RF MEMS开关的设计与制作

论文摘要

随着MEMS技术在20世纪晚期的进步,已使得设计和制造RF MEMS开关成为可能。与半导体开关相比,MEMS开关的损耗低、隔离度高和功率处理能力强。随着独立衬底的MEMS开关研究的深入,已在性能和价格两个方面取得惊人的进步,MEMS的微波器件及系统已经出现在市场上。本论文提出了基于单晶硅梁的扭转摆结构RF MEMS开关。开关的梁采用无应力的单晶硅制作,可以解决开关中由于残余应力造成的变形问题;开关的机械部分是一种翘板结构（即扭转摆）,可以解决传统开关的回复力不足引起的触点粘连的问题。论文的主要工作有:1.论文首先分析了现有的开关的优点和缺点,在国内首先提出了基于单晶硅的扭转摆结构的开关,对于单晶硅的扭摆结构作了模态的分析,并且对其静力学和动力学特性作了相应的理论建模,为开关的设计提供了理论依据。2.论文提出了设计基于单晶硅扭转摆结构的两种不同驱动方式的开关:静电驱动开关和电磁驱动开关。对于静电驱动开关采用扭转摆结构可以降低其驱动电压,设计的开关驱动电压小于5V,克服传统开关回复力不足而造成的触点粘结问题。电磁驱动开关采用双线圈的推拉式驱动,可以降低驱动电流降低功耗,同时保证比较大的驱动力（大于25μN）。论文同时对于开关的结构设计和优化作了详细的讨论,并对于其电学特性作了分析,设计优化了共面波导传输线,利用AnsoftHFSS仿真开关的微波特性,静电驱动开关在40GHz时,隔离度优于-20dB,电磁驱动开关在40GHz时,隔离度优于-40dB。3.论文设计了开关的制造工艺流程并进行流片。设计了静电驱动开关的整体工艺流程和具体的版图,并设计了电磁驱动开关的电磁驱动部分的整体工艺和版图。研究讨论了开关制造中的ICP刻蚀、牺牲层、互联线和体硅腐蚀等关键工艺,并制造了一台可以用于牺牲层释放的二氧化碳超临界干燥释放设备。4.对于开关测试流片结果和出现的问题进行了分析讨论,静电驱动开关在20GHz时,隔离度为-45dB;并对于超临界释放干燥设备中密封的问题和释放结果作了分析和讨论。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 课题研究背景
• 1.1.1 MEMS及RF MEMS技术
• 1.1.2 RF MEMS开关的研究意义
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 悬臂梁结构开关的研究现状
• 1.2.2 桥膜式结构开关的研究现状
• 1.2.3 扭转摆式结构开关的研究现状
• 1.2.4 开关研究现状总结
• 1.3 研究目标
• 1.4 研究内容
• 第二章 RF MEMS开关的理论研究和设计优化
• 2.1 扭转摆式单晶硅梁的力学模型
• 2.1.1 有限元模态分析
• 2.1.2 梁的静力学特性分析
• 2.1.3 梁的动力学特性分析
• 2.2 静电驱动RF MEMS开关的设计仿真
• 2.2.1 RF MEMS开关的力学模型
• 2.2.2 开关的结构优化设计
• 2.2.3 RF MEMS开关的电磁模型
• 2.2.4 共面波导（CPW）传输线的设计及开关微波特性的仿真
• 2.3 电磁驱动RF MEMS开关的开关设计仿真
• 2.3.1 电磁驱动开关的力学模型
• 2.3.2 开关的结构设计优化
• 2.3.3 开关的电磁学模型
• 2.3.4 共面波导的设计及开关微波特性的仿真
• 2.4 本章小结
• 第三章 RF MEMS开关工艺的研究
• 3.1 整体工艺流程设计
• 3.1.1 静电驱动RF MEMS开关的工艺流程
• 3.1.2 电磁驱动RF MEMS开关驱动部分的工艺流程
• 3.2 开关版图设计
• 3.2.1 静电驱动RF MEMS开关的版图
• 3.2.2 电磁驱动RF MEMS开关的版图
• 3.3 开关关键工艺的研究
• 3.3.1 ICP刻蚀单晶硅工艺
• 3.3.2 牺牲层工艺
• 3.3.3 互联线的制作
• 3.3.4 体硅刻蚀工艺
• 3.4 超临界干燥释放设备的研制
• 3.5 本章小结
• 第四章 实验结果及分析
• 4.1 开关流片的结果
• 4.1.1 静电驱动RF MEMS开关照片及开关的测试
• 4.1.2 电磁驱动RF MEMS开关驱动结构照片
• 4.2 超临界干燥释放设备的实验验证
• 4.3 本章小结
• 第五章 结论
• 5.1 结论
• 5.2 对进一步研究工作的展望
• 参考文献
• 硕士期间发表的文章和专利
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表