改进K型单刀四掷射频MEMS开关.pdf

微纳米技术Jun.,20232023年6 月RESEARCH&PROGRESSOFSSEVol.43,No.3第43 卷第3期子学研究与进展固体电改进K型单刀四掷射频MEMS开关芮召骏朱健黄镇姜理利（南京电子器件研究所，南京，2 10 0 16）2022-12-30收稿，2 0 2 3-0 3-0 6 收改稿摘要：针对射频器件小型化以及5G通信发展的需求，设计了一款射频微机电系统（RF-MEMS）单刀四掷开关。该开关由一个改进型K型功分器和六个单刀单掷开关级联构成，并基于硅基MEMS工艺进行制造。其中，改进型K型功分器由多个Y型功分器串并联构成。改进的开关各端口具有插人损耗小和隔离度高的特点。最终流片的测试结果显示：该单刀四掷MEMS开关的插入损耗优于2.8 dB，隔离度优于2 9 dB。关键词：射频MEMS；硅基工艺；单刀四掷开关中图分类号：TN403文献标识码：A文章编号：10 0 0-38 19(2 0 2 3)0 3-0 2 6 6-0 6Improved K-type SP4T RF MEMS SwitchRUI ZhaojunZHU JianHUANG ZhenJJIANG Lili(Nanjing Electronic Devices Institute,Nanjing,210016,CHN)Abstract:In view of the miniaturization of radio frequency(RF)devices and the development of5G communication,the single-pole-four-throw(SP4T)switch of RF micro electron mechanical sys-tems(MEMS)was designed.The switch consisted of K-type power divider and six single-pole-single-throw(SPST)switches,and fabricated based on a silicon-based MEMS process.Amongthem,the improved K-type power divider was composed of multiple Y-type power dividers connectedin series and parallel.The ports of the improved switch have the characteristics of low insertion lossand high isolation.The final tape-out results show that the switch has an insertion loss of better than2.8 dB and an isolation of better than 29 dB.Key words:RFMEMS;silicon-based process;SP4T引言开关在RF-MEMS技术中起着重要作用，是众多MEMS器件（如：滤波器、移相器和衰减器等）的基本构件。与固态开关相比，其具有可忽略的功率损耗、固有的可重构性以及良好的线性2 3。由单刀单掷RF-MEMS开关组成的单刀多掷RF-MEMS开关，能够实现对多种RF信号的获取、传输、处理等功能4),具有小型化、低功耗、集成化等方面的优势，可广泛应用*联系作者：E-mail:于收发机、卫星通信系统、相控阵雷达等领域5单刀四掷RF-MEMS开关由各类单掷开关和四通道功分器构成，其中常见的功分器类型有H型、K型、星型等。而单掷开关的主要研究类型为静电驱动形式的串联接触式开关和并联电容式开关。其中,串联接触式开关在较低频段的损耗更低，隔离度更高，在开关时间和线性度等性能上也具有优势(6)。国外串联接触式的单刀四掷RF-MEMS开关的研究中，超过10GHz频段后的插人损耗很大，且隔离度变差7。国内目前鲜有单刀四掷RF-MEMS开关的制造，多数研2673期芮召骏等：改进K型单刀四掷射频MEMS开关究为单刀四掷开关的仿真设计，且仿真中的K型单刀四掷RF-MEMS开关各端口插人损耗一致性较差，隔离度不理想(8)为解决多掷开关尺寸大、隔离度差、端口损耗不一致和应用频率范围小的问题，设计了一款适用于0.12 0.0 GHz频率范围的改进K型射频MEMS单刀四掷开关，该开关的每路输出通道由双开关控制通断，提高了通道的隔离度。通过驱动电压、开关时间和结构应力进行机电仿真，选择上电极有16孔的平行支撑结构开关。采用的硅基MEMS工艺的精度高，可以在高阻值硅片上设计复杂的开关结构。精确设置干法刻蚀与湿法腐蚀的工艺参数，提高开关的MEMS工艺水平。1单刀单掷开关的原理及设计单刀四掷开关的基本结构为静电驱动方式的串联接触式单刀单掷开关，其主要结构有悬臂梁、锚区、触点、下电极以及驱动电极，如图1所示。当驱动电极上没有施加电压时，悬臂梁上电极处于水平状态，触点与下电极不接触；当驱动电极施加电压，悬臂梁上电极受静电力驱动，向下位移，触点与下电极接触形成通路。CantileverbeamContactsAnchorBiaselectrodeLowerelectrode图1串联接触式开关结构示意图Fig.1Schematic diagram of the structure of the series con-tact switch采用平行支撑结构的悬臂梁，如图2(a)所示图2(b)为传统直板型悬臂梁结构。由于梁的宽度（w)越大，材料沿宽度方向的流动阻力越大，即该梁的抗弯曲能力越强。而梁宽度的相对减小，能够减小梁下拉所需静电力，所以平行支撑结构比传统直板型结构有更低的驱动电压和更短的开关时间。在高阻硅片上设计平行支撑的开关结构，锚区与上电极前端通过两个平行的支梁连接，构成平行支撑结构。上电极的尺寸为2 35m100m5m，与驱动电极的间隙为1.2 m，上下电极的间隙为0.5m。通过阶跃函数在COMSOL软件中控制驱动电压由0 变化到2 8 V，进行两种结构开关时间的瞬时仿真。图3为开关时间的仿真结果，由图可见平行支撑结构的触点可以与下电极接触，从上电极位移到接触稳定的时间为14s;直板型结构的触点不与下电极接触，且开关位移到稳定状态的时间为2 4S。证明了平行支撑结构具有更短的开关时间。100100um/M50u/50/M010020001002001/um1/m(a)(b)图2 上电极结构示意图：(a)平行支撑型；(b)直板型Fig.2 Structure diagram of the upper electrode structure:(a)Parallel support type;(b)Straight plate type0-Parallel support0.1.-Straight plate-0.2-0.30.4-0.5h0102030405060Time/s图3天开关下拉位移曲线Fig.3Pull-down displacement curve of the switch平行支撑的镂空结构，有利于牺牲层的释放，可提高工艺的可靠性。同样上电极开孔也是利于牺牲层释放的结构。由于上电极受静电力驱动，与驱动电极之间的间隙产生变化，造成气膜被挤压，产生压膜阻尼。开孔可以减少压膜阻尼9-10,间隙的气体通过孔流动，释放梁的部分应力，减小金属梁的疲劳性，提高开关的可靠性。图4为开孔结构和无孔结构在第6 5s时的应力分布仿真结果，两个平行支撑的悬臂梁触点在稳定状态下均能与下电极接触。结构的应力存在平行支撑上，16 孔结构的最大应力为14.2 MPa，无孔结构的最大应力15MPa。Stress/MPaStress/MPa414.24151414238642121086425.27104V5.6104(a)(b)图4开关闭合应力仿真图：（a)16孔；(b)无孔Fig.4 Simulation diagram of the switch closing stress:(a)16holes;(b)Non hole孔的存在使得压膜阻尼变小，开关的运动速度变快，也会降低上电极重量而减小惯性。开关的回复状态会受到较大影响，图5为16 孔和2 4孔上电极结构开关的回复时间仿真结果。由图可见，16 孔结构和2 426843卷http:/GTDZ固体电子学研究与进展孔结构的开关回复时间分别为36 s和46 s,并且2 4孔结构开关触点的位移幅度也较大。综合上述仿真结果，选择上电极有16 个方孔的平行支撑结构。0.100.1-0.2-0.3-0.4-16 holes-24 holes-0.5-020406080100Time/s图5开关模型回复位移仿真图Fig.5Simulation diagram of recovery displacement of switchmodel悬臂梁通过锚区固定在共面波导（CPW)11I传输线输入端，下电极与CPW传输线输出端连接。地线上设计空气桥结构。驱动电极和高阻线上均覆盖一层氮化硅介质且衬底表面做热氧化处理，以减小漏电风险。图6(a)为采用的单刀单掷开关模型。通过ANSOFTHFSS仿真，设置信号线线宽为80m，信号线与地线的间距为35m。最终仿真结果如图6（b)所示，单刀单掷开关插入损耗为0.08dB10GHz、0.11d B 2 0 G H z,隔离度为32.04 dB 10 GHz、2 6.12 d B 2 0 G H z。HighresistancewireMedia layerAirbridgeGround lineSignal line(a)-25F-0.03Isolation-3035-0.06400.0945Insertionloss-500.1205101520Frequency/GHz(b)图6单刀单掷开关模型及仿真结果：（a)HFSS模型；（b）仿真结果Fig.6The SPST switch model and simulation results:(a)The HFSS model;(b)Simulation results2功分器设计改进K型功分器如图7 所示，将三组Y型功分器级联。实现了两路输出端口与输人端口平行，避免了输入输出路径上的9 0 弯曲，减少射频信号通过时的损耗。图中虚线框内信号线足够长，防止port3和port4距离过近，造成两个端口隔离度变差。Output port 4 Output port 3suod ndinoOutput port2InterfaceInput port 1图7改进K型功分器HFSS模型Fig.7The HFSS model of improved K-type power divider通过修改信号线宽度和信号线与地线之间的距离，对功分器进行仿真优化，最终选取的改进的K型功分器模型数据为：信号线宽度为8 0 m，信号线与地线间距为55m，信号线接口处宽度为40 m。该功分器的S参数仿真结果如图8 所示，由图可见，在0.12 0.0 G H z 频段内，功分器输出端口的最大回波损耗为7.1dB，插入损耗优于8.3dB，并且端口port2和port5以及port3和port4的插人损耗具有对称性。57.0FSS67.5SS33S8.044S558.5510510152005101520Frequency/GHzFrequency/GHz(a)(b)图8 功分器仿真结果：(a)回波损耗;(b)插人损耗Fig.8 Simulation results of the power divider:(a)Returnloss;(b)Insertion loss3单刀四掷开关设计在上述功分器输入通道与输出通道的接口处增加两个单刀单掷开关（SW1、SW 2），如图9 所示开关的每个输出路径都由两个单刀单掷开关控制。由于开关宽度与信号线宽度不一致，需要通过仿真得到不同端口信号线与地线的最佳间距。portl、port3和port4处信号线与地线的间距为55m，port2和port5处信号线与地线的间距为35m。图10 给出了改进K型单刀四掷开关的四个输269芮召骏等：改进K型单刀四掷射频MEMS开关3期SW5 Output port 4 Output port 3 sW49MSSW3suod indinoOutput port2InterfaceSw2Input port 1SW1图9单刀四掷开关HFSS模型Fig.9HFSSmodeloftheSP4Tswitch出端口的全波段仿真结果，图10(a)为port2导通时仿真结果，在0.12 0.0 GHz频带内，插人损耗（S21）优于0.15dB，p o r t 4和port5的隔离度（S41.Ss1)分别优于39 dB和48 dB。p o r t 3的隔离度（S31）为2 7.6 1dB，其偏低，原因是port3的传输路径上，SW1处于导通状态。图10(b)为port3导通时仿真结果，在0.120.0GHz频带内，插人损耗（Sal）优于0.2 2 dB，p o r t 4和port5的隔离度（S4n.Ss1）分别优于36 dB和45dB，port2的隔离度(Sz1)为32.17 dB。图10(c)为port4导通时仿真结果，port4为port3的对称端口，故仿真结果与port3相似。图10(d)为port5导通时仿真结果，port5为port2的对称端口，故仿真结果与port2相似。Insertionloss-30-30Insertionloss40-0.1840-0.18IsolationIsolation5050600.2600.2-70-70-800.3-80E0.3上0510152005101520Frequency/GHzFrequency/GHz(a)(b)-30Insertionloss-30Insertionloss400.18-40-0.1IsolationIsolation50-5060-0.2:-60-0.2S-70-70-800.3-800.3上0510152005101520Frequency/GHzFrequency/GHz(c)(d)图10改进K型单刀四掷开关仿真结果：(a)开关1、3处于导通状态；(b）开关1、4处于导通状态；(c)开关2、5处于导通状态；(d）开关2、6 处于导通状态Fig.10 Simulation results of improved K-type SP4T switch:(a)SW1 and SW3 are on;(b)SW1 and SW4 are on;(c)SW2 andSW5 are on;(d)SW2 and SW6 are on4工工艺设计与加工开关的衬底为40 0 m厚度的150 mm（6 英寸）高阻硅片。硅基MEMS工艺开始前需要进行备片操作：清洗完的高阻硅片甩干后，经过热氧化工艺，表面形成厚度为0.5m的SiO,层。具体硅基MEMS工艺过程为：在备好的硅片上溅射TaN薄膜作为高阻材料，将非图形区域光刻胶曝光显影后，进行干法刻蚀TaN薄膜工艺，去胶后形成高阻线；溅射Ti/Au/Ti种子层，在种子层上光刻图形化后进行电镀Au工艺，制作CPW传输线；重新在种子层上光刻图形化后进行湿法腐蚀Ti和干法刻蚀Au工艺，制作驱动电极和下电极；标记面整面生长Si.N薄膜，光刻图形化进行干法刻蚀SisN.工艺，将驱动电极和高阻线覆盖上SisN.介质层，用于防止漏电；将锚区和触点图形区域的光刻胶曝光显影，锚区光刻胶需要过显影，触点的制作是关键工艺之一，需要把握曝光剂量和显影时间；显影完成需要进行烘胶工艺，方可进行下一步的图形化悬臂梁结构，通过台阶仪测试电镀前后图形区域与有胶区域的高度差，计算出悬臂梁厚度；牺牲层的释放工艺需要湿法和干法工艺相结合，确保可以将胶去除干净。工艺流程如图11所示27043卷固体电子学研究与进展http:/GTDZ1.Dry etching2.Sputtered seed layers and plating3.Dryetching andwet corrosion4.Thin film process and dry etching5.PhotolithographySi/Sio,TaNTiVAu/(Ti)6.Sputtered seed layers and platingAuSi,N4PhotoresistPIadhesive7.Wet cleaning图11硅基工艺流程图Fig.11Silicon-based process flow chart5开关测试与结果分析单刀四掷开关芯片如图12 所示，芯片尺寸为2200m1400mX400m。该单刀四掷开关有五个射频端口和六个加电端口，具有小型化的特点。在两个加电端口Pad1和Pad2处施加电压，使得开关SW1和SW3受静电力驱动闭合。通过载片测试port2的插人损耗，并测试port3、p o r t 4和port5处的隔离度。Pad4Outputport4Outputport3Pad3Pad5Pad2SW5SW4suodndnoOutput port2SW6SW3SW2SW1Pad67Input port1Pad1图12单刀四掷开关芯片照片Fig.12Photo of the SP4T switch chip测试结果如图13所示，在0.12 0.0 GHz内，该开关的插入损耗为1.6 3dB，回波损耗为18 dB。不同端口之间隔离度在30 dB左右。开关实测的插入损耗比仿真结果偏大，原因分析为，悬臂梁和空气桥在电镀的过程中，厚度以及尺寸有一定误差，另外，电镀工艺中当电镀厚度超过5m时，电镀金外扩严重，造成形状变形，导致匹配出现问题。表1为本文开关与相关串联接触式单刀四掷开关的性能比对，由表可见，本文开关在隔离度、插入损耗及尺寸等综合性能方面具有一定优势-30Isolation-400.450-60Insertion loss-0.8,701.2S,-802S-1.6-9001020Frequency/GHz图13单刀四掷开关测试结果Fig.13TestresultsoftheSP4Tswitch表1SP4T开关性能对比Tab.1The performance comparison of SP4T switchesFrequency/InsertionIsolationRef.Size/mm?GHzloss/dB/dB12DC-10.01.0030.003.990130.1-35.01.3017.600.98670.1-28.03.9630.500.680This work0.1-20.01.6330.693.0806结论基于金属接触式开关和共面波导传输线的功分器，设计了一款改进K型单刀四掷射频MEMS开关。芯片采用硅基MEMS工艺进行制作。流片实测结果为：在0.12 0.0 GHz频段内，开关最大插人损耗为1.6 3dB、隔离度优于30 dB。具有宽频段、低损耗、高隔离和小型化的特点，可以满足现阶段通信系统对于多掷开关的需求，对于射频MEMS单刀四掷开关器件的研究具有参考意义。参考文献1Maciel J,Majumder S,Lampen J,et al.Rugged andreliableohmic MEMS switchesC.2012IEEE/MTTS International Microwave Symposium Digest,Montre-al,QC,2012:1-3.2Shekhar S,Vinoy K J,Ananthasuresh G K.Sur-face-micromachined capacitive RF switches with low ac-tuation voltage and steady contactJ.Journal of Micro-electromechanical Systems,2017,26(3):643-652.3Liu Y,Bey Y,Liu X.High-power high-isolationRF-MEMS switches with enhanced hot-switching reli-ability using a shunt protection technique J.IEEETransactions on Microwave Theory and Techniques,2017,69(5):3188-3199.4Mansoor S,Khan A A.RF MEMS capacitive switchwith high isolation for 5G communicationC.2019 In-上接第2 33页）三三三三三个三三三三三+三+三+三三三三三+三三三三三+三三三三+三个三三三三三三三三三今三三三三三今个三今三三三三三三三日271芮召骏等：改进K型单刀四掷射频MEMS开关3期ternational Conference on Communication Technologies(ComTech),Rawalpindi,Pakistan,2019:1-3.5Saleh H,Bajwa R,Tekin I,et al.Design and optimiza-tion of cantilever based RF-MEMS shunt switch for 5Gapplications C.2021 16th International Conference onDesign&.Technology of Integrated Systems in Na-noscale Era(DTIS),Montpellier,France,2021:1-4.6Liu Y H,Bey Y,Liu X G.Single-actuator shunt-seriesRF-MEMS switchC.2014 IEEE MTT-S InternationalMicrowave Symposium(IMS2014),2014:1-4.7Dey S,Koul S K.Broadband,reliable and compact lat-eral MEMS SP4T and SP7T switching networks for5G applications C.2019 IEEE MTT-S InternationalMicrowave and RF Conference(IMARC),Mumbai,India,2019:1-4.8王姗姗，吴倩楠，李强，等.K型单刀四掷射频MEMS开关设计J.传感器与微系统，2 0 2 1,40（4）：7 0-7 3.9Kumar A A,Resmi R,Analysis of squeeze film airdamping in fixed-fixed beam RF MEMS switchesC.2016 International Conference on Control,Instrumenta-tion,Communication and Computational Technologies(ICCICCT),Kumaracoil,India,2016:507-512.1o Ramya S,Kumar S P,Aravind T,et al.Air dampingeffects on perforated RF MEMS switchesC.2022 3rd9阮静雅，孙克辉，牟俊.基于忆阻器反馈的Lorenz超混沌系统及其电路实现J.物理学报，2 0 16，6 5(19):19-29.10 仇睿煌，蔡理，冯朝文，等.基于忆阻器超混沌系统的动力学分析及电路实现J.固体电子学研究与进展，2018,38(3):184-188.11】邓艳丽，彭良玉，基于忆阻器的新型四阶超混沌电路J.固体电子学研究与进展，2 0 2 0，40（3：2 0 0-2 0 4.12 Wang X Y,Min X T,Zhou P F,et al.Hyperchaoticcircuit based on memristor feedback with multistabili-ty and symmetries J.Complexity，2 0 2 0,2 0 2 0:2620375-1-10.13 Wang X Y,Zhang X,Gao M.A novel voltage-con-trolled tri-valued memristor and its application in chaoticsystemJ.Complexity,2020,2020:6949703-1-8.14 Khan N,Muthukumar P.Transient chaos,synchroniza-tion and digital image enhancement technique based ona novel 5D fractional-order hyperchaotic memristive sys-tem J.Circuits,Systems,and Signal Processing,International Conference on Electronics and SustainableCommunication Systems（ICESC)，Co i mb a t o r e,In-dia,2022:161-166.11 Lorente D,Schreiber A,Limbach M,et al.High per-mittivity CPW-SIW power divider for antenna feed net-works in airborne phased arrays applications C.202017th European Radar Conference(EuRAD),Utrecht,Netherlands,2021:254-257.12 Liu A Q,Palei W,Tang M,et al.Single-pole fourthrow switch using high-aspect-ratio lateral switchesJ.Electron Lett,2004,40(18):1281-1282.13 Dey S,Koul S K,Poddar A K,et al.Reliable and com-pact 3-bit and 4-bit phase shifters using MEMS SP4Tand SP8T switches J.IEEE J Microelectromech,Syst,2018,27(1):113-124.芮召骏(RUI Zhaojun)男,19 9 8 年生，南京电子器件研究所在读硕士研究生，主要研究方向为射频MEMS开关、硅基MEMS工艺加工2022,41(4):2266-2289.15 Zhang C X,Yu S M,Zhang Y.Design and realizationof multi-wing chaotic attractors via switching controlJ.International Journal of Modern Physics B,201l,25(16):2183-2194.16 Bao B C,Bao H,Wang N,et al.Hidden extreme mul-tistability in memristive hyperchaotic system J.Cha-os,Solitons&Fractals,2017,94(12):102-111.17 Lu T A,Li C B,Wang X,et al.A memristive chaoticsystem with offset-boostable conditional symmetry J.The European Physical Journal Special Topics,2020,229(6):1059-1069.万求真（WANQiuzhen）男，19 8 4年生，博士、副教授、硕士生导师，主要从事CMOS射频/模拟集成电路芯片、混沌电路与系统、忆阻神经网络电路等研究。