电磁驱动推拉式射频MEMS开关的设计与制作
摘要:提出了一种新型电磁驱动推拉式射频MEMS开关。针对传统静电驱动单臂梁开关所需驱动电压大、帮写代发论文http://www.51lunwen.org提供毕业论文帮写服务，如有需求，请联系QQ：142260067，电话：15221741752恢复力不足等问题,设计了一种推拉式开关结构,降低了驱动电压(电流),提高了开关的隔离度,同时实现了单刀双掷的功能。单晶Si梁由于自身无应力,解决了悬臂梁残余应力引起的梁变形问题。通过理论计算和有限元分析,优化了开关设计尺寸,在外围永磁铁磁感应梯度dB/dz=100T/m,在线圈通入100mA电流的驱动下,单晶Si扭转梁末端可以获得约10μm的弯曲量,满足开关驱动要求。给出了开关的详细微细加工流程,对开关的传输参数进行了测试,在10GHz时隔离度为-40dB.
关键词:射频MEMS开关; MEMS;电磁驱动;推拉式;单晶硅梁;隔离度
Abstract:A novel electromagnetic push-pull RF MEMS switch was proposed. In order to solvethe problems caused by traditional electrostatic cantilever RF MEMS switches, such as highactuation voltage and low recovery force, a new push-pull structure was designed to reduce theactuation voltage (current) and increase the isolation. The designed RF MEMS switch realizedthe SPDT function. The beam distortion induced by the residual stresses in the cantilever beamwas solved due to the single crystalline silicon beam without stress. The dimension of the switchwas designed based on theoretical analysis and Finite Element Analysis (FEA).10μm displace-ment at the free end of the single crystalline silicon beam was obtained at dB/dz=100T/m mag-netic-induction gradient of the outside permanent magnet and100mA actuation current, satis-fying the requirement of switch driving. The microfabrication processes of the designed switcheswere given. The test ofS-parameters shows that the isolation is-40dB at10GHz.
Key words:RF MEMS switch; MEMS; electromagnetic actuation; push-pull; single crystallinesilicon beam; isolation
引 言射频微机电系统开关是用MEMS微细加工技制作的应用于微波通信的MEMS器件。与传统IN和FET半导体开关相比, MEMS开关具有高离度、低插入损耗及低功耗等优点[1-3]。射频EMS开关的驱动方式主要有静电、电磁、压电热驱动。目前,被普遍采用的驱动方式为静电驱[4],其开关设计和工艺制作简单、可靠性高[5]。电驱动的最大问题是开关所需驱动电压大,通常10V以上[6],较大的驱动电压限制了射频EMS开关的应用和发展[7-8]。针对当前静电驱动射频MEMS开关存在的问,本文提出了一种电磁驱动推拉式射频MEMS关,采用无应力的单晶Si扭转梁结构,很好地决了开关驱动电压大、单臂梁恢复力不足等问,同时获得了较高的隔离度。本文将介绍该电磁动推拉式射频MEMS开关的结构设计、工作原、理论仿真、制作工艺以及测试结果。 开关设计1 开关结构和原理图1为该射频MEMS开关的整体结构3D示图。选用高阻Si作为衬底,与Au传输线组成面波导传输线(CPW)。选用无应力的单晶Si作开关可动结构,降低了内应力对开关驱动的影。同时,电磁驱动模式加互偶式扭转梁的设计,以大大降低开关的驱动电压(电流),相比单臂,在同样驱动力的作用下得到双倍的弯曲量。开图1 
开关整体结构3D示意图Fig•1 3D schematic diagram of the designed RF MEMS switch关采用推拉式结构,具有单刀双掷的特点,同时增加了开关处于断态的间距,故增大了断态的隔离度。
图2给出了该电磁驱动射频MEMS开关的工作原理。整个器件置于均匀磁场中,磁力线垂直穿过Au线圈。当Au线圈无外加帮写代发论文http://www.51lunwen.org提供毕业论文帮写服务，如有需求，请联系QQ：142260067，电话：15221741752电流时,线圈中没有感应磁场产生,外部磁场对单晶Si梁没有作用故整个梁不受外力,开关A和B均处于断态,如图2(a)所示。当给线圈加正向电流时,在线圈内产生感应磁场,由于A和B两线圈绕向相反故产生的感应磁场方向也相反,感应磁场和外部磁场相互作用,在梁A端施加拉力,在B端施加推力,故开关A处于开态, B处于断态,如图2(b所示。当线圈中通入反向电流时,在A和B两端产生相反的力, A和B开关开断态互换,如图(c)所示。图2 
开关工作原理Fig•2 Working principle of the switch1•2 理论和仿真分析对于处在外磁场中带有通电线圈的梁,其受到的力为[9-10]F=mdBdz=IcAedBdz(1式中: m为磁距, B为外磁场磁感应强度, z为永磁铁与线圈间距离, Ic为线圈中电流,Ae为匝线圈等效面积。可以看出,梁受力的大小与线圈所通电流、线圈匝数和等效面积以及梁所处外3 惠 瑜等:电磁驱动推拉式射频MEMS开关的设计与制作 Micronanoelectronic TechnologyVol.47No.6 June201磁场的梯度有关。欲增大梁的驱动力,可以相增加线圈匝数,选用磁场梯度较大的外部磁。在开关设计中,为了保证线圈有尽可能多的数,需要将单晶Si梁的宽度尺寸设计得比较,但这样会增加梁弯曲所需的驱动力,故在梁宽度和线圈的匝数上取折中。通过理论计算分,在确定梁宽度为520μm下,选择最大为4匝的金线圈。对于具有扭臂结构的梁,通过有限元分析,得其在不同振动模态下的形变和相应频率,如图3示。
可以看出,翘板式梁在基本振动模式图3a)下的固有频率为14•9kHz,与其他高阶振动态的固有频率相差很大,故可以保证扭转梁在所振动模态下工作而不容易偏离基本阵型。在开关的设计制作中,选用磁场梯度dB/dz=00T/m的永磁铁。通过有限元分析,对开关的寸进行优化设计,得到的开关尺寸由表1给出。关在磁场力作用下的变形如图4所示。
图3 扭臂梁的不同振动模态及相应频率Fig•3 Different vibrating modes and correspondingresonant frequencies表1 开关设计尺寸Table1 Dimension of the switchSi梁长L/mmSi梁宽w/mmSi梁厚h/μm扭转支撑梁长L′/μm扭转支撑梁宽w′/μmAu线圈匝数N/匝CPW信号线宽度wcpw/μmCPW信号线与地线间距d/μmCPW厚度hcpw/μmCPW与触点间隙Δ/μm1.5 0.52 5 200 60 14 50 50 3 1
图4 单晶Si梁在磁场力作用下的有限元分析图Fig•4 FEA of the singlecrystalline silicon beamunder the magnetic force 综合以上分析,设计的开关在dB/dz=100T/外加磁场环境中, Au线圈通100mA电流,每侧单臂梁可以获得28•5μN作用力,梁自由端产生大于9μm的位移。CPW与Au触点间隙为1μm所以梁在磁场力作用下的位移足以保证开关的正常工作。2 工艺制作整个开关制作工艺流程如图5所示。由7版光刻完成。选取100mm p型〈100〉Si片,标准清洗工艺清洗干净。首先双面LPCVD生长SiN400nm,正面SiNx的作用是抵消后续Au线圈的内应力,对背面SiNx进行第一次光刻刻蚀,制作出背腐蚀窗口。正面采用AZ5214剥离工艺制作Au线圈,如图6所示。4等 
图5 开关工艺制作流程Fig•5 Microfabrication processes of the designedRF MEMS switch图6 剥离法制作Au线圈Fig•6 Au coils fabricated through lift-off process正面旋涂ZKPI
