X_波段MEMS单刀双掷开关的研究

第29卷 第1期

2006年3月

电子器件

Chine se Journal Of Elect ron Devi c es

Vol. 29 No. 1Mar. 2006

Research of a X 2Band MEMS Single 2Pole 2Double 2Throw (SPDT) Switch

Y AN J ie , LI AO Xiao 2p ing , ZH U J ian

2. Nanj ing Electr onic Devices I nstitute, N anjing 210016, China

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1. Key Laborator y of MEMS of M inistr y of Ed ucation, Sou theast University , Nanj ing 210096, China;

Abstr act:T he newly designed SPDT switch utilizes the broadly r esearched SPST (single pole single throw) MEMS membrane switches and known microwave microstrip technology to implement SPDT function. the switch can be integr ated onto a single chip, which makes it very easy to fabricate. T he threshold voltage of the SPDT switch is about 19V. T he switch operates on X 2band (8212GH z) , with 10GH z chosen as its cen 2tral fr equency. At the central frequency, the insertion loss of the open switch is -0. 2dB, the isolation of the closed switch is -21dB, the reflection loss is about -43dB.

Keywor ds:MEMS; single 2pole 2double 2throw (SPDT) switch; MEMS membrane switch; insertion loss; isola 2tion; reflection loss EEACC:2575

X 2波段MEMS 单刀双掷开关的研究

严 捷, 廖小平, 朱 健

2. 南京电子器件研究所, 南京210016

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1. 东南大学MEMS 教育部重点实验室, 南京210096;

摘 要:利用X 2波段MEMS 单刀单掷膜开关和成熟的微带线技术设计了一种X 2波段M EMS 单刀双掷膜开关, 其模拟结果

为:阈值电压为19V 左右, 工作频率为8~12GH z, 在中心频率(10GHz) 处, 导通开关的插入损耗为-0. 2dB, 截止开关的隔离度为-21dB, 开关的回波损耗为-43dB 。

关键词:M EMS; 单刀双掷开关; M EMS 膜开关; 插入损耗; 隔离度; 回波损耗中图分类号:TN405 文献标识码:A 文章编号:100529490(2006) 0120092203 单刀双掷开关广泛应用于微波毫米波通信系统中, 尤其是在T/R 组件中的信号路由、相控阵天线中的开关线型移相器和宽带调谐网络中。通常将PIN 二极管和MESFET 管等固态器件集成于单刀双掷开关网络中来实现单刀双掷功能, 固态器件非常利于集成并且批量制备成本较低, 但是固态器件仅仅在低频段有较好的特性, 随着频率的升高其特性将迅速变坏, 当频率上升到G 级时, 其插入损耗和隔离度都不好, 因此固态单刀双掷开关不适合高

频应用; 另一方面, 由于固态开关静态功耗较高, 线性度较差, 因此也不适用于宽频应用中。由于用微机械的信号处理方法代替了电气的信号处理方法, 因而与固态单刀双掷开关相比较, MEMS 单刀双掷开关具有很多优点, 例如插入损耗低, 隔离度高, 功耗低, 线性度好等等, 因此MEMS 开关在微波领域有广泛的应用前景。

目前已经提出了好几种MEMS 单刀双掷开关结构, 它们有的利用MEMS 膜开关来实现单刀双掷

收稿日期:2005205210

作者简介:严 捷(19802) , 男, 攻读硕士学位, 研究方向为RF MEMS, [email protected];

廖小平, 男, 教授, 研究方向RF MEMS;

朱 健, 女, 高级工程师, 研究方向为RF MEMS 。

在上式中令Z L =0, l =

tan B l =]Z in =

=]Z c +0

K g =@, 则:44B

功能[1, 2], 有的使用MEMS 悬臂梁开关来实现[3, 4]。但是, 目前的研究都基于硅衬底, 本文要介绍的单刀双掷开关将基于GaAs 衬底, 其利用GaAs 上的单

刀单掷膜开关[5]和1/4波长微带线技术来实现单刀双掷功能。由于采用膜开关, 其阈值电压将很低[6], 它工作在X 2波段, 并且在整个频率范围表现出了很好的特性。

因此, 从A 2A c 面向负载终端看去的输入阻抗为无穷大, 即A 2A c 面右侧对微波信号来说将相当于开路, 它对A 2A c 面左侧的信号没有任何影响, 这就是1/4波长短路线理论。1 设计原理

1. 1 基于GaAs 衬底的交直流分开的单刀单掷

MEMS 膜开关

图1是一种交直流分开的MEMS 膜开关的示意图, 在这个MEMS 膜开关中, 衬底是GaA s 衬底, 厚度为200L m 。这个开关与普通的单刀单掷MEMS 膜开关[5]相比, 特别之处为在CPW 中的信号线和地线之间比普通单刀单掷开关增加了两个直

流驱动电极。

图1 交直流分开的单刀单掷M EMS 膜开关的示意图

由于引入了两个额外的直流驱动电极, 驱动电压将加在驱动电极上而不像传统的膜开关那样直接加在CPW 信号线上, 因此直流控制信号和传输线上所

施加的微波信号分开, 这就抑制了直流电源噪声, 从而改善了开关的噪声特性, 提高了线性度。

同样, 由于驱动直流电压不直接加在CPW 信号线上, 所以可以很方便地利用这种开关和T 型头(由1/4波长传输线技术实现) 来制备单刀双掷开关。1. 2 1/4波长短路线理论

图2是一段微波传输线的示意图, 传输线的特性阻抗为Z c , 从A -A c 面往右看去的输入阻抗为Z in , 负载阻抗为Z L , 从A -A c 面到负载的传输线长度为l 。根据微波传输线理论[7]

:

图2 一段微波传输线的示意图

Z L in =

Z +j Z c tan B l Z c +j Z L tan B l

1. 3 单刀双掷开关原理

图3是利用微波T 型头和1/4波长传输线理论实现单刀双掷功能的结构示意图。如图所示, 微波信号从输入端口输入, 并通过T 型头分为两支。在每个支路上距离T 型头分支处1/4K g 处分别有一个交直流分开的单刀单掷MEMS 膜开关, 其中K g

为所传输微波信号的等效波长。

图3 利用微波T 型头和1/4波长传输线理论实现单刀

双掷功能的结构

这种单刀双掷开关的工作原理为:微波信号从T 型头的信号输入端输入, 通过两条支路分为两路, 通过控制电路同时向两个交直流分开的单刀单掷MEMS 膜开关的直流驱动电极上施加不同电压, 使得一个开关导通同时另一个开关截止。因为截止开关到地的电容很大, 所以在微波频率下其到地的阻抗Z L 接近为0, 由于开关距离T 型分支的距离为

1/4K

g , 因此从T 型分支处看去, 截止开关所在支路的输入阻抗为无穷大, 从而信号将几乎不受影响地从导通开关所在的支路通过, 这样就实现了单刀双掷功能。

2 开关结构和工艺

2. 1 MEMS 单刀双掷开关结构

本文所设计并研究的这种单刀双掷开关中设有一个由微带线构成的微波T 形头, 微波T 形头的下端连接高频信号输入信号线, 两端对称连接两条分支信号线。(如图4) 其中微带信号线的特性阻抗设

计为508, 微带线以GaAs 衬底为介质。

根据特性阻抗及信号线宽度与介质厚度的比例要求, 设定GaAs 衬底厚度为200L m 。每条分支信号线上各有一个交直流分开的单刀单掷MEMS 膜

开关与之对称相连, 其中每个单刀单掷开关的共面波导(CPW) 的尺寸为G/S/G=84/140/84L m; 梁长400L m 、宽40L m 且厚1. 5L m, 梁与下方信号线的间距为2L m; 两个直流驱动电极的尺寸为60L m @60L m 。特别地, 微波T 形头从分支处到每个开关膜下方的信号线长度为中心频率10G 的1/4K g , 根据ADS 软件计算得L=3200L m

。

(a)

导通开关的插入损耗

图4 M EM S 单刀双掷开关的结构示意图

2. 2 主要制备工艺

¹准备GaAs 衬底; º淀积并光刻共面波导信号线与地线、开关支撑梁的桥墩、直流驱动电极以及微波T 形头微带线的信号线; »生长氮化硅绝缘介质层并光刻; ¼淀积聚酰亚胺牺牲层并光刻, 仅保留开关梁下的牺牲层; ½在聚酰亚胺牺牲层上溅射用于电镀开关梁的底金层并光刻; ¾光刻并腐蚀底金层, 形成腐蚀孔; ¿在底金层上电镀金, 形成开关梁; À释放牺牲层; Á衬底背面蒸金, 形成微带线的地平面。

3 软件模拟

利用MEMS 设计软件Coventor War e 模拟出单刀双掷开关的阈值电压, 其阈值电压为19V 。利用高频分析软件H FSS 模拟出了这种开关的S 参数(如图5) , 在中心频率(10GH z) 处导通开关的插入损耗约为-0. 2dB, 并且在整个X 2波段, 导通开关的插入损耗小于-0. 8dB; 在中心频率处截止开关的隔离度约为-21dB, 而且它在整个频带比较平稳(约从-17dB 到-26dB) ; 单刀双掷开关的回波损耗在中心频率处为-43dB, 回波损耗在中心频率处最小并且在整个频带都小于-9. 5dB 。

4 结论

本文中研究了一种MEMS 单刀双掷开关, 利用了MMIC 技术并基于GaAs 衬底制备, 其尺寸约为860L m @7200L m, 模拟结果为:阈值电压为19V, 中心频率(10GH z) 处, 导通开关的插损为-0. 2dB, 截止开关的隔离度为-21dB, 开关的回波损耗为-

(b)

截止开关的隔离度

(c) 单刀双掷开关的回波损耗

图5 H FSS 模拟出的MEMS 单刀双掷开关的S 参数

３犱犅。由于在微波领域其性能比传统FET 和PIN 管优越, 因此它在T /R 转换器和开关线型移相器等微波毫米波通信系统中具有广泛的应用前景。参考文献:

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