一种Ka频段MEMS开关的研制

董自强　赵博韬　石国超

摘要：设计了一种应用于Ka频段的并联电容式MEMS开关，该开关利用表面牺牲层工艺制备，具有低损耗、高隔离度等特点。经测试，开关在Ka频段内，回波损耗优于30dB，插入损耗典型值-0.13dB@27GHz，优于-0.28dB@40GHz，隔离度全频段优于22dB，驱动电压在50V～70V范围。

关键词：MEMS开关 电容式 Ka频段

中图分类号：TH703； TN63 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2014）02-0068-02

1 前言

固态开关在通信系统和军事雷达系统中有着广泛的应用，具备较优异的开关速度和带宽。但是，固态开关较大的直流功耗等不足[1][2]使得其不太适合应用于较大型的开关阵列中，例如大型的相控阵系统和可重构系统。MEMS开关具备隔离度高、插入损耗低、几乎零功耗（nJ级）以及成本低、体积小等优点，尤其在毫米波频段，其较低的插入损耗能够显著提升通信系统的性能，因此在高性能微波系统中MEMS开关逐渐开始展现出较大的优势[3]。目前，国内外已有多家机构对各频段的MEMS开关进行了研究[4]。本文基于Ka频段的应用需求，设计了一种并联电容式MEMS开关，芯片照片如图1所示。开关芯片尺寸1mm×1mm，芯片厚450μm，输入输出端口为共面波导结构，通过驱动芯片中心的悬浮金属膜桥对通过芯片的微波信号实施“开”“关”功能。

2 开关设计

本文设计的使用在Ka频段的MEMS开关，其微波传输路径为共面波导结构，两端口共面波导尺寸为G/S/G=80μm/100μm/80μm，中心区域为G/S/G=150μm/100μm/150μm。开关中心制备有金属膜桥，金属膜桥两端锚区位于共面波导微波地上，中心横跨微波信号传输线，悬浮于其上约1.5μm左右，膜桥下方的信号线上制备有介质层薄膜。金属膜桥下方，位于信号线两端制备了静电吸引电极，通过在其上施加直流电压在电极与金属膜桥之间产生静电力对金属膜桥进行吸引，从而改变金属膜桥与微波信号传输线之间的电容量大小，即通过金属膜桥的形变改变微波信号传输线与微波地之间的耦合电容，最终利用该原理实现了微波信号传输“通”和“断”的功能。开关在未施加驱动电压时，没有静电力对其进行吸引，这时开关金属膜桥与信号传输线之间的电容为开态电容，记为CUP。开态时，开关回波损耗主要由开态电容决定，与其等效电感和等效电阻关系不大。开关开态回波损耗表达式为：

（1）

其中，开态电容CUP表达式如下：

（2）

其中，为空气介电常数，为介质层介电常数，和W为金属膜桥与信号传输线交叠区域的尺寸大小，为金属膜桥的初始悬浮高度，为绝缘介质层厚度。一般由于边缘电容的问题，该开态电容比理论值要大20%～40%。当在膜下电极上施加直流偏压后，在电极和膜桥之间会产生静电力对膜桥进行吸引，当驱动电压达到“Pull-in”电压时，该膜桥会产生塌陷，与信号线上的介质层紧密贴合。此时膜桥与信号线之间的电容为关态电容，记为CDOWN，表达式为：

（3）

开关隔离度主要由关态电容CDOWN决定，表达式为：

（4）

其中，为膜桥的总等效电感，为膜桥总的等效电阻，为传输线特性阻抗，为关态的谐振频率。

MEMS开关的CUP，CDOWN是影响开关微波性能最大的因素，如何优化开关结构和工艺以在Ka频段达到最理想的性能指标是本设计的关键。通过使用HFSS软件，本文对使用在Ka频段的MEMS开关进行了模型仿真，优化其结构，最终获得了理想的微波特性，其中隔离度在Ka频段均优于20dB，插入损耗优于0.16dB。

3 芯片制备和性能测试

该MEMS开关利用表面牺牲层工艺进行芯片制备，具体工艺步骤如下所述：（1）衬底准备：高阻硅基底，热氧化制备二氧化硅绝缘层；（2）利用溅射工艺制备CPW底金层；（3）利用电镀工艺制备CPW层，并利用刻蚀工艺进行图形化处理；（4）利用PECVD工艺制备氮化硅介质层，利用RIE工艺对介质层进行刻蚀；（5）利用悬涂和光刻工艺制备聚酰亚胺牺牲层；（6）利用溅射工艺制备金属梁底金层；（7）利用电镀工艺制备金属梁，并利用刻蚀工艺完成金属梁的图形化处理；（8）利用灰化设备去除聚酰亚胺牺牲层，进行牺牲层的干法释放，完成芯片制备。

利用BRUKER DektakXT型台阶仪和VK-8710型激光形貌仪对芯片的表面形貌进行了测试。三维形貌测试结果可得：芯片开关金属膜桥厚约2μm，金属膜桥整体略微呈现张应力，由此造成膜桥中心区域稍许存在拱起状态，导致中心区域高度略大于金属膜桥的整体悬浮高度，此高度偏差经测试在0.2μm以下。开关金属膜桥整体平整度保持较好，存在的微小形变未对开关的微波特性和机械性能产生较明显影响。

开关微波特性利用CASCADE微波探针台和R&S ZAV50型矢量网络分析仪对回波损耗、插入损耗、隔离度和驱动电压指标进行了测试，图2～3为该开关的插入损耗和隔离度测试曲线。该开关可在Ka频段使用，插入损耗典型值0.13dB@27GHz，0.28dB@40GHz，隔离度在Ka频段优于22dB，回波损耗优于30dB，驱动电压在50V～70V之间。

4 结语

本文设计了一种使用在Ka频段的MEMS开关，文中给出了开关的设计、工艺和性能测试结果。该开关为并联电容式MEMS开关，通过结构优化设计得到了较好的性能指标，在应用频段范围内插入损耗优于0.28dB，隔离度优于22dB，驱动电压在50V～70V之间，较为适用于大型的开关阵列，例如相控阵雷达系统和可重构天线系统之中。

参考文献

[1]S.C.Bera，K.Basak，V.K.Jain，“Schottky diode-based microwave limiter with adjustable threshold power level”，Microwave and Optical Technology Letters 2010，vol.52，no 7，pp-1671-1673.

[2]E.Gatard，R.Sommet，P.Bouysse，“High power S Band limiter simulation with a physics-based accurate nonlinear PIN diode model”，Proc.European Microwave Week 2007 Conference，pp.72-75.

[3]R.Malmqvist，“Monolithic integration of millimeter-wave RF-MEMS switch circuits and LNAs using a GaAs MMIC foundry process technology”，IEEE MTT-S International Microwave Workshop Series on Millimeter Wave Integration Technologies，2011，pp-148-151.

[4]G.M.Rebeiz，“RF-MEMS：Theory，Design andTechnology”，New York：J.Wiley & Sons，2003.

摘要：设计了一种应用于Ka频段的并联电容式MEMS开关，该开关利用表面牺牲层工艺制备，具有低损耗、高隔离度等特点。经测试，开关在Ka频段内，回波损耗优于30dB，插入损耗典型值-0.13dB@27GHz，优于-0.28dB@40GHz，隔离度全频段优于22dB，驱动电压在50V～70V范围。

关键词：MEMS开关 电容式 Ka频段

中图分类号：TH703； TN63 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2014）02-0068-02

1 前言

固态开关在通信系统和军事雷达系统中有着广泛的应用，具备较优异的开关速度和带宽。但是，固态开关较大的直流功耗等不足[1][2]使得其不太适合应用于较大型的开关阵列中，例如大型的相控阵系统和可重构系统。MEMS开关具备隔离度高、插入损耗低、几乎零功耗（nJ级）以及成本低、体积小等优点，尤其在毫米波频段，其较低的插入损耗能够显著提升通信系统的性能，因此在高性能微波系统中MEMS开关逐渐开始展现出较大的优势[3]。目前，国内外已有多家机构对各频段的MEMS开关进行了研究[4]。本文基于Ka频段的应用需求，设计了一种并联电容式MEMS开关，芯片照片如图1所示。开关芯片尺寸1mm×1mm，芯片厚450μm，输入输出端口为共面波导结构，通过驱动芯片中心的悬浮金属膜桥对通过芯片的微波信号实施“开”“关”功能。

2 开关设计

本文设计的使用在Ka频段的MEMS开关，其微波传输路径为共面波导结构，两端口共面波导尺寸为G/S/G=80μm/100μm/80μm，中心区域为G/S/G=150μm/100μm/150μm。开关中心制备有金属膜桥，金属膜桥两端锚区位于共面波导微波地上，中心横跨微波信号传输线，悬浮于其上约1.5μm左右，膜桥下方的信号线上制备有介质层薄膜。金属膜桥下方，位于信号线两端制备了静电吸引电极，通过在其上施加直流电压在电极与金属膜桥之间产生静电力对金属膜桥进行吸引，从而改变金属膜桥与微波信号传输线之间的电容量大小，即通过金属膜桥的形变改变微波信号传输线与微波地之间的耦合电容，最终利用该原理实现了微波信号传输“通”和“断”的功能。开关在未施加驱动电压时，没有静电力对其进行吸引，这时开关金属膜桥与信号传输线之间的电容为开态电容，记为CUP。开态时，开关回波损耗主要由开态电容决定，与其等效电感和等效电阻关系不大。开关开态回波损耗表达式为：

（1）

其中，开态电容CUP表达式如下：

（2）

其中，为空气介电常数，为介质层介电常数，和W为金属膜桥与信号传输线交叠区域的尺寸大小，为金属膜桥的初始悬浮高度，为绝缘介质层厚度。一般由于边缘电容的问题，该开态电容比理论值要大20%～40%。当在膜下电极上施加直流偏压后，在电极和膜桥之间会产生静电力对膜桥进行吸引，当驱动电压达到“Pull-in”电压时，该膜桥会产生塌陷，与信号线上的介质层紧密贴合。此时膜桥与信号线之间的电容为关态电容，记为CDOWN，表达式为：

（3）

开关隔离度主要由关态电容CDOWN决定，表达式为：

（4）

其中，为膜桥的总等效电感，为膜桥总的等效电阻，为传输线特性阻抗，为关态的谐振频率。

MEMS开关的CUP，CDOWN是影响开关微波性能最大的因素，如何优化开关结构和工艺以在Ka频段达到最理想的性能指标是本设计的关键。通过使用HFSS软件，本文对使用在Ka频段的MEMS开关进行了模型仿真，优化其结构，最终获得了理想的微波特性，其中隔离度在Ka频段均优于20dB，插入损耗优于0.16dB。

3 芯片制备和性能测试

该MEMS开关利用表面牺牲层工艺进行芯片制备，具体工艺步骤如下所述：（1）衬底准备：高阻硅基底，热氧化制备二氧化硅绝缘层；（2）利用溅射工艺制备CPW底金层；（3）利用电镀工艺制备CPW层，并利用刻蚀工艺进行图形化处理；（4）利用PECVD工艺制备氮化硅介质层，利用RIE工艺对介质层进行刻蚀；（5）利用悬涂和光刻工艺制备聚酰亚胺牺牲层；（6）利用溅射工艺制备金属梁底金层；（7）利用电镀工艺制备金属梁，并利用刻蚀工艺完成金属梁的图形化处理；（8）利用灰化设备去除聚酰亚胺牺牲层，进行牺牲层的干法释放，完成芯片制备。

利用BRUKER DektakXT型台阶仪和VK-8710型激光形貌仪对芯片的表面形貌进行了测试。三维形貌测试结果可得：芯片开关金属膜桥厚约2μm，金属膜桥整体略微呈现张应力，由此造成膜桥中心区域稍许存在拱起状态，导致中心区域高度略大于金属膜桥的整体悬浮高度，此高度偏差经测试在0.2μm以下。开关金属膜桥整体平整度保持较好，存在的微小形变未对开关的微波特性和机械性能产生较明显影响。

开关微波特性利用CASCADE微波探针台和R&S ZAV50型矢量网络分析仪对回波损耗、插入损耗、隔离度和驱动电压指标进行了测试，图2～3为该开关的插入损耗和隔离度测试曲线。该开关可在Ka频段使用，插入损耗典型值0.13dB@27GHz，0.28dB@40GHz，隔离度在Ka频段优于22dB，回波损耗优于30dB，驱动电压在50V～70V之间。

4 结语

本文设计了一种使用在Ka频段的MEMS开关，文中给出了开关的设计、工艺和性能测试结果。该开关为并联电容式MEMS开关，通过结构优化设计得到了较好的性能指标，在应用频段范围内插入损耗优于0.28dB，隔离度优于22dB，驱动电压在50V～70V之间，较为适用于大型的开关阵列，例如相控阵雷达系统和可重构天线系统之中。

参考文献

[1]S.C.Bera，K.Basak，V.K.Jain，“Schottky diode-based microwave limiter with adjustable threshold power level”，Microwave and Optical Technology Letters 2010，vol.52，no 7，pp-1671-1673.

[2]E.Gatard，R.Sommet，P.Bouysse，“High power S Band limiter simulation with a physics-based accurate nonlinear PIN diode model”，Proc.European Microwave Week 2007 Conference，pp.72-75.

[3]R.Malmqvist，“Monolithic integration of millimeter-wave RF-MEMS switch circuits and LNAs using a GaAs MMIC foundry process technology”，IEEE MTT-S International Microwave Workshop Series on Millimeter Wave Integration Technologies，2011，pp-148-151.

[4]G.M.Rebeiz，“RF-MEMS：Theory，Design andTechnology”，New York：J.Wiley & Sons，2003.

摘要：设计了一种应用于Ka频段的并联电容式MEMS开关，该开关利用表面牺牲层工艺制备，具有低损耗、高隔离度等特点。经测试，开关在Ka频段内，回波损耗优于30dB，插入损耗典型值-0.13dB@27GHz，优于-0.28dB@40GHz，隔离度全频段优于22dB，驱动电压在50V～70V范围。

关键词：MEMS开关 电容式 Ka频段

中图分类号：TH703； TN63 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2014）02-0068-02

1 前言

固态开关在通信系统和军事雷达系统中有着广泛的应用，具备较优异的开关速度和带宽。但是，固态开关较大的直流功耗等不足[1][2]使得其不太适合应用于较大型的开关阵列中，例如大型的相控阵系统和可重构系统。MEMS开关具备隔离度高、插入损耗低、几乎零功耗（nJ级）以及成本低、体积小等优点，尤其在毫米波频段，其较低的插入损耗能够显著提升通信系统的性能，因此在高性能微波系统中MEMS开关逐渐开始展现出较大的优势[3]。目前，国内外已有多家机构对各频段的MEMS开关进行了研究[4]。本文基于Ka频段的应用需求，设计了一种并联电容式MEMS开关，芯片照片如图1所示。开关芯片尺寸1mm×1mm，芯片厚450μm，输入输出端口为共面波导结构，通过驱动芯片中心的悬浮金属膜桥对通过芯片的微波信号实施“开”“关”功能。

2 开关设计

本文设计的使用在Ka频段的MEMS开关，其微波传输路径为共面波导结构，两端口共面波导尺寸为G/S/G=80μm/100μm/80μm，中心区域为G/S/G=150μm/100μm/150μm。开关中心制备有金属膜桥，金属膜桥两端锚区位于共面波导微波地上，中心横跨微波信号传输线，悬浮于其上约1.5μm左右，膜桥下方的信号线上制备有介质层薄膜。金属膜桥下方，位于信号线两端制备了静电吸引电极，通过在其上施加直流电压在电极与金属膜桥之间产生静电力对金属膜桥进行吸引，从而改变金属膜桥与微波信号传输线之间的电容量大小，即通过金属膜桥的形变改变微波信号传输线与微波地之间的耦合电容，最终利用该原理实现了微波信号传输“通”和“断”的功能。开关在未施加驱动电压时，没有静电力对其进行吸引，这时开关金属膜桥与信号传输线之间的电容为开态电容，记为CUP。开态时，开关回波损耗主要由开态电容决定，与其等效电感和等效电阻关系不大。开关开态回波损耗表达式为：

（1）

其中，开态电容CUP表达式如下：

（2）

其中，为空气介电常数，为介质层介电常数，和W为金属膜桥与信号传输线交叠区域的尺寸大小，为金属膜桥的初始悬浮高度，为绝缘介质层厚度。一般由于边缘电容的问题，该开态电容比理论值要大20%～40%。当在膜下电极上施加直流偏压后，在电极和膜桥之间会产生静电力对膜桥进行吸引，当驱动电压达到“Pull-in”电压时，该膜桥会产生塌陷，与信号线上的介质层紧密贴合。此时膜桥与信号线之间的电容为关态电容，记为CDOWN，表达式为：

（3）

开关隔离度主要由关态电容CDOWN决定，表达式为：

（4）

其中，为膜桥的总等效电感，为膜桥总的等效电阻，为传输线特性阻抗，为关态的谐振频率。

MEMS开关的CUP，CDOWN是影响开关微波性能最大的因素，如何优化开关结构和工艺以在Ka频段达到最理想的性能指标是本设计的关键。通过使用HFSS软件，本文对使用在Ka频段的MEMS开关进行了模型仿真，优化其结构，最终获得了理想的微波特性，其中隔离度在Ka频段均优于20dB，插入损耗优于0.16dB。

3 芯片制备和性能测试

该MEMS开关利用表面牺牲层工艺进行芯片制备，具体工艺步骤如下所述：（1）衬底准备：高阻硅基底，热氧化制备二氧化硅绝缘层；（2）利用溅射工艺制备CPW底金层；（3）利用电镀工艺制备CPW层，并利用刻蚀工艺进行图形化处理；（4）利用PECVD工艺制备氮化硅介质层，利用RIE工艺对介质层进行刻蚀；（5）利用悬涂和光刻工艺制备聚酰亚胺牺牲层；（6）利用溅射工艺制备金属梁底金层；（7）利用电镀工艺制备金属梁，并利用刻蚀工艺完成金属梁的图形化处理；（8）利用灰化设备去除聚酰亚胺牺牲层，进行牺牲层的干法释放，完成芯片制备。

利用BRUKER DektakXT型台阶仪和VK-8710型激光形貌仪对芯片的表面形貌进行了测试。三维形貌测试结果可得：芯片开关金属膜桥厚约2μm，金属膜桥整体略微呈现张应力，由此造成膜桥中心区域稍许存在拱起状态，导致中心区域高度略大于金属膜桥的整体悬浮高度，此高度偏差经测试在0.2μm以下。开关金属膜桥整体平整度保持较好，存在的微小形变未对开关的微波特性和机械性能产生较明显影响。

开关微波特性利用CASCADE微波探针台和R&S ZAV50型矢量网络分析仪对回波损耗、插入损耗、隔离度和驱动电压指标进行了测试，图2～3为该开关的插入损耗和隔离度测试曲线。该开关可在Ka频段使用，插入损耗典型值0.13dB@27GHz，0.28dB@40GHz，隔离度在Ka频段优于22dB，回波损耗优于30dB，驱动电压在50V～70V之间。

4 结语

本文设计了一种使用在Ka频段的MEMS开关，文中给出了开关的设计、工艺和性能测试结果。该开关为并联电容式MEMS开关，通过结构优化设计得到了较好的性能指标，在应用频段范围内插入损耗优于0.28dB，隔离度优于22dB，驱动电压在50V～70V之间，较为适用于大型的开关阵列，例如相控阵雷达系统和可重构天线系统之中。

参考文献

[1]S.C.Bera，K.Basak，V.K.Jain，“Schottky diode-based microwave limiter with adjustable threshold power level”，Microwave and Optical Technology Letters 2010，vol.52，no 7，pp-1671-1673.

[2]E.Gatard，R.Sommet，P.Bouysse，“High power S Band limiter simulation with a physics-based accurate nonlinear PIN diode model”，Proc.European Microwave Week 2007 Conference，pp.72-75.

[3]R.Malmqvist，“Monolithic integration of millimeter-wave RF-MEMS switch circuits and LNAs using a GaAs MMIC foundry process technology”，IEEE MTT-S International Microwave Workshop Series on Millimeter Wave Integration Technologies，2011，pp-148-151.

[4]G.M.Rebeiz，“RF-MEMS：Theory，Design andTechnology”，New York：J.Wiley & Sons，2003.