低驱动电压RFMEMS开关设计过程中的有限元分析

伍文昌，胡宜芬

（信阳职业技术学院汽车学院，河南信阳464000）

低驱动电压RFMEMS开关设计过程中的有限元分析

伍文昌，胡宜芬

（信阳职业技术学院汽车学院，河南信阳464000）

介绍了RF MEMS开关的工作原理和基本结构，给出采用Ansys有限元分析方法仿真RF MEMS开关的流程及方案。对一种新型的低驱动电压RF MEMS开关，使用Ansys有限元软件进行分析：静态分析求解开关的下拉电压，动态分析得到开关时间，并给出该开关的应用实例。

RF MEMS开关；Ansys有限元；低驱动电压；开关时间

目前，射频微机电系统（RF MEMS）的研究方向大致分为两类：MEMS开关和MEMS谐振器。RF MEMS开关系统的研究主要涉及MEMS开关、可调滤波器、移相器、可调匹配网络、微执行器和可重构天线。相比传统的半导体二极管和场效应管构成的开关及可调器件，RF MEMS开关系统具有插损低、功耗低、线性度高且易于集成的优点［1］，但是在驱动电压和开关速度上依然有差距。文中介绍了使用Ansys分析RF MEMS器件的基本方法，并对笔者所在团队所设计的一种新型低驱动电压RF MEMS开关在驱动电压和开关时间方面进行有限元分析。

1　低驱动电压RF MEMS开关实例

1.1RF MEMS开关的工作原理

本文研究的RF MEMS开关，全称为RF MEMS并联电容耦合型开关，主要由CPW共面波导传输线、绝缘介质层、低耗基底以及可动金属极板MEMS可动开关梁构成，如图1所示。由图1可见，RF MEMS开关梁本身是一个可动极板，开关梁下方的传输线为一个极板，当两者之间施加上偏置电压之后，就形成一个平行板电容器。开关梁的锚点连接在共面波导CPW的地线上，在受到静电力时，上极板被向下吸附，当它下拉到最低端时，开关电容值可达到初始状态的30～100倍，此时，电容使微波信号在传输线和地线间短路（此时为down态，即开关的关态）；而未施加偏置电压时，MEMS梁与传输线间电容值很小，信号传输正常（此时为up态，即开关的开态）［2］。

图1　RF MEMS并联电容耦合式开关原理示意图

1.2低驱动电压RF MEMS开关梁设计

RF MEMS开关与半导体开关相比有很多优点，但还有如下两个方面需要改进。

1）RF MEMS开关所需驱动电压远大于半导体开关。以美国Raytheon公司为例，其研发出的不同尺寸的商用RF MEMS电容式开关，驱动电压分布范围为35～60 V［2-3］。

2）MEMS开关梁被释放后，由于金属梁的振荡效应，其开关速度低于半导体开关。

为了改进RF MEMS开关这两个方面的性能。笔者所在的电子科技大学电子工程学院RF MEMS设计团队通过技术分析，设计出了一种新型的具有低驱动电压和较短的开关时间的RF MEMS开关梁［4-5］，并应用于“X波段五位数字移相器”中。

图2是低驱动电压RF MEMS开关梁结构示意图，开关与信号传输线间隙为3 μm，如图1（b）所示。设计该结构需要分析以下几个方面的问题：1）分析所需最小的驱动电压和MEMS开关梁弹性系数k的关系，即在不同弹性系数情况下，开关梁所需的驱动电压；2）分析开关梁长度、宽度、驱动面积与所需驱动电压之间的关系；3）分析开关梁厚度与弹性系数之间的关系；4）分析电容比（开关的开态和关态）与间隙高度的关系。

图2　新型低驱动电压梁结构图

图2所示的低驱动电压RF MEMS开关的开关时间约为85 μs，开关梁的下拉电压（可将开关梁吸附到下极板的最小的偏置电压）［3］为6.0 V。在实际应用中，为确保可靠性，要求驱动电压为下拉电压的1.4倍，即8.4 V，该电压远低于Raytheon公司的MEMS开关所需的驱动电压。需要注意的是，由于工艺水平的不同，残余应力的大小会对驱动电压的大小产生不同的影响。

2　使用有限元软件Ansys辅助设计与仿真

图3所示流程的前三步是建模过程，即尽可能建立与实际设计相吻合的模型，并对其中的参数进行计算和设定。这里需考虑MEMS开关结构的约束、施加载荷的大小和空气阻尼等因素所造成的影响。为使问题简化，可先假设开关为真空封装的环境，然后再单独分析空气阻尼、残余应力等对器件性能的影响。

图3　有限元软件Ansys分析RF MEMS开关流程图

2.1使用有限元软件对RF MEMS开关的静态仿真

根据图3所示的流程进行有限元静态分析，主要分析需施加多大的电压，才能将MEMS金属梁下拉到底部，实现开关的关态（down态）。

图4为Ansys输出MEMS梁位移矢量图，各部分灰度的差异表示该部位相对于初始位置的位移，位移值可通过与图中标有位移值的灰度条对比读出。当偏置电压为5.8 V时，MEMS金属开关梁仅下拉了0.89 μm；而偏置电压为6.0 V时，开关梁完全下拉，开关梁中心部分被下拉到与传输线上的绝缘介质层相接触［4-5］。

图4　低驱动电压RF MEMS开关梁位移矢量图

2.2使用有限元软件对RF MEMS开关的动态仿真

动态仿真的目的在于分析求解RF MEMS电容式开关的开关时间，而开关时间的概念涉及两个部分：一是开关的闭合时间，即当驱动电压施加到开关上之后，开关完全下拉到底部以实现开关关闭的时间；二是开关的释放时间，即移去驱动电压之后，开关恢复到稳定的导通状态的时间。前者的分析较为容易，而后者就比较复杂。这是因为MEMS梁被释放之后，并不会立即恢复到初始状态的位置并且保持稳定，而是由于惯性，在初始稳定位置上下振荡。这个振荡会对信号传输产生干扰，导致信号转换时间被迫延长。

我们使用图3所示的建模流程进行仿真，注意更改仿真为动态仿真，并调整载荷和载荷步（载荷步涉及到载荷调整的阶段和时间）。我们通过先在MEMS开关梁上施加偏置电压，经过一段时间后移除偏置电压的方式设置载荷步，然后在开关梁的中心位置选取一个采样点，使用Ansys分析施加驱动电压前、施加期间以及移除驱动电压后该点的位移情况，以分析开关梁的开关闭合时间和释放时间。开关被释放后，其振荡范围缩小到不再对信号传输产生明显影响的时刻，即可认为开关释放时间结束，而不必要求以开关完全稳定下来的时刻作为释放时间的截止点。

图5为开关闭合及释放时间的示意图［6］。由图5可以看出：开关从初始位置（位移为0的平衡位置）移动到最低点所需的时间很短，约为11 μs；而开关的释放时间较长，开关梁虽然在25 μs时即到达初始位置，但却并没有静止下来，而是继续向上运动，随后持续振荡，一直到约87 μs的位置，振荡幅度才可忽略，也就是说，该MEMS开关的释放时间约为76 μs。

图5　RF MEMS开关梁开关时间示意图

3　低驱动电压RF MEMS开关的应用

图6所示为使用于移相器上的MEMS开关梁。X波段五位数字移相器由RF MEMS设计团队设计，中国工程物理研究院（绵阳九院）加工完成。

图7为MEMS X波段五位数字移相器，该移相器在施加驱动电压后，可以实现不同移位的up和down态。其在X（8～12 GHz）波段性能优良：插入损耗低于-0.845 dB，回波损耗始终在-21.6～-19.8 dB范围内（驱动与非驱动两种状态差异不大）。

移相器可以实现在0°～348.75°内，32种相移状态［6-8］。它由0°/11.25°、0°/22.5°、0°/45°、0°/90°和0°/180°五位构成，各个位所包含的移相单元（即为MEMS开关梁）数目依次为1、2、4、8、16，每一位中的移相单元都连接在同一个偏置焊盘上，五位状态的不同组合可实现32种相移状态。例如，第四位0°/90°和第五位0°/ 180°中的MEMS开关梁被施加偏置电压而下拉到down态时，就可实现270°相移［5，9］。

图6　X波段五位数字移相器上的MEMS开关梁结构

图7　射频微机电X波段五位数字移相器

4　结束语

RF MEMS开关具有插入损耗低、隔离度高、功耗低等优点，且便于与单片微波电路集成。使用RF MEMS移相器替代传统微波移相器，提高了相控阵雷达、卫星通信、移动通信设备的抗干扰能力和灵敏度，降低了设备重量、功耗及成本。

本文设计了一种新型低驱动电压RF MEMS开关，并将其应用于X波段五位数字移相器中，设计出拥有低驱动电压、低插损耗、小型化和低功耗的MEMS参考文献：

移相器。通过有限元仿真，证明了所设计的RF MEMS开关结构良好，能够在较低的驱动电压下完成开关过程，并具有较短的开关时间。

［1］李国厚，白林峰.微机电系统的发展与应用［J］.微计算机信息，2003（9）：31-34.

［2］REBEIZ G M.RF MEMS Theory，Design and Technology［M］.黄庆安，廖小平，译.南京：东南大学出版社，2005：74-76.

［3］董乔华，廖小平，黄庆安，等.RF MEMS开关吸合电压的分析［J］.半导体学报，2008（29）：163-168.

［4］林丽华.低驱动电压的RF MEMS开关的设计与模拟［D］.福建：福州大学，2004.

［5］DU Y J，BA0 J F，WU W C，et al.Design of a Novel 5-bit Distributed MEMS Phase Shifter［C］//IEEE，2010 International Conference on Communications，Circuits and Systems（ICCCAS），Chengdu，28-30 July，2010：706-709.

［6］NIESSNER M，IANNACCI J，SCHRAG G，et al.Experimental Analysis and Modeling of the Mechanical Impact During the Dynamic Pull-in of RF-MEMS Switches［C］// IEEE，Advanced Semiconductor Devices and Microsystems，2010 8th International Conference，Smolenice，0ctorber 25-27，2010：267-270.

［7］MAFINEJAD Y，K0UZANI A Z，MAFINEZHAED K，et al.Design and Simulation of a Low Voltage Wide Band RF MEMS Switch［C］//IEEE，International Conference on Systems，Man and Cybernetics，San Antonio，TX，USA，0ctober 11-14，2009：4623-4627.

［8］S0N C，ZIAIE B.Pull-in Instability of Parallel-plate Electrostatic Microactuators Under a Combined Variable Charge and Voltage Configuration［J］.Applied Physics Letters，2008，92：013509.

［9］杜亦佳.RF MEMS移相器和太赫兹波导滤波器研究［D］.成都：电子科技大学，2013.

【责任编辑梅欣丽】

Design and Simulation of a Low Voltage RF MEMS Switch

WU Wenchang，HU Yifen
（Automotive College，Xinyang Vocational and Technical College，Xinyang 464000，China）

This paper first introduced the principle of RF MEMS switch，then，the simulation of RF MEMS switch by using Ansys finite element analysis method.It carried out the static analysis to solve the drop-down voltage and the dynamic analysis of the switching time.Finally，it cited an example of the low driving voltage RF MEMS switch.

RF MEMS switch；Ansys finite element；low-driving voltage；switching time

TN402

A

2095-7726（2015）09-0053-03

2015-05-12

伍文昌（1984-），男，河南信阳人，讲师，硕士，研究方向：射频微机电系统。