In this thesis, a RF MEMS switch for a high isolation and insertion loss having a coplanar waveguide (CPW) signal line and a corrugated membrane are presented using a normal GaAs process. And design optimizations and device fabrications are executed. The device structure of metal-to-metal (resistive) contact and series topology with a fixed-fixed membrane is focused. Mechanical design of RF MEMS switches is to define the spring constant of the membrane. With small deflections, an external force, F (N) is obtained using the deflection Δg(m) and the spring constant, k (N/m). And the spring constant, k is calculated with variations of the electrode area and related parameters, electrostatic force, switching time, up state capacitance, and contact area are calculated.
Also, corrugated membrane is designed and the effects of the up and down capacitances are calculated. A signal transmission Coplanar waveguide (CPW) line as a lower metal electrode plate is designed using 2.5 D electromagnetic simulator (MOMENTUM, Agilent). Finite element analysis using ANSYS is carried out. Material parameters as a membrane plate are considered and various thickness of the gap is simulated and compared with analytically calculated results. Process sequences of the switch are designed and optimized using modular and unit fabrication processes.
As results, proposed a RF MEMS series switch for high isolation and low insertion loss having a CPW signal line and a corrugated membrane is measured. A pull down voltage of about 38 V is measured by using DC parameter analyzer. The isolation and insertion loss of the MEMS switch are -52 dB and -0.2 dB, respectively. Using the simple model parameters, isolation and insertion loss are simulated and compared with the measured data. Also improved CPW configuration and the thickness of the CPW layer are presented. So, the insertion loss can be reduced to -0.05 dB at 5 GHz. The switching time of the switch is measured with optical interferometer. $T_{on}$ is 12 μsec, and $T_{off}$ is 40 μsec.
The SPDT switch with the RF MEMS series switches is presented using 14/20/14㎛ CPW structures, electrode area of 100 μm x 100 μm in each side and a membrane of 0.4 μm $Si_3N_4$ and 0.4 μm Au. When the operating bias of 45 V, 120 ~ 130 % of the pull down voltage, is applied, the isolation loss is measured about -50 dB and the insertion loss is measured -0.3 dB at 5 GHz. Those results show that the RF MEMS series has excellent isolation and insertion loss characteristics and it will be a basic RF MEMS switch technology for communication applications.
현재의 이동통신 시스템은 단일 주파수 대역의 서비스는 물론, 다중 모드 다중 서비스의 개념으로 발전하고 있으며, 이는 ‘세계 언제 어디서나’ 란 로고를 구현하기 위한 그로벌 이동 통신의 목표이기도 하다. 따라서 이를 구현하기 위한 초고주파 부품의 연구 개발 방향은 다중 모드 서비스용 부품으로 시장 요구가 옮겨가고 있다. 특히 이동단말기용으로 사용될 RF MEMS 기술의 응용분야로는 RF MEMS 스위치와 필터 부분이 가장 큰 시장을 형성할 것으로 예측되며 특히 RF MEMS 스위치 시장은 2007년에 6억불 이상의 시장으로 예측된다.
본 논문에서는 이러한 다중 RF 시스템에서 다중 주파수간이 간섭을 최소화하기 위한 고절연성과 저손실 특성의 RF MEMS 스위치를 제안한 것으로 CPW(Coplanar waveguide) 신호선과 경첩형 멤브레인(corrugated membrane)을 갖는 것을 특징으로 한다. 또한 제작 공정을GaAs 표준 공정에 적용하여 양산성이 있으며 신뢰성을 확보하였다. 여러 가지 RF MEMS 스위치 구조에서 이동 통신 주파수에서 신뢰성을 확보하기 위해서는 소자 구조를 저항성 콘택(contact) 구조 및 직렬(series) 구조 스위치를 선택하였고 멤브레인 구조로는 신뢰성 및 재현성이 우수한 양접착식(fixed-to fixed) 구조를 채택하였다. 소자의 기계적인 설계변수로는 멤브레인이 스프링계수, k (N/m), 외력(external force), F (N), 그리고 변위(deflection), Δg(m) 등이 있으며, 이러한 변수들은 여러 가지의 소자 전극 위치, 크기, up상태 정전용량, 콘택 면적 및 이와 관련된 설계 변수의 최적화가 진행되었다.
또한 고주파 신호 전송을 위한 CPW 전송선의 절연성과 손실 특성 최적화를 Agilent 사의 MOMENTUM 해석을 통하여 이루었으며, 이에 따른 기계적인 해석을 유한 요소법을 이용한ANSYS를 사용하여 여러 가지 소자 구조 및 멤브레인 갭(gap)에 따른 시뮬레이션을 수행하였다. 이 계산 결과를 산술적인 계산 결과 및 측정치와 비교하였다. 공정 순서는 단위공정 및 모듈 공정을 기존의 GaAs 파운드리 공정을 이용하여 양산성을 확보하였고 각 공정 변수를 최적화 하였다. 제안된 RF MEMS 스위치를 DC 변수 측정기로 구동 저압(pull down voltage)을 측정한 결과 38 V 정도로 측정되었다. 초고주파 특성은 제작된 소자를 웨이퍼상에서 벡터 네트워크 변수 측정 장비를 사용하여 측정하였다. 절연특성으로 5 GHz의 주파수 대역에서 -52 dB, 손실특성은 -0.2 dB의 측정값을 얻었다.
이러한 소자의 특성을 예측하기 위하여 간략한 RF 소자 모델을 예측하고 그 특성을 조사하였다. 모델 예측 결과와 실험 결과를 비교한 그림에서 매우 잘 실험결과와 일치하는 특성으로 모델 예측이 잘 이루어진 것으로 판명되었다. 손실특성은 -0.2 dB로 개선의 여지가 있었으며, CPW의 형태와 신호 전송선의 두께를 스킨손실 깊이(skin depth) 만큼 높여 주어 손실 값을 -0.05 dB로 크게 개선할 수 있는 결과를 얻었다. 또한 스위치의 동작 속도를 측정한 결과 $T_{on}$ 은 12 μsec, $T_{off}$ 은 40 μsec의 스위칭 시간을 측정할 수 있었으며 힌지 길이가 길수록, 멤브레인의 길이가 길수록 동작 속도가 늦어짐을 알 수 있었다.
제시한 MEMS 스위치 소자를 이용하여 SPDT(single pole double through) 스위치 소자를 제작하여 그 결과를 측정하였다. 사용된 CPW 구조는 14/20/14 μm 이며 전극의 크기는 100×100 μ㎡ 이었다. 멤브레인 구조는 $Si_3N_4$ 와 Au 의 적층 구조를 사용하였으며 그 두께는 각각 0.4 μm 이다. 동작 인가 전압은 구동전압의 120 ~ 130 %인 45 V를 인가하였다. 동작 특성을 측정한 결과로 -50 dB의 절연 특성과 -0.3 dB의 손실 특성이 측정되었다. 이러한 결과로 제안한 RF MEMS 스위치의 동작 특성은 매우 우수한 결과를 나타내며 이는 RF MEMS 스위치 기술에 기초가 될 것으로 확신한다.
