并联电容式RF MEMS开关的系统级设计与分析

有德义，任　波，郝永平

(沈阳理工大学CAD/CAM技术研究与开发中心，辽宁沈阳　110159)

0　引言

RF MEMS开关是微电子机械系统(MEMS)发展的产物，它作为一种将传感、判断及执行于一体的微小器件。由于微加速度开关具有体积小、质量轻、生产批量化、成本低、集成化高、可靠性高等特点，被广泛应用在航空航天、汽车安全、消费电器、医疗器械及武器系统等领域[1-2]。

与目前射频系统中所用的电控开关(PIN二极管或GaAs FET)相比，RF MEMS开关采用微机械执行方式没有半导体PN结或金属半导体结，插入损耗很低(可小于0.2 dB，而PIN或FET的插入损耗总大于1 dB)，隔离性能很好，互调失真极低，从直流至100 GHz范围都具有非常好的电气性能，隔离度和插入损耗同开关自身的结构参数密切相关[3]。为了得到更好的开关性能，在设计过程中有必要对射频MEMS开关的相关参数进行优化，实现MEMS产品的快速设计和性能验证。RF MEMS开关靠机械移动实现对信号传输线的开/断控制，工作于RF到mm波频段，其研究目的就是要提供低插损、高隔离、高线性、低功耗的新一代开关元件。RF MEMS开关有望集成在各种衬底上，包括带有有源半导体器件的衬底，可以增加人们对射频MEMS开关的研究兴趣[4]。

1　基本原理

在MEMS器件设计中，常用到静电驱动方式，优点在于结构简单、易于IC工艺集成、功耗低。简化开关力学模型如图1所示，假设在t=0时上极板静止，且上下极板受力平衡，此时，电压V0=0,间距H1=h，t>0时，当电压V(t)，Fe作用时，开关梁发生形变，桥的位移Δh=h(t)，开关梁仍然受力平衡。悬臂梁的弹性恢复力Fk=-kx和极板所受静电力Fe如下：