一种L～U,波段RF,MEMS,单刀十掷开关的设计∗

湛永鑫 吴倩楠 陈 玉 郭宏磊 李孟委

（1.中北大学仪器与电子学院 太原 030051）（2.中北大学前沿交叉科学研究院 太原 030051）（3.中北大学半导体与物理学院 太原 030051）

射频MEMS（Radio Frequency Micro-Electro-Mechanical System，RF MEMS）技术是指利用微电子机械系统技术，设计加工出具有处理射频和微波频率电路中信号功能的器件［1～2］。由于利用RF MEMS 技术设计的单刀多掷开关（single-pole multi-throw switch，SPMT）显示出优越的射频性能，其逐渐成为实现射频器件（如滤波器、延时器、谐振器）多通道、可调控等功能的理想选择［3～5］。

当前绝大多数单刀多掷开关（8 掷以上）的工作频段均低于20GHz，在高频段的工作性能仍有较大研究空间。2014 年中国科学院上海高等研究院设计的SP8T开关，在0～2.4 GHz频段内各通道的插入损耗≤1dB 且隔离度≥35dB［6］，该开关存在工作频段低，频段范围窄的问题。2015 年，美国加州大学团队提出的SP11T 开关［7］，在0.1GHz～10GHz频段内各通道隔离度在17dB～50dB，插入损耗在0.3dB～1.7dB，该开关存在工作频段低，且各端口射频性能差异大的问题。2017 年印度理工学院电子应用研究中心设计了一种SP10T 开关［8］，在DC～12 GHz频段内其插损≤1.5 dB，隔离度≥16.3dB，该开关存在工作频段低，且隔离度较低的问题。2018年印度理工学院又设计了一种SP8T 开关［9］，在0～40GHz的频段内各通道隔离度大于13.6dB，插入损耗＜2.16dB，该开关存在隔离度低的问题。

针对以上单刀多掷开关的问题，本文介绍了一种工作范围在1GHz～60GHz 的宽频带RF MEMS 单刀十掷开关。通过对SP10T 开关传输线结构和上电极结构的优化，达到减少信号损耗、提高隔离度和降低下拉电压的目的。该单刀十掷开关的设计思路为1GHz～60GHz 频段内微波器件多路信号选通提供了参考方案。

本文利用HFSS 软件构建单刀十掷开关模型。该模型采用共面波导线（Coplanar waveguide，CPW），信号通道一入十出，通道呈伞型分布，相邻通道间夹角为32.727272°，由位于中央的圆盘型功率分配器连接［10］，通过对不同开关施加驱动电压选择相应通道导通，开关结构如图1所示，SP10T开关的结构参数如表1 所示。为具体展示本器件优势，以下着重从两部分进行阐述，分别是开关上电极结构和传输线结构。

表1 单刀六掷开关的结构参数

图1 单刀六掷开关结构示意图

2.1 三角形上电极设计

本文采用串联接触式RF MEMS 开关，开关上电极为悬臂梁结构，即上电极的一端由锚点固定在信号线上、另一端悬于触点上方。通过对悬臂梁下方驱动电极施加电压，使上电极在静电力的作用下产生位移致信号导通［11］。由RF MEMS的相关理论可知，使开关闭合导通的驱动电压［12］为

式中k 表示开关上电极的弹性系数；
E 表示材料杨氏模量；
w 表示上电极宽度，l 表示上电极长度，t 表示上电极厚度，A 表示开关上电极与下电极正对驱动面积；
g0表示上电极和下电极的初始间距；
ε0表示空气相对介电常数。从上述公式可以看出，驱动电压与弹性系数成正比，与驱动面积成反比。

目前多数开关采用矩形的直板式上电极［13］，如图2（a）所示。由于在降低驱动电压方面降低悬臂梁弹性系数比增大局部驱动面积更有效［12］，因此本文采用三角形上电极结构，如图2（b）所示。该结构通过减小悬臂梁宽度降低弹性系数，并在上极板开若干个开孔，从而减小开关下拉的空气阻尼［14］，以获得更低的驱动电压。另外，在上极板开孔有利于开关工艺加工中牺牲层的释放。与传统上电极相比，该结构前端金属接触面积远小于传输线宽度，较小接触面积会减少金属间的粘附，增加接触压力，提供了更好的隔离。

图2 两种上电极结构示意图

为了验证优化后的三角形上电极结构易于下拉，采用COMSOL软件在两种上电极上施加等同的压力，仿真结果如图3 所示，直板型上电极位移量为0.8μm，三角形上电极位移量为2.64μm。结果表明三角形上电极结构相对于直板型上电极结构更易下拉，利用上述公式，计算可得悬臂梁等效弹性系数为5.32N/m，三角形上电极驱动电压为13V。

图3 同等压力下不同结构位移示意图

为了验证三角形上电极结构可以提高开关隔离度，采用HFSS 软件对两种结构的开关进行仿真对比，结果如图4所示。可以看出，在1GHz～60GHz频率范围内，三角形上电极结构能有效提高开关隔离度。

图4 不同上电极结构的插入损耗性能

2.2 渐进传线设计

SPMT开关由于其单通道输入多通道输出的特性，在器件内部会出现CPW 传输结构不连续的情况，这种不连续情况极易产生槽线模式，通常采取架设空气桥的方法进行抑制［15］。又因空气桥与下方信号线形成平行板结构会引入并联电容，进而使用阶跃补偿结构来减轻这种寄生效应［16］，如图5（a）所示。

图5 两种传输结构示意图

阶跃补偿结构虽可以抑制寄生电容，但信号线宽度骤减处会产生直角电荷集聚效应，且宽度的改变会使得传输线不匹配，影响传输线的射频性能。针对此情况，本文采取渐进传输线设计，如图5（b）所示。渐进传输线设计即在阶跃补偿结构处对进行45°切角，且增加窄信号线两侧地线的宽度，维持传输线匹配。

为了验证渐进传输线结构对传输线的射频性能的优化，采用HFSS 软件对两种传输结构进行仿真。图6 为两种结构回波阻耗仿真结果的对比，可以看出，渐进传输线设计具有良好的回波阻耗性能，可在内部CPW 传输结构不连续的射频器件中运用。

图6 不同传输结构的回波阻耗性能仿真

本文使用HFSS软件对单刀十掷开关模型单通道导通情况下，导通端口的插入损耗值和余下端口的隔离度进行仿真，图7（a）～（j）为十个端口依次导通的仿真结果。从图中不难得出，在1～GHz60GHz频段内，port1 和port2 端口的插入损耗<2dB，port3～port10 端口的插入损耗均≤0.59dB，所有端口的隔离度≥30dB。纵观图7（a）～（j）的数据显示，通道越靠近输入端，通道导通的插入损耗结果越差，其中port1 的插入损耗最大为1.97dB@60GHz，port 6 的插入损耗最小为0.38dB@60GHz。单端口导通余下端口的隔离度均在30.64dB@60GHz～37.22dB@60GHz。

图7 单刀十掷开关S参数仿真结果图

如表2 所示，通过对本文与现有单刀多掷开关的性能对比可以看出，目前已有的不同种类单刀多掷开关存在工作频段低、频段范围窄、隔离度低的问题。相比之下，本文所设计的RF MEMS SP10T开关，不仅开关弹性系数小易于驱动，且在1GHz～60GHz 频段内有着良好的隔离度和插入损耗性能。虽然本文开关各端口射频性能的一致性有待提高，但综合比较而言，本文设计的单刀十掷开关具有较大的性能优势和较高的应用潜力。

表2 SPMT开关射频性能对比

为了进一步实现单刀十掷开关的实用化，本文根据微纳表面制造技术，对开关的工艺流程进行设计，并展开详细说明。开关衬底选用500um厚的纯石英玻璃，CPW 结构及开关上电极均采用电镀Au完成。工艺方案采用6 层掩膜（分别标记为#1-#6），经6次光刻完成，具体流片过程如图8所示。

图8 工艺制作流程示意图

1）备片。将晶片放入石英方舟中，将石英方舟浸入有机溶液中，直至溶液完全浸没晶片，清洗后的晶片用等离子水反复冲洗三次，后用氮气枪吹干，备片完成。

2）凸点制作。将晶片表面沉积一层500um 的Si3N4隔离层，后用#1 光刻板进行光刻显影，最后将晶片刻蚀后形成凸点。

3）驱动电极制作。将晶片溅射一层500μm 的金属Al，后用#2 光刻板进行光刻显影，最后将晶片放入无机溶剂进行湿法腐蚀，冲洗吹干。

4）CPW 制作。将晶片表面沉积一层400μm 的Si3N4隔离层，再先后溅射50um 金属Ti 和150μm 金属Au，后用#3光刻板进行光刻显影，将光刻后的晶片放入电镀箱进行CPW 电镀，CPW 高度为2μm。最后将电镀好的晶片放入无机溶剂湿法腐蚀，冲洗吹干。

5）Pad 开窗。用#4 光刻板进行光刻显影，后对Pad表面的Si3N4进行刻蚀，最后对晶片冲洗吹干。

6）锚点制备。对晶片进行牺牲层旋涂，旋涂高度为3um，待牺牲层预固化。用#5光刻板进行光刻显影，后将晶片放入氮气烘箱固化牺牲层，完成此步骤。

7）电镀上电极。将晶片表面溅射一层150μm金属Au 作为电镀种子层，再用#6 光刻板进行光刻显影，完成后将晶片放入电镀箱进行上电极电镀，电镀厚度为2μm，最后把电镀好的晶片放入无机溶剂湿法腐蚀，冲洗吹干。

8）释放牺牲层。采用氧等离子体干法刻蚀牺牲层，释放得到SP10T开关。

9）划片。牺牲层释放完成后，通过Disco 切割机用软刀按照切割标记完成晶片的裂片，至此样品制作完成。

本文提出的伞型单刀十掷开关主要利用三角形上电极结构和渐进传输线结构的设计，使得开关驱动电压为13V，器件隔离度满足≥30dB@60 GHz，输入端两侧输出端口的插入损耗<2dB，其余端口插入损耗≤0.59dB，且整体尺寸为0.85mm×0.85mm×0.5mm。虽然器件各端口射频性能的一致性有待提高，但综合性能优于目前其他单刀多掷开关。最后对单刀十掷开关加工流程进行设计，为进一步实现单刀十掷开关的制造提供了可能。该器件体积小、频带宽、多通道的特点以及优越的射频性能在日后为无线通信系统、雷达系统和仪器测量系统等对射频性能要求高的领域提供一种技术方法。

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