歐姆接觸式RF MEMS開關(guān)設(shè)計(jì)與仿真*

李向光，黃欽文，王蘊(yùn)輝

（1.電子元器件可靠性物理及其應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，

廣東廣州 530610;2.中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，山西 太原 030051）

0 引言

微機(jī)械開關(guān)是最早開始研究的RF MEMS器件，經(jīng)過近20年的研究，在設(shè)計(jì)、制造、可靠性等方面都已取得了很大的進(jìn)展，是最有希望實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用的RF MEMS器件之一。MEMS開關(guān)利用微機(jī)械結(jié)構(gòu)的動作實(shí)現(xiàn)開關(guān)狀態(tài)的切換，具有插入損耗低、隔離度高、信號截止頻率高以及功耗小等優(yōu)點(diǎn)。RF MEMS開關(guān)能夠?qū)崿F(xiàn)移相器陣列［1］、信道選擇、可變?yōu)V波器、接收器等，可廣泛用于雷達(dá)、汽車?yán)走_(dá)、衛(wèi)星通信、無線通信等領(lǐng)域。

歐姆接觸式開關(guān)在低頻和直流時(shí)插入損耗很低，在20～40GHz范圍內(nèi)絕緣性能較好［2］;一般用作串聯(lián)開關(guān)。Petersen K E［3］最早提出了基于硅懸臂梁和薄Au層的接觸式MEMS開關(guān);但為了在微波范圍內(nèi)追求更低的插入損耗，常用金屬材料來構(gòu)成開關(guān)的機(jī)械結(jié)構(gòu)。由于Au具有很高的導(dǎo)電性和抗腐蝕性，并且易于變形，阻抗低，熔點(diǎn)高，因此，成為MEMS開關(guān)中應(yīng)用最廣泛的材料之一。

本文中的開關(guān)結(jié)構(gòu)采用雙懸臂梁支撐，材料為Au。靜電驅(qū)動電壓是MEMS開關(guān)中重要的參數(shù)之一，并且驅(qū)動電壓越低越好，但過低電壓很可能導(dǎo)致開關(guān)其他性能減退，所以，應(yīng)綜合考慮。諧振頻率決定了開關(guān)動作的最高頻率，只有在控制開關(guān)的頻率低于其諧振頻率時(shí)，才不會影響開關(guān)的正常工作;可靠性是MEMS開關(guān)的重點(diǎn)研究內(nèi)容之一，而接觸式開關(guān)中可靠性與金屬觸頭關(guān)系密切，本文分析了接觸力和接觸彈跳，指出它們可能引起的失效模式，為開關(guān)設(shè)計(jì)的優(yōu)化和可靠性提供依據(jù)和參考。

1 開關(guān)設(shè)計(jì)

1.1 工作原理

圖1是懸臂式RF MEMS開關(guān)的側(cè)面和俯視示意圖。開關(guān)由襯底材料、底電極、機(jī)械結(jié)構(gòu)和接觸點(diǎn)組成。當(dāng)施加的驅(qū)動電壓高于開關(guān)的下拉電壓時(shí)，上電極所在的梁在靜電力吸引下向下運(yùn)動，觸點(diǎn)相互接觸時(shí)形成信號的通路;撤去驅(qū)動電壓后，梁在機(jī)械回復(fù)力的作用下回到初始位置。

圖1MEMS開關(guān)示意圖Fig 1 Schematic diagram of MEMS switch

1.2 理論分析

對于懸臂梁的回復(fù)力（Fs）可近似等效為線性彈簧模型，彈簧的形變量為開關(guān)間隙的變化量，可表示為［4］

式中ks為懸臂梁的剛度;E為楊氏模量;g0為開關(guān)的初始間隙;g為施加電壓后開關(guān)的間隙;w，l，t分別為懸臂梁的寬度、長度和厚度。

開關(guān)為靜電驅(qū)動，靜電力的方程可表示為

其中，ε為真空介電常數(shù)，V為驅(qū)動電壓，A為靜電驅(qū)動面積，g為施加電壓后開關(guān)的間隙。

考慮到平衡位置Fe=Fs，由式（1）和式（2）可得［5］

對式（3）求導(dǎo)，并令導(dǎo)數(shù)為0，得到臨界點(diǎn)的位置位于g=2g0/3，將其代入式（3）可得到下拉電壓為

由下拉電壓的表達(dá)式可以看出:懸臂梁的剛度越低，下拉電壓就會越小;又因?yàn)閯偠扰c懸臂梁厚度的三次方呈比例，所以，降低剛度最有效的辦法就是減少梁的厚度;但降低厚度又會使開關(guān)速度減慢，并且在釋放工藝中更易產(chǎn)生粘附現(xiàn)象，所以，應(yīng)綜合考慮多方面的因素。

2 工藝仿真

Au具有良好的電性能和機(jī)械性能，所以，本文的開關(guān)結(jié)構(gòu)材料為Au;因?yàn)镸EMS開關(guān)一般為懸空的薄梁結(jié)構(gòu)，并且把IC集成作為發(fā)展目標(biāo)，所以，MEMS開關(guān)的制造主要利用表面微加工工藝［5］，而表面加工的關(guān)鍵是對犧牲層的選擇，此外還應(yīng)考慮到蝕刻速率、內(nèi)應(yīng)力、厚度等因素。

詳細(xì)的工藝流程如圖2所示，具體步驟為:1）淀積并刻蝕光刻形成底部金屬;2）淀積并刻蝕形成犧牲層;3）淀積結(jié)構(gòu)層，刻蝕形成接觸微坑，使導(dǎo)通電極率先接觸傳輸線;4）淀積并刻蝕形成頂部金屬層;5）除去犧牲層，釋放懸臂梁。

圖2 MEMS開關(guān)的詳細(xì)工藝流程Fig 2 Detailed process flow of MEMS switch

3 性能仿真

對于大多數(shù)不規(guī)則的器件，進(jìn)行常規(guī)的理論分析比較困難，要想精確計(jì)算器件的結(jié)構(gòu)、性能，還需解決靜電場和機(jī)械力的耦合問題［6］。例如:在1.2節(jié)中的理論分析是將上下極板簡化為平板電容器模型，并且忽略了邊緣效應(yīng)的影響，這個(gè)模型僅有助于理解靜電激勵(lì)的工作原理。為獲得比較精確結(jié)果，仿真則更貼近實(shí)際情況。開關(guān)的相關(guān)參數(shù)為:懸臂梁長度為 40 μm，寬度為 30 μm，驅(qū)動極板為64 μm ×160 μm，厚度為 3 μm，極板初始間隙為 3 μm，觸點(diǎn)為 6 μm ×6 μm，與接觸電極的距離為 2 μm。

3.1 驅(qū)動電壓

圖3清楚地反映出隨著驅(qū)動電壓的增大，開關(guān)末端的觸點(diǎn)由初始位置向下運(yùn)動，最終與信號傳輸線接觸，開關(guān)閉合。此外，在1（39.298 V）～2 μm（44 V）之間，圖形的斜率驟增，很好地體現(xiàn)了上述理論分析中關(guān)于“下拉”的描述。

3.2 接觸力

金屬接觸是歐姆接觸式開關(guān)中一個(gè)十分關(guān)鍵的問題，因?yàn)樗c開關(guān)的可靠性有直接的關(guān)系。本文中開關(guān)的材料為Au，Au接觸很容易形成較高的粘附力，當(dāng)回復(fù)力不足以使接觸斷開時(shí)就會產(chǎn)生粘附失效。通常MEMS開關(guān)中接觸力大小在μN(yùn)～mN的范圍內(nèi)［7］。接觸力也是MEMS開關(guān)接觸模型中一個(gè)十分重要的參數(shù)。

由圖4的結(jié)果可以看出:驅(qū)動電壓為70V時(shí)，接觸力為22.447 μN(yùn)開關(guān)閉合后，接觸力會隨著電壓的升高而升高，并且可近似為線性關(guān)系。

圖3 驅(qū)動電壓Fig 3 Actuation voltage

圖4 接觸力Fig 4 Contact force

3.3 頻率響應(yīng)

對開關(guān)進(jìn)行頻率響應(yīng)的分析在于找出開關(guān)的諧振頻率，諧振頻率決定了開關(guān)動作的最高頻率，只有在控制開關(guān)的頻率低于其諧振頻率時(shí)，才不會影響開關(guān)的正常工作。

圖5所示的結(jié)果是對開關(guān)進(jìn)行1～40 kHz掃頻分析時(shí)的頻率響應(yīng)，頻率為25.5 kHz時(shí)出現(xiàn)峰值。

圖5 頻率響應(yīng)Fig 5 Frequency response

3.4 開關(guān)彈跳與開關(guān)時(shí)間

如圖6（a）所示，開關(guān)從開始接觸到穩(wěn)定之前，會來回彈跳多次，文獻(xiàn)［8］中通過實(shí)驗(yàn)也觀察到了該現(xiàn)象。彈跳是由存儲于變形的懸臂梁和接觸材料中的能量引起的［9］。它會增加開關(guān)由閉合到穩(wěn)定的時(shí)間，彈跳過程中有可能造成粘附、接觸材料的局部硬化和點(diǎn)狀腐蝕等失效模式。壓膜阻尼是影響開關(guān)彈跳的一個(gè)重要因素。Guo Z J等人發(fā)現(xiàn)，開關(guān)閉合時(shí)，阻尼力的大小約為靜電力大小的13.5%［10］。

開關(guān)的閉合時(shí)間很大程度上依賴于驅(qū)動電壓，驅(qū)動電壓增大時(shí)會降低開關(guān)的閉合時(shí)間和由閉合到穩(wěn)定的時(shí)間。圖6（a）和（b）分別表示驅(qū)動電壓為50，60 V時(shí)開關(guān)的閉合情況（驅(qū)動電壓脈沖延遲為50 μs），由圖可知，閉合時(shí)間為31.2，27.78 μs，彈跳時(shí)間分別為 174.94，66.84 μs，由此可見，通過適當(dāng)增加電壓可以降低彈跳持續(xù)時(shí)間。但還應(yīng)注意的是，電壓過高也可能會引起驅(qū)動極板間的電擊穿，引起失效。

圖6 開關(guān)彈跳與開關(guān)時(shí)間Fig 6 Switch bounce and switch time

4 結(jié)論

本文通過對驅(qū)動電壓的理論分析得到，懸臂梁的剛度越低，下拉電壓就會越小;又因?yàn)閯偠扰c懸臂梁厚度的三次方呈比例，所以，降低剛度最有效的辦法就是減少梁的厚度;但降低厚度又會使開關(guān)速度減慢，并且在釋放工藝中更易產(chǎn)生粘附現(xiàn)象，所以，應(yīng)綜合考慮多方面的因素。針對設(shè)計(jì)的MEMS開關(guān)進(jìn)行了工藝實(shí)驗(yàn)與性能仿真，得到開關(guān)的閉合電壓為44 V;觸點(diǎn)的接觸力為22.45 μN(yùn);諧振頻率為25.5 kHz。開關(guān)閉合時(shí)，觸點(diǎn)接觸后并非立即穩(wěn)定，而是要彈跳數(shù)次后才趨于穩(wěn)定，此現(xiàn)象增加了開關(guān)從閉合到穩(wěn)定的時(shí)間，并且在彈跳的過程中還有可能造成粘附、接觸材料的局部硬化和點(diǎn)狀腐蝕等失效模式。驅(qū)動電壓分別為50，60V 時(shí)開關(guān)的彈跳時(shí)間分別為174.94，66.84μs，由此可見，通過適當(dāng)增加電壓可有效降低開關(guān)時(shí)間和由閉合到穩(wěn)定的時(shí)間。但電壓過高可能會造成驅(qū)動極板間的電擊穿，引起失效。

［1］Suzuki K，Chen S，Marumoto T，et al.A micromachined RF microswitch applicable to phased array antennas［J］.Microwave Symposium Digest，1999，4:1923-1926.

［2］Rebeiz Gabriel M.RF MEMS:Theory，design and technology［M］.New York:Wiley，2003.

［3］Petersen K E.Micromechanical membrane switch on silicon［J］.IBM Journal of Research and Development，1979，23（4）:376-385.

［4］Liu Bo，Lü Zhiqiu，He Xunjun，et al.Improving performance of the metal-to-metal contact RF MEMS switch with a Pt-Au microspring contact design［J］.Journal of Micromechanics and Microengineering，2011，21（6）:1-9.

［5］王喆垚.微系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2008.

［6］郭方敏，賴宗聲，朱自強(qiáng)，等.懸臂式RF MEMS開關(guān)的設(shè)計(jì)與研制［J］.半導(dǎo)體學(xué)報(bào)，2003，24（21）:1190-1195.

［7］Patton S T，Zabinski J S.Fundamental studies of Au contacts in MEMS RF switches［J］.Tribology Letters，2005，18（2）:215-230.

［8］Steeneken P G，Rijks Th G S M，Beek J T M Van，et al.Dynamic and squeeze film gas damping of a capacitive RF MEMS switch［J］.J Micromech Microeng，2005，15（1）:176-184.

［9］Brown Christopher John.Impact of environmental conditions on the contact physics of gold contact RF MEMS switches［D］.Raleigh:North Carolina State University，2008.

［10］Guo Z J，McGruer N E，Adams G G.Modeling，simulation and measurement of the dynamic performance of an ohmic contact，electrostatically actuated RF MEMS switch［J］.J Micromech Microeng，2007，17（9）:1899-1909.