新型低插损、低吸合电压RF-MEMS开关设计及性能优化

工程科学与技术，国际期刊19（2016）171全长文章一种新型低插入损耗、低吸合电压Mahesh Angiraa，*，KamalJit Rangrab印度拉贾斯坦邦333031 Pilani BITS PILANIbSNT Group，CEERI，Pilani，Rajasthan 333031，IndiaA R T I C L E I N F OA B S不 R 一C T文章历史记录：收到日期：2014年12月31日2015年7月3日接受2015年8月20日在线发布关键词：电容开关电感调谐插入损耗多频段RF-MEMS提出了一种新型的电容并联RF-MEMS开关。在设计中，利用金属片的概念来减少可移动结构和共面波导中心导体之间的射频重叠面积，以改善器件的插入损耗这是在不影响下降状态响应的情况下实现的此外，氧化物金属还使得下态行为在谐振频率方面可预测为了降低吸合电压，开关在传输线的两侧采用悬臂式结构。该结构还具有将隔离最佳值感应调谐到不同频带的能力，因此可用于可重构RF系统。该器件的插入损耗小于0.10 dB，回波损耗小于36.80 dB，最高可达25 GHz，而传统开关的插入损耗为1.00 dB，回波损耗为7.67 dB在OFF状态下，当悬臂梁中的一个或两个悬臂梁分别被静电致动到向下状态位置时，所提出的传统的器件在X波段有一个单一的隔离峰。此外，还实现了带宽的约3倍的改善。所设计的开关可用于设备级和子系统级的多频段通信应用。© 2015 ， Karabuk University. Elsevier B. V. 制 作 和 托 管 这 是 CC BY-NC-ND 许 可 证 下 的 开 放 获 取 文 章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍近年来，电信业取得了巨大的发展. 新的无线通信标准的出现，要求器件小型化、大带宽、低功耗、高线性度。还需要具有上述特性的器件来实现可重构RF前端。这可以显著减少组件数量、硬件复杂性和系统成本RF-MEMS技术为此类器件的发展铺平在不同的器件中，开关由于其相对于固态对应物的众所周知的优点而获得了更高的关注[1-8]。然而，当交换机大量使用时，交换机性能要求变得更加关键，例如：多端口开关、相控阵天线、可调谐滤波器、开关矩阵、信号路由和移相器等。[9因此，在单元块级别的更优越的功能在文献中已经报道了许多结构的电容开关，其在单频带内具有良好的RF性能，适中的吸合电压，但在* 通讯作者。联系电话：+91 01596 245073，传真：+91 01596 244183。电子邮件地址：m. gmail.com（M. Angira）。由Karabuk大学负责进行同行审查多波段功能[3另一种方法是将串联和并联开关组合以实现多频带器件。然而，较高的插入损耗和较大的芯片面积使其不适合未来的紧凑型系统[13，14]。提出了一种新型的电容并联RF-MEMS开关，以改善插入损耗和隔离特性。在所提出的这种对下降状态电感值的控制不能用传统的电容开关实现[3这也带来了多频带功能，因为最佳隔离可以在不同频带中移动。为了改善导通状态响应，通过在电介质层上使用一层氧化物金属层来减小上状态下的电容。此外，还将新设计与等效可动桥式开关进行了比较. 图图1a和b示出了所设计的开关的模型。2. 设备描述和工作在分流配置中，输入和输出RF端口相互物理连接，因此通常开关为ON。开关在50 Ω CPW线路上实现。在传统的方法中，开关是用桥结构实现的。均匀的桥结构需要更高的吸合电压，http://dx.doi.org/10.1016/j.jestch.2015.07.0012215-0986/© 2015，Karabuk University.由Elsevier B. V.制作和托管。这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http：creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。出版社：Karabuk University，PressUnit ISSN （印刷版）：1302-0056 ISSN（在线）：2215-0986 ISSN（电子邮件）：1308-2043主 办可 在 www.sciencedirect.com上 在 线ScienceDirect可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：http://www.elsevier.com/locate/jestch172海里Angira，K.J.Rangra/Engineering Science and Technology，an International Journal 19（2016）171Fig. 1. （a）常规开关和（b）建议开关的俯视图。已选择附接到中心板的双电致伸缩器来降低吸合电压。该开关的中心重叠面积为310 × 90 μm2，在X波段具有最大的隔离度，同时具有较低的插入损耗（0.2dB）和吸合电压（15V）。在开关上升状态下，开关与共面波导中心导体之间有2 μm的间隙。驱动电极保持在距离传输线0.7 μm以下所提出的开关已经通过断开中心板从基于桥的装置实现。这导致在传输线的任一侧都有两个杠杆。为了在所提出的器件中保持相同的向下状态电容，在电介质层上使用了金属层。在上升状态下，悬臂梁自由端与金属层的重叠面积为150 × 10 μm2重叠的宽度受到制造约束的限制由于两个平行的杠杆是平行的，总的重叠面积将是150 × 20 μm2。为了致动，表1设计开关的尺寸。尺寸值桥和左、右悬臂梁的长度为115 μm桥和左、右悬臂梁宽度为15 μm静电方法是使用，因为它是兼容的IC技术。器械尺寸见表1。2.1. 开关工作传统的设备在两种状态下工作。在桥的向上状态下，器件显示插入损耗，向下状态对应于隔离，分别如图2a和b所提出的开关具有四种操作状态。随着两个悬臂在向上的位置，信号从输入端向输出端传播，设备打开，如图3a所示。如图器件在关断状态下有两个谐振频率。3. 电响应对于电容并联开关，RF响应是下状态电容与上状态电容之比的函数。等式（1）所有涂层厚度2 μm二氧化硅厚度（tox）0.1 μm浮动金属厚度0.2 μm静电间隙（d）2.7 μmCupoAupgCrAdowntd（一）（二）射频间隙（g）2.0 μm2 CA g t A（三）传统开关的中心重叠面积（ARF_con）310 × 90 μm建议开关的中心重叠面积（A RF_pro）150 × 20 μm2CPW55/90/55 μm比下来向上r向下D起来Cup_Pro Cup_ 150 20 310 90 1 9（4）图二. 常规开关工作的横截面图（a）ON状态（b）; OFF状态。M. Angira，K. J. Rangra/工程科学与技术，国际期刊19（2016）171-177173图三. 所提出的开关（a）ON状态;（b-d）OFF状态的工作的横截面视图其中，Aup=在上升状态中的电容重叠面积，Adown=在下降状态中的电容重叠面积，Cup=开关的上升状态中的电容，Cdown=开关的下降状态电容，Cratio=下降状态中的电容与上升状态中的电容的比率，并且Cup_Pro、Cup_Con=分别针对所提出的和常规的设备的上升状态电容。为了具有良好的插入，高电容比是期望的损失和隔离响应。3.1. 导通状态响应在导通状态下，开关可以被建模为与传输线并联的电容器。RF响应，即在该状态期间的插入和回波损耗，可以通过减小C_up来改善。可以通过减小“A up”或增大“g”来减小上升状态电容“g”的任何增量都将增加吸合电压。或者，可以通过减小Aup来减小up状态下的电容，但这将改变器件OFF状态期间的谐振频率。在所提出的设计中，该问题已通过使用金属涂层概念[5，15]得到解决。由于金属层被沉积在介电层上，因此仅需要来自悬挂结构的接触以在向下状态下拾取全部电容。因此，可以独立地控制涂覆金属层和悬挂结构之间的重叠面积。该器件的Uppro = 150 × 20 μ m2，而基于桥式结构的Upcon = 310 × 90 μ m2. 从Eq。（4）Cup_Pro在9倍左右小于Cup_Con。为了研究两种器件的RF性能，在Ansys HFSS™中创建并模拟了3-D结构。 衬底材料为相对介电常数为11.9的硅，缓冲层为1.3 μm厚的SiO2。CPW和悬挂结构（即桥和杠杆）被假定为电导率为4.1 × 107 S/m的金。在CPW的中心导体上还放置了厚度为0.1μm的介电常数为4的SiO2。如图所示，在1 GHz至25 GHz的频率范围内，所提出的开关显示出0.01-0.10 dB的插入损耗，而传统器件的插入损耗为0.02-1.00dB。 4a. 如图所示，新型开关的回波损耗也得到了改善。 4b.3.2. 关断状态响应除了减少上态电容，crosswoat金属概念还允许通过改变下态电感，通过悬臂结构调整C和X波段的隔离峰。 该器件的最佳隔离度为54.56 dB，9.8当两个摆杆都被静电致动到向下状态时，在10GHz处观察到，而在可移动桥装置的情况下，在10GHz处观察到，如图5b所示。关断状态谐振频率的轻微不一致是由于关断状态电容的差异由于穿孔，与所提出的器件相比，在桥结构的情况下，电容将较小，但是由于见图4。 开关的ON状态响应（a）插入损耗;（b）回波损耗。174海里Angira，K.J.Rangra/Engineering Science and Technology，an International Journal 19（2016）171图五、 OFF状态响应（a）隔离;（b）回波损耗。边缘场效应两个器件具有相同的下态电感（因为CPW槽区中的结构相同）。由于谐振频率是向下状态电容和电感的函数，下拉任一悬臂将最佳隔离转移到C波段。如图5a所示，在4.5 GHz处观察到48.80 dB的最大隔离度。谐振频率已降低，由于在下降状态电感值的增加。此外，较高的电感值也是窄关断状态响应的原因。由于使用了相同的悬臂，因此在任一悬臂被致动至向下状态的情况下，OFF状态响应将相同两种器件在关断状态下的回波损耗如图所示。5b，并且在谐振频率处最小。3.3. 交换机带宽开关带宽是根据可接受的最大插入损耗为0.2最小隔离度为20 dB。传统器件的带宽为5.0 GHz，其中fL= 5.1GHz，fU= 10.1 GHz，如图6a所示。下限频率fL由最小隔离度限制，而上限工作频率由插入损耗限制。图6b示出了用于该系统的带宽（fU− fL= 15 GHz）。当两个杠杆都处于向下状态时，建议使用的设备。如图所示，当悬臂梁处于向下状态时，在C波段获得了3.2GHz的带宽。7.第一次会议。因此，总的来说，开关可以在3.2 GHz至19.8 GHz之间工作在机电响应中，通过在Coventorware（R）中进行 FEM模拟来确定吸合电压。悬挂结构材料为金，杨氏驱动电压通过多晶硅双极施加，多晶硅双极放置在距离两个器件中的锚位置115 μm处。采用机电耦合物理方法，以轨迹法为分析手段，松弛迭代法为求解手段，提取吸合电压。常规开关具有12.75 V的吸合电压，而在所提出的设计中，如图8所示，双稳态杠杆具有6.0 V的吸合电压。此外，电容器已经被设计成实现相等的吸合电压。4. 残余应力对申报器械性能在MEMS技术中，薄膜可移动结构可以由于残余应力而变形。薄膜中的应力可以分为两种类型：外在的，如热膨胀系数不匹配引起的应力，和内在的，如见图6。 （a）传统开关和（b）建议开关的带宽，两个开关均为低电平。M. Angira，K. J. Rangra/工程科学与技术，国际期刊19（2016）171-177175见图7。 悬臂到下状态的拟议器件的带宽。见图8。两个开关的吸合电压分析。来自薄膜沉积的成核和生长的应力。在一阶近似下，薄膜中的一般单轴残余应力可由方程给出（5）[16]。拉法茨河0 MPa/μm至4 MPa/μm的电镀金[17应力本质上是拉伸的。梁结构的倾斜和弯曲及其对吸合电压的影响已通过Coventorware（R）在上述应力范围德-总计 0分钟1小时（五）不同平均应力下悬臂梁的成形形状如图所示。9.第九条。悬臂的平均应力越大，法向应力就越大2式中，z为厚度（h）上的坐标，原点选择在薄膜平均应力和梯度应力的全当一首歌-当通过去除牺牲层释放应力时，在薄膜中存在的梯度应力释放之后，悬挂平均应力还导致平面外变形，其形式为结构的倾斜或旋转，这是由于仍然与衬底结合的悬臂部分的平面内变形。4.1. 机电性能从先前报道的文献中，发现平均应力和应力梯度在0 MPa至150MPa之间变化，其中wo是沿着悬臂长度的变形。悬臂在+z方向上倾斜，仅由于当应力从50 MPa增加到150 MPa时，尖端最大变形量从0.2 μm增加到0.41 μm。图9b示出了由于应力梯度单独作用而引起的悬臂的平面外变形。悬臂在+z方向上卷曲。当应力从1 MPa/μm增加到1MPa/μm 时 ， 最 大 尖 端 位 移 从 0.59 μm 增 加 到2.35 μm 。4MPa/μm。图10a示出了作为受到平均应力的施加电压的函数的悬臂尖端衰减的模拟结果。当残余应力从0 MPa增加到150 MPa时，吸合电压从6 V增加到8 V。然而，在应力梯度为4 MPa/μm，如图10 b所示。在实践中，受到平均应力和梯度应力的基于悬臂梁的结构的变形具有卷曲和倾斜相关的变形。考虑到平均值见图9。由于（a）平均应力;（b）应力梯度，悬臂变形。176海里Angira，K.J.Rangra/Engineering Science and Technology，an International Journal 19（2016）171见图10。 悬臂梁承受（a）平均应力;（b）梯度应力时的拉入分析。应力为150 MPa，梯度为4 MPa/μm，模拟了这种极端情况下的变形，如图11所示。此外，在这种情况下获得了11 V的吸合电压，如图1所示。 12个。4.2. 对RF性能残余应力可以改变开关的RF响应在ON状态期间，响应取决于悬挂结构和CPW中心导体之间的RF重叠面积。由于悬臂可以由于卷曲和倾斜而变形，这将改变向上状态电容，从而改变ON状态响应。图13示出了当悬臂的尖端由于平均应力和梯度应力而变形时的插入损耗特性。没有残余应力的情况下的响应是相同的情况下，悬臂梁受到的平均和梯度应力。这是由于与传输线并联的非常小的电容器，即使在更高的频率下也能提供高阻抗作为金属层已被使用，向下状态响应将保持不变。5. 结果和讨论两种开关之间的比较如表2所示。建议的开关具有13.50 fFCOM-125.55 fF的桥为基础的设备的状态电容。减小的上升状态电容改善了器件的导通状态响应。在关断状态下，所提出的开关（两个开关杆都处于关断状态）和传统的基于桥的器件之间获得了相同的隔离特性。此外，两个隔离峰（C和X波段）已经实现，由于在控制的下态电感的有效使用的双稳态杠杆。基于悬臂梁的开关显示6 V的吸合电压，而基于桥的开关为12.75吸合电压的降低是由于结构变化，即从桥到悬臂，因此弹簧常数。此外，悬臂型结构中的残余应力将增加吸合电压。见图11。 悬臂梁在平均应力和梯度应力作用下的变形形状。图12. 悬臂梁在平均应力和梯度应力作用下的拉入分析。M. Angira，K. J. Rangra/工程科学与技术，国际期刊19（2016）171-177177图十三. 悬臂梁在残余应力作用下的插入损耗特性比较。6. 结论研究了一种新型的电容并联RF-MEMS开关。与传统开关相比，插入损耗得到了显著改善在关断状态下，通过改变一个或两个杠杆的下态电感，在C和X波段调谐隔离峰值。此外，还观察到牵引电压的显著降低和带宽的约3所设计的开关可用于可重构射频前端的器件和子系统级。表2建议的开关与传统的比较。参数建议开关常规开关高态电容13.50 fF 125.55 fF插入损耗（1引用[1] H.A. C Tilmans，W.D.Raedt，E.Beyne，MEMS for wireless communicationsfromRF-MEMS components to RF-MEMS SiP ， J. Micromech. 微 能 13（2003）139-163。[2] 通用汽车李国忠，射频微机电系统理论与设计，国立成功大学机械工程研究所硕士论文，2003。[3] K.兰格拉湾马热辛湖Lorenzelli，F.贾科莫齐角Collinni，M. Zen等人， 对称拨动开关-一种新型的射频微机电系统开关的电信应用：设计和制造，传感器。致动器A：Phys 123 -124（2005）505-514。[4] M. 安吉拉湾陈文，一种低插入损耗、宽频带、增强型自抑制功率RF-MEMS开关的设计与研究，北京，中国科学技术出版社。Technol. 21（2015）1173-1178。[5] F.贾科莫齐角卡拉扎湾Colpo，V. Mulloni，A.科利尼湾Margesini等人，高导通比RF MEMS分流开关的开发，罗马J. Inf. Sci. T e c h . (11)（2008）143-151。[6] M. Tanga，A.B. Yua，A.Q. Liua，A. Agarwal，S. Aditya，Z.S.刘，高隔离X波段MEMS电容开关，传感器和致动器A 120（2005）241-248。[7] K.J. Rangra，用于电信的静电低致动电压RF MEMS开关（博士学位）Trento大学信息技术系，Trento，2005年。[8] M. 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