RF MEMS开关器件的制作及研究

论文摘要

RF MEMS开关是微波信号和高频信号控制的关键元素，与传统的FET场效应管和PIN二极管相比，RF MEMS开关具有低损耗、低功耗、高隔离度、与Si有良好的兼容性以及良好的线性度等优点，越来越受到人们的关注，已逐渐成为众人瞩目的研究热点。 本文分析了两类典型的电容式与接触式RF MEMS开关的工作原理及RFMEMS开关的机械—电磁模型，并根据开关的一维力学集总模型，推导了RFMEMS开关驱动电压的理论公式。 本文提出了一种新的串联电容式结构来提高电容式RF MEMS开关的电容率，新结构可解决在Down-state时，因可动金属板与介质膜接触不紧密而造成Cdown急剧减小的问题，而且为提高电容率增加了一个新的自由度，与普通结构相比，可将电容率提高一个数量级；提出了折叠蜿蜒的铰链支撑及多驱动电极结构，有效的降低了开关的驱动电压；提出了Ta2O5／SiN双层介质膜来满足介质膜对大介电常数与高击穿场强的要求。在全面考虑RF MEMS开关的微波特性与机械特性的基础上，探索最佳的结构、最佳的工艺流程、最佳的工艺参数、研制出两大类共五种RF MEMS开关器件并完成其性能测试。从DC-10GHz，所研制的这些开关插入损耗都小于-1dB，隔离度优于-20dB，其中串联电容式RF MEMS开关，在8GHz时，隔离度达-42dB。 本文利用HFSS软件模拟分析了金属板对串联电容式开关性能的影响，也模拟分析了悬臂梁RF MEMS开关的性能，从理论上进行了分析并与测试结果进行了对比验证。为了了解开关的驱动情况，本文利用ANSYS软件模拟了悬臂梁RF MEMS开关的驱动情况，很好的再现和验证了开关的驱动原理。

论文目录

• 研究成果声明
• 关于学位论文使用权的说明
• 中文摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 RF MEMS简介
• 1.2 RF MEMS开关的研究意义
• 1.3 RFMEMS开关的研究现状
• 1.3.1 研究历史、现状和发展趋势
• 1.3.2 国内和国外的研究情况
• 1.4 本论文的主要工作
• 1.4.1 本论文的主要目标
• 1.4.2 本论文的主要任务
• 第二章 RF MEMS开关的理论分析
• 2.1 RF MEMS开关的介绍
• 2.2 电容式RF-MEMS开关的工作原理
• 2.3 接触式RF-MEMS开关的工作原理
• 2.3.1 两端固定“桥”式RF-MEMS开关的工作原理
• 2.3.2 “悬臂梁”式RF-MEMS开关的工作原理
• 2.4 本章小结
• 第三章 RF MEMS开关的机械-电磁模型
• 3.1 RF MEMS开关的机械模型
• 3.1.1 两端固定梁的弹性系数
• 3.1.2 弹性系数k小的梁
• 3.1.3 悬臂梁的弹性系数
• 3.1.4 RF MEMS开关的驱动电压
• 3.2 RF MEMS开关的电磁模型
• 3.2.1 金属梁的阻尼系数/品质因数Q
• 3.2.2 RF MEMS开关的电容值
• 3.2.3 RF MEMS开关的电感
• 3.2.4 RF MEMS开关电阻
• 3.2.5 RF MEMS开关的损耗（LOSS）
• 3.3 本章小结
• 第四章 RF MEMS开关的优化设计及工艺制备
• 4.1 优化设计
• 4.1.1 微波考虑
• 4.1.2 材料考虑
• 4.1.3 机械考虑
• 4.1.4 工艺选取
• 4.2 开关的制作工艺
• 4.2.1 电容式RF MEMS开关的制作
• 4.2.2 接触式RF MEMS开关的制作
• 4.3 本章小结
• 第五章 RF MEMS开关的性能测试与数值模拟分析
• 5.1 RF MEMS开关测试前的准备
• 5.1.1 测试系统的建立
• 5.1.2 RF MEMS开关的封装
• 5.2 电容式RF MEMS开关的性能分析
• 5.2.1 普通电容式RF MEMS开关的性能分析
• 5.2.2 串联电容式RF MEMS开关的性能分析
• 5.2.3 多电极电容式RF MEMS开关的性能分析
• 5.3 接触式RF MEMS开关的性能分析
• 5.3.1 悬臂梁式RF MEMS开关的性能分析
• 5.3.2 两端固定“桥”式RF MEMS开关的性能分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论
• 6.1 论文的主要内容
• 6.2 论文的创新点
• 6.3 下一步工作设想
• 参考文献
• 致谢