一种L～Ka波段可调MEMS,SOLT校准件的设计

张世义，曹钎龙，吴倩楠，李孟委

(1.中北大学 仪器与电子学院，山西 太原 030051；
2.中北大学 前沿交叉科学研究院，山西 太原 030051；
3.中北大学 微系统集成研究中心，山西 太原 030051；
4.中北大学 理学院，山西 太原 030051)

以微机电系统(MEMS)技术为基础设计制备的器件具有体积小、易集成、功耗低、性能优良的特点，被广泛应用于通信、生物医疗、航空航天等领域[1-3].随着MEMS器件在更高频段的广泛应用，器件设计与测试的一致性被广泛关注，矢量网络分析仪(VNA)及测试连接系统是器件测试过程中的重要组成部分，为了保证测试精度，需对VNA等外接设备进行校准[4].相较于常见的机械校准，基于MEMS开关的校准件具有操作简单、校准精度高、体积小的特点[5].

为了弥补机械校准件的不足，芮金城等设计了一款适用于晶体管的测试校准件[6]，该校准件能够有效测试晶体管的数据，然而，该校准件尺寸较大，工作频带较窄，不适用于宽频测试设备的校准.赖展军等设计了一款应用于0.2 GHz～3 GHz 范围内的电子校准件[7]，降低了校准件的制备成本，促进了校准件的通用化.Danilo V D等设计了一款应用于0.1 GHz～50 GHz的宽频电子校准件[8]，但该结构的校准件在高频下性能较差.王姗姗等基于MEMS开关设计了一款小型校准件[9]，该结构的校准件可以实现测试系统在0.1 GHz～20 GHz频段内的校准功能，操作简单，性能优良，但该器件的工作频段较窄，无法实现高频器件的校准功能.

本文以MEMS开关为基础，结合串联开关、并联开关及负载电阻等关键结构，设计了一款L～Ka波段可调的MEMS SOLT(Short,open,load,thru)校准件，弥补了传统校准件操作复杂、人为误差较大的不足，具有体积小、精度高、易于操作的特点.该结构的电子校准件利用MEMS开关的信号控制功能，实现了在L～Ka波段范围内的测试系统校准.

矢量网络分析仪的校准方式通常包括SOLT校准及TRL校准两种方式[9].SOLT校准通过移动探针，依次对测试设备进行短路(Short)、开路(Open)、负载(Load)和直通(Thru)校准.为了简化设备的校准模式，本文设计了一款基于MEMS开关的两端口校准片，该结构以MEMS开关为基础，结合负载电阻，利用串联式MEMS开关实现测试设备的开路、直通及负载校准，利用并联式MEMS开关结构，实现短路状态的校准，其原理示意图如图1 所示.

图1 可调MEMS SOLT 校准件方案设计Fig.1 Scheme design of tunable MEMS SOLT calibration part

可调MEMS SOLT校准件组成包括3个串联式单刀单掷开关S1、S2、S3，两个并联式MEMS开关S4、S5以及一个TaN薄膜负载电阻.其中，开关S1设置在端口1和端口2的中间，通过控制开关的驱动电压实现校准件的开路及直通校准功能.开关S2、S3设置在负载电阻支路上，通过控制S2、S3开关的通断，可以实现校准件的负载校准功能.为了实现校准件的短路校准，在两端口旁分别设置一个并联式MEMS开关S4、S5，电容式MEMS开关下拉时，开关信号线与地线导通，从而实现校准件的短路校准.

2.1 串并联混合式MEMS开关设计

RF MEMS开关是MEMS技术的典型器件，也是MEMS领域的核心器件之一，它具有隔离度高、插损低、工作频带宽等特点[10-11].串联及并联式MEMS开关是MEMS开关的主要结构[12]，其工作原理如图2 所示.

串联式MEMS开关的悬臂梁一端固定在信号线表面，另一端为悬空结构.悬臂梁的正下方设置着驱动电极，当悬臂梁处于悬空结构时，信号无法通过，当施加一定的驱动电压时，开关的悬臂梁下拉，信号可以通过[13].相较于串联式MEMS开关的工作原理，并联式MEMS开关的悬臂梁横跨信号线表面，在未受到驱动电压驱动时，开关呈闭合状态.当悬臂梁受到驱动电压下拉时，悬臂梁与信号线表面的触点相接触，信号线与地线短接，开关断开.

为了实现L～Ka波段可调MEMS SOLT校准件的设计，本文将串联开关与并联开关相结合，设计出串并联混合式MEMS开关结构，其结构示意图如图3 所示.

图3 串并联混合式MEMS开关结构示意图Fig.3 Schematic diagram of structure of series-parallel hybrid MEMS switch

串并联混合式MEMS开关的结构组成主要包括衬底、CPW、串联式MEMS开关及并联式MEMS开关.牺牲层是实现MEMS开关悬空结构的关键，在MEMS开关悬臂梁表面等间距分布着若干释放孔结构，可有效提高氧等离子体与牺牲层的接触面积，减少牺牲层的释放时间[12].

2.1.1 衬底材料对开关的影响

常见的MEMS衬底包括高阻硅、BF33、蓝宝石等.本文对这3种衬底对MEMS开关的性能影响进行了仿真，结果如图4 所示.从仿真结果可以看出，不同材料的衬底对器件的插损及隔离均有影响[12]，与BF33玻璃片相比，使用蓝宝石及高阻硅片作为衬底时，器件的工作带宽较小，插入损耗较大，隔离度较低.因此，本文选用BF33玻璃片作为器件的衬底.

2.1.2 锚点高度对开关的影响

锚点是实现MEMS开关悬臂梁结构的桥梁，锚点的高度将影响悬臂梁的悬空高度.图5 为锚点高度a对器件插入损耗及隔离度的影响，由仿真结果可以看出，在保证其他变量不变的情况下，设定锚点高度a以0.5 μm为步进，从2 μm步进至10 μm时，开关的插入损耗在逐渐减小，隔离度在逐渐增大，综合考虑MEMS开关牺牲层工艺的易实现性，本文锚点高度选用7 μm.

2.1.3 仿真结果

本文设计的开关结构采用BF33玻璃作为衬底，选用直板结构悬臂梁作为上电极，通过HFSS仿真软件，对器件进行仿真和优化，最终得到可以在0.1 GHz～40 GHz 工作的串并联混合式MEMS开关.由结果可以看出，在0.1 GHz～40 GHz 范围内，当只将串联式MEMS开关下拉时，器件的插入损耗≤1.4 dB，隔离度≥40 dB.当只将并联式MEMS开关闭合时，此时信号短路，器件端口的回波损耗≤0.16 dB.该结构的开关具有良好的性能，在工作频段内，器件的插入损耗、隔离度及回波损耗性能优良，因此，可以作为校准件的开关单元使用.

2.2 负载电阻的设计

为了实现校准件的负载校准功能，本文选用方阻为100 Ω/□ 的TaN作为电阻材料[14-15]，基于式(1)进行计算.

R=R0×L/W，

(1)

式中：L为140 μm；
W为280 μm；
此时电阻值R为50 Ω.HFSS仿真软件的结果如图7 所示，可以看出，在L～Ka波段范围内，电阻的阻值为50 Ω.

图7 负载电阻仿真结果Fig.7 Load resistance simulation results

2.3 可调MEMS SOLT 校准件结构设计

通过对校准件结构的设计及优化，利用串并联MEMS开关的工作原理与TaN电阻相结合，设计出可调MEMS SOLT校准件，其结构示意图如图8 所示.

在校准件的表面分布着3个串联式MEMS开关与2个并联式MEMS开关.表1 给出了基于MEMS开关校准件的结构参数.当S1至S5的所有开关悬臂梁均处于悬空状态时，扎在两侧端口的探针无法直接相连，校准件执行开路校准的功能；
当只将开关S1闭合时，扎在两侧端口的探针相连，此时校准件执行直通校准；
当开关S2与S3断开时，信号无法与电阻导通；
当只将开关S2、S3闭合，此时探针可以直接与负载电阻相连，校准件执行负载校准功能；
当将开关S4与S5闭合，扎在两侧端口的探针被短接，校准件执行短路校准.

表1 基于MEMS开关校准件的结构参数Tab.1 Structural parameters of MEMS-based switch calibration parts

利用HFSS软件对可调MEMS SOLT校准件结构进行建模并仿真，其仿真结果如图9 所示.

图9 仿真结果Fig.9 Simulation results

图9(a)、(b)、(c)、(d)分别给出了器件的短路、开路、负载和直通状态的仿真结果.可知，在L～Ka波段范围内，校准件直通、开路及短路状态下插损及回波损耗分别优于 1.89 dB，1.8 dB，0.33 dB，负载状态下器件的负载稳定在50.5 Ω.

(a) 串联式MEMS开关

(a) 插入损耗

(a) 插入损耗

(a) 插入损耗及隔离度

(a) 结构标注

对可调MEMS SOLT 校准件仿真结果进行整理，表2 给出了校准件工作在10 GHz、20 GHz、30 GHz、40 GHz频段范围下的性能.由表中数据可知，在L～Ka波段范围内，校准件在4种校准模式下性能优良.因此，该结构的校准件可以适用于L～Ka波段范围内的测试设备校准.

表2 可调MEMS SOLT 校准件仿真结果Tab.2 Simulation results of tunable MEMS SOLT calibrator

为了实现可调MEMS SOLT校准件的工艺加工，采用BF33玻璃作为衬底，以聚酰亚胺作为牺牲层材料，TaN作为电阻材料，对该结构的器件进行工艺流程设计，如图10 所示.

图10 可调MEMS SOLT 校准件工艺流程Fig.10 Process flow of adjustable MEMS SOLT calibration part

详细步骤为：(a)准备BF33晶圆，并进行清洗；
(b)利用PECVD制备500 nm SiNx，并图形化形成触点；
(c)磁控溅射形成500 nm Al，利用剥离工艺形成驱动电极；
(d)利用PECVD形成500 nm SiNx绝缘层；
(e)利用剥离工艺形成TaN电阻；
(f)利用电镀工艺形成2 μm CPW结构；
(g) 刻蚀驱动电极Pad表面SiNx，漏出Pad；
(h)旋涂PI并固化，形成7 μm牺牲层；
(i)刻蚀PI，漏出锚点；
(j)利用电镀工艺形成锚点及以上电极结构；
(k)释放PI牺牲层，形成悬臂梁结构.

本文对MEMS开关的工作原理进行了介绍，将SOLT校准原理与MEMS串联式开关、并联式开关相结合，设计了一款尺寸小、操作简单、损耗低、容易制备的校准件，可以适用于L～Ka波段范围内的测试系统校准.仿真结果表明，在L～Ka波段范围内，直通、开路及短路状态下插损及回波损耗分别优于1.89 dB，1.8 dB，0.33 dB，阻抗稳定在50.5 Ω.