串联电容式RF MEMS开关设计与制造研究

介绍了一种串联电容式RF MEMS开关的设计与制造。所设计的串联电容式RF MEMS开关利用薄膜淀积中产生的内应力使MEMS桥膜向上发生翘曲,从而提高所设计的开关的隔离度,克服了串联电容式RF MEMS开关通常只有在1GHz以下才能获得较高隔离度的缺点。其工艺与并联电容式RF MEMS开关完全相同,解决了并联电容式RF MEMS开关不能应用于低频段(<10GHz)的问题。其插入损耗为-0.88dB@3GHz,在6GHz以上,插入损耗为-0.5dB;隔离度为-33.5dB@900MHz、-24dB@3GH和-20dB@5GHz,适合于3~5GHz频段的应用。     

一种平板式MEMSRF射频开关的设计

介绍了一种实用的平板电容式MEMSRF射频开关。研究了外加驱动电压与由此所引起的极板间距和极板受力变化之间的非线性关系,提出了一种有效的基于有限元的设计分析方法,在此基础上设计了相应的MEMS加工工艺流程,并给出了具体的MEMS工艺。     

RF MEMS悬臂梁开关的设计与仿真

利用有限元软件HFSS和ANSYS系统研究了串联MEMS开关的微波性能和力学性能与其结构参数之间的关系,并在此基础上优化出悬臂梁开关的几何结构参数,设计了RF MEMS开关,实验表明：在外施电压为10V左右时,悬臂梁的挠度可达3μm左右,5GHz时,回波损耗小于0．2dB,隔离度大于35dB。     

MEMS capacitive series switch fabricated using PCB technology

In this article, an RF MEMS capacitive series switch fabricated using printed circuit processing techniques is discussed. Design, modeling, fabrication, and characterization of the CPW series switch are presented. An example CPW series capacitive switch with insertion loss less than 0.5 dB in the frequency range of 13–18 GHz and isolation better than 10 dB up to 18 GHz is discussed. The switch provides a minimum insertion loss of about 0.1 dB at the self‐resonance frequency of 16 GHz and a maximum isolation of about 42 dB at 1 GHz. © 2007 Wiley Periodicals, Inc. Int J RF and Microwave CAE, 2007.     

RF MEMS电容式开关结构层释放技术

研究了RF MEMS开关的制造工艺流程和聚酰亚胺牺牲层的去除工艺。在开关的设计和加工中采用在信号线两侧的地线上生长一层绝缘介质层,直流偏置线生成在绝缘介质层之上,与桥的锚点相连接,实现了交直流隔离。讨论了干法刻蚀和湿法刻蚀牺牲层技术。干法刻蚀容易造成绝缘介质层的刻蚀和损伤。采用湿法刻蚀结合临界点干燥技术,可以获得理想的微梁结构。通过测试,开关样品的下拉电压为34 V～40 V,下拉距离为(1.7±0.2)μm,满足设计要求。     

RF MEMS开关在牺牲层工艺上的改进

通过对传统的RF MEMS开关采取在信号线上电镀桥墩、改进桥梁的形状以及在桥背面设计接触点的新颖方法,使得RF MEMS开关的下拉电压减小、开关时间缩短和可靠性提高.在工艺上,特别采用了对聚酰亚胺牺牲层进行全刻蚀和半刻蚀的改进加工流程来实现桥背面的接触点.测试结果表明:开关的下拉电压为28V,最低开关时间为0.8μs,开关寿命达7×105次,0～10GHz的插入损耗在0～0.5dB,隔离度为35～45dB.     

电容式RF MEMS开关开关过程产生的电磁波模型和分析

在电容式RF MEMS开关的动态工作过程中,会有电磁波产生.根据开关膜桥的动态运动模型,把开关工作分成了四个过程,并通过麦克斯韦方程建立了各个过程中产生的电磁波模型,最后通过单元面叠加的方法验证了这一模型.在开关电容充电和膜桥下拉过程中,开关都是产生了电磁波脉冲.尤其是在充电阶段,电磁波峰值为105 A/m的量级,持续时间为3.15×10-8μs.而在开关电容放电过程中,产生的电磁波是时谐波,其频率为23.4 GHz(落在RF信号的频率范围内了).这就提醒了设计者们要增加特殊的滤波电路来过滤掉RF信号中噪声.此外,辐射的电磁波同样对开关周围的电路和器件有影响,这需要进一步的研究.     

悬臂梁接触式RF MEMS开关的关键工艺研究

采用厚度为2μm的Au制作成共平面波导（CPW）、聚酰亚胺作为牺牲层、PECVD法淀积Si3N4薄膜作为悬臂梁,制作成悬臂梁接触式RF MEMS开关。着重对开关的关键工艺-CPV的Au剥离工艺和悬臂梁制作工艺进行研究,讨论了工艺中存在的问题及其解决方法。通过实验获得较佳的工艺参数,并制作出驱动电压为12-20V的悬臂梁接触式RF MEMS开关。     

MEMS高g值复合量程开关设计

提出一种复合量程的MEMS开关,该新型MEMS高g值开关可检测高达40 000 gn的不同离散水平的冲击值,同时,在接触式阻尼模型上对不同加速度值进行分析测试.试验中,通过Hopkinson杆标定,MEMS开关最大可实现对37 000 gn的加速度信号进行标定响应,测试的平均值与仿真相吻合,最大偏差小于5％.     

电容式RF开关介电电荷及相关可靠性模型及模拟

就介电电荷以及它对电容式RF MEMS开关可靠性的影响进行了分析,在前人的基础上建立起了一个更加全面和准确的介电电荷积累及其相关可靠性模型.介电电荷的产生是由于电介质中有漏电流(Ohmic电流、Frenkel-Poole电流),漏电流中电荷被介质陷阱捕获,进而导致电荷的积累.由此得到了介电电荷随时间的积累公式、开关失效寿命公式以及介电击穿寿命公式,其结果具有一定参考价值.     

折叠梁平面角对电容式RFMEMS开关性能的影响

低驱动电压电容式RFMEMS开关采用弹性拆叠梁支撑可变电容活动极板,使开关弹性结构具有很小的弹性系数,但也降低了开关的一阶模态谐振频率,致使开关无法获得较高的开关速度。提出了通过调整弹性折叠梁平面角微调弹性结构弹性系数的方法,在保证开关具有低驱动电压的同时,尽可能提高弹性结构的一阶模态谐振频率。仅改变弹性折叠梁平面角的大小,对其分别为0°,45°,90°的具体开关结构,应用MEMSCAD软件CoventorWare进行机电耦合仿真,定性分析了弹性折叠梁平面角对微结构弹性系数的影响。仿真结果表明：改变弹性折叠梁平面角大小,可以微调电容式RFMEMS开关的驱动电压和一阶模态谐振频率。     

欧姆接触式RF MEMS开关设计与仿真

利用表面微加工工艺设计了一种双悬臂梁支撑的欧姆接触式MEMS开关,开关的材料为Au。通过对开关驱动电压的理论分析得出,悬臂梁的刚度越低,下拉电压就会越小;又因为刚度与悬臂梁厚度的三次方呈比例,所以,降低刚度最有效的办法就是减少梁的厚度。通过对开关的性能仿真发现:开关的闭合电压为44V;触点的接触力为22.45μN;谐振频率为25.5kHz。开关闭合时,触点接触后并非立即稳定,而是要弹跳数次后才趋于稳定,此现象增加了开关从闭合到稳定的时间。驱动电压为50,60 V时开关的弹跳时间分别为174.94,66.84μs,由此可见,通过适当增加电压可有效降低开关时间和由闭合到稳定的时间。     

聚酰亚胺（PI）树脂在电容式RF MEMS开关制作中的应用

聚酰亚胺树脂(PI)因其良好的平面化特性、在氧气中易灰化、不完全固化易溶解于碱性显影液、在CHF3等离子气氛中有较强的抗蚀性等性质,在电容RF MEMS开关的制作过程中,应用它作为刻蚀保护层和牺牲层,不但可以使工艺过程得到简化,而且可以对开关的介质层尺寸、牺牲层厚度等图形参数起到很好的控制作用.     

介质层充电对电容式RF MEMS 开关的影响

电容式RF MEMS开关介质层电荷累积被认为是导致开关失效的主要原因.基于电容式RF MEMS开关工作过程中电场强度的变化,分析讨论了累积电荷的来源,并推导出相应的计算公式.对于随机性较大的界面极化问题,根据理论计算公式,提出从工艺上减小极化现象发生的解决方案.在讨论影响介质层电荷注入各种因素及相互之间关系的基础上,建立了基于电荷累积的开关寿命预测模型.     

一种低驱动电压的SP4T RF MEMS开关

设计并制备了一种低电压的静电驱动接触式单刀四掷(SP4T)RFMEMS开关。单元开关采用以低应力氮氧化硅(SiON)作为桥膜的双端固定桥式结构,并利用附着的金层形成接触结构。整个SP4T开关包括与50Ω特征阻抗相匹配的共面波导,1个输入端,4个输出端,4个静电驱动的侧拉桥,以及4个驱动引出区(pad)。测试数据表明,开关驱动电压18.8V;插入损耗S21<0.26dB@DC-3GHz,S31<0.46dB@DC-3GHz;隔离度S21>69.5dB@DC-3GHz,S31>69.2dB@DC-3GHz。结果显示,此开关的隔离度在所有输出端有很好的一致性,插损在DC-3GHz的频段内均较小,非常适合低频使用。     

MEMS阈值可调开关的仿真与实验分析

微系统（ MEMS）阈值可调开关是一种适用于弹药类型的通用碰炸开关,靠捕捉碰撞目标时的前冲惯性力而闭合。此开关除了受惯性力和静电力之外,还受到可动电极和驱动电极之间由于空气阻力而产生很大的阻尼力的影响。利用Coventor wave软件中的Saber系统仿真法,对设计的开关结构进行瞬态特性分析,仿真结果表明：开关在不同加速度信号下,阈值加速度与电压基本上呈反比关系,且随着阈值加速度的增大,电压减小。对加工的开关样件进行实验检测,实验结果表明开关可以实现阈值可调。     

宽带直接接触式RF MEMS开关

本文提出一种静电驱动直接接触式宽带MEMS开关,包含CPW传输线、双U型金属悬臂梁、触点和锚区,兼顾了开关接触可靠、克服微结构粘连和低驱动电压三大结构可靠性设计因素。本开关为三端口开关,使用低温表面微机械工艺,制作在400μm厚的高阻硅衬底上,芯片尺寸0.8mm×0.9mm。样品在片测试结果表明,在6GHz频点,开关本征损耗0.1dB,隔离度24.8dB,等效开关接触电阻0.6Ω,关态电容6.4fF,开关时间47μs,开关驱动电压为20-60V。     

Numerical simulation and analysis of electrically actuated microbeam-based MEMS capacitive switch

The MEMS capacitive switch based on fixed-fixed microbeam has garnered significant attention due to their geometric simplicity and broad applicability. The accurate model which describes the multiphysical coupled-field of MEMS capacitive switch should be developed to predict their electromechanical behaviors. The improved macromodel of the fixed-fixed microbeam-based MEMS capacitive switch is presented to investigate the behavior of electrically actuated MEMS capacitive switch in this paper, the macromodel provides an effective and accurate design tool for this class of MEMS devices because of taking account into some effects simultaneously including fringing field effect, midplane stretching effect, residual stress and multiphysical coupled-field effect. The numerical analysis of mechanical characterizations of electrically actuated microbeam-based MEMS capacitive switch are performed by the finite element Newmark method, and the performances of static and dynamic of MEMS capacitive switch are obtained. The numerical results show that, with only a few nodes used in the computation, the FEM-Newmark gives the identical results to other numerical methods, such as the shooting method and experiments. Moreover, the proposed model can offer proper and convenient approach for numerical calculations, and promote design of MEMS devices.     

RF MEMS压控振荡器的研制及相位噪声特性研究

利用RF MEMS可变电容作为频率调节元件,制备了中心频率为2 GHz的MEMS VCO器件.RF MEMS可变电容采用凹型结构,其控制极板与电容极板分离,并采用表面微机械工艺制造,在2 GHz时的Q值最高约为38.462.MEMS VCO的测试结果表明,偏离2.007 GHz的载波频率100kHz处的单边带相位噪声为-107 dBc/Hz,此相位噪声性能优于他们与90年代末国外同频率器件.并与采用GaAs超突变结变容二极管的VCO器件进行了比较,说明由于集成了RF MEMS可变电容,使得在RF MEMS可变电容的机械谐振频率近端时,MEMS VCO的相位噪声特性发生了改变.