CN101572334A - 基于mam电容的分布式mems移相器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于MAM电容的分布式MEMS移相器，该MEMS移相器包括有基底、中心导体、氮化硅膜层、MEMS金属桥、A金属片、B金属片、A接地板和B接地板。A金属片与B金属片的结构相同。A接地板与B接地板的结构相同。本发明利用等效电路模式构形得到机械结构，该机械结构是在基底上采用敷铜工艺制作出一定长度、宽度、厚度为1μm～3μm的结构体，本发明的MEMS移相器对MEMS金属桥下拉高度的调节精度要求不高，仅通过对金属片的结构优化即得到一种相移精度容易控制，且机械性能稳定的移相器。

Description

基于MAM电容的分布式MEMS移相器

技术领域

本发明涉及一种移相器，更特别地说，是指一种适用于毫米波段相控阵天线的基于MAM电容的分布式MEMS移相器。

背景技术

自从上世纪90年代以来，MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)技术被广泛的应用于制作各种低插入损耗和宽工作频带的射频器件，展示了在射频领域无可替代的优越性。移相器的主要功能是实现输入信号的相位控制或变换。

在传统的移相器电路中常常采用二极管或铁氧体器件作为移相器电路的主体元器件，但是这在毫米波段的相控阵馈电网络中是行不通的，因为传统移相器体积大、插入损耗高、不易集成，毫米波段的相控阵的阵元间距在毫米数量级，甚至以小于元器件的物理尺寸。而且在毫米波相控阵中往往需要数量更多的阵元和移相器，采用传统微带电路所形成的阵元间的散热以及互耦问题等都制约该技术的发展。所以需要寻找新的移相器电路、材料和结构来达到更高的指标和更低廉的成本。

发明内容

为了解决激励电压对MEMS金属桥下拉高度难以精确控制，导致移相器输出的相移误差较大，本发明提供一种基于MAM电容的分布式MEMS移相器。该移相器通过在中心导体的两侧设置结构相同的金属片，该两个金属片分别与MEMS金属桥形成等效电路中的两个并联可调MAM电容。本发明的MEMS移相器对MEMS金属桥下拉高度的调节精度要求不高，仅通过对金属片的结构优化即得到一种相移精度容易控制，且机械性能稳定的移相器。

本发明的一种基于MAM电容的分布式MEMS移相器，该MEMS移相器包括有基底(1)、中心导体(2)、氮化硅膜层(3)、MEMS金属桥(4)、A金属片(5)、B金属片(6)、A接地板(7)和B接地板(8)；A金属片(5)与B金属片(6)的结构相同；A接地板(7)与B接地板(8)的结构相同；A金属片(5)、B金属片(6)、A接地板(7)和B接地板(8)是以中心导体(2)为对称设置的；

中心导体(2)、A金属片(5)、B金属片(6)、A接地板(7)和B接地板(8)采用敷铜工艺制作在基底(1)的上面板(15)上；

基底(1)的上面板(15)的中心设有中心导体(2)；

基底(1)的上面板(15)的两侧设有A接地板(7)、B接地板(8)；A接地板(7)与B接地板(8)之间设置有MEMS金属桥(4)；

中心导体(2)与A接地板(7)之间设置有A金属片(5)；

中心导体(2)与B接地板(8)之间设置有B金属片(6)；

A金属片(5)的一侧与A接地板(7)之间有一A槽道(11)；

A金属片(5)的另一侧与中心导体(2)的一侧之间有一B槽道(12)；

B金属片(6)的一侧与B接地板(8)之间有一D槽道(14)；

B金属片(6)的另一侧与中心导体(2)的另一侧之间有一C槽道(13)；

氮化硅膜层(3)喷涂在中心导体(2)的上方，且喷涂宽度与MEMS金属桥(4)的宽度相同。

本发明的基于MAM电容的分布式MEMS移相器，其移相器结构设计依据相移-阻抗关系获得，该相移-阻抗关系为 $\mathrm{\Δ\φ}=\frac{G_2\mathrm{\ω}{Z}_0\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{r,\mathrm{eff}}}}{c}(\frac{1}{Z_u}-\frac{1}{Z_d}),$ 其中， $Z_0=\frac{{\mathrm{\η}}_{0}K\left(k^{\′}\right)}{4\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{r,\mathrm{eff}}}K\left(k\right)},$ $Z_u=\sqrt{\frac{G_{2}L}{G_{2}C+C_3}}\sqrt{1-\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{4}{G}_{2}L(G_{2}C+C_3)},$ $Z_d=\sqrt{\frac{G_{2}L}{G_{2}C+C_1//C_2}}\sqrt{1-\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{4}{G}_{2}L(G_{2}C+C_1//C_2)}.$

本发明基于MAM电容的分布式MEMS移相器的优点：

(1)采用第一可调电容C1与第二可调电容C2并联后与第三可调电容C3串联，形成相移控制电路，该相移控制电路的等效机械结构实现简单、机械性能稳定，即一个中心导体、MEMS金属桥和两个金属片。

(2)传输电路采用共面波导模式，即基底与两个接地板和中心导体构形，机械结构简单成熟，易于与其他器件集成。

(3)采用尺寸较小的两个金属片设置在中心导体的两侧，当加载激励电压时MEMS金属桥下拉高度在中心导体处大于在两金属片处，使得金属片产生的电容值小于中心导体所产生的电容值，整个相移控制电路的容值由金属片尺寸决定，而与金属桥下拉的高度无关。

(4)基底的上面板上设有的多个槽道有利于移相器阻抗的调节，实现与相控阵天线间的合理匹配。

附图说明

图1是本发明基于MAM电容的分布式MEMS移相器的构形图。

图1A是本发明基于MAM电容的分布式MEMS移相器的另一视角构形图。

图1B是本发明未装配MEMS金属桥的分布式MEMS移相器的构形图。

图1C是本发明基于MAM电容的分布式MEMS移相器的主视图。

图2是本发明基于MAM电容的分布式MEMS移相器的等效电路图。

图中：1.基底        11.A通道        12.B通道        13.C通道14.D通道  15.上面板     2.中心导体      3.氮化硅膜层    4.MEMS金属桥5.A金属片 6.B金属片     7.A接地板       8.B接地板

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

在设计适用于毫米波段的MEMS移相器上，大都依据等效电路来进行具体结构的设计。MEMS移相器是一个微波器件，其等效电路为一个微波双端口网络。在本发明中，请参见图2所示，根据微波传输线理论，共面波导可以等效成由电感L、电容C和电阻R(基底、A接地板、B接地板和中心导体形成)组成的传输电路。MEMS金属桥与中心导体形成一个并联可调电容C3，而MEMS移相器输出的相移大小是由可调电容C3的容值决定的，当采用这种模式的移相器其可调电容C3的容值又由MEMS金属桥高度(该高度即D₄)决定，为了改善MEMS金属桥与中心导体之间高度难以得到精确控制的这一问题，本发明人在可调电容C3的两侧连接两个并联布局的可调电容，该可调电容记为第一可调电容C1、第二可调电容C2，可调电容C3记为第三可调电容C3；这三个可调电容的串并结构组成了相移控制电路。在相移控制电路中第一可调电容C1、第二可调电容C2的容值小于第三可调电容C3的容值，从而使整个相移控制电路产生的相移大小取决于第一可调电容C1与第二可调电容C2并联的电容值，且第一可调电容C1与第二可调电容C2的电容值相等。

在如图2所示的等效电路中，其中电感L、电容C、电阻R分别是未加载MEMS金属桥的传输线的单位长度上的等效电感、等效电容和等效电阻。第一可调电容C1和第二可调电容C2是由MAM电容引入的等效可变电容，它们之间为并联结构，第三可调电容C3是由MIM电容引入的等效可变电容，第一可调电容C1、第二可调电容C2、第三可调电容C3随MEMS金属桥受到偏置电压激励和未激励时的高度而变化。当加载偏置电压激励时，该偏置电压激励经过电感L、电阻R和电容C，相当于在共面波导均匀传输线中传播，流经第一可调电容C1、第二可调电容C2和第三可调电容C3，相当于MEMS金属桥存在非均匀性加载，则MEMS金属桥高度的改变导致了可变电容容值的改变，从而引起输出端信号的相位延迟。

根据图2所示的等效电路，本发明人采用软件Ansoft HFSS 10.0版本进行本发明基于MAM电容的分布式MEMS移相器的结构建模仿真的优化设计，从而得到如图1、图1A、图1B、图1C所示的结构。该结构是在一基底1上采用敷铜工艺制作出一定长度、宽度、厚度(1μm～3μm)的结构体，该结构体是指两个金属片、一个中心导体、一个MEMS金属桥和两个接地板。

所述的敷铜工艺为微带天线加工过程中的一个必要过程，已非常的成熟了，是指在一硅基板上敷上一层铜材料，利用敷上的铜构形(如长方体、正方形、圆形等，根据使用要求进行敷铜)来实现导电、信号连通等。敷铜的意义在于减小地线阻抗，提高抗干扰能力，降低压降，提高电源效率，与地线相连，还可以减小环路面积。在本发明中，由于移相器的整体尺寸(尺寸单位μm)较小，无法展现构形出的结构显现，故对尺寸进行了部分放大。

参见图1、图1A、图1B所示，本发明的一种基于MAM电容的分布式MEMS移相器，该MEMS移相器包括有基底1、中心导体2、氮化硅膜层3、MEMS金属桥4、A金属片5、B金属片6、A接地板7和B接地板8；A金属片5与B金属片6的结构相同；A接地板7与B接地板8的结构相同；A金属片5、B金属片6、A接地板7和B接地板8是以中心导体2为对称设置的。

中心导体2、A金属片5、B金属片6、A接地板7和B接地板8采用敷铜工艺制作在基底1的上面板15上。该基底1选取高阻硅材料，或者是制作电路板用的硅基板。该基底1所选取的材料的介电常数记为ε_r。

基底1的上面板15的中心设有中心导体2，该中心导体2采用敷铜工艺制作出1μm～3μm的厚度B₃，该中心导体2的长记为B₁、宽记为B₂和厚记为B₃，且B₂＝G₂。中心导体2的宽度、A接地板7的宽度与基底1的宽度保持相同。

基底1的上面板15的两侧设有A接地板7、B接地板8，该A接地板7和B接地板8采用敷铜工艺制作出1μm～3μm的厚度，该A接地板7的宽记为G₂，且B₂＝G₂。

A接地板7与B接地板8之间设置有MEMS金属桥4；该MEMS金属桥4采用敷铜工艺制作出1μm～3μm的厚度D₃，该MEMS金属桥4的长记为D₁、宽记为D₂、厚记为D₃和桥高记为D₄，且D₁＝2(a₁+E₁+a₂)+B₁。该MEMS金属桥4的上面板与基底1的上面板15之间的距离等于MEMS金属桥4的桥高D₄加上A接地板7的厚度。

中心导体2与A接地板7之间设置有A金属片5；该A金属片5采用敷铜工艺在基底1的上面板15上制作出1μm～3μm的厚度，A金属片5的长记为E₁、宽记为E₂，且E₂＝D₂。

中心导体2与B接地板8之间设置有B金属片6；该B金属片6采用敷铜工艺在基底1的上面板15上制作出1μm～3μm的厚度。

中心导体2的上方设置有氮化硅膜层3；该氮化硅膜层3是采用喷涂工艺将氮化硅材料附着在中心导体2上，其附着厚度为0.2μm～0.5μm。氮化硅膜层3选取的材料的介电常数记为ε_d。氮化硅膜层3的宽度与MEMS金属桥4的宽度D₂相等。

A金属片5的一侧与A接地板7之间有一A槽道11；该A槽道11的宽度记为a₁。

A金属片5的另一侧与中心导体2的一侧之间有一B槽道12；该B槽道12的宽度记为a₂。

B金属片6的一侧与B接地板8之间有一D槽道14；该D槽道14的宽度与A槽道11的宽度相等。

B金属片6的另一侧与中心导体2的另一侧之间有一C槽道13；该C槽道13的宽度与B槽道12的宽度相等。

在本发明中，中心导体2、MEMS金属桥4、A金属片5、B金属片6、A接地板7和B接地板8均为敷铜工艺制作出的单质铜材料，且厚度为1μm～3μm。

本发明在根据如图2所示的等效电路进行结构优化设计时，采用了AnsoftHFSS 10.0版本进行建模仿真，因此本发明的基于MAM电容的分布式MEMS移相器的结构设计依据相移-阻抗关系获得。

该相移-阻抗关系为 $\mathrm{\Δ\φ}=\frac{G_2\mathrm{\ω}{Z}_0\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{r,\mathrm{eff}}}}{c}(\frac{1}{Z_u}-\frac{1}{Z_d}),$ 其中： $Z_0=\frac{{\mathrm{\η}}_{0}K\left(k^{\′}\right)}{4\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{r,\mathrm{eff}}}K\left(k\right)},$ $Z_u=\sqrt{\frac{G_{2}L}{G_{2}C+C_3}}\sqrt{1-\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{4}{G}_{2}L(G_{2}C+C_3)},$ $Z_d=\sqrt{\frac{G_{2}L}{G_{2}C+C_1//C_2}}\sqrt{1-\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{4}{G}_{2}L(G_{2}C+C_1//C_2)},$ 式中各个字母的物理意义为：

Δφ表示本发明基于MAM电容的分布式MEMS移相器的输出相移值。

G₂表示A接地板的宽度。

ω表示本发明基于MAM电容的分布式MEMS移相器的工作角频率。

c表示光速。

ε_r，eff表示共面波导的等效介电常数，该共面波导是指基底与中心导体和两个接地板构成的传输线，在等效电路为电感L、电阻R和电容C形成的传输电路，ε_r表示基底材料的介电常数。

Z₀表示未加载MEMS金属桥时的共面波导特性阻抗。

Z_u表示开态时本发明基于MAM电容的分布式MEMS移相器的阻抗。

Z_d表示下拉态时本发明基于MAM电容的分布式MEMS移相器的阻抗。

η₀表示空气的电导率。

K(k)表示第一类椭圆积分，k为被积分的参数，且 $k=\frac{B_1}{D_1}=\frac{B_1}{B_1+2(a_1+E_1+a_2)},$ D₁表示MEMS金属桥4的长度，B₁表示中心导体的长度，a₁表示第一槽道的宽度，a₂表示第二槽道的宽度，E₁表示A金属片5的长度。

K(k′)表示第一类椭圆积分，k′为被积分的参数，且 $k^{\′}=\sqrt{1-k^2}.$

L表示基底、A接地板、B接地板和中心导体形成的等效电路中的电感L的电感值。

C表示基底、A接地板、B接地板和中心导体形成的等效电路中的电容C的电容值。

C₁表示MEMS金属桥与A金属片形成的等效电路中第一可调电容C1的电容值，且第一可调电容C1的电容值 $C_1=\frac{(D_2\×E_1){\mathrm{\ϵ}}_0}{D_4+E_3},$ ε₀为空气的介电常数，D₂为中心导体2的宽度。

C₂表示MEMS金属桥与B金属片形成的等效电路中第二可调电容C2的电容值，且第一可调电容C1与第二可调电容C2的电容值相等，即C₂＝C₁。

C₃表示MEMS金属桥与中心导体形成的等效电路中第三可调电容C3的电容值，且第三可调电容C3的电容值 $C_3=\frac{\left(D_2{\×B}_1\right){\mathrm{\ϵ}}_0}{D_4+B_3/{\mathrm{\ϵ}}_d},$ ε_d为氮化硅膜层3选取的材料的介电常数。

本发明的基于MAM电容的分布式MEMS移相器与传统移相器相比，可大大减小体积和重量，其隔离度好、插入损耗低、控制电路耗能低、工作频带宽、功率容量大、加工成本低，易于与IC、MMIC电路集成，对现代雷达和通信系统的发展具有重要的意义。

传统MEMS移相器是通过加载MEMS金属桥，与中心导体形成一个并联的可变电容MIM(Metal-Insulator，即金属-绝缘体-金属)电容，通过施加偏置电压激励金属桥改变其高度来调节开态(未激励)和下拉态(激励)的加载电容值，从而改变波导的传播常数，达到实现相移的目的。本发明在传统MEMS移相器的基础上，在共面波导的中心导体2与接地板(A接地板7、B接地板8)间带隙部分增加了两片金属片(A金属片5、B金属片6)形成MAM(Metal-Air-Metal，即金属-空气-金属)电容，这一电容的引入，改变了以往MEMS移相器的设计方法。当MEMS金属桥4处于开态时，由金属桥4与中心导体2距离较大，产生的MIM电容值小于MAM电容，等效电路的总电容由MIM电容决定；当金属桥4受到激励下拉时，MIM电容值变大，而由于增加的两金属片(A金属片5、B金属片6)位于金属桥4靠两侧的位置，金属桥4的下拉距离远小于中心导体2处的下拉距离，所以MAM电容的增大不明显，此时MIM电容值大于MAM电容值，等效电路的总电容由MAM电容决定。这样，在基于MAM电容的MEMS移相器中，可以降低对于激励电压和金属桥高度的精确度的要求，而通过设计MAM电容的大小即可调节整个器件的阻抗、相位变化等。金属片(A金属片5、B金属片6)的表面积(E₁×E₂)在加工过程中是比较容易控制的，使得移相器的性能精度等得到保证。

Claims (3)

1、一种基于MAM电容的分布式MEMS移相器，其特征在于：该MEMS移相器包括有基底(1)、中心导体(2)、氮化硅膜层(3)、MEMS金属桥(4)、A金属片(5)、B金属片(6)、A接地板(7)和B接地板(8)；A金属片(5)与B金属片(6)的结构相同；A接地板(7)与B接地板(8)的结构相同；A金属片(5)、B金属片(6)、A接地板(7)和B接地板(8)是以中心导体(2)为对称设置的；

中心导体(2)、A金属片(5)、B金属片(6)、A接地板(7)和B接地板(8)采用敷铜工艺制作在基底(1)的上面板(15)上；

基底(1)的上面板(15)的中心设有中心导体(2)；

基底(1)的上面板(15)的两侧设有A接地板(7)、B接地板(8)；A接地板(7)与B接地板(8)之间设置有MEMS金属桥(4)；

中心导体(2)与A接地板(7)之间设置有A金属片(5)；

中心导体(2)与B接地板(8)之间设置有B金属片(6)；

A金属片(5)的一侧与A接地板(7)之间有一A槽道(11)；

A金属片(5)的另一侧与中心导体(2)的一侧之间有一B槽道(12)；

B金属片(6)的一侧与B接地板(8)之间有一D槽道(14)；

B金属片(6)的另一侧与中心导体(2)的另一侧之间有一C槽道(13)；

氮化硅膜层(3)喷涂在中心导体(2)的上方，且喷涂宽度与MEMS金属桥(4)的宽度相同。

2、根据权利要求1所述的基于MAM电容的分布式MEMS移相器，其特征在于：移相器结构设计依据相移-阻抗关系获得，该相移-阻抗关系为 $\mathrm{\Δ\φ}=\frac{G_2\mathrm{\ω}{Z}_0\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{r,\mathrm{eff}}}}{c}(\frac{1}{Z_u}-\frac{1}{Z_d}),$ 其中， $Z_0=\frac{{\mathrm{\η}}_{0}K\left(k^{\′}\right)}{4\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{r,\mathrm{eff}}}K\left(k\right)},$ $Z_u=\sqrt{\frac{G_{2}L}{G_{2}C+C_3}}\sqrt{1-\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{4}{G}_{2}L(G_{2}C+C_3)},$ $Z_d=\sqrt{\frac{G_{2}L}{G_{2}C+C_1//C_2}}\sqrt{1-\frac{{\mathrm{\ω}}^2}{4}{G}_{2}L(G_{2}C+C_1//C_2)};$ 式中各个字母的物理意义为：

Δφ表示基于MAM电容的分布式MEMS移相器的输出相移值；

ω表示基于MAM电容的分布式MEMS移相器的工作角频率；

G₂表示A接地板的宽度；

c表示光速；

ε_r表示基底材料的介电常数；

ε_r，eff表示共面波导的等效介电常数，该共面波导是指基底与中心导体和两个接地板构成的传输线，在等效电路为电感L、电阻R和电容C形成的传输电路；

Z₀表示未加载MEMS金属桥时的共面波导特性阻抗；

Z_u表示开态时基于MAM电容的分布式MEMS移相器的阻抗；

Z_d表示下拉态时基于MAM电容的分布式MEMS移相器的阻抗；

η₀表示空气的电导率；

K(k)表示第一类椭圆积分，k为被积分的参数，且 $k=\frac{B_1}{B_1+2(a_1+E_1+a_2)},$ B₁表示中心导体的长度，a₁表示第一槽道的宽度，a₂表示第二槽道的宽度，E₁表示A金属片的长度；

K(k′)表示第一类椭圆积分，k′为被积分的参数，且 $k^{\′}=\sqrt{1-k^2};$

L表示基底、A接地板、B接地板和中心导体形成的等效电路中的电感L的电感值；

C表示基底、A接地板、B接地板和中心导体形成的等效电路中的电容C的电容值；

C₁表示MEMS金属桥与A金属片形成的等效电路中第一可调电容C1的电容值，且第一可调电容C1的电容值 $C_1=\frac{(C_2\×E_1){\mathrm{\ϵ}}_0}{D_4+E_3},$ ε₀为空气的介电常数，D₂为中心导体的宽度；

C₂表示MEMS金属桥与B金属片形成的等效电路中第二可调电容C2的电容值，且第一可调电容C1与第二可调电容C2的电容值相等，即C₂＝C₁；

C₃表示MEMS金属桥与中心导体形成的等效电路中第三可调电容C3的电容值，且第三可调电容C3的电容值 $C_3=\frac{(D_2\×B_1){\mathrm{\ϵ}}_0}{D_4+B_3/{\mathrm{\ϵ}}_d},$ ε_d为氮化硅膜层选取的材料的介电常数。

3、根据权利要求1所述的基于MAM电容的分布式MEMS移相器，其特征在于：中心导体(2)、A金属片(5)和B金属片(6)在等效电路中为串并电容模式。

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