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射频微机电系统（RF MEMS）是MEMS技术在射频领域的结合。这项技术可以使传统的射频器件和电路发生根本的变化。它的优势在微波性能、功率损耗和系统集成等方面。备受关注的是，RF MEMS器件具有更小的尺寸。它们为集成到一块芯片或微系统上提供了可能，进而实现信息的获取、传输、处理和执行等功能，显著提高系统的性能。因此多年来，研究人员致力于MEMS技术[1]。
在各式各样的RF MEMS器件中，RF MEMS开关一般通过机械移动实现对信号传输的控制。RF MEMS开关的主要优点有：插入损耗低、隔离度好、线性化好、低功耗、微波特性好、尺寸小以及易集成[2]。目前的射频通信系统中大量分立元件，例如电感、滤波器、移相器等等，这些元件成为限制系统尺寸进一步缩小的瓶颈。而RF MEMS开关给缩小系统尺寸带来了新的可能。因此MEMS开关具有重要的研究价值。
目前，常见的开关可以分成串联和并联两种。从开关实现开启、闭合两种状态的接触方式可以分为金属接触型和电容耦合型。2017年，中北大学王雄师[3]提出了一种结型梁RF MEMS开关，其工作带宽为15-60 GHz，插入损耗小于0.15 dB，隔离度高达52 dB，开关电压为53 V。2018年，印度理工大学Dey Sukomal等[4]提出了一种用于移相器的开关，在DC-35 GHz时插入损耗<1.3 dB，隔离度>17.6 dB，开关电压高达112 V。
针对目前RF MEMS开关存在的尺寸大、隔离度较低、开关电压过高等问题，本文提出了一种面向X波段的“三叉H型”并联电容式开关。
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在驱动电压、弹性系数及其他条件均不发生变化的情况下，分别对如图1的三种悬臂梁方式进行射频仿真，两叉式每支悬臂梁宽度为15 μm，三叉式悬臂梁每支宽度为10 μm，四叉式悬臂梁每支宽度为7.5 μm。由图2结果可见，三叉式和四叉式的隔离度结果相差不大，考虑到工艺误差一定，在加工时尺寸越小，造成误差越大。最终综合考虑设计选择三叉式悬臂梁。
对于并联电容式开关，它的上极板与信号线交叠面积构成了平行板电容。如图3、图4所示，初始状态下，梁与绝缘介质层距离为g0，即空气层厚度为g0。设梁与下极板间距为g。且下极板（信号线）宽度为D，结合图3可知，上极板宽度为w，所以平行板电容器驱动面积A=w×D。ε0是空气的介电常数。
则，平行板电容为Cp、F为施加在上下极板间的电压是V时，梁受到的静电力：
当开关电压慢慢加大时，静电力逐渐增加，梁桥向下弯曲，弹性回复力也逐渐增加。当两者相等时，达到临界点，此时梁桥达到平衡状态，得：
解（3）式，阈值电压V得：
k 是等效弹性系数，式中E为上极板的杨氏模量，t为上极板厚度，
$ \sigma $ 为残余应力，v为泊松比。由式（4）可知，上极板正对面积会对开启电压产生影响。接下来对三种情况进行仿真，第一种是增加上极板面积，在标准面积上增加4个70 μm×10 μm的矩形，第二种是标准面积，第三种是减小上极板面积，在标准面积上减小4个70 μm×10 μm的矩形。如图5，分别是增大面积、正常面积、以及减小面积的开关上极板示意图。
经过仿真得到结果如图6所示。当施加电压一定时，面积增加的模型位移变化量始终大于另外两种情况，符合式（4）中所显示的规律。图6（a）电压为10 V时，0.68 μm厚的悬臂梁中线随位置不同得到的z方向偏移量，（b）是上极板中心点在不同电压作用下产生的z方向偏移量。（c）是悬臂梁厚为2 μm时的线图，同时还进行了悬臂梁为厚4 μm时的仿真，结果均与前面所述规律一致。这给本设计提供了方向，在确定增加面积的方案后，在上极板上增加若干释放孔，以便于牺牲层的释放。
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本文设计的开关结构采用SiO2衬底，其相对介电常数为3.9，衬底厚度为160.8 μm。介质层采用氮化硅薄膜，相对介电常数为7。释放孔是边长为2.4 μm的正方形，间距为7.4 μm。采用CPW形式进行微波信号的传输，为了实现输入和输出端的特性阻抗为50 Ω，采用Agilent ADS中Linecalc工具计算得到信号线宽度W为332 μm，信号线与地线间隔为115 μm，计算得到的特性阻抗为50.06 Ω。在地线上有六个锚区，固定上极板，采用三叉式悬臂梁，材料为Au。为了尽量降低电压，在上下左右加上相同四个矩形面积。并在上极板上设计了若干释放孔，释放孔能够降低上极板运动时的空气阻尼，更能得到更小的驱动电压并且利于加工。整体结构如图7。
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本小节使用Ansoft HFSS软件，分别对开关的绝缘介质层、空气层、上极板进行了优化。
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如图8，对介质层厚度hj进行参数化扫描，随着绝缘介质层厚度hj的不断增加，插入损耗变化不大，开关“闭合”状态下的中心频率不断增大。考虑到开关设计中心频率为10 GHz以及MEMS的制作工艺，最终选取0.21 μm作为一个性能上比较好的解，同时工艺上可以实现。
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空气层的厚度是影响开关“开启”状态时插入损耗的重要指标。空气层的厚度过大会带来过高的开启电压，确定合适的空气层厚度至关重要。这里对不同的空气层厚度g0进行扫描，结果如图9所示。
随着频率的增加，空气层厚度g0越大，越容易获得更小的插入损耗。由于空气层越大，开启电压越大，面向X波段，综合考虑空气层厚度g0设计为2 μm。既获得了较高的电磁性能，也使开启电压相对较小。
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上极板的厚度影响着开关的参数及开启电压。如果上极板过厚，会导致开启电压过大，或者难以产生可以让开关闭合的位移程度。开关上极板过薄，不易加工，而且可能会导致可靠性较低，甚至出现加几次电压开关就会失效的情况。
如图10是在其他参数不变的情况下，改变上极板厚度h_up的扫频结果。结果图显示几组代表数据。可以看出上极板厚度h_up影响着开关的隔离度并且带来一定的频率偏移，厚度越大，隔离度越高。在中心频率为10 GHz的情况下，综合考虑开关开启电压能实现的位移和工艺能够实现的程度，最终确定上极板厚度h_up为2 μm。
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优化后开关的俯视图和剖面图如图11和12所示，图中标注了尺寸变量。变量具体数值见表1所示。表中hj为绝缘介质层厚度，在图中未进行标注。
如图13所示，开关优化后在 8~12 GHz 内，插入损耗为 0.26~0.57 dB（绝对值，下同），隔离度大于31.30 dB。在10.1 GHz达到最优值，插入损耗为0.40 dB，隔离度为50.25 dB。如表2所示，与目前调研的X波段开关相比，开关具有隔离度高，插入损耗小，体积小等优点。
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开关的开启电压指的是当上极板与绝缘介质层紧密接触时施加在信号线上的电压值，也叫做临界电压。这个临界电压会打破开关原有的平衡状态。使用COMSOL对开关的开启电压进行了仿真，仿真结果如图14所示。
仿真空气层为2 μm，由图15可见，开关在电压等于10 V时上极板中心点已经能够达到空气层所需的2 μm位移量，上极板宽度为218.3 μm，对称仿真时，线图在110 μm时即可实现上极板完全下拉，没有边缘上翘的情况。即施加11 V电压时，开关能够实现状态转换。在实际应用中，可以取下拉电压的1.4倍为实际开启电压15.4 V。
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对开关进行瞬态仿真，结果如图16，开关的响应时间受所施加电压影响。施加11 V电压时，开关响应时间为18 μs，施加15.4 V电压时，开关的响应时间为15 μs。
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这里给出开关的制作流程，具体见图17。
（a）清洗石英基底。
（b）采用涂胶机旋涂厚度为2 μm的聚酰亚胺，以降低衬底介质损耗。
（c）采用剥离工艺制作共面波导。首先光刻形成共面波导平面图形，然后采用电子束蒸发镀膜设备沉积Au层，作为种子层，进一步采用电镀Au作为共面波导结构层，厚度为6 μm，最后将石英晶圆置于丙酮溶液中，完成剥离工艺，形成CPW三维结构。
（d）采用PECVD的方法制备氮化硅薄膜电介质层，CPW信号线与外界隔离。
（e）采用PECVD沉积二氧化硅绝缘层2 μm，光刻形成左右对称分布的6个锚点连接电极刻蚀窗口图形。采用RIE干法刻蚀，去除锚点处的二氧化硅薄膜，并采用探针测试确保锚点处的二氧化硅层去除干净。
（f）采用电子束蒸发Au种子层，通过电镀工艺制作锚点连接层。
（g）采用CMP工艺研磨圆片，在CPW上方形成2.21 μm的牺牲层。
（h）采用电镀工艺形成RF开关悬臂梁结构层，接着采用光刻形成悬臂梁结构的Au刻蚀掩膜图形，悬臂梁的两端与锚点相连，进一步与共面波导导通。采用ICP刻蚀形成Au悬臂梁结构。
（i）采用BOE溶液对牺牲层进行牺牲层腐蚀，当Au悬臂梁下方的SiO2层完全去除后，在超临界设备中完成Au射频开关的最终无吸合释放。
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本文通过理论分析结合仿真，改变上极板的面积，在普通开关基础上设计H型增大开关的上极板面积，进而降低开关的开启电压，为设计RF MEMS开关结构，优化其性能提供了参考价值。使用HFSS和COMSOL对三叉“H”型开关的射频性能和机械性能进行优化，在8−12 GHz内，插入损耗为0.26~0.57 dB，隔离度大于31.30 dB。在10.1 GHz达到最优值，插入损耗为0.40 dB，隔离度为50.25 dB。开关电压在11 V时就能够实现状态转换，开关的响应时间为18 μs。开关最终尺寸为400 μm×800 μm×160.8 μm，射频性能和机械性能均比较优异。
一种X波段三叉H型低电压RF MEMS开关设计
A Design of X Band Three-Support H Type Low Voltage RF MEMS Switch
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摘要: 针对射频电路系统所需要的低电压，高隔离度，低插入损耗的应用需求，通过对开关正对面积对驱动电压产生的影响进行探究，设计了一款应用于X波段三叉H型的RF MEMS开关。开关具有六条悬臂梁作为支撑，通过增大上极板面积来降低开关的开启电压。分别使用HFSS和COMSOL对开关的射频性能和机械性能进行仿真，开关最终优化后，在8−12 GHz内，插入损耗为0.26~0.57 dB，隔离度大于31.30 dB。在10.1 GHz达到最优值，插入损耗为0.40 dB，隔离度为50.25 dB。开关电压在11V时就能够实现状态转换，开关的响应时间为18 μs。此开关可与射频可重构器件结合，应用于新一代射频微波领域。
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关键词:
- 射频微机械开关 /
- Ansoft HFSS /
- COMSOL
Abstract: In response to the application requirements of low voltage, high isolation and low insertion loss required by the RF circuit system, by exploring the influence of the positive pair area of the switch on the driving voltage, a three-support H-type RF MEMS switch applied in X-band was designed. The switch is supported by six beams to reduce the opening voltage of the switch by increasing the area of the upper plate. The RF performance and mechanical properties of the switch were simulated by HFSS and COMSOL, respectively. After the switch was finally optimized, the insertion loss was 0.26−0.57 dB, and the isolation was greater than 31.30 dB within 8−12 GHz. The optimal value is achieved at 10.1 GHz with an insertion loss of 0.40 dB and an isolation of 50.25 dB. The switching voltage is 11V, and the switching response time is 14 μs. The switch can be combined with RF reconfigurable devices and applied to the new generation RF microwave field. -
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图 6 不同因素对位移产生的影响。（a）电压一定z方向偏移量，（b）不同电压z方向偏移量，（c）电压一定z方向偏移量
Figure 6. The influence of different factors on displacement. (a) Offset in a certain z direction of the voltage, (b) offset in a different z direction of the voltage, (c) offset in a certain z direction of the voltage
图 8 不同“hj”对射频性能的影响（a）不同“hj”对隔离度的影响（b）不同“hj”对插入损耗的影响
Figure 8. Influence of different "hj" on RF performance (a) the effect of different "hj" on isolation and (b) the effect of different "hj" on insertion loss
图 15 不同电压下上极板产生位移
Figure 15. Displacement of the upper plate occurs under different voltages
表 2 变量名称及数值
Table 2. The variable name and value
变量 数值/μm 变量 数值/μm 变量 数值/μm w 400 b 180 ws 115 l 800 c 327.5 hc 6 h 160.8 hj 0.21 a 20 d 40 g0 2 e 10 hp 2 h_up 2 f 218.3 s 332 m 10 
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[1] Mallikharjuna Rao Sathuluri G S, Lysenko I E, Tkachenko A V, et al. Design and analysis of RF MEMS switch for high-frequency applications[J]. International Journal of Engineering Trends and Technology, 2020, 68(12). [2] Huang Chengyuan,Zhang Binzhen,Duan Junping,et al. Research progresses and applications of RF MEMS switches[J]. Micronanoelectronic Technology,2018,55(09):652−659 (黄成远,张斌珍,段俊萍,等. RF MEMS开关的研究进展及其应用[J]. 微纳电子技术,2018,55(09):652−659(in chinese) HUANG Chengyuan, ZHANG Binzhen, DUAN Junping, et al. Research progresses and applications of RF MEMS switches[J]. Micronanoelectronic Technology, 2018, 55(09): 652-659 [3] Wang Xiongshi,Zhang Binzhen,Duan Junping,et al. Design and numerical evalution of novel micro bandwidth RF-MEMS parallel switch[J]. Chinese Journal of Vacuum Science and Technology,2017,37(03):341−344 (王雄师,张斌珍,段俊萍,等. 一种宽频带RF MEMS开关的设计研究[J]. 真空科学与技术学报,2017,37(03):341−344(in chinese) WANG Xiongshi, ZHANG Binzhen, DUAN Junping, et al. Design and numerical evalution of novel micro bandwidth RF-MEMS parallel switch[J]. Chinese Journal of Vacuum Science and Technology, 2017, 37(03): 341-344 [4] Dey S,Koul S K,Poddar A K,et al. Reliable and compact 3- and 4-bit phase shifters using MEMS SP4T and SP8T switches[J]. Journal of Microelectromechanical Systems,2018,27:113−124 doi: 10.1109/JMEMS.2017.2782780 [5] Sun Rui,Liu Bin. X-band RF MEMS switch design and simulation[J]. Electronic Components and Materials,2015,34(11):69−72 (苏锐,刘斌. 一种X频段RF MEMS开关的设计与仿真[J]. 电子元件与材料,2015,34(11):69−72(in chinese) SUN Rui, LIU Bin, et al. X-band RF MEMS switch design and simulation[J]. Electronic Components and Materials, 2015, 34(11): 69-72 [6] Wang S S,Wu Q N,Gao Y S,et al. A novel multifunctional electronic calibration kit integrated by MEMS SPDT switches[J]. Chinese Physics B,2021,30(11):118501 [7] Han L L,Wang Y,Wu Q N,et al. A novel low-loss four-bit bandpass filter using RF MEMS switches[J]. Chinese Physics B,2022,31(1):018506 -
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