一種Ka頻段MEMS開關的研制

董自強　趙博韜　石國超

摘要：設計了一種應用于Ka頻段的并聯(lián)電容式MEMS開關，該開關利用表面犧牲層工藝制備，具有低損耗、高隔離度等特點。經(jīng)測試，開關在Ka頻段內(nèi)，回波損耗優(yōu)于30dB，插入損耗典型值-0.13dB@27GHz，優(yōu)于-0.28dB@40GHz，隔離度全頻段優(yōu)于22dB，驅(qū)動電壓在50V～70V范圍。

關鍵詞：MEMS開關 電容式 Ka頻段

中圖分類號：TH703； TN63 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）02-0068-02

1 前言

固態(tài)開關在通信系統(tǒng)和軍事雷達系統(tǒng)中有著廣泛的應用，具備較優(yōu)異的開關速度和帶寬。但是，固態(tài)開關較大的直流功耗等不足[1][2]使得其不太適合應用于較大型的開關陣列中，例如大型的相控陣系統(tǒng)和可重構系統(tǒng)。MEMS開關具備隔離度高、插入損耗低、幾乎零功耗（nJ級）以及成本低、體積小等優(yōu)點，尤其在毫米波頻段，其較低的插入損耗能夠顯著提升通信系統(tǒng)的性能，因此在高性能微波系統(tǒng)中MEMS開關逐漸開始展現(xiàn)出較大的優(yōu)勢[3]。目前，國內(nèi)外已有多家機構對各頻段的MEMS開關進行了研究[4]。本文基于Ka頻段的應用需求，設計了一種并聯(lián)電容式MEMS開關，芯片照片如圖1所示。開關芯片尺寸1mm×1mm，芯片厚450μm，輸入輸出端口為共面波導結構，通過驅(qū)動芯片中心的懸浮金屬膜橋?qū)νㄟ^芯片的微波信號實施“開”“關”功能。

2 開關設計

本文設計的使用在Ka頻段的MEMS開關，其微波傳輸路徑為共面波導結構，兩端口共面波導尺寸為G/S/G=80μm/100μm/80μm，中心區(qū)域為G/S/G=150μm/100μm/150μm。開關中心制備有金屬膜橋，金屬膜橋兩端錨區(qū)位于共面波導微波地上，中心橫跨微波信號傳輸線，懸浮于其上約1.5μm左右，膜橋下方的信號線上制備有介質(zhì)層薄膜。金屬膜橋下方，位于信號線兩端制備了靜電吸引電極，通過在其上施加直流電壓在電極與金屬膜橋之間產(chǎn)生靜電力對金屬膜橋進行吸引，從而改變金屬膜橋與微波信號傳輸線之間的電容量大小，即通過金屬膜橋的形變改變微波信號傳輸線與微波地之間的耦合電容，最終利用該原理實現(xiàn)了微波信號傳輸“通”和“斷”的功能。開關在未施加驅(qū)動電壓時，沒有靜電力對其進行吸引，這時開關金屬膜橋與信號傳輸線之間的電容為開態(tài)電容，記為CUP。開態(tài)時，開關回波損耗主要由開態(tài)電容決定，與其等效電感和等效電阻關系不大。開關開態(tài)回波損耗表達式為：

（1）

其中，開態(tài)電容CUP表達式如下：

（2）

其中，為空氣介電常數(shù)，為介質(zhì)層介電常數(shù)，和W為金屬膜橋與信號傳輸線交疊區(qū)域的尺寸大小，為金屬膜橋的初始懸浮高度，為絕緣介質(zhì)層厚度。一般由于邊緣電容的問題，該開態(tài)電容比理論值要大20%～40%。當在膜下電極上施加直流偏壓后，在電極和膜橋之間會產(chǎn)生靜電力對膜橋進行吸引，當驅(qū)動電壓達到“Pull-in”電壓時，該膜橋會產(chǎn)生塌陷，與信號線上的介質(zhì)層緊密貼合。此時膜橋與信號線之間的電容為關態(tài)電容，記為CDOWN，表達式為：

（3）

開關隔離度主要由關態(tài)電容CDOWN決定，表達式為：

（4）

其中，為膜橋的總等效電感，為膜橋總的等效電阻，為傳輸線特性阻抗，為關態(tài)的諧振頻率。

MEMS開關的CUP，CDOWN是影響開關微波性能最大的因素，如何優(yōu)化開關結構和工藝以在Ka頻段達到最理想的性能指標是本設計的關鍵。通過使用HFSS軟件，本文對使用在Ka頻段的MEMS開關進行了模型仿真，優(yōu)化其結構，最終獲得了理想的微波特性，其中隔離度在Ka頻段均優(yōu)于20dB，插入損耗優(yōu)于0.16dB。

3 芯片制備和性能測試

該MEMS開關利用表面犧牲層工藝進行芯片制備，具體工藝步驟如下所述：（1）襯底準備：高阻硅基底，熱氧化制備二氧化硅絕緣層；（2）利用濺射工藝制備CPW底金層；（3）利用電鍍工藝制備CPW層，并利用刻蝕工藝進行圖形化處理；（4）利用PECVD工藝制備氮化硅介質(zhì)層，利用RIE工藝對介質(zhì)層進行刻蝕；（5）利用懸涂和光刻工藝制備聚酰亞胺犧牲層；（6）利用濺射工藝制備金屬梁底金層；（7）利用電鍍工藝制備金屬梁，并利用刻蝕工藝完成金屬梁的圖形化處理；（8）利用灰化設備去除聚酰亞胺犧牲層，進行犧牲層的干法釋放，完成芯片制備。

利用BRUKER DektakXT型臺階儀和VK-8710型激光形貌儀對芯片的表面形貌進行了測試。三維形貌測試結果可得：芯片開關金屬膜橋厚約2μm，金屬膜橋整體略微呈現(xiàn)張應力，由此造成膜橋中心區(qū)域稍許存在拱起狀態(tài)，導致中心區(qū)域高度略大于金屬膜橋的整體懸浮高度，此高度偏差經(jīng)測試在0.2μm以下。開關金屬膜橋整體平整度保持較好，存在的微小形變未對開關的微波特性和機械性能產(chǎn)生較明顯影響。

開關微波特性利用CASCADE微波探針臺和R&S ZAV50型矢量網(wǎng)絡分析儀對回波損耗、插入損耗、隔離度和驅(qū)動電壓指標進行了測試，圖2～3為該開關的插入損耗和隔離度測試曲線。該開關可在Ka頻段使用，插入損耗典型值0.13dB@27GHz，0.28dB@40GHz，隔離度在Ka頻段優(yōu)于22dB，回波損耗優(yōu)于30dB，驅(qū)動電壓在50V～70V之間。

4 結語

本文設計了一種使用在Ka頻段的MEMS開關，文中給出了開關的設計、工藝和性能測試結果。該開關為并聯(lián)電容式MEMS開關，通過結構優(yōu)化設計得到了較好的性能指標，在應用頻段范圍內(nèi)插入損耗優(yōu)于0.28dB，隔離度優(yōu)于22dB，驅(qū)動電壓在50V～70V之間，較為適用于大型的開關陣列，例如相控陣雷達系統(tǒng)和可重構天線系統(tǒng)之中。

參考文獻

[1]S.C.Bera，K.Basak，V.K.Jain，“Schottky diode-based microwave limiter with adjustable threshold power level”，Microwave and Optical Technology Letters 2010，vol.52，no 7，pp-1671-1673.

[2]E.Gatard，R.Sommet，P.Bouysse，“High power S Band limiter simulation with a physics-based accurate nonlinear PIN diode model”，Proc.European Microwave Week 2007 Conference，pp.72-75.

[3]R.Malmqvist，“Monolithic integration of millimeter-wave RF-MEMS switch circuits and LNAs using a GaAs MMIC foundry process technology”，IEEE MTT-S International Microwave Workshop Series on Millimeter Wave Integration Technologies，2011，pp-148-151.

[4]G.M.Rebeiz，“RF-MEMS：Theory，Design andTechnology”，New York：J.Wiley & Sons，2003.

摘要：設計了一種應用于Ka頻段的并聯(lián)電容式MEMS開關，該開關利用表面犧牲層工藝制備，具有低損耗、高隔離度等特點。經(jīng)測試，開關在Ka頻段內(nèi)，回波損耗優(yōu)于30dB，插入損耗典型值-0.13dB@27GHz，優(yōu)于-0.28dB@40GHz，隔離度全頻段優(yōu)于22dB，驅(qū)動電壓在50V～70V范圍。

關鍵詞：MEMS開關 電容式 Ka頻段

中圖分類號：TH703； TN63 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）02-0068-02

1 前言

固態(tài)開關在通信系統(tǒng)和軍事雷達系統(tǒng)中有著廣泛的應用，具備較優(yōu)異的開關速度和帶寬。但是，固態(tài)開關較大的直流功耗等不足[1][2]使得其不太適合應用于較大型的開關陣列中，例如大型的相控陣系統(tǒng)和可重構系統(tǒng)。MEMS開關具備隔離度高、插入損耗低、幾乎零功耗（nJ級）以及成本低、體積小等優(yōu)點，尤其在毫米波頻段，其較低的插入損耗能夠顯著提升通信系統(tǒng)的性能，因此在高性能微波系統(tǒng)中MEMS開關逐漸開始展現(xiàn)出較大的優(yōu)勢[3]。目前，國內(nèi)外已有多家機構對各頻段的MEMS開關進行了研究[4]。本文基于Ka頻段的應用需求，設計了一種并聯(lián)電容式MEMS開關，芯片照片如圖1所示。開關芯片尺寸1mm×1mm，芯片厚450μm，輸入輸出端口為共面波導結構，通過驅(qū)動芯片中心的懸浮金屬膜橋?qū)νㄟ^芯片的微波信號實施“開”“關”功能。

2 開關設計

本文設計的使用在Ka頻段的MEMS開關，其微波傳輸路徑為共面波導結構，兩端口共面波導尺寸為G/S/G=80μm/100μm/80μm，中心區(qū)域為G/S/G=150μm/100μm/150μm。開關中心制備有金屬膜橋，金屬膜橋兩端錨區(qū)位于共面波導微波地上，中心橫跨微波信號傳輸線，懸浮于其上約1.5μm左右，膜橋下方的信號線上制備有介質(zhì)層薄膜。金屬膜橋下方，位于信號線兩端制備了靜電吸引電極，通過在其上施加直流電壓在電極與金屬膜橋之間產(chǎn)生靜電力對金屬膜橋進行吸引，從而改變金屬膜橋與微波信號傳輸線之間的電容量大小，即通過金屬膜橋的形變改變微波信號傳輸線與微波地之間的耦合電容，最終利用該原理實現(xiàn)了微波信號傳輸“通”和“斷”的功能。開關在未施加驅(qū)動電壓時，沒有靜電力對其進行吸引，這時開關金屬膜橋與信號傳輸線之間的電容為開態(tài)電容，記為CUP。開態(tài)時，開關回波損耗主要由開態(tài)電容決定，與其等效電感和等效電阻關系不大。開關開態(tài)回波損耗表達式為：

（1）

其中，開態(tài)電容CUP表達式如下：

（2）

其中，為空氣介電常數(shù)，為介質(zhì)層介電常數(shù)，和W為金屬膜橋與信號傳輸線交疊區(qū)域的尺寸大小，為金屬膜橋的初始懸浮高度，為絕緣介質(zhì)層厚度。一般由于邊緣電容的問題，該開態(tài)電容比理論值要大20%～40%。當在膜下電極上施加直流偏壓后，在電極和膜橋之間會產(chǎn)生靜電力對膜橋進行吸引，當驅(qū)動電壓達到“Pull-in”電壓時，該膜橋會產(chǎn)生塌陷，與信號線上的介質(zhì)層緊密貼合。此時膜橋與信號線之間的電容為關態(tài)電容，記為CDOWN，表達式為：

（3）

開關隔離度主要由關態(tài)電容CDOWN決定，表達式為：

（4）

其中，為膜橋的總等效電感，為膜橋總的等效電阻，為傳輸線特性阻抗，為關態(tài)的諧振頻率。

MEMS開關的CUP，CDOWN是影響開關微波性能最大的因素，如何優(yōu)化開關結構和工藝以在Ka頻段達到最理想的性能指標是本設計的關鍵。通過使用HFSS軟件，本文對使用在Ka頻段的MEMS開關進行了模型仿真，優(yōu)化其結構，最終獲得了理想的微波特性，其中隔離度在Ka頻段均優(yōu)于20dB，插入損耗優(yōu)于0.16dB。

3 芯片制備和性能測試

該MEMS開關利用表面犧牲層工藝進行芯片制備，具體工藝步驟如下所述：（1）襯底準備：高阻硅基底，熱氧化制備二氧化硅絕緣層；（2）利用濺射工藝制備CPW底金層；（3）利用電鍍工藝制備CPW層，并利用刻蝕工藝進行圖形化處理；（4）利用PECVD工藝制備氮化硅介質(zhì)層，利用RIE工藝對介質(zhì)層進行刻蝕；（5）利用懸涂和光刻工藝制備聚酰亞胺犧牲層；（6）利用濺射工藝制備金屬梁底金層；（7）利用電鍍工藝制備金屬梁，并利用刻蝕工藝完成金屬梁的圖形化處理；（8）利用灰化設備去除聚酰亞胺犧牲層，進行犧牲層的干法釋放，完成芯片制備。

利用BRUKER DektakXT型臺階儀和VK-8710型激光形貌儀對芯片的表面形貌進行了測試。三維形貌測試結果可得：芯片開關金屬膜橋厚約2μm，金屬膜橋整體略微呈現(xiàn)張應力，由此造成膜橋中心區(qū)域稍許存在拱起狀態(tài)，導致中心區(qū)域高度略大于金屬膜橋的整體懸浮高度，此高度偏差經(jīng)測試在0.2μm以下。開關金屬膜橋整體平整度保持較好，存在的微小形變未對開關的微波特性和機械性能產(chǎn)生較明顯影響。

開關微波特性利用CASCADE微波探針臺和R&S ZAV50型矢量網(wǎng)絡分析儀對回波損耗、插入損耗、隔離度和驅(qū)動電壓指標進行了測試，圖2～3為該開關的插入損耗和隔離度測試曲線。該開關可在Ka頻段使用，插入損耗典型值0.13dB@27GHz，0.28dB@40GHz，隔離度在Ka頻段優(yōu)于22dB，回波損耗優(yōu)于30dB，驅(qū)動電壓在50V～70V之間。

4 結語

本文設計了一種使用在Ka頻段的MEMS開關，文中給出了開關的設計、工藝和性能測試結果。該開關為并聯(lián)電容式MEMS開關，通過結構優(yōu)化設計得到了較好的性能指標，在應用頻段范圍內(nèi)插入損耗優(yōu)于0.28dB，隔離度優(yōu)于22dB，驅(qū)動電壓在50V～70V之間，較為適用于大型的開關陣列，例如相控陣雷達系統(tǒng)和可重構天線系統(tǒng)之中。

參考文獻

[1]S.C.Bera，K.Basak，V.K.Jain，“Schottky diode-based microwave limiter with adjustable threshold power level”，Microwave and Optical Technology Letters 2010，vol.52，no 7，pp-1671-1673.

[2]E.Gatard，R.Sommet，P.Bouysse，“High power S Band limiter simulation with a physics-based accurate nonlinear PIN diode model”，Proc.European Microwave Week 2007 Conference，pp.72-75.

[3]R.Malmqvist，“Monolithic integration of millimeter-wave RF-MEMS switch circuits and LNAs using a GaAs MMIC foundry process technology”，IEEE MTT-S International Microwave Workshop Series on Millimeter Wave Integration Technologies，2011，pp-148-151.

[4]G.M.Rebeiz，“RF-MEMS：Theory，Design andTechnology”，New York：J.Wiley & Sons，2003.

摘要：設計了一種應用于Ka頻段的并聯(lián)電容式MEMS開關，該開關利用表面犧牲層工藝制備，具有低損耗、高隔離度等特點。經(jīng)測試，開關在Ka頻段內(nèi)，回波損耗優(yōu)于30dB，插入損耗典型值-0.13dB@27GHz，優(yōu)于-0.28dB@40GHz，隔離度全頻段優(yōu)于22dB，驅(qū)動電壓在50V～70V范圍。

關鍵詞：MEMS開關 電容式 Ka頻段

中圖分類號：TH703； TN63 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）02-0068-02

1 前言

固態(tài)開關在通信系統(tǒng)和軍事雷達系統(tǒng)中有著廣泛的應用，具備較優(yōu)異的開關速度和帶寬。但是，固態(tài)開關較大的直流功耗等不足[1][2]使得其不太適合應用于較大型的開關陣列中，例如大型的相控陣系統(tǒng)和可重構系統(tǒng)。MEMS開關具備隔離度高、插入損耗低、幾乎零功耗（nJ級）以及成本低、體積小等優(yōu)點，尤其在毫米波頻段，其較低的插入損耗能夠顯著提升通信系統(tǒng)的性能，因此在高性能微波系統(tǒng)中MEMS開關逐漸開始展現(xiàn)出較大的優(yōu)勢[3]。目前，國內(nèi)外已有多家機構對各頻段的MEMS開關進行了研究[4]。本文基于Ka頻段的應用需求，設計了一種并聯(lián)電容式MEMS開關，芯片照片如圖1所示。開關芯片尺寸1mm×1mm，芯片厚450μm，輸入輸出端口為共面波導結構，通過驅(qū)動芯片中心的懸浮金屬膜橋?qū)νㄟ^芯片的微波信號實施“開”“關”功能。

2 開關設計

本文設計的使用在Ka頻段的MEMS開關，其微波傳輸路徑為共面波導結構，兩端口共面波導尺寸為G/S/G=80μm/100μm/80μm，中心區(qū)域為G/S/G=150μm/100μm/150μm。開關中心制備有金屬膜橋，金屬膜橋兩端錨區(qū)位于共面波導微波地上，中心橫跨微波信號傳輸線，懸浮于其上約1.5μm左右，膜橋下方的信號線上制備有介質(zhì)層薄膜。金屬膜橋下方，位于信號線兩端制備了靜電吸引電極，通過在其上施加直流電壓在電極與金屬膜橋之間產(chǎn)生靜電力對金屬膜橋進行吸引，從而改變金屬膜橋與微波信號傳輸線之間的電容量大小，即通過金屬膜橋的形變改變微波信號傳輸線與微波地之間的耦合電容，最終利用該原理實現(xiàn)了微波信號傳輸“通”和“斷”的功能。開關在未施加驅(qū)動電壓時，沒有靜電力對其進行吸引，這時開關金屬膜橋與信號傳輸線之間的電容為開態(tài)電容，記為CUP。開態(tài)時，開關回波損耗主要由開態(tài)電容決定，與其等效電感和等效電阻關系不大。開關開態(tài)回波損耗表達式為：

（1）

其中，開態(tài)電容CUP表達式如下：

（2）

其中，為空氣介電常數(shù)，為介質(zhì)層介電常數(shù)，和W為金屬膜橋與信號傳輸線交疊區(qū)域的尺寸大小，為金屬膜橋的初始懸浮高度，為絕緣介質(zhì)層厚度。一般由于邊緣電容的問題，該開態(tài)電容比理論值要大20%～40%。當在膜下電極上施加直流偏壓后，在電極和膜橋之間會產(chǎn)生靜電力對膜橋進行吸引，當驅(qū)動電壓達到“Pull-in”電壓時，該膜橋會產(chǎn)生塌陷，與信號線上的介質(zhì)層緊密貼合。此時膜橋與信號線之間的電容為關態(tài)電容，記為CDOWN，表達式為：

（3）

開關隔離度主要由關態(tài)電容CDOWN決定，表達式為：

（4）

其中，為膜橋的總等效電感，為膜橋總的等效電阻，為傳輸線特性阻抗，為關態(tài)的諧振頻率。

MEMS開關的CUP，CDOWN是影響開關微波性能最大的因素，如何優(yōu)化開關結構和工藝以在Ka頻段達到最理想的性能指標是本設計的關鍵。通過使用HFSS軟件，本文對使用在Ka頻段的MEMS開關進行了模型仿真，優(yōu)化其結構，最終獲得了理想的微波特性，其中隔離度在Ka頻段均優(yōu)于20dB，插入損耗優(yōu)于0.16dB。

3 芯片制備和性能測試

該MEMS開關利用表面犧牲層工藝進行芯片制備，具體工藝步驟如下所述：（1）襯底準備：高阻硅基底，熱氧化制備二氧化硅絕緣層；（2）利用濺射工藝制備CPW底金層；（3）利用電鍍工藝制備CPW層，并利用刻蝕工藝進行圖形化處理；（4）利用PECVD工藝制備氮化硅介質(zhì)層，利用RIE工藝對介質(zhì)層進行刻蝕；（5）利用懸涂和光刻工藝制備聚酰亞胺犧牲層；（6）利用濺射工藝制備金屬梁底金層；（7）利用電鍍工藝制備金屬梁，并利用刻蝕工藝完成金屬梁的圖形化處理；（8）利用灰化設備去除聚酰亞胺犧牲層，進行犧牲層的干法釋放，完成芯片制備。

利用BRUKER DektakXT型臺階儀和VK-8710型激光形貌儀對芯片的表面形貌進行了測試。三維形貌測試結果可得：芯片開關金屬膜橋厚約2μm，金屬膜橋整體略微呈現(xiàn)張應力，由此造成膜橋中心區(qū)域稍許存在拱起狀態(tài)，導致中心區(qū)域高度略大于金屬膜橋的整體懸浮高度，此高度偏差經(jīng)測試在0.2μm以下。開關金屬膜橋整體平整度保持較好，存在的微小形變未對開關的微波特性和機械性能產(chǎn)生較明顯影響。

開關微波特性利用CASCADE微波探針臺和R&S ZAV50型矢量網(wǎng)絡分析儀對回波損耗、插入損耗、隔離度和驅(qū)動電壓指標進行了測試，圖2～3為該開關的插入損耗和隔離度測試曲線。該開關可在Ka頻段使用，插入損耗典型值0.13dB@27GHz，0.28dB@40GHz，隔離度在Ka頻段優(yōu)于22dB，回波損耗優(yōu)于30dB，驅(qū)動電壓在50V～70V之間。

4 結語

本文設計了一種使用在Ka頻段的MEMS開關，文中給出了開關的設計、工藝和性能測試結果。該開關為并聯(lián)電容式MEMS開關，通過結構優(yōu)化設計得到了較好的性能指標，在應用頻段范圍內(nèi)插入損耗優(yōu)于0.28dB，隔離度優(yōu)于22dB，驅(qū)動電壓在50V～70V之間，較為適用于大型的開關陣列，例如相控陣雷達系統(tǒng)和可重構天線系統(tǒng)之中。

參考文獻

[1]S.C.Bera，K.Basak，V.K.Jain，“Schottky diode-based microwave limiter with adjustable threshold power level”，Microwave and Optical Technology Letters 2010，vol.52，no 7，pp-1671-1673.

[2]E.Gatard，R.Sommet，P.Bouysse，“High power S Band limiter simulation with a physics-based accurate nonlinear PIN diode model”，Proc.European Microwave Week 2007 Conference，pp.72-75.

[3]R.Malmqvist，“Monolithic integration of millimeter-wave RF-MEMS switch circuits and LNAs using a GaAs MMIC foundry process technology”，IEEE MTT-S International Microwave Workshop Series on Millimeter Wave Integration Technologies，2011，pp-148-151.

[4]G.M.Rebeiz，“RF-MEMS：Theory，Design andTechnology”，New York：J.Wiley & Sons，2003.