基于绝缘液体充填封装RF MEMS开关特性分析*

宋明歆，殷景华，2，郭 海，3

（1.哈尔滨理工大学应用科学学院电子科学与技术系，黑龙江哈尔滨 150080;2.哈尔滨理工大学工程电介质及其应用技术教育部重点实验室，黑龙江哈尔滨 150080;3.大连民族学院计算机科学与工程学院，辽宁 大连 116600）

0 引言

射频微机电系统 （radio frequency micro-electro-mechanical systems，RF MEMS）开关具有线性度高、插入损耗低、隔离度好、功耗低和频带宽等优点，与目前射频系统中所使用的PIN二极管开关和MESFET开关相比，具有更大的优势［1］。利用RF MEMS开关可制作移相器、开关式滤波器、开关阵列等，应用于雷达、卫星通信、无线通信等系统中，在自动测试、自动控制领域有很大的应用潜力。随着RF MEMS开关研究的日益深化，在隔离度、超高频段、单刀多掷等方面取得一定的研究成果，但RF MEMS开关仍面临着驱动电压高、易发生疲劳失效、受环境湿度和气压影响大、介质充电效应影响明显等问题［2］。RF MEMS开关的驱动电压普遍偏高，静电驱动RF MEMS开关一般需要20～80 V的驱动电压，在移动通信系统中应用时，需要利用电压向上变换器将输入很低的控制电压提升到所需的驱动电压;驱动电压高会影响开关的寿命。Goldsmith C等人己证实驱动电压每下降5～7 V，开关寿命可延长10年［3］。发生疲劳失效的原因是上极板的冲击速度太大，而冲击速度则由驱动电压和粘滞系数等因素决定。因此，降低MEMS开关的驱动电压可以扩大MEMS开关的应用范围，增强开关性能，提高开关的可靠性，降低驱动电压方法成为 RF MEMS开关的研究热点之一。目前，通过优化开关平面结构，减小弹簧系数，达到降低RF MEMS开关驱动电压的目的［4］，但往往受到可靠性的制约。

本文在分析绝缘液体充填封装RF MEMS开关工作原理基础上，提出一种采用绝缘液体充填封装加工的新颖RF MEMS开关，研究利用绝缘液体的高介电性降低RF MEMS开关的阈值电压的新方法。利用绝缘液体的粘滞性降低RF MEMS开关的冲击速度，同时避免环境湿度对RF MEMS开关性能的不利影响。

1 RF MEMS开关工作原理

本文所提出的绝缘液体充填封装的RF MEMS开关，仅在RF MEMS开关封装空腔里填充绝缘液体，其余结构与普通RF MEMS开关相同。由于空腔体积很小，填充绝缘液体增加成本也极为有限。

1.1 RF MEMS开关的阈值电压

RF MEMS开关的结构如图1（a）所示。由于RF MEMS开关可动薄膜两端被固定在共平面波导的底板上，薄膜只能在z方向上运动。因此，本文把它近似为单自由度的阻尼系统（如图1（b）所示），其有效质量为m，可动薄膜的弹性系数为k，速度的阻尼系数为η。为了启动RF MEMS开关，在共平面波导传输线的中心微带线和底板之间加直流电压V，在静电场的作用下，静电力拖动可动薄膜移向介质层。在准静态条件下，随着外加直流电压的增加，可动薄膜不断向下移动，当薄膜移动到g0/3时，力的平衡被打破，便急剧下降至下极板，此时外加电压被称之为阈值电压VT

式中ε0为空气的介电常数，g0为金属膜和电极间的距离;S为金属膜与电极的正对面积，k为梁的有效弹性系数［5］。

由式（1）可知阈值电压受介电常数影响。采用高介电常数的绝缘液体填充来代替封装空腔中的空气，可以有效地降低RF MEMS开关的阈值电压。

1.2 RF MEMS开关的开关电容值

RF MEMS开关的可动薄膜处于不同位置，开关的电容值大小不同，从而实现对射频电流的开关控制。开关总电容C由介质层部分电容Cs和可动薄膜下表面到介质层上表面空气（或填充液体）层的电容Cl两部分串联组成

将RF MEMS开关参数代入可以得到

图1 RF MEMS开关的结构图与等效电机械模型Fig 1 Sectional drawing and the equivalent electric-mechanical model of the RF MEMS switches

其中，εs为介质层（一般为Si3N4）的相对介电常数，ds为介质层的厚度，εl为空气（或填充液体）介质的相对介电常数，g0为可动薄膜离介质层上表面的高度，z为可动薄膜离开平衡位置的位移，开关的总电容C的大小随可动薄膜位移z的变化而变化。当器件RF MEMS开关处于开态时，可动薄膜未发生位移，电容为

当电容处于关态时，可动薄膜处于最大位移处，电容为

采用关态电容与开态电容的比值衡量RF MEMS开关的开关特性。由公式（4）可知，低介电常数的绝缘液体填充将有效地提高RF MEMS开关电容比。这一点与采用高介电常数的绝缘液体填充来降低RF MEMS开关的阈值电压相矛盾。故需要选择合适的填充材料以达到综合性能最优的效果。

采用液体封装可以避免绝缘介质材料表面产生粘附力，使器件的上电极和绝缘介质层发生粘附失效;并减小RF MEMS开关漏电。

2 微加工工艺流程

通过IntelliSense软件，对加工工艺进行了仿真设计。具体流程如下:为了降低开关的高频损耗，采用高阻硅作为衬底，通过干—湿—干的热氧化工艺在表面生成氧化层，然后淀积一层Al金属层作为下电极和共面波导传输线材料。通过等离子体增强型化学气相沉积（PECVD）工艺淀积一层Si3N4作为绝缘介质，使之覆盖在下电极的顶部，防止上下电极的欧姆接触。为了形成开关，旋涂牺牲层，确定锚区，淀积Al层，并通过光刻、湿法刻蚀来形成可动的上电极。用氧气等离子体刻蚀牺牲层和Al薄膜上的光刻胶，直到上电极和下电极之间的牺牲层被全部释放。得到最终的器件后，用标准超临界干冰处理，以除去水汽，形成封装，进行绝缘液体充填。

3 仿真分析

本文利用IntelliSuite和Matlab软件对空气和在电绝缘领域广泛应用的液体（高压油、蓖麻油、甘油）充填封装的RF MEMS开关进行仿真。

3.1 阈值电压

图2是RF MEMS开关电压位移曲线。从图2可以看出:传统封装RF MEMS开关的阈值电压约为20.7 V，采用高压油、蓖麻油和甘油绝缘液体充填封装RF MEMS开关的阈值电压分别为 13.8，9.97，3.06 V，随着介电常数的升高，呈下降趋势，下降为原来的 1/εr0.5，与公式（1）相吻合;3种绝缘液体充填封装分别下降约7，11，18 V，可见，采用高介电常数的绝缘液体充填封装将有效地降低RF MEMS开关的阈值电压。

图2 不同材料填充的开关位移与驱动电压关系曲线Fig 2 Curve of relation between the displacement and the driving voltage of the RF MEMS switches with different fluid filled in packaging

3.2 响应时间

图3是响应时间—驱动电压曲线。由图3可以看出:随驱动电压上升，不同材料填充的RF MEMS开关响应时间均下降，在阈值电压附近响应时间下降较快，随着阈值电压上升，下降速度变慢。可见，为保证RF MEMS开关的有效驱动，减小RF MEMS开关响应时间，驱动电压应选择高些较好;但高驱动电压会增加器件的冲击速度和介质充电效应，所以，选择驱动电压为阈值电压的1.5～2倍比较合适。在20 V左右，采用3种绝缘液体充填封装的RF MEMS开关响应时间均低于100 μs。

图3 不同材料填充开关响应时间与驱动电压关系曲线Fig 3 Curve of relation between the response time and the driving voltage of the RF MEMS switches with different fluid filled in packaging

不同的材料填充的RF MEMS开关响应时间差异较大，虽然用高介电常数的绝缘液体充填封装降低了阈值电压，但由于液体的粘滞系数较大，响应时间会有所增加。空气填充的器件响应时间下降速度最快，蓖麻油、高压油填充的器件次之，甘油填充的器件响应时间下降速度最慢。在驱动电压为20 V时，蓖麻油填充的RF MEMS开关响应时间约为40.6 μs，高压油、甘油填充的RF MEMS开关响应时间约为90 μs，而未填充的RF MEMS开关尚未开启，如表1。当驱动电压大于25 V时，采用蓖麻油填充的RF MEMS开关在响应时间上与空气填充的RF MEMS开关相仿。

表1 驱动电压20 V时不同料填充开关响应时间Tab 1 Response time of the RF MEMS switches with different fluid filled in packaging when driving voltage is 20 V

3.3 冲击速度

从图4速度—位移（时间）曲线可以看出:在0～30 V的驱动电压条件下，冲击速度在0.3～3 m/s之间，同等条件下高压油的冲击速度最低，空气与蓖麻油次之，甘油的冲击速度最大。在驱动电压为15 V时，蓖麻油的冲击速度为0.95 m/s，甘油的冲击速度为1.43 m/s。在驱动电压为20 V时，蓖麻油的冲击速度为1.26 m/s，甘油、空气、高压油的冲击速度分别为 1.8，0.95，0.52 m/s。可见，粘滞系数和驱动电压对器件冲击速度影响很大。

图4 不同材料填充的开关冲击速度与驱动电压关系曲线Fig 4 Curve of relation between the impact speed and driving voltage of the RF MEMS switches with different fluid filled in packaging

因此，在采用高介电常数的绝缘液体充填封装降低RF MEMS开关的阈值电压的同时，还应注意选择绝缘液体的粘滞系数，以便控制响应时间与冲击速度。

3.4 RF MEMS开关的电容比

采用不同材料填充的RF MEMS开关，填充材料的介电常数不同，上电极与绝缘介质间的电容Cl也将不同，RF MEMS开关的开关电容比随之变化，见表3，直接影响RF MEMS开关的特性。从表2中可以看出:空气填充的RF MEMS开关的电容比最大为81;高压油和蓖麻油填充的RF MEMS开关的电容比次之，分别为36和33.3;甘油填充的RF MEMS开关的电容比最小，仅为2.8，开关特性不好，不适合作为RF MEMS开关的填充材料。

综上所述，虽然高介电常数的绝缘液体降低RF MEMS开关的阈值电压，但介电常数太高，将导致RFMEMS开关的电容比降低，器件开关特性变差。计算结果表明:信号频率低于10 GHz时，绝缘液体相对介电常数小于10，RF MEMS开关的电容开关比将大于15，才能保证RF MEMS开关的开关性能。

表2 不同填充材料的开关电容与电容比Tab 2 On-off capacitance and the capacitance ratio of the RF MEMS switches with different fluid filled in packaging

4 结论

本文提出并设计一种采用绝缘液体充填封装RF MEMS开关，与空气充填封装RF MEMS开关相比，绝缘液体充填封装RF MEMS开关具有阈值电压低、极板冲击速度小的优点，并且避免了环境湿度对RF MEMS开关性能的不利影响，给出绝缘液体充填封装材料的选择依据。

通过对3种液态封装材料性能综合对比分析，采用蓖麻油作为液态封装材料最好，阈值电压下降了50%，约为10 V;当驱动电压为20 V时，响应时间为40.6 μs，冲击速度约为 1.26 m/s。

［1］Rebeiz G M，Muldavin J B.RF MEMS switch and switch circuits，and phase shifiers［J］.IEEE Microwave Magazine，2001，2（2）:39－71.

［2］Daneshmand M.RF MEMS satellite switch matrices［J］.IEEE Microwave Magazine，2011，12（5）:92 －109.

［3］Goldsmith C，Ehmke J，Malczewski A.Lifetime characterzation of capacitive RF MEMS switches［C］//2001 IEEE MTT-S Int Microwave Symp，2001:227 －230.

［4］Rebeiz G M.RF MEM理论设计技术［M］.黄庆安，廖小平，译.南京:东南大学出版社，2005.

［5］Muldavin J B，Rebeiz G M.High-isolation MEMS shunt switchespart 1:Modeling［J］.IEEE Trans on Microwave Theory Tech，2000，48（6）:1045 －1052.