低压驱动RF MEMS开关设计与模拟

考虑到电容式开关仍存在的介质击穿问题，这里对其结构加以改进，将扭转臂杠杆与打孔电容膜相结合，在减小驱动电压和提高开关速度的同时，又不影响电容比，一定程度上抑制了电击穿。其工作原理是：push电极加电压时杠杆上抬，介质膜与接触膜间距离增大导致其耦合电容很小，信号通过传输线；pull电极加电压时杠杆下拉，耦合电容变大，微波信号被反射。材料选择上仍以Au和S3N4为主，某些部分可用A1代替Au。结构与尺寸的设计上由超越方程与开关通断下的电容方程得到估计值，下极板为25×25(单位制采用μMKSV，长度单位为μm，下同)，其上附有绝缘介质层，孔为3．4×3．4，杠杆为100x30，结构层为20×20，极板厚度为1。用ANSYS仿真得到图3所示结果。

在ANSYS做静电耦合与模态分析后利用ANSOFT HFSS对该开关进行3D电磁场仿真，进一步求得其插入损耗与隔离度，确定共面波导和接触膜的结构，从而完善开关的射频性能。建模时忽略开关的弯曲，定义材料特性与空气辐射边界，利用wave port端口进行仿真，分别求解开态的插入损耗和关态的隔离度。介质层较薄时，开关在10 GHz附近具有良好的隔离度，且插入损耗在1 dB以下。

3 RF MEMS开关的制备工艺
合理选择生长介质膜的工艺对开关性能有很大影响，本文的RF MEMS开关需要在基底表面生长一层氮化硅膜，一般选择LP-CVD工艺，而介质膜则选择PECVD工艺为宜，金属膜的性能要求相对较低，用溅射方法即可。考虑到基底要求漏电流与损耗尽可能小，选取高阻硅与二氧化硅做基底，后者保证了绝缘要求。金质信号线与下极板通过正胶剥离形成，电子束蒸发得到铝质上极板。但从可行性考虑，部分方案的工艺实现对于国内的加工工艺尚有难度，只能牺牲微系统的性能来达到加工条件。

4 结语
本文主要从结构上进行了创新，通过计算机辅助设计仿真分析得到了理论解，一定程度上满足了设计初衷，但在工艺上还不成熟。更低的驱动电压和更高的开关频率仍是亟待解决的问题，另外如何保证实际产品的可靠性、实用性也是未来的研究重点。