RFMEMS開關(guān)的性能研究.pdf

1、在射頻通信系統(tǒng)中，大量的開關(guān)用于信號(hào)的控制。RF MEMS開關(guān)相較于傳統(tǒng)的半導(dǎo)體開關(guān)具有低功耗、低插損、高隔離度、體積小等諸多優(yōu)異的特性，在多個(gè)領(lǐng)域具有代替PIN二極管和GaAs場效應(yīng)管的潛力。雖然RF MEMS開關(guān)結(jié)構(gòu)簡單、易于理解，但要達(dá)到高可靠性，實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的性能并不容易，開關(guān)的材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制作工藝等方面都需要進(jìn)行綜合考慮。
　　本論文總結(jié)分析了歐姆接觸式RF MEMS開關(guān)主要存在的可靠性問題，在此基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究了殘

2、余應(yīng)力及應(yīng)力梯度對開關(guān)性能可靠性的影響，并尋求降低殘余應(yīng)力影響的方法。最后基于應(yīng)力梯度補(bǔ)償機(jī)制，設(shè)計(jì)制作了Au-Si3N4-Au的多層梁MEMS開關(guān)。本論文的主要內(nèi)容有：
　　1.建立開關(guān)力學(xué)模型，推導(dǎo)分析開關(guān)梁的彈性系數(shù)、吸合電壓和諧振頻率三個(gè)關(guān)鍵性能參數(shù)，建立歐姆接觸式開關(guān)的up態(tài)和down態(tài)的等效電路模型?？偨Y(jié)分析目前歐姆接觸式開關(guān)存在的接觸損傷、粘連和粘附等可靠性問題原因和解決方法。
　　2.分析了懸臂梁的卷曲偏轉(zhuǎn)量

3、與殘余應(yīng)力及應(yīng)力梯度的數(shù)學(xué)關(guān)系；推導(dǎo)了在殘余應(yīng)力作用下的開關(guān)吸合電壓表達(dá)式，并綜合致動(dòng)電極的位置分布，分析了殘余應(yīng)力對吸合電壓的影響程度；研究了殘余應(yīng)力對固支梁諧振頻率的影響；利用Ashby方法，基于硅基底，提出了低殘余應(yīng)力的材料選擇方案；從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上總結(jié)了殘余應(yīng)力的控制方法。
　　3.推導(dǎo)了多層梁應(yīng)力梯度補(bǔ)償?shù)脑?，仿真分析了?yīng)力梯度補(bǔ)償技術(shù)對懸臂梁形態(tài)和諧振頻率偏移的糾正作用；利用應(yīng)力梯度補(bǔ)償技術(shù)，設(shè)計(jì)了Au-Si3N4-Au

4、結(jié)構(gòu)的歐姆接觸式MEMS開關(guān)，當(dāng)開關(guān)間隙為5μm時(shí)，在2~40GHz頻段內(nèi)，仿真的開關(guān)up態(tài)S21大于-0.18dB，S11小于-23dB，開關(guān)down態(tài)的隔離度S21小于-23dB，同時(shí)研究了up態(tài)時(shí)開關(guān)間隙對插入損耗，down態(tài)時(shí)開關(guān)梁感應(yīng)電感和電阻對隔離度的影響；COMSOL仿真的開關(guān)吸合電壓間于103V~104V之間，在具有14μs上升時(shí)間的140V工作電壓下，開關(guān)時(shí)間約為19μs，開關(guān)工作頻率小于37KHz；從開關(guān)結(jié)構(gòu)和熱穩(wěn)定