用于制备高机械可靠性RF MEMS开关的新型工艺

对介质桥串联接触式RF MEMS开关的制备工艺进行了研究.介绍了开关的结构,说明了采用常规制备工艺容易在桥膜上形成应力集中,严重影响开关的机械可靠性.通过改进工艺,提出了一种侧向钻蚀刻蚀介质桥膜下金属的方法,获得了平坦的介质桥膜.最后,给出了完整的开关制备流程.与常规工艺相比,新工艺避免了应力集中问题,提高了开关的机械可靠性,成品率从10%提高到了95%,工作寿命从1 000次提高到了2.5×107次.此外,在23.3 V的驱动电压下,开关插入损耗＜0.55 dB＠DC-10 GHz,隔离度＞53.2 dB＠DC-10 GHz.结果表明该工艺可满足无线通讯对MEMS开关成品率、寿命和微波性能的要求.     

一种DC～30 GHz并联接触式RF MEMS开关的设计与制造研究

介绍了一种适用于DC～30 GHz频率应用的并联接触式RF MEMS开关的设计与制造研究。利用低应力电镀Au桥膜作为上电极,实现了接触电极之间的Au-Au接触。使用Borofloat™玻璃作为衬底,内置射频信号与驱动电极旁路的隔离电阻,并且通过对上电极桥膜与CPW间距的优化设计,使其具有很低的插入损耗。所设计制造的并联接触式RF MEMS开关的下拉电压为60 V,上下电极的接触电阻为0.1 Ω。插入损耗为-0.03 dB@1 GH,-0.13 dB@10 GHz和-0.19 dB@20 GHz,在DC～30 GHz的频率范围内,其插入损耗都小于-0.5 dB;其隔离度为-47 dB@1 GHz,-30 dB@10 GHz和-25 dB@20 GHz,并且,其隔离度在DC～30 GHz的频率范围内都大于-23 dB。所设计的并联接触式RF MEMS开关适合于DC～30 GHz的频率范围内的应用,是一种宽应用频率范围的RF MEMS开关。     

低驱动电压两端固定"桥"式RF MEMS开关的研制

文中介绍了一低驱动电压接触式RF-MEMS开关,开关采取了两端固定的"桥式"结构,在桥与支撑点间采用折叠弯曲的铰链结构,而且紧靠中央信号线的旁边各有一个较大面积的电极,这些措施降低了开关的驱动电压.整个工艺采用表面微加工工艺.由实验测试可知:开关驱动电压11 V左右,与ANSYS模拟的值12 V基本一致,开关的S参数,在的范围内,插入损耗要小于-1 dB,在频段(≤5 GHz),开关的隔离度要优于-30 dB,在频段5～10 GHz,隔离度也要高于-20 dB.     

Ku-波段MEMS单刀双掷开关的设计与模拟

利用Ku-波段MEMS单刀单掷膜开关和成熟的微带线技术设计了一种Ku-波段MEMS单刀双掷膜开关.模拟结果为阈值电压19V左右,工作于Ku-波段(8～12)GHz,在中心频率15GHz处,导通开关的插入损耗为-0.15dB,截止开关的隔离度为-33dB,开关的回波损耗为-27dB.     

Y环单元FSS结构参数对频率特性的影响

利用谱域分析法,从Y环单元的臂长、臂宽、缝宽、加载介质的厚度及介电常数等方面,研究了Y环单元频率选择表面(Frequency Selective Surface简称FSS)结构参数对其频率响应特性的影响;采用镀膜和光刻技术制备出了相应的实验件,并在微波暗室进行测试,测试值与计算值基本一致。结果表明:臂长主要影响中心频率,臂长从3.8 mm增大到4.7 mm时,中心频率从11.9 GHz下降到8.9 GHz;单元间距主要影响带宽,单元间距从0.3倍波长增大到0.5倍波长时,-3 dB带宽从3.2 GHz减小到1.0 GHz;臂宽和缝宽在影响中心频率的同时也影响带宽;介质加载主要使中心频率降低,但是中心频率并非随着介质层厚度的增加单调减小;加载介质的厚度和介电常数都影响中心频率,但中心频率对介电常数的变化更为敏感;介质加载也影响中心频率处的功率传输,如果对加载介质进行合理的匹配能改善FSS的传输特性。     

超细镍粉在电磁防护功能材料中的应用

利用化学还原方法获取超细镍粉，将其制备成电磁防护涂料，分别测试30－1000MHz频段范围的屏蔽效能和2－18GHz频段范围的吸波性能。结果显示：在测试范围内，含量为80％的超细镍粉涂料屏蔽性能为－20~-30dB之间，含量为85％的超细镍粉涂料吸波性能为0~-9dB之间。将200目镍粉与超细镍粉以4:1的比例混合制成含量为75％的涂料，测试结果表明：在10kHz-1GHz范围内，屏蔽效能可提高到－30~-40dB之间。扫描电镜分析结果显示：混合镍粉在涂料中的分散性较好，粒度较大的镍粉能起到一定的填充作用，而超细粉又形成了一定的链状结构，增加了导电通路，可以使屏蔽效能增加。     

基于本征光敏型聚酰亚胺的多层薄膜电路制作工艺

本征光敏型聚酰亚胺(PSPI)具有优良的热稳定性、感光性、力学性能和介电性能,其在MCM组件中的应用,将进一步降低组件的重量、提高封装密度.在国外,PSPI在MCM中的应用已较为成熟,而国内在这方面与国外有较大的差距.为此,文章从应用的角度出发,研究了PSPI的光刻特性,优化工艺参数后,厚度10μm的PSPI可刻出Φ30μm的微孔;PSPI表面沉积金属的附着力是难点和关键,文中重点对PSPI表面金属化工艺进行了研究,通过对PSPI进行等离子处理工艺的优化,在其表面TiW-Cu-Au膜层的附着力满足要求,附着力达25 MPa;在此基础上,制作出了"3层介质+3层电路"的多层薄膜微波测试电路.结果表明,测试电路层间导通良好,在1~40 GHz范围内插入损耗小于0.85 dB,回波损耗小于-13 dB.     

片上集成MEMS射频滤波器

研究采用MEMS工艺技术制造可在硅集成电路片上集成的射频滤波器.MEMS工艺技术实现了高性能嵌入式螺管电感和金属-绝缘层-金属电容元件的集成制造.整个微加工制造工艺为低温工艺,可与CMOS集成电路工艺实现后端集成.基于此工艺,设计和实现了应用于5 GHz射频频段的微小化的片上集成滤波器,包括一种低通滤波器和一种带通滤波器.测试结果表明,5阶低通滤波器的 -1.5 dB 转折频率在5.3 GHz频率,从直流到5 GHz频率的插入损耗小于1.06 dB.实现的带通滤波器为两阶谐振耦合式,在中心频段5.3 GHz的最小插入损耗为4.3 dB,通带内的回波损耗大于13 dB.研究结果表明:该微加工技术适用于无源器件和滤波器电路的CMOS后端集成,适合高性能射频片上系统的应用.     

用于射频领域的MEMS无源LC滤波器设计研究

介绍了一种利用MEMS工艺实现的用于射频领域的无源LC低通滤波器的设计、仿真和制作.该低通滤波器(LPF)采用三阶Chebyshev最少电容原型结构,设计参数为一3dB带宽为3GHz,插入损耗小于2dB.基于MEMS无源元件(电容和电感)的集总物理模型,实现了对LPF实际性能的等效电路仿真,同时进行了版图和结构的验证.利用MEMS工艺实现的低通滤波器,其一3dB带宽和通带内插入损耗分别为2.925GHz和1.2dB(在1GHz下),制作工艺与标准CMOS工艺兼容.     

IGBT半桥逆变式电火花加工脉冲电源

提出了逆变式电火花加工脉冲电源的工作原理,选用了半桥主回路结构和ＩＧＢＴ功率开关器件研制新型脉冲电源,总结了新型脉冲电源中高频变压器工作磁通密度、输出回路滤波电感和ＲＣ吸收网络的设计方法。工艺实验表明,新型脉冲电源在满足电火花粗、中加工性能要求的同时,将电能利用率由低于２５％提高到８０％以上,体积降低到原来的十分之一。     

基于柔性止动的MEMS惯性开关冲击可靠性强化

为了提高MEMS惯性开关的冲击可靠性,提出了一种柔性止动结构。首先,利用连续接触力理论建立了止动碰撞模型,通过Simulink对模型进行仿真,研究开关在不同止动形式下的响应特性。接着,从空间占用和应力集中的角度对悬臂梁和平面微弹簧两种止动形式进行讨论,设计止动结构。最后,利用UV-LIGA工艺制作开关样机,通过落锤冲击系统对样机进行测试。碰撞接触力对于冲击可靠性至关重要,Simulink仿真结果表明柔性止动结构能够极大的延长碰撞接触时间,从而降低接触力。同时,采用柔性止动还改善了碰撞后的弹跳现象,提高闭锁稳定性。冲击试验表明,开关累积失效分布函数符合韦布尔分布,标度参数(参考加速度)α=29 600、形状参数β=8.2。相比无柔性止动的MEMS开关,提出的柔性止动明显改善了开关的抗冲击性能。对柔性止动的建模、仿真与试验为MEMS惯性开关的抗冲击设计提供了有益参考。     

宏微观跨尺度下的锥套运行力学机理研究

为揭示薄壁锥套在运行过程中产生损伤的运行力学机理,提高其运行可靠性,提出一种用于解决具有宏微观跨尺度问题和大规模非线性接触问题的流固耦合方法。通过对薄壁锥套和轧辊所形成的固体域进行三维静电多极离散,采用改进后的Krylov子空间广义极小残值法(GMRES(m))对其进行优化迭代。其中,弹性摩擦接触域进行点面接触非线性数学规划,耦合界面处采用非匹配网格数,并对微米级油膜进行弹性润滑解析和无厚度处理,同时引入Lagrange族内插函数,建立薄壁锥套在宏微观跨尺度下的运行力学模型。通过薄壁锥套运行力学机理试验,验证计算方法在揭示薄壁锥套运行力学行为的正确性。结果表明,薄壁锥套在运行过程中的油膜力场和接触应力场呈三维动态非均匀分布,在复杂交变力场作用下,位于薄壁锥套两端密封槽处的应力奇异性是造成其发生粘结、断裂等破坏的力学原因。在设计阶段必须考虑轧制工况状态,通过设计合适的过盈量和锥套厚度来减小疲劳损伤,提高可靠性。     

Fundamental studies of Au contacts in MEMS RF switches

Microelectromechanical systems (MEMS) radio frequency (RF) switches hold great promise in a myriad of commercial, aerospace, and military applications. However, there is little understanding of the factors determining the performance and reliability of these devices. Fundamental studies of hot-switched gold (Au) contacts were conducted using a micro/nanoadhesion apparatus as a switch simulator. Experiments were conducted in a well defined air environment under precisely controlled operating conditions. Fundamental properties were connected to performance with an emphasis on the effects of contact force and electric current on contact resistance (R), microadhesion, and reliability/durability. Electric current had the most profound effect on switch performance. Observations at low current (1–10 A) include: (1) slightly higher R; (2) asperity creep; (3) high adhesion after rapid switching; (4) switch bouncing; and (5) reasonable durability. Conversely, observations at high current (1–10 mA) include: (1) slightly lower R; (2) melting; (3) no measurable adhesion; (4) less propensity for switch bouncing; (5) necking of contacts; and (6) poor reliability and durability due to switch shorting. Low current behavior was dominated by the propensity to form smooth surface contacts by hammering, which led to high van der Waals force. High current behavior was dominated by the formation of Au nanowires that bridge the contact during separation. Data suggest the presence of an adventitious film containing carbon and oxygen. Aging of the contacts in air was found to reduce adhesion.     

Failure Mechanisms of Capacitive MEMS RF Switch Contacts

Microelectromechanical systems (MEMS) radio frequency (RF) switches hold great promise in a myriad of commercial, aerospace, and military applications. In particular, capacitive type switches with metal-to-dielectric contacts (typically Au- on-silicon nitride) are suitable for high frequency (≥10 GHz) applications. However, there is little fundamental understanding of the factors determining the performance and reliability of these devices. To address this void in understanding, we conducted fundamental studies of Au-on-Si₃N₄ contacts at various bias voltages using a micro/nanoadhesion apparatus as a switch simulator. The experiments were conducted in air at 45% relative humidity. The switch simulator allows us to measure fundamental parameters such as contact force and adhesion, which cannot be directly measured with actual MEMS switches. Adhesion was found to be the primary failure mechanism. Both a mechanical and electrical effect contributed to high adhesion. The mechanical effect is adhesion growth with cycling due to surface smoothening, which allows increased van der Waals interaction. The electrical effect on adhesion is due to electrostatic force associated with excess charge trapped in the dielectric, and was only observed at 40 V bias and above. The two effects are additive, but the electrical effect was not present until surfaces were worn smooth by cycling. Surface smoothening increases the electric field in the dielectric, which leads to trapped charge and higher adhesion. Excessive adhesion can explain decreased lifetime at high bias voltage previously reported with actual capacitive MEMS switches. Aging of open contacts in air was found to reduce adhesion. Surface analysis data show the presence and growth (in air) of an adventitious film containing carbon and oxygen. The adventitious film is responsible for aging related adhesion reduction by increasing surface separation and/or reducing surface energy. No junction growth and force relaxation with time were observed in capacitive switch contacts, as was previously observed with Au–Au contacts at low current in direct current MEMS switches.     

MoS2/Ti复合固体润滑膜的力学性能与摩擦特性

采用非平衡磁控溅射法在9Cr18轴承钢基底上制备了厚度约3μm的MoS2/Ti复合固体润滑膜,基于球形压头纳米压痕试验,采用连续刚度法对MoS2/Ti复合固体润滑膜的力学性能进行研究,探究MoS2/Ti复合固体润滑膜力学性能随压痕深度的变化规律;根据压痕试验载荷-位移曲线,采用Hertz接触理论计算MoS2/Ti复合固体润滑膜的弹性模量并与试验结果进行对比;利用CSM摩擦试验机对低速、低载下MoS2/Ti复合固体润滑膜的摩擦特性进行研究;基于压痕试验提出了一种能够更准确计算钢球加载时MoS2/Ti复合固体润滑膜接触应力的方法,并计算了摩擦试验不同载荷下的接触应力。结果表明:MoS2/Ti复合固体润滑膜的力学性能和摩擦特性都会受到表面形貌的影响;除表面初始压入阶段外,MoS2/Ti复合固体润滑膜的弹性模量和接触刚度都随着压痕深度的增大而增大;滑动速度和载荷共同影响MoS2/Ti复合固体润滑膜的摩擦特性。     

电连接器接触件结构分析与插拔试验

为了提高电连接器的接触可靠性,针对电连接器接触件,进行结构力学分析与接触情况研究,提出了一种接触件接触面积的迭代计算方法;建立了接触件的参数化有限元模型,并利用ANSYS软件对接触件的接触情况进行了运动仿真,得到了接触件插拔过程中接触压力、插拔力的变化情况和应力分布情况。通过对有限元模型的参数化仿真,得到了各结构参数对接触状态的灵敏度,确定了影响接触状态的关键参数。通过对接触件的插拔试验,验证了提出的理论分析、仿真计算方法的可行性。     

Prediction of microgeometrical influences on micropitting fatigue damage on 32CrMoV13 steel

Micropitting is a form of surface fatigue damage that occurs in the gear teeth. It is due to the effect of variation in the mechanical loading in the contact zone between the two teeth, induced especially by flank roughness. In this study, generic roughness profiles were built with geometrical parameters to simulate the contact between two rough surfaces. Using elastohydrodynamic lubrication code and Crossland's fatigue criteria, the influence on fatigue lifetime was analysed for changes in each parameter. The relevant parameters were determined that influence (i) the conventional pitting, (ii) the extent to which the von Mises equivalent stress exceeds the material yield stress in the zone where micropitting occurs, and (iii) the fatigue lifetime for steel teeth. With nitriding benefits, the same trends were shown with weaker effects.     

摆线液压马达啮合副修型优化

摆线转子啮合副是摆线液压马达的核心部分,为了补偿润滑油膜和减小接触应力,需要对啮合副修型优化。以某型号参数的摆线转子啮合副为例,建立了评估摆线液压马达工作时啮合副各接触点接触应力的力学模型和油膜厚度的润滑模型,分析摆线轮修型方法对各点接触应力和油膜厚度的影响。结果表明:采用“正移距+负等距”的修型组合可以有效补偿油膜厚度并且减小接触应力,可为摆线液压马达的设计优化提供理论指导。     

深海环境中水下滑翔器密封结构数值分析

为检验水下密封结构的可靠性,利用Ansys Workbench集成平台对有无挡圈配合的O形密封圈的变形和受力情况进行比较分析,并对深水环境中有挡圈配合的O形圈的密封性能进行数值模拟分析。结果表明:在介质压力较大时,有挡圈配合的O形圈可有效防止挤入咬伤,在同样保证密封可靠的条件下最大Von Mises应力可减小20%以上;当介质压力为10 MPa左右时,有挡圈配合的O形圈的最大Von Mises应力有明显的拐点,介质压力大于10 MPa后,O形圈的应力变化趋于平缓,可避免O形圈被破坏导致的密封失效;有挡圈配合的O形圈结构中,起密封作用的是O形圈而非挡圈,挡圈的作用主要是改善O形圈的受力,提高整个密封结构的可靠性。模拟的结果可以说明O形圈配合挡圈提高密封可靠性的原理,为水下密封结构的可靠性检验和密封结构的优化提供了有效的方法。