电容式RF MEMS开关膜片边缘场效应的表征

计及电容式RF MEMS开关膜片上电场分布的边缘场效应后,很难建立高保真的开关自驱动失效阈值功率解析模型。因此,采用膜片承受射频信号功率的面积(ARF)和膜片与传输线的正对面积(A)的比值构建优值(Fo M),以表征膜片上电场分布的边缘场效应强弱。利用HFSS软件建立了开关自驱动失效的三维电磁模型;以一种常见的开关构型为案例,仿真得到了多种射频信号功率(Pin)和开关气隙高度(g0)条件下膜片边缘电场分布,并与优值计算结果进行了对比验证,初步证明了采用优值ARF/A表征膜片上电场分布的边缘场效应强度的可行性。     

DC-20GHz射频MEMS开关

描述了DC－200GHz射频MEMS开关的设计和制造工艺。开关为一薄金属膜桥组成的桥式结构,形成一个单刀单掷（SPST）并联设置的金属－绝缘体－金属接触。开关通过上下电极之间的静电力进行控制,其插入损耗及隔离性能取决于开态和关态的电容。测试结果如下：射频MEMS开关驱动电压约为20V,在“开”态下DC－20GHz带宽的插入损耗小于0．69dB;在“关”态下在14－18GHz时离小于13dB,在18－20GHz时隔离大于16dB。本器作为国内首只研制成功的宽带射频MEMS开关。     

DC-20GHz射频MEMS开关

描述了DC-20GHz射频MEMS开关的设计和制造工艺.开关为一薄金属膜桥组成的桥式结构,形成一个单刀单掷(SPST)并联设置的金属-绝缘体-金属接触.开关通过上下电极之间的静电力进行控制,其插入损耗及隔离性能取决于开态和关态的电容.测试结果如下:射频MEMS开关驱动电压约为20V,在"开”态下DC-20GHz带宽的插入损耗小于0.69dB;在"关”态下在14-18GHz时隔离大于13dB,在18-20GHz时隔离大于16dB.本器件为国内首只研制成功的宽带射频MEMS开关.     

静电式RF MEMS开关的可靠性

MEMS开关是最常见的RF MEMS控制元件,是RF结构中一个关键的MEMS器件。长期可靠性是目前制约MEMS开关商业化进程中的一个主要问题。主要综述了静电式RF MEMS开关可靠性的新进展。欧姆式开关通常由于黏附或接触电阻的增大而失效,电容式开关的主要失效机理则与电介质层的充电有关。接触材料的选择是决定欧姆开关可靠性最重要的一个因素,"主动断开/被动接触"MEMS开关适用于软金属材料欧姆接触的可靠性要求。改善电容式开关可靠性的途径是改善介电层、优化驱动电压波形等以减小介质层的充电。     

MEMS开关及其应用

介绍MEMS开关的分类、特性、制造、可靠性和应用。     

DCDC—20GHz射频MEMS开关

描述了 DC— 2 0 GHz射频 MEMS开关的设计和制造工艺 .开关为一薄金属膜桥组成的桥式结构 ,形成一个单刀单掷 (SPST)并联设置的金属 -绝缘体 -金属接触 .开关通过上下电极之间的静电力进行控制 ,其插入损耗及隔离性能取决于开态和关态的电容 .测试结果如下 :射频 MEMS开关驱动电压约为 2 0 V,在“开”态下 DC— 2 0 GHz带宽的插入损耗小于 0 .6 9d B;在“关”态下在 14— 18GHz时隔离大于 13d B,在 18— 2 0 GHz时隔离大于 16 d B.本器件为国内首只研制成功的宽带射频 MEMS开关     

电容式MEMS开关中弹性膜应力对驱动电压的影响

详细分析了多种参数对 MEMS电容式开关驱动电压的影响 ,包括材料选取和工艺参数变化 ,并对驱动电压理论值进行计算。利用表面微机械加工技术在硅衬底上实现了电容式开关 ,测试结果表明采用 Al0 .96 Si0 .0 4弹性膜和厚胶牺牲层工艺能获得适中的剩余应力释放 ,微桥应力约为 10 6 N/m2 ,这为获得较低的开关驱动电压提供了可能。对长 1m m的 MEMS开关 ,当弹性膜厚为 0 .5μm,桥高为 3μm、桥宽为 30 μm、桥长为 2 50 μm时获得了 2 5V的驱动电压 ,S参数测试表明该电容式开关 1～ 4 0 GHz频段内的插入损耗低于 1d B。     

日本近年RF MEMS开关研究的进展

RFMEMS是射频表面微机械系统简称。射频表面微机械系统现在包括滤波器和微型电器元件,如开关,微可变电容和微可变电感。射频开关按驱动原理分有静电,压电,电磁以及热驱动。由于这一研究的高频化和高精度的特点,目前开关的研究集中在静电驱动的方式的研究上,从上市的产品来看,静电驱动是最有希望的RFMEMS的执行机构。静电执行器驱动的RFMEMS开关成为下一代高频通讯中的关键部件。     

RFMEMS电容式并联开关的研制

通过分析MEMS电容式并联开关的工作原理,设计并制作出一款适合Ka波段分布式MEMS移相器的电容式开关。通过理论计算和经验选取,初步得到了MEMS电容式并联开关的结构尺寸。采用HFSS软件建立了开关的三维电磁场模型并优化了关键结构参数。仿真表明开关在Ka波段插入损耗小于0．15dB,回波损耗大于15dB。采用CoventorWare软件进行了开关的机电耦合仿真,得出其驱动电压为2．1V。为了满足流片单位的实际工艺约束条件,对开关的设计版图和微加工工艺进行了多轮改进,研制成功MEMS电容式并联开关工艺样品。开关动态特性测试表明,在驱动电压36V时,桥下拉的高度约为2μm。     

悬臂梁接触式RF MEMS串联开关工艺设计

报道了一款用于X波段的悬臂梁接触式RF MEMS串联开关的微加工工艺设计。首先,介绍了该悬臂梁接触式MEMS串联开关的基本工作原理;然后,简单描述了其结构组成和尺寸参数;最后,对掩膜版和对位标记的设计做了相应介绍。工艺方案设计包括初步工艺设计和根据实际加工条件的方案优化设计。初步工艺方案中加工步骤繁琐并需要两层牺牲层,制作难度大,难以保证较高的成品率。考虑实际加工条件的优化设计,采用聚酰亚胺作为牺牲层,使得牺牲层减少到一层。利用PECVD工艺沉积SixNy和溅射Au工艺得到了悬臂梁结构,简化了工艺流程,可提高工艺成品率。     

一种新型低压电容式RF MEMS开关的设计与分析

介绍了一种基于扭转的新型低压电容式RFMEMS开关的设计.此开关在保留传统挠曲变形的基础上,引入了扭转变形,并利用Intelli Suite等软件进行仿真分析.理论分析和仿真结果表明:与传统弯曲变形不同,在扭转变形中,变形对臂的厚度远比宽度敏感;在保留传统挠曲变形的基础上,增加了扭转变形,将有效降低驱动电压.理论分析还表明增长扭转臂、从动臂可使驱动电压明显下降.通过优化结构设计,在扭转臂、从动臂长为180μm、120μm,臂宽为5μm,厚为1μm,驱动电极面积为120μm×120μm时,仿真得到驱动电压为1.5V.     

高隔离度X波段RF MEMS电容式并联开关

研究了一种新型的、应用于X波段的高隔离度RF MEMS电容式并联开关结构。相比于普通的并联结构,该开关通过共面波导(CPW)传输线与地平面之间的衬底刻槽结构将隔离度提高了7dB,关态时在13.5GHz谐振频率处的隔离度为-54.6dB,执行电压为26V。弹簧梁结构开关的执行电压下降为14V,在11GHz处其隔离度为-42.8dB。通过两个并联开关级联与开关间的高阻传输线构成的π型调谐开关电路,在11.5GHz处的隔离度为-81.6dB。     

惯性冲击对低真空封装的RF MEMS电容开关性能的影响

分析了外界惯性冲击对低真空封装的旁路电容式RF MEMS开关性能的影响.得到了近似计算外界惯性冲击引起位移的解析式.在已知最大容许插入损耗和外部惯性冲击环境条件下,MEMS开关支撑梁的最小机械刚度常数以及外部惯性冲击引起的插入损耗可以根据该式得到.通过RF MEMS电容式开关实例,表明设计低真空封装的RF MEMS电容式开关时应考虑外部环境因素.可见,RF MEMS开关用低真空封装可以减小空气阻尼、改善开关速度和执行电压的同时,开关的性能却容易受外界环境因素的影响.该研究对低真空封装的RF MEMS电容式开关的优化设计很有意义.     

RF MEMS开关吸合电压的分析

吸合电压是MEMS静电执行器的重要参数,针对RF MEMS开关,详细分析了开关在不同执行方式下的吸合电压.对于执行电压是脉冲方式而言,开关梁受迫振动,不同于准静态方式,此时使开关发生吸合的执行电压为动态吸合电压,计算表明比准静态吸合电压小8%.通过简化的弹性系数和精确的电容计算公式,详细分析了基于CPW的双端固支梁开关的准静态和动态吸合电压.分析了环境阻尼对动态吸合电压的影响,阻尼使得开关的两种吸合电压差别变小.最后分析了射频输入功率对开关吸合电压的影响,射频输入功率会降低吸合电压,如果输入功率足够大,吸合电压将会降为零,此时MEMS开关会发生自执行失效.     

惯性冲击对低真空封装的RF MEMS电容开关性能的影响

分析了外界惯性冲击对低真空封装的旁路电容式RF MEMS开关性能的影响.得到了近似计算外界惯性冲击引起位移的解析式.在已知最大容许插入损耗和外部惯性冲击环境条件下,MEMS开关支撑梁的最小机械刚度常数以及外部惯性冲击引起的插入损耗可以根据该式得到.通过RF MEMS电容式开关实例,表明设计低真空封装的RF MEMS电容式开关时应考虑外部环境因素.可见,RF MEMS开关用低真空封装可以减小空气阻尼、改善开关速度和执行电压的同时,开关的性能却容易受外界环境因素的影响.该研究对低真空封装的RF MEMS电容式开关的优化设计很有意义.     

提高RF MEMS开关速度的电压控制方法

针对RF MEMS开关释放时间过长的问题,提出了一种电压控制方法有效地缩短了开关的释放时间,提高了开关的速度。这种方法无需修改器件设计,仅需要调整偏置电压变化形式,用线性压降替代传统的阶跃压降,就能有效抑制MEMS梁在释放过程中的振动。给出了这种方法的相关理论、等效模型及仿真结果。由ANSYS仿真结果可知,在标准大气压下,采用28μs单段线性压降后,梁的释放时间从103μs缩短到62.5μs;采用26μs双段线性压降后,梁的释放时间进一步缩短到26μs,仅为原来的1/4,即开关速度约为原来的4倍。     

RF MEMS开关的设计分析

针对具有低损耗、高隔离度性能的微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)开关,介绍了串联DC式和并联电容式的开关结构模型,并对并联电容式MEMS开关的工作原理、等效电路模型和制造工艺流程进行了描述,利用其模型研究了开关的微波传输性能,设计了一款电容耦合式开关并进行了仿真。由仿真结果可得,开关"开态"时的插入损耗在40 GHz以内优于-0.3 dB;开关"关态"时的隔离度在20～40 GHz相对较宽的频带内优于-20 dB。     

悬臂梁接触式RF-MEMS开关的制作研究

报道了悬臂梁接触式RF-MEMS开关的设计、制作和测试结果。整个工艺采用表面微机械加工技术，利用正胶作为牺牲层。其中开关的悬臂梁采用了“三明治”式的结构，即上下两层为SiO2，中间夹着一层Cr／Au合金，这种结构可使梁合为一体，且具有很好的机械性能。对350μm长、200μm宽、1．7μm厚、且距底电极为2．5μm的悬臂梁开关进行测试，其驱动电压约为20V，在同类开关中是较低的。     

一种新型三谐振点电容式RF MEMS开关

给出了改进的电容式开关等效电路模型以及基于该电路模型的一种新型的多频段工作的电容式RFM EM S开关的设计和制作研究。分析表明,当开关的上电极为多支撑梁结构时,需要对传统的开关等效电路加以改进。利用新型等效电路模型进行模拟发现,通过适当的参数选择,可以获得多谐振点开关,不仅可以在多个频段适用,并且可以适用于较低频段。设计了一种可工作在X波段下的三谐振点电容式RF MEMS开关,并在高阻硅衬底上采用表面微加工工艺制备了开关样品。三谐振点开关的在片测试结果为:驱动电压为7 V,“开”态的插入损耗为0.69 dB@10.4 GHz,“关”态的隔离度为30.8 dB@10.4 GHz,其微波性能在0~13.5 GH z频段下优于类似结构的传统单谐振点开关。