基于单晶硅梁的静电RF MEMS开关

RFMEMS开关是低功耗、低损耗高频通讯电路和系统的关键部件,静电驱动RFMEMS开关因具有零直流功耗、开关时间短、结构简单、易集成的优点而成为研究热点,但是驱动电压高、薄膜应力变形严重、寿命短等问题制约了其发展,提出了一种基于单晶硅梁的推拉式静电RFMEMS开关结构,能够解决静电RFMEMS现有的缺陷。     

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。     

RF MEMS开关的发展现状

RF MEMS开关是其各种组件、系统级应用中最基本的器件之一,具有低损耗、低功耗、线性化好、尺寸小及易集成等特点。对各种开关驱动机制的特点进行了比较,指出具体驱动机制的选取应符合实际应用的需求;在和传统pin开关、FET开关相比较的基础上,总结了RF MEMS开关的优缺点,概述了其目前的应用领域以及面临的主要问题;最后介绍了目前国内外RFMEMS开关研究状况。通过对国内外一些经典RF MEMS开关范例的简述,展望了RFMEMS开关未来的发展趋势。     

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。     

Reconfigurable RF MEMS Phased Array Antenna Integrated Within a Liquid Crystal Polymer (LCP) System-on-Package

For the first time, a fully integrated phased array antenna with radio frequency microelectromechanical systems (RF MEMS) switches on a flexible, organic substrate is demonstrated above 10 GHz. A low noise amplifier (LNA), MEMS phase shifter, and 2 times 2 patch antenna array are integrated into a system-on-package (SOP) on a liquid crystal polymer substrate. Two antenna arrays are compared; one implemented using a single-layer SOP and the second with a multilayer SOP. Both implementations are low-loss and capable of 12deg of beam steering. The design frequency is 14 GHz and the measured return loss is greater than 12 dB for both implementations. The use of an LNA allows for a much higher radiated power level. These antennas can be customized to meet almost any size, frequency, and performance needed. This research furthers the state-of-the-art for organic SOP devices.     

电磁驱动RF MEMS开关的研究状况

RFMEMS技术在民用和军事方面有巨大的潜力,作为其核心器件的RFMEMS开关很有希望在雷达和通信领域之中成为关键器件。电磁驱动RFMEMS开关具有工作电压比较低,驱动力大,可以工作在恶劣的环境等优点,使其成为近年来RFMEMS开关研究的一个热点。     

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。     

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。     

基于砷化镓衬底的RF MEMS膜开关

在低损耗的微波和毫米波电路中 ,静电驱动的射频微机械 (MEMS)开关表现出巨大的应用前景。和传统的半导体开关相比 ,由于在结构上消除了金属 -半导体结和 PN结 ,MEMS开关具有极其优越的高频特性 ,例如 MEMS开关具有极低的插入损耗和较高的隔离度。简单的来说 ,射频微机械开关是由静电驱动的金属梁和射频信号线构成。自从 1 979年 Petersen首次研制出金属包覆的静电悬臂梁开关以来 ,多种结构形式的 MEMS开关被用于控制微波信号 ,例如悬臂梁结构、旋转传输线结构和膜结构等。到目前为止 ,研究的射频微机械开关主要有两种结构形式 :金…     

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.     

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.     

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。     

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。     

Lifetime Extension of RF MEMS Direct Contact Switches in Hot Switching Operations by Ball Grid Array Dimple Design

Direct contact RF microelectromechanical systems switches have demonstrated excellent ultrawideband performance from dc to 100 GHz. However, they are prone to failures due to contact adhesion and arcing, particularly for pure-gold/pure-gold contacts. In this letter, we present a new contact design employing ball grid array (BGA) dimples that limit the effective contact area to a few tens of nanometers in diameter. We experimentally show the performance of the BGA dimple with pure-gold/pure-gold contacts and demonstrate RF power handling greater than 1 W during hot switching in excess of 100 million cycles     

低压驱动RF MEMS开关设计与模拟

RF MEMS开关存在驱动电压高、开关时间长等问题,利用ANSYS对电容式开关加以改进,设计扭转臂杠杆与打孔电容膜相结合的新型开关。通过静电耦合与模态分析的仿真,可以在理论上改善RF MEMS开关的射频性能,并有工艺的可行性。     

Ferroelectric Liquid Crystal Optical Switches

The dynamic response of molecular orientation, and the temperature and pulse shape dependences of the switching behavior in ferroelectric liquid crystal are described.The switching speed and the surface energy of ferroelectric liquid crystal are given.     

低阈值电压RF MEMS开关的力学模型

采用大激励极板的螺旋型膜开关在保持优异的高频特性的同时 ,可以获得较低的阈值电压。但是对这种结构的设计缺乏足够理论分析。文中将在 Ansys软件数值求解的基础上 ,研究缺口尺寸和开关阈值电压的关系 ,其结果对设计低驱动开关有一定指导意义     

电磁驱动推拉式射频MEMS开关的设计与制作

提出了一种新型电磁驱动推拉式射频MEMS开关。针对传统静电驱动单臂梁开关所需驱动电压大、恢复力不足等问题,设计了一种推拉式开关结构,降低了驱动电压(电流),提高了开关的隔离度,同时实现了单刀双掷的功能。单晶Si梁由于自身无应力,解决了悬臂梁残余应力引起的梁变形问题。通过理论计算和有限元分析,优化了开关设计尺寸,在外围永磁铁磁感应梯度dB/dz=100T/m,在线圈通入100mA电流的驱动下,单晶Si扭转梁末端可以获得约10μm的弯曲量,满足开关驱动要求。给出了开关的详细微细加工流程,对开关的传输参数进行了测试,在10GHz时隔离度为-40dB.     

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。     

基于RF MEMS开关的新型双频带功率放大器

RF MEMS开关具有低损耗、低功耗、尺寸小和易于集成等优点而被广泛应用于各种可重构射频电路及系统中。通过分析比较电容并联式和串联式RF MEMS开关两种电路结构的射频性能,设计了一种基于RF MEMS开关的新型功率放大器,使用RF MEMS开关控制匹配网络来实现双工作频带的转换。结果表明,设计的功率放大器在2.35GHz和1.25GHz两个工作频带下,功率附加效率(PAE)和输出功率(Pout)可分别达到72%、67%及40.8、42.7dBm。该功率放大器具有较高的功率附加效率和输出功率,适用于多频带的射频系统,对RF MEMS器件在可重构系统中的应用具有一定参考价值。