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低驅(qū)動電壓RF MEMS懸臂梁開關(guān)的對比研究*

作者:歐書俊,張國俊, 王姝婭,等 時間:2020-06-29 來源:電子產(chǎn)品世界 收藏

  歐書俊,張國俊,王姝婭,戴麗萍,鐘志親(電子科技大學(xué) 電子薄膜與集成器件國家重點實驗室,四川 成都 611731)

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/202006/414845.htm

  摘 要:本文針對一字型開關(guān),提出了兩種降低開關(guān)的方法,分別為:增大局部驅(qū)動面積和降低。根據(jù)這兩種方法設(shè)計了4種形狀的開關(guān),分別為增大局部驅(qū)動面積的十字型梁,降低的三叉戟型、蟹鉗型和折疊型梁。在梁的長度、厚度和初始間隙等參數(shù)一致的情況下,通過CMOSOL軟件建模仿真得到了這4種,分別為7.2 V、5.6 V、3.8 V和3.6 V。相比于為9 V的一字型懸臂梁,優(yōu)化后的這4款開關(guān)可以降低驅(qū)動電壓。并且低方面,比增大局部驅(qū)動面積的開關(guān)效率要高。

  關(guān)鍵詞:;懸臂梁;驅(qū)動電壓;彈性系數(shù)

  *基金項目:電子科技大學(xué)電子薄膜與集成器件國家重點實驗室開放基金支持

  0 引言

  RF MEMS開關(guān)無論是在民品還是軍品都有著廣泛的應(yīng)用,相對于傳統(tǒng)的PIN二極管開關(guān)和GaAs開關(guān)有著巨大的優(yōu)勢,并具有低插入損耗、高隔離、線性度極好、低功耗、體積小和低成本的優(yōu)點[1-2]。

  目前,RF MEMS開關(guān)存在著較高的驅(qū)動電壓,靜電MEMS開關(guān)通常需要高達30~80 V的驅(qū)動電壓[3]。在通訊系統(tǒng)中,就需要利用變壓器將輸入很低的控制電壓提升到所需的驅(qū)動電壓,這限制了RF MEMS開關(guān)的應(yīng)用以及單片式微波集成電路(MMIC)的集成。如果降低了MEMS開關(guān)的驅(qū)動電壓,不但可以擴大RF MEMS開關(guān)的應(yīng)用范圍,而且可以增強開關(guān)的性能,因此低驅(qū)動電壓的開關(guān)也能應(yīng)用于MMIC中[4]。

  懸臂梁開關(guān)相比于固支梁開關(guān)具有更低的驅(qū)動電壓。本文在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上,提出了增大局部驅(qū)動面積和低彈性系數(shù)的懸臂梁來減小驅(qū)動電壓的方法。通過CMOSOL軟件建模對不同形狀的懸臂梁開關(guān)進行仿真驗證。在梁的長度、厚度和初始間隙等不變的情況下,得到了通過增大局部驅(qū)動面積和降低彈性系數(shù)的懸臂梁可以降低驅(qū)動電壓,并且低彈性系數(shù)的懸臂梁對降低驅(qū)動電壓的效率更高。

  1 開關(guān)工作原理

  圖1為懸臂梁開關(guān)原理示意圖,其中懸臂梁左端固定,右端是可動的懸空結(jié)構(gòu)。懸臂梁和驅(qū)動電極之間形成平行板電容,當(dāng)驅(qū)動電極未施加電壓時,懸臂梁處于初始位置,開關(guān)處于斷開狀態(tài);當(dāng)驅(qū)動電極施加電壓時,梁上會產(chǎn)生靜電力,并在靜電力的作用下向下運動,在靜電力足夠大時,懸臂梁的觸點金屬和信號電極接觸,左右信號電極導(dǎo)通,此時開關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)。為了避免開關(guān)導(dǎo)通時直流驅(qū)動電路對微波通路的影響,通常在驅(qū)動電極上沉積一層絕緣層。

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  由射頻微系統(tǒng)的相關(guān)知識可知:梁的不穩(wěn)定狀態(tài)g和驅(qū)動電壓Vp分別為[5]

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  其中:g為懸臂梁到驅(qū)動電極之間的間隙,g0為初始間隙。懸臂梁寬度ω,驅(qū)動電極寬度W。

  2 一字梁的彈性系數(shù)

  當(dāng)驅(qū)動電壓升到Vp 時,懸臂梁在靜電力作用下會快速下拉,此時觸點金屬和信號電極接觸,則信號導(dǎo)通。從式(2)可以看出,懸臂梁的彈性系數(shù) k是計算懸臂梁的驅(qū)動電壓的關(guān)鍵,接下來我們對彈性系數(shù)的 k值進行分析。

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  如圖2 所示, 當(dāng)一字型懸臂梁的任意位置受到均布載荷時[6],由材料力學(xué)知識可得: dP =ξ dx ,

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  其中:ξ為單位長度的載荷大小,y為懸臂梁的撓度,E為梁材料的彈性模量,l為梁的長度,I為轉(zhuǎn)動慣量,對于矩形截面,則I=ωt3/12,其中t為梁的寬度。

  在靜電力載荷的作用下懸臂梁的變形程度很小,可以用胡克定律F=kx來描述,即

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  解得:

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  當(dāng)載荷均布在整個梁上時, 即 a=0、b=1,k=2Eωt3/3l3。對于共面波導(dǎo)(CPW)傳輸線,載荷在梁下方正中間位置,寬度為梁長的1/3,即a=l/3、b=2l/3,此時k=54Eωt3/69l3。將k帶入式(2)可以得到理想情況下的驅(qū)動電壓公式。

  3 開關(guān)的機電仿真

  由于CPW的傳輸優(yōu)勢,RF MEMS開關(guān)通常選擇CPW的傳輸模式[7],但是k的增加導(dǎo)致了驅(qū)動電壓的增加,所以在CPW傳輸模式中設(shè)計具有低彈性系數(shù)的懸臂梁顯得至關(guān)重要。

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  圖3為一字型懸臂梁驅(qū)動電壓的仿真結(jié)果。當(dāng)梁的長度l=300 μm、梁的寬度t=2 μm、懸臂梁到驅(qū)動電極之間的初始間隙g0=2 μm時,懸臂梁在9 V驅(qū)動電壓下的Z向位移圖如圖3(a)所示。圖3(b)~3(d)分別為改變不同參數(shù)情況下得到的驅(qū)動電壓圖,從中可以得到理論和仿真結(jié)果的變化趨勢一致,但在數(shù)值上理論計算小于仿真結(jié)果,主要原因是仿真時可在梁的周圍設(shè)置空氣層,梁產(chǎn)生形變過程中會影響空氣層中電場分布,因此增大了驅(qū)動電壓的仿真結(jié)果。

  圖3 ( a ) 懸臂梁在9 V驅(qū)動電壓下的Z向位移圖(l=300 μm,t=2 μm,g0=2 μm);一字型懸臂梁驅(qū)動電壓的理論計算和仿真數(shù)值對比圖,(b) 當(dāng)l為變量,(t=2 μm、g0=2 μm);圖(c) t為變量,(l=300 μm、g0=2μm);(d) g0為變量,(l=300 μm、t=2 μm)。

  針對一字型懸臂梁模型進行了改進,分別提出了4種優(yōu)化模型,并采用COMSOL軟件對4種開關(guān)模型進行機電仿真分析,由于金的楊氏模量為70 GPa相對較小,泊松比ν為0.44,在幾何參數(shù)一致的情況下具有相對較小的彈性系數(shù),所以選擇金作為懸臂梁材料。與圖3(a)中的一字型懸臂梁模型對比,圖4(a)為增大局部驅(qū)動面積的十字型懸臂梁模型;圖4 (b)~(d)分別為未增大局部驅(qū)動面積但是降低了彈性系數(shù)的三叉戟型、蟹鉗型和折疊型的懸臂梁模型(左邊一列為4種優(yōu)化的懸臂梁模型的俯視圖,其尺寸都標(biāo)注在圖中,右邊一列為左邊模型對應(yīng)的懸臂梁在不同電壓下發(fā)生的形變量)。當(dāng)Z方向的形變量下降了g0/3 (約為 -0.7 μm) 時對應(yīng)的電壓為驅(qū)動電壓,從形變圖中可以得到,十字型懸臂梁的驅(qū)動電壓為7.2 V;三叉戟型的驅(qū)動電壓為5.6 V;蟹鉗型的驅(qū)動電壓為3.8 V;折疊型的懸臂梁的驅(qū)動電壓3.6 V。對不同的模型施加其對應(yīng)的驅(qū)動電壓得到的Z向位移分布如圖5所示,其懸臂梁的自由端在驅(qū)動電壓下向下運動,顏色標(biāo)注為模型發(fā)生的形變量的大小。

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  表1 中列出了不同形狀的梁在不同驅(qū)動電壓下的Z向位移量的具體值,并給出了不同梁的驅(qū)動電壓,驗證了增大局部驅(qū)動面積和降低彈性系數(shù)的懸臂梁可以減小驅(qū)動電壓。然后在相同梁長的情況下對比了通過上述兩種方法設(shè)計的懸臂梁的驅(qū)動電壓大小,由對比結(jié)果可知,在梁長、厚度和初始間隙等參數(shù)一致的情況下,低彈性系數(shù)的梁對降低驅(qū)動電壓的效率比局部增大驅(qū)動面積要高很多。

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  注:表中“-”意為位移量已經(jīng)遠大于臨界不穩(wěn)定狀態(tài)的位移,所以沒有統(tǒng)計。

  4 結(jié)論與分析

  通過理論分析和仿真,并與傳統(tǒng)的一字型懸臂梁作對比,驗證了增大局部驅(qū)動面積和降低彈性系數(shù)可以減小懸臂梁開關(guān)的驅(qū)動電壓。并且降低彈性系數(shù)的懸臂梁比增大局部驅(qū)動面積的懸臂梁在降低驅(qū)動電壓方面更有效。在選擇低彈性系數(shù)的懸臂梁開關(guān)材料時也可以選擇彈性模量較大的材料,如多晶硅、氮化硅等硅化物形成單層或者多層結(jié)構(gòu)的梁,這將有利于降低成本以及工藝的可集成性。

  參考文獻:[1] REBEIZ G M, MULDAVIN J B. RF MEMS switches andswitch circuits [J]. IEEE Microwave Magazine, 2001, 2(4):59-71.

  [2] MULDAVIN J B, REBEIZ G M. High-isolation CPWMEMS shunt switches. 1. Modeling [J]. IEEE Transactionson Microwave Theory and Techniques, 2002, 48(6): 1045-1052.

  [3] LAI Y L, CHANG L H. Design of electrostatically actuatedMEMS switches[J]. Colloids & Surfaces A Physicochemical& Engineering Aspects, 2008, 313-314(none):469-473[ 4 ] HAR V E Y S . Newma n . R F MEMS s w i t c h e s a n da p p l i c a t i o n s [ C ] / / R e l i a b i l i t y P h y s i c s S y m p o s i umProceedings, 2002. 40th Annual. IEEE, 2002.

  [5] BEBEIZ G M. RF MEMS理論·設(shè)計·技術(shù)[M].黃慶安, 廖小平,譯. 南京:東南大學(xué)出版社, 2005.

  [6] 劉慶玲.不同加載方式對微懸臂梁彈性系數(shù)的影響[J].機械設(shè)計與研究, 2008, 24(3): 49-51.

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 ?。ㄗⅲ罕疚膩碓从诳萍计诳峨娮赢a(chǎn)品世界》2020年第07期第73頁,歡迎您寫論文時引用,并注明出處。)



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