一种高功率射频MEMS开关设计*

宁朝东 吴倩楠 王俊强 李孟委

（1.中北大学仪器与电子学院 太原 030051）（2.中北大学前沿交叉科学研究院 太原 030051）

（3.中北大学微系统集成研究中心 太原 030051）（4.中北大学半导体与物理学院 太原 030051）

1 引言

伴随着5G 通信和物联网时代的到来，无线通信设备对功耗和结构复杂度的要求越来越高。射频前端接收器和基站天线等射频通信也对射频器件提出了更严格的要求，如：小体积、低损耗和高功率容量。射频微机电（microelectro mechanical system，MEMS）开关［1］作为可控制微波信号的器件，在无线通信领域发挥着重要作用，同时也是使移相器、衰减器等MEMS器件实现高功率需求的关键［2～7］。

2011年，北京大学刘博研制了一款铂金接触的MEMS 开关［8］，开关的插入损耗＞20dB@20GHz，驱动电压为50V，功率容量为150mA，此开关存在驱动电压偏高的问题；2012年，UCSD 大学研制了一款蟹型金钌接触的MEMS 开关［9］，该开关在0～8GHz频段内，插入损耗＜0.4dB，隔离度＞10dB，功率容量为5W×108，此开关存在工作频段窄的问题；2014年，东南大学韩磊团队研制了一款横向驱动的MEMS 开关［10］，该开关的插入损耗＜0.6dB@10GHz，隔离度＞45dB@10GHz，功率容量为1.3W；2016年，Griffith 大学研制一款横向驱动的六触点MEMS 开关［11］，该开关在0～6GHz频段内，插入损耗＜0.9GHz，隔离度＞29dB，功率容量为2W×107，也存在工作频段窄的问题。

针对目前射频MEMS开关存在工作频段窄、功率容量低、结构复杂的问题，本文设计了一款低损耗、宽带宽、高功率的多触点MEMS开关。

2 功率型射频MEMS开关设计

2.1 射频MEMS开关原理

目前射频MEMS 开关依据电路接入方式可以划分为串联和并联［12～14］；按照结构方式可以划分为单端固支梁式和双端固支梁式。串联接触式MEMS 开关是单端固支梁MEMS 开关，通过给单端固支梁下方的驱动电极施加电压来控制开关的导通和断开。当电极有电压，单端固支梁向下弯曲，开关导通，处于“up”态［15］；当电极无电压，单端固支梁无形变，开关断开，处于“down”态。并联接触式开关是双端固支梁，通过给信号线和地线之间的驱动电极施加电压来控制开关的导通和断开。当电极有电压，双端固支梁中部向下弯曲，开关导通，处于“up”态；当电极无电压，双端固支梁没有形变，开关断开，处于“down”态。

图1 串联接触式MEMS开关工作原理图

串联接触射频MEMS 开关的等效电路模型如图2 所示，其中CPW1 为输入输出端口的阻抗，CPW2 为上电极的阻抗，Rc为开关导通时上电极与信号线之间的接触电阻，Cs 为开关断开时上电极与信号线之间的耦合电容。

图2 射频MEMS开关等效电路模型

图3 四触点射频MEMS开关结构图

2.2 射频MEMS开关结构设计

本文采用介电常数为4.0的氧化硅玻璃为功率型射频MEMS 开关的衬底，500μm 的SiNx作为功率型射频MEMS 开关的介质层。本文对射频MEMS开关的基地材料、触点数目以及上电极结构进行仿真优化，设计出一款低损耗、高功率的射频MEMS开关。

3 功率容量分析

射频MEMS 开关的功率容量主要受开关接触点产热的影响。电流流经接触点的接触电阻会产生大量的焦耳热，导致开关接触点的温度上升。当开关接触点的温度超过接触点的软化温度时，接触点处容易发生微熔焊，导致开关的失效。本文设计了一种四触点型的射频MEMS开关，通过增加开关接触点的数目降低电流流经每个接触点的电流大小，进而降低开关接触点焦耳热的产生，从而提高开关的功率容量。

根据傅里叶导热定律和电路欧姆定律，对直流电流流经接触点时接触点处的温度进行了推导，在稳定的平衡状态下的热传导的情况下，有

其中ρ为接触材料的电阻率，λ为接触材料的热导率，为温度的平均值。

由Weidemann-Franz law定律，可以得

将式（1）和式（2）结合起来，可得

其中TΘ、T0的单位为K，分别接触点处的温度和金属远端的温度；U的单位为V，表示接触点两侧的电压降；L为洛伦兹常数。

在特征阻抗为Z0的开关中，有功率为P 的射频信号通过开关触点，此时流经触点的电流为

触点两端的电压为

将式（4）和式（5）代入式（3），可得

在射频MEMS开关导通时，由于射频信号的趋肤效应会电流趋向于触点的表面，导致电流流过的横截面积小于热可以流经的横截面积。因此，式（6）求得的温度TΘ是开关触点温度的上限。当射频MEMS开关触点的温度超过触点的软化温度时，触点就会软化，甚至发生微熔焊，导致开关的失效。

由式（6）可知：射频MEMS 开关的输入功率与接触电阻的平方成反比。要想提高射频MEMS 开关的功率容量，就要降低射频MEMS开关的接触电阻。

射频MEMS开关接触电阻的计算公式为

式中，ρ为接触点的电阻率，n为触点数目，H 为触点的材料硬度，Fc为触点的接触力。由式（7）可知，降低射频MEMS 开关接触电阻的方式是增加触点的数目和提高触点的接触力。

4 结构分析

本文设计一种串联接触式的四触点射频MEMS 开关。重点研究了不同材料的基地和不同结构的上电极对射频MEMS开关的影响，进而设计出射频性能最佳的射频MEMS开关。

4.1 衬底材料的选择

射频性能和功率容量是衡量MEMS 开关射频性能的重要指标。为提高MEMS 开关的射频性能和功率容量的影响，我们研究了不同衬底对射频MEMS开关射频性能和功率容量的影响。表1列举了不同衬底材料及其介电常数。我们对不同衬底材料的MEMS 开关进行仿真，仿真结果如图4 所示，衬底介电常数为4.0 的射频MEMS 开关插入损耗最小，隔离度度最大，同时该射频MEMS 开关由插入损耗生成的热量更低，有利于提高射频MEMS开关的功率容量。因此，本文选用介电常数为4.0的石英玻璃片作为射频MEMS开关的衬底。

表1 不同衬底材料的介电常数

图4 射频MEMS开关参数仿真图

4.2 上电极结构的设计

本文设计了两种不同结构的上电极，一种为直板型上电极，另一种为球拍型上电极。文中对两种上电极末端分别施加一个垂直向下的静电力，大小为3μN。图5 为利用COMSOL 软件对这两种上电极进行力学性能仿真图，从图5（a）可以看出，直板型上电极末端位移为2.15μm；从图5（b）可以看出，球拍型上电极末端位移为3.97μm。本文设计的射频MEMS 开关导通需要上电极末端位移达到1.9μm。将图5（a）和（b）的仿真结果进行对比，可知：球拍型上电极末端位移达到1.9μm 所需要的静电力更小，更适合作为射频MEMS开关的上电极。此外，球拍型上电极能够提高射频MEMS开关牺牲层的释放速率，还能保证射频MEMS开关锚点处的牺牲层完全释放干净，提高射频MEMS开关的成品率。

图5 直板型上电极和球拍型上电极力学性能仿真图

图6 串联接触式MEMS开关S参数仿真结果

5 性能分析

5.1 射频特性分析

本文通过利用电磁仿真软件HFSS 对射频MEMS 开关的射频特性进行仿真优化，设计出了射频特性最佳的MEMS 开关。从图7 可以看出，在L～K 波段内，该四触点射频MEMS 开关插入损耗≤0.13dB，隔离度≥27.56dB。

图7 射频MEMS开关工艺流程

5.2 功率容量分析

射频MEMS 开关上电极与触点之间的接触力对功率容量有重要影响。接触力越大，接触电阻越小，开关的功率容量越高。射频MEMS开关上电极与触点之间接触力Fc的计算公式为

式中，Fe为静电力；Δg 为悬臂梁上电极的末端位移，为2.2μm；g1为信号导通时上电极与下拉电极的间隙，为1.3μm；g0为信号断开时上电极与下拉电极的间隙，为3.5μm，由式（8）可知，射频MEMS 开关上电极的弹性系数越大，上电极和触点之间接触力Fc越大。射频MEMS 开关上电极弹性系数的计算公式为

式中，E 为材料的杨氏模量，为78GPa；w 为梁的宽度，为2×20μm；t 为梁的厚度，为2μm；l 为梁的长度，为100μm，由式（9）计算可知，球拍型上电极的弹性系数为6.24N/m；由式（8）计算可知，球拍型上电极与触点之间的接触力为9.7μN；由式（7）计算可知，每个触点的接触电阻为0.6Ω

对于双触点的开关而言，总接触电阻的阻值为0.3Ω，经过计算，双触点射频MEMS 开关在理想条件下功率容量为0.5W；对于四触点射频MEMS 开关而言，总接触电阻的阻值为0.15Ω，经过计算，双触电的开关在理想条件下功率容量为2.08W。本文设计的射频MEMS开关为双通道四触点开关，故该开关的总接触为0.15Ω，功率容量为2.08W。

6 工艺流程设计

为了确保MEMS开关的射频性能和功率容量，达到MEMS开关实用化的目的，本文依据微纳加工技术设计了MEMS开关的加工流程。

具体工艺流程如下：步骤（a）：清洗石英玻璃片；步骤（b）：PECVD 沉积400nm 的SiNx，利用RIE刻蚀得到凸点；步骤（c）：利用溅射技术在BF33片子溅射Al，并通过刻蚀得到下拉电极；步骤（d）：PECVD沉积500nm的SiNx隔离层；步骤（e）：利用溅射技术溅射Ti/Au 种子层，电镀腐蚀得到开关信号传输线；步骤（f）：Pad开窗；步骤（g）：旋涂PI，固化，形成牺牲层；步骤（h）：利用干法刻蚀得到开关锚点；步骤（i）：电镀上电极步骤（j）：RIE 刻蚀PI，释放牺牲层，制得MEMS 开关。

7 结语

本文对射频MEMS 开关功率容量问题进行分析，设计了一款低损耗、宽带宽、高功率的四触点射频MEMS开关。文中对衬底的材料、上电极的结构进行优化，从而提升射频MEMS开关的功率容量和射频性能。经仿真和计算，该MEMS开关在L～K波段内，插入损耗≤0.2dB，隔离度≥27dB，功率容量为2.08W，满足射频前端接收器、基站天线等射频通信对MEMS开关高功率容量、高隔离的要求。