低壓驅(qū)動(dòng)RF MEMS開關(guān)設(shè)計(jì)與模擬

考慮到電容式開關(guān)仍存在的介質(zhì)擊穿問(wèn)題，這里對(duì)其結(jié)構(gòu)加以改進(jìn)，將扭轉(zhuǎn)臂杠桿與打孔電容膜相結(jié)合，在減小驅(qū)動(dòng)電壓和提高開關(guān)速度的同時(shí)，又不影響電容比，一定程度上抑制了電擊穿。其工作原理是：push電極加電壓時(shí)杠桿上抬，介質(zhì)膜與接觸膜間距離增大導(dǎo)致其耦合電容很小，信號(hào)通過(guò)傳輸線；pull電極加電壓時(shí)杠桿下拉，耦合電容變大，微波信號(hào)被反射。材料選擇上仍以Au和S3N4為主，某些部分可用A1代替Au。結(jié)構(gòu)與尺寸的設(shè)計(jì)上由超越方程與開關(guān)通斷下的電容方程得到估計(jì)值，下極板為25×25(單位制采用μMKSV，長(zhǎng)度單位為μm，下同)，其上附有絕緣介質(zhì)層，孔為3．4×3．4，杠桿為100x30，結(jié)構(gòu)層為20×20，極板厚度為1。用ANSYS仿真得到圖3所示結(jié)果。

在ANSYS做靜電耦合與模態(tài)分析后利用ANSOFT HFSS對(duì)該開關(guān)進(jìn)行3D電磁場(chǎng)仿真，進(jìn)一步求得其插入損耗與隔離度，確定共面波導(dǎo)和接觸膜的結(jié)構(gòu)，從而完善開關(guān)的射頻性能。建模時(shí)忽略開關(guān)的彎曲，定義材料特性與空氣輻射邊界，利用wave port端口進(jìn)行仿真，分別求解開態(tài)的插入損耗和關(guān)態(tài)的隔離度。介質(zhì)層較薄時(shí)，開關(guān)在10 GHz附近具有良好的隔離度，且插入損耗在1 dB以下。

3 RF MEMS開關(guān)的制備工藝
合理選擇生長(zhǎng)介質(zhì)膜的工藝對(duì)開關(guān)性能有很大影響，本文的RF MEMS開關(guān)需要在基底表面生長(zhǎng)一層氮化硅膜，一般選擇LP-CVD工藝，而介質(zhì)膜則選擇PECVD工藝為宜，金屬膜的性能要求相對(duì)較低，用濺射方法即可。考慮到基底要求漏電流與損耗盡可能小，選取高阻硅與二氧化硅做基底，后者保證了絕緣要求。金質(zhì)信號(hào)線與下極板通過(guò)正膠剝離形成，電子束蒸發(fā)得到鋁質(zhì)上極板。但從可行性考慮，部分方案的工藝實(shí)現(xiàn)對(duì)于國(guó)內(nèi)的加工工藝尚有難度，只能犧牲微系統(tǒng)的性能來(lái)達(dá)到加工條件。

4 結(jié)語(yǔ)
本文主要從結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了創(chuàng)新，通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)仿真分析得到了理論解，一定程度上滿足了設(shè)計(jì)初衷，但在工藝上還不成熟。更低的驅(qū)動(dòng)電壓和更高的開關(guān)頻率仍是亟待解決的問(wèn)題，另外如何保證實(shí)際產(chǎn)品的可靠性、實(shí)用性也是未來(lái)的研究重點(diǎn)。