高隔離度X波段RF MEMS電容式并聯(lián)開(kāi)關(guān)

　　式中：k為梁的等效彈性系數；ε0為空氣的介電常數；W為CPW中心傳輸線(xiàn)的寬度；ω為開(kāi)關(guān)梁中心極板的寬度；g0為梁與下電極的間距。等效彈性系數k可以表達為 

　　式中：E為梁材料的楊氏模量；t為彈性梁的厚度；Lm為梁的長(cháng)度；σ為梁的殘余應力；v為梁材料的泊松比。 

　　為減小梁的彈性系數從而使執行電壓降低，本文采用了圖5所示的兩個(gè)彎曲的彈簧梁結構。其中，一個(gè)彎曲的彈簧梁的等效彈性系數可以表達為

 
　　2 結果與討論 

　　本文使用有限元軟件IntelliSuite對開(kāi)關(guān)模型進(jìn)行機械特性分析。CPW和開(kāi)關(guān)梁材料均為Au；Si襯底上熱氧化生長(cháng)形成厚度為400 nm的SiO2用作電氣隔離層；犧牲層采用PSG(磷硅玻璃)，通過(guò)濕法刻蝕釋放該犧牲層；襯底刻槽使用KOH溶液濕法刻蝕得到。表1給出了仿真過(guò)程中開(kāi)關(guān)的材料特性與結構參數。

 
　　圖6是開(kāi)關(guān)梁位移隨上極板與下極板間電勢差的變化曲線(xiàn)。從圖6(a)可以看出，平板梁開(kāi)關(guān)結構的執行電壓為26 V。由圖6(b)可知彈簧梁開(kāi)關(guān)結構的執行電壓降低到14 V。
 

　　本文使用HFSS軟件對開(kāi)關(guān)的微波傳輸性能進(jìn)行分析。圖7是平板梁開(kāi)關(guān)結構S參數隨頻率的變化曲線(xiàn)，可以獲得襯底刻槽結構的RF MEMS電容式并聯(lián)開(kāi)關(guān)在閉態(tài)時(shí)，5～30 GHz下S11小于-0.25 dB，隔離度在諧振頻率13.5 GHz處為-54.6 dB,，相比于虛線(xiàn)所示的傳統結構開(kāi)關(guān)-47.2dB的隔離度，本文設計的襯底刻槽使開(kāi)關(guān)的隔離度性能在諧振頻率處提高7 dB。
 

　　圖8為彈簧梁開(kāi)關(guān)結構的S參數仿真結果，可以看出由彈簧梁結構引入的串聯(lián)電感使諧振頻率降低至11 GHz，在諧振點(diǎn)處的隔離度為-42.8 dB。從圖中可以看出，是否具有襯底刻槽結構對彈簧梁開(kāi)關(guān)的S參數曲線(xiàn)影響不大，僅在20 GHz以后的頻段獲得了輕微的隔離性能改善。襯底刻槽對彈簧梁結構RF MEMS開(kāi)關(guān)的隔離度性能改善不大的原因，可能是彈簧梁結構引入了較大的串聯(lián)電感和串聯(lián)電阻，增加了傳輸損耗。
 

　　圖9為π型調諧開(kāi)關(guān)電路的S參數隨頻率的變化曲線(xiàn)。如圖所示，采用彈簧梁開(kāi)關(guān)結構的電路在諧振頻率11.5 GHz處獲得了-81.6dB的隔離度。相對于彈簧梁結構，采用平板梁開(kāi)關(guān)結構的π型調諧電路在諧振頻率14 GHz處的隔離度為-72 dB，并且在較寬的帶寬范圍內具有更高的隔離性能。
 

　　3 結 論 

　　本文設計并分析了一種通過(guò)襯底刻槽提高RFMEMS電容式并聯(lián)開(kāi)關(guān)隔離度的新型結構。使用有限元軟件IntelliSuite和HFSS分析了該結構的機械特性和微波性能，平板梁開(kāi)關(guān)結構的執行電壓約為26 V，開(kāi)關(guān)關(guān)態(tài)時(shí)在13.5 GHz諧振頻率處的隔離度為-54.6 dB，相比沒(méi)有襯底刻槽的并聯(lián)開(kāi)關(guān)隔離度提高了7 dB。采用彈簧梁結構的開(kāi)關(guān)的執行電壓下降為14 V，隔離度在11 GHz處為-42.8 GHz。為獲得更高的隔離性能，本文分析了π型調諧開(kāi)關(guān)電路，采用平板梁和彈簧梁開(kāi)關(guān)結構的電路分別在14 GHz和11.5 GHz處獲得了-72 dB和-81.6 dB的隔離度。所設計的開(kāi)關(guān)通過(guò)添加襯底刻蝕工藝程序，增大了RF MEMS開(kāi)關(guān)電路的隔離度，有利于提高單片射頻微波電路的集成度和隔離度性能