低壓驅動RF MEMS開關設計與模擬

近年來射頻微電子系統(RF MEMS)器件以其尺寸小、功耗低而受到廣泛關注，特別是MEMS開關構建的移相器與天線，是實現上萬單元相控陣雷達的關鍵技術，在軍事上有重要意義。在通信領域上亦憑借超低損耗、高隔離度、成本低等優勢在手機上得到應用。然而RF MEMS開關普遍存在驅動電壓高、開關時間長的問題，劣于FET場效應管開關和PIN二極管開關。相對于國外已取得的成果，國內的研究尚處于起步階段。下文將針對MEMS開關的缺陷做一些改進。

1 RF MEMS開關的一般考慮
當MEMS開關的梁或膜受靜電力吸引向下偏移到一定程度時達到閾值電壓，梁或膜迅速偏移至下極板，電壓大小取決于材料參數、開關尺寸及結構。梁或膜的材料需要比較好的楊氏模量與屈服強度，楊氏模量越大諧振頻率就越高，保證工作的高速穩定及開關壽命；尺寸設計上要考慮靜電驅動力的尺寸效應；結構的固有振動頻率則影響開關的最高工作速度。單從結構上看，降低驅動電壓的途徑為：降低極板間距；增加驅動面積；降低梁或膜的彈性系數。常見的結構有串、并聯懸臂梁開關、扭轉臂開關和電容式開關，前三者為電阻接觸式，金屬與信號線外接觸時存在諸如插入損耗大等很多問題，而電容接觸式開關的絕緣介質也存在被擊穿的問題。有研究表明，所加電壓越高開關的壽命越短，驅動電壓的降低勢必導致開關速度變慢，如何同時滿足驅動電壓和開關速度的要求是當前的困難所在。

2 RIF MEMS開關的模擬與優化
對于電容式開關，驅動電壓隨著橋膜長度的增加而下降，橋膜殘余應力越大驅動電壓也越大。通常把楊氏張量78 GPa、泊松比O．44的Au作為橋膜材料，為獲得好的隔離度要求開關有大的電容率，這里選介電常數為7．5的S3N4作為介質層，橋膜單元為Solid98，加5 V電壓，電介質為空氣，下極板加O V電壓。然后用ANSYS建模、劃分網格、加載并求解靜電耦合與模態分析。5 V電壓下的開關形變約為O．2 μm左右，尚達不到低壓驅動要求。提取開關前五階模態如圖1所示。
可見開關從低階到高階的共振頻率越來越大，分別為79．9 kHz，130．3 kHz，258．8 kHz，360．7 kHz，505．6 kHz，一階模態遠離其他模態，即不容易被外界干擾，只有控制開關頻率低于一階模態的諧振頻率才能保證其穩定工作。由于實際開關時間仍不理想，所以在膜上挖孔以減小壓縮模的阻尼，從而增加開關速度。雖然關態的電容比下降了，但孔可以減輕梁的重量，得到更高的力學諧振頻率。最終的模型共挖了100個孔，并對兩端做了彎曲處理以降低驅動電壓，仿真得到5 V電壓下形變為1μm以上、穩定的開關時間在5μs以下的電容式開關，如圖2所示。