可重構(gòu)MEMS微波功率耦合器的設(shè)計(jì)及其可靠性研究.pdf

1、微波功率耦合器廣泛地應(yīng)用在軍用和民用微波通訊領(lǐng)域。傳統(tǒng)的微波功率耦合器的耦合度是固定的，所以本文提出了一種耦合度可變的可重構(gòu)MEMS微波功率耦合器，并完成了該可重構(gòu)MEMS微波功率耦合器的模擬、設(shè)計(jì)與制備。由于MEMS器件中加入了可動(dòng)的MEMS梁結(jié)構(gòu)，微觀效應(yīng)造成的可靠性問(wèn)題成為MEMS器件設(shè)計(jì)中最難解決的關(guān)鍵問(wèn)題。針對(duì)這一問(wèn)題，本文還對(duì)MEMS梁的可靠性問(wèn)題進(jìn)行了一系列研究。本文的主要研究?jī)?nèi)容及其創(chuàng)新點(diǎn)包括:
　　(1)基于Ga

2、As MMIC工藝，設(shè)計(jì)了一種可重構(gòu)MEMS微波功率耦合器。利用HFSS優(yōu)化設(shè)計(jì)后的耦合器中心頻率為35GHz，在35GHz處可實(shí)現(xiàn)7.989dB和10.62dB兩種不同的耦合度。在30到40GHz頻率范圍內(nèi)，該耦合器在兩種狀態(tài)下的S11小于-15dB，隔離度大于15dB。以上內(nèi)容的創(chuàng)新之處在于，該耦合器的副線上設(shè)計(jì)了一種帶有懸臂梁的雙端梁結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)耦合度的調(diào)節(jié);該耦合器與傳統(tǒng)的雙線定向耦合器在同等性能下基本具有相同的尺寸，相比與其它的

3、可重構(gòu)耦合器在尺寸上有明顯的優(yōu)勢(shì)。
　　(2)基于粘附會(huì)影響MEMS梁的振動(dòng)頻譜的原理，提出了利用振動(dòng)實(shí)驗(yàn)來(lái)檢測(cè)粘附問(wèn)題的方法。根據(jù)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，總結(jié)了三種常見(jiàn)的振動(dòng)頻譜對(duì)應(yīng)的粘附狀態(tài)，其中只有振動(dòng)頻譜中的諧振峰出現(xiàn)的頻率值與理論預(yù)測(cè)一致時(shí)，MEMS梁才是未粘附的，而其他情況下的MEMS梁都發(fā)生了部分或者全部的粘附，該結(jié)論與通過(guò)觀察對(duì)應(yīng)測(cè)試梁的表面形貌得出的結(jié)論是一致的;利用諧振法對(duì)不同干燥溫度的MEMS梁的粘附問(wèn)題進(jìn)行了檢

4、測(cè)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，提高干燥溫度有利于抑制粘附，這與相關(guān)的理論結(jié)果是一致的。以上內(nèi)容的創(chuàng)新之處在于本文提出的諧振法具有無(wú)損和適用性廣的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了SEM法和干涉法無(wú)法準(zhǔn)確檢測(cè)寬MEMS梁的粘附問(wèn)題的缺陷。
　　(3)基于考慮了等效抗扭剛度的簡(jiǎn)支邊界條件，建立了具有階躍錨區(qū)的雙端梁的振動(dòng)模型，并推導(dǎo)了該振動(dòng)模型的諧振頻率和振型函數(shù)的理論表達(dá)式;利用該振動(dòng)模型分析了楊氏模量和支撐梁的厚度對(duì)階躍錨區(qū)雙端梁諧振頻率的影響，分析結(jié)果表明，隨著

5、楊氏模量和支撐梁的厚度的減小，階躍錨區(qū)雙端梁的諧振頻率也會(huì)隨之減小;利用ANSYS軟件對(duì)階躍錨區(qū)雙端梁進(jìn)行了有限元仿真，該仿真結(jié)果與本文模型的預(yù)測(cè)結(jié)果的對(duì)比表明，在梁長(zhǎng)大于200μm時(shí)，本文中的振動(dòng)模型得到的諧振頻率的預(yù)測(cè)值和有限元仿真得到的值之間的誤差要小于5％。以上內(nèi)容的創(chuàng)新之處在于，本文中的振動(dòng)模型相比固支錨區(qū)的模型更有效的描述了階躍錨區(qū)雙端梁的諧振特性。
　　(4)為了方便殘余應(yīng)力的測(cè)量，設(shè)計(jì)了四向微旋轉(zhuǎn)梁殘余應(yīng)力測(cè)量結(jié)構(gòu)

6、，利用ANSYS軟件對(duì)四向微旋轉(zhuǎn)梁殘余應(yīng)力測(cè)量結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并基于GaAs MMIC工藝制備了四向微旋轉(zhuǎn)梁殘余應(yīng)力測(cè)量結(jié)構(gòu);實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，在GaAs MMIC工藝中，殘余應(yīng)力對(duì)MEMS梁的屈曲的影響很小。以上內(nèi)容的創(chuàng)新之處在于，相比于傳統(tǒng)的微旋轉(zhuǎn)梁殘余應(yīng)力測(cè)量結(jié)構(gòu)，該四向微旋轉(zhuǎn)梁殘余應(yīng)力測(cè)量結(jié)構(gòu)不需要制作標(biāo)尺來(lái)測(cè)量指針梁的偏轉(zhuǎn)位移，而且測(cè)量也更方便。
　　以上可重構(gòu)MEMS微波功率耦合器的設(shè)計(jì)方法填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)基于GaAs