随着通信技术的不断发展, 电磁波从低频、高频逐渐发展到了射频、微波范围。然而通信频率的提高, 传统的通信开关如PIN二极管型、FET晶体管型开关的性能会出现很大下降, 诸如插入损耗增高、隔离度降低等不良现象。因此, 射频MEMS技术的发展引起了人们的重视, 利用该技术制造出的射频MEMS开关相比于传统的开关具有低插入损耗、高隔离度、低功率及低成本等优点。射频MEMS开关的种类有多种, 以驱动方式划分有静电力式开关、压电式开关、电磁式开关及热应变式开关等。相比于其他类型的开关, 依靠静电力驱动的开关具有结构小、工艺简单且能与IC工艺兼容等特点[1]。静电力式开关还分为电容式和悬臂梁式两种, 本文介绍的就是电容式射频M E M S开关。
1 电容式射频MEMS开关结构及工作原理
以静电力驱动的电容式开关结构由微波传输线、电介质及桥膜 (上电极) 三部分构成, 如图1所示。该开关是位于共面波导传输线上, 共面波导是由一根中心金属带条和两侧平行的半无穷接地面组成, 中心金属带条与两侧平行的半无穷接地面有一定的间距, 而开关的桥膜以一定的空气间隙横跨过中心金属带条, 并在两侧与接地面相连。
图2给出两种不同的结构的电容式开关剖面图[2], 其中图2 (a) 为早期出现的结构。
在电介质上有一层金属作为下电极结构, 当开关工作时, 只需要把电压差加载到上下电极中, 所产生的静电力就会使桥膜向下移动, 并最终与下电极接触, 形成开关断开的状态 (down-state) 。该结构有个明显的缺点就是上下两电极在相接触的瞬间可能会有电火花产生, 并有伴有电流产生引起发热, 同时还增加了开关的功耗。因此, 为了消除这些不良现象, 人们改进了施加开关工作电压的方式, 即取消了电介质上的下电极, 直接将工作电压通过偏置电路 (Bias—T电路) 加载到电介质下的微波信号线上, 如开关的图2 (b) 中所示, 同样也可以实现开关的导通和断开功能。
电容式射频MEMS开关的工作原理为:在图3 (a) 所示的开关导通状态下, 由于桥膜 (上电极) 与微波传输线 (下电极) 之间存在着空气间隙, 此时开关具有较高的阻抗, 微波信号能够通过传输线向后继电路传输信号;而当向开关的上下电极施加偏置电压后, 静电力的作用使桥膜发生向下的形变, 偏置电压达到阈值后, 桥膜会紧密接触到电介质上, 此时由于上下电极之间只有一层较薄的电介质层, 图3 (b) 所示, 此时电极间的阻抗相比于开关导通状态低, 因此微波信号能够与接地的上电极相耦合, 致使信号传输被开关断开。
2 开关的工艺流程
本文开关的工艺采用的是MEMS表面加工工艺, 针对于共面波导对于降低衬底损耗的要求, 选用的是高阻抗的硅片 (N<100>, 1000Ω·cm) 。整个工艺流程如图4所示。
(1) 利用热氧工艺, 在衬底上形成厚度为1µm厚的氧化层, 降低微波信号的损耗。
(2) 溅射一层钛钨金种子层, 涂胶光刻后, 电镀形成如图所示的Au共面波导结构, 传输线厚度为2µm。
(3) 利用PECVD方法制备一层厚度为1000Aο的Si3N4电介质层, 只留下刚好覆盖住中央金属的部分, 其余的用干法刻蚀。
(4) 利用PECVD方法沉积一层厚度为2µm的非晶硅, 并刻蚀两个接地面之间以外的区域。
(5) 再次利用电镀工艺制备厚度为2µm的Au桥膜, 桥膜两端与共面波导两侧接地面相接触。
(6) 采用二氟化氙 (Xe F2) 气体刻蚀非晶硅牺牲层, 释放结构。
在最后一步释放结构中, 利用二氟化氙气体的干法刻蚀能够避免湿法释放过程因液体粘附力中造成的结构破坏, 而且不需要进行真空干燥步骤。
3 开关的开启电压及电容比
开启电压是电容式射频MEMS开关机械性能的重要指标之一, 定义为:当桥膜向下发生的形变 (见图4) 。
恰好能够接触到电介质层上时所施加的直流偏置电压大小。开关的上下电极可以使简单的视为具有电压差的两平行板, 因此桥膜受到的静电力大小为:
桥膜由于受向下静电力而发生形变时, 会受到一个相向的弹性回复力。
其中, A为上下电极相对面积, E为空气间隙的电场, V为偏置电压, ε0为真空介电常数, g桥膜与下电极的距离, k为桥膜的弹簧常数 (与桥膜的厚度、长度、宽度、杨氏模量、残余应力及泊松比相关) , g0为初始状态下上下电极之间的距离。
由于随着桥膜开始向下发生形变, fdown值的增加会比fup快得多, 因此当上下电极的间隙小于于初始间隙的2/3时, 桥膜就会处于不稳定状态, 此时的偏置电压就等于开启电压[3]。
电容式射频M E M S开关的电容比CdownCup是该器件电子性能上重要的指标之一。当开关处于导通状态是, 上下平行电极之间的电容为:
其中, td为电介质层的厚度, εr为电介质的相对介电常数。最后可得开关的近似电容比为[4]:
4 电容式射频MEMS开关的应用
4.1 移相器
射频移相器是雷达探测、卫星通信、移动通信设备中的核心部分基于MEMS开关的RF MEMS移相器的研究表明, 无论是开关线型、反射型或是分布式的, 在高频下其性能都优于GaAs移相器[5]。
4.2 可调谐滤波器
射频MEMS技术应用的另一个重要领域是基于MEMS开关的可调谐滤波器。在无线通信系统中的高频段, 采用M E M S技术的带通滤波器, 具有高Q值、低功耗、可调频率和带宽, 便于在芯片级别上的集成[6]。
4.3 可重构天线系统
可重构天线就是多功能天线的一种, 它可以在不改变整个天线尺寸的情况下, 通过改变天线辐射单元的结构和位置, 来实时地改变天线的工作频率、极化方向和辐射方向等。
摘要：本文介绍了电容式射频MEMS开关的结构、工作原理和制造工艺流程, 分析了开关的开启电压和电容比, 最后描述了开关在移相器、可调谐滤波器及可重构天线方向上的应用。
关键词：射频MEMS,开关,开启电压,电容比
参考文献
[1] Vijay K.Varadan, K.J.Vinoy, K.A.Jose, “RF MEMS and Their Applications”, England, 2003pp:117～118.
[2] Jae Y.Park, Geun H.Kim, et al.“Electroplated RF MEMS CapacitiveSwitches[C]”MEMS 2000.The Thir-teenth Annual International Confer-ence on Jan.2000pp:639～644.
[3] Harvey S.Newman, “RF MEMS Switchesand Applications[J]”, Reliability PhysicsSymposium Proceedings, 2002.40th An-nual April 2002pp:111～115.
[4] Jeremy B.Muldavin, et al“.High-IsolationCPW MEMS Shunt Switches—Part 1:Modeling[J]”Microwave Theory andTechniques, June 2000 pp:1045～1052.
[5] 张永华, 丁桂甫, 基于MEMS技术的射频移相器[J].微细加工技术, Mar2004, 3:73～79.
[6] 李应良, 潘武.射频系统中MEMS谐振器和滤波器[J].光学精密工程, 200, :147～54.