MEMS射频同轴线的仿真与工艺研究

高荣惠，赵 龙，崔建利，张斌珍

（中北大学 电子测试技术重点实验室，山西 太原030051）

0 引 言

随着射频（RF）、微波技术的迅速发展，国际上诸多知名科研机构和高校都将RF MEMS视为重点研究方向.RF MEMS技术中多采用的是平面电路技术，其中的射频、微波信号传输及器件互联多采用微带、共面波导、带状线等平面传输线［1］，当集成度较高时，这些传输、互联技术就暴露出诸多弊端：插入损耗与线间耦合较大、功率容量小、色散严重等，很难进一步实现射频和微波电子系统的小型化与微型化，严重限制了其在微型射频／微波电子系统中的应用.

同轴传输线结构紧凑、低损耗和低色散的特性使得其在射频微波无源电路设计领域迅猛发展，微机电系统加工技术的研究进展也为矩形同轴线的应用提供了充足的机会［2-3］.美国国防部先进研究项目局一直在大力资助企业和高校进行三维射频和微波集成通用平台的搭建，互联技术主要采用的就是同轴传输线，目前他们已实现了部分基于同轴传输线的射频微波器件在三维片上的集成.Novotronics公司所加工的四通道MMIC平台和天线馈电网络中微波器件的设计与互联也均采用的是同轴传输线［4］.

为了提高通信系统的传输能量，减小系统尺寸，微波器件的尺寸变得越来越小，作为信号传输的重要途径，射频系统也逐渐向微型化转变.微型射频同轴线可以实现微集成射频器件的互联，亦可实现多层射频集成模块的互联，其作为基础器件是射频系统不可或缺的部分，受到越来越多的的关注.国内部分研究单位和高校开展了基于LIGA和准LIGA工艺的RF MEMS器件三维微加工方面［5-7］的研究，但目前国内对于以同轴互联的射频和微波器件以及三维PCB平台的设计和制造方面的三维微加工技术的研究工作还处于初级阶段.

本文旨在设计一种以SU-8方形柱作为衬底、全空气填充的微型射频同轴线，并采用UV-LIGA工艺进行结构的加工.与采用电镀铜工艺实现全金属结构的射频同轴线相比，该微型同轴线采用的工艺方法是在SU-8上实现传输线的金属化，克服了因为铜镀层太厚引起的结构表面产生龟裂，不平整，且厚度不易控制等缺陷，具有介质损耗小、辐射损耗小、无色散、带宽大和抗干扰性强的优点，为实现射频和微波电子系统的微型化、一体化、低成本与高性能建立了基础.

1 设计与仿真

同轴线主要传输无色散的TEM波，也可能传播有色散的TE波和TM波.实际应用中主要以TEM模为传输模式，主动抑制TE模和TM模.

考虑到在实际微结构加工中，曲面加工还十分困难，而直角结构则相对方便，所以微结构的同轴线一般是方形同轴线.利用复变函数中的保角变换法可确定方形同轴线设计中特性阻抗Z0，介电常数εr以及边长比a／b（其中a为方形同轴线内导体外边长，b为方形同轴线外导体的内边长）之间的关系.其计算公式［8-9］为

通常同轴线采用的特性阻抗有两种：50Ω和75Ω.其中75Ω的特性阻抗常用作有线电视系统通信，射频通信系统同轴线则采用50Ω的特性阻抗.故此处Z0取值50Ω；空气介电常数εr取值1.代入Z0和εr，可计算得到b／a值约为2.5.如图1所示为方形同轴线截面示意图.根据实际工艺条件，可加工尺寸范围为50～1 000μm，本设计中a取值200μm，b取值500μm.拟采用RffS ZVA40网络分析仪和探针测试台对微型同轴线进行测量，为了便于测量，同轴线需要设计成如图2所示上端开口的效果.通过HFSS电磁仿真软件进行模型建立与仿真.

图1 同轴线截面内外导体尺寸示意图 Fig.1 Section diagram of inner and outer conductor size of coaxial line

图2 同轴线测试效果图 Fig.2 Test diagram of coaxial line

设计时需要考虑微型同轴线内导体支撑问题，结合微型同轴线UV-LIGA加工工艺［10-11］，在加工过程中采用MICROCHEM公司的SU-8光刻胶［12-13］作为同轴线支撑衬底，所以模型建立时在中心同轴下面加了一层SU-8作为支撑层（按照设计要求，该SU-8支撑层高度为1 5 0μm）.如图3所示为改进后的微型同轴线模型.对支撑衬底的宽度进行参数扫描设置，范围为200～500μm，每隔20μm取一个值；扫频范围设为30～50 GHz，其他项默认不变，对该模型进行参数优化仿真.仿真完成后对38 GHz处的回波损耗S11和插入损耗S12进行分析得到如图4所示的S参数随衬底宽度变化的关系图.从图中可看出虽然插入损耗S12随着衬底宽度变化不大，但回波损耗S11受衬底宽度变化较为明显，且在200μm处S11最小.故确定衬底宽度200μm为最优参数.

图3 优化后的同轴线模型 Fig.3 Model of optimized coaxial line

图4 S参数随衬底宽度变化的关系图 Fig.4 Relation graph between S parameter and substrate width

图5 全空气填充同轴线仿真曲线 Fig.5 Simulation diagram of coaxial line filled with air

利用HFSS电磁仿真软件对全空气填充的同轴线进行仿真，调出S参数结果报告，并和上面优化的带有SU-8支撑衬底的同轴线S参数进行对比，结果如图5所示，可以看出：理想状况下全空气填充的同轴传输线，38 GHz时S11在-40 dB以下，回波损耗非常小，而S12参数为-0.13 dB；而进行优化后的同轴线中心频率略有偏移，但38 GHz时S11依然在-30 dB以下，回波损耗非常小；S12参数则为-0.2 d B，表明能量在传输过程中损耗很小.仿真结果表明，有了聚合物支撑的同轴传输线对于信号的传播影响较小，优化后的S参数都达到了匹配传输线的要求.虽然这些都是理想值，但仿真结果证明该结构设计比较合理.

2 加工工艺

同轴传输线加工制造工艺过程主要分为三部分：①中心同轴线衬底的加工；②中心同轴的制作加工；③同轴盖子的加工.工艺流程如图6所示.

图6 微型同轴线加工流程图 Fig.6 Process flow chart of micro coaxial line

具体制作过程如下：

1）备片：为了增强感光胶和基片的黏附力，防止脱胶情况的发生，匀胶前必须保证基片的清洁.采用丙酮，无水乙醇，去离子水等依次对基片进行彻底的清洗，将基片放置在烘台上加热到120℃进行脱水处理10 min；

2）同轴衬底：首先准备一片硅基片，溅射一层100 nm的银层并电镀一层金属铜.根据结构设计，需要在中心同轴底部加工一层150μm的衬底作为支撑层.在金属覆盖的硅基片上以2 400 r／min的转速进行匀胶，均匀涂覆一层150μm的SU-8光刻胶，依次进行前烘、掩膜光刻、后烘；

3）中心同轴：为了便于测试，需要设计成如图2所示的结构.在SiO2基片上用SU-8光刻胶依次加工200μm厚的中心同轴和300μm的凸台，最后显影即得到需要的结构；再将带有中心同轴的SiO2基片浸入BOE中2 h，将剥离的同轴结构进行溅射、电镀得到金属层；

4）同轴盖子制作：同轴线结构需要封闭式结构，鉴于测试要求，盖子需要做成如图2所示底座开口的结构，在SiO2基片上用SU-8光刻胶依次加工150μm厚的底座和350μm高的侧壁.用BOE剥离结构.

3 封装与测试

3.1 同轴线的封装

用电镀工艺对制作出的同轴线盖子部分金属化.首先将样品倾斜放置在磁控溅射机（Cressington308R）卡盘上溅射金属种子层，溅射过程中卡盘连续旋转，实现侧壁均匀的涂层.通过控制时间，沉积100 nm的Ag金属种子层.接着进行电镀，由于铜的导电率为5.8×107s／m，在38 GHz时，计算趋肤深度为1.07μm.设置合适的电镀参数，确保镀层厚度大于3倍的趋肤深度，即溅射4 μm左右的Ag层并对镀层表面进行抛光，确保金属层表面光滑整洁，避免因粗糙产生额外的介质损耗，达到较好的传输性能.

设计采用嵌入的方式进行结构之间的结合与封装：

1）衬底加工完成后在衬底上面以及外侧分别加工两道侧壁作为中心同轴的卡子，可以使中心同轴完成后能够精确地置于衬底设计的位置；

2）在衬底两侧加工两道侧壁，使侧壁距衬底两边的距离为200μm，这样当同轴盖子（侧壁厚50μm）加工完成后可以精确嵌入其中，实现同轴盖子和样品的组装.将三部分结合并组装后得到整体结构如图7所示.

图7 同轴线整体结构图 Fig.7 Structure diagram of coaxial line

3.2 测试过程与结果分析

用RffS ZVA40网络分析仪和探针测试台对封装好的同轴线主要参数进行测试.测试时，三个探针分别接触到同轴线的内导体和外导体，中间的探针接触中心同轴，两侧的探针分别接触盖子波导口两侧.测试结果如图8所示.结果显示频率在38 GHz时，回波损耗S11在-30 dB以下，插入损耗S12为-0.3 d B.所加工的微型射频同轴线S参数与仿真结果相比相差不大，故该微型射频同轴线设计方案比较合理，传输性能较好，可用于高性能射频和微波电路中.由于同轴线三部分的结合和组装都是在显微镜下手动完成的，对于传输线这种精密器件，组装过程中微米级的误差都可能影响其性能，例如，操作过程中产生的受力不均所造成的器件弯曲，组装过程中器件各部分之间的磨损都会使其性能与理想情况有所偏离，所以对于同轴射频传输线的工艺方法有待进一步分析和研究.

图8 SU-8衬底同轴线测试结果图 Fig.8 Test diagram of coaxial line with SU-8 substrate

4 结 论

本文提出了一种新型的微型同轴线的MEMS加工工艺.通过对同轴线结构的仿真分析得出该方法制作的MEMS同轴线具有带宽大、介质损耗小、辐射损耗小和抗干扰强等优点，可适用于高性能射频和微波电路.对微型同轴线的加工验证了该结构实现的可行性，并测得频率在38 GHz时，回波损耗S11在-30 d B以下，插入损耗S12为-0.3 dB，该测试参数能够满足工程需要.但由于本加工工艺不能一体化完成结构的加工，导致实验测试结果和仿真理想结果存在一定的误差，需要进一步研究相关的MEMS加工工艺，保证结构的可靠性和实用性.

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