微机械微波/射频开关的制备和功能测量研究

　　1 引言

　　微机械(M E M S )微波 / 射频器件是最近微机械领域的研究热点[1～5]，它充分利用微电子和微机械技术的优势，将微机械技术运用于微波/射频领域，成为一类新型的微波/ 射频元件。和传统的微波元件，如 PIN 微波开关相比，它具有低损耗、高隔离、体积小、制造成本低、易于与 I C 兼容和可靠性高等优点。由于这些特点，现在已出现了许多有源和无源微波 / 射频器件，如电感、电容、滤波器和开关等。

　　作为一种含可运动部件的微米尺度器件，微机械器件的基本制备工艺和微电子工艺有相似之处，如薄膜沉积、光刻、刻蚀等，但也有重大的差别，如悬臂梁的制备和牺牲层的刻蚀，它显示了微机械器件在制备工艺上的难点。此外，在微波/射频运用中，一个重要的特点是高导电金属材料的广泛运用。

　　微波 / 射频 MEMS 开关是无线通讯领域的重要器件，也是 MEMS 技术在微波 / 射频领域应用最成功的器件之一，现已成为 MEMS 研究的重点之一。由于国际上对 MEMS 微波 / 射频开关的研究时间不长，可供借鉴的经验极为有限。本文在讨论 MEMS工作原理的基础上，深入讨论其制作工艺，并给出功能测试结果。

　　2 微机械微波/射频开关原理

　　微机械开关的执行机制有两种：静电作用和电磁作用，两者各有优缺点。静电作用的优点是无需工作电流，因而功耗极低，但执行电压较高，通常大于 10V[4]。电磁作用的优点是执行电压低，但需要较大的工作电流，因而功耗较大，同时它因需要磁性薄膜而使制备工艺较复杂。由于低功耗的优点，静电执行的微机械开关在首要先考虑节省功耗的无线通讯系统中更具吸引力，成为首选。现在常用的静电执行微机械开关又有接触式和电容式两种。电容式微机械开关更适用于10GHz以上的高频波段[2];而对于一般移动通讯所用的波段，接触式微机械开关更适合[ 5 ]，它在导通时由接触金属把信号线的输入和输出直接连接，因此其工作波段从原理上说可以从直流到G H z ，应用更广范。

　　微机械微波开关的基本结构如图1所示(图中只幽了一半，在信号线的另一侧还有一条地线，以及相应的上电极等结构)。它的基木结构为一个共平而波泞;它的中心信号线宽度为W;两侧地线宽度为W;两者之间的间隙都是L。对于共平而波泞结构，最主要的参数是特征阻抗。共平而波泞的特征阻抗可以表示为:

　　实际问题中还需考虑衬底的有限厚度等因素，因此还需进行必要的修正，另外还要考虑器件特征阻抗应和系统特征阻抗匹配，在本研究中，系统特征阻抗为50 。根据这些因素可以确定开关的基本结构参数为：2a=86μm，2 b =155μm 。在该结构中，共平面波导的地线也兼作控制电压的下电极，即控制电压是加在上电极和地线之间的。