RF MEMS开关的性能研究

发布时间：2017-06-26 10:11

  本文关键词：RF MEMS开关的性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：在射频通信系统中,大量的开关用于信号的控制。RF MEMS开关相较于传统的半导体开关具有低功耗、低插损、高隔离度、体积小等诸多优异的特性,在多个领域具有代替PIN二极管和GaAs场效应管的潜力。虽然RF MEMS开关结构简单、易于理解,但要达到高可靠性,实现优异的性能并不容易,开关的材料选择、结构设计和制作工艺等方面都需要进行综合考虑。本论文总结分析了欧姆接触式RF MEMS开关主要存在的可靠性问题,在此基础上,重点研究了残余应力及应力梯度对开关性能可靠性的影响,并寻求降低残余应力影响的方法。最后基于应力梯度补偿机制,设计制作了Au-Si3N4-Au的多层梁MEMS开关。本论文的主要内容有:1.建立开关力学模型,推导分析开关梁的弹性系数、吸合电压和谐振频率三个关键性能参数,建立欧姆接触式开关的up态和down态的等效电路模型。总结分析目前欧姆接触式开关存在的接触损伤、粘连和粘附等可靠性问题原因和解决方法。2.分析了悬臂梁的卷曲偏转量与残余应力及应力梯度的数学关系;推导了在残余应力作用下的开关吸合电压表达式,并综合致动电极的位置分布,分析了残余应力对吸合电压的影响程度;研究了残余应力对固支梁谐振频率的影响;利用Ashby方法,基于硅基底,提出了低残余应力的材料选择方案;从结构设计上总结了残余应力的控制方法。3.推导了多层梁应力梯度补偿的原理,仿真分析了应力梯度补偿技术对悬臂梁形态和谐振频率偏移的纠正作用;利用应力梯度补偿技术,设计了Au-Si3N4-Au结构的欧姆接触式MEMS开关,当开关间隙为5μm时,在2~40GHz频段内,仿真的开关up态S21大于-0.18dB,S11小于-23dB,开关down态的隔离度S21小于-23dB,同时研究了up态时开关间隙对插入损耗,down态时开关梁感应电感和电阻对隔离度的影响;COMSOL仿真的开关吸合电压间于103V~104V之间,在具有14μs上升时间的140V工作电压下,开关时间约为19μs,开关工作频率小于37KHz;从开关结构和热稳定性两方面进行了可靠性分析。设计了开关的制作流程,并进行了流片制作。
【关键词】：射频微机电开关 可靠性 残余应力 应力梯度补偿
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN914
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 绪论10-17
• 1.1 研究背景及意义10-14
• 1.1.1 MEMS及RF MEMS技术10-11
• 1.1.2 RF MEMS开关及其可靠性11-12
• 1.1.3 残余应力问题12-14
• 1.2 研究现状14-16
• 1.2.1 失效机理研究14-15
• 1.2.2 残余应力控制技术研究15-16
• 1.3 研究内容16-17
• 第二章 RF MEMS开关理论及可靠性问题研究17-26
• 2.1 RF MEMS开关力学模型17-20
• 2.1.1 弹性系数17-18
• 2.1.2 吸合电压18-19
• 2.1.3 固有频率和模态函数19-20
• 2.2 电磁模型20-23
• 2.2.1 等效电路模型20-22
• 2.2.2 CLR参数的提取22-23
• 2.3 开关的可靠性问题23-25
• 2.3.1 接触损伤23
• 2.3.2 粘连及粘附23-24
• 2.3.3 温度的影响24-25
• 2.4 小结25-26
• 第三章 RF MEMS开关的残余应力控制26-43
• 3.1 残余应力对RF MEMS开关的影响26-34
• 3.1.1 对开关形态的影响26-29
• 3.1.2 对吸合电压的影响29-31
• 3.1.3 对谐振频率的影响31-34
• 3.2 残余应力的控制34-38
• 3.2.1 材料选择34-36
• 3.2.2 开关结构优化设计36-38
• 3.3 应力梯度补偿38-41
• 3.3.1 应力梯度补偿的原理38-41
• 3.3.2 应力梯度补偿对开关性能的影响41
• 3.4 小结41-43
• 第四章 RF MEMS开关的设计、研究与制作43-65
• 4.1 开关的结构设计与仿真43-46
• 4.1.1 开关结构参数43-44
• 4.1.2 应力梯度补偿结构仿真44-46
• 4.2 开关的射频模型和仿真46-52
• 4.2.1 CPW的设计和仿真46-48
• 4.2.2 等效电路模型的建立48-51
• 4.2.3 开关间隙对插入损耗的影响51
• 4.2.4 感应电感、电阻对隔离度的影响51-52
• 4.3 开关的机电仿真52-56
• 4.3.1 吸合电压52-54
• 4.3.2 开关时间54-55
• 4.3.3 工作频率55-56
• 4.4 开关可靠性分析56-59
• 4.4.1 接触过程应力分析56-58
• 4.4.2 过渡带应力分析58-59
• 4.4.3 热稳定性分析59
• 4.5 开关的制作59-63
• 4.5.1 开关制作工艺流程设计59-62
• 4.5.2 开关流片结果62-63
• 4.6 小结63-65
• 第五章 总结与展望65-67
• 致谢67-68
• 参考文献68-71
• 攻硕期间的研究成果71-72

【共引文献】

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1 刘婷婷;高杨;李磊民;杨涛;;电渗驱动微泵设计初探[J];传感技术学报;2008年02期

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3 姚科明;刘晓明;朱钟淦;赵明锐;曹始建;;硅基微带天线损耗机理分析[J];传感技术学报;2010年05期

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5 夏斌;杨军;胡宁;阴正勤;徐海伟;郑小林;;基于MEMS细胞电融合芯片的设计与实验研究[J];传感器与微系统;2009年02期

6 吕良;邓中亮;刘玉德;辛洪兵;;基于MEMS技术的汽车传感器研究进展[J];电工技术学报;2007年04期

7 刘晓明;汪洋;王殿银;朱钟淦;;MEMS中的高热密度的散热设计[J];电子机械工程;2008年02期

8 刘同冈;郭岩;邹学壮;吴健;;磁性液体薄膜微形变的磁控研究[J];微纳电子技术;2014年04期

9 霍笋;何广平;;基于DSP的仿蚯蚓移动机器人控制系统硬件设计[J];机械设计与制造;2009年06期

10 乔绪维;辛洪兵;;微机械传动技术概述[J];机械传动;2010年11期

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1 王延庆;钢表面凹坑纹理的制备及摩擦学性能研究[D];中国矿业大学;2010年

2 胡宁;高通量细胞电融合芯片及实验研究[D];重庆大学;2010年

3 孙丽波;微板多物理场耦合非线性动力学研究[D];燕山大学;2011年

4 杨杰伟;基于MEMS工艺的轴向磁化永磁微电机结构优化及性能分析[D];中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）;2006年

5 张洁;面向显示基于MEMS光栅光调制器光学分析和实验[D];重庆大学;2006年

6 吴丽萍;扁锥腔无阀压电泵理论与实验研究[D];吉林大学;2008年

7 孙吉勇;MEMS光栅光调制器阵列及投影显示系统的光学分析和实验[D];重庆大学;2008年

8 蒋丹;存在气泡和气穴时无阀微泵动态特性研究[D];哈尔滨工业大学;2009年

9 史玲娜;基于LED照明的MEMS光栅光调制器的光学投影系统分析与设计[D];重庆大学;2009年

10 张巍;基于激光扫描系统的光栅光阀研究[D];浙江大学;2009年

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1 刘丽娟;基于MEMS的地震检波器研究与设计[D];中国海洋大学;2010年

2 李寿洛;三维电容式微加速度传感器的设计与相关特性研究[D];杭州电子科技大学;2011年

3 刘君;基于白光干涉技术的膜材料应变行为测试方法研究[D];中北大学;2011年

4 陈永忠;低频段MEMS微带分形天线研究[D];电子科技大学;2011年

5 温姣;一种新型微机械陀螺仪的结构与检测系统研究[D];电子科技大学;2011年

6 杨芳;高阻硅基底阵列式微带天线中的传输线特性研究[D];电子科技大学;2011年

7 郭以栋;基于硅基底K波段阵列式微带天线的技术研究[D];电子科技大学;2011年

8 谢勐吉;微系统中相关电子装备的散热研究[D];电子科技大学;2011年

9 韩小林;微机械电容式加速度计的设计及制备[D];电子科技大学;2011年

10 肖含立;MEMS超声分离腔的二维简正模式激发技术研究[D];电子科技大学;2011年

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