Design and Fabrication of a Ultra Wideband Capacitance MEMS Switch

DONG Ziqiang，ZHAO Botao，SHI Guochao

(The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang 050081，China)

Design and Fabrication of a Ultra Wideband Capacitance MEMS Switch

DONG Ziqiang*，ZHAO Botao，SHI Guochao

(The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang 050081，China)

Based on the consideration of high performance in RF MEMS devices，an ultra wideband capacitance MEMS switch is reported，the fabricated switch keeps properties of high isolation，low insertion and ultra wideband. The switch is designed carefully by using ADS and HFSS software，and the fabrication processes are presented.The testing results show that the switch provides high isolation performance at 12.5 GHz～50 GHz，which is better than 20 dB.Its insertion loss is better than 0.3 dB@12.5～35 GHz，and is better than 0.5 dB@45 GHz.Meanwhile，its return loss is better than 20 dB，and the value of pull-in voltage is between 45V to 55V.

electronic warfare;RF MEMS switch;ultra wideband;dual beam;capacitance

随着武器装备的发展，现代电子对抗系统对大宽带与自适应等特性方面的需求越来越显著［1-3］。同时，舰载、机载、星载等微波、毫米波电路对微波器件的小型化、低功耗、低成本、高集成度、高性能等方面提出了较高的要求，传统平面集成电路工艺已经很难同时满足这些指标［4］。RF MEMS技术能够很好的解决上述问题，并能够满足电子对抗系统多频段、低损耗、高隔离、可重构等性能指标的要求［5］。同时，由于MEMS技术是基于半导体工艺技术发展而来，因此与集成电路具有较好的兼容性，具备低功耗、批量化生产、高精度、低成本等特点。利用三维封装技术对RF MEMS器件进行组合封装，能够实现小型化、高性能的射频微系统［6］。

现代电子对抗系统通常需要在较大频带范围内对信号进行侦测和干扰，因此就要求其硬件设备具有较大的使用带宽。目前，国内多家机构针对RF MEMS方向开展了大量研究工作，研制了多种RF MEMS开关［7-10］，并利用RF MEMS开关形成了滤波器、移相器、可重构网络等高性能微波组件［11-12］。

对于并联电容式MEMS开关而言，拓展其工作带宽的主要难点在于如何在保证开关插入损耗指标符合要求的前提下，增大开关的隔离度指标。由于电容式MEMS开关的开关膜桥与信号线之间的电容量是影响开关上述性能的主要因素，因此一般情况是通过提高开关关、开两种状态下的电容比来增大开关的使用带宽。但不论是通过优化电路结构还是选用高介电常数的介质层材料，对该电容比的提高都比较有限，不能够达到较理想的效果。双膜桥式MEMS开关由于具有双重隔离的特点，因此能够在不改变开关电容比的前提下，实现较好的隔离特性，有助于拓展开关的使用带宽。清华大学［13］和中电55所［14］之前均针对双膜桥式MEMS开关进行了研制，制备的MEMS开关获得了较好的隔离度指标，但其工作重点均只针对在一定频段范围内获得高隔离特性，未对拓展开关的使用带宽进行进一步研究。基于上述考虑和分析，本文利用双膜桥的设计结构，研制了一种超宽带MEMS开关，使得该开关能够在保证插入损耗指标符合要求的前提下，获得较好的隔离度性能，进而用于对使用带宽进行拓展。文中分析了开关的理论模型，进行了开关结构和制备工艺的设计，并进行芯片流水，最后给出了开关的性能测试结果。

研制的双膜桥式MEMS开关芯片如图1所示，开关整体尺寸1 mm×1 mm，电路部分采用共面波导(CPW)结构形式，上下两端为微波地平面，中心为微波信号传输线，开关的金属膜桥两端通过锚区固定于CPW的微波地上，金属膜桥中心横跨微波信号传输线，悬浮于其上高度约2 μm，信号线上制备有一层绝缘介质。每个金属膜桥下端均制备有两个与微波信号传输线物理隔离的直流驱动电极，工作时驱动电极施加直流电压，在其与膜桥之间生成静电力对金属膜桥进行吸引驱动。这种交直流隔离的设计很好的解决了驱动信号与微波信号之间的干扰问题。

图1 双膜桥式超宽带MEMS开关芯片照片

1 开关设计

由于MEMS开关芯片尺寸较小，其传输线特征尺寸一般在100 μm以下，因此可以用集总参数模型对其微波特性进行描述，图2为双膜桥式MEMS开关的等效电路模型。其中，共面波导由两部分组成，外侧CPW1和CPW4为芯片输入/输出端口的共面波导，波导阻抗与端口阻抗相同(=50 Ω)，CPW3和CPW4为与金属膜桥相邻的共面波导，波导阻抗与金属膜桥进行50 Ω阻抗匹配。R、L、C分别为金属膜桥的等效电阻、等效电感和等效电容。通过计算最后确定CPW1和CPW4尺寸为G/S/G=53/90/ 53，CPW2和CPW3尺寸为G/S/G=270/60/270。

图2 双膜桥式MEMS开关原理模型

当未在驱动电极上施加直流偏置电压时，开关膜桥与驱动电极之间没有静电力，金属膜桥无形变，开关处于开态，此时金属膜桥与信号传输线之间形成开态平板电容CUP。开态时开关等效电感和等效电阻均较小，开关微波特性主要由开态电容CUP决定，此电容由平板电容和边缘电容共同组成，一般边缘电容取平板电容的40%，因此开态电容表达式为:

其中，ε0为空气的介电常数，ω和W为金属膜桥与信号传输线交叠区域的宽、长，g0为金属膜桥的初始悬浮高度，td为绝缘介质层的厚度，εr为绝缘介质层的介电常数。当驱动电极施加直流偏置电压后，开关膜桥与电极之间形成静电力，金属膜桥受到静电吸引向下发生形变;当驱动电压达到“Pull-in”电压时，金属膜桥迅速塌陷至绝缘介质层表面，与介质层实现紧密贴合，开关处于关态。此时，金属膜桥与信号传输线之间的电容为关态电容CDOWN，开关隔离度指标主要由关态电容CDOWN决定，其表达式为:

开关两态的电容比可表示为:

开关开态回波损耗表达式为:

开关隔离度表达式为:

利用ADS软件，本文对单膜桥和双膜桥的MEMS开关的隔离度特性进行了仿真，图3为仿真曲线。从仿真结果可见，双膜桥式MEMS开关隔离度指标由单膜桥式的17 GHz～38 GHz使用频段拓展到12.5 GHz～50 GHz使用频段，并在50 GHz以上频段也有较大的应用空间。可见双膜桥式MEMS开关由于双重隔离特性，隔离度指标较单膜桥式有了较大幅度的改善，由此也大大拓宽了其应用带宽。设计利用ADS软件对开关的电学参数进行了计算，并利用HFSS软件进行了三维模型仿真，最终确定了开关的金属膜桥尺寸。

图3 双模桥和单膜桥结构开关隔离度仿真

2 芯片制备

该双膜桥式MEMS开关选用高阻硅基底作为衬底材料，制备工艺如下所述:①利用热氧化工艺在硅基衬底表面热氧化制备二氧化硅层，作为衬底绝缘层;②利用溅射和电镀工艺制备Cr/Au金属层后经过刻蚀完成CPW传输线的图形化;③利用PECVD工艺制备氮化硅介质层，然后利用RIE工艺进行刻蚀完成介质层的图形化;④利用旋涂工艺制备聚酰亚胺牺牲层，并光刻出牺牲层的形状;⑤溅射并电镀制备金属膜桥及其锚区;⑥牺牲层干法释放，最终完成整个MEMS开关的制备流程。

制备完成后，利用布鲁克DektakXT型台阶仪和VK-8710型激光形貌仪对芯片的表面形貌进行了测试，图4为激光形貌测试图，其中颜色反应芯片结构的变形情况，颜色越深，说明该部分高度越大。由三维形貌测试结果可得:芯片开关金属膜桥厚约2 μm，金属膜桥与微波信号传输线间距平均值约2 μm。由于金属膜桥是利用溅射和电镀工艺制备完成，由此就引入金属膜桥内部各金属膜层之间的应力匹配问题。该MEMS开关金属膜桥通过调节工艺参数进行应力匹配，制备完成后膜桥略微呈现张应力，该应力引起膜桥中心区域稍许存在拱起状态，导致中心区域高度略大于金属膜桥的整体悬浮高度，此高度偏差经测试在0.3 μm以下。开关金属膜桥整体平整度保持较好，经测试存在的微小形变未对开关的微波特性和机械性能产生较明显影响。

图4 开关表面形貌测试图

3 性能测试

研制的超宽带双膜桥式MEMS开关利用CASCADE Summit 11K型微波探针台和R＆S ZAV50型矢量网络分析仪对回波损耗、插入损耗、隔离度和驱动电压进行了测试，图5～图6为该开关的插入损耗和隔离度测试曲线。

图5 开关插入损耗测试曲线

图6 开关隔离度测试曲线

从测试结果可以看出，该开关可应用于12.5 GHz～50 GHz频段;插入损耗典型值为0.3 dB@ 12.5～35 GHz，优于0.5 dB@45 GHz;回波损耗优于30 dB@12.5～35 GHz，优于20 dB@35～50 GHz;隔离度优于35 dB@42.5～50 GHz，优于20 dB @其他频段。开关驱动电压介于45 V～55 V之间。目前，普通的单膜桥式MEMS开关在40G Hz以上频段范围隔离度均达不到应用要求，本文研制的双膜桥式MEMS开关，在保证回波损耗和插入损耗指标的前提下，大大提高了开关在高频段的隔离度指标，拓展了使用带宽，有利于提高电子对抗设备的整体性能。

4 结论

本文提出的双膜桥式MEMS开关通过特殊设计，实现了大宽带指标的要求，通过在共面波导传输线上制备两个开关膜桥结构，实现在关态时微波信号的双重隔离，极大地提高了在高频段(40～50GHz)范围开关的隔离度指标，并在应用频段内得到了较好的插入损耗指标和回波损耗指标。该开关能够用于电子对抗设备中，极大提高电子对抗设备微波性能，并有助于减小设备的体积、重量，增强灵活性。

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董自强(1982-)，男，工程师，博士，主要研究方向为RF MEMS技术，zqdong1982 @163.com;

赵博韬(1985-)，男，助理工程师，硕士，主要研究方向为微波电路与系统，zhaobotao@163.com;

石国超(1987-)，男，助理工程师，硕士，主要研究方向为微波电路与系统，shiguochao@163.com。

一种超宽带MEMS开关的研制

董自强*，赵博韬，石国超
(中国电子科技集团公司第五十四研究所，石家庄050081)

MEMS射频器件，特别是超宽带器件，对其中的射频器件提出了宽带指标的要求。以此为背景，在理论分析的基础上设计了一种应用于12.5 GHz～50 GHz频带的超宽带双膜桥式MEMS开关，该开关具备低损耗、高隔离度等特点，文中给出了开关的制备工艺，并进行流水完成了芯片制备。经测试，该开关在设计频段内，回波损耗优于20 dB，插入损耗典型值0.3 dB @12.5～35 GHz，优于0.5 dB@45 GHz，隔离度全频段优于20 dB，驱动电压在45 V～55 V之间。

电子对抗;RF-MEMS开关;超宽带;双膜桥;电容式

TN974;TM564

A

1004－1699(2014)03－0312－04

2014-01-09修改日期:2014-03-07

C:1180;2575;2180B

10.3969/j.issn.1004－1699.2014.03.007