欧姆接触式RF MEMS开关设计与仿真*

李向光，黄钦文，王蕴辉

（1.电子元器件可靠性物理及其应用技术重点实验室，

广东广州 530610;2.中北大学信息与通信工程学院，山西 太原 030051）

0 引言

微机械开关是最早开始研究的RF MEMS器件，经过近20年的研究，在设计、制造、可靠性等方面都已取得了很大的进展，是最有希望实现实际应用的RF MEMS器件之一。MEMS开关利用微机械结构的动作实现开关状态的切换，具有插入损耗低、隔离度高、信号截止频率高以及功耗小等优点。RF MEMS开关能够实现移相器阵列［1］、信道选择、可变滤波器、接收器等，可广泛用于雷达、汽车雷达、卫星通信、无线通信等领域。

欧姆接触式开关在低频和直流时插入损耗很低，在20～40GHz范围内绝缘性能较好［2］;一般用作串联开关。Petersen K E［3］最早提出了基于硅悬臂梁和薄Au层的接触式MEMS开关;但为了在微波范围内追求更低的插入损耗，常用金属材料来构成开关的机械结构。由于Au具有很高的导电性和抗腐蚀性，并且易于变形，阻抗低，熔点高，因此，成为MEMS开关中应用最广泛的材料之一。

本文中的开关结构采用双悬臂梁支撑，材料为Au。静电驱动电压是MEMS开关中重要的参数之一，并且驱动电压越低越好，但过低电压很可能导致开关其他性能减退，所以，应综合考虑。谐振频率决定了开关动作的最高频率，只有在控制开关的频率低于其谐振频率时，才不会影响开关的正常工作;可靠性是MEMS开关的重点研究内容之一，而接触式开关中可靠性与金属触头关系密切，本文分析了接触力和接触弹跳，指出它们可能引起的失效模式，为开关设计的优化和可靠性提供依据和参考。

1 开关设计

1.1 工作原理

图1是悬臂式RF MEMS开关的侧面和俯视示意图。开关由衬底材料、底电极、机械结构和接触点组成。当施加的驱动电压高于开关的下拉电压时，上电极所在的梁在静电力吸引下向下运动，触点相互接触时形成信号的通路;撤去驱动电压后，梁在机械回复力的作用下回到初始位置。

图1MEMS开关示意图Fig 1 Schematic diagram of MEMS switch

1.2 理论分析

对于悬臂梁的回复力（Fs）可近似等效为线性弹簧模型，弹簧的形变量为开关间隙的变化量，可表示为［4］

式中ks为悬臂梁的刚度;E为杨氏模量;g0为开关的初始间隙;g为施加电压后开关的间隙;w，l，t分别为悬臂梁的宽度、长度和厚度。

开关为静电驱动，静电力的方程可表示为

其中，ε为真空介电常数，V为驱动电压，A为静电驱动面积，g为施加电压后开关的间隙。

考虑到平衡位置Fe=Fs，由式（1）和式（2）可得［5］

对式（3）求导，并令导数为0，得到临界点的位置位于g=2g0/3，将其代入式（3）可得到下拉电压为

由下拉电压的表达式可以看出:悬臂梁的刚度越低，下拉电压就会越小;又因为刚度与悬臂梁厚度的三次方呈比例，所以，降低刚度最有效的办法就是减少梁的厚度;但降低厚度又会使开关速度减慢，并且在释放工艺中更易产生粘附现象，所以，应综合考虑多方面的因素。

2 工艺仿真

Au具有良好的电性能和机械性能，所以，本文的开关结构材料为Au;因为MEMS开关一般为悬空的薄梁结构，并且把IC集成作为发展目标，所以，MEMS开关的制造主要利用表面微加工工艺［5］，而表面加工的关键是对牺牲层的选择，此外还应考虑到蚀刻速率、内应力、厚度等因素。

详细的工艺流程如图2所示，具体步骤为:1）淀积并刻蚀光刻形成底部金属;2）淀积并刻蚀形成牺牲层;3）淀积结构层，刻蚀形成接触微坑，使导通电极率先接触传输线;4）淀积并刻蚀形成顶部金属层;5）除去牺牲层，释放悬臂梁。

图2 MEMS开关的详细工艺流程Fig 2 Detailed process flow of MEMS switch

3 性能仿真

对于大多数不规则的器件，进行常规的理论分析比较困难，要想精确计算器件的结构、性能，还需解决静电场和机械力的耦合问题［6］。例如:在1.2节中的理论分析是将上下极板简化为平板电容器模型，并且忽略了边缘效应的影响，这个模型仅有助于理解静电激励的工作原理。为获得比较精确结果，仿真则更贴近实际情况。开关的相关参数为:悬臂梁长度为 40 μm，宽度为 30 μm，驱动极板为64 μm ×160 μm，厚度为 3 μm，极板初始间隙为 3 μm，触点为 6 μm ×6 μm，与接触电极的距离为 2 μm。

3.1 驱动电压

图3清楚地反映出随着驱动电压的增大，开关末端的触点由初始位置向下运动，最终与信号传输线接触，开关闭合。此外，在1（39.298 V）～2 μm（44 V）之间，图形的斜率骤增，很好地体现了上述理论分析中关于“下拉”的描述。

3.2 接触力

金属接触是欧姆接触式开关中一个十分关键的问题，因为它与开关的可靠性有直接的关系。本文中开关的材料为Au，Au接触很容易形成较高的粘附力，当回复力不足以使接触断开时就会产生粘附失效。通常MEMS开关中接触力大小在μN～mN的范围内［7］。接触力也是MEMS开关接触模型中一个十分重要的参数。

由图4的结果可以看出:驱动电压为70V时，接触力为22.447 μN开关闭合后，接触力会随着电压的升高而升高，并且可近似为线性关系。

图3 驱动电压Fig 3 Actuation voltage

图4 接触力Fig 4 Contact force

3.3 频率响应

对开关进行频率响应的分析在于找出开关的谐振频率，谐振频率决定了开关动作的最高频率，只有在控制开关的频率低于其谐振频率时，才不会影响开关的正常工作。

图5所示的结果是对开关进行1～40 kHz扫频分析时的频率响应，频率为25.5 kHz时出现峰值。

图5 频率响应Fig 5 Frequency response

3.4 开关弹跳与开关时间

如图6（a）所示，开关从开始接触到稳定之前，会来回弹跳多次，文献［8］中通过实验也观察到了该现象。弹跳是由存储于变形的悬臂梁和接触材料中的能量引起的［9］。它会增加开关由闭合到稳定的时间，弹跳过程中有可能造成粘附、接触材料的局部硬化和点状腐蚀等失效模式。压膜阻尼是影响开关弹跳的一个重要因素。Guo Z J等人发现，开关闭合时，阻尼力的大小约为静电力大小的13.5%［10］。

开关的闭合时间很大程度上依赖于驱动电压，驱动电压增大时会降低开关的闭合时间和由闭合到稳定的时间。图6（a）和（b）分别表示驱动电压为50，60 V时开关的闭合情况（驱动电压脉冲延迟为50 μs），由图可知，闭合时间为31.2，27.78 μs，弹跳时间分别为 174.94，66.84 μs，由此可见，通过适当增加电压可以降低弹跳持续时间。但还应注意的是，电压过高也可能会引起驱动极板间的电击穿，引起失效。

图6 开关弹跳与开关时间Fig 6 Switch bounce and switch time

4 结论

本文通过对驱动电压的理论分析得到，悬臂梁的刚度越低，下拉电压就会越小;又因为刚度与悬臂梁厚度的三次方呈比例，所以，降低刚度最有效的办法就是减少梁的厚度;但降低厚度又会使开关速度减慢，并且在释放工艺中更易产生粘附现象，所以，应综合考虑多方面的因素。针对设计的MEMS开关进行了工艺实验与性能仿真，得到开关的闭合电压为44 V;触点的接触力为22.45 μN;谐振频率为25.5 kHz。开关闭合时，触点接触后并非立即稳定，而是要弹跳数次后才趋于稳定，此现象增加了开关从闭合到稳定的时间，并且在弹跳的过程中还有可能造成粘附、接触材料的局部硬化和点状腐蚀等失效模式。驱动电压分别为50，60V 时开关的弹跳时间分别为174.94，66.84μs，由此可见，通过适当增加电压可有效降低开关时间和由闭合到稳定的时间。但电压过高可能会造成驱动极板间的电击穿，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.微系统设计与制造［M］.北京:清华大学出版社，2008.

［6］郭方敏，赖宗声，朱自强，等.悬臂式RF MEMS开关的设计与研制［J］.半导体学报，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.