低壓驅動RF MEMS開關設計與模擬

考慮到電容式開關仍存在的介質擊穿問題，這里對其結構加以改進，將扭轉臂杠桿與打孔電容膜相結合，在減小驅動電壓和提高開關速度的同時，又不影響電容比，一定程度上抑制了電擊穿。其工作原理是：push電極加電壓時杠桿上抬，介質膜與接觸膜間距離增大導致其耦合電容很小，信號通過傳輸線；pull電極加電壓時杠桿下拉，耦合電容變大，微波信號被反射。材料選擇上仍以Au和S3N4為主，某些部分可用A1代替Au。結構與尺寸的設計上由超越方程與開關通斷下的電容方程得到估計值，下極板為25×25(單位制采用μMKSV，長度單位為μm，下同)，其上附有絕緣介質層，孔為3．4×3．4，杠桿為100x30，結構層為20×20，極板厚度為1。用ANSYS仿真得到圖3所示結果。

在ANSYS做靜電耦合與模態分析后利用ANSOFT HFSS對該開關進行3D電磁場仿真，進一步求得其插入損耗與隔離度，確定共面波導和接觸膜的結構，從而完善開關的射頻性能。建模時忽略開關的彎曲，定義材料特性與空氣輻射邊界，利用wave port端口進行仿真，分別求解開態的插入損耗和關態的隔離度。介質層較薄時，開關在10 GHz附近具有良好的隔離度，且插入損耗在1 dB以下。

3 RF MEMS開關的制備工藝
合理選擇生長介質膜的工藝對開關性能有很大影響，本文的RF MEMS開關需要在基底表面生長一層氮化硅膜，一般選擇LP-CVD工藝，而介質膜則選擇PECVD工藝為宜，金屬膜的性能要求相對較低，用濺射方法即可。考慮到基底要求漏電流與損耗盡可能小，選取高阻硅與二氧化硅做基底，后者保證了絕緣要求。金質信號線與下極板通過正膠剝離形成，電子束蒸發得到鋁質上極板。但從可行性考慮，部分方案的工藝實現對于國內的加工工藝尚有難度，只能犧牲微系統的性能來達到加工條件。

4 結語
本文主要從結構上進行了創新，通過計算機輔助設計仿真分析得到了理論解，一定程度上滿足了設計初衷，但在工藝上還不成熟。更低的驅動電壓和更高的開關頻率仍是亟待解決的問題，另外如何保證實際產品的可靠性、實用性也是未來的研究重點。