阵列激励电极式RF MEMS电容开关的设计与数值分析

论文摘要

与传统的半导体开关相比,RF MEMS开关具有体积小、能耗小、插入损耗低,以及高隔离度等优点。在地面无线通讯技术、卫星通讯系统中具有广泛的应用前景。本课题主要研究内容是针对RF MEMS开关中由于介质层薄膜中的电荷吸附和注入,导致其可动金属梁被吸附或不能制动的开关早期失效情况,从开关的介质薄膜材料和开关结构双方面入手,进行整体改良:在材料改进方面,创建了一种MIS（金属-绝缘体-金属）结构模拟真实开关在down-state态时,“金属激励电极-氮化硅绝缘介质层-开关金属可动梁”三层材料在高电场力作用下紧贴后,其内部电荷的吸附及注入的情况。通过C-V测试平台对此MIS结构进行C-V测试,观察了我中心自行制备的氮化硅薄膜中电荷的注入吸附情况。并通过热处理、离子掺杂等半导体工艺时其原有的电荷注入情况得到改变。证明了通过氮化硅薄膜材料改良以延长开关使用寿命的可行性。在开关结构方面,提出了“吸附电极区非接触,接触停止区无电场”的开关结构设计方法。并给出了“阵列式”激励电极的设计方案,以及制备此种激励电极的工艺方案。同时,创建了一个具有此种激励电极的开关结构及具体尺寸。最后利用ANSYS有限元的力电耦合模拟分析方法,对此开关结构进行了静态、模态、谐振,以及瞬态分析,从理论上验证了此开关不仅能实现“吸附电极非接触”的设计理念,并且具有较理想的执行电压、工作频率以及开关速度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文主要工作
• 第二章 RF MEMS开关的介绍和分类
• 2.1 RF频谱
• 2.2 RF MEMS开关参数
• 2.3 RF MEMS开关的基本结构和工作原理
• 2.4 RF MEMS开关的分类
• 2.4.1 串联式与分流式
• 2.4.2 Out-of-plane式和In-plane式
• 2.5 本章小结
• 第三章 电容式RF MEMS开关的介质薄膜
• 3.1 介质层薄膜的功能及失效形式分析
• 3.2 氮化硅薄膜的制备设备
• 3.3 C-V测试
• 3.3.1 MIS结构的样品制备
• 3.3.2 C-V测试平台
• 3.3.3 C-V测试原理
• 3.3.4 C-V测试样品及结果
• 3.4 本章小结
• 第四章 阵列式激励电极的电容RF MEMS开关设计
• 4.1 经典改进方法
• 4.2 阵列式激励电极RF MEMS开关的设计
• 4.2.1 阵列式激励电极的设计
• 4.2.2 阵列式激励电极RF MEMS开关的初始结构尺寸
• 4.3 本章小结
• 第五章 开关的有限元模拟分析及结构改进
• 5.1 ANSYS有限元分析流程
• 5.2 静态分析
• 5.2.1 矩形结构的驱动电压模拟分析
• 5.2.2 单边矩形的阵列电极的驱动电压模拟分析
• 5.2.3 固支形结构阵列电极的驱动电压模拟分析
• 5.2.4 中部鹤腿形结构阵列电极的驱动电压模拟分析
• 5.2.5 开关单边阵列电极的完整结构驱动电压模拟分析
• 5.2.6 完整开关结构的驱动电压模拟分析
• 5.3 模态分析
• 5.4 谐振分析
• 5.4.1 空气阻尼比的估算
• 5.4.2 谐振模拟
• 5.5 瞬态分析
• 5.6 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文总结
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 发表论文
• 致谢