宋明歆，殷景華，2，郭 海，3

（1.哈爾濱理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院電子科學(xué)與技術(shù)系，黑龍江哈爾濱 150080;2.哈爾濱理工大學(xué)工程電介質(zhì)及其應(yīng)用技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱 150080;3.大連民族學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116600）

0 引言

射頻微機(jī)電系統(tǒng) （radio frequency micro-electro-mechanical systems，RF MEMS）開關(guān)具有線性度高、插入損耗低、隔離度好、功耗低和頻帶寬等優(yōu)點(diǎn)，與目前射頻系統(tǒng)中所使用的PIN二極管開關(guān)和MESFET開關(guān)相比，具有更大的優(yōu)勢［1］。利用RF MEMS開關(guān)可制作移相器、開關(guān)式濾波器、開關(guān)陣列等，應(yīng)用于雷達(dá)、衛(wèi)星通信、無線通信等系統(tǒng)中，在自動(dòng)測試、自動(dòng)控制領(lǐng)域有很大的應(yīng)用潛力。隨著RF MEMS開關(guān)研究的日益深化，在隔離度、超高頻段、單刀多擲等方面取得一定的研究成果，但RF MEMS開關(guān)仍面臨著驅(qū)動(dòng)電壓高、易發(fā)生疲勞失效、受環(huán)境濕度和氣壓影響大、介質(zhì)充電效應(yīng)影響明顯等問題［2］。RF MEMS開關(guān)的驅(qū)動(dòng)電壓普遍偏高，靜電驅(qū)動(dòng)RF MEMS開關(guān)一般需要20～80 V的驅(qū)動(dòng)電壓，在移動(dòng)通信系統(tǒng)中應(yīng)用時(shí)，需要利用電壓向上變換器將輸入很低的控制電壓提升到所需的驅(qū)動(dòng)電壓;驅(qū)動(dòng)電壓高會(huì)影響開關(guān)的壽命。Goldsmith C等人己證實(shí)驅(qū)動(dòng)電壓每下降5～7 V，開關(guān)壽命可延長10年［3］。發(fā)生疲勞失效的原因是上極板的沖擊速度太大，而沖擊速度則由驅(qū)動(dòng)電壓和粘滯系數(shù)等因素決定。因此，降低MEMS開關(guān)的驅(qū)動(dòng)電壓可以擴(kuò)大MEMS開關(guān)的應(yīng)用范圍，增強(qiáng)開關(guān)性能，提高開關(guān)的可靠性，降低驅(qū)動(dòng)電壓方法成為 RF MEMS開關(guān)的研究熱點(diǎn)之一。目前，通過優(yōu)化開關(guān)平面結(jié)構(gòu)，減小彈簧系數(shù)，達(dá)到降低RF MEMS開關(guān)驅(qū)動(dòng)電壓的目的［4］，但往往受到可靠性的制約。

本文在分析絕緣液體充填封裝RF MEMS開關(guān)工作原理基礎(chǔ)上，提出一種采用絕緣液體充填封裝加工的新穎RF MEMS開關(guān)，研究利用絕緣液體的高介電性降低RF MEMS開關(guān)的閾值電壓的新方法。利用絕緣液體的粘滯性降低RF MEMS開關(guān)的沖擊速度，同時(shí)避免環(huán)境濕度對(duì)RF MEMS開關(guān)性能的不利影響。

1 RF MEMS開關(guān)工作原理

本文所提出的絕緣液體充填封裝的RF MEMS開關(guān)，僅在RF MEMS開關(guān)封裝空腔里填充絕緣液體，其余結(jié)構(gòu)與普通RF MEMS開關(guān)相同。由于空腔體積很小，填充絕緣液體增加成本也極為有限。

1.1 RF MEMS開關(guān)的閾值電壓

RF MEMS開關(guān)的結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示。由于RF MEMS開關(guān)可動(dòng)薄膜兩端被固定在共平面波導(dǎo)的底板上，薄膜只能在z方向上運(yùn)動(dòng)。因此，本文把它近似為單自由度的阻尼系統(tǒng)（如圖1（b）所示），其有效質(zhì)量為m，可動(dòng)薄膜的彈性系數(shù)為k，速度的阻尼系數(shù)為η。為了啟動(dòng)RF MEMS開關(guān)，在共平面波導(dǎo)傳輸線的中心微帶線和底板之間加直流電壓V，在靜電場的作用下，靜電力拖動(dòng)可動(dòng)薄膜移向介質(zhì)層。在準(zhǔn)靜態(tài)條件下，隨著外加直流電壓的增加，可動(dòng)薄膜不斷向下移動(dòng)，當(dāng)薄膜移動(dòng)到g0/3時(shí)，力的平衡被打破，便急劇下降至下極板，此時(shí)外加電壓被稱之為閾值電壓VT

式中ε0為空氣的介電常數(shù)，g0為金屬膜和電極間的距離;S為金屬膜與電極的正對(duì)面積，k為梁的有效彈性系數(shù)［5］。

由式（1）可知閾值電壓受介電常數(shù)影響。采用高介電常數(shù)的絕緣液體填充來代替封裝空腔中的空氣，可以有效地降低RF MEMS開關(guān)的閾值電壓。

1.2 RF MEMS開關(guān)的開關(guān)電容值

RF MEMS開關(guān)的可動(dòng)薄膜處于不同位置，開關(guān)的電容值大小不同，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)射頻電流的開關(guān)控制。開關(guān)總電容C由介質(zhì)層部分電容Cs和可動(dòng)薄膜下表面到介質(zhì)層上表面空氣（或填充液體）層的電容Cl兩部分串聯(lián)組成

將RF MEMS開關(guān)參數(shù)代入可以得到

圖1 RF MEMS開關(guān)的結(jié)構(gòu)圖與等效電機(jī)械模型Fig 1 Sectional drawing and the equivalent electric-mechanical model of the RF MEMS switches

其中，εs為介質(zhì)層（一般為Si3N4）的相對(duì)介電常數(shù)，ds為介質(zhì)層的厚度，εl為空氣（或填充液體）介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，g0為可動(dòng)薄膜離介質(zhì)層上表面的高度，z為可動(dòng)薄膜離開平衡位置的位移，開關(guān)的總電容C的大小隨可動(dòng)薄膜位移z的變化而變化。當(dāng)器件RF MEMS開關(guān)處于開態(tài)時(shí)，可動(dòng)薄膜未發(fā)生位移，電容為

當(dāng)電容處于關(guān)態(tài)時(shí)，可動(dòng)薄膜處于最大位移處，電容為

采用關(guān)態(tài)電容與開態(tài)電容的比值衡量RF MEMS開關(guān)的開關(guān)特性。由公式（4）可知，低介電常數(shù)的絕緣液體填充將有效地提高RF MEMS開關(guān)電容比。這一點(diǎn)與采用高介電常數(shù)的絕緣液體填充來降低RF MEMS開關(guān)的閾值電壓相矛盾。故需要選擇合適的填充材料以達(dá)到綜合性能最優(yōu)的效果。

采用液體封裝可以避免絕緣介質(zhì)材料表面產(chǎn)生粘附力，使器件的上電極和絕緣介質(zhì)層發(fā)生粘附失效;并減小RF MEMS開關(guān)漏電。

2 微加工工藝流程

通過IntelliSense軟件，對(duì)加工工藝進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)。具體流程如下:為了降低開關(guān)的高頻損耗，采用高阻硅作為襯底，通過干—濕—干的熱氧化工藝在表面生成氧化層，然后淀積一層Al金屬層作為下電極和共面波導(dǎo)傳輸線材料。通過等離子體增強(qiáng)型化學(xué)氣相沉積（PECVD）工藝淀積一層Si3N4作為絕緣介質(zhì)，使之覆蓋在下電極的頂部，防止上下電極的歐姆接觸。為了形成開關(guān)，旋涂犧牲層，確定錨區(qū)，淀積Al層，并通過光刻、濕法刻蝕來形成可動(dòng)的上電極。用氧氣等離子體刻蝕犧牲層和Al薄膜上的光刻膠，直到上電極和下電極之間的犧牲層被全部釋放。得到最終的器件后，用標(biāo)準(zhǔn)超臨界干冰處理，以除去水汽，形成封裝，進(jìn)行絕緣液體充填。

3 仿真分析

本文利用IntelliSuite和Matlab軟件對(duì)空氣和在電絕緣領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的液體（高壓油、蓖麻油、甘油）充填封裝的RF MEMS開關(guān)進(jìn)行仿真。

3.1 閾值電壓

圖2是RF MEMS開關(guān)電壓位移曲線。從圖2可以看出:傳統(tǒng)封裝RF MEMS開關(guān)的閾值電壓約為20.7 V，采用高壓油、蓖麻油和甘油絕緣液體充填封裝RF MEMS開關(guān)的閾值電壓分別為 13.8，9.97，3.06 V，隨著介電常數(shù)的升高，呈下降趨勢，下降為原來的 1/εr0.5，與公式（1）相吻合;3種絕緣液體充填封裝分別下降約7，11，18 V，可見，采用高介電常數(shù)的絕緣液體充填封裝將有效地降低RF MEMS開關(guān)的閾值電壓。

圖2 不同材料填充的開關(guān)位移與驅(qū)動(dòng)電壓關(guān)系曲線Fig 2 Curve of relation between the displacement and the driving voltage of the RF MEMS switches with different fluid filled in packaging

3.2 響應(yīng)時(shí)間

圖3是響應(yīng)時(shí)間—驅(qū)動(dòng)電壓曲線。由圖3可以看出:隨驅(qū)動(dòng)電壓上升，不同材料填充的RF MEMS開關(guān)響應(yīng)時(shí)間均下降，在閾值電壓附近響應(yīng)時(shí)間下降較快，隨著閾值電壓上升，下降速度變慢?？梢姡瑸楸ＷCRF MEMS開關(guān)的有效驅(qū)動(dòng)，減小RF MEMS開關(guān)響應(yīng)時(shí)間，驅(qū)動(dòng)電壓應(yīng)選擇高些較好;但高驅(qū)動(dòng)電壓會(huì)增加器件的沖擊速度和介質(zhì)充電效應(yīng)，所以，選擇驅(qū)動(dòng)電壓為閾值電壓的1.5～2倍比較合適。在20 V左右，采用3種絕緣液體充填封裝的RF MEMS開關(guān)響應(yīng)時(shí)間均低于100 μs。

圖3 不同材料填充開關(guān)響應(yīng)時(shí)間與驅(qū)動(dòng)電壓關(guān)系曲線Fig 3 Curve of relation between the response time and the driving voltage of the RF MEMS switches with different fluid filled in packaging

不同的材料填充的RF MEMS開關(guān)響應(yīng)時(shí)間差異較大，雖然用高介電常數(shù)的絕緣液體充填封裝降低了閾值電壓，但由于液體的粘滯系數(shù)較大，響應(yīng)時(shí)間會(huì)有所增加?？諝馓畛涞钠骷憫?yīng)時(shí)間下降速度最快，蓖麻油、高壓油填充的器件次之，甘油填充的器件響應(yīng)時(shí)間下降速度最慢。在驅(qū)動(dòng)電壓為20 V時(shí)，蓖麻油填充的RF MEMS開關(guān)響應(yīng)時(shí)間約為40.6 μs，高壓油、甘油填充的RF MEMS開關(guān)響應(yīng)時(shí)間約為90 μs，而未填充的RF MEMS開關(guān)尚未開啟，如表1。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓大于25 V時(shí)，采用蓖麻油填充的RF MEMS開關(guān)在響應(yīng)時(shí)間上與空氣填充的RF MEMS開關(guān)相仿。

表1 驅(qū)動(dòng)電壓20 V時(shí)不同料填充開關(guān)響應(yīng)時(shí)間Tab 1 Response time of the RF MEMS switches with different fluid filled in packaging when driving voltage is 20 V

3.3 沖擊速度

從圖4速度—位移（時(shí)間）曲線可以看出:在0～30 V的驅(qū)動(dòng)電壓條件下，沖擊速度在0.3～3 m/s之間，同等條件下高壓油的沖擊速度最低，空氣與蓖麻油次之，甘油的沖擊速度最大。在驅(qū)動(dòng)電壓為15 V時(shí)，蓖麻油的沖擊速度為0.95 m/s，甘油的沖擊速度為1.43 m/s。在驅(qū)動(dòng)電壓為20 V時(shí)，蓖麻油的沖擊速度為1.26 m/s，甘油、空氣、高壓油的沖擊速度分別為 1.8，0.95，0.52 m/s。可見，粘滯系數(shù)和驅(qū)動(dòng)電壓對(duì)器件沖擊速度影響很大。

圖4 不同材料填充的開關(guān)沖擊速度與驅(qū)動(dòng)電壓關(guān)系曲線Fig 4 Curve of relation between the impact speed and driving voltage of the RF MEMS switches with different fluid filled in packaging

因此，在采用高介電常數(shù)的絕緣液體充填封裝降低RF MEMS開關(guān)的閾值電壓的同時(shí)，還應(yīng)注意選擇絕緣液體的粘滯系數(shù)，以便控制響應(yīng)時(shí)間與沖擊速度。

3.4 RF MEMS開關(guān)的電容比

采用不同材料填充的RF MEMS開關(guān)，填充材料的介電常數(shù)不同，上電極與絕緣介質(zhì)間的電容Cl也將不同，RF MEMS開關(guān)的開關(guān)電容比隨之變化，見表3，直接影響RF MEMS開關(guān)的特性。從表2中可以看出:空氣填充的RF MEMS開關(guān)的電容比最大為81;高壓油和蓖麻油填充的RF MEMS開關(guān)的電容比次之，分別為36和33.3;甘油填充的RF MEMS開關(guān)的電容比最小，僅為2.8，開關(guān)特性不好，不適合作為RF MEMS開關(guān)的填充材料。

綜上所述，雖然高介電常數(shù)的絕緣液體降低RF MEMS開關(guān)的閾值電壓，但介電常數(shù)太高，將導(dǎo)致RFMEMS開關(guān)的電容比降低，器件開關(guān)特性變差。計(jì)算結(jié)果表明:信號(hào)頻率低于10 GHz時(shí)，絕緣液體相對(duì)介電常數(shù)小于10，RF MEMS開關(guān)的電容開關(guān)比將大于15，才能保證RF MEMS開關(guān)的開關(guān)性能。

表2 不同填充材料的開關(guān)電容與電容比Tab 2 On-off capacitance and the capacitance ratio of the RF MEMS switches with different fluid filled in packaging

4 結(jié)論

本文提出并設(shè)計(jì)一種采用絕緣液體充填封裝RF MEMS開關(guān)，與空氣充填封裝RF MEMS開關(guān)相比，絕緣液體充填封裝RF MEMS開關(guān)具有閾值電壓低、極板沖擊速度小的優(yōu)點(diǎn)，并且避免了環(huán)境濕度對(duì)RF MEMS開關(guān)性能的不利影響，給出絕緣液體充填封裝材料的選擇依據(jù)。

通過對(duì)3種液態(tài)封裝材料性能綜合對(duì)比分析，采用蓖麻油作為液態(tài)封裝材料最好，閾值電壓下降了50%，約為10 V;當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓為20 V時(shí)，響應(yīng)時(shí)間為40.6 μs，沖擊速度約為 1.26 m/s。

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