高榮惠，趙 龍，崔建利，張斌珍

（中北大學 電子測試技術(shù)重點實驗室，山西 太原030051）

0 引 言

隨著射頻（RF）、微波技術(shù)的迅速發(fā)展，國際上諸多知名科研機構(gòu)和高校都將RF MEMS視為重點研究方向.RF MEMS技術(shù)中多采用的是平面電路技術(shù)，其中的射頻、微波信號傳輸及器件互聯(lián)多采用微帶、共面波導、帶狀線等平面?zhèn)鬏斁€［1］，當集成度較高時，這些傳輸、互聯(lián)技術(shù)就暴露出諸多弊端：插入損耗與線間耦合較大、功率容量小、色散嚴重等，很難進一步實現(xiàn)射頻和微波電子系統(tǒng)的小型化與微型化，嚴重限制了其在微型射頻／微波電子系統(tǒng)中的應(yīng)用.

同軸傳輸線結(jié)構(gòu)緊湊、低損耗和低色散的特性使得其在射頻微波無源電路設(shè)計領(lǐng)域迅猛發(fā)展，微機電系統(tǒng)加工技術(shù)的研究進展也為矩形同軸線的應(yīng)用提供了充足的機會［2-3］.美國國防部先進研究項目局一直在大力資助企業(yè)和高校進行三維射頻和微波集成通用平臺的搭建，互聯(lián)技術(shù)主要采用的就是同軸傳輸線，目前他們已實現(xiàn)了部分基于同軸傳輸線的射頻微波器件在三維片上的集成.Novotronics公司所加工的四通道MMIC平臺和天線饋電網(wǎng)絡(luò)中微波器件的設(shè)計與互聯(lián)也均采用的是同軸傳輸線［4］.

為了提高通信系統(tǒng)的傳輸能量，減小系統(tǒng)尺寸，微波器件的尺寸變得越來越小，作為信號傳輸?shù)闹匾緩剑漕l系統(tǒng)也逐漸向微型化轉(zhuǎn)變.微型射頻同軸線可以實現(xiàn)微集成射頻器件的互聯(lián)，亦可實現(xiàn)多層射頻集成模塊的互聯(lián)，其作為基礎(chǔ)器件是射頻系統(tǒng)不可或缺的部分，受到越來越多的的關(guān)注.國內(nèi)部分研究單位和高校開展了基于LIGA和準LIGA工藝的RF MEMS器件三維微加工方面［5-7］的研究，但目前國內(nèi)對于以同軸互聯(lián)的射頻和微波器件以及三維PCB平臺的設(shè)計和制造方面的三維微加工技術(shù)的研究工作還處于初級階段.

本文旨在設(shè)計一種以SU-8方形柱作為襯底、全空氣填充的微型射頻同軸線，并采用UV-LIGA工藝進行結(jié)構(gòu)的加工.與采用電鍍銅工藝實現(xiàn)全金屬結(jié)構(gòu)的射頻同軸線相比，該微型同軸線采用的工藝方法是在SU-8上實現(xiàn)傳輸線的金屬化，克服了因為銅鍍層太厚引起的結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生龜裂，不平整，且厚度不易控制等缺陷，具有介質(zhì)損耗小、輻射損耗小、無色散、帶寬大和抗干擾性強的優(yōu)點，為實現(xiàn)射頻和微波電子系統(tǒng)的微型化、一體化、低成本與高性能建立了基礎(chǔ).

1 設(shè)計與仿真

同軸線主要傳輸無色散的TEM波，也可能傳播有色散的TE波和TM波.實際應(yīng)用中主要以TEM模為傳輸模式，主動抑制TE模和TM模.

考慮到在實際微結(jié)構(gòu)加工中，曲面加工還十分困難，而直角結(jié)構(gòu)則相對方便，所以微結(jié)構(gòu)的同軸線一般是方形同軸線.利用復(fù)變函數(shù)中的保角變換法可確定方形同軸線設(shè)計中特性阻抗Z0，介電常數(shù)εr以及邊長比a／b（其中a為方形同軸線內(nèi)導體外邊長，b為方形同軸線外導體的內(nèi)邊長）之間的關(guān)系.其計算公式［8-9］為

通常同軸線采用的特性阻抗有兩種：50Ω和75Ω.其中75Ω的特性阻抗常用作有線電視系統(tǒng)通信，射頻通信系統(tǒng)同軸線則采用50Ω的特性阻抗.故此處Z0取值50Ω；空氣介電常數(shù)εr取值1.代入Z0和εr，可計算得到b／a值約為2.5.如圖1所示為方形同軸線截面示意圖.根據(jù)實際工藝條件，可加工尺寸范圍為50～1 000μm，本設(shè)計中a取值200μm，b取值500μm.擬采用RffS ZVA40網(wǎng)絡(luò)分析儀和探針測試臺對微型同軸線進行測量，為了便于測量，同軸線需要設(shè)計成如圖2所示上端開口的效果.通過HFSS電磁仿真軟件進行模型建立與仿真.

圖1 同軸線截面內(nèi)外導體尺寸示意圖 Fig.1 Section diagram of inner and outer conductor size of coaxial line

圖2 同軸線測試效果圖 Fig.2 Test diagram of coaxial line

設(shè)計時需要考慮微型同軸線內(nèi)導體支撐問題，結(jié)合微型同軸線UV-LIGA加工工藝［10-11］，在加工過程中采用MICROCHEM公司的SU-8光刻膠［12-13］作為同軸線支撐襯底，所以模型建立時在中心同軸下面加了一層SU-8作為支撐層（按照設(shè)計要求，該SU-8支撐層高度為1 5 0μm）.如圖3所示為改進后的微型同軸線模型.對支撐襯底的寬度進行參數(shù)掃描設(shè)置，范圍為200～500μm，每隔20μm取一個值；掃頻范圍設(shè)為30～50 GHz，其他項默認不變，對該模型進行參數(shù)優(yōu)化仿真.仿真完成后對38 GHz處的回波損耗S11和插入損耗S12進行分析得到如圖4所示的S參數(shù)隨襯底寬度變化的關(guān)系圖.從圖中可看出雖然插入損耗S12隨著襯底寬度變化不大，但回波損耗S11受襯底寬度變化較為明顯，且在200μm處S11最小.故確定襯底寬度200μm為最優(yōu)參數(shù).

圖3 優(yōu)化后的同軸線模型 Fig.3 Model of optimized coaxial line

圖4 S參數(shù)隨襯底寬度變化的關(guān)系圖 Fig.4 Relation graph between S parameter and substrate width

圖5 全空氣填充同軸線仿真曲線 Fig.5 Simulation diagram of coaxial line filled with air

利用HFSS電磁仿真軟件對全空氣填充的同軸線進行仿真，調(diào)出S參數(shù)結(jié)果報告，并和上面優(yōu)化的帶有SU-8支撐襯底的同軸線S參數(shù)進行對比，結(jié)果如圖5所示，可以看出：理想狀況下全空氣填充的同軸傳輸線，38 GHz時S11在-40 dB以下，回波損耗非常小，而S12參數(shù)為-0.13 dB；而進行優(yōu)化后的同軸線中心頻率略有偏移，但38 GHz時S11依然在-30 dB以下，回波損耗非常??；S12參數(shù)則為-0.2 d B，表明能量在傳輸過程中損耗很小.仿真結(jié)果表明，有了聚合物支撐的同軸傳輸線對于信號的傳播影響較小，優(yōu)化后的S參數(shù)都達到了匹配傳輸線的要求.雖然這些都是理想值，但仿真結(jié)果證明該結(jié)構(gòu)設(shè)計比較合理.

2 加工工藝

同軸傳輸線加工制造工藝過程主要分為三部分：①中心同軸線襯底的加工；②中心同軸的制作加工；③同軸蓋子的加工.工藝流程如圖6所示.

圖6 微型同軸線加工流程圖 Fig.6 Process flow chart of micro coaxial line

具體制作過程如下：

1）備片：為了增強感光膠和基片的黏附力，防止脫膠情況的發(fā)生，勻膠前必須保證基片的清潔.采用丙酮，無水乙醇，去離子水等依次對基片進行徹底的清洗，將基片放置在烘臺上加熱到120℃進行脫水處理10 min；

2）同軸襯底：首先準備一片硅基片，濺射一層100 nm的銀層并電鍍一層金屬銅.根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計，需要在中心同軸底部加工一層150μm的襯底作為支撐層.在金屬覆蓋的硅基片上以2 400 r／min的轉(zhuǎn)速進行勻膠，均勻涂覆一層150μm的SU-8光刻膠，依次進行前烘、掩膜光刻、后烘；

3）中心同軸：為了便于測試，需要設(shè)計成如圖2所示的結(jié)構(gòu).在SiO2基片上用SU-8光刻膠依次加工200μm厚的中心同軸和300μm的凸臺，最后顯影即得到需要的結(jié)構(gòu)；再將帶有中心同軸的SiO2基片浸入BOE中2 h，將剝離的同軸結(jié)構(gòu)進行濺射、電鍍得到金屬層；

4）同軸蓋子制作：同軸線結(jié)構(gòu)需要封閉式結(jié)構(gòu)，鑒于測試要求，蓋子需要做成如圖2所示底座開口的結(jié)構(gòu)，在SiO2基片上用SU-8光刻膠依次加工150μm厚的底座和350μm高的側(cè)壁.用BOE剝離結(jié)構(gòu).

3 封裝與測試

3.1 同軸線的封裝

用電鍍工藝對制作出的同軸線蓋子部分金屬化.首先將樣品傾斜放置在磁控濺射機（Cressington308R）卡盤上濺射金屬種子層，濺射過程中卡盤連續(xù)旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)側(cè)壁均勻的涂層.通過控制時間，沉積100 nm的Ag金屬種子層.接著進行電鍍，由于銅的導電率為5.8×107s／m，在38 GHz時，計算趨膚深度為1.07μm.設(shè)置合適的電鍍參數(shù)，確保鍍層厚度大于3倍的趨膚深度，即濺射4 μm左右的Ag層并對鍍層表面進行拋光，確保金屬層表面光滑整潔，避免因粗糙產(chǎn)生額外的介質(zhì)損耗，達到較好的傳輸性能.

設(shè)計采用嵌入的方式進行結(jié)構(gòu)之間的結(jié)合與封裝：

1）襯底加工完成后在襯底上面以及外側(cè)分別加工兩道側(cè)壁作為中心同軸的卡子，可以使中心同軸完成后能夠精確地置于襯底設(shè)計的位置；

2）在襯底兩側(cè)加工兩道側(cè)壁，使側(cè)壁距襯底兩邊的距離為200μm，這樣當同軸蓋子（側(cè)壁厚50μm）加工完成后可以精確嵌入其中，實現(xiàn)同軸蓋子和樣品的組裝.將三部分結(jié)合并組裝后得到整體結(jié)構(gòu)如圖7所示.

圖7 同軸線整體結(jié)構(gòu)圖 Fig.7 Structure diagram of coaxial line

3.2 測試過程與結(jié)果分析

用RffS ZVA40網(wǎng)絡(luò)分析儀和探針測試臺對封裝好的同軸線主要參數(shù)進行測試.測試時，三個探針分別接觸到同軸線的內(nèi)導體和外導體，中間的探針接觸中心同軸，兩側(cè)的探針分別接觸蓋子波導口兩側(cè).測試結(jié)果如圖8所示.結(jié)果顯示頻率在38 GHz時，回波損耗S11在-30 dB以下，插入損耗S12為-0.3 d B.所加工的微型射頻同軸線S參數(shù)與仿真結(jié)果相比相差不大，故該微型射頻同軸線設(shè)計方案比較合理，傳輸性能較好，可用于高性能射頻和微波電路中.由于同軸線三部分的結(jié)合和組裝都是在顯微鏡下手動完成的，對于傳輸線這種精密器件，組裝過程中微米級的誤差都可能影響其性能，例如，操作過程中產(chǎn)生的受力不均所造成的器件彎曲，組裝過程中器件各部分之間的磨損都會使其性能與理想情況有所偏離，所以對于同軸射頻傳輸線的工藝方法有待進一步分析和研究.

圖8 SU-8襯底同軸線測試結(jié)果圖 Fig.8 Test diagram of coaxial line with SU-8 substrate

4 結(jié) 論

本文提出了一種新型的微型同軸線的MEMS加工工藝.通過對同軸線結(jié)構(gòu)的仿真分析得出該方法制作的MEMS同軸線具有帶寬大、介質(zhì)損耗小、輻射損耗小和抗干擾強等優(yōu)點，可適用于高性能射頻和微波電路.對微型同軸線的加工驗證了該結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的可行性，并測得頻率在38 GHz時，回波損耗S11在-30 d B以下，插入損耗S12為-0.3 dB，該測試參數(shù)能夠滿足工程需要.但由于本加工工藝不能一體化完成結(jié)構(gòu)的加工，導致實驗測試結(jié)果和仿真理想結(jié)果存在一定的誤差，需要進一步研究相關(guān)的MEMS加工工藝，保證結(jié)構(gòu)的可靠性和實用性.

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