1.摘要

射頻微機(jī)電系統(tǒng)(RF MEMS)是MEMS技術(shù)的一大重要應(yīng)用領(lǐng)域，也是20世紀(jì)90年代至今研究MEMS技術(shù)各領(lǐng)域中飛速發(fā)展的熱點(diǎn)。射頻微機(jī)械開(kāi)關(guān)體積小，功耗低，且插入損耗、隔離度等微波性能均遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的PIN和MOSFET開(kāi)關(guān), 因此在雷達(dá)、衛(wèi)星通信、個(gè)人無(wú)線通信、測(cè)試儀器等系統(tǒng)中有很好的應(yīng)用前景。本論文對(duì)應(yīng)用于X頻段的并聯(lián)電容式RF MEMS開(kāi)關(guān)進(jìn)行了深入的研究。

本論文從機(jī)械性能、微波性能兩方面入手，對(duì)開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)與制作等進(jìn)行了較詳盡的分析和研究，建立了開(kāi)關(guān)的靜力學(xué)模型，分析得到了開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)尺寸以及材料特性等參數(shù)對(duì)開(kāi)啟電壓的影響；基于開(kāi)關(guān)的動(dòng)力學(xué)模型，使用Matlab/Simulink工具分析了開(kāi)關(guān)上電極的瞬態(tài)時(shí)間響應(yīng)特性。介紹了高頻電磁場(chǎng)仿真設(shè)計(jì)方法，建立了并聯(lián)電容式RF MEMS開(kāi)關(guān)的等效電路模型，使用ADS軟件得到RLC對(duì)插入損耗和隔離度的影響。

本文設(shè)計(jì)了一種三螺旋結(jié)構(gòu)的RF MEMS開(kāi)關(guān)，即上電極中心及兩端各為螺旋結(jié)構(gòu)，從而增加了上電極的等效電感，減小了諧振頻率，從而在較低的頻段下實(shí)現(xiàn)了較好的隔離度。主要研究了開(kāi)態(tài)時(shí)的插入損耗以及關(guān)態(tài)時(shí)的隔離度。使用Ansoft HFSS軟件對(duì)絕緣介質(zhì)層厚度、上下電極之間的空氣層厚度和上電極尺寸進(jìn)行了仿真與優(yōu)化。在X頻段，開(kāi)關(guān)開(kāi)態(tài)時(shí)的插入損耗小于0.47dB；關(guān)態(tài)時(shí)的隔離度優(yōu)于-26.42dB。中心頻率處開(kāi)關(guān)開(kāi)態(tài)的插入損耗為-0.35dB，開(kāi)關(guān)關(guān)態(tài)時(shí)的隔離度為-31.98dB。

2. 設(shè)計(jì)內(nèi)容

2.1開(kāi)關(guān)動(dòng)力學(xué)理論模型

在進(jìn)行模型分析之前，首先做如下假設(shè)：

1. 主要是研究上電極中部與下電極正對(duì)部分的動(dòng)作情況，忽略其它部分的運(yùn)動(dòng)。
2. 上下電極間的氣體在響應(yīng)過(guò)程中看成絕熱氣體，并且假設(shè)下拉過(guò)程和回復(fù)過(guò)程的時(shí)間間隔較大，從而使上電極兩端的氣體能夠達(dá)到平衡。同時(shí)假設(shè)阻尼系數(shù) b 在下拉和回復(fù)過(guò)程中均保持不變。

2.2 開(kāi)關(guān)的動(dòng)力學(xué)模型的 Matlab/Simulink 仿真Simulink 仿真狀態(tài)方程的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.3開(kāi)關(guān)響應(yīng)時(shí)間仿真結(jié)果和討論

仿真中應(yīng)用的開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)相關(guān)代碼如下：

E=70e+9;

L=[200e-6 250e-6 300e-6 350e-6];

w=87e-6;

h=1.2e-6;

e0=8.854187e-12;

er=7;

Derlta=10e+6;

l2=150e-6;

g0=[1.5e-6 2.0e-6 2.5e-6 3.0e-6];

gj=0.3e-6;

lambt=0.33;

R=0.5;

u=1.845e-5;

A=l2*w;

K=[0 0 0 0];

for i=1:4K(i)=(32*E*h^3*w)/L(i)^3+(8*Derlta*(1-lambt)*h*w)/L(i);

end;

B=[0 0 0 0];

for i=1:4B(i)=(3*u*A^2)/(2*pi*g0(i)^3);

End;

kMatrix=K; %k值矩陣

bMatrix=B; %b值矩陣

t=zeros(4,4,250); %聲明33255矩陣，保存不同k、b值時(shí)的時(shí)間采樣點(diǎn)y=zeros(4,4,250); %聲明3*3*255矩陣，保存不同k、值時(shí)的位移采樣點(diǎn)for i=1:4 %循環(huán)3次，計(jì)算不同k值的輸出結(jié)果k=kMatrix(i); %設(shè)定k值for j=1:4 %循環(huán)3次，計(jì)算不同b值的輸出結(jié)果

b=bMatrix(j); %設(shè)定b值

G0=g0(j);

sim('myswitch.mdl'); %開(kāi)始仿真運(yùn)行“myswitch.mdl”原理圖文件length(i,j)=size(tout,1); %計(jì)算采樣點(diǎn)的長(zhǎng)度，因?yàn)槊看芜\(yùn)行后采樣點(diǎn)數(shù)目不一樣

t(i,j,1:length(i,j))=tout; %保存第（i，j）次的時(shí)間采樣點(diǎn)

y(i,j,1:length(i,j))=yout(:,2); %保存第（i，j）次的位移采樣點(diǎn)

，yout(:,2)中的2為位移輸出端口號(hào)

end; %結(jié)束第二層循環(huán)

end; %結(jié)束第一層循環(huán)

figure(1) %畫(huà)相同k值，不同b值下位移圖

for i=1:4 %3個(gè)k值，畫(huà)3個(gè)比較圖

subplot(2,2,i); %畫(huà)k=kMatrix(i)時(shí)的比較圖

hold on; %開(kāi)畫(huà)圖保持title(['g:displacement(k=',num2str(kMatrix(i)),'N/m)']);

%圖標(biāo)題plot(squeeze(t(i,1,1:length(i,1))),squeeze(y(i,1,1:length(i,1))),'b-.',squeeze(t(i,2,1:length(i,2))),squeeze(y(i,2,1:length(i,2))),'g- ',squeeze(t(i,3,1:length(i,3))),squeeze(y(i,3,1:length(i,3))),'r',squeeze(t(i,4,1:length(i,4))),squeeze(y(i,4,1:length(i,4))),'y- ');

%不同b值的3條曲線，squeeze是將矩陣降維，不用此函數(shù)程序無(wú)法運(yùn)行l(wèi)egend(['b=',num2str(bMatrix(1))],['b=',num2str(bMatrix(2))],['b=',num2str(bMatrix(3))],['b=',num2str(bMatrix(4))]); %曲線標(biāo)注holdoff;

%關(guān)保持

end; %結(jié)束循環(huán)

figure(2) %畫(huà)相同b值，不同k值下位移圖

for j=1:4 %3個(gè)b值，畫(huà)3個(gè)比較圖

subplot(2,2,j); %畫(huà)b=bMatrix(j)時(shí)的比較圖hold on; %開(kāi)畫(huà)圖保持title(['g:displacement(b=',num2str(bMatrix(j)),')']);

%圖標(biāo)題plot(squeeze(t(1,j,1:length(1,j))),squeeze(y(1,j,1:length(1,j))),squeeze(t(2,j,1:length(2,j))),squeeze(y(2,j,1:length(2,j))),squeeze(t(3,j,1:length(3,j))),squeeze(y(3,j,1:length(3,j))),squeeze(t(4,j,1:length(4,j))),squeeze(y(4,j,1:length(4,j))));

%不同k值的3條曲線，squeeze是將矩陣降維，不用此函數(shù)程序無(wú)法運(yùn)行l(wèi)egend(['k=',num2str(kMatrix(1)),'N/m'],['k=',num2str(kMatrix(2)),'N/m'],['k=',num2str(kMatrix(3)),'N/m'],['k=',num2str(kMatrix(4)),'N/m']);

%曲線標(biāo)注holdoff;%關(guān)保持end;

開(kāi)關(guān)的直流偏置電壓波形

等效彈性系數(shù) k 對(duì)開(kāi)關(guān)響應(yīng)時(shí)間的影響

等效阻尼系數(shù) b 對(duì)開(kāi)關(guān)響應(yīng)時(shí)間的影響

綜上所述，通過(guò)設(shè)計(jì)較高等效彈性系數(shù)的上電極結(jié)構(gòu)、減小阻尼系數(shù)，可以獲得高速響應(yīng)的 MEMS 開(kāi)關(guān)。但是，一般情況下高速響應(yīng)和低開(kāi)啟電壓是一對(duì)矛盾，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該折衷考慮。在 60V 電壓驅(qū)動(dòng)，在常溫常壓大氣環(huán)境下，開(kāi)關(guān)具有約 4.5μs 的下拉時(shí)間和約 13.5μs 的回復(fù)時(shí)間。

3. 開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)的微波性能分析與設(shè)計(jì)

開(kāi)態(tài)時(shí)，輸入信號(hào)的損耗包括兩部分，一部分是共面波導(dǎo)的損耗，另一部分是信號(hào)從電容泄漏到地而產(chǎn)生的損耗。因此，降低共面波導(dǎo)的損耗有利于減小開(kāi)關(guān)的插入損耗。圖 3.3 所示是使用 Agilent ADS 軟件對(duì)處于開(kāi)態(tài)時(shí)的 RF MEMS 開(kāi)關(guān)的等效電路仿真后得到的插入損耗變化圖。圖中，根據(jù)經(jīng)典值來(lái)選取參考值，圖 3.3 中，選取Ls=6pH，Rs=0.2Ω，Cu=0.05pF，0.1pF，0.15pF，可以看出開(kāi)態(tài)的電容大小對(duì)開(kāi)關(guān)的插入損耗影響很大，插入損耗隨著電容的增大而增大。而且隨著頻率的增加，插入損耗逐漸增大。

并聯(lián)電容式開(kāi)關(guān)在開(kāi)態(tài)時(shí)的插入損耗

并聯(lián)電容式開(kāi)關(guān)在關(guān)態(tài)時(shí)的隔離度

當(dāng)開(kāi)關(guān)處于開(kāi)態(tài)時(shí)，電容越大，插入損耗也就越大。開(kāi)關(guān)處于關(guān)態(tài)時(shí)，電感、電容對(duì)開(kāi)關(guān)諧振頻率影響很大，當(dāng)電感增大或者電容增大時(shí)，開(kāi)關(guān)諧振頻率會(huì)隨之降低，而且使得開(kāi)關(guān)在相對(duì)較低的頻率下具有好的隔離性能；而電阻主要影響開(kāi)關(guān)諧振頻率附近的關(guān)態(tài)隔離度，電阻越小，輸入信號(hào)的對(duì)地阻抗越小，因此隔離度越好。

4. RF MEMS 開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)

X 頻段并聯(lián)電容式開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖

開(kāi)關(guān)采用硅作為襯底材料，相對(duì)介電常數(shù)為 11.9；下電極采用 Si3N4 作為絕緣介質(zhì)，相對(duì)介電常數(shù)為 7；采用 Au 作為傳輸線材料，電導(dǎo)率為 4.1×107S/m；采用 Al作為金屬懸臂梁，電導(dǎo)率為 3.8×107S/m。最后確定的尺寸為絕緣介質(zhì)層厚度 td=0.3μm，上電極與下電極之間空氣層厚度 g=3μm，上電極寬度 w=40μm 和上電極螺旋結(jié)構(gòu)間距 m=15μm，其插入損耗和隔離度如圖 4-5(a)(b)所示。在 X 頻段范圍內(nèi)，插入損耗為-0.24dB~-0.47dB，隔離度優(yōu)于-26.42dB。在中心頻率的插入損耗為-0.35dB，隔離度為-31.98dB。