張世義，曹釬龍，吳倩楠，李孟委

(1.中北大學(xué) 儀器與電子學(xué)院，山西 太原 030051；2.中北大學(xué) 前沿交叉科學(xué)研究院，山西 太原 030051；3.中北大學(xué) 微系統(tǒng)集成研究中心，山西 太原 030051；4.中北大學(xué) 理學(xué)院，山西 太原 030051)

0 引 言

以微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)制備的器件具有體積小、易集成、功耗低、性能優(yōu)良的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于通信、生物醫(yī)療、航空航天等領(lǐng)域[1-3].隨著MEMS器件在更高頻段的廣泛應(yīng)用，器件設(shè)計(jì)與測試的一致性被廣泛關(guān)注，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)及測試連接系統(tǒng)是器件測試過程中的重要組成部分，為了保證測試精度，需對VNA等外接設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)[4].相較于常見的機(jī)械校準(zhǔn)，基于MEMS開關(guān)的校準(zhǔn)件具有操作簡單、校準(zhǔn)精度高、體積小的特點(diǎn)[5].

為了彌補(bǔ)機(jī)械校準(zhǔn)件的不足，芮金城等設(shè)計(jì)了一款適用于晶體管的測試校準(zhǔn)件[6]，該校準(zhǔn)件能夠有效測試晶體管的數(shù)據(jù)，然而，該校準(zhǔn)件尺寸較大，工作頻帶較窄，不適用于寬頻測試設(shè)備的校準(zhǔn).賴展軍等設(shè)計(jì)了一款應(yīng)用于0.2 GHz～3 GHz 范圍內(nèi)的電子校準(zhǔn)件[7]，降低了校準(zhǔn)件的制備成本，促進(jìn)了校準(zhǔn)件的通用化.Danilo V D等設(shè)計(jì)了一款應(yīng)用于0.1 GHz～50 GHz的寬頻電子校準(zhǔn)件[8]，但該結(jié)構(gòu)的校準(zhǔn)件在高頻下性能較差.王姍姍等基于MEMS開關(guān)設(shè)計(jì)了一款小型校準(zhǔn)件[9]，該結(jié)構(gòu)的校準(zhǔn)件可以實(shí)現(xiàn)測試系統(tǒng)在0.1 GHz～20 GHz頻段內(nèi)的校準(zhǔn)功能，操作簡單，性能優(yōu)良，但該器件的工作頻段較窄，無法實(shí)現(xiàn)高頻器件的校準(zhǔn)功能.

本文以MEMS開關(guān)為基礎(chǔ)，結(jié)合串聯(lián)開關(guān)、并聯(lián)開關(guān)及負(fù)載電阻等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一款L～Ka波段可調(diào)的MEMS SOLT(Short,open,load,thru)校準(zhǔn)件，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)校準(zhǔn)件操作復(fù)雜、人為誤差較大的不足，具有體積小、精度高、易于操作的特點(diǎn).該結(jié)構(gòu)的電子校準(zhǔn)件利用MEMS開關(guān)的信號控制功能，實(shí)現(xiàn)了在L～Ka波段范圍內(nèi)的測試系統(tǒng)校準(zhǔn).

1 工作原理

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的校準(zhǔn)方式通常包括SOLT校準(zhǔn)及TRL校準(zhǔn)兩種方式[9].SOLT校準(zhǔn)通過移動(dòng)探針，依次對測試設(shè)備進(jìn)行短路(Short)、開路(Open)、負(fù)載(Load)和直通(Thru)校準(zhǔn).為了簡化設(shè)備的校準(zhǔn)模式，本文設(shè)計(jì)了一款基于MEMS開關(guān)的兩端口校準(zhǔn)片，該結(jié)構(gòu)以MEMS開關(guān)為基礎(chǔ)，結(jié)合負(fù)載電阻，利用串聯(lián)式MEMS開關(guān)實(shí)現(xiàn)測試設(shè)備的開路、直通及負(fù)載校準(zhǔn)，利用并聯(lián)式MEMS開關(guān)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)短路狀態(tài)的校準(zhǔn)，其原理示意圖如圖1 所示.

圖1 可調(diào)MEMS SOLT 校準(zhǔn)件方案設(shè)計(jì)Fig.1 Scheme design of tunable MEMS SOLT calibration part

可調(diào)MEMS SOLT校準(zhǔn)件組成包括3個(gè)串聯(lián)式單刀單擲開關(guān)S1、S2、S3，兩個(gè)并聯(lián)式MEMS開關(guān)S4、S5以及一個(gè)TaN薄膜負(fù)載電阻.其中，開關(guān)S1設(shè)置在端口1和端口2的中間，通過控制開關(guān)的驅(qū)動(dòng)電壓實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)件的開路及直通校準(zhǔn)功能.開關(guān)S2、S3設(shè)置在負(fù)載電阻支路上，通過控制S2、S3開關(guān)的通斷，可以實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)件的負(fù)載校準(zhǔn)功能.為了實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)件的短路校準(zhǔn)，在兩端口旁分別設(shè)置一個(gè)并聯(lián)式MEMS開關(guān)S4、S5，電容式MEMS開關(guān)下拉時(shí)，開關(guān)信號線與地線導(dǎo)通，從而實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)件的短路校準(zhǔn).

2 校準(zhǔn)件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 串并聯(lián)混合式MEMS開關(guān)設(shè)計(jì)

RF MEMS開關(guān)是MEMS技術(shù)的典型器件，也是MEMS領(lǐng)域的核心器件之一，它具有隔離度高、插損低、工作頻帶寬等特點(diǎn)[10-11].串聯(lián)及并聯(lián)式MEMS開關(guān)是MEMS開關(guān)的主要結(jié)構(gòu)[12]，其工作原理如圖2 所示.

串聯(lián)式MEMS開關(guān)的懸臂梁一端固定在信號線表面，另一端為懸空結(jié)構(gòu).懸臂梁的正下方設(shè)置著驅(qū)動(dòng)電極，當(dāng)懸臂梁處于懸空結(jié)構(gòu)時(shí)，信號無法通過，當(dāng)施加一定的驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，開關(guān)的懸臂梁下拉，信號可以通過[13].相較于串聯(lián)式MEMS開關(guān)的工作原理，并聯(lián)式MEMS開關(guān)的懸臂梁橫跨信號線表面，在未受到驅(qū)動(dòng)電壓驅(qū)動(dòng)時(shí)，開關(guān)呈閉合狀態(tài).當(dāng)懸臂梁受到驅(qū)動(dòng)電壓下拉時(shí)，懸臂梁與信號線表面的觸點(diǎn)相接觸，信號線與地線短接，開關(guān)斷開.

為了實(shí)現(xiàn)L～Ka波段可調(diào)MEMS SOLT校準(zhǔn)件的設(shè)計(jì)，本文將串聯(lián)開關(guān)與并聯(lián)開關(guān)相結(jié)合，設(shè)計(jì)出串并聯(lián)混合式MEMS開關(guān)結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3 所示.

圖3 串并聯(lián)混合式MEMS開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of structure of series-parallel hybrid MEMS switch

串并聯(lián)混合式MEMS開關(guān)的結(jié)構(gòu)組成主要包括襯底、CPW、串聯(lián)式MEMS開關(guān)及并聯(lián)式MEMS開關(guān).犧牲層是實(shí)現(xiàn)MEMS開關(guān)懸空結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵，在MEMS開關(guān)懸臂梁表面等間距分布著若干釋放孔結(jié)構(gòu)，可有效提高氧等離子體與犧牲層的接觸面積，減少犧牲層的釋放時(shí)間[12].

2.1.1 襯底材料對開關(guān)的影響

常見的MEMS襯底包括高阻硅、BF33、藍(lán)寶石等.本文對這3種襯底對MEMS開關(guān)的性能影響進(jìn)行了仿真，結(jié)果如圖4 所示.從仿真結(jié)果可以看出，不同材料的襯底對器件的插損及隔離均有影響[12]，與BF33玻璃片相比，使用藍(lán)寶石及高阻硅片作為襯底時(shí)，器件的工作帶寬較小，插入損耗較大，隔離度較低.因此，本文選用BF33玻璃片作為器件的襯底.

2.1.2 錨點(diǎn)高度對開關(guān)的影響

錨點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)MEMS開關(guān)懸臂梁結(jié)構(gòu)的橋梁，錨點(diǎn)的高度將影響懸臂梁的懸空高度.圖5 為錨點(diǎn)高度a對器件插入損耗及隔離度的影響，由仿真結(jié)果可以看出，在保證其他變量不變的情況下，設(shè)定錨點(diǎn)高度a以0.5 μm為步進(jìn)，從2 μm步進(jìn)至10 μm時(shí)，開關(guān)的插入損耗在逐漸減小，隔離度在逐漸增大，綜合考慮MEMS開關(guān)犧牲層工藝的易實(shí)現(xiàn)性，本文錨點(diǎn)高度選用7 μm.

2.1.3 仿真結(jié)果

本文設(shè)計(jì)的開關(guān)結(jié)構(gòu)采用BF33玻璃作為襯底，選用直板結(jié)構(gòu)懸臂梁作為上電極，通過HFSS仿真軟件，對器件進(jìn)行仿真和優(yōu)化，最終得到可以在0.1 GHz～40 GHz 工作的串并聯(lián)混合式MEMS開關(guān).由結(jié)果可以看出，在0.1 GHz～40 GHz 范圍內(nèi)，當(dāng)只將串聯(lián)式MEMS開關(guān)下拉時(shí)，器件的插入損耗≤1.4 dB，隔離度≥40 dB.當(dāng)只將并聯(lián)式MEMS開關(guān)閉合時(shí)，此時(shí)信號短路，器件端口的回波損耗≤0.16 dB.該結(jié)構(gòu)的開關(guān)具有良好的性能，在工作頻段內(nèi)，器件的插入損耗、隔離度及回波損耗性能優(yōu)良，因此，可以作為校準(zhǔn)件的開關(guān)單元使用.

2.2 負(fù)載電阻的設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)件的負(fù)載校準(zhǔn)功能，本文選用方阻為100 Ω/□ 的TaN作為電阻材料[14-15]，基于式(1)進(jìn)行計(jì)算.

R=R0×L/W，

(1)

式中：L為140 μm；W為280 μm；此時(shí)電阻值R為50 Ω.HFSS仿真軟件的結(jié)果如圖7 所示，可以看出，在L～Ka波段范圍內(nèi)，電阻的阻值為50 Ω.

圖7 負(fù)載電阻仿真結(jié)果Fig.7 Load resistance simulation results

2.3 可調(diào)MEMS SOLT 校準(zhǔn)件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過對校準(zhǔn)件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化，利用串并聯(lián)MEMS開關(guān)的工作原理與TaN電阻相結(jié)合，設(shè)計(jì)出可調(diào)MEMS SOLT校準(zhǔn)件，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖8 所示.

在校準(zhǔn)件的表面分布著3個(gè)串聯(lián)式MEMS開關(guān)與2個(gè)并聯(lián)式MEMS開關(guān).表1 給出了基于MEMS開關(guān)校準(zhǔn)件的結(jié)構(gòu)參數(shù).當(dāng)S1至S5的所有開關(guān)懸臂梁均處于懸空狀態(tài)時(shí)，扎在兩側(cè)端口的探針無法直接相連，校準(zhǔn)件執(zhí)行開路校準(zhǔn)的功能；當(dāng)只將開關(guān)S1閉合時(shí)，扎在兩側(cè)端口的探針相連，此時(shí)校準(zhǔn)件執(zhí)行直通校準(zhǔn)；當(dāng)開關(guān)S2與S3斷開時(shí)，信號無法與電阻導(dǎo)通；當(dāng)只將開關(guān)S2、S3閉合，此時(shí)探針可以直接與負(fù)載電阻相連，校準(zhǔn)件執(zhí)行負(fù)載校準(zhǔn)功能；當(dāng)將開關(guān)S4與S5閉合，扎在兩側(cè)端口的探針被短接，校準(zhǔn)件執(zhí)行短路校準(zhǔn).

表1 基于MEMS開關(guān)校準(zhǔn)件的結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Structural parameters of MEMS-based switch calibration parts

3 性能仿真

利用HFSS軟件對可調(diào)MEMS SOLT校準(zhǔn)件結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模并仿真，其仿真結(jié)果如圖9 所示.

圖9 仿真結(jié)果Fig.9 Simulation results

圖9(a)、(b)、(c)、(d)分別給出了器件的短路、開路、負(fù)載和直通狀態(tài)的仿真結(jié)果.可知，在L～Ka波段范圍內(nèi)，校準(zhǔn)件直通、開路及短路狀態(tài)下插損及回波損耗分別優(yōu)于 1.89 dB，1.8 dB，0.33 dB，負(fù)載狀態(tài)下器件的負(fù)載穩(wěn)定在50.5 Ω.

(a) 串聯(lián)式MEMS開關(guān)

(a) 插入損耗

(a) 插入損耗

(a) 插入損耗及隔離度

(a) 結(jié)構(gòu)標(biāo)注

對可調(diào)MEMS SOLT 校準(zhǔn)件仿真結(jié)果進(jìn)行整理，表2 給出了校準(zhǔn)件工作在10 GHz、20 GHz、30 GHz、40 GHz頻段范圍下的性能.由表中數(shù)據(jù)可知，在L～Ka波段范圍內(nèi)，校準(zhǔn)件在4種校準(zhǔn)模式下性能優(yōu)良.因此，該結(jié)構(gòu)的校準(zhǔn)件可以適用于L～Ka波段范圍內(nèi)的測試設(shè)備校準(zhǔn).

表2 可調(diào)MEMS SOLT 校準(zhǔn)件仿真結(jié)果Tab.2 Simulation results of tunable MEMS SOLT calibrator

4 工藝流程設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)可調(diào)MEMS SOLT校準(zhǔn)件的工藝加工，采用BF33玻璃作為襯底，以聚酰亞胺作為犧牲層材料，TaN作為電阻材料，對該結(jié)構(gòu)的器件進(jìn)行工藝流程設(shè)計(jì)，如圖10 所示.

圖10 可調(diào)MEMS SOLT 校準(zhǔn)件工藝流程Fig.10 Process flow of adjustable MEMS SOLT calibration part

詳細(xì)步驟為：(a)準(zhǔn)備BF33晶圓，并進(jìn)行清洗；(b)利用PECVD制備500 nm SiNx，并圖形化形成觸點(diǎn)；(c)磁控濺射形成500 nm Al，利用剝離工藝形成驅(qū)動(dòng)電極；(d)利用PECVD形成500 nm SiNx絕緣層；(e)利用剝離工藝形成TaN電阻；(f)利用電鍍工藝形成2 μm CPW結(jié)構(gòu)；(g) 刻蝕驅(qū)動(dòng)電極Pad表面SiNx，漏出Pad；(h)旋涂PI并固化，形成7 μm犧牲層；(i)刻蝕PI，漏出錨點(diǎn)；(j)利用電鍍工藝形成錨點(diǎn)及以上電極結(jié)構(gòu)；(k)釋放PI犧牲層，形成懸臂梁結(jié)構(gòu).

5 結(jié) 論

本文對MEMS開關(guān)的工作原理進(jìn)行了介紹，將SOLT校準(zhǔn)原理與MEMS串聯(lián)式開關(guān)、并聯(lián)式開關(guān)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一款尺寸小、操作簡單、損耗低、容易制備的校準(zhǔn)件，可以適用于L～Ka波段范圍內(nèi)的測試系統(tǒng)校準(zhǔn).仿真結(jié)果表明，在L～Ka波段范圍內(nèi)，直通、開路及短路狀態(tài)下插損及回波損耗分別優(yōu)于1.89 dB，1.8 dB，0.33 dB，阻抗穩(wěn)定在50.5 Ω.