Enhanced Robustness of a Bridge-Type Rf-Mems Switch for Enabling Applications in 5G and 6G Communications

Abstract

In this paper, new suspended-membrane double-ohmic-contact RF-MEMS switch configurations are proposed. Double-diagonal (DDG) beam suspensions, with either two or three anchoring points, are designed and optimized to minimize membrane deformation due to residual fabrication stresses, thus exhibiting smaller mechanical deformation and a higher stiffness with more release force than previously designed single diagonal beam suspensions. The two-anchor DDGs are designed in two different orientations, in-line and 90°-rotated. The membrane may include a window to minimize the coupling to the lower electrode. The devices are integrated in a coplanar-waveguide transmission structure and fabricated using an eight-mask surface-micro-machining process on high-resistivity silicon, with dielectric-free actuation electrodes, and including glass protective caps. The RF-MEMS switch behavior is assessed from measurements of the device S parameters in ON and OFF states. The fabricated devices feature a measured pull-in voltage of 76.5 V/60 V for the windowed/not-windowed two-anchor DDG membranes, and 54 V/49.5 V for the windowed/not-windowed three-anchor DDG membranes, with a good agreement with mechanical 3D simulations. The measured ON-state insertion loss is better than 0.7 dB/0.8 dB and the isolation in the OFF state is better than 40 dB/31 dB up to 20 GHz for the in-line/90°-rotated devices, also in good agreement with 2.5D electromagnetic simulations.

Equivalent Circuits Application of Pin-Diodes and MEMS-Keys in Electrodynamic Modeling Problems

“…Полученные результаты, а также сравнение с идеализированным случаем приводятся на рисунке 8. Как видно по полученным результатам, использование МЭМС-переключателя [11] позволяет получить S-параметры, очень близкие к идеализированному случаю. Таким образом, рассмотренный МЭМС-переключатель обеспечивает лучшие характеристики работы управляемого метаматериала по сравнению с pin-диодами.…”

“…Как и в предыдущих случаях, представленные SPICE-модели использовались для моделирования метаматериала и получения S-параметров (рисунок 13). Отметим, что из-за усложне-ния эквивалентной схемы большого числа нелинейных элементов, а также с учетом использования 180 переключателей для коммутации всех узлов пластины метаматериала, время моделирования увеличилось в 2,5 раза по сравнению со случаем использования pin-диодов и в 1,5 раза по сравнению с МЭМС-переключателем из [11].…”

“…Полученные результаты показывают, что использование MEMS-переключателей позволяет значительно расширить диапазон рабочих частот по сравнению с pin-диодами. Однако МЭМС-переключатель из [12] значительно уступает конструкции из [11] в реализуемой эффективности работы метаматериала, что особенно заметно в отражательном режиме.…”