李向光，黃欽文，王蘊輝

（1.電子元器件可靠性物理及其應用技術重點實驗室，

廣東廣州 530610;2.中北大學信息與通信工程學院，山西 太原 030051）

0 引言

微機械開關是最早開始研究的RF MEMS器件，經過近20年的研究，在設計、制造、可靠性等方面都已取得了很大的進展，是最有希望實現(xiàn)實際應用的RF MEMS器件之一。MEMS開關利用微機械結構的動作實現(xiàn)開關狀態(tài)的切換，具有插入損耗低、隔離度高、信號截止頻率高以及功耗小等優(yōu)點。RF MEMS開關能夠實現(xiàn)移相器陣列［1］、信道選擇、可變?yōu)V波器、接收器等，可廣泛用于雷達、汽車雷達、衛(wèi)星通信、無線通信等領域。

歐姆接觸式開關在低頻和直流時插入損耗很低，在20～40GHz范圍內絕緣性能較好［2］;一般用作串聯(lián)開關。Petersen K E［3］最早提出了基于硅懸臂梁和薄Au層的接觸式MEMS開關;但為了在微波范圍內追求更低的插入損耗，常用金屬材料來構成開關的機械結構。由于Au具有很高的導電性和抗腐蝕性，并且易于變形，阻抗低，熔點高，因此，成為MEMS開關中應用最廣泛的材料之一。

本文中的開關結構采用雙懸臂梁支撐，材料為Au。靜電驅動電壓是MEMS開關中重要的參數(shù)之一，并且驅動電壓越低越好，但過低電壓很可能導致開關其他性能減退，所以，應綜合考慮。諧振頻率決定了開關動作的最高頻率，只有在控制開關的頻率低于其諧振頻率時，才不會影響開關的正常工作;可靠性是MEMS開關的重點研究內容之一，而接觸式開關中可靠性與金屬觸頭關系密切，本文分析了接觸力和接觸彈跳，指出它們可能引起的失效模式，為開關設計的優(yōu)化和可靠性提供依據和參考。

1 開關設計

1.1 工作原理

圖1是懸臂式RF MEMS開關的側面和俯視示意圖。開關由襯底材料、底電極、機械結構和接觸點組成。當施加的驅動電壓高于開關的下拉電壓時，上電極所在的梁在靜電力吸引下向下運動，觸點相互接觸時形成信號的通路;撤去驅動電壓后，梁在機械回復力的作用下回到初始位置。

圖1MEMS開關示意圖Fig 1 Schematic diagram of MEMS switch

1.2 理論分析

對于懸臂梁的回復力（Fs）可近似等效為線性彈簧模型，彈簧的形變量為開關間隙的變化量，可表示為［4］

式中ks為懸臂梁的剛度;E為楊氏模量;g0為開關的初始間隙;g為施加電壓后開關的間隙;w，l，t分別為懸臂梁的寬度、長度和厚度。

開關為靜電驅動，靜電力的方程可表示為

其中，ε為真空介電常數(shù)，V為驅動電壓，A為靜電驅動面積，g為施加電壓后開關的間隙。

考慮到平衡位置Fe=Fs，由式（1）和式（2）可得［5］

對式（3）求導，并令導數(shù)為0，得到臨界點的位置位于g=2g0/3，將其代入式（3）可得到下拉電壓為

由下拉電壓的表達式可以看出:懸臂梁的剛度越低，下拉電壓就會越小;又因為剛度與懸臂梁厚度的三次方呈比例，所以，降低剛度最有效的辦法就是減少梁的厚度;但降低厚度又會使開關速度減慢，并且在釋放工藝中更易產生粘附現(xiàn)象，所以，應綜合考慮多方面的因素。

2 工藝仿真

Au具有良好的電性能和機械性能，所以，本文的開關結構材料為Au;因為MEMS開關一般為懸空的薄梁結構，并且把IC集成作為發(fā)展目標，所以，MEMS開關的制造主要利用表面微加工工藝［5］，而表面加工的關鍵是對犧牲層的選擇，此外還應考慮到蝕刻速率、內應力、厚度等因素。

詳細的工藝流程如圖2所示，具體步驟為:1）淀積并刻蝕光刻形成底部金屬;2）淀積并刻蝕形成犧牲層;3）淀積結構層，刻蝕形成接觸微坑，使導通電極率先接觸傳輸線;4）淀積并刻蝕形成頂部金屬層;5）除去犧牲層，釋放懸臂梁。

圖2 MEMS開關的詳細工藝流程Fig 2 Detailed process flow of MEMS switch

3 性能仿真

對于大多數(shù)不規(guī)則的器件，進行常規(guī)的理論分析比較困難，要想精確計算器件的結構、性能，還需解決靜電場和機械力的耦合問題［6］。例如:在1.2節(jié)中的理論分析是將上下極板簡化為平板電容器模型，并且忽略了邊緣效應的影響，這個模型僅有助于理解靜電激勵的工作原理。為獲得比較精確結果，仿真則更貼近實際情況。開關的相關參數(shù)為:懸臂梁長度為 40 μm，寬度為 30 μm，驅動極板為64 μm ×160 μm，厚度為 3 μm，極板初始間隙為 3 μm，觸點為 6 μm ×6 μm，與接觸電極的距離為 2 μm。

3.1 驅動電壓

圖3清楚地反映出隨著驅動電壓的增大，開關末端的觸點由初始位置向下運動，最終與信號傳輸線接觸，開關閉合。此外，在1（39.298 V）～2 μm（44 V）之間，圖形的斜率驟增，很好地體現(xiàn)了上述理論分析中關于“下拉”的描述。

3.2 接觸力

金屬接觸是歐姆接觸式開關中一個十分關鍵的問題，因為它與開關的可靠性有直接的關系。本文中開關的材料為Au，Au接觸很容易形成較高的粘附力，當回復力不足以使接觸斷開時就會產生粘附失效。通常MEMS開關中接觸力大小在μN～mN的范圍內［7］。接觸力也是MEMS開關接觸模型中一個十分重要的參數(shù)。

由圖4的結果可以看出:驅動電壓為70V時，接觸力為22.447 μN開關閉合后，接觸力會隨著電壓的升高而升高，并且可近似為線性關系。

圖3 驅動電壓Fig 3 Actuation voltage

圖4 接觸力Fig 4 Contact force

3.3 頻率響應

對開關進行頻率響應的分析在于找出開關的諧振頻率，諧振頻率決定了開關動作的最高頻率，只有在控制開關的頻率低于其諧振頻率時，才不會影響開關的正常工作。

圖5所示的結果是對開關進行1～40 kHz掃頻分析時的頻率響應，頻率為25.5 kHz時出現(xiàn)峰值。

圖5 頻率響應Fig 5 Frequency response

3.4 開關彈跳與開關時間

如圖6（a）所示，開關從開始接觸到穩(wěn)定之前，會來回彈跳多次，文獻［8］中通過實驗也觀察到了該現(xiàn)象。彈跳是由存儲于變形的懸臂梁和接觸材料中的能量引起的［9］。它會增加開關由閉合到穩(wěn)定的時間，彈跳過程中有可能造成粘附、接觸材料的局部硬化和點狀腐蝕等失效模式。壓膜阻尼是影響開關彈跳的一個重要因素。Guo Z J等人發(fā)現(xiàn)，開關閉合時，阻尼力的大小約為靜電力大小的13.5%［10］。

開關的閉合時間很大程度上依賴于驅動電壓，驅動電壓增大時會降低開關的閉合時間和由閉合到穩(wěn)定的時間。圖6（a）和（b）分別表示驅動電壓為50，60 V時開關的閉合情況（驅動電壓脈沖延遲為50 μs），由圖可知，閉合時間為31.2，27.78 μs，彈跳時間分別為 174.94，66.84 μs，由此可見，通過適當增加電壓可以降低彈跳持續(xù)時間。但還應注意的是，電壓過高也可能會引起驅動極板間的電擊穿，引起失效。

圖6 開關彈跳與開關時間Fig 6 Switch bounce and switch time

4 結論

本文通過對驅動電壓的理論分析得到，懸臂梁的剛度越低，下拉電壓就會越小;又因為剛度與懸臂梁厚度的三次方呈比例，所以，降低剛度最有效的辦法就是減少梁的厚度;但降低厚度又會使開關速度減慢，并且在釋放工藝中更易產生粘附現(xiàn)象，所以，應綜合考慮多方面的因素。針對設計的MEMS開關進行了工藝實驗與性能仿真，得到開關的閉合電壓為44 V;觸點的接觸力為22.45 μN;諧振頻率為25.5 kHz。開關閉合時，觸點接觸后并非立即穩(wěn)定，而是要彈跳數(shù)次后才趨于穩(wěn)定，此現(xiàn)象增加了開關從閉合到穩(wěn)定的時間，并且在彈跳的過程中還有可能造成粘附、接觸材料的局部硬化和點狀腐蝕等失效模式。驅動電壓分別為50，60V 時開關的彈跳時間分別為174.94，66.84μs，由此可見，通過適當增加電壓可有效降低開關時間和由閉合到穩(wěn)定的時間。但電壓過高可能會造成驅動極板間的電擊穿，引起失效。

［1］Suzuki K，Chen S，Marumoto T，et al.A micromachined RF microswitch applicable to phased array antennas［J］.Microwave Symposium Digest，1999，4:1923-1926.

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［3］Petersen K E.Micromechanical membrane switch on silicon［J］.IBM Journal of Research and Development，1979，23（4）:376-385.

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［5］王喆垚.微系統(tǒng)設計與制造［M］.北京:清華大學出版社，2008.

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［10］Guo Z J，McGruer N E，Adams G G.Modeling，simulation and measurement of the dynamic performance of an ohmic contact，electrostatically actuated RF MEMS switch［J］.J Micromech Microeng，2007，17（9）:1899-1909.