許馬會，劉鳳麗，郝永平

(沈陽理工大學，a.CAD/CAM技術研究與開發(fā)中心;b.機械工程學院，沈陽 110159)

引言

RF MEMS開關是以傳統(tǒng)微電子為基礎發(fā)展起來的一種新興產物，是無線通訊領域的重要器件。它具有成本低、體積小、重量輕、可靠性高等優(yōu)點，在軍、民用領域和微波集成電路中具有廣泛的應用前景［1-3］。按照傳統(tǒng)分類方法，RF MEMS可分為固定器件和可動器件。固定RF MEMS器件包括本體微機械加工傳輸線、濾波器和耦合器，可動RF MEMS器件包括開關、調諧器和可變電容［4］;按照在高頻毫米波電路的應用來看，RF MEMS開關有兩種基本形式:并聯開關和串聯開關［5］。

本文所設計的結構與傳統(tǒng)的懸臂梁開關結構相似，但它比懸臂梁開關具有更快的恢復力、較高的開關速度、較長的開關壽命，還能防止粘附問題和介質擊穿問題以及吸合之后兩邊的接觸端出現翹曲現象(懸臂梁開關如果結構尺寸設計的不合理，開關吸合之后，在接觸端會出現翹曲現象);與目前射頻系統(tǒng)中所用的電控開關(PIN二極管或GaAs FET)相比，RF MEMS并聯開關采用微機械執(zhí)行方式，沒有半導體PN結或金屬半導體結，插入損耗很低(可小于0.2 dB，而PIN或FET的插入損耗總大于l dB)，隔離性能很好，互調失真極低［6］。

1 并聯開關的結構設計

1.1 基本原理

并聯開關的結構如圖1。

此并聯開關是兩端固定的，梁和驅動電極之間形成一個電容，當在梁和驅動電極之間加一偏置電壓時，在梁上就會產生一個下拉靜電力，當偏置電壓的值達到驅動電壓的值時，梁迅速下落，和下電極緊密接觸，這時上下兩個接觸電極接觸，開關導通。圖2為并聯開關AA方向的斷開和閉合的剖視圖。

1.2 結構設計

并聯開關采用高電阻率(3000 Ω·cm)的硅襯底，相對介電常數εr=11.9，襯底厚度50 μm。同時為了減少傳輸線的導體損耗，選用金作為導體材料，金的電導率為4.1 ×107s/m，厚度為 1 μm，介質層采用的是 SiO2。由于開關的吸合電壓不僅和開關的材料有關，而且還和開關的結構尺寸、工藝過程緊密相關，因此本文通過分析開關的結構尺寸，利用 CoventorWare軟件對 RF MEMES開關進行工藝設計，見表1。

圖1 并聯開關的仰視圖

圖2 并聯開關A－A方向的斷開和閉合的剖視圖

表1 開關的工藝步驟

為了保證吸合電壓不能過大(可能會造成開關失效)或過小(不易控制)，因此所設計的開關的吸合電壓控制在30 V左右，初定開關的尺寸見表2。

表2 開關的結構尺寸 (單位:μm)

經仿真分析，此時吸合電壓為16 V，不滿足要求。經過反復驗算，最終確定開關的結構尺寸見表3。

表3 開關的結構尺寸 (單位:μm)

此開關的結構主要由梁、驅動電極、接觸電極組成。其中在驅動電極上有一層介電層，為了避免開關作用時直流控制電壓的短路。

2 特性分析及影響因素

2.1 開關的準靜態(tài)分析——吸合電壓分析

計算開關吸合電壓的方法很多:有采用簡單的一維平板假設進行計算［3］;當考慮梁的彎曲之后的狀態(tài)時，有采用豎直平面的二維方法進行計算［7］;還有完全采用三維的有限元方法進行計算。采用一維方法最簡單，精度也相對較低，三維的方法最精確，也是最復雜的。為了在易用性和精度上都能達到要求，已經有采用準一維來計算開關的吸合電壓的方法問世［8-9］，也就是將二維的問題轉化為一維問題進行處理。

本文所介紹的并聯開關，計算吸合電壓所采用的是Coventor Ware軟件中的Saber系統(tǒng)仿真法和有限元分析法。

2.1.1 Saber系統(tǒng)仿真分析吸合電壓

根據第一部分所設計的開關結構尺寸，利用Coventor Ware軟件中的Saber進行系統(tǒng)級分析，結果如圖3所示。

當極板間距為2 μm時，電壓達到26 V，懸臂梁和驅動極板發(fā)生吸合效應，所以26 V為懸臂梁的吸合電壓。

2.1.2 有限元法分析吸合電壓

根據開關的結構尺寸，利用CoventorWare軟件中的有限元分析吸合電壓。圖4為并聯開關的FEM模型。經分析可以得出懸臂梁的吸合電壓，結果如圖5所示，吸合電壓大約在28 V左右。

圖3 系統(tǒng)級求解電壓與位移的關系曲線

圖4 并聯開關的FEM模型

圖5 有限元法求解電壓與位移的關系曲線

此次采用是 Manhattan bricks的網格類型，X、Y、Z的尺寸為10、10、8。如果將網格的劃分尺寸減為一半，仿真得出的吸合電壓只相差0.3 V，但仿真的時間是原來的8倍，所以在保證結果相差不超過1%的情況下，盡量將網格尺寸定大一些(結合開關的尺寸)。

上述兩種方法得出的吸合電壓結果相差2V。然后利用公式［10］:

其中k為彈性系數，A為驅動電極的正對面積，Vpi為開關的吸合電壓，ε0為極板間介質的介電常數，go為極板初始間距。此結構中 k=5.2，A=31 200 μm2，εo=3.9，g0=2 μm，經計算開關的吸合電壓Vpi≈23 V。從上述結果可以看出，利用公式計算出的結果與其他兩種方法得出的結果也有3～5 V的差距，但Saber(幾秒)比有限元(1小時以上)和公式法要快，所以在做系統(tǒng)仿真時一般會用Saber仿真，至于哪個更精確，還有待做實驗進一步確定。

2.2 動態(tài)特性分析

2.2.1 瞬態(tài)應力分析

RF MEMS開關不僅要在閾值加速度可調范圍內能夠安全可靠地工作，還要具有一定的抗過載能力。利用CoventorWare軟件中的Analyzer對RF MEMS開關進行瞬態(tài)動力學分析，在Z軸負方向施加周期為800 μs正弦波形，閾值加速度值為10000 g，其應力分布如圖6所示。RF MEMS開關所受到最大應力發(fā)生在兩端支撐梁錨區(qū)的根部，只要滿足這部分的應力值小于材料的許用應力，彈性元件就不會發(fā)生塑性形變，就能使RF MEMS開關實現抗過載保護。多晶硅的許用應力:

其中，n為安全系數，一般取n=4～5。

圖6 瞬態(tài)應力圖

2.2.2 均布載荷分析

利用CoventorWare軟件中的Analyzer對RF MEMS開關進行均布載荷分析，在梁的Z方向上加0.01MPa的均布載荷，由圖7可知，當梁的最大偏移量達到4.2 um時，梁將發(fā)生斷裂。

2.3 影響開關吸合電壓的因素

影響開關吸合電壓的因素主要有開關的材料與尺寸［11］，下面用改變參數的寬度和長度來介紹尺寸對吸合電壓的影響。圖8為增大和減小左右兩端緊貼錨區(qū)兩個梁的寬度，吸合電壓的變化情況。

圖7 均布載荷圖

圖8 改變左右兩端緊貼錨區(qū)兩個梁的寬度

圖9為增大和減小左右兩端緊貼錨區(qū)兩個梁的寬度，吸合電壓的變化情況。

圖9 改變左右兩端緊貼錨區(qū)兩個梁的長度

圖10為增大和減小下驅動電極的長度，吸合電壓的變化情況。

圖10 改變驅動電極的長度

圖11為減小下接觸電極的長度，吸合電壓的變化情況。

圖11 改變下接觸電極的長度

圖12為減小隔斷部分兩個梁的長度，吸合電壓的變化情況。

圖12 改變隔斷部分兩個梁的長度

通過圖8～圖12仿真結果，可以得出以下結論:

(1)改變開關參數的長度和寬度對吸合電壓的影響是不一樣的，吸合電壓會隨著長度的增加而減小(減小而增大)，隨著寬度的增大而增大(減小而減小)。

(2)改變隔斷部分兩個梁的長度(下接觸電極的長度)，當長度超過25 um(45 um)時，吸合電壓保持在26 V，不發(fā)生變化。

(3)吸合電壓不隨下接觸電極寬度的變化而變化。

(4)如果改變下驅動電極或隔斷部分兩個梁其中一個參數的寬度，另一個參數的寬度也將隨之變化，因此不能確定吸合電壓的變化情況。

3 結束語

本文在研究并聯開關結構的基礎上，進一步分析了開關的靜態(tài)特性和動態(tài)特性，以及影響吸合電壓的主要因素。通過對開關吸合電壓的分析，可以得出Saber系統(tǒng)分析法要比有限元法運算的速度快、效率高，因此Saber系統(tǒng)分析法是未來的發(fā)展趨勢。對于影響開關吸合電壓因素的分析可以得出，改變參數的不同結構尺寸，對吸合電壓的影響是不同的。

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