一種L～U 波段RF MEMS 單刀十?dāng)S開關(guān)的設(shè)計(jì)?

湛永鑫 吳倩楠 陳 玉 郭宏磊 李孟委

（1.中北大學(xué)儀器與電子學(xué)院 太原 030051）（2.中北大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院 太原 030051）（3.中北大學(xué)半導(dǎo)體與物理學(xué)院 太原 030051）

1 引言

射頻MEMS（Radio Frequency Micro-Electro-Mechanical System，RF MEMS）技術(shù)是指利用微電子機(jī)械系統(tǒng)技術(shù)，設(shè)計(jì)加工出具有處理射頻和微波頻率電路中信號(hào)功能的器件［1～2］。由于利用RF MEMS 技術(shù)設(shè)計(jì)的單刀多擲開關(guān)（single-pole multi-throw switch，SPMT）顯示出優(yōu)越的射頻性能，其逐漸成為實(shí)現(xiàn)射頻器件（如濾波器、延時(shí)器、諧振器）多通道、可調(diào)控等功能的理想選擇［3～5］。

當(dāng)前絕大多數(shù)單刀多擲開關(guān)（8 擲以上）的工作頻段均低于20GHz，在高頻段的工作性能仍有較大研究空間。2014 年中國科學(xué)院上海高等研究院設(shè)計(jì)的SP8T開關(guān)，在0～2.4 GHz頻段內(nèi)各通道的插入損耗≤1dB 且隔離度≥35dB［6］，該開關(guān)存在工作頻段低，頻段范圍窄的問題。2015 年，美國加州大學(xué)團(tuán)隊(duì)提出的SP11T 開關(guān)［7］，在0.1GHz～10GHz頻段內(nèi)各通道隔離度在17dB～50dB，插入損耗在0.3dB～1.7dB，該開關(guān)存在工作頻段低，且各端口射頻性能差異大的問題。2017 年印度理工學(xué)院電子應(yīng)用研究中心設(shè)計(jì)了一種SP10T 開關(guān)［8］，在DC～12 GHz頻段內(nèi)其插損≤1.5 dB，隔離度≥16.3dB，該開關(guān)存在工作頻段低，且隔離度較低的問題。2018年印度理工學(xué)院又設(shè)計(jì)了一種SP8T 開關(guān)［9］，在0～40GHz的頻段內(nèi)各通道隔離度大于13.6dB，插入損耗＜2.16dB，該開關(guān)存在隔離度低的問題。

針對(duì)以上單刀多擲開關(guān)的問題，本文介紹了一種工作范圍在1GHz～60GHz 的寬頻帶RF MEMS 單刀十?dāng)S開關(guān)。通過對(duì)SP10T 開關(guān)傳輸線結(jié)構(gòu)和上電極結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，達(dá)到減少信號(hào)損耗、提高隔離度和降低下拉電壓的目的。該單刀十?dāng)S開關(guān)的設(shè)計(jì)思路為1GHz～60GHz 頻段內(nèi)微波器件多路信號(hào)選通提供了參考方案。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文利用HFSS 軟件構(gòu)建單刀十?dāng)S開關(guān)模型。該模型采用共面波導(dǎo)線（Coplanar waveguide，CPW），信號(hào)通道一入十出，通道呈傘型分布，相鄰?fù)ǖ篱g夾角為32.727272°，由位于中央的圓盤型功率分配器連接［10］，通過對(duì)不同開關(guān)施加驅(qū)動(dòng)電壓選擇相應(yīng)通道導(dǎo)通，開關(guān)結(jié)構(gòu)如圖1所示，SP10T開關(guān)的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1 所示。為具體展示本器件優(yōu)勢，以下著重從兩部分進(jìn)行闡述，分別是開關(guān)上電極結(jié)構(gòu)和傳輸線結(jié)構(gòu)。

表1 單刀六擲開關(guān)的結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖1 單刀六擲開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 三角形上電極設(shè)計(jì)

本文采用串聯(lián)接觸式RF MEMS 開關(guān)，開關(guān)上電極為懸臂梁結(jié)構(gòu)，即上電極的一端由錨點(diǎn)固定在信號(hào)線上、另一端懸于觸點(diǎn)上方。通過對(duì)懸臂梁下方驅(qū)動(dòng)電極施加電壓，使上電極在靜電力的作用下產(chǎn)生位移致信號(hào)導(dǎo)通［11］。由RF MEMS的相關(guān)理論可知，使開關(guān)閉合導(dǎo)通的驅(qū)動(dòng)電壓［12］為

式中k 表示開關(guān)上電極的彈性系數(shù)；E 表示材料楊氏模量；w 表示上電極寬度，l 表示上電極長度，t 表示上電極厚度，A 表示開關(guān)上電極與下電極正對(duì)驅(qū)動(dòng)面積；g0表示上電極和下電極的初始間距；ε0表示空氣相對(duì)介電常數(shù)。從上述公式可以看出，驅(qū)動(dòng)電壓與彈性系數(shù)成正比，與驅(qū)動(dòng)面積成反比。

目前多數(shù)開關(guān)采用矩形的直板式上電極［13］，如圖2（a）所示。由于在降低驅(qū)動(dòng)電壓方面降低懸臂梁彈性系數(shù)比增大局部驅(qū)動(dòng)面積更有效［12］，因此本文采用三角形上電極結(jié)構(gòu)，如圖2（b）所示。該結(jié)構(gòu)通過減小懸臂梁寬度降低彈性系數(shù)，并在上極板開若干個(gè)開孔，從而減小開關(guān)下拉的空氣阻尼［14］，以獲得更低的驅(qū)動(dòng)電壓。另外，在上極板開孔有利于開關(guān)工藝加工中犧牲層的釋放。與傳統(tǒng)上電極相比，該結(jié)構(gòu)前端金屬接觸面積遠(yuǎn)小于傳輸線寬度，較小接觸面積會(huì)減少金屬間的粘附，增加接觸壓力，提供了更好的隔離。

圖2 兩種上電極結(jié)構(gòu)示意圖

為了驗(yàn)證優(yōu)化后的三角形上電極結(jié)構(gòu)易于下拉，采用COMSOL軟件在兩種上電極上施加等同的壓力，仿真結(jié)果如圖3 所示，直板型上電極位移量為0.8μm，三角形上電極位移量為2.64μm。結(jié)果表明三角形上電極結(jié)構(gòu)相對(duì)于直板型上電極結(jié)構(gòu)更易下拉，利用上述公式，計(jì)算可得懸臂梁等效彈性系數(shù)為5.32N/m，三角形上電極驅(qū)動(dòng)電壓為13V。

圖3 同等壓力下不同結(jié)構(gòu)位移示意圖

為了驗(yàn)證三角形上電極結(jié)構(gòu)可以提高開關(guān)隔離度，采用HFSS 軟件對(duì)兩種結(jié)構(gòu)的開關(guān)進(jìn)行仿真對(duì)比，結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯?，在1GHz～60GHz頻率范圍內(nèi)，三角形上電極結(jié)構(gòu)能有效提高開關(guān)隔離度。

圖4 不同上電極結(jié)構(gòu)的插入損耗性能

2.2 漸進(jìn)傳線設(shè)計(jì)

SPMT開關(guān)由于其單通道輸入多通道輸出的特性，在器件內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)CPW 傳輸結(jié)構(gòu)不連續(xù)的情況，這種不連續(xù)情況極易產(chǎn)生槽線模式，通常采取架設(shè)空氣橋的方法進(jìn)行抑制［15］。又因空氣橋與下方信號(hào)線形成平行板結(jié)構(gòu)會(huì)引入并聯(lián)電容，進(jìn)而使用階躍補(bǔ)償結(jié)構(gòu)來減輕這種寄生效應(yīng)［16］，如圖5（a）所示。

圖5 兩種傳輸結(jié)構(gòu)示意圖

階躍補(bǔ)償結(jié)構(gòu)雖可以抑制寄生電容，但信號(hào)線寬度驟減處會(huì)產(chǎn)生直角電荷集聚效應(yīng)，且寬度的改變會(huì)使得傳輸線不匹配，影響傳輸線的射頻性能。針對(duì)此情況，本文采取漸進(jìn)傳輸線設(shè)計(jì)，如圖5（b）所示。漸進(jìn)傳輸線設(shè)計(jì)即在階躍補(bǔ)償結(jié)構(gòu)處對(duì)進(jìn)行45°切角，且增加窄信號(hào)線兩側(cè)地線的寬度，維持傳輸線匹配。

為了驗(yàn)證漸進(jìn)傳輸線結(jié)構(gòu)對(duì)傳輸線的射頻性能的優(yōu)化，采用HFSS 軟件對(duì)兩種傳輸結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真。圖6 為兩種結(jié)構(gòu)回波阻耗仿真結(jié)果的對(duì)比，可以看出，漸進(jìn)傳輸線設(shè)計(jì)具有良好的回波阻耗性能，可在內(nèi)部CPW 傳輸結(jié)構(gòu)不連續(xù)的射頻器件中運(yùn)用。

圖6 不同傳輸結(jié)構(gòu)的回波阻耗性能仿真

3 仿真結(jié)果

本文使用HFSS軟件對(duì)單刀十?dāng)S開關(guān)模型單通道導(dǎo)通情況下，導(dǎo)通端口的插入損耗值和余下端口的隔離度進(jìn)行仿真，圖7（a）～（j）為十個(gè)端口依次導(dǎo)通的仿真結(jié)果。從圖中不難得出，在1～GHz60GHz頻段內(nèi)，port1 和port2 端口的插入損耗<2dB，port3～port10 端口的插入損耗均≤0.59dB，所有端口的隔離度≥30dB?？v觀圖7（a）～（j）的數(shù)據(jù)顯示，通道越靠近輸入端，通道導(dǎo)通的插入損耗結(jié)果越差，其中port1 的插入損耗最大為1.97dB@60GHz，port 6 的插入損耗最小為0.38dB@60GHz。單端口導(dǎo)通余下端口的隔離度均在30.64dB@60GHz～37.22dB@60GHz。

圖7 單刀十?dāng)S開關(guān)S參數(shù)仿真結(jié)果圖

如表2 所示，通過對(duì)本文與現(xiàn)有單刀多擲開關(guān)的性能對(duì)比可以看出，目前已有的不同種類單刀多擲開關(guān)存在工作頻段低、頻段范圍窄、隔離度低的問題。相比之下，本文所設(shè)計(jì)的RF MEMS SP10T開關(guān)，不僅開關(guān)彈性系數(shù)小易于驅(qū)動(dòng)，且在1GHz～60GHz 頻段內(nèi)有著良好的隔離度和插入損耗性能。雖然本文開關(guān)各端口射頻性能的一致性有待提高，但綜合比較而言，本文設(shè)計(jì)的單刀十?dāng)S開關(guān)具有較大的性能優(yōu)勢和較高的應(yīng)用潛力。

表2 SPMT開關(guān)射頻性能對(duì)比

4 工藝設(shè)計(jì)

為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)單刀十?dāng)S開關(guān)的實(shí)用化，本文根據(jù)微納表面制造技術(shù)，對(duì)開關(guān)的工藝流程進(jìn)行設(shè)計(jì)，并展開詳細(xì)說明。開關(guān)襯底選用500um厚的純石英玻璃，CPW 結(jié)構(gòu)及開關(guān)上電極均采用電鍍Au完成。工藝方案采用6 層掩膜（分別標(biāo)記為#1-#6），經(jīng)6次光刻完成，具體流片過程如圖8所示。

圖8 工藝制作流程示意圖

1）備片。將晶片放入石英方舟中，將石英方舟浸入有機(jī)溶液中，直至溶液完全浸沒晶片，清洗后的晶片用等離子水反復(fù)沖洗三次，后用氮?dú)鈽尨蹈?，備片完成?/p>

2）凸點(diǎn)制作。將晶片表面沉積一層500um 的Si3N4隔離層，后用#1 光刻板進(jìn)行光刻顯影，最后將晶片刻蝕后形成凸點(diǎn)。

3）驅(qū)動(dòng)電極制作。將晶片濺射一層500μm 的金屬Al，后用#2 光刻板進(jìn)行光刻顯影，最后將晶片放入無機(jī)溶劑進(jìn)行濕法腐蝕，沖洗吹干。

4）CPW 制作。將晶片表面沉積一層400μm 的Si3N4隔離層，再先后濺射50um 金屬Ti 和150μm 金屬Au，后用#3光刻板進(jìn)行光刻顯影，將光刻后的晶片放入電鍍箱進(jìn)行CPW 電鍍，CPW 高度為2μm。最后將電鍍好的晶片放入無機(jī)溶劑濕法腐蝕，沖洗吹干。

5）Pad 開窗。用#4 光刻板進(jìn)行光刻顯影，后對(duì)Pad表面的Si3N4進(jìn)行刻蝕，最后對(duì)晶片沖洗吹干。

6）錨點(diǎn)制備。對(duì)晶片進(jìn)行犧牲層旋涂，旋涂高度為3um，待犧牲層預(yù)固化。用#5光刻板進(jìn)行光刻顯影，后將晶片放入氮?dú)夂嫦涔袒癄奚鼘?，完成此步驟。

7）電鍍上電極。將晶片表面濺射一層150μm金屬Au 作為電鍍種子層，再用#6 光刻板進(jìn)行光刻顯影，完成后將晶片放入電鍍箱進(jìn)行上電極電鍍，電鍍厚度為2μm，最后把電鍍好的晶片放入無機(jī)溶劑濕法腐蝕，沖洗吹干。

8）釋放犧牲層。采用氧等離子體干法刻蝕犧牲層，釋放得到SP10T開關(guān)。

9）劃片。犧牲層釋放完成后，通過Disco 切割機(jī)用軟刀按照切割標(biāo)記完成晶片的裂片，至此樣品制作完成。

5 結(jié)語

本文提出的傘型單刀十?dāng)S開關(guān)主要利用三角形上電極結(jié)構(gòu)和漸進(jìn)傳輸線結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，使得開關(guān)驅(qū)動(dòng)電壓為13V，器件隔離度滿足≥30dB@60 GHz，輸入端兩側(cè)輸出端口的插入損耗<2dB，其余端口插入損耗≤0.59dB，且整體尺寸為0.85mm×0.85mm×0.5mm。雖然器件各端口射頻性能的一致性有待提高，但綜合性能優(yōu)于目前其他單刀多擲開關(guān)。最后對(duì)單刀十?dāng)S開關(guān)加工流程進(jìn)行設(shè)計(jì)，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)單刀十?dāng)S開關(guān)的制造提供了可能。該器件體積小、頻帶寬、多通道的特點(diǎn)以及優(yōu)越的射頻性能在日后為無線通信系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)和儀器測量系統(tǒng)等對(duì)射頻性能要求高的領(lǐng)域提供一種技術(shù)方法。