4-84  MEMS微波开关的设计与仿真

谢兴军

开关是微波信号变换的关键器件之一。在射频/微波集成电路中，已经大量使用的场效应管FET和半导体二极管PIN等半导体开关，由于其工作频率较低、插入损耗较大、隔离度较低、固有的非线性特性和功耗较大，导致半导体开关存在许多缺陷。随着微机电系统MEMS(Micro Electronic Mechanical System)技术的出现和快速发展，MEMS开关得到了广泛的研究和应用，和半导体开关相比，MEMS开关具有插入损耗较低、隔离度较高，并且消除了由于半导体结引起的I-V非线性等特点。

为解决现有的MEMS微波开关的激励电压太高、微连接和膜开关的击穿电压等问题，提出了一种独特结构的MEMS微波开关——扭转臂膜开关。对提出的这种开关进行了理论分析和工艺可行性论证，同时利用计算机辅助设计软件对该开关进行了机电耦合分析、微机械结构模态分析、全波电磁场仿真分析，根据分析的结果优化设计了几种开关尺寸的加工版图进行加工。结果表明，该设计在工艺上是可行的。

工作原理：开关示意图如图1所示。推和拉电极分别施加电压的时候，杠杆通过扭转臂上抬或下拉，从而改变信号线—介质膜—结构层接触膜构成的耦合电容大小，这样来控制微波信号的通断，这里接触膜导地可以通过结构本身与地导通，同时结构层末端下拉时也可导地。

该结构的MEMS微波开关的显著优点：对解决金属膜直接接触引起增加插入损耗、稳定性差、微连接等问题有一定的作用；能有效的解决现有MEMS膜开关介质膜被击穿的问题；利用了扭转臂和杠杆结构，激励电压比较低。

对设计的开关计算机仿真分析表明：(1)由于利用扭转板和杠杆的原理，该开关结构在比较小的驱动电压下能获得较大的位移，开关闭合时驱动电压小于10 V。(2)在0~15 GHz频率范围内插入损耗小于0.25 dB，8~13 GHz频率范围，隔离度大于20 dB。(3)由于现有电容性膜开关直流电压直接加于信号线上，本设计解决了这种情况引起的绝缘介质容易被击穿的问题。