第19卷第3期 光学精密工程 Optics and Precision Engineering Vo【_19 No.3 Mar.2O11 2011年3月 文章编号 1004—924X(2011)03—0593—05 毫米波MEMS开关S参数在开关过程中的瞬态变化 廖小平,肖建斌 (东南大学MEMS教育部重点实验室,江苏南京210096) 摘要:研究了静电执行的电容式并联毫米波MEMS开关的S参数在开关过程中的瞬态变化。以一个电容式并联毫米波 MEMS开关为实例,采用已有的开关一维力学动态模型,建立了开关过程中开关梁与介质层之间的间隙与时间的关系; 通过HFSS电磁仿真软件,得到开关S参数在开关过程中的瞬态变化。结果显示,在开关下拉过程中(用时约9.4 tts), 插入损耗s 先缓慢减小(从Up态稳定值一0.20 dB缓慢减小到一1.02 dB需时9.¨ s,占开关下拉时间的97 ),但在 下拉时间末段迅速减小;在开关释放过程中(用时约20 s),S 在初段就迅速增大(从Down态的稳定值一20.I dB迅速 增加到一1.16 dB只需1.09 S,占开关释放时间的5.5 )。结果表明,开关从导通信号到阻隔信号的转换时间约为开 关的下拉时间;开关从阻隔信号到导通信号的转换时间要比开关的释放时间小一个数量级。 关键词:毫米波开关;MEMS开关;S参数;瞬态变化 文献标识码:A doi:i0.3788/OPE.20111903.0593 中图分类号:TN631 Transient S—parameters of millimeter-wave MEMS switch I IA0 Xiao—ping.XIA0 Jian—bin (Key Laboratory of MEMS,Ministry of Education,Southeast University,Na ing 210096,China) Abstract:The transient S—parameters of a capacitive shunt and electrostatically actuated millimetre— wave switch were researched.The transient change of these parameters during switching in the gap be— tween switch beam and dielectric layer was derived by a one—dimension mechanical dynamic model from a published paper.Then,the transient change in the gap was used for simulating the transient S—pa— rameters during switching in HFSS software.Finally,this method was applied tO a specific switch. Obtained results show that the inserting loss S21 decreases slowly until the end of the pull—in process (from steady value一0.2O dB in Up—state tO一1.02 dB over 9.11 us,97 of the pull—in time),and it increases quickly to nearly the ultimate value at the beginning of the release process(from steady val— ue一20.1 dB in down—state to一1.16 dB over 1.09“s,5.5 9/6 of the release time).The transition time from a passing RF signal tO a blocking RF signal is about the time of pull—in,and the transition time from a blocking RF signal to a passing RF signal is one order of magnitude less than the releasing time. Key words:millimeter—wave switch;MEMS switch;S—parameters;transient change 收稿日期:2010—03-26;修订日期:2010—05—07. 基金项目:国家自然科学基金资助项目(No.61076108,60976094,60676043) 594 光学精密工程 第19卷 引 言 射频(RF)MEMS开关以其高隔离度、低插 入损耗、高截止频率和高的线性度等优点备受人 们关注rI。]。其中,静电执行的RF MEMS开关 由于功耗低和制造简单等特点已成为研究的热 点。S参数是衡量RF MEMS开关电路特性的重 要参数。其中,S (S )表示回波损耗,反映开关 对RF信号的反射程度;S。 (S 。)表示插人损耗, 反映开关对RF信号的导通程度。若开关处于开 态,s 一般较大(如接近0 dB),表示导通信号;若 开关处于关态,S 一般较小(如小于一20 dB),表 示阻隔信号。由于静电执行的RF MEMS的开 关时间较慢(微秒级),因而5参数在开关过程中 也有一个较慢的瞬态变化过程,不能近似为理想 的阶跃变化。只有分析出静电执行的RF MEMS 开关S参数在开关过程中的瞬态变化,才能得知 开关如何在阻隔信号和导通信号的状态之间转换 以及转换所需要的时间。目前,对RF MEMS开 关S参数的研究都集中在开态和关态两个稳 态[4 ],而本文则是首次对静电执行的电容式并联 毫米波MEMS开关S参数在开关过程中的瞬态 变化进行了研究。 2 毫米波MEMS开关S参数在开 关过程中瞬态变化的原理分析 2.1 基本原理 电容式并联RF MEMS开关的结构如图1 所示。L表示开关梁的长度; 表示开关梁的宽 度;w表示共面波导(CPW)中心导线的宽度。 电容式并联RF MEMS开关的电路模型l_6。] 如图2所示。其中,z。表示与开关相连的传输线 的特征阻抗,c表示开关的梁与中心导线问的电 容,L 表示开关梁的电感,R 表示开关梁的串联 电阻。这里,Z。通常取5O Q。 C在开关的动态过程中随开关梁的空气间隙 的变化而改变,如式(1)所示。 ’ g L£J十—— CPW 图1电容式并联RF MEMS开关 Fig.1 Capacitive shunt RF MEMS switch 图2 电容式并联RF MEMS开关的电路模型 Fig.2 Circuit model of capacitive shunt RF MEMS switch 其中,g表示开关梁与介质层的空气间隙的高度, d 表示介质层的厚度,e 表示介质层的相对介电 常数,e。表示真空介电常数。 开关梁的电路模型的阻抗为 Zb壶+jroLs+R s- (2) 开关的S参数可以表示为 J『 Sl1一s ===Z蕊l-Z0 l s。 = ̄71+¥22. cs, r7 b 。 l厶 』~—Z ̄+—Zo 从式(1)~(3)可知,在开关过程中,由于C 随g变化,开关电路模型的阻抗发生变化,最终 使开关的5参数也发生瞬态变化。 2.2开关力学动态模型 从上述分析可知,要研究RF MEMS开关S 参数在开关过程中的瞬态变化,必需得知开关位 移的瞬态变化。 目前,对开关动态的研究较多的采用一维集 总模型 引。图3给出了电容式MEMS开关一维 集总模型的示意图。其中,是为开关梁的弹性系 第3期 廖小平,等:毫米波MEMS开关S参数在开关过程中的瞬态变化 595 数, 为开 梁 ,【,为开关的静电驱动电 压, 为开关梁的位移。. 图3 电容式RF MEMS开关一维集总模型 Fig.3 I umped model of capacitive shunt RF MEMS switch 本文采用文献[8]提出的一维动态集总模型, 如式(4)所示。其中, 为开关梁的有效质量,大 小为0.492m;F 表示开关静电驱动力; 表示开 关梁的厚度;E表示开关梁的杨氏模量;v表示开 关梁的泊松比;S 表示开关梁的残余应力;g。表 示开关梁的原始间隙;b表示阻尼系数;Q 表示 开关梁的品质因素; 表示空气分子平均自由程。 b与g有关,因此开关梁的振动是变阻尼的。对 于电容式并联开关,开关从开态到关态的过程就 是开关下拉的过程,即从Up态到Down态;开关 从关态到开态的过程就是开关释放的过程,即从 Down态到Up态。在计算过程中,开关采用常 见的驱动方法,在开关下拉过程所加的驱动电压 恒定,开关释放过程开关驱动电压为0 V。 帆 +6 ∽一 F一一 (』 2 g +/o do-e -x(t) ) ,-F ̄Na10 . ,释放阶段 k=Lw・( 二 3 2E—na 十w。) ̄8z&Lw(1-一vw) n) ^一 (¨一( ) )。 (4) 开关梁的Q 可以由式(5)求得_9。 。其中,p 为梁的密度, 为空气的黏度,这里取标准大气压 和温度(SPT)下理想气体的黏度值1.845×10 Pa・S。本文假设开关工作在SPT下。 Q 一 1+9.638( ) ¨。) gi, (5) 2.3 开关实例 本文利用HFSS电磁仿真软件,以一个电容 式并联毫米波MEMS开关作为实例进行模拟分 析,如图4所示。开关的衬底材料为砷化镓 (GaAs),厚度为100 nm。开关的介质层材料为 氮化硅(SiN)。CPW和梁的材料为金(Au)。开 关工作在35 GHz时,仿真结果为Up态S 一 一19.1 dB,S21一一0.2O dB;Down态S1l一 一0.21 dB,S 一一2O.1 dB。开关的具体参数如 表1所示。 图4电容式并联毫米波MEMS开关 Fig.4 Capacitive shunt millimeter—wave MEMS switch 表1开关的具体参数 Tab.1 Specific parameters of switch 参数 值 梁的长度L/ m 梁的宽度w/t ̄m 梁的厚度n/tam CPW中心导线宽度W/p.m 梁的原始间隙go/ 开关介质层的厚度d。/ m 金的密度p/(g・cm ) 金的杨氏模量E/GPa 金的泊松比 梁的残余应力Sr/MPa 真空介电常数e。/(F・m ) 开关介质层的相对介电常数e SPT下空气分子自由程A/ m 开关的工作频率f/GHz 开关下拉的驱动电压U/V 枷596 光学精密工程 第19卷 1.O2 dB需时9.11 s,占开关下拉时间的 3 毫米波MEMS开关S参数在开 97 ;S 在下拉过程的时间末段才迅速减小:从 关过程中的瞬态变化的结果分析 首先,利用式(5)可以计算出上述开关梁的品 质因素Qe仃一1.2(g一1.6 m)。根据公式(4),利 用MATLAB软件可以计算出开关过程中梁的空 气间隙变化。可以发现,开关下拉时间的计算结 果约为9.4 ys(图5),开关的释放时间的计算结 果约为2O s(图6)。释放时间较大是由梁的振 荡引起的。 利用上述开关过程中梁空气间隙与时间的变 化关系,再结合HFSS软件模拟得到的在不同的 梁空气间隙条件下开关的s参数,可以得到开关 S参数在开关过程中的瞬态变化。 tlgs 图5开关下拉过程,开关梁的空气间隙的变化 Fig.5 Variation of air gap of switch’s beam during pull—in 图6开关释放过程,开关梁空气间隙的变化 Fig.6 Variation of air gap of switch’S beam during release 通过模拟可以发现,开关在下拉过程中,S 先缓慢的减小:从up态稳定值一0.2O dB减小到 1.02 dB减小到Down态稳定值一20.1 dB只 需0.29 ys,占开关下拉时间的3 ,如图7所示。 这表明在开关下拉过程中,开关大部分时间都导 通信号,当开关的梁接近或接触介质层时才能有 效地阻隔信号。在开关释放的过程中,s 在释放 过程的初段就迅速增大:从Down态的稳定值一 2O.1 dB增加到一1.16 dB只需1.09 s,占释放 时间的5.5 ,而从一1.16 dB到Up态的稳定值 一0.20 dB则需时18.91 s,占释放时间的 94.5 ;同时可以发现,梁从振荡衰减到稳态需要 较长的时问。但是,梁的振荡对S 影响很小(只 引起0.1 dB的变化),如图8所示。因此开关从 阻隔信号到导通信号所需要的时间比开关释放时 间小一个数量级。 0 5 t=9.11 gs/ ’ l—1.02 dB ∞一l0 15 20 O 2 4 6 8 l0 t/gs 图7开关下拉过程,开关s参数的瞬态变化 Fig.7 Transient S—parameters of switch during pull—in ∞ 图8开关释放过程,开关s参数的瞬态变化 Fig.8 Transient S—parameters of switch during release 4 结 论 本文采用一个电容式并联毫米波MEMS开 第3期 廖小平,等:毫米波MEMS开关S参数在开关过程中的瞬态变化 597 关首次模拟了S参数在开关过程中的瞬态变化。 结果发现,在开关下拉过程中,Sz 先缓慢减小:从 Up态稳定值一0.20 dB减小到一1.O2 dB需时 9.11“s,占下拉时间的97 ;S 在下拉过程的时 间末段才迅速减小:从一1.02 dB减小到Down 态稳定值一20.1 dB只需0.29 ,占开关时间的 参考文献: Eli JANG Y H.LEE Y S,KIM Y K,et a1..High i solation RF MEMS contact switch in V—and W bands using two directional motions[J].Electronics Letters,201O,46(2):153—154. E2] CHAN K Y,RAMER R.A novel RF MEMS switch with novel mechanical structure modeling[J].Journal of Micromechanics and Microengineering,2010,2O (1):卜9. [3] G0NG S B,SHEN H,BARKER N S.Study of broadband cryogenic DC—contact RF MEMS swit— ches[J].IEEE Transactions On Microwave Theory and Techniques,2009,57(12):3442—3449. [4] MUI DAVIN J B,REBEIZ G M.High-isolation cPW MEMs shunt switches—part 1:modeling E J]. 1EEE Transactions on Mierowave Theory and Techniques,2000,48(6):1045—1052. E5] QIAN J,CHANG H P,CETINER B A,et a1.. RF MEMS asymmetric capacitive switch with high— isolation at selected low—microwave frequency E J]. Microwave and 0ptical Technology Letters,2007, 作者简介 廖小平(1966一),男,湖南衡阳人,教 授,博士生导师,1998年于东南大学获 得博士学位,主要从事RF MEMS的 研究。E—mail:xpliao@seu.edu.cn 3%。在开关释放过程中,Sz 在过程的初段就迅 速增大:从Down态的初值一20.1 dB增加到一 1.16 dB只需1.09 S,占释放时间的5.5 。因 此,开关从导通信号到阻隔信号的转换时间约为 开关的下拉时问;开关从阻隔信号到导通信号的 转换时间要比开关的释放时间小一个数量级。 49(3):702 706. [6] SIMION S.Modeling and design aspects of the MEMS switch[C].2003 International Semiconductor Con}er ence,Vl025 l and 2,Proceedings.2003:125—128. [7] BUCCELLA C,FEI IZIANI M,MANZ1 G.Circuit modeling of RF capacitive MEMs switch[C].Pro— ceedings of the IEEE International Symposium on Ind“strial Electronics 2005,2005:11 17—1121. E8] YUAN X I ,HUANG Q A,I IA0 X P.Analysis of electromagnetic interference of a capacitive RF MEMs switch during switching[J].Microsystem Technologies——Micro——and Nanosystems—。Information Storage and Processing Systems,2008,14(3):349— 36O. E9] HOWE R T,MULl ER R S.Resonan microbridge vapor sensor E J].IEEE Transactions 0n Electron Devices,1 986。33(4):499—506. [1O] VEIJOLA T,KUISMA H,LAHDENPERA J. Model for gas film damping in a silicon accelerometer Ec].Proceedings of international Con{erence on Solid State Sensors and Actuators,Vo1.2.,1997: 1O97—11OO. 肖建斌(1 984一),男,广东肇庆人,硕士 研究生,2007年于华南理工大学获得 学士学位,主要从事RF MEMS的研 究。E-mail:jianbinxiong@tom.corn