)關(guān)的激勵(lì)電壓。研制樣品的性能為:插損小于0.3dB,隔離度大于40dB,驅(qū)動(dòng)電壓小于24V。參考文獻(xiàn):1REBEIZGM,MULDAVINJB.RFMEMSswitchesandswitchcircuitsJ.IEEEmicrowavemagazine,2001,2(4):59271.2朱健,林金庭,林立強(qiáng).DC20GHz射頻MEMS開(kāi)關(guān)J.半4測(cè)量與結(jié)果研制的雙膜橋開(kāi)關(guān)樣品,見(jiàn)圖6。使用CT

12、G21型C2V特性測(cè)試儀及自制的微探針臺(tái)測(cè)試,觀察開(kāi)關(guān)激勵(lì)電壓及開(kāi)態(tài)、關(guān)態(tài)的電容變化。開(kāi)關(guān)的微波性能使用WILTRON360B矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀及在片測(cè)試臺(tái)測(cè)量。開(kāi)關(guān)的激勵(lì)電壓通過(guò)可控的BIAS系統(tǒng)通過(guò)BIASTee接頭由標(biāo)準(zhǔn)的射頻G2S2G在片接觸探頭提供。樣品的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖7,驅(qū)動(dòng)電壓小于24V。導(dǎo)體學(xué)報(bào),2001,22(6):7062709.3MULDAVINJB,REBEIZGM.HighisolationMEMSshuntswitches-Part1:modelingJ.IEEETransonMicrowaveThe2oryandTechniques,2000,48(6):104521052.4朱健,陳辰,林立強(qiáng).RFMEMS開(kāi)關(guān)的優(yōu)化設(shè)計(jì)J.壓電與聲光,2001,23(5):1792181.作者簡(jiǎn)介:朱健(1962-),女,高級(jí)工程師,中電科技集團(tuán)第五