应用研究
一种 Ka 频段 MEMS 开关的研制
董自强赵博石国超
(中国电子科技集团公司第五十四研究所河北石家庄050081)
与
摘要:设计了一种应用于Ka频段的并联电客式MEMS开关，该开关利用表面特性层工艺制备,具有低损耗、高隔高度等特点。经测试,开关在K 频段内，四波损耗优于30dB,插入损耗典型值-0.13dB@27GHz，优于-0.28dB@40GHz,隔高度全频段优于22dB,驱动电压在50V~70V范图。
关键调:MEMS开关电容式Ka频段中图分类号：TH703;TN63
文献标识码：A
1前言
文章编号:1007-9416(2014)02-0068-02
4
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固态开关在通信系统和军事雷达系统中有着广泛的应用，具备较优异的开关速度和带宽。但是，固态开关较大的直流功耗等不足使得其不太适合应用于较大型的开关阵列中，例如大型的相控阵系统和可重构系统。MEMS开关具备隔离度高、插人损耗低、儿乎零功耗(nJ级)以及成本低、体积小等优点，尤其在毫米波频段，其较低的插人损耗能够显著提升通信系统的性能，因此在高性能微波系统中MEMS开关逐渐开始展现出较大的优势。目前，国内外已有多家机构对各频段的MEMS开关进行了研究围。本文基于Ka赖段的应用需求，设计了一种并联电容式MEMS开关，芯片照片如图1所示。开关芯片尺寸lmm×1mm，芯片厚450μm，输人输出端口为共面波导结构，通过驱动芯片中心的悬浮金属膜桥对通过芯
片的微波信号实施“开”“关*功能。 2开关设计
本文设计的使用在Ka段的MEMS开关，其微波传输路径为共面波导结构，两端口共面被导尺寸为G/S/G=80μm/100μm/ 80μm,中心区域为G/S/G=150μm/100μm/150μm。开关中心制备有金属膜桥，金属膜桥两端锚区位于共面波导微波地上，中心横跨微波信号传输线，悬浮于其上约1.5μm左右，膜桥下方的信号线上制备有介质层薄膜。金属膜桥下方，位于信号线两端制备了静电吸引电极，通过在其上施加直流电压在电极与金属膜桥之间产生静电力对金属膜桥进行吸引，从而改变金属膜桥与微波信号传输线之间的电容量大小，即通过金属膜桥的形变改变微波信号传输线与微波地之间的精合电容，最终利用该原理实现了微波信号传输“通” 和"断"的功能。开关在未施加驱动电压时，没有静电力对其进行吸引，这时开关金属膜桥与信号传输线之间的电容为开态电客，记为 Cup。开态时，开关回波损耗主要由开态电容决定，与其等效电感和等效电阻关系不大，开关开态回波损耗表达式为：
ISucipz
其中，开态电容Cu表达式如下：
"oW
Cup =
Bo+(°%/)
(1)(2)
其中，E为空气介电常数，s,为介质层介电常数，w和W为金属膜桥与信号传输线交叠区域的尺寸大小,8。为金属膜桥的初始浮高度，t。为绝缘介质层厚度。一般由于边缘电容的问题，该开态电容比理论值要大20%40%。当在膜下电极上施加直流偏压后，在电极和膜桥之闻间会产生静电力对膜桥进行吸引，当驱动电压达到“Pull-in"电压时，该膜桥会产生塌陷，与信号线上的介质层紧密贴合。此时膜桥与信号线之间的电容为关态电容，记为Crows+表达式为：
Cooww=galy
td
开关离度主要由关态电容Cpown决定，表达式为：
(3)
IS/2
4R（
(ffo)(f= fo)
(4)
(%<)
其中,L为膜桥的总等效电感,Rs为膜桥总的等效电阻,Z。为传输线特性阻抗，f。=1/(2/LCpowN)为关态的谱振频率。
MEMS开关的Cp，Cow是影响开关微波性能最大的因素，如何优化开关结构和工艺以在Ka频段达到最理想的性能指标是本设计的关键。通过使用HFSS软件，本文对使用在Ka频段的MEMS开关进行了模型仿真，优化其结构，最终获得了理想的微波特性，其中
隔离度在Ka频段均优于20dB，插人损耗优于0.16dB。 3芯片制备和性能测试
该MEMS开关利用表面性层工艺进行芯片制备，具体工艺步骤如下所述：(1对底准备：高阻硅基底，热氧化制备二氧化硅绝缘层；(2) 利用溅射工艺制备CPW底金层；(3)利用电镀工艺制备CPW层，并利用刻蚀工艺进行图形化处理；(4)利用PECVD工艺制备氮化硅介质层，利用RIE工艺对介质层进行刻蚀：(5)利用是涂和光刻工艺制备聚酷亚胺摘性层;(6)利用摄射工艺制备金属梁底金层;(7)利用电镀工艺制备金属梁，并利用刻蚀工艺完成金属染的图形化处理(8)利用灰化设备去除聚酰亚胺牺牲层，进行栖牲层的干法释放，完成芯片制备，
利用BRUKERDektakXT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，三维形貌测试结果可得：芯片开关金属膜桥厚约2μⅡ，金属膜桥整体略微呈现张应力，由此造成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0.2μm以下。开关金属膜桥整体平整度保持较好，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。
合质层共面缺导
激励电板
回。
全气模
图1MEMS开关芯片照片
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作者简介：董自强(1982-),男，工程师，博士，主要研究方向：RFMEMS技术