W波段直板型电容式MEMS开关设计*

曹钎龙, 吴倩楠, 韩路路, 王 宇, 李孟委

(1.中北大学南通智能光机电研究院,江苏 南通 226000；2.中北大学 仪器与电子学院,山西 太原 030051；3.中北大学前沿交叉科学研究院,山西 太原 030051)

0 引 言

随着6G通信、物联网技术、卫星通信的发展,新一代通信系统和测试系统对射频前端的工作频率、系统体积、功耗等性能提出更高的要求[1,2]。射频微机电系统(radio frequency MEMS,RF MEMS)开关具有插入损耗低、隔离度高、功耗低、线性度好等优点,能够满足新一代微波通信系统、测试系统等对电子元器件应用的需求,在通信系统、自动化测试等领域具有广泛的应用前景[3～6]。

单刀双掷开关作为射频系统控制信道选择的重要元器件,其性能对系统整体工作性能具有重要的影响。为了满足射频前端对高频器件的需求,研究人员对高频开关进行了研究[7]。2019年,印度电子工程研究所提出了一种多频段工作的电容式单刀双掷开关,其中心工作频率为9.4,11.6,25.2 GHz,隔离度大于30 dB[8]。2020年,俄罗斯南方联邦大学提出了一种电容式单刀双掷开关[9],工作频率在24～34 GHz,在中心频率29 GHz处隔离度大于53 dB,插入损耗小于1 dB。2020年,中北大学一种工作频段K～D波段的电容式单刀单掷开关[10,11],在中心频率90 GHz处隔离度33 dB。但是这些开关存在工作频率低、隔离度低的问题,难以满足高频系统对器件的应用需求。

针对通信系统等中射频前端对元器件工作频率、插入损耗、隔离度等性能的需求,本文设计了一种工作频段在W波段的单刀双掷开关,能够满足卫星通信、物联网技术、测试系统等射频前端对元器件工作性能的要求。

1 电容式RF MEMS开关工作原理

双掷开关是实现射频前端信号切换的重要电子元器件,其在射频前端中的作用如图1所示[7]。射频前端的天线收发信号时,通过单刀双掷开关对信道进行选择,与本振信号进行混频处理后放大,之后进行中频信号的分析处理。因此，单刀双掷开关在射频前端进行信号选择中具有重要作用,其性能对信号质量具有重要影响。

RF MEMS开关根据导通方式的不同[11，12],分为电阻接触式和电容耦合式两种。电阻接触式开关在低频和直流状态下,具有较低的插入损耗和隔离度。然而电容耦合式利用耦合电容的特性,在高频段具有更低的插入损耗[13,14]。因此,为了满足射频系统对开关高频工作的性能要求,本设计开关形式采用电容耦合式。电容耦合式开关在电极表面覆盖一层介电层,在开关上、下电极接触时,形成接触电容,将高频信号耦合到输出电极,实现信号的导通与断开,其工作原理如图2所示。

图2 电容式开关工作原理

电容耦合式MEMS开关在静电力的驱动实现信号的耦合,其上电极与信号线等效为可变电容。当开关处于断开状态时,信号进行端口传输,其电容值可计算得

(1)

电容耦合式MEMS开关在静电力驱动实现信号的耦合,其上电极与信号线接触,与介电层形成电容,此时等效电容发生变化,信号耦合到接地端[15,16]。此时，当开关处于闭合状态时,其电容值可计算得

(2)

同时，为了保证开关具有良好的信号传输性能,其电容比应约为40～80,这样保证开关具有好的射频传输性能。

2 开关结构设计

本文设计的单刀双掷开关结构由衬底、信号传输线、功分器、驱动电极、介电层、上电极等部分组成。采用共面波导(coplanar wave-guide,CPW)形式进行射频信号的传输,端口阻抗匹配设计为50 Ω(G/W/G为75 μm/10 μm/75 μm),满足测试系统对端口阻抗的需求。所设计单刀双掷开关整体结构如图3所示。

图3 电容式单刀双掷RF MEMS开关结构

开关采用表面微加工技术制备,为了减少由于衬底对高频信号的损耗,设计中采用相对介电常数较小的硼磷硅玻璃(BFF33),相对介电常数4.6,厚度为500 μm。由于金(Au)具有良好的信号传输性能,采用薄膜工艺制备Au作为结构层材料,其厚度为2 μm。开关上电极采用双端固支梁结构,通过在梁的表面增加圆形释放孔,其直径为8 μm,从而减少制备过程中容易引入的结构应力。所设计开关结构参数如表1所示。

表1 并联电容式MEMS开关结构参数 μm

从图3中可以看出,本设计开关采用对称结构设计,信号从端口1输入时,通过静电力控制端口2或端口3的上电极,从而控制端口之间信号传输。由于电容式RF MEMS开关的射频性能与开关电容比有关,因此,本文重点研究了影响开关电容比的介电层材料、空气间隙等因素对开关性能的影响。

3 RF MEMS开关仿真结果

本文构建了电容式单刀双掷射频MEMS开关的结构模型,利用HFSS电磁波仿真软件对射频单刀双掷MEMS开关的性能进行数值仿真计算,重点研究优化了开关电容比的介电层材料、空气间隙等因素对开关射频影响,设计得到了工作频段宽、隔离度优的RF MEMS单刀双掷开关。

3.1 介电层对开关性能的影响

高频信号在不同的电容中具有不同的传输性能,电容是影响其传输性能的重要因素。并联式开关中介电层对开关电容是决定开关电容比的重要因素,因此本文研究了氮化硅(Si3N4,相对介电常数7)、二氧化硅(SiO2,相对介电常数4)、单晶硅薄膜(Si,相对介电常数11.9)等介电层材料对开关射频性能的影响。利用HFSS仿真软件对不同介电常数材料进行了数值仿真分析,其结果如图4所示。

图4 射频性能与介电层材料之间的关系

从图4中可以看出,采用介电常数较大的介电层能够有效提高开关电容比,从而降低插入损耗,提高其隔离度,因此，在开关设计中应该采用介电常数较高的薄膜作为电容式开关的介电层。

3.2 空气间隙对开关性能的影响

空气间隙是开关处于断开状态时,影响其电容值的重要因素,对高频信号的传输具有重要影响。图5为不同空气间隙对开关射频性能的影响。从图中可以看出,所设计开关在空气间隙为2 μm时,插入损耗插入损耗小于1.7 dB,隔离度大于40 dB,因此开关结构设计中空气间隙为2 μm。

图5 空气间隙对开关射频性能的影响

采用单晶硅薄膜作为介电层材料,同时优化开关电极之间的空气间隙后,通过HFSS数值计算后的仿真结果如图6所示,从图中可以看出,在80～100 GHz范围内,开关插入损耗小于1.7 dB,开关隔离度大于40 dB。

图6 开关射频性能优化仿真结果

3.3 开关工作表面电流分布

当端口1输入射频信号时,将端口2开关开启,端口3闭合,通过HFSS仿真可知,其表面电流分布如图7所示,从图中可以看出,端口电流在开关闭合处,通过开关上电极耦合到信号线接地端子,从而保证开关处于高隔离状态。同时为了避免信号之间的干扰,在开关同时工作时,端口2和端口3之间具有较大的隔离度,能够有效地减小射频前端收发天线之间的信号串扰,保证信号的完整性。由图7可知,电磁耦合处电流强度为8.93×101A/m,使信号能够得到有效隔离,从而提高开关性能。

图7 开关表面电流分布

表2为所设计的单刀双掷开关与已发表成果的对比。已前期的成果相比,本文设计单刀双掷开关具有工作频率高、频带宽、隔离度高等优点。

表2 射频MEMS开关的比较

4 RF MEMS开关工艺制备

采用微机械表面加工工艺制备所设计的单刀双掷开关,通过薄膜工艺制备开关结构。考虑到开关工作过程中常见的接触点失效现象,如接触点材料转移、接触点污染等,设计中采用TiW合金材料作为接触点材料,增加开关的工作寿命,同时选用SiO2为牺牲层,采用气相刻蚀技术,减少有机材料的污染,以提高开关工作可靠性。

如图8所示，所设计工艺流程：a.清洗衬底表面杂质后,利用等离子增强化学气相沉积技术(plasma enhanced chemical vapor deposition,PECVD)制备200 nm Si3N4薄膜,作为绝缘层,避免器件发生电击穿现象。b.采用磁控溅射技术,制备500 nm铝(Al)作为开关静电驱动电极。c.使用微电镀工艺制备厚度2 μm的开关信号线,用于射频信号的传输。d.采用低压化学气相沉积技术(low pressure chemical vapor deposition,LPCVD)制备3 μm的SiO2作为牺牲层,同时沉积Si薄膜作为介电层。e.采用为电镀工艺制备2 μm的Au作为开关上电极。f.利用HF作为释放气体进行结构的释放,最终得到单刀双掷RF MEMS开关。

图8 单刀双掷射频MEMS开关工艺流程

5 结 论

针对卫星通信、物联网等射频前端对高频电子器件的需求,设计了一种工作在W波段的直板型电容式射频MEMS单刀双掷开关。该开关采用静电驱动方式,具有工作频段宽、隔离度高、尺寸小等特点,仿真结果表明:在80～100 GHz范围内,其插入损耗小于1.7 dB,隔离度大于40 dB,具有良好的射频性能、较小的体积,能够满足卫星通信、射频测试系统等领域对新一代电子元器件性能的需求,为推动射频探测系统向更高频段发展具有重要的意义。