電容式RF MEMS開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)與性能研究.pdf

1、電容式RF MEMS開(kāi)關(guān)作為重要的MEMS器件之一，與傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)器件相比具有很多優(yōu)點(diǎn)，目前越來(lái)越受到人們的關(guān)注。但是電容式RF MEMS開(kāi)關(guān)普遍存在著驅(qū)動(dòng)電壓高、固有頻率低的缺點(diǎn)。本文利用軟件IntelliSuite設(shè)計(jì)了三種懸臂梁結(jié)構(gòu)的電容式RF MEMS開(kāi)關(guān)，對(duì)影響開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電壓和固有頻率的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了研究和優(yōu)化，并通過(guò)測(cè)試開(kāi)關(guān)的I-V和C-V特性，對(duì)開(kāi)關(guān)的性能和失效進(jìn)行了分析。
　　 本文設(shè)計(jì)了直拉形、斜拉形、彎曲形三種懸

2、臂梁結(jié)構(gòu)的電容式RF MEMS開(kāi)關(guān)，模擬仿真結(jié)果表明：影響直拉形開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電壓主要結(jié)構(gòu)參數(shù)是橋膜厚度以及橋與介質(zhì)層之間的間距，橋膜厚度越小，間距越小，則驅(qū)動(dòng)電壓越小，最低為5V；影響固有頻率的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要是橋膜厚度和長(zhǎng)度，橋膜厚度越大，長(zhǎng)度越大，則開(kāi)關(guān)固有頻率越高，最高為6.0×105Hz。影響斜拉形開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電壓和固有頻率的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要是斜拉長(zhǎng)度和驅(qū)動(dòng)電極面積；斜拉長(zhǎng)度越大，驅(qū)動(dòng)電極面積越大，則開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電壓越小，最低為3V;斜拉長(zhǎng)度越小，

3、驅(qū)動(dòng)電極面積越大，則開(kāi)關(guān)固有頻率越高，最高為3.0×105Hz;彎曲形電容式RFMEMS開(kāi)關(guān)的特點(diǎn)是橋膜具有鉸鏈結(jié)構(gòu)，彈性系數(shù)比較小，驅(qū)動(dòng)電壓在3V～9V之間，固有頻率一般為1.0×105～1.5×105Hz。開(kāi)關(guān)I-V測(cè)試結(jié)果顯示，直拉形開(kāi)關(guān)、斜拉形開(kāi)關(guān)、彎曲形開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)電壓分別為20V、1OV、5V。C-V測(cè)試結(jié)果顯示，開(kāi)關(guān)的關(guān)態(tài)電容在6.0×10-12F左右，開(kāi)態(tài)電容在1.5×10-11F左右，開(kāi)關(guān)的電容比很小，性能不好，開(kāi)關(guān)存在

4、失效現(xiàn)象。光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡觀察開(kāi)關(guān)表面形貌，結(jié)果表明開(kāi)關(guān)失效有三種：絕緣介質(zhì)層失效、粘附失效、性能退化失效。引起失效的因素主要有兩個(gè)：一是材料結(jié)構(gòu)中殘余應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)介質(zhì)層斷裂、脫落，以及懸臂梁結(jié)構(gòu)斷裂、扭轉(zhuǎn)變形等，可以選擇熱膨脹系數(shù)相匹配的材料、優(yōu)化開(kāi)關(guān)制造工藝，以減小結(jié)構(gòu)中殘余應(yīng)力；二是表面作用力的影響，開(kāi)關(guān)微結(jié)構(gòu)表面之間存在毛細(xì)力、范德華力以及靜電力，會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)發(fā)生粘附失效，采用非親水性材料，增加表面粗糙度，減少表面殘余電荷，