一種高功率射頻MEMS開關設計*

寧朝東 吳倩楠 王俊強 李孟委

（1.中北大學儀器與電子學院 太原 030051）（2.中北大學前沿交叉科學研究院 太原 030051）

（3.中北大學微系統集成研究中心 太原 030051）（4.中北大學半導體與物理學院 太原 030051）

伴隨著5G 通信和物聯網時代的到來，無線通信設備對功耗和結構復雜度的要求越來越高。射頻前端接收器和基站天線等射頻通信也對射頻器件提出了更嚴格的要求，如：小體積、低損耗和高功率容量。射頻微機電（microelectro mechanical system，MEMS）開關［1］作為可控制微波信號的器件，在無線通信領域發揮著重要作用，同時也是使移相器、衰減器等MEMS器件實現高功率需求的關鍵［2～7］。

2011年，北京大學劉博研制了一款鉑金接觸的MEMS 開關［8］，開關的插入損耗＞20dB@20GHz，驅動電壓為50V，功率容量為150mA，此開關存在驅動電壓偏高的問題；
2012年，UCSD 大學研制了一款蟹型金釕接觸的MEMS 開關［9］，該開關在0～8GHz頻段內，插入損耗＜0.4dB，隔離度＞10dB，功率容量為5W×108，此開關存在工作頻段窄的問題；
2014年，東南大學韓磊團隊研制了一款橫向驅動的MEMS 開關［10］，該開關的插入損耗＜0.6dB@10GHz，隔離度＞45dB@10GHz，功率容量為1.3W；
2016年，Griffith 大學研制一款橫向驅動的六觸點MEMS 開關［11］，該開關在0～6GHz頻段內，插入損耗＜0.9GHz，隔離度＞29dB，功率容量為2W×107，也存在工作頻段窄的問題。

針對目前射頻MEMS開關存在工作頻段窄、功率容量低、結構復雜的問題，本文設計了一款低損耗、寬帶寬、高功率的多觸點MEMS開關。

2.1 射頻MEMS開關原理

目前射頻MEMS 開關依據電路接入方式可以劃分為串聯和并聯［12～14］；
按照結構方式可以劃分為單端固支梁式和雙端固支梁式。串聯接觸式MEMS 開關是單端固支梁MEMS 開關，通過給單端固支梁下方的驅動電極施加電壓來控制開關的導通和斷開。當電極有電壓，單端固支梁向下彎曲，開關導通，處于“up”態［15］；
當電極無電壓，單端固支梁無形變，開關斷開，處于“down”態。并聯接觸式開關是雙端固支梁，通過給信號線和地線之間的驅動電極施加電壓來控制開關的導通和斷開。當電極有電壓，雙端固支梁中部向下彎曲，開關導通，處于“up”態；
當電極無電壓，雙端固支梁沒有形變，開關斷開，處于“down”態。

圖1 串聯接觸式MEMS開關工作原理圖

串聯接觸射頻MEMS 開關的等效電路模型如圖2 所示，其中CPW1 為輸入輸出端口的阻抗，CPW2 為上電極的阻抗，Rc為開關導通時上電極與信號線之間的接觸電阻，Cs 為開關斷開時上電極與信號線之間的耦合電容。

圖2 射頻MEMS開關等效電路模型

圖3 四觸點射頻MEMS開關結構圖

2.2 射頻MEMS開關結構設計

本文采用介電常數為4.0的氧化硅玻璃為功率型射頻MEMS 開關的襯底，500μm 的SiNx作為功率型射頻MEMS 開關的介質層。本文對射頻MEMS開關的基地材料、觸點數目以及上電極結構進行仿真優化，設計出一款低損耗、高功率的射頻MEMS開關。

射頻MEMS 開關的功率容量主要受開關接觸點產熱的影響。電流流經接觸點的接觸電阻會產生大量的焦耳熱，導致開關接觸點的溫度上升。當開關接觸點的溫度超過接觸點的軟化溫度時，接觸點處容易發生微熔焊，導致開關的失效。本文設計了一種四觸點型的射頻MEMS開關，通過增加開關接觸點的數目降低電流流經每個接觸點的電流大小，進而降低開關接觸點焦耳熱的產生，從而提高開關的功率容量。

根據傅里葉導熱定律和電路歐姆定律，對直流電流流經接觸點時接觸點處的溫度進行了推導，在穩定的平衡狀態下的熱傳導的情況下，有

其中ρ為接觸材料的電阻率，λ為接觸材料的熱導率，為溫度的平均值。

由Weidemann-Franz law定律，可以得

將式（1）和式（2）結合起來，可得

其中TΘ、T0的單位為K，分別接觸點處的溫度和金屬遠端的溫度；
U的單位為V，表示接觸點兩側的電壓降；
L為洛倫茲常數。

在特征阻抗為Z0的開關中，有功率為P 的射頻信號通過開關觸點，此時流經觸點的電流為

觸點兩端的電壓為

將式（4）和式（5）代入式（3），可得

在射頻MEMS開關導通時，由于射頻信號的趨膚效應會電流趨向于觸點的表面，導致電流流過的橫截面積小于熱可以流經的橫截面積。因此，式（6）求得的溫度TΘ是開關觸點溫度的上限。當射頻MEMS開關觸點的溫度超過觸點的軟化溫度時，觸點就會軟化，甚至發生微熔焊，導致開關的失效。

由式（6）可知：射頻MEMS 開關的輸入功率與接觸電阻的平方成反比。要想提高射頻MEMS 開關的功率容量，就要降低射頻MEMS開關的接觸電阻。

射頻MEMS開關接觸電阻的計算公式為

式中，ρ為接觸點的電阻率，n為觸點數目，H 為觸點的材料硬度，Fc為觸點的接觸力。由式（7）可知，降低射頻MEMS 開關接觸電阻的方式是增加觸點的數目和提高觸點的接觸力。

本文設計一種串聯接觸式的四觸點射頻MEMS 開關。重點研究了不同材料的基地和不同結構的上電極對射頻MEMS開關的影響，進而設計出射頻性能最佳的射頻MEMS開關。

4.1 襯底材料的選擇

射頻性能和功率容量是衡量MEMS 開關射頻性能的重要指標。為提高MEMS 開關的射頻性能和功率容量的影響，我們研究了不同襯底對射頻MEMS開關射頻性能和功率容量的影響。表1列舉了不同襯底材料及其介電常數。我們對不同襯底材料的MEMS 開關進行仿真，仿真結果如圖4 所示，襯底介電常數為4.0 的射頻MEMS 開關插入損耗最小，隔離度度最大，同時該射頻MEMS 開關由插入損耗生成的熱量更低，有利于提高射頻MEMS開關的功率容量。因此，本文選用介電常數為4.0的石英玻璃片作為射頻MEMS開關的襯底。

表1 不同襯底材料的介電常數

圖4 射頻MEMS開關參數仿真圖

4.2 上電極結構的設計

本文設計了兩種不同結構的上電極，一種為直板型上電極，另一種為球拍型上電極。文中對兩種上電極末端分別施加一個垂直向下的靜電力，大小為3μN。圖5 為利用COMSOL 軟件對這兩種上電極進行力學性能仿真圖，從圖5（a）可以看出，直板型上電極末端位移為2.15μm；
從圖5（b）可以看出，球拍型上電極末端位移為3.97μm。本文設計的射頻MEMS 開關導通需要上電極末端位移達到1.9μm。將圖5（a）和（b）的仿真結果進行對比，可知：球拍型上電極末端位移達到1.9μm 所需要的靜電力更小，更適合作為射頻MEMS開關的上電極。此外，球拍型上電極能夠提高射頻MEMS開關犧牲層的釋放速率，還能保證射頻MEMS開關錨點處的犧牲層完全釋放干凈，提高射頻MEMS開關的成品率。

圖5 直板型上電極和球拍型上電極力學性能仿真圖

圖6 串聯接觸式MEMS開關S參數仿真結果

5.1 射頻特性分析

本文通過利用電磁仿真軟件HFSS 對射頻MEMS 開關的射頻特性進行仿真優化，設計出了射頻特性最佳的MEMS 開關。從圖7 可以看出，在L～K 波段內，該四觸點射頻MEMS 開關插入損耗≤0.13dB，隔離度≥27.56dB。

圖7 射頻MEMS開關工藝流程

5.2 功率容量分析

射頻MEMS 開關上電極與觸點之間的接觸力對功率容量有重要影響。接觸力越大，接觸電阻越小，開關的功率容量越高。射頻MEMS開關上電極與觸點之間接觸力Fc的計算公式為

式中，Fe為靜電力；
Δg 為懸臂梁上電極的末端位移，為2.2μm；
g1為信號導通時上電極與下拉電極的間隙，為1.3μm；
g0為信號斷開時上電極與下拉電極的間隙，為3.5μm，由式（8）可知，射頻MEMS 開關上電極的彈性系數越大，上電極和觸點之間接觸力Fc越大。射頻MEMS 開關上電極彈性系數的計算公式為

式中，E 為材料的楊氏模量，為78GPa；
w 為梁的寬度，為2×20μm；
t 為梁的厚度，為2μm；
l 為梁的長度，為100μm，由式（9）計算可知，球拍型上電極的彈性系數為6.24N/m；
由式（8）計算可知，球拍型上電極與觸點之間的接觸力為9.7μN；
由式（7）計算可知，每個觸點的接觸電阻為0.6Ω

對于雙觸點的開關而言，總接觸電阻的阻值為0.3Ω，經過計算，雙觸點射頻MEMS 開關在理想條件下功率容量為0.5W；
對于四觸點射頻MEMS 開關而言，總接觸電阻的阻值為0.15Ω，經過計算，雙觸電的開關在理想條件下功率容量為2.08W。本文設計的射頻MEMS開關為雙通道四觸點開關，故該開關的總接觸為0.15Ω，功率容量為2.08W。

為了確保MEMS開關的射頻性能和功率容量，達到MEMS開關實用化的目的，本文依據微納加工技術設計了MEMS開關的加工流程。

具體工藝流程如下：步驟（a）：清洗石英玻璃片；
步驟（b）：PECVD 沉積400nm 的SiNx，利用RIE刻蝕得到凸點；
步驟（c）：利用濺射技術在BF33片子濺射Al，并通過刻蝕得到下拉電極；
步驟（d）：PECVD沉積500nm的SiNx隔離層；
步驟（e）：利用濺射技術濺射Ti/Au 種子層，電鍍腐蝕得到開關信號傳輸線；
步驟（f）：Pad開窗；
步驟（g）：旋涂PI，固化，形成犧牲層；
步驟（h）：利用干法刻蝕得到開關錨點；
步驟（i）：電鍍上電極步驟（j）：RIE 刻蝕PI，釋放犧牲層，制得MEMS 開關。

本文對射頻MEMS 開關功率容量問題進行分析，設計了一款低損耗、寬帶寬、高功率的四觸點射頻MEMS開關。文中對襯底的材料、上電極的結構進行優化，從而提升射頻MEMS開關的功率容量和射頻性能。經仿真和計算，該MEMS開關在L～K波段內，插入損耗≤0.2dB，隔離度≥27dB，功率容量為2.08W，滿足射頻前端接收器、基站天線等射頻通信對MEMS開關高功率容量、高隔離的要求。